(57)【要約】【課題】セラミック粒子を均一に分散でき、機械的特性に優れたセラミック粒子強化金属複合材の作製方法を提供する。【解決手段】セラミックス成形体シート１１と金属シート１２を交互に重ねて積層材１０とし、これを圧縮成形し、その圧縮した積層材１０Ｐを高圧の不活性雰囲気下で加熱して複合材１４を作製するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス成形体シートと金属シートを交互に重ねて積層材とし、これを圧縮成形し、その圧縮した積層材を高圧の不活性雰囲気下で加熱して複合材を作製することを特徴とするセラミック粒子強化金属複合材の作製方法。
【請求項２】
金属基材に、セラミックス成形体シートと金属シートを交互に重ねて積層材とし、これを圧縮成形し、その圧縮した積層材を高圧の不活性雰囲気下で加熱して複合材を作製することを特徴とするセラミック粒子強化金属複合材の作製方法。
【請求項３】
金属基材の表裏にセラミックス成形体シートと金属シートを交互に重ねて積層材とする請求項２記載のセラミック粒子強化金属複合材の作製方法。
【請求項４】
セラミックス成形体シートと金属シートの厚さが０．０５〜０．２ｍｍに形成される請求項１〜３いずれかに記載のセラミック粒子強化金属複合材の作製方法。
【請求項５】
圧縮した積層材の加熱は、金属シートの溶融温度前後で行う請求項１〜４いずれかに記載のセラミック粒子強化金属複合材の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウムなどの金属をセラミック粒子で強化するためのセラミック粒子強化金属複合材の作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンのシリンダブロックやピストンなどは鋳鉄で製造されてきたが、軽量化のためにアルミニウムが使用されるようになってきている。またアルミニウムで鋳造する際に、耐熱性や耐摩耗性が要求される部分にはセラミック粒子で強化した複合材とすることがなされている。
【０００３】
このアルミニウムなどの金属をセラミック粒子で強化する複合材の作製方法としては、特許文献１、２に示されるように、セラミックスの多孔体に溶融した金属を圧力含浸させて複合材を作製する方法や、特許文献３、４に示されるように溶融金属にセラミック粒子を添加して撹拌する複合材の作製方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７６４号公報
【特許文献２】特開２０１０−７１４９号公報
【特許文献３】特開２００８−２８５７３９号公報
【特許文献４】特開２０１０−４３２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、セラミックスの多孔体に溶融した金属を含浸させる方法では、複合材のセラミックス含有量が５０％以上となり、基材に比べて耐摩耗性・耐熱性は向上するものの、強度向上や疲労強度の向上は困難であった。
【０００６】
溶融金属にセラミック粒子を撹拌させる方法ではセラミック粒子の含有量は少なくできるものの、粒子の均一分散が困難であった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、セラミック粒子を均一に分散でき、機械的特性に優れたセラミック粒子強化金属複合材の作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、セラミックス成形体シートと金属シートを交互に重ねて積層材とし、これを圧縮成形し、その圧縮した積層材を高圧の不活性雰囲気下で加熱して複合材を作製することを特徴とするセラミック粒子強化金属複合材の作製方法である。
【０００９】
請求項２の発明は、金属基材に、セラミックス成形体シートと金属シートを交互に重ねて積層材とし、これを圧縮成形し、その圧縮した積層材を高圧の不活性雰囲気下で加熱して複合材を作製することを特徴とするセラミック粒子強化金属複合材の作製方法である。
【００１０】
請求項３の発明は、金属基材の表裏にセラミックス成形体シートと金属シートを交互に重ねて積層材とする請求項２記載のセラミック粒子強化金属複合材の作製方法である。
【００１１】
請求項４の発明は、セラミックス成形体シートと金属シートの厚さが０．０５〜０．２ｍｍに形成される請求項１〜３いずれかに記載のセラミック粒子強化金属複合材の作製方法である。
【００１２】
請求項５の発明は、圧縮した積層材の加熱は、金属シートの溶融温度前後で行う請求項１〜４いずれかに記載のセラミック粒子強化金属複合材の作製方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、セラミックス成形体シートと金属シートを交互に重ねた積層体を圧縮した後、加熱して複合材とすることで、溶融金属とセラミック粒子の濡れ性に起因する不均一分散や気孔の生成を抑制できるので、組織の不均一がない複合材料を作製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】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の実施例と比較例の３５０℃での機械的特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
図１は本発明のセラミック粒子強化金属複合材の作製方法の一実施の形態を示したものである。
【００１７】
先ず図１（ａ）に示すようにセラミックス成形体シート１１とアルミニウム合金などの金属シート１２とを交互に重ねて積層材１０を形成する。
【００１８】
セラミックス成形体シート１１は、炭化けい素（ＳｉＣ）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのセラミック粒子（平均粒径１〜２０μｍ、あるいはナノ粒子）を有機バインダに混合し、ドクターブレード法にて、厚さ０．１ｍｍ程度（０．０５〜０．２ｍｍ）のシートに成形後、これを乾燥させて脱バインダーを行ったものである。
【００１９】
金属シート１２は、ＡＣ８Ａ（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｇ合金）などのアルミニウム合金を０．１ｍｍ程度（０．０５〜０．２ｍｍ）のシートに成形して形成される。
【００２０】
このセラミックス成形体シート１１と金属シート１２を所望の厚さとなるように交互に重ね合わせて積層材１０とする。
【００２１】
この積層体１０を図１（ｂ）に示すように、１００〜２００ｋｇ／ｍｍ2の圧力をかけて圧縮して圧縮積層材１０Ｐとする。
【００２２】
次に、この圧縮積層材１０Ｐを、例えば１０ＭＰａ（５〜１５ＭＰａ）の窒素雰囲気中で、金属の融点前後に加熱（ＡＣ８Ａの場合、８００℃）することで、図１（ｃ）に示すように金属シート１２の金属１２Ｍがセラミックス成形体シート１１内のセラミック粒子１１Ｓ間に浸透した複合材１４が作製される。この加熱は、１０ＭＰａの窒素雰囲気で行うが、その前に、圧縮積層材１０Ｐを真空雰囲気で加熱して脱ガスを行うとよい。
【００２３】
この複合材１４は、０．１ｍｍのセラミックス成形体シート１１と金属シート１２を交互に重ね、これを圧縮した後、加熱することで、溶融金属とセラミック粒子の濡れ性に起因する不均一分散や気孔の生成を抑制することができ、従来材に比べて機械的特性を大きく向上させることができる。
【００２４】
図２は本発明の他の実施の形態を示したものである。
【００２５】
図１の実施の形態においては、セラミックス成形体シート１１と金属シート１２を交互に重ねて積層材１０を形成する例で説明したが、本実施の形態においては、図２（ａ）に示すように、金属基材２２の表裏に、セラミックス成形体シート１１と金属シート１２を交互に重ねて積層材２０を形成し、これを１００〜２００ｋｇ／ｍｍ2の圧力をかけて圧縮して圧縮積層材２０Ｐとした後（図２（ｂ））、１０ＭＰａの窒素雰囲気中で８００℃に加熱して、図２（ｃ）に示すような複合材２４を作製するようにしたものである。
【００２６】
この金属基材２２の表裏面に、セラミックス成形体シート１１と金属シート１２を交互に１０〜数１０層程度積層することで、その表裏面から数１００μｍの深さの金属１２Ｍ中に、セラミック粒子１１Ｓが分散した強化複合層を形成することができる。
【００２７】
この図１、図２の実施の形態では、平板状の複合材１４，２４を作製する例で説明したが、作製するピストン環やシリンダヘッドなどの形状に合わせて、適宜円弧状、円筒状など形状に形成する。また複合材１４，２４を作製後は、Ｔ６処理（溶体化処理後、時効処理）を行ってもよい。
【００２８】
以上説明したように本発明は、セラミックス成形体シートと金属シートを積層したのち、圧縮成形し、これを金属融点前後まで加熱してセラミック粒子強化複合材料を作製するものであり、これにより、作製した複合材料はセラミック粒子の分散も均一でかつ気孔率も少ないので、従来材に比べて機械的特性が大きく向上する。
【実施例】
【００２９】
次に本発明の実施例Ａ，Ｂと比較例Ａ，Ｂを説明する。
【００３０】
比較例Ａ：
重力鋳造により所定の大きさに成形したＡＣ８Ａ（ＪＩＳ規格）を、Ｔ６の条件で熱処理した。
【００３１】
比較例Ｂ：
溶融したＡＣ８Ａ材に平均粒径１０μｍのＳｉＣ粒子を撹拌しながら８質量％添加した後、重力鋳造により所定の大きさに成形し、Ｔ６の条件で熱処理した。
【００３２】
実施例Ａ：
図１で説明したように、セラミックス成形体シート１１として、ＳｉＣ成形体シートおよび金属シート１２として、ＡＣ８Ａシートを交互に重ねた積層材を作製した。ＳｉＣ成形体シートはドクターブレード法で成形後、脱バインダーを行ったものを使用した。またＳｉＣ成形体シート、ＡＣ８Ａシートの厚みは０．１ｍｍとし、積層材１０の厚さは１０ｍｍとした。
【００３３】
次に、ＳｉＣ成形体シートのＳｉＣ粒子をＡＣ８Ａシートに均一に分散させるために、積層材を１００〜２００ｋｇ／ｍｍ2の圧力で圧縮成形した。圧縮成形した積層材を１０ＭＰａの窒素中で８００℃に加熱して複合材を作製した。
【００３４】
実施例Ｂ：
図２で説明したように金属基材２２の両面から１０層までセラミックス成形体シート１１としてのＳｉＣ成形体シートと、金属シート１２としてのＡＣ８Ａシートを交互に重ねて、中心部はＡＣ８Ａのみの金属基材２２を配置した積層材２０を作製した。ＳｉＣ成形体シートはドクターブレード法で成形後、脱バインダーを行ったものを使用した。またＳｉＣ成形体シート、ＡＣ８Ａシートの厚みは０．１ｍｍとした。
【００３５】
次に、ＳｉＣ成形体シートのＳｉＣ粒子をＡＣ８Ａシートに均一に分散させるために、積層材を１００〜２００ｋｇ／ｍｍ2の圧力で圧縮成形した。圧縮成形した積層材を１０ＭＰａの窒素中で８００℃に加熱して複合材を作製した。作製後の複合材は表面から２００μｍにＳｉＣを複合した層を有するＡＣ８Ａ複合材構造となった。
【００３６】
次に、各々の複合材の機械的特性を表１と図３に示した。
【００３７】
【表１】
2011225910.tif 000003
【００３８】
表１は室温での機械的特性を示したものである。この表１において、比較例Ａは、ＡＣ８Ａのみのアルミニウム合金である。これに対して、比較例Ｂは、ＳｉＣ粒子を８質量％加えており、引張り強度、疲労強度が向上するものの気孔率が３％と高い。
【００３９】
これに対して、実施例Ａ，Ｂは、気孔率０．１％以下で、引張り強度も４５０、４３５ＭＰａ、疲労強度も１１０、１２２ＭＰａと比較例ＢのＳｉＣの添加量と同じでも機械的特性が格段に向上することがわかった。
【００４０】
また、図３は３５０℃での機械特性を示したものであるが、実施例Ａ，Ｂは、比較例Ａ，Ｂよりも、高温下でも機械的特性が向上することが確かめられた。
【符号の説明】
【００４１】
１０  積層材
１０Ｐ  圧縮積層材
１１  セラミックス成形体シート
１２  金属シート
１４  複合材
【図１】
2011225910.tif 000004
【図２】
2011225910.tif 000005
【図３】
2011225910.tif 000006