JPH11172348A

JPH11172348A - 金属−セラミックス複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11172348A
Application number: JP34732797A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Shimojima; 浩正下嶋; Mitsuyoshi Kimura; 光良木村; Kazunari Naito; 一成内藤; Mutsuo Hayashi; 睦夫林; Heishiro Takahashi; 平四郎高橋; Takeshi Higuchi; 毅樋口; Tomikazu Koyama; 富和小山
Original assignee: SERANKUSU KK; Nihon Cement Co Ltd
Current assignee: SERANKUSU KK; Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1997-12-03
Filing date: 1997-12-03
Publication date: 1999-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の金属−セラミックス複合材料は、金属
の浸透時間に長時間を要していた。【解決手段】セラミックス粉末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、該セ
ラミックス粉末が、５０〜８０ｖｏｌ％の粉末充填率を
有し、かつ１〜１５０μｍの平均粒径を有するＳｉＣ、
Ａｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮ粉末から成り、該金属が、Ｔｉを
含むＡｌ−Ｍｇ系から成ることとした金属−セラミック
ス複合材料。上記金属−セラミックス複合材料の製造方
法において、該金属の浸透方法が、Ｔｉ及びＭｇの存在
下でアルミニウム合金を７００〜１０００℃の温度でプ
リフォームに浸透させ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Ａｌ−Ｍｇ系にさらにＴｉを含んだ金属−
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
たセラミックスと金属の複合材料は、セラミックスと金
属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、コストが極めて高いなどの理由により、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、Ｍｇを含む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浸透させる方法
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、しかも、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
法で作製した複合材料は、金属の浸透時間に長時間を要
するという問題があった。この浸透時間は、プリフォー
ムを形成するセラミックス粉末の種類と浸透させるアル
ミニウム金属の種類の組み合わせによってほぼ決まり、
例えば、セラミックス粉末がＡｌ₂Ｏ₃で浸透金属がＡｌ
−Ｍｇ系の組み合わせの場合、３０ｍｍの厚さを浸透す
るのには８０時間が必要であり、ＡｌＮと純Ａｌの場合
には、２５ｍｍの厚さを浸透するには７２時間、ＳｉＣ
とＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系の場合には、やや短いがそれでも
５０ｍｍの厚さを浸透するには７２時間必要としてい
た。

【０００７】これは、例えば高圧を加えて溶融アルミニ
ウムを同じ大きさのプリフォームに押し込む場合には、
数分〜数１０分程度の時間で含浸することができ、前後
の処理を加えてもせいぜい数時間程度の時間で終了する
ことができることから、それに比べ著しく長い。しかも
この間、電気炉は占有されているため、炉の回転率は悪
く、生産性が極めて低くなる。その生産性を上げようと
すれば、炉を数多く設置する必要があり、加圧装置が不
要であるから生産コストが安価になるというメリットが
失われ、逆に生産コストが高くなるという事態になる。

【０００８】本発明は、上述した金属−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、金属の浸透時間を短縮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、プリフォームに浸透
させる金属として、Ａｌ−Ｍｇ系にさらにＴｉを含ませ
た金属とすれば、金属の浸透時間を著しく短縮すること
のできる金属−セラミックス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）セラミックス粉末を
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、該セラミックス粉末が、５０〜８０ｖｏ
ｌ％の粉末充填率を有し、かつ１〜１５０μｍの平均粒
径を有するＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮ粉末から成
り、該金属が、Ｔｉを０．１〜１０重量％含むＡｌ−Ｍ
ｇ系から成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）セラミックス粉末
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、該金属の浸透方法が、Ｔｉ
及びＭｇの存在下でアルミニウム合金を７００〜１００
０℃の温度でプリフォームに浸透させる方法であること
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）Ｔｉ量がアルミニウ
ム合金の０．１〜１０重量％である請求項２記載の金属
−セラミックス複合材料の製造方法（請求項３）とする
ことを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。

【００１１】上記複合材料中のセラミックス粉末として
は、５０〜８０ｖｏｌ％の粉末充填率を有し、かつ１〜
１５０μｍの平気粒径を有するＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃または
ＡｌＮ粉末から成るとし、そのセラミックス粉末に浸透
させた金属としては、Ｔｉを０．１〜１０重量％含むＡ
ｌ−Ｍｇ系から成ることとする金属−セラミックス複合
材料とした（請求項１）。セラミックス粉末の粉末充填
率を５０〜８０ｖｏｌ％としたのは、５０ｖｏｌ％より
低いとプリフォームが形成し難く、８０ｖｏｌ％を超え
るとプリフォーム中の空隙が狭く、金属の浸透が難しく
なることによる。また、セラミックス粉末をＳｉＣ、Ａ
ｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮ粉末としたのは、これら粉末が金属
に浸透され易いことによる。さらに、それら粉末の平均
粒径を１〜１５０μｍとしたのは、１μｍより細かいと
アルミニウムの浸透が難しくなり、１５０μｍより粗い
とプリフォームの形成が難しくなることによる。

【００１２】一方、浸透させた金属をＴｉを０．１〜１
０重量％含むＡｌ−Ｍｇ系としたのは、従来のＡｌ−Ｍ
ｇ系だけでは浸透時間が長く、これにＴｉを含ませるこ
とにより、浸透時間がＡｌ−Ｍｇ系より著しく短くなる
ことによる。このＴｉについては、特願平９−３４２８
２で示す通り、Ｍｇと同様含浸促進剤としての効果を有
する金属であって、Ｍｇがなくても非加圧で金属を浸透
することができる金属である。このＴｉとＭｇについて
は、従来は各々単独で使用されていたので、金属の浸透
を促進させる効果としてはそれぞれ限定されたものに過
ぎなかったが、これを共用すると単独よりはるかに大き
い促進効果を持つことが判明した。共用すると促進効果
を一段と高める理由は未だ解明されていないが、恐らく
相乗しあって浸透を早めるのではないかと推測される。
なお、Ｔｉの含有量については後述による。

【００１３】その複合材料の製造方法としては、金属の
浸透方法を、Ｔｉ及びＭｇの存在下でアルミニウム合金
を７００〜１０００℃の温度でプリフォームに浸透させ
る方法とする金属−セラミックス複合材料の製造方法と
した（請求項２）。この製造方法は、前述したようにＭ
ｇにさらにＴｉを含んだアルミニウム合金を金属とする
ことにより、浸透時間を著しく短縮させるものである。
そのＴｉをアルミニウム中に含ませるのは、Ｍｇと同様
プリフォームと金属との間にＴｉを含む金属粉末を敷き
粉として介在させることで、またはプリフォーム中にＴ
ｉを含む金属粉末を含有させることで、あるいは金属中
にＴｉを含むアルミニウム合金を用いることで、もしく
はこれらを組み合わせることでＴｉを含ませることがで
き、最終的に浸透させる溶融Ａｌ中にＭｇにさらにＴｉ
を含ませることができればいずれの方法でも構わない。

【００１４】この内、敷き粉については、篩などを用い
てできるだけ均一に振り撒くことが望ましく、量が足り
なくて均一に振り撒くことができない場合には、Ａｌ₂
Ｏ₃、ＳｉＣ、ＡｌＮ等のセラミックス粉末と十分に混
合し、増量したものを用いてもよい。この場合、推奨さ
れるセラミックス粉末としては、＃９０程度の比較的粗
めの粉末１００重量部に対し、Ｍｇ金属もしくはＭｇＡ
ｌ合金粉末を５〜２０重量部、純Ｔｉ金属もしくは水素
化チタン粉末を１〜１０重量部添加した混合粉末が適し
ている。

【００１５】そのＴｉの含有量としては、アルミニウム
合金中に０．１〜１０重量％となる量を含めばよく、そ
れより少ないと促進効果が小さく、多いと材料特性を劣
化させる恐れがあり、敷き粉に用いる場合でも、プリフ
ォーム中に含ませる場合でも、あるいはアルミニウム合
金中に含ませる場合でも、いずれの場合でも合計量で上
記範囲に収まればよい。なお、Ｍｇについては、これも
従来通り、Ｔｉと同様敷き粉中に、またはプリフォーム
中に、あるいはアルミニウム金属中に適量含ませればよ
く、特にアルミニウム金属中に含む場合には、Ｍｇの他
にＳｉなどの金属を含んだアルミニウム金属でも構わな
い。

【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、先ず強化材として１〜１５０μｍの平均粒径
を有するＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮ粉末を用意す
る。これら粉末に無機バインダーを、必要があればＭｇ
またはＴｉもしくはＭｇとＴｉを含んだ粉末を加えて混
合する。混合方法は均一に混合できればどんな方法でも
構わない。但し、Ｍｇを含む場合には、乾式法であるい
は有機溶媒中で混合する必要がある。

【００１７】得られた混合物を成形する。成形方法は、
沈降成形、射出成形、ＣＩＰ成形などがあるが、いずれ
の方法でも構わない。要は非加圧で金属を浸透するのに
プリフォームの形態を保つことができ、かつ浸透を阻害
しない方法であれば何でもよい。その一例として沈降成
形について述べると、例えば、上述のセラミック粉末と
金属粉末にアンモニウムシリケートなどのバインダーを
３〜１０重量％、イオン交換水を２０〜４０重量％、そ
の他必要に応じて消泡剤などを若干加え、ポットミルで
湿式混合する。但しこの場合にもＭｇを含む場合には水
に代えて有機溶媒が必要である。混合したスラリーを振
動しながら鋳込み成形する。鋳型は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。それを冷凍して脱型
し、成形体を得る。

【００１８】得られた成形体を、３００〜１６００℃の
温度で焼成してプリフォームを形成する。形成したプリ
フォームの上面に必要があればＭｇを含む金属粉末また
はＴｉを含む金属粉末もしくはＭｇとＴｉを含む金属粉
末を篩等を用いて振り撒いて敷き、その上にＡｌ−Ｍｇ
系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｔｉ系または純度が９９％以上のＡｌ
等のアルミニウム金属を置き、窒素気流中で非加圧で７
００〜１０００℃の温度で溶融し、その溶融金属をプリ
フォームに浸透させた後、冷却して複合材料を作製す
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、金属の浸透時間が著しく短縮された金属
−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）プリフォームの形成強化材として＃３２０のＡｌ₂Ｏ₃粉末７０重量部と＃６
００のＡｌ₂Ｏ₃粉末３０重量部の混合粉末を用い、それ
にバインダーとしてコロイダルシリカ液をそのシリカ固
形分がセラミックス粉末１００重量部に対し２重量部に
なる量を添加し、さらにイオン交換水を３０重量部加
え、ポットミルで１６時間混合した。得られたスラリー
を５３×５３×長さ１０３ｍｍの成形体が得られるシリ
コンー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時間焼成してプリフォーム
を形成した。

【００２２】（２）複合材料の作製そのプリフォームの上面に＃９０のＡｌ₂Ｏ₃粉末１００
重量部に対し、Ｍｇ金属粉末１０重量部及びＴｉ金属粉
末３重量部加えた混合粉末を篩を用いて敷き、さらにそ
の上に１．２倍量の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５０時間非
加圧浸透させた後、徐冷して金属−セラミックス複合材
料を作製した。

【００２３】（３）評価得られた複合材料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。その結果、６５ｖｏｌ％であっ
た。また、得られた複合材料を切断し、切断面を目視で
観察して金属の浸透状態を調べた。その結果、金属は欠
陥もなく完全に浸透されていた。

【００２４】（実施例２）（１）プリフォームの形成強化材として＃３２０のＡｌ₂Ｏ₃粉末７０重量部と＃６
００のＡｌ₂Ｏ₃粉末３０重量部の混合粉末を用い、それ
にバインダーとしてコロイダルシリカ液をそのシリカ固
形分がセラミックス粉末１００重量部に対し２重量部に
なる量を添加し、さらにイオン交換水を３０重量部加
え、ポットミルで１６時間混合した。得られたスラリー
をφ３６×長さ７６０ｍｍの成形体が得られるシリコン
ー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時間焼成してプリフォームを
形成した。

【００２５】（２）複合材料の作製そのプリフォームの上面に＃９０のＡｌ₂Ｏ₃粉末１００
重量部に対し、Ｍｇ金属粉末１０重量部加えた混合粉末
を篩を用いて敷き、さらにその上に１．１倍量のＡｌ−
７Ｍｇ−３Ｔｉ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４５時間非加圧浸透させた
後、徐冷して金属−セラミックス複合材料を作製した。

【００２６】（３）評価得られた複合材料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。その結果、６５ｖｏｌ％であっ
た。また、得られた複合材料を切断し、切断面を目視で
観察して金属の浸透状態を調べた。その結果、金属は欠
陥もなく完全に浸透されていた。

【００２７】（比較例１）比較としてプリフォーム上に
敷く敷き粉にＴｉ金属粉末を加えない敷き粉を用いる他
は実施例１と同様にプリフォームを形成し、複合材料を
作製し、評価した。その結果、５０時間の浸透時間では
完了しなかった。これを別に９６時間浸透させたが、こ
れでも浸透は完了しなかった。

【００２８】（比較例２）さらに、比較としてプリフォ
ーム上に置く合金にＴｉを加えないＡｌ−７Ｍｇ組成の
合金を用いる他は実施例２と同様にプリフォームを形成
し、複合材料を作製し、評価した。その結果、４５時間
の浸透時間では完了しなかった。これを別に７２時間浸
透させたが、これでも浸透は完了しなかった。このこと
は、アルミニウム金属にＭｇにさらにＴｉを含ませれ
ば、浸透時間が著しく短縮されることを示している。

【００２９】

【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、金属の浸透時間を著しく短縮する
ことのできる金属−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。このことにより、従来欠点であっ
た浸透時間の長さを大幅に改善することができるように
なり、生産コストを大幅に低減できるようになった。

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)発明者樋口毅東京都東久留米市氷川台１−３−９ (72)発明者小山富和東京都北区浮間１−３−１−805

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス粉末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、該セ
ラミックス粉末が、５０〜８０ｖｏｌ％の粉末充填率を
有し、かつ１〜１５０μｍの平均粒径を有するＳｉＣ、
Ａｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮ粉末から成り、該金属が、Ｔｉを
０．１〜１０重量％含むＡｌ−Ｍｇ系から成ることを特
徴とする金属−セラミックス複合材料。
【請求項２】セラミックス粉末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、該金属の浸透方法が、Ｔｉ及びＭｇの存在下でア
ルミニウム合金を７００〜１０００℃の温度でプリフォ
ームに浸透させ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】Ｔｉ量がアルミニウム合金の０．１〜１
０重量％である請求項２記載の金属−セラミックス複合
材料の製造方法。