JP4444963B2 - 金属−基材複合材料を製造するための方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、金属基材複合材料の製造のための方法であって、少なくとも１成分にマグネシウム、またはマグネシウム合金を含み、少なくとも、チクソ成形が行われる製造工程を含む金属基材複合材料の製造方法に関する。

材料マグネシウムは、その低い弾性率、高い熱膨張率、および特定の用途に関する不十分な耐磨耗性のために、たとえば、原動機付き車両のピストン、または特にモータのユニット部品他のピストンに簡単に利用することはできない。しかしながら、これらの特性は、プラスに影響することも可能であり、第２の、より固く、より硬い相を介してこの材料を強化する。通常セラミックまたは炭素をベースとした短繊維または長繊維ファイバまたは粒子などがそのために利用される。これらは、溶融冶金製造において、流体の溶融金属が流し込まれる多孔質成形体（いわゆるプレフォーム）であるか、または粒子の場合、金属基材中に混練される。さらにまた、強化されるべき部品を現場で形成し、ファイバまたは粒子によって金属材料を強化することも可能である。いわゆる溶融冶金とならんで、金属複合材料を粉末冶金によって作ることも可能である。

溶浸成形体としてプレフォームを利用する場合、圧力鋳造が好ましい鋳造方法として確立している。この場合、典型的圧力鋳造よりも低い注入速度であるが、高い圧力で、溶融金属が多孔質ファイバまたは粒子体に圧縮流入される。このときほとんど孔を有さない複合材料が、緊密なファイバ基材結合によって生じる。

混練において、通常セラミック粒子は、溶融金属のゆるやかな注入として、ブローによって供給される。この種の溶融複合材料は、直接注型またはインゴット形式にて流し込むことが可能である。現場法の場合、新しい相、通常は金属間の相の形成下においては、全系の金属基材または相の２つまたはそれ以上の合金要素間の反応によって複合材料が作られる。

系Ｍｇ−Ｍｇ₂Ｓｉの製造および特性化についてはよく述べられている。たとえば、ＤＥ４１ ２５ ０１４ Ａ１公報に開示されている。強化という意味では、金属間相は現場のプロセスで生じさせることが可能である。通常、これは、Ｓｉ粒子含有ファイバプレフォームの浸潤によって、またはハイパ共融Ｍｇ−Ｓｉ合金からの１次マグネシウムケイ化物の分離によって生じる。液体ラインを下回った後の１次分離において、粗いブロック状のＭｇ₂Ｓｉ分離物が形成され、プレーフォーム中の純粋なＳｉの反応による遷移においてＭｇ₂Ｓｉの小球が形成される。

ＤＥ１０１ ３５ １９８Ａ１は、他の要素に加えて、一部ケイ素を含むことが可能である、チクソ成形によるマグネシウム合金を製造するための方法を記載する。

チクソ成形法において、顆粒状の金属材料が、チクソ成形機に導かれ、加熱されたシリンダ内で、スクリュによってスプレイノズルの方向に動かされる。せん断力と、金属の液体温度と固体温度間にある温度の作用下において、この金属材料は、部分的に液体であり、固体部分は小球状になる。チクソトロピック材料の挙動は、固有的粘性であって、これは、粘性がせん断作用の高まりと共に低下することを意味している。液体と固体の間の温度レベルが好ましいものであるため、収縮および遅延がほとんど起こらないので、チクソ成形は、とりわけ、高い寸法安定性を伴う非常に肉薄の部品の製造に適している。

金属複合材料を製造するための上述の方法の短所は、プレフォーム浸潤の費用を要する装置、限界のある形成能力、プレフォームのファイバ成分、および高コストである点にある。複合材料形状は、高度な技術と高額の費用のもとに実現できるだけであり、ファイバまたは粒子強化部品のネットシェイプ製造は、浸潤ではほとんど不可能である。

これは、通常、比較的高い加工費用をもたらし、これによって、強化材としてセラミック固体相を利用することを困難とする。たとえば、ＳｉＣ−またはＡｌ２０３−ファイバによって強化された物の加工は、ダイアモンド工具によってしか可能でないからである。さらに、プレフォームの浸潤能は、典型的な圧力鋳造においてファイバおよび粒子の成分によって簡単に付与されず、このために、圧力鋳造（スクイーズ鋳造）の方法が利用されるが、これについても特殊な鋳造設備が必要である。圧力鋳造を介する浸潤において起こり得る難点の原因は、とりわけ、その方法の充填速度が高いこと、および低圧であるところにあって、これは、カット面が小さいことから、溶融を介して実行することができる。しかしながら、これは、金属溶融物とセラミック成形体との間の、通常非常にわずかのウェット傾向を克服するためには必要である。さらに、プレフォームは、予定より早くファイバ体に溶融物が凝結することを避けるために、溶融温度以上に加熱することが必要である。

混合の方法は、最初のラインにおいて、粒子形状の強化法に依存する。これは、均一なファイバの分布を阻害する、または不可能にさえもするファイバを用いることによって、溶融物の粘性を高度に高めることが可能である。粒子の場合、振とう結果は、使用された粒子の大きさ、振とう回数、温度に依存している。パラメータの選択が不十分であれば、るつぼプレートのスラッグまたは沈殿物中に粒子が固まったり、沈積する可能性がある。粒子および溶融物の場合の実際の系については、２つの相間の接触時間が長いので、場合によっては、結果として粒子の損傷につながる、界面の遷移反応が起こる。たとえば、ここで、系は、酸化マグネシウム―アルミニウムであって、この場合、粒子物質の分解において、両者間の反応時に、酸化マグネシウムとアルミニウムが形成される。

本発明の課題は、前提部に記載する種類の金属基材複合材料を製造するための方法を提供することであって、該方法は、特に、熱負荷がかかる部品に利用するための軽金属―複合材料の製造を可能にし、該方法は、これまでに知られる方法よりも多様であって、かつコスト的に有利であって、これまでの方法の持つ上述の短所を回避する。

この解決手段は、請求項１の特徴を有する前提部において記載する種類の金属基材複合材料を製造するための本発明に従った方法を提供する。本発明に従えば、チクソ成形法において軽金属複合材料の製造が行われ、その場合、基材に少なくとも２体積％のＭｇ₂Ｓｉ相が取り込まれる。

本発明に従った方法の利点は、金属複合材料の現場製造のための方法とチクソ成形法との組み合わせから生じる。本発明に従えば、Ｍｇ−Ｍｇ₂Ｓｉ複合材料は、少なくとも２体積％のＭｇ₂Ｓｉによって製造され、好ましくは、ケイ素またはケイ素合金の顆粒と、マグネシウムまたはマグネシウム合金の顆粒とを共に、チクソ成形工程に導き、せん断下において、少なくとも部分的に液体状溶融物が形成され、マグネシウム体の形で凝固する。この方法の利点は、Ｍｇ₂Ｓｉの体積成分の調整可能な幅が広く、ファイバまたは粒子プレフォームを放棄することができる、Ｓｉ粒子の大きさと量で、形成されるべきＭｇ₂Ｓｉ結晶の量と大きさを決定することができることであり、これによって、熱膨張係数、弾性係数、永久延び限界、磨耗挙動などの特性を個別に変更することが可能である。したがって、Ｓｉ成分は、調整可能であって、これは溶融冶金工学的には製造することができない。このように鋳造される材料は、続く鍛錬プロセスなどの変形プロセスに送ることが可能である。

特に、本発明によるチクソ成形法においては、金属基材複合材料から鋳造体を製造し、次いでさらに加工する。とりわけ、鋳造体はその後少なくとも１つの処理工程で変形される。そのような変形処理には、たとえば、少なくとも鍛造処理が含まれる。

本発明の主題は、さらに、発明に従った方法で製造された金属基材複合材料である。
本発明の主題は、さらに、クレーム１〜１１の特徴を有する方法で製造された金属基材複合材料の、原動機付き車両用部品の製造のための使用である。特に、たとえばピストンなどのエンジン部品のように、高温に曝される軽金属−複合材料から成る自動車部品である。

従属クレームに示す特徴は、本発明による課題解決法の好ましい実施の形態に関する。本発明のさらなる利点は、以下の詳細な説明から明らかになる。

以下において、本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。
本発明に従った方法によって製造される金属基材複合材料は、ピストン、または、ディーゼル燃料またはガソリン燃料によって駆動される原動機用部品の製造に用いることができる。金属基材複合材料は、さらに、たとえば、特に原動機における、シャフト用ブッシュ、シリンダ、その他の回転対称部品の製造に適している。これらはさらにまた、たとえばブレーキディスクなどの使用により磨耗する原動機付き車両用部品の製造に適している。

金属基材のＭｇ₂Ｓｉ相の体積百分率は、好ましくは、約５〜約４０体積％の範囲にある。本発明に従った金属基材複合材料は、たとえば、マグネシウム標準合金ＡＺ９１，ＡＭ５０，ＭＲ１２３０Ｄ，ＭＲ１２５３Ｍなど、またはマグネシウムダイカスト合金によって開始され、これらには、ケイ素が添加されている。実質的に、２Ｍｇ＋Ｓｉ→Ｍｇ₂Ｓｉの反応である。本発明の範囲において、少なくとも約２重量百分率のＳｉであって、好ましくは最大約１５重量百分率のＳｉが考慮されている。その結果のＭｇ₂Ｓｉの体積百分率を、以下の表１に挙げる。表には、たとえば、金属基材複合材料中のＭｇ₂Ｓｉ相の割合も示している。

Ｍｇ₂Ｓｉは、１，１００℃付近の融点を有する比較的高温融解の相である。したがって、この相は、基材の高温特性を改良するための強化材として適している。これは、クリープ特性ばかりか熱伝導率と熱膨張係数などの指数にも関係する。他の物理的および機械的特性と並んで、これらの値、その適用を考慮して、適切に調整することが可能である。厳密な数値は、とりわけ、基礎合金、Ｍｇ₂Ｓｉの体積百分率、基材合金におけるさらなる分離物のほか、投入温度、投入温度範囲などに依存する。これらのデータは、個々の応用について、その都度実験に基づいて確認されるべきである。

さらに影響を及ぼす要素としては、Ｍｇ₂Ｓｉ分離物が生じるということである。いわゆる「中国文書」分離物、すなわち、その形状に関して非常に中国文字を想起させる針状の分離物として生じる。例えばＣａのような合金要素の余りものとして、１次多角形の分離物が生じ、これが粒子増強のような振る舞いをする。さらに、２つのタイプの分離が、機械的および物理的特性に影響を及ぼす。

本発明に従った金属基材複合材料から中間製品を製造する場合、さらなる加工において選択されるパラメ−ターが特性プロフィールに決定的に作用する。圧縮によって変形が行われる場合には、圧縮方向と平行なＭｇ結晶の平面は、異方性へと誘導される。異方性の程度は種々の要素、特に変形比率、工具の温度、予熱、圧力付加とそれにともなう動的、静的な再結晶化以降の熱管理によって左右される。汚染の影響を含めた合金組成は、同様に影響をもたらす要素である。

製造パラメータ
本発明に従った方法における金属基材複合材料の製造での加熱は、選択された合金、射出重量および工具、特にその部品の形状、スプルーブッシュなど、チクソ成形におけるスクリュおよびシリンダの形状、供給速度および射出速度にも直接関連する。これらのパラメータは、各部品について経験的に決定されなければならず、その場合、機械の構造およびそのデータプロフィールにも依存する。同様に、特性はまた固相部分にも依存する。これは、複合基材材料、すなわち基材および強化材の組合わせとのみならず、基材合金の機械的特性にも影響を及ぼす。

液相成分に関して、反応２Ｍｇ＋Ｓｉ→Ｍｇ₂Ｓｉは、確かに合金はより速やかに高い成分の液相を構成するが、同時に、Ｍｇ₂Ｓｉの形成によって、固相成分の増加に至ることを意味する。この反応はチクソ成形機械のシリンダ−スクリュの領域で生じるだけでなく、部品の鋳造後にも生じる得る。とりわけ、材料が蓄積する領域では、この挙動が考慮される。場合によっては、発熱反応によって基材合金の一部が溶融液相の状態にあるので、圧力がより首尾よく印加され得る。これに関連する推論が、金属組織断面解析によって得られる。

基材合金に関して、溶融区間は大きな役割を果たす。たとえば、溶融区間が４４０〜６００℃の範囲にある、合金ＡＺ９１が実施される。文献から、この合金の場合、９５％の範囲の高い液相成分によって部品の機械的特性の改良に至ることが知られている。このような液相成分の場合、過冷却溶融物について述べることが可能である。したがって、工具へ注入した後、本発明に従った方法においては、高い種形成速度が、同時に非常に多くの種を結果として生じる。これは、非常に微細な構造を導き、ホール・ペッチの関係のために非常に良好な機械的特性を示す。加えて、溶融物の過冷却のために、総じて収縮は非常に小さい。収縮が小さくなればなる程、液相におけるその成分も低くなる。これは、同時にダイカストと比較して、より少ない内部応力とより少ない反りとが生じることを意味する。

Ｓｉの添加に関連して、溶融物が最初に生じるとき、ＭｇとＳｉとの間の発熱反応に至る。これは、機械のヒータ出力が低減され得ることを意味する。これに対する大きさのオーダは、異なるパラメータ、特に周囲温度、各場合に用いられる機械の熱絶縁性、異なる関連する成分（材料）の熱伝導性に依存する。閉じた系における昇温における熱貫流係数の範囲であってさえ、チクソ成形機械を構成するのと同様に、結合が非常に複雑である。

顆粒の粒径は、通常、決定的なものではない。機械および選択された部品に応じて、各場合において他のスクリュ形状が選択されてもよい。その場合、粒径および粒子形状はスクリュ形状に合わせて調整されなければならない。これは、合金または複合材料とは完全に独立している。さらには、Ｍｇ−Ｓｉの粒径の関係は調整されなければならない。しかしながら、これは、通常、予め定めるスクリュ形状に対してのみに意味がある。

顆粒の添加は、たとえば、単純な搬送装置によって同時に、または顆粒添加後しばらくして（両材料はまだ固い）行うことが可能であり、この装置は機械に追加的に取り付けることが可能である。その場合、基本的に、従来どおりの構造の機械を利用することが可能であり、たとえばＴｈｉｘｏｍａｔ社、新日本製鐵社の市販の物が入手可能である。

Claims (12)

1. 金属基材複合材料を製造するための方法であって、少なくとも１つのマグネシウム成分、または１つのマグネシウム合金を含み、チクソ成形が行われる少なくとも１つの製造工程を含む、金属基材複合材料を製造するための方法において、マグネシウム成分またはマグネシウム合金のチクソ成形に際してケイ素を添加し、融解が最初に生じた時に、チクソ成形装置の加熱を低下させることによって、金属基材に、少なくとも２体積％のＭｇ_２Ｓｉ相を組み込むことを特徴とする方法。
2. ケイ素またはケイ素合金の顆粒とマグネシウムまたはマグネシウム合金の顆粒をチクソ成形法においてともに加工することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ケイ素またはケイ素合金の量および大きさは、形成するＭｇ_２Ｓｉ結晶の量および大きさに応じて決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法によって製造された金属基材複合材料を用いて、鋳造物を製造することを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法によって製造された鋳造物をさらに加工して、車両用部品を製造することを特徴とする方法。
6. 鍛造法または押出し法によって、鋳造物を変形させることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 複合材料を製造する場合、少なくとも２重量％であって、多くとも１５重量％のケイ素を加えて行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
8. 金属基材中、Ｍｇ_２Ｓｉが少なくとも５％から、多くとも４０％までの体積百分率が組み込まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
9. 金属基材複合材料の製造において、マグネシウム標準合金ＡＺ９１，ＡＭ５０，ＭＲ１２３０Ｄ，ＭＲ１２５３Ｍのいずれか１つ、またはマグネシウムダイカスト合金によって開始されることを特徴とする、請求項１〜３，７および８のいずれか１項に記載の方法。
10. 請求項１〜３および７〜９のいずれか１項に従う方法に従って製造されることを特徴とする、金属基材複合材料。
11. 請求項１〜３および７〜９のいずれか１項に従う方法に従って製造される少なくとも１種の金属基材複合材料を含むことを特徴とする、原動機付き車両用部品。
12. 原動機付き車両用のピストン、シャフト用ブッシュ、シリンダ、その他の回転対称部品またはブレーキディスクなどの、原動機付き車両用部品を製造するための請求項１０記載の金属基材複合材料の使用。