JP2001011593A - 液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法 - Google Patents
液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 強化用短繊維とマトリックス材との界面強度
を向上でき、かつ強度的に問題がある反応相の生成を抑
えることが可能な液晶焼結を利用した金属系複合材料の
製造方法を提供する。 【解決手段】 金属材料１３をマトリックス材とし、セ
ラミック繊維１０又は金属繊維を強化用短繊維とする液
相焼結を利用した金属系複合材料を製造する方法であっ
て、強化用短繊維に銅又はコバルト１１のコーティング
層を形成し、該コーティング層と前記マトリックス材が
共晶合金相２１を生成可能な液相焼結を行う。
を向上でき、かつ強度的に問題がある反応相の生成を抑
えることが可能な液晶焼結を利用した金属系複合材料の
製造方法を提供する。 【解決手段】 金属材料１３をマトリックス材とし、セ
ラミック繊維１０又は金属繊維を強化用短繊維とする液
相焼結を利用した金属系複合材料を製造する方法であっ
て、強化用短繊維に銅又はコバルト１１のコーティング
層を形成し、該コーティング層と前記マトリックス材が
共晶合金相２１を生成可能な液相焼結を行う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック繊維又
は金属繊維を強化用短繊維とし、金属材料をマトリック
ス材として使用する液晶焼結を利用した金属系複合材料
の製造方法に関する。
は金属繊維を強化用短繊維とし、金属材料をマトリック
ス材として使用する液晶焼結を利用した金属系複合材料
の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、液晶焼結を利用した金属系複合材
料の製造方法に関するものとして、特開昭５８−１３６
７３５号公報に記載の方法や、また特開昭６０−６７１
４１号公報に記載の方法が知られている。これらの方法
においては、図４に示すように、混合工程において強化
用繊維７１に混合されるマトリックス金属粒子７２自体
又はその一部に共晶合金７３を用いて、ＨＩＰ（熱間等
方加圧）装置７４による液晶焼結によって、マトリック
ス金属７５が強化用繊維７１を包んだ状態の金属系複合
材料７６を製造している。例えば、特開昭５８−１３６
７３５号公報に記載のものでは、マトリックス材として
アルミニウム共晶系合金、アルミニウムとアルミニウム
共晶系合金、又はアルミニウムとアルミニウム共晶系合
金をつくる金属のいずれかを用い、カーボン繊維と混合
してアルミニウムの融点以下の温度で加圧成形してカー
ボン繊維強化アルミニウム複合材を製造している。ここ
で、マトリックス金属粒子７２自体又はその一部に共晶
合金７３を用いているのは、主に焼結処理温度を低く抑
えるため、また強化用繊維７１とマトリックス金属７５
との密着性を改善することを目的とするからである。
料の製造方法に関するものとして、特開昭５８−１３６
７３５号公報に記載の方法や、また特開昭６０−６７１
４１号公報に記載の方法が知られている。これらの方法
においては、図４に示すように、混合工程において強化
用繊維７１に混合されるマトリックス金属粒子７２自体
又はその一部に共晶合金７３を用いて、ＨＩＰ（熱間等
方加圧）装置７４による液晶焼結によって、マトリック
ス金属７５が強化用繊維７１を包んだ状態の金属系複合
材料７６を製造している。例えば、特開昭５８−１３６
７３５号公報に記載のものでは、マトリックス材として
アルミニウム共晶系合金、アルミニウムとアルミニウム
共晶系合金、又はアルミニウムとアルミニウム共晶系合
金をつくる金属のいずれかを用い、カーボン繊維と混合
してアルミニウムの融点以下の温度で加圧成形してカー
ボン繊維強化アルミニウム複合材を製造している。ここ
で、マトリックス金属粒子７２自体又はその一部に共晶
合金７３を用いているのは、主に焼結処理温度を低く抑
えるため、また強化用繊維７１とマトリックス金属７５
との密着性を改善することを目的とするからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
金属系複合材料の製造方法においては、未だ解決すべき
以下のような問題があった。強化用繊維７１として炭化
ケイ素を、マトリックス金属粒子７２としてチタン又は
チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−4V）粉末を使用して金属系
複合材料７６を製造する場合には、炭化ケイ素とチタン
は界面の濡れ性（密着性）が悪く、条件によっては強度
的に問題があるＴｉＣ（チタンカーバイト）からなる反
応相を生成するため、複合材料として両者を複合した場
合、十分な界面強度を得ることが出来ず、複合材料とし
て相応しい強度を得ることは極めて困難であった。
金属系複合材料の製造方法においては、未だ解決すべき
以下のような問題があった。強化用繊維７１として炭化
ケイ素を、マトリックス金属粒子７２としてチタン又は
チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−4V）粉末を使用して金属系
複合材料７６を製造する場合には、炭化ケイ素とチタン
は界面の濡れ性（密着性）が悪く、条件によっては強度
的に問題があるＴｉＣ（チタンカーバイト）からなる反
応相を生成するため、複合材料として両者を複合した場
合、十分な界面強度を得ることが出来ず、複合材料とし
て相応しい強度を得ることは極めて困難であった。
【０００４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、強化用短繊維とマトリックス材との界面強度を
向上でき、かつ強度的に問題がある反応相の生成を抑え
ることが可能な液晶焼結を利用した金属系複合材料の製
造方法を提供することを目的とする。
もので、強化用短繊維とマトリックス材との界面強度を
向上でき、かつ強度的に問題がある反応相の生成を抑え
ることが可能な液晶焼結を利用した金属系複合材料の製
造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記目的に沿う本発明に
係る液晶焼結を利用した金属系複合材料の製造方法は、
金属材料をマトリックス材とし、セラミック繊維又は金
属繊維を強化用短繊維とする液相焼結を利用した金属系
複合材料を製造する方法であって、強化用短繊維に銅又
はコバルトのコーティング層を形成し、コーティング層
とマトリックス材が共晶合金相を生成可能な液相焼結を
行う。従って、金属結合により結合した良好な、強化用
短繊維とマトリックス材との界面を得ることができる。
係る液晶焼結を利用した金属系複合材料の製造方法は、
金属材料をマトリックス材とし、セラミック繊維又は金
属繊維を強化用短繊維とする液相焼結を利用した金属系
複合材料を製造する方法であって、強化用短繊維に銅又
はコバルトのコーティング層を形成し、コーティング層
とマトリックス材が共晶合金相を生成可能な液相焼結を
行う。従って、金属結合により結合した良好な、強化用
短繊維とマトリックス材との界面を得ることができる。
【０００６】本発明に到った考え方について詳細に説明
する。一般に、マトリックス材をなす金属材料よりも強
化用短繊維に用いる、例えば、セラミックスの方が、強
度も融点も高いが、セラミックス短繊維とマトリックス
金属粉とを均一に混合した混合体を焼結する際、マトリ
ックス金属粉の融点以上に加熱すると、マトリックス金
属粉は液化し、その結果、密度の低いセラミックス短繊
維は浮力により上方へ移動するので、均一な混合焼結体
を得ることができない。また、場合によっては液体金属
とセラミックス短繊維の反応（金属間化合物の生成等）
により、セラミックス短繊維や得られる混合焼結体の強
度は低下することになる。
する。一般に、マトリックス材をなす金属材料よりも強
化用短繊維に用いる、例えば、セラミックスの方が、強
度も融点も高いが、セラミックス短繊維とマトリックス
金属粉とを均一に混合した混合体を焼結する際、マトリ
ックス金属粉の融点以上に加熱すると、マトリックス金
属粉は液化し、その結果、密度の低いセラミックス短繊
維は浮力により上方へ移動するので、均一な混合焼結体
を得ることができない。また、場合によっては液体金属
とセラミックス短繊維の反応（金属間化合物の生成等）
により、セラミックス短繊維や得られる混合焼結体の強
度は低下することになる。
【０００７】そこで、予め、セラミックス短繊維とマト
リックス金属粉とを均一に混合した混合体を、ＨＩＰ
（等方加圧加熱）処理等により、マトリックス金属粉の
融点未満の温度域まで加熱し、同時に加圧すると、高品
質の固相焼結体を得ることができると考えられる。とこ
ろが、この固相焼結では、焼結温度にある一定時間保持
される時、マトリックス金属粉が一部塑性流動すると共
に、マトリックス金属粉同士の界面で、金属原子が相互
拡散することによって、マトリックスの焼結は達成され
る。一方、強化用短繊維がセラミックスの場合、一般に
電子構造による結合形態で分類すると、セラミックスは
共有結合体であり、金属は自由電子による金属結合体で
あるため、セラミックス短繊維とマトリックス金属粉の
界面では、それらの組合せにより、（１）無反応でマト
リックスの塑性流動のみによるアンカー効果が生じる、
（２）反応により金属間化合物（炭化物、窒化物、酸化
物等）が生成し、脆化すると共に強度も低下する、
（３）一部の原子が置換反応をする、等のケースが考え
られ、一般に界面強度は低下する。また、強化用短繊維
が金属である場合においても、その金属の融点が高く、
焼結時間が短く、拡散係数が小さい場合には、充分な界
面強度が得られないことがある。
リックス金属粉とを均一に混合した混合体を、ＨＩＰ
（等方加圧加熱）処理等により、マトリックス金属粉の
融点未満の温度域まで加熱し、同時に加圧すると、高品
質の固相焼結体を得ることができると考えられる。とこ
ろが、この固相焼結では、焼結温度にある一定時間保持
される時、マトリックス金属粉が一部塑性流動すると共
に、マトリックス金属粉同士の界面で、金属原子が相互
拡散することによって、マトリックスの焼結は達成され
る。一方、強化用短繊維がセラミックスの場合、一般に
電子構造による結合形態で分類すると、セラミックスは
共有結合体であり、金属は自由電子による金属結合体で
あるため、セラミックス短繊維とマトリックス金属粉の
界面では、それらの組合せにより、（１）無反応でマト
リックスの塑性流動のみによるアンカー効果が生じる、
（２）反応により金属間化合物（炭化物、窒化物、酸化
物等）が生成し、脆化すると共に強度も低下する、
（３）一部の原子が置換反応をする、等のケースが考え
られ、一般に界面強度は低下する。また、強化用短繊維
が金属である場合においても、その金属の融点が高く、
焼結時間が短く、拡散係数が小さい場合には、充分な界
面強度が得られないことがある。
【０００８】以上の問題を解決するために、本発明にお
いては、先ず予め、強化用短繊維として用いるセラミッ
クス短繊維の表面に、マトリックス金属粉（マトリック
ス材）と低融点の共晶合金を作ることができる第３の金
属（本実施の形態では銅又はコバルト）をコーティング
している。なお、図２にはＣｕ−Ｔｉ系状態図を、図３
にはＣｏ−Ｔｉ系状態図を示す。図２において、銅−チ
タンの共晶点Ａ（８７５℃）における密度ρA は７．４
１９（ｇｆ／ｃｍ3 ）、銅−チタンの共晶点Ｂ（９６０
℃）における密度ρB は６．０７５（ｇｆ／ｃｍ3 ）、
また図３において、コバルト−チタンの共晶点Ｃ（１１
７０℃）における密度ρC は７．５７９（ｇｆ／ｃｍ
3 ）、コバルト−チタンの共晶点Ｄ（１０２０℃）にお
ける密度ρDは５．２８７（ｇｆ／ｃｍ3 ）である。
いては、先ず予め、強化用短繊維として用いるセラミッ
クス短繊維の表面に、マトリックス金属粉（マトリック
ス材）と低融点の共晶合金を作ることができる第３の金
属（本実施の形態では銅又はコバルト）をコーティング
している。なお、図２にはＣｕ−Ｔｉ系状態図を、図３
にはＣｏ−Ｔｉ系状態図を示す。図２において、銅−チ
タンの共晶点Ａ（８７５℃）における密度ρA は７．４
１９（ｇｆ／ｃｍ3 ）、銅−チタンの共晶点Ｂ（９６０
℃）における密度ρB は６．０７５（ｇｆ／ｃｍ3 ）、
また図３において、コバルト−チタンの共晶点Ｃ（１１
７０℃）における密度ρC は７．５７９（ｇｆ／ｃｍ
3 ）、コバルト−チタンの共晶点Ｄ（１０２０℃）にお
ける密度ρDは５．２８７（ｇｆ／ｃｍ3 ）である。
【０００９】次に、本発明の液相焼結法について、従来
の液相焼結法と比較して説明する。先ず、従来の液相焼
結法においては、マトリックス金属粉に、マトリックス
金属と共晶合金を生成する第３の金属粉を共晶組成比に
なるように予め計量、混合し、それに強化用短繊維とし
てセラミックス短繊維を加えて混合し、焼結を行ってい
る。この場合、マトリックス金属粉は、完全に共晶合金
となり液化するため、焼結時間を短くしないと、密度の
低いセラミックス短繊維は浮力により上方へ移動してし
まい、均一な混合焼結体は得られない。また、ホットプ
レスやＨＩＰ処理により、液相焼結する場合には、耐熱
用のカプセルが必要となり、このカプセル材は、液化し
た共晶合金と反応しないものを選定する必要がある。
の液相焼結法と比較して説明する。先ず、従来の液相焼
結法においては、マトリックス金属粉に、マトリックス
金属と共晶合金を生成する第３の金属粉を共晶組成比に
なるように予め計量、混合し、それに強化用短繊維とし
てセラミックス短繊維を加えて混合し、焼結を行ってい
る。この場合、マトリックス金属粉は、完全に共晶合金
となり液化するため、焼結時間を短くしないと、密度の
低いセラミックス短繊維は浮力により上方へ移動してし
まい、均一な混合焼結体は得られない。また、ホットプ
レスやＨＩＰ処理により、液相焼結する場合には、耐熱
用のカプセルが必要となり、このカプセル材は、液化し
た共晶合金と反応しないものを選定する必要がある。
【００１０】本発明の液相焼結法が従来の液相焼結法と
異なる点は、マトリックス金属粉は、その一部が共晶合
金となり、液化するのであって、全てが共晶合金化する
のではない点である。つまり、 （１）強化用短繊維の表面に、マトリックス金属と共晶
合金を生成する第３の金属をコーティングすることによ
って、焼結時には、強化用短繊維の周囲のみしか共晶合
金は生成せず、マトリックス粒子同士の界面には、マト
リックスの金属原子が相互拡散することによる固相焼結
部が存在する。 （２）強化用短繊維の表面及びマトリックス金属粉の表
面を共に、マトリックス金属と共晶合金を生成する第３
の金属をコーティングすることにより、強化用短繊維の
周囲のみならず、マトリックス粒子同士の界面にも、共
晶合金を生成させて、焼結を行うことができる。この
時、マトリックス粒子の中心部は共晶化せず、従って液
化しない。
異なる点は、マトリックス金属粉は、その一部が共晶合
金となり、液化するのであって、全てが共晶合金化する
のではない点である。つまり、 （１）強化用短繊維の表面に、マトリックス金属と共晶
合金を生成する第３の金属をコーティングすることによ
って、焼結時には、強化用短繊維の周囲のみしか共晶合
金は生成せず、マトリックス粒子同士の界面には、マト
リックスの金属原子が相互拡散することによる固相焼結
部が存在する。 （２）強化用短繊維の表面及びマトリックス金属粉の表
面を共に、マトリックス金属と共晶合金を生成する第３
の金属をコーティングすることにより、強化用短繊維の
周囲のみならず、マトリックス粒子同士の界面にも、共
晶合金を生成させて、焼結を行うことができる。この
時、マトリックス粒子の中心部は共晶化せず、従って液
化しない。
【００１１】ここで、コーティング層は機械合金化法に
より形成することもでき、これによって容易にかつ、安
価にコーティングができる。また、強化用短繊維の径を
０．５〜１μｍ、長さを１０〜２００μｍとすることも
でき、高強度の金属系複合材料を製造できる。強化用短
繊維の径を０．５〜１μｍとしたのは、０．５μｍ未満
であれば、混合処理中に繊維が破損するという問題があ
り、一方、１μｍを超えればマトリックス粒子より大き
くなる場合があり、均一な混合ができないという問題が
ある。また、強化用短繊維の長さを１０〜２００μｍと
したのは、１０μｍ未満であれば、繊維強化材としての
機能がなくなるという問題があり、一方、２００μｍを
超えれば、混合処理時に繊維が絡み合ってクラスターを
形成するという問題がある。また、強化用短繊維の金属
系複合材料に対する混合割合を２〜３０ｗｔ％とするこ
ともできる。さらに、マトリックス材としてチタン又は
チタン合金を、強化用短繊維として炭化ケイ素繊維を使
用することもでき、これによって、軽くて、強度の高い
金属系複合材料を製造することができる。
より形成することもでき、これによって容易にかつ、安
価にコーティングができる。また、強化用短繊維の径を
０．５〜１μｍ、長さを１０〜２００μｍとすることも
でき、高強度の金属系複合材料を製造できる。強化用短
繊維の径を０．５〜１μｍとしたのは、０．５μｍ未満
であれば、混合処理中に繊維が破損するという問題があ
り、一方、１μｍを超えればマトリックス粒子より大き
くなる場合があり、均一な混合ができないという問題が
ある。また、強化用短繊維の長さを１０〜２００μｍと
したのは、１０μｍ未満であれば、繊維強化材としての
機能がなくなるという問題があり、一方、２００μｍを
超えれば、混合処理時に繊維が絡み合ってクラスターを
形成するという問題がある。また、強化用短繊維の金属
系複合材料に対する混合割合を２〜３０ｗｔ％とするこ
ともできる。さらに、マトリックス材としてチタン又は
チタン合金を、強化用短繊維として炭化ケイ素繊維を使
用することもでき、これによって、軽くて、強度の高い
金属系複合材料を製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発
明の理解に供する。ここに、図１は本発明の一実施の形
態に係る液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法
のフロー図である。
つ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発
明の理解に供する。ここに、図１は本発明の一実施の形
態に係る液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法
のフロー図である。
【００１３】図１に示すように、本発明の一実施の形態
に係る液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法に
おいては、強化用短繊維の一例である炭化ケイ素繊維１
０の表面にメカニカルアロイング（ＭＡ、即ち、機械合
金化法）により、銅（又はコバルト）１１を圧着させて
コーティングする。銅（又はコバルト）１１がコーティ
ングされたコーティング炭化ケイ素繊維１２とマトリッ
クス材（金属材料）の一例であるチタン合金（Ｔｉ−６
Ａｌ−４Ｖ）粉末１３とを混合処理した後、混合物を成
形して混合加圧成形材１４とした後、図示しない加熱脱
気封入し、ＨＩＰ処理（液晶焼結）装置１５によって液
晶焼結を行って、マトリックス材であるチタン合金１６
と炭化ケイ素繊維１０との界面状態の良好なセラミック
強化金属系複合材料１７を製造している。以下、図１を
参照しながら詳細に説明する。
に係る液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法に
おいては、強化用短繊維の一例である炭化ケイ素繊維１
０の表面にメカニカルアロイング（ＭＡ、即ち、機械合
金化法）により、銅（又はコバルト）１１を圧着させて
コーティングする。銅（又はコバルト）１１がコーティ
ングされたコーティング炭化ケイ素繊維１２とマトリッ
クス材（金属材料）の一例であるチタン合金（Ｔｉ−６
Ａｌ−４Ｖ）粉末１３とを混合処理した後、混合物を成
形して混合加圧成形材１４とした後、図示しない加熱脱
気封入し、ＨＩＰ処理（液晶焼結）装置１５によって液
晶焼結を行って、マトリックス材であるチタン合金１６
と炭化ケイ素繊維１０との界面状態の良好なセラミック
強化金属系複合材料１７を製造している。以下、図１を
参照しながら詳細に説明する。
【００１４】マトリックス材より軽量で、高い強度を有
するセラミック材の炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維１０の径
は０．５〜１μｍ、長さは１０〜２００μｍのものを使
用している。強化用短繊維としては、炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）以外のその他のセラミック短繊維を用いることもで
き、さらに、必要に応じて、金属短繊維を用いることも
できる。またセラミック短繊維又金属短繊維の他に、セ
ラミックウィスカ又金属ウィスカも使用できる。架橋構
造による強化を考慮して、強化用短繊維のアスペクト比
（直径と長さの比）は、２０以上となるように調整し、
強化用短繊維の長さは、マトリックス金属粉の粒径より
大きく、好ましくは粒径の２倍以上となるように調整し
ている。
するセラミック材の炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維１０の径
は０．５〜１μｍ、長さは１０〜２００μｍのものを使
用している。強化用短繊維としては、炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）以外のその他のセラミック短繊維を用いることもで
き、さらに、必要に応じて、金属短繊維を用いることも
できる。またセラミック短繊維又金属短繊維の他に、セ
ラミックウィスカ又金属ウィスカも使用できる。架橋構
造による強化を考慮して、強化用短繊維のアスペクト比
（直径と長さの比）は、２０以上となるように調整し、
強化用短繊維の長さは、マトリックス金属粉の粒径より
大きく、好ましくは粒径の２倍以上となるように調整し
ている。
【００１５】メカニカルアロイングに用いる銅（又はコ
バルト）１１の粒度又はサイズは４５μｍとし、例え
ば、アトライターや遊星ミルを使用して炭化ケイ素繊維
１０の表面に圧着させてコーティングしてコーティング
炭化ケイ素繊維１２を形成する。コーティング層の厚さ
は０．１〜１μｍとし、従って、銅（又はコバルト）１
１のコーティング炭化ケイ素繊維１２に対する体積率
は、１８〜７７％となる。銅（又はコバルト）１１のコ
ーティングの量は、アトライター等によるＭＡ法の場合
には、予め所要量を計量した炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維
１０、マトリックス材、及びマトリックス材と共晶合金
を生成可能な量とする。コーティングの方法として、メ
カニカルアロイング以外にも、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｅ）法、ＣＶＤ（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｅ）法、又
はその他の方法を用いてもよい。
バルト）１１の粒度又はサイズは４５μｍとし、例え
ば、アトライターや遊星ミルを使用して炭化ケイ素繊維
１０の表面に圧着させてコーティングしてコーティング
炭化ケイ素繊維１２を形成する。コーティング層の厚さ
は０．１〜１μｍとし、従って、銅（又はコバルト）１
１のコーティング炭化ケイ素繊維１２に対する体積率
は、１８〜７７％となる。銅（又はコバルト）１１のコ
ーティングの量は、アトライター等によるＭＡ法の場合
には、予め所要量を計量した炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維
１０、マトリックス材、及びマトリックス材と共晶合金
を生成可能な量とする。コーティングの方法として、メ
カニカルアロイング以外にも、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｅ）法、ＣＶＤ（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｅ）法、又
はその他の方法を用いてもよい。
【００１６】軽量高強度金属であるチタン合金１６の元
となるチタン合金粉末１３の粒度は、３０〜１５０μｍ
程度としている。チタン合金粉末１３の他に、チタンの
元となるチタン粉末も使用でき、さらにその他の金属材
料、例えば、マグネシウム、アルミニウム及びそれらの
合金を用いることもできる。炭化ケイ素繊維１０の金属
系複合材料１７に対する混合重量割合は、２〜３０ｗｔ
％とし、Ｖ型混合機を使用して混合処理する。この混合
物を、万能試験機機（プレス機）を使用して、圧力８０
０〜１４００ｋｇｆ／ｃｍ2 、温度２０℃で成形して混
合加圧成形材１４を形成する。混合加圧成形材１４中の
コーティング炭化ケイ素繊維１２とチタン合金粉末１３
は、図に示すように、コーティング炭化ケイ素繊維１２
の周囲をチタン合金粉末１３の粒子がカバーした状態と
なっている。
となるチタン合金粉末１３の粒度は、３０〜１５０μｍ
程度としている。チタン合金粉末１３の他に、チタンの
元となるチタン粉末も使用でき、さらにその他の金属材
料、例えば、マグネシウム、アルミニウム及びそれらの
合金を用いることもできる。炭化ケイ素繊維１０の金属
系複合材料１７に対する混合重量割合は、２〜３０ｗｔ
％とし、Ｖ型混合機を使用して混合処理する。この混合
物を、万能試験機機（プレス機）を使用して、圧力８０
０〜１４００ｋｇｆ／ｃｍ2 、温度２０℃で成形して混
合加圧成形材１４を形成する。混合加圧成形材１４中の
コーティング炭化ケイ素繊維１２とチタン合金粉末１３
は、図に示すように、コーティング炭化ケイ素繊維１２
の周囲をチタン合金粉末１３の粒子がカバーした状態と
なっている。
【００１７】カプセル化された混合加圧成形材１４を加
熱脱気封入（キャニング）工程で処理後、ＨＩＰ（熱間
等方加圧）処理装置１５の耐圧容器１８内に収納し、耐
圧容器１８内に装備されたヒーター（図示せず）及び耐
圧容器１８内に導入されたガス１９によって、高温、高
圧のガス１９（９５０℃、１０００気圧）中、等方圧下
で混合加圧成形材１４をＨＩＰ処理してセラミック強化
金属系複合材料１７を製造する。このＨＩＰ処理によっ
て、図１の下に示すように、先ず銅（又はコバルト）１
１とチタン合金粉末１３との反応により、銅（又はコバ
ルト）とチタンの反応相（液相）２０が形成され、次い
で、銅（又はコバルト）とチタンの反応相（液相）２０
とチタン合金粉末１３との反応により、銅（又はコバル
ト）とチタンの共晶合金相２１が生成される。符号２２
はチタンを表している。
熱脱気封入（キャニング）工程で処理後、ＨＩＰ（熱間
等方加圧）処理装置１５の耐圧容器１８内に収納し、耐
圧容器１８内に装備されたヒーター（図示せず）及び耐
圧容器１８内に導入されたガス１９によって、高温、高
圧のガス１９（９５０℃、１０００気圧）中、等方圧下
で混合加圧成形材１４をＨＩＰ処理してセラミック強化
金属系複合材料１７を製造する。このＨＩＰ処理によっ
て、図１の下に示すように、先ず銅（又はコバルト）１
１とチタン合金粉末１３との反応により、銅（又はコバ
ルト）とチタンの反応相（液相）２０が形成され、次い
で、銅（又はコバルト）とチタンの反応相（液相）２０
とチタン合金粉末１３との反応により、銅（又はコバル
ト）とチタンの共晶合金相２１が生成される。符号２２
はチタンを表している。
【００１８】炭化ケイ素繊維１０の表面に、チタン合金
と共晶合金を生成可能な銅（又はコバルト）１１をコー
ティングすることによって、液相焼結時には、炭化ケイ
素繊維１０の周囲のみしか共晶合金相２１は生成せず、
チタン合金粉末１３同士の界面には、マトリックスの金
属原子が相互拡散することによって固相焼結部が存在す
ることになる。同時に、出発原料のチタン合金粉末１３
の持つ性能は、比較的よく保持されることになる。
と共晶合金を生成可能な銅（又はコバルト）１１をコー
ティングすることによって、液相焼結時には、炭化ケイ
素繊維１０の周囲のみしか共晶合金相２１は生成せず、
チタン合金粉末１３同士の界面には、マトリックスの金
属原子が相互拡散することによって固相焼結部が存在す
ることになる。同時に、出発原料のチタン合金粉末１３
の持つ性能は、比較的よく保持されることになる。
【００１９】従って、セラミック強化金属系複合材料１
７は、図１の上側に示すように、マトリックスであるチ
タン合金１６内に炭化ケイ素繊維１０が分散した、界面
状態の良好なものとなっている。また、液相の生成量
は、予め計算により算出できるので、液相の厚さ（共晶
合金相２１の厚さ）を制御することができる。これによ
って、共晶合金による液相は炭化ケイ素繊維１０との濡
れ性が良好なので、炭化ケイ素繊維１０の表面粗さの窪
みの中まで浸透し、凝固後は、良好なアンカー効果を奏
する。さらに、必要があれば、炭化ケイ素繊維１０の表
面及びチタン合金粉末１３の表面を共に、チタン合金と
共晶合金を生成可能な銅（又はコバルト）１１をコーテ
ィングすることによって、炭化ケイ素繊維１０の周囲の
みならず、チタン合金粉末１３同士の界面にも、共晶合
金相を生成させて、焼結を行うことができ、この時、チ
タン合金粉末１３粒子の中心部は共晶化することはな
く、従って液化することはない。
７は、図１の上側に示すように、マトリックスであるチ
タン合金１６内に炭化ケイ素繊維１０が分散した、界面
状態の良好なものとなっている。また、液相の生成量
は、予め計算により算出できるので、液相の厚さ（共晶
合金相２１の厚さ）を制御することができる。これによ
って、共晶合金による液相は炭化ケイ素繊維１０との濡
れ性が良好なので、炭化ケイ素繊維１０の表面粗さの窪
みの中まで浸透し、凝固後は、良好なアンカー効果を奏
する。さらに、必要があれば、炭化ケイ素繊維１０の表
面及びチタン合金粉末１３の表面を共に、チタン合金と
共晶合金を生成可能な銅（又はコバルト）１１をコーテ
ィングすることによって、炭化ケイ素繊維１０の周囲の
みならず、チタン合金粉末１３同士の界面にも、共晶合
金相を生成させて、焼結を行うことができ、この時、チ
タン合金粉末１３粒子の中心部は共晶化することはな
く、従って液化することはない。
【００２０】
【実施例】本発明の一実施の形態に係る液相焼結を利用
した金属系複合材料の製造方法を適用してセラミック強
化金属系複合材料を製造する方法について説明する。炭
化ケイ素繊維１０の径は０．５〜１．０μｍ、長さは１
０〜２００μｍのものを使用し、銅（又はコバルト）１
１の粒度は４５μｍ以下とし、アトライターを使用して
炭化ケイ素繊維１０の表面に圧着させてコーティング
し、コーティング層の厚さ０．１〜１．０μｍを有する
コーティング炭化ケイ素繊維１２を形成した。銅（又は
コバルト）１１のコーティング炭化ケイ素繊維１２に対
する体積率は、１８〜７７％であった。
した金属系複合材料の製造方法を適用してセラミック強
化金属系複合材料を製造する方法について説明する。炭
化ケイ素繊維１０の径は０．５〜１．０μｍ、長さは１
０〜２００μｍのものを使用し、銅（又はコバルト）１
１の粒度は４５μｍ以下とし、アトライターを使用して
炭化ケイ素繊維１０の表面に圧着させてコーティング
し、コーティング層の厚さ０．１〜１．０μｍを有する
コーティング炭化ケイ素繊維１２を形成した。銅（又は
コバルト）１１のコーティング炭化ケイ素繊維１２に対
する体積率は、１８〜７７％であった。
【００２１】チタン合金粉末１３の成分構成は、Ｔｉが
８９．５％、Ａｌが６．１４％、Ｖが３．９３％のもの
を用い、粒度は１５０μｍ未満とし、炭化ケイ素繊維１
０の金属系複合材料１７に対する混合重量割合は、２〜
３０ｗｔ％とした。この混合物を、プレス機を使用し
て、圧力８００〜１４００ｋｇｆ／ｃｍ2 、温度２０℃
で成形処理した混合加圧成形材１４を、ＨＩＰ（熱間等
方加圧）処理装置１５で、共晶温度＋５０℃、１０００
気圧で、３０分間液相焼結させてセラミック強化金属系
複合材料１７を製造した。
８９．５％、Ａｌが６．１４％、Ｖが３．９３％のもの
を用い、粒度は１５０μｍ未満とし、炭化ケイ素繊維１
０の金属系複合材料１７に対する混合重量割合は、２〜
３０ｗｔ％とした。この混合物を、プレス機を使用し
て、圧力８００〜１４００ｋｇｆ／ｃｍ2 、温度２０℃
で成形処理した混合加圧成形材１４を、ＨＩＰ（熱間等
方加圧）処理装置１５で、共晶温度＋５０℃、１０００
気圧で、３０分間液相焼結させてセラミック強化金属系
複合材料１７を製造した。
【００２２】本発明の一実施の形態に係る液相焼結を利
用した金属系複合材料の製造方法においては、以下のこ
とが考察できる。 （１）炭化ケイ素繊維（強化用短繊維）に銅又はコバル
トをメカニカルアロイングにより機械的に圧着させたコ
ーティング炭化ケイ素繊維を用いて、マトリックス材と
なるチタン合金と焼結することにより炭化ケイ素とチタ
ンとの界面の濡れ性（密着性）が改善されたセラミック
強化金属系複合材料を製造することができる。 （２）炭化ケイ素繊維とコーティング層の銅又はコバル
トとの界面状態は、アンカー効果等により、炭化ケイ素
−チタン合金界面と比較して良いと考えられ、また、強
度的に問題があるチタンと炭化ケイ素との反応相の生成
をコーティング層によって抑えることができる。 （３）コーティング層とマトリックスとの間は、銅又は
コバルトがマトリックスのチタンと液相焼結により共晶
合金相を形成するため、金属結合によって結合した良好
な界面を得ることができる。
用した金属系複合材料の製造方法においては、以下のこ
とが考察できる。 （１）炭化ケイ素繊維（強化用短繊維）に銅又はコバル
トをメカニカルアロイングにより機械的に圧着させたコ
ーティング炭化ケイ素繊維を用いて、マトリックス材と
なるチタン合金と焼結することにより炭化ケイ素とチタ
ンとの界面の濡れ性（密着性）が改善されたセラミック
強化金属系複合材料を製造することができる。 （２）炭化ケイ素繊維とコーティング層の銅又はコバル
トとの界面状態は、アンカー効果等により、炭化ケイ素
−チタン合金界面と比較して良いと考えられ、また、強
度的に問題があるチタンと炭化ケイ素との反応相の生成
をコーティング層によって抑えることができる。 （３）コーティング層とマトリックスとの間は、銅又は
コバルトがマトリックスのチタンと液相焼結により共晶
合金相を形成するため、金属結合によって結合した良好
な界面を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】請求項１〜５記載の液相焼結を利用した
金属系複合材料の製造方法においては、金属結合により
結合した良好な、強化用短繊維とマトリックス材との界
面を得ることができるので、界面強度が向上した金属系
複合材料を製造できる。特に、請求項２記載の液相焼結
を利用した金属系複合材料の製造方法においては、コー
ティング層は機械合金化法により形成しているので、容
易にかつ、安価にコーティングができ、この結果製造コ
ストをダウンできる。請求項３記載の液相焼結を利用し
た金属系複合材料の製造方法においては、強化用短繊維
の径及び長さを規定しているので、機械強度の優れた金
属系複合材料を製造できる。請求項４記載の液相焼結を
利用した金属系複合材料の製造方法においては、強化用
短繊維のマトリックス材に対する混合割合を所定に範囲
に制御しているので、機械強度の制御が容易となる。請
求項５記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造
方法においては、マトリックス材としてチタン又はチタ
ン合金を、強化用短繊維として炭化ケイ素繊維を使用し
ているので、軽くて、強度の高いセラミックス強化金属
系複合材料を製造することができる。
金属系複合材料の製造方法においては、金属結合により
結合した良好な、強化用短繊維とマトリックス材との界
面を得ることができるので、界面強度が向上した金属系
複合材料を製造できる。特に、請求項２記載の液相焼結
を利用した金属系複合材料の製造方法においては、コー
ティング層は機械合金化法により形成しているので、容
易にかつ、安価にコーティングができ、この結果製造コ
ストをダウンできる。請求項３記載の液相焼結を利用し
た金属系複合材料の製造方法においては、強化用短繊維
の径及び長さを規定しているので、機械強度の優れた金
属系複合材料を製造できる。請求項４記載の液相焼結を
利用した金属系複合材料の製造方法においては、強化用
短繊維のマトリックス材に対する混合割合を所定に範囲
に制御しているので、機械強度の制御が容易となる。請
求項５記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造
方法においては、マトリックス材としてチタン又はチタ
ン合金を、強化用短繊維として炭化ケイ素繊維を使用し
ているので、軽くて、強度の高いセラミックス強化金属
系複合材料を製造することができる。
【図１】本発明の一実施の形態に係る液晶焼結を利用し
た金属系複合材料の製造方法のフロー図である。
た金属系複合材料の製造方法のフロー図である。
【図２】Ｃｕ−Ｔｉ系状態図である。
【図３】Ｃｏ−Ｔｉ系状態図である。
【図４】従来例に係る液晶焼結を利用した金属系複合材
料の製造方法のフロー図である。
料の製造方法のフロー図である。
１０：炭化ケイ素繊維、１１：銅（又はコバルト）、１
２：コーティング炭化ケイ素繊維、１３：チタン合金粉
末、１４：混合加圧成形材、１５：ＨＩＰ処理（液晶焼
結）装置、１６：チタン合金、１７：金属系複合材料、
１８：耐圧容器、１９：ガス、２０：反応相（液相）、
２１：共晶合金相、２２：チタン
２：コーティング炭化ケイ素繊維、１３：チタン合金粉
末、１４：混合加圧成形材、１５：ＨＩＰ処理（液晶焼
結）装置、１６：チタン合金、１７：金属系複合材料、
１８：耐圧容器、１９：ガス、２０：反応相（液相）、
２１：共晶合金相、２２：チタン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 49/11 Ｃ２２Ｃ 49/14 49/14 14/00 Ｚ // Ｃ２２Ｃ 14/00 Ｂ２２Ｆ 3/10 １０１ (71)出願人 599090121 黒木コンポジット株式会社 福岡県鞍手郡鞍手町大字古門字兵丹3109番 地の９ (71)出願人 593232480 日鐵ボルテン株式會社 行橋市西泉４丁目３番２号 (72)発明者 西田 新一 佐賀県佐賀市本庄町１番地 佐賀大学 理 工学部 機械システム工学科内 (72)発明者 中垣 通彦 福岡県飯塚市川津680−４ 九州工業大学 情報工学部 機械システム工学科内 (72)発明者 中野 光一 福岡県北九州市八幡西区築地町１番１号 株式会社高田工業所内 (72)発明者 柳田 裕二 福岡県鞍手郡鞍手町大字古門字兵丹3109番 地の９ 黒木コンポジット株式会社内 (72)発明者 玉崎 英俊 福岡県行橋市西泉４丁目３番２号 日鐵ボ ルテン株式會社内 (72)発明者 小金丸 正明 福岡県北九州市八幡西区則松３丁目６−１ 福岡県工業技術センター 機械電子研究 所内 Ｆターム(参考） 4K018 AA06 AB02 AB04 AB08 AC01 BA03 BB01 BB04 BC16 BC26 DA18 4K020 AA08 AC03 BA01 BB08
Claims (5)
- 【請求項１】 金属材料をマトリックス材とし、セラミ
ック繊維又は金属繊維を強化用短繊維とする液相焼結を
利用した金属系複合材料を製造する方法であって、前記
強化用短繊維に銅又はコバルトのコーティング層を形成
し、該コーティング層と前記マトリックス材が共晶合金
相を生成可能な液相焼結を行うことを特徴とする液相焼
結を利用した金属系複合材料の製造方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の液相焼結を利用した金属
系複合材料の製造方法において、前記コーティング層は
機械合金化法により形成されることを特徴とする液相焼
結を利用した金属系複合材料の製造方法。 - 【請求項３】 請求項１又は２記載の液相焼結を利用し
た金属系複合材料の製造方法において、前記強化用短繊
維の径を０．５〜１μｍ、長さを１０〜２００μｍとす
ることを特徴とする液相焼結を利用した金属系複合材料
の製造方法。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の液
相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法において、
前記強化用短繊維の前記金属系複合材料に対する混合割
合を２〜３０ｗｔ％とすることを特徴とする液相焼結を
利用した金属系複合材料の製造方法。 - 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液
相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法において、
前記マトリックス材としてチタン又はチタン合金を、前
記強化用短繊維として炭化ケイ素繊維を使用することを
特徴とする液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18320899A JP4252161B2 (ja) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | 液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18320899A JP4252161B2 (ja) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | 液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001011593A true JP2001011593A (ja) | 2001-01-16 |
| JP4252161B2 JP4252161B2 (ja) | 2009-04-08 |
Family
ID=16131680
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18320899A Expired - Fee Related JP4252161B2 (ja) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | 液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4252161B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005089807A (ja) * | 2003-09-16 | 2005-04-07 | Univ Nihon | 金属強化繊維とチタニウム又はチタニウム系合金からなる繊維強化複合材料とその放電プラズマ焼結法（ｓｐｓ法）による作製方法 |
| JP2009074134A (ja) * | 2007-09-20 | 2009-04-09 | Nippon Steel Corp | 繊維強化金属の製造方法 |
| JP2012509405A (ja) * | 2008-11-21 | 2012-04-19 | ジョンソン、マッセイ、パブリック、リミテッド、カンパニー | 粒子の被覆方法 |
| CN106282852A (zh) * | 2016-09-18 | 2017-01-04 | 厦门大学 | 一种混合金属纤维烧结毡的低温液相烧结成形方法 |
| WO2017021652A1 (fr) * | 2015-08-06 | 2017-02-09 | Safran Aircraft Engines | Procede de fabrication d'une piece en materiau composite |
-
1999
- 1999-06-29 JP JP18320899A patent/JP4252161B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005089807A (ja) * | 2003-09-16 | 2005-04-07 | Univ Nihon | 金属強化繊維とチタニウム又はチタニウム系合金からなる繊維強化複合材料とその放電プラズマ焼結法（ｓｐｓ法）による作製方法 |
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| JP2016006229A (ja) * | 2008-11-21 | 2016-01-14 | アングロ プラチナム マーケティング リミテッド | 粒子の被覆方法 |
| US9713842B2 (en) | 2008-11-21 | 2017-07-25 | Anglo Platinum Marketing Limited | Method for coating particles |
| WO2017021652A1 (fr) * | 2015-08-06 | 2017-02-09 | Safran Aircraft Engines | Procede de fabrication d'une piece en materiau composite |
| FR3039839A1 (fr) * | 2015-08-06 | 2017-02-10 | Snecma | Procede de fabrication d'une piece en materiau composite |
| US11097345B2 (en) | 2015-08-06 | 2021-08-24 | Safran Aircraft Engines | Method for producing a part consisting of a composite material |
| CN106282852A (zh) * | 2016-09-18 | 2017-01-04 | 厦门大学 | 一种混合金属纤维烧结毡的低温液相烧结成形方法 |
| CN106282852B (zh) * | 2016-09-18 | 2017-10-20 | 厦门大学 | 一种混合金属纤维烧结毡的低温液相烧结成形方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4252161B2 (ja) | 2009-04-08 |
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