JP2000225457A - セラミックス強化金属基複合材料およびその製造方法 - Google Patents
セラミックス強化金属基複合材料およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【解決手段】固相と液相が共存状態にある半溶融合金
を、セラミックスウィスカーまたはセラミックス粒子か
らなる予備成形体に加圧含浸させる。 【効果】機械用部品の強度や耐摩耗性など機械的諸特性
の有利な向上を図ることができ、その際、該部品の必要
な部分のみに所望特性を付与することができる。また、
完全溶融合金を用いた場合に比べて、ひけ巣などの鋳造
欠陥を低減でき、さらには金型などの鋳型の長寿命化を
図ることができる。
を、セラミックスウィスカーまたはセラミックス粒子か
らなる予備成形体に加圧含浸させる。 【効果】機械用部品の強度や耐摩耗性など機械的諸特性
の有利な向上を図ることができ、その際、該部品の必要
な部分のみに所望特性を付与することができる。また、
完全溶融合金を用いた場合に比べて、ひけ巣などの鋳造
欠陥を低減でき、さらには金型などの鋳型の長寿命化を
図ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、機械用部品等の用
途に用いて好適なセラミックス強化金属基複合材料およ
びその製造方法に関し、特に固液共存状態にある半溶融
合金を、セラミックスウィスカーまたはセラミックス粒
子からなる予備成形体（以下、プリフォームという）に
加圧含浸させて複合化することにより、該機械用部品の
強度や耐摩耗性など機械的諸特性の有利な向上を図ろう
とするものである。
途に用いて好適なセラミックス強化金属基複合材料およ
びその製造方法に関し、特に固液共存状態にある半溶融
合金を、セラミックスウィスカーまたはセラミックス粒
子からなる予備成形体（以下、プリフォームという）に
加圧含浸させて複合化することにより、該機械用部品の
強度や耐摩耗性など機械的諸特性の有利な向上を図ろう
とするものである。
【０００２】
【従来の技術】機械用部品の製造法の一つとして、鋳型
の空間（以下、キャビティーという）の一部にプリフォ
ームを配置し、液相のみからなる完全溶融合金を加圧鋳
造して複合化するプロセスが知られている。しかしなが
ら、近年、金型を含む鋳型の長寿命化の観点および省エ
ネルギーの観点から、合金融液の温度を低下させる必要
が生じている。
の空間（以下、キャビティーという）の一部にプリフォ
ームを配置し、液相のみからなる完全溶融合金を加圧鋳
造して複合化するプロセスが知られている。しかしなが
ら、近年、金型を含む鋳型の長寿命化の観点および省エ
ネルギーの観点から、合金融液の温度を低下させる必要
が生じている。
【０００３】上記の問題の解決策としては、固相と液相
が共存状態にある半溶融合金の使用が考えられる。かよ
うな半溶融合金を用いた複合材料の製造法としては、半
溶融合金中にセラミックスのウィスカーまたは粒子を混
合、攪拌して均一なスラリーとしたのち鋳造成形する、
いわゆるコンポキャスティング法が知られている。
が共存状態にある半溶融合金の使用が考えられる。かよ
うな半溶融合金を用いた複合材料の製造法としては、半
溶融合金中にセラミックスのウィスカーまたは粒子を混
合、攪拌して均一なスラリーとしたのち鋳造成形する、
いわゆるコンポキャスティング法が知られている。
【０００４】しかしながら、このコンポキャスティング
法は、機械用部品の全体を強化する方法としては有利で
あるものの、機械用部品中の特定部分を強化する方法と
しては不向きであった。また、コンポキャスティング法
では、機械用部品において、強度や耐摩耗性等が必要な
い部分まで高価なセラミックスの繊維または粒子を含む
ために、部品の製造コストが高くなるというデメリット
があった。
法は、機械用部品の全体を強化する方法としては有利で
あるものの、機械用部品中の特定部分を強化する方法と
しては不向きであった。また、コンポキャスティング法
では、機械用部品において、強度や耐摩耗性等が必要な
い部分まで高価なセラミックスの繊維または粒子を含む
ために、部品の製造コストが高くなるというデメリット
があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を有利に解決するもので、素材合金として半溶融合金を
用いることによって、鋳造のプロセス温度を低下させ得
るだけでなく、キャビティー中の特定部分のみにプリフ
ォームを配置し、このプリフォームに半溶融合金を加圧
含浸することによって、機械用部品の特定部分のみに強
度や耐摩耗性などの所望特性を付与することもできる、
セラミックス強化金属基複合材料の有利な製造プロセス
を提案することを目的とする。
を有利に解決するもので、素材合金として半溶融合金を
用いることによって、鋳造のプロセス温度を低下させ得
るだけでなく、キャビティー中の特定部分のみにプリフ
ォームを配置し、このプリフォームに半溶融合金を加圧
含浸することによって、機械用部品の特定部分のみに強
度や耐摩耗性などの所望特性を付与することもできる、
セラミックス強化金属基複合材料の有利な製造プロセス
を提案することを目的とする。
【０００６】なお、従来は、半溶融合金をプリフォーム
に加圧含浸するとプリフォームの大幅な変形が予想され
たことから、このようなプロセスの研究、開発例はな
い。従って、これまで、半溶融合金を加圧鋳造するプロ
セスで、プリフォームを用いて機械用部品を部分強化し
た例はない。
に加圧含浸するとプリフォームの大幅な変形が予想され
たことから、このようなプロセスの研究、開発例はな
い。従って、これまで、半溶融合金を加圧鋳造するプロ
セスで、プリフォームを用いて機械用部品を部分強化し
た例はない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】さて、発明者らの研究に
よれば、素材として半溶融合金を用いる場合であって
も、プリフォームの強度や、半溶融合金の固相率および
加圧含浸速度を最適化すれば、半溶融合金をプリフォー
ムに加圧含浸する際におけるプリフォームの変形をほと
んど防止することができ、その結果、所望の複合材料を
製造し得ることの知見を得た。本発明は、上記の知見に
立脚するものである。
よれば、素材として半溶融合金を用いる場合であって
も、プリフォームの強度や、半溶融合金の固相率および
加圧含浸速度を最適化すれば、半溶融合金をプリフォー
ムに加圧含浸する際におけるプリフォームの変形をほと
んど防止することができ、その結果、所望の複合材料を
製造し得ることの知見を得た。本発明は、上記の知見に
立脚するものである。
【０００８】すなわち、本発明の要旨構成は次のとおり
である。 １．固相と液相が共存状態にある半溶融合金を、セラミ
ックスウィスカーまたはセラミックス粒子からなるプリ
フォームに加圧含浸させて得たことを特徴とするセラミ
ックス強化金属基複合材料。
である。 １．固相と液相が共存状態にある半溶融合金を、セラミ
ックスウィスカーまたはセラミックス粒子からなるプリ
フォームに加圧含浸させて得たことを特徴とするセラミ
ックス強化金属基複合材料。
【０００９】２．固相と液相が共存状態にある半溶融合
金を、セラミックスウィスカーまたはセラミックス粒子
からなるプリフォームに加圧含浸させることを特徴とす
るセラミックス強化金属基複合材料の製造方法。
金を、セラミックスウィスカーまたはセラミックス粒子
からなるプリフォームに加圧含浸させることを特徴とす
るセラミックス強化金属基複合材料の製造方法。
【００１０】３．キャビティーの一部または全部にプリ
フォームを配置し、該キャビティーに半溶融合金を加圧
鋳造することを特徴とする請求項２記載のセラミックス
強化金属基複合材料の製造方法。
フォームを配置し、該キャビティーに半溶融合金を加圧
鋳造することを特徴とする請求項２記載のセラミックス
強化金属基複合材料の製造方法。
【００１１】４．上記２または３において、半溶融合金
の固相率が10〜70％であるセラミックス強化金属基複合
材料の製造方法。
の固相率が10〜70％であるセラミックス強化金属基複合
材料の製造方法。
【００１２】５．上記２または３において、半溶融合金
の加圧含浸速度が１〜30cm/sであるセラミックス強化金
属基複合材料の製造方法。
の加圧含浸速度が１〜30cm/sであるセラミックス強化金
属基複合材料の製造方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明では、キャビティー内部の
全域または一部にプリフォームを設置し、加圧鋳造プロ
セスによって半溶融状態の合金をプリフォームに含浸さ
せることによって、機械用部品の全部または一部を強化
した複合材料を製造することができる。
全域または一部にプリフォームを設置し、加圧鋳造プロ
セスによって半溶融状態の合金をプリフォームに含浸さ
せることによって、機械用部品の全部または一部を強化
した複合材料を製造することができる。
【００１４】また、本発明では、プリフォームのフィル
ター効果により、半溶融合金中の固相がプリフォームと
合金との界面近傍に堆積した組織となるが、この堆積し
た固相は、溶質濃度が半溶融合金の初期濃度よりも低
く、延性に富むことから、複合部と合金部の熱応力など
の応力緩和層として機能させることができる。
ター効果により、半溶融合金中の固相がプリフォームと
合金との界面近傍に堆積した組織となるが、この堆積し
た固相は、溶質濃度が半溶融合金の初期濃度よりも低
く、延性に富むことから、複合部と合金部の熱応力など
の応力緩和層として機能させることができる。
【００１５】さて、本発明において、プリフォームの素
材であるセラミックスとしては、酸化物、窒化物、硼化
物、又はこれらの化合物など従来公知のものいずれもが
使用でき、その種類が限定されることはない。また、プ
リフォームの製造方法についても特に限定されることは
ないが、半溶融合金がプリフォーム中に含浸する際に、
変形が生じないように、バインダーの種類、焼成温度お
よび繊維体積率等の製造条件を最適化しておく必要があ
る。例えば、プリフォームの素材として Al18B4O33ウィ
スカーを用いる場合には、バインダーとしてはシリカゾ
ルが好適であり、また焼成温度は1000〜1200℃程度、繊
維体積率は10〜30％程度とすることが好ましい。
材であるセラミックスとしては、酸化物、窒化物、硼化
物、又はこれらの化合物など従来公知のものいずれもが
使用でき、その種類が限定されることはない。また、プ
リフォームの製造方法についても特に限定されることは
ないが、半溶融合金がプリフォーム中に含浸する際に、
変形が生じないように、バインダーの種類、焼成温度お
よび繊維体積率等の製造条件を最適化しておく必要があ
る。例えば、プリフォームの素材として Al18B4O33ウィ
スカーを用いる場合には、バインダーとしてはシリカゾ
ルが好適であり、また焼成温度は1000〜1200℃程度、繊
維体積率は10〜30％程度とすることが好ましい。
【００１６】次に、半溶融合金についても、その合金系
が限定されることはない。また、半溶融合金の製造方法
についても特に限定されることはないが、これをプリフ
ォーム中に加圧含浸する際、プリフォームの変形が生じ
ないような固相率としておくことが重要である。ここ
に、半溶融合金の固相率としては10〜70％程度が好適で
ある。さらに、半溶融合金の加圧含浸速度については１
〜30cm/s程度とすることが好ましい。
が限定されることはない。また、半溶融合金の製造方法
についても特に限定されることはないが、これをプリフ
ォーム中に加圧含浸する際、プリフォームの変形が生じ
ないような固相率としておくことが重要である。ここ
に、半溶融合金の固相率としては10〜70％程度が好適で
ある。さらに、半溶融合金の加圧含浸速度については１
〜30cm/s程度とすることが好ましい。
【００１７】
【実施例】蒸留水中で Al18B4O33ウィスカーを攪拌、分
散させてスラリーとした後、このスラリーに対し無機バ
インダーとしてシリカゾルを５％添加した。ついで、こ
れを吸引脱水整形したのち、乾燥後、1160℃の温度で焼
成し、ウィスカーの空間体積率が18％程度のプリフォー
ムを作成した。なお、このプリフォームの圧縮強度は５
MPa 程度であった。
散させてスラリーとした後、このスラリーに対し無機バ
インダーとしてシリカゾルを５％添加した。ついで、こ
れを吸引脱水整形したのち、乾燥後、1160℃の温度で焼
成し、ウィスカーの空間体積率が18％程度のプリフォー
ムを作成した。なお、このプリフォームの圧縮強度は５
MPa 程度であった。
【００１８】ついで、このプリフォームを、高圧鋳造装
置のキャビティー内に設置し、半溶融状態の合金をキャ
ビティー内に加圧鋳造することにより、キャビティー形
状の鋳造物が成形される。この際、プリフォームを設置
した部分に関しては、半溶融合金中の液相が優先的にプ
リフォーム中に含浸し、結果として鋳造物の一部がウィ
スカーによって強化された複合材料が製造される。
置のキャビティー内に設置し、半溶融状態の合金をキャ
ビティー内に加圧鋳造することにより、キャビティー形
状の鋳造物が成形される。この際、プリフォームを設置
した部分に関しては、半溶融合金中の液相が優先的にプ
リフォーム中に含浸し、結果として鋳造物の一部がウィ
スカーによって強化された複合材料が製造される。
【００１９】半溶融合金の一例として、固相率が50％の
AZ91D合金（Mg−9mass%Al−1mass%Zn）を用い、スクイ
ズキャスト法（加圧含浸速度：20cm/s）により、上記の
加圧鋳造プロセスを実施したところ、プリフォーム変形
量が10％以内で半溶融合金中の液相部分が含浸した複合
材料を製造することができた。図１に、得られた複合材
料の複合部、界面部および合金部（中央域およびダイス
側）の金属組織写真を示す。なお、同図には、完全溶融
合金を用いて、同様の加圧鋳造プロセスを実施した場合
における金属組織写真も併せて示す。
AZ91D合金（Mg−9mass%Al−1mass%Zn）を用い、スクイ
ズキャスト法（加圧含浸速度：20cm/s）により、上記の
加圧鋳造プロセスを実施したところ、プリフォーム変形
量が10％以内で半溶融合金中の液相部分が含浸した複合
材料を製造することができた。図１に、得られた複合材
料の複合部、界面部および合金部（中央域およびダイス
側）の金属組織写真を示す。なお、同図には、完全溶融
合金を用いて、同様の加圧鋳造プロセスを実施した場合
における金属組織写真も併せて示す。
【００２０】本発明に従い得られた複合材料の複合部と
凝固後の合金部との界面における引張強度は、熱処理な
しの状態で120 MPa 程度であった。なお、完全溶融合金
を用いて同様に複合化した場合の界面強度もほぼ同等で
あった。従って、半溶融合金を用いても、完全溶融合金
を用いた場合に比肩する界面の引張強度が得られること
が確認された。図２に、本発明に従い得られた複合材料
の複合部と合金部における引張強度を比較して示す。
凝固後の合金部との界面における引張強度は、熱処理な
しの状態で120 MPa 程度であった。なお、完全溶融合金
を用いて同様に複合化した場合の界面強度もほぼ同等で
あった。従って、半溶融合金を用いても、完全溶融合金
を用いた場合に比肩する界面の引張強度が得られること
が確認された。図２に、本発明に従い得られた複合材料
の複合部と合金部における引張強度を比較して示す。
【００２１】また、得られた複合材料の複合部分内部に
おける合金組成を分析したところ、その組成は固相率：
50％のAZ91D 合金の平衡液相組成とほぼ一致した。これ
により、 半溶融合金では、AZ91D 合金に限らず、完全溶
融合金が含浸する場合よりも、合金中の溶質強度が増加
し、複合材料中のマトリックスの固溶強化、あるいは金
属間化合物の析出による強化が期待できることが判る。
実際、完全溶融合金を用いた場合の複合材料の硬さがＨ
v : 150 であったのに対し、固相率：50％の半溶融合金
を用いた場合はＨv : 180 であり、硬さが約20％上昇し
た。
おける合金組成を分析したところ、その組成は固相率：
50％のAZ91D 合金の平衡液相組成とほぼ一致した。これ
により、 半溶融合金では、AZ91D 合金に限らず、完全溶
融合金が含浸する場合よりも、合金中の溶質強度が増加
し、複合材料中のマトリックスの固溶強化、あるいは金
属間化合物の析出による強化が期待できることが判る。
実際、完全溶融合金を用いた場合の複合材料の硬さがＨ
v : 150 であったのに対し、固相率：50％の半溶融合金
を用いた場合はＨv : 180 であり、硬さが約20％上昇し
た。
【００２２】
【発明の効果】この発明の効果を具体的に列挙すると次
のとおりである。 (1) 本発明における複合化は、半溶融合金を用いるた
め、完全溶融合金を用いた場合に比べて、ひけ巣などの
鋳造欠陥を低減することができる。 (2) 本発明における複合化は、半溶融合金を用いるた
め、完全溶融合金を用いた場合に比べてプロセス温度が
低く、このため金型などの鋳型の長寿命化を図ることが
できる。 (3) 半溶融合金プロセスの特長を活かしながら、機械用
部品の必要な部分のみに強度や耐摩耗性などの所望特性
を付与することができる。
のとおりである。 (1) 本発明における複合化は、半溶融合金を用いるた
め、完全溶融合金を用いた場合に比べて、ひけ巣などの
鋳造欠陥を低減することができる。 (2) 本発明における複合化は、半溶融合金を用いるた
め、完全溶融合金を用いた場合に比べてプロセス温度が
低く、このため金型などの鋳型の長寿命化を図ることが
できる。 (3) 半溶融合金プロセスの特長を活かしながら、機械用
部品の必要な部分のみに強度や耐摩耗性などの所望特性
を付与することができる。
【図１】本発明に従い得られた複合材料の複合部、界面
部および合金部（中央域およびダイス側）における金属
組織を、完全溶融合金を用いた場合における金属組織と
比較して示した顕微鏡金属組織写真である。
部および合金部（中央域およびダイス側）における金属
組織を、完全溶融合金を用いた場合における金属組織と
比較して示した顕微鏡金属組織写真である。
【図２】本発明に従い得られた複合材料の複合部と合金
部における引張強度を示した図である。
部における引張強度を示した図である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年１１月１８日（１９９９．１１．
１８）
１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００８】すなわち、本発明の要旨構成は次のとおり
である。 １．固相と液相が共存状態にある半溶融合金を、セラミ
ックスウィスカーまたはセラミックス粒子からなるプリ
フォームに対し、該予備成形体の変形を招くことのない
半溶融合金の固相率：10〜70％でかつ、半溶融合金の加
圧含浸速度：１〜30cm/sの条件下で加圧含浸させて得た
ことを特徴とするセラミックス強化金属基複合材料。
である。 １．固相と液相が共存状態にある半溶融合金を、セラミ
ックスウィスカーまたはセラミックス粒子からなるプリ
フォームに対し、該予備成形体の変形を招くことのない
半溶融合金の固相率：10〜70％でかつ、半溶融合金の加
圧含浸速度：１〜30cm/sの条件下で加圧含浸させて得た
ことを特徴とするセラミックス強化金属基複合材料。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】２．固相と液相が共存状態にある半溶融合
金を、セラミックスウィスカーまたはセラミックス粒子
からなるプリフォームに対し、該予備成形体の変形を招
くことのない半溶融合金の固相率：10〜70％でかつ、半
溶融合金の加圧含浸速度：１〜30cm/sの条件下で加圧含
浸させることを特徴とするセラミックス強化金属基複合
材料の製造方法。
金を、セラミックスウィスカーまたはセラミックス粒子
からなるプリフォームに対し、該予備成形体の変形を招
くことのない半溶融合金の固相率：10〜70％でかつ、半
溶融合金の加圧含浸速度：１〜30cm/sの条件下で加圧含
浸させることを特徴とするセラミックス強化金属基複合
材料の製造方法。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１６】次に、半溶融合金についても、その合金系
が限定されることはない。また、半溶融合金の製造方法
についても特に限定されることはないが、これをプリフ
ォーム中に加圧含浸する際、プリフォームの変形が生じ
ないような固相率としておくことが重要である。ここ
に、半溶融合金の固相率としては10〜70％とする必要が
ある。さらに、半溶融合金の加圧含浸速度については１
〜30cm/sの範囲とする必要がある。なお、本発明におい
て、「プリフォームの変形が生じない」という意味は、
後述する実施例にも示したとおり、プリフォーム変形量
が10％以内のことである。
が限定されることはない。また、半溶融合金の製造方法
についても特に限定されることはないが、これをプリフ
ォーム中に加圧含浸する際、プリフォームの変形が生じ
ないような固相率としておくことが重要である。ここ
に、半溶融合金の固相率としては10〜70％とする必要が
ある。さらに、半溶融合金の加圧含浸速度については１
〜30cm/sの範囲とする必要がある。なお、本発明におい
て、「プリフォームの変形が生じない」という意味は、
後述する実施例にも示したとおり、プリフォーム変形量
が10％以内のことである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２２】
【発明の効果】この発明の効果を具体的に列挙すると次
のとおりである。 (1) 本発明における複合化は、半溶融合金を用いるた
め、完全溶融合金を用いた場合に比べて、ひけ巣などの
鋳造欠陥を低減することができる。 (2) 本発明における複合化は、半溶融合金を用いるた
め、完全溶融合金を用いた場合に比べてプロセス温度が
低く、このため金型などの鋳型の長寿命化を図ることが
できる。 (3) 半溶融合金プロセスの特長を活かしながら、その実
施に際してプリフォームの変形を生じることがなく、ま
た機械用部品の必要な部分のみに強度や耐摩耗性などの
所望特性を付与することができる。
のとおりである。 (1) 本発明における複合化は、半溶融合金を用いるた
め、完全溶融合金を用いた場合に比べて、ひけ巣などの
鋳造欠陥を低減することができる。 (2) 本発明における複合化は、半溶融合金を用いるた
め、完全溶融合金を用いた場合に比べてプロセス温度が
低く、このため金型などの鋳型の長寿命化を図ることが
できる。 (3) 半溶融合金プロセスの特長を活かしながら、その実
施に際してプリフォームの変形を生じることがなく、ま
た機械用部品の必要な部分のみに強度や耐摩耗性などの
所望特性を付与することができる。
Claims (5)
- 【請求項１】 固相と液相が共存状態にある半溶融合金
を、セラミックスウィスカーまたはセラミックス粒子か
らなる予備成形体に加圧含浸させて得たことを特徴とす
るセラミックス強化金属基複合材料。 - 【請求項２】 固相と液相が共存状態にある半溶融合金
を、セラミックスウィスカーまたはセラミックス粒子か
らなる予備成形体に加圧含浸させることを特徴とするセ
ラミックス強化金属基複合材料の製造方法。 - 【請求項３】 請求項２において、鋳型の空間の一部ま
たは全部に予備成形体を配置し、該鋳型空間に半溶融合
金を加圧鋳造することを特徴とするセラミックス強化金
属基複合材料の製造方法。 - 【請求項４】 請求項２または３において、半溶融合金
の固相率が10〜70％であるセラミックス強化金属基複合
材料の製造方法。 - 【請求項５】 請求項２または３において、半溶融合金
の加圧含浸速度が１〜30cm/sであるセラミックス強化金
属基複合材料の製造方法。
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