JP4594917B2 - 複合材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックスを含むペレットを金属中に鋳込むことで設けられた複合材及びその製造方法に関する。

鉄基合金は、金属組織の形態、含有成分の種類及びその割合に応じて諸特性が様々に変化する。例えば、Ｃ量が少ない鋼材は高強度、高剛性を示し、Ｃ量が多い鋳鉄材は、強度や剛性は鋼材に若干劣るものの、鋼材に比して鋳造が容易である。換言すれば、鋳造性に優れる。

ところで、構造材を設ける場合、該構造材に高剛性が希求されることがある。この際、例えば、鋳鉄材を用いて鋳造を行うと、得られた構造材の剛性が十分でないことが懸念される。

このような観点から、金属材にセラミックスを分散させ、金属材の特性を活用しつつ、セラミックスによって希求される特性の確保を図った金属基複合材が提案されている。この種の金属基複合材を製造する方法としては、コンポキャスト法が例示される。すなわち、金属溶湯にセラミックス粉末を添加して鋳造を行う手法である。

しかしながら、コンポキャスト法を実施する場合、セラミックス粉末が金属溶湯と分離し易く、このためにセラミックスを分散させることが容易ではないという不都合がある。セラミックス粉末が分離したまま鋳造を行うと、溶湯を凝固させて鋳造品とした際、該鋳造品ではセラミックス相と金属相とが分離してしまう。

このような相分離を回避するためには、特許文献１に記載されるように、鉄基合金の溶湯にＳｉＣ粒子を添加した後、この溶湯ないし固化物を鋳鉄材の溶湯に添加して凝固することで複合材とすることや、特許文献２に記載されるように、金属ホウ化物固溶体粒子を分散した炭化ケイ素セラミックス焼結体、又は金属ホウ化物固溶体セラミックス焼結体の少なくともいずれか一方を、マルテン系高クロム鋳鉄、高Ｎｉ合金系グレン鋳鉄、マルテン系ハイス鋼等で鋳ぐるんで鋳ぐるみ複合体とすることが想起される。

特公平７−１１０４５号公報 特開２００４−３０７８９３号公報

鉄基合金の溶湯の比重は、概ね６．８〜８．０の範囲内である。一方、例えば、鋼材を母材としてＴｉＣを５０体積％含有させたペレット、ＶＣを６０体積％含有させたペレットの比重は、それぞれ、６．４、６．６であり、鉄基合金に比して小さい。従って、このようなペレットを溶湯に添加すると、ペレットが溶湯の界面に浮上したり、ペレットの形状によっては溶湯中で長手方向が鉛直方向に沿って延在したりすることがある。このような事態が生じると、該溶湯が凝固した鋳造品（複合材）では前記ペレットが偏在しているので、全体にわたって諸特性を向上させることが困難となる。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、セラミックスを含むペレットを鋳込むことが容易な複合材及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、セラミックス相を含むペレットを金属中に鋳込むことで設けられた複合材であって、
前記ペレットは、セラミックス相を２０〜７０体積％以上含有し、残部がニッケル合金又は銅合金であり、且つ比重が６．７〜７．３であり、
前記金属は、鋳鉄材であることを特徴とする。ここで、本発明においては、ニッケル自体もニッケル合金に含めるとともに、銅自体も銅合金に含めるものとする。また、ペレットは成形体であってもよいし、粉砕物であってもよい。

すなわち、本発明においては、金属相としてニッケル合金又は銅合金を含む。これらは鋳鉄材に比して比重が大きく、従って、ペレットの比重を鋳鉄溶湯の比重に近似させることが容易となる。

しかも、本発明では、ペレットの比重を６．７〜７．３としているので、該ペレットが鋳鉄溶湯から分離し難い。このため、複合材では、ペレットが略均等に分散するので、全体にわたって諸特性、特にヤング率を向上させることができる。

例えば、セラミックス相の組成比を変更することで比重を鋳鋼溶湯の比重に近似させるようにしてもよい。すなわち、本発明は、セラミックス相を含むペレットを金属中に鋳込むことで設けられた複合材であって、
前記ペレットは、セラミックス相を２０〜７０体積％以上含有し、残部がニッケル合金又は銅合金であり、且つ比重が７．６〜８．４であり、
前記金属は、鋳鋼材であることを特徴とする。

このように、本発明によれば、鋳鋼材を母材とする複合材を構成することもできる。

また、本発明は、セラミックス相を含むペレットを金属中に鋳込むことで複合材を設ける複合材の製造方法であって、
セラミックス相を２０〜７０体積％以上含有し、残部がニッケル合金又は銅合金であり、且つ比重が６．７〜７．３である前記ペレットを設ける工程と、
前記ペレットを鋳鉄溶湯に添加した後に鋳造を行う工程と、
前記鋳鉄溶湯を凝固させて前記ペレットが鋳込まれた前記複合材を設ける工程と、
を有することを特徴とする。

上記したように、この場合、ペレットの比重が鋳鉄溶湯の比重に近いので、ペレットが略均等に鋳鉄溶湯中に分散する。このため、全体にわたって諸特性に優れる複合材を容易に得ることができる。

勿論、鋳鋼材を母材とする複合材を設けるようにしてもよい。すなわち、本発明は、セラミックス相を含むペレットを金属中に鋳込むことで複合材を設ける複合材の製造方法であって、
セラミックス相を２０〜７０体積％以上含有し、残部がニッケル合金又は銅合金であり、且つ比重が７．６〜８．４である前記ペレットを設ける工程と、
前記ペレットを鋳鋼溶湯に添加した後に鋳造を行う工程と、
前記鋳鋼溶湯を凝固させて前記ペレットが鋳込まれた前記複合材を設ける工程と、
を有することを特徴とする。

この場合においては、ペレットの比重が鋳鋼溶湯の比重に近いので、鋳鋼材を母材金属とし、且つ全体にわたって諸特性に優れる複合材を容易に得ることができる。

いずれの場合においても、前記セラミックス相の好適な例としては、ＴｉＣ、ＶＣ、ＳｉＣの少なくともいずれか１種が挙げられる。

本発明によれば、ニッケル合金又は銅合金を金属相とすることで鋳鉄溶湯ないし鋳鋼溶湯の比重に近い比重を有するペレットを添加して鋳造を行うようにしているので、ペレットが鋳鉄溶湯ないし鋳鋼溶湯から分離することが回避される。このため、全体にわたって諸特性、特にヤング率が向上した複合材を作製することが容易となる。

以下、本発明に係る複合材の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

先ず、本発明の第１実施形態に係る複合材につきその製造方法との関連で説明する。第１実施形態に係る複合材は、母材金属である鋳鉄中に、セラミックス相を２０〜７０体積％以上含有し、残部がニッケル合金又は銅合金であり、且つ比重が６．７〜７．３であるペレットが鋳込まれて構成されたものである。

この複合材は、セラミックス含有添加材としてのペレットを設ける第１工程と、前記ペレットを鋳鉄溶湯に添加して鋳造を行う第２工程と、前記鋳鉄溶湯を凝固させて鋳造品（複合材）を設ける第３工程とを有する製造方法によって作製することができる。

第１工程において、ペレットは、例えば、セラミックス粉末と金属粉末とを混合した混合粉末を成形することで設けることができる。ペレットの形状は、例えば、ディスク体形状や円柱体形状とすることができるが、特にこれらの形状に限定されるものではない。

又は、セラミックス粉末を金属溶湯に添加したものを凝固させて設けるようにしてもよいし、セラミックス相を金属中に晶出ないし析出させることでセラミックス相が金属中に含まれるようにしてもよい。これらの場合、セラミックス相と金属相とが分離したペレットが作製されても特に差し支えはない。

さらに、上記のようにして得られた固形物を粉砕するようにしてもよい。

以上のようにして、セラミックス相と金属相とを含むペレットが作製される。

ここで、ペレット中のセラミックス相は、２０〜７０体積％に設定される。すなわち、ペレットを作製する際、セラミックス粉末が２０〜７０体積％を占めるように添加される。２０体積％未満であると、ヤング率、ひいては剛性を向上させる効果に乏しい。一方、７０体積％を超えると、鋳鉄溶湯との比重差が大きくなるのでペレットが鋳鉄溶湯から分離してしまう。

セラミックス粉末としては、ＴｉＣ、ＶＣ、ＳｉＣの少なくともいずれか１種が好ましい。これらが金属材中に分散された複合材は、母材である金属材に比して大きなヤング率を示すからである。

なお、ペレットのペレット径は、０．２５〜３ｍｍであることが好ましい。ペレットのペレット径が０．２５ｍｍ未満であると、金属溶湯から分離し易い。また、ペレット径が３ｍｍよりも大きいペレットを用いると、鋳造品に対する引け巣抑制効果が乏しくなる傾向がある。ペレット径は、例えば、粉砕物を所定の篩で選別することで調整することができる。

一方の金属相は、上記したように、ニッケル合金相又は銅合金相から形成される。ニッケル合金、銅合金は鋳鉄材に比して比重が大きく、このため、ペレットが溶湯から分離し難くなる。

ペレットの比重は、ニッケル合金及びセラミックス粉末の種類及び割合を調整することで制御することができる。例えば、ニッケル合金にＴｉＣを４０体積％含有させたペレットの比重は７．１であり、鋳鉄溶湯の比重と略同等となる。

次に、第２工程において、上記したペレットを鋳鉄溶湯に添加する。鋳鉄溶湯に添加されたペレットは、ペレットのまま、又は表層が溶解した状態で鋳鉄溶湯中に分散する。しかも、ペレットの比重が鋳鉄溶湯の比重と略同等であるので、ペレットが鋳鉄溶湯から分離することが回避される。

このように、ペレットと鋳鉄溶湯との比重を略同等とすることにより、ペレットが鋳鉄溶湯から分離することを抑制することができる。

ペレットを鋳鉄溶湯に添加した後、次なる第３工程において鋳造が行われ、さらに、該鋳鉄溶湯が凝固される。この凝固の際、引け巣の発生が抑制される。

凝固が終了すると、ペレットに含まれたセラミックス相を含む複合材が鋳造品として得られる。この複合材は、セラミックス相を含むことに起因して、該複合材の母材である金属材に比して大きなヤング率を示す。

ヤング率が大きなものは、剛性も大きい。すなわち、本実施の形態によれば、母材の金属材に比して剛性が大きな複合材を容易に得ることができる。

次に、第２実施形態について説明する。

第２実施形態に係るペレットは、鋳鉄に代替して鋳鋼を母材とし、且つ比重が７．６〜８．４である点を除いて、上記第１実施形態と同様である。また、その製造方法も、鋳鉄溶湯に代替して鋳鋼溶湯を用いればよい。

なお、ペレットの比重を変更するには、例えば、ペレット中のセラミックス相及び金属相の組成比を変更すればよい。第１実施形態と同様にニッケル合金にＴｉＣを含有させる場合、その割合を２０体積％とすれば、比重が７．９であり、鋳鋼溶湯の比重と略同等であるペレットが得られる。

ここで、金属相を鋼材、ニッケル、銅、セラミックス相をＴｉＣ、ＳｉＣとしてその添加量を種々変更することで比重が異なるペレット（添加材）を作製し、このペレットを鋳鉄溶湯又は鋳鋼溶湯に添加した際のペレットの分散具合を図１に示す。図１中、「×」はペレットが溶湯の界面に浮上したり、鉛直方向に沿って偏析したりして分散具合が良好でなかったことを表し、「○」はペレットが良好に分散した複合材が得られたことを表す。

この図１から、ペレットの比重を溶湯の比重に近似させることで、良好な複合材を得られることが分かる。

また、図２は、ニッケル又は銅にＴｉＣが５０体積％添加されたペレット、ニッケルにＶＣが６０体積％添加されたペレットを鋳鉄溶湯又は鋳鋼溶湯に添加して得られた複合材、ＦＣＤ４５０相当材、ＳＣ４５０相当材の各ヤング率の測定結果を併せて示した。この図２から、セラミックス相を含有したペレットを添加することで、鋳鉄材ないし鋳鋼材に比してヤング率が著しく大きな複合材が得られることが明らかである。

なお、複合材の母材をいわゆる特殊鋳鉄材や特殊鋼材とするべく、他の金属元素をさらに添加してペレットを構成するようにしてもよい。

各種ペレットを鋳鉄溶湯又は鋳鋼溶湯に添加したときの分散度合を表す図表である。 本実施の形態に係る複合材と、ＦＣＤ４５０相当材、ＳＣ４５０相当材の各ヤング率の測定結果である。

Claims (4)

1. セラミックス相を含むペレットを金属中に鋳込むことで設けられた複合材であって、
   前記ペレットは、セラミックス相を２０〜７０体積％以上含有し、残部がニッケル合金又は銅合金であり、且つ比重が６．７〜７．３であり、
   前記金属は、鋳鉄材であり、
   前記ペレットに含有されたセラミックス相によって、鋳鉄材よりも大きなヤング率を示すことを特徴とする複合材。
2. セラミックス相を含むペレットを金属中に鋳込むことで設けられた複合材であって、
   前記ペレットは、セラミックス相を２０〜７０体積％以上含有し、残部がニッケル合金又は銅合金であり、且つ比重が７．６〜８．４であり、
   前記金属は、鋳鋼材であり、
   前記ペレットに含有されたセラミックス相によって、鋳鋼材よりも大きなヤング率を示すことを特徴とする複合材。
3. セラミックス相を含むペレットを金属中に鋳込むことで複合材を設ける複合材の製造方法であって、
   セラミックス相を２０〜７０体積％以上含有し、残部がニッケル合金又は銅合金であり、且つ比重が６．７〜７．３である前記ペレットを設ける工程と、
   前記ペレットを鋳鉄溶湯に添加した後に鋳造を行う工程と、
   前記鋳鉄溶湯を凝固させて、前記ペレットが鋳込まれ且つ該ペレットに含有されたセラミックス相によって鋳鉄材よりも大きなヤング率を示す前記複合材を設ける工程と、
   を有することを特徴とする複合材の製造方法。
4. セラミックス相を含むペレットを金属中に鋳込むことで複合材を設ける複合材の製造方法であって、
   セラミックス相を２０〜７０体積％以上含有し、残部がニッケル合金又は銅合金であり、且つ比重が７．６〜８．４である前記ペレットを設ける工程と、
   前記ペレットを鋳鋼溶湯に添加した後に鋳造を行う工程と、
   前記鋳鋼溶湯を凝固させて、前記ペレットが鋳込まれ且つ該ペレットに含有されたセラミックス相によって鋳鋼材よりも大きなヤング率を示す前記複合材を設ける工程と、
   を有することを特徴とする複合材の製造方法。

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