CN106715004A - 复合体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够抑制复合体中所含的多孔质无机结构体的破损、稳定地制造复合体的复合体的制造方法和采用该制造方法制造的复合体。本发明提供复合体的制造方法和采用该制造方法制造的复合体，该复合体的制造方法是一边将纤维状无机材料邻接配置于平板状的多孔质无机结构体一边浸渍金属的复合体的制造方法，其特征在于，所述复合体是通过使用由多孔质碳化硅陶瓷烧结体构成的多孔质无机结构体和纤维状无机材料，从而具有多孔质碳化硅陶瓷烧结体浸渍有金属的第1相和纤维状无机材料浸渍有金属的第2相相互邻接的结构的复合体，多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为50～80体积％，纤维状无机材料在第2相中所占的比例为3～20体积％。

Description

复合体及其制造方法
技术领域
本发明涉及复合体及其制造方法。
背景技术
金属-陶瓷复合体作为能够实现在金属、陶瓷各自单独的情况下无法获得的机械性质和热性质的提高的材料而一直备受期待。就这样的复合体而言，例如可列举出作为汽车的活塞部件的耐磨损材料、散热片等散热材料的应用。
作为构成金属-陶瓷复合体的陶瓷，使用将陶瓷粉、陶瓷纤维成型、必要的情况下进一步将其烧成而制造的多孔质陶瓷结构体。通过将这样的结构体配置在所期望的模具内的空间，向该空间中浇注熔融金属，从而使上述金属浸渍于上述多孔质陶瓷结构体，使其凝固，由此而制造。
作为浸渍熔融金属的方法，已知基于粉末冶金法的方法，例如模铸法(专利文献1)、金属熔液锻造法(非专利文献1)等采用压力铸造的方法、采用自发浸透的方法(专利文献2)等各种的方法。
专利文献1：日本特表平5-508350号公报
专利文献2：日本特开平2-197368号公报
非专利文献1：西田义则，“利用加压浸渍法的复合材料制造研究的进展(加圧含浸法による複合材料製造研究の展開)”，まてりあ(Materia Japan)、公益社团法人日本金属学会，平成9年1月1日，第36卷，第1号，第40-46页
发明内容
在以往的制造方法中，存在如下的问题：浸渍金属时，多孔质无机结构体通过支承其的夹具、模具等而散热，伴随着局部的温度不均匀，无法成为均质的复合体。或者，存在如下的问题：通过熔融金属与模具相接，温度降低，发生部分流动性的降低，由于对其施加压力，使多孔质无机结构体破损等。
本发明鉴于上述的实际情况而完成，提供能够抑制复合体中所含的多孔质无机结构体的破损、稳定地制造复合体的制造方法和采用该制造方法制造的复合体。
根据本发明，提供复合体的制造方法，是一边将纤维状无机材料邻接配置于平板状的多孔质无机结构体一边浸渍金属的复合体的制造方法，其特征在于，所述复合体是通过使用由多孔质碳化硅陶瓷烧结体形成的多孔质无机结构体和纤维状无机材料，从而具有多孔质碳化硅陶瓷烧结体浸渍有金属的第1相和纤维状无机材料浸渍有金属的第2相相互邻接的结构的复合体，多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为50～80体积％，纤维状无机材料在第2相中所占的比例为3～20体积％。
根据本发明的一个方案，上述的复合体的制造方法的特征在于，浸渍金属的方法为模铸法或金属熔液锻造法。
根据本发明的一个方案，上述的复合体的制造方法的特征在于，上述金属为铝或铝合金。
根据本发明的一个方案，上述的复合体的制造方法的特征在于，由上述第2相构成的层的厚度为1mm以上。
根据本发明的一个方案，上述的复合体的制造方法的特征在于，形成纤维状无机材料将多孔质碳化硅陶瓷烧结体的周围全面覆盖的状态，或者，形成用2片纤维状无机材料夹持多孔质碳化硅陶瓷烧结体的状态。
根据本发明，提供复合体，其特征在于，具有平板状的由多孔质碳化硅陶瓷烧结体构成的多孔质无机结构体浸渍有金属的第1相和纤维状无机材料浸渍有金属的第2相相互邻接的结构，多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为50～80体积％，纤维状无机材料在第2相中所占的比例为3～20体积％。
根据本发明的一个方案，上述的复合体的特征在于，上述金属为铝或铝合金。
根据本发明的一个方案，上述的复合体的特征在于，由上述第2相构成的层的厚度为1mm以上。
根据本发明的一个方案，上述的复合体的特征在于，为上述第2相将上述第1相的周围全面覆盖的状态，或者，为只在上述第2相的正板面、背板面形成了上述第1相的状态。
根据本发明的复合体的制造方法，能够抑制复合体中所含的多孔质无机结构体的破损，稳定地制造复合体。
附图说明
图1为表示本发明的一个实施方式涉及的复合体的概念上的构成的图，图1(a)为复合体的从板面方向的平面图，图1(b)为图1(a)的A-A’上的截面图。
具体实施方式
以下对本发明的复合体的制造方法和采用该制造方法制造的复合体的一个实施方式进行说明。但是，显然本发明并不限定于这些实施方式。
[复合体的制造方法]
本实施方式的复合体的制造方法，是一边将纤维状无机材料邻接配置于平板状的多孔质无机结构体一边浸渍金属的复合体的制造方法，其特征在于，所述复合体是通过使用由多孔质碳化硅陶瓷烧结体构成的多孔质无机结构体和纤维状无机材料，从而具有多孔质碳化硅陶瓷烧结体浸渍有金属的第1相和纤维状无机材料浸渍有金属的第2相相互邻接的结构的复合体，多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为50～80体积％，纤维状无机材料在第2相中所占的比例为3～20体积％。
在由上述的构成组成的复合体的制造方法中，使金属浸渍时，来自多孔质无机结构体的通过夹具、模具等的热的散发变少，因此抑制该结构体的局部温度不均匀，能够得到均质的复合体。另外，由于也能够防止熔融金属与模具等接触产生的部分的温度下降，因此产生如下的效果：不会发生与熔融金属的部分的固化相伴的流动性的降低，破损少。
作为构成多孔质无机结构体的多孔质碳化硅陶瓷烧结体，可列举出具有可浸渍金属的气孔、在浸渍操作等中不易发生变形、破坏等的、例如具有10MPa左右的机械强度的各种的多孔质碳化硅陶瓷烧结体。
关于多孔质碳化硅陶瓷烧结体的制造方法，并无特别限制，能够采用公知的方法。例如，能够通过在作为原料的碳化硅(SiC)粉末中添加二氧化硅、氧化铝等作为粘结材料，进行混合、成型，在800℃以上烧成而得到。
对于结构体的成型方法，也无特别限制，能够采用模压成型、挤出成型、浇铸成型等，根据需要可以并用保形用粘结剂。
多孔质无机结构体浸渍有金属的第1相的重要的特性为热导率和热膨胀系数。多孔质无机结构体中的碳化硅的含有率高时，则热导率升高，热膨胀系数变小，因此优选，但如果碳化硅的含有率升高，则有时铝合金没有充分地浸渍。
实用上，优选地，包含40质量％以上的平均粒径优选为40μm以上的粗的碳化硅粉末，多孔质无机结构体的相对密度优选在55～75％的范围。就多孔质无机结构体的强度而言，为了防止处理时、浸渍中的开裂，优选弯曲强度为3MPa以上。应予说明，平均粒径能够通过算出使用扫描型电子显微镜(例如日本电子株式会社制“JSM-T200型”)和图像解析装置(例如NIPPON AVIONICS Co.,Ltd.制造)、对于1000个粒子求出的粒径的平均值而测定。另外，相对密度能够采用阿基米德法等测定。弯曲强度能够采用拉伸试验机(例如株式会社岛津制作所制造)测定。
对于碳化硅粉末，优选进行粒度调节。通过将粗粉和微粉混合，从而强度显现性没有降低，得到的复合体的热导率提高。因此，优选将平均粒径优选为40～150μm的粗粉40～80质量％和平均粒径优选为5～15μm的微粉60～20质量％混合而成的混合粉末。
多孔质碳化硅陶瓷烧结体通过对在碳化硅粉末中添加了粘结材料的混合物的成型体进行脱脂、烧成而得到。如果烧成温度为800℃以上，则与烧成时的气氛无关，得到弯曲强度为3MPa以上的烧结体。
如果在氧化性气氛中、在超过1100℃的温度下烧成，则有时促进碳化硅的氧化，铝-碳化硅质复合体的热导率降低，因此优选在氧化性气氛中、在1100℃以下的温度下烧成。烧成时间根据烧结体的大小、向烧成炉中的投入量、烧成气氛等条件适当地确定。
本实施方式的多孔质无机结构体，只要是如上述那样具有可使金属或合金浸渍的开放气孔、并且具有在浸渍操作中不会破坏的机械强度的碳化硅陶瓷烧结体，则可以是任何的多孔质无机结构体。
将纤维状无机材料邻接配置于采用上述这样的方法得到的、平板状的多孔质无机结构体。作为纤维状无机材料，优选纤维状的氧化铝。作为氧化铝纤维，为氧化铝含量为70％以上的结晶的氧化铝纤维时，与所浸渍的金属的亲和性好，因此特别优选。氧化铝纤维价格低，容易得到。
作为纤维状无机材料，特别地不要求机械强度，可以是毯子、垫子等的任何状态。
对于由多孔质碳化硅陶瓷烧结体构成的多孔质无机结构体和纤维状无机材料所浸渍的金属，只要可实现本实施方式的目的，则可以是任何金属，从实现高导热性、轻质性的目的出发，优选铝、镁等轻合金或它们的合金。对于上述合金，也没有特别的限制，能够使用通用的铝合金、镁合金。
在铝合金的情况下，从铸造的容易性、高导热性的显现的方面出发，特别优选Si含量为4～10％的AC2A、AC2B、AC4A、AC4B、AC4C、AC8B、AC4D、AC8C、ADC10、ADC12等铸造用铝合金、1000系、2000系、3000系、4000系、5000系、6000系、7000系的延展用铝合金。
关于上述的多孔质无机结构体与金属的组合，使用了铝或铝系合金作为金属、使用了碳化硅作为多孔质无机结构体的铝-碳化硅复合体是在轻质、高导热、与陶瓷基板的热膨胀的适合性的方面特别优异的组合。
本实施方式中，作为金属的浸渍方法，能够采用以往公知的各种浸渍方法，但从必须在复合体表面形成大量含有金属的第2相出发，优选采用压力铸造的方法。即，采用模铸法的情况下，通过将模具的模腔做成只比预成型件稍大表面层的部分，在模腔的预成型件以外的空间配置纤维状无机材料，使金属浸渍，能够容易地制造在表面具有第2相的复合体。
采用金属熔液锻造的情况下，通过用纤维状无机材料夹持多孔质无机结构体的正面、背面和/或侧面，或者在全面包覆的状态下使金属浸渍，或者，通过在模具的内表面配置纤维状无机材料，使金属浸渍，从而能够容易地制造。
本实施方式中，纤维状无机材料可以与多孔质无机结构体邻接地设置。“邻接”意味着多孔质无机结构体与纤维状无机材料相邻地直接地相接的状态。本实施方式中，纤维状无机材料能够与多孔质无机结构体的正面、背面和/或侧面邻接地设置。纤维状无机材料将多孔质无机结构体的周围全面(即，正面、背面和侧面)覆盖的状态的情况下，在得到的复合体的表面存在富于切削加工性的第2相，因而是优选的。
多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例优选50～80体积％。另外，纤维状无机材料在第2相中所占的比例优选3～20体积％。通过成为这样的构成，使金属浸渍时，能够抑制温度变得局部不均匀，从而制造均质的复合体，能够抑制由于熔融金属的部分的流动性的降低而使多孔质无机结构体破损。因此，能够稳定地、生产率良好地得到复合体。
这样的构成能够通过使第1相中所占的多孔质碳化硅陶瓷烧结体的气孔率成为20～50体积％，另外使第2相中所占的纤维状无机材料的气孔率成为80～97体积％而进行制造。
应予说明，气孔率能够由理论密度和相对密度(采用阿基米德法测定)之差通过计算而求出。另外，对调节气孔率的方法并无特别限定。例如，纤维状无机材料的气孔率能够通过将毡状的纤维状无机材料压缩或放松等而调节。多孔质碳化硅陶瓷烧结体的气孔率能够通过使用的碳化硅粉的粒度配合、粘结剂的添加量等进行调节。
进而，根据本实施方式，通过调节多孔质无机结构体、纤维状无机材料和浇注熔融金属的模具内空间的大小，例如，能够制造一部分以翅片状突出的形状的、具有由第2相构成的层的复合体、具有用由第2相构成的层填埋的孔的复合体、一部分壁厚大的、具有由第2相构成的层的复合体等，并且通过对由上述第2相构成的层应用以往公知的金属加工法，能够得到各种形状的复合体。
其中，作为以往公知的金属加工法，并不限定于上述的平面磨削方法、钻孔加工方法中所例示的机械加工法，是指能够适用于金属的加工的所有方法。
因此，对于由第2相构成的层的厚度、邻接配置于多孔质无机结构体的纤维状无机材料的厚度因所选择的金属加工方法、加工后的复合体的尺寸精度等而异，至少为0.5μm以上即可。
应用金属加工法中价格低且生产率高的通用的机械加工法的情况下，作为由上述第2相构成的层的厚度，优选50μm以上，更优选为1mm以上。应予说明，关于其上限值，并无特别限定，但超过20mm时，例如用作半导体搭载用电路基板的散热部件时，有可能不能发挥为高导热、低热膨胀率这样的复合体的特征。另外，由于第1相与第2相的热膨胀率的显著的不同，保持复合体的平面度也变得困难。因此，由第2相构成的层的厚度优选为20mm以下。
[复合体]
根据上述的实施方式的复合体的制造方法，能够得到图1中所示的复合体1，其特征在于，具有平板状的由多孔质碳化硅陶瓷烧结体构成的多孔质无机结构体浸渍有金属的第1相2和纤维状无机材料浸渍有金属的第2相3相互邻接的结构，多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相2中所占的比例为50～80体积％，纤维状无机材料在第2相3中所占的比例为3～20体积％。
由上述的构成组成的复合体1由于第1相2与第2相3相互地通过同样的金属连续地连接，因此具有如下的效果：能够防止在相互邻接的多孔质无机结构体与纤维状无机材料形成的界面发生剥离等。
图1的例子中，设置了将平板状的复合体1的正板面、背板面贯通的贯通孔4。从形成贯通孔4时的加工性的方面出发，优选在贯通孔4的周围没有形成第1相2。为了成为这样的结构，形成多孔质无机结构体时，可预先在将要形成贯通孔4的部分的周围设置凹槽部，或者设置具有比贯通孔4大的直径的贯通孔。
图1的例子中，以将第1相2和第2相3的周围全面覆盖的方式形成了金属层5。金属层5可只设置于复合体的正板面、背板面。
就上述的实施方式涉及的复合体而言，例如可列举出作为汽车的活塞部件的耐磨损材料、散热片等的散热材料的应用。
实施例
以下基于实施例和比较例对本发明更详细地说明。
[实施例1]
在平均粒径30μm的碳化硅(屋久岛电工株式会社制造：GS-500S)中，添加以固体成分浓度计5质量％的作为粘结剂的硅溶胶(日产化学工业株式会社制造：SNOWTEX)，进行混合，模压成型后，在空气中在900℃下烧成2小时，制造了气孔率为40％、大小为100mm×100mm×3mm的多孔质碳化硅结构体。
对于10个上述的多孔质碳化硅结构体，用2片厚10mm的氧化铝质的毡(电气化学工业(株式会社)制造，ALCEN毡气孔率90％)将它们各自夹持，装入至内径200mm的模具内，进而在模具内浇注在800℃下熔融的包含12质量％的Si、1质量％的Mg的铝合金，用顶杆以100MPa的压力加压，制造了复合体。
冷却后，将复合体切出。其中，第2相(氧化铝质的毡浸渍有铝合金的相)的厚度为2mm。通过目视观察了破损状态，但没有发现任何异常。
应予说明，这种情形下的多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为60体积％，纤维状无机材料在第2相中所占的比例为10体积％。
[实施例2]
将平均粒径220μm(大平洋蓝达姆株式会社制造：NG-F80)、16μm(屋久岛电工株式会社制造：GC#750)、0.8μm(大平洋蓝达姆株式会社制造，NG-4S)的碳化硅以6：3：1的比例共混，添加以固体成分浓度计5质量％的作为粘结剂的硅溶胶(日产化学工业株式会社制造：SNOWTEX)，进行混合，模压成型后，在空气中在900℃下烧成2小时，制造了气孔率为25％、大小为100mm×100mm×3mm的多孔质碳化硅结构体。
对于10个上述的多孔质碳化硅结构体，用2片电气化学工业(株式会社)制造、将ALCEN毡(气孔率90％)放松而使气孔率为94％的氧化铝质的毡(厚10mm)将它们各自夹持，装入至内径200mm的模具内，进而在模具内浇注在800℃下熔融的包含12质量％的Si、1质量％的Mg的铝合金，用顶杆以100MPa的压力加压，制造了复合体。
冷却后，将复合体切出。第2相(氧化铝质的毡浸渍有铝合金的相)的厚度为1.5mm。通过目视观察了破损状态，但没有发现任何异常。
应予说明，这种情形下的多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为75体积％，纤维状无机材料在第2相中所占的比例为6体积％。
[实施例3]
将平均粒径100μm(大平洋蓝达姆株式会社制造：NG-F150)、11μm(屋久岛电工株式会社制造：GC-1000F)的碳化硅以7：3的比例共混，添加以固体成分浓度计5质量％的作为粘结剂的硅溶胶(日产化学工业株式会社制造：SNOWTEX)，进行混合，模压成型后，在空气中在900℃下烧成2小时，制造了气孔率为45％、大小为100mm×100mm×3mm的多孔质碳化硅结构体。
对于10个上述的多孔质碳化硅结构体，用2片电气化学工业(株式会社)制造、将ALCEN毡(气孔率90％)压缩而使气孔率为82％的氧化铝质的毡(厚10mm)将它们各自夹持，装入至内径200mm的模具内，进而在模具内浇注在800℃下熔融的包含12质量％的Si、1质量％的Mg的铝合金，用顶杆以100MPa的压力加压，制造了复合体。冷却后，将复合体切出。第2相(氧化铝质的毡浸渍有铝合金的相)的厚度为2.5mm。通过目视观察了破损状态，但没有发现任何异常。
应予说明，这种情形下的多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为55体积％，纤维状无机材料在第2相中所占的比例为18体积％。
[比较例1]
除了没有使用氧化铝质的毡以外，进行与实施例1相同的操作，对于得到的10个复合体，观察了有无异常。使用超声波探伤试验机，复合体内部的多孔质碳化硅结构体在短边方向整幅开裂的复合体为1个，通过目视外观在复合体中发现了3～10mm左右的裂纹的复合体为4个。再有，这种情形下的多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为60体积％。
[比较例2]
除了使氧化铝质的毡的气孔率成为75％以外，进行与实施例3相同的操作，对于得到的10个复合体，观察了有无异常，结果在氧化铝质毡部发现了3个铝合金未浸渍。第2相(氧化铝质的毡浸渍有铝合金的相)的厚度为5mm。
再有，这种情形下的多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为55体积％，纤维状无机材料在第2相中所占的比例为25体积％。
[比较例3]
想要通过与实施例2同样的操作得到气孔率15％的多孔质碳化硅结构体，但未能制造。再有，其中设想的多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为85体积％。
[比较例4]
想要通过与实施例2同样的操作得到气孔率60％的多孔质碳化硅结构体，但未能制造。再有，其中设想的多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为40体积％。
[比较例5]
除了通过将ALCEN毡(气孔率90％)放松而使氧化铝质的毡的气孔率成为气孔率98％以外，进行与实施例1相同的操作，对于得到的10个复合体，观察了有无异常，结果通过目视外观发现了3～10mm左右的裂纹的复合体为4个。第2相(氧化铝质的毡浸渍有铝合金的相)的厚度为1mm。再有，这种情形下的多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为60体积％，纤维状无机材料在第2相中所占的比例为2体积％。
将对于上述的实施例1-3和比较例1-5汇总的结果示于表1中。
[表1]
由表1的结果可知，采用本发明涉及的制造方法所制造的复合体在多孔质碳化硅结构体中不会产生开裂、裂纹，另外不会存在尚未浸渍金属的部分。因而，根据本发明的复合体的制造方法和采用该制造方法所制造的复合体，能够抑制复合体中所含的多孔质无机结构体的破损，稳定地制造复合体。
附图标记说明
1 复合体
2 第1相
3 第2相
4 贯通孔
5 金属层

Claims (9)

1.一种复合体的制造方法，是一边将纤维状无机材料邻接配置于平板状的多孔质无机结构体一边浸渍金属的复合体的制造方法，其特征在于，
所述复合体是通过使用由多孔质碳化硅陶瓷烧结体构成的多孔质无机结构体和纤维状无机材料，从而具有多孔质碳化硅陶瓷烧结体浸渍有金属的第1相和纤维状无机材料浸渍有金属的第2相相互邻接的结构的复合体，
多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为50～80体积％，
纤维状无机材料在第2相中所占的比例为3～20体积％。
2.根据权利要求1所述的复合体的制造方法，其特征在于，浸渍金属的方法为模铸法或金属熔液锻造法。
3.根据权利要求1或2所述的复合体的制造方法，其特征在于，所述金属为铝或铝合金。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的复合体的制造方法，其特征在于，由所述第2相构成的层的厚度为1mm以上。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的复合体的制造方法，其特征在于，形成纤维状无机材料将多孔质碳化硅陶瓷烧结体的周围全面覆盖的状态，或者形成用2片纤维状无机材料夹持多孔质碳化硅陶瓷烧结体的状态。
6.一种复合体，其特征在于，具有平板状的由多孔质碳化硅陶瓷烧结体构成的多孔质无机结构体浸渍有金属的第1相和纤维状无机材料浸渍有金属的第2相相互邻接的结构，
多孔质碳化硅陶瓷烧结体在第1相中所占的比例为50～80体积％，
纤维状无机材料在第2相中所占的比例为3～20体积％。
7.根据权利要求6所述的复合体，其特征在于，所述金属为铝或铝合金。
8.根据权利要求6或7所述的复合体，其特征在于，由所述第2相构成的层的厚度为1mm以上。
9.根据权利要求6-8中的任一项所述的复合体，其特征在于，为所述第2相将所述第1相的周围全面覆盖的状态，或者，为只在所述第2相的正板面、背板面形成了所述第1相的状态。
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