JPH042743A - 特殊セラミックス分散強化型合金並びにその製法及びその加工法 - 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】 〔産業上の利用性〕 本発明は、特殊セラミックス分散強化型合金並びにその
製法及びその加工法に係り、特に金属中にセラミックス
粒子を均一に混合・分散するために、機械的衝撃法によ
る複合球形粉体を焼結し、当該焼結体を変形加工し、目
的に応じて指向性を有する特性を付与することによって
機械的強度・導電性等に優れた特殊セラミックス分散強
化型合金並びにその製法及びその加工法に関する。

〔従来技術及び発明が解決しようとする課題〕従来の分
散強化合金は酸化物、窒化物或いは炭化物等の高温で安
定なセラミックス微細粒子を金属、合金中に均一に分散
させることにより転位の動きを阻止し、強化を図るもの
である。

このような分散強化の方法は、金属中にセラミックス粒
子を組合せることによって用途、製法が多岐にわたる。

例えば、分散強化合金の製造法としては表面酸化法、内
部酸化法及び微粉末混合法等があり、このうち当該微粉
末混合法は母相となる金属の粉末と分散粒子となる物質
の粉末とをローラミル又はボールミルにより機械的に混
合し、成形する方法である。

しかしながら、従来の機械的混合法は、母相金属となる
延性金属材料を機械的に粉砕処理するために、微細化さ
れた母相金属粉中に微細混合粉体が混在し、その処理時
間に応じて均一に分散化はできるものの焼結後の材料の
特性に新たな特性の指向性等をもたらすような制御はで
きなかった。更に混合粉体を射出成形に使用するに際し
、流動性の観点から球体化するために、界面活性剤やポ
リマーを介在させ、射出成形後の加熱処理によって活性
剤及びポリマーの脱脂処理が必要となるが、この付帯処
理が所望の成形寸法の誤差の原因となる。

一方、前言己機械的混合法は、例えばメカニカルアロイ
にあっては、その均一分散化を図るために、各混合粉体
の微細化を図ることによって成されるものであり、よっ
て混合化に約１００Ｈの長時間を要するものである。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、母相金属
中にセラミックスを制御された大きさの網目状に分散さ
せ機械的゛強度の優れた焼結体を提供することをその目
的とし、また当該焼結体を種々の目的に応じて加工を加
えることにより従来の焼結体の材料にはない特性を有す
る焼結体を提供することをその目的とする。

さらに、上記焼結体を得るために、焼結前処理における
所定粒径の原材料を機械的衝撃手段により母材球形粉体
の表面にセラミックス粒子を固定化し、短時間で複合球
形化処理を行い、固相法による焼結処理を行うことによ
りセラミックスを母相金属中に制御された大きさの網目
状に分散制御させ、機械的強度が優れ、しかも複雑形状
にも対応できる特殊セラミックス分散強化型合金の焼結
法を提供することを目的とする。　また、上記焼結体に
変形加工（押出し、線引き、圧延（熱間圧延を含む）、
鍛造等）を行い、導電特性及び機械的強度をさらに増大
あるいは焼結体処理後に所望の指向性を有する焼結体の
加工法を提供することを目的する。

〔課題を解決するための手段及び作用〕上記目的を達成
するために、本発明の特殊セラミックス分散強化型合金
並びにその製法及びその加工法においては、母材金属の
種類に応じた所定粒径を有する水アトマイズ粉あるいは
粉砕した金属粉体に約１１５以下の粒径をもつセラミッ
クス粉体を混合付着させ、機械的衝撃手段により、金属
粉体の表面に微細なセラミックス粒子を固定化し、さら
に当該粉体表面を均等に衝撃力を付与することにより、
球形化が進む。

当該複合球形化粉体を固相法による焼結処理（常圧焼結
、ホットプレス法、ＨＩＰ法等）をすることにより母材
金属中に網目状のセラミックスが分散される。

当該焼結体及びその製法は、複合球形化処理時に、その
母材金属の材質によって予め網目状の大きさを制御する
ためにその粒径を所定の大きさに選択する。このような
粒径の母材金属粉体の表面に当該粒径の１１５以下の粒
径を有するセラミックス粉が均一に分散化するように外
部衝撃力によって埋を込まれたり、メカノケミカル反応
を誘起し、これを固相焼結処理をすると母相金属中にそ
の粒径に応じたセラミックス粉が連なった網目状の組織
を呈する。

この網目状組織の焼結体は、その使用用途に応じて種々
の変形加工が加えられる。単純な板材や線材には押出し
、線引き、圧延、鍛造等により変形が加えられ、前記網
目状組織は加工率の大きさに伴って消失し、セラミック
ス粒子が所望の指向性を有して均一に分布するようにな
る。

さらに機械的強度は増加する。即ち、当該焼結体に加工
を加えることで焼結時にできたセラミックスの網目状の
ネットワークを壊して金属中にセラミックスを細かく分
散させることによって分散の均一性を高めピンニング効
果を呈することができる。一方、変形加工の変形方向に
応じて、その変形率によっては前記ネットワークが崩壊
し、母材金属自体が有する導電性を損消することなく維
持することができる。

〔実施例〕

以下、本発明による特殊セラミックス分散強化型合金並
びにその製法及びその加工法を詳細に説明する。本発明
に使用される複合粉体の原料は例えばＡＩ、＾１合金、
Ｃｕ、　Ｃｕ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金或いは鉄鋼（カーボ
ニル鉄粉〉の水アトマイズ粉、微細な高圧水アトマイズ
粉、電解粉あるいは粉砕した所定粒径の金属粉体と当該
金属粉体の粒径が約１１５以下の粒径をもつセラミック
ス粉体を用いる。セラミックス粉体は、母材金属により
適宜選択されるが、例えばＡｌ２Ｏ３、Ｙ２このように
、網目状組織とこれに加工を加えることによるセラミッ
クスの分散度との相対的な関係は、焼結体本来の特性に
新たに別の特性を附加するものである。

一方、複雑形状のものには、射出成形後に焼結を行う（
熱間射出成形により焼結を省略する場合も含む）ことに
より、前記同様特殊セラミックス分散強化型合金をうろ
ことができる。

上記のようになされた特殊セラミックス分散強化型合金
並びにその製法及びその加工法によると、焼結処理する
粉体は流動性が優れているために、一般に造粒を必要と
しない。

従って、粒径が小さく比重の軽い粉体は、流動度が減少
した場合にも前記機械的衝撃手段による球形粉体である
ために射出成形に適している。

また、焼結後の本特殊セラミックス分散強化型合金は、
変形加工を加えない状態でも母材金属の２倍以上の機械
的強度を有する。この様な焼結体に用途に応じた変形加
工等を加えると、０３、部分安定化ジルコニアあるいは
これらの混合粉体が選択される。この母材金属及びセラ
ミックス粉体の複合球体化処理を行う機械的衝撃手段は
、例えば円筒状ケーシング内の回転盤の外周に放射状に
周設された複数のブレード状の衝撃ピンを有し、前記母
材金属粉体表面に所定量比で付着された前記セラミック
ス粉体からなる複合粉体の外部より高速回転の衝撃力を
与え、当該付着セラミックスを母材金属表面に固定化す
るとともに、表面外部よりの均一な衝撃力を与えること
によって球体化される。複合球体化された所定量比に混
合された複合粉体は、溶射処理する場合に溶射ノズル先
端に均一な流動性を保持することができる。この機械的
衝撃手段により、母材金属粉体に微細セラミックス粉が
固定化し、球体化し、その際に粉体間の界面に拡散層を
形成して安定した固定化を促し、従来の溶射処理時に生
じやすかった閉塞、分離及び偏析等のトラブルを回避す
ることができる。

次に、上記固定化された複合球形粉体を焼結して焼結体
を作成するために常圧焼結法、ホットプレス法、Ｈ［’
　（熱間静水プレス法）或いは複雑形状のものについて
は射出成形後に焼結、冷間圧縮（−軸圧縮）後の焼結及
びＣＩＰ　（冷間静水プレス法）後に焼結をおこなう。

焼結時の雰囲気は材質により異なるが、真空あるいは不
活性雰囲気であることが必要である。また母材金属粉体
の粒径は目的に応じて適宜きめられるが、当該粒径は最
終的に焼結体の網目状の大きさを制御し、さらに母材金
属とセラミックス粉との量比を決定する。

以上の焼結体は、単純な板材や、線材には、従来の変形
加工（押出し、線引き、圧縮、（熱間圧延を含む））が
用いられる。複雑形状のものは、通常のセラミックスに
みられるようにＣＩＦにかけた後に成形焼結することが
可能である。このような変形加工は、板材あるいは線材
の使用用途に応じて新たな特性に指向性を付与すること
ができる。例えば、線材の軸方向に変形加工を加えるこ
とによって、母材中の網目状はそれぞれ５８及び５６と
なった。

この複合球形粉体を用いてホットプレス法によりＩＱ−
’　Ｐａの真空中、９０３にで１．８ｋｓ（３０分）、
３０ＭＰａの圧力下で焼結した。Ｙ２Ｏ３をＱ、　５７
ｍｏ１％含む焼結体断面の反射電子像を第３図（ａ）、
　（ｂ）、　（Ｃ）に示す。第３図（ａ）は焼結したま
まの試料で白く網目状になっているのが主としてＹ２Ｏ
３からなるものである。第３図（ハ）及び（Ｃ）は６５
％の冷間加工を加えたもので、わ）は垂直方向、（Ｃ）
は平行方向の反射電子像である。網目状は崩れて（Ｃ）
では加工方向に延びている様子がみられる。第４図（ａ
）（６）はＡＩ　１０．２ｍｏ１％Ｙ、０．複合球形粉
体の外形ＳＥＭ像と焼結体の反射電子像を示す。Ｙ２Ｏ
３が０．２１１１０１％に減少しても焼結体に網目状は
観察される。

第５図にＡ１原料粉、　Ｙ、０．原料粉、＾１／Ｙ、０
３複合球形粉体およびＡＩ／ＹａＯｓ焼結体のＸ線回折
パターンを示す。複合粉体ではＹ、０．の（２２２）反
射ピークはブロードになり化合物の生成過程を示してい
る。一方焼結体ではＹ、０．の（２１１）よりも低次の
反射が観察され、化合物が生成しセラミックスが軸方向
にフローし、寸断されて素材が有する導電性を保持する
ことができる。

一方、軸に垂直方向（断面方向）では前記ネットの存在
により材料強度を増大できる。

次に、本発明による特殊セラミックス分散強化型合金並
びにその製法及びその加工法を具体的な実施例によって
説明する。

〔実施例１〕 平均粒径４０μｍの水アトマイズＡ１粉体と平均粒径３
μｍのイツトリア（Ｙ２Ｏ３）粉体０．５７ｍ。

１％を混合付着させた粉体を機械的衝撃法により複合球
形粉体とした。用いたＡ１アトマイズ粉と作成したＡＩ
／Ｙ２Ｏ３複合球形粉体の外形のＳＥＭ像およびその断
面の反射電子像を第１図（ａ）、　（ｂ）。

（Ｃ）に示す。また複合球形粉体のＥＰＭＡ写真を第２
図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）、　（ｄ）に示す。粉体
の流動度を前記ＪＩＳＺ２５０２　　ｒ金属の流動度測
定法」により測定したところ１．不定形状をもつＡＩア
トマイズ粉及びＹ２Ｏ，は測定不能であった。しかし、
球状化したＡＩ粉及び＾１／　Ｙ’２０３複合球形粉体
の流動度ていると考えられる。焼結体を数ＩＱｎｍの薄
片状にして透過電子顕微鏡で観察すると、第６図に見ら
れるようにＹ２Ｏ３を含む物質は細かく結晶粒となって
Ａ１中に離脱することなしに分散し、主な回折像はＹ、
０．と類似のものが得られる。

この試料に冷間加工を加え、加工率に対する引張強度の
依存性曲線を測定したのが第７図である。図中（ａ）は
ＡＩ素材、（社）はＡ１７０．２ｍ０１％Ｙ２Ｏ３焼結
体、（Ｃ）はＡｌ１０．６７ｍｏ１％Ｙ２０．複合焼結
体ノ特性を示す。加工を加えない焼結体においてＡｌ１
０．６７ｍｏ１％Ｙ２Ｏ３複合材ではＡＩ材の約２倍の
引張強度を示す。

また、電気比抵抗の加工率依存性曲線を第８図に示す。

曲線（ａ）はＡ１素材、（ｂ）はＡｌ１０．２ｍｏ１％
Ｙ２Ｏ３複合焼結体、（Ｃ）はＡｌ１０．６７ｍｏ１％
Ｙ２０．複合焼結体の特性を示す。

〔実施例２〕 粒径が５μｍ以下の高圧水アトマイズ銅粉と１μｍ以下
の＾１２０３粉末を用いてＣｕ／　０．２ｍｏ１％Ａ１
．０！複合球形粉体を作製した。一般には流動度が悪く
造粒を必要とする粉体であるが、球形化することにより
流動性の優れた粉体となる。

第９図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）にＣｕ水アトマイズ
微粉とＣｕ１０．２ｍ０１％Ａ１．０３複合球形粉の外
形ＳＥＭ像及び複合球形粉体の断面反射電子像を示す。

第１０図（ａ）、　（ｂ）にＣｕ１０．２ｍｏ１％Ａｌ
２Ｏ３複合焼結体と冷間加工率７５％の加工方向に平行
な面の反射電子像を示す。Ａ１□０３の成分比が小さく
、また両者の原子番号の差が小さいため反射電子像のコ
ントラストがつきにくいが、Ａｌ２Ｏ３が網目状構造を
示していることが観察される。

第１１図（ａ）には電解銅粉の外形ＳＥＭ像を示す。

樹枝状をなす電解銅粉に機械的衝撃を与えると第１１図
（社）に示すように球形化する。球形化した電解銅粉に
平均粒径１μｍのＡｌ２Ｏ３を混合付着させて作製した
Ｃｕ／　０．２ｍｏ１％ＡＩ、０３複合球形粉体の断面
反射電子像を第１１図（Ｃ）に示す。これらの複合粉体
を１１２３ｋ　、１８ｋｓ、　１０−’Ｐａの真空中で
３０ＭＰａの圧力でホットプレスすると高圧水アトマイ
ズ粉を用いた場合より密度は低下するが、はぼ同様な焼
結体としての特性を示す。

これらの試料に加工を加えたときの、引張強度の加工率
依存性と電気比抵抗の加工率依存性を第１２図及び第１
３図に示す。

〔実施例３〕 カーボニル鉄粉を水素還元した平均粒径ｌＯμｍの不定
形状の鉄粉に、粒径１μｍのＹ２Ｏ３粉末を混合付着さ
せ、Ｙ２Ｏ３の成分比を変化させた複合球形粉体を作製
した後、ホットプレスにより１２５０　１３００にの温
度で焼結した。真空度と圧力は（１）および（２）と同
条件である。第１４図に引張強度のＹ２Ｏ３組成依存性
曲線を示す。

ここでは、純鉄を用いたが、素材自体の強度の高い炭素
鋼においても同様なＹ２Ｏ３組成依存性を示す。

〔発明の効果〕

以上説明したと之り、本発明の特殊セラミックス分散強
化型合金並びにその製法及びその加工法によれば、焼結
処理する粉体は流動性が優４゜ れているために造粒を必要とせずに、例えば溶射処理時
に生じやすかった分離、偏析のトラブルを回避すること
ができる。一方、焼結体作製時には網目状組織を有する
焼結体が得られ、セラミックスの分散度に応じ機械的強
度が著しく増大し、これに変形加工を加えることで焼結
体にできたセラミックスの網目状のネットワークを壊し
て金属中にセラミックスを細かく分散・均一化を高める
ことにより、ピンニング効果を呈する。一方、変形加工
の指向性によって機械的強度の高い金属の導電性に近い
値に維持することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図はＡＩアトマイズ粉と作製したＡＩ／Ｙ２Ｏ３複
合球形粉体の外形のＳＥＭ像およびその断面の反射電子
像。 第２図はＡＩ／　Ｙ２Ｏ３複合球形粉体断面のＳＥＭ像
とＸ線像。 第３図は加工を加えたＡｌ１０．６７ｍｏ１％Ｙ２Ｏ３
複合焼結体及び加工を加えた時のＹ２Ｏ３分散状態の反
射電子像。 第４図はＡｌ１０．２ｍｏ１％Ｙ２Ｏ３複合球粉体の外
形ＳＥＭ像と焼結体の反射電子像。 第５図はＡＩ原料粉、Ｙ２Ｏ３原料粉、ＡＩ／　ｙ２ｏ
３複合粉体およびＡＩ／　Ｙ２Ｏ３焼結体のＸ線回折パ
ターン。 第６図はＡＩ／　０．６７ｍｏ１％Ｙ２Ｏ３焼結体簿片
ノ透過電子顕微鏡図。 第７図はＡＩ／　Ｙ２Ｏ３系複合焼結体の加工率に対す
る引張強度の依存性曲線図。 第８図はＡＩ／　Ｙ、０．系複合焼結体の加工率に対す
る電気比抵抗の依存性曲線図。 第９図はＣｕ／＾１２０３複合球形粉体のＳＥＭ像と反
射電子像図。 第１０図はＣｕ１０．２ｍｏ１％ＡＩ、０３複合焼結体
と冷間加工した焼結体の反射電子像図。 第１１図は電解銅を原料としたＣｕ／　Ａｌ２Ｏ３球形
複合粉体のＳＥＭ像と反射電子像図。 第１２図はＣｕ／　Ａｌ２Ｏ３複合焼結体を冷間加工し
たときの引張強度の加工率依存性曲線図。 第１３図はＣｕ／　Ａｌ□０３複合焼結体を冷間加工し
たときの電気比抵抗の加工率依存性曲線図。 第１４図はＦｅ／　Ｙ２Ｏ３系焼結体における引張強度
のＹ２Ｏ３組成依存性曲線図。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合
   金あるいは鉄鋼からなる主成分金属中に、所定量比のイ
   ットリア（Ｙ＿２Ｏ＿３）、アルミナ（Ａｌ＿２Ｏ＿３
   ）、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）あるいはこれらが
   混合されたセラミックスを制御された大きさの網目状に
   分散し、当該網目状に連なったセラミックスが加工変形
   率に応じて寸断するような指向性を有することを特徴と
   する特殊セラミックス分散強化型合金。
2. （２）水アトマイズ粉、微細な高圧水アトマイズ粉ある
   いは粉砕した金属粉体であるＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃ
   ｕ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金あるいは鉄鋼からなる所定粒径
   の主成分金属が、当該粉体の１／５以下の粒径をもつイ
   ットリア（Ｙ＿２Ｏ＿３）、アルミナ（Ａｌ＿２Ｏ＿３
   ）、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）あるいはこれらが
   混合された粉体を複合化してなる請求項１記載の特殊セ
   ラミックス分散強化型合金。
3. （３）水アトマイズ粉、微細な高圧水アトマイズ粉ある
   いは粉砕した所定粒径の金属粉体にセラミックス粉体を
   混合付着させ、機械的衝撃手段により複合球形化し、 当該複合球形粉体を固相焼結することにより主成分金属
   中に制御された大きさの網目状のセラミックスを分散し
   、あるいは射出成形、冷間圧縮後に固相焼結することに
   より、前記セラミックスを網目状に分散することを特徴
   とする特殊セラミックス分散強化型合金の製法。
4. （４）前記水アトマイズ粉、微細な高圧水アトマイズ粉
   あるいは粉砕した金属粉体がＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃ
   ｕ合金あるいは鉄鋼であり、セラミックス粉体がイット
   リア（Ｙ＿２Ｏ＿３）あるいはアルミナ（Ａｌ＿２Ｏ＿
   ３）部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）あるいはこれらが
   混合された粉体である請求項３記載の特殊セラミックス
   分散強化型合金の製法。
5. （５）主成分金属中に微細なセラミックが制御された大
   きさの網目状に分散した分散強化型合金に指向性を有す
   る変形加工を施し、前記網目状のセラミックスの網目を
   寸断することを特徴とする特殊分散強化型合金の加工法
   。
6. （６）前記変形加工が押し出し成形、線引き、圧延（熱
   間圧延を含む）あるいは鍛造である請求項５記載の特殊
   分散強化型合金の加工法。