研究テーマ


キーワード：　金属基複合材料、in-situ複合材料、鋳造加工、金属溶解・凝固プロセス、鋳鉄、アルミニウム合金、マグネシウム合金
keywords:     metal matrix composite,   in-situ composite,  casting,   melting and solidification process,  cast iron,  aluminum alloy,  magnesium alloy


［１］ 金属と異種材料との複合化技術、複合材料及び複合製品の開発

（１）チタン酸カリウム短繊維強化アルミニウム合金複合材料の作製とその諸特性　− 新規マシナブルアルミニウム合金複合材料の開発−
 
　近年、機械製品の軽量化、小型化が進んでおり、これらに用いられる材料も鉄系材料からアルミニウム合金への代替が進んでいます。アルミニウム合金は鉄系材料に比べて耐熱、耐摩耗性に劣るため、高温雰囲気や摺動部での使用に限界がありますが、最近はこのような条件下で用いる材料も軽量化が推し進められつつあるため、アルミニウム合金の耐熱性向上が不可欠になってきました。この要求を満たす手法の１つに、耐熱性、耐摩耗性に優れたセラミックス繊維などの複合化が挙げられます。強化材に用いるセラミックスのうち、チタン酸カリウムは、高融点、低熱膨張であることに加え、他のセラミックスに比べて硬さが低いため、加工が容易です。それゆえ、これを複合化することにより、耐熱性に優れ、しかも加工が容易な新規アルミニウム合金複合材料が得られると考えられます。複合材料研究室では、これまでに加圧含浸法を用いてチタン酸カリウム短繊維とアルミニウム合金を複合化し、その複合材料がアルミニウム合金単体に比べて低熱膨張であることを明らかにしました。材料が低熱膨張であることは、温度が変化しても材料（部品、製品）の寸法変化が小さいことを示しており、温度変化を伴う精密部品への適用が期待されます。本研究では、これに引き続き、得られた複合材料の切削試験を行い、切削抵抗や切削面粗さの測定、切りくずの形状、工具摩耗状態などを調べ、それらの結果から、繊維体積率や切削条件が複合材料の切削性に及ぼす影響を明らかにすることを目的としています。



複合材料の顕微鏡組織

 (×100，組織中の暗色相がチタン酸カリウム短繊維)


切削加工した複合材料（試作品）

               

（２）アルミナ短繊維強化アルミニウム合金複合材料の作製とその諸特性　− 耐熱・耐摩耗アルミニウム合金複合材料の開発 −

　アルミニウムは軽量で、常温での強度も優れているため、自動車、輸送機器などの軽量化材料として使用量が増加しています。しかし、高温で著しく強度が低下するため、単体では耐熱性が要求される部位への適用は困難です。これを改善する手法の1つに、耐熱性に優れたセラミックスの短繊維を強化材として用い、複合化させる方法があります。セラミックス繊維の中でもアルミナ繊維は高温強度、耐摩耗性が良好です。複合材料研究室ではこれまでに、加圧含浸法を用いてアルミニウム合金とアルミナ短繊維を複合化し、得られた複合材料はアルミニウム合金単体に比べて高温での強さや弾性率が高いことを明らかにしてきました。また、この複合材料がアルミニウム合金単体に比べて低熱膨張であることをも明らかにしてきました。このような複合材料を製品化するにあたり、切削などによる仕上げ加工を行うことが想定されるため、複合材料の切削性を明らかにする必要があります。しかし複合材料の切削性に関する研究報告は少なく、その切削機構については十分明らかにされていません。そこで本研究では、加圧含浸法を用いて作製したアルミナ短繊維強化複合材料について、その切削性を明らかにすることを目的としています。

 

アルミナ短繊維の電子顕微鏡像(×1000)

 



（３）炭素繊維強化アルミニウム合金複合材料の作製と特性評価  ― 高熱伝導炭素繊維強化アルミニウム複合材料の開発 ―


　近年の機械、電子機器などの高出力化、高機能化にともない、これらに使われている部品は従来以上の過酷な環境にさらされるようになってきています。例えば、部品が高温にさらされると、装置の損傷・誤作動などを招くことがあるので、高温になった部品の熱をできるだけ速やかに系外へ逃がしてやることが重要です。この場合、部品に使われる材料に要求されるのは、良好な放熱性、すなわち高い熱伝導率です。従来のアルミニウムは金属の中でも比較的高い熱伝導率を持っていますが、近年の機械、電子機器などの高出力化、高機能化にともなってさらなる熱伝導率が要求されるようになってきました。高い熱伝導率を持つ炭素繊維の複合化によってこの要求を満たすことができると考えられますが、これまでの研究報告を見る限り、複合則（加算則）で予想される熱伝導率を得るのは容易ではないようです。加えて、アルミニウムは高温で炭素と反応を起こし、界面に有害な炭化物を形成するので、これを防ぐことも重要です。本研究では、炭素繊維強化アルミニウム合金複合材料が抱えるこれらの問題を解決するための基礎研究を行います。

 



（４）in situ生成シリサイド粒子分散マグネシウム合金複合材料の作製と特性評価  ― 高温強度・耐摩耗性に優れた新規マグネシウム合金の開発 ―


　マグネシウム合金は実用合金中最も軽量で、アルミニウム合金の代替金属として用いられ始めていますが、温度上昇によって著しく強度が低下します。高融点・高硬度のシリサイド（Mg2Si）を均一かつ微細に分散させることにより、高温強度や耐摩耗性の改善が期待できます．本研究では、Mg2Siを合金溶製過程で化学反応により生成（in situ生成）させ、微細な粒子状にして合金中に均一分散させる条件を明らかにしました。引き続き、本合金の諸特性を明らかにするための研究を行います。


 （５）ニオブシリサイド分散ニオブ合金の組織解析　― 次世代超耐熱合金の開発 ―


　次世代航空機エンジン材料としての適用が期待されるニオブ基合金に関する研究です。ニオブは、現在航空機エンジン材料に使われているニッケル基合金に比べて高融点を持つため、次世代航空機エンジン材料の候補として注目されています。しかし、じん性や高温での耐酸化性に乏しく、実用化にはこれらの改善が必要です。本研究では、元素添加や熱処理などによってこれらの問題点を克服し、飛躍的に耐熱性を改善した合金を得ることを目的としています。


複合材料の顕微鏡組織

 (×800，組織中の暗色相がNb-Si化合物)


［２］ 鋳鉄の高品質化、高付加価値化に関する研究

　鋳鉄は鋳造性が優れており､耐摩耗性､耐食性､振動吸収能が良好なので､年間生産量は鋳造用合金の中で最も多く､自動車部品や一般産業機械部品をはじめ日用品に至るまで広く使用されています。なかでも､球状黒鉛鋳鉄は片状黒鉛鋳鉄に比べ､高い強度を持ち､また伸びもあるなど機械的性質に優れています。近年､地球環境や安全性への対応などから、特に高コスト体質となった自動車業界などでは、コスト削減の一貫として機械部品の高品質化が要求されています。ここで、球状黒鉛鋳鉄の機械的性質を向上させるためには、焼入れ、焼なまし、焼戻しなどの熱処理が有効ですが、これらの処理を施した球状黒鉛鋳鉄はコストが高くなるため、熱処理を行うことなく鋳放しで高品質の球状黒鉛鋳鉄を得るための手法を開発する必要があります。一方、最近は鋳鉄の軽量化が重要視され､薄肉化も指向されています。薄肉化をすると、黒鉛が微細化されますが、チル組織が晶出しやすくなり、延性や耐食性の低下など、製品に悪影響を及ぼします。それを避けるためには黒鉛化を促進し、チル化傾向を防ぐことが重要です。これにより、更なる薄肉化が可能になれば､工業的に有益であると考えられます。鋳物の薄肉化と強度の向上を勘案すれば、基地組織のパーライト化が有効です。本研究では鋳鉄の基地組織のパーライト化に有効な元素を添加し､得られた球状黒鉛鋳鉄の基地組織と黒鉛形状に及ぼすこれら微量元素の影響を調べることを目的としています。

 



上に挙げた研究のいくつかは、他の研究機関、企業との共同研究、受託研究によるものです。

 

複合材料研究室におけるこれまでの研究成果（抜粋）はこちら

 

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