JP2006299304A - マグネシウム基複合材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明は、マトリクス金属を純マグネシウム又はマグネシウム合金とし、分散材をSiC粒子とするマグネシウム基複合材料であり、SiC粒子とマグネシウム合金などの溶湯とを不活性雰囲気下で接触させ、複合する。このように複合を不活性雰囲気下で行うことで、マグネシウム合金などが雰囲気ガスと反応することを防止する。特に、分散材原料として、高純度のSiC粒子を用いると、複合時において溶湯と反応することがほとんどなく、SiC成分が損なわれることを低減できる。
【選択図】 なし
Description
1. SiC粒子を主体とする分散材原料を用意する工程
2. 上記分散材原料を成形型に配置する工程
3. 成形型に配置した分散材原料と、溶融させた純マグネシウム又はマグネシウム合金とを不活性雰囲気下で接触させ、分散材原料に溶融金属を溶浸させ、複合させる工程
4. 複合させた複合物を冷却して純マグネシウム又はマグネシウム合金を凝固させる工程
本発明において金属マトリクスは、純マグネシウム又はマグネシウム合金とする。純マグネシウムとは、99.8質量%以上のMgと不純物とからなるものとし、マグネシウム合金とは、添加元素と残部がMg及び不純物からなるものとする。添加元素としては、例えば、Al,Zn,Mn,Si,Cu,Zrなどの元素群のうち、少なくとも1種の元素が挙げられる。添加元素の含有量は、合計で20質量%以下が望ましい。このような添加元素を含むマグネシウム合金として、例えば、ASTM記号におけるAZ系,AS系,AM系,ZK系,ZC系などを利用してもよい。また、マグネシウム合金を用いる場合、純マグネシウムを溶解した後、この純マグネシウムの溶湯に添加元素を添加して合金の溶湯としてもよいし、市販の合金塊を溶解して合金の溶湯としてもよい。
(試験例1)
マトリクス金属が純マグネシウム又はマグネシウム合金であり、分散材がSiC粒子であるマグネシウム基複合材料を作製した。本例では、マトリクス金属として、純マグネシウム(99.8質量%以上のMg及び不純物からなるもの)、マグネシウム合金(AZ31材,ZC63材)を用意した。また、分散材原料として、SiC粒子の粉末を用意した。表1には、用いたSiC粒子の純度(SiC粒子中のSiC成分の質量割合(質量%))、SiC粒子の平均粒径(μm)、SiC粒子の含有量(体積%)を示す。SiC粒子は、アチソン法により製造した。アチソン法によるSiC粒子は、採取位置により純度が異なるため、採取位置を適正に管理することによりSiC粒子の純度の調整が可能である。SiC粒子の含有量は、成形型のキャビティ(後述)の体積を100体積%として用意した。表1に示す試料のうち、SiC粒子の平均粒径が複数記載されている試料は、表1に示す平均粒径のSiC粒子の粉末をそれぞれ用意し、これら平均粒径が異なるSiC粒子の粉末を混合させた混合粉末を分散材原料として用いた。また、表1に示す試料のうち、溶浸剤が記載されている試料は、SiC粒子と溶浸剤とを混合させ、溶浸剤を含有させたものを分散材原料として用いた。用いた溶浸剤の成分、平均粒径、分散材原料100質量%に対する溶浸剤の含有量(質量%)も表1に示す。
表1の試料No.3〜6に示す分散材原料とマトリクス金属と同一の成分を有するSiC粒子粉末とマトリクス金属粉末とを用意し、いわゆる粉末法により複合材料を作製した(試料No.3'〜6')。粉末法においても成形型は、図1に示すものを用いた。粉末法の条件は、公知の条件で行った。そして、粉末法により製造した複合材料No.3'〜6'と、接触法により製造した試料No.3〜6に対して、気孔率、熱伝達係数、靭性を調べた。気孔率は、一般的なアルキメデス法を用いて行った。靭性は、シャルピー衝撃試験器を用いて測定した。すると、接触法により得られた複合材料(試料No.3〜6)は、粉末法により得られた複合材料(試料No.3'〜6')と比較して、気孔率が少なく、熱伝導係数が高く、靭性も優れていた。
表1の試料No.3,No.4,No.15と同一の分散材原料とマトリクス金属とを用意し、マトリクス金属が分散材原料中に溶浸する際の温度を変化させて、溶浸を開始する温度を調べた。すると、溶浸を開始する温度は、マトリクス金属が固相線温度以上にあるときであった。次に、マトリクス金属を固相線温度に保持して溶浸状態を調べた。すると、溶浸を開始するまでに潜伏時間が存在した。そこで、マトリクス金属の温度を上昇させて遅延無く複合材料を製造するのに適した温度を調べたところ、750℃以上が好ましいことがわかった。更に、マトリクス金属の温度を上昇させて上限温度を調査したところ、いずれのマトリクス金属も約1000℃で沸騰を開始して、複合が困難となった。このことから、溶浸時のマトリクス金属の温度は、1000℃未満が好ましいことが確認された。なお、溶浸時のAr雰囲気は、大気圧とした。
試験例1で得られた試料No.6の複合材料を分散材原料として用いて複合材料を作製した。具体的には、まず、最終的に得られる複合材料のSiC粒子の含有量が20体積%となるように試料No.6を調整し、Ar雰囲気(大気圧)下において、溶湯温度が700℃である純マグネシウムに上記試料No.6の複合材料を溶解して攪拌して希釈物を作製する。この希釈物を図1に示す成形型に配置し、Ar雰囲気(大気圧)下で、冷却凝固することでSiC粒子の含有量が20体積%の複合材料を得た(試料No.4-1)。比較として、試料No.4-1と同等の大きさとなるように、SiC粒子(平均粒径15μm)の含有量が20体積%の複合材料を粉末法にて作製した(試料No.4-1')。そして、粉末法により製造した複合材料No.4-1'と、試料No.6の複合材料を希釈して製造した試料No.4-1に対して、試験例2と同様にして気孔率、熱伝達係数、靭性を調べた。すると、試料No.6の複合材料を用いて製造した試料No.4-1は、粉末法により得られた複合材料No.4-1'と比較して、気孔率が少なく、熱伝導係数が高く、靭性も優れていた。
分散材原料として予め成形した成形体を利用して、複合材料を作製した。具体的には、炭化珪素ウィスカ(平均短径約0.8μm,アスペクト比約200)と、炭化珪素粒子(平均粒径30μm)とを1対1で混合した後、酸化アルミニウム(平均粒径0.3μm)を0.1質量%(上記炭化珪素混合物を100質量%とする)と、フェノール樹脂と混合する。そして、この樹脂混合物を射出成型し、炭化珪素ウィスカ及び炭化珪素粒子の体積割合が35体積%である成形体(50mm×50mm×10mm)を作製した。成形型として、図2に示すように試験例1で使用した成形型(図1参照)と同様の成形型10を用い、上記成形体13を成形型10の本体10aのキャビティ11に配置して蓋部10bを閉じ、700℃で焼成して樹脂を消失させる。焼成後、Ar雰囲気(大気圧)下、溶湯温度850℃のマグネシウム合金(ZC63材)の溶湯と成形体とを複合させ、凝固させた。このように予め成形した分散材原料を用いても複合材料を製造することができる。また、得られた複合材料を調べたところ、酸化アルミニウムやその反応生成物の残渣などが認められず、また、炭化珪素ウィスカや粒子の損傷やSiC成分の減少なども認められず、良好な複合材料であった。更に、得られた複合材料は、所望の位置のみに分散材を有していた。
試験例5と同様にして、分散材原料の成形体を作製した。具体的には、炭化珪素ウィスカと炭化珪素粒子との混合物の体積割合が35体積%であり、フェノール樹脂を含む成形体(100mm×50mm×10mm)を作製した。用いた炭化珪素ウィスカ、炭化珪素粒子、酸化アルミニウムの量及び大きさは、試験例5と同様である。そして、成形型として、図3に示すように試験例1で使用した成形型(図1参照)と同様の成形型10を用い、この成形体14を成形型10の本体10aのキャビティ11に配置して蓋部10bを閉じ、700℃で焼成する。焼成後、Ar雰囲気(大気圧)下、溶湯温度800℃の純マグネシウムと成形体とを複合させ、凝固させた(試料No.6-1)。一方、同様の方法にて作製した成形体を成形型に配置し、焼成後、Ar雰囲気の圧力を0.1×10-5MPa(1×10-5atm)として、溶湯温度800℃の純マグネシウム合金と成形体とを複合した。そして、溶浸後、Ar雰囲気の圧力を大気圧(0.1MPa(1atm))として、複合物を凝固させた(試料No.6-2)。得られた複合材料(試料No.6-1,6-2)について、試験例2と同様にして気孔率を調べたところ、試料No.6-2は、試料No.6-1と比較してボイドが少なく、気孔率が小さかった。
試験例1で得られた複合材料をCu-Mo板の代替として、インバータ制御基板用のヒートスプレッダーとして使用した。そして、Cu-Mo板の代替として使用できた複合材料について熱伝導係数を調べた。すると、Cu-Mo板と代替可能な複合材料は、試験例1で得られた複合材料のうち、熱伝導係数が150W/m・K以上の複合材料であった。また、熱伝導係数が150W/m・K超の複合材料について熱膨張係数を調べてみたところ、6〜16×10-6/Kであり、基板に搭載される半導体素子やその周辺機器と整合する値であった。従って、熱伝導係数が150W/m・K以上、熱膨張係数が6〜16×10-6/Kの複合材料は、ヒートスプレッダーに好適に利用できることが確認された。また、これらの複合材料の重さは、Cu-Mo板の半分以下であり、ヒートスプレッダーの軽量化をも図ることができる。
13,14 成形体
Claims (23)
- 金属マトリクス中にセラミクスからなる分散材が分散されたマグネシウム基複合材料の製造方法であって、
SiC粒子を主体とする分散材原料を用意する工程と、
前記分散材原料を成形型に配置する工程と、
成形型に配置した分散材原料と、溶融させた純マグネシウム又はマグネシウム合金とを不活性雰囲気下で接触させ、分散材原料に溶融状態の純マグネシウム又はマグネシウム合金とを溶浸させ、複合させる工程と、
複合させた複合物を冷却して純マグネシウム又はマグネシウム合金を凝固させる工程とを具えることを特徴とするマグネシウム基複合材料の製造方法。 - SiC粒子の純度が質量比で95%以上であることを特徴とする請求項1に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
- SiC粒子の純度が質量比で99%以上であることを特徴とする請求項1に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
- 分散材原料は、溶浸剤を含有しており、
前記溶浸剤は、酸化アルミニウム及び酸化珪素の少なくとも1種からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。 - 溶浸剤の平均粒径は、SiC粒子の平均粒径の70%以下であることを特徴とする請求項4に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
- 溶浸剤の平均粒径が1μm以下であることを特徴とする請求項4又は5に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
- 分散材原料中における溶浸剤の含有量は、5質量%以下であることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
- 分散材原料として、平均粒径が異なるSiC粒子の粉末を複数用意し、これらを混合した混合粉末を用いることを特徴とする請求項1に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
- 分散材原料として、第一粉末と、この第一粉末よりも平均粒径が小さい第二粉末とを用意し、
第二粉末の平均粒径は、第一粉末の平均粒径の70%以下であることを特徴とする請求項8に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。 - 分散材原料は、流動性を有しており、流し込むことで成形型に配置することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のマグネシウム基合金複合材料の製造方法。
- 更に、分散材原料を成形型に流し込んだ後、SiC粒子間に存在する隙間を低減する工程を具えることを特徴とする請求項10に記載のマグネシウム基合金複合材料の製造方法。
- 分散材原料を予め成形しておき、この成形体を成形型に配置することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のマグネシウム基合金複合材料の製造方法。
- 成形型に配置されるSiC粒子の含有量が体積%で40〜70%となるように分散材原料を用意することを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
- 不活性雰囲気は、Arガスを用いることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載のマグネシウム基合金複合材料の製造方法。
- 不活性雰囲気の圧力は、0.1×10-5MPa以上大気圧以下とすることを特徴とする請求項14に記載のマグネシウム基合金複合材料の製造方法。
- 不活性雰囲気の圧力を大気圧とした状態で前記複合物を冷却し、純マグネシウム又はマグネシウム合金を凝固させることを特徴とする請求項15に記載のマグネシウム基合金複合材料の製造方法。
- 分散材原料と溶融状態の純マグネシウム又はマグネシウム合金とを複合させる際、純マグネシウム又はマグネシウム合金の温度を750℃以上1000℃未満とすることを特徴とする請求項1〜16のいずれかに記載のマグネシウム基合金複合材料の製造方法。
- 更に、不活性雰囲気下において、得られた複合材料を溶融させた純マグネシウム又はマグネシウム合金に溶解させて希釈する工程と、
希釈物を成形型に配置する工程と、
成形型に配置した希釈物を冷却して純マグネシウム又はマグネシウム合金を凝固させる工程とを具えることを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。 - 請求項1〜18のいずれかに記載の製造方法により得られたことを特徴とするマグネシウム基複合材料。
- 請求項4〜7のいずれかに記載の製造方法により得られたマグネシウム基複合材料であり、
複合材料中において溶浸剤が実質的に存在しないことを特徴とするマグネシウム基複合材料。 - 純マグネシウム又はマグネシウム合金からなるマトリクス中にセラミクスからなる分散材が分散されたマグネシウム基複合材料であって、
分散材は、純度が質量比で95%以上であるSiC粒子であり、
複合材料中の分散材の含有量が体積%で40〜70%であることを特徴とするマグネシウム基複合材料。 - 純マグネシウム又はマグネシウム合金からなるマトリクス中にセラミクスからなる分散材が分散されたマグネシウム基複合材料であって、
熱伝達係数が150W/m・K以上であり、熱膨張係数が6×10-6/K以上16×10-6/K以下であることを特徴とするマグネシウム基複合材料。 - 熱伝達係数が180W/m・K以上であることを特徴とする請求項22に記載のマグネシウム基複合材料。
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