JP5527655B2 - 化合物粒子が傾斜分散した傾斜機能材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、傾斜機能材料およびその製造方法に関するものである。

傾斜機能材料とは組成や組織が異なる複数の素材が傾斜し、一体的に組み合わされた材料のことである。傾斜機能材料を製造するためには、材料設計に応じて材料内部の組成分布や組織を自由に制御できる技術が要求される。傾斜機能材料の製造技術は、素材と大きさの組合せにより多種多岐にわたる。具体例として、金属粉末とセラミックス粉末とを所定の割合で混合し、その混合粉末をあらかじめ定められた組成分布に従って組成を変えながら積層し、それの焼結を行う粉末冶金法がある。しかし、この手法では組成傾斜が段階的になり、連続的に組成が傾斜した材料の製造は困難である。

特許文献１、特許文献２および特許文献３に記載の、遠心力を利用した製造法では連続的組成傾斜が可能となる。遠心力を利用した傾斜機能材料の従来の製造技術は、大きく２つの手法に分けることが出来る。その一つは遠心鋳造を応用した遠心力法である（図１）。第２相粒子を含む金属溶湯を遠心鋳造に供すると、金属溶湯と第２相粒子の密度差によって、第２相粒子が金属母相中を移動する。金属溶湯中に粒子が傾斜分布した状態で移動を終了させれば傾斜機能材料製造法の製造が行え、これを遠心力固相法と呼んでいる。

金属溶湯中における粒子の移動速度は次のストークスの式によって支配される。

ここで、dx/dt、r_p、r_m、g、D_p およびh はそれぞれ粒子の移動速度、粒子の密度、溶融母相の密度、重力、粒子径および見かけの粘性である。この式から分かるように、粒子の移動速度は溶融母相と固相粒子の密度差、重力倍数および固相粒子径の二乗に比例する。金属溶湯に粒子を添加し、遠心力を印加せず重力場での沈降を利用した傾斜機能材料の製造も報告されている。これは、原理的に遠心力法と等しい。溶湯中の第２相粒子が溶解し、遠心力印加場で晶出する場合もあり、これを遠心力晶出法と言う（特許文献４、特許文献５）。

しかし、溶湯中の固相粒子の移動速度は数１より明らかなように固相粒子径の二乗に比例するため、微細粒子分散の複合材料の製造は不可能であった．この欠点を補うべく、母相となる金属粉末と複合化させたい微細粒子粉末が混合している混合粉末を作製し、その混合粉末を遠心力鋳造装置の型に投入して、型を回転させることによって遠心力印加および型の予備加熱を行い、回転中の型へ溶解炉で溶解された金属母材溶湯を流し込むことによって、微細粒子が母相に強固に固定され母相中に均一あるいは傾斜分散された微細粒子複合材料を製造する方法が提案されている（特許文献６）。しかし、特許文献６で示された技術では、混合粉末の成分がそのまま傾斜機能材料の強化相となるため、製造可能な材料系に制限があった。また、強化相と母相とは単に物理的に結合しているため、一般的には強化相と母相との界面強度が弱いという欠点を有していた。

特開２００１−８０９７２号公報 特開２００１−１１５２２４号公報 特開２００１−１１２２６３号公報 特開２００１−２５２７５３号公報 特開２００３−１６６０２８号公報 特開２００８−２８４５８９号公報

本発明は上記点に鑑みて、傾斜機能材料を構成する成分を化合物とすることにより、界面強度が強く強化相の脱落のない傾斜機能材料を製造することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を得るために反応可能な物質Ａ粒子と物質Ｂ粒子により構成された混合粉末に遠心力を印加し、さらにこれに溶融した物質Ａを注入することにより、粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、かつ、溶融物質Ａの持つ熱量により混合粉末における物質Ａ粒子を溶融させ、物質Ｂ粒子を溶融物質Ａが取り巻くようにせしめ，加えて物質Ａと物質Ｂとの反応を生じせしめて製造させたことを特徴とする。また、請求項２に記載の発明では、反応可能な物質Ａ粒子と物質Ｂ粒子により構成された混合粉末に遠心力を印加し、さらにこれに溶融した物質Ａを注入することにより、粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、かつ、溶融物質Ａの持つ熱量により混合粉末における物質Ａ粒子を溶融させ、物質Ｂ粒子を溶融物質Ａが取り巻くようにせしめ、加えて物質Ａと物質Ｂとの反応を生じせしめ、遠心力方向に化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を製造することを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、遠心力方向に化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を得るため、反応可能な金属Ａ粒子と金属あるいは半金属Ｂ粒子により構成された混合粉末に遠心力を印加し、さらにこれに金属Ａ溶湯を注入することにより、粉末粒子間に金属溶湯Ａを行き渡らせ、かつ、金属溶湯Ａの持つ熱量により混合粉末における金属Ａ粒子を溶融させ、金属あるいは半金属Ｂ粒子を金属溶湯Ａが取り巻くようにせしめ、加えて金属Ａと金属あるいは半金属Ｂとの反応を生じせしめて製造したことを特徴とする。また、請求項４に記載の発明では、反応可能な金属Ａ粒子と金属あるいは半金属Ｂ粒子により構成された混合粉末に遠心力を印加し、さらにこれに金属Ａ溶湯を注入することにより、粉末粒子間に金属溶湯Ａを行き渡らせ、かつ、金属溶湯Ａの持つ熱量により混合粉末における金属Ａ粒子を溶融させ、金属あるいは半金属Ｂ粒子を金属溶湯Ａが取り巻くようにせしめ、加えて金属Ａと金属あるいは半金属Ｂとの反応を生じせしめ、遠心力方向に化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を製造することを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、Ｍｇ粒子とＳｉ粒子により構成された混合粉末に遠心力を印加し、さらにこれにＭｇ溶湯を注入することにより、粉末粒子間にＭｇ溶湯を行き渡らせ、かつ、Ｍｇ溶湯の持つ熱量により混合粉末におけるＭｇ粒子を溶融させ、Ｓｉ粒子をＭｇ溶湯が取り巻くようにせしめ、加えてＭｇとＳｉとの反応を生じせしめて製造した遠心力方向に化合物Ｍｇ_２Ｓｉが傾斜分散した傾斜機能材料であることを特徴とする。また、請求項６に記載の発明では、Ａｌ粒子とＴｉ粒子により構成された混合粉末に遠心力を印加し、さらにこれにＡｌ溶湯を注入することにより、粉末粒子間にＡｌ溶湯を行き渡らせ、かつ、Ａｌ溶湯の持つ熱量により混合粉末におけるＡｌ粒子を溶融させ、Ｔｉ粒子をＡｌ溶湯が取り巻くようにせしめ、加えてＡｌとＴｉとの反応を生じせしめて製造した遠心力方向に化合物Ａｌ_ｍＴｉ_ｎが傾斜分散した傾斜機能材料であることを特徴とする。

遠心力による傾斜機能材料製造の原理を示す模式図である。 Ｍｇ−Ｓｉの２元系平衡状態図を示す図である。 Ｔｉ−Ａｌの２元系平衡状態図を示す図である。 遠心鋳造装置を示す図である。 Ｍｇ−Ｓｉ系材料の組織を示す図である。 Ｍｇ−Ｓｉ系材料のＸ線回折を示す図である。 プロセス温度１１５０℃のＡｌ−Ｔｉ系材料の組織を示す図である。 プロセス温度１３５０℃のＡｌ−Ｔｉ系材料の組織を示す図である。

本実施形態は、少なくとも反応可能な物質Ａ粒子と物質Ｂ粒子により構成された混合粉末に遠心力を印加し、さらにこれに溶融した物質Ａを注入することにより、粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、かつ、溶融物質Ａの持つ熱量により混合粉末における物質Ａ粒子を溶融させ、物質Ｂ粒子を溶融物質Ａが取り巻くようにせしめ、加えて物質Ａと物質Ｂとの反応を生じせしめ、遠心力方向に化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を作製するものである。物質Ａと物質Ｂは純物質には限られず、反応が可能であれば合金や化合物などであってもいっこうに構わない。

本実施形態による傾斜機能材料の作製は、以下の手順でおこなわれる。
（１）混合粉末として、図１に示すような、溶融可能な物質Ａ粒子と物質Ａと反応して化合物ＡｍＢｎを形成することが可能な物質Ｂ粒子を最低限含む混合粉末を用いる。
（２）この混合粉末を遠心力場にて配置させ、その後、これに溶融した物質Ａを注入することにより、粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、かつ、溶融物質Ａの持つ熱量により混合粉末における物質Ａ粒子を溶融させ、物質Ｂ粒子を溶融物質Ａが取り巻くようにせしめる。
（３）物質Ａと物質Ｂとが反応し、化合物ＡｍＢｎが形成し、遠心力方向に化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を得る。
（４）本実施形態では、溶融可能な物質Ａ粒子としてＭｇを、物質Ａと反応して化合物ＡｍＢｎを形成することが可能な物質Ｂ粒子としてＳｉの組み合わせと、溶融可能な物質Ａ粒子としてＡｌを、物質Ａと反応して化合物ＡｍＢｎを形成することが可能な物質Ｂ粒子としてＴｉの組み合わせを用いるが、これが材料系を決定するものではない。
Ｍｇ−Ｓｉの２元系平衡状態図を図２に示す。図のように、ＭｇとＳｉとは反応し、化合物Ｍｇ_２Ｓｉが形成する。ここで、Ｍｇ_２Ｓｉの密度は１．８８Ｍｇ／ｍ^３と低く，融点が１３７５Ｋと高く、剛性率は１２０ＧＰａと高く、熱伝導率が０．２３４Ｗ／（ｍＫ）と低い。またＴｉ−Ａｌの２元系平衡状態図を図３に示す。図のように、Ｔｉ_３Ａｌ、ＴｉＡｌ、Ａｌ_２ＴｉおよびＡｌ_３Ｔｉの化合物が形成する。

まず、Ｍｇ−Ｓｉ系の実験を行った。Ｍｇ粒子（純度９９．９％）とＭｇと反応して化合物Ｍｇ_２Ｓｉを形成することが可能なＳｉ粒子（１００ｍｅｓｈ）の混合粉末を作製する。この混合粉末を図４に示すような遠心鋳造装置内の鋳型に配置させ、その後、これに溶融したＭｇを注入する。このとき、混合粉末の粒子間にＭｇが行き渡る。さらに、溶融Ｍｇの持つ熱量により混合粉末におけるＭｇ粒子が溶融し、Ｓｉ粒子を溶融Ｍｇが取り巻く。ここで、ＭｇとＳｉとが反応し、化合物Ｍｇ_２Ｓｉが形成し、遠心力方向に化合物Ｍｇ_２Ｓｉが傾斜分散した傾斜機能材料となる。

得られた材料の組織写真を図５に示す。Ｍｇ母相中に粒子が分散していることがわかる。この粒子の相を同定すべくＸ線回折実験を行ったところ、図６に示すように化合物Ｍｇ_２Ｓｉの形成が見いだされた。混合粉末柱のＴｉ粒子の量が多い場合、（ａ）の様に未反応のＴｉのまわりに化合物Ｍｇ_２Ｓｉが形成する。これに対し、Ｔｉ量を適度に調整すると全てのＳｉ粒子はＭｇと反応し、第２相粒子は化合物Ｍｇ_２Ｓｉのみとなる。このように、混合粉末の組成（混合比）を制御することにより得られる材料の組織の制御が可能である。この材料の硬さを調査したところ、強化相の存在する領域の高度が上昇しており、機械的性質の傾斜した傾斜機能材料の製造が可能となった。

つぎに、Ａｌ−Ｔｉ系の実験を行った。Ａｌ粒子とＡｌと反応して種々の化合物を形成することが可能なＴｉ粒子の混合粉末を作製する。平均組成がＡｌ−１０質量％Ｔｉとなるようにする。この混合粉末を図４に示すような遠心鋳造装置内の鋳型に配置させ、その後、これに異なる温度で溶融したＡｌを注入する。このとき、混合粉末の粒子間にＡｌが行き渡る。さらに、溶融Ａｌの持つ熱量により混合粉末におけるＡｌ粒子が溶融し、Ｔｉ粒子を溶融Ａｌが取り巻く。ここで、ＡｌとＴｉとが反応し、化合物が形成し、遠心力方向に化合物が傾斜分散した傾斜機能材料となる。

１１５０℃で溶融したＡｌを注入して得られた材料の組織写真を図７に示す。Ａｌ母相中に粒子が分散していることがわかる。この粒子は、未反応のＴｉ粒子と反応により形成したＡｌ_３Ｔｉ金属間化合物である。これに対し、１３５０℃で溶融したＡｌを注入して得られた材料の組織写真を図８に示す。プロセス温度を適度に調整すると全てのＴｉ粒子はＡｌと反応し、第２相粒子はＡｌ_３Ｔｉ金属間化合物のみとなる。このように、プロセス温度を制御することにより組織の制御が可能である。

本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用可能である。例えば、実施例は純物質同士の反応であったが、片方あるいは両者とも合金あるいは化合物のようなものでものを用いてもよい。また、２元系の例をあげたが、３元系以上でも同様である。さらに、実施例では組織制御を混合粉末の組成（混合比）およびプロセス温度により行ったが、対象物質の組成、混合粉末と注入溶融物質との量比、混合粉末の粒子径、混合粉末の分散状態、鋳型の形状、鋳型内における混合粉末の設置方法、遠心力の大きさ、鋳型の予備加熱温度、冷却方法及び冷却速度によっても可能である。

Claims (4)

1. 反応可能な物質Ａ粒子と物質Ｂ粒子により構成された混合粉末に遠心力を印加し、さらに該混合粉末に溶融した物質Ａを注入することにより、粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、かつ、物質Ａと物質Ｂとを反応させて、遠心力方向に化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料の製造方法。
2. 前記物質Ａが金属であり、前記物質Ｂが金属あるいは半金属である、請求項１に記載の傾斜機能材料の製造方法。
3. 前記物質ＡがＭｇであり、前記物質ＢがＳｉである、請求項２に記載の傾斜機能材料の製造方法。
4. 前記物質ＡがＡｌであり、前記物質ＢがＴｉである、請求項２に記載の傾斜機能材料の製造方法。