粒子強化アルミニウム合金複合材及びその製造方法
【課題】硬度や引張強度、耐磨耗性等の機械的特性や、高温特性等が改善された、高強度軽量化材料として自動車産業等で使用でき、しかも、合金としての性質を保持するのに十分な量のマグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】粒子強化アルミニウム合金複合材において、溶融したアルミニウム又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物の粒子とマグネシウムとを添加して撹拌し、撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させて、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させて形成する。
【解決手段】粒子強化アルミニウム合金複合材において、溶融したアルミニウム又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物の粒子とマグネシウムとを添加して撹拌し、撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させて、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させて形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的強度、耐磨耗性、高温特性に優れた粒子強化アルミニウム合金複合材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子分散強化アルミニウム合金複合材料は、溶融アルミニウム合金への強化粒子を直接撹拌混合する混合法や、強化粒子の粒子プリフォームへ溶融したアルミニウム合金を圧力に加えて含浸させる圧力鋳造法（含浸法）や、金属酸化物の粉末を溶融したアルミニウム合金中に添加して酸化アルミニウム（アルミナ）粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ（インサイチュー）生成する反応法（ｉｎ−ｓｉｔｕ法：インサイチュー法）等によって製造される。
【０００３】
この粒子分散強化アルミニウム合金複合材においては、溶融合金に数μｍ（ミクロン）以下の微細粒子・粉末を含有させると、合金複合材の機械的強度が向上することが知られており、粒子分散アルミニウム合金複合材料の機械的特性をさらに向上するには、粒径の細かい粒子の複合が望まれ、特にナノオーダーの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。
【０００４】
しかしながら、従来技術における製造方法においては、それぞれ以下のような問題があり、溶融金属に数μｍ以下の粒径ミクロンオーダーやナノオーダーの微細粒子・粉末をアルミニウム合金へ複合させることは非常に困難となっている。
【０００５】
つまり、混合法では、溶融アルミニウムと強化粒子との濡れ性が良くないため、粒径十μｍ以下の粒子を溶融合金への分散は非常に難しいという問題がある。また、圧力鋳造法では、予め粒子プリフォームを作製する必要があるが、粒径５μｍ以下の粒子を用いる場合には、プリフォームの作製が非常に困難となるという問題がある。更に、反応法では、混合法と同様に、粒径１０μｍ以下の金属酸化物粒子を用いると、この混合が非常に難しくなるという問題がある。
【０００６】
一方、強化材として、酸化アルミニウム、ホウ酸アルミニウム等の酸化物セラミックスを用いる場合、その酸化物は溶融金属中のマグネシウム成分と反応し、スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）のような化合物を生成させる。このスピネル粒子は強化粒子としての効果を発揮することができる。
【０００７】
このスピネル粒子を強化粒子に使用するものとして、例えば、金属マトリックス中に金属酸化物の強化粒子が分散している金属基複合材料の製造方法において、アルミニウム（Ａｌ）−マグネシウム（Ｍｇ）合金等の金属溶湯に、その成分元素の少なくとも一つ（Ａｌ，Ｍｇ）よりも酸化物生成傾向が低い金属酸化物（酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）等）の粒子と、更に金属粒子（ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ））を添加して、超音波振動を印加して金属溶湯中のｉｎ−ｓｉｔｕ反応により、前記少なくとも一つの成分元素の酸化物（スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ），酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ））を生成させる金属基複合材料の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
しかしながら、多量に添加した酸化ケイ素に見合った量のマグネシウムを添加していないので、アルミニウム−マグネシウム合金中のマグネシウムが消耗され、合金の成分が変わってしまうという問題がある。特に、アルミニウム−ケイ素、アルミニウム−銅等の合金では、マグネシウムの含有量が少なく、酸化ケイ素のような金属酸化物を添加した場合、化学量論的に求まる量のマグネシウムを添加しないと、組織的にはアルミナ粒子とスピネル粒子が混在し、また、マグネシウムが消耗されるため、アルミニウム合金本来のマグネシウムによる熱処理効果がなくなる。従って、化学反応によりアルミニウム合金中にその場でスピネル粒子のようなセラミックス粒子を生成させる場合では、合金本来の機能を発揮させるために、十分なマグネシウム量を確保する必要がある。
【０００９】
このように、従来の製造法では、溶融金属中のマグネシウムは酸化アルミニウム等の酸化物との反応で消耗されるため、マグネシウム元素を含有させたことによるアルミニウム合金の強度の向上における効果が無くなり、複合材料の機械的特性が劣化してしまう。そのため、従来技術では、強化材として酸化物をマグネシウム含有のアルミニウム合金に複合させるとき、この酸化物とマグネシウムとの反応を防ぐため、酸化物の表面を窒化物等でコーティングしたりしている。
【００１０】
また、本発明者は、特願２００５−３２３８２８号にて特許出願しているが、酸化アルミニウム（アルミナ）粒子を添加したアルミニウム合金中にマグネシウムを添加することにより酸化アルミニウム粒子とマグネシウムとの反応を引き起し、酸化アルミニウム粒子とその場で生成したスピネル粒子で強化したアルミニウム複合材を提案している。
【００１１】
しかしながら、酸化アルミニウム粒子を添加すると、溶湯中で溶湯中のマグネシウムとｉｎ−ｓｉｔｕ反応しても、酸化アルミニウム粒子の１００％がスピネル粒子に変換されず、ミクロン以上の酸化アルミニウム粒子も残留することになるので、機械的特性が向上しないという問題がある。
【特許文献１】特開平１０−３０６３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、硬度や引張強度、耐磨耗性等の機械的特性や、高温特性等が改善された、高強度軽量化材料として自動車産業等で使用でき、しかも、合金としての性質を保持するのに十分な量のマグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材及びそ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】
上記のような目的を達成するための粒子強化アルミニウム合金複合材は、粒子強化アルミニウム合金複合材において、溶融したアルミニウム又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物の粒子とマグネシウムとを添加して撹拌し、撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させて、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させて構成する。
【００１４】
酸化アルミニウム（アルミナ）以外の金属酸化物とするのは、酸化アルミニウム粒子があると、この酸化アルミニウム粒子は、アルミニウムとマグネシウムとが置換する反応でスピネルを生成するが、酸化アルミニウム粒子の表面だけが反応して、撹拌によりスピネルが剥離されても、酸化アルミニウムが１００％全部スピネルに変換されず、内部に酸化アルミニウムの部分は残る可能性がある。一方、本発明のように、酸化アルミニウム以外の金属酸化物を添加すると、この金属酸化物はアルミニウムとマグネシウムと反応し、金属酸化物が還元されるという、酸化アルミニウムとマグネシウムとの反応とは異なった反応となる。これにより、微細なスピネル粒子を容易に生成させることができるようになる。
【００１５】
なお、添加されるマグネシウムは金属マグネシウムでもよく、マグネシウムを多く含むＡｌ−Ｍｇ系合金でもあってもよい。また、この金属酸化物粒子とマグネシウムは同時に添加してもよいが、分けて添加してもよい。更に、金属酸化物粒子を添加した後、酸化アルミニウム粒子分散アルミニウム複合材料を先に作製して、その複合材料を再度溶かした後でマグネシウムを添加してもよい。
【００１６】
従って、この構成の粒子強化アルミニウム合金複合材では、粒径がミクロンオーダーやナノオーダーの強化粒子を含む粒子強化アルミニウム合金複合材とすることが容易であり、一方、この粒子強化アルミニウム複合材料においては、理論的には強化粒子が細かければ細かい程、強化粒子を含ませる効果が向上するので、硬度や引張強度等の機械的特性が向上させることが容易にできるようになる。
【００１７】
また、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材において、前記添加するマグネシウムの量を、前記添加した金属酸化物の量に対して、金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとの反応によりスピネル粒子が生成する化学反応式において化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多く、かつ、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム合金において、反応後に要求されるマグネシウム量となる量以下とする。
【００１８】
この構成により、化学反応式において化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多くするので、酸化アルミニウム（アルミナ）粒子の生成を防止して、酸化アルミニウム粒子とスピネル粒子の生成率を、酸化アルミニウム粒子０％でスピネル粒子１００％、又は、それに近い値にすることができる。なお、この化学量論的に求まるマグネシウム量よりも少ないと、金属酸化物が還元され、一方で酸化アルミニウム粒子が生成することになり、酸化アルミニウム粒子０％でスピネル粒子１００％又は、それに近い値にすることができなくなり、酸化アルミニウム粒子とスピネル粒子とが共存することになる。
【００１９】
この酸化アルミニウム粒子が生成するということは、溶融母材中のマグネシウムがすべて消耗されたことを意味するので、合金中のマグネシウムが無くなって合金が成分規格外となり、合金の熱処理効果が無くなる。そのため、スピネル粒子が１００％であることが好ましい。
【００２０】
また、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム合金において、反応後に要求されるマグネシウム量の上限となる量以下とすることにより、アルミニウム合金における所望のマグネシウム量を得ることができる。なお、反応後とは、反応時における焼損分や歩留りを考慮してということである。この添加するマグネシウム量の上限の量は、アルミニウム合金における所望のマグネシウム量が決まると、実験や計算などにより、予め設定できる量である。
【００２１】
また、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材において、前記金属酸化物の粒子を添加した後の撹拌時の温度を半凝固温度で行って前記スピネル粒子を生成させると、金属酸化物やマグネシウムが微細な粒子であってもアルミニウム合金中に容易に混合でき、分散させることができる。この分散により低い温度でもｉｎ−ｓｉｔｕ反応（その場反応）が行われ、スピネル粒子が生成されるようになる。この半凝固温度とは、溶融アルミニウムの場合には、アルミニウムの融点と、この融点プラス６０℃の温度範囲の温度のことを言い、溶融アルミニウム合金の場合には、アルミニウム合金の共晶点と、この共晶点プラス６０℃の温度範囲の温度のことを言う。
【００２２】
また、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材において、前記金属酸化物としては、ＣｕＯ，Ｃｕ2 Ｏ，ＳｉＯ2 ，Ｖ2 Ｏ5 ，ＭｎＯ2 ，ＭｏＯ3 ，ＷＯ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等の内の一つ、又は、幾つかの組み合わせを用いることができる。
【００２３】
そして、上記の目的を達成するための粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法は、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法において、溶融したアルミニウム又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物の粒子とマグネシウムとを添加して撹拌し、撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させることを特徴とする。
【００２４】
また、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法において、前記添加するマグネシウムの量を、前記添加した金属酸化物の量に対して、金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとの反応によりスピネル粒子が生成する化学反応式において化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多く、かつ、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム合金において、要求されるマグネシウム量となる量以下とすることを特徴とする。
【００２５】
また、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法において、前記金属酸化物の粒子を添加した後の撹拌時の温度を半凝固温度で行って前記スピネル粒子を生成させたことを特徴とする。
【００２６】
更には、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法において、前記金属酸化物が、ＣｕＯ，Ｃｕ2 Ｏ，ＳｉＯ2 ，Ｖ2 Ｏ5 ，ＭｎＯ2 ，ＭｏＯ3 ，ＷＯ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等の内の一つ、又は、幾つかの組み合わせからなることを特徴とする。
【００２７】
これらの粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法によれば、従来技術では、微細な強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材を作るのに、多く又は複雑な工程を必要としていたが、この酸化アルミニウム以外の金属酸化物粒子とマグネシウムの添加によるスピネル粒子のｉｎ−ｓｉｔｕ生成により、比較的容易に粒子強化アルミニウム合金複合材を製造でき、しかも、強化粒子の粒子径をミクロンオーダーやナノオーダーに小さくしたものも製造容易となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る粒子強化アルミニウム合金複合材及びその製造方法によれば 粒径がナノオーダー又はサブミクロンオーダーのスピネル粒子により強化されているため、硬度や引張強度、耐磨耗性等の機械的特性や、高温特性等が改善された、高強度軽量化材料として自動車産業等で使用でき、しかも、合金としての性質を保持するのに十分な量のマグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた合金複合材を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る実施の形態の粒子強化アルミニウム合金複合材及びその製造方法について、説明する。
【００３０】
本発明に係る粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法では、溶融したアルミニウム（Ａｌ）又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ2 Ｏ3 ）以外の金属酸化物（ＭｘＯｙ：Ｍ−金属、Ｏ−酸素）の粒子とマグネシウム（Ｍｇ）とを添加して撹拌する。このアルミニウム合金母材としては、例えば、ＡＣ４Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物４種Ａ：Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）等を使用することができる。
【００３１】
また、金属酸化物は、ＣｕＯ，Ｃｕ2 Ｏ，ＳｉＯ2 ，Ｖ2 Ｏ5 ，ＭｎＯ2 ，ＭｏＯ3 ，ＷＯ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等の内の一つ、又は、幾つかの組み合わせを使用することができる。なお、この金属酸化物はマグネシウムとアルミニウムとの反応によって完全に還元されてしまうので、添加される金属酸化物の粒径は生成されるスピネル粒子に対して殆ど影響しない。そのため、製造の容易な粒子径が数μｍ以上の金属酸化物を用いることができる。
【００３２】
この添加するマグネシウムの量（溶融母材中のマグネシウムを含む）を、添加した金属酸化物の量に対して、金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとの反応によりスピネル粒子が生成する化学反応式において、化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多くする。
【００３３】
１種類の金属酸化物（ＭｘＯｙ）を添加する場合には、溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金の中で、この金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとで「４ＭｘＯｙ＋ｙＭｇ＋２ｙＡｌ＝４ｘＭ＋ｙＭｇＡｌ2 Ｏ4 」の反応が行われ、微細なスピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）粒子がその場で生成される。この反応で、金属酸化物から完全にスピネル粒子を生成させるためには、Ａモル数の金属酸化物（ＭｘＯｙ）を添加した場合には、化学量論的に、Ａ×ｙ／４のモル数のマグネシウムを添加する必要がある。
【００３４】
また、２種類以上の金属酸化物（Ｍｘ1 Ｏｙ1 ，Ｍｘ2 Ｏｙ2 ，・・・・・）を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に添加する場合には、「４Ｍｘ1 Ｏｙ1 ＋ｙ1 Ｍｇ＋２ｙ1 Ａｌ＝４ｘ1 Ｍ＋ｙ1 ＭｇＡｌ2 Ｏ4 」「４Ｍｘ2 Ｏｙ2 ＋ｙ2 Ｍｇ＋２ｙ2 Ａｌ＝４ｘ2 Ｍ＋ｙ2 ＭｇＡｌ2 Ｏ4 」・・・の反応でスピネル粒子が生成される。この反応で、添加された金属酸化物から完全にスピネル粒子を生成させるためには、Ａ1 モルの金属酸化物（Ｍｘ1 Ｏｙ1 ）とＡ2 モルの金属酸化物（Ｍｘ2 Ｏｙ2 ）・・・を混合した場合には、化学量論的に（Ａ1 ×ｙ1 ／４＋Ａ2 ×ｙ2 ／４＋・・・・・）モル数のマグネシウムを溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に添加する必要がある。
【００３５】
なお、マグネシウムの添加量（モル）は化学量論的に添加される金属酸化物の量（モル）のｙ／４倍となるが、高温で撹拌による添加の場合には、アルミニウム合金中のＭｇの焼損があるので、この焼損分を考慮して添加する。なお、添加されるマグネシウムは金属マグネシウムでもよく、マグネシウムを多く含むＡｌ−Ｍｇ系合金でもあってもよい。
【００３６】
また、添加するマグネシウムの量は、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム又はアルミニウム合金において、要求されるマグネシウム量となる量以下とする。これにより、アルミニウム合金における所望のマグネシウム量を得ることができる。なお、反応後とは、反応時における焼損分や歩留りを考慮してということである。この添加するマグネシウム量の上限の量は、アルミニウム合金における所望のマグネシウム量が決まると、実験や計算などにより、予め設定できる量である。
【００３７】
通常のアルミニウム合金では１．５ｗｔ％以下のマグネシウムを含んでいるが、Ａｌ−Ｍｇ系合金中では数％〜数十％のマグネシウムを含んでいる。このようにアルミニウム合金中にマグネシウムが含まれているので、Ａモルの金属酸化物を溶融アルミニウム合金に添加した後に、マグネシウムを添加していない場合、又は、マグネシウムの添加量がＡ×ｙ／４のモル数より少ない場合には、「２ｙＡｌ＋３ＭｘＯｙ＝ｙＡｌ2 Ｏ3 ＋３ｘＭ」の反応で酸化アルミニウム粒子も生成し成長するので、酸化アルミニウム粒子とスピネル粒子とがアルミニウム合金中に混在することになる。また、多量のマグネシウムを含んだＡｌ−Ｍｇ系合金の場合には、マグネシウムを添加しなくても十分な量のマグネシウムがあるため、金属酸化物はマグネシウムとアルミニウムと反応してスピネル粒子を生成する。しかしながら、その反応によって合金中のマグネシウムの濃度は大幅に低下し、合金の組成が変化してしまう。
【００３８】
この金属酸化物粒子とマグネシウムは同時に添加してもよいが、分けて添加してもよい。但し、先に金属酸化物粒子のみを添加する場合には、先ず酸化アルミニウム粒子が生成する。その後、金属酸化物粒子を添加した溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に更にマグネシウムを添加すると、スピネル粒子が生成する。
【００３９】
また、金属酸化物粒子を添加した後、酸化アルミニウム粒子分散アルミニウム複合材料を先に作製して、その複合材料を再度溶かした後でマグネシウムを添加しても、スピネル粒子分散アルミニウム複合材料を得ることができる。この場合には、その場で生成した酸化アルミニウム粒子は微細であるので、酸化アルミニウム粒子を直接添加する場合よりもスピネル粒子が生成し易くなる。
【００４０】
そして、この撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させる。これにより、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材を製造する。
【００４１】
この金属酸化物の粒子を添加した後の撹拌時の温度を半凝固温度で行う。この半凝固温度とは、溶融アルミニウムの場合には、アルミニウムの融点と、この融点プラス６０℃の温度範囲の温度であり、溶融アルミニウム合金の場合には、アルミニウム合金の共晶点と、この共晶点プラス６０℃の温度範囲の温度である。この半凝固温度は、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｍｇ，Ａｌ−Ｃｕ等の合金中のＳｉ，Ｍｇ，Ｃｕの含有量によって異なるが、基本的にはＡｌ−Ｓｉ系合金で５８０℃〜６６０℃程度、Ａｌ−Ｍｇ系合金で４５０℃〜６６０℃程度である。
【００４２】
これにより、金属酸化物やマグネシウムが微細な粒子であってもアルミニウム合金中に容易に混合でき、分散させて均一化することができ、この分散により低い温度でもｉｎ−ｓｉｔｕ反応（その場反応）が行われ、スピネル粒子が生成されるようになる。
【００４３】
この半凝固温度を１〜２時間程度継続した後、撹拌しながら、７００℃〜９００℃、例えば、７５０℃程度の鋳込み温度まで昇温させ、３０分〜１時間程度撹拌を継続してｉｎ−ｓｉｔｕ反応を促進させ、１００％スピネル粒子とする。なお、これらの撹拌速度は、例えば、２００ｒｐｍ〜６００ｒｐｍ程度である。このそれぞれの撹拌時間の長さは、反応の進行具合によって決まる。
【００４４】
このスピネル粒子が生成し終わった状態の溶融金属を、所定の金型に入れて鋳込むことにより、所定の形状をした粒子強化アルミニウム合金複合材を作製する。
【００４５】
この製造方法によれば、酸化アルミニウム粒子が殆どゼロで、粒径がナノサイズからミクロンサイズのスピネル粒子が強化粒子として分散したアルミニウム合金複合材を得ることができる。
【００４６】
そして、粒子強化金属複合材料においては、理論的には強化粒子が細かければ細かい程、強化粒子を含ませる効果が向上するので、得られたアルミニウム合金複合材は、硬度、引張強度等の機械的特性が向上する。
【実施例】
【００４７】
第１の実施例として、９．４４ｋｇ分のＡＣ４Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物４種Ａ：Ａｌ−Ｍｇ系合金：Ｍｇ含有量０．４ｗｔ％（重量％））を６００℃で熔解し、撹拌しながら、粒径２μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）を０．３８６ｋｇ（６．４３ｍｏｌ）、粒径５μｍの酸化第２銅（ＣｕＯ）を０．０８５ｋｇ（１．０７ｍｏｌ）、マグネシウムを０．０８９ｋｇ（３．６６ｍｏｌ）添加した。この金属酸化物粒子の分散過程の後、撹拌しながら、７５０℃に加熱した。このｉｎ−ｓｉｔｕ反応過程（その場反応過程）を経た後、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。
【００４８】
この組織をエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）付き走査電子顕微鏡で観察した結果、強化粒子は均一にアルミニウム合金中に分布し、スピネル粒子の含有量は５ｗｔ％で、その平均粒径は０．２μｍであった。
【００４９】
ＪＩＳ規格のＴ６処理でこの複合材料を熱処理した後、硬さと引張強度を測定し、この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１５１で、引張強度は３５２ＭＰａとの結果を得た。また、合金中のマグネシウム量（スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）を含まない可溶の部分）を分析した結果、その量は０．４ｗｔ％で、従来の合金中のマグネシウム量と変わらなかった。
【００５０】
第２の実施例として、８．１５ｋｇ分のＡＣ７Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物７種Ａ：Ａｌ−Ｍｇ系合金：Ｍｇ含有量３．６５ｗｔ％）を５００℃で熔解し、撹拌しながら、粒径２μｍの酸化ケイ素を１．６５ｋｇ（２７．５ｍｏｌ）、粒径５μｍの酸化第２銅を０．０７ｋｇ（０．８８ｍｏｌ）、マグネシウムを０．１３ｋｇ（５．３５ｍｏｌ）添加した。この金属酸化物粒子の分散過程の後、撹拌しながら、７５０℃に加熱した。この「その場反応過程」を経た後、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。
【００５１】
この組織をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付き走査電子顕微鏡で観察した結果、強化粒子は均一にアルミニウム合金中に分布し、スピネル粒子の含有量は２１ｗｔ％で、その平均粒径は０．２μｍであった。
【００５２】
ＪＩＳ規格のＴ６処理でこの複合材料を熱処理した後、硬さと引張強度を測定し、この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１６５で、引張強度は３６０ＭＰａとの結果を得た。また、酸化ケイ素が還元されたため、アルミニウムはケイ素（Ｓｉ）を含むアルミニウム合金になり、ケイ素の含有量は１１ｗｔ％となり、マグネシウムの含有量は１ｗｔ％となった。そのため、このアルミニウム合金の組成は、ＡＣ８Ａ（アルミニウム合金鋳物８種Ａ）と同じ組成となった。
【００５３】
第３の実施例として、８．４ｋｇ分のアルミニウム（Ｍｇ含有量０ｗｔ％）を６９０℃で熔解し、撹拌しながら、粒径２μｍの酸化ケイ素を１．２６ｋｇ（２１ｍｏｌ）、粒径５μｍの酸化第２銅を０．０４ｋｇ（０．５ｍｏｌ）を添加した後、マグネシウムを０．３ｋｇ（１２．３５ｍｏｌ）添加し、撹拌した。この撹拌ではｉｎ−ｓｉｔｕ反応が生じるが金属酸化物粒子の分散過程である。この後、撹拌しながら７５０℃に加熱した。このｉｎ−ｓｉｔｕ反応過程を経た後、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。
【００５４】
この組織をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付き走査電子顕微鏡で観察した結果、強化粒子は均一にアルミニウム合金中に分布し、スピネル粒子の含有量は１６ｗｔ％で、その平均粒径は１．２μｍであった。
【００５５】
ＪＩＳ規格のＴ６処理でこの複合材料を熱処理した後、硬さと引張強度を測定し、この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１５５で、引張強度は３５５ＭＰａとの結果を得た。また、酸化ケイ素が還元されたため、アルミニウムはアルミニウム合金になり、ケイ素の含有量は７．１ｗｔ％となり、マグネシウムの含有量は０．４ｗｔ％となった。そのため、このアルミニウム合金の組成は、ＡＣ４Ｃ（アルミニウム合金鋳物４種Ｃ）と同じ組成となった。
【００５６】
比較例として、ＡＣ４Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物４種Ａ：Ａｌ−Ｍｇ系合金：Ｍｇ含有量０．４ｗｔ％（重量％））を７５０℃で熔解し、平均粒径５μｍの酸化アルミニウム粒子を７ｗｔ％、マグネシウムを１ｗｔ％添加し、撹拌した。その後、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。
【００５７】
この組織をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付き走査電子顕微鏡で観察した結果、強化粒子は均一にアルミニウム合金中に分布し、酸化アルミニウム粒子とスピネル粒子の割合は６：４であった。また、酸化アルミニウム粒子の平均粒径は３．５μｍで、スピネル粒子の平均粒径は０．７μｍで、酸化アルミニウム粒子とスピネル粒子の２種類の粒子の平均粒径は２．５μｍであった。
【００５８】
ＪＩＳ規格のＴ６処理でこの複合材料を熱処理した後、硬さと引張強度を測定し、この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１４６で、引張強度は３３７ＭＰａとの結果を得た。
【００５９】
これらの結果から、金属酸化物の量を多く添加すると、スピネル粒子の粒径が大きくなり、また、強化粒子の含有量が多くなると、引張強度が高くなることが分かる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的強度、耐磨耗性、高温特性に優れた粒子強化アルミニウム合金複合材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子分散強化アルミニウム合金複合材料は、溶融アルミニウム合金への強化粒子を直接撹拌混合する混合法や、強化粒子の粒子プリフォームへ溶融したアルミニウム合金を圧力に加えて含浸させる圧力鋳造法（含浸法）や、金属酸化物の粉末を溶融したアルミニウム合金中に添加して酸化アルミニウム（アルミナ）粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ（インサイチュー）生成する反応法（ｉｎ−ｓｉｔｕ法：インサイチュー法）等によって製造される。
【０００３】
この粒子分散強化アルミニウム合金複合材においては、溶融合金に数μｍ（ミクロン）以下の微細粒子・粉末を含有させると、合金複合材の機械的強度が向上することが知られており、粒子分散アルミニウム合金複合材料の機械的特性をさらに向上するには、粒径の細かい粒子の複合が望まれ、特にナノオーダーの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。
【０００４】
しかしながら、従来技術における製造方法においては、それぞれ以下のような問題があり、溶融金属に数μｍ以下の粒径ミクロンオーダーやナノオーダーの微細粒子・粉末をアルミニウム合金へ複合させることは非常に困難となっている。
【０００５】
つまり、混合法では、溶融アルミニウムと強化粒子との濡れ性が良くないため、粒径十μｍ以下の粒子を溶融合金への分散は非常に難しいという問題がある。また、圧力鋳造法では、予め粒子プリフォームを作製する必要があるが、粒径５μｍ以下の粒子を用いる場合には、プリフォームの作製が非常に困難となるという問題がある。更に、反応法では、混合法と同様に、粒径１０μｍ以下の金属酸化物粒子を用いると、この混合が非常に難しくなるという問題がある。
【０００６】
一方、強化材として、酸化アルミニウム、ホウ酸アルミニウム等の酸化物セラミックスを用いる場合、その酸化物は溶融金属中のマグネシウム成分と反応し、スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）のような化合物を生成させる。このスピネル粒子は強化粒子としての効果を発揮することができる。
【０００７】
このスピネル粒子を強化粒子に使用するものとして、例えば、金属マトリックス中に金属酸化物の強化粒子が分散している金属基複合材料の製造方法において、アルミニウム（Ａｌ）−マグネシウム（Ｍｇ）合金等の金属溶湯に、その成分元素の少なくとも一つ（Ａｌ，Ｍｇ）よりも酸化物生成傾向が低い金属酸化物（酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）等）の粒子と、更に金属粒子（ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ））を添加して、超音波振動を印加して金属溶湯中のｉｎ−ｓｉｔｕ反応により、前記少なくとも一つの成分元素の酸化物（スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ），酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ））を生成させる金属基複合材料の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
しかしながら、多量に添加した酸化ケイ素に見合った量のマグネシウムを添加していないので、アルミニウム−マグネシウム合金中のマグネシウムが消耗され、合金の成分が変わってしまうという問題がある。特に、アルミニウム−ケイ素、アルミニウム−銅等の合金では、マグネシウムの含有量が少なく、酸化ケイ素のような金属酸化物を添加した場合、化学量論的に求まる量のマグネシウムを添加しないと、組織的にはアルミナ粒子とスピネル粒子が混在し、また、マグネシウムが消耗されるため、アルミニウム合金本来のマグネシウムによる熱処理効果がなくなる。従って、化学反応によりアルミニウム合金中にその場でスピネル粒子のようなセラミックス粒子を生成させる場合では、合金本来の機能を発揮させるために、十分なマグネシウム量を確保する必要がある。
【０００９】
このように、従来の製造法では、溶融金属中のマグネシウムは酸化アルミニウム等の酸化物との反応で消耗されるため、マグネシウム元素を含有させたことによるアルミニウム合金の強度の向上における効果が無くなり、複合材料の機械的特性が劣化してしまう。そのため、従来技術では、強化材として酸化物をマグネシウム含有のアルミニウム合金に複合させるとき、この酸化物とマグネシウムとの反応を防ぐため、酸化物の表面を窒化物等でコーティングしたりしている。
【００１０】
また、本発明者は、特願２００５−３２３８２８号にて特許出願しているが、酸化アルミニウム（アルミナ）粒子を添加したアルミニウム合金中にマグネシウムを添加することにより酸化アルミニウム粒子とマグネシウムとの反応を引き起し、酸化アルミニウム粒子とその場で生成したスピネル粒子で強化したアルミニウム複合材を提案している。
【００１１】
しかしながら、酸化アルミニウム粒子を添加すると、溶湯中で溶湯中のマグネシウムとｉｎ−ｓｉｔｕ反応しても、酸化アルミニウム粒子の１００％がスピネル粒子に変換されず、ミクロン以上の酸化アルミニウム粒子も残留することになるので、機械的特性が向上しないという問題がある。
【特許文献１】特開平１０−３０６３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、硬度や引張強度、耐磨耗性等の機械的特性や、高温特性等が改善された、高強度軽量化材料として自動車産業等で使用でき、しかも、合金としての性質を保持するのに十分な量のマグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材及びそ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】
上記のような目的を達成するための粒子強化アルミニウム合金複合材は、粒子強化アルミニウム合金複合材において、溶融したアルミニウム又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物の粒子とマグネシウムとを添加して撹拌し、撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させて、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させて構成する。
【００１４】
酸化アルミニウム（アルミナ）以外の金属酸化物とするのは、酸化アルミニウム粒子があると、この酸化アルミニウム粒子は、アルミニウムとマグネシウムとが置換する反応でスピネルを生成するが、酸化アルミニウム粒子の表面だけが反応して、撹拌によりスピネルが剥離されても、酸化アルミニウムが１００％全部スピネルに変換されず、内部に酸化アルミニウムの部分は残る可能性がある。一方、本発明のように、酸化アルミニウム以外の金属酸化物を添加すると、この金属酸化物はアルミニウムとマグネシウムと反応し、金属酸化物が還元されるという、酸化アルミニウムとマグネシウムとの反応とは異なった反応となる。これにより、微細なスピネル粒子を容易に生成させることができるようになる。
【００１５】
なお、添加されるマグネシウムは金属マグネシウムでもよく、マグネシウムを多く含むＡｌ−Ｍｇ系合金でもあってもよい。また、この金属酸化物粒子とマグネシウムは同時に添加してもよいが、分けて添加してもよい。更に、金属酸化物粒子を添加した後、酸化アルミニウム粒子分散アルミニウム複合材料を先に作製して、その複合材料を再度溶かした後でマグネシウムを添加してもよい。
【００１６】
従って、この構成の粒子強化アルミニウム合金複合材では、粒径がミクロンオーダーやナノオーダーの強化粒子を含む粒子強化アルミニウム合金複合材とすることが容易であり、一方、この粒子強化アルミニウム複合材料においては、理論的には強化粒子が細かければ細かい程、強化粒子を含ませる効果が向上するので、硬度や引張強度等の機械的特性が向上させることが容易にできるようになる。
【００１７】
また、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材において、前記添加するマグネシウムの量を、前記添加した金属酸化物の量に対して、金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとの反応によりスピネル粒子が生成する化学反応式において化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多く、かつ、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム合金において、反応後に要求されるマグネシウム量となる量以下とする。
【００１８】
この構成により、化学反応式において化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多くするので、酸化アルミニウム（アルミナ）粒子の生成を防止して、酸化アルミニウム粒子とスピネル粒子の生成率を、酸化アルミニウム粒子０％でスピネル粒子１００％、又は、それに近い値にすることができる。なお、この化学量論的に求まるマグネシウム量よりも少ないと、金属酸化物が還元され、一方で酸化アルミニウム粒子が生成することになり、酸化アルミニウム粒子０％でスピネル粒子１００％又は、それに近い値にすることができなくなり、酸化アルミニウム粒子とスピネル粒子とが共存することになる。
【００１９】
この酸化アルミニウム粒子が生成するということは、溶融母材中のマグネシウムがすべて消耗されたことを意味するので、合金中のマグネシウムが無くなって合金が成分規格外となり、合金の熱処理効果が無くなる。そのため、スピネル粒子が１００％であることが好ましい。
【００２０】
また、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム合金において、反応後に要求されるマグネシウム量の上限となる量以下とすることにより、アルミニウム合金における所望のマグネシウム量を得ることができる。なお、反応後とは、反応時における焼損分や歩留りを考慮してということである。この添加するマグネシウム量の上限の量は、アルミニウム合金における所望のマグネシウム量が決まると、実験や計算などにより、予め設定できる量である。
【００２１】
また、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材において、前記金属酸化物の粒子を添加した後の撹拌時の温度を半凝固温度で行って前記スピネル粒子を生成させると、金属酸化物やマグネシウムが微細な粒子であってもアルミニウム合金中に容易に混合でき、分散させることができる。この分散により低い温度でもｉｎ−ｓｉｔｕ反応（その場反応）が行われ、スピネル粒子が生成されるようになる。この半凝固温度とは、溶融アルミニウムの場合には、アルミニウムの融点と、この融点プラス６０℃の温度範囲の温度のことを言い、溶融アルミニウム合金の場合には、アルミニウム合金の共晶点と、この共晶点プラス６０℃の温度範囲の温度のことを言う。
【００２２】
また、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材において、前記金属酸化物としては、ＣｕＯ，Ｃｕ2 Ｏ，ＳｉＯ2 ，Ｖ2 Ｏ5 ，ＭｎＯ2 ，ＭｏＯ3 ，ＷＯ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等の内の一つ、又は、幾つかの組み合わせを用いることができる。
【００２３】
そして、上記の目的を達成するための粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法は、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法において、溶融したアルミニウム又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物の粒子とマグネシウムとを添加して撹拌し、撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させることを特徴とする。
【００２４】
また、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法において、前記添加するマグネシウムの量を、前記添加した金属酸化物の量に対して、金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとの反応によりスピネル粒子が生成する化学反応式において化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多く、かつ、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム合金において、要求されるマグネシウム量となる量以下とすることを特徴とする。
【００２５】
また、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法において、前記金属酸化物の粒子を添加した後の撹拌時の温度を半凝固温度で行って前記スピネル粒子を生成させたことを特徴とする。
【００２６】
更には、上記の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法において、前記金属酸化物が、ＣｕＯ，Ｃｕ2 Ｏ，ＳｉＯ2 ，Ｖ2 Ｏ5 ，ＭｎＯ2 ，ＭｏＯ3 ，ＷＯ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等の内の一つ、又は、幾つかの組み合わせからなることを特徴とする。
【００２７】
これらの粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法によれば、従来技術では、微細な強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材を作るのに、多く又は複雑な工程を必要としていたが、この酸化アルミニウム以外の金属酸化物粒子とマグネシウムの添加によるスピネル粒子のｉｎ−ｓｉｔｕ生成により、比較的容易に粒子強化アルミニウム合金複合材を製造でき、しかも、強化粒子の粒子径をミクロンオーダーやナノオーダーに小さくしたものも製造容易となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る粒子強化アルミニウム合金複合材及びその製造方法によれば 粒径がナノオーダー又はサブミクロンオーダーのスピネル粒子により強化されているため、硬度や引張強度、耐磨耗性等の機械的特性や、高温特性等が改善された、高強度軽量化材料として自動車産業等で使用でき、しかも、合金としての性質を保持するのに十分な量のマグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた合金複合材を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る実施の形態の粒子強化アルミニウム合金複合材及びその製造方法について、説明する。
【００３０】
本発明に係る粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法では、溶融したアルミニウム（Ａｌ）又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ2 Ｏ3 ）以外の金属酸化物（ＭｘＯｙ：Ｍ−金属、Ｏ−酸素）の粒子とマグネシウム（Ｍｇ）とを添加して撹拌する。このアルミニウム合金母材としては、例えば、ＡＣ４Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物４種Ａ：Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）等を使用することができる。
【００３１】
また、金属酸化物は、ＣｕＯ，Ｃｕ2 Ｏ，ＳｉＯ2 ，Ｖ2 Ｏ5 ，ＭｎＯ2 ，ＭｏＯ3 ，ＷＯ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等の内の一つ、又は、幾つかの組み合わせを使用することができる。なお、この金属酸化物はマグネシウムとアルミニウムとの反応によって完全に還元されてしまうので、添加される金属酸化物の粒径は生成されるスピネル粒子に対して殆ど影響しない。そのため、製造の容易な粒子径が数μｍ以上の金属酸化物を用いることができる。
【００３２】
この添加するマグネシウムの量（溶融母材中のマグネシウムを含む）を、添加した金属酸化物の量に対して、金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとの反応によりスピネル粒子が生成する化学反応式において、化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多くする。
【００３３】
１種類の金属酸化物（ＭｘＯｙ）を添加する場合には、溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金の中で、この金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとで「４ＭｘＯｙ＋ｙＭｇ＋２ｙＡｌ＝４ｘＭ＋ｙＭｇＡｌ2 Ｏ4 」の反応が行われ、微細なスピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）粒子がその場で生成される。この反応で、金属酸化物から完全にスピネル粒子を生成させるためには、Ａモル数の金属酸化物（ＭｘＯｙ）を添加した場合には、化学量論的に、Ａ×ｙ／４のモル数のマグネシウムを添加する必要がある。
【００３４】
また、２種類以上の金属酸化物（Ｍｘ1 Ｏｙ1 ，Ｍｘ2 Ｏｙ2 ，・・・・・）を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に添加する場合には、「４Ｍｘ1 Ｏｙ1 ＋ｙ1 Ｍｇ＋２ｙ1 Ａｌ＝４ｘ1 Ｍ＋ｙ1 ＭｇＡｌ2 Ｏ4 」「４Ｍｘ2 Ｏｙ2 ＋ｙ2 Ｍｇ＋２ｙ2 Ａｌ＝４ｘ2 Ｍ＋ｙ2 ＭｇＡｌ2 Ｏ4 」・・・の反応でスピネル粒子が生成される。この反応で、添加された金属酸化物から完全にスピネル粒子を生成させるためには、Ａ1 モルの金属酸化物（Ｍｘ1 Ｏｙ1 ）とＡ2 モルの金属酸化物（Ｍｘ2 Ｏｙ2 ）・・・を混合した場合には、化学量論的に（Ａ1 ×ｙ1 ／４＋Ａ2 ×ｙ2 ／４＋・・・・・）モル数のマグネシウムを溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に添加する必要がある。
【００３５】
なお、マグネシウムの添加量（モル）は化学量論的に添加される金属酸化物の量（モル）のｙ／４倍となるが、高温で撹拌による添加の場合には、アルミニウム合金中のＭｇの焼損があるので、この焼損分を考慮して添加する。なお、添加されるマグネシウムは金属マグネシウムでもよく、マグネシウムを多く含むＡｌ−Ｍｇ系合金でもあってもよい。
【００３６】
また、添加するマグネシウムの量は、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム又はアルミニウム合金において、要求されるマグネシウム量となる量以下とする。これにより、アルミニウム合金における所望のマグネシウム量を得ることができる。なお、反応後とは、反応時における焼損分や歩留りを考慮してということである。この添加するマグネシウム量の上限の量は、アルミニウム合金における所望のマグネシウム量が決まると、実験や計算などにより、予め設定できる量である。
【００３７】
通常のアルミニウム合金では１．５ｗｔ％以下のマグネシウムを含んでいるが、Ａｌ−Ｍｇ系合金中では数％〜数十％のマグネシウムを含んでいる。このようにアルミニウム合金中にマグネシウムが含まれているので、Ａモルの金属酸化物を溶融アルミニウム合金に添加した後に、マグネシウムを添加していない場合、又は、マグネシウムの添加量がＡ×ｙ／４のモル数より少ない場合には、「２ｙＡｌ＋３ＭｘＯｙ＝ｙＡｌ2 Ｏ3 ＋３ｘＭ」の反応で酸化アルミニウム粒子も生成し成長するので、酸化アルミニウム粒子とスピネル粒子とがアルミニウム合金中に混在することになる。また、多量のマグネシウムを含んだＡｌ−Ｍｇ系合金の場合には、マグネシウムを添加しなくても十分な量のマグネシウムがあるため、金属酸化物はマグネシウムとアルミニウムと反応してスピネル粒子を生成する。しかしながら、その反応によって合金中のマグネシウムの濃度は大幅に低下し、合金の組成が変化してしまう。
【００３８】
この金属酸化物粒子とマグネシウムは同時に添加してもよいが、分けて添加してもよい。但し、先に金属酸化物粒子のみを添加する場合には、先ず酸化アルミニウム粒子が生成する。その後、金属酸化物粒子を添加した溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に更にマグネシウムを添加すると、スピネル粒子が生成する。
【００３９】
また、金属酸化物粒子を添加した後、酸化アルミニウム粒子分散アルミニウム複合材料を先に作製して、その複合材料を再度溶かした後でマグネシウムを添加しても、スピネル粒子分散アルミニウム複合材料を得ることができる。この場合には、その場で生成した酸化アルミニウム粒子は微細であるので、酸化アルミニウム粒子を直接添加する場合よりもスピネル粒子が生成し易くなる。
【００４０】
そして、この撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させる。これにより、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材を製造する。
【００４１】
この金属酸化物の粒子を添加した後の撹拌時の温度を半凝固温度で行う。この半凝固温度とは、溶融アルミニウムの場合には、アルミニウムの融点と、この融点プラス６０℃の温度範囲の温度であり、溶融アルミニウム合金の場合には、アルミニウム合金の共晶点と、この共晶点プラス６０℃の温度範囲の温度である。この半凝固温度は、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｍｇ，Ａｌ−Ｃｕ等の合金中のＳｉ，Ｍｇ，Ｃｕの含有量によって異なるが、基本的にはＡｌ−Ｓｉ系合金で５８０℃〜６６０℃程度、Ａｌ−Ｍｇ系合金で４５０℃〜６６０℃程度である。
【００４２】
これにより、金属酸化物やマグネシウムが微細な粒子であってもアルミニウム合金中に容易に混合でき、分散させて均一化することができ、この分散により低い温度でもｉｎ−ｓｉｔｕ反応（その場反応）が行われ、スピネル粒子が生成されるようになる。
【００４３】
この半凝固温度を１〜２時間程度継続した後、撹拌しながら、７００℃〜９００℃、例えば、７５０℃程度の鋳込み温度まで昇温させ、３０分〜１時間程度撹拌を継続してｉｎ−ｓｉｔｕ反応を促進させ、１００％スピネル粒子とする。なお、これらの撹拌速度は、例えば、２００ｒｐｍ〜６００ｒｐｍ程度である。このそれぞれの撹拌時間の長さは、反応の進行具合によって決まる。
【００４４】
このスピネル粒子が生成し終わった状態の溶融金属を、所定の金型に入れて鋳込むことにより、所定の形状をした粒子強化アルミニウム合金複合材を作製する。
【００４５】
この製造方法によれば、酸化アルミニウム粒子が殆どゼロで、粒径がナノサイズからミクロンサイズのスピネル粒子が強化粒子として分散したアルミニウム合金複合材を得ることができる。
【００４６】
そして、粒子強化金属複合材料においては、理論的には強化粒子が細かければ細かい程、強化粒子を含ませる効果が向上するので、得られたアルミニウム合金複合材は、硬度、引張強度等の機械的特性が向上する。
【実施例】
【００４７】
第１の実施例として、９．４４ｋｇ分のＡＣ４Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物４種Ａ：Ａｌ−Ｍｇ系合金：Ｍｇ含有量０．４ｗｔ％（重量％））を６００℃で熔解し、撹拌しながら、粒径２μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）を０．３８６ｋｇ（６．４３ｍｏｌ）、粒径５μｍの酸化第２銅（ＣｕＯ）を０．０８５ｋｇ（１．０７ｍｏｌ）、マグネシウムを０．０８９ｋｇ（３．６６ｍｏｌ）添加した。この金属酸化物粒子の分散過程の後、撹拌しながら、７５０℃に加熱した。このｉｎ−ｓｉｔｕ反応過程（その場反応過程）を経た後、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。
【００４８】
この組織をエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）付き走査電子顕微鏡で観察した結果、強化粒子は均一にアルミニウム合金中に分布し、スピネル粒子の含有量は５ｗｔ％で、その平均粒径は０．２μｍであった。
【００４９】
ＪＩＳ規格のＴ６処理でこの複合材料を熱処理した後、硬さと引張強度を測定し、この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１５１で、引張強度は３５２ＭＰａとの結果を得た。また、合金中のマグネシウム量（スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）を含まない可溶の部分）を分析した結果、その量は０．４ｗｔ％で、従来の合金中のマグネシウム量と変わらなかった。
【００５０】
第２の実施例として、８．１５ｋｇ分のＡＣ７Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物７種Ａ：Ａｌ−Ｍｇ系合金：Ｍｇ含有量３．６５ｗｔ％）を５００℃で熔解し、撹拌しながら、粒径２μｍの酸化ケイ素を１．６５ｋｇ（２７．５ｍｏｌ）、粒径５μｍの酸化第２銅を０．０７ｋｇ（０．８８ｍｏｌ）、マグネシウムを０．１３ｋｇ（５．３５ｍｏｌ）添加した。この金属酸化物粒子の分散過程の後、撹拌しながら、７５０℃に加熱した。この「その場反応過程」を経た後、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。
【００５１】
この組織をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付き走査電子顕微鏡で観察した結果、強化粒子は均一にアルミニウム合金中に分布し、スピネル粒子の含有量は２１ｗｔ％で、その平均粒径は０．２μｍであった。
【００５２】
ＪＩＳ規格のＴ６処理でこの複合材料を熱処理した後、硬さと引張強度を測定し、この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１６５で、引張強度は３６０ＭＰａとの結果を得た。また、酸化ケイ素が還元されたため、アルミニウムはケイ素（Ｓｉ）を含むアルミニウム合金になり、ケイ素の含有量は１１ｗｔ％となり、マグネシウムの含有量は１ｗｔ％となった。そのため、このアルミニウム合金の組成は、ＡＣ８Ａ（アルミニウム合金鋳物８種Ａ）と同じ組成となった。
【００５３】
第３の実施例として、８．４ｋｇ分のアルミニウム（Ｍｇ含有量０ｗｔ％）を６９０℃で熔解し、撹拌しながら、粒径２μｍの酸化ケイ素を１．２６ｋｇ（２１ｍｏｌ）、粒径５μｍの酸化第２銅を０．０４ｋｇ（０．５ｍｏｌ）を添加した後、マグネシウムを０．３ｋｇ（１２．３５ｍｏｌ）添加し、撹拌した。この撹拌ではｉｎ−ｓｉｔｕ反応が生じるが金属酸化物粒子の分散過程である。この後、撹拌しながら７５０℃に加熱した。このｉｎ−ｓｉｔｕ反応過程を経た後、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。
【００５４】
この組織をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付き走査電子顕微鏡で観察した結果、強化粒子は均一にアルミニウム合金中に分布し、スピネル粒子の含有量は１６ｗｔ％で、その平均粒径は１．２μｍであった。
【００５５】
ＪＩＳ規格のＴ６処理でこの複合材料を熱処理した後、硬さと引張強度を測定し、この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１５５で、引張強度は３５５ＭＰａとの結果を得た。また、酸化ケイ素が還元されたため、アルミニウムはアルミニウム合金になり、ケイ素の含有量は７．１ｗｔ％となり、マグネシウムの含有量は０．４ｗｔ％となった。そのため、このアルミニウム合金の組成は、ＡＣ４Ｃ（アルミニウム合金鋳物４種Ｃ）と同じ組成となった。
【００５６】
比較例として、ＡＣ４Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物４種Ａ：Ａｌ−Ｍｇ系合金：Ｍｇ含有量０．４ｗｔ％（重量％））を７５０℃で熔解し、平均粒径５μｍの酸化アルミニウム粒子を７ｗｔ％、マグネシウムを１ｗｔ％添加し、撹拌した。その後、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。
【００５７】
この組織をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付き走査電子顕微鏡で観察した結果、強化粒子は均一にアルミニウム合金中に分布し、酸化アルミニウム粒子とスピネル粒子の割合は６：４であった。また、酸化アルミニウム粒子の平均粒径は３．５μｍで、スピネル粒子の平均粒径は０．７μｍで、酸化アルミニウム粒子とスピネル粒子の２種類の粒子の平均粒径は２．５μｍであった。
【００５８】
ＪＩＳ規格のＴ６処理でこの複合材料を熱処理した後、硬さと引張強度を測定し、この複合材料のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１４６で、引張強度は３３７ＭＰａとの結果を得た。
【００５９】
これらの結果から、金属酸化物の量を多く添加すると、スピネル粒子の粒径が大きくなり、また、強化粒子の含有量が多くなると、引張強度が高くなることが分かる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子強化アルミニウム合金複合材において、溶融したアルミニウム又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物の粒子とマグネシウムとを添加して撹拌し、撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させて、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させたことを特徴とする粒子強化アルミニウム合金複合材。
【請求項２】
前記添加するマグネシウムの量を、前記添加した金属酸化物の量に対して、金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとの反応によりスピネル粒子が生成する化学反応式において化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多く、かつ、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム合金において、反応後に要求されるマグネシウム量の上限となる量以下とすることを特徴とする請求項１記載の粒子強化アルミニウム合金複合材。
【請求項３】
前記金属酸化物の粒子を添加した後の撹拌時の温度を半凝固温度で行って前記スピネル粒子を生成させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子強化アルミニウム合金複合材。
【請求項４】
前記金属酸化物が、ＣｕＯ，Ｃｕ2 Ｏ，ＳｉＯ2 ，Ｖ2 Ｏ5 ，ＭｎＯ2 ，ＭｏＯ3 ，ＷＯ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等の内の一つ、又は、幾つかの組み合わせからなることを特徴とする請求項１、２又は３記載の粒子強化アルミニウム合金複合材。
【請求項５】
マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法において、溶融したアルミニウム又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物の粒子とマグネシウムとを添加して撹拌し、撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させることを特徴とする粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法。
【請求項６】
前記添加するマグネシウムの量を、前記添加した金属酸化物の量に対して、金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとの反応によりスピネル粒子が生成する化学反応式において化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多く、かつ、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム合金において、反応後に要求されるマグネシウム量の上限となる量以下とすることを特徴とする請求項５記載の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法。
【請求項７】
前記金属酸化物の粒子を添加した後の撹拌時の温度を半凝固温度で行って前記スピネル粒子を生成させることを特徴とする請求項５又は６に記載の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法。
【請求項８】
前記金属酸化物が、ＣｕＯ，Ｃｕ2 Ｏ，ＳｉＯ2 ，Ｖ2 Ｏ5 ，ＭｎＯ2 ，ＭｏＯ3 ，ＷＯ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等の内の一つ、又は、幾つかの組み合わせからなることを特徴とする請求項５、６又は７記載の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法。
【請求項１】
粒子強化アルミニウム合金複合材において、溶融したアルミニウム又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物の粒子とマグネシウムとを添加して撹拌し、撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させて、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させたことを特徴とする粒子強化アルミニウム合金複合材。
【請求項２】
前記添加するマグネシウムの量を、前記添加した金属酸化物の量に対して、金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとの反応によりスピネル粒子が生成する化学反応式において化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多く、かつ、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム合金において、反応後に要求されるマグネシウム量の上限となる量以下とすることを特徴とする請求項１記載の粒子強化アルミニウム合金複合材。
【請求項３】
前記金属酸化物の粒子を添加した後の撹拌時の温度を半凝固温度で行って前記スピネル粒子を生成させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子強化アルミニウム合金複合材。
【請求項４】
前記金属酸化物が、ＣｕＯ，Ｃｕ2 Ｏ，ＳｉＯ2 ，Ｖ2 Ｏ5 ，ＭｎＯ2 ，ＭｏＯ3 ，ＷＯ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等の内の一つ、又は、幾つかの組み合わせからなることを特徴とする請求項１、２又は３記載の粒子強化アルミニウム合金複合材。
【請求項５】
マグネシウムを含有するアルミニウム合金の母相に強化粒子を分散させた粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法において、溶融したアルミニウム又は溶融したアルミニウム合金からなる溶融母材に、酸化アルミニウム以外の金属酸化物の粒子とマグネシウムとを添加して撹拌し、撹拌された溶湯中において金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとを反応させることにより、スピネル粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ生成させることを特徴とする粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法。
【請求項６】
前記添加するマグネシウムの量を、前記添加した金属酸化物の量に対して、金属酸化物とマグネシウムとアルミニウムとの反応によりスピネル粒子が生成する化学反応式において化学量論的に求まるマグネシウム量よりも多く、かつ、生成されたスピネル粒子を含まない部分のアルミニウム合金において、反応後に要求されるマグネシウム量の上限となる量以下とすることを特徴とする請求項５記載の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法。
【請求項７】
前記金属酸化物の粒子を添加した後の撹拌時の温度を半凝固温度で行って前記スピネル粒子を生成させることを特徴とする請求項５又は６に記載の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法。
【請求項８】
前記金属酸化物が、ＣｕＯ，Ｃｕ2 Ｏ，ＳｉＯ2 ，Ｖ2 Ｏ5 ，ＭｎＯ2 ，ＭｏＯ3 ，ＷＯ3 ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 等の内の一つ、又は、幾つかの組み合わせからなることを特徴とする請求項５、６又は７記載の粒子強化アルミニウム合金複合材の製造方法。
【公開番号】特開２００７−２９１４５０（Ｐ２００７−２９１４５０Ａ）
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２０６８４（Ｐ２００６−１２０６８４）
【出願日】平成１８年４月２５日（２００６．４．２５）
【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１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２５日（２００６．４．２５）
【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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