JPH06502891A

JPH06502891A - 機械的に合金化する方法

Info

Publication number: JPH06502891A
Application number: JP3516664A
Authority: JP
Inventors: ベンジャミン，ジョン，エス．
Original assignee: アルミナム　カンパニー　オブ　アメリカ
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1991-08-28
Publication date: 1994-03-31
Also published as: EP0546106A1; EP0546106A4; WO1992004150A1

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】機械的に合金化する方法本発明は、異なる材料を一緒に加工することによって特徴づけられる合金化する方法に関する。該方法は、用語の「機械的な合金化」によって周知である。

１９６０年代にインターナショナルニッケルカンバニイ（ＩＮＣＯ）においてＪ、　Ｓ、ベンジャミン等によって発明される機械的な合金化は、２つまたはそれ以上の粒状物質か非常によく混合され、従って得られる粒状製品が（１）真の合金または（２）貯蔵、輸送等の際に劣化しない著しく均質な混合物または（３）１．２の双方の組合わせである方法である。

機械的な合金化を適用可能であることが判明した粒状物質は、金属と、耐火物と、ガラスと、結晶質セラミックスと、重合体とを含む。

機械的な合金化は、高エネルギのボールミルによって現在実施される。数１０時間の処理時間が必要であり、屡々全般的に不完全処理の粒子が存在し、最終の固められる製品の流れに達する。分散相自由領域、残留する脆い金属間化合物相または均質化処理によるカーケンドル多孔性の形状にあり得るこれ等の流れは、一層低い延性、低減する高温強さ、一層低い靭性または劣った疲労強さへ導き得る。

上記で述へた前述の処理の欠点は、その統計的性質による。粉末粒子は、衝突する研摩ボールの間に無作為に捕捉される。個々の衝突が０．００１秒以下を要し、５のみから１３までの衝突が粉末を均質化するのに必要であることを計算が示すため、高エネルギボールミルの使用の効率は、正に１％以下である。所与の体積の材料か巻き込まれる衝突の数か少いため、成る材料が全般的に過剰処理または不完全処理される有意の確率が存在する。

上述の流れへ導くのは、後者の作用である。

新規の方法は、機械的な合金化の均質化を生じさせるために圧延の使用を含む。

本質的にあらゆる原子は、圧延機を通過する際に加工を受け、従って、前述のボール粉砕法の統計的性質を克服する。

一般的に述べれば、本発明の方法は、好ましくは粒状の形状で、特に自由な粒子において、例えば個別化される合金前の粉末または要素粉末および主な合金粉末の混合物の形状の材料を圧延機へ送給することを含む。圧延所望の溶接作用を達成するための圧延パラメータは、実験的に決定されてもよい。圧延機が高度ｊこ圧縮されることは、好ましい。「高度な圧縮」は、ａ）圧延機の弾性スプリングバックか粉末集団に加えられる低減の量に比較して小さく（５０％以下）、ｂ）摩擦力を介して粉末集団に加えられる流体静圧力が常態で脆い構成要素の破砕を低減する様に作用する様な状態の下での操作を意味する。

材料が詰まった状態の下で圧延機へ送入されることも好ましい。「詰まった状態」における「詰まり」は、粉末集団かロール噛込み部に進入する際に粉末集団への流体静圧力を軽減する粉末集団における間隙ないし「休み」が存在しないことを意味する。従って、ロールを通過する総ての粉末は、同様な歪経歴を経験する。

更に、−〇、７またはそれ以上に、即ち一層負にまたは好ましくは−１，０またはそれ以上の真の塑性圧縮歪が圧延機を通るパスにおいて生じる様に、圧延機が操作されるべきことは、好ましい。「真の塑性歪」は、個々の粉末または破砕される複合集団の出発厚さによって割られる最終厚さの比の自然対数として定義される。この高い歪は、密な集塊に、例えば複合ストリップの形状に成分を一体に冷間溶接させる。

ロール噛込み部における対向するロールの接線速度は、はぼ等しくてもよく、または１本のロールは、ロール噛込み部において剪断作用を材料に付加するために池のものよりも早い速度で転勤する様にされてもよい。

円筒形面を有するロールのほかに、相互に噛合う歯を有するロールか使用されてもよく、従って、ロール噛込み部における該ロールは、噛合う歯車の形状である。

該複合ストリップは、例えば同一のロール噛込み部へ同時に送給される複数の厚さの形状で、それ自体へ逆に特表平６−５０２８９１　（４）戻されて再圧延されてもよし・。しかしなから、好ましくは、該複合ストリップは、次に破砕ないし粉砕される。

従って、圧延機を出る材料は、逆に回転するビータ−バーまたは当該技術の熟達者に周知の成るその他の粉砕装置を経てハンマーミル内に圧延操作の製品を通すことによって個々の砕片に破砕される。

圧延および粉砕の操作は、合金される製品に所望の程度の均質性か得られるまで、好ましくは継続的に反復される。均質化を扶助するための適度な温度の熱処理および／または粉砕を扶助するための脆化相の形成および／または同様に粉砕を扶助するための低温急冷の様なその他の操作は、圧延操作と粉砕操作との間に含まれてもよい。

本発明の方法のために送給する材料は、その原子が製造されるべき合金を形成するための２つまたはそれ以上の異なる物質の形状でもよい。該材料は、少くとも１つの金属粉末を含んでもよい。微細に分割される形状の酸化物、窒化物または炭化物の様な１つまたはそれ以上の化合物は、分散補強剤として作用する様に添加されてもよい。代りに、単一の材料は、液相からのその凝固後に残される該単一材料における異なる固相の合金化の目的によって送給されてもよい。例えばステアリン酸の添加剤は、送給されてもよい。その他の添加剤は、例えばハベツシュ等の特許の第４．３００．９４７号に記載される。

該方法のために送給される材料の物理的形状は、変化してもよい。該材料は、粒状でもよく、またはシート形状でもよい。粒子は、靴内に送給されてもよく、例えば意図される合金の比較的硬く脆い成分は、比較的延性の成分の靴内に送給されてもよい。１つまたはそれ以上の成分は、例えばロール噛込み部を最初に通過する際に生じるそれ等の凝固を伴って、最初に溶融状態で供給されてもよい。材料の急速に凝固する液湾は、最初のロール噛込み部に使用される同一のロールを使用して作られて、それから該ロール噛込み部を経て送給されてもよく、または急速凝固ユニットは、最初の圧延操作の直ぐ前に設置されてもよい。他の可能性は、その芯における合金の一成分と、該芯上の合金の他の成分の１つまたはそれ以上の被覆とから成る単一材料の送給である。

本発明の好適な形態では、粒子は、圧延のために送給される際に自由である。即ち、該粒子は、恐らく流れガイドと、空気流からの横の遮蔽と、空気以外の大気の存在または真空を維持するための拘束物とを除いて、本質的に拘束されない。

圧延設備は、硬化される材料て構成されるワークロールを存する２段または４段の装置でもよい。ワークロールに対する好適な材料は、タングステンカーバイド／コバルト、窒化鋼、表面焼入れ鋼またはその他の同様な材料を含む。主ワークロールに対して軸方向垂直に回転するロールまたは焼入れられるガイドシューの様な成る側部拘束装置は、材料がワークロールの端縁から漏出するのを防止するために設けられねばならない。材料がワークロールに粘着する環境では、ドクターブレード、焼入れられるワイヤブラシまたはその他の装置は、ワークロールを清掃するために設けられるべきである。これは、材料が該ロールによって逆にぐるりと搬送されるのを防止する。

圧延操作は、真空、半不活性またはほぼ不活性、窒素の様な雰囲気、ヘリウムまたはアルゴンの様な不活性雰囲気、または水素の様な還元雰囲気の下で実施されてもよい。ロールの操作の速度は、主として所望の加工温度と、塑性変形の熱を加工片から抽出する性能とによって定められる。該冷却は、ワークロールの内部冷却、例えば窒素の様な超冷却ガスによる該領域への放流、またはワークロールか粉末に接触していない際のワークロールへの冷却流体の適用によって与えられてもよい。

圧縮される材料がワークロールから出る際、該材料は、厚さよりも大きくなく好ましくは出る片の厚さの半分以下または１／４にさえもの片に破砕されるべきである。

これは、該片か第２組のワークロールを通過する際、または代りにホッパーへ移送されて逆に最初の組のワークロールを通過する際、該片の良好な統計的混合を保証する。

機械的に合金化する方法の溶接および破砕の段階力くここでは相互に分離されるため、これ等の段階が異なる環境において実施されるのか可能であることか認められるベきである。例えば、機械的に合金化するサイクルの溶接部分を構成する圧延操作は、溶接を容易にするために周囲温度または適度に上昇される温度、例えば５０°Ｃまたは一層高い温度でさえも真空または還元ガスまたは不活性ガスまたはほぼ不活性のガスの中で実施されてもよく、一方、粉砕段階は、例えば− ２０°Ｃまたはそれ以下の温度の粉砕に好都合の低い温度において恐らく粉砕装置への進入に先立つストリップ状材料の急冷を利用して実施されてもよい。該粉砕段階は、低温において、即ち一１００°Ｃまたはそれ以下の温度でさえも実施されてもよい。延性から脆性破砕への遷移を示す体心立方晶系金属の様な材料の場合には、本発明のこの特徴の実施例は、延性から脆性破砕への遷移以上の温度における圧延の実施を含み、一方、粉砕段階は、延性から脆性破砕への運気に関して、ガス状アルゴン、ネオンおよびヘリウムは、古典的な意味において不活性ガスである。窒素は、厳密に言えば完全に不活性てはないか、大抵の金属に対して効果的である。ＣＯ□は、マグネシウムに対して効果的に不活性であり、水素は、大抵の材料に対して効果的に不活性であるが、幾らかの僅かな反応か存在する。水素、窒素またはＣＯ□の様なほぼ不活性のガスは、保護雰囲気と呼ばれる。

粉砕の際の雰囲気は、不活性または穏やかな反応性てもよい。穏やかな反応性雰囲気の場合には、アルミニウム粉末製品の空気との反応性を制御するために、例えば該粉末のポール粉砕の際に酸素の制御される量を供給することは、周知である。また、粉砕段階が実際的である様に溶接性能を限界内で制御するために粉砕の際に金属に反応する要素または物質を添加することは、望ましく、従って、成る場合には粉砕を扶助するために例えば酸素の僅かな％のほぼ１体積％を窒素に添加するか、または常態の大気の一小部分の酸素のほぼ２ｍｏ＋Ｈｇを真空に添加することが必要であり得る。恐らくステアリン酸の様なその他の粉砕用扶助物質は、粉砕段階の際に少量において使用されてもよい。

粉砕を伴う溶接のための圧延のサイクルは、役人材料の性質および寸法と、バス当りの低減の量と、必要な組織の向上の程度とに依存して５回と２０回との間、または一層広く２回と５０回との間で実施される様に期待されてもよい。

この新規な方法の利点は、その間に材料が高エネルギのボールミル内を無用に循環する時間を排除することにより均質な機械的合金化を達成するのに必要な時間を著しく短縮することを含む。また、同一の数の塑性変形段階と、完全な塑性変形とを受ける様に材料の各々のあらゆる単位体積に強制することにより、不完全処理および過剰処理の欠点は、完全に排除される。他の結果は、所与の容量に対する機械的な合金化機構の資本費用における著しい低減である。更に、該方法の粉砕段階から溶接段階を分離することにより、著しく大きい制御およびエネルギ効率か達成される。該構造は、一層精密に制御されてもよい。成分は、それ等の分布か成分の残余のものとは異なり得る様に過程中の特定のときに添加されてもよい。例えば、最初の成分は、圧延および粉砕の交代する段階により所望の程度の均質性にもたらされてもよく、次に、その他の成分は、粉砕されて均質に合金化される最初の成分に混合されてもよく、次に、圧延粉砕サイクルは、最初の成分によって形成される均質な母組織内にその他の成分の所望の分布を達成する様に継続される。

該「その他の」成分は、例えば「最初のＪ成分の幾つかまたは総てに化学的に同一でもよい。

第１図は、本発明による方法の概略の例示である。

図の例では、本発明は、各ユニットかワークロールＩＯと、バックアップロール１２とから成る４段圧延装置に基づいて実施される。ロール噛込み部１３を通過した後、最初に２つの異なる材料の粉末Ａと、粉末日とから成り次に随意にフィードバックライン１４．１６のいづれかのフィードバック材料を存する粉末装入物は、集塊を破砕するために粉砕段階を、例えば粉砕機１８を通過する。

製造される合金の均質性を制御するため、本発明の方法は、パッチモードにおいて単一の圧延ユニットと、単一の粉砕ユニットとを使用して操作されてもよい。

原材料の所望の量が一回送給された後、総ての一層の圧延は、製品の所望の均質性が達成されるまで粉砕段階からのフィードバックに基づく。

連続的な操作は、更に実施可能である。理想的には連続的な操作のため、所望の程度の均質性は、所望の均質性に必要なパスの数に数において等しい別個のロール噛込み部および粉砕ユニットの使用によって達成される。

フィードバックは、設備の融通性を増大するために使用されてもよい。例えば、１００マイクロメータの平均寸法の最初の金属粉末による段階当り−０，７の真の歪を利用する５組のユニットは、３マイクロメータの最終「構成要素」寸法を生じる。該均質性は、該製品を該装置に２回通すことにより１０−”マイクロメータ、即ち１０人ないしＩｎｍの構成要素寸法に改善可能である。注意は、不完全処理粒子の発生を防止するために特に粉砕段階において装置を完全に清掃する様に払われねばならない。

一段階よりも大きい深さへのフィードバックの場合の清掃のための必要性によって与えられる複雑さに鑑み、フィードバックは、使用されれば好ましくは直ぐ前のロール噛込み部へ、即ち直ぐ前の段階へのみである。第１図のライン２０て取出される最終製品は、機械的に合金される粉末であり、次に、該粉末は、利用可能な方法の幾つかの中の任意のものによる操作２２において固められる。代りに、最終粉砕手順は、使用されなくてもよく、従って、最終製品は、最後のロール噛込み部から現われる際に溶接される材料の形状である。

成る場合に単一バスで圧延可能な粉末層の厚さは、粉末とワークロールとの間の低い摩擦係数によって制限され得ることか考えられる。これは、擬似流体である様に粉末を考えることによって理解可能である。粉末がロールの混合部に進入する際の絞り作用は、背圧を形成する。

粉末集団の表面に対するワークロールの摩擦は、該背圧に反作用せねばならない。重要な値は、粉末の移動方向（圧延面）において決定される該摩擦力の積分値である。

この値は、低減する摩擦係数および低減するワークロール径によって減少する。

上述の考察は、接触面積と、粉末集団の運動に沿う力の成分との双方が最大限になるため、大きいワークロール径を採用することを示唆する。不幸にして、粉末集団が捕捉されると、塑性歪の量を最大限にして圧延される粉末集団の厚さを最小限にするために小さいワークロール径を使用することか望ましい。

背圧の問題点に向けられる本発明の実施例ては、ワークロールの表面は、摩擦係数を増大するために粗（されてもよい。これは、粉末集団の厚さを増大し、成る場合には、粉末集団を部分的に固めるために大きい直径のロールを使用する第１と、最大の塑性歪を得るために小さい直径のロールを使用する第２との２つの圧延段階を「バス」当りに使用する必要性を排除することか考えられる。

表面仕上げがここでは通常関係ないため、粗さは、「振巾」において複数のミクロンでもよい。注意は、粗くされるロール面の除去部分を回避し、従って汚染源の形成を回避するために払われねばならない。制置される手段としてレーザービームまたは電子ビームの点食を利用する可能性が存在する。代りに、研摩剤グリッドのブラストか使用されてもよい。

国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．（ａ）圧延される製品を生じるために対向するローラのロール噛込み部を通して製品を送給し、（ｂ）粉砕される製品を形成する様に該圧延される製品を粉砕する手順を備える合金化方法。
２．請求の範囲第１項に記載の方法において、前記ロール噛込み部へ送給される前記製品が、粒状であり、前記対向するローラの間の状態が、前記圧延される製品に溶接される粒子を含ませるものであり、前記粉砕される製品から溶接される製品を形成する様に対向するローラのロール噛込み部を通して該粉砕される製品を送給する手順を更に備える方法。
３．請求の範囲第２項に記載の方法において、高度に圧縮される状態において１組の対向するローラを操作する手順を更に備える方法。
４．請求の範囲第２項に記載の方法において、ロール噛込み部を通して詰まった状態の製品を送給する手順を更に備える方法。
５．請求の範囲第２項に記載の方法において、１組の対向するローラを通過する際に少くとも−０．７の真の塑性圧縮歪を達成する手順を更に備える方法。
６．請求の範囲第５項に記載の方法において、少くとも−１．０の真の塑性圧縮歪を達成する手順を備える方法。
７．請求の範囲第２項に記載の方法において、ローラを冷却する手順を備える方法。
８．請求の範囲第２項に記載の方法において、前記圧延される製品が、厚さによって特徴づけられ、該圧延される製品が、前記粉砕手順において該厚さよりもほぼ大きくない片に破砕される方法。
９．請求の範囲第８項に記載の方法において、前記圧延される製品が、前記厚さの半分よりも小さい片に破砕される方法。
１０．請求の範囲第８項に記載の方法において、前記圧延される製品が、前記厚さの１／４よりも小さい片に破砕される方法。
１１．請求の範囲第２項に記載の方法において、粉砕を伴う溶接のための圧延のサイクルが、２回と５０回との間で実施される方法。
１２．請求の範囲第１１項に記載の方法において、粉砕を伴う溶接のための圧延の前記サイクルが、５回と２０回との間で実施される方法。
１３．請求の範囲第２項に記載の方法において、サイクルの数に数において等しい別個のロール噛込み部および粉砕ユニットが、ある方法。
１４．請求の範囲第２項に記載の方法において、対向するローラの前の組へ粉砕される製品をフィードバックする手順を更に備える方法。
１５．請求の範囲第１４項に記載の方法において、前記フィードバックが、ローラの直ぐ前の組に対してである方法。
１６．粒子が合金を形成する様に一緒に加工される合金化方法において、対向するローラのロール噛込み部へ本質的に拘束されない粒子を送給する手順を備えることを特徴とする方法。
１７．請求の範囲第１６項に記載の方法において、前記ロール噛込み部から出る製品が、溶接される粒子を含み、該溶接される粒子を粉砕する手順を更に備える方法。
１８．請求の範囲第１６項に記載の方法において、前記ロール噛込み部から出る製品が、溶接される粒子を含み、複数の厚さの形状で該溶接される粒子をロール噛込み部を通して同時に送給する手順を更に備える方法。
１９．溶接と、粉砕とを本質的に別個の手順に分離することを特徴とする機械的に合金化する方法。
２０．請求の範囲第１９項に記載の方法において、溶接および粉砕の複数のサイクルが、存在する方法。
２１．請求の範囲第２０項に記載の方法において、異なるときに成分を添加することを特徴とする方法。
２２．請求の範囲第１９項に記載の方法において、溶接と粉砕との間の他の処理を特徴とする方法。
２３．溶接および粉砕の手順が、別個の環境において実施される機械的に合金化する方法。
２４．請求の範囲第２３項に記載の方法において、溶接が、真空または不活性ないし還元性の雰囲気の中で実施される方法。
２５．請求の範囲第２３項に記載の方法において、溶接が、５０℃またはそれよりも高い温度で実施される方法。
２６．請求の範囲第２３項に記載の方法において、粉砕が、−２０℃またはそれよりも低い温度で実施される方法。
２７．請求の範囲第２３項に記載の方法において、粉砕が、低温の温度で実施される方法。
２８．請求の範囲第２３項に記載の方法において、前記溶接および粉砕の手順が、延性から脆性破砕への遷移を示す材料に作用し、該溶接手順が、該遷移よりも高い温度において実施される方法。
２９．請求の範囲第２３項に記載の方法において、前記溶接および粉砕の手順が、延性から脆性破砕への遷移を示す材料に作用し、該粉砕手順が、該遷移よりも低い温度において実施される方法。
３０．請求の範囲第２３項に記載の方法において、前記溶接および粉砕の手順が、延性から脆性破砕への遷移を示す材料に作用し、該溶接および粉砕の手順が、該遷移よりも高い温度と、低い温度とにおいて夫々実施される方法。
３１．請求の範囲第２３項に記載の方法において、粉砕が、不活性または穏やかな反応性の雰囲気において実施される方法。
３２．溶接が、粉砕よりも高い温度で実施される機械的に合金化する方法。
３３．請求の範囲第３２項に記載の方法において、溶接が、真空または不活性ないし還元性の雰囲気の中で実施される方法。
３４．請求の範囲第３２項に記載の方法において、溶接が、５０℃またはそれよりも高い温度で実施される方法。
３５．請求の範囲第３２項に記載の方法において、粉砕が、−２０℃またはそれよりも低い温度で実施される方法。
３６．請求の範囲第３２項に記載の方法において、粉砕が、低温の温度で実施される方法。
３７．請求の範囲第３２項に記載の方法において、前記溶接および粉砕が、延性から脆性破砕への遷移を示す材料に作用し、該溶接が、該遷移よりも高い温度で実施される方法。
３８．請求の範囲第３２項に記載の方法において、前記溶接および粉砕が、延性から脆性破砕への遷移を示す材料に作用し、該粉砕が、該遷移よりも低い温度で実施される方法。
３９．請求の範囲第３２項に記載の方法において、前記溶接および粉砕が、延性から脆性破砕への遷移を示す一材料に作用し、該溶接および粉砕が、該遷移よりも高い温度と、低い温度とにおいて夫々実施される方法。
４０．請求の範囲第３２項に記載の方法において、粉砕が、不活性または穏やかな反応性の雰囲気の中で実施される方法。
４１．（ａ）粉砕される製品を形成する様に製品を粉砕し、（ｂ）圧延されて溶接される製品を生じる様に対向するローラのロール噛込み部を通して該粉砕される製品を送給する手順を備える合金化方法。
４２．（ａ）溶接される粒子の圧延される製品を生じる様に対向するローラのロール噛込み部を通して粒状製品を送給し、（ｂ）粉砕される製品を形成する様に該圧延される製品を粉砕し、（ｃ）該粉砕される製品から溶接される製品を形成する様に対向するローラのロール噛込み部を通して該粉砕される製品を送給する手順を備える合金化方法。
４３．請求の範囲第１項に記載の合金化方法において、粗くされるワークロール面が、設けられる方法。
４４．請求の範囲第１６項に記載の合金化方法において、粗くされるワークロール面が、設けられる方法。
４５．請求の範囲第４１項に記載の合金化方法において、粗くされるワークロール面が、設けられる方法。
４６．請求の範囲第４２項に記載の合金化方法において、粗くされるワークロール面が、設けられる方法。