(57)【要約】【課題】従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりもはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、かつ、従来の複合材料ではできなかった切削加工を可能とする。また、その加工面にメッキ処理したメッキ処理体は、金属にメッキ処理したメッキ面と同等の均一な平滑性を有するようにする。【解決手段】シリコンと、アルミニウムまたはアルミニウム合金とから構成され、かつ、ヤング率が１００ＧＰａ以上で、室温から４００℃の間での線熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下であるシリコン−アルミニウム複合金属であって、該シリコン−アルミニウム複合金属が、シリコン粉末の体積充填率が５０〜７０％である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の７００〜１０００℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られることを特徴とするシリコン−アルミニウム複合金属。【選択図】            なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンと、アルミニウムまたはアルミニウム合金とから構成され、かつ、ヤング率が１００ＧＰａ以上で、室温から４００℃の間での線熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下であるシリコン−アルミニウム複合金属であって、該シリコン−アルミニウム複合金属が、シリコン粉末の体積充填率が５０〜７０％である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の７００〜１０００℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られることを特徴とするシリコン−アルミニウム複合金属。
【請求項２】
前記充填体または成形体のシリコン粉末の平均粒子径が１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
【請求項３】
前記シリコン粉末が、シリコン粉末１００重量部に対して、０．５〜１０重量部のマグネシウム粉末を含有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
【請求項４】
前記アルミニウム合金が、シリコンを５〜３０質量％含有することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
【請求項５】
前記シリコン−アルミニウム複合金属の切削加工面にメッキ処理を施したことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４記載のシリコン−アルミニウム複合金属のメッキ処理体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン−アルミニウム複合金属およびそのメッキ処理体に関し、特に、高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、しかも金属と同様切削加工が可能なシリコン−アルミニウム複合金属とそのメッキ処理体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウムまたはアルミニウム合金の引張強度は熱処理を施すことで改善することができるが、そのヤング率と線熱膨張係数は、それぞれ８０ＧＰａ程度、２０×１０−６／℃程度と低いヤング率と大きい線熱膨張係数を有している。これを改善するために、より高いヤング率とより小さい線熱膨張係数を有する、例えばシリコンを含有するアルミニウム合金が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
しかし、このアルミニウム合金では、その製造方法が溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金にシリコン粉末を溶かし込み、それを鋳造法により形成する方法であるので、良好な鋳造性を保つためにシリコンの含有率を３０質量％以下に制限する必要があった。
このため、シリコンの含有率が上限の３０質量％であっても、得られたアルミニウム合金のヤング率と線熱膨張係数は、それぞれ８０ＧＰａ程度、１５×１０−６／℃程度となり、ヤング率を高め、かつ、熱膨張係数を小さくさせることができないという問題があった。
【０００４】
そこで、それを解決するために、セラミックスで強化されたセラミックスとアルミニウム合金から成る複合材料が開発され、使用されている。ＳｉＣセラミックスを６２体積％含有するこの複合材料のヤング率と線熱膨張係数は、それぞれ２２６ＧＰａ、７．２×１０−６／℃程度と、前述した従来のシリコンを含有するアルミニウム合金に比べはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有する材料となっている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２００５６５号公報
【非特許文献１】
「セラミックデータブック」，工業製品技術協会（株式会社テクノプラザ），１９９５年９月，ｐ．９５−１０１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この複合材料では、高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有するものの、セラミックスを含む材料であるため極めて硬くなり、切削加工が難しいという課題があった。さらには、セラミックスとアルミニウム合金との性状が違い過ぎるために、研磨などで表面加工してもその表面にわずかな凹凸が生じて、メッキ処理すると、そのメッキ面が均一とならずに色むらが発生するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した従来技術が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりもはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、かつ、従来の複合材料ではできなかった切削加工を可能とすることにある。また、その加工面にメッキ処理したメッキ処理体が、金属にメッキ処理したメッキ面と同等の均一な平滑性を有するようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した本発明の目的は、下記した課題を解決するための手段によって達成される。
【０００９】
即ち本発明は、
（１）シリコンと、アルミニウムまたはアルミニウム合金とから構成され、かつ、ヤング率が１００ＧＰａ以上で、室温から４００℃の間での線熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下であるシリコン−アルミニウム複合金属であって、該シリコン−アルミニウム複合金属が、シリコン粉末の体積充填率が５０〜７０％である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の７００〜１０００℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られることを特徴とするシリコン−アルミニウム複合金属。
（２）前記充填体または成形体のシリコン粉末の平均粒子径が１〜１００μｍであることを特徴とする上記（１）記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
（３）前記シリコン粉末が、シリコン粉末１００重量部に対して、０．５〜１０重量部のマグネシウム粉末を含有することを特徴とする上記（１）または（２）記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
（４）前記アルミニウム合金が、シリコンを５〜３０質量％含有することを特徴とする上記（１）または（２）または（３）記載のシリコン−アルミニウム複合金属。
（５）前記シリコン−アルミニウム複合金属の切削加工面にメッキ処理を施したことを特徴とする上記（１）または（２）または（３）または（４）記載のシリコン−アルミニウム複合金属のメッキ処理体。
以下さらに詳細に説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明では、シリコン粉末の充填率が５０〜７０体積％である充填体または成形体に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中の７００〜１０００℃の温度下で非加圧浸透させることにより得られるシリコン−アルミニウム複合金属を提案している。
この条件範囲で得られたシリコン−アルミニウム複合金属は、１００ＧＰａ以上のヤング率を有し、室温から４００℃の間では１０×１０−６／℃以下の線熱膨張係数を有する。したがって、ヤング率が高いため高剛性であり、かつ、線熱膨張係数が小さいという特長を有している。さらには、構成成分がどちらも金属であるため切削加工が容易であるという特長がある。
【００１１】
すなわち、本発明の複合金属は、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金では達成できなかった高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、加えてセラミックスとアルミニウム合金から成る複合材料が達成できなかった切削加工を可能とすると同時に、メッキ面の平滑性も金属にメッキ処理したメッキ面と同等の均一な平滑性を有する複合金属である。
【００１２】
ここで、本発明で非加圧浸透としたのは、この方法であれば、鋳造法、あるいはダイキャスト法で必要な鋳造性を有しなくても、鋳造法、あるいはダイキャスト法と同じように大型品や複雑形状品などを容易に製造することができることに加えて、シリコンを極めて多く含有させることができることによる。
【００１３】
この非加圧浸透法で製造する条件の内、シリコン粉末の充填率を５０〜７０体積％と限定したのは、ヤング率が大きいシリコン粉末を多くしてヤング率を大きく上げるためである。すなわち、シリコン粉末の充填率が５０体積％未満では、ヤング率が１００ＧＰａ以上とはならず、室温から４００℃の間の線熱膨張係数も１０×１０−６／℃を上回ることとなる。また、シリコン粉末の充填率が７０体積％を越えると成形が困難となる。
【００１４】
また、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透させる温度を７００〜１０００℃とするのは、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を浸透させる温度が７００℃より低いと、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透が悪く、１０００℃より高いと、シリコン粉末が溶融しはじめることで充填体または成形体の形状を維持できなくなるためである。
【００１５】
一方、線熱膨張係数については、線熱膨張係数が小さいシリコンを含有する分以上に線熱膨張係数を小さくすることはできないが、その線熱膨張係数がアルミニウムまたはアルミニウム合金に比べて極めて小さいので、これもシリコン粉末が極めて多く含有することと相俟って、線熱膨張係数も極めて小さくすることができるようになる。
【００１６】
そして、この固体として存在するシリコン粉末が金属であるので、炭化珪素や酸化アルミニウムに代表されるセラミックスに比べて格段に軟らかいため、金属と同様切削加工が可能となり、加えてその存在するシリコン粉末の表面が浸透したアルミニウム合金との反応で合金化しているので、アルミニウム合金とシリコン粉末との界面が連続であってその接合強度も極めて強いため、加工面にメッキ処理したメッキ面も、金属にメッキ処理したメッキ面と同等の平滑性を有することとなる。
【００１７】
充填体または成形体を形成するシリコン粉末の細かさとしては、平均粒径で１〜１００μｍとした（請求項２）。この平均粒径を外れても充填率が５０〜７０体積％の充填体または成形体を形成できれば構わないが、平均粒径を１〜１００μｍの範囲にすると、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透速度の遅延を抑えることができ、また、充填体または成形体の強度の低下を抑えることができるのでより好ましいものとなる。
【００１８】
次に、そのシリコン粉末をシリコン粉末１００質量部に対してマグネシウム粉末を０．５〜１０質量部含有するシリコン粉末とした（請求項３）。シリコン粉末にマグネシウム粉末を含有させなくても構わないが、マグネシウム粉末を０．５〜１０質量部含有させると、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透を格段に早くすることができるのでより好ましいものとなる。
【００１９】
一方、浸透させるアルミニウム合金としては、シリコンを５〜３０質量％含有するアルミニウム合金とした（請求項４）。アルミニウム合金にシリコンを含有させなくても構わないが、シリコンを５〜３０質量％含有させると、ヤング率と線熱膨張係数がより向上するのでより好ましいものとなる。
【００２０】
本発明の製造方法をさらに詳細に述べると、まず充填体または成形体を形成するシリコン粉末を用意し、充填体または成形体に浸透させるアルミニウム合金のインゴットも用意する。必要があれば、シリコン粉末を平均粒径が１〜１００μｍのシリコン粉末とする。用いるシリコン粉末は、純度が９５％以上であればどのような履歴で製造されたシリコン粉末を用いても構わない。シリコンを含有するアルミニウム合金を使う場合には、シリコンを５〜３０質量％含有するアルミニウム合金のインゴットを用意する。
【００２１】
その用意したシリコン粉末で充填率が５０〜７０体積％の充填体または成形体を形成する。シリコン粉末にマグネシウム粉末を含有させる場合には、シリコン粉末にシリコン粉末１００質量部に対してマグネシウム粉末を０．５〜１０質量部加え、それをポットミル等で混合すれば得られる。充填体の形成は、熱処理しても溶解せず、また熱処理した後でもきれいに剥がし取れる容器に充填すれば簡単に形成できる。
成形体の形成は、プレス成形法、射出成形法、鋳込み成形法等の慣用の方法で形成できる。なお、この形成した充填体または成形体は、ほとんど収縮することなく製品となるので、製品形状の充填体または成形体を形成し、それにアルミニウムまたはアルミニウム合金を浸透させれば、そのまま製品となり得る。得られる充填体または成形体の空隙率は、シリコン粉末の充填率が５０〜７０体積％であるので、３０〜５０体積％であり、従って、複合金属中に含有するアルミニウム合金の割合は、３０〜５０体積％の範囲となる。
【００２２】
得られた充填体または成形体に先のインゴットを接触させ、それを加熱して溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を、マグネシウム蒸気を含む窒素雰囲気中で７００〜１０００℃の温度で非加圧で浸透させ、冷却することによりシリコンとアルミニウム合金から成る複合金属が作製される。
【００２３】
以上の方法で製造すれば、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、しかも全体が金属であるために金属と同様切削加工が可能となる。
したがって、本発明による前記シリコン−アルミニウム複合金属の切削加工面にメッキ処理を施せば、本発明のシリコン−アルミニウム複合金属のメッキ処理体が得られる。ここで、メッキ処理は公知の方法が適用化のであり、メッキ面も金属の場合と同等の均一な平滑性を有するシリコンとアルミニウム複合金属のメッキ処理体が得られる。
【００２４】
以下本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００２５】
（実施例１）
（１）シリコンとアルミニウム合金から成る複合金属の作製
市販のＳｉ（シリコン）粉末（平均粒径５μｍ、純度９９％）１００質量部に対して市販のＭｇ（マグネシウム）粉末を２質量部加えてポットミルで２０分間混合し、それを離型効果のあるカーボンシートで作製した１００×１００×１００ｍｍの容器に充填した。その充填体の上にＡｌ−１０Ｓｉ組成のＡｌ（アルミニウム）合金のインゴットを２ｋｇ載せ、これを常圧の窒素雰囲気炉に入れ、それを８００℃の温度で２４時間加熱して溶融したＡｌ合金を充填体に浸透させ、冷却した後、過剰なＡｌ合金を除去して複合金属を作製した。
【００２６】
（２）評価
得られた複合金属の密度をアルキメデス法で求め、シリコン粉末の充填率を求めた。その結果、密度は２．５ｇ／ｃｍ３であったので、シリコン粉末の充填率は５０体積％であった。また、複合金属から３×４×４０ｍｍの試験片をフライス盤により切削加工で切り出し、その試験片で共振法によりヤング率を求め、室温から４００℃までの寸法変化をレーザー干渉計で測定し線熱膨張係数を求めた。その結果、ヤング率は１２０ＧＰａであり、線熱膨張係数は室温で７．２×１０−６／℃で、４００℃で８．０×１０−６／℃であった。
【００２７】
さらに、複合金属から１００×１００×１０ｍｍの試験片をフライス盤により切削加工で切り出し、その試験片の切削面を目視観察した。その結果、従来例である比較例１と同様きれいな切削面であり、容易に切削加工されることが示されていた。そして、その試験片の１００×１００ｍｍの面に無電解ニッケルメッキを施し、メッキ処理体を得た。次に、そのメッキ処理面にラップ加工を施した。その結果、色むらのない鏡面が得られ、これも従来例である比較例１と同等の平滑性を有していた。このことは、本発明の製造方法であれば、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりはるかに高いヤング率と小さい線熱膨張係数を有し、しかも全体が金属であるために金属と同様切削加工を可能とし、メッキ処理したメッキ面も金属の場合と同等の平滑性を有するシリコンとアルミニウム合金から成る複合金属が作製されることを示している。
【００２８】
（比較例１）
比較例１では、シリコンを１２質量％含有させて合金化した市販のアルミニウム合金（４０３２合金）を購入し、そのアルミニウム合金から実施例１と同様３×４×４０ｍｍの試験片を切り出し、ヤング率と線熱膨張係数を求めた。その結果、ヤング率は７８ＧＰａであって１００ＧＰａを大きく下回り、線熱膨張係数も室温で１９×１０−６／℃、４００℃で２５×１０−６／℃となり、１０×１０−６／℃よりはるかに大きかった。また、同じく実施例１と同様１００×１００×１０ｍｍの試験片を切り出し、その切削面とメッキ処理面を目視観察した。その結果、切削面およびメッキ処理面は均一で平滑であった。
【００２９】
（比較例２）
比較例２では、実施例１のシリコン粉末を炭化珪素粉末（平均粒径１８μｍ）に代えて、実施例１と同様にセラミックスを５０体積％含有するセラミックスとアルミニウム合金から成る複合材料を作製した。その複合材料は切削加工ができないために、研削加工した後研磨加工して３×４×４０ｍｍの試験片を作製し、ヤング率と熱膨張係数を求めた。その結果、ヤング率は１８５ＧＰａと実施例１を大きく上回り、熱膨張係数は室温で６×１０−６／℃、４００℃で１０×１０−６／℃となり実施例１と同等であった。また、同じく１００×１００×１０ｍｍの試験片を研削加工した後研磨加工して作製し、その試験片に無電解ニッケルメッキを施し、そのメッキ面にラップ加工を施した。その結果、実施例１よりはるかに平滑性が悪く、色むらが生じ、均一な鏡面は得られなかった。
【００３０】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の製造方法であれば、従来のシリコンを多く含有するアルミニウム合金よりはるかに高いヤング率と小さい熱膨張係数を有し、しかも全体が金属であるために金属と同様切削加工を可能とし、その加工面にメッキ処理したメッキ処理体の面は金属の場合と同等の平滑性を有するシリコンとアルミニウム合金から成る複合金属とすることができるようになった。このことにより、これまで部品として使用できなかった高ヤング率かつ低熱膨張係数を有するアルミニウム合金系から成る精密機械部品や電子部品を安価に大量に作製できるようになった。