JP2007224359A - 金属基複合粉体、金属基複合材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カーボンナノチューブ等に代表されるナノ炭素繊維を強化繊維として使用した場合においても、これら強化繊維を金属マトリックス中に高含有率で均一に分散・配向させることができ、諸特性に優れた複合材を形状に制約なく作製するための金属基複合粉体と、その製造方法、さらにはこのような複合粉体を用いた金属基複合材の製造方法と、そのような金属基複合材を提供する。
【解決手段】金属から成り、不定形をなす母粒子１１の表面や内部に、短繊維から成る子粒子１２を固着させて金属基複合粉体１０とし、これを出発原料として押出し加工や粉末冶金などの手法によって金属基複合材を製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属粉体と強化繊維から成る金属基複合粉体と、このような金属基複合粉体から成る金属基複合材に関するものである。

酸化物や炭化物といった従来からの強化材に較べて、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）やフラーレン、炭素繊維等の炭素材は、機械的性質だけでなく電気的性質や熱的性質についても優れていることが知られており、これら炭素材を強化材とする複合材は自動車部品をはじめとして、広範囲に亘ってその応用が期待されている。
特に、マトリックスを金属とした金属基複合材は、樹脂系の複合材に比べて耐熱性や耐摩耗性、熱膨張特性が優れていることから、自動車部品用材料として広く応用が期待できる。

例えば、カーボンナノチューブと金属との複合材としては、アルミニウム粉末とカーボンナノチューブを混合して、シース中で線引きして複合材としたもの（特許文献１参照）や、ニッケルめっき層中にカーボンナノチューブを添加したもの（非特許文献１参照）、さらには高熱伝導性を狙ったものとして結晶性カーボンと微細金属粉との複合材（特許文献２参照）などが提案されている。
また、炭素繊維を強化材とした複合材については数多くの例がある。
特開平１０−８８２５６号公報） 「日経モノづくり」２００５年６月号ｐ．６３−６５ 特開平１０−１６８５０２号公報

しかしながら、上記のような炭素系材料は、金属に対して濡れ性が低く、しかも微細であるため、そのままではマトリックス金属中に高い含有率で均一に分散・配向させることが極めて困難であって、使用に耐えるものは未だ得られていないのが実情である。

例えば、上記特許文献１では、カーボンナノチューブが凝集しているためにその性能が十分に発揮されないという問題がある。
これは、カーボンナノチューブとアルミ粉を混合するだけではカーボンナノチューブの凝集が十分には解けないためである。

一方、上記非特許文献１においては、ある程度の含有率が得られ、均一性も高いものとなるが、マトリックスがめっき層であるために、寸法上の制約があり、膜厚についても実質的に１ｍｍ程度までと言う限界がある。
また、上記特許文献２では、原料粉を長時間混合させねばならず、生産性が低いというもんだいがある。

本発明は、炭素系材料を強化材として用いた従来の金属基複合材における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、カーボンナノチューブ等に代表されるナノ炭素繊維を強化繊維として使用したような場合においても、これら強化繊維を金属マトリックス中に高含有率で均一に分散・配向させることができ、諸特性に優れた複合材を形状に制約なく作製するための金属基複合粉体と、その製造方法、さらには、このような複合粉体を用いた金属基複合材の製造方法と、当該方法により製造された金属基複合材を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、金属粉体を母粒子とし、これに種々の強化繊維から成る子粒子を固着させて複合粉体とし、この複合粉体を出発原料として複合材を作製することによって上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の金属基複合粉体は、金属から成る母粒子と短繊維の子粒子から成る複合粉体であって、不定形をなす母粒子の表面若しくは内部、又はその両方に、子粒子が機械的に固着して成ることを特徴としている。

また、本発明の金属基複合粉体の製造方法においては、上記母粒子に子粒子を固着させるに際して、不活性雰囲気中において不定形をなす金属母粒子と子粒子に互いに衝撃力を加えることを特徴とする。

さらに、本発明の金属基複合材の製造方法においては、上記複合粉体を圧粉成形した後、焼結したり、上記複合粉体から連通多孔質体を成形し、該多孔質体の空隙に溶融金属を含浸させたのち、凝固させたり、上記複合粉体を容器に封入し、脱気処理した後、母粒子金属の再結晶温度よりも高い温度で押出したり、銅系合金を用いた複合粉体の場合は、これを５００〜９００℃の温度域において、５より大きな押出し比で押出したりすることを特徴とする。

そして、本発明の金属基複合材は、上記方法によって製造されていることを特徴としている。

本発明によれば、不定形をなす金属母粒子の表面や内部に、短繊維から成る子粒子を機械的に固着させて金属基複合粉体としたため、当該複合粉体を出発原料として使用することによって、母粒子や子粒子の特性に応じた性能を備えた均質で微細な組織を備えた金属基複合材を得ることができる。

以下、本発明の金属基複合粉体や、その製造方法、さらに当該複合粉体を用いた金属基複合体の製造方法などについて、詳細に説明する。なお、この明細書において、「％」は特記しない限り、質量百分率を示すものとする。

本発明の金属基複合粉体は、上記したように、不定形状の金属母粒子の表面及び内部の一方又は両方に、短繊維の子粒子がメカニカルに一体化されたものであって、このような複合粉体は、子粒子がカーボンナノチューブのようなナノ炭素繊維であったとしても、高濃度で、しかも均一に一体化しており、後述する金属基複合体の出発原料として好適に用いられる。

本発明の金属基複合粉体は、金属母粒子と短繊維から成る子粒子の混合体をアルゴンや窒素といった不活性ガスで満たされた密閉容器の中で高速気流にのせて循環させ、相互に圧縮力や剪断力、摩擦力といった衝撃力を作用させることによって、バインダーを用いることなく一体化させることができる。

図１は、その方法及びこれに用いる処理装置の概要を示すものであって、例えばアルゴンで満たした容器２１の中で、ブレード２２を備えたロータ２３を高速回転させて高速気流を起こし、図示しない投入口から金属母粒子１１と短繊維から成る子粒子１２の混合体を投入し、容器２１及び循環経路２４の中を循環させる間に、母粒子１１と子粒子１２とが互いに衝突したり、容器２１の内壁やブレード２２と衝突したりすることによって、母粒子１１の表面に子粒子１２がメカニカルに固着され、金属基複合粉体１０を得ることができる。
このような母粒子１１と子粒子１２の一体化は、数分オーダーという短時間で行なわれ、子粒子１２の劣化も起きない。この一体化の過程を図２に模式的に示す。

このとき、母粒子１１の初期形態、つまり出発原料の形状については、不定形をなすものを使用し、球形からかけ離れた形状のものほど望ましい。
すなわち、ここで言う「不定形」とは、図２に示したような星型状、凹凸状（こんぺい糖状）、扁平状、板状、鱗片状などを意味する。

このような形状の母粒子１１は表面積が大きく、これを用いることによって、子粒子をより多く一体化することができる。さらに、上記のような処理中に衝撃力によって球形化したり、他の母粒子と合体する際に、内部に子粒子１２を取り込んだりすることもでき、結果的に子粒子１２を高濃度に含む複合粉体１０が得られることになる。
また、出来上がった金属基複合粉体１０いついても、完全な球形粉よりも非球形粉の方が焼結性が高く、複合材を作製するにも好都合なものとなる。

本発明の金属基複合粉体において、母粒子１１の材質は特に限定されるものではなく、一般に、自動車部品によく使われている構造用材料としてのアルミニウム合金や鋼以外にも、マグネシウム系合金、チタン系合金などの軽量材料、あるいはニッケルやコバルトといった耐熱材料、その他磁性材料としての鉄、コバルト、ニッケルなどに応用できる。
特に、高熱伝導性が要求される部品では銀や銅系材料を用いることがよい。銀は高価であることから、銅あるいは銅合金で要求性能が満足できれば、銅系材料を用いることが好ましい。

また、母粒子１１が銅であって、後述する子粒子１２が炭素繊維である場合には、複合材に成形するに際して子粒子１２との密着性を高めるためには、Ｔｉ、Ｃｒ若しくはＺｒ、又はこれらの２種若しくは３種を組合わせて添加することが望ましい。これら成分の添加量としては、少ないと密着向上効果が十分に得られず、ある程度添加すれば、効果は十分であって、それ以上添加しても効果は変わらないので、０．０５〜１．０％程度でよい。

なお、上記した母粒子形状の観点からは、球形に近い形状となりやすいガスアトマイズ粉よりも、不定形の粒子形状を有する水アトマイズ粉や電解粉を用いることが好ましい。

母粒子１１の寸法についても、特に限定されるものではないが、一般に、微小に過ぎると、子粒子１２と一体化されにくく、粗大になり過ぎると、一体化後に複合材とした場合の均一性が劣ることから、概ね１５〜１５０μｍが適当である。なお、ここで言う粒子径とは、その体積から球形に換算した場合の換算径を意味する。

本発明の金属基複合粉体において、子粒子１２としての短繊維については、代表的には炭素繊維を用いることができるが、特にこれに限定されるものではなく、セラミックス繊維や金属繊維などを用いることもできる。

炭素繊維としては、高強度特性を望む場合にはＰＡＮ系、特に熱伝導特性が必要な場合はピッチ系のものを選べばよい。
連続繊維では、複合粉体にすることができないので、短繊維を使用することが必要であって、中でも一般にミルドファイバと呼ばれる微小繊維を用いることが望ましい。さらに微小なナノ炭素繊維として、フラーレンや、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイルなどをも適用することができる。

これら子粒子１２の寸法については、フラーレンやカーボンナノチューブなどにおいて余りに微細であると、母粒子１１と一体化させる際の歩留まりが低くなる一方、粗大に過ぎると、相対的にアスペクト比が下がり、複合化した場合の効果が損なわれることになることから、その径を２０ｎｍ〜１０μｍ程度とするのが現実的である。
また、長さについては、長すぎると母粒子１１との一体化の歩留りが低くなるので、母粒子１１の直径より短くすることが好ましい。

本発明の金属基複合粉体において、母粒子１１と子粒子１２の配合比については、短繊維１２については、子粒子１２が少ないと、当然複合材としてもその効果が小さい。一方、多過ぎると、当然複合材としての性能が高くはなるものの、均一な複合化が難しくなる。さらに、子粒子１２を一体化できる割合には、ある程度で限界があり、子粒子１２の配合量を多くしても無駄になってしまうことになる。
したがって、母粒子１１と子粒子１２の配合比としては、質量比で１００：１〜１００：３０の範囲が好ましく、この範囲内において、目的とする複合材の要求性能に応じて適宜選択すればよい。

このようにして得られた本発明の金属基複合粉体は、これを出発原料として、粉末冶金手法や塑性加工によって成形し、金属基複合材を得ることができる。
例えば、上記金属基複合粉体を金型中で加圧成形（圧粉成形）した後、得られた圧粉体をアルゴンや窒素などの不活性ガス又は真空中で加熱し、粉体同士を焼結することによって金属基複合材を得ることができる。
このとき、加圧しながら加熱すれば、より緻密な焼結複合材が得られる。

また、この複合粉体を低圧で圧粉成形した後、同様に焼結することによって、３次元的に互いに連通した空孔を有する連通多孔質体を得ることができ、このような多孔質体に別に溶融させたマトリックス金属を流し込み、含浸させた後、冷却して凝固させることによって複合材とすることもできる。
この方法によれば、製品の必要な部位だけを複合材とすることができ経済的である。

さらに、上記金属基複合粉体を容器に真空封入した後、高温で押出加工し、塑性加工を加えることによって母粒子同士をより強固に焼結させることができ、緻密で均一な金属基複合材を得ることができる。上記容器は、押出し終了後に除去する。
母粒子金属が変形、焼結するには、押出し温度が再結晶温度より高温であれば良く、例えば母粒子金属が銅合金であれば、２００℃以上、アルミニウム合金、マグネシウム合金であれば、それぞれ、１５０℃以上、１００℃以上の押出し温度が採用される。

また、熱伝導性向上を目的とする金属基複合材を得るには、母粒子金属を銅又は銅合金とした複合粉体を用い、例えば、同様に金属製の円筒状容器に当該粉体を投入後、脱気処理して容器内に封入し、押出して容器を除去することによって棒状の銅基複合材を得ることができる。
この複合材では、子粒子も流動し、ほぼ長軸方向に配向することから、その方向には特に熱伝導その他の性能が高くなる。

このときの押出し温度は、低いと変形抵抗が大きく、焼結も進行しない一方、高いと組織が粗くなってしまうため、この銅基複合粉体を用いた押出し加工の場合には、４００〜９００℃の範囲で行なうことが望ましい。
押出し比については、小さいと複合化後の緻密さが劣るので５以上とすることが望ましい。一方、押出し比が余りに高い場合には、変形抵抗が大きく１段では押出せず複数回に分ける必要があることから、得策でない。現実には、試料の大きさや、装置の能力に応じて５から１０程度の間で選べばよい。

以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて、さらに詳述するが、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）
母粒子として、粒径が７５μｍの水アトマイズ銅粉を用いると共に、子粒子として直径が９μｍ、長さが５０μｍのピッチ系ミルド炭素繊維を使用し、これらを１００：５の質量比に配合した。
このとき使用した上記水アトマイズ銅粉の外観形状を図３（ａ）に示す。

次に、これらの混合物を図１に示した装置に投入し、アルゴン気流にのせてロータが回転する容器中で循環させ、互いに衝撃力を作用させて母粒子に子粒子を固着させて一体化し、本発明の金属基複合粉体を得た。
得られた銅基複合粉体は、全て子粒子が表面だけでなく、内部にも取り込まれて一体化した健全なものであった。この複合粉体の外観形状を図３（ｂ）に示す。

そして、上記により得られた複合粉体を銅製容器（カプセル）に入れ、脱気処理の後、シールして押出し温度７００℃、押出し比５の条件で押出し加工した後、カプセル部を除去し、銅基複合材を得た。
これによって得られた複合材は、相対密度が１００％の健全なバルクであることが確認された。

（比較例１）
母粒子として粒径が１５０μｍの球形をなすガスアトマイズ粉を用いたこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の複合粉を得た。
得られた複合粉は、子粒子の大半が母粒子に固着せず、健全な複合粉を得ることができなかった。

（比較例２）
母粒子及び子粒子として、上記実施例１と同じ組合わせのものを使用し、同様の配合比で混合し、湿式スラリー法によって、これらを一体化し、乾燥後、粉砕することによって、本例の複合粉を得た。
得られた複合粉は、子粒子が母粒子の表面にほとんど付着しておらず、健全な複合粉を得ることができなかった。

（比較例３）
母粒子及び子粒子として、上記比較例１と同じ組合わせのものを同様の配合比で混合し、比較例２と同様の湿式スラリー法によって、本例の複合粉を得た。
得られた複合粉は、子粒子が母粒子の表面にほとんど付着しておらず、健全な複合粉を得ることができなかった。

〔性能評価〕
上記実施例１によって得られた銅基複合材から試料を切り出し、レーザフラッシュ法による熱伝導性評価試験に供した。
その結果、上記複合材の長手方向の熱伝導率は、同様の水アトマイズ銅粉のみから成る粉末を同条件で押出したものの熱伝導率に比べて、２５％向上していることが確認された。

不定形をなす金属母粒子に短繊維子粒子を機械的に固着させるのに用いる装置の一例を示す概略図である。 不定形をなす金属母粒子と短繊維子粒子が機械的に一体化されて金属基複合粉体となる過程を示す模式図である。 本発明の実施例に用いた水アトマイズ銅粉（ａ）及び当該水アトマイズ銅粉から得られた金属基複合粉体（ｂ）の外観を示す電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１０ 金属基複合粉体
１１ 母粒子
１２ 子粒子

Claims (11)

1. 金属から成り不定形をなす母粒子の表面及び／又は内部に、短繊維から成る子粒子が機械的に固着されて成ることを特徴とする金属基複合粉体。
2. 上記母粒子と子粒子の質量比が１００：１〜１００：３０の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の金属基複合粉体。
3. 上記子粒子の径が２０ｎｍ〜１０μｍ、長さが上記母粒子の直径より短いことを特徴とする請求項１又は２に記載の金属基複合粉体。
4. 上記母粒子が銅又は銅合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の金属基複合粉体。
5. 上記母粒子がＴｉ、Ｃｒ及びＺｒから成る群から選ばれた少なくとも１種の合金元素を質量比で０．０５〜１．０％含有する銅合金から成り、上記子粒子が炭素繊維から成ることを特徴とする請求項４に記載の金属基複合粉体。
6. 請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の金属基複合粉体における上記母粒子に子粒子を固着するに際し、
   不活性雰囲気中において、不定形をなす金属母粒子と上記子粒子に互いに衝撃力を加えることを特徴とする金属基複合粉体の製造方法。
7. 請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の金属基複合粉体を圧粉成形した後、得られた圧粉体を焼結することを特徴とする金属基複合材の製造方法。
8. 請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の金属基複合粉体から連通多孔質体を形成し、該多孔質体の空隙部に溶融金属を含浸させた後、凝固させることを特徴とする金属基複合材の製造方法。
9. 請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の金属基複合粉体を容器に封入し、脱気処理した後、母粒子金属の再結晶温度よりも高い温度で押出すことを特徴とする金属基複合材の製造方法。
10. 請求項４に記載の金属基複合粉体を４００〜９００℃の温度域において、５より大きな押出し比で押出すことを特徴とする金属基複合材の製造方法。
11. 請求項７〜１０のいずれか１つの項に記載の方法によって製造されたことを特徴とする金属基複合材。

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