本発明は、強化材が均一に分布したアルミニウム合金基複合材料の製造方法に関する。

従来、アルミニウム合金の中に強化材であるセラミックス粉末が複合されたアルミニウム合金基複合材料が知られている。このアルミニウム合金基複合材料の製造方法としては、例えば特許文献1には、強化材であるセラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムの粉末を用いて、この粉末の充填体にアルミニウム合金の溶湯を含浸させるアルミニウム基複合材料の製造方法が記載されている。なお、このような製造方法は、溶湯鋳造法又は高圧鋳造法といわれる。

上記特許文献1に記載の製造方法は、ホウ酸アルミニウム粉末原料を充填して充填体を得る工程と、充填体を予熱する工程と、アルミニウム合金を加熱して溶融アルミニウム合金を得る工程と、予熱した充填体に溶融アルミニウム合金を加圧浸透させる工程とを含んでいる。このような従来の製法では、鉄製やSUS製の容器にホウ酸アルミニウム粉末原料等のセラミックス粉末を充填することで充填体を得ている。

特開2008−38172号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。 すなわち、従来のアルミニウム基複合材料の製造方法では、図14に示すように、鉄製やSUS製の金属容器103にセラミックス粉末102を充填して充填体とし、この金属容器103の上部開口からアルミニウム合金の溶湯Al1を流入させてセラミックス粉末102の充填体にアルミニウム合金を含浸させるため、アルミニウム合金の溶湯Al1が流入する開口部付近と、開口部から遠い底部分とでは、アルミニウム合金の含浸率が異なり、セラミックス粉末102の充填体全体に均一に含浸されないという問題があった。そのため、特に複雑な形状や薄板状において、均一な複合材料を得ることが困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、均一にアルミニウム合金を含浸させることができるアルミニウム基複合材料の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第1の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、アルミニウム合金の中に強化材であるセラミックス粉末が複合されたアルミニウム合金基複合材料の製造方法であって、前記セラミックス粉末を多孔質材料で形成された多孔質容器に充填する充填工程と、前記多孔質容器を金型内に設置し、前記金型内にアルミニウム合金の溶湯を流し込む工程と、前記金型内の前記溶湯に圧力を加え、前記多孔質容器を通して内部の前記セラミックス粉末に前記溶湯を含浸させる含浸工程とを有していることを特徴とする。

このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、多孔質容器を通して内部のセラミックス粉末に溶湯を含浸させる含浸工程を有しているので、多孔質容器のポーラスな材質を介してほぼ全方位からアルミニウム合金の溶湯が均等に多孔質容器内に流入し、セラミックス粉末全体に対して均一な含浸が可能になる。

第2の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第1の発明において、前記多孔質容器が、カーボングラファイトで形成されていることを特徴とする。 すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、多孔質容器が、カーボングラファイトで形成されているので、熱膨張率が鉄製やSUS製の容器よりも小さく、熱膨張による容器の変形がほとんど生じず、複雑な形状の容器を用いることも可能になる。また、含浸工程後に硬化した複合材料を多孔質容器から取り出す際に、多孔質容器がカーボングラファイトであるため、容易に複合材料と多孔質容器とを分離することが可能である。

第3の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第1又は第2の発明において、前記充填工程後に、前記多孔質容器を予熱する予熱工程を有していることを特徴とする。 すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、充填工程後に、多孔質容器を予熱する予熱工程を有しているので、充填されたセラミックス粉末の粒子の界面エネルギーが高くなり、アルミニウム合金の溶湯との濡れ性が改善する。特に、多孔質容器がカーボングラファイトで形成されていることで、多孔質容器の熱膨張率が低く、予熱による容器の変形がほとんど発生しない。

第4の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第1から第3の発明のいずれかにおいて、前記セラミックス粉末が、ホウ酸アルミニウムの粉末であることを特徴とする。 すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、セラミックス粉末が、ホウ酸アルミニウムの粉末であるので、比較的硬度の低いホウ酸アルミニウムの粉末を用いることで、加工性に優れた複合材料を得ることができる。

第5の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第4の発明において、前記セラミックス粉末として、さらにSiCの粉末が添加されていることを特徴とする。 すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、セラミックス粉末として、さらにSiCの粉末が添加されているので、ホウ酸アルミニウムよりも熱膨張率が低く硬度の高いSiCの粉末の添加割合に応じて全体の熱膨張率を下げると共に硬度を高めることができる。 また、SiCの粉末の効果として、ホウ酸アルミニウムの粉末との濡れ性が良く、ホウ酸アルミニウム粉末との界面が改質され、より強固な接合を得ることができる。

第6の発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法は、第5の発明において、前記充填工程において、体積割合で前記ホウ酸アルミニウムの粉末が20に対して、前記SiCの粉末を0.5〜2.0の割合で混合することを特徴とする。 すなわち、このアルミニウム合金基複合材料の製造方法では、充填工程において、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が20に対して、SiCの粉末を0.5〜2.0の割合で混合するので、全体の熱膨張率の低下と良好な加工性とを両立した複合材料を得ることができる。 なお、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が20に対して、SiCの粉末の割合が0.5未満であると、熱膨張率の低下効果が十分に得られないと共に、SiCの粉末の割合が1.5を超えると、全体の硬度が高くなり過ぎ、加工性が悪くなってしまう。

本発明によれば、以下の効果を奏する。 すなわち、本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法によれば、多孔質容器を通して内部のセラミックス粉末に溶湯を含浸させる含浸工程を有しているので、多孔質容器のポーラスな材質を介してほぼ全方位からアルミニウム合金の溶湯が均等に多孔質容器内に流入し、セラミックス粉末全体に対して均一な含浸が可能になる。 したがって、本発明の製造方法では、全体として均一な熱膨張率や硬度を有したアルミニウム基複合材料を得ることが可能であると共に複雑な形状や薄板状の均一なアルミニウム基複合材料を得ることが可能になる。 この本発明の製法で作製したアルミニウム基複合材料は、軽量で、高ヤング率、高振動減衰率、高熱伝導性及び高耐摩耗性を有することから、ボンディングマシンなどのX−Yテーブル、半導体製造装置などに使用されるロボットアーム、チップマウンタ−、空気圧縮機用スクロール部品などの材料として好適である。

本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法の一実施形態において、セラミックス粉末が充填され蓋部で密封する前の多孔質容器を示す分解斜視図である。

本実施形態において、直方体形状(a)及び円筒形状(b)の多孔質容器を示す分解斜視図である。

本実施形態において、溶湯を流し込む工程からノックアウト工程までを工程順に示す簡易的な断面図である。

本実施形態において、ノックアウト工程後の工程を工程順に示す斜視図である。

本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法の従来例において、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムを用いたアルミニウム基複合材料を示すSEM画像である。

図5の画像をさらに拡大したSEM画像である。

本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法の実施例において、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムを用いたアルミニウム基複合材料を示すSEM画像である。

図7の画像をさらに拡大したSEM画像である。

本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法の実施例において、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムとSiCとの混合粉末を用いたアルミニウム基複合材料を示すSEM画像である。

図9の画像をさらに拡大したSEM画像である。

アルミニウムの減衰振動特性を示すグラフである。

本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法の従来例において、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムを用いたアルミニウム基複合材料の減衰振動特性を示すグラフである。

本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法の実施例において、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムを用いたアルミニウム基複合材料の減衰振動特性を示すグラフである。

本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法の従来例において、セラミックス粉末が充填された容器を示す断面図(a)及びアルミニウム合金の溶湯含浸工程を示す断面図(b)である。

以下、本発明に係るアルミニウム基複合材料の製造方法の一実施形態を、図1から図6を参照しながら説明する。

本実施形態のアルミニウム基複合材料の製造方法は、図1から図3に示すように、アルミニウム合金の中に強化材であるセラミックス粉末2が複合されたアルミニウム合金基複合材料1の製造方法であって、セラミックス粉末2を多孔質材料で形成された多孔質容器3に充填する充填工程と、多孔質容器3を金型4内に設置し、金型4内にアルミニウム合金の溶湯Al1を流し込む工程と、金型4内の溶湯Al1に圧力を加え、多孔質容器3を通して内部のセラミックス粉末2に溶湯Al1を含浸させる含浸工程とを有している。 また、本実施形態の製造方法は、上記充填工程後に、多孔質容器3を予熱する予熱工程を有している。

上記多孔質容器3は、アルミニウム合金の溶湯Al1を入れても溶けない無数の連通孔を有する多孔質(オープンポーラス)な材料で形成されている。特に、多孔質容器3をカーボングラファイトで形成することが好ましい。 上記セラミックス粉末2は、例えばホウ酸アルミニウム(9Al₂O₃・2B₂O₃)の粉末が用いられる。 また、ホウ酸アルミニウムよりも熱膨張率が低く硬度の高い複合材を得るためには、セラミックス粉末2として、さらにSiC(炭化ケイ素)の粉末が添加される。 その場合、充填工程において、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が20に対して、SiCの粉末を0.5〜2.0の割合で混合することが好ましい。

本実施形態の製造方法について、カーボングラファイトの多孔質容器3を用い、セラミックス粉末2としてホウ酸アルミニウムとSiCとの混合粉末を用いた場合について、より詳細に説明すると、まず所定のセラミックス粉末2を用意し、図1に示すように、カーボングラファイトの多孔質容器3内に充填する。なお、ホウ酸アルミニウムとSiCとの混合粉末をセラミックス粉末2とする場合、所定の割合で両粉末を混合すると共に、回転混合機等によって十分に互いを均一に攪拌混合させる。

なお、アルミニウム合金としては、例えば合金番号A1050,A5052,A6061,A7075,AC4C,AC8A,ADC12等が採用可能であり、他の種類も採用可能である。特に、物性が良く、含浸不良が発生し難いものとして、高熱伝導率かつ高強度なAC4C,AC8A等がアルミニウム合金に好ましい。このような合金の化学組成は、体積率がSi:6〜13%、Mg:0.2〜1.3%、Al:残のアルミニウム合金である。

なお、Siの含有率が少ないと高圧含浸時に含浸不良が発生し易いため、含有するSiは体積率6〜12%の範囲に設定することが好ましい。すなわち、Siの体積率が6%未満であると、湯流れが悪くなり、強化材であるセラミックス粉末2間にアルミニウム合金の溶湯が浸透し難くなるためである。 また、ホウ酸アルミニウムの粉末としては、例えば中心粒径30〜50μm程度のものが採用され、SiCの粉末としては、例えば中心粒径2〜4μmのものが採用される。

上記多孔質容器3としては、オープンポーラスなカーボングラファイトブロックを用いた種々の形状のものが採用可能であるが、例えば図2の(a)に示すように、箱形の本体3aと蓋部3bとからなる直方体形状の容器3としても良いし、図2の(b)に示すように、有底円筒形状の本体23aと蓋部23bとからなる容器23を採用しても構わない。 なお、多孔質容器3のポーラス径としては、10μm以下が望ましい。なお、多孔質容器3のポーラスの流路は複雑であるため、ポーラス径よりも粒径が小さいSiC粉末がポーラスの流路をつたって外部に流出することはない。

なお、セラミックス粉末2を多孔質容器3内に充填する場合、振動機等によって多孔質容器3に振動を加えながら詰めることで、隙間が生じ難い状態で充填することができる。 充填後に、蓋部3bにより密閉した状態で多孔質容器3ごと予熱炉(マッフル炉等)に入れて、例えば500〜700℃で予熱する。この予熱工程は、セラミックス粉末2の界面エネルギーを高め、アルミニウム合金の溶湯との濡れ性を改善するための工程である。

なお、従来の鉄製やSUS製の容器では、平均熱膨張率係数が14〜17ppm/kであるため、予熱時に容器の膨張変形が発生してしまう。特に、容器形状が複雑になるほど、熱膨張を考慮した設計が困難になる。しかしながら、本実施形態のカーボングラファイトブロックを用いた多孔質容器3は、平均熱膨張率係数が5〜7ppm/k程度であるので、予熱時の熱膨張による容器の変形がほとんど発生しない。

次に、図3の(a)に示すように、予熱したセラミックス粉末2を詰めた多孔質容器3を、予め200〜250℃に予熱した金型4内に設置して、アルミニウム合金の溶湯Al1を金型4内に流し込む。 なお、多孔質容器3の底部下まで溶湯Al1が流れるように、金型3の底部に複数の凸部を設け、複数の凸部上に多孔質容器3を載置しても構わない。この場合、金型3の底部から多孔質容器3を浮かした状態で設置でき、多孔質容器3の底部下まで溶湯Al1を回り込ませることが可能になる。これにより、多孔質容器3の全方位から溶湯Al1を内部に浸透させることができる。

アルミニウム合金の溶湯Al1を金型4内に定量流し込んだ後、図3の(b)に示すように、プレス機5のパンチ5aによりアルミニウム合金の溶湯Al1を80〜140MPaで加圧する。 この際、加圧エネルギーにより、アルミニウム合金の溶湯Al1が多孔質容器3に含浸され、さらに多孔質容器3内のセラミックス粉末2に含浸される。

このアルミニウム合金の溶湯Al1が完全に凝固するまで、プレス機5にて加圧を続ける。 このアルミニウム合金の溶湯Al1の含浸スピード(流速)が速いと、乱流が発生し、セラミックス粉末2を移動させてしまい、セラミックス粉末2の分布が偏ってしまうと共に、メタルベインと呼ばれるアルミニウムの差し込みが発生してしまうため、乱流が発生しないように含浸スピードは低速に設定される。したがって、プレス機5による加圧力と加圧スピードとは、多孔質容器3内のセラミックス粉末2の体積率や形状によって調整される。

次に、上記含浸が終了し、温度が200〜300℃程度まで低下したところで、図3の(c)に示すように、金型4内のノックアウト6によって多孔質容器3とその内部のアルミニウム基複合材料1と硬化したアルミニウム合金の余肉部Al2とからなる一体成形物7を金型4から取り出す。 さらに、図4の(a)に示すように、取り出した一体成形物7をバンドソー等により、例えば切断線Cに沿って一体成形物7を切断し、余肉部Al2を取り除くことで、図4の(b)に示すように、多孔質容器3を露出させる。

次に、図4の(c)に示すように、多孔質容器3の蓋部3bを外し、さらに図4の(d)に示すように、多孔質容器3の壁部分及び底部分を切断して外すことで、複合材料1を取り出す。なお、多孔質容器3がカーボングラファイトであるため、複合材料1を容易に取り出すことができる。

このように取り出した複合材料1は、フライスや研磨、NC加工等によって、目的の形状に加工される。作製されたアルミニウム基複合材料1は、アルミニウム合金を母材とし、強化材として体積率でホウ酸アルミニウムが30〜40%、SiCが1.5〜2%を含んだものであり、アルミニウム合金マトリックス中にホウ酸アルミニウムの粉末とSiCの粉末とからなるセラミックス粉末2が均一に分散した複合材料である。

このように本実施形態のアルミニウム基複合材料1の製造方法では、多孔質容器3を通して内部のセラミックス粉末2に溶湯Al1を含浸させる含浸工程を有しているので、多孔質容器3のポーラスな材質を介してほぼ全方位からアルミニウム合金の溶湯Al1が均等に多孔質容器3内に流入し、セラミックス粉末2全体に対して均一な含浸が可能になる。

また、多孔質容器3が、カーボングラファイトで形成されているので、熱膨張率が鉄製やSUS製の容器よりも小さく、熱膨張による容器の変形がほとんど生じず、複雑な形状の容器を用いることも可能になる。また、含浸工程後に硬化した複合材料1を多孔質容器3から取り出す際に、多孔質容器3がカーボングラファイトであるため、容易に複合材料1と多孔質容器3とを分離することが可能である。

また、充填工程後に、多孔質容器3を予熱する予熱工程を有しているので、充填されたセラミックス粉末2の粒子の界面エネルギーが高くなり、アルミニウム合金の溶湯Al1との濡れ性が改善する。特に、多孔質容器3がカーボングラファイトで形成されていることで、多孔質容器3の熱膨張率が低く、予熱による容器の変形がほとんど発生しない。

また、セラミックス粉末2が、ホウ酸アルミニウムの粉末である場合、比較的硬度の低いホウ酸アルミニウムの粉末を用いることで、加工性に優れた複合材料を得ることができる。 また、セラミックス粉末2として、さらにSiCの粉末が添加される場合、ホウ酸アルミニウムよりも熱膨張率が低く硬度の高いSiCの粉末の添加割合に応じて全体の熱膨張率を下げると共に硬度を高めることができる。 また、SiCの粉末の効果として、ホウ酸アルミニウムの粉末との濡れ性が良く、ホウ酸アルミニウム粉末との界面が改質され、より強固な接合を得ることができる。 特に、充填工程において、体積割合でホウ酸アルミニウムの粉末が20に対して、SiCの粉末を0.5〜2.0の割合で混合することで、全体の熱膨張率の低下と良好な加工性とを両立した複合材料を得ることができる。

上記実施形態の製造方法に基づいて実際に作製したアルミニウム基複合材料について、SEM画像を図7から図10に示す。 図7及び図8は、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムのみを用いたアルミニウム基複合材料のSEM画像である。また、図9及び図10は、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムとSiCとの混合粉末を用いたアルミニウム基複合材料のSEM画像である。なお、どちらも合金番号AC4Cのアルミニウム合金を用いた。 また、図14で示した従来の製造方法に基づいて作製したアルミニウム基複合材料について、SEM画像を図5及び図6に示す。この従来例は、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムのみを用いたアルミニウム基複合材料である。

これらの画像から分かるように、従来例では、ホウ酸アルミニウムの粉末とその周囲のアルミニウムとが明確な濃淡で見分けられ、組織の境界がはっきりとしているのに対し、本実施形態の製造方法で作製した実施例は、いずれもホウ酸アルミニウムの粉末とその周囲のアルミニウムとの濃淡が従来例に比べて明確でなく、組織の境界がはっきりとしていない。特に、SiCの粉末を混合した本発明の実施例は、その傾向がより顕著になっていることが分かる。これは、本発明の実施例では、従来例に比べてホウ酸アルミニウムとアルミニウムとの結合が強く、互いの境界が曖昧になっているためであり、SiC粉末を混合した実施例は、濡れ性がより向上して、さらに結合が強くなったものと考えられる。 また、本実施形態の製造方法で作製することで、いずれもアルミニウム合金マトリックス中に均一にセラミックス粉末が分散、分布していることがわかる。

次に、本発明の実施例として、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムとSiCとの混合粉末を用いて上記実施形態の製造方法で作製したアルミニウム基複合材料について、ヤング率、密度、比ヤング率、熱伝導率、振動減衰特性及び加工性について測定した結果を、表1に示す。なお、表1において、本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料を「開発品」として記載している。また、比較として、鋳鉄FC100、アルミナセラミックス、従来製法によるアルミニウム基炭化ケイ素強化複合材料、従来製法によるアルミニウム基ホウ酸アルミニウム強化複合材料についても、「従来品」として同様の特性を表1に併せて記載している。

なお、振動減衰特性については、ひもで吊した複合材料の試験片(10×10×100mm)をインパルスハンマで加振し、その結果生じる振動を加速度計で検出し、FFTアナライザで計測した。そして、各複合材料の減衰波の頂点をプロットしたものに基づいて、乗数係数と周波数とから減衰比を算出し、評価を行った。 本発明の実施例で作製したアルミニウム基複合材料の振動減衰特性を図13に示すと共に、比較のため、アルミニウムの振動減衰特性を図11に示し、図14に示す従来例で作製したアルミニウム基複合材料の振動減衰特性を図12に示す。 また、加工性については、複合材料をNC旋盤により三次元切削を所定の条件で行った際の工具のすくい面、前逃げ面を金属顕微鏡で観察し、逃げ面摩擦幅を測定することで評価した。

これらの測定結果から本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料は、鋳鉄と比較して、ヤング率が約2倍、密度は約40%、熱伝導率が2.5倍と大幅に高い特性を有している。 また、本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料は、アルミナセラミックスと比較して、2000系アルミと同程度の良好な加工性を有している。 また、合金番号A6061のアルミニウム合金(T6処理)では、300℃における引張強度が30MPa程度であるが、本発明の実施例のアルミニウム基複合材料は、90MPaの引張強度を有している。

さらに、熱膨張率が8〜10w/m・kと低いホウ酸アルミニウムのみをセラミックス粉末として用いた従来の製法によるアルミニウム基複合材料(アルミニウム基ホウ酸アルミニウム強化複合材料)では、熱伝導率が低く、放熱性が悪かったが、SiCをさらに添加した本発明の製法で作製したアルミニウム基複合材料は、従来よりも熱伝導率と機械特性とが向上している。また、SiCを添加しても本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料は、加工特性がほぼ変わらなく、良好であった。

また、本実施形態のアルミニウム基複合材料は、従来のアルミニウム基ホウ酸アルミニウム強化複合材料に比べて振動減衰特性が向上していることがわかる。従来のアルミニウム基炭化ケイ素強化複合材料では、振動減衰特性が優れているが加工性が悪いのに対し、本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料では、加工性も良い。

図11に示すアルミニウムの振動減衰特性は、振動がなかなか減衰していないのに対し、図13に示す本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料では、減衰が早く良好な振動減衰特性が得られている。また、図12に示す従来例によるアルミニウム基複合材料は、減衰波形に多くのノイズが生じているのに対し、図13に示す本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料では、ノイズ成分が少ないことがわかる。 これは、従来例によるアルミニウム基複合材料では、組織内の結合が不十分な部分があり、結合強度が全体として不均一なため、減衰波形にノイズが生じており、本発明の実施例によるアルミニウム基複合材料では、組織内の結合が均一かつ強固であるために、ノイズ成分が少ない減衰波形が得られていると考えられる。

したがって、軽量かつ高ヤング率が要求されるだけでなく、高い振動減衰特性や加工性が要求されるボンディングマシンなどのX−Yテーブルや、半導体製造装置などに使用されているロボットアーム等に使用する材料として、本発明の製法で作製されたアルミニウム基複合材料は好適である。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 例えば、上記実施形態では、セラミックス粉末としてホウ酸アルミニウムやSiCを用いているが、アルミナ(Al₃N₄)の粉末、ウイスカ状のTi酸カリウムなど1種以上の他のセラミックス粉末を採用することも可能である。

1…アルミニウム合金基複合材料、2,102…セラミックス粉末、3…多孔質容器、4…金型、Al1…アルミニウム合金の溶湯