JPH10128523A - 金属−セラミックス複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の金属−セラミックス複合材料は加工コ
ストが高く、また、金属などと摺動して接する箇所に用
いる場合には、相手方を摩耗させるなどの問題があっ
た。 【解決手段】 金属のマトリックス中に強化材であるセ
ラミックス粉末を分散させた金属−セラミックス複合材
料において、該複合材料の外側一部または全部が、アル
ミニウム質金属により密着して被覆されていることとし
た金属−セラミックス複合材料。その複合材料を製造す
る方法において、該アルミニウム質金属の被覆方法が、
金属−セラミックス複合材料の外側一部または全部にア
ルミニウム質金属を接触させ、４５０〜９００℃で加熱
処理し接合する方法、あるいは金属−セラミックス複合
材料の外側一部または全部に６５０〜８００℃の温度で
溶融したアルミニウム質金属を接触させ、冷却固化し接
合する方法であることとした金属−セラミックス複合材
料の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属に強化材を複
合させた金属−セラミックス複合材料及びその製造方法
に関し、特に加工性に優れた金属−セラミックス複合材
料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】セラミックス繊維または粒
子で強化された金属−セラミックスの複合材料は、金属
とセラミックスの両方の特性を兼ね備えており、例えば
この複合材料は、高剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等のセ
ラミックスの優れた特性と、延性、高靱性、高熱伝導性
等の金属の優れた特性を備えている。このように、従来
から難しいとされていたセラミックスと金属の両方の特
性を備えているため、機械装置メーカ等の業界から次世
代の材料として注目されている。

【０００３】最近では、この複合材料の優れた特性が認
められ、さらにその製造技術も進歩し複雑な品物でも安
価で簡単に製造できるようになり、産業のあらゆる分野
に工業用部品として使用されるようになってきた。その
一例としてランクサイド社で発明された非加圧浸透法
は、セラミックス粉末であらかじめ形成したプリフォー
ムに溶融した金属を浸透させる方法であるので、セラミ
ックスの含有率が３０ｖｏｌ％以上の高いものでも簡単
に作製することができる優れた方法であり、この方法で
作製された複合材料、例えばアルミニウム質金属に炭化
けい素を７０ｖｏｌ％含む複合材料は、比重が３程度と
アルミニウム質金属とほぼ同等であり、ヤング率、破壊
靱性値もそれぞれ２７０ＧＰａ、１０ＭＮ／ｍ^3/2と軽
量で高剛性、高靱性な材料であるため、高速で動くアー
ム、シリコンウェハ搬送用ハンド、自動車用ブレーキパ
ッド、キャリバーなどへの応用がされており、またアル
ミナを３５ｖｏｌ％含む複合材料については、自動車用
ブレーキなどへの応用が進められている状況にある。な
お、形成したプリフォームに非加圧でなく、加圧するこ
とによっても同様に浸透させることができるのは勿論の
ことである。

【０００４】一方、ランクサイド社、デュラルカン社で
発明された鋳造法は、セラミックス粉末と混合した溶融
金属を鋳型に鋳込む方法なので、セラミックス粉末の含
有率を高くすることは難しいが、大型で量産することに
適した優れた方法であり、既にセラミックスの含有率が
２０〜３０ｖｏｌ％のインゴットが市販されている。そ
してそのインゴットを用いてさらに溶解し鋳込むことで
望みの形状を有する複合材料を大量で簡単に作製するこ
とができ、例えばインゴットを溶融して作製された炭化
けい素を３０ｖｏｌ％含む複合材料は、比重が２．７８
でありながらヤング率が１１４ＧＰａとアルミニウム質
金属の７０ＧＰａよりかなり高く、鋳鉄とほぼ同等のヤ
ング率を有している複合材料であるので、従来鋳鉄等で
作製されていた量産型の半導体やコンデンサー等のチッ
プマウンター、あるいはプレス機等の大型品への応用が
始められている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この複
合材料は、工業用部品として使用するためにはそのまま
使用することも構わないが、多くは加工する必要があ
り、加工するためにはセラミックスが複合されているた
め、加工性に劣りコストが高いものになっていた。具体
的にはセラミックスの含有率が４０ｖｏｌ％より高い複
合材料に対しては切削加工は出来ず、ダイヤモンド砥石
による研磨加工が行われ、４０ｖｏｌ％以下の複合材料
に対しては超硬合金または多結晶ダイヤモンドの工具に
よりフライス加工、エンドミル加工で加工が行われ、こ
れら加工に用いる砥石や工具の価格が高い上に加工時間
が長くかかるため、加工コストが高いものとなってい
た。

【０００６】また、この複合材料は、硬度が高い上にセ
ラミックス粉末が表面に存在するため、金属あるいはプ
ラスチックと摺動して接する箇所に用いる場合には、相
手方の金属あるいはプラスチックを摩耗させ長時間使用
できないという問題もあった。さらに、この複合材料に
かしめや打ち込みを行う場合には、複合材料の延性が不
足することから、複合材料、相手材が割れるという問題
もあった。

【０００７】本発明は、上述した金属−セラミックス複
合材料及びその製造方法が有する課題に鑑みなされたも
のであって、その目的は、加工費用が安く、また、金属
と摺動して接する箇所に用いる場合にも、相手材を摩耗
しない、さらには充分な延性を有する金属−セラミック
ス複合材料を提供しその製造方法をも提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、複合材料の外側をア
ルミニウム質金属で被覆した金属−セラミックス複合材
料とすれば、加工費用が安く、金属と摺動して接する箇
所に用いる場合にも、相手材を摩耗させることなく、し
かも充分な延性を有する金属−セラミックス複合材料と
することができるとの知見を得て本発明を完成するに至
った。

【０００９】即ち本発明は、（１）アルミニウム質金属
のマトリックス中に強化材であるセラミックス粉末を分
散させた金属−セラミックス複合材料において、該複合
材料の外側一部または全部が、アルミニウム質金属によ
り密着して被覆されていることを特徴とする金属−セラ
ミックス複合材料（請求項１）とし、また、（２）表面
の一部または全部がアルミニウム質金属で被覆された金
属−セラミックス複合材料の製造方法において、該アル
ミニウム質金属の被覆方法が、金属−セラミックス複合
材料の外側一部または全部にアルミニウム質金属を接触
させ、それを４５０〜９００℃の温度で加熱処理する方
法であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料
の製造方法（請求項２）とし、さらに、（３）表面の一
部または全部がアルミニウム質金属で被覆された金属−
セラミックス複合材料の製造方法において、該アルミニ
ウム質金属の被覆方法が、金属−セラミックス複合材料
の外側一部または全部に内側の複合材料より熱膨張係数
の小さい複合材料を接触させ、その上面にアルミニウム
質金属を接触させ、それを４５０〜９００℃の温度で加
熱処理する方法であることを特徴とする金属−セラミッ
クス複合材料の製造方法（請求項３）とし、さらにま
た、（４）表面の一部または全部がアルミニウム質金属
で被覆された金属−セラミックス複合材料の製造方法に
おいて、該アルミニウム質金属の被覆方法が、金属−セ
ラミックス複合材料の外側一部または全部に６５０〜８
００℃の温度で溶融したアルミニウム質金属を接触さ
せ、それを冷却固化する方法であることを特徴とする金
属−セラミックス複合材料の製造方法（請求項４）とす
ることを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。

【００１０】上記アルミニウム質金属により被覆される
内側の複合材料は、アルミニウム質金属と複合化された
金属−セラミックス複合材料であればどんな複合材料で
も構わない。外側のアルミニウム質金属も一般的なアル
ミニウム質金属、例えば純アルミニウム、鋳物用アルミ
ニウム、ダイキャスト用アルミニウム、ジュラルミン等
の高強度用アルミニウム等が挙げられ、これらいずれで
も構わない。この外側の金属は、内側の複合材料と密着
して被覆されているので、接合面が酸化して劣化する恐
れはなく、また接合面で剥がれることもない。そしてこ
の複合材料は、外側が金属で被覆されているので金属と
同じように扱うことができ、加工費を安く、金属と摺動
して接する箇所に用いる場合にも、相手材を摩耗しな
い、さらには充分な延性を有する金属−セラミックス複
合材料とすることができる。

【００１１】上記複合材料を製造する方法としては、先
ず前記した内側の金属−セラミックス複合材料を自身で
作製するなり、別に購入するなどして用意し、その複合
材料の外側一部または全部にアルミニウム質金属を接触
させ、それを４５０〜９００℃の温度で加熱処理する方
法で、または先の内側の複合材料と外側のアルミニウム
質金属との間に内側の複合材料より熱膨張係数が小さい
複合材料を中間層として挟み、それを前記したと同様に
加熱処理する方法で金属を被覆し製造することとした。

【００１２】上記内側の複合材料については、その表面
が作製したままの表面であると、湿分、油分や製造工程
で用いた砂や耐火物などが付着した状態になっているの
で、研削、切削またはブラスト処理することが望まし
い。また、表面を綺麗にした後でも長時間放置しておく
と、外側の金属との密着性を低下させることがあるの
で、再度処理することが望ましい。被覆するアルミニウ
ム質金属については、表面が一部酸化されているので、
その酸化膜を切削し剥して用いるのが一般的であるが、
その酸化膜が、非常に薄く、かつ接合する際にアルミニ
ウム質金属の溶解で接合面に析出し問題が少なくなるの
で、そのまま使用してもよい。

【００１３】そのアルミニウム質金属を複合材料の外側
に重ねて覆い、それを炉内に配置し、４５０〜９００℃
の温度で３０〜１０時間保持することによりアルミニウ
ム質金属が複合材料に接合して被覆することができる。
これは内側と外側のアルミニウム質金属の表面が溶融
し、反応して強固に接合するものである。そのため、温
度が４５０℃より低い、あるいは時間が３０分より短い
と金属が溶融しない、あるいは反応時間が不足するので
接合できない。一方、９００℃より高い、あるいは１０
時間より長いと両者の形状が保てなくなるほど軟らかく
なるので、接合するが所望の形状を形成できないか、あ
るいは形状を保てるもののエネルギー損失が大きく意味
はないので、いずれも好ましくない。

【００１４】加熱処理する雰囲気は、両者の表面が滑ら
かでかなり密着に接している場合には空気中でも構わな
いが、表面が粗い場合や接触面積が小さい場合には窒素
やアルゴンまたは真空雰囲気が望ましい。これは、空気
中であると接合する面の酸化が進み、接合面同士の反応
が不完全となり強固に接合できなく恐れがあることによ
る。

【００１５】以上のことは、熱膨張係数の小さい複合材
料を間に挟む３層構造の場合にも同じ様に適用できる。
この３層構造は、複合材料とアルミニウム質金属との熱
膨張係数の差が大きいがために、接合面に残留応力が発
生する恐れがある場合に適用するのに適している。その
例を述べると、例えば７０ｖｏｌ％のＳｉＣ粉末を含有
した複合材料を内側の材料にする場合は、その熱膨張係
数は、６×１０^-6／℃とアルミニウム質金属の２３×１
０^-6とかなり差があり、接合面に残留応力が発生する恐
れがあるため、１６×１０^-6／℃の熱膨張係数を有する
３０ｖｏｌ％のＳｉＣを含有する複合材料を中間層とし
て挟み加熱処理して作製するのがよい。

【００１６】他の製造方法としては、同じように内側の
金属−セラミックス複合材料を用意し、その複合材料の
外側一部または全部に接触して６５０〜８００℃の温度
で溶融したアルミニウム質金属を鋳込み、それを冷却固
化し接合させる方法で金属を被覆し製造することとし
た。

【００１７】被覆するアルミニウム質金属は、前記した
と同じく切削して、あるいはそのまま用いてもよく、そ
のアルミニウム質金属を６５０〜８００℃の温度で溶融
し、その溶融液を砂型、金型内に設置した内側の複合材
料の一部または全部に接して鋳込み、それを冷却、固化
することによりアルミニウム質金属が内側の複合材料に
接合して被覆されることになる。これは内側の複合材料
が外側の溶融金属の熱を吸収するので、複合材料の形状
をそのまま保ちながら内側表面のアルミニウム質金属の
みが溶融し、それと溶融している外側のアルミニウム質
金属とが反応して強固に接合するものである。そのた
め、温度が６５０℃より低いと金属が溶融しないので鋳
込みできず、一方、８００℃より高いと溶融アルミニウ
ムが酸化し好ましくない。

【００１８】上記溶融金属を接合させた複合材料は、そ
のまま使用してもよいが、できれば４００〜５５０℃の
温度で再度加熱処理することが望ましい。これは、この
方法が急冷する方法であるため、残留応力が残ることが
あり、その残留応力を加熱することにより取り除くこと
にある。その雰囲気は空気中で充分である。

【００１９】以上の方法でアルミニウム質金属で被覆し
た金属−セラミックス複合材料を作製すれば、加工費用
が安く、金属と摺動して接する箇所に用いる場合にも、
相手材を摩耗しない、充分な延性を有する金属−セラミ
ックス複合材料とすることができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的
に挙げ、本発明をより詳細に説明する。

【００２１】（実施例１） （１）複合材料の作製 米国ランクサイド社が作製した３０ｖｏｌ％のＳｉＣを
含有するインゴット（ＣＬＸ−１０６０）をカーボン製
ルツボに入れ７５０℃で溶解し、９５×９５×２８ｍｍ
の砂型に鋳込み、ブロック状の複合材料を作製した。そ
のブロックの全面を多結晶ダイヤモンド（商品名 コン
パックス）の刃を用いて９０×９０×２５ｍｍの大きさ
に切削した。これを図１に示すように９０×９０×４５
ｍｍ、または１２０×１２０×４５ｍｍの鋳込み部を有
する砂をフラン樹脂で固めた鋳型の中央部に配置した。
その鋳込み部に７１０℃で溶解したＪＩＳ品ＡＣ３Ａの
アルミニウム合金を湯口から鋳込み、２時間冷却後型を
取り除き複合材料を得た。得られた複合材料をさらに５
２０℃で２時間空気中で熱処理しアルミニウム質金属を
被覆した複合材料を作製した。

【００２２】（２）評価 得られた複合材料を切断し、接合面を顕微鏡観察して接
合面の密着状態を調査したところ、完全に密着してい
た。また、金槌で叩き衝撃を加えて剥がれるかどうかを
調査したところ、剥がれることはなかった。さらに、複
合材料表面の超硬合金のバイトを用いて５ｍｍ切削した
加工時間を求めたところ、３分で加工することができ
た。

【００２３】（実施例２） （１）複合材料の作製 強化材として＃１８０、＃８００の炭化けい素粉末を用
い、その粉末を７：３で配合し、それにコロイダルアル
ミナを炭化けい素に対し２ｗｔ％添加した後、水を炭化
けい素に対し３０ｗｔ％加え混合してスラリーを作製し
た。そのスラリーを２００×２００×２０ｍｍのシリコ
ーンゴム型に充填して成形した。これを１０５０℃２時
間焼成してプリフォームを作製した。得られたプリフォ
ームの下にＡｌ−１２Ｓｉ−３Ｍｇのアルミニウム質金
属を置き、窒素雰囲気中で８５０℃１２時間熱処理し
た。その表面をレジボンドのダイヤモンド砥石で切断研
磨して１９８×１９８×１８ｍｍの複合材料を作製し
た。得られた複合材料の上に厚さが８ｍｍで面積が複合
材料と同面積のＪＩＳアルミニウム板ＡＣ７Ａを図２の
如く載せ、窒素雰囲気中５４５℃で３時間加熱しアルミ
ニウム質金属を被覆した複合材料を作製した。

【００２４】（２）評価 得られた複合材料を切断し、顕微鏡観察したところ、完
全に密着していた。

【００２５】（実施例３） （１）複合材料の作製 強化材として＃３２０、＃６００のアルミナ粉末を用
い、その粉末を７：３で配合し、それにコロイダルシリ
カをアルミナに対し２ｗｔ％添加した後、水を炭化けい
素に対し３０ｗｔ％加え混合してスラリーを作製した。
そのスラリーから図３の如くφ１０ｍｍの穴を有する図
３に示す大きさと形状の円盤を成形した。これを１０５
０℃２時間焼成してプリフォームを作製した。得られた
プリフォームの下にＡｌ−５Ｍｇのアルミニウム質金属
を置き、窒素雰囲気中で８５０℃１２時間熱処理して複
合材料を得、その複合材料の穴部を紙やすりで研磨し
た。得られた複合材料の穴部にＪＩＳアルミニウム合金
ＡＣ４Ｃを入れ、窒素雰囲気中６００℃で３時間加熱し
穴にアルミニウム質金属を被覆した複合材料を作製し
た。

【００２６】（２）評価 得られた複合材料の穴部をＭ６のタップ切りを行い、タ
ップ切り時間を求めたところ、４分でできた。

【００２７】（比較例１）実施例１の金属を被覆する前
の複合材料を使用し、その表面をレジンボンドの砥石を
用いて５ｍｍ研削した時間を求めたところ、２時間掛か
った。

【００２８】（比較例２）実施例３の穴の無い円盤を使
用し、その実施例３と同じ位置にダイヤモンドを電着し
た砥石を用いて１５ｍｍの深さでＭ６のタップ切りを行
い、タップ切り時間を求めたところ、３０分掛かった。

【００２９】以上のように、実施例においてはいずれも
比較例に比べはるかに加工時間が短かった。

【００３０】

【発明の効果】以上の通り、本発明の金属−セラミック
ス複合材料とすれば、加工費用が安く、金属と摺動して
接する箇所に用いる場合にも相手材を摩耗することのな
い、充分な延性を有する優れた金属−セラミックス複合
材料とすることができ、それを本発明に示す方法で作製
すれば、被覆する金属と接合面が強固に密着した問題の
無い金属−セラミックス複合材料とすることができるよ
うになった。これにより、金属−セラミックス複合材料
の性能を具備しながら、加工性やその他の材料との併用
性の高い優れた複合材料を得ることができ、工業的利用
の範囲が非常に広がった。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で述べた鋳型内に複合材料を配置した
断面図である。

【図２】実施例２で述べた複合材料の上面に金属を載置
した断面図である。

【図３】実施例３で述べた穴部を有する複合材料の斜視
図である。

【符号の説明】

イ 金属−セラミックス複合材料 ロ 鋳型 ハ 湯口 ニ アルミニウム質金属 ホ 穴部及びアルミニウム質金属

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 平四郎 千葉県松戸市松戸新田314−１ (72)発明者 林 睦夫 埼玉県浦和市大牧560

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム質金属のマトリックス中に
   強化材であるセラミックス粉末を分散させた金属−セラ
   ミックス複合材料において、該複合材料の外側一部また
   は全部が、アルミニウム質金属により密着して被覆され
   ていることを特徴とする金属−セラミックス複合材料。
2. 【請求項２】 表面の一部または全部がアルミニウム質
   金属で被覆された金属−セラミックス複合材料の製造方
   法において、該アルミニウム質金属の被覆方法が、金属
   −セラミックス複合材料の外側一部または全部にアルミ
   ニウム質金属を接触させ、それを４５０〜９００℃の温
   度で加熱処理する方法であることを特徴とする金属−セ
   ラミックス複合材料の製造方法。
3. 【請求項３】 表面の一部または全部がアルミニウム質
   金属で被覆された金属−セラミックス複合材料の製造方
   法において、該アルミニウム質金属の被覆方法が、金属
   −セラミックス複合材料の外側一部または全部に内側の
   複合材料より熱膨張係数の小さい複合材料を接触させ、
   その上面にさらにアルミニウム質金属を接触させ、それ
   を４５０〜９００℃の温度で加熱処理する方法であるこ
   とを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方
   法。
4. 【請求項４】 表面の一部または全部がアルミニウム質
   金属で被覆された金属−セラミックス複合材料の製造方
   法において、該アルミニウム質金属の被覆方法が、金属
   −セラミックス複合材料の外側一部または全部に６５０
   〜８００℃の温度で溶融したアルミニウム質金属を接触
   させ、それを冷却固化する方法であることを特徴とする
   金属−セラミックス複合材料の製造方法。