JPH09202930A - 金属−セラミックス複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基材としてアルミニウムまたはその合金から
成る金属を用い、強化材としてアルミナを用いて強化さ
れた複合材料は、十分な強度を得るのが難しく、特に高
温での強度の低下が大きかった。 【解決手段】 強化材として表面に窒化アルミニウム層
を有するアルミナ繊維または粒子とし、その繊維または
粒子を用いてプリフォームを形成し、そのプリフォーム
にアルミニウムまたはその合金を高圧鋳造法で浸透させ
るとした金属−セラミックス複合材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属−セラミック
ス複合材料に関し、特に金属をアルミニウムまたはその
合金とし、セラミックスをアルミナとする金属−セラミ
ックス複合材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】運輸、航空分野で使用される金属材料
は、軽量性が好ましい特性であることから、アルミニウ
ムなどの軽金属及びその合金の適用が拡大している。し
かし、これら金属の適用が高度化するにつれ、金属の比
強度、比弾性などの性能において、要求を満たすことが
困難となってきている。

【０００３】このような状況の中で近年になって、これ
ら金属を無機質繊維または粒子で強化したＭＭＣ（Ｍｅ
ｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と略称さ
れる金属−セラミックス複合材料が上記要求を満たす材
料として注目を集めている。これは強化材である無機質
繊維あるいは粒子をあらかじめ成形することでプリフォ
ームを形成し、そのプリフォームの繊維間あるいは粒子
間に基材（マトリックス）である金属を溶浸させた複合
材料である。用いられる強化材としては、アルミナ、炭
化珪素、シリカ、炭素などのセラミックスが用いられて
おり、その中でもアルミナは、コストの面から最も有望
と考えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、強化材
としてこのアルミナを用いて強化された複合材料は、次
の理由により十分な強度を得るのが難しく、また高温で
の強度の低下が大きいという問題があった。 （１）溶融したマトリックスのアルミニウムあるいはそ
の合金が、強化材であるアルミナと濡れ性が悪いため、
高圧で浸透させてもマトリックスがプリフォーム全体に
完全に行き渡ることが難しく、繊維間あるいは粒子間に
間隙が生じて強度の強化が不完全となる。 （２）マトリックスとプリフォームとが接触する時にア
ルミナとマトリックス中の添加元素とが界面で反応し、
例えば、添加元素がマグネシウムであれば界面にスピネ
ルが生成して脆化層が形成され、強度の強化が不完全と
なる。 （３）出来上がった複合材料は、その使用中には、高温
に晒されるので、マトリックスとプリフォームとの反
応、拡散により同様の脆化層がさらに形成され、高温下
では大きな強度低下につながる。

【０００５】本発明は、上述した金属にアルミニウムま
たはその合金を用い、セラミックスにアルミナを用いた
従来の金属−セラミックス複合材料及びその製造方法が
有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、
常温では十分な強度を持ち、高温下でも強度の低下が少
ない金属−セラミックス複合材料を提供し、さらにその
製造方法をも提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、強化材として表面に
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を形成したアルミナ繊維
または粒子を用いれば、常温では十分な強度を発揮し、
それを高温下で使用しても強度の低下が少ない金属−セ
ラミックス複合材料が得られるとの知見を得て本発明を
完成した。

【０００７】即ち本発明は、（１）強化材であるアルミ
ナ繊維または粒子で構成されたプリフォームに、基材で
あるアルミニウムまたはその合金を浸透させた金属−セ
ラミックス複合材料において、該アルミナ繊維または粒
子が、その表面に窒化アルミニウム層を有するアルミナ
繊維または粒子であることを特徴とする金属−セラミッ
クス複合材料（請求項１）とし、（２）表面に窒化アル
ミニウム層を有するアルミナ繊維または粒子を強化材と
してプリフォームを形成し、そのプリフォームにアルミ
ニウムまたはその合金を浸透させる金属−セラミックス
複合材料の製造方法において、アルミナ繊維または粒子
の表面に窒化アルミニウム層を形成する方法が、アルミ
ナ繊維または粒子をカーボン粉末と混合し、その混合物
を窒素雰囲気中にて１７００℃以上の温度で加熱する方
法であり、アルミニウムまたはその合金を浸透させる方
法が、高圧鋳造法であることを特徴とする金属−セラミ
ックス複合材料の製造方法（請求項２）を要旨とする。
以下さらに詳細に説明する。

【０００８】アルミナは金属との濡れ性が悪いが、Ａｌ
Ｎは金属との濡れ性が良好であることに着目し、アルミ
ナの表面だけをＡｌＮ化することにより、アルミナでも
金属との濡れ性を良好にしたもので、本発明は表面をＡ
ｌＮ化したアルミナを用いて作製した複合材料であるの
で、表面にＡｌＮ層が形成されていないアルミナを用い
た前述の（１）の問題が改善される。

【０００９】また、アルミナの表面がＡｌＮ層で覆われ
ているので、アルミナとアルミニウム中の添加元素との
反応が抑えられ、前述の（２）の問題も改善される。さ
らに、高温下での反応も同様に抑えられ（３）の問題も
改善される。このように、強化材として表面にＡｌＮ層
が形成されたアルミナ繊維または粒子を用いれば、常温
での強度を高くすることができ、また高温での強度低下
を少なくした金属−セラミックスの複合材料を得ること
ができる。

【００１０】アルミナ繊維または粒子の表面にＡｌＮ層
を形成する方法としては、アルミナ繊維または粒子をカ
ーボン粉末と混合し、窒素雰囲気下で１７００℃以上の
温度で加熱する方法とした。これは表面にＡｌＮ層を完
全に形成するものではないが、安価で容易に形成する方
法であり、コスト的にもそれほど上がらない。

【００１１】このアルミナ繊維または粒子を用いて形成
したプリフォームにアルミニウムまたはその合金を浸透
させる方法としては、高圧鋳造法とした。表面にＡｌＮ
層を形成していないアルミナでは高圧鋳造でもマトリッ
クスが十分に浸透するのが難しいが、本発明のアルミナ
繊維または粒子であれば高圧鋳造すればマトリックスが
十分に行き渡る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の金属−セラミックス複合
材料を製造する方法を述べると、先ず強化材としてアル
ミナ繊維または粒子（粉末）に所定量のカーボン粉末を
混合し、窒素雰囲気下で１７００℃以上の温度で加熱す
ることにより、表面にＡｌＮ層を形成したアルミナ繊維
または粒子を得る。

【００１３】得られた粒子はそのまま、あるいはその粒
子に所定量の繊維を混合した粒子を用いてそれにバイン
ダを添加して混合した後、乾燥し、金型等で所定形状に
加圧成形してプリフォームを形成する。形成したプリフ
ォームをアルミニウム鋳造用の金型内に設置し、別に所
定温度で加熱溶解したアルミニウムまたはその合金をプ
リフォームを設置した金型内に注入し、所定の圧力で高
圧鋳造してアルミナ繊維または粒子間に金属を浸透さ
せ、金属−セラミックス複合材料を作製する。

【００１４】以上、強化材であるアルミナに、表面にＡ
ｌＮ層を形成したアルミナ繊維または粒子を用いれば、
常温での強度が高く、高温での強度の低下が少ない金属
−セラミックス複合材料が得られる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的
に挙げ、本発明をより詳細に説明する。

【００１６】（実施例） （１）強化材の作製 強化材としてアルミナ粒子（住友化学社製Ａ−２１、平
均粒径４０μｍ）１００重量部に、カーボン粉末（三菱
化成社製ＭＡ−２００ＲＢ）１０重量部添加して混合
し、窒素雰囲気中で１７００℃の温度で加熱することに
より、アルミナ粉末の表面にＡｌＮ層を形成した強化材
を作製した。

【００１７】（２）プリフォームの形成 得られた粒子にＩＰＡ、ポリビニルブチラール（積水化
学社製ＢＬ−１）を添加して混合し、それを乾燥した
後、金型（１００ｍｍ×５０ｍｍ）に充填し、圧力２０
０ｋｇｆ／ｃｍ²で３ｍｉｎ加圧することにより、プリ
フォーム（１００ｍｍ×５０ｍｍ×１５ｍｍ）を形成し
た。この時のプリフォームの充填率は４２％であた。

【００１８】（３）金属−アルミナ複合材料の作製 形成したプリフォームから直径５０ｍｍ×厚さ１５ｍｍ
の円板を切出し、この円板を円柱形のアルミニウム鋳造
用金型（直径５０ｍｍ×高さ５０ｍｍ）内にセットし
た。別にアルミニウム合金（ＪＩＳ呼称 ＡＣ７Ａ）を
鋳造用黒鉛坩堝（日本坩堝社製＃２）に入れ、７５０℃
で加熱、溶解した。この溶融アルミニウム合金をプリフ
ォームをセットした金型内に注入し、パンチ棒で５０Ｍ
Ｐａの圧力で３ｍｉｎ加圧し、アルミナ粒子間に溶融ア
ルミニウム合金を浸透させて金属−アルミナ複合材料を
作製した。

【００１９】（４）評価 得られた複合材料より試験片を切出し、ＪＩＳ Ｒ１６
０１により、常温及び表１に示す温度で曲げ強度を測定
した。その結果を表１に示す。

【００２０】（比較例）比較のために、強化材として表
面にＡｌＮ層を有しないアルミナ粒子を用いる他は実施
例と同様に複合材料を作製し、同様に評価した。その結
果を表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１から明らかなように、実施例において
は、比較例より常温強度、高温強度ともいずれも高かっ
た。これに対して比較例では、高温では実施例より強度
低下が大きく、特に最も温度の高い４００℃の強度低下
が著しかった。

【００２３】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、強化材と
して表面にＡｌＮ層を有したアルミナ繊維または粒子を
用いたので、アルミニウムまたはその合金との濡れ性が
改善され、常温強度、高温強度とも従来より高く、しか
も高温での強度低下が少ない金属−セラミックス複合材
料とすることができるようになった。このことにより、
強度、特に高温での強度性能が良好な金属−セラミック
ス複合材料が得られるようになった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強化材であるアルミナ繊維または粒子で
   構成されたプリフォームに、基材であるアルミニウムま
   たはその合金を浸透させた金属−セラミックス複合材料
   において、該アルミナ繊維または粒子が、その表面に窒
   化アルミニウム層を有するアルミナ繊維または粒子であ
   ることを特徴とする金属−セラミックス複合材料。
2. 【請求項２】 表面に窒化アルミニウム層を有するアル
   ミナ繊維または粒子を強化材としてプリフォームを形成
   し、そのプリフォームにアルミニウムまたはその合金を
   浸透させる金属−セラミックス複合材料の製造方法にお
   いて、アルミナ繊維または粒子の表面に窒化アルミニウ
   ム層を形成する方法が、アルミナ繊維または粒子をカー
   ボン粉末と混合し、その混合物を窒素雰囲気中にて１７
   ００℃以上の温度で加熱する方法であり、アルミニウム
   またはその合金を浸透させる方法が、高圧鋳造法である
   ことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方
   法。