JPH03131579A - Production of metal-ceramic gradient composite material - Google Patents

Production of metal-ceramic gradient composite material

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JPH03131579A
JPH03131579A JP27005489A JP27005489A JPH03131579A JP H03131579 A JPH03131579 A JP H03131579A JP 27005489 A JP27005489 A JP 27005489A JP 27005489 A JP27005489 A JP 27005489A JP H03131579 A JPH03131579 A JP H03131579A
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JP
Japan
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metal
composite material
layer
ceramic
gradient
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Application number
JP27005489A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Okamura
一男 岡村
Juichi Kawashima
河嶋 寿一
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain the subject composite material having a dense gradient layer by using plural porous ceramic boards having different porosity an metallic powder, making a pre-composite material having porosities larger in an upper layer, setting in a main mold with a reversing top and bottom and injecting a molten metal from a lower part. CONSTITUTION:Plural porous ceramic boards having different porosity 1-1 and 1-2, etc., are laid in a pre-mold 20 in laminating with a charging metallic powder 2 in turn of having larger porosity from a lower layer to an upper layer. Then, inside of the pre-mold 20 is heated at a temperature higher than 80% of melting point of a metallic powder 2 to obtain a pre-composite material 4 of the porous ceramic boards and metal. Next, the pre-composite material 4 is set in a main mold 21 with a reversing top and bottom and a molten metal 5 is injected from injecting holes 22 installed in a lower part, then the molten metal 5 and the pre-composite material 4 are made to one body. By said method, the aimed metal-ceramic gradient composite material having ceramic-containing volume fractions unidirectionally varied in stepwise is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、セラミックスの含有体積率が一方向に段階的
に変化する金属−セラミックス傾斜複合材料を製造する
方法に関し、特に熱応力の緩和を図れる金属−セラミッ
クス傾斜複合材料を鋳造にて製造する製造方法に関する
ものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for manufacturing a metal-ceramic gradient composite material in which the ceramic content volume fraction changes stepwise in one direction, and in particular, relates to a method for manufacturing a metal-ceramic gradient composite material in which the ceramic content volume fraction changes stepwise in one direction. The present invention relates to a manufacturing method for manufacturing a metal-ceramic gradient composite material by casting.

〔従来の技術] セラミックスは、高温での耐酸化性、高剛性等の優れた
特性を有しているが、一方では、機械的または熱的衝撃
、引張り1曲げ等に弱いという欠点も有している。セラ
ミックスの優れた特性を活かすべく、セラミックスと金
属とを複合化した金属−セラミックス複合材料が開発さ
れている。このような金属−セラミックス複合材料とし
ては、セラミックス粒子またはセラミックス繊維を金属
中に分散して作成した複合材、金属とセラミックスとを
接合した複合体等が公知である。前者の複合材の場合に
は、セラミックスと金属との体積躊が複合材中において
略一定であるので、急な温尽勾配が生じる環境下にあっ
ては単一材の場合と同様に熱応力に起因する破壊が生じ
ることがある。
[Prior Art] Ceramics have excellent properties such as oxidation resistance and high rigidity at high temperatures, but on the other hand, they also have the disadvantage of being weak against mechanical or thermal shock, tension and bending, etc. ing. In order to take advantage of the excellent properties of ceramics, metal-ceramic composite materials, which are composites of ceramics and metals, have been developed. As such a metal-ceramic composite material, a composite material made by dispersing ceramic particles or ceramic fibers in a metal, a composite material made by bonding a metal and a ceramic, etc. are known. In the case of the former composite material, the volumetric shear between the ceramic and the metal is approximately constant in the composite material, so in an environment where a steep exhaustion gradient occurs, thermal stress will be reduced in the same way as in the case of a single material. Destruction may occur due to

また後者の複合体の場合においても、金属とセラミック
スとの接合界面に高い熱応力が発生してセラミックスの
剥離または割れが生じることがある熱応力を緩和できる
金属−セラミックス複合材料として、高温環境に曝され
る側のセラミックスの体積率を100%とし、内部に向
けて徐々にその体積率を減少させた複合材料、所謂金属
−セラミックス傾斜複合材料の開発が進められている。
In addition, even in the case of the latter composite, it is a metal-ceramic composite material that can be used in high-temperature environments to alleviate the thermal stress that can occur at the bonding interface between metal and ceramics, causing peeling or cracking of the ceramic. The development of a so-called metal-ceramic gradient composite material, which is a composite material in which the volume fraction of ceramics on the exposed side is 100% and gradually decreases toward the inside, is underway.

このようにセラミックスの体積率が一方向に段階的に変
化する層、つまり金属−セラミックス組成が傾斜した層
(以下この層を傾斜層という)を製造する方法としては
、以下に示す4種の方法が知られている(科学技術広報
財団二複素化による機能発現と熱応力緩和のための基盤
技術に関する調査報告書、昭62)。
There are four methods for producing a layer in which the ceramic volume ratio changes stepwise in one direction, that is, a layer in which the metal-ceramic composition is graded (hereinafter referred to as a graded layer): is known (Survey report on basic technology for function expression and thermal stress relaxation by dicomplexization, Science and Technology Public Relations Foundation, 1982).

■ 粒子配列法 ■ 物理蒸着(pvo)または化学蒸着(CVD)を用
いた方法 ■ プラズマ溶射法 ■ 自己発熱反応法 〔発明が解決しようとする課題〕 ■の方法は、セラミックスと金属粉との混合割合を徐々
に変化させながら積層させた積層体を焼結する方法であ
る。この方法では比較的厚い傾斜層を製造できるが、焼
結を行うので、緻密な傾斜層を得ることは困難である。
■ Particle arrangement method ■ Method using physical vapor deposition (PVO) or chemical vapor deposition (CVD) ■ Plasma spraying method ■ Self-heating reaction method [Problem to be solved by the invention] Method (2) involves mixing ceramics and metal powder. This is a method of sintering a laminated body while gradually changing the ratio. Although relatively thick gradient layers can be produced using this method, it is difficult to obtain a dense gradient layer due to sintering.

セラミックスと金属との組成比の差によって、焼結時に
生じる収縮の度合が傾斜層中にて異なるので、焼結時に
割れが発生することがある。
Because the degree of shrinkage that occurs during sintering differs in the gradient layer due to the difference in the composition ratio between ceramic and metal, cracks may occur during sintering.

■の方法では、傾斜層の形成速度が極めて遅い、厚い傾
斜層を得ることが困難である等の問題点がある。
Method (2) has problems such as the formation speed of the gradient layer is extremely slow and it is difficult to obtain a thick gradient layer.

■の方法では、■の方法と同様に緻密な傾斜層を製造す
ることは困難であり、従って、高温の被膜が次々に母材
金属に接着して冷却される過程において発生する熱応力
により、傾斜層に割れが生しることがある。
With method (2), it is difficult to produce a dense gradient layer as in method (2), and therefore, due to the thermal stress generated in the process of the high-temperature coating being adhered to the base metal one after another and being cooled, Cracks may occur in the sloped layer.

■の方法は、材料となる、素材間の自己発熱反応を利用
して、反応時に同時に焼結も行う方法である。例えば、
TiBz−Cu系の傾斜層を製造する場合には、Tiと
Bとの反応熱を利用する。反応に関与しない金属(この
例ではCu)の量が多い場合には反応の進行が遅い、ま
た、Cu等の低融点金属ではなく、Fe等の高融点金属
を用いる場合には、傾斜層の形成は困難である。またこ
の方法においても焼結させるので、前述の■、■の方法
と同様に、緻密な傾斜層を得ることは困難である。
Method (2) utilizes a self-heating reaction between the raw materials and simultaneously performs sintering during the reaction. for example,
When manufacturing a TiBz-Cu-based gradient layer, the heat of reaction between Ti and B is utilized. If there is a large amount of metal that does not participate in the reaction (Cu in this example), the reaction progresses slowly, and if a high melting point metal such as Fe is used instead of a low melting point metal such as Cu, the gradient layer Formation is difficult. In addition, since sintering is performed in this method as well, it is difficult to obtain a dense gradient layer, similar to the methods (1) and (2) described above.

傾斜層を製造する際の重要な課題である3項目(厚い傾
斜層を形成できること、緻密な傾斜層を形成できること
、傾斜層の形成時に割れ等の欠陥が発生しないこと)の
すべてを、上述した従来の製造方法は満足できない。ま
た、傾斜層に用いる素材の材料選択の範囲は広い方が望
ましい。
All of the three important issues when manufacturing a graded layer (the ability to form a thick graded layer, the ability to form a dense graded layer, and the absence of defects such as cracks during the formation of the graded layer) are all explained above. Traditional manufacturing methods are unsatisfactory. Further, it is desirable that the selection range of materials used for the gradient layer be wide.

傾斜層の厚さは、複合材料中の温度分布または発生熱応
力に大きな影響を与え、以下に示す理由により、その厚
さは厚い方が良い。
The thickness of the gradient layer has a great effect on the temperature distribution or the generated thermal stress in the composite material, and for the reasons described below, the thicker the layer, the better.

傾斜層に熱遮蔽の機能を期待する場合には、低熱伝導率
の傾斜層を形成する必要があり、同じ素材からなる傾斜
層ではその厚さが厚い程熱遮蔽の効率は高くなる。
If the graded layer is expected to have a heat shielding function, it is necessary to form a graded layer with low thermal conductivity, and the thicker the graded layer made of the same material, the higher the heat shielding efficiency.

次に、発生熱応力に対する傾斜層の厚さの影密について
説明する。熱応力の緩和のために熱膨張率が小さい傾斜
層を、その厚さを変えて作成した2例について、第4図
に示すような温度分布に対する自由熱膨張歪ε79発生
応力を測定した。第5図は傾斜層の厚さが薄い場合を示
し、第6図は傾斜層の厚さが厚い場合を示している。第
5図(a)(第6図(a))は傾斜層の厚さが薄い(厚
い)場合の熱膨張係数αを表しており、図中A、Bは夫
々金属の厚さ、傾斜層の厚さを示していて、第5図(b
)(第6図(b))は傾斜層の厚さが薄い(厚い)場合
の自由熱膨張歪ε、を表し、第5図(C)(第6図(C
))は傾斜層の厚さが薄い(厚い)場合の発生応力を表
している。厚さが薄い傾斜層について、ある時刻(1=
1υでの温度分布に対して傾斜層中の応力変化が小さく
なるように、傾斜層の材料設計を行うと、別の時刻(t
=tz)での温度分布に対しては傾斜層中において大き
な勾配の応力変化が生じる。この大きな勾配の応力変化
により、傾斜層に曲げ変形が生じて傾斜層の剥離または
割れの原因となる。ところが、厚さが厚い傾斜層におい
ては、応力変化の勾配は小さく、発生応力そのものの値
も減少できる(第6図(C))。
Next, the influence of the thickness of the gradient layer on the generated thermal stress will be explained. For two examples in which gradient layers with a small coefficient of thermal expansion were created with different thicknesses in order to alleviate thermal stress, the stress at which free thermal expansion strain ε79 occurred was measured with respect to the temperature distribution as shown in FIG. FIG. 5 shows a case where the thickness of the gradient layer is thin, and FIG. 6 shows a case where the thickness of the gradient layer is thick. Figure 5(a) (Figure 6(a)) shows the thermal expansion coefficient α when the thickness of the gradient layer is thin (thick), and in the figure A and B are the thickness of the metal and the gradient layer. Figure 5 (b) shows the thickness of
) (Fig. 6(b)) represents the free thermal expansion strain ε when the thickness of the gradient layer is thin (thick), and Fig. 5(C) (Fig. 6(C)
)) represents the stress generated when the thickness of the gradient layer is thin (thick). For a gradient layer with a thin thickness, at a certain time (1=
If the material of the gradient layer is designed so that the stress change in the gradient layer is small with respect to the temperature distribution at 1υ, then at another time (t
= tz), a large gradient stress change occurs in the graded layer. This large gradient stress change causes bending deformation in the gradient layer, causing peeling or cracking of the gradient layer. However, in a thick gradient layer, the gradient of stress change is small, and the value of the generated stress itself can be reduced (FIG. 6(C)).

以上のように、厚さが厚い傾斜層を形成できるような傾
斜層の製造方法が望まれるが、従来の製造方法では、傾
斜層の厚さが厚くなるほど、傾斜層中に空隙が発生して
多孔質となり、割れが生しるという問題点があった。
As described above, it is desirable to have a method for manufacturing a gradient layer that can form a thick gradient layer, but in conventional manufacturing methods, the thicker the gradient layer is, the more voids are generated in the gradient layer. There was a problem that it became porous and cracked.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、前述
の3項目をすべて満足した金属−セラミックス傾斜複合
材料を製造でき、しかもその工程は簡便である金属−セ
ラミックス傾斜複合材料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 the above circumstances, and provides a method for producing a metal-ceramic gradient composite material that can produce a metal-ceramic gradient composite material that satisfies all of the three items mentioned above, and in which the process is simple. The purpose is to

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明に係る金属−セラミックス傾斜複合材料の製造方
法は、セラミックスの含有体積率が一方向に段階的に変
化している金属−セラミックス傾斜複合材料を製造する
方法において、下層から上層に向けて気孔率が大きくな
る順に、金属粉を充填しながら、気孔率が異なる複数の
多孔質セラミックス板を予備鋳型内に積層して載置する
工程と、前記金属粉の融点の80%以上に前記予備鋳型
内を加熱して、前記多孔質セラミックス板と金属との予
備複合体を作成する工程と、前記予備鋳型内での載置時
と上下を逆にして、前記予備複合体を、下部に注入孔が
設けられた本鋳型内に設置する工程と、前記注入孔から
溶融金属を注入して、該溶融金属と前記予備複合体とを
一体化する工程とを有することを特徴とする。
The method for manufacturing a metal-ceramic gradient composite material according to the present invention is a method for manufacturing a metal-ceramic gradient composite material in which the ceramic content volume ratio changes stepwise in one direction, in which pores are formed from the lower layer to the upper layer. a step of stacking and placing a plurality of porous ceramic plates having different porosity in a pre-mold while filling metal powder in order of increasing porosity; heating the interior of the porous ceramic plate to create a preliminary composite of the porous ceramic plate and metal; placing the preliminary composite upside down in the preliminary mold; and a step of injecting molten metal from the injection hole to integrate the molten metal and the preliminary composite.

〔作用〕[Effect]

本発明の製造方法にあっては、気孔率が異なる複数の多
孔質セラミックス板を準備し、気孔率が小さい多孔質セ
ラミックス板から順に金属粉を充填しながら、これらの
各多孔質セラミックス板を予備鋳型内に積層して載置す
る。次に、予備鋳型を加熱してその内部温度を充填した
金属粉の融点の80%以上とし、多孔質セラミックス板
と金属との予備複合体を作成する。次いで、予備鋳型内
での載置時と上下を逆にして、予備複合体を本鋳型内に
設置した後、本鋳型の下部に設けられた注入孔から溶融
金属を注入して、溶融金属と予備複合体とを一体化させ
て、金属−セラミックス傾斜複合材料を製造する。
In the manufacturing method of the present invention, a plurality of porous ceramic plates having different porosities are prepared, and each of these porous ceramic plates is filled with metal powder in order from the porous ceramic plate with the lowest porosity. Stack and place in the mold. Next, the preliminary mold is heated to bring its internal temperature to 80% or more of the melting point of the filled metal powder, thereby creating a preliminary composite of the porous ceramic plate and the metal. Next, after placing the preliminary composite in the main mold upside down from when it was placed in the preliminary mold, molten metal is injected from the injection hole provided at the bottom of the main mold, and the molten metal and A metal-ceramic gradient composite material is manufactured by integrating the preliminary composite body.

本発明では、気孔率が異なる複数の多孔質セラミックス
板を、気孔率の大きさの順に積層させることにより、セ
ラミックスの体積率を制御すると共にその体積率の一方
向の段階的な変化を実現する。また予め多孔質のセラミ
ックスの気孔中に金属粉を充填した後、焼結させること
としたので、その後の溶融金属の注入過程において溶融
金属をこの気孔中に完全に浸透させることができ、厚さ
が厚く、しかも緻密である傾斜層を有する複合材料を製
造することが可能である。
In the present invention, by stacking a plurality of porous ceramic plates with different porosities in order of porosity, the volume fraction of the ceramics can be controlled and a stepwise change in the volume fraction in one direction can be realized. . In addition, since we decided to fill the pores of the porous ceramic with metal powder before sintering it, the molten metal can completely penetrate into the pores during the subsequent injection process of the molten metal. It is possible to produce composite materials with gradient layers that are thick and dense.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明をその実施例を示す図面に基づいて具体的
に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be specifically described below based on drawings showing embodiments thereof.

第1図は本発明に係る金属−セラミックス傾斜複合材料
の製造方法の工程を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the steps of the method for manufacturing a metal-ceramic gradient composite material according to the present invention.

まず、気孔率が異なる例えばAlzOiからなる複数枚
(n枚)の多孔質セラミックス板を準備する。
First, a plurality of (n) porous ceramic plates made of, for example, AlzOi and having different porosities are prepared.

多孔質セラミックス板の板厚、各多孔質セラミックス板
の気孔率は任意としてよいが、傾斜層の素材として用い
られるので、板厚は3 mm程度、気孔率は15%〜8
5%の間で少なくとも10%ずつ変化させた程度とする
ことが適当である。気孔率が40%〜85%である多孔
質セラミックス板は市販されているので、市販のものを
使用する。気孔率が40%未満である多孔質セラミック
ス板については、直径0.2mm〜1 mmのセラミッ
クス粒子と、径1μm以下のセラミックス粉に若干量の
SiC系のバインダ及び発泡スチロールを添加した得た
スラリとを混合し、板状に成型した後、焼成して作成す
る。
The thickness of the porous ceramic plate and the porosity of each porous ceramic plate may be set arbitrarily, but since it is used as a material for the graded layer, the plate thickness should be about 3 mm and the porosity should be about 15% to 8.
It is appropriate to vary the amount by at least 10% between 5% and 5%. Since porous ceramic plates having a porosity of 40% to 85% are commercially available, commercially available ones are used. For porous ceramic plates with a porosity of less than 40%, a slurry obtained by adding ceramic particles with a diameter of 0.2 mm to 1 mm, a ceramic powder with a diameter of 1 μm or less, and a small amount of a SiC-based binder and expanded polystyrene is used. It is created by mixing, forming into a plate shape, and then firing.

そしてこの際に、スラリ中の発泡スチロールの添加量と
スラリに加えるセラミックス粒子の量とを調整すること
により、所望の気孔率を有する多孔質セラミックス板を
得る。
At this time, a porous ceramic plate having a desired porosity is obtained by adjusting the amount of styrene foam added to the slurry and the amount of ceramic particles added to the slurry.

準備した多孔質セラミックス板の中で最も気孔率が小さ
い多孔質セラミックス板り、を予備鋳型20内に配置し
、この多孔質セラミックス板1−1の気孔り、内に、例
えばCO基耐熱合金(融点1400°C)からなる金属
粉2を充填する(第1図(a))。この際、気孔3−1
内への金属粉2の充填を効率良く行なえるように、第1
図(a)の矢符方向に予備鋳型20を振動させる。次に
準備した多孔質セラミックス板の中で2番目に気孔率が
小さい多孔質セラミックス板1−zを、多孔質セラミッ
クス板1−3上に積層する態様にて、予備鋳型20内に
配置し、この多孔質セラミックス板1−zの気孔3−2
内に、同様に、金属粉2を充填する(第1図(b))。
A porous ceramic plate having the smallest porosity among the prepared porous ceramic plates is placed in the pre-mold 20, and a CO-based heat-resistant alloy (CO-based heat-resistant alloy ( A metal powder 2 having a melting point of 1400° C.) is filled (FIG. 1(a)). At this time, pore 3-1
In order to efficiently fill the inside with metal powder 2, the first
The preliminary mold 20 is vibrated in the direction of the arrow in Figure (a). Next, a porous ceramic plate 1-z having the second lowest porosity among the prepared porous ceramic plates is placed in the preliminary mold 20 in such a manner that it is laminated on the porous ceramic plate 1-3, Pores 3-2 of this porous ceramic plate 1-z
Similarly, the metal powder 2 is filled inside (FIG. 1(b)).

このような動作を、気孔率が小さい順に、残りの(n−
2)枚の多孔質セラミックス板に対して行って、気孔に
金属粉2が充填されたn枚の多孔質セラミックス板IL
、、 11−t+ ・・・、 11−、を積層させてな
る積層体を得る。なお、金属粉2の粒径は多孔質セラミ
ックス板1−I、1−zの気孔の径に応じて適宜選択し
、多孔質セラミックス板1−+、1−tの気孔の径より
小さい粒径を有する金属粉を使用する。次いで、予備鋳
型20を加熱して、その内部温度を金属粉2の融点の8
0%に維持する。そうすると金属粉同士の焼結によって
、n枚の多孔質セラミックス板は連結され、セラミック
ス体積率が段階的に変化する予備複合体4が作成される
 (第1図(C))。この状態において各層(各多孔質
セラミックス板)のセラミックス体積率をV+  (i
=1.2.・・・n)とすると、V、>V2>・・・〉
■いとなっている。
This operation is repeated for the remaining (n-
2) n porous ceramic plates IL whose pores are filled with metal powder 2 by performing the process on the porous ceramic plates
, 11-t+..., 11-, to obtain a laminate. The particle size of the metal powder 2 is appropriately selected depending on the diameter of the pores in the porous ceramic plates 1-I and 1-z, and the particle size is smaller than the diameter of the pores in the porous ceramic plates 1-+ and 1-t. Use metal powder with Next, the preliminary mold 20 is heated to bring its internal temperature to 8, which is the melting point of the metal powder 2.
Maintain at 0%. Then, by sintering the metal powders, the n porous ceramic plates are connected, and a preliminary composite 4 in which the ceramic volume fraction changes stepwise is created (FIG. 1(C)). In this state, the ceramic volume fraction of each layer (each porous ceramic plate) is set to V+ (i
=1.2. ...n), then V,>V2>...>
■It's nice.

ここで各多孔質セラミックス板の気孔内に充填する金属
粉の体積は、気孔体積に近いほど望ましいが、気孔を完
全に埋めつくす必要はなく、気孔体積の80%以上10
0%以下であれば良い。このようにしておけば、後に焼
結、溶融金属の注入を行うので、空隙がない傾斜層を形
成する上で問題はない。この金属粉2を充填する工程に
おいては、金属粉の体積を気孔体積の80%〜90%程
度にしておいた方が、多孔質セラミックス板間に金属粉
のみの層の形成を防止する観点において、むしろ好まし
いといえる。
It is preferable that the volume of the metal powder filled into the pores of each porous ceramic plate is close to the pore volume, but it is not necessary to completely fill the pores, and it is not necessary to fill up the pores completely;
It is sufficient if it is 0% or less. If this is done, sintering and injection of molten metal will be performed later, so there will be no problem in forming a gradient layer without voids. In the step of filling this metal powder 2, it is better to keep the volume of the metal powder at about 80% to 90% of the pore volume from the viewpoint of preventing the formation of a layer of only metal powder between the porous ceramic plates. , it can be said that it is rather preferable.

また、気孔率が低い順に多孔質セラミックス板を積層す
る理由は、もしこの順を逆にしたとすると、焼結時に半
溶融した金属粉が比重差によって気孔率が大きい層へ移
動しやすく、その結果、気孔率が小さい層にあっては気
孔中の広い範囲にわたって金属粉が全く充填されないこ
とがあるからである。
Also, the reason why porous ceramic plates are stacked in order of decreasing porosity is that if this order were reversed, the semi-molten metal powder during sintering would be more likely to move to the layer with higher porosity due to the difference in specific gravity. As a result, in a layer with a low porosity, metal powder may not be filled at all over a wide range of pores.

また、焼結温度を金属粉の融点の80%以上とする理由
は、この温度以下である場合には、金属粉同士の焼結ま
たはセラミックスへの金属粉の付着が起こらないからで
ある。
Further, the reason why the sintering temperature is set to 80% or more of the melting point of the metal powder is that when the temperature is below this temperature, sintering of the metal powders or adhesion of the metal powder to the ceramics does not occur.

次いで、作成した予備複合体4を予備鋳型20内から取
り出し、これを上下を逆にして、本鋳型21内へ設置す
る。本鋳型21の下壁には溶融金属を注入するための注
入孔22が設けられ、本鋳型21の土壁には空気を排出
するための脱気孔23が設けられている。本鋳型21内
の温度を1200°Cに保った状態にて、金属粉2と同
材質である溶融金属5(例えば溶融状態のGo基耐熱合
金)を注入孔22から本鋳型21内へ注入する(第1図
(d))。予備複合体4を押し上げながら、予備複合体
4に残存する気孔内に溶融金属5を浸透させて傾斜層1
4を形成すると同時に、金属が100%である金属層1
5を傾斜層14の下面に形成する(第1図(e))。こ
の際、予備複合体4に残存する気孔内の空気は脱気孔2
3を通って本鋳型21外部に排出される。このようにし
て、傾斜層14と金属層15とから構成され、傾斜層I
4におけるセラミックス体積率がその表面から金属層1
5との界面に向かうにつれて段階的に減少するような金
属−セラミックス傾斜複合材料を製造する。
Next, the prepared preliminary composite 4 is taken out from the preliminary mold 20, turned upside down, and placed into the main mold 21. The lower wall of the main mold 21 is provided with an injection hole 22 for injecting molten metal, and the earthen wall of the main mold 21 is provided with a deaeration hole 23 for discharging air. While maintaining the temperature inside the main mold 21 at 1200°C, molten metal 5 (for example, a Go-based heat-resistant alloy in a molten state), which is the same material as the metal powder 2, is injected into the main mold 21 through the injection hole 22. (Figure 1(d)). While pushing up the preliminary composite 4, the molten metal 5 is infiltrated into the pores remaining in the preliminary composite 4 to form the inclined layer 1.
4 and at the same time the metal layer 1 is 100% metal.
5 is formed on the lower surface of the gradient layer 14 (FIG. 1(e)). At this time, the air in the pores remaining in the preliminary composite 4 is removed from the deaeration hole 2.
3 and is discharged to the outside of the main mold 21. In this way, it is composed of the graded layer 14 and the metal layer 15, and the graded layer I
The ceramic volume fraction in 4 is from the surface to the metal layer 1
A metal-ceramic gradient composite material is manufactured in which the gradient gradually decreases toward the interface with 5.

もし、溶融金属5を本鋳型21の上部から注入したとす
ると、セラミックスと金属との比重差によって予備複合
体4が本鋳型21内で浮遊し、傾斜層14の上下に金属
層15が形成されることがあり、また鋳造時の熱によっ
て連結していた多孔質セラミックス板が分離してその分
離した間隙に金属層15が形成されることがある。従っ
て、これらの事態を防止するために、本発明例では本鋳
型21の下部から溶融金属5を注入する。
If the molten metal 5 is injected from the upper part of the main mold 21, the preliminary composite 4 will float in the main mold 21 due to the difference in specific gravity between the ceramic and the metal, and a metal layer 15 will be formed above and below the inclined layer 14. Furthermore, the connected porous ceramic plates may separate due to the heat during casting, and the metal layer 15 may be formed in the gap between them. Therefore, in order to prevent these situations, in the example of the present invention, the molten metal 5 is injected from the lower part of the main mold 21.

ところで、金属粉2を使用せずに、多孔質セラミックス
板の積層体に溶融金属5を直接鋳造した場合には、気孔
率が小さい部分においては溶融金属5は浸透しない。従
って本発明では、予め金属粉2を多孔質セラミックス板
の気孔中に充填した後加熱することにより、金属粉2を
焼結させると共に、金属粉2を半溶融状態としてセラミ
ックスの表面に被覆させ、溶融金属5の注入時に、セラ
ミックスと溶融金属5との濡れを改善しておき、溶融金
属5の残存する気孔内への浸透を容易にしている。従っ
て本発明では、鋳造欠陥が皆無であって気孔が完全に金
属にて充満された緻密な金属セラミックス傾斜複合材料
を製造できる。
By the way, when the molten metal 5 is directly cast into a laminate of porous ceramic plates without using the metal powder 2, the molten metal 5 does not penetrate into the portions where the porosity is small. Therefore, in the present invention, the metal powder 2 is filled in the pores of a porous ceramic plate in advance and then heated to sinter the metal powder 2 and coat the surface of the ceramic with the metal powder 2 in a semi-molten state. When the molten metal 5 is injected, the wetting between the ceramic and the molten metal 5 is improved to facilitate the penetration of the molten metal 5 into the remaining pores. Therefore, according to the present invention, it is possible to produce a dense metal-ceramic gradient composite material with no casting defects and whose pores are completely filled with metal.

本発明の製造方法により製造した傾斜層(層厚:25m
m)の性状を下記第1表に示す。また本発明の製造方法
を一部変えた方法により製造した傾斜層の性状を本発明
の比較例として第1表に併せて示し、更に従来の製造方
法(前述した粒子配列法)を用いて製造した傾斜層の性
状も第1表に併せて示す。なお、使用したセラミックス
板の気孔の径は約500μm〜41であり金属粉の粒子
径は約10〜80μmである。
Gradient layer manufactured by the manufacturing method of the present invention (layer thickness: 25 m
The properties of m) are shown in Table 1 below. Table 1 also shows the properties of a gradient layer manufactured by a method with a partial modification of the manufacturing method of the present invention as a comparative example of the present invention, and further manufactured using a conventional manufacturing method (the above-mentioned particle arrangement method). The properties of the gradient layer obtained are also shown in Table 1. The diameter of the pores of the ceramic plate used was about 500 μm to 41 μm, and the particle diameter of the metal powder was about 10 to 80 μm.

第   1   表 *印 本発明範囲外 第1表の結果から理解される如く、本発明にて製造され
た傾斜層は従来法にて製造されたものに比して、緻密性
に優れており、クラックも生じない。
Table 1 Marked with * Outside the scope of the present invention As can be understood from the results in Table 1, the gradient layer produced by the present invention has superior density compared to that produced by the conventional method. No cracks occur.

また、本発明の製造方法にて製造した金属−セラミック
ス傾斜複合材料(全板厚:33mm、傾斜層厚:25m
、金属層厚:8mm)に対して、第2図に示すような装
置を用いて熱応力の耐久試験を行った。熱電対31を備
えた試験片30(金属−セラミックス傾斜複合材料)を
固定治具32にて固定し、ガス源33から高温ガスを試
験片30の傾斜層側表面に噴射させて、1200°Cま
で試験片30を加熱した後、室温まで冷却する過程を1
サイクルとして、この過程を何サイクルも繰り返して、
傾斜層表面のクラックの発生及び傾斜層の剥離の有無を
調べた。
In addition, a metal-ceramic gradient composite material produced by the production method of the present invention (total plate thickness: 33 mm, gradient layer thickness: 25 m
, metal layer thickness: 8 mm) was subjected to a thermal stress durability test using an apparatus as shown in FIG. A test piece 30 (metal-ceramic gradient composite material) equipped with a thermocouple 31 is fixed with a fixing jig 32, and high temperature gas is injected from a gas source 33 onto the surface of the test piece 30 on the gradient layer side to 1200°C. After heating the test piece 30 to
As a cycle, repeat this process over and over again.
The occurrence of cracks on the surface of the gradient layer and the presence or absence of peeling of the gradient layer were investigated.

第3図はこの試験における試験片30の温度の時間的変
化を示している。セラミックス板(板厚:12mm)に
対して同様の試験を行った場合には、1サイクル後には
表面に多数のクラックが発生した。一方、本発明の製造
方法にて製造した金属−セラミックス傾斜複合材料の場
合には、100サイクルの繰り返しを行った後であって
も、表面にクラックは発生せず、傾斜層の剥離も見られ
なかった。
FIG. 3 shows the temporal change in temperature of the test piece 30 in this test. When a similar test was conducted on a ceramic plate (thickness: 12 mm), many cracks were generated on the surface after one cycle. On the other hand, in the case of the metal-ceramic gradient composite material produced by the production method of the present invention, no cracks occurred on the surface and no peeling of the gradient layer was observed even after 100 cycles. There wasn't.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上詳述した如く本発明の製造方法では、厚くてしかも
緻密である傾斜層を有し、しかも傾斜層の割れ及び剥離
が発生しない金属−セラミックス傾斜複合材料を製造す
ることができ、また鋳造という簡単な方法を用いるので
、金属−セラミックス傾斜複合材料の安定した製造が可
能である。
As detailed above, the manufacturing method of the present invention can produce a metal-ceramic gradient composite material that has a thick and dense gradient layer and does not cause cracking or peeling of the gradient layer. Since a simple method is used, stable production of metal-ceramic gradient composite materials is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明に係る金属−セラミックス傾斜複合材料
の製造方法の工程を示す模式図、第2図は熱応力耐久試
験の実施状態を示す模式図、第3図は熱応力耐久試験に
おける試験片の温度の時間的変化を示すグラフ、第4図
〜第6図は発生熱応力における傾斜層の厚さの影響を説
明するためのグラフである。
Fig. 1 is a schematic diagram showing the process of manufacturing a metal-ceramic gradient composite material according to the present invention, Fig. 2 is a schematic diagram showing the implementation state of a thermal stress durability test, and Fig. 3 is a test in the thermal stress durability test. Graphs showing temporal changes in the temperature of the piece, FIGS. 4 to 6, are graphs for explaining the influence of the thickness of the gradient layer on the generated thermal stress.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、セラミックスの含有体積率が一方向に段階的に変化
している金属−セラミックス傾斜複合材料を製造する方
法において、 下層から上層に向けて気孔率が大きくなる順に、金属粉
を充填しながら、気孔率が異なる複数の多孔質セラミッ
クス板を予備鋳型内に積層して載置する工程と、 前記金属粉の融点の80%以上に前記予備鋳型内を加熱
して、前記多孔質セラミックス板と金属との予備複合体
を作成する工程と、 前記予備鋳型内での載置時と上下を逆にして、前記予備
複合体を、下部に注入孔が設けられた本鋳型内に設置す
る工程と、 前記注入孔から溶融金属を注入して、該溶融金属と前記
予備複合体とを一体化する工程を有することを特徴とす
る金属−セラミックス傾斜複合材料の製造方法。
[Claims] 1. In a method for producing a metal-ceramic gradient composite material in which the volume fraction of ceramics contained changes stepwise in one direction, the porosity increases from the bottom layer to the top layer. a step of stacking and placing a plurality of porous ceramic plates with different porosities in a pre-mold while filling the powder; heating the inside of the pre-mold to 80% or more of the melting point of the metal powder; A step of creating a preliminary composite of a porous ceramic plate and a metal, and placing the preliminary composite upside down in the main mold having an injection hole at the bottom, with the preliminary composite placed upside down. A method for manufacturing a metal-ceramic gradient composite material, comprising the steps of: installing a metal-ceramic gradient composite material in the injection hole; and injecting molten metal from the injection hole to integrate the molten metal and the preliminary composite.
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