JPH0397679A - 金属・セラミックス複合体の製造方法 - 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、センサ、傾斜機能材料、超電導導体、マグネ
ット、およびケーブル等に応用される金属・セラミック
ス複合体の製造方法に関する。

［従来の技術及びその課題］ 従来、金属・セラミックス複合体としては、タングステ
ンー炭化タングステン、銅−アルミナ、アルミニウムー
アルミナ、銀一酸化カドミウム等の原料粉末を所望形状
に形成することにより得られるものがある。これらの金
属・セラミックス複合体は、耐摩耗性、耐熱性、高強度
、電気良導性、熱良導性等の特性を持つ。このため、電
気接点材料、加工工具、機械構造部材等に利用されてい
る。

しかしながら、これらの金属・セラミックス複合体は、
廉価であるが、十分に満足できる特性を有するものでは
ない。

また、金緘・セラミックス複合体として、例えば、ハス
テロイ上にホウ化チタンをコーティングしたもののよう
な金属上にセラミックスをコーティングしたものや、例
えば、アルミナ上に銅、ニッケル、タングステン等の金
属をメタライジングしたもののようなセラミックス上に
メタライジングしたものがある。これらの金属Ｉセラミ
ックス複合体は、切削工具、電子機器部材、タービンブ
レード等の機械部材に利用されている。

しかしながら、これらの金属・セラミックス複合体も、
廉価であるが、十分に満足できる特性を有するものでは
ない。

さらに、金属・セラミックス複合体として、カーボン、
炭化ケイ素、アルミナ等のフィラメント或いはウィスカ
一を金属と複合化したＣＦＲＭ（セラミックス繊維強化
金属）や、金属のフィラメントとセラミックスと複合化
したＭＦＲＣ　（金属繊維強化セラミックス）がある。

これらの金属・セラミックス複合体において、強化する
金属やセラミックスは、複合体の強度や靭性を向上させ
ている。このため、この複合体の実用化が進められてい
る。

しかしながら、これらの金属・セラミックス複合体は、
上記の２つのタイプの金属・セラミックス複合体よりも
高価である。このため、これらの金属・セラミックス複
合体の利用用途が制限されてしまう。

Ｎ　ｂ　Ｔ　１　ｓ　Ｎ　ｂ　ｉ　Ｓ　ｎ　ＳＮ　ｂ　
３Ａ　！ｌ　、Ｖ　３　Ｇ　ｇ等の金属系の超電導体と
金属とを複合化する場合、金属系の超電導体の周囲にＣ
ｕＳＡ，７７等の導電性金属を配置して塑性加工を施し
て、極細多芯化または多層化している。これらの複合体
は、金属系の超電導体の周囲の導電性金属によって電気
的に安定である。

しかしながら、これらの金属系の超電導体は、資源とし
て乏しいのでコストが高く使用が限られる。また、金属
系の超電導体の超電導特性は、液体ヘリウム温度で発揮
されるので、金属系の超電導体の使用に際して高価であ
る液体ヘリウムを必要とする。

一方、近年、高臨界温度を有する酸化物系セラミックス
超電導体が注目されている。酸化物系セラミックス超電
導体は、安価な液体窒素で冷却することによって超電導
特性を発揮することができるので種々の用途に応用する
ことができるものである。このようなものとして、例え
ば、ＬｎＢａＣｕｉ　０７−Ｘ　　（Ｌｎ　：希土類元
素）、Ｂ　ｉ２　Ｓ　ｒ２　ＣａＣｕ２　０Ｂ　ｓ（Ｂ
ｉｔ−ｘ　Ｐ　ｂｘ　）　２　Ｓ　ｒ２　Ｃａ２　（：
ｕ３　０１０、Ｔ　（）　２　Ｂ　ａ　２　Ｃ　ａ　Ｃ
　ｕ　２　０　ｇ、Ｔｌ　２　Ｂａ２Ｃａ２　ＣＬＩ３
　０１０−Ｔ（ｌ　Ｂａ２　Ｃａｚ　ＣＬＩ３　０ａ９
等が挙げられる。

酸化物系セラミックス超電導体を線材化する場合、酸化
物系セラミックス超電導体が塑性加工性を有しないので
以下のような方法を用いている。

第１の方法は、酸化物系セラミックス超電導体原料粉末
を有機バインダーと混合し、その混合物を所望形状に押
出成形するものである。第２の方法は、酸化物系セラミ
ックス超電導体原料粉末を金属パイプ内に充填し、その
パイプを伸延するものである。第３の方法は、酸化物系
セラミックス超電導体原料粉末を溶融して紡糸するもの
である。

しかしながら、これらの方法によって得られた酸化物系
セラミックス超電導線材は、熱伝導性が悪い。このため
、大電流を安定して通電することができない。したがっ
て、この酸化物系セラミックス超電導線材は、ケーブル
等に使用することができない。また、酸化物系セラミッ
クス超電導体は、電磁気的な現象によって臨界状態を超
えて超電導状態が破壊される、いわゆるクエンチ現象を
起こす。このため、クエンチ現象が生じた部分における
超電導電流の全てまたは一部を良好に流すように安定化
材と酸化物系セラミックス超電導体を複合化する必要が
ある。しかし、金属系超電導体と同様に多芯化または多
層化することはなされていない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、優れた
耐摩耗性、耐熱性、強度、電気伝導性、および熱伝導性
等の特性を持つ、金属・セラミックス複合体を効率よく
、かつ、容易に製造することができる金属・セラミック
ス複合体の製遣方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、金属円筒状体とセラミックス円筒状体の複数
個を同心状に交互に配置して同心積層体を作る工程と、
該同心積層体に縮径加工を施す工程と、縮径加工後の同
心積層体に前記セラミックスの焼結温度以上、前記金属
の融点以下の温度で加熱処理を施す工程とを具備するこ
とを特徴とする金属・セラミックス複合体の製造方法で
ある。

ここで、縮径加工工程と加熱処理工程は、同心積層体作
製工程の後に、交互に複数回施すものであることが好ま
しい。

セラミックスと複合化する金属は、得られる複合体が優
れた電気伝導性、熱伝導性、延性、靭性、溶接性、メッ
キ性、およびハンダ付性等の特性を発揮させることがで
きるものであればよい。このようなものとして、Ｃｕ，
ＡＮ　％　ＡｇＳＡｕ，ＦｅＳＮｉ，ＣｏＳＷ，Ｍｏ，
Ｎｂ，ＴａＳＴｉ，Ｚｒ，およびこれらの合金、Ａｇ−
Ｐｄ，Ｃｕ−Ｚｎ，Ｃｕ−Ｓｎ，ステンレス、Ｆｅ−Ｎ
ｉ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ，Ｍｏ−Ｃｒ−Ｆｅ等の合金が挙
げられる。

セラミックスは、得られる複合体が優れた耐摩耗性、耐
熱性、磁性、および超電導性等の特性を発揮させること
ができるものであればよい。

このようなものとして、Ａｆｌ２０３、ＳｉＣ，Ｚｒ○
２　　ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）　　Ｍｇ
Ｏ，ＢａＴｉＯ，　、Ｆｅ２　０３、Ｙ　Ｂ　ａ　２　
Ｃ　ｔＪ　３　０７−ｘ　ｓＢ　ｉ２Ｓ　ｒＣａＣｕ２
０ｓ、 Ｂ　ｌ　＋，　　Ｐ　ｂｏ４Ｓ　ｒ２　Ｃａ，　Ｃｕ３
　０ｒｏｓＴ４７　　２　Ｂａ，　　ＣａＣｕ　２　０
ｓ　　、Ｔｊｌｌ２　　Ｂ　　ａ２　　Ｃ　　ａ２　　
Ｃ　　ｕｓ　　Ｃ）＋ｏ、ＴＯ　Ｂａ２　Ｃａ２Ｃｕ３
　０ａ．ｓおよびこれらの前駆体等が挙げられる。

同心積層体を作る方法としては、セラミックスを極細多
芯化して行うマルチフィラメント法、シート状のセラミ
ックスおよび金属を多層巻きするジエリーロール法等の
通常の金属系超電導体を安定化させる際に用いられる方
法を使用することができる。また、特に、セラミックス
が超電導体である場合、超電導体を細分化して安定化材
のマトリクスに分布せしめてもよい。このとき、金属は
電気的通路の他にクエンチ時に発生する熱を吸収する役
目を果たす。

本発明者らは、第１図〜第３図のような構成のものが、
加工が困難であるセラミックスと金属とを複合化するた
めに効果的であることを見出だした。

第１図において、同心積層体１は、金属円筒状体１１と
セラミックス円筒状体１２が交互に配置されており、中
心はセラミックスである。また、第２図において、同心
積層体１は、第１図と同様に金属円筒状体１１とセラミ
ックス円筒状体１２が交互に配置されており、中心は金
属である。第３図においては中心は空芯で、金属円筒状
体１１とセラミックス円筒状体１２が交互に配置されて
いる。第３図の如く中心を空洞とした構造にすることに
より、この空洞部に液体窒素等の冷媒を流すことができ
、金属との複合化による安定化に加えて冷却効果が良く
なり、クエンチに対して極めて優れたものとなる。

第１図〜第３図のような構造を取るためには、以下のよ
うな方法が好ましい。

まず、旋盤等によって金属を所望外径の円筒状体に加工
する。次に、同様にセラミックスの粉末を用いて所望外
径の円筒状体に成形する。その後、それぞれの円筒状体
を交互に嵌合させて、金属とセラミックスを複合化させ
る。このとき、セラミックスの円筒状体には、冷間静水
圧プレス（ＣＩＰ）、熱間静水圧プレス（Ｈ　Ｉ　Ｐ）
　、または予備焼結等で成形された成形体をを用いる。

他の方法としては、第４図および第５図に示すような一
端部が閉じている金属筒体１３の間隙１４内にセラミッ
クスの粉末をタツビング充填し、他端部を封止する。ま
た、金属筒体１３の間隙１４内に溶融状態のセラミック
スを流入させて、他端部を封止してもよい。この方法は
、同心積層体の縮径加工が容易になる。セラミックスが
酸化物系超電導体の場合には、特性発現のために酸素が
必要であるから、加熱処理は酸素を含む雰囲気中で行う
ことが好ましい。

〔作用〕

本発明の金属・セラミックス複合体の製遣方法によれば
、金属円筒状体とセラミックス円筒状体の複数個を同心
状に交互に配置して同心積層体を作り、次に、その同心
積層体に縮径加工を施し、その後、同心積層体にセラミ
ックスの焼結温度以上、金属の融点以下の温度で加熱処
理を施す。必要に応じて縮径加工および熱処理を繰り返
して施す。

これによって、セラミックスまたはその前駆体の一部が
溶融し、冷却されて再結晶する際にセラミックスの結晶
が複合体の長手方向に配向する。

このため、セラミックスの優れた特性が発揮される。ま
た、金属と複合化されるので、セラミックス単独よりも
電気伝導性および熱伝導性が向上し、複合体としては安
定化されたものとなる。セラミックス特有の現象である
クエンチ現象等が防止される。

［実施例コ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１ まず、Ｂ　ｉ，Ｏ，　、Ｓ　ｒｃｏ３、ＣａＣＯ，、Ｃ
ｕＯの粉末をＢｉ：Ｓｒ：Ｃｇ：Ｃｕ−２：２：１：２
となるように秤量して混合した。混合後の粉末を空気中
において８５０℃で５時間仮焼した。

仮焼後の粉末を充分に粉砕した。粉砕した粉末を、長さ
１００關で外径４關φの棒状のもの、長さ１　０　０　
＋ｅｍで外径１１ｍＩｌφ、内径７ｌＩＩＩφのパイプ
状のもの、長さ１　０　０　ｍｍで外径１８ｍ１φ、内
径１４關φのバイブ状のもの、および長さ１　０　０　
ｍｍで外径２５關φ、内径２１開φのバイブ状のものに
成形した。なお、粉末の戊形は冷間静水圧プレス（ＣＩ
Ｐ）法によって行った。

次に、長さ１２０＋ｗで外径３０ｍｒｓφのＡｇ棒を第
４図に示すような一端が閉じている金属筒体に加工した
。なお、３つの間隙部の大きさは、それぞれ長さ１００
ｍｍＸ外径１１ｍ膓φ×内径７　ｍｍφ、長さ１００ｍ
＋ｅＸ外径１８ｍｉφ×内径１４ｍｍφ、長さ１００ｍ
ｍＸ外径２５ｍｍφ×内径２１開φとした。

上記のように加工したＡｇ製の金属筒体に粉末によって
成形された成形体を嵌合した。その後、Ａｇ製の金属筒
体の他端を封止した。両端が閉じたＡｇ製の金属筒体に
７００℃、１０００ａ　ｔｍの条件下において熱間静水
圧プレス（ＨＩＰ）処理を施した。

ＨＩＰ処理後の金属筒体をスウエージング加工して、外
径を１０！ＩＩＩφとした。このスウエージング加工後
の金属筒体を圧延して、厚さが６．０ｍａである線材を
作製した。

次に、得られた線材に空気中において、９２０℃で１時
間、加熱処理を施した。さらに、この線材に空気中にお
いて、８５０℃で５０時間、加熱処理を施して金属・セ
ラミックス複合体を得た。

得られた金属・セラミックス複合体の臨界電流密度（Ｊ
ｃ）および配同率（Ｆ）を測定した。その結果を下記第
１表に示す。なお、臨界電流密度は７７Ｋ，０．ＩＴ　
（テスラ）の磁場において測定した。配向率（Ｆ）はＸ
線回折装置によって測定し、その結果を用いて以下の式
によって算出した。

Ｆ　−　（Ｐａ　　　Ｐｏｏ）／　　（Ｉ　　　Ｐａｏ
）Ｐ（１０−Σ　Ｉ（ＯＯＮ）／Σ　Ｉ（ｈｋＲ）ここ
で、Ｉ（ｈｋｐ）は、ミラー指数［ｈｋＮＪである結晶
の面におけるＸ線回折のピーク強度を示す。ＰＯＯは、
セラミックの無配向材のＸ線回折のピーク強度比を示す
。Ｐｏは測定試料のＸ線回折のピーク強度比を示す。

実施例２〜６ 下記第１表に示す厚さに金属筒体を圧延することを除い
て、実施例１と同様にして金属・セラミックス複合体を
得た。なお、金属筒体の厚さが２．０ｍｍ以下のものは
、ＨＩＰ処理後の金属筒体をスウエージング加工して、
外径を５關φとした。

得られた金属・セラミックス複合体の臨界電流密度（Ｊ
ｃ）および配向’Ｊ（Ｆ）を実施例１と同様にしてＭ１
定した。その結果を下記第１表に併記する。

比較例１〜６ 圧延後の線材に空気中において、９２０℃で１時間の加
熱処理を施さないこと、および下記第１表に示す厚さに
金属筒体を圧延することを除いて、実施例１と同様にし
て金属・セラミックス複合体を得た。なお、金属筒体の
厚さが２．０ｍｕ以下のものは、ＨＩＰ処理後の金属筒
体をスウエ〜ジング加工して、外径を５關φとした。

得られた金属・セラミックス復合体の臨界電流密度（Ｊ
ｃ）および配向＊　（Ｆ）を実施例］と同様にして測定
した。その結果を下記第１表に併記する。

第 １ 表 第１表から明らかなように、本発明の方法によって得ら
れた金属・セラミックス複合体（実施例１〜６）は、結
晶の配同率が高く、優れた超電導特性を示した。これに
対して、従来の方法によって得られた金属・セラミック
ス複合体（比較例１〜６）は、結晶がまったく配向して
おらず、超電導特性が低いものであった。

実施例７ まず、ＴｉＢ２の粉末を、長さ１．　Ｏ　Ｏ　ｍ＋１で
外径７　ａｍφ、内径４關φのバイブ状のもの、長さ１
　０　０　ｍｍで外径１４ＩＩＩＩＩφ、内径１．　１
　ｉｎφのバイブ状のもの、長さ１　０　０　ｍ＋ｗで
外径２　１　ｍｍφ、内径１８ｍｍφのパイプ状のもの
、および長さ１　０　０　ｍｍで外径２８關φ、内径２
５ＩＩＩＩＩφのバイブ状のものに成形した。なお、粉
末の成形は冷間静水圧プレス（Ｃ　Ｉ　Ｐ）法によって
行った。

次に、長さ１　２　０　ｍｍで外径３Ｂ＋＋ｕｉφのＮ
ｉ製の棒を第４図に示すような一端が閉じている金属筒
体に加工した。なお、４つの間隙部の大きさは、それぞ
れ長さ１００ｍｍＸ外径１１關φ×内径７ＩＩＩｍφ、
長さｌＯＯＩＩＩ＋１×外径１８ｍｍφ×内径１４關φ
、長さ１００關×外径２５１１！Ｉφ×内径２ｌ關φと
した。また、長さ１００ｗＸ外径４１ＩＩｌφのＮｉ製
の棒を作製した。

上記のように加工したＮｉ製の金属筒体に粉末によって
成形された戊形体を嵌合した。また、中心には、Ｎｉ製
の棒を嵌合した。その後、Ｎｉ製の金属筒体の他端を封
止した。両端が閉じたＮｉ製の金属筒体に８００℃、２
０００ａ　ｔｍの条件下において、４時間熱間静水圧プ
レス（Ｉ｛　Ｉ　Ｐ）処理を施した。

｝｛ＩＰ処理後の金属筒体を８００℃の温度で熱間押出
した。続けて、押出した金属筒体にドローベンチによる
引抜加工を施し、外径が７．５ｍＩＩφの捧材を作製し
た。

次に、得られた捧材に１３００℃、２０００ａｔｍの条
件下において、ｌ８時間ＨｒＰ処理を施してＮ　ｉ　−
Ｔ　ｉ　Ｂ２系の金属・セラミックス複合体を得た。

得られたＮ　ｉ　−Ｔ　ｉ　Ｂ２系複合体をペレット状
に切断した。このペレットを用いて、Ｎｉ−ＴｉＢ２系
複合体の摩耗試験および接触電圧降下を調べた。その結
果を下記第２表に示す。なお、摩耗試験は、荷重１０ｇ
１摺動速度１　０　ｃｍ　／　ｓｅｃで行った。接触電
圧降下は、電流０．１八を通電したときに測定した。

実施例８ ＴｉＢ２の粉末の代わりにＮｉＢ２の粉末とＰｄＢの粉
末を１：１の割合で混合したものを用いることを除いて
、実施例７と同様にしてＮｉ　−Ｎ　ｉ　Ｂ　２　　Ｐ
　ｄ　Ｂ系金属・セラミックス複合体を得た。

得られたＮｉ−ＮｉＢ２−ＰｄＢ系複合体のＰ，５耗試
験および接触電圧降下を実施例７と同｝、１にして調べ
た。その結果を下記第２表に併記する。

比較例７ １　３００℃、２０００ａ　ｔｒ７）の条件下において
、１８時間のＨＩＰ処理を施さないことをμ，κいて実
施例７と同様にして、Ｎ　ｉ−Ｔ　ｉ　Ｂ２系の金薦・
セラミックス複合体を得た。

得られたＮｉ−ＴｉＢ２系複合体の摩耗試験および接触
電圧降下を実施例７と同様にして調べた。

その結果を下記第２表に併記する。

比較例８ １３００℃、２０００ａ　ｔｍの条件下において、１８
時間のＨＩＰ処理を施さないことを除いて実施例８と同
様にして、Ｎｉ　　ＮｉＢ２　ＰｄＢ系の金属・セラミ
ックス複合体を得た。

得られたＮｉ−ＮｉＢ２−ＰｄＢ系複合体の摩耗試験お
よび接触電圧降下を実施例７と同様にして調べた。その
結果を下記第２表に併記する。

比較例９ 通常の粉末冶金方法によってＮｉ−３νｏｌ％Ｔｈｅ２
系分散型合金を製造した。

得られたＮｉ−３ｖｏｌ％Ｔｈｅ２系分散型合金の摩耗
試験および接触電圧降下を実施例７と同様にして調べた
。その結果を下記第２表に併記する。

第 ２ 表 第２表から明らかなように、本発明の方法によって得ら
れた金属・セラミックス複合体（実施例７，８）は、摩
耗量が少なく、電圧降下も小さいものであった。これに
対して、従来の方法によって得られた金属・セラミック
ス複合体（比較例７〜９）は、摩耗量が多いものであっ
た。

［発明の効果］ 以上説明した如く、本発明の金属・セラミックス複合体
の製造方法は、優れた耐摩耗性、耐熱性、強度、電気伝
導性、および熱伝導性等の特性を持つ、金属・セラミッ
クス複合体を効率よく、かつ、容易に製造することがで
きる金属・セラミックス複合体の製造方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の方法に使用される同心積層体
の構造を示す説明図、第４図は本発明に使用される金属
筒体の一例を示す説明図、第５図は第４図のＩＶ−ＩＶ
’断面図である。 １・・・同心積層体、１１・・・金属円筒状体、１２・
・・セラミックス円筒状体、１３・・・金属筒体、１４
・・・間ｈａｔ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属円筒状体とセラミックス円筒状体の複数個を同心状
   に交互に配置して同心積層体を作る工程と、該同心積層
   体に縮径加工を施す工程と、縮径加工後の同心積層体に
   前記セラミックスの焼結温度以上、前記金属の融点以下
   の温度で加熱処理を施す工程とを具備することを特徴と
   する金属・セラミックス複合体の製造方法。