金属−セラミックス複合材料の製造方法
【課題】 高圧鋳造法により金属−セラミックス複合材料を製造するに際して、凝固時の引け巣の発生を低減し、欠陥の少ない金属−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】 アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末とケイ酸ナトリウムとを混合してケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得る工程と、前記ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ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、前記プリフォームに溶融アルミニ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金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【解決手段】 アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末とケイ酸ナトリウムとを混合してケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得る工程と、前記ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ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、前記プリフォームに溶融アルミニ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金属−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、金属−セラミックス複合材料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。）により得られるアルミニウム合金とＳｉＣ粉末とからなる金属−セラミックス複合材料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、近年、種々の用途に使用されるようになってきている。
特に、アルミニウム合金とＳｉＣ粉末とからなる複合材料は、軽量であり、ヤング率を密度で除した値である比ヤング率を大きくすることが可能なことから、大きな固有音速を有し、優れた振動減衰特性を備えているため、例えば、ロボットの高速移動アーム等に好適に応用することが可能である。
【０００３】
このような、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、前記成形体に溶融アルミニウム合金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。（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
この高圧鋳造法は、加圧しながらアルミ合金を凝固させるため、凝固収縮に伴うポア、いわゆる引け巣が生じにくいという特長がある。しかしながら、高圧鋳造法においても、肉厚が１００mm以上のような厚い形状の鋳造物を得ようとすると、やはり鋳造物の中央に引け巣が生じるという問題点があった。
【０００５】
このような引け巣を減少させるための対策としては、ナトリウムの元素を添加することによる共晶ケイ素の改良処理が一般的に施されている。しかし、ナトリウムは燃え易く危険であり、また、軽いので溶湯表面に浮くため、浮かぬように底に沈める工夫が必要であるという課題があった。
【０００６】
このような課題を解決するために、溶融アルミニウム合金よりも比重の高いナトリウム合金をアルミニウム−珪素系合金用共晶ケイ素改良剤として用いることが提案されている。（例えば、特許文献２参照。）
【特許文献１】特開平01-142244号公報
【特許文献２】特開平6-306524号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した共晶ケイ素改良剤は、予めナトリウム合金を作成する手間が必要があり効率的でないという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、上述した高圧鋳造法における引け巣対策が有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高圧鋳造法により金属−セラミックス複合材料を製造するに際して、凝固時の引け巣の発生を低減し、欠陥の少ない金属−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。
本発明によれば、金属−セラミックス複合材料の作製において、引け巣分散効果のあるナトリウムを危険なく、また浮くこともなく容易に添加できる効果を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、課題を解決するための手段として以下の製造方法を提供する。
【００１０】
アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末とケイ酸ナトリウムとを混合してケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得る工程と、前記ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ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、前記プリフォームに溶融アルミニ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金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属−セラミックス複合材料の作製において、引け巣分散効果のあるナトリウムを危険なく、また浮くこともなく容易に均一分散して添加できる効果を有する。
したがって、高圧鋳造法により金属−セラミックス複合材料を製造するに際して、凝固時の引け巣の発生を低減し、欠陥の少ない金属−セラミックス複合材料を歩留まり良く製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について、更に詳しく説明する。
本発明では、アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末とケイ酸ナトリウムとを混合してケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得る工程と、前記ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ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、前記プリフォームに溶融アルミニ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金属−セラミックス複合材料の製造方法を提案している。
【００１３】
ここで、ＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料を提案する理由は、ＳｉＣ粉末からなる強化材が有する剛性及び耐磨耗性とアルミニウム合金からなる金属マトリックスが有する軽量性とを併せ持つ特長を発現させるためである。特に、ＳｉＣは剛性が高いので、アルミニウム合金と複合化させて得られる複合材料はセラミックスに近い高剛性なものが得られるという長所がある。
【００１４】
ここで、アルミニウム合金としては、公知のＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金等を用いることができる。
また、強化材としてのＳｉＣ粉末は、粒子状およびウイスカー状、および、繊維状のものが目的に応じて用いられる。
【００１５】
次に、複合材料中のＳｉＣ粉末の含有率は、４０〜８０体積％であることが好ましい。その理由は、ＳｉＣ粉末の含有率が、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、ＳｉＣ粉末の含有率が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。
【００１６】
次に、ＳｉＣ粉末とケイ酸ナトリウムとを混合してケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得る工程としては、ＳｉＣ粉末にケイ酸ナトリウムを液体で添加、混合する方法が好適に用いられる。このようにすれば、ケイ酸ナトリウムを均一に担持したＳｉＣ粉末が得られるという作用がある。なおこの際に、バインダーとしてコロイダルシリカ等を添加しても良い。
ここで、引け巣分散のためのナトリウム添加量としては、ケイ素に対して100ppm以上の添加量が好ましい。本発明によれば、必要量のナトリウムは本発明のケイ酸ナトリウムから十分供給することができる。
【００１７】
次に、前記ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を成形してプリフォームを得る工程としては、公知の成形方法を用いることができる。
ここで、プリフォームにおけるＳｉＣ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、前記プリフォームに溶融アルミニウム合金を加圧浸透させる工程としては、溶融アルミニウム合金の温度は、７００〜１０００℃、好ましくは７５０〜９００℃とすることが望ましい。この場合の加圧力は、１０ＭＰａ〜１００ＭＰａ 、好ましくは２０ＭＰａ〜８０ＭＰａとすることが望ましい。
【００２０】
このようにして得られた金属−セラミックス複合材料は、ナトリウムが共晶ケイ素の改良処理に添加され、引け巣が分散された組織の金属−セラミックス複合材料となる。
【００２１】
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）金属−セラミックス複合材料の作製
市販のＳｉＣ粉末（信濃電気精錬社製、平均粒径１０μｍ）１００重量部に、ケイ酸ナトリウム５重量部とコロイダルシリカ５重量部を添加して混合して、ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得た。次に、ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末をプレスして大きさ２００×２００×８０ｍｍでＳｉＣ粉末の充填率が５０体積％であるプリフォームを形成した。
得られたプリフォームを７００℃で加熱した後に、高圧鋳造法により７５０℃で溶融させた溶融アルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＣ３Ａ）を３０MPaの圧力で加圧しながら浸透、複合化させ、冷却して本発明に係わる金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００２２】
（２）評価
得られた複合材料を中央で切断し断面を観察したところ、引け巣は５ｍｍ程度の大きさにとどまり、分散していた。
したがって、本発明によれば、欠陥の少ない金属−セラミックス複合材料を歩留まり良く製造することが分かった。
【００２３】
（比較例）
比較のために比較例では、ケイ酸ナトリウムを添加しないこと以外は実施例と同様な方法及び手段で評価した。その結果、得られた金属−セラミックス複合材料の内部には、１０ｍｍを超える大きさの引け巣が見られた。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス複合材料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。）により得られるアルミニウム合金とＳｉＣ粉末とからなる金属−セラミックス複合材料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、近年、種々の用途に使用されるようになってきている。
特に、アルミニウム合金とＳｉＣ粉末とからなる複合材料は、軽量であり、ヤング率を密度で除した値である比ヤング率を大きくすることが可能なことから、大きな固有音速を有し、優れた振動減衰特性を備えているため、例えば、ロボットの高速移動アーム等に好適に応用することが可能である。
【０００３】
このような、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、前記成形体に溶融アルミニウム合金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。（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
この高圧鋳造法は、加圧しながらアルミ合金を凝固させるため、凝固収縮に伴うポア、いわゆる引け巣が生じにくいという特長がある。しかしながら、高圧鋳造法においても、肉厚が１００mm以上のような厚い形状の鋳造物を得ようとすると、やはり鋳造物の中央に引け巣が生じるという問題点があった。
【０００５】
このような引け巣を減少させるための対策としては、ナトリウムの元素を添加することによる共晶ケイ素の改良処理が一般的に施されている。しかし、ナトリウムは燃え易く危険であり、また、軽いので溶湯表面に浮くため、浮かぬように底に沈める工夫が必要であるという課題があった。
【０００６】
このような課題を解決するために、溶融アルミニウム合金よりも比重の高いナトリウム合金をアルミニウム−珪素系合金用共晶ケイ素改良剤として用いることが提案されている。（例えば、特許文献２参照。）
【特許文献１】特開平01-142244号公報
【特許文献２】特開平6-306524号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した共晶ケイ素改良剤は、予めナトリウム合金を作成する手間が必要があり効率的でないという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、上述した高圧鋳造法における引け巣対策が有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高圧鋳造法により金属−セラミックス複合材料を製造するに際して、凝固時の引け巣の発生を低減し、欠陥の少ない金属−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。
本発明によれば、金属−セラミックス複合材料の作製において、引け巣分散効果のあるナトリウムを危険なく、また浮くこともなく容易に添加できる効果を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、課題を解決するための手段として以下の製造方法を提供する。
【００１０】
アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末とケイ酸ナトリウムとを混合してケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得る工程と、前記ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ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、前記プリフォームに溶融アルミニ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金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属−セラミックス複合材料の作製において、引け巣分散効果のあるナトリウムを危険なく、また浮くこともなく容易に均一分散して添加できる効果を有する。
したがって、高圧鋳造法により金属−セラミックス複合材料を製造するに際して、凝固時の引け巣の発生を低減し、欠陥の少ない金属−セラミックス複合材料を歩留まり良く製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について、更に詳しく説明する。
本発明では、アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末とケイ酸ナトリウムとを混合してケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得る工程と、前記ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ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、前記プリフォームに溶融アルミニ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金属−セラミックス複合材料の製造方法を提案している。
【００１３】
ここで、ＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料を提案する理由は、ＳｉＣ粉末からなる強化材が有する剛性及び耐磨耗性とアルミニウム合金からなる金属マトリックスが有する軽量性とを併せ持つ特長を発現させるためである。特に、ＳｉＣは剛性が高いので、アルミニウム合金と複合化させて得られる複合材料はセラミックスに近い高剛性なものが得られるという長所がある。
【００１４】
ここで、アルミニウム合金としては、公知のＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金等を用いることができる。
また、強化材としてのＳｉＣ粉末は、粒子状およびウイスカー状、および、繊維状のものが目的に応じて用いられる。
【００１５】
次に、複合材料中のＳｉＣ粉末の含有率は、４０〜８０体積％であることが好ましい。その理由は、ＳｉＣ粉末の含有率が、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、ＳｉＣ粉末の含有率が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。
【００１６】
次に、ＳｉＣ粉末とケイ酸ナトリウムとを混合してケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得る工程としては、ＳｉＣ粉末にケイ酸ナトリウムを液体で添加、混合する方法が好適に用いられる。このようにすれば、ケイ酸ナトリウムを均一に担持したＳｉＣ粉末が得られるという作用がある。なおこの際に、バインダーとしてコロイダルシリカ等を添加しても良い。
ここで、引け巣分散のためのナトリウム添加量としては、ケイ素に対して100ppm以上の添加量が好ましい。本発明によれば、必要量のナトリウムは本発明のケイ酸ナトリウムから十分供給することができる。
【００１７】
次に、前記ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を成形してプリフォームを得る工程としては、公知の成形方法を用いることができる。
ここで、プリフォームにおけるＳｉＣ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、前記プリフォームに溶融アルミニウム合金を加圧浸透させる工程としては、溶融アルミニウム合金の温度は、７００〜１０００℃、好ましくは７５０〜９００℃とすることが望ましい。この場合の加圧力は、１０ＭＰａ〜１００ＭＰａ 、好ましくは２０ＭＰａ〜８０ＭＰａとすることが望ましい。
【００２０】
このようにして得られた金属−セラミックス複合材料は、ナトリウムが共晶ケイ素の改良処理に添加され、引け巣が分散された組織の金属−セラミックス複合材料となる。
【００２１】
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）金属−セラミックス複合材料の作製
市販のＳｉＣ粉末（信濃電気精錬社製、平均粒径１０μｍ）１００重量部に、ケイ酸ナトリウム５重量部とコロイダルシリカ５重量部を添加して混合して、ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得た。次に、ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末をプレスして大きさ２００×２００×８０ｍｍでＳｉＣ粉末の充填率が５０体積％であるプリフォームを形成した。
得られたプリフォームを７００℃で加熱した後に、高圧鋳造法により７５０℃で溶融させた溶融アルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＣ３Ａ）を３０MPaの圧力で加圧しながら浸透、複合化させ、冷却して本発明に係わる金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００２２】
（２）評価
得られた複合材料を中央で切断し断面を観察したところ、引け巣は５ｍｍ程度の大きさにとどまり、分散していた。
したがって、本発明によれば、欠陥の少ない金属−セラミックス複合材料を歩留まり良く製造することが分かった。
【００２３】
（比較例）
比較のために比較例では、ケイ酸ナトリウムを添加しないこと以外は実施例と同様な方法及び手段で評価した。その結果、得られた金属−セラミックス複合材料の内部には、１０ｍｍを超える大きさの引け巣が見られた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末とケイ酸ナトリウムとを混合してケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得る工程と、前記ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ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、前記プリフォームに溶融アルミニ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金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【請求項１】
アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末とケイ酸ナトリウムとを混合してケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ粉末を得る工程と、前記ケイ酸ナトリウムを担持したＳｉＣ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、前記プリフォームに溶融アルミニ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金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【公開番号】特開２００７−２９１４４９（Ｐ２００７−２９１４４９Ａ）
【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２００６−１２０５９３（Ｐ２００６−１２０５９３）
【出願日】平成１８年４月２５日（２００６．４．２５）
【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】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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