平成2年度 研究報告 大分県工業試験場［唾二二］
金属⑳セラミックス複合材料製造技術の開発研究
佃 アルミニウム基分散強化複合材料の開発
機械部 鶴 岡 一 廉

1 緒 言

表2 粒度分布

県産材の有効利用を目的とし、金属とセラミックメッシュスの複合材料の製造技術の開発を目標に、熱間等方

十1m

100へ／200200（−350350

加圧装置の導入を図るとともにエメリーの有効利用を図るための基礎研究に取り組んだ。その一環とし重量割合（W％） 0．1

91．8

7．8 0．3て、セラミックスであるアルミナを分散材としたアルミニウム基分散強化複合材料の開発を行った。

2甚m以下である。

アルミニウム合金は軽量で高速切削が可能な材料

アルミニウム粉末（以下略記Al）とアルミナ粉末であり、その需要は自動車などの軽量化の波に乗っ（同アルミナ、A1203）を、85／15、90／10、95／5て増大している。しかし、鉄鋼材料に比較して高温の重量割合で混合し、−→個あたりの重量を約80gと強度や耐摩耗性で劣るため利用範囲が限定されていして試験に供した。この混合体の理論密度は純アルる。

ミニウムの密度がβ1＝2．71、アルミナの密度がそこでアルミニウム合金の特性を維持しながら、βa＝3．99であることから表3に示す値となる。

高温強度の向上を図ったアルミニウム基分散強化複表3 混合体の理論密度合材料の開発を行った。本報では純アルミニウム粉
Al／A120。（W％） 85／15 90／10 95／5 97／3

末とアルミナ粉末を混合し圧粉体成形及び焼結までの工程について得られた結果を報告する。

理論密度（g／cmZ） 2．902 2．838 2．774 2．748

2 実験方法2。1供試材料

2。2 圧粉体の成形今回使用したアルミニウム粉末はアトマイズ粉

圧粉体の成形は図1に示すように、フローティン（湊アルミニウム㈱製）で、その成分の分析値、及グ構造とし、上下から加圧することによって圧粉体び粒度分布を表1、2に示す。の密度差を極力小さくなるようにした。

表i成 分 表成分 Al Si Fe Cu Mn Ti十Ⅴ other

圧粉成形金型の内径は￠35とし、成形荷重を10、20、30、40tf（成形応力約100、200、300、400MPa）とした。

分析値（％） 99．46 0．06 0．18 tr． tr． tr． tr．

2。3 焼 結
焼結は真空熱処理炉を使用し、焼結条件は保持温またアルミナ粉末は市販の試薬（和光純薬工業㈱製、精密研磨用、αアルミナ）で粒度は95％以上が度630度、昇温100分、保持時間100分とした。炉内は約1Torrの窒素ガス雰囲気である。
一 1

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パンチロ ；≠＼′ 書 †， ム 0 平 i Al／

アルミナ

0：85／15△：90ハ00 100 200 300 400 500
圧粉体成形応力（閣Pa〉
図2 圧粉体成形応力と理論密度比

図1圧粉体成形金型
焼結温度はアルミニウム粉末の場合約550〜6500Cであるが、高温域を採用した。また焼結時間は15、30、200分を検討したが差がみられなかったため100分とした。焼結条件については今後温度、時間の最適条件を設定する必要がある。

051015
ア風ミナ混食割合（腎覧）

図3 アルミナ混合割合と理論密度比

3 実験結果及び考察3。1圧粉体成形応力と圧粉体密度混合粉を金型に入れた時の粉体の高さは約70mmであり、圧粉後は成形応力120MPaで34〜35mm、400Ⅳ‡Paで30〜31mnュとなった。
圧粉体成形応力と理論密度比（理論密度に対する圧粉体密度の比）、及びアルミナ混合割合と理論密度

これは圧下初期は粉体が流体的な動きをするために混合割合の変化による差異が少ないが、応力が大きくなるに従って固体としての挙動を示すようになりアルミナの混合割合の影響が出てくるためと思われる。

比の関係をそれぞれ図2、図3に示す。

理論密度比は成形托、力の増加とともに大きくなるが、応力400MPa前後で飽和しており、その値は混合割合が85／15で0。90、90／川で0．93、95／／5で0．96である。また、アルミナの混合割合が高いほど小さい応力で飽和する傾向がある。これはアルミナ混合

3暇 2 焼結体の圧縮品密度

前記圧粉体を焼結した結果、重量及び寸法の変化はみられず、焼結体密度は焼結前の圧粉体密度と変わらなかった。

この焼結体を圧粉体成形応力と同じ応力で圧縮し割合が高いほど相対的に粉体の硬さが大きくなるとた場合と、応力を300MPa一定で圧縮した場合の理ともに、延性が低下するためと思われる。

論密度比の変化を示したのが図4、図5である。

応力が小さい時は混合割合による理論密度比の差

図4において、圧縮応力400MPaの場合の理論密はないが、応力が大きくなるとアルミナの混合割合度比は混合割合が85／15で0．91、90／10で0．94、95が高いほど理論密度比が小さい。

／5で0．97であり、圧粉体に比べて1〜2％の増加− 220平成2年度 研究報告 大分県工業試験場
成形応力が低いとアルミニウム粉末の粒子形状がほI．

′

当

ぼもとのまま残っており、粒子間の隙間も大きく密度が低いことが分かる。成形応力を高くすると粉末粒子は偏平状に圧縮されやや密度が向上しているよ憾0。9うだが粒子間の境界ははっきりしている。

蟹託討0。8Al

一方アルミナの混合割合が低い95／5の場合、成0：
ム：

形応力が低いとAl粉末粒子の形状が残ってはいる

口こを大きくすると粒子の境界は不明瞭になっており密0 100 ZOO 300 400 500
焼結体圧縮応力（摘Pa）
図4 焼結体圧縮応力と理論密度比ものの粒子間の隙間も小さくなっている。成形応力度がより高くなっていることが分かる。
この粒子の境界はAl粉末の表面に形成された酸化被膜であると思われ、粒子境界が不明瞭になるのは粒子が高い応力で密着したためか酸化被膜が破壊し粒子同士が結合し始めているのかは分からない。
また、写真2は成形応力と同じ応力で焼結体を圧縮した場合の顕微鏡写真を示すが、焼結後再圧縮することによってAl粉末粒子の密着性が上がり、粒子の境界が分からなくなっている。この傾向は混合割合95／5の場合が特に強く、理論密度比からもその傾向を示している。
これは圧粉体成形焼結再圧縮【焼結の工程で−・ユし▲−バ

糾 ℃ Al／アルミナ

0 ⑳：85／15△ 盈：90／10

コ 囚：95／5≧u250350

圧粉体成形時応力 川Pa）図5 焼結体圧縮前後の理論密度比はあるものの殆ど変わらない。しかし応力120MPa
では理論密度比がそれぞれ0．87、0．89、0．90となっており、圧粉体に比べて6〜7％増加している。

焼結体を一定の応力300MPaで圧縮した場合、図A仁／アルミナ＝85／15 Al／／アルミナ＝95／5

5に示すごとく、圧粉体成形応力に関わらずほぼ同圧粉体成形応力P＝120MPa

じ理論密度比になり、その値は混合割合85／15で0．91、90／10で0．94、95／5で0．97である。
圧粉体成形荷重と同じ応、力及びm一定応力で圧縮したときに、理論密度比が飽和状態に達するのは圧粉体成形時より小さい応力で、ともに3（）OMPa前後である。これは圧粉成形による加工硬化していたものが、焼結により軟化したためと考えられる。
3。3 顕微鏡写真

写真1に混合割合85／15、及び95／5の焼結体の顕微鏡写真を示す。
アルミナの混合割合が高い85／15の場合、圧粉体

Al／アルミナ＝85／15 Al／アルミナ＝95／5
圧粉体成形応力P＝400MPa
写真1圧粉体焼結品顕微鏡写真
山一 3

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で飽和状態に達し，そのときの理論密度比は，0，90（Al／アルミナ＝85％／15％）、0．93（9n／′／10）、0．96（95′′／50）であった。
（2）−・・・、一次焼結体を圧粉体成形応力と同じ応力で圧縮した焼結体の理論密度比は、応力ユ20MPaでは一次焼結体の0．85から6〜7％増加ル、0．87（85／15）、0．89（90／10）、0．90（95／／5）となったが、30〔肋‡PaAl／アルミナ＝85／15 Al／アルミナニ95／5
焼結体成形応力P＝120MPa付近で飽和状態に達しそれぞれ0．91（85／／15）、0．94（90／10）、0．97（95／5）となった。
（3）一次焼結体を同じ応力（300ⅣIPa）で圧縮した焼結体は、圧粉体成形応力の値に関わらず理論密度比が0．91（85／15）、0．94（90／10）、0，97（95／5）となり飽和状態の値とほぼ同じになった。

本報では成形応力と理論密度比の関係を調べたが、今後は高温強度を調べるために引張り試験片を作製し、高温雰囲気での引張り試験を行うとともに、
Al／アルミナ＝85／15 Al／アルミナ＝95／5
焼結体成形応力 P＝400MPa
写真2 再圧縮焼結品顕微鏡写真

圧縮試験を行いその機械的特性を調べる。
また、この混合体の熱間等方加圧処理（HIP処理）による理論密度比との比較を行うとともに、分散材を県産材であるエメリーとした場合の機械的特性を加工硬化したAlが軟化したためであろう。

調べる。

4 結 言
アルミニウム粉末にアルミナ粉末を混合し、高温強度と耐摩耗性の高いアルミニウム基分散強化複合材料の開発を目標に、その第一歩としてアルミナの追記

本実験に使用した真空熱処理装置は、日本自転車振興会の補助を受けて設置したものである。

重量混合割合が15、10、5％の混合粉末を￠35×35
Lの円柱状に成形焼結し、成形応力と理論密度比の関係を調べた結果以下の結論を得た。

（1）圧粉体密度は圧粉体成形応力350〜400MPa

、l

参考文献

1）操業，三谷；粉末冶金学，コロナ社