JP4299295B2 - Method for producing carbon nanocomposite metal molded product - Google Patents
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本発明はマトリックス金属素材にカーボンナノ材料を複合させてなる複合金属成形品の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a composite metal molded article obtained by combining a carbon nanomaterial with a matrix metal material.
近年、カーボンナノファイバと称する特殊な炭素繊維が強化材料として注目を浴び、その活用方法が提案されている。カーボンナノファイバは、六角網目状に配列した炭素原子のシートを筒状に巻いた形態のものであり、直径が1.0nm(ナノメートル)〜150nmであり、ナノレベルであるため、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブなど(以下、カーボンナノ材料という)と呼ばれる。なお、長さは数μm〜100μmである。 In recent years, special carbon fibers called carbon nanofibers have attracted attention as reinforcing materials, and their utilization methods have been proposed. The carbon nanofiber is formed by winding a sheet of carbon atoms arranged in a hexagonal network in a cylindrical shape, and has a diameter of 1.0 nm (nanometer) to 150 nm and is at a nano level. Called carbon nanotubes (hereinafter referred to as carbon nanomaterials). The length is several μm to 100 μm.
このカーボンナノ材料は微細であるため、凝集しやすく、母材となるマトリックス金属に、均一に混合させることが難しい材料である。 Since the carbon nanomaterial is fine, it is easy to aggregate and is difficult to uniformly mix with the matrix metal as the base material.
そこで、半溶融状態にした低融点金属材料に、カーボンナノ材料を混合して複合化する技術が提案された(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1を次図に基づいて説明する。
図8は従来の技術の基本構成を説明する図であり、101は溶解炉、102は傾斜冷却板、103は攪拌手段、104は混合装置、105はポンプ、106は射出装置、107は金型である。
Patent document 1 is demonstrated based on the following figure.
FIG. 8 is a diagram for explaining the basic structure of the prior art. 101 is a melting furnace, 102 is an inclined cooling plate, 103 is a stirring means, 104 is a mixing device, 105 is a pump, 106 is an injection device, and 107 is a mold. It is.
先ず、金属材料111を溶解炉101で溶解する。溶湯112は傾斜冷却板102に流し、半凝固温度まで冷却する。半凝固状態の金属材料113を混合装置104に投入すると共にカーボンナノ材料114を加え、攪拌手段103で混合する。
First, the metal material 111 is melted in the
得られた複合材料は半凝固状態のまま、ポンプ105を用いて射出装置106へ供給し、金型107へ射出して、カーボンナノ複合成形品115、115を得る。
又は、混合装置104で得た複合材料を一旦粒状体116にする。そして、この粒状体116を射出装置106へ供給し、射出装置106内で半凝固状態に戻し、金型107へ射出することで、カーボンナノ複合成形品115、115を得る。
The obtained composite material remains in a semi-solid state and is supplied to the
Alternatively, the composite material obtained by the
仮に、混合装置104で、完全溶融状態の金属材料にカーボンナノ材料114を加えて攪拌すると、カーボンナノ材料114が盛んに流動するが、カーボンナノ材料の濡れ性の悪さやカーボンナノ材料と金属材料との比重差などの要因により、カーボンナノ材料が溶湯面に浮上したり、溶湯の底に沈殿するため、結果として偏った分布になることが考えられる。
If the
この点、特許文献1の技術では、金属材料が半凝固状態であるため、この半凝固状態の金属材料113にカーボンナノ材料114を加えて攪拌しても、カーボンナノ材料114の浮上又は沈殿を制限することができ、結果として均一な分散が期待できると言う利点がある。
In this regard, in the technique of Patent Document 1, since the metal material is in a semi-solid state, even if the
本発明者等が、検証したところ、特許文献1の技術で製造したカーボンナノ複合成形品115の強度が期待通りに増加しないことが判明した。
すなわち、特許文献1の技術では、強度の点で改良の余地がある。
As a result of verification by the present inventors, it has been found that the strength of the carbon nanocomposite molded
That is, the technique of Patent Document 1 has room for improvement in terms of strength.
本発明は、半凝固状態の金属材料にカーボンナノ材料を加えることを前提としたカーボンナノ複合金属成形品の製造方法において、より高い強度のカーボンナノ複合金属成形品を得ることのできる改良技術を提供することを課題とする。 The present invention provides an improved technology capable of obtaining a carbon nanocomposite metal molded product with higher strength in a method for producing a carbon nanocomposite metal molded product based on the premise that a carbon nanomaterial is added to a semi-solidified metal material. The issue is to provide.
本発明者等は、特許文献1の技術で製造したカーボンナノ複合成形品の断面を顕微鏡で観察した。カーボンナノ材料の分散は良好であることが確認できた。しかし、カーボンナノ材料をさらに拡大して観察すると、多数本(多数個)のカーボンナノ材料が絡み合った状態で凝集していることが判明した。 The present inventors observed the cross section of the carbon nanocomposite molded article manufactured by the technique of Patent Document 1 with a microscope. It was confirmed that the dispersion of the carbon nanomaterial was good. However, when the carbon nanomaterial was further enlarged and observed, it was found that a large number (multiple) of carbon nanomaterials were aggregated in an intertwined state.
すなわち、図8において、混合装置104に投入する時点で既にカーボンナノ材114は凝集体になっていて、混合装置104では、殆ど、ほぐされることがないまま、半溶融状態の金属材料113に混合されたと見なすことができる。
That is, in FIG. 8, when the
そこで、混合装置に投入する前に、カーボンナノ材料をほぐす処理を加えた。すると、高い強度のカーボンナノ複合成形品を得ることができた。この知見から以下に述べる本発明を完成することに至った。 Therefore, a treatment for loosening the carbon nanomaterial was added before being put into the mixing apparatus. As a result, a carbon nanocomposite molded article with high strength could be obtained. From this finding, the present invention described below has been completed.
請求項1に係る発明は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合して、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形品を得る工程と、この予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程と、前記金属粉末と同種の金属を半溶融温度に加熱した半溶融金属を準備する工程と、この半溶融金属に前記圧縮成形品を投入し、この圧縮成形品を半溶融温度まで温めながら混練することで半溶融状態の混練物を得る工程と、この半溶融状態の混練物を金型のキャビティへ供給してカーボンナノ複合金属成形品を得る工程と、からなることを特徴とする。 The invention according to claim 1 includes a step of mixing a carbon nanomaterial and a metal powder to obtain a carbon nanocomposite metal powder, a step of pressing the carbon nanocomposite metal powder to obtain a preformed product, A step of obtaining a compression-molded article by allowing the molded article to be heated in a state of being heated to a half-melting temperature and then allowing to cool; and a step of preparing a semi-molten metal obtained by heating the same kind of metal as the metal powder to a half-melting temperature; A step of obtaining the semi-molten kneaded product by charging the semi-molten metal with the compression molded product and kneading the compression molded product while warming to the semi-molten temperature; And a step of supplying a carbon nanocomposite metal molded article to the cavity.
請求項2に係る発明は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合して、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形品を得る工程と、この予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程と、前記金属粉末と同種の金属を半溶融温度に加熱した半溶融金属を準備する工程と、この半溶融金属に前記圧縮成形品を投入し、この圧縮成形品を半溶融温度まで温めながら混練することで半溶融状態の混練物を得る工程と、この半溶融状態の混練物を冷却して固体の混練物を得る工程と、この固体の混練物を金属射出機に供給しこの金属射出機で半凝固温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給してカーボンナノ複合金属成形品を得る工程と、からなることを特徴とする。 The invention according to claim 2 includes a step of mixing a carbon nanomaterial and a metal powder to obtain a carbon nanocomposite metal powder, a step of pressing the carbon nanocomposite metal powder to obtain a preformed product, A step of obtaining a compression-molded article by allowing the molded article to be heated in a state of being heated to a half-melting temperature and then allowing to cool; and a step of preparing a semi-molten metal obtained by heating the same kind of metal as the metal powder to a half-melting temperature; A step of obtaining the semi-molten kneaded product by charging the semi-molten metal with the compression molded product and kneading the compressed molded product while warming to the semi-molten temperature; and cooling the semi-molten kneaded product. A solid kneaded product, and the solid kneaded product is supplied to a metal injection machine, heated to a semi-solidification temperature by the metal injection machine, and then supplied to a mold cavity to obtain a carbon nanocomposite metal molded product. Process and consist of The features.
請求項3に係る発明は、半溶融状態の混練物を得る工程で、半溶融金属の量及び/又は半溶融金属へ投入する圧縮成形品の量を制御することで、前記カーボンナノ複合金属成形品を得る工程で得るカーボンナノ複合金属成形品に占めるカーボンナノ材料の添加率を制御することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the step of obtaining a kneaded material in a semi-molten state, the amount of the semi-molten metal and / or the amount of the compression molded product to be introduced into the semi-molten metal is controlled, whereby the carbon nanocomposite metal molding It is characterized by controlling the addition rate of the carbon nanomaterial in the carbon nanocomposite metal molded product obtained in the step of obtaining the product.
請求項4に係る発明は、圧縮成形品を得る工程で、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることを特徴とする。
The invention according to
請求項5に係る発明では、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程で用いるカーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成金属を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。
In the invention according to
請求項6に係る発明では、金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする。 In the invention according to claim 6, the metal-attached carbon nanomaterial is obtained by mixing the carbon nanomaterial and the carbide-forming metal, placing the obtained mixture in a vacuum furnace, evaporating the carbide-forming metal under a high temperature vacuum, It is obtained by adhering to the surface of a nanomaterial.
請求項7に係る発明は、炭化物形成金属が、Ti又はSiであることを特徴とする。 The invention according to claim 7 is characterized in that the carbide-forming metal is Ti or Si.
請求項8に係る発明では、金属粉末の材質は、Mg、Mg合金、Al、Al合金のいずれかであることを特徴とする。 The invention according to claim 8 is characterized in that the material of the metal powder is any one of Mg, Mg alloy, Al, and Al alloy.
請求項1に係る発明において、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合して、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程を実施すると、カーボンナノ材料の凝集を解き、金属粉末にカーボンナノ材料をまぶすことができるため、カーボンナノ材料の再凝集を抑制することができる。 In the invention according to claim 1, when the step of obtaining the carbon nanocomposite metal powder by mixing the carbon nanomaterial and the metal powder is performed, the aggregation of the carbon nanomaterial is released and the carbon nanomaterial is coated on the metal powder. Therefore, reaggregation of the carbon nanomaterial can be suppressed.
次に、カーボンナノ複合金属粉末を押し固めてなる予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程を実施するが、混合工程で凝集が解かれ、まぶしたカーボンナノ材料が固液共存温度状態で圧縮変形されるため、十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品を得ることができる。 Next, a process for obtaining a compression-molded product is carried out by pressurizing a preformed product obtained by pressing and solidifying the carbon nanocomposite metal powder while being heated to a semi-melting temperature, and then agglomerating in the mixing step. Since the carbon nanomaterial thus unwound and compressed is deformed in a solid-liquid coexisting temperature state, a compression molded product in which the carbon nanomaterial is sufficiently dispersed can be obtained.
十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品を、別途準備した半溶融金属に混練すると、半溶融金属の熱を吸収して、圧縮成形品は半溶融状態に戻る。カーボンナノ材料は周囲の半溶融金属に流動化が妨げられるため、凝集する心配はない。この状態で混練物を金型のキャビティへ供給すれば、カーボンナノ材料が均等に分散した、高強度のカーボンナノ複合金属成形品を得ることができる。 When a compression molded product in which carbon nanomaterials are sufficiently dispersed is kneaded with a separately prepared semi-molten metal, the heat of the semi-molten metal is absorbed and the compression molded product returns to a semi-molten state. Since carbon nanomaterials are prevented from fluidizing by the surrounding semi-molten metal, there is no fear of aggregation. If the kneaded material is supplied to the mold cavity in this state, a high-strength carbon nanocomposite metal molded product in which the carbon nanomaterial is uniformly dispersed can be obtained.
すなわち、請求項1は、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形品を得る工程と、この予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程とを、実施することで、混合(混練)前にカーボンナノ材料を分散させることを特徴とする。これらの工程により、従来発生していた、混合前におけるカーボンナノ材料の凝集を、解消することに成功したといえる。 That is, claim 1 includes a step of obtaining a carbon nanocomposite metal powder, a step of pressing the carbon nanocomposite metal powder to obtain a preformed product, and pressurizing the preformed product while being heated to a semi-melting temperature. The carbon nanomaterial is dispersed before mixing (kneading) by carrying out a step of obtaining a compression molded product by allowing to cool after being carried out. By these steps, it can be said that it has succeeded in eliminating the aggregation of carbon nanomaterials before mixing, which has been conventionally generated.
加えて、請求項1は、半溶融状態の混練物を得る工程で得た半溶融状態の混練物を金型のキャビティへ供給するため、製造時間が短くなり、大量生産が可能となり、製造コストを容易に下げることができる。 In addition, since the semi-molten kneaded material obtained in the step of obtaining the semi-molten kneaded material is supplied to the mold cavity, the manufacturing time is shortened, and mass production is possible. Can be easily lowered.
請求項2に係る発明は、請求項1と同様に、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形品を得る工程と、この予備成形品を半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に放冷することで圧縮成形品を得る工程とを、実施することで、混合(混練)前にカーボンナノ材料を分散させることを特徴とする。これらの工程により、従来発生していた、混合前におけるカーボンナノ材料の凝集を、解消することに成功したといえる。 The invention according to claim 2 is similar to claim 1 in that a step of obtaining a carbon nanocomposite metal powder, a step of pressing the carbon nanocomposite metal powder to obtain a preform, and a semi-melting of the preform It is characterized in that the carbon nanomaterial is dispersed before mixing (kneading) by carrying out a step of obtaining a compression-molded product by allowing to cool after being pressurized in a heated state. By these steps, it can be said that it has succeeded in eliminating the aggregation of carbon nanomaterials before mixing, which has been conventionally generated.
また、請求項2は、半溶融状態の混練物を得る工程と、この半溶融状態の混練物を冷却して固体の混練物を得る工程と、この固体の混練物を金属射出機に供給しこの金属射出機で半凝固温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給する工程とを含む点が請求項1と異なる。半溶融状態の混練物を固体の混練物に置き換えて貯め置くことができるので、請求項2は小ロッド生産に好適である。 The second aspect of the present invention provides a step of obtaining a semi-molten kneaded material, a step of cooling the semi-molten kneaded material to obtain a solid kneaded material, and supplying the solid kneaded material to a metal injector. The method differs from claim 1 in that it includes a step of heating to a semi-solidification temperature with this metal injector and then supplying it to the mold cavity. Since the semi-molten kneaded material can be replaced with a solid kneaded material and stored, Claim 2 is suitable for small rod production.
請求項3に係る発明は、半溶融金属の量及び/又は半溶融金属へ投入する圧縮成形品の量を制御することで、カーボンナノ複合金属成形品に占めるカーボンナノ材料の添加率を制御することを特徴とする。圧縮成形品を得る工程で得る圧縮成形品は、カーボンナノ材料の添加率を高く設定し、後の工程で半溶融金属の量及び/又は半溶融金属へ投入する圧縮成形品の量を制御することで、所望のカーボンナノ材料添加率を達成することができる。
そのため、予め準備する圧縮成形品は、1種類若しくは少ない種類で済ませることができる。
The invention according to claim 3 controls the addition rate of the carbon nanomaterial in the carbon nanocomposite metal molded product by controlling the amount of the semi-molten metal and / or the amount of the compression molded product put into the semi-molten metal. It is characterized by that. In the compression molded product obtained in the process of obtaining the compression molded product, the carbon nanomaterial addition rate is set high, and the amount of the semi-molten metal and / or the amount of the compression molded product charged into the semi-molten metal is controlled in the subsequent step. Thus, a desired carbon nanomaterial addition rate can be achieved.
Therefore, it is possible to use one type or a few types of compression molded products prepared in advance.
請求項4に係る発明は、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることで、粉末表面を取り囲んでいる酸化膜を効果的に破壊することできる。酸化膜が破壊できれば、粉末同士が密着し、圧縮成形品の機械的強度を高めることができる。
The invention according to
請求項5に係る発明では、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程で、金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。カーボンナノ材料は濡れ性が低いが、炭化物形成金属は濡れ性が高い。このような炭化物形成金属を表面に付着させた金属付着カーボンナノ材料を使用することで、カーボンナノ材料の濡れ性を高めることがでる。
The invention according to
請求項6に係る発明では、金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で炭化物形成金属を蒸発させ、カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする。
炭化物形成金属は炭素と化合物を生成し、この化合物が接合作用を発揮するため、炭化物形成金属をカーボンナノ材料に強固に結合することができる。
In the invention according to claim 6, the metal-attached carbon nanomaterial is obtained by mixing the carbon nanomaterial and the carbide-forming metal, placing the obtained mixture in a vacuum furnace, evaporating the carbide-forming metal under a high temperature vacuum, It is obtained by adhering to the surface of a material.
Since the carbide-forming metal produces a compound with carbon, and this compound exhibits a bonding action, the carbide-forming metal can be firmly bonded to the carbon nanomaterial.
請求項7に係る発明は、炭化物形成金属が、Ti又はSiであることを特徴とする。
Si、Tiともに、真空下で蒸着可能な融点の金属であり、溶融マトリックス金属との濡れ性も良好である。Si、Tiともに入手が容易であり、特にSiは安価であるため、本発明方法を広く普及させる上で、好適である。
The invention according to claim 7 is characterized in that the carbide-forming metal is Ti or Si.
Both Si and Ti are metals having a melting point that can be deposited under vacuum, and also have good wettability with molten matrix metal. Since both Si and Ti are easily available, and especially Si is inexpensive, it is suitable for widely spreading the method of the present invention.
請求項8に係る発明では、金属粉末の材質は、Mg、Mg合金、Al、Al合金のいずれかであることを特徴とする。
Mg、Mg合金、Al、Al合金は軽量金属であり、この金属にカーボンナノ材料を含めて機械的強度を高めることで、軽量で且つ強度、熱伝導性及び耐摩耗性に優れた構造材料を提供することができる。
The invention according to claim 8 is characterized in that the material of the metal powder is any one of Mg, Mg alloy, Al, and Al alloy.
Mg, Mg alloy, Al, and Al alloy are lightweight metals, and carbon nanomaterials are included in these metals to increase the mechanical strength, thereby reducing the structural material that is lightweight and has excellent strength, thermal conductivity, and wear resistance. Can be provided.
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1は本発明に係るカーボンナノ複合金属粉末を得る工程及び予備成形品を得る工程の説明図である。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The drawings are viewed in the direction of the reference numerals.
FIG. 1 is an explanatory view of a step of obtaining a carbon nanocomposite metal powder and a step of obtaining a preformed product according to the present invention.
(a):繊維径(平均値)が10nm〜200nmのカーボンナノ材料11を準備するとともに、粒径(平均値)が4mm以下の金属粉末12を準備する。この金属粉末12は、Mg、Mg合金、Al、Al合金が好適である。
Mgは酸化反応が激しい。2mmを下回ると特に酸化反応が危険領域に達する。そこで通常、Mg、Mg合金を使用するときには、粒径(平均値)は2〜4mmとすることが好ましい。しかし、不活性性能が十分に高い不活性雰囲気で少量の粉末を用いる場合は、危険性を回避できるため、2mm未満であっても使用することができる。
(A): A
Mg has a strong oxidation reaction. Below 2 mm, the oxidation reaction reaches a dangerous area. Therefore, normally, when using Mg or Mg alloy, the particle size (average value) is preferably 2 to 4 mm. However, when a small amount of powder is used in an inert atmosphere with sufficiently high inertness, the danger can be avoided, so that even if it is less than 2 mm, it can be used.
(b):予備混合を実施する。予備混合は、容器に適量のカーボンナノ材料11及び金属粉末12とを入れ、容器を振ることで実施してもよい。
(B): Premixing is performed. The premixing may be performed by putting appropriate amounts of the
(c):メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料11及び金属粉末12を本格的に混練する。メカニカルアロイ法は、JIS Z2500に規定される「高エネルギアトライタやボールミルによる固相状態での合金化の方法」、又はJIS H7004で規定されるメカニカルアロイング法「数種類の原料粉末を高エネルギーミルで機械的にかくはん、混合、粉砕し、固相反応によって、合金状態を実現する方法」を指す、広義の機械的混合方法である。周知の方法であるから、装置や原理の説明は省略する。
(C): The
(d):以上により、カーボンナノ材料11の凝集を解くとともに、金属粉末12に無数のカーボンナノ材料11をまぶしたような形態のカーボンナノ複合金属粉末13を得る。すなわち、以上に述べた(a)〜(c)が、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程に相当する。
(D): As described above, the
(e):下パンチ14にダイス15をセットし、このダイス15にカーボンナノ複合金属粉末13を充填する。
(f):上パンチ16をダイス15に挿入し、150℃程度の温度に保ちながら、カーボンナノ複合金属粉末13を押し固める。これで、予備成形品17(図2(a)も参照)を得ることができる。
以上に述べた(e)及び(f)が、予備成形品17を得る工程に相当する。
(E): A die 15 is set on the
(F): Insert the
(E) and (f) described above correspond to the process of obtaining the
なお、粉末の性質により圧粉成形が困難なものがある。この場合には、金属缶に入れて加圧する。 Some powders are difficult to compact due to the nature of the powder. In this case, it is put into a metal can and pressurized.
図2は本発明に係る圧縮成形品を得る工程の説明図である。
(a):前工程で製造した予備成形品17を示す。
(b):雰囲気管理、温度管理及びプレス圧力管理が自由に行える装置の下パンチ19に予備成形品17を載せ、ヒータ21で囲い、真空又はアルゴンガスなどの非酸化雰囲気に保ち、図1(a)で示す金属粉末12の半溶融温度に保ち、上パンチ22で圧下する。
FIG. 2 is an explanatory view of a process for obtaining a compression molded product according to the present invention.
(A): The
(B): A
例えば、金属粉末がASTM AZ91D(マグネシウム合金ダイカスト JIS H 5303 MDC1D相当品)であれば、半溶融温度は585℃に設定し、パンチ22の圧力は100〜200MPaに設定する。
For example, if the metal powder is ASTM AZ91D (magnesium alloy die cast JIS H 5303 MDC1D equivalent), the semi-melting temperature is set to 585 ° C., and the pressure of the
上記(b)の代わりに、次に述べる(c)を実施してもよい。
(c):雰囲気管理、温度管理、プレス圧力管理及び回転が自由に行える装置の下パンチ19に予備成形品17を載せ、ヒータ21で囲い、真空又はアルゴンガスなどの非酸化雰囲気に保ち、図1(a)で示す金属粉末12の半溶融温度に保ち、上パンチ22で圧下する。
Instead of the above (b), the following (c) may be carried out.
(C):
この圧下の際に、下パンチ19、上パンチ22を、毎分5回転程度の低速度で互いに逆回転させる。予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることで、粉末表面を取り囲んでいる酸化膜を効果的に破壊することできる。酸化膜が破壊できれば、粉末同士が密着し、圧縮成形品の機械的強度を高めることができる。
During this reduction, the
上記(b)又は(c)において、カーボンナノ複合金属粉末を押し固めてなる予備成形品17を、半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に、放冷することで圧縮成形品を得る工程を実施するが、混合工程で凝集が解かれ、まぶしたカーボンナノ材料が固液共存温度状態で圧縮変形されるため、カーボンナノ材料は、さらに分散化される。
In the above (b) or (c), a step of obtaining a compression-molded product by pressurizing the preformed
以上の(a)〜(c)は圧縮成形品を得る工程に相当する。
(d):十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品23を示す。
The above (a) to (c) correspond to the step of obtaining a compression molded product.
(D): A compression molded
図3は本発明に係る半溶融金属を準備する工程からカーボンナノ複合金属成形品を得る工程までの説明図である。
(a)において、攪拌手段25を備えた高温槽26に、金属粉末(図1(a)符号12参照)と同種の金属を投入し、半溶融温度に加熱して半溶融金属27を準備する。
FIG. 3 is an explanatory diagram from the step of preparing a semi-molten metal according to the present invention to the step of obtaining a carbon nanocomposite metal molded product.
In (a), the same kind of metal as the metal powder (see
次に、前工程で得た圧縮成形品23を、半溶融金属27へ投入して、攪拌手段25で十分に攪拌する。すると、圧縮成形品23は、半溶融温度に達した状態で混練される。この結果、半溶融金属27と圧縮成形品23との混練物28ができあがる。
Next, the compression molded
すなわち、(a)において、金属粉末と同種の金属を半溶融温度に加熱した半溶融金属27を準備する工程と、この半溶融金属27に圧縮成形品23を投入し、この圧縮成形品23を半溶融温度まで温めながら混練することで半溶融状態の混練物28を得る工程とを実施する。
That is, in (a), a step of preparing a semi-molten metal 27 obtained by heating the same kind of metal as the metal powder to a semi-molten temperature, and a compression-molded
この工程では、次の要領でカーボンナノ材料の含有率を制御することができる。
例えば、高温槽26に準備する半溶融金属27の量を1200g、高温槽26に投入する圧縮成形品23の量を300g、この圧縮成形品23に予め含めたカーボンナノ材料を10質量%(30g)とする。
In this step, the content of the carbon nanomaterial can be controlled in the following manner.
For example, the amount of the semi-molten metal 27 prepared in the high-
なお、カーボンナノ材料の含有量は、半溶融金属27の量を一定にして圧縮成形品23の量を変化させることで制御することができるが、圧縮成形品23の量を一定にして半溶融金属27の量を変化させることで制御することや、半溶融金属27の量と圧縮成形品23の量の両方を変化させることで制御することもできる。
The content of the carbon nanomaterial can be controlled by changing the amount of the compression molded
得られる混練物28に含むカーボンナノ材料の割合は、(30/(1200+300))×100=2の計算式により、2質量%となる。
すなわち、半溶融金属27の量と圧縮成形品23の量とを調整することで、混練物28に含むカーボンナノ材料の割合を任意に設定することができる。
The ratio of the carbon nanomaterial contained in the kneaded material 28 to be obtained is 2% by mass according to the calculation formula of (30 / (1200 + 300)) × 100 = 2.
That is, by adjusting the amount of the semi-molten metal 27 and the amount of the compression molded
この設定は、圧縮成形品23自体のカーボンナノ材料含有量を調整することでも実施可能である。しかし、この場合は、含有量の異なる圧縮成形品23を多数種類準備する必要がある。この点、本発明によれば、予め準備する圧縮成形品23は、1種類若しくは少ない種類で済ませることができる。
This setting can also be implemented by adjusting the carbon nanomaterial content of the compression molded
(b)において、ポンプ手段29を用いて、高温槽26から混練物28を金属射出機31へ供給し、この金属射出機31の射出作用で、半溶融状態の混練物28を、金型32のキャビティ33へ供給する。
(c)は金型32から取り出したカーボンナノ複合金属成形品34、34を示す。
すなわち、(b)において、半溶融状態の混練物28を金型32のキャビティ33へ供給してカーボンナノ複合金属成形品34を得る工程を実施する。
In (b), the kneaded material 28 is supplied from the high-
(C) shows the carbon nanocomposite metal molded
That is, in (b), the step of supplying the kneaded material 28 in a semi-molten state to the
以上の工程において、十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品23を、別途準備した半溶融金属27に混練すると、半溶融金属27の熱を吸収して、圧縮成形品27は半溶融状態に戻る。カーボンナノ材料は周囲の半溶融金属に流動化が妨げられるため、凝集する心配はない。この状態で混練物28を金型32のキャビティ33へ供給すれば、カーボンナノ材料が均等に分散した、高強度のカーボンナノ複合金属成形品34を得ることができる。
In the above steps, when the compression molded
さらには、カーボンナノ複合金属成形品34に、熱間圧延加工や熱間押出し加工を、施すことで金属組織の微細化を行い、機械的強度等の性質を向上させることができる。
Furthermore, by subjecting the carbon nanocomposite metal molded
図4は図3の別実施例を説明する図である。
(a)において、攪拌手段25を備えた高温槽26に、金属粉末(図1(a)符号12参照)と同種の金属を投入し、半溶融温度に加熱して半溶融金属27を準備する。
FIG. 4 is a diagram for explaining another embodiment of FIG.
In (a), the same kind of metal as the metal powder (see
次に、前工程で得た圧縮成形品23を、半溶融金属27へ投入して、攪拌手段25で十分に攪拌する。すると、圧縮成形品23は、半溶融温度に達した状態で混練される。この結果、半溶融金属27と圧縮成形品23との混練物28ができあがる。
Next, the compression molded
すなわち、(a)において、金属粉末と同種の金属を半溶融温度に加熱した半溶融金属27を準備する工程と、この半溶融金属27に圧縮成形品23を投入し、この圧縮成形品23を半溶融温度まで温めながら混練することで半溶融状態の混練物28を得る工程とを実施する。
That is, in (a), a step of preparing a semi-molten metal 27 obtained by heating the same kind of metal as the metal powder to a semi-molten temperature, and a compression-molded
(b)において、高温槽26から取り出した半溶融状態の混練物28を一旦、冷却して、固体の混練物35にする。固体の混練物35であれば、任意に保存、保管をすることができる。
すなわち、(b)において、半溶融状態の混練物28を冷却して固体の混練物35を得る工程を実施する。
In (b), the semi-molten kneaded material 28 taken out from the high-
That is, in (b), a step of cooling the semi-molten kneaded material 28 to obtain a solid kneaded
(c)において、固体の混練物35を金属射出機31へ供給する。金属射出機31では固体の混練物35を半溶融温度まで加熱する。そして、射出作用で、半溶融状態の混練物を、金型32のキャビティ33へ供給する。
(d)は金型32から取り出したカーボンナノ複合金属成形品34、34を示す。
すなわち、(c)において、固体の混練物を金属射出機に供給しこの金属射出機で半凝固温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給してカーボンナノ複合金属成形品を得る工程を実施する。
In (c), the solid kneaded
(D) shows the carbon nanocomposite metal molded
That is, in (c), the solid kneaded material is supplied to a metal injection machine, heated to the semi-solidification temperature with this metal injection machine, and then supplied to the mold cavity to obtain a carbon nanocomposite metal molded product. .
さらには、カーボンナノ複合金属成形品34、34に、熱間圧延加工や熱間押出し加工を、施すことで金属組織の微細化を行い、機械的強度等の性質を向上させることができる。
Furthermore, by subjecting the carbon nanocomposite metal molded
以上に述べた、図3の方式は「直接法」、図4の方式は「間接法」と呼ぶことができる。これらの方式の長所、短所を、次表で説明する。 The method of FIG. 3 described above can be called a “direct method”, and the method of FIG. 4 can be called an “indirect method”. The advantages and disadvantages of these methods are described in the following table.
金属射出機は1回当たり50gの半溶融状態の混練物を射出することができる。
直接法では、半溶融状態の混練物が金属射出機に供給されるため、1分のサイクル時間で射出が可能であった。この結果、1時間当たり3kgの処理が行える。
The metal injection machine can inject 50 g of a semi-molten kneaded product at one time.
In the direct method, since the kneaded material in a semi-molten state is supplied to the metal injection machine, injection was possible in a cycle time of 1 minute. As a result, processing of 3 kg per hour can be performed.
間接法では、固体の混練物を金属射出機で半溶融状態まで溶解する必要があり、1サイクル時間は15分になる。この結果、1時間当たりの処理量は0.2kgに留まる。 In the indirect method, it is necessary to dissolve the solid kneaded material to a semi-molten state with a metal injector, and one cycle time is 15 minutes. As a result, the throughput per hour remains at 0.2 kg.
直接法は生産能力が高く、低コストでカーボンナノ複合金属成形品を製造することができるが、材料換え等が難しいため、少品種多量生産に適している。
間接法は生産能力の点では落ちるが、生産の自由度は高く、多品種少量生産に好適である。
The direct method has a high production capacity and can produce a carbon nanocomposite metal molded product at a low cost. However, since the material change is difficult, it is suitable for mass production of a small variety.
Although the indirect method is low in terms of production capacity, the degree of freedom in production is high and it is suitable for high-mix low-volume production.
次に、図1(a)に示すカーボンナノ材料11の改良技術を説明する。
図5は本発明に係る準備のためにカーボンナノ材料を表面処理するときの説明図である。
(a):カーボンナノ材料41を準備する。例えば10g。このカーボンナノ材料41は、図1(a)に示すカーボンナノ材料11と同じであってもよいが、便宜上、符号を変えた。
(b):炭化物形成金属としてのSi粉末42を準備する。例えば1g。
Next, the improvement technique of the
FIG. 5 is an explanatory view when the carbon nanomaterial is surface-treated for preparation according to the present invention.
(A): A
(B):
(c):乳鉢43にカーボンナノ材料41及びSi粉末42を入れ、15分〜30分間乳棒44で混合する。
(d):得られた混合物45を、アルミナ製容器46に入れ、アルミナ製蓋47を被せる。この蓋47は非密閉蓋を採用することで、容器46の内部と外部との通気を可能にする。
(C):
(D): The obtained
(e):密閉炉体51と、炉体51内部を加熱する加熱手段52と、容器46を載せる台53、53と、炉体51内部を真空にする真空ポンプ54とを備える真空炉50を準備し、この真空炉50に容器46を入れる。
(E): A
真空炉50における加熱条件及び圧力条件は次図で説明するが、真空下で加熱することで、混合物45中のSi粉末が蒸発する。この蒸気は泡立つように容器46と蓋47とで形成する空間を撹拌する。このような作用をバブリング撹拌と呼ぶ。このバブリング撹拌によりカーボンナノ材料がほぐれ、ほぐれたカーボンナノ材料の表面にSi蒸気が接触し、化合物を形成し、Siの微粒子となって付着する。
Although the heating conditions and pressure conditions in the
図5をまとめると、カーボンナノ材料51に、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む金属粉末42を混合する工程と、得られた混合物45を真空炉50に入れ、高温真空下で金属粉末42を蒸発させ、この蒸気をカーボンナノ材料41の表面に付着させる蒸着処理工程と、からなる。
To summarize FIG. 5, a step of mixing the
図6はSiに対応する炉温及び炉内圧力のグラフであり、横軸は時間、縦軸は炉温と炉内圧力である。
開始〜5時:6×10−3Paの真空度で、5時間かけて炉温を室温から300℃まで上昇させる。
FIG. 6 is a graph of the furnace temperature and the pressure in the furnace corresponding to Si. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the furnace temperature and the furnace pressure.
Start to 5:00: The furnace temperature is raised from room temperature to 300 ° C. over 5 hours at a vacuum degree of 6 × 10 −3 Pa.
5時〜9時:5.3×10−3〜2.1×10−2Paの真空度で、4時間かけて炉温を300℃から1400℃まで上昇させる。
9時〜19時:2.1×10−2Paの真空度、1400℃の条件で10時間保持する。
5:00 to 9:00: The furnace temperature is raised from 300 ° C. to 1400 ° C. over 4 hours at a vacuum degree of 5.3 × 10 −3 to 2.1 × 10 −2 Pa.
9 o'clock to 19 o'clock: Hold for 10 hours under conditions of a vacuum degree of 2.1 × 10 −2 Pa and 1400 ° C.
Siの融点は1427℃であるから、融点直下の温度(1350〜1400℃)に保持し、Siをこの温度での飽和蒸気圧状態に保つ。1350℃では飽和蒸気圧は1.3×10−3Pa程度になり、1400℃では飽和蒸気圧は2.1×10−2Pa程度になる。この程度の真空度は真空炉で容易に達成できるため、処理温度は1350〜1400℃が適当である。ただし、1350℃は蒸発速度が低く、1400℃は蒸発速度が高いため、実施例では1400℃とした。 Since the melting point of Si is 1427 ° C., the temperature is maintained at a temperature just below the melting point (1350 to 1400 ° C.), and Si is maintained in a saturated vapor pressure state at this temperature. At 1350 ° C., the saturated vapor pressure is about 1.3 × 10 −3 Pa, and at 1400 ° C., the saturated vapor pressure is about 2.1 × 10 −2 Pa. Since this degree of vacuum can be easily achieved in a vacuum furnace, the treatment temperature is suitably 1350 to 1400 ° C. However, 1350 ° C. has a low evaporation rate, and 1400 ° C. has a high evaporation rate.
次に、Siと炭素の化合物であるSiC(炭化けい素)について説明する。SiCの標準生成自由エネルギーは、1400℃で−39.6kJ/molであり、この条件を満たすことは可能であるから、Si蒸気がカーボンナノ材料の炭素に反応してSiCになると考えられる。 Next, SiC (silicon carbide) which is a compound of Si and carbon will be described. The standard free energy of formation of SiC is −39.6 kJ / mol at 1400 ° C., and this condition can be satisfied. Therefore, it is considered that Si vapor reacts with carbon of the carbon nanomaterial to become SiC.
そこで、混合物を半密閉された容器に入れ、Si粉末を蒸発させれば、バブリング撹拌が発生し、カーボンナノ材料にSiの微粒子が付着させることができる。
なお、保持時間が10時間と長いのは、十分撹拌し反応させることを目的とした。勿論、混合比や処理量などの条件によって、保持時間を増減することは差し支えない。
Therefore, if the mixture is placed in a semi-sealed container and the Si powder is evaporated, bubbling agitation occurs, and Si fine particles can adhere to the carbon nanomaterial.
The long holding time of 10 hours was aimed at sufficient agitation and reaction. Of course, the holding time may be increased or decreased depending on conditions such as the mixing ratio and the processing amount.
19時以降:加熱手段は停止するが、1.1×10−3Paの真空度は保ちながら、炉冷を実施する。炉冷は、製品を極めて徐々に冷却する手法である。 After 19:00: Although the heating means is stopped, furnace cooling is performed while maintaining a vacuum degree of 1.1 × 10 −3 Pa. Furnace cooling is a technique for cooling a product very gradually.
図7は本発明方法で製造した金属付着カーボンナノ材料の拡大図であり、金属付着カーボンナノ材料55は、凝集していないカーボンナノ材料41と、このカーボンナノ材料41の表面に均等に付着した多数のSi微粒子56とからなる。これらのSi微粒子56は、炭素と反応して化合物を生成する元素であるSiを結晶化させたものであることは既に述べたとおりである。
FIG. 7 is an enlarged view of the metal-attached carbon nanomaterial manufactured by the method of the present invention. The metal-attached
さらに、Si微粒子56は炭化物であるSiCを介してカーボンナノ材料41に付着していることが重要となる。カーボンナノ材料41自身は濡れ性が悪い。したがって、単なるSi微粒子であれば接合強度が不足する虞れがある。この点、カーボンナノ材料41の表面にSi微粒子を付着させることで、界面にSiCの反応層が形成し、カーボンナノ材料41にSi微粒子56を強固に付着させることができる。
Further, it is important that the Si
以上に述べた金属付着カーボンナノ材料55を、図1(a)に示すカーボンナノ材料11と置き換え、この金属付着カーボンナノ材料55と金属粉末12とを適量混合すればよい。
The metal-attached
尚、詳細な説明は省略するが、炭化物形成金属(炭素と反応して化合物を生成する元素を含む金属)としてのSiをTiに換えても同様の機械的強度向上効果を得ることができた。さらに、炭化物形成金属として、Si及びTiの他、Zr(ジルコニウム)、V(バナジウム)が採用できる。
ただし、Si、Tiはともに入手が容易であり、特にSiは安価であるため、本発明方法を広く普及させる上で、好適である。
Incidentally, although a detailed description is omitted, can be replaced with Si as a carbide-forming metal (metal containing an element forming a compound by reacting with carbon-containing) the Ti obtain the same mechanical strength improving effect It was. Furthermore, Zr (zirconium) and V (vanadium) can be adopted as the carbide forming metal in addition to Si and Ti.
However, both Si and Ti are easily available, and especially Si is inexpensive, and therefore, it is suitable for widely spreading the method of the present invention.
また、金属粉末(マトリックス金属素材)は、融点が約650℃であるMg、Mg合金の他、融点が約660℃であるAl、Al合金、融点が約232℃であるSn、Sn合金、融点が約327℃であるPb、Pb合金が採用でき、要は融点が700℃を超えない低融点金属又は低融点合金であれば種類は任意である。 In addition to Mg and Mg alloy having a melting point of about 650 ° C., the metal powder (matrix metal material) includes Al and Al alloy having a melting point of about 660 ° C., Sn and Sn alloy having a melting point of about 232 ° C., melting point Pb and Pb alloys having a melting point of about 327 ° C. can be adopted, and the type is arbitrary as long as the melting point is a low melting point metal or low melting point alloy that does not exceed 700 ° C.
特に、Mg、Mg合金、Al、Al合金は軽量金属であり、この金属にカーボンナノ材料を含めて機械的強度を高めることで、軽量で且つ強度、熱伝導性及び耐摩耗性に優れた構造材料を提供することができる。 In particular, Mg, Mg alloy, Al, and Al alloy are lightweight metals, and carbon nanomaterials are included in these metals to increase mechanical strength, making them lightweight and having excellent strength, thermal conductivity, and wear resistance. Material can be provided.
本発明は、マトリックス金属素材にカーボンナノ材料を複合させてなる複合金属成形品の製造方法に好適である。 The present invention is suitable for a method for producing a composite metal molded article obtained by combining a carbon nanomaterial with a matrix metal material.
11、41…カーボンナノ材料、12…金属粉末、13…カーボンナノ複合金属粉末、17…予備成形品、23…圧縮成形品、27…半溶融金属、28…半溶融状態の混練物、32…金型、33…キャビティへ、34…カーボンナノ複合金属成形品、35…固体の混練物、42…炭化物形成金属(Si粉末)、50…真空炉、55…金属付着カーボンナノ材料。
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