JP4852737B2 - リサイクル型Ｆｅ−Ａｌ複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄を含む廃材とアルミニウムを含む廃材とを溶解して複合材料を製造する方法に関する。

鉄やアルミニウムは我々の生活に必要不可欠な金属であり、精錬により製造される。これら金属の精錬において、既に製品として市場に流通した金属をリサイクルする場合（これを「二次精錬」という。）に要するエネルギーは、鉱石からバージン材を精錬する場合（これを「一次精錬」という）に要するエネルギーに比べて非常に少ないと見積もられている。また、金属資源についても採掘される資源である限り枯渇が懸念されている。したがって二次精錬は、エネルギー消費や環境負荷軽減という観点から必須な検討事項である。

しかし、現状の二次精錬では一次精錬よりも多くのエネルギーを必要としてしまう場合が多い。これは、金属の選別回収の困難さや金属を用いる製品の軽薄短小化に伴う複雑なパッケージングの問題等により廃材の低品位化が起こっている一方、このような低品位な廃材から金属を精錬する技術が確立されておらず、二次精錬を行う前にまず鉄やアルミニウムを含む廃材を高品位な状態、例えばバージン材もしくはそれに近い状態へと戻す必要があるためである。この結果、二次精錬の方が却ってコスト高となってしまう。

二次精錬の技術は上記のとおり現代社会において必要不可欠な技術であるものの、コスト高は工業的な観点から二次精錬普及の障害となっている。従って二次精錬の普及を推進するためにはコストを低減する即ち低品位な廃材から金属を精錬する技術を確立する必要がある。

これに関する技術として、高炭素クロム鋼の研削スラッジと廃アルミニウム缶材を用いてリサイクル型Ｆｅ−Ａｌ複合材料を製造する技術が下記非特許文献１に示唆されている。
２００３年第１３２回日本金属学会春季大会講演概要集２５８頁

上記非特許文献１に記載された発明は、低品位な廃材である研削スラッジと廃アルミニウム缶材を用いてリサイクル型Ｆｅ−Ａｌ複合材料を製造することができる上で有用であるが、耐摩耗性において更に改良することが望まれる。

そこで、本発明は上記課題に着目し、耐摩耗性をより向上させたリサイクル型Ｆｅ−Ａｌ複合材料を製造する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、具体的に本発明は以下の手段を採用する。
第一の手段として、鉄を含む廃材と、アルミニウムを含む廃材と、ＩＶＡ族元素、ＶＡ族元素、ＶＩＡ族元素又はＶＩＩＡ族元素の少なくともいずれか（以下単に「炭化物形成元素」という）と、を溶解して複合材料を製造する方法とする。
本発明者らは、鉄を含む廃材とアルミニウムを含む廃材とを混合してＦｅ−Ａｌ複合材料を製造する際、廃材一般に含まれている炭素に着目した。この場合炭素はＦｅ_３Ａｌのマトリックス中にＦｅ_３ＡｌＣ_０．５という形で含有されており、これを何らかの形で他の炭化物として機械的性質向上に寄与させることができないかと考えた。そしてこの炭素を利用すべく炭化物形成元素を添加させて一緒に溶解させたところ、非常に耐摩耗性が向上することが実験的に確かめられた。しかもこれによって、たとえ低品位な廃材であったとしても、むしろこれを積極的に利用して機械的性能が向上した複合材料を得ることができるようになったのである。なお、溶解時に炭化物形成元素を添加する事で、一回の溶解でミクロンオーダーの炭化物が分散した複合材料を簡便に作製することができる。

なおここで「廃材」とは、1mm以下の粉末形状、または5cm以下の小片形状のものをいい、廃材としては例えば、スクラップ状のものや粉末形状など形状的に低品位な物が該当する。なお廃材である限りにおいて高品位であっても本手段の効果を奏することはできるが、廃材が低品位である場合には本手段による効果はより一層顕著となる。
また、鉄を含む廃材としては、研削スラッジ粉末、廃自動車部品が該当し、アルミニウムを含む廃材としては、廃アルミニウム缶、廃スチール缶（蓋の部分がアルミニウム）、廃建材アルミニウム部材等が該当する。

また本手段において、溶解する方法は廃材を溶解することができる限りにおいて様々採用することができ、例えばいわゆる高周波炉を用いる方法、電気炉を用いる方法等が採用可能である。また、この溶解する際の雰囲気としては大気（空気）や不活性ガス（Ａｒ、Ｎ_２等）を用いることができる。大気の場合は、廃材をそのまま大気下の炉で溶解させることができるためコストの上で非常に有利であり、不活性ガスの場合は廃材中の鉄の酸化を防ぐことができるためより性能を向上させた複合材料を得ることができる点で有利である。

また本手段において「ＩＶＡ族元素、ＶＡ族元素、ＶＩＡ族元素又はＶＩＩＡ族元素」即ち「炭化物形成元素」とは、元素の周期表における遷移元素であって、例えばＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ等が該当する。これら元素は廃材中に存在する炭素（Ｃ）と炭化物を形成することができるものであれば特段に制限はない。

また本手段において、鉄を含む廃材又はアルミニウムを含む廃材は前記複合材料全体に対し５ａｔ％以下の炭素を含有し、炭化物形成元素は、前記複合材料全体に対し５ａｔ％以下含有するよう溶解されることも望ましい。これは炭化物が複合材料に及ぼす耐摩擦性向上に寄与するのに適する量であって、炭素が微量でも含まれていれば耐摩擦性を向上させることができる。しかし一方で、５ａｔ％を超えてしまうと、複合材料がもろくなり機械的強度の低下を招いてしまう場合がある。またこの場合において炭化物元素と炭素との量は１：１であることも望ましい。

また本手段において、鉄を含む廃材：アルミニウムを含む廃材は６５〜７４ａｔ％：３５〜２６ａｔ％の範囲であることも望ましい。これはＦｅ_３Ａｌを形成させるのに必要な範囲であることに起因する。Ｆｅ_３Ａｌは硬く、また室温から高温域までの降伏強度も高く、更に耐酸化特性に優れている事が知られているためである。また、複合材料はＦｅ_３Ａｌ／ＴｉＣであることも発明を明確にする上で望ましい。

また本手段において、溶解を大気雰囲気中で行うことは低コスト化において非常に有用であり、溶解を不活性ガス雰囲気中で行うことは複合材料の性質向上を目指す上で有用である。

また本手段において、複合材料は、電車又は自動車の部品に用いられるものとすることも望ましい。特に、本複合材料は耐摩擦性に優れるため特にエンジン部内のブレークディスク等の耐摩擦性が望まれる材料に使用すると効果的である。

以上、より耐摩耗性を向上させたリサイクル型Ｆｅ−Ａｌ複合材料の製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施の形態について実施例を用いて説明する。

本実施例では、鉄を含む廃材として、1μm〜1ｍｍ程度の径を有する粉末形状のＳＵＪ２研削スラッジ（図１（Ａ）参照）を採用し、アルミニウムを含む廃材として、１ｍｍ〜３０ｍｍ程度の径を有するスクラップ（小片）形状のＡｌペレット（図１（Ｂ）参照）を、「ＩＶＡ族元素、ＶＡ族元素、ＶＩＡ族元素又はＶＩＩＡ族元素」の例として、Ｔｉを用いた。なおＳＵＪ２研削スラッジの化学成分を下記表１に、Ａｌペレットの化学成分を下記表２にそれぞれ示す。なお表１、表２において「Ｂａｌ．」は残部であることを示す。

また本実施例においては、鉄を含む廃材とアルミニウムを含む廃材の配合量を変えた試料を複数作成した。下記表３に配合量等を示す。なお表３においてＦｅのａｔ％、Ａｌのａｔ％は、それぞれ廃材において炭素を除いた他の元素の量を含めて表記している。

本実施例では、溶解する方法として、一般に市販されている高周波炉（大亜真空社製）を用いた。図２にその外観を示す。またこの溶解の際の雰囲気としてはＡｒガスを用いた。溶解は鉄を含む廃材とアルミニウムを含む廃材とを1800度で十分に溶解した後、Ｔｉを加えて1800度で更に溶解した。そして十分溶解させた後、鋳型に鋳造する事で25度まで冷却し、φ１２ｍｍ×２８５ｍｍの棒状に鋳込んで複合材料を得た。図３に試料番号２について得た複合材料の写真を示す。

そしてこれら作成した試料に対し、その組織の観察を種々行った。図４に、試料番号2の複合材料の組織についてのＳＥＭ写真を示す。図４に示すように、本複合材料では２〜５μｍ程度の炭化物１（ＴｉＣ）が、母相であるＦｅ_３Ａｌ中に分散されていた。つまりＴｉの添加により炭化物を形成させることができた。

また、図５に本複合材料の組織についての透過型顕微鏡写真を示す。図５で示すとおり、方形のＴｉＣと推察できる部分が確認できた。

また、図６に本複合試料について、図５の方形のＴｉＣと推察される部分に行った電子線回折の結果についても示す。図６で示すとおり、本複合材料は、NaCl型のＴｉＣであると結論付けることができた。

なお上記試料番号１〜４についても同様の解析を行ったが、いずれも同様な結果を示した（図示せず）。

一方、試料番号５について同様の解析を行ったが、試料番号１〜４のような結果を得ることはできなかった。図７に試料番号５の組織についてのＳＥＭ写真を示す。なお図７中棒状に見えるものはＦｅ_３ＡｌＣ_０．５である。

次に、これら試料に対する磨耗量の測定を行った。
測定において実験試料は、図３で示す複合材料からφ８ｍｍ×２５ｍｍに切り出し、Ｐｉｎ ｏｎ Ｄｉｓｋ方式により行った。図８（Ａ）にＰｉｎ試験片を、図８（ｂ）にＤｉｓｋ試験片を、図８（ｃ）にＰｉｎ ｏｎ Ｄｉｓｋ式摩擦摩耗試験機の概略を示す。なおＤｉｓｋ試験片は１２６０Ｈｖ１０のＡｌ_２Ｏ_３を用いている。

そしてこの摩擦摩耗試験の結果を図９に示す。図中、Ｒｅ−Ｆｅ_３Ａｌ／ＴｉＣは本実施例にかかる複合材料の結果（そのうちの試料番号２の結果）を示し、Ｒｅ−Ｆｅ_３Ａｌは試料番号６のＴｉを添加していない場合の結果を、Ｆｅ_３Ａｌは純鉄及び純アルミニウムから作成したＦｅ_３Ａｌの結果を、ＳＵＪ２はＳＵＪ２の結果を、ＦＣ２００はＦＣ２００（鋳鉄）の結果をそれぞれ示す。なおこの試験条件としては、すべり速度は０．４２ｍ／ｓ、すべり距離は７５４ｍ、加重は４９Ｎ、９８Ｎ、１４７Ｎ、１９６Ｎとした。また、それぞれのＰｉｎ試験片における複合材料の硬さは以下の表４のとおりであった。本実施例にかかる複合材料の硬さはＦｅ_３ＡｌやＳＵＪ２などよりも十分硬いことが確認できた。もちろん試料番号１〜４については同様の結果を示していた（同様であったため図省略）。

図９の結果によると、本実施例にかかる複合材料は、他の例に比べて摩擦量が減少していることを示している。特に加重を大きくしても摩擦量の増加は他の材料に比べ小さく、しかも他の材料との差が顕著となっていることが確認できた。

以上、廃材を用いて、廃材に含まれる不純物を持て余すことなく有効活用し、簡便に鉄アルミナイド基複合材料が製造できた。また、作製したリサイクルの複合材料が優れた耐摩耗特性を有していることが確認できた。

実施例で用いた鉄を含む廃材及びアルミニウムを含む廃材を示す図 実施例で用いた高周波炉を示す図。 実施例で製造した棒状の複合材料を示す図。 実施例における複合材料の組織のＳＥＭ写真。 実施例における複合材料の組織のＴＥＭ写真。 実施例における複合材料の電子線回折の結果を示す図。 比較例（試料番号５）としての複合材料の組織のＳＥＭ写真 Ｐｉｎ試験片、Ｄｉｓｋ試験片、Ｐｉｎ ｏｎ Ｄｉｓｋ試験装置の概略を示す図。 Ｐｉｎ ｏｎ Ｄｉｓｋの試験結果を示す図。

Claims (5)

1. 鉄及び炭素を含む１ｍｍ以下の切削スラッジ粉末形状の廃材と、アルミニウムを含む廃材を高周波炉によって溶解し、
   前記溶解後、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂの少なくともいずれかを含む炭化物形成元素を加えて更に溶解して、全体に対して炭素が５ａｔ％以下の範囲となるよう炭化物を含む複合材料を製造する方法であって、
   前記鉄及び炭素を含む廃材：前記アルミニウムを含む廃材は６５〜７４ａｔ％：３５〜２６ａｔ％の範囲である複合材料を製造する方法。
2. 前記複合材料はＦｅ_３Ａｌ／ＴｉＣであることを特徴とする請求項１に記載の複合材料を製造する方法。
3. 前記溶解は、大気雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１記載の複合材料を製造する方法。
4. 前記溶解は、不活性ガス雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１記載の複合材料を製造する方法。
5. 前記複合材料は、電車又は自動車の部品に用いられることを特徴とする請求項１記載の複合材料の製造方法。