JP4037901B2 - アルミニウム複合材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般にアルミニウム複合材の製造方法に係り、より詳細には、塑性加工性、熱伝導性、室温又は高温での強度、高剛性、中性子吸収性能、耐磨耗性、低熱膨張性等の少なくとも一の特性に優れたアルミニウム複合材の製造に関する。

粉末冶金法でアルミニウムを母相とする複合材を製造する場合、母相となるアルミニウム粉末に、強化材となるＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣやＢ_４Ｃ、ＢＮ、窒化アルミ、窒化ケイ素等のセラミックス粒子を混合した後、混合粉体を、缶封入したり、冷間圧縮成形したりした後、脱ガスや焼結等を行い目的とする形状に成形していた。焼結方法としては、単に加熱する方法、ホットプレス等の加圧しながら加熱する方法、熱間押出加工や熱間鍛造加工や熱間圧延加工等の熱間塑性加工により加圧焼結させる方法、加圧しながら通電し焼結させる方法やそれらの方法を組み合わせて行う方法等がある。また脱ガスに焼結を兼ねさせる場合もあった。
特開２００１−３２９３０２公報

近年、アルミニウム複合材として、強度ばかりでなく、高ヤング率、耐磨耗性、低熱膨張性、そして放射能吸収性能が求められるような用途も開発されるようになってきた。一般に、各機能性を持つセラミックスの添加量を増加させれば、各機能を増加させることは可能であるが、単に添加量を増加させただけでは、焼結性、押出性、圧延性及び鍛造性等の塑性加工性が著しく低下してしまう。
そこで、セラミックスを予備成形し、そこにアルミニウム合金溶湯を浸透させて、高濃度のセラミックスを均一に母相中に分散させるようにした方法も考えられているが、溶湯の浸透不足や凝固時のひけ等の欠陥が発生する虞があった。

しかして、本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、例えば１０質量％以上とセラミックスの添加量の多いアルミニウム複合材を容易に製造することができる方法を提供することを主たる目的とする。
本発明の他の目的は、アルミニウム・セラミックス複合材に金属板材をクラッド化して、塑性加工を容易にしたアルミニウム複合材の製造方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、クラッド化したアルミニウム・セラミックス複合材に圧延加工を施すに当たり、割れ等の発生を確実に防止することができるアルミニウム複合材の製造方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、高い生産性を達成することができるアルミニウム複合材の製造方法を提供することにある。

なお、本明細書においてアルミニウムとは、純アルミニウム及びアルミニウム合金を意味する。
また、本発明の製造方法は、強化材の添加量の多いアルミニウム複合材の製造に限定されるものではなく、強化材の添加量の少ない例えば０．５質量％のセラミックスを含有するアルミニウム複合材の製造にも適用が可能である。

本発明のアルミニウム複合材の製造方法は、（ａ）アルミニウム粉末とセラミックス粒子を混合して混合材を調製する工程と、（ｂ）前記混合材を金属板材と共に通電加圧焼結して、焼結体が金属板材で被覆されたクラッド材を形成する工程と、（ｃ）前記クラッド材に塑性加工を施してアルミニウム複合材を得る工程を具備してなることを特徴とする。
一般に、セラミックス粒子はアルミニウムと比較して、非常に硬度が高い。そのためセラミックス粒子を多く含むアルミニウム粉末の焼結体を塑性加工すると、表面のセラミックス粒子が破壊の基点となり、塑性加工材に割れが発生する。また、押出ダイス、圧延ローラ、鍛造金型等を摩耗させる。しかしながら、本発明では、塑性加工を施す前に、アルミニウム粉末とセラミックス粒子の混合材を金属板材で覆った後、通電加圧焼結して、セラミックス含有アルミニウム焼結体の表面に金属板材をクラッドし、その状態で塑性加工を行うこととした。この方法だと表面には、破壊の基点となったり、ダイス等を摩耗させたりするセラミックス粒子が無いので、良好な塑性加工材を得ることができる。また、セラミックス含有アルミニウム粉末に通電加圧焼結法により金属板材をクラッドさせているので、セラミックス含有アルミニウム材と金属板材との密着性が良く、セラミックス含有アルミニウム材と金属板材の間の熱伝導性や電気伝導性が優れている。また熱間塑性加工を行っても、金属板材とセラミックス含有アルミニウム材の間に欠陥が生じることもなく、よって熱間塑性加工後に金属板材を剥がす必要もない。

本発明の好適な実施態様では、前記（ｂ）工程において、前記混合材を金属板材に接触せしめた状態で金属板材と共に成形ダイ中に装入し、パンチで圧縮すると共に電圧を印加して通電加圧焼結を施す。ここで、混合材を一対の金属板材間に挟み、金属板材がパンチで押圧される状態で成形ダイ中に装入し、混合材を金属板材と共に圧縮するようにすることもできるし、あるいは別法として、蓋部板材を底部板材に対向して有する金属製容器に混合粉末を収容し、底部板材と蓋部板材がパンチで押圧される状態で成形ダイ中に装入し、混合材を容器と共に圧縮するようにすることもできる。

本発明の更に好適な実施態様では、前記（ｂ）工程において、混合材と金属板材の組合せ体を少なくとも二組準備し、該少なくとも二組の組合せ体を積み重ねた状態で成形ダイ中に装入して通電加圧焼結を施し、少なくとも二のクラッド材を同時に形成することができ、かかる方法によって、生産性を大幅に向上させることができる。ここで、成形ダイ中の収容空間を、パンチ移動方向に直交する少なくとも一の仕切り部材で仕切って少なくとも二の仕切り空間を画成し、前記少なくとも二組の組合せ体を該少なくとも二の仕切り空間に装入して、通電加圧焼結を施すことができる。

本発明の他の好適な実施態様では、前記金属板材は、アルミニウム製又はステンレス鋼製である。また、前記（ａ）工程において、アルミニウム粉末とセラミックス粒子を混合して混合粉末からなる混合材を調製するのが一般的であるが、アルミニウム粉末とセラミックス粒子の混合粉末に、例えば冷間静水圧成形（ＣＩＰ）や冷間一軸成形、振動プレス成形等の圧縮成形を施して混合材を圧縮成形体からなるものとしてもよく、一度通電加圧焼結したものでもよく、このようにすると、通電加圧焼結の際に焼結がしやすくなる上に、搬送等の取り扱いも容易になる。また、金属製容器に混合粉を入れた状態あるいは金属板材間に混合粉を挟んだ状態で、圧縮成形してもよい。
本発明の更なる実施態様では、前記（ａ）工程において、アルミニウム粉末は純度９９．０％以上の純Ａｌ粉もしくはＡｌにＭｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの何れか１種以上を０．２〜２質量％含有する合金粉であり、セラミックス粒子は混合材全質量の０．５〜６０％を占める。

本発明の更に他の好適な実施態様では、前記（ｂ）工程において、周縁部が金属枠材で囲撓されたクラッド材を形成する。より好ましくは、前記（ｂ）工程において、通電加圧焼結後に、クラッド材の周縁部を金属枠材で囲撓する。あるいは別法では、通電加圧焼結前に、金属板材及び／又は混合材の周縁部を金属枠材で囲撓する。ここで、前記金属枠材は、複数の枠部材を溶接、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ接合）等により固着させて形成したものでもよいし、一体部材でもよい。好ましくは、金属枠材はアルミニウム板材の中央部をワイヤーカットやプレス加工等により切除したものや中空押出材を適宜長さに切断したもの等の一体部材のものを使用することが好ましい。

本発明の更なる実施態様では、前記（ｃ）工程において、塑性加工を施す前に、前記クラッド材の表面を金属製の保護板で覆う。ここで、前記保護板は、伸びがあり、高温強度が高く、熱伝導率が低い材料から製作することが好ましく、例えばステンレス鋼板、Ｃｕ板、軟鉄板等を利用することができ、軟鉄板が最も好ましい。また、より好ましくは、前記（ｃ）工程において、前記クラッド材の移動方向前方側と上下面を前記保護板で囲撓する。更に、前記クラッド材と保護板の間には、ＢＮ系潤滑剤による固体潤滑等の潤滑処理を施すことが好ましい。
本発明の他の実施態様では、上述のアルミニウム複合材の製造方法により製造されたアルミニウム複合材が提供される。

本発明に係るアルミニウム複合材の製造方法は、従来のアルミニウム複合材の製造方法が有する前述の不具合を部分的に又は完全に解消するものである。
特に、本発明に係るアルミニウム複合材の製造方法では、塑性加工を施す前に、アルミニウム粉末とセラミックス粒子の混合材と、金属板材を共に通電加圧焼結して、セラミックス含有アルミニウム焼結体に金属板材をクラッドしたので、表面に、破壊の基点となったり、ダイス等を摩耗させたりするセラミックス粒子が無いので、良好な塑性加工材を得ることができる。また、セラミックス含有アルミニウム材に通電加圧焼結法により金属板材をクラッドさせているので、セラミックス含有アルミニウム材と金属板材との密着性が良く、セラミックス含有アルミニウム材と金属板材の間の熱伝導性や電気伝導性が優れている。また塑性加工を行っても、金属板材とセラミックス含有アルミニウム材の間に欠陥が生じることもない。

また、本発明に係るアルミニウム複合材の製造方法の好適な態様では、混合材と金属板材の組合せ体を二組以上同時に成形ダイに装入して通電加圧焼結を施すことにより、焼結工程を高効率化することができ、アルミニウム複合材の生産性を大幅に向上させることができる。
更に好適な態様では、クラッド材を周縁部が金属枠材で囲撓されたものとしたり、圧延加工を施す前に、クラッド材の表面を金属製の保護板で覆うようにしたので、塑性加工により複合材の表面や内部又は側面に割れや亀裂等が発生するのを確実に防止することができるという効果を奏する。
また、多段焼結においては、スペーサを利用することにより、自在に板厚制御を行うことができる効果もある。

本発明の実施に使用される通電加圧焼結装置の要部を示す概略断面図である。 本発明の方法の一実施形態を示す概略図で、上下一対の金属板材の間に混合粉末を収容して通電加圧焼結装置に装入した状態を示す。 本発明の方法の他の実施形態を示す概略図で、通電加圧焼結装置に装入される金属製容器に混合粉末を収容している状態を示す。 本発明の方法の他の実施形態を示す通電加圧焼結装置の概略断面図で、二段焼結例を示す。 本発明の方法の他の実施形態を示す部分断面図で、箱状体と蓋部部材からなる容器の外縁部へ金属枠材を取付けた状態を示す。 外縁部に枠材を取り付けた図５の容器の全体の平面図である。 図５と同様の部分断面図で、容器の外縁部への金属枠材の他の取付け例を示す。 外縁部に枠材を取り付けた図７の容器の全体の平面図である。 図５と同様の部分断面図で、容器の外縁部への金属枠材の更に他の取付け例を示す。 図５と同様の部分断面図で、容器の外縁部への金属枠材の更に他の取付け例を示す。 図６と同様の容器の全体の平面図で、金属枠材のコーナー部を溶接した状態を示す。 ワイヤーカット型の金属枠を取り付けた容器全体の平面図である。 本発明の方法の他の実施形態を示すための概略縦断面図で、通電加圧焼結前に、混合材の周縁部に金属枠材を取り付けて、混合材と枠材を同時に焼結する形態を示す。 本発明の方法の他の実施形態を示す概略図で、塑性加工を施す前に、クラッド材の表面を保護板で覆う状態を示す。 矩形のアルミニウム合金ＪＩＳ５０５２及びＪＩＳ１０５０製容器を用いて、本発明の実施例１に記載の方法に従って通電加圧焼結した焼結体の顕微鏡写真である。 矩形のアルミニウム合金ＪＩＳ５０５２及びＪＩＳ１０５０製容器を用いて、本発明の実施例１に記載の方法に従って通電加圧焼結した焼結体の金属製容器と焼結体の界面の顕微鏡写真である。 図１５、１６の焼結体のＭｇの線分析の図である。 図１５、１６の焼結体を含む通電加圧焼結体を冷間圧延した圧延材の写真である。 実施例２に記載の方法によって製造された押出材の縦断面の顕微鏡組織写真である。

符号の説明

１ 成形ダイ
２ 上パンチ部材
３ 下パンチ部材
Ａ 材料収容部
４、５ 金属板材
６ 底部板材
９ 蓋部板材
１０ 積層板
１１ 組合せ体
１２ スペーサ
１３ 仕切り部材
１４ 容器
１５ 枠材
１６、１８ 溶接部
１７ 空隙部
２１ 保護板
２４ 圧延ロール

本発明の製造方法は、（ａ）アルミニウム粉末とセラミックス粒子を混合して混合材を調製する工程と、（ｂ）前記混合材を金属板材と共に通電加圧焼結して、焼結体が金属板材で被覆されたクラッド材を形成する工程と、（ｃ）前記クラッド材に塑性加工を施してアルミニウム複合材を得る工程を具備してなることを特徴とする。以下、使用される原材料の説明を行った後、各工程を（ａ）工程から（ｃ）工程の順に詳細に説明する。

（１）原材料の説明
［母材のアルミニウム粉末］
本体部の母材となるアルミニウム粉末は、その組成は特に限定されず、純アルミニウム（ＪＩＳ１０５０、１０７０等）、Ａｌ−Ｃｕ系合金（ＪＩＳ２０１７等）、Ａｌ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ５０５２等）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ６０６１等）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ７０７５等）、Ａｌ−Ｍｎ系合金等、種々のタイプの合金の粉末を、単独で、又は２種以上を混合して使用することができる。
如何なる組成のアルミニウム合金粉末を選択するかは、所望される特性、後の成形加工時の変形抵抗、混合されるセラミックス粒子の量、原料コスト等々を考慮して、決定される。例えば、アルミニウム複合材の加工性や放熱性を高めたい場合には、純アルミニウム粉末が好ましい。純アルミニウム粉末は、アルミニウム合金粉末の場合に比べて原料コストの面で有利でもある。なお、純アルミニウム粉末は、純度が９９．５質量％以上のもの（通常市販の純アルミニウム粉末は９９．７質量％以上）を使用するのが好ましい。

また、中性子吸収能を付与する場合、後述するセラッミクス粒子としてホウ素化合物を用いるが、得られる中性子吸収能を更に高めたい場合には、ハフニウム（Ｈｆ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリウム（Ｇｄ）等の中性子吸収能を備えた少なくとも１種の元素を、アルミニウム粉末中に好適には１〜５０質量％添加することができる。また、高温強度が要求される場合にはチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）等の少なくとも１種を、室温強度が要求される場合にはケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）等の少なくとも１種を、何れも各元素２％以下、合計量で１５質量％以下の割合で、添加することができる。

更に、本願発明では焼結性を高めることが特に必要であるが、かかる目的には、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）の何れか１種以上を０．２質量％以上含ませることが好ましい。
尚、上記アルミニウム合金粉末では、特定した成分以外の残部は、基本的にアルミニウム及び不可避不純物である。

アルミニウム粉末の平均粒径は特に限定されるものではないが、上限値は一般には５００μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以下、より好ましくは６０μｍ以下の粉末を用いることができる。平均粒径の下限値は製造可能であれば特に限定されるものではないが、通常は１μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上である。またアルミニウム粉末の粒度分布を１００μｍ以下として、強化材の粒子の平均粒度を１０μｍ以下とすると強化材の粒子が均一に分散し、強化材粒子の希薄な部分が非常に少なくなり、特性の安定化に効果がある。アルミニウム合金粉末の平均粒径は、後述するセラミックス粒子の平均粒径との差が大きいと押出加工や圧延加工等の塑性加工の際に割れが生じやすいので、平均粒径の差を小さくすることが好ましい。平均粒径が大きくなりすぎると、平均粒径を大きくできないセラミックス粒子との均一混合が困難となる一方、平均粒径が小さすぎると、微細アルミニウム合金粉末同士で凝集が起こり易くなり、セラミックス粒子との均一混合が非常に困難になるからである。また、かかる範囲内の平均粒径とすることにより、一層優れた加工性、成形性、機械的特性を得ることもできる。
なお、本発明における平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定法による値を示す。粉末形状も限定されるものではなく、例えば涙滴状、真球状、回転楕円体状、フレーク状又は不定形状等いずれであっても差し支えない。

上記アルミニウム粉末の製造方法は限定されず、公知の金属粉末の製造方法に従って製造することができる。その製造方法は例えば、アトマイズ法、メルトスピニング法、回転円盤法、回転電極法、その他の急冷凝固法等が挙げられるが、工業的生産にはアトマイズ法、特に溶湯をアトマイズすることにより粉末を製造するガスアトマイズ法が好ましい。
なお、アトマイズ法においては、上記溶湯を通常７００〜１２００℃に加熱してアトマイズすることが好ましい。この温度範囲に設定することにより、より効果的なアトマイズを実施することができるからである。またアトマイズ時の噴霧媒・雰囲気は、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、水等あるいはそれらの混合ガスであってもよいが、噴霧媒は、経済的観点から、空気、窒素ガス又はアルゴンガスによるのが好ましい。

［セラミックス粒子］
アルミニウム粉末と混合されて本体部の形成に用いられるセラミックスとしては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣやＢ_４Ｃ、ＢＮ、窒化アルミ、窒化ケイ素等がある。これらを単独で又は混合物として使用することができ、複合材の用途によって選択する。
ここで、ホウ素（Ｂ）には中性子を吸収する性能があるので、ホウ素系セラミックス粒子を用いた場合は、アルミニウム複合材は中性子吸収材としても使用できる。その場合、ホウ素系セラミックスとしては、例えばＢ_４Ｃ、ＴｉＢ_２、Ｂ_２Ｏ_３、ＦｅＢ、ＦｅＢ_２等を挙げることができ、これらを単独で又は混合物として使用することができる。特に、中性子を良く吸収するＢの同位体である^１０Ｂを多く含む炭化ホウ素Ｂ_４Ｃを使用するのが好ましい。

このセラミックス粒子は、前述のアルミニウム合金粉末に、０．５質量％〜６０質量％の量で含有せしめられることが好ましい。更に好ましくは５質量％〜４５質量％である。０．５質量％以上とした理由は、０．５質量％より少ないと、複合材を十分に強化できないためである。また、６０質量％以下とした理由は、６０質量％より多いと、焼結が難しく、塑性加工の際の変形抵抗が高く、塑性加工が困難な上、成形体が脆くなって、折れやすくなるという問題があるからである。またアルミニウムとセラミックス粒子の密着性も悪くなり、空隙ができやすく、求める各機能が得られなくなり、強度や熱伝導性も低下する。さらに切削性も低下する。

Ｂ_４ＣやＡｌ_２Ｏ_３セラミックス粒子の平均粒径は任意であるが、１〜２０μｍが好ましい。アルミニウム合金の平均粒径に対して説明したように、これら二種の粉末間の粒径差が少ない方が好ましい。よって、５μｍ以上２０μｍ以下とすることがより好ましい。平均粒径が２０μｍより大きいと、切断時に鋸歯が直ぐに摩耗してしまう問題があり、また、平均粒径が１μｍ（好ましくは３μｍ）より小さいと、これら微細粉末同士で凝集が起こり易くなり、アルミニウム粉末との均一混合が非常に困難になるからである。
なお、本発明の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定法による値を示す。粉末形状も限定されず、例えば、涙滴状、真級状、回転楕円体状、フレーク状、不定形状等のいずれであってもよい。

［金属板材］
本発明に係る製造方法において用いられる金属板材としては、粉末材料との密着性に優れかつ塑性加工に適した金属であれば如何なる金属でも用いることができるが、好適にはアルミニウム製又はステンレス鋼製である。例えばアルミニウムの場合、純アルミニウム（ＪＩＳ１０５０、１０７０等）が好適に用いられる他、Ａｌ−Ｃｕ系合金（ＪＩＳ２０１７等）、Ａｌ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ５０５２等）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ６０６１等）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ７０７５等）、Ａｌ−Ｍｎ系合金等、種々のタイプの合金素材も使用することができる。如何なる組成のアルミニウムを選択するかは、所望される特性、コスト等々を考慮して決定される。例えば、加工性や放熱性を高めたい場合には、純アルミニウムが好ましい。純アルミニウムは、アルミニウム合金の場合に比べて原料コストの面で有利でもある。また更に強度や加工性を高めたい場合には、Ａｌ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ５０５２等）が好ましい。更に、中性子吸収能を更に高めたい場合には、Ｈｆ、Ｓｍ、Ｇｄ等の中性子吸収能を備えた少なくとも１種の元素を、好ましくは１〜５０質量％添加することができる。

また、金属板材は、後の通電加圧焼結工程において詳述するように、一対の金属板材であってもよいし、底部板材と側部板材からなる箱状体に蓋部板材が組み合わされた容器であってもよい。容器の場合、好適には箱状体の上部縁部には蓋部板材の周縁部が嵌合する段状の嵌合部が形成されていてもよい。

（２）（ａ）工程（アルミニウム・セラミックス混合材製造工程）
アルミニウム粉末と、セラミックス粒子を用意し、これら粉末を均一に混合する。アルミニウム粉末は一種のみでもよいし複数種を混合してもよく、セラミックス粒子についても一種のみでもよいし複数種、例えばＢ_４Ｃ及びＡｌ_２Ｏ_３を混合してもよい。混合の方法は、公知の方法でよく、例えばＶブレンダー、クロスロータリーミキサー等の各種ミキサー、振動ミル、遊星ミル等を使用し、所定の時間（例えば１０分〜１０時間程度）混合すればよい。また、混合は、乾式又は湿式の何れであってもよい。また、混合の際に解砕の目的で、アルミナボール等のメディアを適宜加えてもよい。

（ａ）工程では、粉末の混合材を調製するのみで、この粉末混合材をそのまま次工程の通電加圧焼結工程に送るのが基本プロセスであるが、場合によっては、次工程の通電加圧焼結の前に、冷間静水圧成形（ＣＩＰ）や冷間一軸成形、振動プレス成形等により、アルミニウム混合粉末を圧縮成形しておくことも可能であり、一度通電加圧焼結しておいたものでもよく、混合粉末のままではなく、かかる圧縮成形材とすると、通電加圧焼結の際に焼結しやすくなる上に、搬送等の取り扱いも容易になるという利点がある。また更に、圧縮成形したものを、減圧雰囲気、不活性雰囲気、還元性雰囲気において、２００〜６００℃まで加熱し、脱ガスを行ってもよい。

（３）（ｂ）工程（通電加圧焼結工程）
（ｂ）工程においては、（ａ）工程で製造された混合材（混合粉末又は混合圧縮成形体）を通電加圧焼結装置に装入して通電加圧焼結する。通電加圧焼結装置自体は、所定の通電加圧焼結が実施できるものであれば如何なるものを用いても構わないが、例えば図１に概略図が示された装置が使用できる。この装置は、図示しない真空容器内に収容された焼結炉（これも図示せず）内に配設されており、上下方向に貫通した穴が形成された超硬金属、超硬合金、炭素系材料等の導電性材料からなる成形ダイ１と、該成形ダイ１の上下にパンチ部を前記貫通穴に移動可能に挿通させてそれぞれ配設された超硬金属、超硬合金、炭素系材料等の導電性材料からなる上パンチ部材２及び下パンチ部材３とを具備してなり、上記貫通穴の上パンチ部材２と下パンチ部材３により画成される空間が材料収容部Ａとなる。しかして、一般には粉末材料をこの材料収容部Ａに装入し、図示しない上パンチ部材駆動機構と下パンチ部材駆動機構を作動させて上パンチ部材２と下パンチ部材３により粉末材料を圧縮して圧粉体を成形すると共に、図示しないＤＣパルス通電機構に電圧を印加して上パンチ部材２と下パンチ部材３から直流パルス電流を通電させ、通電加圧焼結を行う。この通電加圧焼結方法自体は既に公知であるが、本発明においては、粉末材料をそのまま材料収容部Ａに装入するのではなく、粉末材料を金属板材に接触せしめた状態で金属板材と共に成形ダイ１中に装入し、上下のパンチ部材２、３で圧縮すると共に電圧を印加して通電加圧焼結を施す点に特徴がある。

すなわち、本発明においては、焼結体に金属板材が被覆されたクラッド材が形成されるように粉末材料と金属板材を互いに接する状態で材料収容部Ａに装入し、通電加圧焼結を施す。通電加圧焼結は従来知られた方法で実施することができ、真空容器を密封して真空ポンプ等で焼結炉内を減圧状態とし、必要に応じて真空容器内に不活性雰囲気ガスを充填した後、上パンチ部材２と下パンチ部材３を作動させ成形ダイ１内の材料を所定圧で押圧圧縮した後、得られた高密度圧縮体に上パンチ部材２と下パンチ部材３を通して直流パルス電流を通電し、材料を加熱焼結する。通電加圧焼結の条件は、所望の焼結結果が達成されるように選択されなければならず、対象とする粉末の種類、所望される焼結度合い等に応じて適宜決定されるものであるが、本発明における基本的な所望要件である金属板材と焼結体の密着性、クラッド材の塑性加工性等に鑑みると、大気中でも通電加圧焼結は可能であるが、例えば、真空度０．１ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気下で、電流５０００〜３００００アンペアー、昇温速度１０〜３００℃／分、焼結温度５００〜６５０℃、保持時間５分以上、圧力５〜１０Ｍｐａの条件で実施される。焼結温度が５００℃未満では十分に焼結させることが難しく、６５０℃を超えるとアルミニウム粉末あるいはアルミニウム板材が溶融してしまう虞がある（好ましくは５３０〜５８０℃以下）。

ここで、本発明では焼結体に金属板材が被覆されたクラッド材が形成されるように粉末材料と金属板材を互いに接する状態とするが、具体的には、次の二通りの態様が考えられ、好適である。
すなわち、第一の態様は図２に示すもので、成形ダイ１の粉末材料収容部に先ずアルミニウム製、ステンレス鋼製等の金属板材４を下パンチ部材３のパンチ面にこれを当接させて装入し、ついで工程（ａ）で得られた粉末の混合材Ｍ（又は圧縮成形体）を装填した後、上から金属板材５を被せる。そして、この状態で、前述の条件で通電加圧焼結を施す。
第二の態様は図３に示すもので、底部板材６と側部板材７からなる箱状体８に、工程（ａ）で得られた粉末の混合材Ｍ（又は圧縮成形体）を装填した後、その上から蓋部板材９を嵌合する。この容器を、成形ダイ１の粉末材料収容部に収容し、この状態で、上記の条件で通電加圧焼結を施す。尚、図３において箱状体８は四角形状としているが、押出加工をする場合は、円筒状の箱状体８を使用する。
上記何れの方法によっても、通電加圧焼結によりアルミニウム混合粉末又はその圧縮成形体からなる混合材は焼結され、それと同時に上下の金属板材４、５や容器の底部板材６及び蓋部板材９に密着し、クラッド材が形成される。

更に、本発明では、焼結工程を二段焼結、三段焼結等の多段焼結とすることができる。図４は二段焼結の場合の実施形態を示すもので、三段以上の場合も同様の構成で実施可能である。
図４中、１３はパンチ移動方向に直交する少なくとも一の仕切り部材を示し、これによって成形ダイ中の収容空間には二の仕切り空間が画成されている。この各仕切り空間に、混合材と金属板材の組合せ体１１を一組ずつ装入して通電加圧焼結を施すのであるが、各組合せ体１１と成形ダイ１の間と、各組合せ体１１と仕切り部材１３の間とには、パンチ部材や仕切り部材と組合せ体が接合してしまわないように上下一対の積層板１０が配設される。更に、上下一対の積層板１０の間で積層板周縁部の近傍には、積層板の外周縁部に沿って延びる矩形枠状のスペーサ１２が上下面を上下一対の積層板の対向面に向けて配設されている。このスペーサ１２は、側部板材７と蓋部板材９の接触部が通電加圧焼結の際に変形することを抑制し、箱状体８と蓋部板材９がはがれにくくするためのものである。

また、本発明の好適な実施形態では、工程（ｂ）において、周縁部がアルミニウムブロック材等の金属枠材で囲撓されたクラッド材を形成することにより、金属枠材に圧延荷重がかかる構造とし、クラッド材の主として側方向の割れや亀裂等の発生が未然に防止される。この金属枠材によるクラッド材の保護は、通電加圧焼結後に行ってもよいし、通電加圧焼結前に行ってもよい。枠材１５の幅ａが、大きいほど圧延荷重を受けることができるため、クラッド材の割れや亀裂が発生しにくくなるので、枠材１５の幅ａは、５ｍｍ以上にするのが好ましい。更に２０ｍｍ以上にするのが好ましい。また枠材１５は、金属板材や金属容器と同じ材質の金属であるとそれらとの接合性が良い。また圧延する際の組成変形量に差が出にくい。

図５及び６は、箱状体と蓋部部材からなる容器１４によって示した組合せ体の外縁部への金属枠材１５の一取付け例を示すもので、通電加圧焼結時にアルミニウムブロックからなる枠材１５を取り付け、通電加圧焼結後に枠材１５の外周部を溶接あるいは摩擦撹拌接合する。図５中、１６は溶接の肉盛りを示す。また図５から分かるように、容器１４（組合せ体でもあるが、以下、容器１４とする）を、その底部及び上部とその側面部との角部がなだらかな湾曲面状になるように形成し、枠材１５と容器１４の該角部の間に空隙１７を形成しておくと、焼結の際に、この空隙１７に枠材１５のアルミニウムブロックが溶け込み、枠材１５と容器１４の一体化が図れ、枠材１５の摩擦係数が上がるという利点がある。なお、容器内部では粉末の圧縮が生じるため、アルミニウムブロックの枠材１５の厚みは容器１４の厚みより小さいことが好ましい。アルミニウムブロックの枠材１５は容器１４と同じレベルあるいはそれ以上だと通電加圧焼結時の圧縮力の多くを枠材１５が受けてしまい、容器１４及びその内部の粉末に圧縮力が加わりにくくなる虜がある。逆に枠材１５の厚みが薄すぎると圧延初期に、枠材１５に圧力が加わらなくなるので、容器１４の厚みの９０％以上であることが好ましい。

図７及び８は、金属枠材１５を容器１４に取り付ける場合の他の実施形態を示すもので、通電加圧焼結後に、クラッド材となっている容器１４の外周部にアルミニウムブロックからなる枠材１５を溶接１６あるいは摩擦撹拌接合により取り付ける。この方法は実施が容易であり、アルミニウムブロックの枠材１５を容器１４の厚みより若干厚くすることで、枠材１５へ圧力が初期からかかるようにする。早い段階で枠材１５へ圧力が掛かるとクラッド材の割れや亀裂が発生しにくくなる。また、枠材１５を通電加圧焼結装置に入れる必要が無いので、その分通電加圧焼結体を大きくすることができる。
更に図９は別の実施形態を示すもので、クラッド材の外側部分を構成する容器１４の周縁部の外部形状を外方に向けて容器が徐々に薄くなるようにテーパー状にすることにより、圧延荷重が枠材１５に流れ易くするようにしたものである。このような構造にすれば、アルミニウムブロックの枠材１５を取り付けたとき、テーパー部へ荷重がかかりやすくなる。また、クラッドされる容器１４の製作が比較的容易であり、通電加圧焼結処理前にＣＩＰ等の圧縮成型を行う場合には、粉体を詰める作業が容易になるという利点がある。

図１０は更に別の実施形態を示すもので、通電加圧焼結時にアルミニウムブロックの枠材１５を容器１４と同時焼結して、焼結後に外周部において枠材１５と容器１４を溶接あるいは摩擦撹拌接合する。その際、容器１４のフランジ部分の端部を外方に略９０°折り曲げることによりフランジ部分の断面積を大きくし、曲げた中央部分を全周溶接あるいは摩擦撹拌接合する。この方法では、フランジ引張り強度を上げることができるという利点がある。
また、図１１に示すように、金属枠材１５は複数の枠部材１５ａを溶接あるいは摩擦撹拌接合により固着させて形成することができるが、圧延の際、コーナー部１８には大きな力が加わるので、コーナー部１８には強度を上げるため、溶接処理を施してもよい。また、枠材１５のコーナー部の強度をより上げるため図１３に示すように、アルミニウム板材の中央部をワイヤーカットやプレス加工等により切除した一体部材の金属枠１５を用いることもできる。更に中空状のアルミニウム押出材を適宜寸法に切り出したものを金属枠材１５として用いることもできる。

図１３は更に別の実施態様を示すもので、１９は金属板材、２０は混合材である。この例では、通電加圧焼結前に、混合材２０の周縁部にアルミニウム等の金属枠材１５を取り付けて、混合材２０と枠材１５を同時に焼結する。混合材中のアルミニウムと枠材が溶融状態で焼結するので、より一体となった焼結体を得ることができる。金属枠部材１５は、複数個のアルミニウムブロック材等からなるものでも良いが、コーナー部の強度を考慮するとアルミニウム板材の中央部をワイヤーカットやプレス加工等により切除したものや中空状のアルミニウム押し出し材を適宜寸法に切り出したもの等の一体物を用いることが好ましい。この場合、枠材１５も材料収容部Ａの中に入るので、枠材１５の幅ａが大きいと焼結体が小さくなる。そこで、幅の小さい枠材１５を用い、通電加圧焼結後に、枠材１５の外に更に枠材を設けても良い。

（４）（ｃ）工程（塑性加工工程）
通電加圧焼結体は、一般には、熱間押出、熱間圧延、熱間鍛造等の熱間塑性加工を施され、加圧焼結が更に改良されると同時に、目的とする形状に成形される。板状クラッド材を作製する場合は、冷間圧延のみでＡｌ板材やＡｌ容器との所定のクラッド率を有するクラッド板材を得ることも可能である。熱間塑性加工は一つの加工を行ってもよいし、複数の加工を組み合わせてもよい。また熱間塑性加工後、冷間塑性加工を行ってもよい。冷間塑性加工を行う場合は、加工前に１００〜５３０℃（好ましくは４００〜５２０℃）で焼鈍を行うと加工が行いやすくなる。
焼結体は金属板材によってクラッドされているので、その表面には塑性加工の際に破壊の基点となったり、ダイス等を摩耗させたりするセラミックス粒子は無い。そのため、塑性加工性が良好であり、強度や表面性状の優れたアルミニウム複合材を得ることができる。また得られた熱間塑性加工材は、表面が金属でクラッドされ、表面の金属と内部のアルミニウム焼結体の密着性もよいので、表面を金属材にクラッドされていないアルミニウム複合材より、耐食性、耐衝撃性、熱伝導性に優れる。

好適な圧延加工の実施形態では、圧延加工を施す前に、クラッド材の表面を金属製の保護板、例えばステンレス鋼、Ｃｕ又は軟鉄製の薄板で覆う。これにより、圧延加工時（特に初期に）にローラと金属板材との摩擦により生じる恐れのある焼結材と金属板材との剥離等を未然に防止することができる。
図１４は、この実施形態の一例を示す概略図で、クラッド材２３の移動方向前方側と上下面を保護板２１で囲撓している。また、クラッド材２３と保護板２１の間には潤滑処理２２が施される。潤滑処理を施すことにより、保護板と金属板材との摩擦が減少し、焼結材と金属板材との剥離がより発生しにくくなる。より具体的には、例えば、通電加圧焼結体を軟鉄製の薄板（０．５ｍｍ厚）で覆い、焼結体と軟鉄薄板の内部をＢＮ系潤滑剤にて固体潤滑処理して、熱間圧延（ロール径：φ３４０ｍｍ、面長：４００ｍｍ、速度：１５．２ｍ／ｍｉｎ）を施す。なお、噛込性改善のため、ロール２４は無潤滑とし、また、軟鉄板の先端表面のみ粗面処理（例えば、＃１２０エミリー紙を用いる）を施す等の条件で行うことができる。保護板は圧延の最後まで使用する必要はなく、圧延がある程度進んだ段階では、金属板材と焼結体の結合が強固になるので、使用を止めても良い。また保護板も圧延を繰り返すと加工硬化する。加工硬化した保護板はクラッド材を傷つける可能性がある。クラッド材が傷つくと破壊の起点となるので、圧延を数回繰り返した後、新しい保護板と交換することが好ましい。

以下、本発明の製造方法を実施例を参照しながら詳細に説明する。
なお、実施例に記載した各物性値の測定方法は次の通りである。
（１）組成
ＩＣＰ発光分光分析法により分析した。
（２）平均粒径
商品名「マイクロトラック」（日機装製）を使用し、レーザー回折式粒度分布測定法により実施した。平均粒径は、体積基準メジアン径である。
（３）圧延性
試料を圧延加工したときの割れの有無や表面性状を評価した。板面上に表面割れの発生があったものを「×」、表面に割れはないが、しわ状の凹凸のあるものを「○」、表面割れや凹凸の発生がなかったものを「◎」とした。
（４）組織観察
試料を切断した小片を樹脂に埋め込み、エメリー研磨、バフ研磨を行なった後、光学顕微鏡により、組織を観察した。
（５）線分析
組織観察に使用した試料についてＥＰＭＡ装置を用いて、Ｍｇの分布を調査した。

［実施例１］
表１に示す組成のアルミニウム合金粉末に、Ｂ_４Ｃセラミックス粉末を、３５質量％になるように均一に混合した。ついで、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ５ｍｍの板厚０．５ｍｍのアルミニウム合金ＪＩＳ５０５２及びＪＩＳ１０５０製の容器を準備し、前記の混合粉を各容器に入れた状態で、通電加圧焼結装置に装填し、真空雰囲気（真空度：０．１ｔｏｒｒ）において電圧（電流７０００アンペアー）を印加して通電加圧焼結を行った。ここで、焼結温度は５２０〜５５０℃、保持時間２０分とし、昇温速度２０℃／分、圧力７Ｍｐａの条件とした。

得られた焼結材から試験片を採取し、その金属組織を光学顕微鏡を用いて組織観察した。図１５、１６にその顕微鏡写真を示す。この写真より、試験片は十分高密度に焼結されていることが分かる。また図１６より、容器と内部のアルミニウム粉末合金とは強固に密着されていることが分かる。
更に、組織観察に使用した試験片についてＥＰＭＡ装置を使用してＭｇの線分析を行った。その結果を図１７に示す。図１７より、接合面近くの５０５２材のＭｇが減少し、母材が純アルミニウムである焼結体内部にＭｇが検出されていることが分かる。すなわち、５０５２材のＭｇが焼結体内部に拡散していることが分かる。このことからも５０５２材と焼結材が強固に密着していることが確認された。

次に得られた焼結体を、板厚２ｍｍまで、冷間圧延した。冷間圧延材の外観写真を図１８に示す。図１８より、外観不良が無く、圧延加工されていることが分かる。また冷間圧延材の強度、耐食性（塩水噴霧試験：室温、食塩水、浸漬５００時間の後、外観検査）を調べた。その結果を表２に示す。

比較例として、容器に入れず粉末のまま通電加圧焼結を行ったものを冷間圧延した（他の組成、製造条件は同じ）。しかし、表面に割れやむしれが発生し、圧延材を得ることができなかった。そこで、焼結材の強度、耐食性を調べた。これらの結果も以下の表２に併せて示す。
表２より、本発明例は、強度、耐食性に優れていると共に圧延性も良好であるのに対して、比較例は、何れの性質においても本発明例に比較して劣り、また圧延時に割れが生じてしまうことが分かる。

［実施例２］
表１に示す組成のアルミニウム合金粉末に、Ｂ_４Ｃセラミックス粉末を、４３質量％になるように混合した。ついで、混合粉を純アルミニウム（ＪＩＳ１０５０）製の円筒状容器（φ１００mm；板厚２ｍｍ）に入れ、実施例１記載の条件で通電加圧焼結を行った。
次に得られた焼結材を、４８０℃まで加熱し、厚さ６ｍｍｘ４０ｍｍの平板状に熱間押出加工した。図１９に金属組織の顕微鏡写真を示す。図１９より押出材が焼結され、容器と押出材が十分に密着していることが分かる。

Claims (22)

1. （ａ）アルミニウム粉末とセラミックス粒子を混合して混合材を調製する工程と、（ｂ）前記混合材を金属板材と共に通電加圧焼結して、焼結体が金属板材で被覆されたクラッド材を形成する工程と、（ｃ）前記クラッド材に塑性加工を施してアルミニウム複合材を得る工程を具備してなることを特徴とする、アルミニウム複合材の製造方法。
2. 前記（ｂ）工程において、前記混合材を金属板材に接触せしめた状態で金属板材と共に成形ダイ中に装入し、パンチで圧縮すると共に電圧を印加して通電加圧焼結を施すことを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
3. 前記（ｂ）工程において、混合材を一対の金属板材間に挟み、金属板材がパンチで押圧される状態で成形ダイ中に装入し、混合材を金属板材と共に圧縮することを特徴とする、請求項２に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
4. 前記（ｂ）工程において、蓋部板材を底部板材に対向して有する金属製容器に混合粉末を収容し、底部板材と蓋部板材がパンチで押圧される状態で成形ダイ中に装入し、混合材を容器と共に圧縮することを特徴とする、請求項２に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
5. 前記（ｂ）工程において、混合材と金属板材の組合せ体を少なくとも二組準備し、該少なくとも二組の組合せ体を積み重ねた状態で成形ダイ中に装入して通電加圧焼結を施し、少なくとも二のクラッド材を同時に形成することを特徴とする、請求項２ないし４の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
6. 成形ダイ中の収容空間を、パンチ移動方向に直交する少なくとも一の仕切り部材で仕切って少なくとも二の仕切り空間を画成し、前記少なくとも二組の組合せ体を該少なくとも二の仕切り空間に装入して、通電加圧焼結を施すことを特徴とする、請求項５に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
7. 前記各組合せ体と成形ダイの間と、各組合せ体と仕切り部材の間とに、上下一対の積層板を配設させて、通電加圧焼結を施すことを特徴とする、請求項６に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
8. 前記金属板材がアルミニウム製又はステンレス鋼製であることを特徴とする、請求項１ないし７の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
9. 前記（ａ）工程において、アルミニウム粉末とセラミックス粒子を混合して混合粉末からなる混合材を調製することを特徴とする、請求項１ないし８の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
10. 前記（ａ）工程において、アルミニウム粉末とセラミックス粒子を混合して混合粉末を調製し、該混合粉末に圧縮成形を施して圧縮成形体からなる混合材を調製することを特徴とする、請求項１ないし９の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
11. 前記（ａ）工程において、アルミニウム粉末は純度９９．０％以上の純Ａｌ粉もしくはＡｌにＭｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの何れか１種以上を０．２〜２質量％含有する合金粉であり、セラミックス粒子は混合材全質量の０．５〜６０％を占めることを特徴とする、請求項１ないし１０の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
12. 前記（ｂ）工程において、周縁部が金属枠材で囲撓されたクラッド材を形成し、前記（ｃ）工程において、塑性加工が圧延加工であることを特徴とする、請求項１ないし１１の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
13. 前記（ｂ）工程において、通電加圧焼結後に、クラッド材の周縁部を金属枠材で囲撓することを特徴とする、請求項１２に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
14. 前記（ｂ）工程において、通電加圧焼結前に、金属板材及び／又は混合材の周縁部を金属枠材で囲撓することを特徴とする、請求項１２に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
15. 複数の枠部材を溶接又は摩擦撹拌接合により固着させて金属枠材を形成する、請求項１２ないし１４の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
16. 金属枠材が一体部材である、請求項１２ないし１４の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
17. 前記金属枠材がアルミニウム材であることを特徴とする、請求項１２ないし１６の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
18. 前記（ｃ）工程において、圧延加工を施す前に、前記クラッド材の表面を金属製の保護板で覆うことを特徴とする、請求項１ないし１７の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
19. 前記（ｃ）工程において、前記クラッド材の移動方向前方側と上下面を前記保護板で囲撓することを特徴とする、請求項１８に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
20. 前記クラッド材と保護板の間に潤滑処理を施すことを特徴とする、請求項１８又は１９に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
21. 前記保護板が、ステンレス鋼、Ｃｕ又は軟鉄製の薄板であることを特徴とする、請求項１８ないし２０の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
22. 請求項１ないし２１の何れか１項に記載のアルミニウム複合材の製造方法により製造されたアルミニウム複合材。