JP4119348B2 - 高強度金属基複合部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は高強度金属基複合部材の製造方法に関する。

従来、この種の部材としては、粒子分散強化金属基複合部材および繊維分散強化金属基複合部材が知られている。前者の場合は、その強度・剛性に関する方向性が小さい、といった利点がある反面、複数の粒子が分散状態にあって、それら粒子による応力分担が小であることから粒子分散による強度・剛性向上度合が低い、という問題があった。一方、後者の場合は、繊維同士の絡み合いや線接触が生じているため、それらによる応力分担が得られることから強度・剛性向上度合は前者よりも大となるが、繊維に配向性が存在すると、その強度・剛性に方向性が現出する、という問題があった。

そこで、強化材による大なる応力分担と、強度・剛性に関する方向性の緩和を図るべく、強化材としての三次元網目構造を有するセラミック成形体と、そのセラミック成形体に充填された金属マトリックスとよりなる金属基複合部材が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１７０５１４号公報

しかしながら従来のセラミック成形体は、ランダムに配列された大きさの異なる複数のセルと、相隣る両セル間の隔壁に存する複数の連通孔とを有するものであって、そのセルの大きさ、セルの分布状態等が不均一であるため、金属基複合部材の強度、剛性、摺動特性等の機械的性質、冷却性能、熱膨脹率等の物理特性等が、その部材において部分的に大きく異なるおそれがある、という問題があった。

本発明は、セラミック成形体の構造を改善することによって、部材全体における機械的性質、物理特性等の不均一化を極力抑制された前記高強度金属基複合部材の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明によれば、三次元網目構造を有するセラミック成形体と、そのセラミック成形体に充填された金属マトリックスとよりなり、前記セラミック成形体が、大きさに均一性を持ち且つ分散状態にある複数の球状セルと、相隣る両球状セル間の隔壁に存する複数の連通孔とを有し、その連通孔の内径のメジアンＭｄがＭｄ≧１μｍであり、且つ前記球状セルの内径のメジアンＭ_D と前記連通孔の内径のメジアンＭｄとの比Ｍｄ／Ｍ_D が０．１＜Ｍｄ／Ｍ_D ＜０．５に設定されてなる高強度金属基複合部材の製造方法であって、
所定形状の前記セラミック成形体を製造するセラミック成形体製造工程と、その製造された前記セラミック成形体を金型のキャビティに設置して、そのキャビティに前記金属マトリックスの溶湯を加圧充填する工程とを備え、前記セラミック成形体製造工程は、所定直径の球状合成樹脂粒子の表面に、その球状合成樹脂粒子よりも小径の複数のセラミック粒子を密に付着させることで前記表面を該セラミック粒子で覆ってなる被覆粒子の集合体を得る第１の工程と、前記被覆粒子の集合体を型に入れて最密充填処理を行う第２の工程と、前記型内にセラミックスを含むセラミックスラリを注入して前記被覆粒子の集合体の隙間に充填し、乾燥させることで、前記セラミックスと被覆粒子の集合体とよりなる付形物を得る第３の工程と、その付形物を離型した後、焼結炉内に設置して加熱することにより、該付形物中の各合成樹脂粒子を熱分解する第４の工程と、前記熱分解後において、前記焼結炉内で、前記付形物中の前記セラミック粒子及び前記セラミックスを焼結させる第５の工程とを含み、前記第４の工程では、前記合成樹脂粒子が熱分解して前記球状セルが形成されると共に、相隣る両球状セル間に在って前記セラミック粒子及び前記セラミックスよりなる隔壁形成部に、熱分解ガスが抜ける際の圧力で複数の連通孔が形成されることを特徴とする、高強度金属基複合部材の製造方法が提供される。

前記のように構成すると、セラミック成形体における球状セルの大きさおよびその分布状態の均一性を高めて、部材全体における機械的性質、物理特性等の不均一化を極力抑制することができ、これにより低体積分率Ｖｆにて高い強度を有する金属基複合部材を提供することができる。またこの金属基複合部材は低体積分率Ｖｆにて優れた耐焼付き性を有する。

図１、２において、直方体状をなす高強度金属基複合部材１は、三次元網目構造を有するセラミック成形体２と、そのセラミック成形体２に充填された金属マトリックス３とよりなる。図３、４において、セラミック成形体２は直方体状をなし、大きさに均一性を持ち、且つ分散状態にある、実施例では最密充填形式で配列する複数の球状セル４と、相隣る両球状セル４間の隔壁５に存する複数の連通孔６とを有する。

連通孔６の内径のメジアンＭｄは、金属マトリックス３を構成する溶湯の加圧充填を許容し得るようにＭｄ≧１μｍに設定される。またセラミック成形体２の強度を確保すべく、球状セル４の内径のメジアンＭ_D と連通孔６の内径のメジアンＭｄとの比Ｍｄ／Ｍ_D は０．１＜Ｍｄ／Ｍ_D ＜０．５に設定される。ただし、比Ｍｄ／Ｍ_D がＭｄ／Ｍ_D ＜０．１では連通孔６の孔縁部に応力が集中するため部材１の強度が低下し、一方、Ｍｄ／Ｍ_D ≧０．５では隔壁５の量が少なくなるため部材１の強度および剛性が低下する。球状セル４の内径のメジアンＭ_D は３Ｄ ＣＴ解析により、また連通孔６の内径のメジアンＭｄは水銀圧入法によりそれぞれ求められる。

セラミック成形体２の構成材料としては、ＳｉＣ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＡｌＮ等のエンジニアリングセラミックスが好適であるが、これらに限定されるものではない。また金属マトリックス２の構成材料としては、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ｓｉ、Ｓｉ合金等が用いられる。

セラミック成形体２の製造に当っては、図５に示すごとく、次のような諸工程が用いられる。

（ａ）工程：球状セル４を形成すべく、所定のメジアン直径を有する球状合成樹脂粒子７の集合体と、それら合成樹脂粒子７よりも小径で、且つ所定のメジアン直径を有するセラミック粒子８の集合体とを用意する。

（ｂ）工程：両集合体を被覆処理機に投入して合成樹脂粒子７の表面にセラミック粒子８を密に付着させた被覆粒子９の集合体を得る。

（ｃ）工程：被覆粒子９の集合体を型に入れて最密充填処理を行う。

（ｄ）工程：型内に、例えば、セラミック粒子８と同一材質のセラミックスを含むセラミックスラリを注入して集合体の隙間に充填する。

（ｅ）工程：セラミックスラリを乾燥した後、そのセラミックス１０と被覆粒子９の集合体とよりなる付形物１１を離型する。

（ｆ）工程：付形物１１を所定の雰囲気の焼結炉内に設置して、所定の炉内圧下、所定の昇温速度にて炉内を、合成樹脂粒子７を熱分解し得る加熱温度まで上昇させ、その加熱温度を所定時間維持する。これにより合成樹脂粒子７が熱分解して、球状セル４が形成されると共に相隣る両球状セル４間に在って複数のセラミック粒子８およびセラミックス１０よりなる隔壁形成部５ａに、熱分解ガスが抜ける際の圧力で複数の連通孔６が形成される。

（ｇ）工程：炉内をセラミック粒子８を焼結し得る温度まで上昇させて、その焼結温度を所定時間維持する。これにより三次元網目構造を有するセラミック成形体２を得る。

前記製造方法において、球状セル４の内径およびその均一化は合成樹脂粒子７のメジアン直径に依存し、また球状セル４の分布状態の均一化は前記（ｃ）工程の最密充填処理を行うことによって達成される。さらに連通孔６の内径は前記（ｆ）工程における炉内雰囲気、昇温速度、炉内圧、セラミックスラリの粘度（セラミックス１０の濃度）等によって制御される。例えば、合成樹脂粒子７のメジアン直径を所定値に設定し、また前記昇温速度を制御することによって、両メジアンＭｄ、Ｍ_D の比Ｍｄ／Ｍ_D を０．１＜Ｍｄ／Ｍ_D ＜０．５に収めることができる。

以下、具体例について説明する。

〔Ｉ〕セラミック成形体の製造
前記（ａ）〜（ｇ）工程を以下に述べる条件にて行い、縦２０mm、横３０mm、長さ４０mmの直方体状セラミック成形体を得た。

（ａ）工程…球状合成樹脂粒子の集合体：メジアン直径が９０μｍのＰＭＭＡ粒子の集合体（綜研化学社製、商品名ＭＲ−９０Ｇ）；セラミック粒子の集合体：メジアン直径が０．５μｍのＳｉＣ粒子の集合体（屋久島電工社製、商品名ＯＹ−２０）．
（ｂ）工程…合成樹脂粒子の集合体（Ｗ₁ ）とセラミック粒子の集合体（Ｗ₂ ）との配合重量比：Ｗ₁ ／Ｗ₂ ＝１／１；被覆処理機：ホソカワミクロン社製、商品名ＡＭ−１５Ｆ（特開２００３−１６０３３０号公報参照）、回転速度１０００rpm 、処理時間０．５ｈ、インナーピース距離１mm．
（ｃ）工程：型の寸法および構造：縦２０mm、横３０mm、深さ２０mmの凹部を有する２つのＰＴＦＥ製ブロックを対向して配置し、縦２０mm、横３０mm、長さ４０mmのキャビティを有するものを型とした；減圧濾過による最密充填処理：複数の吸引孔を有する一方のブロックの底面に、０．７μｍの連通孔を持つガラス繊維製濾材を敷き、次いで他方のブロックの開口からキャビティ内に被覆粒子を投入し、その後、一方のブロックの吸引孔を介してキャビティ内を減圧した。

（ｄ）工程…セラミックスラリ：ＳｉＣスラリ
（ｅ）工程…１次乾燥処理：２０℃、２０ｈ；２次乾燥処理：９０℃、１ｈ．
（ｆ）工程…炉内雰囲気：大気；炉内圧：０．１ＭＰａ；昇温速度：１０℃／ｈ；加熱温度：５００℃、１ｈ．
（ｇ）工程…焼結温度：２０００℃；焼結時間：３ｈ．
このようにして得られたセラミック成形体２は三次元網目構造を有するもので、複数の球状セル４は最密充填形式で配列していて、その内径のメジアンＭ_D はＭ_D ＝８０μｍであり、また連通孔６の内径のメジアンＭｄはＭｄ＝１６μｍであり、よって、両メジアンＭｄ、Ｍ_D の比Ｍｄ／Ｍ_D はＭｄ／Ｍ_D ＝０．２であった。

〔II〕金属基複合部材の製造
セラミック成形体２を金型のキャビティに設置し、次いで６８０℃のＡｌ合金（ＪＩＳ ＡＤＣ１２）の溶湯を用い、射出速度０．２ｍ／ｓ、鋳造圧力７５ＭＰａの条件で低速層流ダイカスト法を行って、縦２０mm、横３０mm、長さ４０mmで、且つセラミック成形体２の体積分率ＶｆがＶｆ＝３０％の金属基複合部材１を得た。この部材１を実施例とし、これについて、０．２％耐力（圧縮）およびヤング率を測定した。

比較のため前記セラミック成形体と同一材質で同一寸法のＭＭＩ社製発泡セラミック成形体を用いて前記と同様の方法で金属基複合部材を製造し、これを比較例１とした。また粒径のメジアンが１５μｍであるＳｉＣ粒子を均一に分散させた金属基複合部材を製造し、これを比較例２とした。さらに球状セルの内径のメジアンＭ_D がＭ_D ＝８０μｍであり、また連通孔の内径のメジアンＭｄがＭｄ＝８μｍであって、両メジアンＭｄ、Ｍ_D の比Ｍｄ／Ｍ_D がＭｄ／Ｍ_D ＝０．１であること以外は実施例と同様の金属基複合部材を製造し、これを比較例３とした。さらに球状セルの内径のメジアンＭ_D がＭ_D ＝１００μｍであり、また連通孔の内径のメジアンＭｄがＭｄ＝５０μｍであって、両メジアンＭｄ、Ｍ_D の比Ｍｄ／Ｍ_D がＭｄ／Ｍ_D ＝０．５であること以外は実施例と同様の金属基複合部材を製造し、これを比較例４とした。これらについて０．２％耐力（圧縮）およびヤング率を測定した。

表１は実施例および比較例１〜４に関する諸データを示す。

表１より、実施例は、強化材が網目状に連結されているため（連続性有り）荷重に対する方向性について等方性を持ち、また球状セルの分布が均一であり、その上、メジアンＭｄ≧１μｍであると共にＭｄ／Ｍ_D が０．１＜Ｍｄ／Ｍ_D ＜０．５であることから高強度であることが判る。比較例１は前記連続性はあるが、球状セルのサイズが不均一なため、等方性は中程度であり、また球状セルの分布も不均一であるため、実施例に比べて強度が低くなっている。さらに比較例２は荷重に対して等方性、強化材の均一性はあるものの前記連続性が無い為、実施例に対して強度が低くなっている。

図６は、実施例および比較例１に関する、テンプレート法による球状セルの内径と、その存在確率との関係を示す。実施例では、球状セルの内径のバラツキ範囲が３０〜１１０μｍであるのに対し、比較例１のそれは４０〜３４０μｍと広範囲である。よって、球状セルの内径の均一性は実施例の方が比較例１に比べて高いことが解る。

次に、実施例および比較例１〜４に関し焼付きテストを行った。テストに当っては、実施例等から得られたテストピースを、ＰＶＤによるＣｒＮ表面層を備えた相手部材に対し無潤滑下で摺動距離４０mmを１分間に２００回往復摺動させ、その際、３０秒間経過毎にテストピースへの押圧荷重を９．８Ｎ宛増加させて、焼付きを発生したときの荷重、つまり焼付き発生荷重を求めた。表２は焼付きテスト結果を示す。

表２より、実施例は比較例１〜４に比べて優れた耐焼付き性を有することが判る。

金属基複合部材においては、一般に強化材の体積分率Ｖｆを高めて耐焼付き性を向上させる、といった手段が採用されているが、実施例のごとく、強化材として独特の構造を持つセラミック成形体を用いると、低体積分率Ｖｆにて高い強度および剛性を有すると共に優れた耐焼付き性を持つことができる。

金属基複合部材としては、エンジンのシリンダブロックにおいて、シリンダボア回り、シリンダヘッドガスケット面、ボルト締結座面、ジャーナル軸受周り等から選択される１箇所以上を強化したもの、シリンダヘッドにおいて、シリンダヘッドガスケット面、ボルト締結座面、カムジャーナル軸受周り、バルブシート圧入部、バルブガイド圧入部等から選択される１箇所以上を強化したもの、ケースやカバー類において、ボルト締結座面、合せ面等から選択される１箇所以上を強化したもの等を挙げることができる。

金属基複合部材の斜視図である。 金属基複合部材の要部拡大断面図である。 セラミック成形体の斜視図である。 セラミック成形体の要部拡大断面図である。 セラミック成形体の製造工程説明図である。 球状セルの内径とその存在確率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１……金属基複合部材
２……セラミック成形体
３……金属マトリックス
４……球状セル
５……隔壁
６……連通孔
７……球状合成樹脂粒子
８……セラミック粒子
９……被覆粒子
１０…セラミックス
１１…付形物

Claims (1)

1. 三次元網目構造を有するセラミック成形体（２）と、そのセラミック成形体（２）に充填された金属マトリックス（３）とよりなり、前記セラミック成形体（２）が、大きさに均一性を持ち且つ分散状態にある複数の球状セル（４）と、相隣る両球状セル（４）間の隔壁（５）に存する複数の連通孔（６）とを有し、その連通孔（６）の内径のメジアンＭｄがＭｄ≧１μｍであり、且つ前記球状セル（４）の内径のメジアンＭ_D と前記連通孔（６）の内径のメジアンＭｄとの比Ｍｄ／Ｍ_D が０．１＜Ｍｄ／Ｍ_D ＜０．５に設定されてなる高強度金属基複合部材の製造方法であって、
   所定形状の前記セラミック成形体（２）を製造するセラミック成形体製造工程と、その製造された前記セラミック成形体（２）を金型のキャビティに設置して、そのキャビティに前記金属マトリックス（３）の溶湯を加圧充填する工程とを備え、
   前記セラミック成形体製造工程は、所定直径の球状合成樹脂粒子（７）の表面に、その球状合成樹脂粒子（７）よりも小径の複数のセラミック粒子（８）を密に付着させることで前記表面を該セラミック粒子（８）で覆ってなる被覆粒子（９）の集合体を得る第１の工程と、前記被覆粒子（９）の集合体を型に入れて最密充填処理を行う第２の工程と、前記型内にセラミックス（１０）を含むセラミックスラリを注入して前記被覆粒子（９）の集合体の隙間に充填し、乾燥させることで、前記セラミックス（１０）と被覆粒子（９）の集合体とよりなる付形物（１１）を得る第３の工程と、その付形物（１１）を離型した後、焼結炉内に設置して加熱することにより、該付形物（１１）中の各合成樹脂粒子（７）を熱分解する第４の工程と、前記熱分解後において、前記焼結炉内で、前記付形物（１１）中の前記セラミック粒子（８）及び前記セラミックス（１０）を焼結させる第５の工程とを含み、
   前記第４の工程では、前記合成樹脂粒子（７）が熱分解して前記球状セル（４）が形成されると共に、相隣る両球状セル（４）間に在って前記セラミック粒子（８）及び前記セラミックス（１０）よりなる隔壁形成部（５ａ）に、熱分解ガスが抜ける際の圧力で複数の連通孔（６）が形成されることを特徴とする、高強度金属基複合部材の製造方法。

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