JPH01272770A - 金属体上へのセラミック層形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、金属体上への緻密セラミック層の形成方法に
関し、テルミット反応を加圧状態の下で簡便に進行させ
、得られる急激な大量の反応熱を利用して、緻密、且つ
金属体上との密着性の高いセラミンク層を形成する方法
を提供するものである。

本発明により１通常焼結等困難な非酸化物セラミックも
単体で緻密な層として形成することができる。

本発明による金属体上への緻密セラミンク層形成方法は
、特に単体セラミック層を金属体上に形成させた場合、
耐酸化性と耐震摩耗性及び耐触性等が問題となる特殊組
成のガラス成形型等レンズ成形部材をはじめ、各種化学
工業部品及び機械部品分野で、利用価値の高いメタル／
セラミック複合部材を製造する優れた方法を提供する。

（従来の技術） 従来、金属体上へのセラミック層の形成法としては、Ｃ
ＶＤ及びＰＶＤ蒸着法、プラズマ溶射法等がある。

また、テルミット反応の発熱を熱源として用いた。セラ
ミック粉末、金属粉末、またはセラミンク粉末と金属粉
末の混合物の焼結方法は特開昭６１−１８６４０４に開
示されているが。

これらセラミック焼結体を金属母材上に密着させて形成
する技術は、未だ開発されていない。

（発明が解決しようとする課題） 前記、従来の技術としてのＣＶＤ及びＰＶＤ蒸着法やプ
ラズマ溶射法等では、特に金属に対する密着性に問題が
あり、セラミック層自体の優れた。耐摩耗性、耐酸化性
、耐触性等の特性を発揮できなかった。

（課題を解決するための手段） 本発明は、前記従来の技術に於ける課題を解決するため
になされたもので、金属体上に、セラミック粉末等のセ
ラミック層形成材料を配置し、加圧状態の下に、テルミ
ット反応の発熱により瞬時に緻密且つ、密着性に富んだ
セラミック層を、前記金属体上に形成することを特徴と
する金属体上へのセラミック層形成方法に関する。

（作用） 前記構成に於ける。金属体上に配置されたセラミンク粉
末等のセラミック層形成材料は、テルミット組成物のテ
ルミット反応により、短時間に大量の熱が放出され、急
速に加熱されるので、特に、難焼結性セラミックであっ
ても緻密かつ金属体への密着性に冨んだセラミック層を
金属体上に形成することができる。

（実施例１） 以下１本発明の実施例を図面を参照して詳述する。

第１図は９本発明に於て、金属体上へのセラミック層の
形成に用いた製造装置であり、■はシリンダ、２は加圧
パンチ、３は金属製プラットホーム、４はセラミック製
筒体、並びにブレート４ａ、５はセラミック製通電ワイ
ヤ、６はＳｉ−テルミット組成物、７はＡｔ−テルミッ
ト組成物、８は六方晶窒化ホウ素成形体、９は緻密セラ
ミック層を生成するセラミック粉、又はセラミック粉と
金属粉との混合物、１０はセラミック層を形成するため
の金属体である。

前記構成要素のうち、シリンダ１と加圧パンチ２及び金
属プラットホーム３は圧力発生容器を形成するものであ
り、セラミック製筒体４は断熱材と圧力シールの役割を
持つ。

セラミック製通電ワイヤ５はＳｉ−テルミット組成物を
着火し、これによって連鎖的にＡｆｆｉ−テルミット組
成物を着火するための内部ヒータを構成する。

六方晶窒化ホウ素成型体８は、金属体及びその上に形成
されるセラミック層とテルミット組成物６及び７との反
応防止及びテルミット発生熱の良好な伝導体の働きをす
る。

次に、上記加圧装置の作動について説明する。

シリンダ１の底壁を構成する金属製プラットホーム３の
上に、セラミック粉末又はセラミック粉末と金属粉との
混合物９が配置された金属体ｌＯを乗せ、その上に六方
晶窒化ホウ素８を。

続いて周囲に３１−テルミット組成物６の配置されたＡ
Ｐ−テルミット組成物を、更にセラミックブレー）４ａ
を介して加圧バンチ２により荷重を加え、セラミック粉
末又はセラミック粉末と金属の混合物９の部分に５００
気圧の圧力を付加する。

上記加圧状態に於て、セラミック製通電ワイヤ５に通電
することにより、Ａｆｆｉ−テルミット組成７の周囲に
配置されたＳｉ−テルミット組成物に着火させ、これに
よって連鎖的にＡｌ−テルミット組成物が着火されてテ
ルミット反応の大量の熱が生ずる。

テルミット組成物の時系列的化学反応開始は次式の通り
である。

Ｓｉ＋２／３ＰｅｘＯｓ→５ｉ０１＋４／３Ｆｅ＋８６
ｋｃａ１２＾ｌ＋Ｆｅｇ０３−＋＾Ｉ＊Ｏｓ　＋　２Ｆ
ｅ　＋　２０４ｋｃａｌテルミット組成物着火による発
熱で、短時間に金属体上に緻密セラミック層を形成後、
圧力を除去して試料を回収する。

セラミック粉末９の組成としては、酸素含有量の０．６
％、平均粒径１．０　／／　ｍのＴｉＢｘの粉末０．０
２　ｇを直径６．０閣、厚み′２．５−の４．０％Ｇ　
ｏ−ＷＣ円板上に配置し、チルミント組成物としては、
Ａｆｆｉ粉末とＦｅｚｅｓ粉末とをモル比でηに混合し
たテルミット組成物４２ｇ「を直径３０圃の円板上に冷
間成形し、同時に６ｇｒのＳｉ−テルミット組成物を前
記製造装置に組みこみ２緻密セラミック層を形成させた
。

この時のテルミット反応による発熱量は４３．８ｋｃａ
　ｌであった。

本実施例によって得られたＴｉＢｚ単体から成るセラミ
ンク層エツジで４．０％Ｃｏ−ＷＣ！ＩＩ硬に鋭いキズ
をつけることができ、緻密なセラミック層が得られたこ
とを示す。

ダイヤモンドホイールにて１本実施例により形成された
セラミック層を研磨した面は銀色光沢を示した。

本実施例にて得られたＴ　ｉ　Ｂ　！　／　Ｗ　Ｃ４％
Ｃｏタブレットを大気中で、室温〜７００　’Ｃに繰返
し加熱、冷却処理を施してもセラミック層が金属体上か
ら剥離するようなことはなく。

ＴｉＢｇ　セラミック層はＷＣ−４％Ｃｏペレットと極
めて良好な密着性を示すことが確かめられた。

Ｔ　ｉ　Ｂ　ｔ　／　Ｗ　Ｃ−４％Ｃｏ接合界面を詳細
に調べるために１本実施例にて得られた超硬タブレット
をダイヤモンドカッターで切断し、研磨後ＳＥＭ観察を
行った結果、セラミック層／Ｗｃ−４％Ｃｏ超硬界面は
極めて良好な密着性を示していた。

セラミック層を形成するための金属体としては、高速麿
鋼、ステンレス鋼及び鋳鉄等にてテストした結果も、前
記４％Ｃｏ　−Ｗ　Ｃ超硬の場合と同様な良好なセラミ
ック層の緻密、且つ金属体との極めて良好な密着性が得
られた。

（実施例２） 実施例Ｉに於けるセラミック粉末及び金属粉末９として
、ＴｉＢ、、Ｎｌ混合体（Ｎｉの■ｏｊ！％を３％）を
０．１ｇ用い、それらの酸素含有量は、ＴｊＢｘが０．
６％、Ｎｉが０．４％、平均粒径はＴｉＢｇが１．Ｏｔ
Ｉｍ、Ｎｉが３．０　ｐ　ｍであった。テルミット熱量
を３５ｋｃａｌ、金属体として炭素鋼を用いた以外は、
実施例１と同一条件で、セラミック層（正確にはサーメ
フト層）を形成させた。

本実施例で得られたセラミック層はタブレット切断研磨
後のＳＥＭ観察で極めて良好な炭素鋼との密着性を有し
、緻密かつ、Ｎ１の分布も橿めて均一で、掻く薄い層で
Ｔ　ｉ　Ｂ、粒子を結合していた。

このセラミック層エツジで炭素鋼に容易にキズをつける
ことができた。

（実施例３） 実施例１に於けるセラミック粉末９として。

Ｔ　ｉ　Ｃ（酸素含有量０．５％、平均粒径１．２μｍ
）。

Ｔ　ｉ　Ｎ（酸素含有量０．７％、平均粒径１．ＯｔＩ
ｍ）。

Ｔ＋　Ｃ，、ｓＮ、、ｓ　（酸素含有量０．８％、平均
粒径１、３　ｕ　ｍ　）を各々０．０２〜０．０４　ｇ
用い、テルミット熱量を４０ｋｃａｌ、金属体として、
ステンレス鋼を使用した以外は実施例１と同じ条件でセ
ラミック層を形成した。

本実施例で得られたセラミック層は、実施例Ｉと同様、
極めて良好なものであった。

（実施例４） セラミンク粉末９の代りに、Ｂ、Ｃ（酸素含有１０．８
％、°平均粒径２μｍ）０．０１ｇを４％Ｇ　ｏ　−Ｗ
　Ｃ円板状に配置し、更に、その直上にＴ　ｉ　／　Ｂ
比が２のチタン粉末とＢ粉末の混合物０．２ｇｒを層に
組立て、テルミット熱量を３５ｋｃａ　ｌとした以外は
、実施例■と同じ条件でセラミンク層を形成した。

本実施例で得られたセラミック層は、ＴｉＢｔ。

Ｂ、Ｃ，ＴｉＣの混合した橿めて緻密な、金属体１０へ
の密着性の良好な硬質層であった。

なお１本実施例に於ては、Ｂ、Ｃ粉末９の真上に配置し
たＴ　ｉ　／　Ｂ混合物の代りに、Ｔｉ／Ｃを１＝１又
はＴＩＯ，／Ｃ／Ａｅの比が３＝３；４の混合物を六方
晶窒化ホウ素の層を介して配置することにより１本実施
例と同一テルミット熱量で４％Ｃｏ　−Ｗ　Ｃ上に緻密
、且つ金属体ｌＯへの密着性の良いＢ　ａ　Ｃセラミッ
ク層が単味で形成できた。

（実施例５） セラミック粉末９の代りに、Ｔｉ／Ｂの比ｌ：２の、Ｔ
ｉ粉末（平均粒径５μｍ、酸素含有量０．５％）及びＢ
粉末（平均粒径０．５μｍ、酸素含有量０．８％）の混
合体０．０３ｇｒとＳ　ｉ　／　Ｃの比１：のＳｉ粉末
（平均粒径２μｍ、酸素含有量０．６％）及びＣ粉末（
平均粒径３μｍ、酸素含有量０．５％）の混合体０．０
２ｇｒそれぞれをステンレス円板上に配置し、テルミッ
ト熱量３０ｋｃａｌとした以外は実施例１と同一条件で
セラミック層を形成した。

Ｔ　ｉ　／　Ｂ粉末混合体、ｓｉ／ｃ粉末混合体双方に
於て、Ｘ線回折によれば、ステンレス円板上にはＴｉＢ
、、ＳｉＣ単相のセラミックしか検出されなかった。

しかし、Ｓｉ／Ｃ粉末混合体の酸素含有量の増加により
、Ｓｉ／Ｃの比は１より小さくすることが好ましい。

（実施例６） セラミック粉末９の代りにＢ、Ｃ粉末（酸素含有量と平
均粒径は実施例４と同じ）とＴｉ粉末（酸素含有量と平
均粒径は実施例５と同じ）を。

Ｂ、Ｃ／Ｔ　ｉ　＝４／１の比に混合した混合物を４％
Ｇｏ−ＷＣＩ硬円板上に０．０６ｇｒ配置し。

テルミット熱量を３５ｋｃａｌとした以外は実・施例１
と同一条件でセラミック層を形成した。

得られたセラミック層はＢ１Ｃ１Ｔ　ｉ　Ｂ２．　Ｔｉ
Ｃとから成っており、緻密で良好な密着性を持つことが
明らかとなった。

（実施例７） 金属体上に、予め、０．０５＋ｗ厚さのＴａ薄板を配置
し、その上にセラミック粉体としてＺｒＮ粉末（平均粒
径１μｍ、酸素含有量１％）０．０２ｇｒを用い、テル
ミット熱量を３５ｋｃａｌとした以外は、実施例】と同
し条件でセラミック層を形成した１本実施例に用いたＴ
　ａ　＊　＋Ｉｉは、セラミック層と金属体の熱応力を
緩和し、極めて良好な割れのないセラミック層を形成す
るのに効果かあ、った。

なお９本実施例に用いたＴａ薄板の代りに。

Ｍｏ、Ｔｌ−Ｃｒ合金、Ｔａ−Ｚｒ合金、　Ｃｕ−Ｔｉ
合金等の薄板、あるいは前記Ｔａ薄板の代りに粉末を配
置しても同様な効果があった。

（比較例１） 不可避不純物である酸素のセラミック層の緻密化、金属
体との密着性に及ぼす効果並びにセラミック粉、金属粉
、非金属粉の粒径が同上セラミック層特性に及ぼす効果
の一例は実施例１〜７に示しである。

これらの効果をより明らかにするため酸素含有量１．８
％としたＴ　Ｉ　８ｍ粉末を用いて、実施例１と同様な
手法によりセラミック層を形成した。得られたセラミッ
ク層は、実施例１に示す低酸素粉を使用した場合より緻
密さに欠け、４％Ｃｏ−ＷＣ超硬との密着性も不良であ
った。

又セラミック層を構成するＴｉＢｔの結晶粒径は１部分
的に異常に成長し、大気中での室温〜７００°Ｃにおけ
る加熱冷却サイクルにおいてセラミック層の一部は破壊
した。

その他実施例２〜６についても不可避不純物である酸素
は、セラミック層の緻密度、金属体との密着性を低下さ
せる。

（比較例２） セラミック層を形成する各原料粉体の粒径の効果を明ら
かとするため、平均粒径１５μｍのＴｉＣ粉末を用いて
実施例３と同様な手法によりセラミック層を形成した。

得られたセラミック層の緻密度は低下するとともに下部
金属体から一部溶融した金属がセラミック層に混入する
場合が多〈実施例１〜６それぞれについても同様の不具
合が生じた。又特に結晶構造の熱的異方性の強いセラミ
ックでは、結晶粒径が増大すると結晶粒界等から多数の
クラックが入り、自己崩壊する頻度が高くなる。加えて
実施例５に示すような金属元素／非金属元素混合体から
出発して得られるセラミック化合物層中には未反応金属
、非金属体が残る結果となる。原料粉の平均粒径は１０
μｍ以下にする必要がある。

（発明の効果） 本発明に係る金属体上へのセラミック層形成方法は、チ
ルミント反応の急激な発熱、及びテルミット反応によっ
て効果的、効率的に誘発される発熱反応を伴うセラミッ
ク化合物反応を利用した手法であるため、難焼結で、結
合剤等の使用によってのみしか、緻密なセラミック体が
得られなかった。各種非酸化物セラミックを結合剤無添
加で緻密な層とすることができる他。

金属体との高い密着性も得られる。

更に、加熱時間が橿めて短いために、セラミンク結晶粒
の成長を著しく抑えることができるため、金属体への熱
的損傷も少ない利点がある。

また、前記テルミット反応を利用したセラミック層形成
方法の特徴に加え、原料粉等の不可避不純物である酸素
含有量を特定範囲に、また原料粉粒径を同様に特定する
ことによって、これらセラミック層の耐蝕性、耐熱性、
耐摩耗性も著しく向上するため、極めて良好な各種セラ
ミック層を提供することができる。

従って、最近のガラスレンズ性能の高度化に伴い、従来
にない優れたレンズ成形型材、苛酷な環境下で使用され
る各種化学工業部剤及び耐摩耗性等が要求される各種機
械部品分野等で広く利用することができるため、産業の
発展に大きく寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明に使用する加圧装置の一実施例を示す
断面図であるが、圧力の増加に伴い構造も変化してよい
ことは勿論である。 １・・・シリンダ　　　　２・・・加圧パンチ３・・・
プラットホーム　　４・・・円筒４ａ・・・プレート　
　　５・・・通電ワイヤ６・・・チルミント組成物 ７・・・Ａｌ−テルミット組成物 ８・・・六方晶窒化ホウ素成型体 ９・・・セラミック層形成材料　　ｌＯ・・・金属体特
許出願人　株式会社小松製作所 代理人　（弁理士）岡　１）和　喜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属体上に、セラミック粉末又はセラミック粉末
   と金属粉末との混合物を配置し、加圧状態の下に、テル
   ミット反応の発熱により、瞬時に緻密且つ密着性に富ん
   だセラミック層を、前記金属体上に形成することを特徴
   とする金属体上へのセラミック層形成方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項に於て、加圧状態の下に、
   テルミット組成物の反応を簡便、かつ効果的に開始させ
   るために、テルミット組成物着火熱源として、Ｓｉ−テ
   ルミット組成物単体、又はＳｉ−テルミット組成物と他
   のテルミット組成物との混合物を併用することを特徴と
   する金属体上へのセラミック層形成方法。
3. （３）金属体上にセラミック粉末と、金属粉末、非金属
   粉末の混合物又はセラミック粉末と金属粉末の混合物を
   層状に配置し、加圧状態の下にテルミット反応の発熱に
   より、瞬時に緻密、且つ密着性に富んだセラミック層を
   、前記金属体上に形成することを特徴とする金属体上へ
   のセラミック層形成方法。
4. （４）金属体上に、金属粉末又は金属化合物粉末と、非
   金属粉末又は非金属同士の化合物粉末との混合物を配置
   し、加圧状態の下に、テルミット反応の発熱により前記
   金属体上にセラミック層を形成することを特徴とする金
   属体上へのセラミック層形成方法。
5. （５）金属体上に、周期律表の I ｂ、IIｂ、IVａ、Ｖ
   ａ、VIａ、VIIａ、VIII族から選ぼれた少なくとも１種
   の金属単体又は各金属の合金をインサート材として配置
   した後、セラミック粉末、又はセラミック粉末と金属粉
   末との混合物を配置し、加圧状態の下に、テルミット反
   応の発熱により前記金属体上にセラミック層を形成する
   ことを特徴とする金属体上へのセラミック層形成方法。