JPH0285327A - 難加工性合金の成形品を製造する方法 - 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〉 この発明は、金属間化合物等の如き難加工性合金の成形
品を工業的規模で安定して生産する方法に関するもので
ある。

〈従来技術とその課題〉 一般に、金属間化合物では金属的性質が薄れがちとなっ
て加工性の悪いものが多く、任意形状に成形加工するこ
とは極めて困難である。

ところが、近年、超電導材料や形状記憶合金等が注目さ
れるようになり、これらの特性を発揮する金属間化合物
を所望の任意形状に自在に成形する必要に迫られるよう
になってきた。

例えば、Ｎｂ５Ｓｎ＋Ｖ２Ｇａ＋　Ｎｂ５（ｕｏ、５Ｇ
１３ｏ、ｚ）＋　Ｎｂ＋Ｇｅ。

Ｎｂ５Ａｊは何れも高い臨界磁界、臨界電流密度、！２
！界温度を持っていて優れた超電導材料であることが知
られており、Ｎｉ　−Ｔｉ、　Ａｇ−Ｃｄ＋　Ｃｕ−Ａ
ｊ−Ｎｉ。

Ｃｕ−Ａｕ−Ｚｎ、　Ｃｕ−５ｎ＋　Ｃｕ−Ｚｎ、　Ｃ
ｕ−Ｚｎ−Ｘ　（Ｘ　−３Ｌ　Ｓｎ　＋　Ａｊり　＋　
Ｃｕ−Ｚｎ　　Ｙ　（Ｙ　＝Ｃａ、　ＡＩ　）　＊　Ｎ
ｔ−Ａｌｔ　Ｉ　ｎ＝Ｔｌ　、　Ｆｅ−Ｐｔ、　ｒｅ−
Ｐｄ、　Ｍｎ−Ｃｕ合金は形状記憶効果を有するものと
して知られている。その他、Ｚｒ＊ＡＩは軽水炉核燃料
被覆管として、Ｎ　ｉ３　Ａｌｔ　Ｔ　ｔ　ＡｌｔＣｏ
３Ｔｉ、　ｒｉ３Ａｊ、　Ｍｏ＝Ｓｉ及びＮ　ｉ　！　
Ａｊ　Ｔ　ｉ等は耐熱構造材料として、またＦｅＴ　ｉ
やＬａＮｉ、等は水素貯蔵材料としてそれぞれ有望視さ
れており、ＦｅＣｏ’？’Ｆｅ、Ａ　ｊ！等は磁性材料
として良く知られているが、何れも加工性が悪く、例え
ば細線等に加工するのが極めて困難であるか、さもなけ
れば不可能であった。

そのため、従来、上述のような難加工材料から成る長尺
物（板材、棒材、線材等）を製造する場合には次のよう
な手段が採用されていた。

即ち、例えばＴ１ＮｉやＮｉ、Ａｊ等のような塑性加工
が困難ではあるが塑性変形能を有する金属間化合物につ
いては、成形素材の作成は一般的な金属材料におけると
同様な溶解・鋳造法によっていたが、その後の成形工程
では多数回の焼鈍処理と塑性加工とを組み合わせて板材
、棒材、線材等に成形していた。そのため、処理コスト
が嵩む上、溶解時における成分歩留りに起因した組成バ
ラツキの問題や鋳造時に成分偏析を生じ所望の特性が得
られない等の問題も指摘されており、それらの改善が強
く望まれていた。

一方、そのものの塑性加工ができない難加工性金属間化
合物については、例えばＮｂ、Ａｆワイヤの製造を例に
とれば、 ａ）第１０図に示すように、Ｎｂ粉末とＭ粉末とを混合
したものを押出成形してビレットとし、これを線引き等
の加工法により細線化してから拡散熱処理を施してＮｂ
３υワイヤとする方法（粉末混合法）。

ｂ）第１１図に示すように、Ｎｂ粉末を静水圧プレス成
形して焼結した後、Ｍ溶融浴に浸漬してＡＩ！を浸み込
ませ、これをビレットとして再押出し、溝ロール圧延又
は線引きした後、拡散熱処理を施してＮｂ、Ｉｕワイヤ
とする方法（液体浸透法）。

Ｃ）第１２図に示すように、Ｎｂ板とＡｌ板を化学量論
比率と成るように゛クラッドした後、これを硬く巻き取
ってビレットとし、該ビレットを線引きしてから拡散熱
処理を施してＮｂＪＪ！ワイヤとする方法（ジェリーロ
ール法）。

ｄ）第１３図に示すように、Ｎｂチューブ内にＡ１を詰
め、これに押出し加工と線引きを施してから拡散熱処理
を施し、Ｎｂ、Ａｉ’ワイヤとする方法（チューブ法）
。

等の適用が試みられてきた。

しかしながら、前記ａ）及びｂ）の方法では、金属粉末
、それも非常に活性な金属の粉末を取り扱わねばならな
いため ｉ）大気中のガス（特にＯｘガス）を吸収して不純物量
を増したり、加工性の劣化を招きやすい（特に、Ｎｂは
Ｏ８を吸収し易く、０□が混じると塑性加工特性（変形
能）及び超電導特性が劣化する）。

ｉｉ）粉末同士を混合すると局部的に混合比に乱れを生
じ易く、十分に均一な混合物を得るのは極めて難しいの
で組成比が不安定となる。

ｉｉｉ　）活性な金属の粉末を取り扱うために爆発の危
険を避ける細心の注意が必要である。

ｉｖ）人体内へＮｂ等の粉末を吸入すると有毒である。

等の問題がある。特に拡散熱処理前に均一な粉末混合物
を得るためには素材粉末の粒径をできるだけ細粒化する
ことが必要であるが、素材金属粉末を細粒化すればする
ほど表面酸化が起こりやす（なって加工性を害するよう
になり、成形形状や寸法に限界がある。

また、前記Ｃ）の方法では、クラツド板の巻き始めがど
うしてもルーズになりやすく、これを線材に成形すると
中心部の成分比率が所定値通りになりにく（て不均一化
し、拡散熱処理を施しても全体が均一なＮｂ５Ａｉ’化
しないとの問題がある。更に、線引き加工の際には素材
のメタルフローが中心部と外周部とで異なり　（中心部
が最後に残るような挙動を示す）、粗密の差が生じる。

このため前記Ｃ）及びｄ）の方法では全体的に均一組成
の製品が得られにくいとの問題も指摘されていた。

このように、従来知られていた“金属間化合物を始めと
した難加工性合金成形品の製造方法”はコストが嵩むば
かりか、何れも十分に満足できる信頬性の高い方法では
なく、しかも得られる製品性状や寸法の点でも制限があ
って工業的な量産は極めて困難であった。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、上述のような観点から、金属間化合物に代表
される難加工性合金の適正組成を有した任意の成形品を
作業性良く工業的規模で安定製造し得る方法を提供すべ
く研究を重ねて完成されたものであり、 「目的とする合金組成比率に積層された異種金属多層材
を細片に裁断した後、これを寄せ集めて加圧成形により
所望形状・寸法とし、次いで拡散熱処理を施すことによ
って、金属間化合物のような難加工性合金を材質とする
物品であったとしても、適正な成分組成で種々の形状・
寸法のものを容易にかつ安定して得ることを可能とした
点」に特徴を有するものである。

以下、本発明を、図面に基づいて各工程の作用と共に詳
述する。

く作用〉 第１図は、本発明に係る難加工性合金（金属間化合物を
包含することはこれまで述べてきた通りである）成形品
の製造工程例の概略を説明したものであるが、まず合金
を構成する各成分をできるだけ加工性の良い形態（例え
ば純金属）のままで適正比率（金属間化合物では化学Ｉ
論組成比）に積層して成形素材（全体の厚みとしては０
．１〜５１ｍ程度が適当である）が作成される。このよ
うに、成形素材が金属間化合物や難加工性合金ではな（
て加工性の良好な純金属や合金の積層体であれば、加工
度の高い成形加工をも円滑に実施することができるわけ
である。

なお、第１図では前記積層手段としてロールクラッド法
の例を示したが、その他、メツキ法、蒸着法、圧接法、
爆着法、溶射法、セメンチージョン（どぶづけ）法、イ
オンブレーティング法等の何れを採用しても差し支えな
く、また積層材は必ずしも板状である必要もない。更に
、積層の際には活性な金属を内側としたサンドイッチ状
に積層することにより、その後の作業雰囲気中からのガ
ス吸収を最小限度に押えることも可能となる。

続いて、前述のように作成された積層成形素材は細かく
チップ状に裁断（打ち抜き等も含む）される。ここで、
裁断形状は第１図に示すような四角形の他、円形、楕円
形、三角形、多角形、星形等の何れであっても良い。ま
た、その寸法は、直径。

辺若しくは対角線の長さで１〜５０龍程度が適当である
が、次工程の緻密化する際に使用する例えばプレスの容
量等によって適宜な寸法を採用することができ（要する
に、拡散処理を施す前の緻密体において構成金属同士が
十分に拡散し合える距離にまで接近した微細組織が得ら
れる程度に強加工できるのであれば、チップ状細片の寸
法は大きくても差し支えない）、格別に制限はされない
。

次に、これらチップ状細片を寄せ集め、まとめて押出や
圧延等により十分な加工度で押圧成形すれば、チップ状
積層体細片の寄せ集め体からなる成形原料は何処を取っ
ても適合組成となっていて偏析状態がないので、微細で
均一な結合組織の緻密体が得られる。そして、この緻密
体は構成金属同士が未だ拡散し合わずに混合したままの
状態であるので加工性が良く、更なる加工が極めて容易
に行える。なお、チップ状細片の押圧成形に際しては、
これらをシース材である中空管に充填しておくのが適当
であるが、そのまま例えば押出し用コンテナに充填して
棒材や板材としても良い。ただ、シース材を用いる場合
にはその材質の選択が重要であって、機械的特性として
はチップ状細片との変形抵抗の差が小さい材料が選ばれ
、最終的にシース材の化学的除去（腐食、蒸発等）を行
う場合にはチップ状細片と異なる化学的特性を有した金
属や合金が選ばれる。

更に、必要であれば（より使用目的に合わせた形状・寸
法が必要な場合や、後工程の拡散熱処理条件を調整する
ために一層微細な組織が必要な場合等）、得られた緻密
体を再度寄せ集め、引き続き塑性加工を加えて目的の形
状・寸法とする。この場合、成形素材たる緻密体は拡散
し合わずに混合したままの状態であるので加工性が良く
、円滑な加工が行われることは前述した通りである。

さて、このように所望形状・寸法に加工された緻密体に
最終工程としての拡散熱処理を施せば、緻密体を構成す
る各構成金属同士が容易に十分に拡散し合い、どの部分
を取っても均一な所望比率の金属間化合物（合金）とな
る。従って、結果として、任意形状・任意寸法の難加工
性金属間化合物（合金）の成形品が容易にかつ安定して
得られるわけである。

〈発明の効果〉 ここで、本発明の効果の主たるものを挙げると次の通り
である。

（ａｌ　　溶解・鋳造法を含む手段のような成分偏析の
問題は皆無である。

（ｂｌ　　塑性加工工程中における焼鈍処理回数が非常
に少なくて済む。

（Ｃ）　　溶解時の成分歩留りの問題に起因する目的組
成のバラツキ問題は皆無である。

（ｄ）　　金属粉末を原料とする手段のように、酸素等
のガスを吸着して組成に悪影響を及ぼしたり加工性の劣
化を招いたりすることがない。

ｔｅｌ　　粉末の混合工程を含む手段のように、局部的
な混合比の乱れに起因して成分組成比不安定を招くよう
な問題がない。

（ｆ）　　金属粉末を原料とする手段のように、爆発や
ガス吸収に対処する原料取り扱いの困難さがない。

（幻　工程が簡便で、製造コストが非常に低減される。

（ｈ）　　例えば押出し製品表面を目的元素以外の材料
でシースすることが可能で、最終製品を複合材料化でき
る。

＋１）　　例えば押出し方法等の選択により種々断面の
長尺製品を得ることが可能である。

（」）成形原料たる各チップ状細片自体が目的化学組成
比を成しているから、押圧加工（例えば押出し）に際し
てチップ状綿片間界面にシールド物質又は剥離材を付け
ておけば最終的に分離し、目的金属間化合物等の極細線
や極薄箔の製造も可能である。

（ｋｌ　　０１と同様の理由により、大規模な被加工塊
の予備成形も容易に行え、連続長尺製品の製造が可能で
ある。

（１）　　従来法では製造することが極めて困難であっ
たＮｂ５Ａｆ細線やＮｂｚ（Ａｆ、Ｇｅ）細線も工業規
模で安定に量産することが可能となる上、本発明法で超
電導線を製造した場合には、外部磁場に対する臨界電流
密度は粉末法によるよりも１０倍近くも向上する。

続いて、本発明を実施例によって更に具体的に説明する
。

〈実施例〉 実施例　１ この実施例では、Ｎｂ２Ａ　Ｎ線材の製造を試みた。

前記第１図に示したように、まず厚さ１．０１５ｎのＮ
ｂ板を厚さ０．１６５ｍの２枚のＡｉ板に挟んでクラッ
ド圧延し、０．２０ｆｌ厚のＡｊ−Ｎｂ−Ａｆｆｉ積層
板（化学組成比Ｎｂ：Ａｆ＝１１）を作成した。

次に、これを約１０ｍ角のチップに切断し、それらの１
３８ｇを８−２黄銅製円筒容器（直径４０ｍ）に充填し
て（充填圧縮は、圧縮荷重２５ｔ、　２０ｔ、　１０ｔ
で３回実施）押出用ビレットとした後、冷間押出しく押
出し比＝５．最大押出し荷重：１８５ｔ）によって直径
１８鰭の緻密棒材を得た。

ここで、得られた押出し棒材の１つについて横断面並び
に線断面の組織を観察したが、その観察写真図をそれぞ
れ第２図（ａｌ及び（ｂ）に示す。

次いで、前記押出し棒材を溝ロール圧延（１８鶴φ−＝
６．２ｍｍ）してから８−２黄銅製シースを除去し、新
たに３３５Ｃ製のシース（パテンティングした０、３５
％Ｃ鋼製シース）を適用して引抜き加工（９，５鶴φ−
０，２鶴φ）により直径０．１ｍｍの線材とした。

このときの各加工度における線材の横断面組織を、それ
ぞれ第３図（ａｌ〜（Ｃ）に示す。なお、第３図におけ
る「加工度」とは〔初期の断面積／加工後の断面積〕で
表わされるものである。ここで、最終目的の金属間化合
物Ｎｂ５Ａ　／を効率良く生成させるためには微細組織
とする必要があり、Ｎｂ部が１μｍ以下の組織になると
ＮｂｆｆＡ　ｌが生成され易いと言われている。

続いて、シース材を硝酸で除去して得られた上記Ｎｂ−
Ａｊ線材につき、各種熱処理を施して拡散によりＮｂｆ
ｆＡ　１を生成させ、この金属間化合物線材の超電導特
性を測定した。なお、熱処理は高温・短時間処理の第１
段目と低温・長時間処理の第２段目を組合わせた２段階
熱処理としたが、第１段目の高温・短時間の処理はＮｂ
、！：Ａ１を反応させ、短範囲Ａ１５型化合物Ｎｂ！Ａ
　ｌを生成させるのが狙いであり、第２段目の低温・長
時間の処理はこれを規則化（Ｏｒｄｅｒｉｎｇ）させて
長範囲Ａ１５型化合物ＮｂｆｆＡｊ！を生成させ、超伝
導特性を向上させることを目的としたものである。

これらの結果を第４〜７図に示す。ところで、第４〜６
図は臨界電流密度ＣＪｃ）特性を、また第７図は上部臨
界磁界（Ｈｃｚ）を評価するためのクレーマープロット
によるグラフをそれぞれ示している。

なお、第４〜７図の中から、本発明方法によって製造さ
れたＮｂ５Ａ　ｆ線の一例を選んで、その超電導特性を
数字で示すと以下のようになる。

臨界温度（Ｔｃ）　：　１７Ｋ（−２５６℃）。

臨界電流密度（Ｊｃ）　：　３　Ｘ　１０　’　Ａ／ｃ
ｍ２゜〔条件：外部磁界１５テスラ、温度４゜２Ｋ）上
部臨界磁界（Ｈｃｚ）　：約２５テスラ。

〔クレーマープロットの外挿による値〕。

これらの値は、他の方法で作成されたＮｂ、Ａ　ｌ線材
（例えば第４図においてム印で示したもの）での値と比
較して遜色のないものであり、この第４〜７図で示す結
果からしても、本発明に係る方法によって、難加工性Ｎ
ｂｆｆＡ　］金属間化合物の直径が極めて細く十分な長
さを有する線材が容易かつ安定に量産できることが分か
る。

実施例　２ この実施例では、ＮｉＴｉ線材の製造を試みた。

まず、２枚のＮｉ板でＴｉ板を挟んでクラッド圧延Ｌ０
．３ｍｍ厚（７）Ｎｉ　−Ｔｉ　−Ｎｉ積層板（原子比
Ｎｉ　：　Ｔｉ　＝５０＝５０）を作成した。

次に、この積層板から円形チップ（直径１０ｍｍ）を打
ち抜くと共に、打ち抜き後の孔あき積層板を裁断してラ
ンダム形状のチップを・も作り、これらをそれぞれ８−
２黄銅型円筒容器（直径４０　ｍ　）に充填して（充填
圧縮は、圧縮荷重１５ｔにて３分保持）押出し用ビレッ
トとした後、冷間押出しく押出し比：５）によって直径
１８ｍの緻密棒材を得た。

なお、第８図は得られた緻密棒材の断面組織写真図であ
り、第８図（ａｌは円形チップからのものを、そして第
８図中）はランダム形状チップからのものをそれぞれ示
している。この第８図から、チップ形状によって押出し
後組織の変わることが分かるが、ランダム形状チップか
らのものでも更なる加工によって組織が均質化し、最終
的な形状記憶特性に差は無くなる。因に、第９図Ｔａ）
及び第９図（ｂｌはランダム形状チップを用いて押出加
工し、更に線引き加工したものの、加工度別の断面組織
を示しているが、このように加工度が高くなるとランダ
ム形状チップからのものでも十分に均質なＵ織となるこ
とが分かる。

次いで、得られた押出し棒材を溝ロール圧延して直径３
鶴の線材とした後、焼鈍処理（４５０’ＣＸ　１５分）
し、更に８−２黄銅製シースを除去して直径９．４鰭の
炭素鋼製筒に詰め替えて溝ロール圧延及び線引き加工に
より直径０．２鶴の線材を得た。

続いて、シース材を硝酸で除去し、得られたＴｔＮｉ線
材に真空中でＴ１Ｎｉ金属間化合物を生成させるための
拡散熱処理（８５０℃×８０分）を施した後、更に真空
中にて形状記憶熱処理（４００℃×４０分）を実施した
。

このようにして製造されたＴ１Ｎｉ線材について形状記
憶特性を測定したところ、該線材は十分な一方向形状記
憶特性を示し、かつ形状記憶温度（変態温度）は６５℃
であることが確認された。

これらの結果から、本発明に係る方法により難加工性Ｔ
１Ｎｉ金属間化合物物品が容易かつ安定に量産され得る
ことが明瞭である。

く効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、金属間化合物
等のような極めて加工性の悪い合金の成形品であっても
、任意の形状・寸法のものを作業性良く安定して製造す
ることができ、例えば工業規模での量産が不可能であっ
た特殊寸法・形状の超電導材料や形状記憶合金材料をも
材質を問わずに大量生産することが可能となって、それ
らを適用した機器類の大幅な性能向上が期待できるなど
、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る難加工性合金成形品の製造例を
説明した概念図である。 第２図は、実施例における冷間押出し工程によって得ら
れた緻密棒材断面の金属組織を示す写真図であり、第２
図（ａ）は横断面のそれを、そして第２図（ｈｌは縦断
面のそれをそれぞれ示している。 第３図は、冷間押出しによって得られた緻密棒材を更に
溝ロール圧延及び引抜き加工した際の、加工度による金
属組織の状態を示した写真図であり、第３図（ａ）乃至
（Ｃ）はそれぞれ別の加工度のものを示している。 第４図乃至第６図は、実施例にて得られたＮｂ、ＡＩ！
線の臨界電流密度（Ｊｃ）特性を示したグラフである。 第７図は、実施例にて得られたＮｂ３Ａｆｆ６ｍの上部
臨界磁界（Ｈｃｚ〕を示したグラフである。 第８図は、素材チップを押出し加工して得られた緻密棒
材の断面組織写真図であり、第８図（ａｌは円形チップ
を素材としたものを、そして第８図（ｂ）はランダム形
状チップを素材としたものをそれぞれ示している。 第９図は、ランダム形状チップの素材を押出し加工及び
線引き加工して得られた線材の加工度による金属組織の
状態を示した写真図であり、第９図（ａ）及び第９図（
ｂ）はそれぞれ別の加工度のものを示している。 第１０図は、従来の粉末混合法の説明図である。 第１１図は、従来の液体浸透法の説明図である。 第１２図は、従来のジェリーロール法の説明図である。 第１３図は、従来のチューブ法の説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 目的組成比率に積層された異種金属多層材を細片に裁断
   した後、これを寄せ集めて加圧成形により所望形状・寸
   法とし、次いで拡散熱処理を施すことを特徴とする、難
   加工合金成形品の製造方法。