JPH1088255A - 金属−セラミックス複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プリフォームに金属を含浸させる含浸法によ
って大型部品を作製すると、大きさが１ｍｍを超す大き
なポアが発生し、それが集中しているため、製品の強度
を著しく低下させるという問題があった。 【解決手段】 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
ある金属を含浸させる金属−セラミックス複合材料の製
造方法において、該プリフォームが、１〜１００μｍの
平均粒径を有し、５０％以上の粉末充填率を有するＳｉ
Ｃ粉末から成り、そのプリフォームにＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ
系、Ａｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金を７００〜１００
０℃の温度で含浸させた後、炉内で徐冷することとした
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
合させた複合材料に関し、特に強化材にセラミックスを
用いる金属−セラミックス複合材料の製造方法に関す
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、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作製方法は、粉末冶
金法、圧力鋳造法、真空鋳造法等の作製法がある。これ
らの内、粉末冶金法では、粉末状の金属に粒状のあるい
はウィスカー状もしくはファイバー状等のセラミックス
を強化材として混合し、成形し、その成形体を非加圧、
あるいは加圧下で焼成して作製していた。しかしこの方
法で作製された複合材料中の強化材の粉末充填率は、強
化材を多くすると焼結し難くなるため、ウィスカーやフ
ァイバー状の繊維状のもので最大２５％程度であり、粒
子状のもので最大４０％程度であった。

【０００４】前記粉末冶金法の他の圧力鋳造法、真空鋳
造法においても、溶解した金属のセラミックス粒子への
濡れ性が悪いため、セラミックス粉末を増やすと金属と
混合し難くなり、強化材の粉末充填率は最大でやはり高
々４０％程度であった。そのため最近では強化材の粉末
充填率を高めるべく、強化材であるセラミックス繊維ま
たは粒子で構成されたプリフォームをあらかじめ形成
し、そのプリフォームに基材である金属を含浸させる含
浸法が採られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法で作製した複合材料は、金属マトリックスと強化
材との大きな熱収縮差により、粉末冶金法であれば焼成
収縮時あるいは冷却収縮時に、鋳造法、含浸法であれば
冷却収縮時に金属と強化材の界面にポアが生じてしま
い、これら生成したポアが、剛性や機械的強度などの機
械的特性に悪い影響を与えることになる。その中で特に
含浸法においては、しかも大型部品の作製においては、
大きさが１ｍｍを超す大きなポアが発生し、それが集中
しているため、製品の強度を著しく低下させるという問
題があった。

【０００６】その理由は、次の如くと思われる。金属を
含浸させた複合材料中の溶解金属には、分散した細かい
ポアを含んでいるが、そのポアは溶解後急激に冷却すれ
ば分散したまま固化するので、大きなポアの生成はな
く、急冷できる小さい部品には大きな問題はない。これ
が例えばφ３００×ｔ４００程度以上の大型部品になる
と、強化材と金属との大きな熱収縮差による歪が小型部
品に比べ大きく現れることになるが、その強化材がプリ
フォームとして形成されて拘束されていると、歪がさら
により大きく現れ、撓んだり、割れたりすることにな
る。それを緩和するため十分に徐冷するが、徐冷を十分
にすると冷却途中で分散していたポアがより集合し成長
して上記のような大きなポアが生じてしまうことにな
る。

【０００７】本発明は、上述した含浸法による金属−セ
ラミックス複合材料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、１ｍｍ以上の大きなポ
アが生じない大型部品の金属−セラミックス複合材料の
製造方法を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、強化材であるプリフ
ォームの粉末充填率を５０％以上とし、そのプリフォー
ムに金属を含浸した後の冷却を炉外に出さずに炉内で徐
々に冷却すれば、１ｍｍ以上の大きなポアが生じないと
の知見を得て本発明を完成した。

【０００９】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含浸させる金属−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
が、１〜１００μｍの平均粒径を有し、５０％以上の粉
末充填率を有するＳｉＣ粉末から成り、そのプリフォー
ムにアルミニウムを主成分とする合金を７００〜１００
０℃の温度で含浸させた後、炉内で徐冷することを特徴
とする金属−セラミックス複合材料の製造方法（請求項
１）とし、また、（２）前記合金が、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ
系、Ａｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金であることを特徴
とする請求項１記載の金属−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。

【００１０】上記プリフォームとしては、１〜１００μ
ｍの平均粒径を有し、５０％以上の粉末充填率を有する
ＳｉＣ粉末から成るプリフォームとした。粉末の種類を
ＳｉＣとしたのは、ＳｉＣを用いた複合体の熱膨張率が
５〜１０×１０^-6／℃、熱伝導度が１５０ｗ／ｍＫ程度
と低熱膨張性と高熱伝導性を兼ね備えており、機械部品
として付加価値の高いものとなることによる。このＳｉ
Ｃ粉末にＡｌ₂Ｏ₃等の他の粉末を１０％程度までなら、
ＳｉＣを用いた複合体の特性を損なわないので混合して
も差し支えない。

【００１１】上記ＳｉＣ粉末は、通常研磨材、もしくは
耐火物の原料として用いられるものでよく、研磨材であ
れば規格の＃８０００以上の大きさの粒径のものが用い
ることができる。種類としては、グリーン、ブラック等
いずれの種類のものでもよい。ＳｉＣ粉末に混合するＡ
ｌ₂Ｏ₃粉末も同様研磨材、耐火物の原料として用いられ
ているものでよく、種類としては、電融アルミナ、焼結
アルミナ等いずれの種類のものでも使用可能である。そ
の他の粉末としては、シリカ、ムライト等の酸化物、窒
化けい素、窒化アルミニウム、窒化チタン等の窒化物、
炭化チタン、炭化ボロン等の炭化物、ホウ化ジルコニウ
ム、ホウ化チタン等のホウ化物が挙げられ、セラミック
スであればほとんどのものが用いることができる。

【００１２】また、ＳｉＣ粉末の平均粒径を１〜１００
μｍとしたのは、この範囲でないと粉末充填率が５０％
以上の堅固なプリフォームにし難いことによる。さら
に、粉末充填率を５０％以上としたのは、５０％以上で
あれば徐冷により冷却途中でポアが成長しても、１ｍｍ
を超える大きなポアの発生はないことによる。これは、
構成する金属マトリックス相が少なくなるためと思われ
る。５０％より低いと金属マトリックス相が多くなり、
１ｍｍを超えるポアが発生する。

【００１３】上記のプリフォームに金属を含浸する方法
としては、アルミニウムを主成分とする合金を７００〜
１０００℃の温度で含浸させた後、炉内で徐冷すること
とした。金属をアルミニウム合金としのは、ＳｉＣ粉末
に濡れ性がよく好ましいことによる。この合金の含浸温
度は、この範囲より低いと合金が溶解せず、この範囲よ
り高いとアルミニウムとＳｉＣ粉末とが反応し、炭化ア
ルミニウムが生成するので好ましくない。溶解させた後
の冷却は、プリフォームの粉末充填率が高いことによ
り、従来以上にゆっくり冷却しなければならず、炉内で
徐々に冷却することとしたものである。徐冷の速度は製
品の大きさにもよるが１０〜３００℃／ｈ程度が好まし
く、このような徐冷であれば複合材料に亀裂や割れが生
じず、１ｍｍ以上の大きなポアも発生しない。そして１
ｍｍより大きなポアがなければ強度の低下はあまり見ら
れない。

【００１４】プリフォームに含浸させる上記アルミニウ
ム合金としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ系の
アルミニウム合金とした。他の成分を含むアルミニウム
であっても差し支えないが、Ｍｇを含んでいるとＳｉＣ
粉末に対し濡れ性がなおよくなり、スムーズにプリフォ
ーム全体に合金が行き渡り、より好ましくなることによ
る。

【００１５】

【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、先ず強化材として１〜１００μｍの平均粒径
を有するＳｉＣ粉末、またはそれにＡｌ₂Ｏ₃等のセラミ
ックス粉末を１０％以下混合した粉末を用いる。ＳｉＣ
粉末は単一の粒径のものでもよいが、２種類の粒径の粉
末を混合した方が充填率が高くなり成形体の強度が増加
するので望ましい。成形方法は、鋳込法、射出法、プレ
ス法等の慣用の方法で成形でき、以下に鋳込法による例
を述べる。

【００１６】前記したＳｉＣ粉末等に対し、イオン交換
水１０〜５０ｗｔ％程度、バインダーを０．１〜３０ｗ
ｔ％程度、消泡剤を２ｗｔ％程度以下、尿素を２ｗｔ％
程度以下加える。バインダーは、有機バインダーである
と燃えてなくなりプリフォームの強度アップに寄与しな
いので、強度アップに寄与するアルミナ水和物のコロイ
ド液、コロイド状のシリカ等の無機成分のバインダーが
好ましい。バインダーの量は、少ないと作製したプリフ
ォームの強度が小さく複合化する際に支障が生じ、多す
ぎると閉気孔が生じて複合化できない。消泡剤と尿素に
ついては、粉末の種類によって入れたり、入れなかった
りし、例えば、ＳｉＣ粉末であれば消泡剤を入れ、Ａｌ
₂Ｏ₃粉末であれば尿素を入れる。

【００１７】得られた配合物をポットミルなどで１時間
程度以上混合する。ポットミルにボールを入れる場合
は、ボールによって強化材が潰れるため、混合時間は長
くても１００時間程度以下とし、ボールを入れない場合
には、特に限定しない。混合したスラリーは、振動を印
加して沈降成形する。スラリーの粘度は、粘性が高いと
粉末が沈降しないため、１００ポイズ以下が望ましい。
通常はシリコーンゴム型を使用するが、プラスチック、
アルミニウム等の型であってもよく、特に限定はない。
粒子が沈降する間はなるべく振動を加え充填をよくす
る。得られた成形体は冷凍して脱型する。冷凍は水が凍
ればよく温度に限定はない。脱型した成形体を８００〜
１６００℃の温度で焼成してプリフォームを作製する。

【００１８】得られたプリフォームに窒素気流中で非加
圧、あるいは加圧して７００〜１０００℃の温度でＡｌ
−Ｓｉ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金
を含浸させる。含浸させた後、そのまま炉内で１０〜３
００℃／ｈで徐冷する。冷却の際、熱歪の発生を抑える
ためにマトリックスが固化する直前の温度で１〜１０時
間程度保持してもよい。

【００１９】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
の大型部品を作製すれば、１ｍｍより大きいポアが認め
られない金属−セラミックスの複合材料が得られる。

【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）プリフォームの形成 強化材として平均粒径が２０μｍのグリーンＳｉＣ粉末
に対し、イオン交換水を２５ｗｔ％、ＨＮＯ₃で安定化
させた固形分濃度が２０％のコロイド状のアルミナ懸濁
液を１５ｗｔ％、消泡剤（サンノブコ製 フォーマスタ
ーＶＬ）を１．２ｗｔ％加え、ボールを入れてないポッ
トミルで１６時間混合した。得られたスラリーを５００
×３００×３０ｍｍの大きさのシリコーンゴム型に流し
込み、２時間振動を印加して強化材を沈降させ成形し
た。成形後、ゴム型ごと−２５℃に冷却し冷凍して脱型
した。脱型後、１５０℃／ｈの昇温速度で大気雰囲気中
で１１５０℃×８ｈ焼成し、３００℃／ｈの降温速度で
室温まで冷却してプリフォームを作製した。

【００２２】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 得られたプリフォームの上にプリフォームの２倍の重量
のＡｌ−１２Ｓｉ−２Ｍｇの合金を置き、８６０℃窒素
気流中（２リットル／ｍｉｎ：炉内容積０．２０ｍ³）
でプリフォームに合金を含浸させた後、プログラムコン
トローラーで制御して炉内で１００℃／ｈの降温速度で
７００℃まで冷却し、その温度で５時間保持してから再
度１００℃／ｈで室温まで冷却して金属−セラミックス
の複合材料を作製した。

【００２３】（３）評価 得られたプリフォームの嵩密度をアルキメデス法で測定
し、プリフォームの粉末充填率を求めた。また、得られ
た複合材料の強度をＪＩＳ１６０１により曲げ強度で求
めた。さらに、得られた複合材料を研削し、その表面を
顕微鏡で観察しポアの存在を調査した。それらの結果を
表１に示す。

【００２４】（実施例２） （１）プリフォームの形成 強化材として平均粒径が１８μｍのブラックＳｉＣ粉末
をアクリル系バインダーを用いて顆粒（５００μｍ程
度）を作製し、その顆粒を５０×５０×１０ｍｍの大き
さの金型に入れ、１トンの圧力で軽くプレスした後、
１．２トンで静水圧プレスした。この成形体を４５０℃
で５時間脱バインダーした後、７０℃／ｈの昇温速度で
大気雰囲気中で１２５０℃×２ｈ焼成し、１００℃／ｈ
の降温速度で室温まで冷却してプリフォームを作製し
た。

【００２５】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 得られたプリフォームをプリフォームの２倍の重量のＡ
ｌ−１８Ｓｉ−４Ｍｇの合金の上に置き、８１０℃窒素
気流中（１０リットル／ｍｉｎ：炉内容積０．０３
ｍ³）でプリフォームに合金を含浸させた後、炉内で１
５０℃／ｈで室温まで冷却して金属−セラミックスの複
合材料を作製した。

【００２６】（３）評価 得られたプリフォームの粉末充填率と複合材料の曲げ強
度を実施例１と同様に求め、さらに、得られた複合材料
の研削面のポアの存在も同様に調査した。それらの結果
を表１に示す。

【００２７】（実施例３） （１）プリフォームの形成 強化材として平均粒径が１５μｍと５０μｍのグリーン
ＳｉＣ粉末及び平均粒径が１８μｍの電融Ａｌ₂Ｏ₃をそ
れぞれ６０：３２：８の割合で配合し、これに対し、イ
オン交換水を３０ｗｔ％、固形分濃度が４０％のコロイ
ド状のシリカ懸濁液を５ｗｔ％加え、ボールを入れてな
いポットミルで５時間混合した。得られたスラリーを４
００×４００×２０ｍｍの大きさのシリコーンゴム型に
流し込み、５時間振動を印加して強化材を沈降させ成形
した。成形後、ゴム型ごと液体窒素中に静かに漬けて冷
凍して脱型した。脱型後、５０℃／ｈの昇温速度で大気
雰囲気中で１１２０℃×１０ｈ焼成し、１００℃／ｈの
降温速度で室温まで冷却してプリフォームを作製した。

【００２８】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 得られたプリフォームの上にプリフォームの２倍の重量
のＡｌ−４Ｍｇの合金を置き、７８０℃窒素気流中（５
リットル／ｍｉｎ：炉内容積０．２０ｍ³）でプリフォ
ームに合金を含浸させた後、炉内で１００℃／ｈで６４
０℃まで冷却し、その温度で３時間保持してから再度１
００℃／ｈで室温まで冷却して金属−セラミックスの複
合材料を作製した。

【００２９】（３）評価 得られたプリフォームの粉末充填率と複合材料の曲げ強
度を実施例１と同様に求め、さらに、得られた複合材料
の研削面のポアの存在も同様に調査した。それらの結果
を表１に示す。

【００３０】（比較例１） （１）プリフォームの形成 強化材として平均粒径が４８μｍのグリーンＳｉＣ粉末
に対し、イオン交換水を２５ｗｔ％、ＨＮＯ₃で安定化
させた固形分濃度が２０％のコロイド状のアルミナ懸濁
液を１５ｗｔ％、消泡剤（サンノブコ製 フォーマスタ
ーＶＬ）を１．２ｗｔ％加え、ボールを入れてないポッ
トミルで１６時間混合した。得られたスラリーを乾燥
し、その乾燥粉末を５００×３００×３０ｍｍの大きさ
にプレス成形した。脱型後、５０℃／ｈの昇温速度で大
気雰囲気中で１０５０℃×１０ｈ焼成し、１００℃／ｈ
の降温速度で室温まで冷却してプリフォームを作製し
た。

【００３１】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 得られたプリフォームの下にプリフォームの２倍の重量
のＡｌ−１２Ｓｉ−４Ｍｇの合金を置き、８１０℃窒素
気流中（２リットル／ｍｉｎ：炉内容積０．２０ｍ³）
でプリフォームに合金を含浸させた後、炉内で５０℃／
ｈで室温まで冷却して金属−セラミックスの複合材料を
作製した。

【００３２】（３）評価 得られたプリフォームの粉末充填率と複合材料の曲げ強
度を実施例１と同様に求め、さらに、得られた複合材料
の研削面のポアの存在も同様に調査した。それらの結果
を表１に示す。

【００３３】（比較例２） （１）プリフォームの形成 実施例１と同様の方法でプリフォームを形成した。

【００３４】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 得られたプリフォームの下にプリフォームの２倍の重量
のＡｌ−１０Ｓｉ−４Ｍｇの合金を置き、８００℃窒素
気流中（５リットル／ｍｉｎ：炉内容積０．２０ｍ³）
でプリフォームに合金を含浸させた後、炉外に取り出し
放冷で冷却した。

【００３５】（３）評価 得られたプリフォームの粉末充填率と複合材料の曲げ強
度を実施例１と同様に求め、さらに、得られた複合材料
の研削面のポアの存在も同様に調査した。それらの結果
を表１に示す。

【００３６】（比較例３） （１）プリフォームの形成 強化材として平均粒径が２０μｍのグリーンＳｉＣ粉末
に対し、イオン交換水を２５ｗｔ％、ＨＮＯ₃で安定化
させた固形分濃度が２０％のコロイド状のアルミナ懸濁
液を１５ｗｔ％、消泡剤（サンノブコ製 フォーマスタ
ーＶＬ）を１．２ｗｔ％加え、ボールを入れてないポッ
トミルで１６時間混合した。得られたスラリーを１００
×５０×２０ｍｍの大きさのシリコーンゴム型に流し込
み、２時間振動を印加して強化材を沈降させ成形した。
成形後、ゴム型ごと−２５℃に冷却し冷凍して脱型し
た。脱型後、１５０℃／ｈの昇温速度で大気雰囲気中で
１１５０℃×８ｈ焼成し、３００℃／ｈの降温速度で室
温まで冷却してプリフォームを作製した。

【００３７】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 得られたプリフォームの上にプリフォームの２倍の重量
のＡｌ−１２Ｓｉ−２Ｍｇの合金を置き、８６０℃窒素
気流中（２リットル／ｍｉｎ：炉内容積０．０３ｍ³）
でプリフォームに合金を含浸させた後、炉外に取り出
し、放冷で冷却した。

【００３８】（３）評価 得られたプリフォームの粉末充填率と複合材料の曲げ強
度を実施例１と同様に求め、さらに、得られた複合材料
の研削面のポアの存在も同様に調査した。それらの結果
を表１に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１から明らかなように、実施例において
は、プリフォームの粉末充填率が５０％以上で、本発明
に従い徐冷しているので、作製された金属−セラミック
ス複合材料の研削面に１ｍｍを超す大きなポアは認めら
れなかった。また、複合材料の強度は、曲げ強度で３５
０ＭＰａ以上あり、従来（比較例３）と同等の強度を有
していた。これは、１ｍｍを超す大きなポアが生じてい
なかったためと思われる。これに対して比較例１では、
プリフォームの粉末充填率が本発明より低いので、１ｍ
ｍを超すポアが認められ、強度も低下していた。また、
比較例２では、急冷しているため、複合材料に亀裂が入
り、製品を作れなかった。なお、比較例３は、小型部品
で、冷却を急冷とした従来例の結果を示すものである。

【００４１】

【発明の効果】以上の通り、本発明の方法で金属−セラ
ミックス複合材料の大型部品を作製すれば、１ｍｍより
大きいポアが認められない金属−セラミックスの複合材
料が得られるようになった。これにより、従来法による
小型部品と同等の強度を有する金属−セラミックス複合
材料の大型部品が得られるようになった。

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【手続補正書】

【提出日】平成９年２月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３９】

【表１】

───────────────────────────────────────────────────── 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560

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
   ある金属を含浸させる金属−セラミックス複合材料の製
   造方法において、該プリフォームが、１〜１００μｍの
   平均粒径を有し、５０％以上の粉末充填率を有するＳｉ
   Ｃ粉末から成り、その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℃の温度で含浸させ
   た後、炉内で徐冷す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。
2. 【請求項２】 前記合金が、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ
   −Ｍｇ系のアルミニウム合金であることを特徴とする請
   求項１記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。