JP2004300548A - Composite material and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合材料、及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、高い緻密性を有する複合材料、及び安全性に優れるとともに製造工程が削減され、所望とする最終形状、特に大型・複雑形状とすることが可能である複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】複合材料とは、複数素材を巨視的に混合した組成集合体であり、各素材の持つ機械特性を相補的に利用して、単独素材では実現できなかった特性発現を可能にしたものである。基本的には、材料と材料を組み合わせる技術手法であり、マトリックスと強化材（分散材）、使用目的、又はコスト等により、種々の組み合わせが存在する。
【０００３】その中でも金属基複合材料（ＭＭＣｓ：Ｍｅｔａｌ−Ｍａｔｒｉｘ−Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）は、セラミックスを強化材として金属材料（Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｓｉ等）を複合化することによる、セラミックスと金属と両方の特性を兼ね備えた材料である。そのため、例えば近年、環境問題に関連した自動車関連分野や、各種装置部材（半導体、ディスプレイ、精密機械等）の軽量化・高速化・高効率化が求められている製造装置関連分野や、半導体素子の冷却（放熱）を行う電子部品関連分野等において、金属基複合材料に対して非常に注目されているものである。また、金属間化合物基複合材料（ＩＭＣｓ：Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ−Ｍａｔｒｉｘ−Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）は、セラミックスを強化材として金属間化合物（Ｔｉ−Ａｌ系、Ｎｉ−Ａｌ系等）を複合化することにより、特に金属材料では実現が困難な温度域での耐熱材料として発電・宇宙・航空分野等において注目されている材料である。これらのことから、両複合材料共に、セラミックス材料や金属材料では素材として適用が難しい分野において、分散相とマトリックス相の種類・相比等を変化させることにより所望とする材料特性をオーダーメイド可能な材料として多方面での展開が期待されている。
【０００４】金属間化合物基複合材料の製造方法としては、予め金属間化合物粉末をメカニカルアロイング（ＭＡ）等にて製造し、強化材となる繊維及び／又は粒子等とともに、高温・高圧条件下においてホットプレス（ＨＰ）若しくは熱間等方圧成形（ＨＩＰ）する方法が挙げられる。
【０００５】金属間化合物基複合材料を製造する従来の製造方法における問題点として、緻密な金属間化合物基複合材料の製造を行うためには、主として粉末冶金的なＨＰ法及びＨＩＰ法等の製造方法によって高温・高圧を負荷し、金属間化合物を焼結することで複合材料の緻密化を行う必要性があることを挙げることができる。このため、前処理工程の必要性があるだけでなく、製造装置の性能や規模に制約があり、大型、或いは複雑形状の複合材料の製造が極めて困難であるとともに、最終製品の形状を考慮したニアネットシェイプ化を行うことができず、その後の工程において機械加工処理が必要となるといった問題点をも有している。
【０００６】また、前処理工程として、予めＭＡ等による金属間化合物粉末の合成が必要であり、製造工程の多段階・煩雑化といった問題点を有している。従って、上述のように、従来の金属間化合物基複合材料の製造においては多段階に渡る工程が必要であるとともに、高温・高圧条件下において行う製造方法であるために極めて高コスト・高エネルギーな製造方法である。
【０００７】また、金属基複合材料の製造方法としても、固相法であるＨＰ法やＨＩＰ法等のような、シート状又は箔状の金属と、繊維状又は粒子状のセラミックスとを高圧にて拡散接合する手法や、金属粉末を利用する、前述の粉末冶金的な手法が一般に知られている。さらに、液相法としては、濡れ性が良好ではないセラミックスと溶融金属との組み合わせを考慮し、高圧を付与する等、機械的なエネルギーを利用して強制的に複合材料化させる加圧含浸法や溶湯鍛造法等が知られているが、固相法、液相法、ともに高温・高圧を必要とするプロセスである。また、複合材料化された製品は、どれも平板や円板等の簡易的な形状であり、最終製品にまで仕上げるためには塑性加工処理や機械加工処理が必要となるが、セラミックス相を含んでいるため、加工コストが高く、極めて高コストな製造方法である。
【０００８】このような問題を解消するための関連技術、特に複合材料の低コスト化を目的として、従来の高圧法による合成プロセスではなく圧力を必要としない金属基複合材料の製造方法が開示されている。具体的には、溶融金属を無加圧含浸させる液相法として、窒素ガス雰囲気中でマグネシウム（Ｍｇ）を揮発させ、気相反応によりＭｇ３Ｎ２をセラミックス粒子表面にｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）生成させることによりセラミックスと金属との濡れ性を向上させ、毛細管圧力によってセラミックス多孔体に溶融アルミニウム（Ａｌ）を無加圧浸透させる手法が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。しかしながら、この手法によれば、気相反応によりセラミックス粒子表面にＭｇ３Ｎ２をｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）コーティングすることから含浸速度が非常に遅く、また無加圧浸透させる雰囲気調整に時間を要することから、製品製造を行う上で非常に長時間を要するといった問題がある。さらには、予めセラミックス粒子を高温で仮焼すること等によってセラミックス多孔体を合成する必要があるため、複合材料の低コスト化が図れないといった問題がある。
【０００９】また、他の手法として微細片の形態をなす強化材（分散材）と、酸素及び窒素のゲッター効果を有するチタン（Ｔｉ）等の微細片からなる成形体を形成し、これをアルミニウム（Ａｌ）等の溶湯中に浸漬することで、アルミニウム（Ａｌ）等の金属をマトリックスとする金属基複合材料の製造方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１０】しかしながら、前記製造方法によれば、得られる複合材料は金属間化合物をできる限り含有しない金属をマトリックスとする金属基複合材料に限定される。さらに、チタン（Ｔｉ）−アルミニウム（Ａｌ）間での発熱反応に起因して成形体（試料）が膨張するため、成形体を溶湯中に浸漬すると強化材体積率が低下してしまい、強化材体積率がより高い複合材料を製造することが困難であり、より高強度であるといった、材料特性を制御した複合材料を製造することが困難であるという問題があった。
【００１１】上述してきた種々の問題を解消するための関連技術として、所定の強化材に混合した金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）溶湯による自己燃焼反応を生起させる金属間化合物基複合材料の製造方法が開示されている（例えば、特許文献４参照）。この製造方法によれば、図２に示すように、反応容器１内に充填された分散材と金属粉末からなる混合材料２の空隙３にアルミニウム（Ａｌ）４を溶融含浸させることにより、自己燃焼反応をｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）で生起させるために、低温、かつ、無加圧条件下で高融点である金属間化合物基複合材料等の複合材料５を、非常に短時間で完結する含浸プロセスにより製造することができる。また、最終製品形状を模擬したニアネットシェイプ化を達成することができ、従来法と比較して格段にエネルギー量が少なく、製造コストが低減された複合材料の製造方法であるといえる。
【００１２】しかしながら、この自己燃焼反応を利用した製造方法に用いられる金属粉末、例えば、チタン（Ｔｉ）等の金属粉末は、平均粒径が特に約２０μｍ以下のものにおいては静電気等によって粉塵爆発を起こすような反応性の高いものが多く、上述した製造方法においては熟練した技術や安全に作業を行うことができるような設備が必要とされていた。また、前記複合材料の緻密性を向上させるためには、粒径の小さなチタン粉末を使用した方が望ましいことから、前記理由により製造上の制約が存在した。
【００１３】また、元素間の自己燃焼反応（代表的には燃焼合成反応（ＳＨＳ反応））を利用した前記製造方法に類似する材料合成プロセスは、発生する非常に大きな反応熱を自由に制御できない点から、セラミックスや高融点化合物の粉末合成（例えば、アルミニウム（Ａｌ）や珪素（Ｓｉ）を出発原料とした窒素ガス雰囲気中でのＡｌＮ及びＳｉ３Ｎ４粉末の合成プロセス（直接窒化法）等）には利用されているのに対して、バルク体製造の場合においては発熱反応に伴う気孔生成に起因して、得られるバルク体に緻密性を付与することが非常に困難であることが知られており、前記製造方法においても高い緻密性を有する複合材料の合成が困難であり、その気孔に起因した機械的特性（例えば、曲げ強度やヤング率等）の低下が問題となっていた。そのため、前記製造方法により得られる複合材料よりも、気孔が少ないさらに緻密な微構造を有する複合材料を製造する方法を創出することが産業界から要望されていた。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１−２７３６５９号公報
【特許文献２】
特開平２−２４０２２７号公報
【特許文献３】
特許第３１０７５６３号公報
【特許文献４】
特開２００２−４７５１９号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、緻密な微構造を有するとともに製造コストの低減がなされている複合材料、及び、安全性に優れるとともに製造工程が削減され、所望とする最終形状、特に大型・複雑形状とすることが可能である複合材料の製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に分散材が分散してなる複合材料であって、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属の水素化物粉末（金属水素化物粉末）と前記分散材とを含む混合材料を充填し、前記反応容器の中に充填された前記混合材料を加熱して、前記混合材料に含まれる前記金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離（脱水素）させて金属粉末とし、前記金属粉末と前記分散材とを含む前記混合材料内部の空隙中に前記アルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、前記金属粉末と前記アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなることを特徴とする複合材料が提供される（以下、「第一の発明」ということがある）。
【００１７】本発明においては、マトリックスが、アルミナイド金属間化合物に加えて未反応アルミニウム（Ａｌ）を６０質量％以下含有することが好ましい。また、本発明においては、前述した金属水素化物粉末が、水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末であることが好ましい。また、混合材料を３５０〜６００℃で３０〜４８０分間加熱して、混合材料に含まれる金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離させることが好ましく、金属水素化物粉末の平均粒径が、１〜２５μｍであるとともに、混合材料を３５０〜５００℃で３０〜４８０分間加熱して、混合材料に含まれる金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離させることがさらに好ましい。ここで、混合材料の脱水素条件を３５０〜６００℃とするのは当該温度で水素化チタンからの脱水素が効率的に生起するからであり、その保持時間を３０〜４８０分間とするのは、規定した温度中低音域においては３０分以内では脱水素が終了しないことがあるため好ましくなく、４８０分以上保持することは操業コスト上不利になることがあるからである。また、さらに好ましい条件として温度域を３５０〜５００℃と規定するのは５００℃〜６００℃の温度域においては、脱水素は有効におこなわれるものの、脱水素されたチタン粉の間での焼結が進行することにより凝集固着し、企図する細粒粉として作用せず品質低下を招くことが見うけられるからである。
【００１８】また、本発明においては、分散材の平均粒径に対する、金属水素化物粉末の平均粒径の比率（％）が、５〜８０％であることが好ましい。
【００１９】また、本発明によれば、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に分散材が分散してなる複合材料であって、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属合金粉末と前記分散材とを含む混合材料を充填し、前記反応容器の中に充填された前記混合材料内部の空隙中に前記アルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、前記金属合金粉末と前記アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなることを特徴とする複合材料が提供される（以下、「第二の発明」ということがある）。
【００２０】本発明においては、マトリックスが、アルミナイド金属間化合物に加えて未反応アルミニウム（Ａｌ）を６０質量％以下含有することが好ましい。また、本発明においては、金属合金粉末が、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とを含む合金の粉末であることが好ましい。また、金属合金粉末を構成する合金に含まれるアルミニウム（Ａｌ）の、この合金全体に占める割合が０．５〜１０質量％であることが好ましい。
【００２１】また、第一及び第二の発明においては、分散材の、複合材料全体に占める比率（体積比率）が、１０〜７０体積％であることが好ましい。また、第一及び第二の発明においては、分散材が、繊維、粒子、及びウィスカーからなる群より選択される少なくとも一種の形状を有する無機材料であることが好ましい。分散材が前述した無機材料からなる場合には、この無機材料が、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物からなる群より選択される少なくとも一種を含むことが好ましく、また、この無機材料が、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＣ及びＴｉＢ２からなる群より選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。
【００２２】また、本発明によれば、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に分散材が分散してなる複合材料を製造する方法であって、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属の水素化物粉末（金属水素化物粉末）と前記分散材とを含む混合材料を充填し、前記反応容器の中に充填された前記混合材料を加熱して、前記混合材料に含まれる前記金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離させて金属粉末とし、前記金属粉末と前記分散材とを含む前記混合材料内部の空隙中に前記アルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、前記金属粉末と前記アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させることを特徴とする複合材料の製造方法が提供される（以下、「第三の発明」ということがある）。
【００２３】本発明においては、前述した金属水素化物粉末が、水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末であることが好ましい。また、混合材料を３５０〜６００℃で３０〜４８０分間加熱して、混合材料に含まれる金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離させることが好ましく、金属水素化物粉末の平均粒径が、１〜２５μｍであるとともに、混合材料を３５０〜５００℃で３０〜４８０分間加熱して、混合材料に含まれる金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離させることがさらに好ましい。
【００２４】また、分散材の平均粒径に対する、金属水素化物粉末の平均粒径の比率（％）が、５〜８０％であることが好ましい。また、本発明においては、混合材料の加熱及びアルミニウム（Ａｌ）の溶融含浸が、減圧雰囲気下で行われることが好ましい。
【００２５】また、本発明によれば、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に分散材が分散してなる複合材料を製造する方法であって、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属合金粉末と前記分散材とを含む混合材料を充填し、前記反応容器の中に充填された前記混合材料内部の空隙中に前記アルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、前記金属合金粉末と前記アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させることを特徴とする複合材料の製造方法が提供される（以下、「第四の発明」ということがある）。
【００２６】本発明においては、金属合金粉末が、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とを含む合金の粉末であることが好ましい。また、また、金属合金粉末を構成する合金に含まれるアルミニウム（Ａｌ）の、この合金全体に占める割合が０．５〜１０質量％であることが好ましい。
【００２７】また、本発明においては、アルミニウム（Ａｌ）の溶融含浸が、減圧雰囲気下で行われることが好ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づき詳しく説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００２９】まず、本発明（第一及び第三の発明）の複合材料及びその製造方法の一の実施の形態について説明する。本実施の形態の複合材料は、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に分散材が分散してなる複合材料であって、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属の水素化物粉末（金属水素化物粉末）と、分散材とを含む混合材料を充填し、反応容器の中に充填された混合材料を加熱して、混合材料に含まれる金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離（脱水素）させて金属粉末とし、金属粉末と分散材とを含む混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、マトリックス中に分散材を分散させてなることを特徴とする。
【００３０】また、本実施の形態の複合材料の製造方法は、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に分散材が分散してなる複合材料を製造する方法であって、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属の水素化物粉末（金属水素化物粉末）と分散材とを含む混合材料を充填し、反応容器の中に充填された混合材料を加熱して、混合材料に含まれる金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離させて金属粉末とし、金属粉末と分散材とを含む混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、金属粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、マトリックス中に分散材を分散させることを特徴とする。以下、本実施の形態の複合材料の製造方法についてさらに具体的に説明し、その中で本実施の形態の複合材料についても併せて具体的に説明する。
【００３１】図１は、本実施の形態の複合材料の製造方法を説明する模式図である。図１においては、適当なサイズ及び形状の反応容器１内に、金属水素化物粉末、例えば、水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末と、分散材とを含む混合材料２が充填されており、その上面に注入口１０を有する蓋体１ｂが載置され、混合材料２の空隙３、即ち、隣接する混合材料２どうしにより形成される空隙３に、注入口１０を通じてアルミニウム（Ａｌ）４が溶融含浸される状態が示されている。本実施の形態においては、まず、分散材と金属水素化物粉末を混合して得た混合材料２を、反応容器１の空間形成領域内に充填するとともに、混合材料２が所定の形状及び空隙率となるように適当な圧力にて成形を行う。なお、予め適当な圧力を付与することにより混合材料２の成形を行っておき、これを反応容器１中に充填してもよい。また、混合材料２の空隙率に関しては、成形する圧力を変化させることで任意に制御することができる。なお、配置するアルミニウム（Ａｌ）４は純アルミニウム（Ａｌ）に限らず、約９０％以上の純度であれば差し支えなく使用することができ、また、各種アルミニウム（Ａｌ）合金を使用してもよい。
【００３２】次に、容器１内に充填された混合材料２を、例えば、３５０〜６００℃で、３０〜４８０分間加熱することによって、混合材料２に含まれる水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末を構成する化合物である水素化チタン（ＴｉＨ２）から水素を脱離させて純度の高いチタン（Ｔｉ）粉末（チタン単体粉末）を得る。
【００３３】複合材料を製造するためには、溶融したアルミニウム（Ａｌ）４と自己燃焼反を生起し得る金属粉末、例えば、チタン（Ｔｉ）粉末が用いられることがあるが、このチタン（Ｔｉ）粉末は、３２５メッシュ（粒子径４５μｍ以下で、平均粒径２０μｍ）の粉体までは、粉塵爆発や自然発火を引く起こすことがほとんどなく、市場での入手も比較的に容易であるが、これよりも小さな粒径のチタン（Ｔｉ）粉末、例えば、平均粒径２０μｍ以下の粉体に関しては、細粒化による粉末表面積の増大によりチタン（Ｔｉ）粉末の活性度が増大し、上述した粉塵爆発や自然発火等を引き起こす危険があり、市場での入手が困難となる。仮に、小さな粒径のチタン（Ｔｉ）粉末を入手することができたとしても、混合材料２を形成するために分散材とチタン（Ｔｉ）粉末とを混合する際には、粉塵爆発や自然発火等を引き起こす危険があるためにその取り扱いには自然着火を防止しうる設備と適性な管理が必要とされていた。
【００３４】上述したように本実施の形態においては、チタン（Ｔｉ）粉末を直接に用いることなく、空気等による酸化や窒化等が起こり難く反応時の発熱も少ない安定した性質を有する水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末を用いている。この水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末は、粒径の小さい粉末を入手することが容易であるとともに、粒径の大きな水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末を自ら粉砕して篩い分けることにより、水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末を所定の大きさの粒径となるように調整することも可能である。これは、チタン（Ｔｉ）粉末と比較し、水素化することにより粉末が脆性となるため、水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末に対してはボールミル等で容易に粉砕による細粒化が可能となるためである。また、チタン（Ｔｉ）粉末の原料製造工程においてスポンジチタン（Ｔｉ）粉末を、▲１▼水素化→▲２▼脱水素→▲３▼解砕（脱水素時に凝集した粒子をほぐすことを目的とする）→▲４▼篩い分け、等の多数の工程が必要となることから、水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末を用いることにより前記の▲２▼脱水素以降の工程を省略できるることからも、複合材料の低コスト化に繋がるものである。
【００３５】次に、このように生成したチタン（Ｔｉ）粉末を含む混合材料２に、蓋体１ｂの注入口１０を経由して、混合材料２の空隙に溶融状態のアルミニウム（Ａｌ）４を含浸させる。アルミニウム（Ａｌ）４を溶融含浸させることによって自己燃焼反応が生起し、アルミニウム（Ａｌ）４はアルミナイド金属間化合物に置換される。この結果、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックス６に分散材７が分散してなる複合材料５を得ることができる。このアルミニウム（Ａｌ）４の溶融含浸は、前述した混合材料２の加熱と連続して行うことが好ましい。例えば、所定の条件下で混合材料２を加熱した後に、毎分５℃の間隔でさらに昇温し、アルミニウム（Ａｌ）４が溶解する温度（約６６０℃）より数十℃高い温度、具体的には約７００℃まで加熱し、この状態でアルミニウム（Ａｌ）４を溶融含浸させることが好ましい。また、上述した金属水素化物からの水素の脱離及びアルミニウム（Ａｌ）の溶融含浸は、減圧雰囲気下で行われることが好ましく、具体的には、真空度が１３〜１．３Ｐａ（１×１０−１〜１×１０−２Ｔｏｒｒ）以下の減圧雰囲気下で行われることが好ましい。
【００３６】上述した自己燃焼反応は非常に短時間で完了するため、溶融したアルミニウム（Ａｌ）を保持する時間は数分程度で十分である。さらに、自己燃焼反応が終了した後に、得られた複合材料５のマトリックス７の均質化及び安定化を図るために、適宜等温保持や加熱保持を行ってもよい。このときの保持温度は、材料系によって若干左右されるが、自己燃焼反応が生じた温度と同一な温度から約４００〜５００℃程度高い温度で実施することが好ましく、また保持時間は約１時間から必要に応じて数時間実施すればよい。
【００３７】上述したように、本実施の形態においては、水素を脱離してチタン（Ｔｉ）粉末を生成することに連続して、混合材料にアルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させることにより、生成したチタン（Ｔｉ）粉末の、特に、その表面部分が空気等によって酸化及び窒化される前の純度が高い状態において自己燃焼反応を生起させることができる。このように純度の高いチタン（Ｔｉ）粉末を反応に利用することができることから、溶融アルミニウムの混合材料内部への浸透性が向上されるとともに、開気孔率が低減され、緻密かつ高品質な複合材料を製造することができる。
【００３８】また、本実施の形態においては、元素間での発熱反応を含浸駆動力として混合材料中に溶融アルミニウム（Ａｌ）が浸透し、かつ、その内部エネルギーを利用するため、従来の製造方法である加圧含浸法、ＨＰ法、又はＨＩＰ法のような高圧が必要とされず、無加圧での浸透プロセスによって製造される。また、従来行われていたアルミニウム（Ａｌ）の溶融含浸時に崩れない程度の強度が備わったプリフォームの製造方法である仮焼や成形等の煩雑な工程が必要とされず、複合材料の緻密化並びにニアネットシェイプ化が実現される。
【００３９】本実施の形態において用いられる金属水素化物粉末は、例えば、チタン（Ｔｉ）やニッケル（Ｎｉ）等金属の水素化物を含む金属水素化物粉末を好適に用いることができ、これらからの水素化化合物から水素を脱離した金属粉末は反応性が良好であるとともに、アルミナイド金属間化合物が形成され易いために好ましい。特に、チタン（Ｔｉ）の水素化物（水素化チタン（ＴｉＨ２））は、比較的に入手が容易であるとともに、安定した特性を有することから特に好適に用いることができる。
【００４０】また、本実施の形態においては、得られた複合材料を構成するマトリックスに、未反応のアルミニウム（Ａｌ）が残存する構成としてもよく、この場合には、マトリックスが、アルミナイド金属間化合物に加えて未反応アルミニウム（Ａｌ）を６０質量％以下含んでいることが好ましく、２〜５０質量％含んでいることがさらに好ましい。複合材料を構成するマトリックス中に未反応アルミニウム（Ａｌ）が残存している場合には、本実施の形態の複合材料は優れた破壊靭性を示すものであるとともに、アルミニウム（Ａｌ）の浸透パスが混合材料の空隙として存在していたために、アルミニウム（Ａｌ）が良好に浸透されてなるものである。なお、マトリックスが、未反応アルミニウムを６０質量％を超えて含んでいると、この複合材料の破壊靭性値は高くなる反面、ヤング率が低下して高剛性材料としての魅力が低下し、またアルミニウム（Ａｌ）の融点域において強度低下等の現象が起こり易くなるために好ましくない。さらに、よりアルミニウム（Ａｌ）の比率を高めた場合においては、含浸駆動力となる金属粉末の量の低下によって浸透性の低下が生ずるため好ましくない。
【００４１】また、本実施の形態においては、混合材料を３５０〜６００℃で３０〜４８０分間加熱して、混合材料に含まれる金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離させて金属粉末とすることが好ましい。加熱温度が３５０℃未満及び／又は加熱時間が３０分未満であると、金属水素化物からの水素の脱離が不十分であることから、自己燃焼反応が完全に進行せず、得られる複合材料の開気孔率が高くなり緻密性が低下することがある。また、加熱温度が６００℃を超える及び／又は加熱時間が４８０分を超えたとしても、得られる複合材料において、各種特性が各段に向上することはなく、むしろエネルギーロスの原因となり製造コストが増加することがある。また脱水素する温度を５００℃〜６００℃の温度域とすると３５０〜５００℃とする場合に比べて脱水素は短時間で有効に行われるものの、脱水素されたチタン粉同士が固着して、後のアルミニウムの溶融含浸時に細粒粉として作用せず品質低下を招くことがみうけられるため、脱水素する温度範囲は３５０〜５００℃としたほうがより好ましい。
【００４２】本実施の形態においては、分散材の平均粒径に対する、金属水素化物粉末の平均粒径の比率（％）が、５〜８０％であることが好ましく、５〜６０％であることがさらに好ましく、１０〜４０％であることが特に好ましい。分散材の平均粒径に対する、金属水素化物粉末の平均粒径の比率（％）が、５％未満であると、金属水素化物粉末とセラミック粒子粉末（分散材）を混合して反応容器に詰めた際に、セラミック粒子の一部の間隙に金属水素化物粉末が凝集してしまう結果、金属水素化物粉末の存在しないセラミック粒子間隙ができてしまい、当該位置にアルミニウムが溶融含浸せず気孔として残留し、品質低下を招くことがある。また、８０％を超えると、金属水素化物粉末とセラミック粒子粉末を混合した際に、セラミック粒子間隙に金属水素化物粉末が適性に配置されないことが多く、当該位置にアルミニウム（Ａｌ）が溶融含浸せず気孔として残留し、品質低下を招くことがある。具体的には、分散材の平均粒径が５０μｍである場合には、金属水素化物粉末の平均粒径は２〜４０μｍであることが好ましく、５〜２０μｍであることがさらに好ましい。
【００４３】また、本実施の形態においては、分散材の、複合材料全体に占める比率（体積比率）が、１０〜７０体積％であることが好ましく、３０〜６０体積％であることがさらに好ましい。分散材の体積比率が１０体積％に満たない場合には、複合材料として十分な強度を発揮し得ず、また、７０体積％を超える場合には、アルミニウム（Ａｌ）溶湯の浸透に不具合が生ずることが想定され、アルミナイド金属間化合物の生成が困難となり、不均質な組織が形成されるために好ましくない。なお、本実施の形態において溶融含浸されるアルミニウム（Ａｌ）は純アルミニウム（Ａｌ）に限らず、各種アルミニウム（Ａｌ）合金を利用してもこれまで述べてきた効果が発揮されることはいうまでもない。
【００４４】本実施の形態においては、分散材が、繊維、粒子、及びウィスカーからなる群より選択される少なくとも一種の形状を有する無機材料であることが好ましく、このような形状の無機材料が用いられているため、本実施の形態の複合材料は最終製品としての使用用途に沿った物理的特徴等を有するものである。
【００４５】また、本実施の形態においては、前述の無機材料が、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物からなる群より選択される少なくとも一種を含むことが好ましく、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＣ及びＴｉＢ２からなる群より選択される少なくとも一種を含むことがさらに好ましい。複合材料は、マトリックスである未反応アルミニウム（Ａｌ）及びアルミナイド金属間化合物と分散材との組み合わせにより種々の特性を示すものであり、用途に応じた特性を示す複合材料となる組み合わせが適宜選択される。
【００４６】なお、複合材料を構成するマトリックスに含まれる未反応アルミニウム（Ａｌ）と生成したアルミナイド金属間化合物との質量比を調整するには、反応容器内に充填する混合材料の金属水素化物粉末：分散材の比（体積比）を変化させ、さらに充填後の混合材料の厚さを測定することによって混合材料の空隙率を測定し、その空隙中にアルミニウム（Ａｌ）が完全に浸透するものとして、アルミニウム（Ａｌ）の必要量を算出する。これにより、金属水素化物粉末：分散材の体積比、及び混合材料の空隙率によって分散材の粒子体積率及びマトリックスの組成（質量比）を算出することができる。
【００４７】また、アルミニウム（Ａｌ）を含浸させる前において目標とするマトリックスの組成は、含浸させた後の実際のマトリックス組成とは完全には一致せず、若干変動する場合がある。次に、アルミニウム（Ａｌ）を含浸させた後の実際のマトリックス組成の算出方法について説明する。未反応アルミニウム（Ａｌ）：アルミナイド金属間化合物の質量比は、特許文献４において記載された手法である、ＸＲＤ分析にて予め所定の質量比に調整したアルミニウム（Ａｌ）及びアルミナイド金属間化合物の混合材料を用いて検量線を作成しておき、これを元にしてマトリックス組成を変化させた試料をＸＲＤ分析し、得られた測定結果のＸ線強度より算出することが可能である。
【００４８】本実施の形態において、混合材料を充填する容器の形状は、図１に示した形状に限定されることはなく、混合材料を加熱することが可能であるとともに、充填した混合材料に、溶融したアルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させることが可能な形状であれば上述した容器の形状に限定されることはない。
【００４９】次に、本発明（第二及び第四の発明）の複合材料及びその製造方法の一の実施の形態について説明する。本実施の形態の複合材料は、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に分散材が分散してなる複合材料であって、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属合金粉末と分散材とを含む混合材料を充填し、反応容器の中に充填された混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、金属合金粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生起させることにより、マトリックス中に分散材を分散させてなることを特徴とする。
【００５０】また、本実施の形態の複合材料の製造方法は、アルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に分散材が分散してなる複合材料を製造する方法であって、反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属合金粉末と分散材とを含む混合材料を充填し、反応容器の中に充填された混合材料内部の空隙中にアルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、金属合金粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させることを特徴とする。以下、本実施の形態の複合材料の製造方法についてさらに具体的に説明し、その中で本実施の形態の複合材料についても併せて具体的に説明する。
【００５１】本実施の形態の複合材料の製造方法においては、例えば、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とから構成されたチタン・アルミニウム合金粉末と、分散材とを含む混合材料を、適当なサイズ及び形状の容器内に充填し、この混合材料にアルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、チタン・アルミニウム合金粉末とアルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させる。本実施の形態に用いられる容器は、図１に示した反応容器１を好適に用いることができる。また、金属合金粉末としては、例えば、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とから構成されたチタン・アルミニウム合金の水素化物の粉末も好適に用いることができる。
【００５２】本実施の形態によれば、粉塵爆発や自然発火等を引き起こすことがある金属粉末を用いることなく、安定した特性を有する金属合金粉末を用いて複合材料を製造することができる。また、金属粉末を用いた場合のアルミニウム（Ａｌ）と金属粉末との自己燃焼反応は非常に急速に進行する反応であるため一旦反応が開始されると、その制御を行うことは困難であったが、本実施の形態の製造方法においては、金属粉末を用いた際の自己燃焼反応と比較して、緩やかな反応を起こす金属合金粉末を用いて混合材料を形成していることから、アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応を制御することができる。
【００５３】また、本実施の形態においては、上述したようにアルミニウム（Ａｌ）と各種金属合金粉末との自己燃焼反応熱を利用してアルミナイド金属間化合物の生成が推進されるものであり、元素間での発熱反応を含浸駆動力として混合材料中に溶融したアルミニウム（Ａｌ）が浸透し、かつ、その内部エネルギーを利用するため、低コスト・低エネルギーにて複合材料を製造することができ、上述した第一及び第三の発明の実施の形態と同様の作用、効果を得ることができる。
【００５４】本実施に形態においては、金属合金粉末は、チタン（Ｔｉ）やニッケル（Ｎｉ）等の金属と、アルミニウム（Ａｌ）とを含む金属合金の粉末であることが好ましく、特に、混合材料を製造する際の安全性が大幅に向上されることから、上述したチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とを含むチタン・アルミニウム合金粉末であることが好ましい。また、金属合金粉末に含まれるアルミニウム（Ａｌ）の、金属合金粉末に占める割合が０．５〜１０質量％であるとともに、残余がチタン（Ｔｉ）であることがさらに好ましい。このように構成することによって、溶融アルミニウムの混合材料内部への浸透性が向上されるとともに、開気孔率の低減され、緻密かつ高品質な複合材料を製造することができる。また、金属合金粉末として、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とから構成されたチタン・アルミニウム合金等の水素化物の粉末を用いた場合には、金属合金粉末を構成する合金の水素化物から、水素を脱離することにより、純度の高い金属合金を得ることができる。
【００５５】本実施の形態においては、分散材の平均粒径に対する、金属合金粉末の平均粒径の比率（％）が、５〜８０％であることが好ましく、５〜６０％であることがさらに好ましく、１０〜４０％であることが特に好ましい。分散材の平均粒径に対する、金属合金粉末の平均粒径の比率（％）が、５％未満であると、金属合金粉末とセラミック粒子粉末（分散材）を混合して反応容器に詰めた際に、セラミック粒子の一部の間隙に金属合金粉末が凝集してしまう結果、金属合金粉末の存在しないセラミック粒子間隙ができてしまい、当該位置にアルミニウムが溶融含浸せず気孔として残留し、品質低下を招くことがある。また、８０％を超えると、金属合金粉末とセラミック粒子粉末を混合した際に、セラミック粒子間隙に金属合金粉末が適性に配置されないことが多く、当該位置にアルミニウムが溶融含浸せず気孔として残留し、品質低下を招くことがある。具体的には、分散材の平均粒径が５０μｍである場合には、金属合金粉末の平均粒径は２〜４０μｍであることが好ましく、５〜２０μｍであることがさらに好ましい。
【００５６】また、本実施の形態においては、得られた複合材料を構成するマトリックスに、未反応のアルミニウム（Ａｌ）が残存する構成としてもよく、この場合には、マトリックスが、アルミナイド金属間化合物に加えて未反応アルミニウム（Ａｌ）を６０質量％以下含んでいることが好ましく、２〜５０質量％含んでいることがさらに好ましい。また、分散材の、複合材料全体に占める比率（体積比率）が、第一及び第三の発明の実施の形態において説明した比率と同様であることが好ましく、また、本実施の形態に用いられる分散材は、第一及び第三の発明の実施の形態に用いられる無機材料と同様に構成されたものを好適に用いることができる。
【００５７】
【実施例】以下、本発明の具体的な実施結果を説明する。
【００５８】
（実施例１〜２５）
分散材となる各種無機材料（平均粒径が約４７μｍ、８０μｍのＡｌ２Ｏ３粒子、約５０μｍのＳｉＣ粒子、約４５μｍのＳｉ３Ｎ４粒子、約４０μｍのＡｌＮ粒子）と水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末とを、所定の（水素化チタン／無機材料）体積比（体積％）となるように配合し、Ｖ型混合機により混合を行った。その後、得られた混合粉末を容器の中に流し込み、所定の空隙率となるように圧粉して混合材料を形成した。表１及び表２に、各実施例及び比較例における、無機材料の種類と平均粒径（μｍ）、水素化チタン粉末の平均粒径（μｍ）、（チタン／分散材）体積比（体積％）、及び空隙率（％）を示す。また、表中において示した（チタン／分散材）体積比（体積％）は、水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末が脱水素後にチタン（Ｔｉ）粉末に変化した場合での配合量である。尚、配合計算にはＴｉ：４．５ｇ／ｃｍ３、ＴｉＨ２：３．９ｇ／ｃｍ３の密度値を利用した。
【００５９】
【表１】
【表２】
【００６２】
【表３】
【表４】
（比較例１〜５）
表２に示す混合材料組成及び表４に示す温度スケジュール以外に関しては（実施例１〜２５）に記載の方法と同様に複合材料（比較例１〜５）を製造した。
【００６５】また、表３及び表４に示すように、実施例１〜７及び実施例１９〜２２の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで５００℃まで加熱し、５００℃で４時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００６６】実施例８の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで６００℃まで加熱し、６００℃で２時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００６７】実施例９の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで６００℃まで加熱し、６００℃で１時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００６８】実施例１０の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで６００℃まで加熱し、６００℃で０．５時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００６９】実施例１１の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで５００℃まで加熱し、５００℃で１時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００７０】実施例１２の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで５００℃まで加熱し、５００℃で４時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで６００℃まで加熱して１時間保持、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００７１】実施例１３の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで５００℃まで加熱し、５００℃で１時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで６００℃まで加熱して１時間保持、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００７２】実施例１４の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで５００℃まで加熱し、５００℃で４時間保持した後に、さらに昇温速度２．５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００７３】実施例１５の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで４００℃まで加熱し、４００℃で４時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００７４】実施例１６の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで４００℃まで加熱し、４００℃で１時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００７５】実施例１７の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで４００℃まで加熱し、４００℃で４時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで６００℃まで加熱して１時間保持、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００７６】実施例１８の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで４００℃まで加熱し、４００℃で１時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで６００℃まで加熱して１時間保持、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００７７】実施例２３の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで５００℃まで加熱し、５００℃で０．５時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００７８】実施例２４の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで３００℃まで加熱し、３００℃で２時間保持した後に、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００７９】実施例２５及び比較例１〜５の温度スケジュールは、昇温速度５℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱してアルミニウムを含浸させた状態で１時間保持した後に徐冷するものとした。
【００８０】このようにして得られた複合材料を任意に切断し、切断面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察して微構造解析を行い、合成及び含浸度合いについて解析を行った。また、以下の各種評価（浸透性評価、緻密性評価、水素脱離性評価、及び取扱いの容易性評価）を行った。評価結果を表１及び表２に示す。
【００８１】
［浸透性評価］：
混合粉体へのアルミニウムの浸透距離を測定することによって評価した。判定基準としては、混合材料の最大厚みを３０ｍｍに設定し、下記式（１）の浸透率を測定することによって評価を行った。浸透率が１００％である場合を「◎」（特に優れた効果あり）、浸透率が８５％以上である場合を「○」（優れた効果あり）、浸透率が６０％以上である場合を「△」（やや不十分なるも一定の効果あり）、浸透率が６０％未満の場合を「×」（効果なし）として評価した。
【００８２】
【数１】
浸透率（％）＝１００×浸透距離／最大浸透距離 …（１）
（但し、「浸透距離」とは、実際にアルミニウム（Ａｌ）が浸透した距離であって、未浸透領域において観察される気孔の多い部分を除外した距離をいい、「最大浸透距離」とは、反応容器中に充填された混合材料の厚み方向での最端部までの距離をいう）
【００８３】
［緻密性評価］：
開気孔率を測定することによって評価した。開気孔率は、測定対象から所定形状の試料を切り出し、アルキメデス法によって測定を行い算出した。判定基準としては、測定した開気孔率が、０．１未満の場合は「◎」（特に優れた効果あり）、０．１以上１未満の場合は「○」（優れた効果あり）、１以上２未満の場合は「△」（やや不十分なるも一定の効果あり）、２以上の場合は「×」（効果なし）とした。
【００８４】
［水素脱離性評価］：
金属水素化物を加熱保持した温度において、加熱時間内に到達する真空加熱炉内の真空度によって評価した。判定基準としては、加熱保持後に到達する炉内の真空度が、１．３Ｐａ（１．０×１０−２Ｔｏｒｒ）以下の場合は「◎」（特に優れた効果あり）、１．３Ｐａ（１．０×１０−２Ｔｏｒｒ）を超え６．７Ｐａ（５．０×１０−２Ｔｏｒｒ）以下の場合は「○」（優れた効果あり）、６．７Ｐａ（５．０×１０−２Ｔｏｒｒ）を超える場合は「×」（効果なし）とした。
【００８５】
［取扱いの容易性評価］：
混合材料に用いた金属水素化物粉末及び金属粉末の取扱いの容易性を、難、比較的容易、及び容易の三段階で評価した。判断基準としては、混合して混合粉末を形成する段階における各物質の反応性の高さ（自然発火や粉塵爆発等の生じ易さ）を基準とした。
【００８６】各種評価の結果から、実施例１〜２５の複合材料は、浸透性評価、緻密性評価、水素脱離性評価、及び取扱いの容易性評価の全てにおいて×又は難の評価となるものがなく、複合材料として満足のいくものであった。その中でも、特に、実施例１〜２２の複合材料は、全ての評価において高い評価を有しており、これは、金属水素化物粉末の脱水素及びアルミニウム（Ａｌ）の含浸条件が最適であったためと考えられた。しかしながら、実施例２５のように特別な加熱条件を設けずに製造したとしても、アルミニウム（Ａｌ）溶湯を混合材料に溶融含浸させる工程が水素の脱離を促すために、一定の金属水素化物粉末が金属粉末となり、自己燃焼反応を生起することが分かる。比較例１〜３の複合材料は、浸透性評価及び緻密性評価においては高い評価を得るものであったが、取扱いの容易性評価について、粉塵爆発等を生ずる恐れのある金属粉末を混合する必要があるために、自然着火を防止しうる設備と適性な管理が必要であり、通常の設備では複合材料を製造する際において危険性を伴うものであった。また、上述した設備は高価なものであるために複合材料の製造コストを増大させる。また、比較例４及び５の複合材料は、金属粉末の粒径が大きいことから粉塵爆発等の危険性が低く、取扱いの容易性評価については易及び比較的易という評価であったが、浸透性及び緻密性については、実施例と比較して低く、複合材料としては不適切なものであった。
【００８７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の複合材料の製造方法によれば、金属粉末と分散材とを含む混合材料中に溶融アルミニウム（Ａｌ）が含浸する際に生じる発熱反応を利用することにより、従来法と比較して圧力を必要とせず且つ非常に含浸速度が速い無加圧含浸が可能となる。このため、緻密な微構造を有するとともに製造コストの低減がなされている複合材料とすることができるとともに、大型・複雑形状の複合材料を加圧含浸装置等の特別な設備を必要とせず、低エネルギー・低コストで製造することができる。また、本発明により、安全性に優れるとともに製造工程が削減された複合材料の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明（第三の発明）の複合材料の製造方法の一の実施の形態を説明する模式図である。
【図２】従来の複合材料の製造方法の一例を説明する模式図である。
【符号の説明】
１…反応容器、１ｂ…蓋体、２…混合材料、３…空隙、４…アルミニウム（Ａｌ）、５…複合材料、６…マトリックス、７…分散材、１０…注入口。[0001]
[0001] The present invention relates to a composite material and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a composite material having high density and a method for producing a composite material which is excellent in safety and has a reduced number of production steps, and can be formed into a desired final shape, particularly a large and complex shape.
[0002]
2. Description of the Related Art A composite material is a composition aggregate obtained by macroscopically mixing a plurality of materials, and makes it possible to express characteristics that cannot be realized by a single material by using the mechanical characteristics of each material in a complementary manner. It was done. Basically, it is a technique for combining materials, and there are various combinations depending on the matrix and the reinforcing material (dispersing material), the purpose of use, the cost, and the like.
[0003] Among them, metal-based composite materials (MMCs: Metal-Matrix-Composites) are a composite of a metal material (Al, Ti, Cu, Si, or the like) using ceramics as a reinforcing material to form both a ceramic and a metal. It is a material that also has characteristics. Therefore, for example, in recent years, for example, in recent years, there have been demands for automobile-related fields related to environmental issues, manufacturing apparatus-related fields in which various devices (semiconductors, displays, precision machines, etc.) are required to be reduced in weight, speed, and efficiency, and semiconductor devices. In the field of electronic components for cooling (radiating heat), attention has been paid to metal-based composite materials. In addition, intermetallic compound-based composite materials (IMCs: Intermetallic-Matrix-Composites) are obtained by compounding an intermetallic compound (Ti-Al system, Ni-Al system, etc.) using ceramics as a reinforcing material, and It is a material that has attracted attention in the fields of power generation, space, and aviation as a heat-resistant material in a temperature range that is difficult to achieve. From these facts, it is possible to customize the desired material properties by changing the types and phase ratios of the dispersed phase and the matrix phase in fields where both composite materials are difficult to apply as ceramic or metal materials. It is expected to be used in various fields as a material.
As a method for producing an intermetallic compound-based composite material, an intermetallic compound powder is produced in advance by mechanical alloying (MA) or the like, and together with fibers and / or particles serving as a reinforcing material, is subjected to high-temperature and high-pressure conditions. Hot pressing (HP) or hot isostatic pressing (HIP).
[0005] A problem in the conventional production method for producing an intermetallic compound-based composite material is that, in order to produce a dense intermetallic compound-based composite material, it is mainly required to use powder metallurgy such as the HP method and the HIP method. It can be mentioned that the composite material needs to be densified by applying high temperature and high pressure by the method and sintering the intermetallic compound. For this reason, not only is there a need for a pretreatment step, but also the performance and scale of the manufacturing equipment are limited, and it is extremely difficult to manufacture large or complex-shaped composite materials, and the shape of the final product is taken into consideration. There is also a problem that the near-net shaping cannot be performed and a machining process is required in the subsequent steps.
[0006] Further, as a pretreatment step, synthesis of an intermetallic compound powder by MA or the like is necessary in advance, and there is a problem that the manufacturing process is multi-step and complicated. Therefore, as described above, in the conventional production of an intermetallic compound-based composite material, a multi-step process is required, and since the production method is performed under high temperature and high pressure conditions, extremely high cost and high energy are required. It is a manufacturing method.
Further, as a method for producing a metal matrix composite material, a sheet or foil-like metal and a fibrous or particle-like ceramic, such as a solid phase method such as an HP method or a HIP method, are subjected to high pressure. In general, the above-described powder metallurgy method using diffusion bonding and metal powder is known. In addition, the liquid phase method considers the combination of ceramics and molten metal with poor wettability, and applies a high pressure, etc., and forcibly forms a composite material by using mechanical energy. For example, the solid-phase method and the liquid-phase method are both processes requiring high temperature and high pressure. In addition, each product made into a composite material has a simple shape such as a flat plate or a disc, and requires plastic working or machining to finish it to the final product. Therefore, the processing cost is high and the manufacturing method is extremely expensive.
[0008] In order to solve such a problem, a method for producing a metal-based composite material that does not require pressure, instead of a conventional high-pressure synthesis process, has been disclosed for the purpose of reducing the cost of the composite material. ing. Specifically, as a liquid phase method of impregnating a molten metal under no pressure, magnesium (Mg) is volatilized in a nitrogen gas atmosphere, and Mg is vapor-phased. 3 N 2 A method is known in which in-situ is generated on the surface of ceramic particles to improve the wettability between ceramic and metal, and molten aluminum (Al) is penetrated into a porous ceramic body without pressure by capillary pressure. (For example, see
Another method is to form a compact made of a reinforcing material (dispersing material) in the form of a fine piece and a fine piece of titanium (Ti) or the like having a getter effect of oxygen and nitrogen. A method of manufacturing a metal-based composite material using a metal such as aluminum (Al) as a matrix by immersing the same in a molten metal such as (Al) is disclosed (for example, see Patent Document 3).
However, according to the above-mentioned production method, the obtained composite material is limited to a metal-based composite material having a matrix containing a metal containing as little as possible an intermetallic compound. Furthermore, since the molded body (sample) expands due to an exothermic reaction between titanium (Ti) and aluminum (Al), when the molded body is immersed in the molten metal, the volume ratio of the reinforcing material is reduced, and the reinforcing material is reduced. There is a problem in that it is difficult to produce a composite material having a higher volume ratio, and it is difficult to produce a composite material with controlled material properties, such as higher strength.
As a related technique for solving the various problems described above, there is a method for producing an intermetallic compound-based composite material which causes a self-combustion reaction between a metal powder mixed with a predetermined reinforcing material and a molten aluminum (Al). It is disclosed (for example, see Patent Document 4). According to this manufacturing method, as shown in FIG. 2, self-combustion is performed by melting and impregnating aluminum (Al) 4 into
However, the metal powder used in the production method utilizing the self-combustion reaction, for example, a metal powder such as titanium (Ti) has a dust explosion due to static electricity or the like particularly when the average particle diameter is about 20 μm or less. Many of them have high reactivity to cause such problems, and the above-mentioned production method requires skilled technology and equipment capable of performing operations safely. In addition, in order to improve the denseness of the composite material, it is desirable to use titanium powder having a small particle size.
In addition, in a material synthesis process similar to the above-mentioned production method using a self-combustion reaction between elements (typically, a combustion synthesis reaction (SHS reaction)), extremely large heat of reaction generated cannot be freely controlled. From the viewpoint, powder synthesis of ceramics and high melting point compounds (for example, AlN and Si in a nitrogen gas atmosphere using aluminum (Al) or silicon (Si) as a starting material) 3 N 4 While it is used in powder synthesis processes (direct nitridation method, etc.), in the case of bulk production, the resulting bulk is imparted with compactness due to the formation of pores accompanying the exothermic reaction. It is known that it is very difficult to synthesize a composite material having high density even in the above-mentioned manufacturing method, and mechanical properties (for example, bending strength, Young's modulus, etc.) caused by the pores are difficult. ) Was a problem. Therefore, there has been a demand from the industry to create a method for producing a composite material having a finer microstructure with fewer pores than the composite material obtained by the production method.
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-1-27359
[Patent Document 2]
JP-A-2-240227
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 3107563
[Patent Document 4]
JP 2002-47519 A
[0015]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art. It is an object of the present invention to have a fine microstructure and reduce the manufacturing cost. An object of the present invention is to provide a composite material that has been made, and a method for producing a composite material that is excellent in safety and has a reduced number of manufacturing steps, and can be formed into a desired final shape, particularly a large-sized and complicated shape.
[0016]
According to the present invention, there is provided a composite material comprising a matrix containing an aluminide intermetallic compound in which a dispersing material is dispersed. A mixed material containing a metal hydride powder (metal hydride powder) capable of causing a self-combustion reaction by contact and the dispersant is filled, and the mixed material filled in the reaction vessel is heated. And desorbing (dehydrogenating) hydrogen from a metal hydride that is a compound constituting the metal hydride powder contained in the mixed material to form a metal powder, and the mixed material including the metal powder and the dispersant Melting and impregnating the aluminum (Al) into the internal voids to generate an aluminide intermetallic compound by a self-combustion reaction between the metal powder and the aluminum (Al); Ri, composite material characterized by comprising dispersed the dispersed material in the matrix is provided (hereinafter, sometimes referred to as "first invention").
In the present invention, the matrix preferably contains not more than 60% by mass of unreacted aluminum (Al) in addition to the aluminide intermetallic compound. In the present invention, the above-mentioned metal hydride powder is made of titanium hydride (TiH 2 ) It is preferably a powder. Further, it is preferable that the mixed material is heated at 350 to 600 ° C. for 30 to 480 minutes to desorb hydrogen from the metal hydride which is a compound constituting the metal hydride powder contained in the mixed material. Is 1 to 25 μm, and the mixed material is heated at 350 to 500 ° C. for 30 to 480 minutes to remove hydrogen from the metal hydride which is a compound constituting the metal hydride powder contained in the mixed material. More preferably, it is eliminated. Here, the reason why the dehydrogenation condition of the mixed material is 350 to 600 ° C. is that dehydrogenation from titanium hydride occurs efficiently at the temperature, and the holding time is 30 to 480 minutes. The reason is that dehydration may not be completed within 30 minutes in the specified temperature range, which is not preferable, and holding for 480 minutes or more may be disadvantageous in operation cost. Further, as a more preferable condition, the temperature range is defined as 350 to 500 ° C. In the temperature range of 500 ° C. to 600 ° C., although dehydrogenation is effectively performed, sintering between dehydrogenated titanium powder is performed. This is because, as the process proceeds, it is observed that the particles are aggregated and fixed, do not act as the intended fine-grained powder, and lower the quality.
In the present invention, the ratio (%) of the average particle size of the metal hydride powder to the average particle size of the dispersant is preferably 5 to 80%.
Further, according to the present invention, there is provided a composite material comprising a matrix containing an aluminide intermetallic compound in which a dispersing material is dispersed. A mixed material containing a metal alloy powder capable of causing a reaction and the dispersing material is filled, and the aluminum (Al) is melt-impregnated into voids inside the mixed material filled in the reaction vessel, By providing an aluminide intermetallic compound by a self-combustion reaction between a metal alloy powder and the aluminum (Al), a composite material is provided in which the dispersant is dispersed in the matrix. , "The second invention").
In the present invention, the matrix preferably contains not more than 60% by mass of unreacted aluminum (Al) in addition to the aluminide intermetallic compound. Further, in the present invention, the metal alloy powder is preferably an alloy powder containing titanium (Ti) and aluminum (Al). Further, the ratio of aluminum (Al) contained in the alloy constituting the metal alloy powder to the entire alloy is preferably 0.5 to 10% by mass.
In the first and second aspects of the present invention, the ratio (volume ratio) of the dispersant to the entire composite material is preferably 10 to 70% by volume. In the first and second inventions, it is preferable that the dispersion material is an inorganic material having at least one shape selected from the group consisting of fibers, particles, and whiskers. When the dispersion material is made of the above-described inorganic material, the inorganic material preferably contains at least one selected from the group consisting of oxides, nitrides, carbides, and borides, and the inorganic material is Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, AlN, Si 3 N 4 , SiC, B 4 C, TiC and TiB 2 It is preferable to include at least one selected from the group consisting of
Further, according to the present invention, there is provided a method for producing a composite material in which a dispersant is dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound, wherein the composite material is brought into contact with aluminum (Al) in a reaction vessel. A mixed material containing a metal hydride powder (metal hydride powder) capable of causing a self-combustion reaction by the above and the dispersant is filled, and the mixed material filled in the reaction vessel is heated, Hydrogen is desorbed from the metal hydride which is a compound constituting the metal hydride powder contained in the mixed material to form a metal powder, and the metal powder and the dispersing agent are contained in voids inside the mixed material. Melt impregnating aluminum (Al) to form an aluminide intermetallic compound by a self-combustion reaction between the metal powder and the aluminum (Al); The method of producing a composite material characterized by dispersing the dispersion material in the helix is provided (hereinafter, sometimes referred to as "third invention").
In the present invention, the metal hydride powder is titanium hydride (TiH). 2 ) It is preferably a powder. Further, it is preferable that the mixed material is heated at 350 to 600 ° C. for 30 to 480 minutes to desorb hydrogen from the metal hydride which is a compound constituting the metal hydride powder contained in the mixed material. Is 1 to 25 μm, and the mixed material is heated at 350 to 500 ° C. for 30 to 480 minutes to remove hydrogen from the metal hydride which is a compound constituting the metal hydride powder contained in the mixed material. More preferably, it is eliminated.
The ratio (%) of the average particle size of the metal hydride powder to the average particle size of the dispersant is preferably 5 to 80%. In the present invention, the heating of the mixed material and the melting and impregnation of aluminum (Al) are preferably performed in a reduced-pressure atmosphere.
Further, according to the present invention, there is provided a method for producing a composite material in which a dispersant is dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound, wherein the composite material is brought into contact with aluminum (Al) in a reaction vessel. A mixed material containing a metal alloy powder capable of causing a self-combustion reaction and the dispersing material, and melting and impregnating the aluminum (Al) into voids inside the mixed material filled in the reaction vessel. And producing the aluminide intermetallic compound by a self-combustion reaction between the metal alloy powder and the aluminum (Al), thereby dispersing the dispersant in the matrix. (Hereinafter, may be referred to as a “fourth invention”).
In the present invention, the metal alloy powder is preferably an alloy powder containing titanium (Ti) and aluminum (Al). Further, it is preferable that the ratio of aluminum (Al) contained in the alloy constituting the metal alloy powder to the entire alloy is 0.5 to 10% by mass.
In the present invention, it is preferable that the melt impregnation of aluminum (Al) is performed under a reduced pressure atmosphere.
[0028]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments.
First, one embodiment of the composite material of the present invention (first and third inventions) and a method for producing the same will be described. The composite material of the present embodiment is a composite material in which a dispersant is dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound, and a self-combustion reaction is caused by contacting aluminum (Al) in a reaction vessel. A mixed material containing a hydride powder of a metal that can occur (metal hydride powder) and a dispersing material is filled, and the mixed material filled in the reaction vessel is heated to form a metal hydride contained in the mixed material. Hydrogen is desorbed (dehydrogenated) from a metal hydride, which is a compound constituting the powder, into a metal powder, and aluminum (Al) is melt-impregnated into voids inside the mixed material including the metal powder and the dispersant, The dispersant is dispersed in a matrix by forming an aluminide intermetallic compound by a self-combustion reaction between metal powder and aluminum (Al).
The method for producing a composite material according to the present embodiment is a method for producing a composite material in which a dispersing material is dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound. A mixed material containing a metal hydride powder (metal hydride powder) capable of causing a self-combustion reaction upon contact with (Al) and a dispersant is filled, and the mixed material filled in the reaction vessel is heated. Then, hydrogen is desorbed from the metal hydride which is a compound constituting the metal hydride powder contained in the mixed material to form a metal powder, and aluminum (Al) is contained in a void inside the mixed material including the metal powder and the dispersant. ) Is melt impregnated to form an aluminide intermetallic compound by a self-combustion reaction between the metal powder and aluminum (Al), thereby dispersing the dispersant in the matrix. And wherein the Rukoto. Hereinafter, the method for manufacturing the composite material of the present embodiment will be described more specifically, and the composite material of the present embodiment will also be specifically described.
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a composite material according to the present embodiment. In FIG. 1, a metal hydride powder, for example, titanium hydride (TiH 2 ) A
Next, the
In order to produce a composite material, a metal powder capable of generating a self-combustion reaction with molten aluminum (Al) 4, for example, titanium (Ti) powder is sometimes used. Up to 325 mesh (particle diameter of 45 μm or less, average particle diameter of 20 μm), the powder hardly causes dust explosion or spontaneous ignition, and is relatively easily available on the market. With respect to titanium (Ti) powder having a smaller particle size, for example, a powder having an average particle size of 20 μm or less, the activity of the titanium (Ti) powder increases due to the increase in the powder surface area due to the refinement, and the dust explosion described above And the risk of spontaneous ignition, which makes it difficult to obtain them on the market. Even if titanium (Ti) powder having a small particle size can be obtained, when a dispersant and titanium (Ti) powder are mixed to form the
As described above, in this embodiment, a titanium hydride having a stable property that oxidation or nitridation by air or the like hardly occurs and heat generation during reaction is small without directly using titanium (Ti) powder. (TiH 2 ) Powder is used. This titanium hydride (TiH 2 ) The powder is easy to obtain a powder having a small particle size, and has a large particle size. 2 ) By crushing and sieving the powder by itself, titanium hydride (TiH 2 ) It is also possible to adjust the powder to have a predetermined particle size. This is because the powder becomes brittle by hydrogenation as compared with titanium (Ti) powder. 2 This is because powder can be easily pulverized into fine particles by a ball mill or the like. In addition, in the raw material production process of titanium (Ti) powder, sponge titanium (Ti) powder is (1) hydrogenated → (2) dehydrogenated → (3) disintegrated (in order to loosen particles aggregated during dehydrogenation). ) → ▲ 4 ▼ Since many steps such as sieving are required, titanium hydride (TiH 2 ) The use of powder can omit the steps after (2) dehydrogenation, which also leads to a reduction in cost of the composite material.
Next, molten aluminum (Al) 4 is added to the
Since the above-mentioned self-combustion reaction is completed in a very short time, the time for holding the molten aluminum (Al) is about several minutes. Further, after completion of the self-combustion reaction, isothermal holding or heating holding may be appropriately performed in order to homogenize and stabilize the matrix 7 of the obtained
As described above, in the present embodiment, the mixed material is produced by melting and impregnating aluminum (Al) into the mixed material successively to desorb hydrogen to produce titanium (Ti) powder. A self-combustion reaction can be caused in a state in which titanium (Ti) powder, especially its surface portion is highly purified before being oxidized and nitrided by air or the like. Since titanium (Ti) powder having high purity can be used for the reaction, the permeability of the molten aluminum into the mixed material is improved, the open porosity is reduced, and a dense and high-quality composite is obtained. Material can be manufactured.
In this embodiment, molten aluminum (Al) penetrates into the mixed material using the exothermic reaction between the elements as a driving force for impregnation, and the internal energy is used. It does not require high pressure as in the pressure impregnation method, HP method, or HIP method, and is manufactured by an infiltration process without pressure. In addition, complicated steps such as calcination and molding, which are methods for manufacturing a preform having a strength that does not collapse during melt impregnation of aluminum (Al), which is conventionally performed, are not required, and the densification of the composite material is reduced. In addition, near net shaping is realized.
As the metal hydride powder used in the present embodiment, for example, a metal hydride powder containing a metal hydride such as titanium (Ti) or nickel (Ni) can be suitably used. Metal powder obtained by desorbing hydrogen from an aluminide compound is preferable because it has good reactivity and easily forms an aluminide intermetallic compound. In particular, titanium (Ti) hydride (titanium hydride (TiH 2 )) Can be particularly preferably used because it is relatively easily available and has stable properties.
In this embodiment, the matrix constituting the obtained composite material may have unreacted aluminum (Al) remaining. In this case, the matrix is formed of an aluminide intermetallic compound. In addition to the above, unreacted aluminum (Al) is preferably contained in an amount of 60% by mass or less, and more preferably 2 to 50% by mass. When unreacted aluminum (Al) remains in the matrix constituting the composite material, the composite material of the present embodiment exhibits excellent fracture toughness, and the penetration path of aluminum (Al) is reduced. Aluminum (Al) is satisfactorily penetrated because it exists as voids in the mixed material. If the matrix contains more than 60% by mass of unreacted aluminum, the fracture toughness value of the composite material is increased, but the Young's modulus is reduced and the attractiveness as a highly rigid material is reduced. This is not preferable because phenomena such as a decrease in strength easily occur in the melting point region of (Al). Furthermore, when the ratio of aluminum (Al) is further increased, it is not preferable because the permeability decreases due to a decrease in the amount of the metal powder serving as the impregnating driving force.
Further, in the present embodiment, the mixed material is heated at 350 to 600 ° C. for 30 to 480 minutes to remove hydrogen from the metal hydride which is a compound constituting the metal hydride powder contained in the mixed material. It is preferable to separate them to form a metal powder. When the heating temperature is less than 350 ° C. and / or the heating time is less than 30 minutes, the desorption of hydrogen from the metal hydride is insufficient, so that the self-combustion reaction does not completely proceed and the obtained composite material May have an increased open porosity and reduced denseness. Further, even if the heating temperature exceeds 600 ° C. and / or the heating time exceeds 480 minutes, in the obtained composite material, various properties are not improved in each step, and rather, energy loss is caused and manufacturing cost is reduced. May increase. In addition, when the temperature for dehydrogenation is set to a temperature range of 500 ° C. to 600 ° C., although dehydrogenation is performed more effectively in a shorter time than when 350 to 500 ° C., the dehydrogenated titanium powders adhere to each other, Since it does not act as fine powder at the time of subsequent melt impregnation of aluminum, it is likely to cause a deterioration in quality. Therefore, the temperature range for dehydrogenation is more preferably 350 to 500 ° C.
In the present embodiment, the ratio (%) of the average particle size of the metal hydride powder to the average particle size of the dispersant is preferably 5 to 80%, and more preferably 5 to 60%. Is more preferably, and particularly preferably 10 to 40%. If the ratio (%) of the average particle size of the metal hydride powder to the average particle size of the dispersion material is less than 5%, the metal hydride powder and the ceramic particle powder (dispersion material) are mixed and packed into a reaction vessel. As a result, the metal hydride powder agglomerates in some of the gaps of the ceramic particles, resulting in ceramic particle gaps in which the metal hydride powder does not exist. In some cases, the quality may be degraded. On the other hand, when the content exceeds 80%, when the metal hydride powder and the ceramic particle powder are mixed, the metal hydride powder is often not properly arranged in the gaps between the ceramic particles, and aluminum (Al) is melt-impregnated at the position. May remain as pores, which may lead to quality deterioration. Specifically, when the average particle size of the dispersant is 50 μm, the average particle size of the metal hydride powder is preferably 2 to 40 μm, and more preferably 5 to 20 μm.
In the present embodiment, the ratio (volume ratio) of the dispersant to the entire composite material is preferably 10 to 70% by volume, more preferably 30 to 60% by volume. . When the volume ratio of the dispersing material is less than 10% by volume, sufficient strength cannot be exhibited as a composite material, and when it exceeds 70% by volume, there is a problem in the penetration of molten aluminum (Al). This is not preferable because it is difficult to form an aluminide intermetallic compound and a heterogeneous structure is formed. In the present embodiment, the aluminum (Al) to be melt-impregnated is not limited to pure aluminum (Al), and it is needless to say that various aluminum (Al) alloys can achieve the effects described above. Nor.
In the present embodiment, the dispersant is preferably an inorganic material having at least one shape selected from the group consisting of fibers, particles, and whiskers. Therefore, the composite material of the present embodiment has physical characteristics and the like in accordance with the use as a final product.
In the present embodiment, the above-mentioned inorganic material preferably contains at least one selected from the group consisting of oxides, nitrides, carbides, and borides. 2 O 3 , SiO 2 , MgO, AlN, Si 3 N 4 , SiC, B 4 C, TiC and TiB 2 More preferably, at least one selected from the group consisting of The composite material exhibits various characteristics depending on the combination of the unreacted aluminum (Al) and the aluminide intermetallic compound which are the matrix and the dispersant, and the combination which becomes the composite material exhibiting the characteristics according to the application is appropriately selected. You.
In order to adjust the mass ratio between the unreacted aluminum (Al) contained in the matrix constituting the composite material and the generated aluminide intermetallic compound, the metal hydride powder of the mixed material charged in the reaction vessel is used. : The ratio (volume ratio) of the dispersant is changed, and the porosity of the mixed material is measured by further measuring the thickness of the mixed material after filling, and aluminum (Al) is completely permeated into the voids. , The required amount of aluminum (Al) is calculated. Accordingly, the particle volume ratio of the dispersant and the composition (mass ratio) of the matrix can be calculated from the volume ratio of the metal hydride powder: dispersant and the porosity of the mixed material.
Further, the composition of the target matrix before the impregnation with aluminum (Al) does not completely match the actual matrix composition after the impregnation, and may fluctuate slightly. Next, a method for calculating the actual matrix composition after impregnation with aluminum (Al) will be described. The mass ratio of unreacted aluminum (Al): aluminide intermetallic compound is determined by mixing a mixture of aluminum (Al) and aluminide intermetallic compound, which is previously adjusted to a predetermined mass ratio by XRD analysis, which is a method described in Patent Document 4. It is possible to prepare a calibration curve using materials, perform XRD analysis on a sample in which the matrix composition is changed based on the calibration curve, and calculate the X-ray intensity from the obtained measurement result.
In the present embodiment, the shape of the container into which the mixed material is filled is not limited to the shape shown in FIG. 1, and it is possible to heat the mixed material and to add the mixed material to the container. The shape of the container is not limited to the above, as long as the shape is such that molten aluminum (Al) can be melt-impregnated.
Next, one embodiment of the composite material of the present invention (second and fourth inventions) and a method for producing the same will be described. The composite material of the present embodiment is a composite material in which a dispersant is dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound, and a self-combustion reaction is caused by contacting aluminum (Al) in a reaction vessel. A mixed material containing a possible metal alloy powder and a dispersing material is filled, and aluminum (Al) is melt-impregnated into voids inside the mixed material filled in the reaction vessel, so that the metal alloy powder and aluminum (Al) are filled. The aluminide intermetallic compound is generated by a self-combustion reaction with (a), thereby dispersing the dispersant in the matrix.
The method for producing a composite material according to the present embodiment is a method for producing a composite material in which a dispersing material is dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound. (Al) is filled with a mixed material containing a metal alloy powder capable of causing a self-combustion reaction by contacting with (Al) and a dispersant, and aluminum (Al) is filled in a void inside the mixed material filled in the reaction vessel. The dispersant is dispersed in the matrix by melt impregnation to generate an aluminide intermetallic compound by a self-combustion reaction between the metal alloy powder and aluminum (Al). Hereinafter, the method for manufacturing the composite material of the present embodiment will be described more specifically, and the composite material of the present embodiment will also be specifically described.
In the method of manufacturing a composite material according to the present embodiment, for example, a mixed material containing a titanium-aluminum alloy powder composed of titanium (Ti) and aluminum (Al) and a dispersant is appropriately mixed. The mixture is filled in a container having a size and a shape, and the mixed material is melt-impregnated with aluminum (Al) to generate an aluminide intermetallic compound by a self-combustion reaction between the titanium-aluminum alloy powder and aluminum (Al). As the container used in the present embodiment, the
According to the present embodiment, a composite material can be manufactured using a metal alloy powder having stable characteristics without using a metal powder that may cause dust explosion, spontaneous ignition, and the like. Further, the self-combustion reaction between aluminum (Al) and the metal powder when the metal powder is used is a reaction that proceeds very rapidly, so that once the reaction is started, it is difficult to control the reaction. However, in the manufacturing method of the present embodiment, since the mixed material is formed using a metal alloy powder that causes a slower reaction than the self-combustion reaction when using metal powder, aluminum ( Al) can control the self-combustion reaction.
In this embodiment, as described above, the formation of aluminide intermetallic compound is promoted by utilizing the heat of self-combustion reaction between aluminum (Al) and various metal alloy powders. The molten material (Al) penetrates into the mixed material by using the exothermic reaction between them as the impregnating driving force, and uses the internal energy, so that the composite material can be manufactured at low cost and low energy. The same operation and effect as those of the first and third embodiments can be obtained.
In the present embodiment, the metal alloy powder is preferably a metal alloy powder containing a metal such as titanium (Ti) or nickel (Ni) and aluminum (Al). It is preferable to use a titanium-aluminum alloy powder containing the above-mentioned titanium (Ti) and aluminum (Al), since the safety in producing the aluminum alloy is greatly improved. Further, it is more preferable that the ratio of aluminum (Al) contained in the metal alloy powder to the metal alloy powder is 0.5 to 10% by mass, and the balance is titanium (Ti). With this configuration, the permeability of the molten aluminum into the mixed material is improved, the open porosity is reduced, and a dense and high-quality composite material can be manufactured. Further, when a hydride powder such as a titanium-aluminum alloy composed of titanium (Ti) and aluminum (Al) is used as the metal alloy powder, a hydride of the alloy constituting the metal alloy powder is used. By removing hydrogen, a highly pure metal alloy can be obtained.
In the present embodiment, the ratio (%) of the average particle size of the metal alloy powder to the average particle size of the dispersant is preferably 5 to 80%, and more preferably 5 to 60%. More preferably, it is particularly preferably 10 to 40%. If the ratio (%) of the average particle size of the metal alloy powder to the average particle size of the dispersing material is less than 5%, the metal alloy powder and the ceramic particle powder (dispersing material) are mixed and packed into a reaction vessel. In addition, as a result of agglomeration of the metal alloy powder in some of the gaps between the ceramic particles, gaps between the ceramic particles without the metal alloy powder are formed, and aluminum is not melted and impregnated at the positions and remains as pores, resulting in quality deterioration. May be invited. On the other hand, if the content exceeds 80%, when the metal alloy powder and the ceramic particle powder are mixed, the metal alloy powder is often not properly arranged in the gaps between the ceramic particles, and the aluminum does not melt and impregnate at the position and remains as pores. In some cases, the quality may be deteriorated. Specifically, when the average particle size of the dispersant is 50 μm, the average particle size of the metal alloy powder is preferably 2 to 40 μm, and more preferably 5 to 20 μm.
In the present embodiment, the matrix constituting the obtained composite material may have a structure in which unreacted aluminum (Al) remains. In this case, the matrix is formed of an aluminide intermetallic compound. In addition to the above, unreacted aluminum (Al) is preferably contained in an amount of 60% by mass or less, and more preferably 2 to 50% by mass. Further, the ratio (volume ratio) of the dispersant to the entire composite material is preferably the same as the ratio described in the first and third embodiments of the present invention, and is used in the present embodiment. As the dispersing material, those having the same constitution as the inorganic material used in the first and third embodiments of the present invention can be preferably used.
[0057]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific results of the present invention will be described below.
[0058]
(Examples 1 to 25)
Various inorganic materials serving as dispersing materials (Al with an average particle size of about 47 μm and 80 μm 2 O 3 Particles, about 50 μm SiC particles, about 45 μm Si 3 N 4 Particles, about 40 μm AlN particles) and titanium hydride (TiH 2 ) Powder and a predetermined (titanium hydride / inorganic material) volume ratio (% by volume), and mixed by a V-type mixer. After that, the obtained mixed powder was poured into a container, and pressed to obtain a predetermined porosity to form a mixed material. Tables 1 and 2 show the types and average particle diameters (μm) of the inorganic materials, the average particle diameter (μm) of the titanium hydride powder, and the volume ratio (volume% (titanium / dispersion material)) in each of Examples and Comparative Examples. ) And porosity (%). Further, the volume ratio (volume%) of (titanium / dispersion material) shown in the table is based on titanium hydride (TiH 2 ) The blending amount when the powder is changed to titanium (Ti) powder after dehydrogenation. In addition, Ti: 4.5 g / cm was used for the calculation of the composition. 3 , TiH 2 : 3.9 g / cm 3 Density values were used.
[0059]
[Table 1]
[Table 2]
[0062]
[Table 3]
[Table 4]
(Comparative Examples 1 to 5)
Except for the mixed material composition shown in Table 2 and the temperature schedule shown in Table 4, composite materials (Comparative Examples 1 to 5) were produced in the same manner as in the method described in (Examples 1 to 25).
Further, as shown in Tables 3 and 4, the temperature schedules of Examples 1 to 7 and Examples 19 to 22 were as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 500 ° C .; After holding, it was further heated to 700 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min, held for 1 hour in a state of being impregnated with aluminum, and then gradually cooled.
The temperature schedule of Example 8 was as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 600 ° C., holding at 600 ° C. for 2 hours, and further heating to 700 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. And then slowly cooled after holding for 1 hour in a state of impregnation.
The temperature schedule in Example 9 was as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 600 ° C., holding at 600 ° C. for 1 hour, and further heating to 700 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. And then slowly cooled after holding for 1 hour in a state of impregnation.
The temperature schedule in Example 10 was as follows: heating to 600 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min, holding at 600 ° C. for 0.5 hour, and further heating to 700 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. After holding for 1 hour in a state of being impregnated with aluminum, it was gradually cooled.
The temperature schedule of Example 11 was as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 500 ° C., holding at 500 ° C. for one hour, and further heating to 700 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. And then slowly cooled after holding for 1 hour in a state of impregnation.
The temperature schedule in Example 12 was as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 500 ° C., holding at 500 ° C. for 4 hours, and further heating to 600 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. The temperature was maintained at a rate of 5 ° C./min to 700 ° C. for 1 hour while the aluminum was impregnated, followed by slow cooling.
The temperature schedule in Example 13 was as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 500 ° C., holding at 500 ° C. for 1 hour, and further heating to 600 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. The temperature was maintained at a rate of 5 ° C./min to 700 ° C. for 1 hour while the aluminum was impregnated, followed by slow cooling.
The temperature schedule in Example 14 was as follows: heating was performed at a heating rate of 5 ° C./min to 500 ° C., and after maintaining at 500 ° C. for 4 hours, heating was further performed at a heating rate of 2.5 ° C./min to 700 ° C. After holding for 1 hour in a state of being impregnated with aluminum, it was gradually cooled.
The temperature schedule in Example 15 was as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 400 ° C., holding at 400 ° C. for 4 hours, and further heating to 700 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. And then slowly cooled after holding for 1 hour in a state of impregnation.
The temperature schedule of Example 16 was as follows: heating to 400 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min, holding at 400 ° C. for 1 hour, and further heating to 700 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. And then slowly cooled after holding for 1 hour in a state of impregnation.
The temperature schedule in Example 17 was as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 400 ° C., holding at 400 ° C. for 4 hours, and further heating to 600 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. The temperature was maintained at a rate of 5 ° C./min to 700 ° C. for 1 hour while the aluminum was impregnated, followed by slow cooling.
The temperature schedule of Example 18 was as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 400 ° C., holding at 400 ° C. for 1 hour, and further heating to 600 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. The temperature was maintained at a rate of 5 ° C./min to 700 ° C. for 1 hour while the aluminum was impregnated, followed by slow cooling.
The temperature schedule in Example 23 was as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 500 ° C., holding at 500 ° C. for 0.5 hour, and further heating to 700 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. After holding for 1 hour in a state of being impregnated with aluminum, it was gradually cooled.
The temperature schedule of Example 24 was as follows: heating at a heating rate of 5 ° C./min to 300 ° C., holding at 300 ° C. for 2 hours, and further heating to 700 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. And then slowly cooled after holding for 1 hour in a state of impregnation.
In the temperature schedule of Example 25 and Comparative Examples 1 to 5, the temperature was raised to 700 ° C. at a rate of temperature increase of 5 ° C./min, and the aluminum was impregnated for 1 hour and then gradually cooled.
The composite material thus obtained was arbitrarily cut, and the cut surface was observed with an optical microscope and a scanning electron microscope to analyze the microstructure, and to analyze the degree of synthesis and impregnation. In addition, the following various evaluations (permeability evaluation, denseness evaluation, hydrogen desorption evaluation, and easy handling evaluation) were performed. The evaluation results are shown in Tables 1 and 2.
[0081]
[Permeability evaluation]:
It was evaluated by measuring the penetration distance of aluminum into the mixed powder. As a criterion, the maximum thickness of the mixed material was set to 30 mm, and the evaluation was performed by measuring the permeability of the following formula (1). The case where the permeability is 100% is "◎" (particularly excellent effect), the case where the permeability is 85% or more is "○" (excellent effect), and the case where the permeability is 60% or more. "△" (slightly insufficient but with a certain effect), and the case where the permeability was less than 60% were evaluated as "x" (no effect).
[0082]
(Equation 1)
Permeability (%) = 100 x permeation distance / maximum permeation distance ... (1)
(However, the “penetration distance” is the distance that aluminum (Al) has actually permeated, and refers to the distance excluding a portion with many pores observed in a non-penetrated region, and the “maximum penetration distance” (The distance to the extreme end in the thickness direction of the mixed material filled in the reaction vessel.)
[0083]
[Denseness evaluation]:
The evaluation was made by measuring the open porosity. The open porosity was calculated by cutting out a sample of a predetermined shape from the measurement object and measuring it by the Archimedes method. As criteria, when the measured open porosity is less than 0.1, "◎" (excellent effect), when the measured open porosity is 0.1 or more and less than 1, "「 "(excellent effect), 1 When the value was less than 2 or more, it was evaluated as “Δ” (slightly insufficient but with a certain effect), and when it was 2 or more, it was evaluated as “x” (no effect).
[0084]
[Evaluation of hydrogen desorption]:
At the temperature at which the metal hydride was heated and held, the evaluation was made by the degree of vacuum in the vacuum heating furnace which reached within the heating time. As a criterion, the degree of vacuum in the furnace reached after heating and holding was 1.3 Pa (1.0 × 10 -2 In the case of Torr or less, “◎” (particularly excellent effect), 1.3 Pa (1.0 × 10 -2 Torr) and exceed 6.7 Pa (5.0 × 10 -2 Torr) or less, “○” (excellent effect), 6.7 Pa (5.0 × 10 -2 In the case of exceeding (Torr), it was evaluated as “x” (no effect).
[0085]
[Ease of handling evaluation]:
The ease of handling of the metal hydride powder and the metal powder used for the mixed material was evaluated in three stages: difficult, relatively easy, and easy. As a criterion, the degree of reactivity of each substance at the stage of mixing to form a mixed powder (the likelihood of spontaneous ignition, dust explosion, and the like) was determined.
From the results of the various evaluations, the composite materials of Examples 1 to 25 were evaluated as poor or difficult in all of the evaluation of permeability, the evaluation of denseness, the evaluation of hydrogen desorption, and the evaluation of ease of handling. And was satisfactory as a composite material. Among them, in particular, the composite materials of Examples 1 to 22 have high evaluations in all evaluations because the conditions for dehydrogenation of metal hydride powder and impregnation with aluminum (Al) were optimal. It was considered. However, even if it is manufactured without providing special heating conditions as in Example 25, the process of melting and impregnating the mixed material with the molten aluminum (Al) promotes the desorption of hydrogen. Turns into a metal powder, which causes a self-combustion reaction. The composite materials of Comparative Examples 1 to 3 had high evaluations in the evaluation of permeability and the evaluation of denseness. For this reason, equipment capable of preventing spontaneous ignition and appropriate management are required, and ordinary equipment involves danger when producing a composite material. Also, the equipment described above is expensive, which increases the cost of manufacturing the composite material. Further, the composite materials of Comparative Examples 4 and 5 had a low risk of dust explosion due to the large particle size of the metal powder, and were evaluated as easy and relatively easy to handle. The properties and denseness were lower than those of the examples, and were unsuitable as a composite material.
[0087]
As described above, according to the method for producing a composite material of the present invention, the exothermic reaction generated when molten aluminum (Al) is impregnated into a mixed material containing a metal powder and a dispersant is utilized. By doing so, pressureless impregnation that does not require pressure as compared with the conventional method and has a very high impregnation rate becomes possible. For this reason, a composite material having a dense microstructure and reduced manufacturing cost can be obtained, and a large-sized and complex-shaped composite material does not require special equipment such as a pressure impregnating device, and can be manufactured at a low cost. Energy can be manufactured at low cost. Further, according to the present invention, it is possible to produce a composite material which is excellent in safety and has a reduced number of production steps.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view illustrating one embodiment of a method for producing a composite material according to the present invention (third invention).
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a conventional method for producing a composite material.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (24)
反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属の水素化物粉末（金属水素化物粉末）と前記分散材とを含む混合材料を充填し、前記反応容器の中に充填された前記混合材料を加熱して、前記混合材料に含まれる前記金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離させて金属粉末とし、前記金属粉末と前記分散材とを含む前記混合材料内部の空隙中に前記アルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、前記金属粉末と前記アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生起させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなることを特徴とする複合材料。A composite material comprising a dispersion material dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound,
A reaction vessel is filled with a mixed material containing a metal hydride powder (metal hydride powder) capable of causing a self-combustion reaction by contacting with aluminum (Al) and the dispersant, and The mixed material filled therein is heated to desorb hydrogen from a metal hydride which is a compound constituting the metal hydride powder contained in the mixed material into a metal powder, and the metal powder and the dispersion The aluminum (Al) is melt-impregnated into voids inside the mixed material containing a material and a self-combustion reaction between the metal powder and the aluminum (Al) to generate an aluminide intermetallic compound, whereby the matrix is formed. A composite material comprising the dispersant dispersed therein.
反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属合金粉末と前記分散材とを含む混合材料を充填し、前記反応容器の中に充填された前記混合材料内部の空隙中に前記アルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、前記金属合金粉末と前記アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させてなることを特徴とする複合材料。A composite material comprising a dispersion material dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound,
A reaction vessel is filled with a mixed material containing a metal alloy powder capable of causing a self-combustion reaction by contact with aluminum (Al) and the dispersant, and the mixed material filled in the reaction vessel By melting and impregnating the aluminum (Al) into the internal voids and generating an aluminide intermetallic compound by a self-combustion reaction between the metal alloy powder and the aluminum (Al), the dispersant is dispersed in the matrix. A composite material characterized by being dispersed.
反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属の水素化物粉末（金属水素化物粉末）と前記分散材とを含む混合材料を充填し、
前記反応容器の中に充填された前記混合材料を加熱して、前記混合材料に含まれる前記金属水素化物粉末を構成する化合物である金属水素化物から水素を脱離させて金属粉末とし、
前記金属粉末と前記分散材とを含む前記混合材料内部の空隙中に前記アルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、前記金属粉末と前記アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させることを特徴とする複合材料の製造方法。A method for producing a composite material in which a dispersant is dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound,
Filling a reaction vessel with a mixed material containing a metal hydride powder (metal hydride powder) capable of causing a self-combustion reaction by contacting with aluminum (Al) and the dispersant;
Heating the mixed material filled in the reaction vessel, desorbing hydrogen from a metal hydride that is a compound constituting the metal hydride powder contained in the mixed material into a metal powder,
The aluminum (Al) is melt-impregnated into voids inside the mixed material containing the metal powder and the dispersant, and a self-combustion reaction between the metal powder and the aluminum (Al) generates an aluminide intermetallic compound. A method for producing a composite material, wherein the dispersing material is dispersed in the matrix.
反応容器の中に、アルミニウム（Ａｌ）と接触することにより自己燃焼反応を生起し得る金属合金粉末と前記分散材とを含む混合材料を充填し、
前記反応容器の中に充填された前記混合材料内部の空隙中に前記アルミニウム（Ａｌ）を溶融含浸させて、前記金属合金粉末と前記アルミニウム（Ａｌ）との自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物を生成させることにより、前記マトリックス中に前記分散材を分散させることを特徴とする複合材料の製造方法。A method for producing a composite material in which a dispersant is dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound,
A reaction vessel is filled with a mixed material containing a metal alloy powder capable of causing a self-combustion reaction by contacting with aluminum (Al) and the dispersant,
The aluminum (Al) is melt-impregnated into voids inside the mixed material filled in the reaction vessel, and an aluminide intermetallic compound is generated by a self-combustion reaction between the metal alloy powder and the aluminum (Al). A method for producing a composite material, wherein the dispersing material is dispersed in the matrix.
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