JPH11241130A

JPH11241130A - 金属−セラミックス複合材料の製造方法

Info

Publication number: JPH11241130A
Application number: JP6040198A
Authority: JP
Inventors: Heishiro Takahashi; 平四郎高橋; Hiromasa Shimojima; 浩正下嶋; Kazunari Naito; 一成内藤; Mitsuyoshi Kimura; 光良木村; Mutsuo Hayashi; 睦夫林; Takeshi Higuchi; 毅樋口; Tomikazu Koyama; 富和小山
Original assignee: SERANKUSU KK; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: SERANKUSU KK; Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 1999-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】従来、含浸促進材を含んだプリフォームを乾
式で形成できなかった。【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、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ
またはＡｌＮのセラミックス粉末にバインダーとして有
機けい素化合物を加え、これに含浸促進材をＭｇ換算で
２〜１０重量％加えて乾式で混合し、得られた混合粉末
を常温または熱を負荷した１軸加圧成形する方法である
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の製造方法に関
し、特にプリフォームを形成して成る金属−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】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含浸させる方法
である。これは、ＭｇとＮ₂との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
法でのプリフォームの形成は、セラミックス粉末にバイ
ンダーと水を加え、分散させてスラリーとし、これを型
内に鋳込むことで、あるいはそのスラリーを乾燥して得
られた粉末を乾式加圧成形することで成形していた。し
かし、Ｍｇが水と反応するため、金属の浸透時間を早め
るためのＭｇを含む含浸促進材を予めプリフォーム中に
含ませることはできなかった。

【０００７】これを解決するため、含浸促進材をプリフ
ォーム上面に敷き粉として敷くことで対応していた。し
かし、この方法では、敷き粉中のＭｇは金属の浸透の進
行につれてプリフォーム内に進入していくしかなく、浸
透時間の短縮にはやはり十分でなかった。また、その進
入が何らかの理由で不均一になると未含浸部分が生じる
恐れがあった。

【０００８】本発明は、上述した金属−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、含浸促進材を含むプリフォームを形
成することができる金属−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。

【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、バインダーに有機け
い素化合物を用いれば、含浸促進材をプリフォーム中に
含ませ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。

【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、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣまたはＡｌＮのセラミックス粉末
にバインダーとして有機けい素化合物を加え、これに含
浸促進材をＭｇ換算で２〜１０重量％加えて乾式で混合
し、得られた混合粉末を乾式加圧成形する方法であるこ
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１）とし、また、（２）乾式加圧成形が、常温
または熱を負荷した１軸加圧成形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。

【００１１】上記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、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣまたはＡｌＮの
セラミックス粉末にバインダーとして有機けい素化合物
を加え、これに含浸促進材をＭｇ換算で２〜１０重量％
加えて乾式混合し、得られた混合粉末を乾式加圧成形す
る方法とした（請求項１）。セラミックス粉末をＳｉ
Ｃ、Ａｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮ粉末としたのは、これら粉末
が金属に含浸され易いことによる。

【００１２】バインダーを有機けい素化合物としたの
は、このバインダーが結合剤として極めて強く働くた
め、含浸促進剤を含むセラミックス粉末を乾式で加圧成
形しても、成形した成形体の保形力が十分となり、得ら
れた成形体がプリフォームとして十分使えることができ
ることによる。その有機けい素化合物としては、ポリカ
ルボシラン、ポリシラザン等が挙げられる。

【００１３】含浸促進材の量をＭｇ換算で２〜１０重量
％としたのは、２重量％より少ないと、含浸促進効果が
不十分となり、未含浸などの不良が発生し易い。Ｍｇの
量が多くなればなるほど金属の浸透は促進されるが、１
０重量％より多いと、浸透速度が一定でなくなり、未含
浸となる場合が多くなる。また、多すぎるとＭｇがその
ままマトリックス中に残存することがあり、複合材料の
特性、特に耐熱性を劣化させる。

【００１４】乾式で成形する方法としては、常温または
熱を負荷した１軸加圧成形とした（請求項２）。１軸加
圧成形としたのは、ＣＩＰ（静水圧加圧成形）などの乾
式加圧成形でも構わないが、この方法が、小型部品の量
産化に適していることによる。これにより、含浸促進材
をセラミックス粉末と共に乾式混合することができ、そ
の混合粉末を乾式加圧成形することにより、含浸促進材
を分散させたプリフォームを形成することができるよう
になり、その結果、プリフォームへの金属の浸透時間を
大幅に早めることができるようになる。

【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ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃またはＡ
ｌＮのセラミックス粉末を用意する。これら粉末にバイ
ンダーとしてポリカルボシラン、ポリシラザンなどの有
機けい素化合物を加え、それに含浸促進材をＭｇ換算で
２〜１０重量％加えて乾式混合する。有機けい素化合物
の添加量としては、２〜１０重量％が適当で、これより
少ないと成形したプリフォームの保形力が不足し、多す
ぎても保形力には寄与せず、不純物として増すだけでな
く、浸透速度が不均一な部分にポアが残存する恐れがあ
る。また、バインダーが高価なため、工業的に適さな
い。さらに、セラミックス粉末の充填率が下がるため、
所定の特性が出しにくい。

【００１６】得られた混合粉末を常温または熱を負荷し
た状態で一軸加圧成形してプリフォームを形成する。成
形が常温の場合には、有機けい素のバインダー効果を発
揮させるために成形後加熱する必要がある。熱プレスで
は成形後の加熱が不要なので、その分手間が省け、有利
である。

【００１７】得られたプリフォームの上にアルミニウム
合金を置き、窒素気流中で非加圧で７００〜１０００℃
の温度でアルミニウム合金を浸透させ、冷却して複合材
料を作製する。

【００１８】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
を作製すれば、含浸促進材を含むプリフォームを形成す
ることができ、その結果、金属の浸透時間を極めて早く
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。

【００１９】

【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。

【００２０】（実施例１〜３）（１）プリフォームの形成強化材として表１に示すセラミックス粉末に、バインダ
ーとして有機けい素（三洋化成社製）を３．０重量％を
添加し、それに含浸促進材としてＡｌ−Ｍｇ（重量比
４：６）金属粉末を表１に示す量加え、ポットミルで１
２時間乾式混合した。得られた混合粉末を４００×３０
０×深さ５０ｍｍの金型に充填し、圧力０．０５ｔｏｎ
／ｃｍ²、温度２００℃で１０分間保持して１軸加圧成
形し、４００×３００×厚さ４０ｍｍのプリフォームを
形成した。

【００２１】（２）複合材料の作製形成したプリフォームに表１に示すアルミニウム合金を
組み合わせ、電気炉に入れ、窒素気流中で８２５℃で
５．０時間非加圧浸透させた後、冷却して金属−セラミ
ックス複合材料を作製した。

【００２２】（３）評価得られた複合材料を切断し、その切断面を目視観察し、
引け鬆の状態、未含浸等の欠陥の有無を調べた。その結
果を表１に示す。

【００２３】（比較例１〜４）比較のために、含浸促進
材の添加量を本発明の範囲外にした他は実施例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。その結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１から明らかなように、実施例１〜３に
おいては、引け鬆や欠陥が認められなかった。このこと
は、乾式成形であっても含浸促進材を含ませたプリフォ
ームを問題なく形成することができ、その結果、金属の
浸透時間を５時間と従来の４０時間程度の時間に比べて
極めて短くしても問題のない複合材料が得ることができ
ることを示している。

【００２６】これに対して比較例１では、含浸促進材が
少なすぎたため、未含浸部分はないものの、引け鬆が認
められた。また、比較例２、３では、これも含浸促進材
が少なすぎたため、未含浸部分の欠陥が認められ、引け
鬆も認められた。さらに、比較例４では、含浸促進材が
多すぎてこれも未含浸部分の欠陥が認められ、引け鬆も
認められた。

【００２７】

【発明の効果】以上の通り、本発明の金属−セラミック
ス複合材料の製造方法であれば、含浸促進材を含んだプ
リフォームを乾式で形成できるようになり、その結果、
金属の浸透時間を大幅に短縮できるようになった。この
ことにより、従来の湿式成形に比べ、工程が少なく、か
つ自動化し易いので、特に小型部品の量産化に及ぼす効
果が大きいことを示すことができた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木村光良東京都新宿区大京町７−201 (72)発明者林睦夫埼玉県浦和市大牧560 (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、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ
またはＡｌＮのセラミックス粉末にバインダーとして有
機けい素化合物を加え、これに含浸促進材をＭｇ換算で
２〜１０重量％加えて乾式で混合し、得られた混合粉末
を乾式加圧成形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】乾式加圧成形が、常温または熱を負荷し
た１軸加圧成形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。