JP2001200322A - 金属基複合材料およびその製造方法 - Google Patents
金属基複合材料およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱間加工を必要とせず、分散粒子を内部生成
させたままの状態で空隙の無い緻密な組織を有する金属
基複合材料およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 CuまたはCu合金から成る金属マトリック
ス中に、Ti, Zr, Hf, NbおよびTaから成る群から選択さ
れた金属元素M と、C およびB から成る群から選択され
た非金属元素Ｘとの化合物M-X の粒子が分散している金
属基複合材料の製造方法において、Cuの粉末と、該金属
元素M の粉末と、該非金属元素X の粉末とから成る成形
体を形成する工程、金型内に該成形体と該CuまたはCu合
金の溶湯とを装入する工程、該金型内を加圧状態にする
ことにより、該溶湯を該成形体に含浸させ且つ該含浸さ
れた溶湯を含む該成形体を溶湯鍛造する工程を含むこと
を特徴とする。
させたままの状態で空隙の無い緻密な組織を有する金属
基複合材料およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 CuまたはCu合金から成る金属マトリック
ス中に、Ti, Zr, Hf, NbおよびTaから成る群から選択さ
れた金属元素M と、C およびB から成る群から選択され
た非金属元素Ｘとの化合物M-X の粒子が分散している金
属基複合材料の製造方法において、Cuの粉末と、該金属
元素M の粉末と、該非金属元素X の粉末とから成る成形
体を形成する工程、金型内に該成形体と該CuまたはCu合
金の溶湯とを装入する工程、該金型内を加圧状態にする
ことにより、該溶湯を該成形体に含浸させ且つ該含浸さ
れた溶湯を含む該成形体を溶湯鍛造する工程を含むこと
を特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属基複合材料お
よびその製造方法に関し、特にＣｕまたはＣｕ合金から
成る金属マトリックス中に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂお
よびＴａから成る群から選択された金属元素Ｍと、Ｃお
よびＢから成る群から選択された非金属元素Ｘとの化合
物Ｍ−Ｘの粒子が分散している金属基複合材料およびそ
の製造方法に関する。
よびその製造方法に関し、特にＣｕまたはＣｕ合金から
成る金属マトリックス中に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂお
よびＴａから成る群から選択された金属元素Ｍと、Ｃお
よびＢから成る群から選択された非金属元素Ｘとの化合
物Ｍ−Ｘの粒子が分散している金属基複合材料およびそ
の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】分散強化型金属基複合材料の製造方法と
して、粉末成形体中における分散粒子の内部生成(in-si
tu生成) を用いた方法が知られている。例えば、特開昭
６３−８３２３９号公報に記載された方法を用いて、例
えばＴｉ粉末粒子とＣ（黒鉛）粉末粒子とＡｌまたはＡ
ｌ合金粉末粒子とから成る成形体を不活性雰囲気中で加
熱することにより、ＡｌまたはＡｌ合金から成る金属マ
トリックス中に内部生成させたＴｉＣ粒子が多量に分散
した金属基複合材料を製造し、これを母材としてＡｌま
たはＡｌ合金溶湯中に溶解した後、凝固させる方法が知
られている。
して、粉末成形体中における分散粒子の内部生成(in-si
tu生成) を用いた方法が知られている。例えば、特開昭
６３−８３２３９号公報に記載された方法を用いて、例
えばＴｉ粉末粒子とＣ（黒鉛）粉末粒子とＡｌまたはＡ
ｌ合金粉末粒子とから成る成形体を不活性雰囲気中で加
熱することにより、ＡｌまたはＡｌ合金から成る金属マ
トリックス中に内部生成させたＴｉＣ粒子が多量に分散
した金属基複合材料を製造し、これを母材としてＡｌま
たはＡｌ合金溶湯中に溶解した後、凝固させる方法が知
られている。
【０００３】しかし、上記方法には下記の問題があっ
た。すなわち、（１）母材が多孔質で比重が小さいため
溶湯表面に浮いてしまい、溶湯中に完全に溶解させ難
い。（２）母材が多孔質で熱伝導が悪いため母材全体を
溶解させるのに長時間を要する。（３）溶湯が表面張力
と粘性のために多孔質の母材中に浸透し難い。（４）成
形体中でＴｉ粒子とＣ粒子とが直接接触して粗大なＴｉ
Ｃ粒子が成長し易いこと。（５）成形体の加熱時に成形
体中に残存する酸素や窒素とＡｌが反応してＡｌ粒子の
表面にＡｌ2 Ｏ3 やＡｌＮが生成し、溶湯中への母材の
溶解を妨げる。
た。すなわち、（１）母材が多孔質で比重が小さいため
溶湯表面に浮いてしまい、溶湯中に完全に溶解させ難
い。（２）母材が多孔質で熱伝導が悪いため母材全体を
溶解させるのに長時間を要する。（３）溶湯が表面張力
と粘性のために多孔質の母材中に浸透し難い。（４）成
形体中でＴｉ粒子とＣ粒子とが直接接触して粗大なＴｉ
Ｃ粒子が成長し易いこと。（５）成形体の加熱時に成形
体中に残存する酸素や窒素とＡｌが反応してＡｌ粒子の
表面にＡｌ2 Ｏ3 やＡｌＮが生成し、溶湯中への母材の
溶解を妨げる。
【０００４】本出願人は、これらの問題を解消するため
に、日本特許第２７３４８９１号に開示したように、Ｔ
ｉ粉末もしくはＺｒ粉末とＣ粉末とＡｌまたはＡｌ合金
粉末とから成る成形体を形成し、この成形体中にＡｌま
たはＡｌ合金の溶湯を含浸させた後、不活性雰囲気中に
て１０００〜１８００℃に加熱してＴｉＣ粒子またはＺ
ｒＣ粒子を内部生成させ、その後、これら生成した粒子
を含む成形体をＡｌまたはＡｌ合金の溶湯中に溶解する
方法を開発した。
に、日本特許第２７３４８９１号に開示したように、Ｔ
ｉ粉末もしくはＺｒ粉末とＣ粉末とＡｌまたはＡｌ合金
粉末とから成る成形体を形成し、この成形体中にＡｌま
たはＡｌ合金の溶湯を含浸させた後、不活性雰囲気中に
て１０００〜１８００℃に加熱してＴｉＣ粒子またはＺ
ｒＣ粒子を内部生成させ、その後、これら生成した粒子
を含む成形体をＡｌまたはＡｌ合金の溶湯中に溶解する
方法を開発した。
【０００５】この方法によれば、前記特開昭６３−８３
２３９号公報の諸問題が解消され、溶湯中への溶解性
（分散性）が極めて高い成形体を得ることができ、Ａｌ
またはＡｌ合金マトリックス中に微細なＴｉＣ粒子が均
一に分散した複合材料を容易に且つ能率良く製造するこ
とができる。ただし、この方法は、１０００〜１８００
℃という高温で、通常は３時間以上の加熱を必要とする
上、適用できる成形体のサイズも重量偏析防止等の観点
から必然的に制限され、２０〜３０ｇ程度が限界である
ため、生産性の観点から更に改良が望まれていた。
２３９号公報の諸問題が解消され、溶湯中への溶解性
（分散性）が極めて高い成形体を得ることができ、Ａｌ
またはＡｌ合金マトリックス中に微細なＴｉＣ粒子が均
一に分散した複合材料を容易に且つ能率良く製造するこ
とができる。ただし、この方法は、１０００〜１８００
℃という高温で、通常は３時間以上の加熱を必要とする
上、適用できる成形体のサイズも重量偏析防止等の観点
から必然的に制限され、２０〜３０ｇ程度が限界である
ため、生産性の観点から更に改良が望まれていた。
【０００６】そこで本出願人は、更に改良した方法とし
て、特願平１１−１６８６０８号公報に開示したよう
に、マトリックス金属成分の粉末と、分散粒子を成す化
合物を構成する各元素の粉末とから成る成形体を形成
し、この成形体にマトリックス金属成分の溶湯を含浸さ
せた後に、不活性雰囲気中で急速加熱することにより、
上記化合物の構成元素の１つとマトリックス金属成分と
の金属間化合物が生成する発熱反応を誘起し、この自己
発熱を利用して一気に昇温させ、中間生成物である金属
間化合物から分散粒子としての最終化合物を内部生成さ
せる方法を開発した。
て、特願平１１−１６８６０８号公報に開示したよう
に、マトリックス金属成分の粉末と、分散粒子を成す化
合物を構成する各元素の粉末とから成る成形体を形成
し、この成形体にマトリックス金属成分の溶湯を含浸さ
せた後に、不活性雰囲気中で急速加熱することにより、
上記化合物の構成元素の１つとマトリックス金属成分と
の金属間化合物が生成する発熱反応を誘起し、この自己
発熱を利用して一気に昇温させ、中間生成物である金属
間化合物から分散粒子としての最終化合物を内部生成さ
せる方法を開発した。
【０００７】この方法によれば、前記日本特許第２７３
４８９１号のように１０００〜１８００℃というような
高温に保持する必要がなく、人為的な加熱温度は例えば
７００℃程度としておけば、実際の到達温度は自己発熱
により１３００℃程度にまで自動的に昇温してしまい、
しかも所要時間は数十秒から数分程度と極めて短時間で
良い。更に、加熱が短時間であるため重量偏析が起きに
くいため、成形体サイズの制限も大幅に緩和される。
４８９１号のように１０００〜１８００℃というような
高温に保持する必要がなく、人為的な加熱温度は例えば
７００℃程度としておけば、実際の到達温度は自己発熱
により１３００℃程度にまで自動的に昇温してしまい、
しかも所要時間は数十秒から数分程度と極めて短時間で
良い。更に、加熱が短時間であるため重量偏析が起きに
くいため、成形体サイズの制限も大幅に緩和される。
【０００８】この方法においても、多量の粒子を含有す
る金属基複合材料が得られるので、これを母材として更
にＡｌまたはＡｌ合金の溶湯中に溶解させることによ
り、所望の粒子含有量の金属基複合材料を製造すること
ができる。一方、急速加熱により得られた金属基複合材
料を溶解母材とせず、そのまま所定の金属基複合材料と
して実際に用いることもできる。ただし、その場合に
は、金属基複合材料は内部に空隙を含むことが多いの
で、そのまま用いずに、熱間加工により組織を緻密化す
る必要がある。
る金属基複合材料が得られるので、これを母材として更
にＡｌまたはＡｌ合金の溶湯中に溶解させることによ
り、所望の粒子含有量の金属基複合材料を製造すること
ができる。一方、急速加熱により得られた金属基複合材
料を溶解母材とせず、そのまま所定の金属基複合材料と
して実際に用いることもできる。ただし、その場合に
は、金属基複合材料は内部に空隙を含むことが多いの
で、そのまま用いずに、熱間加工により組織を緻密化す
る必要がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱間加工を
必要とせず、分散粒子を内部生成させたままの状態で空
隙の無い緻密な組織を有する金属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。
必要とせず、分散粒子を内部生成させたままの状態で空
隙の無い緻密な組織を有する金属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。
【００１０】
【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、本発明の金属基複合材料の製造方法は、Ｃｕまた
はＣｕ合金から成る金属マトリックス中に、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、ＮｂおよびＴａから成る群から選択された金
属元素Ｍと、ＣおよびＢから成る群から選択された非金
属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘの粒子が分散している金属基
複合材料の製造方法において、Ｃｕの粉末と、該金属元
素Ｍの粉末と、該非金属元素Ｘの粉末とから成る成形体
を形成する工程、金型内に該成形体と該ＣｕまたはＣｕ
合金の溶湯とを装入する工程、該金型内を加圧状態にす
ることにより、該溶湯を該成形体に含浸させ且つ該含浸
された溶湯を含む該成形体を溶湯鍛造する工程、を含む
ことを特徴とする。
めに、本発明の金属基複合材料の製造方法は、Ｃｕまた
はＣｕ合金から成る金属マトリックス中に、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、ＮｂおよびＴａから成る群から選択された金
属元素Ｍと、ＣおよびＢから成る群から選択された非金
属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘの粒子が分散している金属基
複合材料の製造方法において、Ｃｕの粉末と、該金属元
素Ｍの粉末と、該非金属元素Ｘの粉末とから成る成形体
を形成する工程、金型内に該成形体と該ＣｕまたはＣｕ
合金の溶湯とを装入する工程、該金型内を加圧状態にす
ることにより、該溶湯を該成形体に含浸させ且つ該含浸
された溶湯を含む該成形体を溶湯鍛造する工程、を含む
ことを特徴とする。
【００１１】本発明によれば、金型内で含浸と溶湯鍛造
を行いながら該溶湯温度において内部生成(in-situ生
成) により化合物粒子を形成するので、微細な化合物粒
子が均一に分散し且つ最終形状に近いニアネットシェイ
プの金属基複合材料が得られる。望ましくは、Ｃｕと該
金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍの融点がＣｕの融
点より低い。特に望ましい一態様においては、金属元素
ＭがＴｉであり、Ｃｕよりも融点が低い該金属間化合物
Ｃｕ−ＭすなわちＣｕ−Ｔｉが、ＴｉＣｕ4 、ＴｉＣｕ
2 、Ｔｉ2 Ｃｕ3 、Ｔｉ3 Ｃｕ4 、ＴｉＣｕおよびＴｉ
2 Ｃｕから成る群から選択される少なくとも１種であ
る。これらの金属間化合物の融点をＣｕおよびＴｉの融
点と対比して表１に示す。
を行いながら該溶湯温度において内部生成(in-situ生
成) により化合物粒子を形成するので、微細な化合物粒
子が均一に分散し且つ最終形状に近いニアネットシェイ
プの金属基複合材料が得られる。望ましくは、Ｃｕと該
金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍの融点がＣｕの融
点より低い。特に望ましい一態様においては、金属元素
ＭがＴｉであり、Ｃｕよりも融点が低い該金属間化合物
Ｃｕ−ＭすなわちＣｕ−Ｔｉが、ＴｉＣｕ4 、ＴｉＣｕ
2 、Ｔｉ2 Ｃｕ3 、Ｔｉ3 Ｃｕ4 、ＴｉＣｕおよびＴｉ
2 Ｃｕから成る群から選択される少なくとも１種であ
る。これらの金属間化合物の融点をＣｕおよびＴｉの融
点と対比して表１に示す。
【００１２】
【表１】
【００１３】上記望ましい態様においては、金属間化合
物Ｃｕ−Ｔｉの融点がＣｕの融点以下であるため、含浸
させるＣｕ溶湯の温度がＣｕの融点より若干高い程度で
あれば、Ｃｕ溶湯中における内部生成反応により金属間
化合物Ｃｕ−Ｔｉの生成と、この金属間化合物から最終
生成物ＴｉＣあるいはＴｉＢ2 粒子の生成とが極めて容
易に起きる。このように比較的低温で処理が行えれば、
処理設備の負担あるいは損耗が軽減でき、消費エネルギ
ーも少なくてすむので、製造コストを低減できるという
利点がある。
物Ｃｕ−Ｔｉの融点がＣｕの融点以下であるため、含浸
させるＣｕ溶湯の温度がＣｕの融点より若干高い程度で
あれば、Ｃｕ溶湯中における内部生成反応により金属間
化合物Ｃｕ−Ｔｉの生成と、この金属間化合物から最終
生成物ＴｉＣあるいはＴｉＢ2 粒子の生成とが極めて容
易に起きる。このように比較的低温で処理が行えれば、
処理設備の負担あるいは損耗が軽減でき、消費エネルギ
ーも少なくてすむので、製造コストを低減できるという
利点がある。
【００１４】上記本発明の方法により製造される本発明
の金属基複合材料は、ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属
マトリックス中に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＮｂおよびＴａ
から成る群から選択された金属元素Ｍと、ＣおよびＢか
ら成る群から選択された非金属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘ
の粒子が分散している金属基複合材料において、溶湯鍛
造組織を有し、且つ該化合物Ｍ−Ｘは、（１）上記溶湯
鍛造時にＣｕと該金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍ
の生成を経て該金属間化合物Ｃｕ−Ｍと該非金属元素Ｘ
との反応により該金属元素Ｍと該非金属元素Ｘとの化合
物Ｍ−Ｘとして生成されたものであるか、または（２）
上記溶湯鍛造時に金属間化合物を生成せずに該金属元素
Ｍと該非金属元素Ｘとの反応により生成されたものであ
ることを特徴とする。
の金属基複合材料は、ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属
マトリックス中に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＮｂおよびＴａ
から成る群から選択された金属元素Ｍと、ＣおよびＢか
ら成る群から選択された非金属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘ
の粒子が分散している金属基複合材料において、溶湯鍛
造組織を有し、且つ該化合物Ｍ−Ｘは、（１）上記溶湯
鍛造時にＣｕと該金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍ
の生成を経て該金属間化合物Ｃｕ−Ｍと該非金属元素Ｘ
との反応により該金属元素Ｍと該非金属元素Ｘとの化合
物Ｍ−Ｘとして生成されたものであるか、または（２）
上記溶湯鍛造時に金属間化合物を生成せずに該金属元素
Ｍと該非金属元素Ｘとの反応により生成されたものであ
ることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１に、本発明により金属基複合
材料を製造する工程を模式的に示す。先ず、Ｃｕの粉末
と、金属元素Ｍの粉末と、非金属元素Ｘの粉末とから成
る圧粉成形体を形成する（図１（１））。次に、金型キ
ャビティーに圧粉成形体とＣｕまたはＣｕ合金の溶湯と
を装入する（図１（２））。
材料を製造する工程を模式的に示す。先ず、Ｃｕの粉末
と、金属元素Ｍの粉末と、非金属元素Ｘの粉末とから成
る圧粉成形体を形成する（図１（１））。次に、金型キ
ャビティーに圧粉成形体とＣｕまたはＣｕ合金の溶湯と
を装入する（図１（２））。
【００１６】次に、金型キャビティーにパンチを挿入し
て上記装入物を押圧する（図１（３））。これにより、
成形体への溶湯の含浸が開始する。次に、パンチでの加
圧を更に続行し、含浸された溶湯を含む成形体を鍛造す
る（図１（４））。この鍛造中に、溶湯の温度におい
て、下式で示したようにＣｕと金属元素Ｍとの反応によ
り中間生成物として金属間化合物Ｃｕx Ｍy が生成し、
更にこの金属間化合物Ｃｕx Ｍy と非金属元素Ｘとの反
応により望みの分散粒子として化合物Ｍp Ｘq が生成す
る。
て上記装入物を押圧する（図１（３））。これにより、
成形体への溶湯の含浸が開始する。次に、パンチでの加
圧を更に続行し、含浸された溶湯を含む成形体を鍛造す
る（図１（４））。この鍛造中に、溶湯の温度におい
て、下式で示したようにＣｕと金属元素Ｍとの反応によ
り中間生成物として金属間化合物Ｃｕx Ｍy が生成し、
更にこの金属間化合物Ｃｕx Ｍy と非金属元素Ｘとの反
応により望みの分散粒子として化合物Ｍp Ｘq が生成す
る。
【００１７】Ｃｕ＋Ｍ→Ｃｕx Ｍy Ｃｕx Ｍy ＋Ｘ→Ｃｕ＋Ｍp Ｘq これにより、ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリッ
クス中に化合物Ｍp Ｘ q の微細な粒子が均一に分散して
いる金属複合材料が得られる。図１（５）に、この金属
基複合材料の内部組織の走査顕微鏡像を模式的に示す。
クス中に化合物Ｍp Ｘ q の微細な粒子が均一に分散して
いる金属複合材料が得られる。図１（５）に、この金属
基複合材料の内部組織の走査顕微鏡像を模式的に示す。
【００１８】本発明の他の態様では、下式で示したよう
に、Ｃｕと金属元素Ｍとの金属間化合物を生成せずに、
望みの分散粒子として化合物Ｍp Ｘq が生成する。 Ｍ＋Ｘ→Ｍp Ｘq この場合にも、ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリ
ックス中に化合物ＭpＸq の微細な粒子が均一に分散し
ている金属複合材料が得られる。
に、Ｃｕと金属元素Ｍとの金属間化合物を生成せずに、
望みの分散粒子として化合物Ｍp Ｘq が生成する。 Ｍ＋Ｘ→Ｍp Ｘq この場合にも、ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリ
ックス中に化合物ＭpＸq の微細な粒子が均一に分散し
ている金属複合材料が得られる。
【００１９】
【実施例】本発明により、Ｃｕマトリックス中に強化相
としてＴｉＣ粒子、ＴｉＢ2 粒子、ＺｒＣ粒子のいずれ
かが分散している金属基複合材料を下記の手順で作製し
た。 ＜粉末成形体の形成＞先ず、表２に示す配合で各原料粉
末を秤量し、Ｖ型混合装置により６０分間混合し、４種
類の混合粉末を作成した。表２に示す重量配合比はモル
比換算では、試料１がＴｉ：Ｃ＝１：１、試料２がＴ
ｉ：Ｂ＝１：２、試料３がＺｒ：Ｃ＝１：１、試料４が
Ｎｂ：Ｃ＝１：１であり、それぞれ生成させるべき分散
強化相ＴｉＣ、ＴｉＢ2 、ＺｒＣ、ＮｂＣにおけるＴ
ｉ：Ｃ、Ｔｉ：Ｂ、Ｚｒ：Ｃ、Ｎｂ：Ｃの化学量論比に
合わせた。
としてＴｉＣ粒子、ＴｉＢ2 粒子、ＺｒＣ粒子のいずれ
かが分散している金属基複合材料を下記の手順で作製し
た。 ＜粉末成形体の形成＞先ず、表２に示す配合で各原料粉
末を秤量し、Ｖ型混合装置により６０分間混合し、４種
類の混合粉末を作成した。表２に示す重量配合比はモル
比換算では、試料１がＴｉ：Ｃ＝１：１、試料２がＴ
ｉ：Ｂ＝１：２、試料３がＺｒ：Ｃ＝１：１、試料４が
Ｎｂ：Ｃ＝１：１であり、それぞれ生成させるべき分散
強化相ＴｉＣ、ＴｉＢ2 、ＺｒＣ、ＮｂＣにおけるＴ
ｉ：Ｃ、Ｔｉ：Ｂ、Ｚｒ：Ｃ、Ｎｂ：Ｃの化学量論比に
合わせた。
【００２０】
【表２】
【００２１】上記の混合粉末を、φ６０mmの金型内で成
形圧７ton/cm2 で加圧成形して円柱形状の粉末成形体と
した。 ＜溶湯鍛造＞表３に示す条件で溶湯鍛造を行った。
形圧７ton/cm2 で加圧成形して円柱形状の粉末成形体と
した。 ＜溶湯鍛造＞表３に示す条件で溶湯鍛造を行った。
【００２２】
【表３】
【００２３】すなわち、６００℃に予熱した上記成形体
を、４００℃に予熱した金型キャビティー内に装入した
後、Ａｒ雰囲気下で温度１１５０℃または１３００℃の
純Ｃｕ（純度９９．９％）の溶湯２０ｋｇを注入し、直
ちにパンチをキャビティー内に挿入して圧力１００ＭＰ
ａで５分間加圧した。これにより成形体中への純Ｃｕ溶
湯の含浸と溶湯鍛造とが併行して行われた。室温まで降
温した後に、金型から溶湯鍛造体を取り出した。
を、４００℃に予熱した金型キャビティー内に装入した
後、Ａｒ雰囲気下で温度１１５０℃または１３００℃の
純Ｃｕ（純度９９．９％）の溶湯２０ｋｇを注入し、直
ちにパンチをキャビティー内に挿入して圧力１００ＭＰ
ａで５分間加圧した。これにより成形体中への純Ｃｕ溶
湯の含浸と溶湯鍛造とが併行して行われた。室温まで降
温した後に、金型から溶湯鍛造体を取り出した。
【００２４】＜解析＞得られた溶湯鍛造体について、光
学顕微鏡および走査電子顕微鏡による組織観察と、Ｘ線
回折による存在相の同定を行った。光学顕微鏡による組
織観察の結果、いずれの試料も典型的な溶湯鍛造組織で
あった。すなわち、熱間加工材のような加工組織を実質
的に含まない微細な鋳造組織から成り、且つ、成形体に
溶湯を含浸させて急速加熱によりＴｉＣ粒子、ＴｉＢ2
粒子、ＺｒＣ粒子のいずれかを内部生成させた従来材に
比べて組織が緻密であり、空隙が認められなかった。
学顕微鏡および走査電子顕微鏡による組織観察と、Ｘ線
回折による存在相の同定を行った。光学顕微鏡による組
織観察の結果、いずれの試料も典型的な溶湯鍛造組織で
あった。すなわち、熱間加工材のような加工組織を実質
的に含まない微細な鋳造組織から成り、且つ、成形体に
溶湯を含浸させて急速加熱によりＴｉＣ粒子、ＴｉＢ2
粒子、ＺｒＣ粒子のいずれかを内部生成させた従来材に
比べて組織が緻密であり、空隙が認められなかった。
【００２５】走査電子顕微鏡による組織観察の結果は、
表４にまとめて示すとおりであった。表４には、Ｘ線回
折により同定した存在相も併せて示す。表４に示した相
のみが検出され、他の相は検出されなかった。
表４にまとめて示すとおりであった。表４には、Ｘ線回
折により同定した存在相も併せて示す。表４に示した相
のみが検出され、他の相は検出されなかった。
【００２６】
【表４】
【００２７】すなわち、試料１、２は溶湯温度が１１５
０℃と低くても、Ｃｕから成る金属マトリックス中に粒
径０．５μｍ程度の微細なＴｉＣ粒子（試料１）または
粒径２μｍ程度の微細なＴｉＢ2 粒子（試料２）が均一
に分散している金属基複合材料であった。溶湯温度１１
５０℃の場合について、試料１、２のミクロ組織の走査
電子顕微鏡写真をそれぞれ図２、３に示す。更に、試料
１は溶湯温度が１３００℃と高い場合には、Ｃｕから成
る金属マトリックス中に上記よりは若干大きいが粒径１
μｍ程度の微細なＴｉＣ粒子が均一に分散している金属
基複合材料であった。
０℃と低くても、Ｃｕから成る金属マトリックス中に粒
径０．５μｍ程度の微細なＴｉＣ粒子（試料１）または
粒径２μｍ程度の微細なＴｉＢ2 粒子（試料２）が均一
に分散している金属基複合材料であった。溶湯温度１１
５０℃の場合について、試料１、２のミクロ組織の走査
電子顕微鏡写真をそれぞれ図２、３に示す。更に、試料
１は溶湯温度が１３００℃と高い場合には、Ｃｕから成
る金属マトリックス中に上記よりは若干大きいが粒径１
μｍ程度の微細なＴｉＣ粒子が均一に分散している金属
基複合材料であった。
【００２８】これに対して、試料３は、溶湯温度が１１
５０℃と低い場合には、最終生成物であるＺｒＣと共に
中間生成物であるＣｕ−Ｚｒ系金属間化合物も存在して
おり、溶解温度を１３００℃に高めた場合に、Ｃｕから
成る金属マトリックス中に上記よりは若干大きいが粒径
２μｍ程度の微細なＺｒＣ粒子が均一に分散している金
属基複合材料が得られた。溶湯温度１３００℃の場合に
ついて、試料３のミクロ組織の走査電子顕微鏡写真を図
４に示す。
５０℃と低い場合には、最終生成物であるＺｒＣと共に
中間生成物であるＣｕ−Ｚｒ系金属間化合物も存在して
おり、溶解温度を１３００℃に高めた場合に、Ｃｕから
成る金属マトリックス中に上記よりは若干大きいが粒径
２μｍ程度の微細なＺｒＣ粒子が均一に分散している金
属基複合材料が得られた。溶湯温度１３００℃の場合に
ついて、試料３のミクロ組織の走査電子顕微鏡写真を図
４に示す。
【００２９】また、試料４は、溶湯温度が１１５０℃と
低い場合には、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｃ共に単体のみが存在し、
化合物は生成しておらず、溶湯温度を１３００℃に高め
た場合に、Ｃｕから成る金属マトリックス中に粒径２μ
ｍ程度の微細なＮｂＣ粒子が均一に分散している金属基
複合材料が得られた。溶湯温度１３００℃の場合につい
て、試料４のミクロ組織の走査電子顕微鏡写真を図５に
示す。このように、Ｃｕと金属間化合物を生成しないＮ
ｂを用いると、低温（１１５０℃）では実質的に化合物
が生成せず、高温（１３００℃）で直接にＮｂＣ粒子が
生成する。
低い場合には、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｃ共に単体のみが存在し、
化合物は生成しておらず、溶湯温度を１３００℃に高め
た場合に、Ｃｕから成る金属マトリックス中に粒径２μ
ｍ程度の微細なＮｂＣ粒子が均一に分散している金属基
複合材料が得られた。溶湯温度１３００℃の場合につい
て、試料４のミクロ組織の走査電子顕微鏡写真を図５に
示す。このように、Ｃｕと金属間化合物を生成しないＮ
ｂを用いると、低温（１１５０℃）では実質的に化合物
が生成せず、高温（１３００℃）で直接にＮｂＣ粒子が
生成する。
【００３０】試料１、２、３、４の金属基複合材料のＴ
ｉＣ粒子、ＴｉＢ2 粒子、ＺｒＣ粒子、ＮｂＣ粒子の含
有量は、原料粉末の配合比からそれぞれ１５．５ｗｔ
％、１３．３ｗｔ％、２０．０ｗｔ％、１４．０ｗｔ％
と見積もることができる。ここで、Ｃｕと金属間化合物
を生成する金属であるＴｉまたはＺｒを用いた場合（試
料１〜３）に、ＴｉＣ粒子（試料１）、ＴｉＢ2 粒子
（試料２）が低温（１１５０℃）で内部生成を完了した
のに対して、ＺｒＣ粒子（試料３）が低温（１１５０
℃）では内部生成が未完であり高温（１３００℃）で初
めて内部生成が完了したのは、ＺｒＣの前駆体である中
間生成物のＣｕ−Ｚｒ金属間化合物が、ＴｉＣ、ＴｉＢ
2 の前駆体である中間生成物のＣｕ−Ｔｉ金属間化合物
よりも高融点であるため、内部反応の進行に高温を必要
としたためである。
ｉＣ粒子、ＴｉＢ2 粒子、ＺｒＣ粒子、ＮｂＣ粒子の含
有量は、原料粉末の配合比からそれぞれ１５．５ｗｔ
％、１３．３ｗｔ％、２０．０ｗｔ％、１４．０ｗｔ％
と見積もることができる。ここで、Ｃｕと金属間化合物
を生成する金属であるＴｉまたはＺｒを用いた場合（試
料１〜３）に、ＴｉＣ粒子（試料１）、ＴｉＢ2 粒子
（試料２）が低温（１１５０℃）で内部生成を完了した
のに対して、ＺｒＣ粒子（試料３）が低温（１１５０
℃）では内部生成が未完であり高温（１３００℃）で初
めて内部生成が完了したのは、ＺｒＣの前駆体である中
間生成物のＣｕ−Ｚｒ金属間化合物が、ＴｉＣ、ＴｉＢ
2 の前駆体である中間生成物のＣｕ−Ｔｉ金属間化合物
よりも高融点であるため、内部反応の進行に高温を必要
としたためである。
【００３１】すなわち、表５に示すように、Ｃｕ−Ｚｒ
金属間化合物にはＣｕの融点よりも高い融点を持つ組成
のものがあり、内部反応全体として高い反応温度を必要
とする。このように、Ｃｕ−Ｍ−Ｘ系において最終生成
物Ｍ−Ｘの前駆体すなわち中間生成物である金属間化合
物Ｃｕ−Ｍは、融点が低い方が望ましく、特にＣｕの融
点よりも低いことが望ましい。これにより、より低い溶
湯温度で内部生成を完了させることができる。
金属間化合物にはＣｕの融点よりも高い融点を持つ組成
のものがあり、内部反応全体として高い反応温度を必要
とする。このように、Ｃｕ−Ｍ−Ｘ系において最終生成
物Ｍ−Ｘの前駆体すなわち中間生成物である金属間化合
物Ｃｕ−Ｍは、融点が低い方が望ましく、特にＣｕの融
点よりも低いことが望ましい。これにより、より低い溶
湯温度で内部生成を完了させることができる。
【００３２】
【表５】
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱間加工を必要とせず、分散粒子を内部生成させたまま
の状態で空隙の無い緻密な組織を有する金属基複合材料
およびその製造方法が提供される。
熱間加工を必要とせず、分散粒子を内部生成させたまま
の状態で空隙の無い緻密な組織を有する金属基複合材料
およびその製造方法が提供される。
【図１】図１は、本発明により金属基複合材料を製造す
る基本工程を模式的に示す断面図である。
る基本工程を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明によるＴｉＣ粒子分散Ｃｕ基複
合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真であ
る。
合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真であ
る。
【図３】図３は、本発明によるＴｉＢ2 粒子分散Ｃｕ基
複合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真で
ある。
複合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真で
ある。
【図４】図４は、本発明によるＺｒＣ粒子分散Ｃｕ基複
合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真であ
る。
合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真であ
る。
【図５】図５は、本発明によるＮｂＣ粒子分散Ｃｕ基複
合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真であ
る。
合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真であ
る。
Claims (9)
- 【請求項１】 ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリ
ックス中に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＮｂおよびＴａから成
る群から選択された金属元素Ｍと、ＣおよびＢから成る
群から選択された非金属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘの粒子
が分散している金属基複合材料の製造方法において、 Ｃｕの粉末と、該金属元素Ｍの粉末と、該非金属元素Ｘ
の粉末とから成る成形体を形成する工程、 金型内に該成形体と該ＣｕまたはＣｕ合金の溶湯とを装
入する工程、 該金型内を加圧状態にすることにより、該溶湯を該成形
体に含浸させ且つ該含浸された溶湯を含む該成形体を溶
湯鍛造する工程、を含むことを特徴とする金属基複合材
料の製造方法。 - 【請求項２】 該金属元素ＭがＴｉ、ＺｒおよびＨｆか
ら成る群から選択され、該溶湯鍛造中にＣｕと該金属元
素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍの生成を経て該金属間化
合物Ｃｕ−Ｍと該非金属元素Ｘとの反応により前記化合
物Ｍ−Ｘの粒子を生成させることを特徴とする請求項１
記載の方法。 - 【請求項３】 Ｃｕと該金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃ
ｕ−Ｍの融点がＣｕの融点より低いことを特徴とする請
求項２記載の方法。 - 【請求項４】 該金属元素ＭがＴｉであり、Ｃｕよりも
融点が低い該金属間化合物Ｃｕ−Ｍが、ＴｉＣｕ4 、Ｔ
ｉＣｕ2 、Ｔｉ2 Ｃｕ3 、Ｔｉ3 Ｃｕ4 、ＴｉＣｕおよ
びＴｉ2 Ｃｕから成る群から選択される少なくとも１種
であることを特徴とする請求項３記載の方法。 - 【請求項５】 該金属元素ＭがＮｂおよびＴａから成る
群から選択され、該溶湯鍛造中に金属間化合物を生成せ
ずに該金属元素Ｍと該非金属元素Ｘとの反応により前記
化合物Ｍ−Ｘの粒子を生成させることを特徴とする請求
項１記載の方法。 - 【請求項６】 ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリ
ックス中に、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆから成る群から選択
された金属元素Ｍと、ＣおよびＢから成る群から選択さ
れた非金属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘの粒子が分散してい
る金属基複合材料において、 溶湯鍛造組織を有し、且つ該化合物Ｍ−Ｘは、上記溶湯
鍛造時にＣｕと該金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍ
の生成を経て該金属間化合物Ｃｕ−Ｍと該非金属元素Ｘ
との反応により該金属元素Ｍと該非金属元素Ｘとの化合
物Ｍ−Ｘとして生成されたものであることを特徴とする
金属基複合材料。 - 【請求項７】 Ｃｕと該金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃ
ｕ−Ｍの融点がＣｕの融点より低いことを特徴とする請
求項６記載の金属基複合材料。 - 【請求項８】 該金属元素ＭがＴｉであり、Ｃｕよりも
融点が低い該金属間化合物Ｃｕ−Ｍが、ＴｉＣｕ4 、Ｔ
ｉＣｕ2 、Ｔｉ2 Ｃｕ3 、Ｔｉ3 Ｃｕ4 、ＴｉＣｕおよ
びＴｉ2 Ｃｕから成る群から選択される少なくとも１種
であることを特徴とする請求項７記載の金属基複合材
料。 - 【請求項９】 ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリ
ックス中に、ＮｂおよびＴａから成る群から選択された
金属元素Ｍと、ＣおよびＢから成る群から選択された非
金属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘの粒子が分散している金属
基複合材料において、 溶湯鍛造組織を有し、且つ該化合物Ｍ−Ｘは、上記溶湯
鍛造時に金属間化合物を生成せずに該金属元素Ｍと該非
金属元素Ｘとの反応により生成されたものであることを
特徴とする金属基複合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000008282A JP4045712B2 (ja) | 2000-01-17 | 2000-01-17 | 金属基複合材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000008282A JP4045712B2 (ja) | 2000-01-17 | 2000-01-17 | 金属基複合材料の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001200322A true JP2001200322A (ja) | 2001-07-24 |
| JP4045712B2 JP4045712B2 (ja) | 2008-02-13 |
Family
ID=18536573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000008282A Expired - Fee Related JP4045712B2 (ja) | 2000-01-17 | 2000-01-17 | 金属基複合材料の製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4045712B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008049399A (ja) * | 2006-07-27 | 2008-03-06 | Iwate Industrial Research Center | プリフォームの製造方法，プリフォーム及びプリフォームを使用した鋳ぐるみ品 |
| JP2008284589A (ja) * | 2007-05-17 | 2008-11-27 | Nagoya Institute Of Technology | 微細粒子粉末が複合化された微細粒子複合材料の製造方法 |
| JP2009154181A (ja) * | 2007-12-26 | 2009-07-16 | Nihon Ceratec Co Ltd | 複合部材およびその製造方法 |
| WO2010024621A2 (ko) * | 2008-08-29 | 2010-03-04 | 경상대학교산학협력단 | 저압함침장치 |
| JP2014051712A (ja) * | 2012-09-07 | 2014-03-20 | Ulvac Japan Ltd | Ｃｕ−Ｇａ系合金ターゲット及びその製造方法 |
| CN106282650A (zh) * | 2016-09-18 | 2017-01-04 | 山东大学 | 一种富硼微纳米球增强铜基复合材料及其制备方法 |
| CN114945696A (zh) * | 2020-01-16 | 2022-08-26 | 可隆工业株式会社 | 复合材料 |
-
2000
- 2000-01-17 JP JP2000008282A patent/JP4045712B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| WO2010024621A2 (ko) * | 2008-08-29 | 2010-03-04 | 경상대학교산학협력단 | 저압함침장치 |
| WO2010024621A3 (ko) * | 2008-08-29 | 2010-06-24 | 경상대학교산학협력단 | 저압함침장치 |
| KR101002614B1 (ko) | 2008-08-29 | 2010-12-20 | 경상대학교산학협력단 | 저압함침장치 |
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