(57)【要約】      （修正有）【課題】酸化物が生成しにくく、均一な組成を得ることができる固相−固相反応法による金属Ａ−金属Ｃの合金粒子の製造方法を提供する。【解決手段】互いに熱拡散しやすい金属Ａ及び金属Ｃについて、金属Ａの粉末と金属Ｃの粉末とを均一に混合した混合物、金属Ａの粉末と金属Ａの水素化合物の粉末と金属Ｃの粉末とを均一に混合した混合物又は金属Ａの水素化合物の粉末と金属Ｃの粉末とを均一に混合した混合物を黒鉛るつぼ１内に収納し、真空排気後に、金属Ａの融点より低く、かつ、金属Ｃの融点より低い温度で熱処理して、均一組成の合金粉末を得る合金の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに熱拡散しやすい金属Ａ及び金属Ｃについて、金属Ａの粉末と金属Ｃの粉末とを均一に混合した混合物、金属Ａの粉末と金属Ａの水素化合物の粉末と金属Ｃの粉末とを均一に混合した混合物又は金属Ａの水素化合物の粉末と金属Ｃの粉末とを均一に混合した混合物を黒鉛るつぼ内に収納し、真空排気後に、金属Ａの融点より低く、かつ、金属Ｃの融点より低い温度で熱処理して、均一組成の合金粉末を得る合金の製造方法。
【請求項２】
金属Ａの粉末又は金属Ａの水素化合物の粉末と金属Ｃ粉末の混合比は、得ようとする合金の化学量論比であることを特徴とする請求項１に記載の合金の製造方法。
【請求項３】
金属Ａの粉末又は金属Ａの水素化合物の粉末の純度が９９．９％以上であり、平均粒径が０．１〜１００μｍであり、金属Ｃ粉末の純度が９９．９％以上であり、平均粒径が０．１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の合金の製造方法。
【請求項４】
１０Ｐａ以下の真空度まで真空排気することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の合金の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１つに記載の製造方法により得られる合金であって、合金粉末の平均粒径が０．０１〜１００μｍであることを特徴とする合金粉末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに熱拡散しやすい金属Ａと金属Ｃの合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
合金の製造方法として、溶解法、固相−液相反応法、固相−固相反応法、メカニカルミリング法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２４９８０１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４９７４２号公報
【特許文献３】特開２０００−５４００９号公報
【０００４】
特許文献１においては、メカニカルミリング法によりＭｇ−Ｓｉ合金を製造している。メカニカルミリング法は、硬質Ｃｒ鋼容器にステンレス製ボールを入れ、さらに配合粉末を入れて容器を振動あるいは回転させることによって、容器内の粉末を混合あるいは粉砕して合金化して合金を製造する方法である。メカニカルアロイング装置として、振動ボールミル、遊星型ボールミル、転動型ボールミル、回転子挿入型ボールミルを挙げることができる。
【０００５】
特許文献２においては、ホットプレス法、熱間等方圧プレス法（ＨＩＰ）、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ）、熱間圧延法、熱間押出法、熱間鍛造法などの熱処理によってＭｇ−Ｓｉ合金を製造している。
【０００６】
また、特許文献３においては固相−固相反応法によってＭｇ２Ｓｉ合金を製造している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
金属Ａは融点がＴｆｕｓ（Ａ）で沸点がＴｖａｐ（Ａ）であり、金属Ｃは融点がＴｆｕｓ（Ｃ）で沸点がＴｖａｐ（Ｃ）であるとする。金属Ａの融点Ｔｆｕｓ（Ａ）が金属Ｃの融点Ｔｆｕｓ（Ｃ）とほぼ等しい場合には溶解法による合金製造は問題ない。しかしながら、金属Ｃの融点Ｔｆｕｓ（Ｃ）が金属Ａの沸点Ｔｖａｐ（Ａ）より高い場合には、金属Ａ−金属Ｃの合金を溶解法によって製造しようとすると、大気圧においては金属Ａの蒸発量が極めて大きくなり、金属Ａ−金属Ｃの合金の組成を制御するのが困難である。加圧炉中で金属Ａと金属Ｃを加熱溶解することによって金属Ａの蒸発を抑えることができるが、製造コストが高くなる。したがって、金属Ｃの融点Ｔｆｕｓ（Ｃ）が金属Ａの沸点Ｔｖａｐ（Ａ）より高い場合には、溶融法による金属Ａ−金属Ｃの合金の製造は、組成制御が困難であるとともに製造コストが高くなる。
【０００８】
また、溶融法により得られる合金はバルク状であるので、合金粉末とするためにはバルク状の合金を粉砕しなければならない。粉砕することによって、不純物が混入して合金の純度が低下するおそれがあるとともに製造コストが高くなり問題である。
【０００９】
メカニカルミリング法によって金属Ａ−金属Ｃの合金を作成しようとすると、容器の材料やボールの材料が剥離し、金属Ａ−金属Ｃの合金中に不純物として混入する。したがって、メカニカルミリング法による金属Ａ−金属Ｃの合金の製造は、得られる金属Ａ−金属Ｃの合金中に容器の材料やボールの材料が混入しやすく、純度が低く、均一な組成を得るのが困難であり問題である。
【００１０】
特許文献３に開示されている固相−固相反応法によって金属Ａ−金属Ｃの合金を作成しようとすると、溶解法による上記の問題やメカニカルミリング法による上記の問題はないが、酸化物が生成しやすく、均一な組成を得ることができず問題である。酸化物により固相中の原子または分子の拡散が妨害され物質拡散速度が大幅に低下したためと考えられる。
【００１１】
したがって、本発明により解決しようとする課題は、酸化物が生成しにくく、均一な組成を得ることができる固相−固相反応法による金属Ａ−金属Ｃの合金粒子の製造方法を提供することにある。
本発明の別の課題は、粒子径が均一な金属Ａ−金属Ｃの合金粒子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
当該課題は、請求項１に記載の第１の本発明、すなわち、互いに熱拡散しやすい金属Ａ及び金属Ｃについて、金属Ａの粉末又は金属Ａの水素化合物の粉末と金属Ｃの粉末を均一に混合した後に、当該混合物を黒鉛るつぼ内に収納し、真空排気した直後に、金属Ａの融点より低く、かつ、金属Ｃの融点より低い温度で熱処理して、均一組成の合金粉末を得る合金の製造方法によって、達成される。
【００１３】
互いに熱拡散しやすい金属Ａと金属Ｃの例として、Ａｌ−Ｂｅ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｎｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ａｇ、Ａｌ−Ｖ、Ｂｅ−Ｓｉ、Ｂｅ−Ｃｕ、Ｂｅ−Ａｕ、Ｂｅ−Ａｇ、Ｃｒ−Ｓｉ、Ｃｒ−Ｗ、Ｃｏ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｕ−Ａｕ、Ｃｕ−Ｓｉ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｎｂ、Ｃｕ−Ａｇ、Ｃｕ−Ｖ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｎｉ、Ｍｇ−Ｎｉ、Ｍｇ−Ｓｉ、Ｍｎ−Ｓｉ、Ｍｏ−Ｎｂ、Ｍｏ−Ｓｉ、Ｍｏ−Ｐｄ、Ｍｏ−Ｐｔ、Ｍｏ−Ｔａ、Ｍｏ−Ｗ、Ｎａ−Ｓｉ、Ｔｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｆｅ、Ｔｉ−Ｎｉ、Ｔｉ−Ｃｕ、Ｔｉ−Ｎｂ、Ｔｉ−Ｍｏ、Ｔｉ−Ｐｄ、Ｔｉ−Ｔａ、Ｔｉ−Ｗ、Ｔｉ−Ｐｔ、Ｔｉ−Ｓｉ、Ｔｉ−Ｕ、Ｗ−Ｃｕ、Ｗ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｕ、Ｆｅ−Ｚｒ、Ｆｅ−Ｎｂ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｔａ、Ｆｅ−Ｗ、Ｆｅ−Ｕ、Ｎｉ−Ｃｕ、Ｎｉ−Ｎｂ、Ｎｉ−Ｍｏ、Ｎｉ−Ｓｉ、Ｎｉ−Ｐｄ、Ｎｉ−Ｐｔ、Ｎｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｕ、Ｎｂ−Ｓｉ、Ｎｂ−Ｔａ、Ｎｂ−Ｗ、Ｎｂ−Ｖ、Ｐｄ−Ｓｉ、Ｐｄ−Ｗ、Ｐｔ−Ｓｉ、Ｐｔ−Ｗ、Ａｇ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｔｉ、Ｔａ−Ｓｉ、Ｔａ−Ｖ、Ｚｒ−Ｓｉ、Ｚｒ−Ｕ、Ｕ−Ａｌを挙げることができる。
【００１４】
金属Ａの水素化合物の例として、ＬｉＨ、ＢｅＨ、ＮａＨ、ＭｇＨ２、ＴｉＨ２、ＣｒＨ、ＣｒＨ２、ＮｉＨ、ＣｕＨ、ＺｒＨ２、ＮｂＨ、ＮｂＨ２を挙げることができる。
【００１５】
第１の本発明の実施態様においては、請求項２に記載のように、金属Ａの粉末又は金属Ａの水素化合物の粉末と金属Ｃ粉末の混合比は、得ようとする合金の化学量論比である。
【００１６】
第１の本発明の他の実施態様においては、請求項３に記載のように、金属Ａの粉末又は金属Ａの水素化合物の粉末の純度が９９．９％以上であり、平均粒径が０．１〜１００μｍであり、金属Ｃ粉末の純度が９９．９％以上であり、平均粒径が０．１〜１００μｍである。
【００１７】
第１の本発明のさらに他の実施態様においては、請求項４に記載のように、１０Ｐａ以下の真空度まで真空排気する。
【００１８】
当該課題は、請求項５に記載の第２の本発明、すなわち、互いに熱拡散しやすい金属Ａ及び金属Ｃについて、金属Ａの粉末又は金属Ａの水素化合物の粉末と金属Ｃの粉末を均一に混合した後に、当該混合物を黒鉛るつぼ内に収納し、真空排気した直後に、金属Ａの融点より低く、かつ、金属Ｃの融点より低い温度で熱処理して、得られる均一組成の粉末合金であって、合金粉末の平均粒径が０．０１〜１００μｍであることを特徴とする合金粉末によっても達成される。
【発明の効果】
【００１９】
市販の不活性ガスを用いず、１０Ｐａ以下の真空度まで真空排気した直後に熱拡散処理しているので、酸素分圧が低い状態で昇温、保持、冷却され、酸化物が生成しにくい。
【００２０】
原料として粉末状の金属Ａの水素化合物を用いる場合には、加熱によって金属Ａの水素化合物が金属ＡとＨ２に分解され、発生したＨ２によって、金属Ａ粉末の表面を覆う酸化層が還元され除去され、金属Ａ粉末の表面が活性化される。
【００２１】
そのため、熱拡散速度が遅くならず、金属Ａと金属Ｃの固相−固相反応が促進され、比較的低温度かつ比較的短時間で原料金属Ｃ粉末の中心部まで熱による金属Ａの物質移動を均等に行うことができる。その結果、本発明によって、均一な組成の金属Ａ−金属Ｃの合金粉末を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態において使用した製造装置の概略図である。
【図２】本実施形態の合金粉末製造における熱処理において実施した温度−時間グラフの概略図である。
【図３】得られた試料粉末の走査電子顕微鏡観察写真である。
【図４】得られた試料粉末の走査電子顕微鏡観察写真である。
【図５】得られた試料粉末の断面のカラーマップデータであり、（ａ）は断面のＳＥＭ像、（ｂ）はＭｇ分布、（ｃ）はＳｉ分布、（ｄ）はＯ分布を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、金属Ｍｇと金属Ｓｉとの合金の製造の実施形態について説明する。
【００２４】
実施例１
原料として、Ｍｇ粉末及びＳｉ粉末を使用した。Ｍｇ粉末（関東金属製）の純度は９９．９％であり、平均粒径は１００μｍであった。また、金属Ｓｉ粉末（東京印刷機材トレーディング（株）製）の純度は９９．９９９９％であり、平均粒径は１μｍであった。
【００２５】
上記のＭｇ粉末３．２ｋｇと上記のＳｉ粉末１．８５ｋｇをポリ容器内に秤量して、振とうしたところ、Ｍｇ粉末とＳｉ粉末は均一に混合されていた。
【００２６】
図１は本実施形態において使用した製造装置の概略図である。黒鉛るつぼ１は内径φ２７５ｍｍ×高さ２８０ｍｍであり、上面の中央にガス抜き穴１１が設けられている。混合原料２を黒鉛るつぼ１内に収納した後に、高周波加熱装置４を備えた真空容器３内に水平に配置した。
【００２７】
そして、混合原料２が飛散しないように注意しながら、配管５を通じて真空ポンプ６を用いて真空容器３内を１０Ｐａまで真空排気した。
【００２８】
１０Ｐａまで真空排気した直後に、図２に示す熱処理パターンのように、室温（Ｔｒ）から６００℃（Ｔｍａｘ）まで1時間（０〜ｔ１）かけて昇温し、６００℃（Ｔｍａｘ）で５時間（ｔ１〜ｔ２）保持し、その後、加熱電源をＯＦＦして、自然冷却した。昇温、保持、冷却の間も真空ポンプ６を用いて真空排気を続けた。
【００２９】
混合原料２を十分に冷却した後、真空ポンプ６を停止し大気圧に戻し、黒鉛るつぼ１を取り出し、試料粉末を得た。
【００３０】
得られた試料粉末についてＳＥＭ像を観察した。図３、図４は得られた試料粉末の走査電子顕微鏡観察写真である。なお図４は図３の部分拡大写真である。ＳＥＭ観察の結果、試料粉末は１μｍ程度の微粒子が凝集した形態であり、原料のＳｉ粉末の平均粒径と同等であった。このことから、原料粉末の融着はほとんど生じなかったと考えられる。また、得られた試料粉末には、約５％のマグネシウムの酸化物が含まれていた。
【００３１】
さらに、得られた試料粉末の断面を作成し、Ｍｇ分布、Ｓｉ分布、Ｏ分布を測定した。図５は得られた試料粉末の断面のカラーマップデータであり、（ａ）は断面のＳＥＭ像、（ｂ）はＭｇ分布、（ｃ）はＳｉ分布、（ｄ）はＯ分布を示している。Ｍｇ分布及びＳｉ分布ともに粒子の表面から中心にわたって均等であった。このことから、得られた試料粉末の組成は粒子の表面から中心にわたって均一になっていると考えられる。
【００３２】
実施例２
原料として、Ｍｇ粉末、ＭｇＨ２粉末及びＳｉ粉末を使用した。Ｍｇ粉末（関東金属製）の純度は９９．９％であり、平均粒径は１００μｍであった。ＭｇＨ２粉末（バイオコーク技研製）の純度は９９．９％であり、平均粒径は６０μｍであった。また、金属Ｓｉ粉末（東京印刷機材トレーディング（株）製）の純度は９９．９９９９％であり、平均粒径は１μｍであった。
【００３３】
上記のＭｇ粉末１．６ｋｇと上記のＭｇＨ２粉末１．７３ｋｇと上記のＳｉ粉末１．８５ｋｇをポリ容器内に秤量して、振とうしたところ、Ｍｇ粉末とＭｇＨ２粉末とＳｉ粉末は均一に混合されていた。
【００３４】
実施例１と同様に、混合原料２を黒鉛るつぼ１内に収納した後に、高周波加熱装置４を備えた真空容器３内に水平に配置した。
【００３５】
そして、混合原料２が飛散しないように注意しながら、配管５を通じて真空ポンプ６を用いて真空容器３内を１０Ｐａまで真空排気した。
【００３６】
１０Ｐａまで真空排気した直後に、図２に示す熱処理パターンのように、室温（Ｔｒ）から６００℃（Ｔｍａｘ）まで３時間（０〜ｔ１）かけてゆっくりと昇温し、６００℃（Ｔｍａｘ）で５時間（ｔ１〜ｔ２）保持し、その後、加熱電源をＯＦＦして、自然冷却した。昇温、保持、冷却の間も真空ポンプ６を用いて真空排気を続けた。急速に昇温すると時間当たりの水素発生量が多くなりすぎ混合原料２が飛散しやすくなることがわかった。
【００３７】
混合原料２を十分に冷却した後、真空ポンプ６を停止し大気圧に戻し、黒鉛るつぼ１を取り出し、試料粉末を得た。
【００３８】
得られた試料粉末についてＳＥＭ像を観察した。ＳＥＭ観察の結果、試料粉末は１μｍ程度の微粒子が凝集した形態であり、原料のＳｉ粉末の平均粒径と同等であった。このことから、原料粉末の融着はほとんど生じなかったと考えられる。また、得られた試料粉末に含まれるマグネシウムの酸化物は１％以下であった。
【００３９】
さらに、得られた試料粉末の断面を作成し、Ｍｇ分布、Ｓｉ分布、Ｏ分布を測定した。Ｍｇ分布及びＳｉ分布ともに粒子の表面から中心にわたって均等であった。このことから、得られた試料粉末の組成は粒子の表面から中心にわたって均一になっていると考えられる。
【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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