氏名　武　高輝
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博乙第27号
学位授与の日付　平成5年3月25日
学位論文の題目　Al2O3粒子及びAl2O3粒子・SiCウィスカ強化6061アルミニウム合金複合材料の開発に関する研究
論文審査委員
　主査　教授　小島　陽
　副査　教授　梅村　晃由
　副査　助教授　福澤　康
　副査　助教授　鎌土　重晴
　副査　東京工業大学　教授　神尾　彰彦

• 論文目次
• 論文要旨

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目次
第1章　緒論
1.1　民生分野に期待てぎる複合材料　p.1
1.2　金属基複合材料の複合技術及び問題点　p.2
1.3　本研究の目的　p.5
1.4　本論文の構成　p.5
1.5　第1章の参考文献　p.7
第2章　加圧排気鋳造法の開発及びAl2O3/6061アルミニウム合金粒子強化複合材料への応用
2.1　緒言　p.9
2.1.1　従来の加圧鋳造法の問題点　p.9
2.1.2　加圧排気鋳造法の導入　p.10
2.2　実験材料及び試験方法　p.10
2.2.1　実験材料　p.10
2.2.2　金型　p.10
2.2.3　実験方法　p.13
2.3　実験結果　p.16
2.3.1　複合材料の組織に及ぼす複合時の排気の影響　p.16
2.3.2　複合材料の引張強さに及ぼす複合時の排気の影響　p.16
2.4　考察　p.21
2.4.1　加圧排気鋳造と従来の加圧鋳造の複合挙動　p.21
2.4.2　加圧排気鋳造の圧力曲線の物理的な意味　p.28
2.4.3　加圧排気鋳造によるAl2O3p/6061アルミニウム合金複合材料の機械的性質の向上　p.32
2.5　結言　p.36
2.6　参考文献　p.37
第3章　パルス加圧排気鋳造法の検討及びAl2O3/6061アルミニウム合金複合材料の組織の緻密化
3.1　緒言　p.38
3.2　実験材料および実験方法　p.39
3.3　実験結果　p.42
3.3.1　パルス加圧方式による複合状態の改善　p.42
3.3.2　複合材料の空隙率および硬さ　p.42
3.3.3　複合材料の強さ及びじん性　p.45
3.4　考察　p.49
3.4.1　パルス加圧時の溶湯浸入過程　p.49
3.4.2　パルス加圧排気鋳造によるAl2O3/6061アルミニウム合金複合材料の強さとじん性　p.53
3.5　結言　p.57
3.6　第3章の参考文献　p.57
第4章　プリフォーム内部の温度分布の測定による複合化過程の解析
4.1　緒言　p.58
4.2　実験方法　p.59
4.2.1　実験材料及び鋳造方法　p.59
4.2.2　複合状態の評価　p.59
4.3　実験結果および考察　p.59
4.3.1　SiO2/Pb複合材料の複合化状態に及ぼす鋳造温度の影響　p.59
4.3.2　加圧排気鋳造時のSiO2/Pb複合材料内部の温度変化　p.64
4.3.3　加圧排気鋳造時のSiO2/Pb複合材料内部の温度分布　p.68
4.3.4　SiO2/Pb複合材料の複合化挙動に及ぼす溶湯温度と金型温度の影響　p.70
4.3.5　Al2O3粒子強化複合材料の複合状態の解析　p.76
4.4　結言　p.79
4.5　第4章の参考文献　p.79
第5章　SiCウィスカ・Al2O3粒子混合強化6061アルミニウム合金複合材料の開発及び強化機構
5.1　緒言　p.80
5.2　実験材料及び実験方法　p.82
5.2.1　実験材料　p.82
5.2.2　複合材料の作製条件　p.84
5.2.3　実験条件　p.84
5.3　実験結果　p.84
5.3.1　押出し中のSiCウィスカの分断　p.84
5.3.2　混合強化複合材料の引張強さ及び伸び　p.88
5.3.3　混合強化複合材料の室温硬さ　p.93
5.4　混合強化複合材料におけるウィスカ及び粒子の強化の特徴　p.96
5.4.1　混合強化複合材料のマトリックス　p.96
5.4.2　押出加工によるSiCウィスカの一方向配列及び分断挙動　p.98
5.4.3　SiCウィスカ中の有効体積率及び臨界体積率　p.100
5.5　混合強化複合材料の複合則　p.103
5.5.1　ウィスカの長さが1≧1cの場合の複合則およびそれへのウィスカとマトリックスの役目　p.103
5.5.2　ウィスカの長さが1＜1cの場合の複合材料の強さへの寄与　p.106
5.6　混合強化複合材料の破断　p.109
5.6.1　混合強化複合材料の破断面の特徴　p.109
5.6.2　引張破断面および破断面近傍のクラックのSEM観察　p.112
5.6.3　混合強化複合材料の破断機構　p.115
5.7　結言　p.120
5.8　第5章の参考文献　p.123
第6章　総括　p.124
本研究に関する論文リスト　p.128
謝辞　p.129

　SiCウィスカ及びAl2O3粒子強化アルミニウム合金複合材料は、比強度、比弾性率、耐熱性、耐摩耗性などの優れた特性を持つため大きな期待が寄せられている。しかし、SiCウィスカはランダム配列であり、且つ複合後の押出などの加工により分断されるため、この高強度が活かされない。一方、粒子強化複合材料は、機械的性質に異方性がなく、塑性加工性がよく、コストが安い等の利点があるが、一般的に引張さが低い一方、強さが高いと思われている細かい粒子の複合化が困難である。そこで、ウィスカ強化と粒子強化の両者の欠点を補いながらそれぞれの特色を活かした混合強化方法及び細かい粒子での複合方法の研究が必要と考える。
　金属基複合材料の製造方法の一つである加圧鋳造法は、一次成形加工が可能で、生産性に優れるなどの利点があるが、粒子径がサブミクロンになると、粒子の表面積が大きくなり、複合化が困難になる。またプリフォーム中に含まれる空気は、複合後も材料の中に残存して材料の緻密性に悪影響を及ぼす。そのため、加圧鋳造法で作製した粒子強化複合材料の引張強さと伸びは低くなる。したがって、加圧鋳造方法による高品質な複合材料の複合化技術に関連する研究が重要であると考える。
　本研究の目的としては、まず緻密な組織を有する微細粒子での複合材料を得るために、従来の加圧鋳造法を改良し、プリフォーム中の空気を複合時に排出するような加圧排気鋳造法及びパルス加圧排気鋳造法を開発すること、ならびに複合途中における複合組織の観察及びプリフォーム内部の温度分布の分布による複合化過程を解析することにした。
　またウィスカの高強度と粒子の分散性などの特色を活かし、ウィスカを整列させた低コスト、高強度を指向するSiCω・Al2O3ρ/6061混合強化複合材料の設計、作製、ならびに混合強化複合材料の強さに及ぼす諸因子の影響についても合わせて検討することにした。
　本研究より以下の結果が得られた。
　1.加圧排気鋳造法を開発した。この方法より粒子直径0.15μm、Vfが20～40％の範囲で均一な組織のAl2O3/6061アルミニウム合金複合材料を得、空隙率が1％以下に抑えられた。押出し加工を施したVf＝30％の複合材料の押出し材の室温引張強さは、620MPa、伸びは5％に達した。また複合途中のマクロ組織を調べた結果、従来の加圧鋳造の場合、プリフォーム内部の空気は中心部に圧縮されて残るのに対し、加圧排気鋳造法では、溶湯は主に上部から底部へと順次侵入し、かつプリフォーム内の空気を排気口より排出することがわかった。
　2.パルス加圧排気鋳造法を開発した。この方法より作製したVf＝30％のAl2O3/6061アルミニウム合金複合材料の鋳造材の室温引張強さは、従来の加圧鋳造法による場合より約5倍向上し、500MPaに達した。また押出し材の伸びは室温で8％、250℃では32％の高い値を示した。この方法で作製した複合材料の機械的性質が向上する理由は、溶湯の侵入速度をパルス的に変化させ、プリフォーム中の空気を能率的に排出し、組織がさらに緻密になるためであると思われる。
　3.加圧排気鋳造法における溶湯の侵入挙動と複合過程及び最適な作製条件を検討した。まず複合時のプリフォーム内部の温度変化より、プリフォームの温度分布を定性的に再現する方法を考案した。これにより、SiO2/Pb複合材料を用いたモデル実験においてプリフォームの温度分布と組織の関係を調べ、溶湯の侵入と凝固の過程がわかった。緻密で均一に複合材料を作製するためには、侵入する溶湯のフロントは上から下へ平面状に浸透させ、かつ試料の下部から上部へと順次凝固させることが必要である。そのため最適な金型及び溶湯温度は、狭い範囲に制限される。
　4.SiCω・Al2O3ρ/6061混合強化複合材料を設計、作製し、その強化機構を検討した。その結果、ウィスカの分断が少ない、配向性が良い、低コスト、高強度の複合材料が得られた。押出しによるウィスカの分断後の平均長さがVfに対して指数関数的に短くなる回帰式が得られた。また実験結果に基づき強度の複合則を導き、複合材料の引張強さは、臨界長さ以上のSiCウィスカの有効体積率に左右されることがわかり、また、複合材料の引張強さは、ウィスカの強さ、体積率及びマトリックスの強さの変化に対して最大値があり、これら三者の間に最適な組合せが存在することがわかり、これによってSiCウィスカとAl2O3粒子との混合にも最適混合割合があることがわかった。また理論計算及び破断面付近の組織観察より、マトリックスの強さは、ウィスカの強化係数、臨界長さ及び有効体積率の値を左右する一方、ウィスカの強化への寄与の形式を左右する、即ち、マトリックスの強さが高いと、ウィスカは破断の形で、低い場合は、ウィスカは主に抜け出しの形で強化へ寄与することがわかった。