JPH11106848A - セラミックス粉末高含有Al合金基複合材料の製造方法 - Google Patents

セラミックス粉末高含有Al合金基複合材料の製造方法

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JPH11106848A
JPH11106848A JP27259497A JP27259497A JPH11106848A JP H11106848 A JPH11106848 A JP H11106848A JP 27259497 A JP27259497 A JP 27259497A JP 27259497 A JP27259497 A JP 27259497A JP H11106848 A JPH11106848 A JP H11106848A
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alloy
sic
mixed
average particle
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JP27259497A
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Ki Sai
祺 崔
Tadashi Nomura
正 野村
Koichi Ohori
紘一 大堀
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MA Aluminum Corp
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Mitsubishi Aluminum Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Al合金素地中にセラミックス粉末(特にS
iC粉末)が緻密に分散したセラミックス粉末高含有A
l合金基複合材料の製造方法を提供する。 【解決手段】 均粒径の最も大きなSiC粉末と平均粒
径の最も小さなSiC粉末の比が1.2〜100の範囲
内にあり、かつ平均粒径の最も小さなSiC粉末の占め
る割合が10〜70vol%の範囲内にあるように平均
粒径の異なる2種類以上のSiC粉末を配合し混合して
SiC混合粉末を作製し、このSiC混合粉末にAl合
金粉末を、SiC混合粉末:40超〜70vol%、残
部:Al合金粉末となるように配合し混合してAl合金
−SiC混合粉末を作製し、Al合金−SiC混合粉末
を温度:100〜400℃、圧力:30〜300MPa
で予備成形し、ついで、Al合金の液相線温度からAl
合金の液相線温度+150℃の範囲の温度に保ちながら
30〜300MPaの圧力で液相成形する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、Al合金素地中
にセラミックス粉末が緻密に分散している高密度のセラ
ミックス粉末高含有Al合金基複合材料の製造方法に関
するものであり、特に、Al合金素地中にSiC粉末が
緻密に分散している高密度のSiC粉末高含有Al合金
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】従来、Al合金粉末素地中に、セラミッ
クス粉末、セラミックス繊維またはそれらの混合物が分
散している組織を有するセラミックス含有Al合金基複
合材料は、耐熱性および耐摩耗性に優れるところから内
燃機関の部品または電子部品の材料として広く用いられ
ている。特に、SiC含有Al合金基複合材料はSiチ
ップをAl合金製リードフレームとの間に挿入して、S
iチップで生じた熱をAl合金製リードフレームに逃が
すヒートシンク材として使用される。
【0003】これらセラミックス含有Al合金基複合材
料は、通常、(a)Al合金溶湯にセラミックス粉末、
セラミックス繊維またはそれらの混合物を添加して強撹
拌することによりセラミックス粉末、セラミックス繊維
またはそれらの混合物をAl合金溶湯中に分散させる溶
湯撹拌法、(b)一定の気孔率を有するセラミックス粉
末、セラミックス繊維またはそれらの混合物の予備成形
体または焼成体を作製し、高圧によりAl合金溶湯を前
記予備成形体または焼成体中に含浸させる加圧含浸法、
(c)マグネシウムを含有するAl合金粉末を窒素雰囲
気中でセラミックス粉末、セラミックス繊維またはそれ
らの混合物を非加圧下で複合させる非加圧含浸法、
(d)Al合金粉末と、セラミックス粉末、セラミック
ス繊維またはそれらの混合物との化学反応を利用して複
合させるIn−situ法、などの方法により作られる
ことは一般に知られている。
【0004】しかし、前記溶湯撹拌法は、Al合金素地
中にセラミックス粉末、セラミックス繊維またはそれら
の混合物を均一に分散させることは容易にできることで
はなく、また、この方法ではセラミックス粉末、セラミ
ックス繊維またはそれらの混合物を30vol%以上含
有させることは困難である。さらに、前記加圧含浸法ま
たは非加圧含浸法は、予備成形体の製造に際しては気孔
のコントロールを必要とすると共に、圧力および雰囲気
の正確なコントロールを必要とするところからコストが
高くなることが避けられないという欠点がある。また、
In−situ法は化学反応を利用して複合させるもの
であるから、特定のマトリックスと強化材の組み合わせ
しか利用できず、汎用性のない方法である。
【0005】これら方法の欠点を解決するために「軽金
属」Vol.39(1989)、第255〜261ペー
ジに詳細に記載されている液相成形法が開発された。こ
の方法は、Al合金粉末と、アルミナ粉末、アルミナ繊
維またはそれらの混合物とを混合して得られたAl合金
−アルミナ混合粉末を予備成形して予備成形体を作製
し、この予備成形体をAl合金の液相線温度以上に加熱
して加圧成形する方法であって、簡単な製造方法である
にもかかわらず、アルミナ粉末を高含有したAl合金基
複合材料が得られる方法である。この液相成形法による
成形理論は、Al合金粉末とアルミナ粉末を混合して得
られたAl合金−アルミナ混合粉末の予備成形体をAl
合金の液相線温度以上に加熱すると、Al合金粉末は表
面が強固な酸化膜で覆われているので、粉末の内部が溶
融状態になっても溶融金属は流出することなく酸化膜内
部に充填された状態になっており、次に、加熱保持され
たAl合金−アルミナ混合粉末に外部より酸化膜を破壊
するに必要な応力を加えると、Al合金粉末の酸化膜内
部の溶融金属が流出し、引き続く外部応力の負荷で溶融
金属はアルミナ粉末を濡らすと共にアルミナ粉末間の隙
間に浸透し、凝固してセラミックス含有Al合金基複合
材料が製造されるされている
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の液
相成形法で製造したAl合金基複合材料は、Al合金に
対するセラミックス粉末の含有量は40vol%が限度
であり、40vol%を越えてセラミックス粉末を添加
したAl合金−セラミックス混合粉末を予備成形し、液
相成形しても、得られたセラミックス粉末高含有Al合
金基複合材料は多孔質で密度が低下し、各種機械部品ま
たは電子部品の材料として使用に供することはできず、
特にセラミックス粉末がSiC粉末である場合は、高密
度のSiC粉末高含有Al合金基複合材料を製造するこ
とができず、従って、ヒートシンクの材料として提供す
ることができないという課題があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
セラミックス粉末の含有量が40vol%を越える高密
度のセラミックス粉末高含有Al合金基複合材料、特に
SiC粉末の含有量が40vol%を越える高密度のS
iC粉末高含有Al合金基複合材料を製造することので
きる方法を開発すべく研究を行なった結果、(a)平均
粒径の異なったセラミックス粉末を混合して得られたセ
ラミックス混合粉末をAl合金粉末に対して添加し混合
してAl合金−セラミックス混合粉末を作製し、このA
l合金−セラミックス混合粉末を予備成形して予備成形
体を作製し、ついでこの予備成形体をAl合金の液相線
温度以上に加熱して加圧成形すると従来よりも十分に充
填することができる、(b)Al合金−セラミックス混
合粉末を予備成形して予備成形体を作製する条件を温
度:100〜400℃、圧力:30〜300MPaの条
件で行うことが好ましい、(c)予備成形体を液相成形
する条件は、温度:Al合金の液相線温度〜Al合金の
液相線温度+150℃、圧力:30〜300MPaの範
囲内で行うことが好ましい、という研究結果を得たので
ある。
【0008】この発明は、上記の研究結果にもとづいて
なされたものであって、(1)平均粒径の最も大きなセ
ラミックス粉末と平均粒径の最も小さなセラミックス粉
末の比が1.2〜100の範囲内にあり、かつ平均粒径
の最も小さなセラミックス粉末の占める割合が10〜7
0vol%の範囲内にあるように平均粒径の異なる2種
類以上のセラミックス粉末を配合し混合してセラミック
ス混合粉末を作製し、前記セラミックス混合粉末にAl
合金粉末を、セラミックス混合粉末:40超〜70vo
l%、残部:Al合金粉末となるように配合し混合して
Al合金−セラミックス混合粉末を作製し、前記Al合
金−セラミックス混合粉末を100〜400℃の温度に
保ちながら30〜300MPaの圧力で予備成形して予
備成形体を作製し、ついで、前記予備成形体をAl合金
の液相線温度からAl合金の液相線温度+150℃の範
囲の温度に保ちながら30〜300MPaの圧力で液相
成形するセラミックス粉末高含有Al合金基複合材料の
製造方法、に特徴を有するものである。
【0009】この発明において、前記セラミックス粉末
はSiC粉末であることが好ましい。従って、この発明
は、(2)平均粒径の最も大きなSiC粉末と平均粒径
の最も小さなSiC粉末の比が1.2〜100の範囲内
にあり、かつ平均粒径の最も小さなSiC粉末の占める
割合が10〜70vol%の範囲内にあるように平均粒
径の異なる2種類以上のSiC粉末を配合し混合してS
iC混合粉末を作製し、前記SiC混合粉末にAl合金
粉末を、SiC混合粉末:40超〜70vol%、残
部:Al合金粉末となるように配合し混合してAl合金
−SiC混合粉末を作製し、前記Al合金−SiC混合
粉末を100〜400℃の温度に保ちながら30〜30
0MPaの圧力で予備成形して予備成形体を作製し、つ
いで、前記予備成形体をAl合金の液相線温度からAl
合金の液相線温度+150℃の範囲の温度に保ちながら
30〜300MPaの圧力で液相成形するSiC粉末高
含有Al合金基複合材料の製造方法、に特徴を有するも
のである。
【0010】この発明のセラミックス粉末高含有Al合
金基複合材料の製造方法のAl合金−セラミックス混合
粉末を作製し、予備成形して予備成形体を作製し、得ら
れた予備成形体を液相成形する工程における条件を前記
のごとく限定した理由を以下に説明する。
【0011】(A)セラミックス混合粉末:1種類の平
均粒径を有するセラミックス粉末では、粒径が小さい場
合には粒子総表面積がおおきすぎて液相成形時の溶融A
l合金が粒子間に浸透するのを妨げるので好ましくな
く、逆に粒径が大きい場合には粒子間に多くの間隙が形
成されるので好ましくない。従って、この発明では平均
粒径の異なったセラミックス粉末を混合してして得られ
るセラミックス混合粉末を使用する必要があるが、その
場合、平均粒径の大きなセラミックス粉末の平均粒径D
A と平均粒径の小さなセラミックス粉末の平均粒径DB
とすると、粒径比(以下、DA /DB で示す)が1.2
未満であり、かつ平均粒径の最も小さなセラミックス粉
末の占める割合が10vol%未満であったり、また
は、粒径比(DA /DB )が100を越え、かつ平均粒
径の小さなセラミックス粉末の占める割合が70vol
%を越えたりすると、粒子間に多くの間隙が形成される
ので好ましくない。従って、DA /D B は1.2〜10
0(好ましくは、1.5≦DA /DB ≦10)の範囲内
にあり、かつ平均粒径の最も小さなセラミックス粉末の
占める割合が10〜70vol%(好ましくは、25〜
55vol%)の範囲内にあるように定めた。
【0012】また、2種類以上の異なった平均粒径Dma
x …Dmin を有するセラミックス粉末を混合した場合、
平均粒径の最も大きなセラミックス粉末の平均粒径Dma
x と平均粒径の最も小さなセラミックス粉末の平均粒径
Dmin の粒径比(以下、Dmax /Dmin で示す)が1.
2〜100(好ましくは、1.5〜10)の範囲内にあ
り、かつ平均粒径の最も小さなセラミックス粉末の占め
る割合が10〜70vol%(好ましくは、25〜55
vol%)の範囲内にあることが好ましいことは同じ理
由によるものである。
【0013】(B)Al合金−セラミックス混合粉末:
前記セラミックス混合粉末とAl合金粉末を混合してA
l合金−セラミックス混合粉末を作る場合のセラミック
ス混合粉末の添加量は、セラミックス混合粉末が40v
ol%以下では十分にセラミックス粉末を含有している
とはいえず、一方、セラミックス混合粉末の添加量が7
0vol%を越えると得られたAl合金基複合材料が脆
すぎるところから好ましくない。従って、Al合金−セ
ラミックス混合粉末に含まれるセラミックス粉末の量は
40超〜70vol%に定めた。
【0014】(C)予備成形:前記Al合金−セラミッ
クス混合粉末を予備成形するための条件を温度:100
〜400℃、圧力:30〜300MPaに定めた理由
は、予備成形温度が100℃未満、予備成形圧力が30
MPa未満ではAl合金粉末が変形しにくく、一定の形
状を有する予備成形体の作製が困難になるほか、ポアも
増加して十分な強度の予備成形体が得られないことによ
るものであり、一方、予備成形温度が400℃を越え、
予備成形圧力が300MPaを越えた条件で予備成形す
ると半焼結状態となり、かえって次の工程の液相成形時
の成形効率を低下させるので好ましくないことによるも
のである。予備成形条件の一層好ましい範囲は、温度:
200〜300℃、圧力:150〜250MPaであ
る。
【0015】(D)液相成形:予備成形して得られた予
備成形体をAl合金の液相線温度からAl合金の液相線
温度+150℃の範囲の温度に保ちながら30〜300
MPaの圧力で液相成形する理由は、温度がAl合金の
液相線温度より低く、30MPa未満の圧力で液相成形
しても十分な密度のセラミックス粉末高含有Al合金基
複合材料が得られず、一方、液相成形温度をAl合金の
液相線温度+150℃よりも高くしかつ圧力を300M
Paよりも高くしてもより一層の効果が得られないとこ
ろから、液相成形温度:Al合金の液相線温度〜Al合
金の液相線温度+150℃、圧力:30〜300MPa
に定めた。液相成形温度の一層好ましい範囲はAl合金
の液相線温度〜Al合金の液相線温度+100℃、圧
力:150〜250MPaである。
【0016】
【発明の実施の形態】
実施例1 平均粒径:14μmのSiC粉末および平均粒径:30
μmのSiC粉末を用意し、これらSiC粉末を、平均
粒径:14μmのSiC粉末:平均粒径:30μmのS
iC粉末=5:5の割合に配合し混合して平均粒径の異
なるSiC粉末の混合粉末(以下、SiC混合粉末とい
う)を作製した。このようにして得られたSiC混合粉
末の平均粒径の最も大きなSiC粉末の平均粒径と平均
粒径の最も小さなSiC粉末の平均粒径の粒径比は30
μm/14μm(=2.14)となり、平均粒径の最も
小さなSiC粉末の占める割合は50vol%である。
このSiC混合粉末を前記平均粒径:60μmのAl合
金粉末に対して、SiC混合粉末:62vol%、残
部:Al合金粉末の割合で配合し、ボールミルによって
混合してAl合金−SiC混合粉末を作製した。このA
l合金−SiC混合粉末を予備成形用金型に充填し、温
度:300℃、圧力:200MPaで予備成形し、得ら
れた予備成形体を温度:620℃(Al合金の液相線温
度+10℃)および圧力:200MPaで液相成形する
ことによりセラミックス粉末高含有Al合金基複合材料
を作製し、本発明法1を実施した。
【0017】従来例1 一方、比較のために、平均粒径:30μmのSiC粉末
と前記平均粒径:60μmのAl合金粉末を、SiC粉
末:62vol%、残部:Al合金粉末となるように配
合し、ボールミルによって混合してAl合金−SiC粉
末を作製した。このAl合金−SiC混合粉末を予備成
形用金型に充填し、常温で圧力:200MPaで予備成
形し、得られた予備成形体を温度:620℃(Al合金
の液相線温度+10℃)および圧力:200MPaで液
相成形することによりAl合金基複合材料を作製し、従
来法1を実施した。
【0018】本発明法1および従来法1で得られたAl
合金基複合材料の密度比、熱伝導率および熱膨張率を測
定し、その結果を表1に示した。
【0019】
【表1】
【0020】表1に示される結果から、SiC粉末の含
有量が62vol%で同じであっても、平均粒径の異な
ったSiC粉末を混合して得られたSiC混合粉末を温
度:300℃で予備成形し、得られた予備成形体を温
度:620℃(Al合金の液相線温度+10℃)、圧
力:200MPaで液相成形する本発明法1で作製した
SiC粉末高含有Al合金基複合材料は、均一な平均粒
径のSiC粉末を常温で予備成形する従来法1により得
られたSiC粉末高含有Al合金基複合材料と比べて密
度比が向上し、熱伝導率が大きくかつ熱膨張率の小さ
く、この材料はヒートシンク材料として優れた特性を有
することが分かる。
【0021】実施例2 平均粒径:0.5μmのSiC粉末(以下、S0.5 と記
す)、平均粒径:5μmのSiC粉末(以下、S5 と記
す)、平均粒径:14μmのSiC粉末(以下、S14
記す)、平均粒径:30μmのSiC粉末(以下、S30
と記す)、平均粒径:50μmのSiC粉末(以下、S
50と記す)、および平均粒径:55μmのSiC粉末
(以下、S55と記す)を用意した。さらに、Al−10
wt%Si−1wt%Mgからなる組成のAl合金溶湯
をエアーアトマイズすることにより、平均粒径:60μ
mのAl合金粉末を作製した。
【0022】配合したSiC粉末の内の最も大きな平均
粒径をDmax 、配合したSiC粉末の内の最も小さな平
均粒径をDmin とし、平均粒径の異なったSiC粉末
(S0. 5 、S5 、S14、S30、S50およびS55)を表2
〜表3に示される割合で混合することによりSiC混合
粉末を作製した。これらSiC混合粉末を前記Al合金
粉末に対して、表2〜表3に示される割合で配合し、ボ
ールミルによって混合してAl合金−SiC混合粉末を
作製し、このAl合金−SiC混合粉末を表2〜表3に
示される温度および圧力で予備成形し、得られた予備成
形体を表2〜表3に示される温度および圧力で液相成形
することにより本発明法2〜10および比較法1〜5を
実施することによりSiC粉末高含有Al合金基複合材
料を作製した。本発明法2〜10および比較法1〜5に
より得られたSiC粉末高含有Al合金基複合材料の密
度比、熱伝導率および熱膨張率を測定し、その結果を表
4〜表5に示した。
【0023】
【表2】
【0024】
【表3】
【0025】
【表4】
【0026】
【表5】
【0027】
【発明の効果】表2〜表5に示される結果から、本発明
法2〜10で作製したSiC粉末高含有Al合金基複合
材料は、比較法1〜5で作製したSiC粉末高含有Al
合金基複合材料に比べていずれも密度比が高く、熱伝導
率が大きくかつ熱膨張率の小さく、従って、ヒートシン
ク材として優れた材料であることが分かる。しかし、こ
の発明の範囲から外れた比較法1〜5(表3において、
この発明の条件から外れている値に*印をつけて示し
た)により得られたSiC粉末高含有Al合金基複合材
料は密度比、熱伝導率または熱膨張率がやや劣ることが
分かる。
【0028】なお、この実施例1および2では平均粒径
の異なった2種類のSiC粉末を混合した実施例を示し
たが、平均粒径の異なった3種類以上ののSiC粉末を
混合したSiC混合粉末を用いて製造したSiC粉末高
含有Al合金基複合材料についても同じ結果が得られ
た。上述のように、この発明の製造方法は、従来よりも
特性の優れた高密度のセラミックス粉末高含有Al合金
基複合材料を提供することができ、工業上有用な効果を
もたらすものである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平均粒径の最も大きなセラミックス粉末
    と平均粒径の最も小さなセラミックス粉末の比が1.2
    〜100の範囲内にあり、かつ平均粒径の最も小さなセ
    ラミックス粉末の占める割合が10〜70vol%の範
    囲内にあるように平均粒径の異なる2種類以上のセラミ
    ックス粉末を配合し混合してセラミックス混合粉末を作
    製し、 前記セラミックス混合粉末にAl合金粉末を、セラミッ
    クス混合粉末:40超〜70vol%、残部:Al合金
    粉末となるように配合し混合してAl合金−セラミック
    ス混合粉末を作製し、 前記Al合金−セラミックス混合粉末を100〜400
    ℃の温度に保ちながら30〜300MPaの圧力で予備
    成形して予備成形体を作製し、 ついで、前記予備成形体をAl合金の液相線温度からA
    l合金の液相線温度+150℃の範囲の温度に保ちなが
    ら30〜300MPaの圧力で液相成形する、ことを特
    徴とするセラミックス粉末高含有Al合金基複合材料の
    製造方法。
  2. 【請求項2】 平均粒径の最も大きなSiC粉末と平均
    粒径の最も小さなSiC粉末の比が1.2〜100の範
    囲内にあり、かつ平均粒径の最も小さなSiC粉末の占
    める割合が10〜70vol%の範囲内にあるように平
    均粒径の異なる2種類以上のSiC粉末を配合し混合し
    てSiC混合粉末を作製し、 前記SiC混合粉末にAl合金粉末を、SiC混合粉
    末:40超〜70vol%、残部:Al合金粉末となる
    ように配合し混合してAl合金−SiC混合粉末を作製
    し、 前記Al合金−SiC混合粉末を100〜400℃の温
    度に保ちながら30〜300MPaの圧力で予備成形し
    て予備成形体を作製し、 ついで、前記予備成形体をAl合金の液相線温度からA
    l合金の液相線温度+150℃の範囲の温度に保ちなが
    ら30〜300MPaの圧力で液相成形する、ことを特
    徴とするSiC粉末高含有Al合金基複合材料の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 SiC粉末高含有Al合金基複合材料
    は、ヒートシンク用SiC粉末高含有Al合金基複合材
    料であることを特徴とする請求項2記載のSiC粉末高
    含有Al合金基複合材料の製造方法。
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