JPH01212730A - セラミックス粒子分散型アルミニウム基複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金中に
、セラミックス粒子を均一に分散させるセラミックス粒
子分散型アルミニウム基複合材料の製造方法に関するも
のである。

（従来の技術） 周知のように、アルミニウムまたはアルミニウム合金を
マトリックスとして炭素質や酸化物、炭化物、窒化物な
どのセラミックス粒子を分散材としたアルミニウム基複
合材料は、アルミニウムの特徴である軽さに加え、耐摩
耗性などの優れた機械的特性を有しているので、種々の
機械部材などに広く利用することが試みられている。

従来、このような複合材料の製造方法として、粉末冶金
法や粒子のメツキ処理などを伴った溶湯法が知られてい
る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の粉末冶金法では、分散粒子を任意
の割合で混合することや、均一分散は可能であるが、ア
ルミニウムまたはアルミニウム合金粉末を使用すること
から、安全性や製造コストの点で汎用部品への適用が難
しいという問題点がある。

また、溶湯法においても、セラミックス粒子と、アルミ
ニウム合金溶湯との間のぬれ性の問題が十分に解決され
ておらず、溶湯中にセラミックス粒子を添加した際に、
以下のような問題点を有する。

■　粒子の粒径が小さくなる程、粒子同士の凝集が起り
、均一分散が損われて、粒子分散型複合材しての特性が
発揮されにくい。

■　投入粒子が溶湯上に浮上分離してしまい、添加量に
対する複合材料への分散量の歩留が低い。

■　セラミックス粒子を均一に分散させるために長時間
を要する。

これら問題点を解消するために、セラミックス粒子とア
ルミニウム合金溶湯とのぬれ性を改善する必要がある。

この解決手段として、セラミックス粒子表面へ無電解メ
ツキ処理などを行なう方法が提案されているが、製造コ
ストが上昇してしまい工業的な方法として採用し難いと
いう問題点がある。また、セラミックス粒子を加熱する
方法も知られているが、ぬれ性の改善には不十分である
。

この発明は、上記問題点を解決することを基本的な目的
とし、比較的安価な製造コストにより、セラミックス粒
子と溶湯とのぬれ性を改善して、セラミックス粒子を溶
湯中に均一に分散させるセラミックス粒子分散型アルミ
ニウム基複合材料の製造方法を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者は、前記したセラミックス粒子のぬれ性を改善
すべく、研究を重ねた結果、アルミニウムまたはアルミ
ニウム合金溶湯中に添加するセラミックス粒子を予め真
空中で加熱した場合、ぬれ性の向上に有害であるセラミ
ックス粒子の表面に付着した物質（油脂弁や水分、さら
に０２、Ｈ２などのガス）が除去され、前記溶湯とセラ
ミックス粒子が直接接触して、ぬれ性が著しく改善され
ることを見出したものである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、ア
ルミニウムまたはアルミニウム合金とセラミックス粒子
との複合化に先立ち、添加するセラミックス粒子を予め
１０”Ｔｏｒｒ以下の減圧下で、２００℃以上、セラミ
ックス粒子の融点以下に加熱し、大気との接触を規制し
て溶融アルミニウムまたはアルミニウム合金中に添加し
、溶融状態あるいは半溶融状態で攪拌してセラミックス
粒子を分散させることを特徴とするものである。

尚、大気接触の規制は、セラミックス粒子を不活性ガス
で覆うことにより行なうのが望ましい。

上記でマトリックスとなるアルミニウムやアルミニウム
合金には、工業用普通純度のアルミニウムやＪ　１８６
０６１．２０１４．７０７５などの展伸用アルミニウム
合金が一般的に使用されるが、本発明はこれらアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金の種類に限定されるもので
はない。

また、分散粒子としては、ＳｉＣ，Ｓｉ８Ｎ４、Ａｆ２
０３、ＳｉＯ２、黒鉛などのセラミックス粒子が用いら
れる。この粒子の径は、平均で０゜５ｔｆＲから１００
ｓ程度のものが望ましい。０．５１未満では、セラミッ
クス粒子の取扱いが難しく、また耐摩耗性などの特性向
上には効果が少ないためであり、また、１００ＩＪＲを
超えると、材料の伸びや靭性に悪影響を与え、さらには
切削などの加工性も悪化させるためである。

尚、従来、特に分散性が低下するとされていた１ｏｕＲ
以下の粒径でも、良好な分散性を得ることができ、耐摩
耗性を向上させることができる。

次にセラミックス粒子の添加量は、１重量％〜３０重量
％とするのが望ましい。１重間％未満では、材料の開時
性に与える複合化の効果が十分ではなく、３０重量％を
超えると、材料の伸び、靭性、切削加工性に悪影響を及
ぼすからである。

尚、本願発明としては、上記粒径および添加量に必ずし
も限定されるものではない。

さらに、減圧下でのセラミックス粒子の加熱処理は、例
えば真空炉で行なったり、密封缶に粒子を入れ、この缶
を真空に引きながら加熱するなどの方法により行なう。

この時の減圧度は、セラミックス粒子への付着物質が十
分に飛散するように、１　ｏ−’ｒｏｒｒ以下とする。

この減圧度は低いほど上記飛散を促進する。また、加熱
温度としては、水分や油脂弁を十分に発散できるように
２００℃以上にする。

加熱湿度は、セラミックス粒子の融点以下で、できるだ
け高い方がセラミックス粒子への付着物を飛散させるの
には有利であるが、粒子を収納する容器や加熱炉の構造
によって制約を受けるため、実用的には４００〜８００
℃の加熱温度に設定する。

上記のようにして、予め加熱処理を行なったセラミック
ス粒子は、前記した種別からなる溶融アルミニウムまた
はアルミニウム合金中に添加する。

この添加の際に、セラミックス粒子は大気との接触を規
制しておく。

すなわち、減圧下での加熱後に、大気と全く接触させる
ことなく溶湯中に添加するか、大気との接触を可及的に
少なくして溶湯中に添加する。これは加熱処理したセラ
ミックス粒子が、大気との接触により再汚染されるのを
防止するためである。

尚、大気との接触を規制するため、例えばアルミニウム
製（望ましくはマトリックスと同一組成）の缶の中で粒
子を処理した後封缶し、そのまま溶湯中へ添加する方法
を用いる。また処理後のセラミックス粒子を収容した真
空容器または真空炉内に、アルゴンや窒素ガスなどの不
活性ガスを送り込み、セラミックス粒子の表面を不活性
ガスで覆って大気との接触を阻止し、この粒子を真空容
器または真空炉から取り出して、溶湯中に添加する方法
を用いることも可能である。尚、不活性ガスは乾燥させ
ておくのが望ましく、その種別が上記アルゴン、窒素ガ
スに限定されないことも当然である。

上記方法などによりセラミックス粒子を溶湯中に添加し
た後、溶湯とセラミックス粒子とを充分に接触させて、
セラミックス粒子を拡散させる目的で溶湯の攪拌を行な
う。

上記したセラミックス粒子の添加および攪拌を行なう際
の溶湯の温度は、マトリックス金属の液相線温度以上で
８００℃以下が好ましい。８００℃を超えると、攪拌中
の溶湯の酸化が激しく、酸化物の巻き込みなどによる材
料欠陥の原因となるためである。

尚、攪拌の際には、マトリックスの液相線温度以下の半
溶融状態で行なうことも可能である。

上記した攪拌の時間は、セラミックス粒子の粒径や添加
量によっても異なるが、約３０分〜３時間攪拌すること
によりセラミックス粒子が均一に分散する。

上記溶湯は、任意形状の鋳型に鋳込み、特定形状の複合
材料部材を作製したり、ビレットやスラブに鋳造し、押
出しや圧延加工を行なうことが可能である。

また、本発明によって作製した複合材料は、インゴット
に鋳造した後、再度溶解して、鋳造することも可能であ
る。

（作　用） この発明によれば、予め行なう減圧下での加熱処理によ
り、セラミックス粒子の表面に付着した付着物が飛散し
、容易に除去される。このセラミックス粒子と大気との
接触を規制することにより、付着物を取り除いたセラミ
ックス粒子の表面へ、大気中の水分、０２などが再度付
着するのを防止する。上記セラミックス粒子を溶湯中に
添加すれば、セラミックス粒子の表面は付着物が取り除
かれており、ぬれ性が向上しているので、溶湯中に容易
に分散する。したがって、溶融または半溶融状態で攪拌
することにより、セラミックス粒子がマトリックス中に
均一かつ速やかに分散し、分散性に優れた複合材料が得
られる。

尚、減圧下での加熱後に、セラミックス粒子を不活性ガ
スで覆うことにより、大気との接触による再汚染を有効
に防止することができる。このセラミックス粒子を溶湯
中に添加すれば、この不活性ガスは粒子表面から離脱す
るので、セラミックス粒子と溶湯とは直接に接触して、
粒子は溶解中に良好に分散する。

（実施例１） 以下に、この発明の一実施例を説明する。

セラミックス粒子として、平均粒径が約１５ｔＪＲのＳ
ｉＣ粒子を用意する。

このセラミックス粒子３００９をＪＩＳ６０６１アルミ
ニウム合金製で管材の缶の中に収容し、管を通して缶内
を真空に引きながら、５００℃まで加熱した。缶内（７
）圧力ヲ１０−３Ｔｏｒｒ、ｍＵ３００℃で約２時間保
持した後封缶し、大気との接触を断つ。

一方、マトリックスとしｔＪ１ｓ６０６１アルミニウム
合金を使用し、この合金的３８９を黒鉛ルツボ中で溶解
し、約７００℃の温度に保持する。

この溶湯中に、前記したセラミックス粒子を缶ごと投入
し、缶を溶解させる。缶内のセラミックス粒子は、溶湯
と直接に接触して四散する。

このようにして、セラミックス粒子を添加した溶湯に攪
拌パドルを挿入し、約７００〜７５０℃の温度で約１時
間の攪拌を行なった。その後、この溶湯を円筒型金型に
鋳造し、径５０ｍ、高さ１５０＃１１１１のビレット状
の複合材料を得た。

（実施例２） 次に、第２の実施例を以下に説明する。

セラミックス粒子として、平均粒径約５ｎのＳｉＣ粒子
を用意する。このセラミックス粒子３００ｇをステンレ
ス製の容器に収容し、真空炉中で真空加熱処理を行なつ
ｌこ。この時の条件は、圧力を１０’Ｔｏｒｒ、温度を
７００℃として２時間保持した。

上記真空加熱処理後に、真空炉内を乾燥させたＡｒガス
で充満し、ＳｉＣ粒子の表面をＡｒガスで覆う。

一方、マトリックスには、ＪＩＳ２０１４アルミニウム
合金を使用し、このアルミニウム合金的３に’Ｊを黒鉛
ルツボ中で溶解し、約７００℃の温度に保持する。

この溶湯中に、Ａｒガスによる被覆を行なった前記セラ
ミックス粒子を投入し、前記実施例と同様に攪拌パドル
で攪拌する。この際の溶湯温度は約７００〜７５０℃の
範囲内とし、攪拌時間は約２時間とした。

こうしてセラミックス粒子を分散させた溶湯を、前記実
施例と同様に円筒型金型に鋳造して、径５０ｒＭＩ４、
高さ１５０ｍのビレット状の複合材料を１９た。

以上の実施例１．２で得られた複合材料は、いずれもセ
ラミックス粒子が均一に分散した良好な組織が得られた
。これを明らかにするため、第１図に実施例１により得
た複合材料の金属組織の顕微鏡写真を示す。一方、第２
図には、従来の方法により、セラミックス粒子を大気下
で加熱を行ない、その後このセラミックス粒子をアルミ
ニウム合金溶湯中に分散させた複合材料の金属組織の顕
微鏡写真を示す。

第２図に示された複合材料では、長大な黒点部に気孔と
セラミックス粒子の菱集塊が生じ、組織欠陥が生ずると
共に、セラミックス粒子の分散性も悪い。

一方、第１図の複合材料では、セラミックス粒子が良好
に分散して、気孔の存在も認められない。

次に、このようにセラミックス粒子の分散性に著しい差
異が認められる両者を、機械的特性の点で比較した。

すなわち、従来例による複合材料を耐摩耗材料として用
いると、表面に露呈したセラミックス粒子が摩擦で崩落
してしまうという問題点がある。

一方、実施例による複合材料では、セラミックス粒子と
マトリックスとが強固に結合しており、良好な分散性と
相俟って優れた耐摩耗性が得られた。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、アルミニウム
またはアルミニウム合金にセラミックスを分散させたア
ルミニウム基複合材料の製造方法において、予めセラミ
ックス粒子を１　ｏ−’ｒｏｒｒ以下の減圧下で２００
℃以上、セラミックス粒子の融点以下に加熱し、大気と
の接触を規制して溶融アルミニウムまたはアルミニウム
合金中に添加し、溶融状態あるいは半溶融状態で攪拌し
てセラミックス粒子を分散させるので、セラミックス粒
子と、溶湯とのぬれ性が向上して、粒子を溶湯中に均一
に分散させることができる。

したがって、複合Ｕ料の機械的特性が著しく向上すると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例により得られた複合材料の金属組織写真
、第２図は従来方法により得られた複合材料の金属組織
写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　アルミニウムまたはアルミニウム合金にセラミック
   ス粒子を分散させたアルミニウム基複合材料の製造方法
   において、予めセラミックス粒子を１０＾−＾１Ｔｏｒ
   ｒ以下の減圧下で、２００℃以上、セラミックス粒子の
   融点以下に加熱し、大気との接触を規制して溶融アルミ
   ニウムまたはアルミニウム合金中に添加し、溶融状態あ
   るいは半溶融状態で攪拌してセラミックス粒子を分散さ
   せることを特徴とするセラミックス粒子分散型アルミニ
   ウム基複合材料の製造方法 ２　大気との接触規制は、セラミックス粒子を不活性ガ
   スで覆うことを特徴とする請求項１記載のセラミックス
   粒子分散型アルミニウム基複合材料