JP2928965B2

JP2928965B2 - 超耐熱・難加工材の噴射成形方法

Info

Publication number: JP2928965B2
Application number: JP4351945A
Authority: JP
Inventors: 阪泰憲鳥
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1992-12-09
Filing date: 1992-12-09
Publication date: 1999-08-03
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JPH06179070A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、急冷効果により金属組
織を微細化すると共に、第２相の偏析を特定部位に限定
した堆積物として成形品を得るための超耐熱・難加工材
の噴射成形法に関するものであり、特に、成形品そのも
のをプリフォーム材あるいは最終成形品として得ること
が可能な成形方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から金属成形法の一つとして知られ
ているスプレイ・デポジション法は、1960年代の終わり
に英国スワンシー大学でその概念が発表された。そし
て、この概念は、英国オスプレイ・メタルズ社で現実化
され、そのため、この方法はスプレイ・デポジション法
（spray deposition process）、スプレイ成形法（spra
yforming process ）あるいはオスプレイ法（Osprey pr
ocess）と呼ばれている。この方法は、粉末の急冷凝固
を生かした状態（微細粉末は液相、中間粉末は固液共存
相、大径粉末は液相）で、それらをコレクター上に堆積
・固化させるものである。

【０００３】しかし、この技術を実用化するためには、
プリフォームのスケールアップ、適用材質について種々
の研究開発等が必要であり、約10年間の研究開発期間が
あった。ところが、最近10年間において、オスプレイ法
の基礎技術に加えて、超耐熱・難加工材の加工法という
切実な問題などが加わって、オスプレイ法に対する要望
が著しく増大した。そして、現在では、欧米日にある17
社のオスプレイライセンシーを含め、約30の研究所で研
究開発が行われ、更に研究機関が増加しているようであ
る。

【０００４】金属粉末を成形するいずれの成形法でも、
微細組織を得るために粉末をチャンバー内で急速凝固に
より完全に固化させ、その後ホット・プレスや熱間等方
圧プレスなどを用いて成形品にするのが通常である。こ
れに対し、現在脚光を浴びている上記オスプレイ法の欠
点は、対象材料が粉末のために、（１）対象材料の固液共存幅が大きい、すなわち液相線
と固相線の幅が大きいこと。（２）粉末の飛散のため、コレクターでの粉末相の制御
が難しい。（３）完全な真密度は得られない。という点にある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、成形対象材料として粉末を用いるのではなく、超耐
熱・難加工材を極細線として噴出させるようにして、上
記オスプレイ法の欠点を解消すると同時に、急冷効果に
よる組織の微細化を図り、また、第２相の偏析を特定部
位に限定した堆積物として成形品を得ることを可能に
し、それによって、成形品そのものをプリフォーム材あ
るいは最終成形品として得られるようにした金属の噴射
成形方法を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の噴射成形法は、金属間化合物または超耐熱合
金からなる超耐熱・難加工材を成形するための方法であ
って、ノズルを有する一つあるいは複数の坩堝内で上記
金属成形材料を加熱溶融して、上記ノズルから極細線と
して噴出させ、液相または固液共存相の状態で、それを
上記ノズルとの相対移動が制御されたコレクター上に堆
積・固化させ、その際、急冷効果が得られる条件におい
て、組織を微細化すると共に第２相の偏析を極細線内部
に限定した真密度の堆積物として成形品を得ることを特
徴とするものである。

【０００７】上記金属間化合物または超耐熱合金からな
る超耐熱・難加工材を極細線として噴出させるノズル
は、５０〜数百μｍの径を有するものを用いることがで
きるが、特に１００μｍ程度のものが望ましい。上記ノ
ズルから噴出させた極細線は、液相または固液共存相の
状態で、それを上記ノズルとの相対移動が制御された常
温のコレクター上に堆積させて、急冷・固化させるが、
その液相または固液共存相の状態での堆積は、ノズルと
コレクター間の距離によって制御される。

【０００８】一般に、極細線を得る方法として最もよく
知られている方法に、強冷間加工プロセスがある。しか
し、最近では、図１に示すような回転水中紡糸法（溶融
紡糸法）が注目されつつある。この方法は、坩堝１内に
入れた金属成形材料３を高周波コイル等の加熱装置４に
より溶解し、供給管６を通して溶融金属液面上に供給さ
れるガス圧により、その溶融金属をノズル２から回転し
ているドラム７中の水膜層８に噴射し、これによって急
冷組織を有する極細線９を得るものである。

【０００９】本発明は、坩堝のノズルから噴射された極
細線を、上記溶融紡糸法のように、ノズルから噴出後に
直ちに急冷するのではなく、液相または固液共存相で常
温のコレクター上に堆積させ、急冷効果が得られる条件
において固化させるものである。この急冷効果により、
組織を微細化すると共に、母相とは異なる結晶構造をも
つ第２相の偏析を極細線内部に限定したところの真密度
の堆積物として、成形品を得ることができる。上記第２
相は、例えば、母相に対して組成が同じで結晶構造を異
にするものであり、一般の鋳造等においては、母相にし
ても、この第２相にしても、結晶構造が非常に大きくな
るが、堆積する極細線の急冷により、結品構造の成長が
たとえ大きくなるにしてもその極細線の内部に限られ、
組織が微細化して強度的に改善された成形品を得ること
ができる。上記ノズルとコレクターとの相対移動は、ノ
ズルを固定した状態でそれに対向する平面状のコレクタ
ーをその面内及び垂直方向で３次元的に移動させ、ある
いはノズルに対向する円筒状のコレクターをその軸線の
回りにおいて回転させることにより行うことができ、ま
た、それとは逆に、固定状態にあるコレクターに対して
ノズルを移動させることにより行うこともできる。更
に、ノズルとコレクターの両者にそれぞれ異方向の移動
を与えるように構成することもできる。

【００１０】金属成形材料を加熱溶融する坩堝には、一
つあるいは複数のノズルを設けることができるが、その
ような坩堝の一つあるいは複数を単一の成形のために用
いることもできる。この坩堝内の金属成形材料は、高周
波加熱あるいは抵抗加熱等で加熱溶融することができ、
複数の坩堝を用いる場合には、それらの坩堝の全体を一
挙に加熱することもできるが、加熱装置を個別的に設け
て、それぞれの加熱制御することもできる。溶解した後
の金属成形材料の噴射は、坩堝にアルゴン等のガス圧を
作用させて行うことができる。

【００１１】

【作用】このような本発明の方法によれば、液相または
固液共存相の極細線としてコレクター上に堆積・固化さ
せ、急冷効果による微細組織が得られ、また第２相の偏
析をあくまで極細線内部に限定した堆積物が得られると
同時に、空洞のない堆積物として成形品を生成すること
ができる。そして、超耐熱・難加工材の成形品自体をプ
リフォーム材あるいは最終成形品とし、ニアネット・シ
ェイプの成形品を得ることができるため、省工程、低酸
素汚染などを実現できる。更に、ノズルとコレクターの
相対移動を適切に設定すれば、連続した板材あるいはシ
ームレスパイプ材を鋳造法や塑性加工法を利用しないで
製造できることにもなる。

【００１２】

【実施例】図２は、本発明を実施するための噴射成形装
置の一例を示している。この噴射成形装置は、数百μｍ
以下の径のノズル１２を有する坩堝１１の周囲に、その
坩堝１１内に入れた金属成形材料を加熱溶融する高周波
加熱装置１４を配置している。その坩堝１１に付設した
加圧噴出機構１５は、供給管１６を通して溶融金属液面
上にガス圧を作用させ、それによって溶融した金属成形
材料をノズル１２から極細線として噴出させるものであ
る。

【００１３】坩堝１１のノズル１２から噴射された極細
線を液相または固液共存相でコレクター１８上に堆積・
固化させるため、上記ノズル１２は機台１７上のコレク
ター１８に対して調整可能な適当距離を置いて設置し、
坩堝１１は、それに付設した高周波加熱装置１４及び加
圧噴出機構１５等と共に、機台１７に対して移動機構１
９により２次元的に平行移動可能とし、移動機構１９に
その駆動をプログラム制御するための移動制御装置を接
続している。

【００１４】このような構成を有する噴射成形装置によ
れば、金属成形材料を坩堝１１内に入れ、これを高周波
加熱装置１４により加熱・溶解した後、供給管１６を通
してガス圧を溶融金属液面に作用させ、成形材料を極細
線として噴射し、液相あるいは固液共存相のままコレク
ター１８上に堆積・固化させることにより、空洞のない
急冷組織を有するバルク材を得ることができ、しかも第
２相の偏析を極細線内部に限定した堆積物として成形品
を得ることができる。その結果、ホット・プレスや熱間
等方圧プレス等の面倒な成形が不要になる。

【００１５】また、上記成形に際し、図３の(a) あるい
は(b) に例示するような構成を採用することにより、シ
ームレスパイプ材あるいは連続した板材を鋳造法や塑性
加工法を利用しないで製造できるばかりでなく、それら
を複数の金属・合金の複合材として製造することもで
き、更にニアネット・シェイプの種々の成形品を得るこ
とが可能となる。同図(a) は、ノズル１２を有する坩堝
１１を高周波加熱装置１４で加熱し、溶融金属液面上に
ガス圧を作用させて、成形材料をノズル１２から極細線
として噴出させ、そのノズル１２に対向して配置するコ
レクター１８を回転駆動と同時に軸方向に駆動可能なマ
ンドレルにより形成し、極細線の堆積物をパイプ状に成
形する場合を示している。一方、同図(b) は、合金Ａの
坩堝１１ａと合金Ｂの坩堝１１ｂとを並設し、それらの
ノズル１２ａ，１２ｂから噴射された極細線をコレクタ
ー１８上に堆積・固化させることにより、両合金の複合
材料からなる板材を形成する場合を例示している。

【００１６】次に、上記噴射成形法についての実験例を
示す。実験試料には、英国オスプレイ・メタルズ社製の
金属間化合物 Ni₃Al、及び米国ホモジェニアス・メタル
社製のNi基超耐熱合金Mod.IN-100の２種類の材料を用い
た。いずれの材料も、従来の加工法では成形不可能な難
加工材の代表である。供試材は、これらのビレットから
放電加工により短冊状のビレットを切り出し、更にこの
ビレットからファインカッターにより数ｇの試験片を切
り出して製造した。実験方法としては、先ず、図１に示
した方法を用いて、良好な極細線を得る条件を見い出
し、その後、この条件の下で、図２の装置を用いて噴射
成形法を実施した。

【００１７】これを具体的に説明すると、図１の方法に
基づく回転水中紡糸の手順は以下の通りである。（１）直径（外径）600mm のドラムを毎分二百数十の回
転数で回転させた。（２）ドラム中に厚さ20mmになるまで、水（水温 298
Ｋ）を注入した。（３）石英坩堝に数ｇの供試材を入れた。（４）高周波加熱装置により供試材を溶解し、所定の温
度に達するまで加熱を続けた。（５）数気圧のアルゴンガス圧力により、回転する水膜
層中に溶融合金を噴射した。この時、溶融ジェットの水
膜面への噴射角度ρは 0.88rad、ノズル先端と水膜層表
面との距離は 2mmとした。なお、噴射角度についての定義は図４に示す通りであ
る。

【００１８】また、図２の装置による噴射成形は、下記
の通りの手順で行った。（１）石英坩堝に数ｇの試験片を挿入した。（２）高周波加熱装置により、試験片を溶解し、所定の
温度に達するまで加熱を続けた。（３）数気圧のアルゴンガス圧力によりコレクター上に
溶融合金を噴射し、堆積物を得た。なお、噴射温度の測定には、非接触式の携帯形デジタル
放射温度計（（株）千野製作所製 IR-AH1S）を用いた。

【００１９】実験の結果として、回転水中紡糸により健
全な極細線を得るには、種々の要因があるが、各種条件
で極細線を製造した結果、以下のことが明らかになっ
た。（１）噴射温度この要因が最も重要で、詳細については後述する。（２）ドラム回転数 Ni₃Al では 250rpm が、Mod.IN-100では 230rpm が最も
良好である。（３）噴射圧力ノズルが壊れない範囲内での最高値が良好である。（４）ノズル径ノズル径が大きいほど噴射の成功率は高いが、健全材は
得られない。しかし、ノズル径が50μｍと極端に小さく
なると、全く噴射できなくなる。

【００２０】以上の結果から、回転水中紡糸法における
極細線の噴射条件は、Ni₃Al では表１に示すように限定
し、 Mod.IN-100 では表２に示すように限定し、以後は
噴射温度のみを種々変化させて、噴射成形を進めること
にした。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】表３ないし表５は、回転水中紡糸法により
Ni₃Al極細線を製造した場合における噴射温度に応じた
健全材・不健全材の合否の結果を示し、表３はアルゴン
ガス雰囲気中、表４及び表５は大気中で製造した場合の
結果を○，△，×で示している。また、表６及び表７
は、 Mod.IN-100 を用いて極細線を製造した場合におけ
る噴射温度に応じた健全材・不健全材の合否の結果を示
し、表６はアルゴンガス雰囲気中、表７は大気中で製造
した場合の結果を○，△，×で示している。なお、以下
の表３〜表７における○，△，×の各表示は、「射出の
可否」に関しては、それぞれ、殆ど出る、殆ど残る、全
く不可、を意味し、また、「形状」に関しては、それぞ
れ、長く一様な線材、長く波打った線材、短くとぎれと
ぎれの線材を、さらに「材質」に関しては、それぞれ、
粘い、中間、脆い、を意味している。

【００２４】これらの実験結果によれば、両極細線と
も、溶融点以上の低温度域及び高温度域では健全材が得
られず、健全材の得られる範囲はある限られた中温度域
に限定されることが分かる。また、アルゴンガス雰囲気
中では、健全材が噴射される温度域は Ni₃Alでは1693Ｋ
前後、Mod.IN-100では1783Ｋ前後であるが、健全材・不
健全材を抜きにしても極細線が噴射される温度範囲は狭
い。一方、大気中では、極細線が得られる温度範囲は広
く、また健全材が得られる温度範囲も広がる傾向にあ
り、Mod.IN-100ではその最適温度は1853Ｋ前後である。
なお、アルゴンガス雰囲気中と大気中では、健全材の得
られる温度範囲に大きな差が見られるが、これは溶融点
以上の温度が、特にアルゴンガス雰囲気中で正確な値で
ないためである。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【表４】

【００２７】

【表５】

【００２８】

【表６】

【００２９】

【表７】

【００３０】図５及び図６は Ni₃Al及び Mod.IN-100 の
大気中での極細線製造時における温度−時間曲線の代表
例を示したもので、先に述べたように、溶融点を著しく
超える温度では健全材は得られない。また、以上の極細
線の組織観察を光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡を用いて
行った結果、大気中とアルゴンガス雰囲気中で噴射され
た直後の極細線表面には、何らの相違点も見い出せなか
った。したがって、以下の実験では、すべて大気中で噴
射することにした。

【００３１】次に、先の噴射条件を用い、噴射成形法を
実施した。この噴射成形法では、ノズル先端からコレク
ターまでの距離（以下、噴射距離と呼ぶ。）Ｌという新
たな要因を加えた。これは、噴射距離Ｌが長過ぎると、
コレクター直前で極細線が固化し、堆積物が全く得られ
ないからである。したがって、この実験（特に、Mod.IN
-100の場合）では、噴射距離Ｌを 172、70、32及び14mm
の４種類とし、最適噴射距離をも調べることにした。得
られた堆積物の断面形状を、Ni₃Al に関しては図７に、
Mod.IN-100に関しては図８の(a)〜(d) に示す。図中、
２０は完全な堆積物、２１はとぎれとぎれの極細線を示
している。

【００３２】 Mod.IN-100では、噴射距離が32〜70mmの
範囲内では良好な形状が得られるが、距離が172mmと長
過ぎると、とぎれとぎれの極細線の集団しか得られな
い。しかし、予備実験において、Fe系合金、具体的には
高速度工具鋼の一つである「JIS SKH51」（その化学組
成（鉄以外の化学成分。単位はmass％）は、次の通りで
ある。C:0.86 、 Si:0.35 、 Mn:0.28 、 P:0.02 、 S:0.01 、 Cu:0.0
7 、 Ni:0.15 、 Cr:4.13 、 Mo:4.59 、 W:5.70 、 V:1.90。）を使用
して実験した結果では、噴射距離が172mmと長過ぎても
完全な堆積物が得られたことから、噴射距離は材料の種
類、材料の量や噴射温度によっ大きく左右されるものと
思われる。また逆に、噴射距離が14mmと短か過ぎると、
Ni_３Alでは良好な形状が得られるが、Mod.IN-100では堆
積物の表面とノズル先端が接触し、得られる形状はいび
つなものとなる。おそらく、これは材料の粘性の相違に
起因するものであろう。したがって、Mod.IN-100では堆
積物の堆積速度でもって、コレクターを下げ、絶えず堆
積物の表面とノズル先端が一定の距離を保つように、コ
レクターをプログラム制御する必要がある。

【００３３】次に、これらの堆積物の組織観察を光学顕
微鏡を用いて行った。その結果、両者共に鋳造時に見ら
れるような大きな偏析は全く観察されず、また空洞もな
く、組織は非常に微細かつ均一な粒子から成り立ってい
た。

【００３４】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明によれ
ば、金属間化合物または超耐熱合金からなる超耐熱・難
加工材を極細線として噴出させ、急冷効果による組織の
微細化を図ると共に、第２相の偏析を極細線内に限定し
た堆積物として成形品を得ることが可能になり、また、
最近、超耐熱・難加工材の加工法の開発という切実な問
題が生じているが、本発明においては、成形品自体がプ
リフォーム材あるいは最終成形品として得られるため、
特にそれらの加工に適し、省工程、低酸素汚染などのメ
リットもある。

【図面の簡単な説明】

【図１】回転液中紡糸法の概念を説明するための概念的
断面図である。

【図２】本発明の方法を実施するための噴射成形装置の
一例を示す正面図である。

【図３】(a) 及び(b) は、シームレスパイプ材や板材を
製造するための坩堝及びコレクターの構成例を示す概念
的斜視図である。

【図４】回転液中紡糸法におけるノズルの噴射角度につ
いての説明図である。

【図５】大気中での Ni₃Al極細線製造時における温度−
時間曲線の代表例を示すグラフである。

【図６】大気中での Mod.IN-100 極細線製造時における
温度−時間曲線の代表例を示すグラフである。

【図７】噴射成形法で得られた Ni₃Al堆積物の正面図で
ある。

【図８】(a) 〜(d) は、噴射成形法で得られた Mod.IN-
100 堆積物の正面図である。

【符号の説明】

１１坩堝、１１ａ，１１ｂ坩堝、１２ノズル、１２ａ，１２ｂノズル、１４高周波加熱装置、１５加圧噴出機構、１８コレクター、１９移動機構。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属間化合物または超耐熱合金からなる
超耐熱・難加工材を成形するための方法であって、ノズ
ルを有する一つあるいは複数の坩堝内で上記超耐熱・難
加工材を加熱溶融して、上記ノズルから極細線として噴
出させ、液相または固液共存相の状態で、それを上記ノ
ズルとの相対移動が制御されたコレクター上に堆積・固
化させ、その際、急冷効果が得られる条件において、組
織を微細化すると共に第２相等の偏析を極細線内部に限
定した真密度の堆積物として成形品を得ることを特徴と
する超耐熱・難加工材の噴射成形法。