JPH076010B2 - 多元系金属焼結体の製造方法 - Google Patents

多元系金属焼結体の製造方法

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JPH076010B2
JPH076010B2 JP61289516A JP28951686A JPH076010B2 JP H076010 B2 JPH076010 B2 JP H076010B2 JP 61289516 A JP61289516 A JP 61289516A JP 28951686 A JP28951686 A JP 28951686A JP H076010 B2 JPH076010 B2 JP H076010B2
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信行 松添
義則 関
健 栗和田
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三菱化成株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多元系金属焼結体の製造方法に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
一般に溶解、鋳造で割れの発生する金属材料、溶解中に
ルツボと反応する金属材料等は一旦粉末にして、その後
焼結して所望の形状を得る。該形成法には、加圧焼結す
るホット・プレス(Hot Press)法、ヒッピング(Hipp
ing)法や、予めプレスやシッピング(Cipping)法等で
予備成形し、その圧粉体を焼結する焼結法がある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、粉末を焼結しても、巣(Porosity)及び
割れの無い完全な高密度の焼結体を得ることは難しい。
そのため現在は温度を粉末の融点直上まで上げた液相焼
結法やバインダー等を混入する方法がとられている。こ
の液相焼結法はダイス、ポンチと焼き付いたり、ダイ
ス、ポンチ間から液が漏れるため、焼結体を取り出すこ
とが困難である。焼結体が取り出せる場合であっても、
温度管理を非常に厳しく行う必要があり、工業的には難
しい方法である。一方、バインダー等を混入する方法は
得られた焼結体への不純物混入の問題があるため、製品
の用途、使用条件に種々の制約が生じ、現実的でない。
本発明者等は、上記従来の問題点に鑑み、多元系金属で
巣、割れ等の無い高密度で不純物の混入のない焼結体が
得られるよう鋭意研究を進めた結果、予め共晶組織を有
する金属粉末を得、ついで所望の目的組成になるよう同
一又は他の金属粉末を混合した後、通常の焼結を行え
ば、目的とする焼結体が得られることを知得して、先に
提案した(特願昭60−194191号)。
しかしながら、斯る改良方法は、これを工業的に実施す
る際に共晶組織合金の粉砕が必ずしも容易ではなく、そ
の改善が望まれる。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、その要
旨は、共晶組織を形成し得る金属成分を含有する多元系
金属焼結体を製造する方法において、予め共晶組織を有
する合金を得、得られた合金に低温度媒体を直接接触さ
せて冷却しつつ粉砕して粉末とし、この粉末と、前記共
晶組織を構成する金属成分と同一又は異なる金属の粉末
とを混合した後、焼結成形することを特徴とする多元系
金属焼結体の製造方法に存する。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明では共晶組織が得られる多元系金属材料を用い
る。例えば単体金属A、B、Cの3種類からなる多元系
金属焼結体を得る場合、3元系平衡状態図で共晶組織が
得られれば、その3元系金属の共晶組織を用いる。しか
し3元系状態図で共晶組織が得られない場合は、A、B
間、B、C間、A、C間の2元系状態図で共晶組織が得
られるかどうかを調べ、あればその2元系金属の共晶組
織を用いる。これは4元系、又はそれ以上の多元系金属
焼結体を得る場合でも同様である。この場合、共晶組織
が多く存在する共晶組成量付近が好ましいが、必ずしも
共晶組成量である必要はなく、粉砕性等を考慮して亜共
晶組成量、過共晶でも共晶組織が得られればよい。
共晶組織を有する合金は、通常の溶解、鋳造法によって
得たものを用いるが、高品位の焼結体を得るためには共
晶組織は微細で均一なものが好ましく、従って鋳造時の
冷却速度は0.01℃/秒以上が好ましい。
均一、微細な共晶組織を得るためには、特に鋳造速度0.
1〜25℃/秒で、銅鋳型を用いたアーク・メルター法が
好ましい。
本発明においては、こうして得られた合金の粉砕を低温
粉砕で行う。低温粉砕は、粉砕材料に直接低温度媒体を
接触させて冷却する方法がよい。
粉砕材料に直接低温度媒体を接触させるには、低温度媒
体を直接粉末材料に流し込み、また流し込みながら粉砕
する方法がある。
低温度媒体としては、氷、ドライアイス、液体窒素、液
体アルゴン、液体ヘリウム等気化しても爆発性、有毒性
のないもので有ればいずれでも使用できる。好ましくは
冷却効率を考慮すると沸点がマイナス100度以下の液体
窒素、液体アルゴン、液体ヘリウム等の液体化ガスが低
温度媒体として適当である。
また粉砕材料と低温度媒体とが反応する危険性がある場
合は、熱交換機を用いて、反応しない低温度媒体に変換
し、粉砕材料に直接流し込み冷却する方法でもよい。特
に粉砕材料が大気中で活性の場合、アルゴンガス等不活
性雰囲気中、例えばドライ・ボツクス中で行う必要があ
る。しかも粉砕材料が窒素とも反応する場合、熱交換器
をドライ・ボツクス中にセットし、低温度媒体として安
価な液体窒素を用いてドライ・ボツクス中のアルゴンガ
スを液化させ、この液体アルゴンを直接、粉砕材料に流
し込み、あるいは流し込みながら粉砕することも可能で
ある。この場合、熱交換器もジャバラ式のフレキシブル
バイプでも充分効果があり、不活性雰囲気中の低温粉砕
法として、安価で簡便に使用できる。
更に詳しく述べると、例えばジョークラッシャによる粉
砕の場合、粉砕時に直接粉砕材料と共に低温度媒体を流
しこみながら粉砕する。この場合は、粉砕材料と低温度
媒体が直接反応しないような低温度媒体を選び、通常不
活性ガスの液体を用いれば良い。
カッターミルの場合は、粉砕材料に直接低温度媒体を流
し込みながら粉砕する方が効率的である。この場合も、
粉砕材料と低温度媒体が直接反応しない不活性ガスの液
体のような低温度媒体を選ぶ。
振動ボールミルの場合、容器の中に粉砕材料とともに低
温度媒体をいれると、低温度媒体が気化に伴って膨張す
るので、完全密封は行わないことが望ましい。この場合
も粉砕材料と低温度媒体が直接反応しないような不活性
ガスの液体等の低温度媒体を選ぶ。
以上の様にして低温で粉砕することにより得られた共晶
組織を有する合金の粉末に、金属の粉末を加えて混合す
る。混合後の組成が所望する金属焼結体の組成となるの
であれば、加える金属は特に限定されず、例えば1種類
又は複数種類の単体金属、2種類以上の金属からなる合
金、若しくはこれらの組み合せであってもよい。
なお、高品位の焼結体を得るためには、混合後に共晶組
織が3%以上存在することが好ましく、更には10〜50%
以上の範囲がよい。また、共晶組織を有する合金と加え
る単体金属、あるいは合金とを合せた後に粉砕、混合し
てもよい。
次いで該粉末を焼結成形するが、これは一般的方法でよ
い。ホットプレス法の場合の一例を示すと、アルゴンガ
スなどの不活性雰囲気下で内面をボロンナイトライド
(BN)等の離型剤を塗布したダイスの中に該粉末を充填
し、同様にアルゴンガスなどの不活性ガスあるいは真空
雰囲気中で加圧焼結する。温度は圧力によって異なる
が、共晶組織の融点を中心に±300℃前後が適当であ
る。また好ましい加圧力は材料、共晶組成量によって変
化するが、大きすぎると液相の漏れ、ダイス、ポンチの
破損を生ずるので、300kg/cm2以下、特には100〜200kg/
cm2が好ましい。なおダイス、ポンチの材質は通常黒鉛
であるが、耐熱鋼やセラミックスでもよい。
焼結成形法としてヒッピング法を行う場合は、例えば該
粉末をアルゴンガスなどの不活性雰囲気下で、炭素鋼、
ステンレス鋼あるいはガラスの容器に充填後、真空引き
しながら封ずる。それをヒップ装置にて加圧焼結する。
温度は上記ホットプレスより低い温度が適当である。た
だしガラス容器の場合は、その温度がガラスの転位点以
上の温度であることが必要である。加圧力は該温度で容
器の変形が追随できれば、特に制限はないが通常2000kg
/cm2以下である。小さすぎると変形が不充分となり、高
い密度が得られないため1000〜1500kg/cm2が好ましい。
更に、焼結法の場合は、例えばアルゴンガスなどの不活
性雰囲気下で、油圧プレス等で該粉末を所定の形状に予
備成形し焼結炉にて焼結する。雰囲気は不活性ガスか、
真空がよい。温度はホットプレスの場合より、高いほう
が適当である。
さて、共晶組織が得られる多元系金属材料は多々ある
が、鋳造時の割れや鋳型との反応等の問題で粉末を焼結
する製造法を取らざるを得ない材料に希土金属を含む合
金がある。特に遷移金属との組合せは磁性材料として最
近、脚光を浴びており、光磁気ディスク用材料として、
Tb−Fe−Co、Tb−Gd−Fe−Co、Tb−Co、Tb−Dy−Fe等が
挙げられている。このような希土金属、遷移金属等を含
む多元系金属焼結体は本発明の方法によれば、巣、割れ
のない高密度のものが得られるので好ましい。
〔作用〕
本発明方法により、巣、割れのない高密度の多元系金属
焼結体が得られる理由として、共晶組織は均一、微細で
且つ融点も低いこと、さらに低温粉砕により、微粉末が
簡単に得られることが挙げられる。そのため焼結時にか
なり低い温度や圧力でも超塑性能が発現しやすくなり、
その結果として共晶組織以外の粉末のまわりを充填し、
かつ焼結体に共晶組織が残存している場合、均一、微細
組織が故に靭性も発揮して、巣、割れの無い高密度の焼
結体が得られると考えられる。また共晶組織が溶融状態
時の性状を示し、共晶組織以外の粉末の周りを充填して
いる可能性もある。
更に二次的効果として、かなり低い温度や圧力で焼結出
来ることから、ポンチ、ダイスとの反応の抑制、熱収
縮、膨張の低減に基づく割れの低減等の効果もあると推
測される。
〔実施例〕
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
なお、以下の実施例で溶解、合金化はアーク・メルター
機を用い、真空引き(約0.1mtorr)後アルゴンガスを74
0mtorrまで注入して行なったものであり、粉砕はいずれ
もグローブ・ボックス中のアルゴンガス雰囲気下で行な
い、まず、ジョー・クラッシャーを用いて数mm塊まで、
その後カッター・ミルにより50μm以下の粉末を得た。
また、成形、焼結はホットプレス法により、アルゴンガ
ス雰囲気下、圧力100kg/cm2で、外径30mm、内径15mm、
高さ50mm、ポンチ径15mmのダイス(黒鉛)を用い、離型
剤としてボロン・ナイトライドを使用して行なった。温
度は、発熱体(黒鉛)の脇にPR−6−30の熱電対を取り
つけることにより測定し、焼結状態は、圧力を加えるシ
リンダーに取り付けられた伸び計の収縮量により把握し
た。
実際の焼結は、まず温度を700℃とし、その温度に達し
てから10分間保持し、大きな収縮量が得られない場合は
さらに50℃昇温し、その温度に達してから10分保持し、
収縮量の変化を見た。このようにして大きい収縮量が観
察された温度でホットプレスを終了とした。冷却後、焼
結体を取り出した光学顕微鏡観察により、巣、割れ等の
有無について調べ、この試験を2回繰り返した。
実施例1 (原子比Tb:Fe=1:3の焼結体の製造) テルビウム(Tb)と鉄(Fe)の平衡状態図から両者の共
晶組成はTb72at%−Fe28at%であったので、ともに純度
99.9%のTb及びFeをこの組成で配合、溶解、合金化し共
晶組織を有する塊(約20φmm×20tmm)を得た。次にジ
ョークラッシャーの一対の粉砕面(サイズ200×160mm)
に液体アルゴンを低温度媒体として、上記金属塊と同時
に流し込みながら粉砕したところ、粒径5mm以下まで粉
砕できた。更に、ジャバラ式の熱交換器に配管した鋼製
パイプに液体窒素を流し、グローブ・ボックス中のアル
ゴンガスを液化させてこれを低温度媒体として直接粉砕
材料に接触させながら内径100mm、高さ80mmで鋼製の粉
砕容器を有するカッター・ミル機で粉砕したところ、10
0g/10分の生産量で粒径50μm以下の粉末が得られた。
粒径約50μmの鉄粉を上記共晶組織粉末と原子比Tb:Fe
=1:3になるよう混合し、この混合粉末を用いてホット
プレス法で焼結を行った。
焼結操作中の約1000℃で大きな収縮量が得られ、冷却後
取り出したところ、ポンチ、ダイスとの反応もなく、且
つ巣、割れの無い高品位の焼結体が得られた。
比較として、共晶組織を有する塊の粉砕を液体アルゴン
ガスを低温度媒体として使用しない以外は前述と全く同
じ方法で行なったところ、ジョークラッシャーでは粒径
10〜20mmまでしか粉砕できなかった。また粉砕時にテル
ビウムの酸化と思われるが、火花が発生し、粉砕された
表面が変色したものもあった。続くカッター・ミル機で
の粉砕は10分間で10g粉砕できたが、粉砕熱で容器が100
℃以上になり、50分の冷却時間が必要で、結局10g/60分
で粒径50μm以下の粉末が得られた。このように生産性
が極端に悪く実生産は困難である。
他の比較として、単体金属材料であるTb、Feから直接、
原子比でTb:Fe=1:3の組成を配合、溶解、粉末化した後
に焼結を行なったところ、約1200℃で大きな収縮量が得
られた。冷却後取り出したところ試料はポンチ、ダイス
の間隙から液状になってもれ、ダイス内の試料は完全に
ポンチ、ダイスと反応して、焼結体を取り出すこともで
きなかった。
〔発明の効果〕
以上説明した本発明方法によれば、従来は困難であっ
た、巣、割れ等が無い高密度で、かつ不純物混入のない
多元系金属焼結体を工業的有利に製造できるので、本発
明は極めて優れたものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−87649(JP,A) 特開 昭50−118909(JP,A) 特開 昭62−274033(JP,A) 特開 昭63−65051(JP,A)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】共晶組織を形成し得る金属成分を含有する
    多元系金属焼結体を製造する方法において、予め共晶組
    織を有する合金を得、得られた合金に低温度媒体を直接
    接触させて冷却しつつ粉砕して粉末とし、この粉末と、
    前記共晶組織を構成する金属成分と同一又は異なる金属
    の粉末とを混合した後、焼結成形することを特徴とする
    多元系金属焼結体の製造方法。
  2. 【請求項2】共晶組織を有する合金が0.01℃/秒以上の
    冷却速度条件下で得られたものであることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の製造方法。
  3. 【請求項3】共晶組織を有する合金が希土合金であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載の
    製造方法。
  4. 【請求項4】希土合金が希土金属と遷移金属からなる合
    金であることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の
    製造方法。
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JPS5551419B2 (ja) * 1974-03-01 1980-12-24
JPS5687649A (en) * 1979-12-20 1981-07-16 Fujitsu Ltd Manufacture of sintered iorn-silicon alloy for soft magnetic material
JPS62274033A (ja) * 1986-05-22 1987-11-28 Hitachi Metals Ltd 希土類−遷移金属合金タ−ゲツトの製造方法
JPH076026B2 (ja) * 1986-09-08 1995-01-25 マツダ株式会社 耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金部材の製造法

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