JPH09287036A

JPH09287036A - 金属基複合材料の製造方法

Info

Publication number: JPH09287036A
Application number: JP9878696A
Authority: JP
Inventors: Harumichi Nakanishi; 治通中西
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 1997-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】マトリックス金属の溶湯の温度が比較的低
く、例えばマトリックス金属の融点近傍である場合や、
プリフォームが溶湯中に浸漬される時間が比較的短い場
合でも、プリフォーム中へのマトリックス金属の溶湯の
含浸を十分にでき、ミクロポアや未複合部の少ない金属
基複合材料を得ること。【解決手段】マトリックス金属に強化材を複合化して
なる金属基複合材料の製造方法であって、強化材と、マ
トリックス金属と発熱反応を起こす金属微細片とを含有
するプリフォームを成形し、このプリフォームを減圧と
なした状態で、該プリフォームにマトリックス金属の溶
湯を低圧にて含浸させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マトリックス金属
に強化材を複合化してなる金属基複合材料の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マトリックス金属に強化材を複合
化してなる金属基複合材料は、強化材を含む多孔質体か
らなるプリフォームに、マトリックス金属の溶湯を含浸
させることにより製造されており、プリフォームにマト
リックス金属の溶湯を含浸させる際には、多孔質体内へ
マトリックス金属の溶湯を良好に浸透させ、強化材とマ
トリックス金属とを良好に密着させる必要があることか
ら、マトリックス金属の溶湯を非常に高い圧力、例えば
５０ＭＰａ以上で加圧して多孔質体内へ含浸させるいわ
ゆる高圧鋳造法が用いられてきた。

【０００３】この高圧鋳造法は、マトリックス金属の溶
湯を非常に高い圧力で加圧する必要があるため、製造設
備が大規模になり、そのため製造コストが高くつくの
で、工業化に際しては、マトリックス金属の溶湯を比較
的低圧でプリフォームに含浸させる方法が、現在までに
種々提案されている。

【０００４】例えば、特開平１ー２７９７１３号公報に
よれば、強化材に特定の金属の微細片を含有させてプリ
フォームを成形して、このプリフォームにマトリックス
金属の溶湯を含浸させることにより、マトリックス金属
の溶湯が特定の金属の微細片伝いにプリフォーム中へ浸
透し、特定の金属とマトリックス金属との反応により生
じる熱によって、マトリックス金属溶湯のプリフォーム
への浸透性及び強化材とマトリックスとの間の濡れ性が
向上され、これにより実質的に加圧することなく複合材
料を製造できることが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法で
は、マトリックス金属の溶湯の温度が低く、例えばマト
リックス金属の融点近傍である場合や、プリフォームが
溶湯中に浸漬される時間が比較的短い場合には、プリフ
ォーム中へのマトリックス金属の溶湯の含浸が不十分
で、得られた複合材料中にミクロポアや未複合部が生じ
ることがある。

【０００６】かかる場合、得られた複合材料においてこ
のミクロポアや未複合部が欠陥となって、かかる欠陥部
分に応力集中を生じて疲労破壊をひき起こし、材料とし
ての信頼性に欠けるという不具合を生じる。

【０００７】そのため、マトリックス金属の溶湯の温度
を該マトリックス金属の融点より１００〜２００Ｋ程度
高くして、且つ２４時間以上の長時間亘り含浸させると
いった手法が講じられるが、生産性が非常にわるくコス
ト高になる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、かかる課題
に鑑み、マトリックス金属に強化材を複合化してなる金
属基複合材料の製造方法について鋭意検討したところ、
強化材と、マトリックス金属と発熱反応を起こす金属微
細片とを含有するプリフォームを、減圧となした状態に
すれば、低圧においてもマトリックス金属の溶湯を融点
近傍の温度で、且つ短時間で効率的に含浸でき、ミクロ
ポアや未複合部が生じることなく疲労強度に優れた複合
材料を製造できる知見を見出し、本発明を完成するに至
った。

【０００９】すなわち、本発明は、（１）マトリックス
金属に強化材を複合化してなる金属基複合材料の製造方
法であって、強化材と、マトリックス金属と発熱反応を
起こす金属微細片とを含有するプリフォームを成形し、
このプリフォームを減圧となした状態で、該プリフォー
ムにマトリックス金属の溶湯を低圧にて含浸させること
を特徴とする金属基複合材料の製造方法、（２）プリフ
ォームを１０ＫＰａ以下に減圧した状態で、該プリフォ
ームにマトリックス金属の溶湯を含浸させる（１）記載
の金属基複合材料の製造方法。

【００１０】（３）実質的に加圧することなく含浸させ
る（１）又は（２）記載の金属基複合材料の製造方法、
（４）金属微細片が、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、
Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔｉ及び
これらを主成分とする合金よりなる群から選ばれる少な
くとも一種以上である請求項（１）〜（３）記載の金属
基複合材料の製造方法、（５）マトリックス金属が、ア
ルミニウムである請求項（１）〜（４）記載の金属基複
合材料の製造方法、に関する。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の金属基複合材料の製造方
法において、金属マトリックスとしては、アルカリ土類
金属などの軽金属が用いられ、工業的には、マグネシウ
ム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）が好ましく、アルミ
ニウムが特に好ましく用いられる。また、これら金属マ
トリックスは、それらを主成分とした合金であってもよ
く、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａの少なくとも何れか１種以
上を合計で０．５％以上含有しているアルミニウム合金
は、マトリックス金属の溶湯をプリフォームに一層良好
に含浸させることができる。

【００１２】金属マトリックスに複合化して強度を向上
させる強化材としては、長繊維、短繊維、ウイスカなど
の形状であって、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、炭化ホウ
素繊維、窒化ケイ素繊維、窒化ホウ素繊維などの非酸化
物系繊維、チタン酸カリウム繊維、ジルコニア繊維、ア
ルミナ繊維、シリカ繊維、アルミナーシリカ繊維、アル
ミナーボロア・シリカ繊維などの酸化物系繊維、ステン
レス鋼繊維、スチール繊維などの金属繊維などが用いら
れ、これらの平均繊維長は、２０μｍ〜０．１μｍ、好
ましくは５μｍ〜０．５μｍのものが用いられる。ま
た、強化材は粉末状のものであってもよく、この場合
は、平均粒子径が０．１μｍ〜１００μｍ、好ましくは
１μｍ〜５０μｍのものが用いられる。

【００１３】これら強化材は単独使用、あるいは２種以
上併用することもできる。

【００１４】マトリックス金属と発熱反応を起こす金属
微細片としては、マトリックス金属と反応して自身が還
元される金属酸化物、例えば、ＴｉＯ、Ｃｒ₂Ｏ₃等や、
マトリックス金属と直接反応して金属間化合物を生成す
るような金属、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍ
ｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔｉ
及びこれらを主成分とする合金が用いられ、好ましく
は、得られた複合材料の強度の点よりＴｉＯ、Ｃｒ
₂Ｏ₃、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｔｉ及びこれらを主成
分とする合金が用いられ、特に好ましくは、反応熱の点
よりＴｉＯ、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ｔｉ及びこれを主成分とする合
金が用いられる。かかる金属微細片は、短繊維、ウイス
カなどの形状であって、これらの平均繊維径は、強化材
よりも小径であることが好ましく、具体的には１μｍ以
下のものが用いられる。また、金属微細片は粉末状のも
のであってもよく、この場合は、平均粒子径が強化材よ
りも小径であることが好ましく、具体的には２０μｍ以
下のものが用いられる。これら強化材は単独使用、ある
いは２種以上併用することもできる。

【００１５】本発明の金属基複合材料の製造方法におい
ては、まず、強化材と前記の金属微細片とを含有するプ
リフォームを成形する。

【００１６】プリフォームの成形は、強化材と金属微細
片とを、強化材１００に対し金属微細片１０〜１０００
重量％の割合にて混合し、これにバインダーを、これら
混合物に対して１０００〜１００００重量％加えて、水
中で十分に撹拌分散させた後、異物などを分別除去して
脱水の後、保形して成形体を得、次いで、乾燥し焼成す
る。水中での分散においては、各成分を十分に分散させ
るため超音波により振動を与えてもよく、また、脱水及
び保形は、所定形状の保形型に、分散させたものを入れ
て、吸引して脱水しながら加圧して保形する。得られた
成形体は、常温にて１日程度の自然乾燥によるか、ある
いは温風などにより５０〜１００℃程度に若干加熱して
０．１〜２時間程度乾燥する。次いで焼成は、電気炉な
どにより約１００℃〜５００℃で約１〜２時間、好まし
くは約１１０℃〜１２０℃で約０．５〜０．６時間行
う。

【００１７】また、バインダーとしては、シリカゾル、
アルミナゾル、シリカ−アルミナゾル、ジルコニアゾル
などの無機結合剤、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、
メチルセルロース（ＭＣ）、カルボキシメチルセルロー
ス（ＣＭ）、デンプンなどの有機結合剤が用いられ、好
ましくは、無機結合剤、特に好ましくは、シリカゾルが
用いられる。

【００１８】得られたプリフォーム中の強化材と金属微
細片との合計の体積率（Ｖｆ）は、好ましくは５〜９０
％、さらに好ましくは７．５〜８５％である。かかる範
囲において、マトリックス金属の溶湯を良好に含浸させ
ることができる。

【００１９】また、プリフォーム中の金属微細片の体積
率は、好ましくは８５％以下である。金属微細片の割合
が多いと、強化材とマトリックス金属との間の濡れ性は
改善されるが、強化材の割合が少なくなると、得られた
金属基複合材料の強度が低下する。

【００２０】このようにして得られたプリフォームは、
減圧となした状態で、該プリフォームにマトリックス金
属の溶湯を低圧にて含浸させる。

【００２１】プリフォームを減圧となすには、プリフォ
ームを密閉容器中で真空ポンプなどを用いて真空引きす
ればよいが、プリフォームを減圧状態としたままマトリ
ックス金属の溶湯を含浸させる必要があることから、密
閉型の溶湯容器を用いて、この溶湯容器中にプリフォー
ムを配置して後、容器を密閉して真空ポンプなどを用い
て真空引きを行う。この場合、容器中に配置されたプリ
フォームを好ましくは１０ＫＰａ以下、さらに好ましく
は１ＫＰａ以下に減圧する。

【００２２】このようにプリフォームを減圧状態とすれ
ば、プリフォームの多孔質内に存在していた空気を除く
ことができるので、かかる空気の存在により金属基複合
材料中にボイドが生ずるということがなくなると共に、
プリフォームの多孔質内が引圧とされてるので、マトリ
ックス金属の溶湯を含浸する際には、マトリックス金属
の溶湯をプリフォーム内に引き込みやすく、よって、マ
トリックス金属の溶湯のプリフォームへの浸透性を向上
させることができる。この場合、容器中に配置されたプ
リフォームを１０ＫＰａ以下に減圧すると、上記の一層
の効果を得ることができる。

【００２３】尚、減圧状態となすには他の方法を用いて
もよく、例えば、予めプリフォームのみを真空パッキン
グして、これを大気中におかれた容器中に配置してもよ
い。この場合には、装置を簡便にできて生産性を向上さ
せることができる。

【００２４】次に、このプリフォームにマトリックス金
属の溶湯を含浸させるには、密閉溶湯容器に、例えば、
アルミニウムの場合には、約６５０℃〜８００℃、好ま
しくは約６６０℃〜６８０℃に加温したマトリックス金
属を注湯して、溶湯表面を約５０ＫＰａ以下の範囲で、
好ましくは約３０ＫＰａを越えない範囲において０．１
〜１時間、好ましくは０．２〜０．３時間加圧し、また
は、実質的に加圧することなく含浸させる。約５０ＫＰ
ａ以下の低圧で含浸させるときは、低圧鋳造機などを用
いて含浸させることができ、また、実質的に加圧するこ
となく含浸させるときには、特に加圧の設備を要しな
い。

【００２５】尚、真空パッキングしたプリフォームを、
大気中におかれた容器中に配置して含浸した場合は、実
際上、１００ＫＰａ近傍の大気圧が作用することにな
る。

【００２６】この含浸に際しては、マトリックス金属の
溶湯は、金属微細片伝いにプリフォーム中へ浸透し、金
属微細片とマトリックス金属との反応により生じる熱に
よって、マトリックス金属の溶湯のプリフォームへの浸
透性及び強化材とマトリックスとの間の濡れ性を向上さ
せることができる。

【００２７】また、含浸の前に、あらかじめプリフォー
ムを約２００℃〜１０００℃、好ましくは約７００℃〜
８００℃に予熱しておくと、強化材とマトリックス金属
との間の濡れ性を一層向上させることができる。

【００２８】含浸終了後、得られた含浸物を冷却してマ
トリックス金属を凝固させた後、必要により所定形状に
切り出して金属基複合材料を得る。

【００２９】このように、本発明の金属基複合材料の製
造方法によれば、大型の高圧鋳造機を必要とせずとも、
マトリックス金属の溶湯の温度が比較的低く、例えばマ
トリックス金属の融点近傍である場合や、プリフォーム
が溶湯中に浸漬される時間が比較的短い場合でも、低圧
にてプリフォーム中へのマトリックス金属の溶湯の含浸
を十分にでき、得られた複合材料中のミクロポアや未複
合部を少なくすることができて、かかるミクロポアや未
複合部が欠陥となる複合材料の疲労破壊を低減すること
ができる。

【００３０】このように製造された金属基複合材料は、
材料としての信頼性を十分に有し、例えば自動車用部
品、とりわけ、エンジンのシリンダヘッドなどに好適に
用いることができる。

【００３１】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体
的に説明する。

【００３２】実施例１強化材としてアルミナ繊維（平均繊維長３．２２μｍ）
２．３３ｇと、金属微細片としてＴｉとＴｉＯとを含有
する合金粉（平均粒子径＜２２μｍ）１．５ｇとをビー
カーに入れ、シリカゾル（無水ケイ酸７ｖｏｌ％）０．
６ｍｌと水２５０ｍｌを加えて、撹拌して分散させた。
さらに、このビーカーを約２５分間超音波洗浄器に浸け
て十分に分散させた。

【００３３】次いで、この分散物を、１５メッシュの網
を用いて異物を除去した後、円筒状（内径３０φ、高さ
１０ｍｍ）の保形型に入れ、下部からアスピレータで吸
引して水を抜くと共に上部から分散物の表面を押圧して
円柱形状の成形体を得た。これを８０℃、０．１時間温
風にて乾燥の後、電気炉にて１１０℃、０．５時間焼成
することによりプリフォームを得た。

【００３４】得られたプリフォーム中の強化材と金属微
細片との合計の体積率は、２０％で、プリフォーム中の
金属微細片の体積率は、１０％であった。

【００３５】次に、このプリフォームを電気炉で約７０
０℃、１時間予熱してから密閉溶湯容器に入れて、容器
を密閉した後、真空ポンプを用いてプリフォームを約１
０ＫＰａに減圧した。この減圧した状態で、容器内に約
６６０℃に加熱されたアルミニウムの溶湯を注ぎ、加圧
することなくプリフォームに含浸させた。

【００３６】含浸終了後、冷却してアルミニウムを凝固
させ金属基複合材料１を得た。

【００３７】この金属基複合材料１の中央部を横断面方
向に切断し、光学顕微鏡観察を行った。その写真を図１
に示す。

【００３８】この観察の結果から、次の計算式により含
有欠陥平均寸法を算出した。含有欠陥平均寸法は、１５
μｍであった。

【００３９】欠陥平均寸法ｄ＝（４ΣＳ／ｎπ）^1/2 ｎ：写真中の欠陥個数（ｎ）、ΣＳ：写真中の欠陥のす
べての面積実施例２プリフォームを約１ＫＰａに減圧したこと以外は、実施
例１と同様の操作を行い金属基複合材料２を得た。

【００４０】この金属基複合材料２の中央部を横断面方
向に切断し、光学顕微鏡観察を行った。その写真を図２
に示す。また、観察の結果から含有欠陥平均寸法を算出
した。含有欠陥平均寸法は、７μｍであった。

【００４１】実施例３〜７プリフォームをそれぞれ約０．１ＫＰａ、約０．０１Ｋ
Ｐａ、約０．００１ＫＰａ、約０．０００１ＫＰａ、約
０．００００１ＫＰａに減圧したこと以外は、実施例１
と同様の操作を行いそれぞれ金属基複合材料３〜７を得
た。

【００４２】この金属基複合材料３〜７を、実施例１と
同様に光学顕微鏡観察を行い、含有欠陥平均寸法を算出
した。

【００４３】それぞれの含有欠陥平均寸法は、実施例３
（約０．１ＫＰａ）では、５μｍ、実施例４（約０．０
１ＫＰａ）では、３μｍ、実施例５（約０．００１ＫＰ
ａ）では、１μｍ、実施例６（約０．０００１ＫＰａ）
では、０．５μｍ、実施例７（約０．００００１ＫＰ
ａ）では、０．２μｍであった。

【００４４】比較例１プリフォームを減圧せずにアルミニウムの溶湯を含浸さ
せたこと以外は、実施例１と同様の操作を行い金属基複
合材料８を得た。

【００４５】この金属基複合材料８の中央部を横断面方
向に切断し、光学顕微鏡観察を行った。その写真を図３
に示す。また、観察の結果から含有欠陥平均寸法を算出
した。含有欠陥平均寸法は、２５μｍであった。

【００４６】これら実施例１〜実施例７及び比較例にお
いて、真空度と含有欠陥平均寸法との関係を表１に示
す。

【００４７】

【表１】

【００４８】表１より、プリフォームを減圧せずに製造
した比較例の金属基複合材料８に対して、減圧を行った
実施例１〜７の金属基複合材料１〜７は、その含有欠陥
平均寸法が小さく、特に、１０ＫＰａ以下に減圧すると
減圧しない場合に較べてその含有欠陥平均寸法が顕著に
低下していることがわかる。

【００４９】

【発明の効果】本発明の金属基複合材料の製造方法によ
れば、マトリックス金属の溶湯の温度が比較的低く、例
えばマトリックス金属の融点近傍である場合や、プリフ
ォームが溶湯中に浸漬される時間が比較的短い場合で
も、プリフォーム中へのマトリックス金属の溶湯の含浸
を十分にでき、得られた複合材料中のミクロポアや未複
合部を少なくすることができて、このミクロポアや未複
合部が欠陥となる複合材料の疲労破壊を低減することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の光学顕微鏡写真

【図２】実施例２の光学顕微鏡写真

【図３】比較例１の光学顕微鏡写真

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリックス金属に強化材を複合化してな
る金属基複合材料の製造方法であって、強化材と、マト
リックス金属と発熱反応を起こす金属微細片とを含有す
るプリフォームを成形し、このプリフォームを減圧とな
した状態で、該プリフォームにマトリックス金属の溶湯
を低圧にて含浸させることを特徴とする金属基複合材料
の製造方法。
【請求項２】プリフォームを１０ＫＰａ以下に減圧した
状態で、該プリフォームにマトリックス金属の溶湯を含
浸させる請求項１記載の金属基複合材料の製造方法。
【請求項３】実質的に加圧することなく含浸させる請求
項１又は２記載の金属基複合材料の製造方法。
【請求項４】金属微細片が、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、
Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔ
ｉ及びこれらを主成分とする合金よりなる群から選ばれ
る少なくとも一種以上である請求項１〜３記載の金属基
複合材料の製造方法。
【請求項５】マトリックス金属が、アルミニウムである
請求項１〜４記載の金属基複合材料の製造方法。