JP3271040B2 - モリブデン合金及びその製造方法 - Google Patents
モリブデン合金及びその製造方法Info
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Description
製造方法に関し、特に、強度が高く、高温に加熱されて
も強度低下が少なく、低温脆性、再結晶脆性及び中性子
照射脆性を著しく改善したことにより、特に高温構造材
料、たとえば核融合プラズマ対向材料に有用なモリブデ
ン合金及びその製造方法に関する。
いため、発熱体、熱反射板、及び電子管部品などの高温
用材料として広く用いられている。しかし、延性−脆性
遷移温度(Ductile−Brittle Tran
sition Temperature.以下、DBT
Tと呼ぶ)が室温近傍にあり、この温度以下では著しく
脆くなる欠点がある。また、加工材を1000℃近傍に
加熱すると再結晶して等方的な結晶粒になって脆化し、
更に高温では結晶粒の粗大化が生じて著しく脆化する欠
点がある。
欠点を改良した材料として、チタン(Ti)、ジルコニ
ウム(Zr)、及び炭素(C)を添加したモリブデン合
金、いわゆるTZMが知られている。TZMは、モリブ
デンに比べてDBTTが低く、再結晶温度が高いため、
高温部材に古くから用いられている。しかしながら、T
ZMのDBTTは−20℃近傍、再結晶温度は1400
℃近傍であるため、−20℃以下、及び1400℃以上
での使用は著しく制限される。
高温に加熱されても強度低下が極めて小さく、低温でも
靭性に富み、再結晶による脆化の少ないモリブデン合金
を提供することにある。
じにくいモリブデン合金を提供することにある。
合金を得るための製造方法を提供することにある。
カルアロイング処理により粒径10nm以下のIVa族遷
移金属炭化物の超微粒子が0.05モル%以上5モル%
以下分散され、残部Moからなり、結晶粒径が1μm以
下であることを特徴とするモリブデン合金が得られる。
度が−30℃以下及び再結晶温度が1500℃以上であ
ることの少なくとも一方を満たしていることを特徴とす
るモリブデン合金が得られる。
間加熱した後の延性−脆性遷移温度が0℃以下であるこ
とを特徴とするモリブデン合金が得られる。
間加熱した後の延性−脆性遷移温度が70℃以下である
ことを特徴とするモリブデン合金が得られる。
属炭化物がTiC、ZrC、及びHfCの少なくとも1
種からなることを特徴とするモリブデン合金が得られ
る。
5モル%以上5モル%以下のIVa族遷移金属炭化物粉末
を混合して、粉体を高エネルギーで混合処理することに
より粉末の微粒化、非晶質化、または硬質微粒子の金属
粉末への埋め込みを行うメカニカルアロイング処理を行
い、焼結と同時あるいは焼結後に熱間等方加圧して緻密
化し、塑性加工することを特徴とするモリブデン合金の
製造方法が得られる。
満の炭素粉末を添加するようにしても良い。
属炭化物がTiC、ZrC、及びHfCの少なくとも1
種からなることを特徴とするモリブデン合金の製造方法
が得られる。
子の分散によりモリブデンの結晶粒界の強度が改善さ
れ、強度が高いのみならず、高温に加熱されても強度低
下が極めて小さく、低温でも靭性に富み、再結晶による
脆化が少なく、更に、広大な面積の結晶粒界やIVa族遷
移金属炭化物超微粒子とモリブデンの界面が中性子照射
で生じる結晶欠陥を吸収できて中性子照射損傷が生じに
くいモリブデン合金が提供される。
の強度を改善する手段として、モリブデン粉末とIVa族
遷移金属炭化物粉末を高エネルギーで混合し、IVa族遷
移金属炭化物粉末を超微粒子としてモリブデン中に分散
することが有効であることを見いだした。
るTiC等のIVa族遷移金属炭化物の効果的な存在状態
を鋭意検討した結果、モリブデン粉末と該IVa族遷移金
属炭化物粉末を高エネルギー混合(以下、メカニカルア
ロイング処理と呼ぶ)して該IVa族遷移金属炭化物を数
nmの超微粒子にすると同時に、該IVa族遷移金属炭化
物とモリブデンの結合を強固にすることによって、わず
か0.05モル%(以下、単に%と記す)の添加でもモ
リブデンの結晶粒界を強化できることを見いだし、本発
明を完成した。
iC、炭化ジルコニウム(ZrC)、及び炭化ハフニウ
ム(HfC)が特に効果があることを見いだした。
を抑制するためには、高温における結晶粒界の移動が生
じにくいことが必要である。上述のIVa族遷移金属炭化
物の超微粒子が結晶粒界の移動をも抑制し、再結晶温度
を高め、再結晶してもなお結晶粒径は数μmと微細であ
ることを見いだした。
粒子とモリブデンの界面及び微細な結晶粒によって生じ
る広大な界面が、中性子照射による結晶欠陥を吸収して
中性子照射によって避けられないDBTTの上昇(中性
子照射脆化)を抑制できることを見いだした。
a族遷移金属炭化物粉末を添加したモリブデン粉体をメ
カニカルアロイング処理して数nm程度の該IVa族遷移
金属炭化物の超微粒子を分散することによって、強度が
高く、高温に加熱されても強度低下が極めて小さく、低
温脆性、再結晶脆性、及び中性子照射脆性を著しく改善
したモリブデン合金が得られた。
粒子を分散したモリブデン合金は、これらの合金粉体を
焼結して緻密化したのち熱間圧延などの熱間加工を施
し、必要によっては更に温間加工、冷間加工を施すなど
して、塑性加工によって所定の形状の材料とする。
の特性を損なうのみならず、素材を脆くして塑性加工を
困難にする。そのために、焼結と同時に、あるいは焼結
した後に熱間等方加工(Hot Isostatic
Press.以下、HIPと呼ぶ)によって高温で等方
的な圧力を加えることが、メカニカルアロイング処理さ
れた微細粉末の緻密化に特に有効であることを見いだし
た。
は、0.05%以上、5%以下で適当である。IVa族遷
移金属炭化物の量をこの範囲に制限したのは、0.05
%に満たないIVa族遷移金属炭化物の量では結晶粒界の
強化や高温における結晶粒界の移動の抑制効果が乏し
く、再結晶温度の上昇や再結晶後の結晶粒の粗大化を抑
制する効果が乏しいばかりでなく、低温脆性、再結晶脆
性、及び中性子照射脆性の改善、及び高温強度の向上が
できないためである。一方、5%を越えると、モリブデ
ン合金が脆化してしまうためである。
炭化物粉末はモリブデン中でも全てIVa族遷移金属炭化
物超微粒子として分散する場合を例に述べたが、本発明
では該IVa族遷移金属炭化物超微粒子が厳密な炭化物で
ある必要はない。すなわち、該炭化物超微粒子が酸素を
含んでいても良く、例えばX線マイクロアナライザーの
分析ではほとんど酸化物のように観察される場合でも、
再結晶温度の上昇や低温脆性、再結晶脆性、及び中性子
照射脆性が改善される。
炭素(以下、Cと記す)粉末を添加すると、該IVa族遷
移金属炭化物の添加の効果を向上できる。これは粉末の
取扱い中に酸化したモリブデン及びIVa族遷移金属炭化
物を還元し、IVa族遷移金属を有効に炭化物として機能
させるためと考えられる。なお、C粉末の量を3%未満
に制限したのは、3%を越えるとモリブデン合金中に遊
離炭素が生じたり、モリブデンの炭化物が生成してモリ
ブデン合金が脆化するためである。
成形、焼結、及び塑性加工の一連の粉末冶金プロセスで
製造される。この場合、粉末の混合条件が特に重要であ
る。モリブデン粉末とIVa族遷移金属炭化物粉末を混合
する過程で、該IVa族遷移金属炭化物が超微粒子となっ
てモリブデン中に埋め込まれた状態にする必要がある。
ミルなどによる混合で上述の状態にすることは困難であ
り、メカニカルアロイング処理と呼ぶ高エネルギーの混
合が必要である。なお、本発明において適用されるメカ
ニカルアロイング処理とは、合金化を目的とする従来の
狭義の粉末処理法を意味するものではなく、粉体を高エ
ネルギーで混合処理することによって粉末の微粒化、非
晶質化、または硬質微粒子の金属粉末への埋め込みを行
う広義の粉末処理法を意味している。
い緻密な合金であることが望ましく、焼結中あるいは焼
結した後にHIP処理することが効果的である。
する。
デン粉末に平均粒径0.57μmのTiC粉末を0.0
3〜5.2%添加し、超硬合金製ボールを用いた遊星型
ボールミルで50時間混合してメカニカルアロイング処
理した。得られた粉体を鉄製の容器に封入して脱気した
のち、アルゴンガス中で1300℃、200MPaでH
IP処理して焼結体を得た。厚さ10mmの該焼結体を
1200℃で熱間鋳造して圧延しやすい形状にした後、
1250〜900℃で約1.5mmまで熱間圧延し、更
に冷間圧延により厚さ約1mmの板材を作製した。
片を切り出し、衝撃試験(動的3点曲げ試験、スパン1
2.5mm、負荷速度5m/s)を行いDBTTを調べ
た。また、種々の温度で加熱して組織観察及び硬度測定
を行い、再結晶挙動及び高温加熱による強度低下を調べ
た。ここで、図1に示す上部棚エネルギー部2と下部棚
エネルギー部3とを呈する加熱温度−衝撃破壊エネルギ
ー曲線1の上部棚エネルギー部2の低温側終端部4の1
/2に相当する衝撃破壊エネルギー5を示す点6の温度
(延性−脆性遷移温度)をもってDBTTとした。
金の圧延材(図2a)及び比較材料であるTZM(図2
b)の組織の光学顕微鏡写真を示す。本発明のMo合金
の結晶粒径は約1μm以下で、光学顕微鏡では識別でき
ないほど微細である。
金(図3a)及びTZM(図3b)を1400℃でそれ
ぞれ1時間加熱した後の光学顕微鏡写真を示す。図4は
同様にして、1800℃でそれぞれ1時間加熱した後の
0.8%TiC−Mo合金(図4a)及びTZM(図4
b)の光学顕微鏡写真を示す。TZMは1400℃での
加熱で結晶粒径は約30μmに成長しているが、本発明
のモリブデン合金の結晶粒径は、1800℃で加熱して
も約1〜2μm程度であり、結晶粒の粗大化が著しく抑
制されていることを示している。
て上述の衝撃試験で調べた圧延材のDBTT、再結晶温
度、圧延材及び1000℃、1800℃でそれぞれ1時
間加熱した後のビッカース微小硬さを示す。例えば、
0.3%TiC−Mo合金のDBTTは−105℃以下
であり、また、1%を越えるTiCを分散すると明瞭な
遷移温度を示さず、低温脆性が著しく改善されているこ
とを示している。TiCを分散したモリブデン合金の圧
延材の硬さはいずれもTZMより高く、再結晶温度も高
い。0.8%TiC−Mo合金の再結晶温度は約190
0℃と極めて高い。
mのHfC粉末を0.03〜5.2%添加し、実施例1
と同様の方法で厚さ約1mmの板材を作製した。この板
材から実施例1と同様の寸法の試験片を切り出し、実施
例1と同様の試験を行った。
て、実施例1と同様の衝撃試験で調べたDBTT、再結
晶温度、圧延材及び1000℃、1800℃でそれぞれ
1時間加熱した後のビッカース微小硬さを示す。0.8
%HfC−Mo合金のDBTTは−100℃以下で、低
温脆性が著しく改善されていることを示している。Hf
Cを分散したモリブデン合金の圧延材の硬さはいずれも
TZMより高く、再結晶温度も高い。2%HfC−Mo
合金の再結晶温度は2000℃以上と極めて高い。
デン粉末に平均粒径45μmのZrC粉末を0.1%〜
0.5%添加し、実施例1と同様の方法で厚さ約1mm
の板材を作製した。この板材から実施例1と同様の寸法
の試験片を切り出し、実施例1と同様の試験を行った。
%ZrC−Mo合金について衝撃試験で調べたDBT
T、再結晶温度、圧延材及び1000℃、1800℃で
それぞれ1時間加熱した後のビッカース微小硬さを示
す。いずれの合金のDBTTも−80℃で、低温脆性が
著しく改善されていることを示している。ZrCを分散
したモリブデン合金の圧延材の硬さはいずれもTZMよ
り高く、再結晶温度も1500℃以上である。
デン粉末に平均粒径0.57μmのTiC粉末を0.1
〜0.08%、平均粒径45μmのHfC粉末を0.0
5〜0.07%添加し、実施例1と同様の方法で厚さ約
1mmの板材を作製した。この板材から実施例1と同様
の寸法の試験片を切り出し、実施例1と同様の試験を行
った。
金について衝撃試験で調べたDBTT、再結晶温度、圧
延材及び1000℃、1800℃でそれぞれ1時間加熱
した後のビッカース微小硬さを示す。0.1%TiC−
0.05%HfC−Mo合金及び0.08%TiC−
0.07%HfC−Mo合金のDBTTはそれぞれ−9
0℃及び−70℃で、低温脆性が著しく改善されている
ことを示している。
デン粉末に平均粒径0.57μmのTiC粉末を1.5
%添加し、更に平均粒径10μmのグラファイト(C)
粉末を3〜1.6%混合した場合、及び平均粒径4.1
μmのモリブデン粉末に平均粒径45μmのHfC粉末
を0.8%添加し、更に平均粒径10μmのグラファイ
ト粉末を0.8%混合した場合についてそれぞれ、実施
例1と同様の方法で厚さ約2mmの板材を作製した。
o合金圧延材の組織の透過型電子顕微鏡写真を示す。約
0.5μmの結晶粒の粒界に約5nmの極めて微細なT
iCが分散していることを示している。
o合金圧延材(図6a)、1400℃(図6b)及び1
800℃(図6c)でそれぞれ1時間加熱した後の組織
の光学顕微鏡写真を示す。1800℃で加熱されても、
微細な結晶粒を維持している。
合金及び0.8%HfC−Mo合金にそれぞれ1.6
%、2.5%及び0.8%のCを添加することにより、
いずれの合金でも再結晶温度が高くなるのみならず、高
温で加熱した後の硬さも高くなり、高温加熱による強度
低下が著しく抑制されている。CはTiC及びHfCの
効果を高めていることを示している。Cが3%になると
遊離炭素が析出し、緻密な合金が得られなかった。
製した0.3〜0.8%TiC−Mo合金(試料No.
4、5)の圧延材及び比較材であるTZM圧延材をそれ
ぞれ1800℃及び2000℃で1時間加熱して再結晶
処理し、実施例1と同様の衝撃試験を行い、DBTT及
びビッカース微小硬さを測定した。
結晶処理では、0.8%TiC−Mo合金は十分再結晶
せず、再結晶温度が高くなっていることを示していた。
0.3%TiC−Mo合金のDBTTは−50℃と、モ
リブデンやTZMの加工材のDBTTより低かった。
0.3%以上のTiC超微粒子の分散によって、200
0℃の高温で再結晶処理してもDBTTは約60℃以下
である。また、再結晶処理後の微小硬さも約200を維
持しており、高温に加熱されても強度低下が少ないこと
を示している。
15〜0.8%TiC−Mo合金(試料No.3、4、
5)の圧延材及び比較材であるTZM圧延材にそれぞれ
300℃で1023n/m2 の高速中性子(>0.1Me
V)を照射し、実施例1と同様の衝撃試験を行った。
す。中性子照射によってTZMはDBTTが約65℃上
昇し、室温で完全脆性破壊した。0.15〜0.8%T
iC−Mo合金の場合、高速中性子照射した後もDBT
Tは−50℃以下であり、本発明の合金は中性子照射脆
性を著しく改善したモリブデン合金であることを示して
いる。
製した0.3%TiC−Mo合金(試料No.4)につ
いて、衝撃試験片のU型ノッチの有無によるDBTTの
変化も調べた。表3に結果を示す。ノッチを導入すると
DBTTは上昇し、TZMでは110℃上昇する。これ
に対して、本発明の合金では約80℃の上昇でTZMの
2/3の上昇であり、本発明のモリブデン合金は衝撃破
壊に対するノッチ感受性が低い優れた材料である。
ば、モリブデン及びIVa族遷移金属炭化物の粉末をメカ
ニカルアロイング処理し、焼結、HIP処理、及び塑性
加工して超微粒子を分散することによって、再結晶温度
が高く、高温に加熱されても強度低下が極めて少なく、
低温脆性、再結晶脆性、及び中性子照射脆性を著しく改
善したモリブデン合金を提供できる。
破壊エネルギー曲線を示した図である。
a)と従来のTZM(図b)の金属組織を示す顕微鏡写
真である。
a)と従来のTZM(図b)の加熱後の金属組織を示す
顕微鏡写真である。
a)と従来のTZM(図b)の加熱後の金属組織を示す
顕微鏡写真である。
o合金の金属組織を示す顕微鏡写真である。
o合金の加熱後の金属組織を示す顕微鏡写真である。
撃破壊エネルギー 6 延性−脆性遷移温度
Claims (8)
- 【請求項1】 メカニカルアロイング処理により粒径1
0nm以下のIVa族遷移金属炭化物の超微粒子が0.0
5モル%以上5モル%以下分散され、残部Moからな
り、結晶粒径が1μm以下であることを特徴とするモリ
ブデン合金。 - 【請求項2】 延性−脆性遷移温度が−30℃以下及び
再結晶温度が1500℃以上であることの少なくとも一
方を満たしていることを特徴とする請求項1記載のモリ
ブデン合金。 - 【請求項3】 1800℃で1時間加熱した後の延性−
脆性遷移温度が0℃以下であることを特徴とする請求項
1記載のモリブデン合金。 - 【請求項4】 2000℃で1時間加熱した後の延性−
脆性遷移温度が70℃以下であることを特徴とする請求
項1記載のモリブデン合金。 - 【請求項5】 前記IVa族遷移金属炭化物がTiC、Z
rC、及びHfCの少なくとも1種からなることを特徴
とする請求項1あるいは2記載のモリブデン合金。 - 【請求項6】 モリブデン粉末に0.05モル%以上5
モル%以下のIVa族遷移金属炭化物粉末を混合して、粉
体を高エネルギーで混合処理することにより粉末の微粒
化、非晶質化、または硬質微粒子の金属粉末への埋め込
みを行うメカニカルアロイング処理を行い、焼結と同時
あるいは焼結後に熱間等方加圧して緻密化し、塑性加工
することを特徴とする請求項1記載のモリブデン合金の
製造方法。 - 【請求項7】 前記混合の工程において3モル%未満の
炭素粉末を添加することを特徴とする請求項6記載のモ
リブデン合金の製造方法。 - 【請求項8】 前記IVa族遷移金属炭化物がTiC、Z
rC、及びHfCの少なくとも1種からなることを特徴
とする請求項6あるいは7記載のモリブデン合金の製造
方法。
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- 1994-09-19 JP JP24834894A patent/JP3271040B2/ja not_active Expired - Fee Related
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桑野寿、濱口由和,ボールミリングによるナノサイズMo合金の作製,粉体および粉末冶金,日本,社団法人粉体粉末冶金協会,1992年 3月15日,第39巻3号,P.211−215 |
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