JPH0611895B2 - 金属―セラミックス複合成形体の製造方法 - Google Patents

金属―セラミックス複合成形体の製造方法

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JPH0611895B2
JPH0611895B2 JP62011116A JP1111687A JPH0611895B2 JP H0611895 B2 JPH0611895 B2 JP H0611895B2 JP 62011116 A JP62011116 A JP 62011116A JP 1111687 A JP1111687 A JP 1111687A JP H0611895 B2 JPH0611895 B2 JP H0611895B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は,高融点無機化合物,例えば周期律表第2,第
3,第4,第5,第6および第7周期金属の炭化物,ホ
ウ化物,ケイ化物,硫化物,窒化物,酸化物およびこれ
らの複合化合物と金属との複合成形体の製造方法に関
し,特に片面を金属としその金属と同一の金属をマトリ
ックスとする金属−セラミックス複合成形体に関するも
ので,セラミックスで強化された部分と金属部分とが強
固に結合された複合材料の製造方法を提供するものであ
る。
本発明方法で製造された金属−セラミックス複合成形体
は,耐熱材料あるいは耐熱コーティング材料として,ロ
ケットエンジンの遮熱コーティング,熱交換器用パイ
プ,発電用ガスタービンの羽根,自動車用エンジン材料
等に使用されることが期待できる。
従来の技術 従来,金属とセラミックスの接合方法としては金属およ
びセラミックスの部品を張り合わせて高温炉内で反応さ
せ,あるいは拡散させて強固な接合面を形成させる方法
をとる。また,溶射やCVD,PVD等の方法で金属の
表面にセラミックスを形成させる方法がある。
発明が解決しようとする問題点 耐熱性,耐摩耗性の向上を目的として金属とセラミック
スの両者の長所を生かしながら一つの材料として利用し
ようとする時,任意の曲率を有する広い面積で金属とセ
ラミックスの強固な接合面を有する複合材料の製造方法
が応用技術として重要となっている。
しかし上記の接合方法,すなわち,あらかじめ製造した
部品同士を反応や拡散によって張り合わせるような接合
方法では,ある限られた接合面積や圧力を均等に作用さ
せ得る単純形状の界面でしか接合を行い得ないという本
質的な限界をもっている。また,溶射やCVD,PVD
等の方法では接合界面に熱応力が発生しそれが原因で破
壊するのを防ぐことが重要な課題となっている。これら
の問題は金属とセラミックスを別々に製造したあとで両
者を張り合わせたり,使用環境とは著しく異なった環
境,例えば高温下で接合やコーティング処理を行うこと
から結果されるのである。
すなわち,接合時の高温状態から常温への冷却時に発生
する内部応力(熱応力)に打ち勝ち,使用環境において
も破壊を生じないだけの強固に結合された接合界面が必
要されるわけであるが,異種物質の接合においては,そ
の特性,特に熱膨張率の違いが大きいと,いくら結合時
に強固に結合されていても冷却時に接合面近傍で割れが
生じやすい。
問題点を解決するための手段 上記の問題点を解決するための方法としては,異種物質
間の熱膨張率の差をなるべく低く抑えることが最も効果
的な方法である。この方法は,金属−セラミックス複合
体層のマトリックスと接合する金属層の金属とを同じ種
類にすることによりかなりの程度で達成することができ
る。このような複合層のマトリックス金属が接合する金
属と同じである材料を同時に製造する方法はこれまで知
られていなかった。本発明によれば,あらかじめ金属と
非金属の粉末混合物層(第1層)に重ねて金属あるいは
合金の粉末層(第2層)を配置し,これらの層を加圧し
た状態で第1層に着火して無機化合物の合成を行うとと
もに反応熱で第2層の金属あるいは合金を溶融させて第
1層から生成された合成セラミックス層の粒子間へ浸透
させることによってセラミックス粒子がマトリックス中
に分散している金属−セラミックス複合成形体が製造さ
れる。このような製造方法を採用することによって,1
種類の金属あるいは合金が接合界面を介した複合材料マ
トリックス金属と同一であり,他の余分な組成が界面近
傍にまったくない材料を製造する製造条件を満足させる
ことができるのである。
本発明方法において,第1層を形成する金属及び非金属
の粉末混合層は,自己発熱反応により高温を発生させる
ことができると共に高融点無機化合物ないしは高硬度無
機化合物を形成することが重要である。そしてこれらに
該当する金属及び非金属のうち金属は,チタン,ニオ
ブ,ジルコニウム,タンタル等が使用可能であり,非金
属は,ボロン,炭素が使用可能である。これらの原料よ
りホウ化チタン,炭化チタン,ホウ化ニオブ,炭化ニオ
ブ,ホウ化ジルコニウム,炭化ジルコニウム,ホウ化タ
ンタル,炭化タンタル等が合成されて金属−セラミック
ス複合体中に微細な結晶粒となって分散される。また第
2層を形成する金属としては,銅,ニッケル,アルミニ
ウム,鉄,チタン,あるいはこれらの合金が使用可能で
ある。ただし,第1層と第2層は任意の比率で積層させ
て着火合成しても良好な複合材料が製造できるわけでは
なく,第1層で発生した反応熱によって第2層の金属が
完全に溶融し,第1層の合成セラミックスの粒子間に浸
透してち密な複合材層を形成し,金属−セラミックス複
合成形体として一体化されるだけの分量に抑える必要が
ある。なぜなら必要以上に第2層の金属を増やすと金属
の溶融に必要な反応熱が発生せずに一部の溶融した金属
のみが合成セラミックスの粒子間に浸透し気孔率の大き
な強度に劣る複合体となり,ち密な複合材が製造できな
くなるからである。
このような複合材の製造方法においては,加圧圧力下に
て行うことが必要である。なぜなら,第1層の合成時に
第2層の金属が反応熱によって溶融し,第1層に形成さ
れたセラミックス層の粒子間へと浸透する際に,加圧圧
入しなくても自然に浸透吸収される例は限られており,
ぬれ性が悪い場合にはほとんど浸透吸収という効果は望
めないからである。そこで通常は加圧下で溶融した金属
を浸透させる必要がある。さらに,加圧する重要な理由
は,合成の生じた瞬間に反応熱で金属が溶融し圧力作用
でセラミックスの粒子間に強制的に圧入することによっ
て,試料のほとんど同時に進行する合成過程と金属の溶
融浸透過程によって,合成されるセラミックスの粒子の
成長が抑えられ大きさが制限されて微細なセラミックス
粒子となって金属マトリックス中に分散した微細組織が
形成されるためである。
この加圧はバネ圧縮法(特公平3-7627号公報)や静水圧
圧縮法(特公平5-7351号公報)などの任意の手段により
合成することができ,ち密な複合成形体を得るために少
なくとも5MPaの圧力下で行われる。
バネ圧縮法では圧縮バネを用いるが、バネの瞬間的な伸
張力の作用によって第2層の溶融と浸透を行い製造され
る材料のち密化を図ることができる。また,静水圧圧縮
法では高圧の水を圧力媒体として用い,気相を閉じ込め
たアキュムレータを接続して気相と液相を圧力平衡させ
合成時に生じる体積収縮を気相の膨張で補償しながら合
成を完了させる方法で,等方的な加圧作用を合成試料に
加えてち密化を図ることができる方法である。
これらの方法を用いると、セラミックス粒子を合成する
と同時にその反応熱で試料は一瞬のうちに3000℃程度の
高温にまで加熱されるため,第2層として配されている
金属あるいは合金は瞬時に溶融し,加圧圧力下で第1層
のセラミックス粒子間へ浸透し,残部は金属層として形
成される。このように合成反応と同時に金属の溶融と浸
透が生じるため,粒径が0.1〜10ミクロンの合成セラミ
ックス粒子が微細に分散した複合材を1〜10mmの厚みで
製造することができ,更に複合材の金属マトリックスと
同じ金属層が連続して一体化されている複合成形体が製
造可能となるわけである。
また,合成セラミックス層たる第1層に対して第2層の
金属の積層量を変化させることによって金属層の厚みを
任意に制御することが可能であり,また金属層をある一
定量以下とすれば溶融した金属を合成セラミックス層に
すべて浸透させて金属マトリックス中にセラミックスを
含有した単一層を形成させることもできる。また、合成
セラミックス層となる部分を複数の原料粉末混合物層で
積層させておき反応を開始させることによって厚み方向
で異なる組成の材料を製造することも可能となる。
発明の効果 本発明方法においては,セラミックスは合成反応で生成
し,さらに合成と同時に金属が浸透して一体化するた
め,セラミックス粒子の粒径は非常に微細なもの(0.1
〜10ミクロン)が得られ,しかもセラミックス粒子が金
属マトリックス中に均一に微細分散したタイプの複合材
が得られるわけである。複合材においては組織が微細化
している方が材料強度や靱性に優れており,品質の良好
な高級材料となる。
また,本発明方法によると,高強度及び高靱性を有する
金属−セラミックス複合材料からなる基体の表面に複合
材層のマトリックスと同じ金属が強固に結合された金属
層を有する成形体を得ることができるため,本発明方法
は極めて実用性に優れたものとなる。
実施例 次に実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
実施例1 減圧可能な容器内に黒鉛で内張りした金属性鋳型を設置
し,この鋳型内(断面積1cm2)にチタンとホウ素の粉
末をモル比で1:2の割合で十分に混合した混合粉末0.
5gを充填した。さらにその上に銅の粉末を0.5g充填し
た。バネ定数が4.6×104N/mの圧縮バネを用い,20MPaの
加圧圧力下でチタンとホウ素の混合粉末に着火反応させ
た。チタンとホウ素の反応により発生した反応熱により
銅粉末は溶融し合成セラミックスの粒間に浸透した。得
られた合成品はTiB2と銅の複合材の厚み1.8mm,銅の厚
み0.2mmの複合成形体であった。接合界面は引っ張り試
験や曲げ試験による破壊試験によっても剥離せず,この
ことから結合強度は銅及びホウ化チタン−銅系複合材料
の破壊強度より大きいと推測された。
実施例2 チタンとホウ素の粉末をモル比で1:2の割合で十分に
混合した混合粉末0.5gと,その上に銅の粉末を0.4gを充
填した積層体を用いて,実施例1と同様な方法で着火反
応させた。得られた合成品はTiB2と銅の複合材の厚み1.
6mm,銅の厚み0.2mmの複合成形体であった。接合界面は
引っ張り試験や曲げ試験による破壊試験によっても剥離
せず,このことから結合強度は銅及びホウ化チタン−銅
系複合材料の破壊強度より大きいと推測された。
実施例3 チタンとホウ素の粉末をモル比で1:2の割合で十分に
混合した混合粉末0.5gと,その上にニッケルの粉末を0.
5gを充填した積層体を用いて実施例1と同様な方法で着
火反応させた。得られた合成品はTiB2とニッケルの複合
材の厚み1.6mm,ニッケルの厚み0.2mmの複合成形体であ
った。接合界面は引っ張り試験や曲げ試験による破壊試
験によっても剥離せず,このことから結合強度は銅及び
ホウ化チタン−銅系複合材料の破壊強度より大きいと推
測された。
実施例4 チタンとホウ素の粉末をモル比で1:2の割合で十分に
混合した混合粉末0.5gと,その上にアルミニウムの粉末
を0.1gを充填した積層体を用いて実施例1と同様な方法
で着火反応させた。得られた合成品はTiB2とアルミニウ
ムの複合材の厚み1.5mm,アルミニウムの厚み0.1mmの複
合成形体であった。接合界面は引っ張り試験や曲げ試験
による破壊試験によっても剥離せず,このことから結合
強度は銅及びホウ化チタン−銅系複合材料の破壊強度よ
り大きいと推測された。
実施例5 チタンとホウ素の粉末をモル比で1:2の割合で十分に
混合した混合粉末0.5gと,その上にチタンの粉末を0.5g
を充填した積層体を用いて実施例1と同様な方法で着火
反応させた。得られた合成品はTiB2,TiBとチタンの複
合材の厚み1.5mm,チタンの厚み0.3mmの複合成形体であ
った。接合界面は引っ張り試験や曲げ試験による破壊試
験によっても剥離せず,このことから結合強度は銅及び
ホウ化チタン−銅系複合材料の破壊強度より大きいと推
測された。
【図面の簡単な説明】
第1図は合成前の粉末混合物の配置を示し,第2図は合
成後の材料中の組成分布を示す。図中符号1は金属粉末
層,2は金属と非金属の粉末混合物層,3は溶融凝固し
た金属層,4は合成セラミックスと浸透した金属との複
合層、5は着火治具と着火点を示す。 第3図,第4図は本発明方法において使用する装置の立
面図であり,第3図はバネ圧縮法,第4図は静水圧圧縮
法を示す。図中の符号6は圧縮装置の一部,7は真空容
器の一部,8は着火のための電流印加装置,9は圧縮バ
ネ,10は原料粉末,11は黒鉛製の鋳型,12は圧力
容器,13はアキュムレータ,14は着火のための電流
印加装置,15は加圧ポンプ,16は原料粉末,17は
密封反応容器,18は圧力媒体としての液体で通常は
水,19は圧力平衡用の気体,20は着火点を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属と非金属の粉末混合物の局所に着火す
    ることにより反応がその他の部分へと伝播して自己増殖
    的に合成反応を進展する組み合せからなる金属と非金属
    の粉末混合物の第1層に重ねて金属あるいは合金の粉末
    からなる第2層を配置し、これらの層を加圧した状態で
    第1層に着火して無機化合物の合成を行うとともに反応
    熱で第2層の金属あるいは合金を溶融させて第1層から
    生成された合成セラミックス層の粒子間に加圧下に浸透
    させてセラミックス粒子がマトリックス中に分散してな
    ることを特徴とする金属−セラミックス複合成形体の製
    造方法。
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JPS63179031A JPS63179031A (ja) 1988-07-23
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS58126946A (ja) * 1982-01-25 1983-07-28 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 硼化物分散銅合金の製造方法
JPS60128240A (ja) * 1983-12-15 1985-07-09 Kubota Ltd 円筒状セラミックス・高クロム鋳鉄複合体の製造方法
JPS61221343A (ja) * 1985-03-26 1986-10-01 Kubota Ltd セラミックス―金属複合体の製造方法

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