(57)【要約】【課題】ナノ複合金属部材を容易に製造可能で、その製造費用を低減することができるナノ複合金属部材の製造方法および、同じ原理を利用した相分離系金属固体同士の接合方法を提供する。【解決手段】第１の成分から成る固体の金属体１１と、第１の成分に対してそれぞれ正および負の混合熱を有する第２の成分および第３の成分を同時に含有する化合物、合金または非平衡合金から成る固体の金属材料１２とを接触させて、所定の温度で所定時間熱処理を行うことにより、第１の成分と第３の成分とを相互拡散させて、ナノ複合金属部材を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の成分から成る固体の金属体と、前記第１の成分に対してそれぞれ正および負の混合熱を有する第２の成分および第３の成分を同時に含有する化合物、合金または非平衡合金から成る固体の金属材料とを接触させて、所定の温度で所定時間熱処理を行うことにより、前記第１の成分と前記第３の成分とを相互拡散させることを特徴とするナノ複合金属部材の製造方法。
【請求項２】
前記金属体と前記金属材料とを接触させた後、前記第１の成分と前記第３の成分とが相互拡散して結合するよう、前記熱処理を行うことを特徴とする請求項１記載のナノ複合金属部材の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理は、前記金属体の絶対温度での融点の５０％以上の温度で保持することを特徴とする請求項１または２記載のナノ複合金属部材の製造方法。
【請求項４】
前記金属体の前記金属材料との接触面、および前記金属材料の前記金属体との接触面をあらかじめ鏡面仕上げしておき、
前記熱処理の間、前記金属体の接触面と前記金属材料の接触面とをぴったりと接触させておくことを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のナノ複合金属部材の製造方法。
【請求項５】
前記第１の成分は、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｂｉ、希土類金属元素、もしくは、これらのいずれか一つを主成分とする合金または化合物である混和体から成り、
前記第２の成分は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのいずれか一つ、もしくは、その複数を含む合金または化合物である混和体から成り、
前記第３の成分は、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれか一つ、もしくは、その複数を含む混和体から成ることを
特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のナノ複合金属部材の製造方法。
【請求項６】
前記第１の成分がＭｇから成り、
前記第３の成分がＮｉから成り、前記金属材料がＮｉ含有合金から成ることを
特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のナノ複合金属部材の製造方法。
【請求項７】
第２の成分から成る固体の金属体と、第１の成分および第３の成分を同時に含有する化合物、合金または非平衡合金から成る固体の金属材料とを接触させて、所定の温度で所定時間熱処理を行うことにより、前記第２の成分と前記第３の成分とを相互拡散させることを特徴とし、
前記第２の成分および前記第３の成分が、前記第１の成分に対してそれぞれ正および負の混合熱を有し、前記第１の成分の絶対温度での融点が前記第２の成分の絶対温度での融点の半分以上である、ナノ複合金属部材の製造方法。
【請求項８】
第１の成分から成る固体の第１金属体、および、前記第１の成分に対して正の混合熱を有する第２の成分から成る固体の第２金属体の少なくともいずれか一方の表面に、前記第１の成分に対して負の混合熱を有する第３の成分が合金化された合金層を形成し、前記合金層を間に挟むよう前記第１金属体と前記第２金属体とを接触させて、所定の温度で所定時間熱処理を行うことにより、前記第１の成分および／または前記第２の成分と前記第３の成分とを相互拡散させることを特徴とする相分離系金属固体同士の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ複合金属部材の製造方法および相分離系金属固体同士の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱を利用してナノ複合金属材料を製造する方法として、使用する複数の材料を混合した後、各材料のうち少なくとも一つの材料の融点以上に加熱して融解する工程を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
なお、本発明者により、ポーラス金属部材の製造方法として、いわゆる金属溶湯脱成分法が開発されている。この方法は、第１の成分に対してそれぞれ正および負の混合熱を有する第２の成分および第３の成分を同時に含有し、かつ、第１の成分からなる金属浴の凝固点よりも高い融点を有する化合物、合金または非平衡合金から成る金属材料を、この金属材料から第３の成分が減少し、第２の成分に至るまでの組成変動範囲内における液相線温度の最小値よりも低い温度に制御された金属浴に浸すことにより、第３の成分を選択的に金属浴内に溶出させて、微小間隙を有する金属部材を得るものである（例えば、特許文献２参照）。この金属溶湯脱成分法によれば、ナノメートル寸法の微小間隙を有する金属材料の多孔質体を容易に製造することができる。【０００４】
また、異なる固体金属間の界面反応（interfacial reaction）として、固体のＮｉと固体のＭｇとを接触させて熱処理を行うことにより、ＮｉとＭｇとが相互拡散し、その境界部分にＭｇ２Ｎｉから成る化合物が形成されることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４２８７４６１号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２０１１／０９２９０９号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M. Y. Tsai, M. H. Chou and C. R. Kao, “Interfacial reaction and the dominant diffusing species in Mg-Ni system”, Journal of Alloys and Compounds, 5 March 2009, 471, p.90-92
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のナノ複合金属材料の製造方法では、少なくとも一つの材料の融点以上に加熱して融解するため、融点以上に加熱するための費用や溶融金属を扱うための設備費が嵩むという課題があった。また、溶融金属を扱うため、労力等が増大し、製造工程も複雑化してしまうという課題もあった。【０００８】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、ナノ複合金属部材を容易に製造可能で、その製造費用を低減することができるナノ複合金属部材の製造方法および、同じ原理を利用した相分離系金属固体同士の接合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】
上記目的を達成するために、本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法は、第１の成分から成る固体の金属体と、前記第１の成分に対してそれぞれ正および負の混合熱を有する第２の成分および第３の成分を同時に含有する化合物、合金または非平衡合金から成る固体の金属材料とを接触させて、所定の温度で所定時間熱処理を行うことにより、前記第１の成分と前記第３の成分とを相互拡散させることを特徴とする。【００１０】
本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法は、固体の金属体と、化合物、合金または非平衡合金から成る固体の金属材料とを接触させて、熱処理を行うことにより、金属体の第１の成分との混合熱に依存して、金属材料から第３の成分が金属体へ、金属体から第１の成分が金属材料へ相互拡散する性質に注目した冶金学的手法によるものである。相互拡散の過程において、第２の成分は、第１の成分と正の混合熱を有するため、金属体側には拡散しない。このため、金属材料中に、第１の成分および第３の成分から成る部分と第２の成分から成る部分とが、ナノメートルオーダーで互いに絡み合った共連続構造ナノ複合金属部材を製造することができる。【００１１】
本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法は、固体間での相互拡散を利用するため、使用する金属体や金属材料の融点以上に加熱する必要がなく、製造過程で溶融金属も発生しない。このため、融解する場合と比べて、加熱費用を低減することができ、溶融金属を扱うための設備や労力も不要である。このように、本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法は、ナノ複合金属部材を容易に製造可能で、その製造費用を低減することができる。【００１２】
固体間での相互拡散は、特許文献２に記載のような金属浴への溶出と比べて、ゆっくりと進むため、本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法によれば、第１の成分および第３の成分から成る部分と第２の成分から成る部分とが、互いにより細かく混合したナノ複合金属部材を製造することができる。【００１３】
本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法は、熱処理の温度や時間を変化させることによって、製造される複合部材の各成分のサイズを変化させることができる。また、第１の成分の拡散により金属材料の表面から反応が進むため、熱処理を途中で止めることにより、金属材料の表面のみを複合化することができ、表面のみにナノ複合金属部材を製造することができる。また、金属材料を薄膜や中空などの任意の形状にして、表面または全体が複合化された任意形状のナノ複合金属部材を製造することもできる。金属材料の表面に第１の成分を気相成長後、熱処理を行うことにより、ナノ複合金属部材を製造することもできる。【００１４】
本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法は、第１の成分の絶対温度での融点が第２の成分の絶対温度での融点の半分以上である場合には、第１の成分と第２の成分を逆にしてもよい。この場合、金属材料中に、第２の成分および第３の成分から成る部分と第１の成分から成る部分とが、ナノメートルオーダーで互いに絡み合った共連続構造ナノ複合金属部材を製造することができる。【００１５】
本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法で、第１の成分、第２の成分および第３の成分は、それぞれ単種純元素であっても、複数種元素であってもよい。なお、本発明では、金属成分として、炭素、珪素、ホウ素、ゲルマニウム、アンチモンなどの半金属元素をも含むものとする。また、混合熱とは、２種以上の物質を一定温度で混合するときに発生（負の混合熱）、または吸収する熱量（正の混合熱）である。【００１６】
本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法は、前記金属体と前記金属材料とを接触させた後、前記第１の成分と前記第３の成分とが相互拡散して結合するよう、前記熱処理を行うことが好ましい。【００１７】
本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法で、前記熱処理は、前記金属体の絶対温度での融点の５０％以上の温度で保持することが好ましい。この場合、各成分のサイズがより小さいナノ複合金属部材を、容易かつ確実に製造することができる。【００１８】
本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法は、相互拡散を促進させるよう、熱処理の間、固体の金属体および固体の金属材料を、互いに研磨した面でぴったりと接触させておくことが好ましい。特に、前記金属体の前記金属材料との接触面、および前記金属材料の前記金属体との接触面をあらかじめ鏡面仕上げしておき、前記熱処理の間、前記金属体の接触面と前記金属材料の接触面とをぴったりと接触させておくことが好ましい。【００１９】
本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法で、前記第１の成分は、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｂｉ、希土類金属元素、もしくは、これらのいずれか一つを主成分とする合金または化合物である混和体から成り、前記第２の成分は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのいずれか一つ、もしくは、その複数を含む合金または化合物である混和体から成り、前記第３の成分は、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれか一つ、もしくは、その複数を含む混和体から成ることが好ましい。例えば、前記第１の成分がＭｇから成り、前記第３の成分がＮｉから成り、前記金属材料がＮｉ含有合金から成っていてもよい。【００２０】
本発明に係る相分離系金属固体同士の接合方法は、第１の成分から成る固体の第１金属体、および、前記第１の成分に対して正の混合熱を有する第２の成分から成る固体の第２金属体の少なくともいずれか一方の表面に、前記第１の成分に対して負の混合熱を有する第３の成分が合金化された合金層を形成し、前記合金層を間に挟むよう前記第１金属体と前記第２金属体とを接触させて、所定の温度で所定時間熱処理を行うことにより、前記第１の成分および／または前記第２の成分と前記第３の成分とを相互拡散させることを特徴とする。【００２１】
本発明に係る相分離系金属固体同士の接合方法は、本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法と同様の原理に基づいて、固体間での相互拡散を利用することにより、通常は接合することが困難な相分離系の固体金属同士を接合することができる。本発明に係る相分離系金属固体同士の接合方法は、第１金属体の表面に合金層を形成したとき、熱処理を行うことにより、第３の成分が第２金属体側に、第２の成分が合金側に拡散してゆき、最終的に第１金属体と第２金属体との界面に、第１の成分および第３の成分から成る部分と、第２の成分および第３の成分から成る部分とから成る共連続構造ナノ複合組織が生成される。また、第２金属体の表面に合金層を形成したとき、熱処理を行うことにより、第３の成分が第１金属体側に、第１の成分が合金側に拡散してゆき、最終的に第１金属体と第２金属体との界面に、第１の成分および第３の成分から成る部分と、第２の成分および第３の成分から成る部分とから成る共連続構造ナノ複合組織が生成される。【００２２】
また、第１金属体および第２の金属体の双方の表面に合金層を形成したとき、熱処理を行うことにより、第１の成分および第２の成分が合金層内で拡散してゆき、最終的に第１金属体と第２金属体との界面に、第１の成分および第３の成分から成る部分と、第２の成分および第３の成分から成る部分とから成る共連続構造ナノ複合組織が生成される。こうして、本発明に係る相分離系金属固体同士の接合方法は、相分離系である第１金属体と第２金属体とを、その界面に生成される共連続構造ナノ複合組織により、強固に接合することができる。【００２３】
本発明に係る相分離系金属固体同士の接合方法は、本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法と同様の原理に基づいているため、本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法と同様の方法で実施することができる。また、第１の成分、第２の成分および第３の成分として、それぞれ本発明に係るナノ複合金属部材の製造方法での第１の成分、第２の成分および第３の成分と同じものを使用することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ナノ複合金属部材を容易に製造可能で、その製造費用を低減することができるナノ複合金属部材の製造方法および、同じ原理を利用した相分離系金属固体同士の接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態のナノ複合金属部材の製造方法を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態のナノ複合金属部材の製造方法の、４６０℃で１２時間の熱処理を行ったときの、熱処理後の金属体および金属材料の走査型顕微鏡写真および、矩形で囲った領域のＥＤＸによる各元素（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｇ）の分析結果である。
【図３】本発明の実施の形態のナノ複合金属部材の製造方法の、４６０℃で１２時間の熱処理を行ったときの、（ａ）熱処理後の金属体および金属材料の走査型顕微鏡写真、（ｂ）  （ａ）の位置Ａの拡大写真、（ｃ）  （ａ）の位置Ｂの拡大写真、（ｄ）  （ａ）の位置Ｃの拡大写真である。
【図４】本発明の実施の形態のナノ複合金属部材の製造方法の、４６０℃で１２時間の熱処理を行ったときの透過型電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施の形態のナノ複合金属部材の製造方法の、（ａ）４８０℃で熱処理を行ったときの、各熱処理時間（６時間、１２時間、２４時間、４８時間、７２時間）での金属体および金属材料の走査型顕微鏡写真、（ｂ）４４０℃、４６０℃、４８０℃で熱処理を行ったときの、熱処理時間と反応領域の厚さとの関係を示すグラフである。
【図６】図５（ｂ）で求められた各熱処理温度の速度定数ｋのアレニウスプロットである。
【図７】本発明の実施の形態のポーラス部材の製造方法で使用した金属材料の（ａ）ハステロイＣ−２７６製のコイルばねの走査型顕微鏡写真、（ｂ）そのコイルばねの表面の拡大写真、（ｃ）  （ｂ）の一部の拡大写真である。
【図８】図７に示す金属材料のコイルばねの表面の（ａ）走査型顕微鏡写真、（ｂ）  （ａ）の領域のＥＤＸによる各元素（Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｗ）の分析結果である。
【図９】本発明の実施の形態のポーラス部材の製造方法の、図７に示す金属材料のコイルばねの表面にＭｇを真空蒸着した後、４６０℃で１２時間の熱処理を行ったときの（ａ）コイルばねの断面の走査型顕微鏡写真、（ｂ）  （ａ）の反応領域（複合体層）の拡大写真である。
【図１０】本発明の実施の形態の相分離系金属固体同士の接合方法を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面に基づき、実施例を挙げながら、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施の形態のナノ複合金属部材の製造方法は、まず、図１（ａ）に示すように、第１の成分から成る固体の金属体１１と、第１の成分に対してそれぞれ正および負の混合熱を有する第２の成分および第３の成分を同時に含有する化合物、合金または非平衡合金から成る固体の金属材料１２とを用い、互いに接触させる。
【００２７】
図１に示す具体的な一例では、金属体１１として、純粋なマグネシウム（pure Ｍｇ）を用い、金属材料１２として、（Ｆｅ０．８Ｃｒ０．２）５０Ｎｉ５０合金を用いている。このとき、第１の成分がＭｇ、第２の成分がＦｅ０．８Ｃｒ０．２、第３の成分がＮｉである。また、金属体１１および金属材料１２は、それぞれの接触面をあらかじめ平坦に研磨して（polishing）鏡面仕上げしておき、その各接触面で互いにぴったりと接触させる。鏡面仕上げには、イオンピーリング加工などを用いることができる。
【００２８】
次に、図１（ｂ）に示すように、処理中に離れないよう金属体１１と金属材料１２との間に荷重をかけ（loading）、熱処理としてアニール処理（annealing）を行う。熱処理は、金属体１１の絶対温度での融点の５０％以上の温度で保持することにより行う。これにより、金属体１１である第１の成分との混合熱に依存して、金属材料１２から第３の成分が金属体１１へ、金属体１１から第１の成分が金属材料１２へ相互拡散する。金属材料１２の第２の成分は、第１の成分と正の混合熱を有するため、金属体１１の側には拡散しない。これにより、図１（ｃ）に示すように、金属材料１２中に、第１の成分および第３の成分から成る部分と第２の成分から成る部分とが、ナノメートルオーダーで互いに混合した状態の反応領域（reaction layer）１３が得られ、ナノ複合金属部材を製造することができる。
【００２９】
図１に示す具体的な一例では、金属体１１のＭｇの融点が６５０℃（９２３Ｋ）であるため、約４２０℃〜５１０℃で熱処理を行うことにより、金属材料１２からＮｉが金属体１１へ、金属体１１のＭｇが金属材料１２へ相互拡散する。金属材料１２のＦｅ０．８Ｃｒ０．２は、金属体１１の側には拡散しない。これにより、金属材料１２中に、ＭｇおよびＮｉから成るＭｇ２Ｎｉと、Ｆｅ０．８Ｃｒ０．２から成る部分とが、ナノメートルオーダーで互いに混合した状態の反応領域１３が得られ、ナノ複合金属部材を製造することができる。
【００３０】
実際に、４６０℃で１２時間の熱処理を行ったときの走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真および、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）による各元素（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｇ）の分析結果を、図２に示す。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による、図２中の位置Ａ〜Ｄでの組成分析の結果を、表１に示す。なお、表１の右端には、組成分析から推定される物質の化学組成を示している。図２中の位置ＡおよびＢは、熱処理前の金属体１１の領域内、位置ＣおよびＤは、熱処理前の金属材料１２の領域内の位置である。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
図２および表１に示すように、金属材料１２との接触面から離れた金属体１１中の位置Ａには、Ｍｇのみが存在しており、熱処理によって組成は変化していないことが確認された。また、金属材料１２との接触面に近い金属体１１中の位置Ｂには、Ｍｇ２Ｎｉが存在しており、熱処理によって、金属材料１２から金属体１１中にＮｉが拡散し、Ｍｇと結合したことが確認された。また、金属体１１との接触面に近い金属材料１２中の位置Ｃには、Ｆｅ０．８Ｃｒ０．２とＭｇ２Ｎｉとが存在しており、熱処理によって、金属体１１から金属材料１２中にＭｇが拡散し、Ｎｉと結合したことが確認された。また、金属体１１との接触面から離れた金属材料１２中の位置Ｄでは、Ｍｇは検出されず、（Ｆｅ０．８Ｃｒ０．２）５０Ｎｉ５０が存在しており、熱処理によって組成は変化していないことが確認された。このように、熱処理により、金属材料１２からＮｉが金属体１１へ、金属体１１のＭｇが金属材料１２へ相互拡散し、拡散した領域でＭｇとＮｉとが結合して、Ｍｇ２Ｎｉになっていることが確認された。
【００３３】
同じく、４６０℃で１２時間の熱処理を行ったときの走査型顕微鏡写真を、図３（ａ）に示す。また、図３（ａ）中の各位置（Ａ〜Ｃ）での拡大写真を、図３（ｂ）〜（ｄ）に示す。位置Ａ〜Ｃは、熱処理前の金属材料１２の領域のうち、第１の成分のＭｇが拡散している反応領域１３（図３（ａ）の左側縁の１対の矢印の間の領域）内の位置である。位置Ｂは、反応領域１３の中心付近の位置である。位置Ａは、位置Ｂよりも金属体１１との接触面に近い位置である。位置Ｃは、Ｍｇが拡散する先端付近、すなわち反応領域１３と金属材料１２が変化していない領域との境界付近の位置である。
【００３４】
図３（ｂ）〜（ｄ）に示すように、反応領域１３内では、Ｍｇ２Ｎｉ（図中の明るい部分）と、Ｆｅ０．８Ｃｒ０．２（図中の暗い部分）とが、数１００ｎｍ以下のナノメートルオーダーで互いに混合したナノ複合体になっていることが確認された。特に、第１の成分のＭｇが拡散する先端付近では、図３（ｄ）に示すように、１００ｎｍ以下のナノメートルオーダーで互いに糸状に混合した状態になっていることが確認された。
【００３５】
図３（ａ）の反応領域１３でのナノ複合金属部材の組成をさらに詳しく調べるため、ＴＥＭによる組成分析を行った。組成分析を行った位置の透過型電子顕微鏡写真を、図４に示す。組成分析の結果、図４中の暗い部分は、Ｆｅ０．８１９Ｃｒ０．１７２Ｎｉ０．００９であり、Ｎｉが若干残っているものの、Ｆｅ０．８Ｃｒ０．２に近い組成を有していることが確認された。また、図４中の明るい部分は、ＦｅおよびＣｒが僅かに検出されるものの、Ｍｇ２Ｎｉ金属間化合物であることが確認された。このように、図４に示すナノ複合金属部材は、Ｆｅ０．８１９Ｃｒ０．１７２Ｎｉ０．００９／Ｍｇ２Ｎｉの共連続ナノ複合金属部材であることが確認された。
【００３６】
４４０℃、４６０℃、４８０℃で熱処理を行ったときの、熱処理時間と反応領域１３の厚さとの関係を調べ、図５に示す。図５（ａ）に示すように、熱処理時間の経過とともに、反応領域１３が拡大していく様子が確認できる。また、図５（ｂ）に示すように、反応領域１３の厚みｘと、熱処理時間ｔとの間に、ｘ２＝ｋ・（ｔ−ｔ０）  の関係があることが確認された。ここで、ｋは速度定数、ｔ０は反応が始まるまでの潜伏時間である。また、熱処理温度が高くなるに従って、反応領域１３の拡大速度が速くなることが確認された。
【００３７】
図５（ｂ）で求められた各熱処理温度の速度定数ｋのアレニウスプロット（Arrhenius plot）を、図６に示す。図６から求めた、熱処理による相互拡散の活性化エネルギー（activation energy）Ｅは、２８０ｋＪ／ｍｏｌである。
【００３８】
［他の実施例］
厚さ３０ミクロンのＴｉ５０Ｃｕ５０原子％アモルファスリボン（金属材料１２）を、鏡面研磨したＭｇ板（金属体１１）に２０ＭＰａで押し当て、Ｍｇの融点の５０％以上の温度である４８０℃に加熱して保持した。これにより、両者の接触界面に、Ｃｕ（第３の成分）およびＭｇ（第１の成分）を主成分とする部分と、Ｔｉ（第２の成分）を主成分とする部分とから成る共連続構造ナノ複合組織が形成された。
【００３９】
また、厚さ３０ミクロンのＡｇ箔（金属体１１）上に、マグネトロンスパッタ法によってＭｎ８５Ｃ１５原子％の合金薄膜（金属材料１２）を１ミクロン堆積させた。これをアルゴン雰囲気中において８００℃で熱処理することにより、合金薄膜からＭｎがＡｇ箔側に拡散し、界面部分にＡｇ（第１の成分）およびＭｎ（第３の成分）を主成分とする部分と、Ｃ（第２の成分）を主成分とする部分とから成る共連続構造ナノ複合組織が形成された。
【００４０】
また、厚さ３０ミクロンのＣｕ箔（金属体１１）上に、マグネトロンスパッタ法によってＭｎ８５Ｃ１５原子％の合金薄膜（金属材料１２）を１ミクロン堆積させた。これをアルゴン雰囲気中において８００℃で熱処理することにより、合金薄膜からＭｎがＣｕ箔側に拡散し、界面部分にＣｕ（第１の成分）およびＭｎ（第３の成分）を主成分とする部分と、Ｃ（第２の成分）を主成分とする部分とから成る共連続構造ナノ複合組織が形成された。
【００４１】
厚さ３０ミクロンのＭｇ８６Ｎｉ９Ｃａ５原子％の金属ガラスリボン（金属体１１）に（Ｆｅ０．８Ｃｒ０．２）５０Ｎｉ５０合金（金属材料１２）を２０ＭＰaで押し当て、金属ガラスリボンのガラス転移温度である１４０℃以上に温度を上げた。これにより、金属ガラスリボンが過冷却液体となり、粘性流動現象により両者は、表面仕上げ状態に依らず、隙間なく接触した。次に、これをＭｇ８６Ｎｉ９Ｃａ５合金の融点の５０％以上の温度である４５０℃に加熱し保持した。これにより、両者の接触界面に、Ｍｇ（第１の成分）およびＮｉ（第３の成分）を主成分とする部分と、ＦｅおよびＣｒ（第２の成分）を主成分とする部分とから成る共連続構造ナノ複合組織が形成された。
【００４２】
以上から、本発明の実施の形態のナノ複合金属部材の製造方法は、固体間での相互拡散を利用するため、使用する金属体１１や金属材料１２の融点以上に加熱する必要がなく、製造過程で溶融金属も発生しない。このため、融解する場合と比べて、加熱費用を低減することができ、溶融金属を扱うための設備や労力も不要である。このように、本発明の実施の形態のナノ複合金属部材の製造方法は、ナノ複合金属部材を容易に製造可能で、その製造費用を低減することができる。
【００４３】
なお、本発明の実施の形態のナノ複合金属部材の製造方法によれば、第１の成分の拡散により金属材料１２の表面から反応が進むため、熱処理を途中で止めることにより、金属材料１２の表面のみを複合化することができ、表面のみにナノ複合金属部材を製造することができる。また、金属材料１２を薄膜や中空などの任意の形状にして、表面または全体が複合化された任意形状の金属部材を製造することもできる。
【００４４】
ハステロイＣ−２７６（Ｎｉ５７Ｃｒ１６Ｍｏ１６Ｗ４Ｆｅ５（ｗｔ％）合金）から成るコイルばね（金属材料１２）の表面に、Ｍｇ（金属体１１；第１の成分）を真空蒸着した後、Ａｒガス雰囲気中において、コイルばね中の全ての化合物およびＭｇが固相を保つ温度である４６０℃で１２時間の熱処理を行った。真空蒸着前のハステロイＣ−２７６製のコイルばねの走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真および、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）による各元素（Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｗ）の分析結果を、それぞれ図７および図８に示す。また、熱処理後のコイルばねの断面の走査型顕微鏡写真を、図９に示す。
【００４５】
図７および図８に示すように、ハステロイＣ−２７６製のコイルばねは、Ｍｏ（第２の成分）が濃化したｐ相およびμ相と、Ｎｉ（第３の成分）が濃化したγ相とを含む多相合金であることが確認された。また、図９に示すように、熱処理により、蒸着Ｍｇ層とコイルばねとの接触界面に、反応領域１３が形成されていることが確認された。その反応領域１３内では、γ相からＮｉ成分がＭｇ中に選択的に拡散しており（デアロイングされており）、Ｎｉ（第３の成分）とＭｇ（第１の成分）とを主成分とする部分（図中の暗い部分）と、γ相からＮｉが枯渇することでＭｏ（第２の成分）が濃化した部分（図中の明るい部分）が、ナノメートルオーダーで互いに混合した共連続構造ナノ複合組織が形成されていることが確認された。
【００４６】
このように、本発明の実施の形態のポーラス部材の製造方法によれば、金属材料１２の表面に第１の成分のスチームを噴射して凝着させた後、熱処理を行うことにより、ナノ複合金属部材を製造することもできる。この場合、複雑な形状を有する金属材料１２であっても、比較的容易にナノ複合金属部材を製造することができる。これにより、例えば、表面のみが複合化されたステントなどを製造することができる。
【００４７】
本発明の実施の形態の相分離系金属固体同士の接合方法は、まず、図１０（ａ）に示すように、第１の成分から成る固体の第１金属体２１と、第１の成分に対して正の混合熱を有する第２の成分から成る固体の第２金属体２２とを用い、第１金属体２１および第２金属体２２の少なくともいずれか一方の表面に、第１の成分に対して負の混合熱を有する第３の成分が合金化された合金層２３を形成する。図１０に示す具体的な一例では、第１金属体２１の表面に合金層２３を形成している。
【００４８】
なお、合金層２３は、第１金属体２１および／または第２金属体２２の表面に、第３の成分の金属を貼り付けて熱処理を行ったり、第３の成分から成る金属浴に、第１金属体２１および／または第２金属体２２の表面部を浸漬したりすることにより、形成することができる。
【００４９】
次に、その合金層２３を間に挟むようにして、第１金属体２１と第２金属体２２とを押し当てて接触させ、所定の温度で所定時間熱処理を行う。熱処理は、第１金属体２１の絶対温度での融点の５０％以上の温度で保持することにより行う。これにより、図１０（ｂ）に示すように、第１の成分および／または第２の成分と第３の成分とが相互拡散し、最終的に第１金属体２１と第２金属体２２との界面に、第１の成分および第３の成分から成る部分と、第２の成分および第３の成分から成る部分とから成る共連続構造ナノ複合組織２４が生成される。
【００５０】
図１０に示す具体的な一例では、熱処理を行うことにより、第３の成分が第２金属体２２の側に、第２の成分が合金層２３の側に拡散してゆき、最終的に第１金属体２１と第２金属体２２との界面に、第１の成分および第３の成分から成る部分と、第２の成分および第３の成分から成る部分とから成る共連続構造ナノ複合組織２４が生成される。
【００５１】
こうして生成された共連続構造ナノ複合組織２４のアンカー効果により、相分離系である第１金属体２１と第２金属体２２とを強固に接合することができる。このように、本発明の実施の形態の相分離系金属固体同士の接合方法によれば、本発明の実施の形態のナノ複合金属部材の製造方法と同様の原理に基づいて、固体間での相互拡散を利用することにより、通常は接合することが困難な相分離系の固体金属同士を接合することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１１  金属体
１２  金属材料
１３  反応領域
２１  第１金属体
２２  第２金属体
２３  合金層
２４  共連続構造ナノ複合組織
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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