JP4493880B2

JP4493880B2 - 複合材料の製造方法

Info

Publication number: JP4493880B2
Application number: JP2001148334A
Authority: JP
Inventors: 昌紀大塚; 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: JP2002339001A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合材料の製造方法に関し、一層詳細には、脱脂工程を不要とすることによって複合材料を効率よく製造することが可能な複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスと金属とがともに焼結されてなる複合材料は、セラミックスに由来する高強度および高硬度と、金属に由来する靱性を兼ね備えており、例えば、切削加工用刃具や金型等、様々な分野で広汎に使用されている。
【０００３】
このような複合材料は、通常、以下のようにして製造されている。すなわち、まず、セラミックス粒子、金属粒子、樹脂、ワックス、パラフィン、ステアリン酸アンモニウム、ステアリン酸亜鉛等を充分に撹拌混合して混合粉末とする。次に、この混合粉末を金型で加圧して成形体とする。
【０００４】
ここで、混合粉末中のセラミックス粒子と金属粒子とは、樹脂、ワックスおよびパラフィンによって互いに良好に密着し合う。すなわち、これらは、成形の最中にクラックや欠け、気孔等の構造欠陥が発生することを抑制するための成形助剤である。また、ステアリン酸アンモニウムおよびステアリン酸亜鉛が潤滑剤として作用するので、金型と混合粉末との間の摩擦抵抗が著しく低減される。成形助剤や潤滑剤の上記各作用により、構造欠陥が著しく少ない成形体を得ることができる。
【０００５】
次に、脱脂を行って成形助剤である樹脂、ワックスおよびパラフィンの各有機成分を除去した後に前記成形体を焼結させることにより、焼結体、すなわち、製品としての複合材料が得られるに至る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来技術に係る複合材料の製造方法には、有機成分を除去するための脱脂工程を行う必要がある。この工程を行わない場合には、焼結時に有機成分が揮散した箇所が気孔として複合材料に残留する。このため、複合材料としては、構造欠陥が多く、したがって、強度および靱性に乏しいものとなってしまう。
【０００７】
このような不具合を解消するためには、潤滑剤であるステアリン酸アンモニウムおよびステアリン酸亜鉛の添加量を大きくすることが有効であるかのように考えられる。この場合、成形時における金型と混合粉末との間の摩擦抵抗が低減され、その結果、混合粉末に作用する力が小さくなるので、成形助剤を使用することなく成形体の形状を保持できるようになると推察されるからである。
【０００８】
しかしながら、実際には、潤滑剤の添加量を大きくしてもその潤滑能は飽和してしまう。また、潤滑剤が過剰に存在する場合、セラミックス粒子や金属粒子の粒成長が阻害されるようになる。結局、この場合、緻密な焼結体を得ることが困難になるという不具合が惹起される。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、強度および靱性に優れる複合材料を効率よく製造することが可能な複合材料の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、セラミックス粒子、金属粒子および潤滑剤が混合された混合粉末を成形して成形体を作製し、前記成形体を焼結させることにより複合材料とする複合材料の製造方法において、前記潤滑剤としてステアリン酸を使用することを特徴とする。
【００１１】
ステアリン酸は潤滑能に優れるので、成形時に金型とセラミックス粒子および金属粒子との間の摩擦抵抗が著しく低減する。このため、成形助剤を使用することなく成形体の形状を保持できるようになる。すなわち、成形体にクラック等の構造欠陥が発生し難くなるので、強度および靱性に優れた複合材料を得ることができる。
【００１２】
しかも、この場合、成形助剤を使用しないので、脱脂工程を行う必要もない。このため、複合材料を効率よく製造することができ、結局、複合材料の製造コストを低廉化することができる。
【００１３】
なお、セラミックス粒子および金属粒子１００重量部に対してステアリン酸が０．０２〜０．３重量部の割合で添加された混合粉末を溶媒とともにキャビティに配置した後に金型で加圧し、前記金型から前記溶媒を排出しながら前記混合粉末の成形を行うことが好ましい。
【００１４】
この成形方法では、他の成形方法に比してステアリン酸の添加割合を著しく少なくすることができる。したがって、省資源化を図ることができるとともに、複合材料の製造コストを一層低廉化することができる。
【００１５】
ここで、この成形方法では、原料粒子１００重量部に対するステアリン酸の添加割合が０．０２重量部未満であると、ステアリン酸による潤滑効果が充分ではなくなるので、成形体にクラックや欠け等が発生することがある。また、０．３重量部を超えると、焼結の際に金属粒子またはセラミックス粒子の粒成長が阻害される傾向があり、その結果、緻密な焼結体、すなわち、高強度かつ高靱性な複合材料を得ることが困難となる。
【００１６】
また、セラミックス粒子、金属粒子およびステアリン酸の混合時間は、３０分〜３時間とすることが好ましい。この場合、成形体の潤滑能が最も優れるようになるとともに、高密度な成形体を得ることができる。これにより緻密な焼結体、すなわち、強度および靱性に優れた焼結体を得ることができるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る複合材料の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
本実施の形態に係る複合材料の製造方法のフローチャートを図１に示す。この製造方法は、セラミックス粒子、金属粒子および潤滑剤を混合して混合粉末とする混合工程Ｓ１と、得られた混合粉末を成形して成形体とする成形工程Ｓ２と、この成形体を焼結させて複合材料とする焼結工程Ｓ３とを有する。
【００１９】
まず、混合工程Ｓ１において、セラミックス粒子および金属粒子（以下、これらを一括していう場合、原料粒子と表記する）と潤滑剤とを混合する。
【００２０】
セラミックス粒子は、得ようとする複合材料に希求される特性に応じて選定すればよく、特定の物質に限定されるものではない。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃等の酸化物であってもよく、また、ＴｉＣ、ＷＣ等の炭化物やＴｉＮ等の窒化物、ＢＮ等のホウ化物であってもよい。勿論、これらが混在していてもよい。一方、金属粒子も特に限定されるものではなく、得ようとする複合材料に希求される特性に応じて選定すればよい。例えば、切削工具用の刃具を構成する場合であれば、セラミックス粒子としてＷＣ、ＴａＣおよびＮｂＣ等を選定し、かつ金属粒子としてＣｏ等を選定するようにすればよい。
【００２１】
そして、本実施の形態においては、潤滑剤としてステアリン酸が使用される。ステアリン酸の好適な添加割合は、成形工程Ｓ２において採用される成形方法によって異なる。例えば、一般的なプレス成形により成形を行う場合には、原料粒子１００重量部に対して５〜７重量部程度とすることが好ましい。また、後述する金型内静水圧加圧成形法を採用する場合、０．０２〜０．３重量部であることが好ましい。
【００２２】
このことから諒解されるように、成形工程Ｓ２で金型内静水圧加圧成形法を採用する場合には、ステアリン酸の添加割合を著しく少なくすることができる。したがって、省資源化および複合材料の製造コストの低廉化を図ることができる。また、焼結工程Ｓ３が行われる際に、過剰のステアリン酸が粒成長を阻害するような事態が引き起こされることを回避することもできる。
【００２３】
なお、原料粒子１００重量部に対してステアリン酸の添加割合が０．０２重量部未満であると、ステアリン酸による潤滑効果が充分ではなくなるので、成形体にクラックや欠け等が発生することがある。また、０．３重量部を超えると、焼結工程Ｓ３における原料粒子の粒成長が阻害される傾向があり、その結果、緻密な複合材料を得ることが困難となる。このような複合材料は、強度および靱性が乏しくなる。より好ましい添加割合は、原料粒子１００重量部に対して０．０５〜０．２重量部である。
【００２４】
また、セラミックス粒子、金属粒子およびステアリン酸の粒子は、粒径が互いに略同等であることが好ましい。この場合、後述するように、各粒子が略均等に分散するので、その結果、略均質な複合材料が得られるからである。
【００２５】
原料粒子およびステアリン酸を混合する方法としては、例えば、内部に原料粒子、ステアリン酸、溶媒およびセラミックス製のボールを収容したミルポットを回転させる、いわゆる湿式ボールミルを採用することができる。なお、溶媒としては、ヘキサンが例示される。このような混合により、ステアリン酸が混合粉末中で略均一に分散する。この分散は、ステアリン酸の粒子が原料粒子と略同等の粒径である場合に一層均一となる。
【００２６】
なお、混合時間は、３０分〜３時間とすることが好ましい。３０分未満ではステアリン酸が充分に分散されないので、成形体における気孔率が高くなる。すなわち、成形体の相対密度が小さくなる。また、ステアリン酸の分散は３時間で略均一となり、その結果、混合粉末の金型に対する潤滑能が飽和する。また、成形体の相対密度もほとんど向上しなくなる。したがって、３時間を超える混合を行うと、複合材料の製造効率が低下する。好ましい混合時間は１時間である。
【００２７】
次いで、成形工程Ｓ２において、この混合粉末を成形する。
【００２８】
この際の成形方法としては、金型内静水圧加圧法を採用することが好ましい。この方法では、上記したように、ステアリン酸の添加量を著しく低減することができるからである。
【００２９】
ここで、金型内静水圧加圧成形法につき具体的に説明する。
【００３０】
混合工程Ｓ１で湿式ボールミルを行った場合には、まず、混合粉末から溶媒を除去する。具体的には、乾燥することにより溶媒を揮発させればよい。そして、混合粉末に対して新たな溶媒を添加する。この溶媒の好適な例としては、エチルアルコール等のアルコール類を挙げることができる。勿論、湿式ボールミルの溶媒を乾燥させることなく、この溶媒を引き続いて成形時の溶媒とするようにしてもよい。
【００３１】
なお、混合工程Ｓ１で溶媒を使用することなく混合を行った場合、すなわち、いわゆる乾式混合を行った場合には、混合粉末から溶媒を除去する必要はないことはいうまでもない。
【００３２】
そして、通路が設けられた金型のキャビティに混合粉末を溶媒ごと充填し、この状態で該金型により混合粉末および溶媒に対して圧力を加える。
【００３３】
圧力が加えられた直後、溶媒がまず流動して混合粉末と分離し、該混合粉末と金型との間に介在するようになる。その結果、混合粉末が溶媒から略均等に押圧されるようになり、このため、混合粉末から成形体を作製する最中にクラックや欠けが発生することが著しく抑制される。すなわち、この成形方法においては、混合粉末に対し、まず、溶媒による等圧成形が遂行される。
【００３４】
加圧が進行するに従って、溶媒は、金型に設けられた前記通路を介してキャビティ外に排出される。このため、混合粉末は、次に金型で直接押圧される。このように、溶媒を排出するようにしているので、金型による混合粉末の加圧が妨げられることはない。
【００３５】
金型による加圧の際には、混合粉末中に分散されたステアリン酸が潤滑剤として作用するので、該混合粉末と金型との間の摩擦抵抗が著しく低減される。すなわち、混合粉末に作用する力は著しく小さい。このため、クラックや気孔等の構造欠陥が著しく少ない成形体を得ることができる。したがって、成形体、ひいては複合材料の歩留まりが向上する。
【００３６】
このように、ステアリン酸を潤滑剤として使用することによって構造欠陥が著しく少ない成形体を得ることができるので、本実施の形態に係る製造方法においては、原料粒子同士を密着させるための成形助剤、すなわち、樹脂やワックス、パラフィン等を添加する必要がない。したがって、脱脂工程を行う必要もない。このため、複合材料を効率よく製造することができるので、結局、複合材料の製造コストも低廉化することができる。
【００３７】
最後に、焼結工程Ｓ３において、成形体を焼結することにより原料粒子を粒成長させる。すなわち、互いに接触した粒子同士の接合部を成長させ、最終的に当該粒子同士を併合させて大粒子とする。これにより、焼結体、すなわち、製品としての複合材料が得られるに至る。
【００３８】
この際、原料粒子の粒成長が起こるとともにステアリン酸が揮発除去される。この場合、ステアリン酸が混合粉末中で略均一に分散されている。すなわち、混合粉末にステアリン酸の凝集物が形成されることが著しく抑制されている。このため、ステアリン酸が揮発した箇所が気孔として複合材料に残留することが著しく抑制され、結局、構造欠陥が著しく少なく、強度かつ靱性に優れた複合材料を得ることができる。
【００３９】
なお、上記した実施の形態においては、成形方法として金型内静水圧加圧成形法を採用して説明したが、成形方法は特にこれに限定されるものではなく、一般的なプレス成形法やラバー成形法等を採用することもできる。
【００４０】
また、この実施の形態では、成形工程Ｓ２と焼結工程Ｓ３とを個別に行うようにしているが、ホットプレス法や熱間等圧成形（ＨＩＰ）法を採用して成形と焼結とを同時に行うようにしてもよい。
【００４１】
いずれの場合においても、成形方法に応じてステアリン酸の好適な添加割合を設定するようにすればよい。
【００４２】
【実施例】
１．混合時間と成形体の潤滑能および成形密度との関係
平均粒径０．７μｍのＷＣ粒子４０重量と、平均粒径２．５μｍのＷＣ粒子５０重量と、平均粒径１．５μｍのＣｏ粒子１０重量とを、ヘキサンを溶媒とする湿式ボールミルにより９６時間混合して原料粒子とした。その一方で、最大粒径が１μｍのステアリン酸の粒子を、最大粒径が０．３μｍ以下となるまで乳鉢にて粉砕した。
【００４３】
そして、粉砕したステアリン酸の粒子を原料粒子１００重量部に対して０．０２重量部、０．１重量部、０．３重量部の割合で添加した後、各々を湿式ボールミルにて種々の時間混合することにより混合粉末を得た。
【００４４】
この混合粉末からヘキサンを揮発させて除去し、さらに、目開き５００μｍの篩を通すことにより分級した後、エチルアルコールを混合粉末に添加して金型内静水圧加圧成形法を遂行した。成形圧力は１５０ＭＰａとした。
【００４５】
そして、このようにして得られた２０ｍｍ×２０ｍｍ×７０ｍｍの直方体状の各成形体を金型から取り外す際に要した引き抜き圧力をそれぞれ調べた。この引き抜き圧力が小さいほど金型と成形体との摩擦抵抗が小さいこと、すなわち、成形体の潤滑能が優れていることを表す。原料粒子およびステアリン酸の混合時間と、引き抜き圧力との関係を図２に示す。この図２から、潤滑能に優れた成形体を得るには混合時間を１時間とすることが好ましいということがいえる。
【００４６】
その一方で、金型から取り外された各成形体の密度を測定し、相対密度（理論密度に対する割合）を算出した。結果を併せて図３に示す。この図３から、混合時間を３０分〜３時間とした場合には成形体の密度を比較的高くすることができること、すなわち、気孔等の構造欠陥が少ない成形体を得ることができることが明らかである。
【００４７】
以上の結果から、原料粒子とステアリン酸との混合時間は、３０分〜３時間が好ましく、１時間がより好ましいということが諒解される。
【００４８】
２．ステアリン酸の添加量と成形体の潤滑能および成形密度との関係
上記の原料粒子１００重量部に対して粉砕したステアリン酸の粒子を種々の割合で添加した後、各々を湿式ボールミルにて１時間混合することにより混合粉末を得た。以下、上記と同様にして成形体を得、各成形体の引き抜き圧力と密度とを測定した。結果を図４、図５にそれぞれ示す。これら図４および図５から、ステアリン酸の添加割合が大きくなるほど成形体が潤滑能に優れるようになるが、０．３重量％を超えると、成形体の密度が著しく小さくなることがわかる。また、図３から、ステアリン酸の添加割合が０．０２重量部であっても高密度な成形体を得ることができることは明らかである。
【００４９】
このことから、金型内静水圧加圧成形法により成形体を作製する際には、原料粉末１００重量部に対してステアリン酸を０．０２〜０．３重量部の割合で添加することが好ましいということがいえる。
【００５０】
また、比較のため、上記の原料粒子１００重量部に対して、ステアリン酸アミドまたはステアリン酸アンモニウムを種々の割合で添加した後、各々を湿式ボールミルにて１時間混合することにより混合粉末を得た。以下、上記と同様にして成形体を得た。これらをそれぞれ比較例１、２とする。そして、比較例１、２の各成形体の引き抜き圧力を測定した。結果を、ステアリン酸が使用された成形体（以下、実施例という）の引き抜き圧力とともに図６に示す。この図６から、ステアリン酸の潤滑能がステアリン酸アミドに比して優れていることが明らかである。
【００５１】
なお、比較例１の場合、添加割合を０．３重量％より大きくしても成形体にクラックや欠けが発生することが認められた。
【００５２】
３．焼結体における焼結密度
実施例および比較例２の成形体を図７に示す温度パターンでそれぞれ焼結して複合材料とした。なお、焼結は窒素雰囲気中で行い、窒素の圧力は図７に示す通りとした。
【００５３】
得られた各複合材料につきそれぞれ電子顕微鏡観察を行ったところ、比較例２の複合材料には、直径２０μｍ程度の球状気孔が存在していた。この理由は、ステアリン酸アンモニウムの凝集体が形成され、この凝集体が焼結の際に揮散したためであると考えられる。これに対し、実施例の複合材料では、このような球状気孔は認められなかった。
【００５４】
また、比較例２の複合材料の相対密度が９９．８％であったのに対し、実施例の複合材料では１００％であった。すなわち、ステアリン酸を使用することにより緻密な複合材料を得ることができた。このような複合材料は、気孔等の構造欠陥が存在するために相対密度が低い複合材料に比して優れた強度、硬度および靱性を示す。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る複合材料の製造方法によれば、潤滑能に優れるステアリン酸を潤滑剤として使用するようにしている。このため、樹脂やワックス、パラフィン等の成形助剤を併用することなく構造欠陥が著しく少ない成形体、ひいては焼結体（複合材料）を得ることができる。したがって、成形助剤を除去する脱脂工程が不要となるので、複合材料の製造効率が著しく向上し、結局、複合材料の製造コストを低廉化することができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る複合材料の製造方法のフローチャートである。
【図２】原料粒子およびステアリン酸の混合時間と、各成形体の引き抜き圧力（成形体の潤滑能）との関係を示すグラフである。
【図３】原料粒子およびステアリン酸の混合時間と、各成形体の密度および相対密度との関係を示すグラフである。
【図４】ステアリン酸の添加量と、各成形体の引き抜き圧力との関係を示すグラフである。
【図５】ステアリン酸の添加量と、各成形体の密度および相対密度との関係を示すグラフである。
【図６】ステアリン酸、ステアリン酸アミドおよびステアリン酸アンモニウムの潤滑能を比較して示すグラフである。
【図７】成形体を焼結した際の温度パターンおよび窒素圧力を示すグラフである。

Claims

セラミックス粒子、金属粒子および潤滑剤が混合された混合粉末を成形して成形体を作製し、前記成形体を焼結させることにより複合材料とする複合材料の製造方法において、
セラミックス粒子および金属粒子１００重量部に対し、前記潤滑剤としてのステアリン酸を０．０２〜０．３重量部の割合で添加し、さらに、これらセラミックス粒子、金属粒子およびステアリン酸を湿式ボールミルにて３０分〜３時間混合することで混合粉末を得、
前記混合粉末を、溶媒とともにキャビティに配置した後に金型で加圧し、前記金型から前記溶媒を排出しながら前記混合粉末の成形を行うことを特徴とする複合材料の製造方法。