JPH03122066A

JPH03122066A - アルミニウム含浸型炭化珪素複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03122066A
Application number: JP25642489A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Amino; 俊和網野; Satoru Takenaka; 悟竹中; Masahiro Yokoi; 横井　正弘
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1989-09-30
Filing date: 1989-09-30
Publication date: 1991-05-24

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、例えばエンジンのシリンダーブロックの構造
材として有用なアルミニウム含浸型炭化珪素複合材料及
びその製造方法に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］従来、
自動車用エンジンの軽量化を目的として、アルミニウム
合金等を使用したシリンダーブロックが開発されている
。そして昨今は、アルミニウムの軽量さに加え、更に優
れた強度、耐熱性、耐摩耗性を付与すべく炭化珪素粉末
又はウィスカーを基材としたアルミニウム複合材料の開
発か試みられている。その中で炭化珪素ウィスカーをプ
レフォーム体として成形し、この成形体にアルミニウム
を圧入して得られる複合体は前記特性を向」ニする優れ
た複合材料として注目されている。

しかし、この複合材料の製造にあたっては、原料となる
炭化珪素ウィスカーの成形がＲＬ＜、また炭化珪素ウィ
スカー自体が工業用原料としてはマトリックスとなるア
ルミニウムに比較しはるかに高価であるという問題があ
った。

また、従来の炭化珪素多孔質体は、気孔率が最大でも４
０％程度に限定されて、アルミニウムを含浸させてもア
ルミニウムの特性改良とはならない。一方、高気孔率を
有する炭化珪素多孔質体の製法として、特開昭５８−１
２２０１６号公報において、高分子発泡体材料に炭化珪
素素地泥漿を含浸し、該高分子発泡体材料を熱処理によ
り消失せしめて炭化珪素素地スケルトン構造体を形成後
、これを焼結させる方法が開示されている。この方法で
は、気孔径の大きい多孔質体とする場合には気孔率を８
０〜９０％と高くすることができるものの、微細な気孔
を有する多孔質体とする場合には気孔率が６０〜７０％
程度の焼結体しか得られないという欠点があった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、その目
的は、例えばエンジンのシリンダーブロックの構造材と
して好適な、軽量さ、強度、耐熱性及び耐摩耗性に優れ
たアルミニウム含浸型炭化珪素複合材料を提供すると共
に、そのアルミニウム含浸型炭化珪素複合材料を確実か
つ効率的に製造することが可能な製造方法を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段及び作用］上記課題を解決
するなめに本発明では、骨材を低密度炭化珪素多孔質体
によって形成し、その骨材の気孔中にアルミニウムを保
持させた。

また、その製造にあたっては、二酸化珪素粉末と炭素質
物質とを含む原料組成物中の炭素質物質を加熱により炭
化させて成形体を形成し、その成形体を焼成することに
より二酸化珪素と炭素とを反応させて炭化珪素を生成さ
せ、併せてこの生成反応による二酸化珪素及び炭素の消
失によって空隙を生じさせ、並びに炭化珪素生成反応時
に副生される一酸化炭素ガスを成形体中から放出させる
ことにより、成形体中に連通気孔を形成することによっ
て炭化珪素多孔質体を形成し、この炭化珪素多孔質体に
加熱溶融したアルミニウムを圧入させた後、固化させた
。

このようにして得られた複合材料は、その軽重さに加え
、強度、耐熱性及び耐摩耗性等の優れた特性を示し、例
えばエンジンのシリンダーブロックの構造材等の各種用
途に使用される。

以下に本発明の詳細について説明する。

−酸化珪素粉末としては微細粒子が使用される。

焼成時に二酸化珪素及び炭素が成形体の表面側から徐々
に反応し、その反応によって消失する二酸化珪素粒子が
占める空間は、生成された炭化珪素が互いに焼結する際
の気孔の体積に影響を及ぼす。

従って、所望の気孔径を有する多孔質体を得るため、二
酸化珪素の平均粒径を所望の気孔径にあわせて選定する
ことができる０反応において炭化珪素の粒成長はできる
だけ抑えることが好ましく、できるだけ短時間で反応を
完結すべく反応性の高いものがよい、その為、平均粒径
が１０００μｍ以下の二酸化珪素が使用される。この粒
径の二酸化珪素を用いると、炭化珪素生成反応の速度が
大きくなり、炭化珪素の生成が迅速に進行する。

炭素質物質としては、粉末状や液状のものかあげられる
。粉末状炭素質物質としては、ファーネスブラック、サ
ーマルブラック、コンタクトブラック、ランプブラック
等のカーボンブラックあるいは石炭、石油等のコークス
粉末が使用でき、炭素系の結合剤と共に用いてもよく、
また分解反応により炭素が残る有機系炭素質物質でもよ
い。液状炭素質物質としては、石油ピッチ、コールター
ルピッチ、木タールピッチ、アスファルト、石油タール
、コールタール、木タール等の炭素系粘結剤や、フェノ
ール樹脂等の合成樹脂を使用することができる。炭素質
物質は成形用バインダーとして二酸化珪素粉末の結合に
供されるのみならす、加熱により炭化されて炭化珪素生
成反応の炭素供給源とされる。

また、より微細な気孔を形成するためには平均粒径が１
００μｍ以下の二酸化珪素粉末に対し、常温あるいは高
温時に液状となる炭素質物質を液状態で混合し、炭素質
物質内に二酸化珪素粒子を均一に分散させることが好ま
しい。

炭素質物質と二酸化珪素との配合割合は、炭素質物質中
の炭素分（Ｃ）と二酸化珪素（ＳｉＯ２）とのモル比（
Ｃ／ＳｉＯ□）で、３．０〜４．０の範囲とすることが
好ましい、このモル比が３゜０未溝では未反応の二酸化
珪素が成形体中に多量に残留し、一方４，０を超えると
未反応の炭素質物質が成形体中に多量に残留して、いず
れの場合も焼結後に得られる炭化珪素多孔質体の強度を
極度に低下させる。

尚、必要に応じて希釈剤を原料組成物中に添加してもよ
い、希釈剤としては、ベンゼン、トルエン、キシレン等
の芳香族炭化水素、ヘキサン、イソオクタン等の脂肪族
炭化水素、クロロホルム、四塩化炭素等のハロゲン化炭
化水素、メタノール、エタノール等のアルコール類、ア
セトン等のケトン類の他、エーテル類、エステル類等が
あげられる。希釈剤の配合割合は任意に設定され、成形
に好都合な粘度となるように加減される。

上述のように調整された原料組成物を所望形状を有する
容器内に充填した状態で、加熱炉にて加熱することによ
り炭素質物質が炭化され、成形体が形成される。

容器内で炭素質物質の炭化を行う場合、昇温速度５°Ｃ
／Ｆｉｎ以下で加熱することが好ましい、昇温速度が５
°Ｃ／ｌｉｎより遠いと、炭化した場合の成形体にクラ
ック等が発生し易くなる。また、急激なガス発生及びガ
ス抜けが生じて成形体中の気孔形成が不均一となり、成
形体内部に小径気孔、表面部に大径気孔が形成され易く
、嵩密度の偏析が生ずる。

加熱温度は２５０°Ｃ以上が必要であり、２５０〜３０
０℃が好適である。加熱温度が２５０’Ｃ未満では炭素
質物質の炭化が十分に進行しない。

方、酸化性雰囲気下において３００　’Ｃを超えると炭
化物質が酸化されて減少してしまう。不活性雰囲気下に
おいては、このような不都合は生じないが、加熱温度が
高くなると分解ガスが多量に発生し、その処理について
も配慮を必要とする。

容器から取り出した炭化成形物の焼成を行う場合、焼成
温度に達するまでの昇温遠度は１０”Ｃ／１ｉｎ以下と
することが好ましい、昇温速度が１゜℃／信１ｎより遠
いと、成形（ホ）にクラック等が発生し易くなる。

焼成温度は１５００〜１９００°Ｃの範囲が好適である
。焼成温度が１５００°Ｃ未満では炭化珪素（ＳｉＣ）
を効率的に生成することができず、１９００°Ｃを超え
ると一旦焼結された炭化珪素微粒子の粒界においてネッ
ク部分の粒成長が進み、微細気孔の大径化、又は粒子成
長に伴うネッキングのはずれにより、成形体強度の著し
い劣化が起こり好ましくない。また、焼成時間は成形体
の大きさに依存するが、一般に５０ａｎ’程度のもので
あれば、１〜５時間が適当である。

また、焼成時においては以下に示すような炭化珪素生成
反応が進行する。

Ｓ　ｉ　０２　＋Ｃ−Ｓ　ｉ　ｏ＋ｃｏ　　　・・・（
１）ＳｉＯ＋２Ｃ−４ＳｉＣ＋ＣＯ・・・（２）上記（
１）、（２）式から明らかなように、１モルの炭化珪素
（ＳｉＣ）の生成過程において、２モルの一酸化炭素（
Ｃｏ）が副生される。この生成過程のモデルとして、一
般には均一反応と殻状反応との二つの形態が提示されて
おり、いずれの形態によるかは反応速度及び熱供給速度
によって決定される。そして、反応速度が律速となる場
合は均一反応となり、反応速度が十分に速ければ殻状反
応となる９本発明においては微粉末の二酸化珪素及び炭
素を使用しており、反応性に富むなめ反応速度が十分に
速く殻状反応となる。

即ち、第１図に示すように、焼成時の熱エネルギーは成
形体の外表面側から供給されるため、外表面側から順次
内部に向かって、逐次的に炭化珪素生成反応が進行する
と共に、生成された炭化珪素微粒子の焼結がほぼ同時に
進行し、これらの反応は殻状反応の様相を呈する。この
際、炭化珪素生成反応に伴い副生される一酸化炭素が成
形体の内部から気相側（外表面側）へ向かって放出され
、この放出ガス庄によって焼結直前の炭化珪素生成反応
に微細な連続気孔が多量にＮ保される。更に反応前の成
形体中の二酸化珪素と還元に使用される炭素がガスとし
て消失し、その空隙に気孔が形成される。従って、第２
図に示すように、成形体全体にわたって炭化珪素生成反
応及び炭化珪素微粒子の焼結が完了した段階では、炭化
珪素焼結体は気孔率にして８０％以上という多数の微細
気孔を有する低密度多孔質体が得られる。

次に、この多孔質体をアルミニウムと共に加圧可能な黒
鉛製容器に入れ、不活性ガス雰囲気下、容器を加熱して
アルミニウムを溶融させた後、加圧することによって炭
化珪素多孔質体にアルミニウムが圧入される。

高純度の金属アルミニウムを単独で使用すると炭化珪素
との濡れ性がよくないため、前記アルミニウム中にカル
シウム、マグネシウム、ニッケル、チタン等の金属を添
加して濡れ性を改良してもよい。また、炭化珪素多孔質
体の気孔内を上述のような金属で、イオンブレーティン
グ、スパッタリング、真空蒸着のような物理的蒸着法や
、電析法、メツキ等の電気化学的方法ないし化学的蒸着
法によって予め被覆しておき、圧入されるアルミニウム
と炭化珪素との濡れ性を改善してもよい。

アルミニウムを炭化珪素多孔質体に均一かつ確実に圧入
するため、その使用量としては、加圧時において溶融し
たアルミニウムに多孔質体部分が浸漬された状態になり
、多孔質体が直接、容器内壁又は気相に触れない量を必
要とする。

アルミニウムの加熱温度は７００〜１０００°Ｃの範囲
が好適である。この温度が７００°Ｃ未満ではアルミニ
ウムが十分に溶融せす、確実にアルミニウムを多孔質体
に圧入することができない。また、１０００’Ｃを超え
るとアルミニウムと炭化珪素との界面に反応物が生成さ
れ、強度劣化の原因となる。

アルミニウムの圧入完了後、加圧容器を冷却し、アルミ
ニウムを凝固させて得たインゴットから多孔質体部分を
切り出すことにより、アルミニウム含浸型炭化珪素複合
材料が得られる。

［実施例］（骨材の製造）平均粒径が０．２４μｍの二酸化珪素粉末（８１０２分
９８，５％）４８重量部に対し、ノボラック型フェノー
ル樹脂（固定炭素分５２％）５２重量部を配合し、加熱
式Ｚ型羽根を有するニーダ−で、２００℃に加熱しなが
ら約２０分間混捏して樹脂中に二酸化珪素粉末を均一に
分散し、原料組成物を得た。

この原料組成物を内側にアルミニウム箔を敷き詰めたア
ルミナ製容器Ｎ１Ｎ１１５（１ｘｌ１５０１′１ｒａｘ
深さ８０ｉｌ）中へ所定量流し込んだ後、加熱溶融状態
において発泡しないように注意しながら大気雰囲気下、
０．５°Ｃ／ｎｉｎで４００　’Ｃまで昇温し、この温
度で１時間保持した。その後、窒素雰囲気下５°Ｃ／ｍ
ｉｎで８００℃まで昇温し、この温度にて０．５時間加
熱した。冷却後、アルミナ製容器がら内容物を脱型した
ところ、嵩密度１．６０ｇ／■、大きさ１５０ｎｎ　ｘ
１５０ｎｌｘ３５１１の炭化した成形体を得た。

この成形体から５０１１ＴＩＸ　５０１１＋１Ｘ　３０
１１＋１の直方体状成形体を切り出し、アルゴン雰囲気
下、５℃／ｌｉｎで昇温を開始し、１７００℃にて５時
間焼成を行った。冷却後、極めて微細な気孔を焼結体全
体にわたって均一に有すると共にβ型結晶からなる炭化
珪素多孔質体が得られた。この多孔質体の嵩密度は０．
５２４］／■３、気孔率は８４％であった。

（アルミニウムの含浸）次に、第３図に示すような圧入装置１を使用して、高圧
凝固鋳造法により前記多孔質体に対しアルミニウムを圧
入含浸させた。尚、圧入装置１は、断熱材を備えガス置
換の可能な密閉系容器（図示路）に収納されている。

圧入装置１は、外周部に加熱し−タ３が巻回された円筒
状の黒鉛製ルツボ２を備え、その内部には１０１ｍ径の
多数の孔４ａが透設された仕切板４が設けられており、
この仕切板４によって黒鉛製ルツボ２の内部は仕切板４
よりも底壁側の充填室２ａと、仕切板４よりも開口側の
シリンダ室２ｂとに仕切られている。そして、充填室２
ａには前記炭化珪素多孔質体Ｗが脚材５を介して載置さ
れ、シリンダ室２ｂにおいて仕切板４上には多孔質体Ｗ
に圧入されるアルミニウムＡが載置される。また、黒鉛
製ルツボ２の上方には前記シリンダ室２ｂ内を進退する
ピストン６が上下動可能に配設されている、そして、第
４図に示すように、このピストン６が前記シリンダ室２
ｂ内へ下動するに伴い、加熱し−タ３によって加熱溶融
されたアルミニウムＡが黒鉛製抑圧板７を介してピスト
ン６により下方に押圧され、アルミニウムＡが前記仕切
板４の孔４ａを通過して充填室２ａ内全体に満たされる
。

さて、本実施例において使用したアルミニウムＡは、純
度９９．９％のアルミニウム１００重量部に金属カルシ
ウム０．０５重量部を加熱溶融状態で均一に混合して冷
却固化したものであり、前記充填室２ａの体積を上回る
量を使用した。このアルミニウムＡをシリンダ室２ｂに
配置し、アルゴン雰囲気下、加熱ヒータ３により１０°
Ｃ／１１ｎで昇温を開始し、５００°Ｃにて２０分間保
持した後、再び１０”Ｃ／ｎｉｎで昇温を行い、９００
°Ｃにて１０分間加熱保持した。

そして、第４図に示すように、この温度でビス）−ン６
を下動して、０　、５　ｊｏｎ／ＣＩ！２まで加圧し、
約１分間保持した。その後、冷却してアルミニウムＡを
凝固させ、得られたインゴットから多孔質体とアルミニ
ウムとの複合部分を切り出してアルミニウム含浸型炭化
珪素複合材料を得た。

この複合材料と、圧入に使用したアルミニウムＡとにつ
いて引張試験用の試験片を作成し、引張強度を測定した
。その結果を表−１に示す。

表−１表−１からも明らかなように、本実施例によれば、アル
ミニウムＡを低密度炭化珪素多孔質体Ｗに圧入させるこ
とにより、優れた引張強度の複合材料を得ることができ
る。また、本複合材料は耐熱性や耐摩耗性においても優
れた特性を示す。

［発明の効果］以上詳述したように本発明のアルミニウム含浸型炭化珪
素複合材料は、例えばエンジンのシリンダーブロックの
構造材として好適な、軽量さ、強度、耐熱性及び耐摩耗
性等の優れた特性を示す。

また、本発明のアルミニウム含浸型炭化珪素複合材料の
製造方法によれば、軽量さ、強度、耐熱性及び耐摩耗性
に優れた複合材料を確実かつ効率的に製造することがで
きるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は多孔質体が形成される過程を示す断面図、第２
図は形成後の多孔質体の状態を示す断面図、第３図は圧
入装置の断面図、第４図は圧入装置の作動状態を示す断
面図である。Ａ・・・アルミニウム、Ｗ・・・炭化珪素多孔質体。

Claims

【特許請求の範囲】１　骨材を低密度炭化珪素多孔質体（Ｗ）によって形成
し、その骨材の気孔中にアルミニウム（Ａ）を保持させ
たことを特徴とするアルミニウム含浸型炭化珪素複合材
料。２　二酸化珪素粉末と炭素質物質とを含む原料組成物中
の炭素質物質を加熱により炭化させて成形体を形成し、
その成形体を焼成することにより二酸化珪素と炭素とを
反応させて炭化珪素を生成させ、併せてこの生成反応に
よる二酸化珪素及び炭素の消失によって空隙を生じさせ
、並びに炭化珪素生成反応時に副生される一酸化炭素ガ
スを成形体中から放出させることにより、成形体中に連
通気孔を形成することによって炭化珪素多孔質体（Ｗ）
を形成し、この炭化珪素多孔質体（Ｗ）に加熱溶融した
アルミニウム（Ａ）を圧入させた後、固化させることを
特徴とするアルミニウム含浸型炭化珪素複合材料の製造
方法。