JPH0421731A - Ａ１またはａ１合金基複合材料の製造方法および製造装置 - 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、ＡｌまたはＡｌ合金をマトリックスとし、強
化材としてセラミックス粒子やセラミックスウィスカー
を分散したＡｌまたはＡｌ合金基複合材料を製造する方
法および製造装置に関するものである。

［従来の技術］ ＡｌおよびＡｌ合金Ｃ以下、Ａｌ合金で代表することが
ある）は軽量で比強度が高いという特性を有している。

しかし一般に軟質であり、且つ耐熱性や耐摩耗性に劣る
という欠点がある為、適用分野は著しく制限されていた
。ところが最近、Ａｌ合金中に微細なセラミックス粒子
やセラミックスウィスカー（以下、セラミックス粒子で
代表することがある）を強化材として分散せしめ、強度
、剛性、耐熱性、耐摩耗性等の物性を高めたＡｌ合金複
合材料が開発され、適用分野の大幅な拡大が期待されて
いる。

ところがＡｌ合金基複合材料を製造するに当たっては、
Ａｌ合金溶湯とセラミックス粒子の濡れ性が悪いという
問題があるので、溶融したＡｌ合金中にセラミックス粒
子を投入して車に攪拌するという方法では期待される程
の分散効果が得られない。そこでＡｌ合金溶湯を用いて
攪拌混合する方法に代フて下記■〜■の各方法によるの
が数的となっている。

■Ａｌ合金粉末とセラミックス粒子を混合した後、高温
、高圧下で成形する粉末冶金法、■Ａｌ合金を半溶融状
態（即ち液相と固相が混在した状態）にし、攪拌しなが
らセラミックス粒子を混合するコンポキャスト法、 ■セラミックス粒子でプリフォームを作製しておき、こ
れにＡｌ合金溶湯を注入するスクイズキャスト法。

［発明が解決しようとする課題コ ところが上記■〜■の方法は、夫々下記の様な問題があ
る。まず上記■の方法によれば、Ａｌ合金を粉末にする
必要があること、および成形装置が必要となることから
製造プロセスが複雑になり、複合材料の製造コストが高
くなってしまい、該複合材料の用途が限定されてしまう
。また上記■の方法では、高度な温度管理が必要になり
、更に■の方法では高精度な加圧注入機構が必要になる
という生産設備上の欠点があった。

そこでＡｌ合金の溶湯中にセラミックス粒子を投入して
攪拌する方法が再検討されることとなり、溶湯とセラミ
ックス粒子との濡れ性を改善する目的で、粒子表面にめ
っき処理を施したり、Ａｌ合金の組成を新たに開発する
ことなどが検討されている。しかしめっき処理によって
生産コストが上がるという問題やＡｌ合金組成が特定化
されて汎用性に欠けるという問題が生じている。

本発明はこうした技術的課題を解決する為になされたも
のであって、その目的は、濡れ性の改善の為のめっき処
理やＡｌ合金組成の開発を行なうことなく、比較的簡単
なプロセスでＡｌ合金基複合材料を製造する為の方法、
および製造装置を提供することにある。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明の方法とは、ＡｌまたはＡ
ｌ合金基複合材料を製造するに当たり、Ａ】またはＡ】
合金溶湯を機械的に対流させつつ、該溶湯にセラミック
ス粒子またはセラミックスウィスカーを投入すると共に
、乱流を生じせしめることにより該溶湯に剪断力を与え
るため、該対流中の溶湯を繰り返し屈曲させる様に進行
させることによって前記粒子またウィスカーと前記溶湯
の濡れ性を高めて均一混合する点に要旨を有するＡｌま
たはＡｌ合金複合材料の製造方法である。

また上記方法を実施する為の装置として、ＡｌまたはＡ
ｌ合金基複合材料を製造する為の装置であって、Ａｌま
たはＡｌ合金溶湯を機械的に対流させる手段と、乱流を
生じせしめることにより該溶湯に剪断力を与えるため、
該溶湯を繰り返し屈曲させる様に進行させる手段とを設
けてなる構成のものが提案される。

［作用コ 本発明は上述の如く構成されるが、要するにＡｌ合金溶
湯を機械的に対流させる手段と、乱流を生じせしめるこ
とにより該溶湯に剪断力を与えるために該溶湯を縁り返
し屈曲させる様に進行させる手段とを設けるという比較
的簡単な機械的機構のみで、合金溶湯とセラミックス粒
子との濡れ性を改善することができ、従来行なわれてい
たセラミックス粒子表面のめっき処理やＡｌ合金組成の
開発等を行なうことなく、溶湯にセラミックス粒子を直
接混合する方法によってＡｌ合金基複合材料が製造でき
たのである。即ち溶湯に乱流を生じせしめることによっ
て強い剪断力を与えセラミックス粒子に対する溶湯の衝
突力を高め、これによってセラミックス粒子と溶湯の濡
れ性を高めることができたのである。

以下本発明の構成および作用・効果を実施例によって更
に詳細に説明するが、下記実施例はもとより本発明を限
定するものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更
することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるもの
である。

［実施例］ 第１図は本発明に係るＡｌ合金基複合材料製造装置の一
例を示す概略説明図であり、図中１はるつぼ、２は案内
円筒、３はテーパ面３ａを上下に有する珠算玉状フィン
、４はひねり羽根を上下に２枚ずつ設けたプロペラ、６
は回転軸、７はチャンバー　８は蓋体、９は脱気パイプ
、１０は案内円筒２の上部周面に円周方向間欠的に設け
られた透孔、１１は溶湯、１２は回転軸６の軸受を夫々
示す。

第１図に示した製造装置を用い、以下の手順によってＳ
ｉＣ粒子強化（体積率２０％）２０２４Ａｌ合金基複合
材料を製造した。

マトリックスとなる２０２４Ａｌ合金１３００ｇを、ニ
クロム線電気炉（図示せず）内に設けた本発明装置内の
るつぼ１　（予め円板状の軸受１２が設置しである）に
入れて溶融した後、７００℃に保持した。溶融が完了し
た後、内面に環状凹凸２ｂを設けた案内円筒２をるつぼ
１内に挿入した。この案内円筒２は、上部に外向きフラ
ンジ２ａが設けてあり、このフランジ２ａはるつぼ１の
上端部に接合し、案内円筒２をるつぼ１内に挿入するだ
けで適正な位置に安定する様な構造となっている。勿論
るつぼ１の上面に対し固定構造を設けて安定保持を図る
こともできる。

次に、溶湯１１に推進力を与えて対流させる為のプロペ
ラ４と、案内円筒２内周を前記凹凸面に沿って溶湯１１
を屈曲させる様に進行させ、乱流を生じせしめることに
よって溶湯に剪断力を与える為のフィン３とを取り付け
た回転軸６を案内円筒２内に挿入した。尚回転軸６は炉
外の可変速電導機（図示せず）に接続されており、１０
〜１５００ｒｐｍの範囲で矢印方向に回転させる様に構
成した。これにより案内円筒２内の溶湯１１に下向きの
推進力が与えられ、該案内円筒２内を下方に押し流され
た溶湯１１は案内円筒２の下端からるつぼ１内に入って
るつぼ１内を上昇する。そして前記透孔１０に至った溶
湯１１は透孔１０から案内円筒２内に入り、以下同様に
循環流を形成する。

またプロペラ４は、透孔１０の下端と、案内円筒２の環
状凹凸部２ｂの上端部の間に位置する様に設定すると共
に、前記フィン３が該凹凸部２ｂの凹部に嵌り込む様に
回転軸６の挿入深さを設定した。

プロペラ４とフィン３を取り付けた回転軸６を挿入して
位置決めした後、回転軸６の回転を開始した。このとき
の回転速度は、Ａｌ合金溶湯がるつぼ１内を対流するの
に必要且つ最小限の値という観点から５００　ｒｐｍと
した。

溶湯１１の対流を開始してから、粒径５μｍのＳｉＣ粒
子を１０ｇずつ間欠的に案内円筒２内に投入し、最終的
な投入量を３５０ｇとした。尚このとき投入するＳｉＣ
粒子は７００℃で３０分保持して予熱したものを用いた
。またＳｉＣ粒子の投入手順は、前回投入したＳｉＣ粒
子が溶湯内に完全に巻込まれた後に、次回の１０ｇを順
次投入するという方法に従い、溶湯表面にＳｉＣ粒子が
長時間浮遊する様な状況が発生しない様にした。

尚ＳｉＣの全量が投入される迄に１５分を要した。

溶湯１１の粘性は、ＳｉＣ粒子の投入量が多くなるに従
フて高くなり、流動性が悪くなって対流が発生しにくく
なる傾向を示す。そこでＳｉＣ粒子の投入総量が増加す
るに従って、回転軸６の回転速度を上げ、溶湯１１に与
える推進力を大きくした。但し回転速度を上げ過ぎると
、溶湯１１と回転軸６との間に渦が形成されて溶湯１１
中に大気が巻込まれることがあるので、粒子の投入量に
応じて回転軸６の回転速度を徐々に高める必要がある。

ＳｉＣ粒子の全量を投入した後、チャンバー７に蓋体８
をセットし、脱気バイブ９を介してチャンバー内を脱気
し、１０−２７ｏｒｒの真空雰囲気とした。前記脱気と
同時に回転軸６の回転速度を１５００ｒｐｍまで上げ、
そのまま１５分間対流・攪拌を継続した。このときＳｉ
Ｃ粒子と共に溶湯１１内に多少とも巻込まれていた空気
は、系外に除去される一方、溶湯１１内に巻込まれた粒
子は、るつぼ１内で対流を繰り返すことによってフィン
３と案内円ＷＪ２の間を繰り返し屈曲させられる様に進
行し乱流攪拌されると共に前記フィン３によって溶＄１
１に剪断力が与えられ、溶湯１１内に均一に分散する。

脱気下での攪拌を終了した後、蓋体８、回転軸６および
案内円筒２を外し、るつぼ１を装置外に取り出し、得ら
れたＳｉＣ粒子強化２０２４Ａｌ合金溶湯を金型に鋳込
んで固化成形した。得られたＡｌ合金基複合材料は、Ｓ
ｉＣ粒子とＡｌ合金の濡れ性が改善されており、ＳｉＣ
粒子がＡｌ合金マトリックス中に適度に分散した組織を
有していた。

上記実施例では強化剤としてＳｉＣ粒子を、またマトリ
ックスＡｌ合金として２０２４Ａｌ合金を用いたものを
示したが、本発明で用いる素材は上記のものに限定され
ず、強化材としては例えばＴｉＣ，ＺｒＣ等の粒子やウ
ィスカーを、またマトリックスＡｌ合金としては純Ａｌ
は勿論のこと、例えば６０６１Ａｌ合金や７０７５Ａｌ
合金等の各種Ａｌ合金を用いることができる。

第１図に示した製造装置では、フィン３はテーバ面３ａ
を有する形状としたけれども、この形状は溶湯１を攪拌
しつつ剪断力を与えるものであればよく、第１図に示し
たものに限定されない。例えば第２図に示す様に、フィ
ン３の形状を水平面３ｂを有する様に構成してもよい、
フィン３は円盤状である他、多数の棒を放射状に突設し
たもの、更には種々の変形が可能である。尚第２図はる
つぼ１．案内円筒２および回転軸６付近の要部を示し、
他の部分は省略しである（後記第３図〜７図についても
同様である）、また第２図に示した様な形状であってフ
ィン３が円盤状であると、回転軸６を該案内円筒２内に
挿入できないので、案内部材２を半割状のものとし、回
転軸６を案内部材２内に挿入した後フランジ（図示せず
）等の接合手段によって案内円筒２を一体に組合わせる
様にすればよい。

前記第１図および第２図では、フィン３を２段形成した
ものを示したが、フィン３の個数はこれらに限定される
ものではなく、例えば第３図に示す様に４段形成しても
良く、或はそれ以上であっても良い。

フィン３の段数を多くすることは溶湯１１の屈曲回数が
多くなって、原理的には好ましいものといえるが、小規
模の装置では溶湯１１の流路が狭くなり過ぎて目詰まり
を生じる可能性がある。しかしながらこの点は、装置を
大型化することによって、或は溶湯１１に下方向きの強
い推進力を与える様に工夫することによっである程度是
正することができる。また第４図に示す様にフィン３の
外径を下方へ行くにつれて徐々に大きくなる様にしても
よい。この場合には第４図に示す様に、案内円筒２内の
凹凸部２ｂの形状をフィン３の形状に対応させてもよく
、或は第５図に示す様にフィン３の先端と案内円筒２の
円周面が徐々に接近する様な構成にしてもよい。但し、
第５図の様な構成を採用する際には、十分に乱流が生じ
ない箇所が生じてセラミックス粒子が滞留気味になるこ
ともあるので（例えばＡ、Ｂ部分）、この様な場合には
第６図に示す様に、詰まりが生じると思われる箇所をな
くす様な構成、即ち回転軸径を大きくしたり案内円筒２
の凹部を少なくする様な構成も提案される。更に溶湯１
１の下方への流れを良好にするという観点から、第７図
に示す様に案内円筒２の凹凸部最上面にテーバ面１５を
形成する構成も例示される。

第８図は、本発明の更に他の実施例の概略説明図である
。前記第１〜７図に示した実施例では、フィン３とプロ
ペラ４によって溶湯を対流・攪拌する様な構成としたけ
れども、この実施例ではスクリュー２０を設け、このス
クリュー２０によって同様の効果を達成している。回転
軸６に取付けられたスクリュー２０は、その外径が下方
（先端）に行くにつれて小さくなる様なテーパ状に形成
されており、それに対応して案内円筒２もテーパ状に形
成されている。またスクリュー２０は軸方向（第８図の
上下方向）に任意に移動できる構成とされ、スクリュー
２０と案内円筒２のクリアランスを任意に調整できる様
になっている。溶湯１１を入れてスクリュー２０を回転
すると、スクリュー２０の推力によって溶湯１１は案内
円筒２内を下方に移動し、前記案内筒２の下方から外周
を通って再び上方へ戻る様な対流となる。その際、スク
リュー２０と案内筒２間のクリアランスにおいて、溶湯
に流速差が発生して剪断力が働き、セラミックス粒子ま
たはウィスカを投入すると適度に分散する。

この実施例では前記クリアランスを任意に調整できる構
成としているので剪断力は適宜調整することができる。

また製造装置の構造を、内部加圧できる様にすることも
推奨され、例えば高圧気体導入バイブ２１から高圧気体
を導入して装置内部を加圧すれば、セラミックス粒子の
溶湯への分散が一層促進される。尚第８図中２２は回転
軸６の回転を維持しつつ気密性を保持する為のベアリン
グ、２３はるつぼ１を加熱する為の加熱炉を夫々示して
いる。

第９図は本発明の他の実験例であり、完全噛合形の一対
のスクリュー２０ａ、２０ｂをるつぼ１内に装着したも
のである。この実験例におけるスクリュー２０ａ、２０
ｂは異方向回転する。スクリュー２０ａ、２０ｂは同方
向回転になる様に構成することもできるが、異方向回転
の方がシール性が良好となる。尚るつぼの横断面はスク
リュー２０ａ、２０ａに対応した双眼鏡形となる。従っ
てスクリュー２０ａ、２０ｂとるつぼ１の内壁によって
形成される空間２７は外部と遮断されたＣ字形空間とな
り、該空間２７は各スクリューで１ピツチ毎に１つ形成
される。スクリュー２０ａ。

２０ｂの根元（第９図の上方部分）で１つのＣ字形空間
に入った溶湯（セラミックス粒子も含む）は他の空間に
入フた溶湯と混合されることなくスクリュー２０ａ、２
０ｂの先端（第９図の下方）に送られる。るつぼ１の下
方に送られた溶湯１１がスクリュー２０ａ、２０ｂから
開放された後上方に対流する際へ移動する流路２８は例
えばラビリンス形状の抵抗部材２５によって、流通抵抗
が大きくなる様に形成される。従ってるつぼ１の下方で
の圧力は高くなり、溶湯１１内にセラミックス粒子が分
散し易い状態となる。尚第９図の構成においても、高圧
気体をバイブ２１から導入して装置内を加圧する様にし
てもよいことは、前記第８図に示した構成と同様である
。またスクリュー２０ａ、２０ｂのピッチを先＠（下方
）になるにつれて減少させる様な構成も採用できる。即
ち、その様な構成を採用すると、Ｃ字形空間内容積を下
方になるにつれて徐々に減少することができ、溶湯の圧
力を上げることになりセラミックス粒子の分散効果が更
に向上する。

本発明に係る製造装置は、例えば第１０図に示す様に、
軸直角断面形状がほぼ楕円形状であってねじりを加えた
一対のロータ３０ａ、３０ｂを設置する様な構成も採用
できる。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、セラミックス粒子また
はウィスカーの表面のめフき処理やＡｌ合金組成の変更
を行なわずとも、溶湯中にセラミックス粒子またはウィ
スカーを投入する方法によって、これらが適度に分散し
たＡｌ合金基複合材料が得られる様になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るＡｌ合金複合材料製造装置の一例
を示す概略説明図、第２〜７図はフィン３付近の様々な
構成例を示す概略説明図、第８〜１０図は本発明に係る
Ａｌ合金複合材料製造装置の様々な構成例を示す概略説
明図である。 １・・・るつぼ　　　　　　２・・・案内円筒３・・・
フィン　　　　　　４・・・プロペラ６・・・回転軸　
　　　　　７・・・チャンバー８・・・蓋体　　　　　
　　９・・・脱気バイブｌＯ・・・透孔　　　　　　　
１１・・・溶湯１２・・・軸受

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＡｌまたはＡｌ合金基複合材料を製造するに当た
   り、ＡｌまたはＡｌ合金溶湯を機械的に対流させつつ、
   該溶湯にセラミックス粒子またはセラミックスウィスカ
   ーを投入すると共に、該対流中の溶湯を繰り返し屈曲さ
   せる様に進行させ、乱流を生じせしめることによって該
   溶湯に剪断力を与え、この剪断力を利用し前記粒子また
   はウィスカーと前記溶湯の濡れ性を高めて均一混合する
   ことを特徴とするＡｌまたはＡｌ合金複合材料の製造方
   法。
2. （２）ＡｌまたはＡｌ合金基複合材料を製造する為の装
   置であって、ＡｌまたはＡｌ合金溶湯を機械的に対流さ
   せる手段と、該溶湯を繰り返し屈曲させる様に進行させ
   、乱流を生じせしめることによって該溶湯に剪断力を与
   える手段とを設けてなることを特徴とするＡｌまたはＡ
   ｌ合金基複合材料の製造装置。