JP2005036253A - シリコン−アルミニウム複合金属およびそのメッキ処理体 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりもはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、かつ、従来の複合材料ではできなかった切削加工を可能とする。また、その加工面にメッキ処理したメッキ処理体は、金属にメッキ処理したメッキ面と同等の均一な平滑性を有するようにする。
【解決手段】シリコンと、アルミニウムまたはアルミニウム合金とから構成され、かつ、ヤング率が100GPa以上で、室温から400℃の間での線熱膨張係数が10×10−6/℃以下であるシリコン−アルミニウム複合金属であって、該シリコン−アルミニウム複合金属が、シリコン粉末の体積充填率が50〜70%である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の700〜1000℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られることを特徴とするシリコン−アルミニウム複合金属。
【選択図】 なし
【解決手段】シリコンと、アルミニウムまたはアルミニウム合金とから構成され、かつ、ヤング率が100GPa以上で、室温から400℃の間での線熱膨張係数が10×10−6/℃以下であるシリコン−アルミニウム複合金属であって、該シリコン−アルミニウム複合金属が、シリコン粉末の体積充填率が50〜70%である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の700〜1000℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られることを特徴とするシリコン−アルミニウム複合金属。
【選択図】 なし
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン−アルミニウム複合金属およびそのメッキ処理体に関し、特に、高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、しかも金属と同様切削加工が可能なシリコン−アルミニウム複合金属とそのメッキ処理体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
アルミニウムまたはアルミニウム合金の引張強度は熱処理を施すことで改善することができるが、そのヤング率と線熱膨張係数は、それぞれ80GPa程度、20×10−6/℃程度と低いヤング率と大きい線熱膨張係数を有している。これを改善するために、より高いヤング率とより小さい線熱膨張係数を有する、例えばシリコンを含有するアルミニウム合金が使用されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
しかし、このアルミニウム合金では、その製造方法が溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金にシリコン粉末を溶かし込み、それを鋳造法により形成する方法であるので、良好な鋳造性を保つためにシリコンの含有率を30質量%以下に制限する必要があった。
このため、シリコンの含有率が上限の30質量%であっても、得られたアルミニウム合金のヤング率と線熱膨張係数は、それぞれ80GPa程度、15×10−6/℃程度となり、ヤング率を高め、かつ、熱膨張係数を小さくさせることができないという問題があった。
【0004】
そこで、それを解決するために、セラミックスで強化されたセラミックスとアルミニウム合金から成る複合材料が開発され、使用されている。SiCセラミックスを62体積%含有するこの複合材料のヤング率と線熱膨張係数は、それぞれ226GPa、7.2×10−6/℃程度と、前述した従来のシリコンを含有するアルミニウム合金に比べはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有する材料となっている(例えば、非特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−200565号公報
【非特許文献1】
「セラミックデータブック」,工業製品技術協会(株式会社テクノプラザ),1995年9月,p.95−101
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この複合材料では、高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有するものの、セラミックスを含む材料であるため極めて硬くなり、切削加工が難しいという課題があった。さらには、セラミックスとアルミニウム合金との性状が違い過ぎるために、研磨などで表面加工してもその表面にわずかな凹凸が生じて、メッキ処理すると、そのメッキ面が均一とならずに色むらが発生するという問題があった。
【0007】
本発明は、上述した従来技術が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりもはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、かつ、従来の複合材料ではできなかった切削加工を可能とすることにある。また、その加工面にメッキ処理したメッキ処理体が、金属にメッキ処理したメッキ面と同等の均一な平滑性を有するようにすることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記した本発明の目的は、下記した課題を解決するための手段によって達成される。
【0009】
即ち本発明は、
(1)シリコンと、アルミニウムまたはアルミニウム合金とから構成され、かつ、ヤング率が100GPa以上で、室温から400℃の間での線熱膨張係数が10×10−6/℃以下であるシリコン−アルミニウム複合金属であって、該シリコン−アルミニウム複合金属が、シリコン粉末の体積充填率が50〜70%である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の700〜1000℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られることを特徴とするシリコン−アルミニウム複合金属。
(2)前記充填体または成形体のシリコン粉末の平均粒子径が1〜100μmであることを特徴とする上記(1)記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
(3)前記シリコン粉末が、シリコン粉末100重量部に対して、0.5〜10重量部のマグネシウム粉末を含有することを特徴とする上記(1)または(2)記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
(4)前記アルミニウム合金が、シリコンを5〜30質量%含有することを特徴とする上記(1)または(2)または(3)記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
(5)前記シリコン−アルミニウム複合金属の切削加工面にメッキ処理を施したことを特徴とする上記(1)または(2)または(3)または(4)記載のシリコン−アルミニウム複合金属のメッキ処理体。
以下さらに詳細に説明する。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明では、シリコン粉末の充填率が50〜70体積%である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の700〜1000℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られるシリコン−アルミニウム複合金属を提案している。
この条件範囲で得られたシリコン−アルミニウム複合金属は、100GPa以上のヤング率を有し、室温から400℃の間では10×10−6/℃以下の線熱膨張係数を有する。したがって、ヤング率が高いため高剛性であり、かつ、線熱膨張係数が小さいという特長を有している。さらには、構成成分がどちらも金属であるため切削加工が容易であるという特長がある。
【0011】
すなわち、本発明の複合金属は、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金では達成できなかった高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、加えてセラミックスとアルミニウム合金から成る複合材料が達成できなかった切削加工を可能とすると同時に、メッキ面の平滑性も金属にメッキ処理したメッキ面と同等の均一な平滑性を有する複合金属である。
【0012】
ここで、本発明で非加圧浸透としたのは、この方法であれば、鋳造法、あるいはダイキャスト法で必要な鋳造性を有しなくても、鋳造法、あるいはダイキャスト法と同じように大型品や複雑形状品などを容易に製造することができることに加えて、シリコンを極めて多く含有させることができることによる。
【0013】
この非加圧浸透法で製造する条件の内、シリコン粉末の充填率を50〜70体積%と限定したのは、ヤング率が大きいシリコン粉末を多くしてヤング率を大きく上げるためである。すなわち、シリコン粉末の充填率が50体積%未満では、ヤング率が100GPa以上とはならず、室温から400℃の間の線熱膨張係数も10×10−6/℃を上回ることとなる。また、シリコン粉末の充填率が70体積%を越えると成形が困難となる。
【0014】
また、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透させる温度を700〜1000℃とするのは、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を浸透させる温度が700℃より低いと、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透が悪く、1000℃より高いと、シリコン粉末が溶融しはじめることで充填体または成形体の形状を維持できなくなるためである。
【0015】
一方、線熱膨張係数については、線熱膨張係数が小さいシリコンを含有する分以上に線熱膨張係数を小さくすることはできないが、その線熱膨張係数がアルミニウムまたはアルミニウム合金に比べて極めて小さいので、これもシリコン粉末が極めて多く含有することと相俟って、線熱膨張係数も極めて小さくすることができるようになる。
【0016】
そして、この固体として存在するシリコン粉末が金属であるので、炭化珪素や酸化アルミニウムに代表されるセラミックスに比べて格段に軟らかいため、金属と同様切削加工が可能となり、加えてその存在するシリコン粉末の表面が浸透したアルミニウム合金との反応で合金化しているので、アルミニウム合金とシリコン粉末との界面が連続であってその接合強度も極めて強いため、加工面にメッキ処理したメッキ面も、金属にメッキ処理したメッキ面と同等の平滑性を有することとなる。
【0017】
充填体または成形体を形成するシリコン粉末の細かさとしては、平均粒径で1〜100μmとした(請求項2)。この平均粒径を外れても充填率が50〜70体積%の充填体または成形体を形成できれば構わないが、平均粒径を1〜100μmの範囲にすると、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透速度の遅延を抑えることができ、また、充填体または成形体の強度の低下を抑えることができるのでより好ましいものとなる。
【0018】
次に、そのシリコン粉末をシリコン粉末100質量部に対してマグネシウム粉末を0.5〜10質量部含有するシリコン粉末とした(請求項3)。シリコン粉末にマグネシウム粉末を含有させなくても構わないが、マグネシウム粉末を0.5〜10質量部含有させると、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透を格段に早くすることができるのでより好ましいものとなる。
【0019】
一方、浸透させるアルミニウム合金としては、シリコンを5〜30質量%含有するアルミニウム合金とした(請求項4)。アルミニウム合金にシリコンを含有させなくても構わないが、シリコンを5〜30質量%含有させると、ヤング率と線熱膨張係数がより向上するのでより好ましいものとなる。
【0020】
本発明の製造方法をさらに詳細に述べると、まず充填体または成形体を形成するシリコン粉末を用意し、充填体または成形体に浸透させるアルミニウム合金のインゴットも用意する。必要があれば、シリコン粉末を平均粒径が1〜100μmのシリコン粉末とする。用いるシリコン粉末は、純度が95%以上であればどのような履歴で製造されたシリコン粉末を用いても構わない。シリコンを含有するアルミニウム合金を使う場合には、シリコンを5〜30質量%含有するアルミニウム合金のインゴットを用意する。
【0021】
その用意したシリコン粉末で充填率が50〜70体積%の充填体または成形体を形成する。シリコン粉末にマグネシウム粉末を含有させる場合には、シリコン粉末にシリコン粉末100質量部に対してマグネシウム粉末を0.5〜10質量部加え、それをポットミル等で混合すれば得られる。充填体の形成は、熱処理しても溶解せず、また熱処理した後でもきれいに剥がし取れる容器に充填すれば簡単に形成できる。
成形体の形成は、プレス成形法、射出成形法、鋳込み成形法等の慣用の方法で形成できる。なお、この形成した充填体または成形体は、ほとんど収縮することなく製品となるので、製品形状の充填体または成形体を形成し、それにアルミニウムまたはアルミニウム合金を浸透させれば、そのまま製品となり得る。得られる充填体または成形体の空隙率は、シリコン粉末の充填率が50〜70体積%であるので、30〜50体積%であり、従って、複合金属中に含有するアルミニウム合金の割合は、30〜50体積%の範囲となる。
【0022】
得られた充填体または成形体に先のインゴットを接触させ、それを加熱して溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中で700〜1000℃の温度で非加圧で浸透させ、冷却することによりシリコンとアルミニウム合金から成る複合金属が作製される。
【0023】
以上の方法で製造すれば、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、しかも全体が金属であるために金属と同様切削加工が可能となる。
したがって、本発明による前記シリコン−アルミニウム複合金属の切削加工面にメッキ処理を施せば、本発明のシリコン−アルミニウム複合金属のメッキ処理体が得られる。ここで、メッキ処理は公知の方法が適用化のであり、メッキ面も金属の場合と同等の均一な平滑性を有するシリコンとアルミニウム複合金属のメッキ処理体が得られる。
【0024】
以下本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【0025】
(実施例1)
(1)シリコンとアルミニウム合金から成る複合金属の作製
市販のSi(シリコン)粉末(平均粒径5μm、純度99%)100質量部に対して市販のMg(マグネシウム)粉末を2質量部加えてポットミルで20分間混合し、それを離型効果のあるカーボンシートで作製した100×100×100mmの容器に充填した。その充填体の上にAl−10Si組成のAl(アルミニウム)合金のインゴットを2kg載せ、これを常圧の窒素雰囲気炉に入れ、それを800℃の温度で24時間加熱して溶融したAl合金を充填体に浸透させ、冷却した後、過剰なAl合金を除去して複合金属を作製した。
【0026】
(2)評価
得られた複合金属の密度をアルキメデス法で求め、シリコン粉末の充填率を求めた。その結果、密度は2.5g/cm3であったので、シリコン粉末の充填率は50体積%であった。また、複合金属から3×4×40mmの試験片をフライス盤により切削加工で切り出し、その試験片で共振法によりヤング率を求め、室温から400℃までの寸法変化をレーザー干渉計で測定し線熱膨張係数を求めた。その結果、ヤング率は120GPaであり、線熱膨張係数は室温で7.2×10−6/℃で、400℃で8.0×10−6/℃であった。
【0027】
さらに、複合金属から100×100×10mmの試験片をフライス盤により切削加工で切り出し、その試験片の切削面を目視観察した。その結果、従来例である比較例1と同様きれいな切削面であり、容易に切削加工されることが示されていた。そして、その試験片の100×100mmの面に無電解ニッケルメッキを施し、メッキ処理体を得た。次に、そのメッキ処理面にラップ加工を施した。その結果、色むらのない鏡面が得られ、これも従来例である比較例1と同等の平滑性を有していた。このことは、本発明の製造方法であれば、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、しかも全体が金属であるために金属と同様切削加工を可能とし、メッキ処理したメッキ面も金属の場合と同等の平滑性を有するシリコンとアルミニウム合金から成る複合金属が作製されることを示している。
【0028】
(比較例1)
比較例1では、シリコンを12質量%含有させて合金化した市販のアルミニウム合金(4032合金)を購入し、そのアルミニウム合金から実施例1と同様3×4×40mmの試験片を切り出し、ヤング率と線熱膨張係数を求めた。その結果、ヤング率は78GPaであって100GPaを大きく下回り、線熱膨張係数も室温で19×10−6/℃、400℃で25×10−6/℃となり、10×10−6/℃よりはるかに大きかった。また、同じく実施例1と同様100×100×10mmの試験片を切り出し、その切削面とメッキ処理面を目視観察した。その結果、切削面およびメッキ処理面は均一で平滑であった。
【0029】
(比較例2)
比較例2では、実施例1のシリコン粉末を炭化珪素粉末(平均粒径18μm)に代えて、実施例1と同様にセラミックスを50体積%含有するセラミックスとアルミニウム合金から成る複合材料を作製した。その複合材料は切削加工ができないために、研削加工した後研磨加工して3×4×40mmの試験片を作製し、ヤング率と熱膨張係数を求めた。その結果、ヤング率は185GPaと実施例1を大きく上回り、熱膨張係数は室温で6×10−6/℃、400℃で10×10−6/℃となり実施例1と同等であった。また、同じく100×100×10mmの試験片を研削加工した後研磨加工して作製し、その試験片に無電解ニッケルメッキを施し、そのメッキ面にラップ加工を施した。その結果、実施例1よりはるかに平滑性が悪く、色むらが生じ、均一な鏡面は得られなかった。
【0030】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の製造方法であれば、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりはるかに高いヤング率と小さい熱膨張係数を有し、しかも全体が金属であるために金属と同様切削加工を可能とし、その加工面にメッキ処理したメッキ処理体の面は金属の場合と同等の平滑性を有するシリコンとアルミニウム合金から成る複合金属とすることができるようになった。このことにより、これまで部品として使用できなかった高ヤング率かつ低熱膨張係数を有するアルミニウム合金系から成る精密機械部品や電子部品を安価に大量に作製できるようになった。
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン−アルミニウム複合金属およびそのメッキ処理体に関し、特に、高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、しかも金属と同様切削加工が可能なシリコン−アルミニウム複合金属とそのメッキ処理体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
アルミニウムまたはアルミニウム合金の引張強度は熱処理を施すことで改善することができるが、そのヤング率と線熱膨張係数は、それぞれ80GPa程度、20×10−6/℃程度と低いヤング率と大きい線熱膨張係数を有している。これを改善するために、より高いヤング率とより小さい線熱膨張係数を有する、例えばシリコンを含有するアルミニウム合金が使用されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
しかし、このアルミニウム合金では、その製造方法が溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金にシリコン粉末を溶かし込み、それを鋳造法により形成する方法であるので、良好な鋳造性を保つためにシリコンの含有率を30質量%以下に制限する必要があった。
このため、シリコンの含有率が上限の30質量%であっても、得られたアルミニウム合金のヤング率と線熱膨張係数は、それぞれ80GPa程度、15×10−6/℃程度となり、ヤング率を高め、かつ、熱膨張係数を小さくさせることができないという問題があった。
【0004】
そこで、それを解決するために、セラミックスで強化されたセラミックスとアルミニウム合金から成る複合材料が開発され、使用されている。SiCセラミックスを62体積%含有するこの複合材料のヤング率と線熱膨張係数は、それぞれ226GPa、7.2×10−6/℃程度と、前述した従来のシリコンを含有するアルミニウム合金に比べはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有する材料となっている(例えば、非特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−200565号公報
【非特許文献1】
「セラミックデータブック」,工業製品技術協会(株式会社テクノプラザ),1995年9月,p.95−101
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この複合材料では、高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有するものの、セラミックスを含む材料であるため極めて硬くなり、切削加工が難しいという課題があった。さらには、セラミックスとアルミニウム合金との性状が違い過ぎるために、研磨などで表面加工してもその表面にわずかな凹凸が生じて、メッキ処理すると、そのメッキ面が均一とならずに色むらが発生するという問題があった。
【0007】
本発明は、上述した従来技術が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりもはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、かつ、従来の複合材料ではできなかった切削加工を可能とすることにある。また、その加工面にメッキ処理したメッキ処理体が、金属にメッキ処理したメッキ面と同等の均一な平滑性を有するようにすることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記した本発明の目的は、下記した課題を解決するための手段によって達成される。
【0009】
即ち本発明は、
(1)シリコンと、アルミニウムまたはアルミニウム合金とから構成され、かつ、ヤング率が100GPa以上で、室温から400℃の間での線熱膨張係数が10×10−6/℃以下であるシリコン−アルミニウム複合金属であって、該シリコン−アルミニウム複合金属が、シリコン粉末の体積充填率が50〜70%である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の700〜1000℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られることを特徴とするシリコン−アルミニウム複合金属。
(2)前記充填体または成形体のシリコン粉末の平均粒子径が1〜100μmであることを特徴とする上記(1)記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
(3)前記シリコン粉末が、シリコン粉末100重量部に対して、0.5〜10重量部のマグネシウム粉末を含有することを特徴とする上記(1)または(2)記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
(4)前記アルミニウム合金が、シリコンを5〜30質量%含有することを特徴とする上記(1)または(2)または(3)記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
(5)前記シリコン−アルミニウム複合金属の切削加工面にメッキ処理を施したことを特徴とする上記(1)または(2)または(3)または(4)記載のシリコン−アルミニウム複合金属のメッキ処理体。
以下さらに詳細に説明する。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明では、シリコン粉末の充填率が50〜70体積%である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の700〜1000℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られるシリコン−アルミニウム複合金属を提案している。
この条件範囲で得られたシリコン−アルミニウム複合金属は、100GPa以上のヤング率を有し、室温から400℃の間では10×10−6/℃以下の線熱膨張係数を有する。したがって、ヤング率が高いため高剛性であり、かつ、線熱膨張係数が小さいという特長を有している。さらには、構成成分がどちらも金属であるため切削加工が容易であるという特長がある。
【0011】
すなわち、本発明の複合金属は、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金では達成できなかった高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、加えてセラミックスとアルミニウム合金から成る複合材料が達成できなかった切削加工を可能とすると同時に、メッキ面の平滑性も金属にメッキ処理したメッキ面と同等の均一な平滑性を有する複合金属である。
【0012】
ここで、本発明で非加圧浸透としたのは、この方法であれば、鋳造法、あるいはダイキャスト法で必要な鋳造性を有しなくても、鋳造法、あるいはダイキャスト法と同じように大型品や複雑形状品などを容易に製造することができることに加えて、シリコンを極めて多く含有させることができることによる。
【0013】
この非加圧浸透法で製造する条件の内、シリコン粉末の充填率を50〜70体積%と限定したのは、ヤング率が大きいシリコン粉末を多くしてヤング率を大きく上げるためである。すなわち、シリコン粉末の充填率が50体積%未満では、ヤング率が100GPa以上とはならず、室温から400℃の間の線熱膨張係数も10×10−6/℃を上回ることとなる。また、シリコン粉末の充填率が70体積%を越えると成形が困難となる。
【0014】
また、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透させる温度を700〜1000℃とするのは、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を浸透させる温度が700℃より低いと、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透が悪く、1000℃より高いと、シリコン粉末が溶融しはじめることで充填体または成形体の形状を維持できなくなるためである。
【0015】
一方、線熱膨張係数については、線熱膨張係数が小さいシリコンを含有する分以上に線熱膨張係数を小さくすることはできないが、その線熱膨張係数がアルミニウムまたはアルミニウム合金に比べて極めて小さいので、これもシリコン粉末が極めて多く含有することと相俟って、線熱膨張係数も極めて小さくすることができるようになる。
【0016】
そして、この固体として存在するシリコン粉末が金属であるので、炭化珪素や酸化アルミニウムに代表されるセラミックスに比べて格段に軟らかいため、金属と同様切削加工が可能となり、加えてその存在するシリコン粉末の表面が浸透したアルミニウム合金との反応で合金化しているので、アルミニウム合金とシリコン粉末との界面が連続であってその接合強度も極めて強いため、加工面にメッキ処理したメッキ面も、金属にメッキ処理したメッキ面と同等の平滑性を有することとなる。
【0017】
充填体または成形体を形成するシリコン粉末の細かさとしては、平均粒径で1〜100μmとした(請求項2)。この平均粒径を外れても充填率が50〜70体積%の充填体または成形体を形成できれば構わないが、平均粒径を1〜100μmの範囲にすると、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透速度の遅延を抑えることができ、また、充填体または成形体の強度の低下を抑えることができるのでより好ましいものとなる。
【0018】
次に、そのシリコン粉末をシリコン粉末100質量部に対してマグネシウム粉末を0.5〜10質量部含有するシリコン粉末とした(請求項3)。シリコン粉末にマグネシウム粉末を含有させなくても構わないが、マグネシウム粉末を0.5〜10質量部含有させると、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透を格段に早くすることができるのでより好ましいものとなる。
【0019】
一方、浸透させるアルミニウム合金としては、シリコンを5〜30質量%含有するアルミニウム合金とした(請求項4)。アルミニウム合金にシリコンを含有させなくても構わないが、シリコンを5〜30質量%含有させると、ヤング率と線熱膨張係数がより向上するのでより好ましいものとなる。
【0020】
本発明の製造方法をさらに詳細に述べると、まず充填体または成形体を形成するシリコン粉末を用意し、充填体または成形体に浸透させるアルミニウム合金のインゴットも用意する。必要があれば、シリコン粉末を平均粒径が1〜100μmのシリコン粉末とする。用いるシリコン粉末は、純度が95%以上であればどのような履歴で製造されたシリコン粉末を用いても構わない。シリコンを含有するアルミニウム合金を使う場合には、シリコンを5〜30質量%含有するアルミニウム合金のインゴットを用意する。
【0021】
その用意したシリコン粉末で充填率が50〜70体積%の充填体または成形体を形成する。シリコン粉末にマグネシウム粉末を含有させる場合には、シリコン粉末にシリコン粉末100質量部に対してマグネシウム粉末を0.5〜10質量部加え、それをポットミル等で混合すれば得られる。充填体の形成は、熱処理しても溶解せず、また熱処理した後でもきれいに剥がし取れる容器に充填すれば簡単に形成できる。
成形体の形成は、プレス成形法、射出成形法、鋳込み成形法等の慣用の方法で形成できる。なお、この形成した充填体または成形体は、ほとんど収縮することなく製品となるので、製品形状の充填体または成形体を形成し、それにアルミニウムまたはアルミニウム合金を浸透させれば、そのまま製品となり得る。得られる充填体または成形体の空隙率は、シリコン粉末の充填率が50〜70体積%であるので、30〜50体積%であり、従って、複合金属中に含有するアルミニウム合金の割合は、30〜50体積%の範囲となる。
【0022】
得られた充填体または成形体に先のインゴットを接触させ、それを加熱して溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中で700〜1000℃の温度で非加圧で浸透させ、冷却することによりシリコンとアルミニウム合金から成る複合金属が作製される。
【0023】
以上の方法で製造すれば、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、しかも全体が金属であるために金属と同様切削加工が可能となる。
したがって、本発明による前記シリコン−アルミニウム複合金属の切削加工面にメッキ処理を施せば、本発明のシリコン−アルミニウム複合金属のメッキ処理体が得られる。ここで、メッキ処理は公知の方法が適用化のであり、メッキ面も金属の場合と同等の均一な平滑性を有するシリコンとアルミニウム複合金属のメッキ処理体が得られる。
【0024】
以下本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【0025】
(実施例1)
(1)シリコンとアルミニウム合金から成る複合金属の作製
市販のSi(シリコン)粉末(平均粒径5μm、純度99%)100質量部に対して市販のMg(マグネシウム)粉末を2質量部加えてポットミルで20分間混合し、それを離型効果のあるカーボンシートで作製した100×100×100mmの容器に充填した。その充填体の上にAl−10Si組成のAl(アルミニウム)合金のインゴットを2kg載せ、これを常圧の窒素雰囲気炉に入れ、それを800℃の温度で24時間加熱して溶融したAl合金を充填体に浸透させ、冷却した後、過剰なAl合金を除去して複合金属を作製した。
【0026】
(2)評価
得られた複合金属の密度をアルキメデス法で求め、シリコン粉末の充填率を求めた。その結果、密度は2.5g/cm3であったので、シリコン粉末の充填率は50体積%であった。また、複合金属から3×4×40mmの試験片をフライス盤により切削加工で切り出し、その試験片で共振法によりヤング率を求め、室温から400℃までの寸法変化をレーザー干渉計で測定し線熱膨張係数を求めた。その結果、ヤング率は120GPaであり、線熱膨張係数は室温で7.2×10−6/℃で、400℃で8.0×10−6/℃であった。
【0027】
さらに、複合金属から100×100×10mmの試験片をフライス盤により切削加工で切り出し、その試験片の切削面を目視観察した。その結果、従来例である比較例1と同様きれいな切削面であり、容易に切削加工されることが示されていた。そして、その試験片の100×100mmの面に無電解ニッケルメッキを施し、メッキ処理体を得た。次に、そのメッキ処理面にラップ加工を施した。その結果、色むらのない鏡面が得られ、これも従来例である比較例1と同等の平滑性を有していた。このことは、本発明の製造方法であれば、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、しかも全体が金属であるために金属と同様切削加工を可能とし、メッキ処理したメッキ面も金属の場合と同等の平滑性を有するシリコンとアルミニウム合金から成る複合金属が作製されることを示している。
【0028】
(比較例1)
比較例1では、シリコンを12質量%含有させて合金化した市販のアルミニウム合金(4032合金)を購入し、そのアルミニウム合金から実施例1と同様3×4×40mmの試験片を切り出し、ヤング率と線熱膨張係数を求めた。その結果、ヤング率は78GPaであって100GPaを大きく下回り、線熱膨張係数も室温で19×10−6/℃、400℃で25×10−6/℃となり、10×10−6/℃よりはるかに大きかった。また、同じく実施例1と同様100×100×10mmの試験片を切り出し、その切削面とメッキ処理面を目視観察した。その結果、切削面およびメッキ処理面は均一で平滑であった。
【0029】
(比較例2)
比較例2では、実施例1のシリコン粉末を炭化珪素粉末(平均粒径18μm)に代えて、実施例1と同様にセラミックスを50体積%含有するセラミックスとアルミニウム合金から成る複合材料を作製した。その複合材料は切削加工ができないために、研削加工した後研磨加工して3×4×40mmの試験片を作製し、ヤング率と熱膨張係数を求めた。その結果、ヤング率は185GPaと実施例1を大きく上回り、熱膨張係数は室温で6×10−6/℃、400℃で10×10−6/℃となり実施例1と同等であった。また、同じく100×100×10mmの試験片を研削加工した後研磨加工して作製し、その試験片に無電解ニッケルメッキを施し、そのメッキ面にラップ加工を施した。その結果、実施例1よりはるかに平滑性が悪く、色むらが生じ、均一な鏡面は得られなかった。
【0030】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の製造方法であれば、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりはるかに高いヤング率と小さい熱膨張係数を有し、しかも全体が金属であるために金属と同様切削加工を可能とし、その加工面にメッキ処理したメッキ処理体の面は金属の場合と同等の平滑性を有するシリコンとアルミニウム合金から成る複合金属とすることができるようになった。このことにより、これまで部品として使用できなかった高ヤング率かつ低熱膨張係数を有するアルミニウム合金系から成る精密機械部品や電子部品を安価に大量に作製できるようになった。
Claims (5)
- シリコンと、アルミニウムまたはアルミニウム合金とから構成され、かつ、ヤング率が100GPa以上で、室温から400℃の間での線熱膨張係数が10×10−6/℃以下であるシリコン−アルミニウム複合金属であって、該シリコン−アルミニウム複合金属が、シリコン粉末の体積充填率が50〜70%である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の700〜1000℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られることを特徴とするシリコン−アルミニウム複合金属。
- 前記充填体または成形体のシリコン粉末の平均粒子径が1〜100μmであることを特徴とする請求項1記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
- 前記シリコン粉末が、シリコン粉末100重量部に対して、0.5〜10重量部のマグネシウム粉末を含有することを特徴とする請求項1または請求項2記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
- 前記アルミニウム合金が、シリコンを5〜30質量%含有することを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
- 前記シリコン−アルミニウム複合金属の切削加工面にメッキ処理を施したことを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3または請求項4記載のシリコン−アルミニウム複合金属のメッキ処理体。
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JP2003197776A JP2005036253A (ja) | 2003-07-16 | 2003-07-16 | シリコン−アルミニウム複合金属およびそのメッキ処理体 |
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Cited By (2)
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CN111974527A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-11-24 | 江苏联瑞新材料股份有限公司 | 一种ic封装用高纯熔融硅微粉的制备方法 |
WO2023286407A1 (ja) | 2021-07-14 | 2023-01-19 | アドバンスコンポジット株式会社 | 高金属粉末含有アルミニュウム複合体の製造方法、プリフォームの作製方法及び高金属粉末含有アルミニュウム複合体 |
-
2003
- 2003-07-16 JP JP2003197776A patent/JP2005036253A/ja active Pending
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