JPH0241561B2

JPH0241561B2 -

Info

Publication number: JPH0241561B2
Application number: JP61142468A
Authority: JP
Priority date: 1985-06-18
Filing date: 1986-06-18
Publication date: 1990-09-18
Also published as: EP0206727B1; DE3674953D1; EP0206727B2; ATE57485T1; CA1269549A; EP0206727A3; US4627959A; EP0206727A2; JPS61291903A

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野本発明は、粉末冶金に関し、更に詳細には機械
的合金化粉末を商業規模で製造する改良法に関す
る。従来技術以下の特許、即ち米国特許第3591362号明細書、
第3623849号明細書、第3660049号明細書、第
3696486号明細書、第3723092号明細書、第
3728088号明細書、第3737300号明細書、第
3738817号明細書、第3740210号明細書、第
3746581号明細書、第3749612号明細書、第
3785801号明細書、第3809549号明細書、第
3814635号明細書、第3816080号明細書、第
3830435号明細書、第3837930号明細書、第
3844847号明細書、第3865572号明細書、第
3877930号明細書、第3912552号明細書、第
3926568号明細書、第4134852号明細書、第
4292079号明細書、第4297136号明細書、第
4409038号明細書および第4443249号明細書は、機
械的合金化複合粉末の製法およびそれから作られ
る圧密（consolidated）製品を開示している例示
の発行特許である。発明の背景前記特許においては、粒子の各々が、出発成分
が各粒子内に互いに相互分散されている内部構造
によつて金属組織学的に特徴づけられるように一
緒に機械的に合金化された複数の成分からなる金
属粉末の製法が、開示されている。一般に、この
ような粒子の製造は、結局粒子内の成分の成分間
間隔が非常に小さくされるまで、成分が連続的か
つ反復的に溶接されかつ破壊されるような粉末粒
子の乾式の強い衝撃ミリング（impact milling）
を包含する。粒子は拡散温度に加熱される時に、
拡散性成分の相互拡散が全く迅速に行われる。機
械的合金化によつて製造される粉末は、その後
に、各種の周知の方法、例えば脱気し、加熱圧粉
（compaction）し、その後例えば押出、圧延また
は鍜造により成形することによつてバルク形に圧
密される。機械的合金化粉末の用途の可能性は、かなりあ
る。それは、既知材料用の改善された性質の可能
性および例えば通常の溶融技術によつては可能で
はない合金材料の可能性を与える。機械的合金化
は、例えば、元素状金属、非金属、金属間化合
物、化合物、混合酸化物およびそれらの組み合わ
せを含有する各種の系に適用されている。また、
前記技術は、耐火酸化物、炭化物、窒化物、ケイ
化物などの不溶性非金属が金属粒子全体にわたつ
て均一に分散され得る金属系の製造を可能にする
のに使用されている。更に、容易に酸化する傾向
を有するクロム、アルミニウム、チタンなどの多
量の合金成分を粒子内に相互分散させることが、
可能である。このことは、別の金属と合金化する
ことが通常困難である金属のいずれかを含有する
機械的合金化粉末粒子の製造を可能にする。更
に、それは、アルミニウム、マグネシウム、リチ
ウム、チタン、銅などの易酸化性成分の合金系を
製造するのに適用されている。本発明は、機械的合金化粉末を達成するのに、
使用されるミルの種類に依存するものではない。
しかしながら、本発明の一面は、機械的合金化粉
末を製造するミリングが「重量依存型」ボールミ
ルで行われることである。乾式の強い高エネルギ
ーミリングは、如何なる種類の装置にも制限され
ない。しかしながら、従来、機械的合金化粉末の
主製法は、アトライター（attritor）で行われて
いる。アトライターは、仕込媒体が媒体中に配置
される羽根車によつて撹拌される行エネルギーボ
ールミルである。アトライターにおいては、ボー
ル運動は、羽根車の作用によつて付与される。高
強度ミリングが行われる得る他の種類のミルは、
装置の胴の回転軸が中心軸と一致する回転ミルで
ある重力依存型ボールミルである。重力依存型ボ
ールミル（GTBM）の軸は、典型的には水平で
あるが、ミルは、軸が垂直レベルに近づくところ
まで傾けることができる。ミルの形状は、典型的
には円形であるが、他の形状、例えば円錐形であ
ることができる。ボール運動は、ミル胴回転と重
力との組み合わせによつて付与される。典型的に
は、GTBMは、胴の回転時にミル壁に沿つての
ボールの滑動を阻止するリフターを含む。
GTBMにおいては、ボール−粉末相互作用は、
ボールの落下高さに依存する。本法は、フレーク、箔の粒子、または他の粒子
を粉砕して粒径を減少させ、それによつてデイス
パーソイドの粒子間間隔を減少するGTBM装置
の従来の用途とは区別される。本法は、GTBM
内での従来技術の粉砕とは、例えばミル内で使用
される環境の種類、最終目的を達成する時間およ
び得られる製品の種類において異なる。一般に、
粒子をミルで粉砕するためには、ミリングは、粒
子の破壊を促進する媒体中で行われる。系の成分
を機械的に合金化するためには、粒子の反復的溶
接および破壊が必要である。機械的合金化に必要
な適当な溶接／破壊系を達成するためには、加工
は、本質上乾式であり、そしてプロセス制御剤が
必要であることがある。このようなプロセス制御
剤は、加工すべき材料に応じて変化するであろ
う。プロセス制御剤は、例えば酸化物および炭化
物の前駆物質として組成にも寄与することができ
る。初期の実験は、機械的合金化がGTBMで達成
できるが、このようなミルが、同一加工水準を達
成するのにかなり長い時間がかかるので機械的合
金化粉末を製造するのにアトライター程満足では
ないことを示しているらしかつた。米国特許第
4443249号明細書は、機械的合金化粉末を商業規
模で製造する改良法を開示している。本発明は、
機械的合金化粉末を製造する際の更なる改良であ
り、そしてGTBMにおいても行われ得る。前記のように、機械的合金化は、大多数の系と
ともに使用する可能性を有する。ここに開示の原
理は、材料をGTBMで実用的商業的方法で加工
するのを可能にさせる一般的応用を有する。しか
しながら、以下の説明は、容易に機械的に溶接可
能である材料の機械的合金化粉末を得ることを主
とて参照するであろう。このことは、例えば、加
工時の主因子となる冷間溶接性に十分な量の金
属、例えばアルミニウム、マグネシウム、チタ
ン、銅、リチウム、クロムおよび（または）タン
タルを含有する合金組成物を調製する際に生ずる
ことができる。特定の組成の選択は、機械的合金化粉末から製
造される最終製品の最終用途に影響を及ぼすであ
ろう。多くの場合、標的性質は、設計技術者によ
つて提案される。標的性質を満たす新しい材料
が、捜されている。例えば、近年、航空機、自動
車、船舶および電気工業での進んだ設計の需要を
満たすであろう高強度軽量材料を開発しようとす
るかなりの研究努力が、払われている。例えば、
酸化物分散強化、時効化硬化または溶体化硬化合
金を生成するであろう或る添加剤の使用によつて
金属の強度を増大することは、既知である。特定
の添加剤またはそれらの組み合わせの使用は、所
望の性質に依存する。高強度は、満たすべき鍵の
標的性質であるが、最後には、特定の最終用途用
に有用であるかどうかを決定するものは、材料の
性質の組み合わせである。しばしば興味がある他
の性質は、延性、密度、耐食性、破壊靭性、浸透
に対する疲労抵抗性、機械加工性、および成形性
である。組成は、性質に寄与する１つの因子にすぎな
い。機械的合金化は、材料の独特の組み合わせを
可能にするので別のものである。なお別の決定因
子は、機械的合金化粉末の加工水準である。前記
のように、機械的合金化粉末の特性的特徴は、各
粒子内への初期成分の互いの相互分散である。機
械的合金化粉末においては、各粒子は、合金の公
称組成と実質上同一の公称組成を有する。粉末加
工水準は、個々の成分が混合されて複合粒子とな
る程度および個々の成分の大きさが調質される程
度である。機械的合金化粉末は、過加工であり、
並びに加工不足である（underprocessed）こと
がある。許容可能な加工水準は、粉末に必要な機
械的合金化の程度である。それは、得られた粉末
製品がミクロ構造要件、機械的性質要件および物
性要件に関して所定のポテンシヤルを満たすこと
ができるかどうかを決定する際の１つの基準であ
る。加工不足粉末および過加工粉末の両方は、所
定の所望の性質を有する材料に容易には変換され
ない。加工不足粉末は、粒子が化学組成に関して
均一または均質であり、かつ（または）プロセス
制御剤が粒子に完全に散在されるか粒子と反応す
る程十分に長くはミリングされていない。また、
プロセス制御剤は、粉末がさらされる時に利用さ
れないならば、例えば蒸発によつて合金組成物か
ら失われるようになることがある。過加工粉末に
おいては、粉末の形態は、十分に変化されて、圧
密最終製品において所望の性質を得ることを更に
困難にさせることがある。とにかく、実際的理由
および経済的理由で、達成される加工水準が許容
可能である限り、ミリング時間を最小限にするこ
とが望ましい。完全なプロセス制御剤利用を超え
る加工は、余計な冷間加工を粉末に付加するだけ
のことがある。材料の性質の測定は、粉末の圧密
および熱機械的加工後にのみ行われ得る。粉末が
許容可能な水準に加工されていないことをこのよ
うに遅い段階で知ることは高価であることが、認
識されるであろう。コスト、不便さ、時間のロス
および装置の入手性は、材料の量が増大するにつ
れて増大する。このように、多量の高品質の高コ
ストの材料が加工されるボールミルにおいては、
このようなコストは、材料を経済的な有利な点か
ら許容不能にさせることがある。本法は、機械的合金化粉末で許容可能な加工水
準を満たす単純な経済的方法を提供する。発明の具体的説明本発明によれば、機械的合金化粉末を商業規模
で製造するにあたり（前記粉末製品は実質上均一
な化学組成およびミクロ構造を有するか加熱時に
実質上均一な化学組成およびミクロ構造に変換で
きることを特徴とし、前記粉末製品は所定の性質
を有する最終製品に変換でき、そして前記粉末は
粉末製品用の粒状成分を所定量のプロセス制御剤
の存在下に乾式衝撃ミリングすることによつて製
造される）、前記粒状成分をプロセス制御剤の存
在下に、圧粉しかつ押し出したままの粉末の完全
に圧粉された密度の少なくとも約25％の見掛け密
度を有する粉末製品を製するのに十分な時間ミリ
ングし；それによつてミル処理量は最大限にされ
かつ粉末製品用に許容可能な加工水準が得られ、
前記許容可能な加工水準は粉末製品が所定の性質
を有することができる最終製品を製造するのに好
適であるかどうかを決定する１つの基準であるこ
とを特徴とする機械的合金化粉末製品の製法が、
提供される。本発明は、如何なる種類のミルにも制限され
ず、例えばアトライター型または重力依存型ミル
で行うことができるが、後者の型のミルはより多
いフイードスルーを加工できるので重力依存型ミ
ルで特に有用である。粉末の見掛け密度は、特定の方法によつて測定
されるｇ/cm³で表現されるゆるい粉末の単位容量
の重量である。ここに報告の試験においては、見
掛け密度は、ASTM試験No.B212−48（流動性粉
末の場合）およびNo.B417−64（非自由流動性粉
末の場合）によつて測定された。粉末の完全に圧
粉された密度は、粉末から製造される本質上非孔
質圧粉材料の密度である。本質上非孔質材料は、
容易に識別可能な残留多孔度を有していないもの
である。本発明者等は、完全に圧粉された密度
を、真空熱圧されかつ押し出された材料について
測定している。有利には、見掛け密度は、完全に
圧粉された密度の30％よりも高く、好ましくは少
なくとも35％である。経済性は、ミリング時間が
最小限にされることを指令するが、好適には見掛
け密度は、完全に圧粉された密度の約65％以下、
好ましくは約55％までであることができる。典型
的には、見掛け密度は、完全に圧粉された密度の
約30％〜約60％の範囲内、好ましくは約30％より
も高く約50％までである。約20％未満では、粉末
製品は、加工不足であるらしい。約65％よりも多
と、更なるミリングには何の価値もなく、そして
更なるミリングは、最適の性質が容易には得るこ
とができないので有害であることがある。例え
ば、Al−4Mg型合金においては、完全に圧粉さ
れた密度は、約2.66ｇ/cm³であると測定され、そ
して最終製品で最適の再現性の性質を達成するた
めには、見掛け密度は、好適には少なくとも約
0.8ｇ/cm³、有利には0.9ｇ/cm³、好ましくは約１〜
約1.3ｇ/cm³の範囲内である。粉末の組成本法は、一般に、機械的合金化粉末として製造
できる材料に適用する。このような粉末は、単純
な二成分系から複雑な合金までであることがで
き、このような系は負わされる考慮によつては限
定されない。それらは、耐火デイスバーソイドを
包含しても良いし包含しなくとも良い。それら
は、分散強化または複合系であることができる。
系のすべての成分は、好適な熱処理で均一に分散
されるか均一に分散され得る。一般に、系は、貴
金属または卑金属であることができる少なくとも
１種の金属を含有する。金属は、元素状で、金属
間化合物として、化合物または化合物の一部分と
して存在できる。機械的合金化技術は受けること
が可能な合金系の例は、前記米国特許に詳述され
ている。前記特許は、例えば多くのニツケル基合
金系、鉄基合金系、コバルト基合金系、銅基合金
系、貴金属基合金系、チタン基合金系およびアル
ミニウム基合金系を記載している。本発明によつ
て組造できる更に複雑な合金系の例は、モリブデ
ン、マンガン、タングステン、ニオブ、タンタ
ル、アルミニウム、チタン、亜鉛、セリウムなど
の合金添加物の１以上を含有するニツケル−クロ
ム系、コバルト−クロム系、鉄−クロム系をベー
スとする合金などの周知の耐熱合金を包含する。前記のように、本発明の系は、容易に機械的に
溶接可能な材料、例えばアルミニウム、チタン、
マグネシウム、銅、タンタル、ニオブ、リチウム
を含有する材料の機械的合金化粉末を製造するの
に特に有用である。このような材料は、例えばリ
チウム、カルシウム、ホウ素、イツトリウム、亜
鉛、ケイ素、ニツケル、コバルト、クロム、バナ
ジウム、セリウムおよ他の希土類金属、ベリリウ
ム、マンガン、スズ、鉄および（または）ジルコ
ニウムからなる成分の１以上を互いに有しかつ
（または）含有する合金であることができる。成
分は、それらの元素状で添加でき、または雰囲気
暴露からの汚染を回避するためにマスター合金ま
たは金属化合物添加物（高反応性の合金添加物は
ニツケル、鉄、コバルトなどの低反応性金属で希
釈または複合される）として添加できる。合金非
金属の或るもの、例えば炭素、ケイ素、ホウ素な
どは、粉末形で使用でき、または低反応性金属で
希釈または複合されるマスター合金として添加で
きる。このように、広く述べると、更に通常の溶
融および鋳造技術によつて負わされる考慮によつ
て限定されないむしろ複雑な合金が、本発明に従
つて鉄、ニツケル、コバルト、ニオブ、タングス
テン、アルミニウム、マグネシウム、チタン、タ
ンクル、銅、モリブデン、クロムまたは白金族の
貴金属の系をベースとする広範囲の組成にわたつ
て製造され得る。酸化物、窒化物、ホウ化物などの硬相の均一分
散を有する単純または更に複雑な合金が、製造さ
れ得る。例えば、分散は、トリウム、ジルコニウ
ム、ハフニウム、チタン、ケイ素、ホウ素、アル
ミニウム、イツトリウム、セリウムおよび他の希
土類金属、ウラン、マグネシウム、カルシウム、
ベリリウム、タンタルなどの元素の酸化物、炭化
物、窒化物、ホウ化物であることができる。硬相またはデイスパーソイド用のホストマトリ
ツクス（host matrix）を与えるのに十分な程延
性の成分が、存在する限り、調製される組成物
は、硬相を広範囲にわたつて包含できる。分散強
化または鍜練組成物だけが望まれる場合には、例
えば耐熱合金においては、デイスパーソイドの量
は、少量であるが強度を増大するのに有効な量、
例えば0.15容量％または未満（例えば、0.1％）
から25容量％またはそれよりも大有利には約0.1
容量％〜約５容量％または10容量％であることが
できる。複合材料においては、硬相は、系のかな
り高率、即ち50または60容量％以上まででさえあ
ることができる。前記のように、本発明の加工は、如何なる特定
の系にも限定されない。例えば、アルミニウム基
合金、マグネシウム基合金、チタン基合金、銅基
合金、リチウム基合金およびタンタル基合金の容
易に機械的に溶接可能な合金に関しては、例は、
周知の金属便覧において当業者によつて見出され
得る。例えば、アルミニウム合金の場合には、こ
のような合金は、1000〜8000系列およびアルミニ
ウム−リチウム合金であるであろう。本質上アルミニウム、マグネシウム、炭素およ
び酸素からなる合金の一例においては、公称マグ
ネシウム含量は約４％であり、炭素含量は約１％
〜約1.3％であり、そして酸素は少量、即ち１％
未満で存在する。鉄基型、ニツケル基型、コバルト基型の合金に
関しては、典型的合金は、重量で、クロム約65％
まで、例えばクロム約５％〜30％、アルミニウム
約10％まで、例えばアルミニウム約0.1％〜9.0
％、チタン約10％まで、例えばチタン約0.1％〜
9.0％、モリブデン約40％まで、タングステン約
40％まで、ニオブ約30％まで、タンタル約30％ま
で、バナジウム約２％まで、マンガン約15％ま
で、炭素約２％まで、ケイ素約３％まで、ホウ素
約１％まで、ジルコニウム約２％まで、マグネシ
ウム約0.5％まで、および残部としての本質上鉄
族金属（鉄、ニツケル、コバルト）および銅
（鉄、ニツケル、コバルトと銅との和は少なくと
も25％であり、イツトリア、アルミナなどの分散
強化成分は存在または不在であつて全組成物の
0.1〜10容量％の量である）からなる群から選択
される少なくとも１種の元素からなることができ
る。前記のように、本発明に従つて処方できる限定
溶解度の金属系は、銅−鉄（銅は約１％〜95
％）；銅−タングステン（銅は約５〜98％であり、
そして残部は実質上タングステンである）；クロ
ム−銅（クロムは約0.1％〜95％であり、そして
残部は実質上銅である）などを包含できる。限定
溶解度の系が銅基材料である場合には、第二元
素、例えばタングステン、クロムなどは、分散強
化剤として使用され得る。前記の広範囲の材料から機械的合金化金属粒子
を製造する際には、出発金属の出発粒径は、約
1μｍよりも大きく1000μｍ程度までであることが
できる。特に反応性金属が包含される場合には、
余りに微細な粒径を使用しないことが、有利であ
る。それ故、金属の出発粒径は、約3μｍ〜約
250μｍであることが好ましい。合金範囲（重量％）の例は表１に見出され得
る。

【表】表中の成分の範囲は、注文化合物を生成する
可能性を包含する。特定の合金においては、成分
は100％まで加えるであろうことが認識されるで
あろう。また、組成は、意図される最終用途に応
じて選択されるべきことが認識されるであろう。
例えば、表中のＡ型の合金系においては、一般
に良好な延性ために、酸素量は、１％未満である
べきである。良好な高温安定性のためには、炭素
含量は、２％未満であるべきである。加工ミルでの加工時に、粉末製品の化学成分は、相
互分散され、そして粉末製品の均一性およびエネ
ルギー含量は、加工条件に依存するであろう。一
般に、ミルの大きさ、ボールの大きさ、ボール質
量対粉末質量比、ミル仕込容量、ミル速度、プロ
セス制御剤（加工雰囲気を包含）、および加工時
間は、粉末加工に重要である。ミルおよびボール
の材料さえ粉末製品に対して関係を有することが
ある。ミルへの供給材料は、ミルに直接供給でき、ま
たは予ブレンドでき、かつ（または）予合金化で
きる。本発明の一態様においては、供給材料は、
例えば１フイート（約30cm）よりも大きく約８フ
イート（約244cm）（そしてそれよりも大きい）直
径を有するGTBMに仕込まれる。経済因子は、
このようなミルのスケールアツプに対して直径８
フイート（約244cm）よりも大まで緩和でき、そ
して長さは、材料の需要に依存して約１フイート
（約30cm）〜約10フイート（約300cm）（それより
も大）で変化できる。ミルの内張りは、ミリング
時に破砕または砕けず、またはその反対に粉末を
汚染すべきではない材料である。合金鋼が好適で
あろう。ミルに仕込まれるボールは、好ましくは
鋼、例えば52100鋼である。ミルに仕込まれるボ
ールの容量は、典型的には約15％〜約45％であ
り、即ちボールはミルの容量の約15〜45％を占め
るであろう。好ましくは、ミルへのボール仕込物
は、約25〜40容量％、例えば約35容量％であろ
う。GTBMでは約45容量％よりも多いと、ボー
ルは、ミルの容量の余りに多くを占め、そしてこ
のことは、ボールの平均落下高さに悪影響を及ぼ
すであろう。約15容量％未満では、衝突数が過度
に減少され、ミル摩耗が高く、そして少量の粉末
しか生じない。GTBMにおいては、ミル直径対
初期ボール直径の比率は、約24〜約200／１であ
り、約150／１が商業的加工用に推奨される。初
期ボール直径は、好適には約3/10インチ〜約3/4
インチ（約4.76mm〜約19.1mm）であることがで
き、有利には約3/8インチ〜約3/4インチ（約9.5
mm〜約19.1mm）、例えば約1/2インチ（約12.7mm）
である。GTBMにおいては、ボール直径が例え
ば3/8インチ（約9.5mm）未満に小さくされるなら
ば、衝突エネルギーは余りに低いので効率良い機
械的合金化を得ることができず、そしてボール直
径が余りに大きく、例えば約3/4インチ（約19.1
mm）よりも大きいならば、単位時間当たりの衝突
数は減少するであろう。その結果、機械的合金化
速度は、減少し、そして粉末の加工のより低い均
一性が生ずることもある。有利には、初期直径1/
２インチ（約12.7mm）を有するボールが、直径６
フイート（約183cm）のGTBMで使用される。衝
撃物は「ボール」と言及され、一般にこれらのも
のは、球状である。しかしながら、それらは、如
何なる形状も有することができる。ボールの形状
および大きさは用途で変化できること、および追
加のボールが例えばミル仕込容量を維持するため
に加工時に添加され得ることが理解される。ミル内のボール質量／粉末質量（Ｂ／Ｐ）比
は、約40／１〜約５／１の範囲内である。Ｂ／Ｐ
比約20／１が、満足であることが見出されてい
る。約40／１よりも大では、汚染の更に高い可能
性がある。更に多くのボール対ボール衝突がある
傾向があるので、より高いボール摩耗速度があ
る。より低いボール対粉末比、例えば約５／１未
満では、加工は遅い。本法は、有利にはGTBM内でミルの臨界回転
速度（N_c）の約65％〜約90％で行われる。臨界
回転速度は、ボールが遠心力のためGTBMの内
周面に押しつけられる速度である。ボールの落下
高さは、N_cの約65％未満では余り有効ではない。乾式衝撃ミリングは、典型的にはGTBM内で
バツチ法で行われる。粉末は、捕集され、所定の
大きさに篩分けられ、圧密され、そして圧密材料
は、熱間および（または）冷間加工工程、および
（または）熱処理、時効処理、粗粒化などを包含
できる各種の熱機械加工工程に付される。アトライターは、大きさが粉末約200ポンド
（約90.72Kg）の能力までであることができること
がわかる。GTBMは、大きさがバツチで例えば
約3000〜4000ポンド（約1360.8〜約1814.4Kg）ま
での加工能力を有するものまでであることができ
る。多量の機械的合金化粉末を容易に確認可能な
許容可能な加工水準に製造することによつて与え
られる機会は、現在入手可能なアトライターでは
可能ではない魅力的な商業的可能性を提供するこ
とが認識されるであろう。粉末が粉末製品の完全に圧粉された密度の少な
くとも約25％の見掛け密度を有するようになるま
で、ミリングは行われる。加工においてこの加工
段階で、粉末は機械的に合金化されるだけではな
く、好適な充填品質を有し、そして更に粉末が例
えば強度、延性、化学均質性およびミクロ構造に
関して所定の所望の性質を有する圧密製品に変換
され得ることを特徴とする。更に、粉末の見掛け
密度は、粉末が流動性（B212−48）または非自
由流動性（B417−64）であるかどうかに依存し
て標準法、例えばASTM試験No.B212−48およ
びB417−64によつて容易に測定され得る。プロセス制御剤機械的合金化粉末は、仕込材料を粉砕媒体、例
えばボール、およびプロセス制御剤の存在下に乾
式衝撃ミリングに付すことによつて製造される。
プロセス制御剤は、ミリング時に仕込材料を反復
的に破壊しかつ溶接させて緊密に関連されかつ均
一に分散された初期粉末材料のフラグメントを含
有する新しい密な粒子を作ることを可能にするで
あろうものである。プロセス制御剤は、ミル環境
にありかつ（または）供給材料の一部分として存
在できる１以上の物質からなることができる。プ
ロセス制御剤は、粉末製品の成分となることがで
きる。このように、使用すべき加工剤の量を決定
する際には、その溶接遅延性および最終製品に望
まれる寄与（もしあつたら）の両方が、考慮され
なければならない。加工を制御しかつミル内の材料の組成を制御す
るために、ミリングは、制御された雰囲気中で行
われ、それによつて例えば酸素制御を容易にす
る。制御された環境の例は、遊離酸素を含有でき
る不活性ガスである。ミル雰囲気の成分は、粉末
製品の一部分となることができ、例えばミル雰囲
気中の酸素は、合金中の酸化物デイスパーソイド
の全部または一部分に寄与できる。ニツケル基合金およびコバルト基合金の場合に
は、プロセス制御剤は、合金組成に依存してミル
内の制御された雰囲気であることができる。例え
ば、ニツケル基合金は、O₂含有雰囲気、例えば
N₂、Arなどのキヤリヤーガス中に担持されたO₂
または空気中で加工される。遊離酸素を含有する
適当な環境は、例えばN₂中の酸素約0.2％〜4.0％
である。コバルト基合金は、ニツケル基合金の場
合に使用される環境と同様の環境中で加工され得
る。鉄基合金の場合には、制御された雰囲気は、
好適には不活性であるべきである。一般に、それ
は、非酸化性であり、そして若干の鉄基合金の場
合には、窒素は、雰囲気から実質上排除されるべ
きである。有利には、不活性雰囲気、例えばアル
ゴン雰囲気が、使用される。銅基合金の場合に
は、雰囲気は、冷間溶接と破壊との間のバランス
を保証するために少量の空気または酸素を有する
アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスであ
る。アルミニウム、マグネシウム、リチウム、チタ
ンなどの金属からなる容易に機械的に溶接可能な
仕込材料をミリングする際に、ミリングは、典型
的にはアルゴンまたは窒素ブランケツト下で行わ
れる。プロセス制御剤は、溶接制御量で存在し、
そして本発明の一面においては、酸素および（ま
たは）炭素寄与化合物からなる。プロセス制御剤
は、例えば黒鉛および（または）揮発可能量の酸
素含有炭化水素、例えば有機酸、アルコール、ア
ルデヒドおよびエーテルからなることができる。
この種の合金に好適なプロセス制御剤の例は、メ
タノール、ステアリン酸、およびそれらの誘導
体、例えばオクタデカノアミドである。高酸化性
合金の加工時には、最初に仕込材料を有するミル
に、所望の組成の材料を得るのに必要な量のプロ
セス制御剤を添加することが、特に望ましいこと
が見出されている。典型的には、プロセス制御剤は、粉末製品の粒
状成分の重量に対して約0.01％〜約５％の範囲内
の量で存在できる。プロセス制御剤が非ガス状成
分、例えばステアリン酸またはその誘導体からな
る場合には、非ガス状成分は、約0.1％〜約５％
の範囲内の量で存在できる。以下の例示の例は、当業者に本発明のより良い
認識を与えるために示される。例それぞれ96重量％および４重量％の公称アルミ
ニウムおよびマグネシウム量を有する粉末製品を
製造しようとする組成を有する粉末の試料を、直
径1.5ｍ（５フイート）×長さ0.3ｍ（１フイート）
のGTBMに仕込む。ミルは、実質上水平中心軸
の回りに回転し、直径13mm（0.5インチ）の52100
ボールを仕込む。試料をミルにおいて各種の条
件、即ちボール対粉末重量比（Ｂ／Ｐ）、加工時
間、ミル速度およびステアリン酸（SA）の添加
量および添加法で加工して粉末製品とする。各ラ
ンの条件および各種のデータ、例えば見掛け密
度、吸収された酸素量および炭素量および篩分析
値を表に総括する。見掛け密度の測定を自由流
動性粉末の場合にはASTM試験No.B212−48に
より、そして非自由流動性粉末の場合には、
ASTM試験No.417−64により行う。アトライタ
ーで製造された機械的合金化試料について得られ
た結果も、表に示す。ステアリン酸1.5％を添
加した試料の標的性質は、TYS 55 ksi、UTS
65 ksiおよびEl ５％である。

【表】

【表】表の参照は、粉末の炭素含量が一般にミリン
グ時間とともに増大し、かつ酸素含量がミリング
時間とともに減少することを示す。SA 1.5％の
合金の場合には、合金の炭素含量が約1.1重量％
よりも多くかつ酸素含量が約１％未満である時
に、加工は完了である。炭素および酸素の化学分
析値は、使用される技術に依存して変化するであ
ろう。ことが認識されるであろう。データは、粉
末製品の見掛け密度が約１ｇ/cm³に達した時に所
望の炭素量も到達されていないことを示す。ラン
１および２の粉末製品は、自由流動性であり、一
方ラン３，４および１１の粉末製品は、非自由流
動性であることが観察された。ランＡのアトライ
ター処理粉末は、非自由流動性であつた。粉末をすべてのSA流加量、即ち0.5％、1.0％お
よび1.5％でボールミルにおいて加工できた。B/
Ｐ30/1を有するラン１１においては、15時間のミ
リングは、許容可能な範囲の高端、即ち0.97％の
酸素含量、および炭素1.04％のみ、および低い見
掛け密度0.76ｇ/cm³を有する粉末を生じた。粉末
は、依然としてフレーク状であり、そして見掛け
密度少なくとも１に加工される粉末よりも少ない
粉末が、真空ホツトプレスダイを充填するのに必
要であつた。製造された粉末の金属組織学的研究は、粉末が
加工時にフレーク状から球状に変態することを示
す。第１ａ図、第１ｂ図、第１ｃ図および第１ｄ
図は、SA 1.5％が添加されている一群の合金の
場合の加工時間系列を示す。顕微鏡写真は、ミリ
ング時間７時間、12時間、16時間および24時間後
の球状形態に向けての進行を示す。ミリング時間
24時間において、粉末粒子の支配的量（即ち、50
％よりも大）は、球状であり、そして粉末は、本
質上化学的かつ物理的に均質であると光学的には
見える。ミリング24時間に、粉末は、見掛け密度
的１ｇ/cm³または完全に圧粉された密度の38％を
有する。例に示されるであろうように、この粉
末製品は、所望の標的性質を有する圧密材料に加
工され得る。更に、粉末製品は、圧粉ダイ、例え
ば真空熱圧装置で適当に充填するであろう。例本例は、表に示される各種のラン終りに水切
りされた粉末から作られる押書ビレツトの引張性
および切欠き性を示す。試料を調整するために、
粉末を水切りし、脱気し、圧粉した後、押し出
す。圧密条件、引張性および切欠き性を表に総括
する。圧密材料の標的性質を例に示した。表および中のデータは、B/P20/1から15/1
に増大された粉末負荷が標的引張性を達成するの
に必要な加工時間を長くすることを示す。例え
ば、同様の引張性を達成するためには、B/P20/1
でのランNo.12の粉末は加工27時間を必要とし、
一方B/P15/1でのランNo.7は、加工46時間を必
要とする。 GTBMでの加工に関しては、逐次添加は適当
な粉末を得るのにより長い加工時間を必要とする
傾向があるので、ステアリン酸などのプロセス制
御剤を最初に全部添加することが、一般に望まし
いことが見出された。 GTBM内での加工効率に対するミル回転速度
の効果は、表からわかる。一定のB/P20/1およ
び31.5ミル容量％のボール負荷においては、ミル
速度を臨界速度の65％（21rpm）から86％
（29.5rpm）に増大すすることは、等価の回転数
用の時間を短縮するだけではなく、必要な回転数
が減少される。換言すれば、ミルの回転速度を増
大することは、加工効率を増大する。一般に、粉末製品の見掛け密度は低ければ低い
ほど、酸素含量は高く、そして粉末は更に「フレ
ーク状」である。更に「フレーク状」の粉末は、
満足な圧密製品を生じなくなりそうである。例え
ば、見掛け密度0.76（または完全に圧粉された粉
末の約29％）を有する表のラン２９で製造され
た粉末は、更に貧弱に充填しただけではなく、よ
り高い見掛け密度に加工された粉末と比較して劣
つた強度を有することが見出された。強度を最適
にするために、見掛け密度は、好ましくは、完全
に圧粉された密度の約35％である。

【表】

【表】本発明は、好ましい態様と一緒に記載されてい
るが、当業者が容易に理解するであろうように、
本発明の精神および範囲から逸脱せずに修正およ
び変形を施すことができることが理解されるべき
である。このような修正および変形は、本発明の
範囲内であるとみなされる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図、第１ｂ図、第１ｃ図および第１ｄ図
は、それぞれ、96重量％および４重量％の公称ア
ルミニウムおよびマグネシウム量を有しかつ
GTBMで31.5ミル容量％およびボール対粉末比
20：１において製造される機械的合金化粉末の倍
率200Xでの金属組織の顕微鏡写真（1.5％量のス
テアリン酸を添加し、そしてミリングをそれぞれ
７時間、12時間、16時間および24時間行つた）、
第２図は第１ｄ図のものと本質上同一のアルミニ
ウム−マグネシウム組成を有する機械的合金化粉
末の倍率200Xでの金属組織の顕微鏡写真（しか
しながら、粉末をアトライターで加工した）であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１アルミニウムもしくはアルミニウム基合金か
らなる機械的合金化粉末製品を商業規模で製造す
る方法であつて、前記粉末製品は実質的に均一な化学組成および
ミクロ構造を有するか加熱によつて実質的に均一
な化学組成およびミクロ構造に変換され得ること
を特徴とし、前記粉末製品は所定の性質を有する
最終製品への変換が可能であり、そして前記粉末
は粉末製品用の粒状成分を所定量のプロセス制御
剤の存在下において乾式衝撃ミリングすることに
よつて製造され、前記方法は、当該粉末が前記変換用ミルにおい
て前記所望の最終製品へと適切に変換されている
か否かを決定するために、当該粉末製品の見掛け
密度を使用するものであつて、完全に圧粉された
密度の少なくとも30％以上の見掛け密度を有する
ように前記乾式衝撃ミリングを実施することによ
り、粉末状態において前記粉末が適切に加工され
ていることを決定できるようにしたことを特徴と
する、機械的合金化粉末製品の製造方法。