セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法
【課題】強度、耐摩耗性、高温特性の改善を図ったセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法を提供する。
【解決手段】アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウムまたは溶湯アルミニウム合金に分散させることを特徴とするセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法である。
【解決手段】アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウムまたは溶湯アルミニウム合金に分散させることを特徴とするセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス粒子を添加した高強度なセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の製造方法では、粒子分散強化アルミニウム複合材料（以下、複合材料ともいう）は、溶湯アルミニウムへのセラミックス粒子の直接混合（混合法）、セラミックス粒子の粒子プリフォームへの圧力によるアルミニウム溶湯の含浸（含浸法）、金属酸化物粉末のアルミニウム溶湯への添加によるアルミナ粒子のin-situ生成（反応法）によって作られている。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−７０５３８号公報
【特許文献２】特開平５−３２０７８４号公報
【特許文献３】特開平５−５１４０号公報
【特許文献４】特開昭６０−７７９４５号公報
【特許文献５】特開昭６４−１１０５７号公報
【特許文献６】特開平６−３２０２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、混合法を用いる場合、溶湯アルミニウムと粒子との濡れ性が良くないため、粒径１０μｍ以下の粒子の溶湯金属への分散は非常に難しい。現状では、混合法において粒径１０μｍ以下の粒子を溶湯アルミニウムに分散する技術はまだ確立されたとは言えない。粒径数μｍ以下のセラミックスを撹拌法で溶湯アルミニウム合金に添加すると、粒子間の凝集が生じ、複合材料中に未含浸の粒子凝集体が残される。このような未含浸の粒子凝集体は複合材料の機械的特性を劣化させる。
【０００６】
また、粒子プリフォームを用いて、圧力鋳造法で粒子分散アルミニウム複合材料を作製する場合、予め粒子プリフォームを作製する必要がある。ただし、粒径５μｍ以下の粒子を用いると、粒子プリフォームの作製は非常に困難である。
【０００７】
一方、金属酸化物粉末の溶湯アルミニウムへの添加によるアルミナ粒子のin-situ生成においては、上述と同じように粒径１０μｍ以下の金属酸化物粒子を用いると、その混合もかなり難しい。
【０００８】
例えば、特願２００７−１３４０１６では、セラミックス粒子とＳｉ粒子を予混合して、撹拌法で溶湯アルミニウム合金に添加する方法を開発し、粒子分散の状況を改善させることにより高強度の粒子分散強化アルミニウム複合材料が得られることが提案されている。しかし、Ｓｉ粒子とセラミックス粒子が一緒に溶湯アルミニウム合金中に添加されるので、セラミックス粒子を分散させるためのＳｉ粒子の添加量を増やしすぎると、合金中のＳｉ濃度が高くなり、合金の組成はもとの合金組成から離れ、他の組成の合金になる。
【０００９】
また、特許文献１では、セラミックス粒子とＡｌ粒子を予混合して撹拌法で溶湯アルミニウムに複合する例があるが、Ａｌ粒子の表面に酸化膜（酸化アルミニウム）が形成されやすく、特に１００μｍ以下の細かいＡｌ粒子は表面に厚い酸化膜が形成されるため、粒径の細かいＡｌ粒子を予混合しても表面に酸化膜が付いたままでＡｌ粒子が溶けず、セラミックス粒子の分散性を改善することができない。
【００１０】
粒子分散強化アルミニウム複合材料の機械的特性をさらに向上させるには、粒径の細かい粒子の複合が望まれ、特にナノオーダーからサブミクロンオーダーのセラミックス粒子のアルミニウム合金への複合技術の開発が望まれている。
【００１１】
しかしながら、従来の製造方法では、粒径がミクロンオーダーやナノオーダーの粒子のアルミニウム合金への複合は非常に困難であるため、新たな粒子分散法の開発が望まれている。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、強度、耐摩耗性、高温特性の改善を図ったセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために創案された本発明は、アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウムまたは溶湯アルミニウム合金に分散させるセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法である。
【００１４】
また本発明は、アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウム合金に分散させ、かつ予混合時に添加されるＳｉ粒子、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの添加粒子の添加量と、さらに撹拌時に添加されるＡｌの添加量とＭｇの添加量とを調整することにより、溶湯アルミニウム合金の組成を調整するセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法である。
【００１５】
上記Ｓｉ粒子の添加量は１．６５ｗｔ％以上であるとよい。
【００１６】
上記セラミックス粒子は平均粒径が１〜３０μｍであり、上記Ｓｉ粒子は平均粒径が０．５〜２０μｍであり、上記金属粒子は平均粒径が１〜１５０μｍであるとよい。
【００１７】
上記Ｓｉ粒子の平均粒径は、上記セラミックス粒子の平均粒径よりも小さいとさらによい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、均一に分散した微細なセラミックス粒子により強化されているため、強度、耐摩耗性、高温特性が改善され、高強度軽量化部材として自動車産業などに応用できるセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
【００２０】
本実施形態に係るセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料（以下、複合材料ともいう）の製造方法は、アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを同時に予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウムまたは溶湯アルミニウム合金に分散させる方法である。
【００２１】
セラミックス粒子は、母材であるＡｌに分散させることで、単体では主に複合材料の強度、耐摩耗性、高温特性を高める。
【００２２】
半金属のＳｉ粒子を添加すると、複合材料の熱膨張係数が小さくなり、溶湯の流動性、鋳型の充填性と耐摩耗性がよくなる。また、Ｍｇを添加した場合、複合材料の強度と耐食性がよくなる。ここでいう半金属とは、金属と非金属の中間の物質であり、フェルミエネルギーが価電子帯の最上部と伝導帯の最下部を横切っている状態（価電子帯と伝導帯がわずかに重なっている）、またはその状態を示す物質である。半金属元素としては、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｏなどがある。
【００２３】
Ｍｇ粒子は、単体では主に複合材料の強度を高める。Ｃｕ粒子は、単体では主に複合材料の強度と硬度を高める。Ｎｉ粒子は、単体では主に複合材料の強度と耐熱性を高める。Ｆｅ粒子は、単体では主に複合材料の強度と耐酸化性を高める。Ｚｎ粒子は、単体では主に複合材料の強度を高める。Ｍｎ粒子は、単体では主に複合材料の強度と耐食性を高める。Ｔｉ粒子は、単体では主に複合材料の耐食性を高める。Ｃｒ粒子は、単体では主に複合材料の耐摩耗性を高める。
【００２４】
セラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、金属粒子との予混合は、乾式または湿式混合装置で行う。乾式混合装置を用いる場合、セラミックス粒子、半金属のＳｉ粒子、金属粒子を直接混合槽に投入すればよいが、湿式混合装置を用いる場合には、エタノールや水などの溶媒をセラミックス粒子、半金属のＳｉ粒子、金属粒子と一緒に添加する必要がある。乾式混合装置としては、Ｖ型ミキサー、ヘンシェルミキサーなどが挙げられるが、湿式混合装置としては、ボールミル、粒子撹拌機などがある。
【００２５】
また、撹拌法は、合金の製造で一般的に用いられる方法であり、撹拌用容器内に母材の溶湯を入れ、その溶湯に添加物を添加し、半凝固（半溶融）状態で羽根付きの撹拌棒を回転させ、溶湯と添加物を撹拌する方法である。
【００２６】
溶湯アルミニウムは、ほぼ純粋なＡｌの融液からなる。溶湯アルミニウム合金は、Ａｌと、Ｓｉと、Ｍｇとを含み、さらにＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒのうち少なくとも１つの金属元素を含む溶湯からなる。
【００２７】
Ｓｉ粒子の添加量は１．６５ｗｔ％以上であるとよい。Ｓｉ粒子の添加量を１．６５ｗｔ％以上にすると、溶湯アルミニウムあるいは溶湯アルミニウム合金にＳｉを非平衡状態で溶融させた後、溶湯アルミニウムあるいは溶湯アルミニウム合金中に単体のＳｉを析出させることができ、ＡｌとＳｉの間に金属間化合物が形成されないからである。
【００２８】
しかも、ＡｌにＳｉ粒子を添加するとＡｌ−Ｓｉ合金も形成され、熱膨張係数が小さくなり、溶湯の流動性、鋳型充填性と耐摩耗性がよくなる。
【００２９】
セラミックス粒子は平均粒径が１〜３０μｍ、好ましくは１〜１０μｍであり、Ｓｉ粒子は平均粒径が０．５〜２０μｍ、好ましくは０．５〜１０μｍであり、金属粒子は平均粒径が１〜１５０μｍであるとよい。
【００３０】
セラミックス粒子は平均粒径を１〜１０μｍにしたのは、粒径が小さいセラミックス粒子を溶湯に分散させるのに、本実施形態に係る製造方法が特に有用な方法だからである。また、Ｓｉ粒子のサイズに関しては、細かければ細かいほどよい。基本的にはセラミックス粒子より細かい（平均粒径が小さい）Ｓｉ粒子がよいが、添加するセラミックス粒子の大きさに応じてＳｉ粒子のサイズを上述の範囲から選ぶ。さらに、添加する他の金属粒子に関しては、粒径が細かくなると、粒子そのものが自然に酸化する問題があるので、平均粒径は１μｍ以上が好ましい。金属粒子の平均粒径が１５０μｍ以下であれば、予混合時にセラミックス粒子やＳｉ粒子とよく混ざるからである。
【００３１】
従来、Ａｌに微細なセラミックス粒子を複合する際、溶湯中にセラミックス粒子を分散させるため、セラミックス粒子と金属粒子を予混合したり、セラミックス粒子とＳｉ粒子を予混合したりしていた。セラミックス粒子と金属粒子を予混合する場合は、鋳造後に金属間化合物ができやすい。セラミックス粒子とＳｉ粒子を予混合する場合には、金属間化合物はできないが、Ｓｉ粒子の添加量を増やしすぎると、所望の合金組成とは異なる複合材料になる。
【００３２】
これに対し、本実施形態に係る製造方法は、Ａｌとの間に金属間化合物が形成されないＳｉ粒子と、所望の合金組成の複合材料にするための金属粒子との両者を、溶湯中にセラミックス粒子を分散させるための添加物として用いる。
【００３３】
本実施形態に係る製造方法では、まず、セラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、金属粒子との予混合により、セラミックス粒子の周りが他の半金属のＳｉ粒子と金属粒子に囲まれている状態の混合粒子を作り出す。この混合粒子を溶湯アルミニウムあるいは溶湯アルミニウム合金に添加して撹拌すると、溶湯中において、セラミックス粒子を伴った状態のまま半金属のＳｉ粒子と金属粒子が均一に分散して溶けるので、セラミックス粒子の凝集による未含浸（複合材料中に未含浸の粒子凝集体が残されること）の問題が解決できる。
【００３４】
これにより、微細なセラミックス粒子が均一に分散したセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の溶湯が得られる。その後、この複合材料の溶湯を金型に鋳込んで鋳造すれば、シリンダヘッド、ピストン、ピストンヘッドなどの自動車用部品を始めとする所望形状に作製された高強度軽量化部材が得られる。
【００３５】
特に、本実施形態に係る製造方法では、特願２００７−１３４０１６と比較して、セラミックス粒子は、半金属のＳｉ粒子以外にさらに多くの金属粒子に分断されて凝集しないので、細かい粒子でも溶湯アルミニウム中や溶湯アルミニウム合金中に分散しやすくなる。
【００３６】
したがって、本実施形態に係る製造方法によれば、均一に分散した微細なセラミックス粒子により強化されているため、強度、耐摩耗性、高温特性が改善され、高強度軽量化部材として自動車産業などに応用できるセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料が得られる。
【００３７】
ここで、本実施形態に係る製造方法と従来方法の違いを明確にするため、アルミニウム合金に金属元素あるいは半金属元素を添加する場合について説明する。
【００３８】
（i）アルミニウム合金にＭｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉなどの金属粒子を添加しただけの場合（従来方法）
１ｗｔ％未満の微量の金属をアルミニウム合金に添加すると、微量の金属元素がＡｌに固溶し、α（Ａｌ）固溶体が形成し、強度が向上する。１ｗｔ％以上の多量の金属（Ｍ）を入れると、金属間化合物ＡｌｘＭｙ（あるいは他の金属間化合物）が形成される。
【００３９】
（ii）さらに半金属Ｓｉを添加すれば
１ｗｔ％以下の微量のＳｉをアルミニウム合金に添加すると、微量のＳｉがＡｌに固溶し、α（Ａｌ）固溶体を形成する。本実施形態に係る製造方法のように、アルミニウム合金に１．６５ｗｔ％以上の多量のＳｉを入れると、溶湯アルミニウム合金から単体のＳｉが析出し、ＡｌとＳｉの間に金属間化合物が形成されない。また、ＳｉをＡｌに添加するとＡｌ−Ｓｉ合金になることで、熱膨張係数が小さくなり、溶湯の流動性、鋳型充填性と耐摩耗性がよくなる。
【００４０】
つまり、金属間化合物が形成するか形成しないかは、本実施形態に係る製造方法と従来方法との大きな違いであり、従来方法では金属元素を添加するので、アルミニウム合金中に金属間化合物が形成される可能性がある。ただし、本実施形態に係る製造方法では、Ｓｉを１．６５ｗｔ％以上添加するので、Ｓｉが単独に析出する。Ｓｉの添加量が１２ｗｔ％未満と少ないとき、アルミニウム合金はＡＣ４Ｃ（Ａｌ−７ｗｔ％Ｓｉ）になり、Ｓｉの添加量が１２ｗｔ％を超えて多いとき、合金はＡＣ８Ａ（Ａｌ−１２ｗｔ％Ｓｉ）あるいは他の過共晶合金になる。
【００４１】
上述したように、従来方法では、セラミックス粒子と金属粉末のみを予混合して溶湯に添加しているのに対し、本実施形態に係る製造方法では、セラミックス粒子とＳｉ粒子と金属粒子とを予混合して溶湯に添加している。
【００４２】
予混合の目的は両方ともセラミックス粉末の分散性を高めることである。ただし、金属元素を添加する場合、上述のように微量の金属粒子を添加する場合、α−Ａｌに固溶するが、添加量が多くなると、金属間化合物として析出する。しかし、Ｓｉを１．６５ｗｔ％以上添加する場合、Ｓｉが単独に析出し、金属間化合物が形成されない。これは本実施形態に係る製造方法と従来方法との大きな違いである。
【００４３】
上記実施形態とは異なり、上述した混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウム合金に分散させ、かつ予混合時に添加されるＳｉ粒子、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの添加粒子の添加量と、さらに撹拌時に添加されるＡｌの添加量とＭｇの添加量とを調整することにより、溶湯アルミニウム合金の組成を混合粒子を添加する前と異なる組成に調整することもできる。
【００４４】
この場合にも、半金属のＳｉ粒子、各金属粒子の添加量と、後に添加されるＡｌの量とを、溶湯アルミニウム合金の組成と同じになるようにすれば、上述した混合粒子を溶湯アルミニウム合金に添加しても、撹拌時のＭｇの添加量を調整することで、最終的に得られる溶湯アルミニウム合金の組成が混合粒子を添加する前と同じ組成になる。
【実施例】
【００４５】
（実施例１）
ＳｉＣ粒子（平均粒径５μｍ、２００ｇ）、半金属のＳｉ粒子（平均粒径１０μｍ、５６ｇ）と金属のＣｕ粒子（平均粒径１００μｍ、３ｇ）を溶媒と共にボールミルで混合し、乾燥した後、セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の作製に備えた。半凝固状態の溶湯ＡＣ４Ｃアルミニウム合金（２ｋｇ）を撹拌しながら上記の混合粒子を添加した後、溶湯アルミニウム合金の組成がＡＣ４Ｃ合金の組成になるようにＡｌ、Ｍｇを添加した。その後、セラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を７５０℃に加熱した後、金型に鋳込んで、ＳｉＣ粒子強化ＡＣ４Ｃ合金複合材料を得た。ＳｉＣ粒子強化ＡＣ４Ｃ合金複合材料を析出硬化するためのＴ６（溶体化処理後、人工時効硬化処理）で熱処理した後、その組織を観察した。ＳｉＣ粒子は均一にアルミニウム合金中に分散していることが確認できた。この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１６１で、引張強度は３７４ＭＰａであった。
【００４６】
（実施例２）
スピネル粒子（平均粒径１μｍ、１６０ｇ）、半金属のＳｉ粒子（平均粒径０．５μｍ、１２２ｇ）、金属のＣｕ粒子（平均粒径５０μｍ、２３ｇ）、Ｎｉ粒子（平均粒径１２０μｍ、２４．８ｇ）とＦｅ粒子（平均粒径１５０μｍ、６．６ｇ）を溶媒と共にボールミルで混合し乾燥した後、セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の作製に備えた。半凝固状態の溶湯ＡＣ４Ｃアルミニウム合金（２ｋｇ）を撹拌しながら上記の混合粒子を添加した後、さらにＭｇを添加した。その後、スピネル粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を７５０℃に加熱した後、金型に鋳込んで、スピネル粒子強化ＡＣ８Ａ合金複合材料を得た。スピネル粒子強化ＡＣ８Ａ合金複合材料をＴ６で熱処理した後、その組織を観察した。スピネル粒子は均一にアルミニウム合金中に分散していることが確認された。この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１７８で、引張強度は３９５ＭＰａであった。
【００４７】
（比較例１）
７５０℃で溶解したＡＣ４Ｃアルミニウム合金（１０ｋｇ）を撹拌しながら、スピネル粒子（平均粒径１μｍ、６００ｇ）を添加した後、金型に鋳込んで、スピネル粒子強化アルミニウム複合材料を得た。スピネル粒子強化アルミニウム複合材料をＴ６で熱処理した後、その組織を観察した。多くのスピネル粒子は凝集し、均一なセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料が得られなかった。この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１２８で、引張強度は２５８ＭＰａであった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス粒子を添加した高強度なセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の製造方法では、粒子分散強化アルミニウム複合材料（以下、複合材料ともいう）は、溶湯アルミニウムへのセラミックス粒子の直接混合（混合法）、セラミックス粒子の粒子プリフォームへの圧力によるアルミニウム溶湯の含浸（含浸法）、金属酸化物粉末のアルミニウム溶湯への添加によるアルミナ粒子のin-situ生成（反応法）によって作られている。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−７０５３８号公報
【特許文献２】特開平５−３２０７８４号公報
【特許文献３】特開平５−５１４０号公報
【特許文献４】特開昭６０−７７９４５号公報
【特許文献５】特開昭６４−１１０５７号公報
【特許文献６】特開平６−３２０２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、混合法を用いる場合、溶湯アルミニウムと粒子との濡れ性が良くないため、粒径１０μｍ以下の粒子の溶湯金属への分散は非常に難しい。現状では、混合法において粒径１０μｍ以下の粒子を溶湯アルミニウムに分散する技術はまだ確立されたとは言えない。粒径数μｍ以下のセラミックスを撹拌法で溶湯アルミニウム合金に添加すると、粒子間の凝集が生じ、複合材料中に未含浸の粒子凝集体が残される。このような未含浸の粒子凝集体は複合材料の機械的特性を劣化させる。
【０００６】
また、粒子プリフォームを用いて、圧力鋳造法で粒子分散アルミニウム複合材料を作製する場合、予め粒子プリフォームを作製する必要がある。ただし、粒径５μｍ以下の粒子を用いると、粒子プリフォームの作製は非常に困難である。
【０００７】
一方、金属酸化物粉末の溶湯アルミニウムへの添加によるアルミナ粒子のin-situ生成においては、上述と同じように粒径１０μｍ以下の金属酸化物粒子を用いると、その混合もかなり難しい。
【０００８】
例えば、特願２００７−１３４０１６では、セラミックス粒子とＳｉ粒子を予混合して、撹拌法で溶湯アルミニウム合金に添加する方法を開発し、粒子分散の状況を改善させることにより高強度の粒子分散強化アルミニウム複合材料が得られることが提案されている。しかし、Ｓｉ粒子とセラミックス粒子が一緒に溶湯アルミニウム合金中に添加されるので、セラミックス粒子を分散させるためのＳｉ粒子の添加量を増やしすぎると、合金中のＳｉ濃度が高くなり、合金の組成はもとの合金組成から離れ、他の組成の合金になる。
【０００９】
また、特許文献１では、セラミックス粒子とＡｌ粒子を予混合して撹拌法で溶湯アルミニウムに複合する例があるが、Ａｌ粒子の表面に酸化膜（酸化アルミニウム）が形成されやすく、特に１００μｍ以下の細かいＡｌ粒子は表面に厚い酸化膜が形成されるため、粒径の細かいＡｌ粒子を予混合しても表面に酸化膜が付いたままでＡｌ粒子が溶けず、セラミックス粒子の分散性を改善することができない。
【００１０】
粒子分散強化アルミニウム複合材料の機械的特性をさらに向上させるには、粒径の細かい粒子の複合が望まれ、特にナノオーダーからサブミクロンオーダーのセラミックス粒子のアルミニウム合金への複合技術の開発が望まれている。
【００１１】
しかしながら、従来の製造方法では、粒径がミクロンオーダーやナノオーダーの粒子のアルミニウム合金への複合は非常に困難であるため、新たな粒子分散法の開発が望まれている。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、強度、耐摩耗性、高温特性の改善を図ったセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために創案された本発明は、アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウムまたは溶湯アルミニウム合金に分散させるセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法である。
【００１４】
また本発明は、アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウム合金に分散させ、かつ予混合時に添加されるＳｉ粒子、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの添加粒子の添加量と、さらに撹拌時に添加されるＡｌの添加量とＭｇの添加量とを調整することにより、溶湯アルミニウム合金の組成を調整するセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法である。
【００１５】
上記Ｓｉ粒子の添加量は１．６５ｗｔ％以上であるとよい。
【００１６】
上記セラミックス粒子は平均粒径が１〜３０μｍであり、上記Ｓｉ粒子は平均粒径が０．５〜２０μｍであり、上記金属粒子は平均粒径が１〜１５０μｍであるとよい。
【００１７】
上記Ｓｉ粒子の平均粒径は、上記セラミックス粒子の平均粒径よりも小さいとさらによい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、均一に分散した微細なセラミックス粒子により強化されているため、強度、耐摩耗性、高温特性が改善され、高強度軽量化部材として自動車産業などに応用できるセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
【００２０】
本実施形態に係るセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料（以下、複合材料ともいう）の製造方法は、アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを同時に予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウムまたは溶湯アルミニウム合金に分散させる方法である。
【００２１】
セラミックス粒子は、母材であるＡｌに分散させることで、単体では主に複合材料の強度、耐摩耗性、高温特性を高める。
【００２２】
半金属のＳｉ粒子を添加すると、複合材料の熱膨張係数が小さくなり、溶湯の流動性、鋳型の充填性と耐摩耗性がよくなる。また、Ｍｇを添加した場合、複合材料の強度と耐食性がよくなる。ここでいう半金属とは、金属と非金属の中間の物質であり、フェルミエネルギーが価電子帯の最上部と伝導帯の最下部を横切っている状態（価電子帯と伝導帯がわずかに重なっている）、またはその状態を示す物質である。半金属元素としては、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｏなどがある。
【００２３】
Ｍｇ粒子は、単体では主に複合材料の強度を高める。Ｃｕ粒子は、単体では主に複合材料の強度と硬度を高める。Ｎｉ粒子は、単体では主に複合材料の強度と耐熱性を高める。Ｆｅ粒子は、単体では主に複合材料の強度と耐酸化性を高める。Ｚｎ粒子は、単体では主に複合材料の強度を高める。Ｍｎ粒子は、単体では主に複合材料の強度と耐食性を高める。Ｔｉ粒子は、単体では主に複合材料の耐食性を高める。Ｃｒ粒子は、単体では主に複合材料の耐摩耗性を高める。
【００２４】
セラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、金属粒子との予混合は、乾式または湿式混合装置で行う。乾式混合装置を用いる場合、セラミックス粒子、半金属のＳｉ粒子、金属粒子を直接混合槽に投入すればよいが、湿式混合装置を用いる場合には、エタノールや水などの溶媒をセラミックス粒子、半金属のＳｉ粒子、金属粒子と一緒に添加する必要がある。乾式混合装置としては、Ｖ型ミキサー、ヘンシェルミキサーなどが挙げられるが、湿式混合装置としては、ボールミル、粒子撹拌機などがある。
【００２５】
また、撹拌法は、合金の製造で一般的に用いられる方法であり、撹拌用容器内に母材の溶湯を入れ、その溶湯に添加物を添加し、半凝固（半溶融）状態で羽根付きの撹拌棒を回転させ、溶湯と添加物を撹拌する方法である。
【００２６】
溶湯アルミニウムは、ほぼ純粋なＡｌの融液からなる。溶湯アルミニウム合金は、Ａｌと、Ｓｉと、Ｍｇとを含み、さらにＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒのうち少なくとも１つの金属元素を含む溶湯からなる。
【００２７】
Ｓｉ粒子の添加量は１．６５ｗｔ％以上であるとよい。Ｓｉ粒子の添加量を１．６５ｗｔ％以上にすると、溶湯アルミニウムあるいは溶湯アルミニウム合金にＳｉを非平衡状態で溶融させた後、溶湯アルミニウムあるいは溶湯アルミニウム合金中に単体のＳｉを析出させることができ、ＡｌとＳｉの間に金属間化合物が形成されないからである。
【００２８】
しかも、ＡｌにＳｉ粒子を添加するとＡｌ−Ｓｉ合金も形成され、熱膨張係数が小さくなり、溶湯の流動性、鋳型充填性と耐摩耗性がよくなる。
【００２９】
セラミックス粒子は平均粒径が１〜３０μｍ、好ましくは１〜１０μｍであり、Ｓｉ粒子は平均粒径が０．５〜２０μｍ、好ましくは０．５〜１０μｍであり、金属粒子は平均粒径が１〜１５０μｍであるとよい。
【００３０】
セラミックス粒子は平均粒径を１〜１０μｍにしたのは、粒径が小さいセラミックス粒子を溶湯に分散させるのに、本実施形態に係る製造方法が特に有用な方法だからである。また、Ｓｉ粒子のサイズに関しては、細かければ細かいほどよい。基本的にはセラミックス粒子より細かい（平均粒径が小さい）Ｓｉ粒子がよいが、添加するセラミックス粒子の大きさに応じてＳｉ粒子のサイズを上述の範囲から選ぶ。さらに、添加する他の金属粒子に関しては、粒径が細かくなると、粒子そのものが自然に酸化する問題があるので、平均粒径は１μｍ以上が好ましい。金属粒子の平均粒径が１５０μｍ以下であれば、予混合時にセラミックス粒子やＳｉ粒子とよく混ざるからである。
【００３１】
従来、Ａｌに微細なセラミックス粒子を複合する際、溶湯中にセラミックス粒子を分散させるため、セラミックス粒子と金属粒子を予混合したり、セラミックス粒子とＳｉ粒子を予混合したりしていた。セラミックス粒子と金属粒子を予混合する場合は、鋳造後に金属間化合物ができやすい。セラミックス粒子とＳｉ粒子を予混合する場合には、金属間化合物はできないが、Ｓｉ粒子の添加量を増やしすぎると、所望の合金組成とは異なる複合材料になる。
【００３２】
これに対し、本実施形態に係る製造方法は、Ａｌとの間に金属間化合物が形成されないＳｉ粒子と、所望の合金組成の複合材料にするための金属粒子との両者を、溶湯中にセラミックス粒子を分散させるための添加物として用いる。
【００３３】
本実施形態に係る製造方法では、まず、セラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、金属粒子との予混合により、セラミックス粒子の周りが他の半金属のＳｉ粒子と金属粒子に囲まれている状態の混合粒子を作り出す。この混合粒子を溶湯アルミニウムあるいは溶湯アルミニウム合金に添加して撹拌すると、溶湯中において、セラミックス粒子を伴った状態のまま半金属のＳｉ粒子と金属粒子が均一に分散して溶けるので、セラミックス粒子の凝集による未含浸（複合材料中に未含浸の粒子凝集体が残されること）の問題が解決できる。
【００３４】
これにより、微細なセラミックス粒子が均一に分散したセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の溶湯が得られる。その後、この複合材料の溶湯を金型に鋳込んで鋳造すれば、シリンダヘッド、ピストン、ピストンヘッドなどの自動車用部品を始めとする所望形状に作製された高強度軽量化部材が得られる。
【００３５】
特に、本実施形態に係る製造方法では、特願２００７−１３４０１６と比較して、セラミックス粒子は、半金属のＳｉ粒子以外にさらに多くの金属粒子に分断されて凝集しないので、細かい粒子でも溶湯アルミニウム中や溶湯アルミニウム合金中に分散しやすくなる。
【００３６】
したがって、本実施形態に係る製造方法によれば、均一に分散した微細なセラミックス粒子により強化されているため、強度、耐摩耗性、高温特性が改善され、高強度軽量化部材として自動車産業などに応用できるセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料が得られる。
【００３７】
ここで、本実施形態に係る製造方法と従来方法の違いを明確にするため、アルミニウム合金に金属元素あるいは半金属元素を添加する場合について説明する。
【００３８】
（i）アルミニウム合金にＭｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉなどの金属粒子を添加しただけの場合（従来方法）
１ｗｔ％未満の微量の金属をアルミニウム合金に添加すると、微量の金属元素がＡｌに固溶し、α（Ａｌ）固溶体が形成し、強度が向上する。１ｗｔ％以上の多量の金属（Ｍ）を入れると、金属間化合物ＡｌｘＭｙ（あるいは他の金属間化合物）が形成される。
【００３９】
（ii）さらに半金属Ｓｉを添加すれば
１ｗｔ％以下の微量のＳｉをアルミニウム合金に添加すると、微量のＳｉがＡｌに固溶し、α（Ａｌ）固溶体を形成する。本実施形態に係る製造方法のように、アルミニウム合金に１．６５ｗｔ％以上の多量のＳｉを入れると、溶湯アルミニウム合金から単体のＳｉが析出し、ＡｌとＳｉの間に金属間化合物が形成されない。また、ＳｉをＡｌに添加するとＡｌ−Ｓｉ合金になることで、熱膨張係数が小さくなり、溶湯の流動性、鋳型充填性と耐摩耗性がよくなる。
【００４０】
つまり、金属間化合物が形成するか形成しないかは、本実施形態に係る製造方法と従来方法との大きな違いであり、従来方法では金属元素を添加するので、アルミニウム合金中に金属間化合物が形成される可能性がある。ただし、本実施形態に係る製造方法では、Ｓｉを１．６５ｗｔ％以上添加するので、Ｓｉが単独に析出する。Ｓｉの添加量が１２ｗｔ％未満と少ないとき、アルミニウム合金はＡＣ４Ｃ（Ａｌ−７ｗｔ％Ｓｉ）になり、Ｓｉの添加量が１２ｗｔ％を超えて多いとき、合金はＡＣ８Ａ（Ａｌ−１２ｗｔ％Ｓｉ）あるいは他の過共晶合金になる。
【００４１】
上述したように、従来方法では、セラミックス粒子と金属粉末のみを予混合して溶湯に添加しているのに対し、本実施形態に係る製造方法では、セラミックス粒子とＳｉ粒子と金属粒子とを予混合して溶湯に添加している。
【００４２】
予混合の目的は両方ともセラミックス粉末の分散性を高めることである。ただし、金属元素を添加する場合、上述のように微量の金属粒子を添加する場合、α−Ａｌに固溶するが、添加量が多くなると、金属間化合物として析出する。しかし、Ｓｉを１．６５ｗｔ％以上添加する場合、Ｓｉが単独に析出し、金属間化合物が形成されない。これは本実施形態に係る製造方法と従来方法との大きな違いである。
【００４３】
上記実施形態とは異なり、上述した混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウム合金に分散させ、かつ予混合時に添加されるＳｉ粒子、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの添加粒子の添加量と、さらに撹拌時に添加されるＡｌの添加量とＭｇの添加量とを調整することにより、溶湯アルミニウム合金の組成を混合粒子を添加する前と異なる組成に調整することもできる。
【００４４】
この場合にも、半金属のＳｉ粒子、各金属粒子の添加量と、後に添加されるＡｌの量とを、溶湯アルミニウム合金の組成と同じになるようにすれば、上述した混合粒子を溶湯アルミニウム合金に添加しても、撹拌時のＭｇの添加量を調整することで、最終的に得られる溶湯アルミニウム合金の組成が混合粒子を添加する前と同じ組成になる。
【実施例】
【００４５】
（実施例１）
ＳｉＣ粒子（平均粒径５μｍ、２００ｇ）、半金属のＳｉ粒子（平均粒径１０μｍ、５６ｇ）と金属のＣｕ粒子（平均粒径１００μｍ、３ｇ）を溶媒と共にボールミルで混合し、乾燥した後、セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の作製に備えた。半凝固状態の溶湯ＡＣ４Ｃアルミニウム合金（２ｋｇ）を撹拌しながら上記の混合粒子を添加した後、溶湯アルミニウム合金の組成がＡＣ４Ｃ合金の組成になるようにＡｌ、Ｍｇを添加した。その後、セラミックス粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を７５０℃に加熱した後、金型に鋳込んで、ＳｉＣ粒子強化ＡＣ４Ｃ合金複合材料を得た。ＳｉＣ粒子強化ＡＣ４Ｃ合金複合材料を析出硬化するためのＴ６（溶体化処理後、人工時効硬化処理）で熱処理した後、その組織を観察した。ＳｉＣ粒子は均一にアルミニウム合金中に分散していることが確認できた。この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１６１で、引張強度は３７４ＭＰａであった。
【００４６】
（実施例２）
スピネル粒子（平均粒径１μｍ、１６０ｇ）、半金属のＳｉ粒子（平均粒径０．５μｍ、１２２ｇ）、金属のＣｕ粒子（平均粒径５０μｍ、２３ｇ）、Ｎｉ粒子（平均粒径１２０μｍ、２４．８ｇ）とＦｅ粒子（平均粒径１５０μｍ、６．６ｇ）を溶媒と共にボールミルで混合し乾燥した後、セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の作製に備えた。半凝固状態の溶湯ＡＣ４Ｃアルミニウム合金（２ｋｇ）を撹拌しながら上記の混合粒子を添加した後、さらにＭｇを添加した。その後、スピネル粒子を含んだ溶湯アルミニウム合金を７５０℃に加熱した後、金型に鋳込んで、スピネル粒子強化ＡＣ８Ａ合金複合材料を得た。スピネル粒子強化ＡＣ８Ａ合金複合材料をＴ６で熱処理した後、その組織を観察した。スピネル粒子は均一にアルミニウム合金中に分散していることが確認された。この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１７８で、引張強度は３９５ＭＰａであった。
【００４７】
（比較例１）
７５０℃で溶解したＡＣ４Ｃアルミニウム合金（１０ｋｇ）を撹拌しながら、スピネル粒子（平均粒径１μｍ、６００ｇ）を添加した後、金型に鋳込んで、スピネル粒子強化アルミニウム複合材料を得た。スピネル粒子強化アルミニウム複合材料をＴ６で熱処理した後、その組織を観察した。多くのスピネル粒子は凝集し、均一なセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料が得られなかった。この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１２８で、引張強度は２５８ＭＰａであった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウムまたは溶湯アルミニウム合金に分散させることを特徴とするセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項２】
アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウム合金に分散させ、かつ予混合時に添加されるＳｉ粒子、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの添加粒子の添加量と、さらに撹拌時に添加されるＡｌの添加量とＭｇの添加量とを調整することにより、溶湯アルミニウム合金の組成を調整することを特徴とするセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項３】
上記Ｓｉ粒子の添加量は１．６５ｗｔ％以上である請求項１または２記載のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項４】
上記セラミックス粒子は平均粒径が１〜３０μｍであり、上記Ｓｉ粒子は平均粒径が０．５〜２０μｍであり、上記金属粒子は平均粒径が１〜１５０μｍである請求項１〜３いずれかに記載のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項５】
上記Ｓｉ粒子の平均粒径は、上記セラミックス粒子の平均粒径よりも小さい請求項１〜４いずれかに記載のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項１】
アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウムまたは溶湯アルミニウム合金に分散させることを特徴とするセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項２】
アルミナ、スピネル、炭化ケイ素のうち少なくとも１つのセラミックス粒子と、半金属のＳｉ粒子と、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウム合金に分散させ、かつ予混合時に添加されるＳｉ粒子、Ｃｕ粒子、Ｎｉ粒子、Ｆｅ粒子、Ｚｎ粒子、Ｍｎ粒子、Ｔｉ粒子、Ｃｒ粒子のうち少なくとも１つの添加粒子の添加量と、さらに撹拌時に添加されるＡｌの添加量とＭｇの添加量とを調整することにより、溶湯アルミニウム合金の組成を調整することを特徴とするセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項３】
上記Ｓｉ粒子の添加量は１．６５ｗｔ％以上である請求項１または２記載のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項４】
上記セラミックス粒子は平均粒径が１〜３０μｍであり、上記Ｓｉ粒子は平均粒径が０．５〜２０μｍであり、上記金属粒子は平均粒径が１〜１５０μｍである請求項１〜３いずれかに記載のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項５】
上記Ｓｉ粒子の平均粒径は、上記セラミックス粒子の平均粒径よりも小さい請求項１〜４いずれかに記載のセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法。
【公開番号】特開２０１０−４３２９７（Ｐ２０１０−４３２９７Ａ）
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０６２１８（Ｐ２００８−２０６２１８）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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