JP2008285739A

JP2008285739A - 粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法及び組成調整方法

Info

Publication number: JP2008285739A
Application number: JP2007134016A
Authority: JP
Inventors: Takeoki Iizuka; 建興飯塚
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-11-27

Abstract

【課題】十分に微細化された強化粒子を分散させることができ、硬度や引張強度や耐磨耗性等の機械的特性や高温特性等が改善された、高強度軽量化材料として自動車産業等で使用できる粒子分散アルミニウム合金複合材を得ることができる粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法及び組成調整方法を提供する。
【解決手段】粒子分散アルミニウム複合材の製造方法において、セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合した後に、撹拌法で前記混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に分散させて、粒子分散アルミニウム複合材を製造する。
【選択図】なし

Description

本発明は、機械的強度、耐磨耗性、高温特性に優れた粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法及び組成調整方法に関する。

粒子分散（粒子強化）アルミニウム合金複合材は、溶融アルミニウム合金への強化粒子を直接撹拌混合する撹拌法（混合法）や、強化粒子の粒子プリフォームへ溶融したアルミニウム合金を圧力に加えて含浸させる圧力鋳造法（含浸法）や、金属酸化物の粉末を溶融したアルミニウム合金中に添加して酸化アルミニウム（アルミナ）粒子をｉｎ−ｓｉｔｕ（インサイチュー）生成する反応法（ｉｎ−ｓｉｔｕ法：インサイチュー法）等によって製造される。

この粒子分散アルミニウム合金複合材においては、溶融合金に数μｍ（ミクロン）以下の微細粒子・粉末を含有させると、合金複合材の機械的強度が向上することが知られており、粒子分散アルミニウム合金複合材の機械的特性をさらに向上するには、粒径の細かい粒子の複合が望まれ、特にナノオーダーの粒子のアルミニウム合金への複合技術の開発が望まれている。

しかしながら、従来技術における製造方法においては、それぞれ以下のような問題があり、溶融金属に数μｍ以下の粒径がミクロンオーダーやナノオーダーの微細粒子・粉末をアルミニウム合金へ複合させることは非常に困難となっている。

つまり、撹拌法では、溶融アルミニウムと強化粒子との濡れ性が良くないため、粒径１０μｍ以下の粒子を溶融合金への分散は非常に難しいという問題がある。また、圧力鋳造法では、予め粒子プリフォームを作製する必要があるが、粒径５μｍ以下の粒子を用いる場合には、プリフォームの作製が非常に困難となるという問題がある。更に、反応法では、混合法と同様に、粒径１０μｍ以下の金属酸化物粒子を用いると、この混合が非常に難しくなるという問題がある。

そして、更に、撹拌法においては、粒径が数ミクロン以下のセラミックス粒子を溶融アルミニウム合金に添加すると、粒子間の凝集が生じ、複合材中に未含浸の粒子凝集体が残されるという問題がある。このような未含浸の粒子凝集体は複合材の機械的特性を劣化させるので、この粒子凝集体の形成を防止することが重要となる。そのため、新たな粒子分散法の開発が望まれている。

なお、この撹拌法に関しては、炭化珪素粉末の凝集部分を粉砕によって凝集前の状態に復元した後に、アルミニウム１００重量部に対して１〜３０重量部の配合割合で炭化珪素粉末を分散させる炭化珪素含有アルミニウム合金の製造方法（例えば、特許文献１参照。）や、アルミニウム合金のアルミナに対する濡れ性を向上するために、アルミニウムーシリコン合金にストロンチウムとカルシウムを所定量添加する粒子分散型複合材料の製造方法（例えば、特許文献２参照。）等が提案されている。
特許第３０４５３９５号公報特許第３２４９９２３号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、十分に微細化された強化粒子を分散させることができ、硬度や引張強度や耐磨耗性等の機械的特性や高温特性等が改善された、高強度軽量化材料として自動車産業等で使用できる粒子分散アルミニウム合金複合材を得ることができる粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法及び組成調整方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法は、セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合した後に、撹拌法で前記混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に分散させる製造方法である。

このセラミックス粒子としては、アルミナ（酸化アルミニウム）、スピネル、炭化ケイ素等を使用することができ、これらのセラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合することにより、セラミックス粒子の周りが金属シリコン粒子で囲まれている状態を作り出すことができ、しかも、この金属シリコン粒子は、混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に添加した際に溶けるので、セラミックス粒子の凝集による未含浸の問題を解決できる。その結果、セラミックス粒子が凝集体を作らずに均一に分散及び分布している粒子分散アルミ複合材を得ることができる。

あるいは、上記のような目的を達成するための粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法は、セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合した後に、撹拌法で前記混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に分散させ、更に、一つ又は複数の金属を添加する製造方法である。

また、上記の粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法において、前記金属を、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）の何れか一つの金属、又は、これらの組合せの金属とする。

これらの粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法によれば、上記と同様に、未含浸の問題を解決できると共に、一つ又は複数の金属を添加することにより、シリコン濃度が高くなった溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金の組成を調整できる。

また、上記のような目的を達成するための粒子分散アルミニウム合金複合材の組成調整方法は、セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合した後に、撹拌法で前記混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に分散させる粒子分散アルミニウム複合材の製造に際しての組成調整方法であって、前記溶融アルミニウム又は前記溶融アルミニウム合金に、一つ又は複数の金属を添加すると共に、この添加した金属の添加量を調整することにより、粒子分散アルミ複合材のアルミニウム合金の組成を調整する方法である。また、上記の粒子分散アルミニウム合金複合材の組成調整方法において、前記金属を、アルミニウム、ニッケル、銅、マグネシウム、鉄、マンガン、クロム、亜鉛、チタンの何れか一つの金属、又は、これらの組合せの金属とする。

また、上記の粒子分散アルミニウム合金複合材の組成調整方法において、セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合した後に、撹拌法で前記混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に分散させる粒子分散アルミニウム複合材の製造に際しての組成調整方法であって、前記溶融アルミニウム又は前記溶融アルミニウム合金に、アルミニウム又はアルミニウム合金を添加することにより、粒子分散アルミ複合材のアルミニウム合金の組成を調整する。なお、このアルミニウム合金は、溶融アルミニウム合金と同じ成分組成比率であってもよいが、目的とする合金組成に応じて、溶融アルミニウム合金とは異なる成分組成比率のアルミニウム合金を使用してもよい。

これらの粒子分散アルミニウム合金複合材の組成調整方法によれば、一つ又は複数の金属、又は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金を添加することにより、シリコン濃度が高くなった溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金の組成を調整でき、製造された後の粒子分散アルミ複合材のアルミニウム合金の組成を調整できる。

例えば、ＡＣ４Ｃ（Ｓｉ（ケイ素）含有量約７ｗｔ％）の溶融アルミニウム合金に、セラミックス粒子とＳｉ粒子の混合粒子以外に、ニッケル、マグネシウム、銅を添加すると、セラミックス粒子が分散したＡＣ８Ｃ合金（Ｓｉ含有量約１２ｗｔ％）を得ることができる。

また、シリコン粒子の添加により溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金中のシリコン濃度が上昇するが、これをアルミニウム若しくはアルミニウム合金を添加することにより、基の合金の組成に戻すことができる。

本発明に係る粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法及び組成調整方法によれば、予めセラミックス粒子と金属シリコン粒子を混合させ、撹拌法で溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金にその混合粒子を添加することにより、セラミックス粒子が凝集体を作ることなく、均一に分散及び分布している粒子分散アルミ複合材が得られる。

この粒子分散アルミ複合材は、微細なセラミックス粒子により強化されているため、硬度や引張強度や耐磨耗性等の機械的特性や高温特性等が改善された、高強度軽量化材として自動車産業等で使用できる粒子分散アルミ複合材を得ることができる。

以下、本発明に係る実施の形態の粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法及び組成調整方法について説明する。

本発明の粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法では、撹拌法（混合法）を用いるが、最初に、セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合する。この混合後に、撹拌法で、この混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に分散させる。

このセラミックス粒子としては、アルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ₂Ｏ₃）、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等を使用することができる。また、金属シリコン粒子のサイズは、細かければ細かい程よい。基本的にはセラミックス粒子より細かい金属シリコン粒子がよいが、添加するセラミックス粒子の大きさに応じて、シリコン粒子のサイズを選ぶ。ただし、仮に同じ粒径のセラミックス粒子と金属シリコン粒子を配合しても、ボールミールの工程で、金属シリコン粒子の方がセラミックス粒子よりも粉砕され易いので、セラミックス粒子の周りに金属シリコン粒子が集まるような状態を容易に作りだすことができる。なお、アルミニウム合金母材としては、例えば、ＡＣ４Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物４種Ａ：Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）等を使用することができる。

そして、このセラミックス粒子と金属シリコン粒子の予混合は、乾式又は湿式の混合装置で行う。この乾式の混合装置としては、Ｖ型ミキサー、ヘンシェルミキサー等があり、湿式の混合装置としては、ボールミール、攪拌機などがある。乾式の混合装置を用いる場合には、セラミックス粒子と金属シリコン粒子を直接混合槽に投入すればよいが、湿式の混合装置を用いる場合には、エタノールや水等の溶媒をセラミックス粒子と金属シリコン粒子と一緒に添加する必要がある。

この混合機により、セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予め混合することにより、セラミックス粒子の周りが金属シリコン粒子で囲まれている状態を作り出し、セラミックス粒子の凝集を防止する。この混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に添加した際に金属シリコン粒子が溶けるので、セラミックス粒子の凝集による未含浸の問題を解決できる。その結果、セラミックス粒子が均一に分散及び分布している粒子分散アルミ複合材を得ることができる。

一方、金属シリコン粒子の添加により、溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金中のシリコン濃度が高くなるため、もとの合金の組成に戻す必要がある場合には、アルミニウム又はアルミニウム合金を添加する。この溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に、アルミニウム又はアルミニウム合金を添加することにより、粒子分散アルミ複合材のアルミニウム合金の組成を調整する。

しかしながら、アルミニウムを添加すると、アルミニウム合金中のニッケル、銅、マグネシウム、鉄、マンガン、クロム、亜鉛、チタン等の元素の濃度が下がるので、アルミニウム合金の成分組成を完全に元のアルミ合金の成分組成に戻すためには、それに対応したニッケル、銅、マグネシウム、鉄、マンガン、クロム、亜鉛、チタン等の元素も添加する必要がある。

つまり、目的とするアルミニウム合金の組成とするためには、一つ又は複数の金属を添加する。この金属としては、アルミニウム、ニッケル、銅、マグネシウム、鉄、マンガン、クロム、亜鉛、チタンの何れか一つの金属、又は、これらの組合せの金属がある。これらの金属は、その目的とするアルミニウム合金の組成に応じて選択され、その成分組成になるような添加量で添加する。

また、アルミニウム合金を添加する場合にも、アルミニウム合金の種類と金属の種類の選択と、添加量を調整することにより、その目的とするアルミニウム合金の成分組成を容易にえることができる。このアルミニウム合金は、溶融アルミニウム合金と同じ成分組成比率であってもよいが、目的とする合金組成に応じて、溶融アルミニウム合金とは異なる成分組成比率のアルミニウム合金を使用してもよい。

なお、アルミニウム又はアルミニウム合金を添加しない場合は、シリコン濃度が増加したＡｌ−Ｓｉ合金が得られる。例えば、ＡＣ４Ｃの合金（Ｓｉ含有量約７ｗｔ％）にセラミック粒子とＳｉ粒子以外に更にニッケル、マグネシウム、銅を添加すると、セラミックス粒子が分散したＡＣ８Ｃ合金（Ｓｉ含有量約１２ｗｔ％）が得られる。

このセラミックス粒子が混合された溶融アルミニウム合金を、所定の金型に入れて鋳込むことにより、所定の形状をした粒子分散アルミニウム合金複合材を作製する。

この粒子分散アルミニウム合金複合材の製造方法によれば、従来技術では、微細な強化粒子を分散させた粒子分散アルミニウム合金複合材を作るのに、多く又は複雑な工程を必要としていたが、強化粒子の粒子径をミクロンオーダーやナノオーダーに小さくした粒子分散アルミニウム合金複合材を比較的容易に製造できる。この粒子分散アルミニウム複合材においては、理論的には強化粒子が細かければ細かい程、強化粒子を含ませる効果が向上するので、硬度や引張強度等の機械的特性を向上させることが容易にできるようになる。

また、これらの粒子分散アルミニウム合金複合材の組成調整方法によれば、一つ又は複数の金属、又は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金を添加することにより、シリコン濃度が高くなった溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金の成分組成を調整でき、製造された後の最終的に得られる粒子分散アルミニウム合金複合材のアルミニウム合金の成分組成を容易に調整することができる。また、適切な量の金属と、アルミニウム若しくはアルミニウム合金を添加することにより、基のアルミニウム合金の成分組成に戻すこともできる。

第１の実施例として、スピネル粒子（平均粒径１ミクロン）を６００ｇと、シリコン粒子（平均粒径０．５ミクロン）を５５０ｇをボールミールで混合し、乾燥した後、粒子分散アルミ複合材の作製に備えた。７５０℃で熔解した、１０ｋｇ分のＡＣ４Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物４種Ａ：Ａｌ−Ｍｇ系合金：Ｍｇ含有量０．４ｗｔ％（重量％））を撹拌しながら、スピネルとシリコンの混合粒子を添加した後、アルミニウム合金の組成がＡＣ８Ａになるように、更に、マグネシウムを１００ｇ、ニッケルを１００ｇ、銅を１００ｇ添加し、撹拌した。

その後スピネル粒子を分散した溶融アルミニウム合金を金型に鋳込んで、粒子分散アルミニウム複合材を得た。このスピネル粒子分散アルミニウム複合材をＪＩＳ規格のＴ６処理で熱処理した後、その組織を観察した。スピネル粒子は均一にアルミニウム合金中に分散及び分布していることが確認された。この複合材のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１９２で、引張強度は３７５ＭＰａであった。

第２の実施例として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子（平均粒径０．５ミクロン）を５００ｇと、シリコン粒子（平均粒径０．５ミクロン）を８００ｇをボールミールで混合し、乾燥した後、粒子分散アルミ複合材の作製に備えた。７３０℃で熔解した９．６４ｋｇのアルミニウムと４００ｇのアルミニウム−１０ｗｔ％マグネシウム合金を撹拌しながら、炭化ケイ素とシリコンの混合粒子を添加し、撹拌した。

その後炭化ケイ素を分散した溶融アルミニウム合金を金型に鋳込んで、粒子分散アルミニウム複合材を得た。炭化ケイ素粒子分散アルミニウム複合材をＪＩＳ規格のＴ６処理で熱処理した後、その組織を観察した。炭化ケイ素粒子は均一にアルミニウム合金中に分散及び分布していることが確認された。この複合材のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１６２で、引張強度は３５５ＭＰａであった。

比較例として、７５０℃で熔解した、１０ｋｇのＡＣ４Ｃアルミニウム合金（アルミニウム合金鋳物４種Ａ：Ａｌ−Ｍｇ系合金：Ｍｇ含有量０．４ｗｔ％（重量％））を撹拌しながら、スピネル粒子（平均粒径１ミクロン）を６００ｇ添加した後、金型に鋳込んで、粒子分散アルミニウム複合材を得た。このスピネル粒子分散アルミニウム複合材をＪＩＳ規格のＴ６処理で熱処理した後、その組織を観察した。多くのスピネル粒子は凝集し、均一な粒子分散アルミニウム複合材を得ることができなかった。この複合材のビッカース硬さ（Ｈｖ）は１２８で、引張強度は２５８ＭＰａであった。

これらの結果から、本発明の酸化アルミニウム（アルミナ）、スピネル、炭化ケイ素などのセラミック粒子と金属シリコン粒子を予混合した後に、撹拌で混合粒子を溶融アルミ又は溶融アルミ合金に分散させる粒子分散アルミ複合材の製造方法が有効であり、得られた粒子分散アルミ複合材のビッカース硬度及び引張強度が高くなることが分かった。

Claims

セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合した後に、撹拌法で前記混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に分散させる粒子分散アルミニウム複合材の製造方法。
セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合した後に、撹拌法で前記混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に分散させ、更に、一つ又は複数の金属を添加する粒子分散アルミニウム複合材の製造方法。
前記金属が、アルミニウム、ニッケル、銅、マグネシウム、鉄、マンガン、クロム、亜鉛、チタンの何れか一つの金属、又は、これらの組合せの金属である請求項２記載の粒子分散アルミニウム複合材の製造方法。
セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合した後に、撹拌法で前記混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に分散させる粒子分散アルミニウム複合材の製造に際しての組成調整方法であって、前記溶融アルミニウム又は前記溶融アルミニウム合金に、一つ又は複数の金属を添加すると共に、この添加した金属の添加量を調整することにより、粒子分散アルミ複合材のアルミニウム合金の組成を調整する粒子分散アルミニウム複合材の組成調整方法。
前記金属が、アルミニウム、ニッケル、銅、マグネシウム、鉄、マンガン、クロム、亜鉛、チタンの何れか一つの金属、又は、これらの組合せの金属である請求項４記載の粒子分散アルミニウム複合材の組成調整方法。
セラミックス粒子と金属シリコン粒子を予混合した後に、撹拌法で前記混合粒子を溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金に分散させる粒子分散アルミニウム複合材の製造に際しての組成調整方法であって、前記溶融アルミニウム又は前記溶融アルミニウム合金に、アルミニウム又はアルミニウム合金を添加することにより、粒子分散アルミ複合材のアルミニウム合金の組成を調整する請求項４又は５記載の粒子分散アルミニウム複合材の組成調整方法。