JPH10140263A - 金属−セラミックス複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 浸透法では、粉末充填率を５０ｖｏｌ％程度
にしか下げられず、低い粉末充填率を有する金属−セラ
ミックス複合材料を作製するのは難しかった。 【解決手段】 セラミックス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基材で
ある金属を含浸させる金属−セラミックス複合材料の製
造方法において、該プリフォームが、１〜１００μｍの
平均粒径を有する電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末に、１〜１３０μｍ
の平均粒径を有する焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末を１０〜９０ｗｔ
％含むＡｌ₂Ｏ₃粉末から成り、該プリフォームの形成方
法が、Ａｌ₂Ｏ₃粉末にコロイダルシリカ液または／及び
アルミナ水和物のコロイダル液を加えて成形した後、そ
の成形体を焼成する方法であるとし、そのプリフォーム
にアルミニウムを主成分とする合金を７００〜１０００
℃の温度で浸透させることとした金属−セラミックス複
合材料の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属に強化材を複
合させる複合材料の製造方法に関し、特に強化材にセラ
ミックスを用いる金属−セラミックス複合材料の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】セラミックス繊維または粒
子で強化された金属−セラミックスの複合材料は、金属
とセラミックスの両方の特性を兼ね備えており、例えば
この複合材料は、剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等のセラ
ミックスの優れた特性と、延性、高靱性、高熱伝導性等
の金属の優れた特性を備えている。このように、従来か
ら難しいとされていたセラミックスと金属の両方の特性
を備えているため、機械装置メーカ等の業界から次世代
の材料として注目されている。

【０００３】この複合材料、特に金属としてアルミニウ
ムをマトリックスとする複合材料の作製方法は、粉末冶
金法、圧力鋳造法、真空鋳造法等の作製法がある。これ
らの内、粉末冶金法では、粉末状の金属に粒状のあるい
はウィスカー状もしくはファイバー状等のセラミックス
を強化材として混合し、成形し、その成形体を非加圧、
あるいは加圧下で焼成し作製していた。しかしこの方法
で作製された複合材料中の強化材の粉末充填率は、強化
材を多くすると焼結し難くなるため、ウィスカーやファ
イバー状の繊維状のもので最大２５％程度であり、粒子
状のもので最大４０％程度であった。

【０００４】前記粉末冶金法の他の圧力鋳造法、真空鋳
造法においても、溶解した金属のセラミックス粒子への
濡れ性が悪いため、セラミックス粉末を増やすと金属と
混合し難くなり、強化材の粉末充填率は最大でやはり高
々４０％程度であった。そのため最近では強化材の粉末
充填率を高めるべく、強化材であるセラミックス繊維ま
たは粒子で構成されたプリフォームをあらかじめ形成
し、そのプリフォームに基材である金属を浸透させる浸
透法が採られている。

【０００５】この浸透法は、プリフォームの形成を主と
してセラミックス粉末に水及びバインダーを添加してス
ラリーを作製し、そのスラリーを鋳込むセディメントキ
ャスト法で成形し、その成形体を焼成する方法で形成す
るが、この方法では、６０ｖｏｌ％以上の高い粉末充填
率を有するプリフォームを形成するのは容易であるもの
の、逆に低い充填率のプリフォームを形成するのは難し
く、例えばスラリー中にカーボン粉末を混合する方法で
粉末充填率を下げていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、カーボ
ンを混合しても粉末充填率は５０ｖｏｌ％程度にしか下
げられず、また、この方法で得たプリフォームは、大気
中で焼成するのでカーボンが抜けた構造となり、プリフ
ォームの強度が低いという問題があった。さらに、大気
中で焼成してもカーボンが若干残留するため、アルミニ
ウムまたはアルミニウム合金の浸透に障害となる問題も
あった。

【０００７】本発明は、上述した浸透法による金属−セ
ラミックス複合材料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、低い粉末充填率を有す
る強度の高いプリフォームを形成でき、そのプリフォー
ムから金属の浸透に問題のない複合材料が得られる金属
−セラミックス複合材料の製造方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【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、電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末に
焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末を混合すれば、３０〜６０ｖｏｌ％の
粉末充填率を有する強度の高いプリフォームが形成で
き、そのプリフォームにアルミニウムを主成分とする合
金を浸透させれば、金属の浸透に問題のない金属−セラ
ミックス複合体が得られるとの知見を得て本発明を完成
した。

【０００９】即ち本発明は、（１）セラミックス繊維ま
たは粒子を強化材としてプリフォームを形成し、そのプ
リフォームに基材である金属を浸透させる金属−セラミ
ックス複合材料の製造方法において、該プリフォーム
が、１〜１００μｍの平均粒径を有する電融Ａｌ₂Ｏ₃粉
末に、１〜１３０μｍの平均粒径を有する焼結Ａｌ₂Ｏ₃
粉末を１０〜９０ｗｔ％含むＡｌ₂Ｏ₃粉末から成り、該
プリフォームの形成方法が、Ａｌ₂Ｏ₃粉末にコロイダル
シリカ液または／及びアルミナ水和物のコロイダル液を
加えて成形した後、その成形体を焼成する方法であると
し、そのプリフォームにアルミニウムを主成分とする合
金を７００〜１０００℃の温度で浸透させることを特徴
とする金属−セラミックス複合材料の製造方法（請求項
１）とし、また、（２）焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末が、水酸化ア
ルミニウムを焼成して成る焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末であること
を特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材
料の製造方法（請求項２）とすることを要旨とする。以
下さらに詳細に説明する。

【００１０】上記プリフォームとしては、１〜１００μ
ｍの平均粒径を有する電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末に、１〜１３０
μｍの平均粒径を有する焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末を１０〜９０
ｗｔ％含むＡｌ₂Ｏ₃粉末から成るプリフォームとした。
電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末に焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末を混合することと
したのは、嵩密度が電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末よりかなり低い焼
結Ａｌ₂Ｏ₃粉末を混合することにより粉末充填率を低く
することができることによる。その粉末の平均粒径を電
融Ａｌ₂Ｏ₃粉末では１〜１００μｍ、焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末
では１〜１３０μｍとしたのは、この範囲でないと堅固
なプリフォームにし難いことによる。その混合率は焼結
Ａｌ₂Ｏ₃粉末で１０〜９０ｗｔ％が好ましく、１０ｗｔ
％より低いと粉末充填率が下がらず、９０ｗｔ％より高
いとプリフォームの強度が著しく低下する。

【００１１】この混合したＡｌ₂Ｏ₃粉末に他の粉末を１
０ｗｔ％程度までなら、混合してもよい。例えばＳｉＣ
を混合する場合、この粉末が１０ｗｔ％を越えるとＳｉ
Ｃ表面のＳｉＯ₂が金属と反応してマトリックス中にＳ
ｉもしくはＭｇ₂Ｓｉの脆性部分が多量に生成し、破壊
靱性値が低下する。また、ＷＣ等のヤング率の高い粉末
を混合してもよいが、比重がＡｌ₂Ｏ₃に比べて高いこと
から”軽量”の特徴がなくなるのでこれも１０ｗｔ％以
下が好ましい。上記以外の混合粉末としては、ムライ
ト、シリカ等の酸化物、窒化けい素、窒化アルミニウ
ム、窒化チタン、窒化ジルコニウム等の窒化物、炭化チ
タン、炭化ボロン等の炭化物、ホウ化ジルコニウム、ホ
ウ化チタン等のホウ化物等が挙げられるが、いずれも使
用できる。

【００１２】上記電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末としては、通常の研
磨材、もしくは耐火物の原料として用いられるものでよ
いが、特に、低アルカリの粉末を用いた方が浸透中に浸
透してきたＡｌの酸化を抑えるので好ましい。一方、上
記焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末としては、耐火物、離型材、研磨材
などに使用される焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末でよいが、出発原料
を水酸化アルミニウムとしたのは、特に極めてポーラス
で嵩密度の低い焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末（電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末は
２．０ｇ／ｃｍ³弱であるが、水酸化アルミニウムを焼
成して成る焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末は１．０ｇ／ｃｍ³前後）
となることによる。そしてこのような嵩密度の低い焼結
Ａｌ₂Ｏ₃粉末を混合しても後述のバインダーを使うこと
により十分な強度を有するプリフォームを形成すること
ができ、また、その混合率を増やすことにより粉末充填
率を大きく下げることができ、混合率を変えることによ
り充填率を制御することができる。

【００１３】上記プリフォームの形成方法としては、Ａ
ｌ₂Ｏ₃粉末にコロイダルシリカ液または／及びアルミナ
水和物のコロイダル液を加え成形した後、その成形体を
焼成する方法とした。バインダーをコロイダルシリカ液
または／及びアルミナ水和物のコロイダル液としたの
は、プリフォームの強度を向上させることができること
による。以下に各バインダーをさらに詳細に説明する。

【００１４】コロイダルシリカ液は、アルカリ領域で安
定なシリカ液と酸性領域で安定なシリカ液とがあり、ア
ルカリ領域で安定なシリカ液では、Ｎａ⁺等で安定化し
たコロイドの大きさが５〜１００ｎｍのシリカ液を用い
ることができる。液中のシリカの濃度は１０〜４０ｗｔ
％程度の範囲にあり、安定化剤のアルカリ成分の濃度と
しては、Ｎａ₂Ｏ換算で０．４ｗｔ％以下が好ましい。
これ以上の濃度であるとＮａイオンによりプリフォーム
に浸透してきたＡｌがＡｌ₂Ｏ₃化し易くなり、プリフォ
ームは高強度になるが、複合材料の特性、特に曲げ強
度、破壊靱性が低下するので好ましくない。また、Ａｌ
₂Ｏ₃の粒界がガラス化して閉気孔となり易く浸透の阻害
となる。

【００１５】一方、酸性領域で安定なシリカ液では、酸
性で安定したコロイドの大きさが５〜１００ｎｍのシリ
カ液を用いることができる。液中のシリカの濃度は前記
したと同じく１０〜４０ｗｔ％程度の範囲にあり、アル
カリ成分の濃度は、Ｎａ₂Ｏ換算で０．０５ｗｔ％以下
が好ましい。

【００１６】次に、アルミナ水和物のコロイド液は、コ
ロイドの大きさが１〜１０００ｎｍで、Ｃｌ^-、ＣＨ₃Ｃ
ＯＯ^-もしくはＮＯ₃ ^-で安定化したコロイド液を用いる
ことができる。このアルミナ水和物のコロイド液と前記
したコロイダルシリカ液とを混合して用いることもでき
る。混合の目安としては、シリカ成分の割合がアルミナ
成分に対し、１０〜８０ｗｔ％とする。これらバインダ
ーをＡｌ₂Ｏ₃粉末に適量加え成形し、焼成することで堅
固なプリフォームを形成することができる。

【００１７】上記のプリフォームに金属を浸透する方法
としては、アルミニウムを主成分とする合金を７００〜
１０００℃の温度で浸透させることとした。金属をアル
ミニウム合金としたのは、Ａｌ₂Ｏ₃粉末に濡れ性がよ
く、また、アルミニウム合金は鋳鉄等の材料より剛性が
高く、比重も低いので比剛性が高く好ましいことによ
る。この合金の浸透温度は、この範囲より低いと合金が
溶解せず、高いとアルミニウムが酸化する。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の製造方法をさらに詳しく
述べると、先ず強化材として１〜１００μｍの平均粒径
を有する電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末に、１〜１３０μｍの平均粒
径を有する焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末を１０〜９０ｗｔ％混合
し、さらに必要があれば他のセラミックス粉末を１０％
以下混合した粉末を用いる。Ａｌ₂Ｏ₃粉末は電融、焼結
のいずれも単一の粒径のものでもよいが、２種類の粒径
の粉末を混合した方がプリフォームの強度を高めること
ができ、また粉末充填率を制御し易いので望ましい。成
形方法は、セディメントキャスト法で成形する。

【００１９】前記したＡｌ₂Ｏ₃粉末に対し、イオン交換
水１０〜５０ｗｔ％程度、前記したバインダーを１〜３
０ｗｔ％程度（アルミナまたはシリカ成分としては０．
２〜１０ｗｔ％）、そのほか必要があれば消泡剤を２ｗ
ｔ％程度以下、尿素を２ｗｔ％程度以下加える。バイン
ダーは、添加量が少ないと形成したプリフォームの強度
が小さく複合化する際に支障を生じ、多すぎると閉気孔
を生じて複合化できない。

【００２０】得られた配合物をポットミルなどで１時間
以上混合する。ポットミルにボールを入れる場合は、ボ
ールによって強化材が潰れるため、混合時間は長くても
１００時間程度以下とし、ボールを入れない場合には、
特に限定しない。混合したスラリーは、振動を印加して
沈降成形、すなわちセディメントキャストする。スラリ
ーの粘度は、粘性が高いと粉末が沈降しないため、１０
０ポイズ以下が望ましい。通常はシリコーンゴム型を使
用するが、プラスチック、アルミニウム等の型であって
もよく、特に限定はない。粒子が沈降する間はなるべく
振動を加え充填をよくする。得られた成形体は冷凍して
脱型する。冷凍は水が凍ればよく温度に限定はない。脱
型した成形体を８００〜１６００℃の温度で焼成してプ
リフォームを形成する。

【００２１】得られたプリフォームに窒素気流中で非加
圧、あるいは加圧して７００〜１０００℃の温度でＡｌ
−Ｓｉ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金
を浸透させる。浸透させた後、そのまま炉内で５０〜３
００℃／ｈの降温速度で冷却する。冷却の際、熱歪の発
生を抑えるためにマトリックスが固化する直前の温度で
１〜１０時間程度保持してもよい。

【００２２】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
を作製すれば、３０〜６０ｖｏｌ％の粉末充填率を有す
る強度の高いプリフォームが形成でき、そのプリフォー
ムから金属の浸透に問題のない金属−セラミックス複合
材料が得られる。

【００２３】

【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。

【００２４】（実施例１〜６） （１）プリフォームの形成 強化材として表１に示す平均粒径を有する電融Ａｌ₂Ｏ₃
粉末に、水酸化アルミニウムを焼成して得た表１に示す
平均粒径を有する焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末を表１の割合で配合
し、その粉末に対し、イオン交換水を２５〜４５ｗｔ
％、Ｎａ⁺（Ｎａ₂Ｏ換算で０．０５ｗｔ％）で安定化し
たコロイダルシリカ液またはＮＯ₃ ^-で安定化させたアル
ミナ水和物のコロイド液を表１に示す量だけ加え、ボー
ルを入れてないポットミルで５〜１６時間混合した。得
られたスラリーを１８０×２５×２５ｍｍの大きさのシ
リコーンゴム型に流し込み、２時間振動を印加して強化
材を沈降させ成形した。成形後、ゴム型ごと−２５℃に
冷却し冷凍して脱型した。脱型後、５０℃／ｈの昇温速
度で大気雰囲気中で表２に示す焼成条件で焼成し、５０
〜３００℃／ｈの降温速度で室温まで冷却してプリフォ
ームを形成した。

【００２５】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 得られたプリフォームの上にプリフォームと同等量のＡ
ｌ−５Ｍｇの合金を置き、８３０℃窒素気流中（２リッ
トル／ｍｉｎ：炉内容積０．０３ｍ³）でプリフォーム
に合金を浸透させた後、炉内で１００℃／ｈの降温速度
で７００℃まで冷却し、その温度で５時間保持してから
再度１００℃／ｈで室温まで冷却して金属−セラミック
スの複合材料を作製した。

【００２６】（３）評価 得られたプリフォームの嵩密度をアルキメデス法で測定
し、プリフォームの粉末充填率を求めた。また、ＪＩＳ
Ｒ１６０１により曲げ強度を求めた。さらに、得られ
た複合材料を切断し、その表面を顕微鏡で観察し、１ｍ
ｍ以上のポアの存在と金属の浸透状態を調査した。それ
らの結果を表２に示す。

【００２７】（比較例１）比較として電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末
を用いないで焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末のみを表１に示す割合で
配合する他は実施例３と同様にしてプリフォームを形成
し、金属−セラミックス複合材料を作製し、評価した。
それらの結果も表２に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】表２から明らかなように、実施例において
は、プリフォームの粉末充填率がいずれも６０ｖｏｌ％
より低く、３０ｖｏｌ％台のものも作製された。そして
その強度も焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末を増やせば下がるものの、
曲げ強度で２．７ＭＰａ以上あり、金属を問題なく浸透
できる強度である１ＭＰａをいずれも大きく上回ってい
た。また、複合材料においても金属の浸透状態は良好
で、１ｍｍ以上のポアも認められなかった。これは、プ
リフォームの粉末充填率が下がってもプリフォームの強
度を１ＭＰａ以上維持できるので、問題なく金属を浸透
することができることを示している。

【００３１】これに対して比較例１では、プリフォーム
の粉末充填率を４２ｖｏｌ％と低くすることができるも
のの、電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末が入っていないため、プリフォ
ームの強度が０．１ＭＰａと１ＭＰａを大きく下回り、
その結果金属の浸透で亀裂が入り、浸透できなかった。

【００３２】

【発明の効果】以上の通り、本発明の方法で金属−セラ
ミックス複合材料を作製すれば、３０〜６０ｖｏｌ％の
粉末充填率を有する強度の高いプリフォームを形成で
き、金属の浸透に問題のない金属−セラミックスの複合
材料が得られることとなった。これにより、低い粉末充
填率を有する金属−セラミックス複合材料を容易に作製
することができ、かつその充填率を容易に制御できるよ
うになった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 平四郎 千葉県松戸市松戸新田314−１ (72)発明者 林 睦夫 埼玉県浦和市大牧560

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス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基材で
   ある金属を浸透させる金属−セラミックス複合材料の製
   造方法において、該プリフォームが、１〜１００μｍの
   平均粒径を有する電融Ａｌ₂Ｏ₃粉末に、１〜１３０μｍ
   の平均粒径を有する焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末を１０〜９０ｗｔ
   ％含むＡｌ₂Ｏ₃粉末から成り、該プリフォームの形成方
   法が、Ａｌ₂Ｏ₃粉末にコロイダルシリカ液または／及び
   アルミナ水和物のコロイダル液を加えて成形した後、そ
   の成形体を焼成する方法であるとし、そのプリフォーム
   にアルミニウムを主成分とする合金を７００〜１０００
   ℃の温度で浸透させ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。
2. 【請求項２】 焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末が、水酸化アルミニウ
   ムを焼成して成る焼結Ａｌ₂Ｏ₃粉末であることを特徴と
   する請求項１記載の金属−セラミックス複合材料の製造
   方法。