JPH02294445A - セラミック強化アルミ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） 本発明は、製造が容易で多量生産に適するセラミンク強
化アルミ基複合材料の製造方法に関する。

（従来の技術） 軽量金属であるＡｌ又はＡｌ合金（以下、単にアルミと
いう．）とセラミック強化材とを複合一体化したセラミ
ック強化アルミ基複合材料は、高比強度、高比剛性、高
疲労強度、高耐摩耗性などの優れた性質を有しており、
宇宙航空機、自動車、ＯＡ機器などの部品や構造部材の
材料として、また、スポーツ用品材料として注目を集め
ている。

強化材のセラミックとしては、ＳｉＣなどの炭化物やＡ
＃，０．などの酸化物のウィスカ、短繊維、粒子が用い
られている。

その製造法にはセラミックとアルミ粉末を混合し固化成
形する粉末冶金法と、セラミックでつくったブリフォー
ムにアルミ溶湯を高圧下で含浸させる溶湯含浸法が主流
である。また、近年、アルミを固液共存温度に保持し、
アルミ溶湯の粘度を高めて分散性を向上させ、攪はんに
よりセラミックを混入する技術（コンポキャスティング
法）も開発されている。

（発明が解決しようとする課題） セラミック強化アルミ基複合材料は、優れた特性を有す
るものの高価という問題がある。その最大の原因は、現
状の粉末冶金法や溶湯含浸法では製造プロセスが複雑で
多量生産が難しいことにある。また、コンポキャスティ
ング法は、温度制御が困難で実用的でない． 一方、安価に製造する方法として、強化材のセラミック
をアルミ溶湯中に混合する方法が検討されているが、セ
ラミックはアルミ溶湯に濡れにくく、また強化材が凝集
して分散しないという問題がある。

本発明は安価な製造プロセスで安価な複合材料を提供す
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セラミック
強化アルミ基複合材料の製造方法は、液相線温度以上の
温度で溶融したＡｌ又はＡｌ合金溶湯に標準生成自由エ
ネルギーが−１５０ＫＪ／ｇ−ａｔｏｍＣ以下でかつ界
面エネルギーを下げる効果のあるセラミンク強化材を混
入することを発明の構成とするものである．この際、セ
ラミック強化材は、その形態としてウィスカ、短繊維、
粒子の任意のものを使用することができるが、粒子の場
合、平均粒径が１０ｕＩＩ１以下のものを使用するのが
よい。

本発明で適用可能な強化材のセラミックとしては、具体
的にはＴｉｃやＺｒＣがある。

基地を形成するアルミ材としては、純Ｎや各種Ｎ合金、
例えば６０６１材などＪＩＳ６０００番代合金、２０２
４材などＪ　Ｉ　Ｓ２０００番代合金、７０７５材など
ＪＩＳ７０００番代合金を使用することができる。

尚、Ｎ合金の種類に応じて、複合材に押出しや圧延等の
塑性加工を施した後、適宜の時効強化熱処理を施すこと
は勿論である。

（作　用） セラミック強化材をアルミ溶湯中に混入するためには、
まず強化材をアルミ溶湯に濡らす必要がある。強化材が
アルミ溶湯に濡れるためには、強化材の表面エネルギー
が大きく、強化材とアルミ溶湯との界面エネルギーが小
さく、アルミ溶湯の表面エネルギーが小さいことが望ま
しい。その中でも界面エネルギーが支配的で、界面エネ
ルギーを小さくすることが最も重要である．また、界面
エネルギーが小さいとアルミ溶湯中で強化材は凝集する
ことな《均一に分散する。このため、本発明ではセラミ
ック強化材として界面エネルギーを下げる効果のあるも
のを使用する。ＴｉＣやＺｒＣは、アルミと反応して、
これらのセラミック強化材とアルミ溶湯との界面にＡｔ
　−　Ｔ　ｉ系、ＡＩ　−　Ｚ　ｒ系の反応生成層を形
成するため、界面エネルギーを下げる効果がある。

一方、セラミック強化材とアルミ溶湯が過度に反応する
と反応生成層のためアルミ溶湯の粘度が高くなり、混合
中に気泡を巻き込んで材料中にボアを生成させたり、鋳
造性が悪くなるなどの問題が生じる。また、界面に過度
の反応生成層が生じると材料の強度、靭性が損なわれる
。このような問題を解決するためには標準生成自由エネ
ルギーが−１５０ＫＪ／ｇ−ａｔｏｍＣ以下の安定なセ
ラミックを用いる必要がある。ＴｉＣやＺｒＣは係る条
件をも充足するものであり、本発明のセラミック強化材
として好適である。

セラミック強化材の大きさは、一般的に粒径が大きい程
、分散性が良好となるが、複合材としての強度や弾性率
等の機械的性質が低下し、また、鋳造後の圧延や押出等
の望性加工が困難となる。

機械的性質および加工性を良好にするには平均粒径を１
０ｕＩＩ１以下にしておくのがよい。尚、・本発明に適
するセラミック強化材は上記の通り、溶湯との界面エネ
ルギーを下げる効果を有するため、小径のものを使用し
ても分散性が悪化することもない。

（実施例） 実施例Ａ （１）アルゴンガス雰囲気で７００゜Ｃに溶解した純Ｎ
溶湯に第１表に示した各種セラミック強化材（粒子）を
２５ｒｐｍの回転速度で攪拌混入した。

同表中、ＮＣＬ１〜５が実施例、Ｎα６〜１０が比較例
である． （２）凝固後の複合材における強化材の分散状態および
ボア率（％）を調べた．その結果を同表に併せて示す． 第１表 （３）第１表より、強化材としてＺｒＣ　，　Ｔｉｃを
用いた試料ｋｌ−＝５　　（実施例）は、強化材を多量
に混入したにも拘らず、混入に要する時間がＮｂＣＳｉ
ＣＳＷＣを用いたＮａ６〜１０　（比較例）に比べて著
し《短かく、また平均粒径が１μｍの場合でも、粒子が
アルミ溶湯中で凝集することもなく、分散状態も極めて
良好であった。これに対して、ＳｉＣを用いた比較例の
ＮＯ．８および９の場合、平均粒径が１０〜２０μｍで
も分散状態は悪かった。

実施例Ｂ （１）窒素ガス雰囲気中で、７００゜Ｃに保持した２０
２４アルミ合金溶湯を攪はんしながら平均粒子径１μｍ
のＴｉＣ粒子を体積率で２０％添加した。添加混入に要
した時間は６８ｓｅｃであった。

（２）得られた複合材の断面を観察したとこ今、ＴｉＣ
粒子は２０２４アルミ基地中に均一に分散しており、ボ
アの存在も認められなかった。その光学顕微鏡観察によ
る組織写真を第１図に示す。また、引張強度等を測定し
た結果を下記に示す。

比較のため、２０２４材の値を併記する。

実施例　　　２０２４材 引張強度（ｋｇｆ／酎”）　　　　５７　　　　　　４
８弾性率　ＣＫｇｆ／閣”）　　　１０８００　　　　
　７０００（３）比較のため同一条件でＳｉＣ粒子を添
加したが、体積率で３％程度の添加が限度で、しかも粒
子の凝集およびボアが多数存在した。引張強度等を測定
した結果、下記の通りであった。

引張強度（ｋｇｆ／ｍｆｆ＋”）　　　　２７弾性率　
（ｋｇｆ／ｍｉｄ”）　　　６５００上記測定結果より
、実施例は当該比較例に比べて機械的性質が著しく優れ
る。

実施例Ｃ 大気中で７２０゜Ｃで溶解した６０６１アルミ合金を攪
はんしながら平均粒子径５μｍのＺｒＣ粒子を添加した
ところ４　ｗｉｎで体積率１５％の粒子を混入すること
ができた．得られた複合材における強化材粒子の分散状
態も良好であった。

（発明の効果） 以上説明した通り、本発明のセラミック強化アルミ基複
合材料の製造方法は、セラミック強化材としてＴｉＣや
ＺｒＣ等の標準生成自由エネルギーが１５０ＫＪ／ｇ−
ａｔｏｍＣ以下でかつ界面エネルギーを下げる効果のあ
るものを使用するので、アルミ溶湯が液相線温度以上の
温度で溶融していても、その中に容易に混入することが
でき、しかもアルミ溶湯の粘度が高くならないため、複
合材中にボアが生じることもなく、品質良好なセラミッ
ク強化アルミ基複合材料を容易に製造することができ、
経済性に優れる。

更に、本発明によれば、セラミック強化材として平均粒
径が１０μｍ以下のものでも容易にアルミ溶湯に混入さ
せることができ、機械的性質および加工性に優れた複合
材を安価に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例に係るセラミック強化アルミ基複合材料
の組織写真を示す。 特　許　出　願　人　　株式会社神戸製鋼所２ｐｍ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）液相線温度以上の温度で溶融したＡｌ又はＡｌ合
   金溶湯に標準生成自由エネルギーが−１５０ＫＪ／ｇ−
   ａｔｏｍＣ以下でかつ界面エネルギーを下げる効果のあ
   るセラミック強化材を混入することを特徴とするセラミ
   ック強化アルミ基複合材料の製造方法。
2. （２）セラミック強化材の平均粒径が１０μｍ以下であ
   る請求項（１）のセラミック強化アルミ基複合材料の製
   造方法。
3. （３）セラミック強化材がＴｉＣ又はＺｒＣである請求
   項（１）のセラミック強化アルミ基複合材料の製造方法
   。