JPH07138087A

JPH07138087A - 金属含浸セラミックス並びに該金属含浸セラミックスに各種金属を鋳包みしてなるセラミックス金属複合材料並びにその製造方法

Info

Publication number: JPH07138087A
Application number: JP30858793A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Saito; 勉斉藤
Original assignee: IWAMURA KK; Nippon Carbon Co Ltd
Current assignee: IWAMURA KK; Nippon Carbon Co Ltd
Priority date: 1993-11-16
Filing date: 1993-11-16
Publication date: 1995-05-30

Abstract

(57)【要約】【構成】セラミックス素材の開気孔に溶融金属を含浸
してなる金属含浸セラミックス並びに該金属含浸セラミ
ックスに更に各種の鋳鉄、鋳鋼、合金鋼や不銹鋼を鋳包
みしてなるセラミックス金属複合材料並びにその製造方
法。【効果】耐蝕性、耐摩耗性、耐薬品性に優れた耐性を
もつセラミックスを広い範囲での領域で使用可能とした
金属含浸セラミックスを提供することができ、熱衝撃時
のクラックやピンホールのための腐蝕を防止できる。ま
た、金属含浸セラミックスを各種金属で鋳包みしたセラ
ミックス金属複合材は、弁または配管材として用いた場
合に接続する相手の材質を問わず施工ができ、鉄鋼、合
金鋼、非鉄金属或は合成樹脂等にも適用でき、グラスラ
イニングのパイプ材・バルブにも利用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属含浸セラミックス
並びにセラミックス金属複合材料、さらに詳しくは、多
気孔セラミックス焼成体の気孔内に溶融金属を加圧含浸
した不浸透性金属含浸セラミックス並びに該金属含浸セ
ラミックスに更に各種の金属を鋳包みしてなるセラミッ
クス金属複合材料並びにその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】工業材料は、古くから多くの要求に応じ
て、種々の合金が製造されている。しかし、１種類の金
属または合金でその用途に応じた総ての要求を満足させ
る事は不可能な場合が多く、また、満足し得ても、非常
に高価となり実用的でない。このため、これらの要求を
満してくれる材料と、要求は満していないが比較的低廉
な材料を組合せた組合せ材料（Combined Material）が
開発され、工業用や一般用にも多く利用されている。

【０００３】これら組合せ材料の中で、各構成材料が層
状に重合され各構成材料の容積が全容積に対して３％以
上あるものを合せ材またはクラッド材（Clad Materia
l）と称している。

【０００４】現在製造されているクラッド材は、合せ板
が多く、低廉な材料に異種の合金を上面或は上下面にサ
ンドイッチ式に組合せ、鍛接法、圧縮法、圧延法、また
は溶接法で合せ板を製造している。その外、鋳造法や表
面焼付法などでクラッド材を製造しているが、その多く
は合金鋼や不銹鋼に限定され、その合せ板を各種の用途
に応じて、例えば、圧力容器、ボイラー、原子炉、貯槽
などに加工し工業製品として使用している。

【０００５】また、多くの耐蝕性に優れた材料として、
磁器やセラミックスなどの非金属が知られており、メカ
ニカルシール等のシール材に用いられたり、また、磁器
やセラミックスなどの非金属は、多くの耐蝕性に優れた
材料であるためセラミックスをアルミニウムや鋳鉄等の
金属によって鋳ぐむことによって耐摩耗性や耐熱性を高
める試みがなされている（特開昭５９−６４１５０号公
報、特開昭６１−１１５６６２号公報、特公平５−５１
３８８号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、セラミックス
は、機械加工が困難で、また、高密度のセラミックスを
シール材としたとき、ボルトの締め付けや急加熱、急冷
却による熱衝撃により割れやすく、さらに、耐蝕性の要
求される圧力容器や貯槽などに利用するときは、低廉な
材料で加工後セラミックコーティング等を施しているに
すぎない。このため耐蝕性に優れた材料であるにもかか
わらず、充分な接合強度が得られず、取り付け時の締め
付け圧力の不揃いによるクラックや熱衝撃によるクラッ
ク、あるいはピンホールのための腐蝕等が生ずる。

【０００７】また、セラミックスは無気孔の製品を造る
事が困難で、高密度のセラミックスでも３〜５％の気孔
が存在してしまう。

【０００８】この気孔には素地の中に閉ざされた閉気孔
（Clossed Pore）と、外界とつながって液体や気体が侵
入できる開気孔（Open Pore）があり、開気孔のある素
材を不浸透性の工業製品として使用できる材料にするに
は、素地内に存在する気孔を完全に充填し密封された不
浸透材料にしなければならない。

【０００９】しかし、多結晶相からなるセラミックスで
は、セラミックス成形の際に坏土中から可能な限り脱気
する操作をしたり、塑性成形の場合は、予め泥漿を減圧
下で攪拌したり、脱気加圧装置を用いるなど成形に多く
の費用と労力を要する。

【００１０】例えば、アルミナセラミックスは、一般に
バイヤー法で造った水酸化アルミニウムの仮焼物を原料
に用いるが、加熱（焼成）によってＡｌ（ＯＨ）₃結晶
は脱水分解し、内部気孔をもったＡｌ₂Ｏ₃結晶子の集合
体が発達する。

【００１１】この様にセラミックスは、如何に複雑な工
程を経て製造しても、気孔が生成するため出来上った製
品が総て同一の性質を示すものとは限らず、工業製品の
うちでもバラツキの大きいものである。

【００１２】製品のバラツキを出来るだけ小さくするた
めに、原料から製造工程の各段階、製品に対する品質管
理が重要となるが、一つの原料だけをとってみても、そ
れを管理するためには高価な装置と人間の労力が必要と
なり、製品の寸法、化学的特性、物理的特性、電気的特
性、機械的特性などで決められる目的としての品質、即
ち設計品質を高めれば高める程、製造価格は急激に高騰
する。

【００１３】この様な背景から比較的諸特性のバラツキ
が大きく機械化に依る量産に向いていないセラミックス
を、バラツキが少なく機械化に依る量産に向く様な工業
製品用のセラミックスに改善する事が重要となってくる
が、従来の方法でセラミックスを得ると、セラミックス
の原料を厳選し、成形、乾燥、焼成に至るまで細心の注
意をして製品化しても、熱収縮及び気孔の問題は避けら
れなかった。

【００１４】また、従来、硬質多孔性炭素および黒鉛に
金属含浸させる事が行なわれて来たが、多孔質黒鉛への
金属含浸は、浸炭の問題があり鉄系のものは含浸できず
比較的強度の弱いアルミ合金や銅合金などの非鉄金属や
非鉄合金などに限定されており、例えば、Ａｌ−Ｚｎ−
Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｓ
ｉ、Ａｌ−Ｚｎ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓ
ｉ、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｂｅ、Ｃｕ−Ｍｇ、Ｃｕ
−Ｍｎ、Ｃｕ−Ｐｂ、Ｃｕ−Ｓｉ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｕ−
Ｚｎ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ
−Ｐｂ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｐｂ−Ｓｉ、Ｃｕ−
Ｎｉ−Ｓｉ、Ｚｎ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｃｕ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃ
ｕ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ａｌ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｐｂ
−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ、Ｐｔ−Ｃｄ、Ｐｂ−Ｓｂ−
Ｓｎ、Ａｇ−Ａｌ、Ａｇ−Ｃｕ及びＡｇ−Ｓｎなどの炭
素材とぬれの良い金属であることが条件となっていた。

【００１５】現在のセラミックス製造技術では、無気孔
の製品を製造することは困難で、この気孔を無くするた
めに種々の成形法が研究開発されているが、製品化され
ても工程数が大で価格的な問題がネックとなり、製品と
しての価値が無くなる恐れがあり、特開昭５９−６４１
５０号公報、特開昭６１−１１５６６２号公報や特公平
５−５１３８８号公報のようにセラミックスをアルミニ
ウムや鋳鉄等の金属によって鋳ぐるんでもセラミツクス
の熱伝導が悪いため金属溶湯の注入の際の熱衝撃により
割れやすく、また、充分な接合強度が得られないという
問題は解決されず、従来にない強度の強い金属とセラミ
ックスとの複合材料の開発が望まれていた。

【００１６】本発明は、多気孔セラミックス焼成体の気
孔内に溶融金属を含浸させ、機械加工の難しさ、気孔の
解消、引張り、曲げ強度の補強をし、靱性、高い熱伝導
率を付与された無気孔金属含浸セラミックスと該無気孔
金属含浸セラミックスを金属で鋳包みした複合材料を提
供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は、フ
ァインセラミックスの稠密で不浸透性の焼成体を苦労し
て得るよりも最初から気孔をもった多気孔セラミックス
焼成体を製造し、その気孔内に溶融金属を含浸させれ
ば、セラミックスの弱点である機械加工の難しさ、気孔
の解消、引張り・曲げ強度の補強ができ、靱性、高い熱
伝導率を付与し、鋳ぐるみ時の熱衝撃によるクラックの
生じないセラミックス材が得られ、さらにこの金属含浸
セラミックスを金属、合金で鋳包みすれば、優れたセラ
ミックス金属複合材料を提供できるとの知見を得て本発
明を完成した。

【００１８】すなわち、本発明の要旨は、図１の製造工
程において、セラミックス素材の開気孔に溶融金属を含
浸した金属含浸セラミックス並びに該金属含浸セラミッ
クスに各種の鋳鉄、鋳鋼、合金鋼や不銹鋼を鋳包みして
なるセラミックス金属複合材料並びにその製造方法であ
る。

【００１９】本発明におけるセラミックスは、例えばア
ルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素などの無機材
料を原料とし、水及び結合剤、粘結剤などと混練して、
予め用意した成形型枠に型込めし成形する。

【００２０】この成形作業は、乾式加圧成形、半乾式加
圧成形、塑性成形、鋳込成形の各種成形方法のうちセラ
ミックスの用途形状に最も適した成形方法を適宜選定し
て行う。

【００２１】この成形したセラミックス素材を乾燥した
後、例えば、アルミナの場合１５００〜１８００℃で焼
成するが、この焼成によりセラミックスを成形する時に
添加された結合剤や粘結剤が熱分解結合し、多量のガス
が発生し、この結果、１０〜５０％の開気孔をもったセ
ラミックス焼結体が生成され、この開気孔に溶融金属材
料を加圧含浸して不浸透性セラミックスを製造する。

【００２２】つまり、前記方法で得られた均一な開気孔
をもつセラミックス成形体をオートクレーブ中に吊る
し、１０^-2ｍｍＨｇ以下で減圧して開気孔中の空気を脱
気し、脱気後、金属の溶湯中に浸漬し、５０ｋｇ／ｃｍ
²Ｇ以上の圧力で含浸して金属含浸セラミックスを得
る。

【００２３】金属含浸セラミックスの製造方法は、セラ
ミックスの開気孔の中に如何に均一に金属を含浸させる
かが重要となり、そのために上記、製造工程が最も好ま
しい態様となる。

【００２４】金属含浸セラミックスは、セラミックスと
金属の容積比が９０〜５０％：１０〜５０％が望まし
く、セラミックスが５０％未満であるとセラミックスの
特性が低下し、反面、セラミックスが９０％を超えると
気孔への金属含浸量が少なくなり、耐熱衝撃や引張り強
度、靱性が低下し好ましくない。

【００２５】また、従来の多孔質黒鉛への金属含浸は、
炭素溶解度の問題があり鉄系のものは含浸できず比較的
強度の弱いアルミ合金や銅合金などの非鉄金属や非鉄合
金で炭素材とぬれの良い金属であることが条件とされて
おり、含浸する金属が限定されていた。これに対して、
本発明の金属含浸セラミックスの場合は、前記金属はも
とより、非鉄金属のみならず鉄系のものも含浸する事が
できる。

【００２６】また、金属を含浸する場合、その金属の溶
融温度より５０〜２００℃の高い溶湯温度とすると溶湯
の粘度が下がり含浸が容易になる。低融点の重金属をま
ぜ合わせて合金を造ると、これ等単独の金属の場合より
更に融点の低い合金ができるので融点の高い不銹鋼など
も容易に溶融でき含浸する事ができる。

【００２７】微細な開気孔中に金属を含浸する際に、一
般の金属や非鉄金属は液体から固体になるとき、収縮が
起こり体積が減少して開気孔中に含浸した金属が上手く
目詰めする事ができない場合がある。そのため、含浸金
属の融点を下げる目的と共に、この開気孔の目詰の効果
を得るために液体から固体に変るとき体積が増加する性
質をもつ低融点合金を添加することが好ましい。

【００２８】低融点合金としては、例えば、金属アンチ
モン（Ｓｂ）やビスマス（Ｂｉ）などを混合させる事に
より溶湯から固化する際に体積を増すという特徴を生か
すとより効果的であり、二元共晶、三元共晶、四元共
晶、ウッド合金、ニュートレ合金、ローズ合金、ソボヴ
ィッツ合金などを用いることができる。

【００２９】本発明は、更にこの金属含浸セラミックス
を中子として、これに鋳鉄、鋳鋼、合金鋼や不銹鋼を鋳
包みしてセラミックス金属複合材料を得るが、その製造
方法について説明する。

【００３０】鉄やその他の金属を溶かして、流動性をも
たせ、鋳型に流し込んで固まらせ、目的の形に鋳造する
ものであるが、製品と形状の同じ模型（木型）を作成す
る際に、一般に多くの金属が固まる時に０．９〜１％位
収縮するのでその分だけ木型は大きく作成するのが好ま
しい。

【００３１】まず、適宜作成した木型を枠に入れ、木型
のまわりに硅砂を詰めて固め、その後木型を抜き鋳型を
得る。このとき硅砂は、天然の硅砂が好ましく、その成
分は石英７３〜８３％、粘土分９〜１７％、長石３〜６
％のものが好ましい。

【００３２】次いで、金属含浸セラミックスの中子を鋳
型の所定の位置に配置した後、鋳型に溶けた金属を流し
込み、冷却後鋳型を壊してセラミックス金属複合材を得
る。このとき、鋳造原料は、鉄源と副原料、合金、鋼な
どを混練し、溶解精錬して鋳型の溶湯供給口より鋳込
む。

【００３３】この鋳造工程に於いて最も手間が掛るのが
鋳型を造る時の手込めであって、主型の成型も人手、中
子の成型も人手に依るもので、木型の構造上成型機械で
は成型不可能なものや、形状が大きいため、成型機によ
る成型が不可能なものがある。また成型機による主型成
型機では、一挙に複数成型できるが、中子が手込めのた
めと製品一個毎に必要なこと、さらに繰返し再使用可能
な主型に対して、中子が間に合わず、またさらに、通常
の高密度セラミックスを用いれば鋳込むとき割れてしま
う問題が起きる。

【００３４】そこで、前述の金属含浸セラミックスを中
子にして鋳造を行えば、中子の熱伝導率が良くなるため
熱応力が発生しないので鋳ぐるむときの割れを防止でき
る。中子の形状も製品の寸法に近づけることができ、後
加工を省略でき、また含浸金属の複合効果により徐々に
圧縮応力が働き鋳込み時に割れることもなく金属含浸セ
ラミックスを鋳込むことができる。この際、中空の中子
の場合、中空部に鋳砂、カーボン材等を充填しておく
と、鋳込むときの割れを防止するのに効果的である。

【００３５】冷却後に鋳型をバラシした後は焼鈍等の熱
処理を行い、次いで、押湯口を切断し、ショットブラス
ト等を施し、焼鈍、焼き入れ、焼き戻し、固溶化処理な
どの熱処理を行い、さらに、ショットブラスト又はサン
ドブラスト等の表面処理をして金属含浸セラミックスを
鋳包みしたセラミックス金属複合材を得る。

【００３６】なお、鋳砂を除去するためのショットブラ
ストや表面処理のためのショットブラストまたはサンド
ブラスト処理を施工するときは、セラミックス部を保護
するため、ショットブラストがかからないよう防護する
ことが好ましい。

【００３７】

【効果】この様にして得られた金属含浸セラミックス
は、セラミックスがアルミニウム等に代表される熱伝導
率の高い金属で空孔が充填され金属の粘性により靱性が
向上するので鋳ぐるむときセラミックスが熱衝撃で割れ
ることを防止できる。

【００３８】また、金属含浸セラミックスの耐化学薬品
性、耐摩擦性、耐熱性はセラミックス単体と同等である
にもかかわらず、機械的特性である曲げ強度、引張り強
度が向上し、さらに、焼成後のセラミックス焼結体が、
従来のセラミックス単体が困難であった機械加工の難し
さを解消し、超硬工具を使った切削や研剤、研磨などの
加工が容易になる。

【００３９】さらに、現在のセラミックスの成形方法で
は、無気孔の製品を製造することが困難であったが、そ
の開気孔にぬれ性の悪い鉄系の金属含浸も可能にし、ま
た、各種の金属で目詰めを行って複合化することによっ
て無気孔化が容易になし得、得られた製品もバラツキが
なく、さらに機械化に依る生産が可能となり、また、従
来より安価で機械的にも安定したものが得られる。

【００４０】また、耐蝕性、耐摩耗性、耐薬品性に優れ
た耐性をもつセラミックスを広い範囲での領域で使用可
能としたセラミックス金属複合材を提供することがで
き、熱衝撃によるクラックやピンホールのための腐蝕を
防止できる。また、このようにして得られた金属含浸セ
ラミックスを鋳包みしたセラミックス金属複合材は、弁
または配管材として用いた場合に接続する相手の材質を
問わず施工でき、鉄鋼、合金鋼、非鉄金属或は合成樹脂
等にも適用でき、グラスライニングのパイプ材・バルブ
にも利用できる。

【００４１】

【実施例】

実施例１金属含浸セラミックスの製造現在、工業用製品として、一番多く用いられているセラ
ミックスのうちアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の原料で製造する
セラミックスの製造方法の一例を説明する。

【００４２】高純度アルミナに水分、結合剤を加え、混
練して型込めを行い、加圧成形する。次いで、造型した
セラミックス素材を電気炉またはバーナー炉内に入れ、
１５００〜１８００℃で焼成を行い、セラミックス素材
と結合剤との熱分解ガスが蒸発した１０〜５０％均一な
開気孔をもつセラミックス焼結体を得る。

【００４３】さらに、均一な開気孔をもつセラミックス
成形体をオートクレーブ中に吊るし、１０^-2ｍｍＨｇ以
下で減圧して開気孔中の空気を脱気し、脱気後、アルミ
ニウム合金（ＡＣ８Ａ）の溶湯中に浸漬し、５０ｋｇ／
ｃｍ²Ｇ以上の圧力で含浸して金属含浸セラミックスを
得た。得られた金属含浸セラミックスのセラミックスと
金属の容積比は５５：４５〜９８：２であった。

【００４４】実施例２セラミックス金属複合材の製造木型を枠に入れ、木型のまわりに石英７８％、粘土分１
５％、長石６％の硅砂を詰めて固め、その後木型を抜き
パイプ材の鋳型を得た。次いで、実施例１で得た金属含
浸セラミックスからなる中子を鋳型の所定の位置に配置
した後、該鋳型に鋳ぐるみ金属としてステンレスを溶解
精錬して鋳型の溶湯供給口より鋳込んだ。冷却後に鋳型
をバラシした後は焼鈍等の熱処理を行い、次いで、押湯
口を切断し、ショットブラストを施し、焼鈍、焼き入
れ、焼き戻し、固溶化処理を行い、さらに、ショットブ
ラストで表面処理をして金属含浸セラミックスとのセラ
ミックス金属複合材のパイプを得た。

【００４５】実施例３実施例１において、アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の代
りに黄銅（３５％Ｚｎ）を用いた以外は、実施例１に準
じて金属含浸セラミックスを得た。得られた金属含浸セ
ラミックスのセラミックスと金属の容積比は５５：４５
〜９８：２であった。

【００４６】実施例４実施例１において、アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の代
りにステンレスを用いた以外は、実施例１に準じて金属
含浸セラミックスを得た。得られた金属含浸セラミック
スのセラミックスと金属の容積比は５５：４５〜９８：
２であった。

【００４７】試験例表１に示す気孔率の異なる１〜５のセラミックス試料を
実施例１〜４の金属含浸の前後で熱伝導率（Ｋ）、強度
（Ｓ）、熱膨張係数（α）、弾性率（Ｅ）、耐熱衝撃の
強さ（Ｒ）を求め、その結果を表１〜４に示した。ま
た、各試料を金属含浸後に実施例２に準じて鋳包みして
セラミックス金属複合材を作製し、その作製結果を表２
〜４に示した。なお、気孔率は、セラミックスがアルミ
ナの場合、真比重３．９９として、式１により求め、ま
た、耐熱衝撃の強さ（Ｒ）は、式２より求めた。

【式１】

【式２】

【００４８】

【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

【００４９】以上の結果から、セラミックスにアルミ合
金（ＡＣ８Ａ）、黄銅及びステンレスを含浸した場合の
熱衝撃強さは、気孔率１０％以上のものが大となり、各
種特性の向上したセラミックス金属複合材を得ることが
できるが、気孔率の小さい試料５では、各種特性もほと
んど改善されず、また、耐熱衝撃強さが低くいため鋳ぐ
るみ時に熱で割れ、鋳包みすることができないことが明
らかになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造工程の概念図。

【図２】本発明の一実施態様であるパイプ材の断面図。

【符号の説明】

１パイプ材２金属３金属含浸セラミックス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多気孔セラミックス素材の開気孔に溶融
金属を含浸してなる金属含浸セラミックス。
【請求項２】セラミックスと含浸金属との容積比が９
０〜５０％：１０〜５０％であることを特徴とする請求
項１記載の金属含浸セラミックス。
【請求項３】多気孔セラミックス素材の開気孔に溶融
金属を含浸した金属含浸セラミックスを更に各種の鋳
鉄、鋳鋼、合金鋼や不銹鋼で鋳包みしてなるセラミック
ス金属複合材料。
【請求項４】セラミックス素材を焼成し、開気孔を持
つセラミックス焼結体を得、得られた該焼結体を減圧脱
気し、次いで、金属の溶湯中に浸漬加圧することを特徴
とする金属含浸セラミックスの製造方法。
【請求項５】金属を含浸する場合、その金属の溶融温
度より５０〜２００℃高い溶湯温度とすることを特徴と
する請求項４記載の金属含浸セラミックスの製造方法。
【請求項６】金属を含浸する場合、低融点合金を添加
することを特徴とする請求項４又は５記載の金属含浸セ
ラミックスの製造方法。
【請求項７】多気孔セラミックス素材の開気孔に溶融
金属を含浸した金属含浸セラミックスを中子として鋳型
の所定の位置に配置した後、鋳型に溶けた金属を流し込
み、冷却後脱型し、焼鈍等の熱処理を行ない、次いで、
押湯口を切断し、固溶化処理、表面処理することを特徴
とするセラミックス金属複合材の製造方法。