(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粒子で強化した共晶または過共晶アルミニウム合金の溶湯にアルミニウムを添加し、アルミニウム合金の組成を亜共晶にしてから、半凝固の状態まで溶湯アルミニウム合金を冷却し、半凝固撹拌法で、金属塩からなるフラックス粒子を添加した後、更に撹拌しながら半凝固状態の亜共晶アルミニウム合金を７００℃〜８００℃までに加熱することにより、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】
フラックス粒子は、金属ハロゲン化物（ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＮａＦ、ＫＦ、ＣａＣｌ2、ＣａＦ2、ＭｇＣｌ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＡｌＦ4、ＫＡｌＦ4、Ｋ3ＡｌＦ6）、金属硫酸塩（Ｋ2ＳＯ4、Ｎａ2ＳＯ4、ＭｇＳＯ4、カリウムミョウバンＫＡｌ（ＳＯ4）2）、金属炭酸塩、金属硝酸塩の中から選ばれる少なくとも１種の金属塩からなる請求項１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とアルミニウム合金を分離させてリサイクル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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高強度、耐熱性や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に期待されているが、そのリサイクルは大きな問題になっている。
【０００３】
特に、ピストン用アルミニウム合金は一般的に共晶や過共晶のＡｌ−Ｓｉ系合金を使うため、従来の方法ではセラミックス粒子等の強化材を完全にアルミニウム合金から分離させることができなく、セラミックス粒子を完全にアルミニウム合金から分離させる方法が望まれている。
【０００４】
一般に、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、アルミニウムや他の合金元素の酸化で溶湯アルミニウムの表面から酸化膜が生じる。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。したがって、溶湯処理によって十分清浄な溶湯とし、鋳造工程に送る必要がある。
【０００５】
フラックス粒子を使って酸化膜等の介在物を除去する方法は、最も一般的な方法である。フラックスの融点は溶湯アルミニウム合金の温度より低く、一般にフラックスを、６８０℃〜８００℃の温度範囲に溶湯アルミニウム合金に添加する。溶湯アルミニウム合金の温度は、フラックスの融点より高いので、フラックス粒子が投入された時点ですぐ溶融塩を形成し、酸化物を吸着後、比重差で溶湯中から浮上除去することができる。
【０００６】
一方、アルミニウム合金の耐熱性、耐摩耗性等を改善させるため、セラミックスの粒子、ウィスカーや繊維を撹拌法、粉末冶金法や圧力含浸法等の方法でアルミニウム合金に複合している。
【０００７】
セラミックス強化材（粒子、ウィスカーや繊維）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が、セラミックス強化材が複合されているアルミ複合材料をリサイクルするとき、セラミックス強化材をアルミニウム合金から分離させる必要がある。
【０００８】
従来の技術では、７００℃以上の温度で溶かしたアルミニウム複合材料にフラックスを添加してセラミックス粒子を分離させる方法（特許文献１）やフラックスの上にアルミニウム複合材料を乗せた状態で加熱溶融し、アルミニウム合金を分離させる方法（特許文献２）がある。いずれの方法でも多量のフラックス粒子を使っている（例えば、特許文献１では、１００ｇのアルミニウム複合材料に対し、４０ｇのフラックスを使用する）が、アルミニウム合金からセラミックス強化材を１００％分離させることができない。
【０００９】
すなわち、７００℃以上の温度でフラックス粒子を溶湯アルミニウム合金に添加すると、フラックス粒子がすぐ溶融塩になり、溶融塩と溶湯アルミニウム合金の比重の差で両者が充分に混合できない。その場合、多量のフラックスを添加してもセラミックス強化材を完全に分離することができない。
【００１０】
そこで、特許文献３では、セラミックス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撹拌法によりフラックス粒子を添加し、その後、撹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方法を提案している。
【００１１】
この方法よれば、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かつ均一に分散でき、その後、アルミニウム合金を７００℃〜８００℃まで加熱することで、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分離させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−５９１２０号公報
【特許文献２】特開平７−９０４０８号公報
【特許文献３】特開２０１０−１０８３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、固相と液相が共存できない共晶アルミニウム合金にはこの方法は使えない。また、Ａｌ−Ｓｉ系のようなＳｉが１２．６ｍａｓｓ％以上の過共晶合金においては、表皮生成型の凝固をするため、固相率が高くなり、撹拌しても、容器の内表面や溶湯の表面に凝固層が生成しやすいので、半凝固撹拌法を使ってフラックス粒子を添加しようとしても、すでに凝固した部分への分散が期待できなく、過共晶合金への応用は難しい。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、共晶アルミニウム合金や過共晶アルミニウム合金で形成されたセラミックス粒子強化アルミニウム合金をリサイクルでき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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、セラミックス粒子で強化した共晶または過共晶アルミニウム合金の溶湯にアルミニウムを添加し、アルミニウム合金の組成を亜共晶にしてから、半凝固の状態まで溶湯アルミニウム合金を冷却し、半凝固撹拌法で、金属塩からなるフラックス粒子を添加した後、更に撹拌しながら半凝固状態の亜共晶アルミニウム合金を７００℃〜８００℃までに加熱することにより、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である。
【００１６】
請求項２の発明は、フラックス粒子は、金属ハロゲン化物（ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＮａＦ、ＫＦ、ＣａＣｌ2、ＣａＦ2、ＭｇＣｌ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＡｌＦ4、ＫＡｌＦ4、Ｋ3ＡｌＦ6）、金属硫酸塩（Ｋ2ＳＯ4、Ｎａ2ＳＯ4、ＭｇＳＯ4、カリウムミョウバンＫＡｌ（ＳＯ4）2）、金属炭酸塩、金属硝酸塩の中から選ばれる少なくとも１種の金属塩からなる請求項１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である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、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が可能になり、地球環境の保全や省エネルギーに貢献できるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明においてリサイクルの対象とするＡｌ−Ｓｉ系合金の状態図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な一実施の形態を詳述する。
【００２０】
先ず、本発明は、ピストンなどの自動車部品に用いられた、高強度、耐熱性や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の鋳造品をリサイクルするものである。
【００２１】
一般に鋳物用アルミニウム合金のほとんどは、Ａｌ−Ｓｉ二元合金やその二元合金にＣｕ、Ｍｇ、Ｎｉ等を少量含有させた多元Ａｌ−Ｓｉ合金が鋳造用アルミニウム合金として用いられており、セラミック粒子としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）等の粒子が用いられている。
【００２２】
図１は、Ａｌ−Ｓｉ二元状態図を示したもので、Ａｌ−Ｓｉ系はＳｉが１２．６ｍａｓｓ％に共晶点をもつ共晶系で、液相Ｌからα−Ａｌ＋Ｓｉの共晶凝固を行い、Ｓｉが１２．６ｍａｓｓ％以下では亜共晶組成で、１２．６ｍａｓｓ％以上では過共晶組成となる。ここで、亜共晶組成では、温度低下で液相から初晶としてα−Ａｌ相を生成するが、過共晶組成では、初晶Ｓｉ相が塊状に析出して粗大に成長し、これが表皮生成型の凝固となってしまい、フラックス粒子と混合できなくなってしまう。
【００２３】
そこで、本発明は、セラミックス粒子で強化した共晶または過共晶アルミニウム合金の溶湯にアルミニウムを添加し、アルミニウム合金の組成を亜共晶にしてから、半凝固の状態まで溶湯アルミニウム合金を冷却し、半凝固撹拌法でフラックス粒子（単一の金属塩、または複合の金属塩（２種以上の金属塩の混合物））を添加した後、更に撹拌しながら半凝固状態の亜共晶アルミニウム合金を７００℃〜８００℃までに加熱することにより、セラミックス粒子を溶湯状態のアルミニウム合金から分離させるようにしたものである。
【００２４】
フラックス粒子は、金属ハロゲン化物（ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＮａＦ、ＫＦ、ＣａＣｌ2、ＣａＦ2、ＭｇＣｌ2、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＮａＡｌＦ4、ＫＡｌＦ4、Ｋ3ＡｌＦ6等）、金属硫酸塩（Ｋ2ＳＯ4、Ｎａ2ＳＯ4、ＭｇＳＯ4、カリウムミョウバンＫＡｌ（ＳＯ4）2等）、金属炭酸塩、金属硝酸塩の中から選ばれる少なくとも１種の金属塩（単一の金属塩、または複合の金属塩）である。
【００２５】
粒子強化共晶または過共晶アルミニウム合金の溶湯に、アルミニウムを添加し、アルミニウム合金の組成を亜共晶にしてから、すなわち、例えば、Ａｌ−Ｓｉ二元合金においては、Ｓｉが１２．６ｍａｓｓ％以下の亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の半凝固の温度範囲で撹拌すると、微細な球状の初晶α−Ａｌが液相の中に晶出するため、固相率を上げても（半凝固撹拌の温度を下げる）容器内壁近傍に凝固層が生成されなく、固相−液相が共存する広い温度範囲で良い流動性が保たれるので、後に添加されるフラックスの粒子は容易に半凝固のアルミニウム合金に分散できる。
【００２６】
フラックスの融点が半凝固の溶湯アルミニウム合金の温度より高いと、固体の状態のフラックス粒子が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、容易にかつ均一にアルミニウム合金に分散できる。ただし、フラックスの融点が半凝固のアルミニウム合金より低い場合でも、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ニウム合金に分散できる。フラックス粒子の粒径は一般に１０μｍ〜１ｍｍ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。フラックスが単一の金属塩の場合、その融点は金属塩そのものの融点であるが、２種または２種以上の金属塩を複合した場合、その融点が変わる。例えば、二元共晶、三元共晶の場合、その融点は単一の場合より低くなる。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も調整できる。フラックスの融点は５００℃〜７００℃が好ましい。
【００２７】
アルミニウム合金はＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｃｕ等の共晶または過共晶合金で、その合金に更にアルミニウムを添加して、合金の組成を亜共晶にしてから、固相（微細な球状の初晶α−Ａｌ）と液相が共存できる範囲を作り出し、その状態で半凝固撹拌を実施することにより、フラックスと半凝固の亜共晶アルミニウム合金は容易に混ぜることができる。
【００２８】
また、強化に用いられているセラミックス粒子はＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＭｇＡｌ2Ｏ4、Ｂ4Ｃ等の粒子である。
【００２９】
フラックス粒子を分散した半凝固の溶湯アルミニウム合金を再度７００℃から８００℃に加熱すると、フラックス成分が溶融塩になり、セラミックス粒子や酸化物被膜を吸着後比重差で溶湯中から浮上し、溶湯アルミニウム合金からセラミックス粒子を完全に分離できる。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とフラックスが簡単に採取できる。
【００３０】
一方、ＮａＣｌなどのような水溶性のフラックスを使用すれば、セラミックス粒子とフラックスの分離ができ、セラミックス粒子のリサイクルもできる。
【００３１】
このように、本発明は、Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金にアルミニウムを加えて、その組成を亜共晶にしてからフラックス粒子を半凝固状態で撹拌することで、その後加熱により、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が可能になり、地球環境の保全や省エネルギーに貢献できる。
【実施例】
【００３２】
以下に実施例と比較例を説明する。
【００３３】
実施例１：
ＳｉＣ粒子強化アルミニウム複合材料（ＳｉＣ粒子：粒径１０μｍ、８ｍａｓｓ％添加；アルミニウム合金：ＡＣ８Ａ（Ａｌ−１２．２ｍａｓｓ％Ｓｉ−１ｍａｓｓ％Ｃｕ−１ｍａｓｓ％Ｎｉ−１．１ｍａｓｓ％Ｍｇ））２０ｋｇにＳｉの含有量が７ｍａｓｓ％になるようにＡｌを添加し、その溶湯を半凝固状態に冷却した後、半凝固撹拌法でフラックス（ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＦとＮａ3ＡｌＦ6の混合物）１００ｇを添加した後、撹拌しながらＳｉＣ粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を７３５℃に加熱し、更に１０ｍｉｎ撹拌した。その後、撹拌を止め、浮上したＳｉＣ粒子とフラックスを採取した。溶湯アルミニウム合金を７３５℃で１時間静置した後、金型に鋳込んだ。回収されたアルミニウム合金の組織を観察し、ＳｉＣ粒子が含まれていないことが確認された。
【００３４】
実施例２：
ＭｇＡｌ2Ｏ4粒子強化アルミニウム複合材料（ＭｇＡｌ2Ｏ4粒子：粒径９μｍ、８ｍａｓｓ％添加；アルミニウム合金：ＡＣ９Ｂ（Ａｌ−１８ｍａｓｓ％Ｓｉ−１ｍａｓｓ％Ｃｕ−１ｍａｓｓ％Ｎｉ−１ｍａｓｓ％Ｍｇ））２０ｋｇにＳｉの含有量が８．５ｍａｓｓ％になるようにＡｌを添加し、その溶湯を半凝固状態に冷却した後、半凝固撹拌法でフラックス（ＫＣｌ、Ｋ3ＡｌＦ6、Ｋ2ＳＯ4の混合物）１１０ｇを添加した後、撹拌しながらＭｇＡｌ2Ｏ4粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を７３５℃に加熱し、更に１０ｍｉｎ撹拌した。その後、撹拌を止め、浮上したＭｇＡｌ2Ｏ4粒子とフラックスを採取した。溶湯アルミニウム合金を７３５℃で１時間静置した後、金型に鋳込んだ。回収されたアルミニウム合金の組織を観察し、ＭｇＡｌ2Ｏ4粒子が含まれていないことが確認された。
【００３５】
比較例１：
ＳｉＣ粒子強化アルミニウム複合材料（ＳｉＣ粒子：粒径１０μｍ、８ｍａｓｓ％添加；共晶アルミニウム合金：ＡＣ８Ａ）２０ｋｇを７３５℃に加熱して溶かし、撹拌しながら溶湯温度を凝固点まで冷却したが、半凝固の状態にならず、半凝固状態でフラックスを添加することができなかった。その後、再度アルミニウム複合材料を７３５℃に加熱して溶かし、撹拌しながらフラックス（ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＦとＮａ3ＡｌＦ6の混合物）２５０ｇを添加した後、１０ｍｉｎ撹拌した。その後、撹拌を止め、浮上したＳｉＣ粒子とフラックスを採取した。溶湯アルミニウム合金を７３５℃で１時間静置した後、金型に鋳込んだ。その組織を観察し、多量のＳｉＣ粒子（添加されたＳｉＣ粒子の４０％程度）が含まれていることが確認された。
【図１】
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