複合金属成形材料の製造方法及び複合金属成形品の製造方法
【課題】カーボンナノ材料の添加量が多い場合にも適用できる複合金属成形材料を提供することを課題とする。
【解決手段】金属材料１１を、固液共存領域の温度に加熱することで半溶融状態の半溶融金属材料１５を得る工程と、この半溶融金属材料１５にカーボンナノ材料１２を投入し、混練して複合金属材料１６を得る工程と、この複合金属材料１６を、金属材料１１の溶体化温度に加熱して溶体化処理することで、複合金属成形材料２４を得る工程と、からなることを複合金属成形材料２４の製造する。
【効果】溶体化処理後に半溶融温度まで加熱したことにより、部分的ではあるが相の入れ替えが発生する。新固相部分にはカーボンナノ材料が内包される。反面、新液相部分におけるカーボンナノ材料の量が減少する。この結果、新液相部分は流動性が良好になる。
【解決手段】金属材料１１を、固液共存領域の温度に加熱することで半溶融状態の半溶融金属材料１５を得る工程と、この半溶融金属材料１５にカーボンナノ材料１２を投入し、混練して複合金属材料１６を得る工程と、この複合金属材料１６を、金属材料１１の溶体化温度に加熱して溶体化処理することで、複合金属成形材料２４を得る工程と、からなることを複合金属成形材料２４の製造する。
【効果】溶体化処理後に半溶融温度まで加熱したことにより、部分的ではあるが相の入れ替えが発生する。新固相部分にはカーボンナノ材料が内包される。反面、新液相部分におけるカーボンナノ材料の量が減少する。この結果、新液相部分は流動性が良好になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料に添加材料を混練してなる複合金属成形材料の製造技術及び複合金属成形品の製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
低融点金属材料を、固液共存温度に冷却し、その状態で低融点金属材料にカーボンナノ材料を混練して複合材料を得る。そして、この複合材料を、加熱手段を備えた金属成形機により金型に射出充填し、複合金属製品を得る方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１３６３６３公報（請求項１）
【０００３】
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「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。
【０００４】
すなわち、特許文献１の技術は、半溶融状態の低融点金属材料に、カーボンナノ材を混練することを特徴とする。
金属材料が半溶融状態であるため、添加したカーボンナノ材の移動が制限され、カーボンナノ材が浮上したり、沈殿することを阻止することができる。この結果、良質の複合材を得ることができる。
【０００５】
ところで、半溶融状態の低融点金属材料を構成する液相部分と固相部分のうち、固相部分にはカーボンナノ材料は存在し得ない。そのため、特許文献１で複合化されたカーボンナノ材料は、液相部分に存在する。
【０００６】
カーボンナノ材料は、機能性を高めることを目的に添加量を増やすと、液相部分の粘性が高まり、結果的に半溶融状態の低融点金属材料は流動性が低下する。このような半溶融状態の低融点金属材料は、金属成形機で射出することが困難になり、金型内のキャビティにおいても隅まで充填することが困難になる。
【０００７】
したがって、特許文献１の技術は、カーボンナノ材料の添加量が少ない場合に適用できるが、添加量が多い場合には適用できない。
そこで、カーボンナノ材料の添加量が多い場合にも適用できる複合金属成形材料が求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、カーボンナノ材料の添加量が多い場合にも適用できる複合金属成形材料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】
【０００９】
請求項１に係る複合金属成形材料の製造方法は、Ｍｇ合金又はＡｌ合金からなる金属材料及びこの金属材料に添加する添加材料を準備する工程と、前記金属材料を、固液共存領域の温度に加熱することで半溶融状態の半溶融金属材料を得る工程と、この半溶融金属材料に前記添加材料を投入し、混練して複合金属材料を得る工程と、この複合金属材料を、前記金属材料の溶体化温度に加熱して溶体化処理することで、複合金属成形材料を得る工程と、からなることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る複合金属成形材料の製造方法では、添加材料は、カーボンナノ材料であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る複合金属成形材料の製造方法では、添加材料は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合し、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形体を得る工程と、この予備成形体を真空、不活性ガス又は非酸化性ガス雰囲気下で前記金属材料の固液共存領域の温度に加熱する工程と、加熱した予備成形体を加圧する工程とにより、生成されるカーボンナノ複合材料であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る複合金属成形材料の製造方法は、予備成形体を加圧する工程において、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る複合金属成形材料の製造方法では、金属粉末は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る複合金属成形材料の製造方法では、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であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る複合金属成形材料の製造方法では、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、高温真空下で炭化物形成金属を蒸着させることで得ることを特徴とする。
【００１６】
請求項８に係る複合金属成形材料の製造方法では、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。
【００１７】
請求項９に係る複合金属成形材料の製造方法は、複合金属成形材料を得る工程に続いて、複合金属成形材料を破砕することでチップを得る工程を実施することを特徴とする。
【００１８】
請求項１０に係る複合金属成形品の製造方法は、請求項１〜９のいずれか１項記載の複合金属成形材料の製造方法で製造した複合金属成形材料を、金属射出機に供給し、この金属射出機で半溶融温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給して複合金属成形品を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に係る発明では、金属材料の半溶融化工程及び添加材料の添加、混練工程により製造した複合金属材料に、更に溶体化処理を施した。
半溶融化工程及び混練工程を経た複合金属材料は、固相と液相とで構成される。溶体化処理を施すと、全体的に固溶体組織になる。
【００２０】
複合金属成形材料が全体的に固溶体組織であるために、この複合金属成形材料を、後の工程で半溶融温度まで加熱すると、溶体化処理前に液相であった部分（旧液相部分）の一部が新たな固相部分（新固相部分）として残る。すなわち旧液相部分の一部が新固相部分となり、旧固相部分の一部が新液相部分なるごとくに、溶体化処理後に半溶融温度まで加熱したことにより、部分的ではあるが相の入れ替えが発生する。新固相部分には添加材料が内包される。
【００２１】
反面、新液相部分における添加材料の量が減少する。この結果、新液相部分は流動性が良好になる。
半溶融状態で射出成形を行えば、添加材料が均一に分布し、且つキャビティの隅々まで材料が充填され、良質の成形品が得られる。
【００２２】
請求項２に係る発明では、添加材料は、カーボンナノ材料とした。金属材料にカーボンナノ材料を添加することで、強度的に優れ、熱伝導性に優れた成形品を提供することができる。半溶融化を基本にしているため、カーボンナノ材料が凝集する心配は無く、カーボンナノ材料が均一に分散している成形品を提供する。
【００２３】
請求項３に係る発明では、添加材料は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合し、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形体を得る工程と、この予備成形体を真空、不活性ガス又は非酸化性ガス雰囲気下で金属材料の固液共存領域の温度に加熱する工程と、加熱した予備成形体を加圧する工程とにより、生成されるカーボンナノ複合材料であることを特徴とする。
カーボンナノ材料と金属粉末とを混合して、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程を実施すると、カーボンナノ材料の凝集を解き、金属粉末にカーボンナノ材料をまぶすことができるため、カーボンナノ材料の再凝集を抑制することができる。
【００２４】
次に、カーボンナノ複合金属粉末を押し固めてなる予備成形品を固液共存領域の温度に加熱した状態で加圧する工程を実施するが、混合工程で凝集が解かれ、まぶしたカーボンナノ材料が固液共存温度状態で圧縮変形されるため、十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品を得ることができる。
【００２５】
請求項４に係る発明は、予備成形体を加圧する工程において、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることを特徴とする。
予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることで、粉末表面を取り囲んでいる酸化膜を効果的に破壊することできる。酸化膜が破壊できれば、粉末同士が密着し、圧縮成形品の機械的強度を高めることができる。
【００２６】
請求項５に係る発明では、金属粉末は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする。
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。
【００２７】
請求項６に係る発明では、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であ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。
【００２８】
請求項７に係る発明では、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、高温真空下で炭化物形成金属を蒸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。
【００２９】
請求項８に係る発明では、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。
Ｔｉ、Ｓｉ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。Ｔｉ、Ｓｉ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。
【００３０】
請求項９に係る発明は、複合金属成形材料を得る工程に続いて、複合金属成形材料を破砕することでチップを得る工程を実施することを特徴とする。
複合金属成形材料は、破砕することで小さな塊からなるチップとなるとともに、破砕により加工硬化が起き、結晶粒は内部歪（内部応力）を持つ。このチップを半溶融温度まで加熱すると再結晶が起こる。加工によって変形した結晶は、再結晶により多角形の細粒に分割されて、新たな液相部分、新たな固相部分、新たな粒界からなる新たな組織に生まれ変わる。この結果、添加材料がより確実に新固相部分に内包された複合金属材料を得ることができる。また、小さな塊であるため、短時間で半溶融化を実施することができる。
【００３１】
請求項１０に係る発明は、請求項１〜９のいずれか１項記載の複合金属成形材料の製造方法で製造した複合金属成形材料を、金属射出機に供給し、この金属射出機で半溶融温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給して複合金属成形品を得ることを特徴とする。
流動性に優れた材料をキャビティへ供給するため、キャビティの隅々まで材料が行き渡り、高品質の複合金属成形品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
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、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る複合金属成形材料の製造工程の説明図である。
（ａ）に示すように、金属材料としてのＭｇ合金材料１１、及び添加材料としてのカーボンナノ材料１２を準備する。
Ｍｇ合金材料１１は、例えばＡＳＴＭ ＡＺ９１Ｄ（マグネシウム合金ダイカスト ＪＩＳ Ｈ ５３０３ ＭＤＣ１Ｄ相当品）とする。このＡＺ９１Ｄで規定される材料の組成は、Ａｌが約９質量％で残部が、少量の元素、不可避的不純物及びＭｇである。
【００３３】
図２はＭｇ−Ａｌ系平衡状態図であり、Ａは液相線、Ｂは固相線、Ｃは共晶線、Ｄは固溶度線を示す。ＡとＢとＣで囲んだ領域が固液共存領域となり、Ｂの左及びＤの左の領域は溶体化処理領域になる。
縦軸に平行に引いたＦはＡＺ９１Ｄに対応する温度線であり、この温度線Ｆ上に記したＰ１は半溶融温度、Ｐ２は溶体化処理温度、Ｐ３は室温である。
【００３４】
図１に戻って、（ｂ）に示すように、撹拌機１３を備えた溶解槽１４に、Ｍｇ合金材料１１を投入して、図２で説明した半溶融温度Ｐ１まで加熱し、十分に撹拌する。これで、半溶融金属材料１５を得ることができる。
【００３５】
次に、（ｃ）に示すように、半溶融金属材料１５に、カーボンナノ材料１２を投入し、十分に混練する。これで、複合金属材料１６を得ることができる。この複合金属材料１６の組成イメージを次図で説明する。
【００３６】
図３は図１の３部拡大イメージ図、すなわち複合金属材料の組成のイメージ図を示し、複合金属材料１６には固相部分１７と液相部分１８とが共存している。そして、液相部分１８に無数のカーボンナノ材料１２が混じっている。
【００３７】
図１に戻って、（ｄ）に示すように、半溶融状態の複合金属材料１６を取り出して、冷却することで、適当な大きさのインゴット（鋳塊）２１又はビレット（鋳片）２２を得る。ビレット２２はインゴット２１より遙かに小さい鋳物片である。
【００３８】
次に、（ｅ）に示すように、インゴット２１又はビレット２２を、溶体化炉２３に入れる。そして、図２で説明した溶体化温度Ｐ２まで加熱し、１６時間〜２４時間保持する。保持（保温）が終了したら、インゴット２１又はビレット２２を室温（図２のＰ３）付近まで急冷する。これで、溶体化処理が完了する。
【００３９】
（ｆ）に示すインゴット２１Ｂやビレット２２Ｂは溶体化処理済みの材料である。この材料は射出成形機（金属射出機）に供給する材料に好適であるため、複合金属成形材料２４と呼ぶ。
この複合金属成形材料２４の組成イメージを次図で説明する。
【００４０】
図４は図１の４部拡大イメージ図、すなわち複合金属成形材料の組成のイメージ図を示し、複合金属成形材料２４では、全体的に均一な固溶体組織２６になっている。２５は粒界２５を示す線である。
【００４１】
図１の工程に続いて実施することが望ましいチッピング工程及び射出工程を次に説明する。
図５は本発明に係るチッピング工程及び射出工程の説明図である。
図１（ｆ）で説明したインゴット２１Ｂやビレット２２Ｂを（ａ）に再掲した。
インゴット２１Ｂは図５（ｂ）に示すように、破砕処理を施すことでチップ２７にすることが望ましい。チップ２７は数ミリの大きさにする。
【００４２】
そして、（ｃ）に示すように、室温のチップ２７又はビレット２２Ｂを、金属射出機２８に供給する。金属射出機２８では材料を半溶融温度（図２中、Ｐ１参照）まで温める。このときの材料の組成イメージを次図で説明する。
【００４３】
図６は図５の６部拡大イメージ図、すなわち複合金属成形材料の組成のイメージ図を示し、新たな固相部分３１と新たな液相部分３２と新たな粒界３３とが出現する。新たな固相部分３１にはカーボンナノ材料１２が内包されている。図３と比較すると図６の新たな液相部分３２では、含まれるカーボンナノ材料１２の量が減少した。この結果、新たな液相部分３２は流動性が高まる。
【００４４】
なお、図６で示した新たな固相部分３１と新たな液相部分３２と新たな粒界３３とからなる新たな組織は、以下の理由により形成されるものと考えられる。
（１）溶体化処理により均一な固溶体になった複合金属材料を破砕する。破砕により、チップには、加工硬化が起き、組織内の結晶粒に内部歪が発生する。
（２）破砕した複合金属材料を半溶融温度まで加熱する。再結晶温度（例えばＭｇでは１５０℃前後）に到達すると再結晶が起こる。再結晶により内部歪を持たない安定した結晶粒になるが、この際、加工によって変形した結晶は、多角形の細粒に分割される。この分割された結晶が生成する際に、新たな液相部分、新たな固相部分、新たな粒界からなる新たな組織が形成される。
【００４５】
（３）以上のことから、新たな固相部分３１にカーボンナノ材料１２が内包された新たな組織を持った複合金属材料が得られる。
以上、チップの破砕により新たな組織が形成される理由を述べたが、破砕しない複合金属材料であっても、冷間加工により加工硬化を起こし、再結晶温度以上に加熱することにより、同等の作用・効果が期待できる。
【００４６】
図５に戻り、（ｃ）で金型３４のキャビティ３５に半溶融状態の材料を射出する。この材料は流動性が高いため、キャビティ３５の隅々まで行き渡る。
金型３４を開くことで（ｄ）に示す複合金属成形品３６、３６を得るが、この複合金属成形品３６、３６はカーボンナノ材料１２が均一に分布した高品質の射出成形品である。
【００４７】
なお、（ｂ）に示したチップ２７は外面が破断面であり、この破断面から半溶融が始まる。すなわち、外殻から固溶体組織が溶ける。結果的に、図６に示す組成をより確実に得ることができる。したがって、ビレット２２Ｂよりはチップ２７の方が高品質の射出成形品を得ることができる。
【００４８】
次に図１の改良実施例を、図７〜図９に基づいて説明する。
図７は本発明に係るカーボンナノ複合金属粉末を得る工程及び予備成形品を得る工程の説明図である。
【００４９】
（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１２を準備するとともに、粒径（平均値）が４ｍｍ以下の金属粉末３８を準備する。この金属粉末３８は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金が好適である。
【００５０】
（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１２及び金属粉末３８とを入れ、容器を振ることで実施してもよい。
【００５１】
（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１２及び金属粉末３８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。
【００５２】
（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１２の凝集を解くとともに、金属粉末３８に無数のカーボンナノ材料１２をまぶしたような形態のカーボンナノ複合金属粉末３９を得る。すなわち、以上に述べた（ａ）〜（ｃ）が、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程に相当する。
【００５３】
（ｅ）：下パンチ４１にダイス４２をセットし、このダイス４２にカーボンナノ複合金属粉末３９を充填する。
（ｆ）：上パンチ４３をダイス４２に挿入し、１５０℃程度の温度に保ちながら、カーボンナノ複合金属粉末３９を押し固める。これで、（ｇ）に示す予備成形品４４を得ることができる。
【００５４】
なお、粉末の性質により圧粉成形が困難なものがある。この場合には、金属缶に入れて加圧する。
【００５５】
図８は本発明に係る圧縮成形品を得る工程の説明図である。
（ａ）：前工程で製造した予備成形品４４を示す。
（ｂ）：雰囲気管理、温度管理及びプレス圧力管理が自由に行える装置の下パンチ４６に予備成形品４４を載せ、ヒータ４７で囲い、真空又はアルゴンガスなどの非酸化雰囲気に保ち、金属粉末３８（図７（ａ））の半溶融温度に保ち、上パンチ４８で圧下する。
【００５６】
例えば、金属粉末がＡＳＴＭ ＡＺ９１Ｄ（マグネシウム合金ダイカスト ＪＩＳ Ｈ ５３０３ ＭＤＣ１Ｄ相当品）であれば、半溶融温度は５８５℃に設定し、上パンチ４８の圧力は１００〜２００ＭＰａに設定する。
【００５７】
上記（ｂ）の代わりに、次に述べる（ｃ）を実施してもよい。
（ｃ）：雰囲気管理、温度管理、プレス圧力管理及び回転が自由に行える装置の下パンチ４６に予備成形品４４を載せ、ヒータ４７で囲い、真空又はアルゴンガスなどの非酸化雰囲気に保ち、金属粉末３８（図７（ａ））の半溶融温度に保ち、上パンチ４８で圧下する。
【００５８】
この圧下の際に、下パンチ４６、上パンチ４８を、毎分５回転程度の低速度で互いに逆回転させる。予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることで、粉末表面を取り囲んでいる酸化膜を効果的に破壊することできる。酸化膜が破壊できれば、粉末同士が密着し、圧縮成形品の機械的強度を高めることができる。
【００５９】
上記（ｂ）又は（ｃ）において、カーボンナノ複合金属粉末を押し固めてなる予備成形品４４を、半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に、放冷することで圧縮成形品を得る工程を実施するが、混合工程で凝集が解かれ、まぶしたカーボンナノ材料が固液共存温度状態で圧縮変形されるため、カーボンナノ材料は、さらに分散化される。
【００６０】
以上の（ａ）〜（ｃ）は圧縮成形品を得る工程に相当する。
（ｄ）：十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品４９を示す。
【００６１】
図９は本発明に係る複合金属成形材料の別の製造工程図である。
（ａ）に示すように、金属材料としてのＭｇ合金材料１１及び添加材料としての圧縮成形品４９を準備する。
（ｂ）に示すように、撹拌機１３を備えた溶解槽１４に、Ｍｇ合金材料１１を投入して、半溶融温度Ｐ１（図２参照）まで加熱し、十分に撹拌する。これで、半溶融金属材料１５を得ることができる。
【００６２】
次に、（ｃ）に示すように、半溶融金属材料１５に、カーボンナノ材料１２を投入し、十分に混練する。これで、複合金属材料１６を得ることができる。
（ｄ）に示すように、半溶融状態の複合金属材料１６を冷却することで、適当な大きさのインゴット２１又はビレット２２を得る。
【００６３】
次に、（ｅ）に示すように、インゴット２１又はビレット２２を、溶体化炉１４に入れる。そして、図２で説明した溶体化温度Ｐ２まで加熱し、１６時間〜２４時間保持する。保持（保温）が終了したら、インゴット２１やビレット２２を急冷する。これで、溶体化処理が完了する。
【００６４】
（ｆ）に示すインゴット２１Ｂやビレット２２Ｂは溶体化処理済みの材料である。この材料は射出成形機に供給する材料に好適であるため、複合金属成形材料２４と呼ぶ。以降は、図５を参照してチッピング工程及び射出成形工程を実施すればよい。
【００６５】
図１（ａ）で準備するカーボンナノ材料１２や図７（ａ）で準備するカーボンナノ材料１２は金属との濡れ性が悪いために次に説明する前処理を施すことが望ましい。
図１０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５１を準備する。例えば１０ｇ。このカーボンナノ材料５１は、図１（ａ）や図７（ａ）に示すカーボンナノ材料１２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５２を準備する。例えば１ｇ。
【００６６】
（ｃ）：乳鉢５３にカーボンナノ材料５１及びＳｉ粉末５２を入れ、１５分〜３０分間乳棒５４で混合する。
（ｄ）：得られた混合物５５を、アルミナ製容器５６に入れ、アルミナ製蓋５７を被せる。この蓋５７は非密閉蓋を採用することで、容器５６の内部と外部との通気を可能にする。
【００６７】
（ｅ）：密閉炉体６１と、炉体６１内部を加熱する加熱手段６２と、容器５６を載せる台６３、６３と、炉体６１内部を真空にする真空ポンプ６４とを備える真空炉６０を準備し、この真空炉６０に容器５６を入れる。
【００６８】
真空炉６０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５５中のＳｉ粉末が蒸発する。この蒸気は泡立つように容器５６と蓋５７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。
【００６９】
図１０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５２を混合する工程と、得られた混合物５５を真空炉６０に入れ、高温真空下で金属粉末５２を蒸発させ、この蒸気をカーボンナノ材料５１の表面に付着させる蒸着処理工程と、からなる。
【００７０】
図１１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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
図１２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６５は、凝集していないカーボンナノ材料５１と、このカーボンナノ材料５１の表面に均等に付着した多数のＳｉ微粒子６６とからなる。これらのＳｉ微粒子６６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。
【００７７】
さらに、Ｓｉ微粒子６６は炭化物であるＳｉＣを介してカーボンナノ材料５１に付着していることが重要となる。カーボンナノ材料５１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５１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５１にＳｉ微粒子６６を強固に付着させることができる。
【００７８】
以上に述べた金属付着カーボンナノ材料６５を、図１（ａ）又は図７（ａ）に示すカーボンナノ材料１２と置き換えることで、金属材料とカーボンナノ材料との密着性を高めることができ、機械的強度に優れた成形品を得ることができる。
【００７９】
尚、金属材料はＭｇ合金の他、Ａｌ合金であってもよい。Ａｌ合金ではＡｌ−Ｓｉ系合金が好適である。
また、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。
【００８０】
また、金属粉末（マトリックス金属素材）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、融点が約２３２℃であるＳｎ、Ｓｎ合金、融点が約３２７℃であるＰｂ、Ｐｂ合金が採用でき、要は融点が７００℃を超えない低融点金属又は低融点合金であれば種類は任意である。
【００８１】
特に、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。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、金属素材にカーボンナノ材料を複合させてなる複合金属成形品の製造方法に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に係る複合金属成形材料の製造工程の説明図である。
【図２】Ｍｇ−Ａｌ系平衡状態図である。
【図３】図１の３部拡大イメージ図（複合金属材料の組成のイメージ図）である。
【図４】図１の４部拡大イメージ図（複合金属成形材料の組成のイメージ図）である。
【図５】本発明に係るチッピング工程及び射出工程の説明図である。
【図６】図５の６部拡大イメージ図（複合金属成形材料の組成のイメージ図）である。
【図７】本発明に係るカーボンナノ複合金属粉末を得る工程及び予備成形品を得る工程の説明図である。
【図８】本発明に係る圧縮成形品を得る工程の説明図である。
【図９】本発明に係る複合金属成形材料の別の製造工程図である。
【図１０】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１１】Ｓｉに対応する炉温及び炉内圧力のグラフである。
【図１２】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】
【００８４】
１１…金属材料（Ｍｇ合金材料）、１２、５１…添加材料（カーボンナノ材料）、１５…半溶融金属材料、１６…複合金属材料、１７…固相部分（旧固相）、１８…液相部分（旧液相）、２４…複合金属成形材料、２７…チップ、２８…金属射出機、３１…新しい固相部分（新固相）、３２…新しい液相部分（新液相）、３４…金型、３５…キャビティ、３６…複合金属成形品、３８…金属粉末、３９…カーボンナノ複合金属粉末、４４…予備成形品、４９…圧縮成形品、６０…真空炉、６５…金属付着カーボンナノ材料。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料に添加材料を混練してなる複合金属成形材料の製造技術及び複合金属成形品の製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
低融点金属材料を、固液共存温度に冷却し、その状態で低融点金属材料にカーボンナノ材料を混練して複合材料を得る。そして、この複合材料を、加熱手段を備えた金属成形機により金型に射出充填し、複合金属製品を得る方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１３６３６３公報（請求項１）
【０００３】
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「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。
【０００４】
すなわち、特許文献１の技術は、半溶融状態の低融点金属材料に、カーボンナノ材を混練することを特徴とする。
金属材料が半溶融状態であるため、添加したカーボンナノ材の移動が制限され、カーボンナノ材が浮上したり、沈殿することを阻止することができる。この結果、良質の複合材を得ることができる。
【０００５】
ところで、半溶融状態の低融点金属材料を構成する液相部分と固相部分のうち、固相部分にはカーボンナノ材料は存在し得ない。そのため、特許文献１で複合化されたカーボンナノ材料は、液相部分に存在する。
【０００６】
カーボンナノ材料は、機能性を高めることを目的に添加量を増やすと、液相部分の粘性が高まり、結果的に半溶融状態の低融点金属材料は流動性が低下する。このような半溶融状態の低融点金属材料は、金属成形機で射出することが困難になり、金型内のキャビティにおいても隅まで充填することが困難になる。
【０００７】
したがって、特許文献１の技術は、カーボンナノ材料の添加量が少ない場合に適用できるが、添加量が多い場合には適用できない。
そこで、カーボンナノ材料の添加量が多い場合にも適用できる複合金属成形材料が求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、カーボンナノ材料の添加量が多い場合にも適用できる複合金属成形材料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】
【０００９】
請求項１に係る複合金属成形材料の製造方法は、Ｍｇ合金又はＡｌ合金からなる金属材料及びこの金属材料に添加する添加材料を準備する工程と、前記金属材料を、固液共存領域の温度に加熱することで半溶融状態の半溶融金属材料を得る工程と、この半溶融金属材料に前記添加材料を投入し、混練して複合金属材料を得る工程と、この複合金属材料を、前記金属材料の溶体化温度に加熱して溶体化処理することで、複合金属成形材料を得る工程と、からなることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る複合金属成形材料の製造方法では、添加材料は、カーボンナノ材料であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る複合金属成形材料の製造方法では、添加材料は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合し、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形体を得る工程と、この予備成形体を真空、不活性ガス又は非酸化性ガス雰囲気下で前記金属材料の固液共存領域の温度に加熱する工程と、加熱した予備成形体を加圧する工程とにより、生成されるカーボンナノ複合材料であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る複合金属成形材料の製造方法は、予備成形体を加圧する工程において、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る複合金属成形材料の製造方法では、金属粉末は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る複合金属成形材料の製造方法では、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であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る複合金属成形材料の製造方法では、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、高温真空下で炭化物形成金属を蒸着させることで得ることを特徴とする。
【００１６】
請求項８に係る複合金属成形材料の製造方法では、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。
【００１７】
請求項９に係る複合金属成形材料の製造方法は、複合金属成形材料を得る工程に続いて、複合金属成形材料を破砕することでチップを得る工程を実施することを特徴とする。
【００１８】
請求項１０に係る複合金属成形品の製造方法は、請求項１〜９のいずれか１項記載の複合金属成形材料の製造方法で製造した複合金属成形材料を、金属射出機に供給し、この金属射出機で半溶融温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給して複合金属成形品を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に係る発明では、金属材料の半溶融化工程及び添加材料の添加、混練工程により製造した複合金属材料に、更に溶体化処理を施した。
半溶融化工程及び混練工程を経た複合金属材料は、固相と液相とで構成される。溶体化処理を施すと、全体的に固溶体組織になる。
【００２０】
複合金属成形材料が全体的に固溶体組織であるために、この複合金属成形材料を、後の工程で半溶融温度まで加熱すると、溶体化処理前に液相であった部分（旧液相部分）の一部が新たな固相部分（新固相部分）として残る。すなわち旧液相部分の一部が新固相部分となり、旧固相部分の一部が新液相部分なるごとくに、溶体化処理後に半溶融温度まで加熱したことにより、部分的ではあるが相の入れ替えが発生する。新固相部分には添加材料が内包される。
【００２１】
反面、新液相部分における添加材料の量が減少する。この結果、新液相部分は流動性が良好になる。
半溶融状態で射出成形を行えば、添加材料が均一に分布し、且つキャビティの隅々まで材料が充填され、良質の成形品が得られる。
【００２２】
請求項２に係る発明では、添加材料は、カーボンナノ材料とした。金属材料にカーボンナノ材料を添加することで、強度的に優れ、熱伝導性に優れた成形品を提供することができる。半溶融化を基本にしているため、カーボンナノ材料が凝集する心配は無く、カーボンナノ材料が均一に分散している成形品を提供する。
【００２３】
請求項３に係る発明では、添加材料は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合し、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形体を得る工程と、この予備成形体を真空、不活性ガス又は非酸化性ガス雰囲気下で金属材料の固液共存領域の温度に加熱する工程と、加熱した予備成形体を加圧する工程とにより、生成されるカーボンナノ複合材料であることを特徴とする。
カーボンナノ材料と金属粉末とを混合して、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程を実施すると、カーボンナノ材料の凝集を解き、金属粉末にカーボンナノ材料をまぶすことができるため、カーボンナノ材料の再凝集を抑制することができる。
【００２４】
次に、カーボンナノ複合金属粉末を押し固めてなる予備成形品を固液共存領域の温度に加熱した状態で加圧する工程を実施するが、混合工程で凝集が解かれ、まぶしたカーボンナノ材料が固液共存温度状態で圧縮変形されるため、十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品を得ることができる。
【００２５】
請求項４に係る発明は、予備成形体を加圧する工程において、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることを特徴とする。
予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることで、粉末表面を取り囲んでいる酸化膜を効果的に破壊することできる。酸化膜が破壊できれば、粉末同士が密着し、圧縮成形品の機械的強度を高めることができる。
【００２６】
請求項５に係る発明では、金属粉末は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする。
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。
【００２７】
請求項６に係る発明では、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であ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。
【００２８】
請求項７に係る発明では、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、高温真空下で炭化物形成金属を蒸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。
【００２９】
請求項８に係る発明では、炭化物形成金属が、Ｔｉ又はＳｉであることを特徴とする。
Ｔｉ、Ｓｉ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。Ｔｉ、Ｓｉ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。
【００３０】
請求項９に係る発明は、複合金属成形材料を得る工程に続いて、複合金属成形材料を破砕することでチップを得る工程を実施することを特徴とする。
複合金属成形材料は、破砕することで小さな塊からなるチップとなるとともに、破砕により加工硬化が起き、結晶粒は内部歪（内部応力）を持つ。このチップを半溶融温度まで加熱すると再結晶が起こる。加工によって変形した結晶は、再結晶により多角形の細粒に分割されて、新たな液相部分、新たな固相部分、新たな粒界からなる新たな組織に生まれ変わる。この結果、添加材料がより確実に新固相部分に内包された複合金属材料を得ることができる。また、小さな塊であるため、短時間で半溶融化を実施することができる。
【００３１】
請求項１０に係る発明は、請求項１〜９のいずれか１項記載の複合金属成形材料の製造方法で製造した複合金属成形材料を、金属射出機に供給し、この金属射出機で半溶融温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給して複合金属成形品を得ることを特徴とする。
流動性に優れた材料をキャビティへ供給するため、キャビティの隅々まで材料が行き渡り、高品質の複合金属成形品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
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、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る複合金属成形材料の製造工程の説明図である。
（ａ）に示すように、金属材料としてのＭｇ合金材料１１、及び添加材料としてのカーボンナノ材料１２を準備する。
Ｍｇ合金材料１１は、例えばＡＳＴＭ ＡＺ９１Ｄ（マグネシウム合金ダイカスト ＪＩＳ Ｈ ５３０３ ＭＤＣ１Ｄ相当品）とする。このＡＺ９１Ｄで規定される材料の組成は、Ａｌが約９質量％で残部が、少量の元素、不可避的不純物及びＭｇである。
【００３３】
図２はＭｇ−Ａｌ系平衡状態図であり、Ａは液相線、Ｂは固相線、Ｃは共晶線、Ｄは固溶度線を示す。ＡとＢとＣで囲んだ領域が固液共存領域となり、Ｂの左及びＤの左の領域は溶体化処理領域になる。
縦軸に平行に引いたＦはＡＺ９１Ｄに対応する温度線であり、この温度線Ｆ上に記したＰ１は半溶融温度、Ｐ２は溶体化処理温度、Ｐ３は室温である。
【００３４】
図１に戻って、（ｂ）に示すように、撹拌機１３を備えた溶解槽１４に、Ｍｇ合金材料１１を投入して、図２で説明した半溶融温度Ｐ１まで加熱し、十分に撹拌する。これで、半溶融金属材料１５を得ることができる。
【００３５】
次に、（ｃ）に示すように、半溶融金属材料１５に、カーボンナノ材料１２を投入し、十分に混練する。これで、複合金属材料１６を得ることができる。この複合金属材料１６の組成イメージを次図で説明する。
【００３６】
図３は図１の３部拡大イメージ図、すなわち複合金属材料の組成のイメージ図を示し、複合金属材料１６には固相部分１７と液相部分１８とが共存している。そして、液相部分１８に無数のカーボンナノ材料１２が混じっている。
【００３７】
図１に戻って、（ｄ）に示すように、半溶融状態の複合金属材料１６を取り出して、冷却することで、適当な大きさのインゴット（鋳塊）２１又はビレット（鋳片）２２を得る。ビレット２２はインゴット２１より遙かに小さい鋳物片である。
【００３８】
次に、（ｅ）に示すように、インゴット２１又はビレット２２を、溶体化炉２３に入れる。そして、図２で説明した溶体化温度Ｐ２まで加熱し、１６時間〜２４時間保持する。保持（保温）が終了したら、インゴット２１又はビレット２２を室温（図２のＰ３）付近まで急冷する。これで、溶体化処理が完了する。
【００３９】
（ｆ）に示すインゴット２１Ｂやビレット２２Ｂは溶体化処理済みの材料である。この材料は射出成形機（金属射出機）に供給する材料に好適であるため、複合金属成形材料２４と呼ぶ。
この複合金属成形材料２４の組成イメージを次図で説明する。
【００４０】
図４は図１の４部拡大イメージ図、すなわち複合金属成形材料の組成のイメージ図を示し、複合金属成形材料２４では、全体的に均一な固溶体組織２６になっている。２５は粒界２５を示す線である。
【００４１】
図１の工程に続いて実施することが望ましいチッピング工程及び射出工程を次に説明する。
図５は本発明に係るチッピング工程及び射出工程の説明図である。
図１（ｆ）で説明したインゴット２１Ｂやビレット２２Ｂを（ａ）に再掲した。
インゴット２１Ｂは図５（ｂ）に示すように、破砕処理を施すことでチップ２７にすることが望ましい。チップ２７は数ミリの大きさにする。
【００４２】
そして、（ｃ）に示すように、室温のチップ２７又はビレット２２Ｂを、金属射出機２８に供給する。金属射出機２８では材料を半溶融温度（図２中、Ｐ１参照）まで温める。このときの材料の組成イメージを次図で説明する。
【００４３】
図６は図５の６部拡大イメージ図、すなわち複合金属成形材料の組成のイメージ図を示し、新たな固相部分３１と新たな液相部分３２と新たな粒界３３とが出現する。新たな固相部分３１にはカーボンナノ材料１２が内包されている。図３と比較すると図６の新たな液相部分３２では、含まれるカーボンナノ材料１２の量が減少した。この結果、新たな液相部分３２は流動性が高まる。
【００４４】
なお、図６で示した新たな固相部分３１と新たな液相部分３２と新たな粒界３３とからなる新たな組織は、以下の理由により形成されるものと考えられる。
（１）溶体化処理により均一な固溶体になった複合金属材料を破砕する。破砕により、チップには、加工硬化が起き、組織内の結晶粒に内部歪が発生する。
（２）破砕した複合金属材料を半溶融温度まで加熱する。再結晶温度（例えばＭｇでは１５０℃前後）に到達すると再結晶が起こる。再結晶により内部歪を持たない安定した結晶粒になるが、この際、加工によって変形した結晶は、多角形の細粒に分割される。この分割された結晶が生成する際に、新たな液相部分、新たな固相部分、新たな粒界からなる新たな組織が形成される。
【００４５】
（３）以上のことから、新たな固相部分３１にカーボンナノ材料１２が内包された新たな組織を持った複合金属材料が得られる。
以上、チップの破砕により新たな組織が形成される理由を述べたが、破砕しない複合金属材料であっても、冷間加工により加工硬化を起こし、再結晶温度以上に加熱することにより、同等の作用・効果が期待できる。
【００４６】
図５に戻り、（ｃ）で金型３４のキャビティ３５に半溶融状態の材料を射出する。この材料は流動性が高いため、キャビティ３５の隅々まで行き渡る。
金型３４を開くことで（ｄ）に示す複合金属成形品３６、３６を得るが、この複合金属成形品３６、３６はカーボンナノ材料１２が均一に分布した高品質の射出成形品である。
【００４７】
なお、（ｂ）に示したチップ２７は外面が破断面であり、この破断面から半溶融が始まる。すなわち、外殻から固溶体組織が溶ける。結果的に、図６に示す組成をより確実に得ることができる。したがって、ビレット２２Ｂよりはチップ２７の方が高品質の射出成形品を得ることができる。
【００４８】
次に図１の改良実施例を、図７〜図９に基づいて説明する。
図７は本発明に係るカーボンナノ複合金属粉末を得る工程及び予備成形品を得る工程の説明図である。
【００４９】
（ａ）：繊維径（平均値）が１０ｎｍ〜２００ｎｍのカーボンナノ材料１２を準備するとともに、粒径（平均値）が４ｍｍ以下の金属粉末３８を準備する。この金属粉末３８は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金が好適である。
【００５０】
（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１２及び金属粉末３８とを入れ、容器を振ることで実施してもよい。
【００５１】
（ｃ）：メカニカルアロイ法で、カーボンナノ材料１２及び金属粉末３８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。
【００５２】
（ｄ）：以上により、カーボンナノ材料１２の凝集を解くとともに、金属粉末３８に無数のカーボンナノ材料１２をまぶしたような形態のカーボンナノ複合金属粉末３９を得る。すなわち、以上に述べた（ａ）〜（ｃ）が、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程に相当する。
【００５３】
（ｅ）：下パンチ４１にダイス４２をセットし、このダイス４２にカーボンナノ複合金属粉末３９を充填する。
（ｆ）：上パンチ４３をダイス４２に挿入し、１５０℃程度の温度に保ちながら、カーボンナノ複合金属粉末３９を押し固める。これで、（ｇ）に示す予備成形品４４を得ることができる。
【００５４】
なお、粉末の性質により圧粉成形が困難なものがある。この場合には、金属缶に入れて加圧する。
【００５５】
図８は本発明に係る圧縮成形品を得る工程の説明図である。
（ａ）：前工程で製造した予備成形品４４を示す。
（ｂ）：雰囲気管理、温度管理及びプレス圧力管理が自由に行える装置の下パンチ４６に予備成形品４４を載せ、ヒータ４７で囲い、真空又はアルゴンガスなどの非酸化雰囲気に保ち、金属粉末３８（図７（ａ））の半溶融温度に保ち、上パンチ４８で圧下する。
【００５６】
例えば、金属粉末がＡＳＴＭ ＡＺ９１Ｄ（マグネシウム合金ダイカスト ＪＩＳ Ｈ ５３０３ ＭＤＣ１Ｄ相当品）であれば、半溶融温度は５８５℃に設定し、上パンチ４８の圧力は１００〜２００ＭＰａに設定する。
【００５７】
上記（ｂ）の代わりに、次に述べる（ｃ）を実施してもよい。
（ｃ）：雰囲気管理、温度管理、プレス圧力管理及び回転が自由に行える装置の下パンチ４６に予備成形品４４を載せ、ヒータ４７で囲い、真空又はアルゴンガスなどの非酸化雰囲気に保ち、金属粉末３８（図７（ａ））の半溶融温度に保ち、上パンチ４８で圧下する。
【００５８】
この圧下の際に、下パンチ４６、上パンチ４８を、毎分５回転程度の低速度で互いに逆回転させる。予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることで、粉末表面を取り囲んでいる酸化膜を効果的に破壊することできる。酸化膜が破壊できれば、粉末同士が密着し、圧縮成形品の機械的強度を高めることができる。
【００５９】
上記（ｂ）又は（ｃ）において、カーボンナノ複合金属粉末を押し固めてなる予備成形品４４を、半溶融温度に加熱した状態で加圧した後に、放冷することで圧縮成形品を得る工程を実施するが、混合工程で凝集が解かれ、まぶしたカーボンナノ材料が固液共存温度状態で圧縮変形されるため、カーボンナノ材料は、さらに分散化される。
【００６０】
以上の（ａ）〜（ｃ）は圧縮成形品を得る工程に相当する。
（ｄ）：十分にカーボンナノ材料を分散させた圧縮成形品４９を示す。
【００６１】
図９は本発明に係る複合金属成形材料の別の製造工程図である。
（ａ）に示すように、金属材料としてのＭｇ合金材料１１及び添加材料としての圧縮成形品４９を準備する。
（ｂ）に示すように、撹拌機１３を備えた溶解槽１４に、Ｍｇ合金材料１１を投入して、半溶融温度Ｐ１（図２参照）まで加熱し、十分に撹拌する。これで、半溶融金属材料１５を得ることができる。
【００６２】
次に、（ｃ）に示すように、半溶融金属材料１５に、カーボンナノ材料１２を投入し、十分に混練する。これで、複合金属材料１６を得ることができる。
（ｄ）に示すように、半溶融状態の複合金属材料１６を冷却することで、適当な大きさのインゴット２１又はビレット２２を得る。
【００６３】
次に、（ｅ）に示すように、インゴット２１又はビレット２２を、溶体化炉１４に入れる。そして、図２で説明した溶体化温度Ｐ２まで加熱し、１６時間〜２４時間保持する。保持（保温）が終了したら、インゴット２１やビレット２２を急冷する。これで、溶体化処理が完了する。
【００６４】
（ｆ）に示すインゴット２１Ｂやビレット２２Ｂは溶体化処理済みの材料である。この材料は射出成形機に供給する材料に好適であるため、複合金属成形材料２４と呼ぶ。以降は、図５を参照してチッピング工程及び射出成形工程を実施すればよい。
【００６５】
図１（ａ）で準備するカーボンナノ材料１２や図７（ａ）で準備するカーボンナノ材料１２は金属との濡れ性が悪いために次に説明する前処理を施すことが望ましい。
図１０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５１を準備する。例えば１０ｇ。このカーボンナノ材料５１は、図１（ａ）や図７（ａ）に示すカーボンナノ材料１２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５２を準備する。例えば１ｇ。
【００６６】
（ｃ）：乳鉢５３にカーボンナノ材料５１及びＳｉ粉末５２を入れ、１５分〜３０分間乳棒５４で混合する。
（ｄ）：得られた混合物５５を、アルミナ製容器５６に入れ、アルミナ製蓋５７を被せる。この蓋５７は非密閉蓋を採用することで、容器５６の内部と外部との通気を可能にする。
【００６７】
（ｅ）：密閉炉体６１と、炉体６１内部を加熱する加熱手段６２と、容器５６を載せる台６３、６３と、炉体６１内部を真空にする真空ポンプ６４とを備える真空炉６０を準備し、この真空炉６０に容器５６を入れる。
【００６８】
真空炉６０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５５中のＳｉ粉末が蒸発する。この蒸気は泡立つように容器５６と蓋５７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。
【００６９】
図１０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５２を混合する工程と、得られた混合物５５を真空炉６０に入れ、高温真空下で金属粉末５２を蒸発させ、この蒸気をカーボンナノ材料５１の表面に付着させる蒸着処理工程と、からなる。
【００７０】
図１１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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
図１２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６５は、凝集していないカーボンナノ材料５１と、このカーボンナノ材料５１の表面に均等に付着した多数のＳｉ微粒子６６とからなる。これらのＳｉ微粒子６６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。
【００７７】
さらに、Ｓｉ微粒子６６は炭化物であるＳｉＣを介してカーボンナノ材料５１に付着していることが重要となる。カーボンナノ材料５１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５１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５１にＳｉ微粒子６６を強固に付着させることができる。
【００７８】
以上に述べた金属付着カーボンナノ材料６５を、図１（ａ）又は図７（ａ）に示すカーボンナノ材料１２と置き換えることで、金属材料とカーボンナノ材料との密着性を高めることができ、機械的強度に優れた成形品を得ることができる。
【００７９】
尚、金属材料はＭｇ合金の他、Ａｌ合金であってもよい。Ａｌ合金ではＡｌ−Ｓｉ系合金が好適である。
また、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。
【００８０】
また、金属粉末（マトリックス金属素材）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、融点が約２３２℃であるＳｎ、Ｓｎ合金、融点が約３２７℃であるＰｂ、Ｐｂ合金が採用でき、要は融点が７００℃を超えない低融点金属又は低融点合金であれば種類は任意である。
【００８１】
特に、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。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、金属素材にカーボンナノ材料を複合させてなる複合金属成形品の製造方法に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に係る複合金属成形材料の製造工程の説明図である。
【図２】Ｍｇ−Ａｌ系平衡状態図である。
【図３】図１の３部拡大イメージ図（複合金属材料の組成のイメージ図）である。
【図４】図１の４部拡大イメージ図（複合金属成形材料の組成のイメージ図）である。
【図５】本発明に係るチッピング工程及び射出工程の説明図である。
【図６】図５の６部拡大イメージ図（複合金属成形材料の組成のイメージ図）である。
【図７】本発明に係るカーボンナノ複合金属粉末を得る工程及び予備成形品を得る工程の説明図である。
【図８】本発明に係る圧縮成形品を得る工程の説明図である。
【図９】本発明に係る複合金属成形材料の別の製造工程図である。
【図１０】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１１】Ｓｉに対応する炉温及び炉内圧力のグラフである。
【図１２】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】
【００８４】
１１…金属材料（Ｍｇ合金材料）、１２、５１…添加材料（カーボンナノ材料）、１５…半溶融金属材料、１６…複合金属材料、１７…固相部分（旧固相）、１８…液相部分（旧液相）、２４…複合金属成形材料、２７…チップ、２８…金属射出機、３１…新しい固相部分（新固相）、３２…新しい液相部分（新液相）、３４…金型、３５…キャビティ、３６…複合金属成形品、３８…金属粉末、３９…カーボンナノ複合金属粉末、４４…予備成形品、４９…圧縮成形品、６０…真空炉、６５…金属付着カーボンナノ材料。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇ合金又はＡｌ合金からなる金属材料及びこの金属材料に添加する添加材料を準備する工程と、
前記金属材料を、固液共存領域の温度に加熱することで半溶融状態の半溶融金属材料を得る工程と、
この半溶融金属材料に前記添加材料を投入し、混練して複合金属材料を得る工程と、
この複合金属材料を、前記金属材料の溶体化温度に加熱して溶体化処理することで、複合金属成形材料を得る工程と、
からなることを特徴とする複合金属成形材料の製造方法。
【請求項２】
前記添加材料は、カーボンナノ材料であることを特徴とする請求項１記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項３】
前記添加材料は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合し、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形体を得る工程と、この予備成形体を真空、不活性ガス又は非酸化性ガス雰囲気下で前記金属材料の固液共存領域の温度に加熱する工程と、加熱した予備成形体を加圧する工程とにより、生成されるカーボンナノ複合材料であることを特徴とする請求項１記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項４】
前記予備成形体を加圧する工程において、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることを特徴とする請求項３記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項５】
前記金属粉末は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項６】
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であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項７】
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着させることで得ることを特徴とする請求項６記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項８】
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６又は請求項７記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項９】
前記複合金属成形材料を得る工程に続いて、前記複合金属成形材料を破砕することでチップを得る工程を実施することを特徴とする請求項１記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項記載の複合金属成形材料の製造方法で製造した複合金属成形材料を、金属射出機に供給し、この金属射出機で半溶融温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給して複合金属成形品を得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】
Ｍｇ合金又はＡｌ合金からなる金属材料及びこの金属材料に添加する添加材料を準備する工程と、
前記金属材料を、固液共存領域の温度に加熱することで半溶融状態の半溶融金属材料を得る工程と、
この半溶融金属材料に前記添加材料を投入し、混練して複合金属材料を得る工程と、
この複合金属材料を、前記金属材料の溶体化温度に加熱して溶体化処理することで、複合金属成形材料を得る工程と、
からなることを特徴とする複合金属成形材料の製造方法。
【請求項２】
前記添加材料は、カーボンナノ材料であることを特徴とする請求項１記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項３】
前記添加材料は、カーボンナノ材料と金属粉末とを混合し、カーボンナノ複合金属粉末を得る工程と、このカーボンナノ複合金属粉末を押し固めて予備成形体を得る工程と、この予備成形体を真空、不活性ガス又は非酸化性ガス雰囲気下で前記金属材料の固液共存領域の温度に加熱する工程と、加熱した予備成形体を加圧する工程とにより、生成されるカーボンナノ複合材料であることを特徴とする請求項１記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項４】
前記予備成形体を加圧する工程において、予備成形品を加圧する際に同時に剪断力を加えることを特徴とする請求項３記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項５】
前記金属粉末は、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金のいずれかであることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項６】
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であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項７】
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着させることで得ることを特徴とする請求項６記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項８】
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６又は請求項７記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項９】
前記複合金属成形材料を得る工程に続いて、前記複合金属成形材料を破砕することでチップを得る工程を実施することを特徴とする請求項１記載の複合金属成形材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項記載の複合金属成形材料の製造方法で製造した複合金属成形材料を、金属射出機に供給し、この金属射出機で半溶融温度まで温めた後に金型のキャビティへ供給して複合金属成形品を得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１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２５４８６２（Ｐ２００７−２５４８６２Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８３１９１（Ｐ２００６−８３１９１）
【出願日】平成１８年３月２４日（２００６．３．２４）
【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１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２４日（２００６．３．２４）
【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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