JP2004035307A

JP2004035307A - 金属−セラミックス複合材料

Info

Publication number: JP2004035307A
Application number: JP2002193228A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Aoki; 青木　一郎; Hiroyuki Tsuto; 津戸　宏之; Tatsuya Shiogai; 塩貝　達也; Tomoyuki Hikita; 引田　友幸
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】従来のＳｉＣセラミックスを強化材とし、金属Ｓｉをマトリックスとする金属−セラミックス複合材料は、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムと比較して靭性が低くて加工性が悪いという課題がある。従って、靭性を改善して加工性の良い複合材料を提供する。
【解決手段】ＳｉＣセラミックスを強化材とし、Ｓｉ合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料において、Ｓｉ合金マトリックス中のＳｉの含有率を６０〜３０質量％、Ｃｕの含有率を４０〜７０質量％とすることにより金属−セラミックス複合材料の靭性を３．５ＭＮ／ｍ^３／２以上に改善する。
【選択図】　　　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｓｉ合金をマトリックスとし、ＳｉＣセラミックスを強化材とする金属−セラミックス複合材料に関するもので、特に、従来よりも靭性が改善された金属−セラミックス複合材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属Ｓｉをマトリックスとし、ＳｉＣセラミックスを強化材とする金属−セラミックス複合材料については、一般に純度９７％以上のＳｉを金属マトリックスとする複合材料が主流であった。
これは、その複合材料の製造方法が、溶融Ｓｉが炭素と反応してＳｉＣとなる原理を利用するものであり、具体的には有機バインダーを炭化処理し、ＳｉＣ粉末または繊維からなるプリフォームに溶融Ｓｉを浸透させて複合化する方法であるため、純度の高いＳｉを使用していたものである。
また、Ｓｉは通常の金属の場合と異なり、ＳｉＣと濡れやすく密着性が良好であり、複合効果が発現されやすいこと、及び凝固膨張する性質を有するので、ＳｉＣ粉末または繊維に浸透させた溶融Ｓｉが凝固する際に、体積変化しても欠陥ができないこと、等の理由で純度の高いＳｉが使用されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の純度９７％以上のＳｉを金属マトリックスとする複合材料は、Ｓｉが靭性の低い材料であるためその複合材料の破壊靭性は３．０ＭＮ／ｍ^３／２程度と靭性が低く、酸化アルミニウム（４．０ＭＮ／ｍ^３／２）や窒化アルミニウム（３．５ＭＮ／ｍ^３／２）などの市販のセラミックスと比較して、加工に際してチッピングを生じるなど加工性が悪いという課題があった。
【０００４】
本発明は、従来のＳｉＣセラミックスを強化材とし、金属Ｓｉをマトリックスとする複合材料が有する上記した課題を鑑みて、鋭意検討してなされたものであって、その目的は靭性が改善された金属−セラミックス複合材料を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、複合材料中の金属ＳｉマトリックスをＳｉ合金とすることにより、破壊靭性が大きく、且つヤング率も大きい金属―セラミックス複合材料が得られ、加工性が向上するのではないかとの着想を基に本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の目的は、Ｓｉ合金をマトリックスとし、ＳｉＣセラミックスを強化材とする金属−セラミックス複合材料であって、破壊靭性が３．５ＭＮ／ｍ^３／２以上で、且つ、ヤング率が３００ＧＰａ以上であることを特徴とする金属―セラミックス複合材料によって達成される。
【０００６】
さらに、本発明の目的は、ＳｉＣセラミックスを強化材とし、金属をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料において、金属マトリックス中のＳｉの含有率が６０〜３０質量％で、Ｃｕの含有率が４０〜７０質量％であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料によって達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下さらに本発明の内容を詳細に説明する。
本発明者等は、複合材料の靭性を改善するために、Ｓｉに合金として含ませる添加元素としてＣｕ以外に、Ｓｎ，Ｆｅ，Ｎｉも検討した。その結果、いずれの添加元素もＳｉに含ませる量によっては破壊靭性３．５ＭＮ／ｍ^３／２以上を達成できることを確認している。
【０００８】
しかし、本発明においては、複合材料の靭性を改善するために、Ｓｉに合金として含ませる添加元素として、特にＣｕを限定している。その理由は、Ｃｕならば破壊靭性を改善することができるに加えて、複合材料のヤング率を維持できること、また、Ｃｕの凝固収縮量が比較的少ないため、複合材料中に体積変化にともなう欠陥が生じ難いのではないかと着想による。
【０００９】
ちなみに、Ｓｎ，Ｆｅ，ＮｉをＳｉに含ませた合金をマトリックスとした複合材料からはヤング率は、３００ＧＰａ以上のものは得られなかった。これについてはよく分からないが、これらの添加元素がＳｉＣと濡れ難く、密着していないことが原因と思われる。
【００１０】
次に、本発明でＳｉに含ませるＣｕの含有量を４０〜７０質量％と限定したのは、Ｃｕが４０質量％より少ないと、靭性改善の効果が十分に得られず、破壊靭性を３．５ＭＮ／ｍ^３／２以上とできないからである。
【００１１】
またＣｕが７０質量％よりも多いと複合材料のヤング率が低下し、３００ＧＰａを維持できないこと、及びＳｉ合金が凝固する際のＣｕの凝固収縮分をＳｉの凝固膨張分で補うことができなくなり欠陥が生じるためである。
【００１２】
また、本発明の範囲内で、破壊靭性は最も大きくなり、この範囲を超えてＣｕの含有量を増やすと、逆に破壊靭性は低下する。これについては不明であるが、Ｃｕの量が増えすぎると、硬くて脆いＳｉ−Ｃｕ金属間化合物がマトリックス中に析出するためと推定される。またこれとは別に、ＣｕはＳｉやＳｉＣに比べ密度が大きいので、Ｃｕ量を増やすと複合材料の密度が大きくなり、複合材料の軽量化に貢献できないという問題もある。
【００１３】
次に、本発明の複合材料の製造方法としては、ＳｉＣ粉末または繊維に有機バインダーを添加し、それを混合し、成形した後、非酸化雰囲気中で９００〜１１００℃の温度で加熱処理することにより、有機バインダーを炭化したプリフォームを形成し、そのプリフォームにＣｕを含むＳｉ合金を非酸化雰囲気中で１５００℃以上の温度で溶融してプリフォーム中に含まれている炭素と反応させてＳｉＣとすると同時に浸透させる。
なお、Ｃｕを含むＳｉ合金は、あらかじめ合金化処理したものを使用しても、ＣｕとＳｉを別々に供し、熱処理中に結果的に合金化されたものであっても良い。
【００１４】
上記のようにＳｉＣ粉末または繊維でプリフォームを形成したのは、プリフォームを形成しないとＳｉＣの含有率を高くできないためである。また、ＳｉＣ粉末または繊維の他に炭素を含ませたのは、炭素がないと溶融されたＳｉ合金がプリフォーム中に浸透しないためである。炭素があると浸透するのは、Ｓｉが炭素と反応してＳｉＣを生成しながら浸透するからであり、炭素がないとＳｉが反応しないため浸透しない。
【００１５】
本発明の製造方法をさらに詳しく述べると、先ずセラミックスとしてＳｉＣ粉末または繊維を用意する。ＳｉＣ粉末の場合、その細かさは平均粒径で７０μｍ以下であることが好ましい。７０μｍより粗いと、作製した複合材料の強度が大きく低下する。
【００１６】
そのＳｉＣ粉末または繊維に有機バインダーを添加し、それを混合し、成形した後、非酸化雰囲気中で９００〜１１００℃の温度で加熱処理することにより、有機バインダーを炭化したＳｉＣ粉末または繊維からなるプリフォームを形成する。成形する方法としては、慣用の方法を用いることができる。例えば、ＳｉＣ粉末または繊維に水あるいはＳｉＣと反応を起こさない有機溶媒を加え、これにバインダーを加え混合してスラリーとし、フィルタープレスにより成形する方法や、ＳｉＣ粉末または繊維にバインダーを加え、混合したＳｉＣ粉末または繊維をプレスにより成形する方法などを挙げることができる。
【００１７】
成形した成形体のＳｉＣ粉末または繊維の充填率を制御する方法は種々の方法が考えられるが、例えば、充填率を高くする方法としては、ＳｉＣ粉末の粗粒と細粒とを適当な割合で配合する方法や、プレス圧を高くする方法などが挙げられる。逆に充填率を低くする方法としては、ウィスカ、短繊維などを用いる方法などを挙げることができる。
【００１８】
次いで、得られたプリフォームにＣｕを含むＳｉ合金を非酸化雰囲気中で１５００℃以上の温度で溶融してプリフォーム中に含まれている炭素と反応させてＳｉＣとすると同時に浸透させることにより、本発明の破壊靭性が３．５ＭＮ／ｍ^３／２以上であり且つヤング率が３００ＧＰａ以上である金属−セラミックス複合材料を作製することができる。これを必要に応じて機械加工する。
【００１９】
以上の方法で得られた金属−セラミックス複合材料によれば、破壊靭性が３．５ＭＮ／ｍ^３／２以上であり且つヤング率が３００ＧＰａ以上であるため、加工に際してチッピングや欠け等の不具合を発することなく、しかも外部からの応力に対して歪の少ない高剛性の金属−セラミックス複合材料を得ることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
（実施例）
（１）金属−セラミックス複合材料の作製
市販のＳｉＣ粉末の粗粒（信濃電気精錬社製、平均粒径５０μｍ）６０重量部と微粒（信濃電気精錬社製、平均粒径１０μｍ）４０重量部に有機バインダーとしてフェノール樹脂１０重量部（炭素換算３重量部）を混合し、プレス成形した後、窒素雰囲気中で１０００℃の温度で３時間加熱処理し、フェノール樹脂を炭化した７０体積％の充填率を有するプリフォームを形成した。
【００２２】
得られたプリフォームと表１に示すＳｉ合金（添加元素はＣｕ）とをアルゴン雰囲気中で１５００℃の温度で３時間保持して溶融したＳｉ合金とプリフォーム中に含まれている炭素とを反応させてＳｉＣとすると同時にＳｉ合金を浸透させて複合材料を作製した。
【００２３】
（２）評価
得られた複合材料を切断し、Ｓｉ合金の浸透状態を目視で観察した。また、得られた複合材料から３×４×４０ｍｍの試験片を切り出し、その試験片で破壊靭性、ヤング率を求めた。それらの結果を表１にまとめて示す。
【００２４】
（比較例）
比較例として、プリフォームに浸透させるＳｉ合金の種類（添加元素はＣｕ以外にもＳｎ，Ｆｅ，Ｎｉを用いた。）と組成を表１に示すように変化させて、実施例と同様にして複合材料を作製した。また、実施例と同様の評価を行った。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１から明らかなように、実施例１〜３では、破壊靭性とヤング率は、本発明の範囲内にあり、また、凝固する際の溶融Ｓｉ合金の体積変化に伴う、欠陥の生成はなく、組織は良好であった。
また、加工試験の結果、チッピングや欠け等の発生がなく加工性は極めて良好であった。
【００２７】
これに対して比較例１〜４では、マトリックスであるＳｉにＣｕが含まれないため、ヤング率が本発明の範囲外であった。また、比較例５，６では、Ｓｉ合金中のＣｕの含有率が本発明の範囲外にあるため、破壊靭性またはヤング率のいずれか一方が本発明の範囲外であった
【００２８】
【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であれば、破壊靭性が３．５ＭＮ／ｍ^３／２以上であり且つヤング率が３００ＧＰａ以上である金属―セラミックス複合材料とすることができるようになった。このことにより、窒化アルミニウムやアルミナと同程度の加工性を有する複合材料とすることができるようになった。

Claims

Ｓｉ合金をマトリックスとし、ＳｉＣセラミックスを強化材とする金属−セラミックス複合材料であって、破壊靭性が３．５ＭＮ／ｍ^３／２以上で、且つ、ヤング率が３００ＧＰａ以上であることを特徴とする金属―セラミックス複合材料。
Ｓｉ合金をマトリックスとし、ＳｉＣセラミックスを強化材とする金属−セラミックス複合材料であって、Ｓｉ合金マトリックス中のＳｉの含有率が６０〜３０質量％で、且つ、Ｃｕの含有率が４０〜７０質量％で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。