JP2002249842A

JP2002249842A - 傾斜複合材およびその製造方法

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Publication number: JP2002249842A
Application number: JP2001050818A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kuwabara; 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2002-09-06
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP4445141B2

Abstract

(57)【要約】【課題】硬度が略均一でかつ厚肉の均質部が表面側に存
在し、かつ該均質部から内部に指向して硬度が低下する
傾斜複合材およびその製造方法を提供する。【解決手段】金属粒子とセラミックス粒子の混合粉末を
成形して成形体とし、この成形体を焼結して多孔質焼結
体とする。この多孔質焼結体の内部に触媒含有溶液を含
浸して乾燥した後、多孔質焼結体の内部に触媒含有有機
溶液を含浸する。次いで、必要に応じて該多孔質焼結体
の表面にコーティング膜を形成した後、多孔質焼結体を
再焼結して緻密化し、製品としての緻密焼結体（傾斜複
合材１０）とする。触媒含有有機溶液としては、金属ア
ルコキシドが好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックスと金
属とを含有する傾斜複合材およびその製造方法に関し、
一層詳細には、硬度が略均一でかつ厚肉な均質部が表面
側に存在し、しかも、該均質部から内部に指向して硬度
が低下する傾斜複合材およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属とセラミックスとを含有する複合材
は、種々の分野で広汎に使用されている。例えば、コバ
ルトと炭化タングステンが焼結されてなる炭化タングス
テン−コバルト系超硬合金や、モリブデンと炭化チタン
が焼結されてなる炭化チタン系サーメットは、切削工具
の刃具として採用されている。

【０００３】前記複合材の靱性や強度、硬度等の特性
は、金属とセラミックスの組成比に依存して変化する。
すなわち、金属の組成比が高くなるほど強度および靱性
が向上し、一方、金属の組成比が低くなるほど硬度が向
上する。したがって、金属とセラミックスの組成比は、
複合材が所望の特性となるように選定される。例えば、
上記したような刃具においては、硬度や耐摩耗性を確保
して長寿命化を図るために、金属の組成比を低くする傾
向にある。

【０００４】しかしながら、金属の組成比が低い刃具
は、高硬度および高耐摩耗性を有するが、靱性が低い。
したがって、この種の刃具を使用した場合には、該刃具
に割れや欠けが生じることが懸念される。一方、靱性が
高い刃具には、耐摩耗性が低く寿命が短いという不具合
がある。

【０００５】そこで、例えば、均質部から内部に指向し
てセラミックスの組成比が減少し、かつ金属の組成比が
増加する傾斜複合材から刃具を構成することが提案され
ている。この場合、均質部が高硬度であるので長寿命を
有する刃具となり、かつ内部が高靱性であるので割れや
欠けが生じ難くなるからである。

【０００６】この種の傾斜複合材は、例えば、１００体
積％の金属粒子、８０体積％の金属粒子と２０体積％の
非酸化物セラミックス粒子の混合粉末、６０体積％の金
属粒子と４０体積％の非酸化物セラミックス粒子の混合
粉末、４０体積％の金属粒子と６０体積％の非酸化物セ
ラミックス粒子の混合粉末、２０体積％の金属粒子と８
０体積％の非酸化物セラミックス粒子の混合粉末、１０
０体積％の非酸化物セラミックス粒子、２０体積％の金
属粒子と８０体積％の非酸化物セラミックス粒子の混合
粉末、４０体積％の金属粒子と６０体積％の非酸化物セ
ラミックス粒子の混合粉末、６０体積％の金属粒子と４
０体積％の非酸化物セラミックス粒子の混合粉末、８０
体積％の金属粒子と２０体積％の非酸化物セラミックス
粒子の混合粉末、１００体積％の金属粒子をこの順序で
積層し、次いでこの積層体を焼結させることにより製造
することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属粒
子の焼結可能な温度と非酸化物セラミックス粒子の焼結
可能な温度は周知のように大きく異なり、後者の方がよ
り高温である。したがって、金属粒子が焼結可能な温度
で上記積層体を焼結した場合には、非酸化物セラミック
ス粒子が緻密化しないので低強度の傾斜複合材となる。
一方、非酸化物セラミックス粒子が焼結可能な温度で上
記積層体を焼結した場合には、金属が融解してしまうの
で所望の形状の傾斜複合材を製造することが困難とな
る。また、上記のように段階的に組成比が異なる積層体
の焼結を行うと、緻密化速度や焼結に伴う体積収縮の度
合いが各層において異なるために、焼結体（傾斜複合
材）が変形する。さらに、焼結の際に、焼結体にクラッ
クが発生することもある。

【０００８】すなわち、従来技術に係る傾斜複合材の製
造方法には、実用に供することが可能な程度の硬度およ
び靱性を兼ね備える傾斜複合材を所望の形状で製造する
ことが著しく困難であるという不具合がある。

【０００９】また、このような傾斜複合材を刃具や金型
等として使用する場合、焼結体の均質部に対して旋削加
工等の後加工を施すことが一般的である。しかしなが
ら、この後加工によって該焼結体の肉厚が小さくなる。
すなわち、硬度が最も高い領域が除去される。このた
め、最終製品としての刃具や金型等を得る際に、これら
に硬度が最も高い領域を残留させることが困難となる。

【００１０】本発明は上記した問題を解決するためにな
されたもので、硬度が最も高い領域を製品に残留させる
ことが可能で、しかも、所望の形状をなす傾斜複合材お
よびその製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、非酸化物セラミックスと金属とを含有
し、ビッカース硬度の最大値と最小値との差が２０以内
である均質部を表面側に有するとともに前記均質部から
内部に指向して硬度が低下する傾斜複合材であって、前
記均質部の肉厚が当該傾斜複合材の肉厚の１５〜７０％
を占めることを特徴とする。

【００１２】このように構成された傾斜複合材において
は、均質部の硬度が略均一であり、しかも、その肉厚が
大きい。このため、該均質部に対して研削加工等を施し
て最終製品とする場合であっても、該最終製品に最も硬
度が高い領域を残留させることができる。

【００１３】この傾斜複合材では、低硬度部のビッカー
ス硬度の最小値と均質部のビッカース硬度の平均値との
差が５０以上であることが好ましい。ビッカース硬度の
差が５０未満であると、低硬度部（内部）の靱性が乏し
くなるからである。

【００１４】なお、非酸化物セラミックスの好適な例と
しては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＮｂＮ、ＮｂＣ、ＴａＮ、Ｔ
ａＣ、ＷＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣおよびＡｌＣの群から選択
された少なくとも１つを挙げることができ、金属の好適
な例としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏおよびこれらの２種以
上からなる合金の群から選択された少なくとも１つを挙
げることができる。この場合、傾斜複合材における金属
の組成比を５〜１５％とする。非酸化物セラミックス粒
子の組成比が８５重量％未満でかつ金属粒子の組成比が
１５重量％を超えると、傾斜複合材１０としては硬度に
乏しいものとなる。また、非酸化物セラミックス粒子が
９５重量％を超えかつ金属粒子が５重量％未満である
と、靱性が乏しくなる。いずれの場合においても、金型
や切削工具の刃具等として使用することが困難となるか
らである。

【００１５】また、本発明は、非酸化物セラミックスと
金属とを含有し、ビッカース硬度の最大値と最小値との
差が２０以内でありかつ肉厚が当該傾斜複合材の肉厚の
１５〜７０％を占める均質部を有するとともに前記均質
部から内部に指向して硬度が低下する傾斜複合材の製造
方法であって、非酸化物セラミックス粒子と金属粒子と
が混合されてなる混合粉末を成形して成形体とする成形
工程と、前記成形体を焼結して多孔質焼結体とする一次
焼結工程と、前記多孔質焼結体の内部に触媒含有溶液を
含浸する第１の含浸工程と、前記多孔質焼結体の内部に
含浸された触媒含有溶液を乾燥する第１の乾燥工程と、
前記多孔質焼結体の内部に触媒含有有機溶液を含浸する
第２の含浸工程と、前記多孔質焼結体の内部に含浸され
た触媒含有有機溶液を乾燥する第２の乾燥工程と、前記
多孔質焼結体を再焼結して傾斜複合材とする二次焼結工
程と、を有することを特徴とする。

【００１６】多孔質焼結体に対して含浸工程を２回行う
と、該多孔質焼結体の内部深くまで触媒が到達する。こ
のため、該多孔質焼結体を緻密化すると、内部に存在す
るセラミックス粒子を比較的大きく粒成長させることが
できる。その結果、硬度が略均一な領域の肉厚が大きい
緻密焼結体が得られる。また、セラミックス粒子の粒成
長は、表面側に存在するものが促進される。したがっ
て、得られた緻密焼結体は、内部に比して均質部の硬度
が高い傾斜複合材となる。

【００１７】しかも、この場合、成形体の形状が緻密焼
結体（傾斜複合材）の形状に対応する。したがって、成
形体を所定の形状とすることによって所望の形状の傾斜
複合材を得ることができる。

【００１８】なお、第２の含浸工程にて使用される触媒
含有有機溶液としては、金属アルコキシドが好適であ
る。この場合、第２の乾燥工程が行われても触媒が多孔
質焼結体の内部に残留するので、該内部に存在するセラ
ミックス粒子の粒成長を確実に誘起することができる。
このため、硬度が略均一な領域の肉厚が大きい緻密焼結
体を確実に得ることができるからである。また、金属ア
ルコキシドは、第１の含浸工程で多孔質焼結体の内部に
分散された触媒に対する溶解度が低いので、触媒を溶解
してしまう懸念がないからである。

【００１９】なお、成形体（多孔質焼結体）が、Ｔｉ
Ｃ、ＴｉＮ、ＮｂＮ、ＮｂＣ、ＴａＮ、ＴａＣ、ＷＣ、
ＺｒＮ、ＺｒＣおよびＡｌＣの群から選択された少なく
とも１つの非酸化物セラミックス粒子と、Ｆｅ、Ｎｉ、
Ｃｏおよびこれらの２種以上からなる合金の群から選択
された少なくとも１つの金属粒子とを含有するとともに
金属の組成比が５〜１５重量％である場合、触媒含有溶
液または触媒含有有機溶液に溶解ないし分散される触媒
としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ
またはＡｌが好適である。これらはいずれも、上記した
セラミックス粒子の粒成長を促進する。

【００２０】また、第２の乾燥工程の後に、多孔質焼結
体の表面にホウ素化合物からなるコーティング膜を形成
する被覆工程を行うことが好ましい。ホウ素化合物の存
在によりセラミックス粒子の粒成長が一層促進されるの
で、均質部の硬度を一層向上させることができるからで
ある。

【００２１】このような作用を営むホウ素化合物の好適
な例としては、六方晶系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）または
炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）を挙げることができる。また、こ
れらのコーティング膜は容易かつ簡便に形成することが
できるので、コスト的にも有利となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る傾斜複合材お
よびその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付
の図面を参照して詳細に説明する。

【００２３】本実施の形態に係る傾斜複合材の全体概略
斜視図を図１に示す。この場合、傾斜複合材１０は、直
径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍの円柱体であり、非酸化物セ
ラミックスと金属とを含有してなる。

【００２４】非酸化物セラミックスは、傾斜複合材１０
に高硬度や耐摩耗性をもたらす成分である。非酸化物セ
ラミックスとしては、後述する二次焼結工程の際に、当
該傾斜複合材１０を構成する金属の融点よりも低温で緻
密化が促進されるものであれば特に限定はされないが、
好適な例としては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＮｂＮ、ＮｂＣ、
ＴａＮ、ＴａＣ、ＷＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣを挙げることが
できる。

【００２５】金属は、傾斜複合材１０に高靱性をもたら
す成分である。すなわち、金属の含有量が高いほど傾斜
複合材１０の靱性が高くなる。したがって、該傾斜複合
材１０を切削工具の刃具として用いる場合、この刃具は
割れや欠けが生じにくいものとなる。

【００２６】金属としては、二次焼結工程の際に溶融す
ることのないもの、換言すれば、非酸化物セラミックス
粒子の粒成長が起こる温度よりも融点が高いものが選定
される。このような金属であれば特に限定はされない
が、非酸化物セラミックスとして上記したようなものが
選定された場合においては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏおよびこ
れらの２種以上からなる合金の群から選択された少なく
とも１つを好適な例として挙げることができる。

【００２７】傾斜複合材１０における非酸化物セラミッ
クスの組成比が高くなると、必然的に金属の組成比が低
くなり、その結果、該傾斜複合材１０の靱性が低下して
しまう。このため、非酸化物セラミックスと金属の組成
比は、得られる傾斜複合材１０に必要とされる硬度や靱
性に応じて設定される。例えば、上記したような非酸化
物セラミックスおよび金属を含有する傾斜複合材１０を
刃具とする場合、非酸化物セラミックスの組成比を８５
〜９５重量％、金属の組成比を５〜１５重量％とするこ
とが好ましい。

【００２８】ここで、図１におけるＩＩ−ＩＩ線矢視断
面図を図２に示す。この傾斜複合材１０では、硬度が略
均一な均質部１２が表面側に存在し、かつ該均質部１２
に比して硬度が低い低硬度部１４が内部側に存在する。

【００２９】ここで、本実施の形態における硬度が略均
一な均質部１２とは、具体的には、傾斜複合材１０にお
いて測定されたビッカース硬度の最大値との差が２０以
内である領域を指称する。例えば、傾斜複合材１０にお
いて測定されたビッカース硬度の最高値が１６００であ
る場合、ビッカース硬度が１５７５を示す領域までを均
質部１２とする。また、図２における均質部１２と低硬
度部１４とを区画する境界線は、傾斜複合材１０に硬度
が略均一な領域（均質部１２）と該均質部１２に比して
低硬度な領域（低硬度部１４）とが存在することを表す
ために便宜的に図示したものであり、均質部１２と低硬
度部１４との間に界面が存在することを意味するもので
はない。

【００３０】なお、均質部１２が低硬度部１４に比して
高硬度となる理由は、該均質部１２に存在する非酸化物
セラミックス粒子が、低硬度部１４に存在する非酸化物
セラミックス粒子に比して大きく粒成長しているためで
ある。

【００３１】均質部１２の肉厚は、傾斜複合材の肉厚の
１５〜７０％を占める。図２に示される傾斜複合材１０
の場合、例えば、直径方向では表面から６ｍｍ程度ま
で、長さ方向では表面から１２ｍｍ程度までを均質部１
２として設けることができる。このように、高硬度な領
域（均質部１２）の肉厚を著しく大きくすることができ
るので、傾斜複合材１０に研削加工等を施して該均質部
１２の一部を除去する場合であっても、高硬度な領域を
確保した状態で最終製品とすることができる。

【００３２】しかも、この傾斜複合材１０においては、
均質部１２と低硬度部１４とを区分する界面が存在しな
いので、傾斜複合材１０の一部に熱応力や応力が集中す
ることを回避することができる。このため、傾斜複合材
１０の耐久性を確保することができ、結局、傾斜複合材
１０を金型や刃具として長期間に亘り使用することがで
きる。

【００３３】なお、低硬度部１４におけるビッカース硬
度の最小値と、均質部１２におけるビッカース硬度の平
均値との差は、５０以上であることが好ましい。ビッカ
ース硬度の差が５０未満であると、内部の靱性が乏しく
なり、このために割れや欠けが発生し易いものとなるか
らである。より好ましい両者の差は、１００以上であ
る。

【００３４】この傾斜複合材１０は、次のようにして製
造することができる。

【００３５】本実施の形態に係る傾斜複合材の製造方法
のフローチャートを図３示す。この製造方法は、成形体
を得る成形工程Ｓ１と、前記成形体を焼結して多孔質焼
結体とする一次焼結工程Ｓ２と、前記多孔質焼結体の内
部に触媒含有溶液を含浸する第１の含浸工程Ｓ３と、前
記触媒含有溶液の溶媒を乾燥する第１の乾燥工程Ｓ４
と、前記多孔質焼結体の内部に触媒含有有機溶液を含浸
する第２の含浸工程Ｓ５と、前記触媒含有有機溶液の有
機溶媒を乾燥する第２の乾燥工程Ｓ６と、前記多孔質焼
結体の均質部にコーティング膜を形成する被覆工程Ｓ７
と、前記多孔質焼結体を再焼結して緻密焼結体（傾斜複
合材）とする二次焼結工程Ｓ８とを備える。

【００３６】まず、成形工程Ｓ１において、非酸化物セ
ラミックス粒子と金属粒子の混合粉末を調製する。

【００３７】ここで、非酸化物セラミックス粒子の好適
な例としては、上記したようなＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｎｂ
Ｎ、ＮｂＣ、ＴａＮ、ＴａＣ、ＷＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣ等
の少なくとも１つを挙げることができる。これらの非酸
化物セラミックス粒子は、二次焼結工程Ｓ８において、
後述する触媒の作用により粒成長が促進される。また、
金属粒子の好適な例としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏおよび
これらの２種以上からなる合金の群から選択された少な
くとも１つを挙げることができる。

【００３８】混合粉末における非酸化物セラミックス粒
子と金属粒子との組成比は、傾斜複合材１０の用途にも
よるが、上記したように、非酸化物セラミックス粒子：
金属粒子＝８５：１５〜９５：５（重量比、以下同じ）
とすることが好ましい。非酸化物セラミックス粒子の組
成比が８５重量％未満でかつ金属粒子の組成比が１５重
量％を超えると、傾斜複合材１０としては硬度に乏しい
ものとなる。また、非酸化物セラミックス粒子の重量比
が９５重量％を超えかつ金属粒子の重量比が５重量％未
満であると、靱性が乏しくなる。いずれの場合において
も、金型や切削工具の刃具等として使用することが困難
となる。

【００３９】そして、この混合粉末に成形加重を加えて
成形体を作製する。この際の成形荷重は、一次焼結工程
Ｓ２で多孔質焼結体が確実に得られるようにするため
に、成形体の開気孔が閉塞されることがない程度に設定
される。具体的には、成形荷重を１００〜３００ＭＰａ
程度とすることが好ましい。この場合、金属粒子が塑性
変形を起こすことを回避することができるので、成形体
の開気孔が閉塞されることはない。

【００４０】次いで、一次焼結工程Ｓ２において、開気
孔が残留するように前記成形体を焼結して多孔質焼結体
とする。この時点で緻密焼結体とすると、第１の含浸工
程Ｓ３および第２の含浸工程Ｓ５において、触媒含有溶
液および触媒含有有機溶液を内部に含浸させることが困
難となるからである。

【００４１】したがって、一次焼結工程Ｓ２における焼
結温度や時間は、金属粒子同士の融着が起こり、該金属
粒子同士にネックが形成された状態で終了されるように
設定される。すなわち、一次焼結工程Ｓ２では、非酸化
物セラミックス粒子同士は融着されない。具体的には、
焼結温度を１０５０〜１３３０Ｋとし、かつ焼結時間を
１．５〜２時間とすれば充分である。

【００４２】次いで、第１の含浸工程Ｓ３において、触
媒を含有する触媒含有溶液を前記多孔質焼結体の内部に
含浸させる。すなわち、例えば、触媒含有溶液中に前記
多孔質焼結体を浸漬する。この浸漬により、触媒含有溶
液が多孔質焼結体の開気孔を介してその内部へと浸透す
る。

【００４３】なお、触媒は、二次焼結工程Ｓ８において
非酸化物セラミックス粒子の成長を促進する物質であれ
ば特に限定されるものではないが、非酸化物セラミック
スが上記したようなものである場合、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒまたはＡｌ等を好適な例と
して挙げることができる。触媒含有溶液としては、上記
した金属を含有する硝酸塩や酢酸塩等の金属塩を溶媒に
溶解ないし分散させたものを使用すればよい。溶媒も特
に限定されるものではないが、水やアルコール等を好適
な例として挙げることができる。

【００４４】第１の含浸工程Ｓ３を行った後、第１の乾
燥工程Ｓ４において、自然放置により触媒含有溶液を乾
燥して溶媒を揮散除去させる。または、多孔質焼結体を
３３０〜３９０Ｋで３０分程度加熱して触媒含有溶液を
乾燥するようにしてもよい。これにより、溶媒の大部分
が多孔質焼結体から揮散除去して触媒が残留する。

【００４５】この乾燥の際に、多孔質焼結体の内部に含
浸された溶媒が均質部に指向して移動することに伴い、
触媒も均質部に移動する。このため、多孔質焼結体の均
質部における触媒の濃度は、内部に比して高くなる。

【００４６】次いで、第２の含浸工程Ｓ５において、触
媒が残留した多孔質焼結体を、触媒を含有する触媒含有
有機溶液中に浸漬する。この浸漬により、第１の含浸工
程Ｓ３と同様に、触媒含有有機溶液が多孔質焼結体の開
気孔を介してその内部へと浸透する。

【００４７】ここで、触媒含有有機溶液としては、自身
が液体であるもの、または有機溶媒に触媒が分散ないし
溶解されたものが使用される。この理由は、水溶液を使
用した場合、第１の含浸工程Ｓ３および第１の乾燥工程
Ｓ４を行うことによって多孔質焼結体の内部に分散され
た触媒が第２の含浸工程Ｓ５で溶解ないし溶出してしま
うからである。

【００４８】このような観点から、触媒含有有機溶液と
しては、触媒の溶解度が著しく低いものが選定される。
特に、触媒の溶解度が低く、かつゲル化ないしは固化し
て流動性が消失し、このために多孔質焼結体の内部に滞
留し易いことから、金属アルコキシドが好適である。こ
の場合、後述するように、傾斜複合材１０において均質
部１２の肉厚を大きくすることができるからである。

【００４９】なお、触媒含有有機溶液に含有される触媒
の好適な例としては、第１の含浸工程Ｓ３において使用
された触媒含有溶液に含有される触媒、すなわち、Ｆ
ｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒまたはＡｌ等
が挙げられる。要するに、第２の含浸工程Ｓ５において
使用される触媒含有有機溶液としては、例えばチタニウ
ムイソプロポキシド等、これらの金属アルコキシドを使
用することが好ましい。

【００５０】次いで、第２の乾燥工程Ｓ６において、第
１の乾燥工程Ｓ４と同様にして触媒含有有機溶液の溶媒
を揮散除去させる。

【００５１】この際、金属アルコキシドは、多孔質焼結
体に僅かに残留した溶媒（水分）等によりゲル化ないし
は固化した状態で多孔質焼結体の内部に滞留している。
したがって、多孔質焼結体の内部に含浸された溶媒が均
質部１２に指向して移動しても、触媒自体は内部に滞留
する。

【００５２】次いで、被覆工程Ｓ７において、多孔質焼
結体の表面にホウ素化合物からなるコーティング膜を形
成する。これにより、傾斜複合材１０の硬度を一層向上
させることができる。この理由は、ホウ素化合物が非酸
化物セラミックス粒子の粒成長を促進する粒成長促進剤
として機能するためであると考えられる。

【００５３】ホウ素化合物の好適な例としては、六方晶
系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）または炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）
を挙げることができる。これらを構成材料とするコーテ
ィング膜を形成した場合、傾斜複合材１０の硬度が顕著
に向上する。具体的には、コーティング膜を形成しない
場合に比して、傾斜複合材１０のビッカース硬度が５０
〜１００程度高くなる。

【００５４】しかも、ｈ−ＢＮまたはＢ₄Ｃからなるコ
ーティング膜は、例えば、キシレンやトルエン、あるい
はアセトン等の溶媒にｈ−ＢＮまたはＢ₄Ｃの粉末が分
散された溶液を多孔質焼結体の表面に噴霧した後、溶媒
を揮散除去することにより容易にかつ低コストで形成す
ることができる。

【００５５】最後に、二次焼結工程Ｓ８において、均質
部の一部にコーティング膜が形成された多孔質焼結体を
窒素雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とする。すなわ
ち、非酸化物セラミックス粒子を粒成長させる。これに
より、製品としての傾斜複合材１０が得られるに至る。
なお、緻密焼結体（傾斜複合材１０）は、相対密度が９
０％以上であることが好ましい。相対密度が９０％未満
では、強度や靱性が乏しくなるからである。

【００５６】また、二次焼結工程Ｓ８における焼結温度
および時間は、それぞれ、１６２３〜１８７３Ｋ、３０
分〜４時間とすることが好ましい。温度が１６７３Ｋ未
満である場合や時間が３０分未満である場合、非酸化物
セラミックス粒子の粒成長が充分には進行し難い。一
方、１８７３Ｋを超えると、金属粒子の蒸発揮散を招く
ようになる。さらに、非酸化物セラミックス粒子の粒成
長は４時間以内で略終了するので、４時間を超える焼結
（緻密化）を行うと、傾斜複合材１０の生産効率が低下
する。

【００５７】二次焼結工程Ｓ８における非酸化物セラミ
ックス粒子の粒成長は、上記した触媒によって促進され
る。そして、上記したように、触媒の濃度は、多孔質焼
結体の均質部で最も大きい。このため、均質部に存在す
る非酸化物セラミックス粒子は、内部に存在するものに
比して大きく粒成長するので、金属粒子が内部に多く偏
在するような再配列が起こる。すなわち、均質部ではセ
ラミックスの組成比が高く、内部では金属の組成比が高
い傾斜複合材が得られる。その結果、得られる緻密焼結
体（傾斜複合材１０）においては、低硬度部１４に比し
て均質部１２が高硬度となる。

【００５８】しかも、第２の含浸工程Ｓ５で金属アルコ
キシドを使用した場合、多孔質焼結体の内部にも触媒が
高濃度で滞留している。このため、この内部においても
非酸化物セラミックス粒子の粒成長が促進され、その結
果、得られる傾斜複合材１０においては、硬度が略均一
な領域、すなわち、均質部１２の肉厚が大きくなる。

【００５９】さらに、この場合、多孔質焼結体の表面に
ホウ素化合物からなるコーティング膜を形成しているの
で、このコーティング膜によっても非酸化物セラミック
ス粒子の粒成長が促進される。このため、傾斜複合材１
０の硬度が一層向上する。

【００６０】このように、本実施の形態に係る傾斜複合
材の製造方法によれば、触媒含有溶液を多孔質焼結体に
含浸して一旦乾燥した後に触媒含有有機溶液を該多孔質
焼結体に含浸し、次いで二次焼結工程Ｓ８を行うことに
より、硬度が略均一な領域の肉厚が大きい傾斜複合材を
得ることができる。

【００６１】また、上記から諒解されるように、本実施
の形態に係る傾斜複合材の製造方法によれば、成形体の
形状が緻密焼結体（傾斜複合材）の形状に対応する。し
たがって、成形体を所定の形状とすることにより、傾斜
複合材を所望の形状とすることができる。

【００６２】

【実施例】１．傾斜複合材の製造［実施例１〜３、比較例１］平均粒径１μｍの炭化タン
グステン（ＷＣ）粒子を９０重量％、平均粒径１．４μ
ｍのコバルト（Ｃｏ）粒子１０重量％を、ヘキサンを用
いて湿式混合して混合粉末とした。次いで、この混合粉
末を、静水圧加圧成形法において１５０ＭＰａの加圧力
で円柱状に成形した。このようにして得られた円柱状成
形体を、加熱炉内を真空引きしながら１２７０Ｋで３０
分間保持することにより多孔質焼結体とした。

【００６３】次いで、この多孔質焼結体を濃度１０％の
硝酸ニッケル水溶液、硝酸ニッケルエタノール溶液、硝
酸マンガン水溶液に３分間浸漬することにより、多孔質
焼結体の内部にＮｉイオンを分散させた。さらに、多孔
質焼結体を３５０Ｋで１時間保持することにより乾燥し
た。

【００６４】そして、この多孔質焼結体をチタニウムイ
ソプロポキシド中に浸漬することにより、該多孔質焼結
体の内部にチタニウムイソプロポキシドを含浸させた。
含浸前後における重量差は３．５ｇであった。その後、
この多孔質焼結体を３５０Ｋで１時間保持することによ
り乾燥した。

【００６５】次いで、ｈ−ＢＮがキシレンに分散された
溶液を多孔質焼結体の表面にスプレー塗布した。そし
て、室温にて放置してキシレンを揮散除去することによ
りｈ−ＢＮのコーティング膜を形成した。

【００６６】次いで、多孔質焼結体を焼結して、直径２
０ｍｍ、長さ４０ｍｍの円柱状の緻密焼結体とした。こ
れらを実施例１〜３とする。なお、加熱炉が室温から１
６５０Ｋに到達するまでは昇温速度を１０Ｋ／分とし、
かつ窒素雰囲気下で圧力を５Ｐａとした。その後、１７
００Ｋで１．５時間保持することにより焼結を進行させ
た。この際、加熱炉内の圧力が０．１５ＭＰａとなるよ
うに窒素を流通した。

【００６７】これらの緻密焼結体を、図２に示すように
直径に沿って切断して該切断面を鏡面研磨仕上げした
後、一方の底面から内部へと長さ方向に沿ってビッカー
ス硬度を測定した。結果を図４にまとめて示す。この図
４から、得られた緻密焼結体には、ビッカース硬度が略
均一な領域（均質部）が１２〜１４ｍｍに亘って存在す
ることと、該均質部からさらに内部に指向するにしたが
ってビッカース硬度が低下していくことが明らかであ
る。すなわち、得られた各緻密焼結体は、硬度が略均一
な均質部を有し、かつ該均質部から内部に指向して硬度
が低下する傾斜複合材である。

【００６８】なお、各緻密焼結体の切断面を長さ方向に
沿って電子顕微鏡にて観察したところ、均質部に存在す
るセラミックス粒子が内部に比して大きく粒成長してい
ることが認められた。

【００６９】一方、比較のために、ＷＣとＣｏとを上記
割合で混合して円柱状の成形体とした後、該成形体を上
記のパターンで焼結して直径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍの
円柱状の焼結体とした。これを比較例１とする。この焼
結体についても上記と同様に切断面の長さ方向に沿って
ビッカース硬度を測定したところ、いずれの箇所におい
ても１３２５〜１３５０程度であった。すなわち、上記
の緻密焼結体（傾斜複合材）に比してビッカース硬度が
著しく低く、また、均質部から内部に指向して硬度が低
下することも認められなかった。

【００７０】［実施例４〜６、比較例２］最終寸法を直
径３０ｍｍ、長さ５０ｍｍとしたことを除いては実施例
１〜３に準拠して緻密焼結体を作製した。これらをそれ
ぞれ実施例４〜６とする。また、チタニウムイソプロポ
キシドに含浸する工程（第２の含浸工程Ｓ５）およびそ
の後の乾燥工程（第２の乾燥工程Ｓ６）を行わなかった
ことを除いては実施例４に準拠して緻密焼結体を作製し
た。これを比較例２とする。

【００７１】これら実施例４〜６および比較例２の緻密
焼結体のビッカース硬度を上記と同様にして測定した。
結果を図５にまとめて示す。図５から、実施例４〜６の
緻密焼結体には肉厚が１５ｍｍ程度の均質部が存在する
こと、一方、比較例２の緻密焼結体は、表面から内部に
指向してビッカース硬度が低下はするものの、ビッカー
ス硬度が略均一な領域が存在しないことが諒解される。
このことから、含浸工程を一度しか行わない場合には、
緻密焼結体の表面の硬度を向上させることはできるが、
硬度が略均一な領域を設けることは困難であるというこ
とがいえる。

【００７２】２．均質部の肉厚の制御ビッカース硬度が略均一な領域（均質部）の肉厚が制御
可能であるか否かを調べるため、硝酸ニッケル水溶液お
よびチタニウムイソプロポキシドの濃度を種々変化させ
て７０ｍｍ×７０ｍｍ×７０ｍｍの緻密焼結体を作製し
た。なお、多孔質焼結体とする際の温度と時間を１１７
３Ｋ、３０分間としたことを除き、その他の条件は実施
例１〜３と同様とした。チタニウムイソプロポキシドの
希釈には有機溶媒を使用した。

【００７３】そして、緻密焼結体を中央部で切断して該
切断面を鏡面研磨仕上げした後、一端面から中心部に指
向してビッカース硬度を測定した。硝酸ニッケル水溶液
およびチタニウムイソプロポキシドの濃度と、ビッカー
ス硬度が略均一であった領域の肉厚との関係を図６に一
括して示す。この図６から、硝酸ニッケル水溶液および
チタニウムイソプロポキシドの濃度を種々変化させるこ
とにより均質部の肉厚を制御することができることが明
らかである。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る傾斜
複合材によれば、均質部は、硬度が高くかつ略均一で、
しかも、その肉厚が大きい。このため、該均質部に対し
て研削加工等を施すような場合であっても、最終製品に
高硬度な領域を残留させることができるという効果が達
成される。

【００７５】また、本発明に係る傾斜複合材の製造方法
によれば、触媒含有溶液を多孔質焼結体に含浸して一旦
乾燥した後に触媒含有有機溶液を該多孔質焼結体に含浸
し、次いで該多孔質焼結体を焼結して緻密化するように
している。このため、多孔質焼結体の均質部に存在する
セラミックス粒子が内部に存在するものに比して非酸化
物セラミックス粒子の粒成長が促進されるので、内部に
比して硬度が高くかつ肉厚が大きい均質部を有する傾斜
複合材を得ることができるという効果が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に係る傾斜複合材の全体概略斜視
図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。

【図３】本実施の形態に係る傾斜複合材の製造方法のフ
ローチャートである。

【図４】実施例１〜３の傾斜複合材における表面から内
部に亘るビッカース硬度を示すグラフである。

【図５】実施例４〜６および比較例２の傾斜複合材にお
ける表面から内部に亘るビッカース硬度を示すグラフで
ある。

【図６】実施例７において、硝酸ニッケル水溶液および
チタニウムイソプロポキシドの濃度と、得られた傾斜複
合材における硬度が略均一な領域の肉厚との関係を示す
図表である。

【符号の説明】

１０…傾斜複合材１２…均質部１４…低硬度部

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｃ０４Ｂ 41/88 Ｃ２２Ｃ 1/05 ＨＣ２２Ｃ 1/05 29/06 Ａ 29/06 29/10 29/10 29/16 Ｈ 29/16 ＪＣ０４Ｂ 35/56 ＧＳＵＦターム(参考） 4G001 BA24 BA25 BA26 BA35 BA37 BA38 BA39 BA76 BB24 BB25 BB26 BB35 BB37 BB38 BB39 BB61 BB63 BC13 BC23 BC54 BC71 BC72 BD11 BD18 BE15 BE32 4K018 AA40 AB02 AB03 AB04 AC01 AC04 BA04 BA14 BA20 BC12 DA03 FA12 FA14 FA22 FA24 FA44 FA45 KA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非酸化物セラミックスと金属とを含有し、
ビッカース硬度の最大値と最小値との差が２０以内であ
る均質部を表面側に有するとともに前記均質部から内部
に指向して硬度が低下する傾斜複合材であって、前記均質部の肉厚が当該傾斜複合材の肉厚の１５〜７０
％を占めることを特徴とする傾斜複合材。
【請求項２】請求項１記載の傾斜複合材において、前記
低硬度部のビッカース硬度の最小値と前記均質部のビッ
カース硬度の平均値との差が５０以上であることを特徴
とする傾斜複合材。
【請求項３】請求項１または２記載の傾斜複合材におい
て、前記非酸化物セラミックスがＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｎｂ
Ｎ、ＮｂＣ、ＴａＮ、ＴａＣ、ＷＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣお
よびＡｌＣの群から選択された少なくとも１つであると
とともに、前記金属がＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏおよびこれらの
２種以上からなる合金の群から選択された少なくとも１
つであり、かつ金属の組成比が５〜１５重量％であるこ
とを特徴とする傾斜複合材。
【請求項４】非酸化物セラミックスと金属とを含有し、
ビッカース硬度の最大値と最小値との差が２０以内であ
りかつ肉厚が当該傾斜複合材の肉厚の１５〜７０％を占
める均質部を有するとともに前記均質部から内部に指向
して硬度が低下する傾斜複合材の製造方法であって、非酸化物セラミックス粒子と金属粒子とが混合されてな
る混合粉末を成形して成形体とする成形工程と、前記成形体を焼結して多孔質焼結体とする一次焼結工程
と、前記多孔質焼結体の内部に触媒含有溶液を含浸する第１
の含浸工程と、前記多孔質焼結体の内部に含浸された触媒含有溶液を乾
燥する第１の乾燥工程と、前記多孔質焼結体の内部に触媒含有有機溶液を含浸する
第２の含浸工程と、前記多孔質焼結体の内部に含浸された触媒含有有機溶液
を乾燥する第２の乾燥工程と、前記多孔質焼結体を再焼結して傾斜複合材とする二次焼
結工程と、を有することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。
【請求項５】請求項４記載の製造方法において、前記触
媒含有有機溶液として金属アルコキシドを用いることを
特徴とする傾斜複合材の製造方法。
【請求項６】請求項４または５記載の製造方法におい
て、前記成形工程で、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＮｂＮ、Ｎｂ
Ｃ、ＴａＮ、ＴａＣ、ＷＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣおよびＡｌ
Ｃの群から選択された少なくとも１つの非酸化物セラミ
ックス粒子と、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏおよびこれらの２種以
上からなる合金の群から選択された少なくとも１つの金
属粒子とを含有するとともに金属の組成比が５〜１５重
量％である混合粉末を成形して成形体とし、かつ前記第１の含浸工程および前記第２の含浸工程で、
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒまたはＡｌ
を触媒として含有する触媒含有溶液および触媒含有有機
溶液をそれぞれ使用することを特徴とする傾斜複合材の
製造方法。
【請求項７】請求項４〜６のいずれか１項に記載の製造
方法において、前記第２の乾燥工程の後に、多孔質焼結
体の表面にホウ素化合物からなるコーティング膜を形成
する被覆工程を有することを特徴とする傾斜複合材の製
造方法。
【請求項８】請求項７記載の製造方法において、前記ホ
ウ素化合物が六方晶系窒化ホウ素または炭化ホウ素であ
ることを特徴とする傾斜複合材の製造方法。