金属−セラミックス複合材料の製造方法
【課題】 高圧鋳造法により金属−セラミックス複合材料を製造するに際して、大型で複雑な形状の複合材料を効率的に作製する。
【解決手段】アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末を成形して複数個のプリフォームを得る工程と、前記複数個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを加熱する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを鋳型内に載置する工程と、前記鋳型内に溶融アルミニウム合金を注いで加圧しながら凝固させる工程と、を含むことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【解決手段】アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末を成形して複数個のプリフォームを得る工程と、前記複数個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを加熱する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを鋳型内に載置する工程と、前記鋳型内に溶融アルミニウム合金を注いで加圧しながら凝固させる工程と、を含むことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧浸透法（高圧鋳造法とも呼ぶ。）により得られるアルミニウム合金とＳｉＣ粉末とからなる金属−セラミックス複合材料の製造方法に関するもので、特に、個別の構成品を接合させて大型の金属−セラミックス複合材料を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属マトリックスとセラミックスの強化材とからなる金属−セラミックス複合材料は、強化材が有する剛性及び耐磨耗性と金属マトリックスが有する延性及び靭性を併せ持った優れた材料なので、近年、種々の用途に使用されるようになってきている。
【０００３】
特に、アルミニウム合金とＳｉＣ粉末とからなる複合材料は、軽量であり、ヤング率を密度で除した値である比ヤング率を大きくすることが可能なことから、大きな固有音速を有し、優れた振動減衰特性を備えているため、例えば、ロボットの高速移動アーム等に好適に応用することが可能である。
また、近年では、測定機器の定盤や重量物の土台などの大型品への適用が求められている。
【０００４】
従来より、これら大型品の金属−セラミックス複合材料を作製するに際しては、セラミックス粉末を溶融したアルミニウム合金中に混ぜ、鋳型に流し込む鋳造法が用いられていた。しかし、鋳造法による金属−セラミックス複合材料では、セラミックス粉末の充填率が低く、十分な剛性を確保できないという問題があった。
したがって、大型品の金属−セラミックス複合材料の製造方法としては、セラミックの粒子からなる成形体（以下、プリフォームと呼ぶ。）を溶湯加圧装置内に設置し、前記成形体に溶融アルミニウム合金を加圧浸透させる方法（いわゆる高圧鋳造法、例えば、特許文献１参照。）を適用することが検討されている。
すなわち、予め嵌め合わせ構造等の機械加工した複数個のプリフォームを組み合わせたものに溶融アルミニウム合金を加圧浸透させる方法が提案されている。
【０００５】
さらには、セラミックス粉末の充填率を高くすることができる非加圧浸透法による大型品の金属−セラミックス複合材料の製造方法も検討されている。（例えば、特許文献２参照。）
【特許文献１】特開平01-142244号公報
【特許文献２】特開2001-123234号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した高圧鋳造法による大型品の金属−セラミックス複合材料の製造方法は、予め機械加工した複数個のプリフォームを準備する必要があるため効率的でなく、さらには、加圧時の圧力により組み合わせたプリフォーム同士がずれるため接合面がずれて、所望の形状の金属−セラミックス複合材料を得ることができないという課題があった。したがって、複雑形状の大型品を得ることはできなかった。
【０００７】
また、上記した非加圧浸透法による大型品の金属−セラミックス複合材料の製造方法では、溶融金属の浸透に長時間を必要とするという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、上述した従来の技術が有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高圧鋳造法により金属−セラミックス複合材料を製造するに際して、大型で複雑な形状の金属−セラミックス複合材料を効率的に作製できる製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、課題を解決するための手段として以下の製造方法を提供する。
【００１０】
アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末を成形して複数個のプリフォームを得る工程と、前記複数個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを加熱する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを鋳型内に載置する工程と、前記鋳型内に溶融アルミニウム合金を注いで加圧しながら凝固させる工程と、を含むことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属−セラミックス複合材料の製造において、複数のプリフォームを組み合わせたプリフォームに、短い時間でアルミニウム合金を浸透でき、大型で複雑な形状の金属−セラミックス複合材料を効率的に作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について、更に詳しく説明する。
本発明では、アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末を成形して複数個のプリフォームを得る工程と、前記複数個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを加熱する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを鋳型内に載置する工程と、前記鋳型内に溶融アルミニウム合金を注いで加圧しながら凝固させる工程と、を含むことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法を提案している。
【００１３】
ここで、ＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料を提案する理由は、ＳｉＣ粉末からなる強化材が有する剛性及び耐磨耗性とアルミニウム合金からなる金属マトリックスが有する軽量性とを併せ持つ特長を発現させるためである。特に、ＳｉＣは剛性が高いので、アルミニウム合金と複合化させて得られる複合材料はセラミックスに近い高剛性なものが得られるという長所がある。
【００１４】
ここで、アルミニウム合金としては、公知のＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金等を用いることができる。
また、強化材としてのＳｉＣ粉末は、粒子状およびウイスカー状、および、繊維状のものが目的に応じて用いられる。
【００１５】
次に、複合材料中のＳｉＣ粉末の含有率は、４０〜８０体積％であることが好ましい。その理由は、ＳｉＣ粉末の含有率が、４０体積％より小さいと剛性が小さくなるため好ましくないからである。
また、ＳｉＣ粉末の含有率が８０体積％より大きいと、プリフォームの作製が困難となり複合材料の作成ができなくなるため好ましくない。
【００１６】
次に、ＳｉＣ粉末を成形して複数個のプリフォームを得る工程としては、慣用の方法が用いられ、ＳｉＣ粉末に有機バインダー、無機バインダーを添加し、プレスにより形成する方法、水などの溶媒とＳｉＣ粉末、無機バインダーを添加しフィルタープレスなどの方法により形成する方法が挙げられる。
ここで、プリフォームにおけるＳｉＣ粉末の充填率としては、上記した理由により、４０〜８０体積％となることが好ましい。
また、プリフォームの接合面を予め嵌め合わせ構造等の機械加工を施しても良い。
【００１７】
次に、複数個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着する工程における、有機けい素化合物としては、ポリカルボシラン、ポリシラザン等が挙げられるが、加熱により保形性を持たせることが出来ればよく、これら以外のものも本発明に含まれる。
より具体的には、成形により得た複数個のプリフォームの接合面に有機けい素を塗布し、接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着して大型のプリフォームを組み上げる。
【００１８】
接合面同士が接着した複数個のプリフォームを加熱する工程としては、プリフォームの加熱温度は、５００〜１０００℃、好ましくは７００〜８００℃とすることが望ましい。次に、加熱した接合面同士が接着した複数個のプリフォームを鋳型内に載置する。
【００１９】
次に、鋳型内に溶融アルミニウム合金を注いで加圧しながら凝固させる工程における、溶融アルミニウム合金の温度は、７００〜１０００℃、好ましくは７５０〜９００℃とすることが望ましい。この場合の加圧力は、１０ＭＰａ〜１００ＭＰａ 、好ましくは２０ＭＰａ〜８０ＭＰａとすることが望ましい。
【００２０】
次に、余分なアルミニウム合金の部分を加工により除去し、所望の形状の金属−セラミックス複合材料を得ることができる。
このようにして得られた金属−セラミックス複合材料は、大型で複雑な形状が可能な金属−セラミックス複合材料となる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を説明するため概略斜視図である図１により、本発明の実施例と比較例を具体的に説明する。
（１）複合材料の作製
市販のＳｉＣ粉末（信濃電気製錬社製、平均粒径１０μｍ）１００重量部に、バインダーとしてコロイダルシリカ５重量部を添加し、これをプレスして５０×５０×１００ｍｍでＳｉＣ粉末の充填率が５０体積％のプリフォームを２個（プリフォーム１とプリフォーム２）作製した。同様にして、大きさ５０×１００×１５０ｍｍのプリフォーム３を１個作製した。次に、これら３個のプリフォームの各接合面に有機けい素(三洋化成社製)を塗布し、プリフォームの接合面同士を有機けい素を介在させて接着させて図１のように組み上げて大型プリフォームを得た。（図１中の４は、前記３個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着させた箇所で、後述の溶融アルミニウム合金を加圧浸透させた後にはアルミニウム合金接合層からなる接合箇所となる箇所である。）
このようにして得られた大型プリフォームを７００℃で加熱した後に、高圧鋳造法による鋳型内に載置した。次に、７５０℃で溶融させた溶融アルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＣ３Ａ）を３０MPaの圧力で加圧しながら鋳型内に注ぎ、前記リフォーム内の空隙に溶融アルミニウム合金を浸透させて、複合材料化させ、冷却した。次に、複合材料の周囲に付着した余分なアルミニウム合金の部分を加工により除去し、本発明に係わる大型の金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００２２】
（２）評価
得られた大型の複合材料の接合箇所を観察したところ、各接合箇所の接合面のずれは認められなかった。また、アルミニウム合金からなる接合層は均一な厚みであった。
【００２３】
（比較例）
比較のために比較例では、プリフォームの接合面同士を有機けい素を介在させないで、プリフォームを単に組み上げた以外は実施例と同様な方法及び手段で複合材料を作製、評価した。その結果、各接合箇所において接合面にずれやアルミニウム合金からなる接合層の厚みのバラツキが認められた。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態を説明するため概略斜視図である。
【符号の説明】
【００２５】
１；プリフォーム１
２；プリフォーム２
３；プリフォーム３
４；有機けい素化合物を介在させて接着させた箇所
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧浸透法（高圧鋳造法とも呼ぶ。）により得られるアルミニウム合金とＳｉＣ粉末とからなる金属−セラミックス複合材料の製造方法に関するもので、特に、個別の構成品を接合させて大型の金属−セラミックス複合材料を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属マトリックスとセラミックスの強化材とからなる金属−セラミックス複合材料は、強化材が有する剛性及び耐磨耗性と金属マトリックスが有する延性及び靭性を併せ持った優れた材料なので、近年、種々の用途に使用されるようになってきている。
【０００３】
特に、アルミニウム合金とＳｉＣ粉末とからなる複合材料は、軽量であり、ヤング率を密度で除した値である比ヤング率を大きくすることが可能なことから、大きな固有音速を有し、優れた振動減衰特性を備えているため、例えば、ロボットの高速移動アーム等に好適に応用することが可能である。
また、近年では、測定機器の定盤や重量物の土台などの大型品への適用が求められている。
【０００４】
従来より、これら大型品の金属−セラミックス複合材料を作製するに際しては、セラミックス粉末を溶融したアルミニウム合金中に混ぜ、鋳型に流し込む鋳造法が用いられていた。しかし、鋳造法による金属−セラミックス複合材料では、セラミックス粉末の充填率が低く、十分な剛性を確保できないという問題があった。
したがって、大型品の金属−セラミックス複合材料の製造方法としては、セラミックの粒子からなる成形体（以下、プリフォームと呼ぶ。）を溶湯加圧装置内に設置し、前記成形体に溶融アルミニウム合金を加圧浸透させる方法（いわゆる高圧鋳造法、例えば、特許文献１参照。）を適用することが検討されている。
すなわち、予め嵌め合わせ構造等の機械加工した複数個のプリフォームを組み合わせたものに溶融アルミニウム合金を加圧浸透させる方法が提案されている。
【０００５】
さらには、セラミックス粉末の充填率を高くすることができる非加圧浸透法による大型品の金属−セラミックス複合材料の製造方法も検討されている。（例えば、特許文献２参照。）
【特許文献１】特開平01-142244号公報
【特許文献２】特開2001-123234号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した高圧鋳造法による大型品の金属−セラミックス複合材料の製造方法は、予め機械加工した複数個のプリフォームを準備する必要があるため効率的でなく、さらには、加圧時の圧力により組み合わせたプリフォーム同士がずれるため接合面がずれて、所望の形状の金属−セラミックス複合材料を得ることができないという課題があった。したがって、複雑形状の大型品を得ることはできなかった。
【０００７】
また、上記した非加圧浸透法による大型品の金属−セラミックス複合材料の製造方法では、溶融金属の浸透に長時間を必要とするという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、上述した従来の技術が有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高圧鋳造法により金属−セラミックス複合材料を製造するに際して、大型で複雑な形状の金属−セラミックス複合材料を効率的に作製できる製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、課題を解決するための手段として以下の製造方法を提供する。
【００１０】
アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末を成形して複数個のプリフォームを得る工程と、前記複数個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを加熱する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを鋳型内に載置する工程と、前記鋳型内に溶融アルミニウム合金を注いで加圧しながら凝固させる工程と、を含むことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属−セラミックス複合材料の製造において、複数のプリフォームを組み合わせたプリフォームに、短い時間でアルミニウム合金を浸透でき、大型で複雑な形状の金属−セラミックス複合材料を効率的に作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について、更に詳しく説明する。
本発明では、アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末を成形して複数個のプリフォームを得る工程と、前記複数個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを加熱する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを鋳型内に載置する工程と、前記鋳型内に溶融アルミニウム合金を注いで加圧しながら凝固させる工程と、を含むことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法を提案している。
【００１３】
ここで、ＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料を提案する理由は、ＳｉＣ粉末からなる強化材が有する剛性及び耐磨耗性とアルミニウム合金からなる金属マトリックスが有する軽量性とを併せ持つ特長を発現させるためである。特に、ＳｉＣは剛性が高いので、アルミニウム合金と複合化させて得られる複合材料はセラミックスに近い高剛性なものが得られるという長所がある。
【００１４】
ここで、アルミニウム合金としては、公知のＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金等を用いることができる。
また、強化材としてのＳｉＣ粉末は、粒子状およびウイスカー状、および、繊維状のものが目的に応じて用いられる。
【００１５】
次に、複合材料中のＳｉＣ粉末の含有率は、４０〜８０体積％であることが好ましい。その理由は、ＳｉＣ粉末の含有率が、４０体積％より小さいと剛性が小さくなるため好ましくないからである。
また、ＳｉＣ粉末の含有率が８０体積％より大きいと、プリフォームの作製が困難となり複合材料の作成ができなくなるため好ましくない。
【００１６】
次に、ＳｉＣ粉末を成形して複数個のプリフォームを得る工程としては、慣用の方法が用いられ、ＳｉＣ粉末に有機バインダー、無機バインダーを添加し、プレスにより形成する方法、水などの溶媒とＳｉＣ粉末、無機バインダーを添加しフィルタープレスなどの方法により形成する方法が挙げられる。
ここで、プリフォームにおけるＳｉＣ粉末の充填率としては、上記した理由により、４０〜８０体積％となることが好ましい。
また、プリフォームの接合面を予め嵌め合わせ構造等の機械加工を施しても良い。
【００１７】
次に、複数個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着する工程における、有機けい素化合物としては、ポリカルボシラン、ポリシラザン等が挙げられるが、加熱により保形性を持たせることが出来ればよく、これら以外のものも本発明に含まれる。
より具体的には、成形により得た複数個のプリフォームの接合面に有機けい素を塗布し、接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着して大型のプリフォームを組み上げる。
【００１８】
接合面同士が接着した複数個のプリフォームを加熱する工程としては、プリフォームの加熱温度は、５００〜１０００℃、好ましくは７００〜８００℃とすることが望ましい。次に、加熱した接合面同士が接着した複数個のプリフォームを鋳型内に載置する。
【００１９】
次に、鋳型内に溶融アルミニウム合金を注いで加圧しながら凝固させる工程における、溶融アルミニウム合金の温度は、７００〜１０００℃、好ましくは７５０〜９００℃とすることが望ましい。この場合の加圧力は、１０ＭＰａ〜１００ＭＰａ 、好ましくは２０ＭＰａ〜８０ＭＰａとすることが望ましい。
【００２０】
次に、余分なアルミニウム合金の部分を加工により除去し、所望の形状の金属−セラミックス複合材料を得ることができる。
このようにして得られた金属−セラミックス複合材料は、大型で複雑な形状が可能な金属−セラミックス複合材料となる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を説明するため概略斜視図である図１により、本発明の実施例と比較例を具体的に説明する。
（１）複合材料の作製
市販のＳｉＣ粉末（信濃電気製錬社製、平均粒径１０μｍ）１００重量部に、バインダーとしてコロイダルシリカ５重量部を添加し、これをプレスして５０×５０×１００ｍｍでＳｉＣ粉末の充填率が５０体積％のプリフォームを２個（プリフォーム１とプリフォーム２）作製した。同様にして、大きさ５０×１００×１５０ｍｍのプリフォーム３を１個作製した。次に、これら３個のプリフォームの各接合面に有機けい素(三洋化成社製)を塗布し、プリフォームの接合面同士を有機けい素を介在させて接着させて図１のように組み上げて大型プリフォームを得た。（図１中の４は、前記３個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着させた箇所で、後述の溶融アルミニウム合金を加圧浸透させた後にはアルミニウム合金接合層からなる接合箇所となる箇所である。）
このようにして得られた大型プリフォームを７００℃で加熱した後に、高圧鋳造法による鋳型内に載置した。次に、７５０℃で溶融させた溶融アルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＣ３Ａ）を３０MPaの圧力で加圧しながら鋳型内に注ぎ、前記リフォーム内の空隙に溶融アルミニウム合金を浸透させて、複合材料化させ、冷却した。次に、複合材料の周囲に付着した余分なアルミニウム合金の部分を加工により除去し、本発明に係わる大型の金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００２２】
（２）評価
得られた大型の複合材料の接合箇所を観察したところ、各接合箇所の接合面のずれは認められなかった。また、アルミニウム合金からなる接合層は均一な厚みであった。
【００２３】
（比較例）
比較のために比較例では、プリフォームの接合面同士を有機けい素を介在させないで、プリフォームを単に組み上げた以外は実施例と同様な方法及び手段で複合材料を作製、評価した。その結果、各接合箇所において接合面にずれやアルミニウム合金からなる接合層の厚みのバラツキが認められた。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態を説明するため概略斜視図である。
【符号の説明】
【００２５】
１；プリフォーム１
２；プリフォーム２
３；プリフォーム３
４；有機けい素化合物を介在させて接着させた箇所
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末を成形して複数個のプリフォームを得る工程と、前記複数個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを加熱する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを鋳型内に載置する工程と、前記鋳型内に溶融アルミニウム合金を注いで加圧しながら凝固させる工程と、を含むことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【請求項１】
アルミニウム合金中にＳｉＣ粉末が複合された金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、ＳｉＣ粉末を成形して複数個のプリフォームを得る工程と、前記複数個のプリフォームの接合面同士を有機けい素化合物を介在させて接着する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを加熱する工程と、前記接合面同士が接着した複数個のプリフォームを鋳型内に載置する工程と、前記鋳型内に溶融アルミニウム合金を注いで加圧しながら凝固させる工程と、を含むことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２００７−３０２９３１（Ｐ２００７−３０２９３１Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３１１４３（Ｐ２００６−１３１１４３）
【出願日】平成１８年５月１０日（２００６．５．１０）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１０日（２００６．５．１０）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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