JP2012126960A

JP2012126960A - アルミニウム複合材料及びその製造方法

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Publication number: JP2012126960A
Application number: JP2010279560A
Authority: JP
Inventors: Takeoki Iizuka; 建興飯塚
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】強度、耐摩耗性及び高温特性に優れるアルミニウム複合材料を提供する。
【解決手段】セラミックス短繊維１で作製したプリフォーム３に、セラミックス粒子５を混合した溶湯アルミニウム合金６を圧入して得たアルミニウム複合材料である。前記アルミニウム合金６はＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｍｇ、又はＡｌ−Ｚｎであり、前記セラミックス粒子５はＡｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、Ｂ4Ｃ又はＳｉ3Ｎ4であり、前記セラミックス短繊維１はＡｌ2Ｏ3又は３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2であることが好ましい
【選択図】図１

Description

本発明は、強度、耐摩耗性及び高温特性に優れるアルミニウム複合材料及びその製造方法に関するものである。

セラミックス粒子をアルミニウム合金に分散させた粒子分散アルミニウム複合材料（以下、複合材料ともいう）は、強度、耐熱性や耐摩耗性に優れており、自動車エンジンの部品などに用いられている。

従来の製造方法では、粒子分散強化アルミニウム複合材料は、溶融アルミニウムへの粒子の直接混合（混合法）、圧力による粒子プリフォームへの溶融アルミニウムの含浸（含浸法）、金属酸化物粉末のアルミニウム溶湯への添加によるアルミナ粒子のin-situ生成（反応法）によって作られている。

混合法を用いる場合、溶湯アルミニウムと粒子との濡れ性が良くないため、粒径１０μｍ以下の粒子の溶湯金属への分散は非常に難しい。現状では、混合法において粒径１０μｍ以下の粒子を溶融アルミニウムに分散する技術はまだ確立されたとは言えない。粒径数μｍ以下のセラミックスを攪拌法で溶湯アルミニウム合金に添加すると、粒子間の凝集が生じ、複合材料中に未含浸の粒子凝集体が残される。このような未含浸の粒子凝集体は複合材料の機械的特性を劣化させる。

同様に、金属酸化物の粉末の溶湯アルミニウム合金への添加によるアルミナ粒子のin-situ生成においては、前述と同じように粒径１０μｍ以下の金属酸化物粒子を用いると、その混合もかなり難しい。

粒子プリフォームを用いて、圧力鋳造法で粒子分散アルミニウム複合材料を作製する場合、予め粒子プリフォームを作製する必要がある。ただし、粒径５μｍ以下の粒子を用いると、プリフォームの作製は非常に困難である。

一方、繊維強化アルミニウム複合材料は、繊維のプリフォームを用いて、圧力鋳造で溶湯アルミニウム合金をプリフォームの空隙に圧入することによって作製され、繊維の含有率は数％〜十数％である。ただし、この方法では、プリフォームのないところでは、合金が強化されないため、部品や部材の全体の強化ができない。

特開平６−１９２７６４号公報

粒子分散アルミニウム複合材料の機械的特性をさらに向上させるには、粒径の小さな粒子の複合が望まれ、特にナノオーダーからサブミクロンオーダーのセラミックス粒子のアルミニウム合金への複合技術の開発が望まれている。しかし、従来の製造方法では、粒径がミクロンオーダーやナノオーダーの粒子のアルミニウム合金への複合は非常に困難であるため、新たな粒子分散法の開発が望まれている。

そこで、本発明の目的は上記課題を解決し、強度、耐摩耗性及び高温特性に優れるアルミニウム複合材料及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、セラミックス短繊維で作製したプリフォームに、セラミックス粒子を混合した溶湯アルミニウム合金を圧入して得たアルミニウム複合材料である。

前記アルミニウム合金はＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｍｇ又はＡｌ−Ｚｎであり、前記セラミックス粒子はＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、Ｂ₄Ｃ又はＳｉ₃Ｎ₄であり、前記セラミックス短繊維はＡｌ₂Ｏ₃又は３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂であるとよい。

前記セラミックス粒子の粒径は３０μｍ以下であり、前記セラミックス短繊維の直径は１μｍ〜３０μｍでアスペクト比が１０〜１０００であるとよい。

また、本発明は、セラミックス短繊維からなるプリフォームを金型にセットし、その後、セラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、更にその溶湯アルミニウム合金に圧力をかけ、その圧力で前記セラミックス粒子を含む溶湯アルミニウム合金を前記セラミックス短繊維からなるプリフォームに圧入するアルミニウム複合材料の製造方法である。

本発明によれば、強度、耐摩耗性及び高温特性に優れるアルミニウム複合材料を提供できる。

本実施の形態に係るアルミニウム複合材料の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）はセラミックス短繊維からなるプリフォームを金型にセットした図、（ｂ）は金型にセラミックス粒子を含む溶湯アルミニウム合金を鋳込んだ図、（ｃ）は溶湯アルミニウム合金を加圧した図である。

本発明の一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係るアルミニウム複合材料の製造工程を模式的に示したものである。

アルミニウム複合材料は、図１（ａ）に示すように、セラミックス短繊維１からなるプリフォーム（以下、繊維プリフォームともいう）３を金型４にセットし、図１（ｂ）に示すように、セラミックス粒子（以下、粒子ともいう）５を含んだ溶湯アルミニウム合金６を鋳込み、図１（ｃ）に示すように、溶湯アルミニウム合金６をパンチ７で加圧し、繊維プリフォーム３の空隙２に、セラミックス粒子５を含んだ溶湯アルミニウム合金６を圧入することで製造される。プリフォーム３と金型４は、溶湯アルミニウム合金６を鋳込む前に予め熱せられる。

このように、本発明は、予めＡｌ₂Ｏ₃、３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂等のセラミックス短繊維のプリフォーム３を金型４にセットした後、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、Ｂ₄Ｃ、Ｓｉ₃Ｎ₄等のセラミックス粒子５を分散させた溶湯アルミニウム合金６を加圧下でセラミックス短繊維のプリフォーム３に圧入することにより、セラミックス短繊維１とセラミックス粒子５で強化したアルミニウム複合材料を得るものである。

こうして得られたアルミニウム複合材料は、図１（ｃ）のように、セラミックス粒子５で強化された粒子強化部分８と、セラミックス短繊維１とセラミックス粒子５とで強化された繊維・粒子強化部分９とを有している。

アルミニウム合金６としては、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｚｎ等の合金を用いることができる。

セラミックス短繊維のプリフォーム３は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）等の短繊維からなる。セラミックス短繊維１の直径は１μｍ〜３０μｍで、アスペクト比（繊維の長さ／繊維の直径）は１０〜１０００である。また、プリフォーム３で強化している部分のセラミックス短繊維１の体積含有率（Ｖｆ）は３％〜２０％である。セラミックス短繊維１の体積含有率が２０％を超えると、通常の方法では鋳造が困難となる。

セラミックス繊維のプリフォームは一般的に、湿式法で作られる。本実施の形態では、セラミックス短繊維１と水とバインダを混合・分散させたスラリーを作り、これを吸引脱水成形した後、乾燥、焼成して、多孔質のセラミックス体であるプリフォーム３を得る。

湿式法では、吸引で水を取るため、水の流れに沿ってプリフォーム内では、繊維に一定の配向性があるのが特徴である。従って、配向性のある繊維プリフォームを補強材として用いる場合、複合材料内でも違う方向での強度は若干異なる。また、アルミニウム合金中の繊維の分布においては、プリフォーム中の繊維の分布がそのままに近い形で残されるため、共晶組織の中だけではなく、アルミニウム合金中の初晶α−Ａｌの中でも繊維が存在する。

本発明は、繊維プリフォーム３の内部空隙２へのセラミックス粒子５の複合が特徴である。すなわち、繊維プリフォーム３は粒子プリフォームと違って内部の空隙２が互いに連通しており、セラミックス短繊維１とセラミックス粒子５が同時にアルミニウム合金６に分散される組織が得られる。セラミックス短繊維のプリフォーム３中にセラミックス粒子５を含んだアルミニウム合金６を圧入させるため、セラミックスの含有率（繊維と粒子）の高い複合材料が得られる。アルミニウム合金６へのセラミックスの補強材（繊維と粒子）の含有率が高くなるにつれ、アルミニウム複合材料の強度と耐熱性が改善される。また、前述の配向性のあるプリフォーム３内部への粒子の複合より補強効果のあまりない方向でも粒子によって補強される。

セラミックス粒子５はＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、Ｂ₄Ｃ、Ｓｉ₃Ｎ₄等の粒子からなる。まず、セラミックス粒子５を溶湯攪拌法や半凝固攪拌法などの方法で溶湯アルミニウム合金６に分散させ、圧力鋳造に備える。セラミックス短繊維のプリフォーム３の隙間（空隙２）にセラミックス粒子５を含んだ溶湯アルミニウム合金６を浸透させるため、セラミックス粒子５の粒径は０．５〜３０μｍ以下が好ましい。添加されるセラミックス粒子５の粒径が小さければ小さいほど、複合材料の強度が向上するが、粒径が小さすぎるとセラミックス粒子５の凝集体が生じ、攪拌法では粒子の分散が難しくなる。一方、セラミックス粒子５の粒径は３０μｍを超えると、プリフォーム３の隙間（空隙２）への浸透が難しくなる。

セラミックス粒子５を分散させた溶湯アルミニウム合金６においては、凝固の時、Ａｌ−Ｓｉの亜共晶合金と過共晶合金のようなアルミニウム合金では、初晶α−Ａｌや初晶Ｓｉ内部への複合がなく、セラミックス粒子５が共晶溶湯（すなわち液相）に押し出された後、アルミニウム合金が凝固するので、セラミックス粒子５は初晶の周りや共晶の内部へ分散される。ただし、本発明の場合では、短繊維のプリフォーム３にセラミックス粒子５を含んだ溶湯アルミニウム合金６を加圧下で鋳込むので、短繊維の位置はそのまま保たれ、初晶α−Ａｌや初晶Ｓｉの中に入り込むことは可能である。

攪拌法で粒径１０μｍ以下の小さなセラミックス粒子５を溶湯アルミニウム合金６に複合する場合、粒径が小さいため、溶湯アルミニウム合金６が浸透できていないセラミックス粒子５の凝集体が生じ、複合材料の性能を劣化させるが、本発明の場合、攪拌法で溶湯アルミニウム合金６が浸透できていないセラミックス粒子５の凝集体が生じても、その後の圧力鋳造で、粒子５の凝集体へのアルミニウム合金６の浸透ができる。

本実施の形態に係るアルミニウム複合材料の製造方法では、セラミックス粒子５を含む溶湯アルミニウム合金６をセラミックス短繊維のプリフォーム３に圧入するため、圧力鋳造用の金型４やプリフォーム３を予熱する必要がある。これは、溶湯を凝固させることなくプリフォーム３中に浸透させるためである。金型４の予熱温度は２００〜５００℃で、プリフォーム３の予熱温度は３００〜９００℃である。特に、プリフォーム３の予熱温度が高ければ高いほどよい。

以上要するに、本発明によれば、予めセラミックス短繊維のプリフォーム３を金型４にセットした後、セラミックス粒子５を分散させた溶湯アルミニウム合金６を加圧下でセラミックス短繊維のプリフォーム３に圧入することにより、セラミックス粒子５とセラミックス短繊維１で強化したアルミニウム複合材料が得られる。

本発明のアルミニウム複合材料を製造する際には、圧力鋳造法を用いるため、溶湯攪拌法で添加したセラミックス粒子５の粒径が小さくて、粒子５の未分散の凝集体が生じても、後の圧力鋳造で凝集体の中まで溶湯アルミニウム合金６が浸透し、セラミックス粒子５の凝集による未含浸の問題が解決でき、欠陥のない複合材料が得られる。

また、セラミックス短繊維のプリフォーム３の内部の空隙２へ、粒子５を含んだ溶湯アルミニウム合金６が圧入されるので、プリフォーム３のある場所ではセラミックス短繊維１とセラミックス粒子５の両方が補強効果を発揮でき、より高強度の部位が形成できる。また、プリフォーム３のない部分でも微細な粒子５が添加されているので、強度や耐摩耗性が向上する。

本発明に係るアルミニウム複合材料は、微細なセラミックス粒子５とセラミックス短繊維１により強化されているため、強度、耐摩耗性、高温特性が改善され、高強度軽量化部材として自動車産業等に応用できる。自動車産業に応用するに際しては、例えば、ピストンやシリンダブロックなどに用いることができる。

以下に実施例と比較例を説明する。

実施例１：
ＳｉＣ粒子（平均粒径５μｍ、８ｖｏｌ％）を攪拌法でＡＣ８Ａアルミニウム合金（ＪＩＳ規格）に混合した後、７５０℃に加熱し、圧力鋳造に備えた。アルミナ短繊維（平均直径６μｍ、１０ｖｏｌ％）からなるプリフォームを８００℃で予熱した後、４５０℃に予熱した金型にセットしてから、上記のＳｉＣ粒子を含んだＡＣ８Ａ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、その後、１００ＭＰａの圧力で溶湯アルミニウム合金に圧力をかけ、ＳｉＣ粒子を含んだアルミニウム合金をプリフォームに浸透させた。圧力鋳造後、得られた複合材料をＴ６で熱処理し、その組織を観察し、また、その引張強度を測定した。研磨した試料の組織から、もとのプリフォームの場所からアルミナ短繊維とＳｉＣ粒子が均一に分布していることが観察され、プリフォームのないところでは、ＳｉＣ粒子が均一にアルミニウム合金に分布していた。ＳｉＣ粒子強化ＡＣ８Ａ複合材料の引張強度はＡＣ８Ａ合金より約９％高くなり、また、ＳｉＣ粒子とアルミナ繊維が強化した部分の引張強度はＡＣ８Ａ合金より約２５％高くなった。

実施例２：
スピネル粒子（平均粒径０．５μｍ、４ｖｏｌ％）を攪拌法でＡＣ８Ａアルミニウム合金（ＪＩＳ規格）に混合した後、７５０℃に加熱し、圧力鋳造に備えた。アルミナ短繊維（平均直径６μｍ、１０ｖｏｌ％）からなるプリフォームを８００℃で予熱した後、４５０℃に予熱した金型にセットしてから、上記のスピネル粒子を含んだＡＣ８Ａ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、その後、１００ＭＰａの圧力で溶湯アルミニウム合金に圧力をかけ、スピネル粒子を含んだアルミニウム合金をプリフォームに浸透させた。圧力鋳造後、得られた複合材料をＴ６で熱処理し、その組織を観察し、また、その引張強度を測定した。研磨した試料の組織から、もとのプリフォームの場所からアルミナ短繊維とスピネル粒子が均一に分布していることが観察され、プリフォームのないところでは、スピネル粒子が均一にアルミニウム合金に分布していた。スピネル粒子強化ＡＣ８Ａ複合材料の引張強度はＡＣ８Ａ合金より約７％高くなり、また、ＳｉＣ粒子とアルミナ繊維が強化した部分の引張強度はＡＣ８Ａ合金より約２０％高くなった。

比較例：
スピネル粒子（平均粒径０．５μｍ、４ｖｏｌ％）を攪拌法でＡＣ８Ａアルミニウム合金（ＪＩＳ規格）に混合した後、７５０℃に加熱した後、金型に鋳込んだ。得られた複合材料をＴ６で熱処理し、その組織を観察し、また、その引張強度を測定した。研磨した試料からアルミニウム合金が浸透できていないスピネル粒子の凝集体が観察された。スピネル粒子強化ＡＣ８Ａ複合材料の引張強度はＡＣ８Ａ合金より約３０％低くなった。

１セラミックス短繊維
２空隙
３プリフォーム
４金型
５セラミックス粒子
６アルミニウム合金
７パンチ
８粒子強化部分
９繊維・粒子強化部分

Claims

セラミックス短繊維で作製したプリフォームに、セラミックス粒子を混合した溶湯アルミニウム合金を圧入して得たことを特徴とするアルミニウム複合材料。
前記アルミニウム合金はＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｍｇ、又はＡｌ−Ｚｎであり、前記セラミックス粒子はＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、Ｂ₄Ｃ又はＳｉ₃Ｎ₄であり、前記セラミックス短繊維はＡｌ₂Ｏ₃又は３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂である請求項１に記載のアルミニウム複合材料。
前記セラミックス粒子の粒径は３０μｍ以下であり、前記セラミックス短繊維の直径は１μｍ〜３０μｍでアスペクト比が１０〜１０００である請求項１又は２に記載のアルミニウム複合材料。
セラミックス短繊維からなるプリフォームを金型にセットし、その後、セラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を鋳込み、更にその溶湯アルミニウム合金に圧力をかけ、その圧力で前記セラミックス粒子を含む溶湯アルミニウム合金を前記セラミックス短繊維からなるプリフォームに圧入することを特徴とするアルミニウム複合材料の製造方法。