(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリックス中に、ＴｉおよびＺｒから成る群から選択された金属元素Ｍと、ＣおよびＢから成る群から選択された非金属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘの粒子が分散している金属基複合材料の製造方法において、
Ｃｕの粉末と、該金属元素Ｍの粉末と、該非金属元素Ｘの粉末とから成る成形体を形成する工程、
金型内に該成形体と該ＣｕまたはＣｕ合金の溶湯とを装入する工程、
該金型内を加圧状態にすることにより、該溶湯を該成形体に含浸させ且つ該含浸された溶湯を含む該成形体を溶湯鍛造する工程、
を含み、
該溶湯鍛造中にＣｕと該金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍの生成を経て該金属間化合物Ｃｕ−Ｍと該非金属元素Ｘとの反応により前記化合物Ｍ−Ｘの粒子を生成させることを特徴とする金属基複合材料の製造方法。
【請求項２】
Ｃｕと該金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍの融点がＣｕの融点より低いことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
該金属元素ＭがＴｉであり、Ｃｕよりも融点が低い該金属間化合物Ｃｕ−Ｍが、ＴｉＣｕ4 、ＴｉＣｕ2 、Ｔｉ2 Ｃｕ3 、Ｔｉ3 Ｃｕ4 、ＴｉＣｕおよびＴｉ2 Ｃｕから成る群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属基複合材料およびその製造方法に関し、特にＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリックス中に、ＴｉおよびＺｒから成る群から選択された金属元素Ｍと、ＣおよびＢから成る群から選択された非金属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘの粒子が分散している金属基複合材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分散強化型金属基複合材料の製造方法として、粉末成形体中における分散粒子の内部生成(in-situ生成) を用いた方法が知られている。例えば、特開昭６３−８３２３９号公報に記載された方法を用いて、例えばＴｉ粉末粒子とＣ（黒鉛）粉末粒子とＡｌまたはＡｌ合金粉末粒子とから成る成形体を不活性雰囲気中で加熱することにより、ＡｌまたはＡｌ合金から成る金属マトリックス中に内部生成させたＴｉＣ粒子が多量に分散した金属基複合材料を製造し、これを母材としてＡｌまたはＡｌ合金溶湯中に溶解した後、凝固させる方法が知られている。
【０００３】
しかし、上記方法には下記の問題があった。すなわち、（１）母材が多孔質で比重が小さいため溶湯表面に浮いてしまい、溶湯中に完全に溶解させ難い。（２）母材が多孔質で熱伝導が悪いため母材全体を溶解させるのに長時間を要する。（３）溶湯が表面張力と粘性のために多孔質の母材中に浸透し難い。（４）成形体中でＴｉ粒子とＣ粒子とが直接接触して粗大なＴｉＣ粒子が成長し易いこと。（５）成形体の加熱時に成形体中に残存する酸素や窒素とＡｌが反応してＡｌ粒子の表面にＡｌ2 Ｏ3 やＡｌＮが生成し、溶湯中への母材の溶解を妨げる。
【０００４】
本出願人は、これらの問題を解消するために、日本特許第２７３４８９１号に開示したように、Ｔｉ粉末もしくはＺｒ粉末とＣ粉末とＡｌまたはＡｌ合金粉末とから成る成形体を形成し、この成形体中にＡｌまたはＡｌ合金の溶湯を含浸させた後、不活性雰囲気中にて１０００〜１８００℃に加熱してＴｉＣ粒子またはＺｒＣ粒子を内部生成させ、その後、これら生成した粒子を含む成形体をＡｌまたはＡｌ合金の溶湯中に溶解する方法を開発した。
【０００５】
この方法によれば、前記特開昭６３−８３２３９号公報の諸問題が解消され、溶湯中への溶解性（分散性）が極めて高い成形体を得ることができ、ＡｌまたはＡｌ合金マトリックス中に微細なＴｉＣ粒子が均一に分散した複合材料を容易に且つ能率良く製造することができる。
ただし、この方法は、１０００〜１８００℃という高温で、通常は３時間以上の加熱を必要とする上、適用できる成形体のサイズも重量偏析防止等の観点から必然的に制限され、２０〜３０ｇ程度が限界であるため、生産性の観点から更に改良が望まれていた。
【０００６】
そこで本出願人は、更に改良した方法として、特願平１１−１６８６０８号公報に開示したように、マトリックス金属成分の粉末と、分散粒子を成す化合物を構成する各元素の粉末とから成る成形体を形成し、この成形体にマトリックス金属成分の溶湯を含浸させた後に、不活性雰囲気中で急速加熱することにより、上記化合物の構成元素の１つとマトリックス金属成分との金属間化合物が生成する発熱反応を誘起し、この自己発熱を利用して一気に昇温させ、中間生成物である金属間化合物から分散粒子としての最終化合物を内部生成させる方法を開発した。
【０００７】
この方法によれば、前記日本特許第２７３４８９１号のように１０００〜１８００℃というような高温に保持する必要がなく、人為的な加熱温度は例えば７００℃程度としておけば、実際の到達温度は自己発熱により１３００℃程度にまで自動的に昇温してしまい、しかも所要時間は数十秒から数分程度と極めて短時間で良い。更に、加熱が短時間であるため重量偏析が起きにくいため、成形体サイズの制限も大幅に緩和される。
【０００８】
この方法においても、多量の粒子を含有する金属基複合材料が得られるので、これを母材として更にＡｌまたはＡｌ合金の溶湯中に溶解させることにより、所望の粒子含有量の金属基複合材料を製造することができる。
一方、急速加熱により得られた金属基複合材料を溶解母材とせず、そのまま所定の金属基複合材料として実際に用いることもできる。ただし、その場合には、金属基複合材料は内部に空隙を含むことが多いので、そのまま用いずに、熱間加工により組織を緻密化する必要がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、熱間加工を必要とせず、分散粒子を内部生成させたままの状態で空隙の無い緻密な組織を有する金属基複合材料およびその製造方法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】
上記の目的を達成するために、本発明の金属基複合材料の製造方法は、ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリックス中に、ＴｉおよびＺｒから成る群から選択された金属元素Ｍと、ＣおよびＢから成る群から選択された非金属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘの粒子が分散している金属基複合材料の製造方法において、
Ｃｕの粉末と、該金属元素Ｍの粉末と、該非金属元素Ｘの粉末とから成る成形体を形成する工程、
金型内に該成形体と該ＣｕまたはＣｕ合金の溶湯とを装入する工程、
該金型内を加圧状態にすることにより、該溶湯を該成形体に含浸させ且つ該含浸された溶湯を含む該成形体を溶湯鍛造する工程、
を含み、
該溶湯鍛造中にＣｕと該金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍの生成を経て該金属間化合物Ｃｕ−Ｍと該非金属元素Ｘとの反応により前記化合物Ｍ−Ｘの粒子を生成させることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、金型内で含浸と溶湯鍛造を行いながら該溶湯温度において内部生成(in-situ生成) により化合物粒子を形成するので、微細な化合物粒子が均一に分散し且つ最終形状に近いニアネットシェイプの金属基複合材料が得られる。
望ましくは、Ｃｕと該金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍの融点がＣｕの融点より低い。特に望ましい一態様においては、金属元素ＭがＴｉであり、Ｃｕよりも融点が低い該金属間化合物Ｃｕ−ＭすなわちＣｕ−Ｔｉが、ＴｉＣｕ4 、ＴｉＣｕ2 、Ｔｉ2 Ｃｕ3 、Ｔｉ3 Ｃｕ4 、ＴｉＣｕおよびＴｉ2 Ｃｕから成る群から選択される少なくとも１種である。これらの金属間化合物の融点をＣｕおよびＴｉの融点と対比して表１に示す。
【００１２】
【表１】
0004045712.tif 000002
【００１３】
上記望ましい態様においては、金属間化合物Ｃｕ−Ｔｉの融点がＣｕの融点以下であるため、含浸させるＣｕ溶湯の温度がＣｕの融点より若干高い程度であれば、Ｃｕ溶湯中における内部生成反応により金属間化合物Ｃｕ−Ｔｉの生成と、この金属間化合物から最終生成物ＴｉＣあるいはＴｉＢ2 粒子の生成とが極めて容易に起きる。このように比較的低温で処理が行えれば、処理設備の負担あるいは損耗が軽減でき、消費エネルギーも少なくてすむので、製造コストを低減できるという利点がある。
【００１４】
上記本発明の方法により製造される金属基複合材料は、ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリックス中に、ＴｉおよびＺｒから成る群から選択された金属元素Ｍと、ＣおよびＢから成る群から選択された非金属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘの粒子が分散している金属基複合材料において、
溶湯鍛造組織を有し、且つ
該化合物Ｍ−Ｘは、上記溶湯鍛造時にＣｕと該金属元素Ｍとの金属間化合物Ｃｕ−Ｍの生成を経て該金属間化合物Ｃｕ−Ｍと該非金属元素Ｘとの反応により該金属元素Ｍと該非金属元素Ｘとの化合物Ｍ−Ｘとして生成されたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明により金属基複合材料を製造する工程を模式的に示す。
先ず、Ｃｕの粉末と、金属元素Ｍの粉末と、非金属元素Ｘの粉末とから成る圧粉成形体を形成する（図１（１））。
次に、金型キャビティーに圧粉成形体とＣｕまたはＣｕ合金の溶湯とを装入する（図１（２））。
【００１６】
次に、金型キャビティーにパンチを挿入して上記装入物を押圧する（図１（３））。これにより、成形体への溶湯の含浸が開始する。
次に、パンチでの加圧を更に続行し、含浸された溶湯を含む成形体を鍛造する（図１（４））。この鍛造中に、溶湯の温度において、下式で示したようにＣｕと金属元素Ｍとの反応により中間生成物として金属間化合物Ｃｕx Ｍy が生成し、更にこの金属間化合物Ｃｕx Ｍy と非金属元素Ｘとの反応により望みの分散粒子として化合物Ｍp Ｘq が生成する。
【００１７】
Ｃｕ＋Ｍ→Ｃｕx Ｍy 
Ｃｕx Ｍy ＋Ｘ→Ｃｕ＋Ｍp Ｘq 
これにより、ＣｕまたはＣｕ合金から成る金属マトリックス中に化合物Ｍp Ｘq の微細な粒子が均一に分散している金属複合材料が得られる。図１（５）に、この金属基複合材料の内部組織の走査顕微鏡像を模式的に示す。
【００１９】
【実施例】
本発明により、Ｃｕマトリックス中に強化相としてＴｉＣ粒子、ＴｉＢ2 粒子、ＺｒＣ粒子のいずれかが分散している金属基複合材料を下記の手順で作製した。
＜粉末成形体の形成＞
先ず、表２に示す配合で各原料粉末を秤量し、Ｖ型混合装置により６０分間混合し、４種類の混合粉末を作成した。表２に示す重量配合比はモル比換算では、試料１がＴｉ：Ｃ＝１：１、試料２がＴｉ：Ｂ＝１：２、試料３がＺｒ：Ｃ＝１：１、試料４（比較例）がＮｂ：Ｃ＝１：１であり、それぞれ生成させるべき分散強化相ＴｉＣ、ＴｉＢ2 、ＺｒＣ、ＮｂＣにおけるＴｉ：Ｃ、Ｔｉ：Ｂ、Ｚｒ：Ｃ、Ｎｂ：Ｃの化学量論比に合わせた。
【００２０】
【表２】
0004045712.tif 000003
【００２１】
上記の混合粉末を、φ６０mmの金型内で成形圧７ton/cm2 で加圧成形して円柱形状の粉末成形体とした。
＜溶湯鍛造＞
表３に示す条件で溶湯鍛造を行った。
【００２２】
【表３】
0004045712.tif 000004
【００２３】
すなわち、６００℃に予熱した上記成形体を、４００℃に予熱した金型キャビティー内に装入した後、Ａｒ雰囲気下で温度１１５０℃または１３００℃の純Ｃｕ（純度９９．９％）の溶湯２０ｋｇを注入し、直ちにパンチをキャビティー内に挿入して圧力１００ＭＰａで５分間加圧した。これにより成形体中への純Ｃｕ溶湯の含浸と溶湯鍛造とが併行して行われた。室温まで降温した後に、金型から溶湯鍛造体を取り出した。
【００２４】
＜解析＞
得られた溶湯鍛造体について、光学顕微鏡および走査電子顕微鏡による組織観察と、Ｘ線回折による存在相の同定を行った。
光学顕微鏡による組織観察の結果、いずれの試料も典型的な溶湯鍛造組織であった。すなわち、熱間加工材のような加工組織を実質的に含まない微細な鋳造組織から成り、且つ、成形体に溶湯を含浸させて急速加熱によりＴｉＣ粒子、ＴｉＢ2 粒子、ＺｒＣ粒子のいずれかを内部生成させた従来材に比べて組織が緻密であり、空隙が認められなかった。
【００２５】
走査電子顕微鏡による組織観察の結果は、表４にまとめて示すとおりであった。表４には、Ｘ線回折により同定した存在相も併せて示す。表４に示した相のみが検出され、他の相は検出されなかった。
【００２６】
【表４】
0004045712.tif 000005
【００２７】
すなわち、試料１、２は溶湯温度が１１５０℃と低くても、Ｃｕから成る金属マトリックス中に粒径０．５μｍ程度の微細なＴｉＣ粒子（試料１）または粒径２μｍ程度の微細なＴｉＢ2 粒子（試料２）が均一に分散している金属基複合材料であった。溶湯温度１１５０℃の場合について、試料１、２のミクロ組織の走査電子顕微鏡写真をそれぞれ図２、３に示す。更に、試料１は溶湯温度が１３００℃と高い場合には、Ｃｕから成る金属マトリックス中に上記よりは若干大きいが粒径１μｍ程度の微細なＴｉＣ粒子が均一に分散している金属基複合材料であった。
【００２８】
これに対して、試料３は、溶湯温度が１１５０℃と低い場合には、最終生成物であるＺｒＣと共に中間生成物であるＣｕ−Ｚｒ系金属間化合物も存在しており、溶解温度を１３００℃に高めた場合に、Ｃｕから成る金属マトリックス中に上記よりは若干大きいが粒径２μｍ程度の微細なＺｒＣ粒子が均一に分散している金属基複合材料が得られた。溶湯温度１３００℃の場合について、試料３のミクロ組織の走査電子顕微鏡写真を図４に示す。
【００２９】
また、試料４は、溶湯温度が１１５０℃と低い場合には、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｃ共に単体のみが存在し、化合物は生成しておらず、溶湯温度を１３００℃に高めた場合に、Ｃｕから成る金属マトリックス中に粒径２μｍ程度の微細なＮｂＣ粒子が均一に分散している金属基複合材料が得られた。溶湯温度１３００℃の場合について、試料４のミクロ組織の走査電子顕微鏡写真を図５に示す。このように、Ｃｕと金属間化合物を生成しないＮｂを用いると、低温（１１５０℃）では実質的に化合物が生成せず、高温（１３００℃）で直接にＮｂＣ粒子が生成する。
【００３０】
試料１、２、３、４の金属基複合材料のＴｉＣ粒子、ＴｉＢ2 粒子、ＺｒＣ粒子、ＮｂＣ粒子の含有量は、原料粉末の配合比からそれぞれ１５．５ｗｔ％、１３．３ｗｔ％、２０．０ｗｔ％、１４．０ｗｔ％と見積もることができる。
ここで、Ｃｕと金属間化合物を生成する金属であるＴｉまたはＺｒを用いた場合（試料１〜３）に、ＴｉＣ粒子（試料１）、ＴｉＢ2 粒子（試料２）が低温（１１５０℃）で内部生成を完了したのに対して、ＺｒＣ粒子（試料３）が低温（１１５０℃）では内部生成が未完であり高温（１３００℃）で初めて内部生成が完了したのは、ＺｒＣの前駆体である中間生成物のＣｕ−Ｚｒ金属間化合物が、ＴｉＣ、ＴｉＢ2 の前駆体である中間生成物のＣｕ−Ｔｉ金属間化合物よりも高融点であるため、内部反応の進行に高温を必要としたためである。
【００３１】
すなわち、表５に示すように、Ｃｕ−Ｚｒ金属間化合物にはＣｕの融点よりも高い融点を持つ組成のものがあり、内部反応全体として高い反応温度を必要とする。
このように、Ｃｕ−Ｍ−Ｘ系において最終生成物Ｍ−Ｘの前駆体すなわち中間生成物である金属間化合物Ｃｕ−Ｍは、融点が低い方が望ましく、特にＣｕの融点よりも低いことが望ましい。これにより、より低い溶湯温度で内部生成を完了させることができる。
【００３２】
【表５】
0004045712.tif 000006
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱間加工を必要とせず、分散粒子を内部生成させたままの状態で空隙の無い緻密な組織を有する金属基複合材料およびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明により金属基複合材料を製造する基本工程を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明によるＴｉＣ粒子分散Ｃｕ基複合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図３】図３は、本発明によるＴｉＢ2 粒子分散Ｃｕ基複合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図４】図４は、本発明によるＺｒＣ粒子分散Ｃｕ基複合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図５】図５は、本発明によるＮｂＣ粒子分散Ｃｕ基複合材料の金属組織の一例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図１】
0004045712.tif 000007
【図２】
0004045712.tif 000008
【図３】
0004045712.tif 000009
【図４】
0004045712.tif 000010
【図５】
0004045712.tif 000011