JPS6176640A - 金属間化合物相に強度を付与されたアルミニウム化ニツケル基合金 - 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】 発明の背景 紡口の特許出願によって本発明者等は、ある種の組成物
において新規な組合せの強度および延性を実現すること
を可能にするようなホウ素添加剤を含有する１群の合金
を開示した。この特許出願とは１９８２年１１月２９日
に提出されかつ本願の場合と同じ譲受人に譲渡された米
国特許出願第４４４９３２号であって、その内容は引用
によって本明ｍ　ｆ３中に併合されるものとする。

上記特許出願の明細湯中に指摘されている通り、２種以
上の金属元素から成る多くの系においては、ある種の組
合せの組成および処理条件の下で一次固溶体以外の相が
現れることがある。かかる他種の相は一般に中間相とし
て知られている。多くの中間相は、γやＴ′のごときギ
リシｐ文字によつて表わされる。それらはまた、たどえ
ばＣＩＪ３Ａ／７．ＣｕＺｎＪｙよひ〜Ｉ！］　２　Ｐ
ｂのごとき式ニヨッてし表わされる。元素間に簡単な近
似的化学ｍ論比をイイするこのような中間相組成物は、
一定の温度範囲ＪＥよぴ一定の組成範囲にわたって存在
することかある。

１１、ｌ、には、Ｍリ−１〕］）系中に見出されるＭ（
１２Ｐｂ７しの場合のごとく、完全な秩序を持った真の
化学ω論的化合物が生じることも判明している。かかる
化合物の各＋１４成元素が金属元素である場合には、そ
のような中間化合物自体を金属間化合物と呼ぶのが菌通
である。

上記のごとき中間相および金属間化合物は、しばしば、
系を（を成する成分金属の性質とは全く異なる性質を示
１゜それらはまた、複合結晶構造を行Ｊることち多い。

−次回溶体に比べて中間相のある種の性質が責４にるこ
と（たとえば、硬さの増大、延性の低１；Ｊ５よび導電
性の低下）は、そのような複合結晶構造の対称度が低く
かつ高原子密度面が少ないという事実に関連している可
能性がある。

たとえば硬さ、強度、安全性、高温下での耐酸化性や耐
食性に関して望ましい性質を持った何種類かの金属間化
合物が既に確認されているが、それらには延性が欠ける
という特徴があり、そのことが構造材料としての使用を
署しく妨げてきた。

事実、これらの材料中のあるものは非常に脆いため、そ
れの固形物を先ず粉砕して粉末とし、次いで粉末冶金技
術によって製品に加工する目的で製造されてきたのであ
る。

日本の文献中に見出される最近の論文には、Ｎｉ　３　
Ａｌ多結晶質材料に痕跡ｍ［０，０５〜０゜１　（ｆｆ
ｌ１２ｔ）％１のホウ素を添加すると、本来ならば脆く
て延性に欠けるこの金属間化合物の延性を向上させ得る
ことが開示されている。これに関しては、「日本金属学
会雑誌」第４３巻（１９７９年）の３５８頁に発表され
たアオキおよびイズミの論文を参照されたい。それによ
れば、ホウ素を含有するＮｉ　３　Ａｌの破断点におけ
る空温引張ひずみは、ホウ素を含有しない場合の約３％
に比べで約３５　％にまで向上した。しかし、室温降伏
強さは約３０ｋｓｉの狛に留まった。なお、この日本の
論文中には対蒙となるホウ素含有組成物の急速凝固につ
いては全く述べられていない。

１９８２年１１月２９日に提出された前回の米国特許出
願第４４４９３２号の方法によれば、合金製法が急速凝
固工程を含む場合には０．０１〜２．５（原子）％のホ
ウ素の添加が一層顕著な性τ：［改善をｂたらすことが
実証された。更に詳しく述へれば、前回の特許出願明細
湯中に記載されている通り、０．５〜２．０％のホウ素
を含有する急速（疑固組成物においては好適な性質が得
られ、また、約１．０％以下のホウ素を含有する急速凝
固組成物においては最適な組合せの降伏応力および破断
点ひずみが１１１られることが判明している。

発明の簡単な記）ボ そこＣ本発明の目的の１つは、高温下で使用するための
改良された合金を提供することにある。

また、艮１ｕｌ１間にわたり高温下で使用し得るニッケ
ルーアルミニウム合金を提供することも本発明の目的の
１つである。

更にまた、Ｌ１２形の結晶構造を示しながらも顕著な延
性および強度を有するようなニッケルーアルミニウム合
金を提供することも本発明の目的の１つである。

更にまた、アルミニウムの一部が他の元素によって置換
されており、それによって特異な組合せの物理的性質を
示すようなニッケルーアルミニウム合金を提供すること
も本発明の目的の１つである。

本発明のその他の目的および利点に関しては、一部は以
下の説明を読めば自ら明らかとなろうし、また一部は以
下の説明中において指摘されるであろう。

上記およびその他の目的は、本発明に従って一般的に述
べれば、式 ％式％ （式中、Ｘはバナジウムおよびケイ素から成る群より選
ばれた置換金属であり、またｙは９８≦ｙ≦９９．９の
範囲内にある）で表わされる組成を有しかつＬ１２形の
結晶＋ｉ４造を示す急速凝固合金組成物によって達成プ
ることができる。

本発明は、添ｊりの図面を参照しながら以下の説明を読
むことによっで一層明１ｉＴｆに埋’ｉｆｆ　８れよう
。

発明の詳しい説明 このたび意外にｂ系の第３成分としてホウ素を３イ１す
るばかつでなく、１群の金属中から選ばれた置換金属を
系の第４成分として含有するような７”−Ｎｉ　３　Ａ
ｔ中間（０の合金系においては一層の↑１買改善が可能
であることが見出された。

ここで言う「置換金属」とは、合金系の必須成分である
金属の相合けの一部を成す異種の金属に取って代わり、
それによってかかる異種の金属に冒き換わるような金属
を意味する。

たとえばＮｉ　３　Ａｌ中間相の合金系について言えば
、成分・金属はニッケルＪ３よびアルミニウムである。

かかる系中にＪ＞いては、これらの金属はアルミニウム
１原子当りニッケル３原子という化学量論的な原子比で
存在している。望ましい結晶形態およびそれにｕｌ、Ｉ
随する優れた物理的性質を得るためには、Ｎｉ　３　Ａ
ｔのｌ！結晶を生成すればよいことが判明している。し
かるに、多結晶質のＮｉ　３　Ａｔは極めて脆いのであ
って、この材料を有用な製品に加工しようとしたり、あ
るいはかがる製品を使用に供したりザる際に加わる応力
の下では破砕が起こってしまうのである。

前述の米国特許出願第４４４９３２号明細内申に記載の
ご゛とく、急速に冷Ｗして凝固させるへき上記′の合金
系中にホウ素を含有させれば、得られる急速凝固合金に
対して望ましい延性を付与しく昇ることが既に判明して
いる。

このたび、アルミニウム成分の一部をある種の金属で置
換すれば有益であることが見出された。

本明細書中では、このような金属を以後は置換金属（す
なわら、Ｎ！　３　Ａ１合金系中のアルミニウム置換成
分）と呼ぶことにする。更にまた、化学Ｍ論的比率を保
持しながらも合金系の第４成分として置換金属を含有す
るような急速凝固合金組成物にも有用かつ有益な性質が
付与されることも見出された。

本発明の合金組成物は、第１成分およびそれとは異なる
第２成分を含有しなければならない。かかる合金組成物
はまた、本明細書中および前述の米田特許出願第４４４
９３２号明細書中に記載のごとく第３成分としてホウ素
を含有しなければならず、そして更に本明細書中に記載
のごとくアルミニウム置換成分として第４の成分を含有
しなければならＯい。

上記の第１成分はニッケルであることが好ましい。

更にまた、第１成分および第２成分は実質的に化学量論
的な原子比で存在しなければならない。

実例としては、存在するアルミニウム１原子当りニッケ
ル３原子を第１成分として含有するようなアルミニウム
化ニッケルが挙げられる。

生成される合金組成１カは、Ｌ１２形の結晶構造を示Ｊ
特定の金属間化合物相を有していな番プればならない。

かかる合金組成物はまた、少なくとも約１０３°Ｃ／秒
の冷却速度で溶融物を冷ｒＪＩ　Ｌ、それにより主相が
規Ｉす状態または不規則状態のＬ１２形結晶構造を示す
ような固体を生成する方法に従って製造されたものでな
ければならない。かかる合金組成物を生成するための溶
融物は、第１成分および第２成分を約３：１の原子比で
含有していなければならない。

前述の米国特許出願用４４４９３２号明１ｎｉＪｌ中に
指摘されている通り、このような組合せの成分を含有し
かつ急速凝固技術に従って処理された合金組成物は降伏
後破断点ひずみおよび０．２％オフセット降伏応力の両
方に関して予想外に高い値を示ず。なお、１〜２％のホ
ウ素含母においては破断点ひずみの値が一般に低下する
から、第３成分として添加されるホウ素の好適な含量範
囲は０゜５〜１．５％である。

前回の特許出願の発明によれば、最適なホウ素添加帛は
約１（原子）％であって、その場合には急速凝固製品に
おいて窄湯下で約１００ｋｓｉの降伏強さを達成し１ｑ
ることが見出された。なお、かかる製品の破断点ひすみ
は至温下で約１０％であった。

このたび意外にし、見本アルミニウム成分に対りる１１
冒換成分どして特定の第４成分を添加づれば、ホウ素添
加と急速凝固との併用によって１９られる勇名に１少れ
た強度特性を過去に例を見ないレベルにまで向上させ得
ることが見出された。

２！速凝固組成物中に冒換成分として添加して先例のな
い１１性向上をｊヱ成するために有利に使用し１！ノる
第４成分とし−（は、バノジウムＪ３よびケイ素が挙げ
られる。

更にまた、かかる四元組成物において急速１疑因により
等軸結晶（１η造が生成される場合には、非等１１１１
１結晶構造が生成される場合よりも平均して実質的に良
好な性質が得られることも見出され、１１２察されかつ
確認された。このような等軸結晶構造は、再結晶の結末
として生じるものと信じられる。なお、再結晶は単−相
の物質中において容易に起こり１９ることが知られてい
る。

第４成分かつアルミニウム置換成分としてバナジウムま
たはケイ素を約５（原子）％の割合で添１１１１　した
場合には、見ｕ）ｔプ上、急速凝固処理の影響下でホウ
化物やその他の相が生成されることはない。

合金の調製後に行った測定において認められる特性の向
上について述べれば、本明細日中に記載のごどき合金の
試験結果はかなり意外なりのであった。１肝の試料に関
する特性（詳しく述べれば応力特性）を第１図に示す。

この図は、応力（単　　　′位ｋｓｉ　）をひずみ〈単
位％）に対してプロットした線図である。

第１図から明らかな通り、１（原子）％のホウ素を含有
するＮｉ　３　Ａ１合金は最低の応力値を示したのに対
し、試験した残り２　Ｆ！の試料は意外にも顕著に高い
応力値を示した。特に５（原子）％のケイ素を含有する
試料は最高の応力値を示したのであって、その値は約１
８５ｋｓｉで必った。

本発明の実施に当っては、先ず最初に１１２形の結晶構
造を示す金属間化合物相が選定される。

選定基準は最終用途の環境に依存するが、それはまた選
定された材料に対して要求される性質（たとえば強度、
延性、硬さ、耐食性および疲れ強さ）をも決定する。

工業的に見て興味深い金属間化合物相を代表しかつ特に
望ましい性質を右するものとして、ニッケルーアルミニ
ウム二元合金系中に見出されかつγ／γ′ニッケルＥ−
Ｓ　［合金中のγ′相として知られるフッルミニウム化
ニッケル（Ｎｉ　３　Ａｌ　）がある。アルミニウム化
ニッケルは、硬さが大きいと共に、安定でありかつ高温
下でｆｒ４酸化性および耐食性を示づことから、（１１
１造材料として有望なものと児なされでいるａ　Ｎ　ｊ
　３　Ａ　’の中結晶は特定の結晶方１ｒＺにおいては
良好な延性を承りが、Ｔ業的見地からすれば特に重要な
形態である多結品質の６のは延性が小さく、また結晶粒
界に沿って脆性破壊を生じる。

アルミニウム化ニッケルは７５（原子）％のＮｉΩω下
で３．５８９人の格子定数ａ。を持ったＣｕ３Ａ＋形［
水門ｆｆ１ｌ　Ｕ！中において使用されるシュ１−ウル
クトウールベリヒト（Ｓ　ｔｒｕｋｔｌＪｒｂｏｒｉｃ
ｌｌ（）命名法によれば１−１２形１の規則正しい面心
立方（ＦＣＣ）結晶描遣を示し、そして約１３８５〜１
３９５℃の温度範囲内で融解する。このようなアルミニ
ウム化ニッケルは、それぞれ６６０°Ｃおよび１４５３
℃の融点を有するアルミニウムおよびニッケルから生成
される。しばしばＮｉ３Ａｌと表わされるが、アルミニ
ウム化ニッケルは１つの金属間化合物相であって独立し
た化合物ではない。なぜなら、それは温度に応じて一定
の組成範囲にわたり存在するのであって、たとえば６０
０℃では約７２．５〜７７（原子）％［８５゜１〜８７
．８（単品）％］のＮ１含吊範囲にわたって存在するか
らである。

こうして選定された金属間化合物相は、その金属間化合
物相の組成と合致した組成を有する溶融物の形で用意さ
れる。かかる溶融物は、金属間化合物相の２種の成分を
約３：１の原子比で含有する混合物に約０．０１〜２．
５（原子）％のホウ素を添加したものから本質的に成っ
ている。一般的に言えば上記の成分は２秒の相異なる元
素から成るが、場合によっては、約３；１の原子比を維
持しながら金属間化合物相を（立成する２種の元素の−
１ｉ：土たは両方を１ｆ重以上の元素で部分的に置換す
ることもできる。かかる溶融物は金属間化合物相のＤ；
（子おＪ、び小つ索１京子のみから成るのが理想的であ
るが、時には１種以上の偶発不純物の原子が溶融物中に
不可避的に混入しても差支えは４【いことが認められて
いる。

次に、かかる溶８１１物を少なくとも約１０３〜１０’
の速麻で２速に冷ＩＪＩダることにより、主相が）９則
状態または不規則状（さのＬ１□形結晶侶造を示づよう
な固体が生成される。詳しく述へれば、急速に凝固さけ
た固体は主として所定の金属間化合物■１と同じ結晶構
造（ＴｌなわらＬ１２形の結晶構造）を示すが、その他
の相（たとえばホウ化物）が存在することもあり背る。

また、冷却速度が大きいため、２！速に凝固させた固体
の結晶構造は不規ｆｕｌｌ状態を成すこと、つまり規則
状態の固溶体に見られるごとく原子が結晶洛子上におけ
る特定の因明的位置を占めるのではなくて結晶洛子上の
ランダムな位買を占めることもあり得る。

所要の大きい冷却速度を達成するためには、たとえばス
プラット冷ＦＪＩ法のごとき幾つかの方法かある。所要
の冷７Ｊ］速度を達成するために好適な実験室的方法と
してはチルブロック溶融紡糸法が挙げられる。

チルブロック溶融紡糸法について簡単に述べれば、通例
は不活性ガスの圧力下でるつぼ内の溶融金属をノズルか
ら押出Ｊことにより、遊離した液状金属流またはノズル
に接触した液状金属ｉ主が形成される。かかる液状金属
が銅のごとき材料から作られたチルブロック（すなわら
冷却支持体）の急速運動表面に衝突させられるか、ある
いはその他の方法で接触させられる。

融解すべき材料としては、所要元素の個別の固体をるつ
ぼ内に装入してからるつぼの周囲に配置された誘導コイ
ルのごとき手段によって融解してもよいし、あるいは予
め調製した［粗合金Ｊをｔ′ｌ）砕してからその粉砕物
をるつぼ内に装入してもよい。低温のチルブロックに接
触すると、溶融金属は約１０３〜１０’°Ｃ／秒の速度
で急速に冷却され、そして厚さよりも著しく大きい幅を
持った連続的な俵いリボンを成して凝固する。なお、チ
ルブロック溶表独紡糸法の一層詳細な説明はたとえば米
国特許第２８２５１０８．４２２１２５７および４２８
２９２１号明細ｍ中に見出すことができる。

本発明の新規なプ〕法を更に説明しかつそれの故多い利
点を実５１Ｆするため、以下に実施例を示す。

これらの実施例は木弁明を例示するためのものであって
、それの範囲を制限するものではない。

実、Ｉｌｌ！ｉ例１ 約３原子部のニッケルおよび１原子部のアルミニウムか
ら成りかつ１（原子）％のホウ素を含有する組成の鋳１
卑を調製して扮砕した後、約６０（＋の粉砕物をチルブ
ロック溶融紡糸装首のアルミナ製るつぼ内に装入した。

なお、かかる鋳塊は式％式％ ″Ｑ表わされる組成を右していた。

るつぼの終端（よ平底の出口部分を成していて、そこに
は０，２５インチ＜６．３５ｍｍ）Ｘ２５ミル（０，６
３５ｍｍ）の！！ｌ’ｉ穴が設けられている。曲方、チ
ルブロックは直径１０インチ（２５，４ＣＴＩ＋＞の側
面および厚さ１．５インチ（３，８σ）のリムを有する
Ｈ−１２工具鋼製の＠輪から成っていた。側面の中心を
通りかつ側面に対して垂直な水平軸の回りに車輪を回転
させた場合、＠輪のリム面が流延面（または冷Ｈｊ面）
として使用し）９るＪ、うに車輪を配置した。るつぼを
直立状態に配置し、そして流延面から約１．２〜１．６
ミル（３０〜４０μ）以内にまで近１寸けた。その際に
は、溝穴の０．２５インチの長さ方向が車輪の回転方向
に対して垂直になるようにした。

重輪を１２００ｒｐｍの速度で回転さ″せながら、溶融
物を約１３５０〜１４５０℃に加熱し、そして約１．５
ｐｓｉのアルゴン圧力下で押出した。矩形の流れを成し
て流出した溶融物は回転する流延面に接触し、それによ
って厚さ約４０〜７０μかつ幅約０．２５インチの長い
リボンが形成された。

かかるリボンについて曲げ延性試験を行ったところ、１
．０の値が得られた。この曲げ延性１１ｎは、リボンを
１８０°まで折曲げても破壊が起こらないことを示して
いるつ 実ｔｌＡ例２ 同じ装置を用いて実施例１の操作を繰返すことりより、
ホウ累添加ｘｒ　３　Ａ＋基本組成を変更してｌｒＪら
れる式 ％式％ の組成をイ１する親鋳塊を調製した。

実／ＩＩ！ｉ例１と同様にして、かかる鋳塊からリボン
を形成した。

こうしで形成されたリボンについて曲げ延性試験を行っ
たところ、０．０４の１直が得られた。この曲げ延竹賄
は、リボンの破壊が起こる曲げ半径でリボンの厚さを割
ることによって求めたものである。

実施例３〜１２ 下記第１表中に示されるような組成を有する合金番号９
６．１０１．１１１〜１１７および１２５の１０秤の親
鋳塊を実施例１と同様にして調製した。これらの鋳塊に
ついて、実施例２と同様にしＣ曲げ延性試験を行った。

得られた曲げ延性値は下記第１表中に示す通りであった
。

これらの試料においては、＠高度の曲げ延性（曲げ延性
値＝１．０＞を示Ｊ−ことと等軸結晶構造が生成される
こととの間に相関関係のあることが見出された。下記′
ｆ５１表中にはまた、いずれの試料においてＷ軸結晶構
造または非等軸結晶構ｊムが認められたかということも
示されている。

ここで再び第１図中にプロットされたデータを検討づれ
ば、アルミニウムの部分買換成分としてケイ素を含有す
る８速凝固させたホウ素添加アルミニウム化ニッケル基
合金のｋｓｉ　１７２位の応力値は、アルミニウムに対
する置換成分を含有しない類似の合金に比べて実質的に
高いことが明らかである。

置換金属を含有しないアルミニウム化ニッケル基合金の
ｋｓｉ単位の応力値は下方の曲線によって　　　　　・
示される通りであって、この合金の降伏応力は１３５ｋ
ｓｉである。

最上部の曲線に関りる降伏応力は、それよりも杓３７％
高くて１１３５ｋｓｉである。これは、急速；疑［Ｉ９
ざぼたホウ素添加アルミニウム化ニッケル基合金の引張
特性の向上という点で当業者の能力を超えた予期せぬＩ
ＫＪ著な進歩であることを示している。

更に第１表中の実施例６から明らかな通り、忠′、ｉＡ
凝固させたホウ素添加アルミニウム化ニッケル基合金中
にアルミニウムの置換成分としてバナジウムが含有され
る場合には、１．０の曲げ延性値を示すような組成物が
１ｑられた。かかる組成物は、等軸結晶構造を示ずこと
が判明した。

アルミニウムの置換成分として使用された第１表中のそ
の他の元素と比較すれば、ケイ素およびバナジウムが紡
口の米国特許出願第４４４９３２号のホウ素添加アルミ
ニウム（ヒニッケル基合金について特異かつ有利な性質
改善をもたらすことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Ｎ！　３　Ａｌ基本合金並びにニッケルＪ５
よびアルミニウム成分に対する置換金属を含有した合金
（いずれも１原子％のホウ素を含有）の０．２％オフセ
ット降伏応力に関し、応力値（単位ｋｓｉ）をひずみ（
単位％）に対してプロットした線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、式 （Ｎｉ＿０＿．＿７＿５Ｘ＿０＿．＿０＿５Ａｌ＿０＿
   ．＿２＿０）＿ｙＢ＿１＿０＿０＿−＿ｙ（式中、Ｘは
   バナジウムおよびケイ素から成る群より選ばれた元素で
   あり、またｙは９８≦ｙ≦９９．９の範囲内にある）で
   表わされる組成を有しかつＬ１＿２形の結晶構造を示す
   、急速凝固させたホウ素添加アルミニウム化ニッケル基
   合金。 ２、Ｘがバナジウムである特許請求の範囲第１項記載の
   アルミニウム化ニッケル基合金。 ３、Ｘがケイ素である特許請求の範囲第１項記載のアル
   ミニウム化ニッケル基合金。 ４、ｙが９９である特許請求の範囲第１項記載のアルミ
   ニウム化ニッケル基合金。 ５、Ｘがケイ素である特許請求の範囲第４項記載のアル
   ミニウム化ニッケル基合金。 ６、Ｘがバナジウムである特許請求の範囲第４項記載の
   アルミニウム化ニッケル基合金。