JPH10251773A - 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、その
熱膨張率を制御するのにセラミックス粉末の充填率を大
きく変える必要があった。 【解決手段】 プリフォームが、６０〜８０ｖｏｌ％の
粉末充填率を有するＡｌ₂Ｏ₃粉末及びＡｌＮ粉末から成
り、かつ複合材料の熱膨張率が、８．０〜１２×１０^-6
／℃であることとした金属−セラミックス複合材料。プ
リフォームの形成方法が、前記した粉末充填率を有する
Ａｌ₂Ｏ₃粉末及びＡｌＮ粉末とを適切な割合で混合し、
その混合した粉末にバインダーとしてコロイダルシリカ
液またはアルミナ水和物のコロイド液を添加して成形、
焼成する方法であるとし、その形成したプリフォームに
アルミニウムを主成分とする合金を７００〜１０００℃
の温度で浸透させることとした金属−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、特に熱膨張率を制御することのできる金属−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】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】この複合材料、特に金属としてアルミニウ
ムをマトリックスとする複合材料の製造方法は、粉末冶
金法、高圧鋳造法、真空鋳造法等の方法が従来から知ら
れている。しかし、これらの方法は、強化材であるセラ
ミックスの含有量を多くできない、あるいは大型の加圧
装置が必要である、もしくはニアネット成形が困難であ
るなどの理由により、いずれも満足できるものではなか
った。

【０００４】そこで最近では、上記問題を解決する製造
方法として、米国ランクサイド社が開発した非加圧金属
浸透法が特に注目されている。この方法は、ＳｉＣやＡ
ｌ₂Ｏ₃などのセラミックス粉末で形成されたプリフォー
ムに、アルミニウムインゴットを接触させ、これをＮ₂
雰囲気中で７００〜９００℃に加熱して溶融したアルミ
ニウム合金をプリフォームに含浸させる方法である。こ
れは、化学反応を利用してセラミックス粉末への溶融金
属の濡れ性を改善することにより、加圧しなくても金属
をプリフォームに含浸できるようにした優れた方法であ
る。

【０００５】また、この方法では、セラミックスの含有
率を３０〜８５ｖｏｌ％と広く、かつ高い範囲まで変え
ることができ、例えば熱膨張率で６．２×１０^-6／℃、
ヤング率で２６５ＧＰａ、破壊靱性で１０ＭＮ／
ｍ^2/3、熱伝導度で１７０ｗ／ｍ℃の特性値を有するＳ
ｉＣを７０ｖｏｌ％含む金属−セラミックス複合材料も
容易に作製することができる。さらに、この方法で形成
されたプリフォームは、その形状の自由度が高いので、
かなり複雑な形状をニアネットで作ることも可能であ
る。このようにこの方法は、加圧装置が不要であり、セ
ラミックスの含有率を高くすることができ、ニアネット
成形も可能となる方法であるので、前記した問題が解決
される優れた方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法で作製された複合材料は、その熱膨張率を制御するた
めには、強化材であるセラミックス粉末の種類が単一で
あるため、強化材の粉末充填率を変えることにより制御
するしかなく、例えば、熱膨張率を小さくするためには
強化材の粉末充填率を上げる必要があり、熱膨張率を大
きくするためには粉末充填率を下げる必要があった。そ
のため、熱膨張率を制御することで粉末充填率が上下す
ることとなり、その粉末充填率が大きく下がった場合に
は、複合材料の作製過程で、あるいは作製された複合材
料の特性そのものに悪影響を与えるという問題があっ
た。

【０００７】それは例えば、組み合わせる相手材の熱膨
張率に合わせるべく粉末充填率を７０ｖｏｌ％から５０
〜５５ｖｏｌ％に下げた場合には、粉末充填率が密充填
から大きく外れることとなり、プリフォームの強度が低
下するばかりでなく、強化材の粒径分布を微粒側に片寄
らせているので、プリフォームの成形に用いるスラリー
がチクストロピックとなり、流動性が悪化して成形性が
悪くなる。また、それから作製される複合材料のヤング
率も例えば強化材がＳｉＣの場合には２６５ＧＰａから
２１０ＧＰａ程度にまで低下する。

【０００８】本発明は、上述した浸透法によって作製さ
れた金属−セラミックス複合材料が有する課題に鑑みな
されたものであって、その目的は、強化材の粉末充填率
を変えることなく熱膨張率を制御することのできる金属
−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。

【０００９】

【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、セラミックス粉末を
６０〜８０ｖｏｌ％の粉末充填率を有するＡｌ₂Ｏ₃とＡ
ｌＮの２種類の粉末とし、それら粉末を適切な割合で混
合してプリフォームを形成すれば、熱膨張率を８．０〜
１２×１０^-6の範囲内で容易に変えることのできる複合
材料が得られるとの知見を得て本発明を完成するに至っ
た。

【００１０】即ち本発明は、（１）セラミックス繊維ま
たは粒子を強化材としてプリフォームを形成し、そのプ
リフォームに基材である金属を浸透させた金属−セラミ
ックス複合材料において、該プリフォームが、６０〜８
０ｖｏｌ％の粉末充填率を有するＡｌ₂Ｏ₃粉末及びＡｌ
Ｎ粉末から成り、かつ該複合材料の熱膨張率が、８．０
〜１２×１０^-6／℃であ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）セラ
ミックス繊維または粒子を強化材としてプリフォームを
形成し、そのプリフォームに基材である金属を浸透させ
る金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該
プリフォームの形成方法が、６０〜８０ｖｏｌ％の粉末
充填率を有するＡｌ₂Ｏ₃粉末及びＡｌＮ粉末とを適切な
割合で混合し、その混合した粉末にバインダーとしてコ
ロイダルシリカ液またはアルミナ水和物のコロイド液を
添加して成形、焼成する方法であるとし、その形成した
プリフォームにアルミニウムを主成分とする合金を７０
０〜１０００℃の温度で浸透させ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）とす
ることを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。

【００１１】上記複合材料としては、そのプリフォーム
が、６０〜８０ｖｏｌ％の粉末充填率を有するＡｌ₂Ｏ₃
粉末及びＡｌＮ粉末から成るとし、かつそのプリフォー
ムから作製した複合材料の熱膨張率が、８．０〜１２×
１０^-6／℃であることとする金属−セラミックス複合材
料とした（請求項１）。セラミックス粉末をＡｌ₂Ｏ₃粉
末及びＡｌＮ粉末の２種類としたのは、Ａｌ₂Ｏ₃粉末ま
たはＡｌＮ粉末の１種類だけでは熱膨張率を変えるには
前記したように粉末充填率を変えざるを得ないが、２種
類であればその混合割合を適宜変えるだけで、粉末充填
率を変えることなく熱膨張率を容易に変えることができ
ることによる。粉末の種類を３種類にしても同様のこと
が言えるが、３種類以上になると所望の熱膨張率に合わ
せるのに複雑で面倒になる。

【００１２】また、プリフォームの粉末充填率を６０〜
８０ｖｏｌ％としたのは、前記した悪影響を被らないよ
うに高い粉末充填率にするためであり、さらに、Ａｌ₂
Ｏ₃粉末、ＡｌＮ粉末の両者とも６０〜８０ｖｏｌ％と
したのは、粉末充填率が高いのと低いのと大きく異なる
粉末同士を混合しても６０ｖｏｌ％以上の粉末充填率を
有するプリフォームを形成することは可能であるが、そ
の場合には限られた配合割合でしか達成することができ
ないので、これを両者とも６０ｖｏｌ％以上の同程度の
充填率にしておけば、両者の割合をどのように変えても
粉末充填率があまり変わることなく常に６０ｖｏｌ％以
上の粉末充填率が得られることによる。

【００１３】さらに、作製された複合材料の熱膨張率を
８．０〜１２×１０^-6／℃としたのは、６０ｖｏｌ％以
上の高い粉末充填率を有するプリフォームであるため、
Ａｌ₂Ｏ₃粉末から成る複合材料の熱膨張率は８．０×１
０^-6／℃程度であり、ＡｌＮ粉末から成る複合材料の熱
膨張率は１２×１０^-6／℃程度であるので、その割合を
変えることで熱膨張率がこの範囲で変わることによる。
そして熱膨張率の範囲がこの範囲になるＡｌ₂Ｏ₃とＡｌ
Ｎの粉末を選んだのは、組み合わせて使用する相手材に
は鋳鉄の場合が最も多いので、その鋳鉄の熱膨張率（１
０×１０^-6／℃）に容易に合わせることのできるセラミ
ックス粉末としたものである。

【００１４】その複合材料の製造方法としては、プリフ
ォームの形成方法を、６０〜８０ｖｏｌ％の粉末充填率
を有するＡｌ₂Ｏ₃粉末及びＡｌＮ粉末とを適切な割合で
混合し、その混合した粉末にバインダーとしてコロイダ
ルシリカ液またはアルミナ水和物のコロイド液を添加し
て成形、焼成する方法であるとし、その形成したプリフ
ォームにアルミニウムを主成分とする合金を７００〜１
０００℃の温度で浸透させることとした（請求項２）。
この方法は、６０ｖｏｌ％以上の粉末充填率を有するＡ
ｌ₂Ｏ₃粉末とＡｌＮ粉末とを用い、これら粉末の割合を
適宜変えてプリフォームを形成することにより、その作
製された複合材料の熱膨張率を、粉末充填率を変えるこ
となしに各々の粉末で作製された複合材料が示す熱膨張
率の範囲内で自由に変えることができるようにした方法
である。

【００１５】そのプリフォームの形成には、バインダー
としてコロイダルシリカ液またはアルミナ水和物のコロ
イド液を使用することとした。これらバインダーを選ん
だのは、高い粉末充填率のプリフォームを形成するのに
適したバインダーであることによる。そのバインダーを
用いて成形する方法としては、スラリーと成し、沈降成
形する方法、あるいは成したスラリーを乾燥して得た粉
末をＣＩＰ成形する方法などがあるがいずれでもよく、
要は６０ｖｏｌ％以上の粉末充填率を確保できる成形方
法であればいずれでも構わない。その成形した成形体を
適切な温度で焼成することによりプリフォームが形成さ
れ、その形成されたプリフォームにアルミニウムを主成
分とする合金を浸透させることにより、８．０×１０^-6
／℃と１２×１０^-6／℃の範囲の熱膨張率を有する金属
−セラミックス複合材料が得られる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の製造方法をさらに詳しく
述べると、先ず６０〜８０ｖｏｌ％の粉末充填率を有す
るＡｌ₂Ｏ₃粉末とＡｌＮ粉末とを用意する。これは例え
ばＡｌ₂Ｏ₃粉末であれば、＃３２０の市販アルミナと＃
６００の市販アルミナとを重量比で７：３の割合で混合
すれば、７０ｖｏｌ％の粉末充填率を有する粉末が得ら
れ、ＡｌＮ粉末であれば、平均粒径が１６μｍのダウケ
ミカル社製の粉末を購入すれば、７０ｖｏｌ％の粉末充
填率を有する粉末が得られる。なお、ＡｌＮ粉末は水と
反応するので、水を使う場合にはシリカコーティングを
施した粉末とする必要がある。

【００１７】用意した粉末を所望の熱膨張率が得られる
割合で配合する。但し、熱膨張率と配合割合との間には
直線的な比例関係にはないので、あらかじめ実験によ
り、所望する熱膨張率が得られる配合割合を見いだす必
要がある。配合した粉末は、その粉末にコロイダルシリ
カ液またはアルミナ水和物のコロイド液を加え、それに
水などを加えてポットミルで湿式混合する。混合は十分
行う必要があるが、粉砕が起こり、粒径分布が変わるほ
ど長時間行ってはならず、８〜２４時間程度が適当であ
る。

【００１８】得られたスラリーを用いて例えば沈降成形
の場合には、スラリーを型に充填し、軽く振動を掛けて
固形分を沈降させ、表面に浮いた水分を掻き取って成形
する。それを型に入れたまま−３０℃で一晩冷凍した
後、脱型し、８０〜９００℃の温度で焼成（乾燥のみの
場合も含む）してプリフォームを形成する。形成したプ
リフォームの上部または下部にアルミニウムを主成分と
する合金を置き、窒素気流中で非加圧で７００〜１００
０℃の温度で合金を浸透させ、冷却することにより金属
−セラミックス複合材料が得られる。

【００１９】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
を作製すれば、強化材の粉末充填率を変えることなく熱
膨張率を制御することができる金属−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、本発明の実施例を具体的に挙げ、本発
明をより詳細に説明する。

【００２１】（実施例１〜４） （１）プリフォームの形成 強化材として＃３２０の市販Ａｌ₂Ｏ₃粉末（太平洋ラン
ダム社製、５０Ａ）を７０ｗｔ％、＃６００の市販Ａｌ
₂Ｏ₃粉末（太平洋ランダム社製、ＬＡ）を３０ｗｔ％混
合したＡｌ₂Ｏ₃粉末と、平均粒径が１６μｍのシリカコ
ーティングしたＡｌＮ粉末（ダウケミカル社製、ＸＵＳ
３５５７１．００）とを用い、これらを表１に示す割合
で配合した。その配合物に対し、コロイダルシリカ液を
シリカ分が２ｗｔ％となる量だけ添加し、それにイオン
交換水を３０ｗｔ％加え、媒体を入れてないポットミル
で１６時間混合した。得られたスラリーを２００×２０
０×２０ｍｍのシリコーンゴム型に流し込んでセディメ
ントキャスト（沈降成形）を行ない、−３０℃に冷却し
て冷凍品を得た。得られた冷凍品を７００℃で５時間焼
成し、プリフォームを形成した。

【００２２】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 形成したプリフォームの上にプリフォームの３倍重量の
Ａｌ−７Ｍｇ組成のアルミニウム合金を置き、窒素雰囲
気中で８２５℃の温度で２０時間非加圧浸透させた後、
１００℃／ｈｒで冷却し金属−セラミックス複合材料を
作製した。

【００２３】（３）評価 形成したプリフォームの嵩密度をアルキメデス法で測定
し、粉末充填率を求めた。また、得られた複合材料から
試験片を切り出し、その試験片のヤング率を共振法で測
定し、さらに、その試験片の熱膨張率をＪＩＳ Ｒ １
６１８により５００℃まで測定した。それらの結果を表
１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１から明らかなように、Ａｌ₂Ｏ₃粉末と
ＡｌＮ粉末の配合割合を大幅に変化させても、粉末充填
率とヤング率はほぼ一定であった。また、熱膨張率は、
Ａｌ₂Ｏ₃粉末から成る複合材料の８．０×１０^-6／℃と
ＡｌＮ粉末から成る複合材料の１２×１０^-6／℃の範囲
内で推移していた。このことは、複合材料の熱膨張率を
粉末充填率を変化させることなく鋳鉄の熱膨張率（１０
×１０^-6／℃）に容易に合わせられることを示してお
り、また、熱膨張率を変化させても複合材料の性能が低
下しないことを示している。

【００２６】

【発明の効果】以上の通り、本発明の金属−セラミック
ス複合材料であれば、セラミックス粉末の充填率を変え
ることなく熱膨張率を制御することができる金属−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落とす
ことなく熱膨張率を制御できるようになり、工業的利用
の範囲が非常に広がった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 睦夫 埼玉県浦和市大牧560 (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 小山 富和 東京都北区浮間１−３−１−805

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス繊維または粒子を強化材と
   してプリフォームを形成し、そのプリフォームに基材で
   ある金属を浸透させた金属−セラミックス複合材料にお
   いて、該プリフォームが、６０〜８０ｖｏｌ％の粉末充
   填率を有するＡｌ₂Ｏ₃粉末及びＡｌＮ粉末から成り、か
   つ該複合材料の熱膨張率が、８．０〜１２×１０^-6／℃
   であ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】 セラミックス繊維または粒子を強化材と
   してプリフォームを形成し、そのプリフォームに基材で
   ある金属を浸透させる金属−セラミックス複合材料の製
   造方法において、該プリフォームの形成方法が、６０〜
   ８０ｖｏｌ％の粉末充填率を有するＡｌ₂Ｏ₃粉末及びＡ
   ｌＮ粉末とを適切な割合で混合し、その混合した粉末に
   バインダーとしてコロイダルシリカ液またはアルミナ水
   和物のコロイド液を添加して成形、焼成する方法である
   とし、その形成したプリフォームにアルミニウムを主成
   分とする合金を７００〜１０００℃の温度で浸透させる
   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。料の製造方法。