JPH01313180A - Ａ１系金属基複合材料の製造方法 - 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） 本発明は、比重が２〜３程度の軽量かつ＾強度のＡｌ系
金属基複合材料の半溶融凝固法による製造方法に関する
ものである。

（従来の技術） 従来、半溶融凝固法によるＡｌ系金属基複合材料の製造
については、たとえば特開昭５７−８２４４１号公報に
示されるように、半溶融状態のＡｌ合金を撹拌しながら
強化材粒子を添加し、撹拌を続けながら凝固させるとい
う技術が知られている。

しかし、この方法には若干の困難な課題が存在する。す
なわち、撹拌を続けながら凝固させる技術は、凝固の進
行を伴いながら撹拌翼の回転を続けるために、実行上相
当の工夫を必要とする。また、凝固速度に関しては、こ
の方法のように規制がないのが一般的である。さらにマ
トリックス金属の溶解の際の雰囲気としては、たとえば
特開昭５８−１１０６５２号公報に示されるように、ｒ
Ｎｔ等を導入して装置内を不活性雰囲気とした後、加熱
して溶解する。溶解された鋳造用Ａｌ合金を固液共存温
度に保持し、撹拌板で撹拌しつつＡｌ□Ｏ１粒子を添加
する」という技術が一般的であった。このように、従来
は半溶融状態での強化材料の添加は実施しているが、そ
の〃ス雰囲気に関しては大気中かあるいは全く単純に不
活性〃ス雰囲気とすることのみであった。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような従来の技術によるＡＩ系金属基複合材料の
製造方法は重大な欠点を有していた。すなわち、Ａｌ合
金の溶解時には通常水蒸気とＡｌとの反応などにより発
生したＨａｙスが溶融Ａｌ合金中に存在し、Ａｌ合金中
のＨ２ｔｔスの溶解度は金属が液体であるときと固体で
あるときとで異なり、固体の場合には液体の場合より大
幅に溶解度が小さくなるため、Ａｌ合金の凝固時に複合
材料中に多量のＨ２〃スが発生してくる。このＨ２〃ス
が金属の凝固後複合材料中にボイドすなわちガスを含む
空孔を形成するため、欠陥の多い複合材料となる。

このような欠陥の発生は複合材料の強度を大幅に低下さ
せ、実質的に複合材料を使用するメリットを皆無とする
に等しいものであった。現在でも半溶融凝固法による金
属基複合材料が実際に使用されている例が極めて少ない
のは、一つにはこのためであると考えられている。また
、強化材料として短繊維状のものを用いた場合には、比
重差、形状などにより均一分散させることが困難であっ
た。

本発明の目的は、前述のような従来技術の欠点を解消し
、内部欠陥の無いＡＩ系金属基複合材料の製造方法を提
供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、Ａｌ合金に短繊維状の強化材料を添加するに
際して、Ａｌ合金を溶解し、撹拌しながら温度を徐々に
低下させ半溶融凝固状態として撹拌を続けながら予めＡ
ｌ合金粒子と混合した状態で短繊維状の強化材料の添加
を行い、前記の溶解、撹拌、添加を１〜Ｉ　Ｘ　１０−
４Ｔｏｒｒの真空中で実施し、鋳造直前に不活性ガスを
添加して７６０〜１０Ｔｏｒｒの真空度とした後、鋳造
することを特徴とするＡＩ系金属基複合材料の製造方法
である。゛（作用） 溶解、撹拌、添加を１−　Ｉ　Ｘ　１０−４Ｔｏｒｒの
真空中で実施する理由は、この段階で可、能な限りＡｌ
合金中のＨ２〃スを抜くためである。ここで１　Ｘ　１
０−’Ｔ　ｏｒｒ超の真空度は良い結果となるが、実用
上意味がない、また真空度がＩＴｏｒｒより悪い場合は
ボイドの生成を防止するうえで不充分である。次に、鋳
造直前にＡ　ｒ、　Ｈｅ、　Ｎ　ｚ等の不活性ガスを添
加して７６０〜１０Ｔｏｒｒの真空度とした後鋳造する
理由は、わずかにＡｌ合金中に残ったＨ２ｔｆスが、そ
の溶解度が固体の場合には液体の場合より大幅に小さく
なるためＡｌ合金の凝固時に複合材料中に多量に発生し
てくることを、溶解度の差分を周囲の圧力を高めること
により防止するためである。ここで１０Ｔｏｒｒ〜の真
空度とする理由は、前記真空度においてガスを抜きなが
らもなお残存したガスによるボイド発生を抑制するため
であり、これより小さい圧力ではボイドの発生が多くな
る。また７６０Ｔｏｒｒ以上とすることすなわち大気圧
以上の圧力に加圧することは、得られるＡＩ系金属基複
合材料の特性は殆ど変化しないが、ガスもれ等の不必要
のトラブルを防止するために避ける。

マトリックスとなるＡｌ合金としては、以下に詳述する
半溶融凝固状態を生成させる観点から、純ＡＩのように
液体から固体に変化する温度が一点しか存在しないもの
では目的に合わず、たとえばＡＩ−８Ａｌ−８ｉ濃度が
約１−１１ｎｔ％範囲のように液相温度と同相温度の差
が大きく、広い温度範囲を有する成分が好ましい。この
ようなＡｌ合金成分系としては、他にたとえばＡｌ−Ｍ
ｇ系、Ａｌ−８１Ｍｇ系等がある。

半溶融凝固状態とは、特開昭５７−８２４４１号公報に
も示されているように、まず金属を状態図の液相温度以
上に加熱して溶解させ、撹拌翼等を用いて撹拌しながら
温度を徐々に低下させて状態図上に示される液相温度と
固相温度との中間温度まで冷却し、微小な金属の固体粒
子と液体とが均一混合してシャーベット状となった状態
をいう。

この半溶融凝固状態で撹拌を続けながら、短繊維状の強
化材料、たとえば１〜３１程度の長さに切断した直径１
０μｍ程度の炭素繊維、ＳｉＣウィスカーなどの１種ま
たは２種以上を、粒子の種類によって、また目的、用途
に応じて必要な量まで添加する。

強化材料としては、当該複合材料の目的、用途により種
々のものが使用されるが、たとえば■高い強度を有する
ウィスカー　（ＳｉＣｗ等）、■短繊維、数μ論から数
１程度の長さに切断したもの（炭素繊維、ＳｉＣ繊維等
）などが工業的に容易に使用できる。

この半溶融凝固状態における強化材料の添加のためには
、装置としてはたとえば特開昭５８−１１０６５２号公
報に示されるような雰囲気〃スを制御可能な溶解、撹拌
、添加装置が従来から知られているが、本発明の実施の
ためには雰囲％ｙｘの制御に加えて、真空度を好ましく
はｌＸｌ０−’〜１×Ｉ（Ｉ″’　Ｔ　ｏｒｒ程度まで
高めることが可能な装置を使用する。前述のようにＩ　
Ｘ　１０−４Ｔｏｒｒ超の真空度は良い結果とはなるが
、装置の費用が高価となり、かつ作業が繁雑となるなど
真空度を高める割には実質的効果が少なく、実用上意味
がない。

短繊維状の強化材料の添加は、たとえばＳｉＣウィスカ
ーや長さ数μ−〜数ａｎ程度の炭素繊維などの短繊維を
半溶融状態のＡｌ合金中に添加するに際して、マトリッ
クス合金と同一あるいは他の合金成分を含有した数μ鋤
〜数百μ鴎程度のＡｌ合金粒子を事前に短繊維状の強化
材料と均一に混合しておいて添加することにより、極め
て容易に均一な添加が可能となる。単に短繊維状の強化
材料の添加のみでは、たとえ半溶融状態における添加と
いえども、なかなか均一な添加は困難である。

本発明の半溶融凝固法による製造方法を図面に基づいて
説明する。

第１図は、半溶融凝固法による金属基複合材料製造工程
の説明図である。その工程は、■加熱による金属の溶解
、■撹拌しなから液相温度以下、固相温度以上のほぼ中
間温度まで冷却して半溶融状態とする、■撹拌を続けな
がら強化材料を添加する、■初期に発生した微小粒子の
固体中に強化材料を混合するための再度の短時間の加熱
（必要に応じて撹拌を伴う）、■鋳造、凝固、の５工程
である。ここで、雰囲気制御の観点からの説明を容易と
するため、これらの工程を大きく２つに分類した。すな
わち、工程Ａは上記■〜■の工程であり、この闇の雰囲
気は１〜Ｉ　Ｘ　１０−４Ｔｏｒｒの真空度とする０次
の工程Ｂは上記■、■の工程であり、この間の雰囲気は
不活性〃スを添加して７６．０−１０　Ｔｏｒｒの真空
度とする。

なお、真空度測定は、たとえば予め装置に設定したピラ
ニー真空計等によって行うようにする。

従って、工程Ａと工程Ｂとの間には、雰囲気を制御して
変更する工程が入る。第１図中にはこの雰囲気を制御し
て変更する工程は省略しである。

なお、前記■工程の再度の加熱は通常実施するのが好ま
しいが、特に必要ない場合は笑施しなくとも良い。

本発明に用いる不活性〃スは、Ａｒ、　Ｈｅ、Ｎ２等で
、マトリックスを構成するＡｌ等の金属と有害な反応を
起こさない〃スである。

本発明においては、Ａｌ合金に強化材料を添加するに際
して、Ａｌ合金を溶解し、撹拌しながら温度を徐々に低
下させ、半溶融凝固状態として撹拌を続けながら強化材
料の添加を行い、前記の溶解、撹拌、添加を１〜Ｉ　Ｘ
　１０−４Ｔｏｒｒの真空中で実施し、鋳造直前に不活
性ガスを添加して７６０〜１０Ｔｏｒｒの真空度とした
後、鋳造するに際して、さらに以下の冷却条件の制御を
行うことが好ましい、すなわち、鋳型の厚さを薄くする
かあるいは水冷鋳型を用いる等によって、鋳造後の金属
塊の中央部分の凝固温度からその３００℃下の温度まで
の温度範囲を、冷却速度１℃／ｓｅｃ以上、好ましくは
１０℃／ｓｅｃ以上の範囲に制御する。

ここで、金属塊の中央部分の冷却速度とは、金属塊の冷
却速度の最も遅い所の冷却速度のことである。冷却速度
を制御することにより、マトリックスのＡｌ合金が実質
的に凝固する温度範囲内で溶融金属と添加粒子等の比重
の違いによる溶融金属の中での添加粒子等の浮上あるい
は沈降の防止を図るためである。

金属塊の中央部分の冷却速度は、所定の鋳型に関して、
鋳型の中で冷却速度の最も遅い所である中央ｆｌＩＳ分
に温度を測定するための熱電対等を設置してＡｌ合金を
鋳造し、所定の冷却方法により金属塊となし、その際の
冷却速度を予め測定しておくことにより制御することが
でトる。

さらに、本発明方法により製造したＡＩ系金属基複合材
料の金属塊にさらに熱間圧延あるいは熱間押出し等の熱
間加工を実施して、内部欠陥の無い均一でかつ健全なＡ
ｌ系金属基複合材料を製造することが有効である。これ
らの熱間加工により最終製品の形状に近付け、その後の
切り出しあるいは研摩などの機械加工によって最終製品
を得る。

（実施例） 次に本発明の詳細を実施例によって示す、１１表に本発
明の実施例および比較例をまとめて示す。

以下の工程はすべてｌ＃１図に示す半溶融凝固法の工程
によった。以下の説明中の工程Ａおよび工程Ｂは、すべ
て＃ＩＪ１図中の工程Ａお上り工程Ｂを意味している。

また、鋳造用の金属塊寸法は７０ｍｍＸ１５０ｍｓＸ４
００ｓｍで、第２〜４図には得られた複合材料の中央部
の平均的金属組織を示す。

実施例１ Ｓｉを８．５％含有するＡｌ合金を用い、工程Ａでの真
空度をＩ　Ｘ　１０−３Ｔｏｒｒとし、工程Ｂの段階で
Ａｒｆｆスを装入して真空度を１０Ｔｏｒｒとし、強化
材料としてＳｉＣｗとＡｌ合金粒子との混合物を添加し
、ＳｉＣｗを体積率（Ｖｆ）で１０％とした。鋳造後の
組織は、第２図に示すようにＳ　ｉ　Ｃｖが均一に分散
してかっボイドも比較的少ない優れた水準である。この
ボイドは、その後材料の一部について熱間加工した結果
、殆ど認められない水準となった。ここで、Ｓ　ｉｃ、
とＡｌ合金粒子を添加するに際しては、ＳｉＣ，は径が
平均０．１μ論、長さが平均２０μｌのもので、これを
平均寸法７０μ鎗のＡｌ合金粒子と計算体積率が互いに
５０％となるように均一に混合したものを用いた。添加
量は最終的に体積率で１０％となるようにした。

計算体積率は、比重と重量より計算して求めた。

Ａｌ合金粒子はマトリックスとして使用した金属と同一
の成分で製造した。

実施例２ Ｓｉを６．２％含有するＡｌ合金を用い、工程Ａでの真
空度をＩ　Ｘ　１０−２Ｔ　ｏｒｒとし、工程Ｂの段階
でＡｒｆｆスを装入して真空度を１００Ｔｏｒｒとし、
長さを１〜３■に切断した炭素ＡＩＩｍとＡｌ合金粒子
との混合物を添加し、炭素繊維を体積率で１０％とした
。ここで炭素繊維は、平均径が約１０μｍのものを長さ
が平均２ｍｍに切断したものである。

これを平均寸法７０μ鋤のＡｌ合金粒子と計算体積率が
互いに５０％となるように均一に混合したものを用いた
。添加量は最終的に体積率で１０％となるようにした。

鋳造後の組織は、炭素ＩＩ＆維が均一に分散してかつボ
イドも比較的少ない優れた水準である。ここでＡｌ合金
粒子はマトリックスとして使用した金属と同一の成分で
製造した。

比較例１１ 実施例１のＡｌ合金を用い試験したもので、工程Ａでの
真空度をＩ　Ｘ　１０　”−３Ｔｏｒｒとし、工程Ｂの
段階ではＡｒガスを装入して真空度を１０Ｔｏｒｒとし
たものであるが、Ａｌ合金粒子と混合しないＳ　ｉ　Ｃ
ｗを単独で、体積率で１０％分添加した。鋳造後の組織
は、第３図に示すようにＨ，ｔｔスによるボイドは少な
いが、Ｓ　ｉ　Ｃｗは金属との混合状態が悪（、かつ金
属中に充分に入っていない。大部分の５ｉＣＷは溶融金
属の上部に浮いた状態となってしまった。５ｉＣｖは径
が平均０．１μｍ％長さが平均２０μｍのもので、添加
量は最終的に計算体積率で１０％となるようにした。

比較例１２ 実施例１のＡｌ合金を用いて試験したもので、工程Ａで
の真空度を１０Ｔｏｒｒとし、工程Ｂの段階でも引き続
き真空度を１０Ｔｏｒｒとし、ＳｉＣｗとＡｌ粒子を添
加した。鋳造後の組織は、第４図に示すようにＳ　ｉ　
Ｃｗは金属中にかなりの程度良い混合状態で入っている
が、Ｈ２〃スによるボイドが多い結果となった。ここで
、ＳｉＣ，とＡｌ粒子を添加するに際しては、ＳｉＣｗ
は径が平均０．１μｍ、長さが平均２０μｍのもので、
これを平均寸法７０μｍａのＡｌ合金粒子と、計算体積
率が互いに５０％となるように均一に混合したものを用
いた。

添加量は最終的に体積率で１０％となるようにした。

比較例２１ 実施例２のＡｌ合金を用いて試験したもので、工程へで
の真空度を１００Ｔｏｒｒとし、工程Ｂの段階でも引き
続き真空度を１００Ｔｏｒｒとし、長さを１〜３１に切
断した炭素繊維を添加した。鋳造後の組織は、大部分の
炭素繊維は溶融金属の上部に浮いた状態となってしまっ
た。また、Ｈ２ｗスによるボイドが多い結果となった。

ここで、炭素繊維は、径が約１０μ鎗のものを長さが平
均２鋤錦に切断したものである。

（発明の効果） 本発明によって、半溶融凝固法により、実質的に均一分
布しかつ欠陥の極めて少ない実用に供し得る優れたＡｌ
系金属基複合材料が製造可能となる。すなわち、従来欠
陥が多くかつ不均一な強化材料の分布のため、実質的に
使用可能な製品の製造が困難であった半溶融凝固法によ
るＡｌｊｖ＋金属基複合材料が、実用的に製造可能とな
る。

本発明によって得られるＡｌ系金属基複合材料は、■強
化材料を含有するためにＮ摩耗特性に優れている、■高
強度かつ高弾性である、■Ａｌ合金をマトリックスとす
ることから比重が２〜３程度と比較的軽量であり、たと
えば鉄に比較して強度がほぼ同一水準でありながら比重
が約１／４程度と軽く、同一重量の材料が示す強度すな
わち比強度が通常の鋼材に対比して約４倍程度となって
おり、また同様に同一重量の材料が示す弾性率すなわち
比弾性率も高い、という利点を有する。

このため、本発明は、■スポーツ用具等の遊具、たとえ
ばゴルフクラブのヘッド、■機械部品、たとえば歯車、
■自動車用部品、たとえばエンノン用部品、■ロボット
アーム用材料、等の用途１こ適したＡｌ系金属基複合材
料を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は半溶融凝固法による金属基複合材料製造工程を
示し、第２〜４図は実施例、比較例による金属組織を示
す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａｌ合金に短繊維状の強化材料を添加するに際し
   て、Ａｌ合金を溶解し、撹拌しながら温度を徐々に低下
   させ半溶融凝固状態として撹拌を続けながら予めＡｌ合
   金粒子と混合した状態で短繊維状の強化材料の添加を行
   い、前記の溶解、撹拌、添加を１〜１×１０＾−＾４Ｔ
   ｏｒｒの真空中で実施し、鋳造直前に不活性ガスを添加
   して７６０〜１０Ｔｏｒｒの真空度とした後、鋳造する
   ことを特徴とするＡｌ系金属基複合材料の製造方法。