JPH07188803A - 高靱性セラミック/金属複合体及びその製造方法 - Google Patents

高靱性セラミック/金属複合体及びその製造方法

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JPH07188803A
JPH07188803A JP6287242A JP28724294A JPH07188803A JP H07188803 A JPH07188803 A JP H07188803A JP 6287242 A JP6287242 A JP 6287242A JP 28724294 A JP28724294 A JP 28724294A JP H07188803 A JPH07188803 A JP H07188803A
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デニス・ゴンス
Daniele Mari
ダニエル・マリ
Paul Bowen
ポール・ボーエン
Claude Paul Carry
クロード・パウル・シャリー
Pascal Streit
パスカル・ストレイ
Roberto Mulone
ロベルト・マローネ
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UFEC UNIVERSAL FUSION ENERG CO SA
UFEC
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 酸化物のセラミック相の周りに、良好な湿潤
性及び良好な靱性を保証する界面層を付与して、高靱性
及び耐火性を示すセラミック/金属複合材料及びその製
造方法を提供する。 【構成】 セラミック/金属複合材料は、アルミナ又は
アルミナ系の固溶体の粒子を有するセラミック相、窒化
及び/又は炭窒化チタンを包含する耐火相、及びNi,
Co,Fe系金属マトリックスからなる。アルミナ又は
アルミナの固溶体の粒子と金属マトリックスとの間の界
面は、窒素及びチタン又はそれらの化合物に富んでい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物系補強相を含有
する高靱性複合材料及びそれらの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】サーメットと称せられることもある、セ
ラミック/金属複合材料は、構造材料(自動車部品,航
空機又は宇宙船部品)として及び機能性材料(切削,き
りもみ及び中ぐり工具)として両方に使用できる。これ
らの材料においては、その目的は硬さ、耐摩耗性および
高弾性率のようなセラミックの固有的性質と、強靱性並
びに耐機械的衝撃性及び耐熱衝撃性のような金属の固有
的性質を組合せることである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】いろいろなセラミック
スの中で、酸化アルミニウムすなわちアルミナ(Al2
3 )は、その性質:化学的安定性、硬さ、低密度及び
その全ゆる形(繊維,粉体,ウィスカーなど)における
他のセラミックスと比較してその競争的な価格のために
最も広くゆきわたっている化合物である。しかしなが
ら、多結晶性Al23 の強靱性及び耐衝撃性は非常に
低い。この理由のために、非常にしばしばZrO2 及び
2 3 又はTiCのような炭化物のような他のセラミ
ックスがアルミナ系セラミックスに添加される。しかし
ながら、そのような添加物によってさへ、金属及びセラ
ミック/金属複合体の強靱性を達成することは決してで
きなかった。
【0004】第一鉄金属とも称せられる群Fe,Ni,
Coの金属は、これらの融点がたいていの工業的工程に
おいて到達する温度よりも十分に高い温度でありなが
ら、製造目的のために容易に利用できるから、高温の応
用のために興味のあるものである。その上、第一鉄金属
の合金は優れた耐酸化性を有する。第一鉄金属は、Ti
C,TaC,WC,TiCNのような炭化物及び炭窒化
物の存在においてそれらの融点より低い温度で擬似共融
混合物を生成する。これらの炭化物及び炭窒化物は第一
鉄金属(主としてNi及びCo)と連合して現在製造さ
れている大多数のサーメットの基剤を提供する。
【0005】現在においては、サーメットの応用はます
ます高い温度にあり、このことは耐酸化性,耐クリープ
性及び界面での分離に関する問題をもたらす。酸化アル
ミニウム系の補強相の導入は、Al2 3 耐化学薬品性
及びその耐火性によってより良好な耐熱性をサーメット
に付与できる。しかしながら、中間体酸化物の生成はア
ルミナと金属との間の界面を弱くする。その上、第一鉄
金属によるアルミナの不十分な湿潤は、焼結による前記
のセラミックスの製造を不可能にする。
【0006】さまざまな試みが、酸化アルミニウム系サ
ーメットを製造するため及び上記の問題を改善するため
になされてきた。例えば、TiCN,TiN及びNiを
含むサーメットにおいて、酸化物により炭窒化物の一部
を置換する試みがなされてきた。しかしながら、これら
の材料において高密度化の問題が残されており、高温で
の圧縮が高温での高密度化の方法として唯一考えられて
おり、焼結は検討されていない。界面の酸化物の生成を
避けて湿潤性を向上させるために、TiCの層によって
酸化アルミニウムを再生することが提案された(米国特
許第4972353号明細書)。この特許によれば、焼
結は高密度化の可能性のある方法を提供することができ
た。
【0007】しかしながら、切削工具についてコーティ
ングに関する経験は、TiCとAl2 3 との間の接着
が不十分であってTiCがもろいことを示す。強く電気
的陽性であるチタンのような金属は、アルミナの湿潤性
を増大させることが良く知られている。この金属の添加
は、それゆえ、セラミックスのためのろう付け合金を調
製するときの現在の慣行である。しかしながら、チタン
の添加によってさえ、このぬれ角はセラミック中への金
属の浸入のために余りに低くすぎて良好な焼結を実現で
きない。
【0008】結論として、研究努力がなされたにもかか
わらず、サーメット中へのアルミナの導入はそれらの力
学的性質の如何なる顕著な改善も今日まで生成したよう
には見えない。この成功の欠如の理由は、高温で最適の
高密度化およびマトリックスに対する良好な接着を防止
するアルミナ(及び一般にイオン性の性質の酸化物)の
不十分な湿潤性にある。
【0009】
【発明の目的及び課題を解決するための手段】それゆ
え、本発明の目的は、酸化物のセラミック相の周りに、
界面の良好な湿潤性及び良好な靱性を確実にする界面層
を付与することにより、セラミックスに固有である高靱
性及び耐火性を示す複合材料を提供することである。本
発明の目的であり、そして上述の目的を達成するために
設計されたセラミック/金属材料は、アルミナ粒子また
はアルミナ系固溶体を有するセラミック相、窒化物及び
/又は炭窒化チタンを包含する耐火相及びNi,Co及
び/又はFe系結合金属相を包含し、アルミナ又はアル
ミナの固溶体の粒子と金属マトリックスとの間の界面
は、窒素及びチタン又はそれらの化合物に富んでいる。
【0010】上述の界面は一般に、アルミナ又はアルミ
ナの固溶体の粒子の周りにTiNに富み、金属マトリッ
クスの良好な湿潤性を増進し、そしてこの金属マトリッ
クスの近くに、チタン、窒素及び/又は金属相の金属と
化合物の形でアルミニウムを含有することができる連続
層により一般に形成される。アルミナは、その粒子が
0.1〜50μm、好ましくは0.5〜10μmの直径
を有する粉体、又は5〜20の間に変化するアスペクト
比及び5〜50μmの間に変化する直径を有する単結晶
小板、又は更にウィスカー又はフィラメントの形で存在
できる。
【0011】粉体の形のアルミナを有する本発明に係る
セラミック/金属材料においては、セラミック相の相対
体積は10〜80%、好ましくは20〜50%を構成す
ることができ、耐火相のそれが10〜70%であり、金
属マトリックスのそれが3〜50%である。アルミナが
小板、ウィスカー又はフィラメントの形にあるとき、セ
ラミック相の含量は5〜30体積%を構成し、耐火相の
それは35〜65体積%でありそして金属マトリックス
のそれは5〜25体積%である。
【0012】セラミック/金属材料はまた更に主成分と
して炭窒化または窒化チタンに加えて炭化チタンを、又
はこの3種類の混合物を含むことができる。更に、金属
マトリックスは溶解した追加の成分、例えばSc,Y,
Ti,Zr,Hf,V,Nb,Cr,Re,Ru,A
l,C及びNのよう金属、0.1〜5体積%及びMo,
W,V,Hf,Nb,Cr,Taの耐火相炭化物又はA
lN,TaN,ZrN及びBNの窒化物0.5〜15体
積%を含有できる。
【0013】最後に、セラミック相もまたZrO2 はY
2 3 又はこれらの酸化物の混合物のような他の酸化物
を含有できる。更に、本発明の別の目的は、1300〜
1600℃、好ましくは1450〜1500℃の温度及
び1〜2000気圧、好ましくは1〜200気圧の圧力
の非酸化性窒素雰囲気中で成分元素を焼結することを含
んでなる、上文に定義されたセラミック/金属複合材料
の製造方法を提供することである。それは高温での圧縮
又は高温での等方性圧縮と組合せることができる。
【0014】先に述べたように、本発明の主要な態様の
一つは、マトリックスに対し親和性を有する中間体層を
セラミック相の表面上に形成することにあり、この層は
窒素及びチタンに富んでいる。金属が化学結合を形成し
てセラミックスを濡らすことは良く知られている。湿潤
が不十分であるとき、金属とセラミックの表面の原子と
の間の反応は熱力学的に好都合でない。反応性の層の存
在は、したがって湿潤反応に必要な推進力を提供でき
る。焼結の間の界面層の保存は、マトリックスの溶液中
に、金属元素、好ましくはチタン及び窒素の供給によっ
て保証される。窒化物コーティングはこのように得られ
る。焼結の間のこの反応により生成されたエネルギーは
湿潤を増大させそして窒化物のエピタキシ蒸着は界面の
均質性及び靱性を保証する。界面層はPVD又はCVD
法により得ることができ、その場合には0.5〜5μm
の厚さを有し、または窒素の不活性雰囲気中で焼結の前
又は焼結の間にAl2 3 を窒化することにより得るこ
とができ、その場合には10〜1000nmの厚さを有
するものである。窒化は、アルミナの還元を可能にする
炭素の添加により促進することができる。
【0015】可能性のある化学反応の最も好適な配列は
次のようである: 1) Al2 3 +3C+N2 →2AlN+3CO↑ 2) AlN+Ti→TiN+Al 続いて窒化物層の生成反応が次のように生じる: 3a) 2Ti+N2 →2TiN また次の反応によって炭窒化物を生成することもでき
る: 3b) 2Ti+(1−x)N2 +2xC→2TiCx
1 −x 別の可能性は、焼結前のセラミック上のTiN又はTi
CNの層の堆積である。この場合に、湿潤は生成反応3
a,bにより保証される。
【0016】複合材料の調製は、一般に先ず結合相の粉
体の混合を包含し、特にスリップは結合相の粉体とポリ
エチレングリコールのような液状有機物とを混合するこ
とにより調製される。スリップはボールミル中で12時
間混合され次いで粘度を調節するために脱気される。酸
化物のセラミックがこの混合物に添加される。この最後
の塊の適度の摩砕は、良好な均質性を達成するために必
要である。その後造形されその操作は乾燥圧縮、フィル
タプレス方式、スリップの成形、押出し又は射出により
実施できる。造形部品は次いで焼結される。300〜7
00℃の温度での予備焼結が有機結合剤を完全に除去す
るためには必要である。焼結は、5×104 〜2×10
8 Paの圧力で窒素下に1300〜1600℃の温度で
1〜4時間行なわれる。
【0017】アルミナの粒子と金属マトリックスとの間
の界面の厚さは、それが前記粒子の先の表面窒化により
得られるとき100〜1000オングストロ−ムであ
る。他方、この厚さは、界面がアルミナの粒子上にチタ
ン化合物を化学沈着して得られるならば0.1〜1μm
であり、そしてこの界面が焼結の間に得られる場合には
0.05〜5μmでありうる。
【0018】
【実施例】本発明に係る複合材料及びそれらの製造方法
を次の実施例を参照して更に詳細に説明する。
【0019】実施例 1 5〜10μmの直径及び約0.3μmの厚さの単結晶性
α−アルミナの小板を、同じ原子数の炭素及び窒素を含
有するTiCN,TiN,炭化モリブデン,ニッケル及
び黒鉛の形の炭素と混合した。 試料1: 10%Al2 3 +90%(TiCN65
%,TiN19%,Mo2 C5%,C1%,Ni10
%) 複合体のマトリックスのための粉体をポリエチレングリ
コール2%とあらかじめ混合しそしてボールミル中で1
2時間細粉した。Al2 3 の小板を次いでスリップに
添加して混合物をボールミル中で2時間混合した。その
あとこの混合物を50℃で風乾し、ボールミキサー中で
解砕して140MPaの圧力下に乾燥加圧した。次いで
焼結を窒素雰囲気下1500℃で1時間行なった。
【0020】実施例 2 α−アルミナの粉体をTiCN,TiN,炭化モリブデ
ン及びニッケルと混合した。 試料2: 30%Al2 3 +70%(TiCN65
%,TiN19%,Mo2 C5%,C1%,Ni10
%) 複合体の粉体を2%ポリエチレングリコールと混合しそ
してボールミル中で12時間処理した。次いでこの混合
物を50℃の空気中で乾燥し、ボールミキサー中で解砕
させて140MPaの圧力下に乾燥加圧した。窒素雰囲
気下に焼結を続いて1500℃で1時間行った。
【0021】実施例 3 TiNで被覆した単結晶性α−アルミナの小板をTiC
N,TiN,炭化モリブデン,ニッケル及び黒鉛粉体の
形の炭素と混合した。 試料3: 10%Al2 3 (TiN)+90%(Ti
CN65%,TiN19%,Mo2 C5%,C1%,N
i10%) 同一組成のマトリックスを使用し、そしてまた実施例1
と同一の混合,造形,焼結方法を使用した。アルミナを
補強する相は、以下に記載する方法によるTiNの層で
被覆した小板からなる。ヘキサン中に懸濁させたAl2
3 小板を実験室のオートクレーブ中へ導入した。Al
2 3 小板を超音波発生器を使用して15分間ヘキサン
中に分散させた。ヘキサン中のTiC4 10%溶液を次
いで導入すると同時に、気体アンモニアの流れを10分
間通過させた。このように生成したTiCl4 ,NH3
錯体を小板上に沈殿させた。得られた粉体を次いで真空
乾燥した。この処理の後、粉体を空気中で1時間900
℃の炉中で酸化させた。得られた粉体を等重量の自由流
動床黒鉛粉体と混合して窒素流のもとに1150℃で加
熱した。この温度を4時間維持した。このようにして、
下式の反応によって、1μmよりも薄いTiNの被覆を
Al2 3 の粉体の表面上に得た: 4) 2TiO2 +4C+N2 →2TiN+4CO↑
【0022】実施例 4 α−アルミナの粉体をTiCN,TiN,炭化モリブデ
ン及びニッケルと混合した。 試料4: 30%Al2 3 +70%(TiCN65
%,TiN20%,Mo2 C5%,Ni10%) 酸化物の粒子上の反応性の層の生成工程は、窒素圧下の
焼結により加速及び改善することができる。この実施例
においては、実施例2と同一組成の試料及び同一造形工
程を使用した。焼結は、1450℃に温度を維持しなが
ら、100気圧の窒素圧のもとに20分間実施した。
【0023】実施例 5 α−アルミナの粉体をTiCN,TiN,TiC,炭化
モリブデン及びニッケルと混合した。 試料5: 30%Al2 3 +70%(TiCN65
%,TiN5%,TiC15%,Mo2 C5%,Ni1
0%) 耐火相のTiNはこの試料においてはTiCにより部分
的に置換されている。この実施例においては、実施例2
におけるものと同一の混合、造形及び焼結手順を使用し
た。
【0024】実施例 5 α−アルミナの粉体をTiCN,TiN,TiC,炭化
モリブデン及びニッケルと混合した。 試料5: 30%Al2 3 +70%(TiCN65
%,TiN5%,TiC15%,Mo2 C5%,Ni1
0%) 耐火相のTiNはこの試料においてはTiCにより部分
的に置換されている。この実施例においては、実施例2
におけるものと同一の混合、造形及び焼結手順を使用し
た。
【0025】実施例 6 対照サーメット 試料6: 10%Al2 3 +90%(TiCN65
%,TiN19%,Mo2 C5%,Cl%,Ni10
%) 試料1の組成と同じ組成であるが、1気圧のアルゴン下
の焼結により得た。 試料7: 30%Al2 3 +70%(TiCN65
%,TiN20%,Mo2 C5%,Ni10%) 試料2の組成と同一組成であるが、1気圧のアルゴン下
の焼結により得た。 試料8: TiCN65%,TiN20%,Mo2 C5
%,Ni10%) 如何なる補強相(Al2 3 )もなく;窒素下の焼結に
より得た。
【0026】実施例 7 試料の焼結後、試験片を試料のキャラクタリゼーション
のためにダイヤモンドを持つ刃によって切り取り、焼結
タブレットを樹脂中に埋め込み、それらの微細構造の解
析のために磨いた。本発明に係る複合材料(試料1〜
5)の微細構造は、酸化アルミニウムの粒子が炭窒化チ
タンのセラミック網目中の金属の小島からなる相の中に
均一に分散していることを示す。金属はまた酸化物の粒
子も取り囲む。0.03〜0.1μmの厚さを有する、
金属と酸化物との間の界面は主として窒化チタンからな
る。
【0027】試料の力学的性質のキャラクタリゼーショ
ンはビッカース硬度(Hv)および靱性K1Cを測定する
ことにより実施し、その結果を下表にまとめて示す。
【0028】
【表1】
【0029】
【発明の効果】以上の実施例から、本発明は、アルミナ
の粒子の導入によって、高い硬度を維持しながら、サー
メットの靱性を実質的に向上させることが可能で、これ
はアルミナを窒素及びチタンに富む界面の形成を促進す
るような方法で焼結の前又は間に処理するなら可能であ
ることが疑いなく明白である。また、加圧下の焼結(試
料4)は、前記焼結の存続期間の重大な減少と共に優れ
た力学的性質を得ることを可能にすることに気付く。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダニエル・マリ スイス国 ローザンヌ、シェマン・ドゥ・ モンテリー 56 (72)発明者 ポール・ボーエン スイス国 ニヨン、シェマン・ド・オーベ モン 7 (72)発明者 クロード・パウル・シャリー フランス国 ヴアルサイル、リュ・デュ・ ピエントレ・ル・ブルン 19 (72)発明者 パスカル・ストレイ スイス国 ヴフレン・ラ・ヴィル、ドマイ ン・ドゥ・ファラツ (番地なし) (72)発明者 ロベルト・マローネ スイス国 ボレ、シェマン・ドゥ・ラ・バ ヴァンド (番地なし)

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミナまたはアルミナ系の固溶体を有
    するセラミック相、窒化物及び/又は炭窒化チタンを包
    含する耐火相、及びNi,Co,Fe系金属マトリック
    ス、及びアルミナまたはアルミナの固溶体の粒子と金属
    マトリックスとの間の界面に窒素およびチタン又はそれ
    らの化合物に富む中間層からなることを特徴とするセラ
    ミック/金属複合材料。
  2. 【請求項2】 前記界面が、金属マトリックスの付近
    に、アルミナ粒子又はアルミナの固溶体の周りにTiN
    に富みそして少なくともチタンおよび窒素を有する化合
    物の形でアルミニウムを含有することができる連続相か
    らなることを特徴とする請求項1記載の複合材料。
  3. 【請求項3】 Al2 3 の粒子が粉体の形にあり、そ
    の粒子が0.1〜50μm好ましくは0.5〜10μm
    の直径を有することを特徴とする請求項1又は2記載の
    複合材料。
  4. 【請求項4】 Al2 3 が5〜20の範囲内のアスペ
    クト比及び5〜50μmの直径を有する微晶質小板、又
    はウィスカー及びフィラメントの形にあることを特徴と
    する請求項1又は2記載の複合材料。
  5. 【請求項5】 セラミックス相の相対体積が10〜80
    %、好ましくは20〜50%を構成し、耐火相のそれが
    10〜70%そして金属マトリックス相のそれが3〜5
    0%であることを特徴とする請求項3記載の複合材料。
  6. 【請求項6】 セラミック相の相対体積が5〜30%を
    構成し、耐火相のそれが35〜65%そして金属マトリ
    ックス相のそれが5〜25%であることを特徴とする請
    求項4記載の複合材料。
  7. 【請求項7】 セラミックス相が、ZrO2 及びY2
    3 のような他の酸化物を含有することを特徴とする請求
    項1〜6のいずれか1項記載の複合材料。
  8. 【請求項8】 金属マトリックスが、Sc,Y,Ti,
    Zr,Hf,V,Nb,Cr,Mo,W,Re,Ru,
    Al,CおよびNの中から選ばれた元素を溶解してなる
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項記載の複
    合材料。
  9. 【請求項9】 TiCN及びTiNに加えて、耐火相が
    TiCおよび/又はW,Cr,V,Mo,Ta,Hf,
    Nbの炭化物及びZrN,TaN,AlN,BNの窒化
    物の中から選ばれる1種類又は数種類の化合物を含有す
    ることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載の
    複合材料。
  10. 【請求項10】 アルミナ又はアルミナの固溶体の粒子
    と金属マトリックスとの間の界面が0.01〜5μmの
    厚さを有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか
    1項記載の複合材料。
  11. 【請求項11】 1300〜1600℃、好ましくは1
    450〜1500℃の温度で、1〜2000MPa、好
    ましくは1〜200MPaの圧力下で、窒素の非酸化性
    雰囲気中の成分元素の焼結工程を包含することを特徴と
    する請求項1〜10のいずれか1項記載のセラミック/
    金属複合材料を製造する方法。
  12. 【請求項12】 アルミナ又はアルミナの固溶体の粒子
    と金属マトリックスとの間の界面が、前記粒子の表面を
    あらかじめ窒化することにより部分的に得られることを
    特徴とする請求項11記載の方法。
  13. 【請求項13】 アルミナ又はアルミナの固溶体の粒子
    と金属マトリックスとの間の界面が、チタン錯体の化学
    沈着、それに続き、場合により酸化の中間工程を含め
    て、高温にて窒化または炭窒化により部分的に得られる
    ことを特徴とする請求項11記載の方法。
  14. 【請求項14】 窒素下の焼結の間に、アルミナまたア
    ルミナの固溶体の粒子の周りに、チタンに富む界面層
    が、好ましくは、950〜1600℃の温度でそして炭
    素の存在において、窒素中で形成されることを特徴とす
    る請求項11〜13のいずれか1項記載の方法。
  15. 【請求項15】 焼結の前に、造形操作が約100MP
    aで一軸圧縮により、約300MPaの等方圧縮によ
    り、フィルタープレス方式により、又はスリップの成形
    により行なわれることを特徴とする請求項11〜14の
    いずれか1項記載の方法。
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