CN101285135A - 金属复合材料的制造方法和金属复合材料构成的构件 - Google Patents

金属复合材料的制造方法和金属复合材料构成的构件 Download PDF

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堀隆之
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Abstract

本发明提供一种金属复合材料的制造方法和由金属复合材料构成的构件，其由金属制多孔预塑形坯和在其空隙中填充的基质金属制得，改善了其杨氏金属模量、刚性、强度、热传导性、耐蠕变性，由锻造获得，作为基质金属使用镁、铝、锌或其合金，多孔预塑形坯具有连续气孔，空隙率为80％以上，空隙尺寸的平均直径为0.1mm以上，以及在金属模内容纳预热到473K以上的多孔预塑形坯，通过压铸铸造法、低压铸造法或重力金属模铸造法在多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液来获得。

Description

金属复合材料的制造方法和金属复合材料构成的构件
技术领域
本发明涉及一种金属复合材料的制造方法和金属复合材料构成的构件，具体的涉及可在要求轻量化的汽车、手机、笔记本电脑等民用电机、信息设备、电动工具、通用引擎等工业机械等构件的制造中能使用的镁、铝或其合金构成的金属复合材料的制造方法、锌或其合金构成的金属复合材料的制造方法、和金属复合材料构成的构件。
背景技术
铝或铝合金在必须轻量化的汽车等中正被较多地使用，但是对于其物性，杨氏模量比铁等低，并且拉伸强度等强度特性也较低。这样铝或铝合金的用途受到限制，或者需要在设计上增加壁厚、设置棱等，轻量化效果降低。作为对策，进行与质量轻、刚性高的陶瓷进行复合化，正在实用化(例如参见专利文献1、2)，但是陶瓷有脆性，成本也较高，用途受到限制。
镁或镁合金是比铝或铝合金更轻的金属，但是对于其物性，杨氏模量比铝或铝合金小，拉伸强度也比铝或铝合金小，其刚性不足、强度不足，阻碍了用途的扩大。并且，和同等的轻量金属铝相比，热传导性或耐蠕变特性差，也阻碍了用途的扩大。
锌或锌合金的杨氏模量大于铝或铝合金的杨氏模量，是铁的一半以下，根据用途杨氏模量有不充分的情况。
作为上述的杨氏模量不足、强度不足的对策，提出了在能氢化的金属构成的多孔预塑形坯的空隙中浸渍铝或铝合金构成的基质金属，复合化获得金属基复合材料(例如参见专利文献3)，或通过由贵金属类元素构成的复合化促进材料层覆盖金属、合金构成的多孔预塑形坯的外表面和空隙中表面，在该多孔预塑形坯的空隙中浸渍铝或铝合金构成的基质金属，获得的金属基复合材料(例如参见专利文献4)等。
专利文献1：特开2003-253308号公报
专利文献2：特开2003-286525号公报
专利文献3：特开2001-181814号公报
专利文献4：特开2002-285205号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高镁、铝、锌或其合金的杨氏模量、刚性、强度的金属复合材料，或者根据用途要求的特性，例如提高热传导性或耐蠕变性的金属复合材料，可锻造加工的金属复合材料的制造方法，和由金属复合材料构成的构件。
本发明人为了实现上述目的研究了各种对策，结果是基于下面的认识来获得的。铝和铝合金的杨氏模量为70GPa左右，镁和镁合金的杨氏模量是45GPa左右，锌和锌合金的杨氏模量为97GPa左右。对此，例如因为铁和不锈钢等铁系合金的杨氏模量为210GPa以上，只将铁或铁系合金以几个％的容积率进行复合化，就能获得相当量的杨氏模量的提高。进而在铁或铁系合金上赋予多孔预塑形坯的形状，通过提供微细的空隙，能较大地提高刚性、强度、和根据情况扩大耐蠕变性效果。并且，热传导性或耐蠕变性根据用途而不充分的镁和镁合金通过与热传导性或耐蠕变性优良的铝和铝合金制多孔预塑形坯复合化来得到改善。进而，在金属制多孔预塑形坯的空隙中通过压铸铸造法、低压铸造法或重力金属模铸造法填充的基质金属的金属复合材料可以进行锻造加工。
即，本发明的金属复合材料的制造方法是由金属制多孔预塑形坯和在其空隙中填充的基质金属构成的金属复合材料的制造方法，其特征在于，作为基质金属使用镁、铝、锌或其合金，多孔预塑形坯具有连续气孔，空隙率为80％以上，空隙尺寸的平均直径为0.1mm以上，和在金属模内容纳预热到473K以上的多孔预塑形坯，通过压铸铸造法、低压铸造法和重力金属模铸造法在多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液。
根据本发明的金属复合材料的制造方法获得的金属复合材料是改善了镁、铝、锌或其合金的杨氏模量、刚性、强度的金属复合材料，或根据用途要求的特性、例如改善了热传导性或耐蠕变性的金属复合材料，是可锻造加工得到的制品，能用于要求轻量化的汽车、手机、笔记本型电脑等民用电机、信息设备、电动工具、通用引擎等产业机械等构件的制造中。
具体实施方式
本发明的目的在于制造无损于镁、铝或其合金的轻量性下，提高镁、铝、锌或其合金的杨氏模量、刚性、强度、热传导性、耐蠕变性的、并可锻造加工的金属复合材料，因而作为基质金属使用镁、铝、锌或其合金，特别使用镁、铝或其合金，作为构成多孔预塑形坯的金属，在所要求的特性下使用比基质金属具有更优良特性的金属。例如作为构成多孔预塑形坯的金属使用比基质金属的杨氏模量大的金属，优选具有基质金属的2倍以上的杨氏模量的金属，或者作为构成多孔预塑形坯的金属使用比基质金属的热传导性、耐蠕变性更优良的金属。
作为这样的金属，在铁、钛、铜、铝、钴、铬、镍、钨、钼、锆、硅及其合金(例如不锈钢)范围内，根据金属复合材料要求的特性，能使用比基质金属的杨氏模量、热传导系数数值更大的金属，或者比基质金属在使用温度条件下耐蠕变性优良的金属。重视杨氏模量和锻造加工性时，作为构成多孔预塑形坯的金属，优选使用铁、铜、钴、铬、镍、钨、钼或其合金。
本发明的金属复合材料的制造方法中，准备具有连续气孔、空隙率为80％以上，空隙尺寸的平均直径为0.1mm以上的金属制多孔预塑形坯。作为具有空隙的多孔预塑形坯的制造方法，能使用在金属熔液中使用发泡剂的制造方法、减压等离子热喷射法、粉末冶金烧结法(加压成形法、注射成形法)等。
本发明的金属复合材料的制造方法中，必须在多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液。这一点上，在称为发泡金属的材料空隙尺寸大于0.1mm以上的空隙尺寸的连接空隙(连续气孔)是必须的。但是，空隙尺寸太大的话，多孔预塑形坯的强度降低，通过压铸铸造基质金属的熔液，在其空隙中填充时多孔预塑形坯有破损的危险。这样，多孔预塑形坯的空隙尺寸的平均直径优选为0.1～5mm左右。
根据本发明的制造方法获得的金属复合材料必须是在无损镁、铝或其合金的轻量性下提高其杨氏模量、刚性、强度、热传导性、耐蠕变性的制品，这样，在金属复合材料中占据的构成多孔预塑形坯的金属的容积率为20％以下，优选为10％以下。换言之，多孔预塑形坯的空隙率为80％以上，优选为90％以上。
本发明的金属复合材料的制造方法中，必须在多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液。本发明的制造方法中，为了制造可锻造加工的金属复合材料，在金属模内容纳预热到473K以上的多孔预塑形坯，通过压铸铸造法、低压铸造法或重力金属模铸造法在多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液。该铸造中，优选将金属模内减压到80kPa以下，以促进向多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液。
并且，铸造中，优选在铸造压力9.8MPa以上，向多孔预塑形坯填充基质金属的熔液速度为1m/秒以上、优选熔液速度为3m/秒以上条件下实施压铸铸造，向多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液，或者在9.8kPa以上的压力条件下实施低压铸造，向多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液。
另外，对多孔预塑形坯的表面实施氧化处理、涂布处理或镀敷处理，在多孔预塑形坯表面上存在用于促进与基质金属熔液合金化的金属、氧化物是有利的。
本发明的金属复合材料的制造方法还包括进一步锻造加工如上制造的金属复合材料。通过锻造加工能进一步改善金属复合材料的强度。
本发明还包含由上述制造方法得到的金属复合材料构成的构件。
本发明的金属复合材料的制造方法中，不必将构件全体复合化，仅限于在必须要求强度、刚性的部分进行复合化，能在必需强度的部分进而附加锻造等塑性加工，实现提高强度。
下面基于实施例来具体说明本发明。
实施例1
将铝合金(ADC6＝Al-3.5％Mg)的熔液保持在973K，在该熔液中添加0.2重量％的金属钙，提高粘度，在其中加入氢化钛的粉末，剧烈搅拌，立刻通过金属模铸造制造φ70×50mm的多孔预塑形坯。得到的多孔预塑形坯的气孔率为90％，气孔尺寸为12个/□10mm×10mm。
将上述制造的多孔预塑形坯加热到523K，固定于保持在500K的金属模中。将镁合金(AM50＝Mg-5％Al-0.2％Mn)的熔液保持在953K，在铸造压力49MPa、注射速度4.5m/秒(通过流动分析测定的流向预塑形坯的熔液速度为13m/s)下进行压铸铸造。注射时，从金属模的预塑形坯的熔液流入侧的相反侧脱气，将金属模内减压到60kPa。
制造的金属复合材料的比重为1.87，填充率为98.9％，杨氏模量为46.4GPa，在423K、负重50MPa下蠕变速度为4.0×10-4％/小时。即，与铝压铸材(ADC12＝Al-11％Si-2.5％Cu)同等。另外，镁压铸AM50材的蠕变速度为33×10-2％/小时。并且，热传导率(激光闪光法)为75.3W/m·K，相对于镁压铸AM50材的58.5W/m·K，提高到复合化率以上。另外，铝压铸ADC12材的热传导率为95.9W/m·K。并且，镦锻中，该复合材料在423K下能从厚度50mm压缩加工50％到25mm。
实施例2
买入具有气孔率为92％、气孔尺寸平均为500μm的开放孔(通气性)的Φ70mm×50mm的SUS304L合金(Fe-19％Cr-9％Ni)制的多孔性预塑形坯。将该SUS制的多孔预塑形坯放入加热到623K的金属模内。将镁合金(AM50＝Mg-5％Al-0.2％Mn)的熔液保持在953K，在铸造压力49MPa、注射速度4.5m/秒(根据流动分析测定的流向预塑形坯的熔液速度为13m/s)下进行压铸铸造。注射时，从金属模的预塑形坯的熔液流入侧的相反侧脱气，将金属模内减压到60kPa。
制造的金属复合材料的比重为2.25，填充率为99％，杨氏模量为78GPa。

Claims (17)

1、一种金属复合材料的制造方法，该金属复合材料包括金属制多孔预塑形坯和在其空隙中填充的基质金属，其特征在于，作为基质金属使用镁、铝、锌或其合金，多孔预塑形坯具有连续的气孔，空隙率为80％以上，空隙尺寸的平均直径为0.1mm以上，以及在金属模内容纳预热到473K以上的多孔预塑形坯，通过压铸铸造法、低压铸造法或重力金属模铸造法在多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液。
2、如权利要求1所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，作为基质金属使用镁、铝或其合金。
3、如权利要求1中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，作为构成多孔预塑形坯的金属使用具有比基质金属的杨氏模量大的杨氏模量的金属。
4、如权利要求3中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，作为构成多孔预塑形坯的金属使用杨氏模量是基质金属的2倍以上的金属。
5、如权利要求1中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，作为构成多孔预塑形坯的金属使用具有比基质金属更优良的热传导性、耐蠕变性的金属。
6、如权利要求1中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，作为构成多孔预塑形坯的金属，在铁、钛、铜、铝、钴、铬、镍、钨、钼、锆、硅及其合金的范围内，根据金属复合材料要求的特性，使用比基质金属的杨氏模量、热传导系数数值更大的金属，或者比基质金属在使用温度条件下耐蠕变性更优良的金属。
7、如权利要求6中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，作为构成多孔预塑形坯的金属使用铁、铜、钴、铬、镍、钨、钼或其合金。
8、如权利要求1中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，作为多孔预塑形坯使用空隙率为90％以上、空隙尺寸的平均直径为0.1～5mm者。
9、如权利要求6中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，作为多孔预塑形坯使用空隙率为90％以上、空隙尺寸的平均直径为0.1～5mm者。
10、如权利要求1中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，对多孔预塑形坯实施氧化处理、涂布处理或镀敷处理。
11、如权利要求6中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，对多孔预塑形坯实施氧化处理、涂布处理或镀敷处理。
12、如权利要求1中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，在铸造中，将金属模内减压到80kPa以下，以促进向多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液。
13、如权利要求1中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，在铸造中，在铸造压力9.8MPa以上，向多孔预塑形坯填充基质金属的熔液速度为1m/秒以上的条件下实施压铸铸造，向多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液。
14、如权利要求1中所述的金属复合材料的制造方法，其特征在于，在铸造中，在9.8kPa以上的压力条件下实施低压铸造，向多孔预塑形坯的空隙中填充基质金属的熔液。
15、一种金属复合材料的制造方法，其特征在于，将由权利要求1～14的任何一项所述的制造方法得到的金属复合材料进一步锻造加工。
16、一种由权利要求1～14的任何一项所述的制造方法得到的金属复合材料构成的构件。
17、由权利要求15所述的制造方法得到的金属复合材料构成的构件。
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