JP2002322522A - 金属−セラミックス複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複合材料の形状が大型であっても、アルミニ
ウム合金の未浸透部分を生じることのない金属−セラミ
ックス複合材料の製造方法を提供すること。 【解決手段】 強化材であるセラミックス粉末またはセ
ラミックス繊維で穴を有するプリフォームを形成し、そ
の穴にＭｇを含むセラミックス粉末またはセラミックス
繊維からなるスラリーを充填し、それを乾燥した後、そ
のプリフォームにマトリックスである溶融したアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金を窒素雰囲気中で非加圧で
浸透させることとした金属−セラミックス複合材料の製
造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属−セラミック
ス複合材料の製造方法に関し、特に金属の浸透を改善す
ることのできる金属−セラミックス複合材料の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、半導体製造装置等にセラミックス
粉末またはセラミックス繊維を強化材とし、アルミニウ
ムまたはアルミニウム合金をマトリックスとする金属−
セラミックス複合材料が使われ始められている。

【０００３】この複合材料の製造方法、特に金属として
アルミニウムをマトリックスとする複合材料の製造方法
としては、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法等の方
法が従来から知られている。しかし、これらの方法で
は、強化材であるセラミックスの含有率を高くできな
い、あるいは大型の加圧装置が必要である、もしくはニ
アネットの成形が困難である、コストが極めて高いなど
の理由によりいずれも満足できるものではなかった。

【０００４】そこで最近では、上記問題を解決する製造
方法として、米国ランクサイド社が開発した非加圧金属
浸透法（Ｐｒｉｍｅｘ^TM）がある。この方法は、ＳｉＣ
やＡｌ₂Ｏ₃などのセラミックス粉末で形成されたプリフ
ォームにＭｇを含むアルミニウム合金を接触させ、これ
をＮ₂雰囲気炉中で７００〜９００℃の温度に加熱して
溶融したアルミニウム合金を浸透させる方法である。こ
れは、Ｍｇの化学反応を利用してセラミックス粉末と溶
融金属との濡れ性を改善し、機械的な加圧を行わなくて
もプリフォーム中に浸透できるという特徴があるので、
加圧装置が不要な優れた方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法では、複合材料の形状が大きくなるとアルミニウム合
金の浸透が全体に行き渡らず不十分となり、アルミニウ
ム合金の未浸透部分が生じるという問題があった。

【０００６】本発明は、上述した金属−セラミックス複
合材料の製造方法が有する課題に鑑みなされたものであ
って、その目的は、複合材料の形状が大型であっても、
アルミニウム合金の未浸透部分を生じることのない金属
−セラミックス複合材料の製造方法を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、プリフォームを穴を
有するプリフォームとし、その穴にＭｇを含むセラミッ
クス粉末またはセラミックス繊維を充填したプリフォー
ムにアルミニウムまたはアルミニウム合金を浸透させれ
ば、複合材料の形状が大型であっても、アルミニウム合
金の未浸透部分を生じることのない複合材料が得られる
との知見を得て本発明を完成するに至った。

【０００８】即ち、本発明は、（１）強化材であるセラ
ミックス粉末またはセラミックス繊維で穴を有するプリ
フォームを形成し、その穴にＭｇを含むセラミックス粉
末またはセラミックス繊維からなるスラリーを充填し、
それを乾燥した後、そのプリフォームにマトリックスで
ある溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を窒
素雰囲気中で非加圧で浸透させることを特徴とする金属
−セラミックス複合材料の製造方法（請求項１）とし、
（２）前記セラミックスが窒化アルミニウムまたはアル
ミナであり、前記穴の大きさが直径で５〜１５ｍｍであ
り、穴の間隔が２０〜４０ｍｍであり、かつ縁部の穴の
位置が縁部より２０ｍｍ以内にあることを特徴とする請
求項１記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法
（請求項２）とし、（３）前記セラミックスが炭化けい
素であり、前記穴の大きさが直径で５〜１５ｍｍであ
り、穴の間隔が５０〜１００ｍｍであり、かつ縁部の穴
の位置が縁部より３０ｍｍ以内にあることを特徴とする
請求項１記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法
（請求項３）とすることを要旨とする。以下さらに詳細
に説明する。

【０００９】上記で述べたように、本発明の複合材料の
製造方法として、先ず穴を有するプリフォームを形成
し、その穴にＭｇを含むセラミックス粉末またはセラミ
ックス繊維からなるスラリーを充填し、それを乾燥する
ことにより、プリフォーム中に浸透促進剤であるＭｇを
含むセラミックス粉末またはセラミックス繊維が充填さ
れた部分が形成されるため、そのＭｇを含む部分が起点
となって浸透してきたアルミニウムまたはアルミニウム
合金をさらに四方に浸透させることができるので、未浸
透部分を生じることなくアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金を浸透させることのできる製造方法となる。

【００１０】そのプリフォームに設ける穴については、
窒化アルミニウムまたはアルミナの場合には、穴の径に
ついては５〜１５ｍｍとし、穴の間隔については２０〜
４０ｍｍとし、縁部の穴の位置については縁部より２０
ｍｍ以内にあることとした。穴の大きさは直径で５ｍｍ
より小さいと浸透効果が小さく、１５ｍｍより大きいと
ヤング率、強度が低下して好ましくない。穴の間隔につ
いては２０ｍｍより狭いとプリフォームの強度が低下し
取り扱い難くなり、また、Ｍｇの雰囲気（濃度）が高く
なり、浸透に悪影響を与えるので好ましくなく、４０ｍ
ｍより離れると浸透効果が小さい。縁部の穴の位置につ
いては縁部より２０ｍｍより離れると浸透効果が小さ
い。

【００１１】一方、炭化けい素の場合には、穴の大きさ
については窒化アルミニウムまたはアルミナと同じでよ
く、穴の間隔については窒化アルミニウムまたはアルミ
ナより離れてもよいことから５０ｍｍ以上でよいが、１
００ｍｍより離れすぎると浸透効果か小さい。縁部の穴
の位置については縁部より３０ｍｍ離れると浸透効果が
小さい。なお、穴の深さについては、プリフォームの大
きさにもよるが、プリフォームの厚さの１／２〜１／３
程度でよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の複合材料の製造方法をさ
らに詳しく述べると、先ず強化材であるセラミックス粉
末またはセラミックス繊維としてＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａ
ｌＮなどのセラミックス粉末またはセラミックス繊維を
用意し、これに浸透させるアルミニウム合金としてＭｇ
を含むアルミニウム合金のインゴットも用意する。そし
て、浸透促進剤であるＭｇ粉末も用意する。

【００１３】用意したセラミックス粉末またはセラミッ
クス繊維で穴を有するプリフォームを形成する。穴を有
するプリフォームを形成するのは、あらかじめ穴を有す
るプリフォームを形成してもよいし、形成したプリフォ
ームに機械加工により穴を設けてもよい。

【００１４】得られたプリフォームの穴にＭｇ粉末を含
むセラミックス粉末またはセラミックス繊維からなるス
ラリーを充填し、乾燥する。この場合、Ｍｇ粉末は水と
反応するので、溶媒はアルコールなどを用いる必要があ
る。セラミックスの種類はプリフォームと同じにした方
が望ましい。

【００１５】得られたプリフォームにアルミニウム合金
のインゴットを接触させ、それを窒素雰囲気中で７００
〜９００℃の温度で熱処理し、溶融したアルミニウム合
金を非加圧で浸透させ、冷却して複合材料を作製する。

【００１６】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
を作製すれば、複合材料の形状が大型であっても、アル
ミニウム合金が未浸透部分を生じることなく浸透させる
ことのできる複合材料が得られる。

【００１７】

【実施例】以下本発明の実施例を比較例と共に具体的に
挙げ、本発明をより詳細に説明する。

【００１８】（実施例１） （１）金属−セラミックス複合材料の作製 強化材として＃８００（平均粒径１５μｍ）の市販Ａｌ
Ｎ粉末７０質量部と＃１８０（平均粒径６０μｍ）の市
販ＡｌＮ粉末３０質量部を用い、それにバインダーとし
てコロイダルシリカ液をシリカ固形分が２重量部となる
量を添加し、それにさらに消泡剤としてフォーマスタＶ
Ｌ（サンノブコ社製）を０．２重量部、イオン交換水を
２４重量部加え、ポットミルで１２時間混合した。

【００１９】得られたスラリーをφ１０×深さ５０ｍｍ
の穴を３０ｍｍの間隔で２２５個有する５００×５００
×１００ｍｍの成形体が得られるゴム型に流し込み、そ
れを２４時間静置し、ＡｌＮ粉末を沈殿させ、上済み液
を布などで除去した後、それを冷凍室に入れ、３０時間
冷凍させて脱型した。得られた成形体を１０００℃の温
度で焼成してＡｌＮ粉末からなるプリフォームを形成し
た。

【００２０】得られたプリフォームの穴にＭｇ粉末（山
石金属社製、＃１００）を３重量部加えた先のＡｌＮ粉
末を市販のイソプロピルアルコールに分散させたスラリ
ーを充填し、それを乾燥した。得られたプリフォームに
Ａｌ−３Ｍｇ組成のアルミニウム合金のインゴットを接
触させ、それを窒素雰囲気中で８２５℃の温度で２４時
間熱処理し、溶融したアルミニウム合金を非加圧浸透さ
せた後、冷却して複合材料を作製した。

【００２１】（２）評価 得られた複合材料を切断し、その切断面のアルミニウム
合金の浸透状態を目視で調べた。その結果、アルミニウ
ム合金の未浸透部分は認められず、アルミニウム合金が
問題なく浸透されたことが確認された。

【００２２】（実施例２）強化材として＃３２０（平均
粒径８０μｍ）の市販Ａｌ₂Ｏ₃粉末７０質量部と＃５０
０（平均粒径６６μｍ）の市販Ａｌ₂Ｏ₃粉末３０質量部
を用いた他は実施例１と同様に複合材料を作製し、評価
した。その結果、アルミニウム合金の未浸透部分は認め
られず、アルミニウム合金が問題なく浸透されたことが
確認された。

【００２３】（実施例３）強化材として＃１８０（平均
粒径６６μｍ）の市販ＳｉＣ粉末７０質量部と＃５００
（平均粒径２５μｍ）の市販ＳｉＣ粉末３０質量部を用
い、穴の間隔を５０ｍｍとし、その穴の個数を１００個
とした他は実施例１と同様に複合材料を作製し、評価し
た。その結果、アルミニウム合金の未浸透部分は認めら
れず、アルミニウム合金が問題なく浸透されたことが確
認された。このことは、実施例１、２を含めて述べる
と、本発明の複合材料の製造方法であれば、形状が大型
であっても、アルミニウム合金を未浸透部分を生じるこ
となく浸透させることができることを示している。

【００２４】（比較例１）比較のために比較例１では、
実施例１のプリフォームを穴を有さないプリフォームと
した（すなわちＭｇ粉末を含む部分はない）他は実施例
１と同様に複合材料を作製し、評価した。その結果、ア
ルミニウム合金の未浸透部分がいくつか認められた。

【００２５】（比較例２）比較のために比較例２では、
実施例２のプリフォームを穴を有さないプリフォームと
した（すなわちＭｇ粉末を含む部分はない）他は実施例
１と同様に複合材料を作製し、評価した。その結果、ア
ルミニウム合金の未浸透部分がいくつか認められた。

【００２６】（比較例３）比較のために比較例３では、
実施例３のプリフォームを穴を有さないプリフォームと
した（すなわちＭｇ粉末を含む部分はない）他は実施例
１と同様に複合材料を作製し、評価した。その結果、ア
ルミニウム合金の未浸透部分がいくつか認められた。

【００２７】

【発明の効果】以上の通り、本発明の金属−セラミック
ス複合材料の製造方法であれば、複合材料の形状が大型
であっても、アルミニウム合金の未浸透部分を生じるこ
とのない金属−セラミックス複合材料の製造方法とする
ことができるようになった。このことにより、金属の未
含浸部分の発生を防止することができるので、不良品の
発生を大幅に減少させることができるようになった。

───────────────────────────────────────────────────── 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 101:16 Ｃ２２Ｃ 101:16 (72)発明者 小田野 直水 宮城県仙台市泉区明通３−７ セランクス 株式会社仙台工場 (72)発明者 樋口 毅 宮城県仙台市泉区明通３−７ セランクス 株式会社仙台工場 Ｆターム(参考） 4K020 AA05 AA06 AA08 AA22 AC01 BA05 BB02 BB22

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強化材であるセラミックス粉末またはセ
   ラミックス繊維で穴を有するプリフォームを形成し、そ
   の穴にＭｇを含むセラミックス粉末またはセラミックス
   繊維からなるスラリーを充填し、それを乾燥した後、そ
   のプリフォームにマトリックスである溶融したアルミニ
   ウムまたはアルミニウム合金を窒素雰囲気中で非加圧で
   浸透させることを特徴とする金属−セラミックス複合材
   料の製造方法。
2. 【請求項２】 前記セラミックスが窒化アルミニウムま
   たはアルミナであり、前記穴の大きさが直径で５〜１５
   ｍｍであり、穴の間隔が２０〜４０ｍｍであり、かつ縁
   部の穴の位置が縁部より２０ｍｍ以内にあることを特徴
   とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材料の製
   造方法。
3. 【請求項３】 前記セラミックスが炭化けい素であり、
   前記穴の大きさが直径で５〜１５ｍｍであり、穴の間隔
   が５０〜１００ｍｍであり、かつ縁部の穴の位置が縁部
   より３０ｍｍ以内にあることを特徴とする請求項１記載
   の金属−セラミックス複合材料の製造方法。