JPS60201943A - 積層材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属材料とセラミックス材料とが交互に積層
されてなり、優れた靭性と高硬度とを有する。金属とセ
ラミックスの積層材料及びその製造方法に関するもので
ある。

セラミックス材料は、高硬度であシ耐摩耗性に優れたも
のであるが、靭性は低く、高靭性を必要とする部材には
使用することができない。一方。

金属材料は、靭性に優れているものの、硬度及び耐摩耗
性は低い。

それ故、セラミックスと金属の両材質の利点を生かすた
めに９両材料を組み合わせて、高硬度・高耐摩耗性であ
ると共に、靭性に優れた複合材料を形成しようとする試
みがなされている。

従来より試みられているセラミックスと金属との複合材
料としては、粉末状のセラミックスと金属とを混合して
、焼結したもの、あるいはセラミックスのファイバーを
金属中に混入させたもの等がある。

例えば、粉末状のセラミックスと金属とを混合焼結した
ものとしては、炭化タングステン（ＷＣ）とコバ／Ｍ）
（（３ｏ）との混合物等である超硬合金がある。この超
硬合金は、現在耐摩耗性の非常に優れたものとして、広
範囲に適用されている。しかし、該超硬合金は、ＷＣと
ＣＯの配合割合を硬度が向上する範囲に採用すると、靭
性が低下する傾向にある。そのため、一般に超硬合金で
はｗａｉｔが８０〜９５ｗｔ％、残部がＣＯの配合量の
ものが最も両特性に優れたものとされているが、ＷＣの
有する耐摩耗性は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ニオブ
（ＮｂＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）に比べて低い。更
にＴ　ｉ’０　＋　Ｎ　ｂ　Ｏｅ　ｖＣ等を超硬合金の
ｗｅＯ代わシに用いる場合、焼結性の面で実用化しにく
い。更に、超硬合金は、セラミックスと金属の粉末の混
合焼結であるため、靭性に乏しいという欠点を有する。

また、セフ弓ツクスのファイバーを金属中に混入させた
ものも数多く提案されているが、ファイバーと金属との
界面での接着性が低いという問題があシ、混入させるフ
ァイバーの配合量にも限界がおシ、硬度、耐摩耗性を十
分に向、上声せることが困難である。更に金属材料とし
てアルミニウム（Ａｌ）等の比較的低融点のものに限定
されるという問題点もある。

上記従来の複合材料では、高硬度のもあけ得られるもの
の、更に靭性を向上させることができない。そのため金
属とセラミックスの両方の利点を十分に持たすことがで
きず、岩石掘削用ビットや金属切削バイト等の耐摩耗性
及び高靭性を同時に必要とする分野に適用するにはむず
かしさがある。

従来のセラミックスの中でも高硬度で比較的靭性が〃１
１いとされているアルミナ（１＊Ｏｓ）、窒化シリコン
Ｃ３ｌｓＮ４）−炭化シリコン（８ｉＣ）についても、
硬度は高いものの靭性については優れているとは言えな
い。

本発明の目的は、上記従来の問題点を解消して。

金属とセラミックスの利点を生かして、優れた靭性τ有
する。高硬度の、金属とセラミックスの積層４Ｊ’　；
ａｔ　、及びその製造方法を提供することにある。

本ｆＩＩＩ＋にかかる第１の発明（以下第１発明という
）は、鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金から
なる金属部と、該金属の硼化物からなるセラミックス部
とが交互に積層され、結合されて成ることを特徴とする
金属とセラミックスの積層材料である。

本第１発明によれば、靭性に優れた高硬度の複合材料を
提供することができる。特に、従来品のように金属とセ
ラミックスの混合粉末を焼結したものではないので、　
ＩＩＪＩ性は高く、焼結性の面で実用化しにくかった　
゛　１．′　セラミックス部材をも使用することができ
る。

このように１本第１発明の積層材料は、高靭性かつ高硬
度であ９９曲げ破壊、せん断破壊等についての耐衝撃性
が優れている。このように優れた性質を有するのは以下
のように考えられる。

すなわち９曲げ破壊の場合、従来材料では、その表面あ
るいは内部にクラックが１度発生すると。

その後このクラックが、材料内に進展し、材料内部を貫
通して最終的に破壊する。これに対して。

本発明の積層材料においては、金属とセラミックスとを
交互に積層しているので、クラックが発生しても、金属
からセラミックスへ、またはその逆へとクラックが進展
する度に、新たにクラック発生のエネルギーが必要とな
る。一般に高硬度材においては、クラック進展のエネル
ギーよシもクラック発生のエネルギーの方が大きく、材
料破壊の工＊　７１／　キーの大部分を占めている。本
発明の積層材料は、上記のごとく破壊に要するエネルギ
ーが大きいため、軸性が大きいと考えられる。

また１本発明の積層材料は、金属とセラミックスとの接
着力が非常に大きく、更に耐熱性を有する金属とセラミ
ックスとから成っており、高温強度材料としても使用す
ることができる。また、上記効果により、岩石掘削用ビ
ット、金属切削バイト等の高硬度、ｌ蹟靭性の必要な広
範囲の分野に応用することができる。

本ｈＬ４にかかる第２の発明（以下本第２発明という）
は、鉄、コバμト、ニッケμまたはこれらの合金から成
る金属の基板の表面に該金属の硼化物から成るセラミッ
クスの薄層を被覆して層状板を作製する工程と、該層状
板を複数枚積層して、その後非酸化性雰囲気において熱
間加圧する工程とカラ成ることを特徴とする金属とセラ
ミックスの積層材料の製造方法である。

本第２発明によれば、前記第１発明に示しだと澱 とき靭性に優れた高≠度な４：、Ｊｊ層材料を製造する
ことができる。１だ、金属とセラミックスの結合力が非
常に大きな層状板を製造することができる。

以下１本願にかかる発明（以下本発明という）を、より
詳組１に説明する。

第１発明において金属部をイヤ１成する金属材料は鉄（
Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（？１１ｉ）、、
、ｔ−たけこれらの合金からなるものである。上記鉄、
コ）＜）レト、ニッケルと合金を形成する元索としては
。

クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（１）、マンガン（Ｍ、
ｎ）、チタン（Ｔｉ）等が挙げられる。したがって９本
発明における金属材料としてはｌ　ｉ　ＯＩ　Ｃｏ　Ｉ
Ｎｉの金属及びＦｅ−Ｎｉ、　Ｆｅ−Ｇｏ、　Ｆｅ−０
ｒ、　ｃ。

−Ｏｒ、　ｃｏ−Ｎｉ、Ｎ１−ＡＩＩ、Ｎｉ−Ｆｅ−０
ｒ等の合金がある。上記元素の配合量はｒ　、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｊの３種類の金属の有する靭性等の特性を低下さ
せない程度が望ましい。また１本発明における金属材料
には、シリコン（８１）やリン（Ｐ）等の少量の不純物
を含んだものも使用することができる。

壕だ、セラミックス部を構成するセラミックス材料は、
上記１’ｅ、　Ｃｏ、　Ｎ、ｉの硼化物、即ち、鉄硼化
物（ｋ’ｅＢ、　Ｆｅｗ　ｎ）、コバルト硼化物（Ｃｊ
ｏＢ。

Ｃｏ２Ｂ）、ニッケル硼化物（Ｎｉ、Ｉ３．Ｎｉ、Ｂ、
。

Ｎ　ｉＢ　）＋あるいは鉄硼化物−コバ／ｌ／）硼化物
、鉄硼化物−ニッケル硼化物、コバルト硼化物−ニッケ
ル硼化物等の２成分以上から成る複合硼化物材料がある
。なお、この複合硼化物材料としては。

２成分以上が混合して相が均質になった混合材料のほか
１例えば、鉄硼化物とコバルト硼化物がそれぞれの層に
分離・隣接してセラミックス部を形成する多重層材料も
使用することができる。

しかして、第１発明において、上記した金属部面にセラ
ミックスの薄層を被覆して層状体を作製する工程＆、Ｌ
　、金Ｋｊｋ板の表面に硼素を拡散浸透させて、該金属
の硼化物層を形成させる方法あるいは、金属の硼化物を
析出させる方法により行なう。

例えば、薄い板状の金属基板を、硼素（Ｂ）が含まれる
溶融塩浴またはガス中に浸漬して、金属基板の表面にＢ
を拡散浸透させてセラミックスを被覆する溶融塩法また
は化学蒸着（（、！ＶＤ　）法、あるいはセラミックス
形成成分を化学的または物理的に薄い板状の金属基板の
表面に蒸着・被覆するプフズマ化学蒸着（Ｐ−ＯＶＩ）
）法、物理蒸着（ＰＶＤ）法等により行なう。これによ
り、密着性の優れたセラミックスの薄層を金属基板の表
面に被覆した層状板を得ることができる。

なお、前記したセラミックスの多重層材料を被覆する場
合には、上記方法によシ、金属基板の表面にまず第１の
セラミックスの薄層を被覆し、更にその上に第２以降の
セラミックスの薄層を被覆して行なう。

このセラミックス層の被覆は、金属基板の片面または両
面に行なってもよい。また、葭金属基板の層厚さは１０
〜２００　ｐｍの範囲が望ましく。

セラミックスの薄層の厚さは、０．１〜５Ｑｌｚｔｎの
範囲が望ましい。金属またはセラミックスの層厚さが、
上記範囲以外の場合には１両物質の利点の一方゛または
双方が低下するおそれがある。

次に、上記工程によシ形成された層状板を複数枚積層し
て、該層状板を熱間で加圧する。その方法としては、熱
間プレス加圧まだは熱間静水圧プレス加圧のうちのいず
れかで行うのが望ましい。

上記層状板を積層する場合、被覆したセラミック金属基
板の両面に被覆した場合には、該層状板と被覆していな
い金属基体からなる層状板とを交互に積層することによ
り、セラミックス層と金属基体とが交互に車なった積層
体を形成する。しかして、このようにセラミックス層と
金属層とが接することによｐ熱間加圧した際にセラミッ
ク層同志の隣接に比して、結合しやす＜７ｚり、按着力
の大きい積層材料を形成することができる。

上記層状板を複数枚積層したものを熱間加圧する条件と
しては、非酸化性雰囲気中において該積層した層状板を
８００〜１２００℃の温度下で加圧するのがよい。上記
非酸化性雰囲気中で加圧するのは９層状板中のセラミ・
／クスあるいは金属が。

高温のために酸化されて、もろい材質に変化するのを防
ぎ、接着を容易にするためである。該雰囲気としては＋
　０．１　ｔｏｒｒ以下の真空中、あるいはアルゴン（
Ａｒ）、窒素（Ｎｚ）、水素（■２）等のガスを流すこ
とによって作る。また、上記／Ｍ度が８００℃未満の場
合には１層状板同志の結合が十分ではなく、一方１２０
０℃を越える場合には。

セラミックス材料が金属中に拡散してしまうおそれがあ
る。

上記加圧力は、加熱温度によって一概に決１らないが、
たとえば１〜１００幻／ｌｄの範囲内がよい。プレス圧
力が１　峠／ｃｄ未満の場合には１層状板同志の十分な
結合力が得られず、　１００ｋＱ／ｃｄを越える場合に
は、実用上コスト高となる。

次に本発明の実施例を説明する。

実施例１゜ 金属の基板としての厚さ５ＱＩ１ｍ、大きさ５０×１０
０１の８０Ｍ２１鋼板を９法化硼素（Ｂ４Ｃｊ）が３０
重量％含まれる溶融硼砂浴中に９００℃の温度で３０分
間浸漬保持して、該鋼板の両面に厚さ約２０１１ｍの鉄
柵化物（Ｆｅ２Ｂ＋Ｆｅβ）層が被覆された層状板を作
製した〇 この層状板と鉄硼化物層を被覆していない８０Ｍ２１鋼
板とをそれぞれ５０枚交互に積み重ね。

ホットブレヌ用金型内に入れて、真空炉中で・上方より
パンチによって５ｋｑ／ｄの面圧をかけて。

２時間、１１００℃の温度で加熱保持して９本発明にか
かる積゛層材料（試料Ｎｈ１）を調製した。

得られた積層材料の断面は図の金属組織の顕微鏡写真に
示すように鉄柵化物を被覆した８０Ｍ２１の金属部１及
び鉄柵化物を被覆していない８０Ｍ２１の金属部２．と
鉄柵化物のセラミックス部仝の各層が積層されており、
シかもその界面にはクラック、穴等の欠陥は存在してい
なかった。なお。

鉄柵化物を被覆した１１０Ｍ２１（ｉり、金属部１には
。

わずかな鉄柵化物が、一方セラミックス部６には。

わずかな８０Ｍ２１が存在していた。

上記積層材料をグライダ−によ、９７Ｘ１０ｆｆの大き
さに加工し、スパン間隔２５ｆｉ、圧子先端孔＝　１．
　Ｏｎで６点曲げ試験を行い、その抗折力を７１１１１
定した。

本発明にかかる試料隘１の積層材料は、そめ抗折力が２
２０ｋｇ／♂　であった。またその平均硬さＨ’ｖは、
下記第（Ａ）式によってめることができる。

（ただし、〔Ａ３式において、Ｔｃ、Ｈｅはそれぞれセ
ラミックス部の厚さと硬さ、　Ｔｍ、　）１ｍはそれぞ
れ金属部の厚さと硬さを表わす。） 試料凪１の積層材料において、８０Ｍ２１層。

鉄硼化物層の硬さはそれぞれ１ｉｖ４９０　、　Ｈｖ１
６００であるため、上記（Ａ−）式において、平均硬さ
は８１０であり９本発明の積層材料は、嫂さ、抗折力と
も大きな値を示しておシ、高靭性でかつ高硬度であるこ
とが分る。

実施例２ 厚さ５Ｑ７ｚｍ、大きさ５０Ｘ１００’ｆｉの８０Ｍ２
１鋼板を用い、該鋼板の両面に電解メッキ法により、ｙ
ｌさ２５１１ｍのコバ７レトメツキを被覆した。

次に該鋼板を混合割合が塩化硼素（ＢＯＡｔａ）’水素
（Ｊ、１２）＝１：１５の１３Ｃ１，とＨｚの混合ガス
中に入れ、９００℃の温度で１時間保持して２両面に厚
さ約３５７１ｍのコバルト硼化物（’Ｏｏ　Ｂ　＋　Ｃ
ｏ　Ｂｚ）層が被覆された層状板を作製した。

実施例１と同様な条件で、上記層状板と硼化コバルトを
被覆していない８０Ｍ２１板とを交互に積み重ね、プレ
ス加圧を行ない１本発明にかかる積層材料（試料歯２）
を調製した。

該試料ＮＯ，２は、その断面が８０Ｍ２１の金属部平均
硬さは１１ｖ１１５０であった。

実施例６゜ 厚さ５０１ｍ、大きさ５０Ｘ１００１１１の耐熱ステン
レス鋼（２５重量％Ｏｒ　＋　２０重量％ＮＬ残部）ｅ
）板を真空度が１０．＋ｎ＋■ｐのチャンバー内に入れ
、ニッケルの硼化物をターゲットに用いて、スパッタリ
ング法によすｔ　該ｎｌｉ［３メテンレヌ鋼板の片面に
厚さ約１５７１ｎｉのニッケル硼化物層が被覆された層
状板を作製した。

該層状板を１００枚、耐熱ステンレスｉ１′１とニッケ
ル硼化物層とが接するように積重ね、実施例１と同様に
して、１１００℃、５ｋｑ／ｃｍの条件で２時間プレス
加圧を行ない９本発明にかかる槓Ｎ・ｊ材料（試料Ｎ１
１Ｌ３）を調製した。

該試料隘３は、その断面が耐熱ステンレス鋼のｋｑ／ｍ
”　、平均硬さは１：１．ｖｌｏｏｏであった。

以上、実施例１〜′５において調製した積層材料の抗折
力と平均硬さの結果を第１表に示す。第１表よシ９本発
明の積層材料が、非常に優れた靭性及び硬さを有してい
ることが分る。

第　１　表

【図面の簡単な説明】

図は、実施例１における本発明のれ゛ｆ層材料の断面金
属組織を示す顕微鏡写真（倍率２００倍）である。 １・・・・・鉄硫化物を被范しｌζ８（［１２１゜２・
・・・・鉄硫化物を被覆していない５ＣＡ１２１゜６・
・・・・鉄硼化物

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金から
   なる金属部と、該金属の硼化物からなるセラミックス部
   とが交互に積層され、結合されて成ることを特徴とする
   金属とセラミックスの積層材料。
2. （２）上記金属部は、その一層の厚みが１０〜２００７
   １ｍである特許請求の範囲第（１）項記載の金属とセラ
   ミックスの積層材料。
3. （３）上記セラミックス部は、その一層の厚みが０．１
   〜５Ｑ７ｚｍである特許請求の範囲第（１）項記載の金
   族とセラミックスの積層材料。
4. （４）鉄、コバルト、ニッケμまたはこれらの合金から
   なる金属の基板の表面に、該金属の硼化物からなるセラ
   ミックスの薄層を被覆して層状板を作製する工程と、該
   層状板を俵数枚積層して、その後非酸化性雰囲気におい
   て熱間加圧する工程とから成ることを特徴とする金属と
   セラミックスの積層材料の製造方法。
5. （５）上記金属基板は、その一層の厚みが１０〜２００
   μｍである特許請求の範囲第（４）項記載の金属とセラ
   ミックスの積層材料の製造方法。
6. （６）上記セラミックスの薄層は、その一層の厚みが０
   ．１〜５０Ｉ１ｍである特許請求の範囲第（４）項記載
   の金属とセラミックスの積層材料の製造方法。
7. （７）　上記熱間加圧は、熱間プレヌ加圧または熱間静
   水圧プレス加圧のうちのいずれかである特許請求の範囲
   第（４）項記載の金属とセラミックスの積層材料の製造
   方法。
8. （８）上記熱間加圧時の温度は、８００〜１２００℃で
   ある特許請求の範囲第（４）項記載の金属とセラミック
   スの積層材料の製造方法。
9. （９）上記熱間加圧時の圧力は、１〜１００ｋｇ／ｉで
   ある特許請求の範囲第（４）項記載の金属とセラミック
   スの積層材料の製造方法。