JPS606909B2 - セラミツクス−金属複合体及びその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な複合構造を有するセラミックス−金属複
合体及びその新規な製造法に関する。

更に詳しくはセラミックスを芯材とするセラミックス−
金属複合体に於て、ストレスがセラミックス芯材に対し
てほとんど集中することのない独特の複合構造を採用す
ることにより、従来技術では回避困難であったセラミッ
クス芯材のクラック発生を防止しうるようになしたセラ
ミックス−金属複合体並びにその製造法に関する。周知
の如く、セラミックスを芯材とするセラミックス−金属
複合体は熱遮弊効果が大きく強度も優れていることから
種々の工業分野に於て中広く使用されている。

かかる複合体は一般に暁鼓め法、即ちセラミックス芯材
を複合すべき空所を備えた中空の金属複合材を加熱膨脹
させ、その膨脹した空所にセラミックス芯材を鉄合した
後冷却収縮させて複合する方法、或は銭包み法、即ち金
型内に複合すべきセラミックス芯材を内装し、これに加
熱熔融した金属を注湯して冷却固化させた後離型して複
合する方法等によって製造されている。しかしながら、
前者の焼隊め法にあっては、金属複合材の冷却収縮時に
向心的なストレスがセラミックス芯材に集中するためク
ラックが該芯村にほぼ放射状に発生し、亦後者の鏡包み
法の場合も同様に銭込時の熱衝撃や、金属複合材の冷却
固化時に向心的なストレスがセラミックス芯村に集中す
るため、やはりクラックが発生したり内部応力の保有の
増大に伴ってセラミックス芯材の機械的強度を劣化させ
るという共通の欠点を有する。本発明は叙上の事情に鑑
みてなされたものであって、その主たる目的とするとこ
ろは複合時から複合後にわたってストレスがセラミック
ス芯材に対してほとんど集中することのない独特の複合
構造を採用してクラック発生のないセラミックス−金属
複合体を提供すること、並びにその製造法を提供するこ
とにある。以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説
明する。

第１図及び第２図はそれぞれ本発明のセラミックス−金
属複合体の一実施態様を例示する縦断面図、第３図イ、
口及びハはそれぞれセラミックス芯材の一態様を例示す
る斜視図である。即ち本発明のセラミックス−金属複合
体は「その最も基本的な態様を第１図に例示する如く、
セラミックス芯材１の複合面にはグループ２が所望のパ
ターンで凹設されており、一方金属複合材３には上記グ
ル−ブ２に運通する貫通孔４が少なくとも１酵個穿設さ
れていて、この貫通孔４の外側関口４ａよりグループ２
及び貫通孔４内に洋湯され冷却されて金属複合材３に固
着一体化された固定用金属部材５によってセラミックス
芯村１と金属複合材３とが複合固定されてなる複合構造
を有する。ここに固定用金属部材５は金属複合材３に対
して固着性の良好な金属、好ましくは金属複合材３と同
材質の金属が使用される。亦本発明複合体に於てはセラ
ミックス芯材１と金属複合材３との複合固定性をより向
上させるために、第２図に例示合如くセラミックス芯材
１のグループ２に対応するグル−ブ６を金属複合材３の
複合面に凹設してもよい。この場合には、固定用金属部
材５が金属複合材３と固着一体化されていなくとも断面
半円分の突出により芯村１と複合材３とが複合固定され
うるので、極言すれば複合材３と固着性の非常に乏しい
材質の固定用部材５でも使用できる利点もある。但し、
このように金属複合材３にもグループ６を凹設するとき
は、固定用金属部村５の融湯を貫通孔孔４より注傷する
際に、グループ２及びグループ６内に存在する空気がグ
ループ６に注湯された固定用金属部材５に内包され、複
合体全体の機械的強度を劣化させるので、金属複合材３
の適所にグループ６に蓮適するほぼ垂直な空気抜き孔７
を穿設するのが好ましい。更に、第１図及び第２図のい
ずれの複合体に於ても、固定用金属部材５の融湯を注傷
する際には「セラミックス芯材１に凹設されたグループ
２の貫通孔４と対向する部分がかなりの熱衝撃を受ける
ことになるので、例えば第３図口或はハに示す如き固定
用部材５と同材質の金属当板８或は金属粉末９或は場合
によってはグループより径小の金属球体をグループ２の
該対向部分の内面に添設或は添着して熱衝撃を緩和する
のが好ましい。

以上の構成から理解できるように、本発明複合体の最大
の特徴はセラミックス芯材１を金属複合材３の空所に鉄
入してから貫通孔４の外側開口４ａより固定用金属部材
５の溶融を注湯し、冷却して金属複合材３に固着一体化
せしめた固定用金属部材５によって芯材１と複合材３と
を複合固定した点にある。このような複合構造に於ては
固定用金属部材５の融湯の注湯時にセラミックス芯材１
のグループ２内面に対して一時的な熱衝撃が加わるとい
うものの、従来の糠鉄め法や銭込法の場合のように冷却
時に金属複合材３が全体的に強く収縮することがなく、
、従ってセラミックス芯材１の周面全域に向心的なスト
レスが加わることがないのでセラミックス芯材１のクラ
ック発生がほぼ完全に解消されるのである。しかもこの
複合機構は金属複合材３に対して固着性の良好な固定用
金属部材、好ましくは複合材３と同材質の固定用金属部
材４を採用することによって、更には金属複合材３の複
合面にもグループ２と対応するグループ６を凹設するこ
とによって、従来の銭包み法で得られる複合体に優ると
も劣らない引張り強度を与えることが可能であり、強度
的にも優れたものである。このような本発明複合体は次
の３つの工程を経て製造される。

（１）金属複合材の鋳造工程： 金属複合材３は、熔融金属湯（例えば複合体の用途が内
燃機関のピストンヘッド等の場合はＡク合金湯が使用さ
れる）を金型に注傷し冷却固化後雛型する通常の鋳造手
段によって得られる。

最小限必要なセラミックス芯材を複合すべき空所及び固
定用金属部材の融湯を注入すべき貫通孔４、好ましくは
設けられる対応するグループ６及び空気抜き孔７はこの
鋳造工程に於て中子を介在し同時形成してもよく、亦鋳
造後に適宜切削加工等を施して形成してもよい。尚、こ
の金属複合材３は形状やサイズについて何ら制限を受け
るものではなく、目的とする複合体の用途に応じて所望
の形状、サイズのものとすればよい。亦、貫通孔４はい
かなる断面形状を有するものでもよく、セラミックス芯
材１のグループ２のパターンに応じて洋傷しやすし、よ
うに複数個所に設けてもよい。（ロ）セラミックス芯材
を得る工程： 上記金属複合材３と複合されるセラミックス芯材１は、
例えばＡ夕２０３，ＳＩＣ，Ｓｊ３Ｎ４等の原料粉末を
用いて、通常のホットプレスの手段或は該粉末を一旦成
型した後この成型体を普通焼成する手段によって得られ
る。

このセラミックス芯材１は金属複合材３の空所に外部よ
り隙間なく搬入しうる形状であればよく、例えば円柱状
、多角柱状、円錘状、円筒状、多角錘状、戦頭円錘状、
教頭多角錘状、逆後段状、下半球状等、所望の形状とす
ることができる。亦この焼成工程に於ては、内面にグル
ープ形成用の突条を備えたプレス型或は成型金型を使用
して焼成と同時にグループ２を形成してもよいし、成型
後又は焼成後に切削加工等の手段により形成してもよい
。グループ２のパターンについては自由であり、セラミ
ックス芯材１の形状、成型性又は切削加工性の良否、複
合強度等を考慮して適宜決定すればよいが、例えばセラ
ミックス芯村１が円柱状の場合には第３図イに示す如き
単一の環状グループ、或は環状波型グループ（不図示）
、或はこれらを複数条並談したもの（不図示）等が代表
例としてあげられる。尚、グループ自体の断面形状につ
いては、図示のものはいずれも半円状となっているが、
これのみに限定されるものではなく、その他Ｕ字状、コ
字状、三角状、或は所謂アリ溝の如き逆台形状等、所望
の形状とすることができる。（ｍ）複合工程： 本発明の複合体は、上記焼成工程で得られたセラミック
ス芯材１を上記鋳造工程で得られた金属複合材３の空所
に鉄入し、貫通孔４の外側閉口４ａより固定用金属部材
５の融湯をセラミックス芯材１のグループ２及び貫通孔
４（但し金属複合材３に対応するグループ６を形成して
いるとき‘ま該グループ６も含む）内に洋湯した後冷却
し、この融湯を金属複合材３に固着一体化せしめて固定
用金属部材５を形成することにより得られる。

注湯する固定用金属部材５はは金属複合材３に対して固
着性の良好な材質の金属、好ましくは金属複合材３と同
材質の金属が採用されるが、例えば第２図の如き対応す
るグループ６を金属複合材３の複合面に凹設する場合に
は固着性に乏しい金属も使用できる。この複合工程に於
ては、内部の空気が注入時に複合面の微細間隙或は空気
抜き孔７より外部へ放出されるので注湯が容易であり且
つ完全充填することができる。亦、浮揚に際しては貫通
孔４の外側開□４ａの周囲に冷し金を当接して貫通孔４
の周辺部分の熱軟化或は熱変形等を防止し、柱湯・性の
低下を防止するのが好ましい。かくして複合せしめると
きはセラミックス芯材１のグループ２の内面に一時的に
熱衝撃が加れられるとにうものの、従来の暁隊め法や銭
包み法のように冷却時に金属複合材３が全体的に強く収
縮することが全くなく、亦注湯した融湯もほとんど収縮
することなく金属複合材３に固着されるので、セラミッ
クス芯材１の周面全域に向心的にストレスが加わらず、
従ってセラミックス芯材１にクラックが発生することな
く複合体が製造されるのである。本発明の製造法は基本
的に上記３工程からなるものであるが、複合工程に於て
固定用金属部材５の融湯の柱湯時にグループ２の貫通孔
４と対向する部分が受ける熱衝撃を緩和してクラック発
生の防止をより完全ならしめるために、第３図口及びハ
に示す如き金属当板８或は金属粉末９或はグループより
径小の金属球状（不図示）対向部分の内面に添設又は添
着する工程をセラミックス芯材の焼成工程と複合工程と
の間に加えることもできる。

かかる金属当板８や金属粉末９又は金属球状は固定用金
属部材５と同じ金属のものを用いるのが好ましい。金属
当板８はグループ２の対向部分に脱落のないように薮着
すればよいが、適宜の俊着性樹脂を使用して接着しても
よい。亦金属粉末９や金属球体はこれを樹脂バインダー
に分散した塗液を塗布するか、或は通常の溶射の手段で
添着すればよい。次に実施例及び比較例をあげて本発明
を説明する。

尚、以下の実施例で％とあるのは全て重量％である。（
実施例 １） Ａそ合金（Ａそ９５％，Ｍｇ５％）の７００ｑｏの融湯
を離型剤を塗布した金型に注傷し、冷却固化後離型して
貫通孔を有する外径１６物帆、内径１３仇肋、高さ２８
伽の円筒状金属複合材を鋳造した。

一方、Ｓｉ３Ｎ４粉末９０％にＭｇ０５％を加えた混合
粉を混摸して、第３図イに示す如き単一の環状グループ
（中８側、深さ５側の単円状断面を有する）を複合面に
備えた直径１３仇吻、高さ２８肌の円柱状に成型し、Ｎ
２ガス雰囲気中１５２０ｑ０で焼成してＳｉ３Ｎ４糠結
芯材を得た。

このＳｉ３Ｎ４嘘結芯材を前記のＡ〆合金製円筒状金属
複合材に蕨入し、該複合材に穿設した貫通孔の外側関口
周囲に冷し金を当綾した後前記のＡそ合金の融湯をこの
貫通孔の外側開口よりグルーフ及び貫通孔内に注傷し冷
却して、Ａ〆合金製複合材に固着一体化したＡそ合金製
固定用金属部材を形成してＳｉ３Ｎ４焼結芯材−Ａそ合
金複合体を製造した。

同様にしてＩＯＮ固の複合体を製造したが、芯材にクラ
ックを発生したものは７個であった。

（実施例 ２）実施例１で使用したＡク合金の融湯を離
型剤を塗布した金型に柱湯し、冷却固化後離型して貫通
孔と該貫通孔を含んで内面に形成した単一のグループ（
中７．５脚、深さ１０柵の半円状断面を有する）とを有
する円筒状金属複合材（外径１６仇肋、内径１１３０脚
、高さ２８側）を得、この複合剤の貫通孔と反対側の部
分に上記グループに連適する直径２５柳の空気抜き孔を
穿設した。

以下実施例１と同様にしてＳｉ３Ｎ４競結芯材−Ａそ合
金複合体を得た。同様の手順でＩＯＮ固の複合体を製造
したが、芯材にクラックを発生したものは４個であった
。

（実施例 ３）アルミナセメント分を含有するアルミナ
セラミックス焼結芯材（実施例１と同サイズ）のグルー
ブ内面に６×１０×３肌のＡそ合金板（前記Ａ〆合金の
高虫湯と同組成）を轡曲変形して隊着し、このＡ〆合金
板が貫通孔と対向するようにアルミナ競緒芯材をＡク合
金製円筒状複合材に鉄入した以外は実施例１と同様にし
てアルミナ競縞芯材−Ａそ合金複合体を得た。同様の手
順でＩＯＮ固の複合体を製造したが、芯材にクラックを
発生したものは１１個であった。

（比較例）実施例１と同様にして直径１３仇吻、高さ２
８肌の円柱状Ｓｉ３Ｎ４焼結芯材を作り、この芯材を金
型内中央部に内装すると共に実施例１で用いたＡＺ合金
の融湯を注傷し、冷却固化後離型してＳｊ３Ｎ４糠綾芯
材−Ａク合金複合体を得た。

この鏡包み法によって複合体をＩＯＮ固製造したところ
、そのうち４対敵こクラツクの発生がみられた。

【図面の簡単な説明】

第１図び第２図はそれぞれ本発明のセラミックス−金属
複合体の一実施態様を例示する縦断面図、第３図イ、口
及びハはそれぞれセラミックス芯材の一態様を例示する
斜視図である。 （図面の符号の説明）１・・・セラミックス芯材、２，
６…グループ、３…金属複合材、４…貫通孔、４ａ・・
・外側関口、５・・・固定用金属部材、７・・・空気抜
き孔、８・・・金属当板、９・・・金属粉末。 第１図第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツクスを芯材とするセラミツクス−金属複合
   体に於て、セラミツクス芯材１の複合面にはグルーブ２
   が所望のパターンで凹設されており、一方金属複合材３
   には上記グルーブ２に連通する貫通孔４が少なくとも１
   個穿設されていて、セラミツクス芯材１と金属複合材３
   とが、この貫通孔４の外側開口４ａよりグルーブ２及び
   貫通孔４内に注湯され冷却されて金属複合材３に固着一
   体化された固定用金属部材５によって複合固定されてな
   ることを特徴とするセラミツクス−金属複合体。 ２ 固定用金属部材５と金属複合材３とが同材質である
   特許請求の範囲第１項記載の複合体。 ３ 金属複合材３の複合面にセラミツクス芯材１のグル
   ーブ２と対応するグルーブ６が凹設されると共に、金属
   複合材３の適所に上記グルーブ６に連通するほぼ垂直な
   空気抜き孔７が穿設された特許請求の範囲第１項記載の
   複合体。 ４ セラミツクス芯材１に凹設されたグルーブ２の貫通
   孔４と対向する部分の内面に、注湯される固定用金属部
   材５と同材質の金属当板８が添設された特許請求の範囲
   第１項記載の複合体。 ５ セラミツクス芯材１に凹設されたグルーブ２の貫通
   孔４と対向する部分の内面に、注湯される固定用金属部
   材５と同材質の金属粉末９が添着された特許請求の範囲
   第１項記載の複合体。 ６ セラミツクス芯材１に凹設されたグルーブ２の貫通
   孔４と対向する部分の内面に、注湯される固定用金属部
   材５と同材質の金属球体が添着された特許請求の範囲第
   １項記載の複合体。 ７ 溶融金属湯を金型に注湯し、冷却固化後離型してセ
   ラミツクス芯材を複合すべき空所と複合すべきセラミツ
   クス芯材のグルーブに連通する少なくとも１個の貫通孔
   を備えた金属複合材を得る鋳造工程と、セラミツクス用
   焼成原料粉末を焼成して所望パターンのグルーブをその
   複合されるべき面に備えたセラミツクス芯材を得る工程
   と、このセラミツクス芯材を上記金属複合材の空所に嵌
   入して貫通孔の外側開口より固定用金属部材の融湯をグ
   ルーブ及び貫通孔内に注湯し冷却して金属複合材に固着
   一体化された固定用金属部材を形成する複合工程とから
   成なるセラミツクス−金属複合体の製造法。 ８ 金属複合材と同材質の固定用金属部材の融湯を用い
   て固定用金属部材を形成する特許請求の範囲第７項記載
   の製造法。 ９ 鋳造工程に於て、上記空所及び貫通孔に加えて、複
   合すべきセラミツクス芯材のグルーブと対応するグルー
   ブを複合面に、この対応するグルーブに連通するほぼ垂
   直の空気抜き孔を金属複合材の適所に更に備えた金属複
   合材を得る特許請求の範囲第７項記載の製造法。 １０ セラミツクス芯材を得る工程と複合工程との間に
   、固定用金属部材と同材質の金属当板をセラミツクス芯
   材のグルーブの貫通孔と対向する部分の内面に添設する
   工程を含む特許請求の範囲第７項記載の製造法。 １１ セラミツクス芯材を得る工程と複合工程との間に
   、固定用金属部材と同材質の金属粉末をセラミツクス芯
   材のグルーブの貫通孔と対向する部分の内面に添着する
   工程を含む特許請求の範囲第７項記載の製造法。 １２ セラミツクス芯材を得る工程と複合工程との間に
   、固定用金属部材と同材質の金属球体をセラミツクス芯
   材のグルーブの貫通孔と対向する部分の内面に添着する
   工程を含む特許請求の範囲第７項記載の製造法。 １３ 複合工程に於て固定用金属部材の融湯を注湯する
   際に、金属複合材に穿設した貫通孔の外側開口の周囲に
   冷し金を当接する特許請求の範囲第７項記載の製造法。