鋳造法を用いたセラミックスと金属の複合化

平成28年2月8日関西ものづくり技術シーズ発表会

近畿大学理工学部機械工学科

淺野 和典

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発表内容

1. 鋳造とは

2. 複合材料とは

3. 鋳造法による金属基複合材料の作製と応用

4. 実用化に向けた課題

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・鋳造とは、

「砂、耐火物、金属などを用いて、人為的に形成された所定の空間または空隙に溶けた金属を流し込み、凝固させることによって所定の形状を得る加工法」

・鋳造の最大の特徴は、

「溶融金属を用いるため、どのような複雑な形状のものでも一体で成形できること」

この方法によって成形された品物を鋳物あるいは鋳造品という。

１．鋳造とは

4

両方の長所を取り入れた新材料（軽くて強い材料）はできないか？

高強度材料耐熱材料 軽量材料

重い耐熱性に乏しい低強度

例えば…

異種材料の複合化：複合材料

２．複合材料とは

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異質で異形の材料を組み合わせて合成することによって、単体では持ち合わせなかった特性を実現し、要求に適合する優れた性質を持つ材料 1）

1）林 毅編：複合材料工学（日科技連）（1971）p.3

複合材料は従来の材料に比べて強度や機能性に優れた性質が得られる

自動車、航空・宇宙機器を始め日用生活品に至るまで広く使用することが可能

２．複合材料とは

• Al並みの高熱伝導率• 低熱膨張，耐摩耗性向上・・・

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75μm

セラミックス繊維強化Al複合材料

種々の金属、セラミックスの組み合わせによる複合材料の作製とその特性解明

アルミニウム（Al）

切削加工 容易高熱伝導軽量

複合化

セラミックス繊維（強化材）

高融点高強度高剛性高硬度低熱膨張高熱伝導

・・

２．複合材料とは － 金属とセラミックスの複合化－

加圧含浸法

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プリフォーム(φ50×30mm)

プランジャ

AC8A合金溶湯

加圧

（耐熱鋼製）金型

溶湯撹拌法

３．鋳造法による金属基複合材料の作製と応用－ 金属基複合材料の代表的な作製法 －

金属溶湯とセラミックス（強化材）の濡れ性向上が課題

無加圧含浸による複合化が理想

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TEM組織

繊維

Al基地

光学顕微鏡組織

250nm25μm

強化材の分散状態，強化材／基地界面の接合状態

が複合材料の特性に大きく影響

３．鋳造法による金属基複合材料の作製と応用－ 金属基複合材料の特性を左右する因子 －

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(a) as-cast

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40

293K 373K423K 473K523K

Fiber Volume Fraction , V f (%)Spe

cific

Young'

s M

odu

lus

,E

/ρ

/10

7m

アルミナ短繊維の複合化によるマグネシウム合金の比弾性率の向上

アルミニウム 2.70 71 26.3 1.53 マグネシウム 1.74 42 24.1 2.04 ポリエチレン 0.93 0.2 0.22 0.63 鋼 7.87 212 26.9 0.76 チタン 4.51 120 26.9 1.09 タングステン 19.3 411 21.3 0.39 木材 0.39 13 33.3 6.03 ジルコニア 6.49 94 14.5 0.7

E1/3/ρ材料比重

(Mgm-3)

弾性率E(GPa)

E/ρ

(MmNkg-1)

出典：香川豊「繊維強化複合金属の基礎」(シーエムシー出版)(2002)6

従来金属材料の比弾性率の壁（25前後）を突破

３．鋳造法による金属基複合材料の作製と応用－ 金属基複合材料の特性（例）－

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㈱クボタ ホームページより

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18

20

22

24

0 10 20 30 40 50

P directionV direction

R.O.M.

Fiber volume fraction V f, vol%

Therm

al e

xpan

sion c

oeff

icie

nt

α,×

10

-6/K

低熱膨張化

チタン酸カリウム（K2Ti6O13）

• 低熱膨張（6.8×10-6/K）• 軽量（3.53Mg/m3）• 低硬度（250-350HV）

短繊維のSEM像 （㈱クボタ提供）

AC8Aアルミニウム合金と複合化（加圧含浸法）

３．鋳造法による金属基複合材料の作製と応用－ アルミニウム合金の特性に及ぼす複合化の影響（例）－

0

100

200

300

400

AC8A MA25 MA45

0.2

％耐

力（M

Pa）

耐力向上

被削性向上（切削抵抗，仕上げ面粗さの低減･･･）

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その場（in situ）生成金属間化合物粒子分散マグネシウム合金（溶湯撹拌法）

2 Mg（L） ＋ Si（S） → Mg2Si （S）

Mg2Si : 高融点，高剛性，高硬度

in situ生成反応

３．鋳造法による金属基複合材料の作製と応用－ マグネシウム合金と高融点金属間化合物の複合化－

金属溶湯と強化材の濡れ性考慮の必要なし

Nb-NbSi系化合物合金（in-situ複合材料）

次世代超耐熱合金（ジェットエンジンの動翼などへ応用）

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３．鋳造法による金属基複合材料の作製と応用－ In situ法による次世代耐熱合金の溶製－

複合材料の作製

特性解明

摩耗試験

材料試験

腐食試験

組織解析 100nm

超高分解能電子顕微鏡（近畿大学 共同利用センター）

電子線マイクロアナライザ（近畿大学 共同利用センター）

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切削試験

３．鋳造法による金属基複合材料の作製と応用－ 複合材料の作製と解析（近畿大学）－

粉末X線回折（近畿大学 共同利用センター）

熱伝導率(放熱性) 向上

炭素繊維の複合化

15μm

強度・剛性 向上

高強度・高剛性繊維の複合化

中性子吸収能 向上

キャスク用合金へのB4C粒子の複合化

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３．鋳造法による金属基複合材料の作製と応用－ 金属基複合材料の応用の可能性（例）－

４．実用化に向けた課題

1. 低コスト化

（原材料費，複合化プロセス，2次加工）

2. 安定した材質

（強化材分散状態，界面接合状態の制御

→ 製造工程の高度かつ精密な条件管理技術）

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