JPH10176230A - 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】 耐熱性が必要な場合、あるいは強化材がＳｉ
Ｃ粉末の場合には、Ｓｉを含むＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系の合
金を使用することで対応しているが、このＡｌ−Ｓｉ−
Ｍｇ系のアルミニウム合金は、引け鬆ができ易いという
問題があった。 【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、該金属を浸透させる方法が、金属にア
ルミニウム合金鋳物８種Ａ（記号：ＡＣ８Ａ、ＪＩＳ
Ｈ５２０２）を用い、その金属を非加圧でプリフォーム
に浸透させる方法、あるいは金属を浸透させた後、それ
をさらに加熱処理及び時効硬化処理する方法であること
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
合させた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】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、高剛性、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、塑性変形特性（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
は繊維状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、高くなると、言い換えれば強化材
が多くなると焼結し難くなるため、繊維状で最大２５ｖ
ｏｌ％程度であり、粒子状で最大４０ｖｏｌ％程度であ
った。

【０００４】一方、溶解した金属とセラミックスとを混
合して鋳造する圧力鋳造法、真空鋳造法においても、溶
解金属がセラミックスに濡れ難いので、強化材を多くす
ると強化材の均一な混合が難しくなり、強化材の粉末充
填率は最大でやはり高々４０ｖｏｌ％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】しかし、これら方法で作製した複合材料
は、金属マトリックスと強化材との大きな熱収縮差によ
り、金属マトリックスが収縮しきれず引け鬆（す）が生
じ複合材料中に空隙が残留してしまうという問題があっ
た。そしてこの問題は前記した浸透法によって作製され
る複合材料に特に顕著に現れていた。それは、強化材で
あるセラミックス粉末があらかじめプリフォームとして
拘束されているため、熱収縮差の影響がより大きく現れ
ることによるものと思われる。

【０００６】その対策として、鋳造で行われている押し
湯（圧力により溶融金属を常に供給する）なる方法で金
属を浸透させれば解決でき得るが、圧力を負荷しない非
加圧浸透法においてはそれを適用できないため、急冷
（細かいポアを分散したまま急冷固化する）によって引
け鬆を生じ難くすることが為されていた。しかし、この
方法では大きな形状品になると割れ易いという問題が生
じていた。また、炉内の温度を上手く制御し、部品側−
金属側間に温度勾配をつけ、部品側から冷却して引け鬆
を生じ難くすることも為されているが、これも大きな形
状品では部品自体に温度分布が生じるため、炉内温度を
上手く制御しても、部品の一部に鬆が集中するという問
題があった。そのため、別の対策として浸透させる金属
の種類により引け鬆の生成に難易があるかどうかを調べ
たところ、Ａｌ−Ｍｇ系のアルミニウム金属を用いれ
ば、引け鬆が生じ難いことが判明したので、その合金を
使い複合材料を作製することで対応していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このＡ
ｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金を用いて複合材料を作製
すると、引け鬆はでき難いものの、作製した複合材料は
耐熱性に弱く、また、強化材にＳｉＣ粉末を用いると、
マトリックス中のＡｌとの反応により、Ａｌ₄Ｃ₃が生成
し複合材料が脆化するという問題があった。そのため、
耐熱性が必要な場合、あるいは強化材がＳｉＣ粉末の場
合には、さらにＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系の合
金を使用することで対応してきたが、このＡｌ−Ｓｉ−
Ｍｇ系のアルミニウム合金は、前記したと同じように引
け鬆ができ易いという問題があった。

【０００８】本発明は、上述した非加圧浸透法による金
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、強化材がＳｉＣ
粉末であっても、引け鬆ができ難く、また耐熱性にも優
れた金属−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。

【０００９】

【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、金属にアルミニウム
合金鋳物８種Ａ（記号：ＡＣ８Ａ、ＪＩＳ Ｈ５２０
２）を用い、その金属をプリフォームに浸透させれば、
作製された金属−セラミックス複合材料中には引け鬆が
でき難く、耐熱性にも優れた複合材料が得られるとの知
見を得て、また、それをさらに加熱処理と時効硬化処理
を施せば、複合材料の強度も向上するとの知見を得て本
発明を完成するに至った。

【００１０】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、該金属を浸透させ
る方法が、金属にアルミニウム合金鋳物８種Ａ（記号：
ＡＣ８Ａ、ＪＩＳ Ｈ５２０２）を用い、その金属を非
加圧でプリフォームに浸透させる方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
１）とし、また、（２）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、該金属を浸透させる方法が、
金属にアルミニウム合金鋳物８種Ａ（記号：ＡＣ８Ａ、
ＪＩＳ Ｈ５２０２）を用い、その金属を非加圧でプリ
フォームに浸透させた後、それをさらに加熱処理及び時
効硬化処理（焼き戻し）する方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）
とすることを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。

【００１１】上記金属を浸透させる方法としては、金属
にアルミニウム合金鋳物８種Ａ（記号：ＡＣ８Ａ、ＪＩ
Ｓ Ｈ５２０２）を用い、その金属を非加圧でプリフォ
ームに浸透させる方法とした。このアルミニウム合金鋳
物８種Ａ（ＡＣ８Ａ）は、その組成を［１１．０〜１
３．０％Ｓｉ、０．７〜１．３％Ｍｇ、０．８〜１．３
％Ｃｕ、１．０〜２．５％Ｎｉ、≦０．８％Ｆｅ、≦
０．２％Ｔｉ、≦０．１％Ｚｎ、≦０．１％Ｍｎ、残分
Ａｌ］とする合金自体の引け鬆が少ないものであり、ま
たＮｉが含有されることにより耐熱性が高くなるもので
ある。この合金をプリフォームに非加圧で浸透させれ
ば、引け鬆のでき難い、耐熱性にも優れた複合材料とな
る。なお、加圧して浸透させる場合には、この合金を用
いなくても引け鬆ができ難いのは前記した通りである。
このＡＣ８Ａについては、詳しくはＪＩＳＨ５２０２を
参照願う。

【００１２】この合金をプリフォームに浸透させた複合
材料は、これをさらに加熱処理及び時効硬化処理（焼き
戻し）することにより、強度が向上する。強度が向上す
る理由はよく分からないが、前記した処理により金属の
結晶が微細化するためと思われる。その加熱処理温度
は、４８０〜５２０℃が好ましく、特に高い方が強度を
より強くするため、５２０℃近傍での加熱処理、もしく
はＪＩＳ Ｈ５２０２で定められているＴ６処理（５１
０℃×４時間で加熱処理した後１７０℃×１０時間時効
硬化処理すること）がより好ましい。加熱処理温度がこ
の範囲より低いと熱処理の効果は少なく、この範囲より
高い、特に５４０℃以上ではマトリックスであるアルミ
ニウム金属が析出してくるので望ましくない。加熱処理
の圧力は、常圧またはガス圧下のいずれでも構わない
が、ガス圧処理の方が色ムラを解消できる利点がある。
なお、複合材料が薄い板状であると反り易いので、反っ
た場合、本加熱処理をその反り修正としても兼用でき
る。

【００１３】

【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ＳｉＣ等の粉末を用いる。
ＳｉＣ等のセラミックス粉末は単一の粒径のものでもよ
いが、２種類以上の平均粒径を有する粉末を混合した方
が充填率が高くなりプリフォームの強度が増加するので
望ましい。

【００１４】前記したＳｉＣ等の粉末に対し、イオン交
換水１０〜５０ｗｔ％程度、コロイダルアルミナ等のバ
インダーを０．１〜３０ｗｔ％程度、その他必要があれ
ば消泡剤などを加える。バインダーの量は、少ないと作
製したプリフォームの強度が小さく複合化する際に支障
が生じ、多すぎると閉気孔が生じて複合化できない。

【００１５】得られた配合物をポットミルで混合する。
混合時間は長くても１００時間程度以下でよい。混合し
たスラリーは、振動を印加しながら鋳込成形する。スラ
リーの粘度は、粘性が高いと粉末が沈降しないため、１
００ポイズ以下が望ましい。鋳型は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。鋳込んだ後粒子が沈
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。

【００１６】得られたプリフォームに窒素気流中で非加
圧で７００〜１０００℃の温度でＡＣ８Ａのアルミニウ
ム合金を浸透させた後、炉内で冷却して複合材料を作製
する。その複合材料をさらに４８０〜５２０℃の温度で
常圧またはガス圧下で熱処理し、冷却した後、１７０℃
前後の温度で時効硬化処理して強度を向上させる。

【００１７】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
を作製すれば、引け鬆のでき難い、耐熱性に優れた金属
−セラミックス複合材料を得ることができる。

【００１８】

【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。

【００１９】（実施例１） （１）プリフォームの形成 市販の研磨用ＳｉＣ粉末（平均粒径が６６μｍの粉末を
７０ｗｔ％、平均粒径が１４μｍの粉末を３０ｗｔ％）
に対し、コロイダルアルミナを１０ｗｔ％、イオン交換
水を２４ｗｔ％、消泡剤を０．２ｗｔ％加え、媒体を入
れてないポットミルで１６時間混合した。得られたスラ
リーを３００×４００×２０ｍｍの型でセディメントキ
ャストを行ない、−３０℃に冷却して冷凍品を得た。得
られた冷凍品を１０５０℃で焼成しプリフォームを形成
した。

【００２０】（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ＡＣ８Ａのアルミニウム合
金を載置し、窒素雰囲気中で８２５℃の温度で合金をプ
リフォームに非加圧浸透させ、炉内で冷却して金属−セ
ラミックス複合材料を作製した。

【００２１】（３）評価 得られた複合材料の表面を０．５〜１ｍｍ研削し、その
表面の状態を目視により観察し引け鬆の有無を調査し
た。また、複合材料よりＪＩＳ曲げ試験片（ＪＩＳ Ｒ
１６０１）を作製し、その試験片で常温３点曲げ試験に
より曲げ強度を、ＣＮ法により破壊靱性値を測定した。
さらに、複合材料を大気中で加熱して複合材料からアル
ミニウム合金が染み出す温度を求め、その温度を耐熱温
度とした。それらの結果を表１に示す。

【００２２】（実施例２〜４）実施例１で作製した複合
材料をさらに常圧の大気中で表１に示す温度で４時間加
熱処理して炉外で空冷した後、１７０℃の温度で１０時
間時効硬化処理を行った。得られた複合材料を実施例１
と同様に鬆を調査し、曲げ強度、破壊靱性値を測定し
た。それらの結果も表１に示す。

【００２３】（比較例１〜３）比較例としてアルミニウ
ム合金を表１にした他は、実施例１と同様にプリフォー
ムを形成し、複合材料を作製し、評価した。それらの結
果も表１に示す。

【００２４】表１から明らかなように、実施例１におい
ては、0.3mm程度の鬆が１ケ認められただけであった。
これに対して、比較例１〜３では、実施例１に比べてよ
り大きな、しかもはるかに多くの鬆が認められた。この
ことは、実施例１が従来より極めて引け鬆が生成し難い
ことを示している。また、その耐熱温度が、比較例３よ
り高いので、耐熱性も従来以上に優れていることを示し
ていた。さらに、実施例２〜４では、曲げ強度、破壊靱
性値とも実施例１より大きく、その曲げ強度、破壊靱性
値とも熱処理温度が高いほどさらに向上していた。この
ことにより、熱処理することにより、またその処理温度
をさらに高い温度とすることにより、強度がさらに向上
することを示していた。

【００２５】

【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ることにより、強化材がＳｉ
Ｃ粉末であっても、引け鬆が生じ難い、しかも従来以上
に耐熱性に優れ、また強度にも優れた金属−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。

【表１】

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、該金属を浸透させる方法が、金属にア
   ルミニウム合金鋳物８種Ａ（記号：ＡＣ８Ａ、ＪＩＳ
   Ｈ５２０２）を用い、その金属を非加圧でプリフォーム
   に浸透させる方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。
2. 【請求項２】 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、該金属を浸透させる方法が、金属にア
   ルミニウム合金鋳物８種Ａ（記号：ＡＣ８Ａ、ＪＩＳ
   Ｈ５２０２）を用い、その金属を非加圧でプリフォーム
   に浸透させた後、それをさらに加熱処理及び時効硬化処
   理（焼き戻し）する方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。