JPH03122201A - アルミニウム系複合粉末成形材とその製法 - 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、比較的大きな粒径範囲にあるアルミニウム系
マトリックス粉末の粒子内部にセラミックスの強化材粉
末が均一分散した混合組織を有するアルミニウム系複合
粉末の成形材とその製法に関する。

［従来の技術］ アルミニウムまたはその合金などの軽金属は構造物の軽
量化が図れる点に有利性があることから従来から広い分
野で汎用されているが、用途の多様化が進むにつれて耐
熱性、耐磨耗性および機械的強度等の改善要求が強まっ
ている。例えば、航空機、自動車などの輸送機器には軽
量で高強度の材料が切望されており、また内燃機関用の
コンロッドあるいはピストン等に対しては軽くて耐磨耗
性、弾性係数などが高レベルにある材料の開発が期待さ
れている。

このような背景から、近年、アルミニウム系金属に各種
の金属やセラミックスを複合化して特性改善する研究が
盛んにおこなわれている。このうち、粉体素材を複合化
する方法においては、素材間の均一化と粒子同士の接触
面積を増加させることが不可欠な要素となることから、
材料を可及的に微細にして粒子相互の分散を容易にする
方向に多大の関心が向けられてきた。ところが、粉体は
微粒子化が進行するに従って流動性が減退して凝集し易
くなり、寧ろ一次粒子間の相互分散が困難となって均一
な混合状態に到達し難くなる結果を招来する。そのうえ
、微粒子の層は複合化に必要な変形や摩擦発熱等を付与
するための外力（圧縮、剪断など）の伝達を大幅に減衰
緩和する挙動を示す関係で、混合装置に特別な工夫や掻
作条件の選択が必要になるケースが多（なる。

〔発明が解決しようとする課題〕

近時、粉体素材の複合化するための新しい手法としてメ
カニカルアロイング（ＭＡ）法が注目されている。しか
しながら、この方法による場合には処理に長時間を要す
るうえに、十分に満足する分散混合が得られるに至って
いない。

本発明者らは、従来技術とは観点を異にし、結晶サイズ
と形状を制御したアルミニウム系の超塑性粒子をマトリ
ックス材料とすると、比較的大粒径範囲の粉体において
も一粒子内部まで強化材粉末が均一分散した混合組織が
得られる事実をｌＩＩ認して本発明の開発に至ったもの
である。

したがって、本発明の目的は、取扱いの容易な粒径のマ
トリックス粉末を用いた極めて均一な分散混合状態を有
する組織のアルミニウム系複合粉末成形材とその製法を
提供するところにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明によるアルミニウム
系複合粉末成形材は、アルミニウムまたはアルミニウム
合金粉末の結晶粒界にセラミックス粒子が分散、充填し
た混合組織を有することを構成上の特徴とするものであ
る。

本発明の混合組織を構成するマトリックス材料は、純ア
ルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする組成の
各種合金からなる粉体である。また、強化材となるセラ
ミックス粒子としては、例えばＡｈＯ＋　、ＹｔＯｓ、
ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＯＮのような酸化物系、炭化物系
、窒化物系などの粉末もしくはウィスカーが使用される
。

マトリックス粉末の結晶粒界に強化材セラミックス粒子
が分散介入した組織とは、混合後におけるマトリックス
粉末の結晶サイズおよび形状には変化がないが結晶粒界
に強化材粒子が入り込んでおり、しかもマトリックス粒
子の個別粒子の中心部まで強化材粒子が均一に分布して
いる組織状態を指す。

上記の組織状態は、マトリックスとなるアルミニウムま
たはアルミニウム合金粉末に対するセラミックス粒子の
混合割合が、体積率（Ｖｆ）で０．５〜５０％の範囲に
ある場合に効率よく形成される。

このような特異な混合組織を備えるアルミニウム系複合
粉末成形材は、平均粒径１〜１０００μｍ、平均結晶粒
径０．１〜２５μＩの粒子性状を有するアルミニウムま
たはアルミニウム合金の粉末と、平均粒径Ｏ，ＯＳ〜２
５μｍのセラミックス粒子とを不活性雰囲気中、高速剪
断条件下で混合する方法によって製造される。

上記構成のとおり本発明によるアルミニウム系複合粉末
の製法においては、アルミニウムまたはアルミニウム合
金からなるマトリックス粉末の平均粒径を１〜１０００
μｌの比較的大粒径範囲に設定することができるが、平
均粒径が１μｍを下潮ると結晶粒界が少なくなり、１０
００μ鋼を越えると強化材粒子をマトリックス粉末の中
心部まで分散介入させるために長時間を要するようにな
っていずれも効果の円滑な遂行が困難となる。また、マ
トリックス粉末は平均結晶粒径を０．１〜２５μｍの範
囲に調整することが好適である。この理由は平均結晶粒
径が°０．１μｍ未満の粉末を作製することは著しく困
難であり、２５μｍを越えると粒界での変形が生じにく
くなるからである。

強化材となるセラミックス粒子は、平均粒径０゜０５〜
２５μｍのものを使用することが必要で、これが０．０
５μｍ未満では粒子が凝集化し、２５μ踵を上潮るとマ
トリックス粉末の結晶粒界に分散介入し難くなる。

上記の特定された粒子結晶性状を有する粉体素材は、マ
トリックス粉末に対するセラミックス粒子の混合割合が
体積率（Ｖｆ）で０．５〜５０％になるように配合した
のち予備混合し、ついでＡｒ　、　Ｈｅ等の不活性雰囲
気に保持されたミル中で高速剪断条件下で混合する。こ
の際、マトリックス粉末を外部からの加熱あるいは混合
時の摩擦熱等により混合系内をマトリックス金属の融点
（Ｔｍ）の１／２（０，５７ｍ）以上の温度に保持する
ことが望ましい。

このようにして製造されたアルミニウム系複合粉末成形
材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金粉末の結晶
粒界にセラミックス粒子が分散介入した独特の混合組織
を呈しており、常法により押出、鍛造、圧延等の成形処
理を施すことによって軽量で引張強度、耐摩耗性に優れ
た高性能の複合材料に転化する。

〔作　用〕

本発明に用いる特定の粒径ならびに結晶性状を有するア
ルミニウムまたはアルミニウム合金は、高温度、低歪み
速度、低流動応力等を伴う条件下で非常に大きな伸びを
示す超塑性材料であり、この現象が巧みに機能して外力
による素材の引き伸し、折り畳み、細分化などの過程を
経ずに、はぼ原形を保ったままで結晶粒の粒回転やわ界
すべりまでの粒界変形のみによって粒子の表面からセラ
ミックス微粒子が内部まで分散、充填する組織を形成す
る作用をなす。

上記のｍ織形成は本発明の製法条件を満たすことによっ
て円滑にもたらされるが、この複合過程の概念的機構を
を模式的に示すと第１図のようになる。まず、混合の初
期段階においてマトリックス粒子１全体が加熱されると
ともに表面にセラミ・ンクス微粒子２が付着する［第１
図（ア）］。ついで粒子同士の間欠的な接触で、局部的
に短時間だけ超塑性を発現するような発熱が生して、超
塑性状態で緩んだ結晶粒界にセラミックス微粒子２が取
り込まれる〔第１図（イ）〕。引き続きマトリックス粒
子１が高速剪断を受けると、自転しながら全体的に超塑
性を起こす温度および歪みの条件を満たして結晶粒界が
滑りやすい状態となり〔第１図（つ）〕、外力による変
形でセラミックス微粒子２がマトリックス粒子の結晶界
面に沿って内部に移動し、最終的に均一に分散、充填す
る〔第１図（１）〕。

これに対し、マトリックス粉末の平均粒径が１μ罹未満
の場合には内部の結晶サイズが同じであっても温度変化
の特徴が現れず、内部にセラミックス微粒子が分散介入
しない、この理由は、マトリックス粉末が小粒子になる
ほど粉体層の加えられた外力の伝達が緩和されて、摩擦
熱の発生や歪み応力が不十分になり易いことが挙げられ
る。これ以外に可能性のある重要な原因として、超塑性
発現のための結晶粒の数が考えられる。すなわち、１粒
子内にある程度以上の結晶粒がまとまらないと複合化に
有効な変形と微粒子を結晶粒界に沿って取り込んで内部
に移動させる作用が現れないものと考えられる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

実施例１ マトリックス粉末として２０９０アルミニウム合金Ｈｅ
ガスアトマイズ粉末を作製し、粒径１４９〜２１０μｍ
に分級した。この粉末の平均結晶粒径は１０μｍであっ
た。強化材となるセラミックス粒子として平均粒径約２
μｍのα−３ｉＣ粉末を用い、マトリックス粉末に対し
て体積率（Ｖｆ）　５％の割合で配合し予備混合した。

混合粉末を高速剪断ミルに投入し、回転速度１０ｒｐｓ
で１時間ｔＲ合した。

この際の混合温度は、０．８７ｍであった。

第２図は得られた複合粉末の粒表面のＳＥＭ写真、第３
図は粒子断面のＳＥＭ写真である。第２図から複合粉末
の粒子外観はマトリックス粉末と同じであるが、第３図
の断面観察により結晶粒界にＳｉＣ粒子が均一に分散、
充填していることが確認された。

実施例２ 粒径１０５〜１４９μｍ、平均結晶粒径約１５μｍの７
４７５アルミニウム合金Ａｒガスアトマイズ粉末をマト
リックス粉末とし、これにセラミックス粒子として平均
粒径約１μ鴎のＡｆｆｉ、　Ｏ，粉末を体積率Ｃｍ　５
％の割合で混合した。混合粉末を高速剪断ミルにより、
回転速度１８ｒｐｓで３０分間処理した。この際の混合
温度は、０．７７ｍであった。

処理後の複合粉末を３２Ｍ観察したところ、粒外観は原
料の７４７５合金と同一の球形を呈しており、断面観察
ではマトリックス粉末の結晶粒界にＡ２□０３微粒子が
均一に分散、充填していることが認められた。

実施例３ マトリックス粉末として、粒径１〜２９７　μｍ、平均
結晶粒径０．５　、ｕｎのＡｌ４−８％Ｆｅ−３％５ｉ
−１％Ｖ−２％Ｃｕ−１％Ｍｇからなる組成のアルミニ
ウム合金を用い、混合温度を０．７５Ｔｏ＋にしたほか
は実施例２と同一の条件で強化材をＡ２□０、とするア
ルミニウム系複合粉末を作製した。

マトリックス粉末として粒径１〜１４９　μｍ、平均結
晶粒径０．３　ｐｍのＡＰ、−８％Ｆｅ−２％Ｓｉ１％
■からなる組成をもつアルミニウム合金を用い、セラミ
ックス粒子として平均粒径約１μｍのＹ２Ｏ，粉末を用
いた。

これらの混合粉末（ＹｚＯｚの体積率（Ｖｆ）　５％〕
を高速剪断ミルにより回転速度１８ｒｐｓで３０分間処
理（混合温度０．８Ｔｍ）　して複合粉末を作製した。

実施例５ 実施例１〜４で作製した各アルミニウム系複合粉末成形
材を直径６ｈｉ＋、厚さ２ＩＩＩＩｌｌのアルミニウム
缶に封入し、脱気したのち熱間押出して直径２０ｍｍの
押出材に成形した。押出材は全てＴ６処理を施したのち
、混合分散度、引張強度および磨耗量を測定した。結果
を表１に示した。

なお、混合分散度の測定は、押出材の断面写真について
下式により算出した（Ｎ−２０）。

実施例４ （Ｎ：測定数、Ｘ：粒子間距離、又：平均粒子間距離、
７：平均粒子） また、磨耗試験方法はピンディスク法によりおこない、
マトリックス粉末を１とした場合の指数を磨耗量として
示した。

表１ 実施例１〜４によるアルミニウム系複合粉末成形材を用
いた押出材は、いずれも優れた混合分散度、引張強度お
よび耐磨耗性能を示すものであった。

〔発明の効果］ 以上のとおり、本発明によればアルミニウム系マトリッ
クス粉末の結晶界面に沿ってセラミックス強化材微粒子
が均一に分散、充填した混合組織を有するアルミニウム
系複合粉末成形材が提供されるから、これを押出、鍛造
、圧延などの方法で成形することにより軽量で高強度、
耐磨耗性が要求される用途部材として極めて有用である
。

また、本発明による製法の構成は、マトリックス素材を
予め微細化してその周囲に微粒子を付着させ、その後に
成分の分離防止とハンドリング改善のための造粒処理を
おこなう一連の操作を一工程で処理することに相当する
。したがって、比較的取り扱いの容易な粒径のマトリッ
クス材料を用い、その組織制御と超塑性を利用すること
によって常に精密な混合分散と目的に応じた充填構造を
もつ複合材料の合理的設計が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による複合化過程の機構を示した模式図
、第２図は本発明の実施例で得られたアルミニウム系複
合粉末成形材における粒子構造の表面を示したＳＥＭ写
真、第３図は第２図と同材料における粒子構造の断面を
示したＳＥＭ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粉末の結晶粒
   界にセラミックス粒子が分散、充填した混合組織を有す
   るアルミニウム系複合粉末成形材。 ２、アルミニウムまたはアルミニウム合金粉末に対する
   セラミックス粒子の複合割合が、体積率（Ｖｆ）で０．
   ５〜５０％である請求項１記載のアルミニウム系複合粉
   末成形材。３、平均粒径１〜１０００μｍ、平均結晶粒
   径０．１〜２５μｍの粒子性状を有するアルミニウムま
   たはアルミニウム合金の粉末と、平均粒径０．０５〜２
   ５μｍのセラミックス粒子とを不活性雰囲気中、高速剪
   断条件下で混合することを特徴とするアルミニウム系複
   合粉末成形材の製法。 ４、混合時の温度をアルミニウムまたはアルミニウム合
   金の融点の１／２（０．５Ｔｍ）以上に保持する請求項
   ３記載のアルミニウム系複合粉末成形材の製法。