JPS58171502A - セラミック―金属複合微粉末体の製造方法 - 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、粒子分散型複合材料の分散材や焼結材料の原
料として使用するに好適なセラミックー金属複合微粉末
体に係り、更に詳細にはセラミックの表面層と金属の芯
部とよりなるセラミックー金属複合微粉末体に係る。

アルミナ、窒化ケイ素、炭化タングステンの如きセラミ
ックは一般の金属に比べて耐熱性や耐摩耗性が格段に優
れているため、金属マトリックス中にセラミックの粒子
や粉末を分散させた複合材料やセラミック粉末よりなる
焼結材料にて各種の構造部材を構成する試みがなされて
いる。

しかしセラミックのみよりなる粒子や粉末は極めて脆く
、また金属マトリックス中にセラミックの粒子などを分
散させる場合それらの粒子を均一に分数させる５ことが
困難であり、セラミックの粒子と金属マトリックスとの
密着性が必ずしも良くないなどの理由から、セラミック
の粒子や粉末はサーメットの如き一部の工具材料には使
用されているが、各種の構造部材に対しては大量には使
用されていない。

また芯部が金属であり表面層がセラミックである複合体
は、理論的には金属粒子などをセラミックにてコーティ
ングしたり金属粒子などに対し表面処理を施すことによ
って製造可能ではあるが、実際にはこれらの方法によっ
ては平均粒径が数μ−以下の複合微粉末体を大量に生産
することはできない。

更に、特に酸化能の強い金属の粒子や粉末に於ては、そ
の表面に酸化物層が存在しその表面がセラミック質とな
っている。しかしかかる酸化物■の厚さは例えばアルミ
ニウムの場合には２０人程度、即ち高々１０原子層程度
であり、従ってそれらの粒子や粉末７の全体としての硬
度は低く、またその酸化物層は容易に破壊され得るもの
であるため、かかる酸化物層を有する金属粉粒体は粒子
分散型複合材料の分散材や焼結材料の原料としては不充
分なものである。

本発明は、従来のセラミック粒子やセラミックー金属複
合粉粒体に於ける上述の如き不具合に鑑み、優れた耐摩
耗性及び耐熱性を有し且微粉末体全体として適度の靭性
を有するセラミックー金属複合微粉末体を提供すること
を目的としている。

かかる目的は、本発明によれば、セラミックの表面１と
金属の芯部とよりなり、平均粒径に対する前記表面■の
平均厚さの比が実質的に０．０５以上であるセラミック
ー金属複合微粉末体によって達成される。

本発明によるセラミックー金属複合微粉末体は、セラミ
ックの４表面−と金属の芯部とよりなる二重構造を有す
る微粉末体であるので、セラミックとしての充分な硬度
と適度な靭性とを有している。

即ち、微粉末体の表面層はセラミックよりなっているの
で、微粉末体の表面は充分な硬噴及び耐熱性を有してお
り、従って本発明によるセラミックー金属複合微粉末体
を例えば粒子分散型複合材料の分散材として用いれば、
微粉末体がマトリックス金属内に於ける転位の移動を強
固に阻止し、またマトリックス金属の摩耗最を減少させ
るので、粒子分散型複合材料の引張り強さ、耐摩耗性な
どの機械的性質を向上させることができ、また複合材料
の耐熱性を向上させることができる。また本発明による
微粉末体の芯部はセラミックに比して軟らかい金属であ
るので、微粉末体全体としては過度の靭性をも具備して
おり、従って本発明によるセラミックー金属複合微粉末
体を例えば粒子分散型複合材料の分散材や焼結材料の原
料として用いれば、セラミックのみよりなる微粉末体を
用いる場合に比して、粒子分散型複合材料や焼結材料の
靭性、耐衝撃性などを向上させることができる。

尚、本発明によるセラミックー金属微粉末体が上述の如
き複合構造としての特徴を発揮するためには、平均粒径
に対する表面−の平均厚さの比が実質的に０．０５以上
、好ましくは０．１以上であることが好ましい。

また粒子分散型複合材料に於ては、一般に、分散材が微
細であり且＾密度にて分散されればされる程、粒子分散
型複合材料の常温及びｉｕｉ強度は向上し、また焼結材
料に於ては原料粉末が微細であればある程、焼結後の気
孔牢を小さくして焼結材料の強度などを向上させること
ができる。本発明によるセラミックー金属複合微粉末体
は平均粒径が５μ鴎、好ましくは１μ−以下であるので
、理論上は可能である金属粒子をセラミックにてコーテ
ィングしたりそれを表面処理することにより製造された
比較的平均粒径の大きいセラミックー金属複合微粉末体
を用いる場合よりも、粒子分散型複合材料や焼結材料の
強度をはるかに向上させることができる。

上述の如く、本発明によるセラミックー金属複合微粉末
体はセラミックの表面層と金属の芯部とよりなり、平均
粒径が非常に小さいことを特徴とするものである。かか
る特徴を有する本発明による微粉末体は如何なる方法に
より製造され轡るかについて説明する。

本願発明者等は本願出願人と同一の出願人の出願に係る
特願＠５７−３２１２０号に於て、金属化合物（金属と
非金属元素との化合物、金属開化合物、これらと金属な
どとの混合物などを意味する）を構成すべき金属の蒸気
と他の元素の気体とよりなる混合ガスを末広ノズルにて
急冷させることにより金属化合物の微粉末を製造す、る
方法を提案し、また特願昭５７−　　　　　　号及び特
願昭５７−　　　　　　号に於て、上記金属化合物微粉
末の−造方沫に於て特殊な末広ノズルを使用すれば、金
属化合物微粉末の純度を一層向上させることができるこ
とを提案した。本発明によるセラミックー金属複合微粉
末体は、基本的にはこれら先の提案に係る方法を利用し
、特に金属蒸気又は金属粒子の表面層を選択的に他の元
素と化合させることによって製造される。

例えば、本発明によるセラミックー金属複合微粉末体は
、少なくとも一つのセラミックを構成すべき少なくとも
一つの金属の蒸気と他の元素の気体とよりなる混合ガス
を末広ノズルを経て断熱膨張させることにより急冷させ
つつ金属の蒸気の表面層と他の元素とを反応させる方法
や、少なくとも一つのセラミックを構成すべき少なくと
も一つの金属の蒸気を第一の末広ノズルを経て断熱膨張
させることにより急冷させ、これに更にセラミックを構
成すべき他の元素の気体を混合し＼その混合ガスを第二
の末広ノズルを経て断熱膨張させることによって急冷さ
せつつ金属と他の元素とを部分的に反応させる方法など
により一層され得る。

そして特にこれらの方法により製造された微粉末体はそ
の表面の活性度が＾いので、マトリックス金属との親和
性、密着性に優れており、またマトリックス金属中に均
一に分散させることが可能である。またこれらの方法に
よれば、芯部を構成する金属がアモルファスである複合
微粉末体を製造することができる。

これらの方法に於て、金属蒸気又は金属粒子と他の元素
のガスとよりなる混合ガスが如何なる濃度及び圧力条件
下に於て反応し化合物を形成するかは熱力学の第二法則
に従う。即ち、例えば金属ケイ＊＊気と一酸化炭素ガス
との反応は下記の式（１）にて表される。

（８１）＋２　　（Ｃｏ）谷コ＜Ｓｉ　　Ｃ＞　＋　　
（ＣＯｅ　　）・・・・・・・・・（１） この反応の自由エネルギ変化ΔＦは下記の式（２）又は
式（３）にて表される。

ΔＦｏ　：標準自由エネルギ変化 Ｒ：ガス定数　　　Ｔ：１度（’Ｋ） ｌ　：金属ケイ素蒸気分圧 Ｆ１ａ：ＣＯガス分圧 円、：ＣＯｔガス分圧 、ΔＦ−１６３５１８＋　５．３２　Ｔｌｏａ　Ｔ　−
１０９，１２Ｔ・・・・・・・・・（３） 式（３）に於てΔＦが負の場合は固体としての炭化ケイ
素及び気体としての二酸化炭素が安定であり、ΔＦが正
の場合には、気体としての金属ケイ素蒸気及び−酸化炭
素ガスが安定である。また化学反応は高温程遠く低部に
なれば遅くなり、ある温度以下ではΔＦが負であっても
実質的には化学反応が進行しない濃度及び圧力条件が存
在する。

従って、末広ノズルの前後に於ける圧力及び濃度条件や
使用する末広ノズルの構造やその作動条件を適宜に選定
することにより、混合ガスの冷却過程に於て化合反応が
進行する温度及び圧力条件に混合ガスを保持する時間や
、混合ガスを冷却過程の如何なる温度及び圧力条件に保
持した後化合反応の進行しない機度域まで冷却するかと
いうタイミングを適宜に制御することにより、セラミッ
クの表面■と金属の芯部とよりなる複合微粉末体を製造
することができる。

即ち混合ガス中の金属蒸気を優先して急冷させることに
より金属微粒子を生成させ、その表面に化合反応によっ
て生成した化合物を形成させるように混合ガスを冷却す
る。このことは末広ノズルを通過させる前に於ける混合
ガス中の金属蒸気の分圧を１００％セラミックの微粒子
が生成する場合よりも＾目に設定することによって達成
される。

またより確実に金属の芯部を形成させるには、金属蒸気
のみを第一の末広ノズルにより急冷させて金属微粒子と
し、しかる後化合反応が充分に進行する濃度及び圧力条
件に保持した状態で酸素、窒素、炭素などのガス又はそ
れらを発生するガスと混合することにより金属微粒子の
表面に化合物を生成させ、更にその混合ガスを第二の末
広ノズルによって化合反応の生起しない濃度域まで急冷
させることが有効である。

また上述の如き末広ノズルを用いるセラミックー金属複
合微粉末体の−造方法に於ては、末広ノズルの作動条件
などを適宜に選定することにより、複合微粉末体の平均
粒径、平均粒径に対するセラミック表面１の平均厚さに
対する比などを任意に制御することができる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳報に説明する。

哀１」」− 第１図はこの実施例１に於て使用された複合微粉末体−
造装蹟を示す概略構成図である。図に於て１は実質的に
密閉の容器をなす炉殻を示しており、該炉殻１内にはる
つぼ２が配置されている。

るつは２はガス導入ボート３を有するガス予熱室４と、
該ガス予熱室と連通する反応室５とを有している。るつ
ぼ２の周りにはガス予熱室４及び反応室５内を所定の１
１度Ｔ＋に維持するヒータ６が配置されており、このヒ
ータ６により反応室５内に輸入された金属が溶融されて
金属環ｓ７とされ、更には金属熱気として蒸発化される
ようになっている。

るつぼ２の底１１８には反応室５と炉殻１内の回収ゾー
ン９とを遅過接続する導管１０が設けられており、該導
管の下端には末広ノズル１１が設けられている。回収ゾ
ーン９には末広ノズル１１より噴出した噴流１２を減速
する衝突板１３が配置されている。また回収ゾーン９は
導管１４により粉末ＩＩＩＩｌ室１５に連通接続されて
いる。

斧末補集室１５は導１１１６により開閉弁１７を介して
真空ポンプ１８に接続されており、この真空ポンプによ
り粉末補集室１５内が減圧され、更には回収ゾーン９及
び反応室５内がそれぞれｐｇ及びＰＩの所定圧力に減圧
されるようになっている。また粉末捕集室１５の下方部
は、該粉末捕集室内に於て捕−された複合微粉末体１９
を貯容するリザーバ２０が設けられており、二つの開閉
弁２１及び２２を適宜に操作することにより、粉末捕１
！ｉ！１５内の減圧状態を損ねることなく、複合微粉末
体１９を外部に取出し得るようになっている。

かくして構成された複合黴勅末体−造装置を用いて、以
下の要領にて酸化マグネシウムの表面層と金属マグネシ
ウムの芯部とよりなる複合微粉末体を製造した。まず金
属マグネシウムを反応室５内に装入し、ガス導入ボート
３より一酸化炭素ガスをガス予熱室４を経て反応室５内
へ導入し、ヒータ６により炉ｗ１１内に収容されたるつ
ぼ２を急速加熱し、反応室５内のＩ　Ｉ！ｌ　Ｔ　ｔを
９００℃とすることにより金属マグネシウムを溶融させ
てマグネシウム１１１７を形成し、更に一酸化炭素ガス
場入最を制御して反応室５内の圧力Ｐ１を３０Ｔｏｒｒ
　（マグネシウム蒸気の分圧Ｐ−１６−１４〜１７ＴＯ
ｒ「）になるよう調整した。

次いで反応室５内の混合ガス、即ちマグネシウム溶湯７
より蒸発することにより生成したマグネシウム蒸気と一
酸化炭素ガスとよりなる混合ガスを、圧力Ｐｅ　−１〜
３　Ｔｏｒｒ　１．：維持された回収ゾーン９内へ末広
ノズル１１を経て噴出させた。この場合マグネシウム蒸
気と一酸化炭素ガスとよりなる混合ガスは、末広ノズル
１１による自己断熱膨張により濃度Ｔ！−約２５０℃以
下にまで急冷され、その急冷途中に於て酸化マグネシウ
ムの表面層と金属マグネシウムの芯部とよりなる複合微
粉末体となり、余剰の一酸化炭素ガスと共に回収ゾーン
９へ移行した。

次いでかくして生成した複合微粉末体を衝突板１３によ
って減速させ、真空ポンプ１８により一酸化炭素ガスと
共に粉末補集室１５内へ導き、粉末捕集室内に於て捕集
し粉末リザーバ２０内に回収した。また粉末補集室１５
内より真空ポンプ１８により未反応の一酸化炭素ガス及
び炭素粉末を吸引することにより、それらを粉末捕集室
１５より除去した。

かくして−造された複合微粉末体の平均粒径は０．０３
μ論であり、酸化マグネシウムの表面層の厚さは４０〜
６０Ａであり、平均粒径に対する表面層の平均厚さの比
は０．１３〜０．２であった。また第２図は上述の如く
−造された複合微粉末体を２０　’Ｏ’ＯＯ０倍にて示
す透過電子順微繞写真である。この複合微粉末体は非常
に小さなものであるため、その表面層の硬さや微粉末体
の弾性などを測定することは不可能であるが、第２図の
写真を見る限り、酸化マグネシウムの表面層と金属マグ
ネシウムの芯部とよりなっており、従ってこの複合微粉
末体の表面は酸化マグネシウムとしての充分な硬度及び
耐熱性を有しており、また微粉末体全体としては酸化マ
グネシウムのみよりなる微粉末体に比して靭性に優れて
いるものと推測される。

また以上の如く製造された複合微粉末体を分数材とし金
属マグネシウムをマトリックスとする複合材料（分散材
の体積率３〜５％）を製造し、その複合材料について常
瀧硬さ、融点などを測定したところ、それぞれ金属マグ
ネシウムのみよりなる材料に比して約３〜４倍及び１．
２倍以上に改善されていることが認められた。また上述
の複合材料についてＬＦＷ法による摩耗試験（荷５１１
５向、試験時間３０分、オイルにて１１１１１）を行な
つたところ、同一の体積率にてセラミック１００％の微
粉末体を分散された複合材料よりも耐摩耗性に優れてお
り、分散材の剥離や脱落も少ないことが認められた。

東１」Ｌｔ 第３図はこの実施例２に於て使用された複合微粉末体−
過装置を示す第１図と同様の概略構成図である。尚この
第３図に於て第１図に示された部材と実質的に同一の部
材には同一の符号が付されている。

この実施例２に於て使用された複合微粉末体順造装置は
、炉殻１内に導管１０によって互いに連通接続された第
一のるつぼ２と第二のるつぼ２５とを有している。第二
のるつぼ２５内には第一のるつぼ２の第一の反応室５と
連通する第二の反応室２６が設けられている。この第二
の反応室２６内には導管１０の下端に設けられた第一の
末広ノズル１１の先端が開口しており、またガス導入ボ
ート２７が設けられている。第二のるつぼ２５の底！！
２８には第二の反応室２６と炉殻１内の回収ゾーン９と
を連通接続する専ｌＦ２９が設けられており、咳導管の
下端には第二の末広ノズル３０が設けられている。また
第二のるつは２５の周りには第二の反応室２６内を所定
の！１度Ｔ！に維持するヒータ３１が設けられている。

尚この第３図に示された複合微粉末体Ｓ＋造＠胃に於て
は、第一の末広ノズルの先端部を導管２９又は第二の末
広ノズル３０の入口部に近接して配置することにより、
第二の反応室内に於て混合されるガスが第一の末広ノズ
ルより噴出した噛流３２により、第二の末広ノズル内へ
吸引されるよう構成することも可能である。

上述の如く構成された金属化合物粉末製造装置を用いて
、以下の要領にて炭化ケイ素の表面■と金属ケイ素の芯
部とよりなる複合微粉末体を製造した。まず第一の反応
室５内に金属ケイ素を装入し、ヒータ６により第一の反
応室５内をＴ１−２５００℃に加熱して金属ケイ素溶湯
７を形成し、また第一の反応室５内をＰ＋　−１０〜１
５Ｔｏｒｒに設定した。次いで第一の反応室５内に於て
生成された金属ケイ素蒸気を第一の末広ノズル１１を経
て、温償Ｔ！−２０００〜２２００℃、圧１ｐ２−３〜
４Ｔｏｒｒに維持された第二の反応室２６内へ噴出させ
た。金属ケイ＊＊気はこの第一の末広ノズル１１による
急冷によりそのかなりの部分が金属ケイ素の微粒子とな
るが、ＩＩＭ度Ｔ！が２０００〜２２００℃であるため
、その一部は再度蒸気となり、未凝固の金属ケイ素蒸気
と共に第二の反応室２６内は金属ケイ素の微粉末体と金
属ケイ＊＊気とが混在した状態となって、いる。かくし
て生成された金属ケイ素の微粉末体と金属ケイ素蒸気と
よりなる混合ガスとガス導入ボート２７より導入された
一酸化炭素ガスとを第二の反応室２６内に於て混合し、
かくして形成された混合ガスを第二の末広ノズル３０に
よって急冷させることにより、炭化ケイ素の表面■と金
属ケイ素の芯部とよりなる複合微粉末体を得た。

かくして製造された炭化ケイ素の表面層と金属ケイ素の
芯部とよりなる複合微粉末体の平均粒径は０．７μ−で
あり、表面層の平均厚さは０．１０Ｂ程度であり、平均
粒径に対する表面層の平均厚さの比は０．１４程度であ
った。

また以上の如く製造された複合微粉末体を分散材としマ
グネシウム合金（Ｊ　ｌＳＡ１１Ｍ０２Ｆ）をマトリッ
クスとする複合材料（分散材の体積牢５〜８％）を製造
し、その複合材料について常温硬さ、引張り強さなどを
測定したところ、それぞれ金属マグネシウムのみよりな
る材料に比して約１．３〜１．４倍、１．３倍に改善さ
れていることが認められた。また上述の複合材料につい
てしＦＷ沫による摩耗試験（荷重１５ｋｇ、試験時間３
０分、オイルにて１１１１）を行なったところ、同一の
体積串にてセラミック１００％の微粉末体を分散された
複合材料よりも耐摩耗性に優れており、分散材の剥離や
脱落も少ないことが認められた。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではな
く、本発−の範囲内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。例えば本発明による
セラミックー金属複合微粉末体の表面■を構成するセラ
ミックとしては、上述の実施−に於ける酸化物や炭化゛
−の＝ならず、種々の金属の窒化物やホウ化物など任意
のセラミックのものであってよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は亭発明によるセラミックー金属複合微粉末体を
製造するに際しすされ讐好適な複合機′粉末体報造装置
を示す概略構成図、第２図は実施例１に於Ｔ−−造され
ｌ化７グネ２つ今０表面層と金属マグネシウムの芯部と
よりなる複合微粉末体を２０００００倍にて示す透過電
子顕微鏡−真、１８３図は本発明によるセラミックー金
属複合微粉末体を製造するに際し使用されて好適な他の
一つの複合微粉末体−造装置を示す第１図と同様の概略
構成図である。 １・・・炉殻、２ｃ・るつぼ、３・・・ガス導入ボート
。 ４・・・ガス予熱室、５・・・反応室、６・・・ヒータ
、７・・・溶場、８・・・底壁、９・・・−回収ゾタン
、１０・・・導管。 １１・・・末広ノズル、１２・・・噴流、１３・・・衝
突板。 １４・・・＊＊、−’１”５１・・粉末捕集室、１６・
・・導管、１７・・・Ｉｌ＠閉弁、１Ｂ・・・真空ポン
プ、１９・・・金属化合物粉末、２０・・・粉末リザー
バ、２１．２−２・・・開閉弁、２５・・・第二のるつ
ぼ、２６・・・第二の反応室。 ２７・・・ガス導入ボート、２８・・・底壁、２９・・
・導管。 ３０・・・第二の末広ノズル、３１・・・ヒータ、３２
・・・噴流 特　許　出　願　人　トヨタ自動阜工業株式会社代　　
　　　理　　　　　人　　弁理士　　　明　　石　　呂
　　毅第　２　図 （×肛へα力） 第３図 （ｈ　式） ％式％ しノミツク　金属複合微粉末体 、１．補ｌｌをする煮 事肖との関係　　特ｊ出餉人 イｔ　山　　愛知県−ｔ■ｉ市Ｆ−」り町１番地名　称
　　（３２０）　ｈ　ｇ］り自動中１来株式会社代表右
森田俊人 ４代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）セラミックの表ＥＩｉｌｌと金属の芯部とよりな
   り、平均粒径に対する前記表面−の平均厚さの比が実質
   的に０．０５以上であるセラミックー金属複合微粉末体
   。 （２、特許請求の範囲第１項のセラミックー金属複合微
   粉末体に於て、平均粒径に対する前記表面−の平均厚さ
   の比は実質的に０．１以上であることを特徴とするセラ
   ミックー金属複合微粉末体。 （３）特許請求の範囲第１項又は第２項のセラミックー
   金属複合微粉末体に於て、平均粒径が実質的に５μ−以
   下であることを特徴とするセラミックー金属複合微粉末
   体。 （４）特許請求の範囲第３項のセラミックー金属複合微
   粉末体に放て、平均粒径は実質的に１μ−以下であるこ
   とを特徴とするセラミックー金属複合微粉末体。