JP4279370B2 - 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、金属に強化材を複合させる金属−セラミックス複合材料の製造方法に関し、特にＡｌＮ粉末でプリフォームを形成して成る金属−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】
セラミックス繊維または粒子で強化されたセラミックスと金属の複合材料は、セラミックスと金属の両方の特性を兼ね備えており、例えばこの複合材料は、高剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等のセラミックスの優れた特性と、延性、高靱性、高熱伝導性等の金属の優れた特性を備えている。このように、従来から難しいとされていたセラミックスと金属の両方の特性を備えているため、機械装置メーカ等の業界から次世代の材料として注目されている。
【０００３】
この複合材料、特に金属としてアルミニウムをマトリックスとする複合材料の製造方法は、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法等の方法が従来から知られている。しかし、これらの方法は、強化材であるセラミックスの含有量を多くできない、あるいは大型の加圧装置が必要である、もしくはニアネット成形が困難である、コストが極めて高いなどの理由により、いずれも満足できるものではなかった。
【０００４】
そこで最近では、上記問題を解決する製造方法として、米国ランクサイド社が開発した非加圧金属浸透法が特に注目されている。この方法は、ＳｉＣやＡｌ₂Ｏ₃などのセラミックス粉末で形成されたプリフォームに、Ｍｇを含むアルミニウムインゴットを接触させ、これをＮ₂雰囲気中で７００〜９００℃に加熱して溶融したアルミニウム合金をプリフォームに含浸させる方法である。これは、ＭｇとＮ₂との化学反応を利用してセラミックス粉末への溶融金属の濡れ性を改善することにより、加圧しなくても金属をプリフォームに含浸できるようにした優れた方法である。
【０００５】
また、この方法では、セラミックスの含有率を３０〜８５ｖｏｌ％と広く、かつ高い範囲まで変えることができ、しかも、この方法で形成されたプリフォームは、その形状の自由度が高いので、かなり複雑な形状をニアネットで作ることも可能である。このようにこの方法は、加圧装置が不要であり、セラミックスの含有率を高くすることができ、ニアネット成形も可能となる方法であるので、前記した問題が解決される優れた方法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法で作製した複合材料は、セラミックス粉末がＡｌＮ粉末の場合には、プリフォームに細かい亀裂が入り、その亀裂部分に浸透したアルミニウム合金が入り込むため、複合材料にメタルベインと呼ばれる欠陥が発生する問題があった。この欠陥は、その部分には強化材がほとんど含まれないため、他の部分に比べて強度が低くなる欠陥であり、しかも見た目が悪いため、ユーザーからのクレームを受け易い欠陥である。
【０００７】
本発明は、上述した金属−セラミックス複合材料の製造方法が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、メタルベインの発生を抑えることができる金属−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。
【０００８】
【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、プリフォームの焼成温度を従来より低くすれば、メタルベインの発生を抑えることができるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち本発明は、セラミックス粉末を強化材としてプリフォームを形成し、そのプリフォームに基材である金属を浸透させる金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該プリフォームの形成方法が、シリカで表面を被覆したＡｌＮ粉末にバインダーを加え、混合して成形し、得られた成形体を４５０〜６５０℃の温度で焼成する方法であることを特徴とする金属−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。
【００１０】
上記複合材料の製造方法としては、プリフォームの形成方法を、シリカで表面を被覆したＡｌＮ粉末にバインダーを加え、混合して成形し、得られた成形体を４５０〜６５０℃で焼成することとする製造方法とした。
【００１１】
複合材料を製造するには先ずプリフォームを形成するが、そのプリフォームを形成する焼成温度としては、従来は保形性を高めるため、バインダーの焼結が十分となり、強化材の結合強度も十分となる７００℃程度の温度で焼成していた。しかし、作製した複合材料にメタルベインの発生が多いため、この焼成温度が影響しているのではないかと詳細に検討してみると、この温度を低くするとメタルベインの発生を抑えることができることが判明した。メタルベインを抑えることができる理由は、詳細な機構は不明であるが、強化材であるセラミックス粉末とそれを結合する無機バインダーとの熱膨張率の差に起因するものと推定される。
【００１２】
その焼成温度としては４５０〜６５０℃が好ましく、この温度であれば、プリフォームに亀裂が入ることなく、しかも強度は多少落ちるものの、プリフォームの保形性には十分である。その焼成温度が４５０℃より低くなると、強度の発現が低く、プリフォームに亀裂が入り、メタルベインが発生する。逆に６５０℃より高くても、前記したように熱膨張率の差が大きくなってプリフォームに亀裂が入り、メタルベインが発生する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法をさらに詳しく述べると、先ず強化材としてＡｌＮ粉末を用意する。この粉末にアルミナ水和物のコロイド液あるいはコロイダルシリカ液などのバインダーを添加して混合し、成形する。成形は沈降成形、射出成形、ＣＩＰ成形などいずれの方法でも構わないが、水を用いて湿式成形する場合には、ＡｌＮ粉末が水と反応し、分解してしまうため、シリカで表面を被覆したＡｌＮ粉末を用いる必要がある。
【００１４】
得られた成形体を４５０〜６５０℃の温度で焼成してプリフォームを形成する。焼成時間は、あまり長いと焼結が始まり好ましくない。そのプリフォームの上にアルミニウム合金を置き、窒素気流中で非加圧で７００〜１０００℃の温度でアルミニウム合金を浸透させ、冷却して複合材料を作製する。
【００１５】
以上の方法で金属−セラミックス複合材料を作製すれば、亀裂の入らないプリフォームを形成することができ、その結果、メタルベインの発生を抑えることができる金属−セラミックス複合材料が得られる。
【００１６】
【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。
【００１７】
（実施例１）
（１）プリフォームの形成
強化材として平均粒径が１６μｍのシリカコーティングしたＡｌＮ粉末（ダウケミカル社製）を用い、その１００重量部にバインダーとしてコロイダルシリカ液をそのシリカ固形分が２重量部になる量添加し、これにさらにイオン交換水を３０重量部加え、ポットミルで１６時間混合した。得られたスラリーをφ２３０×厚さ２８ｍｍの成形体が得られるシリコーンゴム型に流し込み、沈降成形法で成形し、−３０℃で冷凍し、脱型した後、６００℃の温度で５時間焼成してプリフォームを形成した。
【００１８】
（２）複合材料の作製
得られたプリフォームの上面に＃９０のＡｌ₂Ｏ₃粉末と１５０μｍアンダーのＭｇ粉末とを重量比９：１で混合した粉末５００ｇを篩を用いて薄く敷き、さらにその上にプリフォームの１．２倍量のＡｌ−５Ｍｇ組成のアルミニウム合金を置いて電気炉にセットし、窒素雰囲気中で８５０℃の温度で７２時間非加圧浸透させた後、冷却して金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００１９】
（３）評価
得られた複合材料を切断し、その切断面を目視観察し、メタルベインの有無を調べた。その結果、メタルベインは認められなかった。このことは、プリフォームの焼成温度を適正にすれば、メタルベインの発生を抑えることができることを示している。
【００２０】
（比較例１、２）
比較のために、比較例１では、プリフォームの焼成温度を７００℃とした他は、比較例２では、それを４００℃とした他は実施例１と同様にプリフォームを形成し、複合材料を作製し、評価した。その結果、比較例１では、プリフォームに生じた無数のひび割れに起因するメタルベインが観察され、比較例２でも、比較例１ほどではないが、一部にメタルベインが観察された。
【００２１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法であれば、プリフォームの亀裂を防ぐことができ、その結果、メタルベインの発生を抑えることができるようになった。このことにより、ユーザーのクレームもなくすことが可能となった。

Claims (1)

1. セラミックス粉末を強化材としてプリフォームを形成し、そのプリフォームに基材である金属を浸透させる金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該プリフォームの形成方法が、シリカで表面を被覆したＡｌＮ粉末にバインダーを加え、混合して成形し、得られた成形体を４５０〜６５０℃の温度で焼成する方法であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。