JP2013237597A - プリフォーム、それを用いた金属−セラミックス複合材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を非加圧で浸透させて得られる金属−セラミックス複合材であって、製造後の複合材に生ずる気孔やボイドを抑制できるプリフォームと、それを用いた金属−セラミックス複合材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 金属−セラミックス複合材を得るためのプリフォームであって、溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げた際に、溶融金属を貯留する湯溜部を有し、好ましくは、湯溜部は少なくとも一つ以上の凹部又は凸部としたプリフォームとし、このプリフォームを用いた金属−セラミックス複合材及びその製造方法とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を浸透させて金属−セラミックス複合材を得るためのプリフォーム、それを用いた金属−セラミックス複合材及びその製造方法に関するものである。

近年、基材となる金属に、セラミックスの繊維や粒子等を強化材とする金属−セラミックス複合材が注目されている。金属−セラミックス複合材は、アルミニウムやアルミニウム合金など基材となる金属が有する強度、延性、靭性、成形性及び熱伝導性等と、強化材である炭化珪素、窒化アルミ、アルミナなどの繊維や粒子からなるセラミックスが有する剛性、耐摩耗性、低熱膨張性等とを併せもつために、軽量化、高熱伝導、低熱膨張などが要求される輸送用機器部品、電子部品等のさまざまな用途の製品に利用されている。この複合材の製造方法は、従来より粉末冶金法、加圧浸透法などが知られている。最近ではセラミックスで成形された多孔質のプリフォームに、基材の金属を非加圧で浸透させる非加圧浸透法も開発されている。この方法によればプリフォームの形状の自由度が高いことから、凹凸を含むなど複雑形状の複合材の素材を、最終製品形状に近い形状に、すなわち、ニアネットシェイプに成形できるとされている。

非加圧浸透法は、セラミックスの繊維や粒子等の強化材に必要に応じて金属の浸透を促進する浸透増進材を加えて、予備成形体となる多孔質のプリフォームを成形し、このプリフォームをその形状を郭定するための容器や鋳型などに収納し、次いでプリフォームに隣接して基材となる金属を配置した後、全体を炉に入れ、炉内を真空、減圧又は非加圧の窒素などの不活性雰囲気とし、金属の溶融する温度に保持することで、或いは、成形したプリフォームを溶融した金属の溶湯に浸漬することで、基材となる金属をプリフォームに自発的に浸透させて金属−セラミックス複合材を製造する方法である。

しかしながら、非加圧浸透法は、非加圧状態で金属を浸透できるという特長があるものの、加圧浸透法などと比較すると、溶融金属の浸透不良や溶融金属の凝固時の体積の収縮によって、複合材の内部に基材金属の存在しない気孔やボイドが発生するという課題があった。特にプリフォームを溶融金属に浸漬させた後、溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げ、溶融金属を凝固させて金属−セラミックス複合材を製造する方法では、液相状態の金属が固相となる際に、液体収縮と凝固収縮とによって基材の金属の不足が生じ易く、これに起因して気孔やボイドの発生を避けることができなかった。複合材のミクロ組織中に生じた気孔やボイドは、一般の金属の鋳造材に生じた鋳巣と同様に、引張強さ、破壊靭性、耐圧性などの諸特性を劣化させるため、これらの発生を抑制した材料が求められている。

非加圧浸透法の一例として、特許文献１には、多孔質のプリフォームを酸化体とし、酸化体と親金属（基材となる金属）との酸化反応で生成したセラミックマトリックスと親金属とにより、金属−セラミックス複合材を製造する方法が開示されている。特許文献１の方法では、酸化反応に必要な十分な金属を補充、供給するための親金属リザーバ（溜め）手段を設けることで、プリフォームが溶融親金属で満たされ、またセラミックマトリックスが均等に成長することを保証して、強度が高く破断靭性に富む複合材が得られるとしている。例えば、特許文献１の第２１図には、耐熱性容器に入れられた溶融親金属の中に酸化体であるプリフォームを置き、プリフォームを溶融親金属に常に浸された状態に保つために、リザーバから補充用の溶融親金属を供給しつつ、プリフォームと親金属との酸化反応を生成させた後、プロセス完了時に、複合材を溶融親金属浴から取り出して、また過剰な溶融親金属を排出して金属−セラミックス複合材を製造する方法を開示している。

また、非加圧浸透法の別の例として、特許文献２には、溶融金属をプリフォームに接触させ、プリフォームに溶融金属を自発的に浸透させた後、プリフォーム内の溶融金属を方向性凝固させて金属−セラミックス複合材を製造する方法が開示されている。特許文献２の方法によれば、自発浸透機構と方向性凝固との組み合わせにより、ミクロ構造（例えば均一性）が改善され、ミクロ構造中の気孔又はボイドが減少し、引張強さ等の物性が向上した複合材が得られるとしている。より具体的には、特許文献２の実施例１に例示された第２プリフォーム（「プリフォームＮｏ．２」）の製造方法として、第２図に示すように、内側が可撓性黒鉛シートのグラフォイルボックスで、外側がステンレス製ボックスからなる容器内に、プリフォームを配置し、プリフォームの上部に基材となるアルミニウム合金のインゴットを配置し、容器の上部をファイバーフラックスの断熱材の板で覆ってセットアップとし、このセットアップを雰囲気制御炉に配置して炉内を真空排気した後、窒素ガスを供給しつつ、昇温、保持してアルミニウム合金インゴットを融解してプリフォームを自発浸透させたとの記載がある。さらに前記のセットアップを冷却途中で炉から取り出し、第３図に示すように、前記セットアップのステンレス製ボックスを黒鉛板の上部に設置した鋼板の上に載置するとともに、ステンレス製ボックスの周囲に耐火レンガを配置することで、耐火レンガによりセットアップを断熱して合金を溶融状態に維持しつつ、合金の熱をセットアップの底から鋼板を介して吸熱器として作用する黒鉛板へ移動させることで、セットアップを、ベース（底部）から表面の余剰合金の方向に方向性冷却させたとの記載がある。

特開昭６３−７４９５３号公報 特開平２−２３６２４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の複合材の製造方法には、プリフォームと親金属との酸化反応に必要な金属を補充する手段としてのリザーバの開示はあるものの、第２１図に例示されるように、酸化反応の生成後、プロセス完了時に、溶融金属の浸透した複合材を溶融親金属浴から取り出して複合材を得ようとする場合に、その取り出し後、溶融金属の体積収縮にともなう気孔やボイドの発生については考慮されておらず、それらを抑制するための方策についての開示も示唆もない。

また、仮に特許文献１の第２１図に例示の製造方法において、プリフォームを耐熱性容器に入れたまま、溶融金属の体積収縮に対してリザーバから親金属を補充しつつ凝固、冷却すれば、複合材の気孔やボイドを抑制できることは想定できる。しかしながらその場合には、プリフォーム以外の周囲に不要な親金属が残留することとなり、ニアネットシェイプな成形とは言い難く冷却後に不要な金属の部分を除去する処理が必要となるのみならず、耐熱性容器を必要とするので、後述するプリフォームの形状を郭定するための容器が有する問題と同様に、生産性の低下や製造コストの上昇といった問題を抱えることとなる。

また、特許文献２に記載の複合材の製造方法は、自発浸透機構と方向性凝固との組み合わせによりミクロ構造を改善して、気孔やボイドが発生する課題を解決するための方策を提案しているものの、その製造方法は、プリフォームを溶融金属に浸漬して金属を浸透させた後、金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げて溶融金属を凝固させて複合材を得る方法とは全く異なる。即ち特許文献２の製造方法では、プリフォームの表面から外側に溶融金属が移動するのを防止するバリアー（障壁）手段として、言い換えれば、プリフォームの形状を郭定するための手段として、可撓性黒鉛シートのグラフォイルボックスなどの容器を必須の構成として必要としている。

特許文献２の例示に限らず、プリフォームの形状を郭定するための手段としての容器や鋳型を使用することは、それ自体の材料費や準備するための費用増加を招くのみならず、それを準備し又プリフォームを収納するための前処理と、複合材を得た後にそれを除去する後処理とを必要として生産性を低下させる。また、容器や鋳型は、複合材から除去する際に破損するため再利用は困難である。このようにプリフォームを郭定するために容器や鋳型を使用することは、それ自体の費用を要し、また処理工程が増えるなど、生産性の低下や製造コストの上昇を招いていた。

一方で、プリフォームを溶融金属に浸漬して金属を浸透させた後、溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げて溶融金属を凝固させる複合材の製造方法であれば、プリフォームを郭定するための容器や鋳型は必ずしも必要ないものの、一方で当該の製造方法では、金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げた後、溶融金属が凝固する際に、収縮による気孔やボイドが発生しやすいという問題があった。

本発明の目的は、上記のような従来技術に鑑み、セラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を非加圧で浸透させて得られる複合材であって、プリフォームを郭定するための容器や鋳型を使用することなしに、プリフォームを溶融金属に浸漬して金属を浸透させた後、金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げて溶融金属を凝固させて製造される金属−セラミックス複合材において、その製造に用いるプリフォームであって、製造後の複合材に生ずる気孔やボイドを抑制できるプリフォームを提供すること、さらにそれを用いた金属−セラミックス複合材及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的に鑑み、本発明者らは、製造後の複合材に生ずる気孔やボイドを抑制するためには、金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げた後、溶融金属が凝固する際の収縮を補充する必要があることに着目して、プリフォームへの溶融金属の補充手段について鋭意検討した。その結果、プリフォームの形状を工夫して、プリフォームに溶融金属を貯留する湯溜部を形成することで、溶融金属の収縮を補充することができるとの知見を得て本発明に想到した。

即ち本発明のプリフォームは、セラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を浸透させて金属−セラミックス複合材を得るためのプリフォームであって、溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げた際に、溶融金属を貯留する湯溜部を有することを特徴とする。前記プリフォームにおいて、前記湯溜部は少なくとも一つ以上の凹部又は凸部であることが好ましい。

セラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を非加圧で浸透させて得られる複合材であって、プリフォームを郭定するための容器や鋳型を使用することなしに、プリフォームを溶融金属に浸漬して金属を浸透させた後、金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げて溶融金属を凝固させて製造される金属−セラミックス複合材において、その製造に用いるプリフォームに、溶融金属を貯留する湯溜部を形成すれば、溶融金属が凝固する際の液体収縮や凝固収縮を補充することができる。

また、本発明の金属−セラミックス複合材は、前記したプリフォームに金属を浸透させて得られた金属−セラミックス複合材であることを特徴とする。

さらに、本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法は、前記したプリフォームを基材である溶融金属に浸漬し、プリフォームに溶融金属を浸透させた後、プリフォームの湯溜部に溶融金属を貯留しつつ、溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げ、次いで溶融金属を凝固させて、金属とセラミックスとからなる複合材を製造することを特徴とする。

非加圧浸透法によりプリフォームに金属を浸透させる金属−セラミックス複合材の製造方法において、プリフォーム自体を直接、溶融金属に浸漬して金属を浸透させた後、金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げて溶融金属を凝固させる製造方法であれば、プリフォームを郭定するための容器や鋳型は不要である。さらに、溶融金属を貯留する湯溜部を形成したプリフォームを用いて、湯溜部に溶融金属を貯留しつつ、溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げれば、溶融金属が凝固する際の液体収縮や凝固収縮を補充することができる。

上述したように、本発明のプリフォーム、それを用いた金属−セラミックス複合材及びその製造方法によれば、非加圧浸透法であって、プリフォームを郭定するための容器や鋳型を使用することなしにプリフォームに金属を浸透させる金属−セラミックス複合材において、プリフォームに溶融金属を貯留する湯溜部を形成しているので、溶融金属が凝固する際の収縮を補充して複合材に生ずる気孔やボイドを抑制できる。従って、本発明の金属−セラミックス複合材は、ミクロ組織中に生じた気孔やボイドに起因して劣化する引張強さ、破壊靭性、耐圧性などの諸特性が改善する効果が期待できる。また、本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法は、プリフォームを郭定するための容器や鋳型が不要である利点を有効に活用できるので、生産性の向上や製造コストの抑制にも寄与する。

本発明の実施の形態の一例である湯溜部が凹部であるプリフォームを示す概略図である。 本発明の実施の形態の別の一例である湯溜部が凹部であるプリフォームを示す概略図である。 本発明の実施の形態の更に別の一例である湯溜部が凸部であるプリフォームを示す概略図である。

以下、本発明に係るプリフォーム、それを用いた金属−セラミックス複合材及びその製造方法について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明はこの実施の形態により何ら限定されるものではない。

先ずプリフォームの主要な構成物であり、金属−セラミックス複合材となったときの強化材であるセラミックスを用意する。セラミックスは、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、アルミナ、シリカ、炭素、チタン酸カリウムなどからなる粒子状、繊維状、ウィスカー状などのセラミックスを用いることができる。また必要に応じて基材である金属の浸透を促進する浸透増進材として、粉末状や切粉状などにした、マグネシウム及びマグナリウム、マグネシウムシリサイドなどのマグネシウム合金、カルシウム、チタニア、ジルコニアなどを用意してもよい。さらに必要に応じてセラミックスの結合を強固なものとするためのバインダーを用意してもよい。バインダーは、コロイダルシリカ、水ガラス、アルミナゾル、エチルシリケート、リチウムシリケート、リン酸アルミニウムなどの無機バインダーを用いることができる。

次にプリフォームに浸透させる基材となる金属を用意する。金属は、純アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金等を用いることができる。例えば、アルミニウム合金としては、鋳造用のＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金などが使用できる。

用意したセラミックスで、後述する湯溜部を有する多孔質のプリフォームを成形する。プリフォームの成形には、従来知られた慣用の方法である加圧法、押出法、射出法、鋳込み法などの成形方法を採用できる。例えば、セラミックスにバインダーを添加して混合してスラリーとし、このスラリーを金型でプレスにより成形する方法や、スラリーを石膏型、金型、プラスチック型、アクリル型、ゴム型などの型に鋳込んで成形する方法によれば複雑形状の湯溜部を有するプリフォームを成形しやすい。またより複雑形状の湯溜部を有するプリフォームを成形するには、鋳造用鋳型として使用される砂粒子などの骨材にフェノール樹脂などの有機バインダーを被覆したレジンコーテッドサンド（ＲＣＳ）を成形、焼成してなる鋳型、所謂シェル鋳型にスラリーを充填して成形してもよい。型内で成形されたプリフォームは型からの取り出しと前後して、必要に応じて固化、冷凍、乾燥、焼成して多孔質なプリフォームとして完成する。

得られたプリフォームに用意した基材となる金属を非加圧浸透法で浸透させて金属−セラミックス複合材を作製する。その方法は、例えば、プリフォームを電気炉で７００〜９００℃に予熱し、一方で用意したアルミニウム合金を、電気溶解炉により大気雰囲気中で６００〜９００℃に加熱して溶解した後、この溶製したアルミニウム合金の溶湯に、予熱したプリフォームを浸漬することにより、アルミニウム合金の溶湯がプリフォーム内の強化材同士の間にある空孔を埋めて自発的に浸透していくことで強化材のセラミックスと基材の金属とが複合化される。この後、プリフォームの湯溜部に溶融アルミニウム合金を貯留しつつ、溶融アルミニウム合金の浸透したプリフォームを溶湯から引き上げて、次いで溶融アルミニウム合金を凝固、冷却させることにより金属−セラミックス複合材を作製できる。なお、複合材に形成された湯溜部は、必要なら研削加工によって除去することで平滑な表面をもつ複合材が得られる。

溶融アルミニウム合金は、凝固する際に液体収縮や凝固収縮によってその体積が収縮する。プリフォーム内に浸透したアルミニウム合金が収縮によって不足すると、複合材の内部にアルミニウム合金の存在しない気孔やボイドを生ずるが、湯溜部に貯留した溶融アルミニウム合金は、この体積収縮による溶融金属の不足を補充して、複合材に生ずる気孔やボイドを抑制する。なお、溶融アルミニウム合金が浸透したプリフォームを溶湯から引き上げても、溶融アルミニウム合金は表面張力によりプリフォームに付着した状態を維持するので、プリフォームから滲み出したり、滴り落ちることはない。

次に本発明のプリフォームの実施の形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例である湯溜部が凹部であるプリフォームを示す概略図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）での矢視Ｘ−Ｘ断面図である。図１において、プリフォーム１は、略矩形の平板状の本体部２と、本体部２と一体にその片側の板面２ａの外周に板面２ａと直交する向きに突設した断面形状で略矩形の突起部３とからなり、湯溜部１０として機能する１つの凹部４を有する。

図２は、本発明の実施の形態の別の一例である湯溜部が凹部であるプリフォームを示す概略図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）での矢視Ｘ−Ｘ断面図である。図２において、プリフォーム１は、略矩形の平板状の本体部２と、本体部２と一体にその片側の板面２ａと直交する向きに突設した断面形状で略矩形の突起部３とからなり、湯溜部１０として機能する複数の凹部４を有する。

図１及び図２に示したプリフォーム１の湯溜部１０には、溶融金属の浸透したプリフォーム１を溶湯から引き上げた際に、突起部３によって囲繞された凹部４に収容され停留した溶融金属Ａ１と、突起部３の側壁に溶融金属の表面張力によって形成されたメニスカスの溶融金属Ａ２とが貯留する。貯留した溶融金属Ａ１及びＡ２は、プリフォーム１内の溶融金属の凝固による体積収縮の不足を補充する作用を有する。なお、図１（ｂ）及び図２（ｂ）で破線で示す仮想線は貯留した溶融金属Ａ１及びＡ２を説明するために便宜上引いた境界線である。

突起部３の断面形状は、矩形に限定されず、正方形、台形、三角形、半円形などであってもよいし、板面２ａに波形に隆起した起伏であってもよい。また、突起部３によって囲繞された凹部４の平面視での形状は、正方形、矩形、台形、三角形、菱形、六角形などの多角形、円形、楕円形などであってよい。また、突起部３によって囲繞された凹部４の溶融金属を収容する領域の断面形状は、正方形、矩形、台形、三角形、半円形、半楕円形、三日月形などであってよい。また、上述の各種の形状からなる凹部を組み合わせたものであってもよい。要するにプリフォーム１に形成する凹部４は、湯溜部１０として溶融金属を収容できる機能を有すればよく、その形状、数、寸法は適宜設定することができる。

図３は、本発明の実施の形態の更に別の一例である湯溜部が凸部であるプリフォームを示す概略図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）での矢視Ｘ−Ｘ断面図である。図３において、プリフォーム１は、略矩形の平板状の本体部２と、本体部２と一体にその片側の板面２ａと直交する向きに突設した円柱状の突起部３とからなり、湯溜部１０として機能する複数の凸部５を有する。

図３に示したプリフォーム１の湯溜部１０には、溶融金属の浸透したプリフォーム１を溶湯から引き上げた際に、凸部５を構成する突起部３の側壁に溶融金属の表面張力によって形成されたメニスカスの溶融金属Ａ２が貯留する。貯留した溶融金属Ａ２は、プリフォーム１内の溶融金属の凝固による体積収縮の不足を補充する作用を有する。図３（ａ）で一点鎖線及び破線で示す仮想線は、メニスカスにより突起部３の周辺に貯留した溶融金属の範囲を模式的に示した線である。このうち一点鎖線は仮に突起部３が１個の場合に形成されるメニスカスを示し、破線は隣接する突起部３により形成される連結したメニスカスの包絡線を示す。なお、一点鎖線については、図面が見難くなるのを避けるため、矢視Ｘ−Ｘの切断線上の突起部３についてのみ示した。このように、湯溜部１０は、必ずしも図１及び図２に例示したように凹部４で囲繞して溶融金属を収容しなくとも、凸部５を設けてその側壁に溶融金属のメニスカスを形成することで構成してもよい。

突起部３の形状は円柱状に限定されず、三角柱状、正四角柱状、六角形等の多角柱状、多角錐状、円錐状、ドーム状などであってもよい。さらに、突起部３は孤立した柱状、錐状、ドーム状など、所謂ピン状のものに限らず、プリフォーム１の板面２ａの平面視で略長辺方向、略短辺方向又は略対角方向に連続又は不連続に延在する板状（フィン状）の突起であってもよい。また、各種の形状からなるピン状とフィン状の突起を組み合わせたものであってもよい。要するにプリフォーム１に形成する凸部５は、湯溜部１０として溶融金属のメニスカスを貯留できる機能を有すればよく、その形状、数、寸法は適宜設定することができる。

図１〜図３に示したプリフォーム１は、何れも湯溜部１０が凹部４又は凸部５の何れか一方のみを設けたものを例示したが、板面２ａに凹部又は凸部の両方を設けてもよい。凹部４又は凸部５からなる湯溜部１０を有するプリフォーム１は、その形状を反転転写したキャビティを画成した型に、前述のとおりセラミックスなどならなるスラリーを入れて、加圧法、鋳込み法などにより成形する。凹部４又は凸部５が複雑形状の場合には、シェル鋳型にスラリーを充填して成形するのが好ましい。

上記のとおり湯溜部を有するプリフォームは、プリフォーム内の溶融金属が凝固する際に生ずる体積収縮による溶融金属の不足を、何ら特別な補充手段を用いることなく、いわば自己補給によって補充することが可能となる。以上の方法で複合材を作製すれば、非加圧浸透法において、プリフォームを郭定するための容器や鋳型を使用することなしに、しかもプリフォームに金属を浸透させた後に溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げる方法であっても、複合材に生ずる気孔やボイドを抑制した金属−セラミックス複合材を得ることができる。

本発明を以下の実施例１〜３により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。

（実施例１）
プリフォームを成形するために、セラミックスとして平均粒子径１５０μｍの炭化珪素粉末１００部と、無機バインダーとして水ガラス３ｃｃと、を混合し、約２分攪拌して、スラリーを得た。次に実施の形態で図１に示した１つの凹部を有するプリフォームの形状を反転転写したキャビティを画成したアクリル製の成形型（図示せず）に、得られたスラリーを充填した後、炭酸ガスを１５秒間通気してスラリーを固化させた。固化したスラリーを、成形型から取り出した後、焼成炉に入れて、大気雰囲気８００℃で２時間焼成した後、常温まで冷却して所望形状のプリフォームを成形した。本実施例において、プリフォームは、長辺３０ｍｍ×短辺２０ｍｍ×厚さ５ｍｍの平板状の本体部２と、この本体部２と一体に外周に突設した断面形状が幅Ｗ１、Ｗ２：５ｍｍ、高さＨ：３ｍｍの突起部３とからなり、突起部３により囲繞された湯溜部１０として機能する１つの凹部４を形成している。

成形したプリフォームを使用して、基材の金属をアルミニウム合金として、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。プリフォームを８００℃に予熱し、一方で、電気溶解炉でアルミニウム合金（Ａｌ−１２％Ｓｉ−３％Ｍｇ）を溶解し、重量２０ｋｇ、温度８２０℃の溶湯を溶製した。予熱したプリフォームを大気雰囲気、大気圧下で前記アルミニウム合金の溶湯に浸漬し、１．５時間保持した。その後プリフォームを電気溶解炉から取り出し、凝固、冷却させた。このようにしてアルミニウム合金の基材が炭化珪素で強化された、アルミニウム−セラミックス複合材が得られた。なお、プリフォームを電気溶解炉から取り出す際は、プリフォームに設けた湯溜部１０を上方として、湯溜部１０に溶融アルミニウム合金を貯留しつつ、溶湯から引き上げた。

得られたアルミニウム−セラミックス複合材の気孔やボイドの発生状況を調べるため、透過Ｘ線撮影装置を用い、複合材を現像板上に平板状の本体部２が水平となるように置き、上方から管電圧１１０ｋＶ、照射時間１０秒の条件でＸ線を照射して透過Ｘ線写真を撮影した。透過Ｘ線写真による観察の結果、実施例１のアルミニウム−セラミックス複合材には、気孔やボイドは検出されなかった。

（実施例２）
実施の形態で図２に示した複数の凹部を有する所望形状のプリフォームとした以外は、実施例１と同様の方法により、スラリーを準備した後、プリフォームを成形した。本実施例において、プリフォームは、長辺８８ｍｍ×短辺５６ｍｍ×厚さ７ｍｍの平板状の本体部２と、この本体部２と一体に、平面視で外周及び外周の内側に格子状に突設した突起部３と、突起部３により囲繞された湯溜部１０として機能する１５個の凹部４を形成している。凹部４の形状は、外周に設けた突起部３の断面形状を幅Ｗ１、Ｗ２：５ｍｍ、高さＨ：３ｍｍとし、外周より内側に設けた突起部３の断面形状を幅Ｗ３、Ｗ４：２ｍｍ、高さＨ：３ｍｍとし、突起部３により囲繞された平面視で正方形の窪みの１辺の長さＬを１４ｍｍとしている。

成形したプリフォームを使用して、実施例１と同様の方法により、アルミニウム合金の基材が炭化珪素で強化された、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。なお、プリフォームを電気溶解炉から取り出す際は、プリフォームに設けた湯溜部１０を上方として、湯溜部１０に溶融アルミニウム合金を貯留しつつ、溶湯から引き上げた後、溶融アルミニウム合金を凝固、冷却させた。得られた複合材について、実施例１と同様に気孔やボイドの発生状況を透過Ｘ線写真により観察した結果、実施例２のアルミニウム−セラミックス複合材には、気孔やボイドは検出されなかった。

（実施例３）
実施の形態で図３に示した複数の凸部を有する所望形状のプリフォームとした以外は、実施例１と同様の方法により、スラリーを準備した後、プリフォームを成形した。本実施例において、プリフォームは、長辺９０ｍｍ×短辺５０ｍｍ×厚さ７ｍｍの平板状の本体部２と、この本体部２と一体に円柱状に突設した直径Ｄ：５ｍｍ、高さＨ：３ｍｍの突起部３とからなり、湯溜部１０として機能する２３個の凸部５を形成している。凸部５を形成する突起部３の間隔は、Ｐ１、Ｐ３の距離を２０ｍｍ、Ｐ２、Ｐ４の距離を１０ｍｍとしている。

成形したプリフォームを使用して、実施例１と同様の方法により、アルミニウム合金の基材が炭化珪素で強化された、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。なお、プリフォームを電気溶解炉から取り出す際は、プリフォームに設けた湯溜部１０を上方として、湯溜部１０に溶融アルミニウム合金を貯留しつつ、溶湯から引き上げた後、溶融アルミニウム合金を凝固、冷却させた。得られた複合材について、実施例１と同様に気孔やボイドの発生状況を透過Ｘ線写真により観察した結果、実施例３のアルミニウム−セラミックス複合材には、気孔やボイドは検出されなかった。

（比較例１）
比較のため、湯溜部を設けないプリフォームを成形して、これを使用して金属−セラミックス複合材を製造した。プリフォームの形状を、実施の形態で図２に示したプリフォームにおいて、湯溜部１０となる凹部４がなく本体部２のみからなる平板状とした以外は、前記実施例１と同様の方法によりスラリーを準備した後、プリフォームを成形した。本比較例において、プリフォームは実施例２と同一の長辺８８ｍｍ×短辺５６ｍｍ×厚さ７ｍｍの平板状とした。

成形したプリフォームを使用して、実施例１と同様の方法により、アルミニウム合金の基材が炭化珪素で強化された、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。なお、プリフォームを電気溶解炉から取り出す際は、プリフォームの板面２ａを上向きにして、略鉛直方向に溶湯から引き上げた後、溶融アルミニウム合金を凝固、冷却させた。得られた複合材について、実施例１と同様に気孔やボイドの発生状況を透過Ｘ線写真により観察した。その結果、比較例１のアルミニウム−セラミックス複合材には、気孔やボイドが検出された。撮像した透過Ｘ線写真から目視により気孔やボイドの存在する領域をトレースした後、画像解析装置を用いて画像処理し、気孔やボイドの存在する領域の投影面積を測定し、その面積を平板状の複合材の水平方向の全投影面積で割り、空隙面積率（％）として求めた。空隙面積率が小さいほど複合材として優れているのは言うまでもない。比較例１の空隙面積率は１５％であった。

１：プリフォーム
２：本体部
２ａ：板面
３：突起部
４：凹部
５：凸部
１０：湯溜部

Claims (4)

1. セラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を浸透させて金属−セラミックス複合材を得るためのプリフォームであって、溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げた際に、溶融金属を貯留する湯溜部を有することを特徴とするプリフォーム。
2. 請求項１に記載のプリフォームにおいて、前記湯溜部は少なくとも一つ以上の凹部又は凸部であることを特徴とするプリフォーム。
3. 請求項１又は請求項２に記載のプリフォームに金属を浸透させて得られた金属−セラミックス複合材。
4. 請求項１又は請求項２に記載のプリフォームを基材である溶融金属に浸漬し、プリフォームに溶融金属を浸透させた後、プリフォームの湯溜部に溶融金属を貯留しつつ、溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げ、次いで溶融金属を凝固させて、金属とセラミックスとからなる複合材を製造することを特徴とする金属−セラミックス複合材の製造方法。

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