(57)【要約】【課題】炭素繊維の成形工程が不要であり、複合成形品を得ることができる製造技術を提供することを課題とする。【解決手段】図（ｄ）に示すように、所定量の炭素繊維１２が添加されたら、撹拌機１４の速度を第１の速度Ｖ１より高速の第２の速度Ｖ２に切り換える。数分間撹拌すると、（ｅ）に示すように、撹拌物１５の上層部分が炭素繊維を豊富に含む炭素繊維リッチの混合物１６と、撹拌物１５の下層部分が炭素繊維を殆ど含まない炭素繊維プアーの混合物１７とに分離する。（ｆ）に示すように、容器１８に炭素繊維リッチの混合物１６を移す。これで、炭素繊維リッチの混合物１６だけを取り出すことができた。【効果】成形処理を施していない炭素繊維を半溶融状態の金属材料に添加する。炭素繊維を成形する必要がないので成形工程を省くことができ、Ａｌ複合金属材料の製造コストを下げることができる。【選択図】図１
2011231374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムをマトリックスとする金属材料及び強化材としての炭素繊維を準備する工程と、
前記金属材料を容器に入れ、半溶融状態に加熱した状態で、前記炭素繊維を少量ずつ添加しながら、撹拌手段により、前記炭素繊維が飛散しないような第１の速度で撹拌する第１撹拌工程と、
前記炭素繊維の添加が完了したら、前記撹拌手段の速度を、前記第１の速度より高速の第２の速度に切り換えて、前記撹拌物の上層部分が前記炭素繊維を豊富に含む炭素繊維リッチの混合物と、前記撹拌物の下層部分が前記炭素繊維を殆ど含まない炭素繊維プアーの混合物とに分離するように、前記撹拌物を所定時間撹拌する第２撹拌工程と、
Ａｌ複合金属製品の素材を得るために、前記容器から前記炭素繊維リッチの混合物を取り出す工程と、からなることを特徴とするＡｌ複合金属材料の製造方法。
【請求項２】
前記Ａｌ複合金属材料は、１５〜４０質量％の前記炭素繊維と、残部の前記金属材料とからなることを特徴とする請求項１記載のＡｌ複合金属材料料の製造方法。
【請求項３】
前記第１撹拌工程で添加する前記炭素繊維は、質量比で前記金属材料の３〜５量％であることを特徴とする請求項１記載のＡｌ複合金属材料の製造方法。
【請求項４】
請求項１、請求項２又は請求項３記載のＡｌ複合金属材料の製造方法で得られた前記炭素繊維リッチの混合物を、直接金型成形機に供給し、金型のキャビティにより成形することでＡｌ複合金属製品を得ることを特徴とするＡｌ複合金属製品の製造方法。
【請求項５】
請求項１、請求項２又は請求項３記載のＡｌ複合金属材料の製造方法で得られた前記炭素繊維リッチの混合物を、冷却して固体状態にし、次に、この固体状態の混合物を、半溶融状態又は完全溶融状態に加熱して、金型のキャビティにより成形することでＡｌ複合金属製品を得ることを特徴とするＡｌ複合金属製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ複合金属材料又はＡｌ複合金属製品の製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板にヒートシンクが付設される。このヒートシンクは、文字通り、放熱部品であるため、高い熱伝導率が求められる。
金属より炭素の熱伝導率が高いため、ヒートシンクとして、金属材料と炭素繊維との複合成形品が推奨され、それの製造技術は各種提案されている（例えば、特許文献１（図２）参照。）。
【０００３】
特許文献１を次図に基づいて説明する。
図５は従来の技術の基本原理を説明する図であり、ダイ１０１に、炭素繊維成形体１０２を置き、溶融金属１０３を流し込む。次に、パンチ１０４で溶融金属１０３を加圧する。すると、溶融金属１０３が炭素繊維成形体１０２に浸み込む。これで、金属と炭素繊維との複合成形品が得られる。
【０００４】
炭素繊維成形体１０２は、炭素繊維を型に入れ、圧縮することで得られる。すなわち、炭素繊維成形体を得るために、成形工程が必要となる。結果、複合成形品の製造コストが嵩む。
また、パンチ１０４で加圧する関係上、得られる複合成形品は、平板などの簡単な形状物に限定される。
【０００５】
炭素繊維の成形工程が不要であり、且つ複雑な形状の複合成形品を得ることができる製造技術が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−５８２５５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、炭素繊維の成形工程が不要であり、且つ複雑な形状の複合成形品を得ることができる製造技術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】
【０００８】
請求項１に係るＡｌ複合金属材料の製造方法は、アルミニウムをマトリックスとする金属材料及び強化材としての炭素繊維を準備する工程と、
前記金属材料を容器に入れ、半溶融状態に加熱した状態で、前記炭素繊維を少量ずつ添加しながら、撹拌手段により、前記炭素繊維が飛散しないような第１の速度で撹拌する第１撹拌工程と、
前記炭素繊維の添加が完了したら、前記撹拌手段の速度を、前記第１の速度より高速の第２の速度に切り換えて、前記撹拌物の上層部分が前記炭素繊維を豊富に含む炭素繊維リッチの混合物と、前記撹拌物の下層部分が前記炭素繊維を殆ど含まない炭素繊維プアーの混合物とに分離するように、前記撹拌物を所定時間撹拌する第２撹拌工程と、
Ａｌ複合金属製品の素材を得るために、前記容器から前記炭素繊維リッチの混合物を取り出す工程と、からなることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係るＡｌ複合金属材料の製造方法では、Ａｌ複合金属材料は、１５〜４０質量％の炭素繊維と、残部の金属材料とからなることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係るＡｌ複合金属材料の製造方法では、第１撹拌工程で添加する炭素繊維は、質量比で金属材料の３〜５％であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係るＡｌ複合金属製品の製造方法は、請求項１、請求項２又は請求項３記載のＡｌ複合金属材料の製造方法で得られた炭素繊維リッチの混合物を、直接金型成形機に供給し、金型のキャビティにより成形することでＡｌ複合金属製品を得ることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係るＡｌ複合金属製品の製造方法は、請求項１、請求項２又は請求項３記載のＡｌ複合金属材料の製造方法で得られた炭素繊維リッチの混合物を、冷却して固体状態にし、次に、この固体状態の混合物を、半溶融状態又は完全溶融状態に加熱して、金型のキャビティにより成形することでＡｌ複合金属製品を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明では、成形処理を施していない炭素繊維を、半溶融状態の金属材料に添加する。炭素繊維を成形する必要がないので成形工程を省くことができ、Ａｌ複合金属材料の製造コストを下げることができる。
炭素繊維は飛散しやすいが、本発明では低速度で半溶融金属材料を撹拌しながら、少量ずつ炭素繊維を添加するようにしたため、炭素繊維が飛散する心配はない。
また、金属材料は完全溶融させずに半溶融状態とした。半溶融状態であれば添加した炭素繊維の自由流動が妨げられる。結果、炭素繊維が凝集する心配はなく、金属材料中に炭素繊維が均等に分散される。
【００１４】
請求項２に係る発明では、Ａｌ複合金属材料は、１５〜４０質量％の炭素繊維と、残部の金属材料とした。炭素繊維の添加割合が、１５質量％を下回ると、Ａｌ複合金属材料は所望の熱伝導率が得られなくなる。また、炭素繊維の添加割合が、４０質量％を越えると、Ａｌ複合金属材料は脆くなり、次に実施する成形及び製品化が困難になる。
【００１５】
請求項３に係る発明では、第１撹拌工程で添加する炭素繊維は、質量比で金属材料の３〜５％とした。炭素繊維が金属材料の３％を下回ると、炭素繊維リッチの混合物と炭素繊維プアーの混合物との２つに分離させることが、困難になる。また、炭素繊維が金属材料の５％を超えると撹拌に要する時間が長くなり、生産性が低下する。
【００１６】
請求項４に係る発明では、炭素繊維リッチの混合物を、直接金型成形機に供給し、金型のキャビティにより成形する。工程が連続しているため、Ａｌ複合金属製品の大量生産が可能となり、Ａｌ複合金属製品の製造コストを下げることができる。
金型のキャビティは複雑な形状にすることができ、複雑な形状のＡｌ複合金属製品が容易に得られる。
【００１７】
請求項５に係る発明では、炭素繊維リッチの混合物を、冷却して固形物にする。後に、加熱半溶解又完全溶解して、金型のキャビティにより成形する。
炭素繊維リッチの混合物を固形物の形態で、保存することができると共に移動することができる。固形物を必要な時期又は必要な場所で、鋳造に供することができるため、Ａｌ複合金属製品の生産計画が立てやすくなる。
金型のキャビティは複雑な形状にすることができ、複雑な形状のＡｌ複合金属製品が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る準備工程から第２撹拌工程までを説明するフロー図である。
【図２】直接金型成形機によりＡｌ複合金属製品を製造するフロー図である。
【図３】固体状態の混合物を用いてＡｌ複合金属製品を製造するフロー図である。
【図４】炭素繊維含有率と熱伝導率との相関を示すグラフである。
【図５】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例】
【００２０】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、金属材料としてのＡｌ合金インゴット１１と、カーボンファイバーと呼ばれる炭素繊維１２とを準備する（準備工程）。
炭素繊維１２は、繊維径が０．１５〜２０μｍ、繊維長さが１０〜５００μｍ、アスペクト比が５〜５００のカーボンファイバーである。
【００２１】
一方、炭素繊維に類似した材料としてカーボンナノ材料がある。
このカーボンナノ材は、繊維径が１．０ｎｍ（ナノメートル）〜１５０ｎｍ、すなわち、０．００１〜０．１５μｍであり、サイズ的に炭素繊維１２と異なる。
そこで、本発明では、炭素繊維１２に、カーボンナノ材料を含めないことにする。
【００２２】
（ｂ）に示すように、容器（坩堝）１３を用いて、Ａｌ合金インゴット１１を半溶融状態に加熱する。半溶融状態は、液相と固相が混合した状態を意味する。
（ｃ）に示すように、撹拌機１４で撹拌物１５を第１の速度Ｖ１で撹拌しながら、少量ずつ炭素繊維１２を添加する。第１の速度Ｖ１は炭素繊維１２が飛散しない程度の低速とする。所定量の炭素繊維１２の全量を添加するまで、作業を続ける（第１撹拌工程）。
【００２３】
金属材料は完全溶融させずに半溶融状態とした。半溶融状態であれば添加した炭素繊維１２の自由流動が妨げられる。結果、炭素繊維１２が凝集する心配はなく、金属材料中に炭素繊維１２が均等に分散される。
【００２４】
（ｄ）に示すように、所定量の炭素繊維１２が添加されたら、撹拌機１４の速度を第１の速度Ｖ１より高速の第２の速度Ｖ２に切り換える。
数分間撹拌すると、（ｅ）に示すように、撹拌物１５の上層部分が炭素繊維を豊富に含む炭素繊維リッチの混合物１６となり、残部（撹拌物１５の下層部分）が炭素繊維を殆ど含まない炭素繊維プアーの混合物１７となるように、撹拌物１５は上下に分離する（第２撹拌工程）。
【００２５】
Ａｌの比重が約２．７、炭素の比重が約２．３である。マトリックスであるＡｌ合金より、炭素繊維が軽いため、マトリックスの上部に炭素繊維が集まることから、混合物１６と混合物１７とに分離すると推定される。
【００２６】
（ｆ）に示すように、適当な容器（例えば柄杓（ひしゃく））１８に炭素繊維リッチの混合物１６を移す（取り出し工程）。これで、炭素繊維リッチの混合物１６だけを取り出すことができた。
【００２７】
取り出した炭素繊維リッチの混合物１６の用途を、図２、図３に基づいて説明する。
図２（ａ）に示すように、混合物１６を、直接金属成形機２１へ供給する。金属成形機２１で金型２２、２２のキャビティ２３へ注湯する。金型２２、２２を開くことで、（ｂ）に示すように、Ａｌ複合金属製品２４を得ることができる。
さらには、Ａｌ複合金属製品２４に、熱間圧延加工や熱間押出し加工を施すことで、金属組織の微細化を行い、機械的特性や熱的特性を向上させることができる。
【００２８】
図１、図２の工程が連続しているため、Ａｌ複合金属製品の大量生産が可能となり、Ａｌ複合金属製品の製造コストを下げることができる。
金型２２のキャビティ２３は複雑な形状にすることができ、複雑な形状のＡｌ複合金属製品２４が容易に得られる。
【００２９】
又は、図３（ａ）に示すように、鋳造型２５に混合物１６を鋳込み、（ｂ）に示すような固形物（固体状態の混合物）２６を得る。この固形物２６であれば、保存することや遠隔地まで運搬することができる。
【００３０】
必要なとき又は必要な場所で、（ｃ）に示すように、加熱容器２７により固形物２６を半溶融又は完全溶融状態の溶湯２８にする。（ｄ）に示すように、溶湯２８を、金属成形機２１へ供給する。金属成形機２１で金型２２、２２のキャビティ２３へ注湯する。金型２２、２２を開くことで、（ｅ）に示すように、Ａｌ複合金属製品２４を得ることができる。
さらには、Ａｌ複合金属製品２４に、熱間圧延加工や熱間押出し加工を、施すことで、金属組織の微細化を行い、機械的特性や熱的特性を向上させることができる。
【００３１】
金属材料と炭素繊維の混合割合、撹拌に係る第１の速度及び第２の速度を検証するために、実験を行った。その実験の詳細を次に説明する。
【００３２】
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
【００３３】
○準備工程：
１０００ｇのアルミニウム合金（ＪＩＳ  ＡＣ２Ｂ）と、５０ｇ又は１１０ｇの炭素繊維（繊維径８μｍ、繊維長さ約２００μｍ）と、参考までに５０ｇのカーボンナノ材料（繊維径０．１５μｍ、繊維長さ約１５μｍ）とを準備した。
【００３４】
○第１撹拌工程：
・１０００ｇのアルミニウム合金を、７５０℃の黒鉛るつぼ中で溶解する。
・その後、溶湯を５８５℃まで下げて半溶融状態にする。
・毎分３５０回転（第１の速度）で回転する窒化珪素製撹拌羽根で、半溶融状態の溶湯を撹拌する。
・この撹拌中に、溶湯に少量（量は表１に示す。）の炭素繊維を添加する。
・所定量（量は表１に示す。）の添加が完了するまで続ける。
【００３５】
○第２撹拌工程：
・毎分５００回転（第２の速度）で回転する窒化珪素製撹拌羽根で、半溶融状態の溶湯を所定時間（時間は表１に示す。）撹拌する。
・所定時間が経過すると、撹拌物の上部に炭素繊維リッチの混合部が分離形成される。
【００３６】
○取り出し工程：
・容器の温度を７００℃に高める。
・炭素繊維リッチの混合物をすくい取る。
【００３７】
○鋳造工程：
・炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造機に供給し、Ａｌ複合金属製品を得る。
○熱伝導率測定：
・得られたＡｌ複合金属製品の熱伝導率を測定した。
・参照指標は、炭素繊維が含まれていないアルミニウム合金（ＪＩＳ  ＡＣ２Ｂ）の熱伝導率とする。この熱伝導率は、１４４Ｗ／ｍＫである。
【００３８】
【表１】
2011231374.tif 000003
【００３９】
・試料１：１０００ｇのアルミニウム合金に毎分１．８ｇの速度で１１０ｇの炭素繊維を添加した。全量添加に約６１分を要した。第２撹拌は実施しなかった。第１撹拌のみで得た混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は１０質量％で、熱伝導率は１３８Ｗ／ｍＫであった。なお、炭素繊維有率は、（炭素繊維／（金属材料＋炭素繊維））の百分率で算出される。
【００４０】
・試料２：１０００ｇのアルミニウム合金に毎分５ｇの速度で５０ｇの炭素繊維を添加した。全量添加に１０分を要した。５００ｒｐｍでの第２撹拌は１分間実施した。第２撹拌で得た２５０ｇの炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は１０質量％で、熱伝導率は１４４Ｗ／ｍＫであった。
【００４１】
・試料３：１０００ｇのアルミニウム合金に毎分５ｇの速度で５０ｇの炭素繊維を添加した。全量添加に１０分を要した。５００ｒｐｍでの第２撹拌は２分間実施した。第２撹拌で得た炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は１５質量％で、熱伝導率は１５５Ｗ／ｍＫであった。
【００４２】
・試料４：１０００ｇのアルミニウム合金に毎分５ｇの速度で５０ｇの炭素繊維を添加した。全量添加に１０分を要した。５００ｒｐｍでの第２撹拌は３分間実施した。第２撹拌で得た炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は２０質量％で、熱伝導率は１７２Ｗ／ｍＫであった。
【００４３】
・試料５：２０００ｇのアルミニウム合金に毎分５ｇの速度で１００ｇの炭素繊維を添加した。全量添加に２０分を要した。５００ｒｐｍでの第２撹拌は５分間実施した。第２撹拌で得た炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は４０質量％で、熱伝導率は１８０Ｗ／ｍＫであった。
【００４４】
・試料６：２０００ｇのアルミニウム合金に毎分２．１ｇの速度で１５０ｇの炭素繊維を添加した。全量添加に７０分を要した。５００ｒｐｍでの第２撹拌は５分間実施した。第２撹拌で得た炭素繊維リッチの混合物は、脆弱で、次の鋳造に移すことができなかった。そのため、熱伝導率の測定は実施しなかった。
【００４５】
・試料７：１０００ｇのアルミニウム合金に毎分２ｇの速度で５０ｇのカーボンナノ材料を添加した。全量添加に２５分を要した。５００ｒｐｍでの第２撹拌は３分間実施した。第２撹拌で得た炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は２０質量％で、熱伝導率は１３０Ｗ／ｍＫであった。
【００４６】
表１に記載されている、炭素繊維含有率を横軸に取り、熱伝導率を縦軸に取ることで、炭素繊維含有率と熱伝導率との相関を調べた。
図４に示すように、右肩上がりの曲線を得ることができる。
炭素繊維を含めないアルミニウム合金（ＡＣ２Ｂ）の熱伝導率は、１４４Ｗ／ｍＫである。すると、試料７（カーボンナノ材料使用）は、熱伝導率が低すぎて採用できない。また、試料２は、炭素繊維が含まれていないアルミニウム合金（ＡＣ２Ｂ）と同じ熱伝導率であるため、炭素繊維を添加した意味がない。
試料３、４、５は、高い熱伝導率が得られる。そこで、好適な炭素繊維含有率は、１５質量％〜４０質量％の範囲であることが確かめられた。
【００４７】
ところで、表１では、第１撹拌での所要時間は、１０分〜７０分であった。この第１撹拌の時間は、長いほど生産時間が延びて生産性が低下する。
そこで、第１撹拌での所要時間に着目して、追加実験を実施することにした。この実験の内容と結果を表２で説明する。
【００４８】
【表２】
2011231374.tif 000004
【００４９】
・試料８：１０００ｇのアルミニウム合金に毎分５ｇの速度で１０ｇの炭素繊維を添加した。強化材／金属材料（百分率）は、１％となる。全量添加に２分を要し、第１撹拌での分散状態は良好であった。次に、５００ｒｐｍで第２撹拌を３分間実施した。しかし、炭素繊維リッチの混合物が、炭素繊維プアーの混合物から分離しなかった。そのため、評価は×とした。
【００５０】
・試料９：試料８に対して炭素繊維を２０ｇに増量した。強化材は金属部材の２％となる。しかし、炭素繊維リッチの混合物が、炭素繊維プアーの混合物から分離しなかった。そのため、評価は×とした。
【００５１】
・試料１０：試料８に対して炭素繊維を３０ｇに増量した。強化材は金属部材の３％となる。第１撹拌の所要時間は６分であり、目標時間（２０分未満）より短い。第２撹拌により、炭素繊維リッチの混合物が炭素繊維プアーの混合物から良好に分離した。そのため、評価は○とした。
・試料１１：試料８に対して炭素繊維を５０ｇに増量した。強化材は金属部材の５％となる。第１撹拌の所要時間は１０分であり、目標時間（２０分未満）より短い。第２撹拌により、炭素繊維リッチの混合物と炭素繊維プアーの混合物とに分離した。そのため、評価は○とした。
【００５２】
・試料１２：試料８に対して炭素繊維を６０ｇに増量し、添加速度は３ｇ／分に変更した。強化材は金属部材の６％となる。第１撹拌の所要時間は２０分であり、目標時間（２０未満）をやや超えた。そのため、評価は△とした。
【００５３】
・試料１３：試料８に対して炭素繊維を１００ｇに増量し、添加速度は１．７ｇ／分に変更した。強化材は金属部材の１０％となる。第１撹拌の所要時間は６０分であり、目標時間（２０未満）を遙かに超えた。そのため、評価は×とした。
・試料１４：試料８に対して炭素繊維を１１０ｇに増量し、添加速度は１．６ｇ／分に変更した。強化材は金属部材の１１％となる。第１撹拌の所要時間は７０分であり、目標時間（２０未満）を遙かに超えた。そのため、評価は×とした。
【００５４】
・試料１５：試料８に対して炭素繊維を１２０ｇに増量し、添加速度は１．５ｇ／分に変更した。強化材は金属部材の１２％となる。第１撹拌の所要時間は８０分であり、目標時間（２０未満）を遙かに超えた。加えて、炭素繊維過剰で分散しなかった。そのため、評価は×とした。
【００５５】
第１撹拌での好ましい所要時間を、１０分以内とすれば、試料１０、１１が該当し、強化材は、質量比で金属部材の３〜５％が好適範囲となる。すなわち、第１撹拌工程で添加する炭素繊維は、質量比で金属材料の３〜５％とした。炭素繊維が金属材料の３％を下回ると、炭素繊維リッチの混合物と炭素繊維プアーの混合物との２つに分離させることが、困難になり、また、炭素繊維が金属材料の５％を超えると撹拌に要する時間が長くなり、生産性が低下するが、これらの不具合は３〜５％の範囲にすることで解消される。
【００５６】
なお、第１撹拌での好ましい所要時間を、２０分以内とすれば、試料１０、１１、１２が該当し、強化材は、質量比で金属部材の３〜６％となる。
【００５７】
尚、金属材料としてのＡｌは、アルミニウム、アルミニウム合金であれば、種類は限定しない。また、Ａｌ複合金属製品の鋳造法は、ダイカスト、高圧鋳造、低圧鋳造、金型鋳造、砂型鋳造など各種の方法が適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、アルミニウムと炭素繊維とからなるＡｌ複合金属製品の製造に好適である。
【符号の説明】
【００５９】
１１…金属材料（Ａｌ合金インゴット）、１２…炭素繊維、１３…容器（るつぼ）、１４…撹拌機、１５…撹拌物、１６…炭素繊維リッチの混合物（Ａｌ複合金属材料）、１７…炭素繊維プアーの混合物、２１…金属成形機、２２…金型、２３…キャビティ、２４…Ａｌ複合金属製品。
【図１】
2011231374.tif 000005
【図２】
2011231374.tif 000006
【図３】
2011231374.tif 000007
【図４】
2011231374.tif 000008
【図５】
2011231374.tif 000009