JP2866917B2 - 溶湯攪拌法によるセラミックス粒子強化マグネシウム基複合材料に対する超塑性発現法 - Google Patents

溶湯攪拌法によるセラミックス粒子強化マグネシウム基複合材料に対する超塑性発現法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は炭化チタン粒子、窒化ア
ルミニウム粒子、窒化けい素ウィスカ又は粒子及びほう
化チタン粒子を強化材として含み、しかも、溶湯攪拌法
で造ったマグネシウム合金で、超塑性変形の特徴を生ず
る複合金属材料の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】マグネシウム合金は実用金属材料の中で
最も軽く、単位当たりの強度は高くなる、又、融点はア
ルミニウムとほぼ同じ650℃である。セラミックスウ
ィスカ又は粒子強化マグネシウム基複合材料の比強度・
比弾性率はアルミニウム複合材料よりも優れ、また、耐
摩耗性、熱的寸法安定性、熱伝導性に優れており、しか
も、マグネシウム合金自体が振動吸収特性があるため、
航空宇宙分野や輸送機器分野での構造物や機械部品への
応用が期待されている。特に、航空宇宙分野等でこの複
合材料を利用するには複雑な形状で表面積が広く、しか
も、立体的な構造物にプレス成形する必要がある。この
ため、この複合材料を薄板形状に圧延加工できること、
この薄板状複合材料をプレス成形できること、更に、成
形後の材料性質が加工前に劣らないことが必要である。
これに対する技術的解決の一つとして、マグネシウム基
複合材料に超塑性を発現させることが試みられている。
【0003】従来開発された超塑性セラミックスウィス
カ又は粒子強化複合材料はアルミニウムをマトリックス
とする複合材料である。超塑性マグネシウム合金として
良く知られている合金は、Mg−9%Li合金、Mg−
8.5%Li合金等のMg−Li系合金である。この合
金は、マトリックスの結晶粒径が6〜35μm、歪速度
約3〜4×10ー3ー1、温度453〜623Kで、最大
460〜600%の全伸びが報告されている。これらの
超塑性特性は従来の超塑性アルミニウム合金とほぼ同一
であり、高速超塑性材料の条件は満たしていない。
【0004】又、セラミクスウィスカや粒子強化マグネ
シウム複合材料としてはSiCウィスカや粒子、TiC
粒子を強化材料とするマグネシウム基複合材料が知られ
ている。これらのマグネシウム基複合材料の製造法とし
ては溶湯鍛造法、溶湯攪拌混合法(ボルテックス法)、
コンポキャスティング法、粉末冶金法、箔冶金法があ
る。マグネシウム基複合材料の超塑性化に関しては、S
iCウィスカ強化マグネシウム複合材料を溶湯鍛造法で
造り、押出し加工を加え、超塑性発現の可能性が検討さ
れているが、大きな伸びを達成していない。これは、S
iCとMgとの反応性が高いためと考えられる。しか
し、SiC以外のセラミックスを強化材料とするマグネ
シウム基複合材料に対する超塑性発現ついては報告され
ていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】マグネシウム基複合材
料の製造はマグネシウム自体の取り扱いの難しさあり、
最適なプロセスを用いることが必要である。例えば、粉
末冶金法はマグネシウム粉末の爆発性により、大変危険
なので、実用的に用いるプロセスではない。鋳造法で
は、溶融マグネシウム合金が酸化され易いため、不活性
ガス中で複合化が行われること以外に、溶湯攪拌法の問
題点は、1μm前後の微細な強化材料を混合するのが容
易でないこと、又、攪拌中にガスを巻き込み、できあが
った複合材料には多くの欠陥が含まれることである。従
って、鋳造法で造られたマグネシウム基複合材料は、材
質的には悪いと見なされてきた。しかし、攪拌混合法
は、鋳造法のなかでも、製造コストが低く、大量に複合
材料を製造できるため、民生用の機械部品の製造法とし
て最も適している。
【0006】マグネシウム基複合材料の強化材としては
炭化けい素(SiC)や窒化けい素(Si34)ウィス
カや粒子、炭化チタン(TiC)粒子、アルミナ(Al
23)粒子、窒化アルミニウム(AlN)粒子、ほう化
チタン(TiB2)粒子等が用いられている。これらの
セラミックス粒子は高弾性率・高強度を特徴とし、極め
て硬く、高温においても安定であり、又、電気絶縁性が
高く、低熱膨張率のため、構造用セラミックスとして、
広く用いられている。従って、セラミックス粒子強化マ
グネシウム基複合材料は今後、高性能複合材料として最
も需要が期待される。しかし、これらの鋳造法で造られ
たセラミックス粒子強化複合材料の実用化への問題点は
強化粒子の分散が不均一であり、破壊靱性低く、加工性
が悪いことである。そこで、強化粒子の分散性を向上さ
せることにより、超塑性を発現させて成形加工が容易な
高機能複合材料を造ることが必要がある。
【0007】しかし、これらの複合材料に超塑性を発現
させるには、超塑性発現温度において、強化材料とマグ
ネシウムマトリックスとの界面上で滑り変形が起こらな
いとこの界面で亀裂が生じ、大きな伸びを発生できない
ことになる。従って、マトリックスの結晶粒が微細であ
り、且つこの界面での滑り変形が超塑性発現には重要で
ある。TiC、AlN、Si34、TiB2粒子はマグ
ネシウムに対し化学的にSiC粒子に比べ安定性が高い
ことが期待される。従って、固相温度より高い温度での
押出し加工や圧延加工を加えても、TiC、AlN、S
34、TiB2粒子とMg合金との反応は少ないと思
われる。
【0008】
【課題を解決するための手段】マグネシウムマトリック
スの結晶粒径を微細化させるための加工熱処理法として
は押出し加工のみや押出し加工と圧延加工を組合せるこ
とが考えられる。同時に、高温での押出しや圧延加工は
強化粒子を均一に分散させるために効果的と期待され
る。
【0009】本発明では、上記問題点を解決すべく、溶
湯攪拌法で製造したTiC、AlN、Si34、TiB
2粒子を強化材として含むマグネシウム基複合材料に、
押出し後圧延加工の超塑性発現プロセスを採用する。押
出し加工のみでは、セラミックス粒子の分散はいまだ不
均一であるが、圧延加工を行うとセラミックス粒子は均
一に分散するようになる。その上、セラミックス粒子は
マグネシウムマトリックスとは反応生成物もなく、しか
も、採用した加工熱処理中に超塑性変形に適したマグネ
シウム基複合材料の界面に形成される。超塑性発現温度
において、半溶融状態や液相状態の界面が形成され、マ
トリックスと強化粒子とは容易にすべり変形が生じる。
又、セラミックス粒子が高い温度において結晶粒の粗大
化を抑制し、マトリックスの結晶粒が微細化する。この
二つの効果により、この複合材料に高速度で超塑性が発
現する。
【0010】
【作 用】本発明において、溶湯攪拌法により製造した
セラミックス粒子強化マグネシウム基複合材料に対し、
押出し加工後圧延加工を加えると複合材料のマトリック
スの結晶粒径が微細化し、又マトリックスと粒子の界面
が改善され、超塑性が発現する。
【0011】
【実施例】以下本発明の実施例を説明する。溶湯攪拌法
により製造したTiC粒子強化Mg−5%Zn複合材料
に対し673Kで押出し加工をで行い40mmの棒材を
8mmの線材に加工し、更に、この素材を、743Kの
温度範囲で加熱し、歪量約0.1以下になるような圧下
率で圧延する。これを繰り返し約1mmの厚さになるま
で圧延を行う。
【0012】以上述べた本発明において、平均粒子径2
〜5μmのTiCを用い、TiC粒子強化Mg−5%Z
n複合材料を溶湯攪拌法で造った後、673Kの温度、
押出し比25で押出し加工し、更に、673Kで圧延加
工し、薄板状複合材料に成形した。これを743Kで引
張試験を行い、0.067Sー1の比較的高歪速度で、3
00%以上の高い全伸びの超塑性が発現することが分か
った。
【0013】図1は押出し加工後圧延加工を加えたTi
C粒子強化Mg−5%Zn複合材料の変形抵抗と歪速度
との関係である。超塑性は変形抵抗の歪み速度感受性指
数、m値が0.3以上の場合に生ずるとされているが、
この複合材料のm値は0.3以上であった。
【0014】又、図2は全伸びと歪速度との関係を示
す。全伸びは歪速度が0.067毎秒の時300%以上
であった。従って、溶湯攪拌法により高性能な超塑性複
合材料が製造できることが証明された。
【0015】
【発明の効果】マグネシウムの特徴は実用金属中で最も
軽いこと、融点はアルミニウムと同じ650℃であり、
アルミニウムと同様に熱伝導率が良いこと、又、振動吸
収性能が良いこと等が挙げられる。そのため、マグネシ
ウム合金自体の利用が航空機、自動車、OA機器、AV
機器等軽量化の要求が厳しい分野で盛んに検討されてい
る。
【0016】複合材料の実用化において、コストと性能
との要求を満足することが重要である。本発明で用いた
溶湯攪拌法は低価格の複合材料の製造が可能であり、し
かも多量に複合素材の供給が可能である。更に、超塑性
発現プロセスとしての押出しや圧延加工はマグネシウム
中でセラミックス粒子をアルミニウム基複合材料におい
てよりも、ずっと容易に均一に分散させる効果がある。
【0017】TiC、AlN等のセラミックス材料で強
化したマグネシウム基複合材料は高比強度・高比弾性率
と共に高耐熱性・耐摩耗性があり、しかも、熱的寸法安
定性に優れており、自動車のエンジン部品、鉄道車両の
ブレーキ部品や半導体のパケージ等への応用が考えられ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】溶湯攪拌法で造ったTiC粒子強化Mg−5%
Zn複合材料を673Kで押出し後同じ温度で約1mm
まで圧延加工を行い、薄板状の複合材料に加工し、74
3Kの温度で引張試験を行った時の変形抵抗と歪速度と
の関係を表す。
【図2】全伸びと歪速度の関係である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西田 義則 愛知県春日井市高森台1―17―19 (72)発明者 長 隆郎 愛知県名古屋市緑区鳴海町細口27―31

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粒度15μm以下の炭化チタン(Ti
    C)粒子、窒化アルミニウム(AlN)粒子、窒化けい
    素(Si)粒子及びほう化チタン(TiB)粒
    子の一種以上を強化材料とし、Mg−Al系、Mg−Z
    n系、Mg−Zn−Zr系及びMg−Li系マグネシウ
    ム合金の一種又は二種以上からなるMg合金マトリック
    に対して上記強化粒子の体積含有率が5%から40
    の複合材料を溶湯撹拌法で造り、その複合材料に対
    し、温度200〜500℃、押出し比10以上で押出し
    加工を加え、圧延加工を行う、超塑性を発現させる方
    法。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載された方法で造った複合
    材料をそのままの状態で、あるいは、金属板又は金属管
    に挟み、200℃から550℃の温度に加熱し、歪量1
    0から40になるまで圧延加工を加え、0.1mm以上
    の厚さの板状複合材料に加工し、超塑性を発現させる方
    法。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載された方法で造っ
    たセラミックス強化マグネシウム基複合材料を200か
    ら500℃の温度で、塑性歪み0.1以上で熱間鍛造
    し、あるいは、その後圧延加工や押出し加工を加えて超
    塑性を発現させる方法。
  4. 【請求項4】 請求項1又は2又は3で造った複合材料
    を200から500℃の温度で0.03から1.5毎秒
    の歪速度で引張試験を行うと、160%から400%以
    上の全伸びを生ずることができる超塑性複合材料の成形
    プロセス。
  5. 【請求項5】 請求項1又は2又は3で造った複合材料
    を200から500℃の温度、0.03から1.5毎秒
    の歪速度で、ガス圧又は、剛性ポンチで立体的に張り出
    し変形を与え、超塑性成形する方法。
  6. 【請求項6】 請求項1又は2又は3において記載され
    た方法で製造し、請求項4及び5に記載された超塑性が
    発現したセラミックス強化マグネシウム基複合材料。
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