JP4109507B2 - 複合構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、芯材の外周をこの芯材とは異なる組成からなる表皮部材にて被覆してなる複合構造体とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、繊維等長尺状の芯材の外周を他の部材にて被覆することにより、構造体の硬度や強度に加えて靭性を改善する技術が研究されており、例えば、ＵＳＰ５６４５７８１号には、多量の有機バインダ（熱可塑性ポリマー）を含有させた第１セラミック粉末からなる円筒状の芯材用成形体の外周に、この芯材とは異なる第２セラミック粉末と、有機バインダとからなる表皮部材用成形体を配した積層成形体を共押出して伸延し、これを焼結して非脆性破壊特性を示す靭性に優れた複合構造体を得ることができると記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＵＳＰ５６４５７８１号にて開示された方法で得られた複合構造体では、共押出成形を行うために多量の有機バインダを添加する必要があることから、焼成中に多量の有機バインダを分解揮散させる必要があるが、実際には脱バインダ処理に限界があり、特に複合構造体の内部に位置する芯材中に有機バインダが分解揮散しきれず残存した残留炭素が多く残ってしまう結果、芯材が焼結不良になって、焼結密度が上がらず複合構造体の強度が低下するという問題があった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためのもので、その目的は特に有機バインダを多量に加えて成形、焼成することにより複合構造体を作製する場合でも、効率よく脱バインダ処理を行うことができ、強度、硬度および靭性に優れた複合構造体およびその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題について検討した結果、芯材を構成する原料中に酸化物粉末を添加し、焼結時に前記酸化物粉末を炭化または窒化させて酸素を放出させ、有機バインダの残渣として残存する残留炭素とを反応させること等により、芯材中に残存する余分な残留炭素の残存量を低減することができるとともに、前記酸化物粉末をより高硬度な炭化物、窒化物または炭窒化物に変質させることができる結果、硬度、靭性に優れるとともに強度に優れた複合構造体となることを知見した。
【０００８】
また、本発明の複合構造体の製造方法は、 周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｎＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の粉末と、結合金属粉末と、有機バインダと、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上からなる第１の硬質粒子とからなる混合物を長尺状に成形して芯材用成形体を作製する（Ａ）工程と、前記第１の硬質粒子とは異なる組成の硬質粒子と、結合金属粉末と、有機バインダとからなるか、またはセラミック粒子と、焼結助剤粉末と、有機バインダとからなる表皮部材用成形体を成形して前記芯材用成形体の外周を被覆するように配した複合成形体を作製する（Ｂ）工程と、前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ ２ 、ＺｎＯおよびＳｎＯ ２ の群から選ばれる少なくとも１種の粉末が炭化または窒化しながら、または炭化または窒化した後、前記複合成形体を焼成する（Ｃ）工程とを具備することを特徴とするものである。
【０００９】
さらに、本発明の複合構造体の製造方法は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｎＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の粉末と、焼結助剤粉末と、有機バインダと、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＺｎの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる第１のセラミック粉末とからなる混合物を長尺状に成形して芯材用成形体を作製する（Ａ）工程と、前記第１のセラミック粒子とは異なる組成のセラミック粒子と、焼結助剤粉末と、有機バインダとからなるか、または硬質粒子と、結合金属粉末と、有機バインダとからなる表皮部材用成形体を成形して前記芯材用成形体の外周を被覆するように配した複合成形体を作製する（Ｂ）工程と、前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ ２ 、ＺｎＯおよびＳｎＯ ２ の群から選ばれる少なくとも１種の粉末が炭化または窒化しながら、または炭化または窒化した後、前記複合成形体を焼成する（Ｃ）工程とを具備することを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、前記有機バインダを３０〜７０体積％添加すること、前記（ｃ）工程において、真空または不活性雰囲気中、１０００〜１５００℃で０．５〜５時間熱処理して、前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ ２ 、ＺｎＯおよびＳｎＯ ２ の群から選ばれる少なくとも１種の粉末を炭化または窒化させた後、真空または不活性雰囲気中、１３００〜１９００℃で０．５〜５時間焼成することが望ましい。
【００１１】
さらに、前記（ｃ）工程において、前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ ２ 、ＺｎＯおよびＳｎＯ ２ の群から選ばれる少なくとも１種の粉末が前記（ａ）工程の有機バインダの残渣と反応して炭化すること、前記（ｂ）工程で得られた複合成形体を共押出成形により伸延すること、前記共押出成形にて伸延された複合成形体を複数本収束して再度共押出成形してマルチフィラメント構造の複合成形体を作製することが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の複合構造体についてその一実施例についての概略斜視図である図１を基に説明する。
【００１３】
図１によれば、複合構造体１は長尺状の芯材２の外周を表皮部材３にて被覆した構造からなる。
【００１４】
本発明によれば、芯材２を構成する材質としては、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上からなる第１の硬質粒子、特にＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＶＣ、Ｃｒ2ＣおよびＭｏ2Ｃの群から選ばれる少なくとも１種、さらにはＷＣ、ＴｉＣまたはＴｉＣＮを主成分とする第１の硬質粒子と、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの群から選ばれる少なくとも１種、特にＣｏおよび／またはＮｉからなる結合金属にて結合してなる第１の硬質焼結体、特に超硬合金またはサーメットが好適に使用可能である。
【００１５】
また、本発明によれば、芯材２を構成する材質としては、上記硬質焼結体以外にも、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および炭窒化物からなる第１のセラミック粒子、中でもＴｉＣ（ＴｉＣＮ）、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4およびＴｉＢ2の群から選ばれる少なくとも１種、さらにはＳｉ3Ｎ4および／またはＳｉＣが好適に使用可能である。なお、第１のセラミックス中には適宜焼結助剤成分を含有せしめることも可能である。
【００１６】
そして、本発明によれば、芯材２の外周を覆う表皮部材３の材質としては前記芯材２とは異なる材質の第２の硬質焼結体または第２のセラミックスを用いる。
【００１７】
第２の硬質焼結体または第２のセラミックスとしては、上述した芯材２に用いられる材質の他、多結晶ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ｃＢＮをも用いることができる。
【００１８】
さらに、芯材２（をなす第１の硬質焼結体または第１のセラミックス）−表皮部材３（をなす第２の硬質焼結体または第２のセラミックス）との組み合わせは、例えば超硬合金−サーメット、超硬合金−ｃＢＮ、超硬合金−ダイヤモンド焼結体、超硬合金−アルミナ、超硬合金−窒化珪素、サーメット−超硬合金、サーメット−ダイヤモンド焼結体、サーメット−アルミナ、サーメット−窒化珪素、（アルミナ、炭窒化チタン）−アルミナ、炭化珪素−窒化珪素、（炭化珪素、窒化珪素）−窒化珪素、炭化珪素−ダイヤモンド焼結体、アルミナ−サーメット、アルミナ−超硬合金、（アルミナ、炭窒化チタン）−超硬合金、（アルミナ、炭窒化チタン）−サーメット、アルミナ−ジルコニア、（アルミナ、炭窒化チタン）−ジルコニア、（アルミナ、炭窒化チタン）−（アルミナ、ジルコニア）、窒化ケイ素−アルミナ、窒化ケイ素−（希土類酸化物、アルミナ、シリカ）、ダイヤモンド焼結体−ｃＢＮ、窒化ケイ素−超硬合金、窒化ケイ素−サーメット、ダイヤモンド−（アルミナ、炭窒化チタン）、ｃＢＮ−（アルミナ、炭窒化チタン）、（アルミナ、炭窒化チタン）−炭化ケイ素、アルミナ−炭化ケイ素の群から選ばれる１種が特に好適に使用可能であり、中でも、硬度、靭性のバランスがよく切削工具として好適に使用可能な点で、超硬合金−サーメット、超硬合金−ダイヤモンド焼結体および（アルミナ、炭窒化チタン）−アルミナの群から選ばれる１種が最適である。
【００１９】
ここで、本発明によれば、上記芯材２をなす第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子が酸化物粉末の少なくとも一部を焼成時に炭化または窒化したものからなることが大きな特徴であり、これによって、複合構造体１の内部に位置する芯材２中に有機バインダが分解揮散しきれず残存した残留炭素が多く残存して、芯材２が焼結不良となることなく複合構造体１の強度を向上させることができるという効果がある。なお、芯材２中の残留炭素量Ｃinと表皮部材３中の残留炭素量Ｃoutとの比Ｃin／Ｃoutは０．５〜２であることが望ましい。
【００２０】
また、芯材２の緻密化を図り複合構造体１の強度を向上させる点で、芯材２中の残留炭素量Ｃinが１重量％以下、特に０．５重量％以下、さらには０．２重量％以下であることが望ましい。換言すれば、複合構造体１の芯材２および表皮部材３のＡＮＳＩ／ＡＳＴＭ Ｂ２７６−５４に基づく多孔度はともにＡ０４以下またはＢ０４以下、望ましくはＡ０２以下となる。なお、本発明における残留炭素量とは、金属と結合して炭化物や炭窒化物を構成する炭素成分を除いた遊離炭素成分の芯材２（または表皮部材３）全量に対する含有比率を指す。
【００２１】
さらに、本発明によれば、複合構造体１の金属酸化物が反応して生成された炭化物、窒化物または炭窒化物が粒子分散強化機構に寄与して構造体の靭性を高めることができる点で、芯材２中に第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子を構成する金属成分と同じ金属の酸化物が混在したものであってもよい。なお、表皮部材３中にも上記第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子を構成する金属成分と同じ金属酸化物粒子か、または他の金属酸化物粒子を分散含有せしめることも可能である。
【００２２】
一方、芯材２をなす第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子の平均粒径は、複合構造体１の硬度および強度向上の点、および芯材２と表皮部材３中の結合材（結合金属、焼結助剤）の含有量を適正化する点で０．０５〜１０μｍ、特に０．１〜３μｍであることが望ましく、他方、表皮部材３をなす第２の硬質粒子または第２のセラミック粒子の平均粒径は、複合構造体１の靭性向上の点で、０．０１〜５μｍ、特に０．０１〜２μｍであることが望ましい。
【００２３】
また、複合構造体１の構成として、硬度および靭性の両立を図る点で、芯材２の直径Ｄ1が２〜１０００μｍ、特に１０〜５００μｍ、さらに、５０〜２００μｍ、表皮部材３の厚みＤ2が１〜５００μｍ、特に２〜１００μｍ、さらに１０〜５０μｍであることが望ましい。
【００２４】
さらに、本発明によれば、上述した芯材２の外周に表皮部材３を被覆した複合構造体１を図１（ａ）のように複数本収束したマルチフィラメント構造とすることもでき、これによって、さらに複合構造体の靭性を向上できる。しかも、本発明によれば、かかる複合構造体１を多数本収束するような場合においても、有機バインダの脱バインダ性が低下することなく良好に収束体の中心付近に位置する複合構造体の残留炭素量を減じて構造体全体が緻密化した高強度な構造体となる。
【００２５】
なお、本発明によれば、複合構造体１、またはその収束体の直径、または厚みが、特に１ｍｍ以上、特に５ｍｍ以上、さらに１０ｍｍ以上、および／または長尺長さが１０ｍｍ以上、特に３０ｍｍ以上、さらに５０ｍｍ以上の場合においても、構造体の中心付近に存在する複合構造体の芯材の残留炭素量をも効率よく低減することができるとともに、芯材２と表皮部材３との剥離をも低減せしめることができるものである。
【００２６】
さらに、本発明においては、上記長尺状の複合構造体を並列に整列せしめてシート状となすこともでき、さらには、該シート複数枚を隣接するシートの長尺体同士が０°、４５°、９０°等の所定の角度をなすように積層することも可能である。
【００２７】
（製造方法）
次に、本発明の複合構造体を製造する方法について、図２の模式図をもとにその一例について説明する。
【００２８】
まず、例えば、平均粒径０．０１〜１０μｍの周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの酸化物粉末を０．０１〜５０重量％、特に０．１〜２０重量％、さらに１０〜２０重量％と、平均粒径０．０１〜１０μｍの周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上からなる第１の硬質粒子、または周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＺｎの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる第１のセラミック粉末を３０〜８０重量％、特に５０〜７０重量％と、所望により、第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子を構成する金属成分と同じ金属粉末を３０重量％以下、特に２０重量％以下と、所望により、平均粒径０．０１〜１０μｍの鉄族金属粉末を５〜２０重量％と、焼結助剤成分粉末１〜２０重量％との割合で混合し、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレート、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加して混錬し、プレス成形または鋳込み成形等の成形法により円柱形状に成形して芯材用成形体１２を作製する。（図２（ａ）参照）
ここで、後述する共押出成形によって均質な複合成形体を得るためには、前記有機バインダの添加量を３０〜７０体積％、特に４０〜６０体積％とすることが望ましい。
【００２９】
一方、前記芯材用成形体１２とは違う組成の表皮部材３をなす混合材料を前述したバインダとともに混錬してプレス成形、押出成形または鋳込み成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮部材用成形体１３を作製し、この表皮部材用成形体１３を芯材用成形体１２の外周を覆うように配置した成形体１１を作製する。（図２（ａ）参照）
そして、上記成形体１１を押出成形して芯材用成形体１２と表皮部材用成形体１３を共押出成形することにより芯材用成形体１２の周囲に表皮部材用成形体１３が被覆され、細い径に伸延された複合成形体１５を作製する（図２（ｂ）参照）。また、マルチフィラメント構造の構造体を作製するには、上記共押出した長尺状の複合成形体１５を複数本収束して再度共押出成形すれば良い（図２（ｃ）参照）。
【００３０】
さらに上記伸延された長尺状の複合成形体１５を所望により再度共押出成形して、断面が円形、三角形、四角形をなす長尺状に成形することもでき、また、上記長尺状の複合成形体１５を整列させてシートとし、このシート複数枚を長尺状の複合成形体１５同士が並行、直交または４５°等の所定の角度をなすように積層された積層体とすることもでき、さらに、公知のラピッドプロトダイビング法等の成形方法によって任意の形状に成形することも可能である。さらには、上記整列したシートまたはこのシートを断面方向にスライスした複合構造体のシートを従来の超硬合金等の硬質合金焼結体（塊状体）の表面に貼り合わせ、または接合することも可能である。
【００３１】
そして、上記複合成形体１５を１００〜７００℃で１０〜２００時間昇温または保持する脱バインダ処理した後、真空中、または不活性雰囲気中、所定温度、時間で焼成することにより本発明の複合構造体を作製することができる。
【００３２】
本発明によれば、芯材２中に添加した第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子の金属成分と同じ金属酸化物粉末が、焼結時に炭化または窒化して酸素を放出し、特に、前記有機バインダの残渣として残存する残留炭素と反応して炭化物を生成させることにより、余分な残留炭素の残存を低減することができるとともに、金属酸化物粉末がより高硬度、高強度な炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種に変質することによって、硬度、靭性、強度に優れた焼結体を作製することができる。
【００３３】
なお、本発明によれば、原料中の金属粉末を脱バインダ後の残留炭素と反応せしめて炭化物を生成させる必要があるために、真空または不活性ガス雰囲気中、１０００〜１５００℃、特に１１５０〜１４００℃で、０．５〜５時間、特に１〜３時間熱処理することが望ましく、また、８００℃以上の昇温速度を３℃／分以下に制御することが望ましい。また、焼成は真空または不活性雰囲気中，１３００〜１９００℃特に１４００〜１８００℃で０．５〜５時間特に１〜５時間の条件とすることが望ましい。さらに、芯材２と表皮部材３との間の残留応力を抑制する点で、降温速度を３℃／分以下とすることが望ましい。
【００３４】
さらに、本発明によれば、酸化物粉末とともに金属粉末を添加してその一部については、酸化、硼化または窒化せしめることによって体積膨張させることも可能である。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末８０重量％と、平均粒径１μｍのＣｏ粉末１０重量％と、平均粒径２μｍのＴｉＣ粉末５重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＯ2粉末５重量％と、の割合で添加し、それに有機バインダとしてセルロース、ポリエチレングリコールを、溶剤としてポリビニルアルコールを総量で１００体積部加えて混錬して、円柱形状に押出成形して芯材用成形体を作製した。
【００３６】
一方、平均粒径１．５μｍのＴｉＣＮ粉末５０重量％と、平均粒径１．５μｍのＴｉＣ粉末１３重量％と、平均粒径１μｍのＣｏ粉末７重量％と、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末１９重量％と、平均粒径２μｍのＭｏ2Ｃ粉末６重量％と、平均粒径２μｍのＶＣ粉末５重量％との割合で添加し、これに、上記同様の有機バインダ、溶剤を加えて混錬し、半割円筒形状の表皮部材用成形体２つを押出成形にて作製し、前記芯材用成形体の外周を覆うように配置して複合構造体を作製した。
【００３７】
そして、上記成形体を共押出して伸延された複合成形体を作製した後、この伸延された複合成形体１００本を収束して再度共押出成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作製した。
【００３８】
次に、上記マルチフィラメントタイプの複合成形体を１００ｍｍの長さにカットし、並列に整列させてシート状とし、このシート６枚を隣接するシート内の複合構造体同士が４５°の角度となるように積層して直方体形状の積層成形体を作製した。
【００３９】
その後、前記積層成形体に対して１００〜７００℃まで１００時間で昇温することによって脱バインダ処理を行った後、昇温速度２．５℃／分で昇温し、真空中、１３００℃で１時間保持し、１４５０℃で２時間焼成し、さらに３℃／分で降温して複合構造体を作製した。
【００４０】
得られた複合構造体に対して、構造体全体の遊離炭素量を測定するとともに、芯材中の残留炭素量Ｃinと表皮部材中の残留炭素量Ｃoutをそれぞれ測定したところ、芯材中の残留炭素量Ｃinは０．０１重量％、表皮部材中の残留炭素量Ｃoutは０．１重量％であった。
【００４１】
なお、複合構造体の断面を観察したところ、芯材の直径は９０μｍ、表皮部材の厚みは５μｍであり、芯材と表皮部材との間に剥離等は見られず、さらに、Ｘ線回折測定から芯材の表皮部材との界面における残留応力を測定した結果、芯材２には２３０ＭＰａの圧縮応力がかかっていることがわかった。また、複合部材の３点曲げ強度を測定した結果、２５００ＭＰａであった。また、多孔度は表皮部材がＡ０２、芯材がＡ０１であった。
【００４２】
（比較例）
実施例１の芯材用原料を、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末８５重量％と、平均粒径１μｍのＣｏ粉末１０重量％と、平均粒径２μｍのＴｉＣ粉末５重量％と、の割合からなる混合粉末に代える以外は実施例１と同様に複合構造体を作製し、同様に評価したところ、芯材中の残留炭素量Ｃinは４．５６重量％、表皮部材中の残留炭素量Ｃoutは２．００重量％であった。また、複合構造体の断面観察を行った結果、芯材と表皮部材との界面に多数の剥離が見られた。さらにまた、複合構造体の３点曲げ強度は５００ＭＰａであった。また、多孔度は表皮部材がＣ０１、芯材がＣ０６であった。
【００４３】
（実施例２）
実施例１の表皮部材用原料を、平均粒径１．５μｍのＴｉＣＮ粉末５０重量％と、平均粒径１．５μｍのＴｉＣ粉末１０重量％と、平均粒径１μｍのＣｏ粉末７重量％と、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末１９重量％と、平均粒径２μｍのＭｏ2Ｃ粉末６重量％と、平均粒径２μｍのＶＣ粉末５重量％と平均粒径１．０μｍのＴｉＯ2粉末３重量％との割合からなる混合粉末に代える以外は実施例１と同様に複合構造体を作製し、同様に評価したところ、芯材中の残留炭素量Ｃinは０．０１重量％、表皮部材中の残留炭素量Ｃoutは０．０１重量％であった。さらに、Ｘ線回折測定から芯材の表皮部材との界面における残留応力を測定した結果、芯材２には２００ＭＰａの圧縮応力がかかっていることがわかった。また、複合構造体の３点曲げ強度は２６００ＭＰａであった。また、多孔度は表皮部材がＡ００、芯材がＡ００であった。
【００４４】
（実施例３）
実施例１の芯材用原料を、平均粒径０．２μｍのＡｌ2Ｏ3粉末７０重量％、平均粒径０．５μｍのＴｉＣ粉末２１重量％、平均粒径０．５μｍのＴｉＮ粉末５重量％、平均粒径１μｍのＹ2Ｏ3０．５重量％、平均粒径１μｍのＭｇＯ０．５重量％、平均粒径１μｍのＣｏ3Ｏ4０．５重量％、平均粒径１．５μｍのＴｉＯ2２．５重量％の割合からなる混合粉末に代えるとともに、表皮部材用原料を、平均粒径０．２μｍのＡｌ2Ｏ3粉末８４重量％と、平均粒径０．５μｍのＺｒＯ2粉末１２重量％と、平均粒径１μｍのＹ2Ｏ3０．５重量％、平均粒径１μｍのＭｇＯ０．５重量％、平均粒径１μｍのＣｏ3Ｏ4０．５重量％、平均粒径１．５μｍのＴｉＯ2粉末２．５重量％の割合からなる混合粉末に代える以外は実施例１と同様にして直方体形状の積層成形体を作製した。
【００４５】
その後、前記積層成形体に対して１００〜７００℃まで１００時間で昇温することによって脱バインダ処理を行った後、昇温速度２．５℃／分で昇温し、真空中、１３００℃で１時間保持し、１６００℃で２時間焼成し、さらに３℃／分で降温して複合構造体を作製した。
【００４６】
実施例１と同様に評価したところ、芯材中の残留炭素量Ｃinは０．０１５重量％、表皮部材中の残留炭素量Ｃoutは０．０１２重量％であった。さらに、芯材の表皮部材との界面における残留応力を測定した結果、芯材２には２５０ＭＰａの圧縮応力がかかっていることがわかった。また、複合構造体の３点曲げ強度は９５０ＭＰａであった。さらに、多孔度は表皮部材がＡ０１、芯材がＡ０１であった。
【００４７】
【発明の効果】
以上より、本発明の複合構造体によれば、芯材を構成する原料中に第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子の金属成分と同じ金属酸化物粉末を添加し、焼結時に前記金属酸化物粉末を炭化または窒化して有機バインダの残渣として残存する残留炭素とを反応させること等により、芯材中に残存する余分な残留炭素の残存量を低減することができる結果、硬度、靭性に優れるとともに強度に優れた複合構造体となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合構造体の一例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の複合部材の製造工程を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 複合構造体
２ 芯材
３ 表皮部材
１１ 複合成形体
１２ 芯材用成形体
１３ 表皮部材用成形体
１５ 複合成形体
【発明の属する技術分野】
本発明は、芯材の外周をこの芯材とは異なる組成からなる表皮部材にて被覆してなる複合構造体とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、繊維等長尺状の芯材の外周を他の部材にて被覆することにより、構造体の硬度や強度に加えて靭性を改善する技術が研究されており、例えば、ＵＳＰ５６４５７８１号には、多量の有機バインダ（熱可塑性ポリマー）を含有させた第１セラミック粉末からなる円筒状の芯材用成形体の外周に、この芯材とは異なる第２セラミック粉末と、有機バインダとからなる表皮部材用成形体を配した積層成形体を共押出して伸延し、これを焼結して非脆性破壊特性を示す靭性に優れた複合構造体を得ることができると記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＵＳＰ５６４５７８１号にて開示された方法で得られた複合構造体では、共押出成形を行うために多量の有機バインダを添加する必要があることから、焼成中に多量の有機バインダを分解揮散させる必要があるが、実際には脱バインダ処理に限界があり、特に複合構造体の内部に位置する芯材中に有機バインダが分解揮散しきれず残存した残留炭素が多く残ってしまう結果、芯材が焼結不良になって、焼結密度が上がらず複合構造体の強度が低下するという問題があった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためのもので、その目的は特に有機バインダを多量に加えて成形、焼成することにより複合構造体を作製する場合でも、効率よく脱バインダ処理を行うことができ、強度、硬度および靭性に優れた複合構造体およびその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題について検討した結果、芯材を構成する原料中に酸化物粉末を添加し、焼結時に前記酸化物粉末を炭化または窒化させて酸素を放出させ、有機バインダの残渣として残存する残留炭素とを反応させること等により、芯材中に残存する余分な残留炭素の残存量を低減することができるとともに、前記酸化物粉末をより高硬度な炭化物、窒化物または炭窒化物に変質させることができる結果、硬度、靭性に優れるとともに強度に優れた複合構造体となることを知見した。
【０００８】
また、本発明の複合構造体の製造方法は、 周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｎＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の粉末と、結合金属粉末と、有機バインダと、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上からなる第１の硬質粒子とからなる混合物を長尺状に成形して芯材用成形体を作製する（Ａ）工程と、前記第１の硬質粒子とは異なる組成の硬質粒子と、結合金属粉末と、有機バインダとからなるか、またはセラミック粒子と、焼結助剤粉末と、有機バインダとからなる表皮部材用成形体を成形して前記芯材用成形体の外周を被覆するように配した複合成形体を作製する（Ｂ）工程と、前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ ２ 、ＺｎＯおよびＳｎＯ ２ の群から選ばれる少なくとも１種の粉末が炭化または窒化しながら、または炭化または窒化した後、前記複合成形体を焼成する（Ｃ）工程とを具備することを特徴とするものである。
【０００９】
さらに、本発明の複合構造体の製造方法は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｎＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の粉末と、焼結助剤粉末と、有機バインダと、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＺｎの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる第１のセラミック粉末とからなる混合物を長尺状に成形して芯材用成形体を作製する（Ａ）工程と、前記第１のセラミック粒子とは異なる組成のセラミック粒子と、焼結助剤粉末と、有機バインダとからなるか、または硬質粒子と、結合金属粉末と、有機バインダとからなる表皮部材用成形体を成形して前記芯材用成形体の外周を被覆するように配した複合成形体を作製する（Ｂ）工程と、前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ ２ 、ＺｎＯおよびＳｎＯ ２ の群から選ばれる少なくとも１種の粉末が炭化または窒化しながら、または炭化または窒化した後、前記複合成形体を焼成する（Ｃ）工程とを具備することを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、前記有機バインダを３０〜７０体積％添加すること、前記（ｃ）工程において、真空または不活性雰囲気中、１０００〜１５００℃で０．５〜５時間熱処理して、前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ ２ 、ＺｎＯおよびＳｎＯ ２ の群から選ばれる少なくとも１種の粉末を炭化または窒化させた後、真空または不活性雰囲気中、１３００〜１９００℃で０．５〜５時間焼成することが望ましい。
【００１１】
さらに、前記（ｃ）工程において、前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ ２ 、ＺｎＯおよびＳｎＯ ２ の群から選ばれる少なくとも１種の粉末が前記（ａ）工程の有機バインダの残渣と反応して炭化すること、前記（ｂ）工程で得られた複合成形体を共押出成形により伸延すること、前記共押出成形にて伸延された複合成形体を複数本収束して再度共押出成形してマルチフィラメント構造の複合成形体を作製することが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の複合構造体についてその一実施例についての概略斜視図である図１を基に説明する。
【００１３】
図１によれば、複合構造体１は長尺状の芯材２の外周を表皮部材３にて被覆した構造からなる。
【００１４】
本発明によれば、芯材２を構成する材質としては、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上からなる第１の硬質粒子、特にＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＶＣ、Ｃｒ2ＣおよびＭｏ2Ｃの群から選ばれる少なくとも１種、さらにはＷＣ、ＴｉＣまたはＴｉＣＮを主成分とする第１の硬質粒子と、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの群から選ばれる少なくとも１種、特にＣｏおよび／またはＮｉからなる結合金属にて結合してなる第１の硬質焼結体、特に超硬合金またはサーメットが好適に使用可能である。
【００１５】
また、本発明によれば、芯材２を構成する材質としては、上記硬質焼結体以外にも、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および炭窒化物からなる第１のセラミック粒子、中でもＴｉＣ（ＴｉＣＮ）、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4およびＴｉＢ2の群から選ばれる少なくとも１種、さらにはＳｉ3Ｎ4および／またはＳｉＣが好適に使用可能である。なお、第１のセラミックス中には適宜焼結助剤成分を含有せしめることも可能である。
【００１６】
そして、本発明によれば、芯材２の外周を覆う表皮部材３の材質としては前記芯材２とは異なる材質の第２の硬質焼結体または第２のセラミックスを用いる。
【００１７】
第２の硬質焼結体または第２のセラミックスとしては、上述した芯材２に用いられる材質の他、多結晶ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ｃＢＮをも用いることができる。
【００１８】
さらに、芯材２（をなす第１の硬質焼結体または第１のセラミックス）−表皮部材３（をなす第２の硬質焼結体または第２のセラミックス）との組み合わせは、例えば超硬合金−サーメット、超硬合金−ｃＢＮ、超硬合金−ダイヤモンド焼結体、超硬合金−アルミナ、超硬合金−窒化珪素、サーメット−超硬合金、サーメット−ダイヤモンド焼結体、サーメット−アルミナ、サーメット−窒化珪素、（アルミナ、炭窒化チタン）−アルミナ、炭化珪素−窒化珪素、（炭化珪素、窒化珪素）−窒化珪素、炭化珪素−ダイヤモンド焼結体、アルミナ−サーメット、アルミナ−超硬合金、（アルミナ、炭窒化チタン）−超硬合金、（アルミナ、炭窒化チタン）−サーメット、アルミナ−ジルコニア、（アルミナ、炭窒化チタン）−ジルコニア、（アルミナ、炭窒化チタン）−（アルミナ、ジルコニア）、窒化ケイ素−アルミナ、窒化ケイ素−（希土類酸化物、アルミナ、シリカ）、ダイヤモンド焼結体−ｃＢＮ、窒化ケイ素−超硬合金、窒化ケイ素−サーメット、ダイヤモンド−（アルミナ、炭窒化チタン）、ｃＢＮ−（アルミナ、炭窒化チタン）、（アルミナ、炭窒化チタン）−炭化ケイ素、アルミナ−炭化ケイ素の群から選ばれる１種が特に好適に使用可能であり、中でも、硬度、靭性のバランスがよく切削工具として好適に使用可能な点で、超硬合金−サーメット、超硬合金−ダイヤモンド焼結体および（アルミナ、炭窒化チタン）−アルミナの群から選ばれる１種が最適である。
【００１９】
ここで、本発明によれば、上記芯材２をなす第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子が酸化物粉末の少なくとも一部を焼成時に炭化または窒化したものからなることが大きな特徴であり、これによって、複合構造体１の内部に位置する芯材２中に有機バインダが分解揮散しきれず残存した残留炭素が多く残存して、芯材２が焼結不良となることなく複合構造体１の強度を向上させることができるという効果がある。なお、芯材２中の残留炭素量Ｃinと表皮部材３中の残留炭素量Ｃoutとの比Ｃin／Ｃoutは０．５〜２であることが望ましい。
【００２０】
また、芯材２の緻密化を図り複合構造体１の強度を向上させる点で、芯材２中の残留炭素量Ｃinが１重量％以下、特に０．５重量％以下、さらには０．２重量％以下であることが望ましい。換言すれば、複合構造体１の芯材２および表皮部材３のＡＮＳＩ／ＡＳＴＭ Ｂ２７６−５４に基づく多孔度はともにＡ０４以下またはＢ０４以下、望ましくはＡ０２以下となる。なお、本発明における残留炭素量とは、金属と結合して炭化物や炭窒化物を構成する炭素成分を除いた遊離炭素成分の芯材２（または表皮部材３）全量に対する含有比率を指す。
【００２１】
さらに、本発明によれば、複合構造体１の金属酸化物が反応して生成された炭化物、窒化物または炭窒化物が粒子分散強化機構に寄与して構造体の靭性を高めることができる点で、芯材２中に第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子を構成する金属成分と同じ金属の酸化物が混在したものであってもよい。なお、表皮部材３中にも上記第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子を構成する金属成分と同じ金属酸化物粒子か、または他の金属酸化物粒子を分散含有せしめることも可能である。
【００２２】
一方、芯材２をなす第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子の平均粒径は、複合構造体１の硬度および強度向上の点、および芯材２と表皮部材３中の結合材（結合金属、焼結助剤）の含有量を適正化する点で０．０５〜１０μｍ、特に０．１〜３μｍであることが望ましく、他方、表皮部材３をなす第２の硬質粒子または第２のセラミック粒子の平均粒径は、複合構造体１の靭性向上の点で、０．０１〜５μｍ、特に０．０１〜２μｍであることが望ましい。
【００２３】
また、複合構造体１の構成として、硬度および靭性の両立を図る点で、芯材２の直径Ｄ1が２〜１０００μｍ、特に１０〜５００μｍ、さらに、５０〜２００μｍ、表皮部材３の厚みＤ2が１〜５００μｍ、特に２〜１００μｍ、さらに１０〜５０μｍであることが望ましい。
【００２４】
さらに、本発明によれば、上述した芯材２の外周に表皮部材３を被覆した複合構造体１を図１（ａ）のように複数本収束したマルチフィラメント構造とすることもでき、これによって、さらに複合構造体の靭性を向上できる。しかも、本発明によれば、かかる複合構造体１を多数本収束するような場合においても、有機バインダの脱バインダ性が低下することなく良好に収束体の中心付近に位置する複合構造体の残留炭素量を減じて構造体全体が緻密化した高強度な構造体となる。
【００２５】
なお、本発明によれば、複合構造体１、またはその収束体の直径、または厚みが、特に１ｍｍ以上、特に５ｍｍ以上、さらに１０ｍｍ以上、および／または長尺長さが１０ｍｍ以上、特に３０ｍｍ以上、さらに５０ｍｍ以上の場合においても、構造体の中心付近に存在する複合構造体の芯材の残留炭素量をも効率よく低減することができるとともに、芯材２と表皮部材３との剥離をも低減せしめることができるものである。
【００２６】
さらに、本発明においては、上記長尺状の複合構造体を並列に整列せしめてシート状となすこともでき、さらには、該シート複数枚を隣接するシートの長尺体同士が０°、４５°、９０°等の所定の角度をなすように積層することも可能である。
【００２７】
（製造方法）
次に、本発明の複合構造体を製造する方法について、図２の模式図をもとにその一例について説明する。
【００２８】
まず、例えば、平均粒径０．０１〜１０μｍの周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの酸化物粉末を０．０１〜５０重量％、特に０．１〜２０重量％、さらに１０〜２０重量％と、平均粒径０．０１〜１０μｍの周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上からなる第１の硬質粒子、または周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＺｎの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる第１のセラミック粉末を３０〜８０重量％、特に５０〜７０重量％と、所望により、第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子を構成する金属成分と同じ金属粉末を３０重量％以下、特に２０重量％以下と、所望により、平均粒径０．０１〜１０μｍの鉄族金属粉末を５〜２０重量％と、焼結助剤成分粉末１〜２０重量％との割合で混合し、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレート、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加して混錬し、プレス成形または鋳込み成形等の成形法により円柱形状に成形して芯材用成形体１２を作製する。（図２（ａ）参照）
ここで、後述する共押出成形によって均質な複合成形体を得るためには、前記有機バインダの添加量を３０〜７０体積％、特に４０〜６０体積％とすることが望ましい。
【００２９】
一方、前記芯材用成形体１２とは違う組成の表皮部材３をなす混合材料を前述したバインダとともに混錬してプレス成形、押出成形または鋳込み成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮部材用成形体１３を作製し、この表皮部材用成形体１３を芯材用成形体１２の外周を覆うように配置した成形体１１を作製する。（図２（ａ）参照）
そして、上記成形体１１を押出成形して芯材用成形体１２と表皮部材用成形体１３を共押出成形することにより芯材用成形体１２の周囲に表皮部材用成形体１３が被覆され、細い径に伸延された複合成形体１５を作製する（図２（ｂ）参照）。また、マルチフィラメント構造の構造体を作製するには、上記共押出した長尺状の複合成形体１５を複数本収束して再度共押出成形すれば良い（図２（ｃ）参照）。
【００３０】
さらに上記伸延された長尺状の複合成形体１５を所望により再度共押出成形して、断面が円形、三角形、四角形をなす長尺状に成形することもでき、また、上記長尺状の複合成形体１５を整列させてシートとし、このシート複数枚を長尺状の複合成形体１５同士が並行、直交または４５°等の所定の角度をなすように積層された積層体とすることもでき、さらに、公知のラピッドプロトダイビング法等の成形方法によって任意の形状に成形することも可能である。さらには、上記整列したシートまたはこのシートを断面方向にスライスした複合構造体のシートを従来の超硬合金等の硬質合金焼結体（塊状体）の表面に貼り合わせ、または接合することも可能である。
【００３１】
そして、上記複合成形体１５を１００〜７００℃で１０〜２００時間昇温または保持する脱バインダ処理した後、真空中、または不活性雰囲気中、所定温度、時間で焼成することにより本発明の複合構造体を作製することができる。
【００３２】
本発明によれば、芯材２中に添加した第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子の金属成分と同じ金属酸化物粉末が、焼結時に炭化または窒化して酸素を放出し、特に、前記有機バインダの残渣として残存する残留炭素と反応して炭化物を生成させることにより、余分な残留炭素の残存を低減することができるとともに、金属酸化物粉末がより高硬度、高強度な炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種に変質することによって、硬度、靭性、強度に優れた焼結体を作製することができる。
【００３３】
なお、本発明によれば、原料中の金属粉末を脱バインダ後の残留炭素と反応せしめて炭化物を生成させる必要があるために、真空または不活性ガス雰囲気中、１０００〜１５００℃、特に１１５０〜１４００℃で、０．５〜５時間、特に１〜３時間熱処理することが望ましく、また、８００℃以上の昇温速度を３℃／分以下に制御することが望ましい。また、焼成は真空または不活性雰囲気中，１３００〜１９００℃特に１４００〜１８００℃で０．５〜５時間特に１〜５時間の条件とすることが望ましい。さらに、芯材２と表皮部材３との間の残留応力を抑制する点で、降温速度を３℃／分以下とすることが望ましい。
【００３４】
さらに、本発明によれば、酸化物粉末とともに金属粉末を添加してその一部については、酸化、硼化または窒化せしめることによって体積膨張させることも可能である。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末８０重量％と、平均粒径１μｍのＣｏ粉末１０重量％と、平均粒径２μｍのＴｉＣ粉末５重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＯ2粉末５重量％と、の割合で添加し、それに有機バインダとしてセルロース、ポリエチレングリコールを、溶剤としてポリビニルアルコールを総量で１００体積部加えて混錬して、円柱形状に押出成形して芯材用成形体を作製した。
【００３６】
一方、平均粒径１．５μｍのＴｉＣＮ粉末５０重量％と、平均粒径１．５μｍのＴｉＣ粉末１３重量％と、平均粒径１μｍのＣｏ粉末７重量％と、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末１９重量％と、平均粒径２μｍのＭｏ2Ｃ粉末６重量％と、平均粒径２μｍのＶＣ粉末５重量％との割合で添加し、これに、上記同様の有機バインダ、溶剤を加えて混錬し、半割円筒形状の表皮部材用成形体２つを押出成形にて作製し、前記芯材用成形体の外周を覆うように配置して複合構造体を作製した。
【００３７】
そして、上記成形体を共押出して伸延された複合成形体を作製した後、この伸延された複合成形体１００本を収束して再度共押出成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作製した。
【００３８】
次に、上記マルチフィラメントタイプの複合成形体を１００ｍｍの長さにカットし、並列に整列させてシート状とし、このシート６枚を隣接するシート内の複合構造体同士が４５°の角度となるように積層して直方体形状の積層成形体を作製した。
【００３９】
その後、前記積層成形体に対して１００〜７００℃まで１００時間で昇温することによって脱バインダ処理を行った後、昇温速度２．５℃／分で昇温し、真空中、１３００℃で１時間保持し、１４５０℃で２時間焼成し、さらに３℃／分で降温して複合構造体を作製した。
【００４０】
得られた複合構造体に対して、構造体全体の遊離炭素量を測定するとともに、芯材中の残留炭素量Ｃinと表皮部材中の残留炭素量Ｃoutをそれぞれ測定したところ、芯材中の残留炭素量Ｃinは０．０１重量％、表皮部材中の残留炭素量Ｃoutは０．１重量％であった。
【００４１】
なお、複合構造体の断面を観察したところ、芯材の直径は９０μｍ、表皮部材の厚みは５μｍであり、芯材と表皮部材との間に剥離等は見られず、さらに、Ｘ線回折測定から芯材の表皮部材との界面における残留応力を測定した結果、芯材２には２３０ＭＰａの圧縮応力がかかっていることがわかった。また、複合部材の３点曲げ強度を測定した結果、２５００ＭＰａであった。また、多孔度は表皮部材がＡ０２、芯材がＡ０１であった。
【００４２】
（比較例）
実施例１の芯材用原料を、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末８５重量％と、平均粒径１μｍのＣｏ粉末１０重量％と、平均粒径２μｍのＴｉＣ粉末５重量％と、の割合からなる混合粉末に代える以外は実施例１と同様に複合構造体を作製し、同様に評価したところ、芯材中の残留炭素量Ｃinは４．５６重量％、表皮部材中の残留炭素量Ｃoutは２．００重量％であった。また、複合構造体の断面観察を行った結果、芯材と表皮部材との界面に多数の剥離が見られた。さらにまた、複合構造体の３点曲げ強度は５００ＭＰａであった。また、多孔度は表皮部材がＣ０１、芯材がＣ０６であった。
【００４３】
（実施例２）
実施例１の表皮部材用原料を、平均粒径１．５μｍのＴｉＣＮ粉末５０重量％と、平均粒径１．５μｍのＴｉＣ粉末１０重量％と、平均粒径１μｍのＣｏ粉末７重量％と、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末１９重量％と、平均粒径２μｍのＭｏ2Ｃ粉末６重量％と、平均粒径２μｍのＶＣ粉末５重量％と平均粒径１．０μｍのＴｉＯ2粉末３重量％との割合からなる混合粉末に代える以外は実施例１と同様に複合構造体を作製し、同様に評価したところ、芯材中の残留炭素量Ｃinは０．０１重量％、表皮部材中の残留炭素量Ｃoutは０．０１重量％であった。さらに、Ｘ線回折測定から芯材の表皮部材との界面における残留応力を測定した結果、芯材２には２００ＭＰａの圧縮応力がかかっていることがわかった。また、複合構造体の３点曲げ強度は２６００ＭＰａであった。また、多孔度は表皮部材がＡ００、芯材がＡ００であった。
【００４４】
（実施例３）
実施例１の芯材用原料を、平均粒径０．２μｍのＡｌ2Ｏ3粉末７０重量％、平均粒径０．５μｍのＴｉＣ粉末２１重量％、平均粒径０．５μｍのＴｉＮ粉末５重量％、平均粒径１μｍのＹ2Ｏ3０．５重量％、平均粒径１μｍのＭｇＯ０．５重量％、平均粒径１μｍのＣｏ3Ｏ4０．５重量％、平均粒径１．５μｍのＴｉＯ2２．５重量％の割合からなる混合粉末に代えるとともに、表皮部材用原料を、平均粒径０．２μｍのＡｌ2Ｏ3粉末８４重量％と、平均粒径０．５μｍのＺｒＯ2粉末１２重量％と、平均粒径１μｍのＹ2Ｏ3０．５重量％、平均粒径１μｍのＭｇＯ０．５重量％、平均粒径１μｍのＣｏ3Ｏ4０．５重量％、平均粒径１．５μｍのＴｉＯ2粉末２．５重量％の割合からなる混合粉末に代える以外は実施例１と同様にして直方体形状の積層成形体を作製した。
【００４５】
その後、前記積層成形体に対して１００〜７００℃まで１００時間で昇温することによって脱バインダ処理を行った後、昇温速度２．５℃／分で昇温し、真空中、１３００℃で１時間保持し、１６００℃で２時間焼成し、さらに３℃／分で降温して複合構造体を作製した。
【００４６】
実施例１と同様に評価したところ、芯材中の残留炭素量Ｃinは０．０１５重量％、表皮部材中の残留炭素量Ｃoutは０．０１２重量％であった。さらに、芯材の表皮部材との界面における残留応力を測定した結果、芯材２には２５０ＭＰａの圧縮応力がかかっていることがわかった。また、複合構造体の３点曲げ強度は９５０ＭＰａであった。さらに、多孔度は表皮部材がＡ０１、芯材がＡ０１であった。
【００４７】
【発明の効果】
以上より、本発明の複合構造体によれば、芯材を構成する原料中に第１の硬質粒子または第１のセラミック粒子の金属成分と同じ金属酸化物粉末を添加し、焼結時に前記金属酸化物粉末を炭化または窒化して有機バインダの残渣として残存する残留炭素とを反応させること等により、芯材中に残存する余分な残留炭素の残存量を低減することができる結果、硬度、靭性に優れるとともに強度に優れた複合構造体となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合構造体の一例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の複合部材の製造工程を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 複合構造体
２ 芯材
３ 表皮部材
１１ 複合成形体
１２ 芯材用成形体
１３ 表皮部材用成形体
１５ 複合成形体
Claims (6)
- 周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｎＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の粉末と、結合金属粉末と、有機バインダと、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｓｉ、ＺｎおよびＳｎの炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上からなる第１の硬質粒子とからなる混合物を長尺状に成形して芯材用成形体を作製する（Ａ）工程と、
前記第１の硬質粒子とは異なる組成の硬質粒子と、結合金属粉末と、有機バインダとからなるか、またはセラミック粒子と、焼結助剤粉末と、有機バインダとからなる表皮部材用成形体を成形して前記芯材用成形体の外周を被覆するように配した複合成形体を作製する（Ｂ）工程と、
前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｎＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の粉末が炭化または窒化しながら、または炭化または窒化した後、前記複合成形体を焼成する（Ｃ）工程と
を具備することを特徴とする複合構造体の製造方法。 - 周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｎＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の粉末と、焼結助剤粉末と、有機バインダと、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＺｎの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる第１のセラミック粉末とからなる混合物を長尺状に成形して芯材用成形体を作製する（Ａ）工程と、
前記第１のセラミック粒子とは異なる組成のセラミック粒子と、焼結助剤粉末と、有機バインダとからなるか、または硬質粒子と、結合金属粉末と、有機バインダとからなる表皮部材用成形体を成形して前記芯材用成形体の外周を被覆するように配した複合成形体を作製する（Ｂ）工程と、
前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｎＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の粉末が炭化または窒化しながら、または炭化または窒化した後、前記複合成形体を焼成する（Ｃ）工程と
を具備することを特徴とする複合構造体の製造方法。 - 前記有機バインダを３０〜７０体積％添加することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合構造体の製造方法。
- 前記（ｃ）工程において、真空または不活性雰囲気中、１０００〜１５００℃で０．５〜５時間熱処理し、前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｎＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の粉末を炭化または窒化させた後、真空または不活性雰囲気中、１３００〜１９００℃で０．５〜５時間焼成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の複合構造体の製造方法。
- 前記（ｃ）工程において、前記周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｎＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の粉末が前記（ａ）工程の有機バインダの残渣と反応して炭化することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の複合構造体の製造方法。
- 前記（ｂ）工程で得られた複合成形体を共押出成形により伸延し、該共押出成形にて伸延された複合成形体を複数本収束して再度共押出成形してマルチフィラメント構造の複合成形体を作製することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の複合構造体の製造方法。
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