JPH0681662B2 - 分散強化金属複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、分散強化金属複合材料に係り、更に詳細には
その製造方法に係る。

従来の技術 分散強化金属複合材料の製造方法の１つとして、例えば
特開昭61−147826号公報に記載されている如く、マトリ
ックス金属の溶湯の温度をマトリックス金属の液相線以
下の温度に低下させて固液共存状態とし、溶湯を攪拌し
つつ溶湯中に粒子の如き分散強化材を混入させるコンポ
キャスト法が従来より知られている。

コンポキャスト法に於ては、溶湯中に分散粒子が混入さ
れるにつれて溶湯の粘性が高くなるので、混入された分
散粒子及び溶湯中の晶出物の合計の固相率が一定になる
よう、従来より一般に、分散粒子の混入量の増大と共に
溶湯の温度が徐々に上昇され、分散粒子の混入が完了し
た時点に於て鋳造が行われている。

発明が解決しようとする課題 このコンポキャスト法に於ては、溶湯の流動性は溶湯を
攪拌することにより得られるチクソトロピー効果により
確保され、溶湯中の晶出物による剪断作用及び溶湯の固
液共存状態、即ち半溶融状態の高粘性を利用して分散強
化材が強制的に溶湯中に混入されるので、分散強化材が
液相状態の溶湯に対する濡れ性が悪い強化材である場合
にも、比較的良好に強化材を溶湯中に分散させることが
できる。

しかし上述の如き従来のコンポキャスト法に於ては、分
散強化材の大きさや種類によっては強化材を溶湯中に良
好に分散させることができない場合がある。本願発明者
はこの問題について鋭意実験的検討を行った結果、
（ａ）分散強化材はその大きさが小さい程凝集し易く、
特に平均直径が10μ以下である場合にこの傾向が顕著で
あり、従って溶湯中に分散されるべき強化材が例えば平
均直径10μ以下の如き非常に細かい場合には、ただ単に
溶融を攪拌するだけでは強化材の凝集塊を溶湯中の晶出
物による剪断作用によって十分にほぐすことができない
こと、及び（ｂ）晶出物による剪断作用を向上させるべ
く溶湯の温度が比較的低い温度に設定されると、晶出物
が成長して大きくなり、強化材が分散し得るのは晶出物
の間の液相領域に制限されるため、強化材が偏析した状
態になり易いことが原因であることを究明した。

また本願発明者は、溶湯の温度をマトリックス金属の固
液共存温度範囲内の一定の温度に維持したり徐々に昇温
させながら溶湯を攪拌するのではなく、溶湯を攪拌しつ
つマトリックス金属の固液共存温度範囲内にて溶湯の温
度を一旦降温させた後昇温させ、また溶湯の温度がマト
リックス金属の固液共存温度範囲内にある状態にて鋳造
を行うのではなく、溶湯の温度がマトリックス金属の液
相線温度以上の状態にて鋳造を行うことにより、強化材
が非常に細かい場合にも凝集塊が残存することなく強化
材が均一に分散された複合材料を製造することができる
ことを見出だした。

本発明は、本願発明者が行った実験的検討の結果得られ
た知見に基づき、分散強化材が平均直径10μ以下の如き
非常に細かい場合にも溶湯中に強化材を均一に分散させ
ることができ、これによりマトリックス金属中に強化材
が均一に分散された複合材料を製造することのできる方
法を提供することを目的としている。

課題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、マトリックス金属
の溶湯中に分散強化材を混入し、前記溶湯を攪拌しつつ
前記マトリックス金属の固液共存温度範囲内にて前記溶
湯の温度を降温させた後昇温させ、前記溶湯の温度が前
記マトリックス金属の液相線温度以上の状態にて鋳造を
行う分散強化金属複合材料の製造方法によって達成され
る。本発明の一つの局面によれば、マトリックス金属の
溶湯中に分散強化材が混入される工程に於ては、溶湯の
温度はマトリックス金属の固液共存温度に設定され、溶
湯が攪拌される状態にて分散強化材が混入される。

また本発明の他の一つの局面によれば、溶湯の降温及び
昇温は２回以上繰返し行われる。

尚本発明の方法に於ける溶湯の昇温の終了段階及び溶湯
の降温及び昇温が繰返し行われる場合に於ける途中の昇
温工程に於ては、溶湯の温度はマトリックス金属の固液
共存温度よりも高い温度に上昇されてもよい。

また本発明の方法に於ける分散強化材はマトリックス金
属の溶湯中に於て安定な任意の材料よりなる粒子、短繊
維（ウイスカを含む）であってよい。

更にマトリックス金属の溶湯に対する強化材の量が多す
ぎる場合には強化材をマトリックス金属の溶湯中に均一
に分散させることが困難であり、また強化材の量が少な
過ぎる場合にはマトリックス金属を十分に強化すること
が困難になる。従ってマトリックス金属の溶湯に対する
強化材の体積比は４〜50％、特に10〜20％程度であるこ
とが好ましい。

発明の作用 本発明の方法によれば、強化材がマトリックス金属の溶
湯中に混入された後、溶湯は攪拌される状態でマトリッ
クス金属の固液共存温度範囲内にて降温されしかる後昇
温される。溶湯が攪拌される状態で降温されると、溶湯
中の晶出物の粗大化が阻止されると共に晶出物の量が増
大され、これにより強化材の凝集塊に対する固相の晶出
物による剪断作用が増強されると共に個々の晶出物の間
の液相領域が細かくなり且その数が多くなり、その結果
強化材の凝集塊が良好にほぐされて強化材が非常に多数
の細かい液相領域に分散され、更にかくして強化材が分
散された溶湯が攪拌される状態で昇温されることによっ
て晶出物の大きさ及び数が低域された液相領域が増大さ
れて溶湯の流動性が向上されることにより、強化材が溶
湯中に更に一層均一に分散される。

また本発明の方法によれば、上述の如く強化材が溶湯中
に非常に均一に分散された後、溶湯の温度がマトリック
ス金属の液相線温度以上の状態にあり溶湯の流動性が非
常に良好な状態にて鋳造が行われるので、溶湯の温度が
マトリックス金属の固液共存温度範囲内にあり溶湯の粘
性が非常に高い状態で鋳造が行われる場合に比して、溶
湯が鋳型内に良好に充填され溶湯の攪拌による気体巻込
みに起因する気泡が溶湯より容易に消失し、従って鋳巣
やブローホール等の鋳造欠陥が遥かに少ない複合材料が
得られる。

尚本発明の方法は分散強化材が平均直径10μ以上の如き
非常に細かい強化材である場合に特に有用であるが、本
発明の方法に於ける分散強化材は平均直径が10μを越え
る強化材であってもよく、勿論その場合にも強化材が均
一に分散された複合材料を製造することができる。

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図に示されている如く、ルツボ10内にマトリックス
金属としてのアルミニウム合金（JIS規格AC8A）の塊を
導入し、該塊をヒータ12によって加熱することにより溶
解した。次いでかくして形成されたアルミニウム合金の
溶湯14の温度をヒータ12によりアルミニウム合金の液相
線温度である570℃に維持した状態で、溶湯を攪拌装置1
6のプロペラ18により攪拌しつつ、強化材供給装置20よ
り粒径0.1〜50μのSiC粒子22を溶湯中に30分間かけて混
入した。尚粒径10μ以下のSiC粒子の殆どはプロペラの
攪拌のみによっては溶湯中に均一に分散させることが困
難な凝集塊の形態をなしていた。

次いでプロペラにより溶湯を攪拌しつつ、溶湯を第２図
に示されたパターンにて降温及び昇温させ、溶湯の温度
がアルミニウム合金の液相線温度以上の600℃である状
態にて鋳造を行なうことにより、SiC粒子が分散された
アルミニウム合金よりなる複合材料を製造した。

次いでかくして製造された複合材料を切断し、その断面
を観察したところ、SiC粒子はその凝集塊が残存するこ
となく均一に分散されていることが認められた。尚SiC
粒子の体積率は約15％であった。

実施例２ アルミニウム合金の降温及び昇温のパターンが第３図に
示されたパターンに設定された点を除き、上述の実施例
１の場合と同一の領域にてSiC粒子が分散されたアルミ
ニウム合金よりなる複合材料を製造し、その断面を観察
した。

その結果この複合材料に於てもSiC粒子はその凝集塊が
残存することなく均一に分散されていることが認められ
た。尚この複合材料のSiC粒子の体積率は約15％であっ
た。

尚分散強化材として平均繊維径0.3μ、平均繊維長５μ
のSiCウイスカを使用して実施例１及び２の場合と同一
の要領にて複合材料を製造したところ、何れの複合材料
に於ても凝集塊が残存することなくSiCウイスカが均一
に分散されていることが確認された。

実施例３ 分散強化材として平均粒径0.1μ、0.3μ、３μ、10μ、
40μ、100μであるSiC粒子が使用された点を除き、上述
の実施例１の場合と同一の要領及び条件にてSiC粒子が
分散されたアルミニウム合金よりなる複合材料を製造
し、各複合材料についてSiC粒子の分散の均一性を調査
した。

尚この場合分散の均一性は第４図に示されている如く五
段階の状態を目安として調査した。第４図に於て、１度
は元の凝集塊が実質的にそのまま残存している状態であ
り、２度は元の凝集塊が僅かに小さくなっているが比較
的大きい凝集塊が残存している状態であり、３度は凝集
塊が比較的小さくなってはいるが凝集塊が残存している
状態であり、４度は殆どの凝集塊がほぐされているが、
ほぐされたSiC粒子の分散状態に僅かなむらがある状態
であり、５度は凝集塊が全く残存せず、SiC粒子も均一
に分散した状態である。

また比較の目的で、固液共存状態での溶湯の攪拌を行わ
ず、全てのSiC粒子が溶湯中に混入された直後に鋳造が
行われた場合（比較例１）、及び混入されたSiC粒子及
び溶湯中の晶出物の合計の体積率が実質的に一定になる
よう、溶湯を固液共存状態にて攪拌しつつその温度を漸
次上昇させた場合（比較例２）についても同様にSiC粒
子の分散の均一性を測定した。

これらの測定結果を第５図に示す。第５図より、本発明
の方法によれば、従来の方法に比して分散強化材を均一
にマトリックス金属中に分散させることができ、特に強
化材の平均粒径が10μ以下である場合には、従来の方法
に比して遥かに均一に強化材をマトリックス金属中に分
散させることができ、従って本発明の方法は強化材が平
均直径10μ以下の非常に細かい強化材である場合に特に
有用であることが解る。

実施例４ 分散強化材として平均粒径0.3μのSiC粒子が使用された
点を除き、上述の実施例３、比較例１及び２の場合と同
一の要領にてSiC粒子が体積率15％にて分散されたアル
ミニウム合金よりなる複合材料を製造し、各複合材料よ
り引張り試験片を形成し、各試験片について引張り試験
を行った。

また比較例３として、アルミニウム合金（JIS規格AC8
A）のみよりなる引張り試験片を形成し、該試験片につ
いても引張り試験を行った。その結果を第６図に示す。

第６図より、本発明に従って製造された複合材料は何れ
の比較例の材料よりも引張り強さに優れていることが解
る。特にこの実施例の複合材料が比較例１及び２の複合
材料よりも引張り強さに優れているのは、SiC粒子の凝
集塊が残存せず個々の粒子が均一に分散されていること
によるものと考えられ、また比較例１の複合材料が比較
例２の複合材料よりも引張り強さに優れているのは、前
者の複合材料中のSiC粒子の凝集塊が後者の場合よりも
少ないことによるものと考えられる。

以上に於ては本発明を幾つか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他の種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

例えば上述の実施例に於て溶湯の温度を降温させた後昇
温させる回数は１回又は２回であるが、この回数は使用
される分散強化材の大きさや種類、マトリックス金属の
種類等に応じて２回以上に設定されてもよい。また溶湯
の降温及び昇温パターンや降温速度及び昇温速度も第２
図及び第３図に示された特定の例に限定されるものでは
ない。

発明の効果 以上の説明より明らかである如く、本発明の方法によれ
ば、溶湯が攪拌される状態でマトリックス金属の固液共
存温度範囲内にて降温されることにより、溶湯中の晶出
物の粗大化が阻止されると共に晶出物の量が増大され、
強化材の凝集塊に対する固相の晶出物による剪断作用が
増強されると共に個々の晶出物の間の液相領域が細かく
され且その数が増大され、これにより強化材の凝集塊が
良好にほぐされて強化材が非常に多数の細かい液相領域
に分散され、更にかくして強化材が分散された溶湯が攪
拌される状態で昇温されることによって晶出物の大きさ
及び数が低減され液相領域が増大されて溶湯の流動性が
向上されることにより、強化材が溶湯中に更に一層均一
に分散されるので、分散強化材が平均直径10μ以下の如
き非常に細かく凝集性の強い強化材である場合にも、強
化材が凝集塊の状態にて残存することなく均一に分散さ
れた複合材料を製造することができる。

また本発明の方法によれば、上述の如く強化材が溶湯中
に非常に均一に分散された後、溶湯の温度がマトリック
ス金属の液相線温度以上の状態にあり溶湯の流動性が非
常に良好な状態にて鋳造が行われるので、溶湯の温度が
マトリックス金属の固液共存温度範囲内にあり溶湯の粘
性が非常に高い状態で鋳造が行われる場合に比して、溶
湯が鋳型内に良好に充填され溶湯の攪拌による気体巻込
みに起因する気泡が溶湯より容易に消失し、従って鋳巣
やブローホール等の鋳造欠陥が遥かに少ない複合材料を
製造することができ、また鋳造を容易に且能率よく行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はマトリックス金属の溶湯中に分散強化材が混入
される状態を示す解図的断面図、第２図は本発明の方法
の一つの実施例に於ける溶湯の降温及び昇温のパターン
を示すグラフ、第３図は本発明の方法の他の一つの実施
例に於ける溶湯の降温及び昇温のパターンを示すグラ
フ、第４図は強化材の分散の均一性の評価に供された指
標を示す解図、第５図は本発明の方法により製造された
複合材料及び比較例について強化材の平均粒径と分散の
均一性との間の関係を示すグラフ、第６図は本発明に従
って製造された複合材料及び比較例の材料の引張り強さ
を示すグラフである。 10……ルツボ,10……ヒータ,14……アルミニウム合金の
溶湯,16……攪拌装置,18……プロペラ,20……強化材供
給装置,22……SiC粒子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マトリックス金属の溶湯中に分散強化材を
   混入し、前記溶湯を攪拌しつつ前記マトリックス金属の
   固液共存温度範囲内にて前記溶湯の温度を降温させた後
   昇温させ、前記溶湯の温度が前記マトリックス金属の液
   相線温度以上の状態にて鋳造を行う分散強化金属複合材
   料の製造方法。