JPH0693354A - 複合軽金属材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 軽金属材料の溶湯にセラミックス類などの異
種材料を均一に分散させる。 【構成】 蓋４，６がアルミニウム合金にてなる容器２
にアルミナ粉末１２を充填し、排気口８から真空ポンプ
で容器内を排気した後、溶断してその排気口８を封止す
る。その容器２をカルシウムを含むアルミニウム合金の
溶湯に投入して沈め、容器の蓋４，６を溶解させて溶湯
を容器２内に侵入させる。これにより、アルミナ粉末を
溶湯に均一に分散させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は輸送機械や家電製品など
の部品に使用されるアルミニウム合金やマグネシウム合
金などの軽金属材料に関し、特にそのような軽金属材料
にセラミックス粒子などの異種材料を分散させた複合軽
金属材料の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金やマグネシウム合金で
は耐摩耗性や耐熱性を向上させるための色々な改良がな
されている。例えば、アルミニウム合金では急冷粉末ア
ルミニウム合金による改良が試みられているが、これは
コストパフォーマンスの点からまだ問題が多い。別の改
良としてセラミックスのプリフォームを先に作成し、こ
れにスクイズなどでアルミニウム合金を含浸させる方法
が行なわれており、この方法はピストンなどに実用化さ
れている。しかし、この方法は、セラミックス短繊維か
らなるプリフォームを作る工程が不可欠であり、そのた
め費用が嵩み、アルミニウム合金の性能は著しく向上す
るものの、コスト高になるのは避けられない。

【０００３】他の改良方法として耐摩耗性や耐熱性の良
好な短繊維や粒子をアルミニウム合金に均一に分散する
方法である。この例としては、アルミニウム合金に最大
で２０体積％の炭化珪素などを分散させた複合合金であ
るDuralcan （Alcan（Asia Limited）の登録商標）が市
販されようとしている。マグネシウムやマグネシウム合
金においても炭化珪素やセラミックスの粒子などを分散
させることによって耐摩耗性や耐熱性を向上させること
が検討されている。

【０００４】耐摩耗性や耐熱性の良好な短繊維や粒子を
軽金属に分散させる場合、用いる短繊維や粒子によって
は溶湯との濡れ性が悪く、分散しにくいことがある。そ
のため、カルシウム金属を初めとして各種の金属類やそ
の塩類を溶湯に少量添加することによって濡れ性を改良
することが提案されている（特開昭５７−１６９０３３
号公報、特開昭５７−１６９０３４号公報、特開昭６０
−１５９１３７号公報、特開昭６０−１９４０３９号公
報などを参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】濡れ性を改良するため
に溶湯に各種の金属類やその塩類を添加したとしても、
異種材料を溶湯全体に均一に分散させることは難しく、
例えば異種材料が均一に分散した溶湯部分の他に、溶湯
上部には所定量より異種材料が多く含有して流動性が悪
くなり、その割合も５〜１５重量％というように異常に
高い部分が共存して仕込んだ異種材料が溶湯全体に均一
に分散していないという問題が生じる。このような問題
はマトリックスがアルミニウムやアルミニウム合金の溶
湯である場合に限らず、マグネシウムやマグネシウム合
金の溶湯である場合にも生じる。またこの現象は細かい
粒子径や細い短繊維になるほどその傾向が強くなる。濡
れ改良材の添加量を多くしてもこの傾向は変わらない。
本発明は複合軽金属材料の溶湯を製造するに当たり、セ
ラミックス類などの異種材料を溶湯に均一に分散させる
ことを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは溶湯に添加
するセラミックスなどの異種材料に空気が付着し、その
空気が異種材料を溶湯に均一に分散させるのを妨げてい
ることを突き止めて、本発明をなすに到った。すなわ
ち、本発明は異種材料を溶湯に添加する際、異種材料に
付着した空気を除去した状態で添加することにより溶湯
に均一に分散させる方法である。

【０００７】セラミックス類などの異種材料から空気を
除去する方法として、仮りに異種材料を添加し撹拌した
後に溶湯を含む系全体の空気を除去する方法をとったと
すれば、設備が膨大になるうえ、減圧にすると溶湯がカ
ルメラ状に盛り上がって真空系を閉鎖したり坩堝の壁に
付着したりして、製造コストが上昇するだけでなく、メ
ンテナンスが困難になる。また、仮りに異種材料と軽金
属合金を坩堝に入れ、溶解前に減圧又は真空状態にする
としても、設備が膨大になるうえ、軽金属材料成分の一
部が気化して材料の成分が変化するという問題が生じ
る。

【０００８】そこで、本発明では、少なくとも一部が溶
湯成分又は溶湯成分の主たる成分で構成され、真空排気
口を有する容器に異種材料を封入し、その真空排気口か
ら排気してその容器内を真空排気した後、その真空排気
口を封じた状態でその容器を溶湯に沈め、その容器内の
異種材料を溶湯に分散させる。異種材料を封入した容器
内の真空度は高真空である方がよく、少なくとも異種材
料に付着した空気を除去できる程度の真空度は必要であ
る。必要な真空度は封入する異種材料の形状や大きさに
応じて定めればよい。

【０００９】異種材料を封入して溶湯に沈める容器は、
一部を溶湯成分又は溶湯成分の主たる成分で構成する場
合、例えば溶湯がアルミニウム合金のときはその容器の
一部をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成するこ
とができる。その容器の他の部分は溶湯のアルミニウム
合金より高融点の材料で構成されている必要がある。と
いうのは、容器のアルミニウム又はアルミニウム合金部
分以外の部分が溶湯の温度より低い温度で溶解するもの
であれば、それらが溶湯成分の一部となって好ましくな
いからである。容器を構成する高融点材料としては鉄や
ステンレスがよい。ただし、アルミニウム合金の溶湯の
場合は、鉄は溶解するので、必要ならばダイキャストの
自動給湯機の杓などに塗布されているチタニアなどを前
もってその鉄部分に塗布しておけばよい。その容器が溶
湯中に浸漬されたとき、その容器の一部を構成するアル
ミニウム又はアルミニウム合金が溶湯の温度で溶解し、
その開いた部分からマトリックスである溶湯が侵入し、
溶湯中に添加された濡れ改良材の作用により溶湯が異種
材料となじむとともに、その後の溶湯の撹拌作用により
異種材料が均一に分散する。このとき、溶湯の撹拌は撹
拌機を用いて行なえばよいが、例えば異種材料封入容器
に柄がついている場合には、その柄をもって溶湯を上下
左右にかき混ぜる方法によってもよい。ただし、容器を
移動させるだけでは異種材料が溶湯中で部分的に高い含
有率になる部分が生じることがあるので、その後撹拌機
などによって溶湯を撹拌するのが好ましい。

【００１０】異種材料を封入する容器全体を同一材質で
構成する場合、溶湯がアルミニウム合金のときは容器へ
異種材料を収容した後にその容器の真空排気口を封じる
際の溶接の容易さから、容器の材質を純アルミニウム製
とするのが好ましい。異種材料を封入する容器全体をア
ルミニウムで構成し、それにセラミックスなどの異種材
料を封入した場合、その容器を溶湯に投入すると溶湯よ
り比重が小さくなって浮く可能性がある。つまり、容器
がアルミニウム合金の場合は、セラミックス類の比重は
３〜４前後であるが、容器内での充填率が１／３程度と
低く、したがって容器全体の見掛けの比重は１前後とな
るからである。その場合には、容器に錘をつけたり、そ
の容器をステンレス製の籠に入れて押し沈めるというよ
うな操作が必要である。

【００１１】マグネシウム又はマグネシウム合金にも同
様に異種材料の粒子や短繊維を添加して複合材とするこ
とができる。溶湯がマグネシウム又はマグネシウム合金
の場合は、その溶湯が大気中でも操作できるようにカル
シウムなどのアルカリ土類金属を添加して難燃化したも
のであることが望ましい。

【００１２】容器の形状は全体が同じ材質で構成されて
いるものであればアンプル型又は円筒型がよく、一部を
溶湯と同じ軽金属とする場合は胴体部が円筒で両底面が
溶湯と同じ成分になるように構成し、胴体部を例えば鉄
製としてこれに真空排気するためのパイプを溶接してお
き、容器に異種材料を封入して真空排気した状態で溶断
してそのパイプを封じる。胴体と両底面とを別材料とす
る場合に両者を接合するには、両底部を皿状に構成して
胴体内に圧入するか、胴体にフランジをつけ、底面の材
料をガスケット（パッキン）を兼ねて蓋としてフランジ
にボルト締めする方法やネジ止めする方法などを採るこ
とができる。補助的には接着剤を用いてもよい。ただ
し、接着剤の分解時に分解ガスが容器内部の真空度を低
下させるおそれがあるときは接着剤は用いない方がよ
い。

【００１３】添加する短繊維類としてはシリカ、アルミ
ナ、アルミナシリカ、ＳｉＣ、カーボン繊維などの無機
繊維、又はこれらのウィスカーを用いることができる。
そのサイズは長さ１ｃｍ以下、好ましくは０．５ｃｍ以
下であり、短い方はサブミクロンまでなら問題はない。
長さが１ｃｍ以上になると分散は可能であるが絡みつき
による粘度上昇が大きくなって、鋳造時に流動性が悪く
なり、実質的に強化材を多く含有させることができなく
なる。繊維状強化材を多く含有させたいときは、プリホ
ームを先に形成し、スクイズで含浸させる方法が一般的
である。粒状粉末としてはアルミナ、ＳｉＣ、アルミナ
シリカ、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化タングステ
ン、スピネルなどを用いることができる。粒子の大きさ
は０.１μｍ〜３０００μｍの範囲のものが適当であ
り、０.１μｍより微粉末になってくると一部浮上する
おそれがあり、また、粘性が上昇して鋳造性が劣るよう
になる。３０００μｍより大きくなると複合材料の均一
性に問題が生じてくる。これらの異種材料の中にはマグ
ネシウムと反応するものがあるが、その場合には溶湯に
カルシウムを数％添加すればよい。これらの異種材料の
含有率は３５体積％が最大であり、これ以上は充填が困
難である。

【００１４】これらの異種材料と溶湯との濡れ性を改良
する方法として、溶湯にカルシウムを添加する方法が知
られている。Ｃａの他に、Ｂｉ，Ｓｎ，Ｃｄ，Ｓｂ，Ｉ
ｎ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｒａ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｖ，Ｚｒ，
Ｎｂ，Ｍｇ，Ｌｉ，Ｃｅ，Ｂｅなどを添加してもよい
（特開昭５７−１６９０３３号公報、特開昭５７−１６
９０３４号公報、特開昭６０−１５９１３７号公報、特
開昭６０−１９４０３９号公報などを参照）。また、セ
ラミックスなどの異種材料を一度アルコールなどの溶媒
に浸漬させると、嵩高性が減少するとともに、溶湯との
濡れや分散性がよくなる傾向にある。分散させる異種材
料の種類や大きさ、量、濡れ改良剤の種類などの選定や
効果の程度は、溶湯の状態を目で見て簡単に判断できる
ので、予備評価が可能であり、その結果から適用範囲を
決定すればよい。マトリックス材、添加し分散させる異
種材料の大きさや含有量、濡れ改良材の種類などの選択
は、溶湯の状態を目視で見て簡単に判断することができ
るので、予備評価が可能で、その結果から適用範囲を決
定すればよい。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば次のような工業的利点を
達成することができる。 （１）異種材料を充填した容器を溶湯に投入するだけで
あるので、現行の溶解設備をそのまま利用することがで
きる。 （２）異種材料が均一に分散するので、複合軽金属材料
の大幅な特性改良が可能である。 （３）濡れ改良剤やマトリックス材、添加し分散させる
異種材料の種類によらず本発明は一般的に適用すること
ができる。その結果、部品の要求性能によって特別な材
料を選択する必要がなく、一般の量産材料に必要な異種
材料を添加することによって要求性能を満たすことが可
能になり、それだけコスト低減を図ることができ、適用
範囲が拡がる。 （４）量産化が容易であることと、従来の軽金属材料よ
り特性が向上することにより、鉄材部品から複合軽金属
部品への置換が可能となる。その結果として、例えば車
両では軽量化を図ることができ、燃費の向上が期待され
る。

【００１６】

【実施例】

（実施例１，２）アルミナ含有率が溶湯に対して１２体
積％となるようにアルミナ粉末を計量し、それを図１に
示されるような、両端にねじをきった円筒容器に充填し
た。図１の容器は胴体部２が鉄製であり、外面及び内面
にはチタニヤが塗布されている。その円筒の胴体の両開
口部を閉じるように、溶湯と同成分のアルミニウム合金
で内側にねじを切った蓋４，６を作成し、パイレンで捩
じ込んでシールした。胴体部２には予め真空ポンプに連
結する鉄チューブの排気口８が溶接されており、また胴
体部２には柄１０が溶接されている。アルミナ粉末とし
ては粒径が４μｍのもの（実施例１）と７μｍのもの
（実施例２）の２種類（いずれも住友化学株式会社の製
品）を用い、そのアルミナ粉末を図１の容器内に充填
し、排気口８から真空ポンプで容器内を排気した後、溶
断してその排気口８を封止した。１２は封入されたアル
ミナ粉末を表わしている。充填されたアルミナ粉末の比
重が約１．３であったので、胴体部２の鉄の厚みを約６
ｍｍとして溶湯に全て埋没できるようにした。

【００１７】別に、アルミニウム合金ＡＣ８Ａにカルシ
ウムが２重量％になるように添加して溶解した。この溶
湯（合金重量は１．０ｋｇ）にアルミナを充填した上記
の容器を投入した。このとき溶湯温度は７４０℃であ
り、投入後約２０分間で容器の両底面４，６が溶解し、
溶湯が容器内に入った。溶湯中で柄１０により胴体部２
を揺することにより、アルミナを溶湯におおむね馴染ま
せ、胴体部２を引き上げた。その後溶湯を撹拌機で撹拌
した後、インゴットに鋳造した。この溶湯には流動性の
悪い部分はなく、溶湯全てがインゴットに鋳造でき、濡
れ改良材としてカルシウムを添加している効果もあっ
て、アルミナが均一に分散されていた。

【００１８】（比較例１，２）実施例１，２と同じよう
にして複合合金を作った。ただし、アルミナは図１のよ
うな容器を用いないで、次のように添加して分散させ
た。すなわち、溶湯を１００ｒｐｍで撹拌しつつ、溶湯
に所定の量のアルミナを約５分間かけて少量ずつ投入し
て添加し、インゴットに鋳造した。しかし、溶湯の一部
には、流動性が悪く坩堝内に残留した部分があり、その
重量は粒子径が４μｍのアルミナを用いた比較例１では
約９％、粒子径が７μｍのアルミナを用いた比較例２で
は約７．５％であった。

【００１９】（実施例３）マグネシウム合金ＡＺ９１に
更に４．９重量％のカルシウムと５重量％の亜鉛を添加
して配合し、大気中でも燃焼しない溶湯として、アルミ
ナの代わりに研磨用の粒子径１μｍの炭化珪素を異種材
料として添加し、かつその添加量を２０体積％とし、溶
湯温度を７００℃とした以外は、実施例１，２と同様に
して溶湯を作成した。結果は実施例１，２と同様に、溶
湯全てが流動性がよく、インゴットに鋳造でき、炭化珪
素が均一に分散されていた。この実施例では、炭化珪素
を封入する容器はその胴体部２が鉄製であり、その胴体
の両開口部を閉じる蓋４，６は溶湯と同成分のマグネシ
ウム合金製とした。

【００２０】（比較例３）比較例１，２で示したと同じ
方法で、実施例３で示したと同じ組成の複合合金の溶湯
を作った。しかし、流動性が悪く、坩堝内に残留した重
量は約１３％あった。 （実施例４）異種材料を空気から分離して溶湯に投入す
るための容器としては、例えば図２に示されるように全
体を溶湯成分又は溶湯成分の主たる成分の材質にてなる
カプセル状に形成し、その内側にセラミックス粉末など
の異種材料１２を充填し、真空ポンプにつながる排気口
１６を溶断して容器内部を真空状態にして封入してもよ
い。この容器は溶湯に投入したときに一部が溶湯表面上
に浮くことがあるので、ステンレス製などの籠に入れて
強制的に溶湯に沈めればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で異種材料を溶湯に添加するために用い
る容器の一例を示す断面図である。

【図２】実施例で異種材料を溶湯に添加するために用い
る容器の他の例を示す断面図である。

【符号の説明】

２ 容器の胴体部 ４，６ 容器の底部 ８，１６ 排気口 １０ 柄 １２ アルミナ粉末

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軽金属材料の溶湯に異種材料を添加して
   複合軽金属材料溶湯とする方法において、少なくとも一
   部が前記溶湯成分で構成され、真空排気口を有する容器
   に前記異種材料を封入し、前記真空排気口から排気して
   その容器内を真空排気した後、その真空排気口を封じた
   状態でその容器を前記溶湯に沈め、その容器内の異種材
   料を溶湯に分散させることを特徴とする複合軽金属材料
   の製造方法。
2. 【請求項２】 前記容器の一部が溶湯成分又は溶湯成分
   の主たる成分で構成され、容器の他の部分はそれより高
   融点の材料で構成されている請求項１に記載の複合軽金
   属材料の製造方法。
3. 【請求項３】 前記容器に前記異種材料を充填した状態
   で容器の比重が溶湯の比重より大きくなっている請求項
   １に記載の複合軽金属材料の製造方法。
4. 【請求項４】 前記容器には溶湯の外部からその容器を
   動かす柄がつけられている請求項２に記載の複合軽金属
   材料の製造方法。
5. 【請求項５】 前記容器の全部が溶湯成分又は溶湯成分
   の主たる成分で構成され、その容器に前記異種材料が充
   填された後、他の部材を用いてその容器を強制的に溶湯
   に沈める請求項１に記載の複合軽金属材料の製造方法。