JP4381330B2 - 鋳造用金属基複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＣ，Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ等のセラミックス粒子を強化材としアルミニウム合金をマトリックスとする金属基複合材料の製造方法に関するものである。
さらには、本発明の金属基複合材料が軽量、高剛性、低熱膨張、高熱伝導のような優れた特性を有する材料であるため、このような特性を必要とする各技術分野に広く係わるものである。

近年、高剛性、低熱膨張、高熱伝導のような優れた特性を有する材料として金属基複合材料が注目されている。
このような金属基複合材料の製造方法として、粉末冶金法、高圧鍛造法、真空鋳造法などが従来から知られているが、従来の方法は、セラミックス強化材の含有量が制御できない、あるいは大型の加圧装置が必要である、ニアネット成形が困難、左記理由による高コストなどの理由により、いずれも工業製品としては不十分であった。

これら問題を解決した金属基複合材料製造方法として注目されているのが、米国ランクサイド社が開発した非加圧金属浸透法がある。(たとえば特許文献1参照)。
この方法は、ＳｉＣやＡｌ₂Ｏ₃などのセラミックス強化材粒子から成形されたプリフォームにアルミニウムインゴットを接触させ、これを窒素雰囲気炉中で700〜900℃に加熱して溶融したアルミニウム合金を含浸させる方法であるが、Ｍｇを含浸促進剤として用い、ＭｇとＮ₂との化学反応を利用してセラミックス粒と溶融合金の濡れ性を改善し、機械的な加圧を行わなくても含浸できると言う特長がある。
本方法によれば、プリフォームの充填率を制御することにより、セラミックス強化材含有率を4０〜75 体積％（以下は、vol％と略記する。）程度の間で自由に可変でき、また、プリフォームの形状自由度が高いのでかなり複雑な形状を作ることも可能であり、高価な加圧装置も不要である。すなわち設備費が少なくて済み、かつニアネットシェイプに成形して加工部分を減らせるのでコスト的にも有利である。

さらに、従来の鋳造法では、本来、セラミックス粒子とアルミニウム合金は基本的には濡れないので、そのまま混ぜただけでは金属基複合材料を得ることはできないため、セラミックス強化材の含有率が40 vol％未満のものを鋳造法で作製するものに対しては、上記の方法が利用される。即ち、先ずセラミックス粉末とＭｇを含む粉末と合金アルミニウム合金の複合化を行い、セラミックス粉末が40〜60 vol％程度の希釈前の金属基複合材料（中間素材）を作製する。この金属基複合材料をアルミニウム合金で希釈することにより、40 vol％未満の鋳造用アルミニウム-セラミックス溶湯を作製し砂型、金型等の鋳造用の型に流し込み金属基複合材料を製造していた。
特開平成１−５２０４０号公報

前述した方法は、非加圧浸透技術を用いて、予め40〜60 vol％の金属基複合材料（中間素材）とアルミニウム合金を用いて所望のセラミックスの含有量（vol％）になるようにアルミニウム溶解炉中でセラミックス粒子を分散、攪拌しながら希釈し鋳造用の金属基複合材料を製造していた。このような方法で製造した鋳造用の金属基複合材料は、工程として、中間素材としての金属基複合体を作製するために下記のような課題があった。

第一に、予め濃い金属基複合材料を作製したのちに希釈するために工程が多くコストが高くなるという課題である。
第二に、一度濃い金属基複合材料を作製するためにセラミックス粒子同士がアルミニウム合金を解して強固に密着しているという課題である。そのために、セラミックス粒子をアルミニウム合金中に均一に分散させるためには、十分時間をかけての攪拌がどうしても必要であった。しかしながら、一度密着したセラミックス粒子はなかなか分散しきれず、ほぐれ残りが残存し機械加工の際に工具磨耗または工具損傷が激しくなりコスト的に不利になる、または十分にセラミックス粒子が分散していないためにアルミニウムリッチの析出が発生し品質に問題がでていた。

これらの問題点は、従来の製造方法として中間素材を希釈する方法でしか鋳造用金属基複合材料を製造できなかったことにある。
したがって、本発明の目的は、セラミックス粒子の含有率が40〜60 vol％の金属基複合材料を中間素材として用いなくてもアルミニウム合金中にセラミックス粒子を40vol％未満均一分散させることが可能な鋳造用金属基複合材料の製造方法を提供することである。

上記した本発明の目的は、
（１）溶解坩堝中に、Ｍｇを含む粉末を混合したＳｉＣ粉末からなるセラミックス強化材および８質量％以上のシリコンを含むアルミニウム合金、または、ＳｉＣ粉末からなるセラミックス強化材およびＭｇと８質量％以上のシリコンを含むアルミニウム合金、を入れて、窒素雰囲気中で700〜1000℃で加熱溶解処理後に攪拌混合することにより、アルミニウム合金中に強化材としての平均粒子径１０〜３０ミクロンのＳｉＣ粒子を40vol％未満均一分散させることを特徴とする鋳造用金属基複合材料の製造方法によって達成できる。
また、本発明の目的は、
（２）溶解坩堝中に、８質量％以上のシリコンを含むアルミニウム合金またはＭｇと８質量％以上のシリコンを含むアルミニウム合金を入れて、窒素雰囲気中で700℃〜1000℃に加熱溶解しておき、その中にＭｇを含む粉末を混合したＳｉＣ粉末からなるセラミックス強化材を投入して、攪拌混合しながら700〜1000℃で加熱処理することにより、アルミニウム合金中に強化材としての平均粒子径１０〜３０ミクロンのＳｉＣ粒子を40vol％未満均一分散させることを特徴とする鋳造用金属基複合材料の製造方法によっても達成することができる。

従来の方法で作製していた鋳造用金属基複合材料は工程が多く高コストであったが、本発明によれば、セラミックス粒子の含有率が40〜60 vol％の金属基複合材料を中間素材として用いなくてもアルミニウム合金中に強化材としてのセラミックス粒子を40vol％未満均一分散させることが可能な鋳造用金属基複合材料の製造方法を提供できる。
したがって、生産量が増加した場合でも中間製品の金属基複合材料の製造に関わる設備投資が必要なくなり、生産性が大幅に向上できる。本発明は、競争力のある製造方法となり得る。

以下、本発明を更に詳しく説明する。
本発明者は、第一の方法として、
（１）溶解坩堝中に、Ｍｇを含む粉末を混合したセラミックス強化材およびアルミニウム合金、または、セラミックス強化材およびＭｇを含むアルミニウム合金、を入れて、窒素雰囲気中で700〜1000℃で加熱溶解処理後に攪拌混合することにより、アルミニウム合金中に強化材としてのセラミックス粒子を40vol％未満均一分散させることを特徴とする鋳造用金属基複合材料の製造方法を提案している。

さらに詳しくは、アルミニウム溶解用の坩堝の中で40vol％未満のセラミックス粒子にＭｇを含む粉末をＭｇ換算でセラミックス粉末に対して0.1から10％程度まで混合した粉末と母材となるアルミニウム合金を予め坩堝のなかに入れる。（または、セラミックス強化材およびＭｇを含むアルミニウム合金を坩堝のなかに入れても良い。）
ここで、アルミニウム合金中に分散する強化材としてのセラミックス粒子を40vol％未満とする理由は、セラミックス粒子を40vol％以上とすることは、鋳造法では溶湯の固化過程でセラミックス粒子が重力により偏析して均一な組織が得られなくなるからである。

この場合、セラミックス強化材にＭｇを含む粉末としての混合粉末の厚みは100ｍｍ程度以内が良い。100ｍｍの厚みを超えるとセラミックス粉末へのアルミニウム合金の浸透が難しくなりアルミニウムが浸透しない部分が発生するからである。アルミニウムの浸透がなされていない部分は溶解中に混入するかカスとして溶解中に表層に浮き上がり後に問題となり、鋳造する際の湯流れ性低下等の品質低下となる場合が多い。

また、この場合のセラミックス粒子の大きさは、平均粒子径で10ミクロンより小さいと上記の浸透しない領域が多くなる。また、30ミクロンよりも大きい粒子を用いると左記の問題は少なくなるがアルミ溶解中に沈降する。したがって10〜30ミクロン特に15ミクロン程度のものが良い。

使用するＭｇを含む粉末はＭｇ粉末、ＡｌＭｇ粉末等Ｍｇが単体で散在する粉末に限る（酸化物、窒化物等の化合物は使用できない）。このＭｇは加熱中に蒸発し雰囲気にある窒素と反応しセラミックス粒子の周囲にＭｇ₃Ｎ₄を生成する。この窒化物がＡｌと反応しセラミックス粒子中に溶解したＡｌが浸透する。

使用するアルミニウム合金はセラミックス強化材の種類による。例えば、アルミナ、ＡｌＮ系の炭化物以外のものはいずれのアルミニウム合金でも良い。炭化物系は特にＳｉＣとなるとアルミニウム合金にシリコンを高濃度入れていないとＡｌ₄Ｃ₃の生成反応が進む。Ａｌ₄Ｃ₃は空気中の水分と反応し体積膨張およびアウトガスを発生するため好ましくない。この場合のシリコン濃度としては、8％程度以上が好ましい。

上記の条件を満たす原料を雰囲気の保持できる真空溶解炉の坩堝の中に入れ、室温で一度真空引きした後に窒素をフローし加熱中で窒素雰囲気を保持しながら700〜1000℃で非加圧浸透させることにより、アルミニウム合金とセラミックス粒子を化学的に反応させ馴染ませる。特に750℃〜850℃程度の温度で馴染ませたほうが良い。750℃より低いと浸透しない領域が発生しやすい。また700℃以下では浸透しない。850℃から1000℃では温度が高めでありアルミニウムの酸化が進みドロスと呼ばれるカスの発生量が多くなり好ましくない。

セラミックス粒子とアルミニウム合金が馴染んだら、セラミックス粒子を分散させるために機械的に攪拌子により攪拌することにより、アルミニウム合金中にセラミックス粒子が40vol％未満だけ均一に分散した鋳造用金属基複合材料からなる溶湯が得られる。攪拌の際の雰囲気は問わない（空気中でも可能）。攪拌子はアルミニウム溶湯中への溶解を防ぐためにカーボンを用いる。
ここで、アルミニウム合金中に強化材としてのセラミックス粒子が均一に分散とは、セラミックス粒子の凝集や偏析や表面への浮上がなく、アルミニウム合金のマトリックス中にセラミックス粒子が均一に分散している状態を言う。

次に、本発明者は第二の方法として、
（２）溶解坩堝中に、アルミニウム合金またはＭｇを含むアルミニウム合金を入れて、窒素雰囲気中で700℃〜1000℃に加熱溶解しておき、その中にＭｇを含む粉末を混合したセラミックス強化材を投入して、攪拌混合しながら700〜1000℃で加熱処理することにより、アルミニウム合金中に強化材としてのセラミックス粒子を40vol％未満均一分散させることを特徴とする鋳造用金属基複合材料の製造方法を提案している。

さらに詳しくは、雰囲気を保持できる溶解炉中で予めアルミニウム合金を700℃〜1000℃で溶解する。上記同様に750℃〜850℃の温度が好ましい。溶湯のなかに40vol％未満のセラミックス粉末とＭｇを含む粉末の混合粉末を投入する。この際、アルミニウム溶湯の表面に酸化皮膜が生成するが、その上にセラミックス粒子が乗るとバリヤとなるためにアルミニウムが浸透しなくなる。これを防ぐために、攪拌しながらセラミックス粒子を投入する。セラミックス粒子とＭｇを含む混合粉末は予め窒素中でアルミ溶湯温度に近い温度で予熱していたほうがより浸透しやすい。窒素雰囲気はセラミックス粒子がアルミ溶湯の中に沈むまで保持する必要がある。途中で空気が入ると、加熱されたＭｇを含む粉末が酸化し燃える。酸化したら、アルミニウムとセラミックス粒子の濡れ促進が止まり、未浸透領域として残存し品質低下となる。
このようにして、アルミニウム合金中に強化材としてのセラミックス粒子が40vol％未満だけ均一に分散した鋳造用金属基複合材料からなる溶湯が得られる。

第一の方法、第二の方法の両方ともに、強化材としてのセラミクックス粒子がアルミニウム溶湯に分散した後に真空脱泡することが好ましい。攪拌工程が入るためにアルミ溶湯の中に小さい気泡が残存する、加えてセラミックス粒子表面に気泡が残り易い。この気泡は残存すると物性低下および流動性低下の諸問題を発生するために真空脱泡する必要がある。すなわち、アルミ合金と粉末がなじむのに時間が掛かるため、真空処理をするのが好ましい。通常は2時間程度行う。

以下に、本発明を具体的な実施例により説明する。
（実施例-1、請求項１の実施例である）
溶解坩堝設備としては、600Kg処理用の真空溶解炉を用いた。坩堝中に約5Kg塊のアルミニウム合金（Al-10Si）インゴットを総量で267Kg入れ、その空きスペースにＭｇ粉末2.5％混合したＳｉＣ粉末を133Kg投入した。この状態で、ほぼ粉末の厚みが100ｍｍを超える場所は無かった。
次に、室温下で真空引きし雰囲気を窒素と置換し、その後10L/minの流量で窒素をフローした。坩堝内を800℃まで加熱し、800℃で6時間キープした。このようにして、得られたアルミニウム溶湯は強化材としてのＳｉＣ粒子が偏析することなく粉末がきれいに分散していた。
次に高速で攪拌を行い、その後アルミニウム溶湯を真空脱泡して鋳造用金属基複合材料からなる溶湯を得た。この溶湯を砂型に流した鋳造品の破断面を顕微鏡で確認したところ、強化材としてのＳｉＣ粒子が30vol％で均一に分散した金属基複合材料になっているのが確認できた。

（実施例-2、請求項２の実施例である）
溶解坩堝設備としては、高周波溶解炉を用いて行った。カーボン溶解坩堝にアルミニウム合金（Al-10 Si合金、ＡＣ８Ａ合金、Al-15Si-5Mg-4Cu合金）を4Ｋｇ入れ、真空に一度減圧したあとに窒素を大気圧まで入れ、800℃になるまで加熱溶解した。
800℃になったところで、カーボン製の攪拌羽を入れ、その中に2％のＭｇ粉末を混合したＳｉＣ粉末を2Ｋｇを3回に分けて坩堝中に入れた。
すべての粉末が入れ終わってから、4〜6時間保持した。保持後にはＳｉＣ粉末とアルミニウムが馴染んで、強化材としてのＳｉＣ粒子がアルミニウム溶湯の中に均一に分散した鋳造用金属基複合材料が得られた。その後、金型に、この鋳造用金属基複合材料からになる溶湯を流し込み金属基複合材料を作製した。得られた、金属基複合材料を切断し組織を顕微鏡で見たところ強化材としてのＳｉＣ粒子はきれいに均一分散していた。

（実施例-3、請求項２の実施例である）
溶解坩堝設備として600Kg処理用の真空溶解炉を用いて行った。溶解坩堝中でアルミニウム合金（Aｌ-10Si）382Kgを800℃で溶解した。アルミ溶湯を窒素雰囲気に維持し、その中に上記と同様の2％のＭｇ粉末を混合したＳｉＣ混合粉末（197Kg）を500ｇ程度の量で粉末が飛散しないようにアルミ箔に包みアルミ溶湯中に投下した。一度に全部を投入できないので、ＳｉＣ粉末は8回に分けて投入した。この間、アルミニウム溶湯はカーボン製の攪拌子で攪拌した。 すべての粉末を投入し終わったら、1時間程度保持後、高速で攪拌しＳｉＣとアルミニウムのなじみを良くした。分散終了後、溶湯中の気泡を抜くために真空脱泡を行った。
このようにして得られた鋳造用金属基複合材料からなる溶湯は、所望の強化材としてのＳｉＣ粒子が30vol％均一に分散している鋳造用金属基複合材料であった。

Claims (2)

1. 溶解坩堝中に、Ｍｇを含む粉末を混合したＳｉＣ粉末からなるセラミックス強化材および８質量％以上のシリコンを含むアルミニウム合金、または、ＳｉＣ粉末からなるセラミックス強化材およびＭｇと８質量％以上のシリコンを含むアルミニウム合金、を入れて、窒素雰囲気中で７００〜１０００℃で加熱溶解処理後に攪拌混合することにより、アルミニウム合金中に強化材としての平均粒子径１０〜３０ミクロンのＳｉＣ粒子を４０vol％未満均一分散させることを特徴とする鋳造用金属基複合材料の製造方法。
2. 溶解坩堝中に、８質量％以上のシリコンを含むアルミニウム合金またはＭｇと８質量％以上のシリコンを含むアルミニウム合金を入れて、窒素雰囲気中で７００℃〜１０００℃に加熱溶解しておき、その中にＭｇを含む粉末を混合したＳｉＣ粉末からなるセラミックス強化材を投入して、攪拌混合しながら700〜1000℃で加熱処理することにより、アルミニウム合金中に強化材としての平均粒子径１０〜３０ミクロンのＳｉＣ粒子を40vol％未満均一分散させることを特徴とする鋳造用金属基複合材料の製造方法。