金属材の製造方法および金属材
【課題】添加材を混入させて硬度を上昇させる金属材の製造方法において、金属材の硬度を一層上昇させる製造方法及びこの製造方法により硬度を上昇させた金属材を提供する。
【解決手段】金属材１０の表面部位に溝１２を形成し添加材１４を充填する。添加材１４は最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満の粒子であり、Ｃ６０を適用できる。先端に本体より小径の円柱状のプローブ１８を備えた回転ツール１６を用意する。金属材１０の添加材１４を充填した溝１２上に、回転ツール１６のプローブ１８を当接させつつ回転させ、さらに溝１２の長手方向に沿って回転ツール１６を移動させることにより、溝１２に充填した添加材１４を回転ツール１６によって攪拌させ、添加材１４を金属材１０中に混入させることができる。これにより添加材１４をより均一に混入でき、金属材１０の結晶粒を微細化させて高強度化を図ることができる。
【解決手段】金属材１０の表面部位に溝１２を形成し添加材１４を充填する。添加材１４は最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満の粒子であり、Ｃ６０を適用できる。先端に本体より小径の円柱状のプローブ１８を備えた回転ツール１６を用意する。金属材１０の添加材１４を充填した溝１２上に、回転ツール１６のプローブ１８を当接させつつ回転させ、さらに溝１２の長手方向に沿って回転ツール１６を移動させることにより、溝１２に充填した添加材１４を回転ツール１６によって攪拌させ、添加材１４を金属材１０中に混入させることができる。これにより添加材１４をより均一に混入でき、金属材１０の結晶粒を微細化させて高強度化を図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属材の製造方法に関し、特に金属材に添加材を混入することによって硬度を上昇させた金属材の製造方法およびこの製造方法によって製造された金属材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材に大きさが数〜数百ｎｍ程度の添加材を混入させることによって、金属材を強化する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、Ｔｉ合金を溶解させ、溶解金属中にフラーレン（Fullerene）またはカーボンナノチューブ（Carbon Nanotube；ＣＮＴ）を混入させた金属材をゴルフクラブヘッドのフェース部に用い、フェース部の強度を高めて、その薄肉化を可能とした技術が記載されている。また、非特許文献１には、粉末状にしたＡｌ試料またはＴｉ試料とカーボンナノチューブ粉末とを三軸振動式ミルによって混合し、ホットプレスを行った後に熱間押出することによって、複合材料を得ることが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−７７８号公報
【非特許文献１】大竹尚登、葛巻徹、光田好孝、「ナノカーボンコンポジット」、高分子、社団法人高分子学会、２００３年１２月、５２巻、ｐ８８８〜８９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような添加材を混入させた金属材料に対しては、産業界からさらなる高強度化の要請がある。ところが、上記の手法により添加材を混入された金属材の機械的特性は、添加材となるフラーレン等の特性から期待されるほど向上せず、さらなる改善が望まれている。
【０００４】
本発明は、斯かる実情に鑑み、添加材を混入することによって金属材の硬度を上昇させる金属材の製造方法において、金属材の硬度を一層向上させることができる金属材の製造方法およびこの製造方法によって硬度を上昇された金属材を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満である粒子からなる添加材を金属材の表面部位に供給し、表面部位に棒状の回転ツールを当接させつつ回転させて、表面部位に添加材を混入させて硬度を上昇させた金属材の製造方法である。
【０００６】
この構成によれば、最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満である微細な粒子を添加材として金属材の表面部位に供給し、粒子を供給した表面部位に棒状の回転ツールを当接させつつ回転させる摩擦攪拌処理（Friction Stir Processing；ＦＳＰ）を施すため、金属材中に添加材をより均一に混入することができる。また、摩擦攪拌処理における動的再結晶により、金属材の結晶粒が微細化される。このため、金属材の硬度を一層上昇させることができる。
【０００７】
なお、本発明における粒子の「最小部分の…粒径」とは、粒子の直径を任意の部位で測定した場合における最小の径を意味する。例えば、外径が２５ｎｍであり長さが２５０ｎｍの円筒状であるカーボンナノチューブの場合、粒径は２５ｎｍとなる。また、本発明における粒子の「一次粒径」とは、それぞれの粒子の粒ひとつひとつ(一次粒子)の径を意味し、「一次粒径が０．５μｍ未満」とは、一次粒子の径が０．５μｍ未満であれば良く、一次粒子同士が互いの凝集力によって凝集した二次粒子等、高次の凝集構造を取る物の径が０．５μｍ以上となる物をも含むものとする。
【０００８】
この場合、添加材は炭素を含むことが、金属材の硬度を上昇させるために好適である。
【０００９】
また、添加材はフラーレンを含むことが、金属材の硬度を上昇させるために一層好適である。
【００１０】
加えて、粒子はＣ６０を含むことが、金属材の硬度を上昇させるためにさらに好適である。
【００１１】
一方、本発明の別の態様は、本発明の金属材の製造方法によって硬度を上昇された金属材である。この構成によれば、金属材は、最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満である微細な粒子からなる添加材を摩擦攪拌処理によって表面部位に混入されており、添加材が金属材中に均一に混入され、かつ金属材の結晶粒が摩擦攪拌処理によって微細化されているため、その硬度を一層上昇された物とできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の金属材の製造方法によれば、金属材の硬度を一層上昇させることができる。また、本発明の金属材は、その強度を一層上昇された物とできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１４】
以下、金属材の製造方法について説明する。図１は、本発明に係る金属材の製造方法の一実施形態を示す斜視図である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態の金属材の製造方法では、金属材１０の表面部位に供給した添加材１４を、回転ツール１６を用いた摩擦攪拌処理によって金属材１０中に混入させる。金属材１０としては、例えば、Ａｌ材、Ｆｅ材、Ｍｇ材を適用することができる。
【００１５】
本実施形態では、まず図１（ａ）に示すように、金属材１０の表面部位に溝１２を形成し、その溝に添加材１４を充填する。添加材１４は、最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満である粒子である。より具体的には、添加材１４として、最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満であって、炭素を含む黒鉛粉末やＳｉＣ粉末等のシリコンカーバイドや金属カーバイドを適用することができる。より好ましくは、添加材１４として、カーボンナノチューブ（炭素繊維または炭素ファイバーと呼ばれることもある）を適用することができ、カーボンナノチューブとしては、外径が２ｎｍ以下の炭素原子からなる単層の円筒である単層カーボンナノチューブ（SingleWalled Carbon NanoTube；ＳＷＣＮＴ）、炭素原子からなる二層の円筒である二層カーボンナノチューブ（DoubleWalled Carbon NanoTube；ＤＷＣＮＴ）、および外径が２０〜２５ｎｍであり長さが２５０ｎｍ以下の炭素原子からなる複数の円筒が入れ子状に多層をなしている多層カーボンナノチューブ（MultiWalled Carbon NanoTube；ＭＷＣＮＴ）からなる群から選択される１または２種以上を適用することができる。さらに好ましくは、添加材１４として、炭素原子が球状をなしているＣ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２およびＣ８４からなる群から選択される１または２種以上のフラーレン（炭素クラスターまたは球状炭素分子と呼ばれることもある）を適用することができ、最も好ましくは、添加材１４として、炭素原子が直径０．７ｎｍ以下のサッカーボール状の球形をなしているＣ６０を適用することができる。
【００１６】
次に、図１（ｂ）に示すような回転ツール１６を用意する。回転ツール１６は、略円筒状をなし、先端に本体より小径の略円柱状のプローブ１８を備えている。なお、プローブは必ず必要なものではなく、場合によってはプローブを有しない略円筒状の回転ツールを用いても良い。回転ツール１６の材質は、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ３Ｎ４等のセラミックスからなるものとすることができる。図１（ｂ）に示すように、金属材１０の添加材１４を充填した溝１２上に、回転ツール１６のプローブ１８を当接させつつ回転させ、さらに溝１２の長手方向に沿って回転ツール１６を移動させることにより、溝１２に充填した添加材１４を回転ツール１６によって攪拌させ、添加材１４を金属材１０中に混入させることができる。なお、添加材を十分に混入させるため、回転ツール１６を、添加材１４を充填した溝１２上で回転させつつ往復動させることもできる。あるいは、回転ツール１６を移動させずに同じ場所で回転させ続けることによっても、添加材１４を金属材１０中に混入させることができる。この場合、添加材１４を連続した複数箇所で混入させることにより、金属材１０上の広い領域を強化することができる。
【００１７】
以下、本実施形態の金属材の製造方法の作用効果について説明する。本実施形態においては、金属材１０の表面部位に最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満の粒子からなる添加材１４を供給し、添加材１４を摩擦攪拌処理により金属材１０中に混入させる。このため、カーボンナノチューブ等の金属材１０中に均一に分散しにくい物質を添加材１４とした場合であっても、添加材１４を金属材１０中に均一に混入させることができる。さらに、摩擦攪拌処理における動的再結晶により、金属材１０の結晶粒が微細化される。このため、金属材１０の強度を一層向上させることができる。
【００１８】
尚、本発明の金属材の製造方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、金属材１０の表面部位に添加材１４を供給する方法としては、図１（ａ）に示す方法の他、ノズルから添加材１４を金属材１０の表面に噴射する方法や、回転ツール１６に設けた噴出孔から添加材１４を金属材１０の表面に噴出する方法を用いることができる。また、回転ツール１６を構成する材料に添加材１４を含有させておき、回転ツール１６を金属材１０に当接させつつ回転させることにより、回転ツール１６を磨耗させつつ金属材１０に添加材を供給することができる。この方法では、金属材１０に添加材１４をより均一に供給することができる。あるいは、添加材１４を含有させた粘着テープを金属材１０に貼付し、当該粘着テープ上に回転ツール１６を当接させつつ回転させることによっても、金属材１０に添加材を供給することができる。この方法では、金属材１０上の強化したい部位に、一層容易に添加材１４を供給することができる。
【００１９】
さらに、本発明の金属材の製造方法では、２つの金属材同士を接合部において突き合わせるか、あるいは重ね合わるかした後に、接合部に添加材を供給し、回転ツールを接合部に挿入して回転させる摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding；ＦＳＷ）を行うことによっても、接合部周辺の金属材の硬度を上昇させることができる。
【００２０】
次に、本発明者が本発明の金属材の製造方法により、実際に金属材の硬度を上昇させた実験結果を説明する。
【００２１】
実験例１
厚さ６ｍｍのＡＺ３１材（Ａｌを３％、Ｚｎを１％含有するＭｇ合金）を用意した。用意したＡＺ３１材の表面に、図１（ａ）に示すような幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの溝１２を形成した。形成した溝１２に、図２に示すような炭素原子２４が直径０．７ｎｍ以下のサッカーボール状の球形をなしているＣ６０（２２）を添加材１４として充填した。図３に示すようにＣ６０の集合体２６は、直径１０〜５０μｍ程度の粒径となる。Ｃ６０の充填後、図１（ｂ）に示すように、直径４ｍｍ、長さ１．８ｍｍのプローブ１８を有し、本体の直径１２ｍｍのＳＫＤ６１からなる回転ツール１６によって摩擦攪拌処理を行った。回転ツールの回転速度は１５００ｒｐｍとし、回転ツールの移動速度は５０ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００２２】
図４は本実験例の摩擦攪拌処理を施した部位の状態を示す縦断面図であり、図５はＣ６０を含む部位の状態を示す図である。図４および５により、回転ツール１６によって攪拌された金属材１０の表面に近い部位Ａおよび表面から深い部位Ｂにおいては、金属材１０中に白く見えるＣ６０が混入していることが判る。一方、図４により、金属材１０の表面から境界２８より深い部位Ｃにおいては、金属材１０中にＣ６０が混入していないことが判る。
【００２３】
図６は本実験例のＣ６０を含まない部位の結晶粒を示す図であり、図７はＣ６０を含む部位の結晶粒を示す図であり、図８はＣ６０を含む部位と含まない部位との境界を示す図である。図６および８に示すように、Ｃ６０が混入していない部位Ｃにおける金属材１０の結晶粒径は２０μｍ以上と大きいのに対し、図７および８に示すように、Ｃ６０が混入している部位Ｂにおける結晶粒径は５００ｎｍ以下と微細化されていることが判る。
【００２４】
図９は、図４における各測定点の組成を示す表であり、各数値は原子％を示す。図９に示すように、部位Ｃにおいては炭素Ｃの含有量がＡＺ３１母材と大きな差がないのに対し、部位ＡおよびＢにおいては、炭素Ｃが多く含有されていることが判る。
【００２５】
上記Ｃ６０を混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材と、Ｃ６０を混入させずに摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材と、摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１母材について硬度試験を行った。図１０に示すようにＣ６０を混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材は測定痕３０が小さいのに対し、図１１に示すようにＣ６０を混入させずに摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材は測定痕３０が大きいことが判る。さらに、図１２に示すように、摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１母材の微小硬度が４０〜５０Ｈｖであり、Ｃ６０を混入させずに摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材の微小硬度が５０〜６０Ｈｖであるのに対し、Ｃ６０を混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材のＣ６０が存在する領域（ナノ複合層）の微小硬度は最大で１２８Ｈｖと硬度が大幅に向上していることが判る。
【００２６】
上記と同様にして、添加材１４として粒径０．５μｍ未満の黒鉛粉末とＳｉＣ粉末を用い、摩擦攪拌処理を行った。図１３は本実験例におけるＣ６０を含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図１４は黒鉛粉末を含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図１５はＳｉＣを含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。また、図１６は摩擦攪拌処理を施していないＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図１７は摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。図１６に示すように、摩擦攪拌処理を施していないＡＺ３１材の結晶粒径は平均で７９．１μｍと大きく、微小硬度も４６Ｈｖと低い。図１７に示すように、摩擦攪拌処理を施すと結晶粒径は平均で１２．９μｍに微細化されるが、微小硬度は５９Ｈｖまでしか向上しない。一方、図１４に示すように、黒鉛粉末を混入させて摩擦攪拌処理を行った場合は、結晶粒径は平均２．５μｍまで微細化され、微小硬度は６４Ｈｖまで向上することが判る。また図１５に示すように、ＳｉＣを混入させて摩擦攪拌処理を行った場合は、結晶粒径は平均６．０μｍまで微細化され、微小硬度は７４Ｈｖまで向上することが判る。しかし、図１３に示すように、Ｃ６０を混入させて摩擦攪拌処理を行った場合に、結晶粒径は最も微細化され、微小硬度は１２８Ｈｖと大幅に向上することが判る。
【００２７】
実験例２
厚さ６ｍｍのＡＺ３１材（Ａｌを３％、Ｚｎを１％含有するＭｇ合金）を用意した。用意したＡＺ３１材の表面に、図１（ａ）に示すような幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの溝１２を形成した。形成した溝１２に、図１８に示すような外径が２０〜２５ｎｍであり長さが２５０ｎｍ以下の炭素原子からなる複数の円筒が入れ子状に多層をなしている多層カーボンナノチューブ３２を添加材１４として充填した。多層カーボンナノチューブ３２の充填後、図１（ｂ）に示すように、直径４ｍｍ、長さ１．８ｍｍのプローブ１８を有し、本体の直径１２ｍｍのＳＫＤ６１からなる回転ツール１６によって摩擦攪拌処理を行った。回転ツールの回転速度は１５００ｒｐｍとし、回転ツール１６の移動速度は１００ｍｍ／ｍｍ，５０ｍｍ／ｍｉｎおよび２５ｍｍ／ｍｉｎで行った。
【００２８】
図１９〜２１は、それぞれ本実験例において回転ツール１６の移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎ，５０ｍｍ／ｍｉｎおよび２５ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。図１９に示すように、回転ツール１６の移動速度が１００ｍｍ／ｍｉｎでは、多層カーボンナノチューブ３２が凝集している部分が図中に黒く残るが、図２０〜２１に示すように、回転ツール１６の移動速度が５０ｍｍ／ｍｉｎおよび２５ｍｍ／ｍｉｎでは、多層カーボンナノチューブ３２がほぼ均一に分散されていることが判る。
【００２９】
図２２，２４および２６はそれぞれ本実験例において回転ツール１６の移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎ，５０ｍｍ／ｍｉｎおよび２５ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の平面図であり、図２３，２５および２７はそれぞれの破線部における拡大図である。図２２〜２７に示すように、回転ツール１６の移動速度が１００ｍｍ／ｍｉｎから２５ｍｍ／ｍｉｎへと遅くなるにつれて、図中で白く見える多層カーボンナノチューブが均一に分散されていることが判る。
【００３０】
上記多層カーボンナノチューブを混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材と摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１母材について硬度試験を行った。図２８に示すように摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１母材の微小硬度は４１Ｈｖであるのに対し、図２９に示すように多層カーボンナノチューブを混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材の微小硬度は７８Ｈｖと向上していることが判る。
【００３１】
図３０はＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図３１は多層カーボンナノチューブを混入させずに摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図３２は本実験例における多層カーボンナノチューブを混入させて摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図３３は図３２の破線部分の拡大図である。図３０および３１に示すように、摩擦攪拌処理をほどこしただけでは結晶粒はあまり微細化されないが、図３２および３３に示すように、多層カーボンナノチューブを混入させて摩擦攪拌処理を施すことにより、結晶粒を極めて微細化できることが判る。
【００３２】
実験例３
Ａ５０８３材（Ｍｇを約４．５％含有するＡｌ合金）を用意した。用意したＡ５０８３材の表面に、図１（ａ）に示すような幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの溝１２を形成した。形成した溝１２にＣ６０とＣ７０との混合物（以下、ＭＦ（Mixed Fullerene）と呼ぶ）の粉末を添加材１４として充填した。ＭＦの充填後、図１（ｂ）に示すように、直径４ｍｍ、長さ１．８ｍｍのプローブ１８を有し、本体の直径１２ｍｍのＳＫＤ６１からなる回転ツール１６によって摩擦攪拌処理を行った。回転ツール１６の移動速度は５０ｍｍ／ｍｉｎとし、回転速度は５００ｒｐｍ、１０００ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ及び２０００ｒｐｍで行った。
【００３３】
また、同様にしてＡ５０８３材に溝１２を形成した後、形成した溝１２にＭＦをより高密度に充填するため、ＭＦの粉末をスターチをバインダーとしてペースト状にしたＭＦペーストを添加材１４として充填した。ＭＦペーストの充填後、同様にして摩擦攪拌処理を行った。回転ツール１６の移動速度は５０ｍｍ／ｍｉｎとし、回転速度は１５００ｒｐｍで行った。
【００３４】
さらに、Ｃ１０２０材（純銅）を用意した。同様にしてＣ１０２０材に溝１２を形成した後、形成した溝１２にＭＦの粉末を添加材１４として充填した。ＭＦの充填後、同様にして摩擦攪拌処理を行った。回転ツール１６の移動速度は５０ｍｍ／ｍｉｎとし、回転速度は１５００ｒｐｍで行った。また、同様に形成した溝にＭＦペーストを添加材１４として充填したＣ１０２０材についても、同様にして摩擦攪拌処理を行った。
【００３５】
図３４〜３７は、それぞれ本実験例において回転ツール１６の回転速度５００ｒｐｍ，１０００ｒｐｍ，１５００ｒｐｍおよび２０００ｒｐｍで摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。図中のＡＳは回転ツール１６の前進側（Advancing Side）を示し、ＲＳは回転ツール１６の後退側（Retreating Side）を示す。図３４〜３７中で黒く見える領域にＭＦが分散している。図３４〜３７から、回転ツール１６の回転速度が上昇するにつれて、ＭＦが比較的均一に分散していることが判る。
【００３６】
図３８は、ＭＦペーストを用いてＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。図３８から、ＭＦペーストを用いて摩擦攪拌処理を施した場合、図中で黒く見えるＭＦが分散している領域が密に存在していることが判る。また、図３９は、図３８の拡大図であり、Ａ５０８３材の結晶粒を示すＴＥＭ（Transmission Electoron Microscope：透過電子顕微鏡）写真である。図中でＭＦをＭＦ３４として示す。図３９より、母材であるＡ５０８３材の結晶粒がｎｍオーダーまで微細化されていることが判る。
【００３７】
図４０は、実験例３におけるＭＦを含むＡ５０８３材の硬度試験の結果を示すグラフ図であり、Ａ５０８３材にＭＦを分散させた試料の表面から深さ方向への硬度分布を示す。図４０より、Ａ５０８３材にＭＦを分散させた場合、ＭＦを含まないＡ５０８３母材と比較して著しく硬度が上昇していることが判る。図４１は実験例３におけるＭＦを含まないＡ５０８３母材の硬度試験の様子を示す図であり、図４２は実験例３におけるＭＦペーストを用いて摩擦攪拌処理を施されたＡ５０８３材の硬度試験の様子を示す図である。図４１に示すようにＭＦを混入させずに摩擦攪拌処理を行ったＡ５０８３材は測定痕３０が大きいのに対し、図４２に示すようにＭＦを混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡ５０８３材は測定痕３０が小さいことが判る。
【００３８】
図４３は実験例３においてＣ１０２０材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図であり、図４４は実験例３においてＭＦペーストを用いてＣ１０２０材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。図４３及び４４に示すように、図中で黒くＭＦが分散している領域が確認できる。
【００３９】
図４５は、実験例３における硬度試験で得られた試料の最大微小硬度を示すグラフ図である。図中でＭＦ−Ｐ／Ａ１０５０及びＭＦ−Ｐ／Ａ５０８３は、それぞれＡ１０５０材及びＡ５０８３材にＭＦペーストを用いて摩擦攪拌処理を施した試料を示す。また、図中でＭＦ／Ｃ１０２０は、Ｃ１０２０材にＭＦの粉末を用いて摩擦攪拌処理を施した試料を示す。図４５に示すように、Ａ１０５０材、Ａ５０８３材及びＣ１０２０材のいずれの試料についても、ＭＦを分散させると硬度が上昇することが判る。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る金属材の製造方法の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】実験例１で適用されるＣ６０の分子構造を示す図である。
【図３】実験例１に適用されるＣ６０の集合体を示す図である。
【図４】実験例１の摩擦攪拌処理を施した部位の状態を示す縦断面図である。
【図５】実験例１のＣ６０を含む部位の状態を示す図である。
【図６】実験例１のＣ６０を含まない部位の結晶粒を示す図である。
【図７】実験例１のＣ６０を含む部位の結晶粒を示す図である。
【図８】実験例１のＣ６０を含む部位と含まない部位との境界を示す図である。
【図９】図４における各測定点の組成を示す表である。
【図１０】実験例１におけるＣ６０を含むＡＺ３１材の硬度試験の様子を示す図である。
【図１１】実験例１におけるＣ６０を含まないＡＺ３１材の硬度試験の様子を示す図である。
【図１２】実験例１における硬度試験の結果を示すグラフ図である。
【図１３】実験例１におけるＣ６０を含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図１４】実験例１における黒鉛粉末を含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図１５】実験例１におけるＳｉＣを含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図１６】実験例１におけるＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図１７】実験例１における摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図１８】実験例２で適用されるカーボンナノチューブを示す図である。
【図１９】実験例２において回転ツールの移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図２０】実験例２において回転ツールの移動速度５０ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図２１】実験例２において回転ツールの移動速度２５ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図２２】実験例２において回転ツールの移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の平面図である。
【図２３】図２２の拡大図である。
【図２４】実験例２において回転ツールの移動速度５０ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の平面図である。
【図２５】図２４の拡大図である。
【図２６】実験例２において回転ツールの移動速度２５ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の平面図である。
【図２７】図２６の拡大図である。
【図２８】実験例２における摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１材の硬度試験の様子を示す図である。
【図２９】実験例２における多層カーボンナノチューブを含むＡＺ３１材の硬度試験の様子を示す図である。
【図３０】実験例２におけるＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図３１】実験例２における摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図３２】実験例２における多層カーボンナノチューブを含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図３３】図３２の拡大図である。
【図３４】実験例３において回転ツールの回転速度５００ｒｐｍでＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図３５】実験例３において回転ツールの回転速度１０００ｒｐｍでＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図３６】実験例３において回転ツールの回転速度１５００ｒｐｍでＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図３７】実験例３において回転ツールの回転速度２０００ｒｐｍでＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図３８】実験例３においてＭＦペーストを用いてＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図３９】図３８の拡大図である。
【図４０】実験例３におけるＭＦを含むＡ５０８３材の硬度試験の結果を示すグラフ図である。
【図４１】実験例３におけるＭＦを含まないＡ５０８３母材の硬度試験の様子を示す図である。
【図４２】実験例３におけるＭＦペーストを用いて摩擦攪拌処理を行いＭＦを含むＡ５０８３材の硬度試験の様子を示す図である。
【図４３】実験例３においてＣ１０２０材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図４４】実験例３においてＭＦペーストを用いてＣ１０２０材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図４５】実験例３における硬度試験で得られた試料の最大微小硬度を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…金属材、１２…溝、１４…添加材、１６…回転ツール、１８…プローブ、２０…攪拌部、２２…Ｃ６０、２４…炭素原子、２６…Ｃ６０の集合体、２８…境界、３０…測定痕、３２…カーボンナノチューブ、３４…ＭＦ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属材の製造方法に関し、特に金属材に添加材を混入することによって硬度を上昇させた金属材の製造方法およびこの製造方法によって製造された金属材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材に大きさが数〜数百ｎｍ程度の添加材を混入させることによって、金属材を強化する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、Ｔｉ合金を溶解させ、溶解金属中にフラーレン（Fullerene）またはカーボンナノチューブ（Carbon Nanotube；ＣＮＴ）を混入させた金属材をゴルフクラブヘッドのフェース部に用い、フェース部の強度を高めて、その薄肉化を可能とした技術が記載されている。また、非特許文献１には、粉末状にしたＡｌ試料またはＴｉ試料とカーボンナノチューブ粉末とを三軸振動式ミルによって混合し、ホットプレスを行った後に熱間押出することによって、複合材料を得ることが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−７７８号公報
【非特許文献１】大竹尚登、葛巻徹、光田好孝、「ナノカーボンコンポジット」、高分子、社団法人高分子学会、２００３年１２月、５２巻、ｐ８８８〜８９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような添加材を混入させた金属材料に対しては、産業界からさらなる高強度化の要請がある。ところが、上記の手法により添加材を混入された金属材の機械的特性は、添加材となるフラーレン等の特性から期待されるほど向上せず、さらなる改善が望まれている。
【０００４】
本発明は、斯かる実情に鑑み、添加材を混入することによって金属材の硬度を上昇させる金属材の製造方法において、金属材の硬度を一層向上させることができる金属材の製造方法およびこの製造方法によって硬度を上昇された金属材を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満である粒子からなる添加材を金属材の表面部位に供給し、表面部位に棒状の回転ツールを当接させつつ回転させて、表面部位に添加材を混入させて硬度を上昇させた金属材の製造方法である。
【０００６】
この構成によれば、最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満である微細な粒子を添加材として金属材の表面部位に供給し、粒子を供給した表面部位に棒状の回転ツールを当接させつつ回転させる摩擦攪拌処理（Friction Stir Processing；ＦＳＰ）を施すため、金属材中に添加材をより均一に混入することができる。また、摩擦攪拌処理における動的再結晶により、金属材の結晶粒が微細化される。このため、金属材の硬度を一層上昇させることができる。
【０００７】
なお、本発明における粒子の「最小部分の…粒径」とは、粒子の直径を任意の部位で測定した場合における最小の径を意味する。例えば、外径が２５ｎｍであり長さが２５０ｎｍの円筒状であるカーボンナノチューブの場合、粒径は２５ｎｍとなる。また、本発明における粒子の「一次粒径」とは、それぞれの粒子の粒ひとつひとつ(一次粒子)の径を意味し、「一次粒径が０．５μｍ未満」とは、一次粒子の径が０．５μｍ未満であれば良く、一次粒子同士が互いの凝集力によって凝集した二次粒子等、高次の凝集構造を取る物の径が０．５μｍ以上となる物をも含むものとする。
【０００８】
この場合、添加材は炭素を含むことが、金属材の硬度を上昇させるために好適である。
【０００９】
また、添加材はフラーレンを含むことが、金属材の硬度を上昇させるために一層好適である。
【００１０】
加えて、粒子はＣ６０を含むことが、金属材の硬度を上昇させるためにさらに好適である。
【００１１】
一方、本発明の別の態様は、本発明の金属材の製造方法によって硬度を上昇された金属材である。この構成によれば、金属材は、最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満である微細な粒子からなる添加材を摩擦攪拌処理によって表面部位に混入されており、添加材が金属材中に均一に混入され、かつ金属材の結晶粒が摩擦攪拌処理によって微細化されているため、その硬度を一層上昇された物とできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の金属材の製造方法によれば、金属材の硬度を一層上昇させることができる。また、本発明の金属材は、その強度を一層上昇された物とできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１４】
以下、金属材の製造方法について説明する。図１は、本発明に係る金属材の製造方法の一実施形態を示す斜視図である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態の金属材の製造方法では、金属材１０の表面部位に供給した添加材１４を、回転ツール１６を用いた摩擦攪拌処理によって金属材１０中に混入させる。金属材１０としては、例えば、Ａｌ材、Ｆｅ材、Ｍｇ材を適用することができる。
【００１５】
本実施形態では、まず図１（ａ）に示すように、金属材１０の表面部位に溝１２を形成し、その溝に添加材１４を充填する。添加材１４は、最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満である粒子である。より具体的には、添加材１４として、最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満であって、炭素を含む黒鉛粉末やＳｉＣ粉末等のシリコンカーバイドや金属カーバイドを適用することができる。より好ましくは、添加材１４として、カーボンナノチューブ（炭素繊維または炭素ファイバーと呼ばれることもある）を適用することができ、カーボンナノチューブとしては、外径が２ｎｍ以下の炭素原子からなる単層の円筒である単層カーボンナノチューブ（SingleWalled Carbon NanoTube；ＳＷＣＮＴ）、炭素原子からなる二層の円筒である二層カーボンナノチューブ（DoubleWalled Carbon NanoTube；ＤＷＣＮＴ）、および外径が２０〜２５ｎｍであり長さが２５０ｎｍ以下の炭素原子からなる複数の円筒が入れ子状に多層をなしている多層カーボンナノチューブ（MultiWalled Carbon NanoTube；ＭＷＣＮＴ）からなる群から選択される１または２種以上を適用することができる。さらに好ましくは、添加材１４として、炭素原子が球状をなしているＣ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２およびＣ８４からなる群から選択される１または２種以上のフラーレン（炭素クラスターまたは球状炭素分子と呼ばれることもある）を適用することができ、最も好ましくは、添加材１４として、炭素原子が直径０．７ｎｍ以下のサッカーボール状の球形をなしているＣ６０を適用することができる。
【００１６】
次に、図１（ｂ）に示すような回転ツール１６を用意する。回転ツール１６は、略円筒状をなし、先端に本体より小径の略円柱状のプローブ１８を備えている。なお、プローブは必ず必要なものではなく、場合によってはプローブを有しない略円筒状の回転ツールを用いても良い。回転ツール１６の材質は、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ３Ｎ４等のセラミックスからなるものとすることができる。図１（ｂ）に示すように、金属材１０の添加材１４を充填した溝１２上に、回転ツール１６のプローブ１８を当接させつつ回転させ、さらに溝１２の長手方向に沿って回転ツール１６を移動させることにより、溝１２に充填した添加材１４を回転ツール１６によって攪拌させ、添加材１４を金属材１０中に混入させることができる。なお、添加材を十分に混入させるため、回転ツール１６を、添加材１４を充填した溝１２上で回転させつつ往復動させることもできる。あるいは、回転ツール１６を移動させずに同じ場所で回転させ続けることによっても、添加材１４を金属材１０中に混入させることができる。この場合、添加材１４を連続した複数箇所で混入させることにより、金属材１０上の広い領域を強化することができる。
【００１７】
以下、本実施形態の金属材の製造方法の作用効果について説明する。本実施形態においては、金属材１０の表面部位に最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満の粒子からなる添加材１４を供給し、添加材１４を摩擦攪拌処理により金属材１０中に混入させる。このため、カーボンナノチューブ等の金属材１０中に均一に分散しにくい物質を添加材１４とした場合であっても、添加材１４を金属材１０中に均一に混入させることができる。さらに、摩擦攪拌処理における動的再結晶により、金属材１０の結晶粒が微細化される。このため、金属材１０の強度を一層向上させることができる。
【００１８】
尚、本発明の金属材の製造方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、金属材１０の表面部位に添加材１４を供給する方法としては、図１（ａ）に示す方法の他、ノズルから添加材１４を金属材１０の表面に噴射する方法や、回転ツール１６に設けた噴出孔から添加材１４を金属材１０の表面に噴出する方法を用いることができる。また、回転ツール１６を構成する材料に添加材１４を含有させておき、回転ツール１６を金属材１０に当接させつつ回転させることにより、回転ツール１６を磨耗させつつ金属材１０に添加材を供給することができる。この方法では、金属材１０に添加材１４をより均一に供給することができる。あるいは、添加材１４を含有させた粘着テープを金属材１０に貼付し、当該粘着テープ上に回転ツール１６を当接させつつ回転させることによっても、金属材１０に添加材を供給することができる。この方法では、金属材１０上の強化したい部位に、一層容易に添加材１４を供給することができる。
【００１９】
さらに、本発明の金属材の製造方法では、２つの金属材同士を接合部において突き合わせるか、あるいは重ね合わるかした後に、接合部に添加材を供給し、回転ツールを接合部に挿入して回転させる摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding；ＦＳＷ）を行うことによっても、接合部周辺の金属材の硬度を上昇させることができる。
【００２０】
次に、本発明者が本発明の金属材の製造方法により、実際に金属材の硬度を上昇させた実験結果を説明する。
【００２１】
実験例１
厚さ６ｍｍのＡＺ３１材（Ａｌを３％、Ｚｎを１％含有するＭｇ合金）を用意した。用意したＡＺ３１材の表面に、図１（ａ）に示すような幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの溝１２を形成した。形成した溝１２に、図２に示すような炭素原子２４が直径０．７ｎｍ以下のサッカーボール状の球形をなしているＣ６０（２２）を添加材１４として充填した。図３に示すようにＣ６０の集合体２６は、直径１０〜５０μｍ程度の粒径となる。Ｃ６０の充填後、図１（ｂ）に示すように、直径４ｍｍ、長さ１．８ｍｍのプローブ１８を有し、本体の直径１２ｍｍのＳＫＤ６１からなる回転ツール１６によって摩擦攪拌処理を行った。回転ツールの回転速度は１５００ｒｐｍとし、回転ツールの移動速度は５０ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００２２】
図４は本実験例の摩擦攪拌処理を施した部位の状態を示す縦断面図であり、図５はＣ６０を含む部位の状態を示す図である。図４および５により、回転ツール１６によって攪拌された金属材１０の表面に近い部位Ａおよび表面から深い部位Ｂにおいては、金属材１０中に白く見えるＣ６０が混入していることが判る。一方、図４により、金属材１０の表面から境界２８より深い部位Ｃにおいては、金属材１０中にＣ６０が混入していないことが判る。
【００２３】
図６は本実験例のＣ６０を含まない部位の結晶粒を示す図であり、図７はＣ６０を含む部位の結晶粒を示す図であり、図８はＣ６０を含む部位と含まない部位との境界を示す図である。図６および８に示すように、Ｃ６０が混入していない部位Ｃにおける金属材１０の結晶粒径は２０μｍ以上と大きいのに対し、図７および８に示すように、Ｃ６０が混入している部位Ｂにおける結晶粒径は５００ｎｍ以下と微細化されていることが判る。
【００２４】
図９は、図４における各測定点の組成を示す表であり、各数値は原子％を示す。図９に示すように、部位Ｃにおいては炭素Ｃの含有量がＡＺ３１母材と大きな差がないのに対し、部位ＡおよびＢにおいては、炭素Ｃが多く含有されていることが判る。
【００２５】
上記Ｃ６０を混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材と、Ｃ６０を混入させずに摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材と、摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１母材について硬度試験を行った。図１０に示すようにＣ６０を混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材は測定痕３０が小さいのに対し、図１１に示すようにＣ６０を混入させずに摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材は測定痕３０が大きいことが判る。さらに、図１２に示すように、摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１母材の微小硬度が４０〜５０Ｈｖであり、Ｃ６０を混入させずに摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材の微小硬度が５０〜６０Ｈｖであるのに対し、Ｃ６０を混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材のＣ６０が存在する領域（ナノ複合層）の微小硬度は最大で１２８Ｈｖと硬度が大幅に向上していることが判る。
【００２６】
上記と同様にして、添加材１４として粒径０．５μｍ未満の黒鉛粉末とＳｉＣ粉末を用い、摩擦攪拌処理を行った。図１３は本実験例におけるＣ６０を含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図１４は黒鉛粉末を含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図１５はＳｉＣを含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。また、図１６は摩擦攪拌処理を施していないＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図１７は摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。図１６に示すように、摩擦攪拌処理を施していないＡＺ３１材の結晶粒径は平均で７９．１μｍと大きく、微小硬度も４６Ｈｖと低い。図１７に示すように、摩擦攪拌処理を施すと結晶粒径は平均で１２．９μｍに微細化されるが、微小硬度は５９Ｈｖまでしか向上しない。一方、図１４に示すように、黒鉛粉末を混入させて摩擦攪拌処理を行った場合は、結晶粒径は平均２．５μｍまで微細化され、微小硬度は６４Ｈｖまで向上することが判る。また図１５に示すように、ＳｉＣを混入させて摩擦攪拌処理を行った場合は、結晶粒径は平均６．０μｍまで微細化され、微小硬度は７４Ｈｖまで向上することが判る。しかし、図１３に示すように、Ｃ６０を混入させて摩擦攪拌処理を行った場合に、結晶粒径は最も微細化され、微小硬度は１２８Ｈｖと大幅に向上することが判る。
【００２７】
実験例２
厚さ６ｍｍのＡＺ３１材（Ａｌを３％、Ｚｎを１％含有するＭｇ合金）を用意した。用意したＡＺ３１材の表面に、図１（ａ）に示すような幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの溝１２を形成した。形成した溝１２に、図１８に示すような外径が２０〜２５ｎｍであり長さが２５０ｎｍ以下の炭素原子からなる複数の円筒が入れ子状に多層をなしている多層カーボンナノチューブ３２を添加材１４として充填した。多層カーボンナノチューブ３２の充填後、図１（ｂ）に示すように、直径４ｍｍ、長さ１．８ｍｍのプローブ１８を有し、本体の直径１２ｍｍのＳＫＤ６１からなる回転ツール１６によって摩擦攪拌処理を行った。回転ツールの回転速度は１５００ｒｐｍとし、回転ツール１６の移動速度は１００ｍｍ／ｍｍ，５０ｍｍ／ｍｉｎおよび２５ｍｍ／ｍｉｎで行った。
【００２８】
図１９〜２１は、それぞれ本実験例において回転ツール１６の移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎ，５０ｍｍ／ｍｉｎおよび２５ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。図１９に示すように、回転ツール１６の移動速度が１００ｍｍ／ｍｉｎでは、多層カーボンナノチューブ３２が凝集している部分が図中に黒く残るが、図２０〜２１に示すように、回転ツール１６の移動速度が５０ｍｍ／ｍｉｎおよび２５ｍｍ／ｍｉｎでは、多層カーボンナノチューブ３２がほぼ均一に分散されていることが判る。
【００２９】
図２２，２４および２６はそれぞれ本実験例において回転ツール１６の移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎ，５０ｍｍ／ｍｉｎおよび２５ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の平面図であり、図２３，２５および２７はそれぞれの破線部における拡大図である。図２２〜２７に示すように、回転ツール１６の移動速度が１００ｍｍ／ｍｉｎから２５ｍｍ／ｍｉｎへと遅くなるにつれて、図中で白く見える多層カーボンナノチューブが均一に分散されていることが判る。
【００３０】
上記多層カーボンナノチューブを混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材と摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１母材について硬度試験を行った。図２８に示すように摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１母材の微小硬度は４１Ｈｖであるのに対し、図２９に示すように多層カーボンナノチューブを混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材の微小硬度は７８Ｈｖと向上していることが判る。
【００３１】
図３０はＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図３１は多層カーボンナノチューブを混入させずに摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図３２は本実験例における多層カーボンナノチューブを混入させて摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図であり、図３３は図３２の破線部分の拡大図である。図３０および３１に示すように、摩擦攪拌処理をほどこしただけでは結晶粒はあまり微細化されないが、図３２および３３に示すように、多層カーボンナノチューブを混入させて摩擦攪拌処理を施すことにより、結晶粒を極めて微細化できることが判る。
【００３２】
実験例３
Ａ５０８３材（Ｍｇを約４．５％含有するＡｌ合金）を用意した。用意したＡ５０８３材の表面に、図１（ａ）に示すような幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの溝１２を形成した。形成した溝１２にＣ６０とＣ７０との混合物（以下、ＭＦ（Mixed Fullerene）と呼ぶ）の粉末を添加材１４として充填した。ＭＦの充填後、図１（ｂ）に示すように、直径４ｍｍ、長さ１．８ｍｍのプローブ１８を有し、本体の直径１２ｍｍのＳＫＤ６１からなる回転ツール１６によって摩擦攪拌処理を行った。回転ツール１６の移動速度は５０ｍｍ／ｍｉｎとし、回転速度は５００ｒｐｍ、１０００ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ及び２０００ｒｐｍで行った。
【００３３】
また、同様にしてＡ５０８３材に溝１２を形成した後、形成した溝１２にＭＦをより高密度に充填するため、ＭＦの粉末をスターチをバインダーとしてペースト状にしたＭＦペーストを添加材１４として充填した。ＭＦペーストの充填後、同様にして摩擦攪拌処理を行った。回転ツール１６の移動速度は５０ｍｍ／ｍｉｎとし、回転速度は１５００ｒｐｍで行った。
【００３４】
さらに、Ｃ１０２０材（純銅）を用意した。同様にしてＣ１０２０材に溝１２を形成した後、形成した溝１２にＭＦの粉末を添加材１４として充填した。ＭＦの充填後、同様にして摩擦攪拌処理を行った。回転ツール１６の移動速度は５０ｍｍ／ｍｉｎとし、回転速度は１５００ｒｐｍで行った。また、同様に形成した溝にＭＦペーストを添加材１４として充填したＣ１０２０材についても、同様にして摩擦攪拌処理を行った。
【００３５】
図３４〜３７は、それぞれ本実験例において回転ツール１６の回転速度５００ｒｐｍ，１０００ｒｐｍ，１５００ｒｐｍおよび２０００ｒｐｍで摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。図中のＡＳは回転ツール１６の前進側（Advancing Side）を示し、ＲＳは回転ツール１６の後退側（Retreating Side）を示す。図３４〜３７中で黒く見える領域にＭＦが分散している。図３４〜３７から、回転ツール１６の回転速度が上昇するにつれて、ＭＦが比較的均一に分散していることが判る。
【００３６】
図３８は、ＭＦペーストを用いてＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。図３８から、ＭＦペーストを用いて摩擦攪拌処理を施した場合、図中で黒く見えるＭＦが分散している領域が密に存在していることが判る。また、図３９は、図３８の拡大図であり、Ａ５０８３材の結晶粒を示すＴＥＭ（Transmission Electoron Microscope：透過電子顕微鏡）写真である。図中でＭＦをＭＦ３４として示す。図３９より、母材であるＡ５０８３材の結晶粒がｎｍオーダーまで微細化されていることが判る。
【００３７】
図４０は、実験例３におけるＭＦを含むＡ５０８３材の硬度試験の結果を示すグラフ図であり、Ａ５０８３材にＭＦを分散させた試料の表面から深さ方向への硬度分布を示す。図４０より、Ａ５０８３材にＭＦを分散させた場合、ＭＦを含まないＡ５０８３母材と比較して著しく硬度が上昇していることが判る。図４１は実験例３におけるＭＦを含まないＡ５０８３母材の硬度試験の様子を示す図であり、図４２は実験例３におけるＭＦペーストを用いて摩擦攪拌処理を施されたＡ５０８３材の硬度試験の様子を示す図である。図４１に示すようにＭＦを混入させずに摩擦攪拌処理を行ったＡ５０８３材は測定痕３０が大きいのに対し、図４２に示すようにＭＦを混入させて摩擦攪拌処理を行ったＡ５０８３材は測定痕３０が小さいことが判る。
【００３８】
図４３は実験例３においてＣ１０２０材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図であり、図４４は実験例３においてＭＦペーストを用いてＣ１０２０材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。図４３及び４４に示すように、図中で黒くＭＦが分散している領域が確認できる。
【００３９】
図４５は、実験例３における硬度試験で得られた試料の最大微小硬度を示すグラフ図である。図中でＭＦ−Ｐ／Ａ１０５０及びＭＦ−Ｐ／Ａ５０８３は、それぞれＡ１０５０材及びＡ５０８３材にＭＦペーストを用いて摩擦攪拌処理を施した試料を示す。また、図中でＭＦ／Ｃ１０２０は、Ｃ１０２０材にＭＦの粉末を用いて摩擦攪拌処理を施した試料を示す。図４５に示すように、Ａ１０５０材、Ａ５０８３材及びＣ１０２０材のいずれの試料についても、ＭＦを分散させると硬度が上昇することが判る。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る金属材の製造方法の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】実験例１で適用されるＣ６０の分子構造を示す図である。
【図３】実験例１に適用されるＣ６０の集合体を示す図である。
【図４】実験例１の摩擦攪拌処理を施した部位の状態を示す縦断面図である。
【図５】実験例１のＣ６０を含む部位の状態を示す図である。
【図６】実験例１のＣ６０を含まない部位の結晶粒を示す図である。
【図７】実験例１のＣ６０を含む部位の結晶粒を示す図である。
【図８】実験例１のＣ６０を含む部位と含まない部位との境界を示す図である。
【図９】図４における各測定点の組成を示す表である。
【図１０】実験例１におけるＣ６０を含むＡＺ３１材の硬度試験の様子を示す図である。
【図１１】実験例１におけるＣ６０を含まないＡＺ３１材の硬度試験の様子を示す図である。
【図１２】実験例１における硬度試験の結果を示すグラフ図である。
【図１３】実験例１におけるＣ６０を含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図１４】実験例１における黒鉛粉末を含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図１５】実験例１におけるＳｉＣを含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図１６】実験例１におけるＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図１７】実験例１における摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図１８】実験例２で適用されるカーボンナノチューブを示す図である。
【図１９】実験例２において回転ツールの移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図２０】実験例２において回転ツールの移動速度５０ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図２１】実験例２において回転ツールの移動速度２５ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図２２】実験例２において回転ツールの移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の平面図である。
【図２３】図２２の拡大図である。
【図２４】実験例２において回転ツールの移動速度５０ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の平面図である。
【図２５】図２４の拡大図である。
【図２６】実験例２において回転ツールの移動速度２５ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌処理を施した部位の平面図である。
【図２７】図２６の拡大図である。
【図２８】実験例２における摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１材の硬度試験の様子を示す図である。
【図２９】実験例２における多層カーボンナノチューブを含むＡＺ３１材の硬度試験の様子を示す図である。
【図３０】実験例２におけるＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図３１】実験例２における摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図３２】実験例２における多層カーボンナノチューブを含むＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。
【図３３】図３２の拡大図である。
【図３４】実験例３において回転ツールの回転速度５００ｒｐｍでＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図３５】実験例３において回転ツールの回転速度１０００ｒｐｍでＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図３６】実験例３において回転ツールの回転速度１５００ｒｐｍでＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図３７】実験例３において回転ツールの回転速度２０００ｒｐｍでＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図３８】実験例３においてＭＦペーストを用いてＡ５０８３材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図３９】図３８の拡大図である。
【図４０】実験例３におけるＭＦを含むＡ５０８３材の硬度試験の結果を示すグラフ図である。
【図４１】実験例３におけるＭＦを含まないＡ５０８３母材の硬度試験の様子を示す図である。
【図４２】実験例３におけるＭＦペーストを用いて摩擦攪拌処理を行いＭＦを含むＡ５０８３材の硬度試験の様子を示す図である。
【図４３】実験例３においてＣ１０２０材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図４４】実験例３においてＭＦペーストを用いてＣ１０２０材の摩擦攪拌処理を施した部位の縦断面図である。
【図４５】実験例３における硬度試験で得られた試料の最大微小硬度を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…金属材、１２…溝、１４…添加材、１６…回転ツール、１８…プローブ、２０…攪拌部、２２…Ｃ６０、２４…炭素原子、２６…Ｃ６０の集合体、２８…境界、３０…測定痕、３２…カーボンナノチューブ、３４…ＭＦ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満である粒子からなる添加材を金属材の表面部位に供給し、前記表面部位に棒状の回転ツールを当接させつつ回転させて、前記表面部位に前記添加材を混入させて硬度を上昇させた金属材の製造方法。
【請求項２】
前記添加材は炭素を含む、請求項１に記載の金属材の製造方法。
【請求項３】
前記添加材はフラーレンを含む、請求項１または２に記載の金属材の製造方法。
【請求項４】
前記添加材はＣ６０を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属材の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属材の製造方法によって硬度を上昇された金属材。
【請求項１】
最小部分の一次粒径が０．５μｍ未満である粒子からなる添加材を金属材の表面部位に供給し、前記表面部位に棒状の回転ツールを当接させつつ回転させて、前記表面部位に前記添加材を混入させて硬度を上昇させた金属材の製造方法。
【請求項２】
前記添加材は炭素を含む、請求項１に記載の金属材の製造方法。
【請求項３】
前記添加材はフラーレンを含む、請求項１または２に記載の金属材の製造方法。
【請求項４】
前記添加材はＣ６０を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属材の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属材の製造方法によって硬度を上昇された金属材。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図４０】
【図４５】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図４０】
【図４５】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【公開番号】特開２００７−３０２９９７（Ｐ２００７−３０２９９７Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０２１３２（Ｐ２００７−１０２１３２）
【出願日】平成１９年４月９日（２００７．４．９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年３月２３日 社団法人溶接学会発行の「溶接学会全国大会講演概要 第７８集」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年３月２日 インターネットアドレス「ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ？＿ｏｂ＝ＡｒｔｉｃｌｅＵＲＬ＆＿ｕｄｉ＝Ｂ６ＴＸＤ−４ＪＣＳＫ６Ｈ−８＆＿ｕｓｅｒ＝１０＆＿ｈａｎｄｌｅ＝Ｖ−ＷＡ−Ａ−Ｗ−ＣＹ−ＭｓＳＷＹＷＷ−ＵＵＡ−Ｕ−ＡＡＶＤＶＡＶＺＣＺ−ＡＡＶＶＥＥＣＶＣＺ−ＤＥＶＶＡＡＢＵＵ−ＣＹ−Ｕ＆＿ｆｍｔ＝ｓｕｍｍａｒｙ＆＿ｃｏｖｅｒＤａｔｅ＝０３％２Ｆ１５％２Ｆ２００６＆＿ｒｄｏｃ＝５０＆＿ｏｒｉｇ＝ｂｒｏｗｓｅ＆＿ｓｒｃｈ＝％２３ｔｏｃ％２３５５８８％２３２００６％２３９９５８０９９９８％２３６１８７４９！＆＿ｃｄｉ＝５５８８＆ｖｉｅｗ＝ｃ＆＿ａｃｅｔ＝Ｃ００００５０２２１＆＿ｖｅｒｓｉｏｎ＝１＆＿ｕｒｌＶｅｒｓｉｏｎ＝０＆＿ｕｓｅｒｉｄ＝１０＆ｍｄ５＝ｃ６２７２ｃｂ４４ｂｄ８５０３２１ｃｂ７９ｃ７４６ｄ６６３ｆ２９」に発表
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（５９１０３０４９９）大阪市 (64)
【出願人】（３０２０６９７３４）本荘ケミカル株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月９日（２００７．４．９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年３月２３日 社団法人溶接学会発行の「溶接学会全国大会講演概要 第７８集」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年３月２日 インターネットアドレス「ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ？＿ｏｂ＝ＡｒｔｉｃｌｅＵＲＬ＆＿ｕｄｉ＝Ｂ６ＴＸＤ−４ＪＣＳＫ６Ｈ−８＆＿ｕｓｅｒ＝１０＆＿ｈａｎｄｌｅ＝Ｖ−ＷＡ−Ａ−Ｗ−ＣＹ−ＭｓＳＷＹＷＷ−ＵＵＡ−Ｕ−ＡＡＶＤＶＡＶＺＣＺ−ＡＡＶＶＥＥＣＶＣＺ−ＤＥＶＶＡＡＢＵＵ−ＣＹ−Ｕ＆＿ｆｍｔ＝ｓｕｍｍａｒｙ＆＿ｃｏｖｅｒＤａｔｅ＝０３％２Ｆ１５％２Ｆ２００６＆＿ｒｄｏｃ＝５０＆＿ｏｒｉｇ＝ｂｒｏｗｓｅ＆＿ｓｒｃｈ＝％２３ｔｏｃ％２３５５８８％２３２００６％２３９９５８０９９９８％２３６１８７４９！＆＿ｃｄｉ＝５５８８＆ｖｉｅｗ＝ｃ＆＿ａｃｅｔ＝Ｃ００００５０２２１＆＿ｖｅｒｓｉｏｎ＝１＆＿ｕｒｌＶｅｒｓｉｏｎ＝０＆＿ｕｓｅｒｉｄ＝１０＆ｍｄ５＝ｃ６２７２ｃｂ４４ｂｄ８５０３２１ｃｂ７９ｃ７４６ｄ６６３ｆ２９」に発表
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（５９１０３０４９９）大阪市 (64)
【出願人】（３０２０６９７３４）本荘ケミカル株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
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