JPH1068001A - 回転電極法用金属間化合物消耗電極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Alを含む金属間化合物の粉末ＨＩＰ材が、常
温で加工性をもつための１つの条件は、酸素量が１００
０ｐｐｍ以下である。従来のこの種の粉末製法にはメカ
ニカルアロイング法と燃焼合成法があり、いづれも酸素
量は過大である。酸素量の低減が可能な回転電極法で粉
末をつくる場合、新たな課題として、電極の溶解から液
滴となって飛散するまでの過程で十分な融合が行なわれ
難く、金属間化合物特有の融点差のある化合物が偏在
し、粉末の偏析へもたらされる。 【解決手段】 電極材を鋳造でつくると、構成金属間化
合物の粒子が過大になることから、十分小粒子の構成元
素粉末を所定組成に配合し、電極材の形へプレス成形
し、非酸化性雰囲気下で加熱反応させたのち、組織均一
化のための真空熱処理を行なう。さらに、電極径を限定
し回転電極法で溶解の際にも、均一融合を行わしめるも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉末製造方法の１
種である回転電極法を利用して、Ａｌを含む金属間化合
物の球形粉を製造する場合に用いるための消耗電極と、
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＴｉＡｌやＮｂＡｌ金属間化合物は高温
構造材料としての開発が進められている。これらは、脆
く延性に乏しい材料であるため溶解鋳造材から高温鍛造
や高温熱処理によって、構造材料として、加工できる材
質への改善が試みられて来て実験規模ではかなりの見通
しが得れている。

【０００３】一方、これらの金属間化合物は難加工性材
料であるため実用にあったては粉末冶金法を応用した部
材成形も必要である。さらに、複合材料の開発において
も、粉末の利用が考えられている。このような粉末のニ
ーズに対して、従来、粉末およびその製造技術について
もいくつかのものが紹介されて来た。そのひとつは、原
料の金属粉末を目標組成に配合したものをボールミルや
アトライターなどを使って長時間練り合わせるメカニカ
ルアロイング法の応用である。この方法によっても金属
間化合物が合成されることは多くの研究によって立証さ
れている。しかし、この方法は、数百時間という長時間
を要する点と、製造装置内に原料粉がこびりつくことに
よる混練効果の不均一または装置材料の摩耗粉による不
純物の混入および、とくに酸素量の増加があって１％近
くにまで過大になるのが現状のため、実用部材の製造に
使うにはまだこれらの欠点の克服を必要としている。

【０００４】他のひとつの製法としては、配合された粉
末に着火して自己発熱反応させたのち粉砕することによ
り粉末をつくる方法があり、燃焼合成法として検討され
て来た。しかし、この方法で造られた粉末は主として粉
砕の工程で酸素量は４０００ｐｐｍ付近まで増え過大に
なるという問題がある。これらの金属間化合物は、たと
え本発明がねらいとする粉末冶金法においても粉末から
成形されたものは、構造材料としての加工において常温
の延性を数％以上確保することが望ましく、その基本的
条件として酸素量は少なくとも１０００ｐｐｍ以下であ
ることが必要である。したがって粉末化の工程で酸素量
の増加がない方法として、回転電極法が有効な粉末製造
方法であると言える。この方法は、酸素量が増加しない
という事は、使用する電極材において低酸素材を得る必
要がある。

【０００５】従来、このために溶解鋳造インゴットを電
極材に加工して用いられて来た。しかし、ＴｉＡｌにお
いては原料のＴｉとＡｌの融点差は約１，１６０Ｋ、Ｎ
ｂＡｌにおいては約１７５５Ｋもあり、くり返し溶解を
重ねることにより成分偏析を克服して来た。ここで、電
極材とするにはさらに新たな問題として、溶解インゴッ
ト中における金属間化合物が、回転電極法で造ろうとす
る粉末粒径より大きいものを含み、融点がより低いまわ
りの相の溶解によって流動し、十分に融合しないまま、
非球形粉となって飛散し、粉末中に混在する。したがっ
て、従来は鋳造インゴットを熱処理し均一なラメラー組
織にするか、または小規模溶解から、電極1本、1本の鋳
造で粒成長を抑制したインゴットを作製して用いて来て
おり、実験室的手法の域を出ていないばかりか、鋳造か
らスタートする材料の製法にくらべ、さらに粉末へもど
してインッゴットへ到るというまわり道をしていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】粉末の利用は最終的
には、ホットプレスやＨＩＰによってバルク材をつくる
ものであるが、その酸素含有量は室温の延性に関係し、
燃焼合成による粉末の４０００ｐｐｍでも、それによる
バルク材の引張伸びは１％程度である。ホットプレスや
ＨＩＰの工程で酸素量が増えるものではないので、粉末
自身の酸素量を下げておく必要がある。粉末の製法とし
て回転電極法を利用すれば、その工程で、酸素量は増え
ないという利点がある。したがって、電極材の酸素量を
低くすることが必要で、本発明のひとつのねらいは、こ
の点にある。

【０００７】次に、従来低酸素電極として、溶解鋳造に
よるインゴットを電極材に利用する方法をとって来た。
この場合、溶解炉材からの酸素ピックアップを避ける溶
解法をとり、且つ、構成材料の物性値のちがいからくる
溶解偏析を生じないようくり返し溶解操作を行なって来
た。しかし、回転電極法においては、電極面に融液が形
成されると遠心力によって直ちに流動し、電極端部から
液滴となって飛散することから、本発明が対象とするよ
うな金属間化合物材料は、融点の異なる化合物によって
構成されるため、これらが電極材中で大きく偏在する
と、電極面での融液中に融合しない化合物が残り、見か
け上は、粉末の中に非球状粉末として混在する。この点
は、電極材を溶解鋳造してつくる場合に留意すべき点で
あり、この事のみについて言えばメカニカルアロイング
や燃焼合成の方法が電極材の製法に適している。本発明
は回転電極法における粉末生成現象の特性をもとに、電
極材からのこのような偏析を粉末へもたらさないように
なされたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１は、１５０
μｍ以下の構成元素または化合物が分散して存在し、酸
素量が１０００ｐｐｍ以下のＡｌ含有金属間化合物で直
径が３０ｍｍを超え、８０ｍｍ未満の回転電極法用金属
間化合物消耗電極。本発明の第２は、粒径が１５０μｍ
より小さい原料粉末を、作ろうとする金属間化合物の目
標組成に配合し混合したものをプレス成形し、非酸化性
雰囲気の中でいったん８７３Ｋから徐々に昇温し、自己
発熱反応をおこさせたのち、次に１２７３Ｋ以上の温度
で拡散熱処理し、これを直径が３０ｍｍを超え、８０ｍ
ｍ未満の丸棒に加工することによって、回転電極用金属
間化合物消耗電極を製造する方法である。

【０００９】その技術的構成は、原料粉末の粒径をあと
の拡散熱処理との関係ならび回転電極法における溶解均
一化の点から制限したこと、自己発熱反応合成はプレス
成形後におこない、反応を完全に行なわしめると共に酸
素量が増えるおそれのある粉砕工程を入れずにそのまま
電極材にしたこと、反応合成は、そこで炉温の上昇操作
を停めて、反応熱による炉の損傷を防止した事、その
後、さらに高温の熱処理を以て、成分の拡散と組織の均
等化を行わしめたこと、そして回転電極法の溶解現象か
ら電極径を限定することにより、溶解面の融液の均一融
合を行わしめた事にある。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明における電極の製造は、１
５０μｍ以下の原料粉末の混合粉を用いており、自己発
熱反応合成を含んでいる。昇温過程でＡｌの融点近傍に
おいて合成反応がはじまるが、Ａｌ以外の高融点原料の
粒径が大きいと、末反応で残留することが多くの実験結
果によってわかった。その限界は１５０μｍ以上のとこ
ろにあり、本発明では完全に反応がおこる１５０μｍ以
下に限定したものである。

【００１１】また、この１５０μｍは本発明の方法によ
る回転電極溶解の際の均一化融合の限界値でもある。原
料粉末の混合は不活性ガス中でおこない、密度に大きな
差のある材料の混合法であれば十分である。プレス成形
は、原料粉末の形状によっては単軸プレスでも良いが、
成形密度にバラツキの少ない冷間静水圧加圧(ＣＩＰ)に
よるのが望ましく、最終の電極形状を得る寸法に行な
う。本発明条件の原料においては３４０ＭＰａで十分で
ある。これによってあとの反応合成における熱電導が得
られ反応は十分に進行する。

【００１２】合成反応は８７３Ｋ以上に加熱することに
よって開始する。反応熱によって炉温が上昇するので炉
の損傷をおこさないために、反応の終結を炉温の管理に
よって見極めたのち、次に高温熱処理の温度へ昇温する
ものである。ＣＩＰ成形されたものを不活性ガス雰囲気
のもとで、擬ＨＩＰを利用して合成反応をおこさせる方
法は、反応合成によって、体積の膨張があるのを抑制す
る効果があり、この方法は本発明に含まれる１態様であ
る。反応合成した電極は異種の金属間化合物を混在し、
組織は不均一をともなうものである。これをさらに１２
７３Ｋ以上で高温熱処理し、組織の均一化と成分拡散を
行うものである。成分元素の拡散は温度と時間との関係
で進み、１２７３Ｋ以下ではいたづらに長時間を要する
もので実用的には材料に応じ１２７３Ｋ以上で融点未満
の温度で行なうものである。このようにして得られた電
極材中の金属間化合物は、１５０μｍを超えるものはな
く、鋳造電極とは特徴的に異なるものである。

【００１３】本発明のように溶解せず粉末原料から出発
してつくられた電極は、若干の気孔を有するため回転電
極溶解において鋳造電極とは異なる溶解現象を示すため
電極サイズを本発明は３０ｍｍを超え、８０ｍｍ未満に
限定するものである。３０ｍｍ以下では、電極の溶解面
に融液の保持が難しく、電極面において、液体となっ
て、直ちに飛行し去る。一方、８０ｍｍ以上では電極の
固体部分への熱拡散によって溶解面の融液が、一部凝固
し、適正な融液保持ができなくなり、液滴の飛散が円滑
におこなわれなくなる。この点を解決する手段は更に熱
源のパワーアップですむものではなく、回転電極法にお
ける電極面での融液の流動と電極端部における液滴の生
成現象を考慮した熱源の配置を必要とし、通常の回転電
極法とは別の技術を要するものである。

【００１４】金属間化合物の構成組織には融点差の大き
いものが含まれ、もしも電極材で組織の偏析が大きく残
っていると低融点組織部分の先行溶解がおこり、電極面
で融液の流動がはじまり、特定の組成化合物が分離した
まま粉末中に非球形粉として混在する。これを皆滅する
ため、電極材の熱処理による組織改善に加えて、電極の
溶解面においても若干とけ込んた凹面状態をとり、融液
層を電極面に保持するのが有効であり、そのような手段
がとれる電極径は３０ｍｍを超え、８０ｍｍ未満であ
る。

【００１５】

【実施例】原料粉はＴｉについては水素化チタンの不活
性ガス中における粉砕を経て脱水素処理した酸素量が８
００ｐｐｍのものを用い、Ｎｂは化学的な精製を経てつ
くられた酸素量が５９０ｐｐｍのものを用い、Ａｌにつ
いてはアルゴンガスアトマイズによってつくられた酸素
量が９００ｐｐｍのものを用いた。

【００１６】これらはグローブボックスを用いてアルゴ
ンガス雰囲気の中で、篩分し、夫々の粒径のものを同じ
くこのグローブボックスの中でＴｉとＡｌについては重
量比で６７：３３にＮｂとＡｌの組合せについては重量
比で９４：６に配合した。これらは円筒形の容器に夫々
密閉封入したのちグローブボックスから取り出し、３次
元揺動のミキサーに装着し、３０分間運転した。運転後
１時間たって混合粉を取り出し、ネオプレン製の円筒容
器に脱気、封入したのちＣＩＰ機を使って、３４０ＭＰ
ａの水圧により丸棒に成形した。

【００１７】成形された丸棒はジルコニア粉末に埋めて
真空炉に入れ、圧力５×１０^-3Ｐａ以下において、先ず
８７３Ｋまで昇温し、炉温計を見ながら除々に昇温し、
自己発熱反応がはじまったら、炉の昇温をやめ、反応完
結を待った。炉温が落ちついたところで再び昇温し、高
温処理を行なった。電極の酸素量はＮｏ.3のＴｉＡｌに
おいて８４０ｐｐｍ、Ｎｏ.14 のＮｂＡｌにおいて、６
１０ｐｐｍであった。

【００１８】高温熱処理を行なった丸棒は機械加工によ
り、各サイズの電極に仕上げ、回転電極装置を用いて、
粉末を製造した。電極径とプラズマ回転電極の操業条件
および得られた粉末の形状をまとめて表に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【発明の効果】本発明の方法によれば、原料粉末とその
配合比の選択によって任意の組成の回転電極法用電極を
つくることができ、この電極から得られる回転電極粉末
は、従来の他のどの方法による粉末よりも酸素量を低く
することができる。将来の材料とされるＡｌを含む金属
間化合物の難加工性を粉末冶金法で克服するために十分
な性能の粉末を提供できるものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １５０μｍ以下の構成元素または化合物
   が分散して存在し、酸素量が１０００ｐｐｍ以下のＡｌ
   含有金属間化合物で直径が３０ｍｍを超え、８０ｍｍ未
   満の回転電極法用金属間化合物消耗電極。
2. 【請求項２】 粒径が１５０μｍより小さい原料粉末の
   うち、そのひとつがＡｌであって、これらを目標組成に
   配合し、混合したものをプレス成形し、非酸化性雰囲気
   の中でいったん８７３Ｋ以上の温度に加熱し、自己発熱
   反応をおこさせたのち、次に１２７３Ｋ以上の温度で熱
   処理してつくることを特徴とする回転電極法用金属間化
   合物消耗電極の製造方法。