JP6789548B2 - 金属部材製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、イリジウム，白金などより構成した機能性合金材料から構成する金属部材を作製する金属部材製造方法に関する。

イリジウム−白金合金などの機能性合金材料をもちいた金属部材は、工業用材料、宝飾材料、医療用材料などの様々な分野で利用されているが、多くの分野において機械的強度の高さが要求される。このため、機械的強度を有する様々な機能性合金材料が開発されてきた。しかし、高い機械的強度を有する機能性合金材料の多くは、加工性が悪く、熱間加工などでも加工できず、また、加工できても加工コストが高いために製品価格が高くなってしまうといった欠点がある。

上記機能性合金材料による金属部材の製造には、一般的に連続鋳造法が用いられている。連続鋳造法では、溶融原料から大型の鋳造装置を用い、大型のインゴットを作製した後に、作製したインゴットから必要な形状に加工する必要がある。

しかし、上述した連続鋳造法では、大型の連続鋳造装置の導入に莫大な費用が掛かる上、さらに連続鋳造装置で作製した大型のインゴットを必要な形状に加工するまで数多くの加工プロセスを経る必要となる。さらに、機能性が高い金属材料（合金）で、一部の製品のみに使用されることから大量生産の必要がない場合であっても、大型のインゴットから目的形状に加工する必要があり、結果として製造コストが上昇し、製品価格が高くなる要因となっていた。

一方、マイクロ引き下げ法によれば、大型のインゴットを形成することがないので、製造コストの上昇を抑制することが可能となる。マイクロ引き下げ法は、形状制御しながらの一方向凝固により金属部材を形成している（特許文献１，特許文献２参照）。例えば、マイクロ引き下げ法を用いてイリジウムまたはイリジウム合金からなる金属線材が作製されている（特許文献３参照）。

マイクロ引き下げ法では、貴金属坩堝底部に設けた穴から毛細管現象により、坩堝内の無機材料の原料融液が漏れだし、漏れだした融液が貴金属坩堝の底面に濡れ広がるため、これを引き下げることで、直接坩堝底面の形状の単結晶による部材を作製することが可能である。

特開昭６１−２９１４８７号公報 特開平４−２８０８９１号公報 特開２０１５−１９００１２号公報

しかし、これまでのマイクロ引き下げ法による形状制御しながらの部材・部品作製は、貴金属坩堝を用いた無機材料の試料作製に限られており、合金などの金属材料においては貴金属坩堝と金属融液が反応するなどの理由で成功していなかった。

無機材料と異なり、金属融液は、貴金属坩堝との濡れが悪く、毛細管現象で坩堝下部に出てくることがない。このため、従来の技術では、金属の形状を制御したファイバー部材を形成することが困難である。さらに、無機材料のファイバー作製に用いられる貴金属坩堝を用いると、溶融した金属と坩堝本体とが反応してしまい、部材の作製を行うことができない。また、従来の技術では、坩堝底部に設けた穴の形状に線材が形成できないなど、形状の制御が容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、マイクロ引き下げ法などにより合金などの金属材料による所望の形状の部材が作製できるようにすることを目的とする。

本発明に係る金属部材製造方法は、作製する金属部材の断面形状を制御する開口部が形成された坩堝を用意する第１工程と、坩堝の開口部が形成されている領域の坩堝外側端部を、金属部材を構成する金属材料の凝固点以下にして坩堝内に金属材料の融液を収容した融液収容状態とする第２工程と、融液収容状態で、坩堝内の金属材料の融液を開口部より引き出すことで、固液界面が開口部の内部に形成された状態とし、開口部の形状を断面形状とした金属部材を作製する第３工程とを備え、坩堝は、金属材料の融液との濡れ角が６０°以上となるセラミックスから構成する。

上記金属部材製造方法において、第１工程では、開口部が底面に形成された坩堝を用意し、第２工程では、坩堝の開口部を備える底部を、金属部材を構成する金属材料の凝固点以下にして坩堝内に金属材料の融液を収容した融液収容状態とし、第３工程では、融液収容状態で、坩堝内の金属材料の融液を開口部より引き下げることで、固液界面が開口部の内部に形成された状態とし、開口部の形状を断面形状とした金属部材を作製すればよい。

上記金属部材製造方法において、坩堝は、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂、ＨｆＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＢＮの少なくとも１つから構成されていればよい。例えば、坩堝は、ジルコニアを含有するセラミックスから構成すればよい。

上記金属部材製造方法において、金属材料は、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの少なくとも１つからなる金属または合金である。

以上説明したことにより、本発明によれば、マイクロ引き下げ法などにより合金などの金属材料による所望の形状の部材が作製できるようにする。

図１は、本発明の実施の形態における金属部材製造方法を説明するためのフローチャートである。 図２は、濡れ角を説明するための説明図である。 図３は、本発明の実施の形態における金属部材製造方法を実施する装置の構成を示す断面図である。 図４は、坩堝の底の引き出し穴から育成した直径１ｍｍのＩｒ線が下方向に引き下げられている状態を撮像した結果を示す写真である。 図５は、坩堝の底の引き出し穴からＰｔ−Ａｕ合金の融液が濡れだしている状態を撮像した結果を示す写真である。 図６は、本発明の実施の形態における金属部材製造方法で得られたＩｒ線材の状態を撮影した写真である。 図７は、本発明の実施の形態における金属部材製造方法で得られたＩｒ−Ｐｔ合金線材の状態を撮影した写真である。 図８は、本発明の実施の形態における金属部材製造方法で得られたＰｔ−Ｎｉ合金線材の状態を撮影した写真である。 図９は、本発明の実施の形態における金属部材製造方法で得られたＩｒ線材の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図１０は、本発明の実施の形態における金属部材製造方法で得られたＩｒ線材の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における金属部材製造方法を説明するためのフローチャートである。

この金属部材製造方法は、まず、第１工程Ｓ１０１で、作製する金属部材の断面形状を制御する開口部を底面に形成した坩堝を用意する。坩堝は、金属材料の融液との濡れ角が６０°以上となるセラミックスから構成する。坩堝は、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ₂）セラミックス（ジルコニアを含有するセラミックス）から構成すればよい。濡れ角は、図２の（ａ），（ｂ）に示すように、坩堝１０１の表面と溶融金属１０２の界面（表面）とのなす各αで定義される角度である。

次に、第２工程Ｓ１０２で、坩堝の開口部を備える底部を、金属部材を構成する金属材料の凝固点以下にし、坩堝内に金属の融液を収容した融液収容状態とする。例えば、坩堝の開口部を備える底部にかけての温度勾配を、１０℃／ｃｍ以上とすればよい。金属材料は、例えばイリジウム（Ｉｒ）である。また、金属材料は、Ｉｒと白金（Ｐｔ）との合金、Ｐｔとニッケル（Ｎｉ）の合金、Ｐｔと金（Ａｕ）の合金である。なお、「底部」は、大地の側を下側とした状態におけるものである。

次に、第３工程Ｓ１０３で、上述した融液収容状態で、坩堝内の金属の融液を開口部より引き下げることで、固液界面が開口部の内部に形成された状態とし、開口部の形状を断面形状とした金属部材を作製する。例えば、温度勾配は、０．０１ｍｍ／ｍｉｎ以上の速度で引き下げればよい。

ここで、金属部材は、例えば、金属線、金属板、金属パイプである。開口部を１００ｍｍ以下の円形状の穴とすることで、穴の形状を断面形状とした金属線が形成できる。また、開口部をスリットとすることで、スリットの形状を断面形状とした金属板が形成できる。また、開口部をパイプ状の穴とすることで、パイプ状の穴の形状を断面形状とした金属パイプが形成できる。例えば、所定の直径の穴の中央部の棒状部材を配置することで、パイプ状の穴とすることができる。

なお、上述では、マイクロ引き下げ法を例に説明したが、これに限るものではない。作製する金属部材の断面形状を制御する開口部は、坩堝の底部（底面）に限らず、側面、斜め上側の領域、上端部など、様々な領域に形成されていてもよい。従って、金属材料の凝固点以下にする領域も、坩堝の開口部が形成されている領域の坩堝外側端部とすればよい。また、引き下げに限らず、形成した開口部の位置に合わせて金属材料の融液を引き出せばよい。

上述した実施の形態によれば、セラミックスからなる坩堝を用いているので、材料となる金属の融液と反応することがない。また、坩堝を金属材料の融液との濡れ角が６０°以上となるセラミックスから構成し、加えて、坩堝の開口部が形成されている領域の坩堝外側端部の温度を、金属部材を構成する金属材料の凝固点以下にして坩堝内に金属の融液を収容しているので、固液界面が開口部の内部に形成されるようになり、開口部の形状を断面形状とする金属部材が容易に作製できる。

例えば、特許文献１および特許文献２では、坩堝下部を原料融液の凝固点よりも高温に加熱し、原料融液を坩堝下部まで引き出した状態で作製を行っているが、これでは坩堝材に対して濡れが悪い金属の形状を制御した金属部材を作製することができない。また、特許文献３では、合金融液と坩堝材の濡れ角を考慮に入れていないため、やはり形状を制御した金属部材が作製できない。これに対し、本発明によれば、上述したように、坩堝底部における開口部の形状を断面形状とする金属部材が容易に作製できる。

また、本発明によれば、大型のインゴットから何回もの加工プロセスを経て目的の形状の金属部材を形成する必要が無いので、この点でも、目的の金属部材が容易に作製できる。

以下、実施例を用いてより詳細に説明する。以下では、難加工性の金属材料として、Ｉｒ金属およびＩｒ−Ｐｔ合金を採用し、これら金属材料より線材を作製した。

はじめに、装置について図３を用いて説明する。図３は、高周波誘導加熱によるマイクロ引き下げ装置である。この装置は、坩堝２０１、アフターヒータ２０２、支持台２０３、断熱壁２０４、固定部２０５、高周波誘導コイル２０６、チャンバー２０７、導入口２０８、排出口２０９を備える。

坩堝２０１は、ジルコニアセラミックスから構成されて底部には直径１ｍｍの引き出し穴（開口部）を備える。また、坩堝２０１の下側には、アフターヒータ２０２が配置されている。アフターヒータ２０２は、支持台２０３上に固定されている。アフターヒータ２０２の上に坩堝２０１が載置されている。支持台２０３の上には、坩堝２０１の周囲を取り巻く断熱壁２０４が設けられている。なお、坩堝２０１の下部に領域においては断熱壁２０４に観察用の窓部が設けられ、引き出し穴より引き出す状態が観察可能とされている。

また、断熱壁２０４の周囲を取り巻く状態に高周波誘導コイル２０６が配置されている。断熱壁２０４の内側がホットゾーンとなる。坩堝２０１の底部において高い温度勾配が形成されるように断熱壁２０４が配置構成されている。上述した各部分は、非磁性のステンレス鋼から構成されたチャンバー２０７内に配置されている。支持台２０３は、チャンバー２０７の底部に固定部２０５で固定されている。また、チャンバー２０７には、導入口２０８および排出口２０９が設けられており、必要に応じて大気圧、真空、不活性ガス等雰囲気を制御することができる。

坩堝２０１内に収容した金属材料２２１を、高周波誘導コイル２０６の加熱により溶融する。また、坩堝２０１内の溶融した金属材料２２１に対し、坩堝２０１の引き出し穴より種となる金属線２２２を接触させてこれを引き下げることで、種となる金属線２２２が接触している溶融した金属材料２２１を引き下げて形成制御した金属線２２３を作製する。この際、固液界面を２５１内部に形成させる。

次に、金属線の形成について説明する。上述した装置を用い、まず、原料として、純度９９．９％以上の約７５ｇのＩｒペレット、Ｉｒ−Ｐｔ合金ペレット、Ｐｔ−Ｎｉ合金ペット、もしくはＰｔ−Ａｕ合金ペレットを用いた。Ｉｒペレットを用いてＩｒによる金属線を作製する。Ｉｒ−Ｐｔ合金ペレットを用いてＩｒ−Ｐｔによる合金の金属線を作製する。Ｐｔ−Ｎｉ合金ペットを用いてＰｔ−Ｎｉによる合金の金属線を作製する。Ｐｔ−Ａｕ合金ペットを用いてＰｔ−Ａｕによる合金の金属線を作製する。

まず、３枚のペレットを坩堝２０１に収容し、チャンバー２０７を密閉状態とし、導入口２０８を閉状態として排出口２０９に接続しているロータリーポンプなどの排気機構（不図示）を動作させてチャンバー２０７を真空排気する。チャンバー２０７内が所定の圧力（真空度）に達した時点で、導入口２０８より高純度のＮ₂ガスを導入し（１リットル／分）、チャンバー２０７内をＮ₂ガス雰囲気の大気圧状態とする。

次に、高周波誘導コイル２０６を動作させ、高周波誘導加熱により坩堝２０１内のペレットを融点以上の温度に過熱して溶融させる。

次に、坩堝２０１の引き出し穴の直下に用意しておいたＩｒからなる直径０．９ｍｍの種となる金属線２２２を、引き出し穴より坩堝２０１内部に約５ｍｍ挿入する。ここで、アフターヒータ２０２を動作させることなどにより、坩堝２０１の引き出し穴を備える底部の温度は、金属材料の凝固点以下として高い温度勾配を形成させ、坩堝２０１内には金属の融液が収容されている融液収容状態とする。

上述した融液収容状態を維持したまま、挿入した種となる金属線２２２を直下に引き下げる。上述したように高い温度勾配が形成される状態に温度制御し、固液界面２５１が、引き出し穴の内部に形成される状態としている。このため、種となる金属線２２２を引き出すと共に引き出される坩堝２０１内の溶融金属は、引き出し穴の内部の固液界面２５１を通過すると固化し、逐次に金属線が形成されていく。引き下げ速度を１０ｍｍ／ｍｉｎとして坩堝２０１内の金属原料を一方向凝固成長させる。なお、引き下げ速度は、０．０１ｍｍ／ｍｉｎ以上とすればよい。

上述した引き下げの状態は、断熱壁２０４に設けられている観察用の窓部により観察可能とされている。例えば、デジタルスチルカメラにより、窓部から観察される引き下げ（育成）状態が撮像可能とされている。この撮像結果を図４に示す。図４に示すように、坩堝２０１の底の引き出し穴から直径１ｍｍのＩｒ線（育成したＩｒ線）が坩堝の下方向に引き下げられている。

ここで、Ｐｔ−Ａｕ合金を用いて同様に実施した結果、Ｐｔ−Ａｕ合金の融液はジルコニアセラミックスに対する濡れ角が６０°より小さいことから、図５に示すように、金属融液が坩堝底から濡れだしてきたため、育成したＰｔ−Ａｕ合金線の形状制御ができなかった。なお、Ｐｔ−Ａｕ合金の場合、種となる金属線２２２としてＰｔ線を用いている。

前述した条件で所定の時間Ｉｒ線を引き下げた後、Ｉｒ線の引き下げを止め、高周波電源の出力を徐々に下げることで坩堝２０１内の高周波誘導電流を徐々に低下させ、坩堝２０１内の温度を下げ、処理を停止した。結果として、図６に示すような直径１ｍｍのＩｒ線材が得られた。上述同様にすることで、図７に示すように、直径１ｍｍのＩｒ−Ｐｔ合金線材が得られた。また、上述同様にすることで、図８に示すように、直径１ｍｍのＰｔ−Ｎｉ合金線材が得られた。

作製したＩｒ線を切断し、引き下げた方向と平行な方向および垂直な方向のそれぞれで研磨した試料を作製し、作製した試料の断面を走査型電子顕微鏡で観察した。観察の結果、図９の平行方向の断面、図１０の垂直方向の断面に示すような、直径１ｍｍを有した円柱状の線材となっていることが分かった。

溶融したＩｒとジルコニアセラミックスとの間の濡れ角αは、９０°≦α≦１８０°であるため、２００ｍｍ／ｍｉｎ以上の育成速度で線材作製が可能であった。溶融したＰｔ−Ｎｉ合金とジルコニアセラミックスとの間の濡れ角αは、６０°≦α≦９０°であるため、５０ｍｍ／ｍｉｎの育成速度が線材作製の際の最大速度であった。このように、濡れ角が大きいほど、育成速度を速くすることが可能である。なお、溶融したＩｒ−Ｐｔ合金とジルコニアセラミックスとの間の濡れ角αは、９０°≦α≦１８０°である。

以上に説明したように、本発明によれば、金属材料の融液との濡れ角が６０°以上となるセラミックスから構成した坩堝を用い、坩堝の開口部を備える底部の温度を、金属部材を構成する金属材料の凝固点以下にした状態で引き下げることようにしたので、マイクロ引き下げ法などにより合金などの金属材料による所望の形状の部材が作製できるようになる。本発明は、発明者らの鋭意の検討の結果、坩堝を構成する材料と金属材料の融液との濡れ角が、形状制御に大きく影響することを初めて見いだしたことによりなされたものである。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

例えば、前述したＩｒ金属、Ｐｔ−Ｎｉ合金、Ｉｒ−Ｐｔ合金に限らず、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの少なくとも１つからなる金属または合金においても同様に濡れ角が６０°以上となるＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂、ＨｆＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＢＮの少なくとも１つから坩堝を構成することで、マイクロ引き下げ法などによる形状を制御した線材などの金属部材が作製できる。

１０１…坩堝、１０２…溶融金属、２０１…坩堝、２０２…アフターヒータ、２０３…支持台、２０４…断熱壁、２０５…固定部、２０６…高周波誘導コイル、２０７…チャンバー、２０８…導入口、２０９…排出口、２２１…金属材料、２２２…種となる金属線、２２３…金属線、２５１…固液界面。

Claims (5)

1. 作製する金属部材の断面形状を制御する開口部が形成された坩堝を用意する第１工程と、
   前記坩堝の前記開口部が形成されている領域の前記坩堝外側端部を、前記金属部材を構成する金属材料の凝固点以下にして前記坩堝内に前記金属材料の融液を収容した融液収容状態とする第２工程と、
   前記融液収容状態で、前記坩堝内の前記金属材料の融液を前記開口部より引き出すことで、固液界面が前記開口部の内部に形成された状態とし、前記開口部の形状を断面形状とした金属部材を作製する第３工程と
   を備え、
   前記坩堝は、前記金属材料の融液との濡れ角が６０°以上となるセラミックスから構成する
   ことを特徴とする金属部材製造方法。
2. 請求項１記載の金属部材製造方法において、
   前記第１工程では、前記開口部が底面に形成された坩堝を用意し、
   前記第２工程では、前記坩堝の前記開口部を備える底部を、前記金属部材を構成する金属材料の凝固点以下にして前記坩堝内に前記金属材料の融液を収容した融液収容状態とし、
   前記第３工程では、前記融液収容状態で、前記坩堝内の前記金属材料の融液を前記開口部より引き下げることで、固液界面が前記開口部の内部に形成された状態とし、前記開口部の形状を断面形状とした金属部材を作製する
   ことを特徴とする金属部材製造方法。
3. 請求項１または２記載の金属部材製造方法において、
   前記坩堝は、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂、ＨｆＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＢＮの少なくとも１つから構成されていることを特徴とする金属部材製造方法。
4. 請求項３記載の金属部材製造方法において、
   前記坩堝は、ジルコニアを含有するセラミックスから構成することを特徴とする金属部材製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属部材製造方法において、
   前記金属材料は、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの少なくとも１つからなる金属または合金である
   ことを特徴とする金属部材製造方法。