JPH04293703A - 複合材料およびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複合材料およびその製造
方法に関し、さらに詳しくは、軽量かつ高強度であると
ともに複雑な形状にも容易に成形可能であって例えば各
種ＯＡ機器等の構造材に使用すれば装置の小型化・軽量
化を達成することのできる複合材料と、この複合材料を
効率良く得ることのできる製造方法とに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、軽量かつ高強度の複合材料として
は、たとえばアルミニウムまたはその合金に炭化けい素
を分散したものが知られている。そして、この複合材料
はアルミニウムを溶かした溶湯に炭化けい素の粉末を加
えて撹拌した後、鋳造することにより製造されている。 また、粉末冶金を用いてこのような複合材料を製造する
試みもなされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アルミ
ニウムまたはその合金に炭化けい素を分散してなる従来
の複合材料においては、炭化けい素の偏析やアルミニウ
ムマトリックス組織の不均一等が生じ易く、したがって
構造材料に用いる場合の信頼性に欠けるという問題があ
った。

【０００４】また、従来の複合材料においては、溶かし
て固めたものに機械加工を施すことにより所望の形状に
成形していたため、たとえば炭化けい素等の硬質無機物
の含有量が多い場合には機械加工が困難になり、複雑な
形状が得られないという問題があった。さらに、溶かし
て固めてから機械加工を施さなければならないことから
生産効率が悪く、生産コストが高いという問題もあった
。

【０００５】一方、粉末冶金により複合材料を製造する
方法においては、粉末の成形にプレス法を採用するため
、形状の自由度が一軸方向のみであり、複雑な形状に対
応するためにはやはり機械加工が必要になるという問題
があった。本発明はかかる事情に基づいてなされたもの
であり、本発明は、軽量かつ高強度であるとともに複雑
な形状にも容易に対応可能で生産性に優れた複合材料と
、この複合材料を効率良く得ることのできる製造方法と
を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の要旨は、軽量金属の粉末と硬質無機物の粉
末との混合粉末の射出成形体を焼結してなることを特徴
とする複合材料であり、軽量金属の粉末と硬質無機物の
粉末とを混合し、得られた混合粉末を用いて射出成形を
行なって成形体とし、その後、該成形体の焼結処理を行
なうことを特徴とする複合材料の製造方法であり、前記
軽量金属がアルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ
）、チタン（Ｔｉ）およびリチウム（Ｌｉ）のいずれか
またはその合金である上記複合材料であり、前記硬質無
機物が硬質金属またはセラミックスである前記複合材料
であり、前記軽量金属がアルミニウム（Ａｌ）、マグネ
シウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）およびリチウム（Ｌｉ
）のいずれかまたはその合金である前記複合材料の製造
方法であり、前記硬質無機物が硬質金属またはセラミッ
クスである前記の製造方法である。

【０００７】本発明の複合材料は、軽量金属の粉末と硬
質無機物の粉末とを含有し、本発明の製造方法により効
率的に製造される。以下に成分、製造方法に分けて詳述
する。 −軽量金属の粉末− 本発明の複合材料は軽量金属の粉末を含有し、この軽量
金属がマトリックス組織を構成する。

【０００８】ここで、軽量金属とは、密度（比重）が通
常３以下である金属をいい、具体的には、リチウム（Ｌ
ｉ，密度０．５３４）、マグネシウム（Ｍｇ，密度１．
７４）、ベリリウム（Ｂｅ，密度１．８５）、アルミニ
ウム（Ａｌ，密度２．６９９）、さらにこれらの合金が
挙げられる。また、密度は４．５１であるが、近年、航
空機などの軽量化に用いられているチタン（Ｔｉ）およ
びその合金も挙げられる。これらの中でも、実用性を考
慮すると、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ
）、チタン（Ｔｉ）、リチウム（Ｌｉ）あるいはその合
金が好ましく、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（
Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）あるいはその合金は特に好まし
い。ここで、マグネシウム合金としては、たとえばＭｇ
・Ａｌ・Ｚｎ・Ｍｎ系合金、Ｍｇ・Ａｌ・Ｍｎ系合金、
Ｍｇ・Ｚｎ・Ｚｒ系合金、Ｍｇ・Ａｌ・Ｓｉ・Ｍｎ系合
金などが挙げられる。また、アルミニウム合金としては
、たとえばＡｌ・Ｃｕ系合金、Ａｌ・Ｃｕ・Ｓｉ系合金
、Ａｌ・Ｓｉ系合金、Ａｌ・Ｓｉ・Ｍｇ系合金、Ａｌ・
Ｓｉ・Ｍｇ・Ｃｕ系合金、Ａｌ・Ｃｕ・Ｎｉ・Ｍｇ系合
金、Ａｌ・Ｓｉ・Ｃｕ・Ｎｉ・Ｍｇ系合金などが挙げら
れる。さらに、チタン合金としては、たとえばＴｉ・Ｓ
ｎ系合金、Ｔｉ・Ａｌ・Ｓｎ系合金、Ｔｉ・Ｎｉ系合金
、Ｔｉ・Ｐｄ系合金などが挙げられる。

【０００９】このような軽量金属は粉末の形態で用いら
れ、この粉末の粒度は、通常、５〜８０μｍ程度である
。また、この粉末の形状については特に制限はなく、た
とえば球状、滴下状、角状、樹枝状、板状、鱗片状等の
いずれの形状であってもよい。このような軽量金属の粉
末は、たとえば金属塊を機械的に粉砕する方法、溶融金
属を粒化する方法、金属酸化物を還元する方法、金属の
塩類溶液あるいは溶融塩を電解する方法等のいずれの方
法により得られたものであってもよい。

【００１０】本発明の複合材料における軽量金属の粉末
の含有割合は、用途に応じた特性が得られるように適宜
に決定すればよいので一概に決定することはできないが
、通常は５０〜９０重量％程度であり、好ましくは６０
〜８０重量％程度である。−硬質無機物の粉末−本発明
の複合材料は前記の軽量金属の粉末とともに硬質無機物
の粉末を含有している。

【００１１】硬質無機物の粉末は、前記の軽量金属の粉
末により構成されるマトリックス中に分散して強度を向
上させる。この硬質無機物の硬さは、ビッカース硬度で
２５０以上であることが好ましい。ここで、硬質無機物
としては、たとえば硬質金属、セラミックスが挙げられ
る。

【００１２】硬質金属としては、たとえばタングステン
（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、高速度
工具鋼（ハイス）、さらにたとえばＷＣ−Ｃｏ合金、Ｗ
−Ｃｏ−Ｃ合金、ＴａＣ−Ｃｏ合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃ
ｏ合金、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ合金などの超硬合
金、あるいはＴｉＣ−Ｎｉ−Ｍｏなどのサーメツトが挙
げられる。これらのうちでも、好ましいのはタングステ
ン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、高速度工具鋼（ハイス
）、超硬合金である。

【００１３】またセラミックスとしては、たとえば炭化
けい素（ＳｉＣ）、窒化けい素（ＳｉＮ）、アルミナ（
Ａｌ２　Ｏ３　）、ジルコニア（ＺｒＯ２　）、炭化タ
ングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ほう
素（Ｂ４　Ｃ）などが挙げられる。これらの中でも、好
ましいのは炭化けい素（ＳｉＣ）、窒化けい素（ＳｉＮ
）、アルミナ（Ａｌ２　Ｏ３　）、ジルコニア（ＺｒＯ
２　）である。

【００１４】硬質無機物の粉末の平均粒径は、通常０．
０５〜１０μｍ程度である。また、この粉末の形状につ
いては特に制限はなく、たとえば球状、滴下状、角状、
樹枝状、板状、鱗片状等のいずれの形状であってもよい
。このような硬質無機物の粉末の製造方法については特
に制限はなく、たとえば機械的方法、物理的方法、化学
的方法等のいずれの方法により製造されたものであって
もよい。

【００１５】前記軽量金属の粉末との混合粉中の硬質無
機物の粉末の含有割合は、複合材料の用途により相違す
るので一概に決定することはできないが、通常は１０〜
５０重量％程度、好ましくは２０〜４０重量％程度であ
る。混合粉中の硬質無機物の含有割合が１０重量％未満
であると、強度の向上が充分ではないことがある。一方
、５０重量％を超えると、向上した強度が低下したり、
軽量化が達成されなかったりすることがある。

【００１６】−製造方法− 本発明の複合材料は次のようにして効率良く製造される
。すなわち、前述の軽量金属の粉末と硬質無機物の粉末
とを、通常、軽量金属の粉末を９０〜５０重量％、硬質
無機物の粉末を１０〜５０重量％の割合で、好ましくは
軽量金属の粉末を８０〜６０重量％、硬質無機物の粉末
を２０〜４０重量％の割合で混合し、混合粉を調製する
。この混合には、たとえばミキサーを使用することがで
きる。

【００１７】次に、この混合粉とバインダーとを、たと
えばニーダーを使用して混練し、通常はペレット化する
。ここで、バインダーの添加割合は混合粉１００重量部
に対して、通常、１０〜２５重量部程度である。この割
合が１０重量部未満であると、射出成形に必要な流動性
が得られず成形体が作製できないことがある。一方、２
５重量部を超えると、脱バインダー処理において亀裂や
膨れ等の不良の発生を招いたり、焼結時の収縮が大きく
なって寸法精度の低下を招いたりすることがある。

【００１８】バインダーとしては、たとえばワックス、
ポリエチレン、ワックスとアクリル樹脂とからなる混合
（二元）系バインダー、ワックスとポリエチレンとから
なる混合（二元）系バインダーなどを用いることができ
る。次いで、このペレットを用いて所望の形状に射出成
形を行ない、射出成形体とする。

【００１９】その後、この射出成形体を加熱して脱バイ
ンダー処理を行ない、バインダー成分を蒸発させる。脱
バインダー処理の条件は使用するバインダーの種類によ
り相違するので一概に決定することはできないが、たと
えばアクリル樹脂とワックスとからなる二元系バインダ
ーを用いた場合には、室温から４００℃〜４６０℃まで
毎分６０℃の割合で昇温して脱バインダー処理を行なう
。この処理に要する時間は、通常、２４時間〜４８時間
である。

【００２０】このようにして脱バインダー処理を行なっ
た後、通常は不活性雰囲気中で射出成形体の焼結処理を
行なう。この焼結処理における焼結温度および焼結時間
は、前記の混合粉を構成する軽量金属の粉末および硬質
無機物の粉末の種類により異なるので一概に決定するこ
とはできないが、焼結温度は、通常、６００〜１２００
℃程度であり、焼結時間は、通常、１〜５時間程度であ
る。

【００２１】この焼結処理を終了して得られる焼結体は
、既に所望の形状に射出成形されているので、以後、た
とえば機械加工による加工は不要である。また射出成形
によることから機械加工では不可能な複雑な形状にも容
易に対応可能である。

【００２２】

【実施例】以下に本発明の実施例を示し、本発明につい
てさらに具体的に説明する。 実施例１ 粒度−２００メッシュ（平均粒径４０μｍ）のアルミニ
ウム粉末９０重量％と平均粒径０．５μｍの炭化けい素
粉末１０重量％との混合粉に対し、アクリル樹脂とワッ
クスとからなる二元系バインダー１０重量％を添加し、
ニーダーを使用して温度１８０℃で２時間混練した。得
られた混練体の流動性についてラボプラストミルを用い
て測定したところ、その混練トルクは１．５ｋｇ・ｆ・
ｍであり、充分に射出成形が可能な流動性を有している
ことが確認された。

【００２３】次いで、上記のようにして得られた混練体
からなるペレットを用いて５ｍｍ×５ｍｍ×５０ｍｍの
試験片を射出成形し、Ｎ２　雰囲気中で６０℃から４６
０℃まで毎分１０℃の割合で昇温して脱バインダ処理を
行ない、その後、Ａｒ雰囲気中、温度６５０℃の条件で
１時間焼結処理をした。得られた焼結体の強度を測定し
たところ、図１に示すように、炭化けい素粉末を添加し
ない場合に比較して強度が大幅に向上していることが確
認された。また、組織を観察したところ、炭化けい素の
偏析およびアルミニウムマトリックス組織の不均一はい
ずれも見られず、一様に複合化していることが確認され
た。

【００２４】実施例２ 前記実施例１において、粒度−２００メッシュのアルミ
ニウム粉末９０重量％と平均粒径０．５μｍの炭化けい
素粉末１０重量％からなる混合粉に代えて、粒度−２０
０メッシュのアルミニウム粉末８０重量％と平均粒径０
．５μｍの炭化けい素粉末２０重量％からなる混合粉を
用いたほかは、前記実施例１と同様に実施した。得られ
た焼結体の強度を測定したところ、図１に示すように、
実施例１の複合材料に比較して強度がさらに向上してい
ることが確認された。また、組織を観察したところ、炭
化けい素の偏析およびアルミニウムマトリックス組織の
不均一はいずれも見られず、一様に複合化していること
が確認された。

【００２５】実施例３ 前記実施例１において、粒度−２００メッシュのアルミ
ニウム粉末９０重量％と平均粒径０．５μｍの炭化けい
素粉末１０重量％からなる混合粉に代えて、粒度−２０
０メッシュのアルミニウム粉末７０重量％と平均粒径０
．５μｍの炭化けい素粉末３０重量％からなる混合粉を
用いたほかは、前記実施例１と同様に実施した。得られ
た焼結体の強度を測定したところ、図１に示すように、
前記実施例２の複合材料に比較して強度がさらに向上し
ていることが確認された。また、組織を観察したところ
、炭化けい素の偏析およびアルミニウムマトリックス組
織の不均一はいずれも見られず、一様に複合化している
ことが確認された。

【００２６】実施例４ 前記実施例１において、粒度−２００メッシュのアルミ
ニウム粉末９０重量％と平均粒径０．５μｍの炭化けい
素粉末１０重量％からなる混合粉に代えて、粒度−２０
０メッシュのアルミニウム粉末６０重量％と平均粒径０
．５μｍの炭化けい素粉末４０重量％からなる混合粉を
用いたほかは、前記実施例１と同様に実施した。得られ
た焼結体の強度を測定したところ、図１に示すように、
前記実施例３の複合材料に比較して強度がやや低下して
いるものの前記実施例１の複合材料に比較すれば強度が
さらに向上していることが確認された。また、組織を観
察したところ、炭化けい素の偏析およびアルミニウムマ
トリックス組織の不均一はいずれも見られず、一様に複
合化していることが確認された。

【００２７】実施例５ 前記実施例１において、粒度−２００メッシュのアルミ
ニウム粉末９０重量％と平均粒径０．５μｍの炭化けい
素粉末１０重量％からなる混合粉に代えて、粒度−２０
０メッシュのアルミニウム粉末５０重量％と平均粒径０
．５μｍの炭化けい素粉末５０重量％からなる混合粉を
用いたほかは、前記実施例１と同様に実施した。得られ
た焼結体の強度を測定したところ、図１に示すように、
前記実施例４の複合材料に比較して強度がやや低下して
いるものの前記実施例１の複合材料よりもその強度はさ
らに向上していることが確認された。また、組織を観察
したところ、炭化けい素の偏析およびアルミニウムマト
リックス組織の不均一はいずれも見られず、一様に複合
化していることが確認された。なお、ここで使用に供す
る混合粉末を炭化けい素の含有割合が５０重量％までの
ものとしたのは、炭化けい素の含有割合が５０重量％を
超えると、マトリックスを構成する成分が逆転してしま
うからであり、強度が低下する傾向が見られるのもその
影響のためであると推測される。

【００２８】実施例６ 前記実施例１において、粒度−２００メッシュのアルミ
ニウム粉末９０重量％と平均粒径０．５μｍの炭化けい
素粉末１０重量％とからなる混合粉末に代えて、粒度−
２００メッシュのマグネシウム粉末９０重量と平均粒径
０．５μｍの窒化けい素粉末１０重量％とからなる混合
粉末を用いたほかは、前記実施例１と同様に実施した。 得られた焼結体の強度を測定したところ、図２に示すよ
うに、窒化けい素粉末を添加しない場合に比較して強度
が大幅に向上していることが確認された。また、組織を
観察したところ、窒化けい素の偏析およびマグネシウム
マトリックス組織の不均一はいずれも見られず、一様に
複合化していることが確認された。

【００２９】実施例７〜実施例１０ 前記実施例６において、粒度−２００メッシュのマグネ
シウム粉末９０重量％と平均粒径０．５μｍの窒化けい
素粉末１０重量％とからなる混合粉末に代えて、窒化け
い素粉末の含有割合が、それぞれ２０重量％、３０重量
％、４０重量％、５０重量％である混合粉末を用いたほ
かは、前記実施例１と同様に実施した。得られた焼結体
の強度を測定したところ、図２に示すように、窒化けい
素粉末を添加しない場合に比較していずれも強度が大幅
に向上していることが確認された。また、組織を観察し
たところ、窒化けい素の偏析およびマグネシウムマトリ
ックス組織の不均一はいずれも見られず、一様に複合化
していることが確認された。なお、ここで使用に供する
混合粉末を窒化けい素の含有割合が５０重量％までのも
のとしたのは、窒化けい素の含有割合が５０重量％を超
えると、マトリックスを構成する成分が逆転してしまう
からであり、図２に示すように強度が低下する傾向が見
られるのもその影響のためであると推測される。

【００３０】実施例１１ 前記実施例１において、粒度−２００メッシュのアルミ
ニウム粉末９０重量％と平均粒径０．５μｍの炭化けい
素粉末１０重量％とからなる混合粉末に代えて、粒度−
２００メッシュのアルミニウム粉末９０重量％と平均粒
径２μｍのＷＣ−Ｃｏ粉末１０重量％からなる混合粉末
を用いたほかは、前記実施例１と同様に実施した。得ら
れた焼結体の強度を測定したところ、ＷＣ−Ｃｏ粉末を
添加しない場合に比較して５０％以上の強度の向上が見
られた。また、組織を観察したところ、ＷＣ−Ｃｏの偏
析およびアルミニウムマトリックス組織の不均一はいず
れも見られず、一様に複合化していることが確認された
。

【００３１】実施例１２ 前記実施例１１において、粒度−２００メッシュのアル
ミニウム粉末９０重量％と平均粒径２μｍのＷＣ−Ｃｏ
粉末１０重量％からなる混合粉末に代えて、粒度−２０
０メッシュのアルミニウム粉末８０重量％と平均粒径２
μｍのＷＣ−Ｃｏ粉末２０重量％からなる混合粉末を用
いたほかは、前記実施例１１と同様にして実施した。得
られた焼結体の強度を測定したところ、ＷＣ−Ｃｏ粉末
を添加しない場合に比較して５０％以上の強度の向上が
見られた。また、組織を観察したところ、ＷＣ−Ｃｏの
偏析およびアルミニウムマトリックス組織の不均一はい
ずれも見られず、一様に複合化していることが確認され
た。なお、使用に供する混合粉末をＷＣ−Ｃｏ粉末の含
有割合が２０重量％までのものとしたのは、ＷＣ−Ｃｏ
のような超硬合金は比重が大きいため、このような超硬
合金粉末の含有割合が増加すると、軽量材が得られなく
なるためである。

【００３２】実施例１３ 前記実施例１と同様の原料を用いて機械加工では得るこ
とのできない複雑形状部品の射出成形体を作成し、この
射出成形体について前記実施例１と同様にして脱バイン
ダ処理および焼結処理を行なったところ、０．３％以内
の寸法精度で焼結部品を得ることができた。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、以上の構成としたので
、軽量かつ高強度であるとともに複雑な形状にも容易に
対応可能で生産性に優れ、たとえばＯＡ機器の構造材等
に使用すれば装置の小型・軽量化を達成し得る複合材料
と、この複合材料を効率良く得ることのできる製造方法
とを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１〜５の複合材料における炭化けい素粉
末の含有割合と引張強度との関係を示すグラフである。

【図２】実施例６〜１０の複合材料における窒化けい素
粉末の含有割合と引張強度との関係を示すグラフである
。

【図３】実施例１１〜１２の複合材料におけるＷＣ−Ｃ
ｏ粉末の含有割合と引張強度との関係を示すグラフであ
る。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　軽量金属の粉末と硬質無機物の粉末と
   の混合粉末の射出成形体を焼結してなることを特徴とす
   る複合材料。
2. 【請求項２】　　軽量金属の粉末と硬質無機物の粉末と
   を混合し、得られた混合粉末を用いて射出成形を行なっ
   て成形体とし、その後、該成形体の焼結処理を行なうこ
   とを特徴とする複合材料の製造方法。
3. 【請求項３】　　前記軽量金属がアルミニウム（Ａｌ）
   、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）およびリチウ
   ム（Ｌｉ）のいずれかまたはその合金である請求項１記
   載の複合材料。
4. 【請求項４】　　前記硬質無機物が硬質金属またはセラ
   ミックスである請求項１または請求項３記載の複合材料
   。
5. 【請求項５】　　前記軽量金属がアルミニウム（Ａｌ）
   、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）およびリチウ
   ム（Ｌｉ）のいずれかまたはその合金である請求項２記
   載の複合材料の製造方法。
6. 【請求項６】　　前記硬質無機物が硬質金属またはセラ
   ミックスである請求項２または請求項５記載の複合材料
   の製造方法。