JPH06212398A - 複合材料とその製造方法 - Google Patents
複合材料とその製造方法Info
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- JPH06212398A JPH06212398A JP2056793A JP2056793A JPH06212398A JP H06212398 A JPH06212398 A JP H06212398A JP 2056793 A JP2056793 A JP 2056793A JP 2056793 A JP2056793 A JP 2056793A JP H06212398 A JPH06212398 A JP H06212398A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 靭性をあまり落すことなく適度の性質を備
え、また表面に硬さや耐摩耗性のある化合物層などを形
成した複合材料とその製造方法を提供する。 【構成】 本発明は材料表面付近に、複合拡散せしめた
粒子と、該粒子成分と材料成分との化合物、又は合金、
又は固溶体とが形成されていることを特徴とする複合材
料と、その製造方法である。
え、また表面に硬さや耐摩耗性のある化合物層などを形
成した複合材料とその製造方法を提供する。 【構成】 本発明は材料表面付近に、複合拡散せしめた
粒子と、該粒子成分と材料成分との化合物、又は合金、
又は固溶体とが形成されていることを特徴とする複合材
料と、その製造方法である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は金属又は金属間化合物な
どを母材とした複合材料と、その製造方法に関する。
どを母材とした複合材料と、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】セラミックス粒子等を分散した複合材料
に関し、次のような従来技術が知られている。たとえ
ば、ＳｉＣやＣなどの粒子を完全溶融、または部分溶融
の溶湯に添加し、これに機械的撹拌を与えて複合材料と
するコンポキャスト法がある。また、粉末冶金法とし
て、ＳｉＣやＣなどの粒子と、Ａｌ合金等の粉末とを混
合し、静水圧圧縮や焼結、熱間押出し等の工程により複
合材料とする方法がある。さらにメカニカルアロイング
法としてＳｉＣやＣなどの粒子と、Ａｌ合金等の粉末と
を混合し、これに冷間や熱間で機械的撹拌を与えて、合
金粉末中にＳｉＣやＣなどの粒子を練込み、粒子分散複
合材料とする方法がある。
に関し、次のような従来技術が知られている。たとえ
ば、ＳｉＣやＣなどの粒子を完全溶融、または部分溶融
の溶湯に添加し、これに機械的撹拌を与えて複合材料と
するコンポキャスト法がある。また、粉末冶金法とし
て、ＳｉＣやＣなどの粒子と、Ａｌ合金等の粉末とを混
合し、静水圧圧縮や焼結、熱間押出し等の工程により複
合材料とする方法がある。さらにメカニカルアロイング
法としてＳｉＣやＣなどの粒子と、Ａｌ合金等の粉末と
を混合し、これに冷間や熱間で機械的撹拌を与えて、合
金粉末中にＳｉＣやＣなどの粒子を練込み、粒子分散複
合材料とする方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記各方法は、金属や
セラミックス等の粒子を全体に均一に分散させる方法で
あり、母材の表面だけを複合化することはできない。ま
た粉末冶金法やメカニカルアロイング法で用いる合金粉
末は高価であり、かつ複合材料を得るまでの工程が多
く、完成品のコストが割高になるという欠点があった。
更に素材製造の最終工程が押し出し加工であるため、完
成品形状が単純なものに限られてしまうという問題点が
ある。本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記
問題点を解消し、材料表面に複合層を形成した複合材料
と、その製造方法を提供することを目的とする。
セラミックス等の粒子を全体に均一に分散させる方法で
あり、母材の表面だけを複合化することはできない。ま
た粉末冶金法やメカニカルアロイング法で用いる合金粉
末は高価であり、かつ複合材料を得るまでの工程が多
く、完成品のコストが割高になるという欠点があった。
更に素材製造の最終工程が押し出し加工であるため、完
成品形状が単純なものに限られてしまうという問題点が
ある。本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記
問題点を解消し、材料表面に複合層を形成した複合材料
と、その製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記目的に添い、本発明
は材料表面付近に、複合拡散せしめた粒子と、該粒子成
分と材料成分との化合物、又は合金、又は固溶体とが形
成されている複合材料とすることによって前記課題を解
消した。また本発明は材料表面に複合用の粒子を侵入さ
せ、その侵入過程、又は後工程で加熱をおこない、侵入
した粒子の一部又は全部を材料中へ分解拡散させること
によって前記課題を解消した。
は材料表面付近に、複合拡散せしめた粒子と、該粒子成
分と材料成分との化合物、又は合金、又は固溶体とが形
成されている複合材料とすることによって前記課題を解
消した。また本発明は材料表面に複合用の粒子を侵入さ
せ、その侵入過程、又は後工程で加熱をおこない、侵入
した粒子の一部又は全部を材料中へ分解拡散させること
によって前記課題を解消した。
【０００５】
【実施例】図２において、１は加圧型、２は下パンチ、
３は上パンチ、４は処理される材料、５はセラミックス
などの複合粒子で、該複合粒子５は加圧型１内の下パン
チ２と上パンチ３との間に充填され、該複合粒子５のな
かに前記材料４を埋込んである。これを所定温度に加熱
しつつ、所定の圧力Ｐ1 を所定時間加えることによっ
て、複合粒子５を材料４の表面に侵入させ、表面に複合
層を有する複合部材を製造するものである。図３は他の
方法を示し、１１は加圧用外筒、１２は処理される材
料、１３は加圧用の外筒１１内に充填された複合粒子
で、該複合粒子１３内に材料１２を埋設してある。この
状態で外筒１１を減圧密封し、更に、非酸化性雰囲気の
もとで、所定温度で加熱しつつ、外筒１１の外側四方か
ら静水圧Ｐ2 を、所定時間加えることで複合粒子１３を
材料１２の表面に侵入させるものである。
３は上パンチ、４は処理される材料、５はセラミックス
などの複合粒子で、該複合粒子５は加圧型１内の下パン
チ２と上パンチ３との間に充填され、該複合粒子５のな
かに前記材料４を埋込んである。これを所定温度に加熱
しつつ、所定の圧力Ｐ1 を所定時間加えることによっ
て、複合粒子５を材料４の表面に侵入させ、表面に複合
層を有する複合部材を製造するものである。図３は他の
方法を示し、１１は加圧用外筒、１２は処理される材
料、１３は加圧用の外筒１１内に充填された複合粒子
で、該複合粒子１３内に材料１２を埋設してある。この
状態で外筒１１を減圧密封し、更に、非酸化性雰囲気の
もとで、所定温度で加熱しつつ、外筒１１の外側四方か
ら静水圧Ｐ2 を、所定時間加えることで複合粒子１３を
材料１２の表面に侵入させるものである。
【０００６】図４は前記方法によって粒径５μm のＳｉ
Ｃ粒子を、温度７７３Ｋ以下程度の低温で加熱しつつ加
圧して、Ｆｅ材の表面に侵入させた場合を示す。図に示
すように、Ｆｅ材の表面ではＳｉＣ粒子との間に極く僅
かに反応がみられるのみでＦｅ材は元の成分のままであ
る。図５は前記の加熱温度を１２７３Ｋ以上の温度に保
持させた場合である。ＳｉＣ粒子はＦｅ材との反応で分
解拡散し、径が小さくなる。ここでは、粒子が分解して
小径化するので、互にくっつくように複合していた粒子
は、それぞれ離れて独立するようになる。材料には内部
に拡散速度の速い元素を固溶した固溶体を主として有す
るＡ層と、材料表面付近に拡散速度の遅い元素との化合
物を主として有するＢ層とが形成される。即ち、拡散速
度の速い元素は、材料内部へ広く拡散してゆくので元素
の濃度が薄まってしまい、元の材料Ｆｅは拡散成分を固
溶した固溶体となる。一方、拡散速度の遅い元素は、複
合した粒子近傍に高い濃度でとどまり、材料と反応して
成分が大幅に異なる新たな化合物を形成する。図６は複
合した粒子が全て材料との反応により拡散してしまった
場合を示す。材料は固溶体からなるＡ層と、図５の場合
より、少し幅が広くなった化合物からなるＢ層の２層と
なる。これらの方法においては、複合粒子を材料表面に
侵入させ、複合粒子の一部または全てを分解反応させる
ため、材料と粒子双方を加熱して加圧するか、あるいは
製造後、加熱するようにしたものである。
Ｃ粒子を、温度７７３Ｋ以下程度の低温で加熱しつつ加
圧して、Ｆｅ材の表面に侵入させた場合を示す。図に示
すように、Ｆｅ材の表面ではＳｉＣ粒子との間に極く僅
かに反応がみられるのみでＦｅ材は元の成分のままであ
る。図５は前記の加熱温度を１２７３Ｋ以上の温度に保
持させた場合である。ＳｉＣ粒子はＦｅ材との反応で分
解拡散し、径が小さくなる。ここでは、粒子が分解して
小径化するので、互にくっつくように複合していた粒子
は、それぞれ離れて独立するようになる。材料には内部
に拡散速度の速い元素を固溶した固溶体を主として有す
るＡ層と、材料表面付近に拡散速度の遅い元素との化合
物を主として有するＢ層とが形成される。即ち、拡散速
度の速い元素は、材料内部へ広く拡散してゆくので元素
の濃度が薄まってしまい、元の材料Ｆｅは拡散成分を固
溶した固溶体となる。一方、拡散速度の遅い元素は、複
合した粒子近傍に高い濃度でとどまり、材料と反応して
成分が大幅に異なる新たな化合物を形成する。図６は複
合した粒子が全て材料との反応により拡散してしまった
場合を示す。材料は固溶体からなるＡ層と、図５の場合
より、少し幅が広くなった化合物からなるＢ層の２層と
なる。これらの方法においては、複合粒子を材料表面に
侵入させ、複合粒子の一部または全てを分解反応させる
ため、材料と粒子双方を加熱して加圧するか、あるいは
製造後、加熱するようにしたものである。
【０００７】以上の本発明の製造方法においては、以下
に示す条件のもとに実施することが好ましい。 〇 適用される材料の種類：金属材料 〇 複合粒子の種類 ：酸化物（例．ＳｉＯ2 ) 、炭
化物（例．ＳｉＣ）、窒化物（例．Ｓｉ3 Ｎ4 ）などの
セラミックス又は金属（例．Ｗ，Ｃｏ又はその合金）に
よる粒子 〇 複合粒子径 ： ０．１〜１００μm ０．１μm より径の小さい粒子や１００μm より径の大
きい粒子は、材料の表面への複合が難しい。 〇 加圧圧力 ： １〜１００００ＭＰａ １ＭＰａより低圧では材料の表面への複合が難しく、10
000 ＭＰａより高圧は発生させること自体難しく、非常
に大きな型締め力が要る。 〇 加圧時間 ： ０．１〜３０Ｋｓ ０．１Ｋｓより短かいと表面への複合が芳しくなく、粒
子と母材の反応も不十分である。
に示す条件のもとに実施することが好ましい。 〇 適用される材料の種類：金属材料 〇 複合粒子の種類 ：酸化物（例．ＳｉＯ2 ) 、炭
化物（例．ＳｉＣ）、窒化物（例．Ｓｉ3 Ｎ4 ）などの
セラミックス又は金属（例．Ｗ，Ｃｏ又はその合金）に
よる粒子 〇 複合粒子径 ： ０．１〜１００μm ０．１μm より径の小さい粒子や１００μm より径の大
きい粒子は、材料の表面への複合が難しい。 〇 加圧圧力 ： １〜１００００ＭＰａ １ＭＰａより低圧では材料の表面への複合が難しく、10
000 ＭＰａより高圧は発生させること自体難しく、非常
に大きな型締め力が要る。 〇 加圧時間 ： ０．１〜３０Ｋｓ ０．１Ｋｓより短かいと表面への複合が芳しくなく、粒
子と母材の反応も不十分である。
【０００８】具体例１ φ３０×４５ｍｍのＪＩＳ ＳＰＣＣ製外筒内に、平均
粒子径５μm のＳｉＣ粒子を充填し、その中にφ１５×
３０ｍｍのＪＩＳ ＳＧＤ１製丸棒を埋没させて、外筒
内部を０．１Ｐａ程度に減圧後、溶接密封した。更にそ
の後、熱間等方静水圧（ＨＩＰ）装置により全体を１４
７３Ｋに加熱しつつ、Ａｒ雰囲気で約１００ＭＰａの静
水圧を約７．２Ｋｓ間加えた。これにより、図１に示す
ように表面付近に約１００μm の複合層が形成された。
この層では、複合したＳｉＣ粒子（黒い点）は径が約１
μm に小さくなっている。そして表面から約２００μm
の深さにかけてＳｉＣから分解拡散したＳｉが、母材の
Ｆｅと新たな化合物層をなすＢ層を形成した。このＢ層
は、Ｓｉ量が多く、成分分析の結果Ｆｅ８３％，Ｓｉ１
３％程度の成分（残りはＣ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ等）で形成さ
れていることが判明した。また、Ａ層はＳｉ量が少な
く、微細なパーライト組織を呈する。すなわち、Ｓｉは
母材のＳＧＤ１中では拡散速度が遅いため、表面から２
００μm 程度まで拡散しているが、分解して拡散したＣ
は、部材内部全部に拡散して薄まってしまっている。即
ちＣはＳＧＤ１中での拡散速度がＳｉより速く、Ｓｉの
拡散していない内部まで拡散し、したがって、母材のＦ
ｅ中に固溶されて、元はフェライトだった組織をＡ層に
おいてパーライト組織に変化させている。このように、
この具体例では表面の微細ＳｉＣ粒子による複合層、Ｓ
ｉＣから拡散し高濃度に残留したＳｉと母材Ｆｅとの化
合物層、およびＳｉＣからＣの拡散でパーライトに変化
した３領域が形成された。
粒子径５μm のＳｉＣ粒子を充填し、その中にφ１５×
３０ｍｍのＪＩＳ ＳＧＤ１製丸棒を埋没させて、外筒
内部を０．１Ｐａ程度に減圧後、溶接密封した。更にそ
の後、熱間等方静水圧（ＨＩＰ）装置により全体を１４
７３Ｋに加熱しつつ、Ａｒ雰囲気で約１００ＭＰａの静
水圧を約７．２Ｋｓ間加えた。これにより、図１に示す
ように表面付近に約１００μm の複合層が形成された。
この層では、複合したＳｉＣ粒子（黒い点）は径が約１
μm に小さくなっている。そして表面から約２００μm
の深さにかけてＳｉＣから分解拡散したＳｉが、母材の
Ｆｅと新たな化合物層をなすＢ層を形成した。このＢ層
は、Ｓｉ量が多く、成分分析の結果Ｆｅ８３％，Ｓｉ１
３％程度の成分（残りはＣ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ等）で形成さ
れていることが判明した。また、Ａ層はＳｉ量が少な
く、微細なパーライト組織を呈する。すなわち、Ｓｉは
母材のＳＧＤ１中では拡散速度が遅いため、表面から２
００μm 程度まで拡散しているが、分解して拡散したＣ
は、部材内部全部に拡散して薄まってしまっている。即
ちＣはＳＧＤ１中での拡散速度がＳｉより速く、Ｓｉの
拡散していない内部まで拡散し、したがって、母材のＦ
ｅ中に固溶されて、元はフェライトだった組織をＡ層に
おいてパーライト組織に変化させている。このように、
この具体例では表面の微細ＳｉＣ粒子による複合層、Ｓ
ｉＣから拡散し高濃度に残留したＳｉと母材Ｆｅとの化
合物層、およびＳｉＣからＣの拡散でパーライトに変化
した３領域が形成された。
【０００９】具体例２ φ３０×４５ｍｍのＪＩＳ ＳＰＣＣ製外筒内に、平均
粒子径５μm のＳｉＣ粒子を充填し、その中にφ１５×
３０ｍｍのＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金棒をこのＳｉＣ
粒子中に埋没させて、内部を０．１Ｐａ程度に減圧後、
溶接密封した。更にその後、ＨＩＰ装置により全体を１
４７３Ｋに加熱しつつ、Ａｒ雰囲気で約１００ＭＰａの
静水圧を約７．２Ｋｓ間加えた。これにより、表面にＳ
ｉが高濃度に残留して、Ｔｉとの化合物層が約１０μm
の深さに形成された。またＳｉＣ粒子は全て分解し、粒
形状はまったく認められなくなっている。ここでもＳｉ
の拡散速度の方がＣのそれより遅く、表面に高濃度に残
留している。一方、Ｃは拡散速度がより速いため、やや
表面に多く認められるものの、内部にまで拡散して母材
中に固溶されてしまっていた。
粒子径５μm のＳｉＣ粒子を充填し、その中にφ１５×
３０ｍｍのＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金棒をこのＳｉＣ
粒子中に埋没させて、内部を０．１Ｐａ程度に減圧後、
溶接密封した。更にその後、ＨＩＰ装置により全体を１
４７３Ｋに加熱しつつ、Ａｒ雰囲気で約１００ＭＰａの
静水圧を約７．２Ｋｓ間加えた。これにより、表面にＳ
ｉが高濃度に残留して、Ｔｉとの化合物層が約１０μm
の深さに形成された。またＳｉＣ粒子は全て分解し、粒
形状はまったく認められなくなっている。ここでもＳｉ
の拡散速度の方がＣのそれより遅く、表面に高濃度に残
留している。一方、Ｃは拡散速度がより速いため、やや
表面に多く認められるものの、内部にまで拡散して母材
中に固溶されてしまっていた。
【００１０】
【発明の効果】本発明によれば、被処理材料の表面に複
合層を形成でき、その複合層は見掛け上、非常に細かい
粒子を複合化したようにできる。そしてその複合部分は
靭性をあまり落すことなく、単に粒子を侵入させただけ
の層の複合材料に比較して摺動する相手部材に対する適
度の性質（攻撃性を和らげた）をもった層がえられる。
また、複合粒子を微細化したり、またはこれを全部拡散
することによって、複合材料表面に化合物層が形成で
き、硬さや耐摩耗性を増加させることができる。
合層を形成でき、その複合層は見掛け上、非常に細かい
粒子を複合化したようにできる。そしてその複合部分は
靭性をあまり落すことなく、単に粒子を侵入させただけ
の層の複合材料に比較して摺動する相手部材に対する適
度の性質（攻撃性を和らげた）をもった層がえられる。
また、複合粒子を微細化したり、またはこれを全部拡散
することによって、複合材料表面に化合物層が形成で
き、硬さや耐摩耗性を増加させることができる。
【図１】本発明の方法によって製造された複合材料の断
面の金属組織を示す図である。
面の金属組織を示す図である。
【図２】本発明の方法の実施要領を説明する図である。
【図３】同じく本発明の方法の他の実施要領を説明する
図である。
図である。
【図４】本発明に係る条件によらない複合材料の断面の
組織を説明する図である。
組織を説明する図である。
【図５】本発明の方法によって製造された複合材料の断
面の組織を説明する図である。
面の組織を説明する図である。
【図６】図５に続く処理を施した複合材料の断面の組織
を説明する図である。
を説明する図である。
１ 加圧型 ２ 下パンチ ３ 上パンチ ４，１２ 材料 ５，１３ 複合粒子 １１ 外筒
Claims (3)
- 【請求項１】 材料表面付近に、複合拡散せしめた粒子
と、該粒子成分と材料成分との化合物、又は合金、又は
固溶体とが形成されていることを特徴とする複合材料。 - 【請求項２】 前記複合拡散せしめた粒子を、すべて分
解消滅してなることを特徴とする請求項１に記載の複合
材料。 - 【請求項３】 材料表面に複合用の粒子を侵入させ、そ
の侵入過程、又は後工程で加熱をおこない、侵入した粒
子の一部又は全部を材料中へ分解拡散させることを特徴
とする複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2056793A JPH06212398A (ja) | 1993-01-13 | 1993-01-13 | 複合材料とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2056793A JPH06212398A (ja) | 1993-01-13 | 1993-01-13 | 複合材料とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06212398A true JPH06212398A (ja) | 1994-08-02 |
Family
ID=12030762
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2056793A Pending JPH06212398A (ja) | 1993-01-13 | 1993-01-13 | 複合材料とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06212398A (ja) |
-
1993
- 1993-01-13 JP JP2056793A patent/JPH06212398A/ja active Pending
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