(57)【要約】【課題】細なセラミックス粉末を用いたり、高温で長時間保持する必要がなく、低コストで得られるにもかかわらず、高強度のセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料を提供する。【解決手段】アルミニウム（合金）粉末とセラミックス粉末との焼結体であり、セラミックス粉末の含有率が複合材料全体の１０体積％以上５０体積％未満であり、アルミニウム（合金）粉末がメカニカルグラインディング処理により、未処理アルミニウム（合金）粉末に比べて１２％以上硬度が高められており、かつ、未処理アルミニウム（合金）粉末を用いた場合に比べて強度が１０％以上高く、メカニカルグラインディング処理されたアルミニウム（合金）粉末のみからなる焼結材料に比べてヤング率が２０％以上高いセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末と、セラミックス粉末との混合物を焼結してなるセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料であって、
セラミックス粉末の含有率が、複合材料全体の１０体積％以上５０体積％未満であり、
アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末が、メカニカルグラインディング処理により、メカニカルグラインディング処理されていないアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末に比べて１２％以上硬度が高められており、かつ、
メカニカルグラインディング処理されていないアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末を用いたセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料に比べて強度が１０％以上高く、セラミックス粉末と複合化せず、メカニカルグラインディング処理したアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末のみからなる焼結材料に比べてヤング率が２０％以上高いことを特徴とするセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料。
【請求項２】
アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末の平均粒子径が１０〜１００μｍであり、セラミックス粉末の平均粒子径がアルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末の平均粒子径の０．５〜２．０倍であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末と、セラミックス粉末とからなるセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料に関する。尚、本明細書では、アルミニウムとアルミニウム合金とを総称して「アルミニウム」という。
【背景技術】
【０００２】
自動車用部品や産業機械用部品をはじめとして各種部品の軽量が進んでおり、軽量で耐食性に優れるアルミニウムが構造用材料として広く使用されている。しかし、アルミニウムは鋼と比較すると剛性が１／３程度と低く、高強度アルミニウムとして知られている７０７５アルミニウム合金でさえ５００〜６００ＭＰａ程度の強度しかないため、鋼代替材料としては強度不足であり、用途も限定されている。
【０００３】
そこで、強度や剛性を高めるために、アルミニウムにセラミックス粉末を分散させたセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料が開発されている。例えば、溶融アルミニウムを撹拌しながらセラミックス粉末を投入して混合し、凝固させる「溶湯撹拌法」や、溶融アルミニウムを撹拌しながら金属酸化物粉末を投入してin−situで生成する「反応法」がよく知られている。セラミックス粉末を分散させる効果は、剛性の向上だけであれば数μｍ〜１００μｍ程度のセラミックス粉末を分散させることで実現できるが、強度を向上させるためには数μｍ以下の微細なセラミックス粉末を均一に分散させる必要がある。しかし、溶湯撹拌法では、溶融アルミニウムとセラミックス粉末との濡れ性が悪いことから、数μｍ以下の微細なセラミックス粉末を均一に分散させることは困難である。また、反応法も同様であり、微細な金属酸化物粉末を均一に分散させることは困難である。
【０００４】
その他にも、セラミックス粉末を焼結してなる多孔質のプリフォームに、溶融アルミニウムを、パンチを用いて機械的に含浸させる「加圧含浸法」も行われている（例えば、特許文献１、２参照）。しかし、この加圧含浸法では、微細なセラミックス粉末を用いると、プリフォームに成形するのが困難である。成形できたとしても、得られるプリフォームの気孔が小さすぎて溶融アルミニウムを含浸させる際の抵抗が大きく、加圧力を高めて溶融アルミニウムを含浸させようとするとプリフォームが破壊することがある。
【０００５】
また、化学反応を利用して加圧無しで溶融アルミニウムをセラミックス粉末のプリフォームに浸透させる「非加圧浸透法」も知られている（例えば、特許文献３参照）。しかし、この非加圧浸透法では、反応のために溶融アルミニウムにマグネシウムを含有させるのが一般的であり、マグネシウムを含有させない場合でも窒素ガス雰囲気中で７００〜８００℃の高温下に長時間保持する必要があり、コストや生産効率に問題がある。
【０００６】
一方、溶融アルミニウムに代えてアルミニウム粉末を用い、セラミックス粉末と混合して焼結する「粉末冶金法」も行われている（例えば、特許文献４参照）。粉末冶金法では微細なセラミックス粉末の使用も可能であるが、微細なセラミックス粉末を均一に分散させるためにはアルミニウム粉末も同等の微細粉末を用いる必要があり、コスト高を招く。また、微細なアルミニウム粉末は粉塵爆発や火災の危険性があるため、取扱いに注意を要する。
【０００７】
また、粉末冶金法では、原料粉末を成形して焼結し、熱処理や仕上げ加工を施すのが一般的な工程であるが、焼結工程には条件によって幾つかの方法がある。一般的な焼結工程としては、大気圧で焼結する常圧焼結、一軸加圧で焼結するホットプレス、三次元的圧力で焼結するＨＩＰ等が挙げられるが、これらは高温で長時間保持する必要があるため、時間的、エネルギー的に効率的とは言えない。例えば、アルミニウム粉末を原料粉末に用いる場合は、５００〜６５０℃程度で、１〜６時間程度の保持が必要である。
【０００８】
更に、アルミニウムは鉄や銅等に比べて酸化しやすく、空気中に放置するだけでも粉末表面にｎｍオーダーの安定な酸化物が形成されるため、粉末冶金を行った際に粉末間での原子の拡散が阻害されて十分な結合を得るのが難しい。そのため、上記したように、一般的な焼結工程では、長時間かけて昇温し、高温で長時間保持する必要があり、生産性やコスト面に問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−３３６４３８号公報
【特許文献２】特許第５０３１７１１号公報
【特許文献３】特許第４３７６１６６号公報
【特許文献４】特開平７−９０４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、従来のセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料は、微細なセラミックス粉末を用いたり、高温で長時間保持する必要があるなど全般的に高コストとなり、生産性も低い。そこで本発明は、微細なセラミックス粉末を用いたり、高温で長時間保持する必要がなく、低コストで得られるにもかかわらず、高強度のセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明は、下記のセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料を提供する。
（１）アルミニウム粉末と、セラミックス粉末との混合物を焼結してなるセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料であって、
セラミックス粉末の含有率が、複合材料全体の１０体積％以上５０体積％未満であり、
アルミニウム粉末が、メカニカルグラインディング処理により、メカニカルグラインディング処理されていないアルミニウム粉末に比べて１２％以上硬度が高められており、かつ、
メカニカルグラインディング処理されていないアルミニウム粉末を用いたセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料に比べて強度が１０％以上高く、セラミックス粉末と複合化せず、メカニカルグラインディング処理したアルミニウム粉末のみからなる焼結材料に比べてヤング率が２０％以上高いことを特徴とするセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料。
（２）アルミニウム粉末の平均粒子径が１０〜１００μｍであり、セラミックス粉末の平均粒子径がアルミニウム粉末の平均粒子径の０．５〜２．０倍であることを特徴とする上記（１）記載のセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料は、メカニカルグラインディング処理を施して転位強化したアルミニウム粉末を用いたため、セラミックス粉末に微細粉を用いる必要がなく、低コストでありながらも、高強度化が図れている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】試験Ａで得られた、メカニカルグラインディング処理時間とアルミニウム粉末の硬度比との関係を示すグラフである。
【図２】試験Ｂで得られた、メカニカルグラインディング処理時間と焼結体の強度比との関係を示すグラフである。
【図３】試験Ｃで得られた、セラミックス粉末の体積率と焼結体のヤング率との関係を示すグラフである。
【図４】試験Ｃで得られた、セラミックス粉末の体積率と加工時間比との関係を示すグラフである。
【図５】試験Ｄで得られた、平均粒子径比（アルミニウム粉末の平均粒子径／セラミックス粉末の平均粒子径）と焼結体の強度比との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
【００１５】
本発明のセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料は、アルミニウム粉末とセラミックス粉末との焼結体であるが、メカニカルグラインディング処理したアルミニウム粉末を使用した点に特徴がある。
【００１６】
尚、アルミニウム粉末の種類には制限は無く、純アルミニウム系の１０００系、溶接性に優れる５０００系、高強度な７０００系等、必須機能や入手性、コスト等に応じて選択することができる。また、アルミニウム粉末は微細粒であるほど、得られるセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料の機械的強度が高まることから、平均粒子径で１００μｍ以下であることが好ましい。但し、平均粒子径が１０μｍ未満の超微細粒になると、取扱い性が悪くなる。特に、メカニカルグラインディング処理に用いた容器やボールにアルミニウム粉末が付着して作業性が悪化するとともに、アルミニウム粉末の回収率が低下する。そのため、アルミニウム粉末を、平均粒子径１０〜１００μｍ、特に２０〜８０μｍに整粒することが好ましい。
【００１７】
メカニカルグラインディング処理は、粉末材料に機械的にひずみを与える処理方法の一つであり、ボールミル等を用いてアルミニウム粉末を処理する。このメカニカルグラインディング処理により、アルミニウム粉末は、ひずみが蓄積されて転位強化により硬度が高められる。そして、硬度が高い状態で焼結することにより、高強度の焼結体（セラミックス粉末分散アルミニウム複合材料）が得られる。具体的には、メカニカルグラインディング処理より、アルミニウム粉末の硬度を、メカニカルグラインディング処理されていないアルミニウム粉末（以下「未処理アルミニウム粉末」という）に比べて１２％以上高めることにより、未処理アルミニウム粉末を用いた場合に比べて、セラミックス粉末分散アルミニウム複合材料の強度を１０％以上高めることができる。
【００１８】
また、メカニカルグラインディング処理の処理時間を長くするほど、アルミニウム粉末はひずみの蓄積量が増して硬度が高まる。そのため、未処理アルミニウム粉末に比べて硬度が１２％以上高まるように、アルミニウム粉末の種類や平均粒子径に応じて処理時間を調整する。
【００１９】
セラミックス粉末の種類にも制限はなく、低密度の窒化ホウ素、高剛性の炭化ケイ素、高熱伝導の窒化アルミニウム等、目的に応じて選択することができる。但し、セラミックス粉末をセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料中に均一に分散させるためには、その平均粒子径がアルミニウム粉末の平均粒子径の０．５〜２．０倍であることが好ましく、０．７〜１．６倍であることがより好ましい。平均粒子径がこの範囲を外れると、アルミニウム粉末またはセラミックス粉末の凝集が生じて均一な分散が得られず、材料欠陥として作用してセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料の機械的特性が低下する。具体的には、上記したように、アルミニウム粉末の好ましい平均粒子径が１０〜１００μｍであるから、セラミックス粉末の平均粒子径を５〜２００μｍにすることが好ましい。上記したように、従来では高強度のセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料を得るためには数μｍ以下の微細なセラミックス粉末を用いる必要があったが、本発明では５〜２００μｍの大径のセラミックス粉末を用いても従来よりも高強度のセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料が得られるため、コスト的に有利となる。
【００２０】
また、セラミックス粉末は、セラミックス粉末分散アルミニウム複合材料中に、１０体積％以上５０体積％未満となるように配合される。セラミックス粉末が多くなるほど剛性は高まるが、１０体積％未満では剛性向上効果が十分ではない。一方、５０体積％以上になると、セラミックス粉末分散アルミニウム複合材料の加工性が低下してしまう。セラミックス粉末をこの範囲で含有することにより、メカニカルグラインディング処理したアルミニウム粉末のみからなる焼結体に比べて、ヤング率を２０％以上高めることができ、加工性も良好になる。
【００２１】
尚、セラミックス粉末の体積率は、得られたセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料の断面を光学顕微鏡等を用いて撮影した画像を２値化し、視野内の割合から算出して求めることができる。
【００２２】
上記したように、本発明ではメカニカルグラインディング処理したアルミニウム粉末を用いるが、メカニカルグラインディング処理により付与されたひずみは、６００℃程度で長時間保持すると除去されてしまう。上記したように、一般的な焼結方法であるホットプレスやＨＩＰなどでは高温で長時間保持するため、メカニカルグラインディング処理したアルミニウム粉末を用いても、得られるセラミックス粉末分散アルミニウム複合材料の強度や硬度が低下してしまう。そこで本発明では、短時間で焼結が完了する通電焼結法を採用する。
【００２３】
通電焼結法は、ホットプレスと同様に一軸加圧焼結であるが、カーボングラファイト等の導電性の焼結容器に原料粉末を封入し、加圧しながら直接電流を流して加熱する焼結方法である。ホットプレス等の一般的な焼結方法では外部加熱によって内部へと熱が伝わるのに対し、通電焼結法では内部から加熱するためガス成分が抜けやすく、粉末同市の接触点から発熱して粉末間の元素拡散が促進され、短時間で緻密化される。そのため、メカニカルグラインディング処理によりひずみが付与されたアルミニウム粉末を用いても、ひずみが完全に除去される前に焼結を完了させることができ、硬度を維持したままで焼結体が得られる。また、成形バインダが不要であるため、機械的特性の低下要因となる成分偏析なども生じないという利点もある。
【００２４】
また、通電焼結法に際し、加圧力を２０ＭＰａ以上にすることが好ましい。加圧力が２０ＭＰａ未満では粉体間の密着性が低く、均一に電流が流れないため、元素拡散も進み難く緻密な焼結体が得られなくなる。加圧力の上限には制限はないが、焼結体サイズやプレス容量、焼結容器及びパンチの耐荷重性等に応じて適宜選択する。
【００２５】
更に、焼結温度は５５０〜６５０℃、昇温開始から加熱停止までのトータル焼結時間は１時間以下にすることが好ましい。焼結温度を５５０℃以上としたのは、元素拡散には熱エネルギーが必要であり、５５０℃未満では元素拡散が進み難いため、緻密な焼結体を得るためには焼結温度を５５０℃以上にすることが好ましい。しかし、焼結温度が６５０℃を超えると焼結中に結晶粒の粗大化により焼結体の強度が低下するだけでなく、部分的にアルミニウムが溶融して焼結容器からの漏れが生じ、狙ったサイズの焼結体が得られなくなる等の問題が生じる。また、トータルの焼結時間が１時間を超えると、焼結中の結晶粒の粗大化により焼結体の強度が低下するようになる。
【００２６】
即ち、焼結条件としては、例えば一軸加圧力を４０ＭＰａ、最高到達温度を６００℃、トータルの焼結時間を０．５時間にすることができるが、アルミニウム粉末とセラミックス粉末との配合割合、両粉末の平均粒子径比、焼結体サイズ等により最適条件が異なるため、必要に応じて適宜変更する。
【００２７】
尚、通電焼結法としては、放電プラズマ焼結法（パルス通電法、パルス通電加圧焼結法、プラズマ活性化焼結法、通電加熱焼結法）等があり、適宜選択することができる。
【実施例】
【００２８】
以下の試験例を基にして本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００２９】
（試験Ａ）
原料粉末として純アルミニウム粉末（平均粒子径３５．９μｍ）及び７０７５アルミニウム合金粉末（平均粒子径５５．６μｍ）を用い、メカニカルグラインディング処理したときの処理時間と、処理後の原料粉末の硬度との関係を調べた。
【００３０】
即ち、原料粉末（純アルミニウム粉末または７０７５アルミニウム合金粉末）３０ｇと、直径５ｍｍの軸受鋼製ボール５０個とを工具鋼製の容器に入れ、回転ボールミルにより０．５時間、１時間、２時間、４時間処理した。処理後の原料粉末についてマイクロビッカース硬さ試験機で硬度を測定し、１０点測定した平均値を求めた。また、比較のために、メカニカルグラインディング処理前の原料粉末の硬度も同様にして測定した。
【００３１】
結果を表１に示すが、純アルミニウム粉末については実施例１Ａ〜４Ａ及び比較例１Ａとし、比較例１Ａの硬度に対する相対値（硬度比）を求めた。７０７５アルミニウム合金粉末については実施例５Ａ〜７Ａ及び比較例２Ａ〜３Ａとし、比較例２Ａの硬度に対する相対値（硬度比）を求めた。また、図１に、メカニカルグラインディング処理時間と硬度比との関係をグラフ化して示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１及び図１から、メカニカルグラインディング処理により原料粉末の硬度が高まり、処理時間が長くなるほど高硬度になることがわかる。これは、メカニカルグラインディング処理により原料粉末に機械的ひずみが付与され、処理時間が長くなるほど機械的ひずみの蓄積量が増したことによると考えられる。
【００３４】
（試験Ｂ）
試験Ａと同一の原料粉末を通電焼結して焼結体を作製し、引張試験により焼結体の引張強度を測定した。焼結条件は何れも、一軸加圧力４０ＭＰａ、最大到達温度６００℃、トータル焼結時間０．５時間とした。また、焼結体は、直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板とした。尚、７０７５アルミニウム合金粉末を用いた場合は、時効硬化（Ｔ６処理）した。
【００３５】
結果を表２に示すが、純アルミニウム粉末からなる焼結体については実施例１Ｂ〜４Ｂ及び比較例１Ｂとし、比較例１Ｂの引張強度に対する相対値（強度比）を求めた。７０７５アルミニウム合金粉末からなる焼結体については実施例５Ｂ〜７Ｂ及び比較例２Ｂ〜３Ｂとし、比較例２Ｂの引張強度に対する相対値（強度比）を求めた。また、図２に、メカニカルグラインディング処理時間と強度比との関係をグラフ化して示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表２及び図２から、メカニカルグラインディング処理した原料粉末を用いることにより焼結体の引張強度が高まり、処理時間が長くなるほど強度が増していることがわかる。そして、メカニカルグラインディング処理により硬度を未処理原料粉末に比べて１２％以上高めることにより、焼結体の引張強度を１０％以上高めることができることがわかる。
【００３８】
（試験Ｃ）
試験Ａの実施例３Ａまたは実施例６Ａに従いメカニカルグラインディング処理を所定時間施したアルミニウム粉末または７０７５アルミニウム合金粉末と、セラミックス粉末（炭化ホウ素粉末：平均粒子径４３．０μｍ）とを混合して通電焼結法にて焼結体を得た。その際、セラミックス粉末の配合割合（体積率）を、表３に示すように８〜６５体積％とした。また、焼結条件及び焼結体サイズは試験Ｂと同様である。そして、焼結体の引張強度及びヤング率を測定した。
【００３９】
結果を表３に示すが、引張強度は測定値とし、ヤング率については比較例との相対値（ヤング率比）とした。即ち、純アルミニウム粉末とセラミックス粉末との焼結体については実施例１Ｃ〜３Ｃ及び比較例１Ｃ〜５Ｃとし、アルミニウム粉末のみからなる焼結体である比較例１Ｃのヤング率に対する相対値（ヤング率比）を求めた。また、７０７５アルミニウム粉末とセラミックス粉末との焼結体については実施例４Ｃ〜６Ｃ及び比較例６Ｃ〜１０Ｃとし、７０７５アルミニウム合金粉末のみからなる焼結体である比較例６Ｃのヤング率に対する相対値（ヤング率比）を求めた。また、図３にセラミックス粉末の体積％とヤング率比との関係をグラフ化して示す。
【００４０】
また、引張試験の際にワイヤー放電加工により焼結体から試験片を採取したが、ワイヤー放電加工に要した時間から焼結体の加工性を評価した。結果を表３に示すが、純アルミニウム粉末とセラミックス粉末との焼結体については比較例１Ｃの加工時間に対する相対値（加工時間比）を求め、７０７５アルミニウム粉末とセラミックス粉末との焼結体については比較例６Ｃの加工時間に対する相対値（加工時間比）を求めた。また、図４にセラミックス粉末の体積％と加工時間比との関係をグラフ化して示す。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
表３及び図３から、セラミックス粉末を複合化することにより、焼結体のヤング率を高めることができ、セラミックス粉末の体積率が高いほど焼結体のヤング率も高まることがわかる。但し、セラミックス粉末が８体積％未満では焼結体のヤング率の向上効果は十分ではなく、１０体積％以上にすることにより、アルミニウム粉末のみからなる焼結体に比べてヤング率を２０％以上高めることができる。尚、焼結体の強度はセラミックス粉末の体積率によらずほぼ一定であり、今回用いた平均粒子径では強度に影響しないことがわかる。
【００４３】
また、表３及び図４に示すように、セラミックス粉末が５０体積％以上では、アルミニウム粉末のみの焼結体に比べて２倍を超える加工時間を要している。これは、加工時におけるワイヤーの進行は、セラミックスよりも軟質であるアルミニウムやその周辺を通過した方が進行しやすいが、セラミックス粉末が５０体積％を超えて多量になると、ワイヤーがセラミックス粉末に衝突して加工が困難になるためと考えられる。
【００４４】
以上のことから、アルミニウムのみからなる焼結体に対してヤング率を２０％以上高めるにはセラミックス粉末を１０体積％以上にすることが必要であり、加工性からはセラミックス粉末を５０体積％未満にすればよいことがわかる。
【００４５】
（試験Ｄ）
平均粒子径が１９．６〜９０．２μｍの純アルミニウム粉末を、メカニカルグラインディング処理して硬度を１２％以上高めたアルミニウム粉末を用意した。また、セラミックス粉末として、試験Ｃで用いた炭化ホウ素粉末（平均粒子径４３．０μｍ）を用意した。そして、セラミックス粉末を４０体積％一定として両粉末を表４に示すように組合せて混合し、通電焼結法にて焼結した。焼結条件及び焼結体サイズは試験Ｂと同様である。そして、引張試験により焼結体の引張強度を測定し、実施例４Ｄの引張強度に対する相対値（強度比）を求めた。結果を表４、並びに図５にグラフ化して示す。
【００４６】
【表４】
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【００４７】
表４及び図５から、（アルミニウム粉末の平均粒子径／セラミックス粉末の平均粒子径）比を０．５〜２．０倍にすることにより、この平均粒子径比が０．５未満または２．０倍超の場合に比べて焼結体が高強度になり、好ましいといえる。これは、平均粒子径比が０．５未満または２．０超では、アルミニウム粉末またはセラミックス粉末の何れか一方が凝集して均一な分散が得られず、材料欠陥として作用して焼結体の強度が低下するためと考えられる。従って、本発明では、セラミックス粉末の平均粒子径をアルミニウム粉末の平均粒子径の０．５〜２．０倍にすることが好ましく、具体的にはアルミニウム粉末の好ましい平均粒子径が１０〜１００μｍであるから、セラミックス粉末の平均粒子径を５〜２００μｍにすることが好ましい。
【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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