WO2006075431A1

WO2006075431A1 - アルミニウム基複合材料およびその製造方法

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Publication number: WO2006075431A1
Application number: PCT/JP2005/020059
Authority: WO
Inventors: Hiroki Takano; Hiroto Shoji; Takashi Idegomori
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
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Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2006-07-20
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Abstract

アルミニウム合金(11)にアルミナ粒体又はアルミナ繊維からなる強化材料(12)を含むアルミニウム基複合材料(10)が提供される。強化材料の表面には、スピネル層(13)が形成されている。該スピネル層の表面には、濡れ性に優れている窒化アルミニウム層(14)が形成されている。

Description

明細書アルミニウム基複合材料およびその製造方法技術分野

本発明は、アルミニウム合金を母材とし、この母材にアルミナ粒体またはァルミナ繊維からなる強化材料を含むアルミニウム基複合材料およびその製造方法に関する。背景技術

金属材料の特性向上を図るために、母材となる金属材料に強化材料を含ませた複合材料が用いられている。この複合材料のなかには、母材をアルミニウム（ A 1 )、強化材料をアルミナ（A I ₂0 ₃) 粒体とするアルミニウム基複合材料がある。

アルミニウム基複合材料を製造する方法として、多孔質成形体にアルミニゥム合金を浸透させる方法が、例えば、曰本国特許第 2 9 9 8 8 2 8号公報において提案されている。

上記公報に開示つれた製造方法によれば、先ず、アルミナ（A I ₂0 ₃) 粒体からなる多孔質成形体を、アルミニウム（A I ) ブロック上に載置し、その近傍にマグネシウム（M g ) を配置し、 9 0 0 °Cまで加熱する。この加熱で、アルミニゥムブロックは溶融し、マグネシウムは昇華する。

次に、窒素ガス（N ₂) 雰囲気に保ち、窒素ガスとマグネシウムとを反応させて窒化マグネシウム（M g ₃ N ₂) を生成する。生成した M g ₃ N ₂で、多孔質成形体表面の A I ₂0 ₃を還元して多孔質成形体表面にアルミニウムを露出する。

この多孔質成形体内の空間に、溶融したアルミニウムを浸透させてアルミ二ゥム基複合材料を得る。

このアルミニウム基複合材料などの複合材は、金属材料に含まれた強化材料が、金属材料中の元素と化学反応をおこす虞がある。強化材料が金属材料中の元素と化学反応すると、強化材料の形状が変化して、複合材料としての強さを維持することが難しい。

この対策として、強化材料の表面にスピネル層を備えた複合材料の製造方法が、例えば、特開 2 0 0 1 — 3 1 6 7 8 5号公報において提案されている。

上記特開 2 0 0 1 - 3 1 6 7 8 5号公報に開示されている製造方法によれば、強化材料としてホウ酸アルミニウムゥイスカー（whiker) (四国化成工業社製）を用い、先ず、強化材料の表面に、マグネシウム（M _g ) を被覆する。

次に、真空状態において、 5 0 0〜 1 2 0 0 °Cまで加熱し、この加熱を 0 . 5 ~ 3時間継続する。

強化材料とマグネシウムとに化学反応が生じ、強化材料の表面にスピネル層が形成された複合材料となる。強化材料の表面にスピネル層を形成することで、金属材料に含まれている強化材料が、金属材料中の元素と化学反応をおこすことを防止する。これにより、化学反応で強化材料の形状が変化することを防ぎ、複合材料としての強さを維持することが可能になる。

ところで、特開 2 0 0 1 - 3 1 6 7 8 5号公報の製造方法は、上述したように、強化材料として前記ホウ酸アルミニウムゥイスカーを用いる複合材料について示されている。このホウ酸アルミニウムは、スピネルを形成しやすい材料として知られている。

このため、上記製造方法では、強化材料として、ホウ酸アルミニウムではなくアルミナを用いた場合、強化材料の表面にスピネル層を形成することはできない。したがって、アルミナを強化材料として用いた複合材料においては、強化材料が、金属材料中の元素と接触して化学反応をおこしてしまい、複合材料としての特性を維持することが難しいとされていた。

さらに、特開 2 0 0 1—3 1 6 7 8 5号公報に開示の製造方法では、溶融したアルミニウム合金を強化材料間の隙間に浸入（浸透）させる際に、アルミニゥ厶合金とスピネル層との間に十分濡れ性を確保することができない虞がある。

したがって、アルミニウム基複合材料の内部に欠陥（すなわち、空隙）が発生し、アルミニウム基複合材料が部分的に脆くなる虞がある。

そこで、アルミナを強化材料として用いた複合材料の特性を高めることができる技術が望まれている。発明の開示

本発明においては、アルミニウム合金を母材とし、この母材にアルミナ粒体またはアルミナ繊維の強化材料を含ませたアルミニウム基複合材料であって、前記強化材料の表面に形成されたスピネル層と、該スピネル層の表面に形成された窒化アルミニウム層と、を含んで成るアルミニウム基複合材料が提供される。

強化材料および窒化マグネシウム（M g ₃ N ₂)から形成されたスピネル層と、このスピネル層の形成時に生じる窒素と、アルミニウム合金の溶湯とが反応して窒化アルミニウムが形成されるので、アルミニウム合金と強化材料との密着性が高くなる。つまり、スピネル層の表面に窒化アルミニウム層を形成することで、強化材料の表面にアルミニウム合金を極めて良好に密着させることができる。

ここで、アルミニウム合金に強化材料を含ませるために、強化材料間の隙間に溶融させたアルミニウム合金（溶湯）を浸透させる方法が採用される。この際、アルミニウム合金が強化材料と接触して、アルミニウム合金の成分が強化材料と反応する虞がある。

そこで、強化材間の隙間にアルミニウム合金の溶湯を浸透させる前に、強化材料の表面にスピネル層を均一に形成することで、強化材料がアルミニウム合金中の元素と反応することを防ぐようにした。これにより、アルミナを強化材料としてを用いた複合材料の特性を維持することができる。

前記スピネル層は、好ましくは、前記強化材料の表面に予め形成された予備スピネル層を含む。このように、強化材料の表面に予備スピネル層を形成することで、スピネル層全体の厚さを容易に増すことができ、強化材料の表面にアルミニゥム合金をよリー層良好に密着させることができる。

さらに、本発明においては、アルミニウム合金を母材とし、この母材にアルミナ粒体またはアルミナ繊維の強化材料を含ませるようにしたアルミニウム基複合材料の製造方法であって、前記強化材料とマグネシゥムとを混合して混合粉体を形成する工程と、該混合粉体上にアルミニウム合金のビレツトを載置する工程と、該ビレットと前記混合粉体とを、窒素雰囲気中においてマグネシウムの昇華温度まで加熱することでもって、前記混合粉体のマグネシウムを昇華する工程と、昇華したマグネシウムと前記窒素とが反応して生成された窒化マグネシウムが前記強化材料のアルミナと反応して強化材料の表面にスピネル層を形成する工程と、該スピネル層が形成された後、前記ビレットの融点まで加熱して溶融したァルミニゥム合金を前記混合粉体内に浸透させながら、前記スピネル層の表面に窒化アルミニウムを形成する工程と、からなるアルミニウム基複合材料の製造方法が提供される。

窒素雰囲気中において強化材料の表面にスピネル層を形成した。このように、窒素雰囲気を採用することで、強化材料としてアルミナを用いても、強化材料の表面にスピネル層を良好に形成することができる。

さらに、強化材料とマグネシウムを混合して混合粉体を形成したので、マグネシゥムが昇華した際、昇華したマグネシウムが強化材料の周囲に存在する。このマグネシウムが窒素と反応して窒化マグネシウムを生成する。よって、強化材料の周囲に窒化マグネシウムが多量に生成される。これにより、窒化マグネシゥムが強化材料のアルミナと良好に反応して、強化材料の表面にスピネル層を均一に形成する。

このように、混合粉末にアルミニウム合金の溶湯を浸透させる前に、強化材料の表面にスピネル層を均一に形成することで、強化材料がアルミニウム合金中の元素と反応することを防ぐ。したがって、強化材料としてアルミナを用いた複合材料の特性を維持することができる。

さらにまた、スピネル層の表面に窒化アルミニウム層を形成する。窒化アルミニゥムは濡れ性に極めて優れている。これにより、アルミニウム基複合材料の内部に欠陥（すなわち、空隙）が発生することを防いで、強化材料の表面にアルミニゥム合金を極めて良好に密着させることができる。

前記マグネシウムを昇華する工程において、好ましくは、前記マグネシウムの昇華温度まで加熱した後、この昇華温度に保つ。このため、マグネシウムは徐々に昇華する。これにより、強化材料の表面にマグネシウムを比較的長い時間留めておくことが可能になり、強化材の表面にスピネル層を均一に形成することができ、アルミニウム基複合材料の強さをよリー層確実に確保することができる。

前記混合粉体を形成する工程の前に、好ましくは、前記強化材料の表面に予備スピネル層を予め形成する工程を、さらに含む。このように、強化材料の表面に予備スピネル層を予め形成することで、スピネル層全体の厚さを容易に増すことが可能になる。これにより、強化材料の表面にアルミニゥ A合金をより一層密着させることができる。スピネル層全体の厚さをコントロールすることができ、所望の材料特性に合わせた複合材料を容易に得られる。

加えて、混合粉体にアルミニウム合金の溶湯を浸透させる前に、強化材料の表面にスピネル層をよリ一層確実に形成することで、強化材料がアルミニゥム合金中の元素と反応することを一層確実に防ぐことができ、アルミニウム基複合材料の特性をよリー層好適に維持することができる。

前記マグネシウムとしては、粒径が 5 0〜5 0 0〃mの粉末が好ましい。ここで、マグネシウムはパルク状で添加することや、アルミニウム合金中の成分元素として添加することが考えられる。しかし、マグネシウムをパルク状として添加すると、マグネシウムが昇華温度で昇華しきれず、残留してしまい、材料特性を悪化させる虞がある。また、アルミニウム合金の成分として添加した場合は、アルミニウム合金中のマグネシウムと強化材料との間に量的関係や距離に差異が生じ、均一に分布させることは困難である。

そこで、前述したように本発明においては、マグネシウムとして粒径が 5 0 〜5 0 0 m程度の粉末を用いることにした。粒径が 5 0〜 5 0 0 m程度のマグネシゥム粉末は、粒径が小さいことで、マグネシウムの溶融温度以下で昇華しやすくなリ、例えば 5 5 0 °Cであっても昇華する。すなわち、マグネシウムの昇華温度を 5 5 0 °Cに抑えることが可能になる。

マグネシウムの粒径が 5 O i m未満であると、マグネシウム粉末の反応性が高すぎて、空気と触れるだけで酸化し、酸化マグネシウムを形成してしまい、本発明の反応に十分に寄与することが困難になる。

マグネシウムの粒径が 5 0 0 // mを超えた場合は、バルク状と同様に、複合材料内に昇華しきれないマグネシウムが残留する虞がある。

そこで、本発明方法では、粒径が 5 0〜5 0 0 m程度のマグネシウム粉末を用いることにした。これにより、マグネシウム粉末を所望の昇華温度（5 5 0 °C) で良好に昇華させることができ、スピネル層が均一に形成される。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1実施例に係るアルミニウム基複合材料の断面図である。図 2は、第 1実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法を示すフローチヤ一卜である。

図 3 A及び図 3 Bは、第 1実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法において、強化材料とマグネシウム粉末を混合する例を示した図である。

図 4 A〜図 4 Cは、第 1実施例に係るアルミニゥム基複合材料の製造方法において、強化材料の表面にスピネル層を形成する例を示した図である。

図 5 A及び図 5 Bは、第 1実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法において、アルミニウム合金ビレツ卜の融点まで加熱する例を示した図である。

図 6は、第 1実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法において、溶融したアルミニウム合金が多孔質成形体内の空間に浸透する例を示した図である。

図 7は、本発明の第 2実施例に係るアルミニウム基複合材料の断面図である。図 8は、第 2実施例に係るアルミニウム基複合材料の写真による拡大図である。

図 9は、第 2実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法を示すフローチヤ一卜である。

図 1 O A及び図 1 O Bは、第 2実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法において、強化材料の表面に予備スピネル層を予め形成する例を示した図である。

図 1 1 A及び図 1 1 Bは、第 2実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法において、表面に予備スピネル層が形成された強化材料とマグネシウム粉末とを混合する例を示した図である。

図 1 2 A及び図 1 2 Bは、第 2実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法において、マグネシウム粉末を昇華する例を示した図である。

図 1 3 ~図1 3 Cは、第 2実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法において、予備スピネル層の表面にスピネル層を形成する例を示した図である。

図 1 4 A及び図 1 4 Bは、第 2実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法において、溶融したアルミニウム合金が多孔質成形体内の空間に浸透する例を示した図である。

図 1 5八〜図 1 5 Eは、アルミニウム基複合材料の比較例に係る試験片と、実施例 1 ~ 4に係る試験片を示した図である。

図 1 6は、図 1 5 ~図1 5 Eに示した各試験片の曲げ強さを示したグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の幾つかの実施例について、添付図に基づいて説明する。図 1は、本発明の第 1実施例に係るアルミニウム基複合材料の形態を示している。

アルミニウム基複合材料 1 0は、アルミニウム合金 1 1を母材とし、この母材にアルミナ粒体またはアルミナ繊維からなる強化材料 1 2を含ませ、各強化材料 1 2の表面 1 2 aにスピネル層 1 3を形成し、スピネル層 1 3の表面 1 3 aに窒化アルミニウム層 1 4を形成している。

強化材料 1 2は、一例として、球状体のアルミナ（A I ₂0 ₃)粒体を示すが、強化材料 1 2の形状は球状体に限らないで任意に決めることができる。例えば、アルミナ粒体に代えて、アルミナ繊維を採用しても同様の効果が得られる。

スピネル層 1 3は、アルミナ（A I ₂0 ₃) と、窒化マグネシウム（M g ₃ N ₂) との反応で生成した酸化物（M g A I ₂0 ₄)の層である。このスピネル層 1 3は、強化材料 1 2の表面 1 2 a全域に、均一の厚さ t 1で形成することが好ましい。

窒化アルミニウム層 1 4は、アルミニウム合金 1 1を溶融させて、強化材料 1 2間の空間に浸透させる際に、アルミニウム合金 1 1のアルミニウム（A I ) 成分と、窒素（N ₂) が反応して生成された層である。窒化アルミニウムは濡れ性に極めて優れている。

次に、図 1に示した第 1実施例のアルミニウム基複合材料 1 0の製造方法について、図 2〜図 6に基づいて説明する。

図 2において、ステップ（以下、 S Tと略す） 1 0 ：強化材料と、マグネシゥム（M g ) 粉末とを混合して多孔質成形体（混合粉体）を形成する。 S T 1 1 ：上記多孔質成形体上にアルミニウム合金のビレツ卜を載せる。

S T 1 2 ：このビレットと多孔質成形体とを、窒素雰囲気中においてマグネシゥム粉末の昇華温度まで加熱し、多孔質成形体のマグネシウム粉末を昇華する。

S Τ 1 3 ：昇華したマグネシウム粉末が、窒素（Ν ₂) と反応して窒化マグネシゥム（M g ₃ N ₂) を生成する。この窒化マグネシウムが強化材料のアルミナ（A I ₂0 ₃) と反応して強化材料の表面にスピネル層を形成する。

S T 1 4 ：スピネル層を形成した後、ビレツ卜の融点まで加熱し、溶融したアルミニウム合金（アルミニウム合金の溶湯）を多孔質成形体内に浸透させるとともに、スピネル層の表面に窒化アルミニウムを形成する。

以上のステップにより、図 1に示したアルミニウム基複合材料 1 0を得る。以下、 S T 1 0 ~ S T 1 4の具体的内容について、図 3 A〜図 6に基づいて詳しく説明する。

図 3 Aおよび図 3 Bは、図 2の S T 1 0で説明した強化材料とマグネシウム粉末を混合する例を示している。

図 3 Aに示すように、混合容器 2 0の蓋体 2 1を外して混合容器 2 0の開口部（図示せず）を開ける。この開口部から混合容器 2 0内に、強化材料（アルミナ粒体） 1 2、およびマグネシウムとしてのマグネシウム（M g ) 粉末 1 5を投入する。マグネシウム粉末 1 5は、粒径が 5 0 ~ 5 0 0 mの粉末である。

混合容器 2 0の開口部を蓋体 2 1で閉じ、混合容器 2 0を攪拌装置（図示せず）に取付ける。該攪拌装置でもって前記混合容器 2 0を矢印 Aの如く回転することにより、強化材料 1 2およびマグネシウム粉末 1 5を混合する。

混合した後、混合容器 2 0内から強化材料 1 2およびマグネシウム粉末 1 5 を取り出す。

図 3 Bにおいて、取り出した強化材料 1 2およびマグネシウム粉末 1 5から多孔質成形体（混合粉体） 1 6を得る。多孔質成形体 1 6は、強化材料 1 2の表面 1 2 aにマグネシウム粉末 1 5が略均一に付着されている。

図 4 A〜図 4 Cは、第 1実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法において強化材料の表面にスピネル層を形成する例を示しており、図 4 A ( a ) は図 2に示した S T 1 1 , S T 1 2の具体例を示し、図 4 B及び図 4 Cは図 2に示した S T 1 3の具体例を示している。

図 4 Aにおいて、アルミニウム基複合材料の製造装置 25を構成する雰囲気炉 26内のるつぼ 27の底面 27 aに、多孔質成形体 1 6を配置し、多孔質成形体 1 6上にアルミニウム合金のビレット 1 7を載置する。

雰囲気炉 26内の空気を除去するために、真空ポンプ 29で真空引きして一定の真空値に達したとき真空ポンプ 29を止める。次に、アルゴンガス（A r) を雰囲気炉 26内に供給する。雰囲気炉 26内がアルゴンガスの雰囲気になり、アルミニウム合金ビレツト 1 7及びマグネシウム粉末 1 5の酸化が防止される。

次に、窒素ガス（N₂) 32を雰囲気炉 26に矢印 Bの如く供給する。同時に、雰囲気炉 26の内部を加圧（例えば、大気圧 +約 0. 5 k gZcm²) して、雰囲気炉 26内の雰囲気を窒素ガス 32に置換する。

次いで、加熱コイル 34で雰囲気炉 26を加熱することで、多孔質成形体 1 6およびアルミニウム合金ビレツ卜 1 7をマグネシウム粉末 1 5の昇華温度（例えば、約 550°C) まで加熱する。雰囲気炉 26内の温度を温度センサ 35で検知し、温度センサ 35からの検知信号に基づいて制御部 36で雰囲気炉 26内の温度を昇華温度（例えば、約 550°C) に保つ。

なお、マグネシウム粉末 1 5の昇華時間は、約 3時間である。

図 4 Bにおいて、昇華したマグネシウム 38が、窒素ガス 32と反応して窒化マグネシウム（Mg₃N₂) 41を生成する。

生成した窒化マグネシウム（M_{g 3}N₂) 41は、多孔質成形体 1 6を構成する強化材料 1 2のアルミナ（A I ₂0₃) と次のように反応する。

3 A I ₂0₃ + Mg₃N₂+3 [O] -→3 M g A I 2 O 4+ N 2

図 4 Cにおいて、窒化マグネシウム 41が強化材料 1 2のアルミナと反応することで、強化材料 1 2の表面 1 2 a全域にスピネル（Mg A I ζθ.) 層 1 3が形成される。

上述したように、マグネシウム粉末 1 5の昇華温度（例えば、約 550°C) に保つことで、マグネシウム粉末 1 5が徐々に昇華する。これにより、強化材料 1 2の表面 1 2 aに、マグネシウム粉末 1 5を比較的長い時間留めておくことが可能になり、強化材 1 2の表面 1 2 a全域にスピネル層 1 3を均一に形成することができる。

ここで、強化材料 1 2の表面 1 2 aにスピネル（M g A I 2 O 4 ) 層 1 3が形成される理由について説明する。

図 3 Βに示すように、強化材料 1 2とマグネシウム粉末 1 5を混合して多孔質成形体 1 6を形成した。よって、マグネシウム粉末 1 5が昇華した際、昇華したマグネシウム 3 8は、図 4 Βに示すように、強化材料 1 2の周囲に存在する。このマグネシウム 3 8が窒素 3 2と反応して窒化マグネシウム 4 1を生成する。

よって、図 4 Βに示すように、強化材料 1 2の周囲に窒化マグネシウム 4 1 が多量に生成する。これにより、窒化マグネシウム 4 1が、強化材料 1 2のアルミナと反応して、強化材料 1 2の表面 1 2 a全域にスピネル層 1 3を形成する。

図 5 A及び図 5 Bは、第 1実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法においてアルミニウム合金ビレツ卜の融点まで加熱する例を示しており、図 5 A は図 2の S T 1 3の具体例を示し、図 5 Bは図 2の S T 1 4の具体例を示している。

多孔質成形体 1 6は、図 3 Bに示されているように、強化材料 1 2の表面 1 2 aにマグネシウム粉末 1 5が略均一に配置されている。よって、スピネル層 1 3は、図 5 Aに示すように、強化材料 1 2の表面 1 2 a全域に均一に形成される。

図 5 Bにおいて、強化材料 1 2の表面 1 2 aに、スピネル層 1 3を均一に形成した後、アルミニウム合金ビレット 1 7の融点（8 5 0 °C) まで加熱する。ァルミニゥム合金ビレット 1 7が溶融し、溶融したアルミニウム合金 1 1 (図 1参照）力多孔質成形体 1 6内に矢印 Cの如く浸透する。

ここで、強化材料 1 2の表面 1 2 aに、スピネル層 1 3を均一に形成した後、多孔質成形体 1 6内に矢印 Cの如く浸透させるので、強化材料 1 2は、アルミ二ゥ厶合金 1 1中の元素と反応することを防ぐ。

図 6は、第 1実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法においてアルミニゥム合金ビレツ卜が多孔質成形体内の空間に浸透する例について示しておリ、図 2の S T 1 4を具体的に示している。

溶融したアルミニウム合金 1 1 (図 1参照）が、多孔質成形体 1 6内の空間 1 6 aに矢印 Dの如く浸透する。

溶融したアルミニウム合金 1 1のアルミニウム（A I ) 成分が、窒素（N ₂) と反応する。この反応で、スピネル層 1 3の表面 1 3 aに、窒化アルミニウム（A I N ) 層 1 4が形成される。

窒化アルミニウムは濡れ性に極めて優れている。よって、溶融したアルミ二ゥム合金 1 1は多孔質成形体 1 6内の空間 1 6 aに良好に充填する。これにより、図 1に示すアルミニウム基複合材料 1 0を得る。

図 1に戻って、アルミニウム基複合材料 1 0は、強化材料 1 2および窒化マグネシゥム 4 1 (図 4 B参照）から形成されたスピネル層 1 3と、このスピネル層 1 3の形成時に生じる窒素およびアルミニウム合金 1 1の溶湯が反応して形成された窒化アルミニウム層 1 4と、有している。

よって、アルミニウム合金 1 1と強化材料 1 2との密着性が高くなリ、強化材料 1 2の表面 1 2 aに母材、すなわちアルミニウム合金 1 1を極めて良好に密着させることができる。

加えて、多孔質成形体 1 6内の空間 1 6 a (図 6参照）にアルミニウム合金 1 1の溶湯を浸透させる前に、強化材料 1 2の表面 1 2 aにスピネル層 1 3を均一に形成することで、強化材料 1 2が、アルミニウム合金 1 1中の元素と反応することを防ぐ。したがって、第 1実施例のアルミニウム基複合材料 1 0によれば、強化材料 1 2としてアルミナを用いたアルミニウム基複合材料 1 0の特性を維持することができる。

さらに、スピネル層 1 3の表面 1 3 aに窒化アルミニウム層 1 4を形成する。窒化アルミニウムは濡れ性に極めて優れている。よって、溶融したアルミニウム合金 1 1を強化材料 1 2間の隙間に浸透させる際に、アルミニウム合金 1 1と窒化アルミニウム層 1 4との間に十分濡れ性を確保することができる。これにより、アルミニウム基複合材料 1 0の内部に欠陥（すなわち、空隙）が発生することを防いで、強化材料 1 2にアルミニウム合金 1 1を極めて良好に密着させ、アルミ二ゥム基複合材料 1 0の特性を高めることができる。

次に、第 2実施例のアルミニウム基複合材料、およびその製造方法について、図 7〜図 1 4 Aに基づいて説明する。なお、第 2実施例のアルミニウム基複合材料において、第 1実施例のアルミニウム基複合材料 1 0と同一または類似の材料乃至は部材については同一の符号を付してその説明を省略する。

先ず、第 2実施例のアルミニウム基複合材料について、図 7および図 8に基づいて説明する。

アルミニウム基複合材料 50は、アルミニウム合金 1 1を母材とし、この母材にアルミナ粒体またはアルミナ繊維の強化材料 1 2を含ませ、強化材料 1 2の表面 1 2 aに予備スピネル層 5 1をそれぞれ形成し、予備スピネル層 5 1の表面 5 1 aにスピネル層 1 3を形成し、スピネル層 1 3の表面 1 3 aに窒化アルミ二ゥム層 1 4を形成したものである。

予備スピネル層 5 1は、スピネル層 1 3と同様に、アルミナ（A I ₂0₃) と、窒化マグネシウム（M g₃N₂) との反応で生成した酸化物（Mg A I ΖΟ の層である。この予備スピネル層 5 1は、強化材料 1 2の表面 1 2 a全域に、均一の厚さ t 2で形成することが好ましい。

次に、第 2実施例アルミニウム基複合材料 50の製造方法について、図 9〜図 1 4 Bに基づいて説明する。図 9は第 2実施例に係るアルミニウム基複合材料の製造方法を示すフローチヤ一卜である。

S T 20 ：強化材料の表面に予備スピネル層を予め形成する。

S T 2 1 ：予備スピネル層を予め形成した強化材料と、マグネシウム（M g) 粉末とを混合して多孔質成形体（混合粉体）を形成する。

S T 22 ：この多孔質成形体の上方にアルミニウム合金のビレツトを載せる。

S T 23 ：このビレットと多孔質成形体とを、窒素雰囲気中においてマグネシゥム粉末の昇華温度まで加熱し、多孔質成形体のマグネシウム粉末を昇華する。

S T 24 ：昇華したマグネシウム粉末が、窒素（N₂) と反応して窒化マグネシゥム（Mg₃N₂) を生成する。この窒化マグネシウムが強化材料のアルミナ（A I ₂〇₃) と反応して強化材料の表面にスピネル層を形成する。

S T 25 ：スピネル層を形成した後、ビレットの融点まで加熱し、溶融したアルミニウム合金を多孔質成形体内に浸透させるとともに、スピネル層の表面に窒化アルミニウムを形成する。

これにより、図 7に示されたアルミニウム基複合材料 50を得る。

以下、 ST 20〜S T24の内容について、図 1 0 A〜図 1 4 Bに基づいて詳しく説明する。

図 1 OA及び図 1 OBは、強化材料の表面に予備スピネル層を予め形成する例を示しており、図 9の S T 20を具体的に示している。

図 1 OAにおいて、強化材料 1 2および水酸化マグネシウム（Mg (OH) 2) 52を混合する。これにより、強化材料 1 2の表面 1 2 aに、水酸化マグネシゥム 52が略均一に配置される。

図 1 OBにおいて、大気雰囲気、不活性雰囲気、あるいは真空中において、スピネル層反応温度（1 000 ~ 1 500°C) で 5時間加熱する。

水酸化マグネシウム（Mg (OH) ₂) 52力、'、強化材料 1 2のアルミナ（A I ₂0₃) と反応する。この反応で、強化材料 1 2の表面 1 2 a全域に予備スピネル（M g A I 2 O 4) 層 51を、均一の厚さ t 2で予め形成する。

図 1 1 A及び図 1 1 Bは、強化材料とマグネシウム粉末を混合する例を示しており、図 9の S T 21の一部を示している。

図 1 1 Aにおいて、強化材料 1 2の表面 1 2 a全域に、予備スピネル層 5 1 を均一に形成する。

図 1 1 Bにおいて、混合容器 20の蓋体 21を外して混合容器 20の開口部（図示せず）を開ける。この開口部から混合容器 20内に、予備スピネル層 5 1が形成された強化材料（アルミナ粒体） 1 2と、マグネシウム（Mg) 粉末 1 5を入れる。

混合容器 20の開口部を蓋体 21で閉じ、混合容器 20を攪拌装置（図示せず）に取付ける。混合容器 20を矢印 Eの如く回転することにより、予備スピネル層 5 1が形成された強化材料（アルミナ粒体） 1 2と、マグネシウム（Mg) 粉末 1 5とを混合する。

混合容器 20内から、予備スピネル層 51が形成された強化材料 1 2と、マグネシゥム粉末 1 5とを取り出す。

図 1 2A及び図 1 2 Bは、マグネシウム粉末を昇華する例を示しており、図 1 2 Aは図 9の S T 21の一部を具体的に示し、図 1 2 Bは ST 22, S T 23 を具体的に示している。

図 1 2 Aにおいて、取り出した強化材料 1 2およびマグネシウム粉末 1 5を、粉体状に形成して多孔質成形体（混合粉体） 54を得る。多孔質成形体 54は、予備スピネル層 5 1の表面 51 aに、マグネシウム粉末 1 5が略均一に配置されている。

図 1 2 Bにおいて、アルミニウム基複合材料の製造装置 25を構成する雰囲気炉 26内のるつぼ 27の底面 27 aに、多孔質成形体 54を配置し、多孔質成形体 54上にアルミニウム合金ビレツト 1 7を載置する。

雰囲気炉 26内の空気を除去するために、真空ポンプ 29で真空引きして一定の真空値に達したとき真空ポンプ 29を止める。次に、アルゴンガス（A r) を雰囲気炉 26内に供給する。雰囲気炉 26がアルゴンガスの雰囲気になり、ァルミニゥム合金ビレツ卜 1 7およびマグネシウム粉末 1 5の酸化を防ぐ。

次に、窒素ガス（N₂) 32を雰囲気炉 26に矢印 Fの如く供給する。同時に、雰囲気炉 26の内部を加圧（例えば、大気圧 +約 0. 5 k gZcm²) して、雰囲気炉 26内の雰囲気を窒素ガス 32に置換する。

次いで、加熱コイル 34で雰囲気炉 26を加熱することで、多孔質成形体 5 4およびアルミニウム合金ビレツ卜 1 7をマグネシウム粉末 1 5の昇華温度（例えば、約 550°C) まで加熱する。雰囲気炉 26内の温度を温度センサ 35で検知し、温度センサ 35からの検知信号に基づいて制御部 36で雰囲気炉 26内の温度を昇華温度（例えば、約 550°C) に保つ。

図 1 3八~図 1 3 Cは、予備スピネル層の表面にスピネル層を形成する例を示しており、図 9の S T 24を具体的に示している。

図 1 3 Aにおいて、昇華したマグネシウム 38が、窒素ガス 32と反応して窒化マグネシウム（Mg₃N₂) 41を生成する。生成した窒化マグネシウム（M g₃N_z) 41は、予備スピネル（Mg A I ₂0₄) 層 51のアルミナ（A I ₂0₃) 成分と次のように反応する。

3 A I + M g₃N₂+ 3 [0] →3MgA I ₂0₄+N₂

図 1 3 Bにおいて、窒化マグネシウム 41が、予備スピネル層 51…のアルミナ成分と反応することで、予備スピネル層 5 1…の表面 5 1 a…全域にスピネル（M g A I z 0 ₄) 層 1 3が形成される。

上述したように、マグネシウム粉末 1 5の昇華温度（例えば、約 5 5 0 °C) に保つことで、マグネシウム粉末 1 5が徐々に昇華する。これにより、予備スピネル層 5 1の表面 5 1 aに、マグネシウム粉末 1 5…を比較的長い時間留めておくことが可能になり、図 1 3 Cで示すように、該表面 5 1 a全域にスピネル層 1 3を均一に形成することができる。

ここで、予備スピネル層 5 1の表面 5 1 aにスピネル（M g A I ₂0 ₄) 層が形成される理由について説明する。

図 1 2 Aに示すように、予備スピネル層 5 1が形成された強化材料 1 2と、マグネシウム粉末 1 5とを混合して多孔質成形体 5 4を形成した。よって、マグネシゥム粉末 1 5が昇華した際、昇華したマグネシウム 3 8は、図 1 3 Aに示すように、予備スピネル層 5 1の周囲に存在する。このマグネシウム 3 8が窒素 3 2と反応して窒化マグネシウム 4 1を生成する。図 1 3 Aに示すように、予備スピネル層 5 1の周囲に窒化マグネシウム 4 1が多量に生成する。窒化マグネシゥム 4 1は、予備スピネル層 5 1のアルミナ成分と反応して、予備スピネル層 5 1 の表面 5 1 a全域にスピネル層 1 3を形成する。

図 1 3 Cに示すように、予備スピネル層 5 1の表面 5 1 a全域に、スピネル層 1 3が均一に形成される。

図 1 4 A及び図 1 4 Bは、アルミニウム合金ビレットが多孔質成形体内の空間に浸透する例を示しており、図 9の S T 2 5の内容を具体的に示している。

図 1 4 Aにおいて、予備スピネル層 5 1の表面 5 1 aに、スピネル層 1 3を均一に形成した後、アルミニウム合金ビレツ卜 1 7の融点（8 5 0 °C) まで加熱する。アルミニウム合金ビレット 1 7が溶融し、溶融したアルミニウム合金 1 1 (図 7参照）は、多孔質成形体 5 4内に矢印 Gの如く浸透する。従って、強化材料 1 2は、アルミニウム合金 1 1中の元素と反応することが防止される。

図 1 4 Bにおいて、溶融したアルミニウム合金 1 1 (図 7参照）が、多孔質成形体 5 4内の空間 5 4 aに矢印 Hの如く浸透する。溶融したアルミニウム合金 1 1のアルミニウム（A I ) 成分が、窒素（N ₂) と反応する。この反応で、スピネル層 1 3の表面 1 3 aに、窒化アルミニウム（A I N )層 1 4が形成される。窒化アルミニウムは濡れ性に極めて優れている。よって、溶融したアルミ二ゥム合金 1 1は多孔質成形体 5 4内の空間 5 4 aに良好に充填され、図 7に示したアルミ二ゥム基複合材料 5 0が得られる。

図 7および図 8に戻って、アルミニウム基複合材料 5 0は、窒化マグネシゥム 4 1 (図 1 3 A参照）が、予備スピネル層 5 1のアルミナ成分と反応して、予備スピネル層 5 1の表面 5 1 aにスピネル層 1 3が形成される。よって、強化材料 1 2の表面 1 2 aに、予備スピネル層 5 1およびスピネル層 1 3を形成し、図 1 3 Bに示すように、スピネル層 5 1 , 1 3の厚さを（ t 2 + t 1 ) と厚くすることができる。これにより、強化部材 1 2の表面 1 2 aに、母材としてのアルミニゥム合金 1 1をよリー層良好に密着させることができる。

このように、多孔質成形体 5 4内の空間 5 4 aに溶融したアルミニウム合金 1 1を浸透する前に、スピネル層 5 1 , 1 3の厚さ（t 2 + t 1 ) をよリー層厚く形成することで、強化材料 1 2が、アルミニウム合金 1 1中の元素と反応することをよリー層良好に確実に防ぐことができる。

したがって、第 2実施例のアルミニウム基複合材料 5 0によれば、アルミ二ゥム基複合材料 5 0の特性をよリー層好適に維持することができる。

さらに、予備スピネル層 5 1を予め形成することで、スピネル層 5 1 , 1 3 の厚さをコントロールして、所望の材料特性に合わせた複合材料を容易に得ることができる。

また、図 1に示した第 1実施例のアルミニウム基複合材料 1 0と同様に、スピネル層 1 3の表面 1 3 aに窒化アルミニウム層 1 4を形成することで、アルミ二ゥム基複合材料 5 0の内部に欠陥（すなわち、空隙）が発生することを防ぐことができる。これにより、強化材料 1 2にアルミニウム合金 1 1を極めて良好に密着させ、アルミニウム基複合材料 5 0の特性を高めることができる。

次に、第 1および第 2実施例のアルミニウム基複合材料 1 0 , 5 0の特性（特に、曲げ強さ）について説明する。

図 1 5 〜図1 5 Eは、アルミニウム基複合材料の試験片を示し、図 1 5 A は比較例を示し、図 1 5 8 ~図1 5 Eは実施例 1 〜 4を示している。図 1 5 Aに示した比較例は、アルミナ粒体の強化材料 1 2にスピネル層を形成しない状態で、アルミニウム合金 1 1に強化材料 1 2を含ませたアルミニウム基複合材料である。あるいは、アルミニウム合金 1 1中の元素成分としてマグネシゥムが含まれているものをアルミナ粒体の強化材料 1 2間の隙間に浸透させたもので、アルミナ粒体の強化材料 1 2にスピネル層が均一に形成されない状態で、アルミニウム合金 1 1に含ませたアルミニウム基複合材料である。

すなわち、比較例は、スピネル層が形成されていないもの、あるいは、スピネル層が均一に形成されていないものである。

ここで、スピネル層が均一に形成されていないものは、スピネル層に不十分な厚さの部位が生じる。強化材料 1 2の半径 Rは 3 mである。

図 1 5 Bに示した実施例 1は、アルミナ粒体の強化材料 1 2にスピネル層 1 3を均一に形成し、スピネル層 1 3に窒化アルミニウム層 1 4を形成し、このァルミナ粒体の強化材料 1 2をアルミニウム合金 1 1に含ませたアルミニウム基複合材料である。

図 1 5 Cに示した実施例 2は、アルミナ粒体の強化材料 1 2に予備スピネル層 5 1およびスピネル層 1 3を均一に形成し、スピネル層 1 3に窒化アルミニゥム層 1 4を形成し、このアルミナ粒体の強化材料 1 2をアルミニウム合金 1 1に含ませたアルミニウム基複合材料である。強化材料 1 2の半径 Rは 3 i m、予備スピネル層 5 1の厚さ t 2は 2 5 n mである。半径 R ( 3 U m ) の強化材料 1 2 に対する予備スピネル層 5 1の体積割合は、 5 vol %である。

図 1 5 Dに示した実施例 3は、アルミナ粒体の強化材料 1 2に予備スピネル層 5 1およびスピネル層 1 3を均一に形成し、スピネル層 1 3に窒化アルミニゥム層 1 4を形成し、このアルミナ粒体の強化材料 1 2をアルミニウム合金 1 1に含ませたアルミニウム基複合材料である。強化材料 1 2の半径 Rは 3 i m、予備スピネル層 5 1の厚さ t 2は 5 2 n mである。半径 R ( 3 m ) の強化材料 1 2 に対する予備スピネル層 5 1の体積割合は、 1 0 vol %である。

図 1 5 Eに示した実施例 4は、アルミナ粒体の強化材料 1 2に予備スピネル層 5 1およびスピネル層 1 3を均一に形成し、スピネル層 1 3に窒化アルミニゥ厶層 1 4を形成し、このアルミナ粒体の強化材料 1 2をアルミニウム合金 1 1に含ませたアルミニウム基複合材料である。強化材料 1 2の半径 Rは 3 m、予備スピネル層 51の厚さ t 2は 1 68 nmである。半径 R (3 m) の強化材料 1 2に対する予備スピネル層 51の体積割合は、 30 vol %である。

比較例および実施例 1〜4の各試験片を曲げ試験で曲げることで、各試験片の荷重とたわみを測定し、曲げ強さ σを求める。

曲げ強さ σは、次の計算式から求める。

σ = ΜΖΖ

但し、

Μ：曲げモーメン卜

Ζ ：断面係数

加えて、比較例および実施例 1〜4の各試験片のヤング係数 Εを求める。ヤング係数 Εは、次の計算式から求める。

Ε= (Ρ X L) / (λ X A)

但し、

P ：試験片に加わる軸荷重

L ：試験片の元の長さ

λ ：試験片の伸びまたは縮み

Α ：試験片の横断面積

各試験片を試験した結果を、図 1 6のグラフに示す。該グラフにおいて、縦軸は曲げ強さ σ (MP a) を示し、横軸はヤング係数 E (GP a) を示す。

図 1 6のグラフにおいて、比較例を X、実施例 1を 0、実施例 2を *、実施例 3を厶、実施例 4を口で示す。

比較例においては、曲げ強さびが平均で 220 (MP a). ヤング係数 Eが平均で 92 (GP a) であった。

実施例 1においては、曲げ強さびが平均で 330 (MP a), ヤング係数 E が平均で 98 (GP a) であった。

実施例 2においては、曲げ強さ σが平均で 350 (MP a). ヤング係数 E が平均で 1 1 8 (GP a) であった。

実施例 3は、曲げ強さびが平均で 370 (MP a). ヤング係数 Eが平均で 1 1 4 (G P a) であった。

実施例 4は、曲げ強さ σが平均で 400 (MP a)、ヤング係数 Eが平均で 1 1 2 (G P a ) であった。

比較例は、曲げ強さ σが平均で 220 (MP a), ヤング係数 Eが平均で 9 2 (G P a) であったが、実施例 1〜実施例 4は、曲げ強さ σが 220 (MP a) 以上で、かつヤング係数 Eが 92 (G P a) 以上であった。

これにより、強化材料 1 2の表面 1 2 aにスピネル層 1 3, 51、窒化アルミニゥム層 1 4を形成することで、アルミニウム基複合材料の特性を高めることができることが分かる。

なお、比較例は、グラフに示すように曲げ強さ σおよびヤング係数 Eにバラつきが生じたが、その理由は次の通りである。

比較例は、アルミナ粒体の強化材料 1 2にスピネル層を形成しないもの、あるいは、スピネル層に不十分な厚さの部位が生じたものである。

スピネル層を形成しないものは破断がし易くなる可能性があリ、スピネル層の厚さが不十分なものは、不十分な厚さの部位が破断の基点となりやすい。

このため、複合材料の強度がバラつくものと考えられる。

また、実施例 1に対する実施例 2〜実施例 4の曲げ強さ σおよびヤング係数 Εは大きい。強化材料 1 2に予備スピネル層 51を備えることで、スピネル層全体の厚さを（t 1 + t 2) と厚くすることで、アルミニウム基複合材料の特性を高めることができることが分かる。

さらに、実施例 2〜実施例 4から、予備スピネル層 51の厚さ t 2を厚くして、スピネル層全体の厚さ（ t 1 + t 2) を厚くすることで、アルミニウム基複合材料の特性を高めることができることが分かる。

ここで、強化材料 1 2に対する予備スピネル層 5 1の体積割合は、 5 vol % 以上、 30 vol %以下とすることが好ましい。

予備スピネル層 5 1の体積割合が、 5 vol %未満では、予備スピネル層 51 を形成しても、その効果を十分に引き出すことが難しいからである。

一方、予備スピネル層 51の体積割合が、 30 vol %を超えると、予備スピネル層 51の形成に時間がかかりすぎて、生産性を維持することが難しいからである。

前記第 1及び第 2の実施例では、混合粉体として多孔質成形体 1 6 , 5 4を用いた例について説明したが、本発明においてはこれに限らず、強化材料 1 2とマグネシウム粉体 1 5とを混合させた粉体をそのままの状態でるつぼ 2 7内に敷き詰めるだけでも同様の効果を得ることができる。

また、第 2の実施例では、強化材料 1 2に予備スピネル層 5 1を予め形成するために、強化材料 1 2に水酸化マグネシウム 5 2を配置し、スピネル層反応温度（1 0 0 0〜 1 5 0 0 °C) で 5時間熱処理するという方法を採用したが、これに限らず、例えば第 1実施例のように、水酸化マグネシウム 5 2に代えてマグネシゥムを用いることも可能である。

さらに、第 2の実施例では、強化材料 1 2に予備スピネル層 5 1とスピネル層 1 3とを 2層に分けて形成することで、スピネル層を厚くした例について説明したが、これに限らず、第 1実施例の図 2に示した S T 1 3の工程時間を長く確保することや、マグネシウム粉末 1 5の添加量を増すことでスピネル層を厚くすることも可能である。産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明によれば、アルミニウム合金を母材とし、この母材にアルミナ粒体またはアルミナ繊維の強化材料を含ませたアルミニウム基複合材料およびアルミニウム基複合材料の製造方法に好適である。

Claims

請求の範囲

1 . アルミニウム合金を母材とし、この母材にアルミナ粒体またはアルミナ繊維の強化材料を含ませたアルミニウム基複合材料であって、

前記強化材料の表面に形成されたスピネル層と、

該スピネル層の表面に形成された窒化アルミニゥ厶層と、

を含んで成るアルミニウム基複合材料。

2 . 前記スピネル層は、前記強化材料の表面に予め形成された予備スピネル層を含むことを特徴とする請求項 1に記載のアルミニウム基複合材料。

3 . アルミニウム合金を母材とし、この母材にアルミナ粒体またはアルミナ繊維の強化材料を含ませるようにしたアルミニウム基複合材料の製造方法であって、前記強化材料とマグネシゥムとを混合して混合粉体を形成する工程と、該混合粉体上にアルミニゥ厶合金のビレットを載置する工程と、

該ビレツ卜と前記混合粉体とを、窒素雰囲気中においてマグネシウムの昇華温度まで加熱することでもって、前記混合粉体のマグネシウムを昇華する工程と、昇華したマグネシウムと前記窒素とが反応して生成された窒化マグネシウムが前記強化材料のアルミナと反応して強化材料の表面にスピネル層を形成するェ程と、

該スピネル層が形成された後、前記ビレツ卜の融点まで加熱して溶融したァルミニゥム合金を前記混合粉体内に浸透させながら、前記スピネル層の表面に窒化アルミニウムを形成する工程と、

からなるアルミニウム基複合材料の製造方法。

4 . 前記マグネシウムを昇華する工程において、前記マグネシウムの昇華温度まで加熱した後、この昇華温度に保つことを特徴とする請求項 3に記載のアルミ二ゥム基複合材料の製造方法。

5 . 前記混合粉体を形成する工程の前に、前記強化材料の表面に予備スピネル層を予め形成する工程を、さらに含むことを特徴とする請求項 3に記載のアルミ二ゥム基複合材料の製造方法。

6 . 前記マグネシウムは、粒径が 5 0〜5 0 0 / mの粉末であることを特徴とする請求項 3に記載のアルミ二ゥム基複合材料の製造方法。