JP2013221181A - Intermetallic compound-reinforced composite material and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム合金マトリックス中に、金属間化合物が均一に分散した金属間化合物強化複合材料、及び、かかる強化複合材料を低コストで製造する製造方法に関するものである。 The present invention relates to an intermetallic compound-reinforced composite material in which an intermetallic compound is uniformly dispersed in an aluminum alloy matrix, and a manufacturing method for manufacturing such a reinforced composite material at low cost.
従来から、種々の要求に適合する材料を実現するべく、単体の材料では持ち合わせなかった特性を有する、異質な材料を組み合わせた複合材料の開発が、様々な分野で行われている。例えば、金属材料の分野においては、アルミニウムの特徴である軽さを維持したまま、その強度や耐摩耗性を向上させるべく、粉末冶金法、反応ガス浸透法、反応焼結法、溶融撹拌法、鋳造法により、アルミニウム材料にセラミックス粒子を分散複合化させたセラミックス粒子分散複合アルミニウムを製造することが試みられている。 Conventionally, in order to realize materials that meet various requirements, development of composite materials combining different materials having characteristics that cannot be achieved by a single material has been performed in various fields. For example, in the field of metal materials, while maintaining the lightness characteristic of aluminum, in order to improve its strength and wear resistance, powder metallurgy method, reactive gas infiltration method, reactive sintering method, melt stirring method, Attempts have been made to produce ceramic particle-dispersed composite aluminum in which ceramic particles are dispersed and composited in an aluminum material by a casting method.
一方、これらとは異なる製造方法として、金属やセラミックスの多孔体を、溶融金属で鋳込む方法が提案されている。 On the other hand, as a manufacturing method different from these, a method of casting a porous body of metal or ceramics with molten metal has been proposed.
例えば、特許文献１には、ニッケル多孔質体又はニッケル合金多孔質体の表面に炭化ケイ素を分散させ、かかる多孔質体を鋳型内に設置して、アルミニウム合金溶湯と同時に鋳込む複合材料の製造方法が開示されている。そうして、この製造方法によれば、ニッケルとアルミニウム溶湯との金属間化合物形成部において、硬質粒子としての炭化ケイ素粒子が均一に分散されることにより、硬度の向上を図ることができるとされている。 For example, Patent Document 1 discloses the production of a composite material in which silicon carbide is dispersed on the surface of a nickel porous body or a nickel alloy porous body, the porous body is placed in a mold, and cast simultaneously with the molten aluminum alloy. A method is disclosed. Thus, according to this manufacturing method, it is said that the hardness can be improved by uniformly dispersing the silicon carbide particles as the hard particles in the intermetallic compound forming portion of nickel and molten aluminum. ing.
また、例えば、特許文献２には、ＳｉＣを主成分とするセラミックス製多孔質体を鋳型内に設置して、金属溶湯を注湯することが開示されている。そうして、この製造方法によれば、耐摩耗性、耐熱性に優れたセラミックス金属複合材料を製造できるとされている。 For example, Patent Document 2 discloses that a ceramic porous body mainly composed of SiC is placed in a mold and a molten metal is poured. And according to this manufacturing method, it is supposed that the ceramic metal composite material excellent in abrasion resistance and heat resistance can be manufactured.
しかしながら、上記粉末冶金法、反応ガス浸透法、反応焼結法、溶融撹拌法、鋳造法を用いた複合材料の製造方法には、それぞれ以下のような問題があることから、実用化には至っていないのが現状である。 However, the above-mentioned powder metallurgy method, reactive gas infiltration method, reactive sintering method, melt stirring method, and composite material manufacturing method using a casting method have the following problems, respectively, and thus have been put into practical use. There is no current situation.
すなわち、粉末冶金法は、アルミニウム粉末とセラミックス粉末とを混合したものを、型押し等で整形した後、構成材料の融点以下の温度で焼成する製造法であることから、分散率という点では問題がないが、複合材料を複雑形状に形成することが困難であるとともに、小さな複合材料しか製造できないためコスト高になるという問題がある。 That is, the powder metallurgy method is a manufacturing method in which a mixture of aluminum powder and ceramic powder is shaped by stamping, etc., and then fired at a temperature below the melting point of the constituent material. However, there is a problem that it is difficult to form the composite material in a complicated shape and that only a small composite material can be manufactured, resulting in high costs.
また、反応ガス浸透法は、Ａｌ−Ｔｉ合金溶湯中にＣＨ４ガスを吹き込んで、ＴｉＣ粒子を生成させる方法であることから、複合材料を複雑形状に形成することが可能であり且つ分散率という点でも問題はないが、製造された複合材料は、緻密性が低いため強度に劣り、また、大規模な設備を要するためコスト高になるという問題がある。 In addition, the reactive gas infiltration method is a method of generating TiC particles by blowing CH 4 gas into the Al—Ti alloy molten metal. Therefore, the composite material can be formed in a complicated shape and is referred to as a dispersion rate. Although there is no problem in terms of the point, the manufactured composite material is inferior in strength because of low density, and has a problem of high cost because it requires a large-scale facility.
さらに、反応焼結法は、焼結促進剤を使用しないことから、セラミックスの高温性能が劣化しないという利点はあるものの、複合材料を複雑形状に形成することが困難であるとともに、低コスト化が望めない上、製造された複合材料は機械的強度が高くないという問題がある。 Furthermore, the reactive sintering method has the advantage that the high temperature performance of the ceramics is not deteriorated because it does not use a sintering accelerator, but it is difficult to form a composite material in a complicated shape and the cost is reduced. In addition, there is a problem that the manufactured composite material does not have high mechanical strength.
また、溶融攪拌法は、半溶融あるいは溶融状態に加熱したアルミニウムを機械的に攪拌しながらセラミックス粒子を添加する方法であるが、複合材料を複雑形状に形成することが困難であるとともに、製造された複合材料は、セラミックス粒子の分散率が悪く、強度に劣るという問題がある。 In addition, the melt stirring method is a method in which ceramic particles are added while mechanically stirring aluminum that has been heated to a semi-molten or molten state, but it is difficult to form a composite material in a complicated shape and is manufactured. However, the composite material has a problem that the dispersion rate of the ceramic particles is poor and the strength is inferior.
さらに、鋳造法は、緻密性が高く、低コストであり、且つ、複合材料を複雑形状に形成することが可能であるという利点はあるものの、製造された複合材料は、セラミックス粒子の分散率が悪く、強度に劣るという問題がある。 Furthermore, although the casting method has the advantages of high density, low cost, and the ability to form a composite material in a complex shape, the manufactured composite material has a ceramic particle dispersion rate. There is a problem that it is bad and inferior in strength.
一方、上記各特許文献のものにも、以下のような問題がある。すなわち、上記特許文献１のものでは、硬度および耐摩耗性を向上させるために、非常に高価な炭化ケイ素を用いることから、複合材料の製造コストが上昇するという問題がある。また、特許文献１のものでは、その図２及び図７に示すように、ニッケルとアルミニウムとの反応により形成される金属間化合物の層は、ニッケル合金の外層がアルミ合金溶湯と接触する界面部分にしか形成されていないことから、製造された複合材料に硬さのばらつきが生じるおそれがある。 On the other hand, the above-mentioned patent documents also have the following problems. That is, in the thing of the said patent document 1, in order to improve hardness and abrasion resistance, since very expensive silicon carbide is used, there exists a problem that the manufacturing cost of a composite material rises. Moreover, in the thing of patent document 1, as shown in the FIG.2 and FIG.7, the layer of the intermetallic compound formed by reaction of nickel and aluminum is an interface part in which the outer layer of a nickel alloy contacts the aluminum alloy molten metal Therefore, there is a risk that the manufactured composite material may vary in hardness.
さらに、上記特許文献２のものでは、その図２〜図４に示すように、ステンレス鋳鋼、耐熱鋳鋼および高クロム鋳鋼中に、セラミックスがまばらにしか存在していないことから、特許文献１のものと同様に、製造された複合材料に硬さのばらつきが生じるおそれがある。 Furthermore, in the thing of the said patent document 2, as shown in the FIGS. 2-4, since ceramics exist only sparsely in stainless cast steel, heat-resistant cast steel, and high chromium cast steel, the thing of patent document 1 Similarly, the manufactured composite material may have a variation in hardness.
以上のように、粉末冶金法、反応ガス浸透法、反応焼結法、溶融撹拌法、鋳造法、及び、多孔体を溶融金属で鋳込む従来の方法には、形状の自由度、製造コスト、分散率、並びに、強度および耐摩耗性の少なくともいずれか１つにおいて改善すべき問題がある。 As described above, the powder metallurgy method, the reactive gas infiltration method, the reactive sintering method, the melt stirring method, the casting method, and the conventional method of casting a porous body with a molten metal include a degree of freedom in shape, a manufacturing cost, There is a problem to be improved in the dispersion ratio and / or in at least one of strength and wear resistance.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アルミニウム合金を母材とする強化複合材料において、アルミニウム合金中に金属間化合物が均一に分散した、強度および耐摩耗性に優れる強化複合材料を、形状の自由度を確保しつつ低コストで製造する技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to provide a reinforced composite material having an aluminum alloy as a base material, in which an intermetallic compound is uniformly dispersed in the aluminum alloy, and the strength and resistance. An object of the present invention is to provide a technique for manufacturing a reinforced composite material having excellent wear properties at a low cost while ensuring the degree of freedom of shape.
上記目的を達成するために、本発明に係る金属間化合物強化複合材料及びその製造方法では、微細な金属間化合物をアルミニウム合金マトリックスに均一に分散させるべく、アルミニウム合金溶湯と金属多孔体との接触面積が大きくなり且つセル間の距離が短くなるように、比表面積が大きい金属多孔体を採用するとともに、多孔体を構成する金属とアルミニウム合金溶湯との反応が促進されるように、温度及び保持時間を積極的に管理するようにしている。 In order to achieve the above object, in the intermetallic compound reinforced composite material and the manufacturing method thereof according to the present invention, the contact between the molten aluminum alloy and the porous metal body is performed in order to uniformly disperse the fine intermetallic compound in the aluminum alloy matrix. A metal porous body with a large specific surface area is adopted so that the area is increased and the distance between cells is shortened, and the temperature and the temperature are maintained so that the reaction between the metal constituting the porous body and the molten aluminum alloy is promoted. Actively managing time.
具体的には、第１の発明は、アルミニウム合金マトリックス中に、粒子状の金属間化合物が均一に分散した金属間化合物強化複合材料の製造方法を対象としている。 Specifically, the first invention is directed to a method for producing an intermetallic compound-reinforced composite material in which particulate intermetallic compounds are uniformly dispersed in an aluminum alloy matrix.
そして、Ｎｉ又はＮｉ−Ｃｒ合金からなる、比表面積が１２５０ｍ２／ｍ３以上の金属多孔体を用意し、電気炉内に設置された金型のキャビティ内に、当該キャビティと略同一形状の上記金属多孔体をセットする設置工程と、アルミニウム合金溶湯を当該金型のキャビティ内に注湯して、アルミニウム合金溶湯を当該金属多孔体に含浸させる含浸工程と、上記Ｎｉ又はＮｉ−Ｃｒ合金と上記アルミニウム合金溶湯とが溶融反応して、粒子状のＡｌ３Ｎｉ、又は、粒子状のＡｌ３Ｎｉ及び粒子状のＡｌ７Ｃｒを生成するように、上記金型内で、当該アルミニウム合金溶湯を所定温度で所定時間保持する反応工程と、上記所定時間保持した後、少なくとも固液共存状態から固相状態までは炉冷する冷却工程と、を含むことを特徴とするものである。 Then, a porous metal body having a specific surface area of 1250 m 2 / m 3 or more made of Ni or a Ni—Cr alloy is prepared, and the above-mentioned cavity having the same shape as the cavity is placed in the cavity of the mold installed in the electric furnace. An installation step of setting the porous metal body, an impregnation step of pouring the molten aluminum alloy into the cavity of the mold and impregnating the porous metal body with the molten aluminum alloy, the Ni or Ni-Cr alloy and the above The aluminum alloy molten metal is predetermined in the mold so that the molten aluminum alloy reacts to produce particulate Al 3 Ni or particulate Al 3 Ni and particulate Al 7 Cr. A reaction step for holding at temperature for a predetermined time, and a cooling step for furnace cooling at least from the solid-liquid coexistence state to the solid state after holding for the predetermined time. A.
第１の発明によれば、比表面積が１２５０ｍ２／ｍ３以上という極めて多くの気孔を含む金属多孔体を用いることから、含浸工程において、アルミニウム合金溶湯を金属多孔体に含浸させると、Ｎｉ又はＮｉ−Ｃｒ合金（以下、Ｎｉ等ともいう）とアルミニウム合金溶湯との大きな接触面積が確保されるとともに、各気孔部に取り込まれたアルミニウム合金溶湯は、Ｎｉ等によって密に囲まれることになる。 According to the first invention, since the metal porous body including a very large number of pores having a specific surface area of 1250 m 2 / m 3 or more is used, when the metal alloy is impregnated with molten aluminum alloy in the impregnation step, Ni or A large contact area between the Ni—Cr alloy (hereinafter also referred to as Ni) and the molten aluminum alloy is ensured, and the molten aluminum alloy taken into the pores is tightly surrounded by Ni or the like.
そうして、次の反応工程では、粒子状のＡｌ３Ｎｉ、又は、粒子状のＡｌ３Ｎｉ及び粒子状のＡｌ７Ｃｒ（以下、粒子状のＡｌ３Ｎｉ等ともいう）を生成するように、換言すると、アルミニウム合金とＮｉ等とが反応しなかったり、生成したＡｌ３Ｎｉ等の粒子が成長し過ぎて粗大化したりしないように、アルミニウム合金溶湯を所定温度で所定時間保持する。このように、アルミニウム合金溶湯を所定温度に維持して所定時間保持することと、Ｎｉ等とアルミニウム合金溶湯との接触面積が大きいこととが相俟って両者の溶融反応が促進されることになる。 In the next reaction step, particulate Al 3 Ni, or particulate Al 3 Ni and particulate Al 7 Cr (hereinafter also referred to as particulate Al 3 Ni, etc.) are generated. In other words, the molten aluminum alloy is held at a predetermined temperature for a predetermined time so that the aluminum alloy does not react with Ni or the like, or the generated particles such as Al 3 Ni do not grow excessively and become coarse. In this way, the molten reaction between the aluminum alloy molten metal and the aluminum alloy molten metal is promoted by maintaining the aluminum alloy molten metal at a predetermined temperature and holding it for a predetermined time and the large contact area between the molten aluminum alloy and the like. Become.
具体的には、各気孔部を形成しているＮｉ等と、各気孔部に取り込まれたアルミニウム合金溶湯との界面で、Ａｌ３Ｎｉ等が生成されるとともに、生成の際の体積膨張により、Ａｌ３Ｎｉ等が金属多孔体から剥離して、各気孔部に取り込まれたアルミニウム合金溶湯中に分散しながら晶出する。したがって、各気孔部において、アルミニウム合金中に、粒子状のＡｌ３Ｎｉ等が均一に分散した状態が実現される。そうして、金属多孔体はキャビティと略同一形状であることから、換言すると、金型に注湯されたアルミニウム合金溶湯中に金属多孔体が略均一に配置されていたことから、金属多孔体を構成していたＮｉ等がほぼ全てアルミニウム合金と反応して、各気孔部を区画していた間仕切りが無くなると、アルミニウム合金マトリックス中に、粒子状のＡｌ３Ｎｉ等が均一に分散した金属間化合物強化複合材料が生成される。 Specifically, Al 3 Ni and the like are generated at the interface between Ni and the like forming each pore part and the molten aluminum alloy taken into each pore part, and by volume expansion at the time of generation, Al 3 Ni and the like are separated from the metal porous body and crystallized while being dispersed in the molten aluminum alloy taken into the pores. Therefore, in each pore portion, a state in which particulate Al 3 Ni and the like are uniformly dispersed in the aluminum alloy is realized. Since the metal porous body has substantially the same shape as the cavity, in other words, since the metal porous body is substantially uniformly arranged in the molten aluminum alloy poured into the mold, the metal porous body When the partition that formed the pores is almost completely reacted with the aluminum alloy and the partition that has divided the pores is eliminated, the particulate Al 3 Ni is uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix. A compound reinforced composite material is produced.
ここで、空冷や強制空冷のように冷却速度が速いと、反応のための時間が短くなり、金属多孔体を構成する金属とアルミニウム合金溶湯との反応が起こり難くなるおそれがあるが、第１の発明では、少なくとも固液共存状態から固相状態までは炉冷することから、換言すると、反応のための時間を長くとることから、アルミニウム合金マトリックス中に、未反応のＮｉ等が大量に残ることを抑えることができる。 Here, when the cooling rate is high, such as air cooling or forced air cooling, the reaction time is shortened, and the reaction between the metal constituting the metal porous body and the molten aluminum alloy may not easily occur. In this invention, since the furnace is cooled at least from the solid-liquid coexistence state to the solid phase state, in other words, the reaction takes a long time, a large amount of unreacted Ni or the like remains in the aluminum alloy matrix. That can be suppressed.
加えて、上記説明から分かるように、第１の発明によれば、大規模な設備を要しないとともに、例えば従来から生産ライン等で用いられてきた既存の金型を用いることが可能であることから、アルミニウム合金マトリックス中に金属間化合物が均一に分散した金属間化合物強化複合材料を低コストで得ることができる。 In addition, as can be seen from the above description, according to the first invention, a large-scale facility is not required and, for example, it is possible to use an existing mold that has been conventionally used in a production line or the like. Thus, an intermetallic compound-reinforced composite material in which the intermetallic compound is uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix can be obtained at low cost.
また、キャビティと略同一形状の金属多孔体をセットするので、所望の形状のキャビティを有する金型を用いれば、アルミニウム合金マトリックス中に金属間化合物が均一に分散した、所望の形状の金属間化合物強化複合材料が得られ、これにより、金属間化合物強化複合材料の形状の自由度を高めることができる。 In addition, since a metal porous body having substantially the same shape as the cavity is set, if a mold having a cavity having a desired shape is used, the intermetallic compound having a desired shape in which the intermetallic compound is uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix is used. A reinforced composite material can be obtained, thereby increasing the degree of freedom of the shape of the intermetallic compound reinforced composite material.
以上により、アルミニウム合金中に金属間化合物が均一に分散した、強度および耐摩耗性に優れる強化複合材料を、形状の自由度を確保しつつ低コストで製造することが可能となる。 As described above, a reinforced composite material excellent in strength and wear resistance in which an intermetallic compound is uniformly dispersed in an aluminum alloy can be manufactured at a low cost while ensuring the degree of freedom of shape.
なお、本発明において、「粒子状」とは、アルミニウム合金マトリックス中の金属間化合物のアスペクト比（縦横比）が３未満であることを意味し、「粒子状の金属間化合物が均一に分散した」とは、そのようなアスペクト比が３未満である金属間化合物が、金属間化合物全体の４０％以上を占め、且つ、一箇所に集まることなく、アルミニウム合金マトリックス中に点在していることを意味する。 In the present invention, “particulate” means that the aspect ratio (aspect ratio) of the intermetallic compound in the aluminum alloy matrix is less than 3, and “particulate intermetallic compound is uniformly dispersed. "The intermetallic compound having an aspect ratio of less than 3 occupies 40% or more of the entire intermetallic compound, and is scattered in the aluminum alloy matrix without being concentrated in one place." Means.
第２の発明は、上記第１の発明において、上記所定温度が、７００℃以上７４０℃以下であり、且つ、上記所定時間が、３分以上１８分以下であることを特徴とするものである。 According to a second invention, in the first invention, the predetermined temperature is 700 ° C. or higher and 740 ° C. or lower, and the predetermined time is 3 minutes or longer and 18 minutes or shorter. .
第２の発明によれば、アルミニウム合金マトリックス中に金属間化合物が均一に分散した金属間化合物強化複合材料を好適に製造することができる。 According to 2nd invention, the intermetallic compound reinforcement | strengthening composite material in which the intermetallic compound was disperse | distributed uniformly in the aluminum alloy matrix can be manufactured suitably.
第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、上記含浸工程及び上記反応工程では、加圧力が大気圧近傍であることを特徴とすることを特徴とするものである。 The third invention is characterized in that, in the first or second invention, the applied pressure is in the vicinity of atmospheric pressure in the impregnation step and the reaction step.
ところで、アルミニウム合金溶湯を金属多孔体に含浸させる際に、加圧力が低いと、アルミニウム合金溶湯を金属多孔体の孔内に押し込む力が不足し、アルミニウム合金溶湯が孔に充填されず、空孔が多くなる一方、加圧力が高いと、アルミニウム合金溶湯中で金属多孔体が変形して、分散率が区々になるおそれがある。 By the way, when the porous metal body is impregnated with the molten aluminum alloy, if the applied pressure is low, the force to push the molten aluminum alloy into the holes of the porous metal body is insufficient, and the molten aluminum alloy is not filled into the holes. On the other hand, if the applied pressure is high, the porous metal body may be deformed in the molten aluminum alloy, and the dispersion rate may vary.
ここで、第３の発明によれば、大気圧近傍の加圧力で、アルミニウム合金溶湯を金属多孔体に含浸させることから、アルミニウム合金溶湯を孔に充填することができるとともに、金属多孔体の形状を維持して、アルミニウム合金マトリックス中に金属間化合物を均一に分散させることができる。 Here, according to the third aspect of the invention, the porous metal body is impregnated with the molten aluminum alloy with a pressing force in the vicinity of atmospheric pressure, so that the hole can be filled with the molten aluminum alloy and the shape of the porous metal body Thus, the intermetallic compound can be uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix.
第４の発明は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、上記金属多孔体の比表面積が２８００ｍ２／ｍ３以上であることを特徴とするものである。 According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, a specific surface area of the metal porous body is 2800 m 2 / m 3 or more.
第４の発明によれば、アルミニウム合金溶湯と金属多孔体との接触面積がより一層大きくなるとともに、セル間の距離がより一層短くなることから、アルミニウム合金マトリックス中に金属間化合物をより確実に均一に分散させることができる。 According to the fourth invention, the contact area between the molten aluminum alloy and the porous metal body is further increased, and the distance between the cells is further shortened, so that the intermetallic compound is more reliably contained in the aluminum alloy matrix. It can be uniformly dispersed.
第５の発明は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明を用いて製造される金属間化合物強化複合材料を対象としている。 The fifth invention is directed to an intermetallic compound reinforced composite material produced using any one of the first to fourth inventions.
そして、アルミニウム合金マトリックス中に分散している金属間化合物のうち、アスペクト比が３未満である金属間化合物の割合が４０％以上であることを特徴とするものである。 And the ratio of the intermetallic compound whose aspect-ratio is less than 3 among the intermetallic compounds currently disperse | distributed in an aluminum alloy matrix is 40% or more, It is characterized by the above-mentioned.
第５の発明によれば、アスペクト比が３未満である金属間化合物の割合が４０％以上であることから、換言すると、金属間化合物強化複合材料は、大部分の金属間化合物粒子が方向性を有しないで分散した、粒子分散の形状を呈していることから、高い強度および耐摩耗性を有する強化複合材料を低コストで得ることができる。 According to the fifth invention, since the ratio of the intermetallic compound having an aspect ratio of less than 3 is 40% or more, in other words, the intermetallic compound-reinforced composite material has the most intermetallic compound particles having directivity. Since it has a particle-dispersed shape that is dispersed without having a high-strength, a reinforced composite material having high strength and wear resistance can be obtained at low cost.
本発明に係る金属間化合物強化複合材料及びその製造方法によれば、比表面積が１２５０ｍ２／ｍ３以上という極めて多くの気孔を含む金属多孔体を用いることから、Ｎｉ等とアルミニウム合金溶湯との大きな接触面積が確保されるとともに、各気孔部に取り込まれたアルミニウム合金溶湯は、Ｎｉ等によって密に囲まれるので、アルミニウム合金マトリックス中に金属間化合物が均一に分散し易くなる。 According to the intermetallic compound-reinforced composite material and the method for producing the same according to the present invention, since a porous metal body including a very large number of pores having a specific surface area of 1250 m 2 / m 3 or more is used, the A large contact area is ensured, and the molten aluminum alloy taken into each pore is closely surrounded by Ni or the like, so that the intermetallic compound is easily dispersed uniformly in the aluminum alloy matrix.
また、粒子状のＡｌ３Ｎｉ等を生成するように、アルミニウム合金溶湯を所定温度で所定時間保持することから、アルミニウム合金とＮｉ等とが反応しなかったり、生成したＡｌ３Ｎｉ等の粒子が成長し過ぎて粗大化したりするのを抑えられるので、強度および耐摩耗性に優れる強化複合材料を製造することができる。 Further, since the molten aluminum alloy is held at a predetermined temperature for a predetermined time so as to generate particulate Al 3 Ni or the like, the aluminum alloy does not react with Ni or the like, or the generated Al 3 Ni or the like particles Since it is possible to suppress excessive growth and coarsening, it is possible to manufacture a reinforced composite material having excellent strength and wear resistance.
さらに、少なくとも固液共存状態から固相状態までは炉冷することにより、反応のための時間を長くとることから、アルミニウム合金マトリックス中に、未反応のＮｉ等が大量に残ることを抑えることができる。 Furthermore, at least from the solid-liquid coexistence state to the solid phase state, the furnace is cooled to increase the time for the reaction, so that a large amount of unreacted Ni or the like remains in the aluminum alloy matrix. it can.
加えて、大規模な設備を要しないとともに、既存の金型を用いることが可能であることから、アルミニウム合金マトリックス中に金属間化合物が均一に分散した金属間化合物強化複合材料を低コストで得ることができる。 In addition, since a large-scale facility is not required and an existing mold can be used, an intermetallic compound-reinforced composite material in which an intermetallic compound is uniformly dispersed in an aluminum alloy matrix is obtained at a low cost. be able to.
また、キャビティと略同一形状の金属多孔体をセットするので、所望の形状のキャビティを有する金型を用いれば、アルミニウム合金マトリックス中に金属間化合物が均一に分散した、所望の形状の金属間化合物強化複合材料を得ることができる。 In addition, since a metal porous body having substantially the same shape as the cavity is set, if a mold having a cavity having a desired shape is used, the intermetallic compound having a desired shape in which the intermetallic compound is uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix is used. A reinforced composite material can be obtained.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
−金属間化合物強化複合材料−
図１は、本実施形態に係る金属間化合物強化複合材料の断面の金属組織を示す電子顕微鏡写真である。この金属間化合物強化複合材料は、密度が小さく比強度の高いアルミニウム合金を母材とし、その強度および耐摩耗性を補うべく、例えばビッカース硬さが７００Ｈｖを超えるＡｌ３Ｎｉ（金属間化合物）を強化材とするアルミニウム合金基複合材料である。
-Intermetallic compound reinforced composite material-
FIG. 1 is an electron micrograph showing a cross-sectional metal structure of the intermetallic compound reinforced composite material according to the present embodiment. This intermetallic compound reinforced composite material is made of an aluminum alloy having a low density and high specific strength, and Al 3 Ni (intermetallic compound) with a Vickers hardness exceeding 700 Hv, for example, is used to supplement the strength and wear resistance. It is an aluminum alloy matrix composite material used as a reinforcing material.
このアルミニウム合金基複合材料は、従来の粉末冶金法、反応ガス浸透法、反応焼結法、溶融撹拌法、鋳造法等とは異なり、金属多孔体にアルミニウム合金溶湯を含浸させるとともに、金属多孔体を構成する金属とアルミニウム合金との反応を制御しながら製造されるものである。具体的には、このアルミニウム合金基複合材料１は、図２（ａ）に示すような金属多孔体３を用意し、図２（ｂ）に示すように、金属多孔体３にアルミニウム合金溶湯５を含浸させるとともに、金属多孔体３を構成する金属とアルミニウム合金との反応を制御することにより、図２（ｃ）に示すように、金属多孔体３とアルミニウム合金溶湯５との界面で金属間化合物７を生成させ、図２（ｄ）に示すように、生成した金属間化合物７をアルミニウム合金９中に分散させることにより製造されるものである。 Unlike the conventional powder metallurgy method, reactive gas infiltration method, reaction sintering method, melt stirring method, casting method, etc., this aluminum alloy matrix composite material impregnates a metal porous body with molten aluminum alloy, It is manufactured while controlling the reaction between the metal constituting aluminum and the aluminum alloy. Specifically, this aluminum alloy matrix composite material 1 is provided with a porous metal body 3 as shown in FIG. 2A, and as shown in FIG. 2 and by controlling the reaction between the metal constituting the metal porous body 3 and the aluminum alloy, as shown in FIG. 2 (c), the interface between the metal porous body 3 and the molten aluminum alloy 5 is intermetallic. The compound 7 is produced, and the produced intermetallic compound 7 is dispersed in the aluminum alloy 9 as shown in FIG.
このため、本実施形態のアルミニウム合金基複合材料は、図１に示すように、アルミニウム合金マトリックス中に、粒子状のＡｌ３Ｎｉが均一に分散しているとともに、未反応のＮｉや粗大化したＡｌ３Ｎｉやポロシティ（気孔）の極めて少ない金属組織を有しており、これにより、例えば、車両の内燃機関のピストン、船舶におけるピストンやプーリーや軸受け、航空機等のエンジン部品や油圧部品といった、軽量で且つ強度および耐摩耗性が要求される部材への適用が可能となっている。なお、図１に示すアルミニウム合金基複合材料は、加圧力を０．１ＭＰａとし、アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）溶湯を溶湯温度７００℃に維持して１０分間保持した後、炉冷したものである。 For this reason, as shown in FIG. 1, in the aluminum alloy matrix composite material of this embodiment, particulate Al 3 Ni is uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix, and unreacted Ni and coarsened. It has a metal structure with very little Al 3 Ni and porosity (porosity), which makes it lightweight, for example, pistons of internal combustion engines of vehicles, pistons, pulleys and bearings of ships, engine parts and hydraulic parts of airplanes, etc. In addition, it can be applied to members that require strength and wear resistance. The aluminum alloy-based composite material shown in FIG. 1 is obtained by cooling the furnace after applying a pressure of 0.1 MPa and maintaining the molten aluminum alloy (AC8A) at a molten metal temperature of 700 ° C. for 10 minutes.
本実施形態のアルミニウム合金基複合材料において、アルミニウム合金に含まれるＡｌ３Ｎｉの体積率が、８vol％未満では十分な耐摩耗性が得られないが、２０vol％を超えると、耐摩耗性の改善効果が飽和すると考えられる。従って、アルミニウム合金に含まれるＡｌ３Ｎｉの体積率は８〜２０vol％とした。なお、アルミニウム合金に含まれるＡｌ３Ｎｉの体積率が８vol％以上でも、強度を向上させることはできるが、ピストンヘッド等のより高い強度が要求される部品に、本実施形態のアルミニウム合金基複合材料を用いる場合には、アルミニウム合金に含まれるＡｌ３Ｎｉの体積率は１０〜２０vol%が望ましい。 In the aluminum alloy-based composite material of the present embodiment, sufficient wear resistance cannot be obtained if the volume ratio of Al 3 Ni contained in the aluminum alloy is less than 8 vol%, but if it exceeds 20 vol%, the wear resistance is improved. The effect is considered to be saturated. Therefore, the volume ratio of Al 3 Ni contained in the aluminum alloy is 8 to 20 vol%. Although the strength can be improved even when the volume ratio of Al 3 Ni contained in the aluminum alloy is 8 vol% or more, the aluminum alloy-based composite of the present embodiment is used for parts that require higher strength such as a piston head. When the material is used, the volume ratio of Al 3 Ni contained in the aluminum alloy is desirably 10 to 20 vol%.
母材であるアルミニウム合金としては、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎの少なくとも１種を含むものを採用でき、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｎ−Ｍｇ系のものを用いることができる。より具体的には、耐熱性、耐摩耗性，低熱膨張率等を考慮して、ＪＩＳ ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ等で代表される亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金や共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を用いることが望ましい。なお、本実施形態では、アルミニウム合金として、ＡＣ８Ａ（Ａｌ−１２％Ｓｉ−１％Ｎｉ−１％Ｃｕ−１％Ｍｇ）を用いる。 As an aluminum alloy that is a base material, an alloy containing at least one of Mg, Si, Cu, Zn, and Mn can be employed. For example, Al—Si, Al—Cu, Al—Mn, Al—Mn— An Mg-based material can be used. More specifically, hypoeutectic Al-Si alloys and eutectic Al-Si alloys represented by JIS AC8A, AC8B, AC8C, etc. should be used in consideration of heat resistance, wear resistance, low thermal expansion coefficient, etc. Is desirable. In this embodiment, AC8A (Al-12% Si-1% Ni-1% Cu-1% Mg) is used as the aluminum alloy.
また、強化材としての金属間化合物は粒子状のＡｌ３Ｎｉに限られず、例えば粒子状のＡｌ３Ｎｉ及び粒子状のＡｌ７Ｃｒが混在していてもよい。 Also, intermetallic compounds as reinforcement is not limited to particulate Al 3 Ni, for example, particulate Al 3 Ni and particulate Al 7 Cr may be mixed.
ここで、「粒子状」とは、図３に示すように、アルミニウム合金マトリックス中のＡｌ３Ｎｉの長さ（Ｌｅｎｇｔｈ）と幅（Ｗｉｄｔｈ）を規定した場合における、アスペクト比（長さ／幅）が３未満であることを意味し、「粒子状の金属間化合物が均一に分散した」とは、アルミニウム合金マトリックス中のＡｌ３Ｎｉのうち、アスペクト比が３未満である金属間化合物の割合が４０％以上であり、且つ、そのような粒子状のＡｌ３Ｎｉが一箇所に集まることなく、アルミニウム合金マトリックス中に点在していることを意味する。 Here, “particulate” means an aspect ratio (length / width) when the length (width) and width (width) of Al 3 Ni in the aluminum alloy matrix are defined as shown in FIG. Means that the ratio of intermetallic compounds having an aspect ratio of less than 3 out of Al 3 Ni in the aluminum alloy matrix is “a particulate intermetallic compound is uniformly dispersed”. It means that it is 40% or more, and such particulate Al 3 Ni is scattered in the aluminum alloy matrix without being collected in one place.
このように、本実施形態のアルミニウム合金基複合材料は、アスペクト比が３未満であるＡｌ３Ｎｉの割合が４０％以上であることから、換言すると、大部分のＡｌ３Ｎｉ粒子が方向性を有しないで分散した、粒子分散の形状を呈することから、高い強度および耐摩耗性を有するものとなっている。 Thus, in the aluminum alloy matrix composite material of this embodiment, the proportion of Al 3 Ni having an aspect ratio of less than 3 is 40% or more. In other words, most Al 3 Ni particles have directionality. Since it has a dispersed particle shape without having it, it has high strength and wear resistance.
−金属間化合物強化複合材料の製造方法−
次に、図４に示すフローチャートに基づいて、本実施形態のアルミニウム合金基複合材料の製造方法について詳細に説明する。
-Method for producing intermetallic compound reinforced composite material-
Next, based on the flowchart shown in FIG. 4, the manufacturing method of the aluminum alloy matrix composite material of this embodiment is demonstrated in detail.
アルミニウム合金基複合材料の製造に先立ち、先ず、Ｎｉからなる、比表面積が１２５０（ｍ２／ｍ３）以上の金属多孔体を用意する。このような金属多孔体としては、例えば、ニッケルセルメット（住友電工株式会社製）を用いることができる。図５（ａ）は、セルサイズが０．７３〜０．９８（ｍｍ）、比表面積が１２５０（ｍ２／ｍ３）のニッケルセルメットであり、図５（ｂ）は、セルサイズが０．４６〜０．５８（ｍｍ）、比表面積が２８００（ｍ２／ｍ３）のニッケルセルメットである。 Prior to the production of the aluminum alloy matrix composite material, first, a porous metal body made of Ni and having a specific surface area of 1250 (m 2 / m 3 ) or more is prepared. As such a metal porous body, for example, nickel cermet (manufactured by Sumitomo Electric Co., Ltd.) can be used. 5A shows a nickel cermet having a cell size of 0.73 to 0.98 (mm) and a specific surface area of 1250 (m 2 / m 3 ), and FIG. Nickel cermet having a specific surface area of 2800 (m 2 / m 3 ) of 46 to 0.58 (mm).
このニッケルセルメットは、発泡樹脂に導電処理を行った後に、ニッケルめっきを行い、その後、熱処理により発泡樹脂を除去することで製造することができる。このため、発泡樹脂を、製造したいアルミニウム合金基複合材料の形状に合わせることで、任意の形状のアルミニウム合金基複合材料を製造することが可能となる。また、ニッケルセルメットは、気孔率が最大９８％であることから、任意の量のＡｌ３Ｎｉをアルミニウム合金マトリックス中に含ませることが可能となっている。なお、金属間化合物としてＡｌ３Ｎｉ及びＡｌ７Ｃｒをアルミニウム合金マトリックス中に含ませる場合には、例えば、ニッケル−クロムセルメット（住友電工株式会社製）を用いればよい。 This nickel cermet can be manufactured by conducting a conductive treatment on the foamed resin, then performing nickel plating, and then removing the foamed resin by heat treatment. For this reason, it becomes possible to manufacture the aluminum alloy base composite material of arbitrary shapes by matching the foamed resin with the shape of the aluminum alloy base composite material to be manufactured. Further, since nickel cermet has a maximum porosity of 98%, an arbitrary amount of Al 3 Ni can be contained in the aluminum alloy matrix. In the case where Al 3 Ni and Al 7 Cr are included in the aluminum alloy matrix as intermetallic compounds, for example, nickel-chromium cermet (manufactured by Sumitomo Electric Co., Ltd.) may be used.
また、アルミニウム合金基複合材料の製造に先立ち、図６に示す製造装置１１を用意する。この製造装置１１は、伝熱線１３ａを備える電気炉１３と、金型１５内の温度を測定する熱電対１７と、金型１５内の溶湯を加圧するための錘１９と、錘１９で圧力をかけた際の溶湯の変位を測定するリアゲージ２１と、各種データを記憶するためのカウンター２３及びレコーダー２５とを備えており、電気炉１３内に設置された金型１５に注湯された金属溶湯を、錘１９によって加圧しながら、電熱線１３ａによって所定の温度に保つことができるように構成されている。 Prior to the production of the aluminum alloy matrix composite material, a production apparatus 11 shown in FIG. 6 is prepared. The manufacturing apparatus 11 includes an electric furnace 13 having a heat transfer wire 13 a, a thermocouple 17 for measuring the temperature in the mold 15, a weight 19 for pressurizing the molten metal in the mold 15, and a pressure by the weight 19. A rear gauge 21 for measuring the displacement of the molten metal when applied, a counter 23 and a recorder 25 for storing various data, and a molten metal poured into a mold 15 installed in the electric furnace 13 While being pressurized with the weight 19, it is comprised so that it can maintain at predetermined temperature with the heating wire 13a.
そうして、先ず、ステップＳ１では、電気炉１３内に設置された金型１５のキャビティ１５ａ内に、当該キャビティ１５ａと略同一形状のニッケルセルメット（金属多孔体）３をセットする（設置工程）。このように、ニッケルセルメット３はキャビティ１５ａと略同一形状であることから、金型１５に注湯されたアルミニウム合金溶湯５中にニッケルセルメット３が略均一に配置されることになる。それ故、例えば、円柱状のアルミニウム合金基複合材料を製造するのであれば、円柱状のキャビティを有する金型に、円柱状のニッケルセルメットをセットし、また、円筒状のアルミニウム合金基複合材料を製造するのであれば、円筒状のキャビティを有する金型に、円筒状のニッケルセルメットをセットすれば、アルミニウム合金マトリックス全体に粒子状のＡｌ３Ｎｉが均一に分散した、円柱状または円筒状のアルミニウム合金基複合材料を製造することができる。 Then, first, in step S1, nickel cermet (metal porous body) 3 having substantially the same shape as the cavity 15a is set in the cavity 15a of the mold 15 installed in the electric furnace 13 (installation process). . Thus, since the nickel cermet 3 has substantially the same shape as the cavity 15 a, the nickel cermet 3 is disposed substantially uniformly in the molten aluminum alloy 5 poured into the mold 15. Therefore, for example, when manufacturing a cylindrical aluminum alloy matrix composite material, a cylindrical nickel cermet is set in a mold having a cylindrical cavity, and a cylindrical aluminum alloy matrix composite material is used. If manufacturing, if cylindrical nickel cermet is set in a mold having a cylindrical cavity, columnar or cylindrical aluminum in which particulate Al 3 Ni is uniformly dispersed throughout the aluminum alloy matrix Alloy matrix composites can be produced.
次に、ステップＳ２では、約７００℃に加熱されたアルミニウム合金溶湯（アルミニウム合金溶湯）５を金型１５のキャビティ１５ａ内に注湯して、アルミニウム合金溶湯５をニッケルセルメット３に含浸させる（含浸工程）。このとき、加圧力が０．０５（ＭＰａ）の場合は、アルミニウム合金溶湯を押し込む力が不足するため、アルミニウム合金溶湯５がニッケルセルメット３の孔に十分に充填されず、図７（ａ）に示すように、アルミニウム合金基複合材料に多数のポロシティ（図中のＰｏｒｅで示す部分）が生じるおそれがある。一方、加圧力が０．１５（ＭＰａ）の場合は、アルミニウム合金溶湯を押し込む力が大き過ぎるため、ニッケルセルメットの気孔が押し潰されて、アルミニウム合金溶湯中でニッケルが一部分に集まり、図７（ｃ）に示すように、アルミニウム合金マトリックス中に多数の粒子状のＡｌ３Ｎｉが分散されず、少数の粗大化したＡｌ３Ｎｉが生じるおそれがある。 Next, in step S2, molten aluminum alloy 5 (aluminum alloy molten metal) 5 heated to about 700 ° C. is poured into the cavity 15a of the mold 15 to impregnate the nickel cermet 3 with the molten aluminum alloy 5 (impregnation). Process). At this time, when the applied pressure is 0.05 (MPa), the force for pushing the molten aluminum alloy is insufficient, so the molten aluminum alloy 5 is not sufficiently filled in the holes of the nickel cermet 3, and FIG. As shown, there is a possibility that a lot of porosity (portion indicated by “Pore” in the figure) is generated in the aluminum alloy matrix composite material. On the other hand, when the applied pressure is 0.15 (MPa), since the force for pushing the molten aluminum alloy is too large, the pores of the nickel cermet are crushed and the nickel is partly collected in the molten aluminum alloy. As shown in c), a large number of particulate Al 3 Ni is not dispersed in the aluminum alloy matrix, and a small number of coarse Al 3 Ni may be generated.
これらに対し、加圧力が０．１（ＭＰａ）すなわち大気圧近傍下の場合は、アルミニウム合金溶湯がニッケルセルメットの孔に十分に充填されるとともに、ニッケルセルメットの気孔が押し潰されることがないので、図７（ｂ）に示すように、アルミニウム合金マトリックス中に多数の粒子状のＡｌ３Ｎｉが分散することになる。したがって、含浸工程Ｓ２及び後述する反応工程Ｓ３は、大気圧近傍下で行われることが望ましい。 On the other hand, when the applied pressure is 0.1 (MPa), that is, near atmospheric pressure, the molten aluminum alloy is sufficiently filled in the nickel cermet pores and the nickel cermet pores are not crushed. As shown in FIG. 7B, a large number of particulate Al 3 Ni is dispersed in the aluminum alloy matrix. Therefore, it is desirable that the impregnation step S2 and the reaction step S3 described later be performed near atmospheric pressure.
なお、図７（ａ）〜（ｃ）に示すアルミニウム合金基複合材料は、セルサイズが０．７３〜０．９８ｍｍ、比表面積が１２５０ｍ２／ｍ３のニッケルセルメットを用い、且つ、アルミニウム合金溶湯を溶湯温度７００℃（９７３Ｋ）に維持して１０分間保持した条件で、それぞれ加圧力を変化させたものである。 The aluminum alloy matrix composite shown in FIGS. 7A to 7C uses nickel cermet having a cell size of 0.73 to 0.98 mm and a specific surface area of 1250 m 2 / m 3 , and a molten aluminum alloy. The pressure was changed under the condition that the molten metal temperature was maintained at 700 ° C. (973 K) and maintained for 10 minutes.
次のステップＳ３では、Ｎｉとアルミニウム合金溶湯５とが溶融反応して、粒子状のＡｌ３Ｎｉを生成するように、金型１５内で、アルミニウム合金溶湯５を溶湯温度７００℃以上７４０℃以下（所定温度）に維持して３分以上１８分以下（所定時間）保持する（反応工程）。このように、ニッケルセルメットに含浸されたアルミニウム合金溶湯を溶湯温度７００℃以上７４０℃以下に維持して３分以上１８分以下保持すると、Ｎｉは全体が瞬時にＡｌ３Ｎｉに変化するのではなく、図８（ａ）に示すように、Ｎｉの表面（Ｎｉとアルミニウム合金溶湯との界面）から徐々にＡｌ３Ｎｉ２相が形成され、さらに反応が進むと、このＡｌ３Ｎｉ２相を囲むようにＡｌ３Ｎｉ相が形成される。そうして、図８（ｂ）に示すように、Ａｌ３Ｎｉが形成される際の体積膨張により、Ａｌ３Ｎｉがニッケルセルメットから剥離して、ニッケルセルメットの各セルによって囲まれたアルミニウム合金溶湯中に均一に分散されることになる。以下、金型内におけるアルミニウム合金溶湯の温度と保持時間をこのような範囲に設定した理由を述べる。 In the next step S3, the molten aluminum alloy 5 is melted at a temperature of 700 ° C. or higher and 740 ° C. or lower in the mold 15 so that Ni and the molten aluminum alloy 5 are melt-reacted to generate particulate Al 3 Ni. Maintain (predetermined temperature) and hold for 3 minutes to 18 minutes (predetermined time) (reaction process). Thus, when the molten aluminum alloy impregnated in nickel cermet is maintained at a molten metal temperature of 700 ° C. or higher and 740 ° C. or lower and held for 3 minutes or longer and 18 minutes or shorter, the entire Ni is not instantaneously changed to Al 3 Ni. As shown in FIG. 8 (a), an Al 3 Ni 2 phase is gradually formed from the Ni surface (interface between Ni and molten aluminum alloy), and when the reaction further proceeds, the Al 3 Ni 2 phase is surrounded. Thus, an Al 3 Ni phase is formed. Then, as shown in FIG. 8 (b), the Al 3 Ni is peeled off from the nickel cermet due to volume expansion when Al 3 Ni is formed, and the molten aluminum alloy surrounded by each cell of the nickel cermet. It will be evenly dispersed in it. Hereinafter, the reason why the temperature and holding time of the molten aluminum alloy in the mold are set in such a range will be described.
図９は、加圧力０．１ＭＰａ下で、溶湯温度を変化させた場合におけるアルミニウム合金マトリックス中の金属間化合物の状態を説明する電子顕微鏡写真であり、同図（ａ）は、溶湯温度を６７０℃に維持した場合であり、同図（ｂ）は、溶湯温度を７００℃に維持した場合であり、同図（ｃ）は、溶湯温度を７５０℃に維持した場合であり、同図（ｄ）は、溶湯温度を７８０℃に維持した場合である。なお、保持時間はいずれの場合も１０分間とした。 FIG. 9 is an electron micrograph for explaining the state of the intermetallic compound in the aluminum alloy matrix when the molten metal temperature is changed under a pressure of 0.1 MPa. FIG. (B) is a case where the molten metal temperature is maintained at 700 ° C., and (c) is a case where the molten metal temperature is maintained at 750 ° C. (d) ) Is when the molten metal temperature is maintained at 780 ° C. In all cases, the holding time was 10 minutes.
金型内におけるアルミニウム合金溶湯の温度を７００℃未満である６７０℃（９４３Ｋ）に維持した場合には、図９（ａ）から、アルミニウム合金マトリックス中にＡｌ３Ｎｉがあまり生成されず、未反応のＮｉが多数残ることが分かる。よって、この場合には、強度および耐摩耗性を効果的に向上させることが困難となる。 When the temperature of the molten aluminum alloy in the mold is maintained at 670 ° C. (943 K), which is less than 700 ° C., Al 3 Ni is not generated so much in the aluminum alloy matrix from FIG. It can be seen that a lot of Ni remains. Therefore, in this case, it is difficult to effectively improve the strength and wear resistance.
一方、金型内におけるアルミニウム合金溶湯の温度を７４０℃を超える７５０℃（１０２３Ｋ）や７８０℃（１０５３Ｋ）に維持した場合には、図９（ｃ）及び（ｄ）から、生成したＡｌ３Ｎｉの粒子が成長し過ぎて粗大化することが分かる。このような粗大な晶出物は、破壊の起点になり、アルミニウム合金材の強度、特に、疲労強度や破壊靭性値を低下させる原因にもなることから、この場合にも、強度および耐摩耗性を効果的に向上させることが困難となる。 On the other hand, when the temperature of the molten aluminum alloy in the mold is maintained at 750 ° C. (1023 K) or 780 ° C. (1053 K) exceeding 740 ° C., the generated Al 3 Ni is obtained from FIGS. 9C and 9D. It can be seen that the grains of the particles grow too much and become coarse. Such a coarse crystallized material becomes a starting point of fracture, and also causes a decrease in the strength of the aluminum alloy material, particularly fatigue strength and fracture toughness value. It is difficult to improve the efficiency effectively.
これらに対し、金型内におけるアルミニウム合金溶湯の温度を７００℃（９７３Ｋ）に維持した場合には、図９（ｂ）から、アルミニウム合金マトリックス中に粒子状のＡｌ３Ｎｉが均一に分散していることが分かる。したがって、反応工程における金型内でのアルミニウム合金溶湯の温度は、７００℃以上７４０℃以下とするのが望ましい。 On the other hand, when the temperature of the molten aluminum alloy in the mold is maintained at 700 ° C. (973 K), as shown in FIG. 9B, the particulate Al 3 Ni is uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix. I understand that. Therefore, it is desirable that the temperature of the molten aluminum alloy in the mold in the reaction step is 700 ° C. or higher and 740 ° C. or lower.
次に、保持時間について説明する。図１０は、加圧力０．１ＭＰａ下で且つアルミニウム合金溶湯の温度を７００℃に維持して、保持時間を変化させた場合のアルミニウム合金マトリックス中における金属間化合物の状態を説明する電子顕微鏡写真であり、同図（ａ）は、保持時間が１秒の場合であり、同図（ｂ）は、保持時間が１０分の場合であり、同図（ｃ）は、保持時間が２０分の場合である。 Next, the holding time will be described. FIG. 10 is an electron micrograph illustrating the state of the intermetallic compound in the aluminum alloy matrix when the holding time is changed while maintaining the temperature of the molten aluminum alloy at 700 ° C. under a pressure of 0.1 MPa. Yes, (a) shows the case where the holding time is 1 second, (b) shows the case where the holding time is 10 minutes, and (c) shows the case where the holding time is 20 minutes. It is.
金型内でのアルミニウム合金溶湯の保持時間を３分未満である１秒とした場合には、図１０（ａ）から、アルミニウム合金マトリックス中にＡｌ３Ｎｉがあまり生成されず、未反応のＮｉが多数残ることが分かる。よって、この場合には、強度および耐摩耗性を効果的に向上させることが困難となる。 When the holding time of the molten aluminum alloy in the mold is 1 second which is less than 3 minutes, from FIG. 10 (a), Al 3 Ni is not generated so much in the aluminum alloy matrix, and unreacted Ni It turns out that many remain. Therefore, in this case, it is difficult to effectively improve the strength and wear resistance.
一方、金型内でのアルミニウム合金溶湯の保持時間を１８分を超える２０分とした場合には、図１０（ｃ）から、生成したＡｌ３Ｎｉの粒子が成長し過ぎて粗大化することが分かる。よって、この場合にも、強度および耐摩耗性を効果的に向上させることが困難となる。 On the other hand, when the holding time of the molten aluminum alloy in the mold is set to 20 minutes exceeding 18 minutes, the generated Al 3 Ni particles grow too coarse from FIG. 10C. I understand. Therefore, also in this case, it is difficult to effectively improve strength and wear resistance.
これらに対し、金型内でのアルミニウム合金溶湯の保持時間を１０分とした場合には、図１０（ｂ）から、アルミニウム合金マトリックス中に粒子状のＡｌ３Ｎｉが均一に分散していることが分かる。したがって、金型内でのアルミニウム合金溶湯の保持時間は、３分以上１８分以下とするのが望ましい。 On the other hand, when the holding time of the molten aluminum alloy in the mold is 10 minutes, from FIG. 10B, the particulate Al 3 Ni is uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix. I understand. Therefore, the holding time of the molten aluminum alloy in the mold is desirably 3 minutes or more and 18 minutes or less.
翻って、次のステップＳ４では、上記ステップＳ３で３分以上１８分以下した後、少なくとも固液共存状態から固相状態まではアルミニウム合金溶湯５を電気炉１３内で冷却（炉冷）する。このように、炉冷を行う理由を以下に述べる。 In turn, in the next step S4, after 3 to 18 minutes in step S3, the molten aluminum alloy 5 is cooled (furnace cooled) in the electric furnace 13 at least from the solid-liquid coexistence state to the solid phase state. The reason for performing the furnace cooling will be described below.
図１１は、加圧力０．１（ＭＰａ）下で且つアルミニウム合金溶湯の温度を７００℃に維持して１０分間保持した後、冷却方法を変えた場合のアルミニウム合金マトリックス中における金属間化合物の状態を説明する電子顕微鏡写真であり、同図（ａ）は、空冷の場合であり、同図（ｂ）は、強制空冷の場合である。 FIG. 11 shows the state of the intermetallic compound in the aluminum alloy matrix when the cooling method is changed after maintaining the temperature of the molten aluminum alloy at 700 ° C. for 10 minutes under a pressure of 0.1 (MPa). The figure (a) is a case of air cooling, and the figure (b) is a case of forced air cooling.
空冷した場合（冷却速度が約０．８Ｋ／ｓｅｃ）や、強制空冷した場合（冷却速度が約１．３Ｋ／ｓｅｃ）には、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）から、アルミニウム合金マトリックス中にＡｌ３Ｎｉがあまり生成されず、未反応のＮｉが多数残ることが分かる。これは、冷却速度が速すぎるため、反応のための時間が短くなり、アルミニウム合金溶湯とＮｉとの反応が起こり難くなったことに起因する。 When air-cooled (cooling rate is about 0.8 K / sec) or forced air-cooling (cooling rate is about 1.3 K / sec), the aluminum alloy matrix is obtained from FIGS. 11 (a) and 11 (b). It can be seen that Al 3 Ni is not generated so much and many unreacted Ni remains. This is because the cooling rate is too fast, the reaction time is shortened, and the reaction between the molten aluminum alloy and Ni is less likely to occur.
これらに対し、炉冷した場合（冷却速度が約０．０８Ｋ／ｓｅｃ）には、上記図１から、アルミニウム合金マトリックス中に粒子状のＡｌ３Ｎｉが均一に分散していることが分かる。したがって、冷却方法としては炉冷が望ましい。 On the other hand, when the furnace is cooled (cooling rate is about 0.08 K / sec), it can be seen from FIG. 1 that the particulate Al 3 Ni is uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix. Therefore, furnace cooling is desirable as a cooling method.
そうして、次のステップＳ５では、アルミニウム合金基複合材料１を金型１５から脱型する。 Then, in the next step S5, the aluminum alloy matrix composite material 1 is removed from the mold 15.
（実施例）
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
(Example)
Hereinafter, experimental results performed to confirm the effects of the present invention will be described.
先ず、実施例１として、セルサイズが０．７３〜０．９８ｍｍ、比表面積が１２５０ｍ２／ｍ３のニッケルセルメットを用意した。そして、このニッケルセルメットを電気炉内に設置された金型にセットした後、７００℃に加熱されたアルミニウム合金溶湯を、金型のキャビティ内に注湯してニッケルセルメットに含浸させた。次いで、加圧力を０．１ＭＰａ、アルミニウム合金溶湯の温度を７００℃に維持し、保持時間を１０分として、それぞれアルミニウム合金基複合材料を製造した。 First, as Example 1, a nickel cermet having a cell size of 0.73 to 0.98 mm and a specific surface area of 1250 m 2 / m 3 was prepared. And after setting this nickel cermet in the metal mold | die installed in the electric furnace, the aluminum alloy molten metal heated at 700 degreeC was poured in the cavity of the metal mold | die, and the nickel cermet was impregnated. Next, an aluminum alloy matrix composite material was produced by maintaining the applied pressure at 0.1 MPa, the temperature of the molten aluminum alloy at 700 ° C., and the holding time of 10 minutes.
同様に、実施例２として、セルサイズが０．４６〜０．５８ｍｍ、比表面積が２８００ｍ２／ｍ３のニッケルセルメットを用意し、このニッケルセルメットを電気炉内に設置された金型にセットした後、７００℃に加熱されたアルミニウム合金溶湯を、金型のキャビティ内に注湯してニッケルセルメットに含浸させ、加圧力を０．１ＭＰａ、アルミニウム合金溶湯の温度を７００℃に維持し、保持時間を１０分として、それぞれアルミニウム合金基複合材料を製造した。 Similarly, as Example 2, a nickel cermet having a cell size of 0.46 to 0.58 mm and a specific surface area of 2800 m 2 / m 3 was prepared, and the nickel cermet was set in a mold installed in an electric furnace. Thereafter, the molten aluminum alloy heated to 700 ° C. is poured into the cavity of the mold and impregnated with nickel cermet, the pressure is maintained at 0.1 MPa, the temperature of the molten aluminum alloy is maintained at 700 ° C., and the holding time For 10 minutes, aluminum alloy matrix composites were produced.
図１２（ａ）は、実施例１のアルミニウム合金基複合材料を、図１２（ｂ）は、実施例２のアルミニウム合金基複合材料を示す電子顕微鏡写真である。図１２（ａ）及び（ｂ）から分かるように、実施例１及び２のいずれの場合も、アルミニウム合金マトリックス中に粒子状のＡｌ３Ｎｉが均一に分散したが、比表面積が大きいニッケルセルメットを用いた実施例２の方が、より微細でより多くの粒子状のＡｌ３Ｎｉが分散することが分かった。したがって、金属多孔体の比表面積は２８００ｍ２／ｍ３以上が望ましい。 FIG. 12A is an electron micrograph showing the aluminum alloy-based composite material of Example 1, and FIG. 12B is an electron micrograph showing the aluminum alloy-based composite material of Example 2. As can be seen from FIGS. 12 (a) and 12 (b), in both cases of Examples 1 and 2, particulate Al 3 Ni was uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix, but nickel cermet having a large specific surface area was formed. It was found that in Example 2 used, finer and more particulate Al 3 Ni was dispersed. Therefore, the specific surface area of the metal porous body is desirably 2800 m 2 / m 3 or more.
また、実施例１及び２のそれぞれについて所定断面積（例えば１０４ｍｍ２）中における、アスペクト比別のＡｌ３Ｎｉの個数をカウントした結果を図１３に示す。図１３から分かるように、実施例１ではアスペクト比が１以上３未満のＡｌ３Ｎｉの割合は４２．４％であり、また、実施例２ではアスペクト比が１以上３未満のＡｌ３Ｎｉの割合は６７．１％であった。これにより、本実施形態の製造方法によれば、アルミニウム合金マトリックス中に粒子状のＡｌ３Ｎｉが均一に分散したアルミニウム合金基複合材料が得られることが確認できた。 FIG. 13 shows the results of counting the number of Al 3 Ni by aspect ratio in a predetermined cross-sectional area (for example, 104 mm 2 ) for each of Examples 1 and 2. As can be seen from FIG. 13, in Example 1, the proportion of Al 3 Ni having an aspect ratio of 1 or more and less than 3 is 42.4%, and in Example 2, Al 3 Ni having an aspect ratio of 1 or more and less than 3 is used. The percentage was 67.1%. Thus, according to the manufacturing method of this embodiment, the aluminum alloy-based composite material is particulate Al 3 Ni was uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix is obtained was confirmed.
さらに、実施例１について、Ａｌ３Ｎｉ、母材（ＡＣ８Ａ）及び複合材料のビッカース硬さを測定した。具体的には、実施例１の供試材から試験片を採取し、試験片の断面を鏡面研磨した後、正四角錐のダイヤモンド圧子を試験片に押し込み、荷重とくぼみの表面積との比から定義されるビッカース硬さを測定した。その結果を図１４に示す。図１４から分かるように、アルミニウム合金マトリックス中のＡｌ３Ｎｉはビッカース硬さが７１０（Ｈｖ）であり、良好なＡｌ３Ｎｉが生成されていることが確認できた。また、かかるＡｌ３Ｎｉが均一に分散したアルミニウム合金基複合材料は、母材に比して、ビッカース硬さが７２％も向上していた。これにより、本実施形態の製造方法によれば、強度および耐摩耗性に優れる強化複合材料を、複雑な設備や工程を要することなく、形状の自由度を確保しつつ低コストで製造することが可能であることが確認できた。 Furthermore, for Example 1, it was measured Al 3 Ni, preform (AC8A) and Vickers hardness of the composite material. Specifically, a test piece was collected from the specimen of Example 1, and the cross section of the test piece was mirror-polished, and then a square pyramid diamond indenter was pushed into the test piece and defined from the ratio between the load and the surface area of the depression. Measured Vickers hardness. The result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 14, Al 3 Ni in the aluminum alloy matrix has a Vickers hardness of 710 (Hv), and it was confirmed that good Al 3 Ni was generated. In addition, the aluminum alloy matrix composite in which Al 3 Ni is uniformly dispersed has a Vickers hardness improved by 72% as compared with the base material. Thereby, according to the manufacturing method of the present embodiment, it is possible to manufacture a reinforced composite material having excellent strength and wear resistance at a low cost while ensuring flexibility in shape without requiring complicated facilities and processes. It was confirmed that it was possible.
−効果−
本実施形態によれば、比表面積が１２５０ｍ２／ｍ３以上という極めて多くの気孔を含むニッケルセルメット３を用いることから、アルミニウム合金溶湯５をニッケルセルメット３に含浸させると、Ｎｉとアルミニウム合金溶湯５との大きな接触面積が確保されるとともに、各気孔部に取り込まれたアルミニウム合金溶湯５は、Ｎｉによって密に囲まれることになるので、アルミニウム合金マトリックス９中にＡｌ３Ｎｉが均一に分散し易くなる。
-Effect-
According to this embodiment, since nickel cermet 3 including a very large number of pores having a specific surface area of 1250 m 2 / m 3 or more is used, when nickel cermet 3 is impregnated with nickel cermet 3, Ni and molten aluminum alloy 5 A large contact area is secured, and the molten aluminum alloy 5 taken into the pores is tightly surrounded by Ni, so that Al 3 Ni is easily dispersed uniformly in the aluminum alloy matrix 9. Become.
また、反応工程では、アルミニウム合金とＮｉとが反応しなかったり、生成したＡｌ３Ｎｉの粒子が成長し過ぎて粗大化したりしないように、アルミニウム合金溶湯５を溶湯温度７００℃以上７４０℃以下に維持して３分以上１８分以下保持することから、Ｎｉとアルミニウム合金溶湯５との界面でＡｌ３Ｎｉが生成されるとともに、生成の際の体積膨張により、Ａｌ３Ｎｉがニッケルセルメット３から剥離して、アルミニウム合金溶湯中５に分散しながら晶出することで、アルミニウム合金９中に粒子状のＡｌ３Ｎｉが均一に分散した状態が実現される。 Further, in the reaction step, the molten aluminum alloy 5 is set to a molten metal temperature of 700 ° C. or higher and 740 ° C. or lower so that the aluminum alloy does not react with Ni or the generated Al 3 Ni particles grow too much and become coarse. Since it is maintained and maintained for 3 minutes or more and 18 minutes or less, Al 3 Ni is generated at the interface between Ni and the molten aluminum alloy 5, and Al 3 Ni is peeled off from the nickel cermet 3 due to volume expansion during the generation. Then, by crystallization while being dispersed in the molten aluminum alloy 5, a state where the particulate Al 3 Ni is uniformly dispersed in the aluminum alloy 9 is realized.
加えて、大規模な設備を要しないとともに、既存の金型を用いることが可能であることから、アルミニウム合金マトリックス９中にＡｌ３Ｎｉが均一に分散したアルミニウム合金基複合材料１を低コストで得ることができる。 In addition, since a large-scale facility is not required and an existing mold can be used, the aluminum alloy matrix composite material 1 in which Al 3 Ni is uniformly dispersed in the aluminum alloy matrix 9 can be obtained at low cost. Can be obtained.
（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiments, and can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof.
上記実施形態では、金型１５内で、アルミニウム合金溶湯５を溶湯温度７００℃以上７４０℃以下に維持して３分以上１８分以下保持するようにしたが、溶湯温度と保持時間との関係は相対的なものであるから、アルミニウム合金とＮｉとが反応しなかったり、生成したＡｌ３Ｎｉの粒子が成長し過ぎて粗大化したりせず、粒子状のＡｌ３Ｎｉが生成されるのであれば、例えば、溶湯温度が７００℃未満且つ保持時間が１８分を超えるように設定したり、また、溶湯温度が７４０℃を超え且つ保持時間が３分未満となるように設定したりしてもよい。 In the above embodiment, the molten aluminum alloy 5 is maintained in the mold 15 at a molten metal temperature of 700 ° C. or higher and 740 ° C. or lower and held for 3 minutes or longer and 18 minutes or shorter. If the aluminum alloy and Ni do not react with each other or the generated Al 3 Ni particles do not grow too much and become coarse, and particulate Al 3 Ni is generated. For example, the molten metal temperature may be set to less than 700 ° C. and the holding time may exceed 18 minutes, or the molten metal temperature may be set to exceed 740 ° C. and the holding time may be set to less than 3 minutes. .
また、上記実施形態では、図６に示す製造装置を用いてアルミニウム合金基複合材料を製造したが、金属溶湯を加圧しながら所定の温度に保つことができるのであれば、これに限らず、どのような装置を用いてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the aluminum alloy matrix composite material was manufactured using the manufacturing apparatus shown in FIG. 6, as long as it can maintain a predetermined temperature, pressurizing a molten metal, not only this but which Such an apparatus may be used.
このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。 As described above, the above-described embodiment is merely an example in all respects and should not be interpreted in a limited manner. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
以上説明したように、本発明は、アルミニウム合金中に、粒子状の金属間化合物が均一に分散した金属間化合物強化複合材料及びその製造方法等について有用である。 As described above, the present invention is useful for an intermetallic compound-reinforced composite material in which particulate intermetallic compounds are uniformly dispersed in an aluminum alloy, a manufacturing method thereof, and the like.
１ アルミニウム合金基複合材料（金属間化合物強化複合材料）
３ ニッケルセルメット（金属多孔体）
５ アルミニウム合金溶湯
７ Ａｌ３Ｎｉ（金属間化合物）
９ アルミニウム合金マトリックス
１３ 電気炉
１５ 金型
１５ａ キャビティ
Ｓ１ 設置工程
Ｓ２ 含浸工程
Ｓ３ 反応工程
Ｓ４ 冷却工程
1 Aluminum alloy matrix composite (intermetallic compound reinforced composite)
3 Nickel cermet (metal porous body)
5 Aluminum alloy melt 7 Al 3 Ni (intermetallic compound)
9 Aluminum alloy matrix 13 Electric furnace 15 Mold 15a Cavity S1 Installation process S2 Impregnation process S3 Reaction process S4 Cooling process
Claims (5)
Ｎｉ又はＮｉ−Ｃｒ合金からなる、比表面積が１２５０ｍ２／ｍ３以上の金属多孔体を用意し、
電気炉内に設置された金型のキャビティ内に、当該キャビティと略同一形状の上記金属多孔体をセットする設置工程と、
アルミニウム合金溶湯を当該金型のキャビティ内に注湯して、アルミニウム合金溶湯を当該金属多孔体に含浸させる含浸工程と、
上記Ｎｉ又はＮｉ−Ｃｒ合金と上記アルミニウム合金溶湯とが溶融反応して、粒子状のＡｌ３Ｎｉ、又は、粒子状のＡｌ３Ｎｉ及び粒子状のＡｌ７Ｃｒを生成するように、上記金型内で、当該アルミニウム合金溶湯を所定温度で所定時間保持する反応工程と、
上記所定時間保持した後、少なくとも固液共存状態から固相状態までは炉冷する冷却工程と、
を含むことを特徴とする金属間化合物強化複合材料の製造方法。 A method for producing an intermetallic compound-reinforced composite material in which particulate intermetallic compounds are uniformly dispersed in an aluminum alloy matrix,
A metal porous body made of Ni or Ni-Cr alloy and having a specific surface area of 1250 m 2 / m 3 or more is prepared,
An installation step of setting the metal porous body having substantially the same shape as the cavity in a cavity of a mold installed in an electric furnace,
An impregnation step of pouring the molten aluminum alloy into the cavity of the mold and impregnating the porous metal body with the molten aluminum alloy;
The mold is formed so that the Ni or Ni—Cr alloy and the molten aluminum alloy are melt-reacted to generate particulate Al 3 Ni, or particulate Al 3 Ni and particulate Al 7 Cr. A reaction step of holding the molten aluminum alloy at a predetermined temperature for a predetermined time,
A cooling step in which the furnace is cooled at least from the solid-liquid coexistence state to the solid phase state after being held for the predetermined time;
A method for producing an intermetallic compound reinforced composite material comprising:
上記所定温度が、７００℃以上７４０℃以下であり、且つ、上記所定時間が、３分以上１８分以下であることを特徴とする金属間化合物強化複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the intermetallic compound reinforcement | strengthening composite material of Claim 1,
The method for producing an intermetallic compound-reinforced composite material, wherein the predetermined temperature is 700 ° C. or higher and 740 ° C. or lower, and the predetermined time is 3 minutes or longer and 18 minutes or shorter.
上記含浸工程及び上記反応工程では、加圧力が大気圧近傍であることを特徴とする金属間化合物強化複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the intermetallic compound reinforcement | strengthening composite material of Claim 1 or 2,
In the impregnation step and the reaction step, the pressure is in the vicinity of atmospheric pressure, the method for producing an intermetallic compound reinforced composite material.
上記金属多孔体の比表面積が２８００ｍ２／ｍ３以上であることを特徴とする金属間化合物強化複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the intermetallic compound reinforcement | strengthening composite material as described in any one of Claims 1-3,
The specific surface area of the said metal porous body is 2800 m < 2 > / m < 3 > or more, The manufacturing method of the intermetallic compound reinforcement | strengthening composite material characterized by the above-mentioned.
アルミニウム合金マトリックス中に分散している金属間化合物のうち、アスペクト比が３未満である金属間化合物の割合が４０％以上であることを特徴とする金属間化合物強化複合材料。 An intermetallic compound reinforced composite material produced using the production method according to any one of claims 1 to 4,
A ratio of intermetallic compounds having an aspect ratio of less than 3 among intermetallic compounds dispersed in an aluminum alloy matrix is 40% or more.
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