JPS58110656A - 複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、耐摩耗性や耐熱強度の優れた窒化けい素−鉄
系複合材料およびその製造方法に関するものである。

従来、セラミックス−金属系の複合材料には、七フォッ
クス分散型合金として１．μ、Ｏ，−ＡＡ系、Ｔｈｅ、
−Ｎｉ合金系などがあり、サーメットとして、ＷＣ−Ｃ
ｏ系、　ＷＣ−ＴＩＣ−ＣＯ系、　Ｔｉｃ　−Ｎｉ系。

Ｃｒ、Ｃ，−Ｎｉ系、　Ａｔ、Ｏ，−Ｃｒ系などがある
。しかしながら、窒化けい素−鉄系の複合材料は未だ実
用化されていない。この理由は、窒化けい素と鉄が焼結
中に反応してしまい、窒化けい素質セラミックス相と鉄
系金属相とが安定して存在しないためである。例えば、
窒化けい素（Ｓｌ、Ｎ４）粉末と鉄（Ｆｅ　）粉末とを
混合したのち成形し、通常の焼結冶金の手法に従って真
空中で１１５０〜１２５０℃の温度に加熱して焼結する
と、８１．Ｎ４は消失してしまい、所望の複合材料を得
ることができない。これは、従来焼結に用いられていた
酸化および窒化防止用の真空、不活性ガスＩ　Ｈ，等の
雰囲気中において、Ｓｌ、Ｎ４は約１１００℃以上の温
度で分解してしまうためである。

他方、８１．Ｎ、粒子はＦｅ系金属との濡れ性において
一般に酸化物よりもすぐれていることに着目し、窒化け
い素質セラミックスと鉄または鉄合金との複合材料を得
ることを目的として種々の研究を積重ねたところ、上記
複合材料を開発するＫｔつ九。

すなわち、本発明による窒化けい素−鉄系複合材料は、
窒化けい素質セラミックス０．１〜８０重量−と、鉄ま
たは鉄合金９９．９〜２０重量−とからなることｔ４Ｉ
黴としている。

この場合、窒化けい素質セラミックスが８０重重量層過
でかつ鉄または鉄合金が２０重量−未満であると、結合
相となるべき鉄系マトリックスが不足し、結合が不十分
となるので望ましくない。

ま九、窒化は一素質七うミックスが０．１重量−未満で
かつ鉄または鉄合金が９９．９重量−超過であると、窒
化けい素質セラミックスのもつ優れた耐摩耗性ならびに
耐熱性を活かすことができなくなるので望ましくない。

上記のうち、窒化けい素質セラミックスとしては、Ｓ　
ｌ　、Ｎ、単体のほか、８１□Ｎ、−ＭｇＯ系、　８１
．Ｎ４−　ＡＡ、０．系、　８１ｓＮ、　−Ｙ、Ｏ，系
その他の８１．Ｎ４−酸化物系のものなどが使用され、
さらにはＡＡｚＯＢを焼結助剤としての含有量以上に高
めて固溶させた５ｉｌＮ４−１４１０１系（８１−ＡＬ
−０−Ｎ系）が使用され、そのほか、８１．Ｎ４−　Ｓ
ＩＣ、ＷＣｔ　ｃｒ、ｃ。

等の８　’　８Ｎ４−炭化物系や、Ｓｉ、Ｎ、　−ＢＮ
　、　ＴＩＮ　。

幻Ｒ等のＳ’１Ｎ４−窒化物系が使用される。

他方、鉄または鉄合金としては、Ｆｅ単体のはか、強靭
鋼、耐食鋼あるいは耐熱鋼などの特殊鋼さらにはＦｅ　
−Ｃｒ系ｔ　Ｆｅ　−ＭＯ系、Ｆｅ　−０ｒ−Ｎｉ系な
どのＦｅ基合金等が使用される。

上記のような複合材料を製造するに際して本発明におい
ては、窒化けい素質セラミックス粉末０．１〜８０重量
％と、鉄ま九は鉄合金粉末９９．９〜２０重量−とを均
一に混合したのち成形し、窒素分圧が２　Ｘ　ｌ　Ｇ−
”〜３．８Ｔｏｒｒの非酸化性雰囲気下で１０８０〜１
２５０℃の温度で焼結するようにしたことを特徴として
いる。

この場合、焼結雰囲気中の窒素分圧の制御は、窒化けい
素質セラミックス相と鉄系金属相とを安定して存在させ
るための必須要件である。すなわち、焼結雰囲気中の窒
素分圧が２　Ｘ　１０　　Ｔｏｒｒよりも小さすぎると
、８１．Ｎ４の分解傾向が強すぎるので望ましくなく、
他方、窒素分圧がａ、＋ｓ　ＴＯｒｒよりも大きすぎる
とＦ・およびＦ・合金が強く窒化してしまい、複合材料
の特性會劣化させてしまうので望ましくない。

また、焼結温度が１０８０℃よりも低すぎると焼結が不
十分で６４７．１２５０℃よりも高すぎるとＳｔ、Ｎ、
Ｏ分解傾向が強くなるため好ましくない。

そして、より好ましい焼結温度範囲は１１５０〜１２０
０℃である。

さらに、窒化けい素質セラミックス粉末と鉄または鉄合
金粉末とＶＳ合するに際し、適宜な成形用バインダーや
焼結−剤などを混合することも場合によっては望ましい
。

実施例　１ 平均粒径２１１０８１３Ｎ４粉末５重量−と、−２５０
ｍｅａａｈ　ＯＳＯ２３０４Ｌ粉末９５重量−と金ポリ
エチレン製Ｏｆ−ル建ル容器中に入れ、ｈ−ヘキサン中
で湿式混合した。このｎ−ヘキサンを飛散させた□後直
後５０ｍの成形空間を有する金型内に移し、５　ｔ＠１
１　／　ｇｌｌｌ（”の圧力で成形し喪。この成形体の
密度は５．８ｆ／ｅｘ”であった。次いでこの成形体を
真空炉内に入れ、１１７０℃Ｘ３０分の加熱を行ったの
ち炉冷し、この間雰囲気中の窒素分圧がＱ、ｌ　Ｔｏｒ
ｒとなるように制御しながら焼結した。

この結果、密度６．８ｆ／ｃｍ”（理論密度比８７慢）
の８Ｍ体を得た。次いで、この焼結体を切断してミクロ
組織を鐵祭したところ、ステンレス鋼のマトリックス中
に５１３Ｎ４粒子が均一に分散している風合な複合組織
を呈していた。

比較例　１ 実施例１と同様にして得た成形体ｔ−５ＸＩＯＴｏｒｒ
の真空中において１１７０℃の温度で焼結し、得られた
焼結体を切断してミクロ組織を観察したところ、Ｓｔ、
Ｎ４相の存在は認められず、Ｆｅ合金！トリックス中の
８１量が約３％（母材中の８１量０．９　％　）に増加
していた。

比較例　２ 実施例１と同様にして得た成形体を窒素分圧１０〜５０
　Ｔｏｒｒの非酸化性雰囲気中で１１７０℃の温度で焼
結したところ、焼結体中にＳｌ、Ｎ４相はほぼ完全に残
留していたものの、゛その他に針状のＣｒ窒化物が全体
に生成していた。このＣｒ窒化物の生成はＦ・合金ｆｆ
）９ツクス中のＣｒ量を低下畜せ、耐酸化性を劣化させ
るため、耐熱焼結体としては不適烏なものとなる。

実施例　２ 平均粒径２声の８１．Ｎ、粉末５重量−と、平均粒径０
．５μの＾１，０．粉末２重量饅と、−２５Ｑ　ｍｅｓ
ｈのＳＵＳ　３０４Ｌｔ末９３重量−とをポリエチレン
製のボールミル容器中に入れ、ｎ−へキサン中で湿式混
合した。こｏｎ−へキサンを飛散させ念後直径５０−の
成形空間を有する金型内に移し、５ｔｏｎ　／　ａｓ”
の圧力で成形した。次いでこの成形体を真空炉内に入れ
、１１７０℃×３０分の加熱管行ったのち炉冷し、この
間雰囲気中の窒素分圧が０．１　Ｔｏｒｒとなるように
制御しながら焼結した。

そして、得られた焼結体を切断してきり四組織を観察し
たところ、Ｓｔ、Ｎ４粒子シよびμｓｏｎ粒子が共にＦ
＠金合金マトリックス中均一に分散している良好な焼結
体を得ることができた。

実施例　３ 平均粒径２　ｐｏｓｔｓＮ４粉末１０１１ｔ％ト、−２
５０ｍ＠ｓｈ　ｆ）インコロイｓｏｏ合金（３２％Ｎｉ
−２０％Ｃｒ−０，３９６Ｃｕ−Ｆｅ）ｌ）末９０重量
−とをボールミルを用いてｎ−ヘキサン中で湿式混合し
、とのｎ−へキサンを飛散させた後金型内に移し、５　
ｔｏｎ　／　（ｙｌｌ”の圧力で成形した。この成形体
の密度は５−１　ｔ　／　ｔ３”であっ念。次いで、Ａ
ｒ：Ｎ、＝９９：１（体積比）の混合ガスにより炉内を
約１００　Ｔｏｒｒに保持した真空炉内に装入し、１２
００’ＣＸ１時間保持の条件で焼結を行った。得られ九
焼結体の密度は６．８　ｆ　／　ａｓ”　（１１論密度
比９１１）であり、その組織を観察したところ、Ｆ・合
金マトリックス中に８１．Ｎ４粒子が均一に分散してい
る良好な組織を呈してい念。

実施例　４ 平均粒径２μのＳｉ、Ｎ４粉末７０重量％と、−２５０
ｍｅｓｈ　（Ｄ　ＳＵＳ　４１０　Ｌ粉末３０重量−と
をボールミルを用いてｎ−ヘキサン中で湿式混合し、と
のｎ−へキサンを飛散させ念後金型内に移し、金型予備
成形→ラバープレス成形によって密度２．２　ｆ　／　
ａｓ”の直径２０■×長さ１５■の成形体を得た。次に
、窒素分圧を１．Ｑ　’ｌ’ｏｒｒに保持した真空炉中
に上記成形体を入れ、１１５０’ＣＸ２時間の焼結を行
って密度４．１ｆ７６１１”の焼結体を傅た。その後、
焼結体の組織観察を行ったところ、焼結体中のはとんど
の８１．Ｎ、粒子がＳＵＳ　４１０Ｌの結合層を伴なっ
た均一な組織を有していた。

以上詳述したように、本発明によれば、従来実用化され
なかった窒化けい素−鉄系複合材料を得ることができ、
耐摩耗性や耐熱強度が要求される例えば各種燃焼装置、
燃焼機関、工具、Ｗ、予力機器等の部品の票材として活
用することが可能であるという非常にすぐれた効果を有
する。

特許出願人　　大同特殊鋼株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　窒化けい素質セラミックス０．１〜８０重量
   −と、鉄まえは鉄合金９９．９〜２０重量−とからなる
   こと１特徴とする窒化けい素−鉄系複合材料。
2. （２）　　窒化けい素質セラミックス粉末０．１〜８０
   重量嘩と、鉄を光は鉄合金粉末９９．９〜２０重量−と
   を均−Ｋｆｉ合し友のち成形し、窒素分圧が２×１０〜
   ３．＠Ｔ・ｒｒの非酸化性雰囲気下で１０８０〜１２５
   ０ｃＯ温度で焼結することを特徴とする窒化けい素−鉄
   系複合社科の製造方法。