JP5859850B2 - Composite material and manufacturing method thereof - Google Patents

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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およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a composite material composed of a boron carbide reinforcing material and a metal silicon matrix, and a method for producing the same.

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、BC/Si複合材料)が耐衝撃部材等として利用されている。BC/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BC/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割れを防止しようとしている。 In recent years, a composite material of a boron carbide reinforcement and a metal silicon matrix (hereinafter referred to as a B 4 C / Si composite material) has been used as an impact resistant member or the like. The B 4 C / Si composite is produced by impregnating boron carbide preform with metallic silicon. However, since the B 4 C / Si composite material can be cracked by impregnation, a method for preventing this has been proposed. For example, in the methods described in Patent Documents 1 and 2, it is noted that the reaction between silicon and boron carbide during impregnation contributes to cracking, and boron carbide-containing material is mixed and dissolved in advance in molten metal silicon. The preform is impregnated with a molten material to prevent cracking.

また、一方で炭化ケイ素セラミックスの多孔体に金属を加圧浸透させる技術が知られている。例えば、特許文献3記載の方法では、炭化ケイ素セラミック多孔体を焼結し、アルミニウムを加圧浸透している。また、特許文献4記載の方法は、炭化ケイ素粉末にシリコン粉末および炭素粉末を混ぜてプリフォームを成形している。そして、1400℃以上で加熱することでケイ素および炭素を炭化ケイ素化し、そのようにして準備したプリフォームに金属ケイ素を加圧浸透している。特許文献5記載の方法は、炭化ケイ素の微粉を用い、常圧高温で仮焼結したプリフォームに金属ケイ素を含浸させている。   On the other hand, a technique is known in which a metal is pressed and penetrated into a porous body of silicon carbide ceramics. For example, in the method described in Patent Document 3, a silicon carbide ceramic porous body is sintered and aluminum is pressurized and infiltrated. In the method described in Patent Document 4, a silicon carbide powder is mixed with silicon powder and carbon powder to form a preform. Then, silicon and carbon are converted into silicon carbide by heating at 1400 ° C. or higher, and metal silicon is pressed and infiltrated into the preform thus prepared. In the method described in Patent Document 5, metal silicon is impregnated into a preform that has been pre-sintered at normal pressure and high temperature using fine powder of silicon carbide.

特表2007−513854号公報Special table 2007-513854 gazette 特開2011−132093号公報JP 2011-132093 A 特開2000−336438号公報JP 2000-336438 A 特開2010−083715号公報JP 2010-083715 A 特開2007−230822号公報JP 2007-230822 A

上記の特許文献1記載のように、従来、BC/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、BC/Si複合材料において、金属ケイ素の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。 As described in Patent Document 1, conventionally, a method for preventing cracks that may occur during the production of the B 4 C / Si composite materials have been proposed, in B 4 C / Si composites, metal silicon Cracks caused by impregnation of metal and cracks due to metal vanes cannot be sufficiently prevented.

通常、炭化ホウ素のプリフォームはバインダを含んでおり、ケイ素含浸前に脱脂を行なう。この脱脂により、プリフォームの強度は、脱脂前の1/2以下の例えば10MPa弱まで低下し、脱脂後や金属ケイ素の含浸中に割れが生ずる場合もある。特許文献2〜4には、SiC/Si複合材料等に関してプリフォームを形成する技術が記載されているが、SiC/Si複合材料では、炭化ケイ素のプリフォームの脱脂体強度は炭化ホウ素のプリフォームのそれの倍以上であり、SiCを強化材とする複合材料には含浸時の割れの問題は生じ難い。充填率を上げるためにはプリフォームの粒子間の気孔を小さくする必要があるが、強度保持のためバインダ添加が必要である炭化ホウ素プリフォームでの高充填化は現状では達成されていない。   Typically, boron carbide preforms contain a binder and are degreased before silicon impregnation. By this degreasing, the strength of the preform is reduced to, for example, a little less than 10 MPa before degreasing, and cracking may occur after degreasing or during impregnation with metal silicon. Patent Documents 2 to 4 describe a technique for forming a preform with respect to a SiC / Si composite material or the like. However, in a SiC / Si composite material, the degreasing strength of a silicon carbide preform is a boron carbide preform. The composite material using SiC as a reinforcing material is less likely to cause cracking during impregnation. In order to increase the filling rate, it is necessary to reduce the pores between the particles of the preform, but high filling with a boron carbide preform that requires the addition of a binder to maintain strength has not been achieved at present.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、割れがなく高ヤング率かつ高硬度の複合材料およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a composite material having a high Young's modulus and a high hardness without cracks, and a method for producing the same.

(1)上記の目的を達成するため、本発明の複合材料は、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なる複合材料であって、炭化ホウ素の強化材は、ネットワーク構造を有し、充填率80%以上であることを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, the composite material of the present invention is a composite material composed of a boron carbide reinforcing material and a metal silicon matrix, and the boron carbide reinforcing material has a network structure, The filling rate is 80% or more.

このように、本発明の複合材料は、炭化ホウ素の強化材がネットワーク構造を有し、充填率が80%以上なので、割れがなく高ヤング率かつ高硬度の複合材料を得ることができる。このような複合材料は高性能な耐衝撃材料として応用できる。   Thus, in the composite material of the present invention, since the boron carbide reinforcement has a network structure and the filling rate is 80% or more, a composite material having a high Young's modulus and high hardness without cracking can be obtained. Such a composite material can be applied as a high-performance impact resistant material.

(2)また、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、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し、充填率80%以上の多孔体の炭化ホウ素のプリフォームを作製する工程と、金属ケイ素を含む溶融材料を、炭化ホウ素のプリフォームに含浸させる工程と、を含むことを特徴としている。   (2) A method for producing a composite material according to the present invention is a method for producing a composite material comprising a boron carbide reinforcing material and a metal silicon matrix, wherein the boron carbide particles are heated while being pressurized, and a network is formed. And a step of producing a porous boron carbide preform having a structure and a filling rate of 80% or more, and a step of impregnating the boron carbide preform with a molten material containing metallic silicon. Yes.

このように、本願発明の複合材料の製造方法では、充填率80%以上で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ため、プリフォームの強度を高くすることができる。また、バインダを介さず、粒子同士によりネットワーク構造を形成するため、脱脂による強度低下も生じない。そのため、溶融材料の含浸時に高い保形力を維持でき、クラックやメタルベインによる割れを防止できる。   As described above, in the method for producing a composite material of the present invention, a porous boron carbide preform having a network structure with a filling rate of 80% or more is produced, so that the strength of the preform can be increased. Moreover, since a network structure is formed by particles without using a binder, the strength is not reduced by degreasing. Therefore, a high shape retention force can be maintained during impregnation of the molten material, and cracks and cracks due to metal vanes can be prevented.

(3)また、本発明の複合材料の製造方法は、前記炭化ホウ素の粒体の加熱を、放電プラズマ焼結法で行なうことを特徴としている。これにより、充填率80%以上のネットワーク構造を有する多孔体のプリフォームを作製できる。その結果、複合材料のヤング率や硬度を高くすることができ、複合材料を高性能な耐衝撃用材料にも応用できる。   (3) The method for producing a composite material of the present invention is characterized in that the boron carbide particles are heated by a discharge plasma sintering method. Thereby, a porous preform having a network structure with a filling rate of 80% or more can be produced. As a result, the Young's modulus and hardness of the composite material can be increased, and the composite material can be applied to a high-performance impact-resistant material.

本発明によれば、複合材料のヤング率や硬度を高くすることができる。そして、このような複合材料を高性能な耐衝撃用材料にも応用できる。   According to the present invention, the Young's modulus and hardness of the composite material can be increased. Such a composite material can also be applied to a high-performance impact-resistant material.

以下に、本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

(複合材料の構成)
本発明に係るBC/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。BC/Siは、炭化ホウ素(BC、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、BC/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。
(Composition of composite material)
The B 4 C / Si composite material (composite material) according to the present invention is formed of a boron carbide reinforcement and a metal silicon matrix. B 4 C / Si is obtained by impregnating metallic silicon into a boron carbide (B 4 C, boron carbide) preform. The penetrating material used may be a metal silicon simple substance or an alloy. The B 4 C / Si composite material is substantially composed of a boron carbide reinforcing material and a metal silicon matrix, and may contain some impurities.

炭化ホウ素の強化材は、ネットワーク構造を有し、充填率80%以上である。ネットワーク構造とは、粒子間のネッキングにより構成された網目構造をいう。これにより、複合材料のヤング率や硬度を高くすることができる。そして、このような複合材料を高性能な耐衝撃用材料にも応用できる。   The boron carbide reinforcement has a network structure and a filling rate of 80% or more. The network structure is a network structure formed by necking between particles. Thereby, the Young's modulus and hardness of the composite material can be increased. Such a composite material can also be applied to a high-performance impact-resistant material.

(プリフォームの作製)
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。その際には、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。例えば、カーボン治具により炭化ホウ素の粒体を加圧しながら、ヒータにより加熱することでプリフォームの作製が可能である。
(Preform production)
The manufacturing method of the composite material comprised as mentioned above is demonstrated. First, a preform made of a porous ceramic body of boron carbide is prepared. In that case, the boron carbide granules are heated while being pressed to produce a porous boron carbide preform having a network structure. For example, a preform can be produced by heating with a heater while pressing boron carbide particles with a carbon jig.

プリフォームの作製時には、粒体を直接、加圧しつつ加熱するため、バインダを介さず粒子同士が結合し、ネッキングを形成できる。そして、プリフォームの強度が高くなり、脱脂による強度低下もなくなる。その結果、後述の金属ケイ素の含浸中も、プリフォームは高い保形力を維持でき、クラックやメタルベインによる割れが発生する可能性を軽減できる。   When the preform is produced, the particles are directly heated while being pressed, so that the particles are bonded to each other without using a binder, and necking can be formed. And the intensity | strength of a preform becomes high and the intensity | strength fall by degreasing is also lost. As a result, the preform can maintain a high shape retaining force even during the impregnation of metal silicon, which will be described later, and the possibility of occurrence of cracks and cracks due to metal vanes can be reduced.

炭化ホウ素の粒体における各粒子の粒径が細かいほど、かつ粒子径分布が狭いほど、焼結条件をより低温かつ低圧にすることが可能である。   The smaller the particle size of each particle in the boron carbide granules and the narrower the particle size distribution, the lower the sintering conditions and the lower the pressure.

プリフォームを作製する際に、炭化ホウ素の粒体の加熱は、放電プラズマ焼結法で行なうことが好ましい。プリフォームの作製には、反応焼結法、雰囲気焼結法等、その他の方法も考えられるが、バインダ等の添加物が必須でなく、また数十MPa程度の比較的低圧で多孔体を製作できることから、放電プラズマ焼結法が優れている。   When producing the preform, it is preferable to heat the boron carbide particles by a discharge plasma sintering method. Other methods such as reaction sintering and atmospheric sintering can be used to make the preform, but additives such as binders are not essential, and a porous body is produced at a relatively low pressure of about several tens of MPa. Since it is possible, the discharge plasma sintering method is excellent.

プリフォームの充填率は、加圧加熱時にスペーサ等でプリフォームの厚みを固定した上で加圧して、体積の制限と原料粒体の投入量により制御できる。スペーサ等を用いずに加熱加圧条件により制御することも可能であるが、ロット間のバラツキは大きくなる。   The filling rate of the preform can be controlled by restricting the volume and feeding the raw material granules after fixing the thickness of the preform with a spacer or the like during pressure heating. Although it is possible to control by heating and pressing conditions without using a spacer or the like, the variation between lots becomes large.

このようにして充填率80%以上のネットワーク構造を有する多孔体のプリフォームを作製できる。なお、放電プラズマ焼結法を行なう場合でも、必要に応じてC、Al、Si等バインダとなるものを炭化ホウ素の粒体に添加してもよいが、その場合には脱脂による強度低下が生じうる。 In this manner, a porous preform having a network structure with a filling rate of 80% or more can be produced. Even when the discharge plasma sintering method is performed, a binder such as C, Al 2 O 3 , or Si may be added to the boron carbide granules as necessary. A decrease can occur.

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、後述する溶融金属を保持して、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、BC/Si複合材料のセッター上に設置してもよい。 Next, the preform is placed in the container. The container is a container having a bottomed opening, and is used for holding a molten metal, which will be described later, and infiltrating the installed preform. When the preform is installed, it may be installed on a setter of B 4 C / Si composite material.

(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。炭化ホウ素含有材料には、BC/Si複合材料の端材を用いることができる。また、炭化ホウ素含有材料は、塊状でも、粉末でもよい。
(Dope)
On the other hand, a molten material containing metallic silicon is prepared. In that case, a boron carbide containing material can be prepared by mixing with molten metal silicon and dissolving (doping) in advance. As the boron carbide-containing material, an end material of a B 4 C / Si composite material can be used. The boron carbide-containing material may be in the form of a lump or powder.

ドープにより金属ケイ素に炭化ホウ素含有材料が溶けて反応し、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。そして、プリフォームへの含浸時の反応を軽減することができ、クラックを防止することができる。   The boron carbide-containing material dissolves and reacts with metallic silicon by doping, and the material constituting the preform can be dissolved into the metal before impregnation. And the reaction at the time of impregnation to a preform can be reduced, and a crack can be prevented.

(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1450℃以上1500℃以下で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。含浸の方法は、例えば非加圧浸透が用いられる。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。
(Impregnation into preform)
The preform thus obtained is impregnated into the preform at 1450 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. At that time, the molten material is put into the container while maintaining the container at 1450 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. As the impregnation method, for example, pressureless permeation is used. In the impregnation step, the preform may be floated from the bottom of the container.

金属ケイ素の含浸に際し、炭化ホウ素と金属ケイ素とはもともと濡れ性が良く、含浸の駆動力となるカーボン分がプリフォームの焼結に使用するカーボン治具から少量(0.5パーセント程度)混入するため、特にカーボン添加の操作を行なわなくても、十分に金属ケイ素の含浸は可能である。なお、上記の少量のカーボンにより、金属ケイ素の含浸後に少量(1パーセント前後)の炭化ケイ素が生成する。   When impregnating metal silicon, boron carbide and metal silicon are inherently good in wettability, and a small amount (about 0.5 percent) of carbon, which is the driving force for impregnation, is mixed from the carbon jig used for sintering the preform. Therefore, it is possible to sufficiently impregnate the metal silicon without particularly performing the operation of adding carbon. The small amount of carbon produces a small amount (around 1 percent) of silicon carbide after impregnation with metallic silicon.

(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。その結果、炭化ホウ素の充填率が80%以上の複合材料を作製することができる。そして、複合材料のヤング率や硬度を高くすることができる。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。
(Cooling, taking out)
After the impregnation step, the inside of the container is naturally cooled and cooled to room temperature. The composite material thus cooled is separated from the container and taken out. As a result, a composite material having a boron carbide filling rate of 80% or more can be manufactured. And the Young's modulus and hardness of a composite material can be made high. The obtained composite material is processed as designed and can be used, for example, as an impact resistant material.

(実施例1)
直径100mm、厚さ6.0mmの円板状の炭化ホウ素のプリフォームを放電プラズマ焼結法により作製した。プリフォームの作製は、原料として炭化ホウ素の粉末(粒径2μm)を110g投入し、1900℃で30MPaの圧力をかけ、10分間保持して行なった。その結果、充填率93%、厚み6.0mmのプリフォームが得られた。このようにして、10枚のプリフォームを作製して浸用容器内に設置し、金属ケイ素を含浸し、BC/Si複合材料を得た。
Example 1
A disk-shaped boron carbide preform having a diameter of 100 mm and a thickness of 6.0 mm was produced by a discharge plasma sintering method. The preform was produced by adding 110 g of boron carbide powder (particle size: 2 μm) as a raw material, applying a pressure of 30 MPa at 1900 ° C., and holding for 10 minutes. As a result, a preform having a filling rate of 93% and a thickness of 6.0 mm was obtained. In this way, 10 preforms were prepared and placed in an immersion container and impregnated with metallic silicon to obtain a B 4 C / Si composite material.

(実施例2)
原料投入量を105gに変更し、その他の条件は同じにして炭化ホウ素のプリフォームを作製した。その結果、充填率89%、厚み6.0mmのプリフォームが得られた。このようにして、10枚のプリフォームを作製して浸用容器内に設置し、金属ケイ素を含浸し、BC/Si複合材料を得た。
(Example 2)
The raw material charge was changed to 105 g, and the other conditions were the same to prepare a boron carbide preform. As a result, a preform having a filling rate of 89% and a thickness of 6.0 mm was obtained. In this way, 10 preforms were prepared and placed in an immersion container and impregnated with metallic silicon to obtain a B 4 C / Si composite material.

(実施例3)
原料投入量を98gに変更し、その他の条件は同じにして炭化ホウ素のプリフォームを作製した。その結果、充填率83%、厚み6.0mmのプリフォームが得られた。このようにして、10枚のプリフォームを作製して浸用容器内に設置し、金属ケイ素を含浸し、BC/Si複合材料を得た。
(Example 3)
The raw material charge was changed to 98 g, and the other conditions were the same to prepare a boron carbide preform. As a result, a preform having a filling rate of 83% and a thickness of 6.0 mm was obtained. In this way, 10 preforms were prepared and placed in an immersion container and impregnated with metallic silicon to obtain a B 4 C / Si composite material.

(比較例1)
炭化ホウ素粉末にバインダとして12.8%と水60%を混合したスラリーを型に流しこみ成形したものを、150℃で焼成し、直径100mm、厚さ6.0mmの円板状の炭化ホウ素のプリフォームを作成した。このようにして、10枚のプリフォームを作製して浸用容器内に設置し、金属ケイ素を含浸し、BC/Si複合材料を得た。
(Comparative Example 1)
A slurry in which 12.8% and 60% water as a binder is mixed with boron carbide powder and poured into a mold is baked at 150 ° C., and is made of a disc-shaped boron carbide having a diameter of 100 mm and a thickness of 6.0 mm. Created a preform. In this way, 10 preforms were prepared and placed in an immersion container and impregnated with metallic silicon to obtain a B 4 C / Si composite material.

(実験結果)
表1は、セラミック焼結体、比較例および実施例のプリフォームおよび生成物の特性を示す表である。表1には、炭化ホウ素および炭化ケイ素のセラミック焼結体の特性も、参考のために記載している。比較例1では、プリフォームの一部で脱脂中にクラックが発生し、そのクラックは金属ケイ素の含浸後の複合材料にメタルベインとして残った。これに対し、実施例1〜3のいずれにもメタルベインは発生しなかった。
(Experimental result)
Table 1 is a table showing characteristics of ceramic sintered bodies, comparative examples and examples of preforms and products. In Table 1, the properties of the sintered ceramics of boron carbide and silicon carbide are also listed for reference. In Comparative Example 1, a crack was generated during degreasing in a part of the preform, and the crack remained as a metal vane in the composite material after impregnation with metal silicon. On the other hand, no metal vane was generated in any of Examples 1 to 3.

このように実施例1〜3では、比較例1に比べ炭化ホウ素の充填率を高くでき、その結果高ヤング率かつ高硬度の複合材料を得ることができた。また、実施例1〜3の硬度に関しては、炭化ケイ素セラミック焼結体よりも高く、炭化ホウ素セラミック焼結体に近い値を得ることができた。また、実施例1〜3の曲げ強度も、比較例1のものよりも著しく向上し、セラミックに近いレベルとなった。   As described above, in Examples 1 to 3, the boron carbide filling rate was higher than that in Comparative Example 1, and as a result, a composite material having a high Young's modulus and a high hardness could be obtained. Moreover, about the hardness of Examples 1-3, it was higher than the silicon carbide ceramic sintered compact, and the value close | similar to the boron carbide ceramic sintered compact was able to be obtained. Further, the bending strengths of Examples 1 to 3 were remarkably improved as compared with those of Comparative Example 1, and were close to ceramic levels.

Figure 0005859850
Figure 0005859850

Claims (3)

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であって、
炭化ホウ素の強化材は、ネットワーク構造を有し、前記炭化ホウ素の充填率80%以上であることを特徴とする複合材料。
A composite material comprising a boron carbide reinforcement and a metallic silicon matrix,
The boron carbide reinforcing material has a network structure, and the filling rate of the boron carbide is 80% or more.
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、
炭化ホウ素の粒体を加圧しつつ加熱することで前記炭化ホウ素がネットワーク構造を有し、前記炭化ホウ素の充填率80%以上の多孔体の炭化ホウ素のプリフォームを作製する工程と、
金属ケイ素を含む溶融材料を、前記作製されたプリフォームに含浸させる工程と、を含むことを特徴とする複合材料の製造方法。
A method for producing a composite material comprising a boron carbide reinforcement and a metallic silicon matrix,
The granules of the boron carbide to heat while pressing a step of the boron carbide has a network structure, the filling rate of the boron carbide to produce a preform of boron carbide 80% or more of the porous body,
Impregnating the prepared preform with a molten material containing metallic silicon, and a method for producing a composite material.
前記炭化ホウ素の粒体の加熱は、放電プラズマ焼結法で行なうことを特徴とする請求項2記載の複合材料の製造方法。   3. The method of manufacturing a composite material according to claim 2, wherein the heating of the boron carbide particles is performed by a discharge plasma sintering method.
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