JPS6141734A

JPS6141734A - 粒子分散型複合材料の製造方法

Info

Publication number: JPS6141734A
Application number: JP16309684A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyasu Morita; 森田　喜保; Manabu Seguchi; 瀬口　学; Fuminori Higami; 樋上　文範
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1984-08-02
Filing date: 1984-08-02
Publication date: 1986-02-28

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】産業上の利用分野本発明は粒子分散型複合材料の製造方法に関する。更に
詳しくは、金属マトリックス中にセラミック粒子を均一
に分散した、気泡を殆ど含まない複合材料の製造方法に
関する。

従来の技術従来、スキッドボタンなどの高温強度部材として耐熱合
金、例えば３０Ｃｒ　−５０Ｃｏ　−Ｆｅ系耐熱合金（
１ＭＣｏ５０）　、２７Ｃｒ−４０Ｃｏ−２ＯＮｉ−Ｆ
ｅ系耐熱合金等が使用されてきたが、クリープ変形が生
じ易いなどの欠点があるために、金属では自ずと限界が
ある。一方、セラミックを耐熱合金の代用として使用す
ることも当然考えられるが、セラミックは耐ＩＩ強度が
低いために、セラミック単体の実用化には問題がある。

そこで、セラミックと金属夫々の利点を生かした、金属
をマ）　ＩＪソックスする粒子分散型複合材の開発が重
視されてきており、既にいくつかの複合材並びにその製
法が開発されている。

例えば、Ｅ、　Ｎａｋａｔａの金属、１９８２年、ｐｐ
１９〜２２には溶湯鍛造法、拡散結合法、鋳造法、押出
し、圧延法、蒸着法等による各種の複合化技術が金属系
複合材料の複合加工法に応用できることを開示しており
、特に最初の溶湯鍛造法について詳述している。

この溶湯鍛造法による粒子分散型複合材料の製造法を添
付第２図に従って説明する。

まず、第２図（ａ）はこの方法で使用する装置を示すも
のであり、金型ｌとプランジャー２とから主としてなり
、該金型１にはその周囲にヒータ３が設けられている。

該金型１内に分散すべき粒子４を充填し、第２図（ｂ）
に示したように一担ブランジャー２により圧力Ｐ１で加
圧し、粒子４をできる限り密なバッキング状態とする。

次いで、金型１の上方から鋼製金網５を装入し、溶融金
属よりも比重の小さな粒子が溶湯注入の際に浮上しない
ようにする。この状態でマトリックスを形成する溶融金
属６を金型１の上方から注入（第２図（Ｃ）参照）し、
再度プランジャー２で加圧（ｐｉ）　　（第２図（ｄ）
参照）しつつ冷却して、目的とする粒子分散型複合材料
を得ることができる。

しかしながら、マトリックスとしての金属が高融点のも
のである場合、セラミックには溶融金属の鋳込みによる
熱衝撃が作用し、その結果セラミック粒子１０が極めて
損傷を受けやすく、第３図に模式的に示したように、割
れ１１などの損傷を生じる。また、特にセラミック粒子
間並びに粒子内に存在する空気などのガスおよび鋳込み
過程で生ずるガスに起因する空洞（第３図の１２）の形
成がみ　−られる。これは上方から急激に溶融金属を注
入すること並びに鋳込みの際の冷却過程において凝固が
四周並びに表面などの冷却され易い部分から始まること
によるものと考えられる。従って、今までのところ良質
のこの種の複合材は、製品化されていない。

発明が解決しようとする問題点上で詳細に述べたように、従来の粒子分散型複合材料の
製造方法では、分散すべき粒子の上方からマトリックス
としての溶融金属を注入していたために、粒子間、粒子
内のガス並びに複合材料の鋳込み過程で発生するガスが
抜けにくいので、最終製品中には空洞が形成されたり、
また、鋳込みの際の熱衝撃のために分散粒子が割れなど
の損傷を受ける恐れがあった。

このような情況の下で、上記の各種問題点を解決し、良
質の粒子分散型複合材料の製造方法を開発することは当
分野において重要な課題の一つとなっている。

そこで、本発明の目的は前記従来の各種問題点を解決す
ることのできる、新規な粒子分散型複合材料の製造方法
を提供することにある。また、彼方法によって得られる
良質の粒子分散型複合材料を提供することも本発明の目
的の一つである。

問題点を解決するための手段本発明者等は粒子分散型複合材料の製法における従来法
の前記現状に鑑みて、良質の使用に耐え得る複合材料を
製造すべく種々検討、研究した結果、分散すべき粒子を
予熱し、溶融金属の注入を下方から実施することが、前
記本発明の目的達成のために極めて有効であることを見
出した。本発明はこれらの知見に基き完成されたもので
ある。

即ち、本発明の粒子分散型複合材料の製造方法は、炉内
に、少なくとも１つの開孔を有する隔壁と、ガス抜き用
孔を備えた上部壁とを有する隔室を設け、該隔室内にセ
ラミック粒子を装入し、該隔室外に固体金属を装入し、
加熱して該固体金属を溶融させ、該溶融金属を前記開孔
を介して前記隔室内に浸入させることを特徴とする。

尚、使用炉としては高周波炉が最も適しているが、他の
加熱炉でもよい。

作用第１図に本発明の方法を実施するための装置の１例を断
面図として概略的に示した。以下この第１図に従って、
本発明の方法を更に詳しく説明する。

第１図に示した装置は、高周波炉２０と、炉２０内にス
タンプ材２１を介して設けられた複合材のマトリックス
を形成する金属用の容器２２と、セラミック粒子を装入
するための隔室２３とから主として構成されている。

隔室２３は底部壁を有していてもよく、また底部開放型
であって、容器２２によって閉じられるように構成され
ていてもよい。隔室２３の側壁下方には少なくとも１つ
、好ましくは複数の開孔部２４が設けられていて、溶融
金属が隔室下部から浸入し得るようになっている。更に
上部壁にもガス抜き用孔２５が少なくとも１つ、好まし
くは複数設けられていて、溶融金属が下方から浸入した
場合に、隔室上方から粒子間並びに粒子内に含まれてい
る空気などのガスおよび溶融金属と粒子とが接触した際
に生成される可能性のあるすべてのガスを大気中に排出
できるように構成されている。

また、隔室上部には重り２６が設けられていて、溶融金
属よりも比重の小さな分散用粒子の浮き上がりを防止し
ている。

隔室２３の形状は特に制限されず、所望の複合材料の形
状に応じて適宜選ぶことができ、例えば立方体、直方体
、円柱、角柱等いかなる形状であってもよい。

高周波炉２０の炉壁には加熱手段２７（ここでは高周波
コイル）が埋設されており、マトリックス用の固体金属
を溶融すると共に、溶融金属の注入が開始される前に隔
室内の分散粒子を予熱する役割を果たす。

第１図に示したような装置を用いて、実際に粒子分散型
複合材料を形成する方法を説明すると、まず、隔室２３
内に粒子２８を装入する。次いで、容器２２の空間内に
複合材料のマトリックスを形成するための固体金属２９
を詰める。

ここで、分散粒子即ちセラミック粒子としては、例えば
Ａｌ２Ｏ３，３ＡＩｚＯｓ　・２ＳＩＯ２、Ｚｒ０ｚな
どの酸化物系セラミックス、ＳｉＣ、ＴｉＣなどの炭化
物系セラミックス、サイアロン等が使用できる。また、
複合材料のマ）　ＩＪフックス成用金属としてはＡＩ、
その合金、Ｎ１、Ｃｏ、　Ｃｒ系合金、鋼、ステンレス
鋼等各種のものを例示できる。これら分散粒子用セラミ
ック材料、マトリックス用金属材料は最終製品としての
複合材料の所望する物性、用途等に応じて適宜選ぶこと
ができる。

次いで、高周波炉２０の高周波コイルを動作させて高周
波加熱を行ない、隔室２３内のセラミック粒子２８を予
熱すると共に容器２３内に詰められたマトリックス用固
体金属を溶融させる。かくして、高周波加熱により溶融
する金属は自重により、また液面を加圧して強制圧入す
ることにより、隔室２３の側壁下部に設けられた開口２
４を介してセラミック粒子の間隙内に溶融金属が下方か
ら徐々に浸入する。一方セラミック粒子間、粒子内等に
存在するガス、溶融金属とセラミック粒子との接触によ
り発生する可能性のあるガスなどが徐々に隔室上方に押
し上げられ、上部壁土に設けられたガス抜き孔２５を介
して外気中に排出される。

本発明の方法によれば、分散粒子中にもしくは分散粒子
間に存在するガスは、前記予熱期間中にも孔２５を介し
て外部に放出される可能性が十分にあり、またマトリッ
クスを形成する金属の溶融物が隔室下部から注入される
ために、ガスの除去効率は極めて大きいものと考えられ
る。更に、隔室２３への溶融金属の注入を幾分過剰に行
い、ガス抜き孔２５から過剰溶融金属を排除して、ガス
抜き効率等を更に高め、より良質の複合材料を製造する
ことができる。

上記の操作の終了後、冷却して、目的とするセラミック
粒子を分散させた複合材料を得ることができる。

実施例以下、実施例に従って本発明の方法を更に具体的に説明
する。しかしながら、本発明は以下の実施例によって何
等制限されない。

舅以下表１に示す組成のセラミック粒子と金属とを用いて
、上記の操作に従って、セラミック粒子分散型複合材料
を試作した。

表１　供試材の性状金属（本数値は％）第４図（ａ）はこれら試作品の断面の一部を拡大して示
したものであり、（ｂ）はその一部を更に拡大して示し
たものである。第４図から明らかな如く、円形のものが
分散セラミック粒子であり、それ以　−外の部分はマト
リックスとしての金属部分である。

該マ）　ＩＪフックス分はＣＯを主成分とする高融点の
耐熱合金（融点１３９０℃）であるが、このような高融
点金属を用いた鋳込みにおいても、セラミック粒子には
割れなどの損傷がまったく観察されなかった。更に、マ
トリックス地をみれば理解されるように空洞は殆どみら
れず、マトリックス金属がセラミック粒子間を殆ど完全
に満たしていることがわかる。

尚、参考までに、同じ材料を使用し、従来の方法でセラ
ミック粒子に上方から直接溶湯を注入することにより、
複合材を作製したが、第３図に模式的に示したように、
セラミック粒子には割れが観測され、また残留ガス等に
よる空洞が形成されていることがわかった。

発明の効果かくして、これまで詳細に記載したように、本発明の粒
子分散型複合材料の製造方法によれば、マトリックス形
成用の溶融金属を分散粒子の下方から浸入させ、該マト
リックス金属の溶融をセラミック粒子を装入した後に行
って、該粒子を予熱するという特徴に基き、複合材料製
品中での空洞の形成を効果的に回避し、かつ溶融金属注
入の際の熱衝撃に起因する分散粒子の割れなどの損傷の
問題が完全に解決される。従って、本発明によれば十分
に使用に耐える良質の粒子分゛散型の複合材料を提供す
ることが可能となり、その利用価値は極めて大きいもの
といえよう。

第１図は本発明の方法を実施するための装置を概略的断
面図で示すものであり、第２図は従来の溶湯鍛造法による粒子分散型の複合材の
製造法を説明するための概略図であり、第３図は従来法
の鋳込みの際の熱ｉｓに起因する分散粒子の割れ、並び
に粒子内、粒子間に存在するガス等による空洞の形成を
示すための模式的な図であり、第４図（ａ）　：１６よび（ｂ）は本発明の方法によっ
て作製された粒子分散型複合材料の一部を拡大した断面
図で示すものである。

（主な参照番号）１−金型、　２・・・プランジャー、　　３・−ヒータ
、４−分散粒子、　５・・・鋼製金網、６°・溶融金属、　１０　　セラミック粒子、１１・°
・割れ、　１２・・°空洞、　２０”高周波炉、２１　
　スタンプ材、　２２°容器、　２３°°・隔室、　　
　　　゛２４パ・開孔、　２５・・・−ガス抜き孔、　
２６・・・−重り、２７・・高周波コイル、　２８・　
　分散粒子２９・・固体金属、　３０・　セラミック粒
子、３１・・金属マトリックス

Claims

【特許請求の範囲】

（１）溶解炉内に、下部に少なくとも１つの開孔を有す
る隔壁を有し、かつガス抜き用孔を備えた上部壁を有す
る隔室を設け、該隔室内にセラミック粒子を装入し、該
隔室外に固体金属を入れて、加熱し、該固体金属を溶融
させ、該溶融金属を前記隔室の開孔より隔室内に浸入さ
せることを特徴とする粒子分散型複合材料の製造方法。