JPH0971479A

JPH0971479A - 耐熱耐摩耗性複合材およびその製法

Info

Publication number: JPH0971479A
Application number: JP26195895A
Authority: JP
Inventors: Mitsue Koizumi; 光恵小泉; Mitsuyuki Oyanagi; 満之大柳; Toyoshige Mori; 豊重毛利; Masakatsu Ono; 昌克大野; Akira Hosomi; 暁細見
Original assignee: HORYO SANGYO KK; HOURIYOU SANGYO KK; ISHIZUKA KENKYUSHO; Ishizuka Research Institute Ltd; Tokushu Denkyoku Co Ltd
Current assignee: HORYO SANGYO KK; HOURIYOU SANGYO KK; ISHIZUKA KENKYUSHO; Ishizuka Research Institute Ltd; Tokuden Co Ltd Hyogo
Priority date: 1995-09-04
Filing date: 1995-09-04
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】ＳＨＳ反応の効果的な適用により、金属部が満
足できる機械的強度を有し、かつ金属部とセラミックス
部とが十分な高温強度で接着された耐熱耐摩耗性複合
材。【解決手段】本質的に有形の金属塊体から成る基体部
と、基体のある部位に接合されかつ本質的にセラミック
ス質成分から成る作用部とを有する複合材において、基
体部と作用部とがＳＨＳ反応の際に生じた溶融金属の作
用により接合されている耐熱耐摩耗性複合材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術の属する分野】本発明は、耐熱・耐摩耗性のセ
ラミック系材料と、展延性のある金属とを組み合わせた
複合材に関する。ここで基体材料として用いる金属は、
鍛造、圧延、押出し、ＨＩＰ等の加圧工程を経て調製さ
れた、または鋳造工程によって製作された各種の有形の
塊体（板状を含む）素材であって、一般の構造材料が利
用可能である。

【０００２】

【従来技術】耐熱性の構造材料として、各種の耐熱合
金やセラミックスが知られ、それぞれの特徴を生かした
分野で実用化されている。しかし、金属質材料において
は、使用可能な最高温度や雰囲気、高温強度などの点か
ら、用途が限定されている。一方セラミックス系の材料
は、耐熱性、耐薬品性、耐摩耗性等の物性に優れ、それ
故、半導体材料、切削工具の刃先から、ビルの外装、宇
宙関連技術の諸材料に至る幅広い用途に用いられている
が、反面、機械的強度、特に曲げや引張りに対する抵抗
力は金属材料に比べて劣る。

【０００３】セラミックスと金属との双方の特徴を生
かし、欠点を補うことを目的として、両者を接合した複
合材料が数多く提案され、一部はすでに実用に供されて
いる。しかしこれらの接合方法は主として接着、ろう付
けや機械的な係合によるものであって、接着材料自体の
強度や耐熱温度に関して未解決な面があり、接着強度は
必ずしも満足できる水準にはない。

【０００４】一方粉末冶金の手法を用いて、セラミッ
クス材料と金属材料とを一体化して作製する方法も用い
られている。この際、接着強度の問題は、傾斜機能を付
与することにより、解決が計られている。しかしこの場
合、金属質材料の選択範囲が制限されることや、また金
属部分自体の強度について、構造材料としての強度、特
に引張りや曲げに対する抵抗力が、鍛造や圧延などの工
程を経た材料に比して劣る、という問題点が存在する。

【０００５】ある種の機能材料を調製する手法とし
て、燃焼合成（ＳＨＳ）法が知られている。これは適切
に組み合わされた出発材料に着火して反応をスタートさ
せると、反応の際に生じる熱によって、反応が未反応部
分に伝播し、継続する現象を利用するものであり、例え
ば炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、金属
間化合物等の化合物の形成に利用されている。この方法
の詳細は、例えば燃焼合成研究会編、燃焼合成の化学、
ティ・アイ・シー（１９９２）に記載されている。

【０００６】燃焼合成法においては、断熱反応に近い
状態で、短時間に高温が生じるので、高融点材料の合成
と焼結とを同時、または経時的に実施する自己燃焼合成
焼結法として、各種材料の焼結体の形成に試みられてい
る。この場合の加圧方法としては、プレス機械などを利
用した静圧加圧や衝撃加圧による方法、ＨＩＰ装置を用
いた等方加圧方法、圧媒体として鋳物砂を利用し、金型
内で、プレス機械による押圧力を成型物の周囲に作用さ
せる擬ＨＩＰ法等が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の複合
材の製法や製品に内在する上記各種の問題点を検討し、
特にＳＨＳ反応の効果的な適用により、金属部が満足で
きる機械的強度を有し、かつ金属部とセラミックス部と
が十分な高温強度で接着された耐熱耐摩耗性複合材、お
よびその効率的な製法を提供することを、主な目的の一
つとするものである。

【０００８】本発明者らは先に、ＳＨＳ反応と加圧操
作との組み合わせにより、緻密なセラミックス材料を合
成する方法を提案している。この方法は、ＳＨＳ反応で
形成されるセラミックスの骨格構造の隙間に、反応の際
の高熱で生じた金属の溶融体を流入・充填させるもので
あり、従来のＳＨＳ反応では得られなかった緻密な、耐
熱耐摩耗性材料の作製を可能にした。本発明はこのよう
な反応工程をさらに発展させたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の複合材は本質
的に次のような構成を採る：本質的に有形の金属塊体か
ら成る基体部と、基体のある部位に接合されかつ本質的
にセラミックス質成分から成る作用部とを有する複合材
において、基体部と作用部とがＳＨＳ反応の際に生じた
溶融金属の作用により接合されていることを特徴とす
る。

【００１０】また上記の複合材は、次の方法により効
果的に製造することができる。（１）ＳＨＳ反応によってセラミックス体を形成しうる
組成の混合粉末を成型して１乃至数種類の圧粉体を形成
し、さらに上記圧粉体を有形の金属質体に近接配置して
原料系を構成し、この際、ＳＨＳ反応時に溶融し得る金
属質材料をこの原料系中に存在せしめ、（２）上記原料
系内でＳＨＳ反応を生起せしめ、この際の反応熱により
少なくとも上記金属質材料の一部を加熱して溶融状態と
し、（３）さらにこのＳＨＳ反応終結から０．１〜１０
秒後に加圧手段により加圧を開始して加圧状態を２秒間
以上保持することにより、セラミックス体と金属質塊体
とを接合するものである。

【００１１】本発明におけるセラミックス層の骨格構
造成分としては、ＩＶ〜ＶＩ族の遷移金属の炭化物、窒
化物、ホウ化物を含む系、及びＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｂ
_４Ｃを含む系、ならびにこれらの混合物系を用いること
ができる。これらの中でＴｉの炭化物、窒化物、ホウ化
物が、製作コストの面から特に好ましい。

【００１２】硬質で緻密な焼結体を得るためには、燃
焼合成反応によって硬質材料が形成される原料の組み合
わせと、燃焼合成反応の際に液相が生じる原料の組み合
わせとを併用するのがよい。例えばＴｉＣとＴｉ−Ａｌ
との混合系では、ＴｉＣによる骨格構造の隙間をＴｉ−
Ａｌの融液が満たす形で、緻密な構造の耐熱耐摩耗性マ
トリックスを得ることができる。この系にＮｉを加える
と、セラミックス層の靭性が改善される。

【００１３】基体金属とセラミックスと組み合わせに
よっては、両者間の熱膨張係数の差に起因して、両層の
境界部に割れが生じ得る。この場合、中間の組成を有す
る圧粉体を緩和層として両層間に配置し、全体として傾
斜機能材料の形態を採ることができる。この緩和層は必
要に応じて複数層で構成することもできる。各層は、組
成を段階的に変化させた圧粉体として作製し、作用層と
基体との間に必要数積み重ねて出発原料とする。

【００１４】ＳＨＳ反応においては、加熱時間が数秒
の単位と極めて短いので、骨格構造の隙間を充墳する溶
融金属自体に、大きな移動距離を期待することはできな
い。したがって効果的な応力緩和層を形成するには、原
料を配置する際に、基体金属に接する箇所には、骨格構
造材料に対する金属質材料の割合を予め増した混合粉末
を配置し、作用面側に向かって段階的に金属質材料の割
合を減じる配置を採り、これによって、組織の不連続性
をなくすようにすることが必要である。

【００１５】本発明の複合材は、ある種の耐熱材料と
しての用途においては、作用面領域を実質的に炭化物、
窒化物などのセラミックス１００％で構成するのが好ま
しい。この場合は無気孔の組織は得られないが、炭化
物、窒化物粒子間に残留する気孔による断熱作用が期待
できる。

【００１６】基体金属とセラミックス層とを接合する
ための金属の特性としては、高融点に加えて、引張りや
曲げに対する強度の大きいことが要求される。この点に
おいてＮｉが特に好ましく、またＴｉＣ−Ｎｉ、ＴｉＢ
_２−Ｎｉの組み合わせが汎用性の耐熱材料として、Ｓｉ
Ｃ−Ｎｉ、Ｓｉ_３Ｎ_４−Ｎｉの組み合わせが酸化性雰囲
気中における耐熱材料として、特に好適である。

【００１７】一方金属表面に耐摩耗性を付与する場合
には、靭性に関しては劣るものの、ＴｉＢ_２−Ｓｉの組
み合わせが有効である。研磨抵抗による比較試験では、
これについて超硬合金の１００ｍ以上の値が得られてい
る。

【００１８】上記セラミックス材料はＳＨＳ反応によ
ってその場で合成されたものでも、基体金属と組み合わ
される前に既に形成された成型体であってもよい。

【００１９】原料混合粉のＳＨＳ反応による発熱量だ
けで、セラミックス相の合成を行うためには、高い断熱
燃焼温度が得られる成分の組み合わせを要する。この目
的に有効な組み合わせの例としては、ＴｉやＺｒの粉末
と、ＣまたはＢ粉末との混合物、あるいはＳｉ、Ｔｉや
Ｚｒの粉末を、窒素と結合させる方法が挙げられる。

【００２０】一方目的とする作用層材料の組成の都合
上、原料だけで十分な発熱が得られない場合には、ケミ
カルオーブンとして有用な材料を原料に近接して配置す
ることにより、所要の熱量を確保する。

【００２１】ケミカルオーブンを、原料の圧粉体に直
接接しない状態で使用できる場合には、従来から広く用
いられているアルミニウム−酸化鉄の組み合わせも利用
可能である。しかしこの場合、溶融状態の鉄が生じて、
生成物が融着しやすい。この問題を避けたいときには、
Ｔｉ＋Ｃ系が適している。この反応系では、生成物とし
て固体のＴｉＣが速やかに形成されるので、液相の形成
によるトラブルがなく、さらにケミカルオーブンの反応
生成物は高温の固体圧媒体としても機能するので、好都
合である。ケミカルオーブンはまた徐冷剤としても機能
し、生成物の焼結体に熱歪みに起因する割れの防止に寄
与する。

【００２２】さらに、ケミカルオーブンを用いること
によって、発熱反応を生じない原料の粉末や板を、基体
に接着することも可能である。例えば作用層を形成する
ＴｉＣ系、またはＴｉＢ系の多孔質焼結板と、基体材料
として用いるＳＵＳ板との接合部にＮｉ箔を配置する組
み合わせや、接合部にＴｉ、Ｎｉ、Ｃ（またはＢ）の混
合粉末を成型して成る圧粉体を配置する組み合わせによ
り、耐熱材料の作製が可能である。

【００２３】同じ要領で，基体材料上にＷＣ−Ｃｏ
系、またはＷＣ−Ｎｉ系の混合粉末、仮焼成品、あるい
は焼結ペレットを置き、周囲をケミカルオーブンで囲む
ことによって、作用層の骨格材がＷＣであり、Ｃｏまた
はＮｉが作用層の結合材であると共に、作用層を基体材
料に接合する接着剤としても機能する、耐摩耗材料を得
ることができる。

【００２４】これらの組み合わせをまとめて示すと
（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃ
ｒ）−（Ｃ、Ｂ、Ｎ）−（Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａ
ｌ）となる。特に好ましい耐熱性セラミックス（サーメ
ット）の例としてはＴｉＣ−Ｎｉ、ＴｉＢ_２−Ｓｉ、Ｔ
ｉＢ_２−Ｎｉ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_４
Ｃを挙げることができる。

【００２５】上記の複合材において、基体材料金属に
接するセラミックス層の厚さは０．５ｍｍ以上が好まし
く、十分な耐熱性を確保する見地からは特に２ｍｍ以上
が特に有効である。

【００２６】本発明で用いられる原料は、通常縮み代を
見込んだ形状に予め成型してから、反応装置へ充填す
る。生成物は一般に硬質材料であり、焼結後の加工は困
難であるので、成型の際には焼結時の縮みを見込んで、
できるだけ目的とする形状に作ることが必要である。例
えば製品が円錐状や角錐状といった、立体形状の場合に
は、圧粉体製作用の金型として、所要の形状の金型を用
いるか、円筒状または角柱状の圧粉体を作製し、所要の
形状に機械加工を施してから、燃焼合成反応に供する。

【００２７】ＳＨＳ反応に続いて実施する加圧工程で
は、公知の各種の加圧方法を用いることができる。発熱
した圧粉体を直接加圧する方法を採るために、金型加圧
装置を用いる場合には、必要に応じて断熱材を併用する
ことによって、金型の変形や損耗を防ぐようにする。ま
た内容積の大きな金型加圧装置を用い、圧粉体の周囲に
は鋳物砂を充填し、砂を介して加圧する方策を採ると、
等方加圧に近い擬ＨＩＰ効果が得られ、特に立体形状の
製品を作る際に好都合である。

【００２８】生成物が湾曲面で構成された耐熱材料の
場合には、湾曲面の基体材料に沿って原料の圧粉体を配
置する工程と、湾曲面形状に加圧を行う工程とが必要で
あるが、加圧媒体に鋳物砂を用いることによって、ある
程度の静水圧性が確保できる。

【００２９】鋳物砂の利用は、パイプやバルブなどの
材料の内面に、耐熱・耐摩耗性の内張りを施す際にも有
効に利用できる。このような内面加工の工程では、基体
自体を耐圧容器として用いることができ、基体の表面を
放冷または強制冷却することにより、基体材料と作用層
との間における温度勾配を大きくとることが可能とな
る。

【００３０】一般にセラミックス材料は、圧縮応力に
は強いが、引張り応力には弱いという欠点がある。本方
法で合成された複合材では一般に、熱膨張係数は、作用
層の方が基体材料金属に比べて小さいことから、室温に
おいて、接合部では作用層側に圧縮応力が加わってい
る。このことは、接合部付近におけるセラミックス相中
の金属の格子定数の測定値から確かめられている。さら
に耐熱材料として用いる際には、セラミックス層側が高
温に曝されることから、圧縮応力の状態が維持されるの
で好都合である。しかし立体構造の複合材料を製作する
際には、作用層側に常に圧縮応力が加わるように、設計
時に留意する必要がある。

【００３１】圧粉体の成型密度は、焼結温度が本質的
に圧粉体自体の燃焼反応によって達成される場合には、
理論密度の７５％以下とするのが好ましく、一方焼結温
度がケミカルオーブンにより達成される場合には、ＣＩ
Ｐなど既存の手法を用いて、できるだけ緻密にするのが
好ましい。

【００３２】ＳＨＳ原料粉末を成型した圧粉体は、着
火装置（例えば黒鉛や金属のヒーター線や箔）を備えた
加圧装置内に配置する。加圧装置としては、金型加圧装
置や、ホットプレス装置、ＨＩＰ装置など、既知の各種
の装置を用いることができる。これらの加圧装置が、外
気から隔離されている構成となっている場合には、雰囲
気を窒素とすることによって、窒化物系のセラミックス
を作製することができる。また真空とすることによっ
て、反応時に放出されるガスの離脱を確実とし、より緻
密な製品を作ることが可能である。

【００３３】ホットプレス装置を用いる場合には、付
属の加熱装置を用いることによって、発熱量の少ないセ
ラミックス原料の使用が可能となる。また付属の加熱装
置を着火の手段としても用いることができる。

【００３４】加圧にＨＩＰ装置を用いる場合には、緻
密に成型した圧粉体を、気密材料で包囲し、脱ガスした
後密封し、周囲に燃焼合成法による発熱剤（ケミカルオ
ーブン）を配置した構成で反応に供する。この場合も付
属の加熱装置は、補助加熱手段や、着火手段として利用
することができる。

【００３５】また必要に応じて工具基体の一部だけ
を、圧粉体と共に加圧装置内へ配置してもよい。例えば
耐熱ボルトやビンの製作にあたっては、高温に曝される
先端部のみを、所定の形状に成型した圧粉体と、その周
囲に配置したケミカルオーブン材料とを充填した金型内
に挿入し、耐熱層の作製と基体への接着とを同時に実施
することができる。この場合、燃焼合成反応による発熱
は局部的であるため、引張り強度を必要とする本体部の
物性には本質的な変化は生じない。また必要に応じて、
基体の背面を冷却設備に接続し、金属表面部のみに大き
な熱勾配を与えることによって、基体金属の本来の性質
を維持しながら、作用層に耐熱のための特性を付与する
ことかできる。

【００３６】加圧装置内に充填した圧粉体は、加圧を
行わない状態、または軽く加圧した状態で着火用のヒー
ターに通電して燃焼反応を開始する。着火を容易にする
ために、圧粉体とヒーターとの間に、燃焼反応が容易な
粉末混合物を、点火剤として配置してもよい。燃焼炎が
圧粉体の端まで達し、圧粉体全体が高温となった直後
（燃焼終了後０．１−１０秒）に加圧を開始し、２〜１
５０秒間、（特に２〜６０秒間が好ましい）加圧を続け
る。この時の圧力は、１０〜２００ＭＰａの範囲が適当
である。

【００３７】

【作用及び効果】上記したように、本発明材料は、セ
ラミックス部分の合成と緻密化と並行して、ホットプレ
スの手法によって、作用層のセラミックス材料が、内張
り乃至裏打ち材料である基体金属と接合されており、接
合部では溶融、拡散によって、作用層の構成材料と裏打
ち材料とが溶け合い、一体化した組織となっているの
で、ろう接に比して格段に大きな接着強度、すなわち同
時焼結を行った場合に匹敵する接着強度が得られる。そ
の上裏打ち材料については、ＳＨＳ反応の特性から、加
熱領域がごく狭い範囲に限定されるので、加熱による変
質層の厚さを最低限に抑えることが可能である。

【００３８】本発明の複合材は、靭性を有する耐熱材
料として、広範な用に応用することが可能である。好適
な用途としては、例えば高温炉の内張り材や、溶融金属
移送用の樋のような大型材料から、内燃機関の内壁材
料、ガスタービンのブレード、耐熱ピンやフック、温度
計の保護管などを挙げることができる。

【００３９】次に本発明を実施例により説明する。な
お図１〜５は、実施例のいくつかにおいて操作に使用し
た装置の概略断面図を示す。

【００４０】

【実施例１】Ｔｉ粉末（粒径２２μｍ）、カーボン粉
末（粒径７μｍ）のモル比１：１の混合粉を用意し、こ
れに２５ｗｔ％のＮｉ粉（３００メッシュ以下）を混合
した出発原料を用意した。これから金型成型によって、
１００×１００×５ｍｍの圧粉体を作製した。

【００４１】 ×３ｍｍのＳＵＳ板１２を置き、成型した圧粉体１３を
載せ、圧粉体１３上にはケミカルオーブンとして、Ｔ
ｉ：Ｃ＝１：１（モル比）混合粉１４を７０ｇ置き、さ
らに着火用のグラファイトリボン１５を載せた。金型１
１内において試料集合体の周囲に鋳物砂１６を満たし、
断熱用のセラミックス板１７を介して加圧用の上パンチ
１８を置いた。

【００４２】グラファイトリボン１５に通電して試料
に着火し、燃焼終了２秒後にパンチ１８を駆動して１０
０ＭＰａの圧力を試料に加え、３０秒間保持した。得ら
れた生成物は、ＴｉＣの骨格構造の隙間が、主としてＮ
ｉならびにＴｉ−Ｎｉ系の金属間化合物で満たされた、
緻密な組織のセラミックス質材料が、ＳＵＳ板上に密着
した構成となっていた。

【００４３】接合部の断面試料について実施した硬度
測定の結果、微小硬度値は境界部において５００ｋｇ／
ｍｍ^２、境界部からセラミックス側へ約０．３ｍｍ入っ
た位置において１０００ｋｇ／ｍｍ^２であって、この間
が還移層の領域と考えられた。この領域についての顕微
鏡観察によれば、ＴｉＣ粒子の平均粒径が１８μｍから
３．２μｍへと連続的に変化しており、境界部付近に大
きな温度勾配があったことを示していた。得られた複合
材は耐熱耐摩耗性のタイルとして用いることができた。

【００４４】

【実施例２】マトリックスの原料として、粒径２２μ
ｍのＴｉ粉末、７μｍの黒鉛粉末、粒度３２５メッシュ
以下のＡｌ粉末を用意した。これらの各原料粉を重量比
にてＴｉ：Ｃ：Ａｌ＝７３：１１：１３の割合で秤取
し、十分混合してマトリックスの原料粉とした。

【００４５】１０ＭＰａの成型圧力で金型成型を行
い、直径４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、頂角１２０°の圧粉
体を作製した。以後の操作は図２の装置によった。焼結
用の金型２１（内径４０ｍｍ、深さ６５ｍｍ）はコア２
２と上パンチ２３とで構成され、さらにコア２２の焼結
ムライト製のスリーブ２４が嵌合されている。コア２２
の底部に先端部を頂角１２０°に加工したＳＵＳ製の合
金２５を挿入し、この上に上記の成型圧粉体２６を被せ
た。圧粉体の上部には、Ｔｉ：Ｃ＝１：１の混合粉２７
を３０ｇ載せて表面を平らにし、次いで点火用の黒鉛リ
ボン２８を配置し、この上に鋳物砂２９を２０ｍｍの厚
さに敷き、その上に上パンチ２３を載せた。なお熱電対
（図示せず）は合金の中央部に直径２ｍｍの貫通孔をあ
け、圧粉体の下端に接して配置した。

【００４６】組立の終わった焼結金型を１軸加圧の油
圧プレス装置に取り付け、圧しない状態で黒鉛リボンに
通電して圧粉体に点火した。圧粉体の下端温度が１８０
０℃を示した時点で、油圧プレスによる急速加圧を行
い、約１００ＭＰａの荷重を加えて４０秒間保持した。
反応の記録紙からの読み取りで、加圧開始は燃焼終了後
約０．５秒であった。

【００４７】生成されたセラミックス部は金属光沢を
呈し、Ｘ線回折の結果から、ＴｉＣとＴｉＡｌとで構成
されていることが認められた。また研磨面についての光
学顕微鏡観察によって、ＴｉＣで構成された骨格構造の
間を、ＴｉＡｌ相が充填していることが認められた。

【００４８】

【実施例３】作用層の原料として、８０Ｔｉ／２０Ｂ
混合粉末を用い、図１の装置その上にＴｉ−Ｂ混合粉末９０ｇを平均に載せ、さらに
ケミカルオーブン剤として、モル比でＴｉ：Ｃ＝１：１
の混合粉２５ｇを載せた。次いで点火用の黒鉛リボンを
配置し、この上に鋳物砂を１０ｍｍの厚さに敷き、その
上に上パンチを載せた。同時に、金型と圧粉体との間の
隙間にも、鋳物砂を充填した。

【００４９】反応温度のモニターのために、Ｎｉ板の
中央部に設けた貫通孔内に設置した熱電対を用い、実施
例１と同様の操作で加熱、加圧を行った。得られた複合
材は、Ｎｉ板上に厚さ約２ｍｍのＴｉＢ_２層が形成され
た耐摩耗材料であって、生成物の断面について実施した
ＥＰＭＡによると、接合部から作用層に向かって約０．
５ｍｍの幅の領域でＮｉの濃度勾配があり、ＴｉＢ_２層
内の結合、およびＴｉＢ_２層と基体材料との接合に寄与
しているＮｉが、基体材料から供給されていることが確
かめられた。得られた材料は、耐熱タイルとして使用し
た。

【００５０】

【実施例４】作用層の原料として、４８Ｔｉ−２２Ｂ
−３０Ｓｉ（ｗｔ％）の混合粉末を用いた。この原料粉
末から、金型成型によって外径１００ｍｍ、内径８０ｍ
ｍ、高さ２０ｍｍの環状圧粉体を作製した。図３に示す
ように、これらの環状圧粉体３１を８個、鋼製スリーブ
３２で補強した内径１００ｍｍの、シルミン製円筒３３
の内壁に接して、積み重ねて配置した。この内部に、同
様の方法で成型したＴｉ：Ｃ＝１：１（モル比）の圧粉
体３４をケミカルオーブン剤として置き、さらにその中
央部に、黒鉛リボン３５を接合したＴｉＣ圧粉体円板３
６を着火起点として配置した。残りの空間は鋳物砂３７
で満たした。燃焼反応終了後の加圧は、上下パンチ３
８、３９によった。

【００５１】燃焼反応後、約１００ＭＰａの荷重で加
圧を行い、４０秒間圧力を保持した。

【００５２】得られたセラミックス層を内張りしたシ
ルミン円筒は、エンジン材料評価のための模型として用
いた。

【００５３】

【実施例５】上記のＳｉの代わりにＮｉを用いた混合
粉末を原料として使用し、図４の装置において、ショッ
トブラスト用ノズル材を作製した。内径５０ｍｍの円筒
銅製基体４１内に、図示するような輪郭形状を持つ圧粉
体を形成した。圧粉体４２の上部に接してＴｉＣ圧粉体
の着火剤４３を置き、黒鉛リボン４４によって点火し
た。燃焼後の加圧には、アルミナ製のパンチ４５を用い
た。反応から回収した基体とセラミックスとの間には、
Ｃｕ−Ｎｉ合金相による強固な結合が形成されていた。

【００５４】反応生成品は、先端部の孔あけ加工と内
壁面の研磨加工を行って、製品とした。

【００５５】

【実施例６】粉体を作製した。また実施例１で使用した金型を、成型
金型として用いた。基板には、１００ｍｍ角、１０ｍｍ
厚さのＳＫ材を用いた。基板と圧粉体との間には、厚さ
１ｍｍの純ニッケル板を配置した。ケミカルオーブンな
どその他の構成、反応条件は実施例３と同一とした。

【００５６】得られた生成物の断面分析によると、厚
さ約５ｍｍの焼結セラミックス層の、表面部から約２ｍ
ｍの領域は、実質的にＴｉＢのみで構成されており、残
りの３ｍｍの領域では、基板側に向かって連続的にニッ
ケル濃度が増加しており、セラミックス層と基板との間
の強固な接合に、ニツケルが寄与していることが認めら
れた。

【００５７】

【実施例７】セラミックス相の原料としてＳｉ_３Ｎ_４
ｉＳｉ：Ｃ＝５５：３１：１３（重量比）の混合粉を用
いた。Ｓｉ_３Ｎ_４およびＳｉのサイズは、いずれも３２
５メッシュ以下であり、カーボン粉末としては、実施例
６までに用いたのと同じく、粒子サイズは７μｍとし
た。

【００５８】上記の混合粉を直径１００ｍｍ、厚さ約
６ｍｍに金型成型した後、一旦成型金型の上型のみを外
し、金型内の成型品上に、２００メッシュ以下のサイズ
のニッケル粉末を、約２ｍｍの厚さとなるように加え
て、再度加圧成型した。成型の終わった圧粉体を、ニッ
ケル粉末側が基板材料に接する形で、厚さ１０ｍｍの鉄
板上に置き、ケミカルオーブン剤として、約１０ｍｍ厚
さのＴｉ：Ｃ＝８０：２０（重量比）粉末混合物を被せ
て反応に供した。

【００５９】

【実施例８】以下の表に示した構成を用いて、耐熱／
耐摩耗材料板の試作を試みた。ＳＨＳ反応は、いずれも
内径１５０ｍｍの金型内で実施した。原料粉末の粒径は
Ｔｉが２２μｍ、Ｃが７μｍ、その他は３００メッシュ
以下であった。作用層を形成するマトリックス原料の圧
粉体の厚さと、基板の厚さは共に１０ｍｍとし、ケミカ
ルオーブンを併用したものについては、ケミカルオーブ
ン剤の厚さを約８ｍｍとした。加圧は鋳物砂を使用した
擬ＨＩＰ加圧法で行い、加圧は着火５秒後に開始し、５
０ＭＰａに３０秒間保持した。

【００６０】

【表１】

【００６１】

【実施例９】図５に略示したような内径１２５ｍｍの
成型金型５１を用い、この中で直径１００ｍｍ、厚さ５
ｍｍの超硬合金板５２を、約５ｍｍ厚さのＴｉ：Ｃ＝８
０：２０（重量比）粉未混合物層５３を介して、直径１
００ｍｍ、厚さ５ｍｍのＮｉ板５４の上へ置いた。超硬
合金板５２の上面と金型５１との間には、ケミカルオー
ブン剤として、上記と同じ組成のＴｉ：Ｃ混合粉５５を
置き、黒鉛ヒーター５６を取り付けた後、厚さ約２０ｍ
ｍの鋳物砂層５７で覆った。加圧は着火５秒後に開始
し、パンチ５８により５０ＭＰａに３０秒間保持した。
この方法によって、Ｎｉ板と超硬合金板とが密着した耐
摩耗材料が得られた。

【００６２】

【実施例１０】実施例９と同じ装置と、方法とを用い
て、焼結アルミナ板をＳＵＳ板に接着した。但し接着剤
には、Ｎｉ：Ａｌ＝２：１（重量比）粉未混合物を用
い、ケミカルオーブンには、実施例９と同じ組成のＴ
ｉ：Ｃ混合粉を用いた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に用いた装置主要部の概略断面図。

【図２】実施例２に用いた装置主要部の概略断面図。

【図３】実施例４に用いた装置主要部の概略断面図。

【図４】実施例５に用いた装置主要部の概略断面図。

【図５】実施例９に用いた装置主要部の概略断面図。

【符号の説明】

１１焼成金型１２基体（ＳＵＳ板）１３圧粉体１４Ｔｉ／Ｃ混合粉１５黒鉛リボン１６鋳物砂１７セラミックス板１８上パンチ２１焼結用金型２２コア２３上パンチ２４焼結ムライトスリーブ２５合金２６成型圧粉体２７Ｔｉ／Ｃ混合粉２８黒鉛リボン２９鋳物砂３１環状圧粉体３２鋼製スリーブ３３シルミン製円筒３４Ｔｉ／Ｃ混合圧粉体３５黒鉛リボン３６ＴｉＣ圧粉体円板３７鋳物砂３８上パンチ３９下パンチ４１円筒銅製基体４２圧粉体４３着火剤（ＴｉＣ圧粉体）４４黒鉛リボン４５アルミナ製パンチ５１成型金型５２超硬合金板５３Ｔｉ／Ｃ粉末混合物層５４Ｎｉ５５Ｔｉ／Ｃ混合粉５６黒鉛ヒーター５７鋳物砂層５８パンチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000241555 豊菱産業株式会社大阪府大阪市淀川区三津屋中３丁目４番10 号 (71)出願人 000225027 特殊電極株式会社兵庫県尼崎市昭和通２丁目２番27号 (72)発明者小泉光恵大阪府豊中市玉井町三丁目６番22号 (72)発明者大柳満之滋賀県大津市大萱１−９−14メゾンエイコー瀬田 903 (72)発明者毛利豊重大阪府箕面市粟生外院三丁目５番22号 (72)発明者大野昌克兵庫県尼崎市東難波町三丁目26番29号特殊電極株式会社尼崎研究所 (72)発明者細見暁栃木県小山市稲葉郷138番地１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本質的に有形の金属塊体から成る基体部
と、基体のある部位に接合されかつ本質的にセラミック
ス質成分から成る作用部とを有する複合材において、基
体部と作用部とがＳＨＳ反応の際に生じた溶融金属の作
用により接合されていることを特徴とする、耐熱耐摩耗
性複合材。
【請求項２】上記セラミックス質成分がＳＨＳ反応に
よってその場で合成されたものである、請求項１に記載
の耐熱耐摩耗性複合材。
【請求項３】上記作用部が、ＩＶ〜ＶＩ族の遷移金
属、またはＢ、Ａｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、ほう
化物、けい化物、またはこれらの化合物で構成された骨
格構造と、骨格構造の隙間を充填している金属質材料と
を含有する、請求項１に記載の耐熱耐摩耗性複合材。
【請求項４】上記溶融金属が鉄族金属、銅、アルミニ
ウム、および遷移金属から選ばれる少なくとも１種を主
体とする、請求項１に記載の耐熱耐摩耗性複合材。
【請求項５】上記作用部が実質的にセラミックス質成
分のみで構成されている、請求項１に記載の耐熱耐摩耗
性複合材。
【請求項６】上記セラミックス質成分の組成におい
て、骨格構造成分と金属質成分の比率が、作用表面と、
基板との接合面との間で、連続的または段階的に変化し
ている、請求項１に記載の耐熱耐摩耗性複合材。
【請求項７】上記セラミックス質成分層の厚さが０．
５〜２０ｍｍである、請求項１に記載の耐熱耐摩耗性複
合材。
【請求項８】（１）ＳＨＳ反応によってセラミックス
体を形成しうる組成の混合粉末を成型して１乃至数種類
の圧粉体を形成し、さらに上記圧粉体を有形の金属塊体
に近接配置して原料系を構成し、この際、ＳＨＳ反応時
に溶融し得る金属質材料をこの原料系中に存在せしめ、
（２）上記原料系内でＳＨＳ反応を生起せしめ、この際
の反応熱により少なくとも上記金属質材料の一部を加熱
して溶融状態とし、（３）さらにこのＳＨＳ反応終結か
ら０．１−１０秒後に加圧手段により加圧を開始して加
圧状態を２秒間以上保持することにより、セラミックス
体と金属質塊体とを接合することを特徴とする、耐熱耐
摩耗性複合材の製法。
【請求項９】ＳＨＳ反応を生起しうる化学組成物を別
体として、上記圧粉体および金属塊体に近接して配置
し、上記金属質材料の溶融のための熱量の少なくとも一
部をこの組成物の反応熱により供給する、請求項８に記
載の耐熱耐摩耗性複合材の製法。
【請求項１０】上記金属質材料の溶融に必要な熱量
を、本質的に上記圧粉体のＳＨＳ反応熱により供給す
る、請求項８に記載の耐熱耐摩耗性複合材の製法。
【請求項１１】上記セラミックス体が炭化物、窒化
物、炭窒化物、ほう化物、けい化物から選ばれる少なく
とも１種類を含有する、請求項８に記載の複合材の製
法。
【請求項１２】上記金属質材料が粉末状態でセラミッ
クスの原料と混合され、圧粉体中に分散配置される、請
求項８に記載の、耐熱耐摩耗性複合材の製法。
【請求項１３】上記金属質材料が第二の圧粉体とし
て、セラミック原料混合粉末の圧粉体と、有形金属塊体
との間に配置される、請求項８に記載の複合材の製法。
【請求項１４】上記金属質材料が薄板の状態で、セラ
ミックス圧粉体と、金属塊体との間に配置される、請求
項８に記載の耐熱耐摩耗性複合材の製法。
【請求項１５】上記金属質材料が、ＳＨＳ反応時に基
体から供給される、請求項８に記載の耐熱耐摩耗性複合
材の製法。
【請求項１６】上記金属質材料が本質的に鉄族金属、
銅、アルミニウム、および遷移金属から選ばれる少なく
とも１種類を含有する、請求項８に記載の耐熱耐摩耗性
複合材。
【請求項１７】上記セラミックス原料混合粉末が、本
質的にＴｉおよびＳｉから選ばれる１種類以上の金属、
ならびに／またはこれらの炭化物、窒化物、ホウ化物か
ら選ばれる少なくとも１種類の耐火物を含有する、請求
項８に記載の耐熱耐摩耗性複合材の製法。
【請求項１８】上記加圧手段が、金型による直接加
圧、圧媒体を介した擬ＨＩＰ加圧、およびロール加圧か
ら選ばれる１種類である、請求項８に記載の耐熱耐摩耗
性複合材の製法。
【請求項１９】上記圧媒体が鋳物砂である、請求項１
８に記載の耐熱耐摩耗性複合材の製法。
【請求項２０】上記圧媒体がＳＨＳ反応生成物を含有
する、請求項１８に記載の耐熱耐摩耗性複合材の製法。