複合金属合金の製造方法及び複合金属成形品の製造方法
【課題】強化材添加に伴って実施する混練時間を短縮することができる製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】図（ａ）において、Ｍｇ材料に無数のカーボンナノ材料をまぶしたような形態の混合体１３を準備し、Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂ又はＺｎ材料１２Ｃに無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３Ｂ又は混合体１３Ｃを準備する。（ｂ）において、加熱手段２１を備える溶解炉２０に、混合体１３、混合体１３Ｂ及び混合体１３Ｃを同時又は順次投入して、溶解する。これで、複合金属合金の溶湯２２を、得ることができる。
【効果】溶解工程では金属材料は完全に溶融状態にする。溶融状態であれば、半溶融状態に比較して、速やかにカーボンナノ材料を溶湯に分散させることができる。
【解決手段】図（ａ）において、Ｍｇ材料に無数のカーボンナノ材料をまぶしたような形態の混合体１３を準備し、Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂ又はＺｎ材料１２Ｃに無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３Ｂ又は混合体１３Ｃを準備する。（ｂ）において、加熱手段２１を備える溶解炉２０に、混合体１３、混合体１３Ｂ及び混合体１３Ｃを同時又は順次投入して、溶解する。これで、複合金属合金の溶湯２２を、得ることができる。
【効果】溶解工程では金属材料は完全に溶融状態にする。溶融状態であれば、半溶融状態に比較して、速やかにカーボンナノ材料を溶湯に分散させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化材としてカーボンナノ材料を添加したＭｇ合金又はＡｌ合金の製造方法及びこの方法で得たＭｇ合金又はＡｌ合金を用いて実施する複合金属成形品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーボンナノファイバと称する特殊な炭素繊維が強化材料として注目を浴び、その活用方法が提案されている。カーボンナノファイバは、六角網目状に配列した炭素原子のシートを筒状に巻いた形態のものであり、直径が１．０ｎｍ（ナノメートル）〜１５０ｎｍであり、ナノレベルであるため、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブなど（以下、カーボンナノ材料という）と呼ばれる。なお、長さは数μｍ〜１００μｍである。
【０００３】
このカーボンナノ材料は微細であるため、凝集しやすく、母材となるマトリックス金属に、均一に混合させることが難しい材料である。
【０００４】
そこで、半溶融状態にした低融点金属材料に、セラミック材料又はカーボンナノ材料を混合して複合化する技術が提案された（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平６−２３８４２２公報（請求項１）
【特許文献２】特開２００４−１３６３６３公報（請求項１）
【０００５】
特許文献１の技術は、同文献の請求項１で示されるように「強化材を混合させた金属材を半溶融状態に加熱溶解させて撹拌混合した後、さらに液相状態に加熱溶融させて撹拌混合し、その後再び半溶融状態に戻して撹拌混合した後に凝固させるようにした複合金属部材の製造方法。」を要旨とする。
【０００６】
特許文献２の技術は、同文献の請求項１で示されるように「溶融した低融点金属材料を液相と固相とが共存してチクソトロピー性状を有する半溶融状態に冷却し、その状態で低融点金属材料とカーボンナノ材とを混練して複合材料となし、その複合材料を加熱手段を備えた金属成形機によりチクソトロピー性状を保持して金型に射出充填し、該金型により複合金属製品に成形してなることを特徴とするカーボンナノ材と低融点金属材料との複合成形方法。」を要旨とする。
【０００７】
すなわち、特許文献１の技術は、半溶融状態の金属材に、強化材（セラミック材料）を混合することを特徴とする。
また、特許文献２の技術は、半溶融状態の低融点金属材料に、強化材（カーボンナノ材）を混練することを特徴とする。
何れも、金属材料が半溶融状態であるため、添加した強化材の移動が制限され、強化材同士の凝集を阻止することができる。この結果、強化材を金属材料に均一に分散させることができる。
【０００８】
しかし、金属材料が半溶融状態であるため、添加した強化材の移動速度が小さくて、金属材料の隅々まで移動させるには、時間が掛かる。
また、この種の処理は、金属材料が酸化することを防止するために、撹拌はアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気下で実施する。撹拌時間が延びると、不活性ガスが金属材料中に巻き込まれる危険性が増大し、製品の品質低下を招く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、強化材添加に伴って実施する混練時間を短縮することができる製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る複合金属合金の製造方法は、合金の母材を構成するＭｇ材料又はＡｌ材料と、このＭｇ材料又はＡｌ材料に添加する少なくとも１種の合金材料と、前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料に添加するカーボンナノ材料とを準備する材料準備工程と、
前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料と前記合金材料の少なくとも一方に、前記カーボンナノ材料を混合することで混合体を得る混合工程と、
この混合体及び残余の材料を、一括して溶解する溶解工程と、からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る複合金属合金の製造方法は、混合工程と溶解工程との間に、混合体を焼結して焼結体を得る焼結工程を追加したことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る複合金属合金の製造方法では、カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る複合金属合金の製造方法では、金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、前記カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る複合金属合金の製造方法では、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る複合金属成形品の製造方法は、請求項１〜５のいずれか１項記載の複合金属合金の製造方法で製造した複合金属合金を、直接金属成形機に供給し、半溶融状態で金型のキャビティにより成形することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に係る複合金属成形品の製造方法は、請求項１〜５のいずれか１項記載の複合金属合金の製造方法で製造した複合金属合金を、冷却して固体の複合金属材料を得る工程と、この固体の複合金属材料を金属成形機に供給し、半溶融状態まで加熱して金型のキャビティにより成形する工程とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明では、溶解工程の前に、金属材料にカーボンナノ材料を混合する混合工程を置いた。溶解工程では、カーボンナノ材料は金属材料に付着した形態で溶湯中を移動する。この結果、カーボンナノ材料の凝集現象を抑制しながら、金属材料を溶解することができるようになった。
【００１８】
溶解工程では金属材料は完全に溶融状態にする。溶融状態であれば、半溶融状態に比較して、速やかにカーボンナノ材料を溶湯に分散させることができる。
短い時間で溶解工程は終えることができるため、溶湯に不活性ガスが巻き込む度合いは少なく、製品の品質を高めることができる。
【００１９】
請求項２に係る複合金属合金の製造方法は、混合工程と溶解工程との間に、混合体を焼結して焼結体を得る焼結工程を追加した。
粉末であれば飛散が問題になるが、本発明により焼結体にすれば、飛散を防止することができ、保管時の安全性を向上させることができる。
【００２０】
さらには、焼結体ではカーボンナノ材料が移動する心配はなく、カーボンナノ材料の凝集現象を確実に抑制することができる。
また、混合体を焼結して焼結体を得ることで、表面積を減少させることができる。表面が小さければ酸化などを抑制することができ、品質の劣化を防止することができる。
【００２１】
請求項３に係る複合金属合金の製造方法では、カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。カーボンナノ材料は濡れ性が低いが、炭化物形成元素は濡れ性が高い。このような炭化物形成元素を表面に付着させた金属付着カーボンナノ材料を使用することで、カーボンナノ材料の濡れ性を高めることがでる。
【００２２】
請求項４に係る複合金属合金の製造方法では、金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、前記カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする。炭化物形成金属は炭素と化合物を生成し、この化合物が接合作用を発揮するため、炭化物形成金属をカーボンナノ材料に強固に結合することができる。
【００２３】
請求項５に係る複合金属合金の製造方法では、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。Ｓｉ、Ｔｉともに、真空下で蒸着可能な融点の金属であり、溶融マトリックス金属との濡れ性も良好である。Ｓｉ、Ｔｉともに入手が容易であり、特にＳｉは安価であるため、本発明方法を広く普及させる上で、好適である。
【００２４】
請求項６に係る複合金属成形品の製造方法では、濡れ性の高い複合金属材料を用いて、複合金属成形品を製造する。得られる複合金属成形品の機械的特性や熱的特性を高めることができる。
そして、本発明は、複合金属材料を直接金属成形機に供給するため、生産効率が高まり、生産性を高めることができ、特に多量生産に好適である。
【００２５】
請求項７に係る複合金属成形品の製造方法でも、濡れ性の高い複合金属材料を用いて、複合金属成形品を製造する。得られる複合金属成形品の機械的特性や熱的特性を高めることができる。
そして、本発明は、複合金属材料を固体の形態で保存し、必要なときに固体の複合金属材料を金属成形機に供給するため、生産の自由度が高まり、特に少量生産に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
なお、本発明に係る金属合金は、Ｍｇ合金又はＡｌ合金であれば種類は問わない。多数の合金中、以下の説明では、ＡＳＴＭ ＡＺ９１Ｄ（マグネシウム合金ダイカスト ＪＩＳ Ｈ ５３０３ ＭＤＣ１Ｄ相当品）を例に挙げる。ＪＩＳで規定されるＭＤＣ１Ｄの化学成分は次表のとおりである。
【００２７】
【表１】
【００２８】
すなわち、ＭＤＣ１Ｄは、９質量％程度のＡｌと０．５質量％以下のＭｎと１．０質量％以下のＺｎを合金材料とし、残余の９０質量％程度のＭｇを母材として構成されるマグネシウム合金である。
【００２９】
９０質量％程度のＭｇ材料（母材材料）と、９質量％程度のＡｌと０．５質量％以下のＭｎと１．０質量％以下のＺｎを合金材料と、適量のカーボンナノ材料とを出発材料とした、複合金属合金の製造方法を以下に説明する。
【００３０】
図１は本発明の母材材料を処理対象する混合工程及び焼結工程の説明図である。
（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１１を準備するとともに、粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＭｇ材料１２を準備する。
【００３１】
（ｂ）：予備混合を実施する。予備混合は、容器に適量のカーボンナノ材料１１及びＭｇ材料１２とを入れ、容器を振ることで実施してもよい。
【００３２】
（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１及びＭｇ材料１２を本格的に混練する。メカニカルアロイ法は、ＪＩＳ Ｚ２５００に規定される「高エネルギアトライタやボールミルによる固相状態での合金化の方法」、又はＪＩＳ Ｈ７００４で規定されるメカニカルアロイング法「数種類の原料粉末を高エネルギーミルで機械的に撹拌、混合、粉砕し、固相反応によって、合金状態を実現する方法」を指す、広義の機械的混合方法である。周知の方法であるから、装置や原理の説明は省略する。
【００３３】
（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１１の凝集を解くとともに、Ｍｇ材料１２に無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３を得る。すなわち、以上に述べた（ａ）が準備工程、（ｂ）〜（ｃ）が、混合工程に相当する。
【００３４】
（ｅ）：焼結装置の下パンチ１４にダイス１５をセットし、このダイス１５に混合体１３を充填する。焼結装置は、通電加熱式焼結装置やホットプレスが好適である。
（ｆ）：上パンチ１６をダイス１５に挿入し、Ｍｇの焼結温度（５００℃程度）に保ちながら、混合体１３を押し固める。
（ｅ）これで、カーボンナノ材料を含むＭｇの焼結体１７を得ることができる。
以上に述べた（ｅ）及び（ｆ）が、焼結工程に相当する。
【００３５】
図２は本発明の合金材料を処理する混合工程及び焼結工程の説明図である。
（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１１を準備するとともに、合金材料として粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂを準備し、合金材料として粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＺｎ材料１２Ｃを準備する。Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂは、９０質量％がＡｌで１０質量％がＭｎであるＭｎ系アルミニウムが好適である。
【００３６】
（ｂ）：カーボンナノ材料１１とＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂとの組み合わせで予備混合を実施する。また、カーボンナノ材料１１とＺｎ材料１２Ｃとの組み合わせで予備混合を実施する。
【００３７】
（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１とＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂとを本格的に混練する。また、メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１とＺｎ材料１２Ｃとを本格的に混練する。
【００３８】
（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１１の凝集を解くとともに、Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂ又はＺｎ材料１２Ｃに無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３Ｂ又は混合体１３Ｃを得る。すなわち、以上に述べた（ａ）が準備工程、（ｂ）〜（ｃ）が、混合工程に相当する。
【００３９】
（ｅ）：焼結装置の下パンチ１４にダイス１５をセットし、このダイス１５に混合体１３Ｂ又は混合体１３Ｃを充填する。
（ｆ）：上パンチ１６をダイス１５に挿入し、Ａｌ−Ｍｎの焼結温度（５００℃程度）又はＺｎの焼結温度（３００℃程度）に保ちながら、混合体１３を押し固める。
（ｅ）これで、カーボンナノ材料を含むＡｌ−Ｍｎ焼結体１７Ｂや、カーボンナノ材料を含むＺｎ焼結体１７Ｃを得ることができる。
以上に述べた（ｅ）及び（ｆ）が、焼結工程に相当する。
【００４０】
図３は本発明に係る溶解工程から複合金属成形品を得る工程までの説明図である。
（ａ）に示すＭｇ焼結体１７、Ａｌ−Ｍｎ焼結体１７Ｂ及びＺｎ焼結体１７Ｃが、この図での出発材料となる。
（ｂ）において、加熱手段２１を備える溶解炉２０に、Ｍｇ焼結体１７、Ａｌ−Ｍｎ焼結体１７Ｂ及びＺｎ焼結体１７Ｃを同時又は順次投入して、溶解する。これで、複合金属合金の溶湯２２を、得ることができる。この溶湯２２は、プラグ手段２３を上昇させることで、溶解炉２０から取り出すことができる。
【００４１】
（ｃ）において、撹拌手段２５を備えた高温槽２６に、溶湯２２を移し、十分に撹拌する。なお、（ｂ）に示した溶解炉２０にバブリング撹拌機構が付属されているときには、溶解炉２０内で撹拌が行える。この場合は、（ｃ）に示した高温槽２６を省くことができる。
【００４２】
（ｄ）において、溶湯２２を、一旦冷却して、固形の複合金属合金２７を得る。又は、想像線で示すようにポンプ手段２８で溶湯２２を高温槽２６から汲み出す。
【００４３】
（ｅ）において、固形の複合金属合金２７を、金属射出機３１へ供給する。この金属射出機３１では、固形の複合金属合金２７を混練しながら半溶融状態にし、射出作用で、金型３２のキャビティ３３へ供給する。凝固に必要な時間が経過した後に、金型３２を開くことで、（ｆ）に示す複合金属成形品３５を得ることができる。
【００４４】
または、（ｅ）において、ポンプ手段２８で汲み上げられた溶湯２２を、直接金属射出機３１へ供給する。この金属射出機３１では、溶湯２２を混練しながら半溶融状態にし、射出作用で、金型３２のキャビティ３３へ供給する。凝固に必要な時間が経過した後に、金型３２を開くことで、（ｆ）に示す複合金属成形品３５を得ることができる。
【００４５】
さらには、複合金属成形品３５に、熱間圧延加工や熱間押出し加工を、施すことで金属組織の微細化を行い、機械的強度等の性質を向上させることができる。
【００４６】
（ｄ）で、ポンプ手段２８を介した方式は「直接法」と呼び、固形の複合金属合金２７を介した方式は「間接法」と呼ぶことができる。
直接法は生産能力が高く、低コストでカーボンナノ複合金属成形品を製造することができるが、材料換え等が難しいため、少品種多量生産に適している。
間接法は生産能力の点では落ちるが、生産の自由度は高く、多品種少量生産に好適である。
【００４７】
次に、本発明の変更例を説明する。
図４は図３の変更実施例図である。図３に対し（ａ）を変更した。
すなわち、図４（ａ）において、カーボンナノ材料を含むＭｇの焼結体１７（図１（ｇ）参照）と、合金材料としてＡｌ−Ｍｎ合金のインゴット３７と、合金材料としてＺｎのインゴット３８とを準備する。インゴット３７、３８は合金材料の単純な鋳造品であるため、製造方法は省略する。
（ｂ）〜（ｆ）は図３の説明と同一であるから、ここでは省略する。
【００４８】
次に、本発明の別実施例を説明する。
図５は図１の別実施例図である。
（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１１を準備するとともに、粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＭｇ材料１２を準備する。
【００４９】
（ｂ）：予備混合を実施する。予備混合は、容器に適量のカーボンナノ材料１１及びＭｇ材料１２とを入れ、容器を振ることで実施してもよい。
【００５０】
（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１及びＭｇ材料１２を本格的に混練する。
【００５１】
（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１１の凝集を解くとともに、Ｍｇ材料１２に無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３を得る。すなわち、以上に述べた（ａ）が準備工程、（ｂ）〜（ｃ）が、混合工程に相当する。
【００５２】
図６は図２の別実施例図である。
（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１１を準備するとともに、合金材料として粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂを準備し、合金材料として粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＺｎ材料１２Ｃを準備する。Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂは、９０質量％がＡｌで１０質量％がＭｎであるＭｎ系アルミニウムが好適である。
【００５３】
（ｂ）：カーボンナノ材料１１とＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂとの組み合わせで予備混合を実施する。また、カーボンナノ材料１１とＺｎ材料１２Ｃとの組み合わせで予備混合を実施する。
【００５４】
（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１とＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂとを本格的に混練する。また、メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１とＺｎ材料１２Ｃとを本格的に混練する。
【００５５】
（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１１の凝集を解くとともに、Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂ又はＺｎ材料１２Ｃに無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３Ｂ又は混合体１３Ｃを得る。すなわち、以上に述べた（ａ）が準備工程、（ｂ）〜（ｃ）が、混合工程に相当する。
【００５６】
図７は図３の別実施例図である。
（ａ）において、Ｍｇ材料に無数のカーボンナノ材料をまぶしたような形態の混合体１３（図５（ｄ）参照）を準備し、Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂ又はＺｎ材料１２Ｃに無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３Ｂ又は混合体１３Ｃ（図６（ｄ）参照）を準備する。
（ｂ）において、加熱手段２１を備える溶解炉２０に、混合体１３、混合体１３Ｂ及び混合体１３Ｃを同時又は順次投入して、溶解する。これで、複合金属合金の溶湯２２を、得ることができる。この溶湯２２は、プラグ手段２３を上昇させることで、溶解炉２０から取り出すことができる。
【００５７】
（ｃ）において、撹拌手段２５を備えた高温槽２６に、溶湯２２を移し、十分に撹拌する。なお、（ｂ）に示した溶解炉２０にバブリング撹拌機構が付属されているときには、溶解炉２０で撹拌が行える。この場合は、（ｃ）に示した高温槽２６を省くことができる。
【００５８】
（ｄ）において、溶湯２２を、一旦冷却して、固形の複合金属合金２７を得る。又は、想像線で示すようにポンプ手段２８で溶湯２２を高温槽２６から汲み出す。
【００５９】
（ｅ）において、固形の複合金属合金２７を、金属射出機３１へ供給する。この金属射出機３１では、固形の複合金属合金２７を混練しながら半溶融状態にし、射出作用で、金型３２のキャビティ３３へ供給する。凝固に必要な時間が経過した後に、金型３２を開くことで、（ｆ）に示す複合金属成形品３５を得ることができる。
【００６０】
または、（ｅ）において、ポンプ手段２８で汲み上げられた溶湯２２を、直接金属射出機３１へ供給する。この金属射出機３１では、溶湯２２を混練しながら半溶融状態にし、射出作用で、金型３２のキャビティ３３へ供給する。凝固に必要な時間が経過した後に、金型３２を開くことで、（ｆ）に示す複合金属成形品３５を得ることができる。
【００６１】
次に、図１（ａ）などに示したカーボンナノ材料１１の改良技術を説明する。
図８は本発明に係る準備のためにカーボンナノ材料を表面処理するときの説明図である。
（ａ）：カーボンナノ材料４１を準備する。例えば１０ｇ。このカーボンナノ材料４１は、図１（ａ）などに示すカーボンナノ材料１１と同じであってもよいが、便宜上、符号を変えた。
（ｂ）：炭化物形成元素としてのＳｉ粉末４２を準備する。例えば１ｇ。
【００６２】
（ｃ）：乳鉢４３にカーボンナノ材料４１及びＳｉ粉末４２を入れ、１５分〜３０分間乳棒４４で混合する。
（ｄ）：得られた混合物４５を、アルミナ製容器４６に入れ、アルミナ製蓋４７を被せる。この蓋４７は非密閉蓋を採用することで、容器４６の内部と外部との通気を可能にする。
【００６３】
（ｅ）：密閉炉体５１と、炉体５１内部を加熱する加熱手段５２と、容器４６を載せる台５３、５３と、炉体５１内部を真空にする真空ポンプ５４とを備える真空炉５０を準備し、この真空炉５０に容器４６を入れる。
【００６４】
真空炉５０における加熱条件及び圧力条件は次図で説明するが、真空下で加熱することで、混合物４５中のＳｉ粉末が蒸発する。この蒸気は泡立つように容器４６と蓋４７とで形成する空間を撹拌する。このような作用をバブリング撹拌と呼ぶ。このバブリング撹拌によりカーボンナノ材料がほぐれ、ほぐれたカーボンナノ材料の表面にＳｉ蒸気が接触し、化合物を形成し、Ｓｉの微粒子となって付着する。
【００６５】
図８をまとめると、カーボンナノ材料５１に、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む金属粉末４２を混合する工程と、得られた混合物４５を真空炉５０に入れ、高温真空下で金属粉末４２を蒸発させ、この蒸気をカーボンナノ材料４１の表面に付着させる蒸着処理工程と、からなる。
【００６６】
図９はＳｉに対応する炉温及び炉内圧力のグラフであり、横軸は時間、縦軸は炉温と炉内圧力である。
開始〜５時：６×１０−３Ｐａの真空度で、５時間かけて炉温を室温から３００℃まで上昇させる。
【００６７】
５時〜９時：５．３×１０−３〜２．１×１０−２Ｐａの真空度で、４時間かけて炉温を３００℃から１４００℃まで上昇させる。
９時〜１９時：２．１×１０−２Ｐａの真空度、１４００℃の条件で１０時間保持する。
【００６８】
Ｓｉの融点は１４２７℃であるから、融点直下の温度（１３５０〜１４００℃）に保持し、Ｓｉをこの温度での飽和蒸気圧状態に保つ。１３５０℃では飽和蒸気圧は１．３×１０−３Ｐａ程度になり、１４００℃では飽和蒸気圧は２．１×１０−２Ｐａ程度になる。この程度の真空度は真空炉で容易に達成できるため、処理温度は１３５０〜１４００℃が適当である。ただし、１３５０℃は蒸発速度が低く、１４００℃は蒸発速度が高いため、実施例では１４００℃とした。
【００６９】
次に、Ｓｉと炭素の化合物であるＳｉＣ（炭化けい素）について説明する。ＳｉＣの標準生成自由エネルギーは、１４００℃で−３９．６ｋＪ／ｍｏｌであり、この条件を満たすことは可能であるから、Ｓｉ蒸気がカーボンナノ材料の炭素に反応してＳｉＣになると考えられる。
【００７０】
そこで、混合物を半密閉された容器に入れ、Ｓｉ粉末を蒸発させれば、バブリング撹拌が発生し、カーボンナノ材料にＳｉの微粒子が付着させることができる。
なお、保持時間が１０時間と長いのは、十分撹拌し反応させることを目的とした。勿論、混合比や処理量などの条件によって、保持時間を増減することは差し支えない。
【００７１】
１９時以降：加熱手段は停止するが、１．１×１０−３Ｐａの真空度は保ちながら、炉冷を実施する。炉冷は、製品を極めて徐々に冷却する手法である。
【００７２】
図１０は本発明方法で製造した金属付着カーボンナノ材料の拡大図であり、金属付着カーボンナノ材料５５は、凝集していないカーボンナノ材料４１と、このカーボンナノ材料４１の表面に均等に付着した多数のＳｉ微粒子５６とからなる。これらのＳｉ微粒子５６は、炭素と反応して化合物を生成する元素であるＳｉを結晶化させたものであることは既に述べたとおりである。
【００７３】
さらに、Ｓｉ微粒子５６は炭化物であるＳｉＣを介してカーボンナノ材料４１に付着していることが重要となる。カーボンナノ材料４１自身は濡れ性が悪い。したがって、単なるＳｉ微粒子であれば接合強度が不足する虞れがある。この点、カーボンナノ材料４１の表面にＳｉ微粒子を付着させることで、界面にＳｉＣの反応層が形成し、カーボンナノ材料４１にＳｉ微粒子５６を強固に付着させることができる。
【００７４】
以上に述べた金属付着カーボンナノ材料５５を、図１（ａ）に示すカーボンナノ材料１１と置き換え、この金属付着カーボンナノ材料５５とＭｇ材料１２とを適量混合すればよい。図２（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）においても同様である。
【００７５】
なお、詳細な説明は省略するが、炭化物形成金属（金属炭素と反応して化合物を生成する元素）としてのＳｉをＴｉに換えても同様の機械的強度向上効果を得ることができた。さらに、炭化物形成として、Ｓｉ及びＴｉの他、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｖ（バナジウム）が採用できる。
ただし、Ｓｉ、Ｔｉはともに入手が容易であり、特にＳｉは安価であるため、本発明方法を広く普及させる上で、好適である。
【００７６】
また、母材の金属材料は、融点が約６５０℃であるＭｇ、Ｍｇ合金の他、融点が約６６０℃であるＡｌ、Ａｌ合金が好適である。
Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金は軽量金属であり、この金属にカーボンナノ材料を含めて機械的強度を高めることで、軽量で且つ強度、熱伝導性及び耐摩耗性に優れた構造材料を提供することができる。
【００７７】
以上の説明に基づいて本発明は次のようにまとめることができる。
第１の発明は、図１（ａ）、図２（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）を参照して、合金の母材を構成するＭｇ材料又はＡｌ材料と、このＭｇ材料又はＡｌ材料に添加する少なくとも１種の合金材料と、前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料に添加するカーボンナノ材料とを準備する材料準備工程と、
図１（ｂ）〜（ｃ）、図２（ｂ）〜（ｃ）、図５（ｂ）〜（ｃ）、図６（ｂ）〜（ｃ）を参照して、前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料と、合金材料の少なくとも一方に、前記カーボンナノ材料を混合することで混合体を得る混合工程と、
図３（ｂ）、図４（ｂ）、図７（ｂ）を参照して、混合体及び残余の材料を、一括して溶解する溶解工程と、からなることを特徴とする複合金属合金の製造方法である。
【００７８】
第２の発明は、図１（ｅ）〜（ｆ）、図２（ｅ）〜（ｆ）を参照して、前記混合工程と溶解工程との間に、前記混合体を焼結して焼結体を得る焼結工程を追加したことを特徴とする。
【００７９】
第３の発明では、図１０に示されるように、カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。
【００８０】
第４の発明では、図８〜図９に示されるように、金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、前記カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする。
【００８１】
第５の発明では、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。
【００８２】
第６の発明は、図３（ｃ）〜（ｅ）、図４（ｃ）〜（ｅ）、図７（ｃ）〜（ｅ）に示されるように、第１〜第５の何れかの発明で製造した複合金属合金を、直接金属成形機に供給し、半溶融状態で金型のキャビティにより成形することを特徴とする複合金属成形品の製造方法を提供する。
【００８３】
第７の発明は、図３（ｃ）〜（ｅ）、図４（ｃ）〜（ｅ）、図７（ｃ）〜（ｅ）に示されるように、第１〜第５の何れかの発明で製造した複合金属合金を、冷却して固体の複合金属材料を得る工程と、この固体の複合金属材料を金属成形機に供給し、半溶融状態まで加熱して金型のキャビティにより成形する工程とからなることを特徴とする複合金属成形品の製造方法を提供する。
【００８４】
尚、第１〜第５の発明から、第６の発明又は第７の発明に移行する間に、複合金属合金を、半溶融状態に保って撹拌する工程を加えてもよい。この工程を加えることで、カーボンナノ材料の一層の分散化を図ることができる
【００８５】
また、合金材料は、目的とする複合金属合金から要求される添加元素で決定されるため、Ａｌ−ＭｎやＺｎに限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、射出成形に用いるＭｇ合金又はＡｌ合金であって、カーボンナノ材料を添加したＭｇ合金又はＡｌ合金の製造方法に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の母材材料を処理対象する混合工程及び焼結工程の説明図である。
【図２】本発明の合金材料を処理する混合工程及び焼結工程の説明図である。
【図３】本発明に係る溶解工程から複合金属成形品を得る工程までの説明図である。
【図４】図３の変更実施例図である。
【図５】図１の別実施例図である。
【図６】図２の別実施例図である。
【図７】図３の別実施例図である。
【図８】本発明に係る準備のためにカーボンナノ材料を表面処理するときの説明図である。
【図９】Ｓｉに対応する炉温及び炉内圧力のグラフである。
【図１０】本発明方法で製造した金属付着カーボンナノ材料の拡大図である。
【符号の説明】
【００８８】
１１…カーボンナノ材料、１２…母材材料としてのＭｇ材料、１２Ｂ…合金材料としてのＡｌ−Ｍｎ材料、１２Ｃ…合金材料としてのＺｎ材料、１７、１７Ｂ、１７Ｃ…焼結体、２０…溶解炉、２７…固形の複合金属合金、３１…金属射出機、３５…複合金属成形品、３７、３８…合金材料としてのインゴット、５０…真空炉、５５…金属付着カーボンナノ材料。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化材としてカーボンナノ材料を添加したＭｇ合金又はＡｌ合金の製造方法及びこの方法で得たＭｇ合金又はＡｌ合金を用いて実施する複合金属成形品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーボンナノファイバと称する特殊な炭素繊維が強化材料として注目を浴び、その活用方法が提案されている。カーボンナノファイバは、六角網目状に配列した炭素原子のシートを筒状に巻いた形態のものであり、直径が１．０ｎｍ（ナノメートル）〜１５０ｎｍであり、ナノレベルであるため、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブなど（以下、カーボンナノ材料という）と呼ばれる。なお、長さは数μｍ〜１００μｍである。
【０００３】
このカーボンナノ材料は微細であるため、凝集しやすく、母材となるマトリックス金属に、均一に混合させることが難しい材料である。
【０００４】
そこで、半溶融状態にした低融点金属材料に、セラミック材料又はカーボンナノ材料を混合して複合化する技術が提案された（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平６−２３８４２２公報（請求項１）
【特許文献２】特開２００４−１３６３６３公報（請求項１）
【０００５】
特許文献１の技術は、同文献の請求項１で示されるように「強化材を混合させた金属材を半溶融状態に加熱溶解させて撹拌混合した後、さらに液相状態に加熱溶融させて撹拌混合し、その後再び半溶融状態に戻して撹拌混合した後に凝固させるようにした複合金属部材の製造方法。」を要旨とする。
【０００６】
特許文献２の技術は、同文献の請求項１で示されるように「溶融した低融点金属材料を液相と固相とが共存してチクソトロピー性状を有する半溶融状態に冷却し、その状態で低融点金属材料とカーボンナノ材とを混練して複合材料となし、その複合材料を加熱手段を備えた金属成形機によりチクソトロピー性状を保持して金型に射出充填し、該金型により複合金属製品に成形してなることを特徴とするカーボンナノ材と低融点金属材料との複合成形方法。」を要旨とする。
【０００７】
すなわち、特許文献１の技術は、半溶融状態の金属材に、強化材（セラミック材料）を混合することを特徴とする。
また、特許文献２の技術は、半溶融状態の低融点金属材料に、強化材（カーボンナノ材）を混練することを特徴とする。
何れも、金属材料が半溶融状態であるため、添加した強化材の移動が制限され、強化材同士の凝集を阻止することができる。この結果、強化材を金属材料に均一に分散させることができる。
【０００８】
しかし、金属材料が半溶融状態であるため、添加した強化材の移動速度が小さくて、金属材料の隅々まで移動させるには、時間が掛かる。
また、この種の処理は、金属材料が酸化することを防止するために、撹拌はアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気下で実施する。撹拌時間が延びると、不活性ガスが金属材料中に巻き込まれる危険性が増大し、製品の品質低下を招く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、強化材添加に伴って実施する混練時間を短縮することができる製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る複合金属合金の製造方法は、合金の母材を構成するＭｇ材料又はＡｌ材料と、このＭｇ材料又はＡｌ材料に添加する少なくとも１種の合金材料と、前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料に添加するカーボンナノ材料とを準備する材料準備工程と、
前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料と前記合金材料の少なくとも一方に、前記カーボンナノ材料を混合することで混合体を得る混合工程と、
この混合体及び残余の材料を、一括して溶解する溶解工程と、からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る複合金属合金の製造方法は、混合工程と溶解工程との間に、混合体を焼結して焼結体を得る焼結工程を追加したことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る複合金属合金の製造方法では、カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る複合金属合金の製造方法では、金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、前記カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る複合金属合金の製造方法では、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る複合金属成形品の製造方法は、請求項１〜５のいずれか１項記載の複合金属合金の製造方法で製造した複合金属合金を、直接金属成形機に供給し、半溶融状態で金型のキャビティにより成形することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に係る複合金属成形品の製造方法は、請求項１〜５のいずれか１項記載の複合金属合金の製造方法で製造した複合金属合金を、冷却して固体の複合金属材料を得る工程と、この固体の複合金属材料を金属成形機に供給し、半溶融状態まで加熱して金型のキャビティにより成形する工程とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明では、溶解工程の前に、金属材料にカーボンナノ材料を混合する混合工程を置いた。溶解工程では、カーボンナノ材料は金属材料に付着した形態で溶湯中を移動する。この結果、カーボンナノ材料の凝集現象を抑制しながら、金属材料を溶解することができるようになった。
【００１８】
溶解工程では金属材料は完全に溶融状態にする。溶融状態であれば、半溶融状態に比較して、速やかにカーボンナノ材料を溶湯に分散させることができる。
短い時間で溶解工程は終えることができるため、溶湯に不活性ガスが巻き込む度合いは少なく、製品の品質を高めることができる。
【００１９】
請求項２に係る複合金属合金の製造方法は、混合工程と溶解工程との間に、混合体を焼結して焼結体を得る焼結工程を追加した。
粉末であれば飛散が問題になるが、本発明により焼結体にすれば、飛散を防止することができ、保管時の安全性を向上させることができる。
【００２０】
さらには、焼結体ではカーボンナノ材料が移動する心配はなく、カーボンナノ材料の凝集現象を確実に抑制することができる。
また、混合体を焼結して焼結体を得ることで、表面積を減少させることができる。表面が小さければ酸化などを抑制することができ、品質の劣化を防止することができる。
【００２１】
請求項３に係る複合金属合金の製造方法では、カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。カーボンナノ材料は濡れ性が低いが、炭化物形成元素は濡れ性が高い。このような炭化物形成元素を表面に付着させた金属付着カーボンナノ材料を使用することで、カーボンナノ材料の濡れ性を高めることがでる。
【００２２】
請求項４に係る複合金属合金の製造方法では、金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、前記カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする。炭化物形成金属は炭素と化合物を生成し、この化合物が接合作用を発揮するため、炭化物形成金属をカーボンナノ材料に強固に結合することができる。
【００２３】
請求項５に係る複合金属合金の製造方法では、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。Ｓｉ、Ｔｉともに、真空下で蒸着可能な融点の金属であり、溶融マトリックス金属との濡れ性も良好である。Ｓｉ、Ｔｉともに入手が容易であり、特にＳｉは安価であるため、本発明方法を広く普及させる上で、好適である。
【００２４】
請求項６に係る複合金属成形品の製造方法では、濡れ性の高い複合金属材料を用いて、複合金属成形品を製造する。得られる複合金属成形品の機械的特性や熱的特性を高めることができる。
そして、本発明は、複合金属材料を直接金属成形機に供給するため、生産効率が高まり、生産性を高めることができ、特に多量生産に好適である。
【００２５】
請求項７に係る複合金属成形品の製造方法でも、濡れ性の高い複合金属材料を用いて、複合金属成形品を製造する。得られる複合金属成形品の機械的特性や熱的特性を高めることができる。
そして、本発明は、複合金属材料を固体の形態で保存し、必要なときに固体の複合金属材料を金属成形機に供給するため、生産の自由度が高まり、特に少量生産に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
なお、本発明に係る金属合金は、Ｍｇ合金又はＡｌ合金であれば種類は問わない。多数の合金中、以下の説明では、ＡＳＴＭ ＡＺ９１Ｄ（マグネシウム合金ダイカスト ＪＩＳ Ｈ ５３０３ ＭＤＣ１Ｄ相当品）を例に挙げる。ＪＩＳで規定されるＭＤＣ１Ｄの化学成分は次表のとおりである。
【００２７】
【表１】
【００２８】
すなわち、ＭＤＣ１Ｄは、９質量％程度のＡｌと０．５質量％以下のＭｎと１．０質量％以下のＺｎを合金材料とし、残余の９０質量％程度のＭｇを母材として構成されるマグネシウム合金である。
【００２９】
９０質量％程度のＭｇ材料（母材材料）と、９質量％程度のＡｌと０．５質量％以下のＭｎと１．０質量％以下のＺｎを合金材料と、適量のカーボンナノ材料とを出発材料とした、複合金属合金の製造方法を以下に説明する。
【００３０】
図１は本発明の母材材料を処理対象する混合工程及び焼結工程の説明図である。
（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１１を準備するとともに、粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＭｇ材料１２を準備する。
【００３１】
（ｂ）：予備混合を実施する。予備混合は、容器に適量のカーボンナノ材料１１及びＭｇ材料１２とを入れ、容器を振ることで実施してもよい。
【００３２】
（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１及びＭｇ材料１２を本格的に混練する。メカニカルアロイ法は、ＪＩＳ Ｚ２５００に規定される「高エネルギアトライタやボールミルによる固相状態での合金化の方法」、又はＪＩＳ Ｈ７００４で規定されるメカニカルアロイング法「数種類の原料粉末を高エネルギーミルで機械的に撹拌、混合、粉砕し、固相反応によって、合金状態を実現する方法」を指す、広義の機械的混合方法である。周知の方法であるから、装置や原理の説明は省略する。
【００３３】
（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１１の凝集を解くとともに、Ｍｇ材料１２に無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３を得る。すなわち、以上に述べた（ａ）が準備工程、（ｂ）〜（ｃ）が、混合工程に相当する。
【００３４】
（ｅ）：焼結装置の下パンチ１４にダイス１５をセットし、このダイス１５に混合体１３を充填する。焼結装置は、通電加熱式焼結装置やホットプレスが好適である。
（ｆ）：上パンチ１６をダイス１５に挿入し、Ｍｇの焼結温度（５００℃程度）に保ちながら、混合体１３を押し固める。
（ｅ）これで、カーボンナノ材料を含むＭｇの焼結体１７を得ることができる。
以上に述べた（ｅ）及び（ｆ）が、焼結工程に相当する。
【００３５】
図２は本発明の合金材料を処理する混合工程及び焼結工程の説明図である。
（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１１を準備するとともに、合金材料として粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂを準備し、合金材料として粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＺｎ材料１２Ｃを準備する。Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂは、９０質量％がＡｌで１０質量％がＭｎであるＭｎ系アルミニウムが好適である。
【００３６】
（ｂ）：カーボンナノ材料１１とＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂとの組み合わせで予備混合を実施する。また、カーボンナノ材料１１とＺｎ材料１２Ｃとの組み合わせで予備混合を実施する。
【００３７】
（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１とＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂとを本格的に混練する。また、メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１とＺｎ材料１２Ｃとを本格的に混練する。
【００３８】
（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１１の凝集を解くとともに、Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂ又はＺｎ材料１２Ｃに無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３Ｂ又は混合体１３Ｃを得る。すなわち、以上に述べた（ａ）が準備工程、（ｂ）〜（ｃ）が、混合工程に相当する。
【００３９】
（ｅ）：焼結装置の下パンチ１４にダイス１５をセットし、このダイス１５に混合体１３Ｂ又は混合体１３Ｃを充填する。
（ｆ）：上パンチ１６をダイス１５に挿入し、Ａｌ−Ｍｎの焼結温度（５００℃程度）又はＺｎの焼結温度（３００℃程度）に保ちながら、混合体１３を押し固める。
（ｅ）これで、カーボンナノ材料を含むＡｌ−Ｍｎ焼結体１７Ｂや、カーボンナノ材料を含むＺｎ焼結体１７Ｃを得ることができる。
以上に述べた（ｅ）及び（ｆ）が、焼結工程に相当する。
【００４０】
図３は本発明に係る溶解工程から複合金属成形品を得る工程までの説明図である。
（ａ）に示すＭｇ焼結体１７、Ａｌ−Ｍｎ焼結体１７Ｂ及びＺｎ焼結体１７Ｃが、この図での出発材料となる。
（ｂ）において、加熱手段２１を備える溶解炉２０に、Ｍｇ焼結体１７、Ａｌ−Ｍｎ焼結体１７Ｂ及びＺｎ焼結体１７Ｃを同時又は順次投入して、溶解する。これで、複合金属合金の溶湯２２を、得ることができる。この溶湯２２は、プラグ手段２３を上昇させることで、溶解炉２０から取り出すことができる。
【００４１】
（ｃ）において、撹拌手段２５を備えた高温槽２６に、溶湯２２を移し、十分に撹拌する。なお、（ｂ）に示した溶解炉２０にバブリング撹拌機構が付属されているときには、溶解炉２０内で撹拌が行える。この場合は、（ｃ）に示した高温槽２６を省くことができる。
【００４２】
（ｄ）において、溶湯２２を、一旦冷却して、固形の複合金属合金２７を得る。又は、想像線で示すようにポンプ手段２８で溶湯２２を高温槽２６から汲み出す。
【００４３】
（ｅ）において、固形の複合金属合金２７を、金属射出機３１へ供給する。この金属射出機３１では、固形の複合金属合金２７を混練しながら半溶融状態にし、射出作用で、金型３２のキャビティ３３へ供給する。凝固に必要な時間が経過した後に、金型３２を開くことで、（ｆ）に示す複合金属成形品３５を得ることができる。
【００４４】
または、（ｅ）において、ポンプ手段２８で汲み上げられた溶湯２２を、直接金属射出機３１へ供給する。この金属射出機３１では、溶湯２２を混練しながら半溶融状態にし、射出作用で、金型３２のキャビティ３３へ供給する。凝固に必要な時間が経過した後に、金型３２を開くことで、（ｆ）に示す複合金属成形品３５を得ることができる。
【００４５】
さらには、複合金属成形品３５に、熱間圧延加工や熱間押出し加工を、施すことで金属組織の微細化を行い、機械的強度等の性質を向上させることができる。
【００４６】
（ｄ）で、ポンプ手段２８を介した方式は「直接法」と呼び、固形の複合金属合金２７を介した方式は「間接法」と呼ぶことができる。
直接法は生産能力が高く、低コストでカーボンナノ複合金属成形品を製造することができるが、材料換え等が難しいため、少品種多量生産に適している。
間接法は生産能力の点では落ちるが、生産の自由度は高く、多品種少量生産に好適である。
【００４７】
次に、本発明の変更例を説明する。
図４は図３の変更実施例図である。図３に対し（ａ）を変更した。
すなわち、図４（ａ）において、カーボンナノ材料を含むＭｇの焼結体１７（図１（ｇ）参照）と、合金材料としてＡｌ−Ｍｎ合金のインゴット３７と、合金材料としてＺｎのインゴット３８とを準備する。インゴット３７、３８は合金材料の単純な鋳造品であるため、製造方法は省略する。
（ｂ）〜（ｆ）は図３の説明と同一であるから、ここでは省略する。
【００４８】
次に、本発明の別実施例を説明する。
図５は図１の別実施例図である。
（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１１を準備するとともに、粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＭｇ材料１２を準備する。
【００４９】
（ｂ）：予備混合を実施する。予備混合は、容器に適量のカーボンナノ材料１１及びＭｇ材料１２とを入れ、容器を振ることで実施してもよい。
【００５０】
（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１及びＭｇ材料１２を本格的に混練する。
【００５１】
（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１１の凝集を解くとともに、Ｍｇ材料１２に無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３を得る。すなわち、以上に述べた（ａ）が準備工程、（ｂ）〜（ｃ）が、混合工程に相当する。
【００５２】
図６は図２の別実施例図である。
（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１１を準備するとともに、合金材料として粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂを準備し、合金材料として粒径（平均値）が２００μｍの粉末状のＺｎ材料１２Ｃを準備する。Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂは、９０質量％がＡｌで１０質量％がＭｎであるＭｎ系アルミニウムが好適である。
【００５３】
（ｂ）：カーボンナノ材料１１とＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂとの組み合わせで予備混合を実施する。また、カーボンナノ材料１１とＺｎ材料１２Ｃとの組み合わせで予備混合を実施する。
【００５４】
（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１とＡｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂとを本格的に混練する。また、メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１１とＺｎ材料１２Ｃとを本格的に混練する。
【００５５】
（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１１の凝集を解くとともに、Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂ又はＺｎ材料１２Ｃに無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３Ｂ又は混合体１３Ｃを得る。すなわち、以上に述べた（ａ）が準備工程、（ｂ）〜（ｃ）が、混合工程に相当する。
【００５６】
図７は図３の別実施例図である。
（ａ）において、Ｍｇ材料に無数のカーボンナノ材料をまぶしたような形態の混合体１３（図５（ｄ）参照）を準備し、Ａｌ−Ｍｎ合金材料１２Ｂ又はＺｎ材料１２Ｃに無数のカーボンナノ材料１１をまぶしたような形態の混合体１３Ｂ又は混合体１３Ｃ（図６（ｄ）参照）を準備する。
（ｂ）において、加熱手段２１を備える溶解炉２０に、混合体１３、混合体１３Ｂ及び混合体１３Ｃを同時又は順次投入して、溶解する。これで、複合金属合金の溶湯２２を、得ることができる。この溶湯２２は、プラグ手段２３を上昇させることで、溶解炉２０から取り出すことができる。
【００５７】
（ｃ）において、撹拌手段２５を備えた高温槽２６に、溶湯２２を移し、十分に撹拌する。なお、（ｂ）に示した溶解炉２０にバブリング撹拌機構が付属されているときには、溶解炉２０で撹拌が行える。この場合は、（ｃ）に示した高温槽２６を省くことができる。
【００５８】
（ｄ）において、溶湯２２を、一旦冷却して、固形の複合金属合金２７を得る。又は、想像線で示すようにポンプ手段２８で溶湯２２を高温槽２６から汲み出す。
【００５９】
（ｅ）において、固形の複合金属合金２７を、金属射出機３１へ供給する。この金属射出機３１では、固形の複合金属合金２７を混練しながら半溶融状態にし、射出作用で、金型３２のキャビティ３３へ供給する。凝固に必要な時間が経過した後に、金型３２を開くことで、（ｆ）に示す複合金属成形品３５を得ることができる。
【００６０】
または、（ｅ）において、ポンプ手段２８で汲み上げられた溶湯２２を、直接金属射出機３１へ供給する。この金属射出機３１では、溶湯２２を混練しながら半溶融状態にし、射出作用で、金型３２のキャビティ３３へ供給する。凝固に必要な時間が経過した後に、金型３２を開くことで、（ｆ）に示す複合金属成形品３５を得ることができる。
【００６１】
次に、図１（ａ）などに示したカーボンナノ材料１１の改良技術を説明する。
図８は本発明に係る準備のためにカーボンナノ材料を表面処理するときの説明図である。
（ａ）：カーボンナノ材料４１を準備する。例えば１０ｇ。このカーボンナノ材料４１は、図１（ａ）などに示すカーボンナノ材料１１と同じであってもよいが、便宜上、符号を変えた。
（ｂ）：炭化物形成元素としてのＳｉ粉末４２を準備する。例えば１ｇ。
【００６２】
（ｃ）：乳鉢４３にカーボンナノ材料４１及びＳｉ粉末４２を入れ、１５分〜３０分間乳棒４４で混合する。
（ｄ）：得られた混合物４５を、アルミナ製容器４６に入れ、アルミナ製蓋４７を被せる。この蓋４７は非密閉蓋を採用することで、容器４６の内部と外部との通気を可能にする。
【００６３】
（ｅ）：密閉炉体５１と、炉体５１内部を加熱する加熱手段５２と、容器４６を載せる台５３、５３と、炉体５１内部を真空にする真空ポンプ５４とを備える真空炉５０を準備し、この真空炉５０に容器４６を入れる。
【００６４】
真空炉５０における加熱条件及び圧力条件は次図で説明するが、真空下で加熱することで、混合物４５中のＳｉ粉末が蒸発する。この蒸気は泡立つように容器４６と蓋４７とで形成する空間を撹拌する。このような作用をバブリング撹拌と呼ぶ。このバブリング撹拌によりカーボンナノ材料がほぐれ、ほぐれたカーボンナノ材料の表面にＳｉ蒸気が接触し、化合物を形成し、Ｓｉの微粒子となって付着する。
【００６５】
図８をまとめると、カーボンナノ材料５１に、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む金属粉末４２を混合する工程と、得られた混合物４５を真空炉５０に入れ、高温真空下で金属粉末４２を蒸発させ、この蒸気をカーボンナノ材料４１の表面に付着させる蒸着処理工程と、からなる。
【００６６】
図９はＳｉに対応する炉温及び炉内圧力のグラフであり、横軸は時間、縦軸は炉温と炉内圧力である。
開始〜５時：６×１０−３Ｐａの真空度で、５時間かけて炉温を室温から３００℃まで上昇させる。
【００６７】
５時〜９時：５．３×１０−３〜２．１×１０−２Ｐａの真空度で、４時間かけて炉温を３００℃から１４００℃まで上昇させる。
９時〜１９時：２．１×１０−２Ｐａの真空度、１４００℃の条件で１０時間保持する。
【００６８】
Ｓｉの融点は１４２７℃であるから、融点直下の温度（１３５０〜１４００℃）に保持し、Ｓｉをこの温度での飽和蒸気圧状態に保つ。１３５０℃では飽和蒸気圧は１．３×１０−３Ｐａ程度になり、１４００℃では飽和蒸気圧は２．１×１０−２Ｐａ程度になる。この程度の真空度は真空炉で容易に達成できるため、処理温度は１３５０〜１４００℃が適当である。ただし、１３５０℃は蒸発速度が低く、１４００℃は蒸発速度が高いため、実施例では１４００℃とした。
【００６９】
次に、Ｓｉと炭素の化合物であるＳｉＣ（炭化けい素）について説明する。ＳｉＣの標準生成自由エネルギーは、１４００℃で−３９．６ｋＪ／ｍｏｌであり、この条件を満たすことは可能であるから、Ｓｉ蒸気がカーボンナノ材料の炭素に反応してＳｉＣになると考えられる。
【００７０】
そこで、混合物を半密閉された容器に入れ、Ｓｉ粉末を蒸発させれば、バブリング撹拌が発生し、カーボンナノ材料にＳｉの微粒子が付着させることができる。
なお、保持時間が１０時間と長いのは、十分撹拌し反応させることを目的とした。勿論、混合比や処理量などの条件によって、保持時間を増減することは差し支えない。
【００７１】
１９時以降：加熱手段は停止するが、１．１×１０−３Ｐａの真空度は保ちながら、炉冷を実施する。炉冷は、製品を極めて徐々に冷却する手法である。
【００７２】
図１０は本発明方法で製造した金属付着カーボンナノ材料の拡大図であり、金属付着カーボンナノ材料５５は、凝集していないカーボンナノ材料４１と、このカーボンナノ材料４１の表面に均等に付着した多数のＳｉ微粒子５６とからなる。これらのＳｉ微粒子５６は、炭素と反応して化合物を生成する元素であるＳｉを結晶化させたものであることは既に述べたとおりである。
【００７３】
さらに、Ｓｉ微粒子５６は炭化物であるＳｉＣを介してカーボンナノ材料４１に付着していることが重要となる。カーボンナノ材料４１自身は濡れ性が悪い。したがって、単なるＳｉ微粒子であれば接合強度が不足する虞れがある。この点、カーボンナノ材料４１の表面にＳｉ微粒子を付着させることで、界面にＳｉＣの反応層が形成し、カーボンナノ材料４１にＳｉ微粒子５６を強固に付着させることができる。
【００７４】
以上に述べた金属付着カーボンナノ材料５５を、図１（ａ）に示すカーボンナノ材料１１と置き換え、この金属付着カーボンナノ材料５５とＭｇ材料１２とを適量混合すればよい。図２（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）においても同様である。
【００７５】
なお、詳細な説明は省略するが、炭化物形成金属（金属炭素と反応して化合物を生成する元素）としてのＳｉをＴｉに換えても同様の機械的強度向上効果を得ることができた。さらに、炭化物形成として、Ｓｉ及びＴｉの他、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｖ（バナジウム）が採用できる。
ただし、Ｓｉ、Ｔｉはともに入手が容易であり、特にＳｉは安価であるため、本発明方法を広く普及させる上で、好適である。
【００７６】
また、母材の金属材料は、融点が約６５０℃であるＭｇ、Ｍｇ合金の他、融点が約６６０℃であるＡｌ、Ａｌ合金が好適である。
Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金は軽量金属であり、この金属にカーボンナノ材料を含めて機械的強度を高めることで、軽量で且つ強度、熱伝導性及び耐摩耗性に優れた構造材料を提供することができる。
【００７７】
以上の説明に基づいて本発明は次のようにまとめることができる。
第１の発明は、図１（ａ）、図２（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）を参照して、合金の母材を構成するＭｇ材料又はＡｌ材料と、このＭｇ材料又はＡｌ材料に添加する少なくとも１種の合金材料と、前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料に添加するカーボンナノ材料とを準備する材料準備工程と、
図１（ｂ）〜（ｃ）、図２（ｂ）〜（ｃ）、図５（ｂ）〜（ｃ）、図６（ｂ）〜（ｃ）を参照して、前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料と、合金材料の少なくとも一方に、前記カーボンナノ材料を混合することで混合体を得る混合工程と、
図３（ｂ）、図４（ｂ）、図７（ｂ）を参照して、混合体及び残余の材料を、一括して溶解する溶解工程と、からなることを特徴とする複合金属合金の製造方法である。
【００７８】
第２の発明は、図１（ｅ）〜（ｆ）、図２（ｅ）〜（ｆ）を参照して、前記混合工程と溶解工程との間に、前記混合体を焼結して焼結体を得る焼結工程を追加したことを特徴とする。
【００７９】
第３の発明では、図１０に示されるように、カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする。
【００８０】
第４の発明では、図８〜図９に示されるように、金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、前記カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする。
【００８１】
第５の発明では、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。
【００８２】
第６の発明は、図３（ｃ）〜（ｅ）、図４（ｃ）〜（ｅ）、図７（ｃ）〜（ｅ）に示されるように、第１〜第５の何れかの発明で製造した複合金属合金を、直接金属成形機に供給し、半溶融状態で金型のキャビティにより成形することを特徴とする複合金属成形品の製造方法を提供する。
【００８３】
第７の発明は、図３（ｃ）〜（ｅ）、図４（ｃ）〜（ｅ）、図７（ｃ）〜（ｅ）に示されるように、第１〜第５の何れかの発明で製造した複合金属合金を、冷却して固体の複合金属材料を得る工程と、この固体の複合金属材料を金属成形機に供給し、半溶融状態まで加熱して金型のキャビティにより成形する工程とからなることを特徴とする複合金属成形品の製造方法を提供する。
【００８４】
尚、第１〜第５の発明から、第６の発明又は第７の発明に移行する間に、複合金属合金を、半溶融状態に保って撹拌する工程を加えてもよい。この工程を加えることで、カーボンナノ材料の一層の分散化を図ることができる
【００８５】
また、合金材料は、目的とする複合金属合金から要求される添加元素で決定されるため、Ａｌ−ＭｎやＺｎに限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、射出成形に用いるＭｇ合金又はＡｌ合金であって、カーボンナノ材料を添加したＭｇ合金又はＡｌ合金の製造方法に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の母材材料を処理対象する混合工程及び焼結工程の説明図である。
【図２】本発明の合金材料を処理する混合工程及び焼結工程の説明図である。
【図３】本発明に係る溶解工程から複合金属成形品を得る工程までの説明図である。
【図４】図３の変更実施例図である。
【図５】図１の別実施例図である。
【図６】図２の別実施例図である。
【図７】図３の別実施例図である。
【図８】本発明に係る準備のためにカーボンナノ材料を表面処理するときの説明図である。
【図９】Ｓｉに対応する炉温及び炉内圧力のグラフである。
【図１０】本発明方法で製造した金属付着カーボンナノ材料の拡大図である。
【符号の説明】
【００８８】
１１…カーボンナノ材料、１２…母材材料としてのＭｇ材料、１２Ｂ…合金材料としてのＡｌ−Ｍｎ材料、１２Ｃ…合金材料としてのＺｎ材料、１７、１７Ｂ、１７Ｃ…焼結体、２０…溶解炉、２７…固形の複合金属合金、３１…金属射出機、３５…複合金属成形品、３７、３８…合金材料としてのインゴット、５０…真空炉、５５…金属付着カーボンナノ材料。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金の母材を構成するＭｇ材料又はＡｌ材料と、このＭｇ材料又はＡｌ材料に添加する少なくとも１種の合金材料と、前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料に添加するカーボンナノ材料とを準備する材料準備工程と、
前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料と前記合金材料の少なくとも一方に、前記カーボンナノ材料を混合することで混合体を得る混合工程と、
この混合体及び残余の材料を、一括して溶解する溶解工程と、からなることを特徴とする複合金属合金の製造方法。
【請求項２】
前記混合工程と溶解工程との間に、前記混合体を焼結して焼結体を得る焼結工程を追加したことを特徴とする請求項１記載の複合金属合金の製造方法。
【請求項３】
前記カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の複合金属合金の製造方法。
【請求項４】
前記金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、前記カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする請求項３記載の複合金属合金の製造方法。
【請求項５】
前記炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の複合金属合金の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の複合金属合金の製造方法で製造した複合金属合金を、直接金属成形機に供給し、半溶融状態で金型のキャビティにより成形することを特徴とする複合金属成形品の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項記載の複合金属合金の製造方法で製造した複合金属合金を、冷却して固体の複合金属材料を得る工程と、この固体の複合金属材料を金属成形機に供給し、半溶融状態まで加熱して金型のキャビティにより成形する工程とからなることを特徴とする複合金属成形品の製造方法。
【請求項１】
合金の母材を構成するＭｇ材料又はＡｌ材料と、このＭｇ材料又はＡｌ材料に添加する少なくとも１種の合金材料と、前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料に添加するカーボンナノ材料とを準備する材料準備工程と、
前記Ｍｇ材料又はＡｌ材料と前記合金材料の少なくとも一方に、前記カーボンナノ材料を混合することで混合体を得る混合工程と、
この混合体及び残余の材料を、一括して溶解する溶解工程と、からなることを特徴とする複合金属合金の製造方法。
【請求項２】
前記混合工程と溶解工程との間に、前記混合体を焼結して焼結体を得る焼結工程を追加したことを特徴とする請求項１記載の複合金属合金の製造方法。
【請求項３】
前記カーボンナノ材料は、炭素と反応して化合物を生成する元素を含む炭化物形成元素を、表面に付着させてなる金属付着カーボンナノ材料を使用することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の複合金属合金の製造方法。
【請求項４】
前記金属付着カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料と炭化物形成金属とを混合し、得られた混合物を真空炉に入れ、高温真空下で前記炭化物形成金属を蒸発させ、前記カーボンナノ材料の表面に付着させることで得ることを特徴とする請求項３記載の複合金属合金の製造方法。
【請求項５】
前記炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の複合金属合金の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の複合金属合金の製造方法で製造した複合金属合金を、直接金属成形機に供給し、半溶融状態で金型のキャビティにより成形することを特徴とする複合金属成形品の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項記載の複合金属合金の製造方法で製造した複合金属合金を、冷却して固体の複合金属材料を得る工程と、この固体の複合金属材料を金属成形機に供給し、半溶融状態まで加熱して金型のキャビティにより成形する工程とからなることを特徴とする複合金属成形品の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２３９０５０（Ｐ２００７−２３９０５０Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６４６３５（Ｐ２００６−６４６３５）
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（０００２２７０５４）日精樹脂工業株式会社 (293)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（０００２２７０５４）日精樹脂工業株式会社 (293)
【Ｆターム（参考）】
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