JP6431121B2 - Method for producing aluminum-scandium alloy - Google Patents
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Description
本発明は、アルカリ金属からなる金属材料を加熱して蒸発させ、これによって発生した金属蒸気を、酸化スカンジウムとアルミニウムに反応させることによってアルミニウム−スカンジウム合金を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an aluminum-scandium alloy by heating and evaporating a metal material made of an alkali metal, and reacting a metal vapor generated thereby with scandium oxide and aluminum.
スカンジウムの合金や化合物は、工業分野において新素材として注目されている一方で、スカンジウム（酸化スカンジウム）を高濃度で含む鉱石が希少であることに加え、上述のように、この鉱石に含まれる酸化スカンジウムを還元する手段についての研究開発が十分でなく、その結果として製造コストが高いという問題がある。 While scandium alloys and compounds are attracting attention as new materials in the industrial field, in addition to the fact that ores containing scandium (scandium oxide) at high concentrations are rare, as described above, the oxidation contained in these ores There is a problem that research and development on means for reducing scandium is not sufficient, and as a result, manufacturing costs are high.
特に、スカンジウムとアルミニウムとの合金（Al3Sc）は、重さがアルミニウムと同じ
く軽量であり、チタンと同等の靭性を有し、セラミックスと同等の硬さを有するといった特性上、あらゆる分野への応用が期待されている。例えば、航空機の材料や、スポーツ用品の材料としての利用が期待されている。
In particular, scandium-aluminum alloy (Al 3 Sc) is as lightweight as aluminum, has the same toughness as titanium, and has the same hardness as ceramics. Application is expected. For example, it is expected to be used as a material for aircraft and sports equipment.
酸化スカンジウムを還元する手段として、従来は、原料である酸化スカンジウムをフッ化することによってフッ化スカンジウムを得て、このフッ化スカンジウムにカルシウム蒸気を反応させて還元するという手段を採用していた。この手段を反応式で表すと、以下のとおりである。
Sc2O3 + 6NH4HF2 → 2ScF3 + 6NH4F + 3H2O
2ScF3 + 3Ca → 2Sc + 3CaF2
As a means for reducing scandium oxide, conventionally, a means has been employed in which scandium fluoride is obtained by fluorinating the raw material scandium oxide, and this scandium fluoride is reacted with calcium vapor to reduce it. This means is represented by the reaction formula as follows.
Sc 2 O 3 + 6NH 4 HF 2 → 2ScF 3 + 6NH 4 F + 3H 2 O
2ScF 3 + 3Ca → 2Sc + 3CaF 2
しかし、この技術では、フッ化工程を経なければならず、一部の生産国においては、使用したフッ酸（HF）等を未処理で河川に垂れ流すなどの行為が行われ、環境に重大な悪影響を及ぼすという問題があった。 However, with this technology, a fluorination process must be performed, and in some producing countries, the used hydrofluoric acid (HF), etc. is washed away into the river untreated, which is serious to the environment. There was a problem of adverse effects.
これらの問題を解決するために、スカンジウムの還元方法や、スカンジウムを含有する合金の製造方法について、次のような技術が提案されている。
特許文献１（特開２００７−２５４８２２）に記載の技術は、「スカンジウム含有化合物と、Ａｌ、Ｍｇ、ＣｕおよびＡｇから選択される１種以上の金属Ｘとからなる溶融原料に、金属還元剤Ｚの蒸気を接触させて、該スカンジウム含有化合物を熱還元することによりＸ−Ｓｃ−Ｚ合金を得る構成のスカンジウム含有合金の製造方法」に関するものである。
In order to solve these problems, the following techniques have been proposed for a method for reducing scandium and a method for producing an alloy containing scandium.
The technique described in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-254822) is described as follows: “A metal reducing agent Z is added to a molten raw material composed of a scandium-containing compound and one or more metals X selected from Al, Mg, Cu and Ag. And a method for producing a scandium-containing alloy having an X-Sc-Z alloy by thermally reducing the scandium-containing compound.
即ち、この技術では、加熱源として、外熱式電気炉（加熱装置２０）が用いられており、スカンジウム含有化合物、金属Ｘ及び金属還元剤Ｚが収容された密閉耐熱容器１２を、電気炉によって加熱する手段を採用している。
この技術によれば、フッ化工程を経ずに、原料である酸化スカンジウムを還元できるので、従来の還元手段に比べ、環境に対する負荷を軽減できるという効果がある。
That is, in this technique, an externally heated electric furnace (heating device 20) is used as a heating source, and the sealed heat-resistant container 12 containing the scandium-containing compound, the metal X, and the metal reducing agent Z is moved by the electric furnace. A heating means is adopted.
According to this technique, scandium oxide, which is a raw material, can be reduced without passing through a fluorination step, so that there is an effect that the burden on the environment can be reduced as compared with conventional reduction means.
一方で、電気炉を加熱手段とする特許文献１に係る技術の場合、密閉耐熱容器１２の全体を加熱することによって金属還元剤Ｚを加熱し蒸発させなければならず、加熱効率が悪く、エネルギーを大量に消費し、製造コストが高いという問題があった。 On the other hand, in the case of the technique according to Patent Document 1 in which an electric furnace is used as the heating means, the metal reducing agent Z must be heated and evaporated by heating the entire sealed heat-resistant container 12, and the heating efficiency is poor and energy is reduced. There is a problem that the manufacturing cost is high.
ところで、物質を加熱する手段として、マイクロ波を物質に照射する技術が知られており、特許文献１において、金属還元剤Ｚを効率よく加熱し蒸発させる手段として、マイク
ロ波加熱を用いる手段が考えられる。
By the way, a technique for irradiating a substance with microwaves is known as a means for heating the substance. In Patent Document 1, a means using microwave heating is considered as a means for efficiently heating and evaporating the metal reducing agent Z. It is done.
しかし、一般的に、金属はマイクロ波を反射するため、誘導加熱（導体に電磁誘導で電流を流して加熱する手段）のモードでしか加熱できない。そのため、金属が加熱蒸発してしまい、誘導加熱が継続できないという問題があった。また、マイクロ波帯の誘導加熱では、シングルモードしか使用できず、その誘導加熱の領域が狭いという問題もあった。
これらの問題から、例えば、金属を加熱することによって、その金属を連続的に蒸発させて金属蒸気を発生させようとする場合に、その加熱源として、マイクロ波を利用することができないという問題があった。
However, generally, since metal reflects microwaves, it can be heated only in the mode of induction heating (means for heating a conductor by passing an electric current through electromagnetic induction). Therefore, there is a problem that the metal is heated and evaporated and induction heating cannot be continued. Further, in the microwave band induction heating, only a single mode can be used, and there is a problem that the induction heating area is narrow.
From these problems, for example, when the metal is heated to continuously evaporate the metal to generate metal vapor, the microwave cannot be used as the heating source. there were.
即ち、仮に、特許文献１に係る技術の加熱源として、マイクロ波を用いたとしても、金属還元剤Ｚはマイクロ波を反射し、誘導加熱モードを用いない限りは加熱できない、即ち蒸気を発生できないという問題が残る。 That is, even if a microwave is used as the heating source of the technique according to Patent Document 1, the metal reducing agent Z reflects the microwave and cannot be heated unless the induction heating mode is used, that is, cannot generate steam. The problem remains.
そこで、本発明の課題は、少ないエネルギーかつローコストで、アルカリ金属の金属蒸気を発生させ、この金属蒸気を還元剤として酸化スカンジウムを還元し、このスカンジウムとアルミニウムの合金を得る方法について提案することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to propose a method for obtaining an alloy of scandium and aluminum by generating alkali metal metal vapor with low energy and low cost, reducing scandium oxide using this metal vapor as a reducing agent, and is there.
上記本発明の課題は、下記の手段により達成される。
１．金属材料とセラミックス体との混合体に、マイクロ波を照射して加熱し、前記金属材料を蒸発させることによって、金属蒸気を発生させ、
酸化スカンジウムとアルミニウムに、前記金属蒸気を反応させる構成であり、
前記セラミックス体が、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムであることを特徴とするアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
The object of the present invention is achieved by the following means.
1. A mixture of a metal material and a ceramic body is irradiated with microwaves and heated, thereby evaporating the metal material, thereby generating metal vapor,
It is a structure in which the metal vapor is reacted with scandium oxide and aluminum ,
The method for producing an aluminum-scandium alloy, wherein the ceramic body is zirconia, quartz, alumina, boron nitride, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or aluminum nitride .
２．請求項１に記載の方法が、真空下で行われることを特徴とするアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。 2. The method according to claim 1, wherein the method according to claim 1 is performed under vacuum.
３．前記金属材料が、カルシウム又はマグネシウムを含有する金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。 3. The method for producing an aluminum-scandium alloy according to claim 1 or 2, wherein the metal material is a metal containing calcium or magnesium.
４．前記酸化スカンジウムと前記アルミニウムにもマイクロ波を照射して、これらを加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。 4). The method for producing an aluminum-scandium alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein the scandium oxide and the aluminum are also irradiated with microwaves to heat them.
５．前記金属材料の形状が、粉末状、粒状及び／又は薄膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
5. The method for producing an aluminum-scandium alloy according to any one of claims 1 to 4, wherein the shape of the metal material is powdery, granular, and / or thin film.
６．前記金属材料の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４以下であることを特徴とする請求項５に記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
6). 6. The method for producing an aluminum-scandium alloy according to claim 5, wherein the length of the longest portion of the metal material is ¼ or less of the wavelength of the microwave ceramics to be irradiated.
７．前記混合体の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４の整数倍であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のアルミニウム
−スカンジウム合金の製造方法。
7). The length of the longest part of the mixture is an integral multiple of ¼ of the wavelength of the microwave ceramic to be irradiated. The aluminum-scandium alloy according to any one of claims 1 to 6, Production method.
８．前記混合体の周囲に断熱材を配置することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。 8). The method for producing an aluminum-scandium alloy according to any one of claims 1 to 7, wherein a heat insulating material is disposed around the mixture.
９．前記金属材料と前記セラミックス体とを混合して、前記混合体を作製することを更に含む、請求項１〜８のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
9 . The method for producing an aluminum-scandium alloy according to any one of claims 1 to 8 , further comprising producing the mixture by mixing the metal material and the ceramic body.
上記１に示す発明によれば、マイクロ波の照射によっても加熱することが困難であった金属材料であるが、金属材料とセラミックス体との混同体にマイクロ波を照射すれば、マイクロ波は混合体の一部となった金属にも吸収され、加熱することができる。この加熱により、金属材料の温度が沸点近くに達すれば、金属材料は蒸発（又は昇華）し、金属蒸気を発生させることができる。 According to the invention shown in 1 above, although it is a metal material that has been difficult to heat even by microwave irradiation, if microwaves are irradiated to a mixture of a metal material and a ceramic body, the microwaves are mixed. It is also absorbed by the metal that became part of the body and can be heated. When the temperature of the metal material reaches near the boiling point by this heating, the metal material evaporates (or sublimates), and metal vapor can be generated.
上記１に示す発明の効果を詳述すれば、次のとおりである。
従来、金属を加熱・蒸発させるためにマイクロ波を使用する場合には、アプリケータ（「加熱室」、特に「マイクロ波照射室」をいう。以下同じ。）内を、マイクロ波加熱としては一般的でない誘導加熱のモードにしなければならなかった。
The effect of the invention shown in the above 1 will be described in detail as follows.
Conventionally, when microwaves are used to heat and evaporate metals, the inside of an applicator (referred to as “heating chamber”, especially “microwave irradiation chamber”, hereinafter the same)) is generally used as microwave heating. It had to be in the mode of unintentional induction heating.
しかし、上記１に係る方法を使用すれば、金属材料とセラミックス体との混合体にマイクロ波を照射する構成であるため、誘導加熱に加えて、電場加熱も可能となることから、電磁波エネルギーの吸収が大きくなり、真空下では金属を効率よく加熱し、材料の状態が変わっても連続的に蒸発させることができる。即ち、マルチモードアプリケータを使って加熱できるようになる。シングルモードにおける電場強度が大きい場所でも、金属材料が少なくなったとしても電場により電磁波エネルギーを与え続けることができる。 However, if the method according to the above 1 is used, since the microwave irradiation is applied to the mixture of the metal material and the ceramic body, electric field heating is possible in addition to induction heating. Absorption is increased, and the metal can be efficiently heated under vacuum and can be continuously evaporated even if the state of the material changes. That is, it can be heated using a multi-mode applicator. Even in a place where the electric field strength in the single mode is high, even if the metal material is reduced, electromagnetic wave energy can be continuously applied by the electric field.
よって、上記１に示す発明によれば、アプリケータ種類を問わず、マイクロ波の照射により金属を加熱できるので、高効率かつ少ないエネルギーで金属蒸気を発生させることができる。
この金属蒸気の発生方法を用いることによって、少ないエネルギーかつローコストで、スカンジウム−アルミニウム合金を製造することができる。
更に、上記１に示す発明によれば、混合体を形成するセラミックス体として、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムを採用することで、混合体の加熱効率を安定化させることができる。
即ち、これらのセラミックス体は、耐熱性が高く、電磁波を透過し易い（電磁波に対する損失が少ない）ので、マイクロ波を照射することよるセラミックス体の崩壊・変形等を抑制できるので、加熱効率を安定させることができる。
更に、これらのセラミックスは、マイクロ波が照射されても、マイクロ波の出力や波長などに影響を与えず、金属材料の加熱のため最適に設定された条件を維持することができ、加熱効率を安定させることができる。
Therefore, according to the invention shown in the above 1, since the metal can be heated by microwave irradiation regardless of the type of applicator, metal vapor can be generated with high efficiency and low energy.
By using this metal vapor generation method, a scandium-aluminum alloy can be produced with low energy and low cost.
Furthermore, according to the invention described in 1 above, mixing is achieved by employing zirconia, quartz, alumina, boron nitride, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide or aluminum nitride as the ceramic body forming the mixture. The heating efficiency of the body can be stabilized.
In other words, these ceramic bodies have high heat resistance and are easy to transmit electromagnetic waves (less loss to electromagnetic waves), so that the ceramic body can be prevented from collapsing and deforming by irradiating microwaves, so that the heating efficiency is stable. Can be made.
Furthermore, these ceramics can maintain the optimally set conditions for heating the metal material without affecting the microwave output and wavelength even when irradiated with microwaves, and improving the heating efficiency. It can be stabilized.
上記２に示す発明によれば、真空下で、混合体にマイクロ波を照射する構成であるため、発生させる金属蒸気の分圧（大気中における金属蒸気が占める割合）を高めることができ、これにより、酸化スカンジウムやアルミニウムとの反応性を高めることができる。
更に、真空下で金属蒸気を発生させて酸化スカンジウムやアルミニウムを還元することで、反応前は、金属材料の酸化を防止又は抑制することができ、反応後は、スカンジウム−アルミニウム合金が再び酸化することを防止又は抑制することができる。
なお、本発明において「真空」とは、大気圧よりも圧力が低い状態をいい、気圧による限定はない。
According to the invention shown in 2 above, since the mixture is irradiated with microwaves under vacuum, the partial pressure of metal vapor to be generated (ratio of metal vapor in the atmosphere) can be increased. Therefore, the reactivity with scandium oxide or aluminum can be enhanced.
Furthermore, by generating metal vapor under vacuum to reduce scandium oxide and aluminum, the oxidation of the metal material can be prevented or suppressed before the reaction, and the scandium-aluminum alloy is oxidized again after the reaction. This can be prevented or suppressed.
In the present invention, “vacuum” refers to a state where the pressure is lower than atmospheric pressure, and there is no limitation by atmospheric pressure.
上記３に示す発明によれば、金属材料としてカルシウム又はマグネシウムを採用することで、発生するカルシウム又はマグネシウムの金属蒸気は、酸化スカンジウムとの反応のなかで還元剤の役割を果たし、酸化スカンジウムを還元することができる。また、これらの反応よって、アルミニウム−スカンジウム合金（Al3Sc）を得ることができる。
Sc2O3(s)＋3Ca(g)＋6Al(s) → 2Al3Sc(s)＋3CaO(s)
Sc2O3(s)＋3Mg(g)＋Al(s) → Sc2-Al(s)＋3MgO(s)
（上記反応式において、各物質の状態が、(s)は固体、(g)は気体であることを示している。以下、同じ。）
尚、カルシウム又はマグネシウムを含有する金属とは、カルシウム又はマグネシウムの純金属、カルシウム又はマグネシウムを含む化合物である合金、その他不純物を含むカルシウム又はマグネシウムの金属等を示す。
According to the invention described in 3 above, by using calcium or magnesium as the metal material, the generated metal vapor of calcium or magnesium serves as a reducing agent in the reaction with scandium oxide and reduces scandium oxide. can do. Moreover, an aluminum-scandium alloy (Al 3 Sc) can be obtained by these reactions.
Sc 2 O 3 (s) + 3Ca (g) + 6Al (s) → 2Al 3 Sc (s) + 3CaO (s)
Sc 2 O 3 (s) + 3Mg (g) + Al (s) → Sc 2 -Al (s) + 3MgO (s)
(In the above reaction formula, the state of each substance indicates that (s) is solid and (g) is gas. The same applies hereinafter.)
The metal containing calcium or magnesium means a pure metal of calcium or magnesium, an alloy that is a compound containing calcium or magnesium, a metal of calcium or magnesium containing other impurities, or the like.
上記４に示す発明によれば、金属材料のみならず、酸化スカンジウムとアルミニウムにもマイクロ波を照射して、これらも加熱することで、金属蒸気との反応性を高めることができる。 According to the invention shown in 4 above, not only the metal material but also scandium oxide and aluminum are irradiated with microwaves, and these are also heated, whereby the reactivity with the metal vapor can be enhanced.
上記６に示す発明によれば、金属材料の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４以下とすることで、金属材料とセラミックス体からなる混合体は共振し、金属材料へのマイクロ波が吸収されやすい条件となる。これにより、金属材料は効率よく加熱され、金属蒸気を発生させることができる。
上述したセラミックスの波長は、λ0／√ε1（λ0：真空中の電磁波の波長、ε1：セラミックスの誘電率）から導出される。
According to the invention shown in 6 above, the mixture of the metal material and the ceramic body resonates by setting the length of the longest portion of the metal material to ¼ or less of the wavelength of the microwave to be irradiated. It becomes a condition that the microwave to the metal material is easily absorbed. Thereby, a metal material can be heated efficiently and a metal vapor | steam can be generated.
The wavelength of the ceramic described above is derived from λ 0 / √ε 1 (λ 0 : wavelength of electromagnetic wave in vacuum, ε 1 : dielectric constant of ceramic).
ここで、金属材料の最長部分とは、例えば、直方体であれば最も長い対角線、球体であれば直径、歪な球状体（粒状体）であれば最も長い直径、板状体や薄膜であれば最も長い辺又は対角線、円筒形であれば直径又は辺のうち長い方であり、換言すると、金属材料に２点以上で外接する真球のうち最大のものの直径 を指し示すものとする。 Here, the longest part of the metal material is, for example, the longest diagonal line in the case of a rectangular parallelepiped, the diameter in the case of a sphere, the longest diameter in the case of a distorted sphere (granular body), and the plate or a thin film. The longest side or diagonal line, if cylindrical, is the longer of the diameters or sides. In other words, it indicates the diameter of the largest true sphere that circumscribes the metal material at two or more points.
上記５に示す発明は、金属材料の個々の形状を、粉末状、粒状及び／又は薄膜と規定しており、即ち、粉末状、粒状及び／又は薄膜の形状のうち、１の形状を単独で又は２以上の形状を混合して用いてもよい構成 である。
この構成とすることで、セラミックス体と混合し易くなり、また混合具合を均一又は不均一等任意に調整しやすくなり、混合体の製作を容易化することができる。更に、これら
の形状を採用することにより、上記５に示す発明と同様、共振により金属材料へマイクロ波が吸収されやすい条件となり、加熱効率を高めることができる。
なお、粒状の形状として、球状や歪な球状体の形状を含むものとする（以下、同じ）。
Invention shown in the 5, the individual shape of the metal material, a powder, are defined as particulate and / or thin film, i.e., powdered, of the shape of the particulate and / or thin film, the first shape It is the structure which may be used individually or in mixture of 2 or more shapes.
With this configuration, it becomes easy to mix with the ceramic body, and it becomes easy to arbitrarily adjust the mixing condition, such as uniform or non-uniform, so that the production of the mixed body can be facilitated. Furthermore, by adopting these shapes, as in the case of the invention shown in 5 above, it becomes a condition that microwaves are easily absorbed into the metal material by resonance, and the heating efficiency can be increased.
The granular shape includes a spherical shape and a distorted spherical shape (hereinafter the same).
上記７に示す発明によれば、混合体の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４の整数倍とすることで、混合体がアンテナ共振するため、マイクロ波エネルギーを混合体内に閉じ込めることができ、加熱効率を高めることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, since the length of the longest portion of the mixture is an integral multiple of 1/4 of the wavelength of the microwave to be irradiated, the mixture resonates with the antenna. Energy can be confined in the mixture, and heating efficiency can be increased.
上記８に示す発明によれば、マイクロ波を混合体に照射したことによって発生した熱を、断熱材によって閉じ込めるので、混合体の加熱効率を高めることができ、結果として少ないエネルギーで金属蒸気を発生させることができる。 According to the invention shown in the above 8, since the heat generated by irradiating the mixture with microwaves is confined by the heat insulating material, the heating efficiency of the mixture can be increased, and as a result, metal vapor is generated with less energy. Can be made.
上記９に示す発明は、上記１〜８に記載の方法であって、更に、金属材料とセラミックス体とを混合して、混合体を作製する工程を含む構成である。この構成により、混合体を容易に作製することができる。 The invention shown in 9 is the method described in 1 to 8 above, and further includes a step of mixing a metal material and a ceramic body to produce a mixture. With this configuration, the mixture can be easily manufactured.
本発明は、金属材料を加熱して蒸発させることによって金属蒸気を発生し、この金属蒸気を酸化スカンジウム及びアルミニウムと反応させ、アルミニウム−スカンジウム合金を製造する方法に関するものである。
上述のとおり、金属材料を加熱して金属蒸気を発生させるために、従来は電気炉等を用いて加熱室ごと加熱することで金属材料を加熱していた。しかし、この加熱手段では、加熱が必要ではない他の部分まで加熱する必要があり、更に、加熱源として使用する電気炉は多くのエネルギーを消費するため、加熱効率が悪いという問題があった。
The present invention relates to a method for producing an aluminum-scandium alloy by generating metal vapor by heating and evaporating a metal material, and reacting the metal vapor with scandium oxide and aluminum.
As described above, in order to heat the metal material and generate the metal vapor, conventionally, the metal material is heated by heating the entire heating chamber using an electric furnace or the like. However, with this heating means, it is necessary to heat up to other parts that do not require heating, and furthermore, since the electric furnace used as a heating source consumes a lot of energy, there is a problem that the heating efficiency is poor.
本発明者らは、加熱効率を改善するため、マイクロ波加熱を使用する手段を発想した。
マイクロ波加熱とは、照射されたマイクロ波が、誘電損失により物質に吸収され、そのエネルギーが熱になることによる加熱手段である。外部熱源による加熱と異なり、熱伝導や対流の影響がほとんど無視できること、特定の物質のみを選択的かつ急速・均一に加熱できること、などの特徴がある。
The inventors have conceived a means of using microwave heating to improve heating efficiency.
Microwave heating is a heating means in which irradiated microwaves are absorbed by a substance due to dielectric loss and its energy becomes heat. Unlike heating by an external heat source, the effects of heat conduction and convection are almost negligible, and only specific substances can be selectively, rapidly and uniformly heated.
しかし、金属はマイクロ波を反射するため、マイクロ波が金属に吸収されないので、従来の技術では、金属をマイクロ波加熱によって蒸発させることはできず、金属蒸気を得ることはできなかった。 However, since the metal reflects the microwave, the microwave is not absorbed by the metal, so that the metal cannot be evaporated by the microwave heating and the metal vapor cannot be obtained by the conventional technique.
そこで、本発明者らは、金属材料とセラミックスとを混合し、この混合体に真空下でマイクロ波を照射することで、混合体の一部となった金属材料にもマイクロ波が吸収され、この金属材料が発熱することを見出した。この加熱により、温度が金属材料の沸点（真空下では、沸点よりも低い温度）近くに達すれば、金属材料は蒸発（又は昇華）し、金属蒸気を発生させることができる。 Therefore, the present inventors mixed a metal material and ceramics, and by irradiating the mixture with microwaves under a vacuum, the microwaves were also absorbed by the metal material that became part of the mixture, It has been found that this metal material generates heat. When the temperature reaches near the boiling point of the metal material (a temperature lower than the boiling point under vacuum) by this heating, the metal material is evaporated (or sublimated), and metal vapor can be generated.
なお、本発明で用いられるマイクロ波には、周波数３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電磁波が含まれるが、一般的に使用可能な周波数の範囲は、９００ＭＨｚ〜５．８ＧＨｚといえる。なおまた、本発明における真空又は真空下とは、大気圧よりも圧力が低い状態をいい、気圧に限定はない。 Note that the microwaves used in the present invention include electromagnetic waves having a frequency of 300 MHz to 3 THz, but a generally usable frequency range is 900 MHz to 5.8 GHz. In addition, the vacuum or under vacuum in the present invention means a state where the pressure is lower than the atmospheric pressure, and the atmospheric pressure is not limited.
これらの作用効果は、金属材料とセラミックス体との混合体にマイクロ波を照射すると、金属材料への電磁波エネルギーの吸収が大きくなるためと考えられ、真空下では金属を効率よく加熱し、蒸発させることができると考えられる。 These effects are thought to be due to the absorption of electromagnetic wave energy into the metal material when the mixture of the metal material and the ceramic body is irradiated with microwaves. The metal is efficiently heated and evaporated under vacuum. It is considered possible.
これらの作用効果を換言すれば、金属材料とセラミックス体との混合体にマイクロ波を照射すれば、誘導加熱に加えて、電場加熱も可能となることから、電磁波エネルギーの吸収が大きくなり、真空下では金属を効率よく加熱し、金属材料の状態が変わっても連続的に蒸発させることができる。即ち、マルチモードアプリケータを使って加熱できるようになる。シングルモードにおける電場強度が大きい場所でも、金属材料が少なくなったとしても電場により電磁波エネルギーを与え続けることができる。
よって、アプリケータ種類を問わず、マイクロ波の照射により金属を加熱できるので、高効率かつ少ないエネルギーで金属蒸気を発生させることができる。
In other words, if microwaves are applied to a mixture of a metal material and a ceramic body, in addition to induction heating, electric field heating is also possible. Below, the metal can be heated efficiently and continuously evaporated even if the state of the metal material changes. That is, it can be heated using a multi-mode applicator. Even in a place where the electric field strength in the single mode is high, even if the metal material is reduced, electromagnetic wave energy can be continuously applied by the electric field.
Therefore, regardless of the type of applicator, the metal can be heated by microwave irradiation, so that metal vapor can be generated with high efficiency and low energy.
本発明において、金属蒸気とは、気体状態になった原子の他、マイクロ波により励起された原子プラズマやラジカルに励起された原子を含むものとする。 In the present invention, the metal vapor includes atoms that are in a gaseous state, atoms that are excited by microwaves, and atoms that are excited by radicals.
本発明に係る混合体１について、詳述する。
図１に示すとおり、混合体１は、金属材料１１と、セラミックス体１２とを混合した集合体である。
The mixture 1 according to the present invention will be described in detail.
As shown in FIG. 1, the mixture 1 is an aggregate obtained by mixing a metal material 11 and a ceramic body 12.
金属材料１１は、本発明における被蒸発物質であり、蒸気を発生させようとする固体の金属である。金属材料１１は、これ単体である場合では、マイクロ波を表面で反射して吸収しないので、マイクロ波を照射しても十分に加熱されない。 The metal material 11 is a substance to be evaporated in the present invention, and is a solid metal that attempts to generate steam. In the case where the metal material 11 is a single substance, the microwave is not reflected and absorbed by the surface, and therefore, the metal material 11 is not heated sufficiently even when irradiated with the microwave.
金属材料１１を形成する金属は、アルカリ金属である。
特に、金属材料１１を加熱して発生させる金属蒸気１１’によって、酸化物を還元するためには、金属材料１１は還元剤となりうるものを採用することが好ましい。例えば、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム又はカリウムなどのアルカリ金属を中心とした材料を挙げることができる。
特に、酸化スカンジウムの還元又はアルミニウム−スカンジウム合金の製造を目的とする本発明においては、還元剤の役割を果たすカルシウム又はマグネシウムを金属材料１１とすることが好ましい。
The metal forming the metal material 11 is an alkali metal.
In particular, in order to reduce the oxide by the metal vapor 11 ′ generated by heating the metal material 11, it is preferable to employ the metal material 11 that can be a reducing agent. For example, the material centering on alkali metals, such as calcium, magnesium, sodium, or potassium, can be mentioned.
In particular, in the present invention aiming at reduction of scandium oxide or production of an aluminum-scandium alloy, it is preferable to use calcium or magnesium serving as a reducing agent as the metal material 11.
金属材料１１の形状に限定はなく、粉末状、粒状（球状や歪な球状体を含む。）、直方体、薄膜又はコイル状など如何なる形状であってもよい。ただし、セラミックス体１２との混合のし易さを考慮すれば、粉末状又は粒状の形態であることが好ましい。また、金属材料は、板状の形態で上市されることが多く、これを細かく切り刻んで薄膜又は板状の形状で使用してもよいし、これを渦巻状に巻いてコイル形状で使用してもよい。
金属材料１１の大きさについても限定はない。ただし、セラミックス体１２との混合のし易さを考慮して、大きさの揃った粉末状、粒状、球状、直方体状などの金属材料１１を使用することが好ましい。
The shape of the metal material 11 is not limited, and may be any shape such as powder, granular (including spherical and distorted spherical bodies), rectangular parallelepiped, thin film, or coil. However, considering the ease of mixing with the ceramic body 12, it is preferably in the form of powder or granules. In addition, metal materials are often marketed in the form of a plate, which may be finely chopped and used in a thin film or plate shape, or may be wound in a spiral shape and used in a coil shape. Also good.
There is no limitation also about the magnitude | size of the metal material 11. FIG. However, in consideration of ease of mixing with the ceramic body 12, it is preferable to use a metal material 11 having a uniform size such as powder, granule, sphere, or cuboid.
金属材料１１の大きさは、金属材料の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４以下であることが好ましい。かかる構成より、金属材料とセラミックス体からなる混合体は共振し、金属材料へのマイクロ波が吸収されやすい条件となり、金属材料は効率よく加熱され、金属蒸気を発生させることができる。 The size of the metal material 11 is preferably such that the length of the longest portion of the metal material is ¼ or less of the wavelength of the microwave ceramics to be irradiated. With this configuration, the mixture composed of the metal material and the ceramic body resonates, and the microwave is easily absorbed into the metal material, and the metal material can be efficiently heated to generate metal vapor.
なお、金属材料の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４にすると、マイクロ波に対してアンテナとなるため好ましくない。
なおまた、セラミックスの波長は、λ0／√ε1（λ0：真空中の電磁波の波長、ε1：セ
ラミックスの誘電率）から導出される。
Note that it is not preferable to set the length of the longest part of the metal material to ¼ of the wavelength of the microwave ceramics to be irradiated because the antenna becomes an antenna with respect to the microwave.
The wavelength of the ceramic is derived from λ 0 / √ε 1 (λ 0 : wavelength of electromagnetic wave in vacuum, ε 1 : dielectric constant of ceramic).
ここで、金属材料の最長部分とは、例えば、直方体であれば最も長い対角線、球体であれば直径、歪な球状体（粒状体）であれば最も長い直径、板状体や薄膜であれば最も長い辺又は対角線、円筒形であれば直径又は辺のうち長い方であり、換言すると、金属材料に２点以上で外接する真球のうち最大のものの直径を指し示すものとする。 Here, the longest part of the metal material is, for example, the longest diagonal line in the case of a rectangular parallelepiped, the diameter in the case of a sphere, the longest diameter in the case of a distorted sphere (granular body), and the plate or a thin film. If it is the longest side or diagonal line, or cylindrical, it is the longer of the diameters or sides. In other words, it indicates the diameter of the largest true sphere that circumscribes the metal material at two or more points.
例えば、金属材料１１が粉末状や粒状であれば、その形状が球形（歪な球形を含む。）となる場合が多い。この場合は、その形状の最長径、即ち、球体であれば直径、歪な球状体であれば最も長い径の長さが、金属材料の最長部分に該当する。 For example, if the metal material 11 is powdery or granular, the shape is often spherical (including distorted spherical). In this case, the longest diameter of the shape, that is, the diameter in the case of a sphere and the longest diameter in the case of a distorted sphere correspond to the longest portion of the metal material.
例えば、金属材料１１が薄膜等の板状の場合、その平面形状が、三角形である場合には最長辺の長さが、その平面形状が、四角形以上の多角形である場合には最長となる対角線の長さが、それぞれ金属材料の最長部分に該当する。 For example, when the metal material 11 is in the form of a plate such as a thin film, the longest side is the longest when the planar shape is a triangle, and the longest when the planar shape is a quadrilateral or more polygon. The length of the diagonal line corresponds to the longest part of the metal material.
セラミックス体１２は、無機物を加熱処理し焼き固めた焼結体である。誘電体の特性を有し、耐熱性を有するセラミックスは、電磁波に対する誘電損失が小さく、マイクロ波を透過させるので、マイクロ波を照射しても十分に加熱されない。 The ceramic body 12 is a sintered body in which an inorganic material is heat-treated and baked. Ceramics having dielectric properties and heat resistance have low dielectric loss with respect to electromagnetic waves and transmit microwaves, so that they are not sufficiently heated even when irradiated with microwaves.
セラミックス体１２として、耐熱性のあるジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムを例示することができる。これらの材料は、耐熱性に優れており、電磁波を透過し易いことから、電磁波に対する損失も小さいためである。換言すれば、これらのセラミックスは、マイクロ波が照射されても、これに反応せず、ターゲットの加熱に最適な条件で照射されたマイクロ波に影響を及ぼさない。 Examples of the ceramic body 12 include heat-resistant zirconia, quartz, alumina, boron nitride, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or aluminum nitride. This is because these materials are excellent in heat resistance and easily transmit electromagnetic waves, so that the loss with respect to the electromagnetic waves is small. In other words, even when these ceramics are irradiated with microwaves, they do not react to the microwaves and do not affect the microwaves irradiated under the optimum conditions for heating the target.
セラミックス体１２の形態に限定はなく、粉末状、粒状（球状や歪な球状体の形状を含む。以下同じ。）、直方体状など如何なる形状であってもよい。ただし、金属材料１１との混合のし易さを考慮して、粉末状又は粒状の形態であることが好ましい。中でも、セラミックボールとも呼称させる球体のセラミックスを採用することが好ましい。
また、セラミックス体１２の大きさについても限定はない。ただし、金属材料１１との混合のし易さを考慮して、大きさの揃った粉末状、粒状、球状、立方体状などのセラミックス体１２を使用することが好ましい。
The form of the ceramic body 12 is not limited, and may be any shape such as powder, granular (including spherical and distorted spherical bodies, the same applies hereinafter), and a rectangular parallelepiped. However, considering the ease of mixing with the metal material 11, it is preferably in the form of powder or granules. Among them, it is preferable to employ spherical ceramics that are also called ceramic balls.
Further, the size of the ceramic body 12 is not limited. However, considering the ease of mixing with the metal material 11, it is preferable to use a ceramic body 12 having a uniform powder size, granular shape, spherical shape, cubic shape, or the like.
混合体１の作製手段について限定はないが、例えば、共に粉末状、粒状又は球状の形態である金属材料１１とセラミックス体１２とを同じ容器（図では、第一容器２）に入れ、これらを適度に混ぜ合わせる方法を挙げることができる。この際に、混合体１を押し固める等して成型する必要はない。 Although there is no limitation about the preparation means of the mixture 1, For example, the metal material 11 and the ceramic body 12 which are both powdery, granular, or spherical forms are put in the same container (the first container 2 in the figure), and these are placed. The method of mixing moderately can be mentioned. At this time, it is not necessary to mold the mixture 1 by pressing it.
混合体１について、金属材料１１とセラミックス体１２とを不均一に混合する方法と、均一に混合する方法とが挙げられる。図１に示される混合体１の実施例は、金属材料１１とセラミックス体１２とを不均一に混合した例である。図２に示される混合体１の他の実施例は、金属材料１１とセラミックス体１２とを均一に混合した例である。
いずれの混合方法による加熱効率が良いかは、金属材料１１とセラミックス１２の具体的な性質や、マイクロ波のセッティング等によって適宜判断すべきである。
For the mixed body 1, there are a method of mixing the metal material 11 and the ceramic body 12 non-uniformly and a method of mixing uniformly. The embodiment of the mixture 1 shown in FIG. 1 is an example in which the metal material 11 and the ceramic body 12 are mixed non-uniformly. Another embodiment of the mixture 1 shown in FIG. 2 is an example in which the metal material 11 and the ceramic body 12 are uniformly mixed.
Which mixing method should provide good heating efficiency should be appropriately determined according to the specific properties of the metal material 11 and the ceramic 12, the microwave setting, and the like.
混合体の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４の整数倍とすることで、混合体がアンテナ共振するため、マイクロ波エネルギーを混合体内に閉じ込めることができ、加熱効率を高めることができる。
なお、混合体の大きさについて、上記１／４の整数倍の条件から外れたとしても、マイ
クロ波による加熱は可能である。上記１／４の整数倍の条件が、混合体を最も効率的に加熱できる条件であり、この条件から外れるほど、加熱効率が下がるといえる。
By setting the length of the longest part of the mixture to an integral multiple of 1/4 of the wavelength of the microwave to be irradiated, the mixture resonates with the antenna, so that the microwave energy can be confined in the mixture. , Heating efficiency can be increased.
Even if the size of the mixture deviates from the condition of an integral multiple of 1/4, heating with microwaves is possible. The condition that is an integral multiple of 1/4 is a condition that allows the mixture to be heated most efficiently. It can be said that the heating efficiency decreases as the condition deviates from this condition.
ここで、混合体の最長部分とは、例えば、直方体であれば最も長い対角線、球体であれば直径、歪な球状体（粒状体）であれば最も長い直径（最長径）、板状体や薄膜であれば最も長い辺又は対角線、円筒形であれば直径又は辺のうち長い方であり、換言すると、混合体に２点以上で外接する真球のうち最大のものの直径を指し示すものとする。 Here, the longest part of the mixture is, for example, the longest diagonal line for a rectangular parallelepiped, the diameter for a spherical body, the longest diameter (longest diameter) for a distorted spherical body (granular body), In the case of a thin film, it is the longest side or diagonal line, and in the case of a cylindrical shape, it is the longer one of diameters or sides. In other words, it indicates the diameter of the largest sphere that circumscribes the mixture at two or more points. .
上述の要領で製造した混合体１を、加熱室（マイクロ波照射室）に載置し、これにマイクロ波を照射すれば、混合体１内の金属材料１１はマイクロ波を吸収して発熱する。金属材料１１の温度が、沸点（真空下では、沸点よりも低い温度。）に達すれば、金属材料１１は蒸発（又は昇華）し、金属蒸気１１’を発生させることができる。 When the mixture 1 manufactured as described above is placed in a heating chamber (microwave irradiation chamber) and irradiated with microwaves, the metal material 11 in the mixture 1 absorbs microwaves and generates heat. . When the temperature of the metal material 11 reaches a boiling point (a temperature lower than the boiling point under vacuum), the metal material 11 can be evaporated (or sublimated) to generate a metal vapor 11 '.
そして、上述の要領で発生した金属蒸気１１’と、酸化スカンジウム及びアルミニウムとが反応することによって、スカンジウムはアルミニウムに取り込まれ、アルミニウム−スカンジウム合金を製造することができる。 Then, the metal vapor 11 ′ generated in the above-described manner reacts with scandium oxide and aluminum, whereby scandium is taken into aluminum and an aluminum-scandium alloy can be produced.
これらを反応させアルミニウム−スカンジウム合金を製造するためには、酸化スカンジウム及びアルミニウムが、金属蒸気１１’に曝されて接触すればよい。接触させる手段に限定はなく、公知公用の手段を特別の制限なく採用することができるが、例えば、金属材料１１と、酸化スカンジウム及びアルミニウムとを同空間に設置し、金属材料１１から発生した金属蒸気１１’が、酸化スカンジウム及びアルミニウムに到達するように、両者を同空間内に配置すればよい。また、金属材料１１から金属蒸気１１’を発生させる空間と、酸化スカンジウム及びアルミニウムが設置された空間が異なる場合でも、金属蒸気１１’が、酸化スカンジウム及びアルミニウムが設置された空間に到達することができ、これらが接触する構成としても良い。 In order to produce an aluminum-scandium alloy by reacting them, scandium oxide and aluminum may be exposed to and contacted with the metal vapor 11 '. There is no limitation on the means for contacting, and publicly known public means can be adopted without any particular limitation. For example, the metal material 11, scandium oxide and aluminum are installed in the same space, and the metal generated from the metal material 11 is used. Both may be arranged in the same space so that the vapor 11 ′ reaches scandium oxide and aluminum. Further, even when the space in which the metal vapor 11 ′ is generated from the metal material 11 and the space in which scandium oxide and aluminum are installed are different, the metal vapor 11 ′ may reach the space in which scandium oxide and aluminum are installed. It is also possible to have a configuration in which these are in contact.
これらの反応を反応式で示すと、以下のとおりである。金属材料１１（還元剤）として、カルシウムを用いた場合は、2Al3-Scが製造され、マグネシウムを用いた場合は、金属
間化合物Sc2-Alが製造される。
・金属材料としてカルシウムを用いた場合
Sc2O3(s)＋3Ca(g)＋6Al(s) → 2Al3-Sc(s)＋3CaO(s)
(s)：固体，(g)：気体
・金属材料としてマグネシウムを用いた場合
Sc2O3(s)＋3Mg(g)＋Al(s) → Sc2-Al(s)＋3MgO(s)
(s)：固体，(g)：気体
These reactions are represented by the following reaction formulas. When calcium is used as the metal material 11 (reducing agent), 2Al 3 —Sc is produced, and when magnesium is used, the intermetallic compound Sc 2 —Al is produced.
・ When calcium is used as the metal material
Sc 2 O 3 (s) + 3Ca (g) + 6Al (s) → 2Al 3 -Sc (s) + 3CaO (s)
(s): Solid, (g): Gas ・ When magnesium is used as the metal material
Sc 2 O 3 (s) + 3Mg (g) + Al (s) → Sc 2 -Al (s) + 3MgO (s)
(s): Solid, (g): Gas
なお、本発明に使用される酸化スカンジウム又はアルミニウムについて、その態様や大きさに限定はない。一般的に、酸化スカンジウムとアルミニウムは常温下において固体であり、粉末状（粉状）又は粒状の形態であり、本発明においても、これらの形態の酸化スカンジウムとアルミニウムを使用することができる。 In addition, about the scandium oxide or aluminum used for this invention, there is no limitation in the aspect and magnitude | size. Generally, scandium oxide and aluminum are solid at room temperature, and are in a powdery (powdered) or granular form. In the present invention, these forms of scandium oxide and aluminum can also be used.
続いて、上述の方法で金属蒸気１１’を発生させ、この金属蒸気１１’を酸化物に接触させて、酸化物を還元するため又はこの金属蒸気１１’を酸化物を含む他の金属と接触させて合金を製造するための装置３について説明する。
なお、本発明は、金属蒸気を上述した方法で発生させ、これにより発生した金属蒸気１１’と、酸化スカンジウムとアルミニウムとを反応させることによって、アルミニウム−スカンジウム合金を得るという手段を本質としており、本発明の内容は、以下に説明する装置３の構成や、この装置３を用いた製造方法に限定されるものでない。
Subsequently, the metal vapor 11 ′ is generated by the above-described method, and the metal vapor 11 ′ is brought into contact with the oxide to reduce the oxide or the metal vapor 11 ′ is brought into contact with another metal containing an oxide. An apparatus 3 for producing an alloy will be described.
The present invention essentially has means for generating an aluminum-scandium alloy by generating metal vapor by the above-described method and reacting the generated metal vapor 11 ′ with scandium oxide and aluminum. The contents of the present invention are not limited to the configuration of the apparatus 3 described below or a manufacturing method using the apparatus 3.
図３に、本発明に係るアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法を実施するための装置３の一実施例を示す。
装置３は、少なくとも加熱室４、第一容器２、第二容器６及びマイクロ波源７から構成される。
FIG. 3 shows an embodiment of an apparatus 3 for carrying out the method for producing an aluminum-scandium alloy according to the present invention.
The apparatus 3 includes at least a heating chamber 4, a first container 2, a second container 6, and a microwave source 7.
加熱室４は、マイクロ波を混合体１に照射し、加熱する空間である。加熱室４の形態やこれを形成する材料に限定はないが、高温に耐え得る材料から形成され、マイクロ波を吸収せず、かつ金属蒸気と反応しない材料で形成されることが好ましい。例えば、アルミナ系耐火物、ジルコニア系耐火物、マグネシア系耐火物で形成することができ、耐熱鋼やステンレス合金で形成してもよい。 The heating chamber 4 is a space that irradiates the mixture 1 with microwaves and heats it. The form of the heating chamber 4 and the material forming the heating chamber 4 are not limited, but the heating chamber 4 is preferably formed of a material that can withstand high temperatures, does not absorb microwaves, and does not react with metal vapor. For example, it can be formed of alumina refractories, zirconia refractories, magnesia refractories, or may be formed of heat resistant steel or stainless alloy.
加熱室４には、後述する第一容器２や第二容器６を設置・固定するための構成が設けられることが好ましい。例えば、第一容器２等を設置・固定するための置き台となる載置台９（図３では図示しないが、検証実験で使用した装置を示す図５では図示する。）を設ける構成を挙げることができる。
また、図３では第一容器２及び第二容器６を縦に直列的に配置し、マイクロ波源７を加熱室４に配置したが、加熱室４における第一容器２、第二容器６及びマイクロ波源７の位置に限定はなく、例えば、第一容器２と第二容器６を並列に配置してもよい。
The heating chamber 4 is preferably provided with a configuration for installing and fixing a first container 2 and a second container 6 described later. For example, mention may be made of a configuration in which a mounting table 9 (not shown in FIG. 3 but shown in FIG. 5 showing an apparatus used in a verification experiment) is provided as a mounting table for installing and fixing the first container 2 and the like. Can do.
Further, in FIG. 3, the first container 2 and the second container 6 are arranged vertically in series, and the microwave source 7 is arranged in the heating chamber 4, but the first container 2, the second container 6, and the micro in the heating chamber 4. The position of the wave source 7 is not limited. For example, the first container 2 and the second container 6 may be arranged in parallel.
第一容器２は、金属材料１１とセラミックス体１２とを収容する、即ち、混合体１を収容する容器である。換言すれば、第一容器２内で金属材料１１とセラミックス体１２とを混合し、混合体１を製作することができる。
使用する金属材料１１は、カルシウム又はマグネシウムであることが好ましい。
第一容器２の形状に限定はないが、例えば、図３に示されるように、上方が開放されたボウル型の容器や、公知公用の形状をした石英管や坩堝を挙げることができる。
The first container 2 is a container that stores the metal material 11 and the ceramic body 12, that is, the container 1. In other words, the metal material 11 and the ceramic body 12 can be mixed in the first container 2 to produce the mixture 1.
The metal material 11 to be used is preferably calcium or magnesium.
Although the shape of the first container 2 is not limited, for example, as shown in FIG. 3, a bowl-shaped container having an open top, a quartz tube or a crucible having a publicly known shape can be used.
第二容器６は、酸化物を含む原料５を収容する容器である。
第二容器６に収容する原料５は、還元する対象となる酸化物（酸化金属）と、これに反応させる物質である。例えば、還元する対象となる酸化物として酸化スカンジウム（Sc2O3）を挙げることができ、これと反応させアルミニウム−スカンジウム合金（Al3Sc）を得るために、アルミニウム（Al）を共に収容することができる。
第二容器６の形状に限定はないが、例えば、図３に示されるように、上方が開放されたボウル型の容器や、公知公用の形状をした坩堝を挙げることができる。
The 2nd container 6 is a container which accommodates the raw material 5 containing an oxide.
The raw material 5 accommodated in the second container 6 is an oxide (metal oxide) to be reduced and a substance to be reacted therewith. For example, scandium oxide (Sc 2 O 3 ) can be cited as an oxide to be reduced, and aluminum (Al) is accommodated together in order to react with this to obtain an aluminum-scandium alloy (Al 3 Sc). be able to.
Although there is no limitation in the shape of the 2nd container 6, as shown in FIG. 3, the bowl-shaped container by which upper direction was open | released, and the crucible of the publicly known shape can be mentioned, for example.
図３に示される実施例では、混合体１は第一容器２に、原料５は第二容器６にそれぞれ収容されているが、混合体１と原料５とが同じ容器に収容される構成を採用してもよい。 In the embodiment shown in FIG. 3, the mixture 1 is stored in the first container 2 and the raw material 5 is stored in the second container 6. However, the mixture 1 and the raw material 5 are stored in the same container. It may be adopted.
マイクロ波源７は、マイクロ波発振器７１を含み、加熱室４内の混合体１に照射するためのマイクロ波を発振させる装置である。
マイクロ波源７は、図３に示されるように、マイクロ波発振器７１により発振したマイクロ波を、導波管７２を介して、マイクロ波導入口７３から加熱室４にマイクロ波を照射する構成である。
マイクロ波源７については、公知公用の構成を採用することができ、例えば、マグネトロンを採用することができる。
The microwave source 7 is a device that includes a microwave oscillator 71 and oscillates microwaves for irradiating the mixture 1 in the heating chamber 4.
As shown in FIG. 3, the microwave source 7 has a configuration in which microwaves oscillated by a microwave oscillator 71 are irradiated from the microwave introduction port 73 to the heating chamber 4 via the waveguide 72.
For the microwave source 7, a publicly known configuration can be adopted, for example, a magnetron can be adopted.
加熱室４内に、断熱材８を設けることができる。
断熱材８は、第一容器２及び第二容器６の周囲に設置することが好ましい。これにより、マイクロ波の照射によって発熱した混合体１の熱を、加熱室２内の空間に逃さず、混合体１の温度上昇を早め、金属蒸気の発生を早めることができる。
ただし、断熱材８を、第一容器２の上部に設置することは好ましくない。上部に設置す
ると、第一容器２から発生した金属蒸気１１’が、第二容器６に到達するのを妨げるおそれがあるためである。
A heat insulating material 8 can be provided in the heating chamber 4.
The heat insulating material 8 is preferably installed around the first container 2 and the second container 6. Thereby, the heat of the mixture 1 generated by the microwave irradiation is not released to the space in the heating chamber 2, and the temperature rise of the mixture 1 can be accelerated and the generation of metal vapor can be accelerated.
However, it is not preferable to install the heat insulating material 8 on the upper part of the first container 2. This is because the metal vapor 11 ′ generated from the first container 2 may be prevented from reaching the second container 6 when installed on the upper part.
加熱室４には、真空ポンプＶを接続することができる。
真空ポンプＶによって加熱室４内又は第一容器２及び第二容器６内を減圧することで、沸点よりも低い温度で金属材料１１を蒸発させることができ、加熱室４内又は第一容器２及び第二容器６内の不純物等を除去することもできる。
A vacuum pump V can be connected to the heating chamber 4.
By reducing the pressure in the heating chamber 4 or the first container 2 and the second container 6 by the vacuum pump V, the metal material 11 can be evaporated at a temperature lower than the boiling point. In addition, impurities and the like in the second container 6 can be removed.
また、真空下で、混合体にマイクロ波を照射すれば、発生させる金属蒸気の分圧（大気中における金属蒸気が占める割合）を高めることができ、これにより、金属蒸気１１’と、酸化スカンジウムやアルミニウムとの反応性を高めることができる。
更に、反応前は、金属材料の酸化を防止又は抑制することができ、反応後は、スカンジウム−アルミニウム合金が再び酸化することを防止又は抑制することができる。
なお、本発明において「真空」とは、大気圧よりも圧力が低い状態をいい、気圧による限定はない。
Further, if the mixture is irradiated with microwaves under vacuum, the partial pressure of metal vapor to be generated (ratio occupied by metal vapor in the atmosphere) can be increased, whereby metal vapor 11 ′ and scandium oxide can be increased. And the reactivity with aluminum can be increased.
Furthermore, before the reaction, oxidation of the metal material can be prevented or suppressed, and after the reaction, the scandium-aluminum alloy can be prevented or suppressed from being oxidized again.
In the present invention, “vacuum” refers to a state where the pressure is lower than atmospheric pressure, and there is no limitation by atmospheric pressure.
加熱室４内において、マイクロ波は、第一容器２に収容された混合体１のみならず、第二容器６に収容された原料５（酸化スカンジウムとアルミニウム）にも照射されることが好ましい。これにより、上記原料５も加熱され高温の状態となれば、金属蒸気１１’との反応性が高まるためである。 In the heating chamber 4, the microwave is preferably irradiated not only on the mixture 1 accommodated in the first container 2 but also on the raw material 5 (scandium oxide and aluminum) accommodated in the second container 6. Thereby, if the raw material 5 is also heated to a high temperature, the reactivity with the metal vapor 11 ′ increases.
ただし、第二容器６に収容された原料５の加熱手段について限定はない。
上記した手段では、図３における加熱室４という共通した空間に、第一容器２に収容された混合体１と、第二容器６に収容された原料５が設置され、この空間に照射された同じマイクロ波源から照射されたマイクロ波によって、両者が加熱される構成である。
However, the heating means for the raw material 5 accommodated in the second container 6 is not limited.
In the above-described means, the mixture 1 accommodated in the first container 2 and the raw material 5 accommodated in the second container 6 are installed in a common space called the heating chamber 4 in FIG. 3, and this space is irradiated. Both are heated by microwaves irradiated from the same microwave source.
一方で、第一容器２に収容された混合体１が設置された空間と、第二容器６に収容された原料５が設置された空間とを、異なる空間とした構成を採用することができる。 On the other hand, it is possible to adopt a configuration in which the space in which the mixture 1 accommodated in the first container 2 is installed and the space in which the raw material 5 accommodated in the second container 6 is installed are different spaces. .
例えば、図４に示される装置３’のように、第一容器２に収容された混合体１が設置された空間（加熱室４ａ）と、第二容器６に収容された原料５が設置された空間（加熱室４ｂ）のそれぞれに、マイクロ波源７ａ・７ｂを設ける構成を挙げることができる。マイクロ波源７ａ又は７ｂは、加熱対象である混合体１又は原料５のそれぞれに最適なマッチングのマイクロ波を発振することができる。 For example, as in an apparatus 3 ′ shown in FIG. 4, a space (heating chamber 4a) in which the mixture 1 accommodated in the first container 2 is installed and a raw material 5 accommodated in the second container 6 are installed. A configuration in which microwave sources 7a and 7b are provided in each of the spaces (heating chamber 4b) can be given. The microwave source 7a or 7b can oscillate the optimum matching microwave for each of the mixture 1 or the raw material 5 to be heated.
加熱室４ａと４ｂは、蒸気通路４１によって接続される。この蒸気通路４１は、加熱室４ａで発生した金属蒸気１１’を、加熱室４ｂへ通過させることができる開口である。これにより、加熱室４ａで発生した金属蒸気１１’は、蒸気通路４１を通過して加熱室４ｂに到達し、加熱室４ｂの原料５に到達することができる構成である。 The heating chambers 4 a and 4 b are connected by a steam passage 41. This steam passage 41 is an opening through which the metal vapor 11 ′ generated in the heating chamber 4 a can pass to the heating chamber 4 b. Thereby, the metal vapor | steam 11 'generate | occur | produced in the heating chamber 4a can pass the vapor | steam channel | path 41, reaches | attains the heating chamber 4b, and can reach the raw material 5 of the heating chamber 4b.
一方で、蒸気通路４１は、チョーク構造によりマイクロ波が透過しないものとすることができる。この場合、加熱室４ａに照射されたマイクロ波エネルギーは、加熱室４ａに閉じ込められ、加熱室４ｂに照射されたマイクロ波エネルギーは、加熱室４ｂに閉じ込められるので、それぞれの加熱室４ａ・４ｂに照射されたマイクロ波が、他の加熱室４ｂ・４ａに影響を及ぼすことがない。この構造によって、加熱室４ａには、ここに設置される混合体１の加熱に最適なマッチングのマイクロ波を、加熱室４ｂには、ここに設置される原料５の加熱に最適なマッチングのマイクロ波を、それぞれ照射することができ、混合体１と原料５を異なる設定（主に、出力と照射時間。）で効率よく加熱することができる。 On the other hand, the steam passage 41 can be configured such that microwaves do not pass through the choke structure. In this case, the microwave energy irradiated to the heating chamber 4a is confined in the heating chamber 4a, and the microwave energy irradiated to the heating chamber 4b is confined in the heating chamber 4b. The irradiated microwave does not affect the other heating chambers 4b and 4a. According to this structure, the heating chamber 4a has an optimum matching microwave for heating the mixture 1 installed therein, and the heating chamber 4b has an optimum matching microwave for heating the raw material 5 installed here. Each wave can be irradiated, and the mixture 1 and the raw material 5 can be efficiently heated with different settings (mainly output and irradiation time).
蒸気通路４１の位置、形状、素材には限定はないが、金属等の導電性物質で側壁を形成
することができ、その形状は、好ましくは例えば円筒型である。
蒸気通路４１の直径を、マイクロ波源７ａ・７ｂから発振されるマイクロ波の波長の１／８以下とすることにより、蒸気通路４１をマイクロ波が通過しないものとすることができ、その直径は好ましくは１／６４以上であって、長さは、同じくマイクロ波源７ａ・７ｂから発振されるマイクロ波の波長の１／４以上であり、好ましくは１波長以下に形成されている。かかる大きさに蒸気通路４１を形成することで、チョーク構造となり、蒸気通路４１からマイクロ波が漏洩しない。
The position, shape, and material of the vapor passage 41 are not limited, but the side wall can be formed of a conductive material such as metal, and the shape is preferably, for example, a cylindrical shape.
By setting the diameter of the vapor passage 41 to 1/8 or less of the wavelength of the microwave oscillated from the microwave sources 7a and 7b, the microwave can be prevented from passing through the vapor passage 41, and the diameter is preferably Is 1/64 or more, and the length is also 1/4 or more of the wavelength of the microwaves oscillated from the microwave sources 7a and 7b, and preferably 1 wavelength or less. By forming the steam passage 41 in such a size, a choke structure is formed, and the microwave does not leak from the steam passage 41.
また、第二容器６に収容された原料５の加熱手段の他の例として、第二容器６又はこれに収容される原料５に対して、電気炉等を利用した異なる熱源を採用する構成を挙げることができる。この構成の場合は、第一容器２に収容された混合体１はマイクロ波によって加熱され、第二容器６に収容された原料５は電気炉等を利用した他の熱源によって加熱される。なお、この構成では、混合体１と原料５とを同空間に設置する構成（図３に示される構成）と、混合体１と原料５とを異なる空間に設置する構成（図４に示される構成）のいずれを採用しても良い。 Moreover, as another example of the heating means of the raw material 5 accommodated in the second container 6, a configuration in which a different heat source using an electric furnace or the like is employed for the second container 6 or the raw material 5 accommodated therein. Can be mentioned. In the case of this configuration, the mixture 1 accommodated in the first container 2 is heated by microwaves, and the raw material 5 accommodated in the second container 6 is heated by another heat source using an electric furnace or the like. In this configuration, the configuration in which the mixture 1 and the raw material 5 are installed in the same space (configuration shown in FIG. 3) and the configuration in which the mixture 1 and the raw material 5 are installed in different spaces (shown in FIG. 4). Any one of (configuration) may be adopted.
上述したアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法を、反応式で示すと以下のとおりである。還元剤（金属材料１１）として、カルシウムを用いた場合は、2Al3-Scが製造さ
れ、マグネシウムを用いた場合は、金属間化合物Sc2-Alが製造される。
・金属材料としてカルシウムを用いた場合
Sc2O3(s)＋3Ca(g)＋6Al(s) → 2Al3-Sc(s)＋3CaO(s)
(s)：固体，(g)：気体
・金属材料としてマグネシウムを用いた場合
Sc2O3(s)＋3Mg(g)＋Al(s) → Sc2-Al(s)＋3MgO(s)
(s)：固体，(g)：気体
The above-described method for producing an aluminum-scandium alloy is represented by the following reaction formula. When calcium is used as the reducing agent (metal material 11), 2Al 3 —Sc is produced, and when magnesium is used, the intermetallic compound Sc 2 —Al is produced.
・ When calcium is used as the metal material
Sc 2 O 3 (s) + 3Ca (g) + 6Al (s) → 2Al 3 -Sc (s) + 3CaO (s)
(s): Solid, (g): Gas ・ When magnesium is used as the metal material
Sc 2 O 3 (s) + 3Mg (g) + Al (s) → Sc 2 -Al (s) + 3MgO (s)
(s): Solid, (g): Gas
上述した方法にて製造されたアルミニウム−スカンジウム合金の態様について限定はないが、粉末状（粉状）又粒状の形態で得られる場合が多く、この場合は、第二容器６又は加熱室４の壁面（側面のみならず、上面及び底面をも含む。）に付着ないし滞留する。 Although there is no limitation about the aspect of the aluminum-scandium alloy manufactured by the method mentioned above, it is often obtained in a powdery (powdered) or granular form. In this case, in the second container 6 or the heating chamber 4 It adheres to or stays on the wall (including not only the side but also the top and bottom surfaces).
アルミニウム−スカンジウム合金の回収方法についても限定はないが、例えば、第二容器６又は加熱室４の壁面に付着ないし滞留した粉末状（粉状）又粒状の合金を、削ぎ落としてかき集める等の手段を挙げることができる。また、かき集めるための道具として、装置が大型の場合には、シャベルやスコップ等を用いても良いし、装置が小型の場合には、小さじ等を用いても良く、合金が付着ないし滞留した容器ごと回収することもできる。 The method for recovering the aluminum-scandium alloy is not limited. For example, the powdered (powdered) or granular alloy adhering or staying on the wall surface of the second container 6 or the heating chamber 4 is scraped off and collected. Can be mentioned. In addition, as a tool for collecting, when the apparatus is large, a shovel or a scoop may be used, and when the apparatus is small, a teaspoon or the like may be used. It can also be recovered.
＜検証実験１＞
「カルシウム蒸気を用いたアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法」
本発明に係るアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法について、検証実験を実施した。
<Verification experiment 1>
"Production method of aluminum-scandium alloy using calcium vapor"
The verification experiment was conducted about the manufacturing method of the aluminum-scandium alloy which concerns on this invention.
・装置の概要
検証実験に使用した装置３の概略構成図を、図５に示す。
図５に示すとおり、検証実験では、市販されているマイクロ波加熱炉を用いた。この加熱炉には、マイクロ波源７と真空ポンプＶが接続されている。
-Outline of apparatus The schematic block diagram of the apparatus 3 used for verification experiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 5, a commercially available microwave heating furnace was used in the verification experiment. A microwave source 7 and a vacuum pump V are connected to the heating furnace.
加熱室には、マイクロ波導入口７３が設けられ、載置台９の上に筒状の断熱材８が設置されている。
断熱材８の中には、金属材料１１とセラミックス体１２からなる混合体１が収容された第一容器２が設置され、この第一容器２の中であって、混合体１の上部に、原料５（酸化
スカンジウムとアルミニウム）が収容された第二容器６が設置されている。
A microwave introduction port 73 is provided in the heating chamber, and a cylindrical heat insulating material 8 is installed on the mounting table 9.
In the heat insulating material 8, a first container 2 in which a mixture 1 made of a metal material 11 and a ceramic body 12 is accommodated is installed. In the first container 2, on the upper part of the mixture 1, A second container 6 containing a raw material 5 (scandium oxide and aluminum) is installed.
・混合体と原料
混合体は１、金属材料１１とセラミックス体１２を、共に第一容器２に収容し、この中で混合することによって作製した。
ここでは、金属材料１１として、カルシウムを、セラミックス体として、ジルコニアをそれぞれ用いた。
使用したカルシウムは、球形の粒状体であり、これを複数個用いた。使用したジルコニアは、セラミックボールとも呼称される球形の粒状体であり、これを複数個用いた。このジルコニアの直径は、数百μm〜1mm程度であり、カルシウムの直径は、ジルコニアよりも小さい。
-Mixture and raw material The mixture was prepared by storing the metal material 11 and the ceramic body 12 together in the first container 2 and mixing them.
Here, calcium was used as the metal material 11, and zirconia was used as the ceramic body.
The calcium used was a spherical granule, and a plurality of these were used. The zirconia used was a spherical granular material also called a ceramic ball, and a plurality of these were used. The diameter of this zirconia is about several hundred μm to 1 mm, and the diameter of calcium is smaller than that of zirconia.
混合比率は、カルシウムが2.02g（0.05mol）、ジルコニアが10.0gである。
カルシウム及びジルコニアは、共に球状の粒状体であるため、これらを同じ坩堝（第一容器２）内に収容して混ぜ合わせ、混合体１を作製した。
The mixing ratio is 2.02 g (0.05 mol) for calcium and 10.0 g for zirconia.
Since calcium and zirconia are both spherical particles, they were accommodated in the same crucible (first container 2) and mixed to prepare the mixture 1.
第一容器２として石英管を用い、第二容器６としてアルミナ製の坩堝を用いた。第一容器６の石英管よりも、第二容器６のアルミナ坩堝の方が一回り小さく、第二容器６は第一容器２の中に収容された構成である。 A quartz tube was used as the first container 2, and an alumina crucible was used as the second container 6. The alumina crucible of the second container 6 is slightly smaller than the quartz tube of the first container 6, and the second container 6 is housed in the first container 2.
第二容器６には、原料５として、酸化スカンジウムとアルミニウムを収容した。
使用した酸化スカンジウムは、直径５０μｍ程度の粉体であり、アルミニウムは、直径６ｍｍ程度の粒体である。混合比率は、酸化スカンジウムが0.153g（1.11mmol）、アルミニウムが0.25g（9.2mmol）である。
The second container 6 contained scandium oxide and aluminum as the raw material 5.
The used scandium oxide is a powder having a diameter of about 50 μm, and the aluminum is a particle having a diameter of about 6 mm. The mixing ratio is 0.153 g (1.11 mmol) for scandium oxide and 0.25 g (9.2 mmol) for aluminum.
続いて、加熱室４にマイクロ波を照射した。第一容器２及び第二容器６内は、真空ポンプＶによって数十Pa程度に減圧している。
使用したマイクロ波の周波数は2.45GHzであり、出力は８００Ｗ〜１１００Ｗの範囲で
第二容器６の温度が１０５０度前後となるように制御され、６０分間にわたってマイクロ波を照射した。
Subsequently, the heating chamber 4 was irradiated with microwaves. The inside of the first container 2 and the second container 6 is depressurized to about several tens Pa by the vacuum pump V.
The frequency of the microwave used was 2.45 GHz, the output was controlled so that the temperature of the second container 6 was around 1050 degrees in the range of 800 W to 1100 W, and the microwave was irradiated for 60 minutes.
・検証結果
マイクロ波を照射している間、第二容器６内の温度経過を測定した（図６参照）。
図６に示されるように、マイクロ波照射を開始してから約８分を経過した辺りから、第二容器６内の温度が急激に上昇し、１０００℃以上に達した。その後は、マイクロ波の照射を終了するまで、同じ温度を維持した。
-Verification result While irradiating the microwave, the temperature course in the 2nd container 6 was measured (refer FIG. 6).
As shown in FIG. 6, the temperature in the second container 6 suddenly increased and reached 1000 ° C. or more after about 8 minutes had passed since the microwave irradiation was started. Thereafter, the same temperature was maintained until the microwave irradiation was completed.
第二容器６内に収容された酸化スカンジウムとアルミニウムが、マイクロ波照射によって１０００度以上に達するとは考え難いことから、これらの温度変化は、第一容器２内のカルシウムがマイクロ波加熱によって蒸発し、金属蒸気１１’となって第二容器６に到達したことによるものと考えられる。 Since it is difficult to think that scandium oxide and aluminum accommodated in the second container 6 reach 1000 degrees or more by microwave irradiation, these temperature changes are caused by evaporation of calcium in the first container 2 by microwave heating. It is considered that this is due to the fact that the metal vapor 11 ′ has reached the second container 6.
よって、上述した混合体１にマイクロ波を照射することによって、混合体１を構成するカルシウムが加熱され、やがて蒸発して金属蒸気を発生させることが検証された。
なお、カルシウムの沸点は１４８４度であるが、減圧下での蒸気圧は１０００℃程度と考えられる。
Therefore, it was verified that by irradiating the above-described mixture 1 with microwaves, calcium constituting the mixture 1 was heated and eventually evaporated to generate metal vapor.
Although the boiling point of calcium is 1484 degrees, the vapor pressure under reduced pressure is considered to be about 1000 ° C.
ここでは、上記温度変化の測定と共に、第一容器２と第二容器６について目視による観察も行った。
マイクロ波を照射後、第一容器２の内部が薄紫色（薄赤色よりもやや薄色）になったこ
とを確認した。この薄紫色は、カルシウムのプラズマ状態における発色として知られており、これにより、金属材料であるカルシウムがプラズマとなったことが確認できた。
なお、上述したとおり、本発明において金属蒸気とは、気体状態になった原子の他、マイクロ波により励起された原子プラズマやラジカルに励起された原子を含むものである。よって、本発明に係る方法の使用により、カルシウムの金属蒸気を発生させることが確認できた。
Here, the first container 2 and the second container 6 were also visually observed together with the measurement of the temperature change.
After irradiation with microwaves, it was confirmed that the inside of the first container 2 became light purple (slightly lighter than light red). This light purple color is known as color development in the plasma state of calcium, and it was confirmed that calcium, which is a metal material, became plasma.
Note that, as described above, in the present invention, the metal vapor includes atoms that are excited by microwaves and atoms excited by microwaves in addition to atoms that are in a gaseous state. Therefore, it has been confirmed that the use of the method according to the present invention generates calcium metal vapor.
続いて、マイクロ波照射を終えた後、第二容器６又はこの上部に付着した成分を取り出し、Ｘ線解析（ＸＲＤ）を行った。
Ｘ線解析の結果を、図７に示す。
図７に示されるように、アルミニウム(Al）を示すピークの近傍に、アルミニウム−ス
カンジウム合金（ScAl3）を示すピークが現れた。この結果により、酸化スカンジウムの
還元に成功したこと、及び、アルミニウムにスカンジウムが取り込まれ、アルミニウム−スカンジウム合金の製造に成功したことがわかった。
Then, after finishing microwave irradiation, the component adhering to the 2nd container 6 or this upper part was taken out, and the X-ray analysis (XRD) was performed.
The result of the X-ray analysis is shown in FIG.
As shown in FIG. 7, in the vicinity of the peak indicating the aluminum (Al), aluminum - peak indicating scandium alloy (SCAL 3) appeared. From this result, it was found that scandium oxide was successfully reduced, and that scandium was incorporated into aluminum and the aluminum-scandium alloy was successfully produced.
なお、本検証実験での反応を式で表すと、次のとおりである。
Sc2O3(s)＋3Ca(g)＋6Al(s) → 2Al3-Sc(s)＋3CaO(s)
(s)：固体，(g)：気体
The reaction in this verification experiment is expressed as follows.
Sc 2 O 3 (s) + 3Ca (g) + 6Al (s) → 2Al 3 -Sc (s) + 3CaO (s)
(s): Solid, (g): Gas
＜検証実験２＞
「マグネシウム蒸気を用いたアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法」
本発明に係るアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法について、検証実験２を実施した。この過程で、マグネシウム金属蒸気の発生についても確認した。
<Verification experiment 2>
"Production method of aluminum-scandium alloy using magnesium vapor"
The verification experiment 2 was implemented about the manufacturing method of the aluminum- scandium alloy which concerns on this invention. During this process, the generation of magnesium metal vapor was also confirmed.
検証実験２に用いた装置や混合体の製造方法などは、検証実験１と同様であり、金属材料１１として、カルシウムに替えてマグネシウムを使用した。
使用したマイクロ波の周波数は2.45GHzであり、出力は６００Ｗ〜９００Ｗの範囲で第
二容器６の温度が９００度前後となるように制御され、６０分間にわたってマイクロ波を照射した。
The apparatus used in the verification experiment 2 and the manufacturing method of the mixture are the same as those in the verification experiment 1. Magnesium was used as the metal material 11 instead of calcium.
The frequency of the microwave used was 2.45 GHz, the output was controlled in the range of 600 W to 900 W so that the temperature of the second container 6 was around 900 degrees, and the microwave was irradiated for 60 minutes.
・検証結果
マイクロ波を照射している間、第二容器６内の温度経過を測定した（図８参照）。
図８に示されるように、マイクロ波照射を開始してから程なくして、第二容器６内の温度が急激に上昇し、約９００度に達した。その後は、マイクロ波の照射を終了するまで、同じ温度を維持した。
-Verification result While irradiating the microwave, the temperature course in the 2nd container 6 was measured (refer FIG. 8).
As shown in FIG. 8, shortly after the microwave irradiation was started, the temperature in the second container 6 increased rapidly and reached about 900 degrees. Thereafter, the same temperature was maintained until the microwave irradiation was completed.
第二容器６内に収容された酸化スカンジウムとアルミニウムが、マイクロ波照射によって９００度に達するとは考え難いことから、これらの温度変化は、第一容器２内のマグネシウムがマイクロ波加熱によって蒸発し、金属蒸気１１’となって第二容器６に到達したことによるものと考えられる。 Since it is difficult to think that scandium oxide and aluminum contained in the second container 6 reach 900 degrees by microwave irradiation, these temperature changes are caused by the magnesium in the first container 2 being evaporated by microwave heating. This is considered to be due to the metal vapor 11 ′ reaching the second container 6.
よって、上述した混合体１にマイクロ波を照射することによって、混合体１を構成するマグネシウムが加熱され、やがて蒸発して金属蒸気を発生させることが検証された。 Therefore, it was verified that by irradiating the above-described mixture 1 with microwaves, magnesium constituting the mixture 1 was heated and eventually evaporated to generate metal vapor.
ここでは、上記温度変化の測定と共に、第一容器２と第二容器６について目視による観察も行った。
マイクロ波を照射後、第一容器２の内部が緑色になったことを確認した。この緑色は、マグネシウムのプラズマ状態における発色として知られており、これにより、金属材料であるマグネシウムがプラズマとなったことが確認できた。
なお、上述したとおり、本発明において金属蒸気とは、気体状態になった原子の他、マ
イクロ波により励起された原子プラズマやラジカルに励起された原子を含むものである。よって、本発明に係る方法の使用により、マグネシウムの金属蒸気を発生させることが確認できた。
Here, the first container 2 and the second container 6 were also visually observed together with the measurement of the temperature change.
After the microwave irradiation, it was confirmed that the inside of the first container 2 became green. This green color is known as the color development in the plasma state of magnesium, and it was confirmed that magnesium as a metal material became plasma.
Note that, as described above, in the present invention, the metal vapor includes atoms that are excited by microwaves and atoms excited by microwaves in addition to atoms that are in a gaseous state. Therefore, it was confirmed that the metal vapor of magnesium was generated by using the method according to the present invention.
続いて、マイクロ波照射を終えた後、第二容器６又はこの上部に付着した成分を取り出し、Ｘ線解析（ＸＲＤ）を行った。
Ｘ線解析の結果を、図９に示す。
図９に示されるように、アルミニウム(Al）を示すピークの近傍に、アルミニウム−ス
カンジウム合金（Sc2Al）を示すピークが現れた。この結果により、酸化スカンジウムの
還元に成功したこと、及び、アルミニウムにスカンジウムが取り込まれ、アルミニウム−スカンジウム合金の製造に成功したことがわかった。
Then, after finishing microwave irradiation, the component adhering to the 2nd container 6 or this upper part was taken out, and the X-ray analysis (XRD) was performed.
The result of the X-ray analysis is shown in FIG.
As shown in FIG. 9, a peak indicating an aluminum-scandium alloy (Sc 2 Al) appeared in the vicinity of a peak indicating aluminum (Al). From this result, it was found that scandium oxide was successfully reduced, and that scandium was incorporated into aluminum and the aluminum-scandium alloy was successfully produced.
なお、本検証実験での反応を式で表すと、次のとおりである。
Sc2O3(s)＋3Mg(g)＋Al(s) → Sc2-Al(s)＋3MgO(s)
(s)：固体，(g)：気体
The reaction in this verification experiment is expressed as follows.
Sc 2 O 3 (s) + 3Mg (g) + Al (s) → Sc 2 -Al (s) + 3MgO (s)
(s): Solid, (g): Gas
上述の通り、検証実験１及び２を行い、本発明を使用したアルミニウム−スカンジウム合金の製造に成功した。
これらの実験によって得られた結果物であるアルミニウム−スカンジウム合金は、従来の方法によって製造されたアルミニウム−スカンジウム合金とは、形態的特徴が異なることが分かった。
As described above, verification experiments 1 and 2 were performed, and the production of an aluminum-scandium alloy using the present invention was successful.
It was found that the resultant aluminum-scandium alloy obtained by these experiments had morphological characteristics different from those of the aluminum-scandium alloy produced by the conventional method.
従来の方法（カルシウムやマグネシウムを、電気炉等を用いて加熱室ごと高温で加熱し、蒸発させる方法。）によって製造されたアルミニウム−スカンジウム合金は、溶融した形態であり、これを加熱室から取り出す頃には、自然冷却により溶融物が固まって固形物となっていた。
溶融物となった理由として、従来の方法では、電気炉等を用いて加熱室全体を高温で加熱する手段を用いているため、金属材料であるカルシウム等のみならず、原料であるアルミニウムやスカンジウム又はこれらの合金も高温に加熱され、これらが溶融に至ったものと考えられる。
An aluminum-scandium alloy manufactured by a conventional method (a method in which calcium or magnesium is heated and evaporated in a heating chamber at a high temperature using an electric furnace or the like) is in a molten form, and is taken out from the heating chamber. Around this time, the melt was solidified by natural cooling and became a solid.
As a reason for the molten material, the conventional method uses means for heating the entire heating chamber at a high temperature using an electric furnace or the like, so that not only calcium which is a metal material but also aluminum and scandium which are raw materials. Alternatively, these alloys are also heated to a high temperature and are considered to have melted.
一方で、本発明に係る方法を使用して得られたアルミニウム−スカンジウム合金は、多くの場合、粉末状の形態（粉体）で、乾燥した砂の如き形態である。これを塊として成形するには、得られた粉体を一度溶かし、これを冷却や圧縮することで成形する必要がある。 On the other hand, the aluminum-scandium alloy obtained by using the method according to the present invention is often in the form of powder (powder) and in the form of dry sand. In order to form this as a lump, it is necessary to melt the obtained powder once and then form it by cooling or compressing it.
図１０〜１２として、検証実験２によって得られたアルミニウム−スカンジウム合金を撮影した写真を示す。上述の通り、検証実験２では、マグネシウム金属蒸気を用いている。
図１０は、反応後に取り出した第二容器６（検証実験では、アルミナ製の坩堝を使用。）を撮影した写真である。第二容器６の内壁に、生成物である粉末状のアルミニウム−スカンジウム合金が付着していることが確認できる。
図１１〜１２は、図１０における第二容器６から、生成物であるアルミニウム−スカンジウム合金を取り出し、これを撮影した写真である。これらの写真により、生成物であるアルミニウム−スカンジウム合金が、粉末状であることが確認できる。
10 to 12 show photographs taken of the aluminum-scandium alloy obtained in the verification experiment 2. FIG. As described above, in the verification experiment 2, magnesium metal vapor is used.
FIG. 10 is a photograph of the second container 6 taken out after the reaction (in the verification experiment, an alumina crucible is used). It can be confirmed that the powdered aluminum-scandium alloy as the product is adhered to the inner wall of the second container 6.
FIGS. 11 to 12 are photographs of taking out the product aluminum-scandium alloy from the second container 6 in FIG. 10. From these photographs, it can be confirmed that the product aluminum-scandium alloy is powdery.
粉体として得られた理由として、本発明は金属材料であるカルシウム等を対象としてマイクロ波加熱を利用していることから、原料であるアルミニウムやスカンジウム又はこれらの合金は、マイクロ波を照射されたとしても、溶融するほど加熱されなかったことが考えられる。もし、原料であるアルミニウムやスカンジウムに対してマイクロ波以外の加熱
手段を採用したとしても、従来の技術と異なり、本発明では原料の温度を制御することができるので、原料が高温には至らず、原料又は得られる合金が溶融するには至らない。よって、本発明に係る方法を使用して得られた合金は、粉末状の形態（粉体）で得られたものと考えられる。
The reason why it was obtained as a powder was that since the present invention uses microwave heating for calcium or the like as a metal material, the raw material aluminum, scandium, or an alloy thereof was irradiated with microwaves. However, it is conceivable that it was not heated to the extent that it melted. Even if a heating means other than microwaves is used for the raw material aluminum or scandium, unlike the conventional technique, the temperature of the raw material can be controlled in the present invention, so the raw material does not reach a high temperature. The raw material or the resulting alloy does not melt. Therefore, it is considered that the alloy obtained using the method according to the present invention was obtained in a powdery form (powder).
１ 混合体
１１ 金属材料
１２ セラミックス体
２ 第一容器
３ 装置
４ 加熱室
５ 原料
６ 第二容器
７ マイクロ波源
７１ マイクロ波発振器
７２ 導波管
７３ マイクロ波導入口
８ 断熱材
９ 載置台
Ｖ 真空ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mixture 11 Metal material 12 Ceramic body 2 First container 3 Apparatus 4 Heating chamber 5 Raw material 6 Second container 7 Microwave source 71 Microwave oscillator 72 Waveguide 73 Microwave inlet 8 Heat insulating material 9 Mounting base V Vacuum pump
Claims (9)
酸化スカンジウムとアルミニウムに、前記金属蒸気を反応させる構成であり、
前記セラミックス体が、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムであることを特徴とするアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。 A mixture of a metal material and a ceramic body is irradiated with microwaves and heated, thereby evaporating the metal material, thereby generating metal vapor,
It is a structure in which the metal vapor is reacted with scandium oxide and aluminum ,
The method for producing an aluminum-scandium alloy, wherein the ceramic body is zirconia, quartz, alumina, boron nitride, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or aluminum nitride .
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2017077296A JP6431121B2 (en) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | Method for producing aluminum-scandium alloy |
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|---|---|---|---|
| JP2017077296A JP6431121B2 (en) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | Method for producing aluminum-scandium alloy |
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