JPH0813708B2

JPH0813708B2 - 金属部材との接合用セラミック部材

Info

Publication number: JPH0813708B2
Application number: JP62284998A
Authority: JP
Inventors: 光雄桑原; 輝興渡辺
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1987-11-11
Filing date: 1987-11-11
Publication date: 1996-02-14
Anticipated expiration: 2011-02-14
Also published as: JPH01126280A

Description

【発明の詳細な説明】 A.発明の目的（１）産業上の利用分野本発明は金属部材と接合されるセラミック部材に関す
る。

（２）従来の技術従来、この種セラミック部材として、金属部材との接
合面を構成する表層部に、前記接合面に開口する多数の
凹部を形成し、それら凹部に、金属部材の鋳造時その金
属部材の一部を充填するようにしたものが知られている
（特開昭61-259865号公報参照）。

（３）発明が解決しようとする問題点しかしながら前記セラミック部材を用いた金属部材と
の接合体においては、両部材の接合部で熱伝導率、熱膨
脹率、電気伝導度等の物理的性質および引張強さ、衝撃
値、疲れ強さ等の機械的性質が急激に変化するため、前
記接合体が長期に亘って繰返し荷重を受けたり、また厳
しい熱サイクル下で使用されると、接合部が破壊起点と
なって接合体の耐久性が著しく損なわれるという問題が
ある。

本発明は前記に鑑み、耐久性の優れた前記接合体を得
ることのできる前記セラミック部材を提供することを目
的とする。

B.発明の構成（１）問題点を解決するための手段本発明は、金属部材と接合されるセラミック部材にお
いて、前記金属部材の一部を充填される無数の微細な気
孔を備えた三次元網目構造を有し、前記気孔の直径を前
記金属部材との接合面から離れるに従って漸次小さくな
るようにしたことを特徴とする。

（２）作用セラミック部材において前記のように気孔の直径に勾
配をもたせると、それら気孔に金属部材の一部を充填し
てその金属部材とセラミック部材とを接合したとき、両
部材の接合部では、セラミックと金属との複合化に伴い
セラミック部材の接合面から接合部全体に亘って物理的
性質および機械的性質が或勾配をもって変化することに
なるので、それら性質の急激な変化に伴う耐久性の劣化
を防止することができる。

（３）実施例本発明に係る無数の微細な気孔を備えた三次元網目構
造を有するセラミック部材は次の工程を経て製造され
る。即ち、セラミック粉末に、酸により溶出し得る粉末
状気孔形成物質、必要に応じて気孔形成物質の溶出処理
を促進する添加剤および焼結助剤粉末を分散させた混合
粉末を用いて成形体を得る工程、成形体に焼結処理を施
して焼結体を得る工程および焼結体に溶出処理を施して
溶融固化後の前記気孔形成物質を溶出する工程である。

セラミック粉末としては、直径10μｍ以下のSi₃N₄、Si
C、ZrO₂、Al₂O₃、サイアロン等の単独粉末およびこれらの
混合粉末が該当する。

焼結助剤粉末は、セラミック粉末の焼結性を向上させ
るために必要に応じて用いられるが、この種粉末として
は、直径0.1〜５μｍのAl₂O₃、Y₂O₃、MgO、SiO₂、CeO₂等の
単独粉末およびこれらの混合粉末が該当する。

酸により溶出し得る粉末状気孔形成物質は、焼結体に
積極的に微細な気孔を形成して所定の気孔率を持つ三次
元網目構造のセラミック部材を得るために用いられ、こ
の種物質としては以下のものが該当する。

SiO₂ 24〜33重量％ B₂O₃ 30〜50重量％ Al₂O₃ ２〜15重量％ MgO ２〜15重量％ K₂O 20重量％以下 Na₂O 10〜40重量％の各粉末を混合し、その混合粉末に、必要に応じ BaO ３重量％以下 MoO₂ ３重量％以下 CeO₃ ３重量％以下から選択される少なくとも一種の粉末を添加して、溶
融、粉砕の各工程を経て得られた直径0.1〜100μｍのガ
ラス質粉末である。

前記のように各粉末の配合量を限定する理由は、前記
配合量を逸脱すると、気孔形成物質に結晶が析出して不
均一組織となり、酸による溶出が不可能になるからであ
る。また本発明では、後述するように焼結処理における
気孔形成物質の溶融、流動による気孔の直径変化を狙っ
ているので、焼結処理温度、例えば800〜1400℃におい
て、気孔形成物質より生じた流動体が所定の粘度、例え
ば0.1〜20cPをもつ必要があり、そのためにも各粉末の
配合量は前記のように限定される。

前記気孔形成物質、したがってその物質の溶融固化に
より生じた気孔形成成分の溶出処理を促進する添加剤と
しては、ホウ素系化合物およびリン酸系化合物から選択
される少なくとも一種が用いられる。この場合、ホウ素
系化合物にはホウ酸ナトリウム、ホウ酸アンモニウム等
のホウ酸塩、無水ホウ酸（B₂O₃）等が包含され、またリ
ン酸系化合物にはヘキサメタリン酸ナトリウム、酸性メ
タリン酸ナトリウム等のメタリン酸塩、オルトリン酸、
無水リン酸（P₂O₅）等が包含される。

この添加剤は、セラミック粉末の焼結プロセスにはほ
とんど関与することはなく、したがって焼結体中に存在
して気孔形成成分の酸による溶出処理を促進する機能を
果し、その後焼結体中より気孔形成成分と共に溶出され
る。

なお、セラミック部材の強度向上を狙ってアルミナ繊
維、炭化ケイ素繊維（ウイスカを含む）、窒化ケイ素繊
維、炭素繊維等を配合することもある。

前記セラミック粉末、焼結助剤粉末、気孔形成物質お
よび添加剤の配合量は、セラミック粉末 20〜90重量％焼結助剤粉末 15重量％以下気孔形成物質５〜50重量％添加剤 40重量％以下である。

焼結助剤粉末の配合量を前記のように限定する理由
は、それを15重量％を上回って配合しても、セラミック
粉末の焼結性にはそれ程変化が現れないからである。

また気孔形成物質の配合量は、セラミック部材の、目
標とする気孔率によって異なるもので、前記配合量にて
気孔率を20〜70％に調節することが可能である。

さらに添加剤は、セラミック部材とアルミニウム合
金、鋼等よりなる金属部材とを接合する際に、相互の拡
散性を良好にすると共にセラミック部材に対する金属の
接触角を小さくしてその濡れ性を大幅に改善し接合強度
を高める効果を有するので、この効果を狙う場合には添
加剤をやゝ過剰に配合して前記溶出処理後もセラミック
部材の気孔内面に薄膜状に残留させる。このときの添加
剤の配合量は５〜30重量％が適当である。

前記セラミック粉末、焼結助剤粉末、気孔形成物質お
よび添加剤よりなる混合粉末を用いて成形体を得る場合
は、スリップキャスティング法、加圧成形法、射出成形
法等の各種成形法が用いられる。この場合、成形圧力は
50〜150MPaが適当である。

前記成形体の焼結に当っては、その成形体を1500〜22
00℃に0.5〜２時間保持して１回の焼結処理でセラミッ
ク成分の焼結を完了する１段焼結法か、または成形体を
800〜1400℃に0.5〜２時間保持する１次焼結処理および
1500〜2200℃に0.5〜２時間保持する２次焼結処理を経
てセラミック成分の焼結を完了する２段焼結法が採用さ
れる。１段焼結法を採用した場合は、その焼結処理後前
記溶出処理が行われるのは当然であるが、２段焼結法を
採用した場合には１次焼結処理後または２次焼結処理後
前記溶出処理が行われる。

前記１次焼結処理後の焼結体は適当な硬度を有するの
で、その焼結体にレース加工等の機械加工を施すことが
可能である。この場合、機械加工により生じた欠陥を、
次工程の溶出処理が持つ化学研摩的作用により除去する
ことができる。

前記溶出処理に用いられる酸は、HCl、NHO₃、HF等の単
一酸またはこれらの混酸が主として用いられ、場合によ
っては前記酸にCH₃COOH、HCOOH等のカルボン酸といった
有機酸が少量添加される。溶出処理は焼結体を酸溶液中
に所定時間浸漬することにより行われる。その際、酸溶
液を流通させながらそれに８〜24MHzの超音波振動を付
与すると、酸溶液がセラミック成分、気孔形成成分およ
び焼結助剤成分に行渡り、また前記添加剤の溶出処理促
進作用もあって短時間のうちに気孔形成成分ならびにセ
ラミック成分および焼結助剤成分に含まれた不純物の溶
出処理を完了することができる。

前記焼結体に対する溶出処理によって、無数の微細な
気孔を備えた三次元網目構造を有するセラミック部材が
得られる。

このセラミック部材の気孔の直径は、焼結処理時焼結
炉内で下向きとなる端面側で最も大きく、その端面から
離れるに従って漸次小さくなるようになっている。

これは次の理由によるものと思われる。

即ち、焼結処理において、成形体、したがってガラス
質の気孔形成物質の温度が略1000〜1200℃に達すると、
その物質が溶融して所定の粘度を持つ流動体となる。そ
して流動体の重力による下降、それに伴うセラミック成
分の上昇による組織の再配列、流動体の下降によりセラ
ミック成分間に生じた微細間隙の毛管作用による流動体
の再上昇等が生じ、これにより焼結体内において気孔形
成成分の濃度が前記端面側で高く、その端面から離れる
に従って漸次低くなる。

このような状態の焼結体に前記溶出処理を施せば、前
記のように直径に勾配を付された気孔を形成することが
できる。

第１図（ａ）は本発明に係るセラミック部材１を示
し、そのセラミック部材１は窒化ケイ素より構成され、
縦10mm、横10mm、長さ25mmの角柱状をなす。第１図
（ｂ）は前記セラミック部材１の一端面1aからの長さ方
向の距離と気孔の最大直径および気孔率との関係を示
す。線x₁が気孔の最大直径に、また線x₂が気孔率にそれ
ぞれ該当する。

第１図（ａ），（ｂ）より、セラミック部材１の他端
面1b側で気孔の直径および気孔率が最も大きく、その他
端面1bから離れるに従って気孔の直径が漸次小さくなる
ことが判る。

第２図は前記セラミック部材における気孔率と曲げ強
さとの関係を示す。

前記手法により得られたセラミック部材は、金属部材
との接合に当り、その気孔の直径が大きい側に存する端
面（第１図（ａ）では他端面1b）が接合面となる。

前記流動体は、セラミック部材の強度低下の原因とな
る不純物を巻込んで下降するので、不純物を除去する機
能も有する。

なお、セラミック部材に対する金属部材の濡れ性の向
上を狙って、セラミック部材の気孔内面に、Ti、Cu、A
g、Ｂ等の薄膜を化学蒸着（CVD）等により形成すること
は有効である。

〔実施例Ｉ〕

第３図は内燃機関用シリンダヘッド２を示し、そのシ
リンダヘッド２は金属部材としてのシリンダヘッド本体
３と、そのシリンダヘッド本体３に接合されたセラミッ
ク部材としての吸、排気用バルブシート4₁,4₂とを備え
ている。

両バルブシート4₁,4₂の材質、製法は同じであり、そ
れらは各部の寸法を若干異にするだけなので、吸気用バ
ルブシート4₁の製造について説明する。

気孔形成物質として、 SiO₂ 28.0重量％ B₂O₃ 37.6重量％ Al₂O₃ 4.6重量％ MgO 3.2重量％ K₂O 6.5重量％ Na₂O 20.1重量％を用いてガラス質粉末を得る。

窒化ケイ素粉末 57.5重量％最大直径10μｍ、平均直径0.7μｍ気孔形成物質 40重量％直径44μｍ以下のもの30重量％および直径44〜150μ
ｍのもの10重量％焼結助剤粉末 2.5重量％最大直径１μｍ、平均直径0.2μｍのAl₂O₃1.0重量％
および最大直径２μｍ、平均直径0.4μｍのY₂O₃1.5重量
％に、有機系ワックス、分散剤等を加え十分に混合して混
合粉末を得、この混合粉末を用いて金型による加圧成形
法を適用し、成形圧力100MPaにて第４図に示す外径ａ＝
30mm、内径ｂ＝19mm、長さｃ＝5mmの環状成形体５を得
る。

成形体５を乾燥した後、その一方の環状端面5bを下方
に向けて焼結炉の基台上に載置し、N₂流通量30ml/min、
650℃、１時間の条件の下で成形体５に有機成分除去処
理を施す。

引続き、N₂流通量30ml/min、1200℃、２時間の条件の
下で成形体５に１次焼結処理を施して焼結体を得る。こ
の焼結体の線収縮率は３％である。

焼結体を、４規定HNO₃および0.2％HFよりなる酸溶液
中に浸漬し、その酸溶液に16MHzの超音波振動を付与し
ながら15分間保持して気孔形成成分、不純物および過剰
の焼結助剤成分を溶出して三次元網目構造を有するバル
ブシート4₁を得る。

前記バルブシート4₁に十分洗浄処理を施した後乾燥
し、次いで前記バルブシート4₁に1700℃、１時間の条件
下で２次焼結処理を施して高度に焼結が進行したバルブ
シート4₁を得る。これを第１のバルブシートとする。

前記同様の１次焼結処理後の焼結体に前記同様の２次
焼結処理を施し、次いで２次焼結処理後の焼結体に前記
同様の酸溶出処理を施して第２のバルブシートを得る。

前記第1,第２のバルブシートの二次元的な気孔率およ
び気孔の最大直径は表Ｉの通りである。気孔直径の測定
は光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて行わ
れる。表Ｉにおいて、4a,4bは両バルブシートの環状端
面で、4aは前記成形体５の一方の環状端面5aに、4bは他
方の環状端面5bにそれぞれ対応する。したがって両バル
ブシートの一方の環状端面4b側において気孔の直径が最
大となる。

なお、第１のバルブシートにおいて、酸溶出処理後の
一方の環状端面4aにおける気孔の最大直径は104μｍ、
また他方の環状端面4bにおける気孔の最大直径は140μ
ｍである。

両バルブシートを切断してその切断面における気孔の
直径変化を調べたところ、一方の環状端面4bから他方の
環状端面4aに至るに従ってその直径が漸次小さくなって
いることが確認されている。

次いで、両バルブシート4₁および排気用バルブシート
4₂に所定の機械加工を施した後それらを800℃に予熱
し、また吸、排気側においてそれらの環状端面4bを吸、
排気ポート6,7側にそれぞれ向けてそれらバルブシート4
₁,4₂を鋳型に設置し、アルミニウム合金（JIS AC4C）の
溶湯温度700℃、溶湯の充填圧200kg/cm²の条件の下で前
記シリンダヘッド２を鋳造したところ、各バルブシート
4₁,4₂の気孔にアルミニウム合金が十分に充填されてい
ることが確認されている。

前記のように、両バルブシート4₁,4₂における気孔の
直径に勾配をもたせると、シリンダヘッド本体３と各バ
ルブシート4₁,4₂との接合部、この実施例ではバルブシ
ート4₁,4₂全体において、セラミックスとアルミニウム
合金との複合化に伴い環状端面4bから環状端面4aに向け
て物理的性質および機械的性質が或勾配をもって変化す
るので、それらの性質の急激な変化に伴う耐久性の劣化
を防止することができる。

〔実施例II〕

第５図は内燃機関用ロッカアーム８を示し、そのロッ
カアーム８は金属部材としてのロッカアーム本体９と、
そのロッカアーム本体９に接合されたセラミック部材と
してのスリッパ面構成体10とよりなる。

スリッパ面構成体10の製造は以下の通りである。

気孔形成物質として、 SiO₂ 27.8重量％ B₂O₃ 37.6重量％ Al₂O₂ 5.2重量％ MgO 8.0重量％ K₂O 4.8重量％ Na₂O 14.8重量％ BaO 1.0重量％その他 0.8重量％を用いて、ガラス質粉末を得る。このガラス質粉末の10
00〜1200℃における粘度は0.6〜2.4cPで、比重は約4.5
である。

窒化ケイ素粉末 64重量％最大直径５μｍ、平均直径0.4μｍ気孔形成物質 30重量％最大直径20μｍ、平均直径２〜３μｍ焼結助剤粉末６重量％最大直径１μｍ、平均直径0.4μｍのAl₂O₃２重量％お
よび最大直径0.1〜2.0μｍ、平均直径0.5μｍのY₂O₃４
重量％に有機系ワックス、分散剤等を加え十分に混合して混合
粉末を得、この混合粉末を用いて金型による加圧成形法
を適用し、成形圧力100MPaにて第６図に示すスリッパ面
11aを有する本体11およびその本体11と一体の接合凸部1
2を備えた成形体13を得る。

成形体13を乾燥した後、650℃、２時間の条件の下で
成形体13に有機成分除去処理を施す。

成形体13を、その接合凸部12を下方に向けて焼結炉の
基台上に載置し、N₂流通量30ml/min、0.4Torr、650℃ま
での昇温速度10℃/min、1200℃までの昇温速度15℃/mi
n、1200℃にて２時間保持の条件の下で成形体13に１次
焼結処理を施して焼結体を得る。

焼結体を、25％HNO₃および0.1％HFよりなる酸溶液中
に浸漬し、その酸溶液に12MHzの超音波振動を付与しな
がら20分間保持して気孔形成成分、不純物および過剰の
焼結助剤成分を溶出して三次元網目構造を有するスリッ
パ面構成体10を得る。

前記スリッパ面構成体10に十分洗浄処理を施した後乾
燥し、次いで前記スリッパ面構成体10にN₂雰囲気下、50
0bar、1700℃、２時間の条件の下で２次焼結処理を施し
て高度に焼結が進行したスリッパ面構成体10を得る。

前記スリッパ面構成体10を10％HNO₃よりなる酸溶液中
に浸漬して２次焼結処理による目詰りを除去する。

前記スリッパ面構成体10の二次元的な気孔率および気
孔の最大直径は表IIの通りである。表IIにおいて、12a
は接合凸部12の端面を示す。

スリッパ面構成体10を切断してその切断面における気
孔の直径変化を調べたところ端面12aからスリッパ面11a
に至るに従ってその直径が漸次小さくなっており、また
本体11の外周部は殻状緻密層より構成されていることが
確認されている。

次いで第７図に示すように上型14および下型15よりな
る金型に、アルミニウム合金（6061合金）を用いて鋳造
されたロッカアーム本体９を設置してそのロッカアーム
本体９のスリッパ面構成体用接合区域9aを高周波加熱法
により略700℃に加熱する。またスリッパ面構成体10を1
000℃に予熱してその接合凸部12を加圧部材16により前
記接合区域9aに圧力100kg/cm²にて押込み、スリッパ面
構成体10をロッカアーム本体９に接合して第５図のロッ
カアーム８を得る。

前記ロッカアーム８において、その切断面を観察した
ところ各気孔にはアルミニウム合金が充填されているこ
とが判明している。

前記のように高周波加熱および押圧接合を採用する
と、接合作業時間を短縮する上に有効である。

〔実施例III〕

第８図はセラミック部材としてのタービン羽根車17
と、金属部材としての回転軸18との接合体19を示す。

タービン羽根車17の製造は以下の通りである。

実施例IIと同様の混合粉末、即ち窒化ケイ素粉末、気
孔形成物質、焼結助剤粉末、有機系ワックス、分散剤等
を混合したものを用いてスリップキャスティング法を適
用し、成形圧力0.03MPaにてタービン羽根車17と同一形
状、即ち、第９図（ａ）に示す羽根部20およびその羽根
部20と一体の接合軸部21を備えた成形体を得る。

前記成形体に実施例IIと同様の、乾燥、有機成分除
去、１次焼結、酸溶出、２次焼結、目詰り除去の各処理
を施して、三次元網目構造を有するタービン羽根車17を
得る。前記１次焼結処理において、成形体はその接合軸
部12を下方に向けた状態で焼結炉に設置される。

前記タービン羽根車17において、羽根部20の端面20a
から接合軸部21の端面21aまでの距離と気孔率および気
孔の最大直径との関係は第９図（ｂ）の通りである。線
x₂が気孔の最大直径に、また線x₃が気孔率にそれぞれ該
当する。

第９図（ａ）の各長さにおいて、ａ＝10mm、ｂ＝25m
m、ｃ＝13mm、ｄ＝42mmである。

第９図（ｂ）より接合軸部21の端面21aから羽根部20
の端面20aに至るに従ってその気孔の直径が漸次小さく
なることが明らかであり、特に、羽根部20では緻密化が
進行している。

次いで第10図に示すようにタービン羽根車17の接合軸
部21を1200℃以上に加熱した後、羽根部20の端面20a側
端部を固定の支持台23に当て、また接合軸部21を左右二
つ割の金型24により挟着する。

鋼製回転軸（機械構造用炭素鋼、SACM645）18を高周
波加熱コイル25中を通して1350℃に加熱し、その回転軸
18を加圧部材26により接合軸部21に圧力50kg/cm²にて押
込み、回転軸18をタービン羽根車17に接合して第８図の
接合体19を得る。

前記接合体19において、その切断面を観察したところ
接合軸部21の各気孔には鋼が充填されていることが判明
している。そして接合軸部21と鋼とが複合した接合部19
aでは、破壊靱性値（K_IC）13〜15（平均15）、曲げ強さ
50〜70kg/cm²（平均58kg/cm²）といった高い値を示す。

このように接合部19aの軸方向長さを長くし、また気
孔の直径変化により明確な接合界面の発生を回避する
と、応力集中箇所を無くす上に有効である。

その上、接合部19はセラミックスと鋼との複合体であ
るから熱伝導性が良く、したがって厳しい熱サイクル下
での耐久性に優れている。

〔実施例IV〕

前記実施例IIと同様のスリッパ面構成体10の他の製造
例について説明する。

窒化ケイ素粉末 37重量部最大直径10μｍ、平均直径１μｍのものを重量比で6:
4に混合した粉末実施例IIと同材質の気孔形成物質 55重量部直径150〜250μｍのもの10重量部、直径100〜150μｍ
のもの10重量部、直径44〜100μｍのもの15重量部、お
よび直径44μｍ以下のもの20重量部焼結助剤粉末３重量部平均直径0.4μｍのAl₂O₃１重量部および平均直径0.4
μｍのY₂O₃２重量部ホウ酸アンモニウム５重量部に、有機系ワックス、分散剤等を加え十分に混合して混
合粉末を得、この混合粉末を用いて金型による加圧成形
法を適用し、成形圧力100MPaにて第６図と同様にスリッ
パ面11aを有する本体11およびその本体11と一体の接合
凸部12を備えた成形体13を得る。

成形体13を乾燥した後、その接合凸部12を下方に向け
て焼結炉の基台上に載置し、N₂流通量30ml/min、650
℃、１時間の条件の下で成形体13に有機成分除去処理を
施す。

引続き、N₂流通量30ml/min、1200℃、２時間の条件の
下で成形体13に１次焼結処理を施して焼結体を得る。

焼結体を15％HNO₃および0.3％HFよりなる酸溶液中に
浸漬し、その酸溶液に16MHzの超音波振動を付与しなが
ら15分間保持して気孔形成成分、不純物および過剰の焼
結助剤成分を溶出して三次元網目構造を有するスリッパ
面構成体10を得る。

前記スリッパ面構成体10に十分洗浄処理を施した後乾
燥し、次いで前記スリッパ面構成体10に1700℃、２時間
の条件下で２次焼結処理を施して高度に焼結が進行した
スリッパ面構成体10を得る。

前記スリッパ面構成体10を10％HNO₃よりなる酸溶液中
に浸漬して２次焼結処理による目詰りを除去する。これ
を第１のスリッパ面構成体とする。

前記同様の１次焼結処理後の焼結体に前記同様の２次
焼結処理を施し、次いで２次焼結処理後の焼結体に前記
同様の25％HNO₃および0.3％HFよりなる酸溶液を用いて
前記同様の酸溶出処理を施して第２のスリッパ面構成体
を得る。

前記第1,第２のスリッパ面構成体の二次元的な気孔率
および気孔の最大直径は表IIIの通りである。表IIIにお
いて、12aは接合凸部12の端面である。

なお、第１のスリッパ面構成体において、酸溶出処理
後の端面12aにおける気孔の最大直径は270μｍ、またス
リッパ面11aにおける気孔の最大直径は30μｍである。

両スリッパ面構成体を切断してその切断面における気
孔の直径変化を調べたところ端面12aからスリッパ面11a
に至るに従ってその直径が漸次小さくなっており、また
本体11の外周部は殻状緻密層より構成されていることが
確認されている。

〔実施例Ｖ〕

直方体状セラミック部材の製法について説明する。

窒化ケイ素粉末 99重量％最大直径４μｍ、平均直径0.7μｍ焼結助剤粉末１重量％平均直径0.4μｍのAl₂O₃および平均直径0.5μｍのY₂O
₃を各0.5重量％を混合して基材とする。

基材 50重量％実施例IIと同材質の気孔形成物質 40重量％最大直径44μｍ、平均直径約20μｍホウ酸アンモニウム 10重量％に有機系ワックス、分散剤等を加え十分に混合して混合
粉末を得、この混合粉末を用いて金型による乾式加圧成
形法を適用し、成形圧力100MPaにて第11図に示す縦12m
m、横14mmm、高さ85mmの直方体状成形体27を得る。

成形体27を乾燥した後、その一方の端面ｍを下方に向
けて成形体27を焼結炉内に設置された箱体内の窒化ケイ
素粉末内に立設し、N₂流通量30ml/min、0.6Torr、650
℃、１時間の条件の下で成形体27に有機成分除去処理を
施す。

引続き、N₂流通量30ml/min、0.6Torr、1700℃、１時
間の条件の下で成形体27に１次焼結法による焼結処理を
施して焼結体を得る。この焼結体の線収縮率は平均７％
である。

焼結体を25％HNO₃および0.3％HFよりなる酸溶液中に
浸漬し、その酸溶液に12MHzの超音波振動を付与しなが
ら20分間保持して気孔形成成分、不純物および過剰の焼
結助剤成分を溶出して三次元網目構造を有する直方体セ
ラミック部材Ａを得る。

前記同様の成形体27をその端面ｍを下方に向けて焼結
炉内に設置された焼結窒化ケイ素板上に立設し、前記同
様に有機成分除去、焼結および酸溶出の各処理を行って
セラミック部材Ｂを得る。

さらにそのセラミック部材Ｂに、N₂雰囲気下、気圧50
0bar、1700℃、１時間のHIP処理を施して高度に焼結の
進行したセラミック部材Ｃを得る。

表IVは前記セラミック部材A,B,Cの気孔の最大直径変
化を示す。表IV中、ｄ〜ｍは第11図に示す各位置に対応
し、d,mは１次焼結処理時における成形体27の両端面に
対応し、ｄ−ｅ間は5mm、ｅ−ｆ間、ｆ−ｇ間……ｋ−
ｌ間、ｌ−ｍ間はそれぞれ10mmである。

〔実施例VI〕前記バルブシート4₁,4₂に対応する環状セラミック部
材の製法について説明する。

気孔形成物質として、 SiO₂ 27.3重量％ B₂O₃ 39.8重量％ Al₂O₃ 6.1重量％ MgO 4.5重量％ K₂O 4.6重量％ Na₂O 13.2重量％ BaO 2.0重量％ MoO₂ 0.2重量％ CeO₃ 2.3重量％を用いてガラス質粉末を得る。

窒化ケイ素粉末 47重量％最大直径４μｍ、平均直径0.5μｍ気孔形成物質 40重量％平均直径10μｍ焼結助剤粉末 1.0重量％直径0.1〜1.0μｍ、平均直径0.4μｍのAl₂O₃および直
径0.1〜2.0μｍ、平均直径0.5μｍのY₂O₃を各0.5重量％ホウ酸アンモニウム 10重量％ホウ化チタン粉末２重量％に、有機系ワックス、分散剤等を加え十分に混合して混
合粉末を得、この混合粉末を用いて金型による加圧成形
法を適用し、成形圧力100MPaにて第12図に示す環状成形
体28を得る。成形体28の寸法は次の通りである。即ち、
一方の環状端面28aの外径ｎ＝34.1mm、その内径ｐ＝22.
7mm、他方の環状端面28bの外径ｇ＝21.1mm、その内径ｒ
＝31.6mmである。

成形体28を乾燥した後、その一方の環状端面28aを上
向きにして焼結炉の基台上に載置し、N₂流通量30ml/mi
n、１時間の条件の下で成形体28に有機成分除去処理を
施す。

引続き、N₂流通量30ml/min、0.6Torr、1200℃、２時
間の条件の下で成形体28に１次焼結処理を施して焼結体
を得る。

焼結体を、４規定HNO₃および0.1％HFよりなる酸溶液
中に浸漬し、その酸溶液に16MHzの超音波振動を付与し
ながら15分間保持して気孔形成成分、不純物および過剰
の焼結助剤成分を溶出し、三次元網目構造を有する環状
セラミック部材を得る。

前記セラミック部材に十分洗浄処理を施した後乾燥
し、次いで500気圧、1750℃、１時間の条件下でHIP処理
による２次焼結処理を施して高度に焼結が進行したセラ
ミック部材を得る。これを第１のセラミック部材とす
る。

前記同様の１次焼結処理後の焼結体に前記同様の２次
焼結処理を施し、次いで２次焼結処理後の焼結体に前記
同様の酸溶出処理を施して第２のセラミック部材を得
る。

前記第１および第２のセラミック部材における外径お
よび内径の寸法変化および全線収縮率は表Ｖの通りであ
る。

前記窒化ケイ素粉末に代えて、それと同量の炭化ケイ
素粉末（最大直径２μｍ、平均直径0.4μｍ）を用い、
他の配合材およびそれらの配合量を前記と同一にして前
記と同一方法により第１および第２のセラミック部材を
得る。たゞし、第１および第２の焼結処理における温度
は、それぞれ1200,1750℃である。

前記第１および第２のセラミック部材の外径、内径の
寸法変化および全線収縮率が表VIの通りである。

表Ｖ、VIにおいて、窒化ケイ素製セラミック部材に比
べて炭化ケイ素製セラミック部材の方が線収縮率が小さ
いのは、焼結温度が低いことによる。

また気孔形成物質の粘度は極めて低く、1cP程度であ
る。

前記各セラミック部材に前記同様の酸溶出処理を施し
てそれらの目詰りを除去し、次いで十分に水洗した後乾
燥する。

その後、各セラミック部材を800℃に予熱して金型に
設置し、Al-Si合金を用いて、溶湯温度760℃、溶湯の充
填圧200kg/cm²の条件の下で鋳造を行い、セラミック−
アルミニウム合金の複合体を得る。

前記複合体の表面および切断面を光学顕微鏡、走査型
電子顕微鏡等により観察したところ次の結果を得た。

窒化ケイ素製セラミック部材において、その線収縮率
の大きい一方の環状端面28a側では気孔の最大直径は0.5
μｍ以下と微細であるが、線収縮率の小さい他方の環状
端面28b側では気孔の最大直径は40μｍ程度と大きく、
また気孔の直径は他方の環状端面28bから離れるに従っ
て漸次小さくなっている。

このようなセラミック部材ではその他方の環状端面28
bが金属部材との接合面となる。

炭化ケイ素製セラミック部材においては、前記窒化ケ
イ素製のものゝように気孔の直径変化が明確ではない
が、線収縮率の変化に伴い、気孔の直径は下部環状端面
から離れるに従って漸次小さくなる傾向にある。

C.発明の効果本発明によれば、セラミック部材における気孔の直径
に前記のように勾配をもたせたので、それら気孔に金属
部材の一部を充填してその金属部材とセラミック部材と
を接合したとき、両部材の接合部では物理的性質および
機械的性質も或勾配をもって変化することになり、これ
により接合部における前記両性質の変化を緩和して接合
部の耐久性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はセラミック部材の断面図、第１図（ｂ）
はセラミック部材の一端面からの距離と気孔の最大直径
および気孔率との関係を示すグラフ、第２図は気孔率と
曲げ強さとの関係を示すグラフ、第３図はシリンダヘッ
ドの断面図、第４図はバルブシート用成形体の斜視図、
第５図はロッカアームの断面図、第６図はスリッパ面構
成体用成形体の断面図、第７図は接合作業を示す断面
図、第８図はタービン羽根車と回転軸との接合体の正面
図、第９図（ａ）はタービン羽根車の断面図、第９図
（ｂ）は羽根部の端面から接合軸部の端面までの距離と
気孔の最大直径および気孔率との関係を示すグラフ、第
10図は接合作業を示す断面図、第11図は直方体状成形体
の斜視図、第12図は環状成形体の断面図である。１……セラミック部材、3,9,18……金属部材としてのシ
リンダヘッド本体、ロッカアーム本体、回転軸、4₁,4₂,
10,17……セラミック部材としての吸気用バルブシー
ト、排気用バルブシート、スリッパ面構成体、タービン
羽根車

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属部材と接合されるセラミック部材にお
いて、前記金属部材の一部を充填される無数の微細な気
孔を備えた三次元網目構造を有し、前記気孔の直径を前
記金属部材との接合面から離れるに従って漸次小さくな
るようにしたことを特徴とする、金属部材との接合用セ
ラミック部材。