JPH02133550A - 金属間化合物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は金属間化合物および金属間化合物と母材からな
るクラット材ｔ［を用いた部十、４の製造および成形方
法に関する。

（従来の技術） 金属間化合物はその優れた材料特性から、高温構造材料
（八ＩＴ：　、　ＡハＴｉ、Ｎｉ３八ｌ）、磁性材料（
ＳｍＣｏ−、。

ＮｄＪｅＩＪ、　ＭｎＡｆ）　、超電導材料（Ｎｂ、Ｓ
ｎ、ＮｂＴｉ、ＮｂＺｒ）、形状記憶材料（ＴｉＮｉ、
Ｃｕ八へＺｎ）、水素貯蔵材ｔｌ（ＦｅＴｉＭｇｚＮｉ
）等への利用が期待されている。それぞれの分野で盛ん
に研究開発がｉＶめられているが、金属間化合物は結晶
構造上脆＜−Ｃ加Ｉ性が悪いため実用化の大きな障害と
なっている。

この金属間化合物の脆性を克服するため従来技術ではボ
ロン等の元素を微量添加して金属間化合物自体の延性を
向上する方法や高温高靜水圧下で加工する方法等が試み
られているが、加］“、が難しく金属間化合物の種類や
成形条件が極めて限定されるのが現状である。

実用化された金属間化合物の製造方法としては超電導コ
イル用のＮｂ、Ｓｎ綿材の固相拡散による製造方法がよ
く知られている。この方法は金属Ｓｎの中に円筒状の金
ＪｉＮｂを埋め込み全体を延伸加工してＮｂ多芯構造の
Ｓｎ線材を製造した後に、加熱することによりＮｂ中に
Ｓｎ原子を拡散させて金属Ｎｂ部分を超電導材料である
金属間化合物のＮｂ３Ｓｎとすることで超電導コイル用
線材を作製する方法である。

この方法ではＮｂ　４　Ｓｎが金属状態の時に延伸とい
う大きな加工を施しておき、熱処理により金属化合物の
Ｎｂ３Ｓｎが形成された後では加工を必要としないとい
うことが特徴的である。この方法により製造できる金属
間化合物材料の形状としては細線に限られ、また多芯線
材の芯の部分のみが金属間化合物であり、金属間化合物
のみから成る部材を製造する方法にはなり得ない。上記
のように、従来技術では金属間化合物の難加工性を克服
するには不十分であり、金属間化合物材料を用いた複雑
な形状の部材を作ることは非常に困難である。また特に
耐熱材として用いられる金属間化合物は融点も高く溶融
法で製造することにも大きな問題点がる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は金属間化合物を用いた部材を製造する場合にお
いて、部材の金属間化合物相の厚さを任意に形成し、か
つ複雑な形状を有する部材を製造する方法を提供するこ
とを目的とするものであり、さらに金属、セラミックス
等の母材と金属間化合物とを接合して部材を製造する方
法を提供することも目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は異種金属板を多段に交互に積層した状態で固相
接合し、平板を製造する場合はそのまま、もしくは圧延
し、形状が複雑な部材を製造する場合は所望の形状に加
工した後に、加熱することで異種金属間の固相での相互
拡散反応を利用して異種金属積層部を金属間化合物相と
することを特徴とする。

このため本発明が対象とする金属間化合物は強加工が可
能である純金属板、第３元素を固溶あるいはコーティン
グした金属板もしくは箔を使用する。例えば、金属間化
合物材料Ｎｉ３Δ／、　ＩＶＴｉＮｄｚＰｅｚＢの場合
に積層する異種金属とはＮｉとＭ。

八ｌとＴｉ、Ｆｅ−ＮｄとＰｃ−８（それぞれＮｄと８
を固？容したＦｅ）となる。

以下、本発明のＪ′【細を２元系金属間化合物Ａ、Ｂ。

（金属原子Ａ、ＢがＸ：ｙに結合した原子構造を持つ金
属間化合物）を例として述べる。Ｎ　ｉ　３ｊＶであれ
ばＮｉ　：Ａ／＝３　：　１となり、八ｌＴ’＋であれ
ば八ｌ：Ｔｉ＝１：１となる。第１図に示すようにまず
Ａ金属板１とＢ金属板２を交互に金属間化合物相として
必要な厚さまで多段に積層させる。このときＡ金属板と
Ｂ金属板の厚さの比は、相互拡散熱処理により金属原子
Ａ、Ｂが完全に混合した時に所望の金属間化合物の組成
比率になるように決める。

例としたＡＸＢ、の場合、具体的にはへ金属板とＢ金属
板の厚さの比ａ：ｂは ａ　：　ｂ　＝　ｘ　ＭＡ／　ρＡ：　Ｙ　ＩＶＬ＋／
　ｌ）ｓと成る。ここで、Δ金属の質量をＭＡ、密度を
ρ１、Ｂ金属の質量をＭ、、密度をρ８とする。

ただし多段に積層したＡ金属板とＢ金属板のそれぞれの
厚さを全て同一にする必要はなく、厚さの比が上述の関
係を満たしていれば良い。例えば、両端の金属板の厚さ
は内部の金属板の半分の厚さでもよい。金属板の板厚の
最大値は金属間化合物相を形成させるための加熱処理に
おける加熱温度と時間との関係で決める。一般的には金
属間化合物相の成長は異種金属間の相互拡散挙動に従う
ため、次の関係式より、 拡散距離ｘ＝　、α−Ｊゴー 拡散係数Ｄ　＝　Ｄ　ｏｅＸｐ　（Ｑ　／　ｋ　Ｔ　）
（ここでＬ：時間、Ｄｏ：定数、Ｑ：活性化エネルギー
、ｋ：ボルツマン定数） 金属層−層の厚さ！と金属間化合物化に要する加熱温度
Ｔと加熱時間ｔとの間には １２ｏｃｅｘｐｃ　　１／Ｔ）および、ｉ：”ｏｃｊの
関係が成り立つ。すなわち金属層−層の厚さが小さいほ
ど加熱時間は短くまた加熱温度は低く設定できるため、
金属間化合物相を形成するための熱処理の上からは金属
板の厚さはできるだけ小さく多層に積層することが望ま
しい。実用的な板厚は５〜５０μｍが適当である。

成形加工時に２’ｌ　ｉｔｔ［シないだけの接合強度を
持ったへ金属板とＢ金属板の多段積層材料を固相接合で
、製造する方法は、たとえばＡ金属とＢ金属の薄板をそ
の表面を平滑にしたあと清浄にして積層し真空、不活性
ガスあるいは還元性ガス雰囲気中で熱間ブレスや熱間静
水圧加圧（ＩＩＩＰ）等により拡１１（接合させて製造
する方法や、溶射や蒸着、コーティング等で一層づつ積
層させて必要なら接合を強固にするため加圧処理を行っ
て多段積層材料を作製する方法等がある。このときに留
意すべきことは、固相接合のための加熱を行う際に異種
金属界面で金属間化合物相が成長してこのあとの成形加
工が困難にならないように、できるだけ低い力１１熱温
度で短い加熱時間に設定することである。

船釣には１．独点の低い方の金属の融点を１１ｐとする
と０．６Ｍｐ以ト融点以下の温度で１時間以下の熱処理
を行うことが適当であるが、接合時に負荷する圧力が大
きく圧接で接合できる場合は加熱温度をより低くまた加
７：！ｓ時間をより短く設定することが可能である。最
初から薄い金属板を多段に積層する場合は、金属原子の
相互拡散に及ぼず金属板表面の酸化膜、油膜等の不純物
層の影響が大きくなるため、金属板表面の清浄化には大
きな注意を払わなければならない。表面不純物層の影響
を小さくしかつ積層材の接合強度を向」ニさせるための
有効な方法は真空熱間圧延機を用いて、積層した金属板
同士を真空下で固相接合すると同時に圧延して全体を引
き延ばし個々の金属層の厚さを小さくする処理を行うこ
とである。このとき金属板表面の不純物層は金属板が延
びることにより分断されるため、圧延率を大きくするほ
ど異種金属接合界面での分断された不純物層を分散させ
その影♂をより小さなものにすることができる。なお、
固相接合後の加工の必要が無い平板の場合は、上記の加
熱条件はよりゆるやかな条件でよく、また後工程の金属
間化合物相生成のための熱処理を同時に行うことが可能
である。

タービンブレードやローターなどの複りｆ（な形状の金
属間化合物製品を製造する場合には多段積層材料を所望
の形状に圧延や鍛造、プレス等で加工する。冷間で加工
しにくい場合は温間もしくは熱間で加工することが必要
となるが、異種金属積層部が酸化しないように真空、不
活性ガスあるいは還元性ガス雰囲気中で加工しなければ
ならない。

ごの場合も加工中に異種金属界面で金属間化合物相が成
長して加工し難くならないように接合時の加熱条件と同
じく、温間・熱間の加熱条件をできるだけ低い温度・短
い時間としなければならない。

平板ないし所望の形状に加工したへ金属と１３金属の多
段積層＋４１を加熱処理することにより、金属原子Ａ、
Ｂの相互拡散反応を活性にして買種金属積層部全層を固
和金属間化合物相へ、１シに変態さゼ“０部（Ａの製造
が完了する。この金属間化合物形成のための熱処理にお
いても異種金属積層部の酸化を防ぐために真空、不活性
ガスあるいは還元性ガス雰囲気内で加熱することが必要
である。このときに個々の金属層の厚さと熱処理温度お
よび熱処理時間との間には一般には前達した関係が成り
立つ”Ｃいる１、ただし２下山状態図で他の金属間化合
物相が存在する場合は（たとえば＾１２−ＴｉではΔｌ
Ｔｉ、　ＩＶ３Ｔｉ、Ｔｉ、八ｌが存在する）、最初は
その他の金属間化合物相も生成してその競合反応となる
ため所望の、η屈間化合物＋１１を形成するには長時間
の加熱処理が必要となる。積層した金属板の（板厚が小
さければ、原子の相互拡散の速度が遅くても比・咬的容
易に濃度平衡状態に達することができるため、個〜の金
属層の厚さＫｊできるだけ小さいことが望ましい。加熱
温度は積層材の酸化を抑えるためには（特にＴｉ、　Ｚ
ｒのように高温では極めて活性化する金属を使用する場
合が多いことからも）熱処理温度は低く設定したほうが
よいが原子の相互拡散が活発な状態にしておく必要があ
るためｉｌ、↓低でも構成金属中の１μも低い融点Ｍｐ
に対して０．５？ｊｐ以上に設定する。加熱の上限温度
は金属積層部中に７Ｉ；在するＡ原子、Ｂ　ｌｉ；ｉ子
のｔＪ１成範囲て液相が出現しない温度であることが必
要である７八！−Ｔｉ系を例にとると、加熱開始時はへ
１−Ｔｉ平ｉ斬状態図での液相の１１ユ低温度であるΔ
ｅの融点（（ｉ６０°Ｃ）以下で加熱しなければならな
いが相互拡散が進行してＡＺ中のＴｉ濃度が上昇するに
ともない加熱温度を平衡状態図の液相線に従って上げる
ことができる。

たとえばＴｉが２０原子％以上になると１３００″Ｃで
加熱してよい。

以」二、本発明の詳細について２元系金属間化合物ＡＸ
Ｂ、からなる部月を製造する場合を例にとり説明したが
、本発明は第２図に示すように３種類の金属を積層する
ことで３元系の金属間化合物にも適用できる。また第３
図に示すように、母材の上に金属板を積層させて金属板
同志および母材とを同時に固相接合するか、事前に固相
接合した異種金属多段積層材料を金属状態の時に金属も
しくはセラミ７クス等の母材と接合させるか、または母
（オの表面に直接、溶射や蒸着、コーティング等で一層
づつ積層させて、そのあと固相拡散反応で金属間化合物
相を形成させるごとにより金属間化合物から成るクラッ
ド材料を使用した部材を製造することも可能である。

本発明では異種金属積層部を多段に重ねることで数ｐｍ
〜数１０ｍｍまでの任意の厚さの金属間化合物相を得る
ことができ、金属間化合物相の形状や大きさの制限は極
めて小さい。本発明は高温構造材料（ΔＩＴｉ、　Ａｈ
Ｔｉ、ＴｉｔＡｆ）　＋　Ｇｆｉ性材料（ＳｍＣｏｓ＋
ＮｄＪｅ＋　ａＢ、　ＭｎＡ７）　＋超電導材料（Ｎｂ
：＋Ｓｎ、ＮｂＴｉ、ＮｂＺｒ）。

形状記憶材料（ＴｉＮｉ、ＣｕＡｊＺｎ）　、水素貯蔵
材料（ＦｅＴｉ、　ＭｇＪｉ）等の金属間化合物材料製
品全般に対して適用可能であるが、特に、タービンのブ
レードや次世代航空機材料としての使用が考えられてい
るＮ　ｉ　３　／Ｖや／ＶＴｉ等の高温構造材料に好適
である。

八ｊＴｉやＮ　ｉ　３　Ａ７等の金属間化合物はその融
点が高いため従来の溶解法にて製造する場合には金属間
化合物の品質を確保するために酸化やるつぼとの反応の
問題等に特別な注意を払う必要があったが、本発明では
低温度で金属間化合物相を形成するため酸化や外部との
化学反応を抑制できる。また特に航空機の外板材などの
大面積の薄板を製造する場合には、創肉鋳造および鍛造
あるいは精密焼結法などの従来技術では、板厚を薄くす
ることも面積を広げることも非常に困難であったが、本
発明を用いれば容易に製造できる。

さらには金属間化合物を既存の材料、たとえば、金属や
セラミックス等と接合させる場合においても、本発明で
は金属間化合物相を金属の状態のときに接合させること
ができるため、金属間化合物の難溶接性も解決すること
ができる。

（実施例１） 純アルミニウム箔と純チタン箔を原材料として金属間化
合物へｔＴｉから成る板厚０．２　ｍｍの薄板を作製し
た。まず厚さ１０ｐｍの純アルミニウムの箔と厚さ１０
μｍの純チタン箔を交互に合計２０層積層して、ステン
レス鋼製袋に真空封入し、！ＩＭＰで圧力２０００気圧
、加熱条件６００°Ｃ１１時間の条件で固相接合して純
アルミニウムと純チタンとの多段積層＋Ａを作製した。

この積層材を真空焼鈍炉中で第４図の加熱パターンで固
相拡散熱処理を行って八！Ｔｉの薄板を製造した。原材
料の厚さが３０μｍの場合は上と同条件ではチタン箔中
心部にＴ　ｉ　ｘ　ＡＺ　Ｈｌが残存し、第４図の熱処
理で全体をΔｌＴｉ相のみとすることはできなかった。

（実施例２） 純アルミニウム箔と純チタン箔を原材料として金属間化
合物へ／、Ｔｉから成る板厚０．４　ｍｍの薄板を作製
した。まず厚さ３０μｍの純アルミニウムの箔と厚さ１
０μｍの純チタン箔を交互に合計２０層積層して、ステ
ンレス鋼製袋に真空封入し、！ＩＩＰで圧力２０００気
圧、加熱条件６００°Ｃ１１時間の条件で固相接合して
純アルミニウムと純チタンとの多段積層材を作製した。

この積層材を真空焼鈍炉中で第４図の加熱パターンで固
相拡散熱処理を行ってＡＺ、Ｔｉの薄板を製造した。

（実施例３） 純アルミニウム箔と純ニッケル箔を原材料として金属間
化合物Ｎ　ｉ　３八ｌから成る板厚０．３　ｍｍの薄板
を作製した。まず厚さ１０μｍの純アルミニウムの箔と
厚さ２０μｍの純ニッケル箔を交互に合計２０層積層し
て、ステンレス鋼製袋に真空封入し、Ｉｔ　Ｉ　Ｐで圧
力２０００気圧、加熱条件６００°Ｃ１１時間の条件で
固相接合して純アルミニウムと純ニッケルとの多段積層
材を作製した。この積層材を９０°曲げ加工したのち、
真空焼鈍炉中で第４図の加熱パターンで固相拡散熱処理
を行ってＮｉｐ八！へらなる部材を製造した。

（発明の効果） 従来技術では金属間化合物を用いた平板や複雑な形状の
部材を製造することが困難であるのに対して、本発明に
より、薄肉大面積の平板や複雑な形状を有する金属間化
合物製品を製造することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により２元系金属間化合物からなる部材
を製造する場合に２種類の金属板を積層する方法を示す
模式図である。第２図は３元系金属間化合物からなる部
材を製造する場合に３種類の金属板を積層する方法を示
す模式図である。第３図は金属間化合物からなるクラッ
ド材料を製造する場合に母材の上に異種金属層を積層さ
せる方法を示す模式図である。第４図は本発明の実施例
における金属間化合物相生成のための熱処理条件を示す
図である。 第２図 第３図 一４＃材 第４図 ツノ５θ１ζ ノＳ、ろｒ ３６．１６ｒ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属間化合物を形成する異種金属板を所望の金属
   間化合物の組成比率で交互に積層し、該積層板を固相接
   合し、そのまま、もしくは、所望の形状に加工した後、
   拡散熱処理として、構成金属中の最も低い融点Ｍｐの０
   ．５Ｍｐ以上、最低液相温度以下で熱処理することを特
   徴とする金属間化合物の製造方法。
2. （２）請求項１の構成金属板が、金属箔である金属間化
   合物の製造方法。
3. （３）請求項１の構成金属板が、溶射、蒸着、コーティ
   ングで形成した金属板である金属間化合物の製造方法。
4. （４）請求項１の金属間化合物を他の金属または、セラ
   ミックス上に形成してなる金属間化合物と金属あるいは
   セラミックスとのクラッド材の製造方法。