JPH01312004A

JPH01312004A - Ａｌ基複合材の成形方法

Info

Publication number: JPH01312004A
Application number: JP14318888A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Moritaka; 森高　満; Tomiharu Matsushita; 富春松下; Hiroyuki Morimoto; 森本　啓之; Kenichiro Ouchi; 大内　権一郎; Kunihiko Nishioka; 西岡　邦彦; Shigeo Hattori; 重夫服部
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1988-06-09
Filing date: 1988-06-09
Publication date: 1989-12-15
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPH079005B2

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）本発明は、高強度のアルミ基複合材の製造方法に関する
。

（従来の技術）軽量金属である八！又はＡρ金合金、軽量で高強度、高
弾性率で耐熱性にも優れたＳａｃ、　５ｒｚＮａ＋Ａｊ
２ｚ０３．　ＳｉＯ□　などのウィスカ、短繊維２粒子
状態の強化材とを複合化した複合材料は、高比強度、高
比弾性率、高疲労強度で、しかも繊維強化プラスチック
に比べて耐熱性にも優れる。このため、軽量化、高性能
化が強く指向されている宇宙航空機、自動車などの輸送
機器分野での構造部材やエンジン部品用材料、ＯＡ機器
など精密産業機器の可動駆動部品用材料、またスポーツ
用品材料として注目を集めている。

前記へＥ基複合材の成形方法として、Ａｌ又はへ２合金
粉末と強化材との混合体を所望形状の金型に供給して所
定温度に加熱し保持した状態で加圧成形する方法（ホッ
トプレス法という。）がある。

第３図は、ホットプレス法を実施するための装置の一例
を示しており、スリーブ２が内装されたコンテナ１が支
持台３に設置され、コンテナ１の外周にはヒータ４が備
えられている。５はコンテす１内部に充填された混合体
であり、上下の押し板６．６を介して加圧パンチ７によ
って加圧される。

コンテナ１の内部には図示省略しであるが、温度制御用
熱電対が装着される。同図中、二点鎖線は加圧終了時の
状態を示している。前記混合体としては、Ａｌ合金等の
粉末と強化材との混合粉末や該混合粉末の圧縮成形体が
使用されている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、混合粉末の充填密度は２５％程度と相当
低い。また、圧縮成形体についても、その充填密度は通
常５０％以下とされている。取り扱い可能な強度を有し
ていれば充分だからである。従って、これらの混合体中
には多くの気孔が存在しており、多量の空気が含まれて
いる。どのため、金属粉末としてＭｇ、　Ｌｉ、　Ｚｎ
　　なとの活性な析出強化金属元素（以下、強化元素と
いう。）を含んだＡ２合金粉末を使用した場合、混合体
の加熱過程で粉末粒子を形成する／１’４２合金中の強
化元素が選択的に酸化され、１合金中の強化元素濃度が
低下する。その結果、成形後に溶体化および時効硬化熱
処理を施しても所期の強度や硬さが得られないという問
題がある。

ところで、混合体を真空下で加熱すれば、強化元素の酸
化は防止されるものと考えられる。しかし、この場合、
通常４００℃以上の温度域では、ＡＪ２合金粉末粒子内
部の強化元素は気化し、真空排出ポンプに引かれるため
、粒子内部の強化元素濃度の低下を抑止できない。

本発明はかかる問題点に鑑みなされたもので、混合体の
過熱過程で、１合金粉末粒子内部の強化元素の酸化が可
及的に抑制され、その結果、強度や硬度の低下の生じ難
いＡｌ基複合材の成形方法を提供することを目的とする
。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するためになされた本発明のＡＪ２基複
基材合材形方法は、Ｍｇ、　ｌ、ｉ、　Ｚｎのいずれか
１種又は２種以上を含むＡ２合金粉末とウィスカ、短繊
維又は粒子状態の強化材との混合体を加熱状態で一体的
に加圧成形するＩｎｎ基台合材成形方法において、前記混合体を４００℃以下の温度で加圧成形して高充填
率の粉末成形体を得た後、該成形体を４００〜６６０℃
の固相域或は固液共存域で加圧焼結することを発明の構
成とするものである。この場合、加圧焼結に際して、粉
末成形体を真空下で加熱することによって、より良好な
効果が得られる。

（作　　用）本発明によれば、へβ合金粉末同士の加圧焼結に際して
、まず混合体を高充填率の粉末成形体（以下、高充填成
形体という。）に加圧成形するので、混合体の熱伝導率
が大きくなり、所定の成形温度に均一加熱するための所
要時間が短くて済み、また混合体中の気孔、空気が少な
くなるため、爾後の高温加熱に対して、混合体を構成す
るＡｌ合金粉末粒子内部のＭｇ、　Ｌｉ、　Ｚｎ　　な
どの強化元素の酸化が抑制される。この場合、前記高充
填成形体の充填率は５５％（望ましくは７０％）以上と
するのがよい。５５％未満では、上記作用が過少となり
、強化元素の酸化抑制効果が不足するからである。

前記高充填成形体の加圧成形は４００℃以下の温度で行
う必要がある。４００℃を越えると、混合体における八
で合金粉末中の強化元素の酸化が急速に進行するからで
ある。

因みに、第１図に２０　ｖｏ１％のＳｉＣウィスカーと
８０　ｖｏ１％のへρ合金（Ａ　６０６１）粉末とを均
一に混合した混合粉末を大気中で１００〜５００℃の各
温度で１時間加熱した後、Ａｌ合金粉末粒子内部におけ
るＭ、濃度を測定した結果を示す。面濃度は　ＥＰＭＡ
（エレクトロンプローブマイクロアナライザ）によって
分析した。同図より、加熱温度が４００゛Ｃを越えると
Ｍｇ濃度が急速に減少することが知られる。分析の結果
、Ｍｇ濃度の減少は主として酸化に起因することが確か
められた。

前記混合体は、高充填率に成形された後、４００〜６６
０℃の固相域或は固液共存域の温度に加熱され、同温度
で加圧焼結される。４００℃以下では焼結が困難であり
、一方６６０℃を越えるとＡＩ！、合金粉末が溶融して
正常な加圧成形が困難となるからである。

この際、真空下で高充填成形体を加熱すると、成形体内
部乙こ残存する空気は脱気され、高温に加熱しても強化
元素の酸化は進行しない。しかも高温加熱によりΔ℃合
金粉末同士は部分的に焼結し、より緻密化される傾向に
ある。このため、真空下においても強化元素の気化は生
しにくく、加熱後、粉末成形体を大気中に取り出して、
加圧成形しても、Δ℃合金粉末粒子内部の強化元素はほ
とんど酸化することがない。

（実施例）本発明において用いる混合体としては、既述の通り、ｈ
ｇ等の強化元素を含むＩｆ金合金例えば八６０６１、Ａ
　７０７５）粉末とセラミンクス等の強化材とが均一・
に混合された混合粉末や該混合粉末の低密度圧縮成形体
が通常使用される。尚、強化材の混合率は、通常、体積
％で５〜４０％とされる。

Ａｌ合金粉末とセラミンクス強化材とを均一に混合する
好適な方法として、特開昭（ｉｏ−２５１，９２２号に
おいて開示されている通り、有機溶媒中で強化材に超音
波振動を与えて絡まりを解きほぐし、ごの中にＡ、ｉ！
合金粉末を加えて撹拌し、得られた混合スラリーを吸引
濾過し、ケーキを真空乾燥する方法がある。

上記混合体として、強化材がＡで合金粉末中に均一に分
散すると共に有機バインダー（例えば、アクリル樹脂等
の合成樹脂）によって粒状（好ましくは粒径０．１〜５
　ｍｍ程度）に保形された混合ペレットを用いることが
できる。該混合ペレットは本出願人が特願昭６２−１．
７３６９５号で提案したものであり、混合体のハンドリ
ング過程で生じた振動や衝ｉｎｋ　によって、強化材と
金属粉末とが分離したり、偏在することがなく、成分の
均一性が確保され、成形金型への充填性（流動性）や成
形性にも優れる。

尚、前記混合ペレッＩ・を混合体として用いた場合、後
ｊボの高充填成形前又はその後、成形体を加熱してバイ
ンダーの分解除去が行われる。高充填成形後では、４０
０℃以上で脱バインダーを行っても、成形体中における
へρ合金粉末は高充填状態となっているため、ｉ合金粉
末粒子内部の強化元素はほとんど酸化或は気化減少しな
い。高充填成形前では、強化元素の酸化或は気化防止の
ため、４００℃以下で脱バインダーすることが望ましい
。

前記混合体は成形金型（コンテナ）に充填ないし装填さ
れた後、大気中、４００　’Ｃ以下の温度でポットプレ
スされる。混合体の加圧成形は常温で行ってもよいが、
所定の充填率を得るには、極めて高い加圧力が必要とな
るので、常温以上でホラＩ・プレスするのが好ましい。

次に、上記ホットプレスによって得られた高充填成形体
は均熱炉で４００〜６６０℃の固相域或は固液共存域の
加圧焼結温度に加熱された後、再びポットプレスや鍛造
などによって加圧成形され、Ｉｎ合金粉末同士が一体的
に焼結したｉ基複合材料が得られる。

均熱炉における加熱は、複数個の高充填成形体を同時に
加熱することができる。また、均熱炉における加熱を省
いて、高充填成形の後、引き続いてホントプレス用金型
を昇温しで、その後加圧焼結してもよい。また、高充填
成形体を封缶脱気し、熱間等方加圧（ＨＩＰという。）
によって加圧焼結してもよい。

加圧焼結温度への加熱を真空加熱炉等により真空下で行
うと、既ｊホの通り八！合金粉末粒子内部の強化元素の
酸化防止に極めて有効である。尚、ＨＩ　Ｐを適用する
場合は、高充填成形体は真空下で加熱、加圧焼結が行わ
れろため、上記と同様、強化元素の酸化防止には有効で
ある。

次に具体的実施例を掲げて説明する。

実施例１（１）　　２０　ｖｏ１％のＳｉＣウィスカーと８０　
ｖｏ１％のＡρ金合金Ａ　６０６１）粉末との均一混合
粉末の所定量を第３図のコンテナ１に充填した後、ヒー
タ４により加熱を開始し、コンテナ温度が３５０’Ｃに
到達した後、３０分間保持して混合粉末を同温度に均熱
した。

（２）混合粉末の均熱後、圧力２０００　ｋｇｆ／ｃｍ
、加圧時間５分、大気中でボノトフツスを実施した。

これによって充填率８２％の高充填成形体を得た。

（３）高充填成形体の加圧成形に引き続いて、除荷後、
昇温し、コンテナが加圧焼結温度５６０’Ｃに到達した
後、約２０分間保持して均熱した後、圧力２０００　ｋ
ｇｆ　／　ｃｒＲ，加圧時間１０分、大気中でホットプ
レスを実施した。

（４）焼結成形体を５３０℃で２時間保持して溶体化処
理を行い、空冷により時効硬化させた。熱処理後の製品
成形体の硬さ、強度を測定したところ、１５２　Ｈｖ、
５０　　ｋｇｆ　／　ｍｍ　２であった。

（５）従来例として、（１）と同様の混合粉末をコンテ
ナ１に充填し、加熱を開始し、コンテナ温度が５６０’
Ｃに到達後、約６０分間保持して均熱した。

その後、（３）と同条件でポットプレスし、得られた焼
結成形体を（４）と同条件で熱処理した。こうして得ら
れた成形体の硬さ、強度は１３１１１ｖ　、４４ｋ　ｇ
、ｆ　／　ｍｍ　２であった。

（６）　　これより、実施例に係る製品成形体の硬さお
よび強度は、従来の成形体のそれよりもかなり高く、実
用的使用レヘルにまで向上していることが確かめられた
。

実施例２（１）混合粉末の加圧圧力を６０００　ｋｇｆ　／　ｆ
ｉｌｍ　２で行ったほかは、実施例１の（＋１．　（２
）と同様の条件でホットプレスを行ったところ、充填率
９３％の高充填成形体が得られた。

（２）　　この高充填成形体を実施例１の（３）、　（
４）と同様の条件で処理を行ったところ、得られた成形
体の硬さ、強度は１６７１１ｖ　、５５　Ｊｆ／ｍｍ２
であった。

（３）　　これより、高充填成形体の充填率が高くなる
程、その後の加熱過程におｉｌるＡｊ２合金粉末粒子内
部におりる強化元素の酸化抑制効果が増大し、製品成形
体の硬さおよび強度は共に極めて高くなり、良好な特性
が得られることが知られる。

実施例３（１）実施例１の（１）、　（２）と同様の条件でホッ
トプレスを行って、高充填成形体を得た。

（２）　　この高充填成形体を下記第１表の加熱雰囲気
を有する加熱炉中で５６０℃に加熱し、均熱後、炉から
大気中に取り出し、速やかに５６０℃に加熱した成形金
型によって仕上鍛造した。このとき、鍛造雰囲気は同表
の通りとした。

第１表（３）鍛造による焼結成形体に実施例１の（４）と同様
の熱処理を施し、得られた製品成形体のピンカース硬さ
を測定した。その結果を第２図に示す。

図中、丸印は平均値を示し、丸印の上下の線分はデータ
のばらつき範囲を示している。

同図より、水分を若干含む普通Ｎ２ガス雰囲気で加熱し
大気中で鍛造したもの（八１）より、高純度Ｎ２ガス雰
囲気で加熱し大気中で鍛造したもの（Ａ２）は高硬度が
得られている。一方、真空で加熱し大気中で鍛造したも
の（Ｂ）は、硬度がＨｖ１６５〜１７５の範囲にあって
、５ｉＣ−へ６０６１複合拐として理想的な硬度が得ら
れている。尚、Ｎ２ガス雰囲気で加熱し同雰囲気又は真
空中で鍛造したもの（Ｃ１）、　（Ｃ２）、　（Ｄ）の
硬度はｌｌｖ　１４５−１６５の範囲にあって、（Ｂ）
に比べて必ずしも高硬化されていない。

（発明の効果）以上説明した通り、本発明のＡｌ基複合材の成形方法は
、まず、Ｍｇ等の強化元素を含有したへ１合金粉末と強
化材との混合体を４００℃以下の温度で高充填成形体に
加圧成形した後、これを所定温度で加圧焼結するので、
混合体はＩｎ合金粉末粒子内部の強化元素の酸化が抑制
された状態で高密度化され、熱伝導率の向上、混合体中
の残存空気の排除が図られ、加圧焼結の際の高温加熱に
対して強化元素の酸化が有効に防止される。そのため、
焼結成形体のＡｌ合金基地中に強化元素が有効に残存し
、所期の強化熱処理によって所定の強度、硬度を確保す
ることができる。

また、加熱焼結の際、高充填成形体を真空下で加熱する
ことにより、該成形体中の空気はほとんど除去されると
共により一層倣密化が進行するので、その後、大気中で
加圧焼結しても、この間の強化元素の酸化をはとんと完
全に阻止することかでき、爾後の熱処理により極めて１
賃強度、前硬度の成形体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は加熱温度と混合粉末中のＡｌ合金粉末粒子内部
のＭｇ濃度との関係を示すクラフ図、第２図は種々の成
形条件によって加圧成形された実施例に係る焼結成形体
の強化熱処理後の硬さを示すクラフ図、第３図はホット
プレス装置の一例を示す断面説明図である。特　許　出　願　人　　株式会社神戸製鋼所］　５第３図第７図第２図方枳、形イ４／１　才墾５ハ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｍｇ、Ｌｉ、Ｚｎのいずれか１種又は２種以上を
含むＡｌ合金粉末とウィスカ、短繊維又は粒子状態の強
化材との混合体を加熱状態で一体的に加圧成形するＡｌ
基複合材の成形方法において、前記混合体を４００℃以
下の温度で加圧成形して高充填率の粉末成形体を得た後
、該成形体を４００〜６６０℃の固相域或は固液共存域
で加圧焼結することを特徴とするＡｌ基複合材の成形方
法。
（２）粉末成形体を真空下で４００〜６６０℃の固相域
或は固液共存域に加熱する請求項（１）の成形方法。