JP2016199459A - 金属−セラミックス複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的厚肉の製品形状であっても、凝固収縮に起因する製品内部のボイドの形成を抑制することができる金属−セラミックス複合材の製造方法を提供する。【解決手段】 セラミックス粒子からなるプリフォームに金属の溶湯を浸透させて金属−セラミックス複合材を得る金属−セラミックス複合材の製造方法であって、プリフォームはセラミックス粒子からなる製品部を構成する製品部プリフォームと、セラミックスからなる多孔質体で構成された溶湯補給部とからなり、前記溶湯補給部の平均細孔径は前記製品部プリフォームの平均細孔径以上であるプリフォームに金属の溶湯を浸透させて溶浸体を作製する工程と、前記溶浸体において、前記製品部プリフォームからなる製品部溶浸体と前記溶湯補給部からなる溶湯補給部溶浸体とを一体として保持しつつ前記製品部溶浸体に浸透した前記溶湯を凝固させる工程と、を含む金属−セラミックス複合材の製造方法。【選択図】 図１

Description

本発明は、金属-セラミックス複合材の製造方法に関する。

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、成形性および熱伝導性等と、強化材である炭化ケイ素、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。

しかし、非加圧浸透法は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収縮によって、複合材の内部に基材となる金属の存在しないボイドが発生しやすい課題がある。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となる金属の不足が生じやすく、これに起因して気孔やボイドが形成されやすい。複合材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、曲げ強さ、破壊靭性、熱伝導性などの諸特性を劣化させるため、ボイドの形成を抑制することが必要である。

このようなボイドの形成を抑制する従来技術として、例えば特許文献１に、プリフォームを基材である溶融金属に浸漬して、溶融金属を浸透させたプリフォームの上に溶融金属保持部材を載置し、その状態でプリフォームを溶融金属から引き上げて、浸透した溶融金属を凝固させる金属−セラミックス複合材の製造方法の開示がある。

また、特許文献２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た際に、溶融金属が上部に貯留される湯溜部を有するプリフォームの開示がある。

また、非加圧浸透法の他の一例として、特許文献３に、薄板形状のプリフォームに金属を浸透させるにあたり、セラミックス粉末を充填したダミーの多孔質材料の上にプリフォームを接触させて載置し、このダミーの多孔質材料を通して溶融した金属をプリフォームに浸透させる製造方法の開示がある。

特開２０１４−０７７１５４号公報 特開２０１３−２３７５９７号公報 特開２００１−１２３２３６号公報

本発明者らは、比較的厚肉の金属−セラミックス複合材を製造する場合に上記従来技術を適用したところ、下記のような課題があることがわかった。

特許文献１に開示の方法を厚肉のプリフォームに適用すると、当該プリフォームに浸透する溶湯は多量であり、その温度低下が遅くなる。浸透した溶融溶湯は、液体状態を長く保つので、溶融金属浴から引き上げ後、凝固が進行する前にプリフォームの外部に浸み出しやすい。このため、溶融金属保持部材を中空状として比較的多量の溶湯を貯留できるようにしても、溶湯からの引き上げ直後から、貯留した溶湯のほぼ全量がプリフォーム内へ速やかに浸透し、プリフォームの下部から溶湯が多量に浸み出てしまう。また、開口部を有する板状、網状の部材からなる表面張力または濡れ性により溶湯を保持するタイプの溶融金属保持部材を用いても、保持できる溶湯量が足りず、製品部から浸みだす溶湯量とプリフォーム内で凝固、収縮する体積分の溶湯を補うことができない可能性が高い。このように、特許文献１に開示の溶融金属保持部材を製品プリフォームの上方に載置して引き上げる方法では、いわゆる押湯効果を得ることができず、金属−セラミックス複合材のボイドの形成を抑制することは困難である。

特許文献２に開示の方法でも、特許文献１における筒状または中空状とした溶湯を貯留するタイプの溶融金属保持部材を用いた場合と同様の現象が起こる可能性が高く、ボイドの形成を抑制することは困難である。

そして、特許文献３に開示の方法では、厚肉製品においては製品部のプリフォームに万遍なく金属溶湯を浸透させることができず、製品内部にボイドが形成されてしまう可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、比較的厚肉の製品形状であっても、製品内部のボイドの形成を抑制できる金属−セラミックス複合材の製造方法を提供することである。

本発明者らは、金属溶湯が溶浸した２つのプリフォームを互いに接触させつつ静置して得られた金属−セラミックス複合材の内部を観察したところ、一方のプリフォームの複合材のみにボイドが生じ、他方のプリフォームの複合材にはボイドがほとんど観察されない現象を見出し、鋭意研究した結果、本発明に想到した。

すなわち本発明は、セラミックス粒子からなるプリフォームに金属の溶湯を浸透させて金属−セラミックス複合材を得る金属−セラミックス複合材の製造方法であって、
プリフォームはセラミックス粒子からなる製品部を構成する製品部プリフォームと、セラミックスからなる多孔質体で構成された溶湯補給部とからなり、前記溶湯補給部の平均細孔径は前記製品部プリフォームの平均細孔径以上であるプリフォームに金属の溶湯を浸透させて溶浸体を作製する工程と、
前記溶浸体において、前記製品部プリフォームからなる製品部溶浸体と前記溶湯補給部からなる溶湯補給部溶浸体とを一体として保持しつつ前記製品部溶浸体に浸透した前記溶湯を凝固させる工程と、
を含む金属−セラミックス複合材の製造方法である。

本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法において、前記プリフォームは、前記溶湯補給部の気孔率が前記製品部プリフォームの気孔率以上に構成されていることが好ましい。

本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法において、前記溶湯補給部溶浸体を前記製品部溶浸体の上方に配置して一体として保持しつつ前記製品部溶浸体に浸透した前記溶湯を凝固させることが好ましい。

本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法において、前記溶湯補給部を構成する前記多孔質体はセラミックス粒子からなることが好ましい。

本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法において、前記製品部プリフォームを構成するセラミックス粒子は炭化ケイ素からなることが好ましい。

本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法において、前記溶湯補給部を構成するセラミックスは炭化ケイ素からなることが好ましい。

本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法において、前記金属はアルミニウム合金であるのが好ましい。

本発明により、比較的厚肉の製品形状であっても、凝固収縮に起因するボイドの形成が抑制された金属−セラミックス複合材を得ることができる。

実施例１に係る溶湯補給部を分離する前の状態のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の長手方向の切断面を示す写真である。 実施例２に係る溶湯補給部および製品部のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の長手方向の切断面を示す写真である。 実施例３に係る溶湯補給部および製品部のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の透過Ｘ線写真である。 実施例４に係る溶湯補給部および製品部のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の長手方向の切断面を示す写真とその一部を拡大した写真である。 実施例５に係る溶湯補給部および製品部のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の透過Ｘ線写真である。 実施例６に係る溶湯補給部および製品部のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の透過Ｘ線写真である。 実施例７に係る溶湯補給部および製品部のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の透過Ｘ線写真である。 比較例１に係るアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の長手方向の切断面を示す写真である。 比較例２に係るアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の長手方向の切断面を示す写真である。

以下に、本発明を実施するための形態を、常圧の大気中における非加圧浸透法に適用する場合で説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（１）金属溶湯
本発明に適用する金属の溶湯（以下、溶湯ともいう。）には、金属−セラミックス複合材（以下、複合材ともいう。）として適用される製品の要求仕様に応じて、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金などの公知の金属材料を用いることができる。好ましくは、他の金属材料よりも比較的溶湯温度が低く、比重が小さくて取扱いも容易なアルミニウム合金、特に、本発明を非加圧浸透法に適用する場合には、非加圧浸透法に適するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を適用することがより好ましい。

（２）製品部プリフォーム
製品をなす複合材を構成するプリフォーム（以下、製品部プリフォームともいう。）に使用するセラミックス粒子の構成材料は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ジルコニア、ジルコン、シリカ、ムライト、コーディエライト、フェライト、ステアタイトなどのファインセラミックスの１種類、または２種類以上の混合物が適用できる。また、これらのセラミックス粒子の形状は真球状、涙滴状、回転楕円状、フレーク状、繊維状、不定形状などの任意の形状うちの１種類、または２種類以上とする。

特に、上記のセラミックス粒子の構成材料として炭化ケイ素（以下、ＳｉＣともいう。）を用いた複合材は、熱膨張率と熱伝導特性のバランスに優れること、また軽量かつ高い強度と剛性を兼備する特長をもつため、近年パワー半導体向けの放熱基板や軽量構造部材としての需要が高まっている。しかし、これらの複合材の優れた特性はその内部にボイドが存在することによって大きく損なわれるため、本発明の製造方法を適用することが好ましい。

製品部プリフォームの製造方法には公知の方法を用いることができる。例えば、セラミックス粒子にバインダを加え混合してスラリーとし、プレス成形や成形型に充填して所定の形状に成形し、抜型した後、焼成することによって製品部プリフォームを得る。

（３）溶湯補給部
溶湯補給部はセラミックスからなる多孔質体で構成される。この多孔質体は、例えば市販されている鋳造用セラミックスフィルタのように、緻密に焼成されたセラミックスからなるバルク体に多数の孔を設けて通気性をもたせたものであってもよいし、製品部プリフォームと同様の製法で製造された、粒子状のセラミックスからなるものであってもよい。溶湯補給部を構成するセラミックス材料は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ジルコニア、ジルコン、シリカ、ムライト、コーディエライト、フェライト、ステアタイトなどのファインセラミックスの１種類、または２種類以上の混合物が適用でき、溶湯補給部をセラミックス粒子で構成する場合、セラミックス粒子の形状は真球状、涙滴状、回転楕円状、フレーク状、繊維状、不定形状などの任意の形状うちの１種類、または２種類以上とする。もちろん、溶湯補給部を構成するセラミックスは、製品部プリフォームを構成するセラミックスと同じ種類であってもよいし、同様の粒子形状であってもよい。粒子状のセラミックスで溶湯補給部を構成する場合は、製品部プリフォームの仕様に応じた外形形状とすることや、後述の平均細孔径や気孔率の調整も比較的容易であるので好ましい。

（４）プリフォーム
本発明におけるプリフォームは、上記に説明した製品部プリフォームと溶湯補給部とからなる。なお、説明を簡単にするために、本発明の実施形態としてのプリフォームを、製品部プリフォームと溶湯補給部が夫々１つで構成された形態で示すが、プリフォームは製品部プリフォームと溶湯補給部が夫々２以上で構成されていてもよい。

製品部プリフォームと溶湯補給部とは夫々別体として分離した状態のプリフォームとしてもよいし、一体に構成された状態のプリフォームとしてもよい。製品部プリフォームと溶湯補給部とが一体に構成された状態とする方法としては２つの形態がある。その１つは両者を一体に成形する形態である。例えば、同一の型に製品部プリフォームの部分だけセラミックスを充填後、残った溶湯補給部の部分にセラミックスを充填してから抜型して一体に成形する方法や、予め別途準備した溶湯補給部を、これよりも大きなキャビティをもつ成形型に装入し、残りのキャビティ部分にセラミックス粒子を充填し抜型して一体に成形する方法などがある。このように両者が予め一体に成形された形態は、凝固工程に至るまで分離せずに一体として保持されやすいので、取扱いが簡便という利点がある。もう１つの形態は、両者を夫々別体で準備し、次いで治具等で一体として固定して保持する形態である。この形態は、例えば、両者を一体にした場合にアンダーカット部分等が生じて、一体としては抜型しにくい複雑な形状の製品部プリフォームおよび／または溶湯補給部に適している。ただし、いずれのプリフォームの形態もこれらの利点の有無によって限定されるものではなく、適宜選択してよい。

（５）平均細孔径、および気孔率
溶湯補給部の平均細孔径は製品部プリフォームの平均細孔径以上とする。このことにより、溶湯補給部溶浸体と製品部溶浸体とを一体として保持しつつ製品部溶浸体中の溶湯を凝固させる工程（以下、凝固工程ともいう。）において、製品部溶浸体中の溶湯が収縮して凝固するに伴い、溶湯補給部溶浸体中の溶湯が製品部溶浸体に向かって移動しやすくなる。その理由は、平均細孔径が小さい方が、平均細孔径が大きい方よりも多孔質体外形の体積（見かけ体積）当たりの溶湯との濡れ面積、すなわち比表面積が大きく、見かけ体積当たりの内部の表面張力が相対的に大きいので、平均細孔径が大きい方よりも溶湯を保持する力が優越するためである。溶湯補給部の平均細孔径は製品部プリフォームの平均細孔径の１．５倍以上であることが好ましい。

さらに、溶湯補給部の気孔率が製品プリフォームの気孔率以上に構成されていることが好ましい。このことによって、凝固工程において、溶湯補給部溶浸体中の溶湯が製品部溶浸体に向かってさらに移動しやすくなる。その理由は、気孔率が大きい方が、気孔率が小さい方よりも多孔質体の表面積当たりの浸透した溶湯の体積が大きく、表面張力による保持に与らない、流動しやすい溶湯の割合が相対的に多くなるからである。溶湯補給部の気孔率は製品部プリフォームの気孔率の１．１倍以上であることが好ましい。

なお、溶湯補給部と製品部プリフォーム夫々の平均細孔径、または平均細孔径と気孔率が同等の場合であっても、溶湯補給部溶浸体から製品部プリフォームへの溶湯の移動が生じうるが、これを確実にするために、さらに、溶湯補給部の嵩体積を製品部プリフォームの嵩体積よりも小さくすることが好ましい。これにより、製品部溶浸体の内部全体の表面張力が溶湯補給部溶浸体の内部全体の表面張力よりも大きくなるため、平均細孔径が同等であっても、溶湯補給部溶浸体から製品部溶浸体への溶湯の流動が促進される。このように溶湯補給部の見かけ体積を製品部プリフォームの見かけ体積よりも小さくすることは、もちろん溶湯補給部の平均細孔径が製品部プリフォームの平均細孔径よりも大きい場合においても好ましい。

製品部プリフォームの平均細孔径と気孔率は、適用するセラミックス粒子の形状と大きさ、配合比、およびバインダの量、成形型への充填圧力や充填方法などによって任意に変えることができるので、これら製造条件を適当に選ぶことによって所望の平均細孔径と気孔率の製品部プリフォーム得ることができる。溶湯補給部についても、これを製品部プリフォームと同様に作製する場合は同様であり、市販のセラミックフィルターを用いる場合は所望の仕様の物品を準備する、または所望の平均細孔径や気孔率となるように、さらに適宜加工するなどすればよい。

平均細孔径と気孔率は、水銀圧入法やガス吸着法などの公知の方法によって測定することができる。ただし、製造工程内で迅速に測定することは難しいため、工業的に生産する場合には、得ようとする複合材の仕様に適合するような製品部プリフォーム、および溶湯補給部の製造条件と、それにより得られる平均細孔径や気孔率との関係を予め実験的に求めておき、所望の平均細孔径や気孔率となるように製造条件を決定することが好ましい。

なお、プリフォームを構成する製品部プリフォームおよび溶湯補給部は、後述する凝固工程において互いに一体として保持することから、夫々の外形の形状は両者の接触部が互いに倣うように構成されていることが好ましい。なお、この接触部において互いを構成するセラミックス同士が当接する割合は一体として保持するのに十分であればよく、部分的に当接していない領域があってもよい。つまり、製品部プリフォームと溶湯補給部とを一体として保持できる限りにおいて互いに離間する部分があってもよい。このような離間する部分を設けた場合は、凝固工程の後の、製品部と溶湯補給部とを砥石等で切断、分離する工程において、切断部位に存在する硬質のセラミックスが少ないため、離間する部分を設けない場合に比べて容易に切断、分離できるので好ましい。

（６）溶浸体を作製する工程
プリフォームに金属の溶湯を浸透させて溶浸体を作製する方法として、加圧浸透法、非加圧浸透法のいずれも適用可能である。例えば、非加圧浸透法を適用する場合は、金属材料を溶融させて保持してなる溶湯浴にプリフォーム、すなわち製品部プリフォームおよび溶湯保持部を浸漬して溶湯を浸透させる。製品部プリフォームを浸漬する溶湯浴と、溶湯補給部を浸漬する溶湯浴は夫々別に準備して浸漬してもよいし、もちろん同じ溶湯浴に両者を浸漬してもよい。

（７）凝固工程
次いで、製品部溶浸体と溶湯補給部溶浸体とを一体として保持しつつ製品部溶浸体に浸透した溶湯を凝固させる。製品部溶浸体と溶湯補給部溶浸体とを一体として保持する形態は、下記の形態に大別される。ただし、これに限定されるものではない。

（ａ）製品部溶浸体と溶湯補給部溶浸体とを溶湯浴中で一体に保持し、一体として保持しつつ溶湯浴から取り出す形態。
（ｂ）製品部溶浸体と溶湯補給部溶浸体とを互いに離間させた状態で溶湯浴から取り出し、次いで一体に当接させて保持する形態。
（ｂ）の形態を採用する場合は、溶湯浴から取り出してから一体として当接させるまでの時間をできるだけ短くすることが好ましい。

つづいて溶湯浴から取り出した溶浸体を冷却して、製品となる製品部溶浸体を凝固させる。冷却する方法は、製品形状や大きさ等によって適当に選択してよい。例えば、溶湯浴から取り出した溶浸体は定盤上で静置して放冷してもよいし、冷却時間を早める必要があれば水冷銅板等を溶浸体に接触させつつ冷却してもよい。また、これとは反対に、冷却時間を遅くする必要があれば、製品部溶浸体および／または溶湯補給部溶浸体の任意の部分に断熱材を接触させて保温してもよいし、加熱保持した雰囲気炉内で徐冷してもよい。また、静置する姿勢は、溶湯補給部溶浸体から製品部溶浸体に溶湯が十分に補給される限り適宜選択してよいが、製品部溶浸体の上方に溶湯補給部溶浸体を配して一体に保持すると、重力の作用によって、溶湯補給部溶浸体中の溶湯が製品部溶浸体に向かう方向に移動しやすいので好ましい。また、必ずしも静置して凝固させる必要はなく、遠心力を利用して溶湯補給部溶浸体の溶湯を製品部溶浸体への移動を促進させるなどの方法を併用してもよい。なお、凝固が完了した製品部溶浸体を以下、製品ともいう。

（８）溶湯補給部溶浸体を分離する工程
製品部溶浸体と一体として保持しつつ凝固させた溶湯補給部溶浸体を分離し除去して、金属−セラミックス複合材からなる製品を得る。分離する方法は、砥石で切断する、ハンマー等で打撃して分離するなど、適宜公知の方法を用いることができる。

次に、本発明を具体的に実施した例を、以下に図面と表を参照しつつ示す。ただし本発明はこれらに限定されるものではない。表１に、以下に述べる実施例と比較例の製造条件を示す。

（実施例１）
実施例１は、製品部プリフォームと溶湯補給部とを予め一体に成形したプリフォームを用いた例である。

製品部プリフォームのセラミックス粒子は、ＪＩＳ Ｒ ６００１に規定の粒度指数Ｆ１５０および＃１０００であるＳｉＣを、それぞれ質量比３：１で混合したものを使用した。バインダはケイ酸ソーダ（富士化学製、２号）と水とを体積比で１：２に希釈した水溶液とし、この水溶液を、ＳｉＣ１００ｇあたり、４．５ｍｌの割合で添加し、３分間撹拌し混合して製品部プリフォーム作製用の混合体を得た。

一方、溶湯補給部を構成するセラミックスはセラミックス粒子とし、ＪＩＳ Ｒ ６００１に規定の粒度指数Ｆ６０および＃１０００であるＳｉＣを、それぞれ質量比５：１で混合したものを使用した以外は製品部プリフォームと同じ方法で溶湯補給部作製用の混合体を得た。

次いでキャビティ形状が縦５０ｍｍ、横１２５ｍｍ、深さ５０ｍｍであるＭＣナイロン製の成形型の一端に、縦５０ｍｍ、横２５ｍｍ、深さ５０ｍｍの溶湯補給部と同じ外形寸法のＭＣナイロン製のダミーブロック（以下、ダミーともいう。）を装入してから、残りのキャビティ部分に製品部プリフォーム作製用の混合体を充填して成形し、炭酸ガスを通気させて製品部プリフォーム用の混合体を硬化させた。次に、上記ダミーを取り除いて、これにより生じたキャビティ部分に溶湯補給部作製用の混合体を充填して、再び炭酸ガスを通気させて溶湯補給部作製用の混合体を硬化させた後、成形型から抜型し、製品部プリフォームと溶湯補給部とが一体となった成形体を得た。次いで、この成形体を加熱炉に装入して８００℃で２時間保持して焼成を行い、製品部プリフォームと溶湯補給部とが一体をなすプリフォームを得た。以後、後述する凝固工程が完了するまで、このプリフォームは製品部プリフォームと溶湯補給部とが一体として保持された状態であった。

一方、この実施例１と同様の方法で作製したプリフォームから採取した試料を水銀圧入法で測定したところ、製品部プリフォームの平均細孔径は２０μｍ、気孔率は４０％であり、溶湯補給部の平均細孔径は３５μｍ、気孔率は４５％であった。測定には、水銀ポロシメータ（島津製作所製、オートポア９５００）を用いた。他の実施例および比較例においても同様の方法で測定した。

金属材料にはアルミニウム合金を用いた。質量比でＡｌ−９％Ｓｉ−１．５％Ｍｇの成分組成とし、黒鉛るつぼからなる保持炉を使用してアルミニウム合金の溶湯を作製し、８５０℃に保持した溶湯浴を準備した。

そしてプリフォームを浸漬治具に装填した状態で、前記溶湯浴に３０分間浸漬してアルミニウム合金の溶湯を浸透させて溶浸体を得た。

次いで溶浸体を浸漬治具に装填した状態で溶湯浴から引き上げ、浸漬治具から取り外し、厚さ５０ｍｍの鋼板上に、長手方向が鉛直方向になるようにかつ溶湯補給部溶浸体１が製品部溶浸体２の上方に位置するように溶浸体を置いて、製品部溶浸体２に浸透した溶湯を冷却し凝固させた。

そして、凝固した溶浸体から溶湯補給部溶浸体１を砥石で切断、分離して除去し、アルミニウム合金−炭化ケイ素複合材からなる製品２を得た。図１はこの実施例１の製造方法で製造した、溶湯補給部溶浸体１を除去する前の状態のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の長手方向の切断面を示す写真である。なお、図１は溶湯補給部溶浸体１が製品２の上方に位置する向きで示し、凝固工程における互いの位置関係も示したものである（これらの位置関係は、他の実施例および比較例における図２〜図９においても同様である。）。実施例１では、溶湯補給部溶浸体１の内部には黒色を呈するボイド３が多量に観察されたが、製品２の内部にはボイドはほとんど観察されず、ボイドの形成が抑制された金属−セラミックス複合材からなる製品２を製造することができた。

（実施例２）
実施例２は、製品部プリフォームと溶湯補給部とを夫々独立に作製し、溶湯に浸漬する直前に一体として保持したプリフォームを用いた例である。

製品部プリフォーム作製用の混合体と溶湯補給部作製用の混合体はいずれも実施例１と同様の方法で作製した。また、製品部プリフォーム作製用の成形型にはＭＣナイロン製でキャビティ形状が縦５０ｍｍ、横１００ｍｍ、深さ５０ｍｍのものを、溶湯補給部作製用の成形型にはＭＣナイロン製でキャビティ形状が縦５０ｍｍ、横２５ｍｍ、深さ５０ｍｍのものを用いた。それぞれを別々に成形し、炭酸ガスで硬化させた後に抜型し、実施例１と同様の方法で焼成して、製品部プリフォームおよび溶湯補給部を得た。この実施例２と同様の方法で作製した製品部プリフォームの平均細孔径は２０μｍ、気孔率は４０％であり、溶湯補給部の平均細孔径は３５μｍ、気孔率は４５％であった。

次いで製品部プリフォームの５０ｍｍ×５０ｍｍの平面と、溶湯補給部の５０ｍｍ×５０ｍｍの平面とを互いに当接させ、鋼製の浸漬治具に一体に保持した状態で装填し、実施例１と同様の方法で準備したアルミニウム合金の溶湯浴に３０分間浸漬して溶浸体を得た。

次いで、浸漬治具に装填したまま製品部プリフォームと溶湯補給部とを一体として保持しつつ溶浸体を溶湯浴から引き上げて、一体に保持したまま浸漬治具から取り外し、厚さ５０ｍｍの鋼板上に、長手方向が鉛直方向になるようにかつ溶湯補給部溶浸体２１が製品部溶浸体２の上方に位置するように溶浸体を置いて、製品部溶浸体２に浸透した溶湯を冷却し凝固させた。

そして、溶湯補給部溶浸体２１にハンマーで衝撃を与えることにより、凝固した溶浸体から分離して除去し、アルミニウム合金−炭化ケイ素複合材からなる製品２を得た。図２はこの実施例２の製造方法で製造した、溶湯補給部および製品部のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の長手方向の切断面を示す写真である。実施例２でも、溶湯補給部溶浸体２１の内部には黒色を呈するボイド３が観察されたが、製品２の内部にはボイド３はほとんど観察されず、ボイドの形成が抑制された金属−セラミックス複合材からなる製品２を製造することができた。

（実施例３）
実施例３は、製品部プリフォームと溶湯補給部の平均細孔径および気孔率を互いに同じ値にした例である。

実施例３の混合体は実施例１の製品部プリフォームと同様の方法で作製し、キャビティ形状が縦５０ｍｍ、横１２５ｍｍ、深さ５０ｍｍであるＭＣナイロン製の成形型に充填後、炭酸ガスで硬化させた後に抜型して成形体を得た。次に、この成形体を長手方向（横：１２５ｍｍの方向）において端部から２５ｍｍの位置で２つに分離することにより、５０ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍの製品部プリフォームと、５０ｍｍ×２５ｍｍ×５０ｍｍの溶湯補給部を得た。そして再び５０ｍｍ×５０ｍｍの平面同士を当接させて固定し、実施例１と同様の方法で焼成して、製品部プリフォームと溶湯補給部とが一体をなすプリフォームを得た。以後、凝固工程が完了するまで、このプリフォームは製品部プリフォームと溶湯補給部とが一体として保持された状態であった。また、この実施例３と同様の方法で作製した製品部プリフォームの平均細孔径は２０μｍ、気孔率は４０％であり、溶湯補給部の平均細孔径も２０μｍ、気孔率は４０％であった。

次いで、このプリフォームに実施例１と同様の方法で溶湯を浸透させて溶浸体を得た後、浸漬治具から取り外し、厚さ５０ｍｍの鋼板上に、長手方向が鉛直方向となるようにかつ溶湯補給部溶浸体１が製品部溶浸体２の上方に位置するように置いて、製品部溶浸体２に浸透した溶湯を冷却し凝固させた。

そして、凝固した溶浸体から溶湯補給部溶浸体１を分離して除去し、アルミニウム合金−炭化ケイ素複合材からなる製品２を得た。図３はこの実施例３の製造方法で製造した、溶湯補給部溶浸体１を分離する前の状態のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の透過Ｘ線写真である。実施例３は、透過Ｘ線写真で溶湯補給部溶浸体１にはボイド３の存在によってＸ線を多く透過したことを示す暗部領域が多く、不図示の切断面においても、ボイド３が多量に観察された。一方、製品２は、Ｘ線透過写真では溶湯補給部溶浸体１よりも明度が大きいことから透過Ｘ線量が少ないことがわかり、不図示の切断面においても製品２にはボイドがほとんど観察されなかった。このように、ボイドの生成が抑制された金属−セラミックス複合材からなる製品２を製造することができた。

（実施例４）
実施例４は、溶湯補給部を製品部プリフォームの上方と下方との両方に配置した例である。ダミーの外形寸法と数以外は、実施例１と同様の方法で作製した。すなわち、製品部プリフォームは、縦５０ｍｍ、横１５ｍｍ、深さ５０ｍｍ、および縦５０ｍｍ、横１０ｍｍ、深さ５０ｍｍである溶湯補給部と同じ外形寸法のＭＣナイロン製の２つのダミーを、キャビティ形状が縦５０ｍｍ、横１４０ｍｍ、深さ５０ｍｍであるＭＣナイロン製の成形型の両端にそれぞれ装入してから成形したものであり、溶湯補給部はこれら２つのダミーを取り除いた残りのキャビティ部分に成形して一体としたものである。この成形体を実施例１と同様の方法で焼成し、製品部プリフォームと２つの溶湯補給部とが一体をなすプリフォームを得た。以後、凝固工程が完了するまで、このプリフォームは製品部プリフォームと２つの溶湯補給部とが一体として保持された状態であった。また、この実施例４と同様の方法で作製した製品部プリフォームの平均細孔径は２０μｍ、気孔率は４０％であり、２か所の溶湯補給部はいずれも平均細孔径が３５μｍ、気孔率は４５％であった。

次いで、このプリフォームに実施例１と同様の方法で溶湯を浸透させて溶浸体を得た後、浸漬治具から取り外し、厚さ５０ｍｍの鋼板上に、長手方向が鉛直方向になるように、かつ厚さ１５ｍｍの溶湯補給部溶浸体４１ｔは製品部溶浸体２の上方に、厚さ１０ｍｍの溶湯補給部溶浸体４１ｂは製品部溶浸体２の下方に位置するように置いて、製品部溶浸体２に浸透した溶湯を冷却し凝固させた。

そして、凝固した溶浸体から溶湯補給部溶浸体４１ｔ、４１ｂを分離して除去し、アルミニウム合金−炭化ケイ素複合材からなる製品４２を得た。図４はこの実施例４の製造方法で製造した、溶湯補給部溶浸体４１ｔ、４１ｂを除去する前の状態のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の長手方向の切断面を示す写真である。図４（ａ）は溶浸されたプリフォーム全体の断面の外観であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部分を拡大した写真である。製品２の上方に配した１５ｍｍ厚の溶湯補給部溶浸体４１ｔにはボイド３ｔが、下方に配した１０ｍｍ厚の溶湯補給部溶浸体４１ｂにはボイド３ｂが多数観察されたが、製品４２の上方、すなわち溶湯補給部溶浸体４１ｔの近傍、および製品部溶浸体２の下方、すなわち溶湯補給部溶浸体４１ｂの近傍のいずれにもボイドはほとんど観察されなかった。このように、ボイドの生成が抑制された金属−セラミックス複合材からなる製品２を製造することができた。

なお、溶湯補給部溶浸体４１ｂにボイド３ｂが多数観察され、製品部溶浸体４２側にはボイドが観察されなかった理由は、溶湯の一部が溶湯補給部溶浸体４１ｂから製品部溶浸体２側に、すなわち重力の向きと反対の向きに移動したことによるものと思われる。このように、製品部溶浸体４２の下方にも溶湯補給部溶浸体４１ｂを配した状態で凝固させることにより、製品４２の下方においてもボイドの生成をさらに抑制可能である。

（実施例５）
実施例５は実施例１と同様の製造方法で作製したものであるが、実施例１よりも厚さを小さくし、製品部プリフォームの外形寸法を縦４５ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２０ｍｍとした例である。

実施例５は、成形型のキャビティとダミーの寸法以外は実施例１と同様の製造方法で複合材を作製したものである。すなわち、製品部プリフォームは、縦４５ｍｍ、横１５ｍｍ、深さ２０ｍｍの溶湯補給部と同じ外形寸法のＭＣナイロン製のダミーを、キャビティ形状が縦４５ｍｍ、横６５ｍｍ、深さ２０ｍｍであるＭＣナイロン製の成形型の一端に装入してから成形したものであり、溶湯補給部は、このダミーを取り除いた残りのキャビティ部分に成形して一体としたものである。この成形体を実施例１と同様の方法で焼成して得られたプリフォームは、凝固工程が完了するまで、製品部プリフォームと溶湯補給部とが一体として保持された状態であった。また、この実施例５と同様の方法で作製した製品部プリフォームの平均細孔径は２０μｍ、気孔率は４０％であり、溶湯補給部の平均細孔径は３５μｍ、気孔率は４５％であった。

図５はこの実施例５の製造方法で製造した、溶湯補給部溶浸体５１を除去する前の状態のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の透過Ｘ線写真である。実施例５では、Ｘ線透過写真において溶湯補給部溶浸体５１はボイド３の存在によりＸ線を多く透過したことを示す暗部領域が多く、不図示の切断面においても、ボイド３が多量に観察された。一方、製品部溶浸体５２の内部にはボイドはほとんど観察されず、ボイドの形成が抑制された金属−セラミックス複合材からなる製品５２を製造することができた。

（実施例６）
実施例６は、成形型のキャビティとダミーの寸法以外は実施例１と同様の製造方法で複合材を作製したものであって、製品部プリフォームの外形寸法を実施例５よりも長尺の縦２５ｍｍ×横８０ｍｍ×厚さ２０ｍｍとした例である。すなわち、製品部プリフォームは、縦２５ｍｍ、横２０ｍｍ、深さ２０ｍｍの溶湯補給部と同じ外形寸法のＭＣナイロン製のダミーを、キャビティ形状が縦２５ｍｍ、横１００ｍｍ、深さ２０ｍｍであるＭＣナイロン製の成形型の一端に装入してから成形したものであり、溶湯補給部は、このダミーを取り除いた残りのキャビティ部分に成形して一体としたものである。この成形体を実施例１と同様の方法で焼成して得られたプリフォームは、凝固工程が完了するまで、製品部プリフォームと２つの溶湯補給部とが一体として保持された状態であった。また、この実施例６と同様の方法で作製した製品部プリフォームの平均細孔径は２０μｍ、気孔率は４０％であり、溶湯補給部の平均細孔径は３５μｍ、気孔率は４５％であった。

図６はこの実施例６の製造方法で製造した、溶湯補給部溶浸体６１を除去する前の状態のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の透過Ｘ線写真である。実施例６は、Ｘ線透過写真で溶湯補給部溶浸体６１はボイド３の存在によりＸ線を多く透過したことを示す暗部領域が多く、不図示の切断面においてもボイド３が多量に観察された。これに対して製品６２の内部にはボイドはほとんど観察されず、ボイドの形成が抑制された金属−セラミックス複合材からなる製品６２を製造することができた。

（実施例７）
実施例７は、溶湯補給部を製品部プリフォームの側方に配置した例である。成形型のキャビティとダミーの寸法、および凝固工程における溶浸体の載置姿勢以外は実施例４と同様である。すなわち、製品部プリフォームは、縦４５ｍｍ、横１０ｍｍ、深さ２０ｍｍの溶湯補給部と同じ外形寸法のＭＣナイロン製の２つのダミーを、キャビティ形状が縦４５ｍｍ、横６５ｍｍ、深さ２０ｍｍであるＭＣナイロン製の成形型の横方向の両端にそれぞれ装入してから成形したものであり、溶湯補給部はこれら２つのダミーを取り除いた残りのキャビティ部分に成形して一体としたものである。この成形体を、実施例１と同様の方法で焼成し、製品部プリフォームと２つの溶湯補給部とが一体をなすプリフォームを得た。以後、凝固工程が完了するまで、製品部プリフォームと２つの溶湯補給部とが一体として保持された状態であった。また、この実施例７と同様の方法で作製した製品部プリフォームの平均細孔径は２０μｍ、気孔率は４０％であり、２か所の溶湯補給部はいずれも平均細孔径が３５μｍ、気孔率は４５％であった。

次いで、このプリフォームに実施例１と同様の方法で溶湯を浸透させて溶浸体を得た後、浸漬治具から取り外し、長手方向を水平方向に、すなわち２つの溶湯補給部溶浸体７１Ｌ、７１Ｒが製品部溶浸体７２の側方に配されるように厚さ５０ｍｍの鋼板に載置して、溶浸体に浸透した溶湯を冷却し凝固させた。

そして、凝固した溶浸体から溶湯補給部溶浸体７１Ｌ、７１Ｒを分離して除去し、アルミニウム合金−炭化ケイ素複合材からなる製品７２を得た。図７はこの実施例７の製造方法で製造した、溶湯補給部溶浸体７１Ｌ、７１Ｒを分離する前の状態のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の透過Ｘ線写真である。溶湯補給部溶浸体７１Ｌ、７１Ｒにそれぞれ観察されたボイド３Ｌ、３Ｒはいずれも上方に多く偏在していた。一方、これらに挟まれた製品７２にはボイドはほとんど観察されなかった。このように、溶湯補給部溶浸体７１Ｌ、７１Ｒを製品部溶浸体７２の側方に配して凝固させた実施例７においても、ボイドの生成が抑制された金属−セラミックス複合材からなる製品７２を製造することができた。

（比較例１）
次に、プリフォームを製品部プリフォームのみとして溶湯補給部を設けなかった、本発明に該当しない比較例１を示す。

比較例１のプリフォーム作製用の混合体は実施例１の製品部プリフォーム作製用の混合体と同様の方法で作製し、次いでキャビティ形状が縦５０ｍｍ、横１３０ｍｍ、深さ５０ｍｍのＭＣナイロン製の成形型にこの混合体を充填して成形後、炭酸ガスで硬化させた後に抜型し、実施例１と同様の方法で焼成して製品部プリフォームを得た。この比較例１と同様の方法で作製した製品部プリフォームの平均細孔径は２０μｍ、気孔率は４０％であった。

次に鋼製の浸漬治具にこのプリフォームを装填し、実施例１と同様の方法で溶湯を浸透させて溶浸体を得た後、浸漬治具から取り外し、厚さ５０ｍｍの鋼板上に長手方向が鉛直方向になるように置いて、溶浸体すなわち製品部溶浸体１０２に浸透した溶湯を冷却し凝固させて製品１０２を得た。

図８はこの比較例１の製造方法で製造したアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の長手方向の切断面を示す写真である。比較例１による製品１０２では、内部には冷却時の上部から中心部にかけての広範囲に、黒色を呈するボイド３が観察された。このように、溶湯補給部を設けなかった場合は製品１０２にボイドが多量に生じ、ボイドが抑制された金属−セラミックス複合材を製造することができなかった。

（比較例２）
比較例２は、製品部プリフォームと溶湯補給部とを予め一体に成形した形態は実施例１と同様であるが、実施例１とは異なり、溶湯補給部の平均細孔径が製品部プリフォームの平均細孔径よりも小さいプリフォームを使用した、本発明に該当しない例である。

比較例２の製品部プリフォームのセラミックス粒子は、ＪＩＳ Ｒ ６００１に規定の粒度指数Ｆ６０および＃１０００であるＳｉＣを、それぞれ重量比５：１で混合したものを使用した。バインダはケイ酸ソーダと水とを体積比で１：２に希釈した水溶液とし、この水溶液を、１００ｇのＳｉＣ１００ｇあたり、４．５ｍｌの割合で添加し、３分間撹拌し混合して製品部プリフォーム作製用の混合体を得た。

一方、溶湯補給部を構成するセラミックスのセラミックス粒子は、ＪＩＳ Ｒ ６００１に規定の粒度指数Ｆ１５０および＃１０００であるＳｉＣを、それぞれ重量比３：１で混合したものを使用し、溶湯補給部作製用の混合体は製品部プリフォームと同じ方法で作製した。

次いでキャビティ形状が縦５０ｍｍ、横１００ｍｍ、深さ５０ｍｍであるＭＣナイロン製の成形型の一端に縦５０ｍｍ、横２０ｍｍ、深さ５０ｍｍの溶湯補給部と同じ外形寸法のＭＣナイロン製のダミーを装入して、残りのキャビティ部分に製品部プリフォーム作製用の混合体を充填して成形し、炭酸ガスを通気させて製品部プリフォーム用の混合体を硬化させた後、上記のダミーを取り除いた。

次に、上記ダミーを取り除いたキャビティ部分に溶湯補給部作製用の混合体を充填して成形し、再び炭酸ガスを通気させて溶湯補給部作製用の混合体を硬化させた後、抜型して製品部プリフォームと溶湯補給部とが一体となった成形体を得た。次いで、この成形体を実施例１と同様の方法で焼成して、製品部プリフォームと溶湯補給部とが一体をなすプリフォームを得た。以後、後述する凝固工程が完了するまで、このプリフォームは製品部プリフォームと溶湯補給部とが一体として保持された状態であった。この比較例２と同様の方法で作製した製品部プリフォームの平均細孔径は３５μｍ、気孔率は４５％であり、溶湯補給部の平均細孔径は２０μｍ、気孔率は４０％であった。

次いで、このプリフォームに実施例１と同様の方法で溶湯を浸透させて溶浸体を得た後、浸漬治具から取り外し、厚さ５０ｍｍの鋼板上に、長手方向が鉛直方向になるようにかつ溶湯補給部溶浸体２０１が製品部溶浸体２０２の上方に位置するように溶浸体を置いて、製品部溶浸体２０２に浸透した溶湯を冷却し凝固させた。

そして、凝固した溶浸体から溶湯補給部溶浸体２０１を分離して除去し、アルミニウム合金−炭化ケイ素複合材からなる製品２０２を得た。図９はこの比較例２の製造方法で製造した溶湯補給部溶浸体２０１を除去する前の状態のアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の長手方向の切断面を示す写真である。比較例２では、溶湯補給部溶浸体２０１だけではなく、製品２０２の上部にも黒色を呈するボイド３が多量に観察された。このように、本発明に該当しない、溶湯補給部の平均細孔径が製品部プリフォームの平均細孔径よりも小さいプリフォームとした場合は、製品２０２にもボイドが多量に生じてしまい、ボイドの形成が抑制された金属−セラミックス複合材を製造することはできなかった。

（表１）

（表１）つづき

（表１）つづき

本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法は、例えば放熱基板やフォトリソ精密加工機械のテーブルの製造に適用可能であるが、これらの製品に対してのみに限定されるものではない。

１、２１、４１ｔ、４１ｂ、５１、６１、７１Ｒ、７１Ｌ、２０１ 溶湯補給部溶浸体
２、４２、５２、６２、７２、１０２、２０２ 製品（製品部溶浸体）
３、３ｔ、３ｂ、３Ｌ、３Ｒ ボイド

Claims (7)

1. セラミックス粒子からなるプリフォームに金属の溶湯を浸透させて金属−セラミックス複合材を得る金属−セラミックス複合材の製造方法であって、
   プリフォームはセラミックス粒子からなる製品部を構成する製品部プリフォームと、セラミックスからなる多孔質体で構成された溶湯補給部とからなり、前記溶湯補給部の平均細孔径は前記製品部プリフォームの平均細孔径以上であるプリフォームに金属の溶湯を浸透させて溶浸体を作製する工程と、
   前記溶浸体において、前記製品部プリフォームからなる製品部溶浸体と前記溶湯補給部からなる溶湯補給部溶浸体とを一体として保持しつつ前記製品部溶浸体に浸透した前記溶湯を凝固させる工程と、
   を含むことを特徴とする金属−セラミックス複合材の製造方法。
2. 前記プリフォームは、前記溶湯補給部の気孔率が前記製品部プリフォームの気孔率以上に構成されている請求項１に記載の金属−セラミックス複合材の製造方法。
3. 前記溶湯補給部溶浸体を前記製品部溶浸体の上方に配置して一体として保持しつつ前記製品部溶浸体に浸透した前記溶湯を凝固させる請求項１又は請求項２に記載の金属−セラミックス複合材の製造方法。
4. 前記溶湯補給部を構成する前記多孔質体はセラミックス粒子からなる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の金属−セラミックス複合材の製造方法。
5. 前記製品部プリフォームを構成するセラミックス粒子は炭化ケイ素からなる請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の金属−セラミックス複合材の製造方法。
6. 前記溶湯補給部を構成するセラミックスは炭化ケイ素からなる請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の金属−セラミックス複合材の製造方法。
7. 前記金属はアルミニウム合金である請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の金属−セラミックス複合材の製造方法。

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