(57)【要約】【課題】強化部位に制約を受けることなく、あらゆる部位に所望の濃度で強化材粒子を集積させることができ、操作が容易で高価な設備を必要とすることなく、しかも連続鋳造にも適用することができる部分強化型金属基複合材料の製造方法を提供する。【解決手段】鋳型と、この鋳型内部を貫くように磁力線を発生させる誘導コイル３とを用い、鋳型内に強化材粒子２が分散した金属融体１を存在させ、誘導コイル３に交流電流を通電することにより金属融体１に電磁力６を付与し、強化材粒子２を電磁力６と反対方向に移動させ、次いで金属融体１を凝固させることにより強化材粒子２がコイル３の中心軸から離反した部位に集積された部分強化型金属基複合材料を製造する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型と、該鋳型内部を貫くように磁力線を発生させる誘導コイルとを用い、
該鋳型内に強化材粒子が分散した金属融体を存在させ、
前記誘導コイルに交流電流を通電して該金属融体に電磁力を付与することにより、該強化材粒子を該電磁力と反対方向に移動させ、
次いで該金属融体を凝固させることにより該強化材粒子が前記誘導コイルの中心軸から離反した部位に集積された部分強化型金属基複合材料を製造することを特徴とする部分強化型金属基複合材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、該金属融体の金属がアルミニウムであり、該強化材粒子が炭化珪素粒子又は珪素粒子であることを特徴とする部分強化型金属基複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は部分強化型金属基複合材料の製造方法に係り、特に、鋳型と、該鋳型内部を貫くように磁力線を発生させる誘導コイルとを用い、金属融体中の強化材粒子を非接触で目的部位に集積させることにより、該強化材粒子が偏在することにより該部位の機械的、物理的、化学的特性を向上させた部分強化型金属基複合材料を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強化材粒子を特定の部位のみに偏在させることにより、この特定部位の機械的、物理的ないし化学的特性を向上させた部分強化型金属基複合材料が各種産業分野で利用されている。
【０００３】
例えば、アルミニウム（Ａｌ）を珪素（Ｓｉ）で強化すると、耐摩耗性等の特性は向上するが、逆に伸びや引張強度が低下する。このため、ピストンやシリンダブロック等の用途において、表層部のみ耐磨耗性等を高め、内層においては伸びや引張強度を維持すべく、表層部のみにＳｉ結晶を偏在させた部分強化型Ａｌ基複合材料が用いられている。
【０００４】
従来、このような部分強化型金属基複合材料の製造方法としては、▲１▼粉末冶金法、▲２▼加圧含浸法、▲３▼遠心鋳造法などが提案されている。
【０００５】
▲１▼粉末冶金法は、粉末状の異種材料を材料設計に応じた成分比にて型に配列し、ホットプレスなどによって成型する方法であるが、粉末状の原材料を用意しなければならないことや粉末を型に配列する手間など、製造工程が複雑であり、製造コストが高くつくという欠点がある。▲２▼加圧含浸法は、予め強化材のプリフォームを作製し、これを鋳型内に配置した状態で母相となる金属融体を高圧にて噴入し、プリフォーム間に十分浸透させた後、凝固させる方法であるが、粉末冶金法と同様、製造工程が複雑で製造コストが高いことが問題となっている。▲３▼遠心鋳造法は、遠心力を用いて金属融体中の強化材粒子を非接触にて要求部位へ集積させる方法であるが、金属融体と強化材粒子の比重差を利用するため、用いる材料の組み合せが限定されることや、回転を利用するため強化材粒子を集積できる部位が限定されるなど、適用範囲が狭いことが問題として挙げられる。また、遠心力を発生させるための大掛かりな回転装置が必要であることから、操業上の危険性や設備コストの高さも懸念されている。更に、▲１▼、▲２▼、▲３▼に共通する課題として、製造コスト削減に最も貢献すると考えられる連続鋳造製造プロセスへの適用が困難であることが挙げられる。
【０００６】
また、特開平８−２１８１２９号公報には、電磁力を用いたＳｉ部分強化型Ａｌ合金の製造法が記載されている。この方法では、電磁力付与の方法として直流電流、直流磁場を独立に印加しており、電流印加の際には溶融Ａｌに浸漬する電極が必要となっている。この電極の存在により連続鋳造は困難であり、また、局部的に電磁力を付与することも困難であることが、実用化に際しての問題となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来の問題点を解決し、強化部位に制約を受けることなく、あらゆる部位に所望の濃度で強化材粒子を集積させることができ、操作が容易で高価な設備を必要とすることなく、しかも連続鋳造にも適用することができる部分強化型金属基複合材料の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の部分強化型金属基複合材料の製造方法は、鋳型と、該鋳型内部を貫くように磁力線を発生させる誘導コイルとを用い、該鋳型内に強化材粒子が分散した金属融体を存在させ、前記誘導コイルに交流電流を通電して該金属融体に電磁力を付与することにより、該強化材粒子を該電磁力と反対方向に移動させ、次いで該金属融体を凝固させることにより強化材粒子が前記誘導コイルの中心軸から離反した部位に集積された部分強化型金属基複合材料を製造することを特徴とする。
【０００９】
導電性の金属融体中に交流磁場を作用させると、この導電性の金属融体中には誘導電流が流れ、磁場との相互作用により電磁力が発生する。一方、この金属融体中に含まれる非導電性の強化材粒子には誘導電流が流れないため、電磁力は発生せず、導電性の金属融体内に生じる圧力勾配によって、電磁力とは反対の方向に移動する。このように、金属融体内を強化材粒子が移動することにより、強化材粒子を偏在させることができる。
【００１０】
なお、強化材粒子は必ずしも非導電性である必要はなく、母材となる金属融体の金属よりも導電性が低いものであれば良い。即ち、低導電性の強化材粒子であれば、流れる誘導電流が少なく、発生する電磁力が小さいため、大きな電磁力が発生する金属融体中を移動させることができる。
【００１１】
本発明では、電磁力場付与手段として交流が通電されるコイルを用いており、金属融体に電極を浸漬する必要がない。また、この交流磁場による強化材粒子の移動は、非常に速い速度で行われる。そして、強化材粒子を迅速に集積させながら金属融体を凝固させることができるため、連続鋳造への適用が可能である。
【００１２】
また、交流磁場発生手段としての誘導コイルの形状、電流量、周波数等を選択することにより、任意の領域へ任意の大きさの磁場印加が可能であり、あらゆる要求部位に強化材粒子を所望の濃度に集積させることができ、任意の設計の部分強化型金属基複合材料を容易に製造することができる。
【００１３】
本発明の方法は、誘導コイルを鋳型部分に組み込み、強化材粒子の集積と共に金属融体を冷却凝固させるための冷却手段を設けた簡易な装置により、煩雑な操作を必要とすることなく、容易かつ効率的に、低コストで実施することができる。
【００１４】
本発明の部分強化型金属基複合材料の製造方法は、例えば、強化材粒子としてＳｉＣ粒子を偏在させたＡｌ基合金や、強化材粒子としてＳｉ粒子を偏在させたＡｌ基合金等の部分強化型金属基複合材料の製造に好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の部分強化型金属基複合材料の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の部分強化型金属基複合材料の製造方法における誘導コイルを用いた強化材粒子の集積の原理を説明する模式図であり、図１（ａ）は誘導コイルを取り付けた鋳型内の誘導電流及び電磁力の発生状況を示し、図１（ｂ）は、強化材粒子の電磁集積の状況を示す。なお、図１では円筒形の鋳型（るつぼ）を用い、円筒形の誘導コイルを同心状に取り付けた例を示しているが、鋳型及び誘導コイルの形状は何ら円筒形に制限されるものではない。
【００１７】
図１（ａ），（ｂ）に示す如く、誘導コイル３に交流電流を通電することにより発生する交流磁場４と金属融体１中に誘導される誘導電流５との相互作用によって、電磁力６が生じ、電磁力が発生しない強化材粒子２には電磁力とは反対の方向に力がかかる。本発明では、この作用を利用して強化材粒子２を目的部位に集積させることができる。
【００１８】
従って、本発明によれば、鋳型に対する誘導コイルの設置位置、誘導コイルの形状、誘導コイルに通電する交流電流量、周波数等を適宜設計することにより、所望の部位に所望の濃度で強化材粒子を集積させた、所望の形状の部分強化型金属基複合材料を製造することができる。
【００１９】
また、鋳型内で金属の溶融、強化材粒子の集積、及び金属の凝固を行うことができ、操作は極めて簡単である。
【００２０】
そして、例えば、円柱状材料の外周側面の表層部を強化材粒子で強化した部分強化型金属基複合材料の場合、鋳型に引き抜き装置を組み込むことによって、連続鋳造製造プロセスへの適用も可能となる。
【００２１】
本発明を実施するための装置は、鋳型と、この鋳型の要求部位に所望の電磁力を付与できるように設けられた誘導コイルと、更に必要に応じて水スプレー等の冷却手段とを用いて任意に設計することができ、例えば、後述の実施例で用いた有底円筒形るつぼ、円筒形高周波誘導コイル及び水スプレー冷却装置を備えるものが挙げられるが、何らこれに限定されるものではない。
【００２２】
本発明で製造される部分強化型金属基複合材料の強化材粒子と母材金属との組み合わせは、両者に導電性の差があるものであれば良く、本発明は幅広い強化材粒子と母材金属との組み合わせを採用することができ、また、その強化材粒子の集積濃度等にも制限はない。
【００２３】
母材金属としては、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ等が挙げられ、強化材粒子としては、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ａｌ２Ｏ３等が挙げられるが、何らこれらに限定されるものではない。
【００２４】
なお、強化材粒子は１種に限らず、２種以上用いることができ、この場合、用いた強化材粒子の導電性の差により、異なる強化材粒子を異なる部位に集積させた部分強化型金属基複合材料を製造することができる。
【００２５】
本発明において、誘導コイルに通電する、周波数には特に制限はないが、通常の場合１〜１００ｋＨｚの範囲で選択される。
【００２６】
このような本発明の方法により製造される部分強化型金属基複合材料は、均一系材料に比べて母材金属の軽量性、高熱伝導性、高延性等の特性を損なうことなく、必要部分にのみ強化材粒子による特性向上効果を得ることができ、加工性等に優れた機能性材料として、幅広い用途への適用が期待される。
【００２７】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２８】
実施例１
図２に示す試験装置を用い、本発明に従って、ＳｉＣ部分強化Ａｌ基複合材料を製造した。
【００２９】
図２に示す装置は、ＳｉＯ２製るつぼ１１が保護管１２内に配置され、この保護管１２の外周に誘導コイル１３が設けられている。また、保護管１２内のるつぼ１１の周囲には、冷却用の水スプレー管１４が設けられている。
【００３０】
用いたるつぼ１１の内径は４０ｍｍで、誘導コイル１３の直径は９４ｍｍ、コイル巻き数は１５ターンで１４５ｍｍの高さにわたって設けた。
【００３１】
まず、るつぼ１１内に約２００ｇのＡｌを投入し、誘導加熱により溶解して８００℃付近まで昇温した。その後、一旦、誘導加熱を停止してＳｉＣ粒子分散Ａｌ合金９ｇを投入して均一分散させた後、再び誘導コイル１３に交流電流を流して溶融Ａｌに電磁力を作用させた。このときのコイル電流は１６３Ａ、電流周波数は３０ｋＨｚで、るつぼ１１内の溶湯１５の高さは６０ｍｍであり、ＳｉＣ粒子の平均粒径は２３μｍ、ＳｉＣ粒子初期濃度は１．１重量％であった。
【００３２】
また、電磁力が大きく作用する範囲は、るつぼ１１内の溶湯１５部分の外周側面部分の表層１．５ｍｍの範囲であった。
【００３３】
交流電流を１０秒間通電した後、水スプレー管１４よりるつぼ１１の側面に冷却水を噴射することにより溶湯を凝固させた。
【００３４】
得られた材料の表層部（るつぼ壁面）付近の断面の顕微鏡写真とその拡大図を図３（ａ），（ｂ）に、また、材料内部（中心部分）の断面の顕微鏡写真を図３（ｃ）に示す。図３（ａ）〜（ｃ）において、黒点部分がＳｉＣ粒子であり、白い部分がＡｌである。
【００３５】
図３（ａ），（ｂ）より、１０秒という非常に短い集積時間で、ＳｉＣ粒子を外周部に集積させることができることがわかる。この外周部のＳｉＣ粒子の体積分率は約１６％にも達していた。一方、図３（ｃ）より、内部にはＳｉＣ粒子は殆ど存在していないことが明らかである。
【００３６】
この結果から、Ａｌ中のＳｉＣ粒子が電磁力と反対の方向に力を受けて移動して集積したことが確認された。
【００３７】
実施例２
実施例１と同様の試験装置を用いて、Ａｌ−Ｓｉ過共晶合金の部分強化型複合材料を製造した。
【００３８】
まず、実施例１と同様にしてＡｌを８００℃に昇温して溶融させ、この溶融Ａｌ中に２０重量％Ｓｉ濃度となるようにＳｉインゴットを投入した。手動撹拌を行いながら、初晶Ｓｉが析出する温度まで自然冷却し、７００℃付近で再び誘電コイル１３に電流を流して溶融Ａｌに電磁力を作用させた。約６０秒後に水スプレーで冷却し、溶融Ａｌを凝固させた。
【００３９】
図４に得られた材料の断面の顕微鏡写真を示す。また、図５に試料断面のＥＰＭＡ分析によるＳｉ濃度分布を示す。
【００４０】
図４，５より、Ａｌ中のＳｉ初晶が電磁力と反対の方向に力を受け、外周部付近に集積している様子が分かる。
【００４１】
また、ＥＰＭＡ分析結果より、内部では共晶組成１１．７重量％Ｓｉよりもやや大きい値となっており、若干初晶Ｓｉが残存しているが、外周部付近では急激にＳｉが濃縮しており、外周部に至っては約４０重量％Ｓｉの合金組成となっていることが確認された。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の部分強化型金属基複合材料の製造方法によれば、次のような優れた効果が達成される。
▲１▼　あらゆる要求部位に強化材粒子を所望の濃度で集積させることができ、所望の任意の箇所を強化材粒子で強化した部分強化型金属基複合材料を製造することができる。
▲２▼　高価な設備や煩雑な操作を必要とすることなく、単純な製造工程で、短時間での部分強化型金属基複合材料の製造が可能である。
▲３▼　▲２▼より、部分強化型金属基複合材料の製造コストを低減することができる。
▲４▼　連続鋳造製造プロセスへの適用も可能であり、工業的大量生産を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の部分強化型金属基複合材料の製造方法における誘導コイルを用いた強化材粒子の集積の原理を説明する模式図であり、図１（ａ）は誘導コイルを取り付けた鋳型内の誘導電流及び電磁力の発生状況を示し、図１（ｂ）は、強化材粒子の電磁集積の状況を示す。
【図２】実施例で用いた試験装置を示す模式的な断面図である。
【図３】実施例１で得られた試料の断面の顕微鏡写真であり、（ａ）図は試料表層部、（ｂ）図はその拡大図、（ｃ）図は試料内部を示す。
【図４】実施例２で得られた試料の断面の顕微鏡写真を示す図である。
【図５】実施例２で得られた試料の断面のＥＰＭＡ分析によるＳｉ濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
１　金属融体
２　強化材粒子
３　誘導コイル
４　交流磁場
５　誘導電流
６　電磁力
１１　るつぼ
１２　保護管
１３　誘導コイル
１４　水スプレー管
１５　溶湯
【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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