JP4391999B2 - 複合金属成形材料の製造方法及び複合金属成形品の製造方法 - Google Patents
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Description
金属材料が半溶融状態であるため、添加したカーボンナノ材の移動が制限され、カーボンナノ材が浮上したり、沈殿することを阻止することができる。この結果、良質の複合材を得ることができる。
そこで、カーボンナノ材料の添加量が多い場合にも適用できる複合金属成形材料が求められる。
半溶融化工程及び混練工程を経たインゴット又はビレットは、固相と液相とで構成される。溶体化処理を施すと、全体的に固溶体組織の複合金属成形材料となる。
半溶融状態で射出成形を行えば、カーボンナノ材料又はカーボンナノ複合材料が均一に分布し、且つキャビティの隅々まで材料が充填され、良質の成形品が得られる。
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。
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。
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。
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。
Ti、Si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。Ti、Si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。
複合金属成形材料は、破砕することで小さな塊からなるチップとなるとともに、破砕により加工硬化が起き、結晶粒は内部歪(内部応力)を持つ。このチップを半溶融温度まで加熱すると再結晶が起こる。加工によって変形した結晶は、再結晶により多角形の細粒に分割されて、新たな液相部分、新たな固相部分、新たな粒界からなる新たな組織に生まれ変わる。この結果、カーボンナノ材料又はカーボンナノ複合材料がより確実に新固相部分に内包されたインゴット又はペレットを得ることができる。また、小さな塊であるため、短時間で半溶融化を実施することができる。
流動性に優れた材料をキャビティへ供給するため、キャビティの隅々まで材料が行き渡り、高品質の複合金属成形品を得ることができる。
図1は本発明に係る複合金属成形材料の製造工程の説明図である。
(a)に示すように、金属材料としてのMg合金材料11、及び添加材料としてのカーボンナノ材料12を準備する。
Mg合金材料11は、例えばASTM AZ91D(マグネシウム合金ダイカスト JIS H 5303 MDC1D相当品)とする。このAZ91Dで規定される材料の組成は、Alが約9質量%で残部が、少量の元素、不可避的不純物及びMgである。
縦軸に平行に引いたFはAZ91Dに対応する温度線であり、この温度線F上に記したP1は半溶融温度、P2は溶体化処理温度、P3は室温である。
この複合金属成形材料24の組成イメージを次図で説明する。
図5は本発明に係るチッピング工程及び射出工程の説明図である。
図1(f)で説明したインゴット21Bやビレット22Bを(a)に再掲した。
インゴット21Bは図5(b)に示すように、破砕処理を施すことでチップ27にすることが望ましい。チップ27は数ミリの大きさにする。
(1)溶体化処理により均一な固溶体になった複合金属材料を破砕する。破砕により、チップには、加工硬化が起き、組織内の結晶粒に内部歪が発生する。
(2)破砕した複合金属材料を半溶融温度まで加熱する。再結晶温度(例えばMgでは150℃前後)に到達すると再結晶が起こる。再結晶により内部歪を持たない安定した結晶粒になるが、この際、加工によって変形した結晶は、多角形の細粒に分割される。この分割された結晶が生成する際に、新たな液相部分、新たな固相部分、新たな粒界からなる新たな組織が形成される。
以上、チップの破砕により新たな組織が形成される理由を述べたが、破砕しない複合金属材料であっても、冷間加工により加工硬化を起こし、再結晶温度以上に加熱することにより、同等の作用・効果が期待できる。
金型34を開くことで(d)に示す複合金属成形品36、36を得るが、この複合金属成形品36、36はカーボンナノ材料12が均一に分布した高品質の射出成形品である。
図7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。
(f):上パンチ43をダイス42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39を押し固める。これで、(g)に示す予備成形品44を得ることができる。
(a):前工程で製造した予備成形品44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46に予備成形品44を載せ、ヒータ47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、金属粉末38(図7(a))の半溶融温度に保ち、上パンチ48で圧下する。
(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46に予備成形品44を載せ、ヒータ47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、金属粉末38(図7(a))の半溶融温度に保ち、上パンチ48で圧下する。
(d):十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品49を示す。
(a)に示すように、金属材料としてのMg合金材料11及び添加材料としての圧縮成形品49を準備する。
(b)に示すように、撹拌機13を備えた溶解槽14に、Mg合金材料11を投入して、半溶融温度P1(図2参照)まで加熱し、十分に撹拌する。これで、半溶融金属材料15を得ることができる。
(d)に示すように、半溶融状態の複合金属材料16を冷却することで、適当な大きさのインゴット21又はビレット22を得る。
図10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51を準備する。例えば10g。このカーボンナノ材料51は、図1(a)や図7(a)に示すカーボンナノ材料12と同じであってもよいが、便宜上、符号を変えた。
(b):炭化物形成元素としてのSi粉末52を準備する。例えば1g。
(d):得られた混合物55を、アルミナ製容器56に入れ、アルミナ製蓋57を被せる。この蓋57は非密閉蓋を採用することで、容器56の内部と外部との通気を可能にする。
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。
9時〜19時:2.1×10−2Paの真空度、1400℃の条件で10時間保持する。
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。
また、詳細な説明は省略するが、炭化物形成金属(金属炭素と反応して化合物を生成する元素)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。
Claims (9)
- 金属射出機に供給される複合金属成形材料の製造方法であって、
Mg合金又はAl合金からなる金属材料、及びこの金属材料に添加するカーボンナノ材料又はカーボンナノ材料と金属粉末を複合させてなるカーボンナノ複合材料を準備する工程と、
前記金属材料を、固液共存領域の温度に加熱することで半溶融状態の半溶融金属材料を得る工程と、
この半溶融金属材料に前記カーボンナノ材料又は前記カーボンナノ複合材料を投入し、混練した後、冷却してインゴット又はビレットを得る工程と、
このインゴット又はビレットを、前記金属材料の溶体化温度に加熱して溶体化処理することで、複合金属成形材料を得る工程と、
からなることを特徴とする複合金属成形材料の製造方法。 - 前記カーボンナノ複合材料は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合し、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体を得る工程と、この予備成形体を真空、不活性ガス又は非酸化性ガス雰囲気下で前記金属材料の固液共存領域の温度に加熱する工程と、加熱した予備成形体を加圧する工程とにより、生成される複合材料であることを特徴とする請求項1記載の複合金属成形材料の製造方法。
- 前記予備成形体を加圧する工程において、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請求項2記載の複合金属成形材料の製造方法。
- 前記金属粉末は、Mg、Mg合金、Al、Al合金のいずれかであることを特徴とする請求項2又は請求項3記載の複合金属成形材料の製造方法。
- 前記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元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の複合金属成形材料の製造方法。
- 前記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着させることで得ることを特徴とする請求項5記載の複合金属成形材料の製造方法。
- 前記炭化物形成金属が、Ti又はSiであることを特徴とする請求項5又は請求項6記載の複合金属成形材料の製造方法。
- 前記複合金属成形材料を得る工程に続いて、前記複合金属成形材料を破砕することでチップを得る工程を実施することを特徴とする請求項1記載の複合金属成形材料の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか1項記載の複合金属成形材料の製造方法で製造した複合金属成形材料を、金属射出機に供給し、この金属射出機で半溶融温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給して複合金属成形品を得ることを特徴とする複合金属成形品の製造方法。
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