JPS6267147A - 鉄系積層型粒子強化複合材料の製造法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マットリックス金属材料の半溶融状態におけ
る特性を利用して表面層にのみ強化粒子を含む層を形成
するようにした金属とセラミックスとの複合材料を製造
加工する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

異なった複数の素材を複合化し、より優れた材料を作ろ
うという目的から、最近複合材料の開発が活発となって
いる。

特にセラミックスは高強度、耐摩耗性、耐熱性等に優れ
ているため強化材として１１目され、また種々の分野に
おいてその利用が進みつつある。

然しこのセラミックスは靭性の面で信頼性に欠けるとい
う基本的な難点があり、この点がその一般的かつ広汎な
分野での利用を妨げていた。

このようなセラミックスの優れた特性を生かす材料とし
て、高靭性を有する鉄系金属とセラミックスとの複合材
が注目され、その製造技術も種々研究されているが、こ
の種の製造法ではセラミックスの不均一分散、密着性不
良、空孔欠陥の存在、製造工程の複雑化等種々の問題が
あり、未ｔ！実用化されろ程に確立された技術とはなっ
ていない。

金属とセラミックスの複合化を図る方法としては例えば
セラミツウス繊維を用いｌ：液体鋳造法（溶融浸透法、
加圧鋳造法、真空鋳造法）また粉体を用い、ホットプレ
ス、押し出し等を利用した固体拡散法（焼結法）等があ
る。

前者の液体鋳造法の場合では空孔欠陥が少なく、セラミ
ックスと母材金属の密着状態も良好であるが、セラミッ
クスと溶融金属に比重差が存在する場合、セラミックス
の浮上又は沈降を牛し、セラミックスの均一分散が困難
となるということ並びに製造に当り、母材金属を溶融す
るｔ：めに比較的高温下での作業を必要とする等の欠点
がある。

後者の固体拡散法の場合では、拡散接合を可能ならしめ
るため還元雰囲気が不可欠であり、かつ十分な拡散接合
を行うためには大吉量のホットプレス装置を必要とする
ため製造が極めて複雑になるという欠点があり、まｔこ
特に多量のセラミックスを含有する複合材を製造する場
合には、母材金属の拡散接合が非常に困難となるという
欠点がある。

このように従来法はいずれも、得られる複合材の材質や
製造工程の面で根本的な問題点を有するものである。

発明者は先に強度、硬度、耐摩耗性などの改善のため強
化粒子を分散含有させた材料を得る試みを行った結果得
られる材料の特性及び生産性からマトリックスが合金材
料である場合には、その半溶融状態において強化粒子を
混入させる方法が極めて有力であることを見いだした。

〔発明が解決しようとする問題点〕

鉄系積層複合材料の製造に当たっての問題点は、１）鉄
のＣを低くすると第４図のＦ　ｅ　−Ｃ系平衡状態図に
示す如く融点が高く工具の材質が問題となる。２）鉄の
Ｃ高い場合は第１図に示す如く融点が低く加工温度が例
えば１２００℃と低い。３）Ｃ高い鉄にセラミックス強
化粒子を入れた場合脆く加工性が悪い等の問題点がある
。

本発明は以上の如き従来技術の問題点を解決するために
なされたものであり、鉄系材料での半溶耐圧延における
積層型粒子強化複合材料の製造法により、マトリックス
金属粉と強化粒子の密着性、積層材と素板との接合性、
及び強化粒子の分散性に関して優れた製品を得るための
製造、加工法を開発することを目的とするものである。

〔問題点を解決すべき手段〕

本発明は、金属素板上に鋳鉄粉と還元鉄粉、Ｎｌ粉、Ｃ
ｏ粉、及びＣｒ粉から選ばれた１種または２種以上の金
属粉をマトリックス金属として用い強化粒子としてアル
ミナ粉、炭化珪素粉、セラミックス粉、セラミックス繊
維、ウィスカー等の混合粉を用い積層し、該Ｆｉ１層物
を圧延ロール入側直前の加熱炉内に載置し、前記積層被
圧延材の積層部マトリックスが所定の半溶融状態になる
まで加熱保持した後、該圧延ロールのロール間に挿入し
圧延する鉄系積層型粒子強化複合材料の製造法である。

更に前記金属素板が３４５ＣまたはＳ　ｔＪ　Ｓ　３０
４であり、前記金属粉及び強化粒子のの粒度が夫々＃　
１００以上乃至＃１５００未満であり、また強化粒子の
体積含有率が１０〜６５％である。

また積層物の厚さを０．０１ｍｍ以上に積層するもので
あり、かつ積層加熱渇麿は１１００〜１５００℃であり
、圧延するに当たっ−Ｃの圧下率を１５％　以−Ｌとし
、更に圧下率１０％以−Ｉ−にて再圧延ずろことを実施
態様とするものである。

〔作用］ 積層型粒子強化複合材料の製造加工条件としては種々の
因子が考えられるが本発明は、第１図に示ず如く５４５
Ｃ及び５ＵＳ３０４等の金属素板１の−にに鋳鉄粉と還
元鉄粉、Ｎｉ粉、ＣＯ粉、及びＣｒ粉から選ばれた１Ｍ
または２Ｍ以上の金属粉Ｍと強化粒子Ｐとしてアルミナ
粉、炭化珪素粉。

セラミックス粉、セラミックス繊維、ウィスカー等の混
合粉を用いライナー（積層物）２とし、このライナー２
の厚さを０．０１ｍｍ以上の任意の厚さとし、これを圧
延ロール３の入側直前に設けた加熱炉例えば高周波誘導
加熱炉４内にセラ）・シ、要すれば炉内を酸化防止のた
めアルゴンガス雰囲気とし、加熱温度１１００〜１５０
０℃にて被圧なるまで加熱保持した後、ロール内に被積
層物を挿入し、圧延する方法である。

先ず金属素板としての５４５Ｃと５ＵＳ３０４の２種類
について積層型粒子強化複合材料への影響を調べた結果
、その裏金材質の影響は認められなかった。

次に強化粒子としてアルミナを用い粒度を変えその体積
含有率と見掛は圧下率の影響を調べた結果第２図に示す
如く、体積含有率が高くなると製品状態は悪くなる。

これはマトリックスの液相成分の量に対しての量が過多
になり、強化粒子が、マトリックスの溶液中に十分混入
出来ず、強固な結合が得られないためである。また粒度
が細かくなるに従い加工限界範囲も狭まってくるが、こ
れは、強化粒子の粒径が鉄粉ζこ比べて著しく小さくな
るため、均一に分散せず鉄粉の間（こ凝集し、マｌ−Ｉ
Ｊワックス液相成分が十分浸透しないためと考えられる
。

従ってこの問題については、鉄粉の粒径を小さく７） くすることにより可能である。又見掛は圧下率が大きく
なることにより製品も向上していることがわかる。

次に強化粒子の粒度の影響について＃考顕微鏡写真１に
より調べた結果強化粒子の粒径が金属粉の鉄粉に比べ著
しく小さくなると鉄粉内に凝集するので分散が悪く製品
性状がわるくなるのでその粒度は＃１００〜＃１５００
の間が好ましい。

又強化粒子の体積含有率３０％の製品では分散性も良く
液相成分が浸透するが含有率が７０％の場合では液相成
分の量に比べて強化粒子の量が過多になり、アルミナ粉
のみ分布することが参考顕微鏡写真２より認められその
好ましい範囲は１０〜６５％である。

このように半溶融状態ではマトリックスの粒表唐部が溶
解し、乙の液相が強化粒子を包みこんだ状態で圧延され
凝固するので相互の結合が強固となり、粒子強化複合材
料としての所定の効果が得やすいわけである。

圧延潤度は１０５０℃製品では固相分率が１００％であ
り、参考顕徹繞写真３より十分な拡散が行われず粒の境
界に亀裂状となっていることが観察され、一方圧延渥度
ｉｆ　］　２００℃では良好な製品が得られることから
圧延１易度は１１００℃〜１５００℃が好ま（７い。

更に以上の条件により圧延したものを半溶融状態で圧下
率１０％以上にて再圧延することにより強化粒子がマト
リックス金属にしみこんで均一となり、分散性が向トし
、製品表面が綺麗になり平滑性を得ることが参考ＦＲ徹
蜆写真４により確認された。

また本発明法によって得られた製品の摩耗試験を行った
結果、第３図に示す如く摩耗量は、体積含有率Ｖｐの増
加に従って減少し、素板と比較して＃４摩耗性が向上し
ている乙とがわかる。然し■ｐが４０〜５０％以上にな
ると摩耗量も増えはしめる傾向にある。これは液相が不
足して強化粒子の結合が不完全となり、粒が脱落する割
合が増加することによって摩耗が促進するためであると
思われる。

次に実施例について述べる。

〔実施例〕

金属素板としてＳ４５Ｃ及びＳ　［１Ｓ　３０４を用い
、またライナーとしては、鋳鉄粉と還元鉄粉の混合比を
１：　９〜９：　１の範囲に調整した〔鋳鉄粉子還元鉄
粉＋アルミナ粉〕の混合粉を用い、第１図に示すような
製造・加工プロセスに従って複合材料を製造しｔこ。

先ず金属素板１の上にライナー２を０．０１ｍｍ以−Ｌ
任意の厚さで積層し、これをロール３人側直前に設置し
ｔコ高周波誘導加熱炉４内にセットし、被圧延材の積層
部マツ）　ＩＪラックス所定の半溶融状態になるまで加
熱、保持した後、ロール間に挿入する方法で行った。な
お炉内には酸化防止のためアルゴンガスを流しｔこ。

試験条件としては表１に示すように、強化粒子（アルミ
ナ粉）の粒度及び体積含有率、圧延温度、見掛は圧下率
を夫々変化させ、各種条件因子が製品性状或いは、摩耗
性に与える影響について調べた。

金属素板として５４５ＣとＳ　ＩＪ　Ｓ　３０４の２種
類を用いたが、結束は同様であり、裏金材質による影響
は見られなかった。

第２図に強化粒子の体積含ｆｆ率と見１１）け圧下率が
、製品性状に与える影響に１）いて示した。これによっ
て健全な製品を得るための加工条件の範囲を推定した。

表　　１ 素板　　　　　　５４５Ｃ，５ＵＳ３０４　（２，５’
ｘ４０Ｗｘ２００’）ライナー　　　　鋳鉄粉（３ＸＣ
）十還元鉄粉＋アルミナ（ＷＡ）粉 強化粒子　　　　　　　アルミナ（ＷＡ）粉粒　　　度
　　　　　　　　　　　＃１００〜旧５００体積含有率
ｖｐ／Ｘ　　　　　　Ｏ〜７０積層厚さ　　　　　　　
　０．０１ｍｍ以上圧延温度Ｔ／’Ｃｌ０５０〜１２５
０ 見掛は圧下率Ｔ／駕　　　　　１５以上炉内雰囲気　　
　　アルゴンガス（３１７ｗ１ｎ）圧延速度Ｖ／ａｓ−
’　　　　　　０．７〜０．９０−ル　　　　　　同径
二段（ψ２５０Ｘ１１０１１１１１潤滑　　　　　　　
　　　　無し 圧延機電動機　　　　　ＶＳモータ２２ｋｗ製品の評価
方法は、次の如く記号で表しｔ二。

ΔＯ口◇＝良品 ΔＯロ◇＝一部部活結合接合不 良・■◆−未結合 第２図から明らかなように強化粒子の体積含有率が高く
なると、製品性状は悪化する。

また粒度が細かくなるに従って加工限界範囲も狭くなっ
てくる。更に見け）け圧下率が大きくなることにより、
製品性状も向上していることがわかる。

参考写真１は、鋳鉄粉：還元鉄粉−５：　５として体積
含有率Ｖｐ＝３０％、圧延渇度１２００℃。

圧下率Ｖ＝２５〜２７％とした場合の強化粒子の粒度が
製品に与える影響を顕微鏡写真にてその違いを示したも
のである。

ライナ一部の領域で白く見える部分は、マットリックス
の鉄粉であり、黒く見える部分が強化粒子のアルミナ粒
である。

粒度が＃４００．　＃８００の製品では、共に強化粒子
が均一に分散している様子が観察される。また、＃１０
０の製品では粒径が大きいｔコめ、僅かに数層ではある
がこれについても同様な乙とがいえる。

然し１５００の製品になると、鉄粉に比べ強化粒子の粒
径が著しく小さくなるので、鉄粉の間に凝集している様
子がわかる。

参考写真２ば、強化粒子の体積含有率Ｖｐの違いが製品
に与える影響を示した！Ｒ徹鏡写真である。

強化粒子の体積含有率が３０％の製品では、アルξす粒
の分散性も良く、液相成分が十分浸透している様子がわ
かる。含有率が７０％の場合では、液相成分の量に比べ
て強化粒子の量が過多になり、アルミナ粒のみで分布し
、接合面の性状も悪化している様子がわかる。

参考写真３ば圧延温度が製品に与える影響について示し
たｆｆＪ’ｌ黴鏡写貞である。

圧延温度が１０５０℃の製品では、固相分率が１００％
であり、かつまた、十分な拡散が行われず粒の境界が亀
裂状に観察される。一方、半溶融領域である１２００℃
では、液相成分が存在するため、それらが互いに流入し
あうことにより新生面を作りやすい。従って、拡散接合
も起こりやすい状態にあり、亀裂等の欠陥が少なく、接
合面の性状にも優れた良好な製品となっていることがわ
かる。

参考写真４は、再圧延の効果について示した顕（ガ鏡写
真である。

再圧延を行うことにより、強化粒子の分散性が向コーシ
、製品表面の平滑性（こも浸れた、更１ζ良好なものが
得ることが参考写真よりわかる。

第３図に強化粒子の体積含有率Ｖｐ／％と摩耗量Ｍ　／
　ｍ　ｍ　”との関係を示す。

第３図は素仮に３４５Ｃを用い強化粒子として粒度の異
なるアルミナ粉（粒度＃　１００：△、＃４００：○、
＃８０（１口、＃１５００：◇）圧延温度１２００℃、
ライナー鋳鉄粉：還元粉＝５：５で行ったものである。

図から明らかなように、摩耗量は、体積含有率Ｖｐの増
加に対（７て減少し、素板（Ｓ４５Ｃ：・）と比較して
、耐摩耗性が向］二していることがわかる。然し体積含
有率Ｖｐが４０％〜５０％以上になると、摩耗量も増え
はじめる傾向にある。これは、液相が不足して強化粒子
の結合が不完全となり、粒が脱落する割合が増加するこ
とによって、摩耗が促進するためであると思われる。

また＃１５００の製品の摩耗量が多くなっているが、こ
れは先に示したような理由で強固な結合が得られていな
いためであると思われる。

参考写真５は本発明方法により製造された積層型粒子強
化複合材料の製品例である。

まｔコ参考写真６は上記の製品を成形してえた管であり
、内面に強化粒子が積層されている。夫々ψ６０．ψ４
０ｍｍのものであるが、内曲げ（積層部内側）に関して
は、積層部の伸び変形が零となるため、健全な成形が可
能であった。

参考写真７は、ψ４０の製品の内曲げ部の内部組織示し
たものである。写真に示す如く接合面、表面に、割れ、
剥離等のない良好な製品となっていることがわかる。

〔発明の効果〕

本発明の鉄系積層型粒子強化複合材料の製造方法は在来
の工程を殆ど使え極めて実用的であり、マ）　ＩＪソッ
クス属粉と強化粒子の密着性、積層材と素板との接合性
及び強化粒子の分散性に優れた金属とセラミックスとの
複合材料を作ることを可能とし、接合強度が高く内曲げ
等の二次加工が可能という従来法にない特徴があり、こ
ねより得られた管などの二次加工製品は耐摩耗性に優れ
各種構造材部品への応用が期待出来、製造加工コストが
安価である等の利点を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の説明図、第２図は強化粒子の体積
分布率と見拌）けの圧下率との関係グラフ、第３図は強
化粒子の体積分布率と摩耗量との関係グラフ、第４図は
Ｆｅ−Ｃ系状態図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属素板上に鋳鉄粉と還元鉄粉、Ｎｉ粉、Ｃｏ粉
   、及びＣｒ粉から選ばれた１種または２種以上の金属粉
   と強化粒子としてアルミナ粉、炭化珪素粉、セラミック
   ス粉、セラミックス繊維、ウィスカー等の混合粉を用い
   積層し、該積層物を圧延ロール入側直前の加熱炉内に載
   置し、前記積層被圧延材の積層部マットリックスが所定
   の半溶融状態になるまで加熱保持した後、該圧延ロール
   のロール間に挿入し圧延することを特徴とする鉄系積層
   型粒子強化複合材料の製造法。
2. （２）前記金属素板がＳ４５ＣまたはＳＵＳ３０４であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の鉄系積
   層型粒子強化複合材料の製造法。
3. （３）前記金属粉及び強化粒子の粒度が夫々＃１００以
   上乃至＃１５００未満であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の鉄系積層型粒子強化複合材料の製造
   法。
4. （４）前記強化粒子の体積含有率が１０〜６５％である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の鉄系積層
   型粒子強化複合材料の製造法。
5. （５）前記積層物の厚さを０．０１ｍｍ以上に積層する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の鉄系積層
   型粒子強化複合材料の製造法。
6. （６）前記積層物の加熱温度が１１００〜１５００℃で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の鉄系
   積層型粒子強化複合材料の製造法。
7. （７）前記積層物を圧延するに当たっての圧下率を１５
   ％以上とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の鉄系積層型粒子強化複合材料の製造法。
8. （８）前記加熱圧延後圧下率１０％以上にて再圧延する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の鉄系積層
   型粒子強化複合材料の製造法。