(57)【要約】【課題】軽量であるが強度が低いＡｌなどの金属を母材とした複合材料の強度を高くする。【解決手段】母材金属中に鋳造時に生成した異質核となる化合物が分散した複合材料、もしくは鋳造前に母材と同じ粉末を入れることによって凝固時の冷却速度を大きくした複合材料であって、母材金属の結晶粒を小さくして、強度を高くする。また、母材金属粉末と該母材と化合物を生成する粉末とを混合して混合粉末を回転する金型に投入して該混合粉末に遠心力を与えながら、溶融された母材溶融金属を流し込み、母材溶融金属と前記粉末を反応させて異質核となる化合物を生成する、もしくは粉末を入れることによって凝固時の冷却速度を大きくすることにより、母材金属の結晶粒を微細にする複合材料の製造方法。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材金属中に異質核となる化合物が分散した複合材料であって、母材金属の結晶粒が３００μｍ以下である複合材料。
【請求項２】
前記母材金属の結晶粒径が１００μｍ以下である請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
前記母材金属の結晶粒の大きさが複合材料中で傾斜して変化している請求項１または２に記載の複合材料。
【請求項４】
前記母材金属がＡｌであり、前記化合物がＡｌ３Ｚｒである請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料。
【請求項５】
母材金属粉末を金型に投入し、該金型を回転させて該粉末に遠心力を与えながら、溶融された前記母材溶融金属を流し込み、該母材溶融金属が有する熱により前記母材金属粉末を溶融させ、遠心鋳造法による母材金属よりも、結晶粒を微細にし、かつ強度の高い複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記金型に投入する粉末が、前記母材金属粉末と、該母材と整合性の良い化合物を生成する粉末との混合粉末である、請求項５に記載の複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記母材金属がＡｌであり、前記母材と化合物を生成する粉末がＺｒである、請求項６に記載の複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材結晶粒が従来よりも微細化された高強度な複合材料およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、軽量で高強度な材料の開発が進められている。その１つに、軽量なＡｌなどを母材として用いた複合材料が挙げられる。複合材料とは、母材と母材とは異なる組織や組成の材料を組み合わせた材料である。組み合わせた材料の長所を組み合わせることが可能であるため、複合材料は例えば内燃焼機関用コンロッドやヒートシンクなど様々な分野への応用が期待されている。
【０００３】
複合材料を製造する方法として、特許文献１や非特許文献１に示されている反応遠心力混合粉末法がある。この製造方法では、まず母材金属粉末と母材と反応して化合物を形成する物質粉末とを混合して混合粉末１を作製する。そして該混合粉末１を円筒形状金型２に投入した後に、前記円筒形状金型２を回転させることによって該混合粉末１に遠心力を作用させ、必要に応じて前記円筒形状金型２の予備加熱を行う（図１参照）。そして湯道３を通じて回転中の前記円筒形状金型２へ鋳造用溶解炉で溶解された母材溶融金属４を流し込む（図２参照）。
【０００４】
遠心力の加圧効果により、混合粉末中の空隙に母材溶融金属４が含浸されると同時に、溶湯の熱により混合粉末１中の母材金属粉末が溶解する。この際に母材と物質粉末が反応し、化合物が生成される。本製造プロセスによって，前記化合物が母材金属に強固に固定され、かつ母材金属中に均一あるいは傾斜分散された複合材料が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１８４７１３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓｈｉｍａａ  Ｅｌ-Ｈａｄａｄ, Ｈｉｓａｓｈｉ  Ｓａｔｏ,Ｅｒｉ  Ｍｉｕｒａ-Ｆｕｊｉｗａｒａ  ａｎｄ  Ｙｏｓｈｉｍｉ  Ｗａｔａｎａｂｅ；  Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ  ５０，（２０１１）  ０１ＡＪ０２１．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、軽量ではあるが強度が低いＡｌなどの金属を母材とした複合材料を作製した場合、母材の強度が低いためにその複合材料の強度が低くなるという問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、複合材料を構成する母材金属の結晶粒を微細にすることで、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の複合材料およびその製造方法が提供される。
【０００９】
[１] 母材金属中に鋳造時に生成させた異質核となる化合物が分散した複合材料であって、母材金属の結晶粒径が３００μｍ以下である複合材料。
【００１０】
［２］前記母材金属の結晶粒径が１００μｍ以下である前記［１］に記載の複合材料。
【００１１】
［３］前記母材金属の結晶粒の大きさが複合材料中で傾斜して変化している前記［１］または［２］に記載の複合材料。
【００１２】
［４］前記母材金属がＡｌであり、前記化合物がＡｌ３Ｚｒである前記［１］〜［３］のいずれかに記載の複合材料。
【００１３】
［５］母材金属粉末を金型に投入し、該金型を回転させて該粉末に遠心力を与えながら、溶融された前記母材溶融金属を流し込み、該母材溶融金属が有する熱により前記母材金属粉末を溶融させ、遠心鋳造法による母材金属よりも、結晶粒を微細にし、かつ強度の高い複合材料の製造方法。
【００１４】
［６］前記金型に投入する粉末が、前記母材金属粉末と、該母材と整合性の良い化合物を生成する粉末との混合粉末である、前記［５］に記載の複合材料の製造方法。
【００１５】
［７］前記母材金属がＡｌであり、前記母材と化合物を生成する粉末がＺｒである、前記［６］に記載の複合材料の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の背景技術である反応遠心力混合粉末法における母材金属粉末と母材と反応して化合物を生成する物質粉末との混合粉末を回転中の円筒形状金型に投入する方法を模式的に描いた図である。
【図２】本発明の背景技術である反応遠心力混合粉末法における母材溶融金属を回転中の円筒形状金型に流し込む方法を模式的に描いた図である。
【図３】複合材料の製造工程を模式的に描いた図である。
【図４】複合材料製造法の工程表を示した図である。
【図５】本発明の第１実施形態の反応遠心力混合粉末法によって製造したＡｌとＺｒから構成されるＡｌ基複合材料である。
【図６】本発明の第１実施形態における反応遠心力混合粉末法によって製造した、金属間化合物Ａｌ３Ｚｒが生成されているＡｌ基複合材料の断面の走査型電子顕微鏡の反射電子組成像である。
【図７】本発明の第１実施形態における反応遠心力混合粉末法により製造したＡｌ基複合材料の母材部分と比較材である純Ａｌ試料のマイクロビッカース硬さ試験の結果を示したグラフである。
【図８】本発明の実施例２で製造したＡｌ複合材料の断面の腐食後の写真である。
【図９】本発明の実施例２で製造したＡｌ複合材料とＡｌの遠心鋳造品（比較材）のマイクロビッカース硬さ試験の結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１８】
本発明の複合材料は、母材金属中に鋳造時に生成させた異質核となる化合物が分散した複合材料であって、母材金属の結晶粒径が３００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。本発明の複合材料は、母材である金属Ａに、母材と反応して化合物を生成する他の金属Ｂが分散しており、該金属Ｂが該母材金属Ａと十分に反応する。ただし、熱量不足のために該金属Ｂが該母材金属Ａと反応しきれずに、該金属Ｂと前記母材金属Ａとの化合物が金属Ｂの周囲を取り囲むようにして金属Ａと金属Ｂの境界に生成されている組織になった場合においても問題ない。
【００１９】
さらに母材金属Ａの結晶粒は、複合材料中でその大きさが傾斜して変化していることが好ましい。結晶粒の大きさが傾斜して変化していると、結晶粒が微細な部分では硬く、結晶粒が粗大なところでは加工が容易といった利点がある。
【００２０】
本発明の複合材料の製造方法は、図３に示すように、母材金属粉末と該母材金属と反応して化合物を生成する物質粉末とを混合した混合粉末５を作製し、該混合粉末５を円筒形状金型６に投入した後に、回転軸７まわりに該円筒形状金型６を回転させる。そして該混合粉末５に遠心力を与えることによって、前記混合粉末５は該円筒形状金型６の内壁に固定される。そして、母材溶融金属８を該円筒形状金型６に流し込むことにより、該混合粉末５中の母材溶融金属と反応して化合物を生成する前記物質粉末と母材を反応させ、母材と格子定数差が小さく整合性の良い金属間化合物を生成させる。この金属間化合物は、整合性が良いために母材に対して異質核として作用する。これによって母材の結晶粒微細化を促し、強度が向上した複合材料９が製造される。図４に、本発明の複合材料の製造フローを示す。
【００２１】
混合粉末５に代わって、母材金属と同一材料である粉末に母材溶融金属を流し込んで、前記金属粉末を溶融させると、潜熱などによって凝固時の冷却速度が大きくなり、母材の結晶粒の微細化が得られる。このように母材金属のみの材料であっても、結晶粒の大きさが部分的に異なる結晶粒組織を有している場合は、本願発明では広い意味での複合材料と言う。
【００２２】
本発明の複合材料の製造方法では、より具体的には、母材としてＡｌ粉末、あるいは母材Ａｌ粉末とＡｌ粉末と反応して化合物を生成するＺｒ粉末を混合することにより粉末を作製し、円筒形状金型中の該混合粉末に溶融したＡｌを該円筒形状金型に流し込むことにより、該混合粉末中の母材ＡｌとＺｒが反応して、母材Ａｌと整合性の良い金属間化合物Ａｌ３Ｚｒを生成させる。この金属間化合物Ａｌ３Ｚｒは、Ａｌとの整合性が良いために母材Ａｌに対して異質核として作用する。これによって母材Ａｌの結晶粒微細化を促し、強度が向上した複合材料が製造される。母材金属と同一材料である粉末に母材溶融金属を流し込んで、前記金属粉末を溶融させる場合も、当該母材としてＡｌが好適であるが、Ａｌに限らず、他の金属でも同様な効果が得られる。
【００２３】
なお、本発明の複合材料の製造に使用される金型の形状は、上記円筒状に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用可能である。例えば、三角柱、四角柱および多角柱などその他複雑な形状のものにも適用可能である。さらに本発明の複合材料の母材およびこれと化合物を生成する金属は、前記のＡｌとＺｒとの組み合わせに限らず、生成する金属間化合物と母材の整合性が良ければ、他の組み合わせにも適用可能である。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２５】
（実施例１：Ａｌ・Ｚｒ混合粉末のＡｌ溶湯による溶解）
反応遠心力混合粉末法によって本発明の複合材料を製造する。母材金属粉末である粒子径１００〜１５０μｍの純Ａｌ粉末５９．８ｇと、母材と反応して化合物を生成する粒子径２〜３ｍｍのＺｒ粉末１５．２ｇからなる混合粉末を作製し、該混合粉末を直径８０ｍｍ、幅５０ｍｍの空洞を有する円筒形状金型に投入する。一方、母材金属である純Ａｌインゴット２８０ｇを鋳造用溶解炉に装填する。その後、真空中にて前記円筒形状金型を６００℃、該純Ａｌインゴットを溶解温度８００℃に加熱することで母材溶融純Ａｌとする。そして、該円筒形状金型を回転させて重力倍数１１１９Ｇ（重力倍数１Ｇが重力場に相当）の遠心力を混合粉末に作用させて、該母材溶融純Ａｌを該円筒形状金型に流し込む。この製造工程により、図５に示すように母材純Ａｌが微細化したＡｌ基複合材料を製造した。図６は、本鋳造材の断面の走査型電子顕微鏡の反射電子組成像であり、Ｚｒ粒子と母材純Ａｌの界面において、金属間化合物Ａｌ３Ｚｒが生成されている様子が確認できる。
【００２６】
（比較例）
前記製造工程にて作製したＡｌ基複合材料と同条件で、遠心鋳造にて作製した比較材である純Ａｌ試料を作製した。
【００２７】
前記Ａｌ基複合材料と純Ａｌの結晶粒径を測定し、さらにマイクロビッカース硬さ試験を行った。結晶粒径は、外周部から内周部に向かって１ｍｍの所を測定した。結晶粒径は、純Ａｌでは２．７ｍｍ、Ａｌ基複合材料では９９μｍであった。この結果より、比較試料の純Ａｌ試料の結晶粒よりも、Ａｌ基複合材料中の母材Ａｌの結晶粒が格段に微細であることがわかる。Ａｌ基複合材料の結晶粒が微細になった原因として、金属間化合物Ａｌ３Ｚｒが異質核として働いたためと推測できる。また、マイクロビッカース硬さ試験の評価結果を図７に示す。このマイクロビッカース硬さ試験では、Ａｌ基複合材料においてはＺｒや金属間化合物Ａｌ３Ｚｒが存在しない母材純Ａｌの部分にビッカース圧痕を打った。また、断面の厚さを内周部から外周部に向かって位置を規格化し、測定を行った。この図より、鋳造時にＺｒを含む混合粉末が存在していた規格化位置０．７〜１．０（外周部側）においては、純Ａｌ試料よりもＡｌ基複合材料の硬さが大きいことがわかる。結晶粒径の結果と図７より、結晶粒径が小さいほど、母材のマイクロビッカース硬度が高い、つまり材料強度が高いことがわかる。以上の結果より、本発明により得られたＡｌ基複合材料は純Ａｌ試料より高強度であることがわかる。
【００２８】
（実施例２：Ａｌ粉末のＡｌ溶湯による溶解）
母材金属粉末である粒子径１００〜１５０μｍの純Ａｌ粉末６５．９ｇを直径８０ｍｍ、幅５０ｍｍの空洞を有する円筒形状金型に投入する。また、純Ａｌインゴット２８０ｇを鋳造用溶解炉に装填する。その後、真空中にて金型を６００℃、該純Ａｌインゴットを溶解温度８００℃に加熱することで母材溶融純Ａｌとする。そして、該円筒形状金型を回転させて重力倍数１１１９Ｇ（重力倍数１Ｇが重力場に相当）の遠心力を該純Ａｌ粉末に作用させることで該円筒形状金型内壁に固定し、該母材溶融純Ａｌを流し込んだ。この際に、該純Ａｌ粉末は融点まで加熱され、また同時に溶融時の潜熱などにより粉末が存在していた部分では熱が奪われ、凝固時の冷却速度は大きくなる。この製造工程により、粉末が存在していた部分の純Ａｌの結晶粒が微細化した複合材料を製造した。図８は、該複合材料の断面の腐食後の写真である。矢印の方向に遠心力が作用されており、外周部側の結晶粒が微細であることがわかる。
【００２９】
前記製造工程にて作製した複合材料と同条件で遠心鋳造にて作製した比較材であるＡｌ試料の結晶粒径とマイクロビッカース硬さ試験を行った。結晶粒径は、前記同様に外周部から内周部に向かって１ｍｍの所を測定した。Ａｌ粉末無しの場合は２．７ｍｍ、Ａｌ粉末有りの場合は１２９μｍであった。この結果より、円筒形状金型に純Ａｌ粉末を投入後に母材溶融純Ａｌを金型に流し込んで作製した該材料は、比較試料よりも結晶粒径が微細であることがわかる。また、マイクロビッカース硬さ試験の結果を図９に示す。こちらも実施例１と同様に断面の厚さを内周部から外周部に向かって位置を規格化して測定を行った。この図より、鋳造時に粉末が存在していた規格化位置０．７〜１．０においては、Ａｌ複合材料のマイクロビッカース硬さが大きいことがわかる。以上の結果より、本技術によって作製したＡｌ複合材料は、通常の遠心鋳造品よりも結晶粒が微細になり高強度であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は遠心鋳造によって製造した管材等の強度向上を図り、また本発明を用いてベアリング等を作製した場合には、ベアリングの耐摩耗性、耐久性向上が見込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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