JPH101380A - 高強度制振材料及びその製造方法 - Google Patents

高強度制振材料及びその製造方法

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JPH101380A
JPH101380A JP15110096A JP15110096A JPH101380A JP H101380 A JPH101380 A JP H101380A JP 15110096 A JP15110096 A JP 15110096A JP 15110096 A JP15110096 A JP 15110096A JP H101380 A JPH101380 A JP H101380A
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JP
Japan
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silicon nitride
sintered body
less
porous
zinc
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JP15110096A
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English (en)
Inventor
Katsutoshi Noda
克敏 野田
Teizo Hase
貞三 長谷
Sumio Kamiya
純生 神谷
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 強度の高い制振材料及びその製造方法を提供
する。 【解決手段】 アルミニウム−亜鉛系制振合金を、平均
短径が1μm以下でありかつアスペクト比が5以上であ
る窒化珪素質の柱状晶からなる多孔質窒化珪素焼結体に
注入する。この制振材料は、平均粒径が1μm以下であ
る窒化珪素粉末に焼結助剤を5〜15重量%添加し、所定
の形状に成形し、この成形体を不活性雰囲気中で1550〜
1800℃の温度において加熱し、開気孔率が30〜70体積%
であり、柱状の窒化珪素粒子の短径が1μm以下かつア
スペクト比が5以上である窒化珪素多孔質焼結体を形成
し、そして焼結体の開気孔中にアルミニウム−亜鉛系制
振合金の溶融体を注入することにより製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、強度の高い制振材
料及びその製造方法に関する。より詳細には、窒化珪素
質セラミックスを強化材として用いた高強度制振材料及
びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】制振材料(防振材料ともいう)は、機械
的振動のエネルギーを吸収し、他に伝えない材料、すな
わち、振動エネルギーを熱に変える内部摩擦もしくは減
衰能が大きい材料をいう。金属材料のうち、例えば鉛の
ような柔らかい材料は減衰能が大きく、この逆に炭素鋼
のような硬い材料は減衰能が小さいことが知られてい
る。一般に、振動や騒音が問題となるような用途におい
ては強度の高い材料を使用する場合が多く、従って構造
材料としても使用することのできる、ある程度強度が高
く、かつ減衰能の大きな材料が求められており、このよ
うな制振材料金属の1つとして、アルミニウム−亜鉛系
合金が知られている(例えば精密防振ハンドブック、
(株)エヌ・ティー・エス、1987年を参照されたい)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このア
ルミニウム−亜鉛系合金は軽量であり、かつある程度の
強度を有しているものの、引張強度が350MPa以下である
ため、自動車のエンジン用構造部材、すなわちピスト
ン、ピストンピン、シリンダーライナー等として使用す
るには強度が十分ではなく、特に高温強度が低いため、
このような用途には使用することができないという問題
がある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに1番目の発明によれば、多孔質窒化珪素焼結体30〜
70体積%と残部のこの焼結体の開気孔中に存在するアル
ミニウム−亜鉛系制振合金からなる制振材料において、
前記多孔質窒化珪素焼結体が平均短径が1μm以下であ
りかつアスペクト比が5以上である窒化珪素質の柱状晶
からなっている。
【0005】また、2番目の発明によれば、上記の制振
材料の製造方法において、平均粒径が1μm以下である
窒化珪素粉末に焼結助剤を5〜15重量%添加し、均一混
合粉末を形成すること、この混合粉末を所定の形状に成
形すること、この成形体を不活性雰囲気中で1550〜1800
℃の温度において加熱し、開気孔率が30〜70体積%であ
り、柱状の窒化珪素粒子の短径が1μm以下かつアスペ
クト比が5以上である窒化珪素多孔質焼結体を形成する
こと、この多孔質焼結体を予熱した後、この焼結体の開
気孔中にアルミニウム−亜鉛系制振合金の溶融体を注入
することの工程からなっている。
【0006】本発明の制振材料は、β型の窒化珪素柱状
晶が三次元的に結合した多孔質焼結体の空隙に制振特性
を有するアルミニウム−亜鉛系制振合金が占有する構成
となっているため、この多孔質焼結体の存在により制振
特性を損なうことなく強度を高めることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の制振材料は、強化材とし
て多孔質窒化珪素焼結体を用いて複合材料とすることに
よりアルミニウム−亜鉛系制振合金の強度を高めたもの
である。この多孔質窒化珪素焼結体は平均短径が1μm
以下でありかつアスペクト比が5以上である窒化珪素質
の柱状晶であることが必要である。この平均短径が1μ
mを越えると得られる複合材の強度が低下してしまう。
また、アスペクト比(長径/短径の比)が5未満では得
られる制振材料の強度が低下してしまう。
【0008】この柱状晶からなる多孔質窒化珪素焼結体
は制振材料の30〜70体積%を占めることが必要である。
この焼結体が30体積%未満では得られる制振材料の強度
が十分でなく、一方70体積%を越えると金属を十分に入
れることができず、結果として十分な制振性が得られな
い。
【0009】この多孔質窒化珪素焼結体に注入させる金
属は、十分な制振特性を有しかつ軽量で鋳造可能なアル
ミニウム−亜鉛系制振合金である。このアルミニウム−
亜鉛系制振合金はアルミニウムと亜鉛の他に、珪素、銅
等をも含み、例えばCosmal-ZM-11、Cosmal-ZM-3 、Supe
r Cosmal、Super Cosmal II 等がよく知られている。こ
れらのCosmal-Zの化学組成を以下の表1に示す。
【0010】
【表1】
【0011】この金属は多孔質窒化珪素焼結体の空隙の
98%以上を占有することが好ましい。金属の占有する割
合が低いと、複合材内に空孔欠陥が生じ、強度が低下
し、また十分な制振性が得られないことがあるからであ
る。
【0012】本発明の制振材料は窒化珪素粉末を焼結
し、得られた多孔質焼結体に金属を注入させることによ
って製造される。原料である窒化珪素粉末は平均粒径が
1μm以下であることが必要である。この粉末の平均粒
径が1μmを越えたものであると、焼結によって得られ
る窒化珪素柱状晶の短径を1μm以下にすることができ
ない。
【0013】この窒化珪素粉末の焼結の際に焼結助剤を
用いる。この焼結助剤は窒化珪素粒子の柱状化を促進す
るものであり、希土類金属の酸化物、例えばイットリア
(Y2O3)、スカンジア(Sc2O3)等を使用することができ
る。この焼結助剤の使用量は、窒化珪素粉末の5〜15重
量%であることが好ましい。5重量%未満では窒化珪素
の柱状晶が成長せず、15重量%を越えると焼結中に焼結
助剤によって生ずる液相の固化物が多くなって、その結
果特性が低下してしまうことがあるからである。
【0014】焼結に用いられるこの窒化珪素粉末と焼結
助剤の混合物中の金属不純物(金属酸化物)の総量は0.
01%以下であることが好ましい。この不純物は原料であ
る窒化珪素粉末と焼結助剤のみならず、混合時に容器等
から混入するものも含む。この不純物としては、例えば
CaO、MgO、Al2 3 、SiO2 等が挙げられる
が、これらの不純物が0.01%を越えると、この不純物の
存在によって液相の融点が低下し、焼結が進行するた
め、多孔質窒化珪素焼結体に所望の開気孔率が得られな
くなることがあるからである。従って、窒化珪素粉末及
び焼結助剤の純度は少なくとも99.9%以上であることが
好ましい。なお、上記金属不純物は通常焼結助剤として
用いられるものであるが、本発明においては、焼結の進
行を制御し、所望の開気孔率を得るために極力低減させ
ている点に特徴がある。すなわち、金属不純物を0.01%
を越えて添加すると、焼結が進行し、開気孔率が10%未
満となってしまう。
【0015】この焼結時における加熱温度は1550〜1800
℃である。1550℃未満では窒化珪素の柱状晶が成長せ
ず、1800℃を越えると窒化珪素の柱状晶が1μmよりも
太くなり、得られる制振材の強度が低下してしまう。ま
た、多孔質窒化珪素焼結体に所望の開気孔率が得られな
くなる。
【0016】この焼結によって、閉気孔率2体積%以
下、開気孔率10〜65体積%、β窒化珪素柱状晶の短径が
1μm以下、かつアスペクト比が5以上である多孔質焼
結体が得られる。閉気孔内には金属を注入することがで
きず、複合材中の気孔欠陥となるため、所望の強度を得
るためにはこの閉気孔率は2%以下であることが好まし
い。開気孔率は30〜70体積%することにより、満足な強
度が得られる。特にこの開気孔率を50体積%以上とする
ことが好ましい。それは、ワイブル係数の大きな、すな
わち強度のばらつきの小さな、信頼性の高い材料が得ら
れるためである。
【0017】こうして得られた多孔質窒化珪素焼結体に
常法により金属を注入させ、開気孔中に金属を占有させ
る。金属を注入する方法としては、高圧鋳造(スクイズ
キャスティング)法により1トン程度の圧力において行
うことが好ましい。また、カプセルHIP法を使用する
ことも可能である。この場合、カプセルは注入する金属
よりも高い融点を有する金属箔、例えばSUS箔を使用
する。
【0018】本発明の制振材料のような金属とセラミッ
クスの複合材としては、従来金属基複合材(MMC)が
知られていた。この従来の複合材はセラミックスのウィ
スカーを強化材として使用しているが、セラミックスフ
ァイバーのプリフォームの製造上、ウィスカー含有率は
30%が限界であった。本発明の制振材料は、このウィス
カーに相当するものとして窒化珪素の柱状晶を用いるも
のであり、この柱状晶の含有率は30〜70%ほどに高める
ことができ、従って従来のMMCよりも強度の高い材料
を提供することができる。
【0019】
【実施例】実施例1〜7及び比較例1〜5 窒化珪素粉末(平均粒径0.2 μm 、α化率ほぼ100 %、
金属不純物総量30ppm)に焼結助剤としてイットリア(Y2O
3)粉末(平均粒径 0.3μm 、純度99.9%)を、以下の表
2に示す添加量でエタノール中において混合した。この
混合は、本実施例において用いる窒化珪素粉末と焼結助
剤として極少量のY2O3及びAl2O3 を用いて焼結すること
により製造した窒化珪素ボールミルとボールを用いて行
った。この混合物を乾燥後、表2に示す条件で加圧成形
し、得られた成形体を薄ゴム袋に詰め、真空封入後、C
IPにて成形し、50×300 ×10mmの成形体を得た。
【0020】この成形体を大気圧の窒素雰囲気の炉内で
表2に示す条件で加熱した。昇温速度は5℃/min であ
り、最高温度での保持時間は4時間とした。こうして得
られた多孔質窒化珪素質焼結体の気孔率とβ窒化珪素柱
状晶の平均短径及びアスペクト比を求めた。気孔率はn
−ブチルアルコールを使用したアルキメデス法により求
めた多孔質窒化珪素質焼結体の嵩密度を理論密度で除し
た相対密度を、100 %から減じて求めた。平均短径及び
アスペクト比は、多孔質窒化珪素質焼結体中の柱状晶
を、加熱したフッ化水素中で1本づつに分離させ、これ
を顕微鏡で観察することにより求めた。これらの結果を
表2に示す。
【0021】上記多孔質窒化珪素質焼結体を金型に入
れ、不活性雰囲気中、700 ℃で溶融させたアルミニウム
−亜鉛合金(60重量%Al−6重量%Si−34重量%亜
鉛)を1000kgf/cm2 に加圧して上記多孔質窒化珪素質焼
結体に注入した。こうして得られた制振材料から試験片
を切り出し、JIS Z 2201に準じて試験片を加工後、JISZ
2241に準じて引張強度を測定した。また、制振特性
は、JIS G 0602「制振鋼板の振動減衰特性試験方法」に
準じて実施し、試験片を10×230 ×5mmに加工し、片端
固定定常加振方法により求めた周波数応答曲線から半値
幅法により損失係数ηを求めた。これらの結果を表2に
示す。ここで比較例1は多孔質窒化珪素焼結体を用い
ず、アルミニウム−亜鉛合金のみより形成した成形体で
ある。
【0022】
【表2】
【0023】実施例8〜9及び比較例6 上記実施例と同様にして、表2に示す条件において多孔
質窒化珪素焼結体をを製造後、アルミニウム−亜鉛合金
の組成を変え、すなわち40重量%Al−6重量%Si−
54重量%亜鉛(実施例8)、20重量%Al−6重量%S
i−74重量%亜鉛(実施例9)、94重量%Al−6重量
%Si(比較例6)を用い、700 ℃で溶融させ、1000kg
f/cm2 に加圧して上記多孔質窒化珪素焼結体に注入し、
上記と同様にして引張強度と損失係数を求めた。これら
の結果を表2に示す。
【0024】
【発明の効果】本発明により、強度の高い多孔質窒化珪
素焼結体を強化材として複合化することにより、アルミ
ニウム−亜鉛系制振合金の制振特性を損なうことなく、
その強度を大幅に向上させることができ、自動車エンジ
ン用構造部材等の構造部材への適用範囲を拡大すること
ができる。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 F16J 1/16 F16J 1/16 10/04 10/04

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多孔質窒化珪素焼結体30〜70体積%と残
    部のこの焼結体の開気孔中に存在するアルミニウム−亜
    鉛系制振合金からなり、前記多孔質窒化珪素焼結体が平
    均短径が1μm以下でありかつアスペクト比が5以上で
    ある窒化珪素質の柱状晶からなることを特徴とする高強
    度制振材料。
  2. 【請求項2】 以下の工程 平均粒径が1μm以下である窒化珪素粉末に焼結助剤を
    5〜15重量%添加し、均一混合粉末を形成すること、 この混合粉末を所定の形状に成形すること、 この成形体を不活性雰囲気中で1550〜1800℃の温度にお
    いて加熱し、開気孔率が30〜70体積%であり、柱状の窒
    化珪素粒子の短径が1μm以下かつアスペクト比が5以
    上である窒化珪素多孔質焼結体を形成すること、 この多孔質焼結体を予熱した後、この焼結体の開気孔中
    にアルミニウム−亜鉛系制振合金の溶融体を注入するこ
    とからなる、請求項1記載の高強度制振材料の製造方
    法。
JP15110096A 1996-06-12 1996-06-12 高強度制振材料及びその製造方法 Pending JPH101380A (ja)

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