JP3620337B2 - 金属基複合材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属基複合材料およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開昭62−6759号公報は、金属溶湯を噴出させ、半溶融の微粒子の状態にある金属溶湯に、強化材微粒子を噴霧して、これらが鋳型の上に供給されて会合、固化した時に、母材中に強化材微粒子が分散された金属基複合材料を製造する方法を開示している。
しかし、特開昭62−6759号公報の金属基複合材料の製造法には、材料全体が複合材料となるので、耐摩耗性、耐蝕性などのために表面だけを部分的に硬化させいという場合には適さないという問題がある。
金属基複合材料の局所製造方法としては、溶射、クラッディング、アロイング、CVD、PVD等があるが、以下の問題があるため、特殊な用途に限られて実用化されているのが実状である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
溶射、クラッディング、アロイング、CVD、PVD等の従来の金属基複合材料の局所製造方法には、加工時間が長い、高価な専用設備を要する、処理コストが高い、等の問題があった。
本発明の目的は、部分的強化が可能で(金属基複合材料の局所製造が可能で)、加工時間も短く、処理コストも低い、金属基複合材料およびその製造方法を提供することになる。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、つぎの通りである。
(1) 金属母材と、該金属母材より硬く該金属母材に、強化材粒子を圧縮空気とともに噴射する投射により打ち込まれた多数の粒径が10μmを超え100μm以下の強化材粒子と、からなる金属基複合材料。
(2) 前記強化材粒子の打ち込み深さが200μm以下である(1)記載の金属基複合材料。
(3) 前記金属母材が軽金属である(1)記載の金属基複合材料。
(4) 金属母材に、該金属母材より硬い多数の粒径が10μmを超え100μm以下の強化材粒子を、強化材粒子を圧縮空気とともに噴射する投射により打ち込んで、金属基複合材料を製造する金属基複合材料の製造方法。
(5) 前記強化材粒子を2.5kg/cm2 以上の投射圧力で前記金属母材に打ち込む(4)記載の金属基複合材料の製造方法。
(6) 前記金属母材が軽金属である(4)記載の金属基複合材料の製造方法。
(7) 前記強化材粒子を前記金属母材の表面から30〜45°の角度で投射する(4)記載の金属基複合材料の製造方法。
(8) 前記強化材粒子を前記金属母材の表面に対し直角の角度で投射しついで前記金属母材の表面から30〜45°の角度で投射する(4)記載の金属基複合材料の製造方法。
(9) 前記金属母材が常温より高い温度でかつ固体状態にある時に前記強化材粒子を前記金属母材に投射する(4)記載の金属基複合材料の製造方法。
(10) 前記金属母材が常温にある時に前記強化材粒子を前記金属母材に投射する(4)記載の金属基複合材料の製造方法。
【0005】
上記(1)の金属基複合材料および上記(4)の金属基複合材料の製造方法では、多数の粒径が10μmを超え100μm以下の強化材粒子が金属母材に投射により打ち込まれているので、強化材粒子の投射部位を母材の一部に限ることことにより母材の部分的強化が可能になる。また、投射により短時間に容易に表面の硬さを上げることができるので、時間、および設備コストのかかる溶射、クラッディング、アロイング、CVD、PVD等の従来の金属基複合材料の局所製造方法にくらべて、時間短縮、製造コスト削減、設備コストの削減等をはかることができる。
上記(2)の金属基複合材料および上記(5)の金属基複合材料の製造方法では、強化材粒子の打ち込み深さが200μm以下または投射圧力が2.5kg/cm2 以上であるので、従来のショットブラストと異なり、強化材粒子を母材の表面部位に打ち込み、埋めて、母材表面部位に強化材粒子によって強化された母材に比べて硬質な金属基複合材料を形成することができる。
上記(3)の金属基複合材料および上記(6)の金属基複合材料の製造方法では、母材が軽金属であるので、それより硬い材料の強化材粒子を打ち込むことにより表面の硬さを上げることができる。母材がアルミニウムで強化材粒子の材料が鋼である場合は、強化材粒子の打ち込みによる金属基複合材料の硬さは母材のみの硬さに比べてHV70程度以上増加される。
上記(7)の金属基複合材料の製造方法では、強化材粒子を金属母材の表面から傾けて投射すると、強化材粒子の打ち込み時の穴のまわりの母材金属が他の強化材粒子に叩かれて変形、流動することにより強化材粒子を打ち込んだ時の穴を塞ぎ強化材粒子が母材金属中に埋め込まれた形となる。30〜45°の角度で投射すると打ち込み深さおよび強化材粒子を打ち込んだ後の穴の塞ぎ上、好ましい。
上記(8)の金属基複合材料の製造方法では、強化材粒子を金属母材の表面に対し直角の角度で投射しついで前記金属母材の表面から30〜45°の角度で投射するので、始めの直角投射により強化材粒子の打ち込み深さを上げることができ、後の斜め投射により打ち込み穴を塞ぐことができる。
上記(9)の金属基複合材料の製造方法では、金属母材が常温より高い温度でかつ固体状態にある時に強化材粒子を投射するので、強化材粒子の打ち込みが容易になり、かつ強化材粒子の打ち込み深さを上げることができる。
上記(10)の金属基複合材料の製造方法では、金属母材が常温にある時に強化材粒子を金属母材に投射するが、投射圧力等を適宜に選定することにより強化材粒子を金属母材中に打ち込むことができる。強化材粒子が投射される時母材金属表面が温度が上がりその後急冷されることになるため、母材金属組織が細密化し、その点からも強度向上がはかられる。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明実施例の金属基複合材料3は、図1、図2に示すように、金属母材2と、金属母材2より硬く金属母材2に投射(強化材粒子1を圧縮空気とともに噴射)により打ち込まれた多数の強化材粒子1と、からなる。
【0007】
金属母材2は、たとえば軽金属(アルミニウム、マグネシウム等)、銅、ニッケル、錫、亜鉛、またはそれらの合金等からなる。これらの金属は硬さが比較的低いので、摺動部(シリンダブロックボア部)、または相手部材によって擦られる部位(ピストンのピストンリング溝)などに用いられる場合は、表面部を局所的に金属基複合材料として硬度を上げ、耐摩耗性、摺動性、耐熱性等を向上させるのに本発明を用いることができる。
【0008】
強化材粒子1の材料は金属母材2より常温において硬さが硬いものであればよく、たとえば、鉄系または非鉄系の金属(高速度鋼、ステンレス鋼等)、セラミックス、黒鉛、酸化物(アルミナ等)、炭化物(炭化珪素等)等である。
強化材粒子1は粒状で、それを体積が同じ球体に換算した場合の強化材粒子1の粒径は、100μm以下で、通常、10〜100μmである。
【0009】
強化材粒子1の打ち込み深さ(強化材粒子1の母材表面から最も離れた部分と母材表面との間の距離)は、200μm以下である。強化材粒子1を金属母材2に打ち込んだ時にできる穴は母材2によって埋められ、強化材粒子1は金属母材2中に分散した状態にある。強化材粒子1の打ち込み深さは金属母材2の柔らかさ、強化粒子1の投射圧により異なり、金属母材2が柔らかい程、また投射圧が高い程打ち込み深さは大である。
【0010】
本発明実施例の金属基複合材料の製造方法は、金属母材2に、金属母材2より硬い多数の強化材粒子1を投射により打ち込んで金属基複合材料3を製造する方法からなる。
金属母材2の材料、強化材粒子1の材料および粒径については、本発明実施例の金属基複合材料で述べたことと同じである。
【0011】
強化材粒子1を、大気中で、投射ノズル4より、2.5kgf/cm2 (1kgf/cm2 は98kPa)以上の投射圧力で、望ましくは約4.0kgf/cm2 以上の投射圧力で金属母材2に打ち込み、金属母材2の表面部位に金属基複合材料3の層を形成する。この投射圧は、ショットブラストの投射圧の2.0kgf/cm2 より高い。
投射圧を上記投射圧とすることにより、強化材粒子1を金属母材2に打ち込むことができる。投射機はショットブラスト機を用いてもよく、その場合は投射圧を上記投射圧に上げて用いる。
【0012】
強化材粒子1を金属母材の表面からθの角度で投射する。投射角度を金属母材の表面から傾斜させることにより、強化材粒子1を投射した時に金属母材2にできる穴のまわりの母材2を、続く投射粒子1で叩いて流動させ、母材2の穴を塞ぐことができ、強化材粒子1を母材表面から離れた母材2中に埋め込み、分散させることができる。穴を塞ぐ面から、投射角度θを30〜45°の角度に設定することが望ましい。
【0013】
強化材粒子1の投射深さを大にする上からは投射角度θを90°(直角)とするのがよいので、強化材粒子1を金属母材2の表面に対し直角の角度で投射しついで金属母材の表面から30〜45°の角度で投射して穴を埋めるようにすると、投射深さを大にするとともに穴も塞ぐことができる。
【0014】
強化材粒子1の投射は、金属母材2が常温より高い温度でかつ固体状態にある時に行う。常温より高い温度は、金属母材2に成形または鍛造後の残熱を利用してもよい。高い温度で強化材粒子1を投射することにより、強化材粒子1の投射深さを大にすることができる。
強化材粒子1の投射は、金属母材が常温にある時に行ってもよい。金属母材2が常温であっても、投射圧を上げれば強化材粒子1を金属母材2中に打ち込むことができる。
【0015】
上記の製造方法により形成された金属基複合材料3の硬さは約HV200であり、母材マトリクスのみの場合が約HV130であるので、HV70程度以上硬さが増加される。
【0016】
【実施例】
アルミニウム合金(6000系)からなる金属母材(マトリックス材)2に、高速度鋼の鋼球からなる強化材粒子1を高速衝突させた。投射圧力は4kgf//cm2 であり、投射時間は約10秒であった。投射ノズル径は5mm、投射方式は直圧方式とした。製造された複合材3の金属組織を図2(800倍にして示したもの)に示す。図2中の強化材粒子1の大きさは大きいもので約30μmである。
上記の供試材および製造条件で作製したΦ100mm、厚さ5〜10mmの試験片の中心にΦ7mmの穴をあけた後、JISK7204に規定される摩耗試験機(テーパ型)に取付け、摩耗輪を用いて荷重9.8Nにて回転摩耗試験を行った結果、本発明複合材はマトリックス材のみの場合と比べて、摩耗量が1/100以下に低減した。
【0017】
【発明の効果】
請求項1の金属基複合材料および請求項4の金属基複合材料の製造方法によれば、多数の粒径が10μmを超え100μm以下の強化材粒子が金属母材に投射により打ち込まれているので、強化材粒子の投射部位を母材の一部に限ることことにより金属母材の部分的強化が可能になる。また、投射により短時間に容易に表面の硬さを上げることができるので、時間および設備コストのかかる溶射、クラッディング、アロイング、CVD、PVD等の従来の金属基複合材料の局所製造方法にくらべて、時間短縮、製造コスト削減、設備コストの削減等をはかることができる。
請求項2の金属基複合材料および請求項5の金属基複合材料の製造方法によれば、強化材粒子の打ち込み深さが200μm以下または投射圧力が2.5kg/cm2 以上であるので、強化材粒子を母材の表面部位に打ち込み、埋めて、母材表面部位に強化材粒子によって強化された母材に比べて硬質な金属基複合材料を形成することができる。
請求項3の金属基複合材料および請求項6の金属基複合材料の製造方法によれば、金属母材が軽金属であるので、それより硬い材料の強化材粒子を打ち込むことにより母材表面に母材より硬さが上げられた金属基複合材料層を形成することができる。
請求項7の金属基複合材料の製造方法によれば、強化材粒子を金属母材の表面から30〜45°の角度で投射するので、打ち込み深さを深くできかつ強化材粒子を打ち込んだ後の穴の塞ぐことができる。
請求項8の金属基複合材料の製造方法によれば、強化材粒子を金属母材の表面に対し直角の角度で投射しついで前記金属母材の表面から30〜45°の角度で投射するので、始めの直角投射により強化材粒子の打ち込み深さを上げることができ、後の斜め投射により打ち込み穴を塞ぐことができる。
請求項9の金属基複合材料の製造方法によれば、金属母材が常温より高い温度でかつ固体状態にある時に強化材粒子を投射するので、強化材粒子の打ち込みが容易になり、かつ強化材粒子の打ち込み深さを上げることができる。
請求項10の金属基複合材料の製造方法によれば、金属母材が常温にある時に強化材粒子を金属母材に投射するが、投射圧力等を適宜に選定することにより強化材粒子を金属母材中に打ち込むことができる。強化材粒子が投射される時母材金属表面が温度が上がりその後急冷されることになるため、母材金属組織が細密化し、その点からも強度向上がはかられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例の金属基複合材料の一部断面図とその製造方法を示す側面図である。
【図2】本発明実施例の金属基複合材料の800倍拡大の金属組織図である。
【符号の説明】
1 強化材粒子
2 金属母材
3 金属基複合材料
4 投射ノズル
Claims (10)
- 金属母材と、該金属母材より硬く該金属母材に、強化材粒子を圧縮空気とともに噴射する投射により打ち込まれた多数の粒径が10μmを超え100μm以下の強化材粒子と、からなる金属基複合材料。
- 前記強化材粒子の打ち込み深さが200μm以下である請求項1記載の金属基複合材料。
- 前記金属母材が軽金属である請求項1記載の金属基複合材料。
- 金属母材に、該金属母材より硬い多数の粒径が10μmを超え100μm以下の強化材粒子を、強化材粒子を圧縮空気とともに噴射する投射により打ち込んで、金属基複合材料を製造する金属基複合材料の製造方法。
- 前記強化材粒子を2.5kg/cm2 以上の投射圧力で前記金属母材に打ち込む請求項4記載の金属基複合材料の製造方法。
- 前記金属母材が軽金属である請求項4記載の金属基複合材料の製造方法。
- 前記強化材粒子を前記金属母材の表面から30〜45°の角度で投射する請求項4記載の金属基複合材料の製造方法。
- 前記強化材粒子を前記金属母材の表面に対し直角の角度で投射しついで前記金属母材の表面から30〜45°の角度で投射する請求項4記載の金属基複合材料の製造方法。
- 前記金属母材が常温より高い温度でかつ固体状態にある時に前記強化材粒子を前記金属母材に投射する請求項4記載の金属基複合材料の製造方法。
- 前記金属母材が常温にある時に前記強化材粒子を前記金属母材に投射する請求項4記載の金属基複合材料の製造方法。
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