(57)【要約】【課題】セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料からセラミックス粒子を完全に分離することができ、セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクルを可能にして、地球環境の保全や省エネルギーに貢献できるセラミック粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法を提供する。【解決手段】セラミック粒子強化アルミニウム合金を状態図で固相と液相が共存する温度範囲まで加熱して半凝固状態になるように溶解し、この半凝固状態のアルミニウム合金に攪拌法によりフラックス粒子を添加し、その後、攪拌しながら半凝固状態のアルミニウム合金を７００℃〜８００℃の温度範囲に加熱して、セラミックス粒子を溶湯状態のアルミニウム合金から分離させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック粒子強化アルミニウム合金を状態図で固相と液相が共存する温度範囲まで加熱して半凝固状態になるように溶解し、この半凝固状態のアルミニウム合金に攪拌法によりフラックス粒子を添加し、その後、攪拌しながらアルミニウム合金を７００℃〜８００℃の温度範囲に加熱して前記フラックス粒子を溶融塩にし、この溶融塩にセラミックス粒子を吸着させて、このセラミックス粒子を吸着した溶融塩を溶湯状態のアルミニウム合金から分離させることを特徴とするセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法。
【請求項２】
前記スラックス粒子として融点を５００℃〜７００℃に調整したフラックスを用いることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法。
【請求項３】
前記フラックス粒子を、金属ハロゲン化物、金属硫酸塩、金属炭酸塩、金属硝酸塩の中から選択される少なくとも１種の金属塩で形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法に関し、より詳細には、セラミックス粒子をアルミニウム合金から分離させるセラミック粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金の鋳造工程においては、溶湯アルミニウム合金を７００℃〜８００℃の温度に加熱する必要があり、アルミニウムやその他の合金元素が酸化することで溶湯アルミニウムの表面から酸化膜が発生する。この酸化膜などの介在物がアルミニウム合金に混入してしまうと、鋳造性の悪化、機械的性質の低下、表面処理欠陥の増加など多くの問題を生じる。
【０００３】
この問題に対しては、十分に清浄な溶湯とし、鋳造工程に送るために溶湯処理が施される。この溶湯処理として、フラックスを使用して酸化膜等の介在物を除去する方法が最も一般的に使用されている。このフラックスは通常、６８０℃〜８００℃の温度範囲において溶湯アルミニウム合金に添加される。このフラックスの融点は溶湯アルミニウム合金の温度よりも低いので、フラックスが投入された時点で直ぐに溶融塩を形成する。この溶融塩は酸化物を吸着した後、溶湯アルミニウム合金との比重の差により溶湯中から浮上するので、これを除去することにより、溶湯を清浄にすることができる。
【０００４】
一方、アルミニウム合金の耐熱性、耐磨耗性等を改善するために、粒子状やウィスカー状や繊維状等のセラミックス強化材をアルミニウム合金に攪拌法、粉末冶金法、圧力含浸法等の方法で複合したセラミック粒子強化アルミニウム複合材料が開発されている。これらのセラミックス強化材をアルミニウム合金に複合すると、アルミニウム合金の性能が大幅に改善される。この高強度、耐熱性、耐摩耗性に優れるセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料は自動車の軽量化や省エネルギー化の手段として期待されている。
【０００５】
このアルミニウム複合材料をリサイクルする場合に、アルミニウム合金からセラミックス強化材を分離する必要が生じる。この分離に関して、７５０℃前後に金属基複合材料を加熱溶融し、水溶性フラックスを加えて攪拌混合し、強化材を水溶性フラックス中に移行させ、沈静化して浮上させて、金属母材から離間させて回収する。強化材を含有している水溶性フラックスを水で溶解して強化材を回収する金属基複合材料のリサイクル方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、この方法では、多量のフラックスを使用しているにも関わらず、アルミニウム合金からフラックスを１００％分離させることはできないという問題がある。例えば、実施例１では、１００ｇのアルミニウム合金に対して４０ｇのフラックスを使用して、強化粒子の炭化ケイ素を８５％ｗｔ以上、フラックスを９５％ｗｔ以上の回収となっている。
【０００７】
これは、７００℃以上の温度で、フラックスを溶湯アルミニウムに添加すると、フラックスが直ぐに溶融塩になってしまうので、溶湯アルミニウム合金よりも比重の小さい溶融塩が浮上し、両者の混合が充分にできないためである。この場合、多量のフラックスを添加しても、また、積極的に混合しても、フラックスとセラミックス強化材との接触が不充分となるため、セラミックス強化材を完全に分離することは非常に難しい。
【特許文献１】特開２００１−５９１２０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料からセラミックス粒子を略完全に分離することができ、セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクルを可能にして、地球環境の保全や省エネルギーに貢献できるセラミック粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するためのセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法は、セラミック粒子強化アルミニウム合金を状態図で固相と液相が共存する温度範囲まで加熱して半凝固状態になるように溶解し、この半凝固状態のアルミニウム合金に攪拌法によりフラックス粒子を添加し、その後、攪拌しながらアルミニウム合金を７００℃〜８００℃の温度範囲に加熱して前記フラックス粒子を溶融塩にし、この溶融塩にセラミックス粒子を吸着させて、このセラミックス粒子を吸着した溶融塩を溶湯状態のアルミニウム合金から分離させることを特徴とする方法である。
【００１０】
半凝固状態のアルミニウム合金にフラックス粒子を混ぜることにより、溶融塩になる前のフラックス粒子を半凝固状態のアルミニウム合金に容易に且つ均一に分散できる。その後、攪拌しながらアルミニウム合金を７００℃〜８００℃まで加熱することにより、フラックス粒子が溶融塩となりセラミックス粒子を吸着するので、セラミックス粒子を溶湯状態のアルミニウム合金から効率よく分離することができる。また、セラミックス粒子を吸着したフラックス粒子の溶融塩はアルミニウム合金の溶湯に浮上して浮遊するので容易に採取して分離できる。
【００１１】
上記のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法において、前記スラックス粒子として融点を５００℃〜７００℃に調整したフラックスを用いる。これにより、半凝固状態のアルミニウム合金とはよく混合できて、フラックス粒子を半凝固状態のアルミニウム合金に、より容易、且つより均一に分散できるようになり、それと同時に、溶湯アルミニウム合金とはよく分離できるフラックスとなる。
【００１２】
このフラックスの融点は、フラックスが単一の金属塩の場合には、その融点はその金属塩の融点であるが、二元共晶、三元共晶の場合には、その融点は、それぞれが単一の場合の融点よりも低くなる。従って、２種以上の金属塩を複合した複合金属塩の場合では、配合比を調整することにより、融点を調整することができる。
【００１３】
上記のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法において、前記フラックス粒子を、金属ハロゲン化物、金属硫酸塩、金属炭酸塩、金属硝酸塩の中から選択される少なくとも１種の金属塩で形成する。
【００１４】
この金属ハロゲン化物には、塩化カリウムＫＣｌ、塩化ナトリウムＮａＣｌ、フッ化ナトリウムＮａＦ、フッ化カリウムＫＦ、塩化カルシウムＣａＣｌ2、フッ化カルシウムＣａＦ2、塩化マグネシウムＭａＣｌ2、氷晶石ＮａＡｌＦ6、テトラフルオルアルミニウム酸ナトリウムＮａＡｌＦ4、カリ氷晶石ＫＡｌＦ4、ヘキサフルオロアルミニウム酸カリウムＫ3ＡｌＦ6などがある。また、金属硫酸塩には、硫酸カリウムＫ2ＳＯ4、硫酸ナトリウムＮａ2ＳＯ4、硫酸マグネシウムＭｇＳＯ4、カリウムミョウバンＫＡｌ（ＳＯ4）2などがある。
【００１５】
また、上記のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法において、前記フラックス粒子を水溶性のフラックス粒子で形成すると、セラミックス粒子とフラックス粒子との分離が容易となり、セラミックス粒子のリサイクルも可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法によれば、半凝固状態のアルミニウム合金にフラックス粒子を混ぜることにより、溶融塩になる前のフラックス粒子を容易に且つ均一に分散でき、また、アルミニウム合金を７００℃〜８００℃まで加熱することにより、フラックス粒子の溶融塩でセラミックス粒子を吸着させて、セラミックス粒子を溶湯状態のアルミニウム合金から効率よく分離することができる。更に、セラミックス粒子を吸着したフラックス粒子の溶融塩は溶湯アルミニウム合金との比重の差により、溶湯から浮上するので、容易に採取して分離できる。
【００１７】
従って、セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料からセラミックス粒子を略完全に分離することができ、セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクルを可能にすることができる。これにより、地球環境の保全や省エネルギーに貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施の形態のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法について説明する。
【００１９】
このセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法は、半凝固状態のアルミニウム合金に混合した、単一の金属塩、又は、２種以上の金属塩の混合物である複合金属塩で形成されるフラックスを、混合後に、攪拌しながらアルミニウム合金を７００℃〜８００℃に加熱することにより、溶融塩にして、この溶融塩にセラミックス粒子を吸着させて、溶融塩戸と共にセラミックス粒子を溶湯状態のアルミニウム合金から分離する方法である。
【００２０】
アルミニウム合金は、アルミニウムＡｌ−ケイ素Ｓｉ、アルミニウムＡｌ−マグネシウムＭｇ、アルミニウムＡｌ−銅Ｃｕ等の合金で形成され、これらの合金では、状態図で固相と液相が共存する範囲があるので、この温度範囲までアルミニウム強引を加熱して温度を上昇させることにより、アルミニウム合金を半凝固状態にすることができる。また、強化粒子としてのセラミックス粒子は、炭化ケイ素ＳｉＣ、酸化アルミニウムＡｌ2Ｏ3、窒化ケイ素Ｓｉ3Ｎ4、スピネルＭｇＡｌ2Ｏ4等の粒子で形成される。
【００２１】
このフラックスとして、金属ハロゲン化物、金属硫酸塩、金属炭酸塩、金属硝酸塩の中から選択される少なくとも１種の金属塩を用いる。この金属ハロゲン化物には、塩化カリウムＫＣｌ、塩化ナトリウムＮａＣｌ、フッ化ナトリウムＮａＦ、フッ化カリウムＫＦ、塩化カルシウムＣａＣｌ2、フッ化カルシウムＣａＦ2、塩化マグネシウムＭａＣｌ2、氷晶石ＮａＡｌＦ6、テトラフルオルアルミニウム酸ナトリウムＮａＡｌＦ4、カリ氷晶石ＫＡｌＦ4、Ｋ3ＡｌＦ6などがある。また、金属硫酸塩には、硫酸カリウムＫ2ＳＯ4、硫酸ナトリウムＮａ2ＳＯ4、硫酸マグネシウムＭｇＳＯ4、カリウムミョウバンＫＡｌ（ＳＯ4）2などがある。
【００２２】
このフラックスの融点は、５００℃〜７００℃とすることが好ましい。溶湯アルミニウム合金が半凝固状態にあるときの温度よりもフラックスの融点が高い場合には、固体の状態のフラックス粒子を、半凝固状態の溶湯アルミニウム合金に添加することができる上に、容易、且つ、均一にアルミニウム合金に分散させることができる。なお、溶湯アルミニウム合金が半凝固状態にあるときの温度よりもフラックスの融点が低い場合でも、半凝固状態の溶湯アルミニウム合金中に微細のアルミニウム固体粒子が存在するので、溶融状態のフラックスが均一に半凝固の溶湯アルミウム合金に分散できる。しかし、溶湯アルミニウム合金が半凝固状態にあるときの温度よりもフラックスの融点が高い方がより均一に分散させ易い。
【００２３】
このフラックスの融点に関しては、フラックスが単一の金属塩の場合には、その融点は金属塩そのものの融点であるが、２種又は２種以上の金属塩を複合した場合には、その融点が変わる。例えば、二元共晶、三元共晶の場合には、その融点は、それぞれが単一の場合の融点よりも低くなる。従って、複合金属塩の場合、その配合比を調整することにより、その融点を調整できる。
【００２４】
このフラックス粒子の粒径は一般に１０μｍφ〜１ｍｍφであるが、フラックス粒子が細かければ細かいほど、少量のフラックス添加でもセラミックス粒子をアルミニウム合金から分離できるようになる。
【００２５】
そして、本発明のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料のリサイクル方法では、セラミック粒子強化アルミニウム合金を状態図で固相と液相が共存する温度範囲まで加熱して半凝固状態になるように溶解し、この半凝固状態のアルミニウム合金に攪拌法によりフラックス粒子を添加する。この半凝固状態のアルミニウム合金にフラックス粒子を混ぜることにより、溶融塩になる前のフラックス粒子を、半凝固状態のアルミニウム合金に、容易且つ均一に分散させることができる。
【００２６】
その後、攪拌しながらアルミニウム合金を７００℃〜８００℃の温度範囲に加熱してフラックス粒子を溶融塩にし、この溶融塩にセラミックス粒子や酸化物被膜を吸着させる。これにより、セラミックス粒子を溶湯状態のアルミニウム合金から効率よく分離することができる。
【００２７】
このセラミックス粒子等を吸着した溶融塩は、アルミニウム合金の溶湯から浮上する。この溶湯アルミニウム合金の表面に浮いているセラミックス粒子等を吸着したフラックスの溶融塩を採取し、これにより、溶湯アルミニウム合金からセラミックス粒子を分離する。
【００２８】
また、塩化ナトリウムＮａＣｌ等の水溶性のフラックスを使用すると、フラックスを水に溶解することで、セラミックス粒子とフラックスとを容易に分離できるので、セラミックス粒子のリサイクルも簡単にできるようになる。
【実施例】
【００２９】
次に、上記のリサイクル方法を用いた実施例１，２と従来技術のリサイクル方法を用いた比較例について説明する。実施例１では、粒径１０μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子をＪＩＳ規格のＡＣ４Ｃのアルミニウム合金に８ｗｔ％添加して形成した炭化ケイ素粒子強化アルミニウム複合材料を用いている。
【００３０】
この炭化ケイ素粒子強化アルミニウム複合材料２ｋｇを半凝固状態に溶かして、塩化ナトリウムＮａＣｌ、塩化カリウムＫＣｌ、フッ化ナトリウムＮａＦ、氷晶石Ｎａ3ＡｌＦ6の混合物で形成したフラックス８ｇを攪拌法で添加した。その後、攪拌しながら、炭化ケイ素粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を７３５℃に昇温するまで加熱し、更に１０分間攪拌した。その後、攪拌を止めて、１時間静置した後、金型に鋳込んだ。
【００３１】
この鋳込んだアルミニウム合金をＪＩＳ規格のＴ６で熱処理した後、その組織を観察した。この観察は光学顕微鏡により行い、この観察の結果、鋳込んだアルミニウム合金中には炭化ケイ素粒子が含まれていないことが確認された。また、このアルミニウム合金の引張強度を測定した結果、３２８ＭＰａであり、普通のＡＣ４Ｃ合金と同じ値であった。
【００３２】
実施例２では、粒径９μｍの酸化アルミニウムマグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4 ）をＪＩＳ規格のＡＣ４Ｃのアルミニウム合金に８ｗｔ％添加して形成した酸化アルミニウムマグネシウム粒子強化アルミニウム複合材料を用いている。この酸化アルミニウムマグネシウム粒子強化アルミニウム複合材料２ｋｇを半凝固状態に溶かして、塩化カリウムＫＣｌ、ヘキサフルオロアルミニウム酸カリウムＫ3ＡｌＦ6、硫酸カリウムＫ2ＳＯ4の混合物で形成されたフラックス１０ｇを攪拌法で添加した。その後、攪拌しながら、酸化アルミニウムマグネシウム粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を７３５℃に昇温するまで加熱し、更に１０分間攪拌した。その後、攪拌を止めて、１時間静置した後、金型に鋳込んだ。
【００３３】
この鋳込んだアルミニウム合金をＪＩＳ規格のＴ６で熱処理した後、その組織を観察した。この観察は光学顕微鏡により行い、この観察の結果、鋳込んだアルミニウム合金に、酸化アルミニウムマグネシウム粒子が含まれていないことが確認された。また、このアルミニウム合金の引張強度を測定した結果、３２５ＭＰａであり、普通のＡＣ４Ｃ合金と同じ値であった。
【００３４】
比較例では、粒径１０μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子をＪＩＳ規格のＡＣ４Ｃのアルミニウム合金に８ｗｔ％添加して形成した炭化ケイ素粒子強化アルミニウム複合材料を用いている。この炭化ケイ素粒子強化アルミニウム複合材料２ｋｇを７３５℃に加熱して溶かしてから、攪拌しながら、塩化ナトリウムＮａＣｌ、塩化カリウムＫＣｌ、フッ化ナトリウムＮａＦ、氷晶石ヘキサフルオロアルミニウム酸ナトリウムＮａ3ＡｌＦ6の混合物で形成したフラックス８ｇを添加した。その後、更に１０分間攪拌し、その後、攪拌を止めて、浮上したフラックスを採取した。更に、残りの溶湯アルミニウム合金をアルゴンガスで脱ガス処理し、１時間静置した後、金型に鋳込んだ。
【００３５】
この鋳込んだアルミニウム合金をＪＩＳ規格のＴ６で熱処理した後、その組織を観察した。この観察は光学顕微鏡により行い、この観察の結果、鋳込んだアルミニウム合金に、添加された炭化ケイ素粒子の４０％にもなる多量の炭化ケイ素粒子が含まれていることが確認された。