JPS63286537A - 粒子分散型複合材料の製造法 - 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〕 本発明は粒子分散型複合材料の製造法に係り。

特に極微細な粒子がそれぞれ互いに接触することなく分
散金属媒体中に極めて均一に分散した状態の複合材料を
比較的簡単な方法で製造する方法に関する。

〔従来の技術と問題点〕

従来、Ｗ（！：Ｃｕのように溶融状態で熔けあわない金
属元素からなる合金や、ＡｇとＣｄＯの接点材料やサー
メット等ど金属と非金属との複合体材料を製造する場合
には、最も代表的には、それぞれの成分の粉末を互いに
混合した混合粉とし、この混合粉の圧粉成型品を作り２
次いで焼結するという粉末冶金法によって製造されてき
た。この種の材料は、金属粒子または非金属粒子がマト
リックス金属中に分散した複合組織を有するものであり
９粒子分散型合金と称されている。このような粒子分散
型合金は、その粒子の種類や分散媒となる金属成分の組
合せに応じて様々な特性を有するが１分散させる粒子の
粒径が小さく、かつ均一に分散しているほど、求める特
性が向上することが知られている。

しかし、物性が異なる２種類以上の微細粒子を凝集させ
ずに均一に混合することは１粒径が小さくなればなるほ
ど非常に困難となる。このため。

分散粒子が微細であればあるほど、得られる焼結晶も金
属マトリックス中に微細粒子が均一に分散した組織とな
り難く１粒子間士が集積した部分が生じたり、マトリッ
クス部分が異常に成長した偏りのある組織となり易い。

このため３例えば内部酸化を利用して微細な酸化物を金
属マトリックス中に均一に分布させる複合組織合金の製
作方法が開発された。しかし、この方法は合金化した後
に酸化させるものであるから、特定の合金系でしか適用
できないという問題がある。

また２粒子分散型合金を作る有効な方法としてメカニカ
ルアロイング法が知られているが、この方法は硬質粒子
を軟質な粒子中に機械的な力によって分散させるのであ
るから１粒子の径が処理中に変化する。このため１分散
粒子の径とその分散状態を任意に制御することは非常に
難しく、また分散させるのに長時間を要するという問題
がある。

したがって、この方法は粒子分散型合金の製造に広く用
いられるまでに至っていないのが実状である。

〔発明の目的］ 本発明は、前述のような背景のもとに２粒子分散型複合
材料の特性を向上させるうえで最も重要な因子となる微
細粒子を凝集させずに均一に分散させることを意図し。

分散させる粒子が例えば純金属粉２合金粉、金属間化合
物或いはセラミックス粉などの無機材料粉であろうと或
いは有機材料粉であろうとその種類は問わず、かような
粒子の極微粉をその微粉の個々同士が接触せずしかも分
散状態に偏りのない完全均一に金属マトリックス中に微
細に分散させた状態の微細粒子均一分散型複合材料の製
造法の確立を目的としたものである。

〔発明の要旨〕

前記の目的を達成せんとする本発明の要旨とするところ
は１粒径が０．１μから２０μ鋼の範囲の有機または無
機の微細粒子の表面に、該微細粒子とは固溶し合い難い
金属成分からなる材料を０．１ｗｔ、Ｘから５０ｗｔ、
χの範囲で被覆し、この被覆粒子からなる成形体を、該
被覆金属同士は接合するが該微細粒子同士は互いに接触
しない状態が保たれる条件のもとで焼結することからな
る粒子分散型複合材料の製造法に存する。

本発明法においては１粒径が０．１μから２０μ慣の範
囲の微細粒子の表面に、該微細粒子とは固溶し合い難い
金属成分からなる材料をＱ、１ｗｔ、Ｘから５０ｗｔ、
χの範囲で被覆した被覆粒子を製造し、これを焼結材料
とする点に基本的な特徴がある。このような微細粒子に
金属を被覆する処決として１本発明では後記の実施例に
示すように、無電解メッキ法、懸濁電気メッキ法または
スパッタリング法の単独または組合せを採用する。使用
する微細粒子は、純金属粉２合金粉、金属間化合物、セ
ラミックス粉または有機材料粉等のあらゆる材料が適用
できるが、この微細粒子への被覆材料としては微細粒子
の材料と固溶し合わないか固溶し合い難い金属材料を使
用し、好ましくは微細粒子材料と被覆、材料とが互いに
溶解度をもないような材料の組合せを採用し、しかも比
重が互いに大きく相違するような材料の組合せを採用す
ることによって。

従来にはない新しい有利な特性をもつ粒子分散型複合材
料を提供することができる。

〔発明の詳述〕

第１図は、微細粒子Ａと微細粒子Ｂとを機械的に混合し
た状態を図解したものである。いま、微細粒子Ａを分散
させる粒子、微細粒子Ｂをマトリックスとして使用する
粒子とすると２機械的にＡとＢを混合しただけでは２粒
子Ａの周囲に粒子Ｂが均等な割合で存在しているとは限
らない、特に粒子ＡやＢが微粒であればあるほど、各粒
子Ａの回りに存在する他の粒子Ｂの割合変化が生じ、場
合によっては同じ粒子Ａ同士が隣合って存在したり、同
じ粒子Ｂ同士が隣合って存在することもあリ、ミクロ的
に見た場合には、ＡとＢとの組成割合が位置によって異
なることになる。またマクロ的にも１粒径１粒子形状５
粒子表面形態などの変化や雨粒子の比重差によってへ粒
子と８粒子とが偏って局在する場合もある。

第２図は、第１図と同じ粒径の微細粒子Ａの一個一個に
、第１図の微細粒子Ｂと同じ材料を被覆してなる被覆粒
子の集合を図解的に示したものである。この場合には、
被覆粒子同士が隣接することになるので、その核となっ
ている微細粒子Ａはどの粒子もその近傍に実質上等しい
割合のＢ材料が存在することになり、場所によってＡと
Ｂの組成割合が相違することはない、被覆粒子同士の間
隔が一定であれば微細粒子Ａ同士の間隔も一定に保たれ
るし、かりに被覆粒子同士の間隔が異なったとしてもＡ
とＢの組成割合が変化することもない、したがって、こ
の集合体ではミクロ的にもマクロ的にも微細粒子ＡがＢ
を介して均一にしかも互いに接合することなく分散した
状態となる。

本発明は、この第２図に図解的に示したような被覆粒子
の圧粉成形品を焼結に供するのであり。

このために９分散させるべき微細粒子の一個一個の表面
に、マトリックスを構成する純金属、もしくは合金で被
覆した複合粉を作製したうえ、これを圧粉成形し焼結し
て微細粒子がマトリックス中に極めて均一に且つ互いに
接触しないで分散した粒子分散型複合材料を製造するの
である。

分散させるべき粒子は、水アトマイズ法１機械的破砕法
、塩化物反応法等の周知の方法によって製造された粒子
を使用することができるが１本発明で意図する新しい粒
子分散型複合材料の特性向上の点から１粒径は０．１μ
糟から２０μｍの範囲の微細粒子、望ましくはｌＩ！ａ
＋以下の極微粉が好ましい、０６１μ−以下の超微粉は
粉末同志の凝集が一般に著しくなるので、その−個一個
の超微粉の表面に金属を被覆することが難しくなり、経
済的に被覆粉末を作ることが出来難くなる０本発明の実
施に際しては２分散させるべき粒子の大きさや被覆する
金属の量をそれぞれ独立に変化させることができるので
、意図する径をもつ粒子を意図する距離で分散させると
いう複合材料の設計が自由に行なえる点で従来の方法に
はない利点がある。

本発明法において、１分散させるべき粒子と被覆金属と
は相互に溶は合わないものの組合せを採用するのが最も
有利である。すなわち溶融状態でも両者は互いに固溶せ
ず互いに溶解度を持たない同士の材料を組合せるのであ
る。これにより１分散させるべき微細粒子と被覆金属と
の間で相互の拡散が防止され、微細粒子の形状が焼結後
でも変化しないという利点がある。

第２図で説明したように２本発明法では、−個の被覆粒
子中には１分散させるべき粒子が必らず存在している状
態の集合体となるので、単にこの被覆粒子を集合させる
だけで９分散されるべき粒子を均一に分散させう得ると
いう著しい特徴があるが、これによって９例えば著しく
比重の異なるプラスチック微粉と金属との組合せを採用
することができ、プラスチック微粉が金属マトリックス
中に均一に分散した粒子分散型複合材料の製造が可能と
なる。このような比重差が大きな材料同士の微粉からな
る焼結晶を均一分散させた状態で製造することは地球上
の重力が作用している環境では製造しがたいものである
が１本発明法によればこのような比重差の大きい材料の
組合せでも均一粒子分散型複合材料が比較的簡単に製造
することができる。

本発明によって得られる粒子分散型複合材料中の分散粒
子とマトリックス金属の相対割合は、被覆粒子製造時に
おいて１分散させるべき粒子への被覆金属の被覆量を調
整することによって自由に制御することができる。その
さい、微細粒子に金属を被覆する場合、１層のみならず
懸濁メッキ法やスパッタリング法によって多層の被覆を
すること自由に行うことができ、２１’！以上の被覆を
行った後、加熱・拡散処理により皮膜を合金化して合金
皮膜をもつ被覆粒子とすることもできる。被覆処理をス
パッタリング法で行う場合には、純金属のみならず各種
の合金を被覆する事も簡単にできる。いずれにしても、
被覆金属の量は、得られる粒子分散型複合材料中におい
て５０ｗｔ、％以下の範囲となるように調整するのがよ
い。これを越えるような量で被覆金属を微細粒子表面に
被覆すると。

分散させるべき微細粒子の量が相対的に減少して微細粒
子分散による意図する特性が得られなくなる。被覆金属
の下限は、微細粒子と被覆金属との組合せにもよるが、
　０．１ｗｔ、χより少ないと完全被覆が達成できない
こともあるので、すくなくとも０．１ｗｔ、χの被覆量
を必要とする。

得られた被覆粒子の成形にあたっては、冷間プレス成型
、ホットプレス成型、真空ホットプレス成型、熱間押し
出し成型、スリップキャスティング、ＣＩＰ、ＨＩＰ、
粉末圧延成型等の一般に用いられている方法のいずれを
用いてもよい。分散させるべき粒子と被覆金属が相互に
溶解度をもたない組合せを使用した場合１分散させるべ
き粒子と被覆金属の間で相互拡散が起きないので、従来
の異種金属粉を焼結した場合に拡散速度の相違に基づい
て生じるカーケンドールボイドの発生がなく、このため
、カーケンドールボイドの発生を防ぐための種々の手段
が不要となるという利点がある。

得られた圧粉成形品を次いで焼結するのであるが、この
焼結にあたっては、使用する微細粒子の種類と被覆金属
の特性に応じてその具体的な条件は決定されるが、被覆
金属同士は接合するが該微細粒子同士は互いに接触しな
い状態が保たれるような温度と時間のもとで行うことが
必要であり。

これによって、被覆粒子を用いたことによる前述の特徴
が生かされた粒子分散型複合材料が得られる。そのさい
、使用する材料の種類にもよるが。

不活性雰囲気、還元雰囲気或いは酸化雰囲気など焼結雰
囲気を適切に選定して行うことも有利である。

本発明法によって得られる粒子分散型複合材料は、その
特性の向上は単に機械的強度のみならず耐熱性、耐蝕性
、硬度、伝熱性、加工性、切削性等の工業上極めて有用
な広い緒特性に及ぶものであり、したがって１本発明法
の適用によって新規特性の新材料を市場に提供できる。

以下に１本発明法を適用して粒子分散型複合材料を製造
した幾つかの実施例を挙げる。

〔実施例１〕 平均粒径０．７５μ罹のタングステン粉５０ｇを常温の
濃フッ酸に約２０分間浸漬し１表面の酸化膜を溶解除去
後、直ちに下記の条件で２０ｗｔ、χ量の無電解銅メッ
キを行った。

無電解メッキ条件 浴組成　フェーリング Ａ液　硫酸銅　　　　　　　　　３４．６ｇ１５００鋼
２Ｂ液　酒石酸カリウムナトリウム１７３ｇ１５００＋
ｗ　ｌＢ液　水酸化ナトリウム　　　　　５０ｇ１５０
０鋼ｌ（Ａ？ｆｆｌ＋Ｂ液に１５ｗｔ、χ量のホルムア
ルデヒドを加えよく混合して無電解メッキ液とした）溶
湯　２０°Ｃ 時間　約３０分 得られた銅メッキタングステンを良く水洗し。

エタノールで洗浄後、６０℃で２時間真空乾燥した。

この乾燥粉末を５　ｔｏｎ／ｃ＋ｆｉの圧力で冷面ブレ
ス加工し直径５Ｃ１ｍ厚さ４ｍｍの円板を作成した。こ
の円板を水素雰囲気下で９５０°Ｃで２時間焼結して胴
中にタングステンが均一に分散している焼結体を得るこ
とができた。この焼結体を圧延したところ、中間焼鈍な
しで、１２０ｕｍの厚さまで圧延できた。

〔比較例１〕 実施例１と同様にして酸化膜を除去した平均粒径０．７
５μ剤タングステン粉７０ｇと、常温のＩＮ塩酸水溶中
に約５分間浸積して表面の酸化膜を溶解除去した平均粒
径１．４μ鋼の銅粉３０ｇとを、ボールミルでよく混合
してＷ　−Ｃｕ混合粉を作製し。

これを実施例１と同じ条件で銅−タングステン焼結体を
作成した。この焼結体の圧延を試みたが。

すぐに割れが生じ圧延することができなかった。

〔実施例２〕 平均粒径２μＩのポリスチレン粒子に下記の条件で約４
　ｗｔ、χ量量のＮ　ｉ−Ｐ無電解メッキを行った。

Ｎ１−Ｐ無電解メッキ条件 浴組成 塩化ニッケル　　　　　　　３０ｇ／β次亜リン酸ナト
リウム　　　１０ｇ／　１ヒドロキシ酢酸ナトリウム　
５０ｇ／　１浴温：８０〜９０°Ｃ ｐＨ：４　〜６ 処理時間：１時間 得られたＮ１−Ｐメッキポリスチレン粉をよ（水洗した
のち９次の条件で３０ｗｔ、１世の懸濁電気錫−亜鉛メ
ッキを施した。すなわちメッキ浴としてはデツプソール
■製のディプソール５Ｚ−２４２を用い。

電流密度は４　Ａ／ｄポで、特願昭６１−１６１９５０
号（昭和６１年７月１１日出願　超微粉末に金属を被覆
する方法）に記載の方法に準じて行った。

得られた被覆粉をよく水洗したのち、　５０″Ｃで２時
間真空乾燥したうえ、圧下刃５ｔｏｎ／ａＭ、温度２０
０°Ｃで３０分間真空加熱圧縮することにより、直径５
１厚さＩＣ１ｍの円板を作製した。

得られた材料を光学顕微鏡で観察したところ。

ポリスチレンが５ｎ−Ｚｎ中に均一に島状に分布してい
る複合微細組織が観察された。この様な比重差が大きく
異なる同士の複合組織は、無重力下の条件以外の通常の
機械的混合では決っして得ることができないものである
と考えられる。したがって１本実施例で得られた材料は
、従来では作製することができなかった新しい材料とい
える。この複合材料は極めて軽量である上、外観は金属
光沢を有し、′ｃ１気伝導伝導性めて良好であった。

〔実施例３〕 平均粒径１５μ彌のアルミナＦＡ６０ｇ（１回当り）に
下記の条件で銅のスパッタリングを施した。銅のスパッ
タリングは下記の条件で特願昭６１−９３２２３号（昭
和６１年４月２４日出願、超微粉末に被覆する方法と装
′１１）に準じて行った。

銅のスパッタリング条件 型式：マグネトロン型 ターゲット；銅 ガス：アルゴン 出カニ５００Ｗ スパッタリング時間：５時間 圧カニ　５　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ 粉末の温度：ｌＯＯ’Ｃ 得られた銅被覆の厚さは約０．４μｍであった。

この銅スパツタリング被覆をもつアルミナ粉を下記の条
件で４０ｗｔ、χ量の懸濁電気銅メッキ　（実施例１と
同様に特願昭６１−１６９５０号にに準する方法）を行
った。なお、前記スパッタリング処理はこの無電解銅メ
ッキのさいにＡｌ１．、Ｏ，への密着性を高める作用を
供するものである。

懸濁電気銅メッキ条件 浴組成 ＣｕＳＯ４・５Ｈｚ０　　　２２０ｇ／　ｌＨ２ＳＯ４
６０ｇ、／　ｅ 陽極：銅板 陰極：チタン板 浴温：２０〜３０°Ｃ 電流密度：４Ａ／ｄポ 得られた銅メッキアルミナ粉を良く水洗し、エタノール
で洗浄後、直ちに６０°Ｃで２時間真空乾燥した。この
乾燥粉を三菱重工■製のＣＩＰを用いて８５００ｋｇｆ
／ｍｍ”の圧力で成型し、直径２．５ｃｍ、長さ５　ａ
＋＋の円柱を作成した。次いでこの円柱を９５０°Ｃで
水素雰囲気下で２時間焼結し、アルミナ分散銅合金を得
ることができた０本合金を光学顕微鏡で観察したところ
、アルミナ粒子が元の粒径を保ったまま互いに接触せず
高密度かつ均一に銅を介して分散していることを認めた
。このため機械的強度に優れると共に１純銅に比べて耐
摩耗性が格段に優れ、また伝熱性も約７割保持している
。このようなことから２本合金は例えば水冷羽目材、摺
動材、ヒートシンク材などに好適な材料であると言える
。

【図面の簡単な説明】

第１図は２種の微細粒子を機械的に混合した状態を示す
模式図、第２図は本発明に従って微細粒子の表面に他の
金属を被覆した被覆粒子の集合状態を示す模式図である
。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）粒径が０．１μから２０μｍの範囲の有機または
   無機の微細粒子の表面に、該微細粒子とは固溶し合い難
   い金属成分からなる材料を０．１ｗｔ．％から５０ｗｔ
   ．％の範囲で被覆し、この被覆粒子からなる成形体を、
   該被覆金属同士は接合するが該微細粒子同士は互いに接
   触しない状態が保たれる条件のもとで焼結することから
   なる粒子分散型複合材料の製造法。
2. （２）被覆粒子は、無電解メッキ法、懸濁電気メッキ法
   またはスパッタリング法の単独または組合せによって製
   造する特許請求の範囲第１項記載の粒子分散型複合材料
   の製造法。
3. （３）微細粒子は、純金属粉、合金粉、金属間化合物、
   セラミックス粉または有機材料粉のいずれかである特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の粒子分散型複合材
   料の製造法。