JPH0641657A - ＡｌまたはＡｌ合金複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ＡｌまたはＡｌ合金複合材料の製造方法にお
いて、ＡｌまたはＡｌ合金溶湯中に炭化物源となる元素
及び固体状の炭素源とを予め添加し、該溶湯を攪拌しつ
つ1100〜1500℃の温度で反応させることにより炭化物を
生成・分散させ、その後鋳造する。 【効果】 耐熱性、比強度、比弾性等の優れたＡｌまた
はＡｌ合金複合材料を低コストで効率よく製造する方法
を提供できるようになった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽量でかつ比強度，比
弾性率，耐熱性，耐摩耗性等の優れたＡｌまたはＡｌ合
金複合材料を製造する為の方法に関するものであり、こ
の方法で得られた複合材料は、自動車や航空機等のエン
ジン部品や電算機、医療用機器等の広い分野において利
用される。

【０００２】

【従来の技術】ＡｌおよびＡｌ合金（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ため、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Ｓｉ
ＣやＡｌ₂ Ｏ₃ などの微細なセラミックス粒子または繊
維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る
に及び、軽量化、高性能化が強く望まれる宇宙、航空
機、自動車等の輸送機器分野での構造部材や、エンジン
用部材、更には精密機器の部材として注目を集めてい
る。

【０００３】こうしたＡｌ合金複合材料を製造するに当
たっては、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等が提唱されている。ところがこれ
らの方法では、いずれも製造プロセスが複雑になり、製
品のコストが高くなる、或いは高精度の温度管理や生産
設備が必要となる等の問題が避けられなかった。

【０００４】また近年ではin situ 法として、Ａｌ溶湯
中に炭化物形成性金属元素を添加しておき、その溶湯中
にメタンなどの炭素源となるガスを吹き込んで炭化物を
生成させる方法が提案されている（例えば、米国特許第
4808372 号）。しかしながらこの様な方法では、炭化物
の形成が進むにつれて溶湯粘度が上昇する傾向を示すの
で、ガス吹込みによるバブリング攪拌の効果が低下し、
炭化物の生成・分散が不十分になるという問題や、炭素
源となるガスが例えばメタンなどのように爆発の危険を
伴うものであるため操業上安全性の問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
状況に鑑みてなされたものであって、その目的は高性能
のＡｌ合金複合材料を低コストで効率良く製造する方法
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明は、ＡｌまたはＡｌ合金複合材料の製造
方法において、ＡｌまたはＡｌ合金溶湯中に炭化物形成
性元素および固体状の炭素源を予め添加し、該溶湯に電
磁誘導攪拌または機械的攪拌を加えつつ1100〜1500℃の
温度で反応させることにより炭化物を生成・分散させ、
その後鋳造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。

【０００７】また上記方法を実施するに当たり、前記溶
湯に接触する治具として、前記炭化物形成性金属元素お
よび炭素を含まない材料を使用し、且つ溶湯中の炭素と
炭化物形成性金属元素が下記(1) 式を満足する様に添加
される構成を付加するのが有用であり、こうした構成を
付加することによって、本発明の効果が更に顕著なもの
となる。

【０００８】

【数２】

【０００９】

【作用】Ａｌ合金複合材料のin situ 製造方法とは、溶
湯撹拌混合法のように既に化合した状態のセラミックス
成分をＡｌ溶湯中に混入するのではなく、例えば強化材
である炭化物かＴｉＣであるならば、ＴｉとＣを別々に
Ａｌ溶湯中に添加し、溶湯中で化学反応を起こさせてＴ
ｉＣを生成・分散させる方法であり、基材であるＡｌ溶
湯とセラミックス粒子との濡れ性が悪いために均一分散
が困難であるといった従来の溶湯撹拌混合法が有する欠
点を回避できる。

【００１０】本発明者等がin situ 法について種々検討
した結果、予めＡｌ溶湯中に炭化物形成性金属元素と固
体状の炭素源を添加し、溶湯を電磁誘導攪拌または機械
的攪拌によって攪拌しつつ所定の高温で反応させること
により炭化物が均一に分散したＡｌ合金複合材料を製造
できることを見出し、本発明を完成した。

【００１１】ところで前記米国特許第4808372 号には、
炭化物形成性金属元素を予めＡｌ溶湯中に添加してお
き、炭素源となるガス或いは炭素源となる固体を分散さ
せたガスを溶湯中に吹きこんで、炭素源と溶湯中の炭化
物形成性金属元素とを反応させて炭化物をin situ に生
成させる方法が提案されている。これに対して本発明で
は、溶湯中にガスを吹き込むのではなく固体状の炭素源
を予め溶湯中に添加しておき、溶湯を高温に加熱すると
共に電磁誘導攪拌或は機械的攪拌を施して反応させるこ
とを特徴としている。本発明の利点を以下に列記する。

【００１２】(1) 複合材料の強度、弾性率などの特性を
向上させるには、分散する炭化物の量を増加させる必要
がある。溶湯中にガスを吹き込む方法では、炭化物の生
成量の増加と共に溶湯の粘度が上がる為、ガスの吹き込
みによるバブリング攪拌効果がしだいに低下し、炭化物
の生成量を増加させてかつ均一に分散させるのが難し
い。これに対して本発明の方法では溶湯の粘度が上がっ
ても、溶湯中の炭化物形成性金属元素と固体状の炭素源
とが電磁力や機械力による強制的な攪拌によって接触で
き、その結果効率よく反応が進むので大量の炭化物を生
成・均一分散させることが可能である。これにより強
度、弾性率等の特性の優れた複合材料が製造できる。

【００１３】(2) 炭素源として黒鉛などの固体を用いる
ことにより、メタンなどのガスを用いる場合に比べて短
時間で多量の炭素を供給することができる。このため炭
化物の生成速度が大きくなり短時間で大量の炭化物を生
成・分散させることができる。これにより反応時間が短
縮され、生産コストが低減する。またＡｌにＴｉを添加
した溶湯中でＴｉＣを生成する場合を例にとると、炭素
の供給が十分でないときはＴｉＣが生ずる前に粗大な金
属間化合物Ａｌ₃ Ｔｉが生成して複合材料の特性をかえ
って劣化させるという問題があるが、本発明の方法によ
れば短時間で大量の炭素の供給ができるので炭化物の生
成反応が先に進行し、粗大な金属間化合物Ａｌ₃ Ｔｉは
生成しない。また、ガスを用いる場合、ガス中の炭素以
外の元素（例えばメタン中の水素等）が溶湯中に残留し
製品の特性を劣化させる恐れがあるが、本発明では、固
体状の炭素源を添加するので、黒鉛等純炭素として加え
ることができ、製品の組成や特性を均質に高めることが
できる。

【００１４】(3) 電磁力や機械力による強制的な攪拌の
効果により、炭化物は微細な結晶となって生成し、また
均一に分散する。鋳造開始直前まで攪拌を継続して凝固
速度を速くすれば、インゴット状態においても炭化物が
均一に分散し、物理的特性に優れた複合材料が得られ
る。

【００１５】(4) 炭素源となるメタン等の炭化水素ガス
は、反応の結果炭化物の他に水素ガスを生成し、この水
素ガスが爆発の原因となるばかりでなく、一部が複合材
料中に残り機械的特性および物理的特性を劣化させる原
因となる。黒鉛など固体の炭素源を用いる本発明ではこ
のような問題は解消される。

【００１６】(5) 以上の他、本発明の方法によれば、ガ
スによるバブリングと異なり、加熱反応中の温度低下が
少ない。また、ガスバブリングにより、生成した炭化物
がバブル表面に付着してＡｌ溶湯から分離し均質な組成
のものが得られないという問題も解消される。

【００１７】上記の様な構成を採用することによって、
上記（１）〜（５）の効果が得られたのであるが、本発
明者らが検討したところによると上記の様な構成だけで
は、下記に示す様な若干の不都合が生じることもあるこ
とがわかった。即ち、場合によっては、Ｃの反応が進み
過ぎてＡｌ₄ Ｃ₃ が生成したり、炭素粒の残留が生じて
製造した複合材料の特性に悪影響を及ぼすことがあるこ
とがわかった。こうした不都合が生じる原因について
は、次の様に考えることができた。

【００１８】Ａｌの溶解には黒鉛るつぼが一般的に使用
されるが、Ａｌ合金複合材料のin situ 製造において
は、黒鉛るつぼや黒鉛攪拌子等を用いた場合であって
も、反応温度と反応時間等が適切に調整されていれば、
ＴｉＣ等の炭化物を適度に生成させることができる。し
かしながら、るつぼや攪拌子からは炭素が常に供給され
ている状態になっているので、反応温度が高温側になり
過ぎたり反応時間が長過ぎたりして、温度や時間等の条
件がずれてしまうと、炭化物形成性金属元素と炭素との
バランスがくずれてしまい、溶湯中でＴｉＣ等の炭化物
が生成した後、更にＡｌ₄ Ｃ₃ が生成することがある。
このようなＡｌ₄ Ｃ₃ が複合材料中に存在すると、その
後該Ａｌ₄ Ｃ₃ が水分と反応して分解するので、複合材
料の特性に悪影響を及ぼすことになる。また固体状の炭
素物を添加した場合は、その量が適切でないと炭素粒が
残留するという問題も生じる。この様な炭素粒が残留す
ると、これが破壊の起点となるので好ましくない。

【００１９】この様な不都合を解消するという観点か
ら、本発明者らは更に検討を重ねた。そしてまず、溶湯
中に添加される炭化物形成性金属元素および炭素を必要
量のみとし、且つるつぼ等からの炭素の進入を防止する
ことが有効と考えられた。そしてその手段として、るつ
ぼや攪拌子等のように溶湯と接触する治具としては、炭
化物形成性金属元素や炭素等を含まない材料を使用し、
且つ1100〜1500℃の温度範囲でＡｌ−Ｔｉ合金溶湯に対
して安定な材料を使用するのが有効であることが分かっ
た。この様な材料としては、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＣａＯ，Ｍｇ
Ｏ等を主成分とし、しかも不純物の少ない材料を用いれ
ば溶湯中への炭素や炭化物源となる元素の供給を防止す
ることができる。但し、本発明においては後述する様
に、黒鉛製のるつぼや撹拌子を使用することを排除する
ものでなく、温度や時間が適切に調整されるのであれ
ば、その様な素材の使用も本発明に含まれるものであ
る。

【００２０】上記の趣旨は、基本的には炭化物形成性金
属元素と炭素とのバランスを常に一定の範囲となる様に
し、これによって温度や時間等による影響を極力回避す
るのである。こうした観点からして本発明においては、
溶湯中の炭素と炭化物形成性金属元素は、前記(1) 式を
満足する様に添加されるのが好ましい。即ち、前記(1)
式での値が１．０を超えると、炭素が過剰となって、炭
化物生成後に炭素がＡｌと反応してＡｌ₄ Ｃ₃ を生成し
たり、未反応の炭素が残留する。一方前記(1)式の値が
０．８０未満になると、炭化物形成性金属元素の余剰量
が多くなり、凝固時に２００μｍ程度の粗大な金属間化
合物が生成して、強度特性を阻害する。

【００２１】本発明で用いるＡｌ溶湯は、純Ａｌでもよ
いが、通常のＡｌ合金に使用されるＣｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，
Ｎｉ等の元素を常法に従って添加することも勿論可能で
ある。またその添加量も用途等に応じて適宜決定すれば
よい。

【００２２】Ａｌ溶湯中で炭素と反応して炭化物炭化物
形成性金属となる元素としては、複合材料の耐熱性や強
度等の物理的特性を高める炭化物を生成しうる元素であ
れば特に限定はされないが、例えばＢ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｎ
ｂ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｃｅ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｗ等が
好ましい例として挙げられる。そのＡｌ溶湯に対する添
加量も用途等に応じて適宜決定すればよいが、好ましく
は５〜４０重量％の範囲で添加する。

【００２３】固体状の炭素源としては、特に種類は限定
されないが、黒鉛、カーボンブラック、石炭、コークス
等が好ましいものとして例示される。中でも黒鉛は不純
物が少ないという点から特に好ましい。また固体状炭素
源は、数μｍ以下の粒子形状のものが、取扱性や反応速
度等の点で有利である。更に、この固体状の炭素源をＡ
ｌ溶湯中に供給する方法としては、前述の如く黒鉛製の
るつぼでＡｌを溶解する他、例えば黒鉛のブロックを溶
湯中に浸漬する、粉末状の黒鉛を溶湯中に浮かべるなど
の方法がある。その添加量は、炭化物源元素の添加量等
に応じて前記適宜決定すれば良いが、好ましくは１〜２
０重量％の範囲である。

【００２４】本発明の製造方法における加熱温度として
は、炭化物がin situ に生成する温度以上である必要が
あり、Ａｌ溶湯に最低５重量％の炭化物形成性金属元素
を加えた場合の合金の液相線温度以上で且つ1100℃以上
が好ましい。より好ましくは1100〜1500℃の範囲で加熱
するのが良い。尚、加熱時間は原料の種類や加熱温度等
に応じて適宜決定すればよいが、１時間以内が好まし
い。

【００２５】本発明で用いる攪拌手段としては、炭化物
の生成によって溶湯の粘度が高くなった状態でも十分攪
拌できる手段である必要がある。例えば、プロペラなど
による機械的攪拌、高周波誘導溶解によって生じる攪拌
等の電磁誘導攪拌などを利用することができる。

【００２６】以下に実施例を挙げて本発明を更に詳細に
説明するが、下記実施例は本発明を制限するものではな
く、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施するこ
とは全て本発明の技術的範囲に包含される。

【００２７】

【実施例】以下、特記しない限り％は重量％を表わす。 実施例１および２ Ａｌ−５％Ｔｉ合金を、黒鉛るつぼ中で高周波誘導溶解
炉を用いてＡｒ雰囲気中で温度1150℃および1300℃で加
熱溶解し、金型に鋳造した。その結果、後記表１に示す
量のＴｉＣが生成した。生じたＴｉＣの粒径は0.1 〜２
μm で、均一に分散していた。また、粗大な金属間化合
物Ａｌ₃ Ｔｉは認められなかった。

【００２８】実施例３ Ａｌ−20％Ｔｉ−３％Ｃｕ−１％Ｍｇ−0.5 ％Ｖ合金
を、黒鉛るつぼ中で高周波誘導溶解炉を用いてＡｒ雰囲
気中で加熱温度1400℃で溶解し、溶湯中に黒鉛の円盤を
浸漬すると同時に1400℃の温度を保持しつつ溶湯をプロ
ペラで15分間攪拌した後金型に鋳造した。その結果、体
積率15％のＴｉＣが均一に分散した複合材料が得られ
た。以上の結果を一括して表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１から明らかなように本発明の製造方法
によれば、微細なＴｉＣ結晶が均一に分散したＡｌ合金
複合材料が生成していることが分かる。 実施例４ 各種材質のるつぼおよび攪拌子を用いてＡｌを溶解・攪
拌し、Ｔｉを添加してＡｌ−Ｔｉ合金の溶湯を作製し
た。この溶湯中に１〜１０μｍ程度の大きさの炭素粒を
添加した後、所定時間攪拌して複合材料を作成した。Ｔ
ｉ添加量、炭素粒添加量、前記(1) 式の値、るつぼ等の
材質、加熱温度、炭素添加後の保持時間（反応時間）、
および製造した複合材料中の化合物種類等を下記表２に
示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２から明らな様に、るつぼ等の材質や前
記(1) 式の値等を調整することは、複合材料中にＡｌ₄
Ｃ₃ 等を生成させないという点からして有効であること
がわかる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されており、
耐熱性、比強度、比弾性等の優れたＡｌ合金複合材料
を、簡単なプロセスで低コスト且つ効率よく製造する方
法を提供できるようになった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡｌまたはＡｌ合金複合材料の製造方法
   において、ＡｌまたはＡｌ合金溶湯中に炭化物形成性金
   属元素および固体状の炭素源を予め添加し、該溶湯に電
   磁誘導攪拌または機械的攪拌を加えつつ1100〜1500℃の
   温度で反応させることにより炭化物を生成・分散させ、
   その後鋳造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. 【請求項２】 前記溶湯に接触する治具として、前記炭
   化物形成性金属元素および炭素を含まない材料を使用
   し、且つ溶湯中の炭素と炭化物形成性金属元素が下記
   (1) 式を満足する様に添加される請求項１に記載のＡｌ
   またはＡｌ合金複合材料の製造方法。 【数１】