JPS6126749A - 低熱膨張性複合材料 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は低熱膨張性複合材料に係り、特に金属及び／又
はその合金と膨張率の低いＬｉ２０−Ａ　ｌ　２０３Ｓ
　ｉ　Ｏ２系鉱物粉末とを複合せしめることによって、
金属の有する熱膨張率を低下させるようにし、更に炭素
、炭化物、窒化物、酸化物及び硼化物の添加によって高
弾性あるいは耐摩耗性を付与するようにした低熱膨張性
複合材料に関するものである。

［従来の技術］ 従来、低熱膨張材料としては金属では各種測定器、バイ
メタル及び時計等の部品の材料として使われているアン
バー合金がある。しかしながらこのアンバー合金は比重
が８〜８．５と大きく、価格が高いと共に加工性にも問
題がある。

またセラミックの低熱膨張材としてはアルミニウムチタ
ネート、インディアライト、ペタライト等が知られてい
るが、これらはいずれも機械的強度が小さいと共に熱履
歴性を有するため、精密機器部品等としての使用は困難
である。

ところで一般に２種以上の素材を複合してなる複合体に
おいては、個々の素材の特性の体積分率に比例して複合
体の特性が定まると言われている。これがいわゆる複合
剤である。例えば、ｎ個の素材からなる複合体の熱膨張
率α　に関しては次式のようになる。

（１）式において、αは熱膨張率、■は体積分率、Ｋは
体積弾性率を表し、工ないしｎの添字は１ないしｎ番目
の素材に係ることを示す。

従って熱膨張率の低い鉱物の粉末と金属及び／又はその
合金、そして更に炭素、炭化物、窒化−物、酸化物、硼
化物を複合させる際、（１）式が効果的に利用でき、低
熱膨張性の金属質複合材料が得られると考えられる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記複合剤は、構成素材間に相互作用が
全くないことを前提としており、実際の複合材料におい
ては、界面拡散相、製造プロセスに生じる残留応力相、
それに複合材料の構成素材間の熱膨張率と弾性率の違い
による界面の熱応力等の因子が作用し、目標とする特性
の複合材を得ることは容易なことではない。

例えば金属と低熱膨張性の鉱物粉末とを複合させても、
加工性に富み高強度の低熱膨張性金属複合材料を得るこ
とは困難であり、そのため従来、金属と低熱膨張性の鉱
物粉末とを組み合わせることにより両者の特徴を兼ね備
えた複合材料を製造しようとする試みはあまり行なわれ
ず、金属及びその合金と低熱膨張性の鉱物粉末との組み
合わせに、更に炭素、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物
を添加することによって、その三者の特徴を兼ね備えた
複合材料を製造しようとする試みはなされなかった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の低熱膨張性複合材料は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂｅ
、Ｗの金属及びこれらの金属のうち２種以上の金属の合
金からなる群から選ばれ６１種又１ｉ２種以上４０〜９
０％、Ｌ　ｉ　２０−Ａ文２０３Ｓ　ｉ　０２系鉱物粉
末ｌＯ〜６０％、並びに炭素、炭化物、窒化物、酸化物
及び硼化物からなる群から選ばれる１種又は２種以上の
粉末１０％以下を含むようにしたものである。

なお本発明において、％は重量％を示す。

以下本発明の構成につき、さらに詳細に説明する。

本発明で使用される金属及びその合金とは、Ｆｅ、Ｃｕ
、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａ９．、Ｍｎ、Ｓ　
ｉ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｗ及びこれらの金属のうち２種以上の
金属の合金であり、複合材料の使用目的によってこれら
の金属及びその合金のうち１種又は２種以上が組み合わ
されて用いられる。

本発明の低熱膨張性複合材料を製造するに際しては、後
述のように、通常、これらの金属や合金の粉末が鉱物粉
末と混合されて成形、焼結されるのであるが、この複合
材料を製造するに際して、用いる金属、合金の粉末の粒
度は５０ｇｍ以下とりわけ平均粒径が２０ＪＬｍ以下で
あることが好ましい。粒径が５０Ｂｍ以上の粒子を多量
に含有した金属、合金粉末を使用すると高密度の複合材
料が得られ難い、なお粒径５ＪＬｍ以下の金属、合金粉
末を多く含有すると金属、合金粉末が酸化され易くなる
ため好ましくない。

また本発明で使用できるＬ　ｉ　２０−　Ａ　ｌ　２０
　ａ−Ｓ　ｉ　Ｏ２系鉱物粉末としては、モル比で、Ｌ
　ｉ　２０　：　Ａ文２０３　：５ｉＯ＝１：ｌ：２〜
ｌＯのものが使用でき、具体的には、例えばＬ　ｉ　２
０　　Ａ　ｌ　２０　ａ　　２　Ｓ　ｉ　０２　（β−
ユークリプタイト）、Ｌｉ２０−ＡＪＬ２０ａ−４Ｓｉ
Ｏ２（β−スボジェメン）、Ｌｉ２０Ａ又２０３−８Ｓ
ｉ０２　（ペタライト）、等が挙げられる。なお複合材
料の目標特性に対応して、任意の種類のＬｉ２０−Ａ見
２０３Ｓ　ｉ　Ｏ２系鉱物粉末を選ぶことができる。

複合材料を製造するに際してはこの鉱物粉末としては５
００ＩＬｍ以下の粒度のものが好ましく、とりわけ平均
粒径が１０ｇｍから２００ｇｍであることが特に好まし
い、５００川ｍを超える粒度を多く含有すると、焼結性
に悪影響を及ぼす、また平均粒径が１１０１Ｌ未満であ
ると金属の平均粒径が５７＋、ｍ未満となり好ましくな
い。（これは後に述べるように、本発明の低熱膨張性複
合材料を製造するに際して、鉱物粉末の粒径を金属、合
金粉末の粒径の２倍以上とするのが好ましいからである
。） 本発明においては、前記金属ないしは合金、Ｌ　ｉ　２
０−Ａｌ２０３−３　ｉ　０２系鉱物に′更に炭素、炭
化物、酸化物、窒化物及び硼化物からなる群から選ばれ
る１種又は２種以上の粉末を含有させる。

炭素としてはアセチレンブラック、カーボンブラック、
黒鉛等、炭化物としては５ｉＣ５ＴｉＣ，ＷＣ，ＴａＣ
，ＮｂＣ，ＭＯ２Ｃ１ＶＣ１窒化物とＬ［はＳｉ３Ｎ　
　、ＴｉＮ、Ａ見Ｎ、ＴａＮ、酸化物としてはＡ　Ｉ　
２０３、Ｂｅｄ、ＴｉＯ２，Ｚｒｏ２．ＭｇＯ，Ｙ２０
Ｂ、ＷＯ３，Ｔａ２Ｏ３，ＭＯＯａ　、硼化物としては
ＢＮ、Ｂ　　Ｃ，Ｔ　ｉ　Ｂ２を用いることができ、こ
れらは複合材料の目標特性に対応して、１種又は２種以
上を選択することができる。

これらの炭素、炭化物、窒化物、酸化物及び硼化物は５
０ｐｍ以下の粒度の粉末が好ましく、とりわけ粒度２０
１Ｌｍ以下のものが好ましい０粒度が５０Ｂｍを超える
ものを用いると得られた複合材料の強度劣化の原因とな
り、またｌＩＬｍ以下のものを多量に使用すると成形性
に悪影響を及ぼす。

一般に金属又は合金と鉱物粉末とからなる複合材料にお
いては、金属又は合金と鉱物粉末の熱膨張差に伴う相互
の結晶粒間の歪と金属又は合金の弾性率の積である界面
の熱応力並びに、製造プロセスにて発生する残留応力な
どの原因により、構成素材相互の熱膨張差相殺が定常的
でなくなる。

即ち金属又は合金に対するＬｉｍ２　Ａ１２０３−　Ｓ
　ｉ　０２系鉱物粉末の熱膨張率低減効果が現われにく
いという傾向がある。ところが本発明者らが鋭意研究を
重ねた結果、金属又は合金とＬｉ２０Ａ文２０３　Ｓ　
ｉ０２系の鉱物粉末の粒径を制御することによって熱膨
張効果に対する熱応力及び残留応力の影響を克服するこ
とができることが見い出されたのである。

即ち金属又は合金の粉末の粒径に対して鉱物粉末の粒径
を大きくする程、鉱物粉末の金属又は合金への熱膨張率
低減効果が大きくなり、この効果は鉱物粉末の粒径を金
属又は合金の粒径の好ましくは２倍以上にすることによ
り顕著になるのである。（２倍未満であると上記のよう
に金属複合材料の界面の熱応力及び残留応力の影響によ
って熱膨張低減効果が少ない、） また、鉱物粉末の粒径が金属又は合金の粉末の粒径の１
０倍を超えるとＬｉ２０Ａ文２０３−３ｉ０２系鉱物粉
末の粒径が過度に大きくなり高密度の金属複合材料が得
られ難いことも見い出された。

このようなことから、本発明の低熱膨張性複合材料を製
造するに際しては、金属及び／又は合金、Ｌｉ２０−Ａ
ｌ２０３　　Ｓ　ｉ　０２系鉱物粉末、炭素、炭化物、
窒化物、酸化物、硼化物、を配合するときには、金属、
合金の平均粒径に対し該鉱物粉末の平均粒径を２倍以上
とし、且つ１０倍以下にすることが好ましい。

また炭素、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物の粒径は、
金属又は合金の粒径以上になると複合材料の強度劣化の
原因となることから、金属又は合金の粒径と同じかある
いはそれ以下とするのが好ましい。

本発明の金属複合材料における配合比は、金属及び／又
はその合金４０〜９０％、Ｌｉ２０−Ａ　Ａ　２０　ｓ
　−Ｓ　ｉ　ＯＰ系鉱物粉末１０〜６０％、炭素、炭化
物、窒化物、酸化物、硼化物粉末を１０％以下である。

金属及び／又はその合金の含有量が４０％未満の場合、
又は、Ｌｉ０２−Ａｌ２０　ｓ　−Ｓ　ｉ　Ｏ２系鉱物
粉末の含有量が６０％を超える場合には、該鉱物粉末の
間に介在される金属又は合金の量が少なくなり、複合材
料の金属的性質が極端に低減し、強度が低下すると共に
、加工性が悪化する。

また金属及び／又は合金の含有量が９０％を超え　・る
場合、又は、上記鉱物粉末の含有量が１０％未満の場合
には、該鉱物粉末を複合することによる熱膨張率低減効
果が殆ど現れない、また得られる複合材料に高弾性、耐
摩耗性を付与するために、炭素、炭化物、窒化物、酸化
物、硼化物の含有量が１０％を趙えると、極端に焼結性
に悪影響を及ぼすこととなる。

本発明の低熱膨張性複合材料を製造するには、一般には
、予め均一分散させた配合物を公知の手段で成形し、６
００〜１３００℃の真空中又は非酸化雰囲気中で加熱し
て製造する。勿論その他の手段例えば公知のホットプレ
ス、熱間静水圧加圧法等により高密度で高強度の複合材
料を容易に得ることができる。また金属溶湯中に鉱物粉
末を′分散させた後冷却し凝固させるようにしても良い
。

［作用］ 金属及び／又はその合金に、膨張率の低いＬｉ２０−Ａ
交２０３Ｓ　ｉ　Ｏ２系鉱物粉末を複合せしめることに
よって、金属の有する熱膨張率を低下させるようにする
ことができる。

更に、炭素、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物を複合さ
せることによって、高弾性を付与することができ、炭化
物、窒化物、酸化物、硼化物を複合させた場合には、更
に耐摩耗性を付与することができる。

［実施例］ 以下に本発明を実施例及び比較例により更に具体的に説
明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実
施例に限定されるものではない。

実施例Ｉ Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｎ、Ｍ
ｎ、Ｓ　ｆ、Ｚｎ、Ｂｅの金属及びその合金粉末（平均
粒径５＃Ｌｍ）の１種又は２種以上を４０〜９０％、 Ｌｉ２０−Ａ文２０ａ−５ｉ０２系鉱物粉末（平均粒径
１５＃Ｌｍ）を１０〜６０％、炭素、炭化物、窒化物、
酸化物及び硼化物からなる群から選ばれる１種又は２種
以上（平均粒径３７ｉｍ）を１０％以下、 の範囲内で第１表に示す如く配合し、溶媒としてイソプ
ロピルアルコール、分散剤としてヘキサメタリン酸ソー
ダ（添加量１％）、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛（添
加量１％）を添加して、ボールミル（アルミナポットと
アルミナボール）で３時間均一に混合した。

得られた混合粉末を成形圧１５００Ｋｇ／ａｍ″にて各
々成形し、その成形体を熱間静水圧加圧装置（以下ＨＩ
Ｐ装置と称する）にて第１表に示す処理条件で処理した
（Ｎｏ、１〜３．５〜１８）、また該成形体を別に常圧
である非酸化雰囲気中にて焼結した（Ｎｏ、１４）。

得られた試料の特性を第１表に示す。

比較例１ 金属又は合金、鉱物粉末、及び、炭素、炭化物等を第２
表に示す如く配合した以外は実施例１と同様にして成形
体を得、この成形体をＨＩＰ処理した。

得られた試料（Ｎｏ、１９〜２３）の特性を第２表に示
す。

第１表及び第２表より、本発明の低熱膨張性複合材料は
高強度、高弾性であることが認められる。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明によれば熱膨張率が金属及
びその合金の熱膨張率付近から零に近い範囲の任意の熱
膨張率であって、しかも高弾性の、あるいは高弾性でか
つ耐摩耗性に優れた複合材料が提供される。この低熱膨
張性複合材料及びそれを含む材料は、アンバー合金より
も低熱膨張且つ軽量であり、また安価に製造できる。さ
らにアルミニウムチタネートより高強度（約１０Ｋｇ／
ｍゴ以上）である。

そのため、各機器装置特に測定機器や精密機器の部品で
あって、ある程度以上の強度、弾性率が必要で軽量且つ
低熱膨張性を必要とする箇所への装着部品に最適である
。また他金属との締付けも良好である。この金属複合材
料で形状が複雑で且つ寸法精度が要求されるものに関し
ては切削等の加工を施して適用すれば良い、その際、露
出面は金属であるため光沢面が得られる。また外表面に
メッキ、コーチングを施すことも可能である。

このように本発明の低熱膨張性複合材料は、軽量、安価
且つ高強度、高弾性で、耐摩耗特性、加工性が極めて良
好なため、測定及び精密機器用部品等として好適であり
、その利用価値は大なるものである。

手続補正書 昭和５９年７月２７日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａ
   ｌ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｗの金属及びこれらの金
   属のうち２種以上の金属の合金からなる群から選ばれる
   １種又は２種以上４０〜９０％、Ｌｉ＿２Ｏ−Ａｌ＿２
   Ｏ＿３−ＳｉＯ＿２系鉱物粉末１０〜６０％、並びに炭
   素、炭化物、窒化物、酸化物及び硼化物からなる群から
   選ばれる１種又は２種以上の粉末１０％以下を含んでな
   ることを特徴とする低熱膨張性複合材料。