JP2018178180A - アルミニウム−スカンジウム合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ないエネルギーかつローコストで、アルカリ金属の金属蒸気を発生させ、この金属蒸気を還元剤として酸化スカンジウムを還元し、このスカンジウムとアルミニウムからなる合金を得る方法の提供。【解決手段】カルシウムやマグネシウム等を含有する金属材料１１とセラミックス体１２との混合体１に、マイクロ波を照射して加熱し、金属材料１１を蒸発させることによって、金属蒸気を発生させ、酸化スカンジウムとアルミニウムに、前記金属蒸気を反応させるアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ金属からなる金属材料を加熱して蒸発させ、これによって発生した金属蒸気を、酸化スカンジウムとアルミニウムに反応させることによってアルミニウム−スカンジウム合金を製造する方法に関する。

スカンジウムの合金や化合物は、工業分野において新素材として注目されている一方で、スカンジウム（酸化スカンジウム）を高濃度で含む鉱石が希少であることに加え、上述のように、この鉱石に含まれる酸化スカンジウムを還元する手段についての研究開発が十分でなく、その結果として製造コストが高いという問題がある。

特に、スカンジウムとアルミニウムとの合金（Al₃Sc）は、重さがアルミニウムと同じ
く軽量であり、チタンと同等の靭性を有し、セラミックスと同等の硬さを有するといった特性上、あらゆる分野への応用が期待されている。例えば、航空機の材料や、スポーツ用品の材料としての利用が期待されている。

酸化スカンジウムを還元する手段として、従来は、原料である酸化スカンジウムをフッ化することによってフッ化スカンジウムを得て、このフッ化スカンジウムにカルシウム蒸気を反応させて還元するという手段を採用していた。この手段を反応式で表すと、以下のとおりである。
Sc₂O₃ + 6NH₄HF₂ → 2ScF₃ + 6NH₄F + 3H₂O
2ScF₃ + 3Ca → 2Sc + 3CaF₂

しかし、この技術では、フッ化工程を経なければならず、一部の生産国においては、使用したフッ酸（HF）等を未処理で河川に垂れ流すなどの行為が行われ、環境に重大な悪影響を及ぼすという問題があった。

これらの問題を解決するために、スカンジウムの還元方法や、スカンジウムを含有する合金の製造方法について、次のような技術が提案されている。
特許文献１（特開２００７−２５４８２２）に記載の技術は、「スカンジウム含有化合物と、Ａｌ、Ｍｇ、ＣｕおよびＡｇから選択される１種以上の金属Ｘとからなる溶融原料に、金属還元剤Ｚの蒸気を接触させて、該スカンジウム含有化合物を熱還元することによりＸ−Ｓｃ−Ｚ合金を得る構成のスカンジウム含有合金の製造方法」に関するものである。

即ち、この技術では、加熱源として、外熱式電気炉（加熱装置２０）が用いられており、スカンジウム含有化合物、金属Ｘ及び金属還元剤Ｚが収容された密閉耐熱容器１２を、電気炉によって加熱する手段を採用している。
この技術によれば、フッ化工程を経ずに、原料である酸化スカンジウムを還元できるので、従来の還元手段に比べ、環境に対する負荷を軽減できるという効果がある。

一方で、電気炉を加熱手段とする特許文献１に係る技術の場合、密閉耐熱容器１２の全体を加熱することによって金属還元剤Ｚを加熱し蒸発させなければならず、加熱効率が悪く、エネルギーを大量に消費し、製造コストが高いという問題があった。

ところで、物質を加熱する手段として、マイクロ波を物質に照射する技術が知られており、特許文献１において、金属還元剤Ｚを効率よく加熱し蒸発させる手段として、マイク
ロ波加熱を用いる手段が考えられる。

しかし、一般的に、金属はマイクロ波を反射するため、誘導加熱（導体に電磁誘導で電流を流して加熱する手段）のモードでしか加熱できない。そのため、金属が加熱蒸発してしまい、誘導加熱が継続できないという問題があった。また、マイクロ波帯の誘導加熱では、シングルモードしか使用できず、その誘導加熱の領域が狭いという問題もあった。
これらの問題から、例えば、金属を加熱することによって、その金属を連続的に蒸発させて金属蒸気を発生させようとする場合に、その加熱源として、マイクロ波を利用することができないという問題があった。

即ち、仮に、特許文献１に係る技術の加熱源として、マイクロ波を用いたとしても、金属還元剤Ｚはマイクロ波を反射し、誘導加熱モードを用いない限りは加熱できない、即ち蒸気を発生できないという問題が残る。

特開２００７−２５４８２２

そこで、本発明の課題は、少ないエネルギーかつローコストで、アルカリ金属の金属蒸気を発生させ、この金属蒸気を還元剤として酸化スカンジウムを還元し、このスカンジウムとアルミニウムの合金を得る方法について提案することにある。

上記本発明の課題は、下記の手段により達成される。
１．金属材料とセラミックス体との混合体に、マイクロ波を照射して加熱し、前記金属材料を蒸発させることによって、金属蒸気を発生させ、
酸化スカンジウムとアルミニウムに、前記金属蒸気を反応させることを特徴とするアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。

２．請求項１に記載の方法が、真空下で行われることを特徴とするアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。

３．前記金属材料が、カルシウム又はマグネシウムを含有する金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。

４．前記酸化スカンジウムと前記アルミニウムにもマイクロ波を照射して、これらを加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。

５．前記金属材料の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。

６．前記金属材料の形状が、粉末状、粒状、薄膜及び／又はコイル状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。

７．前記混合体の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４の整数倍であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のアルミニウム
−スカンジウム合金の製造方法。

８．前記混合体の周囲に断熱材を配置することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。

９．前記セラミックス体が、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。

１０．前記金属材料と前記セラミックス体とを混合して、前記混合体を作製することを更に含む、請求項１〜９のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。

上記１に示す発明によれば、マイクロ波の照射によっても加熱することが困難であった金属材料であるが、金属材料とセラミックス体との混同体にマイクロ波を照射すれば、マイクロ波は混合体の一部となった金属にも吸収され、加熱することができる。この加熱により、金属材料の温度が沸点近くに達すれば、金属材料は蒸発（又は昇華）し、金属蒸気を発生させることができる。

上記１に示す発明の効果を詳述すれば、次のとおりである。
従来、金属を加熱・蒸発させるためにマイクロ波を使用する場合には、アプリケータ（「加熱室」、特に「マイクロ波照射室」をいう。以下同じ。）内を、マイクロ波加熱としては一般的でない誘導加熱のモードにしなければならなかった。

しかし、上記１に係る方法を使用すれば、金属材料とセラミックス体との混合体にマイクロ波を照射する構成であるため、誘導加熱に加えて、電場加熱も可能となることから、電磁波エネルギーの吸収が大きくなり、真空下では金属を効率よく加熱し、材料の状態が変わっても連続的に蒸発させることができる。即ち、マルチモードアプリケータを使って加熱できるようになる。シングルモードにおける電場強度が大きい場所でも、金属材料が少なくなったとしても電場により電磁波エネルギーを与え続けることができる。

よって、上記１に示す発明によれば、アプリケータ種類を問わず、マイクロ波の照射により金属を加熱できるので、高効率かつ少ないエネルギーで金属蒸気を発生させることができる。
この金属蒸気の発生方法を用いることによって、少ないエネルギーかつローコストで、スカンジウム−アルミニウム合金を製造することができる。

上記２に示す発明によれば、真空下で、混合体にマイクロ波を照射する構成であるため、発生させる金属蒸気の分圧（大気中における金属蒸気が占める割合）を高めることができ、これにより、酸化スカンジウムやアルミニウムとの反応性を高めることができる。
更に、真空下で金属蒸気を発生させて酸化スカンジウムやアルミニウムを還元することで、反応前は、金属材料の酸化を防止又は抑制することができ、反応後は、スカンジウム−アルミニウム合金が再び酸化することを防止又は抑制することができる。
なお、本発明において「真空」とは、大気圧よりも圧力が低い状態をいい、気圧による限定はない。

上記３に示す発明によれば、金属材料としてカルシウム又はマグネシウムを採用することで、発生するカルシウム又はマグネシウムの金属蒸気は、酸化スカンジウムとの反応のなかで還元剤の役割を果たし、酸化スカンジウムを還元することができる。また、これらの反応よって、アルミニウム−スカンジウム合金（Al₃Sc）を得ることができる。
Sc₂O₃(s)＋3Ca(g)＋6Al(s) → 2Al₃Sc(s)＋3CaO(s)
Sc₂O₃(s)＋3Mg(g)＋Al(s) → Sc₂-Al(s)＋3MgO(s)
（上記反応式において、各物質の状態が、(s)は固体、(g)は気体であることを示している。以下、同じ。）
尚、カルシウム又はマグネシウムを含有する金属とは、カルシウム又はマグネシウムの純金属、カルシウム又はマグネシウムを含む化合物である合金、その他不純物を含むカルシウム又はマグネシウムの金属等を示す。

上記４に示す発明によれば、金属材料のみならず、酸化スカンジウムとアルミニウムにもマイクロ波を照射して、これらも加熱することで、金属蒸気との反応性を高めることができる。

上記５に示す発明によれば、金属材料の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４以下とすることで、金属材料とセラミックス体からなる混合体は共振し、金属材料へのマイクロ波が吸収されやすい条件となる。これにより、金属材料は効率よく加熱され、金属蒸気を発生させることができる。
上述したセラミックスの波長は、λ₀／√ε₁（λ₀：真空中の電磁波の波長、ε₁：セラミックスの誘電率）から導出される。

ここで、金属材料の最長部分とは、例えば、直方体であれば最も長い対角線、球体であれば直径、歪な球状体（粒状体）であれば最も長い直径、板状体や薄膜であれば最も長い辺又は対角線、円筒形であれば直径又は辺のうち長い方であり、換言すると、金属材料に２点以上で外接する真球のうち最大のものの直径 を指し示すものとする。

上記６に示す発明は、金属材料の個々の形状を、粉末状、粒状、薄膜及び／又はコイル状と規定しており、即ち、粉末状、粒状、薄膜又はコイル状の形状のうち、１の形状を単独で又は２以上の形状を混合して用いてもよい構成 である。
この構成とすることで、セラミックス体と混合し易くなり、また混合具合を均一又は不均一等任意に調整しやすくなり、混合体の製作を容易化することができる。更に、これらの形状を採用することにより、上記５に示す発明と同様、共振により金属材料へマイクロ波が吸収されやすい条件となり、加熱効率を高めることができる。
なお、粒状の形状として、球状や歪な球状体の形状を含むものとする（以下、同じ）。

上記７に示す発明によれば、混合体の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４の整数倍とすることで、混合体がアンテナ共振するため、マイクロ波エネルギーを混合体内に閉じ込めることができ、加熱効率を高めることができる。

上記８に示す発明によれば、マイクロ波を混合体に照射したことによって発生した熱を、断熱材によって閉じ込めるので、混合体の加熱効率を高めることができ、結果として少ないエネルギーで金属蒸気を発生させることができる。

上記９に示す発明によれば、混合体を形成するセラミックス体として、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムを採用することで、混合体の加熱効率を安定化させることができる。
即ち、これらのセラミックス体は、耐熱性が高く、電磁波を透過し易い（電磁波に対する損失が少ない）ので、マイクロ波を照射することよるセラミックス体の崩壊・変形等を抑制できるので、加熱効率を安定させることができる。
更に、これらのセラミックスは、マイクロ波が照射されても、マイクロ波の出力や波長などに影響を与えず、金属材料の加熱のため最適に設定された条件を維持することができ
、加熱効率を安定させることができる。

上記１０に示す発明は、上記１〜９に記載の方法であって、更に、金属材料とセラミックス体とを混合して、混合体を作製する工程を含む構成である。この構成により、混合体を容易に作製することができる。

本発明に係る混合体の一実施例を示す概略説明図（不均一に混合した例） 本発明に係る混合体の他の実施例を示す概略説明図（均一に混合した例） 本発明に係る装置の一実施例を示す概略構成図 本発明に係る装置の他の実施例を示す概略構成図 検証実験に用いた装置の概略構成図 検証実験の結果を示す温度変化グラフ（Ca蒸気を用いたAl-Sc合金の製造） 検証実験の結果を示すＸ線解析グラフ（Ca蒸気を用いたAl-Sc合金の製造） 検証実験の結果を示す温度変化グラフ（Mg蒸気を用いたAl-Sc合金の製造） 検証実験の結果を示すＸ線解析グラフ（Mg蒸気を用いたAl-Sc合金の製造） 検証実験における反応後に取り出された第二容器を撮影した写真 検証実験によって得られたAl-Sc合金を撮影した写真 検証実験によって得られたAl-Sc合金を撮影した他の写真

本発明は、金属材料を加熱して蒸発させることによって金属蒸気を発生し、この金属蒸気を酸化スカンジウム及びアルミニウムと反応させ、アルミニウム−スカンジウム合金を製造する方法に関するものである。
上述のとおり、金属材料を加熱して金属蒸気を発生させるために、従来は電気炉等を用いて加熱室ごと加熱することで金属材料を加熱していた。しかし、この加熱手段では、加熱が必要ではない他の部分まで加熱する必要があり、更に、加熱源として使用する電気炉は多くのエネルギーを消費するため、加熱効率が悪いという問題があった。

本発明者らは、加熱効率を改善するため、マイクロ波加熱を使用する手段を発想した。
マイクロ波加熱とは、照射されたマイクロ波が、誘電損失により物質に吸収され、そのエネルギーが熱になることによる加熱手段である。外部熱源による加熱と異なり、熱伝導や対流の影響がほとんど無視できること、特定の物質のみを選択的かつ急速・均一に加熱できること、などの特徴がある。

しかし、金属はマイクロ波を反射するため、マイクロ波が金属に吸収されないので、従来の技術では、金属をマイクロ波加熱によって蒸発させることはできず、金属蒸気を得ることはできなかった。

そこで、本発明者らは、金属材料とセラミックスとを混合し、この混合体に真空下でマイクロ波を照射することで、混合体の一部となった金属材料にもマイクロ波が吸収され、この金属材料が発熱することを見出した。この加熱により、温度が金属材料の沸点（真空下では、沸点よりも低い温度）近くに達すれば、金属材料は蒸発（又は昇華）し、金属蒸気を発生させることができる。

なお、本発明で用いられるマイクロ波には、周波数３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電磁波が含まれるが、一般的に使用可能な周波数の範囲は、９００ＭＨｚ〜５．８ＧＨｚといえる。なおまた、本発明における真空又は真空下とは、大気圧よりも圧力が低い状態をいい、気圧に限定はない。

これらの作用効果は、金属材料とセラミックス体との混合体にマイクロ波を照射すると、金属材料への電磁波エネルギーの吸収が大きくなるためと考えられ、真空下では金属を効率よく加熱し、蒸発させることができると考えられる。

これらの作用効果を換言すれば、金属材料とセラミックス体との混合体にマイクロ波を照射すれば、誘導加熱に加えて、電場加熱も可能となることから、電磁波エネルギーの吸収が大きくなり、真空下では金属を効率よく加熱し、金属材料の状態が変わっても連続的に蒸発させることができる。即ち、マルチモードアプリケータを使って加熱できるようになる。シングルモードにおける電場強度が大きい場所でも、金属材料が少なくなったとしても電場により電磁波エネルギーを与え続けることができる。
よって、アプリケータ種類を問わず、マイクロ波の照射により金属を加熱できるので、高効率かつ少ないエネルギーで金属蒸気を発生させることができる。

本発明において、金属蒸気とは、気体状態になった原子の他、マイクロ波により励起された原子プラズマやラジカルに励起された原子を含むものとする。

本発明に係る混合体１について、詳述する。
図１に示すとおり、混合体１は、金属材料１１と、セラミックス体１２とを混合した集合体である。

金属材料１１は、本発明における被蒸発物質であり、蒸気を発生させようとする固体の金属である。金属材料１１は、これ単体である場合では、マイクロ波を表面で反射して吸収しないので、マイクロ波を照射しても十分に加熱されない。

金属材料１１を形成する金属は、アルカリ金属である。
特に、金属材料１１を加熱して発生させる金属蒸気１１’によって、酸化物を還元するためには、金属材料１１は還元剤となりうるものを採用することが好ましい。例えば、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム又はカリウムなどのアルカリ金属を中心とした材料を挙げることができる。
特に、酸化スカンジウムの還元又はアルミニウム−スカンジウム合金の製造を目的とする本発明においては、還元剤の役割を果たすカルシウム又はマグネシウムを金属材料１１とすることが好ましい。

金属材料１１の形状に限定はなく、粉末状、粒状（球状や歪な球状体を含む。）、直方体、薄膜又はコイル状など如何なる形状であってもよい。ただし、セラミックス体１２との混合のし易さを考慮すれば、粉末状又は粒状の形態であることが好ましい。また、金属材料は、板状の形態で上市されることが多く、これを細かく切り刻んで薄膜又は板状の形状で使用してもよいし、これを渦巻状に巻いてコイル形状で使用してもよい。
金属材料１１の大きさについても限定はない。ただし、セラミックス体１２との混合のし易さを考慮して、大きさの揃った粉末状、粒状、球状、直方体状などの金属材料１１を使用することが好ましい。

金属材料１１の大きさは、金属材料の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４以下であることが好ましい。かかる構成より、金属材料とセラミックス体からなる混合体は共振し、金属材料へのマイクロ波が吸収されやすい条件となり、金属材料は効率よく加熱され、金属蒸気を発生させることができる。

なお、金属材料の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４にすると、マイクロ波に対してアンテナとなるため好ましくない。
なおまた、セラミックスの波長は、λ₀／√ε₁（λ₀：真空中の電磁波の波長、ε₁：セ
ラミックスの誘電率）から導出される。

ここで、金属材料の最長部分とは、例えば、直方体であれば最も長い対角線、球体であれば直径、歪な球状体（粒状体）であれば最も長い直径、板状体や薄膜であれば最も長い辺又は対角線、円筒形であれば直径又は辺のうち長い方であり、換言すると、金属材料に２点以上で外接する真球のうち最大のものの直径を指し示すものとする。

例えば、金属材料１１が粉末状や粒状であれば、その形状が球形（歪な球形を含む。）となる場合が多い。この場合は、その形状の最長径、即ち、球体であれば直径、歪な球状体であれば最も長い径の長さが、金属材料の最長部分に該当する。

例えば、金属材料１１が薄膜等の板状の場合、その平面形状が、三角形である場合には最長辺の長さが、その平面形状が、四角形以上の多角形である場合には最長となる対角線の長さが、それぞれ金属材料の最長部分に該当する。

セラミックス体１２は、無機物を加熱処理し焼き固めた焼結体である。誘電体の特性を有し、耐熱性を有するセラミックスは、電磁波に対する誘電損失が小さく、マイクロ波を透過させるので、マイクロ波を照射しても十分に加熱されない。

セラミックス体１２として、耐熱性のあるジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムを例示することができる。これらの材料は、耐熱性に優れており、電磁波を透過し易いことから、電磁波に対する損失も小さいためである。換言すれば、これらのセラミックスは、マイクロ波が照射されても、これに反応せず、ターゲットの加熱に最適な条件で照射されたマイクロ波に影響を及ぼさない。

セラミックス体１２の形態に限定はなく、粉末状、粒状（球状や歪な球状体の形状を含む。以下同じ。）、直方体状など如何なる形状であってもよい。ただし、金属材料１１との混合のし易さを考慮して、粉末状又は粒状の形態であることが好ましい。中でも、セラミックボールとも呼称させる球体のセラミックスを採用することが好ましい。
また、セラミックス体１２の大きさについても限定はない。ただし、金属材料１１との混合のし易さを考慮して、大きさの揃った粉末状、粒状、球状、立方体状などのセラミックス体１２を使用することが好ましい。

混合体１の作製手段について限定はないが、例えば、共に粉末状、粒状又は球状の形態である金属材料１１とセラミックス体１２とを同じ容器（図では、第一容器２）に入れ、これらを適度に混ぜ合わせる方法を挙げることができる。この際に、混合体１を押し固める等して成型する必要はない。

混合体１について、金属材料１１とセラミックス体１２とを不均一に混合する方法と、均一に混合する方法とが挙げられる。図１に示される混合体１の実施例は、金属材料１１とセラミックス体１２とを不均一に混合した例である。図２に示される混合体１の他の実施例は、金属材料１１とセラミックス体１２とを均一に混合した例である。
いずれの混合方法による加熱効率が良いかは、金属材料１１とセラミックス１２の具体的な性質や、マイクロ波のセッティング等によって適宜判断すべきである。

混合体の最長部分の長さを、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４の整数倍とすることで、混合体がアンテナ共振するため、マイクロ波エネルギーを混合体内に閉じ込めることができ、加熱効率を高めることができる。
なお、混合体の大きさについて、上記１／４の整数倍の条件から外れたとしても、マイ
クロ波による加熱は可能である。上記１／４の整数倍の条件が、混合体を最も効率的に加熱できる条件であり、この条件から外れるほど、加熱効率が下がるといえる。

ここで、混合体の最長部分とは、例えば、直方体であれば最も長い対角線、球体であれば直径、歪な球状体（粒状体）であれば最も長い直径（最長径）、板状体や薄膜であれば最も長い辺又は対角線、円筒形であれば直径又は辺のうち長い方であり、換言すると、混合体に２点以上で外接する真球のうち最大のものの直径を指し示すものとする。

上述の要領で製造した混合体１を、加熱室（マイクロ波照射室）に載置し、これにマイクロ波を照射すれば、混合体１内の金属材料１１はマイクロ波を吸収して発熱する。金属材料１１の温度が、沸点（真空下では、沸点よりも低い温度。）に達すれば、金属材料１１は蒸発（又は昇華）し、金属蒸気１１’を発生させることができる。

そして、上述の要領で発生した金属蒸気１１’と、酸化スカンジウム及びアルミニウムとが反応することによって、スカンジウムはアルミニウムに取り込まれ、アルミニウム−スカンジウム合金を製造することができる。

これらを反応させアルミニウム−スカンジウム合金を製造するためには、酸化スカンジウム及びアルミニウムが、金属蒸気１１’に曝されて接触すればよい。接触させる手段に限定はなく、公知公用の手段を特別の制限なく採用することができるが、例えば、金属材料１１と、酸化スカンジウム及びアルミニウムとを同空間に設置し、金属材料１１から発生した金属蒸気１１’が、酸化スカンジウム及びアルミニウムに到達するように、両者を同空間内に配置すればよい。また、金属材料１１から金属蒸気１１’を発生させる空間と、酸化スカンジウム及びアルミニウムが設置された空間が異なる場合でも、金属蒸気１１’が、酸化スカンジウム及びアルミニウムが設置された空間に到達することができ、これらが接触する構成としても良い。

これらの反応を反応式で示すと、以下のとおりである。金属材料１１（還元剤）として、カルシウムを用いた場合は、2Al₃-Scが製造され、マグネシウムを用いた場合は、金属
間化合物Sc₂-Alが製造される。
・金属材料としてカルシウムを用いた場合
Sc₂O₃(s)＋3Ca(g)＋6Al(s) → 2Al₃-Sc(s)＋3CaO(s)
(s)：固体，(g)：気体
・金属材料としてマグネシウムを用いた場合
Sc₂O₃(s)＋3Mg(g)＋Al(s) → Sc₂-Al(s)＋3MgO(s)
(s)：固体，(g)：気体

なお、本発明に使用される酸化スカンジウム又はアルミニウムについて、その態様や大きさに限定はない。一般的に、酸化スカンジウムとアルミニウムは常温下において固体であり、粉末状（粉状）又は粒状の形態であり、本発明においても、これらの形態の酸化スカンジウムとアルミニウムを使用することができる。

続いて、上述の方法で金属蒸気１１’を発生させ、この金属蒸気１１’を酸化物に接触させて、酸化物を還元するため又はこの金属蒸気１１’を酸化物を含む他の金属と接触させて合金を製造するための装置３について説明する。
なお、本発明は、金属蒸気を上述した方法で発生させ、これにより発生した金属蒸気１１’と、酸化スカンジウムとアルミニウムとを反応させることによって、アルミニウム−スカンジウム合金を得るという手段を本質としており、本発明の内容は、以下に説明する装置３の構成や、この装置３を用いた製造方法に限定されるものでない。

図３に、本発明に係るアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法を実施するための装置３の一実施例を示す。
装置３は、少なくとも加熱室４、第一容器２、第二容器６及びマイクロ波源７から構成される。

加熱室４は、マイクロ波を混合体１に照射し、加熱する空間である。加熱室４の形態やこれを形成する材料に限定はないが、高温に耐え得る材料から形成され、マイクロ波を吸収せず、かつ金属蒸気と反応しない材料で形成されることが好ましい。例えば、アルミナ系耐火物、ジルコニア系耐火物、マグネシア系耐火物で形成することができ、耐熱鋼やステンレス合金で形成してもよい。

加熱室４には、後述する第一容器２や第二容器６を設置・固定するための構成が設けられることが好ましい。例えば、第一容器２等を設置・固定するための置き台となる載置台９（図３では図示しないが、検証実験で使用した装置を示す図５では図示する。）を設ける構成を挙げることができる。
また、図３では第一容器２及び第二容器６を縦に直列的に配置し、マイクロ波源７を加熱室４に配置したが、加熱室４における第一容器２、第二容器６及びマイクロ波源７の位置に限定はなく、例えば、第一容器２と第二容器６を並列に配置してもよい。

第一容器２は、金属材料１１とセラミックス体１２とを収容する、即ち、混合体１を収容する容器である。換言すれば、第一容器２内で金属材料１１とセラミックス体１２とを混合し、混合体１を製作することができる。
使用する金属材料１１は、カルシウム又はマグネシウムであることが好ましい。
第一容器２の形状に限定はないが、例えば、図３に示されるように、上方が開放されたボウル型の容器や、公知公用の形状をした石英管や坩堝を挙げることができる。

第二容器６は、酸化物を含む原料５を収容する容器である。
第二容器６に収容する原料５は、還元する対象となる酸化物（酸化金属）と、これに反応させる物質である。例えば、還元する対象となる酸化物として酸化スカンジウム（Sc₂O₃）を挙げることができ、これと反応させアルミニウム−スカンジウム合金（Al₃Sc）を得るために、アルミニウム（Al）を共に収容することができる。
第二容器６の形状に限定はないが、例えば、図３に示されるように、上方が開放されたボウル型の容器や、公知公用の形状をした坩堝を挙げることができる。

図３に示される実施例では、混合体１は第一容器２に、原料５は第二容器６にそれぞれ収容されているが、混合体１と原料５とが同じ容器に収容される構成を採用してもよい。

マイクロ波源７は、マイクロ波発振器７１を含み、加熱室４内の混合体１に照射するためのマイクロ波を発振させる装置である。
マイクロ波源７は、図３に示されるように、マイクロ波発振器７１により発振したマイクロ波を、導波管７２を介して、マイクロ波導入口７３から加熱室４にマイクロ波を照射する構成である。
マイクロ波源７については、公知公用の構成を採用することができ、例えば、マグネトロンを採用することができる。

加熱室４内に、断熱材８を設けることができる。
断熱材８は、第一容器２及び第二容器６の周囲に設置することが好ましい。これにより、マイクロ波の照射によって発熱した混合体１の熱を、加熱室２内の空間に逃さず、混合体１の温度上昇を早め、金属蒸気の発生を早めることができる。
ただし、断熱材８を、第一容器２の上部に設置することは好ましくない。上部に設置す
ると、第一容器２から発生した金属蒸気１１’が、第二容器６に到達するのを妨げるおそれがあるためである。

加熱室４には、真空ポンプＶを接続することができる。
真空ポンプＶによって加熱室４内又は第一容器２及び第二容器６内を減圧することで、沸点よりも低い温度で金属材料１１を蒸発させることができ、加熱室４内又は第一容器２及び第二容器６内の不純物等を除去することもできる。

また、真空下で、混合体にマイクロ波を照射すれば、発生させる金属蒸気の分圧（大気中における金属蒸気が占める割合）を高めることができ、これにより、金属蒸気１１’と、酸化スカンジウムやアルミニウムとの反応性を高めることができる。
更に、反応前は、金属材料の酸化を防止又は抑制することができ、反応後は、スカンジウム−アルミニウム合金が再び酸化することを防止又は抑制することができる。
なお、本発明において「真空」とは、大気圧よりも圧力が低い状態をいい、気圧による限定はない。

加熱室４内において、マイクロ波は、第一容器２に収容された混合体１のみならず、第二容器６に収容された原料５（酸化スカンジウムとアルミニウム）にも照射されることが好ましい。これにより、上記原料５も加熱され高温の状態となれば、金属蒸気１１’との反応性が高まるためである。

ただし、第二容器６に収容された原料５の加熱手段について限定はない。
上記した手段では、図３における加熱室４という共通した空間に、第一容器２に収容された混合体１と、第二容器６に収容された原料５が設置され、この空間に照射された同じマイクロ波源から照射されたマイクロ波によって、両者が加熱される構成である。

一方で、第一容器２に収容された混合体１が設置された空間と、第二容器６に収容された原料５が設置された空間とを、異なる空間とした構成を採用することができる。

例えば、図４に示される装置３’のように、第一容器２に収容された混合体１が設置された空間（加熱室４ａ）と、第二容器６に収容された原料５が設置された空間（加熱室４ｂ）のそれぞれに、マイクロ波源７ａ・７ｂを設ける構成を挙げることができる。マイクロ波源７ａ又は７ｂは、加熱対象である混合体１又は原料５のそれぞれに最適なマッチングのマイクロ波を発振することができる。

加熱室４ａと４ｂは、蒸気通路４１によって接続される。この蒸気通路４１は、加熱室４ａで発生した金属蒸気１１’を、加熱室４ｂへ通過させることができる開口である。これにより、加熱室４ａで発生した金属蒸気１１’は、蒸気通路４１を通過して加熱室４ｂに到達し、加熱室４ｂの原料５に到達することができる構成である。

一方で、蒸気通路４１は、チョーク構造によりマイクロ波が透過しないものとすることができる。この場合、加熱室４ａに照射されたマイクロ波エネルギーは、加熱室４ａに閉じ込められ、加熱室４ｂに照射されたマイクロ波エネルギーは、加熱室４ｂに閉じ込められるので、それぞれの加熱室４ａ・４ｂに照射されたマイクロ波が、他の加熱室４ｂ・４ａに影響を及ぼすことがない。この構造によって、加熱室４ａには、ここに設置される混合体１の加熱に最適なマッチングのマイクロ波を、加熱室４ｂには、ここに設置される原料５の加熱に最適なマッチングのマイクロ波を、それぞれ照射することができ、混合体１と原料５を異なる設定（主に、出力と照射時間。）で効率よく加熱することができる。

蒸気通路４１の位置、形状、素材には限定はないが、金属等の導電性物質で側壁を形成
することができ、その形状は、好ましくは例えば円筒型である。
蒸気通路４１の直径を、マイクロ波源７ａ・７ｂから発振されるマイクロ波の波長の１／８以下とすることにより、蒸気通路４１をマイクロ波が通過しないものとすることができ、その直径は好ましくは１／６４以上であって、長さは、同じくマイクロ波源７ａ・７ｂから発振されるマイクロ波の波長の１／４以上であり、好ましくは１波長以下に形成されている。かかる大きさに蒸気通路４１を形成することで、チョーク構造となり、蒸気通路４１からマイクロ波が漏洩しない。

また、第二容器６に収容された原料５の加熱手段の他の例として、第二容器６又はこれに収容される原料５に対して、電気炉等を利用した異なる熱源を採用する構成を挙げることができる。この構成の場合は、第一容器２に収容された混合体１はマイクロ波によって加熱され、第二容器６に収容された原料５は電気炉等を利用した他の熱源によって加熱される。なお、この構成では、混合体１と原料５とを同空間に設置する構成（図３に示される構成）と、混合体１と原料５とを異なる空間に設置する構成（図４に示される構成）のいずれを採用しても良い。

上述したアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法を、反応式で示すと以下のとおりである。還元剤（金属材料１１）として、カルシウムを用いた場合は、2Al₃-Scが製造さ
れ、マグネシウムを用いた場合は、金属間化合物Sc₂-Alが製造される。
・金属材料としてカルシウムを用いた場合
Sc₂O₃(s)＋3Ca(g)＋6Al(s) → 2Al₃-Sc(s)＋3CaO(s)
(s)：固体，(g)：気体
・金属材料としてマグネシウムを用いた場合
Sc₂O₃(s)＋3Mg(g)＋Al(s) → Sc₂-Al(s)＋3MgO(s)
(s)：固体，(g)：気体

上述した方法にて製造されたアルミニウム−スカンジウム合金の態様について限定はないが、粉末状（粉状）又粒状の形態で得られる場合が多く、この場合は、第二容器６又は加熱室４の壁面（側面のみならず、上面及び底面をも含む。）に付着ないし滞留する。

アルミニウム−スカンジウム合金の回収方法についても限定はないが、例えば、第二容器６又は加熱室４の壁面に付着ないし滞留した粉末状（粉状）又粒状の合金を、削ぎ落としてかき集める等の手段を挙げることができる。また、かき集めるための道具として、装置が大型の場合には、シャベルやスコップ等を用いても良いし、装置が小型の場合には、小さじ等を用いても良く、合金が付着ないし滞留した容器ごと回収することもできる。

＜検証実験１＞
「カルシウム蒸気を用いたアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法」
本発明に係るアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法について、検証実験を実施した。

・装置の概要
検証実験に使用した装置３の概略構成図を、図５に示す。
図５に示すとおり、検証実験では、市販されているマイクロ波加熱炉を用いた。この加熱炉には、マイクロ波源７と真空ポンプＶが接続されている。

加熱室には、マイクロ波導入口７３が設けられ、載置台９の上に筒状の断熱材８が設置されている。
断熱材８の中には、金属材料１１とセラミックス体１２からなる混合体１が収容された第一容器２が設置され、この第一容器２の中であって、混合体１の上部に、原料５（酸化
スカンジウムとアルミニウム）が収容された第二容器６が設置されている。

・混合体と原料
混合体は１、金属材料１１とセラミックス体１２を、共に第一容器２に収容し、この中で混合することによって作製した。
ここでは、金属材料１１として、カルシウムを、セラミックス体として、ジルコニアをそれぞれ用いた。
使用したカルシウムは、球形の粒状体であり、これを複数個用いた。使用したジルコニアは、セラミックボールとも呼称される球形の粒状体であり、これを複数個用いた。このジルコニアの直径は、数百μm〜1mm程度であり、カルシウムの直径は、ジルコニアよりも小さい。

混合比率は、カルシウムが2.02g（0.05mol）、ジルコニアが10.0gである。
カルシウム及びジルコニアは、共に球状の粒状体であるため、これらを同じ坩堝（第一容器２）内に収容して混ぜ合わせ、混合体１を作製した。

第一容器２として石英管を用い、第二容器６としてアルミナ製の坩堝を用いた。第一容器６の石英管よりも、第二容器６のアルミナ坩堝の方が一回り小さく、第二容器６は第一容器２の中に収容された構成である。

第二容器６には、原料５として、酸化スカンジウムとアルミニウムを収容した。
使用した酸化スカンジウムは、直径５０μｍ程度の粉体であり、アルミニウムは、直径６ｍｍ程度の粒体である。混合比率は、酸化スカンジウムが0.153g（1.11mmol）、アルミニウムが0.25g（9.2mmol）である。

続いて、加熱室４にマイクロ波を照射した。第一容器２及び第二容器６内は、真空ポンプＶによって数十Pa程度に減圧している。
使用したマイクロ波の周波数は2.45GHzであり、出力は８００Ｗ〜１１００Ｗの範囲で
第二容器６の温度が１０５０度前後となるように制御され、６０分間にわたってマイクロ波を照射した。

・検証結果
マイクロ波を照射している間、第二容器６内の温度経過を測定した（図６参照）。
図６に示されるように、マイクロ波照射を開始してから約８分を経過した辺りから、第二容器６内の温度が急激に上昇し、１０００℃以上に達した。その後は、マイクロ波の照射を終了するまで、同じ温度を維持した。

第二容器６内に収容された酸化スカンジウムとアルミニウムが、マイクロ波照射によって１０００度以上に達するとは考え難いことから、これらの温度変化は、第一容器２内のカルシウムがマイクロ波加熱によって蒸発し、金属蒸気１１’となって第二容器６に到達したことによるものと考えられる。

よって、上述した混合体１にマイクロ波を照射することによって、混合体１を構成するカルシウムが加熱され、やがて蒸発して金属蒸気を発生させることが検証された。
なお、カルシウムの沸点は１４８４度であるが、減圧下での蒸気圧は１０００℃程度と考えられる。

ここでは、上記温度変化の測定と共に、第一容器２と第二容器６について目視による観察も行った。
マイクロ波を照射後、第一容器２の内部が薄紫色（薄赤色よりもやや薄色）になったこ
とを確認した。この薄紫色は、カルシウムのプラズマ状態における発色として知られており、これにより、金属材料であるカルシウムがプラズマとなったことが確認できた。
なお、上述したとおり、本発明において金属蒸気とは、気体状態になった原子の他、マイクロ波により励起された原子プラズマやラジカルに励起された原子を含むものである。よって、本発明に係る方法の使用により、カルシウムの金属蒸気を発生させることが確認できた。

続いて、マイクロ波照射を終えた後、第二容器６又はこの上部に付着した成分を取り出し、Ｘ線解析（ＸＲＤ）を行った。
Ｘ線解析の結果を、図７に示す。
図７に示されるように、アルミニウム(Al）を示すピークの近傍に、アルミニウム−ス
カンジウム合金（ScAl₃）を示すピークが現れた。この結果により、酸化スカンジウムの
還元に成功したこと、及び、アルミニウムにスカンジウムが取り込まれ、アルミニウム−スカンジウム合金の製造に成功したことがわかった。

なお、本検証実験での反応を式で表すと、次のとおりである。
Sc₂O₃(s)＋3Ca(g)＋6Al(s) → 2Al₃-Sc(s)＋3CaO(s)
(s)：固体，(g)：気体

＜検証実験２＞
「マグネシウム蒸気を用いたアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法」
本発明に係るアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法について、検証実験２を実施した。この過程で、マグネシウム金属蒸気の発生についても確認した。

検証実験２に用いた装置や混合体の製造方法などは、検証実験１と同様であり、金属材料１１として、カルシウムに替えてマグネシウムを使用した。
使用したマイクロ波の周波数は2.45GHzであり、出力は６００Ｗ〜９００Ｗの範囲で第
二容器６の温度が９００度前後となるように制御され、６０分間にわたってマイクロ波を照射した。

・検証結果
マイクロ波を照射している間、第二容器６内の温度経過を測定した（図８参照）。
図８に示されるように、マイクロ波照射を開始してから程なくして、第二容器６内の温度が急激に上昇し、約９００度に達した。その後は、マイクロ波の照射を終了するまで、同じ温度を維持した。

第二容器６内に収容された酸化スカンジウムとアルミニウムが、マイクロ波照射によって９００度に達するとは考え難いことから、これらの温度変化は、第一容器２内のマグネシウムがマイクロ波加熱によって蒸発し、金属蒸気１１’となって第二容器６に到達したことによるものと考えられる。

よって、上述した混合体１にマイクロ波を照射することによって、混合体１を構成するマグネシウムが加熱され、やがて蒸発して金属蒸気を発生させることが検証された。

ここでは、上記温度変化の測定と共に、第一容器２と第二容器６について目視による観察も行った。
マイクロ波を照射後、第一容器２の内部が緑色になったことを確認した。この緑色は、マグネシウムのプラズマ状態における発色として知られており、これにより、金属材料であるマグネシウムがプラズマとなったことが確認できた。
なお、上述したとおり、本発明において金属蒸気とは、気体状態になった原子の他、マ
イクロ波により励起された原子プラズマやラジカルに励起された原子を含むものである。よって、本発明に係る方法の使用により、マグネシウムの金属蒸気を発生させることが確認できた。

続いて、マイクロ波照射を終えた後、第二容器６又はこの上部に付着した成分を取り出し、Ｘ線解析（ＸＲＤ）を行った。
Ｘ線解析の結果を、図９に示す。
図９に示されるように、アルミニウム(Al）を示すピークの近傍に、アルミニウム−ス
カンジウム合金（Sc₂Al）を示すピークが現れた。この結果により、酸化スカンジウムの
還元に成功したこと、及び、アルミニウムにスカンジウムが取り込まれ、アルミニウム−スカンジウム合金の製造に成功したことがわかった。

なお、本検証実験での反応を式で表すと、次のとおりである。
Sc₂O₃(s)＋3Mg(g)＋Al(s) → Sc₂-Al(s)＋3MgO(s)
(s)：固体，(g)：気体

上述の通り、検証実験１及び２を行い、本発明を使用したアルミニウム−スカンジウム合金の製造に成功した。
これらの実験によって得られた結果物であるアルミニウム−スカンジウム合金は、従来の方法によって製造されたアルミニウム−スカンジウム合金とは、形態的特徴が異なることが分かった。

従来の方法（カルシウムやマグネシウムを、電気炉等を用いて加熱室ごと高温で加熱し、蒸発させる方法。）によって製造されたアルミニウム−スカンジウム合金は、溶融した形態であり、これを加熱室から取り出す頃には、自然冷却により溶融物が固まって固形物となっていた。
溶融物となった理由として、従来の方法では、電気炉等を用いて加熱室全体を高温で加熱する手段を用いているため、金属材料であるカルシウム等のみならず、原料であるアルミニウムやスカンジウム又はこれらの合金も高温に加熱され、これらが溶融に至ったものと考えられる。

一方で、本発明に係る方法を使用して得られたアルミニウム−スカンジウム合金は、多くの場合、粉末状の形態（粉体）で、乾燥した砂の如き形態である。これを塊として成形するには、得られた粉体を一度溶かし、これを冷却や圧縮することで成形する必要がある。

図１０〜１２として、検証実験２によって得られたアルミニウム−スカンジウム合金を撮影した写真を示す。上述の通り、検証実験２では、マグネシウム金属蒸気を用いている。
図１０は、反応後に取り出した第二容器６（検証実験では、アルミナ製の坩堝を使用。）を撮影した写真である。第二容器６の内壁に、生成物である粉末状のアルミニウム−スカンジウム合金が付着していることが確認できる。
図１１〜１２は、図１０における第二容器６から、生成物であるアルミニウム−スカンジウム合金を取り出し、これを撮影した写真である。これらの写真により、生成物であるアルミニウム−スカンジウム合金が、粉末状であることが確認できる。

粉体として得られた理由として、本発明は金属材料であるカルシウム等を対象としてマイクロ波加熱を利用していることから、原料であるアルミニウムやスカンジウム又はこれらの合金は、マイクロ波を照射されたとしても、溶融するほど加熱されなかったことが考えられる。もし、原料であるアルミニウムやスカンジウムに対してマイクロ波以外の加熱
手段を採用したとしても、従来の技術と異なり、本発明では原料の温度を制御することができるので、原料が高温には至らず、原料又は得られる合金が溶融するには至らない。よって、本発明に係る方法を使用して得られた合金は、粉末状の形態（粉体）で得られたものと考えられる。

１ 混合体
１１ 金属材料
１２ セラミックス体
２ 第一容器
３ 装置
４ 加熱室
５ 原料
６ 第二容器
７ マイクロ波源
７１ マイクロ波発振器
７２ 導波管
７３ マイクロ波導入口
８ 断熱材
９ 載置台
Ｖ 真空ポンプ

Claims (10)

1. 金属材料とセラミックス体との混合体に、マイクロ波を照射して加熱し、前記金属材料を蒸発させることによって、金属蒸気を発生させ、
   酸化スカンジウムとアルミニウムに、前記金属蒸気を反応させることを特徴とするアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
2. 請求項１に記載の方法が、真空下で行われることを特徴とするアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
3. 前記金属材料が、カルシウム又はマグネシウムを含有する金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
4. 前記酸化スカンジウムと前記アルミニウムにもマイクロ波を照射して、これらを加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
5. 前記金属材料の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
6. 前記金属材料の形状が、粉末状、粒状、薄膜及び／又はコイル状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
7. 前記混合体の最長部分の長さが、照射するマイクロ波のセラミックス中における波長の１／４の整数倍であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
8. 前記混合体の周囲に断熱材を配置することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
9. 前記セラミックス体が、ジルコニア、石英、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。
10. 前記金属材料と前記セラミックス体とを混合して、前記混合体を作製することを更に含む、請求項１〜９のいずれかに記載のアルミニウム−スカンジウム合金の製造方法。