JP6681079B2 - アルミニウム合金基複合材料の製造方法及びアルミニウム合金基複合材料 - Google Patents
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Description
本発明は、強化材が均一に分布したアルミニウム合金基複合材料の製造方法に関する。
従来、アルミニウム合金の中に強化材であるセラミックス粉末が複合されたアルミニウム合金基複合材料が知られている。このアルミニウム合金基複合材料の製造方法としては、例えば特許文献１には、強化材であるセラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムの粉末を用いて、この粉末の充填体にアルミニウム合金の溶湯を含浸させるアルミニウム基複合材料の製造方法が記載されている。なお、このような製造方法は、溶湯鋳造法又は高圧鋳造法といわれる。
上記特許文献１に記載の製造方法は、ホウ酸アルミニウム粉末原料を充填して充填体を得る工程と、充填体を予熱する工程と、アルミニウム合金を加熱して溶融アルミニウム合金を得る工程と、予熱した充填体に溶融アルミニウム合金を加圧浸透させる工程とを含んでいる。このような従来の製法では、鉄製やＳＵＳ製の容器にホウ酸アルミニウム粉末原料等のセラミックス粉末を充填することで充填体を得ている。
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来のアルミニウム基複合材料の製造方法では、図１４に示すように、鉄製やＳＵＳ製の金属容器１０３にセラミックス粉末１０２を充填して充填体とし、この金属容器１０３の上部開口からアルミニウム合金の溶湯Ａｌ１を流入させてセラミックス粉末１０２の充填体にアルミニウム合金を含浸させるため、アルミニウム合金の溶湯Ａｌ１が流入する開口部付近と、開口部から遠い底部分とでは、アルミニウム合金の含浸率が異なり、セラミックス粉末１０２の充填体全体に均一に含浸されないという問題があった。そのため、特に複雑な形状や薄板状において、均一な複合材料を得ることが困難であった。
すなわち、従来のアルミニウム基複合材料の製造方法では、図１４に示すように、鉄製やＳＵＳ製の金属容器１０３にセラミックス粉末１０２を充填して充填体とし、この金属容器１０３の上部開口からアルミニウム合金の溶湯Ａｌ１を流入させてセラミックス粉末１０２の充填体にアルミニウム合金を含浸させるため、アルミニウム合金の溶湯Ａｌ１が流入する開口部付近と、開口部から遠い底部分とでは、アルミニウム合金の含浸率が異なり、セラミックス粉末１０２の充填体全体に均一に含浸されないという問題があった。そのため、特に複雑な形状や薄板状において、均一な複合材料を得ることが困難であった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、均一にアルミニウム合金を含浸させることができるアルミニウム基複合材料の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、アルミニウム合金の中に強化材であるセラミックス粉末が複合されたアルミニウム合金基複合材料の製造方法であって、前記セラミックス粉末を多孔質材料で形成された多孔質容器に充填する充填工程と、前記多孔質容器を金型内に設置し、前記金型内にアルミニウム合金の溶湯を流し込む工程と、前記金型内の前記溶湯に圧力を加え、前記多孔質容器を通して内部の前記セラミックス粉末に前記溶湯を含浸させる含浸工程とを有していることを特徴とする。
このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、多孔質容器を通して内部のセラミックス粉末に溶湯を含浸させる含浸工程を有しているので、多孔質容器のポーラスな材質を介してほぼ全方位からアルミニウム合金の溶湯が均等に多孔質容器内に流入し、セラミックス粉末全体に対して均一な含浸が可能になる。
第２の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第１の発明において、前記多孔質容器が、カーボングラファイトで形成されていることを特徴とする。
すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、多孔質容器が、カーボングラファイトで形成されているので、熱膨張率が鉄製やＳＵＳ製の容器よりも小さく、熱膨張による容器の変形がほとんど生じず、複雑な形状の容器を用いることも可能になる。また、含浸工程後に硬化した複合材料を多孔質容器から取り出す際に、多孔質容器がカーボングラファイトであるため、容易に複合材料と多孔質容器とを分離することが可能である。
すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、多孔質容器が、カーボングラファイトで形成されているので、熱膨張率が鉄製やＳＵＳ製の容器よりも小さく、熱膨張による容器の変形がほとんど生じず、複雑な形状の容器を用いることも可能になる。また、含浸工程後に硬化した複合材料を多孔質容器から取り出す際に、多孔質容器がカーボングラファイトであるため、容易に複合材料と多孔質容器とを分離することが可能である。
第３の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第１又は第２の発明において、前記充填工程後に、前記多孔質容器を予熱する予熱工程を有していることを特徴とする。
すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、充填工程後に、多孔質容器を予熱する予熱工程を有しているので、充填されたセラミックス粉末の粒子の界面エネルギーが高くなり、アルミニウム合金の溶湯との濡れ性が改善する。特に、多孔質容器がカーボングラファイトで形成されていることで、多孔質容器の熱膨張率が低く、予熱による容器の変形がほとんど発生しない。
すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、充填工程後に、多孔質容器を予熱する予熱工程を有しているので、充填されたセラミックス粉末の粒子の界面エネルギーが高くなり、アルミニウム合金の溶湯との濡れ性が改善する。特に、多孔質容器がカーボングラファイトで形成されていることで、多孔質容器の熱膨張率が低く、予熱による容器の変形がほとんど発生しない。
第４の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記セラミックス粉末が、ホウ酸アルミニウムの粉末であることを特徴とする。
すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、セラミックス粉末が、ホウ酸アルミニウムの粉末であるので、比較的硬度の低いホウ酸アルミニウムの粉末を用いることで、加工性に優れた複合材料を得ることができる。
すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、セラミックス粉末が、ホウ酸アルミニウムの粉末であるので、比較的硬度の低いホウ酸アルミニウムの粉末を用いることで、加工性に優れた複合材料を得ることができる。
第５の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第４の発明において、前記セラミックス粉末として、さらにＳｉＣの粉末が添加されていることを特徴とする。
すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、セラミックス粉末として、さらにＳｉＣの粉末が添加されているので、ホウ酸アルミニウムよりも熱膨張率が低く硬度の高いＳｉＣの粉末の添加割合に応じて全体の熱膨張率を下げると共に硬度を高めることができる。
また、ＳｉＣの粉末の効果として、ホウ酸アルミニウムの粉末との濡れ性が良く、ホウ酸アルミニウム粉末との界面が改質され、より強固な接合を得ることができる。
すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、セラミックス粉末として、さらにＳｉＣの粉末が添加されているので、ホウ酸アルミニウムよりも熱膨張率が低く硬度の高いＳｉＣの粉末の添加割合に応じて全体の熱膨張率を下げると共に硬度を高めることができる。
また、ＳｉＣの粉末の効果として、ホウ酸アルミニウムの粉末との濡れ性が良く、ホウ酸アルミニウム粉末との界面が改質され、より強固な接合を得ることができる。
第６の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第５の発明において、前記充填工程において、体積割合で前記ホウ酸アルミニウムの粉末が２０に対して、前記ＳｉＣの粉末を０．５〜２．０の割合で混合することを特徴とする。
すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、充填工程において、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が２０に対して、ＳｉＣの粉末を０．５〜２．０の割合で混合するので、全体の熱膨張率の低下と良好な加工性とを両立した複合材料を得ることができる。
なお、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が２０に対して、ＳｉＣの粉末の割合が０．５未満であると、熱膨張率の低下効果が十分に得られないと共に、ＳｉＣの粉末の割合が１．５を超えると、全体の硬度が高くなり過ぎ、加工性が悪くなってしまう。
すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、充填工程において、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が２０に対して、ＳｉＣの粉末を０．５〜２．０の割合で混合するので、全体の熱膨張率の低下と良好な加工性とを両立した複合材料を得ることができる。
なお、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が２０に対して、ＳｉＣの粉末の割合が０．５未満であると、熱膨張率の低下効果が十分に得られないと共に、ＳｉＣの粉末の割合が１．５を超えると、全体の硬度が高くなり過ぎ、加工性が悪くなってしまう。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法によれば、多孔質容器を通して内部のセラミックス粉末に溶湯を含浸させる含浸工程を有しているので、多孔質容器のポーラスな材質を介してほぼ全方位からアルミニウム合金の溶湯が均等に多孔質容器内に流入し、セラミックス粉末全体に対して均一な含浸が可能になる。
したがって、本発明の製造方法では、全体として均一な熱膨張率や硬度を有したアルミニウム基複合材料を得ることが可能であると共に複雑な形状や薄板状の均一なアルミニウム基複合材料を得ることが可能になる。
この本発明の製法で作製したアルミニウム基複合材料は、軽量で、高ヤング率、高振動減衰率、高熱伝導性及び高耐摩耗性を有することから、ボンディングマシンなどのＸ−Ｙテーブル、半導体製造装置などに使用されるロボットアーム、チップマウンタ−、空気圧縮機用スクロール部品などの材料として好適である。
すなわち、本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法によれば、多孔質容器を通して内部のセラミックス粉末に溶湯を含浸させる含浸工程を有しているので、多孔質容器のポーラスな材質を介してほぼ全方位からアルミニウム合金の溶湯が均等に多孔質容器内に流入し、セラミックス粉末全体に対して均一な含浸が可能になる。
したがって、本発明の製造方法では、全体として均一な熱膨張率や硬度を有したアルミニウム基複合材料を得ることが可能であると共に複雑な形状や薄板状の均一なアルミニウム基複合材料を得ることが可能になる。
この本発明の製法で作製したアルミニウム基複合材料は、軽量で、高ヤング率、高振動減衰率、高熱伝導性及び高耐摩耗性を有することから、ボンディングマシンなどのＸ−Ｙテーブル、半導体製造装置などに使用されるロボットアーム、チップマウンタ−、空気圧縮機用スクロール部品などの材料として好適である。
以下、本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法の一実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。
本実施形態のアルミニウム基複合材料の製造方法は、図１から図３に示すように、アルミニウム合金の中に強化材であるセラミックス粉末２が複合されたアルミニウム合金基複合材料１の製造方法であって、セラミックス粉末２を多孔質材料で形成された多孔質容器３に充填する充填工程と、多孔質容器３を金型４内に設置し、金型４内にアルミニウム合金の溶湯Ａｌ１を流し込む工程と、金型４内の溶湯Ａｌ１に圧力を加え、多孔質容器３を通して内部のセラミックス粉末２に溶湯Ａｌ１を含浸させる含浸工程とを有している。
また、本実施形態の製造方法は、上記充填工程後に、多孔質容器３を予熱する予熱工程を有している。
また、本実施形態の製造方法は、上記充填工程後に、多孔質容器３を予熱する予熱工程を有している。
上記多孔質容器３は、アルミニウム合金の溶湯Ａｌ１を入れても溶けない無数の連通孔を有する多孔質（オープンポーラス）な材料で形成されている。特に、多孔質容器３をカーボングラファイトで形成することが好ましい。
上記セラミックス粉末２は、例えばホウ酸アルミニウム（９Ａｌ２Ｏ３・２Ｂ２Ｏ３）の粉末が用いられる。
また、ホウ酸アルミニウムよりも熱膨張率が低く硬度の高い複合材を得るためには、セラミックス粉末２として、さらにＳｉＣ（炭化ケイ素）の粉末が添加される。
その場合、充填工程において、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が２０に対して、ＳｉＣの粉末を０．５〜２．０の割合で混合することが好ましい。
上記セラミックス粉末２は、例えばホウ酸アルミニウム（９Ａｌ２Ｏ３・２Ｂ２Ｏ３）の粉末が用いられる。
また、ホウ酸アルミニウムよりも熱膨張率が低く硬度の高い複合材を得るためには、セラミックス粉末２として、さらにＳｉＣ（炭化ケイ素）の粉末が添加される。
その場合、充填工程において、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が２０に対して、ＳｉＣの粉末を０．５〜２．０の割合で混合することが好ましい。
本実施形態の製造方法について、カーボングラファイトの多孔質容器３を用い、セラミックス粉末２としてホウ酸アルミニウムとＳｉＣとの混合粉末を用いた場合について、より詳細に説明すると、まず所定のセラミックス粉末２を用意し、図１に示すように、カーボングラファイトの多孔質容器３内に充填する。なお、ホウ酸アルミニウムとＳｉＣとの混合粉末をセラミックス粉末２とする場合、所定の割合で両粉末を混合すると共に、回転混合機等によって十分に互いを均一に攪拌混合させる。
なお、アルミニウム合金としては、例えば合金番号Ａ１０５０，Ａ５０５２，Ａ６０６１，Ａ７０７５，ＡＣ４Ｃ，ＡＣ８Ａ，ＡＤＣ１２等が採用可能であり、他の種類も採用可能である。特に、物性が良く、含浸不良が発生し難いものとして、高熱伝導率かつ高強度なＡＣ４Ｃ，ＡＣ８Ａ等がアルミニウム合金に好ましい。このような合金の化学組成は、体積率がＳｉ：６〜１３％、Ｍｇ：０．２〜１．３％、Ａｌ：残のアルミニウム合金である。
なお、Ｓｉの含有率が少ないと高圧含浸時に含浸不良が発生し易いため、含有するＳｉは体積率６〜１２％の範囲に設定することが好ましい。すなわち、Ｓｉの体積率が６％未満であると、湯流れが悪くなり、強化材であるセラミックス粉末２間にアルミニウム合金の溶湯が浸透し難くなるためである。
また、ホウ酸アルミニウムの粉末としては、例えば中心粒径３０〜５０μｍ程度のものが採用され、ＳｉＣの粉末としては、例えば中心粒径２〜４μｍのものが採用される。
また、ホウ酸アルミニウムの粉末としては、例えば中心粒径３０〜５０μｍ程度のものが採用され、ＳｉＣの粉末としては、例えば中心粒径２〜４μｍのものが採用される。
上記多孔質容器３としては、オープンポーラスなカーボングラファイトブロックを用いた種々の形状のものが採用可能であるが、例えば図２の（ａ）に示すように、箱形の本体３ａと蓋部３ｂとからなる直方体形状の容器３としても良いし、図２の（ｂ）に示すように、有底円筒形状の本体２３ａと蓋部２３ｂとからなる容器２３を採用しても構わない。
なお、多孔質容器３のポーラス径としては、１０μｍ以下が望ましい。なお、多孔質容器３のポーラスの流路は複雑であるため、ポーラス径よりも粒径が小さいＳｉＣ粉末がポーラスの流路をつたって外部に流出することはない。
なお、多孔質容器３のポーラス径としては、１０μｍ以下が望ましい。なお、多孔質容器３のポーラスの流路は複雑であるため、ポーラス径よりも粒径が小さいＳｉＣ粉末がポーラスの流路をつたって外部に流出することはない。
なお、セラミックス粉末２を多孔質容器３内に充填する場合、振動機等によって多孔質容器３に振動を加えながら詰めることで、隙間が生じ難い状態で充填することができる。
充填後に、蓋部３ｂにより密閉した状態で多孔質容器３ごと予熱炉（マッフル炉等）に入れて、例えば５００〜７００℃で予熱する。この予熱工程は、セラミックス粉末２の界面エネルギーを高め、アルミニウム合金の溶湯との濡れ性を改善するための工程である。
充填後に、蓋部３ｂにより密閉した状態で多孔質容器３ごと予熱炉（マッフル炉等）に入れて、例えば５００〜７００℃で予熱する。この予熱工程は、セラミックス粉末２の界面エネルギーを高め、アルミニウム合金の溶湯との濡れ性を改善するための工程である。
なお、従来の鉄製やＳＵＳ製の容器では、平均熱膨張率係数が１４〜１７ｐｐｍ／ｋであるため、予熱時に容器の膨張変形が発生してしまう。特に、容器形状が複雑になるほど、熱膨張を考慮した設計が困難になる。しかしながら、本実施形態のカーボングラファイトブロックを用いた多孔質容器３は、平均熱膨張率係数が５〜７ｐｐｍ／ｋ程度であるので、予熱時の熱膨張による容器の変形がほとんど発生しない。
次に、図３の（ａ）に示すように、予熱したセラミックス粉末２を詰めた多孔質容器３を、予め２００〜２５０℃に予熱した金型４内に設置して、アルミニウム合金の溶湯Ａｌ１を金型４内に流し込む。
なお、多孔質容器３の底部下まで溶湯Ａｌ１が流れるように、金型３の底部に複数の凸部を設け、複数の凸部上に多孔質容器３を載置しても構わない。この場合、金型３の底部から多孔質容器３を浮かした状態で設置でき、多孔質容器３の底部下まで溶湯Ａｌ１を回り込ませることが可能になる。これにより、多孔質容器３の全方位から溶湯Ａｌ１を内部に浸透させることができる。
なお、多孔質容器３の底部下まで溶湯Ａｌ１が流れるように、金型３の底部に複数の凸部を設け、複数の凸部上に多孔質容器３を載置しても構わない。この場合、金型３の底部から多孔質容器３を浮かした状態で設置でき、多孔質容器３の底部下まで溶湯Ａｌ１を回り込ませることが可能になる。これにより、多孔質容器３の全方位から溶湯Ａｌ１を内部に浸透させることができる。
アルミニウム合金の溶湯Ａｌ１を金型４内に定量流し込んだ後、図３の（ｂ）に示すように、プレス機５のパンチ５ａによりアルミニウム合金の溶湯Ａｌ１を８０〜１４０ＭＰａで加圧する。
この際、加圧エネルギーにより、アルミニウム合金の溶湯Ａｌ１が多孔質容器３に含浸され、さらに多孔質容器３内のセラミックス粉末２に含浸される。
この際、加圧エネルギーにより、アルミニウム合金の溶湯Ａｌ１が多孔質容器３に含浸され、さらに多孔質容器３内のセラミックス粉末２に含浸される。
このアルミニウム合金の溶湯Ａｌ１が完全に凝固するまで、プレス機５にて加圧を続ける。
このアルミニウム合金の溶湯Ａｌ１の含浸スピード（流速）が速いと、乱流が発生し、セラミックス粉末２を移動させてしまい、セラミックス粉末２の分布が偏ってしまうと共に、メタルベインと呼ばれるアルミニウムの差し込みが発生してしまうため、乱流が発生しないように含浸スピードは低速に設定される。したがって、プレス機５による加圧力と加圧スピードとは、多孔質容器３内のセラミックス粉末２の体積率や形状によって調整される。
このアルミニウム合金の溶湯Ａｌ１の含浸スピード（流速）が速いと、乱流が発生し、セラミックス粉末２を移動させてしまい、セラミックス粉末２の分布が偏ってしまうと共に、メタルベインと呼ばれるアルミニウムの差し込みが発生してしまうため、乱流が発生しないように含浸スピードは低速に設定される。したがって、プレス機５による加圧力と加圧スピードとは、多孔質容器３内のセラミックス粉末２の体積率や形状によって調整される。
次に、上記含浸が終了し、温度が２００〜３００℃程度まで低下したところで、図３の（ｃ）に示すように、金型４内のノックアウト６によって多孔質容器３とその内部のアルミニウム基複合材料１と硬化したアルミニウム合金の余肉部Ａｌ２とからなる一体成形物７を金型４から取り出す。
さらに、図４の（ａ）に示すように、取り出した一体成形物７をバンドソー等により、例えば切断線Ｃに沿って一体成形物７を切断し、余肉部Ａｌ２を取り除くことで、図４の（ｂ）に示すように、多孔質容器３を露出させる。
さらに、図４の（ａ）に示すように、取り出した一体成形物７をバンドソー等により、例えば切断線Ｃに沿って一体成形物７を切断し、余肉部Ａｌ２を取り除くことで、図４の（ｂ）に示すように、多孔質容器３を露出させる。
次に、図４の（ｃ）に示すように、多孔質容器３の蓋部３ｂを外し、さらに図４の（ｄ）に示すように、多孔質容器３の壁部分及び底部分を切断して外すことで、複合材料１を取り出す。なお、多孔質容器３がカーボングラファイトであるため、複合材料１を容易に取り出すことができる。
このように取り出した複合材料１は、フライスや研磨、ＮＣ加工等によって、目的の形状に加工される。作製されたアルミニウム基複合材料１は、アルミニウム合金を母材とし、強化材として体積率でホウ酸アルミニウムが３０〜４０％、ＳｉＣが１．５〜２％を含んだものであり、アルミニウム合金マトリックス中にホウ酸アルミニウムの粉末とＳｉＣの粉末とからなるセラミックス粉末２が均一に分散した複合材料である。
このように本実施形態のアルミニウム基複合材料１の製造方法では、多孔質容器３を通して内部のセラミックス粉末２に溶湯Ａｌ１を含浸させる含浸工程を有しているので、多孔質容器３のポーラスな材質を介してほぼ全方位からアルミニウム合金の溶湯Ａｌ１が均等に多孔質容器３内に流入し、セラミックス粉末２全体に対して均一な含浸が可能になる。
また、多孔質容器３が、カーボングラファイトで形成されているので、熱膨張率が鉄製やＳＵＳ製の容器よりも小さく、熱膨張による容器の変形がほとんど生じず、複雑な形状の容器を用いることも可能になる。また、含浸工程後に硬化した複合材料１を多孔質容器３から取り出す際に、多孔質容器３がカーボングラファイトであるため、容易に複合材料１と多孔質容器３とを分離することが可能である。
また、充填工程後に、多孔質容器３を予熱する予熱工程を有しているので、充填されたセラミックス粉末２の粒子の界面エネルギーが高くなり、アルミニウム合金の溶湯Ａｌ１との濡れ性が改善する。特に、多孔質容器３がカーボングラファイトで形成されていることで、多孔質容器３の熱膨張率が低く、予熱による容器の変形がほとんど発生しない。
また、セラミックス粉末２が、ホウ酸アルミニウムの粉末である場合、比較的硬度の低いホウ酸アルミニウムの粉末を用いることで、加工性に優れた複合材料を得ることができる。
また、セラミックス粉末２として、さらにＳｉＣの粉末が添加される場合、ホウ酸アルミニウムよりも熱膨張率が低く硬度の高いＳｉＣの粉末の添加割合に応じて全体の熱膨張率を下げると共に硬度を高めることができる。
また、ＳｉＣの粉末の効果として、ホウ酸アルミニウムの粉末との濡れ性が良く、ホウ酸アルミニウム粉末との界面が改質され、より強固な接合を得ることができる。
特に、充填工程において、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が２０に対して、ＳｉＣの粉末を０．５〜２．０の割合で混合することで、全体の熱膨張率の低下と良好な加工性とを両立した複合材料を得ることができる。
また、セラミックス粉末２として、さらにＳｉＣの粉末が添加される場合、ホウ酸アルミニウムよりも熱膨張率が低く硬度の高いＳｉＣの粉末の添加割合に応じて全体の熱膨張率を下げると共に硬度を高めることができる。
また、ＳｉＣの粉末の効果として、ホウ酸アルミニウムの粉末との濡れ性が良く、ホウ酸アルミニウム粉末との界面が改質され、より強固な接合を得ることができる。
特に、充填工程において、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が２０に対して、ＳｉＣの粉末を０．５〜２．０の割合で混合することで、全体の熱膨張率の低下と良好な加工性とを両立した複合材料を得ることができる。
上記実施形態の製造方法に基づいて実際に作製したアルミニウム基複合材料について、ＳＥＭ画像を図７から図１０に示す。
図７及び図８は、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムのみを用いたアルミニウム基複合材料のＳＥＭ画像である。また、図９及び図１０は、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムとＳｉＣとの混合粉末を用いたアルミニウム基複合材料のＳＥＭ画像である。なお、どちらも合金番号ＡＣ４Ｃのアルミニウム合金を用いた。
また、図１４で示した従来の製造方法に基づいて作製したアルミニウム基複合材料について、ＳＥＭ画像を図５及び図６に示す。この従来例は、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムのみを用いたアルミニウム基複合材料である。
図７及び図８は、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムのみを用いたアルミニウム基複合材料のＳＥＭ画像である。また、図９及び図１０は、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムとＳｉＣとの混合粉末を用いたアルミニウム基複合材料のＳＥＭ画像である。なお、どちらも合金番号ＡＣ４Ｃのアルミニウム合金を用いた。
また、図１４で示した従来の製造方法に基づいて作製したアルミニウム基複合材料について、ＳＥＭ画像を図５及び図６に示す。この従来例は、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムのみを用いたアルミニウム基複合材料である。
これらの画像から分かるように、従来例では、ホウ酸アルミニウムの粉末とその周囲のアルミニウムとが明確な濃淡で見分けられ、組織の境界がはっきりとしているのに対し、本実施形態の製造方法で作製した実施例は、いずれもホウ酸アルミニウムの粉末とその周囲のアルミニウムとの濃淡が従来例に比べて明確でなく、組織の境界がはっきりとしていない。特に、ＳｉＣの粉末を混合した本発明の実施例は、その傾向がより顕著になっていることが分かる。これは、本発明の実施例では、従来例に比べてホウ酸アルミニウムとアルミニウムとの結合が強く、互いの境界が曖昧になっているためであり、ＳｉＣ粉末を混合した実施例は、濡れ性がより向上して、さらに結合が強くなったものと考えられる。
また、本実施形態の製造方法で作製することで、いずれもアルミニウム合金マトリックス中に均一にセラミックス粉末が分散、分布していることがわかる。
また、本実施形態の製造方法で作製することで、いずれもアルミニウム合金マトリックス中に均一にセラミックス粉末が分散、分布していることがわかる。
次に、本発明の実施例として、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムとＳｉＣとの混合粉末を用いて上記実施形態の製造方法で作製したアルミニウム基複合材料について、ヤング率、密度、比ヤング率、熱伝導率、振動減衰特性及び加工性について測定した結果を、表１に示す。なお、表１において、本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料を「開発品」として記載している。また、比較として、鋳鉄ＦＣ１００、アルミナセラミックス、従来製法によるアルミニウム基炭化ケイ素強化複合材料、従来製法によるアルミニウム基ホウ酸アルミニウム強化複合材料についても、「従来品」として同様の特性を表１に併せて記載している。
なお、振動減衰特性については、ひもで吊した複合材料の試験片（１０×１０×１００ｍｍ）をインパルスハンマで加振し、その結果生じる振動を加速度計で検出し、ＦＦＴアナライザで計測した。そして、各複合材料の減衰波の頂点をプロットしたものに基づいて、乗数係数と周波数とから減衰比を算出し、評価を行った。
本発明の実施例で作製したアルミニウム基複合材料の振動減衰特性を図１３に示すと共に、比較のため、アルミニウムの振動減衰特性を図１１に示し、図１４に示す従来例で作製したアルミニウム基複合材料の振動減衰特性を図１２に示す。
また、加工性については、複合材料をＮＣ旋盤により三次元切削を所定の条件で行った際の工具のすくい面、前逃げ面を金属顕微鏡で観察し、逃げ面摩擦幅を測定することで評価した。
本発明の実施例で作製したアルミニウム基複合材料の振動減衰特性を図１３に示すと共に、比較のため、アルミニウムの振動減衰特性を図１１に示し、図１４に示す従来例で作製したアルミニウム基複合材料の振動減衰特性を図１２に示す。
また、加工性については、複合材料をＮＣ旋盤により三次元切削を所定の条件で行った際の工具のすくい面、前逃げ面を金属顕微鏡で観察し、逃げ面摩擦幅を測定することで評価した。
これらの測定結果から本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料は、鋳鉄と比較して、ヤング率が約２倍、密度は約４０％、熱伝導率が２．５倍と大幅に高い特性を有している。
また、本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料は、アルミナセラミックスと比較して、２０００系アルミと同程度の良好な加工性を有している。
また、合金番号Ａ６０６１のアルミニウム合金（Ｔ６処理）では、３００℃における引張強度が３０ＭＰａ程度であるが、本発明の実施例のアルミニウム基複合材料は、９０ＭＰａの引張強度を有している。
また、本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料は、アルミナセラミックスと比較して、２０００系アルミと同程度の良好な加工性を有している。
また、合金番号Ａ６０６１のアルミニウム合金（Ｔ６処理）では、３００℃における引張強度が３０ＭＰａ程度であるが、本発明の実施例のアルミニウム基複合材料は、９０ＭＰａの引張強度を有している。
さらに、熱膨張率が８〜１０ｗ／ｍ・ｋと低いホウ酸アルミニウムのみをセラミックス粉末として用いた従来の製法によるアルミニウム基複合材料（アルミニウム基ホウ酸アルミニウム強化複合材料）では、熱伝導率が低く、放熱性が悪かったが、ＳｉＣをさらに添加した本発明の製法で作製したアルミニウム基複合材料は、従来よりも熱伝導率と機械特性とが向上している。また、ＳｉＣを添加しても本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料は、加工特性がほぼ変わらなく、良好であった。
また、本実施形態のアルミニウム基複合材料は、従来のアルミニウム基ホウ酸アルミニウム強化複合材料に比べて振動減衰特性が向上していることがわかる。従来のアルミニウム基炭化ケイ素強化複合材料では、振動減衰特性が優れているが加工性が悪いのに対し、本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料では、加工性も良い。
図１１に示すアルミニウムの振動減衰特性は、振動がなかなか減衰していないのに対し、図１３に示す本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料では、減衰が早く良好な振動減衰特性が得られている。また、図１２に示す従来例によるアルミニウム基複合材料は、減衰波形に多くのノイズが生じているのに対し、図１３に示す本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料では、ノイズ成分が少ないことがわかる。
これは、従来例によるアルミニウム基複合材料では、組織内の結合が不十分な部分があり、結合強度が全体として不均一なため、減衰波形にノイズが生じており、本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料では、組織内の結合が均一かつ強固であるために、ノイズ成分が少ない減衰波形が得られていると考えられる。
これは、従来例によるアルミニウム基複合材料では、組織内の結合が不十分な部分があり、結合強度が全体として不均一なため、減衰波形にノイズが生じており、本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料では、組織内の結合が均一かつ強固であるために、ノイズ成分が少ない減衰波形が得られていると考えられる。
したがって、軽量かつ高ヤング率が要求されるだけでなく、高い振動減衰特性や加工性が要求されるボンディングマシンなどのＸ−Ｙテーブルや、半導体製造装置などに使用されているロボットアーム等に使用する材料として、本発明の製法で作製されたアルミニウム基複合材料は好適である。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムやＳｉＣを用いているが、アルミナ（Ａｌ３Ｎ４）の粉末、ウイスカ状のＴｉ酸カリウムなど１種以上の他のセラミックス粉末を採用することも可能である。
例えば、上記実施形態では、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムやＳｉＣを用いているが、アルミナ（Ａｌ３Ｎ４）の粉末、ウイスカ状のＴｉ酸カリウムなど１種以上の他のセラミックス粉末を採用することも可能である。
１…アルミニウム合金基複合材料、２，１０２…セラミックス粉末、３…多孔質容器、４…金型、Ａｌ１…アルミニウム合金の溶湯
Claims (7)
- アルミニウム合金の中に強化材であるセラミックス粉末が複合されたアルミニウム合金基複合材料の製造方法であって、
前記セラミックス粉末を多孔質材料で形成された多孔質容器に充填し、前記多孔質容器を蓋部により密閉する充填工程と、
前記多孔質容器を金型内に設置し、前記金型内にアルミニウム合金の溶湯を流し込む工程と、
前記金型内の前記溶湯に圧力を加え、前記多孔質容器を通して内部の前記セラミックス粉末に前記溶湯を含浸させる含浸工程とを有していることを特徴とするアルミニウム合金基複合材料の製造方法。 - 請求項１に記載のアルミニウム合金基複合材料の製造方法において、
前記多孔質容器が、カーボングラファイトで形成されていることを特徴とするアルミニウム合金基複合材料の製造方法。 - 請求項１又は２に記載のアルミニウム合金基複合材料の製造方法において、
前記充填工程後に、前記多孔質容器を予熱する予熱工程を有していることを特徴とするアルミニウム合金基複合材料の製造方法。 - 請求項１から３のいずれか一項に記載のアルミニウム合金基複合材料の製造方法において、
前記セラミックス粉末が、ホウ酸アルミニウムの粉末であることを特徴とするアルミニウム合金基複合材料の製造方法。 - 請求項４に記載のアルミニウム合金基複合材料の製造方法において、
前記セラミックス粉末として、さらにＳｉＣの粉末が添加されていることを特徴とするアルミニウム合金基複合材料の製造方法。 - 請求項５に記載のアルミニウム合金基複合材料の製造方法において、
前記充填工程において、体積割合で前記ホウ酸アルミニウムの粉末が２０に対して、前記ＳｉＣの粉末を０．５〜２．０の割合で混合することを特徴とするアルミニウム合金基複合材料の製造方法。 - 請求項１から６のいずれか一項に記載のアルミニウム合金基複合材料の製造方法で得られたアルミニウム合金基複合材料であって、
アルミニウム合金マトリックス中に強化材であるセラミックス粉末が均一に分散、分布してなり、
前記セラミックス粉末が、ホウ酸アルミニウムの粉末、又は、ホウ酸アルミニウムの粉末と炭化ケイ素との混合粉末であり、
その振動減衰特性が、アルミニウムの振動減衰特性と比べて減衰が早く、且つ、減衰波形にノイズが少ないことを特徴とするアルミニウム合金基複合材料。
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