JP2004060056A5

JP2004060056A5 -

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Publication number: JP2004060056A5
Application number: JP2003209616A
Authority: JP
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2017-05-28

Description

【発明の名称】Ｍｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】強化材集合体と、Ｍｇ又はＭｇ合金を充填した容器としてルツボとをチャンバー内に収容し、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯に対して防燃効果を持ち、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯表面に保護膜を形成しないガスで前記チャンバー内をガス置換した後、前記ルツボ内のＭｇ又はＭｇ合金を溶解して溶湯とし、その後に前記強化材集合体を下降させ、前記容器ルツボ内の溶湯に接触させることにより、前記溶湯を前記強化材集合体内に浸透させることを特徴とするＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法。
【請求項２】前記Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯に対して防燃効果を持ち、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯表面に保護膜を形成しないガスが、不活性ガスであることを特徴とする請求項１に記載のＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法。
【請求項３】前記Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯に対して防燃効果を持ち、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯表面に保護膜を形成しないガスが、Ｎ₂ガス、ＣＯ₂ガス、Ａｒガスのいずれか一つ又はそれらの混合ガスを主成分とし、その合計量が前記強化材集合体内の気体総量の９８容量％以上であり、その他の不純物ガスのうち、ＳＦ₆ガス及びＳＯ₂ガスの濃度が強化材集合体内の気体総量に対して、各々０．１容量％未満であることを特徴とする請求項１に記載のＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法。
【請求項４】前記強化材集合体を操作棒に固定し、該操作棒を下降させることにより、前記強化材集合体を下降させ、前記強化材集合体の少なくとも一部を前記溶湯に接触させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｍｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、溶湯攪拌法、粉末冶金法及び溶湯鍛造法（スクイズキャスト法）等の複合化技術がＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法として広く知られている。この中でも、比較的量産性に優れるため、溶湯鍛造法が軽合金をマトリックスとした複合材料の製造方法として主流となっている。しかし、該溶湯鍛造法は、溶湯を高い圧力で加圧する必要があるため、設備が大規模かつ高価になり、これによって複合材料の製造コストも高くなり、複合材料の実用化に対する大きな障害となっている。
【０００３】
図３は、従来の溶湯鍛造法によるＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法を示す断面図である。この溶湯鍛造法のように溶湯を取扱う場合は、通常、ＳＦ₆ガスを用いた溶湯の防燃措置がとられている。図を用いて製造方法を説明すると、まず、強化材集合体１０１が載置されている金型１０２内に、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯１０３を注湯する。次いで、プランジャー１０４にて溶湯１０３を加圧し、複合化を行う。溶湯１０３の酸化や燃焼を防ぐため、金型１０２内には保護性ガス（例えば、ＣＯ₂＋０．５容量％ＳＦ₆混合ガス）１０５が予め導入されている。
【０００４】
ここで、複合化時の強化材とＭｇ又はＭｇ合金溶湯との界面に着目してみると、従来法では、強化材は最初に溶湯表面の安定（不活性）な保護膜と接触することがわかる。この保護膜はＭｇ（マグネシウム）、Ｏ（酸素）、Ｆ（弗素）、Ｓ（硫黄）からなる複合化合物の薄膜と考えられているが、強化材と該保護膜の濡れ性が悪いため、複合化に際し上述のように溶湯への加圧が必要となる。また、溶湯への加圧により保護膜が一旦破壊されても強化材集合体内が保護性ガスである場合、溶湯表面には新たな保護膜が瞬時に形成される。このため継続的な溶湯への加圧が必要となる。
【０００５】
上記問題を解決するためには、強化材とマトリックス金属の溶湯との濡れ性を改善する必要があり、このことによって溶湯への加圧力の低減又は加圧の省略が可能となる。このため、強化材とマトリックス金属の溶湯との濡れ性を改善する多くの努力がこれまでに払われてきたが、量産性、低コスト及び複合材料の健全性を同時に満足する方法はこれまでに確立されていない。
例えば、特公平７−１００８３４号、第２５７６１８６号、第２５７６１８８号、特開平１−２７９７２１号に開示されているように、強化材に金属酸化物、金属微細片又は金属フッ化物を均一に混合した成型体を形成し、その成型体の少なくとも一部をＭｇ又はＭｇ合金溶湯に接触させることによって、加圧なしに溶湯を成型体に浸透させる方法が知られている。この方法によれば、溶湯の加圧設備が不要となり、ある種の条件下では鋳造用の金型が不要となり、鋳造歩留りが向上する等の製造上のメリットをもたらす。このため、量産性、低コストという観点では進歩がみられる。
【０００６】
しかし、金属酸化物、金属微細片、金属フッ化物自体又はそれらの物質とマトリックス金属溶湯との反応生成物は、多くの場合、複合材料中の不純物となり複合材料の特性を低下させる。このため、複合材料の健全性という観点では不十分であり、さらに、金属酸化物、金属微細片又は金属フッ化物自体のコストが上積みされる問題点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、マトリックス金属の溶湯を加圧せず、かつ、金属酸化物、金属微細片又は金属フッ化物を用いずに、不純物のない健全なＭｇ基複合材料及びＭｇ合金基複合材料を効率よく、安価に製造する方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載された発明は、Ｍｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法であって、強化材集合体と、Ｍｇ又はＭｇ合金を充填した容器としてルツボとをチャンバー内に収容し、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯に対して防燃効果を持ち、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯表面に保護膜を形成しないガスで前記チャンバー内をガス置換した後、前記ルツボ内のＭｇ又はＭｇ合金を溶解して溶湯とし、その後に前記強化材集合体を下降させ、前記容器ルツボ内の溶湯に接触させることにより、前記溶湯を前記強化材集合体内に浸透させることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載のＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法において、前記Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯に対して防燃効果を持ち、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯表面に保護膜を形成しないガスが、不活性ガスであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載された発明は、請求項１に記載のＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法において、前記Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯に対して防燃効果を持ち、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯表面に保護膜を形成しないガスが、Ｎ₂ガス、ＣＯ₂ガス、Ａｒガスのいずれか一つ又はそれらの混合ガスを主成分とし、その合計量が前記強化材集合体内の気体総量の９８容量％以上であり、その他の不純物ガスのうち、ＳＦ₆ガス及びＳＯ₂ガスの濃度が強化材集合体内の気体総量に対して、各々０．１容量％未満であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法において、前記強化材集合体を操作棒に固定し、該操作棒を下降させることにより、前記強化材集合体を下降させ、前記強化材集合体の少なくとも一部を前記溶湯に接触させることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、強化材集合体内のガスをＭｇ又はＭｇ合金溶湯に対して防燃効果を持ち、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯表面に保護膜を形成しないガスとし、この強化材集合体の少なくとも一部をＭｇ又はＭｇ合金溶湯に接触させ、該溶湯を強化材集合体内に浸透させることによって、従来のＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法における上記課題を解決できることを見出した。この製造方法によれば、金属酸化物、金属微細片又は金属フッ化物を用いずに、かつ、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯を実質的に加圧することなく、Ｍｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料を製造することができる。
【００１３】
本発明における強化材とは、粒子、ウィスカー、短繊維若しくは長繊維のうちのいずれか一つ、又は、それらの混合物とする。該強化材の材質としては、ホウ酸アルミニウム（９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭素（Ｃ）又はチタン酸カリウム（Ｋ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂）等を用いることができる。なお、ウィスカー、短繊維及び長繊維とは次のものをいう。
【００１４】
（１）ウィスカー
単結晶で、直径の平均値がφ０．１〜１μｍの範囲のいずれかであり、長さの平均値が１０〜１００μｍの範囲のいずれかであり、アスペクト比の平均値が５〜１０００の範囲のいずれかのものをいう。
（２）短繊維
多結晶で、直径の平均値がφ１〜１０μｍの範囲のいずれかであり、長さの平均値が１００〜１０００μｍの範囲のいずれかであり、アスペクト比の平均値が５〜１０００の範囲のいずれかのものをいう。
（３）長繊維
単結晶又は多結晶で、直径の平均値がφ１〜１００μｍの範囲のいずれかであり、長さの平均値が１０００μｍ以上の範囲のいずれかであり、アスペクト比の平均値が１０００以上の範囲のいずれかのものをいう。
【００１５】
これまで述べてきたように、保護性ガス下において、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯の表面（保護性ガスと溶湯との界面）は安定（不活性）な保護膜であるが、その内部は不安定（活性）なＭｇ又はＭｇ合金溶湯である。本発明者らは、系統的研究の結果から、無機系の強化材とＭｇ又はＭｇ合金溶湯表面の安定（不活性）な保護膜とは濡れ性が悪いが、無機系の強化材と不安定（活性）なＭｇ又はＭｇ合金溶湯とは非常に濡れ性が良好であることを見い出した。すなわち、強化材集合体内のガスを、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯に対して防燃効果を持ち、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯表面に保護膜を形成しないガスとし、この強化材集合体の少なくとも一部を活性なＭｇ又はＭｇ合金溶湯に接触させることで、溶湯を実質的に加圧することなく、しかも金属酸化物、金属微細片、金属フッ化物のいずれも用いることなく溶湯を強化材集合体内に浸透させるＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法を見い出した。
【００１６】
本発明に係るＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法によれば、強化材と溶湯は一旦濡れた後、多孔質体である強化材集合体の毛細管力、溶湯の静水圧及び溶湯と強化材集合体内のガスとの反応に起因する強化材集合体内の減圧効果（特願平８−３０４２８６号）により、溶湯が強化材集合体全体に過不足なく浸透して完全な複合化が達成される。
また、本発明に係るＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造方法によれば、金属酸化物、金属微細片、金属フッ化物に起因する不純物を含まず、特定元素の最終浸透部への偏析もないため、均質で高強度なＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料が得られる。
【００１７】
次いで、本発明に係る複合材料の製造装置の実施の形態を図１に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形例が可能である。この図は、製造装置の一例である真空溶解炉の断面図を示すものである。まず、室温の状態でチャンバー１内を真空ポンプ２で真空にし、真空バルブ３を閉じ、ガス導入バルブ４を開いて所定のガスでチャンバー１内をガス置換する。ここで、所定のガスとは、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯に対して防燃効果を持ち、Ｍｇ又はＭｇ合金溶湯表面に保護膜を形成しないガスである。このガスは、不活性ガスであることが好ましい。また、このガスは、Ｎ₂ガス、ＣＯ₂ガス、Ａｒガスのいずれか一つ又はそれらの混合ガスを主成分とし、その合計量が前記強化材集合体内の気体総量の９８容量％以上であり、その他の不純物ガスのうち、ＳＦ₆ガス及びＳＯ₂ガスの濃度が強化材集合体内の気体総量に対して、各々０．１容量％未満であるガスであっても良い。
【００１８】
チャンバー１内が所定のガスで所定の圧力となったところで、ガス検知バルブ５を開き、所定ガスをチャンバー１内に導入しながら、電気抵抗ヒーター６にてマトリッ
クス７を装填したルツボ８を加熱し、マトリックス７を溶解して溶湯にするとともに、該溶湯を所定の温度に加熱保持する。強化材集合体９を初期の段階から操作棒１０の先端に固定しているため、該強化材集合体９はチャンバー１内の置換ガスと同一のガスで置換されると共に、溶湯とほぼ同じ温度に予熱される。上記溶湯が所定の温度になったところで操作棒１０を降下させ、強化材集合体９を溶湯に接触させる。
接触の方法としては、図２に示すように２つのパターンがある。すなわち、パターンＡでは、図中（ａ）に示すように強化材集合体９の全部を溶湯中に浸漬させ、パターンＢでは、（ｂ）に示すように強化材集合体９の半分を溶湯中に浸漬させる。
一定時間、強化材集合体９を溶湯に浸漬させたのち、再び操作棒１０を上昇させて強化材集合体９を溶湯から引き上げる。その後、電気抵抗ヒーター６を切ってチャンバー１内を冷却し、溶湯を凝固させる。チャンバー１内の温度が所定の温度となったところで、チャンバー１を開放し、強化材集合体９を取り出し、該強化材集合体９を切断して断面観察をすることで溶湯の浸透の有無を確認する。図１中、１１はるつぼ台であり、チャンバー１を開放するまでは所定のガスをチャンバー１内に導入し続ける。
【００１９】
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
［実施例１−１〜１−１５］
材料及び製造条件
マトリックスとして、Ｍｇ合金の一種でＡＳＴＭ規格：ＡＺ９１Ｅ（ＪＩＳＭＣ２Ｂ）合金、Ｍｇ−６重量％Ｚｎ合金、及びＭｇ−６重量％Ｚｎ−０．３重量％Ｃａ合金を用いた。
マトリックスの溶湯温度は、６１０℃、６６０℃、６８０℃において実験を行った。
強化材集合体内のガス及び溶解雰囲気ガスは、後述する種々の置換ガスを用いた。
強化材集合体と溶湯の接触方法は、上述したパターンＡとＢの２種類にて実験した。
強化材には、ホウ酸アルミニウム（９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）ウィスカー（商標名：アルボレックスＭ２０、四国化成工業株式会社製）、炭素繊維及び炭化ケイ素粒子を用いた。ホウ酸アルミニウムウィスカーの場合は、これを乾式プレス機で１５ｍｍ×１５ｍｍ×３０ｍｍの直方体に成型し、電気抵抗炉にて１３５０℃で３Ｈｒ焼成することにより、ホウ酸アルミニウムウィスカー同士を自己焼結させて強化材集合体とした。よって、該強化材集合体は、強化材であるホウ酸アルミニウム以外は何れの金属酸化物、金属微細片、金属フッ化物も含んでいない。この強化材集合体中のホウ酸アルミニウムウィスカーの体積率は、２０％であった。
【００２０】
製造装置及び製造方法
また、製造装置としては、上述した図１の真空溶解炉を用いた。まず、室温の状態でチャンバー１内を真空ポンプ２で真空にし、真空バルブ３を閉じ、ガス導入バルブ４を開いて所定のガスでチャンバー１内をガス置換した。チャンバー１内が所定のガスで１気圧となったところで、ガス検知バルブ５を開き、所定ガスを毎分３リットルの流量でチャンバー１内に導入しながら、電気抵抗ヒーター６にてＭｇ又はＭｇ合金７を装填した鋼製ルツボ８を加熱し、Ｍｇ又はＭｇ合金７を溶解して溶湯にするとともに、該溶湯を所定の温度に加熱保持した。強化材集合体９を初期の段階から操作棒１０の先端に固定したため、該強化材集合体９はチャンバー１内の置換ガスと同一のガスで置換されると共に、溶湯とほぼ同じ温度に予熱された。上記溶湯が所定の温度になったところで操作棒１０を降下させ、強化材集合体９を溶湯に接触させた。
一定時間、強化材集合体９を溶湯に浸漬させたのち、再び操作棒１０を上昇させて強化材集合体９を溶湯から引き上げた。その後、電気抵抗ヒーター６を切ってチャンバー１内を冷却し、溶湯を凝固させた。チャンバー１内の温度が２００℃となったところで、チャンバー１を開放し、強化材集合体９を取り出し、該強化材集合体９を切断して断面観察をすることで溶湯の浸透の有無を確認した。また、チャンバー１を開放するまでは所定のガスをチャンバー１内に導入し続けた。
【００２１】
次いで、実施例１−１から１−１５について詳細に説明する。
実施例１−１
まず、マトリックスとして、上述したＡＳＴＭ規格：ＡＺ９１Ｅ（ＪＩＳＭＣ２Ｂ）合金を用い、図１のチャンバー１内を純Ａｒガスで置換し、ＡＺ９１Ｅ合金を６６０℃で溶解保持し、ホウ酸アルミニウムウィスカーの強化材集合体９をパターンＡの形で全体を溶湯中に浸漬させた。チャンバー１に設けられた観察窓からルツボ８内を観察すると、溶湯表面に多数の気泡が出てくるのが確認できた。この強化材集合体９を切断したところ、全体にＡＺ９１Ｅ合金が浸透しており、完全なＭｇ合金基複合材料となっていることが確認できた。
【００２２】
実施例１−２
マトリックス、溶湯温度、置換ガス及び強化材集合体９ともに実施例１−１と同様とし、強化材集合体９をパターンＢの形で半分だけ溶湯中に浸漬させた。観察窓より観察すると溶湯は、毛細管現象によりプリフォーム上端まで浸透してくるのが確認できた。切断したところ、完全なＭｇ合金基複合材料となっていることが確認できた。
実施例１−３
マトリックス、置換ガス、接触方法及び強化材集合体９とも実施例１−１と同様とし、強化材集合体９をパターンＡの形で６１０℃の溶湯中に全部浸漬させた。強化材集合体を切断したところ、完全なＭｇ基複合材料となっていることが確認できた。
実施例１−４
マトリックス、溶湯温度、接触方法及び強化材集合体とも実施例１−１と同様とし、置換ガスをＮ₂ガスとした。６６０℃の溶湯内に強化材集合体９の全部をパターンＡの形で浸漬させた。溶湯表面で気泡は認められなかったが、強化材集合体を切断検査したところ、完全なＭｇ合金基複合材料となっていることが確認できた。
【００２３】
実施例１−５
マトリックス、溶湯温度、接触方法及び強化材集合体を実施例１−１と同様とし、置換ガスをＣＯ₂＋０．３％ＳＦ₆とした。６６０℃の溶湯内に、パターンＡの形で強化材集合体９の全部を浸漬させたが、溶湯表面で気泡は認められなかった。強化材集合体９を切断検査したところ、Ｍｇ溶湯は全く浸透していなかった。
実施例１−６〜１−１５
以下、実施例１−６から１−１５までの製造条件とその結果を表１に示す。この表において、上向きの矢印は、同上という意味である。また、マトリックスの％は重量％であり、置換ガスの％は容量％である。具体的には、マトリックス、溶湯温度、置換ガス、接触方法及び強化材を種々に変更して、強化材集合体に溶湯が浸透した状態を検査した。これらの結果から、実質的に溶湯を加圧しなくても強化材集合体９に浸透するためには、強化材集合体９内のガス成分だけが影響していることがわかる。つまり、０．１容量％以上のＳＦ₆ガスと酸素原子を分子構造内にもつ気体を同時に含む気体、又は０．１％以上のＳＯ₂ガスを含んだ気体で置換した場合は、強化材集合体９に溶湯が全く浸透しなかった。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、少ない設備投資で済み、しかも工程が簡便であることから、従来法よりも安価にＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料が製造できる。また、添加物が無いため、複合材料内に不純物がなく、材料特性が優れたＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１−１から１−１５に用いた製造装置全体を示す断面図である。
【図２】本図のうち、（ａ）は強化材集合体を溶湯に全部浸漬する状態を示す断面図、（ｂ）は強化材集合体を半分浸漬する状態を示す断面図である。
【図３】従来の溶湯鍛造法によるＭｇ基複合材料又はＭｇ合金基複合材料の製造装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１チャンバー
２真空ポンプ
３真空バルブ
４ガス導入バルブ
５ガス検知バルブ
６電気抵抗ヒーター
７Ｍｇ又はＭｇ合金
８鋼製ルツボ
９強化材集合体
１０操作棒
１１ルツボ台