(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比で、ニッケル(Ni)を55〜58%、クロム(Cr)を38〜42%、及びアルミニウム(Al)を2〜4%含有するNiCrAl合金に、ボロン(B)が、重量比で20〜150ppm添加された非磁性高強度材料を、鋳造−鍛造−時効処理という一連の工程を経て製造するに当たり、鋳造して作製したインゴットを鍛造時に1200℃に再加熱することを特徴とする非磁性高強度材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、非磁性高強度材料の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、加工性が良好で安定供給可能であり、しかも十分な機械的特性を示す、非磁性条件の必要な圧力下での物性実験や加圧下で物質合成を行う際の高圧材料をはじめ、非磁性ネジなどの機械部品や非磁性ペンチなどの工具としても使用可能な非磁性高強度材料を製造する非磁性高強度材料の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
1972年に旧ソ連のAlmovらにより高強度材料として開発されたNiCrAl合金、別名Russian Alloy(M. Eremets, High Pressure Experimental Methods, Oxford University Press, 1996に記載)は、磁化率が小さい高圧セル材料として知られている。
【０００３】
しかしながら、このNiCrAl合金は、前記文献に記載された組成と同様の組成で、同様の性能を再現するのは、現在のロシアにおいてでさえも容易でなく、入手が困難となっている。
【０００４】
その原因の一つに、NiCrAl合金の加工性の悪さが挙げられる。
【０００５】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、加工性が良好で安定供給可能であり、しかも十分な機械的特性を示す、非磁性条件の必要な圧力下での物性実験や加圧下で物質合成を行う際の高圧材料をはじめ、非磁性ネジなどの機械部品や非磁性ペンチなどの工具としても使用可能な非磁性高強度材料を製造する非磁性高強度材料の製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明者らは、重量比で20〜150ppmのボロン(B)を前述のNiCrAl合金に添加し、NiCrAl合金の融点降下及び粒界強度の改善を図った。その結果、上記特定範囲内のBの添加によりNiCrAl合金の加工性が著しく改善され、安定に加工することができるという技術的知見を得た。また、上記特定範囲でBが添加されたNiCrAl合金は、前述の文献に記載されている機械的特性に劣らない機械的特性をも実現するとの技術的知見も得た。
【０００７】
この出願の発明は、以上の技術的知見を踏まえ、非磁性高強度材料を製造する方法として、重量比で、ニッケル(Ni)を55〜58%、クロム(Cr)を38〜42%、及びアルミニウム(Al)を2〜4%含有するNiCrAl合金に、ボロン(B)が、重量比で20〜150ppm添加された非磁性高強度材料を、鋳造−鍛造−時効処理という一連の工程を経て製造するに当たり、鋳造して作製したインゴットを鍛造時に1200℃に再加熱することを特徴としている。
【０００８】
この出願の発明の製造方法により製造される非磁性高強度材料は、後述するように、Russian Alloyに匹敵する材料としてごく最近開発されたNiCo系多相合金(MP35N(I.R.Walker, Rev.Sci. Instrum. 70(1999) 3402に記載)と比較し、磁化率が一桁ほど小さく、降伏応力も大きいという優れた特性を示す。また、コバルト(Co)を含んでいないため、資源の安定確保やコスト面などにおいても有利であるという利点を有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の製造方法により製造される非磁性高強度材料は、重量比で、ニッケル(Ni)を55〜58%、クロム(Cr)を38〜42%、及びアルミニウム(Al)を2〜4%含有するNiCrAl合金に、ボロン(B)が、重量比で20〜150ppm添加されているものである。
【００１０】
NiCrAl合金は、融点が高く、これが、加工性の悪さをもたらしている。Bの添加は、NiCrAl合金の融点を下げ、加工性を良好とする。Bの添加量は、重量比で20〜150ppmの範囲に限定される。これは、20ppm未満では加工性の改善にさほど有効でなく、150ppmを超えると、他の金属元素との化合物が形成されるなど、非磁性高強度材料の物性が不安定になりやすいとの理由に基づいている。
【００１１】
以上の非磁性高強度材料は、鋳造−鍛造−時効処理という一連の工程を経て製造される。前記重量比内にNi、Cr、及びAl原料を配合し、これに前記重量比内にBを添加し、鋳造する。鋳型内で徐冷されたインゴットの内部には、一般に、冷却過程において様々な相が析出し、分散するため、インゴット全体の硬度が高くなる傾向にある。この場合、鍛造前に均質化処理することが不可欠となる。均質化処理の温度は、1200℃程度が例示される。
【００１２】
鍛造は、鋳造時に形成された組織を一旦壊し、材料本来の特性を引き出すために行われる。鍛造には、通常行われている圧延などの各種の方式が採用可能である。鍛造時には、インゴットを1200℃程度に再加熱する。NiCrAl合金を面心立方の単相とすることができ、加工性が良好となる。また、Bの添加により、鍛造時の作業温度を十分下げることができ、NiCrAl合金の加工性が大きく改善される。
【００１３】
鍛造後に時効処理を行うが、これに先立ち、予歪み処理を、室温での溝圧延などにより10%程度まで変形させるなどして行うことも可能である。予歪み処理により、合金中に転位や原子空孔などの格子欠陥を導入することができ、導入された格子欠陥は、時効処理時に生成する析出物の核となり、その結果、析出物が細かく分散して強度が増す傾向にある。
【００１４】
時効処理における処理温度は、500℃以上800℃未満が有効である。時効温度が500℃未満であると、析出物が十分析出せず、硬度にばらつきが見られ、800℃以上となると、硬度が急激に低下する。好ましくは、700℃以上800℃未満であり、この温度範囲内での時効処理により、引っ張り強度が十分高まる。時効処理後、室温に戻す際には、炉冷、大気中に暴露しての急冷などのいずれであってもよい。冷却過程が特性に大きく影響する傾向は見られない。
【００１５】
以下、実施例を示し、この出願の発明の非磁性高強度材料の製造方法についてさらに詳しく説明する。
【００１６】
【実施例】
以下に示す手順に沿って、非磁性高強度材料の一例として圧力セルを作製した。
[1] B添加NiCrAl合金の鋳造
重量比で、Niが56.5%、Crが40%、Alが3.5%のNiCrAl合金とし、これにBを重量比で50ppm添加することとした。Bの添加には、あらかじめ作製してあったNi-15.5wt%B合金を用いることにした。原料は、高周波溶解炉を用いて溶解し、容器にはアルミナ坩堝を使用した。
【００１７】
ただし、Alは、他の金属及び合金に比べ、融点が低いため、溶解は、次のようにして行った。
【００１８】
まず、Ni、Cr、及びBを真空中で溶解し、次いでAlを加えた後、Alの蒸発を抑えるために雰囲気をアルゴン(Ar)ガス(100〜300Torr)に替え、再度溶解した。このようにして混合した液体状の合金を鋳型(約80mm×80mm×200mm)に鋳込んだ。
[2] 鋳造インゴットの鍛造
前述の通り、鋳型内で徐冷されたインゴットの内部には、冷却過程で様々な相が析出し、分散するため、インゴット全体の硬度は高い。特にインゴットの上部、すなわち液体状の合金の注入口における湯引き（冷却時の熱収縮）により生成する巣の切断が不可能となる。
【００１９】
このため、鋳造したインゴットを1200℃に5時間保持して均質化処理し、水焼入れを行
い、この後、巣の部分を切り落とした。
【００２０】
そして、角柱状のインゴットを1200℃に加熱した後、300tonプレス装置を用いて初期鍛造を行った。鍛造は、インゴットを90°ずつ回転させながら行い、最終的に40mm×40mmの角柱状にした。この鍛造過程において、インゴットの温度がプレス装置のプレスヘッドを介して激しく低下するため、プレスする毎に1200℃に再加熱した。なお、一回のプレスでの圧下率は、5%程度を目安にした。
【００２１】
鍛造品は、さらに、実際のサイズに近づけ、棒材とするために、溝圧延機にかけ、40mm角、38mm角、36mm角と次第に細くし、最終的に10〜20mm角までに圧延した。この圧延に際し、圧延品には、前記プレス加工時と同様に、一回圧延する毎に1200℃に再加熱した。
【００２２】
こうして得られた棒材を1200℃に加熱した後、水焼入れした。NiCrAl合金の金属組織は、粒径10μm程度となった。20mm角の棒材では、粒径は10μmであり、圧下率は93.7%となった。
【００２３】
得られた棒材の室温での伸びは40%以上であり、140%以上に伸ばすことができた。
[3] 予歪み処理及び／又は機械加工
前述の通り、合金中に導入される転位や原子空孔などの格子欠陥は、時効処理時に生成する析出物の核となり、その結果、析出物が細かく分散し、強度が増す。
【００２４】
そこで、一部の棒材については室温で溝圧延し、予歪み処理を行い、10%まで変形させた。この後に機械加工を行い、実際に用いられる圧力セルの所定サイズのロッドに成形した。
【００２５】
他の棒材についは予歪み処理を行うことなく、機械加工し、所定サイズのロッドに成形した。
[4] 時効処理
成形後のロッドは石英管中に真空封入し、時効処理を行った。
【００２６】
図１は、ロッドから切り出した試験片について、時効処理時の硬さ（ロックウェル硬度Cスケール(HRC)）の温度依存性及び時間依存性を示したグラフである。
【００２７】
試験片は、時効処理に際し、石英管中に真空封入され、図１に示した各時効温度に90分又は120分保持した後、室温まで炉冷又は急冷した。硬さは、ロックウェル硬度計で測定し、公正を期すために、測定は、三箇所の機関で行った。
【００２８】
図１から確認されるように、時効温度が500℃付近で急激に硬化が起こり、550℃で硬度は最大となる。一方、時効温度が800℃以上となると、硬度は再び急激に低下する。また、500℃未満では、硬度にばらつきが生ずる。このことから、非磁性高強度材料として安定した性能を得るためには、時効温度は500℃以上800℃未満が適当であると考えられる。
【００２９】
図２は、時効処理後の試験片の引っ張り試験の結果を示したグラフである。
【００３０】
この図２から確認されるように、時効温度を700℃以上とすると、予歪み材、歪みなし材に関わらず、0.2%降伏応力で2GPa、破断応力で2.3GPaを示し、その時の伸びは2%程度若しくはそれ以上というほぼ安定した特性を示す。
【００３１】
物性実験に用いられるピストン＝シリンダー型圧力セルについては、一般に、理想的な最大発生圧は、降伏応力の2倍程度であることが経験的に知られている。もちろん、その値は、シリンダーの設計や加工技術に大きく影響されるが、材料特性という観点からすれば、以上のデータから、圧力セルは、最大発生圧をほぼ4GPaまで達成可能であると見込まれる。
【００３２】
図３は、この出願の発明の製造方法により製造された非磁性高強度材料と前述のNiCo系多相合金(MP35N)との引っ張り試験の結果を比較したグラフである。
【００３３】
この図３から確認されるように、最適とされている時効処理を行ったMP35Nの機械的特性は、この出願の発明の製造方法により製造された非磁性高強度材料と比較しておよそ5%程低い。しかも、MP35Nでは、降伏点を過ぎると、急速に塑性変形を起こしている。その原因は、材料自身の不均一性によるものかどうか現段階では定かでないが、図３に示した結果から理解されるように、この出願の発明の製造方法により製造された非磁性高強度材料は、前述のRussian Alloy、すなわち、NiCrAl合金に匹敵すると考えられていたNiCo系多相合金(MP35N)を上回る機械的特性を有し、しかも安定であるという特徴を有している
。
【００３４】
図４は、この出願の発明の製造方法により製造された非磁性高強度材料とNiCo系多相合金(MP35N)との磁化率の温度依存性を比較したグラフである。
【００３５】
なお、磁化率は、SQUID磁束計で測定した。MP35Nの磁化率の温度依存性については、前述の文献値を引用している。
【００３６】
この図４から確認されるように、この出願の発明の製造方法により製造された非磁性高強度材料は、MP35Nと比較し、低温において一桁小さな磁化率を示しており、非磁性条件に優れている。
【００３７】
図４には、時効処理を行わなかった試験片の磁化率の温度依存性を合わせて示しているが、時効処理を行った試験片に比べ、低温において磁化率が勝っているが、その機械的特性は、時効処理を行った試験片に遠く及ばない。
【００３８】
なお、実際に非磁性圧力セルを作製する際には、以上の特性を有する時効処理後のロッドをたとえば内層シリンダーとして、CuBe合金製の外層シリンダーに冷間押し嵌めし、二層シリンダーに作製することができる。そして、さらに、リーマー(reamer)仕上げ、ネジ調整などの最終加工を行い、製品とすることができる。
【００３９】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。操作条件などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、加工性が良好で安定供給可能であり、しかも十分な機械的特性を示す、非磁性条件の必要な圧力下での物性実験や加圧下で物質合成を行う際の高圧材料をはじめ、非磁性ネジなどの機械部品や非磁性ペンチなどの工具としても使用可能な非磁性高強度材料が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例において作製したロッドから切り出した試験片について、時効処理時の硬さ（ロックウェル硬度Cスケール(HRC)）の温度依存性及び時間依存性を示したグラフである。
【図２】  時効処理後の試験片の引っ張り試験の結果を示したグラフである。
【図３】  この出願の発明の製造方法により製造された非磁性高強度材料とNiCo系多相合金(MP35N)との引っ張り試験の結果を比較したグラフである。
【図４】  この出願の発明の製造方法により製造された非磁性高強度材料とNiCo系多相合金(MP35N)との磁化率の温度依存性を比較したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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