特許 6860300 軽量タングステン合金、工具及び摩擦攪拌接合装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6860300

(24)【登録日】2021年3月30日

(45)【発行日】2021年4月14日

(54)【発明の名称】軽量タングステン合金、工具及び摩擦攪拌接合装置

(51)【国際特許分類】

   C22C 27/04 20060101AFI20210405BHJP

   C22C 30/00 20060101ALI20210405BHJP

   B22F 1/00 20060101ALI20210405BHJP

   C22C 1/04 20060101ALI20210405BHJP

【ＦＩ】

   C22C27/04 101

   C22C30/00

   B22F1/00 P

   B22F1/00 R

   C22C1/04 D

【請求項の数】10

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-136230(P2016-136230)

(22)【出願日】2016年7月8日

(65)【公開番号】特開2018-3140(P2018-3140A)

(43)【公開日】2018年1月11日

【審査請求日】2019年6月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】303058328

【氏名又は名称】東芝マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(72)【発明者】

【氏名】青山 斉

(72)【発明者】

【氏名】森岡 勉

【審査官】 小川 進

(56)【参考文献】

【文献】 中国特許出願公開第１０５４２０５７９（ＣＮ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１２９５６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 英国特許出願公告第００８７３８３７（ＧＢ，Ａ）

【文献】 ПОВАРОВА К Б、外５名，РАЗРАБОТКА ТЯЖЕЛЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ (W,Mo,Re) КАК МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ВОЗДЕИСТВИЮ УДАРНЫХ ВОЛН，Metally，ロシア，２００４年 １月，No.1，Page.120-125

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ２７／０４

Ｂ２２Ｆ １／００

Ｃ２２Ｃ １／０４

Ｃ２２Ｃ ３０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レニウムおよびモリブデンを具備する固溶強化材料とタングステンとを含む合金であって、前記固溶強化材料は、レニウムとモリブデンを合計で４１質量％以上６０質量％以下の範囲で含み、タングステンを４０質量％以上含み、前記合金の結晶粒径の長径をＬ、短径をＷとしたとき、Ｗが５μｍ以上２０μｍ以下であり、かつ結晶粒のアスペクト比Ｌ／Ｗが１．７以上３．０以下であることを特徴とする軽量タングステン合金。

【請求項2】

前記レニウムの含有量が３．０質量％以上３０質量％以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の軽量タングステン合金。

【請求項3】

前記固溶強化材料が、レニウムを１０質量％以上３０質量％以下、および炭化物を０．３質量％以上２．０質量％以下を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軽量タングステン合金。

【請求項4】

前記固溶強化材料が、４１質量％以上５５質量％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の軽量タングステン合金。

【請求項5】

密度が１８．０ｇ／ｃｍ３以下であり、相対密度が９０％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軽量タングステン合金。

【請求項6】

ビッカース硬度が、４００Ｈｖ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の軽量タングステン合金。

【請求項7】

工具に用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の軽量タングステン合金。

【請求項8】

請求項７記載の軽量タングステン合金を具備することを特徴とする工具。

【請求項9】

請求項８記載の工具が摩擦攪拌接合用工具であり、摩擦面の表面粗さＲａが５μｍ以下であることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。

【請求項10】

請求項９記載の摩擦攪拌接合用工具を具備する摩擦攪拌接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、高温材料として用いられるタングステン合金に関する。

【背景技術】

【0002】

タングステンは、金属中で最も高融点を有することから、各種高温部材として用いられ
ている。一方、タングステンは、高温時に再結晶化することにより脆化する性質があるた
め、延性を改善したレニウムタングステン合金が知られている。レニウムタングステン合
金はその優れた高温特性を活かして、ＴＶの電子銃用のヒータ材、熱電対等に用いられて
いる。さらに近年は、このような静的な用途のみならず、特開２００４−３５８５５６号
公報（特許文献１）に開示されたように、高温で高速回転する摩擦攪拌接合用工具等、動
的な負荷を受ける用途に適用されることが多くなってきた。

【0003】

摩擦攪拌接合とは、従来主として溶接技術によって行われてきた接合技術分野における新
規の接合技術の一つである。従来の溶接技術では、材料の接合部分が溶融し、凝固する過
程で亀裂が発生したり、接合部分に劣化が生じるという問題があった。摩擦攪拌接合はこ
の溶融および凝固に伴って発生する亀裂などの接合部分に発生する問題点を解決する接合
方法のひとつであり、工具を接合箇所において高速回転させることによる摩擦によって固
相結合させる加工である。

【0004】

しかしながら、レニウムタングステン合金は、タングステンの密度が１９．２３ｇ／ｃ
ｍ^３、レニウムの密度が２１．０２ｇ／ｃｍ^３と高密度であり、例えばレニウムを３０％
含有するレニウムタングステン合金では、その密度は、１９．７５ｇ／ｃｍ^３となり、高
密度となるため、工具が非常に重いものになってしまう。そのため、高温で高速回転する
用途に適用する場合は、冷却機構に加え、モータ等へのトルクに対する高負荷に対応する
ため、モータを大型にする必要性が生じ、装置が大型化し、その結果装置が非常に高価な
ものとなるという問題が生じている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４−３５８５５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来のレニウムタングステン合金は、高温特性が優れているものの、密度が高いため、
部材に適用する場合その重さが装置に対して大きな負荷となる問題があった。本発明は、
従来のレニウムタングステン合金のもつ高温特性を維持しつつ、従来よりも軽量で、設備
への負荷を軽減することを可能にした軽量タングステン合金を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態のタングステン合金は、固溶強化材料とタングステンとを含む合金であって、
前記固溶強化材料を４０質量％を超え６０質量％以下含むことを特徴とするタングステン
合金である。

【発明の効果】

【0008】

実施形態のタングステン合金は、固溶強化材料を含むことによって、高温環境下におい
ても高い強度を有し、かつ軽量であるため、工具などに用いた場合、従来の加工性能を発
揮すると同時に、設備への負荷を軽減するため、設備の小型化やコスト低減に貢献するも
のである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、実施形態の軽量タングステン合金について詳述する。実施形態の軽量タングステ
ン合金は、タングステンに固溶することによってタングステン合金の強度を向上させるこ
とが可能な元素（固溶強化材料）がタングステンに固溶しているタングステン合金であり
、前記固溶強化材料を４０質量％を超え６０質量％以下の範囲で含有するものである。

【0010】

固溶強化材の含有量が４０質量%以下の場合、タングステン含有量が多くなり、タングス
テン合金の軽量効果が得られない。また、固溶強化材の含有量が６０質量％を超えると、
合金の母材となるタングステンの含有量が少なくなるため、合金の強度が低下し、機械特
性を要求する工具などに適用することができなくなる。前期固溶強化材料の含有量は、４
０質量％を超え５５質量%以下の範囲であることがより好ましい。

【0011】

前記固溶強化材料は、レニウムおよびモリブデンを具備することが好ましい。さらに、レ
ニウムを３質量％以上３０質量％含有することが好ましい。レニウムの含有量が３質量％
未満の場合、タングステンに対するレニウムの固溶強化効果が著しく低下する。また、レ
ニウムの含有量が３０質量％を超えると、合金組織に金属間化合物が生成するため、材料
が脆くなる。レニウムの含有量は、１０質量％以上３０質量％以下であることがより好ま
しく、さらに好ましくは２０質量%以上２６質量％以下である。

【0012】

実施形態の軽量タングステン合金は、レニウムを２０質量％以上３０質量％以下含み、か
つ炭化物を０．３質量％以上２．０質量％以下含み、レニウム、炭化物、およびモリブデ
ンの含有量の合計が、４０質量％を超え５５質量％以下であることが好ましい。炭化物を
０．３質量%以上２．０質量％以下含有すると、タングステン合金の材料強度が向上する
。炭化物の含有量が０．３質量％より少ない場合、炭化物による強化作用が不十分であり
効果が得られない。また炭化物の含有量が２．０質量％より多いと、タングステン合金が
脆くなる。また、焼結性が悪くなるためタングステン合金材料の密度が低くなり、材料の
強度が低下する。なお、添加する炭化物は特に限定されないが、ＨｆＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ
等が適している。

【0013】

実施形態の軽量タングステン合金は、密度が１８．０ｇ／ｃｍ^３以下であり、相対密度は
９０％以上であることが好ましい。密度が１８．０ｇ／ｃｍ^３を超えると、タングステン
合金の軽量効果が得られない。また、相対密度が９０％を下回る場合は、強度が低下し、
タングステン合金の特性を発揮することができない。相対密度は９５％以上であることが
より好ましい。

【0014】

実施形態の軽量タングステン合金が、レニウム−モリブデン−タングステンの三元合金の
場合は、相対密度は下記によって求めることができる。
タングステンの密度を１９．２５ｇ／ｃｍ^３、モリブデンの密度を１０．２８ｇ／ｃｍ^３
、レニウムの密度２１．０２ｇ／ｃｍ^３とし、レニウム含有量をＡ（質量％）、モリブデ
ン含有量をＢ（質量％）とすると、真密度ρ（ｇ／ｃｍ３）は下記の式となる。
真密度ρ（ｇ／ｃｍ^３）＝１００／（（Ａ／２１．０２）＋（Ｂ／１０．２８）＋（１０
０−Ａ−Ｂ）／１９．２５））

【0015】

得られたρ（ｇ／ｃｍ^３）をその組成のタングステン合金の真密度とし、アルキメデス
法等で測定した実際の密度を真密度で割り、百分率で表したものを相対密度とする。原料
粉末の粒径、および焼結温度、鍛造、ＨＩＰ等の各工程の製造条件を調整することによっ
て、相対密度を所定の値とすることができる。

【0016】

実施形態の軽量タングステン合金が、レニウム−モリブデン−炭化物−タングステンの四
元合金の場合は、相対密度は下記によって求めることができる。
上記したタングステンの密度、モリブデンの密度、レニウムの密度、炭化物の密度とそれ
ぞれの含有量の割合（質量％）を用いて、真密度ρ（ｇ／ｃｍ^３）を下記の式によって求
める。ここで、炭化物の密度をｘ（ｇ／ｃｍ３）、含有量をＣ（質量％）とする。
真密度ρ（ｇ／ｃｍ^３）＝１００／（（Ａ／２１．０２）＋（Ｂ／１０．２８）＋（Ｃ／
ｘ）＋（１００−Ａ−Ｂ−Ｃ）／１９．２５）

【0017】

得られたρ（ｇ／ｃｍ^３）をその組成のタングステン合金の真密度とし、アルキメデス
法等で測定した実際の密度を真密度で割り、百分率で表したものを相対密度とする。

【0018】

実施形態の軽量タングステン合金は、ビッカース硬さが４００ＨＶ以上であることが好ま
しい。ビッカース硬さが４００ＨＶを下回る場合、高温強度および延性の両方の特性が低
下する。ビッカース硬度のより好ましい範囲は、４２０ＨＶ以上である。

【0019】

実施形態による軽量タングステン合金は、不純物としてのＦｅ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａ
ｌ、Ｃａの合計量が２００ｐｐｍ以下であることが好ましい。さらに好ましくは１００ｐ
ｐｍ以下であり、７０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。不可避不純物であるこれら
の元素は、原料または製造工程の影響により含有されるが、その含有量が前記の範囲内に
あることにより、実施形態による軽量タングステン合金の強度や加工性が良好になる。

【0020】

また、実施形態の軽量タングステン合金は、結晶粒の長径をＬ、短径をＷとしたとき、短
径Ｗが２０μｍ以下であることが好ましい。２０μｍより大きい場合は、材料の硬度が不
足する。さらには、短径Ｗは５μｍ以上であることが好ましい。短径Ｗが５μｍより小さ
い場合は焼結が十分進んでいない状態であるため、材料の強度が不足する。

【0021】

また、結晶粒の形状において、アスペクト比Ｌ／Ｗが１．７以上であることが好ましい。
アスペクト比Ｌ／Ｗが１．７より小さい場合、高温時に材料にかかる応力によって結晶粒
界が剥離しやすくなるため、材料の強度が低下する。さらには、アスペクト比Ｌ／Ｗは、
３．０以下であることが好ましい。３．０より大きい場合は、最終形状への加工の際にク
ラックが発生しやすくなる。

【0022】

実施形態による軽量タングステン合金の結晶粒の長径、短径は、金属顕微鏡で拡大写真（
倍率：５００倍）を撮影し、２００μｍ×２００μｍの領域において、等間隔に３本の線
を引き、線が横切った結晶について粒径を測定し、長径、短径、それぞれの測定値の平均
値を対象とするタングステン合金のＬとＷとする。

【0023】

実施形態の軽量タングステン合金が炭化物を含有する場合、炭化物粒子は、平均粒径５
μｍ以下、かつ最大径１５μｍ以下であることが好ましい。炭化物粒子の平均粒径が５μ
ｍを超える場合、または最大径が１５μｍを超える場合は、炭化物粒子が大きいため、タ
ングステン合金の分散状態が不均一になり、また焼結性を低下させるため、材料の強度が
低下する。

【0024】

実施形態の軽量タングステン合金は、摩擦攪拌接合用工具に好適に用いられる。摩擦攪拌
接合では、工具が高速で回転するため、工具が重いと、モーターへのトルクの負荷が大き
くなり、モータを大型化したり、工具の冷却機構が必要となるなど、装置が大型化し、コ
ストが増大化する問題がある。実施形態のタングステン合金は、従来のタングステン合金
による工具と同等の加工性能を発揮すると同時に工具の軽量化を実現したことにより、装
置に対する負荷を低減し、また、装置の設計や構造に起因するコストの低減に貢献する。

【0025】

実施形態の軽量タングステン合金による摩擦攪拌接合用工具は、摩擦面の表面粗さＲａが
５μｍ以下であることが好ましい。摩擦面は摩擦攪拌接合において、接合部材の押圧面と
の密着性が必要である。この密着性が低いと、摩擦熱を相手材に十分伝播することができ
なくなる。表面粗さＲａが５μｍを超えると、押圧面との密着性が低下する。摩擦面の表
面粗さＲａは３．５μｍ以下であることがより好ましい。

【0026】

次に、実施形態の軽量タングステン合金の製造方法について説明する。実施形態のタング
ステン合金は前述の構成を有すればその製造方法は特に限定されるものではないが、効率
の良い製造方法として以下の方法が挙げられる。

【0027】

まず、原料となるタングステン粉末を用意する。タングステン粉末は平均粒径１〜１０μ
ｍが好ましい。平均粒径が１μｍ未満では、タングステン粉末が凝集し易く、レニウム成
分やモリブデン成分等の固溶強化材成分を均一分散させ難い。また、１０μｍを超えると
焼結体の平均結晶粒径が１００μｍを超えてしまい、合金の強度が低下する。またタング
ステン粉末の純度は、９９．０重量％以上、さらには９９．９重量％以上の高純度タング
ステン粉末であることが好ましい。

【0028】

次に、レニウム成分として、レニウム粉末を用意する。レニウム粉末は、平均粒径が１〜
４μｍであることが好ましい。平均粒径が１μｍ未満では、レニウム粉末の凝集が大きく
均一分散させ難い。また、４μｍを超えるとタングステンに均一に固溶させることが難し
い。均一分散という観点から、レニウム粉末の平均粒径≦タングステン粉の平均粒径とい
う関係であることが好ましい。またレニウム粉末の純度は、９８．０重量％以上、さらに
は９９．９重量％以上の高純度レニウム粉末であることが好ましい。

【0029】

次に、モリブデン成分として、モリブデン粉末を用意する。モリブデン粉末は、平均粒径
が２〜６μｍであることが好ましい。平均粒径が２μｍ未満では、モリブデン粉末が凝集
するため、均一分散させ難い。また６μｍを超えると、タングステン合金に均一に固溶さ
せることが難しい。モリブデン粉末の平均粒径は、３〜５μｍであることがより好ましい
。またモリブデン粉末の純度は、９９．０重量％以上、さらには９９．９重量％以上の高
純度モリブデン粉末であることが好ましい。

【0030】

さらに、炭化物成分を含有する場合は、炭化物成分の粉末を用意する。炭化物は、ＨｆＣ
、ＴｉＣ、ＺｒＣ等が好ましい。炭化物粉末の平均粒径は、０．５〜５μｍであることが
好ましい。平均粒径が０．５μｍ未満では、炭化物粉末の凝集が大きく均一分散させ難い
。また、平均粒径が５μｍを超えるとタングステン合金の結晶粒径に均一分散させ難くな
る。均一分散という観点から、炭化物粉末の平均粒径≦タングステン粉末の平均粒径とい
う関係であることが好ましい。

【0031】

また、必要に応じ、Ｋ、Ｓｉ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種以上のドープ材を添加し
てもよい。これらのドープ材を添加することにより再結晶特性を向上させることができる
。再結晶特性を向上させることにより、再結晶熱処理を行なった際に均一な再結晶組織を
得やすくなる。ドープ材の含有量は、０．１質量％以下が好ましい。また、ドープ材の含
有量の下限は特に限定されるものではないが、０．００１質量％以上であることが好まし
い。０．００１質量％未満では添加の効果が小さい。また、０．１質量％を超えると焼結
性および加工性が悪くなり量産性が悪くなる。ドープ材の含有量は０．００１質量％以上
０．０１質量％以下がより好ましい。

【0032】

次に、各原料粉末を均一混合する。混合工程は、ボールミルなどの混合機を用いて行うこ
とが好ましい。混合工程は８時間以上、さらには２０時間以上行なうことが好ましい。ま
た、必要に応じ、有機バインダーや有機溶媒と混合してスラリーとしてもよい。また、必
要に応じ、造粒工程を行ってもよい。

【0033】

次に、得られた混合粉末をＣＩＰ成形用のゴム型に積層充填し、１〜４ｔｏｎ／ｃｍ^２の
圧力で成形し、成形体を得る。次に、得られた成形体を焼結する。焼結工程は、２０００
〜２２００℃で、水素雰囲気、アルゴンなどの不活性雰囲気、または真空雰囲気中で８〜
３２時間焼結を行う。焼結体の平均結晶粒径及び相対密度が規定の範囲内になるように、
ＣＩＰ成形圧力、焼結温度、焼結時間を制御する。

【0034】

前記焼結工程後、必要に応じて、熱処理、鍛造、圧延、またはＨＩＰ処理を行ってもよい
。熱処理を行なう場合は、１３００〜１６００℃で行うことが好ましい。また、ＨＩＰ処
理は、処理温度１６００〜１９００℃、圧力１５００〜２０００気圧、処理時間４時間以
上の条件で行うことが好ましい。

【0035】

得られたタングステン合金材料を、工具等の用途に用いる場合は、機械加工によって、所
定の形状に加工する。摩擦攪拌接合用工具に用いる場合は、摩擦面をＲａ５μｍ以下にす
る。好ましくは３．５μｍ以下にする。

【0036】

上述したように、レニウムおよびモリブデンを固溶強化材として含有するタングステン
合金において、その結晶粒径を適切に制御することによって、従来のレニウム−タングス
テン合金と同等かそれ以上の特性を有し、かつ軽量化したタングステン合金を提供するこ
とができる。また、この実施形態のタングステン合金を工具に適用した場合は、工具の軽
量化により、設備への負担を低減し、設備の小型化や、設備寿命の長期化などを実現する
ことによって、コスト低減に貢献する。

【実施例】

【0037】

次に、実施例およびその評価結果について述べる。

【0038】

（実施例１〜１９、比較例１〜５）
原料粉末として平均粒径が２μｍのタングステン粉末（純度９９．９９質量％）、１μｍ
のレニウム粉末（純度９９．９質量％）、４μｍのモリブデン粉末（純度９９．９質量％
）、および１μｍのＨｆＣ粉末（純度９９．０質量％）を準備した。

【0039】

各原料粉末の所定量を計量し、ボールミルで１２時間混合し、原料混合粉末を調整した。
次に、各原料混合粉末をφ７０のゴム型に入れ、２ｔｏｎ／ｃｍ^２で成形し、成形体を作
製した。得られた成形体を水素フロー中で、２２００℃で２０時間の焼結を行った。

【0040】

得られた焼結体を、鍛造加工率６０％にて鍛造を行い、その後水素雰囲気中にて１５００
℃でアニール熱処理を行なった。得られた材料よりサンプルを切り出し、材料特性の評価
を行った。その結果を表１に示す。HfCの密度は１２．２ｇ／ｃｍ^３とした。また、表２
に、１０００℃の高温引っ張り強さおよび伸びを測定した結果を示す。

【0041】

【表1】

【0042】

【表2】

【0043】

表１、表２の結果により、本願発明にかかる実施例１〜実施例１９の材料は、材料の密
度が低く、工具にした場合でも重量を低く抑えることを可能すると同時に、従来同等以上
の硬度を有していることを確認した。

【0044】

（実施例２０〜２３、比較例６〜９）
実施例１と異なる製造条件で、異なる結晶粒径の材料を製造し、実施例１および実施例８
で得られた材料と材料特性を比較した。結果を表３に示す。

【0045】

【表3】

【0046】

表３の結果により、本願実施形態のタングステン合金は、原料粉末の粒径や、純度などの
条件や、製造条件を最適化し、焼結体の結晶粒径を最適化することによって、材料の硬度
を向上させることができることが確認された。

【0047】

（実施例２４、比較例１０）
実施例１により得られた材料を機械加工により、摩擦攪拌接合用の工具を製作した。実施
例１の材料の表面粗さRaは３．８μｍであった。また比較例１０の材料はRaが５μｍより
大きくなるように加工した。加工後表面粗さRaを測定したところ、Raは５．８μであった
。実施例１で得られた工具を用いて、摩擦攪拌接合を行ったところ、実施例１による工具
を用いた場合の接合状態は良好であった。また、表面粗さRaが５．８μｍの比較例１０に
よる工具を用いて摩擦攪拌接合を行ったところ、十分な接合強度を得ることができなかっ
た。

【0048】

以上の結果より、レニウム−モリブデン系タングステン合金の組成比率を本願による組
成比率とし、結晶粒径を適切な範囲とする製造工程を採用することにより、従来材と同等
かそれ以上の機械特性を有し、かつ材料の軽量化を達成できることを確認した。さらに、
この実施形態による軽量タングステン合金を摩擦攪拌用接合用工具など、特に回転を伴う
ような工具に適用した場合、設備への負担を従来の材料に比べて、大幅に軽減させること
が可能となる。