(57)【要約】【課題】本発明は、ぬれ性に優れ、且つ母材中に強化材を均一に分散させることが可能なアルミニウム基複合材用溶湯の製造方法を提供する課題とする。【解決手段】窒素ガスと、Ｍｇと、微粉化させたセラミックスと、溶融アルミニウムとを準備する工程と、窒素ガス（Ｎ２）を所定温度に加熱する工程と、この高温の窒素ガスをＭｇに接触させて窒化マグネシウムガス（Ｍｇ３Ｎ２）を生成する工程と、この窒化マグネシウムガス（Ｍｇ３Ｎ２）をセラミック粉末（Ａｌ２Ｏ３）に接触させ、セラミック粉末（Ａｌ２Ｏ３）の表面を活性化させる工程と、活性化させたセラミック粉末（Ａｌ２Ｏ３）を溶融アルミニウムへ吹き込み、分散させる工程とを設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素ガスと、Ｍｇと、酸化セラミックス粉末・窒化セラミックス粉末又は炭化セラミックス粉末から選択されるセラミック粉末と、溶融アルミニウムとを準備する工程と、
前記窒素ガスを少なくとも６００℃に加熱する工程と、
この高温の窒素ガスを前記Ｍｇに接触させて窒化マグネシウムガスを生成する工程と、
この窒化マグネシウムガスを前記セラミック粉末に接触させ、セラミック粉末の表面を活性化させる工程と、
活性化させたセラミック粉末を前記溶融アルミニウムへ吹き込み、分散させる工程と、
からなることを特徴とするアルミニウム基複合材用溶湯の製造方法。
【請求項２】
前記セラミック粉末は、平均粒径が８０μｍを超えないようにしたことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム基複合材用溶湯の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融アルミニウムにセラミック粉末を混合させてなるアルミニウム基複合材用溶湯の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
母材としての溶融アルミニウムに、強化材としてのセラミック粉末を混合させてなるアルミニウム基複合材用溶湯の製造方法において、溶融アルミニウムにセラミック粉末を混合する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−４５６７０公報（図２）
【０００３】
特許文献１を次図に基づいて説明する。
図６は従来の技術の基本構成を説明する図であり、粒子混合装置１００は、坩堝１０３と、この坩堝１０３の内側に設けられる撹拌用のインペラ１０４と、このインペラ１０４を支持するインペラベース１０５と、このインペラベース１０５に上方から回動可能に垂下させるとともに前記インペラ１０４に連結されるインペラ軸１０６と、強化材１０８を溜める強化材供給源１１２とを主な構成要素とする。インペラ軸１０６の内側には、強化材１０８の供給路となる内部通路１１１が形成される。図中、１１３は真空容器、１１４は加熱用コイルである。
【０００４】
そして、坩堝１０３に母材１１５としての溶解アルミニウム１１３を注ぎ、強化材１０８を強化材供給源１１２から内部通路１１１を経て坩堝１０３内に供給し、インペラ１０４を回動し、母材１１５と強化材１０８とを混合する。この混合により得たアルミニウム基複合材を次図で説明する。
【０００５】
図７は図６により得たアルミニウム基複合材の拡大断面図（イメージ図）である。
（ａ）は、強化材１０８が母材１１５に分散されている状態を示す。この母材１１５を分割したところ、（ｂ）の様になった。すなわち、母材１１５から強化材１０８が剥離し脱落した。
【０００６】
強化材１０８が脱落する理由は、強化材１０８が母材１１５に十分に接着していなかったからである。この接着不良は、母材１１５に対する強化材１０８のぬれ性が低いためと考えられる。そこで、ぬれ性に優れ、母材中に強化材を均一に分散させることが可能なアルミニウム基複合材用溶湯の製造方法が望まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ぬれ性に優れ、且つ母材中に強化材を均一に分散させることが可能なアルミニウム基複合材用溶湯の製造方法を提供する課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、窒素ガスと、Ｍｇと、酸化セラミックス粉末・窒化セラミックス粉末又は炭化セラミックス粉末から選択されるセラミック粉末と、溶融アルミニウムとを準備する工程と、窒素ガスを少なくとも６００℃に加熱する工程と、この高温の窒素ガスをＭｇに接触させて窒化マグネシウムガスを生成する工程と、この窒化マグネシウムガスをセラミック粉末に接触させ、セラミック粉末の表面を活性化させる工程と、活性化させたセラミック粉末を溶融アルミニウムへ吹き込み、分散させる工程と、からなることを特徴とする。
【０００９】
窒素ガスが６００℃以下の場合、Ｍｇと窒素が反応し窒化マグネシウムとなる反応が十分に進まず、窒化マグネシウムガスが十分に発生しない。その結果、セラミックスの表面を活性化させるために時間を要する。
【００１０】
請求項２に係る発明では、セラミック粉末は、平均粒径が８０μｍを超えないようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明では、アルミニウム基複合材用溶湯の製造方法には、セラミック粉末の表面を活性化させる工程と、活性化させたセラミック粉末を溶融アルミニウムへ吹き込み、分散させる工程とが設けられているので、セラミック粉末の表面が活性化され、表面のぬれ性を向上させることができる。セラミック粉末のぬれ性が向上するため、できあがったアルミニウム基複合材を加工する場合などにおいて、アルミニウムからセラミック粉末が剥離して脱落するという不具合を解消することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明では、セラミック粉末は、平均粒径が８０μｍを超えないようにすることで、セラミック粉末の各粒子を軽くすることができる。セラミック粉末の各粒子を軽くすることで、セラミック粉末を溶解アルミニウム中に浮遊させることができる。
この結果、アルミニウムにセラミックスが均一に分散したアルミニウム基複合材用溶湯を製造することができる。
加えて、セラミック粉末を平均粒径が８０μｍを超えないようにすることで、均一な分散が得られ、所定の品質をもつアルミニウム基複合材用溶湯を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きにみるものとする。
図１は本発明に係るアルミニウム基複合材用溶湯の製造方法を説明する図であり、アルミニウム基複合材用溶湯の製造装置１０は、母材としての溶融アルミニウムを撹拌する溶湯撹拌装置１１と、この溶湯撹拌装置１１に活性化ガス及び強化材としてのセラミック粉末を供給するガス・強化材供給装置１２とからなる。
【００１４】
溶湯撹拌装置１１は、溶融アルミニウム１４を撹拌する撹拌容器１５と、この撹拌容器を加熱するヒータ１６と、撹拌容器１５内の溶融アルミニウム１４を撹拌する撹拌機構１７とからなる。撹拌機構１７は回転翼部材１８を有する。
【００１５】
ガス・強化材供給装置１２は、窒素ガス（Ｎ２）を貯蔵する貯蔵手段２１と、この貯蔵手段２１から撹拌容器１５まで延ばされた第１配管２２及び第２配管２３と、これらの第１配管２２及び第２配管２３に介設され窒素ガスを所定温度に加熱する加熱ユニット２５と、前記第１配管２２の途中に設け窒素ガスの流量を調整するレギュレータ２６と、第２配管２３へＭｇ供給口２７を介してＭｇを供給するＭｇ貯蔵手段２８と、前記Ｍｇ供給口２７の下流側に連結される強化材供給口３１を介して第２配管２３へ強化材を供給する強化材貯蔵手段３２とを主要な構成要素とする。本実施例において、強化材はセラミック粉末である。
【００１６】
加熱ユニット２５は、加熱器３３と加熱させた窒素ガスの温度を検出する温度センサ３４と温度制御をするコントローラ３５と加熱器３３の出力を調整するドライバ３６とからなり、第２配管２３には温度センサ３４が設けられ、この温度センサ３４にはコントローラ３５が接続され、このコントローラ３５にはドライバ３６が接続され、加熱した窒素ガスを６００℃以上の所定値に制御する。
【００１７】
図中、３７はＭｇの流量調整をする流量調整弁、３８はセラミック粉末の流量調整をする流量調整弁、３９は面ヒータ、４１は面ヒータの周囲に配置される断熱材、４２は活性化したセラミック粉末及び窒素ガスの流量調整をする流量調整弁である。
【００１８】
以下、本発明に係る製造装置１０の要部の作用を説明する。
図２は図１の要部における作用説明図である。
Ｍｇ供給口２７では、（ａ）に示すように、第２配管２３に矢印ｐのように所定温度に加熱された窒素ガス（Ｎ２）を流し、第２配管２３にＭｇ供給口２７から矢印ｇのようにＭｇを供給し、Ｎ２とＭｇとを反応させ窒化マグネシウムガス（Ｍｇ３Ｎ２）を生成させる。
【００１９】
強化材供給口３１では、（ｂ）に示すように、第２配管２３に矢印ｒのように窒化マグネシウムガス（Ｍｇ３Ｎ２）を流し、第２配管２３に強化材供給口３１から矢印ｓのように微粉化されたセラミックス（例えば、Ａｌ２Ｏ３粉末）４３・・・（・・・は複数を示す。以下同じ。）を供給する。（ｂ）のｂ部拡大図である（ｃ）に示すように、セラミックス４３は、窒化マグネシウム固体４４で覆われた中間生成物４５が、生成される。中間生成物４５は窒化マグネシウムガス（Ｍｇ３Ｎ２）で包まれている。
【００２０】
図３は図１の要部の更なる作用説明図であり、第２配管２３を流れてきた中間生成物４５は、（ａ）のｂ部拡大図である（ｂ）に示すとおりに、窒化マグネシウムによる還元作用が進行している。すなわち、窒化マグネシウムによる強力な還元作用により、セラミックス４３に結合している酸素が除かれ、表面に活性アルミニウム４７・・・が出現する。この活性アルミニウム４７・・・は窒化マグネシウムに包まれているために、酸化する心配はない。
【００２１】
この形態で、（ａ）に示すように、溶融アルミニウム１４に吹き込まれる。溶融アルミニウム１４中では、（ａ）のＣ部拡大図である（ｃ）に示すように、セラミックス４３は、撹拌機構１７が有する回転翼部材１８により分散するが、このときに、セラミックス４３の表面に活性アルミニウム４７・・・が存在するため、溶融アルミニウム１４に対するセラミックス４３のぬれ性は良好となる。
【００２２】
撹拌機構１７は、実施例において、回転翼部材１８によって機械的に撹拌するものである。この攪拌機構１８に代えて、電磁的に撹拌する電磁撹拌機構を利用しても良い。
【００２３】
電磁撹拌機構によれば、窒化珪素などのような凝集し易い複合材を用いる場合に、溶湯を対流により均一に撹拌できる。一方、回転翼部材を用いる機械的な撹拌では、撹拌機構の近傍においてのみの撹拌となる場合がある。この点、電磁撹拌機構を利用すれば、容易、且つ均一に溶湯中に複合材を分散させることが可能となる。
【００２４】
なお、微粉化されたセラミックス（例えば、Ａｌ２Ｏ３粉末）の代用として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの窒化物系セラミックス又は炭化珪素（ＳｉＣ）などの炭化物系セラミックスとすることは差し支えない。
【００２５】
窒化物系セラミックスは、通常、その最表層には酸化物層が形成されており、本発明に係る方法によって、ぬれ性を向上させることができる。同様に、炭化物系セラミックスについても、通常、最表層には酸化物層が形成されており、本発明に係る方法によって、ぬれ性を向上させることができる。一方、酸化を防止する処理がなされた炭化物系セラミックスについては、ぬれ性を向上させることは難しい。
【００２６】
ところで、図３（ａ）の中間生成物４５を溶融アルミニウム１４に吹き込み、撹拌機構（図１の符号１７）によって撹拌させ、分散させる場合において、セラミックス４３の粒径が大きいと、セラミックス４３が撹拌容器１５の底に沈降する現象がみられた。そこで、セラミック４３の粒径と沈降との関係を検証する必要が生じた。この検証の詳細を次に説明する。
【００２７】
図４はセラミックの粒径と沈降との関係を調べる実験の原理図である。
（ａ）において、溶融アルミニウム１４を入れた撹拌容器１５Ｂと、セラミックス４３・・・とを準備し、撹拌容器１５Ｂにセラミックス４３・・・を供給し、（ｂ）において、撹拌容器１５Ｂ内の溶融アルミニウム１４とセラミックス４３・・・とからなる混合物を撹拌し、３０分間放置した。
【００２８】
セラミックス４３の粒径が大きいと、（ｃ）に示すように、撹拌容器１５Ｂの底にセラミックス４３が沈降した。セラミックス４３の粒径が小さいと、３０分が経過しても沈殿は認められなかった。
そこで、セラミックス４３の粒径を種々変更して、沈殿の有無及びその程度を調べた。
３０分経過時点で、沈殿があるときには、沈降した部分の高さ（ｈ）を測定する。そして、全体の高さ（Ｈ）に対する高さ（ｈ）の比率を分離度（Ｓ）とした。すなわち、分離度は、Ｓ＝（ｈ／Ｈ）×１００の算式で求める。種々の実験における分離度（Ｓ）を次図で示す。
【００２９】
図５は分離度と平均粒径との関係を説明する図であり、縦軸は分離度、横軸はセラミックス４３の平均粒径を示す。
平均粒径Ｄが１０μｍ以下では、分離は僅かであった。平均粒径Ｄが８０μｍでは、分離は約２０％であった。平均粒径Ｄが１００μｍでは、分離は約６０％に急増した。
このグラフから、セラミックス４３の平均粒径は８０μｍ以下にすることが望ましいことが確認できた。
【００３０】
セラミック粉末は、平均粒径が８０μｍを超えないようにすることで、セラミック粉末の各粒子を軽くすることができる。セラミック粉末の各粒子を軽くすることで、セラミック粉末を溶解アルミニウム中に浮遊させることができる。
この結果、アルミニウムにセラミックスが均一に分散したアルミニウム基複合材用溶湯を製造することができる。
【００３１】
図１に戻って、貯蔵手段２１に窒素ガス（Ｎ２）を準備し、Ｍｇ貯蔵手段２８にＭｇを準備し、強化材貯蔵手段３２にセラミック粉末としての微粉化させたセラミックス（Ａｌ２Ｏ３）を準備するとともに撹拌容器１５に溶融アルミニウム１４を準備する工程を設け、次に、加熱ユニット２５により、窒素ガスを少なくとも６００℃に加熱する工程を設け、この高温の窒素ガスをＭｇに接触させて窒化マグネシウムガス（Ｍｇ３Ｎ２）を生成する工程を設け、この窒化マグネシウムガスをセラミック粉末（Ａｌ２Ｏ３）に接触させ、このセラミック粉末の表面を活性化させる工程を設け、最後に、活性化させたセラミック粉末（Ａｌ２Ｏ３）を溶融アルミニウムへ吹き込み、分散させる工程を設けた。
【００３２】
窒化マグネシウムガス（Ｍｇ３Ｎ２）をセラミックス（Ａｌ２Ｏ３）４３・・・の表面に当て、これら表面を活性化させる工程が設けられているので、セラミックス４３・・・の表面が活性化され、これら表面のぬれ性を向上させることができる。セラミックス４３・・・のぬれ性が向上するため、できあがったアルミニウム基複合材を加工する場合などにおいて、アルミニウムからセラミックス４３・・・が剥離し脱落する不具合を解消することができる。
【００３３】
活性化させたセラミックスの粉末４４・・・を溶融アルミニウムへ吹き込み、分散させる工程において、セラミック粉末は、平均粒径が８０μｍを超えないようにした。平均粒径が８０μｍを超えないようにしたので、セラミック粉末の各粒子を軽くでき、セラミック粉末を溶解アルミニウム中に浮遊させることができる。
この結果、アルミニウムにセラミックスが均一に分散したアルミニウム基複合材用溶湯を製造することができる。
【００３４】
尚、本実施例において、セラミック粉末として、微粉化させたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を利用したが、この他の酸化セラミック粉末でも良い。この他、窒化アルミニウム、窒化珪素をはじめとする窒化セラミック粉末、又は炭化物セラミック粉末でも良いものとする。
【００３５】
具体的には、本発明に係る製造方法によって得られたアルミニウム基複合材は、アルミニウムと酸化アルミニウムからなる複合材であり、高硬度、耐摩耗性などで優れた特性を有し、例えば、スリーブ、ブレーキなどの車両部品に適用すると好適である。
【００３６】
この他のタイプのアルミニウム基複合材として、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を添加したアルミニウム基複合材があり、各々の材料特性は異なる。そこで、表１において、各複合材の特性及びこれら複合材に好適な車両部品の例を示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
実施例１〜４において、異なる添加物を有するアルミニウム・セラミックス複合材は、各々異なる特性を有しており、添加したセラミックスによってアルミニウム・セラミックス複合材の硬度、熱伝導率、線膨張率などの材料特性は異なる。
例えば、アルミニウムと炭化珪素（ＳｉＣ）からなる複合材は、高硬度、高剛性及び高熱伝導率を有しており、例えば、エンジンのピストンなどに適用すると好適である。
アルミニウムと窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる複合材は、高熱伝導率及び低熱膨張率を有しており、例えば、ヒートシンクなどの部品に適用すると好適である。
アルミニウムと窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる複合材は、高靱性及び低熱膨張率を有しており、例えば、サスペンションアームなどの部品に適用すると好適である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、アルミニウム基複合材用溶湯の製造に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係るアルミニウム基複合材用溶湯の製造方法を説明する図である。
【図２】図１の要部における作用説明図である。
【図３】図１の要部の更なる作用説明図である。
【図４】セラミックの粒径と沈降との関係を調べる実験の原理図である。
【図５】分離度と平均粒径との関係を説明する図である。
【図６】従来の技術の基本構成を説明する図である。
【図７】図６で混合し冷却して得たアルミニウム基複合材の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１４…溶融アルミニウム、４３…セラミック粉末、４６…活性アルミニウム。
【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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