JPH02275775A - セラミック複合体を第二の物体に結合する方法及びそれにより製造された物品 - 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、−船釣には、複合体の新規な製造方法及びそ
れにより製造された新規な製品に関し、更に詳しくは、
炭化硼素及び任意に一種又は二種以上の不活性充填材を
含有する床（ｂｅｄ）又は素材（ｍａｓｓ）中への溶融
母材金属の反応浸透及び残留する又は過剰の母材金属を
形成された自己支持体に結合又は接合させて残留させる
ことにより、一種又は二種以上の硼素含有化合物、例え
ば、硼化物又は硼化物と炭化物を含んでなる自己支持体
を製造する方法に関する。残留する又は過剰の金属は、
次いで、この形成された複合体を（金属又はセラミック
体のような）他の物体との間の結合を形成するために使
用することができる。

［従来の技術］ 近年、従来は金属が使われていた構造物用途にセラミッ
クスを用いることに関心が増大している。

この関心の原動力は、耐食性、硬度、耐摩耗性、弾性率
、耐火性などのある種の特性においてセラミックスの方
が金属よりも優れていることにある。

しかしながら、このような用途にセラミックスを適用す
ることに対する主な制約として、所望のセラミックスの
構造物を製造することの現実性とコストの問題がある。

例えば、ホウ化物セラミック体の製造方法としてホント
プレス、反応焼結、反応性ホットプレスが知られている
。これらの方法でホウ化物セラミック体を製造すること
は限られた範囲で成功しているが、緻密なホウ化物含有
材料をより有効にかつ経済的に製造する方法がなお求め
られている。

さらに、セラミックスを構造物用途に用いることに対す
る第二の主な制約は、セラミックスが一般に靭性（即ち
、破損強さ又は破壊抵抗）を欠くことにある。このよう
な靭性の欠如のために、セラミックスはそれほどでない
引張応力を伴なう用途において突然に容易に激しく破損
する傾向を示す。この靭性の欠如は特にモノリスのホウ
化物セラミック体においてよく見られる。

上記の問題を解決するために試みられている方法の一つ
は、例えばサーメット又は金属マトリックス複合体のよ
うに、セラミックスを金属と共に用いることである。こ
の公知の方法の目的は、セラミックスの最良の特性（例
えば、硬度及び／又は剛性）と金属の最良の特性（例え
ば、延性）の両方を組合せて得ることである。ホウ化物
化合物の製造ではサーメットの分野においである程度の
一般的な成功がおさめられているが、なおまだホウ化物
含有材料をより有効かつ経済的に製造する方法に対して
要求がある。

ホウ化物含有材料の製造に伴なう上記の問題の多くは米
国特許出願第７３．５３３号（１９８７年７月１５日出
願、発明者Ｄａｎｎｙ　Ｒ，Ｗｈｉｔｅ、　Ｍｉｃｂａ
ｅｌ　Ｋ。

Ａｇｈａｊａｎｉａｎ及びＴ、　Ｄｅｎｎｉｓ　Ｃ１ａ
ａｒ　、発明の名称”Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　Ｐｒｅ
ｐａｒｉｎｇ　Ｓｅ１ｆ−５ｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　Ｂｏ
ｄｉｅｓａｎｄ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｍａｄｅ　Ｔｈｅ
ｒｅｂｙ″、対応日本特開平０１−１０３９４５号公報
）明細書に記載されている。

米国特許出願第７３，５３３号の開示を簡単に要約する
と、炭化ホウ素の存在における母材金属の浸透反応方法
（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｏ
ｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ）〔即ち、反応性浸透（ｒｅａｃｔ
ｉｖｅ　１ｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）　）を利用して自
己支持性（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）セラミッ
ク体が製造される。とりわけ、炭化ホウ素の床（ｂｅｄ
）又は素材（ｍａｓｓ）が溶融母材金属により浸透及び
反応され、この床は完全に炭化ホウ素のみからなること
ができ、それによって一種又は二種以上の母材金属のホ
ウ素含有化合物からなる自己支持体が得られる。このホ
ウ素含有化合物は母材金属ホウ化物、もしくは母材金属
ホウ素化合物、又はその両方を含み、典型的には母材金
属炭化物もまた含む。また、浸透されるべき炭化ホウ素
素材は一種又は二種以上の不活性フィラーを炭化ホウ素
と混合して含んでいてもよいと開示されている。

従って、不活性フィラーを用いることによって母材金属
の反応浸透による生成物をマトリックスとする複合体が
得られる。このマトリックスは少なくとも一種のホウ素
含有化合物を含み、また同様に母材金属炭化物を含んで
もよく、そしてこのマトリックス中に不活性フィラーが
充填されている。

さらに、上記の態様（即ち、フィラー含有または不含有
）の最終複合体生成物は出発母材金属の少なくとも一種
の金属成分を残留金属として含むこは、炭化ホウ素素材
を特定の温度範囲内の実質的に不活性な雰囲気中で溶融
した金属又は合金の溶融体と隣接又は接触させる。溶融
金属は炭化ホウ素素材に浸透し、炭化ホウ素と反応して
少なくとも一種の反応生成物を生成する。炭化ホウ素は
母材金属により少なくとも部分的に還元可能であること
により母材金属ホウ素含有化合物（即ち、反応の温度条
件下で母材金属のホウ化物及び／又はホウ素化合物）を
生成する。典型的には、母材金属炭化物も生成し、場合
によっては母材金属ホウ炭化物（ｂｏｒｏ　ｃａｒｂｉ
ｄｅ）が生成する。反応生成物の少なくとも一部分は溶
融金属との接触が維持され、溶融金属は吸引又は毛管作
用により未反応炭化ホウ素に向って吸引又は輸送される
。この輸送された金属は新たに母材金属のホウ化物、炭
化物及び／又はホウ炭化物を生成し、そして母材金属又
は炭化ホウ素の一方が消費し尽されるか又は反応温度が
前記反応温度範囲外にされるまでセラミック体の形成又
は成長が続く。得られる組織は母材金属ホウ化物、母材
金属ホウ素化合物、母材金属炭化物、金属（米国特許出
願筒７３．５３３号に記載されているように合金及び金
属間化合物を含む）の−種又は二種以上、又は空孔（ボ
イド）、又はこれらの組合せからなる。また、これらの
いくつかの相はセラミック体の全体にわたって一次元的
に又は二次元又は三次元的に連続していてもよく、ある
いは連続していなくてもよい。ホウ素含有化合物相（即
ち、ホウ化物相及びホウ素化合物相）、炭素含有化合物
相、及び金属相の最終体積分率及び連続性の程度は炭化
ホウ素体の初期密度、炭化ホウ素と母材金属、母材金属
の合金の相対量、炭化ホウ素のフィラーによる希釈、温
度、時間などの条件の一つ又は二つ以上を変更して制御
することが可能である。炭化ホウ素の母材金属ホウ化物
、母材金属ホウ素化合物及び母材金属炭化物への変換が
少なくとも約５０％であることが好ましく、最も好まし
くは少なくとも９０％である。

米国特許出願筒７３．５３３号で用いられた典型的な環
境又は雰囲気は処理条件下で比較的不活性又は非反応性
のものであった。特に、例えば、アルゴンガス又は真空
が好適な処理雰囲気であると記載されている。さらにま
た、ジルコニウムを母材金属として用いた場合、得られ
る複合体は二ホン化ジルコニウム、炭化ジルコニウム及
び残留ジルコニウム金属からなっていたと記載されてい
る。

また１、アルミニウムを母材金属として用いた処理では
、ＡｈＢ４ｓＣ２，ＡｌＢ１２Ｃ２及び／又はＡｌＢ２
４Ｃ４などのホウ炭化アルミニウムとアルミニウムその
他の母材金属の未反応非酸化成分の残留分からなるもの
が得られたと記載されている。このような処理条件下で
用いるのに適当なその他の母材金属としてはケイ素、チ
タン、ハフニウム、ランタン、鉄、カルシウム、バナジ
ウム、ニオブ、マグネシウム及びベリリウムが記載され
ている。

米国特許出願筒１３７，０４４号（１９８７年１２月２
３日に米国特許出願筒７３，５３３号の一部継続出願と
して出願、発明者Ｔｅｒｒｙ　Ｄｅｎｎｉｓ　Ｃ１ａａ
ｒ、　５ｔｅｖｅｎ　ＭｉｃｈａｅｌＭａｓｏｎ、　Ｋ
ｅｖｉｎ　Ｐｅｔｅｒ　Ｐｏｃｈｏｐｉｅｎ及びＤａｎ
ｎｙ　ＲａｙＷｈ　ｉ　ｔｅ、発明の名称”Ｐｒｏｃｅ
ｓｓ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｐａｒｉｎｇ　Ｓｅｌｆ−５ｕｐ
ｐｏｒｔｉｎｇ　Ｂｏｄｉｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｄｕｃ
ｔｓ　Ｍａｄｅ　Ｔｈｅｒｂｙ”。

対応欧州特許出願公開ＥＰ−Ａ２−３２２３３６）は、
場合により、溶融母材金属により浸透される′べき炭化
ホウ素の床又は素材に炭素供給材料（ｃａｒｂｏｎ　ｄ
ｏｎｅｒｍａｔｅｒｉａｌ、即ち、炭素含有化合物）を
添加することが望ましいことを開示する。具体的には、
炭素供給材料は母材金属と反応して母材金属−炭化物相
を住成し、これが得られる複合体の機械的特性を炭素供
給材料を用いないで生成した複合体の特性よりも優れた
ものとすることを可能にすることが開示されている。こ
のようにして、反応体濃度及び処理条件を変更又は制御
してセラミック化合物、金属及び／又は空孔率をいろい
ろな体積パーセントで含む複合体を得ることができるこ
とが開示されている。例えば、炭化ホウ素素材に炭素供
給材料（例えば、グラファイト粉又はカーボンブラック
）を添加して母材金属−ボウ化物／母材金属−炭化物の
比を調整できる。特に、ジルコニウムを母材金属として
用いた場合、ＺｒＢ２／ＺｒＣの比を低下させることが
できる（即ち、炭化ホウ素材料に炭素供給材料を添加す
ることにより、より多くのＺｒＣを生成することができ
る）。

また、米国特許出願第１３７．０４４号は適当な数の貫
通孔を特定の寸法、形状及び位置に有するグラファイト
型を用いることを開示している。この貫通孔は、母材金
属の反応浸透の先端がプレフォームに浸透するとき、例
えば、プレフォーム又はフィラー中にトラップされてい
た気体が逃れること１３７．３８２号（１９８７年１２
月２３日出願、発明者ＴｅｒｒｙＣ１ａａｒ及びＧｅｒ
ｈａｒｄ　Ｂａｎ５５ｃｈｉｒｏｋｙ、発明の名称”Ａ
　　Ｍｅｔｈｏｄ　　ｏｆ　　ＭｏｄｉｆｙｉＢ　　Ｃ
ｅｒａｍｉｃ　　ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＢｏｄｉｅｓ　Ｂ
ｙ　ａ　Ｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ
　ａｎｄ　ＡｒｔｉｃｌｅｓＭａｄｅ　Ｔｈｅｒｅｂｙ
”、対応日本特開平０１−２２４２５５号公報）にさら
なる改良方法が開示されている。具体的には、米国特許
出願第１３７，３８２号は米国特許出願第７３．５３３
号の方法に従って作成したセラミック複合体を気体状与
炭剤（ｇａｓｅｏｕｓ　ｃａｒｂｕｌｉｚｉｎｇｓｐｅ
ｃｉｅｓ）に暴露することによって改質できることを開
示する。このような気体状与炭剤は、例えば、複合体を
グラファイト床中に埋めて制御された雰囲気の炉中でグ
ラフ１イト床の少なくとも一部を水蒸気又は酸素と反応
させて生成することができる。しかしながら、炉内雰囲
気は典型的には主としてアルゴンの如く非反応性ガスか
らなるべきである。アルゴンガス中に存在する不純物が
与炭剤を生成するのに必要な酸素を供給するのが、それ
ともアルゴンガスはグラファイト床又は複合体中の成分
のある種の気化によって発生する不純物を含むビーヒク
ルとして働くだけなのがは明らかでない。さらに、気体
状与炭剤は複合体の加熱中に制御雰囲気炉中に直接に導
入することができる。

炉は、雰囲気制御炉中に気体状与炭剤が導入されたとき
、粗に充填されたグラファイト物中に埋められた複合体
の表面の少なくとも一部分と与炭剤が接触することが可
能なように構成されるべきである。４炭剤中の炭素又は
グラファイト床中の炭素は連続炭化ジルコニウム相中に
溶解し、それからこの相がその溶解した炭素を空孔拡散
（ｖａｃａｎｃｙ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）により、所望
であれば実質的に複合体の全体に輸送する。さらに、米
国特許出願第１３７，３８２号は時間、与炭剤に対する
複合体の暴露、及び／又は４炭プロセスが起きる温度を
制御することにより、複合体の表面に４炭化帯域又は層
が形成される。このような処理により、高金属含分及び
高破壊靭性を有する複合体のコアの周囲に高硬度耐摩耗
性表面を提供することができる。

こうして、例えば約５〜３０体積％の残留母材金属相を
有する複合体が作成された場合、このような複合体をポ
スト炭化処理によって改質して複合体中に残留する母材
金属を約Ｏ〜２体積％、典型的には約１７２〜２体積％
にすることができる。

我々の上記の各出願の開示は上記引用により本発明に含
められるべきものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、前記の観点で、先行技術の欠点を克服するた
めに開発された。本発明は、金属層を、反応浸透技術に
より形成された複合体（本明細書に於いては、場合によ
り「反応晶に浸透された物体Ｊという）に結合又は接合
するだめの方法を提供する。次いで、この金属層はセラ
ミック体又は金属体のような第二の物体に結合できる。

第二の物体は、同様の技術又は完全に異なった技術によ
り製造された他のセラミック体であってよい。

更に、第二の物体は、反応的に浸透された物体に結合し
ている金属と実質的に類似の又は実質的に異なった化学
組成を存する金属であってよい。

第一の好ましい態様に於いて、この結合は、浸透される
炭化硼素素材の実質的に完全な反応浸透を達成するため
に必要な母材金属の量よりも過剰の溶融母材金属の供給
を使用することにより行われる。かくして、このような
過剰の溶融母材金属が存在するとき、得られた物体はコ
ンプレックス複合体であり、反応浸透により製造された
物体は過剰の母材金属に直接結合している。更に、反応
的に浸透された物体は金属の基体の外部表面又は内部表
面の何れかとして形成でき、そして、金属の反応的に浸
透された物体に対する相対的厚さは変えることができる
。従って、厚壁形成の又は薄壁形成の金属及び／又は反
応的に浸透された物体が形成できる。

金属を反応的に浸透された物体に結合するための第二の
好ましい態様に於いては、先ず例えば、米国特許出願第
０７３　、５３３号の技術に従って物体を形成する。こ
のような反応的に浸透された物体は、反応浸透工程の間
、母材金属として使用された金属と類似であり、ある場
合には実質的に異なる金属に対して特別の親和性を有し
ている。形成された物体に対するこのような金属の親和
性のために、この金属は、溶融させ反応的に浸透された
物体の少なくとも表面と接触させることができ、それに
より金属と反応的に浸透された物体との間の直接結合（
ｄｉｒｅｃｔ　ｂｏｎｄｉｎｇ）が得られる。この第二
の好ましい態様に於いて、金属が他のセラミック体又は
他の金属体と結合しているマクロ複合体も形成できる。

従つて、本発明はマクロ複合体を形成する方法（例えば
、類似の又は異なった組成の二つの物体を一緒に結合す
ること）を提供する。

［実施態様］ 本発明に従って、溶融母材金属を炭化硼素と反応浸透さ
せて、母材金属と炭化硼素との反応生成物（単複）から
なり、そしてまた母材金属の一種又は二種以上の成分を
含んでいてもよい多結晶セラミック含有物体を形成する
ことにより、自己支持体が製造される。典型的に工程条
件下で固体である炭化硼素は、好ましくは微粒子状又は
粉末状である。この工程のための環境又は雰囲気は、工
程条件下で比較的不活性であるか又は非反応性であるよ
うに選択される。例えば、アルゴン又は真空が適当な工
程雰囲気である。得られた生成物は、（ａ）母材金属硼
化物、（ｂ）硼素化合物、（Ｃ）−船釣には母材金属炭
化物、及び（ｄ）金属の一種又は二種以上からなる。生
成物中の成分及び比率は、母材金属の選択及び組成並び
に反応条件に大きく依存している。また、製造された自
己支持体は多孔性又は空洞を示す。

本発明の好ましい態様に於いて、母材金属及び炭化硼素
からなる素材又は床は、反応浸透が床の内部の方へ向か
っているように、互いに隣接して配置されている。予備
成形（ｐｒｅｓｈａｐｅ）　Ｌ／てもよい床は、工程条
件下で実質的に不活性である、強化充填材のような充填
材物質を含んでいてもよい。

反応生成物は、床を実質的に乱したり置き換えることな
く床の内部に成長できる。かくして、床の再配置を損傷
したり乱す恐れのある外部力は必要ではな（、反応生成
物を作るために面倒で費用の高い高温、高圧工程及び熟
練は必要ではない。好ましくは微粒子又は粉末状である
炭化硼素中への及びそれとの母材金属の反応浸透は、典
型的に母材金属硼化物及び母材金属硼素化合物からなる
複合体を形成する。母材金属としてアルミニウムを使用
すると、生成物はアルミニウム硼素炭化物（例えば、Ａ
ＩＪａｅＣｚ、ＡＩＢｒｚＣｚ、ＡＩＢｚ４Ｃａ）がら
なり、また、金属、例えば、アルミニウム、及び多７分
母材金属の他の未反応又は未酸化の成分を含むかも知れ
ない。ジルコニウムが母材金属である場合には、得られ
る複合体は硼化ジルコニウム及び炭化ジルコニウムから
なる。また、ジルコニウム金属が複合体中に存在し得る
。また、チタン／ジルコニウム合金が母材金属として使
用される場合には、得られる複合体は硼化チタン、炭化
チタン、硼化ジルコニウム及び炭化ジルコニウムからな
る。更に、幾らかのチタン／ジルコニウム合金が残留又
は未反応母材金属として複合体内に存在し得る。

本発明を、母材金属がジルコニウム又はアルミニウムか
らなるある好ましい態様を特別に参照して以下に説明す
るが、これは例示する目的であるに過ぎない。シリコン
、チタン、ハフニウム、ランタン、鉄、カルシウム、バ
ナジウム、ニオブ、マグネシウム、クロム、ベリリウム
、及びチタン／ジルコニウム合金のような他の母材金属
も使用でき、このような母材金属の幾つかの例を下記に
挙げる。

操作できる温度範囲又は好ましい温度は、母材金属の融
点より高いが反応生成物の融点よりも低い温度の全範囲
を越えて広がらないことが理解されるべきである。温度
範囲は、母材金属の組成及び得られる複合体の所望の相
のような要因に大きく依存するであろう。溶融金属が炭
化硼素と接触し、そして母材金属硼化物（例えば、二層
化ジルコニウム）及び母材金属炭化物（例えば、炭化ジ
ルコニウム）が、反応生成物として生成する。炭化硼素
に連続して露出させることによって、残留する溶融金属
は、反応生成物を通して炭化硼素を含有する素材の及び
素材中の方向に漸進的に下降して、熔融金属と炭化硼素
との間の界面で反応生成物の連続した生成を生じる。こ
の方法により製造された生成物は、母材金属と炭化硼素
との反応生成物（単複）からなるか、又は、更に一種又
は二種以上の母材金属の未反応又は非酸化成分を含むた
めのセラミンク−金属複合体から成っていてもよい。炭
化硼素の相当の量が反応生成物（単複）を生成するため
に反応し、この量は好ましくは少なくとも約５０％であ
り、最も好ましくは少なくとも約９０％である。この方
法による反応生成物として生成されるセラミック微結晶
は、相互連結していてもしていなくてもよいが、好まし
くは、三次元方向に相互連結しており、生成物中の金属
相及び全ての空洞が、通常少なくとも部分的に相互連結
している。全ての多孔は、（化学量論的反応剤又は過剰
の炭化硼素が存在する場合のように）追加の反応生成物
の生成に有利な部分的又はほぼ完全な母材金属相の消耗
の結果である傾向にあるが、空洞の容積パーセントは温
度、時間、母材金属の種類、及び炭化硼素の素材の多孔
度のような要因に依存するであろう。

母材金属としてジルコニウム、チタン及びハフニウムを
使用して本発明により作られた生成物は、小板様構造に
より特徴づけられる母材金属硼化物を形成することが観
察された。これらの小板は、典型的に整列していないか
又はランダムに配向している。この小板様構造及び金属
相は、亀裂歪及び／又は引き抜き（ｐｕｌｌ−ｏｕｔ）
機構のために、約１２メガＰａ、ｍｌ／２又はそれ以上
の、この複合体の非常に高い破壊強靭度の少なくとも大
部分の原因と考えられる。

本発明の他の面に於いて、複合体を含み、反応生成物の
７トリツクス及び場合によっては、金属成分からなり、
実質的に不活性の充填材を埋め込んだ自己支持体が提供
される。このマトリックスは、炭化硼素と密接に混合さ
れた充填材の床又は素材中への母材金属の反応浸透によ
り形成される。充填材物質はどのようなサイズ又は形状
であってもよく、そして母材金属に関して、反応生成物
の成長の方向がそれを実質的に乱したり又は置き換える
ことなく充填材の少なくとも一部の方にそれを包み込む
限り、どのような方法でも配向させることができる。充
填材は、セラミック及び／若しくは金属の繊維、ウィス
カー、微粒子、粉末、棒、ワイヤー、ワイヤー布、耐火
布、板、小板、網状泡構造、中実若しくは中空球、等々
のような、如何なる適当な物質からなっていてもよい。

特に有用な充填材はアルミナであるが、他の酸化物及び
セラミック充填材が、出発物質及び所望の最終性質に依
存して使用できる。充填材の容積は緩やかな又は密着し
た配置であってよく、その配置は、充填材を溶融母材金
属の浸透に対し浸透できるようにするために、間隙、開
口、介在空間、又は類似のものを有する。更に、充填材
物質は均一でも不均一でもよい。若し所望ならば、これ
らの物質は、本発明の反応を妨害しない、又は最終複合
体製品中にどのような望ましくない残留副生物も残さな
い、適当な結合剤（例えば、ＦＭＣＣｏ、のＡｖｉｃｉ
ｌ　ＰＨ１０５）で結合してもよい。処理の間に炭化硼
素又は溶融金属と過剰に反応する傾向のある充填材は、
充填材を処理環境に不活性にするために被覆することが
できる。例えば、炭素繊維は、母材金属としてのアルミ
ニウムと一緒に充填材として使用される場合には、溶融
アルミニウムと反応する傾向にあるが、この反応は炭素
繊維を最初に、例えば、アルミナで被覆する場合には避
けることができる。

適当に配回した混合炭化硼素と共に母材金属と充填材の
床又は塊（ｖｏｌｕｍｅ）を保持し、母材金属の充填材
床中への反応浸透と複合体の適当な成長を許容する適当
な耐火性容器を、炉の中にいれ、この組み合わせ（ｌａ
ｙ−ｕｐ）を母材金属の融点よりも高い温度に加熱する
。これらの高い温度で、溶融母材金属はウィッキング方
法（賀ｉｃｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ）により浸透性充
填材に浸透し、そして炭化硼素と反応し、それによって
所望のセラミック又はセラミックー金属複合体を生成す
る。更に、最終機械加工及び仕上げ操作の量を減少する
ことを助けるために、バリヤー物質で前成形体を取り囲
むことができる。例えば、炭化硼素、窒化硼素、硼素及
び炭素から作られた前成形体と組み合わせて使用すると
き、ジルコニウム、チタン、又はハフニウムのような母
材金属のためのバリヤーとして、グラファイト型を使用
することが特に有用である。

更に、上記グラファイト型内に特定のサイズ及び形状を
存する適当な数の貫通孔を設けることにより、本発明に
より製造された複合体中に典型的に発生する多孔の量が
減少する。典型的に、複数の孔が型の底部、又は反応浸
透が生じる方向の型の部分に設けられる。これらの孔は
、例えば、母材金属反応浸透前面が前成形体に浸透する
とき、前成形体に捕捉されたアルゴンを除去する排気手
段として機能する。

本発明で使用する前成形体は、充填材の特性に依存して
、（単軸加圧成形、静水圧（均衡）加圧成形、流し込み
成形、沈降鋳込み成形、テープキャスティング（ｔａｐ
ｅ　ｃａｓｔｉｎｇ）　、射出成形、繊維材料のための
フィラメント巻き付けのような）広範囲の公知のセラミ
ック体形成方法の何れによっても製造できる。反応浸透
の前の、充填材粒子、ウィスカー、繊維、又は類似物の
最初の結合は、光焼結を通して、又は、工程を妨害しな
いか又は最終物質に望ましくない副生物を与えない種々
の有機又は無機結合剤を使用することにより得ることが
できる。前成形体は、十分な形状保持性及びグリーン強
度を有するように製造され、溶融金属の移送のために浸
透性でなくてはならず、好ましくは、約５体積％と９０
体積％との間の、更に好ましくは約２５体積％と７５体
積％との間の多孔度を有する。アルミニウム母材金属の
場合に、適当な充填材物質には、例えば、炭化珪素、二
硼化チタン、アルミナ及び１２硼化アルミニウム（特に
）が、典型的に約１４〜１０００のメツシュサイズを有
する微粒子として含まれるが、充填材物質及びメツシュ
サイズのどのような混合物も使用できる。次いで前成形
体を、その−個又は二個以上の表面上で、前成形体の表
面境界へのマトリックスの浸透を完結するに十分な時間
、溶融母材金属と接触させる。

この前成形体方法の結果、セラミックー金属複合体は、
最終製品に所望される形状を近接して又は正確に表す形
状となり、かくして高価な最終機械加工又は研磨操作を
最少にするか又は除く。

母材金属による浸透性充填材の浸透は、充填材中の炭化
硼素の存在により促進されることが見出された。少量の
硼素源が有効であると示されたが、最小量は炭化硼素の
種類及び粒子サイズ、母材金属の種類、充填材の種類、
及び工程条件のような多数の要因に依存し得る。かくし
て、広範囲の種々の炭化硼素濃度を充填材に与えること
ができるが、゛炭化硼素の濃度が低くなるほどマトリッ
クス中の金属の体積パーセントは高くなる。非常に少量
の、例えば、炭化硼素プラス充填材の総重量基準で１〜
３重量％の炭化硼素が使用されるとき、得られるマトリ
ックスは相互連結した金属と金属中に分散した限定され
た量の母材金属硼化物と母材金属炭化物である。炭化硼
素が存在しないと、充填材の反応浸透は生じないで、金
属を充填材中に状勢するために外部圧力を適用するよう
な、特別の操作無しには浸透は可能ではない。

本発明の方法に於いて、充填材中の広範囲の炭化硼素濃
度が使用できるので、炭化硼素の濃度及び／又は床の組
成を変えることにより完成製品の性質を制御又は修正す
ることができる。素材が低密度の炭化硼素からなるよう
な母材金属の量に関して少量の炭化硼素しか存在しない
とき、複合体又はマトリックスの性質は、マトリックス
が優勢的に金属であるために、母材金属の性質、最も典
型的には延性及び強靭性が支配的である。このような製
品は、低又は中範囲の温度応用に有利である。例えば、
炭化硼素粒子を有する化合物が充填材物質の周りに高密
度で充填されているか、又は充填材の成分の間の空間の
高いパーセントを占めるときのように、多量の炭化硼素
が使用されるとき、得られる物体又はマトリックス性質
は、母材金属硼化物及び全ての母材金属炭化物により支
配される傾向にあり、物体又はマトリックスはより硬く
なるか、又は延性が少なくなるか、又は靭性が少なくな
る。化学量論が母材金属の実質的に完全な転化を達成す
るように近づけて制御される場合には、得られる生成物
は金属を少量含むか又は全く含まず、生成物の貰温適用
に有利である。

また、硼化物反応生成物は、炭化硼素が残留する又は未
酸化の生成物中に存在する金属、例えばアルミニウムと
反応する傾向にある、炭化硼素よりも安定である。

所望する場合、炭素供給材料（例えば、元素状炭素）を
、炭化硼素床又は炭化硼素を含有する前成形体、及び場
合によっては、充填材と混合してもよい。典型的に全床
の約５〜１０重量％で変わるこの過剰の炭素は、母材金
属と反応し、そうしてこの金属の実質的に完全な反応を
確実にする。金属と炭素とのこの反応は、使用される炭
素の相対量、種類、例えば、カーボンブラック又はグラ
ファイト、及び結晶性に大きく依存する。これらの極端
な特性の間の選択は、これらの生成物のための異なった
潜在的応用の必要性に合致することが非常に望ましい。

例えば、Ｂ、Ｃ前成形体に約５〜７５重量％、好ましく
は約５〜５０重世％のカーボンブラックを添加し、前成
形体にジルコニウム金属を反応的に浸透させることによ
って、ＺｒＢｚ／ＺｒＣ０比を低下できる（即ち、より
多くのＺｒＣが形成される）。

また、硼素供給材料（例えば、元素又は粉末状硼素）を
炭化硼素床又は前成形体と混合してもよい。特に、母材
金属としてアルミニウムを使用したとき反応浸透が容易
に起きることが見出された。

このような混合は全ての炭化硼素床に関して床のコスト
を減少させ、その結果硼化アルミニウムに匹敵するある
種の性質を有するアルミニウムボロカーバイドのような
硼素炭化物を含有する生成物が形成され、湿分の存在下
で不安定でありそのために生成物の構造的特性を劣化さ
せる炭化アルミニウムの形成を防ぐ。しかしながら、硼
素供与物質の存在ば、また、母材金属硼化物／母材金属
炭化物の比を変える機能を果たす。例えば、母材金属と
してジルコニウムを使用するとき、ｚｒＢｚ／ＺｒＣ０
比を増加できる（即ち、より多くのＺｒＢｚが形成され
る）。

複合体の特徴及び性質に於ける更に別の改良は、浸透条
件を制御することにより作ることができる。

操作できる変化要因には、炭化硼素物質の粒子の性質及
びサイズ、並びに浸透の温度及び時間が含まれる。例え
ば、大きな炭化硼素粒子及び低温での最小露出時間を含
む反応浸透の結果、母材金属硼素化合物及び母材金属炭
素化合物への炭化硼素の部分的転化になる。その結果、
未反応の炭化硼素物質がミクロ構造中に残留し、ある目
的のための最終物質に望ましい性質を与えることができ
る。

炭化硼素粒子、高温及び長い露出時間を含む浸透（多分
浸透が完結した後に温度に維持してさえも）は、母材金
属硼化物及び炭素化合物への母材金属の実質的に完全な
転化を有利にする傾向にある。

好ましくは、母材金属硼化物、母材金属硼素化合物（単
複）及び母材金属炭化物への炭化硼素の転化は、少なく
とも約５０％、最も好ましくは少なくとも約９０％であ
る。高温での浸透（又はその後の高温処理）もまた、焼
結工程により複合体成分のあるものが高密度になる結果
となる。更に、前記のように、硼素及び炭素化合物（単
複）を形成し、物質中の得られる隙間を充填するために
必要なものよりも少ない利用できる母材金属の量の減少
の結果、また有用な応用を有する多孔質物体になるであ
ろう。このような複合体に於いて、多孔度は約１〜２５
体積％に変えることができ、ある場合には上記の幾つか
の要因又は条件に依存してより高くすることもできる。

上記態様のそれぞれに於いて、反応浸透のために与えら
れる母材金属の量は、全ての炭化硼素物質及び／又はそ
れに添加される添加物の全てと実質的に完全に反応する
ために必要な量よりも過剰であるような量で与えられる
。

第一の好ましい態様に於いて、結合は、浸透されるべき
炭化硼素素材の実質的に完全な反応浸透を達成するため
に必要な母材金属の量よりも過剰である溶融母材金属を
供給することにより行われる。かくして、このような過
剰の溶融母材金属が存在するとき、得られる物体は完全
な複合体であり、その場合反応浸透により製造された物
体は過剰の母材金属に直接結合している。更に、反応的
に浸透された物体は、金属の基体の外側表面又は内側表
面の何れかとして形成され、反応的に浸透された物体に
対する金属の相対厚さは変えることができる。従って、
厚い壁の又は薄い壁の金属及び／又は反応的に浸透され
た物体を形成できる。

金属を反応的に浸透された物体に結合するための第二の
好ましい態様に於いて、先ず例えば、米国特許出願筒０
７３．５３３号の技術に従って物体を形成する。このよ
うな反応的に浸透された物体は、反応浸透工程の間母材
金属として使用された金属と類似であり、ある場合には
実質的に異なる金属に対して特別の親和性を有している
。形成された物体に対するこのような金属の親和性のた
めに、この金属は、溶融させ反応的に浸透された物体の
少なくとも表面と接触させることができ、それにより金
属と反応的に浸透された物体との間の直接結合が得られ
る。この第二の好ましい態様に於いて、金属が他のセラ
ミック体又は他の金属体と結合しているマクロ複合体も
形成できる。

従って、本発明はマクロ複合体を形成する方法（例えば
、類似の又は異なった組成の二つの物体を一緒に結合す
ること）を提供する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．母材金属を選択し、 該母材金属を、実質的に不活性な雰囲気中で、その融点
   より高い温度に加熱して、炭化硼素からなる素材中への
   溶融母材金属の浸透を起こさせ、かつ、溶融母材金属と
   該炭化硼素との反応を起こさせて、少なくとも一種の硼
   素含有化合物を形成せしめ、 少なくとも一種の母材金属硼素含有化合物からなる自己
   支持体を製造させるのに十分な時間、該浸透反応を継続
   せしめ、そして、 該自己支持体を第二の物体に結合させるために該自己支
   持体の少なくとも一つの表面上に過剰の金属を与えるこ
   とによって 第一の複合体を製造することを含んでなる、自己支持体
   の製造方法。
2. ２．炭化硼素からなる素材に母材金属を反応的に浸透さ
   せ、該反応性浸透を、実質的に不活性な雰囲気中で起こ
   させて該炭化硼素と該母材金属とを反応させ、反応的に
   浸透された物体中に少なくとも一種の硼素含有化合物を
   形成し、そして、冷却により母材金属が反応的に浸透さ
   れた物体に結合して残留するような過剰量の母材金属を
   与えることによってマクロ複合体を形成することを含ん
   でなる、 自己支持性マクロ複合体の製造方法。
3. ３．母材金属を選択し、 該母材金属を、実質的に不活性な雰囲気中で、その融点
   より高い温度に加熱して、炭化硼素物質からなる素材中
   への溶融母材金属の浸透を起こさせ、かつ、溶融母材金
   属と該炭化硼素物質との反応を起こさせ、それによって
   少なくとも一種の硼素含有化合物を形成せしめ、 少なくとも一種の母材金属硼素含有化合物からなる自己
   支持体を製造させるのに十分な時間、該浸透反応を継続
   せしめ、そして、 その後製造された自己支持体の少なくとも一部を他の金
   属と接触させて結合せしめ、それによってマクロ複合体
   を製造することを含んでなる、自己支持性マクロ複合体
   の製造方法。