JPH0636984B2 - 部分的複合部材の製造方法 - Google Patents

部分的複合部材の製造方法

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JPH0636984B2
JPH0636984B2 JP11487190A JP11487190A JPH0636984B2 JP H0636984 B2 JPH0636984 B2 JP H0636984B2 JP 11487190 A JP11487190 A JP 11487190A JP 11487190 A JP11487190 A JP 11487190A JP H0636984 B2 JPH0636984 B2 JP H0636984B2
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C47/00Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C49/04Light metals
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10Processes characterised by the sequence of their steps
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C2204/00End product comprising different layers, coatings or parts of cermet

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、Al合金の所定部位をSiCウイスカーによ
り強化する部分的複合部材の製造方法に関する。
〔従来の技術〕
内燃機関のピストン、ロッカーアーム、コンロッド等を
軽量のAl合金で構成し、過酷な熱衝撃または摺動を受
ける部位を局部的にSiCウイスカーで強化する手段と
して、SiCウイスカーのプリフォームを鋳型の所定筒
所にセットしてAl合金の溶湯を加圧鋳造する方法が知
られている(例えば特開昭55-24763号公報、同55-24945
号公報)。ところが、SiCウイスカーのプリフォーム
は極めて脆弱な集合体であるため、加圧鋳造の段階で往
々にして変形、破壊等を招く欠点がある。このため、プ
リフォームの強化法に関する研究も盛んにおこなわれて
いるが十分に満足するものは得られていない。
更に、SiCウイスカーの表層部には製造時の熱処理な
どの過程で若干のOもしくはSiO等が介在する
が、これら酸化性成分の存在はSiCウイスカー中のS
iとマトリックスとなるAl合金中に含有されるMgと
の選択的な反応を促進し、複合欠陥の原因となるMg
Siなどの偏析部分を析出する。この現象は、通常、マ
トリックスとしてAC8A、AC4C、AC4D等の鋳
造用あるいは2618、2024、5052、6061
のような展伸材などMgを含むAl合金類が多用されて
いる関係で重大な障害となる。
上記の偏析防止に対しては、予め表層部に介在するSi
成分を除去したSiCウイスカープリフォームを用
いてAl合金の溶湯を加圧鋳造する方法(特公昭62-404
09号公報)が有効な手段となるが、この方法による場合
にはプリフォーム自体の強化は図れない難点がある。
また、予めSiCウイスカーとAl合金とによる所定形
状の予備複合体を形成しておき、これを鋳型の所定筒所
にセットしたのちAl合金の溶湯で鋳包する部分的複合
方法も考えられる。しかしながら、この場合には予備複
合体を形成する過程あるいは鋳包時の予備段階等で酸化
により表面にAlが生成し、この酸化膜がマトリ
ックスAl合金との濡れ性を著しく阻害して界面の接合
強度を減退させる結果を招来する。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明者らは、Al合金の所定部位をSiCウイスカー
により部分的に複合強化する際に障害となる上記の問題
点を解消する目的で鋭意研究を重ねた結果、SiCウイ
スカーとAl合金粉末により予め形成した焼結複合体の
表面に特定厚さのAl薄膜を被着し、これを強化部分に
セットしてAl溶湯を鋳包するプロセスをとることが効
果的であることを確認して本発明の開発に至った。
繊維強化複合材料を形成する場合、強化繊維の表面に金
属物質を蒸着した繊維成形体を用いて加圧鋳造すること
により複合体の耐摩耗性と自己潤滑性を改善する方法
(特開昭58-93843号公報)は知られているが、SiCウ
イスカーのような微小短繊維に均質薄膜の金属被覆を形
成することは容易ではなく、また被覆する金属は減摩性
を有するPb、Zn、Sn、Cu等であるから、本発明
とは趣旨を異にするものである。
〔課題を解決するための手段〕
すなわち、本発明による部分的複合部材の製造方法は、
SiCウイスカーとAl合金粉末の混合物を所定の形状
に焼結して複合母材を作製し、該複合母材の表面に厚さ
0.5〜20μmのAl薄膜を形成して鋳型の所定筒所
にセットしたのちAl合金の溶湯で鋳包することを構成
上の特徴とする。
強化材となるSiCウイスカーには、直径0.1〜5μ
m、長さ30〜100μmのアスペクト性状を有する針
状単結晶が用いられる。
本発明において強化部分を構成するための複合母材は、
SiCウイスカーとAl合金粉末とを湿式混合し、この
混合物を真空もしくは不活性雰囲気中でホットプレス、
HIP等を用いて所定の形状に焼結することにより作製
される。用いるAl合金粉末は後工程で鋳包するマトリ
ックスAl合金と同一のものとし、またSiCウイスカ
ーとAl合金粉末の混合比率は、複合母材に占めるSi
CウイスカーとVfが10〜50%範囲の所望値になる
ように設定する。
ついで、複合母材の表面にAlの薄膜を形成する。薄膜
形成するAlの材質はAl含有率が99%を越す純Al
とし、例えばイオンプレーティング、真空蒸着、溶射な
どの被覆手段を用いて被膜形成する。被膜の厚さは0.
5〜20μmの範囲に調整することが重要で、0.5μ
m未満では酸化防止機能が不足し、他方20μmを越え
る場合には後工程の鋳包の過程で複合母材の表面にAl
層が残存し、鋳包するAl合金との接合を減退させる原
因となる。
Alの表面薄膜を形成した複合母材は鋳型の強化部位に
相当する所定筒所にセットし、Al合金の溶湯を加圧鋳
造法によって鋳込む。この際、複合母材をその固相線よ
り−20〜−100℃の範囲に予熱し、Al合金の溶湯
温度をその液相温度より50℃以上高い条件にすること
が好ましい。複合母材の予熱温度が固相線−20℃を上
廻ると材料変形を生じ、またこれが固相線−100℃未
満もしくはAl溶湯温度が液相温度+50℃を下廻る場
合には溶湯冷却は急速に進行して接合不良を起こす現象
が発生する。鋳造時の圧力は250〜3000kg/cm2
範囲に設定することが望ましい。この理由は、250kg
/cm2未満の加圧力では複合母材とマトリックスAl合金
の界面接合力が不十分となり、3000kg/cm2を越える
と材料変形を起こすからである。
このようにして、特定された筒所にSiCウイスカー強
化部位を備えるAl合金系の部分的複合部材が製造され
る。
〔作 用〕
本発明によれば、予めSiCウイスカーとAl合金粉末
とを焼結した複合母材の表面にAl薄膜を被覆して強化
部分を形成するが、Alは蒸気圧が高いため緻密で均質
な薄い被膜を短時間内に形成することができる。形成さ
れたAl薄膜は、溶湯鋳包の段階で複合母材表面のSi
Cウイスカーや、MgまたはCuを含むAl合金成分の
酸化層が形成される現象を有効に防止するために機能す
る。
鋳包時、Al薄膜の大部分はマトリックスAl合金の溶
湯に分散し、微量のAl成分についても熱処理による合
金元素の拡散によりマトリックスと同質の成分に転化す
る。
上記の作用によって、複合母材とマトリックスAl合金
との界面が強固に接合した一体構造の部分的複合形態が
発現する。
〔実施例〕
以下に本発明を実施例に基づいて説明する。
実施例1 平均直径0.5μm、平均長さ20μmのSiCウイス
カーと粒度250メッシュ以下のAl合金粉末(AC8A)と
を水に撹拌分散し、濾過、乾燥してSiCウイスカーの
Vfが15%の均一混合物を得た。この混合物をホット
プレスにより温度600℃、真空度5×10-5Torr、圧
力100kg/cm2、加圧時間20秒で焼結して厚さ50m
m、直径80mmの円盤状複合母材を作製した。
上記の複合母材を中心部から切断して半月形状とし、そ
の切断面に純度99.5%のAlを1.0μmの薄膜状
態に真空蒸着した。
Al薄膜を形成した複合母材を直径80mmの鋳型に半月
状にセットし、Ar中で500℃に予熱して加圧鋳造機
に設置した。ついで、700℃の温度に保持されたマト
リックスAl合金(AC8A)溶湯を鋳型に注湯し、500kg
/cm2の圧力を付与しながら加圧鋳造した。
得られた部分的複合材は、複合母材の切断面を介して半
月状のマトリックスAl合金が接合した形態を有するも
のであった。
この部分的複合材について接合面に対し直角方向に試片
を切り出し、T処理後に引張り強さを測定したところ
35kgf/mm2であり、破断筒所はマトリックス部分であ
った。
実施例2 複合母材の表面に厚さ3μmのAl薄膜を形成したほか
は実施例1と同一条件により部分的複合材を製造した。
このものにつき実施例1に準じて引張り強さを測定した
ところ32kgf/mm2で、破断筒所はマトリックス部分で
あった。
実施例3 マトリックスAl合金の溶湯温度800℃に変えたほか
は実施例1と同一条件により部分的複合材を製造した。
得られた部分的複合材につき実施例1に準じて引張り強
さを測定したところ36kgf/mm2であり、破断筒所はマ
トリックス部分であった。
比較例1 実施例1と同一の複合母材を用い、切断面になんの被覆
も施さずに実施例1と同一条件でマトリックスAl合金
を加圧鋳造した。
このものにつき実施例1に準じて引張り強さを測定した
ところ5kgf/mm2であった。この場合の破断は接合界面
で起き、破断界面にAl合金酸化による黄金色部が認め
られた。
比較例2 複合母材の表面に厚さ0.3μmのAl薄膜を形成し、
その他の条件は実施例1と同一にして部分的複合部材を
製造した。
このものにつき実施例1に準じて引張り強さを測定した
ところ8kgf/mm2であった。また、この場合の破断筒所
は比較例1と同様に接合界面であり、破断面にはEPM
Aの線測定により多量のOが確認された。
比較例3 複合母材の表面に厚さ50μmのAl薄膜を形成し、そ
の他の条件は実施例1と同一にして部分的複合部材を製
造した。
このものにつき実施例1に準じて引張り強さを測定した
ところ8kgf/mm2と低い値であった。また、破断は接合
界面で起きており、界面には膜形成したAl層が点在し
ていた。
比較例4 実施例1と同一のSiCウイスカーを用いて濾過形成法
により直径80mm、高さ30mm、Vf15%のプリフォ
ームを作製し、これを中心部から2分割に切断した。こ
の半月状プリフォームを加圧鋳造機にセットし、実施例
1と同一の条件により部分的複合部材を製造した。
このものにつき実施例1に準じて引張り強さを測定した
ところ15kgf/mm2と低位にあり、プリフォーム割れに
基づく複合部分の破断が認められた。
〔発明の効果〕
以上のとおり、本発明に従えば強化部分が強固な焼結体
からなる複合母材によって構成されるから、プリフォー
ム成形体のようにプロセスの段階で外力を受けて変形、
破壊を生じることは全くない。このため、肉厚が薄く複
雑形状の強化部分でも容易に成形することが可能とな
る。また、複合母材の表面を安価かつ被覆性の良好なA
lにより薄膜形成しているためAlなどの酸化物
介在に伴うトラブルは有効に解消され、常にマトリック
スAl合金との間に良好な界面接合が得られる。
したがって、比較的簡単な製造工程により強靭な一体構
造の部分的複合部材を製造することができるから、例え
ばピストンベッドのような過酷な熱衝撃、摩擦等を受け
る部位に局部的なSiCウイスカー強化組織を形成する
ケースに極めて有用である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C22C 1/09 B

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】SiCウイスカーとAl合金粉末の混合物
    を所定の形状に焼結して複合母材を作製し、該複合母材
    の表面に厚さ0.5〜20μmのAl薄膜を形成して鋳
    型の所定筒所にセットしたのちAl合金の溶湯で鋳包す
    ることを特徴とする部分的複合部材の製造方法。
JP11487190A 1990-04-27 1990-04-27 部分的複合部材の製造方法 Expired - Lifetime JPH0636984B2 (ja)

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