(57)【要約】【課題】  高い硬度を有する金属基材料を提供すること。【解決手段】  本発明の金属基複合材は、Ｔｉ原料粉末、Ｍｏ原料粉末、Ｎｉ原料粉末、セラミックス粉末から得られる焼結体よりなり、全体を１００質量部としたときに、Ｎｉを０．１〜９質量部で含有することを特徴とする。【選択図】  図２
2018188692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉを含有するＴｉ原料粉末、Ｍｏを含有するＭｏ原料粉末、Ｎｉを含有するＮｉ原料粉末、ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＴｉＢ２，ＭｏＢより選ばれる少なくとも１種のセラミックス粉末から得られる焼結体よりなり、
全体を１００質量部としたときに、Ｎｉを０．１〜９質量部で含有することを特徴とする金属基複合材。
【請求項２】
気孔率が０．５％以下である請求項１記載の金属基複合材。
【請求項３】
窒化処理が施されている請求項１又は２記載の金属基複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属基複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車、産業機械及び家電機器等の分野において、アルミニウム等の軽量の非鉄金属の使用機会が増加している。アルミニウム合金等の一部の非鉄金属は、ダイカスト技術（ダイカストマシン）を用いて、高精度かつ高速度で鋳造されるものが多い。
【０００３】
ダイカストマシンの射出スリーブには、特許文献１に記載のように、金属基複合材が使用される場合がある。金属基複合材は、焼きばめ又は鋳ぐるみにより、溶湯と接触する部分に配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平７−８４６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ダイカストマシンにおいて、金属基複合材を用いた射出スリーブには、更なる耐用向上が求められている。特に、金属基複合材の高硬度化が求められている。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、高い硬度を有する金属基複合材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明の金属基複合材は、Ｔｉを含有するＴｉ原料粉末、Ｍｏを含有するＭｏ原料粉末、Ｎｉを含有するＮｉ原料粉末、ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＴｉＢ２，ＭｏＢより選ばれる少なくとも１種のセラミックス粉末から得られる焼結体よりなり、全体を１００質量部としたときに、Ｎｉを０．１〜９質量部で含有することを特徴とする。
本発明の金属基複合材によると、緻密な組織となることで、硬度（及び強度、耐摩耗性）が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の試料１の断面拡大写真である。
【図２】実施例の試料４の断面拡大写真である。
【図３】実施例の試料８の断面拡大写真である。
【図４】実施例の試料１２の断面拡大写真である。
【図５】ダイカストマシンの射出スリーブの構成を示す断面図である。
【図６】図５中のＶＩ−ＶＩ線での断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施の形態を用いて本発明を具体的に説明する。
【０００９】
［金属基複合材］
本形態の金属基複合材は、Ｔｉを含有するＴｉ原料粉末、Ｍｏを含有するＭｏ原料粉末、Ｎｉを含有するＮｉ原料粉末、ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＴｉＢ２，ＭｏＢより選ばれる少なくとも１種のセラミックス粉末から得られる焼結体よりなる。そして、金属基複合材全体を１００質量部としたときに、Ｎｉを０．１〜９質量部で含有する。
【００１０】
本形態の金属基複合材は、焼結体よりなる。焼結体は、原料粉末を焼結して得られる。焼結体は、原料の原子が拡散しているため、その構成が一概に規定できるものではない。すなわち、本形態の焼結体は、Ｔｉを含有するＴｉ原料粉末、Ｍｏを含有するＭｏ原料粉末、Ｎｉを含有するＮｉ原料粉末、ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＴｉＢ２，ＭｏＢより選ばれる少なくとも１種のセラミックス粉末から得られる焼結体よりなるものであれば、そのミクロな構成や特性が一概に決定できるものではない。
【００１１】
本形態の金属基複合材は、Ｔｉ原料粉末、Ｍｏ原料粉末、Ｎｉ原料粉末、セラミックス粉末から得られる焼結体よりなる。これらの粉末からなる焼結体は、Ｔｉ及びＭｏ、セラミックス及びＮｉを含有するものとなる。
【００１２】
Ｔｉ原料粉末は、その組成中にＴｉを含有する化合物の粉末（化合物粒子の集合体）である。Ｔｉ原料粉末は、Ｔｉを最も多い成分として含む化合物（の粒子）よりなる粉末であることが好ましく、Ｔｉを５０ｍａｓｓ％以上で含む化合物（の粒子）よりなる粉末であることが好ましく、Ｔｉを９０ｍａｓｓ％以上で含む化合物（の粒子）よりなる粉末であることがより好ましく、Ｔｉ（の粒子）よりなる粉末であることが最も好ましい。なお、これらの化合物における含有割合は、Ｔｉ原料粉末全体の質量を１００ｍａｓｓ％とした場合の含有割合である。Ｔｉ原料粉末は、Ｔｉの含有割合の異なる化合物（の粒子）を組み合わせて形成しても良い。
【００１３】
Ｍｏ原料粉末は、その組成中にＭｏを含有する化合物の粉末（化合物粒子の集合体）である。Ｍｏ原料粉末は、Ｍｏを最も多い成分として含む化合物（の粒子）よりなる粉末であることが好ましく、Ｍｏを５０ｍａｓｓ％以上で含む化合物（の粒子）よりなる粉末であることが好ましく、Ｍｏを９０ｍａｓｓ％以上で含む化合物（の粒子）よりなる粉末であることがより好ましく、Ｍｏ（の粒子）よりなる粉末であることが最も好ましい。なお、これらの化合物における含有割合は、Ｍｏ原料粉末全体の質量を１００ｍａｓｓ％とした場合の含有割合である。Ｍｏ原料粉末は、Ｍｏの含有割合の異なる化合物（の粒子）を組み合わせて形成しても良い。
【００１４】
セラミックス粉末は、ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＴｉＢ２，ＭｏＢより選ばれる少なくとも１種のセラミックスよりなる粉末である。セラミックス粉末は、これらから選ばれる１種のセラミックスの粉末であっても、２種以上のセラミックスの粉末の混合粉末であってもよい。さらに、セラミックス粉末は、これらから選ばれる２種以上のセラミックスが複合化して形成された粉末であってもよい。セラミックス粉末がこれらから選ばれる２種以上よりなる場合の比率は、限定されるものではない。
【００１５】
Ｎｉ原料粉末は、その組成中にＮｉを含有する化合物の粉末（化合物粒子の集合体）である。Ｎｉ原料粉末は、Ｎｉを最も多い成分として含む化合物（の粒子）よりなる粉末であることが好ましく、Ｎｉを５０ｍａｓｓ％以上で含む化合物（の粒子）よりなる粉末であることが好ましく、Ｎｉを９０ｍａｓｓ％以上で含む化合物（の粒子）よりなる粉末であることがより好ましく、Ｎｉ（の粒子）よりなる粉末であることが最も好ましい。なお、これらの化合物における含有割合は、Ｎｉ原料粉末全体の質量を１００ｍａｓｓ％とした場合の含有割合である。Ｎｉ原料粉末は、Ｎｉの含有割合の異なる化合物（の粒子）を組み合わせて形成しても良い。
【００１６】
なお、Ｔｉ原料粉末、Ｍｏ原料粉末、Ｎｉ原料粉末は、Ｔｉ，Ｍｏ，Ｎｉの他の元素と合金を形成していても良い。例えば、Ｔｉ−Ｍｏ合金を挙げることができる。
【００１７】
本形態の金属基複合材は、全体を１００質量部としたときに、Ｎｉを０．１〜９質量部で含有する。ここで、Ｎｉの質量部は、金属基複合材に含まれるＮｉの総質量が占める割合に相当する。すなわち、質量％（ｍａｓｓ％）に変換可能である。
【００１８】
Ｎｉは、金属基複合材の組織を緻密化する。組織が緻密化すると、全体の硬度及び強度が増加する。すなわち、Ｎｉを含有することで、金属基複合材の耐摩耗性を向上させることができる。
【００１９】
Ｎｉを０．１〜９質量部で含有することで、この耐摩耗性を向上させる効果が確実に発揮する。０．１質量部未満ではＮｉの配合量が少なすぎ、配合の効果が十分に発揮できない。９質量部を超えて大きくなると、金属基複合材が脆くなる。すなわち、耐曲げ性が低下する。
【００２０】
好ましいＮｉの含有割合は、金属基複合材全体を１００質量部としたときに、０．１〜５質量部である。より好ましい含有量は、０．５〜３質量部である。
【００２１】
本形態の金属基複合材は、Ｔｉ原料粉末に含まれるＴｉ及びＭｏ原料粉末に含まれるＭｏを含有する。また、セラミックス粉末に含まれるセラミックスを含有する。
Ｔｉは、本形態の金属基複合材において、マトリックスを形成する。本形態の金属基複合材において、Ｔｉマトリックスは、非鉄金属の溶湯に対して優れた耐溶損性を有する。さらに、低熱伝導性のために温度保持能力にも優れる。
【００２２】
Ｍｏは、耐溶損性を向上する。特に、非鉄金属に対する耐溶損性を向上する。すなわち、Ｍｏを含有することで、金属基複合材の非鉄金属に対する耐溶損性が向上する。
【００２３】
Ｍｏは、Ｔｉがリッチな状態で配される。Ｔｉがリッチな状態とは、ＴｉとＭｏの質量を比較したときに、Ｔｉが多い状態である。好ましい比は、Ｔｉを１００質量部としたときに、Ｍｏの質量が１０〜５０質量部である。より好ましい含有量は、２０〜４０質量部である。
【００２４】
セラミックスは、強度及び硬度に優れる。セラミックスは、金属基複合材の焼結体において、原料粉末に由来する粒子がマトリックスに分散した構成となる。このセラミックスは、金属基複合材の強度及び硬度を高める。セラミックスは、さらに、焼結性を高めることから、強度及び硬度を高めることに寄与する。
【００２５】
セラミックスを１〜１５質量部で含有することで、この高強度、高硬度の効果を発揮する。１質量部未満となると、セラミックスの配合量が少なすぎ、配合の効果が十分に発揮できない。すなわち、金属基複合材の硬度及び耐摩耗性が低くなる。１５質量部を超えて大きくなると、金属基複合材が脆性化し、耐衝撃性の低下を招く。耐衝撃性の低下により、割れやすくなる。
【００２６】
好ましいセラミックスの配合比は、ＴｉとＭｏの合計質量を１００質量部としたときに、セラミックスの質量が１〜１５質量部である。より好ましくは、３〜１０質量部である。
【００２７】
本形態の金属基複合材は、気孔率が０．５％以下であることが好ましい。本形態の金属基複合材は、上記のように緻密な組織を有する焼結体である。そして、気孔率が０．５％以下となることで、より緻密で硬度及び強度に優れたものとなる。気孔率は、０．３％以下であることがより好ましく、０．１５％以下であることが更に好ましい。
【００２８】
本形態の金属基複合材は、窒化処理が施されていることが好ましい。すなわち、表面に窒化処理被膜を有することが好ましい。窒化処理により形成される窒化処理被膜は、高い硬度を有している。この結果、本形態の金属基複合材としての表面硬度が増加する。
さらに、本形態の金属基複合材は、上記のようにその組織自体が高い硬度を有する。その上で、表面に窒化処理被膜を有するものとなる。すなわち、窒化処理を施すことで、金属基複合材は、窒化処理が施されていないものに対して、より高い硬度を備えるものとなる。
【００２９】
なお、本形態の金属基複合材は、従来の焼結体に窒化処理を施した場合と比較すると、窒化処理による硬度向上効果が低い。このことは、本形態の金属基複合材は、Ｎｉを含有することで組織が緻密化しているため、窒化反応が原料粉末粒子の表面から内部への進行が進みにくくなったためである。しかしながら、本形態の金属基複合材は、緻密化により焼結体自身が高い硬度を有するため、表面の窒化処理被膜が失われても、また窒化の効果が低くても、高い硬度となる。
【００３０】
本形態の金属基複合材は、その製造方法が限定されるものではない。例えば、各原料粉末を混合する工程、混合体を加熱して焼結する工程、を施すことで製造できる。混合体を所定の形状に成形する工程、焼結体を窒素雰囲気下で加熱する工程である窒化処理を施す工程、をさらに施してもよい。窒化処理を施す前、窒化処理を施した後、の少なくとも一方のタイミングで整形工程を施してもよい。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
本発明の金属基複合材を具体的に製造する。
【００３２】
［実施例及び比較例］
実施例及び比較例として、試料１〜１３の金属基複合材の試験片を製造した。各試験片は、Ｔｉ原料粉末としてＴｉ粉末、セラミックス原料粉末としてＳｉＣ粉末、Ｍｏ原料粉末としてＭｏ粉末、Ｎｉ原料粉末としてＮｉ粉末から得られる焼結体である。
各試料は、Ｔｉ，Ｍｏ，ＳｉＣ，Ｎｉを表１に合わせて示した質量比で含有する。
各試料の気孔率を測定し、表１に合わせて示した。気孔率の測定は、ＪＩＳ  Ｒ  ２２０５に記載の測定方法を用いて測定した。
【００３３】
【表１】
2018188692.tif 000003
【００３４】
［評価］
各試料（窒化処理が施されていない状態）の評価として、下記の評価を行う。なお、下記の評価のうちＨＲＣ硬度及び摩耗幅については、窒化処理を施した各試料についても測定を行った。窒化処理後の測定結果を表１に合わせて示した。
【００３５】
（拡大写真）
各試料の評価として、断面の顕微鏡写真を撮影した。撮影された写真を図１〜図４に示した。図１には試料１の断面を、図２には試料４の断面を、図３には試料８の断面を、図４には試料１２の断面を、それぞれ示した。
（硬度）
各試料の評価として、硬度（ロックウェル硬度、ＨＲＣ）を測定した。測定結果を表１に合わせて示した。
ロックウェル硬度は、ロックウェル硬度計（明石製作所製）により測定した。
【００３６】
（強度）
各試料の評価として、強度（曲げ強度）を測定した。測定結果を表１に合わせて示した。
曲げ強度は、電子式万能材料試験機（株式会社米倉製作所製）により測定した。
【００３７】
（耐溶損性）
各試料を用いてφ１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱状の試験片を製造する。そして、円柱状の先端から５０ｍｍをアルミニウム合金溶湯に浸漬する。アルミ合金溶湯には、ＪＩＳ  Ｈ  ５３０２に規定のＡＤＣ１２材を、黒鉛ルツボで溶解して用いた。６８０℃に保持したアルミニウム合金溶湯へ、２４時間浸漬した（静的浸漬）。
【００３８】
浸漬後、試験片を引き上げ、放冷する。その後、浸漬深さ５０ｍｍの中央部（先端から２５ｍｍ）における外径を測定し、外径の減少量（溶損量）を求める。試料１の溶損量を１００％としたときの各試料の溶損量の比率を算出した。得られた結果を表１に合わせて示した。
【００３９】
（耐摩耗性）
大越式摩耗試験機を用いて摩耗幅を測定する。測定結果を表１に示した。
摩耗幅は、理研−大越式迅速摩耗試験機（東京試験機製作所製）により測定した。
【００４０】
（評価結果）
（気孔率及び拡大写真）
表１によると、Ｎｉを含有しない試料１は、気孔率が０．６７％と大きな気孔率を備えている。一方、Ｎｉを含有する試料２〜１３では、０．５％以下の小さな気孔率となっている。このことは、図１〜図４の拡大写真からも、明らかである。
【００４１】
図１〜図４に示した拡大写真によると、Ｎｉを含有しない試料１は、多くの気孔を備えている。一方、所定の割合でＮｉを含有する試料２〜１３では、気孔が少ない緻密な組織を備えている。
【００４２】
（ＨＲＣ硬度）
表１によると、Ｎｉを含有しない試料１は、硬度が３５ＨＲＣ程度の低い高度となっている。そして、Ｎｉを含有する試料２〜１３は、試料１よりも高い硬度を有している。そして、Ｎｉの含有量が３〜８質量部の試料７〜１１は、硬度が４５ＨＲＣ以上と高い値を示す。さらに、Ｎｉの含有量が４〜６質量部の試料８〜９は、硬度が４７ＨＲＣ以上と最も高い値を示す。すなわち、所定の割合でＮｉを含有する試料２〜１２の金属基複合材は、高いＨＲＣ硬度を備える。
【００４３】
さらに、各試料は、窒化処理を施すと、窒化処理なしの状態と比較して、ＨＲＣ硬度が高くなっている。窒化処理を施した後のＨＲＣ硬度の特性は、窒化処理を施していない状態のＨＲＣ硬度の特性と同様である。すなわち、窒化処理を施すこと（すなわち、窒化処理皮膜を有すること）で、よりＨＲＣ硬度が高い金属基複合材となる。
【００４４】
（曲げ強度）
表１によると、Ｎｉを過剰に含有する試料１３では、曲げ強度が２７１ＭＰａと低い強度となっている。一方、所定の割合（９質量部以下）でＮｉを含有する試料２〜１２では、曲げ強度が３００ＭＰａ以上と、試料１３よりも高い値となっている。特に、Ｎｉの含有量が０．１〜３質量部の試料２〜６は、曲げ強度が７００ＭＰａ以上と高い値を示す。さらに、Ｎｉの含有量が０．５〜２質量部の試料４〜５は、８００ＭＰａ以上の曲げ強度を示す。すなわち、所定の割合でＮｉを含有する試料２〜１２の金属基複合材は、高い強度（曲げ強度）を備える。
【００４５】
（耐摩耗性）
表１によると、Ｎｉを含有しない試料１では、１．３３ｍｍと大きな摩耗幅となっている。すなわち、耐摩耗性が低い。一方、所定の割合でＮｉを含有する試料２〜１２では、摩耗幅が、試料１と同等あるいはそれより小さな値となっている。すなわち、耐摩耗性に優れている。そして、特に、Ｎｉの含有量が４〜７．５質量部の試料８〜１０は、摩耗幅が１．２ｍｍ以下とかなり小さな値を示す。さらに、Ｎｉの含有量が５．４１質量部の試料９は、摩耗幅が１．１ｍｍと最も小さな値を示す。
すなわち、所定の割合でＮｉを含有する試料２〜１２の金属基複合材は、高い耐摩耗性を備える。
【００４６】
さらに、各試料は、窒化処理を施すと、窒化処理なしの状態と比較して、摩耗幅が同等以下となっている。すなわち、Ｎｉを含有する試料２〜１２は、優れた耐摩耗性を有している。そして、Ｎｉの含有量が５．４１質量部の試料９は、摩耗幅が１．０８ｍｍと最も小さな値を示す。
このことから、窒化処理を施すこと（すなわち、窒化処理皮膜を有すること）で、より耐摩耗性に優れた金属基複合材となる。
【００４７】
（耐溶損性）
表１によると、各試料の溶損量は、ほぼ同等となっている。なお、試料１２〜１３では、溶損率が１１０％を超えており、溶損量が大きい傾向がある。すなわち、各試料は同等の耐溶損性を備えている。その上で、Ｎｉの含有量が２〜６質量部の試料６〜９は、溶損率が小さな値を示し、Ｎｉの含有量が４．５５質量部の試料８は、溶損率が９２％と最も小さな値を示す。すなわち、Ｎｉを４．５５質量部で含有する試料８では、耐溶損性が最も向上していることが確認できる。
【００４８】
以上に示したように、所定の割合でＮｉを含有する試料２〜１２では、気孔率が０．５％以下と気孔の少ない緻密な組織となっている。この結果、硬度（ＨＲＣ硬度）、強度（曲げ強度）及び耐摩耗性に優れた金属基複合材となっていることが確認できる。
さらに、アルミニウム合金に対する耐溶損性に優れていることも確認できる。
なお、所定の割合でＮｉを含有する試料２〜１２では、気孔率が０．５％以下と気孔の少ない緻密な組織となる結果、硬度及び耐摩耗性に優れた金属基複合材となっている。硬度及び耐摩耗性の向上に寄与するＮｉは、その含有量が増加すると脆化を引き起こす傾向がある。このことは、４．５５質量部でＮｉを含有する試料８の曲げ強度の試験結果からも明らかである。更にＮｉが９．４８質量部以上になると、気孔率は０．５％以下であるが、素材が脆化し、摩耗幅が増加する傾向となる。また、曲げ強度も、３００ＭＰａより小さくなる傾向となる。
【００４９】
［実機試験］
試料１及び試料２を、ダイカストマシンの射出スリーブに適用し、ショットを繰り返した後の寸法の拡大量を測定した。
ダイカストマシンには、１２５ｔｏｎ横型マシン（東洋機械金属製、商品名：ＢＤ−１２５Ｖ４Ｔ）を用いた。このダイカストマシンは、図５〜図６に示したように、φ５０ｍｍの内径の射出スリーブ１を有する。図５は、射出スリーブ１の軸長方向での断面図である。図６は図５中のＶＩ−ＶＩ線での断面図である。
【００５０】
各試料の金属基複合材２は、図５〜図６に示したように、厚さ５ｍｍの略円筒状に形成され、射出スリーブ１の内周面を形成するように配される。射出スリーブ１は、軸方向が水平方向に沿って配置され、基端側の上部に開口した注湯口１０から溶融金属がその内部に注入される。注入された溶融金属は、プランジャーチップ３により軸方向先端方向に射出される（図５では右から左方向に射出される）。射出スリーブ１の先端側は成形型のキャビティ（図示せず）と連通し、プランジャーチップ３によって射出される溶融金属は、キャビティに注入、充填される。
【００５１】
溶融金属：ＡＤＣ１２、溶湯保持温度（注湯口１０から注入される溶湯温度）：６９０℃、注湯量：０．８ｋｇ、プランジャーチップ３の材質：ＳＫＤ６１、チップ潤滑剤：黒鉛系、プランジャーチップ３の射出速度：約０．１５ｍ／ｓの条件でダイカストマシンを稼働した。試料１に対しては約２６０００ショット、試料２に対しては４６５００ショットを行った。
試験後の射出スリーブ１の内周面を確認したところ、いずれの射出スリーブ１の内周面も同様の摺動痕（金属基複合材２とプランジャーチップ３の摺動痕）が確認された。
【００５２】
また、図５のＡ１で示した位置（注湯口１０の軸方向先端側の端部）と、Ａ２で示した位置（Ａ１の位置と射出スリーブ１の先端部との中央の位置）での上下方向の内径の拡大量（図６のＬで示した内径の拡大量）を測定した。測定結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
2018188692.tif 000004
【００５４】
表２に示したように、Ａ１、Ａ２のいずれの位置においても、試料２の金属基複合材２の内径の拡大量は、試料１の拡大量より小さい。内径の拡大は、金属基複合材２とプランジャーチップ３とが摺動して摩耗することにより生じる。また、試料２は、試料１よりもショット回数がはるかに多い。すなわち、試料２の金属基複合材２は、試料１の金属基複合材と比較して、耐摩耗性がはるかに優れていることが確認できる。
実施例の金属基複合材は、特にダイカストマシンの射出スリーブ１に用いた場合に、耐摩耗性に優れ、長寿命化の効果を発揮する。
【００５５】
各実施例の金属基複合材は、硬度及び強度に優れた複合材である。硬度及び強度に優れたことから、高い耐摩耗性も有する。このため、ダイカストマシンの射出スリーブのように、高い耐摩耗性が必要な部材へ適用するとより効果的である。
特に、アルミニウム合金に対する耐溶損性に特に優れているとともに、低熱伝導性のために温度保持能力にも優れており、アルミニウム合金のダイカストに用いられるダイカストマシンの射出スリーブに適用することがより効果的である。
【符号の説明】
【００５６】
１：射出スリーブ
２：金属基複合材
３：プランジャーチップ
【図１】
2018188692.tif 000005
【図２】
2018188692.tif 000006
【図３】
2018188692.tif 000007
【図４】
2018188692.tif 000008
【図５】
2018188692.tif 000009
【図６】
2018188692.tif 000010