JP4318814B2

JP4318814B2 - 金属−セラミックス複合材料の製造方法

Info

Publication number: JP4318814B2
Application number: JP29898399A
Authority: JP
Inventors: 保原田; 宏之津戸; 達也塩貝
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: JP2001123234A

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、特に接合して大型品を作製する金属−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】
近年、金属の高靭性、高熱伝導性とセラミックスの高剛性、低熱膨張性を兼ね備えた材料として金属−セラミックス複合材料が注目されている。この材料の製造方法としては、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法などが従来から知られているが、強化材であるセラミックス粉末の含有量が制御できない、あるいは大型の加圧装置が必要である、ニアネット成形が困難であるなどの理由により、いずれも満足できず、またコストもかかるものであった。これら問題を解決した金属−セラミックス複合材料の製造方法として注目されているのが、米国ランクサイド社が開発した非加圧金属浸透法（Ｐｒｉｍｅｘ^ＴＭ）がある。
【０００３】
この製造方法は、ＳｉＣやＡｌ_２Ｏ_３などのセラミックス粉末で形成されたプリフォームにアルミニウム合金を接触させ、これをＮ_２雰囲気炉中で７００〜９００℃に加熱して溶融したアルミニウム合金を浸透させる方法であるが、これは、化学反応を利用してセラミックス粉末と溶融金属との濡れ性を改善し、機械的な加圧を行わくてもプリフォーム中に浸透できるという特徴がある。本発明によれば、プリフォーム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り、かつ高価な加圧装置も不要であるので、設備費が少なくて済み、かつニアネットシェイプに成形して加工部分を減らせるので、コスト的にも有利である。
【０００４】
これら製造方法で作製された複合材料は、軽量、高剛性といった特徴に加え、さらに制振性が高いという特徴がある。そのため、最近では振動の吸収が必要な測定機器の定盤や高剛性が要求される重量物の土台などの大型品への適用が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら大型品を作製するに当たっては、セラミックス粉末を溶融したアルミニウム合金中に混ぜ、鋳型に流し込む鋳造法で製造すれば、大型品を作製することはできるが、この大型品ではセラミックス粉末の充填率が低く、十分な剛性を確保できないという問題があった。
【０００６】
また、先の非加圧浸透法で製造すれば、セラミックス粉末の充填率を高くすることができるので、十分な剛性を確保した複合材料は作製できるが、その大型品を作製するには溶融金属の浸透に長時間を必要とするので、浸透不良が生じる確率が高く、またコスト的にも問題があった。
【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、剛性が高く浸透不良のない大型品を安価に作製す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、Ｍｇ粉末を含ませた複数のプリフォームを形成し、その複数のプリフォームを組み上げて大型に成し、それにアルミニウム合金を浸透させてプリフォーム同士を接合すれば、剛性が高く浸透不良のない大型品を安価に作製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、セラミックス粉末にＭｇ粉末を混合し、その混合したセラミックス粉末で３０体積％以上の粉末充填率を有する複数個のプリフォームを形成し、それら形成したプリフォーム同士の表面を接触させて所望の形状に組み上げた後、プリフォーム同士が接触している接合面及びプリフォームとアルミニウム合金が接触する面以外の面にカーボンスラリーを塗布し、その組み上げたプリフォームに溶融したアルミニウム合金を窒素中で非加圧で浸透させることにより、アルミニウム合金で浸透されたプリフォーム同士を接合す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】
この製造方法は、３０体積％以上の粉末充填率を有するプリフォームを形成することで高い剛性を確保することができ、そのプリフォーム中にＭｇ粉末を含ませることで溶融されたアルミニウム合金の浸透時間を短縮すると同時に浸透不良をなくすことができ、その形成された複数のプリフォームを所望の形状に組み上げることで大型化することができ、その組み上げたプリフォーム中に溶融されたアルミニウム合金を浸透させることでアルミニウム合金で浸透されたプリフォーム同士を接合することができ、その結果、剛性の高い浸透不良のない金属−セラミックス複合材料の大型品を安価に作製することができる製造方法となる。
【００１１】
【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、先ずセラミックス粉末としてＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮなどのセラミックス粉末を用意する。これらセラミックス粉末に浸透促進剤としてＭｇ粉末を添加し、そのセラミックス粉末で複数個のプリフォームを形成する。
【００１２】
プリフォームの形成方法としては、慣用の方法を用いることができる。例えば、セラミックス粉末に水あるいはセラミックス粉末と反応を起こさない有機溶媒を加え、これにバインダーを加え混合してスラリーとし、フィルタープレスにより形成する方法や、セラミックス粉末にバインダーを加え、混合した粉末をプレスにより形成する方法などが挙げられる。
【００１３】
次いで、形成した複数個のプリフォームをその接合面を接触させて組み上げる。接合面は表面処理をしなくても構わないが、平面度をよくして接触を良好にするために、また複雑形状も可能な所望の形状に組み上げるために機械加工を行っても差し支えない。接合面以外はアルミニウム合金の染み出しを抑えるためにカーボンスラリーを塗布するのが好ましい。
【００１４】
組み上げたプリフォームにアルミニウム合金を接触させ、それをＮ_２雰囲気炉中で７００〜９００℃の温度に加熱処理することによってアルミニウム合金を溶融し、浸透させると同時にアルミニウム合金で浸透されたプリフォーム同士を接合することにより、金属−セラミックス複合材料から成る大型品を作製する。
【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、剛性が高く浸透不良のない大型の複合材料を安価に作製することができる。
【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）金属−セラミックス複合材料の作製
強化材として市販のＳｉＣ粉末Ａ（信濃電気精錬社製ＧＣ＃１８０、平均粒径６６μｍ）とＳｉＣ粉末Ｂ（信濃電気精錬社製ＧＣ＃８００、平均粒径１４μｍ）とを６：４で混合し、その粉末１００重量部に、Ｍｇ粉末（山石金属社製＃１００、平均粒径１２５μｍ）を３重量部加え、これにさらにバインダーとしてＰＶＡ（ポリビニルアルコール、積水化学社製）を５重量部加え、混合した後、それを金型に充填して２５ｋｇ／ｃｍ^２の圧力でプレスして１５０×２００×ｔ５０ｍｍのプリフォームを４個形成した。
【００１８】
得られたプリフォームを４段に重ね、１５０×２００×ｔ２００ｍｍの組み上げたプリフォームを形成し、その側面と下面にアルミニウム合金の染み出しを抑えるためにカーボンスラリーを塗布した後、その上面にプリフォーム重量と同量のＡｌ−１０Ｓｉ−５Ｍｇを組み合わせて電気炉に入れ、Ｎ_２気流中で８２５℃の温度で２４時間加熱処理し、冷却して複合材料を作製した。
【００１９】
（２）評価
得られたプリフォームの寸法、重量よりセラミックス粉末の充填率を算出した。その結果、５０体積％であった。また、得られた複合材料から３×４×４０ｍｍの試験片を切り出し、共振法でヤング率を測定した。さらに、得られた複合材料を切断し、その切断面を目視観察し、アルミニウム合金の浸透状態及び接合面の不具合状態を調べた。それらの結果を表１に示す。
【００２０】
（実施例２〜６）
実施例２では、形成するプリフォームの大きさを４００×４００×ｔ２５ｍｍとし、これらを２段組み上げて４００×４００×ｔ５０ｍｍの組み上げたプリフォームとした他は、実施例３では、形成するプリフォームの大きさを１５０×１００×ｔ５０ｍｍと、５０×１００×ｔ５０ｍｍとし、これらをゲタ状に組み上げて図１に示す組み上げたプリフォームとした他は、実施例４では、プリフォームの大きさを２００×１００×ｔ３５ｍｍと、１００×１００×ｔ３５ｍｍとし、これらをレンガ状に組み上げて図２に示す組み上げたプリフォームとした他は、実施例５では、用いるセラミックス粉末をＡｌ_２Ｏ_３粉末（太平洋ランダム社製ＬＡ＃４００、平均粒径３０μｍ）とした他は、実施例６では、用いるセラミックス粉末をＡｌＮ粉末（東洋アルミニウム社製Ｒ１５、平均粒径１５μｍ）とした他は実施例１と同様に複合材料を作製し、評価した。それらの結果も表１に示す。
【００２１】
（比較例１〜３）
比較のために比較例１では、プリフォーム中にＭｇ粉末を含まないこととした他は実施例１と同様に、比較例２では、プリフォーム中にＭｇ粉末を含まないこととした他は実施例４と同様に、比較例３では、ＳｉＣ粉末（ＧＣ＃１８０）にＡｌ粉末（平均粒径５０μｍ）を加えてＳｉＣ粉末の充填率を２５体積％にした他は実施例１と同様に複合材料を作製し、評価した。その結果も表１に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１から明らかなように、実施例では全て未浸透部分のない、接合不良部分のない、剛性の高い大型の複合材料となっていた。このことは、本発明の方法で複合材料を作製すれば、剛性が高く浸透不良のない大型の複合材料とすることができることを示している。
【００２４】
これに対して、比較例１では、プリフォーム中にＭｇを含んでいないので、浸透時間を７２時間と延長しても浸透させた面より１００ｍｍの高さしか浸透せず、また浸透された部分にも未浸透部分が多数見られた。また、比較例２では、やはりプリフォーム中にＭｇ粉末を含んでいないので、浸透させた面より５０ｍｍの高さしか浸透せず、また浸透された部分にも未浸透部分が多数見られた。さらに、比較例３では、ＳｉＣ粉末の充填率が低すぎたので、ヤング率が大幅に低下していた。
【００２５】
【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であれば、剛性の高い、浸透不良のない大型の複合材料とすることができるようになった。このことにより、剛性の高い複合材料の大型品を所望の形状に問題なく安価に提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例３で述べる組み上げたプリフォームを示す。
【図２】実施例４で述べる組み上げたプリフォームを示す。

Claims

セラミックス粉末にＭｇ粉末を混合し、その混合したセラミックス粉末で３０体積％以上の粉末充填率を有する複数個のプリフォームを形成し、それら形成したプリフォーム同士の表面を接触させて所望の形状に組み上げた後、プリフォーム同士が接触している接合面及びプリフォームとアルミニウム合金が接触する面以外の面にカーボンスラリーを塗布し、その組み上げたプリフォームに溶融したアルミニウム合金を窒素中で非加圧で浸透させることにより、アルミニウム合金で浸透されたプリフォーム同士を接合す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。