JPH0452251A - 金属及び金属の製造方法 - 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】 〔概要〕 粒塊の大きさが小さく、純度の高いステンレス鋼、アル
ミニウム、チタン等の金属の製造方法に間し、 高純度化、高密度化、高強度化等の改質のなされたステ
ンレス鋼、アルミニウム、チタン等の製造方法を提供す
ることを目的とし、 ステンレス鋼の構成要素に、この構成要素の総重量数の
５重量％以下の量セリウムを添加して合金を製造し、こ
の合金を昇温しながら、ＳＯＲ光を照射し、前記のセリ
ウムのＮ＠及び／またはＯ殻の空席に対応する結合子と
前記のステンレス鋼の構成要素の外殻電子とを結合させ
るステンレス鋼の製造方法と、アルミニウムに、その５
重量％以下の量セリウムを添加して合金を製造し、この
合金を昇温しながら、ＳＯＲ光を照射し、前記のセリウ
ムのＮ殻及び／またはＯ殻の空席に対応する結合子と前
記のアルミニウムの外殻電子とを結合させるアルミニウ
ムの製造方法と、チタンに、その５重量％以下の量セリ
ウムを添加して合金を製造し、この合金を昇温しながら
、ＳＯＲ光を照射し、前記のセリウムのＮ殻及び／また
は０殻の空席に対応する結合子と前記のチタンの外殻電
子とを結合させるチタンの製造方法とをもって構成する
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、粒塊の大きさが小さく、純度の高いステンレ
ス鋼、アルミニウム、チタン等の金属及びその製造方法
に関する。

〔従来の技術〕

電子産業、重軽工業、医療産業、原子力産業等の目覚ま
しい進展にともない、それらを支える材料技術の面にお
いても様々なニーズが発生している。その基本的なもの
としては、金属、半導体、絶縁体等のすべてについて、
新しい機能、性質、具体的には、材料の特殊機能提供及
び純度、緻密性、強度、耐熱性、耐冷性等の同上が挙げ
られる。

これらのニーズに応えるのに、従来は錬金術的な手法、
すなわち、試行錯誤的に新しい合金や化合物材料を開発
する手法が用いられてきた。今後もこの傾向は続くもの
と思われるが、材料設計的な要素も加味されてゆくもの
と思われる。近年、所望の性能・機能を有する材料を速
やかに実現するために、従来あまり使用されなかった新
しい元素素材を積極的に材料設計に導入する傾向が見ら
れるようになってきたが、セリウムを使用する例は未だ
存在しない。

〔発明が解決しようとする課題〕

材料の特性や機能向上を目指した新材料の開発や、既存
材料の改質に関しては、系統的な開発は少なく、また、
その製作手段も少ない、特に、需要の多い鉄、アルミニ
ウム、チタン等の金属の高純度化、高密度化、高強度化
、及び、耐熱性、耐冷性の向上部に対して効果的な改質
手段が開発されていないのが現状である。

本発明の目的は、この欠点を解消することにあり、二つ
の独立した目的を有する。第１の目的は、高純度化、高
密度化、高強度化等の改質のなされたステンレス鋼、ア
ルミニウム、チタン等の金属を提供することにある。第
２の目的は、その金属の製造方法を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記二つの目的のうち、第１の目的は、セリウムを５重
量％以下の量含有し、このセリウムのＮ殻及び／または
０殻の空席に対応する結合子が、外殻電子と結合してな
るステンレス鋼と、セリウムを５重量％以下の量含有し
、このセリウムのＮ殻及び／またはＯ殻の空席に対応す
る結合子が、外殻電子と結合してなるアルミニウムと、
セリウムを５重量％以下の量含有し、このセリウムのＮ
殻及び／またはＯ殻の空席に対応する結合子が、外殻電
子と結合してなるチタンとによって達成される。

上記二つの目的のうち、第２の目的は、ステンレス鋼の
構成要素に、この構成要素の総重量数の５重置％以下の
量セリウムを添加して合金を製造し、この合金を昇温し
ながら、ＳＯＲ光を照射し、前記のセリウムのＮ殻及び
／または０殻の空席に対応する結合子と前記のステンレ
ス鋼の構成要素の外殻電子とを結合させるステンレス鋼
の製造方法と、アルミニウムに、その５重量％以下の量
セリウムを添加して合金を製造し、この合金を昇温しな
がら、ＳＯＲ光を照射し、前記のセリウムのＮ殻及び／
または０殻の空席に対応する結合子と前記のアルミニウ
ムの外殻電子とを結合させるアルミニウムの製造方法と
、チタンに、その５重量％以下の量セリウムを添加して
合金を製造し、この合金を昇温しながら、ＳＯＲ光を照
射し、前記のセリウムのＮ殻及び／またはＯ殻の空席に
対応する結合子と前記のチタンの外殻電子とを結合させ
るチタンの製造方法とによって達成される。

〔作用〕

本発明に係る金属及び金属の製造方法においては、内殻
電子に空席の多い希土類金属の中で、比較的入手し易い
セリウムをステンレス鋼、アルミニウム、チタン等の金
属材料に添加し、ＳＯＲ光（Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ　
０ｒｂｉｔｒａｌ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　；シンクロト
ロン軌道放射光）を照射して電子励起させることにより
、金属の粒界付近の未結合の結合子同志を結合させ、ま
た、部分的に不完全な結合を一旦切断して再結合させて
、金属の粒度を細かくすると＼もに、内部に存在する固
体、ガス等の各種不純物とも反応させて、不純物の金属
本体からの遊離・分離を促進するものである。

表１に本発明の対象となる元素の電子配列表を示す、ス
テンレス鋼を構成する鉄、クロム、ニッケルやアルミニ
ウム等のように、不完全な外殻及びＭ殻内のＤレベルま
たはＰレベルの電子を有する金属は、本来イオン同志で
共有結合をつくるが、粒界面においては、未結合の結合
子が多数余っている。一方、セリウムの内殻座席には電
子の空席があり、全座席を埋めるには、Ｎ殻で１３個、
０殻で９個それぞれ電子が不足している。このことは、
強力な励起エネルギーを外部から供給することにより、
他の元素と結合できる多くの潜在的な結合子を有する元
素であることを示している。

このようなセリウムのＮ殻及びＯ殻とステンレス鋼の構
成要素、アルミニウム等とを結合させる確率を高めるの
に必要なエネルギーについて、第２図に示すセリウムの
原子模型図を参照して説明する。Ｐ殻の電子シールドバ
リアを越えてＯ殻と結合させるためのエネルギーをＥ、
とし、Ｐ殻と０殻のバリアを越えてＮ殻と結合させるた
めのエネルギーをＥ、。とじ、また、セリウムのＮ殻と
０殻とを励起状態にして電子空席に外部電子が入りやす
くするのに必要なエネルギーをＥ、。８とすると、 Ｅ、としては、７５〜１００ｅｖ　（２５ｅｖの３〜４
倍） Ｅ、。とじては、６００〜８００ｅｖ　（２００ｅｖの
３〜４倍） Ｅｏ、としては、６００〜３．２００　ｅ　ｖ　（２０
０〜８００ｅｖの３〜４倍） （注：括弧内に記載した３〜４倍の意味は、最も励起効
率の高い光照射の条件である。）のエネルギーが必要で
あり、これらのエネルギー範囲をカバーするには、ＳＯ
Ｒ光のような広い波長の光源が最適である。なお、ＳＯ
Ｒ光の照射によって、電子が、外部へ放出されるが、高
密度励起によって、上記の結合反応の発生する確率をか
なり高くすることができる。

このように、セリウムの電子空席が媒介となり、粒界と
いう空間や多結晶の境界を消滅させる方向に作用する。

同時に、粒界に吸着されている各種ガス分子等も容易に
離脱し、セリウムと反応する。

水素、酸素、炭素等のセリウムとの反応物は軽いもので
あるから、溶融の際には上面に浮上することが予想され
る。また、固体状態においても、ＳＯＲ光の照射を続け
ることにより、高エネルギー光照射による光拡散及び表
面付近のミクロ的な集中熱による拡散によって、不純物
とセリウムとの反応物は表面に析出してくる。このよう
に表面に浮上した不純物層や表面に析出した不純物層を
除去することによって、金属を高純度化することが可能
である。また、このような反応が進行して金属結晶内に
セリウムが割り込むと、金属同志の自然な結合を促進す
るため、鉄等に喫型の長い形状をなして入り込んでいる
炭素や珪素粒等も同様な理由で再配置がなされ、細かく
かつ丸い形状への変化が促進されて細粒化し、強度及び
緻密性が著しく増大する。

次に、第１−１図と第１−２図を参照して金属の改質方
法の要旨を説明する。第１−１図（ａ）に示すように、
ステンレス鋼等の金属は直径が数十−から数百μの比較
的大きな粒塊から成り立っている。これらの金属を溶融
し、セリウムを添加して固化すると第１−１図（ｂ）に
示すように粒塊がや−小さくなり、界面に含有される固
体及びガスの不純物が若干減少する。このような状態の
金属を融点の７０％程度の温度に昇温しながら、第１−
２図（ｃ）に示すように、高エネルギーのＳＯＲ光を照
射すると第１−２図（ｄ）に示すように、粒塊の大きさ
はｌａ程度に小さくなり、包含されていた不純物も著し
く減少する。なお、第１−２図（ｃ）に示すように、セ
リウムを添加する際の金属溶融時点においてＳＯＲ光を
照射すると、不純物が良好に除去され、粒塊の微細化と
高純度化の面で一層の効果がある。

なお、添加する元素として、セリウム以外の希土類金属
、例えばランタンを使用しても同様の効果が得られるも
のと推考される。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつ一１本発明の実施例に係るステン
レス鋼及びアルミニウムの製造方法について説明する。

一ンレス　の ５ＵＳ３１６型のステンレス鋼を溶融し、１重量％のセ
リウムを添加して固化した合金板を５００℃の温度に昇
温し、波長が３人近傍に分布しているＳＯＲ光を敞時間
照射したところ、従来のステンレス鋼の場合には数十μ
乃至数百μであった粒塊の直径が０．１ｐ程度に微細化
され、脱ガスレートは従来のものに比して２桁減少し、
強度も著しく増加した。また、ステンレス鋼中に含まれ
る水素、窒素、酸素、イオウ、リン等の不純物とセリウ
ムとが反応して、それらの化合物が表面に面相拡散する
ので、研磨によってそれらの不純物の化合物を容易に除
去することができ、高純度化が可能になった。この結果
、本発明の方法を使用して製造したステンレス鋼は真空
容器、原子炉等に適した信頼性のある材料として提供し
うる見通しが得られた。

なお、このステンレス鋼の表面に形成される酸化膜は、
下地金属の粒塊が細かいため、極めて緻密な膜になり、
強固で良質のバリアとなることが確認された。

ル々　ニ　　ム アルミニウムに１重量％のセリウムを添加して第１例と
同様にＳＯＲ光を照射したところ、多結晶の境界が殆ど
消滅し、結晶の方向が良く揃った。

この結果、半導体装置に使用するアルミニウム配線の高
密度化、高純度化が実現し、配線の信頼性を向上させる
ことができた。

〔発明の効果〕

以上説明せるとおり、本発明に係る金属及び金属の製造
方法においては、ステンレス鋼、アルミニウム、または
、チタンに、５重量％以下の量のセリウムをそれぞれ添
加して合金を製造し、この合金を昇温しながらＳＯＲ光
を照射して、セリウムのＮ殻及び／または０殻の電子空
席に対応する結合子とステンレス鋼の構成要素、アルミ
ニウム、または、チタンの外殻電子とをそれぞれ結合さ
せるので、ステンレス鋼、アルミニウム、または、チタ
ンの粒塊がそれぞれ微細化されて高密度化、高強度化が
達成され、また、不純物も遊離・除去されて高純度化が
達成された。

【図面の簡単な説明】

第１−１図、第１−２図は、本発明に係る金属の製造方
法の説明図である。 第２図は、セリウムの原子模型図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］セリウムを５重量％以下の量含有し、該セリウム
   のＮ殻及び／またはＯ殻の空席に対応する結合子が、外
   殻電子と結合してなる ことを特徴とするステンレス鋼。 ［２］セリウムを５重量％以下の量含有し、該セリウム
   のＮ殻及び／またはＯ殻の空席に対応する結合子が、外
   殻電子と結合してなる ことを特徴とするアルミニウム。 ［３］セリウムを５重量％以下の量含有し、該セリウム
   のＮ殻及び／またはＯ殻の空席に対応する結合子が、外
   殻電子と結合してなる ことを特徴とするチタン。 ［４］ステンレス鋼の構成要素に、該構成要素の総重量
   数の５重量％以下の量セリウムを添加して合金を製造し
   、該合金を昇温しながら、ＳＯＲ光を照射し、前記セリ
   ウムのＮ殻及び／またはＯ殻の空席に対応する結合子と
   前記ステンレス鋼の構成要素の外殻電子とを結合させる ことを特徴とするステンレス鋼の製造方法。 ［５］アルミニウムに、その５重量％以下の量セリウム
   を添加して合金を製造し、該合金を昇温しながら、ＳＯ
   Ｒ光を照射し、前記セリウムのＮ殻及び／またはＯ殻の
   空席に対応する結合子と前記アルミニウムの外殻電子と
   を結合させる ことを特徴とするアルミニウムの製造方法。 ［６］チタンに、その５重量％以下の量セリウムを添加
   して合金を製造し、該合金を昇温しながら、ＳＯＲ光を
   照射し、前記セリウムのＮ殻及び／またはＯ殻の空席に
   対応する結合子と前記チタンの外殻電子とを結合させる ことを特徴とするチタンの製造方法。