JPH04323333A - 水素吸蔵合金の製造方法 - Google Patents
水素吸蔵合金の製造方法Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
に係る。
て金属水素化物の形で貯蔵し又は移送し、さらにその応
用として水素精製,ヒートポンプ,冷暖房システムの部
材として利用する技術が開発されている。この場合、金
属水素化物が水素の吸蔵,放出を行なう時には必ず発熱
,吸熱を伴うのでこの性質に着目して熱交換装置やヒー
トポンプに利用できるのである。現在まで水素吸蔵合金
として発表され一部実用化されている合金の組合せとし
てはMg−Ni,Mg−Cu,Ca−Ni,Fe−Ti
,Ti−Mn,La−Ni,ミッシュメタル−Niなど
を主な基本成分として、この一部を別の金属で置き替え
た合金も多数報告されている。 たとえば、Mg2N
i0.75Cr0.25 ,TiFe0.8Mn0.
2 ,Ca0.7Mn0.3Ni5 , LaN
i4,7Al0.3 などが知られている。一般的に
言えば、Mg,Ca,La,ミッシュメタル,Tiなど
で形成する一群から選んだ1又は2以上の金属とNi,
Al,V,Cr,Fe,Co,Zn,Cu,Mnで形成
する一群から選んだ1又は2以上の金属とを合金化する
ことによって製造される。水素吸蔵合金を製造するため
には原料である異種金属を高周波誘導炉や弧光式高温溶
解炉で溶解する。高周波誘導炉は量産化に適当であるが
、原料金属のうちとくにMg,Ca,Alなどは蒸気圧
が大きく酸素との親和力の強いものが多いので炉内をA
rガスなどで不活性な雰囲気に調整して金属の酸化を防
止しなければならない。材料金属が溶解して相互に混合
し、高温下において合金反応が十分進んですべての材料
が所望の合金組成となったところで非酸化性雰囲気下で
金型内へ鋳造して造塊する。得られたインゴットは熱処
理を施し、合金を完結させたのち非酸化性雰囲気下にお
いてクラッシャ内で粉砕し、所望の粒度の水素吸蔵合金
の粉末を得る。
を得ようとする技術も最近脚光を浴びている。これは一
般にメカニカルアロイング法と呼ばれ、1970年代に
アメリカのインコ社(INCO)のベンジャミンによっ
て初めて開発され、高エネルギーボールミル(アトライ
タ)などによって金属粉末へ機械的エネルギーを与えて
冷間圧着と破壊を繰り返して超微粒子を分散する方法で
ある。メカニカルアロイングの原理については、衝撃力
の大きいミリングによって粉末はまず鍛造され偏平,片
状化し、次に加工硬化した粒子は破壊または剥離し冷間
鍛接が繰り返され(混練)、続いて合金成分間にラメラ
組織が発達し結晶粒は急激に微細化し一方の粒子が他方
の粒子内で微細に分散し、最後に粒子形状が等軸形状と
なってランダム化すると説いている。エム ワイ ソン
グとイー アイ イワノフは遊星ボールミルを使ってM
gとNiの粉末をメカニカルアロイング法によって合金
化する実験結果をハイドロゼンエナージィー誌(Hyd
rogen Energy vol10 No.3 P
169−178,1985)に発表している。この報告
の中で遊星ボールミルの加速度は6.1Gとし、Niは
カルボニールタイプを使用してArガス雰囲気中で30
分混合して得られた試料に対し種々の水素化処理を加え
たものをX線回析によって比較検討している。結果的に
は水素化を1回から58回まで繰り返した試料のうち、
水素化数の少ないものは Mg2Ni,微量のMgO,
Mg,Ni相が混在していることが検知されたが、熱処
理(アンニーリング)を施し、かつ水素化数の多いもの
についてはMgとNiは殆ど Mg2Niになったと認
められ、特に水素化の繰り返しよりも熱処理の効果がよ
り強く認められ、不完全ながら溶解によらないで水素吸
蔵合金を製造する方法を初めて報告した。
よって水素吸蔵合金を製造することは相当高度の技術と
よく管理された設備を必要とする。例えば Mg2Ni
を製造する場合、Niの蒸気圧は10℃で2057mm
Hg,760℃で2732mmHgと高いレベルで変動
し、一方Mgは同じくそれぞれ743mmHgから11
07mmHgと変動する。Caも同983mmHgから
1487mmHgと変動し、これらの蒸気圧のバランス
を保ちながら炉内を昇温していくことは非常に難しい。 一方溶解一般の原則から見て両成分の固溶度の多少も合
金の難易度に影響を与えるが、一番問題となるのは両成
分の密度と溶融点の差である。Niのそれは8.90g
/cm3,1455℃であり、 Mgは1.74g/c
m3,650℃、Caは1.55g/cm3,850℃
である。従ってMg又はCaとNiとの合金化が如何に
困難であるかはこのことだけでも明らかである。これに
反しLaは密度6.15g/cm3 ,溶融点826℃
であり、Niと密度が近いだけでも困難さは軽減される
が、一般に希土類元素は資源的に貴重な存在でしかも高
価である。MgとNiを合金化するとき大きな課題とな
るのはMgの蒸気圧がNiの溶融点近くにおいてはほぼ
25気圧に達し、この蒸気圧のため溶湯中からのMgの
蒸発を避けることが難しいのでNiが過剰となって製品
の一部が水素化物をつくらないMgNi2となることで
ある。また、これを防止するためにMgを始めから過剰
に配合しておくと、例えば、化学式をMg2.35Ni
で表わしているが実態はMg2Ni+Mg0.35 の
ように遊離したMg単体を含む原因となっている。
関わるかを図9,図10について説明する。図9は溶解
法によって製造した水素吸蔵合金Mg2.35Niの圧
力−組成等温線図(以下、「PCT線図」という)であ
り、縦軸に水素圧P(単位はMPa)をとり、横軸に水
素ガスと金属の原子比H/Mをとって一定温度(350
℃)における水素ガスの吸蔵,放出に伴う原子比の挙動
を図表化したものである。図において曲線は水素圧が0
.5近くに達すと吸蔵,放出ともに緩やかな傾斜を辿っ
て右方へ移る範囲Aとほぼ水平に右方へ移る範囲Bとに
明確に分れ、範囲AがMg単体による水素の吸蔵,放出
を示し、範囲BがMg2Niによる水素の吸蔵,放出を
示している。換言すれば範囲Aが認められるということ
は水素ガスと結合するMgが存在することを示し、水素
との親和力において Mg2Niよりはるかに劣るMg
が合金内に含まれ水素吸蔵合金として求められる機能を
低下させていることを示す。
下、「DTA線図」という)であって、縦軸に温度、横
軸に時間を目盛り、一定圧(1.1MPa)の水素を密
閉容器内へ封入し、容器を外部から最高500℃まで加
熱し、又は500℃から冷却した時、容器内に封入した
Mg2.35Niの温度を測定して示した曲線C、およ
びこの試料と比較のため容器内へ封入した標準試料(ア
ルミナ)との間に生じる温度差を示した曲線Dとを表わ
している。水素吸蔵合金は水素ガスを吸蔵する時には発
熱し、放出する時には吸熱するので、曲線Dにおいても
加熱時には放出に伴う下向きのピークが、また冷却時に
は吸蔵に伴う上向きのピークがそれぞれ認められる。と
ころが点P,Q,Rに明らかに認められるようにこのピ
ークが尖った1点だけではなくダブルピーク及至はピー
クに近い異常な屈折点があるということはMg2Niと
Mg2NiH4の相変化の他に、MgとMgH2との相
変化もあることを示している。これは同一水素圧の下で
はMgの方が Mg2Niより高温側で解離することに
よって生じる。図11(イ),(ロ)はこのことを裏付
けるもう一つの資料であって、図(イ)はNiの、また
図(ロ)はMgの電子プローブマイクロアナライザによ
るマッピング図である。図(イ)において白い点はNi
の存在を示し、白点の密度が多いほどNiが豊富であり
、黒い部分はNiが存在していないことを示す。図(ロ
)の白い点はMgの存在を示し、黒い部分はMgが存在
していないことを示す。図10(イ),(ロ)において
NiとMgの分布が一様でなく、偏在していることは
Mg2Niの合金化が不十分でMgおよびNiが単相で
存在していることを意味する。何れにしても溶解法で製
造する水素吸蔵合金には製造上の困難さの他に機能低下
をもたらす成分がなお混在することが避け難いという課
題がある。
ルアロイング法によって Mg2Niを得ようとする試
みは一応技術的に可能という示唆を与えた。 しかし
、水素圧0.7MPaの条件で温度300℃に保って、
試料の合金へ水素化,脱水素化を繰り返して判ったこと
は、数回程度の水素化の繰り返しでは単相のMgやNi
の存在は消滅できず、水素圧0.25〜0.85MPa
において270〜300℃の温度を2ヶ月保つ熱処理を
行い、かつ水素化処理を58回も繰り返してはじめてほ
ぼ全量がMg2Ni になったと認められるに過ぎない
。思うにいまメカニカルアロイング法を機械的合金法と
邦訳しているが、現段階の技術レベルでは単体の異種金
属同士の完全合金化に到達しているとまでは認められず
、金属粒子中に同系の酸化物を超微粒的に分散したり、
金属間化合物を出発原料として異なる相に変化する(例
えばアモルファス相)程度にとどまっていると評価する
のが妥当である。本発明は以上の課題を解決するために
、選ばれた二種類以上の金属を溶解することなく合金化
率の高い水素吸蔵合金を製造する方法とその装置の提供
を目的とする。
金の製造方法は、合金化して水素吸蔵合金を形成し得る
2以上の異種金属の粉末を粉砕ボールとともに高速ボー
ルミルのミルポット内へ密封し、ミルポット内を非酸化
性雰囲気に調整したのち、重力加速度の30倍以上の加
速度をミルポット内に加えて、混合,粉砕,分散を経て
合金化率の高い水素吸蔵合金を形成することによって前
記の課題を解決した。なお具体的には非酸化性雰囲気が
、Arガス,Heガス,N2ガス の何れかによってミ
ルポットを充満させたことや、2以上の異種金属はMg
,Ca,La,ミッシュメタル,Tiの一群から選んだ
一種以上の金属と、 Ni,Al,V,Cr,Fe,
Co,Zr,Cu,Mnの一群から選んだ一種以上の金
属とよりなることを明示した。さらに本発明を実施する
うえで不可欠の高速ボールミルとしては、非酸化性雰囲
気の調整手段と着脱自在に連結するミルポットを有し、
主軸の回転によって公転するとともに自己の回転軸を中
心に自転し、かつ
Gが少なくとも30以上であり、かつ自公転角速度比率
Rが1.9以下の回分式遊星ボールミルであることを示
した。
得る二種以上の金属を炉内で溶解することなく合金化す
るものであるから、メカニカルアロイング法適用の一種
と言えるが、従来の周知慣用的な高速ボールミルとは桁
外れな加速度をミルポット内に加え従来に比べるとはる
かに合金化率の高い合金を得た。この加速度は重力加速
度の30倍以上を要件としているのでこの加速度の得ら
れる装置が製造方法実施上の最大の前提となることは言
うまでもない。メカニカルアロイングのプロセスについ
てはまだ研究途上にあって正確なことは判っていないが
、条件として原子の相互拡散が十分に起こることと混合
のエンタルピーΔHmが負で大きいことが大切であると
説かれている。低温での原子の相互拡散は与える有効な
エネルギーが大きいほど進行が加速することは当然であ
る。従来のメカニカルアロイングが粒子の偏平,片状化
,冷間鍛接(混練),ラメラ組織化,分散,ランダム化
の経過を辿って微細化,均質化されていたのに対し、本
発明の場合はより強力な原子結合の段階にまで合金化が
完結したと見るべきであると考察する。
ル1の実施例を図1と図2に示す。図において一般的な
構造を説明するとモータ6によって駆動される主軸22
の回転を受けて、公転する複数のミルポット21を主軸
22の周囲に均等に(2ヶならば対称的に、3ヶ以上な
らば主軸22から等距離放射状に)配設し、該ミルポッ
ト21自体も自己の回転軸を中心に自転するものである
。具体的には主軸22と共に回転するミルポット21の
外周に遊星歯車8を周設し、この遊星歯車8と噛合する
太陽歯車7を別に回転または停止させて(図では停止)
、ミルポット21を公転しつつ、自転させる。太陽歯車
7は主軸22に外嵌されている。ミルポット21の内部
には粉砕媒体である粉砕ボールBと金属粉末Mが収納さ
れ、処理中の金属粉末Mの酸化を防止するため、内部雰
囲気はArガスなどの不活性ガスに置換されている。雰
囲気調整手段2の実施例としてArガスに置換するには
、図1に示すようにミルポット21の蓋に管31を、そ
の先端に一対のワンタッチカプラ32を取付け、さらに
管33とバルブ11を介して真空ポンプ41に、バルブ
13と管34を介して圧力計61に、管35とバルブ1
2を介してArガス充填ボンベ51に接続する。 バルブ12を全閉にし、バルブ11,13を全開にした
状態で真空ポンプ41で真空引きを行ない、ミルポット
21内の空気を排除する。圧力計61で所定の真空度に
到達したことを確認後、バルブ11を全閉にしバルブ1
2を開け、Arガス充填ボンベ51からArガスをミル
ポット21に充填する。圧力計61により充填Arガス
圧力が大気圧と同じまたはそれ以上の所定圧力に達した
ことを確認後、バルブ12も全閉し、ワンタッチカプラ
32部で管31と管33を切り離す。ミルポット21内
のArガスはワンタッチカプラ32の片方で保持される
。このArガス充填作業は1回以上行なう。以上のよう
にミルポット21に粉砕ボールBと金属粉末Mを入れA
rガスを充填した後、遊星ボールミルを運転することに
より、公転,自転運動による遠心力とコリオリス力とが
相乗的に粉砕ボールBと金属粉末Mに作用し、金属粉末
Mが加工される。
模式図であり、 公転角速度ω1,公転直径Kを0.5
2m, ミルポット内径Nを0.075m, R=ω2
/ω1,ω2 は公転に対する自転の相対角速度とし、
合成粉砕角速度比Gを前に挙げた数式で計算して30及
至90となるようにそれぞれの数値を設定した。ここで
amaxは合成粉砕加速度(m/s2)で G=am
ax/g の関係にある。
3(イ),(ロ),(ハ)はミルポット内におけるボー
ルBの運動状態とミルの公転,自転の角速度の相対的比
率の関係を示したものである。公転角速度をω1 、自
転の相対角速度をω2 、両者の比率R=ω2/ω1
として図(イ)はRが0.5のミルポット内の状態を
示している。ここではボールは一体的,集団的にミルポ
ットの内周面に沿ってサージングし内周面とボール、ボ
ール同士の間で装入された金属へ有効な圧縮力,剪断力
を与えてすべてメカニカルアロイングに有効な作用を及
ぼしている。図(ロ)はR=1.0、図(ハ)はR=1
.22の場合のボールの挙動を示したもので自転角速度
が相対的に大きな割合になるほどボールの一部が内周面
から離れてミルポット内の空間を飛翔しはじめ、ボール
同士の衝突でエネルギーの一部が無駄に消費されメカニ
カルアロイングの目的からは後退した現象を見せはじめ
る。この傾向はRが大きくなるほど大きくなりRが1.
9を超えると、いかに合成粉砕加速度比Gが30以上で
あっても合金化率の高い水素吸蔵合金は得られなくなる
。今回はこの点を考慮に入れてすべてRを1.36に統
一して実施したが望ましくはRは1.5〜0.5の範囲
が良いと考えられる。
2Niを選びその原料として平均粒径9μのNi粉末と
平均粒径85μのMg粉末を合金組成の割合に秤量して
ミルポット内へ装入し、高炭素Cr軸受鋼を材料とする
直径3〜5mmのボールをミルポット空間容積30%に
相当する量だけ装入した。合成粉砕加速度比Gを30と
90とし、それぞれ同一条件でミルの運転時間を20分
から12時間の範囲に亘って変えて多数の試料を製作し
、各試料について合金化が行なわれているか、それとも
単相のMgが残っているかを各種の検査機器によって調
査した。
ポットを運転して得られた試料について次の検査成績が
得られた。 (1) PCT線図 図4はこの試料のPCT線図であり図9の従来技術に比
べるとほぼ水平の水素ガス放出曲線と吸蔵曲線があるだ
けで Mg2NiとMg2NiH4との相変化が往復す
るだけで反応速度の遅い単相のMgが存在しないことを
示している。 (2) DTA線図 図5はDTA線図であって検査条件は従来技術を示した
図10と同様である。曲線Dにおける冷却または加熱時
における水素ガスの吸蔵,放出を示すピークは点P,Q
,Rに示すように単一の頂点だけからなり、MgH2−
Mg の相変化を示唆するダブルピークは認められない
。 (3) X線回析分析 図6(イ)は試料のX線回析図である。また図(ロ)は
Mg2Ni、図(ハ)はMgのX線回析の標準図であ
り、横軸は回析角度、縦軸はX線の強さ(1秒当りの電
気的な脈動のカウント数CPSで表わしている)である
。図(ロ)に表われるピークはそのまま図(イ)にも表
われているが、図(ハ)に表われるピークは図(イ)に
殆ど認められず、この試料は単相のMgは殆どなくMg
2Niの形で合金化していることを示している。 (4) MgおよびNiのマッピング図図7(イ)はN
iのまた(ロ)はMgの電子プローブマイクロアナライ
ザによるそれぞれのマッピング図であって各成分の分布
状態を示す顕微鏡写真(倍率500)である。図(イ)
においては白色の部分がNiの存在を示し、図(ロ)に
おいては白色の部分がMgの存在を示している。何れも
全面にほぼ均等に分散している状態であり単相のNiま
たはMgを表わす大きな集合体は認められない。
試料に対して加え、その結果合成粉砕加速度比Gとミル
ポット内での処理時間と合金化の成否との関係をプロッ
トしたのが図8である。白丸は単相のMgが認められな
かった合金化した試料を示し、黒丸はまだ単相Mgの残
った不完全合金の試料を示している。一連の試験を通じ
て言えることはGが30においては12時間で合金化し
、Gを90に上げると処理時間は4時間でも合金化をす
るということである。別の条件ではGが90の場合には
30分で合金化を完了する実績も出ているので、今後実
施例を追加してこの間の相対的関係を明らかにしていく
予定である。
ことなく水素吸蔵合金を製造し、かつ従来に比べて水素
化物へ有効迅速に相変化する合金だけを含み、その他の
単相金属を含まないきわめて合金化率の高い合金体を得
ることができる。従って水素との反応速度が速くその吸
蔵,放出能力は理論値の近くまで強化されている。その
ため従来から適用されてきた種々の用途に取付けた時に
は従来よりはるかに優れた結果をもたらすことが期待さ
れる。また溶解法によるよりも格段に製造コストが低い
うえ、高価なLaを使わない合金でも自由に製造できる
から、品質の向上とともに大きな経済的効果を得ること
は言うまでもない。
。
状態とミルの自転,公転の角速度の相対的比率の関係を
示す。
g(ハ)のそれぞれ標準試料のX線回析分析結果である
。
よるNi(イ)およびMg(ロ)の分布状態を示す金属
組織の顕微鏡写真。
による Ni(イ)および Mg(ロ)の分布状態を示
す金属組織の顕微鏡組織。
Claims (4)
- 【請求項1】 合金化して水素吸蔵合金を形成し得る
2以上の異種金属の粉末を粉砕ボールとともに高速ボー
ルミルのミルポット内へ密封し、ミルポット内を非酸化
性雰囲気に調整したのち、重力加速度の30倍以上の加
速度をミルポット内に加えて、混合,粉砕,分散を経て
合金化率の高い水素吸蔵合金を形成することを特徴とす
る水素吸蔵合金の製造方法。 - 【請求項2】 請求項1において非酸化性雰囲気が、
Arガス,Heガス,N2ガスの何れかをミルポット内
へ充填したことを特徴とする水素吸蔵合金の製造方法。 - 【請求項3】 請求項1又は2において2以上の異種
金属は、Mg,Ca,La,ミッシュメタル,Tiの一
群から選んだ一種以上の金属と、Ni,Al,V,Cr
,Fe,Co,Zr,Cu,Mnの一群から選んだ一種
以上の金属とよりなることを特徴とする水素吸蔵合金の
製造方法。 - 【請求項4】 請求項1における高速ボールミルが、
非酸化性の雰囲気調整手段と着脱自在に連結するミルポ
ットを有し、主軸の回転によって公転するとともに自己
の回転軸を中心に自転し、かつ 【数1】 で表わされるミルポット内部へ加わる合成粉砕加速度比
Gが少なくとも30以上であり、かつ自公転角速度比率
Rが1.9以下の回分式遊星ボールミルであることを特
徴とする水素吸蔵合金を製造する装置。
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