JPH01283330A - アルミニウム基複合部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、アルミニウム金属をマトリ７クスとし、こ
れを強化材で部分複合化させるアルミニウム基複合部材
の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 従来、アルミニウム金属を部分強化する手段の一つとし
て繊維体を複合化させる高圧鋳造法が知られている。

この方法ではＳｉＣ，５ｉａＮ４などの短繊維を成形し
て繊維体を製造し、この繊維体を鋳型内に配置してアル
ミニウム金属溶湯を注入するとともに、加圧して鋳造す
る。アルミニウム金属溶湯は加圧により繊維体中に含浸
して、繊維体とアルミニウム金属とが複合一体止される
。

（発明か解決しようとする課題） しかしなから、従来の高圧鋳造法によれば、アルミニウ
ム金属溶湯の含浸に際し、アルミニウム金属と繊維との
ある種反応などにより成分偏析を生じ、組織欠陥の原因
になるという問題点があり、これに対しては一方向加圧
により反応部を系外に排出する方法か提案されている（
特開昭６２−２３８０６２号）。

しかし、この方法においても、成分偏析の防止は十分で
はなく（反応部と未反応部との境界も明確てはない）、
また歩留りが低下するという問題点かある。

さらに、高圧鋳造法では、含浸時に繊維体の収縮を伴う
ことがあり、Ｖ５　（繊維体容積比）のコントロールが
困難であり、また繊維体の相対密度が高い場合には溶湯
の含浸は困難となる。特に溶湯と繊維との濡れ性が悪い
場合には、困難性はより顕著となり、繊維体の種別など
の制約が大きいという問題点がある。

また粒子状の強化材によりグリフ１−ム体を成形する場
合には、プリフォーム体の強化材密度が高いなめ、溶湯
の含浸は困難であり、事実上、粒子状強化材を使用する
ことは困難である。

以上のように、高圧鋳造法では繊維体への含浸を達成す
るために、例えば１０００ｋｇ／ｃＪ以上の高圧が必要
とされ、大型の設備を要し、設備費がかさむという問題
点もある。

この発明は、上記問題点を解決することを基本的な目的
とし、強化材の選択の制約か少なくて、組織欠陥のない
複合部材を歩留りよく得られるアルミニウム基複合部材
の製造方法を提供するものである。

（課題を解決する為の手段） 上記目的を達成するため本願発明のアルミニウム基複合
部材の製造方法は、アルミニウム金属粉末と、強化材と
を混合して所定形状に成形し、この成形体を予備加熱し
て鋳型内に配置しておき、次いで鋳型内に複合部材のマ
トリックスとなるアルミニウム金属溶湯を注湯して加圧
鋳造することを特徴とするものである。

なお、成形体の予備加熱温度は、粉末用アルミニウム金
属の固相線温度以上とするのが望ましい。

上記のアルミニウム金属粉末は、原材料として、アルミ
ニウム合金は勿論のこと、純アルミニウムを用いること
も可能であり、しかもアルミニウム合金の種別が特に制
限されるものでのではなく、複合部材の目的などに応じ
適宜選択することができる。例えば一般用展伸材である
ＪＩＳ６０６１合金やＡＣ８ＡＣ１２ＪＩＳ２０２４合
金などを用いる。

このように種別が定められたアルミニウム金属を、粉化
する方法も特に限定されるものではなく、従来用いられ
ている機械的粉砕法や物理化学的製粉法などの各種方法
を用いることができる。しかも得られた金属粉には酸化
被膜か形成されていてもよいので、不活性カスを用いた
高価なアトマイズ粉などを用いなければならない必要性
□はなく、原材料の制限が少ない。また製造されたアル
ミニウム金属粉の形状は、片状、針状などでもよいが、
高密度を得るように球状、もしくはその変形であるもの
（例えば細球形）が好ましい。またその粒度は、強度、
ＷＡ摩耗性に優れた複合部材を得たいような場合には０
．１〜１００ＩｆＩＲ程度とし、潤滑性に優れた材料を
得たい場合には２００珈〜ｌｌ１１ｍ程度とするのが望
ましいが、この範囲に限定されるものではない。

以上説明したアルミニウム金属粉末と混合する強化材と
しては、強化粒子や繊維材料を用いる。

強化粒子としては、ＡＩ　２０３などに代表されるセラ
ミック粉末などの無機物や他種金属などを用いるが、そ
の形状、粒度は限定されず、２種以上のものでもよい。

例えば粒度としては０．５〜１０−５　＝ 珈程度とする。

繊維材料としては、ＳｉＣ，５ｉａＮ＋などの短繊維、
長繊維があり、さらに雲母、黒鉛、ＡＩ　２０　ａ、Ｆ
ｅ２０ａなどの無機化合物、Ｗ、「ｅなどの金属を用い
ることができる。また繊維は単結晶（ウィスカー）、多
結晶であることを問わす、非晶質のものであってもよい
。

上記したアルミニウム金属と強化材との混合比は、限定
されないが、強化材の容積比が５〜６０％となるように
混合するのが望ましい。この混合においては、潤滑剤や
結合剤などを添加してもよく、ボールミルなどを用いて
均一に撹拌混合する。

なお、この撹拌混合では、強化粒子の凝集材を分解する
ことができ、しかもアルミニウム金属粉末の粉砕を伴わ
ない程度の撹拌力による混合条件が必要である。

このようにして得られた混合粉は、所定形状に成形する
。

この成形は冷間、温間を問わないものであり、温間では
１００〜４００℃（好ましくは再結晶温変態−１ユて２
００〜３００°Ｃ）の範囲て加熱し、さらに所望により
相対密度が６０％以上（好ましくは６５％以−４−）と
なるように加圧成形する。この相対密度か小さいと、形
崩れを生しやすく、取扱いか難しくなる。但し、相対密
度を大きくするために加圧力を増大させると、アルミニ
ウム金属粉末か塑性変形なとする。このなめ所望により
生成さぜな表面の酸化被膜が破壊されてしまう。しなか
って必要以−トに相対密度を高めるのは望ましくなく、
８５％以干程度とするのが望ましい（より好ましくは７
５％以下）。このように密度が増加した成形体は保管や
移送が容易となる。また成形体は一体物てよいことは勿
論てあろが、複数の分割成形体としておくことも可能で
ある。

この成形体は、成形用型１ノ東もしくは成形用型外部に
おいて予備加熱する。また、この予備加熱は、予備加熱
用の型や後述する鋳型内で行なうことも可能である。

さらに、予備加熱の温度は、具体的には３００°Ｃ以−
１−程度とし、好ましくは粉末用アルミニウム＝　７− 金属の固相線温度以上とする。また、固液共存域さらに
、液相線温度以上の場合でも、アルミニウム金属粉末の
表面が酸化被膜で覆われノご状態を維持することにより
、同様に定形性か保ノコれる。したかって、液相線温度
Ｕ、上で予備加熱する場合には、酸化膜を維持てきる温
度、例えば液相線温度＋（２０〜１５０°Ｃ）程度で加
熱する。

上記成形体を鋳型内に配置し７て、複合部材のマ）・リ
ックスとなるアルミニウム金属溶湯を注湯する。鋳型内
への成形体の配置は、前述した分割成形体の設置により
行なうことも可能である。また所望により複数部位を強
化すべく、複数箇所に成形体を配置することもできる。

この場合、成形体は同一のものを複数配置することも可
能であるが、粉末用アルミニウム金属、強化材、密度、
形状などを代えた異種の成形体を配置することも可能で
ある。

次に前記７１〜リツクス用アルミニウム金属には、一般
に成形体における粉末用アルミニウム金属と同種のもの
を用いるか、これとは異なり異種のアルミニウム金属を
用いることも可能である。このマトリックス川アルミニ
ウム金属は、自身の液相線温度＋５０〜１５０°Ｃに加
熱して溶湯とする。

具体的には、例えばＪＩＳ６０６１合金では７５０°Ｃ
程度とする。

上記の溶湯を鋳型内に注湯して加圧鋳造をする際の加圧
力は、７１〜リンクスのアルミニウム金属溶湯の凝固時
に必要な加圧力で、５００ｋｇ／−以−１−とするのが
望ましい。たたし、マトリックスのアルミニウム金属溶
湯が成形体内部にまで含浸する必要はない。

なお、成形体の表面に酸化被膜が形成されていて、この
成形体を粉末用アルミニウム金属の固相線温変態」ニー
、望ましくは液相線温度以上に加熱した場合には、前記
加圧力はアルミニニウム金属粉末の酸化被膜内の溶湯か
酸化被膜外へ排出される圧力以上とするのが望ましい。

（発明の作用） この発明によれば、成形体を鋳型内に配置して加圧鈎造
することにより、成形体と７１〜リンクスとの界面近傍
でマトリックスのアルミニウム金属溶湯による浸透が生
じ、さらに、この溶湯と成形体のアルミニウム金属粉末
が溶解した溶湯とが混合し、成形体と７１へリックスと
か高強度を有する状態て接合されて複合一体止する。

なお、成形体をアルミニウム金属粉末の固相線以下の温
度て予備加熱した場合にもマトリックスの溶湯と接触し
た成形体界面付近の温度がアルミニウム金属粉末の同相
線温度以上となれは、アルミニウム金属粉末の一部は溶
解し、又、粉末が酸化膜て覆われているときにも加圧に
より酸化膜か破られ、溶解したアルミニウム金属が周囲
の空洞を埋めるとともに、強化材を濡らして複合化か達
成される。従って、成形体のアルミごニウム金属粉末と
７トリンクスのアルミニウム金属溶湯が成形体とマトリ
ックスとの界面近傍で混合することになる。

なお、成形体の大部分（成形体内部）では、７１〜リツ
クスのアルミニウム金属溶湯の含浸はほとんどない。成
形体内部ては、成形体をアルミごニラム金属粉末の固相
線温度以上に加熱することにより、又、固相線未満であ
っても、マトリックスのアルミニウム金属溶湯からの伝
熱により成形体のアルミニウム金属粉末が固相線温度具
−Ｆとなり、粉末のアルミニウム金属の溶湯が周囲の強
化材を濡らし、成形体内部でも複合化か生ずる。

また、成形体を粉末用アルミニウム金属の液相線温度以
上に加熱する場合には、アルミニウム金属粉末の表面を
酸化被膜で覆われた状態としておく。すなわち、予備加
熱前、または加熱に従い酸化被膜を形成する。

この発明の実施にあたっては、酸化膜の厚さか適当とな
るように粉体製造時の雰囲気や、製造後の管理状筋を調
整することも可能であり、また液相線に達するまでの予
備加熱制御により酸化被膜の厚さを調整することもでき
る。成・形体をアルミニウム金属の液相線以上の温度で
加熱することにより、成形体における酸化被膜で覆われ
たアルミニウム金属が溶融する。一方、酸化被膜は液相
状態とならないように加熱する。従ってアルミニラム金
属粉末の単体では内部のアルミニウム金属のみが溶融し
た状態にあり、各単体の独立性か維持される。さらに加
圧鋳造により成形体も加圧され、酸化被膜が破壊されて
内部の溶融金属が浸出する。

溶融金属は流動性に富んでおり、アルミニウム金属粉末
と強化材との隙間に効率よくしみ込んで、アルミニウム
金属粉体と強化材とを強制的に濡れさせる。また成形体
内に残存していた空気や加熱により発生ずるカスを成形
体外部に強制排除し、気孔の発生を阻止して相対密度の
高い複合材が得られる。前記加圧では、加圧力を一定も
しくは変化させて、アルミニウム金属か凝固するまで続
行させることにより、凝固収縮による気孔などの発生を
阻止できる。すなわち初期の加圧力は酸化被膜破壊によ
る複合化に必要な大きさが求められ、その後は凝固収縮
による気孔発生を阻止する加圧力が必要とされる。

なお、破壊された酸化被膜は、微細粒子として強度向上
に寄与する。

以上のように、成形体が複合化されて、この複合材にり
マトリックスのアルミニウム金属か部分複合化されて複
合部材が得られる。

（実施例１） 以下にこの発明の一実施例を第１図に基づいて説明する
。

ＪＩＳ６０６１アルミニウム合金をエアーアトマイズ法
により、平均粒径４０珈のアルミニウム金属粉末とし、
この粉末６００ｇと繊維長が１０〜３０珈で繊維径か０
．４ＩＪＲであるＳｉＣウィスカー２００ｇとをボール
ミル１によりアルコール溶済中で均一に混合した。

この混合粉２を成形用型３内に、収容して３００°Ｃに
加熱し、１００ｋｇ／ｃＪの圧力で加圧して相対密度６
８％の成形体４を得た。

この成形体４を成形用型３から取り出して予め３５０°
Ｃに加熱しておいた鋳型５内に配置して、さらにこの成
形体４を３５０°Ｃに加熱する予備加熱を行った。

次いでこの鋳型５内に７５０’Ｃに加熱しなＪＩＳ６０
６１アルミニウム合金からなるマトリックス用アルミニ
ウム金属溶湯６を注湯し、雄型７により１０００ｋｇ／
−の圧力で加圧鋳造した。

得られた複合部材は、マトリックスの溶湯６が成形体４
の界面部で含浸して接合強度が向上しており、また強化
材を配した部位内での成分偏析なとも生ずることなく耐
熱性、耐摩耗性に優れた特性を有していた。さらに熱膨
張率が低く、ヤング率、強度とも高い特性を有しており
、高温での強度などが要求される内燃機関用のピストン
などに好適の材料か得られた。

なお、本実施例の複合部材の熱膨張率を評価するため、
ＪＩＳ６０６１アルミニウム合金を比較例１として、熱
膨張率を測定する実験を行った。その結果は第１表に示
す通りである。

は、比較例１に対し、熱膨張率の低減か顕著である。

（実施例２） 次に他の実施例を以下に説明する。ＪＩＳ２０２４アル
ミニウム合金を常法により４０１Ｍの粒径を有するアル
ミニウム金属粉末とし、この粉末７００ｇと、０．５間
の粒径を有するＡｌ　２０３粒子３００ｇとをボールミ
ルにより均一となるように乾式混合した。

この混合粉を成形用型内で、前記実施例同様に加熱、加
圧して相対密度７１％の成形体を得た。

成形体は成形用型内から取り出して、ＪＩＳ２０２４合
金の液相′ｌ＆温度以変態である７００°Ｃに加熱する
予備加熱を行−２な。この加熱の際に、アルミニウム金
属粉末は酸化膜で覆われた状態にあり、粉末中休の内部
か溶湯状態であっても成形体の定形性は損われず、鋳型
内に収納するハンドリンクの際にも形崩れは生じなかっ
た。

次いで前記実施例と同様にして、７５０°Ｃに加熱しな
ＪＩＳ２０２４合金からなる溶湯を鋳型内に注湯して５
００ｋｇ／ｃＪの圧力て加圧鋳造を行ったにの実施例で
は、アルミニウム金属粉末の酸化被膜内溶湯か強化材間
に浸透して成形体の結合性を向上させる。得られた複合
部材は、前記実施例と同様に耐熱性、耐摩耗性などの胚
特性に優れていた。

（実施例３） 次に成形体の予備加熱温度を変えて３種の複合部材を製
造した。

この実施例を以Ｔに説明する。

ＪＩＳＡＣ８Ａアルミニウム合金を常法により平均粒径
４０虜のアルミニウム合金粉末とし、この粉末５６０ｇ
と、１．７ＩＥＲの粒径を有するへ１２０Ｂ粒子２４０
ｇとをボールミルにより均一に乾式混合した。

この混合粉を成形用型内に収容し、冷間て２００ｈｇ／
ａ’＆の圧力で加圧して成形体を得た。

この成形体を３個用意して、その１つの成形体ＡをＪＩ
ＳＡＣ８八アルミニ八人ルミニウム合金度（Ｓ１゛）と
液相線温度（ＬＴ）との間の固液共存域温度以干である
５５０’Ｃて予備加熱し、他の１つの成形体Ｂを液相線
温度量−Ｌの６００°Ｃて予備加熱し、さらに他の１つ
の成形体Ｃを同じく液相線温度以上である６５０°Ｃで
予備加熱をした。

これら成形体Ａ、ＢおよびＣをそれぞれ鋳型に収容し、
７５０℃に加熱したＪＩＳＡＣ８八合金からなる溶湯を
鋳型内に注湯して、５００ｋｇ／−の圧力で加圧鋳造を
行った。得られた複合部材は、成形体Ａを用いたものを
実施例３Ａとし、成形体Ｂを用いたものを実施例３Ｂと
し、成形体Ｃを用いたものを実施例３Ｃとした。

次にこれら実施例の複合部材を用いて、引張強度および
ヤング率を測定する実験を行った。その結果を図示する
と第２図の通りであり、引張強度、ヤング率ともに良好
な結果が得られた。

なお、引張強度においては実施例３Ａ、３Ｂ、３０間で
有意差は認められなかったが、ヤング率においては、実
施例３Ａよりも実施例３Ｂが、実施例３Ｂよりも実施例
３Ｃがより優れていた。

次に、前記実施例３Ａ、３Ｂ、３Ｃの組織状態を観察し
たところ、実施例３Ａでは、成形体Ａによる複合材の内
部にボイドか見られ、相対密度も９０％に満なない程度
であった。実施例３Ｂでは実施例３Ａよりもボイドが少
なく、相対密度も高かったが、実施例３Ｃではボイドは
殆んど、又は全く存在せず、相対密度もほぼ１００％と
なった。

これは予備加熱温度か高い方か、アルミニウム金属粉末
と強化材との濡れ性か向上するためと思われる。

又、上記組織状態の差異によりヤング率においても差異
か生じたものと思われる。

次に、実施例の熱膨張係数を評価するため、ＪＩＳＡＣ
８＾アルミニウム合金を比較例３として、熱膨張率を測
定したところ、第２表に示されるように比較例３は２０
．１　Ｘ　１０−６（’Ｃ”１）であるのに対し、実施
例３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、１５〜１７×１０’　（’Ｃ−
１＞の範囲にあり、いずれも熱膨張率の低減効果か大き
いという結果か得られた。なお、実施例間では、実施例
３Ｃか最も低減効果が大きく、実施例３Ａが低減効果が
小さいという傾向が見られた。

第２表 （発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、アルミニウム
金属粉末と、強化材とを混合して所定形状に成形し、こ
の成形体を予備加熱して鋳型内に配置しておき、次いで
鋳型内にマトリックスとなるアルミニウム金属溶湯を注
湯して加圧鋳造するので、鋳造時の圧力の必要値は低く
、加圧設備費用を低減できる。さらに、強化材の種別な
どの制約も少ないという効果か得られる。

また、成形体とマトリックスとの接合性が良好であり、
接合部の強度特性に優れている。得られた複合部材は、
強化材を配した部位で成分偏析などが生することもなく
、均一な組織状態か得られ、耐熱性、耐摩耗性に優れて
おり、さらに熱膨脹率が低くてヤング率、強度とも高い
特性か得られるという効果かある。

また、成形体の予備加熱温度は、粉末用アルミニウム金
属の固相線温度以上とずれは、粉末用アルミニウム金属
溶湯の強化材間での浸透により強化材の結合性が向上す
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す工程図、第２図は実
施例３Ａ、３Ｂ、３Ｃの機械的特性を示すグラフである
。 ２・・・混合粉 ４・・・成形体 ５・・・鋳型

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　アルミニウム金属粉末と、強化材とを混合して、所
   定形状に成形し、この成形体を予備加熱して鋳型内に配
   置しておき、次いで、鋳型内に複合部材のマトリックス
   となるアルミニウム金属溶湯を注湯して加圧鋳造するこ
   とを特徴とするアルミニウム基複合部材の製造方法 ２　成形体の予備加熱温度は、粉末用アルミニウム金属
   の固相線温度以上とした請求項１記載のアルミニウム基
   複合部材の製造方法