JPH09295122A

JPH09295122A - 金属基複合材料の製造方法

Info

Publication number: JPH09295122A
Application number: JP13593696A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamaguchi; 毅山口; Koreyoshi Fuda; 之欣附田; Riyuuji Saikudou; 龍司細工藤
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1996-05-03
Filing date: 1996-05-03
Publication date: 1997-11-18
Anticipated expiration: 2016-05-03
Also published as: JP3011885B2

Abstract

(57)【要約】【課題】強化材の分散性に優れ、ショット毎の強化
材含有率が比較的均一となり、機械特性の良好な複合材
料を射出成形機を用いて安定に成形する。【解決手段】マトリックス金属材１と強化材２とをボ
ールミル機５により混合して金属材１に強化材２を付着
させ、これをふるいにかけて半溶融もしくは溶融状態に
て射出成形する。【効果】金属材に強化材を均一に分散させることが
でき、これを原料として射出成形することにより強化材
が均一に分散した高品質の金属基複合材料が低コストで
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強化材がマトリッ
クス中に分散した金属基複合材料を射出成形により製造
する金属基複合材料の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属片を半溶融もしくは溶融状態で射出
成形する方法は、金属を安全にネットシェイプ成形でき
るなどの利点の他に、スクリューによる撹拌効果を用い
て分散性に優れた金属基複合材料を容易に一体成形でき
るという利点を有している。ところで、上記金属基複合
材料を射出成形する場合には、金属片に強化材を均一に
分散させた状態で射出成形機に供給する必要がある。こ
の供給方法としては様々な方法が考えられるが、例え
ば、金属片とセラミックス粒子やウイスカなどの強化材
とを同時に射出成形機のホッパーより投入する方法や、
金属材と強化材とを混合して圧縮成形した後に押出成形
してペレット状にしたものを使用する方法（特開平６−
２３８４２２号）が挙げられる。これらの原料を半溶融
もしくは溶融状態で射出成形することによって強化材が
マトリックス中に分散した金属基複合材料を得ることが
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記原料の供
給方法のうち前者の方法では、一般に金属材と強化材の
大きさが異なる（通常は強化材が著しく小さい）ため、
ホッパー内もしくはシリンダ内の金属材未溶解部におい
て、金属材よりも小さい強化材が下部に集積してしま
う。これをスクリューによりフィードすると、溶解撹拌
されてもマトリックスと強化材とが完全に均一分散され
ないまま成形されたり、ショット毎に強化材の含有率が
違うといった現象を引き起こし、その結果、成形品の機
械的特性が悪化したり、ショット毎に機械的特性がばら
つくといった問題が生じる。

【０００４】一方、上記原料の供給方法のうち、特開平
６−２３８４２２号に記載された後者の方法では、予め
分散性に優れた原料を用いるため、成形品の強化材の分
散性や含有率のばらつきの問題は小さい。しかし、原料
作製時に材料の混合、圧縮成形、押出成形（加熱）とい
ったプロセスが必要になるため製造工程の増加により製
造コストが上がるという問題がある。また、原料作製時
にマトリックス金属材と強化材とを加熱するため、強化
材とマトリックスとが反応してしまい、成形品の機械的
特性を低下させるという問題もある。

【０００５】この他に、ＭＩＭ（金属粉末射出成形）の
ように有機系のバインダを使用して金属粉末と強化材粒
子とを造粒する方法も考えられるが、バインダが不純物
として含まれてしまうため採用は困難である。すなわ
ち、従来、金属基複合材料を射出成形する際に、強化材
をマトリックス金属材に均一分散させ、これを低コスト
で原料として供給できる有効な方法は見出されていな
い。本発明は、上記事情を背景としてなされたものであ
り、マトリックス金属材と強化材とを均一に分散させた
原料を射出成形機に供給して強化材がマトリックス中に
均一に分散した良好な成形品を低コストで得ることがで
きる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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の金属基複合材料の製造方法は、小片状また
は粒状のマトリックス金属材と強化材とをボールミル機
により混合してマトリックス金属材に強化材を付着させ
た後、この混合物をふるいにかけて所定寸法以上のもの
を分別し、これを原料に用いて半溶融もしくは溶融状態
にて射出成形することを特徴とする。

【０００７】第２の発明は、第１の発明において、マト
リックス金属材と強化材とをボールミル機で混合する際
に、金属材と強化材との濡れをよくする補助材を添加す
ることを特徴とする。第３の発明は、第１または第２の
発明において、マトリックス金属材がボールミル機によ
る混合後に１ｍｍ以上の大きさを有していることを特徴
とする。

【０００８】なお、本発明に用いられる、マトリックス
金属材や強化材の種別は、特に限定されるものではな
く、適宜選定される。例えば、金属材としては、Ｍｇ，
Ａｌ，Ｚｎ等が挙げられ、強化材としては、Ａｌ₂Ｏ₃，
ＳｉＣ，ＭｇＯ等のセラミックス粒子が挙げられる。な
お、上記金属材および強化材には小片状または粒状のも
のが用いられるが、その詳細な形状が特に限定されるも
のではない。ただし、金属材の大きさは、１ｍｍ以上が
望ましく、４ｍｍ以下が望ましい。これは、１ｍｍ未満
の微細な金属材を用いると、ホッパー内で架橋現象が起
き原料が送られなくなったり、取り扱いが困難になるた
めであり、また、４ｍｍを越えると、溶融困難になる
し、切削加工による作製も困難となるためである。また
Ｍｇのように燃えやすい金属材は、危険物にも指定され
ており、微細になるほど取り扱いが困難になる。

【０００９】なお、上記金属材は、全てが上記範囲を満
たしていれば最適ではあるが、実質的に上記範囲内の大
きさを有していればよく、例えば微細なものが僅かに混
入しているものなどを排除するものではない。また、強
化材としては、マトリックス中に微細に均一に分散させ
るという点から、寸法の小さいものが望ましく、１ｍｍ
以下、さらには、１０μｍ以下のものが望ましい。な
お、上記マトリックス金属材および強化材の大きさは、
小片状のものにあっては、その長さをいい、粒状のもの
にあっては粒径をいう。

【００１０】また、上記した金属材と強化材との混合比
も特に限定されるものではなく、金属材、強化材の種別
や成形品の用途等に基づいて適宜選定される。また、金
属材への強化材の付着効率によっても異なってくる。さ
らに、上記した金属材と強化材には、両者の濡れをよく
するために補助材を添加混合することも可能であり、例
えば、ＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂等を使用することができる。こ
の補助材は、射出成形に際して溶融、合金化されるた
め、不純物となることはなく、成形品の特性に悪影響を
与えない。

【００１１】上記金属材と強化材またはこれに補助材を
加えて混合するボールミル機は、一般には収容物を粉砕
するために用いるが、本発明では金属材の粉砕を目的と
せず、金属材に強化材を付着させることを目的とする。
この付着形態は金属材に強化材が圧着した状態といえ
る。ただし、金属材の粉砕が伴う場合を排除するもので
はなく、その場合には金属材の大きさをある程度に保つ
ことを考慮した操業（回転時間や回転数等）がなされ
る。したがって、大幅な粉砕を伴う、ボールミルを用い
た機械的合金化法等とは本質的に目的および内容が異な
る。上記混合後における金属材の大きさは、上記した原
料としての金属材の望ましい大きさと同じく、１ｍｍ以
上であるのが望ましい。なお、この金属材の破砕程度
は、ボールミル機の操業時間すなわち回転時間を調整す
ることによって容易に達成される。金属材の破砕程度は
回転時間を短くする程緩和されるが、金属材への強化材
の付着量も低下するため、これらを勘案して回転時間を
定める。

【００１２】上記ボールミル機により金属材と強化材と
を混合撹拌し、これをふるいにかけて所定寸法未満のも
のを除去すれば、射出成形に適した寸法の原料が得られ
る。なお、ふるいの寸法は、分別したい、強化材が付着
した金属材の大きさに応じて定められるが、金属材とし
て望ましい１ｍｍ以上の大きさに合わせてふるいの目を
１ｍｍ未満とするのが望ましい。なお、ふるいの方法等
が特に限定されるものではなく、要は、所定寸法以上の
ものを分別できるものであればよい。

【００１３】上記ふるいの結果、得られた原料は強化材
が金属材に付着しており、ミクロ的には均一分散してい
ないもののマクロ的には強化材が均一分散した状態にあ
る。これを原料として射出成形機に投入すれば、スクリ
ューにより金属材と強化材とが安定して定量供給され、
マクロ的な均一分散と溶融後の撹拌によるミクロ的な分
散の形成とが併せられて、成形品中の強化材が均一分散
されることになる。

【００１４】また、ボールミル時の金属材と強化材の混
合比や混合時間を調整することで強化材の付着量をコン
トロールできるため、成形品における強化材の含有率を
容易に調整することができる。しかも付着させるだけで
足りるので短時間の混合ですみ、長時間の強撹拌や圧縮
および押出成形など他の造粒方法と比べてコストも低く
抑えることができる。また、強化材とマトリックスの濡
れ性を改善する化合物を強化材と共にボールミルを使っ
て金属材に付着させれば、マトリックスが半溶融もしく
は溶融したときに強化材と良好に濡れて複合化が容易と
なるほか、成形品の機械的特性も向上する。

【００１５】

【発明の実施形態】図１に本発明の一実施形態における
プロセスの概念図を示す。常法により製造された小片状
の金属材１（１〜４ｍｍ大）と粒状の強化材２（１ｍｍ
以下）とをそれぞれ用意し、ボールミル用のアルミナポ
ット３にアルミナボール４を入れ、これに上記金属材１
と強化材２とを所定量を加えて密閉し、回転ボールミル
機５にセットした後、一定時間混合させる。このボール
ミル機５の回転により強化材２は、金属材１の周囲に付
着し、マクロ的に強化材２を金属材１に分散させること
ができる。

【００１６】この混合の際に、回転時間を調整すること
により、金属材への強化材の付着量を調整することがで
き、金属材表面に付着した強化材の体積率は、そのまま
成形後の複合材料における強化材体積率となる。複合材
料の機械的特性は強化材含有量の違いにより異なること
が知られており、本プロセスで強化材表面に付着する強
化材の量を調整することで、成形後の複合材料の機械的
特性を制御することができる。

【００１７】上記混合後、アルミナポット３の蓋を開け
て内容物を取り出してボール４を取り除き、混合物をふ
るいにかける。このふるいにより強化材２が付着した所
定寸法以上の金属材１のみが分別され、金属材１に付着
しなかった強化材や必要以上に粉砕された金属材を除去
することができる。この複合粒子を射出成形機６のホッ
パー７に投入し、溶融または半溶融状態で射出成形する
ことにより、強化材がミクロ的にも均一に分散した金属
基複合材料が得られる。

【００１８】

【実施例】金属材としてのマグネシウム合金チップ（Ａ
ＳＴＭＡＺ９１Ｄ、１〜２ｍｍ大）と強化材としての
アルミナ粉末（平均粒子径３．０μｍ）とをそれぞれ用
意し、上記実施形態で示した回転ボールミル機で回転速
度１００ｒｐｍで混合させた。この混合物をボールミル
機から取出した後、１ｍｍ目のふるいにかけアルミナ粒
子が付着した寸法１ｍｍ以上合金チップのみを分別し
た。

【００１９】なお、合金チップに付着したアルミナ粒子
の量は、複合粒子の密度を乾式密時計により測定して、
合金の密度とアルミナ粒子の密度から算出することがで
きる。合金チップ２００ｇに対するアルミナ粒子の投入
量を変えて３時間混合処理したときの、アルミナ粒子投
入量とチップに付着したアルミナ粒子の体積率との関係
を図２に示す。また、平均粒径５５μｍのアルミナ粒子
１８８．０ｇと合金チップ２００ｇをボールミル機で混
合したときの混合時間とチップに付着したアルミナ粒子
の体積率との関係を図３に示す。図２、図３に示すよう
にアルミナ粒子の混合量や混合時間と、チップに付着し
たアルミナ粒子の体積率との間には良い相関関係があ
り、上記混合量や混合時間を調整することによりアルミ
ナ粒子、すなわち強化材の付着量を容易に調整すること
ができる。

【００２０】なお、この実施例では、平均粒径３．０μ
ｍのアルミナ粒子１０８．８４ｇと合金チップをボール
ミル機で３時間混合して合金チップ表面にアルミナ粒子
を付着させた。この複合粒子表面のＳＥＭ観察写真を図
４に示す。図４から明らかなように合金チップ表面にア
ルミナ粒子が密に、かつ均一に付着しており、マクロ的
な均一分散性が確保されている。なお、金属チップは写
真全容に亘っている。この複合粒子を射出成形機６に投
入したところ、架橋などが発生することなく円滑にシリ
ンダ８内に供給された。該原料を５９０℃に加熱して半
溶融状態にして射出したところ、強化材が均一に分散し
た成形品が低コストで得られた。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の金属基複
合材料の製造方法によれば、小片状または粒状のマトリ
ックス金属材と強化材とをボールミル機により混合して
金属材に強化材を付着させた後、この混合物をふるいに
かけて所定寸法以上のものを分別し、これを原料に用い
て半溶融もしくは溶融状態にて射出成形するので、金属
材と強化材とを、特性に悪影響を与えることなく低コス
トで均一に分散させることができ、強化材が均一に分散
した高品質の金属基複合材料を低コストで製造すること
ができる。

【００２２】すなわち、本発明によれば、マトリックス
金属材と強化材とを別個に投入した場合に比べて、材料
の溶融前の段階ですでに強化材の分散性に優れており、
射出成形後の成形品における強化材の分散性を大幅に向
上させ、成形品内における材料特性の均一性の向上をも
たらす上、ショット毎の強化材の含有率ばらつきも無く
すことができるためショット毎の成形品の特性のばらつ
きを無くすことができる。また、予め圧縮成形および押
出成形で複合パレットを作製する場合に比べてコストも
低く、処理時間も短くすることができる。また、造粒の
ためのバインダ等も使用しなくてすむので不純物の混入
も引き起こさない。

【００２３】なお、金属材と強化材とをボールミル機で
混合する際に、金属材と強化材との濡れをよくする補助
材を添加すれば、半溶融もしくは溶融したときにマトリ
ックスに強化材が良好に濡れて複合化が容易になる。ま
た、マトリックス金属材がボールミル機による混合後に
１ｍｍ以上の大きさを有していれば、射出成型機への供
給が円滑になされ、金属基複合材料を良好に得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施形態におけるプロセス
の概念図である。

【図２】図２は実施例における、アルミナ粒子混合量
と合金チップへのアルミナ粒子の付着量（体積率）の関
係を示すグラフである。

【図３】図３は実施例における、混合時間と合金チッ
プへのアルミナ粒子の付着量（体積率）の関係を示すグ
ラフである。

【図４】図４は実施例で得られた射出成形用原料の表
面ＳＥＭ観察像を示す図面代用写真である。

【符号の説明】

１マグネシウム合金チップ２アルミナ粉末３アルミナポット４アルミナボール５ボールミル機６射出成形機７ホッパー８シリンダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】小片状または粒状のマトリックス金属材
と強化材とを、ボールミル機により混合してマトリック
ス金属材に強化材を付着させた後、この混合物をふるい
にかけて所定寸法以上のものを分別し、これを原料に用
いて半溶融もしくは溶融状態にて射出成形することを特
徴とする金属基複合材料の製造方法
【請求項２】マトリックス金属材と強化材とをボール
ミル機で混合する際に、マトリックス金属材と強化材と
の濡れをよくする補助材を添加することを特徴とする請
求項１記載の金属基複合材料の製造方法
【請求項３】マトリックス金属材がボールミル機によ
る混合後に１ｍｍ以上の大きさを有していることを特徴
とする請求項１または２に記載の金属基複合材料の製造
方法