JP2000129374A - アルミニウム基複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐摩耗性を向上させた炭化チタン粒子分散強
化型アルミニウム基複合材料およびその製造方法を提供
する。 【解決手段】 アルミニウムまたはアルミニウム合金の
マトリックス中に、炭素粒子の周囲を炭化チタン粒子が
取り囲んで成る複合粒子が分散していることを特徴とす
るアルミニウム基複合材料。チタンを含有するアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金の溶湯に炭素粒子を添加
し、該溶湯に超音波振動を付与し且つ渦流攪拌を行うこ
とにより該炭素粒子と該溶湯とを混合し、該炭素粒子の
炭素と該溶湯のチタンとを該溶湯中でin-situ 反応させ
て炭化チタンを生成させる工程を含むアルミニウム基複
合材料の製造方法において、上記炭素粒子の添加を、溶
湯の炭素とチタンの含有量が重量比でＣ／Ｔｉ＞０．２
５となるように行うことを特徴とするアルミニウム基複
合材料の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウムまた
はアルミニウム合金のマトリックス中に、炭化チタンを
含む粒子が分散しているアルミニウム基複合材料および
その製造方法に関し、特に上記粒子がアルミニウムまた
はアルミニウム合金の溶湯中でのin-situ反応により生
成するアルミニウム基複合材料およびその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムまたはアルミニウム合金の
マトリックス中に強化粒子として炭化チタンを分散させ
たアルミニウム複合材料が知られている。この複合材料
は、例えば特開平８−１６２５４号公報に開示されてい
るように、チタンを含有するアルミニウム合金の溶湯に
炭素粉末を添加し、溶湯中でin-situ 反応により炭化チ
タンを生成させた後、溶湯を凝固させることにより製造
される。

【０００３】しかし、この方法には次の問題がある。す
なわち、炭素粒子はアルミニウム合金溶湯との濡れ性が
低いため、溶湯中に取り込まれ難いし、溶湯と均一に混
合し難い。その結果、溶湯体積内に均一に炭化チタン粒
子が生成し難いため、凝固により得られる複合材料は炭
化チタン粒子が均一に分散しておらず、所期の分散強化
作用が十分に得られない。例え長時間の渦流攪拌を行っ
ても、均一性の高い分散を達成することは非常に困難で
あり、その上、長時間を要するため生産性も低く実用的
ではない。

【０００４】その解決策として、本発明者は特開平１０
−２５１７７６号公報において、チタンを含有するアル
ミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯に炭素粒子を添
加しつつ該溶湯に超音波振動を付与し且つ渦流攪拌を行
う方法を提案した。この方法によれば、溶湯に付与した
超音波振動のエネルギーにより個々の炭素粒子と溶湯と
の界面が活性化されることで、濡れ性が高まると共に化
学反応が促進されて、溶湯中への炭素粒子の取り込みと
混合が促進され同時に炭化チタンの生成が促進される。
更に、渦流攪拌により炭素粒子が、そして生成した炭化
チタン粒子が、溶湯体積全体に渡って均一に分散され
る。

【０００５】本発明者が提案した上記の方法により、ア
ルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックス中に
強化材である炭化チタン粒子を均一に分散させたアルミ
ニウム基複合材料を、実用的な短時間の処理で安定して
製造できるようになった。このように炭化チタン粒子に
よる所期の分散強化作用を十分に発揮できる均一な分散
が達成されたが、強度特性のうち特に耐摩耗性を更に向
上させる要請が高まっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐摩耗性を
向上させた炭化チタン粒子分散強化型アルミニウム基複
合材料およびその製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明によれば、アルミニウムまたはアルミニウ
ム合金のマトリックス中に、炭素粒子の周囲を炭化チタ
ン粒子が取り囲んで成る複合粒子が分散していることを
特徴とするアルミニウム基複合材料が提供される。

【０００８】本発明によれば、更に、チタンを含有する
アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯に炭素粒子
を添加し、該溶湯に超音波振動を付与し且つ渦流攪拌を
行うことにより該炭素粒子と該溶湯とを混合し、該炭素
粒子の炭素と該溶湯のチタンとを該溶湯中でin-situ 反
応させて炭化チタンを生成させる工程を含むアルミニウ
ム基複合材料の製造方法において、上記炭素粒子の添加
を、溶湯の炭素とチタンの含有量が重量比でＣ／Ｔｉ＞
０．２５となるように行うことを特徴とするアルミニウ
ム基複合材料の製造方法が提供される。

【０００９】

【発明の実施の形態】強化材として単に炭化チタン粒子
を分散させた従来の複合材料においては、下記理由によ
り耐摩耗性の向上に限界があった。 １）炭化チタンの脱落 摺動状態で相手材から負荷される外力により炭化チタン
粒子がマトリックスから脱落し、脱落した炭化チタン粒
子の研磨作用により摩耗が進行する。

【００１０】２）炭化チタンの相手攻撃性 マトリックス中に保持された硬質の炭化チタン粒子が相
手材を削り取り、その削り屑の研磨作用により摩耗が進
行する。本発明のアルミニウム基複合材料においては、
均一に分散した個々の粒子が、比較的軟質の炭素粒子を
核とし、この核を硬質の強化材としての炭化チタン粒子
が取り囲んだ構造の複数相から成る複合粒子である。こ
れにより下記作用により耐摩耗性が向上する。

【００１１】１）炭化チタンの脱落防止 硬質の炭化チタン粒子に隣接して存在する比較的軟質の
炭素粒子が、相手材から炭化チタン粒子に負荷される力
を緩和し、炭化チタン粒子の脱落を低減するので、脱落
した炭化チタン粒子による摩耗が軽減される。 ２）炭化チタンの相手攻撃性の低減 硬質の炭化チタン粒子に隣接して存在する比較的軟質の
炭素粒子が、炭化チタン粒子から相手材に負荷される力
を緩和し、相手材の研削を低減するので、研削屑による
摩耗が軽減される。

【００１２】本発明による複合粒子においては、硬質の
炭化チタン粒子の分散強化により耐摩耗性が確保される
と同時に、上記のようにこの硬質の炭化チタン粒子に隣
接して存在する比較的軟質の炭素粒子が緩衝材として働
く。すなわち、摺動状態で炭化チタン粒子と相手材との
間で相互に作用する力が炭素粒子の緩衝作用により低減
されるので、マトリックスからの炭化チタン粒子の脱落
と炭化チタンによる相手剤の研削とが同時に低減され
る。これにより、脱落した炭化チタン粒子による摩耗
と、相手材研削屑による摩耗とが同時に低減され、炭化
チタン粒子分散強化による本来の耐摩耗性が損なわれず
に十分に発揮され、耐摩耗性が向上する。

【００１３】本発明における炭素粒子は、上述のとおり
比較的軟質のものであり、その形態は不定形炭素あるい
は黒鉛（グラファイト）等である。すなわち、一般に固
体潤滑剤として機能できる形態の炭素であり、ダイヤモ
ンド等の硬質のものは除外する。本発明の複合材料の製
造方法においては、上記構造の複合粒子を形成するため
に、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯への炭
素粒子の添加量は、溶湯のチタン含有量と関連して設定
する必要があり、重量比でＣ／Ｔｉ＞０．２５となるよ
うに設定する。この重量比は、原子比でＣ／Ｔｉ＞１に
相当し、ＴｉＣの生成にとって過不足のない化学量論比
である原子比Ｃ／Ｔｉ＝１に対して過剰のＣを添加する
ことがその本質的な意味である。

【００１４】溶湯中でのＣとＴｉとのin-situ 反応は、
溶湯に接触している炭素粒子の表面から内部へ進行す
る。反応の進行に伴い、元の炭素粒子の外周部分がチタ
ンと化合して炭化チタン粒子を形成し、内部の炭素粒子
は炭化チタンに材料を提供して徐々に小さくなる。溶湯
中のチタン量に対して化学量論比を超える過剰量の炭素
粒子を添加することにより、炭素粒子の芯部は未反応の
まま炭素粒子として残る。これにより、炭素粒子の周囲
を炭化チタン粒子が取り囲んだ構造のＣ−ＴｉＣ複合粒
子が得られる。

【００１５】この特有な構造は、溶湯中でのin-situ 反
応により炭化チタンを生成させることにより実現でき
る。分散強化型金属基複合材料の製造方法として、粉末
成形体に高圧下で溶湯を含浸させる高圧鋳造法や粉末成
形体を焼成する焼結法が従来から行われている。しか
し、これらの方法では炭素粒子と炭化チタン粒子は各々
ランダムに分散してしまい相対的な位置を制御すること
はできず、二種の粒子が相互に隣接した構造の本発明の
複合粒子は得られない。

【００１６】溶湯中に添加する炭素粒子のサイズは、平
均粒径で２〜５０μｍが適当である。平均粒径２μｍ未
満の炭素粒子は、溶湯中に取り込まれずに溶湯表面に浮
遊して残存し易くなる。また炭素粒子の平均粒径が５０
μｍを超えると、溶湯体積全体に均一に分散し難くな
り、偏析し易くなる。アルミニウムまたはアルミニウム
合金の溶湯はチタンを１〜１５mass% 含有することが適
当である。耐摩耗性の向上効果は、チタン含有量１mass
% 以上で明瞭になり、チタン含有量の増加に伴い効果が
増加する。ただし、チタン含有量が１５mass% を超えて
も効果はそれ以上増加しない。

【００１７】この溶湯への炭素粒子の添加量は１〜１５
mass% の範囲内が適当である。耐摩耗性向上効果は、炭
素含有量１mass% 以上で明瞭になり、炭素含有量の増加
に伴い効果が増加する。ただし、炭素含有量が１５mass
% を超えてもそれ以上効果は増加しない。本発明の複合
材料においては、炭素粒子および炭化チタン粒子の含有
量がそれぞれ０．５vol%以上であると、耐摩耗性の向上
効果が明瞭に認められ、それぞれの含有量の増加に伴い
効果が増加する。ただし、いずれも１０vol%を超えて存
在しても効果はそれ以上増加しない。

【００１８】本発明の複合材料はマトリックスがアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金から成り、本発明の製造
方法はチタンを含有するアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金の溶湯中でin-situ 反応を行わせる。アルミニウ
ム合金は、主成分がアルミニウムであればよく、従来か
ら一般に合金成分として用いられてきた元素（Ｓｉ、Ｍ
ｇ、Ｃｕ、Ｚｎその他）を含むことができる。

【００１９】超音波振動は、炭素粒子と溶湯の混合と溶
湯内でのin-situ 反応とを促進させる効果が得られる周
波数であればよく、特に限定する必要はないが、一般に
２０ｋＨｚ程度あるいはそれ以上の周波数を用いる。な
お、本明細書中に記載したmass% 値およびvol%値は、最
終的に得られる複合材料全体の重量および体積をそれぞ
れベースとした値である。

【００２０】

【実施例】図１に、本発明によりin-situ 反応を行うた
めの超音波渦流攪拌装置の構成例を示す。超音波発振装
置１で発生した超音波振動は、超音波ホーン２を介して
坩堝６内の溶湯７に伝達される。周波数は例えば１０〜
１００ｋＨｚである。モータ３で攪拌子４を回転させて
溶湯７を攪拌する。攪拌速度は例えば３００〜１０００
ｒｐｍである。溶湯７は坩堝６を取り巻くヒーター５に
より所定温度に保持される。保持温度は例えば７００〜
８８０℃である。炭素粒子は、適当な手段により坩堝６
の上方から溶湯７中に供給する。

【００２１】図１の装置を用い、本発明によりアルミニ
ウム・チタン２元合金溶湯に炭素粒子を添加し、超音波
振動と渦流攪拌とを併用して、Ｃ−ＴｉＣ複合粒子分散
強化型アルミニウム基複合材料を製造した。なお、比較
材として、炭素粒子を添加しないＡｌ−１０Ｔｉ合金お
よび本発明の範囲外の複合材料も製造した。表１に、溶
湯のチタン含有量（Ｔｉmass% ）、溶湯への炭素粒子添
加量（Ｃmass% ）、およびチタン含有量に対する炭素添
加量の比（Ｃ／Ｔｉ）を示す。チタン含有量および炭素
添加量は溶湯と炭素粒子との合計重量（すなわち製造さ
れる複合材料の重量）をベースとする。

【００２２】アルミニウムまたはアルミニウム合金の材
料片を坩堝に装入し、大気中で加熱して溶解し、得られ
た溶湯を８００℃に保持した。この溶湯に、超音波振動
（２０ｋＨｚ、３００Ｗ）を付与しつつ、並行して渦流
攪拌（７５０ｒｐｍ）を行いながら、所定量の炭素粉末
（平均粒径：１５μｍ）を坩堝上方より添加した。超音
波振動および渦流攪拌を炭素粉末の添加から１５分間持
続した後に停止し（ホーン２と攪拌子４を溶湯から引き
上げ）、次いで加熱を停止し（坩堝を装置外へ取り出
し）、坩堝内で溶湯を室温まで放冷して凝固させ、複合
材料を得た。

【００２３】表１に、得られた複合材料の炭化チタン粒
子量、炭素粒子量、および摩耗特性を併せて示す。各粒
子の量は１０視野程度（合計観察面積１ｍｍ×１ｍｍ程
度）の光学顕微鏡像を画像処理して求めた。摩耗特性
は、分散粒子を含まないＡｌ−１０Ｔｉ合金に対する摩
耗量比で評価した。摩耗試験は、ＬＦＷ摩耗試験機によ
り行い、相手材としてはＳＵＳ４４０リング（ガス窒化
材、表面硬さＨＶ７００以上）を用い、これにサイコロ
形の試験片を押し付け、試験後の摩耗痕深さを測定し
た。

【００２４】図２に、表１に挙げた本発明の複合材料お
よび比較材のＣ／Ｔｉ値と摩耗量比との関係をグラフで
示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１および図２に示したように、Ｃ／Ｔｉ
値がそれぞれ０．２および０．２５である比較材 No.２
および No.３は、分散粒子なしのＡｌ−１０Ｔｉ合金と
同等の耐摩耗性であるのに対し、Ｃ／Ｔｉ値が０．２５
より大きい本発明材 No.４〜No.９はＡｌ−１０Ｔｉ合
金に対して耐摩耗性が向上している。

【００２７】図３に本発明材 No.８の光学顕微鏡写真を
示す。白地がアルミニウムマトリックスであり、そこに
分散している黒色の中型粒子は炭素粒子（黒鉛粒子）で
あり、個々の炭素粒子の外周に隣接する多数の灰色の微
細粒子は炭化チタン粒子である。なお、図３の左寄りに
観察される大きい棒状の相は初晶のＡｌ₃ Ｔｉであり、
この写真では多量に存在するように見えるが実際には少
量であり、複合材料中の総チタン量に対する影響は無視
できる。

【００２８】このように、本発明によりＣ／Ｔｉ値が
０．２５を超えるように炭素粒子を添加することによ
り、炭素粒子の周囲を炭化チタン粒子が取り囲んだ構造
の複合粒子が形成され、耐摩耗性の向上効果が得られ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
耐摩耗性を向上させた炭化チタン粒子分散強化型アルミ
ニウム基複合材料およびその製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明によりin-situ 反応を行うため
の超音波渦流攪拌装置の構成例を模式的に示す配置図で
ある。

【図２】図２は、本発明の複合材料および比較材のＣ／
Ｔｉ値と摩耗量比との関係を示すグラフである。

【図３】図３は、本発明によるＣ−ＴｉＣ複合粒子が分
散したアルミニウム基複合材料の金属組織を示す光学顕
微鏡写真である。

【符号の説明】

１…超音波発振装置 ２…超音波ホーン ３…モータ ４…攪拌子 ５…ヒーター ６…坩堝 ７…溶湯

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウムまたはアルミニウム合金の
   マトリックス中に、炭素粒子の周囲を炭化チタン粒子が
   取り囲んで成る複合粒子が分散していることを特徴とす
   るアルミニウム基複合材料。
2. 【請求項２】 炭素とチタンの含有量が重量比でＣ／Ｔ
   ｉ＞０．２５であることを特徴とする請求項１記載のア
   ルミニウム基複合材料。
3. 【請求項３】 チタンを含有するアルミニウムまたはア
   ルミニウム合金の溶湯に炭素粒子を添加し、該溶湯に超
   音波振動を付与し且つ渦流攪拌を行うことにより該炭素
   粒子と該溶湯とを混合し、該炭素粒子の炭素と該溶湯の
   チタンとを該溶湯中でin-situ 反応させて炭化チタンを
   生成させる工程を含むアルミニウム基複合材料の製造方
   法において、上記炭素粒子の添加を、溶湯の炭素とチタ
   ンの含有量が重量比でＣ／Ｔｉ＞０．２５となるように
   行うことを特徴とするアルミニウム基複合材料の製造方
   法。