JPS62146202A - 機械的合金化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、一般に機械的合金化技術に関し、更に詳細に
は前駆合金粉末（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ　ａｌｌｏｙ　ｐ
ｏｗ−ｄｏｒｓ）を製造しかつ利用る、方法に関る、。

機械的合金化前駆体は、合金中間体として作用して最終
機械的合金化系を迅速に形成る、ことができる。

金属間化合物組成物、および金属間化合物と同じ重量％
ををる、がその構造が同じではない非金属間化合物（「
金属間化合物型」）組成物の両方が、発生る、。

背景技術 近年、低い相対重量、良好な延性、加工性、成形性、靭
性、疲労強度および耐食性ををる、新しい高強度金属材
料についての集中的研究がある。

これらの新しい材料は、航空宇宙、自動車、電子および
他の工業応用に運命づけられる。

粉末冶金技術、更に詳細には機械的合金化テクノロジー
の使用は、これらの改良性質を得るために熱心に追求さ
れている。追加的には、粉末冶金は、一般に、均質材料
を調製し、化学組成を制御し、かつ分散強化材料を合金
に配合る、方法を提供る、。また、取扱うことが困難な
合金材料は、通常のインゴット溶融技術によってよりも
粉末冶金技術によって合金により容易に導入できる。

機械的合金化技術によって改良性質を有る、分散強化粉
末を製造る、ことは、米国特許第３．５９１．３６２号
明細書およびそのプロジエニー（ｐｒｏｇｅｎｙ　）に
よって開示されている。機械的合金化材料は、均一に分
布されたディスパーツイド粒子、例えば酸化物および／
または炭化物によって安定化される微細結晶粒構造によ
って特徴つけられる。

機械的合金化は、本明細書の目的で、制御された極めて
微細な微細構造を有る、複合粉末を製造る、比較的乾式
の高エネルギー摩砕プロセスである。粉末は、高エネル
ギーアトライタまたはボールミルで製造される。典型的
には、各種の元素（粉末状）および加工助剤をミルに装
入る、。二者択一的にミルに存在る、球は、粉末を冷間
溶着させ、かつ破壊させて非常に均一な粉末分布を結局
生ずる。

特にアルミニウムは、特に航空宇宙応用の場合に軽量部
品製作に非常に役に立つ。アルミニウムは、他成分と合
金化る、時、最高温度が約２０４〜２６０℃（４００’
Ｆ〜５００丁）を超えない場合に常用される。より高い
温度においては、現在のアルミニウム合金は、それらの
強さを失う。しかしながら、約４８２℃（９００’Ｆ）
まで成功裡に操作る、ことができるアルミニウム合金を
開発る、ことが、工業によって望まれている。アルミニ
ウムをチタン、ニッケル、鉄およびクロム系と一緒に利
用る、開発研究は、より高い温度水準で機能る、ことが
できる新しい合金を作るために進行している。

従来、アルミニウムマトリックスよりも著しく硬い元素
状添加物を含有る、アルミニウム合金、即ちＮｉｓ　Ｆ
　ｅｓ　ｃ　ｒ−、ｖ、Ｃｅ　ＳＺ　ｒ　％　Ｚ　ｎお
よび／またはＴ１を有る、アルミニウムを機械的に合金
化る、ことは、極めて困難であった。これらの合金を所
望の組成で直接加工る、時には、アルミニウム粉末は、
より硬い合金成分の回りに冷間溶着し２て大きい偏析未
合金化元素状添加物か埋め込まれたアルミニウムの複合
粉末粒子を形成る、。

発明の概要 本発明は、最終所望組成の合金を調製る、ために後に再
機械的合金化できる金属間化合物組成を譬る、金属粉末
を製造しかつ機械的に合金化る、方法に関る、。

技術は、金属間化合物組成物に相当る、粉末ブレンドを
機械的に合金化し、任意に粉末を高温で反応させて金属
間化合物化合物構造を形成し、得られた粉末を合金添加
物の１つとして使用して最終粉末ブレンドを調製し、他
の材料添加物を最終粉末ブレンドにブレンドし、次いで
得られた粉末混合物を機械的に合金化る、ことを包含る
、。

或いは、加熱工程をなしで済ませることによって、得ら
れる金属間化合物型組成物は、金属間化合物組成、即ち
適当な重量％を冑る、が、金属間化合物の形ではないで
あろう。

発明を実施る、ための好ましい形態 以下の議論は、主としてアルミニウムに集中る、が、技
術は、他の合金基（即ち、チタン、ニッケル、鉄など）
の場合にも利用してもよいことか認識されるべきである
。開示の方法は、本質上、いかなる合金用の金属間化合
物の形も作る。

本合金は、より硬い合金添加物の濃度か最終ターゲット
組成物の濃度よりも十分に高い場合には、アルミニウム
とより硬い合金元素との組み合わせを先ず機械的に合金
化る、ことによって生成できる。多くの系の場合には、
成分を合金系の金属間化合物の１つに相当る、量で混合
してもよい。一旦加工が完了したら、粉末を加熱して金
属間化合物の生成を完了してもよい。より高い濃度の合
金元素を使用る、ことは、合金添加物が機械的合金化に
よって微細化されることから保護る、際にアルミニウム
粉末マトリックスのダンピング効率を下げる。このこと
は、硬質元素状添加物を機械合金化時にアルミニウムマ
トリックス全体にわたって微細に分散させる。

前記のように、現在の装置を利用る、標準機械的合金化
技術は、不均質分布を生ずることがある。

合金の各種の成分は、ばらばら（ｄｉｓｃｒｏｔｅ）の
ままであり、かつ偏析したままである。この事態は、合
金に特に悪影響を及ぼし、その有用性を減少る、。

前駆合金組成物を最終加工前に調製し、次いでこの組成
物を他の粉末成分と組み合わせてターゲット合金組成物
を調製る、ことによって、成分のより良い分布およびよ
り少ない偏析が生ずるであろうことが想像された。次い
で、得られた混合物を機械的に合金化る、ことによって
、最終合金は、所望の特性を有る、であろう。前駆体組
成物は、成る場合には、金属間化合物組成物であっても
よい。追加的に、前駆合金は、最終合金組成物とは異な
る成分％を包含る、であろう。

例えば、ここに記載のアルミニウムーチチン合金系にお
いては（非限定例）、最終ターゲット合金粉末組成物は
、約％％アルミニウムー４％チタン（「Ａ　１４Ｔ　ｉ
Ｊ　）十不純物および残留加工助剤であると想像された
。金属間化合物組成物の重量％を有る、前駆合金は、実
質上チタンがより多く、例えば約６３％アルミニウムー
３７％チタン（Ａ１３７Ｔｉ）である。

本明細書の目的で、合金主成分は、いかなる合金でも最
高の重量％を存る、元素であると定義されるであろうし
、合金副成分は残りの元素（単数または複数）であろう
。従って、前記例においては、アルミニウムは、前駆合
金および最終合金の両方において主元素とみなすことが
でき、一方チタンは両合金において副元素である。

先ず、前駆合金中の副元素の量を増大し、次いでそれを
機械的に合金化る、ことによって、前駆合金の結晶構造
は、金属間化合物を生成る、ように変えられ、かつ主元
素と迅速に組み合わさせて最終合金を調製る、であろう
ことが確認された。

最終合金は、機械的合金化後に、所望の均質な構造を有
る、。以後の実験から、金属間化合物の％組成を有る、
金属間化合物型（非金属間化合物）異形も望ましい最終
合金粉末を生ずることか確認された。

最終Ａ１４Ｔｉタ一ゲツト合金を処方しようとる、時に
は、アルミニウムおよびチタンを機械的に合金化る、こ
とは事実上不可能ではないとしても極めて困難である。

均一な構造を達成る、ことは困難である。従って、前駆
合金Ａ　１３　Ｔ　ｔを調製し、次いで前駆合金をアル
ミニウム粉末（最終合金の主元素）とブレンドる、こと
によって、所望の均一構造を有る、所望のターゲット合
金が、調製される。

以下のものは、最終Ａｌ−４Ｔｉ合金への再機械的合金
化のために以後に希釈されたＡｌ−３７Ｔｉ前駆合金の
調製を説明る、。「アトライタ処理したままの」状態お
よび「反応」させかつ篩分けした状態のＡＩ　−Ｔｉ前
駆合金を追加のアルミニウム粉末で希釈してターゲット
合金を調製した。

実験は、金属間化合物Ａｌ３Ｔｉ組成物〔約６２．８ｗ
ｔ％Ａ１および３７．２ｗｔ％Ｔｉ（Ａ　ｌ　３７Ｔ　
ｉ）”Ｊに対応る、前駆合金を作ることに向けられた。

実験室スケールのアトライタをすべての実験に対して使
用した。使用したアルミニウム粉末は、市販の機械的合
金化アルミニウム合金用の通常の供給材料である空気噴
霧化（ａｔｏｍｌｚｅｄ）アルミニウムであった。出発
チタン粉末は、破砕チタンスポンジであった。

加工条件は、次の通りであった。

球装入物　　　　　　　　　　　６８ｋｇ粉末装入物　
以下のように破壊された３６３２ｇ重ご　％　　　重　
　　量 （ｇ） Ｔｉ　　　　　　　　　３７．２　　１３２４Ａ１　　
　　　　　　６２．８　　２２３５プロセス制御済　　
　　２　　　　　７３（ステアリン酸） 〔註〕 ステアリン酸を全装入物の２％として加えた。

すべての加工をアルゴン中で行った。

Ａｌ−Ｔｉ−ステアリン酸ブレンドをランの始めに全部
加えた。粉末前駆体を３．５時間加工した。加工Ａｌ−
Ｔｉ前駆合金の一部分（「反応」合金と称す）を炉中に
おいて５３７．７℃（１０００°Ｆ）で２時間真空脱気
し、次いで真空下で完全に冷却した。次いで真空下で完
全に冷却した。いかなる非酸化雰囲気（ヘリウム、アル
ゴンなど）も使用してもよい。アルミニウム粉末で再摩
滅してターゲツトＡ１４Ｔｉ合金を調製る、前に、反応
前駆合金を破砕し、−３２５メツシユに篩分けした。未
反応前駆合金を「アトライタ処理したままの」前駆合金
と称す。

以下の前駆合金とステアリン酸との４種の組み合わせを
使用して、ターゲットＡＩ　−４Ｔｉ合金の両異形を３
．６３２ｋｇのランに加工した。摩砕条件は、前駆合金
の調製の場合と同じであった。

ラ　　ン　　　　　　　　　　　　加工時間１、アルミ
ニウム＋「アトライタ処理　３．　５ｈｒしたままの」
前駆合金＋１％ステ アリン酸 ２、アルミニウム＋「アトライタ処理　　３　　ｈｒし
たままの」前駆合金＋２％ステ アリン酸 ３、アルミニウム＋「反応」前駆合金　４．　５ｈｒ＋
１％ステアリン酸 ４、アルミニウム＋「反応」前駆合金　３．　５ｈｒ千
２％ステアリン酸 ラン１および３は、ステアリン酸０．３５ｋｇ。

前駆合金粉末０．４ｋｇおよびアルミニウム粉末３．２
ｋｇを包含していた。ラン２および４は、ステアリン酸
０．７３ｋｇ、前駆合金粉末０．４ｋｇおよびアルミニ
ウム粉末３．１６ｋｇを包含していた。

「アトライタ処理したままのＪＡＬ−３７Ｔｉ前駆合金
を第１図に示す。各粉末粒子は、見掛は上、チタン粒子
がアルミニウムマトリックスに分布された非金属間化合
物Ａ　Ｉ　−Ｔ　ｉ　複合材料である。埋め込まれたチ
タン粒子は、直径約７μｍである。

高められた加熱温度５３７．７°Ｃ（１０００°Ｆ）は
、ステアリン酸を破壊し、ＩＹ砕佳作用の組み合わせで
、新しい金属間化合物結晶構造Ａ　ｌ　３　Ｔ　ｔの形
成を助長る、。前駆合金粉末を反応させた後、粉末形態
および微細構造は、激変る、。第２図参照。粒子はフレ
ーク状形態を有し、それらの内部成分はもはや分割（ｒ
ｅｓｏｌｖｅ　）できない。

Ａ１３７Ｔｉの前駆合金組成物としての選択は、これら
の％での金属間化合物Ａ　１３　Ｔ　ｔの生成によって
指図される。Ｃｏｎ５ｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ’　Ｂｉ
ｎａｒｙＡｌｌｏｙｓ、第２版、第１４０頁、Ｍ、　ハ
ンセン著、マクグロー・ヒル、１．９５８年におけるＡ
ｈＴｉ状態図参照。ここでの実験用に選択される温度（
５３７，７℃もしくは１０００”Ｆ）を随意に選択した
。しかしながら、温度を最低の融点を冑る、元素の固相
線温度、この場合にはアルミニウムの固相線温度（６６
５℃もしくは１２２９”Ｆ）未満に故意に保った。溶融
を回避すべきである。

金属間化合物組成および付随の金属間化合物構造を有る
、前駆合金を調製る、ことが望まれるならば、前記加熱
工程（「反応したまま」）が必要とされる。一方、金属
間化合物組成物の組成のみを有し、構造を有していない
ことが望まれるならば（金属間化合物型）、加熱操作は
、なしで済ませる。

前駆合金の両人形で作られたＡｔ−４Ｔｉをステアリン
酸１％または２％のいずれかで加工し、第３図〜第６図
に示す。

「アトライタ処理したままの」前駆合金を使用したＡｌ
−４Ｔｉをステアリン酸１％で加工る、ことは、アルミ
ニウムマトリックス中の前駆合金の分布の微細化をほと
んどもたらさなかった。第３図参照。ステアリン酸量１
％においては、冷間溶着がフレーク化および粒子破壊支
配る、。Ａｌ−Ｔｉ前駆合金は、冷間溶着アルミニウム
粒子層に沿って単に広がる。また、加工アルミニウム粒
子は、冷間溶着アグロメレートである。

ステアリン酸含量を２％に増大る、ことは、構造が市販
のｌＮ−９０５２機械的合金化粉末（Ａ１４Ｍｇ）に非
常に類似であるＡｌ−Ｔｉ粉末を生ずる。第４図参照。

Ａｌ−Ｔｉ前駆合金は、よく微細化され、粉末粒子微細
構造が容易には区別できない。

ステアリン酸（ＣＨ（ＣＨ）　　　Ｃ００Ｈ）などのプ
ロセス制御剤（ｒＰＣＡＪ　）は、金属粉末の表面を被
覆る、傾向があり、粉末粒子間の冷間溶着の傾向を遅延
る、。さもなければ、機械的合金化プロセスは、すぐに
中止る、であろうし、粉末か球およびアトライタの壁に
冷間溶着る、であろう。ＰＣＡは、粉末粒子の冷間溶着
を減少し、より良い均質化および薄層構造をもたらす。

ステアリン酸１％での機械的合金化前にＡｍＴｉ前駆合
金を反応させ一３２５メツシュに篩分ける、ことは、「
アトライタ処理したままの」前駆合金で作られた粉末と
類似の粉末を生じた。第５図参照。再度、ステアリン酸
量１％は、フレーク化と破壊と冷間溶着との適当なバラ
ンスを生ずるのに不適当であるらしかった。ステアリン
酸含量を増大る、ことは（例えば、２％以上に）、合金
の加工を向上る、らしい。第６図参照。しかしながら、
［反応Ｊ　ＡＬ　−Ｔｉ前駆合金添加物は、「未反応」
前駆合金の水準まで微細化されないらしかった。このこ
とは、それらの特性に悪影響を及ぼすとは信じられない
。

ステアリン酸の量は、全粉末挿入物の約０．５％〜約５
％（重量％）であることができる。

ＰＣＡの添加量は、粉末破壊を促進しかっ冷間溶着を減
少る、のに十分な量に等しい。ここに与えられる非限定
例においては、ステアリン酸２％は満足であること゛を
立証したが、ステアリン酸またはいかなる他のＰＣＡの
量も、使用る、粉末組成物および摩砕装置（ボールミル
またはアトラジン）の種類の関数である。従って、異な
る順列（ｐｅｒ＋＋＋ｕｔａｔｆｏｎｓ）は、異なるＰ
ＣＡｕを必要とる、であろう。

アルミニウムを高濃度のチタンで加工る、こと、および
得られた粉末を前駆合金添加物として使用して合金を希
釈る、ことは、成功であるらしい。

このテクノロジーは、他の硬質元素状添加物、例えばＺ
「、Ｃｒ、ＦｅおよびＮｉに直接適用可能である筈であ
る。

得られた粉末は、普通の常法および装置を使用して所定
形状に圧密してもよい。

条文の条項に従って、本発明の特定の具体例をここに例
示しかつ説明る、が、当業者は、特許請求の範囲によっ
てカバーされる本発明の形で変形を施してもよいこと、
および本発明の成る特徴が他の特徴の対応の使用なしに
有利に時々使用できることを理解る、であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は倍率１５０で取られた「アトライタ処理したま
まの」前駆合金組織の顕微鏡写真、第２図は倍率１５０
で取られた「反応」前駆合金組織の顕微鏡写真、第３図
および第４図は倍率１５０で取られた加工後の「アトラ
イタ処理したままの」前駆合金の組織の顕微鏡写真、第
５図および第６図は倍率１５０で取られた加工後の「反
応」前駆合金の組織顕微鏡写真である。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 Ｆｉｑ、ｌ Ｆｉｇ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、以後の機械的合金化用前駆合金を最終合金にするに
   あたり（前駆合金は主元素および少なくとも１種の副元
   素を包含する）。 ａ）主元素および副元素を包含する金属粉末をブレンド
   して（前駆合金中の副元素の％は最終合金中の副元素の
   ％を超える）第一ブレンドを調整し、 ｂ）第一ブレンドを機械的に合金化し、 ｃ）追加量の主元素を機械的合金化第一ブレンドに加え
   て主元素の％を最終合金中の主元素の水準に上げて第二
   ブレンドを調整し、 ｄ）第二ブレンドを機械的に合金化する ことを特徴とする、以後の機械的合金化用前駆合金を最
   終合金にする方法。 ２、第一ブレンド中の主元素および副元素の量が、それ
   らの元素からなる金属間化合物組成物に等しい、特許請
   求の範囲第１項に記載の方法。 ３、第一ブレンドを機械的合金化前に加熱する、特許請
   求の範囲第１項に記載の方法。 ４、最終合金が、約４％チタンを包含するアルミニウム
   基合金である、特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ５、機械的合金化第一ブレンドが、金属間化合物である
   、特許請求の範囲第２項に記載の方法。 ６、アルミニウム基合金を機械的合金化技術によって製
   造するにあたり、 ａ）アルミニウム粉末および少なくとも１種の非アルミ
   ニウム元素をブレンドして第一ブレンドを調整し（非ア
   ルミニウム元素の％はアルミニウム基合金中の非アルミ
   ニウム元素の％を超える）ｂ）第一ブレンドを機械的に
   合金化し、 ｃ）追加量のアルミニウム粉末を第一ブレンドに加えて
   アルミニウムの％をアルミニウム基合金の％に上げて第
   二ブレンドを調整し、 ｄ）第二ブレンドを機械的に合金化する。 ことを特徴とする、アルミニウム基合金の製法。 ７、第一ブレンドが、元素によって生成される金属間化
   合物の組成を有する、特許請求の範囲第６項に記載の方
   法。 ８、第一ブレンドが、約６２．８％アルニウムおよび３
   ７．２％チタン＋不純物および加工助剤を包含する、特
   許請求の範囲第７項に記載の方法。 ９、第一ブレンドを第一ブレンド中に包含される元素の
   固相線温度未満の温度に加熱して金属間化合物を生成す
   る、特許請求の範囲第７項に記載の方法。 １０、アルミニウム基合金が、約４％チタンを包含する
   、特許請求の範囲第６項に記載の方法。