JP5518375B2 - 加速電極用ドリル加工性に優れたモリブデン合金からなる成形体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ドリル加工性に優れたモリブデン合金成形体およびその製造方法に関し、特に集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）や核融合装置などのような装置に使用されるイオン加速電極として用いられるモリブデン合金成形体およびその製造方法に関するものである。

従来、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）や核融合装置など加速されたイオンビームを用い、微細加工、イオンビーム照射、スパッタリングなどを行う装置には、イオンビームを加速するための加速電極として、高融点材料であるモリブデン板が使用されている。例えば特開平３−１２９６３８号公報（特許文献１）や特開平５−２９０９３号公報（特許文献２）には、イオン加速電極板の製造方法が開示されており、また、特開平５−９４７９４号公報（特許文献３）や特開平５−９４７９５号公報（特許文献４）には、イオンソースグリッドが開示されている。

上記特許文献１〜２の場合のモリブデンの加速電極の形状については、図２に示す加速電極の模式図のように、円形のモリブデン薄板１にイオンビームが通過するビーム穴２が多数あけられている。加速電極のサイズや装置の種類にもよるが、１枚の薄板に数百から数千個のビーム穴がドリル加工によって開けられている。通常、モリブデンは被削性が悪く、ドリル刃先の摩耗が激しいためドリル寿命が短く、加工コストを上げてしまうという課題がある。また、加速電極におけるビーム穴の寸法精度は、イオンビームの拡がりや偏光など原因となるため、ドリル刃先の摩耗による寸法ずれが大きな問題となっている。

また、特開２００６−２９９３８４号公報（特許文献５）、特開２００３−２９３０７０号公報（特許文献６）、特開２００７−３０２９８１号公報（特許文献７）、特開２００２−３２７２６４号公報（特許文献７）、特開２００２−３２７２６４号公報（特許文献８）、特開２００５−２９０４０９号公報（特許文献９）や特開昭５７−１９４２３８号公報（特許文献１０）には、Ｎｂを添加したＭｏ合金の例が開示されている。
特開平３−１２９６３８号公報 特開平５−２９０９３号公報 特開平５−９４７９４号公報 特開平５−９４７９５号公報 特開２００６−２９９３８４号公報 特開２００３−２９３０７０号公報 特開２００７−３０２９８１号公報 特開２００２−３２７２６４号公報 特開２００５−２９０４０９号公報 特開昭５７−１９４２３８号公報

上述したように、特許文献５〜１０には、Ｎｂを添加したＭｏ合金の例が開示されているが、いずれもＮｂ添加の意図やＮｂの存在形態もしくは製法において本発明技術とは全く異なっている。例えば特許文献５および特許文献６は特許請求の範囲に記載の通り、Ｎｂを固溶し、その後の処理において窒化させることを特徴としているため、純Ｎｂ粒子を分散することを特徴とする本発明とは異なる。

また、特許文献７は、段落［０００７］に記載の通り、板材素材として焼結材、溶製材や電子ビーム溶解等の特殊溶解による記載があり、本発明のように純Ｎｂ粒子を分散することにより、ドリル加工性を改善するものでない。さらに、特許文献８は、段落［００１４］に記載の通り、低酸素な材料を得るに適した溶解法にて製造したインゴットを用いたターゲットであり、本発明のように純Ｎｂ粒子を分散することにより、ドリル加工性を改善するものでない。

さらに、特許文献９は、特許請求の範囲に記載の通り、金属元素Ｍ（Ｎｂなど）粒の周囲に存在する酸化物をネットワークで結ぶことを特徴としたミクロ組織を有しており、本発明の純Ｎｂ粒子の周囲に酸化物のネットワークは存在しない。また、特許文献１０には、構成相や製法の記述がないため、どのようなミクロ組織を有しているか不明であるが、第２頁の右下欄第１１行目に記載している通り、Ｎｂ添加によりボイドスエリング等の放射線損傷に対する耐性を改善するものであり、本発明のように、数千個のドリル穴を穿孔するような、加速電極に好適なドリル加工性に優れたＭｏ合金とは用途が全く異なっており、かつＮｂ添加の意図も異なっている。

上述したような特許文献は多くあるが、しかしながら、通常、Ｍｏは被削性が悪く、ドリル刃先の摩耗が激しいためドリル寿命が短く、加工コストを上げてしまう課題があり、また、加速電極におけるビーム穴の寸法精度は、イオンビームの拡がりや偏光など原因となるため、ドリル刃先の摩耗による寸法ずれが大きな問題となっている。これらの問題を解消するために、発明者らは鋭意検討した結果、ＭｏにＮｂを添加し、かつ純Ｎｂ相を分散することによりドリル加工性が極めて良好になることを見出し、発明に至ったものである。

その発明の要旨とするところは、
（１）原子％で、Ｎｂ：１〜５０％、残部Ｍｏおよび不可避的不純物よりなり、かつ純Ｍｏからなるマトリックス中に、純Ｎｂが分散しており、該純Ｎｂの平均粒径：３〜１００μｍ、面積率：３〜４０％であることを特徴とする加速電極用ドリル加工性に優れたモリブデン合金からなる成形体。
（２）前記（１）に記載する成形体中の純Ｎｂの平均粒径を得るために、原料Ｎｂ平均粒径を２５〜８０μｍとすることを特徴とする加速電極用ドリル加工性に優れたモリブデン合金からなる成形体。
（３）Ｍｏ粉末とＮｂ粉末の混合粉末とし、熱間静水圧プレスにより成形することを特徴とした加速電極用ドリル加工性に優れたモリブデン合金からなる成形体の製造方法。
（４）１１００〜１５００℃で熱間静水圧プレスすることを特徴とする前記（３）記載の加速電極用ドリル加工性に優れたモリブデン合金からなる成形体の製造方法にある。

以上述べたように、本発明による純Ｍｏからなるマトリックス中に、純Ｎｂの粒子として分散させることにより、各種装置の加速電極に好適なドリル加工性に優れたＭｏ合金成形体およびその製造方法を提供するものである。

以下、本発明についての成分組成の限定理由について述べる。
Ｎｂ：１〜５０％
Ｎｂは、添加量と共に、ドリル加工性アップに寄与するが、しかし、１％未満ではその効果が得られず、また、５０％を超えるとその効果が飽和し、コストアップとなるため、その範囲を１〜５０％とした。また、一般に市販されているＮｂ粉末はＭｏ粉末と比較し、酸素値が高い場合が多い。このため、ドリル加工性と酸素値を考慮し、より好ましくは５〜３０％とする。なお、酸素値が高すぎると加速電極として使用中にガスが発生する不具合を引き起こす場合があるからである。

純Ｍｏマトリックス中に純Ｎｂを分散
本発明はＭｏ合金であり、マトリックスはＭｏがベースとなるが、マトリックスのＭｏ中にＮｂが固溶するとドリル加工性が劣化するため、マトリックスを純Ｍｏとする。マトリックスのＭｏ中にＮｂが固溶することによるドリル加工性の劣化の原因としては、Ｎｂが固溶することによりマトリックスが硬化するためではないかと推察される。一方、Ｎｂの存在形態としては、純Ｎｂの粒子としてマトリックスのＭｏの中に分散させることによりドリル加工性が良好になる。

成形体中の純Ｎｂの平均粒径：３〜１００μｍ
成形体中の純Ｎｂの平均粒径を３〜１００μｍとした理由は、Ｍｏ中に分散しているＮｂ相がＭｏよりも軟らかいために、上記範囲で、切欠効果によりドリル加工性が改善し、エンドミル刃先摩耗量が小さくなるためである。しかし、３μｍ未満の場合は、小さいために切欠効果が現れず、エンドミル刃先摩耗量が大きくなり、ドリル加工性が低下する。一方、１００μｍを超す場合にも、切欠効果を発揮するには大き過ぎるため、ドリル加工性の改善効果は低下するため、その範囲を３〜１００μｍとした。好ましくは５〜５０μｍとする。

成形体中の純Ｎｂの面積率：３〜４０％
成形体中の純Ｎｂの面積率：３〜４０％とした理由は、上記範囲で、エンドミル刃先摩耗量が小さくなる。しかし、成形体中のＮｂ面積率が３％未満では、詳細は不明だが、切欠効果が得られないため、エンドミル刃先摩耗量が大きくなる。一方、４０％を超えるとＮｂのみを切削している時間が増え、切欠効果によるドリル加工性改善効果よりも、Ｍｏよりも柔らかいＮｂを削ることによる切削抵抗増加の影響が大きくなり、Ｎｂ添加の効果が現れなくなるためである。したがって、その範囲を３〜４０％とした。好ましくは５〜３０％とする。

上述したように、純Ｎｂの粒子サイズは約１００μｍ以下とする。また、マトリックスの純Ｍｏと分散している純Ｎｂ粒子の界面には１０μｍ程度の拡散相（ＭｏとＮｂの固溶体）が通常存在する。図１は、本発明に係るＭｏ合金のミクロ組織例を示す図である。

Ｍｏ粉末とＮｂ粉末の混合粉末を原料粉末とし、１１００〜１５００℃で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）により成形
上記のように、純Ｍｏマトリックス中に純Ｎｂ粒子分散を有するミクロ組織を得ることは溶解法では不可能である。すなわち、ＭｏとＮｂは全率固溶体を形成するため、溶解、鋳造すると構成相はＭｏ−Ｎｂ固溶体となり、純Ｍｏ相や純Ｎｂ相を生成させることが出来ない。そこで、純Ｍｏ粉末と純Ｎｂ粉末を混合し、１１００〜１５００℃で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）成形することで、純Ｍｏマトリックス中に純Ｎｂ粒子分散を有するミクロ組織が得られる。

このとき、１１００℃未満でＨＩＰ成形すると相対密度が低くドリル穴を穿孔する際に欠け等が発生し、また、１５００℃を超える温度でＨＩＰ成形すると、Ｍｏ、Ｎｂの相互拡散が顕著となり、純Ｎｂ相が消失し、ドリル加工性が劣化する。また、通常ＨＩＰ成形する場合、炭素鋼やステンレス製の金属缶（融点１４００〜１５００℃程度）に原料粉末を充填し、成形するため、金属缶の溶融を抑制するため、１４００℃以下でＨＩＰ成形することが好ましい。

こうして得られた成形体は、例えば旋盤で炭素鋼などの金属缶を除去して、ＭｏＮｂ合金の成形体が得られる。この成形体はその後、機械加工としてドリル加工や必要に応じて旋盤や研磨などにより部材として仕上げられる。また機械加工に先立ち熱間圧延や熱間鍛造を施したり、その後冷間プレスで矯正や打ち抜き加工を施してから、ドリル加工を伴う機械加工に供しても良い。

（実施例１）
以下、本発明について具体的に実施例によって説明する。
市販のＭｏ粉末（平均粒径１０μｍ）および市販のＮｂ粉末（平均粒径３０μｍ）を表１の組成となるように混合し、炭素鋼で作製された径２００ｍｍ×長さ８０ｍｍの外筒缶に充填し、脱気封入した後、表１に記載の温度で５時間保持しＨＩＰ成形した。この成形体よりワイヤカット、旋盤、研磨により径１００ｍｍ×３ｔの円盤状試験片を採取した。なお、１４００℃以上でＨＩＰしたものについては、上記方法で１３５０℃にてＨＩＰ成形したビレットの外筒缶を切削にて除去し、これを改めて１４００℃以上の温度でＨＩＰ成形した。その時の相対密度評価、純Ｎｂ相の残存確認、ドリル加工性試験の結果を示す。

相対密度評価は、作製した成形体の端材から、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの試験片を切り出し、アルキメデス法にて密度を測定し、理論計算密度で除したものを％で評価した。また、純Ｎｂ相の残存確認は、作製した成形体の端材を鏡面研磨し、Ｎｂ粒子部をＥＤＸにて分析した。Ｎｂのみが検出される部位があるものを○、Ｎｂと同時にＭｏも検出される部位しかないものを×とした。

さらに、ドリル加工性試験は、採取した円盤状試験片を用い、径４．３ｍｍのドリルで仮穴を１０穴穿孔し、次いで本穴を径８ｍｍのエンドミル（超硬、ＴｉＡｌＮコーティング）にて回転数８００ｒｐｍ、送り量１０ｍｍ／ｍｉｎで仮穴の上から穿孔した。径４．３のドリル、径８ｍｍのエンドミルはいずれも供試材毎に新品を用い、１０穴穿孔した後の径８ｍｍのエンドミル刃先の端部から１．５ｍｍ内側部分の摩耗幅にて評価を行なった。その結果を表１に合わせて示す。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜６は本発明例であり、Ｎｏ．７〜１２は比較例である。

比較例Ｎｏ．７はＭｏ単独の場合であり、エンドミル刃先摩耗量が大きい。比較例Ｎｏ．８はＮｂ含有量が低いために、Ｎｏ．７と同様にエンドミル刃先摩耗量が大きい。比較例Ｎｏ．９は逆にＮｂ含有量が高くエンドミル刃先摩耗量改善の効果が飽和している。比較例Ｎｏ．１０はＨＩＰ成形温度が低いために、相対密度が小さい。

比較例Ｎｏ．１１は逆にＨＩＰ成形温度が高いために、純Ｎｂ相残存せず、エンドミル刃先摩耗量が大きい。比較例Ｎｏ．１２はＨＩＰ処理でなく溶解法であり、純Ｎｂ相残存せず、エンドミル刃先摩耗量が大きい。これに対して、本発明例であるＮｏ．１〜６はいずれも本発明の条件を満足していることから、相対密度が高く、純Ｎｂ相が残存し、エンドミル刃先摩耗量の小さいことが分かる。

（実施例２）
次に、実施例１の方法で作製した円盤状試験片より、ワイヤカットにより、断面が１５ｍｍ×１５ｍｍで厚さ５ｍｍの試験片を作製した。純Ｎｂ相の残存形態がドリル加工性に及ぼす影響をより詳しく見るため、この試験片を樹脂に埋め込み、断面を電子顕微鏡にてＮｂ粒子の形状を観察しながら、ＥＤＸにて分析を行い、原子数濃度で９５％以上１００％のＮｂを含む部位をＮｂ相と判定した。また、このＮｂ相の大きさを、画像解析により相当する単位面積円の径にて判定し、その平均粒径と面積率を算出した。これらの試料について、ドリル加工性試験を行った。ドリル加工性試験は、実施例１に記載した方法にて評価を行った。その結果を表２と表３に示す。

表２に示す、一般に市販されているＮｂ原料粉末の平均粒径は、１００μｍ以下であることから、Ｎｏ．１９の原料Ｎｂは市販のＮｂ原料粉末を分級し、微粉末を除去することで、平均２００μｍになるように調整した。

表２に示すように、Ｎｏ．１３〜１７は本発明例であり、Ｎｏ．１８、１９は比較例である。比較例Ｎｏ．１８は成形体中の純Ｎｂの平均粒径が小さいために、エンドミル刃先摩耗量が大きい。比較例Ｎｏ．１９は成形体中の純Ｎｂの平均粒径が大きいために、エンドミル刃先摩耗量が大きい。これに対して、本発明例であるＮｏ．１３〜１７はいずれも本発明の条件を満足していることから、エンドミル刃先摩耗量の小さいことが分かる。

表３に示す、いずれの試作例も、使用したＮｂ原料粉末の平均粒径は３０μｍである。

表３に示すように、Ｎｏ．２０〜２３は本発明例であり、Ｎｏ．２４、２５は比較例である。比較例Ｎｏ．２４は成形体中の純Ｎｂの面積率が小さいために、エンドミル刃先摩耗量が大きい。比較例Ｎｏ．２５は成形体中の純Ｎｂの面積率が大きいために、エンドミル刃先摩耗量が大きい。これに対して、本発明例であるＮｏ．２０〜２３はいずれも本発明の条件を満足していることから、エンドミル刃先摩耗量の小さいことが分かる。

上述したように、Ｎｂ：１〜５０％、残部Ｍｏおよび不可避的不純物よりなり、純Ｍｏからなるマトリックス中に、純Ｎｂを分散させ、成形体中の純Ｎｂの平均粒径を３〜１００μｍ、成形体中の純Ｎｂの面積率を３〜４０％とするように、１１００〜１５００℃で熱間静水圧プレスにより成形することで、純Ｍｏマトリックス中に純Ｎｂ粒子を有するミクロ組織が得られ、その成形体は、特に各種装置の加速電極に好適なドリル加工性に優れたＭｏ合金成形体を得ることができるものである。

本発明に係るＭｏ合金のミクロ組織例を示す図である。 加速電極の模式図である。

１ モリブデン薄板
２ ビーム穴


特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (4)

1. 原子％で、Ｎｂ：１〜５０％、残部Ｍｏおよび不可避的不純物よりなり、かつ純Ｍｏからなるマトリックス中に、純Ｎｂが分散しており、該純Ｎｂの平均粒径：３〜１００μｍ、面積率：３〜４０％であることを特徴とする加速電極用ドリル加工性に優れたモリブデン合金からなる成形体。
2. 請求項１に記載する成形体中の純Ｎｂの平均粒径を得るために、原料Ｎｂ平均粒径を２５〜８０μｍとすることを特徴とする加速電極用ドリル加工性に優れたモリブデン合金からなる成形体。
3. Ｍｏ粉末とＮｂ粉末の混合粉末とし、熱間静水圧プレスにより成形することを特徴とした加速電極用ドリル加工性に優れたモリブデン合金からなる成形体の製造方法。
4. １１００〜１５００℃で熱間静水圧プレスすることを特徴とする請求項２記載の加速電極用ドリル加工性に優れたモリブデン合金からなる成形体の製造方法。

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