(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体に使用される多元合金において、
該多元合金は５種類から１１種類の主要金属元素を含有し、これら主要金属元素は、チタン、バナジウム、鉄、ニッケルを含有すると共に、銅、アルミニウム、モリブデン、ジルコニウム、コバルト、クロム、パラジウムからなるグループから選ばれた一種以上の元素で構成され、且つ各一種類の主要金属元素のモル数が合金総モル数の５％から３０％とされたことを特徴とする、多元合金。
【請求項２】
前記多元合金がさらにホウ素を含有し、且つ該ホウ素のモル数が合金総モル数の５％を超過しないことを特徴とする、請求項１に記載の多元合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一種のハイエントロピー多元合金に係り、特に、５種類から１１種類の主要金属元素を含有するハイエントロピー多元合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
伝統的な合金システムは、主要な構成元素、例えば鉄、銅、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、クロム、鉛、亜鉛、金、銀により分類される。周知の合金は、いずれも単一元素を主要合金元素としており、その他は副合金元素とされる。近年、急速凝固合金、機械合金、金属基複合材料が発展しているが、しかしその合金設計及び合金選択の理念は、いまだ一種類の元素を主要なものとする観念から脱していない。言い換えると、これまでの実験合金或いは商用合金のいずれもがある元素を単一主要元素とする合金の範疇から離脱していなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の伝統的な合金設計理念は明らかに合金成分の自由度を制限し、このため、新たな結晶構造及びそのマイクロ構造及び新たな性能の発展を制限する。本発明は新たな設計観念及びその合金範囲を提供して伝統的な制限を突破することを課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、構造体に使用される多元合金において、
該多元合金は５種類から１１種類の主要金属元素を含有し、これら主要金属元素は、チタン、バナジウム、鉄、ニッケルを含有すると共に、銅、アルミニウム、モリブデン、ジルコニウム、コバルト、クロム、パラジウムからなるグループから選ばれた一種以上の元素で構成され、且つ各一種類の主要金属元素のモル数が合金総モル数の５％から３０％とされたことを特徴とする、多元合金としている。
請求項２の発明は、前記多元合金がさらいホウ素を含有し、且つ該ホウ素のモル数が合金総モル数の５％を超過しないことを特徴とする、請求項１に記載の多元合金としている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は一種のハイエントロピー多元合金を提供する。本発明の合金は、複数種類の元素からなる合金であり、その特徴は、合金が５種類から１１種類の主要金属元素を含有し、各一種類の金属元素のモル数が合金総モル数の５％から３０％とされる。
【０００６】
本発明の合金の含有する主要金属元素は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、モリブデン、パラジウム、銀及び金より選択される。
【０００７】
本発明のハイエントロピー多元合金はまた前述の主要金属元素のほかに、副元素を添加可能であり、この副元素は、そのモル数が合金の総モル数の５％を超過しない。副元素は、金属元素或いは非金属元素とされる。金属添加物、例えば金、銀、白金、タングステン、錫、亜鉛及びその他の金属元素とされ、非金属元素は例えば、炭素、ホウ素、ケイ素、リン、硫黄及びその他の非金属元素とされる。
【０００８】
本発明のハイエントロピー多元合金は、任意の一つの元素のモル数が合金モル数の３０％を超過せず、ゆえに単一主要元素がマトリクスを構成する現象を有することがなく、溶融、凝固構造性質上、明らかに伝統的な合金とは異なっている。本発明の合金は原子構成構造上、ハイエントロピー現象を発生し、ゆえに本合金はハイエントロピー多元合金と称される。
【０００９】
本発明のハイエントロピー多元合金は少なくとも、以下の特性を同時に有する。
１．極めて高い硬度：  凝固して固体となった後、異なる元素組成により、その硬度はＨｖ６００からＨｖ９００まで変化し、カーボンスチール及び合金カーボンスチールの完全焼入れ硬化後の硬度に相当するか或いはそれより高い。
２．極めて高い耐熱性：  １０００℃で１２時間熱処理した後に炉中で冷却すると、熱軟化現象を発生しない。
３．極めて高い耐蝕性：  高濃度の硫酸、塩酸、硝酸に浸漬しても、ほぼ腐蝕現象を発生しない。
【００１０】
【実施例】
本発明のハイエントロピー多元合金は、電気抵抗式加熱法、感応加熱法、真空アーク溶融法、急速凝固法、機械合金法及び粉末合金法によりキャスティング或いは合成で製造され、これらの加熱方法と技術はいずれも本発明の属する分野の技術に関係する者であれば熟知していることであるので、一つずつの説明は省略するが、ここではただ電気アームキャスティングについて説明する。キャスティングにおいては、まず、選択した金属元素材料を、その融点により上から下に溶炉の水冷銅型中に入れ、さらに、溶炉の上蓋を閉じ、先に抽気し真空とし、その後、純アルゴンガスを充填し、こうして重複した抽気及び充気操作を行った後に、溶融開始する。電気アークをオンとして、金属材料を完全に溶融させ、それが銅型中で凝固した後に、裏返しにしてさらにアーク溶融を行い、全ての合金元素を溶融させ並びに均一に混合するまでこれを数回繰り返す。さらにそれを冷却して合金タブレット或いは目的物を得て、取り出して使用する。
【００１１】
本発明のハイエントロピー多元合金は複数種の金属元素をキャスティングするか或いは合成してなる合金である。該合金は少なくとも５種類以上の主要金属元素を含有し、各一種類の金属元素のモル数が合金総モル数の５％から３０％とされる。好ましくは、該合金の含有する主要金属元素は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、モリブデン、パラジウム、銀及び金より選択される。
【００１２】
本発明のハイエントロピー多元合金はまた前述の主要金属元素のほかに、副元素を添加可能であり、この副元素は、そのモル数が合金の総モル数の５％を超過しない。副元素は、金属元素或いは非金属元素とされる。
【００１３】
実施例１：
銅、チタン、バナジウム、鉄、ニッケル及びジルコニウムの６種類の元素を同じモル数ずつ使用し、その総重量が約１００ｇとなるようにする。各組成元素をその融点により上から下に溶炉の水冷銅型中に入れ、さらに、溶炉の上蓋を閉じ、先に５分間抽気して０．０１大気圧とした後に、純アルゴンガスを、約０．２大気圧となるまで充填し、さらにもう一度、抽気及び充気操作を重複して行った後に、溶融を開始する。溶融電流は５００アンペアとし、毎回溶融と凝固完成後に、銅型中の合金を裏返して電気アーク溶融を行い、これを全ての合金元素がすべて溶融し並びに均一に混合したと確定するまで続け、冷却後、外形が完全な円盤状とされた直径約５ｃｍの合金タブレットを得る。これは以下の表１の合金番号１に示されるとおりである。このほか、さらに一部の合金タブレットを１０００℃空気炉中に置いて１２時間熱処理し、その後、炉中で冷却して熱処理状態を得て、並びにその性質を測定する。
【００１４】
実施例２から２０：
実施例１の製造ステップを重複して行うが、しかし組成元素はそれぞれ表１中の合金番号２〜２０に示されるとおりとする。
【表１】
0004190720.tif 000002
ヴィッカー硬度テスタを利用し、合金コード１乃至２０の全てのサンプルの硬度値を測定する。測量前、サンプルの表面を＃１２０、＃２４０、＃４００、＃６００のカーボランダムサンドペーパーで研磨して平らに整えた後、さらに硬度テスタで測量する。測量時に加える負荷は５ｋｇｆとし、負荷時間は１０秒とする。各サンプルに対して７個の異なる位置の硬度値を測定し、中間の５個の平均値の平均をこのサンプルの硬度とし、その結果を表１に示した。
表１中の合金番号１から２０について、それぞれキャスト状態と熱処理状態の硬度値を示した。これから合金硬度が元素個数及び種類により明らかに違いがあることが分かる。一般的には、元素個数が多いほど、硬度が高くなる。ホウ素を加えることで硬度を高めることができる。熱処理により少数の合金の硬度が僅かに下がったが、その他の合金は硬度が下がらないか或いは反対に上昇した。表１中、硬度値の変化範囲はＨｖ５９０〜Ｈｖ８９０であり、もし、カーボンスチール及び合金カーボンスチール硬度を比較すると、この硬度範囲は０．３５％から１．０％の炭素含有量のカーボンスチール及び合金カーボンスチールの完全焼入れ硬化後の硬度範囲に相当する。さらに石英の硬度は約Ｈｖ７００であり、これもまたこの硬度範囲にあり、これから本発明の多元合金が極めて高い硬度を有することが分かる。特に進んだものでは、カーボンスチール或いは合金スチールは高温で軟化現象を呈し、ゆえに合金工具スチールは一般に５５０℃を越える温度では使用できず、使用した場合は急速に軟化し、変形断裂する。本発明のハイエントロピー多元合金は１０００℃でも軟化せず、ゆえに極めて優れた耐熱性を有している。
耐酸性試験
本発明の多元合金を裁断し、約２グラムの粒塊を切り取り、それぞれ５００ｍｌの濃度が１及び０．０１Ｍの塩酸、硫酸、及び硝酸水溶液中にそれぞれ２４時間浸漬させ、多元合金サンプルと異なる酸液の反応程度と重量損失を観察し、異なる成分の各種の常用酸液に対する抵抗能力を比較した。その結果は表２のとおりである。
【表２】
0004190720.tif 000003
表２から明らかであるように、本発明のハイエントロピー多元合金は、いかなる表面処理も行わずとも極めて高い耐酸蝕性を有している。これに対して、カーボンスチール或いは合金カーボンスチールはこのような耐蝕性を有していない。
【００１５】
実施例２１乃至２４
実施例１の製造ステップを重複して行うが、但し組成元素及び原子モル比組成は表３に示す通りとし、得られるタブレットを約２．５ｇ切り取り、アーク溶炉中に入れて再度溶融させ、並びに石墨ハンマを用いて溶融した液体を打撃して厚さ約２００μｍの薄片を得る（その快速冷却速度は１０3 〜１０4 Ｋ／ｓｅｃとされる）、その後その性質を測定する。その硬度値は表４のとおりであり、モル比偏離などの状況にあって、急速凝固法で極めて高い硬度が得られることが分かる。そのうち実施例２２の合金の硬度はＨｖ１０４９にも達した。
【表３】
0004190720.tif 000004
【表４】
0004190720.tif 000005
【００１６】
【発明の効果】
総合すると、本発明のハイエントロピー多元合金は、キャスト状態においてカーボンスチール及び合金カーボンスチール焼入れ完全硬化後の硬度水準より高い硬度を得ることができるだけでなく、長時間の高温（１０００℃）熱処理においても硬度は軟化せず優れた焼き戻し軟化抵抗性を表現し、カーボンスチール及び合金カーボンスチール（５５０℃までしか耐えられない）の及ぶところではない。また本発明のハイエントロピー多元合金は優れた耐蝕性を有し、これもまたカーボンスチール及び合金カーボンスチールの及ぶところではない。伝統的な周知の合金組成でこれらの特性を同時に具えているものはない。本発明のハイエントロピー多元合金はゆえに特殊な用途を有し、例えば熱処理不要の精密キャスティング法による高温或いは低温用のツール、型（ｍｏｌｄ）及びパーツの直接製造の用途を有し、加工コストを下げられると共に、１０００℃までで使用でき焼き戻し軟化の恐れがない。また例えばこのような合金に対して、プラズマ或いは火炎スプレー法によりパーツの表面を塗布して、耐磨、耐熱、耐蝕の用途を提供することができる。ゆえに本発明のハイエントロピー多元合金は新規性、進歩性を有し並びに産業上の利用価値を有し、特許の要件に符合する。なお以上の説明は本発明の望ましい実施例に係るものであって、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。