(57)【要約】【課題】高温で母材溶解させることなく、鉄と亜鉛からなる鉄亜鉛化合物を作製する。【解決手段】平均粒径が１００μｍ未満１μｍ超の鉄および亜鉛の粉末を真空もしくは不活性ガス中で混合した後、該粉末を外部の圧力を内部に伝えるBN製の容器内に入れ、該容器全体を該粉末と鉄／亜鉛比率の違いが10%以下である鉄および亜鉛の粉末、もしくは、ＢＮ粉中に入れて外部より圧力を加えながら、４２０℃超８５０℃未満の温度域で少なくとも１時間以上加熱して鉄亜鉛化合物を製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄と亜鉛からなる鉄亜鉛化合物を製造するための製造方法であって、
平均粒径が１００μｍ未満１μｍ超の鉄および亜鉛の粉末を真空もしくは不活性ガス中で混合した後、該粉末を外部の圧力を内部に伝えるＢＮ製の容器内に入れ、該容器全体を該粉末と鉄／亜鉛比率の違いが１０％以下である鉄および亜鉛の粉末、もしくは、ＢＮ粉中に入れて外部より圧力を加えながら、４２０℃超８５０℃未満の温度域で少なくとも１時間以上加熱して鉄亜鉛化合物を製造することを特徴とする鉄亜鉛化合物の製造方法。
【請求項２】
前記鉄亜鉛化合物は、鉄亜鉛金属間化合物であることを特徴とする請求項１に記載の鉄亜鉛化合物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温プロセスにより鉄亜鉛化合物を製造する方法として好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金属系材料の作製には、目的とする組成を構成する各元素の金属塊もしくは粉を用いて、それらを順次、もしくは同時に溶融して混合し、冷却する方法が広く用いられる。
【０００３】
しかし、この方法を用いて、鉄と亜鉛からなる鉄亜鉛化合物を作製しようとしても、鉄の融点（約１５３６℃）が亜鉛の沸点（約９０７℃）よりも高いため、鉄が溶融した状態で亜鉛が蒸発してしまい、目的とする組成の鉄亜鉛化合物を得ることが非常に困難であった。
【０００４】
この問題を回避するために、例えば、溶融した状態の鉄に亜鉛を少しずつ溶融させる溶解を繰り返すことにより、数ｍｍ角程度の小サイズのものであれば所定の化学組成の鉄亜鉛化合物を得ることに成功したことが報告されている（非特許文献１）。しかし、この方法を実際に試したところ、何度も溶解を繰り返す必要があるうえに、溶解中の亜鉛の蒸発を完全に防ぐことはできず、蒸発した亜鉛が溶解炉内壁に触れて冷却／析出し汚染が生じて、工業プロセスとしては問題があることが確認された。
【０００５】
また、特許文献１には、鉄粉と鉄系合金鋼粉を含む原料粉末を加圧成形することにより鉄系焼結合金の製造方法が提示されているが、この製造方法は、フェライト−マルテンサイト二相組織である鉄粉を使用しなければならない制約があるうえに、鉄−亜鉛、のように融点・沸点の温度差が大きな場合には適用困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−９０４７０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Hong, M. H. and Saka, H.  (1997). Acta. Mater. 45(10): 4225.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、鉄亜鉛化合物の製造方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】
【０００９】
本発明者らは、鉄亜鉛化合物の製造方法に関して検討した結果、鉄と亜鉛の粉末を用いて、できるだけ低温にて両者の拡散反応を加速することにより、高い歩留りで製造可能であることを見出し、本発明に至った。すなわち、本発明は、以下の通りである。
【００１０】
鉄と亜鉛からなる鉄亜鉛化合物を製造するための製造方法であって、平均粒径が１００μｍ未満１μｍ超の鉄および亜鉛の粉末を不活性ガス中で混合した後、該粉末を外部の圧力を内部に伝えるＢＮ製の容器内に入れ、容器全体を該粉末と鉄／亜鉛比率の違いが１０％以下である鉄および亜鉛の粉末、もしくは、ＢＮ粉中に入れて外部より圧力を加えながら、４２０℃超８５０℃未満の温度域で少なくとも１時間以上加熱して鉄亜鉛化合物を製造することを特徴とする鉄亜鉛化合物の製造方法。
【００１１】
また、前記鉄亜鉛化合物は、鉄亜鉛金属間化合物であることを特徴とする鉄亜鉛化合物の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の鉄亜鉛化合物の製造方法により、鉄の融点以上の温度に加熱することなく、鉄亜鉛化合物を非常に高い歩留りで、製造できる。さらに、本発明により提供される製造方法は、より環境的負荷を低減して、容器内壁への亜鉛の凝着といった問題を回避することができる。
従って、本発明は、環境や高効率化に対応した鉄亜鉛化合物の製造方法であり、工業的意義が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の鉄亜鉛金属間化合物の製造方法で用いる容器および圧力を加える形態の一例を示す断面図である。
【図２】実施例２のＸ線回折パターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明において、原料の加熱温度を鉄の融点以上に保つことなく、鉄亜鉛化合物を作製可能な理由は、試料の相互拡散を活発にさせる方法を実現したからである。亜鉛単体での融点は約４２０℃、沸点は約９０７℃で、その沸点は鉄単体の融点（約１５３６℃）よりも低い。しかし、例えば、鉄亜鉛化合物のうち、常温において亜鉛の質量濃度が７２〜７４％の領域で安定に存在する鉄亜鉛金属間化合物（Γ相）が溶融して完全に分解する温度は、熱力学的平衡条件では約７８０℃である。つまり、鉄と亜鉛を高温にて相互拡散させて、融点の高い鉄亜鉛化合物を生成させながら、反応を進行させることにより、材料が溶融することのない範囲でも拡散が十分に進行できる高温での加熱が可能になり、目的とする化学組成を有する鉄亜鉛化合物が製造可能となる。
【００１５】
具体的には、平均粒径が１００μｍ未満１μｍ超の鉄および亜鉛の粉末を真空もしくは不活性ガス中で混合した後、該粉末を外部の圧力を内部に伝えるＢＮ製の容器内に入れ、該容器全体をＢＮ粉もしくは原料と同じ粉末中に入れて外部より圧力を加えながら、４２０℃超８５０℃未満の温度域で１時間以上加熱して鉄亜鉛化合物を製造する。
【００１６】
鉄亜鉛化合物を製造するために、平均粒径が１００μｍ未満１μｍ超の鉄および亜鉛の粉末を真空もしくは不活性ガス中で混合するのは、亜鉛の沸点（約９０７℃）よりも低い温度で結晶粒子間の相互拡散を進行させるための条件を整えるためである。鉄および亜鉛の粉末粒子の平均粒径を１００μｍ未満１μｍ超の範囲に限定したのは、平均粒径が１００μｍ以上では工業的に妥当な時間（数〜数１０時間）で表面から粒子内部まで拡散することが困難になるからであり、平均粒径が１μｍ以下では比表面積が大きくなり粒子が活性になり大気と反応して生成する酸化物が反応の障害になるからである。鉄および亜鉛の粉末粒子を不活性ガス中で混合するのは、酸素が存在すると、粒子間の相互拡散よりも、粒子表面の酸化反応が進行し、目的とする鉄亜鉛化合物が形成されないからである。具体的な雰囲気条件は、用いる鉄および亜鉛の粉末粒子の平均粒径やその状態に依存するが、例えば、平均粒径が数μｍ程度の粒子を用いる場合、１０Ｐａ以下の真空、もしくは窒素、ヘリウム、アルゴン、等の不活性ガス中で行えばよい。
【００１７】
続いて、こうして混合した鉄および亜鉛の粉末粒子を、外部の圧力を内部に伝えることが可能なBN製の容器内に入れ、さらに容器全体をＢＮ粉もしくは原料と同じ粉末中に入れて外部より圧力を加えながら、４２０℃超８５０℃未満の温度域で少なくとも１時間以上加熱すればよい。
【００１８】
加熱温度域を４２０℃超とするのは、４２０℃以下の温度では亜鉛が溶融しないため、鉄と亜鉛の結晶粒子間の相互拡散の速度が著しく遅くなり工業的に妥当な時間（数〜数１０時間）で表面から粒子内部まで拡散することが困難になるからである。また、加熱温度域を８５０℃未満とするのは、８５０℃以上の温度では、加熱しながら外力を加える機能の実現に大掛かりな装置が必要になったり、亜鉛の蒸発の問題が発生したりするからである。加熱時間を１時間以上とするのは、加熱時間が１時間未満では、工業的に妥当な時間（数〜数１０時間）で表面から粒子内部まで拡散せず、目的とする鉄亜鉛化合物が得られないからである。
【００１９】
製造の目的が、「鉄亜鉛化合物」の中で、亜鉛の質量濃度が１％超７２％以下、もしくは９４％超９９％以下の鉄と亜鉛の合金である場合には、原子が規則的配列をした構造をとる必要がないため、４２０℃超８５０℃未満の温度域で少なくとも１時間以上加熱すれば十分である。
【００２０】
しかし、亜鉛の質量濃度が７２％超９４％以下の「鉄亜鉛金属間化合物」の場合には、原子が規則的配列をした構造をとる必要があるため、４２０℃超８５０℃未満の温度域で少なくとも１時間以上、好ましくは３時間以上加熱することが望ましい。
【００２１】
上記試料を、上記した温度域において、外部の圧力を内部に伝えるＢＮ製の容器内に入れ、容器全体をＢＮ粉もしくは原料と同じ粉末中に入れて外部より圧力を加えながら加熱することにより、目的とする「鉄亜鉛化合物」もしくは「鉄亜鉛金属間化合物」を製造する。
【００２２】
圧力を加えながら高温に保つことにより、粒子間の接触面積を大きくし、亜鉛の沸点（約９０７℃）よりも低い温度で反応を完了することができる。用いる容器および圧力を加える形態の一例を図１に示す。混合した鉄および亜鉛の粉末粒子を入れる容器として、例えば、ＢＮ製の円筒形と円盤状の板を組み合わせた容器を用いればよい。円筒形にするのは外部の圧力を均一化するからであり、円盤状の板で混合した鉄および亜鉛の粉末粒子を挟み込むことにより、外部からの圧力を均一に混合粒子に伝えることができる。容器の材質としては、８５０℃未満の温度で、鉄や亜鉛と反応せず、圧力を伝えるのに十分な強度を持つものであればよく、例えば、ＢＮ、アルミナ、ジルコニア等の酸化物を用いればよい。
【００２３】
上記容器の上下の蓋に直接外力を加えてもよいが、例えば、図１のように、容器をさらにＢＮ粉もしくは原料と同じ粉末等の粉中に埋め込み、その粉に外部から圧力を加えるとさらに望ましい。こうすることにより、外部の圧力が均一に内部の容器に伝わるとともに、外部の雰囲気と遮断する効果も期待できるからである。ＢＮ粉および原料と同じ粉末等の粉では同じように圧力を印加することができるが、ＢＮ粉を用いると試料容器との反応性が低いため再利用できるというメリットがさらにあり、原料と同じ鉄および亜鉛の粉末を用いると圧力の印加がより均一になるというメリットがさらにある。鉄および亜鉛の粉末を用いる場合、原料との化学成分組成（Ｆｅ／Ｚｎ比率）が全く同じでなくても、例えばＦｅ／Ｚｎ比率が１０％程度異なっていても実用上は問題ない。
【００２４】
外部から圧力を加える方法としては、例えば図１のように、上記粉末の上下に蓋をおき、その蓋を一軸プレスで押し込む等の簡易な方法でも十分である。加える圧力は、用いる鉄および亜鉛の粉末粒子の平均粒径やその状態、および加熱温度に依存するが、例えば、平均粒径が数１０μｍ程度の粒子を用いて、６００〜８５０℃程度で加熱する場合、数１０ＭＰａ程度で十分である。加熱方法としては、試料からの脱水、脱ガスや熱膨張を考慮して、例えば１０〜４０℃/ｍｉｎ程度の昇温速度で昇温し、４２０℃超８５０℃未満の温度域で１時間以上加熱すればよい。
【実施例】
【００２５】
表１に示す各種粒径の鉄および亜鉛の粉末粒子を各種質量比で、１０Ｐａ以下の真空、もしくは窒素、ヘリウム、アルゴン、の不活性ガスで混合した後、図１に示すようにＢＮ製の容器内に入れて、上下に可動式の蓋をした。この容器全体をＢＮ粉中に入れて外部より一軸プレスで圧力を印加して４５０〜９００℃で１〜１５時間加熱し、実施例１〜９で示される鉄亜鉛化合物を生成した。得られた鉄亜鉛化合物についてＸ線回折法により構造解析を行い、存在する鉄亜鉛化合物の種類と相分率の割合を求めた（表１）。表１の実施例２のＸ線回折パターンの例を図２に示す。図２の回折ピークはすべて・・相（金属間化合物）に相当するものであり、定量解析の結果その相分率が９２％であることが確認できた。同様に、各試料についてＣｕＫα線を線源としてディフラクトメータを用いたＸ線回折法により構造解析を行い、存在する鉄亜鉛化合物の種類と相分率の割合を求めた（表１）。
【００２６】
これらの結果は、例えば非特許文献１等で報告されているＦｅ−Ｚｎ系の二元系平衡状態の報告と一致する。即ち、Ｆｅ−Ｚｎ系の二元系平衡状態の報告では、室温において、亜鉛の質量濃度が、７２％〜８３％がΓ1もしくはΓ2相（金属間化合物）、８３％〜９３％がδ相（金属間化合物）、９４％〜９５％がζ相（金属間化合物）、に相当する。本発明の実施例１〜９の試料についての構造解析の結果は、この組成域に一致しており、本発明により目的通りの鉄亜鉛化合物が製造できることを示している。
［比較例１］
【００２７】
従来の溶解法として真空溶解炉にて、粒径が３００μｍの鉄および亜鉛の粉末粒子粉末試料を質量濃度比が、Ｆｅ／Ｚｎ＝１０／９０になるように混合したものを原料として、溶解を試みた。粉末試料を大気中で混合した後、２５ｋｇの真空溶解炉に挿入し、１０Ｐａ以下の真空に３時間保持した後、誘導加熱により試料を１時間溶解した。
その後冷却して試料を取り出し、その化学成分を蛍光Ｘ線にて測定したところ、鉄の質量濃度が９９．２％であり、ほとんどの亜鉛が蒸発し、試料中に残存しないことが判明した。Ｘ線回折による構造解析の結果も、鉄もしくはその酸化物のみしか確認できず、目的とする鉄亜鉛化合物が製造できなかった。
［比較例２−６］
【００２８】
実施例と同様に、表１に示す各種粒径の鉄および亜鉛の粉末粒子を１０Ｐａ以下の真空、もしくは窒素、ヘリウム、アルゴン、の不活性ガスで混合した後、図１に示すようにＢＮ製の容器内に入れて、上下に可動式の蓋をした。この容器全体をＢＮ粉中に入れて外部より一軸プレスで圧力を印加して４００〜９００℃に２〜１０時間加熱した。得られた鉄亜鉛化合物について、実施例と同様に、ＣｕＫα線を線源としてディフラクトメータを用いたＸ線回折法により構造解析を行い、存在する鉄亜鉛化合物の種類と相分率の割合を求めた（表１）。比較例２，３の試料中に存在した鉄亜鉛化合物はΓ相（金属間化合物）であり、原料組成から期待されるδ相（金属間化合物）に比べて亜鉛の濃度が低いものである。比較例４−６の試料中には、鉄もしくは亜鉛の担体もしくは、その酸化物のみしか確認できなかった。つまり、これらの比較例では、鉄と亜鉛の結晶粒の間での拡散が不十分、目的とする組成および分率の鉄亜鉛化合物が製造できなかったと考えられる。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
以上、実施例および比較例の結果から、本実施例の効果が明らかに示された。即ち、鉄の融点（１５３６℃）以上の温度に加熱することなく、鉄亜鉛化合物を非常に高い歩留りで、製造できる。
【図１】
2014009380.tif 000004
【図２】
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