JPH04231168A - 金属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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属基複合材料の製造
方法に関するもので、さらに詳しくは、少なくとも表面
部に金属マトリックスに粒子を分散させた特性向上層を
有する金属複合材料を鋳造法により製造する方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、セラミックスや金属の粒子を
マトリックス中に分散させた金属複合材料の製造方法と
しては、金属の溶湯中で前記粒子を攪拌・混合させて金
属複合材料を製造するコンポキャスティング法が知られ
ている。この方法は、金属溶湯中に前記粒子を均一に分
散さることにより、均質な金属複合材料を鋳造すること
を目的としている。

【０００３】この従来のコンポキャスティング法は、マ
トリックスとなる金属を固相率で０．４〜０．５の半溶
融状態とし、前記粒子の添加・攪拌を行う。このとき、
粘性の高い半溶融状態の溶湯を用いることにより、該粒
子は溶湯中に機械的に攪拌・混合される。これより、液
相状態の溶湯を用いた場合と異なり、溶湯と前記粒子と
の濡れ性を向上させるために用いる添加剤を必要とせず
、マトリックスとして任意の組成を選択することができ
る。

【０００４】次いで、攪拌後、前記粒子が均一に分散し
た溶湯を半溶融状態のままで加圧鋳造する。この従来法
では、該粒子が分散した溶湯が半溶融状態のままである
ため、該粒子が、溶湯の粘性によって、マトリックスと
前記粒子の比重差に伴う沈降や浮上をすることなく鋳造
することができる。また、本従来法では、加圧鋳造する
ことにより、攪拌の際に溶湯に巻き込まれたガス欠陥が
押しつぶされ、前記粒子がマトリックス中に均一に分散
した健全で均質な金属複合材料を得ることが可能となる
。

【０００５】しかしながらこの従来法では、前記粒子を
鋳物全体に均一に分散させる鋳造方法であるため、必要
な部分以外の部分にも粒子を配設することになり、高価
な前記粒子が多量に必要とされるという問題がある。例
えば、前記粒子が金属マトリックス中に分散した表面層
を有する耐摩耗材をこのコンポキャスティング法により
製造する場合、表面層を構成するのに必要な粒子の数倍
の粒子が必要となり、コスト高となる。また、溶湯中へ
の前記粒子の攪拌・混合を容易にし、均一分散を促進す
るために、金属溶湯の固相率を０．４〜０．５の狭い範
囲内に制御する必要がある。この制御のために温度制御
装置が必要となるが、大掛かりな装置となるためコスト
高となり、また、マトリックス組成によっては制御が不
可能な場合があるという問題を有している。さらに、半
溶融溶湯を鋳造するため、溶湯の粘性が高く、薄物や形
状の複雑な鋳物の鋳造には不適であるという問題を有し
ている。

【０００６】そこで、本発明者らは、上述の如き従来技
術の問題点を解決すべく鋭意研究し、各種の系統的実験
を重ねた結果、本発明を成すに至ったものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】（発明の目的）本発明
の目的は、鋳造法により表面層の必要な部位に金属マト
リックスの特性を向上させる粒子を分散させた金属基複
合材料を製造する方法を提供するにある。

【０００８】本発明者らは、上述の従来技術の問題に関
し、以下のことに着眼した。すなわち、先ず、金属複合
材料の必要な部分のみに特性向上粒子を分散させること
により、少量の粒子添加量で充分な特性を付与すること
ができるため、溶湯中に分散する特性向上粒子を一部分
に集めることを考えた。そこで、粒子攪拌中に溶湯中に
巻き込まれるガスに着目し、溶湯中のガスが粒子に吸着
され易いことを見い出した。そして、過剰に巻き込ませ
たガスを特性向上粒子に吸着させ、これより該粒子を浮
上させて溶湯上部に集め、溶湯を、粒子を含んだ溶湯と
粒子を含まない溶湯に分離させることに着眼した。そし
て、前記粒子を含む上部層が粒子を含まない下部層に比
べて著しく粘性が高いという流動性の違いを利用するこ
とにより、加圧鋳造法により容易に表面層のみに粒子を
分散させた金属基複合材料を製造することを実現でき、
本発明を成すに至った。

【０００９】〔第１発明の説明〕

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１発明の構成本第１発
明の金属複合材料の製造方法は、表面にマトリックスと
しての金属と該マトリックス中に分散させた粒子とから
なる特性向上層を有する金属基複合材料の製造方法であ
って、マトリックスとなる金属を加熱して固相率で０．
２〜０．４の半溶融状態にし、該金属溶湯に特性向上粒
子を添加するとともに少なくとも溶湯の湯面に渦が生じ
る程度の高速度で攪拌する攪拌工程と、前記攪拌した溶
湯を加熱して液相状態とし、前記攪拌工程で攪拌中に溶
湯内に巻き込まれたガスを前記粒子に吸着させるととも
に該ガスを吸着した粒子を溶湯上部に浮上させる加熱工
程と、前記加熱工程により得られた溶湯を鋳造装置に注
湯し、低速度で加圧鋳造する鋳造工程と、からなること
を特徴とする。

【００１１】

【作用】本第１発明の金属基複合材料の製造方法が優れ
た効果を発揮するメカニズムについては、未だ必ずしも
明らかではないが、次のように考えられる。

【００１２】すなわち、先ず攪拌工程において、マトリ
ックスとなる金属を加熱して固相率で０．２〜０．４の
半溶融状態にすることにより、固相率が比較的小さくて
よく溶湯温度の制御が容易となるとともに、攪拌も容易
に行うことができる。また、該金属溶湯に特性向上粒子
を添加するとともに少なくとも溶湯の湯面に渦が生じる
程度の高速度で攪拌することにより、溶湯中に過剰のガ
スが巻き込まれ、粒子が浮上するのに必要な量のガスを
溶湯中に混入させることができる。

【００１３】次に、加熱工程において、前記攪拌した溶
湯を加熱して液相状態とする。このとき、粒子は浮上す
るに必要な量のガスを吸着し、該粒子が溶湯の上部に浮
上する。これより、金属溶湯は、粒子を含む上部層と粒
子を含まない下部層の二層に分離される。この二層の溶
湯は、粒子を含む上部層が下部層に比べて著しく粘性が
高く、すなわち流動性がよくないという特徴を有する。

【００１４】次に、鋳造工程において、前記加熱工程に
より得られた二層に分離した溶湯を鋳造装置に注湯し低
速度で加圧鋳造すると、乱流が生じることがなく鋳造が
可能となる。また、このとき上部層が先にキャビティ内
に入いるが流動性が悪いためにキャビティ面に取り残さ
れ、流動性のよい下部層が優先的に鋳物の中心部となる
部分を充填することになる。また、充填後、加圧される
ことにより、巻き込まれたガス欠陥は押しつぶされ、こ
れより、表面の所定部に特性向上粒子を分散した層を有
する健全な鋳物からなる金属基複合材料を製造すること
ができるものと考えられる。

【００１５】

【発明の効果】本発明の金属基複合材料の製造方法によ
り、表面層の必要な部位に特性向上粒子を分散させた金
属基複合材料を製造することができる。

【００１６】〔第２発明の説明〕以下に、前記第１発明
をさらに具体的にした第２発明について説明する。

【００１７】本発明の金属基複合材料の製造方法は、表
面にマトリックスとしての金属と該マトリックス中に分
散させた粒子とからなる特性向上層を有する金属基複合
材料の製造方法であって、先ず、マトリックスとなる金
属を加熱して固相率で０．２〜０．４の半溶融状態にし
、該金属溶湯に特性向上粒子を添加するとともに少なく
とも溶湯の湯面に渦が生じる程度の高速度で攪拌する（
攪拌工程）。

【００１８】先ず、マトリックスとなる金属を加熱して
固相率で０．２〜０．４の半溶融状態にする。本発明に
おいて用いるマトリックスとしての金属は、一般に鋳造
法が適用できるものであれば本発明に適用することがで
き、特に限定されるものではない。具体的には、アルミ
ニウム合金、マグネシウム合金、亜鉛合金、鋳鉄などが
挙げられる。また、マトリックスとなる金属溶湯の固相
率は、０．２〜０．４である。このようにすることによ
り、金属溶湯中へ巻き込むガスの量、および該ガスの溶
解量が適当であり、また溶湯の攪拌が容易となる。なお
、固相率が高すぎると巻き込むガスの量、および溶湯中
へのガスの溶解量が減り、粒子が浮上しにくくなるので
適当ではない。なお、該固相率が、０．３〜０．４であ
る場合は、粒子を機械的に混合するのに必要な粘性が得
られやすく、かつガスの巻き込み及び溶湯への溶解がよ
り十分に行われるのにより適正な固相率であるので好ま
しい。

【００１９】このとき、金属溶湯中への前記粒子の攪拌
・混入を容易にするために、金属溶湯を液相線以下の一
定の温度に保ち、半溶融状態とする。これより粘性が向
上し、粒子は機械的に攪拌・混合される。なお、金属溶
湯と粒子の濡れを促進させる元素を混合することにより
、混合がより容易となるので好ましい。このような濡れ
促進元素としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム
（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）などが挙げられる。

【００２０】次いで、この金属溶湯を攪拌しながら、必
要とする特性を有する特性向上粒子を溶湯上部より添加
する。特性向上粒子は、マトリックス金属に対して付加
したい性質を付与することができるセラミックスまたは
金属の粒子である。具体的には、セラミックス粒子とし
ては、各種の炭化物、酸化物、窒化物、硫化物の粒子な
どが挙げられる。また、マトリックス金属の表面に耐摩
耗性を有する層を形成したい場合には、炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）
、炭化クロム（ＣｒＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）等の各
種金属炭化物、窒化珪素（Ｓｉ３　Ｎ４　）、窒化チタ
ン（ＴｉＮ）などが、また潤滑性を付与したい場合には
、炭素（Ｃ）、窒化硼素（ＢＮ）、硫化モリブデン（Ｍ
ｏＳ２　）などが挙げられる。

【００２１】ここで、溶湯と粒子の密度差に留意する必
要がある。溶湯より密度の大きい粒子を混合する場合は
、粒子が溶湯に巻き込まれるガスを吸着し易いように、
粒子径の小さいものを用いることが好ましい。小さい粒
子ほど浮上し易く、粒子径の大きなものほど比重差によ
り沈降し易くなる。該粒子の粒径および形状は、必要と
する特性にあわせて適宜選択する。なお、該粒子の粒径
は、混合の容易さ、分散性などから数μｍ〜１００μｍ
程度であることが好ましい。また、該粒子の形状は、ガ
スの吸着が容易であるような形状、あるいは多孔質なも
のなどであることが好ましい。また、マトリックス金属
との組合せは、所定の複合材料が得られるものが適宜選
択されるが、特に、混合を容易にすることから、濡れ性
の良い組合せや、粒子の浮上をよくするため粒子の密度
が溶湯密度に比べてあまり大きくない組合せであること
が好ましい。なお、前記の金属溶湯の固相率を０．２〜
０．４の半溶融状態に調製するときに、併せて前記粒子
を添加し、さらに攪拌してもよい。

【００２２】また、粒子に予熱等の前処理は特に必要は
ないが、凝集等が発生する場合は、できるだけ分散性を
よくした状態で添加することが好ましく、必要により前
処理等を施す。また、溶湯に対して濡れ性のよい粒子を
用いた場合は、金属溶湯と粒子との混合を容易にするの
で好ましい。

【００２３】次いで、前記粒子を添加した溶湯を、少な
くとも溶湯の湯面に渦が生じる程度の高速度で一定時間
攪拌する。この際、攪拌速度は、湯面が波立ち渦の生じ
る程度である。これより、溶湯中に充分にガスを取り込
むことができ、前記粒子を浮上させることが可能となる
。従って、攪拌速度が大きければ攪拌時間は短くてよく
、逆に攪拌速度が小さい場合は攪拌時間を長くする必要
がある。また、前記溶湯の固相率が小さいほど、溶湯中
へのガスの取込みが容易であり、マトリックス中への粒
子の混合が可能な範囲で攪拌時間は短くてよい。

【００２４】次に、前記攪拌した溶湯を加熱して液相状
態とし、前記攪拌工程で攪拌中に溶湯内に巻き込まれた
ガスを前記粒子に吸着させるとともに該ガスを吸着した
粒子を溶湯上部に浮上させる（加熱工程）。すなわち、
先ず、前記攪拌した溶湯を加熱昇温し、溶湯の粘性を下
げて溶湯中での粒子の移動を可能にするとともに、鋳造
性を向上させるために溶湯を液相状態とする。なお、こ
の時、充分な流動性、鋳造性を得るためには、液相線温
度＋５０℃以上とすることが好ましい。

【００２５】溶湯が液相状態になるに従い、前記攪拌工
程で攪拌中に溶湯内に巻き込まれたガスが前記粒子に充
分に吸着されるとともに該ガスを吸着した粒子が溶湯上
部に浮上する。すなわち、攪拌時に溶湯中に巻き込まれ
たガスは溶湯中で過飽和となり、混合した粒子表面で優
先的に吸着ガスとなる。充分にガスを吸着した粒子は、
加熱により溶湯の粘性が低下すると、浮力をうけ、溶湯
上部に集まってくる。ガスを吸着した粒子が浮上するた
めには、粒子の比重が溶湯の比重より小さくなければな
らず、そのため密度の大きな粒子を用いる場合、ガスの
吸着が容易となるように表面積の大きくなるような形状
又は粒径の小さいものを用いることが好ましい。また、
加熱時に攪拌を行うことにより、ガスの巻き込みや吸着
を促進することができるので、好ましい。

【００２６】次に、前記加熱工程により得られた溶湯を
、竪型鋳造基等の加圧鋳造装置に、スリーブ内で溶湯の
分離が速やかに行われれるように静かに注湯し、乱流が
生じない程度の低速度で加圧鋳造する（鋳造工程）。

【００２７】この時用いる鋳造装置は、上部の溶湯が先
にキャビティ内に入るような装置を用いる。また、鋳造
は、乱流の生じない程度の低速充填で行う。この時、ゲ
ートとして湯道を絞るような場合は、乱流が生じ易くな
るとともに圧力の伝播を妨げ、加圧による巻き込み欠陥
の消失を妨げることになるので好ましくない。乱流を生
じさせるとスリーブ内で分離した溶湯が、再び攪拌・混
合されるので、目的とする複合材料が得られなくなる。 また、低速で充填することにより、スリーブ内で粒子を
含む上部溶湯は先にキャビティ内に侵入するが、流動性
が相対的に悪いので、キャビティ面に取り残されるよう
にして充填される。そして、後からキャビティ内に侵入
する流動性のよい下部溶湯が、鋳物の中心部を優先的に
充填する。この後、加圧により巻き込まれたガス欠陥は
押しつぶされる。これより、表面に粒子の分散した特性
向上層を有する健全な金属基複合材料を得ることができ
る。図１に、得られた金属基複合材料を概念的に表した
断面図を示す。この金属基複合材料１０は、金属マトリ
ックス１１と、該マトリックス１１の表面部に形成され
、該マトリックス１１に特性向上粒子１２を分散させた
特性向上層１３とからなる。

【００２８】本発明の金属基複合材料の製造方法を適用
することにより、表面の必要な部分に特殊機能を有する
部品を容易に製造することができる。また、高価な粒子
の添加量を減らすことができ、少量の粒子でも従来法で
得られた複合材料と同等、あるいはそれ以上の特性を有
する複合材料を、通常の複合材料に比べて安価に製造す
ることができる。また、粒子の添加量が少量であるため
、攪拌時の固相率が低くできるので、溶湯温度の制御が
容易である。また、液相状態で鋳造するため、鋳造性が
よく、均一に分散させた複合材料の鋳造時のように、鋳
造時直前までの攪拌は必要がない。

【００２９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。

【００３０】第１実施例

【００３１】マトリックスとしてＡＣ４Ｂ合金を、硬質
粒子としてＳｉＣ粒子を用い、金属基複合材料を製造し
、性能評価試験を行った。

【００３２】先ず、マトリックス原料として、ＡＣ４Ｂ
合金（Ａｌ−３Ｃｕ−９Ｓｉ合金：溶湯密度約２．５ｇ
／ｃｍ３　）を用意した。

【００３３】次いで、図２に示した金属基複合材料製造
用攪拌装置２０のるつぼ２１にこの合金を投入後、温度
制御をしながら加熱溶解して、同図２に示すモータ２７
に連動した攪拌子２６により回転速度４００　ｒ．ｐ．
ｍ．　で攪拌しながら、固相率が０．３の半溶融溶湯２
３とした。続けて攪拌しながら、耐摩耗性向上のための
硬質粒子として粒径２０μｍのＳｉＣ粒子（密度３．２
ｇ／ｃｍ３　）２５を溶湯中の含有量が５重量％となる
ようにろうと２４を用いて添加した。この状態でさらに
１時間の攪拌を行った。

【００３４】攪拌後、この溶湯を液相線温度＋５０℃ま
で加熱昇温し、図３に示す竪型鋳造機３０のスリーブ３
６内に注湯して加圧鋳造した。このとき、プランジャー
３５の速度は０．２ｍ／ｓ、加圧力は２８０ｋｇ／ｃｍ
２　で行った。なお、同図中、３１は金型、３２はキャ
ビティ、３３は粒子を含む溶湯、３４は粒子を含まない
溶湯をそれぞれ示す。これより、粒子を含む部分４１と
粒子を含まない部分４２とからなる製品部４３と、ビス
ケット部４４とからなる板状鋳物４０が得られた。この
板状鋳物の中央縦断面図を図４に示す。

【００３５】得られた板状鋳物は、表面部近傍のＳｉＣ
の体積率が０．２〜０．３、中心部ではＳｉＣ粒子はほ
とんど見られず、表面にのみＳｉＣ粒子を分散させた特
性向上層を有する板状の鋳物であった。

【００３６】この板状鋳物の性能評価試験を、摩擦摩耗
試験により行った。その結果、表面層は、鋳鉄並の耐摩
耗性が得られ、従来法のコンポキャスティング法により
硬質粒子を２０重量％添加した鋳物と同等の耐摩耗性を
得られていた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法により得られた金属基複合材
料の一例を概念的に示す断面図である。

【図２】第１実施例において用いた攪拌装置を模式的に
示した断面図である。

【図３】第１実施例において用いた竪型鋳造機を模式的
に示した断面図である。

【図４】第１実施例で得られた金属基複合材料の縦断面
図である。

【符号の説明】

１０　　金属基複合材料 １１　　金属マトリックス １２　　特性向上粒子 １３　　特性向上層 ２０　　攪拌装置 ２１　　るつぼ ２２　　炉 ２３　　金属溶湯 ２４　　ろうと２５　　特性向上粒子 ２６　　攪拌子 ２７　　モータ ２８　　熱電対 ４０　　板状鋳物 ４１　　粒子を含む部分 ４２　　粒子を含まない部分

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　表面にマトリックスとしての金属と該
   マトリックス中に分散させた粒子とからなる特性向上層
   を有する金属基複合材料の製造方法であって、マトリッ
   クスとなる金属を加熱して固相率で０．２〜０．４の半
   溶融状態にし、該金属溶湯に特性向上粒子を添加すると
   ともに少なくとも溶湯の湯面に渦が生じる程度の高速度
   で攪拌する攪拌工程と、前記攪拌した溶湯を加熱して液
   相状態とし、前記攪拌工程で攪拌中に溶湯内に巻き込ま
   れたガスを前記粒子に吸着させるとともに該ガスを吸着
   した粒子を溶湯上部に浮上させる加熱工程と、前記加熱
   工程により得られた溶湯を鋳造装置に注湯し、低速度で
   加圧鋳造する鋳造工程と、からなることを特徴とする金
   属基複合材料の製造方法。