JPS63277728A - アルミニウム基複合材料の製造方法 - 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） この発明は、アルミニウム金属（純アルミニウムやアル
ミニウム合金）を母相として、これに強化粒子や繊維な
どの強化材を複合化させて、強度や耐摩耗性を向上させ
たアルミニウム基複合材料の製造方法に関するものであ
る。 （従来の技術） 従来、アルミニウム基複合材料の製造方法としては、粉
体を焼結させる粉末法や、溶融状態のアルミニウム金属
と強化材とを複合化させる溶湯法などが知られている。 前記した粉末法には、ＡＩ粉末を圧縮成形し、最終的に
押出し加工をするＳＡＰ法や、熱間で粉体を静水圧によ
り加圧して成形するＨＩＰ法、さらに粉体を加熱しなが
ら押し型で圧縮成形するホットプレス法などが知られて
おり、これらの方法では焼結現象を利用して成形を行っ
ているものである。 −ｉに、アルミニウム基複合材料をこれらの粉末法で製
造する場合には、アルミニウム合金粉（純アルミニウム
の場合もある）にウィスカーなどの短繊維や長繊維、ま
たはセラミックなどの強化粒子などを混合し、この混合
粉を冷間あるいは熱間で加圧して圧粉体を作製する０次
いで熱間加圧（ポットプレス）成形を行うか、あるいは
直接キャンニング（封缶）後、熱間静水圧プレス（ＨＩ
Ｐ）により成形する。これらの成形行程は、焼結現象に
より、−加圧状態で気孔が少なく高密度のビレットを製
造することを目的としており、その後に、高温（場合に
よっては半溶融）で押出しなどの熱間加工を施している
。 また前記した溶湯法としては、コンポキャスト法、ポル
テックス法、高圧凝固鋳造法などが挙げられる。 ここでコンポキャスト法やポルテックス法は、母相とな
るアルミニウム金属溶湯中に、強化材を投入、分散させ
て複合化させるものである。また高圧凝固鋳造法は、予
成形した繊維体を型内に詰めて、型内の溶湯を加圧しつ
つ鋳造して溶湯を繊維中に含浸させて複合化させるもの
である。 （発明が解決しようとする問題点） ところで、粉末法で母相と強化材との濡れ性が悪いと、
良好な複合状態が得られない。特に母相金属に酸化被膜
が形成されていると、その濡れ性の悪化は顕著となる。 このため母相となる金属粉は、＾ｒやＨｅガスなどの不
活性ガスによって製造したアトマイズ粉が好ましいとさ
れている。しかしこのアトマイズ粉は、不活性ガスが高
価であるために製造コストが高く、材料費がかさんでし
まうという問題点がある。また、酸化被膜が形成された
アルミニウム金属粉を用いるＳＡＰ法では、強度などの
機械的特性にバラツキが大きく、品質的に難がある。さ
らに粉末法では、衝撃値などを高めるように高密度性（
相対密度）が要求されている。このため、ビレット製造
時のホットプレスあるいはＨＩＰ成形では大きな加圧力
が必要とされる。したがって加圧設備は大型とならざる
を得す、設備に要する空間が大きくなってしまうととも
に、設備費がかさんでしまい、さらに量産性にも劣ると
いう問題点がある。しかも高価な設備を用いても加圧力
には限界があり、気孔が存在せずに、相対密度が１００
％に近いものを得ることは困難であるという問題点もあ
る。 さらに、前記した溶湯法のうちコンポキャスト法やポル
テックス法では、アルミニウム金属溶湯と強化材との濡
れ性に大きく影響を受け、また強化材が凝集するなどの
問題点もあり、強化材の容積率をあまり高くすることは
できない。また１０μ以下の微細な粒子を均一に分散さ
せることも容易ではなく、通常、分散率も１０〜１５％
程度にとどまるものである。この結果、良好な複合状態
を得ることは容易ではないという問題点がある。 また高圧凝固鋳造法においても、濡れ性の悪い繊維体で
は良好な複合化が困難であり、また！ｌｌ状状強化材を
用いることはできるが、粒子状の強化材では強化材の密
度が高すぎて、溶湯の含浸が困難であるという問題があ
る。しかも、繊維状の強化材であっても、容積率が高く
（例えば３０％以上）なると溶湯の含浸は困難となり、
特に溶湯と繊維との濡れ性が悪い場合には、含浸の困難
性はより顕著となる。 この発明は上記問題点を解決することを基本的な目的と
し、粉末法および溶湯法の両方の長所を合せ持ち、理論
的には両者の中間位置にあって、簡単な製造設備で良好
なアルミニウム基複合材料を製造することができる製造
方法を提供するものである。 （問題点を解決するための手段） 即ち、この発明のアルミニウム基複合材料の製造方法は
、アルミニウム金属粉末と強化材とからなる混合粉によ
り構成した集積体を、アルミニウム金属粉末単位が酸化
膜で覆われた状態でアルミニウム金属の液相線以上の温
度に加熱すると共に、加圧して複合化することを特徴と
するものである。 なお、集積体は、金型に収容した粉体であっても、プリ
フォーム圧粉体であってもよい。 次に、この発明の詳細な説明するに先立ち、発明を実施
するための具体的な説明を行う。 本願発明に用いられるアルミニウム金属は、アルミニウ
ム合金は勿論のこと、純アルミニウムであってもよい、
しかもアルミニウム合金の種別が特に制限されるもので
はなく、−Ｒ用展伸材を用いることが可能であることは
勿論のこと、製造される複合材料の目的などに応じて適
宜選択すればよい、またアルミニウム金属は一種の純ア
ルミニウムやアルミニウム合金に限定されるものではな
く、２種以上からなるものであってもよい。 このように種別が定められたアルミニウム金属を、粉化
する方法も特に限定されるものではなく、従来用いられ
ている機械的粉砕法や物理化学的製粉法などの各種方法
を用いることができる。しかも得られた金属粉には酸化
被膜が形成されていてもよいので、不活性ガスを用いた
高価なアトマイズ粉などを用いなければならない必要性
はなく、原材料の制限が少ない、また製造されたアルミ
ニウム金属粉の形状は、片状、針状なとでもよいが、高
密度を得るように球状、もしくはその変形であるもの（
例えば細球形）が好ましい。またその粒度は、強度、耐
京耗性に優れた複合材料を得たいような場合には０．１
〜１００μ程度とし、潤滑性に優れた材料を得たい場合
には２００μ〜１ｒｍ程度とするのが望ましいが、この
範囲に限定されるものではない。 以上、説明したアルミニウム金属粉末と混合する強化材
としては、強化粒子や繊維材料を用いる。 強化粒子としては、セラミック粉末などの無機物や他種
金属などを用いるが、その形状、粒度は限定されず、２
種以上のものでもよい。 繊維材料としては、短繊維、長繊維があり、さらに雲母
、黒鉛、ＡＩｏ　２などの無機化合物、Ｗ、［ｅなどの
金属を用いることができる。また繊維は単結晶（ウィス
カー）、多結晶であることを問わず、非晶質のものであ
ってもよい。 上記したアルミニウム金属と強化材との混合比は、限定
されないが、強化材を容積率で５〜６０％とするのが望
ましい、この混合においては、潤滑剤や結合剤などを添
加してもよく、ボールミルなどを用いて均一に撹拌混合
する。 なお、この撹拌混合では、強化粒子の凝集材を分解する
ことができ、しかもへ１金属粉末の粉砕を伴わない程度
の撹拌力による混合条件が必要である。 このようにして得られた混合粉は、そのまま金型に収容
して集積体としてもよく、またプリフォーム圧粉体とし
たものであってもよい。 プリフォーム成形は冷間、温間を問わないものであり、
温間では１００〜４００℃（好ましくは再結晶温度以上
で２００〜３００℃）の範囲で加熱し、相対密度が６０
％以上（好ましくは６５％以上）となるように加圧成形
する。この相対密度が小さいと、形崩れを生じやすく、
取扱いが難しくなる。但し、相対密度を大きくするため
に加圧力を増大させると、アルミニウム金属粉末が塑性
変形などして、表面の酸化被膜が破壊されてしまう、し
たがって必要以上に相対密度を高めるのは望ましくなく
、８５％以下程度とするのが望ましい（より好ましくは
７５％以下）、このように密度が増加したプリフォーム
は保管や移送が容易となる。またプリフォームは繊体ブ
リフォームでよいことは勿論であるが、複数の分割プリ
フォームとしておくことも可能である。 この積層体は、金型内、もしくは金型外部において、ア
ルミニウム金属の液相線以上の温度（好ましくは液相線
温度＋（２０〜５０）’Ｃ）に加熱する。プリフォーム
した積層体を用いる場合には、プリフォームで用いた金
型でそのまま液相線以上の温度に加熱することもできる
。また、プリフォーム用の金型から取り出して別の金型
で加熱することも可能である。この加熱と同時もしくは
これと前後して集積体を加圧する。さらにこの加圧力は
１００〜１０００ｋｔｒ／ａｄの範囲内とするのが望ま
しい、この加圧は、アルミニウム金属粉末の酸化被膜内
の溶湯が、酸化被膜外へ排出され、この溶湯が周囲の強
化材を濡らして複合化し、さらに溶湯が凝固するまで続
けるのが望ましい、具体的には、アルミニウム金属の固
相線以下の温度になるまで加圧する。 なお、前記した加熱工程では、従来の焼結工程のように
雰囲気調整のために還元雰囲気としたり、真空脱ガスを
行う必要はなく、工程が簡略化される。 （発明の作用） この発明によれば、集積体におけるアルミニウム金属粉
末の単体は加熱前に、もしくは加熱に従い適度な酸化膜
で覆われる。この発明の実施にあたっては、酸化膜の厚
さが適当となるように粉体製造時の雰囲気や、製造後の
管理状態を調整することも可能であり、また液相線に達
するまでの加熱制御により酸化膜の厚さを調整すること
もできる。Ｍ植体をアルミニウム金属の液相線以上の温
度で加熱することにより、酸化膜で覆われたアルミニウ
ム金属が溶融する。一方、酸化膜は液相状態とならない
ように加熱する。従ってアルミニウム金属粉末の単体で
は内部のアルミニウム金属のみが溶融した状態にあり、
各単体の独立性が維持される。さらに集積体を所定圧ま
で加圧すると、酸化膜が破壊されて内部の溶融金属が浸
出する。 溶融金属は流動性に富んでおり、アルミニウム金属粉末
と強化材との隙間に効率よくしみ込んで、アルミニウム
金属粉体と強化材とを強制的に濡れさせる。また集積体
内に残存していた空気や加熱により発生するガスを集積
体外部に強制排除し、気孔の発生を阻止して相対密度の
高い複合材が得られる。この加圧力はアルミニウム金属
粉の酸化膜が破壊される圧力が必要とされるので、上記
した所定圧は酸化膜の厚さや加熱温度などにより変動す
る。但し、圧力を必要以上に高めても、設備費などがか
さむにすぎないので、一般には１００〜１０００ｋｇ／
−の範囲内とするのが望ましい。 この加圧は、加圧力を一定もしくは変化させて、アルミ
ニウム金属が凝固するまで続行させることにより、凝固
収縮による気孔などの発生を阻止できる。すなわち初期
の加圧力は酸化膜破壊による複合化に必要な大きさが求
められ、その後は凝固収縮による気孔発生を阻止する加
圧力が必要とされる。 （実施例１） 以下にこの発明の一実施例を図面に基づいて説明する。 １００メツシユ以下の粒径からなるＪＩＳ　２０２４合
金粉末１６０ｇと平均粒径８μｍのα−８ｉＣ粒子４０
ｇとを、ボールミル１により均一に混合して混合粉２を
調整する。この混合粉２を直径４０ｃａ＋、長さ８０ａ
ｍのプリフォーム用金型３内に収容し、全体を１００℃
に加熱後、３００　ｋｇ／−の圧力で温間加圧成形を行
い、相対密度が７０％であるプリフォーム圧粉体４を製
造する。 さらに、圧粉体４を、金型３から取出し、２０２４合金
の液相線温度以上である７００℃以上に加熱する。この
状態では、圧粉体４の形状は損なわれず、ハンドリング
の際の形崩れも生じない。 この圧粉体４を予め３５０℃に加熱しておいた金型５内
に収容し、５００ｋｇ／ａｉの圧力で約１分間加圧して
複合化させ、ビレット６を得る。なお、複合化に際して
は、凝固過程で収縮がおこり、空隙を形成するおそれが
あるので、凝固完了まで加圧しておくのが望ましい、こ
のようにして製造されたビレット６には、気孔などの組
織的な欠陥は全く観察されず、相対密度が１００％で、
しかも強化材料であるα−８ｉＣ粒子は、均一に分散し
ていた。このビレット６を４３０℃で押出し加工をして
押出棒を製造した。その加工は良好に行うことができ、
４た得られな押出棒では、押出しという二次加１により
組織の均一性が一屑向上するという相乗効果も得られた
。 さらに得られた複合材の耐摩耗性を評価するために下記
の条件で試験を行った。 すなわち、相手材をＪＩＳ　ＥＣ２５＜鋳鉄）、京耗速
度を１２５０　ｍ／１ａｉｎとして、牽擦距離に対する
摩耗量で耐摩耗性を評価した。なお、比較例としてはＪ
ＩＳ　２０１７合金と、八１−２０％Ｓｉ　と、ＥＣ２
５とを用いた。 この結果は第２図に示されており、本願発明による複合
材は摩耗量が他に比べて小さく、耐摩耗性に優れている
ことが判明した。 （実施例２） 次に他の実施例を説明する。　　　 ＪＩＳ　６０６１−７６アルミニウム合金を、エアーア
トマイズ法により、５００メツシュ以上で１００メツシ
ユ以下となるように粉化する。この合金粉末１４０ｇと
平均粒径１．７μｍのａ−ＡＩ２０３粒子６０ｇとをボ
ールミルにて混合して、混合粉を得る。この混合粉を直
径が４０ａａで、長さが８０■のプリフォーム用金型に
収容し、冷間で２００ｋｇ／−の圧力により圧縮して、
圧粉体を製造した。 次いで、圧粉体を、６０６１合金の液相線以上の温度で
ある６７０℃に加熱し、さらに５００〜１０００ｋｇ／
ｄの圧力で１分間加圧して複合化させ、ビレットを得た
。このようにして得られた相対密度１００％のビレット
を、５００℃で熱間押出しをして、押出棒を製造した。 得られた押出棒の組織は実施例１と同様に、均一で良好
な複合状態にあった。押出棒は、その後、溶体化、時効
処理後も通常の粉末冶金の方法で発生するフクロの様な
現象は皆無であった。 さらに、この実施例で得られた複合材をＴ６処理したも
のと、母相を構成するＪＩＳ　６０６１合金単体からな
るもの（比較例）とをその機械的特性で比較しなところ
、第１表の結果を得た。（以下余白）第１表 この表に示されるように、実施例による複合材は、複合
化により各種の機械的特性が飛躍的に向上している。ま
た熱膨張係数もＡｌ−２０％Ｓｉ低膨張Ａ１合金（約１
８Ｘ１０−６／’Ｃ）以下の低膨張率を示している。 （実施例３） 次に、アルミニウム金属の種類、強化材の種類および混
合量を変えて、混合粉を得て、この混合粉を用いて、実
施例２と同様の条件で各種複合材を製造した。 得られた複合材の機械的特性を、実施例２と同様に求め
たところ、第２表に示されるようにいずれも機械的特性
に優れていた。 第２表 ＝３ またこの表および第３図に示されるように、強化材の混
合比の増加とともにヤング率もほぼ比例して増加してお
り、本発明により得られた複合材は剛性に優れている。 また本発明によれば、強化材の混合比を増大させても、
良好な複合状態が得られることか明らかとなった。 （実施例４） さらに他の実施例を以下に説明する。 １００メツシユ以下の６０６１合金アトマイズ粉末２１
ｋｇと平均粒径１．５μｍのａ　−ＡＩ　２０　ａ粒子
９ｋｇを内容量が５０Ｊの大型のボールミルで混合し、
混合粉末３０ｋｔｒを得た０次に、直径が２１０閣で長
さが２００ｍのプリフォーム用金型に、上記混合粉末１
５賭を収容し、２５０℃に加熱後、徐々に加圧し、最終
的に３００ｋｇ／−の圧力で２〜３分間保持して圧粉体
を製造する。圧力除去後に冷却して、圧粉体を取出し、
相対密度が７０％の圧粉体を２本製造する。この圧粉体
は６０６１合金の液相線以上の温度である７００℃に加
熱して保持しておき、予め４００℃に加熱しておいた直
径２２５ｏｕｎの金型に２本を重ねて収納する。続いて
、７００ｋｇ／ａＪの加圧力で約１０分間加圧して大型
の複合材ビレットを作製した０次いでこのビレットを用
いて、２５００トンの押出ブレスで押出し、直径５５Ｂ
の押出棒を得た。この押出棒を適当な寸法に切断した後
、熱間鍛造を行い、ピストンを試作した所、加工性、機
械的特性ともに良好な結果が得られた。 なお、前記した実施例１〜４では、ビレットを製造する
場合について説明したが、製造すべき材料の形状が特に
限定されるものではなく、例えばスラブやニアネットシ
ェイブとすることも可能である。また各実施例では、予
備成形用金型で圧粉体を得た後、その圧粉体を予備成形
用金型から取出し、別の金型で加熱、加圧を行ったが、
予備成形用金型で、圧粉体を取出すことなくそのまま加
熱、加圧するものであってもよい。 次に、この発明の方法と、従来の方法とを比較する総合
評価を行ったところ第３表に示される結果が得られた。 　　　　　　　　　　（以下余白）第３表 第３表に示されるように本願発明は全ての評価項目で満
足できる結果が得られた。 即ち、強化材の種類、サイズ、形状の制限を受けにくく
、またその混合量が制限されるものでもない、またこの
強化材の分散性にも優れており、均一性や複合状態が良
好で機械的な特性にも優れている。また本ｍ発明は量産
性にも優れており、従って製造コストが低下するという
効果もある。 （発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、アルミニウム
金属粉末と強化材とからなる混合粉により構成した集積
体を、アルミニウム金属粉末単位が酸化膜で覆われた状
態でアノにミニラム金属の液相線以上の温度に加熱する
と共に、加圧して複合化させるので、材料の制限などが
少なく、しかも高圧な加圧状態を必要とすることなく成
形を行うことができる。更にこの方法によれば、気孔が
なく、良好な複合状態を有する複合材料が得られるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の行程を示す概略図、第２図は強化材
の耐摩耗性を評価するグラフ、第３図は強化材の容積率
変化に対するヤング率の変化を示すグラフである。 ２・・・混合粉　４・・・プリフォーム圧粉体６・・・
ビレット

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　アルミニウム金属粉末と強化材とからなる混合粉に
   より構成した集積体を、アルミニウム金属粉末単位が酸
   化膜で覆われた状態で、アルミニウム金属の液相線以上
   の温度に加熱するとともに、加圧して複合化することを
   特徴とするアルミニウム基複合材料の製造方法 ２　前記集積体は、金型内に収容された粉体であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のアルミニウム
   基複合材料の製造方法 ３　前記集積体は、プリフォーム圧粉体であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のアルミニウム基複
   合材料の製造方法