JPH0551650B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、金属酸化物が微細に分散された合金
に係り、更に詳細には酸化還元反応を利用してか
かる合金を製造する方法に係る。

従来の技術 金属酸化物が微細に分散された合金（複合材
料）は、従来より一般に、金属酸化物の粉末と
ベース金属の粉末とを混合し、該混合粉末を高温
度に加熱して焼結させる所謂粉末冶金法、金属
酸化物の粉末にて多孔質体を形成し、該多孔質体
にベース金属の溶湯を浸透させる方法、ベース
金属と該ベース金属よりも酸化物形成傾向の高い
金属元素とよりなる固体金属を形成し、該固体金
属の表面より固体金属内に酸素を供給することに
より、固体金属内にて前記酸化物形成傾向の高い
金属を酸化させる所謂内部酸化法等にて製造され
ている。

発明が解決しようとする問題点 上述の及びの方法に於ては、金属酸化物が
微細に分散された合金を比較的低廉に且能率良く
製造し得るが、ベース金属と金属酸化物との組合
せが相互に化学的に安定な組合せに限定されるた
め、任意の組成の合金を製造することが困難であ
り、またベース金属と金属酸化物との間の界面接
着力が不十分になり易いため、他の部材と摺動摩
擦されても金属酸化物が脱落したりすることがな
い強力な合金を製造することができないという問
題がある。特にの方法に於ては、粉末間に存在
していた空気や雰囲気ガスが焼結工程後に合金中
に残存することを完全に回避することが困難であ
るため、密度100％の合金を製造することが困難
であり、焼結工程に於て高温度への加熱及び雰囲
気の制御等が必要であるという問題がある。また
上述のの方法に於ては、ベース金属と金属酸化
物との間の界面接着力が高く、優れた特性を有す
る合金を製造し得るが、固体金属をその融点近傍
の高温度に長時間加熱しなければならないため、
合金の製造コストが高く、また合金の体積が比較
的大きい場合にはその中心部まで良好に金属酸化
物が分散された状態にすることが困難であり、更
には金属酸化物の大きさ、形状、分散状態等を制
御することが困難であるという問題がある。

尚本願出願人は特願昭58−13810号に於て、第
一の金属と該第一の金属よりも低い融点を有する
第二の金属とよりなる合金の製造方法にして、前
記第一の金属よりなる多孔質体を形成し、該多孔
質体を鋳型内に配置し、該鋳型内に前記第二の金
属の溶湯を注湯し、前記溶湯を前記多孔質体内に
浸透させることにより前記第一の金属と前記第二
の金属とを合金化させ、前記多孔質体の領域に前
記第二の金属が単独では実質的に存在しない合金
を形成することを特徴とする合金の製造方法を提
案した。この方法によれば、従来の方法によつて
は製造することができない合金をも製造すること
ができるが、この方法によつては金属酸化物が微
細に分散された合金を製造することはできない。

本発明は、金属酸化物が微細に分散された合金
を製造する従来の方法に於ける上述の如き問題に
鑑み、金属酸化物が微細に分散された任意の組成
の合金を低廉に且能率よく製造することのできる
合金の製造方法を提供することを目的としてい
る。

問題点を解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、第一の金
属と該第一の金属よりも酸化物形成傾向の高い第
二の金属とを含む合金の製造方法にして、前記第
一の金属と酸素との化合物を溶湯として準備し、
前記第二の金属を固体微細片として準備し、前記
第二の金属の固体微細片よりなる多孔質体を形成
し、前記化合物の溶湯中に前記多孔質体を浸し、
前記溶湯を加圧して該溶湯を前記多孔質体に浸透
させ、前記化合物を前記第二の金属により還元さ
せると同時に前記第二の金属を前記化合物中の酸
素にて酸化せしめることを含み、前記多孔質体に
含まれる前記第二の金属の化学当量は前記多孔質
体に浸透する前記溶湯中の前記化合物を還元させ
るに必要な化学当量よりも高いことを特徴とする
合金の製造方法によつて達成される。

発明の作用及び効果 本発明によれば、第一の金属と酸素との化合物
が溶湯として準備され、第一の金属よりも酸化物
形成傾向の高い第二の金属の固体微細片よりなる
多孔質体が形成され、該多孔質体に化合物の溶湯
が浸透せしめられ、化合物の溶湯が保有する熱に
よつて化合物と第二の金属との間の酸化還元反応
が惹起せしめられるが、多孔質体に含まれる第二
の金属の化学当量は多孔質体に浸透する溶湯中の
化合物を還元させるに必要な化学当量よりも高く
設定される。

従つて実質的に元の多孔質体内に於て全ての化
合物が還元されて第二の金属の微細な酸化物が形
成されると共に、第二の金属の一部は酸化される
ことなく残存して第一の金属と合金化されること
によりこれらよりなるベース金属が形成され、第
二の金属の酸化物及びベース金属が酸化還元反応
により発生される熱によつて加熱されるので、第
二の金属の酸化物が微細に分散され且第二の金属
の酸化物とベース金属との界面接着力が高く、し
かも第一の金属と第二の金属との合金化が良好に
行われた合金を能率良く低廉に製造することがで
き、更には必要に応じて鋳物のうち多孔質体に対
応する特定の部位のみを容易に且正確に合金化さ
せることができる。

また本発明によれば、第二の金属の固体微細片
よりなる均一な多孔質体を形成することにより、
ベース金属中に微細な第二の金属の酸化物が均一
に分散した合金を容易に製造することができ、第
二の金属の固体微細片の大きさや形状、多孔質体
中に於ける固体微細片の体積率等を変化させるこ
とにより、製造される合金中に於ける第二の金属
の酸化物の大きさ、形状、分散状態、ベース金属
に対する比率等を任意に制御することができ、ま
た化合物の溶湯と第二の金属の固体微細片との混
合物を高温度に長時間加熱することは不要である
ので、従来の内部酸化法の場合に比して遥かに能
率良く且低廉に合金を製造することができ、更に
は製造されるべき合金の体積が比較的大きい場合
にも内部まで良好に金属酸化物が分散された合金
を製造することができる。

本発明の方法に於ては、第一の金属と酸素との
化合物は第二の金属に酸素を供給しこれを酸化さ
せ得るものであれば如何なる化合物であつてもよ
く、従つて本発明の一つの詳細な特徴によれば、
前記化合物は第一の金属の酸化物又は複合酸化物
（複塩を含む）である。

本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、第二
の金属の固体微細片よりなる多孔質体はそれに化
合物の溶湯が浸透せしめられる工程に先立ち、室
温以上の温度、好ましくは溶湯を構成する金属の
融点以上の温度に予熱される。このことにより溶
湯が多孔質体に浸透せしめられる際に溶湯が多孔
質体によつて大きく冷却されることが回避され、
また多孔質体と溶湯との濡れ性が改善されるの
で、溶湯を多孔質体内に良好に且迅速に浸透させ
ることができ、これにより密度が実質的に100％
である合金を能率良く製造することができる。

尚本発明の方法に於ては、固体微細片は粉末、
不連続繊維、切粉、薄片等であつてよく、特に固
体微細片が粉末である場合には製造される合金の
組織を微細化するためには、粒径が100μ以下、
特に50μ以下であることが好ましい。また溶湯を
加圧してそれを多孔質体内に浸透させる場合に於
ては、溶湯に対する加圧は任意の方法により行わ
れてよいが、特に高圧鋳造法、ダイカスト鋳造
法、遠心鋳造法、減圧鋳造法、低圧鋳造法の如き
所謂加圧鋳造法を応用することにより行われるこ
とが好ましい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。

実施例 １ 第１図はこの実施例に於て使用された高圧鋳造
装置を示す縦断面図である。図に於て、１は鋳型
を示しており、該鋳型は多孔質体２及び溶湯３を
受入れるモールドキヤビテイ４を有している。溶
湯３はプランジヤ５により所定の圧力に加圧され
るようになつている。また図示の高圧鋳造装置は
モールドキヤビテイ４内にて凝固した凝固体を鋳
型１より取出すためのノツクアウトピン６を有し
ている。

上述の如く構成された高圧鋳造装置を用い、第
一の金属としてＢを選定し、第二の金属として
Alを選定してAl₂O₃が微細に分散されたFe−Al
−Ｂ合金を製造した。

平均粒径が25μであり純度が99.8wt％であるAl
粉末と、平均粒径が25μであり純度が99.4wt％で
あるFe粉末とを重量比にして5.4：7.9の割合にて
均一に混合し、該混合粉末を加圧力2100Kg／cm²に
て圧縮成形することにより、かさ密度2.7ｇ／c.c.、
15×15×80mmの多孔質体を形成した。次いでこの
多孔質体を真空中にて300℃に予熱した後、第１
図に示された高圧鋳造装置の200℃の鋳型１のモ
ールドキヤビテイ４内に配置した。次いでモール
ドキヤビテイ４内に湯温650℃、純度99.5wt％の
B₂O₃の溶湯３を注湯し、溶湯３をプランジヤ５
により加圧力約1500Kg／cm²にて加圧し、その加圧
状態を溶湯が完全に凝固するまで保持し、これに
より溶湯３を多孔質体２内に浸透させ、AlとB₂
O₃との間にて酸化還元反応を行わせると共にこ
れらを合金化させた。溶湯３が完全に凝固した
後、ノツクアウトピン６により鋳型１より凝固体
を取出し、該凝固体よりB₂O₃のみよりなる部分
を機械加工によつて除去することにより、Al₂O₃
が微細に分散されたFe−Al−Ｂ合金よりなる直
方体を切出した。

第２図は上述の如く製造されたFe−Al−Ｂ合
金の断面組織を100倍にて示す化学顕微鏡写真で
ある。この第２図に於て、白つぽい部分にはFe
の部分であり、灰色の部分にはFe−Al−Ｂ合金
相の部分であり、黒色の部分はAl₂O₃とＢとの混
合組織の部分である。第２図より、この実施例に
よれば、比較的均一且比較的微細な組織を有し
Al₂O₃が微細且均一に分散されたFe−Al−Ｂ合金
（マクロの組成は46.4wt％Fe，31.9wt％Al，
6.8wt％Ｂ，14.9wt％Ｏ，Al₂O₃含有率は31.8wt
％）を製造することができることが解る。また上
述の如く製造されたFe−Al−Ｂ合金について
EPMA分析及びＸ線回折試験を行つたところ、
溶湯を構成するB₂O₃は多孔質体中のAlによつて
還元されており、得られた合金組織中にはFe−
Al−Ｂ合金相部分と、AlがB₂O₃の酸素により酸
化されることにより形成され前記合金相部分中に
微細且均一に分散されたAl₂O₃とが存在している
ことが認められた。またこの合金は高い耐熱性又
は耐摩耗性を有することが認められた。

尚具体的実施例としては示されていないが、
Ti粉末を含む多孔質体が使用された場合にもTi
とB₂O₃との間に於て酸化還元反応が生じ、Al₂O₃
が微細に分散された合金が得られ、この合金も高
い耐熱性及び耐摩耗性を有することが認められ
た。

実施例 ２ まず平均粒径が10μであり純度が99wt％である
Ti粉末と、平均粒径が25μであり純度が99.7wt％
であるNi粉末とが重量比にして9.1：8.9の割合に
て均一に混合され、該混合粉末が加圧力1100Kg／
cm²にて圧縮成形され、かくして得られたかさ密度
3.6ｇ／c.c.の多孔質体が真空中にて400℃に予熱さ
れ、溶湯として湯温850℃、純度99.5wt％のV₂O₅
が使用され、溶湯に対する加圧力が1000Kg／cm²に
設定された点を除き、上述の実施例８の場合と同
様の要領にてTiO₂が微細に分散されたTi−Ni−
Ｖ合金を製造した。

第３図は上述の如く製造されたTi−Ni−Ｖ合
金の断面組織を100倍にて示す光学顕微鏡写真で
ある。この第３図に於て、白つぽい部分はNiの
部分であり、灰色及び黒色の部分はTiO₂とTi−
Ni−Ｖとの混合組織の部分である。第３図より、
比較的均一且比較的微細な組織を有しTiO₂が比
較的微細且均一に分散されたTi−Ni−Ｖ合金
（マクロの組成は36.8wt％Ti，36.0wt％Ni，
15.2wt％Ｖ，12.0wt％Ｏ，TiO₂含有率は30.0wt
％）を製造することができることが解る。また上
述の如く製造されたTi−Ni−Ｖ合金について
EPMA分析及びＸ線回折試験を行つたところ、
V₂O₅はTiにより還元されており、合金の組織中
にはTiがV₂O₅の酸素により酸化されることによ
つて形成され微細且均一に分散されたTiO₂とNi
−Ｖ−Ti合金相部分とが存在していることが認
められた。またこの合金は高い耐熱性を有するこ
とが認められた。

尚具体的実施例とては示れていないが、溶湯と
して1200℃のPbO，1100℃のKBO₂，1100℃の
NaBO₂，950℃のNa₂WO₄，1100℃のK₂SiO₃の
各溶湯を使用した場合にも、これらの溶湯とTi
との間に於て酸化還元反応が生じ、TiO₂が微細
に分散された合金を得ることができ、これらの合
金は高い強度及び耐摩耗性を有すると共に、優れ
た摺動特性を有することが認められた。

実施例 ３ 第４図はこの実施例に於て使用されたコールド
チヤンバ式ダイカスト鋳造装置を示す部分縦断面
図である。図に於て、８はダイス取付板を示して
おり、該ダイス取付板には鋳込みスリーブ９及び
固定ダイス１０が固定されている。固定ダイス１
０は図には示されていないラム装置により第４図
で見て左右の方向へ往復動される可動ダイス１１
と共働してモールドキヤビテイ１２を郭定するよ
うになつている。モールドキヤビテイ１２内には
第一の金属よりなる多孔質体１３が配置されるよ
うになつている。鋳込みスリーブ９には図には示
されていないシリンダーピストン装置により第４
図で見て左右の方向に往復動されるプランジヤロ
ツド１４の先端に固定されたプランジヤ１５が嵌
入されており、スリーブ９に設けられた注入口１
６より注入された溶湯１７がプランジヤ１５によ
りモールドキヤビテイ１２内へ噴出され加圧され
るようになつている。

上述の如く構成されたダイカスト鋳造装置を用
い、第一の金属としてZnを選定し、第二の金属
としてAlを選定してAl₂O₃が微細に分散されたZn
−Al合金を製造した。

平均粒径が25μであり純度が99.8wt％であるAl
粉末を加圧力200Kg／cm²にて圧縮成形することに
より、かさ密度が1.08ｇ／c.c.である15×15×80mm
の多孔質体を形成した。次いで多孔質体を真空中
にて300℃に予熱した後、多孔質体を第４図に示
されたダイカスト鋳造装置の50℃の可動ダイス１
１のモールドキヤビテイ１２内に配置した。次い
で湯温550℃、純度99.3wt％の亜鉛溶湯中に平均
粒径が1.2μであり純度が99wt％であるZnO粉末が
混入されることにより形成されたZn−10wt％
ZnO溶湯を注入口１６より鋳込みスリーブ９内に
注湯し、該溶湯をプランジヤ１５により約500
Kg／cm²にて加圧してモールドキヤビテイ１２内へ
注入し、その加圧状態を溶湯１７が完全に凝固す
るまで保持し、これにより溶湯１７を多孔質体１
３内に浸透させ、AlとZnOとの間にて酸化還元
反応を行わせると共にAlとZnとを合金化させた。
溶湯１７が完全に凝固した後、可動ダイス１１を
固定ダイス１５より離型し、図には示されていな
いノツクアウトピンにより可動ダイス１１より凝
固体を取出し、該凝固体よりZn−10wt％ZnOの
みよりなる部分を機械加工によつて除去すること
により、Al₂O₃が微細に分散されたZn−Al合金よ
りなる直方体を切出した。

第５図は上述の如く製造されたZn−Al合金の
断面組織を400倍にて示す光学顕微鏡写真である。
この第５図に於て、島状の白つぽい部分はAl−
Zn合金相の部分であり、他の明灰色の部分はAl₂
O₃とZnとの混合組織の部分である。第５図より、
この実施例によれば、均一且微細な組織を有し
Al₂O₃が微細且均一に分散されたZn−Al合金（マ
クロの組成は73.1wt％Zn，20.5wt％Al，6.4wt％
Ｏ，Al₂O₃含有率は13.6wt％）を製造することが
できることが解る。また上述の如く製造された
Zn−Al合金についてEPMA分析及びＸ線回折試
験を行つたところ、溶湯中のZnOはAlにより還
元されており、Zn−Al合金相部分と、AlがZnO
の酸素により酸化されることによつて形成され
Zn中に微細且均一に分散されたAl₂O₃とが存在し
ていることが認められた。

尚具体的実施例としては示されていないが、
Al粉末の代りにTi粉末及びMg粉末を使用した場
合にも溶湯中のZnOとの間に於て酸化還元反応が
生じ、これによりそれぞれTiO₂及びMgO₂が微細
且均一に分散された合金を製造し得ることが認め
られた。また上述の実施例の合金を含むこれらの
合金は優れた耐摩耗性及び摺動特性を有している
ことが認められた。

上述の実施例１〜実施例３より、溶湯が第一の
金属の酸化物の溶湯であり、多孔質体が第一の金
属よりも酸化物形成傾向の高い第二の金属の固体
微細片よりなる場合には、多孔質体に溶湯が浸透
されることにより第一の金属の酸化物及び第二の
金属の間に於て酸化還元反応が生じ、その反応に
より生じる熱によつて合金化が良好に行われると
共に、酸化物形成傾向の高い第二の金属の酸化物
が微細に且均一に分散された合金が得られること
が解る。

また上述の実施例１〜実施例３より、多孔質体
に含まれる第二の金属の化学当量を多孔質体に浸
透する溶湯中の化合物を還元させるに必要な化学
当量よりも高く設定することにより、実質的に元
の多孔質体内に於て全ての化合物が還元されて第
二の金属の微細な酸化物が形成されると共に、第
二の金属の一部は酸化されることなく残存して第
一の金属と合金化されることによりこれらよりな
るベース金属が形成されるので、第一及び第二の
金属の合金であるベース金属中に第二の金属の酸
化物が微細に且均一に分散された合金を製造する
ことができることが解る。

以上に於ては本発明を種々の実施例について詳
細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではなく、本発明の範囲内にて種々の
実施例が可能であることは当業者にとつて明らか
であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の合金の製造方法に使用される
に好適な一つの高圧鋳造装置を示す縦断面図、第
２図及び第３図はそれぞれ本発明に従つて製造さ
れたFe−Al−Ｂ合金及びTi−Ni−Ｖ合金の断面
組織を100倍にて示す光学顕微鏡写真、第４図は
本発明の合金の製造方法に於て使用されるに好適
なコールドチヤンバ式ダイカスト鋳造装置を示す
部分縦断面図、第５図は本発明に従つて製造され
たZn−Al合金の断面組織を400倍にて示す光学顕
微鏡写真である。 １……鋳型、２……多孔質体、３……溶湯、４
……モールドキヤビテイ、５……プランジヤ、６
……ノツクアウトピン、８……ダイス取付板、９
……鋳込みスリーブ，１０……固体ダイス、１１
……可動ダイス、１２……モールドキヤビテイ、
１３……多孔質体、１４……プランジヤロツド、
１５……プランジヤ、１６……注入口、１７……
溶湯。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第一の金属と該第一の金属よりも酸化物形成
   傾向の高い第二の金属とを含む合金の製造方法に
   して、前記第一の金属と酸素との化合物を溶湯と
   して準備し、前記第二の金属を固体微細片として
   準備し、前記第二の金属の固体微細片よりなる多
   孔質体を形成し、前記化合物の溶湯中に前記多孔
   質体を浸し、前記溶湯を加圧して該溶湯を前記多
   孔質体に浸透させ、前記化合物を前記第二の金属
   により還元させると同時に前記第二の金属を前記
   化合物中の酸素にて酸化せしめることを含み、前
   記多孔質体に含まれる前記第二の金属の化学当量
   は前記多孔質体に浸透する前記溶湯中の前記化合
   物を還元させるに必要な化学当量よりも高いこと
   を特徴とする合金の製造方法。