JP2020196946A - Particle-reinforced aluminum composite material, pressure-resistant component using the same and method for manufacturing pressure-resistant component - Google Patents

Particle-reinforced aluminum composite material, pressure-resistant component using the same and method for manufacturing pressure-resistant component Download PDF

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肇 皆木
佑貴 渡部
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佑貴 渡部
章仁 河村
Akihito Kawamura
章仁 河村
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Abstract

To provide a particle-reinforced aluminum composite material that is improved in machinability without reducing mechanical strength so much as compared with a particle-reinforced aluminum containing a spinel particle as a reinforcing particle.SOLUTION: The particle-reinforced aluminum composite material includes a base material composed of aluminum alloy and a reinforcing particle dispersed in the base material in which the reinforcing particle includes the main component represented by MgAl2O4 and aluminum.SELECTED DRAWING: Figure 5A

Description

本発明は、粒子強化アルミニウム複合材、それを用いた耐圧部品、及び、耐圧部品の製造方法に関する。 The present invention relates to a particle-reinforced aluminum composite material, a pressure-resistant component using the same, and a method for manufacturing the pressure-resistant component.

アルミニウム複合材に無機材料等により構成される硬質の粒子(強化粒子)を含有させてなる粒子強化アルミニウム複合材が開発されている。例えば特許文献1は、スピネル粒子が強化粒子として含有された粒子強化アルミニウム複合材を開示する。この特許文献1に記載の粒子強化アルミニウム複合材は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属溶湯に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物粒子とマグネシウムを添加して攪拌することにより製造される。アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属溶湯に金属酸化物粒子とマグネシウムを添加することで、金属溶湯中にて金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとが反応してスピネル粒子が生成する。生成したスピネル粒子は強化粒子としてアルミニウム合金母材に分散される。 A particle-reinforced aluminum composite material has been developed in which hard particles (reinforced particles) composed of an inorganic material or the like are contained in the aluminum composite material. For example, Patent Document 1 discloses a particle-reinforced aluminum composite material containing spinel particles as reinforcing particles. The particle-reinforced aluminum composite material described in Patent Document 1 is produced by adding metal oxide particles other than aluminum oxide and magnesium to a molten metal made of aluminum or an aluminum alloy and stirring the mixture. By adding metal oxide particles and magnesium to a molten metal made of aluminum or an aluminum alloy, the metal oxide, magnesium and aluminum react with each other in the molten metal to generate spinel particles. The generated spinel particles are dispersed in the aluminum alloy base material as reinforcing particles.

特開2007−291450号公報JP-A-2007-291450

(発明が解決しようとする課題)
上記特許文献1に記載の粒子強化アルミニウム複合材は、強化粒子として硬度が非常に高いスピネル粒子を含むので、機械的強度は高いものの、切削性が悪い。
(Problems to be solved by the invention)
Since the particle-reinforced aluminum composite material described in Patent Document 1 contains spinel particles having extremely high hardness as reinforcing particles, it has high mechanical strength but poor machinability.

そこで、本発明は、スピネル粒子を含有する粒子強化アルミニウム複合材と比較してさほど機械的強度が低下することなく切削性が改善された、粒子強化アルミニウム複合材、及び、それを用いた耐圧部品並びにそれを用いた耐圧部品の製造方法を提供することを、目的とする。 Therefore, the present invention presents a particle-reinforced aluminum composite material having improved machinability without significantly reducing mechanical strength as compared with a particle-reinforced aluminum composite material containing spinel particles, and a pressure-resistant component using the same. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a pressure resistant component using the same.

本発明は、アルミニウム合金により構成される母材と、母材中に分散された強化粒子と、を含む、粒子強化アルミニウム複合材であって、強化粒子が、MgAlにより表される主成分と、アルミニウムと、を含む、粒子強化アルミニウム複合材を提供する。この場合、強化粒子中のアルミニウムは、主成分に付着するように強化粒子中に混入しているとよい。 The present invention is a particle-reinforced aluminum composite material containing a base material composed of an aluminum alloy and reinforcing particles dispersed in the base material, wherein the reinforcing particles are mainly represented by MgAl 2 O 4. Provided is a particle reinforced aluminum composite containing a component and aluminum. In this case, the aluminum in the reinforcing particles may be mixed in the reinforcing particles so as to adhere to the main component.

本発明によれば、強化粒子に、主成分としてのスピネル(MgAl)以外に金属アルミニウムが含まれる。金属アルミニウムの硬度はスピネルの硬度よりも低い。このため本発明に係る強化粒子の分断性が向上し、それにより、粒子強化アルミニウム複合材の切削性を改善することができる。また、母材に分散される強化粒子の主成分はスピネル(MgAl)であるので機械的強度はそれなりに確保される。つまり、本発明によれば、スピネル粒子が含まれる粒子強化アルミニウム複合材に対してさほど機械的強度を落とすことなく切削性が改善された、粒子強化アルミニウム複合材を提供することができる。 According to the present invention, the reinforcing particles contain metallic aluminum in addition to spinel (MgAl 2 O 4 ) as a main component. The hardness of metallic aluminum is lower than the hardness of spinel. Therefore, the breakability of the reinforced particles according to the present invention is improved, and thereby the machinability of the particle reinforced aluminum composite material can be improved. Further, since the main component of the reinforcing particles dispersed in the base material is spinel (MgAl 2 O 4 ), the mechanical strength is secured to some extent. That is, according to the present invention, it is possible to provide a particle-reinforced aluminum composite material having improved machinability with respect to the particle-reinforced aluminum composite material containing spinel particles without significantly reducing the mechanical strength.

この場合、強化粒子中に、40wt%以上のアルミニウムが含まれているとよい。より好ましくは、強化粒子が、40wt%以上のアルミニウムと、16wt%以下のマグネシウムとを含むとよい。さらにより好ましくは、強化粒子が、40wt%以上且つ50wt%以下のアルミニウムと、5wt%以上且つ16wt%以下のマグネシウムとを含むとよい。さらにより好ましくは、強化粒子が、40wt%以上且つ50wt%以下のアルミニウムと、5wt%以上且つ16wt%以下のマグネシウムと、40wt%以上且つ50wt%以下の酸素と、不可避不純物とを含み、これらの合計の質量濃度が100wt%であるように構成されているとよい。 In this case, it is preferable that the reinforcing particles contain 40 wt% or more of aluminum. More preferably, the reinforcing particles contain 40 wt% or more of aluminum and 16 wt% or less of magnesium. Even more preferably, the reinforcing particles may contain 40 wt% or more and 50 wt% or less of aluminum and 5 wt% or more and 16 wt% or less of magnesium. Even more preferably, the reinforcing particles contain 40 wt% or more and 50 wt% or less of aluminum, 5 wt% or more and 16 wt% or less of magnesium, 40 wt% or more and 50 wt% or less of oxygen, and unavoidable impurities. It is preferable that the total mass concentration is 100 wt%.

また、母材中に、12.6wt%よりも多く20wt%以下のケイ素が含まれているとよい。或いは、母材中に、β(Si)粒子を含む晶出物が含まれているとよい。ここで、β(Si)粒子とは、ケイ素の含有率がアルミニウムとケイ素の共晶点におけるケイ素の含有率(12.6wt%)よりも高いAl−Si系合金溶湯を冷却させる過程で合金溶湯中に晶出し、上記の含有率以下のAl−Si系合金溶湯を冷却させる過程では晶出しないケイ素粒子を表す。12.6wt%よりも多いケイ素が含まれているアルミニウム合金溶湯を冷却して本発明に係る粒子強化アルミニウム複合材を成形すると、母材中にβ(Si)粒子が晶出する。このβ(Si)粒子により、母材の剛性が高められる。このため粒子強化アルミニウム複合材の剛性を高めることができる。 Further, it is preferable that the base material contains more than 12.6 wt% and 20 wt% or less of silicon. Alternatively, it is preferable that the base metal contains crystallization containing β (Si) particles. Here, β (Si) particles are alloyed molten metal in the process of cooling an Al—Si based alloy molten metal in which the silicon content is higher than the silicon content (12.6 wt%) at the co-crystal point of aluminum and silicon. It represents silicon particles that crystallize inside and do not crystallize in the process of cooling the molten Al—Si alloy with the above content or less. When the molten aluminum alloy containing more than 12.6 wt% of silicon is cooled to form the particle-reinforced aluminum composite material according to the present invention, β (Si) particles are crystallized in the base material. The β (Si) particles increase the rigidity of the base metal. Therefore, the rigidity of the particle-reinforced aluminum composite material can be increased.

また、強化粒子の平均粒子径(メジアン径)が、10μm以上であるとよい。これによれば、強化粒子の粒子径が特許文献1記載の強化粒子の平均粒子径(0.2μm程度)と比較してはるかに大きいので、アルミニウム複合材の耐摩耗性を高めることができる。 Further, the average particle diameter (median diameter) of the strengthened particles is preferably 10 μm or more. According to this, since the particle size of the reinforcing particles is much larger than the average particle size (about 0.2 μm) of the reinforcing particles described in Patent Document 1, the wear resistance of the aluminum composite material can be improved.

また、母材中に含まれるβ(Si)粒子を含む晶出物は、平均粒子径(メジアン径)が5μm以下であるか、最大粒子径が50μm以下であるか、の少なくともいずれかの粒子径を有するのがよい。母材中に含まれるβ(Si)粒子を含む晶出物の平均粒子径(メジアン径)が5μm以下である場合、或いは、最大粒子径が50μm以下である場合、すなわち母材中の晶出物が微細化されている場合、アルミニウム複合材の引張強度及び延性を高めることができる。 Further, the crystallized product containing β (Si) particles contained in the base material is at least one of particles having an average particle diameter (median diameter) of 5 μm or less and a maximum particle diameter of 50 μm or less. It should have a diameter. When the average particle size (median diameter) of the crystallized products containing β (Si) particles contained in the base material is 5 μm or less, or when the maximum particle size is 50 μm or less, that is, crystallization in the base material When the material is made finer, the tensile strength and ductility of the aluminum composite material can be increased.

また、本発明は、所定の圧力が付与されるとともに付与された圧力に耐え得る強度を有する耐圧部品であって、アルミニウム合金により構成される母材と、母材中に分散された強化粒子と、を含む、粒子強化アルミニウム複合材により構成され、強化粒子が、MgAlにより表される主成分と、アルミニウムと、を含み、母材中に、β(Si)粒子を含む晶出物が含まれている、耐圧部品を提供する。 Further, the present invention is a pressure-resistant component having a strength that can withstand a predetermined pressure and the applied pressure, and includes a base material made of an aluminum alloy and reinforcing particles dispersed in the base material. A crystallized product composed of a particle-reinforced aluminum composite material containing, which contains a main component represented by MgAl 2 O 4 and aluminum, and contains β (Si) particles in the base material. Provide a pressure resistant component that contains.

上記発明によれば、機械的強度が高く、切削性が良好であり、且つ剛性の高い耐圧部品を提供することができる。 According to the above invention, it is possible to provide a pressure resistant component having high mechanical strength, good machinability, and high rigidity.

この場合、上記耐圧部品は、付与された圧力によって応力が集中する応力集中部位を有し、応力集中部位を構成する母材中に含まれる晶出物の大きさが、応力集中部位以外の部位を構成する母材中に含まれる晶出物の大きさよりも小さいとよい。 In this case, the pressure-resistant component has a stress concentration portion where stress is concentrated by the applied pressure, and the size of the crystallized material contained in the base material constituting the stress concentration portion is a portion other than the stress concentration portion. It is preferable that the size is smaller than the size of the crystals contained in the base material constituting the above.

さらにこの場合、応力集中部位を構成する母材中に含まれる晶出物の平均粒子径(メジアン径)が5μm以下であり且つ最大粒子径が50μm以下であるとよい。 Further, in this case, it is preferable that the average particle diameter (median diameter) of the crystals contained in the base material constituting the stress concentration portion is 5 μm or less and the maximum particle diameter is 50 μm or less.

これによれば、耐圧部品の応力集中部位を構成するアルミニウム合金母材中に含まれるβ(Si)粒子を含む晶出物が微細化されているために、応力集中部位の引張強度及び延性が向上し、その結果、耐圧部品の耐圧特性をより向上させることができる。 According to this, since the crystallized products containing β (Si) particles contained in the aluminum alloy base material constituting the stress concentration portion of the pressure-resistant component are refined, the tensile strength and ductility of the stress concentration portion are increased. As a result, the withstand voltage characteristics of the withstand voltage component can be further improved.

上記耐圧部品は、車両に搭載されるブレーキ装置を構成するキャリパボディであってもよい。この場合、キャリパボディは、ピストンを軸方向移動可能に収容するシリンダ部と、シリンダ部に対してピストンの移動方向に離間して対向配置する対向部と、シリンダ部と対向部とを連結する連結部と、を有し、応力集中部位は、シリンダ部と連結部との境界部分及び対向部と連結部との境界部分の少なくとも一つであると良い。 The pressure-resistant component may be a caliper body constituting a braking device mounted on a vehicle. In this case, the caliper body connects the cylinder portion that accommodates the piston so as to be movable in the axial direction, the facing portion that is arranged so as to be separated from the cylinder portion in the moving direction of the piston, and the cylinder portion and the facing portion. It is preferable that the portion has a portion and the stress concentration portion is at least one of the boundary portion between the cylinder portion and the connecting portion and the boundary portion between the facing portion and the connecting portion.

ブレーキ装置を構成するキャリパボディは、液圧によりピストンが軸方向移動してディスクロータにブレーキパッドを押し付ける際に応力を受ける。この応力は、キャリパボディのシリンダ部と連結部との境界部分及び対向部と連結部との境界部分に集中する傾向にある。従って、このようにして応力が集中する上記境界部分を構成するアルミニウム合金母材中の晶出物を微細化することにより、境界部分の引張強度及び延性が向上し、境界部分での破断が抑止される。よって、キャリパボディの耐久性が向上する。 The caliper body constituting the brake device receives stress when the piston moves axially due to hydraulic pressure and presses the brake pad against the disc rotor. This stress tends to be concentrated at the boundary portion between the cylinder portion and the connecting portion of the caliper body and the boundary portion between the facing portion and the connecting portion. Therefore, by refining the crystallized material in the aluminum alloy base material constituting the boundary portion where stress is concentrated in this way, the tensile strength and ductility of the boundary portion are improved, and fracture at the boundary portion is suppressed. Will be done. Therefore, the durability of the caliper body is improved.

また、本発明は、所定の圧力が付与されるとともに付与された圧力に耐え得る強度を有し、且つ、付与された圧力によって応力が集中する応力集中部位を有する耐圧部品の製造方法であって、マグネシウムを含むアルミニウム合金溶湯中に、二酸化ケイ素粒子からなる粉体を投入する原料粒子投入工程と、原料粒子投入工程にてアルミニウム合金溶湯中に投入された二酸化ケイ素粒子と、アルミニウム合金溶湯の成分であるマグネシウム及びアルミニウムとを反応させることにより、MgAlにより表される主成分とアルミニウムとを含む強化粒子を生成する強化粒子生成工程と、アルミニウム合金溶湯を冷却することにより、アルミニウム合金母材中にβ(Si)粒子を含む晶出物を晶出させるとともに、アルミニウム合金溶湯を凝固させて耐圧部品を成形する成形工程と、成形した耐圧部品の応力集中部位を摩擦攪拌することにより、応力集中部位を構成するアルミニウム合金母材中に晶出した晶出物を、平均粒子径5μm以下、且つ最大粒子径50μm以下に微細化する微細化工程と、を含む、耐圧部品の製造方法を提供する。 Further, the present invention is a method for manufacturing a pressure-resistant component having a strength that can withstand a predetermined pressure and a stress concentration portion where the stress is concentrated by the applied pressure. , Raw material particle charging step of charging powder composed of silicon dioxide particles into aluminum alloy molten metal containing magnesium, silicon dioxide particles charged into aluminum alloy molten metal in raw material particle charging process, and components of aluminum alloy molten metal By reacting magnesium and aluminum, which are the above, to generate reinforced particles containing the main component represented by MgAl 2 O 4 and aluminum, and by cooling the molten aluminum alloy, the aluminum alloy mother By crystallizing crystallization containing β (Si) particles in the material, the molding process of solidifying the molten aluminum alloy to form the pressure-resistant component, and frictionally stirring the stress-concentrated part of the molded pressure-resistant component. A method for manufacturing pressure-resistant parts, which includes a miniaturization step of refining crystallized products in an aluminum alloy base material constituting a stress concentration site to an average particle diameter of 5 μm or less and a maximum particle diameter of 50 μm or less. provide.

上記発明によれば、機械的強度が高く、切削性が良好であり、且つヤング率(剛性)の高い耐圧部品を製造することができる。また、応力集中部位の引張強度及び延性が向上し、その結果、耐圧部品の耐圧特性をより向上させることができる。 According to the above invention, it is possible to manufacture a pressure-resistant component having high mechanical strength, good machinability, and high Young's modulus (rigidity). In addition, the tensile strength and ductility of the stress-concentrated portion are improved, and as a result, the pressure-resistant characteristics of the pressure-resistant component can be further improved.

図1は、粒子強化アルミニウム複合材を製造するための製造装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a manufacturing apparatus for manufacturing a particle-reinforced aluminum composite material. 図2は、実施例1にてアルミニウム合金溶湯に投入した二酸化ケイ素粒子のSEM画像である。FIG. 2 is an SEM image of the silicon dioxide particles charged into the molten aluminum alloy in Example 1. 図3は、実施例1に係るサンプルS1のSEM画像(1000倍)である。FIG. 3 is an SEM image (1000 times) of the sample S1 according to the first embodiment. 図4は、実施例1に係るサンプルS1のSEM画像(10000倍)である。FIG. 4 is an SEM image (10000 times) of sample S1 according to Example 1. 図5Aは、強化粒子の一部分を拡大したSEM画像(40000倍)である。FIG. 5A is an enlarged SEM image (40,000 times) of a part of the reinforcing particles. 図5Bは、強化粒子の一部分を拡大したSEM画像(40000倍)である。FIG. 5B is an enlarged SEM image (40,000 times) of a part of the reinforcing particles. 図6は、実施例3に係るサンプルS9のSEM画像(200倍)である。FIG. 6 is an SEM image (200 times) of sample S9 according to Example 3. 図7は、実施例3に係るサンプルS10のSEM画像(200倍)である。FIG. 7 is an SEM image (200 times) of sample S10 according to Example 3. 図8は、粒子含有率とヤング率との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the particle content and Young's modulus. 図9は、実施例4にて用いた摩擦攪拌ツールと摩擦攪拌されるアルミニウム複合板の模式図である。FIG. 9 is a schematic view of the friction stir tool used in Example 4 and the aluminum composite plate that is friction stir. 図10は、金属顕微鏡により観察した実施例3に係る組織の断面及び実施例4に係る組織の断面の写真画像である。FIG. 10 is a photographic image of a cross section of the tissue according to Example 3 and a cross section of the tissue according to Example 4 observed with a metallurgical microscope. 図11Aは、実施例3に係る晶出物の粒度分布の測定結果を示す。FIG. 11A shows the measurement result of the particle size distribution of the crystallized product according to Example 3. 図11Bは、実施例4に係る晶出物の粒度分布の測定結果を示す。FIG. 11B shows the measurement result of the particle size distribution of the crystallized product according to Example 4. 図12は、実施例3及び実施例4に係る引張試験片の引張試験結果を示す。FIG. 12 shows the tensile test results of the tensile test pieces according to Example 3 and Example 4. 図13は、実施例3及び実施例4に係る引張試験片の伸び量を示す。FIG. 13 shows the amount of elongation of the tensile test piece according to Example 3 and Example 4. 図14は、実施例3及び実施例5に係る引張試験片の引張試験結果を示す。FIG. 14 shows the tensile test results of the tensile test pieces according to Example 3 and Example 5. 図15は、実施例3及び実施例5に係る引張試験片の伸び量を示す。FIG. 15 shows the amount of elongation of the tensile test piece according to Example 3 and Example 5. 図16は、実施例6に係る耐圧部品としてのキャリパボディの概略図である。FIG. 16 is a schematic view of a caliper body as a pressure resistant component according to the sixth embodiment. 図17は、図16のキャリパボディが組み付けられてなるブレーキ装置の概略断面図である。FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of the brake device to which the caliper body of FIG. 16 is assembled.

本発明に係る粒子強化アルミニウム複合材は、マトリクスを構成する母材と、母材中に分散された強化粒子と、を含む。 The particle-reinforced aluminum composite material according to the present invention includes a base material constituting a matrix and reinforced particles dispersed in the base material.

母材はアルミニウム合金により構成される。アルミニウム合金母材中に含まれるアルミニウム以外の成分として、マグネシウム(Mg)、ケイ素(Si)、鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、チタン(Ti)のいずれか1つまたは複数を例示できる。この中で、例えば、少なくともマグネシウム及びケイ素が含有されているアルミニウム合金が、本発明の母材として好ましい。 The base material is composed of an aluminum alloy. Any of magnesium (Mg), silicon (Si), iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), zinc (Zn), and titanium (Ti) as components other than aluminum contained in the aluminum alloy base material. One or more can be exemplified. Among these, for example, an aluminum alloy containing at least magnesium and silicon is preferable as the base material of the present invention.

強化粒子は、MgAlにより表される主成分と、アルミニウム(金属アルミニウム)とを含む。ここで、主成分とは、強化粒子の大部分を形成し、強化粒子の主要な性質を表す成分をいう。全ての成分がMgAlである場合、その強化粒子はスピネル粒子である。従って、本発明の強化粒子は、部分的にアルミニウムが混入したスピネル粒子と言える。アルミニウムは、主成分(スピネル)に付着するように強化粒子中に混入しているとよい。 The reinforcing particles include a main component represented by MgAl 2 O 4 and aluminum (metallic aluminum). Here, the principal component refers to a component that forms most of the reinforcing particles and represents the main properties of the reinforcing particles. When all the components are MgAl 2 O 4 , the strengthening particles are spinel particles. Therefore, it can be said that the reinforcing particles of the present invention are spinel particles in which aluminum is partially mixed. Aluminum is preferably mixed in the reinforcing particles so as to adhere to the main component (spinel).

スピネル粒子の硬度は非常に高く、そのためスピネル粒子を含有したアルミニウム複合材の機械的強度は高い。しかしながらその反面、切削性が悪い。これに対し、本発明に係る強化粒子は硬度の低いアルミニウムが混入したスピネル粒子であるため、本発明に係る強化粒子の硬度はスピネル粒子の硬度よりも若干低い。よって、強化粒子の分断性が向上し、それにより、本発明に係る粒子強化アルミニウム複合材の切削性が改善される。また、強化粒子の大部分は主成分であるMgAlにより構成されるので、本発明に係る強化粒子が母材中に分散されたアルミニウム複合材の機械的強度は、スピネル粒子が母材中に分散されたアルミニウム複合材と比較して低いものの、大きくは低下しない。従って、本発明の粒子強化アルミニウム複合材によれば、スピネル粒子が含有されたアルミニウム複合材に比較してさほど機械的強度が低下せず、且つ切削性が改善される。 The hardness of the spinel particles is very high, and therefore the mechanical strength of the aluminum composite containing the spinel particles is high. However, on the other hand, the machinability is poor. On the other hand, since the reinforcing particles according to the present invention are spinel particles mixed with aluminum having a low hardness, the hardness of the reinforcing particles according to the present invention is slightly lower than the hardness of the spinel particles. Therefore, the fragmentability of the reinforced particles is improved, and thereby the machinability of the particle reinforced aluminum composite material according to the present invention is improved. Further, since most of the reinforcing particles are composed of MgAl 2 O 4 which is the main component, the mechanical strength of the aluminum composite material in which the reinforcing particles according to the present invention are dispersed in the base material is such that the spinel particles are the base material. Although it is lower than the aluminum composite material dispersed in it, it does not decrease significantly. Therefore, according to the particle-reinforced aluminum composite material of the present invention, the mechanical strength is not significantly reduced and the machinability is improved as compared with the aluminum composite material containing spinel particles.

強化粒子は、40wt%以上のアルミニウムを含有しているとよい。スピネル粒子の組成はMgAlと表されるが、この場合、スピネル粒子中のアルミニウムの含有率は、理論上38wt%である。よって、強化粒子中に40wt%以上のアルミニウムが含有されている場合、2wt%以上の金属アルミニウムが強化粒子中に含まれることになる。このため、強化粒子を、主成分としてのMgAlと2wt%以上のアルミニウムとを含むように構成することができる。この場合、好ましくは、強化粒子が、40wt%以上であり且つ50wt%以下のアルミニウムを含むとよい。 The reinforcing particles preferably contain 40 wt% or more of aluminum. The composition of the spinel particles is expressed as MgAl 2 O 4, in which case the content of aluminum in the spinel particles is theoretically 38 wt%. Therefore, when 40 wt% or more of aluminum is contained in the reinforced particles, 2 wt% or more of metallic aluminum is contained in the reinforced particles. Therefore, the reinforcing particles can be configured to contain MgAl 2 O 4 as a main component and 2 wt% or more of aluminum. In this case, it is preferable that the reinforcing particles contain aluminum in an amount of 40 wt% or more and 50 wt% or less.

また、本発明に係る強化粒子は、16wt%以下のマグネシウムを含有しているとよい。スピネル粒子中のマグネシウムの含有率は、理論上16.9wt%である。従って、マグネシウムの含有率を16wt%以下に抑えることにより、強化粒子が全てMgAlとして生成されることが防止されるとともに、一部に金属アルミニウムが強化粒子中に混入したものとなる。この場合、好ましくは、強化粒子が、5wt%以上であり且つ16wt%以下のマグネシウムを含むとよい。 Further, the reinforcing particles according to the present invention preferably contain 16 wt% or less of magnesium. The content of magnesium in the spinel particles is theoretically 16.9 wt%. Therefore, by suppressing the magnesium content to 16 wt% or less, it is possible to prevent all the reinforcing particles from being generated as MgAl 2 O 4 , and metallic aluminum is partially mixed in the reinforcing particles. In this case, it is preferable that the reinforcing particles contain magnesium in an amount of 5 wt% or more and 16 wt% or less.

より好ましくは、本発明に係る強化粒子は、40wt%以上且つ50wt%以下のアルミニウムと、5wt%以上且つ16wt%以下のマグネシウムとを含むとよい。さらにより好ましくは、本発明に係る強化粒子は、40wt%以上且つ50wt%以下のアルミニウムと、5wt%以上且つ16wt%以下のマグネシウムと、40wt%以上且つ50wt%以下の酸素と、不可避不純物とを含み、これらの合計の質量濃度が100wt%であるように構成されているとよい。 More preferably, the reinforcing particles according to the present invention may contain 40 wt% or more and 50 wt% or less of aluminum and 5 wt% or more and 16 wt% or less of magnesium. Even more preferably, the reinforcing particles according to the present invention contain 40 wt% or more and 50 wt% or less of aluminum, 5 wt% or more and 16 wt% or less of magnesium, 40 wt% or more and 50 wt% or less of oxygen, and unavoidable impurities. Including, it is preferable that the total mass concentration of these is 100 wt%.

また、母材中には、12.6wt%よりも多いケイ素(Si)が含有されているとよい。Al(アルミニウム)−Si(ケイ素)系合金において、AlとSiの共晶点におけるSiの濃度は12.6wt%である。この共晶点におけるSiの濃度を超える濃度のSiが母材に含まれている場合、粒子強化アルミニウム複合材を製造する際のアルミニウム合金溶湯の冷却過程にて、硬質なβ(Si)粒子が晶出する。β(Si)粒子のヤング率は約185GPaと大きい。このため、母材中に晶出したβ(Si)粒子と母材に分散している強化粒子により、粒子強化アルミニウム複合材の剛性を高めることができる。加えて、粒子強化アルミニウム複合材の線膨張係数を小さくすることができる。 Further, it is preferable that the base material contains more than 12.6 wt% of silicon (Si). In the Al (aluminum) -Si (silicon) alloy, the concentration of Si at the eutectic point of Al and Si is 12.6 wt%. When the base material contains Si having a concentration exceeding the concentration of Si at the eutectic point, hard β (Si) particles are generated in the cooling process of the molten aluminum alloy during the production of the particle-reinforced aluminum composite material. Crystallize. The Young's modulus of β (Si) particles is as large as about 185 GPa. Therefore, the rigidity of the particle-reinforced aluminum composite material can be increased by the β (Si) particles crystallized in the base material and the reinforcing particles dispersed in the base material. In addition, the coefficient of linear expansion of the particle-reinforced aluminum composite can be reduced.

また、母材中のケイ素の含有率が12.6wt%を超えると、粒子強化アルミニウム複合材の製造過程において、アルミニウム合金溶湯の流動性が向上することが知られている。従って、本発明に係る粒子強化アルミニウム複合材を鋳造する際における鋳造性を高めることができる。ただし、母材中のケイ素の含有率が20wt%を超えると、アルミニウム合金溶湯の流動性が低下するとともに、成形後のアルミニウム複合材の加工性が悪化する。従って、母材中のケイ素の含有率は、12.6wt%よりも多く且つ20wt%以下であるのがよい。 Further, it is known that when the content of silicon in the base material exceeds 12.6 wt%, the fluidity of the molten aluminum alloy is improved in the process of manufacturing the particle-reinforced aluminum composite material. Therefore, it is possible to improve the castability when casting the particle-reinforced aluminum composite material according to the present invention. However, if the silicon content in the base material exceeds 20 wt%, the fluidity of the molten aluminum alloy is lowered and the processability of the aluminum composite material after molding is deteriorated. Therefore, the content of silicon in the base metal is preferably more than 12.6 wt% and 20 wt% or less.

また、母材中に分散した強化粒子の平均粒子径(メジアン径)は、10μm以上であるのがよい。特許文献1には、アルミニウム合金中に分散したスピネル粒子の径が0.2μmであると記載されている。このように母材中に分散した強化粒子の径が非常に小さいと、耐摩耗性の向上が見込めない。従って、粒子強化アルミニウム複合材の母材中に分散した強化粒子の平均粒子径を10μm以上に調整することにより、耐摩耗性を向上させることができる。 Further, the average particle diameter (median diameter) of the reinforcing particles dispersed in the base material is preferably 10 μm or more. Patent Document 1 describes that the diameter of the spinel particles dispersed in the aluminum alloy is 0.2 μm. If the diameter of the reinforcing particles dispersed in the base metal is very small in this way, improvement in wear resistance cannot be expected. Therefore, the wear resistance can be improved by adjusting the average particle size of the reinforced particles dispersed in the base material of the particle-reinforced aluminum composite material to 10 μm or more.

また、母材中に含まれるβ(Si)粒子を含む晶出物の平均粒子径(メジアン径)は、5μm以下であるのがよい。さらに、母材中に含まれるβ(Si)粒子を含む晶出物の最大粒子径は、50μm以下であるのがよい。母材中に含まれるβ(Si)粒子を含む晶出物の平均粒子径(メジアン径)が5μm以下であり、β(Si)粒子を含む晶出物の最大粒子径が50μm以下である場合、すなわち母材中のβ(Si)粒子を含む晶出物が微細化されている場合、アルミニウム複合材の引張強度及び延性を高めることができる。 Further, the average particle diameter (median diameter) of the crystallized material containing β (Si) particles contained in the base material is preferably 5 μm or less. Further, the maximum particle size of the crystallized product containing β (Si) particles contained in the base material is preferably 50 μm or less. When the average particle size (median diameter) of the crystallized product containing β (Si) particles contained in the base material is 5 μm or less, and the maximum particle size of the crystallized product containing β (Si) particles is 50 μm or less. That is, when the crystallized product containing β (Si) particles in the base material is refined, the tensile strength and ductility of the aluminum composite material can be increased.

本発明に係る粒子強化アルミニウム複合材は、原料粒子投入工程と、強化粒子生成工程とを経て製造することができる。 The particle-reinforced aluminum composite material according to the present invention can be produced through a raw material particle input step and a reinforced particle generation step.

原料粒子投入工程では、マグネシウムを含むアルミニウム合金溶湯中に、二酸化ケイ素粒子からなる粉体を投入する。投入される二酸化ケイ素粒子の粒子径は、10μm〜50μm程度であるのがよい。特に、投入される二酸化ケイ素粒子の平均粒子径(メジアン径)は10μm以上であるのがよい。また、二酸化ケイ素粒子の投入方法として、二酸化ケイ素粒子からなる粉体を供給することができる供給装置から、貯留タンク内に貯留されたアルミニウム合金溶湯の湯面に向けて、キャリアガス(例えば窒素ガス)とともに粉体を吹き付けるように吐出する方法が採用され得る。このようにアルミニウム合金溶湯に二酸化ケイ素粒子からなる粉体を吹き付けることにより、アルミニウム合金溶湯中に二酸化ケイ素粒子が均一分散される。 In the raw material particle charging step, powder composed of silicon dioxide particles is charged into the molten aluminum alloy containing magnesium. The particle size of the silicon dioxide particles to be charged is preferably about 10 μm to 50 μm. In particular, the average particle size (median diameter) of the silicon dioxide particles to be charged is preferably 10 μm or more. Further, as a method of inputting silicon dioxide particles, a carrier gas (for example, nitrogen gas) is directed from a supply device capable of supplying powder composed of silicon dioxide particles toward the surface of the molten aluminum alloy stored in the storage tank. ) And a method of ejecting the powder so as to be sprayed can be adopted. By spraying the powder composed of silicon dioxide particles onto the molten aluminum alloy in this way, the silicon dioxide particles are uniformly dispersed in the molten aluminum alloy.

強化粒子生成工程では、原料粒子投入工程にてアルミニウム合金溶湯中に投入された二酸化ケイ素粒子と、アルミニウム合金溶湯の成分であるマグネシウム及びアルミニウムとを反応させることにより、二酸化ケイ素粒子を、MgAlにより表される主成分とアルミニウムとを含む強化粒子に変化させる。この場合において、原料粒子投入工程にて二酸化ケイ素粒子が投入されたアルミニウム溶湯を攪拌するとともに、所定の温度(例えば700℃)で所定時間(例えば120分)保持する。これにより、アルミニウム合金溶湯内で、二酸化ケイ素(SiO)が還元されてケイ素が合金溶湯中に放出されるとともにアルミニウム及びマグネシウムと酸素が反応して、二酸化ケイ素粒子がMgAlを主成分とする粒子に変化する。こうして変化した粒子に少量の金属アルミニウムが混入することにより、強化粒子が生成される。 In the reinforcing particle generation step, the silicon dioxide particles charged into the molten aluminum alloy in the raw material particle charging step are reacted with magnesium and aluminum, which are the components of the molten aluminum alloy, to obtain the silicon dioxide particles in MgAl 2 O. It is changed into reinforced particles containing the main component represented by 4 and aluminum. In this case, the molten aluminum in which the silicon dioxide particles are charged is stirred in the raw material particle charging step and held at a predetermined temperature (for example, 700 ° C.) for a predetermined time (for example, 120 minutes). As a result, silicon dioxide (SiO 2 ) is reduced in the molten aluminum alloy and silicon is released into the molten alloy, and aluminum and magnesium react with oxygen, so that the silicon dioxide particles are mainly composed of MgAl 2 O 4 . It changes to a particle. Reinforced particles are produced by mixing a small amount of metallic aluminum with the particles thus changed.

また、上記した強化粒子生成工程にて二酸化ケイ素が還元されることにより、ケイ素がアルミニウム合金溶湯中に放出される。従って、アルミニウム合金溶湯は、ケイ素を含むことになる。このときケイ素の最終的な含有率が12.6wt%を超えていれば、アルミニウム合金溶湯の冷却過程でβ(Si)粒子を含む晶出物が晶出する。このため、冷却完了後には、母材中にβ(Si)粒子が晶出する。母材中にβ(Si)粒子が晶出することにより、上記したようにアルミニウム複合材の剛性を向上させることができる。 Further, by reducing silicon dioxide in the above-mentioned strengthening particle generation step, silicon is released into the molten aluminum alloy. Therefore, the molten aluminum alloy will contain silicon. At this time, if the final content of silicon exceeds 12.6 wt%, crystallization containing β (Si) particles will crystallize in the cooling process of the molten aluminum alloy. Therefore, after the cooling is completed, β (Si) particles crystallize in the base metal. By crystallizing β (Si) particles in the base material, the rigidity of the aluminum composite material can be improved as described above.

次に、本発明に係る粒子強化アルミニウム複合材の製造方法の具体例及びその製造方法により製造した粒子強化アルミニウム複合材中に含まれる強化粒子について説明する。図1は、粒子強化アルミニウム複合材を製造するための製造装置の概略図である。図1に示すように、製造装置1は、溶湯貯留部10と、粒子供給装置20と、減圧装置40とを有する。 Next, a specific example of the method for producing the particle-reinforced aluminum composite material according to the present invention and the reinforced particles contained in the particle-reinforced aluminum composite material produced by the production method will be described. FIG. 1 is a schematic view of a manufacturing apparatus for manufacturing a particle-reinforced aluminum composite material. As shown in FIG. 1, the manufacturing apparatus 1 includes a molten metal storage unit 10, a particle supply apparatus 20, and a decompression apparatus 40.

溶湯貯留部10は、アルミニウム合金溶湯を貯留する貯留タンク11と、貯留タンク11を加熱する電気式ヒータ等の加熱器12と、貯留タンク11を減圧状態で密閉収容可能な収容容器13と、貯留タンク11に貯留されたアルミニウム合金溶湯Lを攪拌する攪拌装置14と、収容容器13の内部圧力を大気開放するためのリリーフ弁ユニット15とを有する。 The molten metal storage unit 10 stores a storage tank 11 for storing the molten aluminum alloy, a heater 12 such as an electric heater for heating the storage tank 11, and a storage container 13 capable of hermetically accommodating the storage tank 11 in a reduced pressure state. It has a stirring device 14 for stirring the molten aluminum alloy L stored in the tank 11 and a relief valve unit 15 for releasing the internal pressure of the storage container 13 to the atmosphere.

貯留タンク11は、有底筒状の坩堝等により構成される。この貯留タンク11の外周回りに加熱器12が敷設される。貯留タンク11内にはアルミニウム合金溶湯Lの原料が投入される。投入された原料は、加熱器12により加熱されることにより溶解する。これにより、貯留タンク11内にアルミニウム合金溶湯Lが貯留される。 The storage tank 11 is composed of a bottomed tubular crucible or the like. A heater 12 is laid around the outer circumference of the storage tank 11. The raw material of the molten aluminum alloy L is put into the storage tank 11. The charged raw material is melted by being heated by the heater 12. As a result, the molten aluminum alloy L is stored in the storage tank 11.

収容容器13は、その内部空間の減圧状態を維持することができるように構成される密閉容器である。この収容容器13の内部空間に、貯留タンク11及び加熱器12が配設される。収容容器13内に貯留タンク11及び加熱器12が配されたとき、図1に示すように貯留タンク11の上側に上部空間Sが形成される。 The storage container 13 is a closed container configured so that the decompressed state of the internal space thereof can be maintained. A storage tank 11 and a heater 12 are arranged in the internal space of the storage container 13. When the storage tank 11 and the heater 12 are arranged in the storage container 13, an upper space S is formed above the storage tank 11 as shown in FIG.

攪拌装置14は、モータ141と、モータ141の出力軸に同軸接続されモータ141の回転に連動して軸回り回転する攪拌ロッド142と、攪拌ロッド142の先端に取り付けられた攪拌羽根143とを有する。モータ141は収容容器13の上方に設けられる。攪拌ロッド142は、図1に示すように収容容器13の上側壁部から収容容器13内に下方に向けて進入している。そして、攪拌ロッド142の先端部分が攪拌羽根143とともに収容容器13内の貯留タンク11内に貯留されたアルミニウム合金溶湯L中に差し込まれる。この状態でモータ141を駆動させることにより、アルミニウム合金溶湯L中にて攪拌羽根143が回転する。これにより、アルミニウム合金溶湯Lが攪拌される。 The stirring device 14 has a motor 141, a stirring rod 142 coaxially connected to the output shaft of the motor 141 and rotating around the axis in conjunction with the rotation of the motor 141, and a stirring blade 143 attached to the tip of the stirring rod 142. .. The motor 141 is provided above the storage container 13. As shown in FIG. 1, the stirring rod 142 enters the storage container 13 downward from the upper side wall portion of the storage container 13. Then, the tip portion of the stirring rod 142 is inserted into the molten aluminum alloy L stored in the storage tank 11 in the storage container 13 together with the stirring blade 143. By driving the motor 141 in this state, the stirring blade 143 rotates in the molten aluminum alloy L. As a result, the molten aluminum alloy L is agitated.

リリーフ弁ユニット15は、リリーフ管151及びリリーフ弁152を有する。リリーフ管151の一方端は、収容容器13内の上部空間Sに連通し、リリーフ管151の他方端は、大気に連通する。リリーフ弁152はリリーフ管151の途中に介装された常閉弁であり、例えば後述する強化粒子生成工程の終了後に開作動することにより収容容器13内の空間を大気開放する。 The relief valve unit 15 has a relief pipe 151 and a relief valve 152. One end of the relief pipe 151 communicates with the upper space S in the storage container 13, and the other end of the relief pipe 151 communicates with the atmosphere. The relief valve 152 is a normally closed valve interposed in the middle of the relief pipe 151, and opens the space in the storage container 13 to the atmosphere by opening the relief valve 152, for example, after the completion of the strengthening particle generation step described later.

粒子供給装置20は、第一窒素ガスボンベ21と、第二窒素ガスボンベ22と、第一ガス管23と、第二ガス管24と、第一ガス流量調整弁25と、第二ガス流量調整弁26と、粒子供給タンク27と、定量供給装置28と、混合装置29と、粉体搬送管30と、粉体流量調整弁31と、射出ノズル32とを有する。 The particle supply device 20 includes a first nitrogen gas cylinder 21, a second nitrogen gas cylinder 22, a first gas pipe 23, a second gas pipe 24, a first gas flow rate adjusting valve 25, and a second gas flow rate adjusting valve 26. It has a particle supply tank 27, a fixed quantity supply device 28, a mixing device 29, a powder transfer pipe 30, a powder flow rate adjusting valve 31, and an injection nozzle 32.

第一窒素ガスボンベ21及び第二窒素ガスボンベ22には、内部に圧縮された窒素ガスが封入されている。第一窒素ガスボンベ21は第一ガス管23の一方端に接続されており、内部の窒素ガスを第一ガス管23に供給することができるように構成される。第二窒素ガスボンベ22は第二ガス管24の一方端に接続されており、内部の窒素ガスを第二ガス管24に供給することができるように構成される。また、第一ガス管23に第一ガス流量調整弁25が介装されている。第一ガス流量調整弁25によって、第一ガス管23を流れる窒素ガス流量が調整される。また、第二ガス管24に第二ガス流量調整弁26が介装されている。第二ガス流量調整弁26によって、第二ガス管24を流れる窒素ガス流量が調整される。 The first nitrogen gas cylinder 21 and the second nitrogen gas cylinder 22 are filled with compressed nitrogen gas. The first nitrogen gas cylinder 21 is connected to one end of the first gas pipe 23, and is configured to be able to supply the nitrogen gas inside to the first gas pipe 23. The second nitrogen gas cylinder 22 is connected to one end of the second gas pipe 24, and is configured so that the nitrogen gas inside can be supplied to the second gas pipe 24. Further, a first gas flow rate adjusting valve 25 is interposed in the first gas pipe 23. The first gas flow rate adjusting valve 25 adjusts the flow rate of nitrogen gas flowing through the first gas pipe 23. Further, a second gas flow rate adjusting valve 26 is interposed in the second gas pipe 24. The second gas flow rate adjusting valve 26 adjusts the flow rate of nitrogen gas flowing through the second gas pipe 24.

第一ガス管23の他方端に、粒子供給タンク27が接続される。粒子供給タンク27は、内部空間を有するタンク本体271と蓋272とを有する。タンク本体271は下方に向かうほど径が小さくなるように円錐台状に形成されており、上端及び下端が開口している。タンク本体271の上端に蓋272が取り付けられることにより、タンク本体271の上端開口が閉塞される。また、第一ガス管23の他方端は、蓋272を通じてタンク本体271の内部空間に開口する。この粒子供給タンク27のタンク本体271内には、二酸化ケイ素粒子群により構成される粉体Pが貯留される。 A particle supply tank 27 is connected to the other end of the first gas pipe 23. The particle supply tank 27 has a tank body 271 and a lid 272 having an internal space. The tank body 271 is formed in a truncated cone shape so that the diameter becomes smaller toward the bottom, and the upper end and the lower end are open. By attaching the lid 272 to the upper end of the tank body 271, the upper end opening of the tank body 271 is closed. Further, the other end of the first gas pipe 23 opens into the internal space of the tank body 271 through the lid 272. The powder P composed of the silicon dioxide particle group is stored in the tank body 271 of the particle supply tank 27.

粒子供給タンク27のタンク本体271の下端に定量供給装置28が接続される。定量供給装置28は、内部空間を有する細長状の容器本体281と、容器本体281の内部空間に容器本体281の長手方向に沿って配された搬送スクリュー282と、搬送スクリュー282を軸回り回転させるモータ283とを有する。容器本体281の上部には、粒子供給タンク27のタンク本体271の下端に連通する上部開口が形成されており、容器本体281の下部には、混合装置29に連通する下部開口が形成される。容器本体281の上部開口を通じて、粒子供給タンク27のタンク本体271内に貯留された粉体Pが容器本体281内に供給される。また、モータ283が作動することにより搬送スクリュー282が回転して、容器本体281内に供給された粉体Pが図1の右方に搬送される。そして、容器本体281の下部開口から混合装置29に一定流量の粉体Pが供給される。 A fixed quantity supply device 28 is connected to the lower end of the tank body 271 of the particle supply tank 27. The fixed quantity supply device 28 rotates the elongated container body 281 having an internal space, the transfer screw 282 arranged in the internal space of the container body 281 along the longitudinal direction of the container body 281, and the transfer screw 282 around the axis. It has a motor 283 and. An upper opening communicating with the lower end of the tank body 271 of the particle supply tank 27 is formed in the upper part of the container body 281, and a lower opening communicating with the mixing device 29 is formed in the lower part of the container body 281. The powder P stored in the tank body 271 of the particle supply tank 27 is supplied into the container body 281 through the upper opening of the container body 281. Further, when the motor 283 operates, the transport screw 282 rotates, and the powder P supplied into the container body 281 is transported to the right side of FIG. Then, a constant flow rate of powder P is supplied to the mixing device 29 from the lower opening of the container body 281.

混合装置29は、内部空間を有する箱型状に形成される。この混合装置29には、第二ガス管24の他方端が接続されるガス入口ポート291と、定量供給装置28の容器本体281に設けられた下部開口に連通する粉体入口ポート292と、出口ポート293とが形成される。そして、混合装置29の出口ポート293が粉体搬送管30の一方端に接続される。粉体搬送管30は図1に示すように収容容器13の内部に進入している。そして、粉体搬送管30の他方端は、収容容器13の内部で射出ノズル32に接続される。また、粉体搬送管30の途中に粉体流量調整弁31が介装される。 The mixing device 29 is formed in a box shape having an internal space. The mixing device 29 has a gas inlet port 291 to which the other end of the second gas pipe 24 is connected, a powder inlet port 292 communicating with a lower opening provided in the container body 281 of the metering supply device 28, and an outlet. A port 293 is formed. Then, the outlet port 293 of the mixing device 29 is connected to one end of the powder transfer pipe 30. As shown in FIG. 1, the powder transfer pipe 30 has entered the inside of the storage container 13. Then, the other end of the powder transfer pipe 30 is connected to the injection nozzle 32 inside the storage container 13. Further, a powder flow rate adjusting valve 31 is interposed in the middle of the powder transport pipe 30.

射出ノズル32は長尺状に形成され、図1に示すように長手方向が上下方向に一致するように配設される。この射出ノズル32は、収容容器13内に配されている貯留タンク11の内部であって貯留タンク11に貯留されているアルミニウム合金溶湯Lの湯面よりも上側に設置される。射出ノズル32は内部空間を有するように筒状に形成されており、その上端には粉体搬送管30の他方端が接続される。また、射出ノズル32の下方端に吐出口が形成される。そして、射出ノズル32の吐出口が貯留タンク11内に貯留されているアルミニウム合金溶湯の湯面に対面するように、射出ノズル32が配設される。 The injection nozzle 32 is formed in a long shape, and is arranged so that the longitudinal direction coincides with the vertical direction as shown in FIG. The injection nozzle 32 is installed inside the storage tank 11 arranged in the storage container 13 and above the surface of the molten aluminum alloy L stored in the storage tank 11. The injection nozzle 32 is formed in a tubular shape so as to have an internal space, and the other end of the powder transfer pipe 30 is connected to the upper end thereof. Further, a discharge port is formed at the lower end of the injection nozzle 32. Then, the injection nozzle 32 is arranged so that the discharge port of the injection nozzle 32 faces the surface of the molten aluminum alloy stored in the storage tank 11.

減圧装置40は、真空ポンプ41と、配管42と、ガス冷却装置43と、粒子フィルター44と、開閉弁45とを有する。配管42の一方端は、真空ポンプ41に接続され、配管42の他方端は、収容容器13の内部空間に挿入される。この配管42の途中には、その他方端側から、ガス冷却装置43、粒子フィルター44、開閉弁45が、それぞれ介装される。ガス冷却装置43は配管42内を流れるガスを冷却することができるように構成される。粒子フィルター44は、配管42内を流れる粉体Pを捕集する。 The vacuum distillation device 40 includes a vacuum pump 41, a pipe 42, a gas cooling device 43, a particle filter 44, and an on-off valve 45. One end of the pipe 42 is connected to the vacuum pump 41, and the other end of the pipe 42 is inserted into the internal space of the storage container 13. A gas cooling device 43, a particle filter 44, and an on-off valve 45 are interposed in the middle of the pipe 42 from the other end side. The gas cooling device 43 is configured to be able to cool the gas flowing in the pipe 42. The particle filter 44 collects the powder P flowing in the pipe 42.

上記構成の製造装置1を用いて粒子強化アルミニウム複合材を製造する場合、まず、金属溶湯生成工程を実施する。金属溶湯生成工程では、貯留タンク11内に、マグネシウムを含むアルミニウム合金のバルク(インゴッド)を投入し、その後、加熱器12を作動させる。これによりアルミニウム合金が溶解して、貯留タンク11内にアルミニウム合金溶湯Lが貯留される。 When the particle-reinforced aluminum composite material is manufactured using the manufacturing apparatus 1 having the above configuration, first, a metal molten metal formation step is carried out. In the metal molten metal generation step, a bulk (ingod) of an aluminum alloy containing magnesium is put into the storage tank 11, and then the heater 12 is operated. As a result, the aluminum alloy is melted, and the molten aluminum alloy L is stored in the storage tank 11.

次いで、減圧工程を実施する。減圧工程では、開閉弁45を開くとともに真空ポンプ41を作動させる。これにより収容容器13の内部空間が排気されて、収容容器13の内圧が所定の低圧にされる。 Then, the depressurization step is carried out. In the depressurizing step, the on-off valve 45 is opened and the vacuum pump 41 is operated. As a result, the internal space of the storage container 13 is exhausted, and the internal pressure of the storage container 13 is reduced to a predetermined low pressure.

減圧工程の実施により収容容器13の内圧が所定の低圧にされているときに、原料粒子投入工程が実施される。原料粒子投入工程では、第一窒素ガスボンベ21から窒素ガスを第一ガス管23を介して粒子供給タンク27に供給するとともに、第二窒素ガスボンベ22から窒素ガスを第二ガス管24を介して混合装置29に供給する。このとき、第一ガス流量調整弁25により第一ガス管23を流れる窒素ガスの流量が調整され、第二ガス流量調整弁26により第二ガス管24を流れる窒素ガスの流量が調整される。 When the internal pressure of the container 13 is set to a predetermined low pressure by carrying out the depressurizing step, the raw material particle charging step is carried out. In the raw material particle charging step, nitrogen gas is supplied from the first nitrogen gas cylinder 21 to the particle supply tank 27 via the first gas pipe 23, and nitrogen gas is mixed from the second nitrogen gas cylinder 22 via the second gas pipe 24. Supply to device 29. At this time, the flow rate of nitrogen gas flowing through the first gas pipe 23 is adjusted by the first gas flow rate adjusting valve 25, and the flow rate of nitrogen gas flowing through the second gas pipe 24 is adjusted by the second gas flow rate adjusting valve 26.

第一窒素ガスボンベ21から粒子供給タンク27に供給された窒素ガスは、粒子供給タンク27内の粉体Pとともに定量供給装置28に導入される。定量供給装置28では、搬送スクリュー282が回転することにより、一定流量の粉体Pが窒素ガスとともに混合装置29に供給される。この混合装置29にて、粉体Pが第二窒素ガスボンベ22から混合装置29に導入された窒素と合流する。そして、混合装置29の出口ポート293から粉体Pがキャリアガスとしての窒素ガスとともに粉体搬送管30を通って収容容器13内の射出ノズル32に供給される。このとき粉体流量調整弁31により粉体搬送管30内を流れて射出ノズル32に供給される粉体Pの流量が調整される。 The nitrogen gas supplied from the first nitrogen gas cylinder 21 to the particle supply tank 27 is introduced into the quantitative supply device 28 together with the powder P in the particle supply tank 27. In the fixed quantity supply device 28, the transfer screw 282 rotates to supply the powder P at a constant flow rate to the mixing device 29 together with the nitrogen gas. In this mixing device 29, the powder P merges with the nitrogen introduced into the mixing device 29 from the second nitrogen gas cylinder 22. Then, the powder P is supplied from the outlet port 293 of the mixing device 29 together with the nitrogen gas as the carrier gas to the injection nozzle 32 in the storage container 13 through the powder transport pipe 30. At this time, the flow rate of the powder P flowing through the powder transport pipe 30 and being supplied to the injection nozzle 32 is adjusted by the powder flow rate adjusting valve 31.

射出ノズル32に供給された粉体Pは射出ノズル32の下端に形成された吐出口から射出される。射出ノズル32の吐出口は上記したように貯留タンク11内のアルミニウム合金溶湯Lの湯面に面するように下方を向いているので、射出ノズル32の吐出口から射出された粉体Pは、貯留タンク11内のアルミニウム合金溶湯Lに打ち込まれるように、アルミニウム合金溶湯Lに吹き付けられる。このようにして、二酸化ケイ素粒子群からなる粉体Pがアルミニウム合金溶湯Lに投入される。 The powder P supplied to the injection nozzle 32 is ejected from a discharge port formed at the lower end of the injection nozzle 32. Since the discharge port of the injection nozzle 32 faces downward so as to face the surface of the molten aluminum alloy L in the storage tank 11 as described above, the powder P ejected from the discharge port of the injection nozzle 32 is It is sprayed onto the molten aluminum alloy L so as to be driven into the molten aluminum alloy L in the storage tank 11. In this way, the powder P composed of the silicon dioxide particle group is charged into the molten aluminum alloy L.

所定の量の粉体Pを原料粒子投入工程にてアルミニウム合金溶湯Lに投入しながら、アルミニウム合金溶湯Lを攪拌装置14にて攪拌するとともに所定温度で所定時間保持する。このとき、強化粒子生成工程が実行される。強化粒子生成工程では、アルミニウム合金溶湯L内にて、粉体Pを構成する二酸化ケイ素粒子の表面から以下に示す還元反応が進行する。
2SiO+2Al+Mg→MgAl+2Si
While charging a predetermined amount of powder P into the molten aluminum alloy L in the raw material particle charging step, the molten aluminum alloy L is stirred by the stirring device 14 and held at a predetermined temperature for a predetermined time. At this time, the strengthened particle generation step is executed. In the reinforcing particle generation step, the reduction reaction shown below proceeds from the surface of the silicon dioxide particles constituting the powder P in the molten aluminum alloy L.
2SiO 2 + 2Al + Mg → MgAl 2 O 4 + 2Si

上記した還元反応により、粉体Pを構成する二酸化ケイ素粒子と、アルミニウム合金溶湯中のアルミニウム及びマグネシウムとが反応して、二酸化ケイ素粒子からケイ素がアルミニウム合金溶湯中に放出されるとともに、二酸化ケイ素粒子がMgAlを主成分とする粒子に変化する。また、この粒子の生成過程において、粒子内にアルミニウムが浸透することにより、主成分がMgAlでありアルミニウムが混入した強化粒子が生成される。こうして強化粒子生成工程にて、MgAlにより表される主成分と、アルミニウムと、を含む、強化粒子が生成される。生成された強化粒子は、攪拌装置14によってアルミニウム合金溶湯Lが攪拌されることにより、アルミニウム合金溶湯Lに均一分散される。 By the above-mentioned reduction reaction, the silicon dioxide particles constituting the powder P react with aluminum and magnesium in the molten aluminum alloy, and silicon is released from the silicon dioxide particles into the molten aluminum alloy and the silicon dioxide particles. Changes to particles containing MgAl 2 O 4 as a main component. Further, in the process of forming the particles, aluminum permeates into the particles to generate reinforced particles in which the main component is MgAl 2 O 4 and aluminum is mixed. In this way, in the reinforcing particle generation step, reinforcing particles containing the main component represented by MgAl 2 O 4 and aluminum are produced. The generated reinforcing particles are uniformly dispersed in the molten aluminum alloy L by stirring the molten aluminum alloy L by the stirring device 14.

その後、攪拌装置14を停止するとともに、加熱器12による加熱を停止して、貯留タンク11内のアルミニウム合金溶湯を冷却する。または、貯留タンク11内のアルミニウム合金溶湯を冷却用の型に流し込んで、アルミニウム合金溶湯を冷却する。これによりアルミニウム合金溶湯Lが凝固して、本実施形態に係る粒子強化アルミニウム複合材が製造される。 After that, the stirring device 14 is stopped and the heating by the heater 12 is stopped to cool the molten aluminum alloy in the storage tank 11. Alternatively, the molten aluminum alloy in the storage tank 11 is poured into a cooling mold to cool the molten aluminum alloy. As a result, the molten aluminum alloy L is solidified to produce the particle-reinforced aluminum composite material according to the present embodiment.

上記のようにして製造した粒子強化アルミニウム複合材は、アルミニウム合金により構成される母材と、母材中に分散した強化粒子とを有する。そして、この強化粒子は、上記したように、MgAlにより表される主成分と、アルミニウムと、を含む。この強化粒子に含まれるアルミニウムの含有率は、MgAl粒子(スピネル粒子)中のAlの含有率(38wt%)よりも高い。 The particle-reinforced aluminum composite material produced as described above has a base material composed of an aluminum alloy and reinforced particles dispersed in the base material. Then, as described above, the reinforcing particles contain a main component represented by MgAl 2 O 4 and aluminum. The content of aluminum contained in the reinforcing particles is higher than the content of Al (38 wt%) in the MgAl 2 O 4 particles (spinel particles).

また、アルミニウム合金溶湯L中に含まれるケイ素の含有率は、上記の反応が進むにつれてケイ素がアルミニウム合金溶湯中に放出されるために高くなっていく。この場合、最終的なケイ素の含有率が、アルミニウム−ケイ素系合金の共晶点におけるケイ素の含有率である12.6wt%よりも多くなるように、アルミニウム合金溶湯への粉体Pの供給量が調整される。これにより、アルミニウム合金溶湯の冷却過程でβ(Si)粒子が晶出する。従って、粒子強化アルミニウム複合材の母材中には、β(Si)の結晶粒が晶出することになる。 Further, the content of silicon contained in the molten aluminum alloy L increases as the above reaction proceeds because silicon is released into the molten aluminum alloy. In this case, the amount of powder P supplied to the molten aluminum alloy so that the final silicon content is higher than the silicon content of 12.6 wt% at the eutectic point of the aluminum-silicon alloy. Is adjusted. As a result, β (Si) particles crystallize in the cooling process of the molten aluminum alloy. Therefore, β (Si) crystal grains are crystallized in the base material of the particle-reinforced aluminum composite material.

<実施例1…粒子強化アルミニウム複合材中の強化粒子の形状及び組成の確認>
図1に示す製造装置1を用い、マグネシウム成分を含むアルミニウム合金50kgを貯留タンク11内で溶解して、アルミニウム合金溶湯を作製した。ここで用いたアルミニウム合金の組成は、以下のようである。
・ケイ素(Si):6.3wt%
・マグネシウム(Mg):0.4wt%
・鉄(Fe):0.4wt%
・銅(Cu):0.9wt%
・アルミニウム(Al):残部
<Example 1: Confirmation of shape and composition of reinforced particles in particle reinforced aluminum composite material>
Using the manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 1, 50 kg of an aluminum alloy containing a magnesium component was melted in a storage tank 11 to prepare a molten aluminum alloy. The composition of the aluminum alloy used here is as follows.
-Silicon (Si): 6.3 wt%
-Magnesium (Mg): 0.4 wt%
-Iron (Fe): 0.4 wt%
-Copper (Cu): 0.9 wt%
-Aluminum (Al): Remaining

次いで、収容容器13内を所定の低圧まで減圧した。その後、所定の低圧を維持したまま、粒子供給装置20を用いて二酸化ケイ素粒子群からなる粉体Pをアルミニウム合金溶湯内に投入(射出)した。投入した二酸化ケイ素の純度は99.5wt%であり、形状は球形、粒子径は10μm以上50μm以下である。図2に、投入した二酸化ケイ素粒子のSEM画像を示す Next, the pressure inside the storage container 13 was reduced to a predetermined low pressure. Then, while maintaining a predetermined low pressure, the powder P composed of the silicon dioxide particle group was charged (injected) into the molten aluminum alloy using the particle supply device 20. The added silicon dioxide has a purity of 99.5 wt%, a spherical shape, and a particle size of 10 μm or more and 50 μm or less. FIG. 2 shows an SEM image of the charged silicon dioxide particles.

また、二酸化ケイ素粒子群からなる粉体Pをアルミニウム合金溶湯に投入しながら、アルミニウム合金溶湯を攪拌するとともに所定温度(750℃)で所定時間(例えば120分)保持した。これにより、上記した還元反応が起こって、MgAlにより表される主成分とアルミニウムとを含む強化粒子がアルミニウム合金溶湯中に生成される。なお、この還元反応の進行によるマグネシウムの欠乏を補うため、固体状のマグネシウムをアルミニウム合金溶湯内に適宜投入した。 Further, while the powder P composed of the silicon dioxide particle group was put into the molten aluminum alloy, the molten aluminum alloy was stirred and held at a predetermined temperature (750 ° C.) for a predetermined time (for example, 120 minutes). As a result, the above-mentioned reduction reaction occurs, and reinforcing particles containing the main component represented by MgAl 2 O 4 and aluminum are generated in the molten aluminum alloy. In order to make up for the magnesium deficiency due to the progress of this reduction reaction, solid magnesium was appropriately added into the molten aluminum alloy.

所定時間経過後、アルミニウム合金溶湯を冷却用の金型に流し込み、冷却凝固させた。これにより実施例1に係る粒子強化アルミニウム複合材のサンプルS1を作製した。作製したサンプルS1を切断し、断面組織を観察した。図3及び図4に、サンプルS1の断面のSEM画像を示す。図3に良く示すように、アルミニウム複合材の母材中に強化粒子が生成している。この強化粒子の形状はほぼ球形であり、その径は約10μm〜50μmである。すなわち、生成した強化粒子の径は、投入した二酸化ケイ素粒子の径とほぼ等しい。また、強化粒子の界面が母材に十分に密着しており、強化粒子の界面と母材との間に隙間が存在しない。従って、強化粒子の界面と母材との間に隙間が形成されるような欠陥粒子の形成はないものと考えられる。また、強化粒子の平均粒子径(メジアン径)は、10μm以上である。上記したように生成した強化粒子の径は投入する二酸化ケイ素粒子の径とほぼ等しいので、投入する二酸化ケイ素粒子の径を調整することにより、生成する強化粒子の平均粒子径を10μm以上に調整することができる。 After a lapse of a predetermined time, the molten aluminum alloy was poured into a cooling mold and cooled and solidified. As a result, sample S1 of the particle-reinforced aluminum composite material according to Example 1 was prepared. The prepared sample S1 was cut and the cross-sectional structure was observed. 3 and 4 show SEM images of the cross section of sample S1. As is well shown in FIG. 3, reinforcing particles are formed in the base material of the aluminum composite material. The shape of the reinforcing particles is substantially spherical, and the diameter thereof is about 10 μm to 50 μm. That is, the diameter of the generated reinforcing particles is substantially equal to the diameter of the charged silicon dioxide particles. Further, the interface of the reinforcing particles is sufficiently adhered to the base material, and there is no gap between the interface of the reinforcing particles and the base material. Therefore, it is considered that there is no formation of defective particles such that a gap is formed between the interface of the reinforcing particles and the base material. The average particle diameter (median diameter) of the strengthened particles is 10 μm or more. Since the diameter of the strengthened particles generated as described above is almost equal to the diameter of the silicon dioxide particles to be charged, the average particle size of the strengthened particles to be generated is adjusted to 10 μm or more by adjusting the diameter of the silicon dioxide particles to be charged. be able to.

図5A、図5Bは、強化粒子の一部分を拡大したSEM画像である。図5A、図5Bに示すように、強化粒子の大部分は、スピネル(MgAl)により構成される。また、スピネルに付着するように白く映る部分が、金属アルミニウムを示す。このように、本実施例にて作成した強化粒子は、主成分がMgAlであり、部分的に金属アルミニウムが混入した構成を有することが確認された。 5A and 5B are SEM images obtained by enlarging a part of the reinforcing particles. As shown in FIGS. 5A and 5B, most of the reinforcing particles are composed of spinel (MgAl 2 O 4 ). In addition, the part that appears white so as to adhere to the spinel indicates metallic aluminum. As described above, it was confirmed that the reinforcing particles prepared in this example had a structure in which the main component was MgAl 2 O 4 and metallic aluminum was partially mixed.

このような強化粒子の生成メカニズム、具体的には、MgAlを主成分とした強化粒子にアルミニウムが混入するメカニズムについては必ずしも明らかではないが、原料粒子投入工程にて二酸化ケイ素粒子をアルミニウム合金溶湯に吹き付ける(打ち込む)ようにして二酸化ケイ素粒子をアルミニウム合金溶湯に投入することによって、二酸化ケイ素粒子とアルミニウム合金溶湯との濡れ性が向上し、これにより二酸化ケイ素粒子の表面の全面から順次アルミニウム合金溶湯が上記の還元反応を起こす際に粒子内部にアルミニウム溶湯が浸透するためと考えることができる。 Although the mechanism of forming such strengthened particles, specifically, the mechanism of mixing aluminum with the strengthened particles containing MgAl 2 O 4 as a main component is not always clear, the silicon dioxide particles are made of aluminum in the raw material particle charging step. By injecting the silicon dioxide particles into the molten aluminum alloy by spraying (driving) it into the molten alloy, the wettability between the silicon dioxide particles and the molten aluminum alloy is improved, which sequentially starts from the entire surface of the silicon dioxide particles. It can be considered that this is because the molten aluminum permeates the inside of the particles when the molten alloy causes the above-mentioned reduction reaction.

<実施例2…強化粒子の材料組成と粒子硬度との関係の調査>
所定量の純アルミニウム(純度:99.57wt%)とアルミニウム−10wt%マグネシウムのインゴッドを100ccの坩堝に入れて混合した。その後、電気炉にて750℃に加熱してこれらを溶解して、マグネシウムを含むアルミニウム合金溶湯を作製した。また、純アルミニウムの量とアルミニウム−10wt%マグネシウムの量を表1の各サンプルS2〜S8の欄に示すように種々変更することにより、マグネシウム濃度の異なる複数のアルミニウム合金溶湯を作製した。その後、所定の減圧下にて、図1に示す粒子供給装置20を用いて、それぞれ作製したアルミニウム合金溶湯に、二酸化ケイ素粒子群(純度:99.5wt%、形状:球形、粒子径:10μm以上50μm以下)からなる粉体Pを吹き付けることにより、粉体Pをアルミニウム合金溶湯に投入した。そして、二酸化ケイ素粒子(粉体P)の投入後のアルミニウム合金溶湯の温度を750℃で10分間保持した。10分経過後に自然放冷によりアルミニウム合金溶湯を凝固させて、複数の粒子強化アルミニウム複合材のサンプルS2〜S8を作製した。
<Example 2: Investigation of the relationship between the material composition of the reinforced particles and the particle hardness>
A predetermined amount of pure aluminum (purity: 99.57 wt%) and an aluminum-10 wt% magnesium ingod were placed in a 100 cc crucible and mixed. Then, it was heated to 750 ° C. in an electric furnace to melt them, and a molten aluminum alloy containing magnesium was prepared. Further, by variously changing the amount of pure aluminum and the amount of aluminum-10 wt% magnesium as shown in the columns of each sample S2 to S8 in Table 1, a plurality of molten aluminum alloys having different magnesium concentrations were prepared. Then, under a predetermined reduced pressure, the silicon dioxide particle group (purity: 99.5 wt%, shape: spherical, particle diameter: 10 μm or more) was added to the molten aluminum alloy prepared by using the particle supply device 20 shown in FIG. The powder P was charged into the molten aluminum alloy by spraying the powder P composed of 50 μm or less). Then, the temperature of the molten aluminum alloy after the introduction of the silicon dioxide particles (powder P) was maintained at 750 ° C. for 10 minutes. After 10 minutes had passed, the molten aluminum alloy was solidified by natural cooling to prepare samples S2 to S8 of a plurality of particle-reinforced aluminum composite materials.

作製した各サンプルS2〜S8に含まれる強化粒子を構成する各元素の濃度を、SEM/EDX(走査型電子顕微鏡/エネルギー分散型X線分光法)を用いて算出した。合わせて、各サンプルS2〜S8に含まれる強化粒子の硬度をマイクロビッカース硬度計(荷重:10g)で測定し、強化粒子の材料組成と硬度との関係を調査した。なお、上記実施例1に示す方法で作製した粒子強化アルミニウム複合材のサンプルS1中の強化粒子、および、スピネル粒子(和光純薬株式会社製、純度99wt%、粒子径45μm以下)の硬度も併せて測定した。各強化粒子についての元素分析結果及び硬度を表2に示す。
The concentration of each element constituting the strengthened particles contained in each of the prepared samples S2 to S8 was calculated using SEM / EDX (scanning electron microscope / energy dispersive X-ray spectroscopy). At the same time, the hardness of the strengthened particles contained in each sample S2 to S8 was measured with a Micro Vickers hardness tester (load: 10 g), and the relationship between the material composition of the strengthened particles and the hardness was investigated. The hardness of the reinforced particles in the sample S1 of the particle-reinforced aluminum composite material produced by the method shown in Example 1 and the spinel particles (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity 99 wt%, particle diameter 45 μm or less) are also included. And measured. Table 2 shows the elemental analysis results and hardness of each strengthened particle.

表2において、サンプルS2に係る強化粒子中のマグネシウムの含有量は非常に小さく、MgAlが主成分とは言えないと考えられる。従って、サンプルS2は、本発明の実施形態に係る強化粒子ではない。一方、サンプルS1、S3〜S8に係る強化粒子の主成分は、MgAlであると考えられる。つまり、これらのサンプル(S1、S3〜S8)は、本発明の実施形態に係る粒子強化アルミニウム複合材である。 In Table 2, the content of magnesium in the strengthened particles according to sample S2 is very small, and it is considered that MgAl 2 O 4 cannot be said to be the main component. Therefore, sample S2 is not the strengthening particle according to the embodiment of the present invention. On the other hand, the main component of the strengthening particles according to the samples S1 and S3 to S8 is considered to be MgAl 2 O 4 . That is, these samples (S1, S3 to S8) are particle-reinforced aluminum composite materials according to the embodiment of the present invention.

表2に示す本実施形態に係る粒子強化アルミニウム複合材のサンプル(S1、S3〜S8)に含まれる強化粒子の硬度は1106.0〜1367.0[Hv]であり、スピネル粒子の硬度(1682.2[Hv])よりも低いことがわかる。このため、本実施形態に係る粒子強化アルミニウム複合材の切削性は、スピネル粒子を含有する粒子強化アルミニウム複合材の切削性よりも良好であることがわかる。また、強化粒子中のマグネシウム濃度が高いほど、および、強化粒子中のアルミニウム濃度が低いほど、強化粒子の硬度が高くなることがわかる。特に、強化粒子中のマグネシウム濃度が16wt%以下であり、且つアルミニウム濃度が40wt%以上である場合に、その強化粒子の硬度がスピネル粒子の硬度よりも低いことが確認された。したがって、粒子強化アルミニウム複合材中の強化粒子は、主成分がMgAlであり、マグネシウム濃度が16wt%以下、アルミニウム濃度が40wt%以上であるのがよい。 The hardness of the reinforced particles contained in the sample (S1, S3 to S8) of the particle-reinforced aluminum composite material according to the present embodiment shown in Table 2 is 1106.0 to 1367.0 [Hv], and the hardness of the spinel particles (1682). It can be seen that it is lower than .2 [Hv]). Therefore, it can be seen that the machinability of the particle-reinforced aluminum composite material according to the present embodiment is better than the machinability of the particle-reinforced aluminum composite material containing spinel particles. Further, it can be seen that the higher the magnesium concentration in the strengthened particles and the lower the aluminum concentration in the strengthened particles, the higher the hardness of the strengthened particles. In particular, it was confirmed that the hardness of the strengthened particles was lower than the hardness of the spinel particles when the magnesium concentration in the strengthened particles was 16 wt% or less and the aluminum concentration was 40 wt% or more. Therefore, the reinforcing particles in the particle-reinforced aluminum composite material preferably contain MgAl 2 O 4 as the main component, have a magnesium concentration of 16 wt% or less, and have an aluminum concentration of 40 wt% or more.

また、表2に示す結果から、本実施形態に係る粒子強化アルミニウム複合材に含まれる強化粒子は、40wt%以上且つ50wt%以下のアルミニウムと、5wt%以上且つ16wt%以下のマグネシウムと、40wt%以上且つ50wt%以下の酸素と、不可避不純物とを含み、これらの合計の質量濃度が100wt%であるように構成されていることがわかる。 Further, from the results shown in Table 2, the reinforcing particles contained in the particle-reinforced aluminum composite material according to the present embodiment are 40 wt% or more and 50 wt% or less of aluminum, 5 wt% or more and 16 wt% or less of magnesium, and 40 wt%. It can be seen that oxygen containing 50 wt% or less and unavoidable impurities are contained, and the total mass concentration of these is 100 wt%.

<実施例3…アルミニウム合金母材中のSi濃度の違いによる、強化粒子の含有率とヤング率との関係調査>
図1に示す製造装置1の貯留タンク11内にて、実施例1に示す組成と同様の組成(Al−6.3wt%Si−0.4wt%Mg−0.4wt%Fe−0.9wt%Cu)のアルミニウム合金50kgを溶解してアルミニウム合金溶湯を作製し、その後、収容容器13内を減圧した。次いで、粒子供給装置20を用いて、8.35kgの二酸化ケイ素粒子群(SiO純度99.5%、球形、粒子径10μm〜50μm)からなる粉体Pをキャリアガス(窒素ガス)とともにアルミニウム合金溶湯に吹付けることにより、粉体Pをアルミニウム合金溶湯に投入した。その後、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により、アルミニウム合金溶湯内にて強化粒子を生成させた。また、マグネシウムの欠乏を補うために、マグネシウム合金を貯留タンク11内のアルミニウム合金溶湯に適宜投入した。
<Example 3: Investigation of the relationship between the content of reinforced particles and Young's modulus due to the difference in Si concentration in the aluminum alloy base material>
In the storage tank 11 of the manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 1, the composition similar to the composition shown in Example 1 (Al-6.3 wt% Si-0.4 wt% Mg-0.4 wt% Fe-0.9 wt%). 50 kg of an aluminum alloy of Cu) was melted to prepare a molten aluminum alloy, and then the pressure inside the storage container 13 was reduced. Next, using the particle supply device 20, a powder P composed of 8.35 kg of silicon dioxide particle group (SiO 2 purity 99.5%, spherical, particle diameter 10 μm to 50 μm) is mixed with a carrier gas (nitrogen gas) into an aluminum alloy. The powder P was put into the molten aluminum alloy by spraying on the molten metal. Then, the molten aluminum alloy was held at a predetermined temperature for a predetermined time to generate reinforcing particles in the molten aluminum alloy. Further, in order to make up for the magnesium deficiency, the magnesium alloy was appropriately charged into the molten aluminum alloy in the storage tank 11.

アルミニウム合金溶湯内に生成した強化粒子は、アルミニウム合金溶湯内で沈降する傾向にあるので、アルミニウム合金溶湯内における強化粒子の含有率(濃度)は貯留タンク11の上下位置により変化する。これを利用して、貯留タンク11内の上下方向位置が異なる複数の位置からアルミニウム合金溶湯の一部を抽出し、抽出したアルミニウム合金溶湯を冷却凝固させて、強化粒子の含有率(粒子含有率)の異なる複数の粒子強化アルミニウム複合材をサンプルS9として作製した。なお、アルミニウム合金溶湯を貯留タンク11から取り出す直前に、発光分光分析装置を用いてアルミニウム合金溶湯中のケイ素濃度を測定したところ、13.5wt%であった。したがって、サンプルS9の母材中のケイ素の含有率は13.5wt%である。 Since the reinforcing particles generated in the molten aluminum alloy tend to settle in the molten aluminum alloy, the content (concentration) of the reinforcing particles in the molten aluminum alloy changes depending on the vertical position of the storage tank 11. Utilizing this, a part of the molten aluminum alloy is extracted from a plurality of positions in the storage tank 11 having different vertical positions, and the extracted molten aluminum alloy is cooled and solidified to increase the content of the strengthened particles (particle content). A plurality of particle-reinforced aluminum composite materials having different) were prepared as sample S9. Immediately before taking out the molten aluminum alloy from the storage tank 11, the silicon concentration in the molten aluminum alloy was measured using an emission spectroscopic analyzer and found to be 13.5 wt%. Therefore, the content of silicon in the base material of sample S9 is 13.5 wt%.

また、二酸化ケイ素粒子群からなる粉体Pのアルミニウム合金溶湯内への投入量を1.4kgにして上記と同様にアルミニウム合金溶湯内にて強化粒子を生成させた。そして、貯留タンク11の上下方向位置が異なる複数の位置からアルミニウム合金溶湯の一部を抽出し、抽出したアルミニウム合金溶湯を冷却凝固させて、粒子含有率の異なる複数の粒子強化アルミニウム複合材をサンプルS10として作製した。なお、アルミニウム合金溶湯を貯留タンク11から取り出す直前に、発光分光分析装置を用いてアルミニウム合金溶湯中のケイ素濃度を測定したところ、ケイ素濃度は7.1wt%であった。したがって、サンプルS10の母材中のケイ素の含有率は7.1wt%である。 Further, the amount of the powder P composed of the silicon dioxide particle group charged into the molten aluminum alloy was 1.4 kg, and the reinforcing particles were generated in the molten aluminum alloy in the same manner as described above. Then, a part of the molten aluminum alloy is extracted from a plurality of positions where the vertical positions of the storage tank 11 are different, and the extracted aluminum alloy molten metal is cooled and solidified to sample a plurality of particle-reinforced aluminum composite materials having different particle contents. It was produced as S10. Immediately before taking out the molten aluminum alloy from the storage tank 11, the silicon concentration in the molten aluminum alloy was measured using an emission spectroscopic analyzer, and the silicon concentration was 7.1 wt%. Therefore, the content of silicon in the base material of sample S10 is 7.1 wt%.

作製したサンプルS9の一つ及びサンプルS10の一つを切断し、切断断面を観察した。図6に、サンプルS9の断面のSEM画像を、図7に、サンプルS10の断面のSEM画像を示す。図6においては、ほぼ球形の黒色部分で表される強化粒子の他、灰色の部分により表される組織が観察された。この組織を分析すると、β(Si)であった。つまり、サンプルS9では、母材中にβ(Si)粒子が晶出していることが確認された。一方、図7に示すサンプルS10では、アルミニウム合金母材中に球形の黒色部分で表される強化粒子はみられるものの、図6に示すようなβ(Si)と考えられる組織は晶出していない。 One of the prepared samples S9 and one of the samples S10 were cut, and the cut cross section was observed. FIG. 6 shows an SEM image of a cross section of the sample S9, and FIG. 7 shows an SEM image of a cross section of the sample S10. In FIG. 6, in addition to the strengthening particles represented by the substantially spherical black portion, the structure represented by the gray portion was observed. Analysis of this tissue revealed β (Si). That is, in sample S9, it was confirmed that β (Si) particles were crystallized in the base material. On the other hand, in sample S10 shown in FIG. 7, although reinforcing particles represented by spherical black portions are observed in the aluminum alloy base material, the structure considered to be β (Si) as shown in FIG. 6 is not crystallized. ..

サンプルS9の製造においては、冷却直前のアルミニウム合金溶湯中に、アルミニウム−ケイ素系合金の共晶点におけるケイ素濃度(12.6wt%)よりも多いケイ素が含まれている。このため、アルミニウム合金溶湯の冷却過程にて、β(Si)粒子が晶出したと考えられる。一方、サンプルS10の製造においては、冷却直前のアルミニウム合金溶湯中に含有されるケイ素の濃度が、アルミニウム−ケイ素系合金の共晶点におけるケイ素濃度(12.6wt%)未満であるので、アルミニウム合金溶湯の冷却過程にてβ(Si)粒子が晶出しないと考えられる。 In the production of sample S9, the molten aluminum alloy immediately before cooling contains silicon higher than the silicon concentration (12.6 wt%) at the eutectic point of the aluminum-silicon alloy. Therefore, it is considered that β (Si) particles crystallized during the cooling process of the molten aluminum alloy. On the other hand, in the production of sample S10, the concentration of silicon contained in the molten aluminum alloy immediately before cooling is less than the silicon concentration (12.6 wt%) at the co-crystal point of the aluminum-silicon alloy, so that the aluminum alloy It is considered that β (Si) particles do not crystallize during the cooling process of the molten metal.

また、作製したサンプルS9のそれぞれを、材料の剛性(ヤング率)を測定するために60mm×10mm×t(厚さ)2mmに加工した。そして、加工したサンプルS9のそれぞれについて、弾性率測定装置(日本テクノプラス株式会社製、JE−RT型)を用いてヤング率を算出した。同様に、作製したサンプルS10のそれぞれを上記と同様に加工し、同装置を用いてヤング率を算出した。そして、サンプルS9、S10のそれぞれについて、粒子含有率とヤング率との関係を調査した。 Further, each of the produced samples S9 was processed to 60 mm × 10 mm × t (thickness) 2 mm in order to measure the rigidity (Young's modulus) of the material. Then, the Young's modulus was calculated for each of the processed samples S9 using an elastic modulus measuring device (manufactured by Nippon Techno Plus Co., Ltd., JE-RT type). Similarly, each of the prepared samples S10 was processed in the same manner as described above, and Young's modulus was calculated using the same apparatus. Then, the relationship between the particle content and Young's modulus was investigated for each of the samples S9 and S10.

図8は、サンプルS9及びサンプルS10のそれぞれについて、粒子含有率とヤング率との関係を示すグラフである。図8において、四角で示された点が、サンプルS9についての粒子含有率とヤング率の関係を示す点であり、菱形で示された点が、サンプルS10についての粒子含有率とヤング率との関係を示す点である。図8からわかるように、粒子含有率が20〜25%の領域において、サンプルS9のヤング率がサンプルS10のヤング率よりも高いことがわかる。具体的には、サンプルS10のヤング率に対してサンプルS9のヤング率が11%程度向上している。これは、サンプルS9に係る粒子強化アルミニウム複合材の母材中にβ(Si)粒子が晶出して母材の剛性が向上したことに起因していると考えられる。従って、剛性の向上という観点からすれば、母材に12.6wt%よりも多いケイ素が含有されているとよい。また、母材にβ(Si)粒子が含まれていると良い。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the particle content and Young's modulus for each of Sample S9 and Sample S10. In FIG. 8, the points indicated by the squares indicate the relationship between the particle content and Young's modulus of the sample S9, and the points indicated by the diamonds are the points of the particle content and Young's modulus of the sample S10. It is a point that shows the relationship. As can be seen from FIG. 8, in the region where the particle content is 20 to 25%, the Young's modulus of the sample S9 is higher than the Young's modulus of the sample S10. Specifically, the Young's modulus of sample S9 is improved by about 11% with respect to the Young's modulus of sample S10. It is considered that this is because β (Si) particles are crystallized in the base material of the particle-reinforced aluminum composite material according to sample S9 to improve the rigidity of the base material. Therefore, from the viewpoint of improving the rigidity, it is preferable that the base material contains more than 12.6 wt% of silicon. Further, it is preferable that the base material contains β (Si) particles.

<実施例4:β(Si)粒子の微細化>
実施例3に示したアルミニウム合金母材中に晶出したβ(Si)粒子を含む晶出物は、アルミニウム合金溶湯を通常の冷却速度で冷却した場合、粗大化する傾向にある。粗大化したこれらの晶出物は、伸びが少なく硬質で脆く、割れやすいといった特徴を有する。従って、このような晶出物を含む粒子強化アルミニウム複合材も、伸びが少なく硬質で脆く、割れやすい可能性がある。そこで、実施例4では、アルミニウム合金母材に晶出したβ(Si)を含む晶出物の微細化を試みた。この場合、まず、実施例3のサンプルS9の製造方法と同一の製造方法により、板状の粒子強化アルミニウム複合材(以下、アルミニウム複合板と呼ぶ)を作製した。作製したアルミニウム複合板中の母材を構成する主な成分の組成は、以下の通りであった。
・Si:13.5wt%
・Cu:1.0wt%
・Mg:0.5wt%
・Al:残部
また、作製したアルミニウム複合板中の強化粒子の粒径は、10μm以上50μm以下であり、粒子配合率は20〜25%であった。
<Example 4: Miniaturization of β (Si) particles>
The crystallized product containing β (Si) particles crystallized in the aluminum alloy base material shown in Example 3 tends to be coarsened when the molten aluminum alloy is cooled at a normal cooling rate. These coarsened crystals are characterized by low elongation, hard, brittle, and fragile. Therefore, the particle-reinforced aluminum composite containing such crystallization may also have low elongation, be hard, brittle, and fragile. Therefore, in Example 4, an attempt was made to refine the crystallized product containing β (Si) crystallized in the aluminum alloy base material. In this case, first, a plate-shaped particle-reinforced aluminum composite material (hereinafter referred to as an aluminum composite plate) was produced by the same production method as the production method of sample S9 of Example 3. The composition of the main components constituting the base material in the produced aluminum composite plate was as follows.
・ Si: 13.5 wt%
-Cu: 1.0 wt%
・ Mg: 0.5 wt%
-Al: Remaining The particle size of the reinforced particles in the produced aluminum composite plate was 10 μm or more and 50 μm or less, and the particle mixing ratio was 20 to 25%.

次いで、作製したアルミニウム複合板の所定領域を、摩擦攪拌ツールを用いて摩擦攪拌した。図9は、用いた摩擦攪拌ツールと摩擦攪拌されるアルミニウム複合板の模式図である。図9に示すように、アルミニウム複合板50は板状に形成されている。このアルミニウム複合板50のうち破線で囲んだ長尺状の領域Rが、摩擦攪拌される所定領域である。また、摩擦攪拌ツール60は、ツール本体61と、プローブ62とを有する。ツール本体61は、段付きの円柱形状に形成され、その一方端(図9では上端)61aが駆動源に接続される。駆動源の駆動によりツール本体61が軸回り回転する。ツール本体61の他方端面は、被加工材表面に接触するショルダ61bを構成しており、このショルダ61bにプローブ62が突出形成される。プローブ62は図9からわかるように先細りの円錐台形状に形成されており、その軸心がツール本体61の軸心と同軸となるように、ツール本体61に接続される。従って、駆動源が駆動すると、ツール本体61及びプローブ62が一体的に軸まわり回転する。 Next, a predetermined area of the produced aluminum composite plate was rubbed and stirred using a friction stir tool. FIG. 9 is a schematic view of the friction stir tool used and the aluminum composite plate that is friction stir. As shown in FIG. 9, the aluminum composite plate 50 is formed in a plate shape. The long region R surrounded by the broken line in the aluminum composite plate 50 is a predetermined region to be frictionally agitated. Further, the friction stir tool 60 has a tool body 61 and a probe 62. The tool body 61 is formed in a stepped cylindrical shape, and one end (upper end in FIG. 9) 61a is connected to the drive source. The tool body 61 rotates about an axis by driving the drive source. The other end surface of the tool body 61 constitutes a shoulder 61b that comes into contact with the surface of the work material, and the probe 62 is formed so as to project from the shoulder 61b. As can be seen from FIG. 9, the probe 62 is formed in a tapered truncated cone shape, and is connected to the tool body 61 so that its axis is coaxial with the axis of the tool body 61. Therefore, when the drive source is driven, the tool body 61 and the probe 62 rotate integrally around the axis.

摩擦攪拌ツール60を用いてアルミニウム複合板50を摩擦攪拌する際に、摩擦攪拌ツール60を回転させながら、プローブ62をその先端からアルミニウム複合板50の所定領域Rの一端部の表面に図9の矢印Aに示すごとく押し付ける。これによりプローブ62が回転しながらアルミニウム複合板50の表面を擦ることにより摩擦熱が発生し、この摩擦熱によりアルミニウム複合板50の表面が軟化する。このためプローブ62がアルミニウム複合板50の内部に埋没するように進入する。摩擦攪拌ツール60のショルダ61bがアルミニウム複合板50の表面に接するまでアルミニウム複合板50の内部にプローブ62を進入させた後に、摩擦攪拌ツール60を回転させながら、図9の矢印Bに示すごとく所定領域Rの長手方向に水平移動させる。これにより所定領域R内の組織がプローブ62によって摩擦攪拌される。本例では、摩擦攪拌ツールの回転数を1000rpmに設定し、水平方向への送り速度(移動速度)を200mm/min.に設定して、摩擦攪拌を実施した。 When the aluminum composite plate 50 is frictionally agitated using the friction stir tool 60, the probe 62 is placed on the surface of one end of a predetermined region R of the aluminum composite plate 50 from the tip thereof while rotating the friction stir tool 60. Press as shown by arrow A. As a result, frictional heat is generated by rubbing the surface of the aluminum composite plate 50 while the probe 62 rotates, and the frictional heat softens the surface of the aluminum composite plate 50. Therefore, the probe 62 enters so as to be buried inside the aluminum composite plate 50. After the probe 62 is inserted into the aluminum composite plate 50 until the shoulder 61b of the friction stir tool 60 comes into contact with the surface of the aluminum composite plate 50, the probe 62 is rotated while rotating the friction stir tool 60, as shown by the arrow B in FIG. It is horizontally moved in the longitudinal direction of the region R. As a result, the tissue in the predetermined region R is frictionally agitated by the probe 62. In this example, the rotation speed of the friction stir tool is set to 1000 rpm, and the feeding speed (moving speed) in the horizontal direction is set to 200 mm / min. Was set to, and friction stir welding was performed.

摩擦攪拌の実施後に、摩擦攪拌した所定領域R(以下、改質層と呼ぶ)の一部を切断して取り出した。取り出した改質層の切断面を研磨し、研磨面を金属顕微鏡により組織観察した。図10に、金属顕微鏡により観察した組織の断面の写真画像を実施例4として示す。なお、図10には、参考のため、摩擦攪拌を実施していない部分(アルミニウム複合板50のうち改質層以外の部分)の組織の断面を金属顕微鏡により観察した写真画像も実施例3として示す。 After the friction stir welding, a part of the predetermined region R (hereinafter referred to as a modified layer) that was frictionally agitated was cut and taken out. The cut surface of the modified layer taken out was polished, and the structure of the polished surface was observed with a metallurgical microscope. FIG. 10 shows a photographic image of a cross section of the tissue observed with a metallurgical microscope as Example 4. For reference, FIG. 10 also includes a photographic image obtained by observing the cross section of the structure of the portion of the aluminum composite plate 50 other than the modified layer with a metallurgical microscope as Example 3. Shown.

図10に示すように、摩擦攪拌を実施した場合(実施例4)及び実施しない場合(実施例3)の双方ともに、アルミニウム合金母材中に、β(Si)粒子、及び、共晶Si粒子が含まれる。なお、アルミニウム合金溶湯中に含まれるSiの濃度が共晶点(12.6wt%)以下であると、合金溶湯の冷却過程では共晶Si粒子は晶出するが、β(Si)粒子は晶出しない。一方、アルミニウム合金溶湯中に含まれるSi濃度が共晶点を超えると、上述したようにβ(Si)粒子が晶出するとともに、共晶Si粒子も晶出する。β(Si)粒子は塊状に晶出し、共晶Si粒子は針状に晶出する。また、実施例4に係る写真画像における粒子面積率(写真画像におけるアルミニウム合金全体の面積に対する粒子(強化粒子)の面積の割合)は22.4%であり、実施例3に係る写真画像における粒子面積率は21.6%であった。このことから、摩擦攪拌の実施前後において粒子面積率はさほど変化していないことがわかる。 As shown in FIG. 10, β (Si) particles and eutectic Si particles are contained in the aluminum alloy base material in both the case where friction stir welding is performed (Example 4) and the case where friction stirring is not performed (Example 3). Is included. If the concentration of Si contained in the molten aluminum alloy is less than the eutectic point (12.6 wt%), the eutectic Si particles crystallize during the cooling process of the molten alloy, but the β (Si) particles crystallize. I will not put it out. On the other hand, when the concentration of Si contained in the molten aluminum alloy exceeds the eutectic point, β (Si) particles are crystallized as described above, and eutectic Si particles are also crystallized. The β (Si) particles crystallize in a mass, and the eutectic Si particles crystallize in a needle shape. Further, the particle area ratio in the photographic image according to Example 4 (the ratio of the area of particles (reinforced particles) to the total area of the aluminum alloy in the photographic image) is 22.4%, and the particles in the photographic image according to Example 3 The area ratio was 21.6%. From this, it can be seen that the particle area ratio did not change so much before and after the friction stir welding.

また、摩擦攪拌を実施しない実施例3に係る写真画像と摩擦攪拌を実施した実施例4に係る写真画像とを比較してわかるように、実施例4に係るアルミニウム合金母材に含まれるβ(Si)粒子及び共晶Si粒子の大きさは、摩擦攪拌を実施しない実施例3に係るアルミニウム合金母材に含まれるβ(Si)粒子及び共晶Si粒子の大きさよりも小さい。一方、実施例4に係るアルミニウム合金母材中の強化粒子の大きさは、摩擦攪拌を実施しない実施例3に係るアルミニウム合金母材中の強化粒子の大きさとさほど変わらない。このことから、摩擦攪拌により、強化粒子の径をさほど変化させることなくβ(Si)粒子及び共晶Si粒子を微細化できることがわかる。別言すれば、摩擦攪拌により、強化粒子の割れなどを発生させることなく、アルミニウム合金溶湯の冷却過程で晶出したβ(Si)粒子を含む晶出物を微細化できることがわかる。なお、強化粒子がスピネル粒子である粒子強化アルミニウム複合材に摩擦攪拌を行った場合、スピネル粒子が割れる可能性が高い。従って、本実施形態に係る強化粒子を含有した粒子強化アルミニウム複合材を摩擦攪拌することで、強化粒子が割れることなく晶出物を微細化することが可能になる。また、実施例4に係る写真画像を観察したところ、β(Si)粒子が割れ(欠け)ているような粒子欠損は発見されなかった。このことから、摩擦攪拌により、割れを発生させることなくβ(Si)粒子を微細化できることがわかる。 Further, as can be seen by comparing the photographic image according to Example 3 in which friction stir welding is not performed with the photographic image according to Example 4 in which friction stir welding is performed, β (β (containing) contained in the aluminum alloy base material according to Example 4 can be seen. The sizes of the Si) particles and the eutectic Si particles are smaller than the sizes of the β (Si) particles and the eutectic Si particles contained in the aluminum alloy base material according to Example 3 in which friction stir welding is not performed. On the other hand, the size of the reinforcing particles in the aluminum alloy base material according to Example 4 is not so different from the size of the reinforcing particles in the aluminum alloy base material according to Example 3 in which friction stir welding is not performed. From this, it can be seen that the β (Si) particles and the eutectic Si particles can be miniaturized by friction stir welding without significantly changing the diameter of the strengthening particles. In other words, it can be seen that the crystallization containing β (Si) particles crystallized in the cooling process of the molten aluminum alloy can be miniaturized by friction stir welding without causing cracking of the strengthened particles. When the particle-reinforced aluminum composite material in which the reinforcing particles are spinel particles is subjected to friction stir welding, there is a high possibility that the spinel particles will crack. Therefore, by frictionally stirring the particle-reinforced aluminum composite material containing the reinforcing particles according to the present embodiment, it is possible to refine the crystallized product without breaking the reinforcing particles. Further, when the photographic image according to Example 4 was observed, no particle defect such as a crack (chip) of β (Si) particles was found. From this, it can be seen that β (Si) particles can be miniaturized by friction stir welding without causing cracks.

また、画像解析ソフトを利用して、撮影した実施例3に係る写真画像及び実施例4に係る写真画像から、アルミニウム合金母材に晶出したβ(Si)粒子を含む晶出物の粒度分布を調べた。図11Aに、実施例3に係る晶出物の粒度分布測定結果を示し、図11Bに、実施例4に係る晶出物の粒度分布測定結果を示す。図11A及び図11Bに示す粒度分布の測定結果から、実施例3に係る晶出物の平均粒子径(メジアン径)が6,32μm、最大粒子径が187.62μmであった。一方、実施例4に係る晶出物の平均粒子径(メジアン径)が3.47μm、最大粒子径が48.40μmであった。このことからも、摩擦攪拌により晶出物が微細化したことがわかる。なお、粒度分布の測定において粒子の形状が異径形状である場合、最大径或いは最大長さを粒子径として測定した。 Further, the particle size distribution of the crystallized product containing β (Si) particles crystallized in the aluminum alloy base material from the photographic image according to Example 3 and the photographic image according to Example 4 taken by using image analysis software. I examined. FIG. 11A shows the particle size distribution measurement result of the crystallized product according to Example 3, and FIG. 11B shows the particle size distribution measurement result of the crystallized product according to Example 4. From the measurement results of the particle size distribution shown in FIGS. 11A and 11B, the average particle diameter (median diameter) of the crystallized product according to Example 3 was 6,32 μm, and the maximum particle diameter was 187.62 μm. On the other hand, the average particle size (median diameter) of the crystallized product according to Example 4 was 3.47 μm, and the maximum particle size was 48.40 μm. From this, it can be seen that the crystallized product was made finer by friction stir welding. In the measurement of the particle size distribution, when the shape of the particles was a different diameter shape, the maximum diameter or the maximum length was measured as the particle diameter.

<引張強度及び延びの測定>
実施例4に係る摩擦攪拌を実施した改質層及び、摩擦攪拌を実施していない実施例3に係る部分(アルミニウム複合板50のうち改質層以外の部分)からそれぞれ引張試験片(JIS Z2241 14A号)を切り出し、オートグラフ(島津製作所製:AG−X(100kN))を用いて引張試験を実施し、引張強度及び試験片が破断するまでの伸び量を測定した。図12に引張試験結果を示し、図13に伸び量の計測結果を示す。
<Measurement of tensile strength and elongation>
Tensile test pieces (JIS Z2241) from the modified layer in which friction stir welding was performed according to Example 4 and the portion (aluminum composite plate 50 other than the modified layer) according to Example 3 in which friction stir welding was not performed, respectively. No. 14A) was cut out, and a tensile test was carried out using an autograph (manufactured by Shimadzu Corporation: AG-X (100 kN)), and the tensile strength and the amount of elongation until the test piece broke were measured. FIG. 12 shows the tensile test results, and FIG. 13 shows the measurement results of the elongation amount.

図12及び図13からわかるように、実施例4に係る引張試験片の引張強度及び伸び量は、実施例3に係る引張試験片の引張強度及び伸び量よりも大きい。具体的には、実施例4に係る引張試験片の引張強度(291.9MPa)は実施例3に係る引張試験片の引張強度(259.3MPa)に対して13%向上し、実施例4に係る引張試験片の伸び量(1.2%)は実施例3に係る引張試験片の伸び量(0.3%)の約4倍である。このことから、摩擦攪拌によってアルミニウム合金母材中に晶出したβ(Si)粒子を含む晶出物(具体的にはβ(Si)粒子及び共晶Si粒子)を微細化することによって、引張強度及び延性が向上することがわかる。特に、アルミニウム合金母材中に晶出するβ(Si)粒子を含む晶出物の平均粒子径(メジアン径)が5μm以下の場合、より好ましくは3.5μm以下の場合、並びに、アルミニウム合金母材中に晶出するβ(Si)粒子を含む晶出物の最大粒径が50μm以下の場合、粒子強化アルミニウム複合材の引張強度及び延性が向上することがわかる。 As can be seen from FIGS. 12 and 13, the tensile strength and elongation of the tensile test piece according to Example 4 are larger than the tensile strength and elongation of the tensile test piece according to Example 3. Specifically, the tensile strength (291.9 MPa) of the tensile test piece according to Example 4 was improved by 13% with respect to the tensile strength (259.3 MPa) of the tensile test piece according to Example 3, and in Example 4. The elongation amount (1.2%) of the tensile test piece is about four times the elongation amount (0.3%) of the tensile test piece according to Example 3. From this, by refining the crystallized products (specifically, β (Si) particles and eutectic Si particles) containing β (Si) particles crystallized in the aluminum alloy base material by friction stir welding, the tensile strength is obtained. It can be seen that the strength and ductility are improved. In particular, when the average particle size (median diameter) of the crystallized particles containing β (Si) particles crystallized in the aluminum alloy base material is 5 μm or less, more preferably 3.5 μm or less, and the aluminum alloy base material. It can be seen that when the maximum particle size of the crystallized product containing β (Si) particles crystallized in the material is 50 μm or less, the tensile strength and ductility of the particle-reinforced aluminum composite material are improved.

<実施例5:熱処理による引張強度、伸びへの影響の確認>
実施例4に係る改質層を切り出して、熱処理(T6処理)を施すことにより、実施例5に係る改質層を作製した。作製した実施例5に係る改質層から引張試験片(JIS Z2241 14A号)を切り出し、オートグラフ(島津製作所製:AG−X(100kN))を用いて引張試験を実施し、実施例5に係る引張試験片の引張強度及び伸び量を計測した。図14に引張試験結果を示し、図15に伸び量の計測結果を示す。なお、参考までに、図14には実施例3に係る引張試験片の引張強度を、図15には実施例3に係る引張試験片の伸び量を、併せて示した。
<Example 5: Confirmation of influence on tensile strength and elongation by heat treatment>
The modified layer according to Example 4 was cut out and heat-treated (T6 treatment) to prepare the modified layer according to Example 5. A tensile test piece (JIS Z2241 14A) was cut out from the prepared modified layer according to Example 5, and a tensile test was carried out using an autograph (manufactured by Shimadzu Corporation: AG-X (100 kN)). The tensile strength and elongation of the tensile test piece were measured. FIG. 14 shows the tensile test results, and FIG. 15 shows the measurement results of the elongation amount. For reference, FIG. 14 also shows the tensile strength of the tensile test piece according to Example 3, and FIG. 15 also shows the elongation amount of the tensile test piece according to Example 3.

図14からわかるように、実施例5に係る引張試験片の引張強度(327.6MPa)は実施例3に係る引張試験片の引張強度(259.3MPa)よりも高い。具体的には、実施例3に係る引張試験片の引張強度に対して、改質層に熱処理を施した実施例5に係る引張試験片の引張強度が26%向上した。一方、図15からわかるように、改質層に熱処理を施した実施例5に係る引張試験片の伸び量(0.6%)は、実施例3に係る引張試験片の伸び量(0.3%)の約2倍である。 As can be seen from FIG. 14, the tensile strength (327.6 MPa) of the tensile test piece according to Example 5 is higher than the tensile strength (259.3 MPa) of the tensile test piece according to Example 3. Specifically, the tensile strength of the tensile test piece according to Example 5 in which the modified layer was heat-treated was improved by 26% with respect to the tensile strength of the tensile test piece according to Example 3. On the other hand, as can be seen from FIG. 15, the elongation amount (0.6%) of the tensile test piece according to Example 5 in which the modified layer is heat-treated is the elongation amount (0.) of the tensile test piece according to Example 3. It is about twice that of 3%).

また、図12と図14とを比較してわかるように、改質層に熱処理を施した場合(実施例5の場合)には、熱処理を施していない場合(実施例4の場合)と比較して引張強度がさらに向上する。その一方で、図13と図15とを比較してわかるように、改質層に熱処理を施した場合(実施例5の場合)には、熱処理を施していない場合(実施例4の場合)に比べて伸び量が低下する。従って、より引張強度が必要な部材に適用する場合には、改質層に熱処理を施すのが良い。一方、より伸び量(延性)が必要な部材に適用する場合には、改質層に熱処理を施さないのが良い。 Further, as can be seen by comparing FIG. 12 and FIG. 14, when the modified layer is heat-treated (in the case of Example 5), it is compared with the case where the heat treatment is not performed (in the case of Example 4). As a result, the tensile strength is further improved. On the other hand, as can be seen by comparing FIG. 13 and FIG. 15, when the modified layer is heat-treated (in the case of Example 5), it is not heat-treated (in the case of Example 4). The amount of elongation decreases as compared with. Therefore, when applied to a member requiring higher tensile strength, it is preferable to heat-treat the modified layer. On the other hand, when applied to a member requiring a larger amount of elongation (ductility), it is preferable not to heat-treat the modified layer.

<実施例6:耐圧部品への適用>
本実施形態にて示した粒子強化アルミニウム複合材は、所定の圧力が付与されるとともに付与された圧力に耐え得る強度を有する耐圧部品に適用することができる。この場合、耐圧部品の強度を高めることができ、且つ切削性をも向上させることができる。
<Example 6: Application to pressure resistant parts>
The particle-reinforced aluminum composite material shown in the present embodiment can be applied to a pressure-resistant component having a strength that can withstand a predetermined pressure and the applied pressure. In this case, the strength of the pressure-resistant component can be increased, and the machinability can also be improved.

特に、本実施形態に係る粒子強化アルミニウム複合材のうち、アルミニウム合金母材中にβ(Si)粒子が含有された粒子強化アルミニウム複合材を耐圧部品に用いるとよい。すなわち、耐圧部品が、アルミニウム合金により構成される母材と、母材中に分散された強化粒子と、を含む、粒子強化アルミニウム複合材により構成され、強化粒子が、MgAlにより表される主成分と、アルミニウムと、を含み、母材中に、β(Si)粒子を含む晶出物が含まれているように、構成されているとよい。耐圧部品をこのように構成することにより、強度を高めることができ、切削性が良好で、且つ剛性を向上させることができる。 In particular, among the particle-reinforced aluminum composite materials according to the present embodiment, the particle-reinforced aluminum composite material in which β (Si) particles are contained in the aluminum alloy base material may be used for the pressure-resistant component. That is, the pressure-resistant component is composed of a particle-reinforced aluminum composite material containing a base material made of an aluminum alloy and reinforcing particles dispersed in the base material, and the reinforcing particles are represented by MgAl 2 O 4. It is preferable that the base material contains the main component and aluminum, and the base material contains crystallization containing β (Si) particles. By configuring the pressure-resistant component in this way, the strength can be increased, the machinability can be improved, and the rigidity can be improved.

また、耐圧部品が、付与された圧力によって応力が集中する応力集中部位を有する場合、その応力集中部位を構成するアルミニウム合金母材中に含まれるβ(Si)粒子を含む晶出物の大きさが、応力集中部位以外の部位を構成するアルミニウム合金母材中に含まれるβ(Si)粒子を含む晶出物の大きさよりも小さいと良い。つまり、応力集中部位の晶出物が微細化されているとよい。この場合、応力集中部位を構成するアルミニウム合金母材中に含まれるβ(Si)を含む晶出物の平均粒子径(メジアン径)が5μm以下、最大粒子径が50μm以下であるように晶出物が微細化されていると、応力集中部位の引張強度及び延性がより高められる。そのため応力により応力集中部位が破断することが効果的に抑制され、ひいては耐圧部品の耐久性(耐圧特性)をより一層向上させることができる。 When the pressure-resistant component has a stress-concentrated portion where stress is concentrated by the applied pressure, the size of the crystallized product containing β (Si) particles contained in the aluminum alloy base material constituting the stress-concentrated portion. However, it is preferable that the size is smaller than the size of the crystallized product containing β (Si) particles contained in the aluminum alloy base material constituting the portion other than the stress concentration portion. That is, it is preferable that the crystallized material at the stress concentration site is miniaturized. In this case, the average particle diameter (median diameter) of the crystallized material containing β (Si) contained in the aluminum alloy base material constituting the stress concentration site is 5 μm or less, and the maximum particle diameter is 50 μm or less. When the object is made finer, the tensile strength and ductility of the stress concentration site are further enhanced. Therefore, it is possible to effectively suppress the breakage of the stress concentration portion due to stress, and it is possible to further improve the durability (pressure resistance characteristic) of the pressure resistant component.

このような耐圧部品として、好適には、車両のブレーキ装置に用いられるキャリパボディを挙げることができる。 As such a pressure-resistant component, a caliper body used in a vehicle braking device can be preferably mentioned.

図16は、キャリパボディの概略図である。また、図17は、図16のキャリパボディが組み付けられてなるブレーキ装置の概略断面図である。図17に示されるキャリパボディの断面は、図16のキャリパボディをA−A線で切断した断面である。 FIG. 16 is a schematic view of the caliper body. Further, FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of the brake device to which the caliper body of FIG. 16 is assembled. The cross section of the caliper body shown in FIG. 17 is a cross section obtained by cutting the caliper body of FIG. 16 along the line AA.

図16及び図17に示すように、キャリパボディ80は、シリンダ部81と、対向部82と、連結部83とを有するように構成される。これらの部分は一体的に成形される。シリンダ部81は、内部にピストン91を収容するための円筒状空間が形成されるように円筒状に形成されており、一方端が開口し他方端が閉塞している。そして、開口した一方端からピストン91がシリンダ部81の内部に装着される。ピストン91は、その軸方向に移動可能にシリンダ部81に収容される。このときピストン91の底面とシリンダ部81の他方端面との間に液圧室Pが液密状に形成される。 As shown in FIGS. 16 and 17, the caliper body 80 is configured to have a cylinder portion 81, an opposing portion 82, and a connecting portion 83. These parts are integrally molded. The cylinder portion 81 is formed in a cylindrical shape so that a cylindrical space for accommodating the piston 91 is formed therein, and one end is opened and the other end is closed. Then, the piston 91 is mounted inside the cylinder portion 81 from one end of the opening. The piston 91 is housed in the cylinder portion 81 so as to be movable in the axial direction thereof. At this time, the hydraulic chamber P is formed in a liquidtight state between the bottom surface of the piston 91 and the other end surface of the cylinder portion 81.

また、連結部83は、シリンダ部81の一方端の開口縁のうち図16及び図17において上側の部分を構成する所定の領域から、シリンダ部81の軸方向に沿ってシリンダ部81から離れる方向に延設されている。この連結部83の延設端から図16及び図17において下方に延びるように一対の反力アーム82a,82bが設けられる。一対の反力アーム82a,82bにより対向部82が構成される。このように、連結部83がシリンダ部81と対向部82とを連結している。また、一対の反力アーム82a,82b(対向部82)は、シリンダ部81の開口面に対してピストン91の移動方向(軸方向)に対向配置する。 Further, the connecting portion 83 is directed away from the cylinder portion 81 along the axial direction of the cylinder portion 81 from a predetermined region constituting the upper portion in FIGS. 16 and 17 of the opening edge of one end of the cylinder portion 81. It is extended to. A pair of reaction force arms 82a and 82b are provided so as to extend downward in FIGS. 16 and 17 from the extended end of the connecting portion 83. The facing portion 82 is formed by the pair of reaction force arms 82a and 82b. In this way, the connecting portion 83 connects the cylinder portion 81 and the facing portion 82. Further, the pair of reaction force arms 82a and 82b (opposing portions 82) are arranged to face the opening surface of the cylinder portion 81 in the moving direction (axial direction) of the piston 91.

図17に示すように、キャリパボディ80をブレーキ装置に組み付けた場合、互いに対向配置したシリンダ部81と対向部82との間には、車両に取り付けられているディスクロータ92の一部が配置する。従って、シリンダ部81と対向部82は、ディスクロータ92を挟んで互いに対向することになり、連結部83はディスクロータ92の外周を跨ぐように配置する。 As shown in FIG. 17, when the caliper body 80 is assembled to the brake device, a part of the disc rotor 92 attached to the vehicle is arranged between the cylinder portion 81 and the facing portion 82 which are arranged to face each other. .. Therefore, the cylinder portion 81 and the facing portion 82 face each other with the disc rotor 92 interposed therebetween, and the connecting portion 83 is arranged so as to straddle the outer circumference of the disc rotor 92.

シリンダ部81内のピストン91の開口面とディスクロータ92との間に、内側パッド93が配置し、対向部82とディスクロータ92との間に、外側パッド94が配置する。内側パッド93及び外側パッド94は、ブレーキ装置の構成部品であるマウンティング95に支持される。また、キャリパボディ80は、シリンダ部81の軸方向(ピストン91の軸方向)に移動可能にマウンティング95に図示しないスライドピンを介して支持される。 The inner pad 93 is arranged between the opening surface of the piston 91 in the cylinder portion 81 and the disc rotor 92, and the outer pad 94 is arranged between the facing portion 82 and the disc rotor 92. The inner pad 93 and the outer pad 94 are supported by a mounting 95, which is a component of the braking device. Further, the caliper body 80 is movably supported in the axial direction of the cylinder portion 81 (axial direction of the piston 91) via a slide pin (not shown) on the mounting 95.

このようなブレーキ装置において、車両走行中(ディスクロータ92の回転中)に運転者がブレーキペダルを踏むと、液圧室P内の液圧が高まり、これによりピストン91が図17において左方に移動する。すると、ピストン91の移動によって内側パッド93も左方に移動してディスクロータ92に押し付けられる。一方、液圧室P内の液圧が高まることによってキャリパボディ80が図17において右方に移動する。すると、この移動がキャリパボディ80の対向部82(反力アーム82a)から外側パッド94に伝達され、外側パッド94が図17において右方に移動してディスクロータ92に押し付けられる。このようにして内側パッド93及び外側パッド94がディスクロータ92にその両側から押し付けられる。この押し付け力が摩擦力としてディスクロータ92に作用することにより、ディスクロータ92が制動する。 In such a braking device, when the driver steps on the brake pedal while the vehicle is running (while the disc rotor 92 is rotating), the hydraulic pressure in the hydraulic chamber P increases, so that the piston 91 moves to the left in FIG. Moving. Then, the inner pad 93 also moves to the left due to the movement of the piston 91 and is pressed against the disc rotor 92. On the other hand, as the hydraulic pressure in the hydraulic chamber P increases, the caliper body 80 moves to the right in FIG. Then, this movement is transmitted from the facing portion 82 (reaction force arm 82a) of the caliper body 80 to the outer pad 94, and the outer pad 94 moves to the right in FIG. 17 and is pressed against the disc rotor 92. In this way, the inner pad 93 and the outer pad 94 are pressed against the disc rotor 92 from both sides thereof. This pressing force acts on the disc rotor 92 as a frictional force, so that the disc rotor 92 brakes.

上記したブレーキ操作の過程において、液圧室Pの液圧は、キャリパボディ80のシリンダ部81に直接作用する。この液圧によってシリンダ部81には、図17の矢印B方向に応力が作用する。つまり、シリンダ部81が開く方向に応力が作用する。また、対向部82には、外側パッド94からの反力が作用する。この反力によって対向部82には、図17の矢印C方向に応力が作用する。つまり、対向部82が開く方向に応力が作用する。 In the process of the brake operation described above, the hydraulic pressure in the hydraulic chamber P acts directly on the cylinder portion 81 of the caliper body 80. Due to this hydraulic pressure, stress acts on the cylinder portion 81 in the direction of arrow B in FIG. That is, stress acts in the direction in which the cylinder portion 81 opens. Further, a reaction force from the outer pad 94 acts on the facing portion 82. Due to this reaction force, stress acts on the facing portion 82 in the direction of arrow C in FIG. That is, stress acts in the direction in which the facing portion 82 opens.

矢印B方向に作用する応力により、シリンダ部81と連結部83との境界部分84に応力が集中する。また、矢印C方向に作用する応力により、対向部82と連結部83との境界部分85に応力が集中する。つまり、境界部分84及び境界部分85は、応力集中部位である。 Due to the stress acting in the direction of arrow B, the stress is concentrated on the boundary portion 84 between the cylinder portion 81 and the connecting portion 83. Further, due to the stress acting in the direction of arrow C, the stress is concentrated on the boundary portion 85 between the facing portion 82 and the connecting portion 83. That is, the boundary portion 84 and the boundary portion 85 are stress concentration sites.

上記したように、キャリパボディ80には、液圧及び、液圧に基づく反力による応力が作用する。これらの応力に耐え得るように、キャリパボディ80が設計される。つまり、キャリパボディ80は、耐圧部品である。このような耐圧部品であるキャリパボディ80を、上記実施形態で示した粒子強化アルミニウム複合材により構成することにより、耐圧性能を向上することができる。特に、キャリパボディ80は、本実施形態で示した粒子強化アルミニウム複合材のうちアルミニウム合金母材中にβ(Si)粒子が含まれるものにより構成されるとよい。具体的には、キャリパボディ80は、アルミニウム合金により構成される母材と、母材中に分散された強化粒子と、を含む粒子強化アルミニウム複合材により構成され、強化粒子が、MgAlにより表される主成分とアルミニウムとを含み、母材中にβ(Si)粒子を含む晶出物が含まれている、ように構成されるとよい。このようにキャリパボディ80を構成することにより、ヤング率(剛性)をも向上させることができる。 As described above, the caliper body 80 is subjected to stress due to the hydraulic pressure and the reaction force based on the hydraulic pressure. The caliper body 80 is designed to withstand these stresses. That is, the caliper body 80 is a pressure resistant component. By forming the caliper body 80, which is such a pressure-resistant component, with the particle-reinforced aluminum composite material shown in the above embodiment, the pressure-resistant performance can be improved. In particular, the caliper body 80 is preferably composed of the particle-reinforced aluminum composite material shown in the present embodiment in which β (Si) particles are contained in the aluminum alloy base material. Specifically, the caliper body 80 is composed of a particle-reinforced aluminum composite material containing a base material made of an aluminum alloy and reinforcing particles dispersed in the base material, and the reinforcing particles are MgAl 2 O 4 It is preferable that the base material contains the main component represented by the above and aluminum, and the base material contains crystallization containing β (Si) particles. By configuring the caliper body 80 in this way, Young's modulus (rigidity) can also be improved.

また、キャリパボディ80は、作用する応力が集中する境界部分84,85を有する。この境界部分84,85を構成する粒子強化アルミニウム複合材のアルミニウム合金母材中に晶出するβ(Si)粒子を含む晶出物の大きさは、境界部分84,85以外の部分を構成する粒子強化アルミニウム複合材のアルミニウム合金母材中に晶出するβ(Si)粒子を含む晶出物の大きさよりも小さいと良い。つまり、境界部分84,85を構成するアルミニウム合金母材に晶出するβ(Si)粒子を含む晶出物が微細化されているとよい。この場合、境界部分84,85を構成するアルミニウム合金母材中のβ(Si)粒子を含む晶出物の平均粒子径(メジアン径)を5μm以下(好ましくは3.5μm以下)、且つ最大粒子径を50μm以下にすることで、境界部分84,85の引張強度及び延性がより向上する。こうして境界部分84,85の強度をより高めることにより、境界部分84,85の引張強度及び延性が高められ、それによりキャリパボディ80の耐久性をより向上させることができる。 Further, the caliper body 80 has boundary portions 84 and 85 where the acting stress is concentrated. The size of the crystallized material containing β (Si) particles crystallized in the aluminum alloy base material of the particle-reinforced aluminum composite material constituting the boundary portions 84 and 85 constitutes a portion other than the boundary portions 84 and 85. It is preferable that the size is smaller than the size of the crystallized product containing β (Si) particles crystallized in the aluminum alloy base material of the particle-reinforced aluminum composite material. That is, it is preferable that the crystallized material containing β (Si) particles crystallized in the aluminum alloy base material constituting the boundary portions 84 and 85 is miniaturized. In this case, the average particle diameter (median diameter) of the crystallized particles containing β (Si) particles in the aluminum alloy base material constituting the boundary portions 84 and 85 is 5 μm or less (preferably 3.5 μm or less), and the maximum particles. By setting the diameter to 50 μm or less, the tensile strength and ductility of the boundary portions 84 and 85 are further improved. By further increasing the strength of the boundary portions 84 and 85 in this way, the tensile strength and ductility of the boundary portions 84 and 85 are increased, whereby the durability of the caliper body 80 can be further improved.

この場合、キャリパボディ80(耐圧部品)は、上記した原料粒子投入工程と、上記した強化粒子生成工程と、成形工程と、微細化工程と、を含む製造方法により、製造することができる。ここで、成形工程は、強化粒子生成工程後にアルミニウム合金溶湯を冷却することにより、アルミニウム合金母材中にβ(Si)粒子を含む晶出物を晶出させるとともに、アルミニウム合金溶湯を凝固させてキャリパボディ80(耐圧部品)を成形(例えば鋳造成形)する工程である。微細化工程は、成形したキャリパボディ80(耐圧部品)の境界部分84,85(応力集中部位)を摩擦攪拌することにより、境界部分84,85(応力集中部位)を構成するアルミニウム合金母材中に晶出したβ(Si)粒子を含む晶出物を、平均粒子径5μm以下、且つ最大粒子径50μm以下に微細化する工程である。この微細化工程は、具体的には、本実施形態で説明したアルミニウム複合材によってキャリパボディ80を成形(例えば鋳造成形)した後に、境界部分84及び境界部分85の内側面(ディスクロータ92に向く面)から上記実施形態で示した摩擦攪拌ツール60を回転させながら押し当ててプローブ62を境界部分84,85の内部に進入させ、その状態でプローブ62が境界部分84,85の全領域或いは所定の領域に行き渡るように摩擦攪拌ツール60を移動させる。これにより境界部分84,85が摩擦攪拌されて、境界部分84、85を構成するアルミニウム合金母材中のβ(Si)粒子並びに共晶Si粒子を、平均粒子径(メジアン径)5μm以下且つ最大粒子径50μm以下に微細化することができる。 In this case, the caliper body 80 (pressure resistant component) can be manufactured by a manufacturing method including the above-mentioned raw material particle input step, the above-mentioned strengthened particle generation step, a molding step, and a miniaturization step. Here, in the molding step, the molten aluminum alloy is cooled after the reinforcing particle generation step to crystallize the crystallized product containing β (Si) particles in the aluminum alloy base material and solidify the molten aluminum alloy. This is a step of molding (for example, casting) the caliper body 80 (pressure resistant part). In the miniaturization step, the boundary portions 84,85 (stress concentration portion) of the molded caliper body 80 (pressure resistant parts) are frictionally agitated to form the boundary portions 84,85 (stress concentration portion) in the aluminum alloy base material. This is a step of refining a crystallized product containing β (Si) particles crystallized in (1) to an average particle diameter of 5 μm or less and a maximum particle diameter of 50 μm or less. Specifically, in this miniaturization step, after the caliper body 80 is molded (for example, cast molding) by the aluminum composite material described in the present embodiment, the inner side surfaces (facing the disc rotor 92) of the boundary portion 84 and the boundary portion 85 are formed. The friction stir tool 60 shown in the above embodiment is pressed from the surface) while rotating to allow the probe 62 to enter the inside of the boundary portions 84 and 85, and in that state, the probe 62 is in the entire region of the boundary portions 84 and 85 or a predetermined value. The friction stir tool 60 is moved so as to spread over the area of. As a result, the boundary portions 84 and 85 are agitated by friction, and β (Si) particles and eutectic Si particles in the aluminum alloy base material constituting the boundary portions 84 and 85 are produced with an average particle diameter (median diameter) of 5 μm or less and a maximum. The particle size can be reduced to 50 μm or less.

ちなみに、アルミニウム合金母材中に晶出したβ(Si)粒子を含む晶出物を微細化する手段として、その他に、アルミニウム合金溶湯中に添加物を添加する手段が考えられる。しかしながらこの場合、成形品の全体について、晶出物が微細化されてしまう。これに対して上記した方法、すなわち製品(耐圧部品)の成形後(例えば鋳造後)に特定の部位を摩擦攪拌してその部位に存在する晶出物を微細化する方法を採用することにより、成形品の特定の部位のみについて、晶出物を微細化することができる。よって、この方法は、引張強度又は延性が必要な部分、すなわち応力集中部位のみについて、晶出物を微細化する手段として、有用である。 Incidentally, as a means for refining the crystallized product containing β (Si) particles crystallized in the aluminum alloy base material, a means for adding an additive to the molten aluminum alloy can be considered. However, in this case, the crystallized product is miniaturized in the entire molded product. On the other hand, by adopting the above-mentioned method, that is, a method of rubbing and stirring a specific part after molding (for example, after casting) of a product (pressure resistant part) to miniaturize the crystallization existing in the part. The crystallized product can be refined only for a specific part of the molded product. Therefore, this method is useful as a means for refining the crystallized product only in the portion where tensile strength or ductility is required, that is, the stress concentration portion.

なお、上記した例では、耐圧部品としてのキャリパボディ80として、フローティングタイプのキャリパボディを例示したが、オポーズドタイプのキャリパボディにも本発明を適用することができる。この場合、対向部はシリンダ部になり、境界部分は、両シリンダ部と連結部との境界部分となる。 In the above example, the floating type caliper body is illustrated as the caliper body 80 as the pressure resistant component, but the present invention can also be applied to the opposed type caliper body. In this case, the facing portion is a cylinder portion, and the boundary portion is a boundary portion between both cylinder portions and the connecting portion.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、上記実施形態では、耐圧部品としてキャリパボディ80について説明したが、それ以外の耐圧部品にも本発明を適用することができる。本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention should not be limited to the above embodiments. For example, in the above embodiment, the caliper body 80 has been described as a pressure resistant component, but the present invention can be applied to other pressure resistant components. The present invention can be modified as long as it does not deviate from the gist thereof.

1…製造装置、10…溶湯貯留部、11…貯留タンク、12…加熱器、13…収容容器、20…粒子供給装置、27…粒子供給タンク、32…射出ノズル、40…減圧装置、50…アルミニウム複合板、60…摩擦攪拌ツール、61…ツール本体、62…プローブ、80…キャリパボディ(耐圧部品)、81…シリンダ部、82…対向部、82a,82b…反力アーム(対向部)、84,85…境界部分、91…ピストン、L…アルミニウム合金溶湯、P…粉体 1 ... Manufacturing equipment, 10 ... Molten metal storage unit, 11 ... Storage tank, 12 ... Heater, 13 ... Storage container, 20 ... Particle supply device, 27 ... Particle supply tank, 32 ... Injection nozzle, 40 ... Decompression device, 50 ... Aluminum composite plate, 60 ... Friction stirring tool, 61 ... Tool body, 62 ... Probe, 80 ... Caliper body (pressure resistant part), 81 ... Cylinder part, 82 ... Opposing part, 82a, 82b ... Reaction force arm (opposing part), 84, 85 ... Boundary part, 91 ... Piston, L ... Aluminum alloy molten metal, P ... Powder

Claims (11)

アルミニウム合金により構成される母材と、前記母材中に分散された強化粒子と、を含む、粒子強化アルミニウム複合材であって、
前記強化粒子が、
MgAlにより表される主成分と、
アルミニウムと、
を含む、粒子強化アルミニウム複合材。
A particle-reinforced aluminum composite material containing a base material composed of an aluminum alloy and reinforcing particles dispersed in the base material.
The strengthening particles
Principal components represented by MgAl 2 O 4 and
With aluminum
Including particle reinforced aluminum composites.
請求項1に記載の粒子強化アルミニウム複合材において、
前記強化粒子中に、40wt%以上のアルミニウムが含まれる、粒子強化アルミニウム複合材。
In the particle-reinforced aluminum composite material according to claim 1,
A particle-reinforced aluminum composite material containing 40 wt% or more of aluminum in the reinforced particles.
請求項1又は2に記載の強化アルミニウム複合材において、
前記強化粒子が、
40wt%以上のアルミニウムと、
16wt%以下のマグネシウムと、
を含む、粒子強化アルミニウム複合材。
In the reinforced aluminum composite material according to claim 1 or 2.
The strengthening particles
40 wt% or more of aluminum and
Magnesium of 16 wt% or less and
Including particle reinforced aluminum composites.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の粒子強化アルミニウム複合材において、
前記母材中に、12.6wt%よりも多く20wt%以下のケイ素が含まれている、粒子強化アルミニウム複合材。
In the particle-reinforced aluminum composite material according to any one of claims 1 to 3.
A particle-reinforced aluminum composite material containing 20 wt% or less of silicon in an amount of more than 12.6 wt% in the base material.
請求項1乃至4の何れか1項に記載の粒子強化アルミニウム複合材において、
前記母材中に、β(Si)粒子を含む晶出物が含まれている、粒子強化アルミニウム複合材。
In the particle-reinforced aluminum composite material according to any one of claims 1 to 4.
A particle-reinforced aluminum composite material containing crystals containing β (Si) particles in the base material.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の粒子強化アルミニウム複合材において、
前記強化粒子の平均粒子径が、10μm以上である、粒子強化アルミニウム複合材。
In the particle-reinforced aluminum composite material according to any one of claims 1 to 5.
A particle-reinforced aluminum composite material having an average particle diameter of 10 μm or more.
請求項5に記載の粒子強化アルミニウム複合材において、
前記β(Si)粒子を含む晶出物は、平均粒子径が5μm以下であるか、最大粒子径が50μm以下であるか、の少なくともいずれかの粒子径を有する。粒子強化アルミニウム複合材。
In the particle-reinforced aluminum composite material according to claim 5.
The crystallized product containing β (Si) particles has at least one of a particle size having an average particle size of 5 μm or less and a maximum particle size of 50 μm or less. Particle reinforced aluminum composite.
所定の圧力が付与されるとともに付与された圧力に耐え得る強度を有する耐圧部品であって、
アルミニウム合金により構成される母材と、母材中に分散された強化粒子と、を含む、粒子強化アルミニウム複合材により構成され、強化粒子が、MgAlにより表される主成分と、アルミニウムと、を含み、母材中に、β(Si)粒子を含む晶出物が含まれている、耐圧部品。
A pressure-resistant component having a strength that can withstand a predetermined pressure and the applied pressure.
It is composed of a particle-reinforced aluminum composite material containing a base material composed of an aluminum alloy and reinforcing particles dispersed in the base material, and the reinforcing particles are composed of a main component represented by MgAl 2 O 4 and aluminum. A pressure-resistant component containing, and, in the base metal, crystallization containing β (Si) particles.
請求項8に記載の耐圧部品において、
付与された圧力によって応力が集中する応力集中部位を有し、
前記応力集中部位を構成する前記母材中に含まれる前記晶出物の大きさが、前記応力集中部位以外の部位を構成する前記母材中に含まれる前記晶出物の大きさよりも小さい、耐圧部品。
In the pressure-resistant component according to claim 8,
It has a stress concentration site where stress is concentrated by the applied pressure,
The size of the crystallized material contained in the base material constituting the stress concentration site is smaller than the size of the crystallized product contained in the base material constituting the site other than the stress concentration site. Pressure resistant parts.
請求項9に記載の耐圧部品において、
前記耐圧部品は、車両に搭載されるブレーキ装置を構成するキャリパボディであり、
前記キャリパボディは、
ピストンを軸方向移動可能に収納するシリンダ部と、
前記シリンダ部に対して前記ピストンの移動方向に離間して対向配置する対向部と、
前記シリンダ部と前記対向部とを連結する連結部と、を有し、
前記応力集中部位が、前記シリンダ部と前記連結部との境界部分及び前記対向部と前記連結部との境界部分の少なくとも一つである、耐圧部品。
In the pressure-resistant component according to claim 9,
The pressure-resistant component is a caliper body that constitutes a braking device mounted on a vehicle.
The caliper body
A cylinder that houses the piston so that it can move in the axial direction,
With respect to the cylinder portion, the facing portion is arranged so as to be separated from the cylinder portion in the moving direction of the piston.
It has a connecting portion that connects the cylinder portion and the facing portion.
A pressure-resistant component in which the stress concentration portion is at least one of a boundary portion between the cylinder portion and the connecting portion and a boundary portion between the facing portion and the connecting portion.
所定の圧力が付与されるとともに付与された圧力に耐え得る強度を有し、且つ、付与された圧力によって応力が集中する応力集中部位を有する耐圧部品の製造方法であって、
マグネシウムを含むアルミニウム合金溶湯中に、二酸化ケイ素粒子からなる粉体を投入する原料粒子投入工程と、
前記原料粒子投入工程にてアルミニウム合金溶湯中に投入された二酸化ケイ素粒子と、アルミニウム合金溶湯の成分であるマグネシウム及びアルミニウムとを反応させることにより、MgAlにより表される主成分とアルミニウムとを含む強化粒子を生成する強化粒子生成工程と、
アルミニウム合金溶湯を冷却することにより、アルミニウム合金母材中にβ(Si)粒子を含む晶出物を晶出させるとともに、アルミニウム合金溶湯を凝固させて前記耐圧部品を成形する成形工程と、
成形した前記耐圧部品の前記応力集中部位を摩擦攪拌することにより、前記応力集中部位を構成するアルミニウム合金母材中に晶出した晶出物を、平均粒子径5μm以下、且つ最大粒子径50μm以下に微細化する微細化工程と、
を含む、耐圧部品の製造方法。
A method for manufacturing a pressure-resistant component having a strength that can withstand a predetermined pressure and a stress concentration portion where the stress is concentrated by the applied pressure.
A raw material particle charging process in which powders made of silicon dioxide particles are charged into a molten aluminum alloy containing magnesium.
By reacting the silicon dioxide particles charged into the molten aluminum alloy in the raw material particle charging step with magnesium and aluminum which are the components of the molten aluminum alloy, the main component represented by MgAl 2 O 4 and aluminum Reinforcement particle generation process to generate reinforcement particles including
By cooling the molten aluminum alloy, crystallization containing β (Si) particles is crystallized in the base metal of the aluminum alloy, and the molten aluminum alloy is solidified to form the pressure-resistant component.
By frictionally stirring the stress-concentrated portion of the molded pressure-resistant component, the crystallized material crystallized in the aluminum alloy base material constituting the stress-concentrated portion has an average particle diameter of 5 μm or less and a maximum particle diameter of 50 μm or less. And the miniaturization process
Manufacturing methods for pressure resistant parts, including.
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