JP4294882B2

JP4294882B2 - Metal-ceramic composite material and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4294882B2
Application number: JP2001073593A
Authority: JP
Inventors: 義文武井; 一郎青木; 宏之津戸; 達也塩貝
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2021-03-15
Also published as: JP2002275558A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非加圧で複合化させた金属−セラミックス複合材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、金属−セラミックス複合材料は、金属が有する延性、高靭性、高熱伝導性、高電気伝導性等の特性とセラミックスが有する高剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等の特性を兼ね備えている。当該材料は、従来から難しいとされていた金属とセラミックスがそれぞれ有する特性の調和が採れているため、機械装置の業界等から次世代の材料として普及しつつある。
その中でも、Ａｌ合金は軽量かつ耐食性に優れるほか熱伝導性や電導性においても優れているため、かかるＡｌ合金の特徴を生かして基材にＡｌ合金を用いた金属−セラミックス複合材料が注目されている。
【０００３】
Ａｌ合金を用いた金属−セラミックス複合材料の製造方法として、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法等の方法が知られているが、いずれの方法によっても強化材であるセラミックスの含有量を増加させることが困難なため剛性の向上にも限界があることに加え、大型の加圧装置を必要とし、ニアネット成形も困難である等種々の問題があった。
【０００４】
上記問題を解決する方法に非加圧浸透法がある。この方法は、ＳｉＣやＡｌ２Ｏ３等のセラミックス粉末からなるプリフォームに、Ｍｇを含むアルミニウムインゴットを接触させた状態で、Ｎ２雰囲気下、７００〜９００℃に加熱して、加圧なしで溶融したアルミニウム合金をプリフォーム中に浸透させる方法であって、ＭｇとＮ２との化学反応を利用してセラミックス粉末に対する溶融アルミニウム合金の濡れ性を改善することにより、加圧なしでアルミニウム合金をプリフォーム中に浸透できる点に特徴がある。
しかし、この方法では、Ｍｇの存在が不可欠であるため、使用環境によっては、複合材料中のＭｇが飛散する場合があった。その結果、Ｍｇを含まない溶融アルミニウム合金をセラミックス粉末中に高圧で押し込める高圧含浸法が現在では多用されているが、やはり大型の加圧装置が必要なこと、また、複雑な形状品を作製するのが困難なこと等の問題を残している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、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てなされたもので、Ｍｇを含まないアルミニウム合金であっても、加圧装置を使用することなく浸透可能で、複雑な形状でも容易に作製できる金属−セラミックス複合材料およびその製造方法を提供する。
【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、Ｓｉを含むアルミニウム合金を基材として用いれば、Ｍｇを含まずとも、アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維により形成したプリフォームに非加圧で浸透可能であるとの知見を得て本発明を完成した。
【０００７】
即ち、本発明は、以下の金属−セラミックス複合材料および製造方法を提供するものである。
（１）アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維を強化材とし、Ａｌ−Ｓｉ合金を基材としてなる金属−セラミックス複合材料であって、該アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維をアルミナ質のバインダーによりプリフォームとし、これにＡｌ−Ｓｉ合金の溶融物を非加圧で浸透させてなることを特徴とする金属−セラミックス複合材料（請求項１）。
（２）Ａｌ−Ｓｉ合金がＳｉを１０〜９９質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の金属−セラミックス複合材料（請求項２）。
（３）アルミナ粉末が粒径３μｍ以下の粒子を５体積％以下含み、アルミナ繊維が平均長さ５〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属−セラミックス複合材料（請求項３）。
（４）金属−セラミックス複合材料におけるアルミナ粉末および／またはアルミナ繊維の充填率が４０〜８０体積％であることを特徴とする請求項１〜３に記載の金属−セラミックス複合材料（請求項４）。
（５）アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維を強化材とし、Ａｌ−Ｓｉ合金を基材としてなる金属−セラミックス複合材料の製造において、アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維をアルミナ質のバインダーによりプリフォームとし、これにＡｌ−Ｓｉ合金の溶融物を非加圧で浸透させ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（請求項５）。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下さらに本発明を詳細に説明する。
本発明で強化材として使用するアルミナ粉末やアルミナ繊維は、Ａｌ２Ｏ３を主成分として含むものであればよく、その他の成分を含んでいてもかまわない。
アルミナ粉末の粒度は、粒径３μｍ以下の粒子を５体積％以下含むものが好ましい。粒径３μｍ以下の粒子が５体積％超えると、Ａｌ−Ｓｉ合金の溶融物の含浸速度が遅くなるほか、未含浸部分が生じ易くなる。
また、アルミナ繊維は、平均長さが５〜１０００μｍのものが好ましい。平均長さが５μｍ未満では、Ａｌ−Ｓｉ合金の溶融物の含浸速度が遅くなるほか、未含浸部分が生じ易くなる。また、平均長さが１０００μｍを超えると金属−セラミックス複合材料の寸法安定性を損なう場合がある。
【０００９】
また、アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維のプリフォームを形成するために使用するアルミナ質のバインダーは、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ（ＯＨ）₃等を含むアルミナゾルが好適である。
【００１０】
本発明で基材として用いるＡｌ−Ｓｉ合金は、Ｓｉを１０〜９９体積％含むものが好ましい。Ｓｉが１０体積％未満ではＡｌ−Ｓｉ合金の溶融物の含浸速度が遅くなるほか、未含浸部分が生じ易くなる。また、Ｓｉが９９体積％を超えると金属−セラミックス複合材料の破壊靭性が低下して割れ易くなる。
また、このＡｌ−Ｓｉ合金は、本発明の解決課題の趣旨からＭｇを含まないものが好ましい。
【００１１】
本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法は、アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維にアルミナ質のバインダーを添加・混合し、この混合物を金型に入れて所定の形状のプリフォームを加圧成形等の公知の方法で成形する。
次に、成形したプリフォームにＡｌ−Ｓｉ合金を接触させ、窒素分圧が１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下の真空中または不活性ガス中でＡｌ−Ｓｉ合金が溶融する温度以上に該接触体を加熱することにより、Ａｌ−Ｓｉ合金の溶融物を非加圧下で自発的にプリフォームに浸透させた後、冷却する方法である。
【００１２】
ここで、金属−セラミックス複合材料におけるアルミナ粉末および／またはアルミナ繊維の充填率は、４０〜８０体積％が好ましい。充填率が４０体積％未満ではプリフォームの強度が低くなって形状が保持できず、また、８０体積％を超えるとプリフォームを作製することが困難となる。
【００１３】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。
【００１４】
表１に、以下の試験に使用した材料を示す。
【００１５】
【表１】

【００１６】
複合材料の作製
アルミナ粉末１００重量部にイオン交換水５０重量部加え、さらにアルミナ質のバインダーを３重量部加えてスラリーを調製した。このスラリーを金型に流し込み、フイルタープレスで脱水して脱型し、１２００℃で焼成して、表２に示す充填率を有し大きさが５０×５０×３０ｍｍのプリフォームを成形した。
次に、表２に示すＳｉ含有率を有するＡｌ−Ｓｉ合金を該プリフォームの上に載置し、真空中で１５００℃に加熱して該合金を溶融し、この状態を５時間保持したのち冷却して、表２に記載の金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００１７】
浸透状態の評価
上記のプリフォームを手で持ち、軽く力を加えてプリフォームが壊れた場合をプリフォームの強度不良とした。また、上記の金属−セラミックス複合材料を切断し、その切断面を目視で観察してＡｌ−Ｓｉ合金の浸透状態を調べた。これらの結果を表２に示す。
【００１８】
【表２】

【００１９】
表１から明らかなように、Ａｌ−Ｓｉ合金のＳｉ含有率、並びに強化材であるアルミナ粉末の粒度および充填率が本発明の範囲内にある実施例１では、Ａｌ−Ｓｉ合金の浸透状態が良好で、未浸透部分がなかった。
これに対して、比較例１では、強化材の充填率が低すぎたため、プリフォームの強度が小さかった。また、比較例２では、充填率８５体積％のプリフォームを作製するのは困難であった。さらに、比較例３では、アルミナ粉末の粒度が小さすぎるため、未含浸部分が多くみられた。比較例４では、合金のＳｉ含有率が小さいため、ほとんど浸透していなかった。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｍｇを含まないアルミニウム合金であっても、加圧装置を使用することなく浸透可能で、複雑な形状でも作製が容易な金属−セラミックス複合材料およびその製造方法を提供できる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a metal / ceramic composite material composited without pressure and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
In general, a metal-ceramic composite material has properties such as ductility, high toughness, high thermal conductivity, and high electrical conductivity that a metal has and properties such as high rigidity, low thermal expansion, and wear resistance that a ceramic has. Such materials are becoming popular as next-generation materials from the machinery industry and the like because the properties of metals and ceramics, which are conventionally considered difficult, are harmonized.
Among them, Al alloys are lightweight and have excellent corrosion resistance, as well as excellent thermal conductivity and electrical conductivity. Therefore, metal-ceramic composite materials using Al alloys as a base material have been attracting attention, taking advantage of the characteristics of such Al alloys. Yes.
[0003]
Known methods for producing a metal-ceramic composite material using an Al alloy include powder metallurgy, high-pressure casting, vacuum casting, and the like. Since it is difficult to increase the rigidity, there is a limit to improvement in rigidity, and there are various problems such as requiring a large pressure device and difficult to form near net.
[0004]
There is a non-pressure permeation method as a method for solving the above problem. In this method, an aluminum alloy melted without pressure by heating to 700 to 900 ° C. in an N2 atmosphere in a state where an aluminum ingot containing Mg is brought into contact with a preform made of ceramic powder such as SiC or Al2O3. In which the aluminum alloy penetrates into the preform without pressure by improving the wettability of the molten aluminum alloy with respect to the ceramic powder by utilizing the chemical reaction between Mg and N2. There is a feature in what can be done.
However, in this method, since the presence of Mg is indispensable, Mg in the composite material may be scattered depending on the use environment. As a result, the high pressure impregnation method in which a molten aluminum alloy not containing Mg is pressed into ceramic powder at high pressure is widely used nowadays, but still requires a large pressure device and produces a complicated shape product. The problem of being difficult is left.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the present invention has been made in view of the problems of the above-described method for producing a metal-ceramic composite material, and even an aluminum alloy not containing Mg can be permeated without using a pressurizing device. Provided are a metal-ceramic composite material that can be easily produced even in a complicated shape, and a method for producing the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent research to achieve the above object, the present inventors have found that if an aluminum alloy containing Si is used as a base material, the preform formed from alumina powder and / or alumina fiber is not added even if Mg is not contained. The present invention was completed with the knowledge that it was possible to penetrate under pressure.
[0007]
That is, the present invention provides the following metal-ceramic composite material and production method.
(1) A metal-ceramic composite material using alumina powder and / or alumina fiber as a reinforcing material and an Al—Si alloy as a base material, wherein the alumina powder and / or alumina fiber is formed into a preform with an alumina binder. A metal-ceramic composite material obtained by impregnating a melt of an Al—Si alloy with no pressure applied thereto (Claim 1).
(2) The metal-ceramic composite material according to claim 1, wherein the Al-Si alloy contains 10 to 99 mass% of Si (claim 2).
(3) The metal-ceramic composite material according to claim 1 or 2, wherein the alumina powder contains 5% by volume or less of particles having a particle size of 3 µm or less, and the alumina fibers have an average length of 5 to 1000 µm. Item 3).
(4) The metal-ceramic composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein a filling rate of alumina powder and / or alumina fiber in the metal-ceramic composite material is 40 to 80% by volume (claim 4). .
(5) In the production of a metal-ceramic composite material using alumina powder and / or alumina fiber as a reinforcing material and an Al-Si alloy as a base material, the alumina powder and / or alumina fiber is made into a preform with an alumina binder, A method for producing a metal-ceramic composite material, wherein a molten Al-Si alloy is impregnated therewith without pressure (Claim 5).
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is further described in detail below.
The alumina powder or alumina fiber used as a reinforcing material in the present invention may be any material that contains Al2O3 as a main component, and may contain other components.
The particle size of the alumina powder is preferably one containing 5% by volume or less of particles having a particle size of 3 μm or less. When the particle size of 3 μm or less exceeds 5% by volume, the impregnation rate of the Al—Si alloy melt is slowed, and an unimpregnated portion tends to occur.
The alumina fibers preferably have an average length of 5 to 1000 μm. When the average length is less than 5 μm, the impregnation rate of the melt of the Al—Si alloy is slow, and unimpregnated portions are likely to occur. Moreover, when average length exceeds 1000 micrometers, the dimensional stability of a metal-ceramic composite material may be impaired.
[0009]
The alumina binder used to form the alumina powder and / or the alumina fiber preform is preferably an alumina sol containing Al2O3, Al (OH) _3, or the like.
[0010]
The Al—Si alloy used as a base material in the present invention preferably contains 10 to 99% by volume of Si. When Si is less than 10% by volume, the impregnation rate of the melt of the Al—Si alloy is slow, and unimpregnated portions are likely to occur. Moreover, when Si exceeds 99 volume%, the fracture toughness of a metal-ceramic composite material will fall and it will become easy to crack.
Further, the Al—Si alloy is preferably one that does not contain Mg for the purpose of the problem to be solved by the present invention.
[0011]
The method for producing a metal-ceramic composite material of the present invention includes adding and mixing an alumina binder to alumina powder and / or alumina fiber, and placing the mixture in a mold to press-mold a preform having a predetermined shape. It shape | molds by the well-known method of these.
Next, the Al-Si alloy is brought into contact with the molded preform, and the contact body is brought to a temperature equal to or higher than the temperature at which the Al-Si alloy melts in a vacuum or an inert gas having a nitrogen partial pressure of 1 × 10 ^-3 Torr or less. In this method, the molten Al-Si alloy is spontaneously permeated into the preform under non-pressurization by heating and then cooled.
[0012]
Here, the filling rate of alumina powder and / or alumina fiber in the metal-ceramic composite material is preferably 40 to 80% by volume. If the filling rate is less than 40% by volume, the strength of the preform is lowered and the shape cannot be maintained, and if it exceeds 80% by volume, it becomes difficult to produce the preform.
[0013]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0014]
Table 1 shows the materials used for the following tests.
[0015]
[Table 1]

[0016]
Production of composite material A slurry was prepared by adding 50 parts by weight of ion-exchanged water to 100 parts by weight of alumina powder and further adding 3 parts by weight of an alumina binder. This slurry was poured into a mold, dehydrated by a filter press, demolded, and fired at 1200 ° C. to form a preform having a filling rate shown in Table 2 and a size of 50 × 50 × 30 mm.
Next, an Al—Si alloy having the Si content shown in Table 2 was placed on the preform, heated to 1500 ° C. in a vacuum to melt the alloy, and this state was maintained for 5 hours. It cooled and produced the metal-ceramic composite material of Table 2.
[0017]
Evaluation of penetration state When the above preform was held by hand and the preform was broken by applying light force, the strength of the preform was considered to be poor. Further, the metal-ceramic composite material was cut, and the cut surface was visually observed to examine the penetration state of the Al-Si alloy. These results are shown in Table 2.
[0018]
[Table 2]

[0019]
As is apparent from Table 1, in Example 1 in which the Si content of the Al—Si alloy and the particle size and filling rate of the alumina powder as the reinforcing material are within the scope of the present invention, the penetration state of the Al—Si alloy is It was good and there were no unpenetrated parts.
On the other hand, in Comparative Example 1, the strength of the preform was small because the filling rate of the reinforcing material was too low. In Comparative Example 2, it was difficult to produce a preform with a filling rate of 85% by volume. Furthermore, in Comparative Example 3, since the particle size of the alumina powder was too small, many unimpregnated portions were observed. In the comparative example 4, since the Si content rate of the alloy was small, it hardly penetrated.
[0020]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it is an aluminum alloy which does not contain Mg, the metal-ceramics composite material which can be penetrated without using a pressurization apparatus, and is easy to manufacture also with a complicated shape, and its manufacturing method can be provided.

Claims

Alumina powder and / or alumina fiber is used as a reinforcing material, and alumina powder and / or alumina fiber is used as an alumina binder in the production of a metal-ceramic composite material based on an Al-Si alloy containing 10 to 99% by volume of Si. A metal-ceramic composite material, characterized in that a preform is formed from an alumina sol , and a molten Al-Si alloy is permeated in a vacuum or inert gas having a nitrogen partial pressure of 1 × 10 ^-3 Torr or less. Manufacturing method.