JPH083601A

JPH083601A - アルミニウムー窒化アルミニウム複合材料およびその製造方法

Info

Publication number: JPH083601A
Application number: JP6130659A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Miura; 宏久三浦; Yasuhiro Yamada; 泰弘山田; Mamoru Okamoto; 守岡本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1994-06-13
Publication date: 1996-01-09

Abstract

(57)【要約】【目的】１３０ＧＰａ以上のヤング率をもつＡＩ／ＡＩ
Ｎ複合材およびその製造方法を提供することを目的とす
る。【構成】本発明のＡＩ／ＡＩＮ複合材は、Ａｌを主成分
とするマトリックス中に、４０〜９０体積％を占め、直
径が１μｍ以下の粒子状または針状のＡｌＮが分散保持
されている。このＡｌＮが極めて細かいためＡｌＮとマ
トリックスのＡｌとがより一体化している。このためＡ
ｌＮの塑性割合に見合った高い剛性をもち、塑性加工
性、切削性もよい。また、摺動時における相手材攻撃性
も小さく、摺動材として適している。このＡＩ／ＡＩＮ
複合材は、微細なＡｌをそのＡｌの融点以下の温度で窒
化することにより得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルミニウムー窒化アル
ミニウム複合材料およびその製造方法に関する。このア
ルミニウムー窒化アルミニウム複合材料は高弾性の構造
材料として広く利用できる。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム（以下Ａｌと表示する）合
金粉末と窒化アルミニュム（以下ＡｌＮと表示する）粉
末を粉末段階で混合後、押出し法、焼結法で製造したア
ルミニウム／窒化アルミニウム複合材料（以下ＡＩ／Ａ
ＩＮ複合材と表示する。）が知られている。この従来の
ＡＩ／ＡＩＮ複合材はそのＡＩＮ含有量は高々３０体積
％以下であり、その剛性率（ヤング率）は１３０ＧＰａ
未満である。

【０００３】また、Ａｌ溶湯中に窒素ガス等を吹き込
み、炉中でＡｌＮを合成することによりＡＩ／ＡＩＮ複
合材を製造する試みがある。しかしこの方法では、２０
体積％以上のＡｌＮを含有するＡＩ／ＡＩＮ複合材は得
られていない。さらに最近、窒素プラズマをＡｌ溶湯に
吹き付け、その噴霧体をノズルを介して微小凝集粉とし
て回収し、その後、この微小凝集粉をホットプレスする
ことによりＡＩ／ＡＩＮ複合材を製造する方法が報告さ
れている（A.INOUE 、K.NOSAKI他:JOURNAL OF MATERIAL
S SCIENCE 28(1993)4398-4404)。この方法で得られるＡ
Ｉ／ＡＩＮ複合材の最大ＡｌＮ含有量は３６．５体積％
であり、その最大の剛性率（ヤング率）は１１３ＧＰａ
と報告されている。

【０００４】一方、セラミックスとしてのＡｌＮは熱伝
導性に優れ、かつ電気絶縁性が良いため、基板材料とし
て使用されている。このセラミックスとしてのＡｌＮ
は、アルミナの炭素還元またはアルミ粉体の直接窒化に
より製造され、その剛性率（ヤング率）は２７０〜３１
４ＧＰａと報告されている。しかし、これらの炭素還元
および直接窒化でＡＩ／ＡＩＮ複合材を製造するとする
報告あるいは窒化の程度をコントロールする報告はな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、Ａｌ合金粉末
とセラミックス粉末とを粉末段階で混合し製造するＡＩ
／セラミックス複合材では、粉末を均一混合することが
難しい。そのためセラミックス量を３０体積％以上とし
ても、その剛性率はあまり向上しない。また、セラミッ
クス量を３０体積％以上とすると、混合体の塑性加工が
困難と成ることにより、３０体積％以上のセラミックス
量を有する複合材は実用的では無い。

【０００６】一方、実用面ではＡｌ材料の剛性は鋼の１
／３と低いので、少しでも剛性の高いＡｌ材料が求めら
れている。例えば、現在は鋼で製造されている自動車エ
ンジンのピストンピンを外径を変えずにＡｌに置き換え
ようとすると、最低ヤング率として１６０ＧＰａが必要
とされる。若干の形状変更をした場合でも１３０ＧＰａ
以上が希望されている。

【０００７】本発明はかかる問題を基本的に解決するも
ので、１３０ＧＰａ以上のヤング率をもつＡＩ／ＡＩＮ
複合材およびその製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ＡｌとＡＩ
Ｎが製造段階で原子オ−ダで配合されていれば、理論値
通りの剛性値が得られ、かつ微細な純Ａｌが結合剤とし
て働き、塑性加工も容易となると考え、実験を進めた。
そして粉末状および繊維状のＡｌまたはＡｌ合金を融点
以下の固体状態で窒素を主体としたガス体により、半窒
化することによりＡｌとＡＩＮが原子オ−ダに近い形態
で配合されたＡＩ／ＡＩＮ複合材が得られることを発見
し、本発明を完成したものである。

【０００９】すなわち、本発明のＡＩ／ＡＩＮ複合材
は、Ａｌを主成分とするマトリックスと該マトリックス
中に分散保持された直径が１μｍ以下の粒子状または針
状のＡｌＮとからなり全体積を１００体積％としたとき
該ＡｌＮが４０〜９０体積％を占めていることを特徴と
する。本発明のＡＩ／ＡＩＮ複合材は、Ａｌを主成分と
するマトリックス中にＡｌＮが１μ以下の細かさの粒子
あるいは数十ナノメートルの径で長さが数百ナノメート
ルの針状体として分散保持されている。ＡｌＮの粒径は
できるだけ小さく、かつＡｌ合金と微小状態で均一混合
していることが、複合材料の強度、剛性上望ましい。

【００１０】Ａｌ合金粉末とＡｌＮとを粉末段階で混合
する方法では、Ａｌ合金粉末の粒径が最小でも数μｍあ
る事より、１μ以下の細かさの混合物体を得ることは不
可能である。本発明では、後で説明するように、粉末
状、フレーク状あるいは繊維状のＡｌを窒化し、粉末状
あるいは繊維状のＡｌ内部に微細なＡｌＮを析出させて
いる。このため、Ａｌを主成分とするマトリックス中に
ＡｌＮが１μ以下の細かさで分散させることができる。
ＡｌＮが分散保持されたＡｌ合金粉末あるいは繊維とし
ては、直径が１０μｍ〜１５０μｍ程度のものが好まし
い。また、Ａｌはフレーク状でもよい。この場合厚さ
が、１μｍ〜１００μｍ程度のものが好ましい。

【００１１】なお、この粉末状、繊維状あるいはフレー
ク状の微細なＡｌＮが分散したＡｌは通常の粉末冶金の
手段で、一体化され、直接所定形状の部品とされたり、
ビレット状の棒材あるいは板材に加工される。具体的に
は通常焼結あるいはホット焼結で一体化されたり、熱間
組成加工で一体化される。本発明のＡＩ／ＡＩＮ複合材
は、ＡｌＮが１μ以下の細かさでＡｌ中に分散保持され
ているので、強度、剛性に優れ、かつ塑性加工性にも優
れる。また、切削性もよい。

【００１２】なお、微細なＡｌＮが分散した本発明の粉
末状、繊維状あるいはフレーク状のＡＩ／ＡＩＮ複合材
は、Ａｌあるいは他の金属またはセラミックスと配合さ
れ、高度に複合化された複合材料とすることもできる。
本発明のＡＩ／ＡＩＮ複合材のＡｌＮは、全体積を１０
０体積％としたとき４０〜９０体積％を占める。

【００１３】ＡＩ／ＡＩＮ複合材のＡｌＮが１μ以下の
細かさでＡｌマトリックス中に分散している場合、この
ＡＩ／ＡＩＮ複合材の剛性（Ｅ）は次式で示されると考
えられる。ＩｎＥ＝Ｖ_AlN×ＩｎＥ_AlN＋（１−Ｖ_AlN）×ＩｎＥ
_Al Ｖ_AlN；AI/AIN複合材中のAIN の体積％，Ｅ_AlN；AIN の剛性率（314Pa ）Ｅ_Al；ＡＩ合金材の剛性率、この式によれば、ＡＩＮの剛性率が３１４Ｐａと大き
い。このためＡＩ／ＡＩＮ複合材の剛性にはＶ_AlNが大
きく寄与する。

【００１４】また、マトリックスとなるＡＩ合金材の剛
性率も、ＡＩＮに比較すると小さいが、ＡＩ／ＡＩＮ複
合材の剛性に影響する。このため、ＡＩ合金材を構成す
る合金成分は重要である。合金成分として、マンガン、
チタン、シリコン等は窒化物を形成し、Ａｌ合金材を脆
くするため望ましくなく。これに対して、ニッケル、
鉄、銅、など窒素との親和力が小さく、かつ剛性ｕｐに
寄与する元素が合金成分として望ましい。しかし、これ
ら成分を多量に配合するとＡｌ合金材を脆くする。この
ため配合量は２０体積％以下が望ましい。

【００１５】なお、Ａｌが純Ａｌ材であり、Ｖ_AlNが４
０体積％以上である場合の上記式によるＡＩ／ＡＩＮ複
合材の剛性率は１２６Ｐａとなる。前述したように、現
在鋼で製造されている部品、例えば自動車エンジンの重
要部分であるピストンピンをＡｌ材料に置き換えようと
すると、そのヤング率として望ましくは１６０ＧＰａ以
上、少なくとも１３０ＧＰａが要望される。この点から
も、Ｖ_AlNとしては４０体積％以上が必要とされる。１
６０ＧＰａを得ようとするとＶ_AlNは５０体積％が必要
である。

【００１６】なおＶ_AlNが９０体積％を越えると、ＡＩ
分が減少し、塑性加工性が困難となり、好ましくない。
以上のことより、Ｖ_AlNは範囲は４０体積％〜９０体積
％、好ましくは５０体積％〜８５体積％がよい。ＡＩ／
ＡＩＮ複合材の硬さとしては、Ｖ_AlN０％のカタサ（純
Ａｌのカタサ）：Ｈｖ３０Ｖ_AlNから１００％のカタ
サ；Ｈｖ１４００まで可能である。しかし、強度面か
らはＨｖ１５０以上が、切削性の点からはＨｖ１０００
以下が奨励される。

【００１７】本発明のＡＩ／ＡＩＮ複合材は、粉末状、
フレーク状もしくは繊維状のＡｌまたはＡｌ合金をその
融点以下の温度において窒化することにより製造され
る。なお、窒化は、その窒化温度がＡｌまたはＡｌ合金
の融点以下の温度で、ＡｌまたはＡｌ合金が５体積％に
なる前に窒化を終了するするようにする。さらに、窒化
はＡｌまたはＡｌ合金の融点以下の温度で行う第１窒化
とその後で該第１窒化より高い温度で窒化する第２窒化
のように複数工程で窒化することとすることができる。

【００１８】窒化のためのＡｌ合金としてはマグネシウ
ムを重量％で０．５％以上含む合金であるのが好まし
い。また、Ａｌ合金はニッケル、鉄、銅の少なくても１
種類以上を含み、かつニッケル、鉄、銅の合計量が２０
重量％以下の合金であるのが良い。また、窒化のための
原料は、全体を１００体積％としたとき、１０〜７０体
積％の粉末状、フレーク状もしくは繊維状のＡｌまたは
Ａｌ合金と、残り３０〜９０体積％を占めかつ窒化Ａｌ
を３０〜９０体積％含む粉末状、フレーク状もしくは繊
維状のＡｌー窒化Ａｌ複合材料との混合物を窒化原料と
するのが好ましい。

【００１９】本発明の窒化で使用するガスは純窒素ガス
が好ましい。水素は窒化を阻害する。なお、アルゴンガ
ス等の不活性ガスの配合は窒化に影響が少ないと思われ
る。また、水蒸気等の水分の混入も可能な限り避けるよ
うにするのが好ましい。窒化温度は原料として使用する
ＡｌあるいはＡｌ合金の融点以下である。融点以上で
は、原料の粉末、フレークあるいは繊維形態が維持され
ず、原料がブロック化し、原料内部までの窒化が困難に
なるからである。

【００２０】窒化温度としては５４０℃程度（温度一
定）で１０時間程度の窒化処理により窒化率７０〜８０
％のＡｌ／ＡｌＮ複合材を得ることができる。なお、Ａ
ｌ材料は非常に酸化されやすい金属であり、その最表面
には若干の自然酸化膜を有しているのが普通である。こ
の酸化膜が窒化を妨害する。原料のＡｌ材料の表面に酸
化膜が存在する場合、原料のＡｌ材料中にＭｇを０．５
重量％以上を配合することにより解決される。Ｍｇは大
変蒸発しやすい金属であり、大気圧下５４０℃で３００
Ｐａ程度の蒸気圧を有し、このＭｇ蒸気が酸素ゲッタと
して作用し、窒化が促進されると思われる。

【００２１】次ぎに窒化率を７０〜９５％に向上させる
方法としては、６００℃以下の第一段階の窒化処理に引
き続き、Ａｌ材料の完全溶融点（完全に溶融する温度）
以上の６５０〜９５０℃で第二段階の窒化処理を行うこ
とにより達成される。この場合の出発原料として、Ａ
ｌ、またはＡｌ合金粉末、またはＡｌ合金の繊維体の他
に、３０〜９０体積％のＡｌＮを含有するＡＩ粉末を５
〜２０体積％混合し使用することにより、より窒化を容
易とする事ができる。

【００２２】一方、窒化率が４０〜７０％と低いＡＩ／
ＡＩＮ複合材を希望する場合では、上法の逆で、５２０
〜５５０℃での２〜５時間程度の第一段階の窒化処理に
引き続き、完全溶融点以下の５８０〜６２０℃という融
点以下の比較的低い温度で第二段階の窒化処理を行う事
により達成される。なお、窒化処理により、窒化物は部
分的に焼結した状態となりやすい。このため窒化物を粉
砕し、微粉化することが好ましい。この微粉化した窒化
物を通常の粉体冶金の技術で集積し、得られた集積体を
塑性加工することにより、棒状、板状等のバルク状のＡ
ｌ／ＡｌＮ複合材料とすることができる。

【００２３】

【作用及び発明の効果】本発明のＡＩ／ＡＩＮ複合材
は、Ａｌを主成分とするマトリックスと該マトリックス
中に分散保持された直径が１μｍ以下の粒子状または針
状のＡｌＮとからなり、全体積を１００体積％としたと
きＡｌＮが４０〜９０体積％を占める。マトリックスに
分散保持されているＡｌＮが直径が１μｍ以下の粒子状
または針状と極めて細かい。このためＡｌＮとマトリッ
クスのＡｌとがより一体化している。このためＡｌＮの
塑性割合に見合った高い剛性をもつ。また、ＡｌＮが極
めて細かいため、ＡｌＮの硬い粒子としての性質が抑制
され、塑性加工性、切削性もよい。また、摺動時におけ
る相手材攻撃性も小さく、摺動材として適している。

【００２４】このＡＩ／ＡＩＮ複合材は、微細なＡｌを
そのＡｌの融点以下の温度で窒化することにより得られ
る。ＡｌＮは窒素とＡｌが反応して形成され、Ａｌ内部
で樹枝状に結晶化する。このため、ＡｌＮはマトリック
スのＡｌ中に極めて微細に分散する。

【００２５】

【実施例】

（窒化処理１）実験には耐熱鋼製マッフルの電気炉（エ
レマ炉）を使用した。この電気炉は通常鉄系焼結材の焼
結に使用されているものである。この電気炉は完全には
密閉されない構造のもので、その中央部に中間シャッタ
ーをもつ。導入ガスは中央部の上方から炉内に入り、マ
ッフル奥部で横に吹き出し、装入口より排出される構造
のものである。なお、炉内容積は１６ｌ程度である。こ
の電気炉は、Ａｌの窒化処理の実験炉としては最適とは
いえないが、この程度の炉でも処理できなければ工業的
には成立しないと考え、この電気炉を使用した。なお、
炉に問題かある場合も想定し、石英ガラス製管状炉での
実験も平行して行った。

【００２６】実験方法は、ステンレス製の角形バット
（１７×２１ｃｍ²、高さ３ｃｍ）に被窒化原料のＡｌ
材１００ｇを薄く、均一に敷き詰めの状態で入れ、その
バット炉内に挿入し、その後、窒素ガスを１分間３０リ
ットルの割合で約５時間炉内に導入し、炉内のガスを窒
素ガスに置換した。その後１時間あたり約１００℃の昇
温速度で、所定窒化温度に加熱し、その温度で所定時間
窒化を行った。窒化中の純窒素ガスの導入量は１分間１
０〜３０リットルとした。その後炉中で冷却し、窒化物
を得た。

【００２７】使用した被窒化原料の化学組成を表１に示
す。また、窒化の条件を表２に示す。表１のＡｌ材１〜
３および６〜７の粉末は通常の急冷凝固粉末の製造法で
製造されたＡｌ合金粉末で、その粒径が１０μｍ〜１５
０μｍのものである。Ａｌ材４はＡｌ材３を繊維とした
ものでその直径が６０μｍ長さ３ｍ／ｍのものである。
Ａｌ材５はＡｌ材３のブロックを旋盤で切断しその時に
でた切粉で、切粉の形状は幅８ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚
さ０．２ｍｍ程度のものである。なお、表２に示したＮ
ｏ．５の窒化原料は、６０体積％のＡｌ材２と残部４０
体積％の複合材とから構成されている。この複合材は、
本発明の方法で得られたＡｌ／ＡｌＮ複合材で、３０〜
７０体積％のＡｌＮを含む。この複合材は粉末状でその
直径が５μｍ〜１００μｍのものである。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】なお、管状炉では、内周径５５ｍｍの石英
管を使用し、幅１２ｍｍ、長さ８０ｍｍのアルミナ製ボ
ードに被窒化用原料を３ｇ入れ、このボードを管状炉に
収納した。その後、真空ポンプでおよそ１３Ｐａ以下に
減圧した後、純窒素ガスを１分間当たり１リットルの割
合で導入し、続いて１８０℃に昇温し約２時間保持し
た。その後所定の窒化温度までおよそ１００℃／１０分
の速度で昇温し、その窒化温度で規定時間保持し、その
後管状炉内で冷却した。この間管状炉内には、１リット
ル／分の純窒素ガスを導入し続けた。

【００３１】表２中、純窒素ガスの露点とあるのは、炉
内のガスを露点カップに導きドライアイスを用いて測定
した露点（℃）を示す。また、窒化率は得られた複合材
料の窒素を重量分析で測定し、この窒素量より求めた。
表２に示す、得られた複合材Ｎｏ．１およびＮｏ．２は
管状炉での窒化を行ったものである。

【００３２】Ｎｏ．１は純Ａｌ材の窒化実験結果であ
り、５４０℃に到達後、６時間後に反応に伴う発熱を生
じ、７．５時間後に発熱（反応）が終了した。得られた
窒化率は７３％であった。一方Ｎｏ．２はＭｇを２．７
％含むＪＩＳ５０５２粉末材を窒化処理したもので、５
４０℃に到達後すぐに発熱反応を生じている。これはＭ
ｇが酸素ゲッタ−として作用し、粉末表面に存在する自
然酸化膜の作用を除去し、早期の窒化反応を生じさせた
ものと思われる。

【００３３】得られた複合材Ｎｏ．３およびＮｏ．４
は、被窒化原料の表面に生じる酸化膜の作用を調べたも
ので、両者ともマッフル炉で実験した。複合材Ｎｏ．３
およびＮｏ．４の被窒化原料ともに同じ化学組成をもつ
が、Ｎｏ．４の被窒化原料は予め５００℃×１Ｈｒの大
気中での酸化処理を施したものであり、表面に約０．０
３μｍの酸化皮膜をもつ。Ｎｏ．３はＮｏ．２同様Ｍｇ
を含み、直ぐに窒化反応が生ずるものの窒化率は４６％
と低めであった。一方Ｎｏ．４は、活発な窒化反応は７
時間と遅れるものの、窒化率は７７．８％と向上してい
る。

【００３４】Ｎｏ．５およびＮｏ．６は、被窒化原料の
形状を変えた、ファイバ−と切粉について調べた物であ
る。発熱、窒化率ともＮｏ．４に類似している。Ｎｏ．
５のファイバ−はＡｌ丸棒からビビリ切削加工で製作さ
れたものでありＮｏ．６の切粉同様、切削加工の際、表
面に強固な酸化膜を生じたものと思われる。Ｎｏ．７〜
Ｎｏ．１０は、窒化反応が早期に生じ、かつ高い窒化率
（≧８０％）を得ている。すなわち、９０％を越える高
い窒化率は６００℃以下の第一段階の窒化処理に引き続
き、８５０℃での第二段階の窒化処理を行うことと、Ｎ
ｏ．７〜Ｎｏ．９にみられるように、被窒化原料にＡｌ
／ＡｌＮ複合材を配合するのが効果的である。

【００３５】Ａｌ／ＡｌＮ複合材の配合量については１
０〜４０％を試験したが、特に多量の配合は必要なく、
１０％の配合で十分である。これは、Ａｌ／ＡｌＮ複合
材の粉末がＡｌ粉末同志の焼結による固着を防止し、最
後まで窒素ガスの流入路が確保されれば良いためと思わ
れる。またＮｏ．１０はＡｌ／ＡｌＮ複合材を配合しな
い、すなわち、０％複合材の高温２段窒化処理である。
高温２段窒化処理であればＡｌ／ＡｌＮ複合材を配合し
なくとも、窒化率を８３．９％と一段窒化と比較して高
い窒化率が得られている。

【００３６】Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１４は、低温２段窒化
処理のものである。Ｎ０．４のような酸化処理をするこ
と無く、窒化率５０〜７０％を達成している。先に述べ
たように、１６０ＧＰａのヤング率を得ようとすると、
Ｖ_AlN≧５０％が必要である。このためには一段の窒化
処理では不十分であり、かつ出来るだけ微細な結晶粒を
得る目的で、２段目の処理として６００℃以下での処理
が推奨される。

【００３７】Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１２では２段目の温度
として５８０℃、Ｎｏ．１３，Ｎｏ．１４では６００℃
が採用され、それぞれ窒化率；５７．４％，５５．２
％，６８．０％、６１．２％が得られている。一方、比
較材のＮｏ．５１（Ａｌ／ＡｌＮ複合材を含み、９００
×３Ｈｒの処理）では窒化率が９９％とほぼ完全なセラ
ミックス体となった。

【００３８】なお、窒素ガスの露点は低ければ低いほど
良いと考えられるが、この窒化処理では露点が−１０℃
程度のものでも十分に窒化が可能であることが明らかに
なった。（窒化処理２）前記（窒化処理１）の窒化ガス組成を代
え、純窒素ガスを３０リットル／分と純水素ガス１．５
リットル／分の混合ガスを使用し、Ａｌ／ＡｌＮ複合材
Ｎｏ．３と同じ条件で窒化を行った。この条件では被窒
化原料はほとんど窒化されなかった。セラミックスＡｌ
Ｎの製造には通常窒素ガスと共に水素ガスが導入され、
窒化がなされる。しかしこの実験では明らかに水素ガス
の配合は窒化を阻害する。本試験のように５４０℃と低
い窒化温度では水素がＡｌＨ₂、ＡｌＨ等としてＡｌ内
に留まり、窒素との反応を妨害するものと思われる。従
って窒素ガスに水素ガスを混入するのは好ましいことで
はない。（Ａｌ／ＡｌＮ複合材の微細組織）Ａｌ／ＡｌＮ複合材
Ｎｏ．１２の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図１、図
２に示す。この写真の倍率は図１は約１０万倍、図２は
約２０万倍で、黒い針状のものがＡｌＮの結晶である。
バックの白い部分がマトリックスとなるＡｌ合金であ
る。このＡｌＮ結晶の太さは約２０〜３０ｎｍ、長さは
約数１００ｎｍである。なお、このＡｌＮ結晶はその部
分を極微電子回折像を撮影することにより確認した。図
２に示す針状部分の極微電子回折像を図３に示す。この
極微電子回折像は亀甲状を呈している。さらにASTMカー
ドで調べると、面間隔、面角ともＡＩＮの理論値に等し
く、この棒状物はＡＩＮの結晶体（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ型
六方晶）であることが分かるこのように本発明のＡｌ／
ＡｌＮ複合材はＡｌ合金マトリックス中に極めて微細な
ＡｌＮ結晶が析出している。なお、Ａｌ／ＡｌＮ複合材
中のＡｌＮは、図ｌに示すように、樹枝状結晶の形態と
なったり、あるいは微細粒子状に析出しているのが観察
された。

【００３９】また、このＡｌ／ＡｌＮ複合材Ｎｏ．１２
のＸ線解析チャートを図４に示す。なお、図４のピーク
の頂部に付したＡおよびＢの符号は、ピークの結晶構造
を示すもので、符号ＡはＡｌを符号ＢはＡｌＮを示して
いる。このチャートからもＡｌ／ＡｌＮ複合材Ｎｏ．１
２はＡｌとＡｌＮの複合材であることがわかる。（窒化直後のＡｌ／ＡｌＮ複合材）前記したＡｌ／Ａｌ
Ｎ複合材Ｎｏ．３のマッフル炉から取り出した複合材は
窒化原料を挿入した状態がそのまま焼結した形状を持っ
ていた。この複合材は表面部分が黒く、内部は白っぽい
状態であった。この焼結形態の複合材の端の部分、中央
の表面部分および内部についてそれぞれＡｌＮおよびＡ
ｌの割合およびそれら部分の硬度を調べた。その結果を
表３に示す。

【００４０】

【表３】

【００４１】表３より、窒化は端部が一番進み、内部の
窒化は遅いことがわかる。（Ａｌ／ＡｌＮ複合材の性質１）前記したＡｌ／ＡｌＮ
複合材Ｎｏ．３〜Ｎｏ．１４を一度粉砕し、１００メッ
シュ以下の粉末とした。そして得られた各粉末を４５０
℃、１時間、２４０ＭＰａの圧力でホットプレスし、５
０ｘ５０ｘ１０ｍｍ³の板材を作った。これらの板材を
試験片とし、硬さおよび剛性を測定した。硬さはビッカ
ース硬度計により、剛性は超音波測定法で測定した。

【００４２】図５に測定された硬さの値と計算で求めら
れた硬さの値とを示す。計算では次の式を使用した。ＩｎＨｖ＝Ｖ_AlN×ＩｎＨｖ_AlN＋（１−Ｖ_AlN）×Ｉ
ｎＨｖ_Al この式でＨｖ_AlNとしては１４００をＨｖ_Alとしては１
２０と３０との２つの硬さについて求めた。Ｈｖ_Alが１
２０はマトリックスとなるＡｌ合金で多量のＦｅ、Ｎｉ
を含み、硬さも高目と思われるＡｌ合金を想定したもの
であり、実線で示した。Ｈｖ_Alが３０はマトリックスと
なるＡｌが最も柔らかい純Ａｌを想定したものであり、
破線で示した。また、本発明のＡｌ／ＡｌＮ複合材を用
いて実際に測定された値は白丸印で示した。

【００４３】また、図６に測定された剛性の値と計算で
求められた剛性の値とを示す。計算では次の式を使用し
た。ＩｎＥ＝Ｎ_AlN×ＩｎＥ_AlN＋（１−Ｖ_AlN）×ＩｎＥ
_Al この式でＥ_AlNとしては３１４をＥ_Alとしては８４．２
と６８．６との２つの剛性について求めた。Ｅ_Alが８
４．２はマトリックスとなるＡｌ合金で多量のＦｅ、Ｎ
ｉを含み、剛性の高目と思われるＡｌ合金を想定したも
のであり、実線で示した。Ｅ_Alが６８．６はマトリック
スとなるＡｌが最も剛性が低い純Ａｌを想定したもので
あり、破線で示した。また、本発明のＡｌ／ＡｌＮ複合
材を用いて実際に測定された値は白丸印で示した。

【００４４】図５および図６から明らかなように、本発
明のＡｌ／ＡｌＮ複合材の硬さおよび剛性は、ほぼ計算
値に近い値をとることがわかる。これは、ＡｌＮがＡｌ
マトリックスに極めて微細に分散保持されているため、
マトリックスのＡｌと分散子のＡｌＮとが一体化し、両
者の親密性が高いためだと考えられる。なお、通常のセ
ラミックスＡｌＮ粉末をＡｌ合金粉末に混合し、熱間塑
性加工を施して作ったＡｌ／ＡｌＮ複合材でセラミック
ＡｌＮ粉末の配合量が１５重量％程度で最も高い剛性が
得られる。１５重量％を超えて、２０重量％、２５重量
％とセラミックＡｌＮ粉末の配合量を増加させると得ら
れるＡｌ／ＡｌＮ複合材の剛性を逆に低くなる。（Ａｌ／ＡｌＮ複合材の性質２）本発明のＡｌ／ＡｌＮ
複合材とセラミックスとしてのＡｌＮ粉末との性質の差
異を明らかにするため、次の試験を実施した。

【００４５】まず、表１に示す被窒化原料７を使用して
得られた表２に示すＮｏ．１４複合材をマッフル炉より
取り出した後一度破砕し、１００メッシュ以下の粉末と
した。このＡＩ／ＡＬＮ複合材粉末をそれぞれ５体積％
および１０体積％含み、残部を表１に示すＡｌ材７とし
た２種類の混合粉末を調製し、通常のキャニング法で、
４５０℃で押出し加工し、棒状の複合材を得た。これら
を更に機械加工することによりＬＦＷ磨耗試験片を得
た。

【００４６】摺動相手材として比較的硬さの低いＪＩ
Ｓ，ＡＣ２Ｃ材を用い、ＬＦＷ磨耗試験機で摺動試験を
実施した。この摺動試験により得られた自己および相手
材の磨耗量を表４に示す。

【００４７】

【表４】

【００４８】表４より、本発明のＡｌ／ＡｌＮ複合材粉
末を配合したものはＡＩＮセラミックス粉末を配合した
ものに比較し、自己磨耗量および相手材磨耗量共に少な
い。特に相手材磨耗量が少ない。これはＡＩＮセラミッ
クス粉末の硬さはＨｖ１３００〜１４００程度と極めて
硬いのに対し、Ｎｏ．１４複合材の硬さはＨｖ５００程
度と低いことによると思われる。また、Ｎｏ．１４複合
材の比重も３．０とＡＩＮセラミックスの比重３．２６
に比較して低く、Ａｌ材の比重に近いため、Ａｌ材への
分散性に優れ、相手材磨耗量が少なくなったものと考え
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌ／ＡｌＮ複合材Ｎｏ．１２のＡｌＮ結晶の
結晶構造を示す約１０万倍の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）
写真。

【図２】図１と同じＡｌ／ＡｌＮ複合材Ｎｏ．１２のＡ
ｌＮ結晶の結晶構造を示す約２９万倍の透過電子顕微鏡
（ＴＥＭ）写真。

【図３】ＡｌＮ結晶の極微電子回折像を示すＸ線写真。

【図４】Ａｌ／ＡｌＮ複合材Ｎｏ．１２のＸ線解析チャ
ート。

【図５】Ａｌ／ＡｌＮ複合材のＡｌＮの割合と硬さ（Ｈ
ｖ）の関係を示す理論値と実測値を示す図。

【図６】Ａｌ／ＡｌＮ複合材のＡｌＮの割合と剛性（Ｇ
Ｐａ）の関係を示す理論値と実測値を示す図。

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【手続補正書】

【提出日】平成６年６月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムを主成分とするマトリックス
と該マトリックス中に分散保持された直径が１μｍ以下
の粒子状または針状の窒化アルミニウムとからなり全体
積を１００体積％としたとき該窒化アルミニウムが４０
〜９０体積％を占めていることを特徴とするアルミニウ
ムー窒化アルミニウム複合材料。
【請求項２】剛性率（ヤング率）が１３０Ｐａ以上であ
る請求項１記載のアルミニウムー窒化アルミニウム複合
材料。
【請求項３】硬さがＨｖ１５０〜１０００の範囲にある
請求項１記載のアルミニウムー窒化アルミニウム複合材
料。
【請求項４】形状が粉末状、フレーク状もしくは繊維状
である請求項１記載のアルミニウムー窒化アルミニウム
複合材料。
【請求項５】粉末状、フレーク状もしくは繊維状のアル
ミニウムまたはアルミニウム合金をその融点以下の温度
において窒化することを特徴とするアルミニウムー窒化
アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項６】窒化はアルミニウム５体積％になる前に窒
化を終了する請求項５記載のアルミニウムー窒化アルミ
ニウム複合材料の製造方法。
【請求項７】窒化はアルミニウムまたはアルミニウム合
金の融点以下の温度で行う第１窒化とその後で該第１窒
化より高い温度で窒化する第２窒化とからなる請求項５
記載のアルミニウムー窒化アルミニウム複合材料の製造
方法。
【請求項８】第２窒化の窒化温度はアルミニウムまたは
アルミニウム合金の完全溶融点以下の温度である請求項
７記載のアルミニウムー窒化アルミニウム複合材料の製
造方法。
【請求項９】第２窒化の窒化温度はアルミニウムまたは
アルミニウム合金の完全溶融点以上の温度である請求項
７記載のアルミニウムー窒化アルミニウム複合材料の製
造方法。
【請求項１０】アルミニウム合金はマグネシウムを重量
％で０．５％以上含む合金である請求項５記載のアルミ
ニウムー窒化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項１１】アルミニウム合金はニッケル、鉄、銅の
少なくても１種類以上を含み、かつニッケル、鉄、銅の
合計量が２０重量％以下の合金である請求項５記載のア
ルミニウムー窒化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項１２】全体を１００体積％としたとき、１０〜
７０体積％の粉末状もしくは繊維状のアルミニウムまた
はアルミニウム合金と、残り３０〜９０体積％を占めか
つ窒化アルミニウムを３０〜９０体積％含む粉末状もし
くは繊維状のアルミニウムー窒化アルミニウム複合材料
との混合物を窒化原料とする請求項５記載のアルミニウ
ムー窒化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項１３】粉末状もしくは繊維状のアルミニウムま
たはアルミニウム合金をその融点以下の温度において窒
化する窒化工程と、窒化工程で得られた窒化物を粉砕する粉砕工程と、粉砕工程で得られた粉体の集積体を加熱一体化する加熱
工程とからなることを特徴とするアルミニウムー窒化ア
ルミニウム複合材料の製造方法。