JP5809971B2 - 複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法に関する。

近年、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとの複合材料（以下、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料）が耐衝撃部材等として利用されている。Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料は、炭化ホウ素のプリフォームに金属ケイ素を含浸させることで製造される。しかし、含浸によりＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料には割れが生じうるため、これを防止するための方法が提案されている。例えば、特許文献１、２記載の方法は、含浸時のケイ素と炭化ホウ素とによる反応が割れの一因になることに注目し、溶融金属ケイ素に炭化ホウ素含有材料を混合し事前溶解させ、この溶解材料をプリフォームに含浸させて反応を抑制して割れを防止しようとしている。

特表２００７−５１３８５４号公報 特開２０１１−１３２０９３号公報

上記の特許文献１、２記載のように、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料の製造時に発生しうるクラックを防止するための方法が提案されているが、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料で、Ｓｉ含浸時に生じるクラックやメタルベインによる割れを十分に防止できていない。特に、特許文献１記載の炭化ホウ素複合体の製造方法において、金属ケイ素に対して溶解させる炭化ホウ素成分は６％程度にすぎず、含浸によるクラックが発生しやすくなる。また、含浸によるＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料の局所的な膨張率のバラツキにより加工負担が大きくなっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、含浸時に生じうるクラックやメタルベインによる割れを防止し、局所的な膨張率のバラツキを低減できるＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料の製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の複合材料の製造方法は、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる複合材料の製造方法であって、金属ケイ素を含む溶融材料を、１４５０℃以上１５００℃以下で２時間以上６時間以下の間、炭化ホウ素のプリフォームに含浸させる工程と、前記含浸により作製された複合材料を冷却して取り出す工程と、を含むことを特徴としている。

このように本発明の複合材料の製造方法では、１４５０℃以上で含浸工程を行なうことで短時間でも含浸を完了でき、１５００℃以下で含浸工程を行なうことで膨張による割れの可能性を低減できる。これにより、含浸の温度を低い範囲内に維持し、含浸工程を短時間化して、含浸による複合材料の膨張を防止することができる。

（２）また、本発明の複合材料の製造方法は、前記炭化ホウ素のプリフォームに対する前記取り出された複合材料の膨張率が１％未満であることを特徴としている。このように、プリフォームに対する複合材料の膨張率が１％未満となるようにするため、溶融材料の含浸時に生じうるクラックやメタルベインによる割れが生じ難い。また、局所的な膨張率のバラツキを低減でき、得られた複合材料の設計通りの加工を容易にできる。

（３）また、本発明の複合材料の製造方法は、金属ケイ素に対して６重量％以上１２重量％以下の炭化ホウ素が含有されるように、炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し、前記溶融材料を準備する工程を更に含むことを特徴としている。

このように、金属ケイ素に対して６重量％以上の炭化ホウ素が含有されるようにするため、炭化ホウ素と金属ケイ素との反応を十分に防止できる。一方、１５００℃以下では炭化ホウ素と金属ケイ素との反応が抑制されており、１２重量％以下の炭化ホウ素の含有で十分な効果が得られるため、炭化ホウ素の混合量を削減でき、コストを低減できる。

本発明によれば、含浸の温度を低い範囲内に維持し、含浸工程を短時間化して、含浸による複合材料の膨張を防止することができる。

以下に、本発明の実施形態を説明する。

（複合材料の構成）
本発明に係るＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料（複合材料）は、炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとから形成されている。Ｂ_４Ｃ／Ｓｉは、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ、ボロンカーバイド）のプリフォームに金属ケイ素を含浸することで得られる。用いられる浸透材は、金属ケイ素の単体でも合金でもよい。なお、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料は、実質的に炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなるものであり、若干の不純物を含んでいてもよい。

（プリフォームの作製、設置）
上記のように構成される複合材料の製造方法を説明する。まず、炭化ホウ素のセラミック多孔質体からなるプリフォームを作製する。例えば、セディメント成形による成形体を脱脂し、プリフォームを作製することができる。また、炭化ホウ素の粒体を加圧しつつ加熱し、ネットワーク構造を有する多孔体の炭化ホウ素のプリフォームを作製することもできる。

次に、容器内にプリフォームを設置する。容器は、有底開口の容器であり、後述する溶融材料を保持して、設置されたプリフォームへ浸透させるのに用いられる。プリフォームの設置の際には、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料のセッター上に設置してもよい。

（ドープ）
一方、金属ケイ素を含む溶融材料を準備する。その際には、炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し、事前に溶解（ドープ）させて準備することもできる。その場合には、金属ケイ素に対して６重量％以上１２重量％以下の炭化ホウ素が含有されるように、炭化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し、溶融材料を準備することが好ましい。

金属ケイ素に対して６重量％以上の炭化ホウ素が含有されることで、炭化ホウ素と金属ケイ素との反応を十分に防止できる。一方、１５００℃以下では炭化ホウ素と金属ケイ素との反応が抑制されているため、１２重量％以下の炭化ホウ素の含有で十分な効果が得られる。これにより、炭化ホウ素の混合量を削減でき、コストを低減できる。

溶解用の炭化ホウ素含有材料には、Ｂ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料の端材を用いることができる。炭化ホウ素含有材料は、塊状でも、粉末でもよい。金属ケイ素に炭化ホウ素含有材料が溶けて反応することで、含浸前に金属にプリフォームを構成する材料を溶け込ませることができる。

（プリフォームへの含浸）
このようにして得られた溶融材料を低温の１４５０℃以上１５００℃以下で２時間以上６時間以下の間、プリフォームへ含浸させる。その際には、容器を１４５０℃以上１５００℃以下に維持しつつ、溶融材料を容器に投入する。

１４５０℃以上とすることで短時間でも含浸を完了でき、１５００℃以下とすることで膨張による割れの可能性を低減できる。そして、短時間化による膨張の防止が可能になる。炭化ホウ素と金属ケイ素とは濡れ性がよく、比較的短時間で含浸する。上記の含浸により、非加圧で高さ１００ｍｍまでは含浸が可能である。このようにして、含浸の温度を低い範囲内に維持し、含浸工程を短時間化して、プリフォームに対する複合材料の膨張を防止することができる。なお、含浸工程では、プリフォームを容器の底から浮かせてもよい。

１４５０℃以上１５００℃以下の温度で金属ケイ素を含浸するのは６時間以下とする。含浸時のＢ_４Ｃ／Ｓｉ複合材料の膨張には、炭化ケイ素と金属ケイ素との反応が関与している。含浸を短時間化することで、炭化ケイ素と金属ケイ素との反応を抑制でき、その結果膨張を抑制することができる。

上記の温度範囲内では、時間と共に浸透後の膨張率は増大する。上記の温度範囲での含浸時間を２時間未満とすると、炉内の加熱と均熱化に殆どの時間が消費され、プリフォームが十分に加熱されないため、上記の温度範囲内であっても含浸は完了しない。

上記の温度範囲を外れ、１４５０℃未満で含浸を行なった場合には、含浸完了に更に長時間が必要となる。そして、含浸を完了させたとしても、含浸による膨張は、上記の温度および時間の範囲での膨張より大きくなる。一方、１５００℃を越えると、炭化ホウ素含有材料のドープが１２％未満の複合材料では、炭化ホウ素と金属ケイ素との反応によるクラックが生じやすい。１４２０℃以下では金属ケイ素融点以下となり含浸不可となる。

（冷却、取り出し）
含浸工程を行なった後は、容器内を自然冷却し、室温まで冷却する。このようにして冷却された複合材料を容器から分離して取り出す。取り出された複合材料の炭化ホウ素のプリフォームに対する膨張率は、１％未満である。このように膨張率が低減されているため、溶融材料の含浸時に生じうるクラックやメタルベインによる割れを防止できる。また、局所的な膨張率のバラツキを低減でき、得られた複合材料の設計通りの加工を容易にできる。

また、膨張が増大すると、ロット間の膨張率バラツキも、それに伴い大きくなる。加工取り代は、バラツキ分も考慮して施す必要があり、製品設計の面からは０．２％かそれ以下が望ましい。このようにして得られた複合材料は、設計通りに加工され、例えば耐衝撃材料として用いることができる。

（実施例）
一辺１００ｍｍの立方体状の炭化ホウ素プリフォームを、時間、温度および炭化ホウ素ドープ量の条件を変えて複合材料を作製した。複合材料は、各条件につき１０個作製した。表１は、各試料の含浸条件とその結果得られた複合材料の状態をまとめた表である。表１で、Ｎｏは試料番号を示しており、本発明の実施例に該当する試料は、太枠で示している。なお、プリフォームに対する複合材料の膨張率は、未含浸の試料やクラックの生じた試料以外で測定した。

表１の結果の欄に示す各不具合のうち、未含浸は、浸透時間不足または温度不十分によると考えられる。また、クラックは、炭化ホウ素とケイ素との反応抑制不足によると考えられる。また、メタルベインは、浸透時の膨張に起因しており、先に浸透した部分が膨張し、まだプリフォームのままの部分を引張るためと考えられる。

表１に示すように、１４５０℃未満の含浸工程では、４時間含浸した場合でも未含浸の試料が発生した。また、１４５０℃未満で含浸する場合でも、その試料の膨張率が高くなった（Ｎｏ．１〜３参照）。

１４５０℃〜１５００℃では、２時間で含浸が完了した。６時間より長く含浸させた試料では膨張率の増大が目立った（Ｎｏ．４〜１１、１４〜１５、１８〜１９参照）。ただし、２時間未満の含浸では未含浸の試料が発生した。炉内の昇温に時間を取られ、プリフォームが十分加熱されないためと考えられる（Ｎｏ．１２参照）。

１５００℃を超える温度では、炭化ホウ素含有材料のドープを１２％未満に減らすと、複合材料にクラックが発生した。炭化ホウ素とケイ素との反応が原因と考えられる（Ｎｏ．２０〜２３、２５〜２８参照）。また、クラックが発生しない条件でも、プリフォームに対して浸透後の複合材料の膨張率が高くなった（Ｎｏ．２２〜２４、２７〜２９参照）。

また、１５００℃以下では、炭化ホウ素含有材料のドープを１２％から６％まで減らしても、クラックは発生しなかった（Ｎｏ．１５〜１７参照）。ただし、ドープが６％未満ではクラックが発生した（Ｎｏ．１３参照）。

プリフォームに対する浸透後の複合材料の膨張率が１．０％を超えると、メタルベインが発生している可能性が高くなっている（Ｎｏ．３、７、１１、１９〜２９参照）。１５００℃以下での浸透がなされた試料のうち、浸透時間の長い条件のものには、メタルベインの発生が目立っている（Ｎｏ．３、７、１１、１９、２４、２９参照）。また、膨張率とともに、ロット間の膨張率のバラツキも増大し、膨張率が１．０％を超えるとバラツキはσで０．２％を超えた（Ｎｏ．３、７、１１、１９〜２９参照）。なお、表１において、膨張率の平均は、１０個の試料の平均を意味し、σは、標準偏差を示している。標準偏差が大きいほど、局所的な膨張率のバラツキも大きい。

以上のように、１４５０℃以上１５００℃以下で２時間以上６時間以下の間、金属シリコンを炭化ホウ素のプリフォームに含浸させた試料は、良品率１００％の結果が得られており、不具合が生じ難いことが実証された。また、膨張率も１％未満になることが実証された。

Claims (2)

1. 炭化ホウ素の強化材と金属ケイ素のマトリックスとからなる一辺１００ｍｍの立方体状の炭化ホウ素プリフォームを用いた時に製造可能な、耐衝撃部材用の複合材料の製造方法であって、
   金属ケイ素に対して６重量％以上１２重量％以下の炭化ホウ素が含有されるように、炭
   化ホウ素含有材料を溶融金属ケイ素に混合し、溶融材料を準備する工程と、
   前記溶融材料を、１４５０℃以上１５００℃以下で２時間以上６時間以下の間、炭化ホウ素のプリフォームに含浸させる工程と、
   前記含浸により作製された複合材料を冷却して取り出す工程と、を含むことを特徴とする複合材料の製造方法。
2. 前記炭化ホウ素のプリフォームに対する前記取り出された複合材料の膨張率が１％未満
   であることを特徴とする請求項１記載の複合材料の製造方法。