JPH0598371A

JPH0598371A - 窒化物分散強化合金の製造方法

Info

Publication number: JPH0598371A
Application number: JP7466992A
Authority: JP
Inventors: Ryoda Sato; 亮拿佐藤; Kichinosuke Shoji; 吉之助荘司
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-08-12
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1993-04-20

Abstract

(57)【要約】【目的】微細な窒化物を基地金属中に容易に均一分散
させることができる窒化物分散強化合金の製造方法を提
供する。【構成】窒化物を形成しにくい基地金属と該基地金属
よりも窒化物を形成しやすい窒化物形成元素とを溶解し
た溶融合金12を溶製する。この溶融合金を窒素ガスを含
む加熱雰囲気中で高温アーク10により加熱する。該アー
ク10によって解離活性化した窒素により溶融合金12中の
窒化物形成元素を窒化し、生成した微細窒化物が均一に
分散懸濁した溶融合金を凝固する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶融法による窒化物分散
強化合金の製造方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属基地中に酸化物、炭化物などのセラ
ミックスの微細粒子を分散させた分散強化複合材は、セ
ラミックスの持っている耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性な
どの優れた性質により、またその微細粒子が基地の変形
に伴う転移の移動を妨げるため、耐摩耗性や耐熱性等の
みならず、機械的強度にも優れる。

【０００３】前記セラミックスのうち、Ｔｉ，Ｚｒなど
の窒化されやすい遷移元素の窒化物は、耐熱性に優れ、
高温でも安定で強靭であるため、各種基地金属の分散材
として好適である。特に、銅又は銅合金中に窒化物を分
散した複合材は、基地金属の高導電性、高熱伝導性と相
まって抵抗溶接用電極チップ素材、接点素材として好適
である。

【０００４】これら窒化物分散強化合金は、主として粉
末冶金法、溶融法によって製造されている。粉末冶金法
は、金属チタン等の金属材料を窒化してその窒化物を作
製し、その後、この窒化物を粉砕し、得られた粉末と基
地金属の粉末とを混合し、その混合粉末を成形し、焼結
する方法である。一方、溶融法は、特開昭64−36744号
公報に開示されているように、基地金属の溶湯中に窒化
物の粉末を添加して分散させた溶融金属を適宜の鋳型を
用いて鋳造し、凝固させる方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記粉末冶金法は、窒
化物や基地金属の原料粉末の製造コストが高くつき、更
に成形焼結工程に長時間かかるため生産性にも劣るとい
う問題がある。溶融法にはこれらの欠点がなく、経済性
に優れる。しかしながら、分散粒子の重量偏析、粒子の
凝集による粗大化の傾向が避けられず、かつ分散粒子の
基地金属溶湯に対する濡れ性にも問題があり、微細粉末
の溶湯への添加混入や均一分散が困難であるという問題
がある。

【０００６】本発明はかかる問題に鑑みなされたもの
で、従来の溶融法を改善し、微細な窒化物を基地金属中
に容易に均一分散させることができる窒化物分散強化合
金の製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物分散強化
合金の製造方法は、窒化物を形成しにくい基地金属と該
基地金属よりも窒化物を形成しやすい窒化物形成元素と
を溶解した合金を溶製し、該溶融合金を窒素ガスを含む
加熱雰囲気中で高温アークにより加熱し、該アークによ
って解離乃至イオン化した窒素により溶融合金中の窒化
物形成元素を窒化すると共に生成した窒化物を溶融合金
中に懸濁させ、この溶融合金を凝固させる。前記溶融合
金の溶製に際しては、基地金属の主要成分からなる基地
用母金属と窒化物形成元素を含む窒化用母合金とを溶解
すればよい。前記窒素ガスを含む加熱雰囲気としては、
大気（空気) を用いることができる。前記高温アークと
しては、熱プラズマを熱源とするプラズマアークを用い
るとよい。また、銅又は銅合金を基地金属として、ジル
コニウムを窒化物形成元素として用いることにより、抵
抗溶接用電極チップ用素材等として好適な複合材が容易
に得られる。

【０００８】

【作用】窒化物を形成しにくい基地金属と窒化物を形成
し易い窒化物形成金属元素との溶融合金を、窒素ガスを
含む加熱雰囲気中で高温アークにより溶湯表面を加熱す
ると、溶融合金は容易に高温に過熱され、一方、加熱雰
囲気中の窒素ガスは、アーク放電に伴って原子状態に解
離乃至イオン化される。この原子状窒素は、アークの温
度が高くなる程、活性度が増加する。従って、通常の溶
解温度では基地金属に対して不活性な窒素でも、溶融合
金中に容易に吸収され、窒化物形成元素と優先的に化合
して微細な窒化物を生成する。このように溶融合金中で
反応生成した窒化物の粒子は極めて微細で、溶融金属と
の濡れ性も良好であるため、窒化物を粉砕したものを単
に溶湯中に添加混入させる場合と比べて、比重分離や凝
集を起こしにくく、基地との固着性にも優れており、ひ
いては結晶の転位を妨げることによる強化機能において
も勝っている。また、窒化物粒子の密度が酸化物、炭化
物、ホウ化物の粒子よりも大きいため、溶融した基地金
属との比重差が僅少となり、長時間溶融金属中に懸濁浮
遊するため、鋳造し、凝固するまで、重量偏析（比重分
離）が生じにくい。

【０００９】前記高温アークとしては、プラズマアーク
を利用するのがよい。プラズマアークは機械的、電気的
に収束された熱プラズマを有しており、数千〜数万°K
と極めて高温の熱源として利用することができるからで
ある。前記窒素ガスを含む加熱雰囲気としては、大気を
利用することができる。大気中でアーク放電すると、ア
ーク気圏の温度が約6730℃になると、空気中の窒素は33
％が分解して１％がイオン化し、約11730 ℃では 100％
分解して14％がイオン化すると言われている。プラズマ
アークでは、容易に8000℃以上になるので、かなりの原
子状窒素を生じる。一方、プラズマアークの照射で、溶
融合金は2000℃以上に容易に加熱されるため、前記活性
化された窒素が溶融合金中に容易に吸収され、窒化物形
成元素が優先的に窒化される。

【００１０】基地金属として純銅や導電性の良好な銅合
金を用い、一方窒化物形成元素としてジルコニウムを用
いることにより、優れた導電性、熱伝導性、耐熱性、強
度を兼備した複合材が容易に得られる。ジルコニウムは
窒化が容易であり、ジルコニウム窒化物はその融点が25
00℃程度以上と極めて高く、またジルコニウムの全部を
窒化せずにその一部を基地金属の構成成分とすることに
よって、銅やその合金のもつ導電性や熱伝導性をあまり
害することなく、基地の強化（固溶体強化) を図ること
ができるからである。また、ジルコニウム窒化物の比重
と銅又はその合金との比重とは極めて近似しているた
め、生成窒化物粒子の微細なことと相まって窒化物粒子
を長時間懸濁浮遊させることができ、鋳造凝固に際して
も比重分離のおそれがなく、均一分散性に優れる。尚、
窒化物粒子分散による導電率の低下はほぼ分散粒子の体
積率に比例するが、体積率は通常数％以内であるので、
導電率、熱伝導率の低下は僅少でほとんど問題とならな
い。

【００１１】

【実施例】本発明に使用する窒化物を形成しにくい基地
金属としては、鋳鉄や鋼等の鉄鋼材に限らず、銅又はア
ルミニウム又はそれらの合金等の非鉄金属でもよい。一
方窒化物を形成しやすい元素としては、前記基地金属に
対して、これよりも窒化物を形成し易いものであればよ
く、例えばＺｒ, Ｔｉ, Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｃ等
の元素周期表のIIa,IIIa,IVa,Va およびIIIb族の元素の
一種又は二種以上を用いることができる。もっとも、既
述の通り、抵抗溶接用電極チップ素材や接点用素材とし
ては、銅又はその合金（例えばＡｇ−Ｃｕ, Ｃｒ−Ｃ
ｕ, Ｂｅ−Ｃｕ）とＺｒとの組み合せがよい。

【００１２】基地金属と窒化物形成元素とを溶解した溶
融合金を溶製するには、窒化物形成元素の金属単体より
も、これを含有した窒化用母合金と基地金属の主成分か
らなる基地用母金属とを溶解するのがよい。前記元素は
活性なものが多く、その金属単体の表面が窒化し易いか
らである。もっとも、元素の種類によっては、金属単体
のままで使用できるものもある。溶解手段としては、後
述の高温アークに限らず、るつぼ炉等の通常の溶解炉を
用いて溶解してもよい。尚、前記窒化用母合金のうち、
窒化物形成元素以外の成分は、基地用母金属と共に複合
材の基地金属を形成する。

【００１３】基地金属と窒化物形成元素とが溶解された
後、その溶融合金は窒素ガスを含む加熱雰囲気中で高温
アークによって加熱される。窒素ガスを含む加熱雰囲気
としては大気（空気）を用いることができるが、勿論、
窒素ガス雰囲気中で加熱してもよい。高温アークとして
は、前記溶融合金の高温加熱と窒素の解離活性化が可能
であればよく、溶融合金と電極間でアーク放電をさせれ
ばよいが、プラズマ形成ガスとして窒素ガスを使用する
熱プラズマトーチや後述の多相多電極プラズマアーク発
生装置により発生したプラズマアークを用いると、１万
℃近い超高温が容易に得られ好適である。特に、多相多
電極プラズマアーク発生装置によれば、非移行形の超高
温プラズマアークを容易に持続して発生することがで
き、黒鉛電極を用いて大気中で照射することにより、被
照射物を速やかに高温度に加熱すると共に加熱雰囲気中
の窒素を速やかに解離活性化することができ、かつ黒鉛
電極の酸化により生じた一酸化炭素は（ＣＯ）⁺、Ｃ⁺
のイオンとなって極めて還元性に富むプラズマアークを
作るため、溶融合金中の水素、酸素をも駆逐することが
でき、健全な複合材が得られる。

【００１４】次に、本発明を実施するための多相多電極
プラズマアーク発生装置について説明する。図１は、プ
ラズマアーク発生装置100 の配置図を示しており、該発
生装置100 は架台101 上に設置され、架台101 の下部に
は該発生装置100 から流下した溶融合金を冷却凝固する
ための鋳型装置120 が付設されている。該発生装置100
は、特公昭56−31188 号公報や特開昭63−130269号公報
に開示されており、図２に示すように、６本の黒鉛電極
1,2,3,1A,2A,3Aを有しており、各電極は逆円錐形状でか
つ電極先端部9において集束するように、上方からみて
等角度（60°)で放射状に並んでいる。各電極は電極送
り機構（図示せず) によって進退自在となっており、電
極の消耗に応じて調整される。また、４，５，６は３相
交流出力の電流位相調整装置で、アークの強さ加減を調
整するためのものである。各々の電極1,2,3,1A,2A,3A
に、隣接する電極に対して 120°位相のずれた交流電圧
を３相交流電源7 から前記電流位相調整装置4,5,6 を介
して印加すると、電極先端部9 から下方に非移行形のプ
ラズマアーク10が発生する。電極先端部9 の下方には、
被照射物12を収容するための黒鉛るつぼ11が設置されて
いる。尚、電極数や交流の相数は上記の例に限らず自由
であり、各々３の倍数で増やすことができる。また、放
射状に配列された複数の電極の中心部にニュートラル電
極を設けてもよい。

【００１５】前記鋳型装置120 は、るつぼ11から流出す
る溶融合金を耐火製のロート13を介して収容する内側容
器122 と、該内側容器を収容する外側容器121 とを備え
ており、外側容器内には底部近傍に取り付けられた給水
口121Aより冷却用水が注入され、側壁上端部に取り付け
られた排水口121Bより冷却水を排出するように構成され
ており、常に一定レベルの冷却水が満たされている。ま
た123 は上記外側容器121 底面に対して若干隙間をあけ
て内側容器122 を支持する支持フレームである。

【００１６】該多相多電極プラズマアーク発生装置100
を用いて、本発明の実施方法を説明する。まず、カバー
103 に取り付けた原料投入用シュート102 から原料金属
（例えば、純銅とＺｒ−Ｃｕ合金又はＴｉ−Ｃｕ合金)
の塊をるつぼ11に所定量投入する。この状態で３相交流
電源7 をオンし、大気中で６本の黒鉛電極先端にプラズ
マアーク10を発生させる。するとるつぼ11内の金属塊は
プラズマアーク10の照射によって加熱溶融され、溶融金
属12中の窒化物形成元素がプラズマアーク10により解離
活性化した大気中の窒素と化合して微細な窒化物粒子と
なり、溶融合金中でこの微細粒子が均一に分散した状態
となる。そしてさらに原料金属の塊を補給し、るつぼ11
内の溶融合金が一杯になると、これが溢れ出してその下
側のロート13を通って鋳型装置120 の内側容器122 内に
流れ落ちる。

【００１７】そして内側容器122 内にある程度溶融合金
が溜まったところで原料金属の補給を一旦停止する。上
記るつぼ11からの溶融合金の流出が停止したところで、
鋳型装置120 の凝固の状態を見て凝固物Ｘを取り出す。
この凝固物Ｘは基地金属中に窒化物粒子が均一に分散し
た良質の窒化物分散強化複合材となっている。上記実施
方法では、大気中でプラズマアーク10を発生させたが、
発生装置100のカバー103 を外気と密閉可能な構造と
し、該装置の内部を外気から遮断して窒素ガスを充填
し、窒素ガス雰囲気としてプラズマアークを発生させて
もよい。また、上記方法ではるつぼ11に原料金属塊を供
給し、これをプラズマアーク10で溶解すると共に加熱し
て窒化物形成元素を窒化したが、るつぼ11には別途の溶
解炉で溶解した溶融合金を供給するようにしてもよい。

【００１８】尚、窒化物形成元素を基地金属中に所定量
含有した基地金属の合金（原料合金) があれば、この合
金塊をるつぼ11に供給するだけでよく、基地用母金属と
窒化物形成元素の単体金属又は窒化用母合金とを供給す
る必要がなくなり、便宜である。かかる原料合金は、前
記密封可能なカバー100Aを設けることにより、容易に製
造することができる。すなわち、装置の内部を窒素以外
の不活性ガス（例えばアルゴンガス) 雰囲気とし、基地
用母金属と窒化用母合金（例えば、銅とＣｕ−Ｚｒ合
金) との塊を所定の配合でるつぼ11に供給し、溶解すれ
ばよい。

【００１９】図３は多相多電極プラズマアーク発生装置
の他例100Aを示しており、図２の装置100 に対して粉状
の原料金属をプラズマアークの中心に連続的に供給する
連続供給機構81が付設されており、その他の構成は同一
であり、同符号が付されている。この連続供給機構81
は、粉状の原料金属を該機構内に装入するための装入口
13と、該装入口13の基底に配設され、原料金属の粉を一
定量ずつ送り出す定量供給装置14と、該定量供給装置14
からの原料金属を電極先端部9 の中心に導くための装入
とい15及び装入管16から構成されている。

【００２０】このプラズマアーク発生装置100Aによれ
ば、大気下において多数の電極の集中する中心部に粉体
状の原料金属を供給すると、該粉末がプラズマアークの
最高温熱部を通過する間に加熱溶解されると共に窒化物
形成元素が窒化されるため、微細窒化物が均一に分散し
た溶融金属を速やかに溶製することができる。原料金属
粉末を連続供給すれば、るつぼ11から溢れ出た溶融合金
をロート13を介して鋳型装置120 に連続的に供給するこ
とができる。

【００２１】次に、具体的実施例を掲げる。純銅 900ｇ
を灯油バーナるつぼ炉の黒鉛るつぼに入れて溶解し、更
にＺｒ−Ｃｕ母合金（Ｚｒ含有量30wt％) 50g を加えて
溶解した。その後、その溶融合金を図１の多相多電極
（黒鉛電極) プラズマアーク発生装置の黒鉛るつぼに供
給し、大気中で溶融合金の表面に非移行形プラズマアー
クを照射し、該溶融合金を2000℃以上に加熱すると共に
溶融合金中のＺｒを窒化した。プラズマアークの照射条
件は、63ＫＶＡで２分間とした。

【００２２】次に、プラズマアークによって加熱した溶
融合金を、φ200 ×200 mmの試料鋳造用黒鉛鋳型に鋳造
した。鋳造された試料は酸化を防止して1000℃で溶体化
処理された後、50％の冷間加工が施され、 500℃で焼き
戻された。この試料の断面を顕微鏡観察したところ、極
めて微細な窒化物が一様に分布していた。分散するジル
コニウム窒化物量は1.8vol％であった。また、硬度を測
定したところ 145Ｈｖと高硬度であり、導電率は88（Ｉ
ＡＣＳ％) と良好な値であった。この試料の組成を分析
した結果を下記に示す。単位はwt％であり、Ｚｒ％は遊
離Ｚｒの値である。

【００２３】Ｓｉ：０．０２％、Ｆｅ：０．０１％Ｚｒ：０．２３％、残部実質的にＣｕ該試料を800 ℃で１時間加熱した後、硬度を測定したと
ころ120 Ｈｖであり硬度低下はわずかであった。尚、粒
子分散のない同成分、同溶体化・時効処理後のＣｕ−Ｚ
ｒ合金の硬度は148 ＨＶであったが、800℃×１Ｈｒ加
熱後の硬度はＨｖ60程度と大きく低下した。また、実施
例の試料をるつぼ炉で再溶解し、凝固したところ、粒子
分散性の良好な合金が得られた。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の窒化物分散
強化合金の製造方法によれば、窒化物を形成しにくい基
地金属と該基地金属よりも窒化物を形成しやすい窒化物
形成元素とを溶解した溶融合金を窒素ガスを含む加熱雰
囲気中で高温アークにより加熱するので、加熱雰囲気中
の窒素ガスを解離乃至イオン化して活性化した窒素によ
って高温に加熱された溶融合金中の窒化物形成元素を容
易に窒化することができ、これによって生成した微細な
窒化物粒子を溶融合金中に均一に懸濁分散させることが
でき、この溶融合金を凝固することによって微細な窒化
物粒子が均一に分散した強化合金を容易に得ることがで
きる。また、加熱雰囲気として大気を用いれば、空気中
の窒素を利用することができるため、本発明を極めて容
易に実施することができる。また、高温アークとしてプ
ラズマアークを用いると、超高温の熱プラズマによって
速やかに溶融金属を加熱し、又窒素を解離活性化するこ
とができ高効率である。また、基地金属として銅又は銅
合金を用い、窒化物形成元素としてジルコニウムを用い
ることにより、耐摩耗性や高温における強度、導電性、
熱伝導度の優れた窒化物分散強化合金を容易に得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための多相多電極プラズマア
ーク発生装置の配置図である。

【図２】同発生装置の構成の概略を示す説明図である。

【図３】同発生装置の他例の構成の概略を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１黒鉛電極 1A 黒鉛電極２黒鉛電極 2A 黒鉛電極３黒鉛電極 3A 黒鉛電極４電流位相調整装置５電流位相調整装置６電流位相調整装置７３相交流電源９電極先端部 10 非移行形プラズマアーク 11 るつぼ 12 溶融合金 100 多相多電極プラズマアーク発生装置 100A 多相多電極プラズマアーク発生装置 120 鋳型装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融状態の基地金属中に窒化物が懸濁し
た溶融合金を凝固する窒化物分散強化合金の製造方法に
おいて、窒化物を形成しにくい基地金属と該基地金属よりも窒化
物を形成しやすい窒化物形成元素とを溶解した合金を溶
製し、該溶融合金を窒素ガスを含む加熱雰囲気中で高温
アークにより加熱し、該アークによって解離乃至イオン
化した窒素により溶融合金中の窒化物形成元素を窒化す
ると共に生成した窒化物を溶融合金中に懸濁することを
特徴とする窒化物分散強化合金の製造方法。
【請求項２】溶融合金を大気中で加熱する請求項１に
記載した窒化物分散強化複合材の製造方法。
【請求項３】プラズマアークにより加熱する請求項１
に記載した窒化物分散強化合金の製造方法。
【請求項４】基地金属が銅又は銅合金であり、窒化物
形成元素がジルコニウムである請求項１に記載した窒化
物分散強化合金の製造方法。