JP2008223049A - 複合金属材料の製造方法及び複合金属成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半溶融状の金属材料にカーボンナノ材料を投入する際に、カーボンナノ材料が飛散することを防止する技術を提供することを課題とする。
【解決手段】（ａ）に示すように、容器２７から所定量のカーボンナノ材料２８を材料供給部材２２へ投入する。次に、下端が半溶融状態の金属材料２４に沈入されているパイプ２５へ、（ｂ）に示すように、押棒２３を挿入し、下降させる。すると、（ｃ）に示すように、パイプ２５内にあったカーボンナノ材料２８は、全て半溶融状態の金属材料２４中に押し込まれる。
【効果】筒状の材料供給部材でカーボンナノ材料を、直接的に半溶融状態の金属材料の中に押し込むようにしたので、カーボン材料が飛散する心配はない。
【選択図】図２

Description

本発明は、カーボンナノ材料を含む複合金属材料の製造及びそれの利用に関する。

カーボンナノ材料として、直径が２０ｎｍ以下で長さが数μｍのカーボンナノチューブや、直径が１００ｎｍ〜数百ｎｍで長さが１０μｍ〜数百μｍのカーボンナノファイバーが知られている。このようなカーボンナノ材料は、比重が１．７２程度であり、鉄の１／５程度と軽量であるため、複合材料の軽量化に貢献する。また、カーボン特有の強度や熱伝導が期待できるため、カーボンナノ材料は補強材や添加材料として活用される。

従来、カーボンナノ材料を強化材料にして複合金属材料を製造する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１３６３６３公報（図１）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図８は従来の技術の基本原理を説明する図であり、金属材料１０１を溶融炉１０２で完全に溶解する。次に、溶湯１０３は傾斜冷却板１０４で混合装置１０５に導かれるが、この間に半溶融状態まで冷却される。この混合装置１０５へは筒状の供給部材１０６を用いてカーボンナノ材料１０７が供給される。混合装置１０５では撹拌機１０８で撹拌することで、半溶融状態の金属材料１０９にカーボンナノ材料１０７が混合される。

金属材料１０９が半溶融状態であるため、カーボンナノ材料１０７は凝集することなく、均等に金属材料１０９に分散される。
なお、金属材料１０９がマグネシウムやアルミニウムである場合は、酸化が問題となるので、想像線で示すように混合装置１０５を密閉ケース１１１で囲い、ガス供給管１１２から不活性ガス又は非酸化性ガスを吹き込むことで、酸化を防止する。

本発明者らは、上述の従来の技術で、カーボンナノ材料の含有率が１０％である複合金属材料の製造を試みた。得られた複合金属材料を調べたところ、カーボンナノ材料の含有率は約８％であった。約２％のカーボンナノ材料が金属材料１０９に含まれなかったことになる。
調べたところ、約２％のカーボンナノ材料の大半が、密閉ケース１１１の内面と混合装置１０５の外面に付着していた。

その原因は、半溶融状態の金属材料１０９は高温であり、密閉ケース１１１の内面がそれより低温であるため、半溶融状態の金属材料１０９の上面（液面）から雰囲気ガスの上昇流れが発生し、この上昇流れで、カーボンナノ材料１０７の一部が舞い上がり、密閉ケース１１１や混合装置１０５に付着したと推定できる。
このようなカーボンナノ材料の飛散を防止する必要がある。

また、金属材料を半溶融状態にすることで、濡れ性の悪いカーボンナノ材料を、金属材料に均等に分散させることができるが、反面、撹拌時間を十分に延ばす必要があり、この結果、生産性が低下するという不都合が発生した。
そこで、生産性の向上も図る必要がある。

本発明は、第１にカーボンナノ材料の飛散を防止することができる技術を提供し、第２に生産性を高めることができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、不活性ガス若しくは非酸化性ガス雰囲気中で、非鉄金属材料を加熱して半溶融状態にしこの半溶融状態の金属材料にカーボンナノ材料を添加し、撹拌して複合金属材料を得る複合金属材料の製造方法において、
筒状の材料供給部材の一端を前記半溶融状態の金属材料に没入し、このような材料供給部材に他端からカーボンナノ材料を投入し、投入したカーボンナノ材料を押圧して前記半溶融状態の金属材料に供給することで、半溶融状態の金属材料にカーボンナノ材料を添加することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、押圧は、材料供給部材に押棒を挿入するか又は不活性ガス若しくは非酸化性ガスを前記材料供給部材に供給してガス圧で押出すことで実施することを特徴とする。

請求項３に係る発明では、金属材料は、マグネシウム又はアルミニウムであることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成金属を表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項１〜４のいずれか１項記載の複合金属材料の製造方法により製造された複合金属材料を、直接金属成形機に供給し、半溶融状態で金型のキャビティにより成形することで複合金属成形品を得ることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、請求項１〜４のいずれか１項記載の複合金属材料の製造方法により製造された複合金属材料を、冷却して固体の複合金属材料とし、この固体の複合金属材料を金属成形機に供給し、半溶融状態になるまで加熱して金型のキャビティにより成形することで複合金属成形品を得ることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、筒状の材料供給部材でカーボンナノ材料を、直接的に半溶融状態の金属材料の中に押し込むようにしたので、カーボン材料が飛散することはない。この結果、カーボンナノ材料の含有率を所定の値に定めることができ、高品質の複合金属成形品を得ることができる。

また、筒状の材料供給部材でカーボンナノ材料を、直接的に半溶融状態の金属材料の中に押し込むようにしたので、カーボンナノ材料は直ぐに金属材料に混ざり始める。仮に、半溶融状態の金属材料に上からカーボン材料を落下させると、カーボンナノ材料が金属材料の上に浮くため、混合が遅れる。この欠点を本発明では払拭することができ、撹拌時間が短縮可能となり、生産性の向上が図れる。

請求項２に係る発明では、材料供給部材に押棒を挿入するか又は不活性ガス若しくは非酸化性ガスを材料供給部材に供給してガス圧で、カーボンナノ材料を押出すため、確実に且つ迅速にカーボンナノ材料を半溶融状態の金属材料中に投入することがでる。
不活性ガス若しくは非酸化性ガスであれば、供給する雰囲気ガスの一部を充てることができ、雰囲気ガスの有効活用を図ることができる。

請求項３に係る発明では、金属材料は、マグネシウム又はアルミニウムであることを特徴とする。マグネシウム又はアルミニウムは成形加工が容易な金属であり、複合金属材料の金属基として有用である。

請求項４に係る発明では、カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成金属を表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。金属付着カーボンナノ材料は、金属を付着させないカーボンナノ材料に比較して格段に濡れ性がよく、半溶融状態の金属材料に均一に分散させることができる。

請求項５に係る発明では、請求項１〜４のいずれか１項記載の複合金属材料の製造方法により製造された複合金属材料を、直接金属成形機に供給し、半溶融状態で金型のキャビティにより成形することで複合金属成形品を得ることを特徴とする。請求項１〜４のいずれか１項記載の複合金属材料の製造方法により製造された複合金属材料は、カーボンナノ材料の添加率が安定しているため、高い精度の複合金属成形品が提供される。

請求項６に係る発明では、請求項１〜４のいずれか１項記載の複合金属材料の製造方法により製造された複合金属材料を、冷却して固体の複合金属材料とし、この固体の複合金属材料を金属成形機に供給し、半溶融状態になるまで加熱して金型のキャビティにより成形することで複合金属成形品を得ることを特徴とする。請求項１〜４のいずれか１項記載の複合金属材料の製造方法により製造された複合金属材料は、カーボンナノ材料の添加率が安定しているため、高い精度の複合金属成形品が提供される。
加えて、固体の複合金属材料は保存が可能である。すなわち、造り置きが可能であるため、生産の調整を容易に実施することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る複合金属材料の製造装置の原理図であり、複合金属材料の製造装置１０は、るつぼ１１と、このるつぼ１１を囲う断熱層１２と、この断熱層１２に埋め込まれ、るつぼ１１を所定の温度まで加熱するヒータ１３、１４と、断熱層１２を囲う金属製で気密性を有するケース１５と、るつぼ１１の温度を測るためにケース１５に取り付けた熱電対などの測温具１６と、るつぼ１１の上面開口を塞ぐ蓋体１８と、この蓋体１８の中央に下向きに設けた撹拌機１９と、この撹拌機１９を挟むようにして蓋体１８に設けた雰囲気ガス吹き込み管２１及び筒状の材料供給部材２２と、この材料供給部材２２に上から下向きに挿入する押棒２３とからなる。

材料供給部材２２は、下端が半溶融状態の金属材料２４に沈入するまで延ばされているパイプ２５と、このパイプ２５の上端に設けた円錐管部２６とからなる。パイプ２５は、内径５ｍｍのステンレス（ＳＵＳ）管が好適である。
押棒２３は、パイプ２５の内径より数ミリ小さな外径とした丸棒が望ましい。

図２は材料供給部材の作用を説明する図であり、（ａ）に示すように、容器２７から所定量のカーボンナノ材料２８を材料供給部材２２へ投入する。次に、下端が半溶融状態の金属材料２４に沈入されているパイプ２５へ、（ｂ）に示すように、押棒２３を挿入し、下降させる。すると、（ｃ）に示すように、パイプ２５内にあったカーボンナノ材料２８は、全て半溶融状態の金属材料２４中に押し込まれる。

筒状の材料供給部材２２でカーボンナノ材料２８を、直接的に半溶融状態の金属材料２４の中に押し込むようにしたので、カーボン材料２８が飛散することはない。この結果、カーボンナノ材料２８の含有率を所定の値に定めることができる。

以上の構成からなる複合金属材料の製造装置を用いて実施する複合金属材料の製造方法を説明する。
図３は本発明に係る複合金属材料の製造方法のフロー図である。
ステップ番号（以下、ＳＴと略記する。）０１で、Ｍｇ合金インゴットと、Ｓｉを被せたカーボンナノ材料を準備する。Ｓｉを被せたカーボンナノ材料の製造方法は図４で説明する。

Ｍｇ合金インゴットは、例えば、ＡＳＴＭ ＡＺ９１Ｄ（マグネシウム合金ダイカスト ＪＩＳ Ｈ ５３０３ ＭＤＣ１Ｄ相当品）とする。ＡＺ９１Ｄの組成は、Ａｌが約９質量％で残部が、少量の元素、不可避的不純物及びＭｇである。

ＳＴ０２で、所定量のＭｇ合金インゴットをるつぼに投入する。ＳＴ０３で、ヒータへ通電して、るつぼを５８５℃に加熱する。すると、るつぼ内のＭｇ合金インゴットは、半溶融状態になる（ＳＴ０４）。Ｍｇ合金が酸化しないように、アルゴンガスなどの不活性ガス又は（ＳＦ_６＋ＣＯ_２）混合ガスなどの非酸化性ガスを吹き込む（ＳＴ０５）。

ＳＴ０６で、材料供給部材（パイプ）にカーボンナノ材料（ＣＮＦ）を充填する。そして、押棒で押出す（ＳＴ０７）。すると、カーボンナノ材料は半溶融状態のＭｇ合金内に放出される。そこで、撹拌機で半溶融状態のＭｇ合金を、回転速度５００ｒｐｍ（毎分の回転数）、撹拌時間１時間の条件で撹拌する（ＳＴ０８）。撹拌が終わったら撹拌機及びパイプを撤去する（ＳＴ０９）。これで、カーボンナノ材料が均一に分散された半溶融状態の複合金属材料を得ることができる（ＳＴ１０）。

直ちに成形を実施するのであれば、半溶融状態の複合金属材料をダイカストマシーンなどの金属成形機へ供給し（ＳＴ１２）、複合金属成形品を得る（ＳＴ１３）。

以上により、カーボンナノ材料の添加率が安定しているため、高い精度の複合金属成形品が得られた。

ＳＴ１１で、直ぐに成形を実施する必要がなければ、冷却し（ＳＴ１４）、ペレット又はインゴットを製造する（ＳＴ１５）。このペレットやインゴットは必要になった時点で、半溶融状態にして成形すれば、複合金属成形品を何時でも製造することができる。

図４は金属付着カーボンナノ材料の製造方法を説明する図である。
（ａ）：カーボンナノ材料２８を準備する。例えば１０ｇ。
（ｂ）：Ｓｉ粉末２９を準備する。例えば１０ｇ。

（ｃ）：容器３１にエタノール３２を満たし、そこへカーボンナノ材料２８及びＳｉ粉末２９を投入する。そして、撹拌機３３で撹拌し、混合する。撹拌機３３の回転速度を毎分７５０回転とした。約２時間の撹拌で混合は十分であった。
（ｄ）：得られた混合物３４を濾紙３５で濾過し、次に乾燥させる。
（ｅ）：得られた混合物３４を、ジルコニウム製容器３６に入れ、アルミナ製蓋３７を被せる。この蓋３７は非密閉蓋を採用することで、容器３６の内部と外部との通気を可能にする。

（ｆ）：密閉炉体３８と、炉体３８内部を加熱する加熱手段３９と、容器３６を載せる台４１、４１と、炉体３８内部を真空にする真空ポンプ４２とを備える真空炉４３を準備し、この真空炉４３に容器３６を入れる。真空下で加熱することで、混合物３４中のＳｉ粉末が蒸発する。この蒸発したＳｉが付近のカーボンナノ材料の表面に接触し、化合物を形成し、Ｓｉの微粒子となって付着する。これで、金属付着カーボンナノ材料を得ることができた。この金属付着カーボンナノ材料を図１、図２でのカーボンナノ材料２８に置き換えればよい。

次に、本発明の別実施例を説明する。
図５は本発明の別実施例に係る複合金属材料の製造装置の原理図であり、複合金属材料の製造装置１０Ｂは、るつぼ１１と、このるつぼ１１を囲う断熱層１２と、この断熱層１２に埋め込まれ、るつぼ１１を所定の温度まで加熱するヒータ１３、１４と、断熱層１２を囲う金属製で気密性を有するケース１５と、るつぼ１１の温度を測るためにケース１５に取り付けた熱電対などの測温具１６と、るつぼ１１の上面開口を塞ぐ蓋体１８と、この蓋体１８の中央に下向きに設けた撹拌機１９と、この撹拌機１９を挟むようにして蓋体１８に設けた雰囲気ガス吹き込み管２１及び筒状の材料供給部材２２と、この材料供給部材２２の上面開口を塞ぐプラグ４５と、材料供給部材２２の上部へ不活性ガス若しくは非酸化性ガスを供給するガス供給管４６とからなる。

このガス供給管４６はバルブ４７を備え、ガス容器４８から高圧の不活性ガス若しくは非酸化性ガスを必要な時に、材料供給部材２２の上部へ供給することができる。
ガス容器４８は独立して設けた高圧ガスボンベでもよいが、蓋体１８に設けた雰囲気ガス吹き込み管２１から分岐管４９を介して雰囲気ガス（正しくは、雰囲気ガスとして準備したガス）の一部を供給するようにしてもよい。そうすれば、高圧ガスボンベなどを省略することができる。

図６は図５の作用を説明する図であり、（ａ）に示すように、容器２７から所定量のカーボンナノ材料２８を材料供給部材２２へ投入する。次に、（ｂ）に示すように、材料供給部材２２の上部開口をプラグ４５で塞ぐ。そして、（ｃ）に示すように、バルブ４７を開いて、高圧のガスをパイプ２５に吹き込む。すると、ガスの圧力で、パイプ２５内にあったカーボンナノ材料２８は、全て半溶融状態の金属材料２４中に押し込まれる。
高圧のガスは不活性ガス又は非酸化性ガスであるため、金属材料２４を変質させる心配はない。

なお、パイプ２５が高い雰囲気温度の影響で、曲がる心配がある。しかし、ガスで押し込む場合は、パイプ２５の曲がりの影響を受けない。すなわち、パイプ２５の曲がりはある程度まで許容できるという利点がある。

図７は本発明の更なる別実施例に係る複合金属材料の製造装置の原理図であり、複合金属材料の製造装置１０Ｃは、るつぼ１１と、このるつぼ１１を囲う断熱層１２と、この断熱層１２に埋め込まれ、るつぼ１１を所定の温度まで加熱するヒータ１３、１４と、断熱層１２を囲う金属製で気密性を有するケース１５と、るつぼ１１の温度を測るためにケース１５に取り付けた熱電対などの測温具１６と、るつぼ１１の上面開口を塞ぐ蓋体１８と、この蓋体１８の中央に下向きに設けた撹拌機１９と、この撹拌機１９を挟むようにして蓋体１８に設けた雰囲気ガス吹き込み管２１及び筒状の材料供給部材２２と、この材料供給部材２２に上から下向きに挿入する押棒２３と、材料供給部材２２を蓋体１８に昇降自在に支持するシリンダユニット５１と、蓋体１８に昇降自在に材料供給部材２２を繋ぐ可撓管５２となるからなる。

この可撓管５２は金属ベローズと呼ばれる蛇腹が好適である。
また、押棒２３には、先端（下端）にフェルトリング５３を設けることが好ましい。フェルトリング５３は伸縮性及び弾力性に富むため、外径をパイプ２５の内径より大きくすることができる。併せて、押棒２３を構成する丸棒５４はパイプ２５の内径よりも十分に小径にすることができる。パイプ２５と丸棒５４との間に大きな隙間を確保することができるため、パイプ２５の不可避的曲がりや、丸棒５４の曲がりをある程度許容することができる。

シリンダユニット５１の作用で、材料供給部材２２を随時昇降することができる。半溶融状態の金属材料２４中に、カーボンナノ材料が供給できたら、材料供給部材２２を上昇させる。次に撹拌を実施する。すなわち、カーボンナノ材料を金属材料２４中に供給する時にだけ、材料供給部材２２を下げ、その以外の時には材料供給部材２２を想像線で示すように上げておく。
そうすれば、材料供給部材２２の下端に金属材料２４が付着することを解消することができる。

なお、金属材料は、実施例ではＭｇ（マグネシウム）合金で説明したが、アルミニウム合金でも同様の効果が得られた。マグネシウム又はアルミニウムは成形加工が容易な金属であり、複合金属材料の金属基として有用である。

本発明は、マグネシウムを金属基とし、これにカーボンナノ材料を添加してなる複合金属材料の製造方法に好適である。

本発明に係る複合金属材料の製造装置の原理図である。 材料供給部材の作用を説明する図である。 本発明に係る複合金属材料の製造方法のフロー図である。 金属付着カーボンナノ材料の製造方法を説明する図である。 本発明の別実施例に係る複合金属材料の製造装置の原理図である。 図５の作用を説明する図である。 本発明の更なる別実施例に係る複合金属材料の製造装置の原理図である。 従来の技術の基本原理を説明する図である。

符号の説明

１０、１０Ｂ、１０Ｃ…複合金属材料の製造装置、１１…るつぼ、２２…材料供給部材、２３…押棒、２４…半溶融状態の金属材料、２５…パイプ、２８…カーボンナノ材料。

Claims (6)

1. 不活性ガス若しくは非酸化性ガス雰囲気中で、非鉄金属材料を加熱して半溶融状態にしこの半溶融状態の金属材料にカーボンナノ材料を添加し、撹拌して複合金属材料を得る複合金属材料の製造方法において、
   筒状の材料供給部材の一端を前記半溶融状態の金属材料に没入し、このような材料供給部材に他端からカーボンナノ材料を投入し、投入したカーボンナノ材料を押圧して前記半溶融状態の金属材料に供給することで、半溶融状態の金属材料にカーボンナノ材料を添加することを特徴とする複合金属材料の製造方法。
2. 前記押圧は、前記材料供給部材に押棒を挿入するか又は不活性ガス若しくは非酸化性ガスを前記材料供給部材に供給してガス圧で押出すことで実施することを特徴とする請求項１記載の複合金属材料の製造方法。
3. 前記金属材料は、マグネシウム又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の複合金属材料の製造方法。
4. 前記カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成金属を表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする請求項１記載の複合金属材料の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の複合金属材料の製造方法により製造された複合金属材料を、直接金属成形機に供給し、半溶融状態で金型のキャビティにより成形することで複合金属成形品を得ることを特徴とする複合金属成形品の製造方法。
6. 請求項１〜４のいずれか１項記載の複合金属材料の製造方法により製造された複合金属材料を、冷却して固体の複合金属材料とし、この固体の複合金属材料を金属成形機に供給し、半溶融状態になるまで加熱して金型のキャビティにより成形することで複合金属成形品を得ることを特徴とする複合金属成形品の製造方法。

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