(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属母材と、該金属母材より硬く該金属母材に、強化材粒子を圧縮空気とともに噴射する投射により打ち込まれた多数の粒径が１０μｍを超え１００μｍ以下の強化材粒子と、からなる金属基複合材料。
【請求項２】
前記強化材粒子の打ち込み深さが２００μｍ以下である請求項１記載の金属基複合材料。
【請求項３】
前記金属母材が軽金属である請求項１記載の金属基複合材料。
【請求項４】
金属母材に、該金属母材より硬い多数の粒径が１０μｍを超え１００μｍ以下の強化材粒子を、強化材粒子を圧縮空気とともに噴射する投射により打ち込んで、金属基複合材料を製造する金属基複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記強化材粒子を２．５ｋｇ／ｃｍ2 以上の投射圧力で前記金属母材に打ち込む請求項４記載の金属基複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記金属母材が軽金属である請求項４記載の金属基複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記強化材粒子を前記金属母材の表面から３０〜４５°の角度で投射する請求項４記載の金属基複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記強化材粒子を前記金属母材の表面に対し直角の角度で投射しついで前記金属母材の表面から３０〜４５°の角度で投射する請求項４記載の金属基複合材料の製造方法。
【請求項９】
前記金属母材が常温より高い温度でかつ固体状態にある時に前記強化材粒子を前記金属母材に投射する請求項４記載の金属基複合材料の製造方法。
【請求項１０】
前記金属母材が常温にある時に前記強化材粒子を前記金属母材に投射する請求項４記載の金属基複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属基複合材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開昭６２−６７５９号公報は、金属溶湯を噴出させ、半溶融の微粒子の状態にある金属溶湯に、強化材微粒子を噴霧して、これらが鋳型の上に供給されて会合、固化した時に、母材中に強化材微粒子が分散された金属基複合材料を製造する方法を開示している。
しかし、特開昭６２−６７５９号公報の金属基複合材料の製造法には、材料全体が複合材料となるので、耐摩耗性、耐蝕性などのために表面だけを部分的に硬化させいという場合には適さないという問題がある。
金属基複合材料の局所製造方法としては、溶射、クラッディング、アロイング、ＣＶＤ、ＰＶＤ等があるが、以下の問題があるため、特殊な用途に限られて実用化されているのが実状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
溶射、クラッディング、アロイング、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の従来の金属基複合材料の局所製造方法には、加工時間が長い、高価な専用設備を要する、処理コストが高い、等の問題があった。
本発明の目的は、部分的強化が可能で（金属基複合材料の局所製造が可能で）、加工時間も短く、処理コストも低い、金属基複合材料およびその製造方法を提供することになる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、つぎの通りである。
（１）  金属母材と、該金属母材より硬く該金属母材に、強化材粒子を圧縮空気とともに噴射する投射により打ち込まれた多数の粒径が１０μｍを超え１００μｍ以下の強化材粒子と、からなる金属基複合材料。
（２）  前記強化材粒子の打ち込み深さが２００μｍ以下である（１）記載の金属基複合材料。
（３）  前記金属母材が軽金属である（１）記載の金属基複合材料。
（４）  金属母材に、該金属母材より硬い多数の粒径が１０μｍを超え１００μｍ以下の強化材粒子を、強化材粒子を圧縮空気とともに噴射する投射により打ち込んで、金属基複合材料を製造する金属基複合材料の製造方法。
（５）  前記強化材粒子を２．５ｋｇ／ｃｍ2 以上の投射圧力で前記金属母材に打ち込む（４）記載の金属基複合材料の製造方法。
（６）  前記金属母材が軽金属である（４）記載の金属基複合材料の製造方法。
（７）  前記強化材粒子を前記金属母材の表面から３０〜４５°の角度で投射する（４）記載の金属基複合材料の製造方法。
（８）  前記強化材粒子を前記金属母材の表面に対し直角の角度で投射しついで前記金属母材の表面から３０〜４５°の角度で投射する（４）記載の金属基複合材料の製造方法。
（９）  前記金属母材が常温より高い温度でかつ固体状態にある時に前記強化材粒子を前記金属母材に投射する（４）記載の金属基複合材料の製造方法。
（１０）  前記金属母材が常温にある時に前記強化材粒子を前記金属母材に投射する（４）記載の金属基複合材料の製造方法。
【０００５】
上記（１）の金属基複合材料および上記（４）の金属基複合材料の製造方法では、多数の粒径が１０μｍを超え１００μｍ以下の強化材粒子が金属母材に投射により打ち込まれているので、強化材粒子の投射部位を母材の一部に限ることことにより母材の部分的強化が可能になる。また、投射により短時間に容易に表面の硬さを上げることができるので、時間、および設備コストのかかる溶射、クラッディング、アロイング、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の従来の金属基複合材料の局所製造方法にくらべて、時間短縮、製造コスト削減、設備コストの削減等をはかることができる。
上記（２）の金属基複合材料および上記（５）の金属基複合材料の製造方法では、強化材粒子の打ち込み深さが２００μｍ以下または投射圧力が２．５ｋｇ／ｃｍ2 以上であるので、従来のショットブラストと異なり、強化材粒子を母材の表面部位に打ち込み、埋めて、母材表面部位に強化材粒子によって強化された母材に比べて硬質な金属基複合材料を形成することができる。
上記（３）の金属基複合材料および上記（６）の金属基複合材料の製造方法では、母材が軽金属であるので、それより硬い材料の強化材粒子を打ち込むことにより表面の硬さを上げることができる。母材がアルミニウムで強化材粒子の材料が鋼である場合は、強化材粒子の打ち込みによる金属基複合材料の硬さは母材のみの硬さに比べてＨＶ７０程度以上増加される。
上記（７）の金属基複合材料の製造方法では、強化材粒子を金属母材の表面から傾けて投射すると、強化材粒子の打ち込み時の穴のまわりの母材金属が他の強化材粒子に叩かれて変形、流動することにより強化材粒子を打ち込んだ時の穴を塞ぎ強化材粒子が母材金属中に埋め込まれた形となる。３０〜４５°の角度で投射すると打ち込み深さおよび強化材粒子を打ち込んだ後の穴の塞ぎ上、好ましい。
上記（８）の金属基複合材料の製造方法では、強化材粒子を金属母材の表面に対し直角の角度で投射しついで前記金属母材の表面から３０〜４５°の角度で投射するので、始めの直角投射により強化材粒子の打ち込み深さを上げることができ、後の斜め投射により打ち込み穴を塞ぐことができる。
上記（９）の金属基複合材料の製造方法では、金属母材が常温より高い温度でかつ固体状態にある時に強化材粒子を投射するので、強化材粒子の打ち込みが容易になり、かつ強化材粒子の打ち込み深さを上げることができる。
上記（１０）の金属基複合材料の製造方法では、金属母材が常温にある時に強化材粒子を金属母材に投射するが、投射圧力等を適宜に選定することにより強化材粒子を金属母材中に打ち込むことができる。強化材粒子が投射される時母材金属表面が温度が上がりその後急冷されることになるため、母材金属組織が細密化し、その点からも強度向上がはかられる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明実施例の金属基複合材料３は、図１、図２に示すように、金属母材２と、金属母材２より硬く金属母材２に投射（強化材粒子１を圧縮空気とともに噴射）により打ち込まれた多数の強化材粒子１と、からなる。
【０００７】
金属母材２は、たとえば軽金属（アルミニウム、マグネシウム等）、銅、ニッケル、錫、亜鉛、またはそれらの合金等からなる。これらの金属は硬さが比較的低いので、摺動部（シリンダブロックボア部）、または相手部材によって擦られる部位（ピストンのピストンリング溝）などに用いられる場合は、表面部を局所的に金属基複合材料として硬度を上げ、耐摩耗性、摺動性、耐熱性等を向上させるのに本発明を用いることができる。
【０００８】
強化材粒子１の材料は金属母材２より常温において硬さが硬いものであればよく、たとえば、鉄系または非鉄系の金属（高速度鋼、ステンレス鋼等）、セラミックス、黒鉛、酸化物（アルミナ等）、炭化物（炭化珪素等）等である。
強化材粒子１は粒状で、それを体積が同じ球体に換算した場合の強化材粒子１の粒径は、１００μｍ以下で、通常、１０〜１００μｍである。
【０００９】
強化材粒子１の打ち込み深さ（強化材粒子１の母材表面から最も離れた部分と母材表面との間の距離）は、２００μｍ以下である。強化材粒子１を金属母材２に打ち込んだ時にできる穴は母材２によって埋められ、強化材粒子１は金属母材２中に分散した状態にある。強化材粒子１の打ち込み深さは金属母材２の柔らかさ、強化粒子１の投射圧により異なり、金属母材２が柔らかい程、また投射圧が高い程打ち込み深さは大である。
【００１０】
本発明実施例の金属基複合材料の製造方法は、金属母材２に、金属母材２より硬い多数の強化材粒子１を投射により打ち込んで金属基複合材料３を製造する方法からなる。
金属母材２の材料、強化材粒子１の材料および粒径については、本発明実施例の金属基複合材料で述べたことと同じである。
【００１１】
強化材粒子１を、大気中で、投射ノズル４より、２．５ｋｇｆ／ｃｍ２  （１ｋｇｆ／ｃｍ２  は９８ｋＰａ）以上の投射圧力で、望ましくは約４．０ｋｇｆ／ｃｍ２  以上の投射圧力で金属母材２に打ち込み、金属母材２の表面部位に金属基複合材料３の層を形成する。この投射圧は、ショットブラストの投射圧の２．０ｋｇｆ／ｃｍ２  より高い。
投射圧を上記投射圧とすることにより、強化材粒子１を金属母材２に打ち込むことができる。投射機はショットブラスト機を用いてもよく、その場合は投射圧を上記投射圧に上げて用いる。
【００１２】
強化材粒子１を金属母材の表面からθの角度で投射する。投射角度を金属母材の表面から傾斜させることにより、強化材粒子１を投射した時に金属母材２にできる穴のまわりの母材２を、続く投射粒子１で叩いて流動させ、母材２の穴を塞ぐことができ、強化材粒子１を母材表面から離れた母材２中に埋め込み、分散させることができる。穴を塞ぐ面から、投射角度θを３０〜４５°の角度に設定することが望ましい。
【００１３】
強化材粒子１の投射深さを大にする上からは投射角度θを９０°（直角）とするのがよいので、強化材粒子１を金属母材２の表面に対し直角の角度で投射しついで金属母材の表面から３０〜４５°の角度で投射して穴を埋めるようにすると、投射深さを大にするとともに穴も塞ぐことができる。
【００１４】
強化材粒子１の投射は、金属母材２が常温より高い温度でかつ固体状態にある時に行う。常温より高い温度は、金属母材２に成形または鍛造後の残熱を利用してもよい。高い温度で強化材粒子１を投射することにより、強化材粒子１の投射深さを大にすることができる。
強化材粒子１の投射は、金属母材が常温にある時に行ってもよい。金属母材２が常温であっても、投射圧を上げれば強化材粒子１を金属母材２中に打ち込むことができる。
【００１５】
上記の製造方法により形成された金属基複合材料３の硬さは約ＨＶ２００であり、母材マトリクスのみの場合が約ＨＶ１３０であるので、ＨＶ７０程度以上硬さが増加される。
【００１６】
【実施例】
アルミニウム合金（６０００系）からなる金属母材（マトリックス材）２に、高速度鋼の鋼球からなる強化材粒子１を高速衝突させた。投射圧力は４ｋｇｆ／／ｃｍ２  であり、投射時間は約１０秒であった。投射ノズル径は５ｍｍ、投射方式は直圧方式とした。製造された複合材３の金属組織を図２（８００倍にして示したもの）に示す。図２中の強化材粒子１の大きさは大きいもので約３０μｍである。
上記の供試材および製造条件で作製したΦ１００ｍｍ、厚さ５〜１０ｍｍの試験片の中心にΦ７ｍｍの穴をあけた後、ＪＩＳＫ７２０４に規定される摩耗試験機（テーパ型）に取付け、摩耗輪を用いて荷重９．８Ｎにて回転摩耗試験を行った結果、本発明複合材はマトリックス材のみの場合と比べて、摩耗量が１／１００以下に低減した。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１の金属基複合材料および請求項４の金属基複合材料の製造方法によれば、多数の粒径が１０μｍを超え１００μｍ以下の強化材粒子が金属母材に投射により打ち込まれているので、強化材粒子の投射部位を母材の一部に限ることことにより金属母材の部分的強化が可能になる。また、投射により短時間に容易に表面の硬さを上げることができるので、時間および設備コストのかかる溶射、クラッディング、アロイング、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の従来の金属基複合材料の局所製造方法にくらべて、時間短縮、製造コスト削減、設備コストの削減等をはかることができる。
請求項２の金属基複合材料および請求項５の金属基複合材料の製造方法によれば、強化材粒子の打ち込み深さが２００μｍ以下または投射圧力が２．５ｋｇ／ｃｍ2 以上であるので、強化材粒子を母材の表面部位に打ち込み、埋めて、母材表面部位に強化材粒子によって強化された母材に比べて硬質な金属基複合材料を形成することができる。
請求項３の金属基複合材料および請求項６の金属基複合材料の製造方法によれば、金属母材が軽金属であるので、それより硬い材料の強化材粒子を打ち込むことにより母材表面に母材より硬さが上げられた金属基複合材料層を形成することができる。
請求項７の金属基複合材料の製造方法によれば、強化材粒子を金属母材の表面から３０〜４５°の角度で投射するので、打ち込み深さを深くできかつ強化材粒子を打ち込んだ後の穴の塞ぐことができる。
請求項８の金属基複合材料の製造方法によれば、強化材粒子を金属母材の表面に対し直角の角度で投射しついで前記金属母材の表面から３０〜４５°の角度で投射するので、始めの直角投射により強化材粒子の打ち込み深さを上げることができ、後の斜め投射により打ち込み穴を塞ぐことができる。
請求項９の金属基複合材料の製造方法によれば、金属母材が常温より高い温度でかつ固体状態にある時に強化材粒子を投射するので、強化材粒子の打ち込みが容易になり、かつ強化材粒子の打ち込み深さを上げることができる。
請求項１０の金属基複合材料の製造方法によれば、金属母材が常温にある時に強化材粒子を金属母材に投射するが、投射圧力等を適宜に選定することにより強化材粒子を金属母材中に打ち込むことができる。強化材粒子が投射される時母材金属表面が温度が上がりその後急冷されることになるため、母材金属組織が細密化し、その点からも強度向上がはかられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の金属基複合材料の一部断面図とその製造方法を示す側面図である。
【図２】本発明実施例の金属基複合材料の８００倍拡大の金属組織図である。
【符号の説明】
１  強化材粒子
２  金属母材
３  金属基複合材料
４  投射ノズル
【図１】
0003620337.tif 000002
【図２】
0003620337.tif 000003