JP4313442B2 - 金属−セラミックス複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−セラミックス複合材料とその製造方法に関し、特に自動車のディスクブレーキ用ディスクロータなど高温での強度を要求される金属−セラミックス複合材料とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディスクロータなど高温での強度が要求されるこの種の材料は、鋳鉄製が主流であった。そしてこの鋳鉄製のディスクロータは、材料自体の比重が大きいために、自動車の軽量化の要求に対しては大幅な軽量化は困難であった。そのため、アルミニウム合金を主体とする金属−セラミックス複合材料から成るディスクロータが、例えば特開昭５９−１７３２３４号公報、特開昭６２−１２４２４４号公報等により提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記したアルミニウム合金を主体とする金属−セラミックス複合材料から成るディスクロータでは、軽量であるものの、耐熱性が十分でなく、高温で変形したり、一部溶融してしまう問題があり、４００℃程度の温度が使用限界であった。そのため、アルミニウム合金を主体とする金属−セラミックス複合材料の耐熱性の向上が望まれていた。
【０００４】
本発明は、上述したアルミニウム合金を主体とする金属−セラミックス複合材料が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、従来より耐熱性を向上させる金属−セラミックス複合材料とその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、浸透させるアルミニウム合金をＡｌにＳｉ及びＭｇを含む合金とし、その合金を所定温度で溶融し高圧でプリフォームに浸透させれば、従来より耐熱性を向上させた金属−セラミックス複合材料が得られるとの知見を得て本発明を完成した。
【０００６】
即ち本発明は、強化材であるアルミナ粒子で構成されたプリフォームに、基材であるアルミニウム合金を浸透させる金属−セラミックス複合材料において、該アルミニウム合金が、ＡｌにＳｉを１０〜１５ｍａｓｓ％及びＭｇを１〜５ｍａｓｓ％含み残部Ａｌ及び不可避不純物よりなる合金、又はＡｌにＳｉを１０〜１５ｍａｓｓ％及びＭｇを１〜５ｍａｓｓ％含有するとともに更にＮｉ，Ｃｕをそれぞれ１ｍａｓｓ％含み残部Ａｌ及び不可避不純物よりなる合金であり、金属を浸透させる方法が、７００〜８５０℃の温度で溶融したアルミニウム合金を５０ＭＰａ以上の圧力でプリフォームに浸透させる方法であることを特徴とする４００℃における常温強度からの曲げ強度の低下率が４１％以下である金属−セラミックス複合材料とすることを要旨とする。
また本発明は、強化材であるアルミナ粒子で構成されたプリフォームに、基材であるアルミニウム合金を浸透させる金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該アルミニウム合金が、ＡｌにＳｉを１０〜１５ｍａｓｓ％及びＭｇを１〜５ｍａｓｓ％含む合金であり、金属を浸透させる方法が、７００〜８５０℃の温度で溶融したアルミニウム合金を５０ＭＰａ以上の圧力でプリフォームに浸透させる方法であることを特徴とする４００℃における常温強度からの曲げ強度の低下率が４１％以下である金属−セラミックス複合材料の製造方法とすることを要旨とする。
以下さらに詳細に説明する。
【０００７】
上記アルミニウム合金としては、ＡｌにＳｉを１０〜１５ｍａｓｓ％、Ｍｇを１〜５ｍａｓｓ％含む合金とした。この合金を用いることにより複合材料の耐熱性が向上する。その理由は不明であるが、Ｓｉの添加により、合金の熱膨張係数が小さくなり、強化材として用いるセラミックス粒子との熱膨張差が小さくなること、ＭｇとＳｉとが反応してＭｇ2 Ｓｉが生成し、マトリックス特性が改善されることなどにより耐熱性が向上するものと推測される。そのＳｉの含有量が１０ｍａｓｓ％より少ないと４００℃以上での材料強度の向上が期待できない。一方、Ｍｇの含有量は１ｍａｓｓ％より少ないとこれも４００℃以上での材料強度の向上が期待できない。
【０００８】
また、そのアルミニウム合金をプリフォームに浸透させる方法としては、７００〜８５０℃の温度で溶融したアルミニウム合金を５０ＭＰａ以上の圧力でプリフォームに浸透させることとした。合金の溶融温度が７００℃より低いと溶融アルミニウム合金の粘性が高く、プリフォームに浸透し難くなり、浸透不良を起こす。また、８５０℃より高いとアルミニウム合金中のＭｇが酸化され、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）が生成し、結果としてマトリックスであるアルミニウム合金が脆化し強度が低下する。
【０００９】
さらに、溶融したアルミニウム合金の浸透を５０ＭＰａ以上の圧力で浸透させることにより、溶融アルミニウム合金を高圧下で凝固させることができ、欠陥の少ないかつ析出Ｓｉ結晶を微細化したマトリックスが得られ、結果として複合材料の機械的特性が向上する。また、その圧力を５０ＭＰａ以上としたのは、５０ＭＰａ未満では、冷却固化する際にマトリックスであるアルミニウム合金にひけすが生じ強度が低下する。このように、アルミニウム合金に、ＡｌにＳｉを１０〜１５ｍａｓｓ％、Ｍｇを１〜５ｍａｓｓ％含む合金を用い、この合金を７００〜８５０℃で溶解し、その溶解金属を５０ＭＰａ以上の圧力で浸透させることにより、複合材料の耐熱性を従来より向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の金属−セラミックス複合材料を製造する方法を述べると、先ず強化材としてアルミナ粒子からなる粉末を用意し、それらから慣用の方法、例えば、粉末にバインダーを添加し混合した後、その粉末を乾燥し、金型等で所定形状に加圧成形する方法でプリフォームを形成する。また、溶媒中にセラミックス粉末を懸濁させ、フィルター上でプレスし溶媒を濾過する方法でもプリフォームを形成することができる。
【００１１】
次いで、形成したプリフォームをアルミニウム鋳造用の金型内に設置し、ＡｌにＳｉを１０ｍａｓｓ％以上、Ｍｇを１ｍａｓｓ％以上含むアルミニウム合金を７００〜８５０℃の温度で溶融し、その溶解したアルミニウム合金を金型内に注入し、５０ＭＰａ以上の圧力で高圧鋳造してアルミナ粒子間に金属を浸透させ、金属−セラミックス複合材料を作製する。
【００１２】
以上の方法で金属-セラミックス複合材料を製造すれば、従来より耐熱性を向上させた金属−セラミックス複合材料が得られる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１４】
（実施例１〜６）
（１）プリフォームの形成
アルミナ粒子からなる粉末にＩＰＡ、ポリビニルブチラール（積水化学製ＢＬ−１）を添加して混合し、それを乾燥した後、金型（１００ｍｍ×５０ｍｍ）に充填し、圧力５０Ｋｇ／ｃｍ² 及び２００Ｋｇ／ｃｍ² で３ｍｉｎ加圧することにより、それぞれ３０ｖｏｌ％及び４０ｖｏｌ％のプリフォーム（１００ｍｍ×５０ｍｍ×１５ｍｍ）を形成した。
【００１５】
（２）金属−アルミナ複合材料の作製
形成したプリフォームから直径５０ｍｍ×厚さ１５ｍｍの円板を切出し、この円板を円柱形のアルミニウム鋳造用金型（直径５０ｍｍ×高さ５０ｍｍ）内にセットした。別に表１に示すアルミニウム合金を鋳造用黒鉛坩堝（日本坩堝製＃２）に入れ、７５０℃で加熱、溶解した。この溶融アルミニウム合金をプリフォームをセットした金型内に注入し、パンチ棒で６０ＭＰａの圧力で３ｍｉｎ加圧し、アルミナ粒子間に溶融アルミニウム合金を浸透させて金属−アルミナ複合材料を作製した。
【００１６】
（３）評価
得られた複合材料より試験片を切出し、ＪＩＳ Ｒ１６０１により、常温及び表１に示す温度で曲げ強度を測定した。その結果を表１に示す。
【００１７】
（比較例１〜１２）
比較のために、実施例と同様にプリフォームを形成し、そのプリフォームに表１に示すアルミニウム合金を表１に示す温度で溶解し、表１に示す圧力で浸透させる他は実施例と同様にして複合材料を作製し、評価した。その結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１から明らかなように、実施例１〜６においては、アルミニウム合金の種類がいずれも本発明の組成を有する合金であるので、本発明と異なる組成を有する比較例１〜６より高温強度がいずれも高く、特に４００℃以上の強度低下率が小さく（４００℃における常温強度からの曲げ強度の低下率が４１％以下と小さい。）、５００℃での曲げ強度がいずれも１００ＭＰａ以上であった。
【００２０】
これに対して比較例１〜６では、高温での強度低下率が大きく、５００℃の曲げ強度は１００ＭＰａを大きく下回り、実施例に比べて高温での耐熱性に大きく差がみられた。また、比較例７、８では、アルミニウム合金の組成が本発明と同じであるが、合金を浸透する圧力が本発明の範囲外にあるため、常温、高温とも強度低下が大きく、４００℃でも１００ＭＰａを下回るものがあった。さらに、比較例９、１０では、合金の溶融温度が低かったため、プリフォームに浸透できなかった。さらにまた、比較例１１、１２では、溶融温度が高かったため、比較例７、８と同じく常温、高温とも強度低下が大きく、４００℃でもいずれも１００ＭＰａを大きくの下回っていた。
【００２１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、高温強度が従来より高く、しかも高温での強度低下の少ない金属−セラミックス複合材料を製造することができるようになった。このことにより、高温での強度性能が良好で耐熱性に優れた金属−セラミックス複合材料が得られるようになり、ディスクロータ等への応用が広がった。

Claims (2)

1. 強化材であるアルミナ粒子で構成されたプリフォームに、基材であるアルミニウム合金を浸透させる金属−セラミックス複合材料において、該アルミニウム合金が、ＡｌにＳｉを１０〜１５ｍａｓｓ％及びＭｇを１〜５ｍａｓｓ％含み残部Ａｌ及び不可避不純物よりなる合金、又はＡｌにＳｉを１０〜１５ｍａｓｓ％及びＭｇを１〜５ｍａｓｓ％含有するとともに更にＮｉ，Ｃｕをそれぞれ１ｍａｓｓ％含み残部Ａｌ及び不可避不純物よりなる合金であり、金属を浸透させる方法が、７００〜８５０℃の温度で溶融したアルミニウム合金を５０ＭＰａ以上の圧力でプリフォームに浸透させる方法であることを特徴とする４００℃における常温強度からの曲げ強度の低下率が４１％以下である金属−セラミックス複合材料。
2. 強化材であるアルミナ粒子で構成されたプリフォームに、基材であるアルミニウム合金を浸透させる金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該アルミニウム合金が、ＡｌにＳｉを１０〜１５ｍａｓｓ％及びＭｇを１〜５ｍａｓｓ％含む合金であり、金属を浸透させる方法が、７００〜８５０℃の温度で溶融したアルミニウム合金を５０ＭＰａ以上の圧力でプリフォームに浸透させる方法であることを特徴とする４００℃における常温強度からの曲げ強度の低下率が４１％以下である金属−セラミックス複合材料の製造方法。