JP2015098624A - 超微細Ａｌ合金粉末および高強度Ａｌ合金成形体の製造方法、ならびに超微細Ａｌ合金粉末および高強度Ａｌ合金成形体。 - Google Patents
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Abstract
【課題】超微細Ａｌ合金粉末および高強度Ａｌ合金成形体の製造方法、ならびに超微細Ａｌ合金粉末および高強度Ａｌ合金成形体を提供する。【解決手段】超微細Ａｌ合金粉末の製造方法は、水素ガス含有雰囲気中で、Ａｌ合金にアーク放電するアークプラズマ強制蒸発法によって１０〜３００nmの超微細Ａｌ合金粉末を製造する第１工程と、この超微細Ａｌ合金粉末を、酸素ガス含有雰囲気中に導入して、表面に酸化物層を形成する第２工程とからなる。高強度Ａｌ合金成形体の製造方法は、超微細Ａｌ合金粉末を、５００℃以上の加熱温度で、１００〜１０００ＭＰaの圧縮荷重で固化して、ビッカース硬さが２ＧPa以上の成形体を製造する方法、または、超微細Ａｌ合金粉末を、３００℃以下の加熱温度で、１０ＧＰa以上の圧縮荷重で固化して、ビッカース硬さが２ＧPa以上の成形体を製造する方法。【選択図】図６
Description
本発明は、超微細Ａｌ合金粉末および高強度Ａｌ合金成形体の製造方法、ならびに超微細Ａｌ合金粉末および高強度Ａｌ合金成形体に関するものである。
近年環境負荷の低減、リサイクル性の向上のため、金属材料においては合金元素の低減が重要視されており、高強度化に当たっても化学組成を従来のものと大きく変えることなく特性を向上させることが求められている。結晶粒を微細化させることで機械的性質が改善されることはよく知られているが、微細化により室温強度は向上するものの、高温では粒界すべりによりクリープ強度が低下してしまう。
室温における強度と粒径の間には、以下のホールペッチの関係があり、粒径が小さいほど室温強度は高くなる。
［式（１）］
ここで、ｄは粒径、σYは降伏応力、ｋは定数、σ０は単結晶の場合の降伏応力である。
［式（１）］
ここで、ｄは粒径、σYは降伏応力、ｋは定数、σ０は単結晶の場合の降伏応力である。
また、高温におけるクリープ強度に関してはDornのひずみ速度式（２）が得られており、粒径が小さいほどひずみ速度が大きくなる、すなわちクリープ強度が低くなる。これは結晶粒の微細化により粒界すべりが起きやすくなるためである。
［式（２）］
ここで、A,Dは定数、頻度因子、b,Gは、バーガースベクトルの大きさ、剛性率であり、p,nは、粒径指数、応力指数である。
［式（２）］
ここで、A,Dは定数、頻度因子、b,Gは、バーガースベクトルの大きさ、剛性率であり、p,nは、粒径指数、応力指数である。
室温強度、高温クリープ強度の粒径依存性を図１に示すが、粒径を小さくすれば室温強度が上がるが高温クリープ強度は低下する。このように結晶粒の微細化のみでは室温強度と高温クリープ強度を共に高めることははなはだ困難なことであった。
なお、従来の高強度Ａｌ合金成形体に関する報告には、特許文献１〜３のものが例示される。
以上のような従来技術の問題に鑑み、本発明は、超微細Ａｌ合金粉末および高強度Ａｌ合金成形体の製造方法、ならびに超微細Ａｌ合金粉末および高強度Ａｌ合金成形体を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するためになされた本発明の超微細Ａｌ合金粉末の製造方法は、
水素ガス含有雰囲気中で、Ａｌ合金にアーク放電するアークプラズマ強制蒸発法によって１０〜３００nmの超微細Ａｌ合金粉末を製造する第１工程と、
前記超微細Ａｌ合金粉末を、酸素ガス含有雰囲気中に導入して、表面に酸化物層を形成する第２工程と、からなることを特徴とするものである。この発明において、Ａl合金として、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｎｉのうちの１種または２種以上を含有するＡｌ合金を用いることができる。
水素ガス含有雰囲気中で、Ａｌ合金にアーク放電するアークプラズマ強制蒸発法によって１０〜３００nmの超微細Ａｌ合金粉末を製造する第１工程と、
前記超微細Ａｌ合金粉末を、酸素ガス含有雰囲気中に導入して、表面に酸化物層を形成する第２工程と、からなることを特徴とするものである。この発明において、Ａl合金として、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｎｉのうちの１種または２種以上を含有するＡｌ合金を用いることができる。
本発明の高強度Ａｌ合金成形体の製造方法は、上記した製造方法で製造した超微細Ａｌ合金粉末を、５００℃以上の加熱温度で、１００〜１０００ＭＰaの圧縮荷重で固化して、ビッカース硬さが２ＧPa以上の成形体を製造することを特徴とするものである。
また、本発明の高強度Ａｌ合金成形体の製造方法は、上記した製造方法で製造した超微細粉末を、３００℃以下の加熱温度で、１０ＧＰa以上の圧縮荷重で固化して、ビッカース硬さが２ＧPa以上の成形体を製造することを特徴とするものである。
本発明の超微細Ａｌ合金粉末は、上記したような方法で製造されたものであることを特徴とする。
さらに本発明の高強度Ａｌ合金成形体は、上記したような方法で製造されたものであることを特徴とする。
本発明の超微細Ａｌ合金粉末の製造方法は、表面に薄い酸化物層が形成された超微粒子を製造することができる。
また、本発明の高強度Ａｌ合金成形体の製造方法は、結晶粒の微細化により室温強度の向上と、粒内への微細な酸化物分散効果により高温強度を高めることができる。
本発明の超微細Ａｌ合金粉末は、表面に薄い酸化物層が形成された超微粒子であるので、高強度Ａｌ合金成形体の製造に用いるに最適である。
また、本発明の高強度Ａｌ合金成形体は、微細な結晶粒と微細に分散した粒内酸化物を有するので、高い室温強度と高温強度を合わせ有している。
以下に、本発明の高強度Ａｌ合金成形体の製造方法を詳細に説明する。
本発明の超微細アルミニウム合金粉末の製造方法は、水素ガス含有雰囲気中でアルミニウム合金にアーク放電するアークプラズマ強制蒸発法によって１０〜３００ｎｍの超微細Ａｌ合金粉末を製造する第１工程と、前記超微細Ａｌ合金粉末を酸素ガス含有雰囲気中に導入して、表面に酸化物層を形成する第２工程と、からなる。
図２は、アークプラズマ強制蒸発法を説明する概念図である。また、図３はアークプラズマ強制蒸発法を実施するための超微細粉末製造装置の概略構成図である。図において、チャンバー１内には、陽極である水冷銅ハース２と陰極であるタングステン電極３が配設されており、両者は電源４と接続されている。チャンバー１には排気用の真空ポンプ５とAｒボンベ６、水素ボンベ７が接続されている。また、チャンバー１には超微細粉末回収通路８が設けられており、この途中にフィルター９とポンプ１０が配設されている。
Ａｌ合金を水冷銅ハース２の上に載置して水素ガス含有雰囲気中でアーク放電を行うと、Ａｌ合金は１０４Ｋ程度の高温に加熱されて、水素イオンがＡｌ合金中に溶解し、再結合して放出されるので、蒸気イオンが放出されてナノ粒子が発生する。放電電流として、例えば１５０Ａを用いることができる。ポンプ１０により超微細粉末回収通路８に吸引されたナノ粒子である超微細粉末はフィルター９に補足されて回収される。なお、Ａｌ合金として、少なくともＭｇを含有する合金を用いることができる。また、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｎｉなどを単独で、または複合して含有する合金を、適宜用いることもできる。
アークプラズマ強制蒸発法によって粒径が１０〜３００ｎｍの超微細アルミニウム合金粉末を製造する。粒径が１０ｎｍ未満とする必要はなく１０ｎｍ以上で焼結後においても微細な結晶を得ることができるからである、また、３００ｎｍ以下とするのは、これを超えると焼結後において微細な結晶粒を得ることが困難となって、室温強度の低下をもたらすからである。
製造された超微細粉末は、例えば１％酸素−Ａｒ雰囲気ガス中、室温で０．５時間以上酸化させて表面が酸化された酸化微粉末を得る。酸素ガスの含有率、および酸化時間、温度は特に限定されるものではなく、超微細アルミニウム合金粒子の表面に酸化膜を形成させることができればよい。
製造された超微細アルミニウム合金粉末の走査電子顕微鏡写真を、図４に示す。図ではやや不鮮明であるが、概ね５０ｎｍの粒径を有している。
本発明の高強度アルミニウム合金成形体の製造方法は、上記した製造方法で製造したＡｌ合金超微細粉末を、５００℃以上の加熱温度で、１００〜１０００ＭＰaの圧縮荷重で固化して、ビッカース硬さが２ＧPa以上の成形体を製造することを特徴とする。この発明は、比較的低荷重下にて、高温、短時間で成形体を製造する際に用いる。
加熱温度を５００℃以上とするのは、５００℃未満では低い圧縮荷重では粒子間の接合が不完全で、破壊しやすくなるからである。上限はＡｌの融点以下の６５０℃である。圧縮荷重を１００〜１０００ＭＰaとするのは、１００ＭＰa未満では結晶粒を十分接合することができないからであり、１０００ＭＰａまでで十分であるからである。図５に、成形に用いる放電プラズマ焼結装置（ＳＰＳ）の概略構成図を示した。
Ａｌ−１ｍｏｌ％Ｍｇ合金を用いて、アークプラズマ強制蒸発−酸化プロセスにより平均粒径５０ｎｍの超微細Ａｌ合金粉末を調製した。次いで、この超微細Ａｌ合金粉末を、放電プラズマ焼結装置を用いて焼結固化して成形体を製造した。焼結条件は、φ１０ｍｍの円柱ダイスに超微細Ａｌ合金粉末を充填して、焼結圧２５０ＭＰaにて２５０，３５０，６００℃の目標温度に達した後１０分間保持を行い、その後冷却した。
図６に、焼結温度とビッカース硬度の関係を示す。温度約４００℃以上で２ＧＰa以上の硬度が得られる。６００℃では、２．６１ＧＰaの硬度を得ることができた。ただし、２５０℃、３５０℃においては、ビッカースの圧痕に亀裂が生じた。これは、超微細Ａｌ合金粉末間の接合不足によると考えられる。図７には、粒内の微細組織の説明図を示す。粒内に微細な酸化アルミニウム粒子が多数均一に分散しており、これが高い硬度と、後述する優れた耐クリープ性をもたらすものと考えられる。
なお、６００℃で焼結した成形体の密度を、アルキメデス法により調査したが、その密度は２．８０ｇ・ｃｍ３であり、通常の順Ａｌの密度２．７２ｇ・ｃｍ３よりも大きい。これは、結晶粒内に多数の微細酸化物（アルミナ）粒子が含まれていることに起因する。
また、本発明の高強度Ａｌ合金成形体の製造方法は、上記した製造方法で製造した超微細粉末を、３００℃以下の加熱温度で、１０ＧＰa以上の圧縮荷重で固化して、ビッカース硬さが２ＧPa以上の成形体を製造することを特徴とする。この発明は、比較的高荷重下で、低温、短時間で成形体を製造するに用いる。
加熱温度を３００℃以下とするのは、３００℃超にするには高温の加熱装置を必要とするからである。下限は、１００℃以上とするのが望ましい、それ以下では粒子間の接合が弱くなるからである。圧縮荷重を１０ＧＰa以上とするのは、低温で超微細Ａｌ合金粉末を接合するには、大きな荷重を要するからである。上限は、特に制限はないが、通常のプレス機で達成可能な荷重を用いることができる。
実施例１で用いた超微細Ａｌ合金粉末を用いて、６０ｔのプレス機により圧縮固化して成形体を製造した。まず、φ３ｍｍの円柱の型に、Ａｌ−１ｍｏｌ％Ｍｇの超微細Ａｌ合金粉を４ｍｇ充填して、型を２００℃に加熱して、プレス機のシリンダを徐々に下げ、下死点で１０〜３００秒保持した後、荷重を除去して空冷した。公称負荷応力は、２０ＧＰaである。成形体の寸法は、φ３．００６ｍｍ、高さｈ＝２．２４ｍｍであった。
図８に、保持時間とビッカース硬度の関係を示す。多少のばらつきはあるが、いずれの保持時間においても、ビッカース硬さ２０００ＭＰaという高い硬度を得た。また、１２０秒保持した成形体の密度は、２．７１ｇ・ｃｍ３と純Ａｌと同等であった。以上のように、成形圧２５０ＭＰaでは６００℃程度まで昇温させねばならなかったが、高荷重のプレス機を用いることにより、比較的低温で高い硬度を有するＡｌ合金成形体を調製することができる。
以上のようにして調製した高強度Ａｌ合金成形体を、クリープ試験に供した。成形圧２５０ＭＰaで、６００℃、１０分間保持して調製した成形体と、成形圧２０ＧＰａで、２００℃、１２０秒保持して調製した成形体の最小歪み速度は、出発材料Ａｌ−１ｍｏｌ％Ｍｇ合金の約６０％であって、優れたクリープ特性を有することがわかった。
Claims (6)
- 水素ガス含有雰囲気中で、Ａｌ合金にアーク放電するアークプラズマ強制蒸発法によって１０〜３００nmの超微細Ａｌ合金粉末を製造する第１工程と、
前記超微細Ａｌ合金粉末を、酸素ガス含有雰囲気中に導入して、表面に酸化物層を形成する第２工程と、からなることを特徴とする超微細Ａｌ合金粉末の製造方法。 - Ａl合金として、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｎｉのうちの１種または２種以上を含有するＡｌ合金を用いることを特徴とする請求項１に記載の超微細Ａｌ合金粉末の製造方法。
- 請求項１または２に記載の製造方法で製造したＡｌ合金超微細粉末を、５００℃以上の加熱温度で、１００〜１０００ＭＰaの圧縮荷重で固化して、ビッカース硬さが２ＧPa以上の成形体を製造することを特徴とする高強度Ａｌ合金成形体の製造方法。
- 請求項１または２に記載の製造方法で製造した超微細粉末を、３００℃以下の加熱温度で、１０ＧＰa以上の圧縮荷重で固化して、ビッカース硬さが２ＧPa以上の成形体を製造することを特徴とする高強度Ａｌ合金成形体の製造方法。
- 請求項１または２に記載の方法で製造されたことを特徴とする超微細Ａｌ合金粉末。
- 請求項３または４に記載の方法で製造されたことを特徴とする高強度Ａｌ合金成形体。
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| JP2019094555A (ja) * | 2017-11-20 | 2019-06-20 | 国立大学法人弘前大学 | 高強度銀焼結体の製造方法および高強度銀焼結体 |
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