JP4684985B2 - Manufacturing method of composite material - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックスを含むペレットを金属中に鋳込むことで複合材を設ける複合材の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a composite material in which a composite material is provided by casting a pellet containing ceramics into a metal.
鉄基合金は、金属組織の形態、含有成分の種類及びその割合に応じて諸特性が様々に変化する。例えば、C量が少ない鋼材は高強度、高剛性を示し、C量が多い鋳鉄材は、強度や剛性は鋼材に若干劣るものの、鋼材に比して安価でありコスト的に優れる。 Iron-based alloys have various properties that vary depending on the form of the metal structure, the type of contained components, and their proportions. For example, a steel material with a small amount of C shows high strength and high rigidity, and a cast iron material with a large amount of C is slightly inferior to steel material in strength and rigidity, but is inexpensive and superior in cost.
ところで、構造材を設ける場合、該構造材に耐食性と高剛性とが同時に希求されることがある。この際、例えば、低コストである鋳鉄材を用いて鋳造を行うと、得られた構造材の剛性が十分でないことが懸念される。 By the way, when providing a structural material, corrosion resistance and high rigidity may be required for the structural material at the same time. At this time, for example, when casting is performed using a cast iron material having a low cost, there is a concern that the rigidity of the obtained structural material is not sufficient.
このような観点から、金属材にセラミックスを分散させ、金属材の特性を活用しつつ、セラミックスによって希求される特性の確保を図った金属基複合材が提案されている。この種の金属基複合材を製造する方法としては、コンポキャスト法が例示される。すなわち、金属溶湯にセラミックス粉末を添加して鋳造を行う手法である。 From such a point of view, a metal matrix composite material has been proposed in which ceramics are dispersed in a metal material and the properties required of the ceramic material are secured while utilizing the properties of the metal material. As a method for producing this type of metal matrix composite material, a composite casting method is exemplified. In other words, this is a technique in which ceramic powder is added to a molten metal for casting.
しかしながら、コンポキャスト法を実施する場合、セラミックス粉末が金属溶湯と分離し易く、このためにセラミックスを分散させることが容易ではないという不都合がある。セラミックス粉末が分離したまま鋳造を行うと、溶湯を凝固させて鋳造品とした際、該鋳造品ではセラミックス相と金属相とが分離してしまう。 However, when the compocast method is performed, the ceramic powder is easily separated from the molten metal, and therefore, there is a disadvantage that it is not easy to disperse the ceramic. When casting is performed with the ceramic powder separated, when the molten metal is solidified to form a cast product, the ceramic phase and the metal phase are separated in the cast product.
このような相分離を回避するためには、特許文献1に記載されるように、鉄基合金の溶湯にSiC粒子を添加した後、この溶湯ないし固化物を鋳鉄材の溶湯に添加して凝固することで複合材とすることや、特許文献2に記載されるように、金属ホウ化物固溶体粒子を分散した炭化ケイ素セラミックス焼結体、又は金属ホウ化物固溶体セラミックス焼結体の少なくともいずれか一方を、マルテン系高クロム鋳鉄、高Ni合金系グレン鋳鉄、マルテン系ハイス鋼等で鋳ぐるんで鋳ぐるみ複合体とすることが想起される。 In order to avoid such phase separation, as described in Patent Document 1, after adding SiC particles to the molten iron-based alloy, this molten or solidified product is added to the molten cast iron material to solidify. As described in Patent Document 2, at least one of silicon carbide ceramics sintered body in which metal boride solid solution particles are dispersed or metal boride solid solution ceramics sintered body is used. It is conceived that a cast-in-line composite is made by casting with marten-based high chromium cast iron, high Ni alloy-based grain cast iron, martens-based high-speed steel, or the like.
本発明は上記した技術に関連してなされたもので、引け巣が発生することを抑制できるとともに組織を微細化することが可能であり、しかも、優れたヤング率を示す複合材の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in connection with the above-described technology, and is capable of suppressing the generation of shrinkage nests and miniaturizing the structure, and further provides a method for producing a composite material having excellent Young's modulus. The purpose is to provide.
前記の目的を達成するために、本発明は、セラミックス相を含むペレットを金属中に鋳込むことで複合材を設ける複合材の製造方法であって、
セラミックス相を20体積%以上含有し、残部が金属相である前記ペレットを設ける工程と、
前記ペレットを金属溶湯に3〜15質量%の割合で添加し、その直後に鋳造を行う工程と、
前記金属溶湯を凝固させて前記ペレットが鋳込まれた前記複合材を設ける工程と、
を有することを特徴とする。なお、ペレットは成形体であってもよいし、粉砕物であってもよい。
In order to achieve the above object, the present invention is a method for producing a composite material in which a composite material is provided by casting a pellet containing a ceramic phase into a metal,
Providing 20% by volume or more of a ceramic phase and providing the pellets with the balance being a metal phase;
Adding the pellets to the molten metal at a ratio of 3 to 15% by mass, and performing casting immediately thereafter;
Providing the composite material in which the pellet is cast by solidifying the molten metal;
It is characterized by having. The pellet may be a molded body or a pulverized product.
ペレットを金属溶湯に添加した直後に該金属溶湯を用いて鋳造を行うことで、引け巣の発生を抑制することができる。しかも、この場合、鋳造品(複合材)は、セラミックス相が存在することに起因して、母材金属に比して優れたヤング率を示す。結局、複合材は、母材金属よりも高剛性となる。 By performing casting using the molten metal immediately after the pellets are added to the molten metal, the occurrence of shrinkage can be suppressed. Moreover, in this case, the cast product (composite material) exhibits an excellent Young's modulus compared to the base metal due to the presence of the ceramic phase. Eventually, the composite material is more rigid than the base metal.
金属溶湯として鉄基合金の溶湯を選定した場合、前記金属相としては、接種剤であるFe−Si系合金を選定することが好適である。 When a molten iron-based alloy is selected as the molten metal, it is preferable to select an Fe—Si alloy that is an inoculum as the metal phase.
なお、ペレットのペレット径は0.25〜3mmが好ましい。この場合、セラミックス相が金属溶湯に対して分離し難くなるからである。 The pellet diameter is preferably 0.25 to 3 mm. This is because the ceramic phase is difficult to separate from the molten metal.
また、前記セラミックス相の好適な例としては、TiC、VC、SiCの少なくともいずれか1種が挙げられる。 Moreover, a suitable example of the ceramic phase includes at least one of TiC, VC, and SiC.
本発明によれば、所定量のセラミックス相を含むペレットを金属溶湯に添加した直後に該金属溶湯を用いて鋳造を行うようにしているので、引け巣の発生を抑制することができる。しかも、最終製品である鋳造品(複合材)は、前記ペレットに由来するセラミックス相を含むので、母材金属に比して優れたヤング率を示す。 According to the present invention, since casting is performed using the molten metal immediately after adding a pellet containing a predetermined amount of the ceramic phase to the molten metal, the occurrence of shrinkage can be suppressed. Moreover, since the cast product (composite material) which is the final product contains a ceramic phase derived from the pellets, it exhibits an excellent Young's modulus compared to the base metal.
以下、本発明に係る複合材の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Preferred embodiments of the composite material manufacturing method according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
本実施の形態に係る複合材の製造方法は、セラミックス含有添加材としてのペレットを設ける第1工程と、前記ペレットを金属溶湯に添加して鋳造を行う第2工程と、前記金属溶湯を凝固させて鋳造品(複合材)を設ける第3工程とを有する。 The method for manufacturing a composite material according to the present embodiment includes a first step of providing pellets as a ceramic-containing additive, a second step of adding the pellets to the molten metal and casting, and solidifying the molten metal. And a third step of providing a cast product (composite material).
第1工程において、ペレットは、例えば、セラミックス粉末と金属粉末とを混合した混合粉末を成形することで設けることができる。ペレットの形状は、例えば、ディスク体形状や円柱体形状とすることができるが、特にこれらの形状に限定されるものではない。 In the first step, the pellet can be provided, for example, by molding a mixed powder obtained by mixing ceramic powder and metal powder. The shape of the pellet can be, for example, a disk shape or a cylindrical shape, but is not particularly limited to these shapes.
又は、セラミックス粉末を金属溶湯に添加したものを凝固させて設けるようにしてもよいし、セラミックス相を金属中に晶出ないし析出させることでセラミックス相が金属中に含まれるようにしてもよい。これらの場合、セラミックス相と金属相とが分離したペレットが作製されても特に差し支えはない。 Alternatively, a ceramic powder added to a molten metal may be solidified, or the ceramic phase may be crystallized or precipitated in the metal so that the ceramic phase is included in the metal. In these cases, there is no particular problem even if a pellet in which the ceramic phase and the metal phase are separated is produced.
さらに、上記のようにして得られた固形物を粉砕するようにしてもよい。 Furthermore, you may make it grind | pulverize the solid substance obtained as mentioned above.
以上のようにして、セラミックス相と金属相とを含むペレットが作製される。 As described above, a pellet containing a ceramic phase and a metal phase is produced.
ここで、ペレット中のセラミックス相は、20体積%以上に設定される。すなわち、ペレットを作製する際、セラミックス粉末が20体積%以上を占めるように添加される。20体積%未満であると、ヤング率、ひいては剛性を向上させる効果に乏しい。 Here, the ceramic phase in the pellet is set to 20% by volume or more. That is, when producing the pellet, the ceramic powder is added so as to occupy 20% by volume or more. If it is less than 20% by volume, the effect of improving the Young's modulus and consequently the rigidity is poor.
セラミックス粉末としては、TiC、VC、SiCの少なくともいずれか1種が好ましい。これらが金属材中に分散された複合材は、母材である金属材に比して大きなヤング率を示すからである。 The ceramic powder is preferably at least one of TiC, VC, and SiC. This is because a composite material in which these are dispersed in a metal material exhibits a higher Young's modulus than a metal material that is a base material.
そして、ペレットのペレット径は、0.25〜3mmであることが好ましい。ペレットのペレット径が0.25mm未満であると、金属溶湯から分離し易い。また、ペレット径が3mmよりも大きいペレットを用いると、鋳造品に対する引け巣抑制効果が乏しくなる傾向がある。 And it is preferable that the pellet diameter of a pellet is 0.25-3 mm. It is easy to isolate | separate from a molten metal as the pellet diameter of a pellet is less than 0.25 mm. Moreover, when a pellet having a pellet diameter larger than 3 mm is used, there is a tendency that the shrinkage cavity suppressing effect on the cast product is poor.
一方、金属相は、特に限定されるものではなく、その主成分が金属溶湯の主成分と同一であってもよいし、別種であってもよい。なお、金属溶湯が鋳鉄材等の鉄基合金である場合には金属相として鉄基合金を選定し、金属溶湯がニッケル基合金である場合には金属相としてニッケル基合金を選定する等、金属相と金属溶湯との主成分同士を同一成分とした場合、金属溶湯とペレットとの比重を近似させることができるので、ペレットが金属溶湯から分離することを抑制することができるという利点がある。 On the other hand, the metal phase is not particularly limited, and the main component thereof may be the same as the main component of the molten metal or may be a different type. If the molten metal is an iron-based alloy such as cast iron, select an iron-based alloy as the metal phase. If the molten metal is a nickel-based alloy, select a nickel-based alloy as the metal phase. When the main components of the phase and the molten metal are the same component, the specific gravity of the molten metal and the pellet can be approximated, so that there is an advantage that the separation of the pellet from the molten metal can be suppressed.
金属溶湯が鉄基合金である場合、金属相の好適な例としては、接種剤として用いられるFe−Si系合金が挙げられる。 When the molten metal is an iron-based alloy, a preferred example of the metal phase is an Fe—Si alloy used as an inoculum.
次に、第2工程において、上記したペレットを金属溶湯に添加する。この際、ペレットの添加量は、金属溶湯に対して3〜15質量%の割合となるようにする。3質量%未満であると、引け巣の抑制効果やヤング率(剛性)向上効果が乏しくなる。一方、15質量%を超えて添加すると、添加直後に金属溶湯の温度が著しく低下するので、いわゆる湯廻り性が低下するとともに鋳造が進行し難くなる。 Next, in the second step, the above pellets are added to the molten metal. At this time, the amount of the pellet added is 3 to 15% by mass with respect to the molten metal. If it is less than 3% by mass, the shrinkage nest suppressing effect and the Young's modulus (rigidity) improving effect are poor. On the other hand, if added over 15% by mass, the temperature of the molten metal is remarkably lowered immediately after the addition, so that the so-called hot-rolling property is lowered and casting is difficult to proceed.
金属溶湯に添加されたペレットは、ペレットのまま、又は表層が溶解した状態で金属溶湯中に分散する。この金属溶湯を調製した直後、次なる第3工程において鋳造を行い、さらに凝固させる。この凝固の際、引け巣の発生が抑制される。 The pellets added to the molten metal are dispersed in the molten metal as pellets or with the surface layer dissolved. Immediately after preparing this molten metal, casting is performed in the next third step and further solidified. During this coagulation, the generation of shrinkage nests is suppressed.
凝固が終了すると、ペレットに含まれたセラミックス相を含む複合材が鋳造品として得られる。この複合材は、セラミックス相を含むことに起因して、該複合材の母材である金属材に比して大きなヤング率を示す。 When solidification is completed, a composite material containing the ceramic phase contained in the pellet is obtained as a cast product. This composite material includes a ceramic phase, and thus exhibits a larger Young's modulus than the metal material that is the base material of the composite material.
ヤング率が大きなものは、剛性も大きい。すなわち、本実施の形態によれば、母材の金属材に比して剛性が大きな複合材を容易に得ることができる。 A material having a large Young's modulus has a large rigidity. That is, according to the present embodiment, it is possible to easily obtain a composite material having higher rigidity than the metal material of the base material.
ここで、Fe母材にTiCが50体積%添加され、且つペレット径が0.25〜3mmの間であるペレット(添加材)をFCD450相当材に添加して得られた複合材、Ni母材にSiCが35体積%添加され、且つペレット径が0.25〜3mmの間であるペレットをFCD450相当材に添加して得られた複合材、FCD450相当材の各ヤング率の測定結果を併せて図1に示す。この図1から、セラミックス相を含有したペレットを添加することで、鋳鉄材に比してヤング率が著しく大きな複合材が得られることが明らかである。 Here, a composite material obtained by adding 50% by volume of TiC to an Fe base material and adding a pellet (additive material) having a pellet diameter of 0.25 to 3 mm to an FCD450 equivalent material, an Ni base material Combined results of measuring Young's modulus of a composite material obtained by adding 35% by volume of SiC to the FCD450 equivalent material and pellets having a pellet diameter of 0.25 to 3 mm are added to the FCD450 equivalent material. As shown in FIG. From FIG. 1, it is clear that a composite material having a remarkably large Young's modulus as compared with cast iron material can be obtained by adding pellets containing a ceramic phase.
なお、複合材の母材をいわゆる特殊鋳鉄材とするべく、他の金属元素をさらに添加してペレットを構成するようにしてもよい。 In order to make the base material of the composite material a so-called special cast iron material, another metal element may be further added to form a pellet.
また、ペレット径は、例えば、粉砕物を所定の篩で選別することで調整することができる。 The pellet diameter can be adjusted by, for example, selecting the pulverized product with a predetermined sieve.
Claims (3)
セラミックス相を20体積%以上含有し、残部が金属相であるとともに、径が0.25〜3mmである前記ペレットを設ける工程と、
前記ペレットを金属溶湯に3〜15質量%の割合で添加した後、前記ペレットが未溶解の状態、又は表層が溶解した状態であるときに該金属溶湯を用いて鋳造を行う工程と、
前記金属溶湯を凝固させて前記ペレットが鋳込まれた前記複合材を設ける工程と、
を有することを特徴とする複合材の製造方法。 A method for producing a composite material in which a composite material is provided by casting a pellet containing a ceramic phase into a metal,
A step of providing the pellet having a ceramic phase of 20% by volume or more, the balance being a metal phase, and a diameter of 0.25 to 3 mm ;
After adding the pellet to the molten metal at a ratio of 3 to 15% by mass, the pellet is undissolved, or when the surface layer is dissolved , casting using the molten metal ,
Providing the composite material in which the pellet is cast by solidifying the molten metal;
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