(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化材であるＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮのセラミックス粉末にＡｌ−Ｍｇ合金粉末をＭｇ換算で０．５〜６．０重量％加えて混合し、その混合粉末にアルミニウム合金を窒素雰囲気中で７００〜１０００℃の温度で非加圧にて浸透させることで複合材料を作成した後、所定量の該複合材料と所定量のアルミニウム合金を溶融して攪拌することを特徴とする鋳造用金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【請求項２】
Ａｌ−Ｍｇ合金粉末の細かさが、平均粒径で５〜２５０μｍであることを特徴とする請求項１記載の鋳造用金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属に強化材を複合させる金属−セラミックス複合材料の製造方法に関し、特に鋳造用の金属−セラミックス複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス繊維または粒子で強化されたセラミックスと金属の複合材料は、セラミックスと金属の両方の特性を兼ね備えており、例えばこの複合材料は、高剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等のセラミックスの優れた特性と、延性、高靱性、高熱伝導性等の金属の優れた特性を備えている。このように、従来から難しいとされていたセラミックスと金属の両方の特性を備えているため、機械装置メーカ等の業界から次世代の材料として注目されている。
【０００３】
この複合材料、特に金属としてアルミニウムをマトリックスとする複合材料の製造方法は、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法等の方法が従来から知られている。しかし、これらの方法は、強化材であるセラミックスの含有量を多くできない、あるいは大型の加圧装置が必要である、もしくはニアネット成形が困難である、コストが極めて高いなどの理由により、いずれも満足できるものではなかった。
【０００４】
そこで最近では、上記問題を解決する製造方法として、米国ランクサイド社が開発した非加圧金属浸透法が特に注目されている。この方法は、ＳｉＣやＡｌ2Ｏ3などのセラミックス粉末で形成されたプリフォームに、Ｍｇを含むアルミニウムインゴットを接触させ、これをＮ2雰囲気中で７００〜９００℃に加熱して溶融したアルミニウム合金をプリフォームに含浸させる方法である。これは、ＭｇとＮ2との化学反応を利用してセラミックス粉末への溶融金属の濡れ性を改善することにより、加圧しなくても金属をプリフォームに含浸できるようにした優れた方法である。
【０００５】
そして、この製造方法で作製した複合材料をさらに溶融し、それを融解アルミニウム合金で鋳造可能なまで希釈する鋳造用の金属−セラミックス複合材料の製造方法も提案されている。この方法で作製された鋳造用の複合材料は、それを再溶融し、鋳型に鋳込むことでさらなる大型品やより複雑な形状品の複合材料を作製することができる。その鋳造には、砂型／金型を用いた重力鋳造、ロストワックスに代表される精密鋳造、ダイキャストなど、一般にアルミニウム鋳造に使われる鋳造方法であれば、ほとんど可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この鋳造用の金属−セラミックス複合材料の製造では、金属の浸透を促進するため浸透促進材が使われていて、その浸透促進材には２５０μｍ以下のＭｇ粉末が使われているが、そのＭｇ粉末は国内では入手が極めて困難という問題があった。それは、２５０μｍ以下の微細なＭｇ粉末は、爆発し易いため、ほとんど市販されていないためである。これを入手し易いように粗いものにすると、複合材料にメタルスポットと呼ばれる金属状の斑点が生じ、不良となってしまう。
【０００７】
本発明は、上述した鋳造用金属−セラミックス複合材料の製造方法が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、Ｍｇ粉末を用いなくてもそれと同等の効果を有する浸透促進材を用いることのできる鋳造用金属−セラミックス複合材料の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、Ｍｇ粉末の替わりにＡｌ−Ｍｇ合金粉末を用いれば、Ｍｇ粉末と同等の促進効果があるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち本発明は、（１）強化材であるＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮのセラミックス粉末にＡｌ−Ｍｇ合金粉末をＭｇ換算で０．５〜６．０重量％加えて混合し、その混合粉末にアルミニウム合金を窒素雰囲気中で７００〜１０００℃の温度で非加圧にて浸透させることで複合材料を作成した後、所定量の該複合材料と所定量のアルミニウム合金を溶融して攪拌することを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法（請求項１）とし、また、（２）Ａｌ−Ｍｇ合金粉末の細かさが、平均粒径で５〜２５０μｍであることを特徴とする請求項１記載の鋳造用金属−セラミックス複合材料の製造方法（請求項２）とすることを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。
【００１０】
上記製造方法としては、用いるセラミックス粉末を、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、ＡｌＮなどのセラミックス粉末に、Ａｌ−Ｍｇ合金粉末をＭｇ換算で０．５〜６．０重量％加えた粉末とする製造方法とした（請求項１）。Ｍｇ粉末に替えてＡｌ−Ｍｇ粉末としたのは、この合金粉末が爆発の危険性がなく入手し易く、しかもＭｇ粉末と同等の効果が得られ、さらにはアルミニウムマトリックス中に溶け込み問題ないことなどによる。
【００１１】
その合金粉末の細かさとしては、平均粒径で５〜２５０μｍとした（請求項２）。合金粉末の細かさは、粗くてもＭｇ粉末のようなメタルスポットの発生は認められないので、複合材料を作製する上で合金粉末の細かさによる問題が生じなければ特に限定するものではないが、セラミックス粉末への均一な分散性を考えると５〜２５０μｍが好ましい。
【００１２】
その加える量としては、Ｍｇ換算で０．５〜６．０重量％が好ましく、０．５重量％より少ないと、金属の浸透速度が遅くなり、逆に６．０重量％より多いと、浸透速度が早すぎるためか、浸透速度にムラが生じて浸透しなかった部分が発生し、複合材料の内部に未浸透部分が生じる。
【００１３】
浸透させるアルミニウム合金としては、希釈するアルミニウム合金と必ずしも同じ組成を有する合金である必要はない。但し、セラミックス粉末がＳｉＣの場合には、合金中にＳｉ成分が必ず含まれていなければならない。その理由は、浸透時に溶融アルミニウムとＳｉＣとが反応して炭化アルミニウム（Ａｌ4Ｃ3）が生成し、その炭化アルミニウムが空気中の水分と反応して容易に水酸化アルミニウムに変わり、欠陥となるので、Ｓｉを含ませることにより、その生成を防止するためである。その量としては、複合材料中のＳｉの含有量が合金に対し８重量％以上となるよう合金中のＳｉ量を調整することが望ましい。
【００１４】
一方の希釈用のアルミニウム合金としてもＳｉが含まれている方が望ましい。それは、溶湯の流動性がよいこと、鋳造し易く、かつ鋳造割れ等の不良が発生し難いことなどによる。その希釈する量としては、望みの粉末充填率になるよう適宜の量とすればよい。希釈時の攪拌方法／条件は、極めて重要な因子となる。すなわち、セラミックス粒子の分離を防ぎ、十分な分散を維持できるほどの攪拌速度が必要であるが、それによって溶湯中に気泡を巻き込んではならない。実験を十分行って攪拌条件を慎重に決めることが必要である。希釈された溶湯物はそのまま鋳造し、目的の複合材料を作製してもよいし、一旦インゴット形状に形成し、それを再度溶融して目的の複合材料を作製してもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法をさらに詳しく述べると、先ず強化材としてＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮなどのセラミックス粉末を用意する。これに５〜２５０μｍの平均粒径を有するＡｌ−Ｍｇ合金粉末をＭｇ換算で０．５〜６．０重量％加え、混合する。得られた混合粉末を容器内に充填し、その上にアルミニウム合金のインゴットを載せ、窒素雰囲気中で非加圧で７００〜１０００℃の温度でアルミニウム合金を浸透させ、冷却して複合材料を作製する。
【００１６】
得られた複合材料を坩堝内で所定温度で再溶融し、それに別に融解したアルミニウム合金を所定量加え、攪拌機で十分攪拌して希釈する。所定量の複合材料と先のアルミニウム合金のインゴットを坩堝内に入れ、これらを所定温度で溶融した後、攪拌機で攪拌しても問題ない。これを冷却して鋳造用の金属−セラミックス複合材料を作製し、これをさらに再溶融して鋳造すれば、複雑形状品などの所望の複合材料が得られる。もしくは冷却しないでそのまま鋳造しても所望の複合材料が得られる。
【００１７】
以上の方法で鋳造用の金属−セラミックス複合材料を作製すれば、Ｍｇ粉末を用いて作製したのと同等の鋳造用の金属−セラミックス複合材料が得られる。
【００１８】
【実施例】
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。
【００１９】
（実施例１〜４）
（１）複合材料の作製
強化材として平均粒径が１５μｍの市販ＳｉＣ粉末に、平均粒径が１５０μｍのＡｌ−Ｍｇ（Ａｌ：Ｍｇ＝４：６）をＭｇ換算で実施例の順序に従ってそれぞれ０．５、１．０、２．０、３．０重量％添加し、Ｖ型混合機で１５分混合した。得られた混合粉末をそれぞれ２００×２００×深さ２００ｍｍのグラフォイル製の容器に充填した後、その上に混合粉末の１．２倍量のアルミニウム合金（Ａｌ−１０Ｓｉ）のインゴットを置き、電気炉にセットした。これをＮ2気流中で７９０℃の温度で１２時間保持し、アルミニウム合金を非加圧浸透させた後、冷却して複合材料を作製した。
【００２０】
（２）鋳造用複合材料の作製
得られた複合材料と先のアルミニウム合金のインゴットとを鋳造用複合材料中のＳｉＣ粉末の充填率が３０ｖｏｌ％となるよう所定量坩堝内に入れ、それを６１０℃の温度で溶融し、２時間攪拌して鋳造用複合材料の溶湯を作製した。その溶湯物を冷却せずに７２０℃に上げてさらに攪拌し、それを砂型に鋳造してその鋳造物を評価に供した。
【００２１】
（３）評価
得られた鋳造物の嵩密度をアルキメデス法で測定し、粉末充填率を求めた。その結果、粉末充填率は、３０ｖｏｌ％で目標通り希釈されていた。また、鋳造物を切断し、その切断面を目視で観察してＳｉＣ粉末の分散状況を調べた。その結果、ＳｉＣ粉末が問題なく分散されていて、ポアや未浸透部、あるいはメタルスポットなどの欠陥もなかった。このことは、Ａｌ−Ｍｇ合金粉末がＭｇ粉末と同等の働きをなし、ＳｉＣ粉末への濡れ性を良好にしていることを示している。
【００２２】
（比較例１、２）
比較のために、比較例１では、Ａｌ−Ｍｇ合金粉末を添加しなかった他は、比較例２では、Ａｌ−Ｍｇ合金粉末を本発明の範囲外の６．５重量％添加した他は実施例１と同様に鋳造物を作製し、評価した。その結果、比較例１では、ＳｉＣ粉末への濡れ性が良くなかったためか、希釈中にＳｉＣ粉末が溶湯上部に浮いてきて鋳造に適した溶湯物が得られなかった。また、比較例２では、Ａｌ−Ｍｇ合金が多すぎたため、浸透速度ムラが生じて浸透しなかった部分が発生し、希釈中に微量のＳｉＣ粉末が溶湯上部に浮き、鋳造物にも未含浸部分が認められた。
【００２２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の鋳造用金属−セラミックス複合材料の製造方法であれば、Ｍｇ粉末を用いなくてもＡｌ−Ｍｇ合金粉末を用いることにより、それと同等の鋳造用金属−セラミックス複合材料を得ることのできる製造方法を提供できるようになった。このことにより、鋳造用の複合材料の製造が従来より格段に容易となった。