(57)【要約】【課題】結晶質と非晶質からなる組織である成形体及びそれからなるクラッド材を提供する。【解決手段】非晶質の粉体材料を出発原料として、加圧成形時に温度勾配を与える。その具体的な加工方法として摩擦焼結接合方法を用いる。【選択図】  選択図なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶質と非晶質とからなり、それらの境界が結晶層から非晶層への連続層で形成されていることを特徴とする合金の成形体。
【請求項２】
非晶質部分が鉄系合金、コバルト系合金あるいは、ニッケル系合金のいずれかからなる合金材料、或いはパラジウム、銅、ニオブ、チタンのいずれかを主成分とした合金材料からなることを特徴とする請求項１記載の成形体。
【請求項３】
非晶質部分が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ元素のいずれか一種類以上を主成分とし、かつＢ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃ元素のいずれか一種類以上が１５〜３０原子％の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の成形体。
【請求項４】
非晶質の合金からなる粉体材料を、摩擦焼結によって粉体材料に温度勾配を持たせることで接合することを特徴とする、成形体の製造方法。
【請求項５】
非晶質の粉体材料が鉄系合金、コバルト系合金あるいは、ニッケル系合金のいずれかからなる粉体合金材料、或いはパラジウム、銅、ニオブ、チタンのいずれかを主成分とした粉体合金材料からなることを特徴とする請求項４記載の製造方法。
【請求項６】
非晶質の粉体材料が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ元素のいずれか一種類以上を主成分とし、かつＢ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃ元素のいずれか一種類以上が１５〜３０原子％の範囲であることを特徴とする請求項４または５に記載の製造方法。
【請求項７】
請求項１から３記載の成形体が他の金属材料と接合してなることを特徴とするクラッド材。
【請求項８】
接合方法が摩擦焼結接合方法である請求項７記載のクラッド材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度材料分野、或いは磁性材料分野など様々な技術分野で実用化されている非晶質合金またはアモルファス合金分野に関連するものである。
【０００２】
【従来の技術】
結晶構造をもたない無秩序な原子配列を有する非晶質合金は、別名アモルファス合金とも呼ばれ、その有する高強度、高耐食性、高透磁性などの優れた特性から、現在、磁性部品、スポーツ用品、自動車・航空機等の輸送関連部品など様々な技術分野で実用化されつつあり、更に今後、益々の応用展開が期待されている材料である。
【０００３】
その製造方法は、金属原子を気相状態から凝集させる方法、溶融状態から急速冷却する方法、或いは結晶に欠陥を導入する方法などが有り、得られる形状は薄膜、薄片、薄帯、細線、或いは粉末である。通常、これらの非晶質材料を用いて固体状の成形体を得るには、非晶質の結晶化防止を目的として、結晶化温度以下の温度領域で成形される。また、約１０年前には、ガラス遷移現象を利用した固体状のバルクアモルファス合金が開発され、近年、そのバルクアモルファスを他の異種材料に非晶質を保ちながら接合する方法として、パルス通電接合方法、爆発法、或いは摩擦接合法が紹介されている。（非特許文献１参照）
【０００４】
このようにして得られた成形体は、全体が均一な非晶質であり、前記したような優れた特性を有している。しかしながら、反面、全体が均一な非晶質であるが故に、成形体としては脆いなど、機械的な性質の面からの問題もあり、結晶質と非晶質の長所をあわせ持った材料が望まれていた。
【０００５】
特に、加工しやすい粉末状の原料を用いて、加熱によって成形体を製作する場合には、弱い加熱条件では成形体は非晶質のままであるが、空隙が残って密度と機械的強度が低下し、反対に加熱がわずかでも強いと著しく結晶化が進んでしまうために、結晶質と非晶質相の存在比を制御できず、所望の物性を持つ成形体が得られない、という問題があった。
【０００６】
【非特許文献１】
日刊工業新聞  平成１３年３月２８日付記事
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、従来の非晶質のみからなる成形体では無く、結晶質から非晶質へ連続的に変化した組織を有することにより、新たな特性が期待出来る機能材料を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、鋭意検討を重ねた結果、非晶質材料を出発原料として用い、非晶質と結晶質の連続層からなる組織を有した成形体を提供しうることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、次の通りである。
（１）結晶質と非晶質とからなり、それらの境界が結晶層から非晶層への連続層で形成されていることを特徴とする合金の成形体。
（２）非晶質部分が鉄系合金、コバルト系合金あるいは、ニッケル系合金のいずれかからなる合金材料、或いはパラジウム、銅、ニオブ、チタンのいずれかを主成分とした合金材料からなることを特徴とする前記（１）記載の成形体。
（３）非晶質部分が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ元素のいずれか一種類以上を主成分とし、かつＢ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃ元素のいずれか一種類以上が１５〜３０原子％の範囲であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の成形体。
（４）非晶質の合金からなる粉体材料を、摩擦焼結によって粉体材料に温度勾配を持たせることで接合することを特徴とする、成形体の製造方法。
【０００９】
（５）非晶質の粉体材料が鉄系合金、コバルト系合金あるいは、ニッケル系合金のいずれかからなる粉体合金材料、或いはパラジウム、銅、ニオブ、チタンのいずれかを主成分とした粉体合金材料からなることを特徴とする前記（４）記載の製造方法。
（６）非晶質の粉体材料が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ元素のいずれか一種類以上を主成分とし、かつＢ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃ元素のいずれか一種類以上が１５〜３０原子％の範囲であることを特徴とする前記（４）または（５）に記載の製造方法。
（７）前記（１）から（３）記載の成形体が他の金属材料と接合してなることを特徴とするクラッド材。
（８）接合方法が摩擦焼結接合方法である前記（７）記載のクラッド材。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の特に好ましい態様を中心に詳細を説明する。
本願発明における成形体の好ましい出発原料は、粉体材料である。粉体材料を出発原料として用いることは、バルク（固体）材料より熱伝導を精度良く制御し易く、その結果、本願発明の目的である温度勾配の設定が行い易い。また、種々形状の易成形性の点からも好ましい。
【００１１】
出発原料となる非晶質粉体の組成は、鉄系合金として鉄元素とリン、ホウ素、ジルコニウム、炭素、ケイ素、クロム、モリブデン元素のいずれか一種類以上の元素の組み合わせを含んだ非晶質合金、コバルト系合金としてコバルト元素とジルコニウム、ケイ素、ホウ素、クロム、炭素、モリブデン元素のいずれか一種類以上の元素の組み合わせを含んだ非晶質合金、ニッケル系合金としてニッケル元素とジルコニウム、ケイ素、ホウ素、クロム、モリブデン元素のいずれか一種類以上の元素の組み合わせを含んだ非晶質合金、更にパラジウムとケイ素、銅とジルコニウム、ニオブとニッケル、チタンと銅などから成る元素の組み合わせの一種類以上を含んだ非晶質合金であることが好ましい。
【００１２】
より具体的には、例えば、Ｆｅ８０Ｐ２０、Ｆｅ８０Ｂ２０、Ｆｅ９０Ｚｒ１０、Ｆｅ８０Ｐ１３Ｃ７、Ｆｅ７８Ｂ１０Ｓｉ１２、Ｆｅ６２Ｍｏ２０Ｃ１８、Ｆｅ８１Ｂ１３Ｓｉ４Ｃ２、Ｆｅ７２Ｃｏ８Ｓｉ５Ｂ１５、Ｆｅ６２Ｎｉ１６Ｓｉ８Ｂ１４、Ｆｅ７２Ｃｏ１８Ｚｙ１０、Ｆｅ６３Ｃｏ１８Ｎｉ１９Ｚｒ１０、Ｆｅ５Ｃｏ７０Ｓｉ１０Ｂ１５、Ｆｅ５Ｃｏ７５Ｓｉ４Ｂ１６、Ｆｅ６２Ｃｒ１２Ｍｏ８Ｃ１８、Ｆｅ４６Ｃｒ１６Ｍｏ２０Ｃ１８、Ｆｅ７２Ｃｒ８Ｐ１３Ｃ７、Ｆｅ４５Ｃｒ２５Ｍｏ１０Ｐ１３Ｃ７、Ｃｏ９０Ｚｒ１０、Ｃｏ７３Ｓｉ１５Ｂ１２、Ｃｏ５６Ｃｒ２６Ｃ１８、Ｃｏ７９Ｃｒ１１Ｚｒ１０、Ｃｏ８１Ｍｏ１０Ｚｒ９、Ｃｏ４４Ｍｏ３６Ｃ２０、Ｃｏ３４Ｃｒ２８Ｍｏ２０Ｃ１８、Ｃｏ８３Ｗ６Ｚｒ１１、Ｃｏ８０Ｖ１０Ｚｒ１０、Ｎｉ９０Ｚｒ１０、Ｎｉ７６Ｓｉ１０Ｂ１２、Ｎｉ３４Ｃｒ２４Ｍｏ２４Ｃ１８、Ｐｄ８０Ｓｉ２０、Ｃｕ８０Ｚｒ２０、Ｎｂ５０Ｎｉ５０、Ｔｉ５０Ｃｕ５０、Ａｌ８７Ｙ８Ｎｉ５、Ａｌ８５Ｙ１０Ｎｉ１５、Ａｌ８４Ｌａ６Ｎｉ１０、Ｍｇ８０Ｃｅ１０Ｎｉ１０等であり、特にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ元素のいずれか一種類以上を主成分として、非晶質形成元素Ｂ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃのいずれか一種類以上が１５〜３０原子％添加した組成が好ましい。尚、上記の組成に限定されること無く、他の組成による非晶質粉体を用いてもかまわないし、また、非晶質粉体を主成分として他の粉体を混合させた粉体を用いてもかまわない。
【００１３】
この粉体出発原料と接合させてクラッド材を製作する材料としては、基本的にどのような材料でも用いることができる。例えば一般の鋼材、銅材、アルミ材等が挙げられる。尚、本願発明に係る摩擦焼結接合方法を用いる場合は、耐熱性のあるもののほうが好ましい。
このような出発原料を用いて、得られた成形体の組織が結晶質と非晶質からなる成形体およびクラッド材を製作するためには、成形時に原料に温度勾配をかけて、加圧成形する方法が好ましい。具体的には、高温側においては非晶質が結晶化する温度以上で、低温側においては非晶質組織を保持し、且つ焼結可能な温度となる勾配である。
【００１４】
これらの成形方法として、原料を均一加熱雰囲気に設置し、周囲を水冷等の冷却装置で冷却して温度勾配を得る方法、或いは、加熱熱源そのものに温度勾配が生じるように制御することで加熱する方法、更には、原料の一部を加熱熱源によって加熱し、原料の熱伝導度特性を利用して温度勾配を得る方法などがある。
【００１５】
その中で最も好ましい方法は、摩擦焼結接合方法である。摩擦焼結接合方法とは、原料粉体に直接的な運動エネルギーを与え、その運動エネルギーを熱エネルギーに変換することで、原料粉体を塑性状態とし、係る後、所定の圧力で焼結、或いは焼結と接合を同時に行う技術である。従って、運動エネルギーが直接的に与えられた境界面の温度が最も高くなり、また、その熱は伝導によって粉体内部に伝えられる。その結果、本願発明において好ましい温度の勾配が得られることになる。また、本方法における加熱温度に対する制御は、基本的に加圧力と寄り代、或いは時間の設定により行われ、加工後の冷却は、空冷、或いは水冷などが適宜選択できる。また、摩擦焼結接合の加工中に、空冷等の手段による温度勾配のための制御を加えてもかまわない。
【００１６】
本願発明によって得られる成形体の組織は、非晶質の結晶化によって生じた結晶質の成形体層、その結晶質と非晶質のまま成形された箇所の混在した成形体層、及び非晶質のまま成形された成形体層から成る。これらの組織は、得られた成形体を研磨し、エッチングすることにより、光学顕微鏡で容易に観察することができる。例えば、非晶質の結晶化により生じた結晶質は、原料の粒径より微細な再結晶組織が粒内において観察される。反面、非晶質のまま成形された箇所は、原料の粉体相互間の境界のみがエッチングされ、且つ原料の粉体粒径を保ったままの状態で観察される。また、別の判定方法としては、成形体断面のＸ線回折等を用いて結晶化度を測定し、結晶相と非晶質相の比を測定する方法もある。
【００１７】
また、非晶質の結晶化によって生じる結晶粒径については、マイクロメーターサイズ、サブミクロンサイズ、或いはナノメーターサイズに加熱温度、加熱時間、或いは冷却速度等を制御することにより調整出来る。
最終的に本願発明によって得ることが出来る形態は、単体としての成形体、または、他の材料と接合させたクラッド材である。
【００１８】
摩擦焼結接合方法によって単体の成形体を得る場合は、出発原料の装填容器と運動エネルギーによって摩擦熱を生じさせるための冶具材料を、出発原料と難接合性の関係にある材料にすることが好ましい。また、摩擦焼結接合方法によってクラッド材を得る場合は、出発原料の装填容器と運動エネルギーによって摩擦熱を生じさせるための冶具材料の両方、或いはいずれかを、接合させる相手の材料にする。この場合、運動エネルギーによって摩擦熱を生じさせる材料に接合させた時、接合境界面が結晶質となり、表面層が非晶質となる。逆に、出発原料の装填容器側に接合させた時は、接合境界面が非晶質となり、表面層が結晶質となる。
【００１９】
更に、特異な場合として、目的以外の層は工作機などの後加工により切削削除してもかまわないし、また、予め生じないような成形条件、例えば、成形体の全てが非晶質の再結晶によるナノメーターサイズの結晶粒径を有する成形体になるように設定してもかまわない。
【００２０】
【実施例】
以下、本願発明の実施例を説明する。
［実施例１］
日本非晶質金属（株）よりＭＥＴＧＬＡＳ  ２６０５Ｓ−２（商標）のアモルファス粉末を入手した。このアモルファス粉末の粒径は数百マイクロメーター以下であり、組成は同社ＭＥＴＧＬＡＳ  ２６０５ＴＣＡ（商標）相当のＦｅ−Ｂ−Ｓｉ系組成で、公表特性による結晶化温度は５５０℃である。
【００２１】
係る粉体材料を内径２０ｍｍ、外径４０ｍｍ、深さ２０ｍｍの鋼製粉体材料装填容器に、タッピングにより深さ１３ｍｍで装填した。次に装填した粉体材料を鋼製の外径１９．８ｍｍ、長さ５０ｍｍの円柱状台金で、回転数１５００回転／分、加圧８０ＭＰａ、寄り代４ｍｍの条件下で加圧摩擦を実施した。その後、回転を停止させ、更に１６０ＭＰａの条件による圧力を負荷し、摩擦焼結接合を実施した。摩擦焼結接合後は空冷で放置した。加工に要した時間は、粉体装填作業もいれて約３分間であった。摩擦焼結接合後の外観において、鋼製台金部と粉体成形部は接合状態を呈しており、また粉体成形部のみの厚さは、約４ｍｍであった。
【００２２】
その後、得られた成形体に関して光学顕微鏡による組織観察を腐蝕液ナイタールを用いて行った。その結果、鋼製台金と粉体成形部の境界面及び近傍において、粉体成形部は再結晶が生じており、厚さ方向中央においては再結晶と緻密化されたアモルファスの混在が認められた。更に粉体成形部の厚さ方向表面においては、緻密に成形されたアモルファスのみが観察された。尚、全体的に粒子間の著しい空孔等は観察されず、緻密な成形体を呈し、明らかに機械的強度の改善が期待出来る。
【００２３】
【発明の効果】
本願発明は、非晶質の粉体材料を出発原料とし、該粉体材料による成形体の組織が結晶質と非晶質とからなる組織である成形体、或いは、そのクラッド材を提供する。非晶質合金は高強度、磁性的特性など通常の結晶質材料には無い特性を有するが、形状面の制約や、加工や接合が困難とされてきた。本願発明は、非晶質材料と結晶質材料の両特性を併せ持ち、且つ他の材料との接合問題も解決されたことから、今後、高強度や耐食性が要求される材料分野、或いは磁性材料分野などにおいて、新たな機能商品創出の可能性を有する産業上有益な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施例１における光学顕微鏡観察結果である。
【符号の説明】
写真１：粉体成形部と鋼製台金の接合界面における組織：結晶質
写真２：粉体成形部の表面から２ｍｍ深さ位置での組織：結晶質／非晶質混在
写真３：粉体成形部の表面近傍の組織：非晶質
【図１】
2004300483.tif 000002