JPH05330936A

JPH05330936A - 傾斜機能材料

Info

Publication number: JPH05330936A
Application number: JP16414892A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Kita; 英紀北
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1993-12-14

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、複数の熱膨張係数の異なるセラミ
ックスと金属とからなる熱膨張係数が傾斜変化した高温
で安定した軽量な傾斜機能材料を提供する。【構成】この傾斜機能材料は、金属と熱膨張係数が異
なる少なくとも２種類以上のセラミックスから構成さ
れ、各セラミックスの組成が傾斜変化し、各セラミック
スに形成された間隙が金属で置換されている複合材１で
ある。２種類のセラミックスのうち、一方のセラミック
スがチタン酸アルミニウムであり、他方のセラミックス
がジルコニア、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムの
中の何れか１つ又はそれらの複合物である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属と少なくとも２
種類以上のセラミックスとからなる傾斜機能材料に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、傾斜機能材料として、酸化アルミ
ニウムＡｌ₂Ｏ₃、窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄、炭化ケイ素
ＳｉＣ等のセラミックプリフォームにアルミニウム等の
金属を鋳造含浸させた複合材が提供されており、その複
合材の熱膨張係数をコントロールするため、セラミック
スの体積率を変化させることが知られている。

【０００３】また、実開平２−６６７２４号公報には、
タービンの回転軸とロータの接合構造が開示されてい
る。該タービンの回転軸とロータの接合構造は、金属製
回転軸の一端に嵌合孔を形成し、該嵌合孔にセラミック
製タービンロータの嵌合突部を嵌合したものであり、嵌
合孔の底部に金属マトリックスとセラミック粉末とから
成る傾斜組成合金製の緩衝体を介装させてろう接されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、傾斜機
能材料について、熱膨張係数を小さくするため、セラミ
ックス体積率を大きくすると、連結気孔量が減少するた
め、間隙に金属を含浸させることが困難になる。

【０００５】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、複数の熱膨張係数の異なるセラミ
ックスを、各セラミックスの体積率を変えることなく組
成を連続して変化させ、セラミックスに形成されている
間隙を金属と置換し、熱膨張係数を傾斜変化させ、高温
で安定した軽量な複合材から成る傾斜機能材料を提供す
ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、金属と熱膨張係数が異なる少なくとも２種
類以上のセラミックスから構成され、前記各セラミック
スの組成が傾斜変化し、前記各セラミックスに形成され
た間隙が前記金属で置換されていることを特徴とする傾
斜機能材料に関する。

【０００７】また、この傾斜機能材料において、２種類
の前記セラミックスはそれらの各焼結体での熱膨張係数
差が４×１０^{- 6}／℃以上である。

【０００８】また、この傾斜機能材料では、２種類の前
記セラミックスのうち、一方のセラミックスがチタン酸
アルミニウムであり、他方のセラミックスがジルコニ
ア、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムの中の何れか
１つ又はそれらの複合物である。

【０００９】また、この傾斜機能材料において、前記金
属はアルミニウム又はアルミニウム合金である。

【００１０】

【作用】この発明による傾斜機能材料は、以上のように
構成されており、次のように作用する。この傾斜機能材
料は、金属と熱膨張係数が異なる少なくとも２種類以上
のセラミックスから構成され、前記各セラミックスの組
成が傾斜変化し、前記各セラミックスに形成された間隙
に前記金属が侵入しているので、複数の熱膨張率の異な
るセラミックスを各々の体積率を変えずに複合させ、こ
れに金属を含浸させて傾斜機能の複合材を形成でき、セ
ラミックスの組成を連続して変化させることができ、高
温で安定した軽量な複合材を得ることができる。

【００１１】しかるに、セラミックスと金属との体積率
を一定にした場合に、セラミックスの種類によって複合
材の熱膨張係数を変化させることができる。そこで、セ
ラミックスの種類を熱膨張係数を傾斜させたい厚さ方向
に変えることで、熱膨張係数の傾斜変化した複合材を形
成することができる。

【００１２】この場合、２種類のセラミックスはその焼
結体での熱膨張係数差が４×１０^-6／℃以上である。
具体的には、２種類のセラミックスのうち、一方のセラ
ミックスがチタン酸アルミニウムであり、他方のセラミ
ックスがジルコニア、酸化マグネシウム、酸化アルミニ
ウムの中の何れか１つ又はそれらの複合物であることが
好ましい。更に、前記金属がアルミニウム又はアルミニ
ウム合金であることにより、金属がセラミックスの間隙
に良好に侵入でき、良好な傾斜機能を有する複合材が形
成され、軽量化となる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による傾斜
機能材料の実施例を説明する。図１はこの発明による傾
斜機能材料の一実施例を説明するための直方体の試料を
示す断面図である。図１に示すように、この発明による
傾斜機能材料は、主として、金属と熱膨張係数が異なる
少なくとも２種類以上のセラミックスから構成され、セ
ラミックスの組成が傾斜変化し、セラミックスに形成さ
れた間隙が金属で置換されているものである。２種類の
セラミックスは、その焼結体での熱膨張係数差が４×１
０^{- 6}／℃以上であり、一方のセラミックスがチタン酸
アルミニウムＡｌ₂ＴｉＯ₅であり、他方のセラミック
スがジルコニアＺｒＯ₂、酸化マグネシウムＭｇＯ、酸
化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃の中の何れか１つ又はそれら
の複合物である。そして、金属は、アルミニウム又はア
ルミニウム合金である。

【００１４】この傾斜機能材料について、例えば、図１
に示すように、直方体１の試験片即ち試料を作製する場
合に、直方体の一端部を低熱膨張のチタン酸アルミニウ
ムＡｌ₂ＴｉＯ₅から成る部分Ｄに形成し、反対側の端
部を高熱膨張のジルコニアＺｒＯ₂からなる部分Ｂに形
成して多孔体の直方体に形成し、更に、この直方体にお
ける部分Ｂと部分Ｄとの間の部分Ｃを、チタン酸アルミ
ニウムＡｌ₂ＴｉＯ₅とジルコニアＺｒＯ₂とから成
り、組成が連続して変化した複合材で構成する。直方体
における各部分の気孔量はほぼ５０％程度である。この
直方体の気孔から形成される間隙に、アルミニウム、ア
ルミニウム合金等の金属を鋳造含浸させ、且つジルコニ
アＺｒＯ₂からなる部分Ｂの端部に全てアルミニウム、
アルミニウム合金等の金属から部分Ａを形成し、該部分
Ｂから部分Ｄにわたって組成を傾斜させた複合材を形成
した。

【００１５】この傾斜機能材料は、次のようにして製造
することができる。この傾斜機能材料の製造方法におい
て、まず、平均粒径４０μｍのチタン酸アルミニウムＡ
ｌ₂ＴｉＯ₅と、平均粒径２μｍのジルコニアＺｒＯ₂
粉末の混合粉末に蒸留水を加え、ボールミルにて約２４
時間混合し、スラリーを作った。この時、チタン酸アル
ミニウムとジルコニアとの混合比は、０〜１００％の範
囲で異なる配合比のものを１０種類作製した。キャビテ
ィを直方体に形成した成形型である石膏型を準備し、得
られたスラリーをチタン酸アルミニウムの配合比の多い
即ち濃度の高いスラリーから石膏型内に注入し、吸水固
化させて成形体を作製し、次いで、その成形体を石膏型
から取り出して乾燥させた後、乾燥した成形体を所定の
温度にて焼成し、気孔率約５０％の焼成多孔体を得た。
この焼成多孔体の寸法は、２０×１０×４０ｍｍであ
る。

【００１６】この焼成多孔体を真空炉内にて８００℃で
加熱されて溶湯となっているＡｌ−Ｓｉ合金に加圧浸漬
し、Ａｌ−Ｓｉ合金を焼成多孔体の気孔内部に含浸した
後、炉冷して真空炉から取り出し、直方体の複合体１を
得た。

【００１７】上記のようにして得た複合体の試験片を、
常温ＲＴ〜４５０℃の熱サイクル試験を行ったところ、
約１０００サイクル後にも、複合体の各部分Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄに亀裂、クラック等は認められず、高温でも安定
した強度を有していることが確認された。

【００１８】次に、この傾斜機能材料として、数種類の
セラミックス、即ち、ジルコニアＺｒＯ₂、酸化アルミ
ニウムＡｌ₂Ｏ₃及び酸化マグネシウムＭｇＯを使用し
て、上記のこの傾斜機能材料の製造方法と同様のステッ
プで、セラミックスとアルミニウム合金ＡＣ８Ａとから
なる複合体２の試験片を作製した。この場合、各傾斜機
能材料の製造において、各々のセラミックスについて、
体積率を変えることなく５０％にした。得られた各複合
体１，２の試験片の熱膨張係数（／℃）、及び４００℃
における曲げ強度（ＭＰａ）を測定し、その結果を表１
に示す。

【表１】

【００１９】表１から分かるように、チタン酸アルミニ
ウムとの複合体では、熱膨張係数は９．８×１０^{- 6}／
℃であり、曲げ強度は４２０ＭＰａである。ジルコニア
ＺｒＯ₂との複合体は熱膨張係数が１６．２×１０^{- 6}
／℃であり、曲げ強度は４６４ＭＰａである。酸化アル
ミニウムとの複合体は熱膨張係数が１４．８×１０^-6
／℃であり、曲げ強度は３９８ＭＰａである。酸化マグ
ネシウムとの複合体は熱膨張係数が１６．８×１０^{- 6}
／℃であり、曲げ強度は４０６ＭＰａである。このよう
にして、異なったセラミックスの体積率が一定でも、熱
膨張係数はセラミックスの種類によって変化させること
ができることが分かる。なお、チタン酸アルミニウム単
独の焼結体は熱膨張係数が１×１０^{- 6}／℃であり、ジ
ルコニアＺｒＯ₂単独の焼結体は熱膨張係数が９〜１１
×１０^{- 6}／℃であり、酸化アルミニウム単独の焼結体
は熱膨張係数が９×１０^{- 6}／℃であり、酸化マグネシ
ウム単独の焼結体は熱膨張係数が１１〜１５×１０^{- 6}
／℃である。

【００２０】次に、この傾斜機能材料の製造方法の別の
実施例を、図２を参照して説明する。この製造方法で
は、排泥スリップキャスティング法によって、内径約２
０ｍｍ及び外径約６０ｍｍの円筒体で、且つ内周側にチ
タン酸アルミニウムＡｌ₂ＴｉＯ₅に且つ外周側にジル
コニアＺｒＯ₂から成るセラミック焼成多孔体を作製し
た。次いで、上記の製造方法のステップと同様にしてア
ルミニウム合金との複合体を作製した。得られた複合体
を同様に熱サイクルテストに供したところ、約１０００
サイクル後にも、複合体の各部分Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに亀
裂、クラック等は認められず、高温でも安定した強度を
有していることが確認された。

【００２１】

【発明の効果】この発明による傾斜機能材料は、以上の
ように構成したので、次のような効果を有する。この傾
斜機能材料は、金属と熱膨張係数が異なる少なくとも２
種類以上のセラミックスから構成され、そのセラミック
スの組成が傾斜変化し、前記セラミックスに形成された
間隙に前記金属が侵入しているので、複数の熱膨張率の
異なるセラミックスを各々の体積率を変えずに複合さ
せ、これに金属を含浸させて傾斜機能の複合材を形成で
き、セラミックスの組成を連続して変化させることがで
き、高温で安定した軽量な複合材を得ることができる。

【００２２】この場合、２種類のセラミックスはその焼
結体での熱膨張係数差が４×１０^-6／℃以上である。
具体的には、２種類のセラミックスのうち、一方のセラ
ミックスがチタン酸アルミニウムであり、他方のセラミ
ックスがジルコニア、酸化マグネシウム、酸化アルミニ
ウムの中の何れか１つ又はそれらの複合物であることが
好ましい。更に、前記金属がアルミニウム又はアルミニ
ウム合金であることにより、金属がセラミックスの間隙
に良好に侵入でき、良好な傾斜機能を有する複合材が形
成され、軽量化となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による傾斜機能材料の一実施例を説明
するための直方体の試料を示す説明図である。

【図２】この発明による傾斜機能材料の別の実施例を説
明するための円筒体の試料を示す説明図である。

【符号の説明】１直方体の複合体（複合材）２円筒体の複合体（複合材）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属と熱膨張係数が異なる少なくとも２
種類以上のセラミックスから構成され、前記各セラミッ
クスの組成が傾斜変化し、前記各セラミックスに形成さ
れた間隙が前記金属で置換されていることを特徴とする
傾斜機能材料。
【請求項２】２種類のセラミックスはそれらの各焼結
体での熱膨張係数差が４×１０^{- 6}／℃以上であること
を特徴とする請求項１に記載の傾斜機能材料。
【請求項３】２種類の前記セラミックスのうち、一方
のセラミックスがチタン酸アルミニウムであり、他方の
セラミックスがジルコニア、酸化マグネシウム、酸化ア
ルミニウムの中の何れか１つ又はそれらの複合物である
ことを特徴とする請求項１に記載の傾斜機能材料。
【請求項４】前記金属がアルミニウム又はアルミニウ
ム合金であることを特徴とする請求項１に記載の傾斜機
能材料。