JPS62170405A - 金属とセラミツク類からなる複合材の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種機器の部品等に使われる金属とセラミッ
ク類からなる複合材の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

金属部品とセラミックスとを機械的に接合する方法とし
て、圧入、焼き嵌め、ボルト締め等が知られているが、
これらの方法では金属部品とセラミックスの形状的な制
約が大きく、しかもセラミックスに応力集中部を生じゃ
すい。このため両者の締結強度が小さく、かつ設計上の
制約も大きがった。

しかも、一般的な金属とセラミックスとは互いに熱膨張
率が大きく異なっている。例えば金属の線膨張係数が１
０〜２０Ｘ　１０’であるのに対し、セラミックスの線
膨張係数は５Ｘ　１０”位である。このため、両者をろ
う付けや固相接合などによって高温（約６００〜２００
０℃）で接合した場合、冷却過程で両者に大きな寸法差
を生じ、室温では大きな残留応力が発生する。脆性材料
であるセラミックスは、その形状や大きさによっては上
記残留応力によりクラックが発生したり、破壊に至る場
合もある。

このため、セラミックスと金属部品との間に軟質金属を
インサート材として介在させ、インサート材の塑性変形
によって応力を緩和させたり、あるいは熱膨張率の小さ
な材料からなる金属部品を接合するなどの対策が考えら
れている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら軟質金属をインサート材として用いた場合
、インサート材の塑性変形により残留応力を緩和させる
ためには、軟質金属の厚さをかなり厚くする必要がある
。このためインサート材を挿入した箇所の機械的強度が
小さくなる。また、一般に軟質金属の融点は低いため、
セラミックスの大きな長所である耐熱性が接合部では充
分に発揮できなくなる。

一方、熱膨張率の小さな金属部品を接合すればセラミッ
クスとの熱膨張率差を小さくできるが、この場合、予め
所定形状に成形されている金属部品とセラミックスとを
互いに接合させるには、金属部品が単純な形状の場合に
限られる。従って実際に使われる部品形状にするには、
接合後に金属部品を機械加工することが必要である。し
かし低熱膨張率の金属材は一般に材料コストが高いので
、機械加工を行なうことによる歩留りの低下がコストア
ップの大きな要因となる。しかも金属の種類によっては
機械加工性がかなり悪い材料もあり、接合後の機械加工
そのものがコストアップの原因となる場合もある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明方法は、所定の形状に成形されたセラミック類か
らなる成形物と、この成形物との熱膨張率の差の小さい
合金をつくる金属粉末とを型に収容し、この金属粉末と
上記セラミック類の成形物とに圧力と熱を加えることに
より上記金属粉末を焼結成形して所定形状の焼結合金体
を得ると同時にこの焼結合金体を上記セラミック類の成
形物に接合させることを特徴とする金属とセラミック類
からなる複合材の製造方法である。本発明においてセラ
ミック類とは、セラミックスは勿論のこと、各種サーメ
ットや超硬合金等も含む。

〔作用〕

上記方法によって作られる複合材の金属部分は、原料粉
末を焼結成形すると同時にセラミック成形物との接合を
行なうため金属部分の形状の自由度が大きく、Ｒ柊製品
に近い形状のものを接合と同時に得ることが可能である
。しかも接合される両部材の熱膨張率の差が小さいため
、接合後の冷却過程でクラックを生じたり破壊するなど
の不具合を生じない。また、軟質金属等からなるインサ
ート材を用いずに接合することができるから、接合部の
強度が高く耐熱性も失われない。

〔実施例〕

第１図に示されるように、型１の中に予め所定形状に成
形されたセラミックスからなる成形物２と、この成形物
２との熱膨張率の差の小さい合金をつくる金属粉末３を
収容する。対象となるセラミックスは、例えばアルミナ
、窒化珪素、戻化珪素、サイアロン、黒鉛１部分安定化
ジルコニアなどであるが、これ以外のセラミック類、例
えばサーメットや超硬合金（金属炭化物と鉄族金属の焼
結体）などでもよい。

低熱膨張率の合金は、例えばインバー合金や、コバール
等の遷移金属系の合金、あるいはＭＯ。

Ｗ、Ｎｂ等の高融点・低熱膨張率金属の合金である。金
属粉末３は、焼結成形によって得られる焼結合金の成分
金属である２種類以上の金属の混合粉末が使用されるが
、焼結合金と同一金属成分を有する合金粉末を用いるこ
ともできる。

なお、接合強度を高めるために、セラミックス成形物２
と金属粉末３との間にセラミックスと焼結合金との親和
性を良くするための適宜のインサート材４を介在させて
もよい。インサート材４としては、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕ、
ＡＩ等の箔や粉体、あるいはＮｉ、Ａｇ、Ｃｕ等の硬ろ
う材が使用される。

上述のセラミックス成形物２と金属粉末３に、ポンチ６
によって図示矢印方向から適当な荷重を付加しつつ、金
属粉末３の焼結と接合に必要な湿度に加熱する。この温
度と圧力条件は、例えばインバー合金の場合、９００〜
１２００℃で１〜５に’ｌｆ／ＨＲ２である。また、Ｗ
、ＭＯなどの高融点合金の場合、１０００〜２０００℃
で１〜５　Ｋｇ　ｆ　／　ｍｔｔｔ　２である。なお、
型１とポンチ６の内面には予め離型剤を塗布しておく。

以上の加熱と加圧により、金属粉末３の成分金属の混合
体が変形と拡散により合金化し、焼結合金体３′が得ら
れるとともに、この焼結合金体３′とセラミックス成形
物２とが互いに接合する。

上記方法によって得られた複合材は、金属粉末３から所
定形状の焼結合金体３′を焼結成形すると同時にセラミ
ックス成形物２との接合が行なわれるため、焼結合金体
３′の形状の自由度が太きく、最終製品に近い形状のも
のを製造可能である。

このため仕上げの１ｌｌｂ１加工を軽減することができ
る。しかもセラミックス成形物２と焼結合金体３′との
熱膨張率差が小さいため、接合後の冷却過程あるいは熱
サイクルを生じる使用条件下で使われた場合において、
セラミックス成形物２にクラックが生じたり、破壊する
などの不具合を生じない。

そして、セラミックス成形物２が高い耐熱性を発揮する
とともに、焼結合金体３′が良好な熱伝導性を発揮する
ので、両者を組合わせることにより、セラミックス成形
物２側で耐熱性をもたせるとともに焼結合金体３′側で
冷却することで高温箇所にも使用できる。

また、セラミックスは耐摩耗性に優れていることから各
種の暦動部品に適用可能であって、本実施例の複合材は
形状の自由度の大きい焼結合金体３′を介してセラミッ
クス成形物２を他の部材に容易に締結することができる
から、種々の態様のメカニカルシールや軸受等に応用で
きる。

なお第２図に示されるように、型１の形状あるいはセラ
ミックス成形物２の形状を焼結合金体３′の最終製品の
形状に応じた形にしておくことにより、接合後の機械加
工の大幅な低減ないし省略が可能である。

また第３図に示されるように、セラミックス成形物２と
焼結合金体３′との接合面に溝等の凹凸部８を設けるこ
とにより、例えば図示矢印方向の剪断強度を高くするこ
とができる。こうした凹凸部８をもつ形状も、焼結合金
体３′を粉末から焼結成形することで容易に作ることが
できる。

第４図に示された実施例は、窒化珪素からなるセラミッ
クス成形物２に、インバー合金からなる焼結合金体３′
と、インバー合金と炭素鋼の中間の熱膨張率を有するイ
ンサート材１０を介して、炭素鋼１１を接合したもので
ある。すなわちこの場合、セラミックス成形物２との接
合部からの距離が大きい部位はど熱膨張率が高くなるよ
うに、金属部分が層状に重ねられている。

このような複合構造によれば、セラミックス成形物２と
の接合部から離れた部位（例えば炭素鋼１１）は熱膨張
率が高くても差支えないから、より安価な材料、あるい
は強度の高い材料、加工の容易な材料等を使用すること
ができる。ちなみに、窒化珪素の線熱膨張係数は約４Ｘ
１０”、インバー合金は１〜ＩＯＸ　１０”　、炭素鋼
は１２Ｘ　１０’位である。

更には、金属部分の原料となる粉末の成分をセラミック
ス成形物２からの位置に応じて連続的に変化させること
により、セラミックス成形物２との接合部からの距離が
大きな部位はど熱膨張率が高くなるように金属部分を焼
結成形してもよい。

このように成分金属を変化させることも、金属部分の原
料が粉末であるから容易に対処できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、金属とセラミック類との接合強度が高
くかつ複雑な形状や最終製品に近い形状のものを接合で
き、しかも接合後にクラックが生じたり破壊することの
ない複合材が（ｑられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の工程の一部を示す複合材と型の略
断面図、第２図は本発明方法に用いる型の一例を示す断
面図、第３図は本発明方法により製造された複合材の一
例を示す斜視図、第４図は本発明方法により製造された
複合材の他の例を示す斜視図である。 １・・・型、２・・・セラミック類の成形物、３・・・
金属粉末、３′・・・焼結合金体。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 ｗＳ２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の形状に成形されたセラミック類からなる成
   形物と、この成形物との熱膨張率の差の小さい合金をつ
   くる金属粉末とを型に収容し、この金属粉末と上記セラ
   ミック類の成形物とに圧力と熱を加えることにより上記
   金属粉末を焼結成形して所定形状の焼結合金体を得ると
   同時にこの焼結合金体を上記セラミック類の成形物に接
   合させることを特徴とする金属とセラミック類からなる
   複合材の製造方法。
2. （２）上記セラミック類は、セラミックス、サーメット
   、超硬合金の中から選択されたものであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の金属とセラミック類か
   らなる複合材の製造方法。
3. （３）上記金属粉末として、上記焼結合金体の成分金属
   である２種類以上の金属の混合粉末を用いることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の金属とセラミック類
   からなる複合材の製造方法。
4. （４）上記金属粉末に上記焼結合金体と同一成分をもつ
   合金粉末を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の金属とセラミック類からなる複合材の製造方法
   。