JP2008200703A - 金属基複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強化材のプリフォーム表面の酸化防止により強化材と母材との界面強度を向上させることができるのはもちろんのこと、そのプリフォーム表面の酸化防止技術を簡易化することにより製造コストを低減することができる金属基複合材の製造方法を提供する。
【解決手段】強化材を所定形状に成形したプリフォームＡの全面をＡｌシートＳで被覆する。次に、ヒータ２０を用いて、ＡｌシートＳで被覆したプリフォームＡを予熱する。この場合、ＡｌシートＳによって外部からプリフォームＡの全面への酸素の供給が防止されるとともに、ＡｌシートＳとプリフォームＡとの間に残存する酸素は優先的にＡｌシートＳの酸化に用いられる。これにより、プリフォームＡの全面の酸化を防止することができるので、鋳造時において金属繊維Ｆの表面の母材との濡れ性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、軽金属あるいは軽金属合金からなる母材と、それとは異なる材料からなる強化材を所定形状に成形したプリフォームとを複合化する金属基複合材の製造方法に係り、特にプリフォームの予熱においてその表面の酸化防止技術の改良に関する。

従来、機械要素部品の材料として鉄鋼材料が使用されていたが、近年、自動車部品や航空部品などの多くの部品には、軽量化を目的として、鉄鋼材料より比重の小さなＡｌ（アルミニウム）合金やＭｇ（マグネシウム）合金などの軽金属合金が使用されている。ところが、軽金属合金は、一般的に高温強度や、クリープ強度、耐摩耗性などが鉄鋼材料より劣っている。

そこで、軽量化と上記特性とを同時に達成するために、金属基複合材（Metal Matrix Composite；ＭＭＣ）が使用されている。金属基複合材は、鋳造による鋳包みあるいは含浸によって軽金属合金からなる母材と、それとは異なる材料からなる強化材を所定形状に成形したプリフォームとを複合化した部材である。強化材としては、バルク体あるいは多孔質体（空孔を有する成形体）が用いられる。バルク体は、鉄鋼材料などの金属合金からなり、多孔質体は、粒子、繊維（たとえばＣ（炭素）や、ＳｉＣ（炭化珪素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）などからなるセラミックス繊維）、発泡体、あるいは、パンチングメタルなどの材料からなる。そのような材料のなかのセラミックス繊維が一般的に使用されている。

しかしながら、セラミックス繊維を使用する場合、次のような問題がある。すなわち、セラミックス繊維は、母材の軽金属合金との濡れ性が悪いため、複合化により得られる金属基複合材には鋳巣などの欠陥が多く発生し、製品の品質が低い。また、セラミックス繊維は脆いため、金属基複合材の靱性が不十分で、信頼性が低い。さらに、セラミックス繊維は硬いため、金属基複合材の機械加工性が悪く、製造コストが増大する。

そこで、強化材の材料として、金属繊維を使用する手法がある。金属繊維は、母材の軽金属合金との濡れ性が良く、靱性が高く、かつ、機械加工性が良いので、セラミックス繊維が有する上記問題を解決することができる。

しかしながら、強化材として金属繊維を用いる場合、鋳造による複合化を行うときに次のような問題が生じる。すなわち、金属繊維を所定形状に成形したプリフォームには、複合化時の母材の含浸性向上のために、鋳造前に予熱が行われるが、そのときにプリフォームの金属繊維の表面に酸化が生じる。このような金属繊維の表面の酸化膜により、金属繊維の表面の母材との濡れ性が悪化するため、鋳造によるプリフォームと母材との複合化により得られる金属基複合材では、プリフォームと母材との界面強度が低下し、それらの密着性が悪化する。特に、母材の軽金属合金としてＭｇ合金を用いた場合、界面では、酸化膜に起因した腐食が発生するため、密着性が著しく悪化する。このような問題は、強化材として金属合金からなるバルク体を用いたときにも同様に発生する。

そこで、上記のように強化材として金属合金からなるバルク体および金属繊維からなる多孔質体を用いた場合に生じる問題を解決するために種々の手法が提案されている。たとえば、特許文献１の手法では、酸化防止のために、プリフォーム表面にメッキ処理を施すとともに、そのプリフォームを酸化防止雰囲気あるいは還元雰囲気で鋳造している。また、特許文献２の手法では、酸化防止のためにプリフォーム表面に、メッキ処理によるＮｉメッキ膜やＳｎメッキ膜や、溶射によるNi-Cr-Si-Bの溶射膜などの被膜を形成している。さらに、特許文献３の手法では、強化材と母材との界面強度向上のために、鋳造前にプリフォーム表面にＣＯ_２レーザによる粗面化処理を行い、その粗面化処理では、酸化防止のために不活性ガス気流の雰囲気としている。

特開平８−２３２７５８号公報（明細書の［０００９］） 特開平９−１５５５２３号公報（明細書の［００１４］） 特開平１０−５８１１７号公報（明細書の［０００５］）

しかしながら、特許文献１〜３の手法のように鋳造前にプリフォームに表面処理を行う技術や鋳造時に酸化防止雰囲気等にする技術では、その工程が複雑化するため、製造コストが増大してしまう。

したがって、本発明は、強化材のプリフォーム表面の酸化防止により強化材と母材との界面強度を向上させることができるのはもちろんのこと、そのプリフォーム表面の酸化防止技術を簡易化することにより製造コストを低減することができる金属基複合材の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の金属基複合材の製造方法は、強化材を所定形状のプリフォームに成形し、成形されたプリフォームの全面をＡｌシートで被覆し、Ａｌシートで被覆されたプリフォームを予熱し、予熱されたプリフォームをそのまま金型内に配置し、プリフォームが配置された金型内に軽金属あるいは軽金属合金からなる母材の溶湯を注入し、金型内の母材の溶湯への加圧により、プリフォームの空孔に母材の溶湯を含浸させることを特徴としている。

本発明の金属基複合材の製造方法では、全面がＡｌシートで被覆されたプリフォームを予熱しているので、その予熱時に、Ａｌシートによって外部からプリフォームの全面への酸素の供給が防止されるとともに、Ａｌシートとプリフォームとの間に残存する酸素は優先的にＡｌシートの酸化に用いられる。これにより、プリフォームの全面の酸化を防止することができるので、金属繊維の表面の母材との濡れ性を向上させることができる。したがって、鋳造により得られる金属基複合材における強化材と母材との界面強度の大きくすることができ、これによりそれらの密着性を良好なものとすることができる。しかも、この場合、上記のように予熱前に特別な表面処理を行う必要や鋳造時に酸化防止雰囲気等にする必要がないので、プリフォーム表面の酸化防止技術が簡易なものとなり、その結果、製造コストを低減することができる。

本発明は種々の構成を用いることができる。たとえば、母材に用いられる軽金属をＡｌあるいはＭｇとすることができ、軽金属合金をＡｌおよびＭｇの少なくとも一方を含む合金とすることができる。この場合、母材として、ＭｇあるいはＭｇを含む軽金属合金を用いたとき、母材と強化材との界面における腐食発生が防止されるのはもちろんのこと、Ａｌシートは母材に悪い作用をしない。

また強化材として、金属合金を用いることができる。この場合、強化材としては、主成分としてのＦｅおよびＣｒと、ＡｌおよびＳｉの少なくとも一方とを含む金属繊維を用いることができ、Ｃｒの含有量を５〜３０％、ＡｌおよびＳｉの少なくとも一方の含有量を３〜１０％とすることができる。Ａｌシートの厚さを、０．００６〜０．２ｍｍとすることができる。

本発明の金属基複合材の製造方法によれば、鋳造により得られる金属基複合材における強化材と母材との界面強度の大きくすることができ、これによりそれらの密着性を良好なものとすることができる。しかも、この場合、上記のように予熱前に特別な表面処理を行う必要や鋳造時に酸化防止雰囲気等にする必要がないので、プリフォーム表面の酸化防止技術が簡易なものとなり、その結果、製造コストを低減することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る金属基複合材の製造方法について、図面を参照して説明する。図１〜３は、金属基複合材の製造方法の各工程で使用される装置の概略図である。図１は、強化材としての金属繊維を製造する金属繊維製造装置の概略構成を表し、（Ａ）は装置の側断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図２は、強化材のプリフォームを予熱するためヒータの概略構成を表す側断面である。図３は、母材と強化材を複合化する金型の概略構成を表す側断面図である。

本実施形態の金属基複合材の製造方法は、金属繊維製造工程、プリフォーム成形工程、プリフォーム予熱工程、鋳造工程から構成されている。本実施形態では、本発明の特徴であるプリフォーム予熱工程以外の、金属繊維製造工程、プリフォーム成形工程、および、鋳造工程については、たとえば特許第３６８１３５４号に提案されている手法により行うが、本発明範囲内で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。以下、金属基複合材の製造方法を工程順に説明する。

Ａ．金属繊維製造工程
まず、図１に示す金属繊維製造装置１０を用いた溶湯抽出法によって、金属繊維（強化材）を製造する。金属繊維製造装置１０は、たとえばロール１１を備え、ロール１１の外周にはエッジ１１ａが形成されている。ロール１１の下側には、軸線が垂直方向に延在するように材料ホルダ１２が配置されている。材料ホルダ１２の上端部には、加熱コイル１３が配置されている。

このような金属繊維製造装置１０では、材料ホルダ１２が、その内部に金属の線材を上方へ移動可能に収容し、加熱コイル１３が、材料ホルダ１２の上端から突出する材料Ｍを溶融する。そして、溶融された材料Ｍが、ロール１１のエッジ１１ａに接触し、ロール１１の接線方向へ引き出されるとともに急冷される。これにより、均一な線径の金属繊維Ｆが製造される。金属繊維Ｆの線径は、たとえば２０〜１００μｍである。なお、溶湯抽出法に限らず、他の金属繊維製造法（たとえば引抜き法）によって製造した金属繊維を用いることも当然可能ではあるが、凹凸のある断面形状を有することから母材に対するアンカー効果が得られる点および難加工材の加工が容易な点で、溶湯抽出法が好ましい。

Ｂ．プリフォーム成形工程
次に、金属繊維Ｆを所望形状に予備成形する。具体的には、金属繊維Ｆを解繊し、解繊された金属繊維Ｆをランダムな方向に交錯することにより、不織布状の繊維集合体である金属繊維ウェブを形成する。そして、金属繊維ウェブを所定形状に打ち抜き、得られた打抜品を所定枚数積層した後に圧縮焼結することにより、所定の体積率を有するプリフォームＡが成形される。

プリフォームＡの材質は、製品の要求特性に応じて選択されるが、高温強度の向上を考慮すると、略同等の性質を有する耐熱合金であるＦｅＣｒＡｌあるいはＦｅＣｒＳｉが好適である。それらの耐熱合金は、Ｃｒ：５〜３０重量％、ＡｌあるいはＳｉ：３〜１０重量％、および、残部：Ｆｅおよび不可避不純物、からなる組成の合金である。なお、プリフォームＡの材質として、ステンレス鋼やＮｉ−Ｃｒ合金を用いることもできる。

Ｃ．プリフォーム予熱工程
続いて、図２に示すようにプリフォームＡの全面にＡｌシートＳを被覆する。ＡｌシートＳは、プリフォームＡの全面の酸化防止に使用される。この場合、ＡｌシートＳを密閉状態とすることが好適であるのはもちろんのこと、プリフォームＡとＡｌシートＳとの間の酸素の残存量を少なくするために、そこに隙間を形成しないことがより好適である。ＡｌシートＳの厚さは、任意であるが、ＡｌシートＳが薄い方が、鋳造時にＡｌシートＳが容易に溶失するから、好適である。この場合、厚さが０．００６〜０．２ｍｍであるＡｌシートＳは、工業的に大量生産され低価格であるから、より好適である。

次に、図２に示すようにプリフォームＡの周囲に配置されたヒータ２０を用いて、ＡｌシートＳで全面を被覆したプリフォームＡを大気中で予熱する。このようなプリフォーム予熱工程は、本発明範囲内で種々の変形が可能である。また、予熱雰囲気を、大気に限らず、酸化防止雰囲気等の種々の雰囲気とすることができるのは言うまでもない。

Ｄ．鋳造工程
次いで、予熱されたプリフォームＡを、ＡｌシートＳで被覆した状態で図３に示す金型３１内部に配置した後、金型３１内部に母材の溶湯Ｌを注入する。すると、ＡｌシートＳは、溶湯の熱により溶解する。なお、母材の材料は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、あるいは、Ａｌ合金である。Ｍｇ合金を用いる場合、もともとＡｌを含むＭｇ合金は、鋳造による母材の組成変化がほとんど生じないから、好適である。また、母材としてＭｇあるいはＭｇ合金を用いた場合でも、ＡｌシートＳは母材に悪い作用をしない。

続いて、パンチ３２を用いて、母材の溶湯Ｌを加圧することにより、プリフォームＡの空孔に母材の溶湯Ｌを含浸させる。次に、母材の溶湯Ｌを冷却固化させることにより、金属基複合材が得られる。このような金属基複合材を適宜機械加工することにより、ピストンなどの機械要素部品が得られる。

本実施形態の金属基複合材の製造方法では、全面がＡｌシートＳで被覆されたプリフォームＡを予熱しているので、その予熱時に、ＡｌシートＳによって外部からプリフォームＡの全面への酸素の供給が防止されるとともに、ＡｌシートＳとプリフォームＡとの間に残存する酸素は優先的にＡｌシートＳの酸化に用いられる。これにより、プリフォームＡの全面の酸化を防止することができるので、金属繊維Ｆの表面の母材との濡れ性を向上させることができる。したがって、鋳造により得られる金属基複合材における強化材と母材との界面強度の大きくすることができ、これによりそれらの密着性を良好なものとすることができる。しかも、この場合、上記のように予熱前に特別な表面処理を行う必要や鋳造時に酸化防止雰囲気等にする必要がないので、プリフォームＡ表面の酸化防止技術が簡易なものとなり、その結果、製造コストを低減することができる。

以下、具体的な実施例を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。

実施例１，比較例１，２では、プリフォーム予熱工程の条件を変更した以外は、金属繊維製造工程、プリフォーム成形工程、および、鋳造工程の条件を同様にして、サンプルを作製した。金属繊維製造工程で製造した金属繊維を、Ｃｒ：２０重量％、Ｓｉ：５重量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物を含む繊維とし、その線径を４０μｍとした。プリフォーム成形工程で成形されたプリフォームを、繊維多孔質体とした。繊維多孔質体の体積率を２０％、直径を４５ｍｍ、高さを１６ｍｍとした。母材の材質としては、Ａｌ：５．５重量％、Ｃａ：２重量％、Ｍｍ：２重量％、残部：Ｍｇおよび不可避不純物を含むＭｇ合金を用いた。なお、Ｍｍは、希土類元素の合金であるミッシュメタルである。鋳造工程では、溶湯温度を７００℃、金型温度を１５０℃、加圧力を２５０ＭＰａ、加圧時間を１０secとした。

実施例１，比較例１，２のプリフォーム予熱工程の条件を表１に示す。実施例１のプリフォーム予熱工程では、プリフォームの全面を厚さ０．０２ｍｍのＡｌシートで被覆し、そのプリフォームを大気中で予熱した。比較例１のプリフォーム予熱工程では、プリフォームをＡｌシートで被覆せずに２L／minのＡｒ気流中で予熱した。比較例２のプリフォーム予熱工程では、プリフォームをＡｌシートで被覆せずに大気中で予熱した。実施例１，比較例１，２の全てのプリフォーム予熱工程では、予熱温度を５００℃、予熱時間を３０minとした。

実施例１，比較例１，２で作製したサンプルの引張試験を室温にて行った。その結果を表２に示す。表２に示すように、実施例１，比較例１，２のサンプルの引張強さは、それぞれ２２３ＭＰａ、１７８ＭＰａ、１５０ＭＰａであった。これら結果から、酸化防止技術を施した実施例１，比較例１では、酸化防止技術を施さなかった比較例２よりも、母材と強化材との界面強度が大きくなり、酸化防止技術として本発明のＡＬシートの被覆を用いた実施例１では、酸化防止技術として従来のようなＡｒガス流の雰囲気を用いた比較例１よりも、母材と強化材との界面強度が大きくなることを確認した。

また、引張試験後の各サンプルの破面（母材と強化材との界面）を実体顕微鏡で観察した。図４に示すように、実施例１のサンプルの破面には界面腐食が全くなく、図５に示すように、比較例１のサンプルの破面には界面腐食（赤茶色の箇所）が部分的に発生し、図６に示すように、比較例２のサンプルの破面には界面腐食が全ての領域で発生していた。これら観察結果から、酸化防止技術として本発明のＡＬシートの被覆を用いた実施例１は、酸化防止技術として従来のようなＡｒガス流の雰囲気を用いた比較例１および酸化防止技術を施さなかった比較例２と比較して、界面腐食が防止されることを確認した。なお、このような実体顕微鏡による観察結果は表２に併記している。

以上のような結果から判るように、ＡＬシートの被覆を用いた本発明の酸化防止技術は、Ａｒガス流の雰囲気を用いた従来の酸化防止技術よりも優れていることを確認した。

本発明の一実施形態に係る金属基複合材の製造方法の金属繊維製造工程に使用される金属繊維製造装置の概略構成を表し、（Ａ）は装置の側断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の一実施形態に係る金属基複合材の製造方法のプリフォーム予熱工程に使用されるヒータの概略構成を表す側断面である。 本発明の一実施形態に係る金属基複合材の製造方法の鋳造工程に使用される金型の概略構成を表す側断面である。 本発明の実施例で製造した金属基複合材の断面の実体顕微鏡の写真を示す図である。 本発明の比較例１で製造した金属基複合材の断面の実体顕微鏡の写真を示す図である。 本発明の比較例２で製造した金属基複合材の断面の実体顕微鏡の写真を示す図である。

符号の説明

Ｆ…金属繊維（強化材）、Ａ…プリフォーム、Ｓ…Ａｌシート、Ｌ…溶湯

Claims (5)

1. 強化材を所定形状のプリフォームに成形し、
   前記成形されたプリフォームの全面をＡｌシートで被覆し、
   前記Ａｌシートで被覆された前記プリフォームを予熱し、
   前記予熱されたプリフォームをそのまま金型内に配置し、
   前記プリフォームが配置された前記金型内に軽金属あるいは軽金属合金からなる母材の溶湯を注入し、
   前記金型内の前記母材の溶湯への加圧により、前記プリフォームの空孔に前記母材の溶湯を含浸させることを特徴とする金属基複合材の製造方法。
2. 前記軽金属はＡｌあるいはＭｇであり、前記軽金属合金はＡｌおよびＭｇの少なくとも一方を含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の金属基複合材の製造方法。
3. 前記強化材は、金属合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の金属基複合材の製造方法。
4. 前記強化材は、主成分としてのＦｅおよびＣｒと、ＡｌおよびＳｉの少なくとも一方とを含む金属繊維であり、
   前記Ｃｒの含有量は５〜３０％であり、前記ＡｌおよびＳｉの少なくとも一方の含有量は３〜１０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属基複合材の製造方法。
5. 前記Ａｌシートの厚さは、０．００６〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属基複合材の製造方法。

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