JP2863675B2

JP2863675B2 - 粒子強化複合材の製造方法

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Publication number: JP2863675B2
Application number: JP4257293A
Authority: JP
Inventors: 勝敏野崎
Original assignee: PPONDA GIKEN KOGYO KK; TEIKOKU PISUTONRINGU KK; WAI KEI KEI KK
Current assignee: PPONDA GIKEN KOGYO KK; TEIKOKU PISUTONRINGU KK; WAI KEI KEI KK
Priority date: 1992-09-01
Filing date: 1992-09-01
Publication date: 1999-03-03
Anticipated expiration: 2014-03-03
Also published as: JPH07207381A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属マトリックス中に微
細なセラミックス粒子が分散してなる粒子強化複合材を
製造する方法に関し、特に、窒化チタン超微粒子とAl₃
Ti相とがアルミニウムマトリックス中に分散した複合材
を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】航空機
材料をはじめとする各種耐熱材料として、また、高強度
が要求される構造用材料として、各種合金、金属間化合
物、金属とセラミックスの複合材等の新材料の開発が精
力的に行われている。

【０００３】その中で、金属とセラミックスとの複合材
としては、たとえばTi、Ni、Al等を含む合金中に、耐熱
性を示す無機酸化物を分散した酸化物粒子分散合金（Ｏ
ＤＳ）等が知られている。また、酸化物粒子に変えて、
非酸化物系のセラミックス（窒化物、炭化物、ホウ化物
等）粒子を用い、これを合金中に分散した複合材の開発
も行われている。

【０００４】上述したような金属（合金）とセラミック
ス粒子との複合材は、一般に、マトリックスとなる金属
の粉末とセラミックス粒子とを用い、いわゆる粉末冶金
の方法にしたがって製造される。しかしながら、この種
の方法で良好な強度を有する複合材を得るためには、10
00℃を超す温度でＨＩＰ法やホットプレス法等を行わな
ければならず、製造プロセスが複雑となりコストも高く
つく。また、合金中の粒子の分散状態を均一にするのも
難しい。

【０００５】特に、非酸化物系セラミックスの中で人工
的に製造されたものを強化粒子として用いた場合には、
この強化粒子とマトリックスとなる合金との化学的、力
学的な適合性の問題（たとえば、粒子とマトリックスと
の反応性の問題、粒子とマトリックスの界面における接
合強度の問題、粒子とマトリックスの熱膨張率の違いに
起因する複合材の強度の問題等）が生じやすい。また、
凝集や偏析の問題も起こりやすい。

【０００６】したがって、本発明の目的は、高強度かつ
高硬度で、構造材料として使用することができる粒子強
化複合材を容易に製造することができる方法を提供する
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、複合材においてマトリックスを形
成する金属の超微粒子と、他の金属の窒化物、炭化物、
ホウ化物のいずれかからなる超微粒子とを含有する混合
物を用い、この超微粒子の混合物を所望の形状に成形し
たのち、マトリックスとなる金属の融点以上の温度で熱
処理すれば、良好な強度及び高い硬度を有する複合材と
することができることを発見し、本発明を完成した。

【０００８】すなわち、粒子強化複合材を製造する本発
明の方法は、 (a) 第一の金属と第二の金属とからなる合金に対して反
応ガス中でプラズマアーク放電を行うことにより、第一
の金属からなる第一の超微粒子と、第二の金属の窒化
物、炭化物及びホウ化物のいずれかからなる第二の超微
粒子との混合物を製造し、 (b) 前記混合物から成形体を作製し、 (c) 前記成形体を第一の金属の融点以上の温度で熱処理
することにより、第一の金属からなるマトリックス中に、第
一の金属と第二の金属とからなる金属間化合物を生じさ
せ、もって第一の金属からなるマトリックス中に、金属
間化合物からなる相と、第二の超微粒子とが分散した粒
子強化複合材とすることを特徴とする。

【０００９】本発明の好ましい態様では、前記第一及び
第二の金属としてそれぞれアルミニウム及びチタンを用
いるとともに、前記反応ガスとして窒素を用い、プラズ
マアーク放電を行ってAlとTiＮとを含有する超微粒子混
合物を製造し、前記混合物を成形した後で熱処理する。

【００１０】以下、本発明を詳細に説明する。本発明の
方法によれば、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物
のいずれかの超微粒子を均一に分散した粒子強化複合材
を製造することができるが、以下においては、窒化チタ
ンの超微粒子をアルミニウムマトリックス中に分散した
粒子強化複合材の製造方法を例にとり、本発明を詳細に
説明する。なお、本明細書における「超微粒子」とは、
平均粒径が0.03〜0.07μｍ程度のものを指す。

【００１１】まず、金属アルミニウムの超微粒子と、窒
化チタンの超微粒子との混合物を製造する。この混合物
は、以下に述べる窒素プラズマ−蒸発金属反応法により
製造することができる。

【００１２】窒素プラズマ−蒸発金属反応法とは、窒素
ガス中で、金属（又は合金）に対してプラズマアーク放
電を行い、窒素プラズマを生成すると同時に、金属（又
は合金）を蒸発させ、金属蒸気と窒素プラズマとを反応
させる方法である。以下、具体的にこれを説明する。

【００１３】まず、アルミニウム−チタン合金を製造す
る。AlとTiとの比（原子％における比）は40：60〜60：
40とするのが好ましい。Tiの割合が４０原子％未満であ
ると、窒素プラズマ−蒸発金属反応法によって得られる
生成物中の窒化チタンの割合が少なくなる。一方、Tiの
割合を６０原子％を超す量とすると、生成物中のアルミ
ニウムの量が少なくなる。すなわち、最終的に得られる
複合材のマトリックスの量が減少し、良好な複合材とす
ることができない。

【００１４】上記の合金はアーク溶解法等により製造す
ることができる。アーク溶解法では、上述の配合比とな
るように金属アルミニウムと金属チタンとを秤量して混
合し、得られた混合物に対して不活性ガス中でアーク放
電を行い、溶融して合金化する。得られた合金はペレッ
ト状、ボタン状等に成形して用いることができる。

【００１５】次に、図１に示す装置に上記合金を設置し
て窒素プラズマ−蒸発金属反応法を実施する。ここで、
装置１は、上部チャンバー２と下部チャンバー３とを有
し、上部チャンバー２には合金12を設置するヒース４が
設けられている。ヒース４の上にはアーク電極５が備え
られている。また、上部チャンバー２には反応ガス（窒
素ガス）を取り入れるガス注入口６が設けられている。
なお、アーク電極５としては、Ｗ、Mo、Ta、Ti等を用い
ることができる。

【００１６】一方、下部チャンバー３には、得られる超
微粒子を捕集するダイス８が配置されている。また、下
部チャンバー３には、チャンバー内を排気（減圧）する
排気口９が形成されている。

【００１７】上部チャンバー２と下部チャンバー３とは
管10のみにより連通しており、管10の下部チャンバー３
側にはノズル11が取り付けられている。ノズル11はダイ
ス８の凹部内に向けられている。一方、管10の上部チャ
ンバー２側の開口端部は比較的広口に形成されており、
ヒース４の斜め上に口部を向けている。

【００１８】図１に示すように、装置１の上部チャンバ
ー２内のヒース４に合金12を設置し、排気口９から吸引
して上下チャンバー内を減圧する。減圧は両チャンバー
内の圧力が１×10^-4Torr程度となるまで行うのが好まし
い。

【００１９】次に、一旦排気口９側のバルブ（図示せ
ず）を閉じ、ガス注入口６から窒素ガスを上部チャンバ
ー２内に導入する。ある程度の窒素ガス（３００Torr以
上の圧力となる窒素ガス）が上部チャンバー２内に入っ
た時点で、排気口９側のバルブを少し開ける。ここで、
ノズル11の内径を0.5 〜2.0 mm程度に細く形成しておけ
ば、排気口９からの排気量と、ガス注入口６からの窒素
ガスの導入量とを調節することにより、上部チャンバー
２内の窒素ガス圧を300 〜600 Torr程度に保ちながら
（いわゆる定常状態にしながら）、上部チャンバー２と
下部チャンバー３との間に圧力差を生じさせることがで
きる。

【００２０】上部チャンバー２内の窒素ガス圧を上記範
囲に保った状態で、１００〜３００Ａのアーク電流で合
金12をアーク加熱し、これを溶融する。これにより、合
金12からアルミニウム及びチタンの蒸気が発生するが、
このとき、同時に窒素プラズマも生じる。

【００２１】アルミニウム蒸気、チタン蒸気のそれぞれ
と窒素プラズマとが反応し、超微粒子の窒化アルミニウ
ム及び窒化チタンが生成される。上述の通り、上下チャ
ンバー間には圧力差があるので、上部チャンバー２内で
生成された超微粒子は管10を通って下部チャンバー３に
流入する。ノズル11の内径が小さいので、超微粒子はノ
ズル11から噴出し、ダイス８の凹部内に堆積する。

【００２２】生成された超微粒子（堆積物）中には、窒
化アルミニウム、窒化チタンの他に、アルミニウムの超
微粒子も含まれる。図２は用いたAl−Ti合金中のAlとTi
の比と、得られる超微粒子（堆積物）中のAl、AlＮ及び
TiＮの各超微粒子の体積分率を示すグラフである。あら
かじめ、予備試験により図２に示すようなグラフを作成
しておけば、合金の組成を変化させることにより、堆積
物中のAl、AlＮ及びTiＮの各超微粒子の割合を容易に調
節することができる。

【００２３】Al、AlＮ及びTiＮの各超微粒子の好ましい
割合は、体積分率でAl：AlＮ：TiＮ＝４０〜７０：２０
〜５０：５〜１０である。さらに好ましくはAl：AlＮ：
TiＮ＝６０〜７０：２０〜３０：５〜１０である。

【００２４】なお、本発明では、必ずしも上述した方法
で超微粒子状のAl、AlＮ及びTiＮ混合物を製造する必要
はなく、Al超微粒子と、TiＮ超微粒子とを別工程で製造
し、これを均一に混合して用いることもできる。しかし
ながら、超微粒子同士の均一な混合と、製造プロセスの
簡略化を考えると、上述の方法で超微粒子状のAl、AlＮ
及びTiＮ混合物を製造するのが好ましい。

【００２５】Al−AlＮ−TiＮの超微粒子混合物を得たな
ら、これを圧粉成形する。圧粉成形は、真空中で３００
ＭPa〜１ＧPa程度の圧力で行うのが好ましい。窒素プラ
ズマ−蒸発金属反応法で用いたダイスをそのまま用いれ
ば、ペレット状物、柱状物（棒状物）等の成形体が簡単
に得られる。なお、成形体の形状は種々変更することが
できる。

【００２６】成形体を４００〜６５０℃、５０〜300 Ｍ
Paの条件でホットプレスする。ホットプレスの時間は３
０〜６０分とするのが好ましい。また、ホットプレスは
１×10^-5Torr以下の真空下で行うのが好ましい。

【００２７】得られた焼結体をアルミニウムの融点以上
で熱処理する。好ましくはAlの融点〜800 ℃、より好ま
しくは700 〜750 ℃で熱処理する。熱処理時間は１〜10
時間とするのが好ましい。この熱処理も１×10^-5Torr以
下の真空下で行うのが好ましい。なお、上記熱処理条件
でホットプレスを行えば、焼結と同時に熱処理も行うこ
とができる。

【００２８】上述の熱処理により、焼結体内においてAl
とTiＮとが反応し、金属間化合物であるAl₃Tiが生成
し、アルミニウムマトリックス中に、Al₃Ti相とTiＮ粒
子とが分散した複合材が得られる。

【００２９】Al₃Tiは高い硬度を有し、また耐熱性、耐
酸化性にも優れている。したがって、Al₃Ti相が系内に
分散してなる複合材は高硬度、高耐熱性、高耐酸化性を
有することになる。特に、窒素プラズマ−蒸発金属反応
法による超微粒子の混合物を用いて得られた複合材は、
Al₃Ti相が複合材内に均一に分散して形成されるので、
良好な物性を有する。

【００３０】Al₃Ti相は、溶融状態のAlがTiＮ粒子内に
拡散することにより生じるものと考えられる。ここで、
図３に模式的に示すように、AlとTiＮとAlＮとからなる
焼結体20を上述の条件で熱処理した場合、(a) 焼結体20
中のTiＮ粒子21の表層部に、金属間化合物であるAl₃Ti
の相が形成され、複相の粒子22が形成されるか、又は
(b) TiＮ粒子自身がAl₃Ti粒子23に変化するかは必ずし
も明らかではないが、いずれにせよ、アルミニウムマト
リックス中にAl₃Ti相が分散した組織が得られる。な
お、上記(a) 、(b) のいずれの場合においても、得られ
る複合材中には未反応のTiＮ超微粒子21が残存する。

【００３１】AlとTiＮ粒子との反応の進行具合を適切に
制御し、Al₃Ti相の量（体積分率）、その相の大きさ等
を調節することで良好な物性を有する複合材とすること
ができる。

【００３２】上記組織を得るために、熱処理条件は上述
の通りとする。熱処理温度をあまり高いものとするか
（例えば７５０℃を超す温度とするか）、又は熱処理時
間を10時間を超すものとすれば、複合材の強度（圧縮強
度）及び硬度（ビッカース硬度）がかえって低下する。
これは、（イ)Al₃Tiが粒成長するためか、又は（ロ)Al₃T
i相とアルミニウムマトリックスとの界面で整合性がと
れなくなる（たとえば両者の格子定数、熱膨張係数、弾
性率等の違いによる歪みの発生）ためであると思われ
る。

【００３３】一方、熱処理温度を金属アルミニウムの融
点未満とすると、Al₃Ti相がほとんど生成されない。ま
た、熱処理時間が１時間未満でもAl₃Ti相がほとんど生
成されない。なお、上述の熱処理条件の範囲内であれ
ば、Al₃Ti相の体積分率は３０〜４０％程度となる。

【００３４】複合材中のAl₃Tiの分率は、熱処理の温
度、時間を変化させる以外に、用いる超微粒子混合物中
のAlとTiＮの比率を変化させることでもコントロールす
ることができる。

【００３５】以上、TiＮ超微粒子とAl₃Ti相とがアルミ
ニウムマトリックス中に分散した複合材の製造について
説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、
（イ)アルミニウムの超微粒子と窒化ジルコニウムの超微
粒子とを含有する混合物を用いて、Al（マトリックス）
−ZrAl₃相−AlＮ−ZrＮ超微粒子複合材、又はAl（マト
リックス）−ZrAl₃相−ZrＮ超微粒子複合材を製造する
ことができる。また、（ロ)アルミニウムの超微粒子と窒
化クロムの超微粒子とを含有する混合物を用いて、Al
（マトリックス）−CrAl₄相−AlＮ−Cr₂Ｎ超微粒子複
合材、又はAl（マトリックス）−CrAl₄相−Cr₂Ｎ超微
粒子複合材を製造することもできる。さらに、同様にし
て他の金属の窒化物（超微粒子）とその他の金属間化合
物相を分散した複合材を製造することもできる。

【００３６】また、窒化物の超微粒子のみでなく、炭化
物、又はホウ化物の超微粒子を分散した複合材を製造す
ることもできる。たとえば、上述の窒素プラズマ−蒸発
金属反応法において、窒素ガスの代わりにＣＨ₄、Ｃ₂
Ｈ₄等を用い、超微粒子の混合物中に超微粒子状の炭化
物を導入し、これを用いて複合材を製造すれば、超微粒
子状の炭化物が分散した複合材とすることができる。同
様に、反応ガスとしてＢ₂Ｈ₄、Ｂ₄Ｈ₁₀等を用いれ
ば、超微粒子状のホウ化物を分散した複合材とすること
ができる。

【００３７】さらに、窒化物、炭化物、及びホウ化物の
超微粒子の２種以上を同時に含有する複合材としてもよ
い。

【００３８】

【実施例】本発明を以下に示す具体的実施例によりさら
に詳細に説明する。実施例１金属Tiと金属Alとを秤量して混合し、アルゴンガス中で
アーク溶解して、Al₄₀Ti₆₀の組成を有する合金を作製し
た。

【００３９】この合金２０ｇを図１に示す装置１内のヒ
ース４に設置した。

【００４０】ガス注入口６の側のバルブ（図示せず）を
閉じ、排気口９からチャンバーを吸引し、上下チャンバ
ー２、３の圧力を１×10^-4Torrとした。

【００４１】次に、ガス注入口６から窒素ガスを上部チ
ャンバー２内に導入し、排気口９側のバルブ（図示せ
ず）を少々開けて下部チャンバー３の排気を再開した。
このとき、上部チャンバー２内の圧力が６００Torrに保
持されるように、ガス注入口６からの窒素ガスの注入量
及び排気口９からの排気量を調節した。

【００４２】上部チャンバー２内の窒素ガス圧が６００
Torrに保たれた状態で、２００Ａのアーク電流で合金を
加熱溶融した。ノズル11から超微粒子状の化合物が吹き
出され、ダイス８内に堆積物が得られた。

【００４３】ダイス８内の堆積物の一部を取り出しＸ線
回折を行った。得られたチャートのピークの高さから、
堆積物はAlと、AlＮと、TiＮとが、ほぼ43％、50％、７
％（体積％）の割合で混合したものであることが推定さ
れた。

【００４４】真空下で、ダイス８内の堆積物を１ＧPaで
圧粉成形し、ペレット状の成形体を作製した。

【００４５】この成形体を真空下（１×10^-5Torr）、40
0 ℃、245 ＭPaの条件で60分間ホットプレスした。得ら
れた焼結体のＸ線回折を測定したところ、Al、AlＮ、Ti
Ｎに由来する大きなピークの他に、Al₃Tiに由来する小
さなピークが見られた。

【００４６】ホットプレス後、１×10^-5Torrの真空下、
400 〜800 ℃の温度で１時間の熱処理を行った。得られ
た試料（複合材）について、再びＸ線回折を測定したと
ころ、Al、AlＮ、TiＮに由来するピークと、Al₃Tiに由
来するピークが見られた。

【００４７】熱処理前のAl₃Tiのメインピーク（面１１
２及び面１０３に由来するピーク）の高さと、熱処理後
のこのメインピークの高さの比を求めた。結果を図４に
示す。

【００４８】また、各温度で熱処理して得られた試料
（複合材）のビッカース硬度及び圧縮強度を測定した。
なお、ビッカース硬度の測定はJIS Z 2251に準拠して調
べた。結果を図５に示す。

【００４９】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の方法に
よれば、高強度、高硬度を有する粒子強化複合材を容易
に製造することができる。また、本発明の方法によれ
ば、窒化物超微粒子のみならず、炭化物又はホウ化物の
超微粒子を分散した複合材も製造することができる。

【００５０】特に、窒素プラズマ−蒸発金属反応法によ
り、Al、AlＮ、TiＮの各超微粒子混合物を製造すれば、
予め、混合物中にTiＮ超微粒子を均一に分散させること
ができるので、複合材の製造過程においてAl₃Tiの偏析
は起こらない。

【００５１】本発明の方法による粒子強化複合材は、航
空機、自動車等の構造部材として用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒素プラズマ−蒸発金属反応法を実施すること
ができる装置の一例を示す模式的な断面図である。

【図２】Al−Ti合金の組成と、それを用いて超微粒子を
製造した超微粒子中の成分の体積分率との関係を示すグ
ラフである。

【図３】Al−AlＮ−TiＮからなる焼結体を熱処理した場
合に想定される粒子の変化の様子を示す模式図である。

【図４】熱処理温度と、熱処理前後のAl₃TiのＸ線ピー
クの比との関係を示すグラフである。

【図５】熱処理温度と得られた複合材のビッカース硬度
との関係、及び熱処理温度と得られた複合材の圧縮強度
との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１超微粒子製造装置２上部チャンバー２下部チャンバー４ヒース５アーク電極６ガス注入口８ダイス９排気口 10 管 11 ノズル 12 合金

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 000005326 本田技研工業株式会社東京都港区南青山二丁目１番１号 (72)発明者野崎勝敏埼玉県和光市中央一丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (56)参考文献特開平１−103945（ＪＰ，Ａ) 軽金属学会第81回秋期大会講演概要（平３−10−４）ｐ143−144 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 1/10 B22F 1/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】 (a) 第一の金属と第二の金属とからなる
合金に対して反応ガス中でプラズマアーク放電を行うこ
とにより、前記第一の金属からなる第一の超微粒子と、
前記第二の金属の窒化物、炭化物及びホウ化物のいずれ
かからなる第二の超微粒子との混合物を製造し、 (b) 前記混合物から成形体を作製し、 (c) 前記成形体を前記第一の金属の融点以上の温度で熱
処理することにより、前記第一の金属からなるマトリックス中
に、前記第一の金属と前記第二の金属とからなる金属間
化合物相と、前記第二の超微粒子とが分散してなる粒子
強化複合材を製造することを特徴とする方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法において、前記第
一及び第二の金属としてそれぞれアルミニウム及びチタ
ンを用いるとともに、前記反応ガスとして窒素を用い、
プラズマアーク放電を行ってAlとTiＮとを含有する超微
粒子混合物を製造し、前記混合物を熱処理することによ
り、金属アルミニウムのマトリックス中に、Al ₃ Ti相と
窒化チタン超微粒子とが分散した粒子強化複合材を製造
することを特徴とする方法。