JPH02197535A - 金属間化合物の製法 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は金属間化合物の製法に関する。

［従来の技術］ 最近、金属間化合物の特性が注目されており、これの実
用化に対して活発な研究開発がなされている。この金属
間化合物には、鉄鋼、アルミニウムといった従来の材料
にみられない優れた特性、例えば優れた高温強度、高耐
熱性、高耐食性などを有するものがあるため、次世代の
材料として大きな期待がもたれている。

従来、金属間化合物の製造は、合金状態図を基にして２
種以上の金属元素の所定Ｊｉ（特定の化学量論組成にみ
あった量）を配合準備し、これを適当な溶解装置を用い
て溶解後鋳造する鋳造法によっていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、鋳造法による金属間化合物の製法の場合、ガス
によるブローホールの形成や非金属介在物の混入等によ
る各種鋳造欠陥が生じたり、酸化、偏析といった特性上
好ましくない現象が生じるのは避けられない　このこと
に起因して、実用的な金属間化合物の生産ができるまで
には至っていないのが現状である。

このため、本発明にかかる金属間化合物の製法は上記従
来技術の有する欠点がなく、容易に均一相が得られる金
属間化合物の製法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明にかかる金属間化合物
の製法の特徴は、 金属間化合物を形成する２種以上の粉末材料を無酸化雰
囲気中で混合機により混合して機械的合金化処理を施し
、ついでこの混合粉末を無酸化雰囲気中で加圧しながら
少なくともこの混合粉末から形成される金属間化合物を
生成する温度以上で加圧する点にある。

そして、混合機がボールミルであって、ミル内に投入す
るボールと金属粉末との比を５０対１以上にすると都合
がよい。

得られた焼結体を、その焼結温度より高い温度で焼鈍す
ると、焼結体の機械的性質が一層優れたものとなって都
合がよい ２種以上の粉末材料が、Ａｌ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｓｉ
、Ｔｉ、Ｗの各元素から選ばれたものからなると実用的
価値の高い製品となる。

［作用・効果］ つぎに、本発明にかかる金属間化合物の製法の作用・効
果を説明する。

金属間化合物を形成する２種以上の粉末材料を無酸化雰
囲気中で混合機により混合して機械的合金化処理を施し
ているので、２種以上の金属粉末が酸化されることなく
極めて均一度の高い混合相を形成することができ、鋳造
法によるような偏析が生じることがなく、しかも不都合
な酸化が生じることもない。

ここに、機械的合金化処理とは、通称ＭＡ法（Ｍｅｃｈ
ａｎｉｃａｌ　Ａｌｌｏｙｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　）と
言われ、金属間化合物を形成する２種以上の粉末材料を
混合機により混合して固相拡散を生じさせる合金化処理
法である。無酸化雰囲気とは、酸化を生じにくい真空雰
囲気あるいはＡｒガスなどの不活性ガスを満たした雰囲
気が該当する。

ついで、この混合相からなる粉末を、例えばホットプレ
ス等を用いて加熱および加圧処理して所定の化学量論組
成の単相もしくは非化学量論組成を含む２相（もしくは
２相以上）の共存組織からなる金属間化合物を生成する
。このため、金属間化合物は均質で強固な焼結体となっ
ており、優れた機械的性質と超微細な結晶粒組織が得ら
れる。

このようにして得られた金属間化合物は、一般に超ｖ！
１ａ＋な結晶粒組織を有するため、いわゆる超塑性材料
となるものである。

混合粉末の高温加圧成形を、還元性雰囲気中で少なくと
もこの混合相からなる金属間化合物を生成する温度以上
で行なうことにより、確実に目的とする金属間化合物の
高密度焼結体を製造することができる。この場合、金属
間化合物の組織は単相もしくは非化学量論組成を含む２
相（もしくは２相以上）の共存組織となっていてもよい
、２相共存組織となっている方が、各金属間化合物相の
の特性が複合されて、優れた性質を発揮する場合がある
からである。

一方、混合機がボールミルであって、ミル内に投入する
ボールと金属粉末との比を５０対１以上にすると、混合
機による固相拡散つまり合金化が効果的に促進されて都
合がよい、しかし、あまりこの比率を大きくすると、処
理する金属粉末の生成量が少なくなって生産効率が低下
し好ましくない。

さらに、得られた焼結体を焼結温度より高い温度で焼鈍
すると、拡散が十分進行して組織の均一化が計られ同時
に結晶粒のある程度の成長が進行して、焼結体の８１械
的性質とくに延性が高くなり金属間化合物の加工性が高
められて、応用範囲は一層広いものとなる。

とくに、２種以上の粉末材料が、Ａ１．Ｍ。

Ｎｂ、Ｎｉ、Ｓｔ、Ｔｉ、Ｗの各元素から選ばれたもの
からなると、Ｎｉ５Ａｌ、ＮｉＡｌ、Ｔｉ５Ａｌ、Ｔｉ
Ａ１．Ｍｏ５ｉｚ　、ＷＳｉ２．Ｎｂｓ　Ａ　ｌといっ
た優れた高温強度、高ｉ＃１熱性、高耐食性などを有す
る実用的価値の高い製品が得られて好ましい。

又、金属間化合物により、その化学量論比の前後にある
程度の組成範囲を持つものがあり、この範囲で化学量論
比からずれた組成の方が機械的性質において優れている
場合がある。そのような非化学量論組成の金属間化合物
も、機械的合金化処理を行なうための最初の金属粉末の
割合を調整するだけで、他に特別面倒な配慮をすること
なく容易に製造可能である。

更に、混合機により合金化された混合粉末を２種以上組
合せて焼結体を形成することも、優れた特性を有する焼
結体が得られる。

例えば、Ｔ　ｉ　−Ａ　Ｉ金属間化合物の場合では、Ｔ
ｉＡｌ相のみならず、Ｔｉ５Ａｌ、Ａｌ５Ｔｉ相などが
混相となって存在していると、機械的性質が改善されて
好ましいのである。

更に、このようなＴｉＡｌやＴｉ５Ａｌで代表される金
属間化合物の場合、第３元素、例えば、少藍のＭｎ、Ｎ
ｂ等を固溶させることによって延性の向上が得られるこ
とが指摘されているが、このような第３元素の添加も機
械的合金化処理を行う最初の時点で、第３元素の純金属
粉末を添加しておくことによって容易に目的を達するこ
とができ、本発明による方法が有効に使用できるもので
ある。更に、第４、第５元素の純金属粉末を添加するこ
とも有効である。

これらの材料は、各種機械部品等に応用可能であるが、
特に耐高温外装材、超高速タービンブレード、その他各
種の苛酷な条件を要求される各種部品に対して有効であ
る。

［実施例］ 以下に、本発明にかかる金属間化合物の製法の実施例を
図面を参照して詳細に説明する。

目的とする金属間化合物を生成する２種以上の粉末材料
を用意し、これらを所定の組成となる金属間化合物が得
られるように配合調整し、無酸化雰囲気中でボールミル
などの混合機により所定時間混合して固相拡散を生じさ
せる。もつとも、ボールミルの代わりに振動ミルや高エ
ネルギーアトライタ等種々の混合機を用いることが可能
である。

特に、後者の高エネルギーアトライタを用いると金属粉
末の混合や固相拡散が促進されるので処理時間が著しく
短縮される。

ついで、この混合粉末を無酸化雰囲気中でこの混合粉末
から形成される化学量論組成の金属間化合物を生成する
温度以上で加熱および加圧処理して金属間化合物を作成
する。この結果、最終製品形状に近いいわゆるニアネッ
トシェイプの金属間化合物が得られるので、製品歩留り
の高いものが得られることとなる。

この加熱および加圧処理は、ホットプレスを用いるのが
一般的であるが、これに限られるものではなく、例えば
熱間等方圧成形機（ＨＩＰ）のようなものを用いてもよ
い、要は、加熱・加圧処理によって焼結成形品が得られ
ればよい 次に、具体的な実験例について説明する。

［実験例］ 試料として、Ｔ　ｉ　−３６ＷｔＸ　Ａ　Ｉ　　（Ｔ　
ｉ　−５０ａｔχＡ＋＞を形成できるように、純Ｔｉ粉
末および純ＡＩ粉末を所定量用意した。これらを固相拡
散を促進すべくボールミルに投入してアルゴン雰囲気中
で混合処理した。このときのボールと金属粉末の重量比
を６０対１とし、ボールミルの回転速度を９Ｑｒｐｍと
した。

５００時間混合処理した粉末のＸ線回折図形を第１図に
、又粉末粒子の形態及び断面の走査電子ａｍ鏡観察結果
をそれぞれ第２図（ａ）及び（ｂ）に示す、混合する前
に比べ、Ｔｉ及びＡＩ単独を示すＸ線回折強度を表すピ
ークが低くなり＝ＴｉＡ１合金相（非晶質相を含む）が
形成されていることが窺える。第２図（ａ）及び（ｂ）
から、粉末粒子がほぼ均一形態を示しており、粒子中の
組織についても均一度の高いものとなっていることがわ
かる。

ついで、この混合粉末をホットプレスに挿入する。予め
１００ＭＰａで２分程度加圧した後、ＴｉＡｌ平衡相が
生成する温度以上である約９００℃に加熱し３０分保持
後、１００ＭＰａに加圧して１時間保持した。このとき
の処理図を第３図に示す。

混合粉末の加熱は、酸化を防止するため真空雰囲気中で
行なった。そして、加熱後は炉冷して成形体を得た。

このようにして作成した成形体は強固な焼結体となって
おり、その相対密度は９９．８％以上のものとなってい
た。

得られた焼結体の平均結晶粒径については、０゜１μｍ
という極めて微細なものとなっていた。焼結体の透過電
子顕微鏡による組織観察結果を第４図に示す。

次に、この焼結体の超塑性としての性質を調べた。即ち
、従来法である鋳造法により作成したＴｉＡｌ金属間化
合物・（ａ）及びこれを１２００℃で５時間加熱したも
の（ｂ）を比較試料とし、これらと本焼結体（ｃ）との
真応カー真歪速度曲線を求めた。その結果を第５図に示
す０本焼結体（ｃ）の勾配（歪速度感受性指数＝ｍ値と
称する）は、鋳造法により作成した試料（ａ）のｍ値は
０．１１、（ｂ）のｍ値は０．０８であり、これらに比
べ本焼結体（ｃ）のｍ値は０．３２と約３倍以上大きく
、このことから本焼結体（ｃ）は超塑性材として十分な
性質を有しているものとみることができる。

さらに、この焼結体を９００℃、初期歪速度３゜６Ｘ１
０−５ｓ−１で２１％圧縮変形し、金属組織を調べた。

そのときの透過電子顕微鏡観察結果を第６図に示す、２
１％圧縮変形を行なったにもかかわらず、第６図に見ら
れる各結晶粒は偏平になっておらず第４図の金属組織と
比較して実質的な変化は見られない、したがって、本焼
結体に２１％の圧縮変形を施した場合の変形は、粒界す
ベリに基づく超塑性流動によって進行したものと結論で
きた。

尚、焼結体のＸ線回折図形を第７図に示す、同図から、
焼結体にはＴｉＡｌ相が大部分となっているが、この相
の他に少量のＡ１５Ｔｉ相が含まれていることがわかる
。

ついで、本焼結体を１２００℃で１０時間加熱し、拡散
を促進することにより焼結体中の母相の均一化を行なう
と同時に結晶粒を１〜２μｍ程度に成長させると、応力
は幾分低下したが極めて延性の高いものが得られた。そ
のときの透過電子顕微鏡による組織観察結果を第８図に
、そして、本焼結体（ｃ）及びこれを１２００℃で１０
時間加熱した試料（ｄ）並びに比較試料である鋳造法に
より作成した試ｆｌ　＜＆）及びこれを加熱した試料（
ｂ）の真応カー真歪曲線を第９図に示す、この真応カー
真歪曲線は、室温での圧縮試験を初期歪速度５゜５Ｘ１
０−’ｓ−’で行なって求めたものである。

従来法による試料に比べ、本焼結体（ｃ）は極めて応力
が高く、他方これを１２００℃で１０時間加熱した場合
には、応力および歪共に高く極めて延性に富んだ材料が
得られた。第９図には、破断点をＸ印で表しであるが、
１２００℃で１０時間加熱した試料の場合、真否が約２
０％以上になっても破断しなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は機械的合金化処理した粉末のＸ線回折図、第２
図（ａ）は粉末粒子の形態を表す図、同図（ｂ）は（ａ
）粉末粒子の断面の組織図、第３図は粉末の加熱−加圧
処理系統図、第４図は加熱−加圧処理後の焼結体の組織
図、第５図は真応カー真歪速度線図、第６図は焼結体を
変形した後の組織図、第７図は焼結体のＸ線回折図、第
８図は焼結体の加熱後の組織図、第９図は各試料の真応
カー真否線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属間化合物を形成する２種以上の粉末材料を無酸
   化雰囲気中で混合機により混合して機械的合金化処理を
   施し、ついでこの混合粉末を無酸化雰囲気中で加圧しな
   がら少なくともこの混合粉末から形成される金属間化合
   物を生成する温度以上で加圧して焼結体を得る金属間化
   合物の製法。 ２、混合機がボールミルであって、ミル内に投入するボ
   ールと金属粉末との比を５０対１以上にする請求項１記
   載の金属間化合物の製法。 ３、得られた焼結体を、その焼結温度より高い温度で焼
   鈍する請求項１又は２記載の金属間化合物の製法。 ４、２種以上の粉末材料が、Ａｌ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、
   Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗの各元素から選ばれたものからなる請求
   項１ないし３のいずれかに記載の金属間化合物の製法。