JPH10330864A - 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】 従来のＳｉＣ粉末をセラミックスとする金属
−セラミックス複合材料の製造方法では、その熱膨張率
を鋳鉄に近い熱膨張率にするのが難しかった。 【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、該プリフォームの形成方法が、１〜１
０μｍの平均粒径を有するＳｉＣ粉末に水とバインダー
を添加し、それを強制練りミキサーで予備混合し、次い
でボールミルで本混合した後、得られたスラリーを沈降
成形法で成形し、その成形体を焼成する方法であると
し、その形成した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
合させた金属−セラミックス複合材料の製造方法に関
し、特に熱膨張率を鋳鉄と同程度にすることのできる金
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、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製造方法は、粉末冶
金法、高圧鋳造法、真空鋳造法等の方法が従来から知ら
れている。しかし、これらの方法は、強化材であるセラ
ミックスの含有量を多くできない、あるいは大型の加圧
装置が必要である、もしくはニアネット成形が困難であ
る、コストが極めて高いなどの理由により、いずれも満
足できるものではなかった。

【０００４】そこで最近では、上記問題を解決する製造
方法として、米国ランクサイド社が開発した非加圧金属
浸透法が特に注目されている。この方法は、ＳｉＣやＡ
ｌ₂Ｏ₃などのセラミックス粉末で形成されたプリフォー
ムに、アルミニウムインゴットを接触させ、これをＮ₂
雰囲気中で７００〜９００℃に加熱して溶融したアルミ
ニウム合金をプリフォームに含浸させる方法である。こ
れは、化学反応を利用してセラミックス粉末への溶融金
属の濡れ性を改善することにより、加圧しなくても金属
をプリフォームに含浸できるようにした優れた方法であ
る。

【０００５】また、この方法では、セラミックスの含有
率を３０〜８５ｖｏｌ％と広く、かつ高い範囲まで変え
ることができ、しかも、この方法で形成されたプリフォ
ームは、その形状の自由度が高いので、かなり複雑な形
状をニアネットで作ることも可能である。このようにこ
の方法は、加圧装置が不要であり、セラミックスの含有
率を高くすることができ、ニアネット成形も可能となる
方法であるので、前記した問題が解決される優れた方法
である。

【０００６】そして、この複合材料を、最も汎用的に使
われていて、しかも最も多用されている鋳鉄に替えたい
という要望、例えば、鋳鉄によって構成されている機械
の可動部品を軽量化し、高速移動に伴う慣性を軽減した
いなどの理由で、この複合材料に替えたいとの要望が強
かった。しかし、鋳鉄をこの複合材料に替えるために
は、摩擦により生じる熱膨張が、鋳鉄との間に大きな相
違があると、構造に狂いが生じ、ガタツキが起こった
り、あるいは逆に噛み込んでしまうという事態が起こる
ため、複合材料の熱膨張率を鋳鉄の熱膨張率（１０×１
０^-6／℃）にできるだけ近づけることが必要であった。

【０００７】その複合材料がセラミックス粉末をＳｉＣ
粉末とする場合には、鋳鉄の熱膨張率に近似させるに
は、プリフォームの粉末充填率を５０〜６０ｖｏｌ％に
すればよいので、それを安価で簡単な沈降成形法でプリ
フォームを形成することを試みた。この沈降成形法は、
粒子の自由沈降を利用して鋳込みする方法なので、粉末
粒子は密に充填され、形成したプリフォームの強度は比
較的強固となり、また、プレス機は不要であり、型も安
価なゴム型でよいので、プレス機のような高価な金型を
使う必要はなく、形状の自由度も高い優れたプリフォー
ムの形成方法である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この沈
降成形法では、プリフォームの粉末充填率を７０ｖｏｌ
％程度にすることは簡単で易しいが、それを５０〜６０
ｖｏｌ％に大きく下げるには、セラミックス粉末を相当
細かいものにする必要があるため、粉末の表面積が極め
て大きくなり、粘度が高く鋳込みが極めて難しくなるの
で、それを型に鋳込める粘度に下げるには、水量をかな
り増やさなければならず、その結果、乾燥収縮が大きく
なり、亀裂が入り易いという問題が生じた。また、細か
いことに加えて水量が多いので、沈降に時間がかかり、
製造に長時間を要するという問題も生じた。

【０００９】この問題を解決するため、ＳｉＣ粉末を乾
式で容器に充填するだけでプリフォームを形成する別の
方法も試みたが、粉末の充填が不均一となり、充填ムラ
が生じる、もしくは焼成時に充填率の低い部分からクラ
ックが発生するなどの問題が生じ、これも満足できるも
のではなかった。そのため、ランクサイド社では、さら
に別の方法、即ちプリフォームの形成を平均粒径が１７
μｍの比較的球形に近いＳｉＣ粉末とバインダーとにさ
らに一般にプリカーサーと呼ばれるＳｉ原子を骨格に含
む加熱硬化性を有する無機高分子を乾式で混合し、これ
を２００℃でホットプレスする方法が採られている。

【００１０】しかし、この方法では、プレス成形したプ
リフォームには一般に溶融したアルミニウム合金が浸透
し難いという事実があるため、浸透時間が長く、かつ未
浸透部分が残り易いという問題があった。また、プレス
の性質上、成形が比較的小型で単純な形状に限られ、大
型で複雑な形状のプリフォームをニアネットシェイプで
形成することが極めて難しいという問題もあった。さら
に、プレス機や金型が必要なことからプリフォームの形
成のための設備費が高いという問題もあった。

【００１１】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、沈降成形法であって
も、ＳｉＣの粉末充填率を問題なく容易に５０〜６０ｖ
ｏｌ％に下げることができ、その結果、熱膨張率を簡単
に鋳鉄に合わせることのできる金属−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。

【００１２】

【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、細かいＳｉＣ粉末で
も、強制練りミキサーで予備混合した後ボールミルで本
混合すれば、水量を増やすことなく混合することがで
き、その結果、プリフォームの粉末充填率を５０〜６０
ｖｏｌ％に容易にすることができ、複合材料の熱膨張率
を簡単に鋳鉄に合わせることができるとの知見を得て本
発明を完成するに至った。

【００１３】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、該プリフォームの
形成方法が、１〜１０μｍの平均粒径を有するＳｉＣ粉
末に水とバインダーを添加し、それを強制練りミキサー
で予備混合し、次いでボールミルで本混合した後、得ら
れたスラリーを沈降成形法で成形し、その成形体を焼成
する方法であるとし、その形成した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）水の
添加量が、セラミックス粉末に対し２０〜４０重量％で
あり、強制練りミキサーが、プラネタリミキサーであ
り、その予備混合時間が、０．５〜３時間であり、本混
合時間が、１０〜１００時間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。

【００１４】上記で述べたように複合材料の製造方法と
しては、プリフォームの形成方法を、１〜１０μｍの平
均粒径を有するＳｉＣ粉末に水とバインダーを添加し、
それを強制練りミキサーで予備混合し、次いでボールミ
ルで本混合した後、得られたスラリーを沈降成形法で成
形し、その成形体を焼成する方法であるとし、その形成
した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（請
求項１）。ＳｉＣ粉末の細かさを平均粒径で１〜１０μ
ｍとしたのは、この程度の細かさにしないと熱膨張率を
鋳鉄の１０×１０^-6／℃に近づけることが難しいことに
よる。

【００１５】そして、そのＳｉＣ粉末のスラリーの作製
に強制練りミキサーで予備混合することにしたのは、Ｓ
ｉＣ粉末がこの程度の細かさになるとスラリーの粘度が
高く鋳込みが極めて難しくなるため、高粘度のスラリー
でも混合できる強制練りミキサーで対応することにした
ものである。この強制練りミキサーで混合することによ
り、水量を増やさなくても十分に混合されるようにな
る。それをボールミルでさらに本混合するのは、スラリ
ーの粘度が高いため、予備混合だけではスラリー中に凝
集物が残る恐れがあるので、その凝集物を解砕するため
である。この本混合した段階でスラリーは型に鋳込み可
能となり、沈降成形法でも十分成形できるようになる。

【００１６】そのスラリーの水の量としては、セラミッ
クス粉末に対し２０〜４０重量％とし、強制練りミキサ
ーとしては、プラネタリミキサーとし、その予備混合時
間としては、０．５〜３時間とし、本混合時間として
は、１０〜１００時間とした（請求項２）。スラリー中
の水量が２０重量％より少ないと混合が難しく、４０重
量％より多いと熱収縮率が大きくなりすぎる。また、強
制練りミキサーとしては、他の強制練りミキサーでも構
わないが、短時間でも凝集物が残らない程度に混合する
ことができるプラネタリミキサーが特に好ましい。その
予備混合時間が０．５時間より短いと混合が十分となら
ず、３時間より長くても効果はなく、１時間程度で十分
である。さらに、本混合時間が１０時間より短いとスラ
リーの解砕が十分でなく凝集物が残る恐れがあり、１０
０時間より長くてもその効果はない。

【００１７】その沈降成形で成形した成形体を適切な温
度で焼成することにより、粉末充填率が５０〜６０ｖｏ
ｌ％のプリフォームを形成することができ、その形成さ
れたプリフォームにアルミニウムを主成分とする合金を
浸透させることにより、鋳鉄の熱膨張率に近い１０×１
０^-6／℃前後の熱膨張率を有する金属−セラミックス複
合材料が得られる。

【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１〜１０μｍの平均粒径を有するＳｉＣ
粉末を用意する。これは例えば＃１２００、＃１５０
０、＃２０００の市販ＳｉＣ粉末、またはこれらの混合
粉末が挙げられる。あるいはこれらに平均粒径が１０μ
ｍより粗い＃１０００のＳｉＣ粉末を一部混合しても、
全体として平均粒径が１〜１０μｍであれば構わない。

【００１９】用意した粉末に水を粉末に対し２０〜４０
重量％加え、それにバインダーとしてコロイダルシリカ
液またはアルミナ水和物のコロイド液を加え、さらに消
泡剤を加えてプラネタリミキサーで０．５〜３時間予備
混合する。バインダーの添加量は、少なすぎるとプリフ
ォームの強度が弱く、多すぎるとバインダーがダマとな
り充填不足となることから０．１〜３０重量％が好まし
い。それをさらにボールミルで１０〜１００時間本混合
する。凝集物が残るとその凝集物に溶融したアルミニウ
ム合金の浸透が難しく、未浸透部分が生じる恐れがある
ので、本混合したスラリーをさらに目開きが０．５ｍｍ
の篩に通過させるようにした方がよい。

【００２０】得られたスラリーを型に充填し、軽く振動
を掛けて固形分を沈降させ、表面に浮いた水分を掻き取
って沈降成形する。それを型に入れたまま−３０℃で一
晩冷凍した後、脱型し、８０〜１１００℃の温度で焼成
（乾燥のみの場合も含む）してプリフォームを形成す
る。形成したプリフォームの上部または下部にアルミニ
ウムを主成分とする合金を置き、窒素気流中で非加圧で
７００〜１０００℃の温度で合金を浸透させ、冷却する
ことにより金属−セラミックス複合材料が得られる。用
いるアルミニウム金属にはＡｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓ
ｉ系などのＭｇを含んだものを使用した方が浸透は容易
であるが、これに限定されるものではなく、最終製品に
要求される物性を劣化させる元素が含まれていないアル
ミニウム合金であれば何を用いても構わない。

【００２１】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
を作製すれば、１０×１０^-6／℃に近い熱膨張率を有す
るＳｉＣ粉末をセラミックス粉末とする金属−セラミッ
クス複合材料を製造することができる。

【００２２】

【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。

【００２３】（実施例１〜４） （１）プリフォームの形成 強化材として表１の平均粒径を有する市販ＳｉＣ粉末
（信濃電気精錬社製）に対し、バインダーとしてアルミ
ナ水和物のコロイド液を１０ｗｔ％（アルミナ分が２ｗ
ｔ％となる量）添加し、それに消泡剤としてフォーマス
タＶＬ（サンノブコ社製）を０．２ｗｔ％、イオン交換
水を３５〜４０ｗｔ％加え、プラネタリミキサーで１時
間予備混合した後、ボールミルで１６時間本混合した。
得られたスラリーを０．５ｍｍの篩に通した後、２０ｍ
ｍ角で長さ１８０ｍｍのシリコーンゴム型に流し込み、
振動を７時間掛けて固形分を沈降させ、表面に浮いてき
た水分を除いてからゴム型に入れたまま−３０℃に１晩
静置し冷却して冷凍品を得た。得られた冷凍品を８５℃
で３時間乾燥し、１０５０℃で３時間焼成してプリフォ
ームを形成した。

【００２４】（２）金属−セラミックス複合材料の作製 形成したプリフォームの上にプリフォームの２．５倍重
量のＡｌ−１０Ｓｉ−５Ｍｇ組成のアルミニウム合金を
置き、窒素雰囲気中で８２５℃の温度で１２時間非加圧
浸透させた後、１００℃／ｈｒで冷却し金属−セラミッ
クス複合材料を作製した。

【００２５】（３）評価 形成したプリフォームの嵩密度をアルキメデス法で測定
し、粉末充填率を求めた。また、得られた複合材料から
試験片を切り出し、その試験片の嵩密度をアルキメデス
法で、熱膨張率をＪＩＳ Ｒ １６１８で５００℃まで
測定した。それらの結果を表１に示す。

【００２６】（比較例１〜３）比較のために比較例１、
２では、予備混合しない他は実施例２、４と同様に、比
較例３では、ＳｉＣ粉末の細かさが本発明より粗い他は
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。

【００２７】

【表１】

【００２８】表１から明らかなように、実施例のプリフ
ォームの粉末充填率は全て５６ｖｏｌ％程度であり、複
合材料の嵩密度は２．９０〜２．９５であり、その熱膨
張率は、１０×１０^-6／℃の前後であった。このこと
は、プリフォームの形成を安価で簡単な沈降成形法で行
っても、ＳｉＣ粉末の粉末充填率を容易に５０〜６０ｖ
ｏｌ％に下げることができ、その結果、熱膨張率を鋳鉄
の熱膨張率（１０×１０^-6／℃）に容易に合わせること
のできることを示している。

【００２９】これに対して比較例１、２では、予備混合
していないため、混合が不十分となり、粉末の充填が不
均一となり、形成したプリフォームにクラックが入って
しまった。また、比較例３では、ＳｉＣ粉末が粗いた
め、粉末充填率が高すぎ、熱膨張率が６．２×１０^-6／
℃とかなり離れてしまった。このことは、予備混合しな
いと十分な混合ができないこと、適度の細かさでないと
熱膨張率を鋳鉄に合わせ難いことを示している。

【００３０】

【発明の効果】以上の通り、本発明の金属−セラミック
ス複合材料の製造方法であれば、ＳｉＣ粉末を用いても
鋳鉄に近い熱膨張率を有する金属−セラミックス複合材
料を問題なく製造することができるようになった。これ
により、鋳鉄に替えられ得る金属−セラミックス複合材
料の製造方法を確立することができ、金属−セラミック
ス複合材料の工業的利用の範囲が非常に広がった。

フロントページの続き (72)発明者 内藤 一成 東京都北区浮間１−３−１−613 (72)発明者 林 睦夫 埼玉県浦和市大牧560 (72)発明者 小山 富和 東京都北区浮間１−３−１−805

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、該プリフォームの形成方法が、１〜１
   ０μｍの平均粒径を有するＳｉＣ粉末に水とバインダー
   を添加し、それを強制練りミキサーで予備混合し、次い
   でボールミルで本混合した後、得られたスラリーを沈降
   成形法で成形し、その成形体を焼成する方法であると
   し、その形成した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】 水の添加量が、セラミックス粉末に対し
   ２０〜４０重量％であり、強制練りミキサーが、プラネ
   タリミキサーであり、その予備混合時間が、０．５〜３
   時間であり、本混合時間が、１０〜１００時間であるこ
   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。