JP2506330B2 - 金属とセラミツク類からなる複合材の製造方法 - Google Patents
金属とセラミツク類からなる複合材の製造方法Info
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- JP2506330B2 JP2506330B2 JP61013057A JP1305786A JP2506330B2 JP 2506330 B2 JP2506330 B2 JP 2506330B2 JP 61013057 A JP61013057 A JP 61013057A JP 1305786 A JP1305786 A JP 1305786A JP 2506330 B2 JP2506330 B2 JP 2506330B2
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、各種機器の部品等に使われる金属とセラミ
ック類からなる複合材の製造方法に関する。
ック類からなる複合材の製造方法に関する。
[従来の技術] 金属部品とセラミックスとを機械的に接合する方法と
して、圧入,焼き嵌め,ボルト締め等が知られている
が、これらの方法では金属部品とセラミックスの形状的
な制約が大きく、しかもセラミックスに応力集中部を生
じやすい。このため両者の締結強度が小さく、かつ設計
上の制約も大きかった。
して、圧入,焼き嵌め,ボルト締め等が知られている
が、これらの方法では金属部品とセラミックスの形状的
な制約が大きく、しかもセラミックスに応力集中部を生
じやすい。このため両者の締結強度が小さく、かつ設計
上の制約も大きかった。
しかも、一般的な金属セラミックスとは互いに熱膨張
率が大きく異なっている。例えば金属の線膨張係数が10
〜20×10-6であるのに対し、セラミックスの線膨張係数
は5×10-6位である。このため、両者をそう付けや固相
接合などによって高温(約600〜2000℃)で接合した場
合、冷却過程で両者に大きな寸法差を生じ、室温では大
きな残留応力が発生する。脆性材料であるセラミックス
は、その形状や大きさによっては上記残留応力によりク
ラックが発生したり、破壊に至る場合もある。
率が大きく異なっている。例えば金属の線膨張係数が10
〜20×10-6であるのに対し、セラミックスの線膨張係数
は5×10-6位である。このため、両者をそう付けや固相
接合などによって高温(約600〜2000℃)で接合した場
合、冷却過程で両者に大きな寸法差を生じ、室温では大
きな残留応力が発生する。脆性材料であるセラミックス
は、その形状や大きさによっては上記残留応力によりク
ラックが発生したり、破壊に至る場合もある。
このため、セラミックスと金属部品との間に軟質金属
をインサート材として介在させ、インサート材の塑性変
形によって応力を緩和させたり、あるいは熱膨張率の小
さな材料からなる金属部品を接合するなどの対策が考え
られている。
をインサート材として介在させ、インサート材の塑性変
形によって応力を緩和させたり、あるいは熱膨張率の小
さな材料からなる金属部品を接合するなどの対策が考え
られている。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら軟質金属をインサート材として用いた場
合、インサート材の塑性変形により残留応力を緩和させ
るためには、軟質金属の厚さをかなり厚くする必要があ
る。このためインサート材を挿入した箇所の機械的強度
が小さくなる。また、一般に軟質金属の融点は低いた
め、セラミックスの大きな長所である耐熱性が接合部で
は充分に発揮できなくなる。
合、インサート材の塑性変形により残留応力を緩和させ
るためには、軟質金属の厚さをかなり厚くする必要があ
る。このためインサート材を挿入した箇所の機械的強度
が小さくなる。また、一般に軟質金属の融点は低いた
め、セラミックスの大きな長所である耐熱性が接合部で
は充分に発揮できなくなる。
一方、熱膨張率の小さな金属部品を接合すればセラミ
ックスとの熱膨張率を小さくできるが、この場合、予め
所定形状に成形されている金属部品とセラミックスとを
互いに接合させるには、金属部品が単純な形状の場合に
限られる。従って実際に使われる部品形状にするには、
接合後に金属部品を機械加工することが必要である。し
かし低熱膨張率の金属材は一般に材料コストが高いの
で、機械加工を行なうことによる歩留りの低下がコスト
アップの大きな要因となる。しかも金属の種類によって
は機械加工性がかなり悪い材料もあり、接合後の機械加
工そのものがコストアップの原因となる場合もある。
ックスとの熱膨張率を小さくできるが、この場合、予め
所定形状に成形されている金属部品とセラミックスとを
互いに接合させるには、金属部品が単純な形状の場合に
限られる。従って実際に使われる部品形状にするには、
接合後に金属部品を機械加工することが必要である。し
かし低熱膨張率の金属材は一般に材料コストが高いの
で、機械加工を行なうことによる歩留りの低下がコスト
アップの大きな要因となる。しかも金属の種類によって
は機械加工性がかなり悪い材料もあり、接合後の機械加
工そのものがコストアップの原因となる場合もある。
なお、特開昭58-41775号公報に記載されているよう
に、予め合金化されている粉末(SUS等の合金粉末)を
焼結と同時にセラミックスに接合する方法も知られてい
る。しかしながらセラミックスと合金との接合は、一般
に、接合界面において接合に関与する特定の金属とセラ
ミックス成分とによる中間反応層が生成されることによ
って強固な接合が可能となるから、従来のように始めか
ら合金化している粉末を用いると、セラミックスとの接
合に関与する特定の金属が合金粉末中に他の金属と均一
に混ざっているために、中間反応層の起点になりえるよ
うな活量の高い箇所が存在せず、反応が進行しにくいと
いう問題がある。
に、予め合金化されている粉末(SUS等の合金粉末)を
焼結と同時にセラミックスに接合する方法も知られてい
る。しかしながらセラミックスと合金との接合は、一般
に、接合界面において接合に関与する特定の金属とセラ
ミックス成分とによる中間反応層が生成されることによ
って強固な接合が可能となるから、従来のように始めか
ら合金化している粉末を用いると、セラミックスとの接
合に関与する特定の金属が合金粉末中に他の金属と均一
に混ざっているために、中間反応層の起点になりえるよ
うな活量の高い箇所が存在せず、反応が進行しにくいと
いう問題がある。
[問題点を解決するための手段] 本発明方法は、所定の形状に成形されたセラミック類
からなる成形物と、この成形物との熱膨張率の差の小さ
いFe基合金をつくる成分金属であるFe粉末とFe以外の1
種類以上の単一金属すなわち純金属の混合粉末とを型に
収容し、この混合粉末と上記セラミック類の成形物とを
加圧するとともに上記混合粉末が拡散によって合金化す
る温度まで加熱することにより上記混合粉末を焼結成形
して所定形状のFe基焼結合金体を得ると同時にこの焼結
合金体を上記セラミック類の成形物に接合させることを
特徴とする金属とセラミック類からなる複合材の製造方
法である。本発明においてセラミック類とは、セラミッ
クスは勿論のこと、各種サーメットや超硬合金等も含
む。
からなる成形物と、この成形物との熱膨張率の差の小さ
いFe基合金をつくる成分金属であるFe粉末とFe以外の1
種類以上の単一金属すなわち純金属の混合粉末とを型に
収容し、この混合粉末と上記セラミック類の成形物とを
加圧するとともに上記混合粉末が拡散によって合金化す
る温度まで加熱することにより上記混合粉末を焼結成形
して所定形状のFe基焼結合金体を得ると同時にこの焼結
合金体を上記セラミック類の成形物に接合させることを
特徴とする金属とセラミック類からなる複合材の製造方
法である。本発明においてセラミック類とは、セラミッ
クスは勿論のこと、各種サーメットや超硬合金等も含
む。
[作用] 上記方法によって作られる複合材の金属部分は、原料
粉末を焼結成形すると同時にセラミック成形物との接合
を行なうため金属部分の形状の自由度が大きく、最終製
品に近い形状のものを接合と同時に得ることが可能であ
る。しかも接合される両部材の熱膨張率の差が小さいた
め、接合後の冷却過程でクラックを生じたり破壊するな
どの不具合を生じない。また、軟質金属等からなるイン
サート材を用いずに接合することができるから、接合部
の強度が高く耐熱性も失われない。
粉末を焼結成形すると同時にセラミック成形物との接合
を行なうため金属部分の形状の自由度が大きく、最終製
品に近い形状のものを接合と同時に得ることが可能であ
る。しかも接合される両部材の熱膨張率の差が小さいた
め、接合後の冷却過程でクラックを生じたり破壊するな
どの不具合を生じない。また、軟質金属等からなるイン
サート材を用いずに接合することができるから、接合部
の強度が高く耐熱性も失われない。
本発明では、複数種類の単一金属からなる混合粉末の
焼結・合金化と同時にセラミック類との接合を行うた
め、混合粉末とセラミック類との接触部において、接合
に関与する特定の金属(例えばFe-Ni-Co系合金と窒化珪
素との接合の場合はNi)の粒が純粋金属の形でセラミッ
ク類に接触し、この活量の高い箇所を起点として反応が
速やかに進行するとともに、各金属の粒がセラミック表
面に加圧されているためセラミック表面との接触部にお
いて金属表面の酸化膜が破壊され活性な金属面が露出す
るなど、合金化される金属とセラミック類との接合が促
進され、良好な接合界面が短時間に得られる。
焼結・合金化と同時にセラミック類との接合を行うた
め、混合粉末とセラミック類との接触部において、接合
に関与する特定の金属(例えばFe-Ni-Co系合金と窒化珪
素との接合の場合はNi)の粒が純粋金属の形でセラミッ
ク類に接触し、この活量の高い箇所を起点として反応が
速やかに進行するとともに、各金属の粒がセラミック表
面に加圧されているためセラミック表面との接触部にお
いて金属表面の酸化膜が破壊され活性な金属面が露出す
るなど、合金化される金属とセラミック類との接合が促
進され、良好な接合界面が短時間に得られる。
[実施例] 第1図に示されるように、型1の中に予め所定形状に
成形されたセラミックスからなる成形物2と、この成形
物2との熱膨張率の差の小さい合金をつくる金属粉末3
を収容する。対象となるセラミックスは、例えばアルミ
ナ,窒化珪素,炭化珪素,サイアロン,黒鉛,部分安定
化ジルコニアなどであるが、これ以外のセラミック類、
例えばサーメットや超硬合金(金属炭化物と鉄族金属の
焼結体)などでもよい。
成形されたセラミックスからなる成形物2と、この成形
物2との熱膨張率の差の小さい合金をつくる金属粉末3
を収容する。対象となるセラミックスは、例えばアルミ
ナ,窒化珪素,炭化珪素,サイアロン,黒鉛,部分安定
化ジルコニアなどであるが、これ以外のセラミック類、
例えばサーメットや超硬合金(金属炭化物と鉄族金属の
焼結体)などでもよい。
低熱膨張率のFe基合金は、例えばインバー合金や、コ
バール等の遷移金属系の合金、あるいはMo,W,Nb等の高
融点・低熱膨張率金属の合金である。金属粉末3は、焼
結成形によって得られる焼結合金の成分金属である2種
類以上の金属すなわちFe粉末とFe以外の純金属との混合
粉末が使用される。
バール等の遷移金属系の合金、あるいはMo,W,Nb等の高
融点・低熱膨張率金属の合金である。金属粉末3は、焼
結成形によって得られる焼結合金の成分金属である2種
類以上の金属すなわちFe粉末とFe以外の純金属との混合
粉末が使用される。
なお、接合強度を高めるために、セラミックス成形物
2と金属粉末3との間にセラミックスと焼結合金との親
和性を良くするための適宜のインサート材4を介在させ
てもよい。インサート材4としては、Ti,Nb,Cu,Al等の
箔や粉体、あるいはNi,Ag,Cu等の硬ろう材が使用され
る。
2と金属粉末3との間にセラミックスと焼結合金との親
和性を良くするための適宜のインサート材4を介在させ
てもよい。インサート材4としては、Ti,Nb,Cu,Al等の
箔や粉体、あるいはNi,Ag,Cu等の硬ろう材が使用され
る。
上述のセラミックス成形物2と金属粉末3に、ポンチ
6によって図示矢印方向から適当な荷重を付加しつつ、
金属粉末3の焼結と接合に必要な温度に加熱する。この
温度と圧力条件は、例えばインバー合金の場合、900〜1
200℃で1〜5kgf/mm2である。また、W,Moなどの高融点
合金の場合、1000〜2000℃で1〜5kgf/mm2である。な
お、型1とポンチ6の内面には予め離型剤を塗布してお
く。
6によって図示矢印方向から適当な荷重を付加しつつ、
金属粉末3の焼結と接合に必要な温度に加熱する。この
温度と圧力条件は、例えばインバー合金の場合、900〜1
200℃で1〜5kgf/mm2である。また、W,Moなどの高融点
合金の場合、1000〜2000℃で1〜5kgf/mm2である。な
お、型1とポンチ6の内面には予め離型剤を塗布してお
く。
以上の加熱と加圧により、金属粉末3の成分金属の混
合体が変形と拡散により合金化し、焼結合金体3′が得
られるとともに、この焼結合金体3′とセラミックス成
形物2とが互いに接合する。
合体が変形と拡散により合金化し、焼結合金体3′が得
られるとともに、この焼結合金体3′とセラミックス成
形物2とが互いに接合する。
上記方法によって得られた複合材は、金属粉末3から
所定形状の焼結合金体3′を焼結成形すると同時にセラ
ミックス成形物2との接合が行なわれるため、焼結合金
体3′の形状の自由度が大きく、最終製品に近い形状の
ものを製造可能である。このため仕上げの機械加工を軽
減することができる。しかもセラミックス成形物2と焼
結合金体3′との熱膨張率差が小さいため、接合後の冷
却過程あるいは熱サイクルを生じる使用条件下で使われ
た場合において、セラミックス成形物2にクラックが生
じたり、破壊するなどの不具合を生じない。
所定形状の焼結合金体3′を焼結成形すると同時にセラ
ミックス成形物2との接合が行なわれるため、焼結合金
体3′の形状の自由度が大きく、最終製品に近い形状の
ものを製造可能である。このため仕上げの機械加工を軽
減することができる。しかもセラミックス成形物2と焼
結合金体3′との熱膨張率差が小さいため、接合後の冷
却過程あるいは熱サイクルを生じる使用条件下で使われ
た場合において、セラミックス成形物2にクラックが生
じたり、破壊するなどの不具合を生じない。
そして、セラミックス成形物2が高い耐熱性を発揮す
るとともに、焼結合金体3′が良好な熱伝導性を発揮す
るので、両者を組合わせることにより、セラミックス成
形物2側で耐熱性をもたせるとともに焼結合金体3′側
で冷却することで高温箇所にも使用できる。
るとともに、焼結合金体3′が良好な熱伝導性を発揮す
るので、両者を組合わせることにより、セラミックス成
形物2側で耐熱性をもたせるとともに焼結合金体3′側
で冷却することで高温箇所にも使用できる。
また、セラミックスは耐摩耗性に優れていることから
各種の摺動部品に適用可能であって、本実施例の複合材
は形状の自由度の大きい焼結合金体3′を介してセラミ
ックス成形物2を他の部材に容易に締結することができ
るから、種々の態様のメカニカルシールや軸受等に応用
できる。
各種の摺動部品に適用可能であって、本実施例の複合材
は形状の自由度の大きい焼結合金体3′を介してセラミ
ックス成形物2を他の部材に容易に締結することができ
るから、種々の態様のメカニカルシールや軸受等に応用
できる。
なお第2図に示されるように、型1の形状あるいはセ
ラミックス成形物2の形状を焼結合金体3′の最終製品
の形状に応じた形にしておくことにより、接合後の機械
加工の大幅な低減ないし省略が可能である。
ラミックス成形物2の形状を焼結合金体3′の最終製品
の形状に応じた形にしておくことにより、接合後の機械
加工の大幅な低減ないし省略が可能である。
また第3図に示されるように、セラミックス成形物2
と焼結合金体3′との接合面に溝等の凹凸部8を設ける
ことにより、例えば図示矢印A方向の剪断強度を高くす
ることができる。こうした凹凸部8をもつ形状も、焼結
合金体3′を粉末から焼結成形することで容易に作るこ
とができる。
と焼結合金体3′との接合面に溝等の凹凸部8を設ける
ことにより、例えば図示矢印A方向の剪断強度を高くす
ることができる。こうした凹凸部8をもつ形状も、焼結
合金体3′を粉末から焼結成形することで容易に作るこ
とができる。
第4図に示された実施例は、窒化珪素からなるセラミ
ックス成形物2に、インバー合金からなる焼結合金体
3′と、インバー合金と炭素鋼の中間の熱膨張率を有す
るインサート材10を介して、炭素鋼11を接合したもので
ある。すなわちこの場合、セラミックス成形物2との接
合部からの距離が大きい部位ほど熱膨張率が高くなるよ
うに、金属部分が層状に重ねられている。
ックス成形物2に、インバー合金からなる焼結合金体
3′と、インバー合金と炭素鋼の中間の熱膨張率を有す
るインサート材10を介して、炭素鋼11を接合したもので
ある。すなわちこの場合、セラミックス成形物2との接
合部からの距離が大きい部位ほど熱膨張率が高くなるよ
うに、金属部分が層状に重ねられている。
このような複合構造によれば、セラミックス成形物2
との接合部から離れた部位(例えば炭素鋼11)は熱膨張
率が高くても差支えないから、より安価な材料、あるい
は強度の高い材料、加工の容易な材料等を使用すること
ができる。ちなみに、窒化珪素の線熱膨張係数は約4×
10-6、インバー合金は1〜10×10-6、炭素鋼は12×10-6
位である。
との接合部から離れた部位(例えば炭素鋼11)は熱膨張
率が高くても差支えないから、より安価な材料、あるい
は強度の高い材料、加工の容易な材料等を使用すること
ができる。ちなみに、窒化珪素の線熱膨張係数は約4×
10-6、インバー合金は1〜10×10-6、炭素鋼は12×10-6
位である。
次表は、セラミックス成形物との熱膨張率差の小さい
合金(No.1〜No.10)をつくる成分金属である純金属の
混合粉末の組成比と、各合金の熱膨張率の一例を示した
ものである。表中のNo.1,3,4,5はインバー合金、No.2は
コバール合金、No.6,7はエリンバー(Elasticity invar
iable)合金、No.8,9,10はエリンバーエキストラ合金で
ある。このように成分金属の組成比を種々に変化させる
ことも、出発原料が粉末であるから容易に対処できる。
合金(No.1〜No.10)をつくる成分金属である純金属の
混合粉末の組成比と、各合金の熱膨張率の一例を示した
ものである。表中のNo.1,3,4,5はインバー合金、No.2は
コバール合金、No.6,7はエリンバー(Elasticity invar
iable)合金、No.8,9,10はエリンバーエキストラ合金で
ある。このように成分金属の組成比を種々に変化させる
ことも、出発原料が粉末であるから容易に対処できる。
[発明の効果] 本発明によれば、Fe粉末を主体とする単一金属(純金
属)の混合粉末の焼結・合金化と同時に、セラミック類
と合金との良好な接合界面が短時間に得られ、接合強度
が高くかつ複雑な形状や最終製品に近い形状のものを接
合でき、しかも接合と同時にセラミック類成形物との熱
膨張差の小さい所定形状の焼結合金体が得られるので、
接合後にクラックが生じたり破壊することがなく、Fe基
焼結合金体は要求仕様に応じてFeと各種金属との組合わ
せによる多様な合金に展開することが容易であり、応用
範囲が広いとともに安価でかつセラミック類との接合性
および加工性に優れている。また、焼結合金体の材料に
Fe粉末を主体とする単一金属の混合粉を用いるため、合
金成分の調製が容易であり、しかも所望成分の材料を容
易に入手することができかつ低コストで実施可能である
などの長所を有する複合材が得られる。
属)の混合粉末の焼結・合金化と同時に、セラミック類
と合金との良好な接合界面が短時間に得られ、接合強度
が高くかつ複雑な形状や最終製品に近い形状のものを接
合でき、しかも接合と同時にセラミック類成形物との熱
膨張差の小さい所定形状の焼結合金体が得られるので、
接合後にクラックが生じたり破壊することがなく、Fe基
焼結合金体は要求仕様に応じてFeと各種金属との組合わ
せによる多様な合金に展開することが容易であり、応用
範囲が広いとともに安価でかつセラミック類との接合性
および加工性に優れている。また、焼結合金体の材料に
Fe粉末を主体とする単一金属の混合粉を用いるため、合
金成分の調製が容易であり、しかも所望成分の材料を容
易に入手することができかつ低コストで実施可能である
などの長所を有する複合材が得られる。
第1図は本発明方法の工程の一部を示す複合材と型の略
断面図、第2図は本発明方法に用いる型の一例を示す断
面図、第3図は本発明方法により製造された複合材の一
例を示す斜視図、第4図は本発明方法により製造された
複合材の他の例を示す斜視図である。 1……型、2……セラミック類の成形物、3……金属粉
末、3′……焼結合金体。
断面図、第2図は本発明方法に用いる型の一例を示す断
面図、第3図は本発明方法により製造された複合材の一
例を示す斜視図、第4図は本発明方法により製造された
複合材の他の例を示す斜視図である。 1……型、2……セラミック類の成形物、3……金属粉
末、3′……焼結合金体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−90217(JP,A) 特開 昭58−91087(JP,A) 特開 昭58−189306(JP,A) 特開 昭61−191570(JP,A) 特開 昭62−158804(JP,A) 特開 昭61−197476(JP,A) 特公 昭43−18265(JP,B1) 特公 昭55−14854(JP,B2) 特公 昭56−4141(JP,B2)
Claims (2)
- 【請求項1】所定の形状に成形されたセラミック類から
なる成形物と、この成形物との熱膨張率の差の小さいFe
基合金をつくる成分金属であるFe粉末とFe以外の1種類
以上の単一金属の混合粉末とを型に収容し、この混合粉
末と上記セラミック類の成形物とを加圧するとともに上
記混合粉末が拡散によって合金化する温度まで加熱する
ことにより上記混合粉末を焼結成形して所定形状のFe基
焼結合金体を得ると同時にこの焼結合金体を上記セラミ
ック類の成形物に接合させることを特徴とする金属とセ
ラミック類からなる複合材の製造方法。 - 【請求項2】上記セラミック類は、セラミックス、サー
メット、超硬合金の中から選択されたものであることを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の金属とセラミッ
ク類からなる複合材の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61013057A JP2506330B2 (ja) | 1986-01-24 | 1986-01-24 | 金属とセラミツク類からなる複合材の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61013057A JP2506330B2 (ja) | 1986-01-24 | 1986-01-24 | 金属とセラミツク類からなる複合材の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62170405A JPS62170405A (ja) | 1987-07-27 |
JP2506330B2 true JP2506330B2 (ja) | 1996-06-12 |
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ID=11822496
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61013057A Expired - Fee Related JP2506330B2 (ja) | 1986-01-24 | 1986-01-24 | 金属とセラミツク類からなる複合材の製造方法 |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2506330B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
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---|---|---|---|---|
JPH05345683A (ja) * | 1992-06-16 | 1993-12-27 | Ngk Insulators Ltd | セラミックスと金属との複合体 |
JP4591449B2 (ja) * | 2007-01-09 | 2010-12-01 | 日本精工株式会社 | 静圧気体軸受直線案内装置 |
RU2499069C2 (ru) * | 2008-06-02 | 2013-11-20 | ТиДиУай ИНДАСТРИЗ, ЭлЭлСи | Композиционные материалы цементированный карбид-металлический сплав |
TW201015762A (en) * | 2008-10-01 | 2010-04-16 | Tatung Co | Improved manufacturing process of piezoelectric ceramic device |
DE102010014303A1 (de) * | 2010-04-09 | 2011-10-13 | Kennametal Inc. | Verbundbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung |
CN110756808B (zh) * | 2019-12-13 | 2021-09-28 | 哈尔滨工业大学 | 一种复杂封闭中空薄壁件的粉末增量烧结成形方法 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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JPS58145667A (ja) * | 1982-02-23 | 1983-08-30 | 日本特殊陶業株式会社 | 機械部品に用いる複合構造体 |
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