JP4030299B2 - 中空構造を有する金属−セラミックス複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−セラミックス複合材料の製造方法に関し、特に中空構造を有する金属−セラミックス複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料において、中空構造を有する複合材料を作製するためには、方法として複合材料とした後に内部をくりぬくことも考えられるが、その作業は極めて困難である。
【０００３】
そこで、底板を有し、かつ壁で２分割以上に区分された空間構造を有する、言い換えればリブ構造を有する複合材料を作製し、その上部に板状の複合材料からなる天板を配置し、それらを加熱処理することにより、リブ構造を有する複合材料中の金属と天板の複合材料中の金属とを溶融、融着させ、リブ構造を有する複合材料と天板の複合材料とを接合して中空構造を有する複合材料を作製していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この接合による製造方法では、複合材料中の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合、リブ構造を有する複合材料中及び天板の複合材料中のアルミニウムまたはアルミニウム合金が接合部に溶出することによって、成した複合材料中のリブ構造を有する複合材料と天板の複合材料との接合面近辺にアルミニウムまたはアルミニウム合金の抜けたポアが生じるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来技術が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、複合材料中にポアが生じることのない中空構造を有する金属−セラミックス複合材料の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、リブ構造を有する複合材料の壁に、壁の上端から底板まで貫通する穴（以下、鉛直穴と言う）を壁の内部に設け、その穴にＭｇを含むセラミックス粉末を充填し、その充填したセラミックス粉末にアルミニウムまたはアルミニウム合金を底板側から浸透させて、リブ構造を有する複合材料の上部に配置した天板の複合材料と接合すれば、成した複合材料中のその接合面近辺にポアが生じることのない中空構造を有する金属−セラミックス複合材料が得られるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち本発明は、中空構造を有する金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、底板を有し、かつ壁で２分割以上に区分された空間構造を有する、金属をアルミニウムまたはアルミニウム合金とする金属−セラミックス複合材料を作製し、その作製した複合材料の１つ以上の壁に、壁の上端から底板まで貫通する穴を壁の内部に１つ以上設け、その穴にＭｇを含むセラミックス粉末を含有するスラリーを流し込み乾燥した後、その複合材料の上部に、金属をアルミニウムまたはアルミニウム合金とする金属−セラミックス複合材料からなる天板を配置し、乾燥されて前記穴に充填されたＭｇを含むセラミックス粉末にアルミニウムまたはアルミニウム合金を底板側で接触させ、それを窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で加熱処理することによって溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を底板側から非加圧で浸透させることにより、空間構造を有する複合材料と天板の複合材料とを接合することを特徴とする中空構造を有する金属−セラミックス複合材料の製造方法とすることを要旨とする。
以下さらに詳細に説明する。
【０００８】
上記で述べたように、本発明の製造方法では、図１（断面図であり、手前及び奥の壁は図示されていない）に示す通り、リブ構造を有する複合材料に設けた鉛直穴に充填されたセラミックス粉末に、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を底板側から浸透させることにより、浸透したアルミニウムまたはアルミニウム合金が、鉛直穴の下側から上昇して天板の複合材料との接合部にまで達し、天板の複合材料中のアルミニウムまたはアルミニウム合金と融着してリブ構造を有する複合材料と天板の複合材料とが強固に接合されるものである。
【０００９】
そのため、この方法では、天板の複合材料中のアルミニウムまたはアルミニウム合金と融着するリブ構造を有する複合材料中のアルミニウムまたはアルミニウム合金が、底板側から新しく供給されるアルミニウムまたはアルミニウム合金であって、複合材料中に前から存在するアルミニウムまたはアルミニウム合金ではないので、複合材料中のアルミニウムまたはアルミニウム合金が溶出して複合材料中にポアを生じさせるということはない。
【００１０】
さて、鉛直穴に充填するセラミックス粉末に対してＭｇを含ませるのは、浸透させるアルミニウムまたはアルミニウム合金の浸透をさらに促進するためであり、その含有量としては、セラミックス粉末１００質量部に対して３〜６質量部が好ましい。浸透させるアルミニウムまたはアルミニウム合金にもＭｇを含ませれば、さらに好ましいものとなる。
【００１１】
その充填するセラミック粉末の種類としては、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ等のセラミックス粉末が挙げられるが、アルミニウムまたはアルミニウム合金と反応しないセラミックス粉末であれば何でも構わない。セラミックス粉末の細かさは特に限定するものではないが、平均粒径で１０〜１５０μｍ程度でよい。設ける鉛直穴の個数やその大きさについては、接合する複合材料の大きさや厚さに合わせて適宜選べばよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法をさらに詳細に述べると、先ずリブ構造を有する複合材料を作製する。この作製方法については、例えば、セディメントキャスト法などでセラミックス粉末またはセラミックス繊維でリブ構造を有するプリフォームを形成し、そのプリフォームに溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させれば得られる。
【００１３】
次いで、天板となる複合材料も作製する。この複合材料の作製も、先と同じように例えば、セラミックス粉末またはセラミックス繊維で板状のプリフォームを形成し、そのプリフォームに溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させれば得られる。
【００１４】
得られたリブ構造を有する複合材料の１つ以上の壁に１つ以上の鉛直穴を設ける。鉛直穴を開ける方法は、複合材料とした後に機械加工で開けてもよいし、先のプリフォームの段階で壁に鉛直穴を有するプリフォームを形成し、それにアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させて壁に鉛直穴を有する複合材料を作製してもよい。
【００１５】
得られた複合材料の鉛直穴にＭｇを含むセラミックス粉末を含有するスラリーを流し込み乾燥してセラミックス粉末を充填する。場合によっては接合をさらに強固にするため、鉛直穴以外の部分の壁の上面や鉛直穴を設けない壁の上面にも先のセラミックス粉末にさらにアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末を加えてスラリーとしたものを塗布してもよい。セラミックス粉末の種類としては、熱膨張等の関係からリブ構造を有する複合材料中及び天板の複合材料中のセラミックスの種類と同一の方が好ましい。鉛直穴に充填するスラリーは、例えばＭｇを含むセラミックス粉末１００質量部に対して２０〜３０質量部のエチルシリケートを加え、それを混合すれば得られる。スラリーの粘度等については、鉛直穴の大きさ、深さ等に合わせて適宜決めればよい。
【００１６】
次に、鉛直穴にセラミックス粉末が充填されたリブ構造を有する複合材料の上部に先の複合材料からなる天板を配置し、それらをアルミニウムまたはアルミニウム合金のインゴット上に配置する。それを窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で６〜１２時間加熱処理することにより、リブ構造を有する複合材料と天板の複合材料とが接合されて中空構造を有する複合材料が作製される。
【００１７】
以上の方法で複合材料を作製すれば、複合材料中にポアが生じることのない中空構造を有する金属−セラミックス複合材料の製造方法となる。
【００１８】
【実施例】
以下本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１９】
（実施例１）
（１）中空構造を有する複合材料の作製
市販のＳｉＣ粉末により、図１中の１に示すリブ構造を有する形状、今回は幅６００×奥行３００×厚さ１５ｍｍの底板を有し、その底板の４辺上に高さ３００×厚さ１５ｍｍの外壁を有し、底板と外壁により作られた空間を２分割する、高さ３００×奥行２７０×厚さ２０ｍｍの中央壁（この中央壁の中央部に直径１５ｍｍの鉛直穴を一つ設けてある）を有するプリフォームをセディメントキャスト法で形成し、そのプリフォームにＡｌ−３Ｍｇ組成のアルミニウム合金を含浸させて中央壁に鉛直穴を設けたリブ構造を有する複合材料を作製した。
【００２０】
ここで、平均粒径が１００μｍのＳｉＣ粉末１００質量部に対してＭｇ粉末を４質量部加え、さらにそのＭｇを含むセラミックス粉末１００重量部に対してエチルシリケートを２５質量部加え混合してスラリーを調製し、このスラリーを先に作製した複合材料の鉛直穴に流し込み乾燥した。これとは別に鉛直穴以外の部分の壁の上面と外側の壁の上面にも、先と同じスラリーにさらにＡｌ−３Ｍｇ組成のアルミニウム粉末を加えたスラリーを塗布し乾燥した。
【００２１】
次いで、上記と同じ材料を用い、幅６００×奥行３００×厚さ１０ｍｍのプリフォームを形成し、その形成したプリフォームに上記と同様Ａｌ−３Ｍｇ組成のアルミニウム合金を含浸させて天板となる複合材料（図１中の２に示す）を作製した。
【００２２】
得られた天板となる複合材料をリブ構造を有する複合材料の上部に配置し、それらをＡｌ−３Ｍｇ組成からなるインゴットの上面に配置し、それを窒素雰囲気中で８３０℃の温度で加熱処理して溶融したアルミニウム合金を底板側から非加圧で浸透させて、リブ構造を有する複合材料と天板の複合材料とを接合させ、中空構造を有する複合材料を作製した。
【００２３】
（２）評価
得られた中空構造を有する複合材料の、リブ構造を有する複合材料と天板の複合材料との接合面の近辺を切断し、その切断面に存在するポアの有無を目視で調べた。その結果、ポアは認められず、アルミニウム合金が密に充填されていた。このことは、本発明の製造方法であれば、複合材料中にポアが生じることのない中空構造を有する金属−セラミックス複合材料の製造方法となることを示している。
【００２４】
（比較例１）
比較例１として、先のリブ構造を有する複合材料には鉛直穴を設けず、その複合材料の上部に直接天板となる複合材料を配置し、それらを窒素雰囲気中で８３０℃の温度で加熱処理してリブ構造を有する複合材料と天板の複合材料とを接合して中空構造を有する複合材料を作製し、その作製した複合材料を実施例と同様に評価した。その結果、切断面に１ｍｍ程度のポアがいくつか認められた。
【００２５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の製造方法であれば、複合材料中にポアが生じることのない中空構造を有する金属−セラミックス複合材料の製造方法とすることができるようになった。このことにより、中空構造を有する複合材料をリブ構造を有する複合材料と天板となる複合材料とを接合して作製しても、接合部近辺に欠陥のないものを作製することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】中央に位置する壁の鉛直穴にスラリーが乾燥されてセラミックス粉末が充填されたリブ構造を有する複合材料の上部に、天板となる複合材料を配置し、それらをアルミニウム合金上に配置した状態の断面図である。
【符号の説明】
１ リブ構造を有する複合材料
２ 天板（複合材料）
３ アルミニウム合金
４ スラリー
１１ 底板
１２ 壁
１３ 鉛直穴（セラミックス粉末充填済）

Claims (1)

1. 中空構造を有する金属−セラミックス複合材料の製造方法であって、底板を有し、かつ壁で２分割以上に区分された空間構造を有する、金属をアルミニウムまたはアルミニウム合金とする金属−セラミックス複合材料を作製し、その作製した複合材料の１つ以上の壁に、壁の上端から底板まで貫通する穴を壁の内部に１つ以上設け、その穴にＭｇを含むセラミックス粉末を含有するスラリーを流し込み乾燥した後、その複合材料の上部に、金属をアルミニウムまたはアルミニウム合金とする金属−セラミックス複合材料からなる天板を配置し、乾燥されて前記穴に充填されたＭｇを含むセラミックス粉末にアルミニウムまたはアルミニウム合金を底板側で接触させ、それを窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で加熱処理することによって溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金を底板側から非加圧で浸透させることにより、空間構造を有する複合材料と天板の複合材料とを接合することを特徴とする中空構造を有する金属−セラミックス複合材料の製造方法。

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