(57)【要約】【課題】化合物が傾斜分散した傾斜機能材料を製造する。【解決手段】物質Ａと反応可能な物質Ｂ粒子粉末のみに遠心力を印加し、さらにこれに溶融した物質Ａを注入することにより粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、物質Ｂ粒子を溶融物質Ａが取り巻くようにせしめ、かつ、物質Ａと物質Ｂとの反応を生じせしめて化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を製造する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質Ａと反応可能な物質Ｂ粒子のみに遠心力を印加し、これに溶融した物質Ａを注入することにより、鋳造した遠心力方向にＡｍＢｎ化合物が傾斜分散した傾斜機能材料。
【請求項２】
物質Ａと反応可能な物質Ｂ粒子のみに遠心力を印加し、これに溶融した物質Ａを注入して鋳造、凝固させた遠心力方向にＡｍＢｎ化合物を傾斜分散させた傾斜機能材料の製造方法。
【請求項３】
Ｍｇと反応可能な物質Ｂ粒子のみに遠心力を印加し、さらにこれにＭｇ溶湯を注入することにより、Ｍｇと物質Ｂ粒子との反応を生じせしめて製造した遠心力方向に化合物ＭｇｍＢｎ化合物が傾斜分散した傾斜機能材料。
【請求項４】
Ｍｇと反応可能な物質Ｂ粒子のみに遠心力を印加し、これに溶融したＭｇを注入して鋳造、凝固させた遠心力方向にＭｇｍＢｎ化合物を傾斜分散させた傾斜機能材料の製造方法。
【請求項５】
Ｓｉ粒子のみに遠心力を印加し、さらにこれにＭｇ溶湯を注入することにより、ＭｇとＳｉ粒子との反応を生じせしめて製造した遠心力方向に化合物Ｍｇ２Ｓｉ化合物が傾斜分散した傾斜機能材料。
【請求項６】
Ｓｉ粒子のみに遠心力を印加し、これに溶融したＭｇを注入して鋳造、凝固させた遠心力方向にＭｇ２Ｓｉ化合物を傾斜分散させた傾斜機能材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物を傾斜配分させた傾斜機能材料およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
異なった性質を持つ２種類以上の材料、例えば金属とセラミックスを用い、連続的に配合を変化させて製造した材料を傾斜機能材料という。片側の面がセラミックスでもう片側の面が金属というようにセラミックスと金属とを単に張り合わせたものではなく、材料内部で組成や組織を積極的に変化させている。スペースシャトルのような宇宙往還機の場合、大気圏へ再突入した際に高温にさらされ、この対策として機体の表面に耐熱タイルが貼り付けてある。打ち上げ時の衝撃でこのタイルが剥離してしまうことがある。これは、セラミックスと金属との間には大きな物性値差があり、セラミックスと金属の巨視的界面に大きな熱応力が発生することに起因する。機体の表面がセラミックスとなり、機体内側にかけて金属が多く配置するような傾斜機能材料を利用すれば、セラミックスと金属との間の巨視的界面が存在しない。このため、大きな熱応力が発生せず、剥離の発生を抑制できる。現在まで傾斜機能材料の製造技術が数多く提案されており、これは素材の組合せや製品の大きさ、形状などにより多種多岐にわたる。製造方法の一例として粉末冶金法がある。金属粉末とセラミックス粉末とを所定の割合で混合し、その混合粉末をあらかじめ定められた組成分布に従って組成を変えながら積層し、それを焼結するというものである。しかし、この手法では組成傾斜が段階的になり、一般的には連続的に組成が傾斜した材料の製造は困難である。
【０００３】
この欠点を克服する技術として特許文献１、特許文献２および特許文献３に記載の遠心力を利用した製造法がある。遠心力を利用した傾斜機能材料の従来製造技術を分類すると大きく３つの手法に分けることが出来る。その一つは遠心鋳造を応用した遠心力法であり、第２相粒子を含むおよび／あるいは第２相粒子が晶出可能な金属溶湯を遠心鋳造に供する方法である。金属溶湯と第２相粒子の密度差によって、第２相粒子が金属溶湯中を遠心力方向に移動する。金属溶湯中に粒子が傾斜分布した状態で移動を終了させれば傾斜機能材料が得られる。もう一つの製造法は、特許文献４に記載された遠心力スラリー法であり、移動速度差のある複数種類の粒子を混合したスラリーに遠心力を印加し、粒子間の移動速度差を利用して組成傾斜を得ようとするものである。最後の一つは特許文献５に記載されているような遠心力を単に加圧法として利用する遠心力加圧法であり、ここでの組成傾斜は通常遠心力印加前につけられおり、遠心力場での組成傾斜は期待していない。 
【０００４】
金属溶湯中あるいはスラリー中における粒子の移動速度は次のストークスの式によって支配される。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
ここで、dx/dt、rp、rm、G、g、Dp およびh はそれぞれ粒子の移動速度、粒子の密度、金属溶湯あるいはスラリー母相の密度、重力倍数、重力、粒子径および見かけの粘性である。数１から分かるように、粒子の移動速度は金属溶湯あるいはスラリー母相と粒子との密度差、重力倍数および粒子径の二乗に比例する。粒子径の二乗に移動速度が比例するため、微細粒子では移動速度が小さくなり、微細粒子分散の傾斜機能材料の製造は不可能であった。
【０００７】
特許文献６記載の発明は、この短所を克服すべく発明されたものであり、図１に示すごとく母相となる金属粉末と複合化させたい（微細）粒子とが混合している混合粉末をまず作製し、その混合粉末を遠心力鋳造装置の回転可能な型に投入して、型を回転させることによって遠心力印加を行い、回転中の型へ溶解した金属母相溶湯を流し込むことによって、複合化させたい（微細）粒子が母相に強固に固定され母相中に均一あるいは傾斜分散した（微細）粒子傾斜機能材料が製造できる（図１（ａ）→（ｂ）→（ｃ）参照）。特許文献６に記載された技術では混合粉末中の複合化させたい（微細）粒子の成分がそのまま傾斜機能材料の強化相となるという特徴を有する。しかし、強化相と母相とは単に物理的に結合しているため、一般的には（微細）粒子と母相金属との界面強度が弱いという欠点を有していた。
【０００８】
この欠点を補える製造方法が特許文献７記載の発明であり、図２に示すごとく化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を得るために、反応可能な物質Ａ粒子と物質Ｂ粒子により構成された混合粉末に遠心力を印加し、さらにこれに溶融した物質Ａを注入することにより、粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、かつ、溶融物質Ａの持つ熱量により混合粉末における物質Ａ粒子を溶融させ、物質Ｂ粒子を溶融物質Ａが取り巻くようにせしめ、加えて物質Ａと物質Ｂとの反応を生じせしめて製造する（図２（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）参照）。この手法において、母相物質であるＡ粒子がＭｇのような粉塵爆発または発火性を有する粒子の場合、製造には危険が伴う。また、一般的に母相物質である金属粉末は高価であり、この金属粉末を使用することにより製造コストや製品コストの上昇が回避できない欠点を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−８０９７２号公報
【特許文献２】特開２００１−１１５２２４号公報
【特許文献３】特開２００１−２５２７５３号公報
【特許文献４】特願２０１０−２３３８９
【特許文献５】特願２０１０−１４９２８３
【特許文献６】特開２００３−１６６０２８号公報
【特許文献７】特願２０１０−４８６０２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みて、高価で粉塵爆発の危険性のある金属粉末を使用しないようにでき、しかも傾斜機能材料を構成する成分を化合物とすることにより界面強度が強く強化相の脱落のない傾斜機能材料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】
【００１１】
請求項１に記載の発明では、化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を得るために物質Ａと反応可能な物質Ｂ粒子粉末のみに遠心力を印加し、さらにこれに溶融した物質Ａを注入することにより粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、物質Ｂ粒子を溶融物質Ａが取り巻くようにせしめ、かつ、物質Ａと物質Ｂとの反応を生じせしめて製造した傾斜機能材料を特徴とする。また、請求項２に記載の発明では、物質Ａと反応可能な物質Ｂ粒子粉末のみに遠心力を印加し、さらにこれに溶融した物質Ａを注入することにより粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、物質Ｂ粒子を溶融物質Ａが取り巻くようにせしめ、かつ、物質Ａと物質Ｂとの反応を生じせしめ、遠心力方向に化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を製造することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、化合物ＭｇｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を得るためにＭｇと反応可能な物質Ｂ粒子粉末のみに遠心力を印加し、さらにこれに溶融したＭｇを注入することにより粉末粒子間にＭｇを行き渡らせ、物質Ｂ粒子を溶融Ｍｇが取り巻くようにせしめ、かつ、Ｍｇと物質Ｂとの反応を生じせしめて製造した材料を特徴とする。また、請求項４に記載の発明では、Ｍｇと反応可能な物質Ｂ粒子粉末のみに遠心力を印加し、さらにこれに溶融したＭｇを注入することにより粉末粒子間にＭｇを行き渡らせ、物質Ｂ粒子を溶融Ｍｇが取り巻くようにせしめ、かつ、Ｍｇと物質Ｂとの反応を生じせしめ、遠心力方向に化合物ＭｇｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を製造することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、化合物Ｍｇ２Ｓｉが傾斜分散した傾斜機能材料を得るためにＳｉ粒子粉末のみに遠心力を印加し、さらにこれに溶融したＭｇを注入することにより粉末粒子間にＭｇを行き渡らせ、Ｓｉ粒子を溶融Ｍｇが取り巻くようにせしめ、かつ、ＭｇとＳｉとの反応を生じせしめて製造させたことを特徴とする。また、請求項６に記載の発明では、Ｓｉ粒子粉末のみに遠心力を印加し、さらにこれに溶融したＭｇを注入することにより粉末粒子間にＭｇを行き渡らせ、Ｓｉ粒子を溶融Ｍｇが取り巻くようにせしめ、かつ、ＭｇとＳｉとの反応を生じせしめ、遠心力方向にＭｇ２Ｓｉ化合物が傾斜分散した傾斜機能材料を製造することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】特許文献６記載の混合粉末を利用した遠心力による傾斜機能材料製造の原理を示す模式図である。
【図２】特許文献７記載の反応可能な混合粉末を利用した遠心力による傾斜機能材料製造の原理を示す模式図である。
【図３】本発明で考案した反応可能な単独粒子を利用した遠心力による傾斜機能材料製造の原理を示す模式図である。
【図４】Ｍｇ−Ｓｉの２元系平衡状態図を示す図である。
【図５】遠心鋳造装置の一例を示す図である。
【図６】Ｓｉ粒子粉末量を多く製造したＭｇ−Ｓｉ系材料の組織を示す図である。
【図７】Ｓｉ粒子粉末量を少なく製造したＭｇ−Ｓｉ系材料の組織を示す図である。
【図８】Ｍｇ−Ｓｉ系傾斜機能材料の組成傾斜を示す図である。
【図９】Ｍｇ−Ｓｉ系傾斜機能材料の硬さ傾斜を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本実施形態は、物質Ａと反応可能な物質Ｂ粒子のみに遠心力を印加し、さらにこれに溶融した物質Ａを注入することにより粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、物質Ｂ粒子を溶融物質Ａが取り巻くようにせしめ、かつ物質Ａと物質Ｂとの反応を生じせしめ、遠心力方向に化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を作製するものである。物質Ａと物質Ｂは純物質には限られず、反応が可能であれば合金や化合物などであってもいっこうに構わない。
【００１６】
本実施形態による傾斜機能材料の作製は、以下の手順でおこなわれる。
（１）溶融可能な物質Ａと反応して化合物ＡｍＢｎを形成することが可能な物質Ｂ粒子を用いる。
（２）図３に示すように、この物質Ｂ粒子のみを遠心力場にて配置させ（図３（ａ）参照）、その後、これに溶融した物質Ａを注入することにより粉末粒子間に物質Ａを行き渡らせ、物質Ｂ粒子を溶融物質Ａが取り巻くようにせしめる（図３（ｂ）参照）。
（３）物質Ａと物質Ｂとが反応し、化合物ＡｍＢｎが形成し、遠心力方向に化合物ＡｍＢｎが傾斜分散した傾斜機能材料を得る（図３（ｃ）参照）。
（４）本実施形態では溶融可能な物質ＡとしてＭｇを、物質Ａと反応して化合物ＡｍＢｎを形成することが可能な物質Ｂ粒子としてＳｉの組み合わせを用いるが、これが材料系を決定するものではない。
【００１７】
図４にＭｇ−Ｓｉの２元系平衡状態図を示す。図のようにＭｇとＳｉとは反応し、化合物Ｍｇ２Ｓｉが形成可能である。ここで、Ｍｇ２Ｓｉは１．８８Ｍｇ／ｍ３と低密度を有し、１３７５Ｋと高融点を有し、１２０ＧＰａと高剛性率を有し、０．２３４Ｗ／（ｍＫ）と低熱伝導率を有する特徴がある。
【００１８】
出発原料として、純Ｍｇインゴット(粒状、純度９９．９９％)および純Ｓｉ粒子粉末(１００メッシュ、純度９９％)を使用した。純ＭｇインゴットおよびＳｉ粒子粉末を、それぞれ遠心鋳造装置内に配置された坩堝およびφ１０ｍｍ×５０ｍｍの鋳型に投入した（図５）。このとき、Ｓｉ粒子粉末量の多い試料とＳｉ粒子粉末量の少ない試料の２種類に関し調査を行った。次に、アルゴン雰囲気下でＭｇインゴットを加熱・溶解し、回転する鋳型に溶湯を流し込み鋳造を行った。このときＳｉ粒子粉末の粒子間にＭｇが行き渡り、Ｓｉ粒子を溶融Ｍｇが取り巻く。ここで、ＭｇとＳｉとが反応し、化合物Ｍｇ２Ｓｉが形成し、遠心力方向に化合物Ｍｇ２Ｓｉが傾斜分散した傾斜機能材料となる。
【００１９】
Ｓｉ粒子粉末量を多く製造した試料およびＳｉ粒子粉末量を少なく製造した試料の組織写真を、それぞれ図６および図７に示す。Ｍｇ母相中に粒子が分散していることがわかる。この粒子の相を同定すべくＸ線回折実験を行ったところ、化合物Ｍｇ２Ｓｉの形成が見いだされた。このように、Ｍｇ溶湯と鋳型中のＳｉ粒子粉末とが反応し、Ｍｇ２Ｓｉ相が形成し、母相中に分散することが分かった。図６および図７を比較すると、図６において、デンドライトに成長したＭｇ２Ｓｉ相が存在するが、図７では存在しない。これは、Ｓｉ粉末量の相違およびＭｇ２Ｓｉ生成発熱反応に起因すると考えられる。すなわち、鋳造の際の鋳型内温度がＳｉ粒子粉末量を少なく製造した試料に比べてＳｉ粒子粉末量を多く製造した試料の方が高くなるため、Ｓｉ粒子粉末量を多く製造した試料のＭｇ２Ｓｉ相が成長したと考えられる。また、Ｍｇ２Ｓｉ相のサイズは、試料先端から根元方向に向かって連続的に減少していた。そして、試料先端から遠ざかるにつれＭｇ２Ｓｉ相が減少していた。
【００２０】
各試料の遠心力方向先端から１０ｍｍにおけるＭｇ２Ｓｉ相の体積分率変化を図８に示す。Ｓｉ粒子粉末量を多く製造した試料では試料先端から根元方向に向かってＭｇ２Ｓｉ組織が減少していた。これに対し、Ｓｉ粒子粉末量を少なく製造した試料では試料先端から根元方向に向かってＭｇ２Ｓｉ相の体積分率が非常に緩やかに減少していた。このように、製造条件を変化させることにより、組成傾斜を制御できることがわかる。
【００２１】
図９は各試料のビッカース硬さ分布である。各々の試料において遠心力方向に従いビッカース硬さが変化し、試料先端部が最も高いことが分かる。これは図８に示したＭｇ２Ｓｉ相の体積分率傾斜と対応する。
【００２２】
そこで、図８および図９をもとにＭｇ２Ｓｉ相の体積分率と硬さの関係を求めたところ、Ｍｇ２Ｓｉ相体積分率の増加に従い、ビッカース硬さが増加することがわかった。ゆえに、Ｍｇ２Ｓｉ相の分散により、Ｍｇ基傾斜機能材料の機械的性質が改善できるといえる。各試料で観察されたＭｇ２Ｓｉ相は、１０−５０μｍ程度のサイズであった。 Ｍｇ母材が変形する際に、硬いＭｇ２Ｓｉ相がその変形の障害となったと考えられる。
【００２３】
以上の発明により機械的性質の傾斜した傾斜機能材料の製造が可能となった。高価な金属粉末を使用せず、被反応物質のみの粒子を用いることが可能となったため、粉塵爆発の危険性がなく、かつ酸化も防げるので、より安価かつ容易に傾斜機能材料が得られる。
【００２４】
本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用可能である。例えば、物質ＡとしてＭｇ、物質Ｂ粒子としてＳｉ粒子を用いるものを示したが、物質ＡとしてＭｇ、物質Ｂ粒子としてＭｇと反応可能な物質粒子であればＳｉ粒子以外の粒子を用いてもよく、また物質ＡとしてＡｌ、物質Ｂ粒子としてＴｉ粒子を用いてもよい。また、実施例は純物質同士の反応であったが、片方あるいは両者とも合金あるいは化合物のようなものでものを用いてもよい。また、２元系の例をあげたが、３元系以上でも同様である。さらに実施例では組織制御を粉末量により行ったが、対象物質の組成、粉末と注入溶融物質との量比、粉末の粒子径、粉末の分散状態、鋳型の形状、鋳型内における粉末の設置方法、遠心力の大きさ、プロセス温度、冷却方法及び冷却速度などによっても可能である。
【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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