JP3104244B2 - 粒子分散型複合材料とその製造方法 - Google Patents
粒子分散型複合材料とその製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 a.産業上の利用分野 本発明は過共晶Al−Si系合金をマトリックスとして、
高硬度のセラミックス粒子を部分的に複合化した粒子分
散型複合材料とその製造方法に関する。
高硬度のセラミックス粒子を部分的に複合化した粒子分
散型複合材料とその製造方法に関する。
b.従来の技術 複合材料に関し、次のような従来技術が知られてい
る。
る。
たとえば、SiCやＣなどの繊維やウィスカーでプリフ
ォームを製作し、これを金型内にセットしたあと、Al合
金などの溶湯を注いで、プリフォームに加圧含浸させる
ことで複合材料（FRM）とする方法である。
ォームを製作し、これを金型内にセットしたあと、Al合
金などの溶湯を注いで、プリフォームに加圧含浸させる
ことで複合材料（FRM）とする方法である。
また、SiCやＣなどの粒子を、完全溶融または部分溶
融の溶湯に添加し、これに機械的撹拌を与えて複合材料
（MMC）とするコンポキャスト法がある。
融の溶湯に添加し、これに機械的撹拌を与えて複合材料
（MMC）とするコンポキャスト法がある。
さらにSiCやＣなどの粒子とAl合金等の粉末とを混合
し、静水圧々縮や熱間押出し、または焼結等によって複
合材料を製造する方法（粉末冶金法）が広くおこなわれ
ている。
し、静水圧々縮や熱間押出し、または焼結等によって複
合材料を製造する方法（粉末冶金法）が広くおこなわれ
ている。
また、SiCやＣなどの粒子とFl合金等の粉末を混合
し、これに熱間で機械的撹拌を与えて、合金粉末中にSi
CやＣなどの粒子を練込み、粒子分散複合材料とする方
法（メカニカルアロイング法）がある。
し、これに熱間で機械的撹拌を与えて、合金粉末中にSi
CやＣなどの粒子を練込み、粒子分散複合材料とする方
法（メカニカルアロイング法）がある。
c.発明が解決しようとする課題 SiCやＣなどの繊維やウィスカーは高価であり、ま
た、これらを用いておこなうプリフォームの製作には手
間がかかり、製品コストが高くなるという欠点がある。
た、これらを用いておこなうプリフォームの製作には手
間がかかり、製品コストが高くなるという欠点がある。
また、前記コンポキャスト法においては、溶湯に添加
する粒子に濡れ性の良いものを用いても、むらなく均一
に分散させるためには、溶湯に対する添加割合は20wt％
が上限であり、これ以上の添加は困難である。
する粒子に濡れ性の良いものを用いても、むらなく均一
に分散させるためには、溶湯に対する添加割合は20wt％
が上限であり、これ以上の添加は困難である。
さらに粉末冶金に用いる合金粉末は製造が難しく、そ
のため高価であり、また複合材料として完成するまでの
工程が多くかかるという欠点がある。そして押出しの方
法で製造するため、単純形状に限られてしまうという問
題がある。
のため高価であり、また複合材料として完成するまでの
工程が多くかかるという欠点がある。そして押出しの方
法で製造するため、単純形状に限られてしまうという問
題がある。
また、メカニカルアロイング法に用いる合金粉末は、
前述のように高価であり、混合割合も50wt％程度が限度
であり、製品製造には押出し工程が必要で、前記粉末冶
金と同様な問題点がある。
前述のように高価であり、混合割合も50wt％程度が限度
であり、製品製造には押出し工程が必要で、前記粉末冶
金と同様な問題点がある。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、前記問
題点を解消してなる粒子分散型複合材料とその製造方法
を提供することを目的とする。
題点を解消してなる粒子分散型複合材料とその製造方法
を提供することを目的とする。
d.課題を解決するための手段 前記目的に添い、本発明は過共晶Al−Si系合金をマト
リックスとし、セラミックス粒子とAl合金とからなる複
合部分およびSi結晶とAl合金とからなる非複合部分を備
え、複合部分との境界付近の非複合部分にSi結晶を多く
存在せしめたことを特徴とする粒子分散型複合材料とす
ることによって、前記課題を解消した。
リックスとし、セラミックス粒子とAl合金とからなる複
合部分およびSi結晶とAl合金とからなる非複合部分を備
え、複合部分との境界付近の非複合部分にSi結晶を多く
存在せしめたことを特徴とする粒子分散型複合材料とす
ることによって、前記課題を解消した。
さらにまた、セラミックス粒子を加圧して成形体をつ
くり、これにマトリックス合金として半溶融状態の過共
晶Al−Si系合金を注湯して加圧し、溶湯中のSi結晶を成
形体付近に残しながらマトリックス合金を成形体内に浸
透させることによって、前記課題を解消した。
くり、これにマトリックス合金として半溶融状態の過共
晶Al−Si系合金を注湯して加圧し、溶湯中のSi結晶を成
形体付近に残しながらマトリックス合金を成形体内に浸
透させることによって、前記課題を解消した。
以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明
する。
する。
本発明においては、複合用の添加材料として、SiC,Al
203,Si3N4,TiC,WC,ZrO2等の硬度の高い（Hv1000以上）
セラミックス粒子を用いる。このセラミックスの粒子径
（平均粒子径）は0.01〜30μｍの範囲のものを用いる。
粒子径が0.01μｍ未満のものは製造が難しく高価であ
り、かつ均一な複合化が困難である。また、粒子径が30
μｍを越えると製造する複合材料の強度の改善が期待で
きない。
203,Si3N4,TiC,WC,ZrO2等の硬度の高い（Hv1000以上）
セラミックス粒子を用いる。このセラミックスの粒子径
（平均粒子径）は0.01〜30μｍの範囲のものを用いる。
粒子径が0.01μｍ未満のものは製造が難しく高価であ
り、かつ均一な複合化が困難である。また、粒子径が30
μｍを越えると製造する複合材料の強度の改善が期待で
きない。
用いるマトリックス合金には、過共晶Al−Si系合金
（15≦Siwt％）、たとえばJIS:AC9AやASTMA390などを用
いる。
（15≦Siwt％）、たとえばJIS:AC9AやASTMA390などを用
いる。
まず、セラミックス粒子を水分を除去するためと、後
に添加する合金溶湯が浸入し易いように300〜1000℃の
温度で予熱する。この予熱温度が300℃未満の場合であ
ると接触した溶湯がすぐ凝固してしまうため、セラミッ
クス粒子内へ充分浸透しない。また、1000℃を越えて予
熱すると溶湯が凝固するまでに時間がかかり、そのため
セラミックス粒子中の一部成分（たとえば遊離Ｃなど）
と溶湯のAlとが反応して化合物（たとえばAl3C4など）
を作るため好ましくない。
に添加する合金溶湯が浸入し易いように300〜1000℃の
温度で予熱する。この予熱温度が300℃未満の場合であ
ると接触した溶湯がすぐ凝固してしまうため、セラミッ
クス粒子内へ充分浸透しない。また、1000℃を越えて予
熱すると溶湯が凝固するまでに時間がかかり、そのため
セラミックス粒子中の一部成分（たとえば遊離Ｃなど）
と溶湯のAlとが反応して化合物（たとえばAl3C4など）
を作るため好ましくない。
次に、第１図（ａ）に示すように温度100〜400℃に加
熱した金型２内に、セラミックス粒子１を収容したあ
と、同図（ｂ）に示すように上パンチ３と下パンチ５と
によって１〜10000kgf/cm2の圧力P1で加圧し、セラミッ
クス粒子の予成形体４を形成する。ここで圧力P1が1kgf
/cm2未満の場合は予成形体に強度がえられず、後の工程
で変形したり、壊れたりする。また、圧力P1が10000kgf
/cm2を越えると、粒子密度が高くなりすぎたり、後の工
程で添加する溶湯が浸透しにくくなり、また金型自体の
強度上の問題も発生する。
熱した金型２内に、セラミックス粒子１を収容したあ
と、同図（ｂ）に示すように上パンチ３と下パンチ５と
によって１〜10000kgf/cm2の圧力P1で加圧し、セラミッ
クス粒子の予成形体４を形成する。ここで圧力P1が1kgf
/cm2未満の場合は予成形体に強度がえられず、後の工程
で変形したり、壊れたりする。また、圧力P1が10000kgf
/cm2を越えると、粒子密度が高くなりすぎたり、後の工
程で添加する溶湯が浸透しにくくなり、また金型自体の
強度上の問題も発生する。
次に一部固相が存在する半溶融状態に加熱した過共晶
Al−Si系合金（たとえばAC9Aは517〜726℃、A390は502
〜681℃）の溶湯６を同図（ｃ）に示すように金型２内
の予成形体４の上部に給湯する。
Al−Si系合金（たとえばAC9Aは517〜726℃、A390は502
〜681℃）の溶湯６を同図（ｃ）に示すように金型２内
の予成形体４の上部に給湯する。
そして直ちに、同図（ｄ）に示すように上パンチ７に
よって100〜10000kgf/cm2の圧力P2で加圧し、製品８を
うる。
よって100〜10000kgf/cm2の圧力P2で加圧し、製品８を
うる。
このようにして製造した製品は、セラミックス粒子の
予成形体内に溶湯のAlが浸透し、その予成形体と接する
凝固した溶湯の境界部分には濾過されずに残った初晶が
多く存在する組織のものが得られる。
予成形体内に溶湯のAlが浸透し、その予成形体と接する
凝固した溶湯の境界部分には濾過されずに残った初晶が
多く存在する組織のものが得られる。
次に具体例について説明する。まず、セラミックス粒
子としてSiCを用い、これを予め800℃に予熱する。次に
300℃に加熱した前記金型２にこれを収容したあと、100
0kgf/cm2のP1圧力で加圧して予成形体を得る。
子としてSiCを用い、これを予め800℃に予熱する。次に
300℃に加熱した前記金型２にこれを収容したあと、100
0kgf/cm2のP1圧力で加圧して予成形体を得る。
次に、マトリックス合金しとてAC9Aを用い、これを60
0℃に加熱してSi結晶が固相として存在する半溶融状態
とし、これを前記予成形体の上方に注ぎ、1000kgf/cm2
の圧力P2によって前記溶湯の上方から加圧した。得られ
た製品は、第２図に示すように、Ａ部分（第１図参照）
には通常の組織のSi結晶が晶出したものが、複合部分Ｃ
には加圧によってSi量の低くなった液相だけがSi粒子の
成形体内に侵入してマトリックスとなり、また複合部分
Ｃに近接したＢ部分には濾過されずに残った分だけSi結
晶の多い組織のものがえられた。
0℃に加熱してSi結晶が固相として存在する半溶融状態
とし、これを前記予成形体の上方に注ぎ、1000kgf/cm2
の圧力P2によって前記溶湯の上方から加圧した。得られ
た製品は、第２図に示すように、Ａ部分（第１図参照）
には通常の組織のSi結晶が晶出したものが、複合部分Ｃ
には加圧によってSi量の低くなった液相だけがSi粒子の
成形体内に侵入してマトリックスとなり、また複合部分
Ｃに近接したＢ部分には濾過されずに残った分だけSi結
晶の多い組織のものがえられた。
すなわち、過共晶Al−Si系合金を用いるため全体的に
耐摩耗性、硬さ、耐熱性に優れたものがえられるが、セ
ラミックス粒子で複合化した部分には、更にその性質の
優れたものができる。すなわち、通常、複合部分は伸び
や靭性が劣っているが、初晶のSi結晶を残すようにして
濾過し（即ちSi％を低くした）伸びや靭性に優れたAl合
金を選択的に含浸させるので複合化した部分の性質が改
善されたものとなる。
耐摩耗性、硬さ、耐熱性に優れたものがえられるが、セ
ラミックス粒子で複合化した部分には、更にその性質の
優れたものができる。すなわち、通常、複合部分は伸び
や靭性が劣っているが、初晶のSi結晶を残すようにして
濾過し（即ちSi％を低くした）伸びや靭性に優れたAl合
金を選択的に含浸させるので複合化した部分の性質が改
善されたものとなる。
e.発明の効果 以上のように本発明によれば全体的に耐摩耗性、硬
さ、耐熱性に優れ、特定部分が更に優れた性質を有する
部分複合材料がえられる。
さ、耐熱性に優れ、特定部分が更に優れた性質を有する
部分複合材料がえられる。
また、本発明の複合材料は鋳造方法によって製造する
ため、コストの安い複合材料がえられる。
ため、コストの安い複合材料がえられる。
すなわち本発明によればセラミックス粒子による予成
形体をメッシュとして、溶湯をその手前で濾過し、Si結
晶を残すようにしたため、複合部分にさらに靭性を与え
ることができ、またその境界付近の非複合部も初晶Si結
晶を多く含むことによって複合部ほどではないが性質の
優れた材料がえられる。
形体をメッシュとして、溶湯をその手前で濾過し、Si結
晶を残すようにしたため、複合部分にさらに靭性を与え
ることができ、またその境界付近の非複合部も初晶Si結
晶を多く含むことによって複合部ほどではないが性質の
優れた材料がえられる。
第１図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本発明に係る
粒子分散型複合材料の製造要領を説明する図、第２図は
第１図（ｄ）に示す製品の各部の組織状態を説明する図
である。 １……セラミックス粒子、 ２……金型、 ４……予成形体、 ６……過共晶Al−Si系合金の溶湯。
粒子分散型複合材料の製造要領を説明する図、第２図は
第１図（ｄ）に示す製品の各部の組織状態を説明する図
である。 １……セラミックス粒子、 ２……金型、 ４……予成形体、 ６……過共晶Al−Si系合金の溶湯。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 1/10 C22C 21/00 - 21/18 B22D 19/00 - 19/14
Claims (2)
- 【請求項１】過共晶Al−Si系合金をマトリックスとし、
セラミックス粒子とAl合金とからなる複合部分およびSi
結晶とAl合金とからなる非複合部分を備え、複合部分と
の境界付近の非複合部分にSi結晶を多く存在せしめたこ
とを特徴とする粒子分散型複合材料。 - 【請求項２】セラミックス粒子を加圧して成形体をつく
り、これにマトリックス合金として半溶融状態の過共晶
Al−Si系合金を注湯して加圧し、溶湯中のSi結晶を成形
体付近に残しながらマトリックス合金を成形体内に浸透
させることを特徴とする粒子分散型複合材料の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02185849A JP3104244B2 (ja) | 1990-07-13 | 1990-07-13 | 粒子分散型複合材料とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02185849A JP3104244B2 (ja) | 1990-07-13 | 1990-07-13 | 粒子分散型複合材料とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0474842A JPH0474842A (ja) | 1992-03-10 |
| JP3104244B2 true JP3104244B2 (ja) | 2000-10-30 |
Family
ID=16177957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02185849A Expired - Fee Related JP3104244B2 (ja) | 1990-07-13 | 1990-07-13 | 粒子分散型複合材料とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3104244B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4961557B2 (ja) * | 2007-02-20 | 2012-06-27 | 国立大学法人富山大学 | 軽金属複合材料の製造方法及びこの方法で得られた軽金属複合材料 |
| CO7320177A1 (es) * | 2014-01-10 | 2015-07-10 | Univ Pontificia Bolivariana Upb | Método para la manufactura de materiales compuesto de matriz metálica de estructura globular con partículas cerámicas |
-
1990
- 1990-07-13 JP JP02185849A patent/JP3104244B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0474842A (ja) | 1992-03-10 |
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