マグネシウム−セラミックス複合材料及びその製造方法
【課題】 高圧鋳造法によりマグネシウム−セラミックス複合材料を製造するに際して、溶融状態でのマグネシウムの反応性を抑制することにより、浸透不良を低減し、欠陥の少ないマグネシウム−セラミックス複合材料を歩留まり良く製造する方法を提供する。
【解決手段】 マグネシウム合金中にセラミックス粉末が複合されたマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法であって、セラミックス粉末を成形してプリフォームを得る工程と、前記プリフォームを加熱する工程と、マグネシウムまたはマグネシウム合金に０．１〜５質量％のＣａを添加したものを加熱して溶融マグネシウム合金を得る工程と、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させる工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法。
【解決手段】 マグネシウム合金中にセラミックス粉末が複合されたマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法であって、セラミックス粉末を成形してプリフォームを得る工程と、前記プリフォームを加熱する工程と、マグネシウムまたはマグネシウム合金に０．１〜５質量％のＣａを添加したものを加熱して溶融マグネシウム合金を得る工程と、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させる工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム−セラミックス複合材料及びその製造方法に関するもので、さらに詳しくは、加圧浸透法（高圧鋳造法とも呼ぶ。）により得られるマグネシウム−セラミックス複合材料及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属マトリックスとセラミックスの強化材とからなる金属−セラミックス複合材料は、強化材セラミックスが有する剛性及び耐磨耗性と金属マトリックスが有する延性及び靭性を併せ持った優れた材料なので、種々の用途に使用されるようになってきている。
最近では、マグネシウムが実用金属材料中最も軽量で、そのため比強度が優れ、かつ資源的にも豊富であるため、マグネシウムを金属マトリックスの素材として用いた複合材料の開発が盛んに検討されてきている。（例えば、特許文献１〜特許文献２参照。）
【０００３】
さらに、セラミックス粒子で作製したプリフォームにマグネシウム溶湯と発熱を伴って反応する酸化物（例えばＳｉＯ2）を添加し、プリフォーム中に溶融マグネシウムを加圧せずに浸透させるプリメクス法（Ｐｒｉｍｅｘ法、Ｌａｎｘｉｄｅ社）によるＭｇ基複合材料の製造方法が提案されている（特許文献３参照。）。
しかしながら、こうした加圧によらない浸透方法では浸透時間に長時間を要し、したがって、大型のものが作製しにくいという課題があった。
【０００４】
比較的短時間で浸透を行える金属−セラミックス複合材料の製造方法としては、セラミックの粒子からなる成形体（以下、プリフォームと呼ぶ。）を溶湯加圧装置内に設置し、前記成形体に溶融金属を加圧浸透させる方法（いわゆる高圧鋳造法）が一般的に用いられている。
【０００５】
しかし、高圧鋳造法は、製造の容易さや量産性という点では経済的であり有望な製造方法であるが、マグネシウムは溶融状態で反応性が非常に高いために浸透不良が発生し、また、複合材料の特性に悪影響を与える反応形成物を生じる場合もあった。また、マグネシウムが燃焼するという課題もあった。
【特許文献１】特開2000-17352号公報
【特許文献２】特開平5-302137号公報
【特許文献３】特開平7-310131号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述したマグネシウムを高圧鋳造法に金属マトリックスとして用いた場合に有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高圧鋳造法によりマグネシウム−セラミックス複合材料を製造するに際して、溶融状態でのマグネシウムの反応性を抑制することにより、浸透不良を低減し、欠陥の少ないマグネシウム−セラミックス複合材料を歩留まり良く製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、マグネシウム−セラミックス複合材料の作製において、高圧鋳造法により溶融状態での反応性を抑制したマグネシウムを用いることで、浸透時間が短縮でき、大型品が作製できることを見出した。すなわち、本発明者らは、上記課題を解決するための手段として以下を提供する。
【０００８】
（１）マグネシウム合金とセラミックス粉末とからなるマグネシウム−セラミックス複合材料であって、前記マグネシウム−セラミックス複合材料が加圧浸透法により得られものであり、かつ、前記マグネシウム合金が０．１〜５質量％のＣａを含んでなることを特徴とするマグネシウム−セラミックス複合材料。
【０００９】
（２）マグネシウム合金中にセラミックス粉末が複合されたマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法であって、セラミックス粉末を成形してプリフォームを得る工程と、前記プリフォームを加熱する工程と、マグネシウムまたはマグネシウム合金に０．１〜５質量％のＣａを添加したものを加熱して溶融マグネシウム合金を得る工程と、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させる工程と、を含むことを特徴とする（１）に記載のマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、マグネシウム−セラミックス複合材料の作製において、溶融状態でのマグネシウムの反応性を抑制することができる。
したがって、浸透不良を低減し、欠陥の少ないマグネシウム−セラミックス複合材料を歩留まり良く短時間で製造できるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明について、更に詳しく説明する。
本発明では、マグネシウム合金とセラミックス粉末とからなるマグネシウム−セラミックス複合材料であって、前記マグネシウム−セラミックス複合材料が加圧浸透法により得られものであり、かつ、前記マグネシウム合金が０．１〜５質量％のＣａを含んでなることを特徴とするマグネシウム−セラミックス複合材料を提案している。
【００１２】
ここで、本発明に係るマグネシウム合金の原料素材としては、マグネシウムまたは公知のマグネシウム合金のインゴットまたは粉末を用いることができる。
【００１３】
次に、セラミックス粉末の形状としては、粒子状、繊維状、ウィスカ状等が用いられる。
また、セラミックス材料としては、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2等でマグネシウムと反応しないものが好ましい。
【００１４】
次に、複合材料中のセラミックス粉末の充填率は、４０〜８０体積％であることが好ましい。その理由は、セラミックス粉末の充填率が、４０体積％より小さいと剛性が小さくなるため好ましくないからである。
また、セラミックス粉末の充填率が８０体積％より大きいと、プリフォームの作製が困難となり複合材料の作成ができなくなるため好ましくない。
【００１５】
次に、本発明に係るマグネシウム合金は０．１〜５質量％のＣａを含んでなる。
その理由は、Ｃａが溶融状態でのマグネシウムの反応性を抑制する作用を有するためである。
ここで、Ｃａの添加量が０．１質量％未満だと反応抑制効果が得られず、また、Ｃａの添加量が５質量％を超えて多いと溶融マグネシウムの粘性が高くなり浸透が困難となるため好ましくない。
添加するＣａとしては、金属Ｃａでも良いし、水酸化物、炭酸化物等のマグネシウム溶湯に悪影響を与えないその他の化合物でも良い。
【００１６】
次に、本発明者らは、マグネシウム合金中にセラミックス粉末が複合されたマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法であって、セラミックス粉末を成形してプリフォームを得る工程と、前記プリフォームを加熱する工程と、マグネシウムまたはマグネシウム合金に０．１〜５質量％のＣａを添加したものを加熱して溶融マグネシウム合金を得る工程と、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させる工程と、を含むことを特徴とする前記のマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法を提案している。
【００１７】
ここで、セラミックス粉末を成形してプリフォームを得る工程におけるセラミックス粉末を成形する方法としては、セラミックス粉末に有機バインダー、無機バインダーを添加し、プレスにより形成する方法、水などの溶媒とＳｉＣ粉末、無機バインダーを添加しフィルタープレスなどの方法により形成する方法が挙げられる。
また、プリフォームにおけるセラミックス粉末の充填率としては、上記した理由により、４０〜８０体積％となることが好ましい。
【００１８】
次に、前記プリフォームを加熱する工程としては、プリフォームの加熱温度は、５００〜１０００℃、好ましくは７００〜８００℃とすることが望ましい。
【００１９】
次に、マグネシウムまたはマグネシウム合金に０．１〜５質量％のＣａを添加したものを加熱して溶融マグネシウム合金を得る工程における、溶融マグネシウム合金の温度は、７００〜９００℃とすることが望ましい。
また、本発明に係る溶融マグネシウム合金は、例えば、マグネシウム合金インゴットにＣａ金属を添加したものを加熱して溶融することにより得られる。
【００２０】
次に、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させる工程における加圧力は、１０ＭＰａ〜１００ＭＰａ 、好ましくは２０ＭＰａ〜８０ＭＰａとすることが望ましい。
【００２１】
次に、複合材料の周りに付着した余分なマグネシウム合金の部分を加工により除去し、所望の形状のマグネシウム−セラミックス複合材料を得る。
このようにして得られたマグネシウム−セラミックス複合材料は、浸溶融マグネシウム合金に反応性を抑制するＣａが添加されているために、浸透が良好となり欠陥の少ない組織のマグネシウム−セラミックス複合材料となる。
【００２２】
以下、本発明の実施例と比較例を具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
（実施例）
（１） マグネシウム−セラミックス複合材料の作製
強化材としてのセラミックス粉末は、市販のＳｉＣ粉末(信濃電気製錬製)を用いた。ＳｉＣ粉末( 平均粒径６０μm)７０重量部とＳｉＣ粉末(平均粒径１０μm)３０重量部に、バインダーとしてＰＶＢ(ポリビニルブチラール)５重量部、コロイダルシリカ５重量部を添加し、これをプレスして２００×２００×２０mmの大きさに成形して、セラミックス強化材の充填率が６０体積％となるプリフォームを得た。次に、得られたプリフォームを７００℃で加熱した。
マグネシウム合金(ＡＺ９１)にＣａを２質量％添加したものを７５０℃で加熱して溶融マグネシウム合金を得た。次に、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させて、複合化させ、冷却してマグネシウム−ＳｉＣセラミックス複合材料を作製した。
次に、複合材料の周りに付着した余分なマグネシウム合金の部分を加工により除去し、所望の形状のマグネシウム−ＳｉＣセラミックス複合材料を得た。
【００２３】
（２）評価
得られた複合材料の外観を切断面により観察したところ、浸透不良は認められず、その他の欠陥も見られなかった。次に、得られた複合材料より１００×２５×２ｍｍの試験片を切り出し、ＪＩＳ−Ｒ１６０２規定の方法によりヤング率を測定したところ、２２５ＧＰａと高い剛性を示した。
したがって、本発明によれば、欠陥の少ないマグネシウム−セラミックス複合材料を歩留まり良く製造できることが分かった。
【００２４】
（比較例）
比較のために比較例では、Ｃａを添加しないこと以外は実施例と同様な方法で複合材料を製造し、実施例と同様に評価した。その結果、得られたマグネシウム−セラミックス複合材料の内部には、浸透不良となる箇所が多数見られ、ヤング率も低かった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム−セラミックス複合材料及びその製造方法に関するもので、さらに詳しくは、加圧浸透法（高圧鋳造法とも呼ぶ。）により得られるマグネシウム−セラミックス複合材料及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属マトリックスとセラミックスの強化材とからなる金属−セラミックス複合材料は、強化材セラミックスが有する剛性及び耐磨耗性と金属マトリックスが有する延性及び靭性を併せ持った優れた材料なので、種々の用途に使用されるようになってきている。
最近では、マグネシウムが実用金属材料中最も軽量で、そのため比強度が優れ、かつ資源的にも豊富であるため、マグネシウムを金属マトリックスの素材として用いた複合材料の開発が盛んに検討されてきている。（例えば、特許文献１〜特許文献２参照。）
【０００３】
さらに、セラミックス粒子で作製したプリフォームにマグネシウム溶湯と発熱を伴って反応する酸化物（例えばＳｉＯ2）を添加し、プリフォーム中に溶融マグネシウムを加圧せずに浸透させるプリメクス法（Ｐｒｉｍｅｘ法、Ｌａｎｘｉｄｅ社）によるＭｇ基複合材料の製造方法が提案されている（特許文献３参照。）。
しかしながら、こうした加圧によらない浸透方法では浸透時間に長時間を要し、したがって、大型のものが作製しにくいという課題があった。
【０００４】
比較的短時間で浸透を行える金属−セラミックス複合材料の製造方法としては、セラミックの粒子からなる成形体（以下、プリフォームと呼ぶ。）を溶湯加圧装置内に設置し、前記成形体に溶融金属を加圧浸透させる方法（いわゆる高圧鋳造法）が一般的に用いられている。
【０００５】
しかし、高圧鋳造法は、製造の容易さや量産性という点では経済的であり有望な製造方法であるが、マグネシウムは溶融状態で反応性が非常に高いために浸透不良が発生し、また、複合材料の特性に悪影響を与える反応形成物を生じる場合もあった。また、マグネシウムが燃焼するという課題もあった。
【特許文献１】特開2000-17352号公報
【特許文献２】特開平5-302137号公報
【特許文献３】特開平7-310131号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述したマグネシウムを高圧鋳造法に金属マトリックスとして用いた場合に有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高圧鋳造法によりマグネシウム−セラミックス複合材料を製造するに際して、溶融状態でのマグネシウムの反応性を抑制することにより、浸透不良を低減し、欠陥の少ないマグネシウム−セラミックス複合材料を歩留まり良く製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、マグネシウム−セラミックス複合材料の作製において、高圧鋳造法により溶融状態での反応性を抑制したマグネシウムを用いることで、浸透時間が短縮でき、大型品が作製できることを見出した。すなわち、本発明者らは、上記課題を解決するための手段として以下を提供する。
【０００８】
（１）マグネシウム合金とセラミックス粉末とからなるマグネシウム−セラミックス複合材料であって、前記マグネシウム−セラミックス複合材料が加圧浸透法により得られものであり、かつ、前記マグネシウム合金が０．１〜５質量％のＣａを含んでなることを特徴とするマグネシウム−セラミックス複合材料。
【０００９】
（２）マグネシウム合金中にセラミックス粉末が複合されたマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法であって、セラミックス粉末を成形してプリフォームを得る工程と、前記プリフォームを加熱する工程と、マグネシウムまたはマグネシウム合金に０．１〜５質量％のＣａを添加したものを加熱して溶融マグネシウム合金を得る工程と、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させる工程と、を含むことを特徴とする（１）に記載のマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、マグネシウム−セラミックス複合材料の作製において、溶融状態でのマグネシウムの反応性を抑制することができる。
したがって、浸透不良を低減し、欠陥の少ないマグネシウム−セラミックス複合材料を歩留まり良く短時間で製造できるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明について、更に詳しく説明する。
本発明では、マグネシウム合金とセラミックス粉末とからなるマグネシウム−セラミックス複合材料であって、前記マグネシウム−セラミックス複合材料が加圧浸透法により得られものであり、かつ、前記マグネシウム合金が０．１〜５質量％のＣａを含んでなることを特徴とするマグネシウム−セラミックス複合材料を提案している。
【００１２】
ここで、本発明に係るマグネシウム合金の原料素材としては、マグネシウムまたは公知のマグネシウム合金のインゴットまたは粉末を用いることができる。
【００１３】
次に、セラミックス粉末の形状としては、粒子状、繊維状、ウィスカ状等が用いられる。
また、セラミックス材料としては、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2等でマグネシウムと反応しないものが好ましい。
【００１４】
次に、複合材料中のセラミックス粉末の充填率は、４０〜８０体積％であることが好ましい。その理由は、セラミックス粉末の充填率が、４０体積％より小さいと剛性が小さくなるため好ましくないからである。
また、セラミックス粉末の充填率が８０体積％より大きいと、プリフォームの作製が困難となり複合材料の作成ができなくなるため好ましくない。
【００１５】
次に、本発明に係るマグネシウム合金は０．１〜５質量％のＣａを含んでなる。
その理由は、Ｃａが溶融状態でのマグネシウムの反応性を抑制する作用を有するためである。
ここで、Ｃａの添加量が０．１質量％未満だと反応抑制効果が得られず、また、Ｃａの添加量が５質量％を超えて多いと溶融マグネシウムの粘性が高くなり浸透が困難となるため好ましくない。
添加するＣａとしては、金属Ｃａでも良いし、水酸化物、炭酸化物等のマグネシウム溶湯に悪影響を与えないその他の化合物でも良い。
【００１６】
次に、本発明者らは、マグネシウム合金中にセラミックス粉末が複合されたマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法であって、セラミックス粉末を成形してプリフォームを得る工程と、前記プリフォームを加熱する工程と、マグネシウムまたはマグネシウム合金に０．１〜５質量％のＣａを添加したものを加熱して溶融マグネシウム合金を得る工程と、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させる工程と、を含むことを特徴とする前記のマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法を提案している。
【００１７】
ここで、セラミックス粉末を成形してプリフォームを得る工程におけるセラミックス粉末を成形する方法としては、セラミックス粉末に有機バインダー、無機バインダーを添加し、プレスにより形成する方法、水などの溶媒とＳｉＣ粉末、無機バインダーを添加しフィルタープレスなどの方法により形成する方法が挙げられる。
また、プリフォームにおけるセラミックス粉末の充填率としては、上記した理由により、４０〜８０体積％となることが好ましい。
【００１８】
次に、前記プリフォームを加熱する工程としては、プリフォームの加熱温度は、５００〜１０００℃、好ましくは７００〜８００℃とすることが望ましい。
【００１９】
次に、マグネシウムまたはマグネシウム合金に０．１〜５質量％のＣａを添加したものを加熱して溶融マグネシウム合金を得る工程における、溶融マグネシウム合金の温度は、７００〜９００℃とすることが望ましい。
また、本発明に係る溶融マグネシウム合金は、例えば、マグネシウム合金インゴットにＣａ金属を添加したものを加熱して溶融することにより得られる。
【００２０】
次に、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させる工程における加圧力は、１０ＭＰａ〜１００ＭＰａ 、好ましくは２０ＭＰａ〜８０ＭＰａとすることが望ましい。
【００２１】
次に、複合材料の周りに付着した余分なマグネシウム合金の部分を加工により除去し、所望の形状のマグネシウム−セラミックス複合材料を得る。
このようにして得られたマグネシウム−セラミックス複合材料は、浸溶融マグネシウム合金に反応性を抑制するＣａが添加されているために、浸透が良好となり欠陥の少ない組織のマグネシウム−セラミックス複合材料となる。
【００２２】
以下、本発明の実施例と比較例を具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
（実施例）
（１） マグネシウム−セラミックス複合材料の作製
強化材としてのセラミックス粉末は、市販のＳｉＣ粉末(信濃電気製錬製)を用いた。ＳｉＣ粉末( 平均粒径６０μm)７０重量部とＳｉＣ粉末(平均粒径１０μm)３０重量部に、バインダーとしてＰＶＢ(ポリビニルブチラール)５重量部、コロイダルシリカ５重量部を添加し、これをプレスして２００×２００×２０mmの大きさに成形して、セラミックス強化材の充填率が６０体積％となるプリフォームを得た。次に、得られたプリフォームを７００℃で加熱した。
マグネシウム合金(ＡＺ９１)にＣａを２質量％添加したものを７５０℃で加熱して溶融マグネシウム合金を得た。次に、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させて、複合化させ、冷却してマグネシウム−ＳｉＣセラミックス複合材料を作製した。
次に、複合材料の周りに付着した余分なマグネシウム合金の部分を加工により除去し、所望の形状のマグネシウム−ＳｉＣセラミックス複合材料を得た。
【００２３】
（２）評価
得られた複合材料の外観を切断面により観察したところ、浸透不良は認められず、その他の欠陥も見られなかった。次に、得られた複合材料より１００×２５×２ｍｍの試験片を切り出し、ＪＩＳ−Ｒ１６０２規定の方法によりヤング率を測定したところ、２２５ＧＰａと高い剛性を示した。
したがって、本発明によれば、欠陥の少ないマグネシウム−セラミックス複合材料を歩留まり良く製造できることが分かった。
【００２４】
（比較例）
比較のために比較例では、Ｃａを添加しないこと以外は実施例と同様な方法で複合材料を製造し、実施例と同様に評価した。その結果、得られたマグネシウム−セラミックス複合材料の内部には、浸透不良となる箇所が多数見られ、ヤング率も低かった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム合金とセラミックス粉末とからなるマグネシウム−セラミックス複合材料であって、前記マグネシウム−セラミックス複合材料が加圧浸透法により得られものであり、かつ、前記マグネシウム合金が０．１〜５質量％のＣａを含んでなることを特徴とするマグネシウム−セラミックス複合材料。
【請求項２】
マグネシウム合金中にセラミックス粉末が複合されたマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法であって、セラミックス粉末を成形してプリフォームを得る工程と、前記プリフォームを加熱する工程と、マグネシウムまたはマグネシウム合金に０．１〜５質量％のＣａを添加したものを加熱して溶融マグネシウム合金を得る工程と、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させる工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法。
【請求項１】
マグネシウム合金とセラミックス粉末とからなるマグネシウム−セラミックス複合材料であって、前記マグネシウム−セラミックス複合材料が加圧浸透法により得られものであり、かつ、前記マグネシウム合金が０．１〜５質量％のＣａを含んでなることを特徴とするマグネシウム−セラミックス複合材料。
【請求項２】
マグネシウム合金中にセラミックス粉末が複合されたマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法であって、セラミックス粉末を成形してプリフォームを得る工程と、前記プリフォームを加熱する工程と、マグネシウムまたはマグネシウム合金に０．１〜５質量％のＣａを添加したものを加熱して溶融マグネシウム合金を得る工程と、前記プリフォームに前記溶融マグネシウム合金を加圧浸透させる工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム−セラミックス複合材料の製造方法。
【公開番号】特開２００８−１９２６（Ｐ２００８−１９２６Ａ）
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７０７９２（Ｐ２００６−１７０７９２）
【出願日】平成１８年６月２１日（２００６．６．２１）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２１日（２００６．６．２１）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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