JPS62221536A - 複合部材及びその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、自動車、航空機等のエンジン部品、高温処理
用炉体補助材、抵抗発熱体、金属溶湯中の不純物源適用
フィルター、高温輻射伝熱素子等の分野で利用される、
耐熱性及び高温強度の優れた複合部材及びその製造方法
に関するものである。

［従来の技術］ 近年、金属では得ることのできない耐熱特性を備えたも
のとしてセラミックスが注目を集めており、特に高温霊
囲気下でも優れた機械的特性を発揮する非酸化物系セラ
ミックスは上記の様な用途に広く実用化されはじめてい
る。しかしながら非酸化物系セラミックスは、高温の大
気雰囲気中で使用しているうちに？３−ＱＬに酸化劣化
してしまうという問題がある。こうした問題を解消する
為、非酸化物系セラミックスの高密度化や酸化安定剤の
混入等が試みられているものの、未だ満足し得るものは
提供されておらず、現状では、非酸化物系セラミックス
成形体の外周に主として酸化物からなるセラミックスを
被覆するという手段によって非酸化物系セラミックスの
酸化を抑制している。

［発明が解決しようとする問題点コ 上記表面被覆法として現在実用化されているのは、酸化
物系セラミックス素材を溶射、散布若しくは塗布する方
法であるが、これらの方法では非酸化物系セラミックス
への酸素の侵入を完全に阻止することが困難であるばか
りでなく、被覆層がＦ、１−ＱＬに！！ＩＪ　Ｉｆｌｌ
ｆするという致命的な欠陥があり、満足のいく表面保護
効果は得られていない。

又、酸化物系セラミックスにおいても今日の種々の要求
特性、例えば高温クリープ性、熱街悠性、耐熱温度、腐
食性環境下での耐食性１機械強度等種々の性能が要求さ
れており、且つこれらの要求特性が複合化されている用
途に適用しようとした場合、箪−セラ、ミックス素材で
要求特性を満足させることはますます困難となっている
。その為種々のセラミックスによる複合部材の出現が望
まれていた。こうした状況はセラミックス素材に限られ
るものではなく、金属とセラミックスの組み合わせ等、
種々の素材を組み合わせる場合にも生じてくる。

本発明はこうした事情に着目してなされたものであって
、その主たる目的は、非酸化物系セラミックスの表面に
酸化物系セラミックスを強固に接合させ、優れた高温強
度特性を長期的に発揮し得る様な複合部材及びその製造
方法を提供しようとするものである。又複合部材の用途
によっては酸化物系セラミックスの表面に非酸化物系セ
ラミックスを被覆したり、酸化物系セラミックスの表面
に他種の酸化物系セラミックスを被覆したり、更には相
当の肉厚の前記素材を積層して複合部材とすることもあ
り、この様な場合においても、両者の接合力不足が問題
となることは前記と同様である。従って本発明ではこう
した問題点も解決課題として包合し、２種以上の素材を
積層・接合することにより得られる、単一素材では得る
ことの難しい種々の性能を兼ね備えた複合部材及びその
製造方法を提供しようとするものである。

尚、上記では素材をセラミックスとする場合を主体とし
て説明したが、本発明の適用可能範囲はセラミックスに
限るものではなく複合部材の用途によっては金属等の各
種粉末素材においても適用することができる。

［問題点を解決する為の手段］ 本発明に係る複合部材の構成は、２　ｆｆｆｉ以上の素
材の境界部にそれぞれの素材を構成する主要化合物ある
いは主要金属元素の化合物による混合層を形成してなる
ところに要旨を有するものである。

また本発明に係る製造方法の構成は、未焼成状態の２種
以上の粉末素材原料を積層成形した後焼成し、素材の積
層境界部に、それぞれの素材を構成する主要化合物ある
いは主要金属元素の化合物による混合層を形成するとこ
ろに要旨を有するものである。

［作用］ 非酸化物系セラミックスや酸化物系セラミックスからな
る複合部材における境界部の接合力が乏しい理由として
は、例えば代表的な複合セラミックスであるＳｉＣとＡ
１□０３の複合物に見られる如く両者の親和性が乏しく
、且つ両者の熱膨張係数にもかなりの差があることが挙
げられる。そのため高温と低温の間を往復する様な熱履
歴が加えられる用途に適用すると、両層の境界部に亀裂
等の微細な欠陥が生じ、これらが境界部に沿って徐々に
伝播してついには界面剥離に至るものと考えられる。そ
こで本発明者等は、上記接合界面に親和性を持たせ、且
つ該境界面における熱膨張率の差を少なくしてやれば、
界面剥離を抑制し得るのではないかと考え、その線に沿
って研究を進めてきた。その結果、前述の如く非酸化物
系セラミックス（例えば５ｉＣ）や酸化物系セラミック
ス（例えばＡ１２０３）の境界部に、該非酸化物系セラ
ミックスを構成する主要金属元素の酸化物（例えば５ｉ
Ｏ２）や前記酸化物系セラミックスを構成する主要酸化
物（例えばＡ１２０３）などによる混合層を介在させて
やれば、両セラミックス層相互の親和性が該混合層の介
在によって大幅に高められるばかりでなく、両層の境界
面における熱膨張率の急変も該混合層によって緩和され
、境界面の接合強度を飛躍的に高め得ることを知った。

上記本発明の複合部材を構成する非酸化物系及び酸化物
系のセラミックスとしては、公知或は今後開発されるで
あろうすべてのセラミックスを提示することがでとるが
、一般的な非酸化物系セラミックスとしては前記ＳｉＣ
の如く炭化物の他、硼化物（ＺｒＢ２．Ｔｉ　８２等）
、珪化物（ＺｒＳ　ｉ、ＷＳ　ｉ２　、ＴａＳ　ｉ２等
）、窒化物（ＡＩＮ、ＺｒＮ、Ｓｉ３　Ｎ４　、ＢＮ、
ＴｉＮ等）等が、また酸化物系セラミックスとしては前
記Ａｌ２Ｏ３の他、Ｓ　ｉ　Ｏ２，ＭｇＯ。

Ｚ　ｒＯ２、ムライト、ＣａＯ等が非限定的に例示され
、これらは夫々２種以上を組合せて使用することも可能
である。またこれら非酸化物系セラミックスと酸化物系
セラミックスの組合せは、用途や目的に応じて任意に変
えることができる。更に複合部材としての形態は、前述
の如く■非酸化物系セラミックスの外周面に上記混合層
を介して酸化物系セラミックス被覆を施したもの（特に
酸化性の高温条件下で使用されるもの）、■酸化物系セ
ラミックスの外周面に上記混合層を介して非酸化物系セ
ラミックス被覆を施したもの（特に還元性の高温条件下
で使用されるもの）、■酸化物系セラミツクスの外周面
に上記混合層を介して該酸化物系セラミックスとは異な
る酸化物系セラミックス被覆を方伍したもの（それぞれ
のセラミ・ソクスの持つ特性を兼ね備えたもの）、■素
材として金属粉末とセラミックスとを組み合わせてなる
もの（金属とセラミックスの持つ特性を兼ね備えたもの
）、及び■相当の肉厚を有する非酸化物系セラミックス
と酸化物系セラミックスを上記混合層を介して積層若し
くは接合したもの（画素材の特徴を例えば容器や装置の
内外において個別に発揮せしめる様な用途に適用される
もの）、等が挙げられ、これらの形態も用途・目的に応
じて適宜選定すればよい。

何れにしても本発明によれば、組合せられる非酸化物系
及び酸化物系の各セラミックスおよび／あるいは各種粉
末素材によって決まる特定成分の混合層を画素材の境界
部に介在させることにより、画素材層の接合力が強化さ
れ、優れた高温強度特性を有する複合部材を得ることが
できる。

ところで上記の様な複合部材の製造法は色々考えられる
が、以下に詳述する本発明の製造方法を採用すれば、比
較的簡単な操作及び手順で高性能の複合部材を製造する
ことができる。即ち本発明の方法を実施するに当たって
は、未焼成状態の非酸化性または／及び酸化性の各粉末
素材を準備し、これらの一方又は両方を使用目的に応じ
た形状に成形すると共に積層（若しくは被覆）した後、
両粉末素材を同時に焼成する。そうすると焼成工程て積
層境界部の画素材か相互に拡散し、例えば後記実施例で
も詳述する如く非酸化物系セラミックスとしてＳｉＣを
、また酸化物系セラミックスとしてＡｌ２Ｏ３を使用し
た場合、Ｓ　ｉ　Ｃ−Ａ１２０３の積層界面で固体反応
が起こり非酸化物系セラミックス素材の一部が酸化され
、境界面には（Ｓｉ０２　）ｎ　　・　（Ａ１２０３　
）ｎよりなる混合層が生成する。この場合、一方のセラ
ミックス層を焼成した後他のセラミックス素材と積層し
てから該セラミックス素材を焼成したのでは、本発明の
目的とする混合層を形成することができない。しかして
この様な方法では一方のセラミックス層が焼成されてし
まっているのでセラミックス素材同士の固体反応等が起
こらず、上記の様な混合層が形成されなくなるものと考
えられる。ところが両セラミックス素材を未焼成状態で
積層し焼成する方法を採用すると、両セラミックス素材
中に混練媒体として混入される水分等の介在により境界
部で画素材の固体反応がうまく進行し、焼成完了時にお
いては両セラミックスが混合層を介して強固に接合した
複合部材となる。

本発明の製造方法は以上の様に構成されており、非常に
優れた性能の複合部材を容易に製造することができるが
、本発明で特徴付けられる複合部材の構成自体は製法面
において格別の制限を受けるものではないから、たとえ
ば０２種以上の焼成済み素材の間に前記混合層としての
要件を満たす混合化合物（未焼成物）を挟み込んで焼成
する方法、或は０２種以上の未焼成粉末素材の間に、前
記混合層としての要件を満たす混合化合物（未焼成物又
は焼成物）を挟み込んで焼成する方法、等によって製造
した複合部材も本発明の技術的範囲に含まれるものであ
る。

〔実施例］ 実施例１ 次に示す非酸化物系及び酸化物系のセラミックス素材を
使用し、下記の方法で棒状の複合部材を製造した。

（原料素材） 非酸化物系セラミックス素材 ＳｉＣ粉末粉末二重２重 量％Ｃ：３重量％ グリセリン＝　８　〃 水　　　　　：　　７　　〃 酸化物系セラミックス素材 Ａｌ２Ｏ，粉末：８４重量％ ＣＭＣ：　　４重量％ グリセリン　　：　２　〃 水　　　　　　　：　１０　　〃 即ち第１図（概略縦断面図）に示す如く、スクリュー型
押出機１から押出ガイド２を経て均一に混練された上記
非酸化物系セラミックス素材Ａを押出すと共に、該押出
機１の前方側に略６０度の傾斜角で押出方向が交差する
如く配置されたスクリュー押出機２から、セラミックス
素材Ａの押出方向に向けて酸化物系セラミックス素材Ｂ
を押出し、該交差部においてセラミックス素材Ａの外周
側へセラミックス素材Ｂがまわり込む様に供給しつつ、
該交差部の前方に設けた押出ガイド４（押出ガイド２と
略同心的に設けられる）から両セラミックス素材Ａ、Ｂ
を押出す。そうすると押出成形物は、図示する如く非酸
化物系セラミックス素材Ａのまわりに酸化物系セラミッ
クス素材Ｂが被覆された棒状の複合部材として得ること
ができる。

この場合、セラミックス素材Ｂがセラミックス素材Ａよ
りも若干低粘度となる様に設定しておけば安定した断面
形状のものを得ることができる。

また押出ガイド２．４の寸法や形状を変えることによっ
て押出成形物の寸法や形状（丸棒、角棒、異形棒、板材
等）を任意に変えることができ、更に押出ガイド２に対
する押出ガイド４の口径を変えることによって被Ｎ層（
＃化物系セラミックスＢ）の肉厚を調整することができ
るが、本例では押出ガイド２．４として夫々内径が５．
８ｍｍφ、８．０ｍｍφのものを使用した。

この押出成形物を大気雰囲気下１１０’Ｃで３時間乾燥
した後、更に１５００℃で６時間焼成して第２図に示す
断面形状の棒状複合部材を得た。この複合部材は、Ｓｉ
ＣセラミックスにＡ１２ｏ、セラミックスが被覆された
ものであるが、両セラミックスの境界部における成分組
成を走査型透過電子顕微！ＥＤＸ法、ＳＥＭ及びＸ線回
折による格子定数の測定によって調べたところ、第３図
にその一部を拡大して模式的に示す如く、ＳｉＣとＡｌ
２Ｏ３の間にスピネル構造のＡｌ−５ｉｉ合酸化物層Ｃ
とムライト構造のＡｌ−Ｓｉ複合酸化物層りが形成され
ていることが確認され、ＳｉＣとＡ１．０３はこれらの
複合酸化物層を介して強固に接合していることがわかっ
た。

実施例２ 次に示す酸化物系セラミックス素材（ｉ）及び（ｔ　ｉ
）を使用し実施例１と同様の方法にて、酸化物系セラミ
ックス素材（ｉ）の外周部に酸化物系セラミックス（ｉ
ｆ）が被覆された複合セラミックスを得た。

酸化物系セラミックス素材（ｉ） ジルコン粉末　　８４重量％ ＣＭＣ４）） グリセリン　　　　２　〃 水　　　　　　　　　　　Ｉ　Ｑ）１ 酸化物系セラミックス素材（ｉｉ） アルミナ粉末　　８４重二％ ＣＭＣ４／／ グリセリン　　　　２　〃 水　　　　　　　　　　　１０　　〃 ジルコンは耐熱性及び熱衝撃に関して良好な素材である
が、溶融金属（例えばＦｅ）に対しては反応性の問題を
秘めた素材である。これに対し、アルミナは溶融金属に
対し安定であるが、熱衝撃に弱い素材である。この両者
を組み合わせて前記複合部材をつくることにより、苛酷
な状況下で使用可能な溶融金属濾過材を得ることができ
た。

実施例３ 実施例１で用いたものと同様の非酸化物系及び酸化物系
セラミックス素材を使用し、２度のプレス成形によって
第４図（一部断面斜視図）に示す形状の複合セラミック
ス素材を作製し、大気雰囲気下１１０℃で３時間乾燥し
た後１５００℃で６時間焼成して複合セラミックス板（
本発明品）を得た。

一方、上記複合セラミックスと略同−形状を有する市販
ＳｉＣセラミックス板（焼成済み）の表面に、市販のア
ルミナ質コーテイング材を被覆した後、１４００℃で５
時間焼成して複合セラミックス板（比較量）を得た。

上記各複合セラミックス板を、１４００℃に保持したＬ
ＰＧ炉内で１０時間保持し炉から取り出して室温まで下
げる操作を繰り返し、被覆層の接合状況を調べたところ
、比較量では１回目で被覆層の一部が浮き上がり、２回
目で被覆層が自然剥離したのに対し、本発明品は１０回
の加熱−冷却を繰り返した後も被覆層の剥離等は全く認
められず、初期の密着状態を保持していた。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、その効果を要約す
れば次の通りである。

■２種以上の異なる粉末素材が、両粉末素材と親和性が
良く且つ熱膨張率差の少ない混合酸化物層を介して接合
しているので、非常に高い接合力を示し、繰り返し熱処
理を受けた場合でも層間剥離を起こすことがない。従っ
て高温条件下で使用される複合部材として卓越した寿命
が発揮される。

■２種以上の素材が強固積層・接合されることにより、
単一素材では得ることの難しい種々の性能を兼ね備えた
複合部材を得ることができる。

■非酸化物系セラミックスの外周面に酸化物系セラミッ
クスを被覆したものは、酸化性霊囲気下で優れた安定性
を示し、また酸化物系セラミックスの外周面に非酸化物
系セラミックスを被覆したものは還元性雰囲気下で優れ
た安定性を示す等、用途に応じた性能の複合部材が得ら
れる。

■本発明の方法によれば上記の如く優れた性能を示す複
合部材を比較的簡単に得ることができる。殊に混合酸化
物層は両粉末素材の焼成工程で同時に形成されるので、
作業工数が増えることもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る複合部材の製造例を示す縦断面略
図、第２図は実施例で得た複合部材の横断面図、第３図
は該粉末素材の接合境界部を示す一部断面模式図、第４
図は本発明の他の実施例で得た複合セラミックス板を示
す一部断面斜視図である。 Ａ・・・非酸化物系セラミックス素材 Ｂ・・・酸化物系セラミックス素材 １．３・・・スクリュー型押出機 ２．４・・・押出ガイド

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）２種以上の素材を積層してなる複合部材において
   、素材の積層境界部にそれぞれの素材を構成する主要化
   合物あるいは主要元素の化合物による混合層を形成して
   なることを特徴とする複合部材。
2. （２）２種以上の素材がセラミックスである特許請求の
   範囲第１項に記載の複合部材。
3. （３）２種以上の素材が非酸化物セラミックスと酸化物
   系セラミックスである特許請求の範囲第１項に記載の複
   合部材。
4. （４）２種以上の素材を積層してなる複合部材を製造す
   る方法において、それぞれ素材を未焼成状態で積層成形
   した後焼成し、素材の積層境界部にそれぞれの素材を構
   成する主要化合物あるいは主要元素の化合物による混合
   層を形成することを特徴とする複合部材の製造方法。
5. （５）素材がセラミックスである特許請求の範囲第４項
   に記載の複合部材の製造方法。
6. （６）素材が非酸化物系セラミックスと酸化物系セラミ
   ックスである特許請求の範囲第４項に記載の複合部材の
   製造方法。