JP2003089840A - Ａｌ２Ｏ３−金属系複合材料およびその製造方法 - Google Patents
Ａｌ２Ｏ３−金属系複合材料およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 複雑な形状の製品であっても容易に加工する
ことができ、しかも、１０００℃以上の高温において
も、高強度かつ高靭性であるＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料
を提供する。また、このような複合材料を、任意の組成
で、均質かつ容易に得ることができる製造方法を提供す
る。 【解決手段】 ＳｉＯ2を主成分とするガラス成形体を
ＡｌまたはＡｌ合金の融体と反応させて、網目構造のＡ
ｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合材を得る工程と、前記工
程により得られた網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスを含
む複合材を、Ａｌ基合金融体中に１回または複数回浸漬
させる工程とを含む製造方法を用いて、網目構造のＡｌ
2Ｏ3マトリックスの空隙に、Ｓｉを含むＡｌ基合金が、
密に充填していることを特徴とするＡｌ2Ｏ3−金属系複
合材料を得る。
ことができ、しかも、１０００℃以上の高温において
も、高強度かつ高靭性であるＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料
を提供する。また、このような複合材料を、任意の組成
で、均質かつ容易に得ることができる製造方法を提供す
る。 【解決手段】 ＳｉＯ2を主成分とするガラス成形体を
ＡｌまたはＡｌ合金の融体と反応させて、網目構造のＡ
ｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合材を得る工程と、前記工
程により得られた網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスを含
む複合材を、Ａｌ基合金融体中に１回または複数回浸漬
させる工程とを含む製造方法を用いて、網目構造のＡｌ
2Ｏ3マトリックスの空隙に、Ｓｉを含むＡｌ基合金が、
密に充填していることを特徴とするＡｌ2Ｏ3−金属系複
合材料を得る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ａｌ2Ｏ3−金属系
複合材料およびその製造方法に関し、より詳細には、Ａ
ｌを含む金属間化合物および網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリ
ックスからなるＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料およびその製
造方法に関する。
複合材料およびその製造方法に関し、より詳細には、Ａ
ｌを含む金属間化合物および網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリ
ックスからなるＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料およびその製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ａｌ2Ｏ3セラミックスは、硬度、機械的
強度、耐熱性、化学的安定性等に優れていることから、
耐熱材料、構造用材料、研削・研磨材等の各種用途に幅
広く使用されている代表的な工業用セラミックスであ
る。その反面、硬度が高いため、加工性に劣り、また、
焼成温度が１５００〜１９００℃と高いため、複雑な形
状の製品を高精度で成形加工することが困難であるとい
う欠点を有している。
強度、耐熱性、化学的安定性等に優れていることから、
耐熱材料、構造用材料、研削・研磨材等の各種用途に幅
広く使用されている代表的な工業用セラミックスであ
る。その反面、硬度が高いため、加工性に劣り、また、
焼成温度が１５００〜１９００℃と高いため、複雑な形
状の製品を高精度で成形加工することが困難であるとい
う欠点を有している。
【０００３】一方、ＳｉＯ2を主成分とするガラスは、
熱膨張係数が小さく、耐食性に優れているという長所を
有しており、また、硬度も比較的低いため、複雑な形状
の製品であっても、比較的容易に成形加工することがで
きる。
熱膨張係数が小さく、耐食性に優れているという長所を
有しており、また、硬度も比較的低いため、複雑な形状
の製品であっても、比較的容易に成形加工することがで
きる。
【０００４】上記のようなＡｌ2Ｏ3セラミックスとＳｉ
Ｏ2の特性に鑑みて、特公平６−５７８５９号公報に、
Ａｌ2Ｏ3−Ａｌ−Ｓｉ系複合材料が提案されている。ま
た、このＡｌ2Ｏ3−Ａｌ−Ｓｉ系複合材料の製造方法と
して、特公平６−５７８６０号公報および特公平７−９
６６９３号公報に、いわゆる一段融体浸漬反応法、すな
わち、ガラス成形体を高純度のＡｌ融体中に浸漬し、Ａ
ｌとＳｉＯ2とを反応させることにより、そのガラス成
形体と同形状であるＡｌ2Ｏ3−Ａｌ−Ｓｉ系複合材料を
製造する方法が提案されている。
Ｏ2の特性に鑑みて、特公平６−５７８５９号公報に、
Ａｌ2Ｏ3−Ａｌ−Ｓｉ系複合材料が提案されている。ま
た、このＡｌ2Ｏ3−Ａｌ−Ｓｉ系複合材料の製造方法と
して、特公平６−５７８６０号公報および特公平７−９
６６９３号公報に、いわゆる一段融体浸漬反応法、すな
わち、ガラス成形体を高純度のＡｌ融体中に浸漬し、Ａ
ｌとＳｉＯ2とを反応させることにより、そのガラス成
形体と同形状であるＡｌ2Ｏ3−Ａｌ−Ｓｉ系複合材料を
製造する方法が提案されている。
【０００５】上記製造方法によれば、原料とするＳｉＯ
2を、その成形体の形状、寸法とほぼ同一のＡｌ2Ｏ3−
Ａｌ−Ｓｉ系複合材料に変換することができる。このた
め、加工性に優れたＳｉＯ2を原料として、所定の形状
に適宜成形加工を行うことにより、複雑な形状であって
も、前記複合材料を容易に得ることが可能であり、この
ような複合材料は、複雑な形状の構造材、各種機械部品
として好適である。
2を、その成形体の形状、寸法とほぼ同一のＡｌ2Ｏ3−
Ａｌ−Ｓｉ系複合材料に変換することができる。このた
め、加工性に優れたＳｉＯ2を原料として、所定の形状
に適宜成形加工を行うことにより、複雑な形状であって
も、前記複合材料を容易に得ることが可能であり、この
ような複合材料は、複雑な形状の構造材、各種機械部品
として好適である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記製
造方法により得られるＡｌ2Ｏ3−Ａｌ−Ｓｉ複合材料
は、Ａｌ2Ｏ3相およびＳｉを含む金属相（Ａｌ相）によ
り構成され、そのＡｌ相中に固溶しているＳｉは、数ａ
ｔ％と少量である。このため、前記複合材料を加熱する
と、圧縮強度は、複合材料の金属相を構成するＡｌの融
点（６６０℃）に近づく４００℃以上で急激に低下して
しまう。したがって、高温環境で使用される各種機械部
品、エンジン部材等としても十分に耐え得るものとする
ためには、Ａｌ2Ｏ3−Ａｌ−Ｓｉ複合材料の高温強度の
向上を図ることが要求される。
造方法により得られるＡｌ2Ｏ3−Ａｌ−Ｓｉ複合材料
は、Ａｌ2Ｏ3相およびＳｉを含む金属相（Ａｌ相）によ
り構成され、そのＡｌ相中に固溶しているＳｉは、数ａ
ｔ％と少量である。このため、前記複合材料を加熱する
と、圧縮強度は、複合材料の金属相を構成するＡｌの融
点（６６０℃）に近づく４００℃以上で急激に低下して
しまう。したがって、高温環境で使用される各種機械部
品、エンジン部材等としても十分に耐え得るものとする
ためには、Ａｌ2Ｏ3−Ａｌ−Ｓｉ複合材料の高温強度の
向上を図ることが要求される。
【０００７】上記課題に対しては、金属相の合金化によ
る改良方法が種々検討されている。その１つの方法とし
て、ＳｉＯ2をＡｌに対する合金成分の割合が低い合金
Ａｌの融体と反応させる、いわゆるＳｉＯ2と低合金Ａ
ｌとの一段融体浸漬反応方法によって、Ａｌ2Ｏ3−低合
金Ａｌ複合材料を製造する方法を検討した。しかしなが
ら、この方法によっても、Ａｌ相中に固溶している合金
成分元素の量は数ａｔ％程度と少量であり、圧縮強度は
５００℃以上で低下してしまう。
る改良方法が種々検討されている。その１つの方法とし
て、ＳｉＯ2をＡｌに対する合金成分の割合が低い合金
Ａｌの融体と反応させる、いわゆるＳｉＯ2と低合金Ａ
ｌとの一段融体浸漬反応方法によって、Ａｌ2Ｏ3−低合
金Ａｌ複合材料を製造する方法を検討した。しかしなが
ら、この方法によっても、Ａｌ相中に固溶している合金
成分元素の量は数ａｔ％程度と少量であり、圧縮強度は
５００℃以上で低下してしまう。
【０００８】これに対して、金属間化合物は、高融点で
あり、低合金Ａｌよりも高温まで、強度を維持すること
ができる。しかしながら、例えば、粉末冶金法によるＦ
ｅＡｌ金属間化合物を主成分とする合金や一方向凝固法
による多結晶ＦｅＡｌでは、約９００℃以上で、引張強
度が１００ＭＰａ以下に低下してしまう。また、単結晶
ＦｅＡｌ単相の圧縮強度も、６００℃付近で最大値を示
した後、約８００℃以上で、１００ＭＰａ以下に低下し
てしまう。したがって、金属間化合物単独では、１００
０℃以上の高温においても、圧縮強度が２００ＭＰａ以
上である合金材料を得ることは困難であった。
あり、低合金Ａｌよりも高温まで、強度を維持すること
ができる。しかしながら、例えば、粉末冶金法によるＦ
ｅＡｌ金属間化合物を主成分とする合金や一方向凝固法
による多結晶ＦｅＡｌでは、約９００℃以上で、引張強
度が１００ＭＰａ以下に低下してしまう。また、単結晶
ＦｅＡｌ単相の圧縮強度も、６００℃付近で最大値を示
した後、約８００℃以上で、１００ＭＰａ以下に低下し
てしまう。したがって、金属間化合物単独では、１００
０℃以上の高温においても、圧縮強度が２００ＭＰａ以
上である合金材料を得ることは困難であった。
【０００９】そこで、Ａｌ2Ｏ3と金属間化合物との複合
材料により、高温強度の向上を図ることを検討した。そ
の方法としては、金属相を、高融点の金属間化合物によ
って形成させることを意図して、ＳｉＯ2をＡｌに対す
る合金成分の割合が高い合金Ａｌの融体と反応させる、
いわゆるＳｉＯ2と高合金Ａｌ融体との一段融体浸漬反
応方法を試みた。しかしながら、この方法では、ガラス
成形体（ＳｉＯ2）の表面近傍にＡｌ2Ｏ 3の緻密層が形
成され、この緻密層が障壁となって、Ａｌ融体と内部の
ＳｉＯ2との反応が妨げられ、全体が網目構造であるＡ
ｌ2Ｏ3マトリックスを得ることが困難であった。したが
って、この方法では、目的とする高強度、高靭性の複合
材料を得ることは困難であった。
材料により、高温強度の向上を図ることを検討した。そ
の方法としては、金属相を、高融点の金属間化合物によ
って形成させることを意図して、ＳｉＯ2をＡｌに対す
る合金成分の割合が高い合金Ａｌの融体と反応させる、
いわゆるＳｉＯ2と高合金Ａｌ融体との一段融体浸漬反
応方法を試みた。しかしながら、この方法では、ガラス
成形体（ＳｉＯ2）の表面近傍にＡｌ2Ｏ 3の緻密層が形
成され、この緻密層が障壁となって、Ａｌ融体と内部の
ＳｉＯ2との反応が妨げられ、全体が網目構造であるＡ
ｌ2Ｏ3マトリックスを得ることが困難であった。したが
って、この方法では、目的とする高強度、高靭性の複合
材料を得ることは困難であった。
【００１０】本発明は、上記技術的課題を解決するため
になされたものであり、複雑な形状の製品であっても容
易に加工することができ、しかも、１０００℃以上の高
温においても、高強度かつ高靭性であるＡｌ2Ｏ3−金属
系複合材料を提供することを目的とするものである。
になされたものであり、複雑な形状の製品であっても容
易に加工することができ、しかも、１０００℃以上の高
温においても、高強度かつ高靭性であるＡｌ2Ｏ3−金属
系複合材料を提供することを目的とするものである。
【００１１】また、本発明は、上記のような高温強度特
性に優れたＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料を、任意の組成
で、均質かつ容易に得ることができるＡｌ2Ｏ3−金属系
複合材料の製造方法を提供することも目的とする。
性に優れたＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料を、任意の組成
で、均質かつ容易に得ることができるＡｌ2Ｏ3−金属系
複合材料の製造方法を提供することも目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明に係るＡｌ2Ｏ3−
金属系複合材料は、網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスの
空隙に、Ｓｉを含むＡｌ基合金が、密に充填しているこ
とを特徴とする。このような構造からなる複合材料は、
Ａｌ2Ｏ3セラミックスの耐熱性と、金属の加工容易性を
備え、しかも、優れた高温強度特性を有するため、種々
の機械部品等に好適である。
金属系複合材料は、網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスの
空隙に、Ｓｉを含むＡｌ基合金が、密に充填しているこ
とを特徴とする。このような構造からなる複合材料は、
Ａｌ2Ｏ3セラミックスの耐熱性と、金属の加工容易性を
備え、しかも、優れた高温強度特性を有するため、種々
の機械部品等に好適である。
【００１３】前記Ａｌ基合金は、ＡｌおよびＡｌの融点
以上の融点を有する１または複数の金属元素を成分とす
る金属間化合物であることが好ましい。金属相を高融点
の金属間化合物とすることにより、高温強度等の特性を
向上させるものである。
以上の融点を有する１または複数の金属元素を成分とす
る金属間化合物であることが好ましい。金属相を高融点
の金属間化合物とすることにより、高温強度等の特性を
向上させるものである。
【００１４】また、前記金属元素は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃ
ｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｎのうちのいずれかであるこ
とが好ましい。これらの金属元素は、Ａｌとの金属間化
合物を構成する金属元素であって、Ａｌよりも高融点で
ある元素のうち、特に好ましいものである。また、これ
らの金属元素によれば、高靭性の金属間化合物が得られ
やすい。
ｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｎのうちのいずれかであるこ
とが好ましい。これらの金属元素は、Ａｌとの金属間化
合物を構成する金属元素であって、Ａｌよりも高融点で
ある元素のうち、特に好ましいものである。また、これ
らの金属元素によれば、高靭性の金属間化合物が得られ
やすい。
【００１５】また、本発明に係るＡｌ2Ｏ3−金属系複合
材料の製造方法は、ＳｉＯ2を主成分とするガラス成形
体をＡｌまたはＡｌ合金の融体と反応させて、網目構造
のＡｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合材を得る工程と、前
記工程により得られた網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックス
を含む複合材を、Ａｌ基合金融体中に１回または複数回
浸漬させる工程とを含むことを特徴とする。この方法に
よれば、複雑な形状の製品の作製が可能であるという一
段融体浸漬反応方法の長所を維持した状態で、複合材料
の強度特性を向上させることが可能である。また、任意
の組成で、均質かつ容易に、前記Ａｌ2Ｏ3−金属系複合
材料を得ることができる。
材料の製造方法は、ＳｉＯ2を主成分とするガラス成形
体をＡｌまたはＡｌ合金の融体と反応させて、網目構造
のＡｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合材を得る工程と、前
記工程により得られた網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックス
を含む複合材を、Ａｌ基合金融体中に１回または複数回
浸漬させる工程とを含むことを特徴とする。この方法に
よれば、複雑な形状の製品の作製が可能であるという一
段融体浸漬反応方法の長所を維持した状態で、複合材料
の強度特性を向上させることが可能である。また、任意
の組成で、均質かつ容易に、前記Ａｌ2Ｏ3−金属系複合
材料を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明について、添付図面
を参照して、より詳細に説明する。本発明に係るＡｌ2
Ｏ3−金属系複合材料は、Ｓｉを含み、Ａｌを一成分と
するＡｌ基合金からなる金属間化合物相と、網目構造を
形成するＡｌ2Ｏ3のマトリックスとからなり、前記マト
リックスの空隙に、前記金属間化合物相が密に充填して
いる構造を特徴とするものである。このような構造から
なる複合材料は、Ａｌ2Ｏ3セラミックスの耐熱性と、金
属の加工容易性を備え、しかも、１０００℃以上におい
ても、圧縮強度が２００ＭＰａ以上と優れた高温強度特
性を有し、かつ、高靭性であるため、種々の機械部品等
に好適である。
を参照して、より詳細に説明する。本発明に係るＡｌ2
Ｏ3−金属系複合材料は、Ｓｉを含み、Ａｌを一成分と
するＡｌ基合金からなる金属間化合物相と、網目構造を
形成するＡｌ2Ｏ3のマトリックスとからなり、前記マト
リックスの空隙に、前記金属間化合物相が密に充填して
いる構造を特徴とするものである。このような構造から
なる複合材料は、Ａｌ2Ｏ3セラミックスの耐熱性と、金
属の加工容易性を備え、しかも、１０００℃以上におい
ても、圧縮強度が２００ＭＰａ以上と優れた高温強度特
性を有し、かつ、高靭性であるため、種々の機械部品等
に好適である。
【００１７】前記複合材料の金属相を構成するＡｌ基合
金は、ＡｌおよびＡｌの融点以上の融点を有する金属元
素、特に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｎ
のうちのいずれか１種または複数を成分とする金属間化
合物であることが好ましい。金属相を、これらの金属元
素とＡｌとの金属間化合物相とすることにより、Ａｌ2
Ｏ3−Ａｌ（またはＡｌ2Ｏ3−低合金Ａｌ）複合材料よ
りも、高温強度特性を向上させることができる。
金は、ＡｌおよびＡｌの融点以上の融点を有する金属元
素、特に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｎ
のうちのいずれか１種または複数を成分とする金属間化
合物であることが好ましい。金属相を、これらの金属元
素とＡｌとの金属間化合物相とすることにより、Ａｌ2
Ｏ3−Ａｌ（またはＡｌ2Ｏ3−低合金Ａｌ）複合材料よ
りも、高温強度特性を向上させることができる。
【００１８】図２に、本発明に係るＡｌ2Ｏ3−金属間化
合物（Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ）複合材料のＡｌ2Ｏ3相／
Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ相界面の高分解能透過型電子顕微
鏡（ＴＥＭ）写真（６０万倍）を示す。図２の写真から
も明らかなように、Ａｌ2Ｏ3相／金属間化合物相間の接
合状態が良好であるため、高温において、金属間化合物
相内で大きな塑性変形が可能になると、Ａｌ2Ｏ3も変形
を余儀なくされる。しかしながら、Ａｌ2Ｏ3自体も、高
温により靭性が若干向上するため、Ａｌ2Ｏ3相は、局所
的な破壊に留まる。このため、Ａｌ2Ｏ3−金属間化合物
複合材料は、１０００℃以上においても、割れを生じに
くく、塑性変形を生じる。
合物（Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ）複合材料のＡｌ2Ｏ3相／
Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ相界面の高分解能透過型電子顕微
鏡（ＴＥＭ）写真（６０万倍）を示す。図２の写真から
も明らかなように、Ａｌ2Ｏ3相／金属間化合物相間の接
合状態が良好であるため、高温において、金属間化合物
相内で大きな塑性変形が可能になると、Ａｌ2Ｏ3も変形
を余儀なくされる。しかしながら、Ａｌ2Ｏ3自体も、高
温により靭性が若干向上するため、Ａｌ2Ｏ3相は、局所
的な破壊に留まる。このため、Ａｌ2Ｏ3−金属間化合物
複合材料は、１０００℃以上においても、割れを生じに
くく、塑性変形を生じる。
【００１９】図１に、１０００℃以上において塑性変形
を生じた本発明に係るＡｌ2Ｏ3−金属間化合物（Ｓｉを
含むＦｅ3Ａｌ）複合材料の破断面の走査型電子顕微鏡
（ＥＭ）真を示す。図１の写真から明らかなように、金
属間化合物による高温強度の向上とともに、マトリック
スとして強度を担保しているＡｌ2Ｏ3相において、局所
破壊を伴う塑性変形が同時に進行するため、優れた靭性
を示す。
を生じた本発明に係るＡｌ2Ｏ3−金属間化合物（Ｓｉを
含むＦｅ3Ａｌ）複合材料の破断面の走査型電子顕微鏡
（ＥＭ）真を示す。図１の写真から明らかなように、金
属間化合物による高温強度の向上とともに、マトリック
スとして強度を担保しているＡｌ2Ｏ3相において、局所
破壊を伴う塑性変形が同時に進行するため、優れた靭性
を示す。
【００２０】上記のような本発明に係るＡｌ2Ｏ3−金属
系複合材料は、ＳｉＯ2を主成分とするガラス成形体を
ＡｌまたはＡｌ合金の融体と反応させて、網目構造のＡ
ｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合材を得る工程と、前記工
程により得られた網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスの複
合材を、Ａｌ基合金融体中に１回または複数回浸漬させ
ることを含むことを特徴とする製造方法により得ること
ができる。この方法によれば、複雑な形状の製品の作製
が可能であるという一段融体浸漬反応方法の長所を維持
した状態で、さらに、Ａｌ基合金と融体浸漬反応させる
ことにより、複合材料の強度特性を向上させることが可
能である。
系複合材料は、ＳｉＯ2を主成分とするガラス成形体を
ＡｌまたはＡｌ合金の融体と反応させて、網目構造のＡ
ｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合材を得る工程と、前記工
程により得られた網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスの複
合材を、Ａｌ基合金融体中に１回または複数回浸漬させ
ることを含むことを特徴とする製造方法により得ること
ができる。この方法によれば、複雑な形状の製品の作製
が可能であるという一段融体浸漬反応方法の長所を維持
した状態で、さらに、Ａｌ基合金と融体浸漬反応させる
ことにより、複合材料の強度特性を向上させることが可
能である。
【００２１】従来の製造方法により得られたＡｌ2Ｏ3−
金属間化合物の複合材料は、Ａｌ2Ｏ3が離散的に分布し
ており、一体のマトリックスを形成しておらず、しか
も、両者の界面密着性が劣っていたり、界面に別種の化
合物が生成され、強度が低下し、材料の高強度化は、必
ずしも十分に図られていなかった。本発明は、多段融体
浸漬反応法により、このような複合材料を、任意の組成
で、均質かつ容易に得ることを可能としたものであり、
また、高強度化を図ることができる。
金属間化合物の複合材料は、Ａｌ2Ｏ3が離散的に分布し
ており、一体のマトリックスを形成しておらず、しか
も、両者の界面密着性が劣っていたり、界面に別種の化
合物が生成され、強度が低下し、材料の高強度化は、必
ずしも十分に図られていなかった。本発明は、多段融体
浸漬反応法により、このような複合材料を、任意の組成
で、均質かつ容易に得ることを可能としたものであり、
また、高強度化を図ることができる。
【００２２】すなわち、まず、ＳｉＯ2を主成分とする
ガラス成形体をＡｌまたはＡｌ合金の融体と反応させ
て、網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合材を得
る第１の工程において、原子レベルで密着したＡｌ2Ｏ3
とＡｌの接合状態が形成される。そして、前記工程によ
り得られた網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合
材を、Ａｌ基合金融体中に１回または複数回浸漬させる
第２の工程において、Ａｌを金属間化合物に置換して
も、その網目構造によって強化材としての役割を担うＡ
ｌ2Ｏ3マトリックスとの間に、原子レベルでの良好な接
合状態が保持される。このように、Ａｌ2Ｏ3相／金属間
化合物相間において良好な接合状態が保持されるのは、
Ａｌ基合金の融体を用いて浸漬反応を行うことにより、
浸漬反応処理時間を数分程度と比較的短時間とすること
ができるため、上述した粉末冶金法や一方向凝固法と比
べて、反応速度論的効果によって、Ａｌ2Ｏ3相／金属間
化合物相界面に、別種の化合物相がほとんど形成されな
いためであると考えられる。
ガラス成形体をＡｌまたはＡｌ合金の融体と反応させ
て、網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合材を得
る第１の工程において、原子レベルで密着したＡｌ2Ｏ3
とＡｌの接合状態が形成される。そして、前記工程によ
り得られた網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合
材を、Ａｌ基合金融体中に１回または複数回浸漬させる
第２の工程において、Ａｌを金属間化合物に置換して
も、その網目構造によって強化材としての役割を担うＡ
ｌ2Ｏ3マトリックスとの間に、原子レベルでの良好な接
合状態が保持される。このように、Ａｌ2Ｏ3相／金属間
化合物相間において良好な接合状態が保持されるのは、
Ａｌ基合金の融体を用いて浸漬反応を行うことにより、
浸漬反応処理時間を数分程度と比較的短時間とすること
ができるため、上述した粉末冶金法や一方向凝固法と比
べて、反応速度論的効果によって、Ａｌ2Ｏ3相／金属間
化合物相界面に、別種の化合物相がほとんど形成されな
いためであると考えられる。
【００２３】上述したように、高温強度等の特性を向上
させるためには、金属相であるＡｌ基合金は、Ａｌおよ
びＡｌよりも高融点の金属元素を成分とする金属間化合
物とすることが好ましい。しかしながら、ＳｉＯ2を主
成分とするガラス成形体と、Ａｌに対する合金成分の割
合が高い高合金Ａｌとを反応させる場合には、上述のよ
うに、反応が進行せず、１回の浸漬処理では、高融点の
金属間化合物からなる金属相と網目構造のＡｌ2Ｏ3マト
リックスとからなる複合材料を、均質な状態で得ること
は困難である。したがって、まず、ＳｉＯ2と、Ａｌま
たは低合金Ａｌとの融体浸漬反応により、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ
ｉ−Ａｌ（またはＡｌ2Ｏ3−Ｓｉ−低合金Ａｌ）複合材
料を作製した後、この複合体を高合金Ａｌ融体中に所定
時間浸漬し、複合材料中の金属相を所定の金属間化合物
に置換する融体浸漬反応を行う。
させるためには、金属相であるＡｌ基合金は、Ａｌおよ
びＡｌよりも高融点の金属元素を成分とする金属間化合
物とすることが好ましい。しかしながら、ＳｉＯ2を主
成分とするガラス成形体と、Ａｌに対する合金成分の割
合が高い高合金Ａｌとを反応させる場合には、上述のよ
うに、反応が進行せず、１回の浸漬処理では、高融点の
金属間化合物からなる金属相と網目構造のＡｌ2Ｏ3マト
リックスとからなる複合材料を、均質な状態で得ること
は困難である。したがって、まず、ＳｉＯ2と、Ａｌま
たは低合金Ａｌとの融体浸漬反応により、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ
ｉ−Ａｌ（またはＡｌ2Ｏ3−Ｓｉ−低合金Ａｌ）複合材
料を作製した後、この複合体を高合金Ａｌ融体中に所定
時間浸漬し、複合材料中の金属相を所定の金属間化合物
に置換する融体浸漬反応を行う。
【００２４】以下、本発明に係る製造方法を、Ａｌ2Ｏ3
−（Ｓｉを含むＦｅ−Ａｌ金属間化合物）複合材料を例
として、具体的に説明する。まず、所定形状のＳｉＯ2
を主成分とするガラス成形体を作製する。このガラス成
形体を、高周波誘導炉等を用いて、Ａｒ雰囲気中、１０
００〜１２００℃で、Ａｌまたは低合金Ａｌ（Ｆｅ−Ａ
ｌ合金）の融体中に１〜６時間浸漬させ、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ
ｉ−ＡｌまたはＡｌ2Ｏ3−Ｓｉ−低合金Ａｌ（Ｆｅ−Ａ
ｌ合金）複合材料を作製する。次に、前記複合材料を、
Ａｒ雰囲気中、１４００〜１５５０℃で、高合金Ａｌ
（Ａｌ−Ｆｅ）に５分間程度浸漬させることにより、所
定形状のＡｌ2Ｏ3−（Ｓｉを含むＦｅ−Ａｌ金属間化合
物）複合材料が得られる。なお、その後、金属相の最適
な強度が発現される組織を得るために、必要に応じて、
適宜熱処理を施してもよい。上記製造方法は、Ｆｅ以外
の金属を構成成分とする合金融体を用いた場合でも、同
様に行うことができる。
−（Ｓｉを含むＦｅ−Ａｌ金属間化合物）複合材料を例
として、具体的に説明する。まず、所定形状のＳｉＯ2
を主成分とするガラス成形体を作製する。このガラス成
形体を、高周波誘導炉等を用いて、Ａｒ雰囲気中、１０
００〜１２００℃で、Ａｌまたは低合金Ａｌ（Ｆｅ−Ａ
ｌ合金）の融体中に１〜６時間浸漬させ、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ
ｉ−ＡｌまたはＡｌ2Ｏ3−Ｓｉ−低合金Ａｌ（Ｆｅ−Ａ
ｌ合金）複合材料を作製する。次に、前記複合材料を、
Ａｒ雰囲気中、１４００〜１５５０℃で、高合金Ａｌ
（Ａｌ−Ｆｅ）に５分間程度浸漬させることにより、所
定形状のＡｌ2Ｏ3−（Ｓｉを含むＦｅ−Ａｌ金属間化合
物）複合材料が得られる。なお、その後、金属相の最適
な強度が発現される組織を得るために、必要に応じて、
適宜熱処理を施してもよい。上記製造方法は、Ｆｅ以外
の金属を構成成分とする合金融体を用いた場合でも、同
様に行うことができる。
【００２５】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的
に説明するが、本発明は下記の実施例により制限される
ものではない。 ［実施例１］ＳｉＯ2を主成分とするガラス成形体（直
径５ｍｍ×長さ５０ｍｍの棒状体）を、高周波誘導炉を
用いて、Ａｒ雰囲気中、１１００℃で、Ａｌ融体中に４
時間浸漬させ、Ａｌ2Ｏ3−Ｓｉ−Ａｌ複合材料を作製し
た。次に、得られたＡｌ2Ｏ3−Ｓｉ−Ａｌ複合材料を、
Ａｒ雰囲気中、１４５０℃で高合金Ａｌ（Ａｌ−６５ａ
ｔ％Ｆｅ）に５分間程度浸漬させ、Ａｌ2Ｏ3−金属間化
合物（Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ）複合材料を得た。得られ
た複合材料を、Ａｒ雰囲気中、１０００℃で、１時間熱
処理した。この複合材料の金属相組成を表１に示す。ま
た、この複合材料の圧縮強度の低下開始温度、室温にお
ける硬度、塑性変形の評価を行った。これらの結果も、
表１に示す。また、図１に、この複合材料の破断面の走
査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。図２に、この複
合材料のＡｌ2Ｏ3相／Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ相界面の高
分解能透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真（６０万倍）を
示す。さらに、この複合材料の１０００℃における圧縮
破壊強度は、２００ＭＰａを超えることが認められた。
に説明するが、本発明は下記の実施例により制限される
ものではない。 ［実施例１］ＳｉＯ2を主成分とするガラス成形体（直
径５ｍｍ×長さ５０ｍｍの棒状体）を、高周波誘導炉を
用いて、Ａｒ雰囲気中、１１００℃で、Ａｌ融体中に４
時間浸漬させ、Ａｌ2Ｏ3−Ｓｉ−Ａｌ複合材料を作製し
た。次に、得られたＡｌ2Ｏ3−Ｓｉ−Ａｌ複合材料を、
Ａｒ雰囲気中、１４５０℃で高合金Ａｌ（Ａｌ−６５ａ
ｔ％Ｆｅ）に５分間程度浸漬させ、Ａｌ2Ｏ3−金属間化
合物（Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ）複合材料を得た。得られ
た複合材料を、Ａｒ雰囲気中、１０００℃で、１時間熱
処理した。この複合材料の金属相組成を表１に示す。ま
た、この複合材料の圧縮強度の低下開始温度、室温にお
ける硬度、塑性変形の評価を行った。これらの結果も、
表１に示す。また、図１に、この複合材料の破断面の走
査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。図２に、この複
合材料のＡｌ2Ｏ3相／Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ相界面の高
分解能透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真（６０万倍）を
示す。さらに、この複合材料の１０００℃における圧縮
破壊強度は、２００ＭＰａを超えることが認められた。
【００２６】［比較例１］ＳｉＯ2を主成分とするガラ
ス成形体（直径５ｍｍ×長さ５０ｍｍの棒状体）を、高
周波誘導炉を用いて、Ａｒ雰囲気中、１１００℃で、Ａ
ｌ融体中に４時間浸漬させ、Ａｌ2Ｏ3−Ｓｉ−Ａｌ複合
材料を得た。得られた複合材料を、Ａｒ雰囲気中、５５
０℃で、１時間熱処理した。この複合材料の金属相組成
を表１に示す。また、この複合材料の圧縮強度の低下開
始温度、室温における硬度、塑性変形の評価を行った。
これらの結果も、表１に示す。
ス成形体（直径５ｍｍ×長さ５０ｍｍの棒状体）を、高
周波誘導炉を用いて、Ａｒ雰囲気中、１１００℃で、Ａ
ｌ融体中に４時間浸漬させ、Ａｌ2Ｏ3−Ｓｉ−Ａｌ複合
材料を得た。得られた複合材料を、Ａｒ雰囲気中、５５
０℃で、１時間熱処理した。この複合材料の金属相組成
を表１に示す。また、この複合材料の圧縮強度の低下開
始温度、室温における硬度、塑性変形の評価を行った。
これらの結果も、表１に示す。
【００２７】［比較例２］ＳｉＯ2を主成分とするガラ
ス成形体（直径５ｍｍ×長さ５０ｍｍの棒状体）を、高
周波誘導炉を用いて、Ａｒ雰囲気中、１２００℃で、低
合金Ａｌ（Ａｌ−５ａｔ％Ｆｅ）融体中に４時間浸漬さ
せ、Ａｌ2Ｏ3−低合金Ａｌ複合材料を作製した。得られ
た複合材料を、Ａｒ雰囲気中、６００℃で、１時間熱処
理した。この複合材料の金属相組成を表１に示す。ま
た、この複合材料の圧縮強度の低下開始温度、室温にお
ける硬度、塑性変形の評価を行った。これらの結果も、
表１に示す。
ス成形体（直径５ｍｍ×長さ５０ｍｍの棒状体）を、高
周波誘導炉を用いて、Ａｒ雰囲気中、１２００℃で、低
合金Ａｌ（Ａｌ−５ａｔ％Ｆｅ）融体中に４時間浸漬さ
せ、Ａｌ2Ｏ3−低合金Ａｌ複合材料を作製した。得られ
た複合材料を、Ａｒ雰囲気中、６００℃で、１時間熱処
理した。この複合材料の金属相組成を表１に示す。ま
た、この複合材料の圧縮強度の低下開始温度、室温にお
ける硬度、塑性変形の評価を行った。これらの結果も、
表１に示す。
【００２８】［比較例３］ＳｉＯ2を主成分とするガラ
ス成形体（直径５ｍｍ×長さ５０ｍｍの棒状体）を、高
周波誘導炉を用いて、Ａｒ雰囲気中、１２００℃で、高
合金Ａｌ（Ａｌ−３０ａｔ％Ｆｅ）融体中に４時間浸漬
させ、Ａｌ2Ｏ3−（低合金Ａｌ＋金属間化合物）複合材
料を作製した。得られた複合材料を、Ａｒ雰囲気中、６
００℃で、１時間熱処理した。この複合材料の金属相組
成を表１に示す。また、この複合材料の圧縮強度の低下
開始温度、室温における硬度、塑性変形の評価を行っ
た。これらの結果も、表１に示す。
ス成形体（直径５ｍｍ×長さ５０ｍｍの棒状体）を、高
周波誘導炉を用いて、Ａｒ雰囲気中、１２００℃で、高
合金Ａｌ（Ａｌ−３０ａｔ％Ｆｅ）融体中に４時間浸漬
させ、Ａｌ2Ｏ3−（低合金Ａｌ＋金属間化合物）複合材
料を作製した。得られた複合材料を、Ａｒ雰囲気中、６
００℃で、１時間熱処理した。この複合材料の金属相組
成を表１に示す。また、この複合材料の圧縮強度の低下
開始温度、室温における硬度、塑性変形の評価を行っ
た。これらの結果も、表１に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】表１に示したように、一段融体浸漬反応法
により作製したＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料（比較例１〜
３）は、加熱により強度が低下し始める温度は、Ａｌの
融点である６６０℃未満であった。一方、二段（多段）
融体浸漬反応法により作製したＡｌ2Ｏ3−Ｓｉを含むＦ
ｅ 3Ａｌ複合材料（実施例１）は、１２００℃であり、
１０００℃以上の高温においても高強度が維持されるこ
とが認められた。また、１０００℃以上において、大き
く塑性変形することが認められた。これは、図１に示し
たこの複合材料の破断面のＳＥＭ写真から明らかなよう
に、金属間化合物による高温強度の向上とともに、マト
リックスとして強度を担保しているＡｌ2Ｏ3相におい
て、局所破壊を伴う塑性変形が同時に進行することによ
るものである。さらに、図２に示したように、金属相と
網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスとの間には、原子レベ
ルでの良好な接合状態が保持されていることが認められ
た。
により作製したＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料（比較例１〜
３）は、加熱により強度が低下し始める温度は、Ａｌの
融点である６６０℃未満であった。一方、二段（多段）
融体浸漬反応法により作製したＡｌ2Ｏ3−Ｓｉを含むＦ
ｅ 3Ａｌ複合材料（実施例１）は、１２００℃であり、
１０００℃以上の高温においても高強度が維持されるこ
とが認められた。また、１０００℃以上において、大き
く塑性変形することが認められた。これは、図１に示し
たこの複合材料の破断面のＳＥＭ写真から明らかなよう
に、金属間化合物による高温強度の向上とともに、マト
リックスとして強度を担保しているＡｌ2Ｏ3相におい
て、局所破壊を伴う塑性変形が同時に進行することによ
るものである。さらに、図２に示したように、金属相と
網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスとの間には、原子レベ
ルでの良好な接合状態が保持されていることが認められ
た。
【００３１】［実施例２〜７］実施例１と同様の方法
（二段融体浸漬反応法）により、表２の実施例２〜７に
示すような各種金属間化合物により金属相が構成された
Ａｌ2Ｏ3−金属系複合材料を作製した。なお、これらの
金属間化合物中には、いずれもＳｉが含まれる。例え
ば、ＦｅＡｌ金属間化合物（実施例２）においては、Ｆ
ｅの一部がＳｉにより置換された構造となる。得られた
各複合材料の１０００℃における圧縮破壊強度を測定し
たところ、いずれも２００ＭＰａを超えるものであっ
た。これらの結果を、実施例１と合わせて、表２に示
す。
（二段融体浸漬反応法）により、表２の実施例２〜７に
示すような各種金属間化合物により金属相が構成された
Ａｌ2Ｏ3−金属系複合材料を作製した。なお、これらの
金属間化合物中には、いずれもＳｉが含まれる。例え
ば、ＦｅＡｌ金属間化合物（実施例２）においては、Ｆ
ｅの一部がＳｉにより置換された構造となる。得られた
各複合材料の１０００℃における圧縮破壊強度を測定し
たところ、いずれも２００ＭＰａを超えるものであっ
た。これらの結果を、実施例１と合わせて、表２に示
す。
【００３２】［比較例４、５］比較例１と同様の方法
（一段融体浸漬反応法）により、表２の比較例４、５に
示すような各種金属間化合物により金属相が構成された
Ａｌ2Ｏ3−金属系複合材料を作製した。得られた各複合
材料の１０００℃における圧縮破壊強度を測定したとこ
ろ、いずれも２００ＭＰａ未満であった。これらの結果
を、表２に示す。
（一段融体浸漬反応法）により、表２の比較例４、５に
示すような各種金属間化合物により金属相が構成された
Ａｌ2Ｏ3−金属系複合材料を作製した。得られた各複合
材料の１０００℃における圧縮破壊強度を測定したとこ
ろ、いずれも２００ＭＰａ未満であった。これらの結果
を、表２に示す。
【００３３】
【表２】
【００３４】表２に示したように、一段融体浸漬反応法
により作製したＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料（比較例４、
５）は、金属相に融点が低いＡｌ相（融点：６６０℃）
が含まれているため、１０００℃よりも低温で、強度が
低下してしまい、１０００℃における圧縮破壊強度は、
２００ＭＰａ未満であった。一方、二段融体浸漬反応法
により作製したＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料（実施例１〜
７）は、金属相がＡｌ相を含まず、金属間化合物相のみ
からなるため、１０００℃よりも高温で強度が低下し始
めるため、１０００℃における圧縮破壊強度は、２００
ＭＰａを超えるものであった。
により作製したＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料（比較例４、
５）は、金属相に融点が低いＡｌ相（融点：６６０℃）
が含まれているため、１０００℃よりも低温で、強度が
低下してしまい、１０００℃における圧縮破壊強度は、
２００ＭＰａ未満であった。一方、二段融体浸漬反応法
により作製したＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料（実施例１〜
７）は、金属相がＡｌ相を含まず、金属間化合物相のみ
からなるため、１０００℃よりも高温で強度が低下し始
めるため、１０００℃における圧縮破壊強度は、２００
ＭＰａを超えるものであった。
【００３５】
【発明の効果】以上のとおり、本発明に係るＡｌ2Ｏ3−
金属系複合材料は、複雑な形状の製品であっても、容易
に作製することができるため、各種機械部品、エンジン
部材等への応用が可能である。また、１０００℃以上の
高温においても、高強度かつ高靭性であるため、耐熱材
料として用いることも期待される。また、本発明に係る
製造方法によれば、上記のような高温強度特性に優れた
Ａｌ2Ｏ3−金属系複合材料を、任意の組成で、均質かつ
容易に作製することができる。
金属系複合材料は、複雑な形状の製品であっても、容易
に作製することができるため、各種機械部品、エンジン
部材等への応用が可能である。また、１０００℃以上の
高温においても、高強度かつ高靭性であるため、耐熱材
料として用いることも期待される。また、本発明に係る
製造方法によれば、上記のような高温強度特性に優れた
Ａｌ2Ｏ3−金属系複合材料を、任意の組成で、均質かつ
容易に作製することができる。
【図１】１０００℃において塑性変形を生じた本発明に
係るＡｌ2Ｏ3−Ｓｉを含むＦｅ 3Ａｌ複合材料の破断面
の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
係るＡｌ2Ｏ3−Ｓｉを含むＦｅ 3Ａｌ複合材料の破断面
の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図２】本発明に係るＡｌ2Ｏ3−Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ
複合材料のＡｌ2Ｏ3相／Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ相界面の
高分解能透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真（６０万倍）
である。
複合材料のＡｌ2Ｏ3相／Ｓｉを含むＦｅ3Ａｌ相界面の
高分解能透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真（６０万倍）
である。
フロントページの続き
(72)発明者 服部 亮
茨城県日立市城南町３−１−26
(72)発明者 吉見 享祐
宮城県仙台市青葉区片平２丁目１−１ 東
北大学金属材料研究所内
(72)発明者 谷口 尚司
宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 東北大学
大学院工学研究科内
Ｆターム(参考） 4K020 AA06 AC01 BB02
Claims (4)
- 【請求項１】 網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリックスの空隙
に、Ｓｉを含むＡｌ基合金が、密に充填していることを
特徴とするＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料。 - 【請求項２】 前記Ａｌ基合金は、ＡｌおよびＡｌの融
点以上の融点を有する１または複数の金属元素を成分と
する金属間化合物であることを特徴とする請求項１記載
のＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料。 - 【請求項３】 前記金属元素は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔ
ｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｎのうちのいずれかであることを特
徴とする請求項２記載のＡｌ2Ｏ3−金属系複合材料。 - 【請求項４】 ＳｉＯ2を主成分とするガラス成形体を
ＡｌまたはＡｌ合金の融体と反応させて、網目構造のＡ
ｌ2Ｏ3マトリックスを含む複合材を得る工程と、 前記工程により得られた網目構造のＡｌ2Ｏ3マトリック
スを含む複合材を、Ａｌ基合金融体中に１回または複数
回浸漬させる工程とを含むことを特徴とするＡｌ2Ｏ3−
金属系複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001284439A JP2003089840A (ja) | 2001-09-19 | 2001-09-19 | Ａｌ２Ｏ３−金属系複合材料およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001284439A JP2003089840A (ja) | 2001-09-19 | 2001-09-19 | Ａｌ２Ｏ３−金属系複合材料およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003089840A true JP2003089840A (ja) | 2003-03-28 |
Family
ID=19107760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001284439A Pending JP2003089840A (ja) | 2001-09-19 | 2001-09-19 | Ａｌ２Ｏ３−金属系複合材料およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003089840A (ja) |
-
2001
- 2001-09-19 JP JP2001284439A patent/JP2003089840A/ja active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
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