(57)【要約】本発明は、機械的性質の優れたＺｒＣ粒子分散アモルファス合金複合材を安価に作製することを目的とする。本発明の、ＺｒＣ粒子分散アモルファス合金複合材の作製法は、母相の合金にカーボン粒子とＺｒ純金属又はＺｒ合金とを加えて、Ｚｒ純金属又はＺｒ合金の融点＋１００Ｋ以上の温度で溶解し、溶解中にＺｒとＣを反応させてＺｒＣ粒子を生成させる。これにより、ＺｒＣ粒子を均一に分散したガラス形成能を持つ母合金を作製して、これを調整することでＺｒＣ粒子分散アモルファス合金を作製することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
母相となる合金を溶解し、
前記合金にカーボン粒子とＺｒ合金とを加え、Ｚｒ合金の融点＋１００Ｋ以上の温度で溶解することにより、溶解中にＺｒとＣを反応させてＺｒＣ粒子を生成させ、
ＺｒＣ粒子が均一に分散した合金を作製することを特徴とするＺｒＣ粒子分散アモルファス合金の作製法。
【請求項２】
母相となる合金を溶解し、
前記合金にカーボン粒子とＺｒ純金属とを加え、Ｚｒ金属の融点＋１００Ｋ以上の温度で溶解することにより、溶解中にＺｒとＣを反応させてＺｒＣ粒子を生成させ、
ＺｒＣ粒子が均一に分散した合金を作製することを特徴とするＺｒＣ粒子分散アモルファス合金の作製法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＺｒＣ粒子分散アモルファス合金において、
さらに、前記ＺｒＣ粒子が均一に分散した合金を調整したガラス形成能を有する合金から、所望の形状を有するＺｒＣ粒子分散アモルファス合金を形成することを特徴とするＺｒＣ粒子分散アモルファス合金。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のＺｒＣ粒子分散アモルファス合金の作製法で作製したＺｒＣ粒子分散アモルファス合金。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、アモルファス合金に関し、特にＺｒＣ粒子分散アモルファス合金に関する。
背景技術
昨今の金属ガラスの研究はめざましものがある。高いガラス形成能および結晶化に対する高い熱的安定性を有する金属ガラスが見出され、これが基礎から応用に至るまで幅広く用いられている。その中でもＺｒ−Ａｌ−ＴＭ（ＴＭは遷移金属）は、最もガラス形成能に優れた合金組成の一つに挙げられる。Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０ガラス合金においては、差圧鋳造法により直径３０ｍｍに及ぶ円柱状バルクガラス合金の作製に成功している。
この金属ガラスは、他の非晶質合金と同様に、室温における単軸圧縮や引張り試験では、変形は弾性的であり、殆ど塑性伸びを示すことなく、最大せん断面において局所的な不安定破壊を生じる。このような機械的性質を改善することを目的として、セラミックスや金属といった第二相を含有する非晶質合金複合材料の開発が今日に至るまで行われている。１９８０年に非晶質合金の複合化による降伏強度の上昇と破壊の非局在化が初めて報告された。すなわちこれは、ミクロンサイズの炭化タングステン粒子を分散したＮｉ７８Ｓｉ１０Ｂ１２急冷薄帯が高強度を有するというものである。
近年我々は、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）粒子分散型Ｚｒ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕバルクガラス複合材料が、Ｚｒ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ単相バルクガラスよりも高強度・高延性を有することを示した。その後、カリフォルニア工科大学のグループが同様の発想により、タングステンや鉄鋼材料繊維を複合させて、金属ガラスの高強度・高延性化に成功し、同様の効果をそれらの粒子やセラミックス粒子を用いて示している。
このような金属ガラスを母相とした複合材料を設計する際の重要な因子として、次のような事柄が挙げられる。母相および分散相の反応性が無いこと、濡れ性が良いこと、そして熱膨張係数や比重の差が小さいことである。これらを基礎に多くの研究が行われてきた。Ｚｒ金属とグラファイト粒子によるＺｒＣ粒子の反応生成を複合材料の作製中に行う、いわゆるＺｒとＣのその場反応を利用することが、母相と分散相の濡れおよび粒子の均一分散に効果的である。なぜならば、Ｚｒ金属とグラファイト粒子のその場反応が、粒子の凝集を妨げる効果を持つからである。
ＺｒＣ粒子とＺｒ合金を溶解して作製したＺｒＣ粒子分散母合金を用いて、ＺｒＣ粒子分散Ｚｒ基アモルファス合金を作製する場合には、
１）ＺｒＣ粒子が高価である、
２）ＺｒＣ粒子の分散が不均一である、
３）ＺｒＣ粒子とアモルファス母相との接合性が不十分である
と言った問題点があった。
そのため、本発明の目的は、機械的性質の優れたＺｒＣ粒子分散アモルファス合金複合材を安価に作製することである。
発明の開示
上記目的を達成するために、本発明は、母相となる合金を溶解し、前記合金にカーボン粒子とＺｒ合金とを加え、Ｚｒ合金の融点＋１００Ｋ以上の温度で溶解することにより、溶解中にＺｒとＣを反応させてＺｒＣ粒子を生成させ、ＺｒＣ粒子が均一に分散した合金を作製することを特徴とするＺｒＣ粒子分散アモルファス合金の作製法である。
また、前記合金にカーボン粒子とＺｒ純金属とを加え、Ｚｒ金属の融点＋１００Ｋ以上の温度で溶解することにより、溶解中にＺｒとＣを反応させてＺｒＣ粒子を生成させ、ＺｒＣ粒子が均一に分散した合金を作製することを特徴とするＺｒＣ粒子分散アモルファス合金の作製法である。
さらに、前記ＺｒＣ粒子が均一に分散した合金を調整したガラス形成能を有する合金から、所望の形状を有するＺｒＣ粒子分散アモルファス合金を形成することができる。
これらのＺｒＣ粒子分散アモルファス合金の作製法で作製したＺｒＣ粒子分散アモルファス合金も本発明である。
発明を実施するための最良の形態
本発明を用いた、ＺｒＣ粒子分散Ｚｒ基アモルファス合金複合材の作製法は、母相の合金にカーボン粒子とＺｒ純金属又はＺｒ合金とを加えて、Ｚｒ純金属又はＺｒ合金の融点＋１００Ｋ以上の温度で溶解し、溶解中にＺｒとＣを反応させてＺｒＣ粒子を生成させる。これにより、ＺｒＣ粒子を均一に分散したガラス形成能を持つ母合金を作製して、これを調整することでＺｒＣ粒子分散アモルファス合金を作製することができる。作製に使用するカーボン粒子の大きさは、１００マイクロメートル以下であり、ＺｒＣ粒子の大きさは１００マイクロメートル以下であることが望ましい。また、作製されるＺｒＣ粒子の分散の割合は、体積率で２０％以下であることが望ましい。
（実施例）
非晶質合金として、Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０（添え字は原子％）の組成からなる母相に、Ｚｒ原子とＣ原子の反応を用いて生成したＺｒＣ粒子を分散させる場合で詳しく説明する。
（１）純アルゴン雰囲気中において、Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０原子比になるように計量した純Ｚｒ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕ金属をアーク溶解法により合金化する。
（２）この合金に、グラファイト粒子（１０ミクロン以下の粒径で、純度９９．９９％）とこれに反応してＺｒＣを生成する余分な純Ｚｒを加えて、再びアーク溶解法によって混ぜ合わせる。このＺｒとＣとは１：１で反応し、母相のＺｒがＣと反応することを考慮する。
Ｚｒ金属は他の３つの金属元素と比較して、グラファイトに対して最も高い反応性を有し、生成したジルコニウムの炭化物（ＺｒＣ）がもっとも安定であることから、この溶解によってＺｒＣ粒子のみが分散相として生成されるのである。（３）このＺｒＣ粒子を含む母合金を粉砕して、石英ノズルに装填し、これを１０−４Ｔｏｒｒ以下真空雰囲気中で高周波溶解した後に溶湯温度８５０℃以上にて銅鋳型（直径２ｍｍ，高さ５０ｍｍ形状）に鋳込む。
前記のように作製した鋳造複合材料の断面の光学顕微鏡写真が図１である。この写真から、母相に対して１０ミクロン以下の粒子が均一に分散していることがわかる。
図２は、１５ｖｏｌ％（体積分率）の分散粒子を含む鋳造複合材料の断面のＸ線回折図形を示したものである。これがＺｒＣを示す５つのピークと非晶質構造を示すハロー図形より成り立っていることから、得られた複合材料は母相がＺｒ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ非晶質合金で分散物がＺｒＣ粒子であり、グラファイトが消滅したことがわかる。
図３は、１５ｖｏｌ％の分散粒子を含むＺｒＣ粒子分散Ｚｒ基非晶質合金複合材料の示差走査熱量分析（ＤＳＣ）曲線（昇温速度０．６７Ｋｓ−１）をＺｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０単相非晶質合金のものと併せて示したものである。これら２つの曲線におけるガラス遷移温度Ｔｇと結晶化開始温度Ｔｘがそれぞれ６８０Ｋ，７６０Ｋ程で一致している。このことから、添加したグラファイト全てがアーク溶解中に溶湯内のＺｒ原子と反応してＺｒＣ粒子を生成し、その結果母相の非晶質合金は余分な純Ｚｒを添加したにも関わらず、Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０（添え字は原子％）組成を保っていることがわかる。
前記の方法で作製したＺｒＣ粒子分散Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０（添え字は原子％）非晶質合金複合材料のうち、７．５ｖｏｌ％および１５ｖｏｌ％（いずれも体積分率）のＺｒＣ粒子を均一に分散したものの圧縮試験結果（歪速度は５．０×１０−４ｓ−１）を、Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０（添え字は原子％）単相非晶質合金の結果と併せて図４に示す。
図４から、Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０（添え字は原子％）単相非晶質合金の圧縮破断強度が１８３６ＭＰａで、塑性歪みがほぼ０％であるのに対して、７．５ｖｏｌ％および１５ｖｏｌ％（いずれも体積分率）のＺｒＣ粒子を均一に分散したＺｒＣ粒子分散Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０（添え字は原子％）非晶質合金複合材料は、圧縮破断強度、塑性歪みがそれぞれ１９９６ＭＰａ，１．４％および２０６０ＭＰａ，５％に達していることがわかる。
図５〜図７は、ＺｒＣ粒子の体積分率の変化により、最大応力（図５）、塑性歪み（図６）、ヤング係数（図７）がどの様に変化するかを示している。
これらの図から、体積分率２０％以下のとき、最大応力およびヤング係数に関しては、ＺｒＣ粒子の割合が多くなるとともにその性能が増すが、塑性歪みに関しては、体積分率１０％のときにピークがある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による合金で作製した鋳造複合材料の断面の光学顕微鏡写真である。
第２図は、本発明による合金で作製した鋳造複合材料の断面のＸ線回折のグラフである。
第３図は、本発明による合金で作製した鋳造複合材料の示差走査熱量分析曲線を示すグラフである。
第４図は、ＺｒＣ粒子を均一に分散した合金の圧縮試験下における応力−歪曲線を示すグラフである。
第５図は、ＺｒＣ粒子の体積分率に対する圧縮試験による最大応力を示すグラフである。
第６図は、ＺｒＣ粒子の体積分率に対する圧縮試験による塑性歪みを示すグラフである。
第７図は、ＺｒＣ粒子の体積分率に対する圧縮試験によるヤング係数を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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