JPH02194132A - 金属基複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は含浸加圧鋳造法により、セラミックス製強化材
でマトリックス金属を強化した金属基複合材料の製造方
法に係り、特に強化材として安価なセラミックス粒子を
使用し、材料中における強化材の容積比率を適正に保持
することが可能であり、強度特性値が優れた金属基複合
材料の製造方法に関する。

（従来の技術） 近年、炭化ケイ素、アルミナ等のセラミックス繊維また
はセラミックス粒子で強化された金属基複合材料が新素
材の１つとして注目されている。

その中でも高温強度に優れ、硬いセラミックス繊維を、
マトリックス金属中に分散させた金属基複合材料が、宇
宙機器、ロボット、自動車、航空機等の幅広い産業分野
で普及してい゛る。

従来例えばＡオ、０３繊維、Ｓ　ｉ　ＣＩＩａＨなどセ
ラミックス繊維を強化材とし、アルミニウム合金材をマ
トリックス金属とするセラミックスＩＭ強化材複合材料
の製造方法としては、溶湯含浸加圧鋳造法（以下「溶浸
法」という。）が一般に採用されている。

この溶浸法は、まずセラミックス繊維で所定形状および
繊維体積率（Ｖｆ）を有するセラミックスＩＩＨの予備
成形体を加圧形成し、この予備成形体を金型内に配置し
て２００〜７００℃に加熱する。その後、溶融アルミニ
ウム合金を金型内に注湯し、この溶融アルミニウム合金
をラムで直接加圧することにより予備成形体の内部空間
にｍ４を含浸させ、アルミニウム合金をマトリックスと
する複合体を得るものである。

ところで上記予備成形体における強化材の体積率（Ｖｆ
）は予備成形体の見掛は上の容積に対する強化材の容積
の比率を表わし、完成した複合材料の容積に対する強化
材の容積比率に対応する。

この体積率が過少であると強化材としての効宋が少ない
一方、過大な場合は相対的にマトリックス金１１ｆｆｉ
が低下し、強化材を保持する強度が低下し、同様に複合
材料の機械的特性が低下する。したがって、この体積率
は複合材料の強度特性値が最大となる範囲に設定され、
その具体的な値は１０〜５０％程度である。

一方、強化材としては１１Ｍ状またはウィスカ状のセラ
ミックスが主として使用されていたが、繊維状およびウ
ィスカ状のセラミックスは、二次加工品であるため、粒
子状のセラミックスと比較して数倍高価である。そのた
め複合材料の製品価格が非常に高くなり、実用化にあた
って大きな障害となっていた。

そこでより安価な強化材として、粒子状のセラミックス
をより多く使用し、安価な金属基複合材料とする試みも
なされている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら従来の溶浸法による製造工程において、セ
ラミックス粒子のみで、体積率が５０％以下であり、か
つ加圧ｖＩ造時に変形や破損を起こさない充分な強度を
有する予備成形体を形成１−ることは困難であった。す
なわちセラミックス粒子同士のからみ合いによって粒子
相互の位置を固定し、加圧操作に耐える予備成形体を形
成するためには第２図に示すように、体積率が５０〜７
０％になるようにセラミックス粒子１を高密度で配合し
なければならない。その場合、セラミックス粒子１．１
間の空隙部２の容積は微小になるため、マトリックスと
なる溶融金属を含浸させる容積が少なくなり、得られる
複合材料の強度特性値も低下してしまう。

一方マトリックス金属中に比較的低い体積率でセラミッ
クス粒子を均一に分散させて金属基複合材料を形成する
ことができる方法としては、粉末冶金法、メカニカルア
ロイング法およびコンホキ１ジステイング法の３方法に
ほぼ限定されている。

粉末冶金法はマトリックスとなる原料金属粉末と強化材
としてのセラミックス粒子とを充分に混合した後に、得
られた混合体を加圧成形し、真空または不活性ガス雰囲
気において＾温度に加熱したり、ホットプレスによって
複合化成形する方法である。

メカニカルアロイング法は、粉砕機を兼ねる撹拌槽内に
マトリックス原料金属とセラミックス粒子とを投入し、
原料を所定粒径に機械的に粉砕するとともに充分に混合
し、均一な混合物をＤｌｌし、得られた混合物を粉末冶
金法と同様に加熱圧化して複合材料を形成する方法であ
る。

またコンポキャスティング法は、原料金属の液相と固相
とが共存する半溶融状態になるまでマトリックス原料を
加熱し、その状態でセラミックス粒子を添加混合し、粒
子が均一に分散した段階でマＩ・リックス原料を固化せ
しめ複合材料を形成する方法である。

しかしながら上記粉末冶金法およびメカニカルアロイン
グ法においては、原材料混合プロセス、焼結設備、ホッ
トプレス設備、真空機器や不活性ガス設備等が必要であ
り、溶浸法と比較して設備および製造工程が複雑で生産
性が低く、複合材料の製造コストが高騰化するなどの問
題点がある。

またコンポキャスティング法では、溶融金属と強化材の
ぬれ性が一般に低く、特に微細な強化材とマトリックス
金属との複合化が困難な場合が多く、強化材の添加量が
制限され、充分な強度を有する複合材料が得られないと
いう問題点があった。

本発明は上記の問題点を解消するためになされたもので
あり、安価なセラミックス粒子を主たる強化材として使
用し、高価で複雑な操作を要する設備を使用せず極めて
Ｉ！！Ｉ重な設備で製造することが可能であり、さらに
作業性が良く低コストで経済的な金属基複合材料を製造
することができる金属基複合材料の製造方法を提供する
ことを目的とする。

また本発明の他の目的は、含浸加圧ｖＩ造する際に予備
成形体が破壊されることがなく、補強材としての予備成
形体をマトリックス金属中に低い体積率で均一に分散さ
せ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。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明は、マトリックス金属材
料に微細な強化材が分散した金属基複合材料の製造方法
において、前記強化材としてのセラミック粒子を主成分
とし、セラミックスミｌ維およびセラミックスウィスカ
の少なくとも一方を従成分とする予備成形体を形成し、
上記予備成形体にマトリックス金属としての溶融金属を
含浸せしめ加圧鋳造して複合化することを特徴とする。

また予備成形体中の強化材の体積率は１０％以上５０％
以下に設定すると良い。

（作用） 上記構成によれば、強化材としてのセラミックス粒子を
主成分とし、従成分としてセラミックス繊ＨｉＢよびセ
ラミックスウィスカの少なくとも一方から成る強化材が
少量添加されているため、セラミックス８Ｎ１ｔ−ラミ
ックスウィスカは立体的な繊維骨格を形成し、そのｍ雑
骨格に沿ってセラミックス粒子が強固に結合され、全体
として強度の高い予備成形体が形′成される。各セラミ
ックス粒子は相互に隔離して骨格上に保持され、セラミ
ックス粒子間には広い空１１１部が形成される結果、か
さ密度および体積率が低く、強度が高い予備成形体が得
られる。

そのため、含浸加圧鋳造する際に過大な加圧力が作用し
た場合においても予備成形体が破壊されることがなく、
広い空隙部にマトリックス溶融金属が充分に含浸される
ため、強度が高い金属基複合材料を提供することができ
る。

特に予備成形体中の強化材の体積率を１０％以上に設定
することにより、強化材による補強効果が高まり、かつ
体積率を５０％以下に設定することにより、７トリツク
スと強化材との結合強度が高まり、最適な強度特性を有
する金属基複合材料とすることができる。

また本発明方法によれば、予備成形体の形成工程および
含浸加圧ｖＩ造による複合工程において、高価な設備や
高温高真空設備および雰囲気調整設備等の、操作が煩雑
な設備を使用せず、大気中において極めて簡単な設備お
よび操作で製造を行なうことができるため、金属基複合
材料を低コストでかつ高能率で生産することができる。

（実施例） 次に本発明に係る金属基複合材料のｌｊＪ造方法の一実
施例について添付図面を参照して説明する。

まず強化材として平均粒径が５μｍのＳｉＣ粒子と、平
均径が７μｍ１長さが６麿の炭素繊維とをそれぞれの体
積含有率の比が５：１となるように混合した。この際、
バインダーとしてアルミナゾルを全重重に対して１０重
量％添加した。そして得られた混合体を充分に混合した
後に、直径１００ｊｌｌｌの金型に充填し、高さが１０
０ｍで強化材の体積率が３０％となるうに圧力２００／
ｌ／ａｌｌで圧縮成形し、予備成形体を形成した。

次に得られた予備成形体を一度８００’Ｃで４時間加熱
して、添加したアルミナゾルを結晶化させることによっ
てＳＩＧ粒子相互間、炭素ａｍ相互間、およびＳｉＣ粒
子と炭素ｔＭ、Ｈ相互間の結合強度を高めた。得られた
予備成形体中のＳｉＣ粒子および炭素繊維の分布状況を
顕微鏡にて観察したところ、第１図に示すように、炭素
１１１３が立体的にからみ合って繊維骨格を形成し、そ
の骨格に沿ってＳｉＣ粒子１が相互に隔離して保持され
、ＳｉＣ粒子１．１・・・の間に広い空隙部２が形成さ
れていることが確認された。

このように少量の炭素ｓｉｎの添加により予備成形体の
かさ密度が低減され、強化材の最適な体積率が保証され
ると同時に、炭素繊維が形成する繊維骨格により、強固
な予備成形体が形成される。

さらに得られた予備成形体を型に配置し、溶融した６０
６１アルミニウム合金を型内に注渇し、溶湯をピストン
で圧力２０（１／ｌｉで加圧して、予備成形体内空間に
溶湯を含浸させて複合材料とした。

予備成形体は加圧鋳造時において変形やつぶれを生じる
ことなく、アルミニウム合金中に均一に分散され高強度
の複合材料を得ることができた。

一方比較例として炭素ｉｌＮを添加せずＳｉＣ粒子のみ
から成る強化材を使用して、体積率が３０％以下の予備
成形体を形成することを試みたが、ＳｉＣ粒子のかさ密
度が高いため、バインダーを添加しても、加圧鋳造に耐
える高強度を有し体積率が３０％以下のものを製造する
ことは不可能であった。また圧力２００８９１０ｉ程度
の加圧力に充分耐え、鋳造時の加圧力に耐える予備成形
体の成形限界となる体積率は５０％を超えていた。

このＳｉＣ粒子のみから成り体積率が５０％の予備成形
体の粒子の分布状態は第２図に示す通りであり、高密度
に集積されたＳｉＣ粒子１．１・・・の間に形成される
空隙部２は小さい。したがって空隙部２に含浸されるマ
トリックス金属Ｉが相対的に減少し、ＳＩＣ粒子１の保
持強度が低下し複合材料全体としての強度特性値も低下
する。

〔発明の効果ン 以上説明の通り、本発明に係る金属基複合材料の製造方
法によれば、強化材としてのセラミックス粒子を主成分
とし、従成分としてセラミックス繊維およびセラミック
スウィスカの少なくとも一方から成る強化材が少量添加
されているため、セラミックスＩ維、セラミックスウィ
スカは立体的な繊維骨格を形成し、その８Ｍ骨格に沿っ
てセラミックス粒子が強固に結合され、全体として強度
の高い予備成形体が形成される。各セラミックス粒子は
相互に隔離して骨格上に保持され、セラミックス粒子問
には広い空隙部が形成される結果、かさ密度および体積
率が低く強度が高い予備成形体が得られる。

そのため、含浸加圧ｖＩ造する際に過大な加圧力が作用
した場合においても予備成形体が破壊されることがなく
、広い空隙部にマトリックス溶融金属が充分に含浸され
るため、強度が高い金属基複合材料を提供することがで
きる。

また本発明方法によれば、予備成形体の形成工程および
含浸加圧鋳造による複合工程において、８価な設備や′
Ｂ潟高真空設備および雰囲気調整９僑等の、操作が煩雑
な設備を使用せず、大気中において極めてｆＦｉＱｉな
設備および操作で製造を行なうことができるため、金属
基複合材料を低コストでかつ高能率で生産することがで
きる。

婦成形体の一部を拡大して示す図である。

１・・・セラミックス粒子（ＳｉＣ粒子）、２・・・空
ｉ部、３・・・セラミックスＩ１Ｍ（炭素繊維）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリックス金属材料に微細な強化材が分散した金
   属基複合材料の製造方法において、前記強化材としての
   セラミック粒子を主成分とし、セラミックス繊維および
   セラミックスウィスカの少なくとも一方を従成分とする
   予備成形体を形成し、上記予備成形体にマトリックス金
   属としての溶融金属を含浸せしめ加圧鋳造して複合化す
   ることを特徴とする金属基複合材料の製造方法。 ２、予備成形体中の強化材の体積率が１０％以上５０％
   以下であることを特徴とする請求項１記載の金属基複合
   材料の製造方法。