JPH1161291A - 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、特に深穴等の貫通穴の加工が難しかった。 【解決手段】 複合材料の一部が５〜４０ｖｏｌ％の繊
維充填率を有するセラミックスファイバーから成り、そ
の他の部分が４０〜８０ｖｏｌ％の粉末充填率を有する
ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃もしくはＡｌＮ粉末から成ることとし
た金属−セラミックス複合材料。セラミックス粉末に金
属を浸透させる金属−セラミックス複合材料の製造方法
であって、該金属を浸透させる方法が、あらかじめ形成
した複数のプリフォームの間に、あるいは型枠内に充填
したセラミックス粉末の間にセラミックスファイバーボ
ードを挿入し、そのファイバーボードを含んだプリフォ
ーム、あるいはセラミックス粉末にアルミニウムを主成
分とする合金を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】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、この方法で作製
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、この複
合材料は、精密な機械部品などを作製する場合には、高
精度な面やネジ穴などが要求され、また厳密なはめあい
などが要求されることが多く、これらを達成するために
はニアネット成形が可能とはいうものの、さらに高精度
な加工が必要であり、その加工をするためにはセラミッ
クスが複合されている故、加工性に劣りコストが高くな
るという問題がある。

【０００７】そして、これらの問題は、セラミックスの
含有率により大きな違いがある。セラミックスの含有率
が４０ｖｏｌ％以下であると切削加工ができるので、加
工はそれほど難しくなく、通常の金属と同様フライス盤
による面加工、溝掘りなどが、ボール盤による穴開けな
どが、タップによるネジ切りなどが可能であり、コスト
は高くなるもののそれほどではなかった。ところがセラ
ミックスの含有率が４０ｖｏｌ％を超えると切削加工し
難くなり、やむを得ずダイヤモンドを電着ないしはレジ
ン接合した砥石による研削加工で対応せざるを得なく、
この研削加工がコストを異常に高くしていた。その理由
は、ワンパスで削り取れる量が切削する部分の数十分の
１に過ぎないため、加工能率が悪く、機械の稼働時間が
長くなることなどであり、それらが大きな原因となって
いる。特にネジ切りでは、マシニングセンターに算盤玉
形状の砥石を備え、螺旋状にネジ溝を掘る、いわゆるヘ
リカル研削という方法を採らざるを得なく、ほぼ瞬時に
ネジが切れるタッピングに比べ極めて高いコストになっ
ている。また、マトリックスを形成するアルミニウム合
金は軟らかく、この研削に用いる砥石をすぐ目詰まりさ
せることから、頻繁に目立てする必要があり、これもコ
ストアップの一因となっている。

【０００８】さらに著しく困難な加工の例としては、奥
行きの深い穴や長い貫通穴の穴開けが挙げられる。これ
は、複合材料中に含まれるセラミックス粉末が工具鋼は
もとより一般の超硬材よりも硬いため、たとえ超硬製の
ガンドリルを使用しても、これを摩耗してしまうからで
ある。それがために、セラミックスの含有率が高くなれ
ばなるほど穴開けは困難となり、かつ穴の精度も悪くな
り、含有率が４０ｖｏｌ％を超えると穴開けはほとんど
不可能となる。これらの深穴はプリフォームの段階で開
けることも考えられるが実際は容易ではなく、複合材料
の製造に際して大きな問題点の一つとなっていた。

【０００９】本発明は、上述したセラミックスの含有率
が４０ｖｏｌ％を超える金属−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、
容易にかつ安価に加工することができる金属−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。

【００１０】

【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、複合材料中の加工が
必要な個所に、加工し易い部分を形成し、その部分を加
工することにより、容易にかつ安価に加工できる複合材
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。

【００１１】即ち本発明は、（１）セラミックス繊維ま
たは粉末に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、４０〜８０ｖｏｌ
％の粉末充填率を有するＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃もしくはＡｌ
Ｎ粉末から成り、かつ複合材料の一部が、５〜４０ｖｏ
ｌ％の繊維充填率を有するセラミックスファイバーから
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）セラミックスファイバ
ーが、ＳｉＯ₂を４９％以下含むセラミックスファイバ
ー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（請求項２）とし、さらに、（３）セラ
ミックス繊維または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
金属を浸透させる方法が、あらかじめ形成した複数のプ
リフォームの間にセラミックスファイバーボードを挿入
し、そのファイバーボードを含む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）セラミックス粉末を型枠に充填し、そのセラ
ミックス粉末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、該金属を浸透さ
せる方法が、充填するセラミックス粉末の間にセラミッ
クスファイバーボードを挿入し、そのファイバーボード
を含むセラミックス粉末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）とし、そしてまた（５）セラミックス
ファイバーボードが、ＳｉＯ₂を４９％以下含むセラミ
ックスファイバーから成るボードであることを特徴とす
る請求項３または４記載の金属−セラミックス複合材料
の製造方法（請求項５）とすることを要旨とする。以下
さらに詳細に説明する。

【００１２】上記複合材料としては、そのプリフォーム
が、４０〜８０ｖｏｌ％の粉末充填率を有するＳｉＣ、
Ａｌ₂Ｏ₃もしくはＡｌＮ粉末から成るとし、その複合材
料中の一部が、５〜４０ｖｏｌ％の繊維充填率を有する
セラミックスファイバー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）。複合材料中の一
部をセラミックスファイバーにすることにより、その部
分が極めて高い空隙率（または低い充填率）となり、容
易にかつ安価に加工できるようになる。繊維充填率を低
くすればするほど加工し易くなるが、充填率が５ｖｏｌ
％より低くなると金属の浸透前の強度が弱くなるため、
ハンドリングしづらくなり好ましくなく、４０ｖｏｌ％
を超えると加工が難しくなるが、それ以上に繊維である
が故に４０ｖｏｌ％より高くすることは難かしい。セラ
ミックス粉末をＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃あるいはＡｌＮ粉末と
したのは、これら粉末が金属の浸透に適していることに
よる。

【００１３】そのセラミックスファイバー中のＳｉＯ₂
の含有量を４９％以下とした（請求項２）。ファイバー
中のＳｉＯ₂含有量を制限したのは、ＳｉＯ₂は溶融アル
ミニウムと反応して金属Ｓｉとなり、それがマトリック
ス中に不純物として残存し、複合材料の強さや靱性など
の機械的特性を劣化させる恐れがあるからであり、その
含有量が４９％以下であれば、機械的特性の劣化は少な
い。ＳｉＯ₂の含有量が少ないと耐熱性が向上するの
で、少ないほど好ましくなるが、反面高価になるため、
ＳｉＯ₂の含有量に応じた特性をよく把握し、それに応
じた用途に使い分けるのがよい。なお、請求項５におい
ても同様である。

【００１４】その複合材料の製造方法としては、プリフ
ォームを形成する場合、金属を浸透させる方法を、あら
かじめ形成した複数のプリフォームの間にセラミックス
ファイバーボードを挿入し、そのファイバーボードを含
むプリフォームにアルミニウムを主成分とする合金を７
００〜１０００℃の温度で浸透させる方法とする製造方
法とした（請求項３）。これは、加工する部分をプリフ
ォームに代えて充填率の低いセラミックスファイバーボ
ードに代えることにより、その部分を加工し易くするも
のである。加工する部分は充填率が低く、しかも他の部
分のセラミックス粉末と異なっているが、全体が強固な
プリフォームで成り立っているので、そのプリフォーム
に金属を浸透させれば、その形態を保ったままの金属と
セラミックス粉末及びセラミックスファイバーとが一体
化した複合材料となる。

【００１５】一方、型枠にセラミックス粉末を充填する
場合には、金属を浸透させる方法を、型枠内に充填する
セラミックス粉末の間にセラミックスファイバーボード
を挿入し、そのファイバーボードを含むセラミックス粉
末にアルミニウムを主成分とする合金を７００〜１００
０℃の温度で浸透させる方法とする製造方法とした（請
求項４）。これは、加工する部分をセラミックス粉末に
代えて前記したと同様充填率の低いセラミックスファイ
バーボードに代えることにより、その部分を加工し易く
するものである。そしてこれも全体が強固な型枠で成り
立っているので、そのセラミックス粉末に金属を浸透さ
せれば、金属とセラミックス粉末及びセラミックスファ
イバーとが一体化した複合材料となる。

【００１６】その金属の浸透については、アルミニウム
を主成分とする合金を窒素気流中で非加圧で７００〜１
０００℃の温度で浸透させる。浸透された金属は、充填
率の別なく連続して浸透しているので、充填率の低い箇
所を含めて完全に一体化されており、充填率の異なる境
目に亀裂やガタが生じる恐れはない。加工を容易にする
一つの方法として、加工する部分に易加工性の金属を埋
め込む、ないしはヘリサートするという方法があるが、
この方法では、埋め込まれた金属が単に物理的な力で支
えられているだけで他の部分と連続していないので、長
期の使用や温度変化によって境目に剥離やガタを生じる
心配がある。また、加工しない部分の大部分は、粉末充
填率が一定であるので、材料特性はほとんど変わらな
い。

【００１７】

【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もしくは
ＡｌＮ粉末を用意する。プリフォームを作製する場合に
は、これら粉末に無機バインダーを、必要があれば有機
バインダーを加えて混合する。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。

【００１８】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、セラミックス粉末にアン
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。混合の効率を上げるため、多少の媒体を入れてもよ
いが、その場合には、セラミックス粉末の破砕が進まな
い１０時間以内の混合とするのがよい。混合したスラリ
ーは、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。鋳込んだ後
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。それを冷凍して脱型し、成形体を得る。

【００１９】得られた成形体は、９００〜１１００℃の
温度で焼成して複数のプリフォームを形成する。その複
数のプリフォームの間を加工する個所とするため、間に
セラミックスファイバーから成るボード、例えばアルミ
ナから成るファイバーボードを挿入する。プリフォーム
とボードは必要があれば接着してもよい。その場合はプ
リフォーム用スラリーに有機ないし無機の接着剤を適当
量混ぜたものを用いるとよい。ボードを挟んだプリフォ
ームの上部あるい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７００〜１０００℃
の温度で合金を浸透させ、冷却する。用いるアルミニウ
ム金属にはＡｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系などのＭｇ
を含んだものを使用した方が浸透は容易であるが、これ
に限定されるものではなく、最終製品に要求される物性
を劣化させる元素が含まれていないアルミニウム合金で
あれば何を用いてもよい。

【００２０】一方、セラミックス粉末を型枠に充填する
場合は、前記したセラミックス粉末を先ず型枠内に充填
し、そのセラミックス粉末中の加工を必要とする個所に
ファイバーボードを挿入し、セラミックス粉末をさらに
充填し、ボードをセラミックス粉末中に固定する。その
型枠上部からプリフォームの場合と同様金属を浸透させ
る。型枠に用いる材料としては、グラフォイル等溶融金
属との濡れ性が悪く、浸透を阻害するものが良く、浸透
後の脱型が容易になる。

【００２１】以上の方法で材料の一部に繊維充填率の低
い箇所を設けた金属−セラミックス複合材料を作製すれ
ば、その部分が加工し易くなるので、深穴等の貫通穴を
容易にかつ安価に加工できる金属−セラミックス複合材
料とすることができる。

【００２２】

【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。

【００２３】（実施例１） （１）プリフォームの形成 強化材として＃１８０（平均粒径が６６μｍ）の市販Ｓ
ｉＣ粉末を７０重量部、＃８００（平均粒径が１４μ
ｍ）の市販ＳｉＣ粉末を３０重量部配合し、その粉末に
対し、バインダーとしてコロイダルシリカ液を１０重量
部（シリカ分が２重量部となる量）添加し、それに消泡
剤としてフォーマスタＶＬ（サンノブコ社製）を０．２
重量部、イオン交換水を２４重量部加え、媒体を入れて
ないポットミルで１２時間混合した。得られたスラリー
を２００×２００×厚さ２０ｍｍの成形体ができるシリ
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
られた冷凍品を脱型し、１０５０℃で３時間焼成し、２
００×２００×厚さ２０ｍｍのプリフォームを２枚形成
した。

【００２４】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 次に繊維充填率が１５ｖｏｌ％で、ＳｉＯ₂の含有量が
３％（残りＡｌ₂Ｏ₃）のファイバーボードから２００×
２００×厚さ２０ｍｍの板１枚を切り出し、これを上述
のプリフォームの間に挿入し、プリフォームの上にＡｌ
−１２Ｓｉ−５Ｍｇ−４Ｃｕ−５Ｚｎ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２４時
間非加圧浸透させ金属−セラミックス複合材料を作製し
た。

【００２５】（３）評価 得られた複合材料の加工する部分とそれ以外の部分を切
り出し、切り出し部の嵩密度をアルキメデス法で測定
し、金属と強化材の比重を基に繊維充填率と粉末充填率
を求めた。その結果、加工する部分の繊維充填率は変化
せず１５ｖｏｌ％であり、それ以外の部分の粉末充填率
は７０ｖｏｌ％であった。また、得られた複合材料の加
工する部分を含め切断し、その切断面の加工する部分と
それ以外の部分の境目を中心に目視で観察し、切断面の
状態を調べた。その結果、ファイバーボードを含め金属
が完全に浸透し、境目の欠陥も認められず、完全に一体
化していた。さらに、加工する部分の中央部にφ１０ｍ
ｍの超硬製のドリルで穴開けを行ったところ、容易に貫
通穴ができた。

【００２６】（実施例２） （１）セラミックス粉末の充填 強化材として平均粒径が１５μｍのシリカコーティング
したＡｌＮ粉末（ダウケミカル社製）９４重量部に対
し、含浸促進材としてＡｌ−Ｍｇ（重量比４：６）混合
粉末を６重量部添加し、媒体を入れてないポットミルで
１２時間乾式混合した。得られた粉末を内寸法が４８０
×４８０×深さ６０ｍｍのカーボン製の型枠内に底面か
ら２０ｍｍの高さまでタッピング充填した。その上に４
８０×４８０×厚さ２０ｍｍに切り出した繊維充填率が
１０ｖｏｌ％で、ＳｉＯ₂の含有量が３％（残りＡｌ₂Ｏ
₃）のファイバーボードを置き、さらにその上にＡｌＮ
粉末を型枠上面までタッピング充填した。

【００２７】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 充填した型枠の上部にＡｌ−２Ｍｇ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２４時間
非加圧浸透させ金属−セラミックス複合材料を作製し
た。

【００２８】（３）評価 得られた複合材料の繊維充填率と粉末充填率を実施例１
と同様に求めた。また、得られた複合材料の切断面の状
態も実施例１と同様に調べた。その結果、加工する部分
の繊維充填率は１０ｖｏｌ％であり、その他の部分の粉
末充填率は５０ｖｏｌ％であった。また、切断面は、実
施例１と同様ファイバーボードを含め金属が完全に浸透
し、境目の欠陥も認められず、完全に一体化していた。
さらに、加工する部分にφ１０ｍｍの超硬製のドリルで
穴開けを行ったところ、これも実施例１と同様容易に貫
通穴ができた。このことは、実施例１を含め深穴等の貫
通穴を容易に加工でき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、この複合材料中に加工し易い繊維
充填率の低い箇所が設けられていることから、その部分
を加工することにより、容易にかつ安価に深穴等の貫通
穴を加工ができる金属−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具備しながら、大幅な加工コスト
の低減を可能にした加工性に優れた複合材料とすること
ができ、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 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 (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス繊維または粉末に金属を浸
   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、４０〜８０ｖｏｌ％の粉末充填率を有
   するＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃もしくはＡｌＮ粉末から成り、か
   つ複合材料の一部が、５〜４０ｖｏｌ％の繊維充填率を
   有するセラミックスファイバーから成ることを特徴とす
   る金属−セラミックス複合材料。
2. 【請求項２】 セラミックスファイバーが、ＳｉＯ₂を
   ４９％以下含むセラミックスファイバーであることを特
   徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材料。
3. 【請求項３】 セラミックス繊維または粉末を強化材と
   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、該金属を浸透させる方法が、あらかじ
   め形成した複数のプリフォームの間にセラミックスファ
   イバーボードを挿入し、そのファイバーボードを含むプ
   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】 セラミックス粉末を型枠に充填し、その
   セラミックス粉末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、該金属を浸
   透させる方法が、充填するセラミックス粉末の間にセラ
   ミックスファイバーボードを挿入し、そのファイバーボ
   ードを含むセラミックス粉末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。
5. 【請求項５】 セラミックスファイバーボードが、Ｓｉ
   Ｏ₂を４９％以下含むセラミックスファイバーから成る
   ボードであることを特徴とする請求項３または４記載の
   金属−セラミックス複合材料の製造方法。