JPH0369579A - セラミツクス―金属複合材料の製造方法 - Google Patents
セラミツクス―金属複合材料の製造方法Info
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- JPH0369579A JPH0369579A JP2108971A JP10897190A JPH0369579A JP H0369579 A JPH0369579 A JP H0369579A JP 2108971 A JP2108971 A JP 2108971A JP 10897190 A JP10897190 A JP 10897190A JP H0369579 A JPH0369579 A JP H0369579A
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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。
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−セラミックス複合材料の製造方法に関す
る。
る。
（４）
勢開昭６１−１６３２２４公報（住友電気工業）（公開
日１９８６年７月２６日）から、気孔率８５〜９０％の
セラミック成形体を加圧下に溶融アルミニウムで溶浸す
ることは公知である。
日１９８６年７月２６日）から、気孔率８５〜９０％の
セラミック成形体を加圧下に溶融アルミニウムで溶浸す
ることは公知である。
さらに英国特許第２１４８２７０号明細書（Ｂｒ１ｔｉ
ｓｈ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｒｅ５ｅａｒｃｈ Ａｓ５０ｃ
、 ） （公告６．７２ ｋｐｓｉの圧力で溶融アルミ
ニウムで溶浸することにより製造するサーメットは公知
である。
ｓｈ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｒｅ５ｅａｒｃｈ Ａｓ５０ｃ
、 ） （公告６．７２ ｋｐｓｉの圧力で溶融アルミ
ニウムで溶浸することにより製造するサーメットは公知
である。
もうひとつのサーメットはチェコスロバキア国特許第２
０６１３２号明細書（公告日１９８３年１０月１日）に
記載されている。ここではＡｍ２０３９５〜９０％、残
り５ｉｎ２からなる多孔性セラミック材料を排気し、不
活性ガス下で１ＭＰａより上の圧力で７００〜９００
’Ｃの温度で、アルミニウムまたはアルミニウム化合物
で溶浸することにより製造してｂる。このセラミック成
形材料は溶浸の前に４１％の気孔率を有している。
０６１３２号明細書（公告日１９８３年１０月１日）に
記載されている。ここではＡｍ２０３９５〜９０％、残
り５ｉｎ２からなる多孔性セラミック材料を排気し、不
活性ガス下で１ＭＰａより上の圧力で７００〜９００
’Ｃの温度で、アルミニウムまたはアルミニウム化合物
で溶浸することにより製造してｂる。このセラミック成
形材料は溶浸の前に４１％の気孔率を有している。
従って従来の技術においては、高多孔性セラミック材料
を溶融金属で溶浸するため、こうして製造した生成物は
主に金属構造を有する。このような金属−セラミックス
材料は、その特性において、金属的性質にかたよってい
るため、硬度、熱安定性および摩耗特性についての要求
が純粋セラミック材料のそれぞれの値をはるかに下廻る
。
を溶融金属で溶浸するため、こうして製造した生成物は
主に金属構造を有する。このような金属−セラミックス
材料は、その特性において、金属的性質にかたよってい
るため、硬度、熱安定性および摩耗特性についての要求
が純粋セラミック材料のそれぞれの値をはるかに下廻る
。
本発明のａ題は、セラミック材料の特性を、金属材料と
比較して、硬度、熱安定性および耐摩耗性のような優れ
た特性を維持するかまたは高めながら、曲げ強度、靭性
、Ｅモジュツス、硬度および耐摩耗性に関して改善する
ことであった。
比較して、硬度、熱安定性および耐摩耗性のような優れ
た特性を維持するかまたは高めながら、曲げ強度、靭性
、Ｅモジュツス、硬度および耐摩耗性に関して改善する
ことであった。
前記課題は、特許請求の範囲に記載された特徴、つまり
各々のセラミック材料が多層から構成され、その際層厚
は１０〜１５０μｍであり、連続気孔率５〜１４％でか
つ総気孔率５〜３０％で、平均孔半径が１００〜１１０
００ｎであり、溶融金属を孔容量中へ、最初の気孔率に
対して０．１〜１０％の残気孔率まで充填することを製
造するセラミックス−金属複合材料の製造方法により解
決された。セラミックスの多／ｉ＆構造および５〜３０
％の総気孔率において、溶融金属での溶浸は前記特性の
所望な組合せを可能にすることが判明した。この場合、
総気孔率とは、溶融金属での溶浸の前のセラミックスの
最初の気孔率である。この場合１００〜１０００ ｎｍ
の平均孔半径が賞賛であり、これはＣａｒｇｏ−Ｅｒｂ
ａ銀 の水糾ポロシメータを用いて測定される。
各々のセラミック材料が多層から構成され、その際層厚
は１０〜１５０μｍであり、連続気孔率５〜１４％でか
つ総気孔率５〜３０％で、平均孔半径が１００〜１１０
００ｎであり、溶融金属を孔容量中へ、最初の気孔率に
対して０．１〜１０％の残気孔率まで充填することを製
造するセラミックス−金属複合材料の製造方法により解
決された。セラミックスの多／ｉ＆構造および５〜３０
％の総気孔率において、溶融金属での溶浸は前記特性の
所望な組合せを可能にすることが判明した。この場合、
総気孔率とは、溶融金属での溶浸の前のセラミックスの
最初の気孔率である。この場合１００〜１０００ ｎｍ
の平均孔半径が賞賛であり、これはＣａｒｇｏ−Ｅｒｂ
ａ銀 の水糾ポロシメータを用いて測定される。
この多項構造により、セラミック材料の孔線状構造が得
られ、これは特に有利な方法で、溶融金属を用いて溶浸
することができる。この孔線状構造は、本発明により、
セラミック材料の使用する粒度ならびに液体安定化プラ
ズマジェット中セの塗布速度によって調節することがで
（７） きる。
られ、これは特に有利な方法で、溶融金属を用いて溶浸
することができる。この孔線状構造は、本発明により、
セラミック材料の使用する粒度ならびに液体安定化プラ
ズマジェット中セの塗布速度によって調節することがで
（７） きる。
本発明による孔構造の構成のために、セラミックス材料
をプラズマ溶射の間に１００〜５００°Ｃの温度に保持
するのが有利であることが判明した。溶浸したセラミッ
クスの冷却は、均質で応力のない金属構造を得るために
、ネズミ鋳鉄および鋼の場合１００’Ｃ／ ｈで、およ
びアルミニウム合金の場合２００℃／ｈでの狭い範囲内
で行なわれねばならない。
をプラズマ溶射の間に１００〜５００°Ｃの温度に保持
するのが有利であることが判明した。溶浸したセラミッ
クスの冷却は、均質で応力のない金属構造を得るために
、ネズミ鋳鉄および鋼の場合１００’Ｃ／ ｈで、およ
びアルミニウム合金の場合２００℃／ｈでの狭い範囲内
で行なわれねばならない。
実験に基づき、特に微細な孔線構造の場合に、セラミッ
クスのぬれのために溶融金属の粘度を低下させるのが有
利であると判明した。これは、本発明により、特別な合
金元素を添加することにより達成され、この合金元素は
溶融＊属が多孔性セラミック材料の内部に侵入すること
を可能にする。
クスのぬれのために溶融金属の粘度を低下させるのが有
利であると判明した。これは、本発明により、特別な合
金元素を添加することにより達成され、この合金元素は
溶融＊属が多孔性セラミック材料の内部に侵入すること
を可能にする。
一定の使用目的、たとえば溶接またはろう接されるセラ
ミックス／金属構造体のような金属構造との結合のため
に、セラミック材料が内側から外側に向って増大する気
孔率ひいては増加（８） する金属成分を有するものが有利であると判明した。こ
のように構成された孔線構造を「勾配構造」と言い表わ
すことにする。この金属特性は複合材料の外側領域にか
たより、内側はセラミック特性を有する。
ミックス／金属構造体のような金属構造との結合のため
に、セラミック材料が内側から外側に向って増大する気
孔率ひいては増加（８） する金属成分を有するものが有利であると判明した。こ
のように構成された孔線構造を「勾配構造」と言い表わ
すことにする。この金属特性は複合材料の外側領域にか
たより、内側はセラミック特性を有する。
この勾配構造は、液体安定化プラズマジェット中で基礎
成形体に溶射する除に粒度を変化させることにより得ら
れる。たとえば２０μｍのｄ３０を有する極めて微細な
粉末に始まり、粒度はセラミック材料の外層でｄ５゜値
〉１００μｍに上昇する。しかし、金属表面に向った側
がどこにあるかに応じて、逆の方法も可能である。
成形体に溶射する除に粒度を変化させることにより得ら
れる。たとえば２０μｍのｄ３０を有する極めて微細な
粉末に始まり、粒度はセラミック材料の外層でｄ５゜値
〉１００μｍに上昇する。しかし、金属表面に向った側
がどこにあるかに応じて、逆の方法も可能である。
金属構造体に最も近めセラミック複合成形体の面は大き
な粒子直径を有する粉末から生じた構造を有することが
′Ｎ喪である。
な粒子直径を有する粉末から生じた構造を有することが
′Ｎ喪である。
次に不発′明を２つの実施例および２つの比較例に基づ
き詳説した。ます、プラズマ溶射により製造した純粋セ
ラミック材料の特性と、金属溶浸したセラミック複合材
料（ＣＭＣ＝ＣｅｒａｍｉｃＭｅｔａｌｌ Ｃｏｍｐｏ
ｕｎｄ ）の特性と比較した。このことから、最初の気
孔率の０．１〜１０％の残気孔率を有する新規ＣＭＣ材
料が明らかに有利であると判明した。
き詳説した。ます、プラズマ溶射により製造した純粋セ
ラミック材料の特性と、金属溶浸したセラミック複合材
料（ＣＭＣ＝ＣｅｒａｍｉｃＭｅｔａｌｌ Ｃｏｍｐｏ
ｕｎｄ ）の特性と比較した。このことから、最初の気
孔率の０．１〜１０％の残気孔率を有する新規ＣＭＣ材
料が明らかに有利であると判明した。
後記した表には勾配構造を有する本発明による金属／セ
ラミック複合材料の特性値を補足した。この場合、材料
特性は勾配構造を有していない改善された本発明による
複合材料と比較してさらに明かに上昇したことが示され
た。
ラミック複合材料の特性値を補足した。この場合、材料
特性は勾配構造を有していない改善された本発明による
複合材料と比較してさらに明かに上昇したことが示され
た。
密度および気孔率についての値はＤ工Ｎ ５１０５６に
より、ビカー硬度についての値はＤｌＮ５０１３３によ
り測定した。まず材料Ａｌ２Ｏ３およびＡｌ２ＴｉＯ５
からプラズマ溶射により板を製造し、その際、粒度ｄ５
０は６０〜７０μｍにあり、プラズマジェット中の溶射
における塗布速度は３００ ｍ／ｓであった。個々の塗
布層の密度は１［］口μｍであり、得られた総気孔率は
酸化アルミニウムにおいて１８％でチタン酸アルミニウ
ムにおいでは１５％であった。溶射した粒子の成形７ア
クタは、酸化アルミニウムの揚合１：５〜１：２０であ
り、チタン酸アルミニウムの場合１：１５〜１：２５で
あった。
より、ビカー硬度についての値はＤｌＮ５０１３３によ
り測定した。まず材料Ａｌ２Ｏ３およびＡｌ２ＴｉＯ５
からプラズマ溶射により板を製造し、その際、粒度ｄ５
０は６０〜７０μｍにあり、プラズマジェット中の溶射
における塗布速度は３００ ｍ／ｓであった。個々の塗
布層の密度は１［］口μｍであり、得られた総気孔率は
酸化アルミニウムにおいて１８％でチタン酸アルミニウ
ムにおいでは１５％であった。溶射した粒子の成形７ア
クタは、酸化アルミニウムの揚合１：５〜１：２０であ
り、チタン酸アルミニウムの場合１：１５〜１：２５で
あった。
この板から、材料特性値の測定のために、試料片を寸法
１００Ｘ１００Ｘ ３０ ｍｙｔｔに切り取り、１００
０℃の温度に予熱し、Ａｌ５１１０ Ｍｇ合金からなる
溶融金属を用いて７５０℃で ％ −３５ｂａｒで１５秒間溶浸した。溶皮の後の冷却
速度はプログラム制御された炉の中で１時間につき２０
０℃であり、この試験片は５時間の間に室温に冷却した
。その後に、最初の気孔率に対する浅孔容量は、酸化ア
ルミニウムの場合０．５％、チタン酸アルミニウムの場
合０．７％と測定された。
１００Ｘ１００Ｘ ３０ ｍｙｔｔに切り取り、１００
０℃の温度に予熱し、Ａｌ５１１０ Ｍｇ合金からなる
溶融金属を用いて７５０℃で ％ −３５ｂａｒで１５秒間溶浸した。溶皮の後の冷却
速度はプログラム制御された炉の中で１時間につき２０
０℃であり、この試験片は５時間の間に室温に冷却した
。その後に、最初の気孔率に対する浅孔容量は、酸化ア
ルミニウムの場合０．５％、チタン酸アルミニウムの場
合０．７％と測定された。
もう１つの試験成形体は本発明による勾配構造に製造し
た。製造条件は前記したものと同様であり、その際ｄ５
０値４０μｍおよび１００μｍを有する異なる粒度の粒
子を２つのダクトを通過させて塗布した。この場合、ｄ
５０値−４０μｍを有する粒子流は、０から２５ｋｇ／
ｈに連続して上昇させ、ｄｓｏ値＝１００μｍを有する
粒子流は２５から口ｋｇ／ｈに同じ程度で減少させた。
た。製造条件は前記したものと同様であり、その際ｄ５
０値４０μｍおよび１００μｍを有する異なる粒度の粒
子を２つのダクトを通過させて塗布した。この場合、ｄ
５０値−４０μｍを有する粒子流は、０から２５ｋｇ／
ｈに連続して上昇させ、ｄｓｏ値＝１００μｍを有する
粒子流は２５から口ｋｇ／ｈに同じ程度で減少させた。
一方のダクトから他方のダクトへの切り変えは１時間内
で行った。この場合に得られた個々の層犀は８０〜１０
０μｍであり、総気孔率は１２％であった。Ａ’ｌＳｉ
ｉ 口Ｍｇ合金での溶浸の後に、試験成形体は最初の
気孔率に対して０．６％の浅孔容量を有していた。
で行った。この場合に得られた個々の層犀は８０〜１０
０μｍであり、総気孔率は１２％であった。Ａ’ｌＳｉ
ｉ 口Ｍｇ合金での溶浸の後に、試験成形体は最初の
気孔率に対して０．６％の浅孔容量を有していた。
試験成形体につｂて測定した値は表１にまとめた。曲げ
強度（４点曲げ装置）、北モジュールおよびに工Ｃにつ
いての値は寸法３．５ Ｘ ４．５ Ｘ４５ｍｇの標卑
曲げ試料について行った。比較として、常法で製造した
Ａｌ２Ｏ３からなる焼結純粋セラミック戒形体の材料デ
ータを記載した。本発明により製造した金属−セラミッ
クス複合材料は曲げ強度、引裂強さ（Ｋ工Ｃ）および硬
度に対して著しく良好な値を示し、ひいては材料の特性
値、たとえば個々の特性値のコンビネーションに関して
、従来の材料と比べて明らかに改害されたことを示した
。
強度（４点曲げ装置）、北モジュールおよびに工Ｃにつ
いての値は寸法３．５ Ｘ ４．５ Ｘ４５ｍｇの標卑
曲げ試料について行った。比較として、常法で製造した
Ａｌ２Ｏ３からなる焼結純粋セラミック戒形体の材料デ
ータを記載した。本発明により製造した金属−セラミッ
クス複合材料は曲げ強度、引裂強さ（Ｋ工Ｃ）および硬
度に対して著しく良好な値を示し、ひいては材料の特性
値、たとえば個々の特性値のコンビネーションに関して
、従来の材料と比べて明らかに改害されたことを示した
。
Claims (15)
- １．セラミック材料に溶融金属を溶浸したセラミックス
−金属複合材料の製造方法において、各々のセクミツク
材料が多層から構成され、その際層厚は１０〜１５０μ
ｍであり、連続気孔率５〜１４％でかつ総気孔率５〜３
０％で、平均孔半径が１００〜１０００ｎｍであり、溶
融金属を、孔容量中へ、最初の気孔率に対して０．１〜
１０％の残気孔率まで充填することを特徴とするセラミ
ックス−金属複合材料の製造方法。 - ２．セラミック粒子を液体安定化プラズマジェット中で
基礎成形体上に溶射することにより多孔性セラミック材
料を製造する請求項１記載の方法。 - ３．粒子は最初の状態でｄ＿５＿０＝２０〜１８０μｍ
の平均直径を有し、基礎成形体上に吹き付けることによ
り扁平にされ、５より大きい成形ファクタを有する縦長
の粒子にする請求１または２記載の方法。 - ４．セラミック材料を、プラズマ溶射の間に１００〜５
００℃の温度に保つ請求項１から３までのいずれか１項
記載の方法。 - ５．セラミック材料を、溶浸の前に、溶融金属の温度を
上廻る温度に加熱する請求項１から４までのいずれか１
項記載の方法。 - ６．溶融金属の温度が金属もしくは金属合金の融点を１
００〜２００℃上廻る請求項１から５までのいずれか１
項記載の方法。 - ７．溶融金属にぬれを促進するおよび／または粘度を低
下させる材料を添加する請求項１から６までのいずれか
１項記載の方法。 - ８．粘度の低下およびぬれ特性の改善のために、Ａｌ合
金の場合に、次の物質： ビスマス、アンチモン、ストロンチウム、 ベリリウム、ナトリウム、カリウム、リチ ウム を添加する請求項１から７までのいずれか１項記載の方
法。 - ９．液体安定化プラズマジェット中で基礎成形体上にセ
ラミック粒子を溶射する間に、粒子の粒度をｄ＿５＿０
＝２０μｍの初期値からｄ＿５＿０＞１００μｍの最終
値までかまたはその逆に変化させる請求項１から８まで
のいずれか１項記載の方法。 - １０．プラズマ溶射により製造したセラミック材料を、
金属の融点に加熱した閉じた型中に入れ、排気し、加圧
下にある溶融金属で５〜６０秒間に溶浸させる請求項１
から９までのいずれか１項記載の方法。 - １１．溶融金属がアルミニウムまたはＡｌ合金からなり
、複合成形体を、溶浸の後に２００℃／ｈの速度で冷却
する請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。 - １２．溶融金属が鋼またはネズミ鋳鉄からなり、複合成
形体を、溶浸の後に１００℃／ｈの速度で冷去する請求
項１から１０までのいずれか１項記載の方法。 - １３．溶射工程の終了後に、複合成形体を製造するため
に、少なくとも１層の金属材料をセラミック基礎材料上
に施し、次にこの施された金属を、セラミック成形体の
温度を高めることにより溶融させ、多孔セラミック材料
に溶浸させる請求項１から９までのいずれか１項記載の
方法。 - １４．材料特性の調節のために、気孔率および複合成形
体の金属／セラミックスの容量比を調節する請求項１か
ら１３までのいずれか１項記載の方法。 - １５．複合成形体の曲げ強度、靭性、Ｅ−モジュールお
よび硬度を調節する請求項１から１４までのいずれか１
項記載の方法。
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| DE3914010A DE3914010C2 (de) | 1989-04-26 | 1989-04-26 | Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen sowie Verwendung des Verfahrens zur Steuerung der Materialeigenschaften von Verbundwerkstoffen |
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