MMC材料（金属基複合材料）とは？ 軽量・高減衰性・高剛性を兼ね備えた最強材料

MMC材料の種類と特徴

MMC材料は、ベースとなる金属の種類や強化材の種類、製造方法によって様々な種類があります。主なMMC材料として、以下のようなものが挙げられます。

アルミニウム基MMC

アルミニウム合金をベースに、セラミックス粒子や炭素繊維を強化材として添加したMMC材料。軽量で高強度、高剛性であるため、航空機部品や自動車部品などに利用されています。

マグネシウム基MMC

マグネシウム合金をベースに、セラミックス粒子や炭素繊維を強化材として添加したMMC材料。アルミニウム基MMCよりもさらに軽量であるため、航空宇宙分野や自動車分野での利用が期待されています。

チタン基MMC

チタン合金をベースに、セラミックス粒子や炭素繊維を強化材として添加したMMC材料。高温強度や耐食性に優れているため、航空機エンジン部品や発電プラント部品などに利用されています。

MMC材料のメリット

MMC材料は、従来の金属材料に強化材を複合させることにより、機能性を圧倒的に向上させることができます。

例えば、アルミニウムやマグネシウムだと剛性・強度が足りない、しかし鉄だと重すぎるという部品に対して、軽量化・高強度・高剛性を兼ね備えたアルミニウム基やマグネシウム基のMMC材料が有効です。

さらに、高減衰性・高剛性を活かして、工作機械のヘッド周りや光学系リングなど機械・装置内で高速駆動・振動する部位に採用されることが増えており、機械・装置の高速化・高機能化に貢献しています。

低熱膨張性・高温強度にも優れているため、航空宇宙分野でも活躍しています。

MMC材料の用途例

MMC材料は、その優れた特性から、様々な分野で利用されています。代表的な用途例としては、以下のようなものが挙げられます。

• ・工作機械：高剛性が要求されるヘッド・スピンドルなど
• ・光学系：リングなど
• ・半導体装置：テーブル、フレームなど
• ・航空宇宙：航空機部品（翼、胴体、エンジン部品など）
• ・自動車・EV：エンジン・モーター部品、ブレーキ部品、サスペンション部品など
• ・輸送機器：車体構造材、ブレーキ部品など
• ・医療機器：人工関節、インプラントなど
• ・電子機器：放熱板、筐体など

MMC材料インゴットの製造方法

1. 溶融法

• 概要
  • ・金属母材を溶解させ、そこに強化材を投入・混合する。
  • ・攪拌や超音波照射などを用いて、強化材を均一に分散させる。
  • ・冷却・凝固させることでインゴットを得る。
• 特徴
  • ・大量生産に適している。
  • ・比較的低コストで製造できる。
  • ・強化材の含有量や分散状態を制御しにくい場合がある。
• 適用例
  • ・粒子強化型MMC
  • ・繊維強化型MMC (短繊維)

2. 粉末冶金法

• 概要
  • ・金属母材粉末と強化材粉末を混合する。
  • ・金型に入れてプレス成形する。
  • ・焼結することで密度を高め、強度を向上させる。
• 特徴
  • ・強化材の含有量や分散状態を制御しやすい。
  • ・多孔質材料や複雑な形状の製品を製造できる。
  • ・生産性が低い。
• 適用例
  • ・粒子強化型MMC
  • ・繊維強化型MMC (長繊維)

3. 複合鋳造法

• 概要
  • ・鋳造時に、溶融金属を強化材に含浸させる。
  • ・または、強化材を鋳型内に配置し、溶融金属を注入する。
• 特徴
  • ・複雑な形状の製品を製造できる。
  • ・強化材と母材の界面結合を制御しやすい。
• 適用例
  • ・繊維強化型MMC

4. その他

• ・液相浸透法
• ・固相拡散接合法
• ・スプレー成形法

MMC材料の成形・加工

MMC材料は、鉄やアルミなど他の金属材料に比べて硬度が高く加工が難しい、いわゆる難削材に分類されます。しかし近年では、切削工具や加工技術の進歩により、MMC材料の加工に取り組む企業が増えています。

材料メーカーからMMC材料を調達して加工のみ自社でやる企業と、インゴットの製造・成形から加工まで一貫して対応する企業に分かれ、後者の方が材料特性に精通しており、且つ納期・生産面で融通が利く場合が多いです。

MMC材料の製造プロセス（溶融法の場合）

1. 金属母材を溶解炉で溶解する。
2. 強化材を溶解金属に投入し、攪拌または超音波照射などを用いて均一に分散させる。
3. 必要に応じて、溶融金属の温度や組成を調整する。
4. 鋳型に溶融金属を注入し、冷却・凝固させる。
5. 凝固したインゴットを鋳型から取り出す。
6. 切削・研削加工や研磨などを行い、仕上げる。

東金属産業によるMMC材料の成形・加工

静岡県の総合ものづくり企業である東金属産業株式会社は、MMC材料の将来性にいち早く注目し、材料開発から成形・加工までの一貫体制を築いたMMC材料のリーディングカンパニーです。

当社では、主として、母材にアルミニウム、強化材にSiC（炭化ケイ素）を使用した高剛性アルミニウム複合材（Al-SiC複合材）を取り扱っております。

アルミニウムの軽量・耐食性、SiCの高硬度・高剛性を併せ持ち、航空機・プラント向けの大型工作機械、液晶パネル製造装置、半導体製造装置、検査装置等の部品として多く採用していただいております。

当社が取り扱うMMC材料

デュラルキャン

デュラルキャン（英語：Duralucan）とは、カナダの世界的アルミニウムメーカーであるリオ・ティント・アルキャン社が提供するMMC材インゴットの商標です。母材のアルミニウムに対してSiCが体積比で20％・30％複合された素材があり、国内の大手自動車メーカーも注目している素材です。

当社ではAl-20vol％SiC（SiC20%複合）、Al-30vol％SiC（SiC30%複合）ともに取り扱っており、鋳造・一部鍛造にて素形材を製作しております。

各種MMC材料の機械的性質の比較

デュラルキャンの機械的性質について、一般的な鋳物であるFC300とAC4C材と比較した表を以下に示します。

項目	デュラルキャン （SiC20%）	デュラルキャン （SiC30%）	AKS-50 （SiC50%）	AKS-60 （SiC60%）	FC300	AC4C
熱膨張係数(ppm/℃) 50～100℃	17.5	14.4	10.4	9.4	9.8	22.5
密度 （g / cm³）	2.77	2.78	2.93	2.97	7.25	7.71
引張り強度 （MPa）	230	371	–	–	300	196
ヤング率 （GPa）	97	125	167	201	133	71
ポアソン比	0.3	0.29	0.27	0.25	0.26	0.33
比熱 [J/(g・K)]	0.84	0.82	0.85	0.81	0.52	0.88
熱伝導率 [W/(m・K)]	184	150	170	203	53	159
硬度 （HRB）	80	90	100	–	103	61

以下の実験データをご覧いただくと、デュラルキャンの高減衰性がよく分かると思います。

当社によるMMC材料の加工事例

当社がお客様に納品したMMC材料の加工品をご紹介します。