WO2023136101A1

WO2023136101A1 - 金属基複合材料の製造方法

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Publication number: WO2023136101A1
Application number: PCT/JP2022/047659
Authority: WO
Inventors: 義夫高木; 仁北村; 翔梧落合
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Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-12-23
Publication date: 2023-07-20
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Abstract

寸法精度の高いニアネット形状で、且つ、高い強化材容積率（Ｖｆ％）を有する金属基複合材料を簡便に得ることができる金属基複合材料の製造方法の提供。　純金属等のマトリックス材と、該マトリックス材と異なる強化材とを複合化させた、金属基複合材料を得る製造方法において、内部にニアネット形状の空間（凹部）が形成される金型内に強化材を含む材料を充填して、該金型内に内部に多孔を有する強化材成形体・充填体を形成し、形成した強化材成形体・充填体を有する金型を予熱工程で予熱し、予熱された強化材成形体・充填体が入った金型を複合材鋳造用外殻金型内に設置して、前記金型内に入っている強化材成形体・充填体の多孔に溶融したマトリックス材を含浸・充填して、マトリックス材と強化材とを複合化する鋳造工程を行う、強化材成形体・充填体の成形工程、予熱工程及び鋳造工程の一連の工程で同一の金型を兼用する金属基複合材料の製造方法。

Description

金属基複合材料の製造方法

　本発明は、金属基複合材料の製造方法に関し、同一の金型を一連の工程で兼用することで、簡便に、寸法精度の高いニアネット形状で、且つ、高い強化材容積率（Ｖｆ％）を有する金属基複合材料を得ることを可能にした金属基複合材料の製造技術に関する。より詳しくは、セラミックス粒子などの強化材からなる多孔質の強化材成形体・充填体を用い、純金属あるいは合金からなるマトリックス材を強化材と複合化させる際に、強化材成形体・充填体の成形工程で用いた金型を、成形した強化材成形体・充填体を入れたままの状態で複合材鋳造用外殻金型内に設置して、前記強化材成形体・充填体の多孔に溶融マトリックス材を含浸・充填する際にも使用する、金属基複合材料の製造技術に関する。

　例えば、アルミニウムあるいはアルミニウム合金等の金属をマトリックス材とし、強化材として、セラミック粒子やグラファイト粒子やマトリックス材とは異なる金属粒子などを含有する金属基複合材料は、マトリックス材に比して、優れた比強度、比剛性、熱特性などを備えた特性に優れたものになる。このため、金属基複合材料は、様々な産業分野で利用されている。

　金属基複合材料の製造方法としては、例えば、下記のような第１の製造方法がある。第１の製造方法では、予め強化材成形型（金型Ａ）を用いて多孔質の強化材成形体を成形し、得られた強化材成形体を金型Ａから取り出して、該強化材成形体を予熱後、別の鋳造用の金型Ｂ内に設置し、溶融したマトリックス材（溶湯）を用いて鋳造して、上記強化材成形体の多孔（空隙）に溶湯を含浸・充填して複合化する。

　上記した第１の製造方法で、所望する製品に対して、製品の原料となる寸法精度の高いニアネット形状の金属基複合材料を製造するには、金型Ａを用いて作製した強化材成形体を、強化材成形体とほぼ同一寸法・形状の金型Ｂの鋳造用の金型の凹部内に挿入して設置して鋳造する必要がある。しかし、寸法精度の高いニアネット形状を狙えば狙うほど、強化材成形体を鋳造用の金型の凹部内に挿入して・嵌合設置することは極めて難しくなり、挿入工程の段階で強化材成形体の破損・欠損が起きるという問題がある。これに対しては、挿入・嵌合設置を容易にする目的で両者の嵌合面にクリアランス（隙間）を設けることが考えられる。しかし、クリアランスを設けると、製造される金属基複合材料は高精度でニアネット形状のものではなくなる。

　また、上記した第１の製造方法で、鋳造時に、強化材成形体の内部への溶湯（マトリックス材）の含浸浸透をよくするためには、強化材成形体及び鋳造用の金型を予熱して温度を高める必要がある。しかし、一般的に強化材に使用されているセラミックスやグラファイトなどは熱膨張率が小さく、一方の鋳造用の金型は熱膨張率が大きいため、上記した予熱による熱膨張量の差を勘案する必要があるため、さらに強化材成形体の鋳造用の金型への挿入・嵌合設置は困難になる。このため、上記した第１の製造方法では、寸法精度の高いニアネット形状の金属基複合材料を鋳造することはできなかった。このような理由で、上記第１の製造方法で、最終製品形状とほぼ同一の寸法精度の高いニアネット形状の金属基複合材料を製造する場合は、大きめのラフ形状の金属基複合材料から切削加工して、最終形状にする必要があった。しかし、このような切削加工は、金属基複合材料が硬いため、加工が難しく、加工に時間がかかり、非常にコストが高くなるといった問題がある。

　上記課題に対して、下記の第２の金属基複合材料の製造方法がある。第２の製造方法では、強化材の粒子や短繊維をマトリックス材に分散させ、予め強化材を分散させた強化材分散マトリックス複合材を作製し、得られた強化材分散マトリックス複合材を溶解して、これを、金型の凹部を精密なニアネット形状にした鋳造用の金型にダイカスト等の鋳造法で充填して金属基複合材料を製造する。

　例えば、特許文献１に記載の技術は、予め作製した、強化材を分散させたマトリックス材（強化材分散マトリックス複合材）を利用した上記した第２の製造方法に関するものである。そして、この技術によれば、最終形状に近いニアネット形状の金属基複合材料の製造が可能になるとしている。第２の製造方法では、予め作製した、強化材を分散させた強化材分散マトリックス複合材を利用し、溶融状態の強化材分散マトリックス複合材を寸法精度の高いニアネット形状の金型の凹部に充填できるため、金型と同等のニアネット成形が可能になると考えられる。

特開平１０－１７４２２２号公報

　しかしながら、本発明者らの検討によれば、溶融状態の強化材分散マトリックス複合材は、強化材の強化材容積率（Ｖｆ％）が低くないと流動性が悪いという課題があり、強化材のＶｆ％が高い強化材分散マトリックス複合材を用いた場合は、金型の凹部内にきちんと充填できず、湯回り不良による未充填不良や、薄肉部はニアネット形状にできないなどの問題が生じる。そのため、第２の製造方法では、強化材のＶｆ％が高い金属基複合材料を製造することはできないといった課題がある。

　上記したことは、特許文献１の実施例の記載からもわかる。すなわち、実施例１で利用しているアルミナ粒子分散アルミニウム基複合材は、強化材容積率（Ｖｆ％）が２０％であり、実施例２で利用しているアルミナ粒子分散アルミニウム基複合材は、強化材容積率（Ｖｆ％）が１２％であり、これらの材料によっては、いずれも強化材容積率（Ｖｆ％）の低い金属基複合材料を得ることしかできない。すなわち、上記した技術は、強化材のＶｆ％が高い金属基複合材料を製造する技術ではない。

　したがって、本発明の目的は、寸法精度の高いニアネット形状で、且つ、高い強化材容積率（Ｖｆ％）を有する金属基複合材料を簡便に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である。本発明の目的は、好適には、強化材容積率（Ｖｆ％）が４０％を超えるニアネット形状の金属基複合材料を簡便に得ることができる、簡便な製造技術を提供することである。

　上記の目的は、以下の、本発明の金属基複合材料の製造方法によって達成される。
［１］アルミニウム又はアルミニウム合金等の純金属あるいは合金であるマトリックス材と、該マトリックス材とは異なるセラミックス粒子、黒鉛粒子及び金属粒子からなる群から選ばれる少なくともいずれかの材料からなる強化材とを複合化させて、寸法精度の高いニアネット形状で、且つ、高い強化材容積率（Ｖｆ％）を有する金属基複合材料を得るための金属基複合材料の製造方法であって、
　前記強化材を用いて内部に多孔を有するニアネット形状の強化材成形体又は強化材充填体を作製する強化材成形体・充填体の成形工程で、内部にニアネット形状の空間（凹部）が形成される金型内に前記強化材を含む材料を充填して、該金型内に強化材成形体・充填体を形成し、形成した強化材成形体・充填体を有してなる金型を予熱工程で予熱し、予熱された強化材成形体・充填体が入った状態の金型を複合材鋳造用外殻金型内に設置して、前記金型内に入っている強化材成形体・充填体の前記多孔に溶融したマトリックス材を含浸・充填して、前記マトリックス材と前記強化材とを複合化する鋳造工程を行う、前記強化材成形体・充填体の成形工程、前記予熱工程及び前記鋳造工程の一連の工程において同一の金型を兼用することを特徴とする金属基複合材料の製造方法。

　上記本発明の金属基複合材料の製造方法の好ましい形態としては、下記が挙げられる。
［２］前記強化材容積率（Ｖｆ％）が、４０％を超える上記［１］に記載の金属基複合材料の製造方法。
［３］前記強化材成形体・充填体の成形工程で、内部にニアネット形状の空間（凹部）が形成される前記金型内に前記強化材を少なくとも含む材料を充填して、該材料が充填された状態の前記金型を兼用して、該兼用する金型内に充填された材料を加圧成形、或いは、該兼用する金型を加熱炉に入れて該金型内に充填された材料の焼成成形を行って強化材成形体を得る［１］又は［２］に記載の金属基複合材料の製造方法。
［４］前記鋳造工程で、加圧圧子を用い、鋳造圧力８０ＭＰａ～１２０ＭＰａに加圧して鋳造する上記［１］～［３］のいずれかに記載の金属基複合材料の製造方法。
［５］前記強化材が、ホウ酸アルミニウム粒子、炭化ケイ素粒子、アルミナ粒子、ＳｉＣ粒子、黒鉛粒子、Ｓｉ粒子及びＡｌ_３Ｎｉ粒子からなる群から選ばれる少なくともいずれかである上記［１］～［４］のいずれかに記載の金属基複合材料の製造方法。

　本発明によれば、寸法精度の高いニアネット形状で、且つ、強化材のＶｆ％が高い金属基複合材料を、簡便に得ることができる金属基複合材料の製造方法が実現される。本発明の好ましい形態によれば、簡便な製造方法で、寸法精度の高いニアネット形状で、且つ、強化材容積率（Ｖｆ％）が４０％を超える高い金属基複合材料を提供することが可能になる。本発明によれば、強化材成形体・充填体を成形する際に使用した凹部がニアネット形状である金型を、強化材成形体・充填体を入れた状態で複合材鋳造用外殻金型内に設置して鋳造を行うため、強化材成形体・充填体の作製から、マトリックス材の溶湯を用いて鋳造して強化材とマトリックス材とを複合化させるまでの一連の全工程を、同一の金型を連続して用いて（兼用して）行う、従来にない新たな製造方法が提供される。本発明の製造方法は、強化材成形体・充填体を成形後、金型から強化材成形体・充填体を取り出す必要がないので慎重に行う作業が不要になり、作業上の利点がある。また、本発明の製造方法によれば、下記の顕著な効果が得られる。従来技術では、図３に示したように、金型から、作製した強化材成形体・充填体を取り出す作業の際や、取出した強化材成形体・充填体を鋳造用の金型内に設置する作業の際に、作製した強化材成形体・充填体の破損や欠損を生じることがあったのに対し、本発明の技術では、上記作業自体が必要ないので破損や欠損を生じることがない。このため、本発明の技術によれば、歩留まりよく、寸法精度の高いニアネット形状の金属基複合材料を経済的に得ることができるので、本発明の金属基複合材料の製造方法は、工業上、極めて有用である。

本発明の金属基複合材料の製造方法の、強化材成形体・充填体の成形工程で使用される凹部がニアネット形状に形成されている、その後の工程で兼用することになる初めの状態の金型１を説明するための模式図である。図１Ａに示した金型１の凹部に強化材が充填された状態の強化材充填済兼用金型３を説明するための模式図である。図１Ｂに示した強化材充填済兼用金型３を加熱炉１０に入れた状態を説明するための模式図である。図１Ｃの加熱炉１０から取り出した予熱された強化材充填済兼用金型３を、複合材鋳造用外殻金型２０及び２０’に入れた状態を説明するための模式図である。本発明の金属基複合材料の製造方法の、図１Ｄに示した金型の凹部に強化材成形体・充填体が入った状態のニアネット形状の兼用する金型を、複合材鋳造用外殻金型２０及び２０’内に設置後、マトリックス材４の溶湯を注湯した状態を説明するための模式図である。図２Ａに示したマトリックス材４の溶湯の注湯後、加圧圧子３０を降下させて加圧を開始する状態を説明するための模式図である。図２Ｂに示した加圧圧子３０を用いて鋳造圧力を上昇させて、強化材成形体・充填体とマトリックス材とを複合化させる鋳造工程を説明するための模式図である。従来の金属基複合材料の製造方法における課題の一つを説明するための模式図であり、別の金型を用いて作製して取り出した強化材２からなる成形体を、該成形体と空間（凹部）がニアネット形状である金型２０’’に挿入する必要があることを示す模式図である。溶融したマトリックス材を用いて鋳造工程を行うために、金型から取り出した強化材２からなる成形体を、該成形体と内部の空間（凹部）がニアネット形状である金型２０’’に挿入して収容させた状態を説明するための模式図である。

　以下、好ましい実施形態を挙げて本発明の説明をするが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の金属基複合材料の製造方法の特徴は、強化材成形体を作製する際に使用した、製造する金属基複合材料と空間（凹部）がニアネット形状である金型を、該金型で形成した強化材成形体・充填体を入れたままの状態で、マトリックス材の溶湯で複合化を行う鋳造の際までの一連の工程で使用して、各工程で凹部がニアネット形状の同一の金型を兼用するように構成したことにある。このように構成したことで、従来の製造方法のように、強化材成形体を成形用の金型から取り出す必要も、取り出した強化材成形体を凹部がニアネット形状の鋳造用の金型に挿入して設置する必要（図３Ａ及び図３Ｂ参照）もないため、これらの作業の際に生じていた強化材成形体の破損・欠損の問題が解消される。

　すなわち、本発明の金属基複合材料の製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金等の純金属あるいは合金であるマトリックス材と、該マトリックス材とは異なるセラミックス粒子、黒鉛粒子及び金属粒子からなる群から選ばれる少なくともいずれかの材料からなる強化材とを複合化させて、寸法精度の高いニアネット形状で、且つ、高い強化材容積率（Ｖｆ％）を有する金属基複合材料を簡便に得るための製造方法である。その手順は、まず、前記強化材を用いて内部に多孔を有するニアネット形状の強化材成形体又は強化材充填体を作製する強化材成形体・充填体の成形工程で、内部にニアネット形状の空間（凹部）が形成されている金型内に前記強化材を含む材料を充填して、該金型内に強化材成形体・充填体を形成する。次に、形成した強化材成形体・充填体を内部に有している金型を予熱工程で予熱する。さらに、予熱された強化材成形体・充填体が入った状態の金型を複合材鋳造用外殻金型内に設置して、前記金型内に入っている強化材成形体・充填体の前記多孔に溶融したマトリックス材を含浸・充填して、前記マトリックス材と前記強化材とを複合化する鋳造工程を行う。このように、本発明の製造方法では、上記した、強化材成形体・充填体の成形工程、予熱工程及び鋳造工程の一連の工程を、内部にニアネット形状の空間（凹部）が形成される同一の金型を兼用して行うことを特徴とする。本発明では、この本発明の製造方法の一連の工程で兼用する、凹部がニアネット形状の金型のことを、「強化材成形及び鋳造に兼用する金型」、或いは、単に「兼用する金型」又は「兼用金型」とも呼ぶ。

　以下、図１及び図２を参照して本発明の金属基複合材料の製造方法について説明する。図１及び図２中の１又は３は、本発明を特徴づける強化材成形体・充填体の成形工程、予熱工程及び鋳造工程の一連の工程で兼用する金型である。図１Ａに模式的に示したように、兼用する金型１の空間（凹部）は、複合材料を用いて製造する製品とほぼ同様の所望の形状に形づくられているニアネット形状を有する。図１及び図２中の２は、セラミックス粒子、黒鉛粒子及び金属粒子から選ばれる強化材を少なくとも含む、強化材成形体・充填体を形成するための材料を示す。また、図１Ｂ～Ｄ及び図２Ａ～Ｃ中に示した３は、兼用する金型１の凹部に強化材を含む材料２が入った（充填された）状態であることを示している。この強化材が充填等された状態の金型のことを、本発明では「強化材充填済兼用金型３」と呼ぶ。

　図１Ｃ中の１０は、加熱炉を示す。本発明では、兼用する金型１内に入れた（充填した）強化材を含む材料２を、必要に応じて焼成成形する場合や、成型工程で得られた強化材成形体・充填体を予熱する場合に、図１Ｃに示したように、強化材充填済兼用金型３を加熱炉１０内に配置して、焼成や予熱を行う。本発明の製造方法では、金型１を、強化材充填体を得る場合、あるいは、強化材を加圧成型や焼成成形して強化材成形体を得る場合、さらに、図１Ｄ及び図２に示したように、形成した強化材成形体・充填体をマトリックス材と複合化する鋳造工程を行う場合の一連の工程で兼用する。鋳造工程では、図１Ｄに示したように、強化材充填済兼用金型３を複合材鋳造用外殻金型２０及び２０’内に設置し、続いて図２Ａ～Ｃに示したように、この状態で鋳造を行う。このように、本発明の製造方法では、一連のすべての製造工程を、内部にニアネット形状の空間（凹部）が形成される同一の金型を兼用して行うことを特徴とする。図１Ｄ及び図２Ａ～Ｃの各模式図に示した複合材鋳造用外殻金型は、側壁となる外郭金型２０と、金型の底面を形成する鋳造用下金型２０’とを組み合わせて構成されている。そして、鋳造の際に、複合材鋳造用外殻金型の凹部に、強化材充填済兼用金型３を設置し、例えば、図２Ａ～Ｃに示したようにして鋳造を行って、強化材とマトリックス材を複合化する。

　図１Ａ～Ｄに示したように、本発明の金属基複合材料の製造方法では、まず、一連の工程で兼用する金型１の凹部に強化材を含む材料２を入れて、高い強化材容積率（Ｖｆ％）、例えば、４０％を超える強化材容積率（Ｖｆ％）の強化材成形体・充填体を成形する。本発明を構成する強化材成形体・充填体の成形工程としては、従来公知の種々の方法が適用できる。具体的には、下記のような方法が挙げられる。例えば、兼用する金型１の凹部にセラミックス粒子などの強化材を入れて金型ごと振動機で振動して、所望する高いＶｆ％となるように強化材２を充填して強化材充填体を得る方法や、金型１の凹部に強化材を充填した後、従来公知の方法で加圧成型して強化材成形体を得る方法が挙げられる。また、従来公知の方法で、セラミックス粒子などの強化材に樹脂バインダーの合成原料などを加えて、得られる強化材成形体が所望の高いＶｆ％と高強度となるように設計したスラリーを調製し、得られたスラリーを金型１の凹部に充填して樹脂バインダーの合成原料を反応・固化させて、凹部内に強化材成形体を形成する方法も利用できる。

　その他、セラミックス粒子などの強化材に、無機バインダーを加えて、得られる強化材成形体が所望の高いＶｆ％と高強度となるように設計したスラリーを調製し、得られたスラリーを用いて強化材成形体を得ることも好ましい実施形態である。具体的には、上記で調製した無機バインダーを含むスラリーを金型１の凹部に充填した後、充填した金型ごと加熱炉１０に入れて焼成成形することで無機バインダーを反応・固化させて、強化材を結合して強化材成形体を得る方法も適用できる。この際に、焼成成形するための加熱炉と、焼成成形して得た強化材成形体を予熱するための加熱炉は、同一であっても異なる加熱炉を用いてもよい。いずれにしても、本発明の製造方法で、加熱炉に入れるのは、兼用する金型１に強化材が充填された状態の「強化材充填済兼用金型３」であり、兼用する金型ごと加熱炉１０に入れることを特徴としている。

　本発明の製造方法では、上記したようにして強化材充填済兼用金型３を得た後、強化材充填済兼用金型３を複合材鋳造用外殻金型２０及び２０’内に設置し、溶融したマトリックス材を用いて鋳造して、寸法精度の高いニアネット形状で、且つ、高い強化材容積率（Ｖｆ％）を有する金属基複合材料を製造することを実現した。予熱工程後の、強化材充填済兼用金型３を複合材鋳造用外殻金型２０内に設置する際には、熱衝撃を避けるため、外殻金型２０及び２０’を予熱することが好ましい。また、金型内に形成された強化材成形体・充填体の多孔へ、マトリックス材の溶湯を良好な状態で含浸・充填させるためには、図２Ａ～Ｃに示したように、加圧圧子３０を用い、該加圧圧子を降下させて、例えば、鋳造圧力８０ＭＰａ～１２０ＭＰａ程度に加圧して鋳造することが好ましい。

　本発明の製造方法で使用する強化材は特に限定されず、従来、金属基複合材料に用いられているものをいずれも用いることができる。例えば、セラミックス粒子、黒鉛粒子及び金属粒子からなる群から選ばれる少なくともいずれかの微粒子を用いることが挙げられる。より具体的には、ホウ酸アルミニウムや炭化ケイ素やアルミナなどのセラミックス微粒子や、鱗片状黒鉛の微粒子や、Ｓｉ粒子又はＡｌ_３Ｎｉ粒子などの金属粒子が挙げられる。また、マトリックス材も特に限定されず、従来公知の材料を目的に応じて適宜に使用できる。具体的には、マトリックス材としては、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム又はマグネシウム合金、銅又は銅合金等の純金属あるいは合金などが挙げられる。例えば、本発明の製造方法に、マトリックス材としてアルミニウム或いはアルミニウム合金を用いることで、軽量で機能性が付与された部材製品を簡便に提供することが可能になる、ニアネット形状の金属基複合材料が提供される。

　以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
　本例では、強化材として平均粒径４４μｍのホウ酸アルミニウム粒子１．０ｋｇを用いた。そして、強化材のホウ酸アルミニウム粒子を強化材成形及び鋳造に兼用する金型内に充填して、該兼用金型を振動機の上に設置して振動を２０分間与えて、ホウ酸アルミニウム粒子の充填率が４０％超になるように金型内に充填した。上記で使用した強化材成形及び鋳造に兼用する金型には、内部に所望する金属基複合材からなる製品とほぼ同じ、ニアネット形状の空間（凹部）を有するものを用いた。

　上記のようにしてホウ酸アルミニウム粒子を充填して得た強化材成形体を内部に有する強化材成形及び鋳造に兼用する金型を、そのまま加熱炉に入れ、窒素雰囲気下で７００℃に予熱した。そして、内部に強化材成形体を有する予熱した兼用金型ごと、２００℃に予熱をした複合材鋳造用外殻金型内に設置した。

　その後、速やかに８００℃にて溶解したＡｌ合金溶湯（ＡＣ４Ｃ）を、複合材鋳造用外殻金型内に注湯して、加圧圧子を降下させて鋳造圧力１００ＭＰａまで上昇させ、その圧力を１０分保持して、ニアネット形状の金属基複合材料を成形した。得られた金属基複合材料は、所望する製品の形状にほぼ近く、欠けや割れのない良好なニアネット形状のものであることを確認した。

［実施例２］
　本例では、強化材として平均粒径２０μｍのＳｉＣ粒子２．０ｋｇを用いた。実施例１で用いたと同様の、内部に所望する金属基複合材からなる製品とほぼ同じニアネット形状の空間（凹部）を有する強化材成形及び鋳造に兼用する金型を用い、該兼用金型内に強化材のＳｉＣ粒子を充填して兼用金型ごと小型プレス機に設置し、１０ＭＰａで加圧成型してＳｉＣ粒子の充填率を５０％にした強化材成形体を得た。

　次に、兼用金型の内部に収容されている強化材成形体を窒素雰囲気下で８００℃に予熱して、その後、２５０℃に予熱した複合材鋳造用外殻金型内に、予熱した強化材成形体を兼用金型ごと設置した。そして、設置後速やかに８００℃にて溶解したＡｌ合金溶湯（ＡＤＣ１２）を複合材鋳造用外殻金型内に注湯して、加圧圧子を降下させて鋳造圧力を８０ＭＰａまで上昇させ、その圧力を１５分保持して複合化して、ニアネット形状の金属基複合材料を成形した。得られた金属基複合材料は、所望する製品の形状にほぼ近く、欠けや割れのない良好なニアネット形状のものであることを確認した。

［実施例３］
　本例では、強化材として平均粒径４４μｍのホウ酸アルミニウム粒子１．０ｋｇを用いた。そして、強化材のホウ酸アルミニウム粒子に、バインダーの原料として樹脂モノマーと架橋剤、分散剤を総量で５００ｇとなる量加え、さらに水を５ｋｇ加えてこれらの原料が分散してなるスラリーを作製した。得られたスラリーに重合開始剤を添加した後、強化材成形及び鋳造に兼用する金型内に充填して、常温で放置して樹脂モノマー及び架橋剤を重合させて樹脂バインダーとし、ホウ酸アルミニウム粒子の充填率を６０％にした強化材成形体を作製した。

　次に、兼用金型の内部に収容されている強化材成形体を窒素雰囲気下で７００℃に加熱して、樹脂バインダーを除去した後、２００℃に予熱した複合材鋳造用外殻金型内に、加熱された強化材成形体を兼用金型ごと設置した。そして、設置後速やかに７５０℃にて溶解したＡｌ合金溶湯（ＡＣ４Ｃ）を複合材鋳造用外殻金型内に注湯して、加圧圧子を降下させて鋳造圧力を１００ＭＰａまで上昇させ、その圧力を１０分保持して複合化して、ニアネット形状の金属基複合材料を成形した。得られた金属基複合材料は、所望する製品の形状にほぼ近く、欠けや割れのない良好なニアネット形状のものであることを確認した。

［実施例４］
　本例では、強化材として平均粒径５０μｍの鱗片状黒鉛粒子１．０ｋｇを用いた。そして、強化材の鱗片状黒鉛粒子を強化材成形及び鋳造に兼用する金型内に充填して、該兼用金型ごと小型プレス機に設置して、兼用金型内の充填物を２０ＭＰａで加圧成型し、鱗片状黒鉛粒子の充填率を５５％にした強化材成形体を作製した。

　その後、強化材成形及び鋳造に兼用する金型に収容された状態の強化材成形体を窒素雰囲気化で７００℃に予熱して、２００℃に予熱した複合材鋳造用外殻金型内に、予熱された強化材成形体を兼用金型ごと設置した。そして、設置後速やかに８００℃にて溶解したＡｌ合金溶湯（ＡＣ８Ａ）を複合材鋳造用外殻金型内に注湯して、加圧圧子を降下させて鋳造圧力を１００ＭＰａまで上昇させ、その圧力を１０分保持して複合化して、ニアネット形状の金属基複合材料を成形した。得られた金属基複合材料は、所望する製品の形状にほぼ近く、欠けや割れのない良好なニアネット形状のものであることを確認した。

１：強化材成形及び鋳造に兼用する金型
２：強化材
３：強化材充填済兼用金型
４：マトリックス材
１０：加熱炉
２０、２０’、２０’’：複合材鋳造用外殻金型
３０：加圧圧子

Claims

　アルミニウム又はアルミニウム合金等の純金属あるいは合金であるマトリックス材と、該マトリックス材とは異なるセラミックス粒子、黒鉛粒子及び金属粒子からなる群から選ばれる少なくともいずれかの材料からなる強化材とを複合化させて、寸法精度の高いニアネット形状で、且つ、高い強化材容積率（Ｖｆ％）を有する金属基複合材料を得るための金属基複合材料の製造方法であって、
　前記強化材を用いて内部に多孔を有するニアネット形状の強化材成形体又は強化材充填体を作製する強化材成形体・充填体の成形工程で、内部にニアネット形状の空間（凹部）が形成される金型内に前記強化材を含む材料を充填して、該金型内に強化材成形体・充填体を形成し、形成した強化材成形体・充填体を有してなる金型を予熱工程で予熱し、予熱された強化材成形体・充填体が入った状態の金型を複合材鋳造用外殻金型内に設置して、前記金型内に入っている強化材成形体・充填体の前記多孔に溶融したマトリックス材を含浸・充填して、前記マトリックス材と前記強化材とを複合化する鋳造工程を行う、前記強化材成形体・充填体の成形工程、前記予熱工程及び前記鋳造工程の一連の工程において同一の金型を兼用することを特徴とする金属基複合材料の製造方法。
　前記強化材容積率（Ｖｆ％）が、４０％を超える請求項１に記載の金属基複合材料の製造方法。
　前記強化材成形体・充填体の成形工程で、内部にニアネット形状の空間（凹部）が形成される前記金型内に前記強化材を少なくとも含む材料を充填して、該材料が充填された状態の前記金型を兼用して、該兼用する金型内に充填された材料を加圧成形、或いは、該兼用する金型を加熱炉に入れて該金型内に充填された材料の焼成成形を行って強化材成形体を得る請求項１又は２に記載の金属基複合材料の製造方法。
　前記鋳造工程で、加圧圧子を用い、鋳造圧力８０ＭＰａ～１２０ＭＰａに加圧して鋳造する請求項１～３のいずれか１項に記載の金属基複合材料の製造方法。
　前記強化材が、ホウ酸アルミニウム粒子、炭化ケイ素粒子、アルミナ粒子、ＳｉＣ粒子、黒鉛粒子、Ｓｉ粒子及びＡｌ_３Ｎｉ粒子からなる群から選ばれる少なくともいずれかである請求項１～４のいずれか１項に記載の金属基複合材料の製造方法。