JPH089724B2 - 窒化物含有非晶質合金粉末及びその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「技術分野」 本発明は、例えば粉末冶金法を用いた非晶質合金等の
製造に使用される窒化物含有非晶質合金粉末及びその製
造法に関する。

「従来技術およびその問題点」 従来、金属溶湯に窒化物や炭化物の粉末を強制的に添
加し急冷することによって、非晶質母相中に窒化物や炭
化物の粒子を分散させた合金が得られることが知られて
いる。このような非晶質合金は、硬度が高く、耐腐食性
に優れるという非晶質合金の特性を備えると共に、分散
した窒化物や炭化物によって硬度や耐摩耗性などの材料
特性がさらに向上する。

しかしながら、上記のような製造方法では、金属溶湯
中に窒化物や炭化物の粉末を添加する際、比重の違い等
によって粉末を均一に分散させることが困難であった。
また、窒化物などの粉末は、高価であるという問題点も
あった。

また、窒化物や炭化物の粉末をガスにより金属溶湯中
に吹き込むことによって、粉末を金属溶湯中に強制的に
分散させる方法も試みられているが、製造工程が増える
ことによって製品コストがさらに高くなるという問題点
があった。

一方、材料特性の向上の目的からは、常に小さい粒径
を持つ粒子を均一に分散させることが要求されるのであ
るが、上記のような製造方法では、分散させるための窒
化物や炭化物をを別途製造しなければならず、このよう
な小さな粒径を持つ粉末の製造は一般に困難であった。

「発明の目的」 本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、より
簡単な工程で、均一微細な組織を有する窒化物含有非晶
質合金粉末及びその製造法を提供することにある。

「発明の構成」 上記目的を達成するため、本発明による窒化物含有非
晶質合金粉末は、α_100-x-y-zβ_xC_yM_z（ここでαはFe、
Co、Ni、Pdからなる群より選ばれた一種または二種以上
の元素、βはＢ、Ｐ、Si、Geからなる群より選ばれた一
種または二種以上の元素、Ｃは炭素、Ｍは窒化物形成元
素であるＶ、Cr、Zr、Ti、Al、Ta、Nb、Hf、Moから選ば
れた一種または二種以上の元素を表わし、ｘは10〜35原
子％、ｙは２〜15原子％、ｚは２〜25原子％である。）
で示される非晶質合金の母相中に、上記窒化物形成元素
Ｍの窒化物からなる粒子が均一微細に分散した材質から
なる粉末であることを特徴とする。

また、本発明による窒化物含有非晶質合金粉末の製造
法は、α_100-x-y-zβ_xC_yM_z（ここでαはFe、Co、Ni、Pd
からなる群より選ばれた一種または二種以上の元素、β
はＢ、Ｐ、Si、Geからなる群より選ばれた一種または二
種以上の元素、Ｃは炭素、Ｍは窒化物形成元素である
Ｖ、Cr、Zr、Ti、Al、Ta、Nb、Hf、Moから選ばれた一種
または二種以上の元素を表わし、ｘは10〜35原子％、ｙ
は２〜15原子％、ｚは２〜25原子％である。）で示され
る非晶質合金の溶湯を50kg/cm²以上の高圧窒素ガスによ
り粉末化し、非晶質母相中に窒化物が均一微細に分散し
た合金粉末を得ることを特徴とする。

本発明によれば、窒化物形成可能な元素を含有する非
晶質合金材料の溶湯に窒素ガスを50kg/cm²以上というこ
れまでにない高圧で吹き付けて粉末化することにより、
溶湯が急冷されて非晶質の組織が形成されると共に、窒
化物を形成する元素が窒化されて微細な窒化物が均一に
分散した合金粉末を得ることができる。そして、この合
金粉末を用いて粉末冶金法により製造した非晶質あるい
は結晶化した金属製品は、優れた耐摩耗性および靱性を
有しており、工具材、軸受材などの耐摩耗材料や、高強
度耐食材料、耐熱材料などとして適している。

本発明において、窒化物形成可能な元素を含有する非
晶質合金材料としては、窒化物を形成する元素を含有
し、高圧窒素ガスを吹き付けて急冷したときに非晶質と
なる合金組成でなければならない。この場合、窒化物形
成元素としては、Ｖ、Cr、Zr、Ti、Al、Ta、Nb、Hf、Mo
から選ばれた一種または二種以上でなければならない。

本発明においては、上記のような非晶質合金材料とし
て、α_100-x-y-zβ_xC_yM_z（ここでαはFe、Co、Ni、Pdか
らなる群より選ばれた一種または二種以上の元素、βは
Ｂ、Ｐ、Si、Geからなる群より選ばれた一種または二種
以上の元素、Ｍは窒化物形成可能な元素で、Ｖ、Cr、Z
r、Ti、Al、Ta、Nb、Hf、Moから選ばれた一種または二
種以上の元素を表わし、ｘは10〜35原子％、ｙは２〜15
原子％、ｚは２〜25原子％である。）で示される合金材
料を用いる。

本発明では、まず、上記に示す合金材料を高周波溶解
炉などを用いてルツボ内にて金属溶湯とし、ルツボ底部
にに設けられた溶湯噴出用ノズルを通して流出し、落下
させる。そして、噴出用ノズルから落下する溶湯流に対
して、例えば円形状に配置された多孔の噴霧化ノズルよ
り、窒素ガスを50kg/cm²以上の圧力で吹き付けて溶湯流
を粉末化する。この場合、窒素ガスの噴出圧が50kg/cm²
未満では、溶湯中への窒素吸収が十分でなく、効果的な
窒化物量を形成させることができず、しかも大きな急冷
効果を賦与することができず、このために所要の優れた
特性を有する金属材料の製造が困難となる。なお、本発
明において、上記窒素ガスの噴出圧は、80〜150kg/cm²
とすることがさらに好ましい。

こうして製造された合金粉末は、高速で噴出する窒素
ガスにより急冷された非晶質となる。得られた粉末の組
織は、顕微鏡観察によってこの非晶質母材中に窒化物が
微細均一に分散していることを確認できる。なお、窒化
物と共に炭化物も形成されるが、窒化物が多く含まれて
いる方がよい材料特性を得ることができる。また、本発
明の製造方法によって形成される窒化物の量は、少なく
とも0.05％以上の体積率である。

本発明によって製造された合金粉末は、公知の粉末冶
金法により、優れた耐摩耗性と靱性を有する焼結製品と
することができる。粉末冶金法による製品化は、例えば
上記で得られた合金粉末を熱間静水圧プレス（HIP）、
ホットプレス（HP）などの方法で金属塊とし、この金属
塊を鍛造し圧延する方法や、金属容器に合金粉末を充填
後、熱間押出しなどにより成形する方法などにより行な
うことができる。また、上記で得られた合金粉末を圧縮
成形し、これを焼結して製品化することもできる。さら
に、これらの金属製品に、焼き入れや、焼きもどしなど
の熱処理を行なうことにより、非晶質のまま、あるいは
非晶質の一部あるいは全部を結晶化して、所望の特性を
得ることもできる。

「発明の実施例」 第１図には、本発明を実施するための非晶質合金粉末
製造装置の一例が示されている。

この合金粉末製造装置は、本体容器11内に隔壁12が設
けられ、上部に溶解チャンバー13、下部に噴霧チャンバ
ー14が形成されている。溶解チャンバー13には、合金材
料の溶湯が注入されるルツボ15が設置されており、ルツ
ボ15で溶解された溶湯は、ルツボ15底部に設けられた溶
湯噴出用ノズル16を通して噴霧チャンバー14内に落下す
るようになっている。また、溶解チャンバー13には、内
圧制御用のガス管25が取付けられており、このガス管25
を通して窒素ガスなどの気体を導入することにより、ル
ツボ15内の溶湯に適度な加圧力を与え、溶湯噴出用ノズ
ル16から流出する溶湯の量を調整できるようになってい
る。

噴霧チャンバー14内の前記溶湯噴出用ノズル16の周囲
には、第１次ガス噴出ノズル17が設置され、この第１次
ガス噴出ノズル17のやや下方には、第２次ガス噴出ノズ
ル18が設置されている。

第１次ガス噴出ノズル17は、溶湯噴出用ノズル16から落
下する溶湯に対して全周方向からガスを噴出するように
円形配置されたものからなっており、この噴出ガスによ
り溶湯は粉末化される。第２次ガス噴出ノズル18は、同
じく円形配置されたものからなっており、粉末化された
溶湯にガスを噴出して、溶湯を冷却させる。この第２次
ガス噴出ノズル18は、粉末化された溶湯を冷却凝固させ
る作用および凝固粉末を噴霧チャンバー14内で飛散する
のを防止して速やかにチャンバー底部に移行させる作用
を有するものである。また、第２次ガス噴出ノズル18の
下方にさらに第３次ガス噴出ノズル等を設け、多段の噴
出ノズルを有する構造として、一層の冷却を与えること
ができる。なお、第２次以上の多段ガス噴出ノズルは使
用目的によって設置されるものである。

噴霧チャンバー14の下部にはガス出口19が設けられ、
このガス出口19に循環管20の一端が接続されており、循
環管20の他端は噴霧チャンバー14の上部のガス入口21に
接続されている。したがって、噴霧チャンバー14内のガ
スは、ガス出口19から循環管20内に流出し、循環管20を
通してガス入口21から再び噴霧チャンバー14内に循環さ
れるようになっおり、凝固粉末を速やかにチャンバー内
より取出す作用を有している。なお、循環管20の経路に
は、サイクロン分級機などからなる回収器22、ブロアな
どからなる送風手段23が配置されている。なお、循環管
20の経路に、必要に応じてさらに噴出ガスを冷却する熱
交換器24等が配置されていてもよい。

この装置を用いた本発明の合金粉末製造方法は、例え
ば次のように実施される。まず、本体容器11は図示しな
い真空ポンプなどを用いて真空排気された後、１気圧ま
で窒素ガスなどが導入される。そして、窒化物形成可能
な元素を含有する非晶質合金材料を、図示しない高周波
炉などを用いてルツボ内にて金属溶湯とする。そして、
ガス管25からさらに窒素ガスなどを溶解チャンバー13内
に導入してルツボ15内の溶湯に適度な加圧力を与え、溶
湯を溶湯噴出用ノズル16を通して噴霧チャンバー14内に
落下させる。そして、溶湯噴出用ノズル16から落下する
溶湯流に対して、第１次ガス噴出ノズル17から窒素ガス
を50kg/cm²以上の圧力で噴出させ、溶湯を粉末化する。
さらに、必要に応じて、第２次ガス噴出ノズル18から同
じく窒素ガスを噴出させ、粉末化された溶湯を急冷固化
させる。なお、第２次ガス噴出ノズル18から噴出させる
窒素ガスの圧力は、上記のような高圧である必要はな
い。

一方、噴霧チャンバー14内においては、循環管20の送
風手段23を作動させ、ガス出口19から循環管20を通り、
ガス入口21から返送される循環気流を形成しておく。そ
して、前記で形成された合金粉末は、この気流に乗って
ガス出口19から循環管20内に導入され、循環管20の経路
に配置されたサイクロン分級機などの回収器22で回収さ
れる。

実施例 合金材料として下記の組成Ａ〜Ｄの合金を使用し、こ
れを下記の噴霧ガスで噴霧して窒化物含有合金粉末を製
造した。

合金組成 噴霧ガス A; (Fe₆₅Cr₈Mo₄P₁₃C₁₀)₉₆V₄ N₂ B; (Fe₆₀Cr₈Mo₄P₁₃C₁₅)₉₆V₄ N₂ C; (Fe₆₀Cr₈Mo₄P₁₃C₁₅)₉₆V₄ Ar D; (Fe₆₀Cr₈Mo₄P₁₃C₁₅)₉₆Nb₄ N₂ 合金粉末の製造は、第１図の装置を用いて次のような
方法で行なった。すなわち、各合金材料をルツボ15内に
て高周波溶解炉によって加熱溶解する。この溶湯をさら
に加熱した後、ガス管25から窒素ガスを導入して溶解チ
ャンバー13の内圧を所定の圧力に調整する。そして、ル
ツボ15内の溶湯を、内径3mmの溶湯噴出用ノズル16を通
して、噴霧チャンバー14内に落下させた。

こうして、溶湯噴出用ノズル16から落下する溶湯流に
対して、円形配置された第１次ガス噴出ノズル17から窒
素ガス流を吹き付けて、溶湯を微粉化した。さらに、微
粉化された溶湯に対して、第２次ガス噴出ノズル18から
も窒素ガス流を吹き付けた。こうして、溶湯は微粉化さ
れ、急冷固化されて、合金粉末が形成された。

一方、上記アトマイジングの際に、循環管20の経路に
配置されたブロア23を作動させておき、噴霧チャンバー
14内からガス出口19に流入し、循環管20を通ってガス入
口21より噴霧チャンバー14内に返送される循環気流を形
成しておいた。その結果、アトマイジングにより形成さ
れた合金粉末は、上記循環気流に乗ってガス出口19より
循環管20内に流入し、循環管20の経路に配置されたサイ
クロン分級機からなる回収器22に回収された。

上記において、各試料の粉末作成時の条件を第１表に
示す。

また、得られた各合金粉末の各粒度における組織を第
２表に示す。

第２表から、N₂を噴霧して製造した合金粉末では、炭
化物、窒化物が形成されていること、Arを噴霧して製造
した合金粉末では、炭化物のみが形成されていることが
わかる。また、一般に粒度が大きくなると、急冷効果が
減少することから、アモルファス組織となりにくいこと
がわかる。

こうして得られた合金粉末のCu−Ｋα線によるＸ線回
折チャートを第２図および第３図に示す。第２図は、組
成Ｃの合金材料をArにより噴霧して製造した合金粉末で
あり、（ａ）は粒径37〜44μｍのもの、（ｂ）は粒径25
〜37μｍのもの、（Ｃ）は粒径25μｍ以下のものを示し
ている。第２図中、●はVCの位置を示している。また、
第３図は組成Ｂの合金材料をN₂により噴霧して製造した
合金粉末であり、（ａ）は粒径37〜44μｍのもの、
（ｂ）は粒径25〜37μｍのもの、（Ｃ）は粒径25μｍ以
下のものを示している。第３図中、▼はＶ（C,N）の位
置を示している。

また、得られた合金粉末の金属組織を示す500倍にお
ける顕微鏡写真を第４図および第５図に示す。第４図
は、組成Ｃの合金材料をArにより噴霧して製造した合金
粉末であり、第５図は、組成Ｂの合金材料をN₂により噴
霧して製造した合金粉末である。このように、噴霧ガス
としてArを用いた第４図では、均一なアモルファス金属
の組織のみが見られるが、噴霧ガスとしてN₂を用いた第
５図では、アモルファス金属の組織中に、Ｖ（C,N）の
白色球状粒子が微細均一に分布していることが確認され
る。

さらに、組成Ｃの合金材料をArにより噴霧して製造し
た合金粉末と、組成Ｂの合金材料をN₂により噴霧して製
造した合金粉末とについて、各粒径におけるビッカース
硬さ（DPN）を測定した結果を第６図に示す。このよう
に、N₂を噴霧することにより、窒化物を形成させた非晶
質合金粉末は、より高い硬度を有していることわかる。

さらにまた、組成Ｂの合金材料をN₂により噴霧して製
造した合金粉末を再溶解し、単ロール法により薄帯を作
成したもののＸ線回折チャートを第７図に示す。図にお
いて、▼はバナジウムの炭窒化物、Ｖ（C,N）の位置を
示している。

このように、窒化物は一般に融点が高いため、再溶解
によって分解せず、残存していることがわかる。この母
合金を使用して、窒化物が均一微細に分散した非晶質合
金薄帯を作成する方法としても適していることがわか
る。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、窒化物形成可
能な元素を含有する非晶質合金材料の溶湯を50kg/cm²以
上の高圧窒素ガスにより噴霧化して粉末とすることによ
り、多量の窒素ガスを溶湯中に吸収させることができ、
簡単な工程で、非晶質母相中に窒化物が均一微細に分散
した合金粉末を得ることができる。この合金粉末は、非
晶質金属の有する硬度が高く、耐腐食性に優れるという
特性を備えると共に、均一微細に形成された窒化物によ
りさらに硬度が向上し、より優れた耐摩耗性が得られ
る。したがって、この窒化物含有非晶質合金粉末は、例
えば粉末冶金法により製造する各種の高強度材料として
極めて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための合金粉末製造装置の一
例を示す模式断面図、第２図は組成Ｃの合金材料をArに
より噴霧して製造した合金粉末のＸ線回折チャート、第
３図は組成Ｂの合金材料をN₂により噴霧して製造した合
金粉末のＸ線回折チャート、第４図は組成Ｃの合金材料
をArにより噴霧して製造した合金粉末の金属組織を示す
500倍における顕微鏡写真、第５図は組成Ｂの合金材料
をN₂により噴霧して製造した合金粉末の金属組織を示す
500倍における顕微鏡写真、第６図は組成Ｃの合金材料
をArにより噴霧して製造した合金粉末と、組成Ｂの合金
材料をN₂により噴霧して製造した合金粉末とについて、
各粒径におけるビッカース硬さ（DPN）を測定した結果
を示す図、第７図は組成Ｂの合金材料をN₂により噴霧し
て製造した合金粉末を再溶解し、単ロール法により薄帯
を作成したもののＸ線回折チャートである。 図中、11は本体容器、12は隔壁、13は溶解チャンバー、
14は噴霧チャンバー、15はルツボ、16は溶湯噴出用ノズ
ル、17は第１次ガス噴出ノズル、18は第２次ガス噴出ノ
ズル、19はガス出口、20は循環管、21はガス入口、22は
回収装置、23は送風手段、24は熱交換器である。

フロントページの続き (72)発明者 小村 朋美 東京都大田区雪谷大塚町１番７号 アルプ ス電気株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−5842（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】α_100-x-y-zβ_xC_yM_z（ここでαはFe、Co、
   Ni、Pdからなる群より選ばれた一種または二種以上の元
   素、βはＢ、Ｐ、Si、Geからなる群より選ばれた一種ま
   たは二種以上の元素、Ｃは炭素、Ｍは窒化物形成元素で
   あるＶ、Cr、Zr、Ti、Al、Ta、Nb、Hf、Moから選ばれた
   一種または二種以上の元素を表わし、ｘは10〜35原子
   ％、ｙは２〜15原子％、ｚは２〜25原子％である。）で
   示される非晶質合金の母相中に、上記窒化物形成元素Ｍ
   の窒化物からなる粒子が均一微細に分散した材質からな
   る粉末であることを特徴とする窒化物含有非晶質合金粉
   末。
2. 【請求項２】α_100-x-y-zβ_xC_yM_z（ここでαはFe、Co、
   Ni、Pdからなる群より選ばれた一種または二種以上の元
   素、βはＢ、Ｐ、Si、Geからなる群より選ばれた一種ま
   たは二種以上の元素、Ｃは炭素、Ｍは窒化物形成元素で
   あるＶ、Cr、Zr、Ti、Al、Ta、Nb、Hf、Moから選ばれた
   一種または二種以上の元素を表わし、ｘは10〜35原子
   ％、ｙは２〜15原子％、ｚは２〜25原子％である。）で
   示される非晶質合金の溶湯を50kg/cm²以上の高圧窒素ガ
   スにより粉末化し、非晶質母相中に窒化物が均一微細に
   分散した合金粉末を得ることを特徴とする窒化物含有非
   晶質合金粉末の製造法。