JP4750992B2 - 金属／セラミック複合材料体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、金属と、金属部分に境を接し、金属が浸透した多孔質セラミック予備成形体とからなり、その際予備成形体の、金属によって還元可能な酸化物と、浸透した金属は相互に完全に又は部分的に反応して金属間相及び金属酸化物を形成している複合材料体に関する。
【０００２】
高い負荷可能な構造部品又は表面を形成するために金属合金を多孔質予備成形体、プレフォーム体に浸透させることは公知である。不活性セラミック、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ又はＡｌＮ及び還元可能な金属酸化物（Ｆｅ、Ｌｒ、Ｌｏ、Ｍｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ及びその他）を含む予備成形体が使用され、該予備成形体に軽金属合金、特にアルミニウム合金がダイカスト又はダイカストに似た方法で浸透せしめられる。さらに、冒頭に述べた、細孔内に浸入した金属と、予備成形体の金属により還元可能な金属酸化物又は一般に酸化物状物質との間の反応は浸透プロセス中、従って例えばダイカスト法では１秒未満持続する鋳造工程中には極めて僅かに進行するに過ぎないことが公知である。従って、製造すべき複合材料体を浸透工程後に極めて高い温度で熱処理することが提案された。このような、有利には金属成分の固相温度（Solidustemperatur）の明らかに上で実施されるべき熱処理の実施は、元来、浸透した多孔質予備成形体が構造部品の体積の１００％になる、従って純粋な金属からなる領域を有していない構造部品においてのみ意味がある。それというのも、純粋な金属からなる領域は高温では変形さるか又は少なくとも明らかな損傷を受けと見なされるからである。
【０００３】
ＤE１９７５０５９９Ａ１では、異なって構成された多孔質予備成形体の層配列に純粋な金属合金から包囲鋳造体（Umguss）で鋳造することが提案されている。この場合、予備成形体は、荷重及び摩耗の負荷を受ける複合材料体の表面を形成するような浸透された予備成形体が予備成形体の細孔内において主として金属間相、しかもアルミニド（Aluminide: Aluminiumlegierungen）から形成されるように積層される。表面層とは反対側の層には、未反応金属合金、従って金属間相及び金属合金からなる混合物も存在し、この場合にはまず先に予備成形体内に含有される金属酸化物が完全に金属間相に変換された。この刊行物の実施例においては、浸透工程後に、それぞれの予備成形体中に存在する金属酸化物の完全な還元を惹起するために、熱後処理（灼熱）が実施される（実施例１〜４）か、又は唯一の均質に構成された予備成形体にダイキャスト型内で約１／１０秒の浸透時間中に金属合金が充填され、この場合には金属酸化物及び浸透金属の極めて不完全な化学反応が達成されているに過ぎない。
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、冒頭に記載した形式の、従って浸透した予備成形体が材料体の金属部分に引き続いている複合材料体から出発して、浸透した予備成形体と金属の良好な結合が達成され、かつ最大の負荷に耐え、かつそれにもかかわらず、その耐負荷性が高められるべき領域において高温でのみ相応する長い時間にわたって還元可能な成分と浸透した金属との達成可能な極めて十分な反応が行われるように改良することである。
【０００５】
前記課題は、冒頭に記載した種類の複合材料体において、本発明に基づき、複合材料体の浸透した領域の内部に、従って予備成形体の内部に金属部分への方向で、予備成形体の還元可能な酸化物と浸透した金属との十分な化学反応から不完全な化学反応への勾配が形成されていることにより解決される。
【０００６】
従って、本発明では、それ自体均質に構成されておりかつ浸透した予備成形体の強化すべき表面領域において、表面から遠ざかった、複合材料体の金属部分（包囲鋳造体）の近くに配置された領域におけるよりも大きな割合の還元可能な酸化物を浸透した金属により還元することを提案する。
【０００７】
前記おいて勾配に関して言及する場合には、予備成形体の内部において無段階の、即ち数学的意味において連続した、化学的変換の割合の特性であると理解されるべきである。
【０００８】
金属間相の形成による予備成形体の反応浸透は硬度上昇及び一般に複合材料体の少なくとも摩耗負荷を受ける領域の高い耐負荷性を生じるので、この表面領域では還元可能な金属酸化物の極めて十分な化学反応を行わせる。浸透した予備成形体の包囲鋳造体近くの領域においては、本発明によれば、そこには予備成形体の細孔内に大きな割合の包囲鋳造体の反応しなかった金属が存在するように、比較的不完全な化学反応を行わせる。このことは包囲鋳造体への予備成形体の一層良好な結合をもたらし、しかも異なる予備成形体材料及び組成の種々の層を使用する必要がない。
【０００９】
金属境界面から出発して、不完全に反応する領域は、境界面から複合材料体の厚さの約１／８〜７／８に達する。
【００１０】
予備成形体を複合材料の形成前に例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び還元可能な金属酸化物から形成する場合には、これらの酸化物を熱処理の際に再液化した（予め浸透した）アルミニウム合金で還元させる、即ち金属酸化物の酸素はアルミニウムと酸化アルミニウムを形成し、かつ金属酸化物の還元された金属は残りのアルミニウム合金とアルミニドの形の金属間相を形成する。
【００１１】
本発明による複合材料体の有利な１実施態様によれば、予備成形体の内部で複合材料体の金属部分の方向に１２×１０^{- ６}／Ｋ未満から１５×１０^{- ６}／Ｋを越える熱膨張係数の勾配を設ける。有利には、熱膨張係数は負荷を受ける表面領域内で６〜１２×１０^{- ６}／Ｋ、及び複合材料体の金属部分への移行領域内で１０〜２０×１０^{- ６}／Ｋ、有利には１２〜２０×１０^{- ６}／Ｋである。このようにして、複合材料体の金属部分の熱膨張係数に十分に近づいた熱膨張係数が達成され、それにより複合材料体の金属部分に対する結合が本発明に基づき改良される。
【００１２】
本発明の対象はまた、前記の形式の複合材料体の製造方法であり、該方法では予備成形体の浸透後に浸透した予備成形体の熱処理を行う。該方法は、本発明によれば、激しい局所的熱供給（Ｑ_ＩＮ）により浸透した予備成形体の領域を５００℃を越える、特に６５０℃を越える又は７００℃を越える温度にしかつそこで短時間保ち、かつ複合材料体の金属部分の冷却（Ｑ_ＯＦＦ）によりその温度を金属の固相温度未満に保持することを特徴とする。従って、本発明によれば、還元可能な金属酸化物と浸透した金属との極めて十分な反応が所望される箇所で、そのために必用な温度を提供することを提案する。他面、複合材料体の金属部分の激しい冷却により、そこで温度が特殊な金属合金のために許容される熱処理温度を超えて上昇しないことが達成されるので、複合材料体の形状保持性及び金属部分の接合部形成が害されない。
【００１３】
局所的加熱は、誘導で及び／又はレーザエネルギーを用いて又は表面に収束させたランプ（ハロゲンランプ又はアークランプ）を用いて又はアークプラズマにより実施することができる。２５０Ｗ／ｃｍ^２より高い、有利には１０００Ｗ／ｃｍ^２より高い、特に２０００Ｗ／ｃｍ^２より高い加熱電力を、複合材料体の浸透した部分の表面に近い領域の局所的に極めて強力な加熱のために使用する。その都度の複合材料体の反応ポテンシャル及び構造部品による熱導出に基づき、さらなる化学反応を自発的に表面に対して平行に及び深部に進行させることができる。自発的進行の際には、１箇所だけで点弧するために必用な高さの電力密度を導入するだけで十分である。不十分な反応性及び他の構造部分による大きな熱導出の際には、第１又は別の熱源で、変換帯域及び変換度の所望の立体的広がりが調整されるように反応を補助する。こうして達成された、複合材料体の浸透した部分内部の温度勾配により、完全に／極めて十分に反応した領域と、反応しなかった／不完全に反応した領域との間の無段階の特性経過が達成される。
【００１４】
複合材料体の金属部分の冷却は、流体冷媒、例えば水、油又はその他の液体を使用することにより行う。ガスを使用するのはあまり有利でない。それというのも、熱伝達抵抗が大きすぎるからである。
【００１５】
本発明のさらなる特徴、詳細及び利点は、特許請求の範囲の記載及び図面及び以下の本発明の説明から明らかである。
【００１６】
図１は、金属酸化物及び充填剤として例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から形成されたセラミック予備成形体２を図式的に示す。該予備成形体は、鋳型４内に装入されている。鋳型に工業用アルミニウムダイキャスト合金を充填し、かつその際多孔質セラミック予備成形体２が浸透される（６）と、これは僅かな度合いであっても、予備成形体をＡｌ_２Ｏ_３及び金属間化合物からなる複合材料体に変換させる。アルミニウムダイキャスト合金の形の浸透した金属は、即ち金属酸化物を還元し、その際金属間相及びその他の酸化アルミニウムが形成される。化学反応により、アルミニウム合金とは強度に区別される局所的に特殊な特性を調整することができる（例えば潤滑工学的、機械的、物理的又は化学的）。反応が緩慢な予備成形体の場合には、化学反応は浸透工程中には進行しないか又は極めて僅かに進行するに過ぎない。より完全な化学反応のためには、５００℃よりも高い温度での熱後処理が必要となる。しかしながら、この温度はアルミニウムダイキャストもしくは加圧ダイカスト構造部品の許容熱処理温度の上にある。セラミック予備成形体が小さい体積割合を占有するに過ぎない複合鋳造部分を４５０℃よりも高い温度に加熱すると、アルミニウム包囲鋳造体内で溶解したガスが分離して気泡を形成する。さらに、アルミニウム合金の固相点を越えて加熱すると複合材料体の形状保持性が損なわれる。従って、このような熱処理は、セラミック予備成形体が複合材料体の殆ど全体積を占有する複合材料体に制限される。
【００１７】
今や、本発明では、局所的及び時間的に制限して（数秒の範囲内で）極めて大きな熱電力密度を、特性の極めて十分な変化、従って通常材料の強化又は硬化が達成されるべき領域に変換反応を開始させるために供給することを提案する。これは誘導方式で実施するのが有利である。誘導コイル１０の適当な設計及び交流の周波数の調整により、誘導される交番磁界の浸透深さ、ひいては複合材料体の加熱に影響を及ぼすかないしは調整することができる。複合材料体の金属部分１２内の過熱を回避するために（気泡形成及び溶融を防止するために）、複合材料体の金属部分１２を、例えば水、油又はその他の流動性冷媒によって激しく冷却する。少なくとも原則的には、運動ガスを用いた冷却も可能である。加熱（供給される熱量Ｑ_ＩＮ）及び冷却（導出される熱量Ｑ_ＯＦＦ）の意図した制御において、構造物内で一定した温度勾配Ｔ（ｘ）が生じ、該温度勾配は複合材料体の浸透した領域内で化学反応の割合の連続した特性経過を生じる、従って十分に変換された領域（セラミック、金属間化合物）から僅かに変化された領域（セラミック、還元可能な酸化物成分、浸透した金属）までの割合の特性経過を生じる。
【００１８】
複合材料体の変換された浸透領域１８は、例えば高い潤滑工学的、機械的、熱的及び化学的耐負荷性により又は金属包囲鋳造体に適合した熱膨張係数で優れている。変換されなかった浸透領域２０は、例えば高い熱伝導性及び包囲鋳造体に適合した熱膨張係数で優れている。まさに、複合材料体の十分に変換された部分におけるほぼ１０×１０^{- ６}／Ｋの熱膨張係数から僅かに変換された又は変換されなかった領域におけるほぼ１５×１０^{- ６}／Ｋの値への熱膨張特性の連続的移行は、周期的、熱的及び高い負荷を受ける複合鋳造部のために、そのような場合に予備成形体から包囲鋳造部（熱膨張係数２０〜２５×１０^{- ６}／Ｋ）への境界面での熱応力が減少せしめられるために寿命を決定することができる。
【００１９】
図４は、複合材料体の表面１６の領域１８における十分な化学的反応から複合材料体の金属部分６に至る予備成形体の境界領域２０内の極めて僅かな反応の前記のような特性経過を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 鋳型内のセラミック予備成形体の略示図である。
【図２】 複合材料体の略示図である。
【図３】 示された温度勾配と共に複合材料体の局所的加熱及び局所的冷却の略示図である。
【図４】 完成した複合材料体の略示図である
【符号の説明】
２ セラミック予備成形体、 ４ 鋳型、 ６ 工業用アルミニウムダイカスト合金、 １０ 誘導コイル、 １２ 金属部分、 １４ 浸透領域、 １８ 変換された浸透領域、 ２０ 変換されなかった浸透領域

Claims (16)

1. 金属（６）と、金属部分に境を接し、金属が浸透した多孔質セラミック予備成形体（２）とからなり、その際金属によって還元可能な予備成形体の酸化物と、浸透した金属とが部分的に相互に反応して金属間相を形成している複合材料体において、予備成形体（２）の内部に金属部分への方向で、予備成形体の還元可能な酸化物と浸透した金属との十分な化学反応から不完全な化学反応への勾配が形成されていることを特徴とする金属／セラミック複合材料体。
2. 金属から浸透した予備成形体への間の移行領域において、予備成形体（２）の材料と浸透した金属（６）との間の化学反応が実質的に行われていないことを特徴とする請求項１記載の複合材料体。
3. 金属境界面から出発して、予備成形体の材料と浸透した金属との間の不完全な化学反応が行われたに過ぎない領域内が、鋳造体厚さの１／８〜７／８、金属境界面から予備成形体内部に延びていることを特徴とする請求項２記載の複合材料体。
4. 金属がアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の複合材料体。
5. 金属がアルミニウムダイカスト合金であることを特徴とする請求項４記載の複合材料体。
6. 予備成形体（２）が複合材料の形成前に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はこれらの組合せ及び金属酸化物から形成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項記載の複合材料体。
7. 予備成形体（２）の内部に複合材料体の金属部分への方向に１２・１０^{- ６}／Ｋ未満から１５・１０^{- ６}／Ｋを越えるの熱膨張係数の勾配が設けられていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項記載の複合材料体。
8. 浸透した予備成形体の十分に反応した領域内に６〜１２・１０^{- ６}／Ｋの熱膨張係数が形成されていることを特徴とする請求項７記載の複合材料体。
9. 浸透した予備成形体の比較的僅かに反応した領域において、１０〜２０・１０^-６／Ｋの熱膨張係数が形成されていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項記載の複合材料体。
10. 浸透した予備成形体と金属の間の熱膨張係数の移行が５・１０^{- ６}／Ｋよりも小さいことを特徴とする請求項７から９までのいずれか１項記載の複合材料体。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の、金属（６）と、それに境界を接し、金属が浸透した多孔質セラミック予備成形体（２）とからなる複合材料体を、予備成形体の浸透後に熱処理を実施することにより製造する方法において、激しい局所的熱供給（Ｑ_ＩＮ）により、浸透した予備成形体（２）の領域を５００℃を越える温度にしかつそこで短時間保ち、かつ複合材料体の金属部分の冷却（Ｑ_ＯＦＦ）によりその温度を金属の固相温度未満に保持することを特徴とする、金属／セラミック複合材料体の製造方法。
12. 局所的加熱を誘導で実施することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 局所的加熱をレーザエネルギーを用いて実施することを特徴とする請求項１１記載の方法。
14. 局所的加熱をアークを用いて実施することを特徴とする請求項１１記載の方法。
15. ２５０Ｗ／ｃｍ^２より高い加熱電力を複合材料体の表面に供給することを特徴とする請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 局所的加熱及び複合材料体の金属部分の冷却により浸透した予備成形体の内部に２Ｋ／ｍｍ〜５０Ｋ／ｍｍの温度勾配を調整することを特徴とする請求項１１から１５までのいずれか１項記載の方法。

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