JPH1180859A - 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、メタ
ルベインが発生し易く、機械的特性に劣っていた。 【解決手段】 セラミックス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、Ａｌ₂Ｏ₃粉末にＳｉ₃Ｎ₄粉末を５〜４０重量％混
合した粉末であることとした金属−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粉末にＳｉ₃Ｎ₄粉末を５〜４０
重量％あらかじめ混合し、その混合した粉末に、無機バ
インダーを加えて沈降成形法で成形した成形体を焼成す
る方法であり、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、特に機械的特性に優れた金属−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^3/2、熱伝導度で１７０ｗ／ｍ℃の特性を有するＳｉ
Ｃ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、強化材
にＡｌ₂Ｏ₃粉末を用いた複合材料は、他のセラミックス
粉末を用いたものに比べ、強さや破壊靱性などの機械的
特性に優れており、極めて破損し難いため、搬送用部材
等荷重や衝撃が掛かる用途を中心とした適用範囲の広い
優れた材料であるが、この複合材料は、以下の理由でメ
タルベインが発生し易いという問題があった。

【０００７】ここでメタルベインについて簡単に説明す
る。セラミックス粉末で形成したプリフォームには亀裂
が生じることがあり、この生じた亀裂に金属が浸透した
部分をメタルベインと言う。このメタルベインには強化
材がほとんど無いため、メタルベインと他の部分とでは
熱膨張係数が大きく異なる。そのため、メタルベインと
他の部分との界面に残留熱応力が残存し、その結果、複
合材料の強さがメタルベインがない場合に比べ２割程度
低下することとなる。

【０００８】このメタルベインの発生する理由として、
１つはプリフォーム自体の強さが低いため、ハンドリン
グ時に亀裂が入り、その亀裂に金属が浸透して発生する
ことが挙げられる。この場合は直線的なメタルベインが
発生する。もう１つはプリフォームを水系スラリーを用
いて沈降成形法で成形する際、凍結する工程があるが、
その工程でプリフォームの温度分布が不均一であると、
氷の生成が不均一となり、その不均一によりプリフォー
ムに亀裂が入り、その亀裂に金属が浸透して発生するこ
とである。特に大きな氷が生じたところがメタルベイン
になり易い。この場合は亀裂が放射状になるのでメタル
ベインも放射状になる。

【０００９】特にＡｌ₂Ｏ₃粉末の場合にこのメタルベイ
ンが発生し易いのは、プリフォーム自体の強さが他のセ
ラミックス粉末より低いことも一因であるが、それ以上
にＡｌ₂Ｏ₃はＳｉＣやＡｌＮ等に比べ熱伝導性がよくな
いために前記した凍結工程でプリフォーム全体の温度分
布が均一になり難く、その結果、プリフォームに亀裂が
より発生し易くなるものであり、前記した後者の理由に
よるメタルベインが極めて多く発生し問題となってい
た。

【００１０】本発明は、上述した強化材にＡｌ₂Ｏ₃粉末
を用いた金属−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、メタルベインの
発生を少なくして機械的特性を改善した金属−セラミッ
クス複合材料とその製造方法を提供することにある。

【００１１】

【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、Ａｌ₂Ｏ₃粉末の一部
をＳｉ₃Ｎ₄粉末に置換した粉末でプリフォームを形成す
れば、メタルベインの発生が少ない機械的特性が改善さ
れた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。

【００１２】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、Ａｌ₂Ｏ₃粉末にＳ
ｉ₃Ｎ₄粉末を混合した粉末であり、そのＳｉ₃Ｎ₄粉末の
混合割合が、５〜４０重量％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粉末に
Ｓｉ₃Ｎ₄粉末を５〜４０重量％あらかじめ混合し、その
混合した粉末に無機バインダーを加えて沈降成形法で成
形し、その成形した成形体を焼成する方法であり、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（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。

【００１３】上記複合材料としては、セラミックス粉末
として、Ａｌ₂Ｏ₃粉末にＳｉ₃Ｎ₄粉末を混合した粉末と
し、そのＳｉ₃Ｎ₄粉末の混合割合を、５〜４０重量％と
する金属−セラミックス複合材料とした（請求項１）。
Ａｌ₂Ｏ₃粉末の一部をＳｉ₃Ｎ₄粉末に置換することによ
り、セラミックス粉末の熱伝導性が向上し、その結果、
凍結工程時のプリフォームの温度分布が均一となり、メ
タルベインの発生が抑えられ、機械的特性が改善される
こととなる。

【００１４】一般にＳｉ₃Ｎ₄焼結体の熱伝導率を測定す
ると、Ａｌ₂Ｏ₃と同程度ないしはやや悪いぐらいであ
る。しかし、これは焼結体を測定した場合で、難焼結性
であるＳｉ₃Ｎ₄にはかなりの量の焼結助剤が添加されて
おり、これが粒界に存在してＳｉ₃Ｎ₄の熱伝導性を悪化
させているものと思われる。単結晶に近い粗大粒子で
は、Ａｌ₂Ｏ₃の５〜６倍の熱伝導率を有していると報告
されている。本発明では、焼結助剤を添加する必要がな
いため、Ｓｉ₃Ｎ₄自体の良好な熱伝導性が発揮され、プ
リフォーム全体の温度分布を均一に近づけているものと
思われる。

【００１５】加えて、Ｓｉ₃Ｎ₄の熱膨張率が小さいこと
もメタルベインの発生を抑える無視できない要因と思わ
れる。Ｓｉ₃Ｎ₄の熱膨張率は、Ａｌ₂Ｏ₃の４割程度であ
るので、Ａｌ₂Ｏ₃粉末にＳｉ₃Ｎ₄粉末を添加することに
より、急激な温度変化によるプリフォームの体積変化が
緩和され、それに伴う亀裂発生をも抑制しているものと
思われる。

【００１６】そのＳｉ₃Ｎ₄粉末の混合割合は、５〜４０
重量％が好ましく、この範囲内であれば、メタルベイン
の発生が抑えられる。Ｓｉ₃Ｎ₄の混合割合が５重量％よ
り少ないと、メタルベインの発生を抑える効果が少な
く、４０重量％を超えると、機械的特性が低下する。

【００１７】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、Ａｌ₂Ｏ₃粉末にＳｉ₃Ｎ₄粉末を５
〜４０重量％添加してあらかじめ混合し、その混合した
粉末に、無機バインダーを加えて沈降成形法で成形し、
その成形した成形体を焼成する方法とし、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）。Ａ
ｌ₂Ｏ₃粉末にＳｉ₃Ｎ₄粉末を添加してあらかじめ混合す
ることにより、Ａｌ₂Ｏ₃粉末中にＳｉ₃Ｎ₄粉末が均一に
分布し、凍結工程での温度分布が均一となる。添加する
量は、５〜４０重量％が好ましく、この範囲内であれ
ば、メタルベインの発生が抑えられるばかりでなく、理
由は不明であるが金属の浸透速度が早くなる。Ｓｉ₃Ｎ₄
の混合割合が５重量％より少ないと、メタルベインの発
生を抑える効果が少なく、４０重量％を超えると、機械
的特性が低下するばかりでなく浸透速度が遅くなる。

【００１８】

【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Ａｌ₂Ｏ₃粉末とＳｉ₃Ｎ₄粉
末を用意する。これら粉末をＳｉ₃Ｎ₄粉末の混合割合が
５〜４０重量％となるように配合し、それに無機バイン
ダーを、必要があれば有機バインダーを加えて湿式混合
する。混合方法は均一な混合が要求されるため、ポット
ミルなどを用いて１０時間以上混合するのが望ましい。

【００１９】得られた混合物を沈降成形法で成形する。
その一例を述べると、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃粉末にＳｉ₃Ｎ₄
粉末を加えたものにアンモニウムシリケートなどのバイ
ンダーを３〜２０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１０時間以上湿式混合する。混合したスラリー
は、振動しながら鋳込んで沈降成形する。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。

【００２０】得られた成形体は、９００〜１１００℃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７００〜１００
０℃の温度で合金を浸透させ、冷却する。用いるアルミ
ニウム合金はＡｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系などのＭ
ｇ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
であれば何でも構わない。

【００２１】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
を作製すれば、メタルベインの少ない機械的特性に優れ
た金属−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。

【００２３】（実施例１〜４） （１）プリフォームの形成 強化材として＃３２０（平均粒径が４０μｍ）の市販Ａ
ｌ₂Ｏ₃粉末、＃６００（平均粒径が２０μｍ）の市販Ａ
ｌ₂Ｏ₃粉末及び平均粒径が１０μｍのＳｉ₃Ｎ₄粉末をそ
れぞれ表１に示す割合で配合し、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２０時
間混合した。得られたスラリーを図１に示す成形体がで
きるシリコーンゴム型に流し込んで沈降成形し、余分な
水分をスクレープにより除去した後、−３０℃で１２時
間凍結し冷凍品を得た。得られた冷凍品を脱型し、１０
５０℃で３時間焼成してプリフォームを形成した。

【００２４】（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２
４時間非加圧浸透させ冷却して金属−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表面を目視観察しメタルベインの有
無を調査し、メタルベインが認められないものを○と
し、僅かに認められるものを△とし、はっきり認められ
るものを×とした。また、金属の浸透速度を浸透した部
分の体積でもって調べた。さらに、得られた複合材料か
ら試験片を切り出し、アルキメデス法で比重と気孔率を
測定し、ＪＩＳ Ｒ １６０２（ファインセラミックス
の弾性率試験方法）の超音波パルス法でヤング率を、Ｊ
ＩＳ Ｒ １６０１（ファインセラミックスの曲げ強さ
試験方法）で４点曲げ強さを測定した。また、破壊靱性
を、シェブロン・ノッチを入れた試験片についてＪＩＳ
Ｒ １６０７（ファインセラミックスの破壊靱性試験
方法）に準じて測定した。それらの結果を表１に示す。

【００２６】（比較例１〜６）セラミックス粉末（Ｓｉ
Ｃ粉末については、平均粒径が６５μｍと１４μｍの２
種類を使用）とその混合割合を表１の様にした他は比較
例１〜５では実施例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。また、比較例６では、比較
例５の浸透金属をＡｌ−７Ｍｇに代えてＡＣ８Ａを用い
た他は同様に複合材料を作製し、評価した。それらの結
果を表１に示す。

【００２７】表１から明らかなように、実施例ではいず
れもメタルベインの部分が認められず、物性値もＡｌ₂
Ｏ₃粉末単味のメタルベインのない部分の物性値（比較
例１の上段値）に比べて遜色なかった。

【００２８】これに対して、比較例１では、プリフォー
ムに亀裂が入ったためはっきりしたメタルベインが認め
られ（図２）、その部分の物性値（下段値）は、曲げ強
度において上段値より２割近い低下が認められた。ま
た、金属の浸透速度が実施例に比べかなり遅かった。比
較例２では、Ｓｉ₃Ｎ₄の含有量が多いため物性値が低下
した。比較例３では、物性値が比較例２よりさらに低下
したうえ金属の浸透速度が遅く、メタルベインも若干認
められた。比較例４に至っては、浸透速度が遅すぎて評
価用試験片が作製できず評価できなかった。比較例５で
は、アルミニウム合金中にＳｉが含まれていないため、
ＳｉＣとＡｌが反応してＡｌ₄Ｃ₃が生成し、そのＡｌ₄
Ｃ₃がさらに空気中の水分と反応して腐食されてしま
い、経時的に特性が低下するという欠点が見られた。こ
れを防ぐために比較例６では、Ｓｉを含むＡＣ８Ａ合金
を用いたが、物性値はそれほど高くならず、しかも浸透
速度が遅くなった。このことは、Ａｌ₂Ｏ₃にＳｉ₃Ｎ₄を
加えれば、Ａｌ₂Ｏ₃単味に比べてメタルベインが抑えら
れ、金属の浸透速度も向上すること、またＳｉＣを含む
複合材料に比べＡｌ−Ｍｇ系の合金が使える有利さを有
す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、メタルベインの発生の少ない金属
−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、機械的特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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で作成した成形体の平面図であ
る。

【図２】比較例１で認められたメタルベインを示す。

【表１】

───────────────────────────────────────────────────── 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 (2)

【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、Ａｌ₂Ｏ₃粉末にＳｉ₃Ｎ₄粉末を混合し
   た粉末であり、そのＳｉ₃Ｎ₄粉末の混合割合が、５〜４
   ０重量％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、Ａｌ₂
   Ｏ₃粉末にＳｉ₃Ｎ₄粉末を５〜４０重量％あらかじめ混
   合し、その混合した粉末に無機バインダーを加えて沈降
   成形法で成形し、その成形した成形体を焼成する方法で
   あり、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。