JPS62218B2 - - Google Patents

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JPS62218B2
JPS62218B2 JP7211084A JP7211084A JPS62218B2 JP S62218 B2 JPS62218 B2 JP S62218B2 JP 7211084 A JP7211084 A JP 7211084A JP 7211084 A JP7211084 A JP 7211084A JP S62218 B2 JPS62218 B2 JP S62218B2
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JP
Japan
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thermal expansion
metal
composite material
particle size
mineral powder
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Expired
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JP7211084A
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English (en)
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JPS60243244A (ja
Inventor
Kenki Ishizawa
Takehiko Kobayashi
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Shinagawa Refractories Co Ltd
Original Assignee
Shinagawa Refractories Co Ltd
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Publication date
Application filed by Shinagawa Refractories Co Ltd filed Critical Shinagawa Refractories Co Ltd
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Priority to DE8585103317T priority patent/DE3575311D1/de
Priority to EP85103317A priority patent/EP0158187B1/en
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【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕 本発明は低熱膨張性複合材料に係り、金属と膨
張率の低いLi2O―Al2O3―SiO2系鉱物粉末とを複
合せしめることによつて、金属の有する熱膨張率
を低下させるようにした低熱膨張性複合材料に関
するものである。 〔発明の背景〕 従来、低熱膨張材料としては金属では各種測定
器、バイメタル及び時計等の部品の材料として使
われているアンバー合金がある。しかしながらこ
のアンバー合金は比重が8〜8.5と大きく、価格
が高いと共に加工性にも問題がある。 またセラミツクの低熱膨張材としてはアルミニ
ウムチタネート、インデイアライト、ペタライト
等が知られているが、これらはいずれも機械的強
度が小さいと共に熱履歴性を有するため、精密機
械部品としての使用は困難である。 ところで一般に2種以上の素材を複合してなる
複合体においては、個々の素材の特性の体積分率
に比例して複合体の特性が定まると言われてい
る。これがいわゆる複合則である。例えば、n個
の素材からなる複合体の熱膨張率αcに関しては
次式のようになる。 αc=Kα+Kα+……+Kα
/K+K+………+K……(1) (1)式において、αは熱膨張率、Vは体積分率、
Kは体積弾性率を表し、1ないしnの添字は1な
いしn番目の素材に係ることを示す。 従つて熱膨張率の低い鉱物の粉末と金属とを複
合させれば、低熱膨張性の金属質複合材料が得ら
れると考えられる。 しかしながら、上記複合則は、構成素材間に相
互作用が全くないことを前提としており、実際の
複合材料においては、界面拡散相、製造プロセス
に生じる残留応力相、それに複合材料の構成素材
間の熱膨張率と弾性率の違いによる界面の熱応力
等の因子が作用し、目標とする特性の複合材を得
ることは容易ではない。例えば金属と低熱膨張性
の鉱物粉末とを複合させても、加工性に富み高強
度の低熱膨張性金属複合材料を得ることは困難で
あり、そのため従来、金属と低熱膨張性の鉱物粉
末とを組み合わせることにより両者の特徴を兼ね
備えた複合材料を製造しようとする試みはあまり
行なわれなかつた。 〔発明の目的〕 本発明は上記実情に鑑みてなされたものであ
り、その目的とするところは、アンバー合金に比
し極度に比重が小さく且つ安価で加工性に富みま
した熱履歴性が小さく高強度の低熱膨張性複合材
料を提供することにある。 〔発明の構成〕 この目的を達成するために、本発明の低熱膨張
性複合材料は、Fe、Cu、Ni、Co、Mo、Ti、
Cr、Alの金属のうち1種又は2種以上40〜90
%、Li2O―Al2O3―SiO2系鉱物粉末10〜60%を含
むようにしたものである。 以下本発明の構成につき、さらに詳細に説明す
る。 本発明で使用される金属は、Fe、Cu、Ni、
Co、Mo、Ti、Cr、Alであり、複合材料の使用目
的によつてこれらの金属のうち1種又は2種以上
が組み合わされて用いられる。 本発明の低熱膨張性複合材料を製造するに際し
ては、後述のように、通常、これらの金属の粉末
が鉱物粉末と混合されて成形、焼結されるのであ
るが、この複合材料を製造するに際して、用いる
金属の粒度は50μm以下とりわけ平均粒径が20μ
m以下であることが好ましい。粒径が50μm以上
の粒子を多量に含有した金属粉末を使用すると高
密度の複合材料が得られ難い。なお金属粉末が粒
径5μm以下のものを多く含有すると金属粉末が
酸化され易くなると共に、粉砕時に発生する歪の
影響が大となり好ましくない。 また本発明で使用できるLi2O―Al2O3―SiO2
鉱物粉末としては、モル比でLi2O:Al2O3:SiO2
=1:1:2〜10のものが使用でき、具体的には
例えばLi2O―Al2O3―2SiO2(β―ユークリプタ
イト)、Li2O―Al2O3―4SiO2(β―スポジエメ
ン)、Li2O―Al2O3―8SiO2(ペタライト)、等が
挙げられる。なお複合材料の目標特性に対応して
任意の種類のLi2O―Al2O3―SiO2系鉱物粉末を選
ぶことができる。 複合材料を製造するに際してはこの鉱物粉末と
しては500μm以下の粒度のものを使用するのが
好ましく、とりわけ平均粒径が10μmから200μ
mであることが特に好ましい。500μmを超える
粒度を多く含有すると、焼結性に悪影響を及ぼ
す。また平均粒径が10μm未満であると金属の平
均粒径が5μm未満となり好ましくない。(これ
は次に述べるように、本発明の低熱膨張性複合材
料を製造するに際しては鉱物粉末の粒径は金属粉
末の粒径の2倍以上とするのが好ましいからであ
る。) 一般に金属と鉱物粉末からなる複合材料におい
ては、金属と鉱物粉末の熱膨張差に伴う相互の結
晶粒間の歪と金属の弾性率の積である界面の熱応
力並びに、製造プロセスにて発生する残留応力な
どの原因により、構成素材相互の熱膨張差相殺が
定常的でなくなる。即ち金属に対するLi2O―
Al2O3―SiO2系鉱物粉末の熱膨張率低減効果が現
われにくいという傾向がある。ところが本発明者
らが鋭意研究を重ねた結果、金属とLi2O―Al2O3
―SiO2系の鉱物粉末の粒径を制御すること(詳
しくは、金属に対して鉱物粉末の粒径を大きくす
る程鉱物粉末の金属への熱膨張率低減効果が大き
くなり、鉱物粉末の粒径を金属の粒径の好ましく
は2倍以上にすること)によつて熱膨張効果に対
する熱応力及び残留応力の影響を克服することが
できることが見い出されたのである。 即ち本発明の低熱膨張性複合材料においては、
金属とLi2O―Al2O3―SiO2系鉱物粉末とを配合す
るに際し、金属の平均粒径に対し該鉱物粉末の平
均粒径を2倍以上とし、且つ10倍以下にすること
が好ましい。2倍未満であると上記のように金属
複合材料の界面の熱応力及び残留応力の影響によ
つて熱膨張低減効果が少ない。また10倍を超える
とLi2O―Al2O3―SiO2系鉱物粉末の粒径が大きく
なり高密度の金属複合材料が得られ難い。 本発明の金属複合材料を製造する配合比は金属
を40〜90重量%、Li2O―Al2O3―SiO2系鉱物粉末
を10〜60重量%が良い。金属が40重量%未満にな
ると、Li2O―Al2O3―SiO2系鉱物粉末の含有量の
増加に伴い該鉱物粉末結合の影響が大となり、金
属的性質が極端に低減し、そのため強度劣化があ
り加工性が悪化する。また90重量%を超えると該
鉱物粉末複合による熱膨張率低減効果が現れな
い。 本発明の低熱膨張性複合材料においてはLi2O
―Al2O3―SiO2系鉱物と上記金属との間で若干の
拡散反応があるものの、その反応量も少量で、金
属あるいはLi2O―Al2O3―SiO2系鉱物粉末の性質
に影響を与えるものでもなく広義に構成素材の結
晶間は物理的結合が主体的であり、結晶相として
は金属とLi2O―Al2O3―SiO2系鉱物粉末のみであ
る。従つて、熱膨張率の複合効果のずれの原因に
なるような界面拡散相の形成はない。 本発明の低熱膨張性複合材料を製造するには、
一般には、予め均一分散させた配合物を公知の手
段で成形し、600〜1300℃の非酸化雰囲気中で加
熱して製造する。勿論その他の手段例えば公知の
ホツトプレス、熱間静水圧加圧法等により高密度
で高強度の複合材料を容易に得ることができる。
また金属溶湯中に鉱物粉末を分散させた後冷却し
凝固させるようにしても良い。 〔発明の実施例〕 以下に本発明を実施例及び比較例により更に具
体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない
限り、以下の実施例に限定されるものではない。 実施例 1 市販鉄粉(純度99%以上、粒径44μm以下)を
平均粒径5μm、10μmに各々粉砕、調整した。
得られた鉄とβ―ユークリプタイト(純度99%以
上、平均粒径5、15、20μmの3種)又はβ―ス
ポジユメン(純度99%、平均粒径15μm)とを原
料とし、鉄粉の配合割合を40〜90重量%の範囲で
第1表に示す如く種々変えて、アルミナポツトと
アルミナボールを用い、溶媒としてイソプロピル
アルコール、分散剤としてヘキサメタリン酸ソー
ダ(添加量1重量%)を添加して、ボールミルで
3時間混合した。また、上記鉄とβ―ユークリプ
タイトの系に、さらにTiあるいはMoを加えた系
についても同様に混合した。 得られた混合粉末を成形圧1500Kg/cm2にて各々
成形し、その成形体を熱間静水圧加圧装置(以下
HIP装置と称する)にて第1表に示す処理条件で
処理した(No.1〜10、14)。また該成形体を別に
常圧である非酸化雰囲気中にて焼結した(No.11〜
13)。 得られた試料の特性を第1表に示す。 第1表より、例えばNo.1〜4の試料は、鉄の熱
膨張率が11.7×10-8/℃であるのに対し、その熱
膨張率は6.2×10-6/℃〜−1.8×10-6/℃と大幅
に低減したことが認められ、しかも強度10Kg/mm2
以上の高強度であることがわかる。またNo.9、10
のようにMo、Tiを少量複合させると強度の向上
に効果があることがわかる。 比較例 1 鉄とβ―ユークリプタイトとの配合割合を第1
表に示す如く変えた以外は実施例1と同様にして
成形体を得、この成形体をHIP処理した。 得られた試料(No.15〜17)の特性を第1表に示
す。 実施例 2 市販電解銅粉(純度99%以上、平均粒径5μ
m)とβ―ユークリプタイト(純度99%以上、平
均粒径5、15、20μmの3種)とを原料としたこ
と以外は実施例1と同様に第2表に示す配合割合
で混合及び成形した。 得られた成形体を第2表に示す条件でHIP装置
にて処理した(No.18〜23、27)。また該成形体を
常圧である非酸化雰囲気中にて焼結した(No.24〜
26)。 得られた試料の特性を第2表に示す。 第2表より、例えばNo.18〜21の試料はその熱膨
張率が銅の16.5×10-6/℃に比較して12.5×
10-6/℃〜−1.3×10-6/℃まで低減したことが
認められ、しかも強度も優れていることがわか
る。 比較例 2 銅とβ―ユークリプタイトとの配合割合を第2
表に示す如く変えた以外は実施例2と同様にして
成形体を得、この成形体をHIP処理した。 得られた試料(No.28〜30)の特性を第2表に示
す。 実施例 3 金属として粒径5μmのTi、Co、Ni、Crもし
くはAlを用いたこと以外は実施例1と同様な方
法で第3表に示す配合割合で混合、成形し、得ら
れた成形体を第3表に示す条件でHIP処理した
(No.31〜35)。 得られた試料の特性を第3表に示す。 第1表ないし第3表より、本発明の低熱膨張性
複合材料は軽量且つ高強度であることが認められ
る。
【表】
【表】
【表】
〔発明の効果〕
以上詳述したように、本発明によれば熱膨張率
が金属の熱膨張率付近から零に近い範囲の任意の
熱膨張率である複合材料が提供される。この低熱
膨張性複合材料は、アンバー合金よりも低熱膨張
且つ軽量であり、また安価に製造できる。さらに
アルミニウムチタネートより高強度(約10Kg/mm2
以上)である。 そのため、各機器装置特に測定機器や精密機器
のある程度の強度が必要で軽量且つ低熱膨張性の
必要とする箇所への装着部品に最適で、他金属と
の締付けも良好である。この金属複合材料で形状
が複雑で且つ寸法精度が要求されるものに関して
は切削等の加工を施して適用すれば良い。その
際、露出面は金属であるため光沢面が得られる。
また外表面のメツキ、コーチングも可能である。 このように本発明の低熱膨張性複合材料は、軽
量、安価且つ高強度で加工性が極めて良好なた
め、軽量で低熱膨張性が必要とされる測定及び精
密機器用部品等として好適であり、その利用価値
は大なるものである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 Fe、Cu、Ni、Co、Mo、Ti、Cr、Alの金属
    のうち1種又は2種以上40〜90%、Li2O―Al2O3
    ―SiO2系鉱物粉末10〜60%を含んでなることを
    特徴とする低熱膨張性複合材料。
JP7211084A 1984-04-11 1984-04-11 低熱膨張性複合材料 Granted JPS60243244A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP7211084A JPS60243244A (ja) 1984-04-11 1984-04-11 低熱膨張性複合材料
DE8585103317T DE3575311D1 (de) 1984-04-11 1985-03-21 Verbundmaterial mit niedriger thermischer ausdehnung.
EP85103317A EP0158187B1 (en) 1984-04-11 1985-03-21 Composite material having a low thermal expansivity

Applications Claiming Priority (1)

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JP7211084A JPS60243244A (ja) 1984-04-11 1984-04-11 低熱膨張性複合材料

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JPS60243244A JPS60243244A (ja) 1985-12-03
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