JP2013199689A

JP2013199689A - 金属−セラミックス複合材料の製造方法

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Publication number: JP2013199689A
Application number: JP2012069496A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Hikita; 友幸引田; Mamoru Ishii; 守石井
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-10-03

Abstract

【課題】高いリブを有する大型の金属−セラミックス複合材料を製造する場合であっても、アルミニウム等の染み出しを抑制することが可能な金属−セラミックス複合材料の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化ホウ素を含むペーストを多孔質のセラミックス成形体１の表面に塗布した上で当該ペーストを乾燥することによりバリア層２をセラミックス成形体１の表面に形成させる。そして、セラミックス成形体１に溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金を非加圧で浸透させた上で冷却することにより、金属−セラミックス複合材料３を得て、当該金属−セラミックス複合材料３からバリア層２を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属−セラミックス複合材料の製造方法に関する。

金属−セラミックス複合材料の製造方法の１つとして、セラミックス成形体に対して溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金を窒素雰囲気中で非加圧浸透させる非加圧浸透法が知られている。

この方法によれば、製造された金属−セラミックス複合材料の表面は、アルミニウム又はアルミニウム合金が染み出て形成された金属層で被覆される。しかし、染み出しは不均一であり、金属層の表面に数ｍｍの凹凸が生じるので、金属層の表面を平滑に研磨又は研削する必要がある。金属層は硬く、研磨作業等に長時間を要し、工具破損のおそれもあるので、金属−セラミックス複合材料の製造コストは高くなっていた。

そこで、アルミニウム等の染み出しを抑制するために、例えば特許文献１には、セラミックス成形体の表面に、グラファイト系粉末又は酸化物系セラミックス粉末からなるバリア材を塗布してバリア層を形成することが開示されている。

また、特許文献２には、金属層表面の凹凸の大きさを０．５ｍｍ以下とするために、セラミックス成形体の表面に、ＴｉＯ_２粉末、ＳｉＯ_２粉末又はＳｉＯ粉末からなるバリア材を塗布してバリア層を形成することが開示されている。

特開２００２−３２２５２０号公報特許４０７４１１７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、アルミニウム等の染み出しを抑制するバリア効果が十分でない場合があった。例えば、高いリブを有する大型の金属−セラミックス複合材料を製造する場合、リブを含む全体にアルミニウム等を浸透させたとき、厚みの薄い部分の表面へのアルミニウム等の染み出しを特許文献１に開示されたバリア層では十分に抑制できない。

また、上記特許文献２に開示された技術は、金属層表面の凹凸の大きさを０．５ｍｍ以下とするが、金属層の厚さを抑制するものではない。金属層が厚くなると、金属−セラミックス複合材料と金属層との熱膨張差によって反りやクラックが発生するので、金属層を除去する必要がある。

本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、高いリブを有する大型の金属−セラミックス複合材料を製造する場合であっても、アルミニウム等の染み出しを抑制することが可能な金属−セラミックス複合材料の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法は、窒化ホウ素を含むペーストを多孔質のセラミックス成形体の表面に塗布した上で当該ペーストを乾燥することによりバリア層を前記セラミックス成形体の表面に形成させ、前記セラミックス成形体に溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金を非加圧で浸透させた上で冷却することにより、金属−セラミックス複合材料を得て、当該金属−セラミックス複合材料から前記バリア層を除去することを特徴とする。

窒化ホウ素は板状粒子（平板結晶）である。よって、窒化ホウ素は、乾燥過程で、その長手方向がセラミックス成形体の表面に平行になるように配向する。この結果、積み重なった状態で（層状に）窒化ホウ素がセラミックス成形体の表面に付着し、バリア層となる。そして、窒化ホウ素の積み重ね方向の隙間は非常に狭い。さらに、窒化ホウ素とアルミニウムとは濡れ性が悪い。

そのため、溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金が、窒化ホウ素の上下方向の隙間に入り込み、バリア層を抜け出るには長時間を要する。よって、本発明のバリア層は、バリア効果が高く、溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金の染み出しを長時間に亘って抑制することができる。

本発明者が得た知見によれば、窒化ホウ素からなるバリア層の全体気孔率を５０％未満にすることは困難である。一方、バリア層の全体気孔率が７０％を超えると、バリア層の強度が弱くなり、剥離やクラックが生じるおそれが高まる。また、窒化ホウ素間の間隔のうち積み重ね方向の隙間の割合が少なくなると、バリア効果が不十分となる。

そこで、本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法において、前記バリア層は、全体気孔率が５０〜７０％であり、且つ当該全体気孔率に対する０．０５〜２μｍの細径孔の割合が７８％以上となるように、前記ペーストを塗布することが好ましい。

さらに、本発明者が得た知見によれば、ペーストの塗布量が５ｍｇ／ｃｍ^２未満であると、バリア層に厚みムラが生じやすくなる。バリア層に厚みムラが生じると、薄い部分でのバリア効果が不十分となる。一方、ペーストの塗布量が５０ｍｇ／ｃｍ^２を超えると、バリア層に剥がれやクラックが発生しやすくなる。

そこで、本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法において、前記セラミックス成形体に対する前記ペーストの塗布量を５〜５０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内に調節することが好ましい。

さらに、本発明者が得た知見によれば、溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金を浸透させる底面から上面までの高さの最大値と最小値の比が１．５未満であると、リブなどの突起を設けて金属−セラミックス複合材料を補強する場合、軽量化効果が小さい。一方、前記比が１０を超えると、金属−セラミックス複合材料のリブ部を含めた内部全体に亘って溶融アルミニウム等が浸透するまで、高さが低い部分の表面に溶融アルミニウム等が染み出さないほどには、バリア効果が奏されない可能性がある。

そこで、本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法において、前記セラミックス成形体は、前記溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金を浸透させる底面から上面までの高さの最大値と最小値の比が１．５〜１０であることが好ましい。

ところで、セラミックス成形体にマグネシムを添加することによって、溶融アルミニウム又は溶融アルミニウムの浸透速度が速まることが知られている。しかし、セラミックス成形体に７重量％を超えるマグネシムを添加すると、セラミックス成形体内に浸透速度差が発生して、セラミックス成形体内の一部に溶融アルミニウム等が浸透しない領域が生じるおそれがある。

そこで、本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法において、前記セラミックス成形体には７重量％以下のマグネシムが含まれることが好ましい。

本発明で得られた金属−セラミックス複合材料の表面には、窒化ホウ素を含むアルミニウム又はアルミニウム合金の層が形成されている。そして、この層の厚さは１ｍｍ未満であることが好ましい。

本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法の概要説明図。

本発明の一実施形態としての金属−セラミックス複合材料の製造方法について説明する。

まず、プリフォームである多孔質のセラミックス成形体１（図１（ａ）参照）を準備する。セラミックス成形体１は、セラミックス粉末又はセラミックス繊維と、無機バインダとを混合したものを成形した後、脱脂・仮焼することで得られる。

セラミックス粉末又はセラミックス繊維として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のほか、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなるものを用いることができる。

無機バインダとして、コロイダルシリカ、水ガラス、リチウムシリケート、アルミナゾルなどを用いることができる。また、シリコーンエマルジョンやワニスなどの有機ケイ素化合物を用いてもよい。このような有機ケイ素化合物は、大気中で焼成されると有機成分が分解及び揮発して最終的にシリカ成分がバインダとして残る。セラミックス粉末又はセラミックス繊維として炭化ケイ素を用いた場合、プリフォーム中に炭素（Ｃ）が存在すると溶融アルミニウムと反応して炭化アルミニウム（Ａｌ_４Ｃ_３）が形成される。しかし、炭化アルミニウムは不安定な物質であり、大気中の成分と反応して分解し、金属−セラミックス複合材料を劣化させるので、製造工程中に炭素が入らないよう考慮する必要がある。成形方法として、熱プレス法、プレス成形、ＣＩＰ成形、湿式成形などを用いることができる。

セラミックス成形体１は、リブなどの突起を有している。具体的には、後述する非加圧浸透時に溶解金属を浸透させる面を底面としたときの高さが、全体として一定でない形状に形成されている。

次に、セラミックス成形体１の表面に、バリア材である窒化ホウ素（ＢＮ）を含むペーストを刷毛や噴霧などによって塗布する。均等な厚みのバリア層２を形成するためには、ペースト中の窒化ホウ素固形分濃度は３０体積％以上であることが好ましい。また、ペーストの粘度は０．１Ｐａ・ｓ以上であることが好ましい。ペーストの粘度が０．１Ｐａ・ｓ未満であると、重ね塗りしたときにひび割れが生じ、厚い膜を形成することができない。また、割れや剥離を生じさせないために、潤滑剤や無機バインダを含むペーストを用いることが好ましい。

ただし、後述する非加圧浸透時に溶解金属を浸透させる面には、ペーストは塗布しない。なお、溶解金属を浸透させる面からの高さが高い部分の上面に塗布するペースト量を少なく、低い部分の上面に塗布するペースト量を多くすることも好ましい。

次に、ペーストを自然乾燥などで乾燥し、図１（ａ）に示すように、窒化ホウ素が積層させてなるバリア層２を形成する。窒化ホウ素は板状粒子（平板結晶）であるので、乾燥過程で、窒化ホウ素はその長手方向がセラミックス成形体１の表面に平行になるように配向する。この結果、例えば、図１（ａ）に示すように、上下面がセラミックス成形体１の表面に平行になるように配向し、かつ、上下方向に積み重なった状態で（層状に）窒化ホウ素がセラミックス成形体１の表面に付着し、バリア層２となる。

次に、図１（ａ）に矢印で示すように、窒素雰囲気で溶融金属をセラミックス成形体１に非加圧で浸透（含浸）させる。溶融金属は、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウムを５０％以上含むアルミニウム合金を溶融させたものである。

非加圧浸透の際、窒化ホウ素の左右方向の隙間Ｃ１は狭いので、セラミックス成形体１の表面から染み出して、隙間Ｃ１に入り込む溶融金属は少ない。そして、溶融金属が隙間Ｃ１に入り込んでも、窒化ホウ素の上下方向の隙間Ｃ２はさらに狭いので、隙間Ｃ２に入り込み、さらに上方向に抜け出る溶融金属はさらに少ない。よって、バリア層２のバリア効果は大きく、溶融金属の染み出しを長時間に亘って抑制することができる。

その後、溶融金属が全体に亘って浸透されたセラミックス成形体１が冷却されることにより、バリア層２に覆われた金属−セラミックス複合材料３（図１（ｂ）参照）が得られる。

そして、図１（ｂ）に示すように、エアブローなどによってバリア層２を金属−セラミックス複合材料３の表面から除去する。このとき、金属−セラミックス複合材料３の表面には、バリア層２中にアルミニウムが浸透して形成された窒化ホウ素／アルミニウム（ＢＮ／Ａｌ）層が、１ｍｍ以下の厚さで残る。そして、必要に応じてこの窒化ホウ素／アルミニウム層を除去することにより、最終製品としての金属−セラミックス複合材料３を得ることができる。

なお、セラミックス成形体１にマグネシム（Ｍｇ）粉末を添加してもよい。これにより、非加圧浸透時に窒素雰囲気で加熱したときに、アルミニウムと濡れ性が高い窒化マグネシム（Ｍｇ_３Ｎ_４）がセラミックス成形体１内全体に亘って形成される。これにより、溶解金属がセラミックス粒子又はセラミックス繊維間を毛管現象で浸透する速度が速くなる。

そして、非加圧浸透の際、マグネシウムが窒化ホウ素の上下方向の隙間Ｃ２に入り込み、さらに上方向に抜け出て、バリア層２内の窒化ホウ素の表面全体に亘って窒化マグネシムが付着するまでには長時間を要する。そのため、セラミックス成形体１にマグネシム粉末を添加した場合にも、バリア層２のバリア効果は大きく、溶融金属の染み出しを長時間に亘って抑制することができる。

ただし、セラミックス成形体１に７重量％を超えるマグネシムを添加すると、セラミックス成形体１内に浸透速度差が発生して、セラミックス成形体１内の一部に溶融金属が浸透しない領域が生じるおそれがある。

〔実施例、比較例〕
以下、本発明の実施例及び比較例を具体的に挙げ、本発明を詳細に説明する。

〔実施例１〕
（セラミックス成形体）
セラミックス成形体が、セラミックス粉末として２種類の炭化ケイ素粉末（信濃電気製錬株式会社製）が用いられて作成された。一方は、レーザー散乱法により測定されるメジアン径が８１μｍである市販の＃１８０の炭化ケイ素粉末である。他方は、レーザー散乱法により測定されるメジアン径が２８μｍである市販の＃５００の炭化ケイ素粉末である。これら２種類の炭化ケイ素粉末が、＃１８０：＃５００＝７：３の重量比率で混合され、水及びバインダ（カタロイドＳ−２０Ｌ日揮触媒化成株式会社製）と混合された。混合時間は３時間である。

スラリー状の炭化ケイ素が型に流し込まれ、水分が除去された後でこの型から外された予備成形体が、大気中で１０００℃で熱処理されることによりセラミックス成形体が作成された。熱処理温度は１０〜３０℃の範囲に調節されていればよい。

セラミックス成形体は、矩形板（高さ１０ｍｍ、横幅１００ｍｍ、縦幅３００ｍｍ）の上面に直方体状のリブ（高さ６０ｍｍ、横幅１００ｍｍ、縦幅５０ｍｍ）が両端部にそれぞれ形成された形状である。このセラミックス成形体は、リブ高さが７０ｍｍであり、リブ高さ比は７．０である。

（バリア材）
バリア材として株式会社オーデック製の耐熱潤滑剤であるホワイティセブンが用いられた。ホワイティセブンは、窒化ホウ素、水と無機系のバインダ（結合剤）をベースにした粘度の高いペースト状のものである。セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量は１９ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。

セラミックス成形体にバリア材を塗布して自然乾燥させることで、板状粒子状の窒化ホウ素が重なり合ってなるバリア層を形成した。バリア層の全体気孔率は７０％であった。また、このバリア層において、孔径が０．０５〜２μｍである細孔が占める細孔率は９２％であった。孔径分布は水銀圧入法により測定された。

０．０５〜２μｍに属する細孔は、窒化ホウ素同士の重なり方向の隙間Ｃ２に由来するものである（図１（ａ）参照）。２μｍを超える孔は、窒化ホウ素同士の横の隙間Ｃ１に由来するものである（図１（ａ）参照）。孔径分布は窒化ホウ素の粒径やアスペクト比（縦と横の比率）に影響を受ける。

（非加圧浸透）
重量比でＡｌ−１５Ｓｉ−５Ｍｇに調整したアルミニウム合金とセラミックス成形体とを炉内に設置し、窒素雰囲気中で７０時間熱処理することでセラミックス成形体中に溶融アルミニウム合金を浸透させた。

（バリア層の除去）
エアブローによりバリア層が除去された。金属−セラミックス複合材料の表面全体に亘って０〜１ｍｍと薄く凹凸が小さく平滑な窒化ホウ素／アルミニウム層で被覆されていた。そして、金属−セラミックス複合材料の内部は全体に亘ってアルミニウム合金が浸透していた。金属−セラミックス複合材料の炭化ケイ素充填率は７０体積％であった。

〔実施例２〕
バリア材としてオリエンタル産業株式会社製の耐熱潤滑剤であるトヨカゾール（品番ＷＢＳ２０１）が用いられた。トヨカゾールは、窒化ホウ素をベースにした粘度の高いペースト状のものである。セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が１５ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。

バリア層の全体気孔率は５１％であった。また、このバリア層において、孔径が０．０５〜２μｍである細孔が占める細孔率は７８％であった。これ以外は実施例１と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

金属−セラミックス複合材料の表面全体に亘って０〜１ｍｍと薄く凹凸が小さく平滑な窒化ホウ素／アルミニウム層で被覆されていた。そして、金属−セラミックス複合材料の内部は全体に亘ってアルミニウム合金が浸透していた。

〔実施例３〕
セラミックス成形体として、リブ高さが２０ｍｍ、リブ高さ比が１．６のものが用いられた。バリア材としてオリエンタル産業株式会社製の耐熱潤滑剤であるトヨカゾールが用いられた。セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が５ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。これ以外は実施例１と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

〔実施例４〕
セラミックス成形体が、セラミックス粉末として２種類の炭化ケイ素粉末（信濃電気製錬株式会社製）が用いられて作成された。一方は、レーザー散乱法により測定されるメジアン径が８１μｍである市販の＃１８０の炭化ケイ素粉末である。他方は、レーザー散乱法により測定されるメジアン径が２８μｍである市販の＃５００の炭化ケイ素粉末である。これら２種類の炭化ケイ素粉末が、＃１８０：＃５００＝７：３の重量比率で混合され、マグネシウム粒子７．０重量％と共にバインダ（シルボン１３０日産化学株式会社製）と混合された。混合時間は３時間である。

粉末状の炭化ケイ素原料が金型に投入され、２０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で２００℃で熱プレスされることによりセラミックス成形体が作成された。熱処理温度は１０〜３０℃の範囲に調節されていればよい。

セラミックス成形体は、高さ１００ｍｍ、横幅１００ｍｍ、縦幅３００ｍｍの平板形状から、矩形板（高さ１０ｍｍ、横幅１００ｍｍ、縦幅３００ｍｍ）の上面に直方体状のリブ（高さ６０ｍｍ、横幅１００ｍｍ、縦幅５０ｍｍ）が両端部にそれぞれ形成された形状に加工した。このセラミックス成形体は、リブ高さが１００ｍｍであり、リブ高さ比は１０．０である。

セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が５０ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。これ以外は実施例１と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

〔実施例５〕
セラミックス成形体には、マグネシウム粒子が３．０重量％添加された。セラミックス成形体として、セラミックス成形体として、リブ高さが１００ｍｍ、リブ高さ比が１０．０のものが用いられた。セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が３９ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。これ以外は実施例４と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

〔実施例６〕
セラミックス成形体には、マグネシウム粒子が３．０重量％添加された。セラミックス成形体として、セラミックス成形体として、リブ高さが５０ｍｍ、リブ高さ比が２．０のものが用いられた。セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が２７ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。これ以外は実施例４と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

〔実施例７〕
セラミックス成形体が、セラミックス粉末として酸化アルミニウム粉末（昭和電工株式会社製）が用いられて作成された。酸化アルミニウム粉末は、レーザー散乱法により測定されるメジアン径が３９μｍである市販のＡＳ−１０の酸化アルミニウム粉末である。

セラミックス成形体には、マグネシウム粒子が７．０重量％添加された。セラミックス成形体として、セラミックス成形体として、リブ高さが５０ｍｍ、リブ高さ比が２．０のものが用いられた。セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が４８ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。これ以外は実施例４と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

金属−セラミックス複合材料の表面全体に亘って０〜１ｍｍと薄く凹凸が小さく平滑な窒化ホウ素／アルミニウム層で被覆されていた。そして、金属−セラミックス複合材料の内部は全体に亘ってアルミニウム合金が浸透していた。金属−セラミックス複合材料の酸化アルミニウム充填率は６８体積％であった。

〔実施例８〕
セラミックス成形体には、マグネシウム粒子が５．０重量％添加された。セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が４１ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。これ以外は実施例７と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

〔実施例９〕
（セラミックス成形体）
セラミックス成形体が、セラミックス繊維として酸化アルミニウム繊維（三菱樹脂株式会社製）が用いられて作成された。酸化アルミニウム繊維は、繊維径が５〜７μｍである市販のＡＬＳの酸化アルミニウム繊維である。

セラミックス成形体には、マグネシウム粒子が５．０重量％添加された。セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が３８ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。これ以外は実施例７と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

金属−セラミックス複合材料の表面全体に亘って０〜１ｍｍと薄く凹凸が小さく平滑な窒化ホウ素／アルミニウム層で被覆されていた。そして、金属−セラミックス複合材料の内部は全体に亘ってアルミニウム合金が浸透していた。金属−セラミックス複合材料の酸化アルミニウム充填率は４０体積％であった。

表１には、実施例１〜実施例９のそれぞれの金属−セラミックス複合材料の製造条件がまとめて示されている。「染み出し抑制」の欄における「○」は、「リブトップ」と「リブ底」のそれぞれにおいて、表面全体に亘って０〜１ｍｍと薄く凹凸が小さく平滑な窒化ホウ素／アルミニウム層で被覆されていたことを意味している。「Ａｌ含浸状態」の欄における「○」は、金属−セラミックス複合材料の内部全体に亘ってアルミニウム合金が浸透していたことを意味している。

〔比較例１〕
バリア材を塗布しないほかは実施例１と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。金属−セラミックス複合材料の内部は全体に亘ってアルミニウム合金が浸透していた。しかし、金属−セラミックス複合材料の表面全体に亘って厚く凹凸が大きな窒化ホウ素／アルミニウム層で被覆されていた。

〔比較例２〕
雲母を主成分とするバリア材として用いた。このバリア材は、平均粒径（板状結晶の長手方向の大きさを意味する。以下同じ。）が１６μｍの雲母（山口雲母工業株式会社製）をエタノールの溶剤で溶いたペースト状のものである。バリア材の塗布量は１５ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。

セラミックス成形体にバリア材を塗布して自然乾燥させることで、板状粒子状の雲母が重なり合ってなるバリア層を形成した。バリア層の全体気孔率は５７％であった。また、このバリア層において、孔径が０．０５〜２μｍである細孔が占める細孔率は８０％であった。これ以外は実施例１と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

金属−セラミックス複合材料の表面全体に亘って０〜１ｍｍと薄く凹凸が小さく平滑な窒化ホウ素／アルミニウム層で被覆されていた。

しかし、金属−セラミックス複合材料の内部にはアルミニウム合金が浸透していない部分があった。これはアルミニウム合金浸透時の熱処理により雲母が分解して水蒸気を発生し、表面改質のための窒化マグネシムの生成を阻害したからであると考えられる。

〔比較例３〕
バリア材として水島合金鉄株式会社製のＨＰ−１Ｗが用いられた。セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が４０ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。バリア層の全体気孔率は７８％であった。また、このバリア層において、孔径が０．０５〜２μｍである細孔が占める細孔率は４３％であった。これ以外は比較例２と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

金属−セラミックス複合材料の内部は全体に亘ってアルミニウム合金が浸透していた。

しかし、金属−セラミックス複合材料の表面全体に亘って厚く凹凸が大きなアルミニウム合金で被覆されていた。これは、細孔率が低いため、溶解アルミニウム合金が窒化ホウ素間の隙間を抜け出してバリア層の上面に染み出したためであると考えられる。なお、たがねによる打撃などによってバリア層に大きな力を作用させれば、バリア層がへき開してバリア層ごとアルミニウム合金層を剥離することは可能である。

〔比較例４〕
セラミックス成形体として、リブ高さが２０ｍｍ、リブ高さ比が１．６のものが用いられた。セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が３ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。バリア層には厚みムラが生じた。これ以外は実施例１と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

金属−セラミックス複合材料の内部は全体に亘ってアルミニウム合金が浸透していた。しかし、金属−セラミックス複合材料の表面全体に亘って厚く凹凸が大きな窒化ホウ素／アルミニウム層で被覆されていた。

〔比較例５〕
セラミックス成形体に対するバリア材の塗布量が５３ｍｇ／ｃｍ^２に調節された。バリア層には剥離が生じた。これ以外は実施例１と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

〔比較例６〕
セラミックス成形体として、リブ高さが１００ｍｍ、リブ高さ比が１１．０のものが用いられた。これ以外は実施例４と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

金属−セラミックス複合材料の内部は全体に亘ってアルミニウム合金が浸透していた。金属−セラミックス複合材料のリブ部の上面には０〜１ｍｍと薄く凹凸が小さく平滑なアルミニウム合金が被覆されていた。

しかし、金属−セラミックス複合材料のリブ部を除く部分の上面には厚く凹凸が大きな窒化ホウ素／アルミニウム層で被覆されていた。これは、金属−セラミックス複合材料のリブ部を含めた内部全体に亘ってアルミニウム合金が浸透するまで、リブ部を除く薄い部分にアルミニウム合金が染み出さないほどには、バリア層のバリア効果が十分でなったためであると考えられる。

〔比較例７〕
セラミックス成形体には、マグネシウム粒子が１０．０重量％添加された。これ以外は実施例４と同一条件下で金属−セラミックス複合材料が製造された。

しかし、金属−セラミックス複合材料の内部にはアルミニウム合金が浸透していない部分があった。これは、セラミックス成形体中に添加するマグネシウム量が多過ぎたため、セラミックス成形体内でアルミニウム合金の浸透速度に差が生じて、気泡を噛み込んだままアルミニウム合金が浸透せずに残ったからであると考えられる。

なお、窒化マグネシムは炉内の窒素を消費して形成されるので、一度アルミニウム合金で包まれた閉空間がセラミックス成形体中に発生した場合、新たに窒素が供給されなくなる。そのため、長時間熱処理しても閉空間部分にはアルミニウム合金は浸透せず、未含浸となる。

表２には、比較例１〜比較例７のそれぞれの金属−セラミックス複合材料の製造条件がまとめて示されている。「染み出し抑制」の欄における「○」は、「リブトップ」と「リブ底」のそれぞれにおいて、表面全体に亘って０〜１ｍｍと薄く凹凸が小さく平滑な窒化ホウ素／アルミニウム層で被覆されていたことを意味している。「Ａｌ含浸状態」の欄における「○」は、金属−セラミックス複合材料の内部全体に亘ってアルミニウム合金が浸透していたことを意味している。

１‥セラミックス成形体、２‥バリア層、３‥金属−セラミックス複合材料。

Claims

窒化ホウ素を含むペーストを多孔質のセラミックス成形体の表面に塗布した上で当該ペーストを乾燥することによりバリア層を前記セラミックス成形体の表面に形成させ、前記セラミックス成形体に溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金を非加圧で浸透させた上で冷却することにより、金属−セラミックス複合材料を得て、当該金属−セラミックス複合材料から前記バリア層を除去することを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。
前記バリア層は、全体気孔率が５０〜７０％であり、且つ当該全体気孔率に対する０．０５〜２μｍの細径孔の割合が７８％以上となるように、前記ペーストを塗布することを特徴とする請求項１に記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。
前記セラミックス成形体に対する前記ペーストの塗布量を５〜５０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内に調節することを特徴とする請求項１又は２に記載の金属／セラミックス複合材料の製造方法。
前記セラミックス成形体は、前記溶融アルミニウム又は溶融アルミニウム合金を浸透させる底面から上面までの高さの最大値と最小値の比が１．５〜１０であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。
前記セラミックス成形体には７重量％以下のマグネシムが含まれることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。
前記得られた金属−セラミックス複合材料の表面に、窒化ホウ素を含むアルミニウム又はアルミニウム合金の層が形成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。
前記窒化ホウ素を含むアルミニウム又はアルミニウム合金の層の厚さは１ｍｍ未満であることを特徴とする請求項６に記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。