平成3年度 研究報告 大分県工業試験場（3）アルミニウム基分散強化複合材料の開発（第2報）
機械部

1 緒 言

鶴 岡 一 廣果理論密度比㌻は圧粉体成形応力に関わらず、100％県産材の有効利用を削勺とした金属。セラミック
ス複合材料製造技術の開発研究の一環として、セラ

Alの場合はで＝0．99、Al／アルミナニ97／3の場合はr＝0．97であった。

ミックスを分散材としたアルミニウム基分散強化複平板状試験片は、アルミニウム粉末にアルミナ粉合材料の開発を行った。前年度はアルミナを分散材末及びェメリー粉末を混合し、12×4×100mmの寸法として、純アルミニウム粉末に重量割合で15、10、に成形し、引張り試験に供した。混合粉体は重量割5％のアルミナ粉末を加え、圧粉、焼結、再圧縮、合で100％Ai、及びAl／アルミナ、Al／エメリーーー＝＝＝焼結の工程で円柱状焼結体を作製し、成形応力と理97／3、95／5、90／10、S5／15である。試験片の論密度比の関係を調べた1）。その結果圧粉体成形応成形は、①圧粉体成形（成形応力200MPa）、②一次力が200MPa以上、一次焼結体圧縮応力が300MPa

焼結（焼結温度6300C、保持時間100分）、③焼結体圧以上で理論密度比がほぼ最大になることが解った。

縮（圧縮応力300MI）a、Ai／アルミナ＝95／5はそこで本年度は、分散材としてアルミナ、及び日200、300、400MPa）、④二次焼結（焼結温度6300C、本国内では大分県でしか産出しないエメリーを用い保持時間100分）の工程で行った。焼結は真空熱処理て、平板状試験片を作製しその機械的強度を調べた。

炉にて、真空引き後約1Torrの窒素ガス雰囲気で行った。

2 実験方法
3 実験結果及び考察

2．1供試材料
アルミニウム粉末（湊アルミニウム㈱製，99．5％

3．1試験片密度Al、粒度100mesh以下）、及びアルミナ粉末（和光純

図1はアルミナの混合割合ⅥrR＝5％について、薬工業㈱製、αアルミナ、粒度2〟m以下）は前回

応力200MPaで圧粉成形した一次焼結体を圧縮成形と同じである。また、エメリー粉末は南海部郡宇目した平板状試験片の理論密度比の変化である。
圧縮応力による理論密度比の変化は小さいが、同町木浦鉱山の木浦エメリー㈱の製品を粒径125〜180〟mに調整したもので成分の分析値（カタログ値）をじ条件で成形した円柱状焼結体より若干低くなって表1に示す。密度は3．18g／cm3である2）。

いる。これは平板状試験片の方が厚みに対する受圧面積の比が円柱状焼結体のそれより大きく摩擦抵抗

表1エメリー成分表
成 分 A1203 SiO2 Fe203 FeO

CaO

他

分析値（％） 33．42 6．03 24．40 27．86 4．50 5．12

2．2実験条件

前回に続いてアルミニウム粉末（100％Al）、及びAl／アルミナ＝97／3について、圧粉体成形応力を150、200、250M㌘a、焼結体圧縮応力を300MPaで成形焼結した円柱状焼結体の密度を測定した。その結100200300400500

焼結体圧縮応力 垂／MPa

区＝ 焼結体圧縮応力と理論密度比9平成3年度 研究報告 大分県工業試験場が相対的に大きくなったため同じ圧寄宿応力では少しが応力を伝達する経路となってアルミニウム粒子の低くなったと考えられる。

変形を促進し理論密度比が高くなってしらると考えら

図2は−一次焼結体圧縮応力範＝300MPaの場合れる。この傾向は混合割合が大きいほど顕著である。の分散材の混合割合ぼ対する試験片の理論密度比である。
アルミナ、エメリーとも混合割合が小さいぼど理

粒子径がアルミニウム粉末の粒子の約1／80〜100であり、アルミナ粒子がアルミニウム粒子間に潜入L

玉髄鮮繕酎的に高い値を示している。これは、アルミナの場合

芸革
ま 巨○h

論密度比は高くなっているが、エメリ←の方が全体分散材粒子問に食い込み密着するとともに、エメリ山粒子○：アルミナ0〇10

分散材混合割合 WR／％
図2 分散材混合割合と理論密度比

Al／アルミナ＝97／／3

Aレエメリーーー＝＝＝97／／3

Ai／／アルミナ＝85／ノ15

Aレエメリ」＝85／i5

写真i試験片断面顕微鏡写真
・′、 Ⅲ○⑳：エメリー変形になり、固着や摩擦抵抗で粒子間が十分に密着せず理論密度比が高くならないのに対し、エメリーじ大きさであり、硬いエメリー粒子がアルミニウム婁

○し、圧粉。圧縮時の変形がアルミニウム粒子同士のの場合は粒子径がアルミニウム粉末の粒子とほぼ同⑳1520平成3年度 研究報告 大分県工業試験場

写真1に試験片の断面顕微鏡写真を示す。この写
真より、アルミナの場合はアルミニウム粒子問に隙間がみられるが、エメリーの場合はその隙間は小さくなっており、ニの傾向は混合割合が大きいぼど顕著であることが解る。このことは図2の結果と】山致

亀⑳している。

た 謂

3．2引張り試験
挺f3にユ00％Al及びÅ上／アルミナ＝95／5につ§ 慧

いて、応力200R蓬Paで圧粉成形した一次焼結体を圧縮成形した平板状試験片の引張り強さを示す。

■㊨＝エメ、ト○：アルミナ

分散材 肝萄
50

国 H
1015

分散材混合割合 WR／％
06

祀乱買＼ぜ

図4 分散材混合割合と引張り強さ

4ハ⁚U

勅悪︹W雌m芯となっている。

アルミナの場合、混合剤合ⅥrR＝3％で引張り強さは範ニ70MPaを示し、混合割合の増加とともに低下し、1ⅣR＝15％で♂。＝5M玉〕aとなっている。また破断伸びはⅥrR＝3％でe＝5％、ⅥrR＝5％以上ではe：ニ1〜2％である。

一方エメリーの場合、傾向はアルミナの場合とほ100

200300舶0500

焼結体圧縮応力 範／MPa
図3 焼結体圧縮応力と引張をj施さ

ぼ同じであるが、1町民＝3％で穐＝78M㌘a、Ⅵr罠＝15％で馳＝28M㌘aとなっており、アルミナの場合より高い値を示している。また、破断伸びはⅥrR＝10わ％A王では圧縮応力垂＝300民度Pa付近からほナの場合の破断伸びについては、圧縮応力に関係な
く、e＝1〜2％程度であった。

分散材◎：エメリー2向を示し、覇王≒5PMPaとなってtlる。また、アルミ㌔＼心 岩畳墓轟ほ十一志でぽ。≒82Ⅸ膵a、アルミナの場合も同様の傾0○…アルミナ

星

医i4、及び5に¶一次焼結体圧縮応力猥＝300M㌘a
J）場合の分散材混合剤台と引張り強さ及び破断伸び用の関係を示す。
100％Åiの場合、引張か強さは軌＝81へ一84M互）a、破断伸びはe＝19〜23％となっており、引張り強さ

邪、課0〇10は圧延純アルミニウム板材（JIS‡互4000、AlO50P

分散材混合割合 Ⅶ忍／％0）と同じであるが、破断伸びについてはやや低い値

図5 分散材混紡割合と破断伸び

152011平成3年度 研究報告 大分県工業試験場

3％でemlO％、WR二5％でe＝二5％となっていわち機械的強度を具現する主因がアルミニウム粒子る。

同上の密着・結合によるものであれば、圧粉体成形匂焼結体圧縮における変形密着機構が、アルミナの場

図6はスパン60mmで曲げ試験を行った時の肌一次焼結体比締応力垂＝30帆IPaの場合の分散材混合割

合はアルミニウム粒子の変形のみによるものである

合と最大曲げ応力の関係を示したものであるが、本のに対し、エメリーの場合はエメリ山粒子によるア図においても引張り強さの場合と同様な傾向を示し

ルミニウム粒子の局部的変形、アルミニウム粒子同ている。

上による全体的な変形とが組合わさって密度が向上しアルミニウム粒子問の結合力が強くなったと考えられる。

4 結 言
アルミナ及びェメ

寧

1．
6

‖

リー粉末を分散材として、高温強度や耐摩耗性向上を目標に、アルミニウム基分散強化複合材料の開発を行ってきたが、今回は主に分○

散材混合割合に対する引張り強さを調べるために、○】●平板状試験片を、成形応力200Ⅳ‡Paでの圧粉成形、○●焼結、圧縮応力300MPaでの焼結体圧縮、再焼結の

41∑ld．b 焉崇蓋買藤●‖＝⊥程で作製し、引張り試験を行い下記の結論を得た。

●（1）100％Alの場合の理論密度比rは丁＝0．99がi●得られた。
（2）アルミナに比べてエメリ」の方が理論密度比が高く、この傾向は分散材混合割合1VRが高いときにミナ

顕著で 、1VR＝15％のときエメリーでr＝0．96であリー
051015

分散材混合割合 ⅥrR／％
図6 分散材混合割合と最大曲げ応力20ったのにヌ寸し、アルミナではr＝（）．90であった。
（3）100％Alの引張り強さは♂Rニ82八′iPaで、破断伸びはe＝19〜23％であった。
（4）分散材混合割合の増加によって引張り強さは低引張り試験及び曲げ試験において分散材を混合しFし、WR二3％、及びⅥrR＝15％で、エメリしではた場合、100％Alの場合に比べてともに低い値とな

句i＝78MPa、及び鶴＝28ⅣIl）a、アルミナでは範＝っている。これは試験片の引張り強さを具現する主7（）MPa、及び亀＝5MPaであった。

因が、本質的に基材のアルミニウム粒子同士の密（5）破断伸びは、100％Alの場合e＝20％、エメリ着・結合によるものと考えると、混合割合が大きくーの場合WR3％でe＝10％、ⅥrR＝5％でe＝こなるとアルミニウム粒子問の密着が阻害され、引張5％、り強さが低卜するためと考えられる。ただ今回は常ⅥrR＝5％以上ではe＝1へ／2％であった。

アルミナの場合はⅥrR＝3％でe＝5％、温雰囲気における引張り試験結果であり、この傾向が高温雰囲気においても同様の結果となるかは今後の課題である。
一方分散材としては、アルミナに比べてエメリーの場合の方が機械的礪度が高く、双方の間には明確な有意莞が認められる。これは分散材としてのアル本報では常温雰囲気における引張り強さ等を調べたが、今後は高温雰囲気での機械的性質特に引張り強さを調べ、分散材による高温強度の向上がどの程度可能かを検討する必要がある・。

また、当初アルミナを分散材として、複合材の基ミナ粉末及びエメリ、−粉末とアルミニウム粉末の粒礎的特性を調査したが、今回エメリーを用いた場合径の違いによるものではないかと考えられる。すなにアルミナより機械的強度の向上においては効果的−12平成3年度 研究報告 大分県工業試験場

である結果が得られた。この機種的強度の向上は分散材の粒子サイズによる効果ではないかと考察する
が、材種による効果か否かを調べるために、分散材と基材の粒経の違いによる引張り強さ等を検討する必要がある。

参考文献

1）鶴岡一贋：大分県工業試験場 平成2年度研究報告（1992）1
2）後藤幸臣，大塚裕俊，水江宏，池遁豊：大分県工業試験場 平成2年度研究報告（1992）5
3）榛葉久吉，三谷裕康：粉末冶金学，コロナ社

追 記
本実験で試験片の焼結に使′弔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。

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