(57)【要約】【課題】焼結法と鋳造法とを併用することによって、母材金属と強化材微細粒子とが一体成形された傾斜機能材料の製造方法を提供する。【解決手段】母材金属粉末および強化材微細粒子粉末を混合してこれらの混合粉末を作製し、該混合粉末を円筒形状金型に投入した後に遠心焼結することにより成形体を製造し、製造した前記成形体を前記円筒形状金型から取り出した後に鋳造用鋳型に入れ、前記鋳造用鋳型に鋳造用溶解炉で溶融された母材溶融金属を流し込むことにより、母材金属と強化材微細粒子とが一体成形された傾斜機能材料を製造する。  または、母材金属粉末および強化材微細粒子粉末を混合してこれらの混合粉末を作製し、該混合粉末を円筒形状金型に投入した後に遠心焼結することにより成形体を製造し、鋳造用溶解炉で溶融された母材溶融金属を前記円筒形状金型に流し込むことにより、母材金属と強化材微細粒子とが一体成形された傾斜機能材料を製造する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材金属粉末および強化材微細粒子粉末を混合してこれらの混合粉末を作製し、該混合粉末を円筒形状金型に投入した後に遠心焼結することにより成形体を製造し、製造した前記成形体を前記円筒形状金型から取り出した後に鋳造用鋳型に入れ、前記鋳造用鋳型に鋳造用溶解炉で溶融された母材溶融金属を流し込むことにより、母材金属と強化材微細粒子とが一体成形された傾斜機能材料を製造する方法。
【請求項２】
母材金属粉末および強化材微細粒子粉末を混合してこれらの混合粉末を作製し、該混合粉末を円筒形状金型に投入した後に遠心焼結することにより成形体を製造し、鋳造用溶解炉で溶融された母材溶融金属を前記円筒形状金型に流し込むことにより、母材金属と強化材微細粒子とが一体成形された傾斜機能材料を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結法と鋳造法とを併用することにより、母材金属と強化材微細粒子とが一体成形された傾斜機能材料を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
傾斜機能材料とは、組成や組織が異なる複数の素材が材料中に傾斜分散され、それらが一体的に形成された材料のことである。傾斜機能材料の製造技術は、素材と製造する製品の大きさの組み合わせにより多種多岐にわたる。
【０００３】
母材金属中に強化材微細粒子を傾斜分散させ、かつ比較的大きな製品を製造する方法として、特許文献１や非特許文献１に示されている遠心力混合粉末法がある。この製造方法では、まず母材金属粉末と複合化させたい強化材微細粒子粉末とを混合して混合粉末１を作製する。そして該混合粉末１を円筒形状金型２に投入した後に、前記円筒形状金型２を回転させることによって該混合粉末１に遠心力を作用させ、必要に応じて前記円筒形状金型２の予備加熱を行う（図１）。そして湯道３を通じて回転中の前記円筒形状金型２へ鋳造用溶解炉で溶解された母材溶融金属４を流し込むことによって（図２）、強化材微細粒子が母材金属に強固に固定され、かつ母材金属中に均一あるいは傾斜分散された傾斜機能材料を製造する。
【０００４】
しかしながら遠心力混合粉末法では、前記の回転中の円筒形状金型２へ鋳造用溶解炉で溶解された母材溶融金属４を流し込む過程において、流し込んだ該母材溶融金属４により一部の混合粉末１の湯流れが生じるため、前記円筒形状金型２の円の中心から半径方向に対して強化材微粒子が傾斜分散され、かつ該円筒形状金型２の半径方向と垂直な該円筒形状金型２の幅方向に対して材料全体が均一な製品を製造することに困難を伴うことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2008-284589号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Yoshimi Watanabe, Yoshifumi Inaguma, Hisashi Sato and Eri Miura-Fujiwara; Materials, 2 (2009) 2510-2525.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、遠心力混合粉末法による傾斜機能材料製造プロセスにおいて、回転中の円筒形状金型２へ鋳造用溶解炉で溶解された母材溶融金属４を流し込む際に、流し込んだ該母材溶融金属４により一部の混合粉末１の湯流れが生じるため、前記円筒形状金型２の円の中心から半径方向に対して強化材微細粒子が傾斜分散され、かつ前記円筒形状金型２の円の半径方向と垂直な該円筒形状金型２の幅方向に対して材料全体が均一な製品を製造することが困難である点を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１および請求項２に記載の発明では、焼結法と鋳造法とを併用することによって、母材金属と強化材微細粒子とが一体成形された傾斜機能材料を製造する。
【０００９】
請求項１に記載の発明における製造方法では、まず母材金属粉末および強化材微細粒子粉末を混合することにより混合粉末５を作製し、該混合粉末５を円筒形状金型６に投入した後に、回転軸７まわりに該円筒形状金型６を回転させる。そして加熱器８により該円筒形状金型６を加熱することによって、該混合粉末５を遠心焼結することにより、成形体９を製造する（図３）。
【００１０】
そして製造した前記成形体９を前記円筒形状金型６から取り出した後に鋳造用鋳型に入れ、該鋳造用鋳型に鋳造用溶解炉で溶解された母材溶融金属を流し込むことにより、母材金属と強化材微細粒子とが一体成形され、かつ断面円の中心から半径方向に対して母材金属中に強化材微細粒子が傾斜分散、または断面円の外周部に強化材微細粒子が分散された傾斜機能材料を製造する。該製造工程（図４）を特徴とする焼結法と鋳造法とを併用した傾斜機能材料の製造方法、すなわち遠心焼結鋳造法を本発明の技術的手段とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明における製造方法では、まず母材金属粉末および強化材微細粒子粉末を混合することにより混合粉末５を作製し、該混合粉末５を円筒形状金型６に投入した後に、回転軸７まわりに該円筒形状金型６を回転させる。そして加熱器８により該円筒形状金型６を加熱することによって、該混合粉末５を遠心焼結することにより、成形体９を製造する（図３）。
【００１２】
そして鋳造用溶解炉で溶解された母材溶融金属を該円筒形状金型６に流し込むことにより、母材金属と強化材微細粒子とが一体成形され、かつ断面円の中心から半径方向に対して母材金属中に強化材微細粒子が傾斜分散、または断面円の外周部に強化材微細粒子が分散された傾斜機能材料を製造する。該製造工程（図４）を特徴とする焼結法と鋳造法とを併用した傾斜機能材料の製造方法、すなわち遠心焼結鋳造法を本発明の技術的手段とする。
【００１３】
また請求項１および請求項２において記述されている該円筒形状金型６の形状は、上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用可能である。例えば、三角柱、四角柱および多角柱などその他複雑な形状のものにも適用可能である。
【００１４】
さらに請求項１および請求項２において記述されている該母材金属粉末と該母材溶融金属は、同一の種類の金属や合金である必要は無く、例えば、母材金属粉末が銅合金、母材溶融金属が銅といった様に、その他すべての金属および合金の組み合わせにおいても適用可能である。
【００１５】
請求項１および請求項２において記述されている遠心焼結鋳造法によって製造された傾斜機能材料は、例えば母材金属を銅、強化材微細粒子をダイヤモンド微細粒子とすることで、断面円の外周部に砥粒であるダイヤモンド微細粒子が分散した銅基ダイヤモンド傾斜機能砥石等として産業への応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の背景技術である遠心力混合粉末法における母材金属粉末と強化材微細粒子粉末の混合粉末１を回転中の円筒形状金型２に投入する方法を模式的に描いた図である。
【図２】本発明の背景技術である遠心力混合粉末法における母材溶融金属４を回転中の円筒形状金型２に流し込む方法を模式的に描いた図である。
【図３】本発明において課題を解決するための手段として行われる、成形体９製造工程を模式的に描いた図である。
【図４】本発明において課題を解決するための手段として行われる傾斜機能材料製造法の工程表を示した図である。
【図５】本発明の第１実施形態における遠心焼結によって製造したAl-15mass%Si合金（母材金属）とダイヤモンド微細粒子（強化材微細粒子）から構成される成形体である。
【図６】本発明の第１実施形態における遠心焼結鋳造法によって製造した断面円の外周部にダイヤモンド微細粒子（強化材微細粒子）が分散されたアルミニウム基ダイヤモンド傾斜機能材料の断面写真である。
【図７】本発明の第１実施形態における遠心焼結鋳造法により製造したアルミニウム基ダイヤモンド傾斜機能材料の断面円外周部におけるダイヤモンド微細粒子（強化材微細粒子）とアルミニウム母材金属から構成される微細組織の様子を示した走査型電子顕微鏡像である。
【図８】本発明の第２実施形態における遠心焼結によって製造した銅（母材金属）とダイヤモンド微細粒子（強化材微細粒子）から構成される成形体である。
【図９】本発明の第２実施形態における遠心焼結鋳造法によって製造した断面円の外周部にダイヤモンド微細粒子（強化材微細粒子）が分散された銅基ダイヤモンド傾斜機能材料の断面写真である。
【図１０】本発明の第２実施形態における遠心焼結鋳造法により製造した銅基ダイヤモンド傾斜機能材料の断面円外周部におけるダイヤモンド微細粒子（強化材微細粒子）と銅母材金属から構成される微細組織の様子を示した走査型電子顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
母材金属粉末である粒子径125μm以下のAl-15mass%Si合金粉末4.25gと、強化材微細粒子粉末である粒子径60-70μmのダイヤモンド微細粒子粉末0.63gとからなる混合粉末を作製し、該混合粉末を直径20mm、幅30mmの空洞を有する円筒形状金型に投入した後、該円筒形状金型を回転させて、真空中、焼結温度570℃、焼結時間3時間、重力倍数280G（重力倍数1Gが重力場に相当）の条件で遠心焼結を行った。この製造工程によりAl-15mass%Si合金とダイヤモンド微細粒子から構成される成形体を製造した（図５）。
【００１８】
次に母材金属であるアルミニウムインゴット35gおよび製造した該成形体をそれぞれ鋳造用溶解炉および鋳造用鋳型に装填した。そして該アルミニウムインゴットを1100℃に加熱して母材溶融金属とした後に該鋳造用鋳型に流し込んだ。この鋳造工程により、断面円の外周部にダイヤモンド微細粒子が分散されたアルミニウム基ダイヤモンド傾斜機能材料を製造した（図６）。図７は、製造したアルミニウム基ダイヤモンド傾斜機能材料の断面円外周部における、ダイヤモンド微細粒子とアルミニウム母材金属から構成される微細組織の様子を示している。図７において黒い部分が該ダイヤモンド微細粒子であり、それ以外は該アルミニウム母材金属である。
【００１９】
（第２実施形態）
母材金属粉末である純度99.5mass%の銅の電解粉末11.99gと、強化材微細粒子粉末である粒子径60-70μmのダイヤモンド微細粒子粉末1.58gとからなる混合粉末を作製し、該混合粉末を直径20mm、幅30mmの空洞を有する円筒形状金型に投入した後、該円筒形状金型を回転させて、真空中、焼結温度800℃、焼結時間1時間、重力倍数1100G（重力倍数1Gが重力場に相当）の条件で遠心焼結を行った。この製造工程により銅とダイヤモンド微細粒子から構成される成形体を製造した（図８）。
【００２０】
次に母材金属である銅インゴット115gおよび製造した該成形体をそれぞれ鋳造用溶解炉および鋳造用鋳型に装填した。そして該銅インゴットを1120℃に加熱して母材溶融金属とした後に該鋳造用鋳型に流し込んだ。この鋳造工程により、断面円の外周部にダイヤモンド微細粒子が分散された銅基ダイヤモンド傾斜機能材料を製造した（図９）。図１０は、製造した銅基ダイヤモンド傾斜機能材料の断面円外周部における、ダイヤモンド微細粒子と銅母材金属から構成される微細組織の様子を示している。図１０において黒い部分が該ダイヤモンド微細粒子であり、それ以外は該銅母材金属である。
【００２１】
（第３実施形態）
母材金属粉末である粒子径125μm以下のAl-15mass%Si合金粉末4.25gと、強化材微細粒子粉末である粒子径60-70μmのダイヤモンド微細粒子粉末0.63gとからなる混合粉末を作製し、該混合粉末を直径20mm、幅30mmの空洞を有する円筒形状金型に投入した後、該円筒形状金型を回転させて、真空中、焼結温度570℃、焼結時間3時間、重力倍数280G（重力倍数1Gが重力場に相当）の条件で遠心焼結を行った。この製造工程によりAl-15mass%Si合金とダイヤモンド微細粒子から構成される成形体を製造した。該成形体は、第１実施形態で製造した図５に示す前記成形体と同様なものとして製造された。
【００２２】
次に母材金属であるアルミニウムインゴット35gを鋳造用溶解炉に装填した。そして該アルミニウムインゴットを1100℃に加熱して母材溶融金属とした後に該円筒形状金型に流し込んだ。この鋳造工程により、断面円の外周部にダイヤモンド微細粒子が分散されたアルミニウム基ダイヤモンド傾斜機能材料を製造した。製造した該アルミニウム基ダイヤモンド傾斜機能材料の断面マクロ組織や、断面円外周部におけるダイヤモンド微細粒子とアルミニウム母材金属から構成される微細組織の様子は、第１実施形態で製造したアルミニウム基ダイヤモンド傾斜機能材料で観察された組織、すなわち図６および図７と同様であった。
【００２３】
（他の実施形態）
前記実施形態における母材金属および強化材微細粒子は、上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用可能である。例えば、母材金属として純鉄及び鉄鋼、アルミニウム合金、銅合金、ニッケル及びニッケル合金、チタン及びチタン合金、マグネシウム及びマグネシウム合金、コバルト及びコバルト合金、その他鋳造により製造し得る全ての金属及び合金に対して適用可能である。また、強化材微細粒子として、カーボンナノチューブ、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、炭素繊維、アルミナ、ジルコニア、チタニア、ボロンナイトライド、シリコンカーバイド、タングステンカーバイドなど、前記傾斜機能材料製造法に適用する該母材金属及び合金よりも高融点を有するその他全ての金属、合金及びセラミックスに対して適用可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１  母材金属粉末と強化材微細粒子粉末を混合することにより作製された混合粉末である。
【００２５】
２  空洞を有し、回転可能な円筒形状金型である。
【００２６】
３  混合粉末や母材溶融金属を円筒形状金型へ流し込むための湯道である。
【００２７】
４  傾斜機能材料の母材金属とするために、円筒形状金型へ流し込む母材溶融金属である。
【００２８】
５  母材金属粉末と強化材微細粒子粉末を混合することにより作製された混合粉末である。
【００２９】
６  空洞を有し、回転可能な円筒形状金型である。
【００３０】
７  円筒形状金型の回転軸である。
【００３１】
８  円筒形状金型を加熱するための加熱器である。
【００３２】
９  混合粉末を遠心焼結することによって得られる成形体である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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