(57)【要約】【課題】金属酸化物の含有量が多く、金属酸化物の分散性が良好で、かつ空隙率の少ない金属−金属酸化物複合材料を製造する方法を提供する。【解決手段】金属溶湯に撹拌下に酸素を含んだガスを吹き込むことにより金属溶湯中に金属酸化物粒子を生成させた後、酸素の供給を停止した後も更に一定時間金属溶湯の撹拌を継続した後に鋳造する工程からなる金属−金属酸化物複合材料の製造方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属溶湯に撹拌下に酸素を含んだガスを吹き込むことにより金属溶湯中に金属酸化物粒子を生成させた後、酸素の供給を停止した後も更に一定時間金属溶湯の撹拌を継続した後に鋳造する工程からなる金属−金属酸化物複合材料の製造方法。
【請求項２】
金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の金属−金属酸化物複合材料の製造方法。
【請求項３】
金属酸化物が酸化アルミニウム、酸化マグネシウムまたはそれらの複合体であることを特徴とする請求項２記載の金属−金属酸化物複合材料の製造方法。
【請求項４】
アルミニウムにシリコン、亜鉛、マグネシウム、銅、ニッケル、およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の金属を１０重量％以下の量で添加されていることを特徴とする請求項２〜３記載の金属−金属酸化物複合材料の製造方法。
【請求項５】
酸素の吹き込みを撹拌軸の末端部から行うことを特徴とする請求項１〜４記載の金属−金属酸化物複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、金属−金属酸化物複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属−金属酸化物複合材料、特に金属酸化物の微粒子が金属中に分散している複合材料は、酸化物分散強化型合金（ＯＤＳ）と呼ばれ、金属単体に比べて特に高温下での硬度、弾性率が高い材料となり、高い耐摩耗性を有することからエンジン部品等に用いられている。
【０００３】
上記酸化物粒子複合材料は、（１）金属粉末と金属酸化物粉末とを混合後射出成形したり押し固めた後、燒結する粉末冶金法、（２）酸化物の粒子を溶融金属中に機械的に混入する方法、（３）金属溶湯に酸素を吹き込み、酸化物を生成・分散させる溶湯酸化プロセス法等が提案されている。
【０００４】
これらの方法のうち（１）粉末冶金法は、粉末原料が高価である、粉末を混合する機器の磨耗が大きい、内在する欠陥が多く機械的強度が劣る等の問題がある。
【０００５】
（２）酸化物粒子の混入方法では、酸化物の金属への濡れが悪く混合に時間を要する、酸化物粒子の粒径が大きくなる、酸化物粒子の溶湯への混入の際ガスを巻き込み欠陥を生じ易い等の問題がある。
【０００６】
（３）の方法は、本発明者らが先に特開平７−１３８６７５号として提案した方法であり、製造工程が簡単で原材料及び製造装置が安価であるという特徴があるところから有望な方法であると考えられる。
【０００７】
特開平７−１３８６７５号では、金属または合金を溶解した状態で、撹拌子を容器内に挿入し、撹拌しながら酸素を含んだガスを撹拌子の底部から噴出させて微細な気泡とし、微細な酸化物を形成させる方法を提案している。
【０００８】
本発明者らはかかる技術について検討を行った結果、金属酸化物の含有量が増加すると溶融金属の粘度が増加して鋳造された複合材料中に気泡に基づく空隙が残存することが多く、その改良が必要であることを認めた。
【０００９】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、空隙率の少ない金属−金属酸化物複合材料を提供することを目的とする。本発明の第２の目的は金属酸化物の含有量が多い金属−金属酸化物複合材料を提供することを目的とする。本発明の他の目的は金属酸化物の分散性が良好な金属−金属酸化物複合材料を提供することを目的とする。本発明の他の目的は鋳造が容易な金属−金属酸化物複合材料を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、金属溶湯に撹拌下に酸素を含んだガスを吹き込むことにより金属溶湯中に金属酸化物粒子を生成させた後、酸素の供給を停止した後も更に一定時間金属溶湯の撹拌を継続した後に鋳造する工程からなる金属−金属酸化物複合材料の製造方法である。
【００１１】
金属はアルミニウムであることが好ましい。
【００１２】
金属酸化物は酸化アルミニウム、酸化マグネシウムまたはそれらの複合体であることが好ましい。
【００１３】
アルミニウムにはシリコン、亜鉛、マグネシウム、銅、ニッケル、およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の金属を１０重量％以下の量で添加されていることが好ましい。
【００１４】
酸素の吹き込みは撹拌軸の末端部から行うことが好ましい。
【００１５】
【解決のための具体的な形態】
本発明につき具体的に説明する。
本発明における金属とは、酸素により安定な酸化物を生成しうる２価ないし４価の金属をいう。具体的には、マグネシウム、亜鉛、銅、アルミニウム、シリコン等を挙げることができる。これらの金属は１種のみを用いてもよいし、２種以上を混合して合金として用いても良い。これらのうちでは、アルミニウム及びマグネシウムが好ましく、特にアルミニウムが安価でありかつ安定な酸化物が得られるため最も好ましい。
【００１６】
上記マトリックスを形成する金属には、金属酸化物の鋳造特性の向上、あるいは鋳造物の機械的強度向上のために、マトリックスを形成する金属と異なる金属、例えば、シリコン、亜鉛、マグネシウム、銅、ニッケル、およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の金属を１０重量％以下、特に０．５〜５重量％の範囲で添加されていることが好ましい。
【００１７】
本発明における金属酸化物とは、上記金属の酸化物である。具体的には、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化銅、酸化アルミニウム、シリカ等、あるいは上記金属の合金の酸化物を挙げることができる。これらのうちでは、アルミニウム及びマグネシウム、およびこれらの合金の酸化物、酸化アルミニウムと酸化マグネシウムが好ましい。
【００１８】
本発明の製造方法における金属−金属酸化物複合材料では、金属酸化物は金属マトリックス中に微粒子として分散している。金属酸化物粒子の平均粒径は、好ましくは０．１〜５０μｍ、特に１〜１０μｍの範囲にある。
【００１９】
本発明の製造方法では、まず金属を溶融する。金属を溶融するには、金属自身、もしくは黒鉛製るつぼを誘導加熱する方法、黒鉛製、あるいはタングステン等の高融点金属アロイ製のヒーターを用いて加熱する方法等を採用することができる。
【００２０】
金属を加熱溶融するための容器としては、酸化アルミ等の耐熱セラミック製容器、あるいは黒鉛等の炭素材料製の容器等を用いることができる。これらのうちでは、本発明の製造方法での反応が酸化反応であるため、反応に安定な耐熱セラミック製容器、特に酸化アルミニウム製容器が好ましい。
【００２１】
金属のペレットまたはインゴットを容器に入れ、加熱溶融する。溶融し終わったら、撹拌を開始する。撹拌装置としては、例えばモーター、あるいはモーターからベルトまたはギア等の動力伝達子を介して駆動する撹拌翼を備えた撹拌軸からなる撹拌子を用いることができる。
【００２２】
撹拌容器には撹拌撹拌子以外に溶融金属の撹拌効率を高めるための邪魔板を備えていてもよい。邪魔板は板状であっても、円筒状、パイプ状であってもよい。これらのうちでは、円筒状の邪魔板が好ましい。邪魔板を設けると撹拌効率が向上するため好ましい。
【００２３】
本発明では、溶融した金属を撹拌しつつ酸素を含んだガスを金属中に吹き込む。金属に吹き込む酸素は酸素１００％でもよいし、酸素を含んだ、例えば炭酸ガス、窒素ガス等との混合ガス、例えば空気であってもよい。得られる金属−金属酸化物複合材料の空隙率が小さいためには好ましくは、酸素の含有率の高いガスを用いることが好ましい。
【００２４】
酸素を含んだガスを溶融金属内に吹き込む方法としては、例えば撹拌子の撹拌軸に貫通された酸素含有ガス導入孔の底部から吹き込む方法、撹拌子の撹拌翼に穿かれた孔から吹き込む方法、パイプ状の邪魔板から吹き込む方法等を挙げることができる。これらのうちでは、ガス導入孔の加工が容易で撹拌により生成された金属酸化物を均一に分散させやすい撹拌軸の底から酸素含有ガスを吹き込む構造であることが好ましい。
【００２５】
酸素を含んだガスを溶融金属内に吹き込むと金属と酸素とが反応して酸化物の微粒子が生成される。生成速度は酸素の供給速度、撹拌速度、金属の量、金属の溶融温度等が関係する。反応が進むに従って、溶融金属中の金属酸化物粒子の量は増加する。反応時間は目的とする金属酸化物の含有量により決定すべきであるが、金属酸化物の含有量が多くなると溶融金属の粘度が上昇して金属酸化物の均一な分散が困難になったり、気泡の除去が困難にあったり、鋳型への注型が困難になったりするため、その含有量には限度がある。
【００２６】
酸化物微粒子生成反応中の溶融金属の撹拌速度は装置のサイズ、撹拌装置の能力等によって左右されるが、一般的な傾向としては撹拌速度を高くする程酸化物粒子の粒径が小さく、かつ分散が良好になる。
【００２７】
本発明の製造方法は、上記のように溶融金属の中に酸素含有ガスを吹き込んで金属酸化物粒子を生成させる操作を行った後、酸素含有ガスの供給を停止した後も更に一定時間撹拌を継続することを特徴とする。（以下この工程を「後撹拌工程」という）
【００２８】
後撹拌工程における撹拌速度は酸化物微粒子生成反応中の撹拌速度と同等とすることが好ましい。また、後撹拌工程での撹拌時間は５分〜５時間、特に好ましくは３０分〜２時間程度が望ましい。
【００２９】
本発明における後撹拌工程の終了後、得られた複合材料溶融物を金型あるいは鋳型に注型して鋳造品を得る。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の製造方法により得られた複合材料の鋳造品は従来の方法に比べて酸化物粒子の金属内での分散状態が向上し、酸化物の含有率が向上し、かつ鋳造品の空隙率が顕著に低下する。この結果、複合材料の鋳造品の弾性率が向上し、強度が向上し、かつ耐磨耗性、耐熱剛性が向上する。本発明の製造方法で得られた複合材料は鋳型に容易に鋳造することができる。
【００３１】
【実施例】
次ぎに実施例を挙げて本発明につき更に詳しく説明するが、本発明はその要旨を超えない限りこれらの実施例になんら制約されるものではない。
【００３２】
【実施例１】
《装置》
図１に本発明の実施例で用いた装置を示す。１は容器である。２は撹拌子で内部に酸素ガスが導入され底部から金属溶湯３にガス４を吹き込めるようになっている。５は撹拌翼で、撹拌軸に２枚設けられている。６は円筒状邪魔板で蓋７に４本設けられている。
【００３３】
《使用材料》
金属：１．５重量％マグネシウム含有アルミニウム
追加金属：亜鉛
供給ガス：酸素
雰囲気：アルゴンガス
【００３４】
《複合材料生成操作》
アルミニウム４６０ｇを溶融し、撹拌しつつ溶融金属の温度を１０００℃にした。１０００ｒｐｍで撹拌しながら５０ｃｃ／分のガスを６０分間吹き込んだ。次いで、ガスの吹き込みを停止後亜鉛を４ｇ投入し、更に６０分間撹拌を継続した。その後撹拌を停止し、蓋を開放した後、溶湯を直径２２ｍｍの金型に鋳込んだ。
【００３５】
《鋳造品の評価》
鋳造品の中央部から評価用サンプルを切削し、次ぎの方法により評価した。
酸化アルミニウムの分散状態：電子顕微鏡写真
酸化アルミニウムの含有量：
空隙率：サンプルの比重と、アルミニウムの比重、酸化アルミニウムの比重、酸化アルミニウムの含有量から算出した。
評価結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
表１
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【００３７】
【実施例２】
実施例１において、後撹拌工程の時間を６０分間から３０分間に短縮する以外は実施例１と同様に行った。結果を表１に示す。
【００３８】
【比較例１】
実施例１において、後撹拌工程の時間を省略する以外は実施例１と同様に行った。結果を表１に示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例で用いた装置の概略図である。
１    …        容器
２    …        撹拌子
３    …        金属溶湯
５    …        撹拌翼
６    …        邪魔板
７    …        蓋
【図１】
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