JPH05263108A

JPH05263108A - セラミックスと金属との複合体

Info

Publication number: JPH05263108A
Application number: JP6073092A
Authority: JP
Inventors: Minoru Uda; 宇田　　実
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-03-17
Filing date: 1992-03-17
Publication date: 1993-10-12

Abstract

(57)【要約】【目的】室温から高温までの温度で接合面に間隙や割
れが発生することなく、切削加工による成形も容易にで
き、安定して使用できるセラミックスと金属との複合体
を提供する。【構成】低熱膨張鋳鉄粉末２をセラミックス円柱体１
表面部の所定箇所に圧縮成形し、低熱膨張鋳鉄粉末２を
焼結することによって作製されてなるセラミックスと金
属との複合体である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスと金属と
の複合体に係り、更に詳しくは、室温だけでなく高温に
於いても金属とセラミックスの間に間隙や内部応力を発
生することがなく、安定して使用することができるセラ
ミックスと金属との複合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスは耐熱性、耐摩耗性、及び
耐食性はあるが靱性が低く、金属は靱性はあるが耐熱
性、耐摩耗性、および耐食性が不足する。そのため、耐
熱性、耐摩耗性、および耐食性と同時に靱性も求められ
る構造部材にはセラミックスと金属との複合体を使用す
ることが検討されている。そこで、従来、セラミックス
と金属との複合体を製造するには、圧入、かしめ、ろう
付け、鋳ぐるみ、機械的な接続、その他の方法が目的に
よって適宜選択され、セラミックス部材と金属部材が接
合されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、それらの接合
体は室温で使用することはできても、一般に金属はセラ
ミックスに比べて線熱膨張係数が大きいので、使用温度
が高くなるに従い、セラミックスよりも金属の方が大き
く膨張して接合面に間隙や割れが生じたり、あるいは内
部応力が発生し、セラミックスまたは金属の何れかが破
壊される等の問題があった。

【０００４】また、インバー、スーパーインバー、コバ
ール等の低熱膨張金属材料とセラミックスの接合体では
両部材の線熱膨張係数の差による問題は発生しにくいが
金属部材の鋳造性や切削加工性が著しく悪く、複合材を
製造するには工業上、好ましくなかった。

【０００５】従って、本発明は上記の課題を解決し、室
温から高温までの温度で接合面に間隙や割れが、また問
題になるような大きさの内部応力が発生したりすること
なく、切削加工による成形も容易にでき、安定して使用
することができるセラミックスと金属との複合体を提供
することを目的とする。

【０００６】なお、線熱膨張係数が小さく、一定の温度
範囲内ではセラミックスと線熱膨張係数に近い合金が開
発され、特開平２ー２９８２３６号に開示されている。
しかし、この文献はセラミックスと金属との複合体には
全く触れていない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、
低熱膨張鋳鉄粉末をセラミックス部材表面部の所定箇所
に圧縮成形し、低熱膨張鋳鉄粉末を焼結することによっ
て作製されてなることを特徴とするセラミックスと金属
との複合体、が提供される。また、本発明においては、
セラミックス部材に圧縮応力がかかる構造であることが
好ましい。

【０００８】更に本発明においては、低熱膨張鋳鉄粉末
の焼結体が切削性に優れていることが好ましい。更に本
発明においては、低熱膨張鋳鉄の線熱膨張係数が室温か
ら４００℃までに於いて３ｘ１０^ー6／℃以上５ｘ１０^ー6
／℃以下であることが好ましい。

【０００９】

【作用】本発明によれば、低熱膨張鋳鉄部材とセラミッ
クス部材との複合体が提供されるが、この複合体は様々
な構造を取り得る。金属部材もセラミックス部材も一と
は限られず、複数の金属部材と複数のセラミックス部材
の組み合わせからなる構造でもよい。例えば、円柱、多
角柱、平行六面体、直方体、円錐、多角錐、回転楕円
体、若しくは球等の形状、これらの形状を任意の方向に
塑性変形して得られる形状、又はこれらの形状を任意の
方向に平面もしくは曲面で切断して得られる形状の何れ
かを有する一のセラミックス部材の外表面を一の低熱膨
張鋳鉄部材が覆い、セラミックス部材に圧縮応力がかか
る構造がある。

【００１０】また、このような形状のセラミックス部材
の外表面の周囲の一部を一の低熱膨張鋳鉄部材が覆い、
他の一部の外表面の周囲を一以上の低熱膨張鋳鉄部材が
覆い、各々の低熱膨張鋳鉄部材がセラミックス部材に圧
縮応力がかかる構造がある。このような構造の具体例と
しては、セラミックス円柱体の側面の周囲を二の円筒状
の低熱膨張鋳鉄部材が覆う複合材がある。

【００１１】一方、低熱膨張鋳鉄部材は必ずしもセラミ
ックス部材の外側の表面になるとは限られず、セラミッ
クス部材の内側の表面になるのもよい。例えば、一底面
のみがある円筒状のセラミックス部材に低熱膨張鋳鉄粉
末を投入し、低熱膨張鋳鉄粉末を焼結することによって
複合材を作製してもよい。

【００１２】セラミックスの線熱膨張係数は一般に小さ
く、例えば、窒化珪素では約３．５ｘ１０^ー6／℃、アル
ミナでは７．０ｘ１０^ー6／℃である。これに対し、金属
の線熱膨張係数は一般にセラミックスの線熱膨張係数よ
り大きく、例えば、炭素鋼や鋳鉄では約１２ｘ１０^ー6／
℃、オーステナイトステンレス鋼では約１７ｘ１０^ー6／
℃、アルミニウム合金では約２０ｘ１０^ー6／℃であり、
セラミックスの３〜５倍の値を有している。

【００１３】このため室温において同じ寸法のセラミッ
クス体と金属体では、温度の上昇につれて金属体の方が
セラミックス体よりも大きくなり、この熱膨張による体
積差自体も温度の上昇につれて増加する。この現象によ
りセラミックスと金属との複合体においては、温度上昇
につれてセラミックスと金属との間に間隙や内部応力が
発生・増大し、複合体の構造によっては嵌合部が緩んだ
り、場合によっては破壊にいたる。

【００１４】本発明で用いる低熱膨張鋳鉄の線熱膨張係
数は室温から４００℃までの温度範囲で３〜５ｘ１０^ー6
／℃であり、またこの値は同一温度範囲でのセラミック
スの線熱膨張係数に近似する。よってこの低熱膨張鋳鉄
とセラミックスとの複合体では、この温度範囲に於いて
熱による膨張差が発生しないか、またはきわめて小さい
ので、安定した接合状態を維持することができる。

【００１５】本発明で用いる低熱膨張鋳鉄は、具体的に
は重量比で、Ｃ０．３〜２．０％、Ｎｉ２５〜３２
％、Ｃｏ１２〜２０％、Ｓｉ０．３〜２．０％、
Ｎｂ０．２〜０．８％、Ｍｇ又はＣａ０．０１〜
０．２％、Ｍｎ１．０％以下で残部がＦｅ及び不可避
不純物からなる合金が好ましい。

【００１６】次に各成分の数値限定の理由を説明する。
まずＣを０．３〜２．０％としたのは、この範囲内では
炭素が脱酸剤として作用して溶湯の流動性が向上し、か
つ大気溶解が可能になるので、粉末を製造する際の溶湯
の取扱いが容易となるからである。また、この成分の範
囲内に於いては、粉末焼結後の金属中に分散した析出黒
鉛が切削加工時等に於いて切り粉分断作用を生じ、優れ
た加工性を得ることができる。特に、Ｃが０．８〜１．
２％の範囲では優れた切削加工性及び溶湯性質を得るこ
とができるので好ましい。しかし、Ｃが０．３％未満で
は大気中での溶解が難しく、特殊なスラグによる溶解や
真空溶解等が必要になるので、特殊な製造設備を要し、
製造コストも上昇する点で好ましくない。一方、Ｃが
１．２％を越えると線熱膨張係数が増加するので好まし
くない。

【００１７】Ｎｉ、Ｎｂ、及びＣｏでは合金の線熱膨張
係数が低下するように重量比の範囲を限定した。つま
り、Ｎｉを２５〜３２％、Ｎｂを０．２〜０．８％とし
たのは、この範囲内では広い温度範囲において線熱膨張
係数が従来の合金より更に低下するからである。特にＮ
ｉが２７〜３０％、あるいはＮｂが０．３〜０．５％の
範囲では線熱膨張係数がもっとも小さい値をとり、安定
化するので好ましい。Ｃｏを１２〜２０％としたのは、
この範囲内では室温より高い温度範囲（室温〜約４００
℃）に於いて線熱膨張係数が低下するからである。特に
Ｃｏを１３〜１５％とすると線熱膨張係数はもっとも小
さい値になるので好ましい。

【００１８】Ｓｉを０．３〜２．０％としたのは大気中
での溶湯の酸化を抑え、金属中の黒鉛の析出を促進させ
るためであり、０．３％未満ではその効果が認められ
ず、逆に２．０％を越えるとオーステナイト素地に固溶
し、線熱膨張係数が増加したり鋳鉄を脆弱化するので好
ましくない。Ｓｉが１．０〜１．２％の範囲では脱酸効
果による溶湯流動性と切削可能性が特に良好になるので
好ましい。

【００１９】Ｍｇ又はＣａは黒鉛を球状化、大気溶解で
の脱酸、脱硫効果の向上などの効果がある。０．０１％
未満ではその効果が不十分となる。一方、０．２％を越
えると切削性や黒鉛球状化は向上するが、ドロスの発生
や線熱膨張係数の増加をもたらすので、これらを抑える
ために０．２％以下とした。特にＭｇ又はＣａは０．０
３〜０．０８％の範囲が材料特性や作業性の理由により
好ましい。

【００２０】Ｍｎはスクラップ等から混入する元素であ
るが、重量比が高いと線熱膨張係数の増加を伴うので、
１．０％以下とした。

【００２１】更に本発明で用いる低熱膨張鋳鉄はインバ
ー、スーパーインバー、コバール等の難加工材料とは異
なり、黒鉛が素地組織中に分散するために切削加工性が
良好である。そして、黒鉛には固体潤滑と焼き付き防止
機能があること、さらに黒鉛がぬけた穴は油だまりにな
ること等の理由により、この複合体は摺動部材としても
好ましい性能を発揮する。

【００２２】本発明では、低熱膨張鋳鉄粉末をセラミッ
クス部材表面部の所定箇所に圧縮成形し、次いで該低熱
膨張鋳鉄粉末を焼結することによりセラミックスと金属
との複合体を作成するが、この焼結温度、焼結時間、雰
囲気等の焼結条件は用いられる合金とセラミックスとの
物性を考慮し、適宜定める。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく
説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるもので
はない。

【００２４】（実施例１−４）直径２０mm. 高さ４０m
m. のセラミックス円柱体１を窒化珪素で作製した。そ
して金属とセラミックスとの反応を防止するため、セラ
ミックス円柱体１の表面に、窒化ホウ素粉体を薄く均一
に塗布した。次にＮｉとＣｏの重量比を変えた粒度約１
００μｍ以下の低熱膨張鋳鉄粉体をセラミックス円柱体
１の側面のまわりを図１に示すように円筒状にするよう
に、成形圧力６t/cm²でプレスにて圧粉成形した。圧縮
成形後のセラミックス円柱体１の側面まわりの金属粉末
圧粉体２の形状は外径４０mm.、内径２０mm.、高さ２０
mm.のド−ナツ形状に近い円筒状である。このように調
整した４種類の低熱膨張鋳鉄の成分は重量比で、Ｃ１
％、Ｓｉ１．２％、Ｎｂ０．３％、Ｍｇ０．０５
％、Ｍｎ０．１％を共通に含み、ＮｉとＣｏの含有量
は表１に示すように調整し、残部がＦｅ及び不可避不純
物を共通に含有するものである。

【００２５】

【表１】

【００２６】次にこのセラミックス円柱体１と金属圧粉
成形体２との複合体を水素雰囲気中で１０５０℃、６０
分間で焼結した。このようにして得られたセラミックス
円柱体１と金属粉末焼結体３との複合体を、図２で示す
ように円柱体１の軸と垂直な方向にセラミックス部と金
属部との両者を切断後、切断面を研磨してセラミックス
と金属との複合体を作製し、評価用試験体とした。

【００２７】このようにして得られたセラミックスと金
属との複合体のセラミックスと金属との間隙を２５℃、
２００℃、４００℃の温度で、顕微鏡で観察し、その距
離を測定した。なお必要に応じて該複合体をヒ−タ−で
加熱してから測定を行った。表２にこの結果をまとめ
る。

【００２８】

【表２】

【００２９】また、セラミックスと金属との間隙の評価
が終わった試験体の金属外周部を旋盤にて切削加工し、
切り粉の連続性と切削加工面の平滑さを比較して金属焼
結体の切削性を判定した。

【００３０】（比較例１−７）ＮｉとＣｏの重量比を変
えた４種類の低熱膨張鋳鉄、ＳＵＳ３０４、スーパーイ
ンバー、炭素鋼Ｓ５０Ｃの各々で、実施例と同一の形状
を有するセラミックスと金属との複合体を実施例と同様
に作製した。これら比較例１−４の４種類の低熱膨張鋳
鉄の組成は、本発明に係るセラミックスと金属との複合
材に用いる低熱膨張鋳鉄とＮｉとＣｏの重量比のみが表
３に示すように異なるように調整された。ここで、ＳＵ
Ｓ３０４、スーパーインバー、炭素鋼Ｓ５０Ｃは市販材
であり、ＳＵＳ３０４による複合体が比較例５であり、
スーパーインバーが比較例６である。炭素鋼Ｓ５０Ｃで
作製した複合体は比較例７とした。

【００３１】

【表３】

【００３２】次に、こうして得られた複合体のセラミッ
クスと金属との間隙を２５℃、２００℃、４００℃の温
度で、実施例１−４と同様に、顕微鏡で観察しその距離
を測定した。表４にこの結果をまとめる。

【００３３】

【表４】

【００３４】表２と表４との比較より明きらかなよう
に、実施例１−４の本発明に係るセラミックスと金属と
の複合体は、室温から高温にかけてセラミックス−金属
間に大きな間隙を生じることなく、優れた密着性を保っ
ているのに対して、比較例１−５及び７の複合体は、本
発明のものと異なり、高温になるに従って密着性は低下
した。比較例６のスーパーインバーとの複合体は金属の
線熱膨張係数がセラミックスに近似するので密着性は良
好であるが、本発明の複合体とは異なり、切削加工性は
悪く、満足しうるものではなかった。

【００３５】これらの結果を総合的に見て、本発明の複
合体はピストンやシリンダーライナー等の温度変化の高
いエンジン部品等への実用性が高いものであることがわ
かる。また、本発明のセラミックスと金属との複合体は
切削加工性に優れているので、部品形状の設計の自由度
も大きく、後加工も容易となるので、本発明の適用範囲
は広い。

【００３６】

【発明の効果】従って、本発明は、低熱膨張鋳鉄を用い
ることにより、室温から高温、特に４００℃までの温度
で接合面に間隙や割れが生じることなく、また内部応力
が発生したりすることなく、安定して使用することがで
きるセラミックスと金属との複合体を提供するものであ
る。

【００３７】本発明の複合体は、具体的にはピストンの
クラウン部やシリンダーライナー、また、シリンダーヘ
ッドに複合化したセラミックス製の排気ポートや、バル
ブガイド、バルブシート、シリンダーヘッドプレート等
のエンジン部品、ダイキャストマシンのセラミックスを
複合化したライナー等の部品、あるいは高温の腐食性流
体を扱う部品や装置等、即ちセラミックスの耐熱性、耐
摩耗性、軽量性、断熱性、耐食性と、金属の靱性、切削
加工性の両方の性質が要求される機械構造用部品に適用
することができ、産業上極めて有益である。

【図面の簡単な説明】

【図１】セラミックスと金属粉末圧粉体との複合体を説
明する断面図である。

【図２】本発明に係るセラミックスと金属焼結体との複
合体を切断する工程を説明する断面図である。

【符号の説明】

１セラミックス円柱体２金属粉末圧粉体３金属粉末焼結体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低熱膨張鋳鉄粉末をセラミックス部材表
面部の所定箇所に圧縮成形し、該低熱膨張鋳鉄粉末を焼
結することによって作製されてなることを特徴とするセ
ラミックスと金属との複合体。
【請求項２】該セラミックス部材に圧縮応力がかかる
構造であることを特徴とする請求項１のセラミックスと
金属との複合体。
【請求項３】低熱膨張鋳鉄粉末の焼結体が切削性に優
れていることを特徴とする請求項１又は２のセラミック
スと金属との複合体。
【請求項４】該低熱膨張鋳鉄の線熱膨張係数が室温か
ら４００℃までに於いて３ｘ１０^ー6／℃以上５ｘ１０^ー6
／℃以下であることを特徴とする請求項１、２又は３の
セラミックスと金属との複合体。
【請求項５】該低熱膨張鋳鉄が、重量比で、Ｃ０．
３〜２．０％、Ｎｉ２５〜３２％、Ｃｏ１２〜２０
％、Ｓｉ０．３〜２．０％、Ｎｂ０．２〜０．８
％、ＭｇまたはＣａ０．０１〜０．２％、Ｍｎ１．
０％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを
特徴とする請求項１、２又は３のセラミックスと金属と
の複合体。