JPH07300648A - 高強度焼結ｗ基合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 Ｃｕ： 0.4〜3.5 重量％、Ｎｉ： 0.8 〜6.
5 重量％、及びＣ：0.01〜0.1 重量％を含有し、残部が
実質的にＷからなる高強度焼結Ｗ基合金。Ｗ粉末、Ｃｕ
粉末、Ｎｉ粉末及びバインダーを混合して射出成形した
後、得られた成形体を1100〜1300℃の温度まで昇温し、
該温度で焼結する工程を備えた前記高強度焼結Ｗ基合金
の製造方法。 【効果】 本発明の合金は、機械的強度が高く、比重が
大きい。また、本発明の製造方法によれば、複雑な形状
の前記合金を容易に製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は重錘、慣性体、機械部
品、放射線遮蔽材などに用いられる焼結Ｗ基合金および
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｗ基合金は、比重、機械的強度、弾性
率、放射線吸収率などが高いことから、重錘、高強度機
械部品、放射線遮蔽材などに使用されている。このＷ基
合金は、Ｗの融点が極めて高いことから溶融法により製
造することは困難であるため、焼結法により製造される
が、少量のＣｕ及びＮｉを含有し、残部がＷからなるＷ
基合金は、焼結時にＣｕとＮｉの液相が生じることから
得られる焼結体の焼結密度が高いといういうことが知ら
れている。

【０００３】しかし、近年の製品の多種多様化に伴い、
さらに高い機械的強度と比重を有する焼結Ｗ基合金が求
められている。また、従来、焼結Ｗ基合金の焼結前の成
形は圧粉法によって行われており、圧粉法では三次元的
に複雑な形状を有する焼結体を得ることは不可能であ
る。従って、複雑な形状を有する製品を製造する場合に
は得られた焼結体をさらに機械加工する必要があるた
め、製造コストの点で問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、高い機械的強度を有する焼結Ｗ基合金、及び複雑な
形状であっても該焼結Ｗ基合金を容易に製造することが
できる方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｃｕ：０．４
〜３．５重量％、Ｎｉ：０．８〜６．５重量％、及び、
Ｃ：０．０１〜０．１重量％を含有し、残部が実質的に
Ｗからなる高強度焼結Ｗ基合金を提供する。

【０００６】また、本発明は、Ｗ粉末、Ｃｕ粉末、Ｎｉ
粉末及びバインダーを混合して射出成形した後、得られ
た成形体を１１００〜１３００℃の温度まで昇温し、該
温度で焼結する工程を備えた上記の高強度焼結Ｗ基合金
の製造方法を提供する。

【０００７】焼結Ｗ基合金 Ｗは融点が極めて高いので、Ｗ粉末のみを用いた場合、
通常の焼結方法では理論密度に近い焼結体を得るのは困
難であるが、ＣｕおよびＮｉを添加することにより焼結
中に液相を生じるため、理論密度に近い焼結体を得るこ
とができる。尚、Ｎｉの単独添加では液相を生じるため
には焼結温度をＮｉの融点（１４５３℃）以上にする必
要があることから実用的でなく、Ｃｕの単独添加ではＷ
とＣｕの濡れ性が悪いことから焼結密度があまり高くな
らないという不都合がある。

【０００８】本発明のＷ基合金には、Ｃｕが０．４〜
３．５重量％含有されている。Ｃｕの含有割合が０．４
重量％未満では、焼結時に充分な量の液相が生じず焼結
密度があまり高くならない。また、Ｃｕの含有割合が
３．５重量％を超えると、Ｗに比べて比重の小さいＣｕ
の割合が増えて、焼結密度は上がっても全体の比重が低
下する。

【０００９】また、本発明のＷ基合金には、Ｎｉが０．
８〜６．５重量％含有されている。Ｎｉの含有割合が
０．８重量％未満であっても６重量％を超えても焼結密
度が十分に高くならない。更に、Ｎｉの含有割合が１〜
２．５重量％である場合、比重が１８を越えることから
好適である。

【００１０】更に、本発明のＷ基合金においては、Ｎｉ
とＣｕの含有割合が上記範囲であり、しかも、Ｎｉの含
有割合（重量％）をＣｕの含有割合（重量％）の１．５
〜３倍に１．５〜２．５重量％を加えたものとするのが
好ましく、更に、Ｎｉの含有割合をＣｕの含有割合の
１．５倍に２重量％を加えたものとするのが好ましい。

【００１１】また、本発明のＷ基合金には、Ｃが０．０
１〜０．１重量％含有されている。Ｃの含有割合が０．
０１重量％未満では、焼結体の機械的強度が十分に向上
せず、０．１重量％を超えると、延性が著しく低下す
る。

【００１２】本発明のＷ基合金は、高い機械的強度を有
する。具体的には、ＪＳＰＭ標準２−６４（粉体粉末冶
金協会）に準拠して作製した試験片についてＪＩＳ Ｚ
２２４１に準拠して測定した引張強さが７５〜１０５
kgf ／mm² である。また、本発明のＷ基合金は、比重が
１７以上と高い。

【００１３】焼結Ｗ基合金の製造方法 原料粉末 Ｗ粉末としては、還元Ｗ粉末が使用され、粒度１〜１０
μｍのものが好ましい。また、Ｃｕ粉末としては、ガス
アトマイズＣｕ粉末、電解Ｃｕ粉末、水アトマイズＣｕ
粉末等が使用され、粒度３〜２０μｍのものが好まし
い。更に、Ｎｉ粉末としては、カルボニルＮｉ粉末が使
用され、粒度３〜７μｍのものが好ましい。

【００１４】これらＷ粉末、Ｃｕ粉末、及びＮｉ粉末
は、射出成形前に十分に混合する必要がある。混合が不
十分な場合、焼結しても高い密度が得られない。尚、Ｃ
は不可避的に混入されるが、Ｃ量を制御するために必要
に応じてカーボンブラック等を適宜添加してもよい。ま
た、混合方法は、特に制約はなく、一般的に行われてい
る方法で行えばよいが、好ましくは、ボールミルで混合
する。ボールミルは、ミリング効果を有していることか
ら、ミリング時間が長いほど焼結体の焼結密度が改善さ
れる。一般には、２４〜１２０時間ボールミル混合を行
うのが好ましい。

【００１５】バインダー 上記の混合された原料粉末と混合するバインダーとして
は、熱可塑性有機バインダーを使用する。かかるバイン
ダーとしては、適度な流動性及び強度を有し、有害な残
留物を残さないものであれば、通常射出成形粉末冶金法
で使用されているものを使用することができる。具体的
には、例えば、パラフィン、ポリプロピレン、低密度ポ
リエチレン等の樹脂、ステアリン酸等の分散剤等が挙げ
られる。バインダーの配合割合は、配合後の組成物全量
中７重量％以下であることが好ましい。また、射出成形
後にバインダーの一部を除去する方法としては、加熱脱
脂、溶媒脱脂、その他の公知の方法が使用可能である。
尚、脱バインダーにおいて、バインダーの加熱分解によ
りバインダーに由来するＣが成形体中に残存する可能性
があるので、原料粉末はこれを考慮して調製する必要が
ある。

【００１６】焼結 射出成形後、脱バインダー処理された成形体は、１１０
０〜１３００℃の温度まで昇温され、該温度で焼結され
る。焼結温度が１１００℃よりも低いと、液相が生じな
いので焼結密度を高めることができす、１３００℃を超
えると、Ｃｕの揮散が激しくなり、空孔がなく緻密な焼
結体が得られず、しかも炉内が著しく汚染されるなどの
不都合がある。また、焼結は、減圧又は真空下で行う
と、蒸気圧の高いＣｕの揮散が激しくなることから、不
活性ガス雰囲気下で行うのが好ましい。不活性ガスとし
ては、取り扱いの容易さ、価格などの面からアルゴンガ
スを使用するのが好ましい。

【００１７】ところで、射出成形によって得られた成形
体の粉末表面は、一般に酸化膜で被覆されており、この
ような状態では焼結は進行しない。従って、焼結する前
に成形体を還元し、酸化膜を除去する必要がある。酸化
膜を除去する方法としては、前記成形体が８５０〜９５
０℃の範囲の温度に到達するまでの間は昇温を水素雰囲
気下で行い、必要に応じて該温度に保持することにより
酸化膜を還元する方法が挙げられる。ただし、温度が８
５０〜９５０℃の範囲の温度で不活性ガス雰囲気に切り
換える必要がある。９５０℃を超えて水素雰囲気下で成
形体を保持すると、脱炭反応が起こってＣが除去されて
Ｃ量の制御が不可能となるからである。また、酸化膜
は、Ｃによっても還元できるがこの場合にはＣの一部が
ＣＯとなって揮散するのでＣの減少分を考慮して原料粉
末を調製する必要がある。

【００１８】本発明の方法によれば、圧粉成形では得る
ことが不可能な三次元的に複雑な形状を有する焼結体を
ほぼ最終製品に近い状態で得ることができるので、圧粉
成形の場合に必要な中間加工、後加工を省略することが
でき、生産性が向上する。

【００１９】また孔明けなど切削加工や、塑性加工を行
う場合には、加工性を確保するために機械的強度をあま
り高くすることができないが、本発明の方法によれば、
射出成形法により成形を行うことから、後加工を省略で
きるので、そのような制限を受けることなく機械的強度
を高めることができる。

【００２０】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳しく説
明する。実施例１〜６、比較例１〜３ 平均粒径約１．５μｍの還元Ｗ粉末（東京タングステン
株式会社製、商品名Ｂ２０）、平均粒径８μｍのガスア
トマイズＣｕ粉末（日本アトマイズ加工株式会社製、商
品名ＳＦ−Ｃｕ）及び平均粒径６μｍのカルボニルＮｉ
粉末（インコＬＴＤ社製、商品名Ｔｙｐｅ１２３）を、
Ｗ、Ｃｕ及びＮｉの割合が表１に示す割合となるように
混合し、ステンレス鋼ポット及びステンレス鋼ボールを
用いてエタノール中で８０時間ミリングした。得られた
混合粉末９４重量部と、パラフィン６９重量％、低密度
ポリエチレン３０重量％及びステアリン酸１重量％から
なるバインダー６重量部とを混練した。得られた組成物
を射出温度９０℃、金属温度３０℃で４０ｍｍ×１０ｍ
ｍ×６ｍｍの直方体試験片に射出成形した。

【００２１】射出成形後、脱脂炉内で、窒素気流中、３
５０℃で１２時間加熱することにより脱バインダー処理
を行った。次に、得られた成形体を焼結炉に入れ、昇温
開始から炉内温度が９００℃に到達するまでの間は水素
雰囲気下で昇温し、それ以後は、アルゴンガス雰囲気下
で１２５０℃まで昇温し、更に、１２５０℃で１時間の
焼結を行った。なお昇温速度は毎分１０℃とした。

【００２２】得られた焼結体の組成を表１に示す。ま
た、焼結体の比重をアルキメデス法により測定し、また
焼結体の断面の組織を光学顕微鏡により観察した。その
結果を表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】実施例１〜６の焼結体は、いずれも１７以
上の高い比重を示し、組織的にも空孔はほとんど認めら
れなかった。それに対し、Ｎｉ量の少ない比較例１では
多数の空孔が観察され、密度が低い。また、Ｃｕ量の多
い比較例２と、Ｃｕ量及びＮｉ量の多い比較例３は空孔
がなく緻密で、酸化物や炭化物等の異相が認められない
組織は得られるものの、比重が１７よりも低くなってい
る。

【００２５】実施例７〜10、比較例４〜７ 実施例１〜６で使用したものと同様のＷ粉末、Ｃｕ粉末
及びＮｉ粉末と、カーボンブラックをＷ、Ｃｕ及びＮｉ
の割合が表２に示す割合となるように混合し、実施例１
〜６と同様の方法でミリング、射出成形及び脱バインダ
ー処理を行った。また、その後の昇温、焼結は、実施例
７〜10及び比較例６、７においては実施例１〜６と同様
の方法で行い、比較例４、５は全工程を水素雰囲気下で
行った。

【００２６】得られた焼結体の組成を表２に示す。ま
た、焼結体は、いずれも空孔などの欠陥はなかった。焼
結体の比重を測定した結果を表２に示す。また、得られ
た焼結体について、ＪＳＰＭ標準２−６４に準拠して試
験片を作製し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して引張強
さ及び伸びを測定した。その結果を表２に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】実施例７〜10の焼結体は、引張強さが大き
い。比較例４、５においては焼結中に脱炭が起こりＣ量
が低下してしまったため、引張強さが低い。また、Ｃ量
が高すぎる比較例６、７では引張強さは高いものの、伸
びが小さく、延性に劣る。射出成形品の場合、後加工は
ほとんど必要ないので延性の低さは圧粉成形品に比ベて
影響は少ないが、部品の信頼性の観点から問題がある。

【００２９】実施例11〜14、比較例８〜13 実施例１〜６で使用したものと同様のＷ粉末、Ｃｕ粉末
及びＮｉ粉末を、実施例３又は４で使用した合金と同様
の組成で混合し（表３中には、各実施例及び比較例で使
用した合金が実施例３、４のいずれの合金と同様の組成
であるかを示す。）、実施例１〜６と同様の方法でミリ
ング、射出成形及び脱バインダー処理を行った。その
後、表３に示すような条件で昇温、焼結を行った。即
ち、炉内温度が表３に示す切替え温度に達するまでは表
３に示す低温側雰囲気下で昇温を行い、切替え温度を超
えた後は、表３に示す高温側雰囲気下で昇温、焼結を行
った。また、焼結は、表３に示す温度で１時間行った。
尚、実施例13においては、切替え温度に達するまでは10
^-3torrの減圧下で昇温を行った。また、比較例11は雰囲
気の切り替えを行わなかった。

【００３０】

【表３】 ＊１：測定不能

【００３１】実施例11〜14においてはいずれも緻密な焼
結体が得られ、Ｃ量もほとんど変化がなかった。それに
対し焼結温度の低い比較例８では焼結が十分に進行せ
ず、比重測定が不可能な多孔質の焼結体しか得られなか
った。また焼結温度の高い比較例９で得られた焼結体
は、比重が低く、組織観察では表面近傍に多数の空隙が
観察された。高温側雰囲気を減圧とした比較例10で得ら
れた焼結体も比重が低く、表面近傍のほか、内部にまで
空隙が観察された。比較例９及び10において比重が低
く、空隙が確認されたのは、Ｃｕが揮散したためであ
る。また昇温、焼結を全て水素雰囲気下で行った比較例
11、及び１０００℃まで水素雰囲気下で昇温を行った比
較例13では緻密な焼結体が得られたが、焼結中に脱炭が
起こりＣ量が低下してしまった。８００℃以上でＡｒ雰
囲気とした比較例12では還元が不十分なために緻密な焼
結体が得られなかった。

【００３２】

【発明の効果】本発明の焼結Ｗ基合金は、高い機械的強
度を有する。また、本発明の方法によれば、複雑な形状
であってもそのような焼結Ｗ基合金を容易に製造するこ
とができる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｕ：０．４〜３．５重量％、Ｎｉ：
   ０．８〜６．５重量％、及び、Ｃ：０．０１〜０．１重
   量％を含有し、残部が実質的にＷからなる高強度焼結Ｗ
   基合金。
2. 【請求項２】 Ｗ粉末、Ｃｕ粉末、Ｎｉ粉末及びバイン
   ダーを混合して射出成形した後、得られた成形体を１１
   ００〜１３００℃の温度まで昇温し、該温度で焼結する
   工程を備えた請求項１に記載の高強度焼結Ｗ基合金の製
   造方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の焼結Ｗ基合金の製造方
   法であって、前記焼結を不活性ガス雰囲気下で行う方
   法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の焼結Ｗ基合金の製造方
   法であって、成形体を前記の焼結温度まで昇温する際
   に、成形体が８５０℃〜９５０℃の範囲の温度に到達す
   るまでの間は昇温を水素雰囲気下で行い、その後は不活
   性ガス雰囲気下で行う方法。