JP2024106304A - High-strength metal matrix composite and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の製造技術では実現できていなかった、高強度でありながら良好な加工性を有し、さらに製造コストの抑制が可能な経済的な実用価値の高いアルミニウム合金基複合体及び該複合体の製造方法の提供。【解決手段】平均粒径が0.3μm~8μmである金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる1種以上の微細粉末に、平均粒径が10μm~300μmであるアルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる1種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末からなる多孔質の充填体又は成型体(プリフォーム)に、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸・充填されてなる複合体であり、前記微細粉末の充填率が10体積%~50体積%で、且つ、その曲げ強度が500MPa~800MPaである高強度金属基複合体及び該金属基複合体の製造方法。【選択図】なし[Problem] To provide an aluminum alloy-based composite having high strength yet good processability, which could not be realized by conventional manufacturing techniques, and which is economically valuable because it can reduce manufacturing costs, and a manufacturing method for said composite. [Solution] To provide a high-strength metal-based composite and a manufacturing method for said composite, which are formed by impregnating and filling molten aluminum or aluminum alloy into a porous filled body or molded body (preform) made of a mixed powder obtained by adding one or more types of aluminum/aluminum alloy powder selected from the group consisting of aluminum powder and aluminum alloy powder having an average particle size of 10 μm to 300 μm to one or more types of fine powder selected from the group consisting of metal powder and ceramic powder having an average particle size of 0.3 μm to 8 μm, and the filling rate of the fine powder is 10 vol % to 50 vol %, and the bending strength is 500 MPa to 800 MPa, and a manufacturing method for said metal-based composite. [Selected Figure] None

Description

本発明は、強化材として機能する微細粉末の、セラミックス粉末及び/又は金属粉末と、マトリックス材としてのアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯とを複合化してなる金属基複合体に関する。詳しくは、上記微細粉末に加えて、該微細粉末よりも粒径の大きいアルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末(以下、「アルミニウム合金等の粉末」とも呼ぶ)を併用した混合粉末を用いたことで実現された、強度が高く且つ加工性に優れた高強度金属基複合体及びその製造方法を提供する技術に関する。 The present invention relates to a metal-based composite obtained by combining a ceramic powder and/or a metal powder as a fine powder that functions as a reinforcing material with a molten aluminum or aluminum alloy as a matrix material. More specifically, the present invention relates to a technology for providing a high-strength metal-based composite with high strength and excellent workability, which is realized by using a mixed powder that combines the fine powder with an aluminum powder or an aluminum alloy powder (hereinafter also referred to as "powder of aluminum alloy or the like") having a larger particle size than the fine powder, and a method for producing the same.

近年、アルミニウム又はアルミニウム合金にセラミックスを複合化させた材料(いわゆる、MMC)、カーボン繊維に樹脂を複合させたCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)、或いは、セラミックス成型体にCVD等でセラミックスを複合させたCMC(Ceramic Matrix Composites)、アルミニウムにその他の金属粉末を複合化させた複合材料などが開発され、実用化されている。これらの中でも、2種類の異なる無機材料の特性を兼ね備えた、アルミニウム又はアルミニウム合金(以下、代表してアルミニウム合金等と呼ぶ)をマトリックス材としたMMCは、材料を軽量化できることもあって、下記に挙げるように開発がすすめられており、実用化もされている。例えば、軽量、高強度、高剛性、高耐熱性などの所望の特性を具備した機械部品や電子基板として、半導体液晶製造装置やロボットアーム、ガスタービン材料、パワーデバイス等として広く産業界に使用されている。 In recent years, materials in which ceramics are composited with aluminum or aluminum alloys (so-called MMCs), CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) in which carbon fibers are composited with resin, CMCs (Ceramic Matrix Composites) in which ceramics are composited with ceramic molded bodies by CVD or the like, and composite materials in which aluminum is composited with other metal powders, etc. have been developed and put to practical use. Among these, MMCs that combine the properties of two different inorganic materials and use aluminum or aluminum alloys (hereinafter, collectively referred to as aluminum alloys, etc.) as a matrix material are being developed as described below, and have also been put to practical use, partly because they can reduce the weight of the material. For example, they are widely used in the industrial world as machine parts and electronic substrates that have desired properties such as light weight, high strength, high rigidity, and high heat resistance, as semiconductor liquid crystal manufacturing equipment, robot arms, gas turbine materials, power devices, etc.

特許文献1では、セラミックス粉末とそれに無機バインダーを加えて硬化させた中間成型体(プリフォーム)を製造し、粉末以外の気孔にアルミニウム合金等の溶湯を高圧プレス浸透させて複合化させる方法が提案されている。このアルミニウム高圧含浸法によれば、特有の中間成型体(プリフォーム)に、高圧で強制的にアルミニウム合金等の溶湯を含浸することで、セラミックス粉末が均一に分布したアルミニウム合金基複合材料(MMC)を簡便に作製することができる。上記した製造方法は、複合化させる材料に、セラミックス粉末からなる粉末充填体を用いるアルミニウム合金基複合材料(MMC)にも適用できる。 Patent Document 1 proposes a method of manufacturing an intermediate molded body (preform) by adding ceramic powder and an inorganic binder to it and hardening it, and then high-pressure press-infiltrating molten metal such as an aluminum alloy into the pores other than the powder to form a composite. According to this aluminum high-pressure impregnation method, aluminum alloy-based composite materials (MMCs) in which ceramic powder is uniformly distributed can be easily produced by forcibly impregnating a unique intermediate molded body (preform) with molten metal such as an aluminum alloy at high pressure. The above-mentioned manufacturing method can also be applied to aluminum alloy-based composite materials (MMCs) that use a powder filler made of ceramic powder as the material to be composited.

特許文献2では、セラミックス粉末にMg粉末を添加した特有の中間成型体(プリフォーム)を窒素の雰囲気中置き、これにアルミニウム合金を非加圧で浸透させて複合化させる方法が提案されている。この方法の原理は、Mgと窒素の雰囲気でセラミックスとAl合金等の濡れ性を向上させて、いわゆる毛管現象を促進してプリフォームの空隙内にアルミニウム合金等の溶湯を浸透させることにある。この製造方法によれば、セラミックス充填率を高くして空隙を少なくすることでセラミックスの充填率を高くすることができ、その結果、ヤング率、熱伝導率、熱膨張係数等の物性値が高い、セラミックスとアルミニウム合金等とのアルミニウム合金基複合材料(MMC)を製造することができる。また、この製造方法によれば、プリフォームを使用することで、プリフォームの形状のままアルミニウム合金等を浸透させることができ、製品形状に近いニアネットでMMC複合体を製造することができる。 Patent Document 2 proposes a method in which a unique intermediate molded body (preform) in which Mg powder is added to ceramic powder is placed in a nitrogen atmosphere, and aluminum alloy is infiltrated into it without pressure to form a composite. The principle of this method is to improve the wettability of ceramics and Al alloys in an Mg and nitrogen atmosphere, and promote the so-called capillary phenomenon to infiltrate molten aluminum alloys into the voids of the preform. According to this manufacturing method, the ceramic filling rate can be increased by increasing the ceramic filling rate and reducing the voids, and as a result, aluminum alloy-based composite materials (MMCs) of ceramics and aluminum alloys, etc., with high physical properties such as Young's modulus, thermal conductivity, and thermal expansion coefficient can be manufactured. In addition, according to this manufacturing method, by using a preform, aluminum alloys, etc. can be infiltrated while maintaining the shape of the preform, and an MMC composite can be manufactured with a near-net shape close to the product shape.

また、上記した製造方法以外の、下記の鋳造方法によってもアルミニウム合金基複合材料(MMC)を製造することができる。この方法では、炭化けい素又はアルミナ等のセラミックス粉末をアルミニウム合金等の溶湯に入れて高速撹拌を行って、セラミックス粉末を含有させたアルミニウム合金等の溶湯を作製するか、セラミックス粉末にMgを加えた混合粉末に窒素雰囲気中、非加圧でアルミニウム合金等を含浸した複合体を均一に混合溶解して鋳造用溶湯を作製し、鋳砂型金、金型、ロストワックス型等の、慣用の型に鋳造して、セラミックスとアルミニウム合金との複合体を製造する。 In addition to the above-mentioned manufacturing method, aluminum alloy-based composite materials (MMC) can also be manufactured by the following casting method. In this method, ceramic powder such as silicon carbide or alumina is added to a molten aluminum alloy or the like and stirred at high speed to produce a molten aluminum alloy or the like containing the ceramic powder, or a composite impregnated with aluminum alloy or the like in a mixed powder of ceramic powder and Mg is mixed and dissolved uniformly in a nitrogen atmosphere without pressure to produce a molten metal for casting, which is then cast into a conventional mold such as a casting sand mold, metal mold, or lost wax mold to produce a composite of ceramic and aluminum alloy.

さらに、下記のHIP(熱間等方圧加圧法:Hot Isostatic Pressing)法を利用した製造方法によっても、アルミニウム合金基複合材料(MMC)を製造することができる。具体的には、セラミックス粉末にアルミニウム合金等をメカニカルアロイングコーティイングした粉末の成型体を、焼成及びそれに続くHIPによる高圧等方プレスをしてセラミックス粉末とアルミニウム合金等との複合体を製造する、いわゆるSupuremex法が知られている。また、これに類似した方法として、セラミックス粉末を混合したアルミニウム合金等の溶湯を噴霧堆積して複合体堆積体を製造し、この堆積物は気孔を含んでいるので、HIP処理してポアを除去して複合体を製造する方法が知られている。 Furthermore, aluminum alloy-based composite materials (MMC) can also be manufactured by a manufacturing method that utilizes the HIP (Hot Isostatic Pressing) method described below. Specifically, the so-called Supermex method is known, in which a ceramic powder is mechanically alloyed coated with an aluminum alloy or the like to produce a powder molded body, which is then sintered and then subjected to high-pressure isostatic pressing by HIP to produce a composite of the ceramic powder and the aluminum alloy or the like. A similar method is known in which a composite deposit is produced by spraying and depositing a molten metal such as an aluminum alloy mixed with ceramic powder, and since this deposit contains pores, the pores are removed by HIP treatment to produce a composite.

特許第6837685号公報Patent No. 6837685 特許第6984926号公報Patent No. 6984926

しかしながら、本発明者らは、上記した従来のアルミニウム合金基複合材料(MMC)の製造方法では、下記に挙げるような課題があり、より機能性に優れたアルミニウム合金基複合材料に改善する余地があるとの認識をもった。 However, the inventors recognized that the above-mentioned conventional manufacturing methods for aluminum alloy-based composite materials (MMCs) have the problems listed below, and that there is room for improvement to create aluminum alloy-based composite materials with superior functionality.

先に説明したアルミニウム合金等の溶湯を高圧で含浸させる高圧含浸法では、粉末充填体又はプリフォームの粉末自体の体積%は、粉末の性状によって決まり、その体積率は、50体積%超のものしか製造できなかった。高圧含浸法では、粉末充填体又はプリフォームの隙間気孔にアルミニウム合金等の溶湯を含浸させるので、金属粉末、セラミックス粉末の体積を少なくし、アルミニウム合金等を多くすることは難しい。このため、高圧含浸法で、加工性がよく、しかもアルミニウム合金等の含浸量が多い複合体を製造することは困難であった。すなわち、アルミニウム合金等の溶湯を高圧で含浸させる方法では、セラミックス粉末、金属粉末の体積率が50%以下で、しかも加工性のよい複合体を製造することができなかった。また、通常、複合化させる強化材等として、約10μm以上の金属粉末やセラミックス粉末を使用するので、加工工具への負荷が大きくなり、上記した高圧含浸法で得られたアルミニウム合金基複合材料(MMC)は、加工性に劣るものになるという課題があった。 In the high-pressure impregnation method described above, in which molten metal such as an aluminum alloy is impregnated at high pressure, the volume percentage of the powder itself in the powder packing or preform is determined by the properties of the powder, and only those with a volume ratio of more than 50 volume% could be produced. In the high-pressure impregnation method, since the molten metal such as an aluminum alloy is impregnated into the gap pores of the powder packing or preform, it is difficult to reduce the volume of metal powder or ceramic powder and increase the volume of aluminum alloy. For this reason, it was difficult to produce a composite with good processability and a large amount of impregnation of aluminum alloy, etc. by the high-pressure impregnation method. In other words, the method of impregnating molten metal such as an aluminum alloy at high pressure could not produce a composite with a volume ratio of ceramic powder or metal powder of 50% or less and good processability. In addition, since metal powder or ceramic powder of about 10 μm or more is usually used as a reinforcing material to be compounded, the load on the processing tool is large, and there was a problem that the aluminum alloy matrix composite material (MMC) obtained by the above-mentioned high-pressure impregnation method has poor processability.

また、先に説明したアルミニウム合金等の溶湯を、非加圧でプリフォームの空隙に浸透させて複合化させる方法の場合も、粉末を成形してプリフォームの空隙にアルミニウム合金等の溶湯を含浸させるが、空隙が50体積%超のプリフォーム、すなわち、粉末の充填率が50体積%以下であるアルミニウム合金基複合材料を製造することはできなかった。 In the previously described method of infiltrating molten aluminum alloy or the like into the voids of a preform without applying pressure to form a composite, powder is molded and the voids in the preform are impregnated with molten aluminum alloy or the like, but it was not possible to produce a preform with voids exceeding 50% by volume, i.e., an aluminum alloy-based composite material with a powder filling rate of 50% by volume or less.

また、先に説明した鋳造方法においても下記の課題がある。まず、鋳造方法では、アルミニウム合金等の中のセラミックス粉末の含有量が高くなると溶湯の流れ性が悪くなるので、一般的に、セラミックスの含有体積量の上限は、30体積%程度であるとされている。一方、鋳造法に使用されているSiC粉末等のセラミックス粉末の粒径は、鋳造性を維持するため15μm以上と大きいことを要する。このため、SiC体積%が30%以下と低いにも係わらず加工性が低く、得られるアルミニウム合金基複合材料は、ダイヤモンド工具でしか加工できず、加工性に劣るものになる。また、別の問題として、溶湯が、鋳造時に空気を巻き込み易いので、欠陥のない複合材料が得られにくいとされている。 The casting method described above also has the following problems. First, in casting methods, the flowability of the molten metal deteriorates as the content of ceramic powder in the aluminum alloy increases, so the upper limit of the ceramic content is generally considered to be about 30% by volume. On the other hand, the particle size of ceramic powder such as SiC powder used in casting methods must be large, at 15 μm or more, to maintain castability. For this reason, even though the SiC volume percentage is as low as 30% or less, the workability is low, and the resulting aluminum alloy-based composite material can only be processed with diamond tools, resulting in a material with poor workability. Another problem is that the molten metal is prone to entraining air during casting, making it difficult to obtain a composite material without defects.

また、先に説明したHIP法を利用した製造方法では、主成分の金属原料として金属粉末を使用しているので製造工程で金属粉末の表面が酸化され易く、複合体の強度がでにくい上に、複雑な工程のHIP処理が必要であるのでコストが高いという実用上の大きな課題がある。 In addition, the manufacturing method using the HIP method described above uses metal powder as the main metallic raw material, so the surface of the metal powder is easily oxidized during the manufacturing process, making it difficult to obtain the strength of the composite, and the complex HIP process is required, which poses major practical issues in that it is expensive.

従って、本発明の目的は、従来の製造技術では実現できていなかった、高強度でありながら良好な加工性を有し、さらに製造コストの抑制が可能である、工業上の利用性の面でも有用な実用価値の高いアルミニウム合金基複合体及び該複合体の製造方法についての新たな技術を提供することである。 The object of the present invention is therefore to provide an aluminum alloy-based composite that has high strength yet good workability, and that can reduce manufacturing costs, and is of great practical value in terms of industrial applicability, something that could not be achieved with conventional manufacturing techniques, and a new technology for the manufacturing method of said composite.

上記の目的は、下記の本発明によって達成される。すなわち、本発明は、下記の高強度金属基複合体を提供する。本発明における「平均粒径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径(メジアン径)である。
[1]平均粒径が0.3μm以上、8μm以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる1種以上の微細粉末に、平均粒径が10μm以上、300μm以下である、アルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる1種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末からなる多孔質の充填体又は成型体(プリフォーム)に、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸・充填されてなる複合体であり、該複合体は、前記微細粉末の充填率が10体積%以上、50体積%以下で、且つ、その曲げ強度が500MPa以上、800MPa以下であることを特徴とする高強度金属基複合体。
The above object can be achieved by the present invention, which provides a high-strength metal matrix composite as follows: In the present invention, the "average particle size" refers to the particle size (median size) at an integrated value of 50% in a particle size distribution determined by a laser diffraction/scattering method.
[1] A composite obtained by impregnating and filling molten aluminum or an aluminum alloy into a porous filled body or molded body (preform) made of a mixed powder obtained by adding one or more types of aluminum/aluminum alloy powder selected from the group consisting of aluminum powder and aluminum alloy powder having an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less to one or more types of fine powder selected from the group consisting of metal powder and ceramic powder having an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less, and the composite has a filling rate of the fine powder of 10 vol.% or more and 50 vol.% or less, and a bending strength of 500 MPa or more and 800 MPa or less.

上記高強度金属基複合体の好ましい形態としては、下記が挙げられる。
[2]前記混合粉末の微細粉末を構成する、前記金属粉末が、シリコン粉末、鉄粉末、ステンレス粉末、銅粉末及びチタン粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、前記セラミックス粉末が、アルミナ粉末、シリカ粉末、ホウ酸アルミニウム粉末、炭化けい素粉末、窒化けい素粉末及び窒化アルミニウム粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、さらに、前記混合粉末を構成する、前記微細粉末と前記アルミニウム・アルミニウム合金粉末との配合割合が、10:90~90:10である上記[1]に記載の高強度金属基複合体。
[3]さらに、前記混合粉末は、シリカ系バインダー及びアルミナ系の有機無機バインダーからなる群から選ばれる1種以上のバインダーが質量基準で、0.5%以上、10%以下の範囲内で外添加されてなる上記[1]又は[2]に記載の高強度金属基複合体。
Preferred embodiments of the high-strength metal-based composite are as follows.
[2] The high-strength metal matrix composite according to the above [1], wherein the metal powder constituting the fine powder of the mixed powder is any one selected from the group consisting of silicon powder, iron powder, stainless steel powder, copper powder, and titanium powder, the ceramic powder is any one selected from the group consisting of alumina powder, silica powder, aluminum borate powder, silicon carbide powder, silicon nitride powder, and aluminum nitride powder, and further, the blending ratio of the fine powder to the aluminum/aluminum alloy powder constituting the mixed powder is 10:90 to 90:10.
[3] The high-strength metal matrix composite according to the above [1] or [2], wherein the mixed powder further comprises one or more binders selected from the group consisting of silica-based binders and alumina-based organic/inorganic binders, the binder being added externally in an amount of 0.5% or more and 10% or less by mass.

本発明は、別の実施形態として、下記の高強度金属基複合体の製造方法を提供する。
[4]平均粒径が0.3μm以上、8μm以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる1種以上の微細粉末に、平均粒径が10μm以上、300μm以下である、アルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる1種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末を用いて、多孔質の充填体又は成型体(プリフォーム)を得、得られた充填体又は成型体(プリフォーム)に、
アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を、圧力20MPa以上、200MPa以下の高圧で含浸・充填して複合化させて、
前記微細粉末の充填率が10体積%以上、50体積%以下であり、且つ、その曲げ強度が500MPa以上、800MPa以下である金属基複合体を得ることを特徴とする高強度金属基複合体の製造方法。
As another embodiment, the present invention provides the following method for producing a high-strength metal matrix composite.
[4] A porous packed body or molded body (preform) is obtained using a mixed powder obtained by adding one or more aluminum/aluminum alloy powders selected from the group consisting of aluminum powders and aluminum alloy powders having an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less to one or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders having an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less, and then subjecting the resulting packed body or molded body (preform) to
Molten aluminum or aluminum alloy is impregnated and filled at a high pressure of 20 MPa or more and 200 MPa or less to form a composite.
A method for producing a high-strength metal matrix composite, comprising the steps of: obtaining a metal matrix composite having a filling rate of the fine powder of 10 volume % or more and 50 volume % or less, and a bending strength of 500 MPa or more and 800 MPa or less.

[5]平均粒径が0.3μm以上、8μm以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる1種以上の微細粉末に、平均粒径が10μm以上、300μm以下である、アルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる1種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末に、さらに、該混合粉末100質量部に、マグネシウム粉末を0.5質量部以上、10質量部以下の範囲で添加したMg粉末含有の混合粉末を用いて、多孔質の充填体又は成型体(プリフォーム)を得、得られた充填体又は成型体(プリフォーム)に、
非加圧で、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を含浸・充填して複合化させて、
前記微細粉末の充填率が10体積%以上、50体積%以下であり、且つ、その曲げ強度が500MPa以上、800MPa以下である金属基複合体を得ることを特徴とする高強度金属基複合体の製造方法。
[5] A mixed powder is obtained by adding one or more aluminum/aluminum alloy powders selected from the group consisting of aluminum powders and aluminum alloy powders having an average particle size of 10 μm to 300 μm to one or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders having an average particle size of 0.3 μm to 8 μm, and further adding magnesium powder in a range of 0.5 parts by mass to 10 parts by mass to 100 parts by mass of the mixed powder to obtain a porous filled body or molded body (preform), and then subjecting the obtained filled body or molded body (preform) to
The material is impregnated and filled with molten aluminum or aluminum alloy without pressure to form a composite.
A method for producing a high-strength metal matrix composite, comprising the steps of: obtaining a metal matrix composite having a filling rate of the fine powder of 10 volume % or more and 50 volume % or less, and a bending strength of 500 MPa or more and 800 MPa or less.

上記[4]又は[5]の高強度金属基複合体の製造方法の好ましい形態としては、下記が挙げられる。
[6]前記混合粉末の微細粉末を構成する、前記金属粉末が、シリコン粉末、鉄粉末、ステンレス粉末、銅粉末及びチタン粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、前記セラミックス粉末が、アルミナ粉末、シリカ粉末、ホウ酸アルミニウム粉末、炭化けい素粉末、窒化けい素粉末及び窒化アルミニウム粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、さらに、前記混合粉末を構成する、前記微細粉末と前記アルミニウム・アルミニウム合金粉末との配合割合が、10:90~90:10である上記[4]又は[5]に記載の高強度金属基複合体の製造方法。
[7]前記混合粉末として、さらに、シリカ系バインダー及びアルミナ系の有機無機バインダーからなる群から選ばれる1種以上のバインダーを質量基準で、0.5%以上、10%以下の範囲内で外添加して用いる上記[4]~[6]のいずれかに記載の高強度金属基複合体の製造方法。
A preferred embodiment of the method for producing a high-strength metal matrix composite according to the above item [4] or [5] is as follows.
[6] The method for producing a high-strength metal matrix composite according to the above [4] or [5], wherein the metal powder constituting the fine powder of the mixed powder is any one selected from the group consisting of silicon powder, iron powder, stainless steel powder, copper powder and titanium powder, the ceramic powder is any one selected from the group consisting of alumina powder, silica powder, aluminum borate powder, silicon carbide powder, silicon nitride powder and aluminum nitride powder, and further, the blending ratio of the fine powder and the aluminum/aluminum alloy powder constituting the mixed powder is 10:90 to 90:10.
[7] The method for producing a high-strength metal matrix composite according to any one of the above [4] to [6], wherein the mixed powder further contains one or more binders selected from the group consisting of silica-based binders and alumina-based organic/inorganic binders, the binders being added externally in an amount of 0.5% or more and 10% or less by mass.

上記本発明によれば、金属粉末及び/又はセラミックス粉末からなる強化材の体積%が50体積%以下であり、その曲げ強度が500MPa以上と高強度で、しかも良好な加工性を示す、従来の製造技術では実現できていなかった実用価値の高い金属基複合体製品の提供が可能になる。さらには、上記した優れた特性の金属基複合体を簡便な方法で製造することができる、製造コストが抑制された実用性の面からも極めて有用な金属基複合体の製造方法が提供される。 According to the present invention, it is possible to provide a metal matrix composite product with high practical value that could not be realized by conventional manufacturing techniques, in which the volume percentage of the reinforcing material made of metal powder and/or ceramic powder is 50 volume % or less, the bending strength is high at 500 MPa or more, and the product also exhibits good processability. Furthermore, a method for manufacturing a metal matrix composite that can produce the above-mentioned metal matrix composite with excellent properties in a simple manner and is extremely useful in terms of practicality with reduced manufacturing costs is provided.

本発明の高強度金属基複合体を非加圧で製造する方法を説明するための模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for illustrating a method for producing a high-strength metal matrix composite according to the present invention without applying pressure.

以下、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。 The following describes preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these embodiments.

先に述べたように、これまで金属粉末及び/又はセラミックス粉末からなる強化材と、アルミニウム合金等のマトリックス材との複合体の製造方法としては、上記強化材の充填体或いは成型体(プリフォーム)に、高圧含浸又は非加圧浸透で、溶融したアルミニウム合金等の溶湯を含浸する方法が採用されている。しかしながら、本発明者らの検討によれば、上記した製造方法では、例えば、金属粉末やセラミックス粉末の充填率が50体積%以下のプリフォームを作製する場合に粒子の充填率が低いため、形状を保持することが難しく、高圧含浸法又は非加圧浸透法に耐え得るプリフォームを作製することは困難であった。すなわち、従来技術では、空隙が50体積%以上の多孔質のプリフォームを造ることが困難であるため、高圧含浸又は非加圧浸透でアルミニウム合金等のマトリックス材が50体積%超の金属基複合体は製造できていなかった。上記では、成型体(プリフォーム)を例に挙げて説明したが、成型体(プリフォーム)のようにプレスによる積極的な成形をすることなく、原料粉末を金属箱等に詰めて振動成形等した充填体も一般的に体積率が50%以上になるので、成型体(プリフォーム)を用いた複合体の場合と同様に複合体の加工性が悪くなるといった課題がある。以下、金属粉末やセラミック粉末の充填体或いは成型体(プリフォーム)のことを「プリフォーム等」とも呼ぶ。 As mentioned above, in the past, a method for manufacturing a composite of a reinforcing material made of a metal powder and/or ceramic powder and a matrix material such as an aluminum alloy has been adopted in which a molten aluminum alloy or the like is impregnated into a packed body or molded body (preform) of the reinforcing material by high-pressure impregnation or non-pressure infiltration. However, according to the study by the present inventors, in the above-mentioned manufacturing method, for example, when manufacturing a preform with a filling rate of metal powder or ceramic powder of 50 volume % or less, it is difficult to maintain the shape because the particle filling rate is low, and it is difficult to manufacture a preform that can withstand the high-pressure impregnation method or the non-pressure infiltration method. In other words, in the conventional technology, it is difficult to manufacture a porous preform with voids of 50 volume % or more, so that a metal-based composite with a matrix material such as an aluminum alloy of more than 50 volume % could not be manufactured by high-pressure impregnation or non-pressure infiltration. In the above, a molded body (preform) has been used as an example, but unlike molded bodies (preforms), filled bodies made by packing raw material powder into a metal box or the like and vibrating and molding them, generally have a volume ratio of 50% or more, and so have the same problem of poor workability as composites made with molded bodies (preforms). Hereinafter, filled bodies or molded bodies (preforms) made of metal powder or ceramic powder will also be referred to as "preforms, etc.".

上記した従来技術における、金属粉末やセラミックス粉末からなる充填率が50体積%以下のプリフォーム等を作製することの困難性に対し、本発明者らは鋭意検討した結果、下記のように構成することで課題を解決できることを見出した。具体的には、金属基複合体を構成する、アルミニウム合金等の溶湯を含浸・充填させる金属粉末やセラミック粉末からなるプリフォーム等の構成を下記のようにすることで、上記課題を解決することができる。まず、上記の目的に対し、プリフォーム等の形成に用いる金属粉末やセラミック粉末に、平均粒径が0.3μm以上、8μm以下である微細な材料を用いることが有効である。そして、上記した微細な金属粉末及び/又はセラミックス粉末に、平均粒径が10μm以上、300μm以下の、アルミニウム合金等の粉末を加えた混合粉末を用い、該混合粉末からなるプリフォーム等を作製することで、上記した課題を解決できることを見出した。先述したように、本発明で規定する「平均粒径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径、いわゆる50%メジアン径である。 The present inventors have conducted intensive research into the difficulty of producing preforms and the like made of metal powders or ceramic powders with a filling rate of 50 volume % or less in the above-mentioned conventional technology, and have found that the problem can be solved by configuring as follows. Specifically, the above problem can be solved by configuring a preform and the like made of metal powders or ceramic powders that are impregnated and filled with molten metal such as an aluminum alloy, which constitutes a metal-based composite, as follows. First, for the above purpose, it is effective to use fine materials with an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less for the metal powders or ceramic powders used to form the preforms and the like. Then, it has been found that the above problem can be solved by using a mixed powder in which the above-mentioned fine metal powders and/or ceramic powders are added with powders of aluminum alloys or the like with an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less, and producing a preform and the like made of the mixed powder. As mentioned above, the "average particle size" defined in the present invention is the particle size at 50% of the cumulative value in the particle size distribution obtained by the laser diffraction/scattering method, that is, the so-called 50% median diameter.

具体的には、上記した微細な金属粉末及び/又はセラミックス粉末(以下、「金属粉末等の微細粉末」とも呼ぶ)に、これらの粉末よりも粒径サイズが大きいアルミニウム合金等の粉末をさらに加えた特有の混合材料でプリフォーム等を作製し、得られたプリフォーム等にアルミニウム合金等の溶湯を含浸させることで、金属基複合体を構成するアルミニウム合金等の量が50体積%超となることが実現できることを見出して本発明に至った。すなわち、本発明の金属基複合体を構成するアルミニウム合金等の量は、プリフォーム等の形成材料に予め添加したアルミニウム合金等の粉末に起因する量と、溶融して含浸させたアルミニウム合金等の溶湯の量の総和になる。上記のように構成することで、本発明の金属基複合体は、金属基複合体を構成するアルミニウム合金等が50体積%超となる従来にない新しい構成のものになる。 Specifically, the present invention was arrived at by discovering that the amount of aluminum alloy, etc. constituting the metal-based composite can be more than 50% by volume by producing a preform or the like from a unique mixed material in which the above-mentioned fine metal powder and/or ceramic powder (hereinafter also referred to as "fine powder of metal powder, etc.") is further added with powder of aluminum alloy, etc. having a particle size larger than these powders, and impregnating the obtained preform or the like with molten aluminum alloy, etc. In other words, the amount of aluminum alloy, etc. constituting the metal-based composite of the present invention is the sum of the amount attributable to the powder of aluminum alloy, etc. added in advance to the forming material of the preform, etc., and the amount of molten aluminum alloy, etc. melted and impregnated. By configuring as described above, the metal-based composite of the present invention has a new configuration that has not been seen in the past, in which the aluminum alloy, etc. constituting the metal-based composite is more than 50% by volume.

上記した本発明の高強度金属基複合体は、「アルミニウム合金等の粉末」を加えた混合粉末からなる多孔質のプリフォーム等に、「溶融したアルミニウム合金等」を含浸・充填させてなる複合体であることから、上記「アルミニウム合金等の粉末」の一部又は全部が融解して形態が変化する場合があり得る。このため、本発明の高強度金属基複合体は、物の発明として構造又は特性によって直接特定できていない部分が存在するとえいえる。しかしながら、この点については、本発明の高強度金属基複合体を構成する多孔質のプリフォーム等の複雑な多孔に、アルミニウム合金等の溶湯が含浸・充填することで生じる、多孔質のプリフォーム等を形成している金属粉末の個々における溶解の程度や、溶解の状態は、当然のことながら様々であり、このような多孔質のプリフォーム等を形成している金属粉末に生じる個々に異なる微視的な溶解状態を、物の構造又は特性によって直接特定することは不可能であるか、又はおよそ実際的でないという事情がある。このような事情が存在することが明らかであることから、物の発明である本発明の高強度金属基複合体では、「アルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末からなる多孔質の充填体又は成型体(プリフォーム)に、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸・充填されてなる複合体」とする、複合体の製造方法で物を特定した。 The high-strength metal-based composite of the present invention is a composite formed by impregnating and filling a porous preform or the like made of a mixed powder to which "powder of aluminum alloy, etc." is added with "molten aluminum alloy, etc.", so that the form may change due to a melting of a part or all of the "powder of aluminum alloy, etc.". For this reason, it can be said that the high-strength metal-based composite of the present invention has a part that cannot be directly specified by its structure or characteristics as an invention of a product. However, in this regard, the degree of melting and the state of melting of each of the metal powders forming the porous preform, etc., which are caused by the impregnation and filling of the complex pores of the porous preform, etc., which constitutes the high-strength metal-based composite of the present invention with molten aluminum alloy, etc., naturally vary, and it is impossible or almost impractical to directly specify the microscopic melting states that differ individually in the metal powders forming such porous preforms, etc., by the structure or characteristics of the product. Because it is clear that such circumstances exist, the high-strength metal-based composite of the present invention, which is an invention of a product, is specified as a manufacturing method for a composite, which is "a composite in which molten aluminum or an aluminum alloy is impregnated and filled into a porous filled body or molded body (preform) made of a mixed powder to which aluminum and aluminum alloy powders have been added."

本発明の金属基複合体の製造方法では、上記したように、従来の金属粉末或いはセラミックス粉末のみからなるプリフォーム等の作製方法とは異なり、原材料に、微細な金属粉末或いはセラミックス粉末よりも大きいサイズのアルミニウム合金等の粉末を加えて多孔質のプリフォーム等を作製し、さらに、プリフォーム等の空隙にアルミニウム合金等の溶湯を含浸することで、アルミニウム合金等の体積%を50%超とすることを実現し、この結果、加工性に優れ且つ高強度な金属基複合材を造ることを可能にしている。 As described above, the manufacturing method of the metal matrix composite of the present invention differs from the conventional method of manufacturing preforms and the like made only of metal powder or ceramic powder by adding powder of an aluminum alloy or the like larger than fine metal powder or ceramic powder to the raw material to manufacture a porous preform and the like, and further by impregnating the voids in the preform with molten aluminum alloy or the like, the volume percentage of the aluminum alloy or the like can be made to exceed 50%, making it possible to manufacture a metal matrix composite material with excellent workability and high strength.

具体的には、上記した配合からなる本発明の金属基複合体は、その曲げ強度が500MPa以上、例えば、550MPa以上、さらには700MPa以上の強度の高い金属基複合体となる。さらに驚くべきことに、本発明の金属基複合体は、上記した高い曲げ強度を有するにもかかわらず、加工性が良好であり、従来の複合体では実現できていなかった超硬工具での加工が可能であることを確認した。上記曲げ強度は、JIS R1601に準じて測定した値である。具体的には、JIS R1601に準拠して、規定する寸法の試験片を作製し、3点曲げ試験とすることで測定した値である。また、25℃(室温)で測定した値である。 Specifically, the metal matrix composite of the present invention having the above-mentioned composition has a bending strength of 500 MPa or more, for example, 550 MPa or more, or even 700 MPa or more, resulting in a high-strength metal matrix composite. Even more surprisingly, it has been confirmed that the metal matrix composite of the present invention has good processability despite the high bending strength described above, and can be processed with carbide tools, which was not possible with conventional composites. The bending strength is a value measured in accordance with JIS R1601. Specifically, the value is measured by preparing a test piece of the specified dimensions in accordance with JIS R1601 and performing a three-point bending test. The value is also measured at 25°C (room temperature).

本発明の金属基複合体の製造方法によれば、プリフォーム等の形成材料として、金属粉末等の微細粉末と、併用するアルミニウム合金等粉末の比率を自由に変えることができるので、最終的な金属基複合材における、金属粉末等の微細粉末とアルミニウム合金等の比率も自由に設計することができる。さらに、本発明の製造方法では、プリフォーム等の形成材料に用いる金属粉末等の微細粉末の、材質や、本発明で規定する範囲内で決定される粒径を自由に設計可能であるので、所望の特性の金属基複合を得ることができる。例えば、本発明者らの検討によれば、金属粉末等の微細粉末の平均粒径が小さい程、最終的な金属基複合材の強度が大きくなる。以下に、本発明の金属基複合体及び金属基複合体の製造方法の詳細について説明する。最初に本発明の金属基複合体の製造方法について説明する。 According to the method for producing a metal matrix composite of the present invention, the ratio of fine powder such as metal powder and powder such as aluminum alloy used in combination as a forming material for a preform can be freely changed, so that the ratio of fine powder such as metal powder and aluminum alloy in the final metal matrix composite can be freely designed. Furthermore, in the manufacturing method of the present invention, the material of the fine powder such as metal powder used as a forming material for a preform and the like and the particle size determined within the range specified in the present invention can be freely designed, so that a metal matrix composite with desired characteristics can be obtained. For example, according to the study by the inventors, the smaller the average particle size of the fine powder such as metal powder, the greater the strength of the final metal matrix composite. The details of the metal matrix composite and the manufacturing method of the metal matrix composite of the present invention will be described below. First, the manufacturing method of the metal matrix composite of the present invention will be described.

[本発明の金属基複合体の製造方法]
先に説明したように、本発明の製造方法は、プリフォーム等の形成材料に、アルミニウム合金等の粉末を予め添加することで、最終的に得られる金属基複合体のアルミニウム合金等の体積%を50%超にすることを可能にした全く新しい製造方法である。すなわち、本発明では、原料に使用する金属粉末等の微細粉末の平均粒径によって最終的に得られる金属基複合体の物性値に及ぼす効果的な影響を、従来の、金属粉末又はセラミックス粉末のみからなるプリフォーム等を用いて金属基複合体を製造する方法とは異なり、下記の手順で金属基複合体を得ることで実現可能にした。
[Method of producing the metal matrix composite of the present invention]
As explained above, the manufacturing method of the present invention is a completely new manufacturing method that makes it possible to increase the volume percentage of the aluminum alloy or the like in the finally obtained metal matrix composite to more than 50% by adding a powder of an aluminum alloy or the like in advance to a forming material of a preform, etc. That is, in the present invention, the effective influence on the physical property values of the finally obtained metal matrix composite due to the average particle size of fine powder such as metal powder used as a raw material can be realized by obtaining a metal matrix composite by the following procedure, unlike the conventional method of manufacturing a metal matrix composite using a preform or the like made only of a metal powder or ceramic powder.

(1)微細な金属粉末或いはセラミックス粉末
本発明の金属基複合体の製造方法では、多孔質の充填体又は成型体(プリフォーム)の形成材料として、平均粒径が0.3μm以上、8μm以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる1種以上の微細粉末を使用する。金属粉末は特に限定されないが、例えば、シリコン粉末、鉄粉末、ステンレス粉末、銅粉末及びチタン粉末等からなる群から選ばれる少なくともいずれかなどが挙げられる。また、セラミックス粉末としては、例えば、アルミナ粉末、シリカ粉末、ホウ酸アルミニウム粉末、炭化けい素粉末、窒化けい素及び窒化アルミニウム粉末等からなる群から選ばれるいずれかなどが挙げられる。そして、上記いずれの材料を用いた場合も、本発明では、金属粉末或いはセラミックス粉末として、本発明で規定する平均粒径の範囲内の微細なものを用いることを要する。具体的には、平均粒径が、0.3μm以上、8μm以下の範囲内のものを用いる。金属粉末或いはセラミックス粉末の粒子径を8μm以下にする理由は、それよりも大きい材料を用いると、アルミニウム合金等の溶湯を含浸後、金属粉末或いはセラミックス粉末とのアルミニウム合金等の界面が大きくなり過ぎて、最終製品である金属基複合体の強度が落ちるからである。一方、0.3μm以上とするのは、これよりも小さくしても得られる金属基複合体の強度があまり変わらないのと、粉末が微細過ぎると凝集しやすく、混合粉末から形成されてなるプリフォーム等中への強化材の均一分散が損なわれる恐れがあるからである。
(1) Fine metal powder or ceramic powder In the manufacturing method of the metal matrix composite of the present invention, one or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders having an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less are used as a material for forming a porous filler or a molded body (preform). The metal powder is not particularly limited, and examples thereof include at least one selected from the group consisting of silicon powder, iron powder, stainless steel powder, copper powder, titanium powder, etc. In addition, examples of the ceramic powder include any one selected from the group consisting of alumina powder, silica powder, aluminum borate powder, silicon carbide powder, silicon nitride, aluminum nitride powder, etc. In addition, in the case of using any of the above materials, in the present invention, it is necessary to use a fine metal powder or ceramic powder within the range of the average particle size specified in the present invention. Specifically, a powder having an average particle size in the range of 0.3 μm or more and 8 μm or less is used. The reason for making the particle size of the metal powder or ceramic powder 8 μm or less is that if a larger material is used, the interface between the metal powder or ceramic powder and the aluminum alloy, etc., becomes too large after impregnation with molten aluminum alloy, etc., resulting in a decrease in the strength of the final product, the metal matrix composite. On the other hand, the reason for making the particle size 0.3 μm or more is that the strength of the obtained metal matrix composite does not change much even if the particle size is made smaller than this, and if the powder is too fine, it is likely to aggregate, which may impair the uniform dispersion of the reinforcing material in the preform, etc., formed from the mixed powder.

(2)アルミニウム粉末・アルミニウム合金粉末
本発明の金属基複合体の製造方法では、多孔質の充填体又は成型体(プリフォーム)の形成に、上記した金属粉末等の微細粉末に、平均粒径が10μm以上300μm以下のアルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を加えた混合粉末を用いることを特徴とする。本発明者らの検討によれば、このように構成することで、本発明の金属基複合体では、強化材として機能する金属粉末等の微細粉末の体積率を所望するものにコントロールすることができる。すなわち、多孔質のプリフォーム等の形成材料にアルミニウム合金等の粉末を加えることにより、次の工程で、多孔質のプリフォーム等の空隙に含浸させた溶融したアルミニウム合金等の溶湯と合わせて、最終製品である金属基複合体のアルミニウム合金等の全体量をコントロールすることができる。このように、本発明によれば、最終製品である金属基複合体を構成する、金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる1種以上の微細粉末と、アルミニウム合金等の比率を変えて所望の物性値にすることができる。
(2) Aluminum powder/aluminum alloy powder The method for producing a metal matrix composite of the present invention is characterized in that a mixed powder in which an aluminum powder or an aluminum alloy powder having an average particle size of 10 μm to 300 μm is added to a fine powder such as the metal powder described above is used to form a porous filled body or a molded body (preform). According to the study by the present inventors, by configuring in this way, in the metal matrix composite of the present invention, the volume ratio of the fine powder such as a metal powder functioning as a reinforcing material can be controlled to a desired value. That is, by adding a powder such as an aluminum alloy to the forming material of a porous preform, etc., in the next step, the total amount of the aluminum alloy, etc. of the metal matrix composite, which is the final product, can be controlled by combining it with the molten aluminum alloy, etc., impregnated into the voids of the porous preform, etc. In this way, according to the present invention, the ratio of one or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders constituting the metal matrix composite, which is the final product, to the aluminum alloy, etc. can be changed to obtain desired physical property values.

本発明の金属基複合体を構成する、本発明を特徴づける多孔質のプリフォーム等の形成に用いるアルミニウム合金等の粉末には、平均粒径が10μm以上、300μm以下の粉末を使用する。10μm未満では凝集しやすくなり、併用する金属粉末等の微細粉末との均一の混合できにくくなる。一方、300μm超ではアルミニウム合金等の粉末が大き過ぎて、混合粉末に併用する金属粉末等の微細粉末との均一性が損なわれ、プリフォーム等の強度が低下する恐れがある。下記に説明するように、多孔質のプリフォーム等を形成する混合粉末に上記した特有の粒径のアルミニウム合金等の粉末を添加することで、最終製品である金属基複合体を構成する、強化材として機能する金属粉末及び/又はセラミックス粉末の体積率をコントロールすることができる。 The powder of aluminum alloy or the like used to form the porous preform or the like that characterizes the present invention and constitutes the metal-based composite of the present invention has an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less. If it is less than 10 μm, it is likely to aggregate and it is difficult to mix uniformly with the fine powder of metal powder or the like used in combination. On the other hand, if it exceeds 300 μm, the powder of aluminum alloy or the like is too large, and the uniformity with the fine powder of metal powder or the like used in combination with the mixed powder is lost, and the strength of the preform or the like may decrease. As described below, by adding the powder of aluminum alloy or the like having the specific particle size described above to the mixed powder that forms the porous preform or the like, it is possible to control the volume ratio of the metal powder and/or ceramic powder that functions as a reinforcing material that constitutes the final product, the metal-based composite.

例えば、本発明で使用する、セラミックス粉末及び/又は金属粉末と、アルミニウム合金等の粉末の混合粉末から作製した成型体(プリフォーム)の粉末体積%は、使用する粉末の粒度、混合比率で異なるものの、全体で50~60体積%、空隙が40~60体積%となるのが一般的である。従って、多孔質のプリフォーム等の空隙に含浸させるアルミニウム合金等の溶湯と、本発明を特徴づける、成型体等に添加したアルミニウム合金等の粉末で、金属粉末等の体積%をコントロールすることができることになる。すなわち、アルミニウム合金等の粉末の添加量が多くなれば、最終製品である金属基複合体に占める金属粉末等の微細粉末の体積%を低減させることができる。この結果、本発明によれば、金属粉末及び/又はセラミックス粉末だけではできなかった体積率50%以下の良好な金属基複合体の製品の製造が可能になる。本発明を特徴づけるアルミニウム合金等の粉末は、最終的に所望する金属粉末及び/又はセラミックス粉末の体積率にするために、添加量を変えて用いればよい。その添加量は特に限定されない。概略ではあるが、使用する金属粉末及び/又はセラミックス粉末と、添加するアルミニウム合金等の粉末の全体積%が50~70%であるので、必要に応じてアルミニウム合金等の粉末の添加割合を変えて、多孔質の空隙に含浸させる溶融したアルミニウム合金等の溶湯の含浸量を加味して、全体のアルミニウム合金等の量をコントロールすることができる。 For example, the powder volume percentage of a molded body (preform) made from a mixture of ceramic powder and/or metal powder and aluminum alloy powder, etc., used in the present invention, varies depending on the particle size and mixing ratio of the powder used, but is generally 50 to 60 volume percent overall, with voids at 40 to 60 volume percent. Therefore, the volume percentage of metal powder, etc. can be controlled by the molten aluminum alloy, etc., impregnated into the voids of a porous preform, etc., and the aluminum alloy powder, etc., added to the molded body, etc., which characterizes the present invention. In other words, if the amount of aluminum alloy powder, etc. added increases, the volume percentage of fine powder, such as metal powder, in the final product, the metal matrix composite, can be reduced. As a result, according to the present invention, it is possible to manufacture a good metal matrix composite product with a volume percentage of 50% or less, which was not possible with metal powder and/or ceramic powder alone. The aluminum alloy powder, etc., which characterizes the present invention, can be used in different amounts to achieve the final desired volume percentage of metal powder and/or ceramic powder. The amount of addition is not particularly limited. Roughly speaking, the total volume percentage of the metal powder and/or ceramic powder used and the aluminum alloy powder, etc., added is 50-70%, so the total amount of aluminum alloy, etc. can be controlled by changing the ratio of aluminum alloy powder, etc., added as necessary and taking into account the amount of molten aluminum alloy, etc., that is impregnated into the porous voids.

本発明の金属基複合体を構成する微細な金属粉末としては、例えば、シリコン粉末、鉄粉末、ステンレス粉末、銅粉末及びチタン粉末等が挙げられる。また、本発明の金属基複合体を構成する微細なセラミックス粉末としては、例えば、アルミナ粉末、シリカ粉末、ホウ酸アルミニウム粉末、炭化けい素粉末、窒化けい素粉末及び窒化アルミニウム等が挙げられる。本発明では、上記に挙げたような金属粉末やセラミックス粉末から選ばれた1種類又は2種類以上の粉末を用いることができる。 Examples of fine metal powders constituting the metal-based composite of the present invention include silicon powder, iron powder, stainless steel powder, copper powder, and titanium powder. Examples of fine ceramic powders constituting the metal-based composite of the present invention include alumina powder, silica powder, aluminum borate powder, silicon carbide powder, silicon nitride powder, and aluminum nitride. In the present invention, one or more types of powders selected from the metal powders and ceramic powders listed above can be used.

本発明の金属基複合体は、上記に挙げたような金属粉末やセラミックス粉末と、先に説明したアルミニウム合金等の粉末との混合粉末からなる多孔質のプリフォーム等に、アルミニウム合金の溶湯が加圧或いは非加圧で含浸・充填されて、上記混合粉末が下記のような割合で配合されてなるものであることが好ましい。すなわち、混合粉末における金属粉末等の微細粉末とアルミニウム合金等の粉末との配合割合が、10:90~90:10であることが好ましい。上記アルミニウム合金等の粉末に対する金属粉末等の微細粉末の比率が、10:90よりも少ない場合は、最終製品の金属基複合体において強化材として機能する金属粉末等の微細粉末の割合が少なくなり過ぎて、所望する強度向上効果が得られない場合があるので好ましくない。一方、アルミニウム合金等の粉末に対する金属粉末等の微細粉末の比率が、90:10を超える場合は、金属基複合体を構成する金属粉末等の微細粉末の割合が多くなり過ぎて、最終製品の金属基複合体の加工性が劣ることになるので好ましくない。 The metal matrix composite of the present invention is preferably a porous preform or the like made of a mixed powder of the above-mentioned metal powder or ceramic powder and the above-mentioned aluminum alloy powder, etc., impregnated and filled with molten aluminum alloy under pressure or without pressure, and the mixed powder is mixed in the following ratio. That is, the mixing ratio of the fine powder of the metal powder, etc. and the powder of the aluminum alloy, etc. in the mixed powder is preferably 10:90 to 90:10. If the ratio of the fine powder of the metal powder, etc. to the powder of the aluminum alloy, etc. is less than 10:90, the ratio of the fine powder of the metal powder, etc. that functions as a reinforcing material in the final metal matrix composite becomes too small, which is not preferable because the desired strength improvement effect may not be obtained. On the other hand, if the ratio of the fine powder of the metal powder, etc. to the powder of the aluminum alloy, etc. exceeds 90:10, the ratio of the fine powder of the metal powder, etc. that constitutes the metal matrix composite becomes too large, which is not preferable because the processability of the final metal matrix composite becomes poor.

本発明の金属基複合体では、該複合体の強度を向上させるために、0.3μm以上、8μm以下の微細な、金属粉末等の微細粉末を使用し、一方、このような微細粉末を使用すると静電気による凝集が発生しやすいので、10μm~300μmの比較的大きいアルミニウム合金等の粉末を添加した混合粉末を用いる。このように構成することで、強化材である金属粉末及び/又はセラミックス粉末の凝集を押さえる副次的な効果も得られ、最終的に、均一に分散した金属粉末及び/又はセラミックス粉末と、アルミニウム合金等からなる良好な金属基複合体を実現することができる。また、非加圧浸透の方法でアルミニウム合金等の溶湯を成型体等に含浸させる場合、従来技術では、多孔質のプリフォーム等の作製に平均粒径が1μm以下の金属粉末やセラミックス粉末を使用すると、気孔が小さ過ぎて溶湯が含浸しくいといった課題があった。しかし、本発明の技術によれば、下記の効果もあり、課題を解決できる。すなわち、本発明の金属基複合体では、多孔質のプリフォーム等の作製に平均粒径が10μm以上、300μm以下のアルミニウム合金等の粉末を加えることで気孔が大きくなるので、上記した非加圧浸透の方法を適用した場合においても、アルミニウム合金等の溶湯が含浸しやすくなる。 In the metal matrix composite of the present invention, fine powders such as metal powders with a particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less are used to improve the strength of the composite. However, since the use of such fine powders is prone to agglomeration due to static electricity, a mixed powder is used to which relatively large powders such as aluminum alloys with a particle size of 10 μm to 300 μm are added. By configuring in this way, a secondary effect of suppressing the agglomeration of the metal powder and/or ceramic powder, which are the reinforcing materials, is obtained, and ultimately, a good metal matrix composite consisting of uniformly dispersed metal powder and/or ceramic powder and aluminum alloys can be realized. In addition, when a molten metal such as an aluminum alloy is impregnated into a molded body or the like by the non-pressurized infiltration method, in the conventional technology, when a metal powder or ceramic powder with an average particle size of 1 μm or less is used to produce a porous preform or the like, the pores are too small to be impregnated with the molten metal. However, the technology of the present invention has the following effects and can solve the problem. That is, in the metal matrix composite of the present invention, the pores are enlarged by adding a powder of an aluminum alloy or the like having an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less to prepare a porous preform, etc., so that even when the above-mentioned non-pressurized infiltration method is applied, the molten aluminum alloy or the like can be easily impregnated.

(3)混合粉末の調製
上記で説明した、金属粉末等の微細粉末に、添加させる平均粒径が10μm~300μmのアルミニウム合金等の粉末からなる混合粉末は、慣用の混合機を使用して均一に混合することで容易に得られる。そして、本発明では、調製した特有の混合粉末を用いて多孔質のプリフォーム等を得る。上記したような微細粉末を使用すると充填性が低いので、例えば、プレス成形、CIP及び沈降法等の方法で成型体(プリフォーム)を得る際には、必要に応じて、混合粉末にバインダーを併用するとよい。バインダーとしては、エチルシリケート、シリコーン、水ガラス等の無機バインダーや、アルミニウムアルコキシド等アルミナ系の無機バインダーや有機無機バインダーを好適に用いることができる。バインダーの使用量としては、質量基準で、0.5%以上、10%以下の範囲内で混合粉末に添加することが好ましい。成型体(プリフォーム)の成形性をより高めるために、上記に挙げたような無機系のバインダーに加えて、例えば、PVA、PVB等の有機バインダーを追加添加してもよい。
(3) Preparation of mixed powder The mixed powder consisting of aluminum alloy powder or the like having an average particle size of 10 μm to 300 μm added to the fine powder such as metal powder described above can be easily obtained by uniformly mixing using a conventional mixer. In the present invention, a porous preform or the like is obtained using the prepared specific mixed powder. Since the use of the fine powder as described above results in low filling property, when a molded body (preform) is obtained by a method such as press molding, CIP, and sedimentation, a binder may be used in combination with the mixed powder as necessary. As the binder, inorganic binders such as ethyl silicate, silicone, water glass, etc., alumina-based inorganic binders such as aluminum alkoxide, and organic inorganic binders can be suitably used. The amount of binder used is preferably added to the mixed powder within a range of 0.5% to 10% by mass. In order to further improve the moldability of the molded body (preform), in addition to the inorganic binders listed above, for example, organic binders such as PVA and PVB may be added.

(4)プリフォーム等の作製
上記のような構成の混合粉末を用いて作製したプリフォーム等は、その後の操作がし易いように、例えば、200℃~700℃程度の温度で焼成するとよい。強化材として金属粉末を使用する場合は、酸化されないように焼成温度は700℃以下とすることが望ましい。また、非加圧浸透法を用いてアルミニウム合金等の溶湯を含浸させるため、混合粉末にMg粉末を添加して使用する場合は、焼成した際にMgが酸化劣化しないように、焼成温度を500℃以下にすることが望ましい。
(4) Preparation of Preforms, etc. Preforms, etc. prepared using the mixed powder having the above-mentioned composition may be fired at a temperature of, for example, about 200°C to 700°C so as to facilitate subsequent operations. When a metal powder is used as a reinforcing material, the firing temperature is desirably 700°C or less to prevent oxidation. When Mg powder is added to the mixed powder for impregnation with molten metal such as an aluminum alloy using a non-pressure infiltration method, the firing temperature is desirably 500°C or less to prevent oxidation and deterioration of Mg during firing.

(5)アルミニウム合金等の溶湯の高圧含浸
本発明の高強度金属基複合体の製造方法では、高圧含浸又は非加圧浸透のいずれの方法であっても、上記のようにして得た多孔質のプリフォーム等に、アルミニウム合金等の溶湯を良好な状態に含浸・充填させて金属基複合体を得ることができる。高圧含浸の方法を用いる場合は、例えば、約700℃~800℃のアルミニウム合金等の溶湯を、例えば、20MPa~200MPa程度の圧力で含浸させる。20Mpa未満の圧力では圧力が低過ぎるので、十分に含浸しないことが懸念される場合があるので好ましくない。一方、200MPa超でも含浸することが可能であるが、エネルギーコストや圧力容器のライフを考慮すると200MPa以下の圧力で十分である。
(5) High-pressure impregnation of molten metal such as aluminum alloy In the manufacturing method of the high-strength metal-based composite of the present invention, whether high-pressure impregnation or non-pressure infiltration is used, the molten metal such as aluminum alloy can be impregnated and filled in a good state into the porous preform obtained as described above to obtain a metal-based composite. When using the high-pressure impregnation method, for example, the molten metal such as aluminum alloy at about 700 ° C to 800 ° C is impregnated at a pressure of, for example, about 20 MPa to 200 MPa. A pressure of less than 20 MPa is not preferable because the pressure is too low and there is a concern that the material may not be sufficiently impregnated. On the other hand, impregnation is possible even at a pressure of more than 200 MPa, but a pressure of 200 MPa or less is sufficient in consideration of the energy cost and the life of the pressure vessel.

(6)アルミニウム合金等の溶湯の非加圧浸透
非加圧浸透の方法、いわゆるランクサイド法でアルミニウム合金等の溶湯を含浸させる場合は、使用する混合粉末として、金属粉末等の微細粉末と、アルミニウム合金等の粉末との合計100質量部に対して、Mg粉末を0.5~10質量部を添加したものを用いることを要す。そして、上記の混合粉末を用いて得られた多孔質のプリフォーム等に、例えば、窒素雰囲気下、700℃~900℃で、非加圧でアルミニウム合金等の溶湯を浸透さて含浸させることで、良好な金属基複合体を得ることができる。
(6) Infiltration of molten aluminum alloy, etc. without pressure When infiltrating molten aluminum alloy, etc., by the infiltration method without pressure, so-called Rankside method, it is necessary to use a mixed powder in which 0.5 to 10 parts by mass of Mg powder is added to 100 parts by mass of a total of fine powder, such as metal powder, and powder, such as aluminum alloy, etc. Then, a good metal matrix composite can be obtained by infiltrating a molten aluminum alloy, etc., without pressure, for example, in a nitrogen atmosphere at 700°C to 900°C into a porous preform, etc., obtained by using the above mixed powder.

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は、実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples and comparative examples. Note that the present invention is not limited to the examples.

[実施例1]
平均粒径5μmのSiC粉末1200gと、平均粒径25μmのA6061系アルミニウム合金粉末800gをプラスチック製のポットに入れ、アルミナボールを入れ2時間混合した。これに、エチルシリケート加水分解液100gをSiOに換算して40g含まれるように加えて、さらに30分間混合した。これを内寸200mm×200mmの型に入れて、45tの圧力でプレス成形した。さらに500℃で2時間焼成して、SiC粉末とアルミニウム合金粉末とを含む成型体(プリフォーム)を作製した。得られた成型体を金属型に入れ、750℃で溶融したA6061系のアルミニウム合金の溶湯を流し込んで、100MPaの圧力でプリフォームに含浸させて複合体を鋳造した。
[Example 1]
1200g of SiC powder with an average particle size of 5μm and 800g of A6061-based aluminum alloy powder with an average particle size of 25μm were placed in a plastic pot, and mixed for 2 hours with alumina balls. 100g of ethyl silicate hydrolysis liquid was added to the pot so that 40g of SiO2 was included, and the mixture was mixed for another 30 minutes. The mixture was placed in a mold with an inner dimension of 200mm x 200mm and press molded at a pressure of 45t. The mixture was further fired at 500°C for 2 hours to produce a molded body (preform) containing SiC powder and aluminum alloy powder. The obtained molded body was placed in a metal mold, and molten A6061-based aluminum alloy melted at 750°C was poured in, and the preform was impregnated at a pressure of 100MPa to cast a composite.

上記した方法で得られた複合体は、SiC微粉末が30体積%、残部が70体積%の、アルミニウム合金基複合体であった。得られた複合体から規定する寸法の測定用の試験片を切り出し、試験片を用いてJIS R1601に準じて複合体の曲げ強度を、室温で測定した。他の例についても同様の方法で測定した。測定結果は740MPaであり、かなり高強度であった。また、得られた複合体は加工性が良好であり、超硬工具で加工することができることが確認された。 The composite obtained by the above method was an aluminum alloy-based composite with 30 volume % SiC fine powder and 70 volume % remainder. Test pieces for measurement of the specified dimensions were cut out from the obtained composite, and the bending strength of the composite was measured at room temperature in accordance with JIS R1601 using the test pieces. Measurements were also performed for other examples in the same manner. The measurement result was 740 MPa, which was quite high strength. It was also confirmed that the obtained composite had good workability and could be machined with carbide tools.

[実施例2]
実施例1で使用したと同じ平均粒径が5μmのSiC粉末を1200g、平均粒径が25μmのA6061系アルミニウム粉末を800g、これに平均粒径が50μmのMg粉末40gを添加して、実施例1と同様にして2時間混合した。これに、イソプロピルアルコールに溶かしたシリコーン樹脂(商品名:KR-220L、信越化学社製)液を、SiOに換算して30g%となる量で添加して、30分間混合した。これを実施例1で行ったと同じ操作でプレス成形及び焼成して、成型体(プリフォーム)を作製した。この成型体から、100mm×100mm×30mmのサイズのプリフォームを切り出した。そして、図1に示したようにして、非加圧で、プリフォーム1にA6061系のアルミニウム2の溶湯を含浸・充填させて複合化してアルミニウム合金基複合体を作製した。具体的には、図1に示したように、プリフォーム1と、A6061系アルミニウム2をカーボン製容器4内に設置し、この容器を窒素雰囲気の炉内に入れて、100℃/時間の速度で昇温後、780℃で2時間保持した後、複合体を取り出した。図1中の3は、プリフォーム1と同材の浸透道を示している。取り出した複合体を測定用に加工して、実施例1と同様の方法で物性値を測定した。
[Example 2]
1200g of SiC powder having an average particle size of 5 μm, 800g of A6061-based aluminum powder having an average particle size of 25 μm, and 40g of Mg powder having an average particle size of 50 μm were added to the mixture and mixed for 2 hours in the same manner as in Example 1. A silicone resin (product name: KR-220L, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) liquid dissolved in isopropyl alcohol was added in an amount equivalent to 30 g% of SiO 2 , and mixed for 30 minutes. This was press-molded and fired in the same manner as in Example 1 to produce a molded body (preform). A preform having a size of 100 mm x 100 mm x 30 mm was cut out from this molded body. Then, as shown in FIG. 1, the preform 1 was impregnated and filled with molten A6061-based aluminum 2 without pressure to form a composite aluminum alloy-based composite. Specifically, as shown in Fig. 1, a preform 1 and an A6061-based aluminum 2 were placed in a carbon container 4, and the container was placed in a furnace in a nitrogen atmosphere, and the temperature was raised at a rate of 100°C/hour, and then the container was held at 780°C for 2 hours, after which the composite was taken out. 3 in Fig. 1 indicates a penetration path of the same material as the preform 1. The taken-out composite was processed for measurement, and the physical properties were measured in the same manner as in Example 1.

実施例2で得られた複合体も、実施例1と同様に、SiC微粉末が30体積%、アルミニウム合金が70体積%のアルミニウム合金基複合体であった。実施例1と同様の方法で測定した曲げ強度は650MPaであり、高強度な複合体であった。また、得られた複合体は加工性が良好であり、超硬工具で加工することができた。 The composite obtained in Example 2 was an aluminum alloy-based composite, similar to Example 1, with 30 volume % SiC fine powder and 70 volume % aluminum alloy. The bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 650 MPa, making it a high-strength composite. In addition, the obtained composite had good workability and could be machined with a carbide tool.

[実施例3]
平均粒径が3μmのSiC粉末を800g、平均粒径が30μmのA1050系アルミニウム合金粉末1200gに対し、さらに、エチルシリケート加水分解液100gを、SiOに換算して40g含まれるように配合して混合し、さらに、実施例1で行ったと同じ要領で、SiC粉末とアルミニウム合金粉末とを含むプリフォームを作製した。そして、得られたプリフォームを用い、実施例1と同じ操作で、A1050系アルミニウム合金の溶湯を高圧含浸させて、本例の複合体を得た。
[Example 3]
800 g of SiC powder having an average particle size of 3 μm and 1200 g of A1050-series aluminum alloy powder having an average particle size of 30 μm were mixed with 100 g of ethyl silicate hydrolyzed liquid so as to contain 40 g, calculated as SiO 2 , and a preform containing the SiC powder and the aluminum alloy powder was produced in the same manner as in Example 1. The obtained preform was then impregnated with molten A1050-series aluminum alloy at high pressure in the same manner as in Example 1 to obtain the composite of this example.

上記で得られた複合体について物性値を測定したところ、SiC微粉末が20体積%、残部が80体積%のアルミニウム合金基複合体であった。実施例1と同様の方法で測定した曲げ強度は700MPaであり、かなり高強度な複合体であった。また、得られた複合体は加工性が良好であり、超硬工具で加工することができた。 When the physical properties of the composite obtained above were measured, it was found to be an aluminum alloy-based composite with 20 volume % SiC fine powder and 80 volume % remainder. The bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 700 MPa, making it a fairly high-strength composite. In addition, the composite obtained had good workability and could be machined with a carbide tool.

[実施例4]
平均粒径が5μmの金属シリコン粉末1200gに、平均粒径が25μmのA6061系アルミニウム合金粉末200gを実施例1と同様にして混合し、これにエチルシリケート加水分解液100gをSiOに換算して40g含まれるように加え、さらに30分混合した。得られた混合物を用い、実施例1と同じ操作で成型体(プリフォーム)を作製した。そして、得られたプリフォームを用い、実施例1と同じ操作で、A6061系アルミニウム合金の溶湯を高圧含浸させて複合体を得た。
[Example 4]
1200 g of metal silicon powder having an average particle size of 5 μm was mixed with 200 g of A6061-based aluminum alloy powder having an average particle size of 25 μm in the same manner as in Example 1, and 100 g of ethyl silicate hydrolyzed liquid was added thereto so that 40 g was contained in terms of SiO 2 , and further mixed for 30 minutes. Using the obtained mixture, a molded body (preform) was produced in the same manner as in Example 1. Then, using the obtained preform, a molten A6061-based aluminum alloy was high-pressure impregnated in the same manner as in Example 1 to obtain a composite.

上記で得られた複合体について物性値を測定したところ、複合体は、シリコン粉末が25体積%、アルミニウム合金粉末が75体積%のアルミニウム合金基複合体であった。実施例1と同様の方法で測定した曲げ強度は580MPaであり、高強度であった。また、得られた複合体は加工性が良好であり、超硬工具で加工することができた。 The physical properties of the composite obtained above were measured, and it was found to be an aluminum alloy-based composite containing 25 volume % silicon powder and 75 volume % aluminum alloy powder. The bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 580 MPa, which was a high strength. Furthermore, the obtained composite had good processability and could be processed with a carbide tool.

[比較例1]
本発明で規定するよりも平均粒径が大きい14μmのSiC粉末2000gに、実施例1で行ったと同じように、エチルシリケート加水分解物液100gをSiOに換算して40g含まれるように加え、混合した材料でプリフォームを作製した。そして、得られたプリフォームに、実施例1で用いたと同様のアルミニウム合金の溶湯を含浸して複合体を作製した。比較例1は、SiC粉末の平均粒径が本発明で規定するよりも大きい点と、原料の混合物にアルミニウム粉末等を用いない点で、本発明とは構成が異なる。
[Comparative Example 1]
In the same manner as in Example 1, 100 g of ethyl silicate hydrolyzate liquid was added to 2000 g of SiC powder having an average particle size of 14 μm larger than that specified in the present invention so that 40 g of SiO 2 was contained, and a preform was produced from the mixed material. The obtained preform was then impregnated with molten aluminum alloy similar to that used in Example 1 to produce a composite. Comparative Example 1 differs from the present invention in that the average particle size of the SiC powder is larger than that specified in the present invention and that aluminum powder or the like is not used in the raw material mixture.

上記で得られた複合体について物性値を測定したところ、得られた複合体は、SiCが55体積%であり、アルミニウム合金が45体積%の複合体であった。実施例1と同様の方法で測定した曲げ強度は320MPaであり、一般的なアルミニウム合金並みであり、高強度の複合体ではないことが確認された。また、得られた複合体は加工性に劣り、超硬工具で加工することができなかったため、加工をダイヤモンドエンドミルで行った。 The physical properties of the composite obtained above were measured, and the composite obtained was found to be 55% by volume of SiC and 45% by volume of aluminum alloy. The bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 320 MPa, which is comparable to that of a general aluminum alloy, and it was confirmed that this was not a high-strength composite. In addition, the composite obtained had poor workability and could not be machined with a carbide tool, so it was machined with a diamond end mill.

[比較例2]
本発明で規定するよりも平均粒径が大きい14μmのSiC粉末1200gと、平均粒径25μmの6061系アルミニウム合金粉末800gの混合物を用いた以外は実施例1と同じ操作で、本例の複合体を作製した。得られた複合体の物性値は、SiCが28体積%でアルミニウムが72体積%の複合体であった。実施例1と同様の方法で測定した曲げ強度は330MPaであり、一般的なアルミニウム合金並みであり高強度の複合体ではなかった。また、得られた複合体は加工性に劣り、超硬工具では加工ができず、ダイヤモンドエンドミルで加工を行う必要があった。
[Comparative Example 2]
The composite of this example was produced in the same manner as in Example 1, except that a mixture of 1200 g of SiC powder having an average particle size of 14 μm, which is larger than that specified in the present invention, and 800 g of 6061-series aluminum alloy powder having an average particle size of 25 μm was used. The physical properties of the composite obtained were a composite containing 28 vol% SiC and 72 vol% aluminum. The bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 330 MPa, which was comparable to that of a general aluminum alloy and was not a high-strength composite. In addition, the composite obtained had poor processability and could not be processed with a cemented carbide tool, and it was necessary to process it with a diamond end mill.

[比較例3]
本発明で規定するよりも平均粒径が大きい22μmのSiC粉末1200gと、平均粒径が25μmのA6061系アルミニウム合金粉末800gの混合物を用いたこと以外は実施例1と同じ操作で成型体(プリフォーム)を作製した。そして、実施例1と同じ操作で、上記で得られたプリフォームにA6061系アルミニウム合金の溶湯を含浸させて、本例の複合体を得た。
[Comparative Example 3]
A molded body (preform) was produced in the same manner as in Example 1, except that a mixture of 1200 g of SiC powder having an average particle size of 22 μm, which is larger than that specified in the present invention, and 800 g of A6061-series aluminum alloy powder having an average particle size of 25 μm was used. Then, in the same manner as in Example 1, the preform obtained above was impregnated with molten A6061-series aluminum alloy to obtain the composite of this example.

得られた複合体の物性値を測定したところ、SiC粉末が31体積%、残部が69体積%のアルミニウム基複合体であった。また、実施例1と同様の方法で測定した曲げ強度は410MPaであり、実施例1~4の複合体よりも低く、一般的なアルミニウム程度の曲げ強度であり、高強度の複合体ではなかった。また、得られた複合体は加工性に劣り、ダイヤモンドの工具でしか加工ができなかった。 When the physical properties of the obtained composite were measured, it was found to be an aluminum-based composite with 31 volume % SiC powder and 69 volume % remainder. In addition, the bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 410 MPa, which was lower than the composites of Examples 1 to 4 and had a bending strength comparable to that of ordinary aluminum, and was not a high-strength composite. In addition, the obtained composite had poor workability and could only be processed with diamond tools.

[比較例4]
本発明で規定するよりも平均粒径が大きい45μmの金属シリコン粉末1200gに平均粒径25μmのA6061系アルミニウム合金粉末800gを用い、実施例1と同じ操作で成型体(プリフォーム)を作製し、実施例1と同じ操作で、該プリフォームにA6061系アルミニウム合金を含浸して複合体を得た。
[Comparative Example 4]
A molded body (preform) was produced in the same manner as in Example 1 using 1,200 g of metal silicon powder having an average particle size of 45 μm, which is larger than that specified in the present invention, and 800 g of A6061-series aluminum alloy powder having an average particle size of 25 μm. The preform was then impregnated with the A6061-series aluminum alloy in the same manner as in Example 1 to obtain a composite.

得られた複合体の物性値を測定したところ、45μmの金属シリコン粉末が29体積%、A6061系アルミニウム合金が71体積%の複合体であった。また、実施例1と同様の方法で測定した曲げ強度は270MPaであり、強度の低い複合体であった。 The physical properties of the obtained composite were measured and it was found to be a composite containing 29 volume % 45 μm metal silicon powder and 71 volume % A6061 aluminum alloy. In addition, the bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 270 MPa, making it a composite with low strength.

[比較例5]
市販されている米国デュラルキャン社製の、SiC粉末30体積%/アルミニウム70体積%の複合材のインゴットを用い、該インゴットを730℃で溶解して、砂型内に鋳造して200mm×200mm×50mm(厚み)の複合体を製造した。これから、実施例1で使用したと同様に測定用の試験片を切り出して、同様の方法で曲げ強度を測定した。その結果、上記で得られた複合体は、曲げ強度が380MPaで強度が低く、また、加工性に劣り、ダイヤモンド工具でしか加工ができなかった。
[Comparative Example 5]
A commercially available ingot of a composite material of 30% by volume of SiC powder/70% by volume of aluminum manufactured by Duralcan, USA was used, and the ingot was melted at 730°C and cast into a sand mold to produce a composite material of 200 mm x 200 mm x 50 mm (thickness). From this, a test piece for measurement was cut out in the same manner as in Example 1, and the bending strength was measured in the same manner. As a result, the composite material obtained above had a low bending strength of 380 MPa, and was also poor in workability, and could only be processed with a diamond tool.

[評価結果のまとめ]
表1に、実施例及び比較例の複合体の調製条件と、得られたそれぞれの複合体についての評価結果をまとめて示した。加工性の評価は、超硬工具で加工ができる複合体については「良好」と評価し、超硬工具での加工ができず、ダイヤモンド工具による加工しかできなかった場合を「不良」と評価した。比較例5では、SiC粉末とアルミニウム金属との市販されている複合材(市販品)を用いた。また、実施例2では、アルミニウム合金の溶湯をプリフォームに非加圧で含浸させた。実施例2以外の例では、いずれも、アルミニウム合金の溶湯をプリフォームに、100MPaの高圧で含浸・充填させた。
[Summary of evaluation results]
Table 1 shows the preparation conditions of the composites of the examples and comparative examples, and the evaluation results of each of the composites obtained. The evaluation of the processability was evaluated as "good" for composites that could be processed with a cemented carbide tool, and "poor" for composites that could not be processed with a cemented carbide tool and could only be processed with a diamond tool. In Comparative Example 5, a commercially available composite material (commercial product) of SiC powder and aluminum metal was used. In Example 2, the molten aluminum alloy was impregnated into the preform without pressure. In all examples other than Example 2, the molten aluminum alloy was impregnated and filled into the preform at a high pressure of 100 MPa.

Figure 2024106304000001
Figure 2024106304000001

1:プリフォーム
2:アルミニウム合金等
3:プリフォームと同材の浸透道
4:カーボン製容器
1: Preform 2: Aluminum alloy, etc. 3: Infiltration channel made of the same material as the preform 4: Carbon container

Claims (7)

平均粒径が0.3μm以上、8μm以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる1種以上の微細粉末に、平均粒径が10μm以上、300μm以下である、アルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる1種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末からなる多孔質の充填体又は成型体(プリフォーム)に、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸・充填されてなる複合体であり、該複合体は、前記微細粉末の充填率が10体積%以上、50体積%以下で、且つ、その曲げ強度が500MPa以上、800MPa以下であることを特徴とする高強度金属基複合体。 A composite in which molten aluminum or aluminum alloy is impregnated and filled into a porous filler or molded body (preform) made of a mixed powder of one or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders with an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less, and one or more aluminum/aluminum alloy powders selected from the group consisting of aluminum powders and aluminum alloy powders with an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less, and the composite has a filling rate of the fine powder of 10 vol % or more and 50 vol % or less, and a bending strength of 500 MPa or more and 800 MPa or less. 前記混合粉末の微細粉末を構成する、前記金属粉末が、シリコン粉末、鉄粉末、ステンレス粉末、銅粉末及びチタン粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、前記セラミックス粉末が、アルミナ粉末、シリカ粉末、ホウ酸アルミニウム粉末、炭化けい素粉末、窒化けい素粉末及び窒化アルミニウム粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、さらに、前記混合粉末を構成する、前記微細粉末と前記アルミニウム・アルミニウム合金粉末との配合割合が、10:90~90:10である請求項1に記載の高強度金属基複合体。 The high-strength metal matrix composite according to claim 1, wherein the metal powder constituting the fine powder of the mixed powder is any one selected from the group consisting of silicon powder, iron powder, stainless steel powder, copper powder, and titanium powder, the ceramic powder is any one selected from the group consisting of alumina powder, silica powder, aluminum borate powder, silicon carbide powder, silicon nitride powder, and aluminum nitride powder, and further, the blending ratio of the fine powder and the aluminum/aluminum alloy powder constituting the mixed powder is 10:90 to 90:10. さらに、前記混合粉末は、シリカ系バインダー及びアルミナ系の有機無機バインダーからなる群から選ばれる1種以上のバインダーが質量基準で、0.5%以上、10%以下の範囲内で外添加されてなる請求項1又は2に記載の高強度金属基複合体。 The high-strength metal-based composite according to claim 1 or 2, further comprising one or more binders selected from the group consisting of silica-based binders and alumina-based organic/inorganic binders, added to the mixed powder in an amount of 0.5% or more and 10% or less by mass. 平均粒径が0.3μm以上、8μm以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる1種以上の微細粉末に、平均粒径が10μm以上、300μm以下である、アルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる1種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末を用いて、多孔質の充填体又は成型体(プリフォーム)を得、得られた充填体又は成型体(プリフォーム)に、
アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を、圧力20MPa以上、200MPa以下の高圧で含浸・充填して複合化させて、
前記微細粉末の充填率が10体積%以上、50体積%以下であり、且つ、その曲げ強度が500MPa以上、800MPa以下である金属基複合体を得ることを特徴とする高強度金属基複合体の製造方法。
A porous packed body or molded body (preform) is obtained using a mixed powder obtained by adding one or more types of aluminum/aluminum alloy powders selected from the group consisting of aluminum powders and aluminum alloy powders, each having an average particle size of 10 μm to 300 μm, to one or more types of fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders, each having an average particle size of 0.3 μm to 8 μm, and then subjecting the resulting packed body or molded body (preform) to
Molten aluminum or aluminum alloy is impregnated and filled at a high pressure of 20 MPa or more and 200 MPa or less to form a composite.
A method for producing a high-strength metal matrix composite, comprising the steps of: obtaining a metal matrix composite having a filling rate of the fine powder of 10 volume % or more and 50 volume % or less, and a bending strength of 500 MPa or more and 800 MPa or less.
平均粒径が0.3μm以上、8μm以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる1種以上の微細粉末に、平均粒径が10μm以上、300μm以下である、アルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる1種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末に、さらに、該混合粉末100質量部に、マグネシウム粉末を0.5質量部以上、10質量部以下の範囲で添加したMg粉末含有の混合粉末を用いて、多孔質の充填体又は成型体(プリフォーム)を得、得られた充填体又は成型体(プリフォーム)に、
非加圧で、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を含浸・充填して複合化させて、
前記微細粉末の充填率が10体積%以上、50体積%以下であり、且つ、その曲げ強度が500MPa以上、800MPa以下である金属基複合体を得ることを特徴とする高強度金属基複合体の製造方法。
A porous packed body or molded body (preform) is obtained by adding one or more aluminum/aluminum alloy powders selected from the group consisting of aluminum powders and aluminum alloy powders having an average particle size of 10 to 300 μm to one or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders having an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less, and further adding magnesium powder in an amount of 0.5 to 10 parts by mass to 100 parts by mass of the mixed powder to obtain an Mg powder-containing mixed powder, and then subjecting the resulting packed body or molded body (preform) to
The material is impregnated and filled with molten aluminum or aluminum alloy without pressure to form a composite.
A method for producing a high-strength metal matrix composite, comprising the steps of: obtaining a metal matrix composite having a filling rate of the fine powder of 10 volume % or more and 50 volume % or less, and a bending strength of 500 MPa or more and 800 MPa or less.
前記混合粉末の微細粉末を構成する、前記金属粉末が、シリコン粉末、鉄粉末、ステンレス粉末、銅粉末及びチタン粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、前記セラミックス粉末が、アルミナ粉末、シリカ粉末、ホウ酸アルミニウム粉末、炭化けい素粉末、窒化けい素粉末及び窒化アルミニウム粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、さらに、前記混合粉末を構成する、前記微細粉末と前記アルミニウム・アルミニウム合金粉末との配合割合が、10:90~90:10である請求項4又は5に記載の高強度金属基複合体の製造方法。 The method for producing a high-strength metal matrix composite according to claim 4 or 5, wherein the metal powder constituting the fine powder of the mixed powder is any one selected from the group consisting of silicon powder, iron powder, stainless steel powder, copper powder and titanium powder, the ceramic powder is any one selected from the group consisting of alumina powder, silica powder, aluminum borate powder, silicon carbide powder, silicon nitride powder and aluminum nitride powder, and further, the blending ratio of the fine powder and the aluminum/aluminum alloy powder constituting the mixed powder is 10:90 to 90:10. 前記混合粉末として、さらに、シリカ系バインダー及びアルミナ系の有機無機バインダーからなる群から選ばれる1種以上のバインダーを質量基準で、0.5%以上、10%以下の範囲内で外添加して用いる請求項4又は5に記載の高強度金属基複合体の製造方法。 The method for producing a high-strength metal matrix composite according to claim 4 or 5, further comprising externally adding one or more binders selected from the group consisting of silica-based binders and alumina-based organic/inorganic binders in an amount of 0.5% or more and 10% or less by mass to the mixed powder.
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