JP7503486B2 - 非磁性部材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)本発明は、交番磁界中で用いられる非磁性部材であって、合金全体に対する質量割合で、Al当量が5.5~11となるα相安定化元素と、Mo当量が6~17となるβ相安定化元素とを含むチタン合金を備え、該β相安定化元素にはFeが含まれる非磁性部材である。
本発明は、上述した非磁性部材やチタン合金の製造方法としても把握できる。例えば、チタン合金が焼結材からなる場合、非磁性部材は、粉末から焼結体を得る焼結工程と、該焼結体を該非磁性部材に応じた所望形状にする加工工程とから得られる。また、その焼結材からなるチタン合金は、必ずしも、加工工程後に特段の熱処理(例えば溶体化処理や時効処理)が施されなくても、優れた高比抵抗や高強度を発現し得る。勿論、本発明に係るチタン合金は、焼結材に限らず、溶製材でもよい。
(1)本明細書でいうα相安定化元素は、純チタンの同素変態温度(約885℃)を上昇させ、α相域を拡大させる合金元素である。β相安定化元素は、その同素変態温度を下降させ、β相域を拡大させる合金元素である。換言すると、α相安定化元素は、Al当量の算出式に現れる元素であり、β相安定化元素はMo当量の算出式に現れる元素である。同素変態温度または当量に影響する合金元素である限り、一般的に中性的元素(全率固溶型元素)とされる合金元素(Sn、Zr等)でも、本明細書ではα相安定化元素またはβ相安定化元素として扱う。勿論、本発明に係るチタン合金は、同素変態温度または当量に影響しない中性的元素(同素変態温度に影響しない合金元素)をさらに含んでもよい。
(1)組成
チタン合金は、Al当量が5.5~11、6.5~10、7~9.5さらには7.5~9となるα相安定化元素と、Mo当量6~17、9~16さらには10~15となるβ相安定化元素とを含むとよい。Al当量が過小では比抵抗が不十分となり、それが過大では伸びが小さくなる。Mo当量が過小では強度が不十分となり、それが過大では伸びが小さくなる。
[Al」eq=[Al]+[Zr]/6+[Sn]/3+10[O]+16.4[N]+11.7[C]
[Mo」eq=[Mo]+[Ta]/5+[Nb]/3.5+[W]/2.5+[V]/1.5+1.25[Cr]
+1.25[Ni]+1.7[Mn]+1.7[Co]+2.5[Fe]
ただし、本発明では、特に断らない限り、Al当量をα相安定化元素の主要元素であるAl、Zr、およびSnに基づいて規定する([Al」eq=[Al]+[Zr]/6+[Sn]/3)。
チタン合金の金属組織(単に「組織」という。)は、製造過程や熱処理の影響を受けて変化し得る。組織は、例えば、溶製材か焼結材によっても異なるし、焼結材でも熱処理の有無やその熱処理条件によっても異なる。もっとも本発明に係るチタン合金は、Al当量とMo当量が共に十分大きいため、具体的な形態は別にして、α相とβ相が混在した金属組織になり易い。
チタン合金は、電気的または機械的に優れた特性を発揮する。例えば、2~5μΩm、2.1μΩm~4μΩmさらには2.2μΩm~3μΩmという比抵抗を発揮する。このような比抵抗は、純Tiの比抵抗(0.4μΩm程度)や代表的なチタン合金(Ti-6%Al-4%V)の比抵抗(1.7μΩm程度)と比較して遙かに大きい。なお、本明細書でいう比抵抗値は、特に断らない限り、所定サイズの試料(バルク材)について、直流四端子法で測定して求まる(図2参照)。
チタン合金(非磁性部材)は、例えば、焼結法、溶製法、(粉末)積層造形法(いわゆる3Dプリンター)等により製造され得る。その一例として、焼結法でチタン合金を製造する場合について、以下に説明する。
通常、複数種の原料粉末を配合(秤量)した混合粉末を用いて成形、焼結がなされる。原料粉末には、単体粉末の他、合金粉末、化合物粉末等が用いられる。単体粉末として、例えば、Ti源粉末(純Ti粉末)がある。合金粉末として、例えば、Al-V粉末、Ti-Al粉末、Fe-Mo粉末(フェロモリブデン粉末)等がある。なお、合金元素が同じ同種の粉末でも、その組成割合は様々である。所望の配合組成に応じて、適当な原料粉末が選択されればよい。いずれにしても、単体粉末よりも合金粉末や化合物粉末を用いることで、原料コストの低減、組織の均一化や安定化等が図られる。
混合粉末は、金型成形、CIP(Cold Isostatic Pressing/冷間等方圧加工法)成形、RIP(Rubber Isostatic Pressing/ゴム等方圧加工法)成形等されて、所望形状の成形体となる。成形体の形状は、最終的な部材(非磁性部材)に近い形状でもよいし、焼結工程後に加工を施すときはビレット状(中間素材形状)等でもよい。成形圧力は適宜調整され得るが、例えば、200~600MPaさらには300~400MPaとするとよい。
成形体は、真空中や不活性ガス中で加熱することにより、焼結体となる。焼結温度は、例えば、1150℃~1400℃さらには1200~1350℃とするとよい。焼結時間は、例えば、3~25時間さらには10~20時間とするとよい。適切な焼結温度と焼結時間により、高特性なチタン合金を効率的に得ることができる。なお、HIP(Hot Isostatic Pressing/熱間等方圧加工法)成形により、上述した成形工程と焼結工程が同時になされてもよい。
焼結工程後の冷却は、例えば、0.1~10℃/sで、炉冷や強制冷却(不活性ガスの導入等)されるとよい。冷却速度の制御により、チタン合金の組織や特性が調整されてもよい。
焼結体は、そのまま非磁性部材とされてもよいし、塑性加工、切削加工等されて非磁性部材とされてもよい。塑性加工は、冷間加工でも熱間加工でもよい。熱間加工によれば、割れ等を抑止して、歩留まりよく非磁性部材を得ることができる。熱間加工後の冷却は、炉冷でもよいが、空冷でも十分である。
本発明の非磁性部材は、高比抵抗、高強度、低透磁率であるため、交番磁界中で使用される電磁用部材として好適である。その具体的な用途を問わないが、例えば、電動機(電磁機器、電動装置)に組み込まれる永久磁石(界磁源)の保護部材(保護管、保護ケース)等に用いることができる(既述した特開2020-43746号公報参照)。なお、そのような電動機の一例として、高回転を要求される遠心式の圧縮機がある。このような圧縮機は、例えば、エンジンの過給器や燃料電池のエアコンプレッサに用いられる。
(1)原料粉末
Ti粉末には、市販の水素化脱水素粉末(トーホーテック株式会社製)を篩い(#350,平均粒径75μm)で分級したものを用いた。
(a) Al-40%V粉末(平均粒径:9μm/キンセイマテック株式会社製)
(b) Ti-36%Al粉末(平均粒径:9μm/大同特殊鋼株式会社製)
(c) Fe-60%Mo粉末(平均粒径:45μm/太陽鉱工株式会社社製)
表1(試料C4・C5を除く。)に示す全体組成(Al当量、Mo当量)となるように、各原料粉末を秤量して配合した。各配合粉末をV型混合器で1時間混合して、各試料毎の混合粉末を得た。
各混合粉末を塩化ビニールチューブ(PVC)に入れてCIP成形して、丸棒状の成形体(φ16mm×150mm程度)を得た。このときの成形圧力は4t/cm2(392MPa)とした。
各成形体を真空中(1×10-5torr)で加熱(1300℃×16時間)して焼結させた。焼結温度に至るまでの昇温速度:約5℃/min、焼結時間経過後の冷却速度:10℃/sとした。
さらに、各試料に係る焼結体を大気雰囲気中で熱間加工(鍛造)した。加熱温度:1200℃、加工率:56%とした。ここでいう加工率は断面減少率(Aw/Ao)で算出した。Awは加工後の断面積、Aoは加工前の断面積である。
表1に示す試料C4と試料C5には、市販の溶製材(大同特殊鋼株式会社製)をそのまま供試材とした。
(1)電気的特性(比抵抗)
各試料の比抵抗は、図2に示すようにして求めた。具体的にいうと、先ず、各供試材から製作した角柱体(3.014mm(t)×3.014mm(w)×20mm)に、次のようにして電極を形成した。各角柱体の中央部分(電圧電極間(L):10mm)をマスキングテープでマスクする。マスクした両端部分とさらにその両外側部分との4箇所(図2参照)に、端子線(銀線:φ0.20mm)を巻き付ける。各端子線を巻き付けた部分と、角柱体の両端面とに銀ペースト(藤倉化成株式会社製 ドータイト D-550)をそれぞれ塗布する。塗布後の角柱体を、大気中で100℃×12時間加熱して乾燥させる。こうして、電流電極と電圧電極を備えた試験片を用意した。
供試材から製作した丸棒引張試験片(平行部径:φ2.4mm、ゲージ長さ:14mm)を用いて、オートグラフ(株式会社島津製作所製 AUTOGRAPH AG-1 50kN)により引張試験を行った。
(1)引張試験前の供試材の組織をSEM(Scanning Electron Microscope)で観察した。その一例として、試料5に係る観察像(SEM像)を図1A、図1B(両者を併せて単に「図1」という。)に示した。図1Bは拡大した島状組織を表している。
引張試験前の組織をX線回折解析(XRD/Cu-Kα)した。その結果、島状組織は六方最密格子構造のhcp組織であり、それを包囲するベース組織は体心立方格子構造のbcc組織であることがわかった。
(1)特性
表1から明らかなように、Al当量およびMo当量が共に所定範囲にあると共に、Feを含む試料1~6のチタン合金は、高比抵抗かつ高強度であった。
図1Aおよび表1から明らかなように、試料1~6は、多くの島状のhcp組織(単に「島状組織」という。)がbcc組織で囲繞された複合組織となっていることがわかった。また図1Bからわかるように、島状組織は、針状または繊維状の(超)微細組織の集合体からなることもわかった。各微細組織は、最大長が2μm以下、アスペクト比が5以上であることもSEM像からわかった。
Claims (10)
- 交番磁界中で用いられる非磁性部材であって、
合金全体に対する質量割合で、Al当量が6~11となるα相安定化元素と、Mo当量が6~17となるβ相安定化元素とを含むチタン合金を備え、
該β相安定化元素にはFeが含まれ、
該Feは、該チタン合金全体に対して質量割合で0.5~5%含まれる非磁性部材。 - 前記チタン合金は、ヤング率が115~135GPaである請求項1に記載の非磁性部材。
- 前記チタン合金は、その全体に対する質量割合で、Moを1~7%含む請求項1または2に記載の非磁性部材。
- 前記チタン合金は、体心立方格子構造組織(「bcc組織」という。)中に、六方最密格子構造組織(「hcp組織」という。)が島状に分布した複合組織からなる請求項1~3のいずれかに記載の非磁性部材。
- 前記hcp組織は、前記複合組織全体に対して30~80体積%ある請求項4に記載の非磁性部材。
- 前記チタン合金は、比抵抗が2μΩm以上である請求項1~5のいずれかに記載の非磁性部材。
- 前記チタン合金は、0.2%耐力が1150MPa以上である請求項1~6のいずれかに記載の非磁性部材。
- 前記チタン合金は、焼結材からなる請求項1~7のいずれかに記載の非磁性部材。
- 請求項8に記載の非磁性部材の製造方法であって、
粉末から焼結体を得る焼結工程と、
該焼結体を該非磁性部材に応じた所望形状にする加工工程とを備え、
該加工工程後に少なくとも溶体化処理を施さずに前記チタン合金を得る非磁性部材の製造方法。 - 前記粉末は、少なくとも、フェロモリブデン粉末を含む請求項9に記載の非磁性部材の製造方法。
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