JP2003183748A - マグネシウム基分散強化型複合材料の製造方法、それに用いる強化材粒子およびその製造方法 - Google Patents

マグネシウム基分散強化型複合材料の製造方法、それに用いる強化材粒子およびその製造方法

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JP2003183748A
JP2003183748A JP2001386324A JP2001386324A JP2003183748A JP 2003183748 A JP2003183748 A JP 2003183748A JP 2001386324 A JP2001386324 A JP 2001386324A JP 2001386324 A JP2001386324 A JP 2001386324A JP 2003183748 A JP2003183748 A JP 2003183748A
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sic
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Takuya Sakaguchi
琢哉 坂口
Masahiro Kubo
雅洋 久保
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Mg基分散強化型複合材料において、特別な
設備も煩雑な工程も必要とせず、プリフォームの割れ発
生の危険が無く、困難な条件設定も必要とせずに、容易
かつ確実にSiC粒子の均一分散を実現する。 【解決手段】 酸化性雰囲気中での熱処理により表面に
SiO層を形成したSiC粒子をMgまたはMg合金
の溶湯に添加して鋳造することにより、MgまたはMg
合金マトリクス中にSiC強化材粒子が均一に分散した
Mg基複合材料が製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マグネシウムまた
はマグネシウム合金から成るマトリクス中に強化材とし
てSiC粒子を分散させたマグネシウム基複合材料の製
造方法、それに用いる強化材粒子および強化材粒子の製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】航空機や自動車等の構造部材等として、
マグネシウムまたはマグネシウム合金から成るマトリク
ス中に強化材としてSiC粒子を分散させたマグネシウ
ム基分散強化型複合材料が種々開発されている。
【0003】その製造においては、SiC粒子による分
散強化作用の発現を確保するために、マグネシウムまた
はマグネシウム合金から成るマトリクス(以下、総括的
に「Mgマトリクス」とも表示する)中に、SiC粒子
を如何に均一分散させるかが重要なポイントとなる。
【0004】ここで、均一分散させるには、SiC粒子
とマグネシウムまたはマグネシウム合金の溶湯(以下、
総括的に「Mg溶湯」とも表示する)との濡れ性を確保
する必要がある。すなわち、SiC粒子はMg溶湯に対
して濡れ性が低いため、単にSiC粒子をMg溶湯中に
添加しても溶湯表面に浮いてしまい、溶湯内に取り込ま
れて均一分散することが困難である。特に、強化作用を
高めるためにSiC粒子を微細にするほどこの傾向が敬
著になる。
【0005】従来、このような低い濡れ性という障壁を
超えて均一分散を実現するために、大別すると下記の方
法が行なわれてきた。
【0006】(1)SiC粉末をMg溶湯に添加する際
に、Mg溶湯に超音波振動等による強制攪拌を行なう。
【0007】(2)SiC粉末を加圧成形してプリフォ
ームを作製し、このSiCプリフォームに高圧鋳造法に
よりMg溶湯を充填(含浸)する。
【0008】(3)浸透助剤としてSiOまたはTi
を混入させたSiCプリフォームをMg溶湯に接触
させて、浸透現象を生じさせる(特開平9−18403
1号公報を参照)。
【0009】しかし、上記従来の方法(1)〜(3)に
はそれぞれ下記の問題があった。
【0010】(1)超音波振動装置等の強制攪拌装置を
必要とするため、設備コストが増加し、また攪拌工程が
必要なため製造工程が煩雑になる。
【0011】(2)高圧鋳造によるMg溶湯の充填時
に、SiCプリフォームが割れてしまうことがある。特
に、プリフォーム形状が複雑な場合にはその危険が高く
なる。
【0012】(3)プリフォームへのMg溶湯の浸透現
象を生じさせるためには、プリフォーム予熱温度、浸透
助剤量等の諸条件を個々のプリフォーム形状に応じて設
定する必要があるが、実際にはこの条件設定が困難であ
り、プリフォーム中へ十分にMg溶湯を浸透させること
ができない。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題点を解消し、特別な設備も煩雑な工程も必要と
せず、プリフォームの割れ発生の危険が無く、困難な条
件設定も必要とせずに、容易かつ確実にSiC粒子の均
一分散を実現できるマグネシウム基分散強化型複合材料
の製造方法、それに用いる強化粒子およびその製造方法
を提供することを目的とする。
【0014】
【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、本願第1発明によれば、マグネシウムまたはマグ
ネシウム合金から成るマトリクス中に強化材としてSi
C粒子を分散させたマグネシウム基複合材料の製造方法
において、マグネシウムまたはマグネシウム合金の溶湯
を用意する工程、SiC粒子を酸化性雰囲気中で熱処理
して、その表面にSiO層を形成する工程、上記Si
層を形成したSiC粒子を、上記溶湯に添加する工
程、および上記SiC粒子を添加した溶湯を鋳造する工
程、を含むことを特徴とするマグネシウム基分散強化型
複合材料の製造方法が提供される。
【0015】上記鋳造の方法は特に限定する必要はな
く、最も簡便には重力鋳造により行なうことができる。
【0016】また、本願第2発明によれば、第1発明の
方法に用いる強化材としてのSiC粒子において、表面
酸化により形成されたSiO層を備えたSiC粒子か
ら成ることを特徴とするSiC強化材粒子が提供され
る。
【0017】更に、本願第3発明によれば、第2発明の
SiC強化材粒子の製造方法において、SiC粒子を酸
化性雰囲気中で熱処理して、その表面にSiO層を形
成する工程を含むことを特徴とするSiC強化材粒子の
製造方法が提供される。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明においては、強化材として
のSiC粒子の表面に形成したSiO層が、Mg溶湯
中でMgと下記式の反応をする。
【0019】SiO+3Mg→MgSi+MgO この反応による発熱によってSiC粒子とMg溶湯との
濡れが促進されるため、SiC粒子がMg溶湯中に容易
に取り込まれ、均一に分散する。
【0020】したがって、従来のように超音波振動等の
強制攪拌、高圧鋳造、浸透助剤を用いる必要はない。
【0021】SiOとMgとの反応によって過剰の反
応熱が発生するとSiC自体が分解してしまう。これを
防止するために、反応物質であるSiOの量が過剰に
ならないようにする。この観点から、SiC粒子の表面
に形成するSiO層の厚さは、SiC粒子の直径の1
%以下とすることが適当である。
【0022】一般に、SiC粒子の添加量は、Mg溶湯
量に対して1〜10mass%程度が適当である。SiC粒
子による分散強化作用を得るには添加量1mass%以上が
必要であるが、添加量が10mass%を超えるとMg溶湯
の粘性が高くなり過ぎて鋳造が困難になる。
【0023】
【実施例】本発明によりSiC分散強化型Mg基複合材
料を下記手順で作製した。 〔SiO被覆SiC強化材粒子の作製〕平均粒径15
μmのSiC粉末を大気雰囲気中で種々の温度にて種々
の保持時間熱処理して、粉末粒子表面に酸化層を形成し
た。
【0024】形成された表面酸化層はX線解析(CuK
α線)によりSiOと同定された。図1に、代表例と
して1500℃×1時間の熱処理を施した粉末サンプル
についてのX線回折チャートを示す。同チャートに示さ
れるように、下地のSiCの回折ピークと表面酸化層の
SiOの回折ピークとが認められた。
【0025】図2および図3に、種々の温度で1時間熱
処理した場合および温度1500℃で種々の時間熱処理
した場合の表面酸化層厚さを示す。
【0026】同図に示したように、表面酸下層の厚さ
は、熱処理の温度および時間の増加に対していずれも両
対数プロットで直線的に増加する関係であった。
【0027】本実施例で用いたSiC粒子の平均粒径1
5μmに対して、Mgとの反応熱が過剰にならない適当
な表面SiO層厚さの上限は0.15μm(150n
m)である。これに基づいて、1000℃×1時間の熱
処理(図2中の中央のプロット。酸下層厚さ:25n
m)を行なったSiC粒子を次工程に用いた。 〔Mg溶湯への添加〕Mg合金AZ91Dの溶湯をSF
ガス雰囲気中にて溶製し、溶湯温度を700℃に保持
した。
【0028】前工程で1000℃×1時間の熱処理を施
したSiC粒子を、溶湯量に対して0.5〜10mass%
となる種々の量で上記溶湯に直接添加した。
【0029】上記温度の溶湯をキャビティーが直径50
mm、高さ30mmの円柱状である金型に重力鋳造し
た。
【0030】AZ91Dの場合、SiC粒子添加時およ
び鋳造時の溶湯温度は、一般に650〜700℃程度が
適当である。
【0031】鋳造されたサンプルについて電子顕微鏡観
察を行い、AZ91D合金から成るマトリクス中に強化
材としてSiC粒子が均一に分散した複合材料が得られ
たことを確認した。
【0032】これら本発明によるSiC粒子分散強化型
Mg基複合材料サンプルについて、下記の特性試験を行
った。 〔耐摩耗性試験〕下記条件で摩耗試験を行った。
【0033】摩耗試験条件 摩耗速度:160rpm、摩耗時間:60分、基油:5
W−30、相手材:SUJ−2、温度:室温、荷重:1
96N 得られた結果を図4に示す。同図には比較のためSiC
無添加のAZ91D合金(マトリクス材)についての結
果も併せて示した。図示したように、SiC添加量が1
mass%(図中の左から3番目のプロット)以上になる
と、耐摩耗性が急激に向上する。典型的には、比較例で
あるSiC無添加のAZ91Dサンプルでは摩耗量が2
00μmであったのに対して、本発明によるSiC添加
量10mass%のMg基複合材料では摩耗量が25μmに
低下した。 〔高温軸力保持試験〕本発明によるSiC添加量10ma
ss%のMg基複合材料について、150℃に長時間保持
した後の軸力保持率を測定した。軸力保持率は、150
℃保持前の初期軸力に対する150℃保持後の軸力の比
率(%)で表す。得られた結果を、比較例としてのSi
C無添加のAZ91D合金(マトリクス材)についての
結果と併せて、図5に示す。
【0034】図示したように、比較例であるSiC無添
加のAZ91D合金は150℃×100時間の高温保持
により軸力保持率はゼロまで低下した。これに対して、
本発明によるSiC添加量10mass%のMg基複合材料
は、150℃×100時間で70%、150℃×300
時間でも60%の軸力保持率が達成された。
【0035】なお、本実施例において試験した耐摩耗性
と高温軸力保持特性に及ぼすSiC粒径の定性的な影響
としては、耐摩耗性向上には粒径が大きい方が望まし
く、高温軸力保持特性向上には粒径が小さい方が望まし
い。複合材料を採用する具体的な個々の用途に必要な耐
摩耗性および高温軸力特性に応じて、適宜SiC粒径を
選択することができる。
【0036】
【発明の効果】本発明によれば、SiC分散強化型Mg
基複合材料において、特別な設備も煩雑な工程も必要と
せず、プリフォームの割れ発生の危険が無く、困難な条
件設定も必要とせずに、容易かつ確実にSiC粒子の均
一分散を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明により表面にSiO層を形成
したSiC粒子のX線回折チャートの代表例である。
【図2】図2は、本発明によりSiC粒子を熱処理した
際に粒子表面に形成したSiO 層の厚さと熱処理温度
との関係を示す両対数グラフである。
【図3】図3は、本発明によりSiC粒子を熱処理した
際に粒子表面に形成したSiO 層の厚さと熱処理時間
との関係を示す両対数グラフである。
【図4】図4は、本発明により製造したSiC粒子分散
強化型Mg基複合材料の摩耗量とSiC添加量との関係
を示すグラフである。ただし、比較例としてSiC無添
加のAZ91D合金(マトリクス材)についての測定値
も併せて示す。
【図5】図5は、本発明により製造したSiC粒子分散
強化型Mg基複合材料の高温軸力保持特性を、SiC無
添加のAZ91D合金(マトリクス材)と比較して示す
グラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22C 32/00 C22C 32/00 V

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マグネシウムまたはマグネシウム合金か
    ら成るマトリクス中に強化材としてSiC粒子を分散さ
    せたマグネシウム基複合材料の製造方法において、 マグネシウムまたはマグネシウム合金の溶湯を用意する
    工程、 SiC粒子を酸化性雰囲気中で熱処理して、その表面に
    SiO層を形成する工程、 上記SiO層を形成したSiC粒子を、上記溶湯に添
    加する工程、および上記SiC粒子を添加した溶湯を鋳
    造する工程、を含むことを特徴とするマグネシウム基分
    散強化型複合材料の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記鋳造を重力鋳造により行なうことを
    特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の方法に用いる強
    化材としてのSiC粒子において、 表面酸化により形成されたSiO層を備えたSiC粒
    子から成ることを特徴とするSiC強化材粒子。
  4. 【請求項4】 請求項2記載のSiC強化材粒子の製造
    方法において、 SiC粒子を酸化性雰囲気中で熱処理して、その表面に
    SiO層を形成する工程を含むことを特徴とするSi
    C強化材粒子の製造方法。
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