【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合材料の製造方法、及び複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】複合材料とは、複数の材料が巨視的に混合されてなる組成集合体であり、各材料の持つ機械特性を相補的に利用して、単独材料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、例えば、マトリックスと強化材というような形で、材料と材料とを組み合わせる技術手法であり、その使用目的やコスト等に応じて、種々の材料を組み合わせた複合材料が用いられている。
【０００３】その中でも金属基複合材料（ＭＭＣｓ：Ｍｅｔａｌ−Ｍａｔｒｉｘ−Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）は、強化材となるセラミックスと、金属材料（アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、珪素（Ｓｉ）等）とが複合化された、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、近年、例えば、環境問題に関連した自動車関連分野、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、或いは、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、金属基複合材料が非常に注目されている。
【０００４】また、金属間化合物基複合材料（ＩＭＣｓ：Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ−Ｍａｔｒｉｘ−Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）は、強化材となるセラミックスと、金属間化合物（チタン−アルミニウム系、ニッケル−アルミニウム系等）とが複合化された材料であり、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。これらのことから、両複合材料ともに、セラミックス材料や金属材料等の単独素材では適用が難しい分野において、強化材相（分散材相）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。
【０００５】ところで、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。
【０００６】このような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、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。
【０００７】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、従来の製造方法は多段階に渡る工程と、高温・高圧条件が必要であり、極めて高コスト・高エネルギーな製造方法である。
【０００８】また、金属基複合材料の製造方法としても、固相法としては、ＨＰ法やＨＩＰ法等のように、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。更に、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の手法が知られている。しかしながら、上記のＨＰ法やＨＩＰ法、粉末冶金的な手法、或いは加圧含浸法や溶湯鍛造法等の手法はいずれも、高温・高圧を必要とするプロセスであることに加え、平板や円板等の簡易的な形状の複合材料しか得られないという問題がある。このため、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。
【０００９】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を揮発させ、気相反応により窒化マグネシウム（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）。
【００１０】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窒化マグネシウムを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。更には、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製造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。
【００１１】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等の溶湯中に浸漬することで、アルミニウム等の金属からなるマトリックスに強化材が分散された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）。
【００１２】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−アルミニウム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。
【００１３】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）。
【００１４】この製造方法は、図１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の間隙にアルミニウム材料４を溶融させてなるアルミニウム溶湯を含浸させることにより、自己燃焼反応をｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）で生起させるものであり、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。
【００１５】しかしながら、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、アルミニウムや珪素を出発原料とした窒素ガス雰囲気中での窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び窒化珪素（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いる。即ち、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。
【００１６】また、前記製造方法により得られた複合材料は、緻密性が低く開気孔率が高いために、例えば、半導体、ディスプレイ等の不純物の混入を嫌う製品の製造装置用部品として使用すると、気孔中に含まれる液体、ガス、ゴミ等の不純物がパーティクル、コンタミ、或いはアウトガス等の原因となり、製品の品質に悪影響を及ぼす場合があった。そのため、前記製造方法により得られる複合材料よりも、気孔が少ない更に緻密な微構造を有する複合材料、及びその製造方法を創出することが産業界から要望されていた。
【００１７】更に、近年、上記のような複合材料を、耐熱性（約４００〜６００℃程度）が要求される用途（例えば、製造装置用部品、ヒータ用均熱材等）に使用することが検討されている。従来、上記の用途においては、軽量性に優れるアルミニウム合金等が使用されてきたが、高温条件下の使用では軟化してしまうという問題があったため、軽量性を保持しつつ機械的特性を向上させたアルミニウム−セラミックス系の複合材料が注目されている。この複合材料は、アルミニウムを主たる構成成分とするマトリックス中に、強化材となるセラミックス粒子を分散させたものである。しかしながら、この複合材料も２００〜４００℃付近で大きく強度低下を起こすという問題があり、耐熱性（高温強度）について十分に満足できるものではなかった。このため、耐熱性（高温強度）に優れた複合材料、及びその製造方法が切望されていた。
【００１８】
【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
【００１９】
【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、高温・高圧という条件を必要とせず、製造工程が短く簡素であるとともに、低コスト・低エネルギーで、高い緻密性、耐熱性（高温強度）を有する複合材料を製造し得る複合材料の製造方法、及び高い緻密性、耐熱性（高温強度）を有する複合材料を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、アルミニウム（Ａｌ）との接触により自己燃焼反応を起こす金属粉末と強化材とを含む混合材料を、反応容器に充填した後、前記混合材料にアルミニウム（Ａｌ）材料を溶融してなるアルミニウム（Ａｌ）溶湯を含浸させることにより、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生成するアルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に前記強化材が分散された複合材料を得る、複合材料の製造方法であって、前記反応容器として、一以上の含浸孔を有する蓋体と容器本体とからなる反応容器を用い、前記蓋体と前記容器本体とによって形成される前記反応容器の内部空間に、前記混合材料を、前記強化材に対する前記金属粉末の体積比率（金属粉末／強化材体積比率：Ｘ）、及び前記混合材料の全体積に対する、その内部空隙容積の比率（空隙率：ε）が下記式（１）及び下記式（２）に示す関係を満たすように成形されてなる成形体として充填した後、前記成形体に、前記反応容器を構成する蓋体の一以上の含浸孔を経由して、前記アルミニウム（Ａｌ）溶湯を含浸させることを特徴とする複合材料の製造方法。
【数６】
０．１４≦Ｘ≦０．８０、２５（体積％）≦ε≦６２（体積％）…（１）
【数７】
（但し、ε：空隙率、ρＭＰ：金属粉末の密度、ρＡｌ：アルミニウム（Ａｌ）の密度、Ｘ：金属粉末／強化材体積比率、Ｙ０：マトリックスの全質量に占めるアルミニウム（Ａｌ）相の質量の比率（アルミニウム含有率）が０（質量％）となる、アルミニウム（Ａｌ）に対する金属粉末の理論質量比率、Ｙ１０：マトリックスの全質量に占めるアルミニウム（Ａｌ）相の質量の比率（アルミニウム含有率）が１０（質量％）となる、アルミニウム（Ａｌ）に対する金属粉末の理論質量比率）
【００２１】本発明の製造方法においては、前記蓋体と前記容器本体とによって形成される前記反応容器の内部空間に、前記混合材料を、前記混合材料の全体積に対する、その内部空隙容積の比率（空隙率：ε）が下記式（３）に示す関係を満たすように成形されてなる成形体として充填することが好ましい。
【数８】
（但し、Ｙ５：前記アルミニウム含有率が５（質量％）となる、アルミニウム（Ａｌ）に対する金属粉末の理論質量比率）
【００２２】また、本発明の製造方法においては、前記金属粉末としてチタン（Ｔｉ）粉末を用いる場合に、前記成形体に含浸されるアルミニウム（Ａｌ）溶湯に対する前記金属粉末の質量比率（金属粉末／アルミニウム（Ａｌ）質量比率：Ｙ）を、０．４９０〜０．５７５とすることが好ましく、前記金属粉末としてチタン（Ｔｉ）粉末を、前記強化材としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、及び窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる群より選択される少なくとも一種のセラミックスからなるセラミックス粒子を用いることが好ましい。
【００２３】更に、本発明の製造方法においては、前記アルミニウム（Ａｌ）材料として、アルミニウム（Ａｌ）と、マグネシウム（Ｍｇ）、珪素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びマンガン（Ｍｎ）からなる群より選択される少なくとも一種の金属とを含むアルミニウム（Ａｌ）合金を用いることが好ましい。
【００２４】また、本発明によれば、アルミニウム（Ａｌ）との接触により自己燃焼反応を起こす金属粉末と強化材とを含む混合材料を、反応容器に充填した後、前記混合材料にアルミニウム（Ａｌ）材料を溶融してなるアルミニウム（Ａｌ）溶湯を含浸させることにより形成される、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生成するアルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に前記強化材が分散された複合材料であって、前記反応容器として、一以上の含浸孔を有する蓋体と容器本体とからなる反応容器を用い、前記蓋体と前記容器本体とによって形成される前記反応容器の内部空間に、前記混合材料を、前記強化材に対する前記金属粉末の体積比率（金属粉末／強化材体積比率：Ｘ）、及び前記混合材料の全体積に対する、その内部空隙容積の比率（空隙率：ε）が下記式（１）及び下記式（２）に示す関係を満たすように成形されてなる成形体として充填した後、前記成形体に、前記反応容器を構成する蓋体の一以上の含浸孔を経由して、前記アルミニウム（Ａｌ）溶湯を含浸させることによって形成されることを特徴とする複合材料が提供される。
【数９】
０．１４≦Ｘ≦０．８０、２５（体積％）≦ε≦６２（体積％）…（１）
【数１０】
（但し、ε：空隙率、ρＭＰ：金属粉末の密度、ρＡｌ：アルミニウム（Ａｌ）の密度、Ｘ：金属粉末／強化材体積比率、Ｙ０：マトリックスの全質量に占めるアルミニウム（Ａｌ）相の質量の比率（アルミニウム含有率）が０（質量％）となる、アルミニウム（Ａｌ）に対する金属粉末の理論質量比率、Ｙ１０：マトリックスの全質量に占めるアルミニウム（Ａｌ）相の質量の比率（アルミニウム含有率）が１０（質量％）となる、アルミニウム（Ａｌ）に対する金属粉末の理論質量比率）
【００２５】本発明の複合材料は、前記アルミニウム含有率が１０（質量％）以下であるものが好ましく、前記アルミニウム含有率が５（質量％）以下であるものが更に好ましい。
【００２６】本発明の複合材料は、前記マトリックス中に、アルミニウム（Ａｌ）と、前記金属粉末由来の金属と、マグネシウム（Ｍｇ）、珪素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びマンガン（Ｍｎ）からなる群より選択される少なくとも一種の金属とからなるアルミナイド金属間化合物を含むものであることが好ましく、前記マトリックス中に、アルミニウム（Ａｌ）と、マグネシウム（Ｍｇ）、珪素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びマンガン（Ｍｎ）からなる群より選択される少なくとも一種の金属とからなるアルミナイド金属間化合物を含むものであることが好ましい。
【００２７】更に、本発明の複合材料としては、前記複合材料の全体積に占める前記強化材の体積の比率（強化材含有率）が１０〜７０（体積％）であるものが好ましく、前記アルミナイド金属間化合物がチタンアルミナイド（ＴｉＡｌ、Ｔｉ３Ａｌ、又はＡｌ３Ｔｉ）であり、前記強化材がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、及び窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる群より選択される少なくとも一種のセラミックスからなるセラミックス粒子であるものが好ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００２９】本発明の複合材料の製造方法は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した製造方法、即ち、アルミニウムとの接触により自己燃焼反応を起こす金属粉末と強化材とを含む混合材料２を、反応容器１の内部空間１ａに充填した後、その混合材料２にアルミニウム材料４を溶融してなるアルミニウム溶湯を含浸させることにより、金属粉末とアルミニウムとの自己燃焼反応によって生成するアルミナイド金属間化合物を含むマトリックス中に強化材が分散された複合材料５を得る製造方法を基礎としている（なお、図１（ｂ）中の符号６は、残留アルミニウムを示す）。
【００３０】このような方法によれば、金属粉末とアルミニウムとの自己燃焼で発生する反応熱を含浸駆動力として混合材料中にアルミニウム溶湯が浸透し、アルミナイド金属間化合物の生成が推進されるため、低温条件下において、また、既述の加圧含浸法、ＨＰ法、又はＨＩＰ法のような高圧条件を必要としない無加圧での浸透プロセスによって、複合材料を製造することができる。
【００３１】また、高圧設備では困難であった大型ないし複雑形状の複合材料を製造することが容易であり、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るので、最終製品の形状を得るために、塑性加工、機械加工等の加工を行うことは不要である。更に、予めＭＡ等により金属間化合物粉末を合成する必要もない。従って、製造工程が短く簡素であるとともに、低エネルギー・低コストで複合材料を製造することが可能である。
【００３２】また、本発明の製造方法においては、例えば、図２に示すように、一以上の含浸孔８ａを有する蓋体８と容器本体９とからなる反応容器１を用い、蓋体８と容器本体９とによって形成される反応容器１の内部空間１ａに混合材料２を充填し、反応容器１を構成する蓋体８の一以上の含浸孔８ａを経由して、アルミニウム材料４を溶融してなるアルミニウム溶湯を含浸させる方法を採用している。
【００３３】このような方法は、反応容器を構成する容器本体９に蓋体８を固定することによって、アルミニウム溶湯を含浸させた際に急激な発熱反応であるＳＨＳ反応が生じても、これに伴う混合材料２の膨張を効果的に抑制することができる。従って、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す製造方法とは異なり、開気孔率が低く、高密度で、より緻密な複合材料５を製造することができるとともに、反り、変形等の不具合が発生し難く、得られる複合材料５に所望の形状を付与することができる。
【００３４】容器本体９に蓋体８を固定する方法については特に限定されないが、例えば、図２に示すように、容器本体９を装填する外挿体１０を用い、その外挿体１０と容器本体９とにネジ部１１を設ける方法等を好適に用いることができる。図２に示す方法は、ネジ部１１によって混合材料２に対して所望の圧力が作用するように微調整をすることができ、混合材料２をより確実に固定することが可能となる利点がある。なお、図２中における符号３は金属粉末、符号１５は強化材、符号１７はマトリックスを示す。
【００３５】更に、本発明の製造方法は、混合材料を、強化材に対する金属粉末の体積比率（金属粉末／強化材体積比率：Ｘ）、及び混合材料の全体積に対する、その内部空隙容積の比率（空隙率：ε）が所定の値となるように成形されてなる成形体として充填した後、その成形体に、反応容器を構成する蓋体の一以上の含浸孔を経由して、アルミニウム溶湯を含浸させることを特徴とするものである。
【００３６】このような方法は、金属粉末／強化材体積比率（Ｘ）、及び空隙率（ε）を規定することにより、混合材料に対するアルミニウムの浸透性が極めて良好となるため、既述の加圧含浸法、ＨＰ法、又はＨＩＰ法のような高圧条件でなくとも、開気孔率が低く、高い緻密性を有する複合材料を製造することができることに加え、マトリックスのアルミニウム含有率を低減することができるので、アルミニウムの軟化温度域（２００〜４００℃程度）においても強度低下を起こすことがない、耐熱性（高温強度）に優れた複合材料を製造することができるという利点がある。
【００３７】具体的には、本発明の製造方法においては、成形体は、混合材料を、金属粉末／強化材体積比率（Ｘ）、及び空隙率（ε）が下記式（１）に示す関係を満たすように成形されてなるものであることが必要であり、下記式（４）に示す関係を満たすように成形されてなるものであることが好ましい。
【数１１】
０．１４≦Ｘ≦０．８０、２５（体積％）≦ε≦６２（体積％）…（１）
【数１２】
０．１８≦Ｘ≦０．６０、３０（体積％）≦ε≦５７（体積％）…（４）
【００３８】上記のように、成形体の金属粉末／強化材体積比率（Ｘ）、及び空隙率（ε）を規定することにより、混合材料に対するアルミニウム溶湯の浸透性が極めて良好となるため、既述の加圧含浸法、ＨＰ法、又はＨＩＰ法のような高圧条件でなくとも、開気孔率が低く、高密度で、より緻密な複合材料を製造することができる。
【００３９】成形体の金属粉末／強化材体積比率（Ｘ）が上記範囲未満であると、アルミニウムの含浸駆動力となる金属粉末の量の低下によってアルミニウム溶湯の浸透性が低下する場合がある点において好ましくない一方、上記範囲を超えると、含浸フロント部での発熱反応が過剰となるために、成形体中へのアルミニウム溶湯の浸透が抑制され、アルミニウム溶湯の浸透性を低下させる場合がある点において好ましくない。
【００４０】また、空隙率（ε）が上記範囲未満であると、含浸させるアルミニウム溶湯の浸透パスが狭められることによって、アルミニウム溶湯の浸透性が低下する場合がある点において好ましくない一方、上記範囲を超えると、得られる複合材料に空隙が残留することによって、複合材料の開気孔率が上昇し（緻密性が低下し）、機械的・物理的特性が低下する等の不具合を生じる場合がある点において好ましくない。
【００４１】更に、本発明の製造方法においては、成形体の空隙率（ε）が上記式（１）に示す関係を満たすことに加え、下記式（２）に示す関係を満たすように成形されてなるものであることが必要であり、下記式（３）に示す関係を満たすように成形されてなるものであることが好ましい。
【数１３】
（但し、ε：空隙率、ρＭＰ：金属粉末の密度、ρＡｌ：アルミニウムの密度、Ｘ：金属粉末／強化材体積比率、Ｙ０：マトリックスの全質量に占めるアルミニウム相の質量の比率（アルミニウム含有率）が０（質量％）となる、アルミニウムに対する金属粉末の理論質量比率、Ｙ１０：マトリックスの全質量に占めるアルミニウム相の質量の比率（アルミニウム含有率）が１０（質量％）となる、アルミニウムに対する金属粉末の理論質量比率）
【数１４】
（但し、Ｙ５：前記アルミニウム含有率が５（質量％）となる、アルミニウム（Ａｌ）に対する金属粉末の理論質量比率）
【００４２】成形体の空隙率（ε）を上記式（２）の範囲内とすることにより、マトリックスのアルミニウム含有量が１０（質量％）以下、上記式（３）の範囲内とすることにより５（質量％）以下に低減され、マトリックス中に、アルミナイド金属間化合物相から構成される骨格によってアルミニウム相が分断された組織を有する複合材料が特異的に得られる。このような複合材料は、優れた耐熱性（高温強度）を示すため、耐熱性（約４００〜６００℃程度）が要求される用途（例えば、製造装置用部品等）に好適に用いることができる。
【００４３】なお、マトリックスのアルミニウム相は、金属粉末とアルミニウムとの自己燃焼反応によってアルミナイド金属間化合物（Ａｌ３Ｔｉ）が生成する際に、アルミニウムの質量に対する金属粉末の質量が過少であると形成される。成形体に含浸されるアルミニウム溶湯の質量は、成形体の空隙率によって定まると考えられるので、混合材料の金属粉末／強化材体積比率（Ｘ）、及び金属粉末の密度（ρＭＰ）によって金属粉末の質量が決定されれば、その金属粉末質量に対して好適なアルミニウム質量は理論的に算出することができる。従って、そのような質量のアルミニウムが成形体中に含浸されるように成形体の空隙率（ε）を決定すればよいことになる。
【００４４】本発明の製造方法においては、マトリックスのアルミニウム含有量を１０（質量％）以下、好ましくは５（質量％）以下に低減することを目的としている。このような複合材料を得るための、成形体に含浸されるアルミニウム溶湯に対する金属粉末の理論質量比率（金属粉末／アルミニウム質量比率：Ｙ）は、使用する金属粉末により異なるが、金属粉末としてチタン粉末を用いる場合には、金属粉末／アルミニウム質量比率（Ｙ）を０．４９０〜０．５７５とすることが好ましく、０．５３１〜０．５７５とすることが更に好ましい。金属粉末／アルミニウム質量比率（Ｙ）を０．４９０〜０．５７５とすることにより、マトリックスのアルミニウム含有量が１０（質量％）以下に低減された複合材料を、０．５３１〜０．５７５とすることにより、マトリックスのアルミニウム含有量が５（質量％）以下に低減された複合材料を得ることができる。
【００４５】同様の理由から、金属粉末としてニッケル粉末を用いる場合には、金属粉末／アルミニウム質量比率（Ｙ）を０．６０８〜０．７２４とすることが好ましく、０．６６４〜０．７２４とすることが更に好ましい。また、金属粉末としてニオブ粉末を用いる場合には、金属粉末／アルミニウム質量比率（Ｙ）を０．９１２〜１．１２８とすることが好ましく、１．０１４〜１．１２８とすることが更に好ましい。なお、後述するように、アルミニウム材料として、アルミニウムと、所定の添加金属とを含むアルミニウム合金を用いる場合には、好適な金属粉末／アルミニウム質量比率（Ｙ）の範囲は上記の範囲から変動する。この場合には、アルミニウム合金中のアルミニウム含有量に基づいて、好適な金属粉末／アルミニウム質量比率（Ｙ）の範囲を換算することができる。
【００４６】なお、成形体に対するアルミニウム溶湯の浸透性が不良である等の状況下では、実際に得られるマトリックスの組成（即ち、アルミニウム含有率）が目標値から若干ずれてしまう場合も生じ得る。この場合、実際のマトリックス組成については、以下のような方法により算出することができる。即ち、予め、所定の組成（質量比）に調整されたアルミニウムとアルミナイド金属間化合物の混合粉体を数水準用意し、これらの混合粉体についてＸＲＤ分析（例えば、特許文献４参照）を行うことにより測定されるＸ線強度に基づいて検量線を作成しておく。そして、実際に得られるマトリックスについてもＸＲＤ分析を行ってＸ線強度を測定し、この測定値を上記の検量線と対照することによって、実際のマトリックス組成を算出することができる。
【００４７】上記の成形体は、強化材と金属粉末とが所定の体積比率となるように混合材料を調製し、その混合材料が所定の形状及び空隙率となるように適当な圧力を付与することにより得られる。
【００４８】この場合、混合材料を反応容器の内部空間に充填し、その混合材料を何らかの押圧部材（例えば、板状体、棒状体等）によって加圧することにより、反応容器の内部空間において成形体としてもよく、混合材料を反応容器の内部空間と同一形状の成形空間を有する成形容器によって予め加圧成形することにより得られた成形体を反応容器の内部空間に充填してもよい。また、反応容器中の混合材料に振動を与えて沈降成形を行うことにより、プレス機等の加圧装置を用いずに成形することも可能である。このような方法は、大型ないしは複雑形状の製品を製造する場合において、特に有効な方法である。
【００４９】なお、本発明の製造方法においては、上記の成形体を得るに際し、その混合材料が所定の形状及び空隙率となるように適当な圧力を付与すれば足り、既述の特許文献３に記載の方法のように、上記の成形体にハンドリング可能な程度の強度を付与し得るような高い成形圧力を加える必要はない。
【００５０】本発明の製造方法において用いるアルミニウム材料は、特に純アルミニウムからなるものに限られるものではなく、アルミニウム純度が約９０％以上のものであれば問題なく用いることができる。また、各種アルミニウム合金を用いてもよい。特に、本発明の製造方法においては、アルミニウム材料として、アルミニウムと、マグネシウム、珪素、銅、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びマンガン（Ｍｎ）からなる群より選択される少なくとも一種の金属（以下、「添加金属」と記す）とを含むアルミニウム合金を用いることが好ましい。
【００５１】混合材料に含浸させるアルミニウム材料として、添加金属を含むアルミニウム合金を用いることによって、▲１▼マトリックス中のアルミニウム相の特性を改善する効果（例えば、マグネシウムによるアルミニウム相の固溶強化等）、▲２▼マトリックス中に、アルミニウムと、添加金属とからなる新たなアルミナイド金属間化合物相を追加的に形成し、アルミナイド金属間化合物相の特性を改善する効果（例えば、Ａｌ２Ｃｕの生成等）、▲３▼マトリックス中に、アルミニウムと、混合材料中の金属粉末由来の金属と、添加金属とからなるアルミナイド金属間化合物を形成し、アルミナイド金属間化合物相の特性を改善する効果（例えば、（Ａｌ、Ｍ）３Ｔｉ（Ｍ：添加金属（遷移金属：Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等））の生成等）等を得ることができる。このような方法により得られた複合材料は、顕著な耐熱性（高温強度）を示すものである。
【００５２】上記アルミニウム合金の全質量に占める添加金属の質量の比率（質量％）は、添加金属の種類により異なるが、マグネシウムであれば２〜１２質量％、珪素であれば２〜８質量％、銅であれば２〜８質量％、クロムであれば２〜１８質量％程度であることが好ましい。アルミニウム合金中に上記範囲で添加金属が含まれることにより、上記▲１▼〜▲３▼に述べたような好ましい効果を得ることが可能となる。
【００５３】なお、本発明の製造方法により得られた複合材料を、真空高温条件下で、かつ、他の金属による汚染が問題視されるような用途（例えば、半導体製造装置のヒータ用均熱材等）に用いる場合には、上記添加金属の種類を厳密に選択する必要がある。具体的には、マグネシウム等のマトリックスから揮発し易い金属については選択しないよう留意すべきである。
【００５４】本発明の製造方法において用いる金属粉末は、アルミニウムとの接触により自己燃焼反応を起こし、アルミナイド金属間化合物を生成するものである。具体的には、チタン、ニッケル、及びニオブからなる群より選択される少なくとも一種の金属からなる粉末を用いることができる。これらの金属粉末は反応性が良好で、安定なアルミナイド金属間化合物を生成し得ることに加え、入手や取り扱いも容易である点において好ましい。これらの金属粉末とアルミニウムによる自己燃焼反応の代表例を下記式（５）〜（７）に示す。下記式（５）〜（７）に示す通り、これらの反応は発熱反応（自己燃焼反応）であり、本発明の製造方法は、この反応熱を利用するものである。
【数１５】
３Ａｌ＋Ｔｉ→Ａｌ３Ｔｉ ： ΔＨ２９８＝−１４６ｋＪ／ｍｏｌ …（５）
ΔＨ：生成反応熱（ΔＨ＜０にて発熱反応）
【数１６】
３Ａｌ＋Ｎｉ→Ａｌ３Ｎｉ ： ΔＨ２９８＝−１５０ｋＪ／ｍｏｌ …（６）
ΔＨ：生成反応熱（ΔＨ＜０にて発熱反応）
【数１７】
３Ａｌ＋Ｎｂ→Ａｌ３Ｎｂ ： ΔＨ２９８＝−１６０ｋＪ／ｍｏｌ …（７）
ΔＨ：生成反応熱（ΔＨ＜０にて発熱反応）
【００５５】上記金属粉末の中でも、チタン粉末を用いることが特に好ましい。チタン粉末を用いると、マトリックス中に含まれるアルミナイド金属間化合物がチタンアルミナイドである複合材料が製造されることになるが、マトリックス中にチタンアルミナイドを含む複合材料は、ニッケルアルミナイドやニオブアルミナイドを含む複合材料と比較して、軽量であり、靭性が高いという点において好ましい。
【００５６】ｉｎ−ｓｉｔｕ合成を利用した複合材料の製造方法の中には、強化材とマトリックスの双方をｉｎ−ｓｉｔｕ合成する方法もあり（例えば、特許第２６０９３７６号公報、特開平９−２２７９６９号公報参照）、そのような方法では強化材の材質が限定される場合があるが、本発明の製造方法はマトリックスのみをｉｎ−ｓｉｔｕ合成する方法であるため、強化材の材質に特に制限はない。
【００５７】従って、強化材の材質については、複合材料に付与したい物理的・化学的特性に応じて適宜選択すればよい。通常、強化材の材質としては、セラミックスをはじめとする無機材料が用いられるが、本発明の製造方法における強化材の材質としては、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、及び窒化珪素からなる群より選択される少なくとも一種のセラミックスが好ましい。これらのセラミックスを強化材として含む複合材料は、耐熱性（高温強度）に優れるという特性を有する。中でも、窒化アルミニウムや炭化珪素を強化材として含む複合材料は、熱伝導性（均熱性）に優れるという特性をも有するため、耐熱性（高温強度）と熱伝導性（均熱性）の双方が要求されるヒータ用均熱材等の用途で好適に用いることができる。
【００５８】強化材の形状についても特に制限はなく、複合材料に付与したい物理的・化学的特性に応じて適宜選択すればよい。通常、強化材の形状としては、繊維、粒子、及びウィスカー等の種々の形状が用いられるが、本発明の製造方法における強化材の形状としては、粒子であることが特に好ましい。強化材の形状を粒子とすると、金属粉末と均一に混合することが容易となるため、全体に渡り均質な特性を有する複合材料を製造することができる。また、他の形状と比較して流動性が高いため、反応容器の形状が複雑な形状である場合にも、その反応容器の形状と適合するように充填することが容易であり、所望の形状の成形体を作製することができる。
【００５９】本発明の製造方法においては、強化材の平均粒径に対する、金属粉末の平均粒径の比率（％）が、５〜８０％であることが好ましく、１０〜６０％であることが更に好ましい。強化材の平均粒径に対する、金属粉末の平均粒径の比率（％）が、上記範囲未満である場合には、金属粉末の平均粒径は非常に小さくならざるを得ず、そのような金属粉末は入手が困難であることに加え、粉塵爆発の危険性を伴なうことから取り扱いが不便である点において好ましくない。一方、上記範囲を超える場合には、金属粉末とアルミニウムによる自己燃焼反応の活性度が十分に高められず、得られる複合材料が緻密化され難くなる点において好ましくない。具体的には、強化材の平均粒径が５０μｍである場合には、金属粉末の平均粒径は２〜４０μｍであることが好ましく、５〜３０μｍであることが更に好ましい。
【００６０】本発明の複合材料としては、複合材料の全体積に占める強化材の体積の比率（強化材含有率）が１０〜７０（体積％）であるものが好ましく、３０〜６０（体積％）であるものが更に好ましい。強化材含有率が上記範囲未満である場合には、複合材料として十分な強度を発揮し得ないおそれがある点において好ましくない。一方、上記範囲を超えると、複合材料の性質がセラミックスに近づくために、加工性が低下することに加え、破壊靱性値が低下し、脆性材料となるおそれがある点において好ましくない。
【００６１】本発明の製造方法において用いる反応容器は、少なくともその内面がカーボン材により構成されてなるものであることが好ましい。内面がカーボン材により構成されていると、製造される複合材料の反応容器からの離型性が極めて良好となり、反応容器から複合材料を容易に取り出すことができる。また、反応容器の耐久性が向上するため、複合材料の製造コストを低減することに資する。
【００６２】上記のように、反応容器は、少なくともその内面がカーボン材により構成されているものが好ましいのであるが、内面に加えて、アルミニウム溶湯や製造される複合材料が接触する部分についてもカーボン材により構成されているものがより好ましい。勿論、反応容器全体がカーボン材により構成されていてもよい。なお、特に、離型性の向上を図りたい場合には、反応容器のうち、アルミニウム溶湯が接触する部分を、ＢＮ（ボロンナイトライド（窒化ホウ素））スプレー等によりコーティングしたり、カーボンシート等により被覆することも好ましい態様の一つである。
【００６３】本発明の製造方法において用いる反応容器を構成する蓋体は、少なくとも一の含浸孔を有していれば足りるが、複数の含浸孔を有していることが好ましい。こうすることにより、含浸孔が一つの場合と比較して、混合材料に対するアルミニウム溶湯の浸透性が良好となるため、大型の複合材料を製造しようとする場合であっても、緻密な微構造を有する複合材料を得ることができる。含浸孔の形状については特に限定されることはなく、例えば、円形、楕円形、多角形、或いは不定形等、種々の形状を採用することができる。
【００６４】本発明の製造方法において、混合材料に対してアルミニウム溶湯を含浸させる方法は、反応容器を構成する蓋体の一以上の含浸孔を経由して、アルミニウム溶湯を含浸させることを除き、特に限定されるものではないが、例えば、以下のような方法を採ることができる。
【００６５】まず、反応容器の内部空間に、混合材料を所定の成形体として充填した後、反応容器を構成する蓋体の上部にブロック状のアルミニウム材料を配置する。
【００６６】次いで、適当な減圧雰囲気（例えば、真空雰囲気）又は不活性ガス雰囲気（例えば、アルゴン（Ａｒ）雰囲気）の下、アルミニウムの融点（約６６０℃）より数１０℃高い温度（具体的には、約７００℃）まで加熱して、アルミニウム材料を溶融してアルミニウム溶湯とし、反応容器を構成する蓋体の一以上の含浸孔を経由して、混合材料からなる成形体の内部空隙にアルミニウム溶湯を含浸させる。金属粉末と接触したアルミニウムは自己燃焼反応を起こすとともに毛細管圧力によって混合材料からなる成形体の内部空隙中に浸透していき、目的とする複合材料のマトリックスが瞬時に形成される。
【００６７】マトリックスの形成自体は非常に短時間で完了するため、加熱に要する時間は数分程度で十分である。更に、自己燃焼反応が終了した後に、得られた複合材料のマトリックスの均質化及び安定化を図るために、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、混合材料の種類や組成によって若干異なるが、概ね自己燃焼反応を起こす温度と同温度（等温保持）、或いは、これより約４００〜５００℃程度高い温度（加熱保持）で一定時間保持することが好ましい。保持の時間は、約１時間から必要に応じて数時間程度である。
【００６８】以上説明した本発明の複合材料は、マトリックスのアルミニウム含有量が１０（質量％）以下に低減され、マトリックス中に、アルミナイド金属間化合物相から構成される骨格によってアルミニウム相が分断された組織を有するので、優れた耐熱性（高温強度）を示す。また、マトリックス中に、アルミニウムと、添加金属とからなるアルミナイド金属間化合物（例えば、Ａｌ２Ｃｕ等）や、アルミニウムと、混合材料中の金属粉末由来の金属と、添加金属とからなるアルミナイド金属間化合物（例えば、（Ａｌ、Ｍ）３Ｔｉ（Ｍ：添加金属（遷移金属：Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等）））を含むものについては、より顕著な耐熱性（高温強度）を示す。更に、強化材として、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、及び窒化珪素からなる群より選択される少なくとも一種のセラミックスを含むものは耐熱性（高温強度）に優れる。中でも、窒化アルミニウムや炭化珪素を強化材として含む複合材料は、熱伝導性（均熱性）に優れるという特性をも有するため、耐熱性（高温強度）と熱伝導性（均熱性）の双方が要求されるヒータ用均熱材等の用途で好適に用いることができる。
【００６９】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００７０】
（各種物性値の測定方法、各種評価方法）
［空隙率］：
成形体の空隙率（ε）については、混合材料における強化材の体積、金属粉末の体積、及び成形後における成形体の高さ（厚さ）を測定し、下記式（８）に従って算出した。なお、表１中に、既述の式（２）から算出される空隙率（ε）の範囲を「理論空隙率」として記載した。この際、金属粉末の密度（ρＭＰ）は２．７（ｇ／ｃｍ３）、アルミニウムの密度（ρＡｌ）は４．５（ｇ／ｃｍ３）として計算した。
【数１８】
（但し、ε：空隙率、ＶＰＯＲＥ：空隙体積、ＶＲ：強化材の体積、ＶＭＰ：金属粉末の体積）
【００７１】
［開気孔率、緻密性の評価］：
得られた複合材料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開気孔率を測定した。この開気孔率によって複合材料の緻密性を評価することとし、開気孔率が０．１％以下である場合を「◎」、開気孔率が０．５％以下である場合を「○」、開気孔率が１．０％未満である場合を「△」、開気孔率が１．０％以上である場合を「×」として評価した。
【００７２】
［４点曲げ強度（高温強度）、降伏応力］：
得られた複合材料から所定形状の試料を切り出し、ＪＩＳ Ｒ １６０１に記載の方法に準拠して、４点曲げ試験を実施することにより４点曲げ強度を測定した。この４点曲げ強度を２０℃、２００℃、４００℃にて測定することによって複合材料の高温強度を評価した。なお、前記４点曲げ試験により得られる応力−歪み曲線において、その勾配が明瞭に変化した点（比例範囲から外れた点）の応力の値を降伏応力とした。
【００７３】
［ヤング率］：
得られた複合材料から所定形状の試料を切り出し、ＪＩＳ Ｒ １６０１に記載の方法に準拠して、４点曲げ試験を実施し、測定された４点曲げ強度から、ヤング率を算出した。
【００７４】
［破壊靭性値］：
得られた複合材料から切り込み（ノッチ）を導入した所定の形状の試料を作製し、ＪＩＳ Ｒ １６０１に記載の方法に準拠して４点曲げ試験を実施し、測定された４点曲げ強度から、シェブロンノッチ法に従って破壊靭性値を算出した。
【００７５】
（実施例、比較例）
［実施例１〜１５、比較例１〜２］
強化材として平均粒径が約４７μｍのアルミナ粒子、金属粉末として平均粒径が約１０μｍのチタン粉末、含浸させるアルミニウム溶湯の原料となるアルミニウム材料として表１に示すような組成を有するアルミニウム系金属（合金も含む）を用意した。次いで、チタン粉末とアルミナ粒子を、チタン／アルミナ体積比率が表１に記載の値となるように配合し、Ｖ型混合機により混合を行った。得られた混合材料を、ＳＵＳ３１６からなる有底円筒状の容器であって、その内面が高密度カーボンにより構成された、内径１００ｍｍφの反応容器（容器本体）に充填し、その内部空間において圧縮成形を行い、厚さ２０ｍｍ、空隙率が表１に記載の値である成形体とした。
【００７６】
【表１】
【００７７】更に、図２に示すように、含浸孔（内径２０ｍｍφ）を有するカーボン製の蓋体８を成形体（混合材料２）の上面に載置した状態で固定した後、その蓋体８の上部に各含浸孔８ａにアルミニウム溶湯が流入するようにアルミニウム材料４を配置した。
【００７８】０．１３Ｐａ以下の真空雰囲気下、６００℃、１時間の均熱化処理を行った後、８００℃にまで加熱することにより、アルミニウム材料４を溶融してアルミニウム溶湯とし、そのアルミニウム溶湯を蓋体８の含浸孔８ａを経由させて、反応容器１の内部空間１ａに充填された成形体（混合材料２）の内部空隙に無加圧含浸させた。その温度で約１時間保持した後、徐冷して複合材料５を製造した。
【００７９】
［比較例３］
蓋体を使用せず、反応容器を構成する容器本体の内部空間に充填された成形体の上部に直接、アルミニウム材料を配置したことを除いては、実施例１と同様にして複合材料を製造した。
【００８０】
［比較例４］
強化材として平均粒径が約４７μｍのアルミナ粒子、含浸させるアルミニウム溶湯の原料となるアルミニウム材料として市販の純アルミニウム（Ａ１０５０）を用意した。次いで、アルミナ粒子を一軸プレス機により加圧成形し、外径１００ｍｍφ、厚さ２０ｍｍ、空隙率が表１に記載の値である成形体とした。
【００８１】得られた成形体を大気中で７６０℃に予熱し、５００℃に予熱された内径１００ｍｍφの金型の内部空間に配置した。その後、アルミニウム材料を８５０℃で溶解してなるアルミニウム溶湯を金型内に入れ、５０ＭＰａの圧力にて金型の内部空間に配置された成形体の内部空隙にアルミニウム溶湯を加圧含浸させ、徐冷することにより複合材料５を製造した。
【００８２】
［比較例５］
また、比較例５として、金属材料（市販のアルミニウム合金（Ａ５０５２（Ａｌ−２．５％Ｍｇ（質量％）））を用意した。
【００８３】実施例１〜１５、比較例１〜４で得られた複合材料、比較例５の金属材料について、強化材含有率、マトリックス組成、開気孔率、緻密性、４点曲げ強度（高温強度）、ヤング率、破壊靱性値について評価した結果を表２に示す。
【００８４】
【表２】
【００８５】
（評価結果）
本発明の製造方法により得られた実施例１〜１５の複合材料は、マトリックス中のアルミニウム含有量が１０質量％以下に制御されており、４００℃における４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上と高い耐熱性（高温強度）を示した。中でも、実施例６〜８、実施例１０、実施例１２の複合材料は、マトリックス中のアルミニウム含有量が５質量％以下（より具体的には１質量％以下）に制御されており、４００℃における４点曲げ強度が３００ＭＰａ程度と特に高い耐熱性（高温強度）を示した。
【００８６】更に、混合材料に含浸させるアルミニウム材料として各種添加元素を含有するアルミニウム合金を用いた実施例１３〜１５の複合材料は、同様の条件で添加元素を含有しないアルミニウム合金を用いて製造した実施例３と比較して、更に顕著な耐熱性（高温強度）を示した。
【００８７】これに対し、成形体の空隙率（ε）を本発明の製造方法の範囲外として製造した比較例１及び２の複合材料は、マトリックス中のアルミニウム含有量が１０質量％を超えており、２００℃、４００℃における４点曲げ強度が低く、耐熱性（高温強度）が不十分なものであった。
【００８８】また、蓋体を使用せず、反応容器を構成する容器本体の内部空間に充填された成形体の上部に直接、アルミニウム材料を配置して製造した比較例３の複合材料は、開気孔率が高く、緻密性に劣るものであった。
【００８９】更に、本発明の製造方法とは異なる加圧含浸法によって製造した比較例４の複合材料はアルミニウムを主たる構成成分とするマトリックス中に、強化材となるセラミックス粒子を分散させたもの、比較例５の金属材料は、その全部がアルミニウムにより構成されているものであるが、これらの材料は、２００℃以上の温度域では急激に４点曲げ強度が低下し、耐熱性（高温強度）に劣るものであった。
【００９０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の製造方法は、高温・高圧という条件を必要とせず、製造工程が短く簡素であるとともに、低コスト・低エネルギーで、高い緻密性、及び耐熱性（高温強度）を有する複合材料を製造し得るものである。また、本発明の複合材料は、高い緻密性を有するとともに、耐熱性（高温強度）に優れるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の複合材料の製造方法の一の実施形態を示す説明図であり、図１（ａ）は反応前の状態を示す概略断面図、図１（ｂ）は反応後の状態を示す概略断面図である。
【図２】本発明の複合材料の製造方法の一の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１…反応容器、１ａ…内部空間、２…混合材料、３…金属粉末、４…アルミニウム材料、５…複合材料、６…残留アルミニウム、８…蓋体、８ａ…含浸孔、９…容器本体、１０…外挿体、１１…ネジ部、１５…強化材、１７…マトリックス。[0001]
The present invention relates to a method for producing a composite material and a composite material.
[0002]
2. Description of the Related Art A composite material is a composition aggregate in which a plurality of materials are macroscopically mixed, and the characteristics of each material cannot be realized by a single material by complementarily utilizing the mechanical properties of the materials. It is what made possible. Basically, it is a technical method of combining materials in the form of, for example, a matrix and a reinforcing material, and a composite material combining various materials is used according to the purpose of use and cost. I have.
[0003] Among them, metal-based composite materials (MMCs: Metal-Matrix-Composites) include ceramics as a reinforcing material and metal materials (aluminum (Al), titanium (Ti), copper (Cu), silicon (Si), and the like. ) Is a material having both properties of ceramics and metal. Therefore, in recent years, for example, in recent years, for example, an automobile-related field related to environmental problems, a manufacturing apparatus-related field in which various devices (semiconductors, displays, precision machines, etc.) are required to be reduced in weight, speed, and efficiency, or BACKGROUND ART In the field of electronic components for cooling (radiating heat) of elements, metal-based composite materials have attracted much attention.
In addition, in an intermetallic compound matrix composite material (IMCs: Intermetallic-Matrix-Composites), a ceramic as a reinforcing material and an intermetallic compound (titanium-aluminum type, nickel-aluminum type, etc.) are compounded. As a heat-resistant material in a temperature range that is difficult to realize with a metal material, it is attracting attention in fields such as power generation, space, and aviation. From these facts, in both fields, it is desirable to change the type and phase ratio of the reinforcing material phase (dispersion material phase) and the matrix phase in fields where it is difficult to apply a single material such as a ceramic material or a metal material. It is expected to be developed in various fields as a material that can be tailored to the characteristics of the material.
Meanwhile, 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. Under the conditions, a method of hot pressing (HP) or hot isostatic pressing (HIP) may be used.
As a problem in such a conventional production method, in order to produce a dense intermetallic compound-based composite material, a high temperature and a high pressure are mainly applied by a production method such as a powder metallurgy HP method and a HIP method. It is necessary to densify the composite material by applying a load and sintering the intermetallic compound. For this reason, the performance and scale of the manufacturing apparatus are limited, and it is extremely difficult to manufacture a large-sized or complex-shaped composite material, and it is not possible to perform near-net shaping in consideration of the shape of the final product. There is also a problem that a machining process is required in the step.
[0007] 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, the conventional manufacturing method requires a multi-step process and high-temperature and high-pressure conditions, and is an extremely high-cost and high-energy manufacturing method.
[0008] Also, as a method for producing a metal matrix composite material, as a solid-phase method, a sheet or foil-like metal and a fibrous or particulate ceramic are subjected to high pressure as in the case of the HP method or the HIP method. In general, the above-mentioned powder metallurgy method using diffusion bonding and metal powder are known. Further, as the liquid phase method, a pressure impregnation method in which a composite material is forcibly made using mechanical energy, such as applying a high pressure, in consideration of a combination of ceramics and molten metal having poor wettability. There are known techniques such as a forging method and a molten metal forging method. However, the above-described methods such as the HP method, the HIP method, the powder metallurgy method, the pressure impregnation method, and the molten metal forging method are not only processes requiring high temperature and high pressure, but also a flat plate or a circular plate. There is a problem that only a composite material having a simple shape such as that described above can be obtained. For this reason, plastic working or mechanical working is required to finish to the final product. However, since the ceramic phase is contained, the working cost is high and the manufacturing method is extremely expensive.
A related technique for solving such a problem, particularly a method for producing a metal-based composite material which does not require a pressure, instead of a conventional high-pressure synthesis process, is disclosed for the purpose of reducing the cost of the composite material. ing. Specifically, as a liquid phase method of impregnating molten metal without pressure, magnesium is volatilized in a nitrogen gas atmosphere, and magnesium nitride (Mg 3 N 2 ) Is generated in-situ (in-situ) on the surface of ceramic particles to improve the wettability between the ceramic and the metal, and a method is known in which molten aluminum is pressurelessly penetrated into a ceramic porous body by capillary pressure. For example, see Patent Literatures 1 and 2).
However, according to this method, since the surface of the ceramic particles is coated with magnesium nitride by in-situ (in-situ) coating by a gas-phase reaction, the impregnation rate is extremely low, and the atmosphere is adjusted without pressure. Since it takes time, there is a problem that it takes a very long time to manufacture a product. Furthermore, since it is necessary to manufacture the ceramic porous body by previously calcining the ceramic particles at a high temperature, there is a problem that the cost of the composite material cannot be reduced.
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 or the like having a getter effect of oxygen and nitrogen. A method for producing a metal-based composite material in which a reinforcing material is dispersed in a matrix made of a metal such as aluminum by immersion in the material 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 and aluminum, when the molded body is immersed in the molten metal, the volume ratio of the reinforcing material is reduced, and the composite material having a higher volume ratio of the reinforcing material is reduced. There is a problem that it is difficult to manufacture a material, and it is difficult to manufacture a composite material with controlled material properties, such as higher strength.
As a related technique for solving the various problems described above, 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 is disclosed. (For example, see Patent Document 4).
In this manufacturing method, as shown in FIG. 1, a gap between a mixed material 2 composed of a dispersion material and a metal powder filled in a reaction vessel 1 is impregnated with a molten aluminum obtained by melting an aluminum material 4. A self-combustion reaction is caused in-situ (in-situ), and a composite material 5 such as an intermetallic compound-based composite material having a high melting point under a low temperature and no pressure condition is extremely short. It is a method of manufacturing a composite material that can achieve near net shaping simulating the final product shape by the impregnation process completed in a short time, and has a significantly lower energy amount and lower manufacturing cost compared to the conventional method. It can be said that.
However, 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, aluminum nitride (AlN) and silicon nitride (Si) in a nitrogen gas atmosphere using aluminum or silicon 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 given denseness due to the formation of pores due to the exothermic reaction. It is known to be very difficult to do. That is, it is difficult to synthesize a composite material having high denseness even in the above-mentioned manufacturing method, and there has been a problem in that mechanical properties (for example, bending strength and Young's modulus) due to the pores are reduced.
Further, since the composite material obtained by the above-mentioned production method has a low density and a high open porosity, it is used, for example, as a component for a production apparatus of a product such as a semiconductor or a display which is resistant to contamination with impurities. Impurities such as liquid, gas, and dust contained in the pores may cause particles, contamination, outgassing, and the like, which may adversely affect product quality. Therefore, there has been a demand from the industry to create a composite material having a finer microstructure having fewer pores than the composite material obtained by the above-mentioned production method, and a production method thereof.
Furthermore, in recent years, the above-mentioned composite materials have been used for applications requiring heat resistance (about 400 to 600 ° C.) (for example, parts for manufacturing equipment, soaking materials for heaters, etc.). Is being considered. Conventionally, in the above-mentioned applications, aluminum alloys and the like having excellent lightness have been used.However, there is a problem that the alloys are softened when used under high-temperature conditions. Aluminum-ceramic composite materials have attracted attention. This composite material is obtained by dispersing ceramic particles serving as a reinforcing material in a matrix containing aluminum as a main component. However, this composite material also has a problem that the strength is greatly reduced at around 200 to 400 ° C., and the heat resistance (high-temperature strength) is not sufficiently satisfactory. Therefore, a composite material having excellent heat resistance (high-temperature strength) and a method for producing the same have been desired.
[0018]
[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
[0019]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has as its object to eliminate the need for high-temperature and high-pressure conditions and to reduce the manufacturing process. A method for producing a composite material that is short, simple, and capable of producing a composite material having high density and heat resistance (high temperature strength) at low cost and low energy, and high density and heat resistance (high temperature strength). To provide a composite material having the same.
[0020]
That is, according to the present invention, a mixed material containing a metal powder and a reinforcing material which causes a self-combustion reaction upon contact with aluminum (Al) is charged into a reaction vessel, By impregnating a mixed material with a molten aluminum (Al) obtained by melting an aluminum (Al) material, a matrix containing an aluminide intermetallic compound generated by a self-combustion reaction between the metal powder and the aluminum (Al) is formed. A method for producing a composite material, in which a composite material in which the reinforcing material is dispersed is used, wherein the reaction container is a reaction container including a lid body having one or more impregnation holes and a container body, and the lid body and In the internal space of the reaction container formed by the container body, the mixed material is mixed with the reinforcing material in a volume ratio of the metal powder to the reinforcing material (metal powder / reinforced). Volume ratio: X) and the ratio of the internal void volume (porosity: ε) to the total volume of the mixed material (porosity: ε) is formed so as to satisfy the relationship represented by the following formulas (1) and (2). A method for producing a composite material, comprising: after filling as a molded body, impregnating the molded body with the molten aluminum (Al) through one or more impregnation holes of a lid constituting the reaction vessel. .
(Equation 6)
0.14 ≦ X ≦ 0.80, 25 (% by volume) ≦ ε ≦ 62 (% by volume) (1)
(Equation 7)
(However, ε: porosity, ρ MP : Density of metal powder, ρ Al : Density of aluminum (Al), X: metal powder / reinforced material volume ratio, Y 0 : The theoretical mass ratio of metal powder to aluminum (Al), in which the mass ratio (aluminum content) of the aluminum (Al) phase to the total mass of the matrix is 0 (mass%), Y 10 : The theoretical mass ratio of metal powder to aluminum (Al) in which the mass ratio (aluminum content) of the aluminum (Al) phase to the total mass of the matrix is 10 (mass%)
In the manufacturing method of the present invention, the ratio of the internal void volume to the total volume of the mixed material in the internal space of the reaction vessel defined by the lid and the container body It is preferable to fill as a molded article molded so that (porosity: ε) satisfies the relationship shown in the following formula (3).
(Equation 8)
(However, Y 5 : The theoretical mass ratio of metal powder to aluminum (Al) at which the aluminum content is 5 (% by mass)
In the production method of the present invention, when titanium (Ti) powder is used as the metal powder, the mass ratio of the metal powder to the molten aluminum (Al) impregnated in the compact (metal powder / metal powder) Aluminum (Al) mass ratio: Y) is preferably 0.490 to 0.575, titanium (Ti) powder as the metal powder, and alumina (Al) as the reinforcing material. 2 O 3 ), Aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC), and silicon nitride (Si 3 N 4 It is preferable to use ceramic particles made of at least one kind of ceramics selected from the group consisting of:
Further, in the manufacturing method of the present invention, the aluminum (Al) material includes aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), copper (Cu), chromium (Cr), and iron (Fe). ), Nickel (Ni), and at least one metal selected from the group consisting of manganese (Mn).
Further, according to the present invention, after a mixed material containing a metal powder and a reinforcing material which cause a self-combustion reaction upon contact with aluminum (Al) is filled in a reaction vessel, the mixed material is mixed with aluminum (Al). A) a reinforcing material in a matrix containing an aluminide intermetallic compound formed by a self-combustion reaction between the metal powder and the aluminum (Al), which is formed by impregnating a molten aluminum (Al) obtained by melting a material; Is a composite material in which a reaction vessel formed of a lid body having at least one impregnation hole and a vessel body is used as the reaction vessel, and the reaction vessel formed by the lid body and the vessel body In the internal space of the above, the volume ratio of the metal powder to the reinforcing material (metal powder / reinforced material volume ratio: X), and the mixed material After filling as a molded article formed such that the ratio of its internal void volume (porosity: ε) to the total volume of the resin satisfies the relationship shown in the following formulas (1) and (2), Further, there is provided a composite material formed by impregnating the molten aluminum (Al) through one or more impregnation holes of a lid constituting the reaction vessel.
(Equation 9)
0.14 ≦ X ≦ 0.80, 25 (% by volume) ≦ ε ≦ 62 (% by volume) (1)
(Equation 10)
(However, ε: porosity, ρ MP : Density of metal powder, ρ Al : Density of aluminum (Al), X: metal powder / reinforced material volume ratio, Y 0 : The theoretical mass ratio of metal powder to aluminum (Al), in which the mass ratio (aluminum content) of the aluminum (Al) phase to the total mass of the matrix is 0 (mass%), Y 10 : The theoretical mass ratio of metal powder to aluminum (Al) in which the mass ratio (aluminum content) of the aluminum (Al) phase to the total mass of the matrix is 10 (mass%)
The composite material of the present invention preferably has the aluminum content of 10 (% by mass) or less, and more preferably has the aluminum content of 5 (% by mass) or less.
In the composite material of the present invention, aluminum (Al), a metal derived from the metal powder, magnesium (Mg), silicon (Si), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), and at least one metal selected from the group consisting of manganese (Mn). It is preferable that the matrix contains an aluminide intermetallic compound. Aluminide comprising at least one metal selected from the group consisting of magnesium (Mg), silicon (Si), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), and manganese (Mn) Preferably, it contains an intermetallic compound.
Further, as the composite material of the present invention, it is preferable that the ratio of the volume of the reinforcing material to the total volume of the composite material (the content of the reinforcing material) is 10 to 70 (vol%). When the intermetallic compound is titanium aluminide (TiAl, Ti 3 Al or Al 3 Ti), and the reinforcing material is alumina (Al 2 O 3 ), Aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC), and silicon nitride (Si 3 N 4 ) Are preferably ceramic particles made of at least one ceramic selected from the group consisting of:
[0028]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
The method for producing a composite material according to the present invention includes the production method shown in FIGS. 1A and 1B, that is, a metal powder which causes a self-combustion reaction upon contact with aluminum and a reinforcing material. After the mixed material 2 is filled in the internal space 1a of the reaction vessel 1, the mixed material 2 is impregnated with a molten aluminum obtained by melting the aluminum material 4, thereby generating a self-combustion reaction between the metal powder and aluminum. The method is based on a method for obtaining a composite material 5 in which a reinforcing material is dispersed in a matrix containing an aluminide intermetallic compound (the reference numeral 6 in FIG. 1B indicates residual aluminum).
According to such a method, the molten aluminum penetrates into the mixed material by using the reaction heat generated by the self-combustion of the metal powder and the aluminum as the impregnation driving force, and the formation of the aluminide intermetallic compound is promoted. The composite material can be manufactured under low-temperature conditions and by a pressureless infiltration process that does not require high-pressure conditions such as the pressure impregnation method, the HP method, or the HIP method described above.
In addition, it is easy to manufacture a large-sized or complex-shaped composite material, which is difficult with high-pressure equipment, and it is possible to perform near-net shaping in consideration of the shape of the final product. It is not necessary to perform processing such as plastic working and mechanical processing in order to obtain. Further, there is no need to synthesize an intermetallic compound powder by MA or the like in advance. Therefore, the manufacturing process is short and simple, and the composite material can be manufactured with low energy and low cost.
In the production method of the present invention, for example, as shown in FIG. 2, the reaction vessel 1 comprising a lid 8 having one or more impregnation holes 8a and a container body 9 is used. The mixed material 2 is filled in the internal space 1a of the reaction vessel 1 formed by the container body 9, and the aluminum material 4 is melted through one or more impregnation holes 8a of the lid 8 constituting the reaction vessel 1. The method employs a method of impregnating a molten aluminum.
In this method, even if the SHS reaction, which is a rapid exothermic reaction, occurs when the molten aluminum is impregnated, the lid 8 is fixed to the container body 9 constituting the reaction container. The accompanying expansion of the mixed material 2 can be effectively suppressed. Therefore, unlike the manufacturing method shown in FIGS. 1A and 1B, the composite material 5 having a low open porosity, a high density, and a high density can be manufactured, and at the same time, warpage, deformation, and the like can be prevented. Problems are less likely to occur, and a desired shape can be imparted to the obtained composite material 5.
The method of fixing the lid 8 to the container main body 9 is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 2, an external insert 10 into which the container main body 9 is loaded is used. A method in which the screw portion 11 is provided on the main body 9 and the like can be preferably used. The method shown in FIG. 2 has an advantage that fine adjustment can be performed so that a desired pressure acts on the mixed material 2 by the screw portion 11, and the mixed material 2 can be more securely fixed. . In FIG. 2, reference numeral 3 indicates a metal powder, reference numeral 15 indicates a reinforcing material, and reference numeral 17 indicates a matrix.
Further, according to the production method of the present invention, the mixed material is formed by mixing the volume ratio of the metal powder to the reinforcing material (metal powder / reinforced material volume ratio: X) and the ratio of the internal void volume to the total volume of the mixed material. (Void ratio: ε) After filling as a molded body molded so as to have a predetermined value, the molten aluminum is filled into the molded body via one or more impregnation holes of a lid constituting a reaction vessel. Is impregnated.
In such a method, the permeability of aluminum to the mixed material is extremely good by defining the volume ratio (X) of the metal powder / reinforcement and the porosity (ε). Able to produce a composite material having a low open porosity and a high density even under high pressure conditions such as a pressure impregnation method, an HP method, or a HIP method, and to reduce the aluminum content of a matrix. Therefore, there is an advantage that a composite material having excellent heat resistance (high-temperature strength) can be produced without a decrease in strength even in the softening temperature range of aluminum (about 200 to 400 ° C.).
Specifically, in the production method of the present invention, the molded body is obtained by mixing the mixed material with the metal powder / reinforced material volume ratio (X) and the porosity (ε) represented by the following formula (1). It is necessary to be formed so as to satisfy the following formula, and it is preferable to be formed so as to satisfy the relationship shown in the following formula (4).
(Equation 11)
0.14 ≦ X ≦ 0.80, 25 (% by volume) ≦ ε ≦ 62 (% by volume) (1)
(Equation 12)
0.18 ≦ X ≦ 0.60, 30 (% by volume) ≦ ε ≦ 57 (% by volume) (4)
As described above, by defining the metal powder / reinforced material volume ratio (X) and the porosity (ε) of the molded body, the permeability of the molten aluminum into the mixed material becomes extremely good. Even under a high-pressure condition such as the pressure impregnation method, the HP method, or the HIP method described above, a composite material having a low open porosity, a high density, and a high density can be manufactured.
If the volume ratio (X) of the metal powder / reinforcement of the compact is less than the above range, the permeability of the molten aluminum may decrease due to a decrease in the amount of the metal powder serving as the driving force for impregnation of aluminum. On the other hand, if it exceeds the above range, the exothermic reaction at the impregnation front portion becomes excessive, so that the penetration of the molten aluminum into the molded body is suppressed, and the permeability of the molten aluminum may be reduced. Is not preferred.
On the other hand, if the porosity (ε) is less than the above range, the penetration path of the molten aluminum to be impregnated is narrowed, which is not preferable in that the permeability of the molten aluminum may be reduced. When it exceeds, the voids may remain in the obtained composite material, thereby increasing the open porosity of the composite material (decreasing the compactness) and causing a problem such as a decrease in mechanical and physical properties. It is not preferable in terms of point.
Further, in the production method of the present invention, the molded article is formed so that the porosity (ε) of the molded product satisfies the relationship of the following formula (2) in addition to the relationship of the above formula (1). It is necessary that the material be formed to satisfy the relationship shown in the following formula (3).
(Equation 13)
(However, ε: porosity, ρ MP : Density of metal powder, ρ Al : Density of aluminum, X: volume ratio of metal powder / reinforced material, Y 0 : The theoretical mass ratio of metal powder to aluminum, where the ratio of the mass of the aluminum phase to the total mass of the matrix (aluminum content) is 0 (mass%), Y 10 : Theoretical mass ratio of metal powder to aluminum in which the ratio of the mass of the aluminum phase to the total mass of the matrix (aluminum content) is 10 (mass%)
[Equation 14]
(However, Y 5 : The theoretical mass ratio of metal powder to aluminum (Al) at which the aluminum content is 5 (% by mass)
By setting the porosity (ε) of the molded body in the range of the above formula (2), the aluminum content of the matrix is set to 10 (% by mass) or less and in the range of the above formula (3). 5 (% by mass) or less, and a composite material having a structure in which an aluminum phase is separated by a skeleton composed of an aluminide intermetallic compound phase in a matrix is specifically obtained. Such a composite material exhibits excellent heat resistance (high-temperature strength), and thus can be suitably used for applications requiring heat resistance (about 400 to 600 ° C.) (for example, parts for manufacturing equipment). .
The aluminum phase of the matrix is converted into an aluminide intermetallic compound (Al 3 When Ti) is formed, it is formed when the mass of the metal powder is too small relative to the mass of aluminum. Since the mass of the molten aluminum impregnated in the compact is considered to be determined by the porosity of the compact, the metal powder / reinforced material volume ratio (X) of the mixed material and the density of the metal powder (ρ MP If the mass of the metal powder is determined according to ()), a suitable aluminum mass for the metal powder mass can be theoretically calculated. Therefore, it is only necessary to determine the porosity (ε) of the compact so that the aluminum having such a mass is impregnated in the compact.
The purpose of the production method of the present invention is to reduce the aluminum content of the matrix to 10 (% by mass) or less, preferably 5 (% by mass) or less. The theoretical mass ratio (metal powder / aluminum mass ratio: Y) of the metal powder to the aluminum melt impregnated in the compact for obtaining such a composite material varies depending on the metal powder used, but titanium powder is used as the metal powder. Is used, the metal powder / aluminum mass ratio (Y) is preferably 0.490 to 0.575, more preferably 0.531 to 0.575. By setting the metal powder / aluminum mass ratio (Y) to 0.490 to 0.575, the composite material in which the aluminum content of the matrix has been reduced to 10 (% by mass) or less is 0.531 to 0.575. By doing so, a composite material in which the aluminum content of the matrix is reduced to 5 (% by mass) or less can be obtained.
For the same reason, when nickel powder is used as the metal powder, the metal powder / aluminum mass ratio (Y) is preferably set to 0.608 to 0.724, and 0.664 to 0.724. More preferably, When a niobium powder is used as the metal powder, the metal powder / aluminum mass ratio (Y) is preferably from 0.912 to 1.128, and more preferably from 1.014 to 1.128. As described later, when an aluminum alloy containing aluminum and a predetermined additive metal is used as the aluminum material, the preferable range of the metal powder / aluminum mass ratio (Y) varies from the above range. In this case, a suitable range of the metal powder / aluminum mass ratio (Y) can be converted based on the aluminum content in the aluminum alloy.
In a situation where the permeability of the molten aluminum into the molded product is poor, the composition of the actually obtained matrix (that is, the aluminum content) may slightly deviate from the target value. In this case, the actual matrix composition can be calculated by the following method. That is, several levels of a mixed powder of aluminum and an aluminide intermetallic compound adjusted to a predetermined composition (mass ratio) are prepared in advance, and XRD analysis is performed on the mixed powder (for example, see Patent Document 4). A calibration curve is created based on the X-ray intensity measured by the above. XRD analysis is also performed on the actually obtained matrix to measure the X-ray intensity, and the measured matrix value is compared with the above calibration curve to calculate the actual matrix composition.
In the above-mentioned molded body, a mixed material is prepared so that the reinforcing material and the metal powder have a predetermined volume ratio, and an appropriate pressure is applied so that the mixed material has a predetermined shape and porosity. It can be obtained by:
In this case, the mixed material is filled in the internal space of the reaction vessel, and the mixed material is pressurized by some pressing member (for example, a plate-like body, a rod-like body, or the like), thereby forming the molded body in the internal space of the reaction vessel. Alternatively, a molded body obtained by pre-press-molding the mixed material in a molding container having a molding space having the same shape as the internal space of the reaction container may be filled in the internal space of the reaction container. Further, by subjecting the mixed material in the reaction vessel to vibration and performing sedimentation molding, molding can be performed without using a pressing device such as a press machine. Such a method is particularly effective when manufacturing a large-sized or complicated-shaped product.
In the production method of the present invention, it is sufficient to apply an appropriate pressure so that the mixed material has a predetermined shape and porosity when obtaining the above-mentioned molded product. It is not necessary to apply a high molding pressure capable of imparting sufficient strength to the above-mentioned molded body as in the method described in (1).
The aluminum material used in the production method of the present invention is not particularly limited to pure aluminum, and any aluminum material having a purity of about 90% or more can be used without any problem. Further, various aluminum alloys may be used. Particularly, in the manufacturing method of the present invention, the aluminum material is selected from the group consisting of aluminum and magnesium, silicon, copper, chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), and manganese (Mn). It is preferable to use an aluminum alloy containing at least one kind of metal (hereinafter, referred to as “addition metal”).
By using an aluminum alloy containing an additive metal as an aluminum material to be impregnated in the mixed material, (1) the effect of improving the characteristics of the aluminum phase in the matrix (for example, solid solution strengthening of the aluminum phase by magnesium, etc.) (2) The effect of improving the characteristics of the aluminide intermetallic compound phase by additionally forming a new aluminide intermetallic compound phase composed of aluminum and an additional metal in the matrix (for example, Al 2 (3) formation of an aluminide intermetallic compound composed of aluminum, a metal derived from a metal powder in a mixed material, and an additive metal in a matrix to improve the characteristics of the aluminide intermetallic compound phase Effects (eg, (Al, M) 3 Ti (M: addition metal (transition metal: Cr, Fe, Ni, Mn, etc.)) and the like can be obtained. The composite material obtained by such a method shows remarkable heat resistance (high-temperature strength).
The ratio (mass%) of the mass of the added metal to the total mass of the aluminum alloy varies depending on the kind of the added metal, but is 2 to 12 mass% for magnesium and 2 to 8 mass% for silicon. Preferably, the content is about 2 to 8% by mass for copper and about 2 to 18% by mass for chromium. When the additive metal is contained within the above range in the aluminum alloy, the preferable effects described in the above (1) to (3) can be obtained.
The composite material obtained by the production method of the present invention may be used under a high temperature condition in a vacuum and where contamination by other metals is regarded as a problem (for example, a soaking method for a heater in a semiconductor production apparatus). ), It is necessary to strictly select the type of the additional metal. Specifically, care should be taken not to select metals that readily evaporate from the matrix, such as magnesium.
The metal powder used in the production method of the present invention causes self-combustion reaction upon contact with aluminum to produce an aluminide intermetallic compound. Specifically, a powder made of at least one metal selected from the group consisting of titanium, nickel, and niobium can be used. These metal powders are preferable in that they have good reactivity, can form a stable aluminide intermetallic compound, and are easy to obtain and handle. The following formulas (5) to (7) show typical examples of the self-combustion reaction between these metal powders and aluminum. As shown in the following formulas (5) to (7), these reactions are exothermic reactions (self-combustion reactions), and the production method of the present invention utilizes this reaction heat.
(Equation 15)
3Al + Ti → Al 3 Ti: ΔH 298 = -146 kJ / mol ... (5)
ΔH: heat of formation reaction (exothermic reaction when ΔH <0)
(Equation 16)
3Al + Ni → Al 3 Ni: ΔH 298 = -150 kJ / mol ... (6)
ΔH: heat of formation reaction (exothermic reaction when ΔH <0)
[Equation 17]
3Al + Nb → Al 3 Nb: ΔH 298 = -160 kJ / mol ... (7)
ΔH: heat of formation reaction (exothermic reaction when ΔH <0)
Among the above metal powders, it is particularly preferable to use titanium powder. When titanium powder is used, a composite material in which the aluminide intermetallic compound contained in the matrix is titanium aluminide is produced, but a composite material containing titanium aluminide in the matrix is a composite material containing nickel aluminide or niobium aluminide. It is preferable in that it is lighter and has higher toughness than the material.
As a method for producing a composite material using in-situ synthesis, there is a method for in-situ synthesis of both a reinforcing material and a matrix (for example, Japanese Patent No. 2609376, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-227969). In such a method, the material of the reinforcing material may be limited. However, since the manufacturing method of the present invention is a method of synthesizing only the matrix in-situ, the material of the reinforcing material is not particularly limited. .
Therefore, the material of the reinforcing material may be appropriately selected according to the physical and chemical properties to be imparted to the composite material. Usually, as a material of the reinforcing material, an inorganic material such as ceramics is used, but as a material of the reinforcing material in the manufacturing method of the present invention, a material selected from the group consisting of alumina, aluminum nitride, silicon carbide, and silicon nitride is used. Preferably, at least one type of ceramic is used. A composite material containing these ceramics as a reinforcing material has a property of being excellent in heat resistance (high-temperature strength). Among them, a composite material containing aluminum nitride or silicon carbide as a reinforcing material also has a property of being excellent in thermal conductivity (thermal uniformity), so both heat resistance (high temperature strength) and thermal conductivity (thermal uniformity) are required. It can be suitably used for applications such as a soaking material for a heater.
The shape of the reinforcing material is also not particularly limited, and may be appropriately selected according to the physical and chemical properties to be imparted to the composite material. Usually, various shapes such as fibers, particles, and whiskers are used as the shape of the reinforcing material, but particles are particularly preferable as the shape of the reinforcing material in the production method of the present invention. When the shape of the reinforcing material is particles, it is easy to uniformly mix the reinforcing material with the metal powder, so that a composite material having uniform properties throughout can be manufactured. In addition, since the fluidity is higher than other shapes, even when the shape of the reaction vessel is complicated, it is easy to fill the reaction vessel so as to conform to the shape of the reaction vessel, and the desired shape is obtained. Can be produced.
In the production method of the present invention, the ratio (%) of the average particle size of the metal powder to the average particle size of the reinforcing material is preferably 5 to 80%, and more preferably 10 to 60%. More preferred. If the ratio (%) of the average particle size of the metal powder to the average particle size of the reinforcing material is less than the above range, the average particle size of the metal powder must be very small. Powders are not preferred because they are difficult to obtain and are inconvenient to handle due to the risk of dust explosion. On the other hand, if it exceeds the above range, the activity of the self-combustion reaction between the metal powder and aluminum is not sufficiently increased, and it is not preferable in that the obtained composite material is difficult to be densified. Specifically, when the average particle size of the reinforcing material is 50 μm, the average particle size of the metal powder is preferably 2 to 40 μm, and more preferably 5 to 30 μm.
The composite material of the present invention preferably has a ratio of the volume of the reinforcing material to the total volume of the composite material (the content of the reinforcing material) of 10 to 70 (vol%), and 30 to 60 (vol%). Is more preferred. If the content of the reinforcing material is less than the above range, it is not preferable because sufficient strength may not be exhibited as a composite material. On the other hand, if the ratio exceeds the above range, the properties of the composite material approach ceramics, so that not only the workability is lowered, but also the fracture toughness value is lowered, which is not preferable in that the material may become a brittle material.
It is preferable that at least the inner surface of the reaction vessel used in the production method of the present invention is made of a carbon material. When the inner surface is made of a carbon material, the releasability of the manufactured composite material from the reaction container becomes extremely good, and the composite material can be easily removed from the reaction container. Further, since the durability of the reaction vessel is improved, it contributes to reducing the production cost of the composite material.
As described above, it is preferable that at least the inner surface of the reaction vessel is made of a carbon material. However, in addition to the inner surface, a portion where the molten aluminum or the composite material to be produced comes into contact with the carbon material is also used. Those made of a material are more preferable. Of course, the entire reaction vessel may be made of a carbon material. In particular, when it is desired to improve the releasability, a portion of the reaction vessel that is in contact with the molten aluminum is coated with BN (boron nitride (boron nitride)) spray or the like, or is coated with a carbon sheet or the like. Coating is also a preferred embodiment.
It is sufficient that the lid constituting the reaction vessel used in the production method of the present invention has at least one impregnation hole, but preferably has a plurality of impregnation holes. By doing so, the permeability of the aluminum melt into the mixed material is improved as compared with the case where the number of impregnation holes is one, so that even when a large composite material is to be manufactured, a dense microstructure is obtained. A composite material having the same can be obtained. The shape of the impregnation hole is not particularly limited, and various shapes such as a circle, an ellipse, a polygon, and an irregular shape can be adopted.
In the production method of the present invention, the method for impregnating the mixed material with the molten aluminum is as follows, except that the molten aluminum is impregnated through one or more impregnation holes of the lid constituting the reaction vessel. Although not particularly limited, for example, the following method can be employed.
First, after the mixed material is filled into the internal space of the reaction vessel as a predetermined molded body, a block-shaped aluminum material is placed on the top of the lid constituting the reaction vessel.
Then, under a suitable reduced pressure atmosphere (for example, a vacuum atmosphere) or an inert gas atmosphere (for example, an argon (Ar) atmosphere), a temperature (specifically, several tens of degrees Celsius higher than the melting point of aluminum (about 660 ° C.)). Is heated to about 700 ° C.) to melt the aluminum material into molten aluminum, and through one or more impregnation holes of the lid constituting the reaction vessel, the aluminum is introduced into the internal space of the molded body made of the mixed material. Impregnate with molten metal. The aluminum in contact with the metal powder causes a self-combustion reaction, and at the same time, penetrates into the internal voids of the molded body made of the mixed material by the capillary pressure, whereby a matrix of the desired composite material is instantaneously formed.
Since the formation of the matrix itself is completed in a very short time, the time required for heating is several minutes. Further, after completion of the self-combustion reaction, isothermal holding or heating holding may be performed in order to homogenize and stabilize the matrix of the obtained composite material. The holding temperature at this time varies slightly depending on the type and composition of the mixed material, but is generally the same as the temperature at which the self-combustion reaction occurs (isothermal holding), or at a temperature higher by about 400 to 500 ° C. (heating and holding). It is preferable to hold for a certain time. The holding time is about 1 hour to several hours as needed.
In the composite material of the present invention described above, the aluminum content of the matrix was reduced to 10 (% by mass) or less, and the aluminum phase was separated in the matrix by the skeleton composed of the aluminide intermetallic compound phase. Since it has a texture, it shows excellent heat resistance (high-temperature strength). Also, an aluminide intermetallic compound (for example, Al 2 Cu, etc.), aluminum, an aluminide intermetallic compound composed of a metal derived from a metal powder in a mixed material, and an additional metal (for example, (Al, M) 3 Those containing Ti (M: added metal (transition metal: Cr, Fe, Ni, Mn, etc.)) show more remarkable heat resistance (high-temperature strength). Further, a reinforcing material containing at least one ceramic selected from the group consisting of alumina, aluminum nitride, silicon carbide, and silicon nitride has excellent heat resistance (high-temperature strength). Among them, a composite material containing aluminum nitride or silicon carbide as a reinforcing material also has a property of being excellent in thermal conductivity (thermal uniformity), so both heat resistance (high temperature strength) and thermal conductivity (thermal uniformity) are required. It can be suitably used for applications such as a soaking material for a heater.
[0069]
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
[0070]
(Methods for measuring and evaluating various physical properties)
[Void ratio]:
About the porosity (ε) of the molded body, the volume of the reinforcing material in the mixed material, the volume of the metal powder, and the height (thickness) of the molded body after molding were measured, and were calculated according to the following equation (8). In addition, in Table 1, the range of the porosity (ε) calculated from the above-described equation (2) is described as “theoretical porosity”. At this time, the density of the metal powder (ρ MP ) Is 2.7 (g / cm 3 ), The density of aluminum (ρ Al ) Is 4.5 (g / cm) 3 ).
(Equation 18)
(However, ε: porosity, V PORE : Void volume, V R : Volume of reinforcing material, V MP : Volume of metal powder)
[0071]
[Evaluation of open porosity and denseness]:
A sample having a predetermined shape was cut out from the obtained composite material, and the open porosity was measured by the Archimedes method. The denseness of the composite material is evaluated based on the open porosity. When the open porosity is 0.1% or less, “◎”; when the open porosity is 0.5% or less, “％”; The case where the open porosity was less than 1.0% was evaluated as "△", and the case where the open porosity was 1.0% or more was evaluated as "x".
[0072]
[4-point bending strength (high temperature strength), yield stress]:
A sample having a predetermined shape was cut out from the obtained composite material, and a four-point bending strength was measured by performing a four-point bending test in accordance with the method described in JIS R 1601. The high-temperature strength of the composite material was evaluated by measuring the four-point bending strength at 20 ° C, 200 ° C, and 400 ° C. In the stress-strain curve obtained by the four-point bending test, the value of the stress at the point where the gradient clearly changed (point outside the proportional range) was defined as the yield stress.
[0073]
[Young's modulus]:
A sample having a predetermined shape was cut out from the obtained composite material, a four-point bending test was performed in accordance with the method described in JIS R 1601, and Young's modulus was calculated from the measured four-point bending strength.
[0074]
[Fracture toughness value]:
From the obtained composite material, a sample having a predetermined shape into which a notch was introduced was prepared, and a four-point bending test was performed in accordance with the method described in JIS R 1601, and from the measured four-point bending strength, The fracture toughness value was calculated according to the chevron notch method.
[0075]
(Examples, Comparative Examples)
[Examples 1 to 15, Comparative Examples 1 and 2]
Alumina particles having an average particle size of about 47 μm as a reinforcing material, titanium powder having an average particle size of about 10 μm as a metal powder, and an aluminum-based metal having a composition shown in Table 1 as an aluminum material used as a raw material of an aluminum melt to be impregnated ( Alloys). Next, the titanium powder and the alumina particles were blended so that the titanium / alumina volume ratio became the value shown in Table 1, and mixed by a V-type mixer. The obtained mixed material is filled into a reaction vessel (vessel main body) having an inner diameter of 100 mmφ, which is a cylindrical vessel having a bottom and made of SUS316 and having an inner surface made of high-density carbon, and compression-molded in its internal space. Was performed to obtain a molded body having a thickness of 20 mm and a porosity of the values shown in Table 1.
[0076]
[Table 1]
Further, as shown in FIG. 2, a carbon lid 8 having an impregnation hole (inner diameter: 20 mmφ) is fixed while being placed on the upper surface of the molded body (mixed material 2). The aluminum material 4 was arranged on the upper part of the substrate so that the molten aluminum flowed into each impregnation hole 8a.
After performing a soaking process at 600 ° C. for 1 hour in a vacuum atmosphere of 0.13 Pa or less, the material is heated to 800 ° C. to melt the aluminum material 4 to form a molten aluminum. Was passed through the impregnation hole 8a of the lid 8, and was impregnated into the internal space of the molded body (mixed material 2) filled in the internal space 1a of the reaction vessel 1 without pressure. After maintaining at that temperature for about one hour, the composite material 5 was produced by slow cooling.
[0079]
[Comparative Example 3]
A composite material was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the aluminum material was directly disposed on the upper part of the molded body filled in the internal space of the container body constituting the reaction container without using the lid. did.
[0080]
[Comparative Example 4]
Alumina particles having an average particle size of about 47 μm were used as a reinforcing material, and commercially available pure aluminum (A1050) was prepared as an aluminum material used as a raw material of an aluminum melt to be impregnated. Next, the alumina particles were pressure-formed with a uniaxial press to obtain a formed body having an outer diameter of 100 mmφ, a thickness of 20 mm, and a porosity as shown in Table 1.
The obtained molded body was preheated to 760 ° C. in the atmosphere and placed in an inner space of a mold having an inner diameter of 100 mmφ preheated to 500 ° C. Thereafter, the molten aluminum obtained by melting the aluminum material at 850 ° C. is put into a mold, and the internal gap of the molded body arranged in the interior space of the mold is impregnated with the molten aluminum under pressure at a pressure of 50 MPa. The composite material 5 was manufactured by cooling.
[0082]
[Comparative Example 5]
As Comparative Example 5, a metal material (a commercially available aluminum alloy (A5052 (Al-2.5% Mg (mass%))) was prepared.
With respect to the composite materials obtained in Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 4 and the metal material of Comparative Example 5, the reinforcing material content, matrix composition, open porosity, denseness, and four-point bending strength (high temperature Table 2 shows the results of the evaluation of the strength, Young's modulus, and fracture toughness.
[0084]
[Table 2]
[0085]
(Evaluation results)
In the composite materials of Examples 1 to 15 obtained by the production method of the present invention, the aluminum content in the matrix was controlled to 10% by mass or less, and the four-point bending strength at 400 ° C was as high as 200 MPa or more, and the heat resistance was high. (High temperature strength). Among them, in the composite materials of Examples 6 to 8, Example 10, and Example 12, the aluminum content in the matrix was controlled to 5% by mass or less (more specifically, 1% by mass or less), and 400 ° C. Showed a particularly high heat resistance (high-temperature strength) of about 300 MPa.
Further, the composite materials of Examples 13 to 15 using the aluminum alloy containing various additive elements as the aluminum material to be impregnated into the mixed material were manufactured under the same conditions using the aluminum alloy containing no additional element. As compared with Example 3, more remarkable heat resistance (high-temperature strength) was shown.
On the other hand, in the composite materials of Comparative Examples 1 and 2 manufactured with the porosity (ε) of the molded body being outside the range of the manufacturing method of the present invention, the aluminum content in the matrix exceeds 10% by mass. The four-point bending strength at 200 ° C. and 400 ° C. was low, and the heat resistance (high-temperature strength) was insufficient.
The composite material of Comparative Example 3 manufactured by disposing an aluminum material directly on the molded body filled in the inner space of the container main body constituting the reaction container without using the lid is disclosed. The porosity was high and the compactness was poor.
Further, the composite material of Comparative Example 4 produced by a pressure impregnation method different from the production method of the present invention is obtained by dispersing ceramic particles serving as a reinforcing material in a matrix containing aluminum as a main component. The metal materials of Comparative Example 5 are all made of aluminum, but these materials have a sharp decrease in four-point bending strength in a temperature range of 200 ° C. or higher, and have heat resistance (high-temperature strength). Was inferior.
[0090]
As described above, the manufacturing method of the present invention does not require the conditions of high temperature and high pressure, the manufacturing process is short and simple, low cost and low energy, high density and heat resistance. It can produce a composite material having properties (high-temperature strength). Further, the composite material of the present invention has high density and excellent heat resistance (high-temperature strength).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing one embodiment of a conventional method for producing a composite material, in which FIG. 1 (a) is a schematic sectional view showing a state before a reaction, and FIG. 1 (b) is a state after a reaction. FIG.
FIG. 2 is an explanatory view showing one embodiment of a method for producing a composite material of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reaction container, 1a ... Internal space, 2 ... Mixed material, 3 ... Metal powder, 4 ... Aluminum material, 5 ... Composite material, 6 ... Residual aluminum, 8 ... Lid, 8a ... Impregnation hole, 9 ... Container body, 10: extrapolation body, 11: screw part, 15: reinforcing material, 17: matrix.
