粉体の結晶粒微細化
【課題】粉体自体の粒径は大きく、その粉体の素地（マトリックス）を構成する金属または合金の結晶粒が微細である合金粉体原料を安価に得る。
【解決手段】ローラーミル１０により、マグネシウム基合金原料粉体ａに圧縮、せん断作用を加えて、その粉体ａの結晶粒を微細化する。ローラーミル１０は、粉体ａにローラ３とテーブル２間で圧縮・剪断作用（すりつぶし作用）を与えて圧縮圧延と破砕を交互に繰り返す。このとき、テーブル２とローラ３の対向面の周速度の差により、ローラ３とテーブル２間で大きなせん断作用が被処理物（原料粉体）ａに作用して、円滑な圧縮圧延と粉砕が行なわれる。この作用により、例えば、最大サイズ１０ｍｍ以下、最小サイズ０．１ｍｍ以上、最大結晶粒径が３０μｍ以下の成型用マグネシウム基合金粉体ｂを円滑に得る。
【解決手段】ローラーミル１０により、マグネシウム基合金原料粉体ａに圧縮、せん断作用を加えて、その粉体ａの結晶粒を微細化する。ローラーミル１０は、粉体ａにローラ３とテーブル２間で圧縮・剪断作用（すりつぶし作用）を与えて圧縮圧延と破砕を交互に繰り返す。このとき、テーブル２とローラ３の対向面の周速度の差により、ローラ３とテーブル２間で大きなせん断作用が被処理物（原料粉体）ａに作用して、円滑な圧縮圧延と粉砕が行なわれる。この作用により、例えば、最大サイズ１０ｍｍ以下、最小サイズ０．１ｍｍ以上、最大結晶粒径が３０μｍ以下の成型用マグネシウム基合金粉体ｂを円滑に得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、粉体の結晶粒微細化方法およびその装置並びにその方法により製造された成型用粉体原料に関するものであり、特に、高強度と高靭性の素地を構成するマグネシウム結晶粒を微細化しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
金属合金とその製造プロセスに関する実用化開発は、種々の金属において行われており、例えば、マグネシウム合金（Ｍｇ合金）について言えば、その使用製品の軽量化効果に加えて、リサイクル性に優れているため、ノートパソコンや携帯電話等の筐体用素材として実用化されている。
【０００３】
しかしながら、従来のマグネシウム合金は、強度や硬さなど機械特性や耐食性・耐摩耗性などが十分でないため、使用環境や適用製品が制約され、また、溶解・鋳造から押出・圧延加工といった一連の素材製造コストが高いこともマグネシウム合金製品の普及を妨げる要因になっている。
【０００４】
言い換えると、既存マグネシウム合金における機能・特性ならびにコストに関する様々な課題を解決することで、軽量化ニーズの強い構造素材や機器部品などの市場へのマグネシウム合金による新規参入・展開が可能となり、新たな市場・産業の創出につながる。
例えば、「自動車・バス等の輸送機器からのＣＯ２ガス排出量の削減（地球温暖化防止策）」、「インターネットによる高度情報化社会における携帯情報端末機器の更なる普及」、「高齢者・障害者の安全・安心かつ快適な生活空間を提供するための小型軽量・医療介護器具の開発」などを図ることができる。
【０００５】
一方、マグネシウム合金などの金属における機械特性の一つである高強度化と高靭性化には、その組成・成分の最適化に加え、素地を構成する結晶粒の微細化が有効である。そのマグネシウム合金素材の結晶粒微細化に関しては、従来、圧延法、押出加工法、鍛造加工法、引き抜き加工法、ECAE (Equal Channel Angular Extrusion)法など、塑性加工プロセスを基調とした方法が用いられている。
【０００６】
例えば、その圧延法によるものは、溶融したマグネシウム合金を射出成形によって板状素材とし、その板状素材をロール圧延によって圧縮変形し、さらにこの素材に対して熱処理を施すことにより、再結晶化によるマグネシウム結晶粒の微細化を行なっている（特許文献１参照）。
また、マグネシウム合金板材を所定の圧下率で冷間圧延し、その後、この板材に対して所定の温度域で熱処理を施すことにより、再結晶化によるマグネシウム結晶粒の微細化を行なうものもある（特許文献２参照）。
【０００７】
鍛造加工法によるものは、マグネシウム合金素材を溶体化処理した後、第１次鍛造加工、時効熱処理、第２次鍛造加工を行なうことにより、マグネシウム結晶粒の微細化を行なっている（特許文献３参照）。
【０００８】
押出加工法によるものは、マグネシウム合金粉末あるいはマグネシウム合金チップを出発原料とし、この原料を金型臼内に投入して圧縮成形と押出加工を繰返し行なった後に、粉末あるいはチップの固化体ビレットを作り、さらにそのビレットに対して熱間塑性加工を施すことにより、マグネシウム結晶粒の微細化を行っている（特許文献４参照）。
【０００９】
さらに、鍛造加工法又は押出加工法によるものとして、マグネシウム合金製部材の切削加工時に排出される切粉、スクラップ、廃棄物等を圧縮固化し、それを押出加工、又は鍛造加工することにより、塑性加工歴のあるマグネシウム合金部材を創製し、その際、塑性加工によってマグネシウム結晶粒の微細化を促すものがある（特許文献５）。
【００１０】
一方、出発原料の一つであるマグネシウム合金粉体粒子におけるマグネシウム結晶粒の微細粒化手法に着目すると、噴霧法や単ロール法などによる急冷凝固プロセスがある。これらの方法では、溶融状態のマグネシウム合金液滴が極めて短い時間で冷却・凝固する過程で結晶粒の成長を抑制し、微細な結晶粒を有するマグネシウム基合金粉末粒子を製造することが可能である。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２９４９６６号公報
【特許文献２】特開２０００−０８７１９９号公報
【特許文献３】特開２００３−２７７８９９号公報
【特許文献４】国際公開公報ＷＯ０３−０２７３４２Ａ１公報
【特許文献５】特開平５−３２０７１５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記特許文献１、２で示された圧延法によるマグネシウム結晶粒の微細化は、いずれも、被加工物は板状素材であり、最終的に得られるものも板材である。そのため、これらの方法によって、パイプ状素材、棒状素材、異形状断面を有する素材などを製作するのは、板材からパイプ状等への製作となるため、極めて困難である。また、圧延加工の後に熱処理工程が必要であり、経済性の面においても素材のコストアップを招くという問題点がある。
【００１３】
上記特許文献３で示された鍛造加工法によるマグネシウム結晶粒の微細化は、複数回の鍛造加工と熱処理の繰り返しが必要であり、素材のコストアップを招く。また、第１次鍛造加工において、素材に対して所定の加工予歪を与えることが不可欠であるので、製品形状に制約が生まれる。さらに、棒状素材やパイプ状素材といった長尺製品の生産には不適である。
【００１４】
上記特許文献４で示された押出加工法によるマグネシウム結晶粒の微細化は、大きな固化体ビレットを製造する場合、結晶粒の微細粒化をビレット内部で均一に行ない難くなるといった問題が生ずる。また、微細粒化を進行させるには、上記の圧縮・押出の加工回数を著しく増加する必要があるために、素材コストが上昇するといった問題も生じる。
【００１５】
上記特許文献５で示された押出加工又は鍛造加工法によるマグネシウム結晶粒の微細化は、押出加工又は鍛造加工後のマグネシウム合金の強度特性を支配するマグネシウム素地の結晶粒径が、塑性加工時に原料に与える歪量だけでなく、出発原料として用いる切粉、スクラップ、廃棄物、あるいは鍛造材のマグネシウム素地の結晶粒径との関連性も強い。すなわち、出発原料の素地を構成するマグネシウムの結晶粒微細化は、最終製品となるマグネシウム合金素材の高強度化に極めて有効である。
しかしながら、この技術における出発原料の結晶粒の径は数百ミクロンを超える粗大なものである。このため、通常のマグネシウム合金の切粉、スクラップ、廃棄物、また鋳造材を出発原料として用いた場合に得られるマグネシウム合金においては、高強度化・高靱性化は望めない。
【００１６】
また、噴霧法や単ロール法などによる急冷凝固プロセスによるマグネシウム結晶粒の微細化は、その冷却・凝固速度が液滴表面での抜熱量に支配される。すなわち、マグネシウム合金液滴の比表面積に依存し、微細な液滴であるほど凝固速度は大きく、短時間で凝固できるために微細なマグネシウム結晶粒を有する。
【００１７】
このため、急冷凝固法によって微細な結晶粒を有するマグネシウム基合金粉末を作製することができるが、その反面、粉末粒子径は小さくなるため、製造過程において粉体粒子が浮遊し易くなり、粉塵爆発などの危険性が急増する。また、金型プレス成形による圧縮固化を考えた場合、細かい粉末粒子では流動性が低いために、金型への充填率の低下や局部的な空隙の形成、さらには粉末間での摩擦力が大きくなるために固まり難くなるといった問題が生じる。
【００１８】
このような技術背景の下、粉体、例えば、マグネシウム合金の結晶粒の微細化には、先ず、鋳造法やダイカスト法といった粒成長を伴う溶解・凝固過程を経由しない製造方法が必要である。具体的には、粉体あるいはそれに類似した幾何学的形状を有する原料をその融点以下の温度域で成形・緻密固化する固相プロセスの構築が必要である。
つぎに、その際に原料として用いるマグネシウム基合金粉体の結晶粒の微細化を行う必要がある。同時に粉塵爆発を引き起こさない比較的粗大な粉体であり、また、プレス成形の観点からも適切な大きさを有することが望まれる。
【００１９】
この発明は、粉体自体の粒径は大きく、その粉体の素地（マトリックス）を構成する金属または合金の結晶粒が微細である粉体原料を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を達成するために、この発明は、粉体に圧縮、せん断作用を加えて、その粉体の結晶粒を微細化することとしたのである。
その微細化の原料粉体を所要の大きさ、例えば、粉塵爆発を引き起こさず、また、成形が容易な大きさとし、その大きさの粉体にそのままの大きさで圧縮、せん断作用を加えて、その粉体の結晶粒を微細化すれば、その粉体を圧縮固化するなどにより、所要の形状に成形することが容易であり、また、その成型品は結晶粒の微細化による高強度及び高靭性のものとなる。
【００２１】
因みに、後述のように、この微細化によるマグネシウム基合金粉体原料について実験を行ない、そのマグネシウム基合金粉体原料を成形・固化して得られるマグネシウム合金が、優れた強度と靱性とを兼ね備えることを確認した。このことから、マグネシウム合金と同種の他の材料粉末、例えばアルミニウム基合金粉体原料等にも適用可能であることが理解できる。
【００２２】
なお、この明細書中において、「金属」、「合金」という用語を使用しているが、両者を厳格に区別して使い分けているのではなく、「金属」、「合金」という用語は、純金属および合金の両者を含むものである。
【発明の効果】
【００２３】
この発明は、以上のように、粉体に圧縮、せん断作用を加えて、その粉体の結晶粒を微細化することとしたので、その粉体を圧縮固化するなどにより、所要の形状に成形することが容易であり、その結晶粒の微細化により、高強度及び高靭性の製品を得ることができる。
このため、例えば、上述のマグネシウム合金にあっては、軽量化ニーズの強い構造素材や機器部品などの市場へのマグネシウム合金による新規参入・展開が可能となり、新たな市場・産業の創出につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
この発明に係る粉体に圧縮、せん断作用を加えて、その粉体の結晶粒を微細化した粉体原料は、例えば、粉体の最大サイズが１０ｍｍ以下、粉体の最小サイズが０．１ｍｍ以上であり、粉体の素地を構成する金属または合金粒子の最大結晶粒径が３０μｍ以下とする。
【００２５】
この粉体の最大サイズが１０ｍｍ以下の場合には、上記の圧縮成形性、固化性、流動性、金型充填性に問題がない。より好ましい最大サイズとしては６ｍｍ以下である。粉体の最大サイズが１０ｍｍを超えると、これらの特性が低下し、特に圧縮成形性が低下するために、固化体ビレットに亀裂や割れが発生するといった問題が生じる。
最小サイズが０．１ｍｍ以上の場合には、上記の圧縮成形性、固化性、流動性、金型充填性に問題がない。より好ましい最小サイズとしては０．５ｍｍ以上である。粉体の最小サイズが０．１ｍｍを下回ると、圧縮成形固化に関する粉体特性が低下すると同時に、粉体の浮遊による粉塵爆発を引き起こす可能性が増加するといった危険性を伴う。
最大結晶粒径が３０μｍを超えるような粉体原料の場合、高い強度と靱性を有することはなく、どちらか一方、あるいは両方の機械的特性の低下が生じる。より好ましくは、１５μｍ以下である。
【００２６】
この粉体原料は、相対的に大きな結晶粒径を持つ出発原料粉体に対して、塑性加工を施して相対的に小さな結晶粒径とすることができる。また、最大結晶粒径が３０μｍ以下である素地を有する金属または合金素材から、切削加工、切断加工、粉砕加工のいずれかの機械加工を施すことによって採取したものとすることもできる。
【００２７】
その出発原料粉体への塑性加工は、圧縮、せん断作用を加えることにより行うことができるが、その装置としては、例えば、テーブル回転式ローラーミルのように、ローラと受け皿状治具を前者が後者に対し転動可能に相対峙し、その一方又は両者を回転させて、ローラと受け皿状治具の間で、粉体に圧縮・せん断作用を加えて、前記粉体の結晶粒を微細化するものを採用できる。
このローラと受け皿状治具による塑性加工においては、通常、粉体は、圧縮粉砕ゾーンを通過してからせん断粉砕ゾーンに至り、その圧縮粉砕ゾーンで、結晶粒の微細化が主に行われ、粒径（結晶粒の集合体）は造粒されて大きくなり、せん断粉砕ゾーンでは、大きくなった粉体を適正な粒径までせん断力により引きちぎって小さくする作用が行われる。このため、出発原料粉体そのものを微細化させることなく、その結晶粒の微細化がなされる（図４参照）。
【００２８】
このとき、このローラーミル等の装置に原料をバッチ的に供給する場合には、一定時間運転して原料粉体の結晶粒の微細化を行い、その後、前記受け皿状治具を高速回転させて、その受け皿状治具周囲から前記粉体を排出するようにすることができる。
一方、この装置に原料粉体を連続的に供給して運転する場合には、その原料粉体の結晶粒の微細化を行いつつ、受け皿状治具周囲から前記粉体を排出し、その排出された処理粉（粉体）を、再度、前記受け皿状治具上に供給する循環運転とすることができる。このとき、その処理粉の循環を、微粉回収機を循環するガスにより行うようにすることもできる。
【００２９】
これらの装置による塑性加工において、上述のように、好ましくは、粉体の最大サイズが１０ｍｍ以下で最小サイズが０．１ｍｍ以上、かつ粉体の素地を構成する金属または合金粒子の最大結晶粒径が３０μｍ以下になるまで行なう。あるいは、出発原料粉体の素地を構成する金属または合金粒子の最大結晶粒径を１００％としたとき、塑性加工は、加工後の粉体の素地を構成する金属又は合金粒子の最大結晶粒径が２０％以下となるまで行なう。
このときのローラと受け皿状治具等間のクリアランスは、粉体が所要のサイズ及び結晶粒径となるように、実験などによって適宜に設定し、例えば、２ｍｍ以下とする。
【００３０】
これらの装置による塑性加工は、好ましくは、３００℃以下の温度雰囲気で行なう。その温度上昇には、この塑性加工装置に原料粉体を供給する装置にその原料粉体の加熱機構を付設して原料粉体を加熱する等の手段を採用する。
また、好ましくは、出発原料粉体を不活性ガス雰囲気、非酸化性ガス雰囲気、真空雰囲気のいずれかの雰囲気下で加熱する。
なお、塑性加工装置から取り出された粉体に対して、引き続いて破砕機、粉砕機、粗粒機のうちの少なくとも一つの機械で処理して顆粒状粉体とする工程をさらに備えるようにしてもよい。
【００３１】
以下、この発明の一実施形態の具体的な構成及び作用効果を説明する。この実施形態は、マグネシウムに係るものであり、そのマグネシウム基合金原料粉体（１）を説明した後、そのマグネシウム基合金原料粉体の塑性加工による製造方法（２）を説明する。
【００３２】
（１）マグネシウム基合金原料粉体
（Ａ）粉体原料（処理前の粉体）ａの形状等
マグネシウム基合金原料粉体は、連続的な塑性加工を施して効率的にマグネシウム素地の結晶粒の微細化を促進する必要がある。このような微細化を促進するために、使用する出発原料粉体ａは、図１に示すように、粒子状、粉末状、塊状、カール状、帯状、切削粉末状、切削カール状、切粉状のいずれかの形状を有することが望ましい。
塑性加工として、圧縮加工、せん断加工、粉砕加工、混練加工などが施されるが、加工後に得られる粉体ｂは、出発原料として用いた粉体ａに類似した粉体またはそれらの集合体であり、必要に応じて破砕加工を施すことにより次工程である圧縮成形・固化が容易となる。
【００３３】
具体的には、塑性加工後のマグネシウム基合金粉体ｂには適切な圧縮成形性や固化性が要求され、また金型臼内でマグネシウム基合金粉体ｂを成形固化する場合には、粉体ｂの流動性や金型内での充填性を向上させる必要がある。これらの特性を向上させるためにも、出発原料（粉体）ａとして、粒子状、粉末状、塊状、カール状、帯状、切削粉末状、切削カール状、切粉状のいずれかの形状を有するマグネシウム基合金粉体を用いることが望ましい。
【００３４】
（Ｂ）粉体原料（処理後の粉体）ｂの大きさ
この発明の方法によって得られるマグネシウム基合金粉体ｂは、最大サイズが１０ｍｍ以下である。ここで、最大サイズとは、その粉体の最も大きい寸法を示しており、粒子状、粉末状、塊状、切粉であれば、最大粒子径に相当する。帯状であれば、幅、長さ、厚さとした場合に最も大きい長さ方向での寸法を意味する。カール状の場合には、それを円と見立てた場合の直径に相当する。
【００３５】
この発明のマグネシウム基合金粉体ｂの最大サイズが１０ｍｍ以下の場合には、上記の圧縮成形性、固化性、流動性、金型充填性に問題がない。より好ましい最大サイズとしては６ｍｍ以下である。粉体の最大サイズが１０ｍｍを超えると、これらの特性が低下し、特に圧縮成形性が低下するために、固化体ビレットに亀裂や割れが発生するといった問題が生じる。
【００３６】
他方、この発明の方法によって得られるマグネシウム基合金粉体ｂは、最小サイズが０．１ｍｍ以上である。ここで、最小サイズとは、その粉体の最も小さい寸法を示しており、粒子状、粉末状、塊状、切粉であれば、最小粒子径に相当する。帯状であれば、幅、長さ、厚さとした場合に最も小さい厚さ方向での寸法を意味する。カール状の場合には、そのカールを構成する素材の幅あるいは厚さの小さい方の寸法とする。
【００３７】
この発明のマグネシウム基合金粉体ｂの最小サイズが０．１ｍｍ以上の場合には、上記の圧縮成形性、固化性、流動性、金型充填性に問題がない。より好ましい最小サイズとしては０．５ｍｍ以上である。粉体ｂの最小サイズが０．１ｍｍを下回ると、圧縮成形固化に関する粉体特性が低下すると同時に、粉体ｂの浮遊による粉塵爆発を引き起こす確率が増加するといった危険性を伴う。
図１に、各粉体ｂの形状に対する最大サイズ部分および最小サイズ部分を示している。
【００３８】
（Ｃ）粉体ｂの素地を構成するマグネシウム粒子の最大結晶粒径
この発明の方法によって得られるマグネシウム基合金粉体ｂにおいて、素地を構成するマグネシウム粒子の最大結晶粒径は３０μｍ以下である。ここで、最大結晶粒径とは、結晶粒の外接円の直径である。具体的には、粉体を砥粒にて湿式研磨した後、化学腐食（エッチング）を行って結晶粒界を明瞭にした状態で、光学顕微鏡等によって観察される結晶粒において最も大きい寸法のものを意味する。
【００３９】
粉体の強さや硬さなどの機械的特性の向上には、素地を構成する粒子の平均的な結晶粒径を小さくするだけでなく、最大結晶粒径を小さくすることが求められる。そこで、この発明では、マグネシウム粒子の最大結晶粒径を適正な範囲に管理することにより、優れた強度と靱性を兼ね備えたマグネシウム基合金素材を創製できる。
【００４０】
他方、素地を構成するマグネシウム粒子の最大結晶粒径が３０μｍを超えるような粉体原料を用いた場合、得られるマグネシウム基合金はバランスがとれた強度と靱性を有することはなく、どちらか一方、あるいは両方の機械的特性の低下が生じる。より好ましくは、マグネシウム基合金粉体原料におけるマグネシウム粒子の最大結晶粒径は１５μｍ以下である。
【００４１】
上記のような構成のマグネシウム基合金粉体ｂは、出発原料粉体ａに対する塑性加工または機械加工によって得られる。具体的には、一つの方法では、粉体ｂは、相対的に大きな結晶粒径を持つ出発原料粉体ａに対して、塑性加工を施して小さな結晶粒径としたものである。他の方法では、粉体ｂは、最大結晶粒径が３０μｍ以下である素地を有する金属または合金素材ａから、切削加工、切断加工、粉砕加工のいずれかの機械加工を施すことによって採取したものである。
【００４２】
（２）塑性加工によるマグネシウム基合金粉体ｂの製造方法
図２は、塑性加工によるマグネシウム基合金粉体ｂの製造工程を順に示している。
（Ａ）原料粉体ａの加熱工程
出発原料粉体ａの連続式塑性加工において、加工時の原料粉体ａの温度は、常温でも良いが、マグネシウム結晶粒の微細粒化と密接な関係があるため、適正な温度範囲で管理することが好ましい。そのため、塑性加工前に原料粉体ａを事前に所定の温度で加熱保持することは重要である。後述するような理由により、粉体ａの加熱保持温度は３００℃以下であることが望ましく、より好ましくは１００〜２００℃の範囲である。
【００４３】
上記のような温度範囲で投入原料粉体ａに対して所定の塑性変形を付与することにより、結晶粒の微細粒化の駆動源である強ひずみ加工による結晶粒の分断および再結晶が顕著に進行する。常温においても連続的塑性加工は可能であるが、強ひずみ加工によって原料粉体ａに導入される転位などの欠陥が増大し、原料粉体ａが脆くなって加工過程で粉砕・微粉化するため、粉塵爆発を引き起こす確率が高くなる。
【００４４】
出発原料粉体ａに対して１００〜２００℃の温度範囲で塑性加工を施せば、加工後の粉体ｂに延性を与えた状態で、その粉体ａ自体の粉砕・微粉化を抑制し、同時にマグネシウム結晶粒の微細化を進行させることができる。他方、３００℃を超える温度で塑性加工を行なえば、塑性加工過程において、塑性加工用回転体と原料粉体ａとの焼付き・凝着現象が生じる。
【００４５】
出発原料粉体ａの加熱過程において、粉体ａ表面の酸化を阻止する観点から、出発原料粉体ａを、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気、非酸化性ガス雰囲気、あるいは真空雰囲気中で加熱するのが望ましい。例えば、大気中で出発原料粉体ａを加熱した場合には、粉体ａ表面の酸化により後工程である熱間押出加工や鍛造加工後のマグネシウム基合金中に酸化物が存在し、それによって疲労強度などの特性低下を招くといった問題を生じる。
【００４６】
（Ｂ）原料粉体ａの連続式塑性加工工程
塑性加工時における原料粉体ａの酸化を抑制するため、連続式粉体塑性加工装置において回転体を含む一部あるいは全体をグローボックスなどで覆い、その雰囲気を不活性ガス雰囲気、非酸化性ガス雰囲気、真空雰囲気などに管理することが好ましい。
【００４７】
出発原料粉体ａに対して、上記のような塑性加工を施すことにより、加工後の粉体ｂは、次のような特徴を有するものとなる。すなわち、粉体ｂは、粉体の素地を構成する粒子の最大結晶粒径が３０μｍ以下である。あるいは、出発原料粉体ａの素地を構成する粒子の最大結晶粒径を１００％としたとき、塑性加工は、加工後の粉体の素地を構成する粒子の最大結晶粒径が２０％以下となるまで行なう。このような結晶粒微細化を実現すれば、得られた粉体ｂを成形固化して作製するマグネシウム基合金素材において、優れた強度と靱性の両立を得ることができる。
【００４８】
（Ｃ）粉体ｂの搬送・排出工程
塑性加工を施した粉体ｂは、連続的にケースから排出される。複数回の塑性加工が必要な場合には、再度、粉体ｂを加熱工程に供給し、連続式塑性加工を行なう。排出された粉体ｂが大きい場合には、適当な寸法・形状に破砕あるいは顆粒化した後に加熱工程へ供給する。
【００４９】
（Ｄ）破砕・粗粒化・顆粒化工程
上述の通り、この発明によるマグネシウム基合金粉体ｂは、後に圧縮成形固化等されるものである。そのため、適切な圧縮成形性、固化性、流動性、金型充填性が必要である。これらの特性は粉体ｂの寸法や形状に起因するので、好ましくは、連続式塑性加工を施した後に、装置から排出された粉体ｂに対して、破砕機、粉砕機、粗粒機などを用いて破砕処理、粗粒化処理、顆粒化処理を施して寸法（粒子径）や形状を均一化する。粉砕加工性の観点から、そのときの粉体ｂの温度は常温であることが望ましい。最終的に得られる粉体ｂは、その粉体の最大サイズが１０ｍｍ以下で、粉体の最小サイズが０．１ｍｍ以上である。粉体の形状は、例えば、顆粒状粉体である。
【００５０】
この実施形態はマグネシウム基合金粉体ｂであるが、この発明は、マグネシウム基合金粉体ｂと同質のアルミニウム基合金粉体等の他の材質のものにも適用可能である。この点は、後述する方法においても同様である。
【実施例】
【００５１】
図３に一実施例を示し、この実施例は、塑性加工によるマグネシウム基合金粉体ｂを製造するものであって、テーブル回転式ローラーミル１０により、その原料粉体ａの圧縮・剪断作用を行って、その粉体ａの結晶粒を微細化するものである。
そのローラーミル１０は、ケーシング１内の回転テーブル２上方にローラ３を前記ケーシング１に上下方向に揺動自在に支持し、そのローラ３を加圧手段４により前記回転テーブル２側に付勢して、投入シュート５からの被処理物（原料粉体）ａを、モータＭにより回転するテーブル２とローラ３の間で圧縮剪断する。
圧縮剪断された被処理物（粉体）ｂは、テーブル２周囲からケーシング１の底面に落下し、スクレーパ６により排出シュート７に掻き集められて外部に送り出される。
【００５２】
そのテーブル２とローラ３は、図４に示すように、テーブル２に対しローラ３が傾いて当接し、その当接点ｏを境にして、外側がせん断粉砕ゾーン、内側が圧縮粉砕ゾーンとなり、被処理物ａにローラ３とテーブル２間で圧縮・剪断作用（すりつぶし作用）を与えて圧縮・圧延と破砕を交互に繰り返す。
このとき、被処理物ａは、圧縮粉砕ゾーンを通過してから、せん断粉砕ゾーンに至り、その圧縮粉砕ゾーンで、結晶粒の微細化が主に行われ、粒径（結晶粒の集合体）は造粒されて大きくなり、せん断粉砕ゾーンでは、大きくなった粉体を適正な粒径までせん断力により引きちぎって小さくする作用が行われる。
また、テーブル２とローラ３の対向面の周速度の差により、ローラ３とテーブル２間で大きなせん断作用が被処理物ａに作用して、円滑な圧縮・圧延と粉砕が行なわれる。
【００５３】
被処理物（原料粉体）ａは、粉体温度・供給制御システムで所定の温度および所定の量に調整してケーシング１内に投入する。また、ケーシング１の内部は粉体表面の酸化防止の観点から不活性ガス雰囲気、非酸化性ガス雰囲気、または真空雰囲気に保つ。さらに、ローラ３とテーブル２間のクリアランスは２ｍｍ以下に設定する。
加圧手段４はその加圧力を油圧もしくはバネによって任意に変更できる構造とする。テーブル２の回転数はテーブル上に被処理物ａを留めて処理する低速運転と、テーブル２上に留められた被処理物ａを外部に排出する高速運転に切り替える事ができる。テーブル２とローラ３に熱媒を通す事により、被処理物ａの温度を３００℃以下にすることができ、また、ケーシング１内に熱風を循環することにより、雰囲気温度を３００℃以下にすることもでき、両者を併用することもできる。
【００５４】
この実施例のローラーミル１０による処理効果を見るべく、出発原料粉体（被処理物ａ）としてＡＭ６０（公称塑性：Ｍｇ−６％Ａｌ−０．５％Ｍｎ／重量基準）合金製チップ（長さ３．５ｍｍ、幅１．５ｍｍ、厚さ１．２ｍｍ、素地のマグネシウムの最大結晶粒径３５０μｍ、平均ビッカース硬さ６５．４Ｈｖ）を準備した。そのＡＭ６０チップを、窒素ガス雰囲気で管理した加熱炉により、表１に示す各温度で保持した後、この実施例のローラーミル１０に供給して圧縮変形を与えた。その処理後の粉体ｂの特性を表１、表２に示す。また、表３に示す各処理時間に応じたその処理後の粉体ｂの特性を表３に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
【表２】
【００５７】
【表３】
【００５８】
この各実施例１〜５においては、投入原料（原料粉体ａ）であるＡＭ６０チップと比較して、その処理後の粉体ｂの最大サイズは１．８ｍｍと１０ｍｍ以下で、その最小サイズは０．５２ｍｍと０．１ｍｍ以上となっている。また、その素地（粉体ｂ）の最大結晶粒径は３０μｍ以下にまで微細化されており、温度条件を適正化することで１５μｍ以下にまで更に微細粒化が可能であることが理解できる。さらに、強ひずみ加工によってビッカース硬さも増加することが認められる。なお、実施例５においては、投入試料ＡＭ６０チップの温度が３００℃であったため、塑性加工過程において、ロール３及びテーブル２表面に試料チップが付着する問題が少し生じた。
【００５９】
被処理物ａをローラーミル１０に一度通す（１パスする）ことにより、所要の粉体径、結晶粒径を得られない場合には、図５、図６に示すように、被処理物ｂを循環させる。
図５に示す実施例は、ピボットコンベア８により、被処理物ｂを循環させたものであり、図６に示す実施例は、空気、窒素などのガスにより、被処理物ｂを循環させたものである。図中、９は被処理物ａの供給フィーダ、１１はファン、１２はバグフィルタ、１３はロータリバルブである。図５の実施例においては、ピボットコンベア８の途中から被処理物ｂを取り出すことができる。ピボットコンベア８等に代えて、種々の循環手段を採用できる。
【００６０】
以上の実施例は、粉体結晶粒微細化装置がローラーミルであったが、ローラと受け皿状治具を前者が後者に対し転動可能に相対峙させ、その一方又は両者を回転させて、ローラと受け皿状治具の間で、粉体に圧縮・せん断作用を加えて、前記粉体の結晶粒を微細化する周知の機械、例えば、図７に示すエッジランナー、図８に示すボールレスミル等も、この発明に係る粉体結晶粒微細化装置として適用できる。図中、２ａはテーブル、２ｂはアウターレースである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】原料粉体の各形状例の説明図
【図２】この発明に係る粉体の製造工程を示す説明図
【図３】この発明の製造装置に係る一実施例の概略図
【図４】同実施例の作用説明図
【図５】同他の実施例の概略図
【図６】同他の実施例の概略図
【図７】同他の実施例の概略図
【図８】同他の実施例の概略図
【符号の説明】
【００６２】
１ ローラーミルケーシング
２ 回転テーブル
３ ローラ
４ 加圧手段
５ 原料投入シュート
７ 被処理物排出シュート
８ ピボットコンベア
９ 原料投入用フィーダ
１０ ローラーミル
１１ ファン
１２ バグフィルタ
ａ 粉体（処理前粉体）
ｂ 粉体（処理後粉体）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、粉体の結晶粒微細化方法およびその装置並びにその方法により製造された成型用粉体原料に関するものであり、特に、高強度と高靭性の素地を構成するマグネシウム結晶粒を微細化しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
金属合金とその製造プロセスに関する実用化開発は、種々の金属において行われており、例えば、マグネシウム合金（Ｍｇ合金）について言えば、その使用製品の軽量化効果に加えて、リサイクル性に優れているため、ノートパソコンや携帯電話等の筐体用素材として実用化されている。
【０００３】
しかしながら、従来のマグネシウム合金は、強度や硬さなど機械特性や耐食性・耐摩耗性などが十分でないため、使用環境や適用製品が制約され、また、溶解・鋳造から押出・圧延加工といった一連の素材製造コストが高いこともマグネシウム合金製品の普及を妨げる要因になっている。
【０００４】
言い換えると、既存マグネシウム合金における機能・特性ならびにコストに関する様々な課題を解決することで、軽量化ニーズの強い構造素材や機器部品などの市場へのマグネシウム合金による新規参入・展開が可能となり、新たな市場・産業の創出につながる。
例えば、「自動車・バス等の輸送機器からのＣＯ２ガス排出量の削減（地球温暖化防止策）」、「インターネットによる高度情報化社会における携帯情報端末機器の更なる普及」、「高齢者・障害者の安全・安心かつ快適な生活空間を提供するための小型軽量・医療介護器具の開発」などを図ることができる。
【０００５】
一方、マグネシウム合金などの金属における機械特性の一つである高強度化と高靭性化には、その組成・成分の最適化に加え、素地を構成する結晶粒の微細化が有効である。そのマグネシウム合金素材の結晶粒微細化に関しては、従来、圧延法、押出加工法、鍛造加工法、引き抜き加工法、ECAE (Equal Channel Angular Extrusion)法など、塑性加工プロセスを基調とした方法が用いられている。
【０００６】
例えば、その圧延法によるものは、溶融したマグネシウム合金を射出成形によって板状素材とし、その板状素材をロール圧延によって圧縮変形し、さらにこの素材に対して熱処理を施すことにより、再結晶化によるマグネシウム結晶粒の微細化を行なっている（特許文献１参照）。
また、マグネシウム合金板材を所定の圧下率で冷間圧延し、その後、この板材に対して所定の温度域で熱処理を施すことにより、再結晶化によるマグネシウム結晶粒の微細化を行なうものもある（特許文献２参照）。
【０００７】
鍛造加工法によるものは、マグネシウム合金素材を溶体化処理した後、第１次鍛造加工、時効熱処理、第２次鍛造加工を行なうことにより、マグネシウム結晶粒の微細化を行なっている（特許文献３参照）。
【０００８】
押出加工法によるものは、マグネシウム合金粉末あるいはマグネシウム合金チップを出発原料とし、この原料を金型臼内に投入して圧縮成形と押出加工を繰返し行なった後に、粉末あるいはチップの固化体ビレットを作り、さらにそのビレットに対して熱間塑性加工を施すことにより、マグネシウム結晶粒の微細化を行っている（特許文献４参照）。
【０００９】
さらに、鍛造加工法又は押出加工法によるものとして、マグネシウム合金製部材の切削加工時に排出される切粉、スクラップ、廃棄物等を圧縮固化し、それを押出加工、又は鍛造加工することにより、塑性加工歴のあるマグネシウム合金部材を創製し、その際、塑性加工によってマグネシウム結晶粒の微細化を促すものがある（特許文献５）。
【００１０】
一方、出発原料の一つであるマグネシウム合金粉体粒子におけるマグネシウム結晶粒の微細粒化手法に着目すると、噴霧法や単ロール法などによる急冷凝固プロセスがある。これらの方法では、溶融状態のマグネシウム合金液滴が極めて短い時間で冷却・凝固する過程で結晶粒の成長を抑制し、微細な結晶粒を有するマグネシウム基合金粉末粒子を製造することが可能である。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２９４９６６号公報
【特許文献２】特開２０００−０８７１９９号公報
【特許文献３】特開２００３−２７７８９９号公報
【特許文献４】国際公開公報ＷＯ０３−０２７３４２Ａ１公報
【特許文献５】特開平５−３２０７１５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記特許文献１、２で示された圧延法によるマグネシウム結晶粒の微細化は、いずれも、被加工物は板状素材であり、最終的に得られるものも板材である。そのため、これらの方法によって、パイプ状素材、棒状素材、異形状断面を有する素材などを製作するのは、板材からパイプ状等への製作となるため、極めて困難である。また、圧延加工の後に熱処理工程が必要であり、経済性の面においても素材のコストアップを招くという問題点がある。
【００１３】
上記特許文献３で示された鍛造加工法によるマグネシウム結晶粒の微細化は、複数回の鍛造加工と熱処理の繰り返しが必要であり、素材のコストアップを招く。また、第１次鍛造加工において、素材に対して所定の加工予歪を与えることが不可欠であるので、製品形状に制約が生まれる。さらに、棒状素材やパイプ状素材といった長尺製品の生産には不適である。
【００１４】
上記特許文献４で示された押出加工法によるマグネシウム結晶粒の微細化は、大きな固化体ビレットを製造する場合、結晶粒の微細粒化をビレット内部で均一に行ない難くなるといった問題が生ずる。また、微細粒化を進行させるには、上記の圧縮・押出の加工回数を著しく増加する必要があるために、素材コストが上昇するといった問題も生じる。
【００１５】
上記特許文献５で示された押出加工又は鍛造加工法によるマグネシウム結晶粒の微細化は、押出加工又は鍛造加工後のマグネシウム合金の強度特性を支配するマグネシウム素地の結晶粒径が、塑性加工時に原料に与える歪量だけでなく、出発原料として用いる切粉、スクラップ、廃棄物、あるいは鍛造材のマグネシウム素地の結晶粒径との関連性も強い。すなわち、出発原料の素地を構成するマグネシウムの結晶粒微細化は、最終製品となるマグネシウム合金素材の高強度化に極めて有効である。
しかしながら、この技術における出発原料の結晶粒の径は数百ミクロンを超える粗大なものである。このため、通常のマグネシウム合金の切粉、スクラップ、廃棄物、また鋳造材を出発原料として用いた場合に得られるマグネシウム合金においては、高強度化・高靱性化は望めない。
【００１６】
また、噴霧法や単ロール法などによる急冷凝固プロセスによるマグネシウム結晶粒の微細化は、その冷却・凝固速度が液滴表面での抜熱量に支配される。すなわち、マグネシウム合金液滴の比表面積に依存し、微細な液滴であるほど凝固速度は大きく、短時間で凝固できるために微細なマグネシウム結晶粒を有する。
【００１７】
このため、急冷凝固法によって微細な結晶粒を有するマグネシウム基合金粉末を作製することができるが、その反面、粉末粒子径は小さくなるため、製造過程において粉体粒子が浮遊し易くなり、粉塵爆発などの危険性が急増する。また、金型プレス成形による圧縮固化を考えた場合、細かい粉末粒子では流動性が低いために、金型への充填率の低下や局部的な空隙の形成、さらには粉末間での摩擦力が大きくなるために固まり難くなるといった問題が生じる。
【００１８】
このような技術背景の下、粉体、例えば、マグネシウム合金の結晶粒の微細化には、先ず、鋳造法やダイカスト法といった粒成長を伴う溶解・凝固過程を経由しない製造方法が必要である。具体的には、粉体あるいはそれに類似した幾何学的形状を有する原料をその融点以下の温度域で成形・緻密固化する固相プロセスの構築が必要である。
つぎに、その際に原料として用いるマグネシウム基合金粉体の結晶粒の微細化を行う必要がある。同時に粉塵爆発を引き起こさない比較的粗大な粉体であり、また、プレス成形の観点からも適切な大きさを有することが望まれる。
【００１９】
この発明は、粉体自体の粒径は大きく、その粉体の素地（マトリックス）を構成する金属または合金の結晶粒が微細である粉体原料を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を達成するために、この発明は、粉体に圧縮、せん断作用を加えて、その粉体の結晶粒を微細化することとしたのである。
その微細化の原料粉体を所要の大きさ、例えば、粉塵爆発を引き起こさず、また、成形が容易な大きさとし、その大きさの粉体にそのままの大きさで圧縮、せん断作用を加えて、その粉体の結晶粒を微細化すれば、その粉体を圧縮固化するなどにより、所要の形状に成形することが容易であり、また、その成型品は結晶粒の微細化による高強度及び高靭性のものとなる。
【００２１】
因みに、後述のように、この微細化によるマグネシウム基合金粉体原料について実験を行ない、そのマグネシウム基合金粉体原料を成形・固化して得られるマグネシウム合金が、優れた強度と靱性とを兼ね備えることを確認した。このことから、マグネシウム合金と同種の他の材料粉末、例えばアルミニウム基合金粉体原料等にも適用可能であることが理解できる。
【００２２】
なお、この明細書中において、「金属」、「合金」という用語を使用しているが、両者を厳格に区別して使い分けているのではなく、「金属」、「合金」という用語は、純金属および合金の両者を含むものである。
【発明の効果】
【００２３】
この発明は、以上のように、粉体に圧縮、せん断作用を加えて、その粉体の結晶粒を微細化することとしたので、その粉体を圧縮固化するなどにより、所要の形状に成形することが容易であり、その結晶粒の微細化により、高強度及び高靭性の製品を得ることができる。
このため、例えば、上述のマグネシウム合金にあっては、軽量化ニーズの強い構造素材や機器部品などの市場へのマグネシウム合金による新規参入・展開が可能となり、新たな市場・産業の創出につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
この発明に係る粉体に圧縮、せん断作用を加えて、その粉体の結晶粒を微細化した粉体原料は、例えば、粉体の最大サイズが１０ｍｍ以下、粉体の最小サイズが０．１ｍｍ以上であり、粉体の素地を構成する金属または合金粒子の最大結晶粒径が３０μｍ以下とする。
【００２５】
この粉体の最大サイズが１０ｍｍ以下の場合には、上記の圧縮成形性、固化性、流動性、金型充填性に問題がない。より好ましい最大サイズとしては６ｍｍ以下である。粉体の最大サイズが１０ｍｍを超えると、これらの特性が低下し、特に圧縮成形性が低下するために、固化体ビレットに亀裂や割れが発生するといった問題が生じる。
最小サイズが０．１ｍｍ以上の場合には、上記の圧縮成形性、固化性、流動性、金型充填性に問題がない。より好ましい最小サイズとしては０．５ｍｍ以上である。粉体の最小サイズが０．１ｍｍを下回ると、圧縮成形固化に関する粉体特性が低下すると同時に、粉体の浮遊による粉塵爆発を引き起こす可能性が増加するといった危険性を伴う。
最大結晶粒径が３０μｍを超えるような粉体原料の場合、高い強度と靱性を有することはなく、どちらか一方、あるいは両方の機械的特性の低下が生じる。より好ましくは、１５μｍ以下である。
【００２６】
この粉体原料は、相対的に大きな結晶粒径を持つ出発原料粉体に対して、塑性加工を施して相対的に小さな結晶粒径とすることができる。また、最大結晶粒径が３０μｍ以下である素地を有する金属または合金素材から、切削加工、切断加工、粉砕加工のいずれかの機械加工を施すことによって採取したものとすることもできる。
【００２７】
その出発原料粉体への塑性加工は、圧縮、せん断作用を加えることにより行うことができるが、その装置としては、例えば、テーブル回転式ローラーミルのように、ローラと受け皿状治具を前者が後者に対し転動可能に相対峙し、その一方又は両者を回転させて、ローラと受け皿状治具の間で、粉体に圧縮・せん断作用を加えて、前記粉体の結晶粒を微細化するものを採用できる。
このローラと受け皿状治具による塑性加工においては、通常、粉体は、圧縮粉砕ゾーンを通過してからせん断粉砕ゾーンに至り、その圧縮粉砕ゾーンで、結晶粒の微細化が主に行われ、粒径（結晶粒の集合体）は造粒されて大きくなり、せん断粉砕ゾーンでは、大きくなった粉体を適正な粒径までせん断力により引きちぎって小さくする作用が行われる。このため、出発原料粉体そのものを微細化させることなく、その結晶粒の微細化がなされる（図４参照）。
【００２８】
このとき、このローラーミル等の装置に原料をバッチ的に供給する場合には、一定時間運転して原料粉体の結晶粒の微細化を行い、その後、前記受け皿状治具を高速回転させて、その受け皿状治具周囲から前記粉体を排出するようにすることができる。
一方、この装置に原料粉体を連続的に供給して運転する場合には、その原料粉体の結晶粒の微細化を行いつつ、受け皿状治具周囲から前記粉体を排出し、その排出された処理粉（粉体）を、再度、前記受け皿状治具上に供給する循環運転とすることができる。このとき、その処理粉の循環を、微粉回収機を循環するガスにより行うようにすることもできる。
【００２９】
これらの装置による塑性加工において、上述のように、好ましくは、粉体の最大サイズが１０ｍｍ以下で最小サイズが０．１ｍｍ以上、かつ粉体の素地を構成する金属または合金粒子の最大結晶粒径が３０μｍ以下になるまで行なう。あるいは、出発原料粉体の素地を構成する金属または合金粒子の最大結晶粒径を１００％としたとき、塑性加工は、加工後の粉体の素地を構成する金属又は合金粒子の最大結晶粒径が２０％以下となるまで行なう。
このときのローラと受け皿状治具等間のクリアランスは、粉体が所要のサイズ及び結晶粒径となるように、実験などによって適宜に設定し、例えば、２ｍｍ以下とする。
【００３０】
これらの装置による塑性加工は、好ましくは、３００℃以下の温度雰囲気で行なう。その温度上昇には、この塑性加工装置に原料粉体を供給する装置にその原料粉体の加熱機構を付設して原料粉体を加熱する等の手段を採用する。
また、好ましくは、出発原料粉体を不活性ガス雰囲気、非酸化性ガス雰囲気、真空雰囲気のいずれかの雰囲気下で加熱する。
なお、塑性加工装置から取り出された粉体に対して、引き続いて破砕機、粉砕機、粗粒機のうちの少なくとも一つの機械で処理して顆粒状粉体とする工程をさらに備えるようにしてもよい。
【００３１】
以下、この発明の一実施形態の具体的な構成及び作用効果を説明する。この実施形態は、マグネシウムに係るものであり、そのマグネシウム基合金原料粉体（１）を説明した後、そのマグネシウム基合金原料粉体の塑性加工による製造方法（２）を説明する。
【００３２】
（１）マグネシウム基合金原料粉体
（Ａ）粉体原料（処理前の粉体）ａの形状等
マグネシウム基合金原料粉体は、連続的な塑性加工を施して効率的にマグネシウム素地の結晶粒の微細化を促進する必要がある。このような微細化を促進するために、使用する出発原料粉体ａは、図１に示すように、粒子状、粉末状、塊状、カール状、帯状、切削粉末状、切削カール状、切粉状のいずれかの形状を有することが望ましい。
塑性加工として、圧縮加工、せん断加工、粉砕加工、混練加工などが施されるが、加工後に得られる粉体ｂは、出発原料として用いた粉体ａに類似した粉体またはそれらの集合体であり、必要に応じて破砕加工を施すことにより次工程である圧縮成形・固化が容易となる。
【００３３】
具体的には、塑性加工後のマグネシウム基合金粉体ｂには適切な圧縮成形性や固化性が要求され、また金型臼内でマグネシウム基合金粉体ｂを成形固化する場合には、粉体ｂの流動性や金型内での充填性を向上させる必要がある。これらの特性を向上させるためにも、出発原料（粉体）ａとして、粒子状、粉末状、塊状、カール状、帯状、切削粉末状、切削カール状、切粉状のいずれかの形状を有するマグネシウム基合金粉体を用いることが望ましい。
【００３４】
（Ｂ）粉体原料（処理後の粉体）ｂの大きさ
この発明の方法によって得られるマグネシウム基合金粉体ｂは、最大サイズが１０ｍｍ以下である。ここで、最大サイズとは、その粉体の最も大きい寸法を示しており、粒子状、粉末状、塊状、切粉であれば、最大粒子径に相当する。帯状であれば、幅、長さ、厚さとした場合に最も大きい長さ方向での寸法を意味する。カール状の場合には、それを円と見立てた場合の直径に相当する。
【００３５】
この発明のマグネシウム基合金粉体ｂの最大サイズが１０ｍｍ以下の場合には、上記の圧縮成形性、固化性、流動性、金型充填性に問題がない。より好ましい最大サイズとしては６ｍｍ以下である。粉体の最大サイズが１０ｍｍを超えると、これらの特性が低下し、特に圧縮成形性が低下するために、固化体ビレットに亀裂や割れが発生するといった問題が生じる。
【００３６】
他方、この発明の方法によって得られるマグネシウム基合金粉体ｂは、最小サイズが０．１ｍｍ以上である。ここで、最小サイズとは、その粉体の最も小さい寸法を示しており、粒子状、粉末状、塊状、切粉であれば、最小粒子径に相当する。帯状であれば、幅、長さ、厚さとした場合に最も小さい厚さ方向での寸法を意味する。カール状の場合には、そのカールを構成する素材の幅あるいは厚さの小さい方の寸法とする。
【００３７】
この発明のマグネシウム基合金粉体ｂの最小サイズが０．１ｍｍ以上の場合には、上記の圧縮成形性、固化性、流動性、金型充填性に問題がない。より好ましい最小サイズとしては０．５ｍｍ以上である。粉体ｂの最小サイズが０．１ｍｍを下回ると、圧縮成形固化に関する粉体特性が低下すると同時に、粉体ｂの浮遊による粉塵爆発を引き起こす確率が増加するといった危険性を伴う。
図１に、各粉体ｂの形状に対する最大サイズ部分および最小サイズ部分を示している。
【００３８】
（Ｃ）粉体ｂの素地を構成するマグネシウム粒子の最大結晶粒径
この発明の方法によって得られるマグネシウム基合金粉体ｂにおいて、素地を構成するマグネシウム粒子の最大結晶粒径は３０μｍ以下である。ここで、最大結晶粒径とは、結晶粒の外接円の直径である。具体的には、粉体を砥粒にて湿式研磨した後、化学腐食（エッチング）を行って結晶粒界を明瞭にした状態で、光学顕微鏡等によって観察される結晶粒において最も大きい寸法のものを意味する。
【００３９】
粉体の強さや硬さなどの機械的特性の向上には、素地を構成する粒子の平均的な結晶粒径を小さくするだけでなく、最大結晶粒径を小さくすることが求められる。そこで、この発明では、マグネシウム粒子の最大結晶粒径を適正な範囲に管理することにより、優れた強度と靱性を兼ね備えたマグネシウム基合金素材を創製できる。
【００４０】
他方、素地を構成するマグネシウム粒子の最大結晶粒径が３０μｍを超えるような粉体原料を用いた場合、得られるマグネシウム基合金はバランスがとれた強度と靱性を有することはなく、どちらか一方、あるいは両方の機械的特性の低下が生じる。より好ましくは、マグネシウム基合金粉体原料におけるマグネシウム粒子の最大結晶粒径は１５μｍ以下である。
【００４１】
上記のような構成のマグネシウム基合金粉体ｂは、出発原料粉体ａに対する塑性加工または機械加工によって得られる。具体的には、一つの方法では、粉体ｂは、相対的に大きな結晶粒径を持つ出発原料粉体ａに対して、塑性加工を施して小さな結晶粒径としたものである。他の方法では、粉体ｂは、最大結晶粒径が３０μｍ以下である素地を有する金属または合金素材ａから、切削加工、切断加工、粉砕加工のいずれかの機械加工を施すことによって採取したものである。
【００４２】
（２）塑性加工によるマグネシウム基合金粉体ｂの製造方法
図２は、塑性加工によるマグネシウム基合金粉体ｂの製造工程を順に示している。
（Ａ）原料粉体ａの加熱工程
出発原料粉体ａの連続式塑性加工において、加工時の原料粉体ａの温度は、常温でも良いが、マグネシウム結晶粒の微細粒化と密接な関係があるため、適正な温度範囲で管理することが好ましい。そのため、塑性加工前に原料粉体ａを事前に所定の温度で加熱保持することは重要である。後述するような理由により、粉体ａの加熱保持温度は３００℃以下であることが望ましく、より好ましくは１００〜２００℃の範囲である。
【００４３】
上記のような温度範囲で投入原料粉体ａに対して所定の塑性変形を付与することにより、結晶粒の微細粒化の駆動源である強ひずみ加工による結晶粒の分断および再結晶が顕著に進行する。常温においても連続的塑性加工は可能であるが、強ひずみ加工によって原料粉体ａに導入される転位などの欠陥が増大し、原料粉体ａが脆くなって加工過程で粉砕・微粉化するため、粉塵爆発を引き起こす確率が高くなる。
【００４４】
出発原料粉体ａに対して１００〜２００℃の温度範囲で塑性加工を施せば、加工後の粉体ｂに延性を与えた状態で、その粉体ａ自体の粉砕・微粉化を抑制し、同時にマグネシウム結晶粒の微細化を進行させることができる。他方、３００℃を超える温度で塑性加工を行なえば、塑性加工過程において、塑性加工用回転体と原料粉体ａとの焼付き・凝着現象が生じる。
【００４５】
出発原料粉体ａの加熱過程において、粉体ａ表面の酸化を阻止する観点から、出発原料粉体ａを、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気、非酸化性ガス雰囲気、あるいは真空雰囲気中で加熱するのが望ましい。例えば、大気中で出発原料粉体ａを加熱した場合には、粉体ａ表面の酸化により後工程である熱間押出加工や鍛造加工後のマグネシウム基合金中に酸化物が存在し、それによって疲労強度などの特性低下を招くといった問題を生じる。
【００４６】
（Ｂ）原料粉体ａの連続式塑性加工工程
塑性加工時における原料粉体ａの酸化を抑制するため、連続式粉体塑性加工装置において回転体を含む一部あるいは全体をグローボックスなどで覆い、その雰囲気を不活性ガス雰囲気、非酸化性ガス雰囲気、真空雰囲気などに管理することが好ましい。
【００４７】
出発原料粉体ａに対して、上記のような塑性加工を施すことにより、加工後の粉体ｂは、次のような特徴を有するものとなる。すなわち、粉体ｂは、粉体の素地を構成する粒子の最大結晶粒径が３０μｍ以下である。あるいは、出発原料粉体ａの素地を構成する粒子の最大結晶粒径を１００％としたとき、塑性加工は、加工後の粉体の素地を構成する粒子の最大結晶粒径が２０％以下となるまで行なう。このような結晶粒微細化を実現すれば、得られた粉体ｂを成形固化して作製するマグネシウム基合金素材において、優れた強度と靱性の両立を得ることができる。
【００４８】
（Ｃ）粉体ｂの搬送・排出工程
塑性加工を施した粉体ｂは、連続的にケースから排出される。複数回の塑性加工が必要な場合には、再度、粉体ｂを加熱工程に供給し、連続式塑性加工を行なう。排出された粉体ｂが大きい場合には、適当な寸法・形状に破砕あるいは顆粒化した後に加熱工程へ供給する。
【００４９】
（Ｄ）破砕・粗粒化・顆粒化工程
上述の通り、この発明によるマグネシウム基合金粉体ｂは、後に圧縮成形固化等されるものである。そのため、適切な圧縮成形性、固化性、流動性、金型充填性が必要である。これらの特性は粉体ｂの寸法や形状に起因するので、好ましくは、連続式塑性加工を施した後に、装置から排出された粉体ｂに対して、破砕機、粉砕機、粗粒機などを用いて破砕処理、粗粒化処理、顆粒化処理を施して寸法（粒子径）や形状を均一化する。粉砕加工性の観点から、そのときの粉体ｂの温度は常温であることが望ましい。最終的に得られる粉体ｂは、その粉体の最大サイズが１０ｍｍ以下で、粉体の最小サイズが０．１ｍｍ以上である。粉体の形状は、例えば、顆粒状粉体である。
【００５０】
この実施形態はマグネシウム基合金粉体ｂであるが、この発明は、マグネシウム基合金粉体ｂと同質のアルミニウム基合金粉体等の他の材質のものにも適用可能である。この点は、後述する方法においても同様である。
【実施例】
【００５１】
図３に一実施例を示し、この実施例は、塑性加工によるマグネシウム基合金粉体ｂを製造するものであって、テーブル回転式ローラーミル１０により、その原料粉体ａの圧縮・剪断作用を行って、その粉体ａの結晶粒を微細化するものである。
そのローラーミル１０は、ケーシング１内の回転テーブル２上方にローラ３を前記ケーシング１に上下方向に揺動自在に支持し、そのローラ３を加圧手段４により前記回転テーブル２側に付勢して、投入シュート５からの被処理物（原料粉体）ａを、モータＭにより回転するテーブル２とローラ３の間で圧縮剪断する。
圧縮剪断された被処理物（粉体）ｂは、テーブル２周囲からケーシング１の底面に落下し、スクレーパ６により排出シュート７に掻き集められて外部に送り出される。
【００５２】
そのテーブル２とローラ３は、図４に示すように、テーブル２に対しローラ３が傾いて当接し、その当接点ｏを境にして、外側がせん断粉砕ゾーン、内側が圧縮粉砕ゾーンとなり、被処理物ａにローラ３とテーブル２間で圧縮・剪断作用（すりつぶし作用）を与えて圧縮・圧延と破砕を交互に繰り返す。
このとき、被処理物ａは、圧縮粉砕ゾーンを通過してから、せん断粉砕ゾーンに至り、その圧縮粉砕ゾーンで、結晶粒の微細化が主に行われ、粒径（結晶粒の集合体）は造粒されて大きくなり、せん断粉砕ゾーンでは、大きくなった粉体を適正な粒径までせん断力により引きちぎって小さくする作用が行われる。
また、テーブル２とローラ３の対向面の周速度の差により、ローラ３とテーブル２間で大きなせん断作用が被処理物ａに作用して、円滑な圧縮・圧延と粉砕が行なわれる。
【００５３】
被処理物（原料粉体）ａは、粉体温度・供給制御システムで所定の温度および所定の量に調整してケーシング１内に投入する。また、ケーシング１の内部は粉体表面の酸化防止の観点から不活性ガス雰囲気、非酸化性ガス雰囲気、または真空雰囲気に保つ。さらに、ローラ３とテーブル２間のクリアランスは２ｍｍ以下に設定する。
加圧手段４はその加圧力を油圧もしくはバネによって任意に変更できる構造とする。テーブル２の回転数はテーブル上に被処理物ａを留めて処理する低速運転と、テーブル２上に留められた被処理物ａを外部に排出する高速運転に切り替える事ができる。テーブル２とローラ３に熱媒を通す事により、被処理物ａの温度を３００℃以下にすることができ、また、ケーシング１内に熱風を循環することにより、雰囲気温度を３００℃以下にすることもでき、両者を併用することもできる。
【００５４】
この実施例のローラーミル１０による処理効果を見るべく、出発原料粉体（被処理物ａ）としてＡＭ６０（公称塑性：Ｍｇ−６％Ａｌ−０．５％Ｍｎ／重量基準）合金製チップ（長さ３．５ｍｍ、幅１．５ｍｍ、厚さ１．２ｍｍ、素地のマグネシウムの最大結晶粒径３５０μｍ、平均ビッカース硬さ６５．４Ｈｖ）を準備した。そのＡＭ６０チップを、窒素ガス雰囲気で管理した加熱炉により、表１に示す各温度で保持した後、この実施例のローラーミル１０に供給して圧縮変形を与えた。その処理後の粉体ｂの特性を表１、表２に示す。また、表３に示す各処理時間に応じたその処理後の粉体ｂの特性を表３に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
【表２】
【００５７】
【表３】
【００５８】
この各実施例１〜５においては、投入原料（原料粉体ａ）であるＡＭ６０チップと比較して、その処理後の粉体ｂの最大サイズは１．８ｍｍと１０ｍｍ以下で、その最小サイズは０．５２ｍｍと０．１ｍｍ以上となっている。また、その素地（粉体ｂ）の最大結晶粒径は３０μｍ以下にまで微細化されており、温度条件を適正化することで１５μｍ以下にまで更に微細粒化が可能であることが理解できる。さらに、強ひずみ加工によってビッカース硬さも増加することが認められる。なお、実施例５においては、投入試料ＡＭ６０チップの温度が３００℃であったため、塑性加工過程において、ロール３及びテーブル２表面に試料チップが付着する問題が少し生じた。
【００５９】
被処理物ａをローラーミル１０に一度通す（１パスする）ことにより、所要の粉体径、結晶粒径を得られない場合には、図５、図６に示すように、被処理物ｂを循環させる。
図５に示す実施例は、ピボットコンベア８により、被処理物ｂを循環させたものであり、図６に示す実施例は、空気、窒素などのガスにより、被処理物ｂを循環させたものである。図中、９は被処理物ａの供給フィーダ、１１はファン、１２はバグフィルタ、１３はロータリバルブである。図５の実施例においては、ピボットコンベア８の途中から被処理物ｂを取り出すことができる。ピボットコンベア８等に代えて、種々の循環手段を採用できる。
【００６０】
以上の実施例は、粉体結晶粒微細化装置がローラーミルであったが、ローラと受け皿状治具を前者が後者に対し転動可能に相対峙させ、その一方又は両者を回転させて、ローラと受け皿状治具の間で、粉体に圧縮・せん断作用を加えて、前記粉体の結晶粒を微細化する周知の機械、例えば、図７に示すエッジランナー、図８に示すボールレスミル等も、この発明に係る粉体結晶粒微細化装置として適用できる。図中、２ａはテーブル、２ｂはアウターレースである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】原料粉体の各形状例の説明図
【図２】この発明に係る粉体の製造工程を示す説明図
【図３】この発明の製造装置に係る一実施例の概略図
【図４】同実施例の作用説明図
【図５】同他の実施例の概略図
【図６】同他の実施例の概略図
【図７】同他の実施例の概略図
【図８】同他の実施例の概略図
【符号の説明】
【００６２】
１ ローラーミルケーシング
２ 回転テーブル
３ ローラ
４ 加圧手段
５ 原料投入シュート
７ 被処理物排出シュート
８ ピボットコンベア
９ 原料投入用フィーダ
１０ ローラーミル
１１ ファン
１２ バグフィルタ
ａ 粉体（処理前粉体）
ｂ 粉体（処理後粉体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローラと受け皿状治具を前者が後者に対し転動可能に相対峙させ、その一方又は両者を回転させて、前記ローラと受け皿状治具の間で、粉体に圧縮・せん断作用を加えて、前記粉体の結晶粒を微細化する粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項２】
上記受け皿状治具を回転テーブル２、上記ローラを前記回転テーブル２上を転動するローラ３としたテーブル回転式ローラーミルを用いて上記粉体の結晶粒を微細化することを特徴とする請求項１に記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項３】
上記受け皿状治具上に原料粉体ａをバッチ的に供給し、一定時間運転してその粉体ａの結晶粒の微細化を行い、その後、前記受け皿状治具を高速回転させて、その受け皿状治具周囲から上記粉体ｂを排出するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項４】
上記受け皿状治具上に原料粉体ａを連続的に供給して運転し、その粉体ａの結晶粒の微細化を行いつつ、前記受け皿状治具周囲から上記粉体ｂを排出し、その排出された粉体ｂを、再度、前記受け皿状治具上に供給して循環運転することを特徴とする請求項３に記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項５】
上記ローラと受け皿状治具をケーシング内に収納し、上記粉体ｂの循環を、そのケーシング内と微粉回収機を循環するガスにより行うようにしたことを特徴とする請求項４に記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項６】
上記ローラと受け皿状治具をケーシング内に収納し、そのケーシング内を、不活性ガス雰囲気、非酸化性ガス雰囲気、又は真空雰囲気として、その雰囲気下で、上記粉体ａに圧縮・せん断作用を加えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項７】
上記受け皿状治具上に送り込む原料粉体ａを供給する装置にその原料粉体ａの加熱機構を付設して、その粉体ａを加熱することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項８】
上記受け皿状治具上に送り込む原料粉体ａの温度を３００℃以下としたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の粉体の結晶粒微細化方法を行う結晶粒微細化装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかに記載の粉体の結晶粒微細化方法により製造された成型用粉体原料。
【請求項１】
ローラと受け皿状治具を前者が後者に対し転動可能に相対峙させ、その一方又は両者を回転させて、前記ローラと受け皿状治具の間で、粉体に圧縮・せん断作用を加えて、前記粉体の結晶粒を微細化する粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項２】
上記受け皿状治具を回転テーブル２、上記ローラを前記回転テーブル２上を転動するローラ３としたテーブル回転式ローラーミルを用いて上記粉体の結晶粒を微細化することを特徴とする請求項１に記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項３】
上記受け皿状治具上に原料粉体ａをバッチ的に供給し、一定時間運転してその粉体ａの結晶粒の微細化を行い、その後、前記受け皿状治具を高速回転させて、その受け皿状治具周囲から上記粉体ｂを排出するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項４】
上記受け皿状治具上に原料粉体ａを連続的に供給して運転し、その粉体ａの結晶粒の微細化を行いつつ、前記受け皿状治具周囲から上記粉体ｂを排出し、その排出された粉体ｂを、再度、前記受け皿状治具上に供給して循環運転することを特徴とする請求項３に記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項５】
上記ローラと受け皿状治具をケーシング内に収納し、上記粉体ｂの循環を、そのケーシング内と微粉回収機を循環するガスにより行うようにしたことを特徴とする請求項４に記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項６】
上記ローラと受け皿状治具をケーシング内に収納し、そのケーシング内を、不活性ガス雰囲気、非酸化性ガス雰囲気、又は真空雰囲気として、その雰囲気下で、上記粉体ａに圧縮・せん断作用を加えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項７】
上記受け皿状治具上に送り込む原料粉体ａを供給する装置にその原料粉体ａの加熱機構を付設して、その粉体ａを加熱することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項８】
上記受け皿状治具上に送り込む原料粉体ａの温度を３００℃以下としたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の粉体の結晶粒微細化方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の粉体の結晶粒微細化方法を行う結晶粒微細化装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかに記載の粉体の結晶粒微細化方法により製造された成型用粉体原料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−９７０８５（Ｐ２００６−９７０８５Ａ）
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２８４７６６（Ｐ２００４−２８４７６６）
【出願日】平成１６年９月２９日（２００４．９．２９）
【出願人】（０００１４２５９５）株式会社栗本鐵工所 (566)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２９日（２００４．９．２９）
【出願人】（０００１４２５９５）株式会社栗本鐵工所 (566)
【Ｆターム（参考）】
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