JP2004225145A - セラミックス−金属基複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造法であっても、強化材であるセラミックスの含有率が５０体積％近くまたはそれ以上であり、なおかつ再利用が容易なセラミックス−金属基複合材料の製造方法を提供すること。
【解決手段】マトリックスをアルミニウムまたはアルミニウム合金とし、セラミックス強化材として、濡れ性を改善するために表面を金属やガラスでコーティングした粒径が０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下のアルミナ、炭化ケイ素、ジルコニア、窒化ケイ素など汎用のセラミックスの粒体を使用し、それらセラミックス粒体を砂型に充填した後、従来使用されている鋳造法でアルミニウムまたはアルミニウム合金を型に流し込むことにより、セラミックス−金属基複合材料を製造する。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属にセラミックス強化材を複合させてなるセラミックス−金属基複合材料を鋳造法により製造する方法に関し、特にセラミックスの含有率が高く、なおかつ再利用も容易なセラミックス−金属基複合材料の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属材料の高靭性、高熱伝導性と、セラミックスの高剛性、低熱膨張性とを兼ね備えた材料としてセラミックス−金属基複合材料が注目されている。
それら複合材料の製造方法として、部材の形状やその作製数等の条件により、鋳造法による製造が有利な場合がある。鋳造法によるそれら複合材料の製造は、溶解した金属にセラミックス粒子等の強化材を混合しそれを鋳型に流し込んだり、または、セラミックス粒子等の強化材の充填体に、溶解した金属を圧力等により浸透させ、得られた複合体にさらに金属を足して加熱溶解しそれを鋳型に流し込んだりすることが一般的である。
【０００３】
鋳造法によるセラミックス−金属基複合材料の製造について少し具体的に述べると、たとえば、＃５００（１５μｍ）や＃１８０（５０μｍ）といった比較的細かいＳｉＣ粉末からなる成形体にアルミニウム合金を浸透させてＳｉＣ含有率４０〜５０体積％の複合材料を製造し、これにアルミニウム合金を足して６００〜８００℃で溶解、混合後、通常の砂型鋳造、ロストワックス等の鋳造法にてセラミックス−金属基複合材料を製造していた。
【０００４】
しかしながらこの場合、鋳造に供する複合材料の溶湯の流動性および強化材であるＳｉＣの分散性を確保するため、ＳｉＣの含有率を４０体積％程度までに抑える必要があり、ＳｉＣ含有率が高いセラミックス−金属基複合材料を製造することができなかった。
【０００５】
ここで、強化材の含有率が高い複合材料を製造する方法を開示しているものには、たとえば特許文献１がある。この方法は、周囲にカーボン微粒子を凝集させた高硬度の材質製の微粒子を成形型内に充填した後、金属を溶融したものを加圧状態で鋳込むものであるが、この方法によれば、強化材の含有率は５０〜７０体積％になるとしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３８２２４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記等の技術により、鋳造法においても強化材の含有率を高くすることができ、部材に要求される特性に対し対応できる幅が広くなってきている。しかしながら、部材製造時に不具合品が発生した際、強化材の含有率が高い場合は、強化材と金属を分離することが困難であり、強化材の含有率を制御した部材の製造には再利用ができず、コストアップの要因となっている。また、廃材に関しても、従来の部材では強化材と金属との分離が困難であるため、その再利用は困難であった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、鋳造法であっても、強化材であるセラミックスの含有率が５０体積％近くまたはそれ以上であり、なおかつ再利用が容易なセラミックス−金属基複合材料の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、強化材として特定サイズの粗粒セラミックス粒体を用い、それら粗粒セラミックス粒体の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金との濡れ性を向上させるための処理を施せば、それら粗粒セラミックス粒体を予め所望の型に充填してもその型内にアルミニウムまたはアルミニウム合金を鋳造法にて鋳込むことが可能となり、セラミックスの含有率が高いセラミックス−金属基複合材料が製造でき、なおかつ再利用が容易であることを見出した。
【００１０】
本発明はこのような知見に基づいて完成されたものであり、以下の（１）〜（２）を提供する。
（１）セラミックス粒体を所望の型に充填し、該型内にアルミニウムまたはアルミニウム合金を鋳造法にて鋳込んで、セラミックスとアルミニウムまたはアルミニウム合金との複合材料を製造する方法であって、前記セラミックス粒体の粒径を０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、なおかつ、前記セラミックス粒体とアルミニウムまたはアルミニウム合金との濡れ性を向上させるために、前記セラミックス粒体の表面にメッキにより金属をコーティングすることを特徴とするセラミックス−金属基複合材料の製造方法。
（２）セラミックス粒体を所望の型に充填し、該型内にアルミニウムまたはアルミニウム合金を鋳造法にて鋳込んで、セラミックスとアルミニウムまたはアルミニウム合金との複合材料を製造する方法であって、前記セラミックス粒体の粒径を０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、なおかつ、前記セラミックス粒体とアルミニウムまたはアルミニウム合金との濡れ性を向上させるために、前記セラミックス粒体の表面にガラスをコーティングすることを特徴とするセラミックス−金属基複合材料の製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係るセラミックス−金属基複合材料の製造方法は、マトリックスがアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、セラミックス強化材として、濡れ性を改善するために表面を金属やガラスでコーティングした粒径が０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下のアルミナ、炭化ケイ素、ジルコニア、窒化ケイ素など汎用のセラミックスの粒体を使用し、それらセラミックス粒体を砂型に充填した後、従来使用されている鋳造法でアルミニウムまたはアルミニウム合金を型に流し込み、容易に両者を複合させることからなる。
【００１２】
具体的には、まず、強化材として使用するセラミックス粒体の表面に、無電解メッキなどにより金属をコーティング、またはガラス釉薬を表面に塗布して熱処理することによりガラス層をコーティングする。これによりアルミニウムまたはアルミニウム合金との濡れ性を改善することができる。ここで、使用するセラミックス粒体の粒径は０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下が望ましい。粒径が０．１ｍｍ未満では、隣接したセラミックス粒体間の空間が小さく湯道が狭くなるため、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯が入りにくく、空隙が生じやすい。また、粒径が３０ｍｍを越えると、鋳造後、アルミニウムまたはアルミニウム合金とセラミックス粒体との熱膨張係数差が大きいため、界面部分に応力が残留し、複合材料が変形するなどして好ましくない。
【００１３】
次に、アルミニウムまたはアルミニウム合金との濡れ性を改善したセラミックス粒体を砂型に充填する。この場合、セラミックス粒体を型に流し込むだけではなく、振動をかけながら行った方が望ましい。これによりセラミックス粒体は密充填し、アルミニウムまたはアルミニウム合金を複合した後のセラミックスの割合が向上し、従来の溶解したアルミニウムにセラミックス粉末を混合して鋳造する方法と比較するとセラミックスの含有率を向上させることができる。具体的には、セラミックス粒体を慣用の砂型鋳造の被鋳造部に充填させ、湯口部にはセラミックス粒体が脱落しないようにセラミックスフィルターまたは金属網を施す。この湯口から慣用のアルミニウムまたはアルミニウム合金を注湯してセラミックス粒体とアルミニウムまたはアルミニウム合金の複合体を製造する。ここで、一般的なアルミニウムまたはアルミニウム合金の鋳造と異なりセラミックス粒体の抵抗があるので、注湯口の高さを高くしてヘッド圧力を高くしアルミニウムまたはアルミニウム合金の湯回りを良くする。肉厚の形状品に対しても同様の手法をとる。また、ダイキャストやスクイーズキャストのように圧力をかけて注湯する場合は通常のまま鋳造できる。
【００１４】
また、従来、セラミックスの含有率が低い金属基複合材料を製造する方法として、セラミックスの含有率が４０％程度のインゴットを溶融して型に流し込む方法がとられていたが、この方法では廃材の再利用が非常に困難であった。しかし、本発明における金属基複合材料の製造方法では注湯する溶湯がセラミックスを含んでおらず、湯口や押し湯部などに残るのは金属だけであるためそれらの処理が容易であり、複合材料中のセラミックスが比較的大きな粒体であるため、加熱溶融した複合材料をセラミックスフィルターや高融点の金属金網でろ過することにより、容易にセラミックスとアルミニウム金属の分離ができるため、再利用が容易にできるという特徴がある。
このようにして作製したセラミックス−金属基複合材料を必要に応じて機械加工し、所望の形状を有するセラミックス−金属基複合材料部品とする。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例とともに示す。
【００１６】
（実施例１）
５ｍｍφのアルミナセラミックスボールの表面に無電解メッキでＮｉを３μｍ施し、このアルミナセラミックスボールを内容積が２００×２００×５０ｍｍの砂型に振動をかけながら充填した。この砂型に上型を取り付け、３００ｍｍｈの注湯口を取りつけた。この湯口に泡取りのために３ｍｍ角目開きの金属網を施し、６５０℃で溶解したアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）を注湯口から注湯し、２箇所の押し湯部まで注湯されているのを確認して注湯を完了した。冷却してから砂型、湯道、湯口を切断除去して複合材料を得た。得られた複合材料の密度を測定し、セラミックスの含有率を測定したところ、５３体積％であった。また、得られた複合材料をダイヤモンド回転刃で切断して切断面を観察したところ、セラミックスとアルミニウム合金が密着しており、ヒケスや空隙もなく良好な複合材料が作製できた。
【００１７】
また、不具合品等の再利用のため、得られた複合材料の半分を使用して、アルミナセラミックスボールとアルミニウム合金の分離を試みた。耐熱容器の上に、緩やかなお玉形状のＳＵＳ３０４製の網（表面はセラミック層をコーティング、１０メッシュ、開き目約２ｍｍ）を載せ、その上に複合材料を載せて、それらを７５０℃で加熱した。その結果、アルミナセラミックスボール表面に０．５ｍｍほどのアルミニウム合金が残るが、ほぼアルミナセラミックスボールとアルミニウム合金を分離することができた。
【００１８】
（実施例２）
３ｍｍφの窒化ケイ素セラミックスボールの表面にグリセリンを薄く塗布し、ガラス釉薬を塗布してからガラス釉薬の融点である５２０℃で焼成し、厚さ約１０μｍのガラス膜をセラミックスボールの表面にコーティングした。それら窒化ケイ素セラミックスボールを強化材とし、実施例１と同様の手順で複合材料を作製し、評価した。その結果、セラミックスの含有率は５８体積％であり、切断面の観察では、セラミックスとアルミニウム合金が密着しており、ヒケスや空隙もみられなかった。
また、実施例１と同様の手順で窒化ケイ素セラミックスボールとアルミニウム合金の分離を試みたところ、実施例１と同様ほぼ、窒化ケイ素セラミックスボールとアルミニウム合金を分離することができた。
【００１９】
（実施例３）
強化材として、表面に無電解メッキでＮｉを３μｍ施した３０ｍｍφのアルミナセラミックスボールを使用したこと以外は、実施例１と同様の手順で複合材料を作製し、評価した。その結果、セラミックスの含有率は４８体積％であり、切断面の観察では、セラミックスとアルミニウム合金が密着しており、ヒケスや空隙もみられなかった。
【００２０】
（実施例４）
強化材として、３０ｍｍφのアルミナセラミックスボールを使用したこと以外は、実施例２と同様の手順で、それらボールの表面にガラス膜をコーティングし、複合材料を作製し、評価した。その結果、セラミックスの含有率は４８体積％であり、切断面の観察では、セラミックスとアルミニウム合金が密着しており、ヒケスや空隙もみられなかった。
【００２１】
（実施例５）
強化材として、０．１ｍｍφのアルミナセラミックスボールを使用したこと以外は、実施例２と同様の手順で、それらボールの表面にガラス膜をコーティングし、複合材料を作製し、評価した。その結果、セラミックスの含有率は５３体積％であり、切断面の観察では、セラミックスとアルミニウム合金が密着しており、ヒケスや空隙もみられなかった。
【００２２】
（実施例６）
強化材として、表面に無電解メッキでＮｉを３μｍ施した０．１ｍｍφの窒化ケイ素セラミックスボールを使用したこと以外は、実施例１と同様の手順で複合材料を作製し、評価した。その結果、セラミックスの含有率は５３体積％であり、切断面の観察では、セラミックスとアルミニウム合金が密着しており、ヒケスや空隙もみられなかった。
【００２３】
実施例５および実施例６について、セラミックスボールとアルミニウム合金の分離を試みた。１８０メッシュ、開き目約０．０９ｍｍの網（材質は実施例１と同じ）を使用し、実施例１と同様の手順で試したところ、どちらの場合も、ほぼ完全に、セラミックスボールとアルミニウム合金を分離することができた。
【００２４】
（実施例７）
５ｍｍφと２０ｍｍφのアルミナセラミックスボールの表面に無電解メッキでＮｉを３μｍ施し、それらを３：７の体積割合で混合し、内容積２００×２００×５０ｍｍの砂型に振動をかけながら充填した。それ以後は実施例１と同様の手順で複合材料を作製し、評価した。その結果、セラミックスの含有率は６０体積％であり、切断面の観察では、セラミックスとアルミニウム合金が密着しており、ヒケスや空隙もみられなかった。
【００２５】
（比較例１）
５ｍｍφの表面処理を行っていないアルミナセラミックスボールを強化材としたこと以外は、実施例１と同様の手順で複合材料を作製し、評価した。その結果、アルミナセラミックスボールとアルミニウム合金の界面部分の多くは接触しておらず、空隙が見られた。
【００２６】
（比較例２）
強化材として、表面に無電解メッキでＮｉを３μｍ施した４０ｍｍφのアルミナセラミックスボールを使用したこと以外は、実施例１と同様の手順で複合材料を作製し、評価した。その結果、切断面の観察では、熱膨張係数の差から、強化材であるアルミナセラミックスボールに亀裂が無数に入っていた。また同様の理由で、ふくれなどの複合材料の形状変化も確認された。
【００２７】
（比較例３）
強化材として、０．０５ｍｍφのアルミナセラミックスボールを使用したこと以外は、実施例２と同様の手順で、それらボールの表面にガラス膜をコーティングし、複合材料を作製し、評価した。その結果、切断面の観察では、砂型の底部まで充分にアルミニウム合金が浸透しておらず、中間部分にもアルミニウム合金が充分に入っていない箇所が存在した。
また、３５０メッシュ、開き目約０．０４ｍｍの網（材質は実施例１と同じ）を使用し、実施例１と同様の手順でアルミナセラミックスボールとアルミニウム合金の分離を試みたところ、アルミニウム合金も網上に残り、容易にはうまくセラミックスボールとアルミニウム合金を分離することができなかった。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来の鋳造法の技術で、セラミックス含有率が５０体積％近くまたはそれ以上であり、なおかつ材料の再利用が容易なセラミックス−金属基複合材料の製造方法を得ることができる。装置の制限が少ないことから、高剛性を有する大型のセラミックス−金属基複合材料の製造が可能になると考えられる。

Claims (2)

1. セラミックス粒体を所望の型に充填し、該型内にアルミニウムまたはアルミニウム合金を鋳造法にて鋳込んで、セラミックスとアルミニウムまたはアルミニウム合金との複合材料を製造する方法であって、前記セラミックス粒体の粒径を０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、なおかつ、前記セラミックス粒体とアルミニウムまたはアルミニウム合金との濡れ性を向上させるために、前記セラミックス粒体の表面にメッキにより金属をコーティングすることを特徴とするセラミックス−金属基複合材料の製造方法。
2. セラミックス粒体を所望の型に充填し、該型内にアルミニウムまたはアルミニウム合金を鋳造法にて鋳込んで、セラミックスとアルミニウムまたはアルミニウム合金との複合材料を製造する方法であって、前記セラミックス粒体の粒径を０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、なおかつ、前記セラミックス粒体とアルミニウムまたはアルミニウム合金との濡れ性を向上させるために、前記セラミックス粒体の表面にガラスをコーティングすることを特徴とするセラミックス−金属基複合材料の製造方法。