JP7382105B1 - High-strength metal matrix composite and method for producing high-strength metal matrix composite - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の製造技術では実現できていなかった、高強度でありながら良好な加工性を有し、さらに製造コストの抑制が可能な経済的な実用価値の高いアルミニウム合金基複合体及び該複合体の製造方法の提供。【解決手段】平均粒径が０．３μｍ～８μｍである金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる１種以上の微細粉末に、平均粒径が１０μｍ～３００μｍであるアルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる１種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末からなる多孔質の充填体又は成型体（プリフォーム）に、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸・充填されてなる複合体であり、前記微細粉末の充填率が１０体積％～５０体積％で、且つ、その曲げ強度が５００ＭＰａ～８００ＭＰａである高強度金属基複合体及び該金属基複合体の製造方法。【選択図】なし[Problem] An aluminum alloy matrix composite having high strength and good workability, which has not been realized using conventional manufacturing technology, and which has high economical practical value and can suppress manufacturing costs, and the composite. Providing a method for manufacturing the body. [Solution] One or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders having an average particle size of 0.3 μm to 8 μm, and aluminum powder and aluminum alloy powder having an average particle size of 10 μm to 300 μm. A composite body formed by impregnating and filling molten aluminum or aluminum alloy into a porous filling body or molded body (preform) made of a mixed powder containing one or more types of aluminum/aluminum alloy powder selected from the group consisting of: A high-strength metal matrix composite and a method for producing the metal matrix composite, wherein the fine powder has a filling rate of 10% by volume to 50% by volume and a bending strength of 500MPa to 800MPa. [Selection diagram] None
Description
本発明は、強化材として機能する微細粉末の、セラミックス粉末及び／又は金属粉末と、マトリックス材としてのアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯とを複合化してなる金属基複合体に関する。詳しくは、上記微細粉末に加えて、該微細粉末よりも粒径の大きいアルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末（以下、「アルミニウム合金等の粉末」とも呼ぶ）を併用した混合粉末を用いたことで実現された、強度が高く且つ加工性に優れた高強度金属基複合体及びその製造方法を提供する技術に関する。 The present invention relates to a metal matrix composite formed by combining fine powder ceramic powder and/or metal powder that functions as a reinforcing material with molten aluminum or aluminum alloy as a matrix material. Specifically, in addition to the above-mentioned fine powder, this is achieved by using a mixed powder containing aluminum powder or aluminum alloy powder (hereinafter also referred to as "powder of aluminum alloy, etc.") having a larger particle size than the fine powder. The present invention also relates to a technology for providing a high-strength metal matrix composite having high strength and excellent workability, and a method for manufacturing the same.
近年、アルミニウム又はアルミニウム合金にセラミックスを複合化させた材料（いわゆる、ＭＭＣ）、カーボン繊維に樹脂を複合させたＣＦＲＰ(Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、或いは、セラミックス成型体にＣＶＤ等でセラミックスを複合させたＣＭＣ（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）、アルミニウムにその他の金属粉末を複合化させた複合材料などが開発され、実用化されている。これらの中でも、２種類の異なる無機材料の特性を兼ね備えた、アルミニウム又はアルミニウム合金（以下、代表してアルミニウム合金等と呼ぶ）をマトリックス材としたＭＭＣは、材料を軽量化できることもあって、下記に挙げるように開発がすすめられており、実用化もされている。例えば、軽量、高強度、高剛性、高耐熱性などの所望の特性を具備した機械部品や電子基板として、半導体液晶製造装置やロボットアーム、ガスタービン材料、パワーデバイス等として広く産業界に使用されている。 In recent years, materials that are made by combining ceramics with aluminum or aluminum alloy (so-called MMC), CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics), which is a combination of carbon fiber and resin, or composites of ceramics into ceramic molded bodies by CVD etc. have been developed. CMC (Ceramic Matrix Composites), a composite material made by combining aluminum with other metal powders, etc., have been developed and put into practical use. Among these, MMC with a matrix material of aluminum or aluminum alloy (hereinafter referred to as aluminum alloy, etc.), which has the characteristics of two different types of inorganic materials, has the following properties, partly because the weight of the material can be reduced. As mentioned above, development is progressing and some are being put into practical use. For example, it is widely used in industry as mechanical parts and electronic substrates with desired characteristics such as light weight, high strength, high rigidity, and high heat resistance, as well as semiconductor liquid crystal manufacturing equipment, robot arms, gas turbine materials, power devices, etc. ing.
特許文献１では、セラミックス粉末とそれに無機バインダーを加えて硬化させた中間成型体（プリフォーム）を製造し、粉末以外の気孔にアルミニウム合金等の溶湯を高圧プレス浸透させて複合化させる方法が提案されている。このアルミニウム高圧含浸法によれば、特有の中間成型体（プリフォーム）に、高圧で強制的にアルミニウム合金等の溶湯を含浸することで、セラミックス粉末が均一に分布したアルミニウム合金基複合材料（ＭＭＣ）を簡便に作製することができる。上記した製造方法は、複合化させる材料に、セラミックス粉末からなる粉末充填体を用いるアルミニウム合金基複合材料（ＭＭＣ）にも適用できる。
特許文献２では、セラミックス粉末にＭｇ粉末を添加した特有の中間成型体（プリフォーム）を窒素の雰囲気中置き、これにアルミニウム合金を非加圧で浸透させて複合化させる方法が提案されている。この方法の原理は、Ｍｇと窒素の雰囲気でセラミックスとＡｌ合金等の濡れ性を向上させて、いわゆる毛管現象を促進してプリフォームの空隙内にアルミニウム合金等の溶湯を浸透させることにある。この製造方法によれば、セラミックス充填率を高くして空隙を少なくすることでセラミックスの充填率を高くすることができ、その結果、ヤング率、熱伝導率、熱膨張係数等の物性値が高い、セラミックスとアルミニウム合金等とのアルミニウム合金基複合材料（ＭＭＣ）を製造することができる。また、この製造方法によれば、プリフォームを使用することで、プリフォームの形状のままアルミニウム合金等を浸透させることができ、製品形状に近いニアネットでＭＭＣ複合体を製造することができる。
また、上記した製造方法以外の、下記の鋳造方法によってもアルミニウム合金基複合材料（ＭＭＣ）を製造することができる。この方法では、炭化けい素又はアルミナ等のセラミックス粉末をアルミニウム合金等の溶湯に入れて高速撹拌を行って、セラミックス粉末を含有させたアルミニウム合金等の溶湯を作製するか、セラミックス粉末にＭｇを加えた混合粉末に窒素雰囲気中、非加圧でアルミニウム合金等を含浸した複合体を均一に混合溶解して鋳造用溶湯を作製し、鋳砂型金、金型、ロストワックス型等の、慣用の型に鋳造して、セラミックスとアルミニウム合金との複合体を製造する。 Furthermore, in addition to the manufacturing method described above, the aluminum alloy matrix composite material (MMC) can also be manufactured by the following casting method. In this method, a ceramic powder such as silicon carbide or alumina is added to a molten metal such as an aluminum alloy and stirred at high speed to produce a molten metal such as an aluminum alloy containing ceramic powder, or Mg is added to the ceramic powder. The molten metal for casting is prepared by uniformly mixing and melting the mixed powder impregnated with aluminum alloy, etc. in a nitrogen atmosphere without pressure, and then molding it into conventional molds such as sand molds, metal molds, lost wax molds, etc. to produce a composite of ceramics and aluminum alloy.
さらに、下記のＨＩＰ（熱間等方圧加圧法：Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）法を利用した製造方法によっても、アルミニウム合金基複合材料（ＭＭＣ）を製造することができる。具体的には、セラミックス粉末にアルミニウム合金等をメカニカルアロイングコーティイングした粉末の成型体を、焼成及びそれに続くＨＩＰによる高圧等方プレスをしてセラミックス粉末とアルミニウム合金等との複合体を製造する、いわゆるＳｕｐｕｒｅｍｅｘ法が知られている。また、これに類似した方法として、セラミックス粉末を混合したアルミニウム合金等の溶湯を噴霧堆積して複合体堆積体を製造し、この堆積物は気孔を含んでいるので、ＨＩＰ処理してポアを除去して複合体を製造する方法が知られている。 Furthermore, an aluminum alloy matrix composite material (MMC) can also be manufactured by a manufacturing method using the HIP (Hot Isostatic Pressing) method described below. Specifically, a molded body of ceramic powder mechanically alloyed with aluminum alloy, etc. is fired and then subjected to high-pressure isostatic pressing using HIP to produce a composite of ceramic powder and aluminum alloy, etc. , the so-called Supuremex method is known. In addition, as a similar method, a composite deposit is manufactured by spray depositing molten metal such as aluminum alloy mixed with ceramic powder, and since this deposit contains pores, the pores are removed by HIP treatment. A method for producing a composite is known.
しかしながら、本発明者らは、上記した従来のアルミニウム合金基複合材料（ＭＭＣ）の製造方法では、下記に挙げるような課題があり、より機能性に優れたアルミニウム合金基複合材料に改善する余地があるとの認識をもった。 However, the present inventors found that the above-mentioned conventional method for manufacturing aluminum alloy matrix composite materials (MMC) has the following problems, and there is room for improvement into aluminum alloy matrix composite materials with even better functionality. I realized that there was.
先に説明したアルミニウム合金等の溶湯を高圧で含浸させる高圧含浸法では、粉末充填体又はプリフォームの粉末自体の体積％は、粉末の性状によって決まり、その体積率は、５０体積％超のものしか製造できなかった。高圧含浸法では、粉末充填体又はプリフォームの隙間気孔にアルミニウム合金等の溶湯を含浸させるので、金属粉末、セラミックス粉末の体積を少なくし、アルミニウム合金等を多くすることは難しい。このため、高圧含浸法で、加工性がよく、しかもアルミニウム合金等の含浸量が多い複合体を製造することは困難であった。すなわち、アルミニウム合金等の溶湯を高圧で含浸させる方法では、セラミックス粉末、金属粉末の体積率が５０％以下で、しかも加工性のよい複合体を製造することができなかった。また、通常、複合化させる強化材等として、約１０μｍ以上の金属粉末やセラミックス粉末を使用するので、加工工具への負荷が大きくなり、上記した高圧含浸法で得られたアルミニウム合金基複合材料（ＭＭＣ）は、加工性に劣るものになるという課題があった。 In the high-pressure impregnation method described above in which molten metal such as aluminum alloy is impregnated under high pressure, the volume percent of the powder itself in the powder filler or preform is determined by the properties of the powder, and the volume percent is higher than 50 volume percent. could only be manufactured. In the high-pressure impregnation method, the interstices of the powder filler or preform are impregnated with molten metal such as aluminum alloy, so it is difficult to reduce the volume of metal powder or ceramic powder and increase the volume of aluminum alloy or the like. For this reason, it has been difficult to use the high-pressure impregnation method to produce a composite that has good workability and is impregnated with a large amount of aluminum alloy or the like. That is, with the method of impregnating a molten metal such as an aluminum alloy under high pressure, it was not possible to produce a composite having a volume fraction of ceramic powder or metal powder of 50% or less and having good workability. In addition, since metal powder or ceramic powder of approximately 10 μm or more is usually used as a reinforcing material to be composited, the load on the processing tool becomes large. MMC) had the problem of being inferior in workability.
また、先に説明したアルミニウム合金等の溶湯を、非加圧でプリフォームの空隙に浸透させて複合化させる方法の場合も、粉末を成形してプリフォームの空隙にアルミニウム合金等の溶湯を含浸させるが、空隙が５０体積％超のプリフォーム、すなわち、粉末の充填率が５０体積％以下であるアルミニウム合金基複合材料を製造することはできなかった。 In addition, in the case of the method of infiltrating molten metal such as aluminum alloy into the voids of the preform without applying pressure as described above, the powder is molded and the molten metal such as aluminum alloy is impregnated into the voids of the preform. However, it was not possible to produce a preform with voids exceeding 50% by volume, that is, an aluminum alloy matrix composite material with a powder filling rate of 50% by volume or less.
また、先に説明した鋳造方法においても下記の課題がある。まず、鋳造方法では、アルミニウム合金等の中のセラミックス粉末の含有量が高くなると溶湯の流れ性が悪くなるので、一般的に、セラミックスの含有体積量の上限は、３０体積％程度であるとされている。一方、鋳造法に使用されているＳｉＣ粉末等のセラミックス粉末の粒径は、鋳造性を維持するため１５μｍ以上と大きいことを要する。このため、ＳｉＣ体積％が３０％以下と低いにも係わらず加工性が低く、得られるアルミニウム合金基複合材料は、ダイヤモンド工具でしか加工できず、加工性に劣るものになる。また、別の問題として、溶湯が、鋳造時に空気を巻き込み易いので、欠陥のない複合材料が得られにくいとされている。 Further, the casting method described above also has the following problems. First, in the casting method, the flowability of the molten metal deteriorates when the content of ceramic powder in aluminum alloy etc. increases, so the upper limit of the volume content of ceramics is generally considered to be about 30% by volume. ing. On the other hand, the particle size of ceramic powder such as SiC powder used in the casting method must be as large as 15 μm or more in order to maintain castability. For this reason, workability is low despite the low SiC volume % of 30% or less, and the resulting aluminum alloy matrix composite material can only be worked with a diamond tool, resulting in poor workability. Another problem is that the molten metal tends to entrain air during casting, making it difficult to obtain a defect-free composite material.
また、先に説明したＨＩＰ法を利用した製造方法では、主成分の金属原料として金属粉末を使用しているので製造工程で金属粉末の表面が酸化され易く、複合体の強度がでにくい上に、複雑な工程のＨＩＰ処理が必要であるのでコストが高いという実用上の大きな課題がある。 In addition, in the manufacturing method using the HIP method explained earlier, since metal powder is used as the main metal raw material, the surface of the metal powder is easily oxidized during the manufacturing process, making it difficult to develop the strength of the composite. However, there is a major practical problem in that the cost is high because a complicated HIP process is required.
従って、本発明の目的は、従来の製造技術では実現できていなかった、高強度でありながら良好な加工性を有し、さらに製造コストの抑制が可能である、工業上の利用性の面でも有用な実用価値の高いアルミニウム合金基複合体及び該複合体の製造方法についての新たな技術を提供することである。 Therefore, the purpose of the present invention is to have high strength and good workability, which have not been achieved with conventional manufacturing techniques, and also to reduce manufacturing costs, which is also useful in terms of industrial applicability. It is an object of the present invention to provide a new technology for a useful and highly practical aluminum alloy matrix composite and a method for producing the composite.
上記の目的は、下記の本発明によって達成される。すなわち、本発明は、下記の高強度金属基複合体を提供する。本発明における「平均粒径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径（メジアン径）である。
［１］平均粒径が０．３μｍ以上、８μｍ以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる１種以上の微細粉末に、平均粒径が１０μｍ以上、３００μｍ以下である、アルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる１種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末からなる多孔質の充填体又は成型体（プリフォーム）に、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸・充填されてなる複合体であり、該複合体は、前記微細粉末の充填率が１０体積％以上、５０体積％以下で、且つ、その曲げ強度が５００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下であることを特徴とする高強度金属基複合体。
The above objects are achieved by the invention described below. That is, the present invention provides the following high-strength metal matrix composite. The "average particle size" in the present invention is the particle size (median diameter) at an integrated value of 50% in the particle size distribution determined by laser diffraction/scattering method.
[1] One or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders with an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less, and aluminum powder and an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less. Molten aluminum or aluminum alloy is impregnated and filled into a porous filling body or molded body (preform) made of a mixed powder containing one or more types of aluminum/aluminum alloy powder selected from the group consisting of aluminum alloy powder. A high-strength composite, characterized in that the fine powder has a filling rate of 10% by volume or more and 50% by volume or less, and a bending strength of 500MPa or more and 800MPa or less. Metal matrix complex.
上記高強度金属基複合体の好ましい形態としては、下記が挙げられる。
［２］前記混合粉末の微細粉末を構成する、前記金属粉末が、シリコン粉末、鉄粉末、ステンレス粉末、銅粉末及びチタン粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、前記セラミックス粉末が、アルミナ粉末、シリカ粉末、ホウ酸アルミニウム粉末、炭化けい素粉末、窒化けい素粉末及び窒化アルミニウム粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、さらに、前記混合粉末を構成する、前記微細粉末と前記アルミニウム・アルミニウム合金粉末との配合割合が、１０：９０～９０：１０である上記［１］に記載の高強度金属基複合体。
［３］さらに、前記混合粉末は、シリカ系バインダー及びアルミナ系の有機無機バインダーからなる群から選ばれる１種以上のバインダーが質量基準で、０．５％以上、１０％以下の範囲内で外添加されてなる上記［１］又は［２］に記載の高強度金属基複合体。
Preferred forms of the high-strength metal matrix composite include the following.
[2] The metal powder constituting the fine powder of the mixed powder is one selected from the group consisting of silicon powder, iron powder, stainless steel powder, copper powder, and titanium powder, and the ceramic powder is alumina powder. , silica powder, aluminum borate powder, silicon carbide powder, silicon nitride powder, and aluminum nitride powder, and further comprises the fine powder and the aluminum/aluminum powder constituting the mixed powder. The high-strength metal matrix composite according to the above [1], wherein the blending ratio with the alloy powder is 10:90 to 90:10.
[3] Furthermore, the mixed powder contains one or more binders selected from the group consisting of silica-based binders and alumina-based organic and inorganic binders in a range of 0.5% or more and 10% or less, based on mass. The high-strength metal matrix composite according to [1] or [2] above.
本発明は、別の実施形態として、下記の高強度金属基複合体の製造方法を提供する。
［４］平均粒径が０．３μｍ以上、８μｍ以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる１種以上の微細粉末に、平均粒径が１０μｍ以上、３００μｍ以下である、アルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる１種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末を用いて、多孔質の充填体又は成型体（プリフォーム）を得、得られた充填体又は成型体（プリフォーム）に、
アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を、圧力２０ＭＰａ以上、２００ＭＰａ以下の高圧で含浸・充填して複合化させて、
前記微細粉末の充填率が１０体積％以上、５０体積％以下であり、且つ、その曲げ強度が５００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下である金属基複合体を得ることを特徴とする高強度金属基複合体の製造方法。
As another embodiment, the present invention provides the following method for producing a high-strength metal matrix composite.
[4] One or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders with an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less, and aluminum powder and A porous filling body or molded body (preform) is obtained by using a mixed powder containing one or more types of aluminum/aluminum alloy powder selected from the group consisting of aluminum alloy powders, and the obtained filling body or molded body (preform),
Impregnating and filling molten aluminum or aluminum alloy at a high pressure of 20 MPa or more and 200 MPa or less to form a composite,
A high-strength metal matrix composite characterized in that the filling rate of the fine powder is 10% by volume or more and 50% by volume or less, and the bending strength is 500MPa or more and 800MPa or less. Production method.
［５］平均粒径が０．３μｍ以上、８μｍ以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる１種以上の微細粉末に、平均粒径が１０μｍ以上、３００μｍ以下である、アルミニウム粉末及びアルミニウム合金粉末からなる群から選ばれる１種以上のアルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末に、さらに、該混合粉末１００質量部に、マグネシウム粉末を０．５質量部以上、１０質量部以下の範囲で添加したＭｇ粉末含有の混合粉末を用いて、多孔質の充填体又は成型体（プリフォーム）を得、得られた充填体又は成型体（プリフォーム）に、
非加圧で、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を含浸・充填して複合化させて、
前記微細粉末の充填率が１０体積％以上、５０体積％以下であり、且つ、その曲げ強度が５００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下である金属基複合体を得ることを特徴とする高強度金属基複合体の製造方法。
[5] One or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders with an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less, and aluminum powder and A mixed powder containing one or more aluminum/aluminum alloy powders selected from the group consisting of aluminum alloy powders is further added, to 100 parts by mass of the mixed powder, 0.5 parts by mass or more and 10 parts by mass or less of magnesium powder. A porous filling body or molded body (preform) is obtained by using a mixed powder containing Mg powder added in a range of
By impregnating and filling molten aluminum or aluminum alloy into a composite without applying pressure,
A high-strength metal matrix composite characterized in that the filling rate of the fine powder is 10% by volume or more and 50% by volume or less, and the bending strength is 500MPa or more and 800MPa or less. Production method.
上記［４］又は［５］の高強度金属基複合体の製造方法の好ましい形態としては、下記が挙げられる。
［６］前記混合粉末の微細粉末を構成する、前記金属粉末が、シリコン粉末、鉄粉末、ステンレス粉末、銅粉末及びチタン粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、前記セラミックス粉末が、アルミナ粉末、シリカ粉末、ホウ酸アルミニウム粉末、炭化けい素粉末、窒化けい素粉末及び窒化アルミニウム粉末からなる群から選ばれるいずれかであり、さらに、前記混合粉末を構成する、前記微細粉末と前記アルミニウム・アルミニウム合金粉末との配合割合が、１０：９０～９０：１０である上記［４］又は［５］に記載の高強度金属基複合体の製造方法。
［７］前記混合粉末として、さらに、シリカ系バインダー及びアルミナ系の有機無機バインダーからなる群から選ばれる１種以上のバインダーを質量基準で、０．５％以上、１０％以下の範囲内で外添加して用いる上記［４］～［６］のいずれかに記載の高強度金属基複合体の製造方法。
Preferred embodiments of the method for producing a high-strength metal matrix composite according to [4] or [5] above include the following.
[6] The metal powder constituting the fine powder of the mixed powder is one selected from the group consisting of silicon powder, iron powder, stainless steel powder, copper powder, and titanium powder, and the ceramic powder is alumina powder. , silica powder, aluminum borate powder, silicon carbide powder, silicon nitride powder, and aluminum nitride powder, and further comprises the fine powder and the aluminum/aluminum powder constituting the mixed powder. The method for producing a high-strength metal matrix composite according to [4] or [5] above, wherein the blending ratio with the alloy powder is 10:90 to 90:10.
[7] The mixed powder further contains one or more binders selected from the group consisting of silica-based binders and alumina-based organic and inorganic binders within a range of 0.5% or more and 10% or less, based on mass. The method for producing a high-strength metal matrix composite according to any one of [4] to [6] above, which is used by adding.
上記本発明によれば、金属粉末及び／又はセラミックス粉末からなる強化材の体積％が５０体積％以下であり、その曲げ強度が５００ＭＰａ以上と高強度で、しかも良好な加工性を示す、従来の製造技術では実現できていなかった実用価値の高い金属基複合体製品の提供が可能になる。さらには、上記した優れた特性の金属基複合体を簡便な方法で製造することができる、製造コストが抑制された実用性の面からも極めて有用な金属基複合体の製造方法が提供される。 According to the present invention, the volume % of the reinforcing material made of metal powder and/or ceramic powder is 50 volume % or less, the bending strength thereof is high strength of 500 MPa or more, and moreover, it exhibits good workability. It will now be possible to provide metal matrix composite products with high practical value that have not been possible with manufacturing technology. Furthermore, there is provided a method for producing a metal matrix composite which is extremely useful from the viewpoint of practicality and suppresses production costs, by which the metal matrix composite having the above-mentioned excellent properties can be produced by a simple method. .
以下、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。 Preferred embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these embodiments.
先に述べたように、これまで金属粉末及び／又はセラミックス粉末からなる強化材と、アルミニウム合金等のマトリックス材との複合体の製造方法としては、上記強化材の充填体或いは成型体（プリフォーム）に、高圧含浸又は非加圧浸透で、溶融したアルミニウム合金等の溶湯を含浸する方法が採用されている。しかしながら、本発明者らの検討によれば、上記した製造方法では、例えば、金属粉末やセラミックス粉末の充填率が５０体積％以下のプリフォームを作製する場合に粒子の充填率が低いため、形状を保持することが難しく、高圧含浸法又は非加圧浸透法に耐え得るプリフォームを作製することは困難であった。すなわち、従来技術では、空隙が５０体積％以上の多孔質のプリフォームを造ることが困難であるため、高圧含浸又は非加圧浸透でアルミニウム合金等のマトリックス材が５０体積％超の金属基複合体は製造できていなかった。上記では、成型体（プリフォーム）を例に挙げて説明したが、成型体（プリフォーム）のようにプレスによる積極的な成形をすることなく、原料粉末を金属箱等に詰めて振動成形等した充填体も一般的に体積率が５０％以上になるので、成型体（プリフォーム）を用いた複合体の場合と同様に複合体の加工性が悪くなるといった課題がある。以下、金属粉末やセラミック粉末の充填体或いは成型体（プリフォーム）のことを「プリフォーム等」とも呼ぶ。 As mentioned above, conventional methods for producing a composite of a reinforcing material made of metal powder and/or ceramic powder and a matrix material such as an aluminum alloy include filling or molding (preform) of the reinforcing material. ), a method is adopted in which molten metal such as molten aluminum alloy is impregnated by high-pressure impregnation or non-pressure infiltration. However, according to studies by the present inventors, in the above manufacturing method, for example, when producing a preform with a filling rate of metal powder or ceramic powder of 50% by volume or less, the filling rate of the particles is low, so the shape It has been difficult to maintain this preform, and it has been difficult to produce a preform that can withstand high-pressure impregnation or non-pressure infiltration. In other words, with conventional technology, it is difficult to create a porous preform with voids of 50% by volume or more. The body could not be manufactured. The above explanation uses a molded body (preform) as an example, but unlike molded bodies (preforms), it is not actively formed using a press, but raw material powder is packed into a metal box etc. and vibration molding is performed. Since the filled body generally has a volume fraction of 50% or more, there is a problem that the processability of the composite is poor, similar to the case of a composite using a molded body (preform). Hereinafter, a filled body or a molded body (preform) of metal powder or ceramic powder will also be referred to as a "preform etc."
上記した従来技術における、金属粉末やセラミックス粉末からなる充填率が５０体積％以下のプリフォーム等を作製することの困難性に対し、本発明者らは鋭意検討した結果、下記のように構成することで課題を解決できることを見出した。具体的には、金属基複合体を構成する、アルミニウム合金等の溶湯を含浸・充填させる金属粉末やセラミック粉末からなるプリフォーム等の構成を下記のようにすることで、上記課題を解決することができる。まず、上記の目的に対し、プリフォーム等の形成に用いる金属粉末やセラミック粉末に、平均粒径が０．３μｍ以上、８μｍ以下である微細な材料を用いることが有効である。そして、上記した微細な金属粉末及び／又はセラミックス粉末に、平均粒径が１０μｍ以上、３００μｍ以下の、アルミニウム合金等の粉末を加えた混合粉末を用い、該混合粉末からなるプリフォーム等を作製することで、上記した課題を解決できることを見出した。先述したように、本発明で規定する「平均粒径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径、いわゆる５０％メジアン径である。 The inventors of the present invention have conducted extensive studies to address the difficulty in producing preforms, etc. with a filling rate of 50% by volume or less made of metal powder or ceramic powder in the above-mentioned conventional technology, and have constructed the following structure. We found that we could solve the problem by doing this. Specifically, the above problem is solved by configuring the preform, etc., made of metal powder or ceramic powder, which is impregnated and filled with molten metal such as aluminum alloy, and which constitutes the metal matrix composite, as shown below. I can do it. First, for the above purpose, it is effective to use a fine material with an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less as a metal powder or ceramic powder used for forming a preform or the like. Then, a preform etc. made of the mixed powder is produced using a mixed powder obtained by adding powder such as aluminum alloy with an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less to the above-mentioned fine metal powder and/or ceramic powder. We have found that the above problems can be solved by doing so. As mentioned above, the "average particle size" defined in the present invention is the particle size at 50% of the integrated value in the particle size distribution determined by laser diffraction/scattering method, the so-called 50% median diameter.
具体的には、上記した微細な金属粉末及び／又はセラミックス粉末（以下、「金属粉末等の微細粉末」とも呼ぶ）に、これらの粉末よりも粒径サイズが大きいアルミニウム合金等の粉末をさらに加えた特有の混合材料でプリフォーム等を作製し、得られたプリフォーム等にアルミニウム合金等の溶湯を含浸させることで、金属基複合体を構成するアルミニウム合金等の量が５０体積％超となることが実現できることを見出して本発明に至った。すなわち、本発明の金属基複合体を構成するアルミニウム合金等の量は、プリフォーム等の形成材料に予め添加したアルミニウム合金等の粉末に起因する量と、溶融して含浸させたアルミニウム合金等の溶湯の量の総和になる。上記のように構成することで、本発明の金属基複合体は、金属基複合体を構成するアルミニウム合金等が５０体積％超となる従来にない新しい構成のものになる。 Specifically, to the above-mentioned fine metal powder and/or ceramic powder (hereinafter also referred to as "fine powder such as metal powder"), powder such as aluminum alloy having a larger particle size than these powders is further added. By making a preform etc. from a unique mixed material and impregnating the obtained preform etc. with molten metal such as aluminum alloy, the amount of aluminum alloy etc. constituting the metal matrix composite becomes more than 50% by volume. The present invention was based on the discovery that this can be realized. That is, the amount of aluminum alloy, etc. that constitutes the metal matrix composite of the present invention is the amount due to the powder of aluminum alloy, etc. added in advance to the forming material such as the preform, and the amount of aluminum alloy, etc. that is melted and impregnated. This is the total amount of molten metal. By configuring as described above, the metal matrix composite of the present invention has a new, unprecedented configuration in which the aluminum alloy or the like constituting the metal matrix composite exceeds 50% by volume.
上記した本発明の高強度金属基複合体は、「アルミニウム合金等の粉末」を加えた混合粉末からなる多孔質のプリフォーム等に、「溶融したアルミニウム合金等」を含浸・充填させてなる複合体であることから、上記「アルミニウム合金等の粉末」の一部又は全部が融解して形態が変化する場合があり得る。このため、本発明の高強度金属基複合体は、物の発明として構造又は特性によって直接特定できていない部分が存在するとえいえる。しかしながら、この点については、本発明の高強度金属基複合体を構成する多孔質のプリフォーム等の複雑な多孔に、アルミニウム合金等の溶湯が含浸・充填することで生じる、多孔質のプリフォーム等を形成している金属粉末の個々における溶解の程度や、溶解の状態は、当然のことながら様々であり、このような多孔質のプリフォーム等を形成している金属粉末に生じる個々に異なる微視的な溶解状態を、物の構造又は特性によって直接特定することは不可能であるか、又はおよそ実際的でないという事情がある。このような事情が存在することが明らかであることから、物の発明である本発明の高強度金属基複合体では、「アルミニウム・アルミニウム合金粉末を加えた混合粉末からなる多孔質の充填体又は成型体（プリフォーム）に、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸・充填されてなる複合体」とする、複合体の製造方法で物を特定した。 The above-mentioned high-strength metal matrix composite of the present invention is a composite formed by impregnating and filling a porous preform made of a mixed powder containing "powder of aluminum alloy, etc." with "molten aluminum alloy, etc." Since it is a body, part or all of the above-mentioned "powder of aluminum alloy, etc." may melt and change its form. Therefore, it can be said that the high-strength metal matrix composite of the present invention has parts that cannot be directly specified in terms of structure or characteristics as a product invention. However, regarding this point, the porous preform is formed by impregnating and filling the complex pores of the porous preform constituting the high-strength metal matrix composite of the present invention with molten metal such as aluminum alloy. The degree of dissolution and state of dissolution of individual metal powders forming porous preforms, etc., naturally vary, and the dissolution of metal powders forming porous preforms etc. There are circumstances in which it is impossible or impractical to directly identify the microscopic state of dissolution based on the structure or properties of an object. Since it is clear that such a situation exists, the high-strength metal matrix composite of the present invention, which is a product invention, uses a porous filling body made of a mixed powder containing aluminum/aluminum alloy powder or The product was specified by the manufacturing method of the composite, which is a composite in which a molded body (preform) is impregnated and filled with molten aluminum or aluminum alloy.
本発明の金属基複合体の製造方法では、上記したように、従来の金属粉末或いはセラミックス粉末のみからなるプリフォーム等の作製方法とは異なり、原材料に、微細な金属粉末或いはセラミックス粉末よりも大きいサイズのアルミニウム合金等の粉末を加えて多孔質のプリフォーム等を作製し、さらに、プリフォーム等の空隙にアルミニウム合金等の溶湯を含浸することで、アルミニウム合金等の体積％を５０％超とすることを実現し、この結果、加工性に優れ且つ高強度な金属基複合材を造ることを可能にしている。 As described above, in the method for manufacturing a metal matrix composite of the present invention, unlike the conventional method for manufacturing preforms etc. made only of metal powder or ceramic powder, the raw material contains particles larger than fine metal powder or ceramic powder. By adding powder of aluminum alloy, etc. of the same size to create a porous preform, etc., and further impregnating the voids of the preform, etc. with molten metal of aluminum alloy, etc., the volume percentage of aluminum alloy, etc. can be increased to more than 50%. As a result, it has become possible to create a metal matrix composite material with excellent workability and high strength.
具体的には、上記した配合からなる本発明の金属基複合体は、その曲げ強度が５００ＭＰａ以上、例えば、５５０ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上の強度の高い金属基複合体となる。さらに驚くべきことに、本発明の金属基複合体は、上記した高い曲げ強度を有するにもかかわらず、加工性が良好であり、従来の複合体では実現できていなかった超硬工具での加工が可能であることを確認した。上記曲げ強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準じて測定した値である。具体的には、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準拠して、規定する寸法の試験片を作製し、３点曲げ試験とすることで測定した値である。また、２５℃（室温）で測定した値である。 Specifically, the metal matrix composite of the present invention having the above-described composition is a high strength metal matrix composite having a bending strength of 500 MPa or more, for example, 550 MPa or more, and further 700 MPa or more. Even more surprisingly, the metal matrix composite of the present invention has good workability despite having the above-mentioned high bending strength, and can be processed with carbide tools, which has not been possible with conventional composites. confirmed that it is possible. The above bending strength is a value measured according to JIS R1601. Specifically, it is a value measured in accordance with JIS R1601 by preparing a test piece with specified dimensions and performing a three-point bending test. Moreover, it is a value measured at 25°C (room temperature).
本発明の金属基複合体の製造方法によれば、プリフォーム等の形成材料として、金属粉末等の微細粉末と、併用するアルミニウム合金等粉末の比率を自由に変えることができるので、最終的な金属基複合材における、金属粉末等の微細粉末とアルミニウム合金等の比率も自由に設計することができる。さらに、本発明の製造方法では、プリフォーム等の形成材料に用いる金属粉末等の微細粉末の、材質や、本発明で規定する範囲内で決定される粒径を自由に設計可能であるので、所望の特性の金属基複合を得ることができる。例えば、本発明者らの検討によれば、金属粉末等の微細粉末の平均粒径が小さい程、最終的な金属基複合材の強度が大きくなる。以下に、本発明の金属基複合体及び金属基複合体の製造方法の詳細について説明する。最初に本発明の金属基複合体の製造方法について説明する。 According to the method for producing a metal matrix composite of the present invention, it is possible to freely change the ratio of fine powder such as metal powder and powder such as aluminum alloy used together as the material for forming the preform etc. The ratio of fine powder such as metal powder and aluminum alloy etc. in the metal matrix composite material can also be freely designed. Furthermore, in the manufacturing method of the present invention, it is possible to freely design the material and particle size determined within the range specified by the present invention of the fine powder such as metal powder used for the forming material of the preform etc. A metal matrix composite with desired properties can be obtained. For example, according to studies by the present inventors, the smaller the average particle size of fine powder such as metal powder, the greater the strength of the final metal matrix composite material. Below, details of the metal matrix composite and the method for manufacturing the metal matrix composite of the present invention will be explained. First, the method for manufacturing the metal matrix composite of the present invention will be explained.
［本発明の金属基複合体の製造方法］
先に説明したように、本発明の製造方法は、プリフォーム等の形成材料に、アルミニウム合金等の粉末を予め添加することで、最終的に得られる金属基複合体のアルミニウム合金等の体積％を５０％超にすることを可能にした全く新しい製造方法である。すなわち、本発明では、原料に使用する金属粉末等の微細粉末の平均粒径によって最終的に得られる金属基複合体の物性値に及ぼす効果的な影響を、従来の、金属粉末又はセラミックス粉末のみからなるプリフォーム等を用いて金属基複合体を製造する方法とは異なり、下記の手順で金属基複合体を得ることで実現可能にした。
[Method for producing metal matrix composite of the present invention]
As explained above, the manufacturing method of the present invention adds powder of aluminum alloy, etc. to the forming material such as a preform in advance, thereby reducing the volume percentage of aluminum alloy, etc. of the finally obtained metal matrix composite. This is a completely new manufacturing method that makes it possible to increase the That is, in the present invention, the effective influence on the physical properties of the finally obtained metal matrix composite by the average particle size of the fine powder such as metal powder used as the raw material can be reduced compared to the conventional metal powder or ceramic powder alone. Unlike the method of manufacturing a metal matrix composite using a preform etc. consisting of, this method was made possible by obtaining a metal matrix composite using the following procedure.
（１）微細な金属粉末或いはセラミックス粉末
本発明の金属基複合体の製造方法では、多孔質の充填体又は成型体（プリフォーム）の形成材料として、平均粒径が０．３μｍ以上、８μｍ以下である金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる１種以上の微細粉末を使用する。金属粉末は特に限定されないが、例えば、シリコン粉末、鉄粉末、ステンレス粉末、銅粉末及びチタン粉末等からなる群から選ばれる少なくともいずれかなどが挙げられる。また、セラミックス粉末としては、例えば、アルミナ粉末、シリカ粉末、ホウ酸アルミニウム粉末、炭化けい素粉末、窒化けい素及び窒化アルミニウム粉末等からなる群から選ばれるいずれかなどが挙げられる。そして、上記いずれの材料を用いた場合も、本発明では、金属粉末或いはセラミックス粉末として、本発明で規定する平均粒径の範囲内の微細なものを用いることを要する。具体的には、平均粒径が、０．３μｍ以上、８μｍ以下の範囲内のものを用いる。金属粉末或いはセラミックス粉末の粒子径を８μｍ以下にする理由は、それよりも大きい材料を用いると、アルミニウム合金等の溶湯を含浸後、金属粉末或いはセラミックス粉末とのアルミニウム合金等の界面が大きくなり過ぎて、最終製品である金属基複合体の強度が落ちるからである。一方、０．３μｍ以上とするのは、これよりも小さくしても得られる金属基複合体の強度があまり変わらないのと、粉末が微細過ぎると凝集しやすく、混合粉末から形成されてなるプリフォーム等中への強化材の均一分散が損なわれる恐れがあるからである。
(1) Fine metal powder or ceramic powder In the method for producing a metal matrix composite of the present invention, the material used to form the porous filler or molded body (preform) has an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less. One or more types of fine powder selected from the group consisting of metal powder and ceramic powder are used. The metal powder is not particularly limited, but includes, for example, at least one selected from the group consisting of silicon powder, iron powder, stainless steel powder, copper powder, titanium powder, and the like. Examples of the ceramic powder include any one selected from the group consisting of alumina powder, silica powder, aluminum borate powder, silicon carbide powder, silicon nitride, and aluminum nitride powder. Even when any of the above-mentioned materials is used, the present invention requires that the metal powder or ceramic powder be fine within the range of average particle size defined by the present invention. Specifically, particles having an average particle diameter of 0.3 μm or more and 8 μm or less are used. The reason why the particle size of the metal powder or ceramic powder is set to 8 μm or less is that if a material larger than that is used, the interface between the metal powder or ceramic powder and the aluminum alloy, etc. becomes too large after impregnation with molten metal such as aluminum alloy. This is because the strength of the final product, the metal matrix composite, decreases. On the other hand, the reason why the diameter is set to 0.3 μm or more is because the strength of the metal matrix composite obtained does not change much even if the diameter is smaller than this, and if the powder is too fine, it tends to agglomerate, so the powder formed from the mixed powder This is because uniform dispersion of the reinforcing material into the renovation etc. may be impaired.
（２）アルミニウム粉末・アルミニウム合金粉末
本発明の金属基複合体の製造方法では、多孔質の充填体又は成型体（プリフォーム）の形成に、上記した金属粉末等の微細粉末に、平均粒径が１０μｍ以上３００μｍ以下のアルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を加えた混合粉末を用いることを特徴とする。本発明者らの検討によれば、このように構成することで、本発明の金属基複合体では、強化材として機能する金属粉末等の微細粉末の体積率を所望するものにコントロールすることができる。すなわち、多孔質のプリフォーム等の形成材料にアルミニウム合金等の粉末を加えることにより、次の工程で、多孔質のプリフォーム等の空隙に含浸させた溶融したアルミニウム合金等の溶湯と合わせて、最終製品である金属基複合体のアルミニウム合金等の全体量をコントロールすることができる。このように、本発明によれば、最終製品である金属基複合体を構成する、金属粉末及びセラミックス粉末からなる群から選ばれる１種以上の微細粉末と、アルミニウム合金等の比率を変えて所望の物性値にすることができる。
(2) Aluminum powder/Aluminum alloy powder In the method for producing a metal matrix composite of the present invention, in order to form a porous filler or a molded body (preform), fine powder such as the above-mentioned metal powder is added with an average particle size of It is characterized in that a mixed powder containing aluminum powder or aluminum alloy powder having a diameter of 10 μm or more and 300 μm or less is used. According to the studies of the present inventors, with this configuration, in the metal matrix composite of the present invention, it is possible to control the volume fraction of fine powder such as metal powder that functions as a reinforcing material to a desired value. can. That is, by adding powder such as aluminum alloy to the forming material of a porous preform etc., in the next step, it is combined with molten metal such as molten aluminum alloy etc. impregnated into the voids of the porous preform etc. The total amount of aluminum alloy, etc. in the metal matrix composite that is the final product can be controlled. As described above, according to the present invention, the ratio of one or more types of fine powder selected from the group consisting of metal powder and ceramic powder and aluminum alloy, etc., which constitute the metal matrix composite that is the final product, is changed as desired. can be made into physical property values.
本発明の金属基複合体を構成する、本発明を特徴づける多孔質のプリフォーム等の形成に用いるアルミニウム合金等の粉末には、平均粒径が１０μｍ以上、３００μｍ以下の粉末を使用する。１０μｍ未満では凝集しやすくなり、併用する金属粉末等の微細粉末との均一の混合できにくくなる。一方、３００μｍ超ではアルミニウム合金等の粉末が大き過ぎて、混合粉末に併用する金属粉末等の微細粉末との均一性が損なわれ、プリフォーム等の強度が低下する恐れがある。下記に説明するように、多孔質のプリフォーム等を形成する混合粉末に上記した特有の粒径のアルミニウム合金等の粉末を添加することで、最終製品である金属基複合体を構成する、強化材として機能する金属粉末及び／又はセラミックス粉末の体積率をコントロールすることができる。 The powder of aluminum alloy or the like used to form the porous preform, etc. that characterizes the present invention, constituting the metal matrix composite of the present invention, has an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less. If it is less than 10 μm, it tends to aggregate, making it difficult to mix uniformly with fine powder such as metal powder used together. On the other hand, if the diameter exceeds 300 μm, the powder such as aluminum alloy is too large, and the uniformity with fine powder such as metal powder used in combination with the mixed powder may be impaired, and the strength of the preform etc. may be reduced. As explained below, by adding powder such as aluminum alloy with the above-mentioned specific particle size to the mixed powder that forms the porous preform, etc., it is possible to strengthen the metal matrix composite that forms the final product. The volume fraction of the metal powder and/or ceramic powder functioning as the material can be controlled.
例えば、本発明で使用する、セラミックス粉末及び／又は金属粉末と、アルミニウム合金等の粉末の混合粉末から作製した成型体（プリフォーム）の粉末体積％は、使用する粉末の粒度、混合比率で異なるものの、全体で５０～６０体積％、空隙が４０～６０体積％となるのが一般的である。従って、多孔質のプリフォーム等の空隙に含浸させるアルミニウム合金等の溶湯と、本発明を特徴づける、成型体等に添加したアルミニウム合金等の粉末で、金属粉末等の体積％をコントロールすることができることになる。すなわち、アルミニウム合金等の粉末の添加量が多くなれば、最終製品である金属基複合体に占める金属粉末等の微細粉末の体積％を低減させることができる。この結果、本発明によれば、金属粉末及び／又はセラミックス粉末だけではできなかった体積率５０％以下の良好な金属基複合体の製品の製造が可能になる。本発明を特徴づけるアルミニウム合金等の粉末は、最終的に所望する金属粉末及び／又はセラミックス粉末の体積率にするために、添加量を変えて用いればよい。その添加量は特に限定されない。概略ではあるが、使用する金属粉末及び／又はセラミックス粉末と、添加するアルミニウム合金等の粉末の全体積％が５０～７０％であるので、必要に応じてアルミニウム合金等の粉末の添加割合を変えて、多孔質の空隙に含浸させる溶融したアルミニウム合金等の溶湯の含浸量を加味して、全体のアルミニウム合金等の量をコントロールすることができる。 For example, the powder volume % of a molded body (preform) made from a mixed powder of ceramic powder and/or metal powder and powder of aluminum alloy, etc. used in the present invention varies depending on the particle size and mixing ratio of the powder used. However, it is common for the total amount to be 50 to 60% by volume, and the voids to be 40 to 60% by volume. Therefore, it is possible to control the volume percent of the metal powder, etc. by using the molten metal such as aluminum alloy that is impregnated into the voids of a porous preform, etc., and the powder of aluminum alloy, etc., added to the molded body, which characterizes the present invention. It will be possible. That is, if the amount of powder such as aluminum alloy added increases, the volume percentage of fine powder such as metal powder in the metal matrix composite that is the final product can be reduced. As a result, according to the present invention, it is possible to manufacture a good metal matrix composite product with a volume fraction of 50% or less, which was not possible using only metal powder and/or ceramic powder. The amount of the powder such as aluminum alloy that characterizes the present invention may be changed in order to achieve the final desired volume fraction of the metal powder and/or ceramic powder. The amount added is not particularly limited. Although it is approximate, the total volume percentage of the metal powder and/or ceramic powder used and the added powder such as aluminum alloy is 50 to 70%, so the addition ratio of powder such as aluminum alloy may be changed as necessary. By taking into account the amount of molten metal such as molten aluminum alloy impregnated into the porous voids, the total amount of aluminum alloy or the like can be controlled.
本発明の金属基複合体を構成する微細な金属粉末としては、例えば、シリコン粉末、鉄粉末、ステンレス粉末、銅粉末及びチタン粉末等が挙げられる。また、本発明の金属基複合体を構成する微細なセラミックス粉末としては、例えば、アルミナ粉末、シリカ粉末、ホウ酸アルミニウム粉末、炭化けい素粉末、窒化けい素粉末及び窒化アルミニウム等が挙げられる。本発明では、上記に挙げたような金属粉末やセラミックス粉末から選ばれた１種類又は２種類以上の粉末を用いることができる。 Examples of the fine metal powder constituting the metal matrix composite of the present invention include silicon powder, iron powder, stainless steel powder, copper powder, and titanium powder. Furthermore, examples of the fine ceramic powder constituting the metal matrix composite of the present invention include alumina powder, silica powder, aluminum borate powder, silicon carbide powder, silicon nitride powder, and aluminum nitride. In the present invention, one or more types of powder selected from the metal powders and ceramic powders listed above can be used.
本発明の金属基複合体は、上記に挙げたような金属粉末やセラミックス粉末と、先に説明したアルミニウム合金等の粉末との混合粉末からなる多孔質のプリフォーム等に、アルミニウム合金の溶湯が加圧或いは非加圧で含浸・充填されて、上記混合粉末が下記のような割合で配合されてなるものであることが好ましい。すなわち、混合粉末における金属粉末等の微細粉末とアルミニウム合金等の粉末との配合割合が、１０：９０～９０：１０であることが好ましい。上記アルミニウム合金等の粉末に対する金属粉末等の微細粉末の比率が、１０：９０よりも少ない場合は、最終製品の金属基複合体において強化材として機能する金属粉末等の微細粉末の割合が少なくなり過ぎて、所望する強度向上効果が得られない場合があるので好ましくない。一方、アルミニウム合金等の粉末に対する金属粉末等の微細粉末の比率が、９０：１０を超える場合は、金属基複合体を構成する金属粉末等の微細粉末の割合が多くなり過ぎて、最終製品の金属基複合体の加工性が劣ることになるので好ましくない。 In the metal matrix composite of the present invention, a molten aluminum alloy is placed in a porous preform made of a mixed powder of the metal powder or ceramic powder listed above and the aluminum alloy powder described above. It is preferable that the powder mixture is impregnated and filled with or without pressure, and the above-mentioned mixed powder is blended in the following proportions. That is, the blending ratio of fine powder such as metal powder and powder such as aluminum alloy in the mixed powder is preferably 10:90 to 90:10. If the ratio of fine powder such as metal powder to powder such as aluminum alloy is less than 10:90, the proportion of fine powder such as metal powder that functions as a reinforcing material in the metal matrix composite of the final product will decrease. If the thickness is too high, the desired strength-improving effect may not be obtained, which is not preferable. On the other hand, if the ratio of fine powder such as metal powder to powder such as aluminum alloy exceeds 90:10, the proportion of fine powder such as metal powder constituting the metal matrix composite will be too high, resulting in a poor quality of the final product. This is not preferred because the processability of the metal matrix composite will be poor.
本発明の金属基複合体では、該複合体の強度を向上させるために、０．３μｍ以上、８μｍ以下の微細な、金属粉末等の微細粉末を使用し、一方、このような微細粉末を使用すると静電気による凝集が発生しやすいので、１０μｍ～３００μｍの比較的大きいアルミニウム合金等の粉末を添加した混合粉末を用いる。このように構成することで、強化材である金属粉末及び／又はセラミックス粉末の凝集を押さえる副次的な効果も得られ、最終的に、均一に分散した金属粉末及び／又はセラミックス粉末と、アルミニウム合金等からなる良好な金属基複合体を実現することができる。また、非加圧浸透の方法でアルミニウム合金等の溶湯を成型体等に含浸させる場合、従来技術では、多孔質のプリフォーム等の作製に平均粒径が１μｍ以下の金属粉末やセラミックス粉末を使用すると、気孔が小さ過ぎて溶湯が含浸しくいといった課題があった。しかし、本発明の技術によれば、下記の効果もあり、課題を解決できる。すなわち、本発明の金属基複合体では、多孔質のプリフォーム等の作製に平均粒径が１０μｍ以上、３００μｍ以下のアルミニウム合金等の粉末を加えることで気孔が大きくなるので、上記した非加圧浸透の方法を適用した場合においても、アルミニウム合金等の溶湯が含浸しやすくなる。 In the metal matrix composite of the present invention, in order to improve the strength of the composite, fine powder such as metal powder with a size of 0.3 μm or more and 8 μm or less is used. Since this tends to cause agglomeration due to static electricity, a mixed powder to which a relatively large powder of aluminum alloy or the like of 10 μm to 300 μm is added is used. With this configuration, a secondary effect of suppressing the agglomeration of the metal powder and/or ceramic powder that is the reinforcing material is also obtained, and finally, the uniformly dispersed metal powder and/or ceramic powder and the aluminum A good metal matrix composite made of an alloy or the like can be realized. Furthermore, when impregnating molded bodies with molten metal such as aluminum alloy using a non-pressure infiltration method, conventional technology uses metal powder or ceramic powder with an average particle size of 1 μm or less to create porous preforms. However, the problem was that the pores were too small and impregnated with molten metal. However, according to the technology of the present invention, there are also the following effects and the problem can be solved. That is, in the metal matrix composite of the present invention, the pores are enlarged by adding powder such as aluminum alloy with an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less to the production of a porous preform, etc. Even when the permeation method is applied, the molten metal such as aluminum alloy is easily impregnated.
（３）混合粉末の調製
上記で説明した、金属粉末等の微細粉末に、添加させる平均粒径が１０μｍ～３００μｍのアルミニウム合金等の粉末からなる混合粉末は、慣用の混合機を使用して均一に混合することで容易に得られる。そして、本発明では、調製した特有の混合粉末を用いて多孔質のプリフォーム等を得る。上記したような微細粉末を使用すると充填性が低いので、例えば、プレス成形、ＣＩＰ及び沈降法等の方法で成型体（プリフォーム）を得る際には、必要に応じて、混合粉末にバインダーを併用するとよい。バインダーとしては、エチルシリケート、シリコーン、水ガラス等の無機バインダーや、アルミニウムアルコキシド等アルミナ系の無機バインダーや有機無機バインダーを好適に用いることができる。バインダーの使用量としては、質量基準で、０．５％以上、１０％以下の範囲内で混合粉末に添加することが好ましい。成型体（プリフォーム）の成形性をより高めるために、上記に挙げたような無機系のバインダーに加えて、例えば、ＰＶＡ、ＰＶＢ等の有機バインダーを追加添加してもよい。
(3) Preparation of mixed powder The mixed powder consisting of powder such as aluminum alloy with an average particle size of 10 μm to 300 μm, which is added to the fine powder such as metal powder explained above, is uniformly prepared using a conventional mixer. It can be easily obtained by mixing with In the present invention, porous preforms and the like are obtained using the prepared unique mixed powder. When using the above-mentioned fine powder, the filling properties are low, so when obtaining a molded body (preform) by methods such as press molding, CIP, and sedimentation, it is necessary to add a binder to the mixed powder as necessary. Good to use together. As the binder, inorganic binders such as ethyl silicate, silicone, and water glass, alumina-based inorganic binders such as aluminum alkoxide, and organic and inorganic binders can be suitably used. The amount of the binder used is preferably 0.5% or more and 10% or less, based on mass, in the mixed powder. In order to further improve the moldability of the molded body (preform), an organic binder such as PVA or PVB may be additionally added in addition to the inorganic binder mentioned above.
（４）プリフォーム等の作製
上記のような構成の混合粉末を用いて作製したプリフォーム等は、その後の操作がし易いように、例えば、２００℃～７００℃程度の温度で焼成するとよい。強化材として金属粉末を使用する場合は、酸化されないように焼成温度は７００℃以下とすることが望ましい。また、非加圧浸透法を用いてアルミニウム合金等の溶湯を含浸させるため、混合粉末にＭｇ粉末を添加して使用する場合は、焼成した際にＭｇが酸化劣化しないように、焼成温度を５００℃以下にすることが望ましい。
(4) Preform etc. Preform etc. manufactured using the mixed powder having the above-mentioned structure is preferably fired at a temperature of, for example, about 200° C. to 700° C. to facilitate subsequent operations. When using metal powder as a reinforcing material, the firing temperature is preferably 700° C. or lower to prevent oxidation. In addition, when adding Mg powder to the mixed powder to impregnate molten metal such as aluminum alloy using a non-pressure infiltration method, the firing temperature should be set to 500°C to prevent oxidative deterioration of Mg during firing. It is desirable to keep the temperature below ℃.
（５）アルミニウム合金等の溶湯の高圧含浸
本発明の高強度金属基複合体の製造方法では、高圧含浸又は非加圧浸透のいずれの方法であっても、上記のようにして得た多孔質のプリフォーム等に、アルミニウム合金等の溶湯を良好な状態に含浸・充填させて金属基複合体を得ることができる。高圧含浸の方法を用いる場合は、例えば、約７００℃～８００℃のアルミニウム合金等の溶湯を、例えば、２０ＭＰａ～２００ＭＰａ程度の圧力で含浸させる。２０Ｍｐａ未満の圧力では圧力が低過ぎるので、十分に含浸しないことが懸念される場合があるので好ましくない。一方、２００ＭＰａ超でも含浸することが可能であるが、エネルギーコストや圧力容器のライフを考慮すると２００ＭＰａ以下の圧力で十分である。
(5) High-pressure impregnation of molten metal such as aluminum alloy In the method for producing a high-strength metal matrix composite of the present invention, the porous material obtained as described above can be A metal matrix composite can be obtained by impregnating and filling a preform or the like with a molten metal such as an aluminum alloy in a good condition. When using a high pressure impregnation method, for example, a molten metal such as an aluminum alloy at about 700° C. to 800° C. is impregnated at a pressure of about 20 MPa to 200 MPa. A pressure of less than 20 MPa is undesirable because the pressure is too low and there may be concerns that sufficient impregnation may not occur. On the other hand, although it is possible to impregnate at a pressure exceeding 200 MPa, a pressure of 200 MPa or less is sufficient in consideration of energy costs and the life of the pressure vessel.
（６）アルミニウム合金等の溶湯の非加圧浸透
非加圧浸透の方法、いわゆるランクサイド法でアルミニウム合金等の溶湯を含浸させる場合は、使用する混合粉末として、金属粉末等の微細粉末と、アルミニウム合金等の粉末との合計１００質量部に対して、Ｍｇ粉末を０．５～１０質量部を添加したものを用いることを要す。そして、上記の混合粉末を用いて得られた多孔質のプリフォーム等に、例えば、窒素雰囲気下、７００℃～９００℃で、非加圧でアルミニウム合金等の溶湯を浸透さて含浸させることで、良好な金属基複合体を得ることができる。
(6) Non-pressure infiltration of molten metal such as aluminum alloy When impregnating molten metal such as aluminum alloy by the non-pressure infiltration method, the so-called rank side method, the mixed powder used is fine powder such as metal powder, It is necessary to use 0.5 to 10 parts by mass of Mg powder to a total of 100 parts by mass of powder such as aluminum alloy. Then, a porous preform etc. obtained using the above mixed powder is impregnated with a molten metal such as an aluminum alloy at 700°C to 900°C in a nitrogen atmosphere without pressure. A good metal matrix composite can be obtained.
以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は、実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail by giving Examples and Comparative Examples of the present invention. Note that the present invention is not limited to the examples.
［実施例１］
平均粒径５μｍのＳｉＣ粉末１２００ｇと、平均粒径２５μｍのＡ６０６１系アルミニウム合金粉末８００ｇをプラスチック製のポットに入れ、アルミナボールを入れ２時間混合した。これに、エチルシリケート加水分解液１００ｇをＳｉＯ２に換算して４０ｇ含まれるように加えて、さらに３０分間混合した。これを内寸２００ｍｍ×２００ｍｍの型に入れて、４５ｔの圧力でプレス成形した。さらに５００℃で２時間焼成して、ＳｉＣ粉末とアルミニウム合金粉末とを含む成型体（プリフォーム）を作製した。得られた成型体を金属型に入れ、７５０℃で溶融したＡ６０６１系のアルミニウム合金の溶湯を流し込んで、１００ＭＰａの圧力でプリフォームに含浸させて複合体を鋳造した。
[Example 1]
1200 g of SiC powder with an average particle size of 5 μm and 800 g of A6061 aluminum alloy powder with an average particle size of 25 μm were placed in a plastic pot, an alumina ball was added, and the mixture was mixed for 2 hours. To this, 100 g of ethyl silicate hydrolyzate was added so as to contain 40 g in terms of SiO 2 , and the mixture was further mixed for 30 minutes. This was placed in a mold with internal dimensions of 200 mm x 200 mm and press-molded at a pressure of 45 tons. It was further fired at 500° C. for 2 hours to produce a molded body (preform) containing SiC powder and aluminum alloy powder. The obtained molded body was placed in a metal mold, and a molten A6061 aluminum alloy melted at 750° C. was poured into the preform at a pressure of 100 MPa to cast a composite body.
上記した方法で得られた複合体は、ＳｉＣ微粉末が３０体積％、残部が７０体積％の、アルミニウム合金基複合体であった。得られた複合体から規定する寸法の測定用の試験片を切り出し、試験片を用いてＪＩＳ Ｒ１６０１に準じて複合体の曲げ強度を、室温で測定した。他の例についても同様の方法で測定した。測定結果は７４０ＭＰａであり、かなり高強度であった。また、得られた複合体は加工性が良好であり、超硬工具で加工することができることが確認された。 The composite obtained by the above method was an aluminum alloy matrix composite containing 30% by volume of SiC fine powder and 70% by volume. A test piece for measuring specified dimensions was cut out from the obtained composite, and the bending strength of the composite was measured at room temperature using the test piece according to JIS R1601. Other examples were also measured in the same manner. The measurement result was 740 MPa, which was quite high strength. It was also confirmed that the obtained composite had good workability and could be processed with a carbide tool.
［実施例２］
実施例１で使用したと同じ平均粒径が５μｍのＳｉＣ粉末を１２００ｇ、平均粒径が２５μｍのＡ６０６１系アルミニウム粉末を８００ｇ、これに平均粒径が５０μｍのＭｇ粉末４０ｇを添加して、実施例１と同様にして２時間混合した。これに、イソプロピルアルコールに溶かしたシリコーン樹脂（商品名：ＫＲ－２２０Ｌ、信越化学社製）液を、ＳｉＯ２に換算して３０ｇ％となる量で添加して、３０分間混合した。これを実施例１で行ったと同じ操作でプレス成形及び焼成して、成型体（プリフォーム）を作製した。この成型体から、１００ｍｍ×１００ｍｍ×３０ｍｍのサイズのプリフォームを切り出した。そして、図１に示したようにして、非加圧で、プリフォーム１にＡ６０６１系のアルミニウム２の溶湯を含浸・充填させて複合化してアルミニウム合金基複合体を作製した。具体的には、図１に示したように、プリフォーム１と、Ａ６０６１系アルミニウム２をカーボン製容器４内に設置し、この容器を窒素雰囲気の炉内に入れて、１００℃／時間の速度で昇温後、７８０℃で２時間保持した後、複合体を取り出した。図１中の３は、プリフォーム１と同材の浸透道を示している。取り出した複合体を測定用に加工して、実施例１と同様の方法で物性値を測定した。
[Example 2]
Example 1 was prepared by adding 1200 g of SiC powder with an average particle size of 5 μm, the same as used in Example 1, 800 g of A6061 aluminum powder with an average particle size of 25 μm, and 40 g of Mg powder with an average particle size of 50 μm. The mixture was mixed for 2 hours in the same manner as in 1. A silicone resin solution (trade name: KR-220L, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) dissolved in isopropyl alcohol was added thereto in an amount of 30 g% in terms of SiO 2 and mixed for 30 minutes. This was press-molded and fired in the same manner as in Example 1 to produce a molded body (preform). A preform with a size of 100 mm x 100 mm x 30 mm was cut out from this molded body. Then, as shown in FIG. 1, the
実施例２で得られた複合体も、実施例１と同様に、ＳｉＣ微粉末が３０体積％、アルミニウム合金が７０体積％のアルミニウム合金基複合体であった。実施例１と同様の方法で測定した曲げ強度は６５０ＭＰａであり、高強度な複合体であった。また、得られた複合体は加工性が良好であり、超硬工具で加工することができた。 Similarly to Example 1, the composite obtained in Example 2 was an aluminum alloy matrix composite containing 30% by volume of SiC fine powder and 70% by volume of aluminum alloy. The bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 650 MPa, indicating a high strength composite. Moreover, the obtained composite had good workability and could be processed with a cemented carbide tool.
［実施例３］
平均粒径が３μｍのＳｉＣ粉末を８００ｇ、平均粒径が３０μｍのＡ１０５０系アルミニウム合金粉末１２００ｇに対し、さらに、エチルシリケート加水分解液１００ｇを、ＳｉＯ２に換算して４０ｇ含まれるように配合して混合し、さらに、実施例１で行ったと同じ要領で、ＳｉＣ粉末とアルミニウム合金粉末とを含むプリフォームを作製した。そして、得られたプリフォームを用い、実施例１と同じ操作で、Ａ１０５０系アルミニウム合金の溶湯を高圧含浸させて、本例の複合体を得た。
[Example 3]
800 g of SiC powder with an average particle size of 3 μm and 1200 g of A1050 aluminum alloy powder with an average particle size of 30 μm were further blended with 100 g of ethyl silicate hydrolyzate so as to contain 40 g in terms of SiO 2 . After mixing, a preform containing SiC powder and aluminum alloy powder was produced in the same manner as in Example 1. Using the obtained preform, it was impregnated with a molten A1050 aluminum alloy under high pressure in the same manner as in Example 1 to obtain the composite of this example.
上記で得られた複合体について物性値を測定したところ、ＳｉＣ微粉末が２０体積％、残部が８０体積％のアルミニウム合金基複合体であった。実施例１と同様の方法で測定した曲げ強度は７００ＭＰａであり、かなり高強度な複合体であった。また、得られた複合体は加工性が良好であり、超硬工具で加工することができた。 When the physical properties of the composite obtained above were measured, it was found to be an aluminum alloy matrix composite containing 20% by volume of SiC fine powder and the remaining 80% by volume. The bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 700 MPa, indicating a fairly high strength composite. Moreover, the obtained composite had good workability and could be processed with a cemented carbide tool.
［実施例４］
平均粒径が５μｍの金属シリコン粉末１２００ｇに、平均粒径が２５μｍのＡ６０６１系アルミニウム合金粉末２００ｇを実施例１と同様にして混合し、これにエチルシリケート加水分解液１００ｇをＳｉＯ２に換算して４０ｇ含まれるように加え、さらに３０分混合した。得られた混合物を用い、実施例１と同じ操作で成型体（プリフォーム）を作製した。そして、得られたプリフォームを用い、実施例１と同じ操作で、Ａ６０６１系アルミニウム合金の溶湯を高圧含浸させて複合体を得た。
[Example 4]
1200 g of metal silicon powder with an average particle size of 5 μm and 200 g of A6061 aluminum alloy powder with an average particle size of 25 μm were mixed in the same manner as in Example 1, and 100 g of ethyl silicate hydrolyzate was added to this in terms of SiO 2 . 40g was added and mixed for an additional 30 minutes. Using the obtained mixture, a molded body (preform) was produced in the same manner as in Example 1. Then, using the obtained preform, it was impregnated with a molten A6061 aluminum alloy under high pressure in the same manner as in Example 1 to obtain a composite.
上記で得られた複合体について物性値を測定したところ、複合体は、シリコン粉末が２５体積％、アルミニウム合金粉末が７５体積％のアルミニウム合金基複合体であった。実施例１と同様の方法で測定した曲げ強度は５８０ＭＰａであり、高強度であった。また、得られた複合体は加工性が良好であり、超硬工具で加工することができた。 When physical property values were measured for the composite obtained above, the composite was an aluminum alloy matrix composite containing 25% by volume of silicon powder and 75% by volume of aluminum alloy powder. The bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 580 MPa, which was high strength. Moreover, the obtained composite had good workability and could be processed with a cemented carbide tool.
［比較例１］
本発明で規定するよりも平均粒径が大きい１４μｍのＳｉＣ粉末２０００ｇに、実施例１で行ったと同じように、エチルシリケート加水分解物液１００ｇをＳｉＯ２に換算して４０ｇ含まれるように加え、混合した材料でプリフォームを作製した。そして、得られたプリフォームに、実施例１で用いたと同様のアルミニウム合金の溶湯を含浸して複合体を作製した。比較例１は、ＳｉＣ粉末の平均粒径が本発明で規定するよりも大きい点と、原料の混合物にアルミニウム粉末等を用いない点で、本発明とは構成が異なる。
[Comparative example 1]
In the same manner as in Example 1, 100 g of ethyl silicate hydrolyzate liquid was added to 2000 g of SiC powder with an average particle size of 14 μm larger than that specified in the present invention so that it contained 40 g in terms of SiO 2 , A preform was made from the mixed materials. Then, the obtained preform was impregnated with molten aluminum alloy similar to that used in Example 1 to produce a composite. Comparative Example 1 differs in structure from the present invention in that the average particle size of the SiC powder is larger than that specified in the present invention and that aluminum powder or the like is not used in the raw material mixture.
上記で得られた複合体について物性値を測定したところ、得られた複合体は、ＳｉＣが５５体積％であり、アルミニウム合金が４５体積％の複合体であった。実施例１と同様の方法で測定した曲げ強度は３２０ＭＰａであり、一般的なアルミニウム合金並みであり、高強度の複合体ではないことが確認された。また、得られた複合体は加工性に劣り、超硬工具で加工することができなかったため、加工をダイヤモンドエンドミルで行った。 When physical property values were measured for the composite obtained above, the obtained composite contained 55% by volume of SiC and 45% by volume of aluminum alloy. The bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 320 MPa, which was comparable to that of a general aluminum alloy, and it was confirmed that it was not a high-strength composite. Furthermore, the obtained composite had poor workability and could not be processed with a carbide tool, so processing was performed with a diamond end mill.
［比較例２］
本発明で規定するよりも平均粒径が大きい１４μｍのＳｉＣ粉末１２００ｇと、平均粒径２５μｍの６０６１系アルミニウム合金粉末８００ｇの混合物を用いた以外は実施例１と同じ操作で、本例の複合体を作製した。得られた複合体の物性値は、ＳｉＣが２８体積％でアルミニウムが７２体積％の複合体であった。実施例１と同様の方法で測定した曲げ強度は３３０ＭＰａであり、一般的なアルミニウム合金並みであり高強度の複合体ではなかった。また、得られた複合体は加工性に劣り、超硬工具では加工ができず、ダイヤモンドエンドミルで加工を行う必要があった。
[Comparative example 2]
The composite of this example was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixture of 1200 g of SiC powder with an average particle size of 14 μm larger than that specified in the present invention and 800 g of 6061 series aluminum alloy powder with an average particle size of 25 μm was used. was created. The physical properties of the obtained composite were 28% by volume of SiC and 72% by volume of aluminum. The bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 330 MPa, which was comparable to that of a general aluminum alloy and was not a high-strength composite. In addition, the resulting composite had poor workability and could not be machined with a carbide tool, but had to be machined with a diamond end mill.
［比較例３］
本発明で規定するよりも平均粒径が大きい２２μｍのＳｉＣ粉末１２００ｇと、平均粒径が２５μｍのＡ６０６１系アルミニウム合金粉末８００ｇの混合物を用いたこと以外は実施例１と同じ操作で成型体（プリフォーム）を作製した。そして、実施例１と同じ操作で、上記で得られたプリフォームにＡ６０６１系アルミニウム合金の溶湯を含浸させて、本例の複合体を得た。
[Comparative example 3]
A molded body (printed body) was carried out in the same manner as in Example 1, except that a mixture of 1200 g of SiC powder with an average particle size of 22 μm larger than that specified in the present invention and 800 g of A6061 aluminum alloy powder with an average particle size of 25 μm was used. (Renovation) was created. Then, in the same manner as in Example 1, the preform obtained above was impregnated with molten A6061 aluminum alloy to obtain a composite of this example.
得られた複合体の物性値を測定したところ、ＳｉＣ粉末が３１体積％、残部が６９体積％のアルミニウム基複合体であった。また、実施例１と同様の方法で測定した曲げ強度は４１０ＭＰａであり、実施例１～４の複合体よりも低く、一般的なアルミニウム程度の曲げ強度であり、高強度の複合体ではなかった。また、得られた複合体は加工性に劣り、ダイヤモンドの工具でしか加工ができなかった。 When the physical properties of the obtained composite were measured, it was found to be an aluminum-based composite containing 31% by volume of SiC powder and the remaining 69% by volume. In addition, the bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 410 MPa, which was lower than the composites of Examples 1 to 4, and the bending strength was comparable to that of general aluminum, so it was not a high-strength composite. . Additionally, the resulting composite had poor workability and could only be processed using diamond tools.
［比較例４］
本発明で規定するよりも平均粒径が大きい４５μｍの金属シリコン粉末１２００ｇに平均粒径２５μｍのＡ６０６１系アルミニウム合金粉末８００ｇを用い、実施例１と同じ操作で成型体（プリフォーム）を作製し、実施例１と同じ操作で、該プリフォームにＡ６０６１系アルミニウム合金を含浸して複合体を得た。
[Comparative example 4]
A molded body (preform) was produced in the same manner as in Example 1 using 1200 g of metal silicon powder with an average particle size of 45 μm larger than that specified in the present invention and 800 g of A6061 aluminum alloy powder with an average particle size of 25 μm. In the same manner as in Example 1, the preform was impregnated with A6061 aluminum alloy to obtain a composite.
得られた複合体の物性値を測定したところ、４５μｍの金属シリコン粉末が２９体積％、Ａ６０６１系アルミニウム合金が７１体積％の複合体であった。また、実施例１と同様の方法で測定した曲げ強度は２７０ＭＰａであり、強度の低い複合体であった。 When the physical properties of the obtained composite were measured, the composite contained 29% by volume of 45 μm metal silicon powder and 71% by volume of A6061 aluminum alloy. Further, the bending strength measured in the same manner as in Example 1 was 270 MPa, indicating that the composite had low strength.
［比較例５］
市販されている米国デュラルキャン社製の、ＳｉＣ粉末３０体積％／アルミニウム７０体積％の複合材のインゴットを用い、該インゴットを７３０℃で溶解して、砂型内に鋳造して２００ｍｍ×２００ｍｍ×５０ｍｍ（厚み）の複合体を製造した。これから、実施例１で使用したと同様に測定用の試験片を切り出して、同様の方法で曲げ強度を測定した。その結果、上記で得られた複合体は、曲げ強度が３８０ＭＰａで強度が低く、また、加工性に劣り、ダイヤモンド工具でしか加工ができなかった。
[Comparative example 5]
A commercially available ingot of a composite material of 30% by volume of SiC powder/70% by volume of aluminum manufactured by Duralcan Co., Ltd. in the United States was used, and the ingot was melted at 730°C and cast in a sand mold to a size of 200 mm x 200 mm x 50 mm. (thickness) composite was manufactured. From this, a test piece for measurement was cut out in the same manner as used in Example 1, and the bending strength was measured in the same manner. As a result, the composite obtained above had a low bending strength of 380 MPa, and was also poor in workability, and could only be worked with a diamond tool.
［評価結果のまとめ］
表１に、実施例及び比較例の複合体の調製条件と、得られたそれぞれの複合体についての評価結果をまとめて示した。加工性の評価は、超硬工具で加工ができる複合体については「良好」と評価し、超硬工具での加工ができず、ダイヤモンド工具による加工しかできなかった場合を「不良」と評価した。比較例５では、ＳｉＣ粉末とアルミニウム金属との市販されている複合材（市販品）を用いた。また、実施例２では、アルミニウム合金の溶湯をプリフォームに非加圧で含浸させた。実施例２以外の例では、いずれも、アルミニウム合金の溶湯をプリフォームに、１００ＭＰａの高圧で含浸・充填させた。
[Summary of evaluation results]
Table 1 summarizes the preparation conditions for the composites of Examples and Comparative Examples and the evaluation results for each of the obtained composites. Regarding the evaluation of workability, composites that could be machined with carbide tools were rated as "good," and cases that could not be machined with carbide tools and could only be machined with diamond tools were rated as "poor." . In Comparative Example 5, a commercially available composite material (commercially available product) of SiC powder and aluminum metal was used. Further, in Example 2, the preform was impregnated with molten aluminum alloy without applying pressure. In all of the examples other than Example 2, the preform was impregnated and filled with molten aluminum alloy at a high pressure of 100 MPa.
１：プリフォーム
２：アルミニウム合金等
３：プリフォームと同材の浸透道
４：カーボン製容器
1: Preform 2: Aluminum alloy, etc. 3: Penetration path of the same material as the preform 4: Carbon container
Claims (7)
アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を、圧力２０ＭＰａ以上、２００ＭＰａ以下の高圧で含浸・充填して複合化させて、
前記微細粉末の充填率が１０体積％以上、５０体積％以下であり、且つ、その曲げ強度が５００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下である金属基複合体を得ることを特徴とする高強度金属基複合体の製造方法。 One or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders with an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less, and aluminum powder and aluminum alloy powder with an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less. A porous filling body or molded body (preform) is obtained using a mixed powder containing one or more types of aluminum/aluminum alloy powder selected from the group consisting of ) to,
Impregnating and filling molten aluminum or aluminum alloy at a high pressure of 20 MPa or more and 200 MPa or less to form a composite,
A high-strength metal matrix composite characterized in that the filling rate of the fine powder is 10% by volume or more and 50% by volume or less, and the bending strength is 500MPa or more and 800MPa or less. Production method.
非加圧で、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を含浸・充填して複合化させて、
前記微細粉末の充填率が１０体積％以上、５０体積％以下であり、且つ、その曲げ強度が５００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以下である金属基複合体を得ることを特徴とする高強度金属基複合体の製造方法。 One or more fine powders selected from the group consisting of metal powders and ceramic powders with an average particle size of 0.3 μm or more and 8 μm or less, and aluminum powder and aluminum alloy powder with an average particle size of 10 μm or more and 300 μm or less. Adding magnesium powder in a range of 0.5 parts by mass or more and 10 parts by mass or less to 100 parts by mass of the mixed powder to which one or more aluminum/aluminum alloy powders selected from the group consisting of are added. A porous filling body or molded body (preform) was obtained using the mixed powder containing Mg powder, and the obtained filling body or molded body (preform) was
By impregnating and filling molten aluminum or aluminum alloy into a composite without applying pressure,
A high-strength metal matrix composite characterized in that the filling rate of the fine powder is 10% by volume or more and 50% by volume or less, and the bending strength is 500MPa or more and 800MPa or less. Production method.
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3285756B2 (en) | 1996-04-12 | 2002-05-27 | 株式会社クボタ | Seedling box collection machine |
| JP4214825B2 (en) | 2003-04-22 | 2009-01-28 | タカタ株式会社 | Protection device for pedestrians |
| JP2010258458A (en) | 2010-04-26 | 2010-11-11 | Dowa Holdings Co Ltd | Metal-ceramic composite heat-dissipating plate integrated with ceramic insulating substrate and method of manufacturing the same |
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