JPS616217A - アルミニウム基複合材料の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミック粉末で分散強化した複合材料に関す
る。

金属マトリックスに比弾性率、比強度、耐熱性等の優れ
たＳｉＣ，！３ｉ３Ｎ４．Ａｔ２Ｃ１３，ＴｉＯ２など
のセラミックス粉末を複合させた複合材料は、その優れ
た材料特性のため、種々の製造技術が試みられている。

その中でも出発原料を互いに粉末として、混合、成形す
る方法は、所望形状に成形できかつ欠陥なく、加工性に
富んだ複合材料を工業的に安価に製造できる可能性を持
っている。

以上のような粉末法で複合材料を製造する場合、複合材
料の特性を十分引出すためには、強化相であるセラミッ
クス粉末粒子を均一分散させなければならない。そのた
め均一分散を得る方法を得る混合法が複合材料を製造す
る時の技術的問題点となっている。

一般に金属粉やセラミック粉に限らず、粉末の混合はＷ
型やＶ型混合機に代表されるように粉末を撹拌すること
で行なわれている場合が多い、この方法では粉末の粒径
、形状、比重に差があると均一分散を得ることが難しい
、セラミックス粉末で分散強化したアルミニウム（Ａ１
）基複合材料を製造する場合、Ａ１合金粉とセラミック
ス粉末を混合することが不可欠である。

複合材料に必要なセラミックス粉末としては、Ｓ　ｒ　
Ｃ、Ｓ　＋　３Ｎ　ａ　、＾１２Ｑ３．ＴｉＯ，，など
のサブミクロン層数μｍオーダの微粉末で体積百分率で
１０％〜４０％程度の割合でＡ１合金粉と混合しなけれ
ばならない、＾）合金粉末を市販されているアトマイズ
粉（３２５メー。

シュ以下）とした場合、４１合金粉末とセラミックス粉
末をＷ型、Ｖ型混合機で均一混合することは、粒径、比
重、粉末形状等の差異により不可能とされている。特に
セラミックス粉末が微粉であるため、従来の混合法では
、セラミックス粒子の凝集体が残存し、それを成形して
得られる複合材料内に欠陥として導入される結果、特性
の著しい低下を招くことになる。

本発明は強化相であるセラミックス粉末粒子をＡ１合金
マトリックス中に均一分散した複合材料の製造方法に関
するものである。本発明による製造方法は、出発原料を
粉末として秤量、混合圧粉成形、熱開成形というプロセ
スで構成されており、混合時に高エネルギーミルを使用
することで均一な混合粉末を製造し、それを圧粉、成形
することを特徴としている。

本発明で使用するＡｌ基複合材料用のマトリックス金属
の組成としては、純アルミでもアルミニウム合金でも特
に支障はないが、一般に高強度を目的とするため、ジュ
ラルミン、超ジュラルミン系統の組成が選ばれ、具体的
にはＡＡ規格の２０００番合金、８０００番合金、７０
００番合金等が適する。高強度、高剛性を考えると、ジ
ュラルミン系統が適当で、たとえば８０８１合金を用い
たものは強度レベルは中のＬ程度であるが、加工性、耐
食性にすぐれていることからマトリックスとして好まし
い。

木製法に用いられるＡ１合金粉の粒度は３２５メツシユ
（４４μｍ）以下を目安とする。市販の７トマイズ粉の
３２５メンシユ以下の粉末に相当し、粒度としては数＃
Ｌｍ〜４４μｍの範囲にある。Ａ１合金粉末を２〜３μ
ｍの平均粒径の微粉を用いて混合する方法もあるが、コ
スト、ＡＩ粒粉末爆発などの危険性のため、市販の３２
５メツシユ以下のアトマイズ粉を利用する方がよい。そ
の場合、均一混合が難しい（Ａ１合金粉とセラミックス
粉の粒径差）ため、本製法を用いるメリットがある。し
かし、この方法でも均一混合するには粉末の粒度に限界
があるので、混合できるＡ１合金粉の粒度範囲としては
数μｍ〜６０ルｍ程度が妥当である。

本発明においては原料粉末の混合時における高エネルギ
ーミルの使用は、混合に加えられるエネルギーを高め、
圧着、粉砕の起る条件下で混合を行なうものである。そ
のような条件下でＡＩ粒粉末セラミックス粉末を混合す
れば、Ｗｉ性変形するＡ１粒子の表面にセラミックス粒
子が圧着され、金属粒子表面をセラミックス粒子で被っ
た複合粉末が得られる。この混合粉を熱開成形（ホット
プレス、熱間押出）すればＡＩマトリックス中にセラミ
ックスが均一分散した複合材料が製造できる。

この高エネルギーミルとしては、ボールミル、振動ミル
、アトライター等がある。高エネルギーという意味は、
原料粉末に加えられるエネルギーが高く、個々の粒子が
変形、粉砕をおこすような状態下で行なうことを意味し
ている。そのエネルギーを加える媒体はポールであった
り、ディスクであったりしても良く、また駆動方式が回
転であったり、振動であったりしても良く、装置の構造
は特に制限を受けるものではない、混合粉を製造する時
の条件を制御することでＡ１合金粉の表面をセラミック
ス粒子で被覆した複合粉を製造することが可能である。

また混合時間が長くなればＡ１合金粉の粉砕、圧着が始
まり、メカニカル・アロイングの状態に到達するが、本
製造法ではＡ１合金粉の表面へのセラミックス粒子の圧
着を特徴とし、Ａ１合金粉の粉砕、凝集の起る条件での
混合は生産性の低下を招き、その分散性への効果も大差
ないことから、本発明ではそこまで要求していない。

次に成形加工方法について説明する。

複合材料の原料であるＡ１合金粉末とセラミックス粉末
との均一混合粉末の熱間成形法としてはＨＩＰ、ホット
プレス、熱間押出、熱間鍛造等が利用できる。通常はあ
らかじめ圧粉成形体を準備しておき、これを最終的な形
状に加工する。たとえば、混合粉末材料を大気雰囲気も
しくはアルゴン気流中でホットプレス法により密度比が
真密度の８０〜８５％になるようにプリフォームビレッ
トを製造し、しかる後にそのビレットを熱間押出成形す
ることで棒材、板材等を成形することができる。

成形加工はプリフォームも含めて５００〜ｆｉ２０℃の
熱間で行なうのが良い、プリフォームは冷間でも可能で
あるが、冷間では圧粉が不充分で亀裂が発生し易く、最
終製品の特性も良いものが得られない、最終成形は熱間
加工が必須である。

予備成形の条件は、混合粉末を圧粉して密度比が真密度
の８０〜９５％程度のビレットに成形することを目的と
し、粉末原料をダイス中に充填してσ＝　ｌｏｋｇｆ　
／　ｍｍ″以上の応力を負荷する。温度は５００〜５５
０℃程度が良い。

最終成形は上記ビレットを用いて熱間成形加工するので
あるが、加工に必要な条件としては残留気孔を消滅させ
、はぼ真密度に近い成形体を製造し、金属拡散を促進さ
せる点にある。従って成形温度としてはマトリックス金
属の融点直下で液相を生じないで、しかも金属拡散が活
発になる５５０〜６２０℃の範囲を狙い、マトリックス
Ａ１合金の組成により適宜選択すれば良い。

成形圧力は１０ｋｇ　ｆ　／　ｍ　ｒｎ’以上あれば充
分である。

セラミックス混合による成形条件の変化については、セ
ラミックスの種類よりもその粉末の粒度もしくは形状に
よって混合粉の成形性に差異を生じる。一般に微粉にな
ると圧縮性や成形性が悪くなり、同じ荷重で成形しても
密度比が異なるし、最適加工荷重も異なる結果となる。

本発明を用いる効果よして、原料粉末に市販のＡ１合金
粉（アトマイズ粉）とセラミックス微粉を用いても、十
分均一分散した複合材料を製造できることにある。そし
てその方法自体、乾式で高エネルギーミルで混合するた
め、簡便であり、生産性の高いという利点があり、安価
に品質、特性の安定した粒子分散型Ａ１基複合材料を製
造できるところに大きな効果がある。

本製造法によって製造された複合材料はセラミックス粒
子（Ｓ＋Ｃ，５ｔ３Ｎ４．Ａｌ２Ｏ３，Ｔ＋０２ｅｔｃ
　）の均一分散によって、比剛性、比強度とも上昇する
結果、材料の軽量化が可能になると同時にセラミックス
の耐熱性や耐摩耗性といった性質を複合材料とすること
でＡ１合金に持たせることができるという点に大きな効
果がある。

実施例 Ａ１合金粉として６０６１合金の窒素アトマイズ粉（３
２５メツシユ以下）を用い、セラミックス粉末としてＳ
ｉＣ粉末（α型）を用いた。　ＳｉＣ粉末は０．１μｍ
−１０ｇｍの粒度の範囲にある。

ＳｉＣ粉末をＡ１合金粉に対して体積百分率で２０％に
なるように秤量し、Ａ１合金粉とともに振動ミルの中に
入れた。混合時に壁面へのＡ１粉末の付着を防止するた
め、エタノールを２ｍｌ／　１００ｇ程度入れた。振動
ミルで１回１００ｇの粉末を回転数１８０Ｏｒ、ｐ。

−で５分間混合した。混合時間はＡ１粉末の表面にＳｉ
Ｃ粒子が付着し始め、均一混合状態になる条件に設定し
た。

混合粉末のＳＥに写真を第３図に示す。

得られた混合粉末を円筒の型の中に入れ、　５８５〜５
８０℃の温度で密度比９２％に圧粉成形し、押出用ビレ
ットに成形した。

次にこのビレットを５３０〜５８０℃の温度で熱闘押出
を行ない、　３ｍｍ厚で３２（巾）　Ｘ３！５０　（長
さ）ｌＩＩｌの板に成形した。

第１図に以上の方法で製造した複合材料の金属組織写真
を、第２図に従来の混合法（Ｖ型混合機）で製？Ａされ
た粉末を使用した複合材料の金属組織写真を比較して示
しである０本発明法によって製造された複合材料は、強
化相であるＳｉＣの分散状態がすぐれており、ＳｉＣの
凝集体は消滅し、その効果が認められるａｍ この本製造法による複合材料の機械特性を表１に示す、
比較のため８０８１合金粉末を使用して上記と同一条件
で成形した板の特性を併記する。

表　１　　複合材料の特性 ８０８１合金を使用し、上記と同じ条件で製造したもの
と比較して本発明によるものはヤング率で３０％向し、
降伏、引張強さで２０％向上しており、粒子分散の効果
が認められる。

工０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によって得られた複合材料の金属組織を
示す図、第２図は従来法による複合材料の金属組織を示
す図、第３図は本発明による混合粉末の粒子構造を示す
図である。 特許出願人　　昭和電工株式会社 代　理　人　　弁理士　菊地精− 算　１　１ｆｉ ｖ−，２町

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アルミニウム合金粉末とセラミック粉末を高エネルギー
   ミルで混合し、次いで該混合粉末を圧粉成形し、次いで
   熱間成形加工することを特徴とするアルミニウム基複合
   材料の製造法。