(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、マトリクス金属中における充填用粒子の分散性を改善した複合金属材料およびその製造方法を提供することにある。【解決手段】  複合金属材料の製造方法は、エラストマー３０と充填用粒子４０とを混合し、複合材料を得る工程（ａ）と、前記複合材料と金属とを混合し、該金属中に前記充填用粒子が均一に分散した複合金属材料を得る工程（ｂ）と、を含むことを特徴とする。【選択図】      図１
2005213577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エラストマーと充填用粒子とを混合し、複合材料を得る工程（ａ）と、
前記複合材料と金属とを混合し、該金属中に前記充填用粒子が均一に分散した複合金属材料を得る工程（ｂ）と、
を含む、複合金属材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記工程（ｂ）は、前記複合材料と前記金属とを混合する際に、前記複合材料の前記エラストマーを分解して除去する、複合金属材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記工程（ａ）は、前記エラストマーに、前記充填用粒子を混合させ、かつ剪断力によって分散させる、複合金属材料の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記工程（ｂ）は、前記複合材料を粉末成形する、複合金属材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記工程（ｂ）は、前記複合材料と流体状態の前記金属とを混合した後、固化する、複合金属材料の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記工程（ｂ）は、前記複合材料に、前記金属の溶湯を浸透させて前記エラストマーを前記金属の溶湯と置換する、複合金属材料の製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記充填用粒子は、金属系充填用粒子である、複合金属材料の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記充填用粒子は、非金属系充填用粒子である、複合金属材料の製造方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記非金属系充填用粒子は、セラミックス系充填用粒子である、複合金属材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、分子量が５０００ないし５００万である、複合金属材料の製造方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、二重結合、三重結合、α水素、カルボニル基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、ニトリル基、ケトン基、アミド基、エポキシ基、エステル基、ビニル基、ハロゲン基、ウレタン基、ビューレット基、アロファネート基および尿素基などの官能基から選択される少なくともひとつを有する、複合金属材料の製造方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって３０℃で測定した、未架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）が１００ないし３０００μ秒である、複合金属材料の製造方法。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって３０℃で測定した、架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）が１００ないし２０００μ秒である、複合金属材料の製造方法。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかにおいて、
前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である、複合金属材料の製造方法。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれかに記載の製造方法によって得られた複合金属材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合金属材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セラミックスなどを強化材とする複合金属材料が注目されている。このような複合金属材料として、例えばアルミニウム基複合材料が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。また、充填剤としては、その形態によって粒子状の充填剤（以下、充填用粒子という）と繊維状の充填剤とが用いられている。
【０００３】
このように、セラミック等を強化材とする複合金属材料については、これまでにも提案がなされてきたが、金属マトリクス中での充填用粒子の分散性には改善の余地が残されていた。複合金属材料における複合化性能は、マトリクス金属と強化材との濡れ性と、マトリクス金属中における強化材の分散性とによって影響を受けることが知られている。
【特許文献１】特開２００２−１１５０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、マトリクス金属中における充填用粒子の分散性を改善した複合金属材料およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる複合金属材料の製造方法は、エラストマーと充填用粒子とを混合し、複合材料を得る工程（ａ）と、
前記複合材料と金属とを混合し、該金属中に前記充填用粒子が均一に分散した複合金属材料を得る工程（ｂ）と、
を含む。
【０００６】
本発明の製造方法によれば、エラストマーと充填用粒子とを混合することで、エラストマー中に充填用粒子が均一に分散した複合材料を得ることができ、この複合材料を用いることで、充填用粒子が金属中に均一に分散した複合金属材料を製造することができる。また、このようにして得られた本発明の複合金属材料は、充填用粒子の分散性が改善され、全体に均一な複合化性能、例えば強度向上や耐摩耗性の向上等の特性を持つ優れた材料となる。
【０００７】
また、本発明にかかる複合金属材料の製造方法において、前記工程（ｂ）は、前記複合材料と前記金属とを混合する際に、前記複合材料の前記エラストマーを分解して除去することができる。
【０００８】
このように、複合金属材料の組成物として不要なエラストマーを分解して除去することができる。
【０００９】
また、本発明にかかる複合金属材料の製造方法において、前記工程（ａ）は、前記エラストマーに、前記充填用粒子を混合させ、かつ剪断力によって分散させることができる。
【００１０】
このように工程（ａ）が行われることで、比較的容易に充填用粒子をエラストマー中に分散させることができる。また、このように、前記エラストマーに充填用粒子を剪断力によって分散させる工程（ａ）は、
（ａ−１）ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール法、
（ａ−２）ロータ間隙が１ｍｍ以下の密閉式混練法、
（ａ−３）スクリュー間隙が０．３ｍｍ以下の多軸押出し混練法、などを用いて行うことができる。
【００１１】
また、本発明にかかる複合金属材料の製造方法において、前記工程（ｂ）は、
（ｂ−１）前記複合材料を粉末成形する方法、
（ｂ−２）前記複合材料と流体状態の前記金属とを混合した後、固化する方法、
（ｂ−３）前記複合材料に、前記金属の溶湯を浸透させて前記エラストマーを前記金属の溶湯と置換する方法、などを用いて行うことができる。
【００１２】
さらに、本発明に用いられる充填用粒子は、金属系充填用粒子または非金属系充填用粒子とすることができる。また非金属系充填用粒子は、セラミックス系充填用粒子とすることができる。
【００１３】
金属系充填用粒子は、マトリクスとなる金属と同じ金属またはその合金、あるいはマトリクスとなる金属と比較的濡れ性のよい金属とすることができるため、所望の複合化性能を得ることができる。また、非金属系充填用粒子、特にセラミックス系充填用粒子は、耐熱性、耐摩耗性、絶縁性等に優れているため、複合金属材料として、好ましい特性を得ることができる。
【００１４】
また、本発明に用いられる金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金とすることができる。
【００１５】
このように、アルミニウムまたはアルミニウム合金とすることで、複合金属材料の軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
本発明にかかる複合金属材料は、金属材料中に均一に分散した充填用粒子を有する。
【００１８】
本実施の形態にかかる複合金属材料の製造方法は、エラストマーと充填用粒子とを混合し、複合材料を得る工程（ａ）と、前記複合材料と金属とを混合し、該金属中に前記充填用粒子が均一に分散した複合金属材料を得る工程（ｂ）と、を含む。
【００１９】
また、本発明にかかる複合金属材料の製造方法において、前記工程（ｂ）は、前記複合材料と前記金属とを混合する際に、前記複合材料の前記エラストマーを分解して除去することができる。
【００２０】
さらに、本発明にかかる複合金属材料の製造方法において、前記工程（ａ）は、前記エラストマーに、前記充填用粒子を混合させ、かつ剪断力によって分散させることができる。
【００２１】
（Ａ）  まず、充填用粒子について説明する。
【００２２】
本発明に用いられる充填用粒子としては、セラミックス系充填用粒子などの非金属粒子、金属系充填用粒子、またはこれらを組み合わせて用いることができる。セラミックス系充填用粒子は、耐熱性、耐摩耗性、絶縁性等に優れている。
【００２３】
非金属系充填用粒子としては、有機系充填材、セラミックス系充填用粒子などがある。有機系充填材としては、例えばポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン及びこれらの混合物などを用いることができる。セラミックス系充填用粒子としては、例えばアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化マグネシウム及びこれらの混合物などを用いることができる。
【００２４】
金属系充填用粒子としては、例えばクロム、銅、鉄、ニッケルなどを用いることができる。
【００２５】
また、充填用粒子としては、複合金属材料の強度を向上させるためには平均粒径が１ｎｍないし３００μｍであることが好ましく、さらに好ましくは１００ｎｍないし５０μｍである。充填用粒子の配合量は、特に限定されず、用途に応じて設定できるが、例えば複合金属材料に用いる金属材料に対して１〜５０ｖｏｌ％であることが望ましい。充填用粒子の配合量が、１ｖｏｌ％未満であると複合材料としての効果が得られず、５０ｖｏｌ％を超えると加工が困難となる。また、充填用粒子の形状は、球形粒状に限らず、平板状、りん片状であってもよい。
【００２６】
また、金属系充填用粒子としては、工程（ｂ）においてマトリクスとなる金属と同じ金属及びその合金を用いることができる。金属との混合工程（ｂ）で非加圧浸透法を用いる場合には、充填用粒子の量は、エラストマー１００重量部に対して、１０〜３０００重量部、好ましくは１００〜１０００重量部である。充填用粒子が１０重量部以下であると、毛細管現象が小さく、金属溶湯の浸透速度が遅いので、生産性及びコスト面で採用が難しい。また、金属粒子及びセラミックス粒子が３０００重量部以上であると、複合材料を製造する際に、エラストマーへ含浸させにくくなる。
【００２７】
本実施の形態の充填用粒子は、金属溶湯の中に直接混合させる方法や、金属粒子とドライブレンドして粉末成形する方法などによって、金属と直接的に混合して複合金属材料を製造することができる。また、本実施の形態の充填用粒子は、エラストマーと混合して複合材料を製造し、その複合材料を複合金属材料を製造する際の原料として用いる。
【００２８】
充填用粒子は、エラストマーもしくは金属材料と混合される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。
【００２９】
（Ｂ）  工程（ａ）で用いられるエラストマーについて説明する。
【００３０】
充填用粒子は凝集し易く、金属材料中に分散しにくいため、まずエラストマーに充填用粒子を混合することでエラストマー中に分散させた複合材料を製造する。エラストマーは、分子量が好ましくは５０００ないし５００万、さらに好ましくは２万ないし３００万のものが用いられる。エラストマーの分子量がこの範囲であると、エラストマー分子が互いに絡み合い、相互につながっているので、エラストマーは、凝集した充填用粒子の相互に侵入しやすく、したがって充填用粒子同士を分離する効果が大きい。エラストマーの分子量が５０００より小さいと、エラストマー分子が相互に充分に絡み合うことができず、後の工程で剪断力をかけても充填用粒子を分散させる効果が小さくなる。また、エラストマーの分子量が５００万より大きいと、エラストマーが固くなりすぎて加工が困難となる。
【００３１】
エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって、３０℃で測定した、未架橋体におけるネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）が好ましくは１００ないし３０００μ秒、より好ましくは２００ないし１０００μ秒である。上記範囲のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）を有することにより、エラストマーは、柔軟で充分に高い分子運動性を有することができる。このことにより、エラストマーと充填用粒子とを混合したときに、エラストマーは高い分子運動により充填用粒子相互の隙間に容易に侵入することができる。スピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）が１００μ秒より短いと、エラストマーが充分な分子運動性を有することができない。また、スピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）が３０００μ秒より長いと、エラストマーが液体のように流れやすくなり、充填用粒子を分散させることが困難となる。
【００３２】
また、エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって３０℃で測定した、架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）が１００ないし２０００μ秒であることが好ましい。その理由は、上述した未架橋体と同様である。すなわち、上記の条件を有する未架橋体を本発明の製造方法によって架橋化すると、得られる架橋体のＴ２ｎはおおよそ上記範囲に含まれる。
【００３３】
パルス法ＮＭＲを用いたハーンエコー法によって得られるスピン−スピン緩和時間は、物質の分子運動性を表す尺度である。具体的には、パルス法ＮＭＲを用いたハーンエコー法によりエラストマーのスピン−スピン緩和時間を測定すると、緩和時間の短い第１のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）を有する第１の成分と、緩和時間のより長い第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）を有する第２の成分とが検出される。第１の成分は高分子のネットワーク成分（骨格分子）に相当し、第２の成分は高分子の非ネットワーク成分（末端鎖などの枝葉の成分）に相当する。そして、第１のスピン−スピン緩和時間が短いほど分子運動性が低く、エラストマーは固いといえる。また、第１のスピン−スピン緩和時間が長いほど分子運動性が高く、エラストマーは柔らかいといえる。
【００３４】
パルス法ＮＭＲにおける測定法としては、ハーンエコー法でなくてもソリッドエコー法、ＣＰＭＧ法（カー・パーセル・メイブーム・ギル法）あるいは９０゜パルス法でも適用できる。ただし、本発明にかかる炭素繊維複合材料は中程度のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２）を有するので、ハーンエコー法が最も適している。一般的に、ソリッドエコー法および９０゜パルス法は、短いＴ２の測定に適し、ハーンエコー法は、中程度のＴ２の測定に適し、ＣＰＭＧ法は、長いＴ２の測定に適している。
【００３５】
エラストマーは、主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、不飽和結合または基として、二重結合、三重結合、α水素、カルボニル基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、ニトリル基、ケトン基、アミド基、エポキシ基、エステル基、ビニル基、ハロゲン基、ウレタン基、ビューレット基、アロファネート基および尿素基などの官能基から選択される少なくともひとつであることができる。
【００３６】
エラストマーとしては、天然ゴム（ＮＲ）、エポキシ化天然ゴム（ＥＮＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ，ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、クロロブチルゴム（ＣＩＩＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、エポキシ化ブタジエンゴム（ＥＢＲ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＣＥＯ）、ウレタンゴム（Ｕ）、ポリスルフィドゴム（Ｔ）などのエラストマー類；オレフィン系（ＴＰＯ）、ポリ塩化ビニル系（ＴＰＶＣ）、ポリエステル系（ＴＰＥＥ）、ポリウレタン系（ＴＰＵ）、ポリアミド系（ＴＰＥＡ）、スチレン系（ＳＢＳ）、などの熱可塑性エラストマー；およびこれらの混合物を用いることができる。
【００３７】
充填用粒子は、通常凝集しやすく、媒体に分散しにくい性質を有する。しかし、本実施の形態の複合材料を金属の複合材料の原料として用いると、充填用粒子がエラストマーに既に分散した状態で存在するので、この原料と金属などの媒体とを混合することで充填用粒子を媒体に容易に分散することができる。
【００３８】
（Ｃ）  次に、充填用粒子とエラストマーとを混合して複合材料を得る工程（ａ）について説明する。
【００３９】
複合金属材料を得る工程（ａ）は、上述した充填用粒子及びエラストマーを用いて、例えば、以下のような方法を採用することができる。
（ａ−１）ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール法、
（ａ−２）ロータ間隙が１ｍｍ以下の密閉式混練法、
（ａ−３）スクリュー間隙が０．３ｍｍ以下の多軸押出し混練法、などが挙げられる。
【００４０】
本実施の形態では、エラストマーに充填用粒子を混合させる工程（ａ）として、ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール法（ａ−１）を用いた例について述べる。
【００４１】
充填用粒子は分散させにくいため、エラストマーは、例えば、上記（Ｂ）で述べたような特徴を有することが望ましい。
【００４２】
図１は、２本のロールを用いたオープンロール法を模式的に示す図である。図１において、符号１０は第１のロールを示し、符号２０は第２のロールを示す。第１のロール１０と第２のロール２０とは、所定の間隔ｄ、好ましくは１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．１ないし０．５ｍｍの間隔で配置されている。第１および第２のロールは、正転あるいは逆転で回転する。図示の例では、第１のロール１０および第２のロール２０は、矢印で示す方向に回転している。第１のロール１０の表面速度をＶ１、第２のロール２０の表面速度をＶ２とすると、両者の表面速度比（Ｖ１／Ｖ２）は、１．０５ないし３．００であることが好ましい。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。まず、第１，第２のロール１０，２０が回転した状態で、第２のロール２０に、エラストマー３０を巻き付けると、ロール１０，２０間にエラストマーがたまった、いわゆるバンク３２が形成される。
【００４３】
ついで、このエラストマー３０がたまったバンク３２内に充填用粒子４０を加えて、第１、第２のロール１０，２０を回転させる。さらに、第１，第２ロール１０，２０の間隔を狭めて前述した間隔ｄとし、この状態で第１，第２ロール１０，２０を上記所定の表面速度比で回転させる。これにより、エラストマー３０に高い剪断力が作用し、この剪断力によって凝集していた充填用粒子が相互に分離し、エラストマー３０に分散される。
【００４４】
なお、エラストマーに充填用粒子を剪断力によって分散させる工程（ａ）は、できるだけ高い剪断力で混練されることが望ましい。この工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、エラストマーと充填用粒子との混合は、好ましくは０ないし５０℃、より好ましくは５ないし３０℃の比較的低い温度で行われる。オープンロール法を用いた場合には、ロールの温度を上記の温度に設定することが望ましい。
【００４５】
このとき、本実施の形態において、分子長が適度に長く、分子運動性の高いエラストマーが充填用粒子の相互に侵入し、エラストマーと充填用粒子との混合物に強い剪断力が作用すると、エラストマーの移動に伴って充填用粒子も移動し、凝集していた充填用粒子が分離されて、エラストマー中に分散されることになる。そして、複合材料中の充填用粒子は、良好な分散安定性を有することができる。
【００４６】
エラストマーに充填用粒子を剪断力によって分散させる工程（ａ）は、上記オープンロール法（ａ−１）に限定されず、上記した密閉式混練法（ａ−２）あるいは多軸押出し混練法（ａ−３）を用いることもできる。要するに、この工程では、凝集した充填用粒子を分離できる剪断力をエラストマーに与えることができればよい。
【００４７】
上述したエラストマーに充填用粒子を分散させて両者を混合させる工程（混合・分散工程）によって得られた複合材料は、架橋剤によって架橋させて所望形状に成形するか、もしくは架橋させずに成形することができる。このようにして得られた複合材料は、工程（ｂ）によって複合金属材料を得ることができる。
【００４８】
エラストマーと充填用粒子との混合・分散工程において、あるいは続いて、通常、ゴムなどのエラストマーの加工で用いられる配合剤を加えることができる。配合剤としては公知のものを用いることができる。配合剤としては、例えば、架橋剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤などを挙げることができる。
【００４９】
（Ｄ）次に、複合金属材料を得る工程（ｂ）について説明する。
【００５０】
複合金属材料を得る工程（ｂ）は、上記実施の形態で得られた複合材料を用いて、例えば、以下のような各種の成形方法を採用することができる。
（ｂ−１）前記複合材料を粉末成形する方法、
（ｂ−２）前記複合材料と流体状態の前記金属とを混合した後、固化する方法、
（ｂ−３）前記複合材料に、前記金属の溶湯を浸透させて前記エラストマーを前記金属の溶湯と置換する方法、などが挙げられる。
【００５１】
例えば、（ｂ−１）としては、上記実施の形態で得られた複合材料をそのまま、もしくは冷凍粉砕した複合材料の粒子を、型内で圧縮し、金属の焼結温度（例えばアルミニウムの場合５５０℃）で焼結して複合金属材料を得ることができる。したがって、本実施の形態における粉末成形は、いわゆる粉末冶金を含み、また粉末原料を用いた場合のみならず複合材料のような場合、あらかじめ予備圧縮成形を施してブロック状とした原料をも含む。
【００５２】
また、例えば冷凍粉砕された上記実施の形態で得られた複合材料の粒子と複合金属材料のマトリクスとなる他の金属の粒子とを混合（例えばドライブレンドや湿式混合など）した後、同様にして焼結法によって複合金属材料を焼成することができる。
【００５３】
さらに、冷凍粉砕した複合材料の粒子と、他の金属の粒子と、を混合、例えばドライブレンドした後、型内で圧縮成形された後、焼結法によって複合金属材料を得ることができる。焼結法としては、一般的な焼結法の他、プラズマ焼結装置を用いた放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ）などを採用することができる。
【００５４】
あるいは同様に他の金属の粒子と該複合材料の粒子とを混合（例えばドライブレンド）した後、粉末鍛造法や粉末射出法などによって複合金属材料を得ることもできる。このような粉末成形によって製造された複合金属材料は、充填用粒子を金属材料中に分散させることができる。この工程で用いられる他の金属の粒子は、複合金属材料を得るために用いられた金属の粒子と同じ材質が好ましいが、粒子の大きさは粉末成形によって得られる複合材料の用途などによって適宜選択することができる。
【００５５】
また、例えば（ｂ−２）としては、上記実施の形態で得られた複合材料と流体状態の金属（金属溶湯）とを混合した後、固化して複合金属材料を得ることができる。このような鋳造工程は、まず、複合材料と金属溶湯との混合が行われる。坩堝に金属例えばアルミニウムを溶解（６５０〜８００℃）し、さらに溶解したアルミニウムを攪拌しながら複合材料を坩堝に投入し、混合する。このとき、攪拌は、一方向の回転でもよいが、３方向（３次元）に攪拌することで混合の効果は高くなる。空気雰囲気もしくは不活性雰囲気中で混合されたアルミニウム溶湯は、例えば鋼製の鋳型内に金属溶湯を注湯して行う金型鋳造法、ダイカスト法、低圧鋳造法を採用することができる。またその他特殊鋳造法に分類される、高圧化で凝固させる高圧鋳造法（スクイズカスティング）、溶湯を攪拌するチクソカスティング、遠心力で溶湯を鋳型内へ鋳込む遠心鋳造法などを採用することができる。これらの鋳造法においては、金属溶湯の中に複合材料を混合させたまま鋳型内で凝固させ、所望の形状を有する複合金属材料を成形する。
【００５６】
例えば、チクソカスティングにおいては、７００〜８００℃でアルミニウムを溶解した後、攪拌しながら温度を下げて４００〜６００℃でチクソトロピー状態を得て、その状態で複合材料を混合することが好ましい。チクソトロピー状態においては、粘度が大きくなるので、均一な分散を可能とする。これらの鋳造工程では、不活性雰囲気例えば窒素雰囲気中、窒素に少量の水素ガスを加えた弱還元雰囲気中、あるいは減圧した真空下で行うと、金属溶湯（例えば、アルミニウム溶湯）の酸化が防止され、より充填用粒子との濡れ性がよくなるので望ましい。なお、この鋳造工程において、複合材料のエラストマーは、金属溶湯の熱によって分解され、除去される。
【００５７】
さらに、このような製造方法よって得られた複合金属材料を、例えばインゴットとして用いて、鋳造法、粉末鍛造法、粉末押出成形法、あるいは粉末射出成形法によって所望の形態に成形することもできる。
【００５８】
このような鋳造工程によって製造された複合金属材料は、充填用粒子を金属材料中に分散させることができる。
【００５９】
また、本実施の形態では、上記実施の形態で得られた複合材料に溶湯を浸透させるいわゆる非加圧浸透法を用いて鋳造する工程（ｂ−３）について、図２及び図３を用いて詳細に説明する。
【００６０】
図２及び図３は、非加圧浸透法によって複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。上記実施の形態で得られた複合材料は、例えば最終製品の形状を有する成形金型内で圧縮成形された複合材料４を使用することができる。複合材料４は、架橋されていないことが好ましい。架橋されていないことで、金属溶湯の浸透速度が速くなるためである。図２において、密閉された容器１内には、複合材料４、例えば架橋されていないエラストマー３０に充填用粒子４０が混入された複合材料４が入れられる。複合材料４は、図２の拡大図に示すようにエラストマー３０のマトリクス中に充填用粒子４０が分散された状態で成形されている。その複合材料４の上方に金属塊例えばアルミニウム塊５を配置される。次に、容器１に内蔵された図示せぬ加熱手段によって、容器１内に配置された複合材料４及びアルミニウム塊５をアルミニウムの融点以上に加熱する。加熱されたアルミニウム塊５は、溶融してアルミニウム溶湯（金属溶湯）となる。また、アルミニウム溶湯に接触した複合材料４中のエラストマー３０は、分解されて気化し、エラストマー３０が分解されてできた空所にアルミニウム溶湯（金属溶湯）が浸透する。
【００６１】
本実施の態様の複合材料４としては、エラストマー３０が分解されてできた空所が毛細管現象によってアルミニウム溶湯をより早く全体に浸透させることができる。アルミニウム溶湯は、還元されることでエラストマー３０内に毛細管現象によって浸透し複合材料の内部まで完全にアルミニウム溶湯が満たされる。
【００６２】
そして、容器１の加熱手段による加熱を停止させ、複合材料４中に浸透した金属溶湯を冷却・凝固させ、図３に示すような充填用粒子４０が均一に分散された複合金属材料６を得ることができる。
【００６３】
また、図２において、容器１を加熱する前に、容器１の室内を容器１に接続された減圧手段２例えば真空ポンプによって脱気してもよい。さらに、容器１に接続された不活性ガス注入手段３例えば窒素ガスボンベから窒素ガスを容器１内に導入してもよい。
【００６４】
金属溶湯にアルミニウムを用いた場合、アルミニウム塊５の表面は酸化物で覆われているが、アルミニウム溶湯を浸透させたときに、熱分解されたエラストマーの分子先端はラジカルになり、そのラジカルによってアルミニウム溶湯の表面にある酸化物（アルミナ）を還元すると考えられる。したがって、本実施の形態においては、複合材料に含まれるエラストマーの分解によって内部まで還元雰囲気を生成させることができるので、従来のように還元雰囲気の処理室を用意しなくても非加圧浸透法による鋳造を実施できる。また、複合材料中にあらかじめ還元剤としてマグネシウム粒子を混入させておくことによって、還元作用を促進することもできる。
【００６５】
また、アルミニウム溶湯の浸透によって分解されたエラストマー分子のラジカルによって充填用粒子の表面が活性化して、アルミニウム溶湯との濡れ性が向上する。このようにして得られた複合金属材料は、アルミニウムのマトリックス内に均一に分散した充填用粒子を有する。
【００６６】
さらに、上記実施の形態においては、非加圧浸透法について説明したが、浸透法であればこれに限らず例えば不活性ガス雰囲気の圧によって加圧する加圧浸透法を用いることもできる。
【００６７】
なお、上記実施の形態のような浸透法によれば、複合材料中のエラストマーが金属材料に置換されるため、他の鋳造法に比べ、充填用粒子の分散状態が均一であり比較的有利である。
【００６８】
これら工程（ｂ）に用いる金属は、通常の粉末成形・鋳造加工に用いられる金属例えば鉄及びその合金、アルミニウム及びその合金、チタン及びその合金、マグネシウム及びその合金、銅及びその合金、亜鉛及びその合金などから用途に合わせて単独でもしくは組み合わせて適宜選択することができる。
【実施例】
【００６９】
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７０】
（ａ）未架橋の複合材料の作製
第１の工程：ロール径が６インチのオープンロール（ロール温度１０〜２０℃）に、表１に示す所定量（１００ｇ）のエラストマー（１００重量部（ｐｈｒ））を投入して、ロールに巻き付かせた。エラストマーは、分子量３００万の天然ゴム（ＮＲ）を用いた。
【００７１】
第２の工程：エラストマーに対して表１に示す量（重量部）の充填用粒子をエラストマーに投入した。このとき、ロール間隙を１．５ｍｍとした。充填用粒子は、アルミナ（平均粒径３８μｍ）、ＳｉＣ（平均粒径４５μｍ）、タングステン（平均粒径１５０μｍ）を用いた。
【００７２】
第３の工程：充填用粒子を投入し終わったら、エラストマーと充填用粒子との混合物をロールから取り出した。
【００７３】
第４の工程：ロール間隙を１．５ｍｍから０．３ｍｍと狭くして、混合物をオープンロールに投入して薄通しをした。このとき、２本のロールの表面速度比を１．１とした。薄通しは繰り返し１０回行った。
【００７４】
第５の工程：ロールを所定の間隙（１．１ｍｍ）にセットして、薄通しした混合物を投入し、分出しした。
【００７５】
このようにして、実施例１〜３の未架橋の複合材料を得た。
【００７６】
（ｂ）複合金属材料の作製
前述の（ａ）で得られた未架橋の複合材料を容器（炉）内に配置させ、アルミニウム塊（地金）をその上に置き、不活性ガス（窒素）雰囲気中でアルミニウムの融点まで加熱した。アルミニウム塊は溶融し、アルミニウム溶湯となり、複合材料のエラストマーと置換するように金属溶湯が浸透した。アルミニウムの溶湯を浸透させた後、これを自然放冷して凝固させ、実施例１〜３の複合金属材料を得た。
【００７７】
また、比較例１として、アルミニウム溶湯に充填用粒子を表１に示す量投入し、攪拌後、鋳造した複合金属材料サンプルを用いた。
【００７８】
さらに、比較例２としてアルミニウム単体を用いた。
【００７９】
なお、実施例１〜３及び比較例１，２におけるアルミニウム塊には、アルミニウム合金ＡＣ３Ｃを用いた。
【００８０】
（ｃ）引っ張り強さの測定
実施例１〜３及び比較例１、２の複合金属材料サンプルをそれぞれ１０サンプルずつ引張試験を行い、引っ張り強さの最大値、最小値及び平均値を求めた。その結果を表１に示す。
【００８１】
【表１】
2005213577.tif 000003
【００８２】
表１の結果から、比較例１はサンプルごとに引っ張り強さのばらつきがあることがわかり、実施例１〜３は引っ張り強さのばらつきが少ないことがわかった。
【００８３】
以上のことから、本発明によれば、一般に基材への分散が難しい充填用粒子が金属のマトリクス中に均一に分散されることが明かとなった。
【００８４】
また、表１の結果から、比較例２に比べ、実施例１〜３は引っ張り強さが大きいことがわかった。
【００８５】
以上のことから、本発明によれば、複合金属材料が金属単体よりも強度が向上したことが明かとなった。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本実施の形態で用いたオープンロール法によるエラストマーと充填用粒子との混練法を模式的に示す図である。
【図２】非加圧浸透法によって複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。
【図３】非加圧浸透法によって複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８７】
１  容器
２  減圧手段
３  注入手段
４  複合材料
５  アルミニウム塊
６  複合金属材料
１０  第１のロール
２０  第２のロール
３０  エラストマー
４０  充填用粒子
【図１】
2005213577.tif 000004
【図２】
2005213577.tif 000005
【図３】
2005213577.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年2月1日(2005.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合金属材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セラミックスなどを強化材とする複合金属材料が注目されている。このような複合金属材料として、例えばアルミニウム基複合材料が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。また、充填剤としては、その形態によって粒子状の充填剤（以下、充填用粒子という）と繊維状の充填剤とが用いられている。
【０００３】
このように、セラミック等を強化材とする複合金属材料については、これまでにも提案がなされてきたが、金属マトリクス中での充填用粒子の分散性には改善の余地が残されていた。複合金属材料における複合化性能は、マトリクス金属と強化材との濡れ性と、マトリクス金属中における強化材の分散性とによって影響を受けることが知られている。
【特許文献１】特開２００２−１１５０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、マトリクス金属中における充填用粒子の分散性を改善した複合金属材料およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる複合金属材料の製造方法は、エラストマーと充填用粒子とを混合し、複合材料を得る工程（ａ）と、
前記複合材料と金属とを混合し、該金属中に前記充填用粒子が均一に分散した複合金属材料を得る工程（ｂ）と、
を含む。
【０００６】
本発明の製造方法によれば、エラストマーと充填用粒子とを混合することで、エラストマー中に充填用粒子が均一に分散した複合材料を得ることができ、この複合材料を用いることで、充填用粒子が金属中に均一に分散した複合金属材料を製造することができる。また、このようにして得られた本発明の複合金属材料は、充填用粒子の分散性が改善され、全体に均一な複合化性能、例えば強度向上や耐摩耗性の向上等の特性を持つ優れた材料となる。
【０００７】
また、本発明にかかる複合金属材料の製造方法において、前記工程（ｂ）は、前記複合材料と前記金属とを混合する際に、前記複合材料の前記エラストマーを分解して除去することができる。
【０００８】
このように、複合金属材料の組成物として不要なエラストマーを分解して除去することができる。
【０００９】
また、本発明にかかる複合金属材料の製造方法において、前記工程（ａ）は、前記エラストマーに、前記充填用粒子を混合させ、かつ剪断力によって分散させることができる。
【００１０】
このように工程（ａ）が行われることで、比較的容易に充填用粒子をエラストマー中に分散させることができる。また、このように、前記複合材料を得る工程（ａ）は、
（ａ−１）ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール法、
（ａ−２）ロータ間隙が１ｍｍ以下の密閉式混練法、
（ａ−３）スクリュー間隙が０．３ｍｍ以下の多軸押出し混練法、などを用いて行うことができる。
【００１１】
また、本発明にかかる複合金属材料の製造方法において、前記工程（ｂ）は、
（ｂ−１）前記複合材料を粉末成形する方法、
（ｂ−２）前記複合材料と流体状態の前記金属とを混合した後、固化する方法、
（ｂ−３）前記複合材料に、前記金属の溶湯を浸透させて前記エラストマーを前記金属の溶湯と置換する方法、などを用いて行うことができる。
【００１２】
さらに、本発明に用いられる充填用粒子は、金属系充填用粒子または非金属系充填用粒子とすることができる。また非金属系充填用粒子は、セラミックス系充填用粒子とすることができる。
【００１３】
金属系充填用粒子は、マトリクスとなる金属と同じ金属またはその合金、あるいはマトリクスとなる金属と比較的濡れ性のよい金属とすることができるため、所望の複合化性能を得ることができる。また、非金属系充填用粒子、特にセラミックス系充填用粒子は、耐熱性、耐摩耗性、絶縁性等に優れているため、複合金属材料として、好ましい特性を得ることができる。
【００１４】
また、本発明に用いられる金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金とすることができる。
【００１５】
このように、アルミニウムまたはアルミニウム合金とすることで、複合金属材料の軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
本発明にかかる複合金属材料は、金属材料中に均一に分散した充填用粒子を有する。
【００１８】
本実施の形態にかかる複合金属材料の製造方法は、エラストマーと充填用粒子とを混合し、複合材料を得る工程（ａ）と、前記複合材料と金属とを混合し、該金属中に前記充填用粒子が均一に分散した複合金属材料を得る工程（ｂ）と、を含む。
【００１９】
また、本発明にかかる複合金属材料の製造方法において、前記工程（ｂ）は、前記複合材料と前記金属とを混合する際に、前記複合材料の前記エラストマーを分解して除去することができる。
【００２０】
さらに、本発明にかかる複合金属材料の製造方法において、前記工程（ａ）は、前記エラストマーに、前記充填用粒子を混合させ、かつ剪断力によって分散させることができる。
【００２１】
（Ａ）  まず、充填用粒子について説明する。
【００２２】
本発明に用いられる充填用粒子としては、セラミックス系充填用粒子などの非金属粒子、金属系充填用粒子、またはこれらを組み合わせて用いることができる。セラミックス系充填用粒子は、耐熱性、耐摩耗性、絶縁性等に優れている。
【００２３】
非金属系充填用粒子としては、有機系充填材、セラミックス系充填用粒子などがある。有機系充填材としては、例えばポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン及びこれらの混合物などを用いることができる。セラミックス系充填用粒子としては、例えばアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化マグネシウム及びこれらの混合物などを用いることができる。
【００２４】
金属系充填用粒子としては、例えばクロム、銅、鉄、ニッケルなどを用いることができる。
【００２５】
また、充填用粒子としては、複合金属材料の強度を向上させるためには平均粒径が１ｎｍないし３００μｍであることが好ましく、さらに好ましくは１００ｎｍないし５０μｍである。充填用粒子の配合量は、特に限定されず、用途に応じて設定できるが、例えば複合金属材料に用いる金属材料に対して１〜５０ｖｏｌ％であることが望ましい。充填用粒子の配合量が、１ｖｏｌ％未満であると複合材料としての効果が得られず、５０ｖｏｌ％を超えると加工が困難となる。また、充填用粒子の形状は、球形粒状に限らず、平板状、りん片状であってもよい。
【００２６】
また、金属系充填用粒子としては、工程（ｂ）においてマトリクスとなる金属と同じ金属及びその合金を用いることができる。金属との混合工程（ｂ）で非加圧浸透法を用いる場合には、充填用粒子の量は、エラストマー１００重量部に対して、１０〜３０００重量部、好ましくは１００〜１０００重量部である。充填用粒子が１０重量部以下であると、毛細管現象が小さく、金属溶湯の浸透速度が遅いので、生産性及びコスト面で採用が難しい。また、金属粒子及びセラミックス粒子が３０００重量部以上であると、複合材料を製造する際に、エラストマーへ含浸させにくくなる。
【００２７】
本実施の形態の充填用粒子は、エラストマーと混合して複合材料を製造し、その複合材料を複合金属材料を製造する際の原料として用いる。
【００２８】
充填用粒子は、エラストマーもしくは金属材料と混合される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。
【００２９】
（Ｂ）  工程（ａ）で用いられるエラストマーについて説明する。
【００３０】
充填用粒子は凝集し易く、金属材料中に分散しにくいため、まずエラストマーに充填用粒子を混合することでエラストマー中に分散させた複合材料を製造する。エラストマーは、分子量が好ましくは５０００ないし５００万、さらに好ましくは２万ないし３００万のものが用いられる。エラストマーの分子量がこの範囲であると、エラストマー分子が互いに絡み合い、相互につながっているので、エラストマーは、凝集した充填用粒子の相互に侵入しやすく、したがって充填用粒子同士を分離する効果が大きい。エラストマーの分子量が５０００より小さいと、エラストマー分子が相互に充分に絡み合うことができず、後の工程で剪断力をかけても充填用粒子を分散させる効果が小さくなる。また、エラストマーの分子量が５００万より大きいと、エラストマーが固くなりすぎて加工が困難となる。
【００３１】
エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって、３０℃で測定した、未架橋体におけるネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）が好ましくは１００ないし３０００μ秒、より好ましくは２００ないし１０００μ秒である。上記範囲のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）を有することにより、エラストマーは、柔軟で充分に高い分子運動性を有することができる。このことにより、エラストマーと充填用粒子とを混合したときに、エラストマーは高い分子運動により充填用粒子相互の隙間に容易に侵入することができる。スピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）が１００μ秒より短いと、エラストマーが充分な分子運動性を有することができない。また、スピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）が３０００μ秒より長いと、エラストマーが液体のように流れやすくなり、充填用粒子を分散させることが困難となる。
【００３２】
また、エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって３０℃で測定した、架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）が１００ないし２０００μ秒であることが好ましい。その理由は、上述した未架橋体と同様である。すなわち、上記の条件を有する未架橋体を本発明の製造方法によって架橋化すると、得られる架橋体のＴ２ｎはおおよそ上記範囲に含まれる。
【００３３】
パルス法ＮＭＲを用いたハーンエコー法によって得られるスピン−スピン緩和時間は、物質の分子運動性を表す尺度である。具体的には、パルス法ＮＭＲを用いたハーンエコー法によりエラストマーのスピン−スピン緩和時間を測定すると、緩和時間の短い第１のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）を有する第１の成分と、緩和時間のより長い第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）を有する第２の成分とが検出される。第１の成分は高分子のネットワーク成分（骨格分子）に相当し、第２の成分は高分子の非ネットワーク成分（末端鎖などの枝葉の成分）に相当する。そして、第１のスピン−スピン緩和時間が短いほど分子運動性が低く、エラストマーは固いといえる。また、第１のスピン−スピン緩和時間が長いほど分子運動性が高く、エラストマーは柔らかいといえる。
【００３４】
パルス法ＮＭＲにおける測定法としては、ハーンエコー法でなくてもソリッドエコー法、ＣＰＭＧ法（カー・パーセル・メイブーム・ギル法）あるいは９０゜パルス法でも適用できる。ただし、本発明にかかる複合材料は中程度のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２）を有するので、ハーンエコー法が最も適している。一般的に、ソリッドエコー法および９０゜パルス法は、短いＴ２の測定に適し、ハーンエコー法は、中程度のＴ２の測定に適し、ＣＰＭＧ法は、長いＴ２の測定に適している。
【００３５】
エラストマーは、主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、不飽和結合または基として、二重結合、三重結合、α水素、カルボニル基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、ニトリル基、ケトン基、アミド基、エポキシ基、エステル基、ビニル基、ハロゲン基、ウレタン基、ビューレット基、アロファネート基および尿素基などの官能基から選択される少なくともひとつであることができる。
【００３６】
エラストマーとしては、天然ゴム（ＮＲ）、エポキシ化天然ゴム（ＥＮＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ，ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、クロロブチルゴム（ＣＩＩＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、エポキシ化ブタジエンゴム（ＥＢＲ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＣＥＯ）、ウレタンゴム（Ｕ）、ポリスルフィドゴム（Ｔ）などのエラストマー類；オレフィン系（ＴＰＯ）、ポリ塩化ビニル系（ＴＰＶＣ）、ポリエステル系（ＴＰＥＥ）、ポリウレタン系（ＴＰＵ）、ポリアミド系（ＴＰＥＡ）、スチレン系（ＳＢＳ）、などの熱可塑性エラストマー；およびこれらの混合物を用いることができる。
【００３７】
充填用粒子は、通常凝集しやすく、媒体に分散しにくい性質を有する。しかし、本実施の形態の複合材料を金属の複合材料の原料として用いると、充填用粒子がエラストマーに既に分散した状態で存在するので、この原料と金属などの媒体とを混合することで充填用粒子を媒体に容易に分散することができる。
【００３８】
（Ｃ）  次に、充填用粒子とエラストマーとを混合して複合材料を得る工程（ａ）について説明する。
【００３９】
複合材料を得る工程（ａ）は、上述した充填用粒子及びエラストマーを用いて、例えば、以下のような方法を採用することができる。
（ａ−１）ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール法、
（ａ−２）ロータ間隙が１ｍｍ以下の密閉式混練法、
（ａ−３）スクリュー間隙が０．３ｍｍ以下の多軸押出し混練法、などが挙げられる。
【００４０】
本実施の形態では、複合材料を得る工程（ａ）として、ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール法（ａ−１）を用いた例について述べる。
【００４１】
充填用粒子は分散させにくいため、エラストマーは、例えば、上記（Ｂ）で述べたような特徴を有することが望ましい。
【００４２】
図１は、２本のロールを用いたオープンロール法を模式的に示す図である。図１において、符号１０は第１のロールを示し、符号２０は第２のロールを示す。第１のロール１０と第２のロール２０とは、所定の間隔ｄ、好ましくは１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．１ないし０．５ｍｍの間隔で配置されている。第１および第２のロールは、正転あるいは逆転で回転する。図示の例では、第１のロール１０および第２のロール２０は、矢印で示す方向に回転している。第１のロール１０の表面速度をＶ１、第２のロール２０の表面速度をＶ２とすると、両者の表面速度比（Ｖ１／Ｖ２）は、１．０５ないし３．００であることが好ましい。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。まず、第１，第２のロール１０，２０が回転した状態で、第２のロール２０に、エラストマー３０を巻き付けると、ロール１０，２０間にエラストマーがたまった、いわゆるバンク３２が形成される。
【００４３】
ついで、このエラストマー３０がたまったバンク３２内に充填用粒子４０を加えて、第１、第２のロール１０，２０を回転させる。さらに、第１，第２ロール１０，２０の間隔を狭めて前述した間隔ｄとし、この状態で第１，第２ロール１０，２０を上記所定の表面速度比で回転させる。これにより、エラストマー３０に高い剪断力が作用し、この剪断力によって凝集していた充填用粒子が相互に分離し、エラストマー３０に分散される。
【００４４】
なお、複合材料を得る工程（ａ）は、できるだけ高い剪断力で混練されることが望ましい。この工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、エラストマーと充填用粒子との混合は、好ましくは０ないし５０℃、より好ましくは５ないし３０℃の比較的低い温度で行われる。オープンロール法を用いた場合には、ロールの温度を上記の温度に設定することが望ましい。
【００４５】
このとき、本実施の形態において、分子長が適度に長く、分子運動性の高いエラストマーが充填用粒子の相互に侵入し、エラストマーと充填用粒子との混合物に強い剪断力が作用すると、エラストマーの移動に伴って充填用粒子も移動し、凝集していた充填用粒子が分離されて、エラストマー中に分散されることになる。そして、複合材料中の充填用粒子は、良好な分散安定性を有することができる。
【００４６】
複合材料を得る工程（ａ）は、上記オープンロール法（ａ−１）に限定されず、上記した密閉式混練法（ａ−２）あるいは多軸押出し混練法（ａ−３）を用いることもできる。要するに、この工程では、凝集した充填用粒子を分離できる剪断力をエラストマーに与えることができればよい。
【００４７】
上述したエラストマーに充填用粒子を分散させて両者を混合させる工程（混合・分散工程）によって得られた複合材料は、架橋剤によって架橋させて所望形状に成形するか、もしくは架橋させずに成形することができる。このようにして得られた複合材料は、工程（ｂ）によって複合金属材料を得ることができる。
【００４８】
エラストマーと充填用粒子との混合・分散工程において、あるいは続いて、通常、ゴムなどのエラストマーの加工で用いられる配合剤を加えることができる。配合剤としては公知のものを用いることができる。配合剤としては、例えば、架橋剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤などを挙げることができる。
【００４９】
（Ｄ）次に、複合金属材料を得る工程（ｂ）について説明する。
【００５０】
複合金属材料を得る工程（ｂ）は、上記複合材料を得る工程（ａ）で得られた複合材料を用いて、例えば、以下のような各種の成形方法を採用することができる。
（ｂ−１）前記複合材料を粉末成形する方法、
（ｂ−２）前記複合材料と流体状態の前記金属とを混合した後、固化する方法、
（ｂ−３）前記複合材料に、前記金属の溶湯を浸透させて前記エラストマーを前記金属の溶湯と置換する方法、などが挙げられる。
【００５１】
例えば、（ｂ−１）としては、上記複合材料を得る工程（ａ）で得られた複合材料をそのまま、もしくは冷凍粉砕した複合材料の粒子を、型内で圧縮し、金属の焼結温度（例えばアルミニウムの場合５５０℃）で焼結して複合金属材料を得ることができる。したがって、本実施の形態における粉末成形は、いわゆる粉末冶金を含み、また粉末原料を用いた場合のみならず複合材料のような場合、あらかじめ予備圧縮成形を施してブロック状とした原料をも含む。
【００５２】
また、例えば冷凍粉砕された上記複合材料を得る工程（ａ）で得られた複合材料の粒子と複合金属材料のマトリクスとなる他の金属の粒子とを混合（例えばドライブレンドや湿式混合など）した後、同様にして焼結法によって複合金属材料を焼成することができる。
【００５３】
さらに、冷凍粉砕した複合材料の粒子と、他の金属の粒子と、を混合、例えばドライブレンドした後、型内で圧縮成形された後、焼結法によって複合金属材料を得ることができる。焼結法としては、一般的な焼結法の他、プラズマ焼結装置を用いた放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ）などを採用することができる。
【００５４】
あるいは同様に他の金属の粒子と該複合材料の粒子とを混合（例えばドライブレンド）した後、粉末鍛造法や粉末射出法などによって複合金属材料を得ることもできる。このような粉末成形によって製造された複合金属材料は、充填用粒子を金属材料中に分散させることができる。この工程で用いられる他の金属の粒子は、複合金属材料を得るために用いられた金属の粒子と同じ材質が好ましいが、粒子の大きさは粉末成形によって得られる複合材料の用途などによって適宜選択することができる。
【００５５】
また、例えば（ｂ−２）としては、上記複合材料を得る工程（ａ）で得られた複合材料と流体状態の金属（金属溶湯）とを混合した後、固化して複合金属材料を得ることができる。このような鋳造工程は、まず、複合材料と金属溶湯との混合が行われる。坩堝に金属例えばアルミニウムを溶解（６５０〜８００℃）し、さらに溶解したアルミニウムを攪拌しながら複合材料を坩堝に投入し、混合する。このとき、攪拌は、一方向の回転でもよいが、３方向（３次元）に攪拌することで混合の効果は高くなる。空気雰囲気もしくは不活性雰囲気中で混合されたアルミニウム溶湯の鋳造は、例えば鋼製の鋳型内に金属溶湯を注湯して行う金型鋳造法、ダイカスト法、低圧鋳造法を採用することができる。またその他特殊鋳造法に分類される、高圧化で凝固させる高圧鋳造法（スクイズカスティング）、溶湯を攪拌するチクソカスティング、遠心力で溶湯を鋳型内へ鋳込む遠心鋳造法などを採用することができる。これらの鋳造法においては、金属溶湯の中に複合材料を混合させたまま鋳型内で凝固させ、所望の形状を有する複合金属材料を成形する。
【００５６】
例えば、チクソカスティングにおいては、７００〜８００℃でアルミニウムを溶解した後、攪拌しながら温度を下げて４００〜６００℃でチクソトロピー状態を得て、その状態で複合材料を混合することが好ましい。チクソトロピー状態においては、粘度が大きくなるので、均一な分散を可能とする。これらの鋳造工程では、不活性雰囲気例えば窒素雰囲気中、窒素に少量の水素ガスを加えた弱還元雰囲気中、あるいは減圧した真空下で行うと、金属溶湯（例えば、アルミニウム溶湯）の酸化が防止され、より充填用粒子との濡れ性がよくなるので望ましい。なお、この鋳造工程において、複合材料のエラストマーは、金属溶湯の熱によって分解され、除去される。
【００５７】
さらに、このような製造方法よって得られた複合金属材料を、例えばインゴットとして用いて、鋳造法、粉末鍛造法、粉末押出成形法、あるいは粉末射出成形法によって所望の形態に成形することもできる。
【００５８】
このような鋳造工程によって製造された複合金属材料は、充填用粒子を金属材料中に分散させることができる。
【００５９】
また、本実施の形態では、上記複合材料を得る工程（ａ）で得られた複合材料に溶湯を浸透させるいわゆる非加圧浸透法を用いて鋳造する工程（ｂ−３）について、図２及び図３を用いて詳細に説明する。
【００６０】
図２及び図３は、非加圧浸透法によって複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。上記複合材料を得る工程（ａ）で得られた複合材料は、例えば最終製品の形状を有する成形金型内で圧縮成形された複合材料４を使用することができる。複合材料４は、架橋されていないことが好ましい。架橋されていないことで、金属溶湯の浸透速度が速くなるためである。図２において、密閉された容器１内には、複合材料４、例えば架橋されていないエラストマー３０に充填用粒子４０が混入された複合材料４が入れられる。複合材料４は、図２の拡大図に示すようにエラストマー３０のマトリクス中に充填用粒子４０が分散された状態で成形されている。その複合材料４の上方に金属塊例えばアルミニウム塊５を配置される。次に、容器１に内蔵された図示せぬ加熱手段によって、容器１内に配置された複合材料４及びアルミニウム塊５をアルミニウムの融点以上に加熱する。加熱されたアルミニウム塊５は、溶融してアルミニウム溶湯（金属溶湯）となる。また、アルミニウム溶湯に接触した複合材料４中のエラストマー３０は、分解されて気化し、エラストマー３０が分解されてできた空所にアルミニウム溶湯（金属溶湯）が浸透する。
【００６１】
本実施の態様の複合材料４としては、エラストマー３０が分解されてできた空所が毛細管現象によってアルミニウム溶湯をより早く全体に浸透させることができる。アルミニウム溶湯は、還元されることでエラストマー３０内に毛細管現象によって浸透し複合材料の内部まで完全にアルミニウム溶湯が満たされる。
【００６２】
そして、容器１の加熱手段による加熱を停止させ、複合材料４中に浸透した金属溶湯を冷却・凝固させ、図３に示すような充填用粒子４０が均一に分散された複合金属材料６を得ることができる。
【００６３】
また、図２において、容器１を加熱する前に、容器１の室内を容器１に接続された減圧手段２例えば真空ポンプによって脱気してもよい。さらに、容器１に接続された不活性ガス注入手段３例えば窒素ガスボンベから窒素ガスを容器１内に導入してもよい。
【００６４】
金属溶湯にアルミニウムを用いた場合、アルミニウム塊５の表面は酸化物で覆われているが、アルミニウム溶湯を浸透させたときに、熱分解されたエラストマーの分子先端はラジカルになり、そのラジカルによってアルミニウム溶湯の表面にある酸化物（アルミナ）を還元すると考えられる。したがって、本実施の形態においては、複合材料に含まれるエラストマーの分解によって内部まで還元雰囲気を生成させることができるので、従来のように還元雰囲気の処理室を用意しなくても非加圧浸透法による鋳造を実施できる。また、複合材料中にあらかじめ還元剤としてマグネシウム粒子を混入させておくことによって、還元作用を促進することもできる。
【００６５】
また、アルミニウム溶湯の浸透によって分解されたエラストマー分子のラジカルによって充填用粒子の表面が活性化して、アルミニウム溶湯との濡れ性が向上する。このようにして得られた複合金属材料は、アルミニウムのマトリックス内に均一に分散した充填用粒子を有する。
【００６６】
さらに、上記工程（ｂ−３）においては、非加圧浸透法について説明したが、浸透法であればこれに限らず例えば不活性ガス雰囲気の圧によって加圧する加圧浸透法を用いることもできる。
【００６７】
なお、上記工程（ｂ−３）のような浸透法によれば、複合材料中のエラストマーが金属材料に置換されるため、他の鋳造法に比べ、充填用粒子の分散状態が均一であり比較的有利である。
【００６８】
これら工程（ｂ）に用いる金属は、通常の粉末成形・鋳造加工に用いられる金属例えば鉄及びその合金、アルミニウム及びその合金、チタン及びその合金、マグネシウム及びその合金、銅及びその合金、亜鉛及びその合金などから用途に合わせて単独でもしくは組み合わせて適宜選択することができる。
【実施例】
【００６９】
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７０】
（ａ）未架橋の複合材料の作製
第１の工程：ロール径が６インチのオープンロール（ロール温度１０〜２０℃）に、表１に示す所定量（１００ｇ）のエラストマー（１００重量部（ｐｈｒ））を投入して、ロールに巻き付かせた。エラストマーは、分子量３００万の天然ゴム（ＮＲ）を用いた。
【００７１】
第２の工程：エラストマーに対して表１に示す量（重量部）の充填用粒子をエラストマーに投入した。このとき、ロール間隙を１．５ｍｍとした。充填用粒子は、アルミナ（平均粒径３８μｍ）、ＳｉＣ（平均粒径４５μｍ）、タングステン（平均粒径１５０μｍ）を用いた。
【００７２】
第３の工程：充填用粒子を投入し終わったら、エラストマーと充填用粒子との混合物をロールから取り出した。
【００７３】
第４の工程：ロール間隙を１．５ｍｍから０．３ｍｍと狭くして、混合物をオープンロールに投入して薄通しをした。このとき、２本のロールの表面速度比を１．１とした。薄通しは繰り返し１０回行った。
【００７４】
第５の工程：ロールを所定の間隙（１．１ｍｍ）にセットして、薄通しした混合物を投入し、分出しした。
【００７５】
このようにして、実施例１〜３の未架橋の複合材料を得た。
【００７６】
（ｂ）複合金属材料の作製
前述の（ａ）で得られた未架橋の複合材料を容器（炉）内に配置させ、アルミニウム塊（地金）をその上に置き、不活性ガス（窒素）雰囲気中でアルミニウムの融点まで加熱した。アルミニウム塊は溶融し、アルミニウム溶湯となり、複合材料のエラストマーと置換するように金属溶湯が浸透した。アルミニウムの溶湯を浸透させた後、これを自然放冷して凝固させ、実施例１〜３の複合金属材料を得た。
【００７７】
また、比較例１として、アルミニウム溶湯に充填用粒子を表１に示す量投入し、攪拌後、鋳造した複合金属材料サンプルを用いた。
【００７８】
さらに、比較例２としてアルミニウム単体を用いた。
【００７９】
なお、実施例１〜３及び比較例１，２におけるアルミニウム塊には、アルミニウム合金ＡＣ３Ｃを用いた。
【００８０】
（ｃ）引っ張り強さの測定
実施例１〜３及び比較例１、２の複合金属材料サンプルをそれぞれ１０サンプルずつ引張試験を行い、引っ張り強さの最大値、最小値及び平均値を求めた。その結果を表１に示す。
【００８１】
【表１】
2005213577.tif 000007
【００８２】
表１の結果から、比較例１はサンプルごとに引っ張り強さのばらつきがあることがわかり、実施例１〜３は引っ張り強さのばらつきが少ないことがわかった。
【００８３】
以上のことから、本発明によれば、一般に基材への分散が難しい充填用粒子が金属のマトリクス中に均一に分散されることが明かとなった。
【００８４】
また、表１の結果から、比較例２に比べ、実施例１〜３は引っ張り強さが大きいことがわかった。
【００８５】
以上のことから、本発明によれば、複合金属材料が金属単体よりも強度が向上したことが明かとなった。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本実施の形態で用いたオープンロール法によるエラストマーと充填用粒子との混練法を模式的に示す図である。
【図２】非加圧浸透法によって複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。
【図３】非加圧浸透法によって複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８７】
１  容器
２  減圧手段
３  注入手段
４  複合材料
５  アルミニウム塊
６  複合金属材料
１０  第１のロール
２０  第２のロール
３０  エラストマー
４０  充填用粒子