JPH02194131A - 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】 （発明の目的） （産業上の利用分野） 本発明は、低＊１＊特性と耐摩耗特性とに優れた金属基
複合材料の製造方法に係り、特にコンポキャスティング
法を使用して複合化を図る場合に、構成成分である低融
点金属をマトリックス金属中に均一に分散することが可
能な金属基複合材料の製造方法に関する。

（従来の技術） 近年、炭化ケイ素、アルミナ等のセラミックス繊維また
はヒラミックス粒子で強化された金属基複合材料が新素
材の１つとして注目されている。

その巾でも耐摩耗特性や高温強度に優れた硬いセラミッ
クス繊維を、マトリックス金属中に分散させた金属基複
合材料が、宇宙機器、ロボット１．自動中、航空機等の
幅広い産業分野で普及している。

ところで従来から耐摩耗特性に優れた複合材料として、
セラミックスウィスカ、セラミックス繊維もしくはセラ
ミックス粒子を、アルミニウム合金、マグネシウム合金
、銅合金で形成されたマトリックス金属中に均一に分散
させた金属基複合材料が開発されている。

これらの複合材料は、硬度が高いセラミックス製強化材
を含有しているため、耐摩耗特性が極めて優れている。

一方低摩擦係数を有する金属合金として、Ａｊ金合金Ｍ
ｑ金合金しくはＣｕ合金で形成した母材中に３ｎ、ｐｂ
、Ｂｉ、Ｉｎなどの１１滑性に優れた低融点金属元素を
添加したものも実用化されている。

しかしながら、硬いセラミックス強化材を含有した従来
の金属基複合材料で摺動部品を形成した場合、硬いセラ
ミックス強化材が摺動時に相手材を激しく削り取る、い
わゆるアブレシプ摩耗が多発し、相手材の寿命を縮めて
しまう問題点がある。

また同時にＳ擦抵抗も著しく増大するため、摺動部を駆
動するｍ器の負荷が増大してしまう。

一方、ＡＮ合金０Ｍｇ合金もしくはＣｕ合金中にＳｎ、
ｐｂ、ｅｉ、ｉｎなどの低融点金属を添加した合金材料
は、Ｓｎ、ＰｂなどのｒＲ８Ｉ作用によって、その１９
！擦係数を著しく低減することができるが、合金材料全
体が軟質化するため、摩耗が著しく増大する欠点がある
。

ところでマトリックス金属にセラミックス［ｆｆなどの
強化材を分散させた金属基複合材料の製造方法としては
、一般に粉末冶金法、コンポキャスティング法あるいは
溶湯含浸加圧鋳造法（」ス下「溶浸法」という。）が知
られている。

粉末冶金法はマトリックスとなる原料金属粉末とセラミ
ックス製強化材とを充分に混合した後に、得られた混合
体を加圧成形し、真空または不活性ガス雰囲気において
高温度に加熱したり、ホットプレスによって成形複合化
する方法である。

またコンポキャスティング法は、原料合金の液相と固相
とが共存する半溶融状態になるまで１．すなわち固相線
温度を越えるまでマトリックス原料を加熱し、イの状態
でセラミックス製強化材を添加混合し、強化材が均一に
分散した段階でマトリックス原料を固化けしめ複合材料
を形成する方法である。

ざらに？Ｔｉ浸法は、まずセラミックス製強化材で所定
の形状および体積率を有する予備成形体（プリフォーム
）を形成し、この予備成形体を金型内に配置して所定温
石に加熱し、しかる後にマトリックス金属の溶湯を金型
内に注入し、さらに注入した溶湯をピストン等で直接加
圧することにより、予備成形体の内部空間に溶湯を含浸
させて複合化する方法である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら上記粉末冶金法においては、原材料混合プ
ロセス、焼結設備、ホットプレス設備、真空機器や不活
性ガス設備等が必要であり、溶浸法と比較して設備およ
び製造工程が複雑で生産性が低く、複合材料の製造コス
トが高騰化するなどの問題点がある。

また従来のコンポキャスティング法および溶浸法におい
ては、低融点金属をマトリックス金属中に均一に分散す
ることが困難であり、均一な特性を有する金属基複合材
料を得ることは困難であった。すなわち潤滑成分として
含有されるＳｎ。

Ｐｂ、Ｉｎ、Ｂｉなどの低融点金属は、マトリックス金
属となる軒昂なＡｎやＭＯおよびその合金と比較して比
重が大きいため、マトリックス金属を高温度で溶解する
工程を含む従来の溶浸法やコンポキャスティング法では
、低融点金属が比重差によって重力偏析を起こし金型底
部に沈積してしまう欠点がある。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、製造設備が簡素で生産性が高いコシボキャスティ
ング法を使用し、低融点金属をマトリックス金属中に均
一に分散することが可能な金属基複合材料の製造方法を
提供することを目的とする。

（発明の構成） （１１題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明は、マトリックス金属よ
り低い融点を有する低融点金属を含有し、微細なセラミ
ックス製強化材をマトリックス金属中に分散した金属基
複合材料の製造方法において、低融点金属とマトリック
ス金属とから成る溶湯を急速冷却処理することにより低
融点金属を微細かつ均一に分散させた急冷凝固合金粉末
を調製する一方、マトリックス金属をその固相線湿度以
上に加熱し部分的に溶融せしめて半溶融スラリーを形成
し、上記急冷凝固合金粉末およびセラミックス製強化材
を上記半溶融スラリーに添加し、撹拌混合して複合化す
ることを特徴とする。

（作用） 上記構成に係る金属基複合材料の製造方法によれば、ｒ
ｒＪＷＩ作用を有する低融点金属は、予め急速冷却処理
によって調製された急冷凝固合金粉末中に微細にかつ均
一に分散した状態で保持される。

そして上記急冷凝固合金粉末を、マトリックス金属の固
相ＩＩ温度以上の′ｔｓ瀉度に加熱された半溶融スラリ
ー中に添加した場合においても、急冷凝固合金粉末中の
低融点金属粒子は溶解するが、その周囲の粒子を構成す
るマトリックス金属は溶解らないため、低融点金属相互
の凝集は発生りず急冷凝固したままの分散状態が保持さ
れる。

また急冷凝固合金粉末は、比重が大ぎい低融点金属を含
有するため、その比重が増大する。しかし半溶融スラリ
ー中に存在する７トリツクス金属の初晶粒子によって機
械的に捕捉される結果、沈降および凝集が防止され゛、
マトリックス金属中に均一に分散する状態が維持される
。

一方添加されたセラミックス製強化材についても同様に
、半溶融スラリー中の初晶粒子による捕捉作用により、
浮上、沈降および凝集が防止されるとともに、添加後の
混合時間の増加に伴い、強化材と液相との結合反応が促
進され、濡れ性の悪い強化材であってもマトリックス金
属との結合力が高まり強固な７トリツクスを形成する。

従って、低融点金属および強化材が均一に分散した均質
な金属基複合材料を提供することができる。

（実施例） 次に本発明の一実施例について添付図面を参照してより
具体的に説明する。

まずアルミニウム（Ａｌ）と鉛（Ｐｂ）との混合物を加
熱溶融して溶湯を調製し、アトマイズ法によって、急速
冷却処理を行い、平均粒径が１００μｍで、ｐｂを３０
重石％含有する急冷凝固合金粉末を得た。急冷凝固合金
粉末中には平均粒径が５μｍのｐｂ粉粒子均一に分散さ
れていた。

次に８１を６重量％およびＭｇを１．５重量％含有する
アルミニウム基合金を、その同相ね温度をわずかに超え
る５８５℃に加熱して溶解せしめ、半溶融スラリーを製
造した。

次に強化材として、平均粒径２０μｍのＳｉＣ粒子を体
積含有率が１５％となるように撹拌しながら上記半溶融
スラリー中に添加し、均一に分散せしめた。さらに上記
半溶融スラリーに対して、ｐｂ粉子を含有する上記急冷
凝固合金粉末を１５重量％まで徐々に添加して撹拌し、
複合化した優に、鋳型内で急冷凝固させて角棒状の金属
基複合材料を鋳造した。

得られた金属基複合材料の底部付近より検鏡試料を採取
し、電解研磨後、走査電子顕微鏡で観察し、強化材とし
てのＳｉＣ粒子および低融点金属としてのｐｂ粉粒子分
散状態を確認したところ、第１図に示す結果が得られた
。

すなわち、Ａｎ−６重置％５ｉ−１．５重量％Ｍｇの組
成を有するマトリックス金属１中にＳｉＣ粒子２および
急冷凝固合金粉末３が相互に隔離された状態で均一に分
散されており、また上記急冷凝固合金粉末３中には微小
なｐｂ粒子４が均一に分散されており、全体として均質
な金属基複合材料が得られた。

一方比較例として、上記実施例と同一条件でＳｉＣ粒子
を体積含有率１５％の割合で均一に分ａＬりＡｊ　−６
ｆｆｉｆｆｉ％Ｓ　ｉ　−１、５ｔｌＪＩ！ｉ％ＭＱｔ
ｆｉら成る半溶融スラリー中に、Ｐｂを単体として４重
け％まで徐々に添加し、複合化した後に鋳型にてｖＩ選
し、金属基複合材料を形成した。

得られた金属基複合材料を同様に検鏡し表向状態を確認
したところ、第２図に示す結果が得られた。

１なわちＳｉＣ粒子２についてはマトリックス金属１巾
に均一に分散させることが可能であるが、Ｐｂを単体で
半溶融スラリー中に添加した場合は、比重差により重力
偏析が起こり、ｐｂ粒子４ａは鋳型底部に凝集沈降し均
一な分散状態を得ることができなかった。

上記実施例および比較例から明らかなように、本実施例
方法によれば動力偏析を起こし易い低融点金属を予めマ
トリックス金属の一部となる合金粉末中に微細かつ均一
に分散した状態で固定した後に、コンポキャスティング
法により半溶融スラリー中に添加しているため、複合化
の際にも低融点金属はマトリックス金属中に均一に分散
した状態が保持され、低摩擦特性に優れた均質な金属基
複合材料とすることができる。

また生産効率が高く、製造設備が簡素なコンポキャステ
ィング法を使用しているため、金属基複合材料の製造コ
ストが低減される。

上記実施例および比較例ににおいでは、低融点金属とし
てｐｂを使用した例で示しているが、他のＳｎ、Ｉｎ、
Ｂｉを単体で、または合金化した低融点金属を使用した
場合にも同様な作用効果が得られる。

またマトリックス金属としてＡＪ合合金量Ｍｇ合金しく
はＣｕ合金を使用した場合においても同様な効果が得ら
れる。

さらに強化材としては、複合材料の所要強度に応じて、
Ａｊ２０３、ＳｉＣなどの廿うミックスウイスカ、セラ
ミックス繊緒、セラミックス粒子を単体または２８以上
混合して使用した場合にも同様な作用効果を得ることが
できた。

特に安価なセラミックス粒子を使用することにより、複
合材料の製造コストを低減することができる。

なおマトリックス金属中にＭＱを０．５〜１゜５重量％
添加することにより、強化材とマトリックス金属とのぬ
れ性を向上させることができる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係る金属基複合材料のｌＩ造
方法によれば、動力偏析を起こし易い低融点金属をマト
リックス金属の一部となる急冷凝固合金粉末中に微細か
つ均一に分散した状態で予め固定した後に、半ＦｆＪ融
スラリー中に添加している。そのため低融点金属を分散
した急冷凝固合金粉末が、マトリックス金属の初晶粒子
によって機械的に捕捉される結果、低融点金属もマトリ
ックス金属中に均一に分散される。

一方、強化材についても同様に、半溶融スラリー中の初
晶粒子による捕捉作用により、浮上、沈降および凝集が
防止され、マトリックス金属中に均一に分散される。

従ってｒ６６重用を有する低融点金属および耐摩耗強度
を増進する強化材が均一に分散した低ｒｆ１ｗＡ耐摩耗
特性に優れた均質な金ａ基複合材料を提供することがで
きる。

また半溶融スラリー中に強化材などの異種材料を添加す
る、いわゆるコンホキ１？スデイング法を使用している
ため、生産効率が高く、製造１ｉＱ（！Ｉａも面素であ
り、金ａ基複合材料の製造コストを低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法によって得られる金属基複合材料の
表面組織を示す図、第２図は従来法によって得られる金
属基複合材料の表面組織を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリックス金属より低い融点を有する低融点金属
   を含有し、微細なセラミックス製強化材をマトリックス
   金属中に分散した金属基複合材料の製造方法において、
   低融点金属とマトリックス金属とから成る溶湯を急速冷
   却処理することにより低融点金属を微細かつ均一に分散
   させた急冷凝固合金粉末を調製する一方、マトリックス
   金属をその固相線温度以上に加熱し部分的に溶融せしめ
   て半溶融スラリーを形成し、上記急冷凝固合金粉末およ
   びセラミックス製強化材を上記半溶融スラリーに添加し
   、撹拌混合して複合化することを特徴とする金属基複合
   材料の製造方法。 ２、低融点金属としてＳｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｂｉから選択
   された少くとも１種の金属元素を使用する請求項１記載
   の金属基複合材料の製造方法。 ３、マトリックス金属としてＡｌ合金、Ｍｇ合金および
   Ｃｕ合金から選択された少くとも１種の合金を使用する
   請求項１記載の金属基複合材料の製造方法。 ４、強化材としてセラミックスウィスカ、セラミックス
   繊維、セラミックス粒子から選択された少くとも１種を
   使用する請求項１記載の金属基複合材料の製造方法。