JPS61502185A - 不均質焼結体 - 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】 不均質焼結体 本９発明は粉末冶金技術を用い、かつ金属粉末および耐火性セラミック粉末から 出発して構成成分間の結合について高度の要件を満たした部材を製造することを 目的とする。

粉末冶金の製造技術は、高度の寸法精度をもつ部品を長く続けて項次製造するこ とを特徴とする。一連の製造工程は金属粉末、例えば鉄粉末（場合により粉末合 金添加剤を加える）を引き続き行われる圧縮操作を容易にするだめの滑剤と混合 することによって開始する。この操作で、粉末混合物は最終部品の形状にほぼ、 または完全に一致する形状の成形ブランクに圧縮される。ブランクは加熱され、 つぎに、それが強度、靭性などの最終の性質を焼結によって得る温度に維持され る。

乾式で圧粉成形された耐火性セラミックスの連続的製造工程は粉末冶金の製造技 術に類似している。鉄粉を基とした製造では、焼結は通常１０００〜１３００℃ の温度範囲内で起石。例えば、アルミニウムおよび青銅のような、溶融温度のよ り低い金属および合金については、焼結温度は通常５００〜９００℃の間である 。しかしながら、粉末を圧粉成形した耐火性セラミックスを製造するときは、焼 結は１４００〜１７００℃の温度範囲内で起る。

耐火性材料は金属との組合せで１例えば熱遮蔽体として、非常に興味がもたれて いる。耐火性材料を金属と耐久性のある方法で結合する際の難点は、両材料が通 常異なる膨張係数を有することにある。それで、結合は例えば皿穴をあけたボル トを用いてなされてもよいが、しかしながら、それでは機絨的荷重の下で使用す ると必要な強さを得るのに不都合にも重量が大きくなってしまう。

接着剤を用いて接合することも可能であるが、この場合は、接着剤の熱抵抗を越 えて加熱しないことが必要とされる。無機接着剤、例えば水ガラスをセラミック スが比較的高温にさらされることが予想される場合に使用するなら、膨張係数の 違いがセラミックスの破損を引き起す危険があることは明白である。さらに、こ の製造工程における多数の操作段階はコスト高になる。他の公知の方法としては 例えばセラミックスのノ・／ダ付けがある。これは高い精度と少なくとも７つの 異なった操作段階を必要とする骨の折れる方法である。さらに、ノ・ンダ付は用 粉末の粒子径は１μ以下でなければならないことが必要とされる。

しかしながら、本発明によシ粉末の圧縮およびこれに続く焼結によって、単純な 方法でセラミックスと金属との間の驚くほど良好な接合を得ることが可能である ことが分った。この単純さとは、セラミック粉末と金属粉末（例えば鉄粉）を一 段階で一緒に圧縮可能にしたことである。圧縮操作は約０．５トン／ｃｒｎ２は どの低い圧力で行なうことができ、８００℃はどの低い温度でセラミックスの部 分にも高い強度を与えることができる。

本発明者らが解決を迫まられていた２つの部分的に重複する問題がある。金属と セラミックスについての膨張曲線は通常互いに大きく異なる。これによる悪影響 はセラミック層と金属層との間の結合相として含まれる両成分の混合物からなる 単一層または数層を用いることによって除去できることが分った。混合物中に存 在すべき金属またはセラミックスの割合は、使用する領域および混合物を結合さ せるのがセラミックスか、金属か、あるいはその両方であるかの点に完全に依存 する。焼結体は本発明に従ってただの単一層としても製造することができ、且つ 、含まれる両成分の量は使用する領域によって調整できることは明らかである。

焼結体の金属の部分が耐えられる温度では耐火性セラミックスの焼結は不十分で ある。しかしながら、セラミック材料を改良して必要な強度が焼結中に得られる ようにすることができることがわかった。これは二つの方法、すなわち、アルミ ナまたはアルミニウム水和物とリン酸または乾燥リン酸および適量の水の添加、 あるいはモノアルミニウムリン酸塩溶液またはモノアルミニウムリン酸塩と水の 添加、のいずれかによって達成することができる。このような添加物は金属とセ ラミックス間の有効なバインダーを形成する。

以下に本発明を例示し、且つ、本発明による技術を用いて得られた予期せぬ結果 とともに示す。

実施例　１ 下記の方法で混合物Ａを調製した。最大粒径４００μをもつアルミナ粉６００１ および最大粒径４５μをもつアルミナ粉３５０ｆを８０チリン酸５０１とともに 完全に混合した。

上記に従って調製した混合物５００１を最大粒径１４７μをもつ海綿鉄粉５００ Ｆと混合した。このように調製した混合物を以下Ｂと表示する。

下記の成分からなる混合物Ｃを調製した：最大粒径１４７μをもつ海綿鉄粉９９ ０ｆ、最大粒径１４７μをもつステアリン酸亜鉛粉末１０ｔ０ 混合物Ａ−１の各々について、圧力２００　ＭＰａでの圧縮。

中性雰囲気中で１５分間、６００℃における揮発炉中での加熱処理によって、直 径２５霞、高さ２５■の寸法をもつ試験片を調製した。この試験片を次に非酸化 性雰囲気中で３０分間、１０５０℃の温度で焼結した。

このようにじて調製した試験片について２０〜６００℃の温度範囲内で膨張経過 を測定した。第１図に示す結果は意外にも混合物Ｂが混合物ＡおよびＣの同重量 部から構成されているにもかかわらず、混合物Ｂから製造した試験片について′ の膨張経過は、混合物Ｃから製造された試験片についての経過に対してよりも、 混合物Ａから製造した試験片について示された膨張経過に相当近付いていること を表している。

実施例　２ 下記のような組成をもつ４種の粉末混合物り、Ｊ　ＦおよびＧを調製［また。

混合物り、最大粒径１５０μをもつアルミチ粉９０％モノアルミニウムリ／酸塩 溶液５゜０％炭素を形成する有機物粉末５゜０チ 混合物Ｅ：混合物Ｄ５０．Ｏ％ 最大粒径２１０μをもつ海綿鉄粉５０．Ｄ％混合物Ｆ、最大粒径１５０μをもつ アルばす粉９５．Ｏ％炭素を形成する有機物粉末５．０％ 混合物Ｇ：混合物Ｆ５０．Ｏ％ 最大粒径２１０μをもつ海綿鉄粉５０．０チ直径２５唾で高さ２５醪の試験片を ９０　ＭＰａの圧力で二層状に圧縮した。試験片の組成は下記の通りである。

試験片Ｉ： 第一層　：　混合物りの粉末からなる。

第二層　゛　混合物乙の粉末から力る。

試験片■： 第一層　：　混合物Ｆの粉末からなる。

第二Ｎ　：　混合物Ｇの粉末からなる。

試験片を中性の保護ガス雰囲気中で９００℃において２０分間焼結し７た。

このようにして製造し７た試験片は圧縮強度について調査した。試験片Ｈについ ては、破壊時の合計荷重は１９ＯＮであったが、試験片■は調査を中止した５５ ０ＯＮの荷重でなお互いに密着していた。さらに、各試験片を顕微鏡で検査した ところ、試験片Ｉについて測定されたかなり優れた強度は、モノアルミニウムリ ン酸塩の添加によりセラミックス粒子相互間の焼結結合部ばかりでなく、全く驚 くほどの効果であるが、セラミックス粒子と金属粒量との間の焼結結合部をも与 えるという事実によるものであることが明らかになった。ここに記載し７た各実 施例の結果は、セラミックスと金属との間の結合が本発明の方法を用いることに よってかなり改善できることを示している。

実施例　６ 下記の通りの組成をもつ多層試験片を調製した。

試験片ｍ： 第−ｉｉ：　アルミナ粉９２チと乾燥リン酸ａＯチ＋七ノアルミニウムリン酸塩 を形成するのに適量の水からなる。

第二層　ご　アルミナ粉４６．０９’と乾燥リン酸４．０チ＋上記の通りの水お よび最大粒径４００μをもつ鉄粉５０．０チからなる。

第三層　二　最大粒径４００μをもつ鉄粉９６．０％と４００μ以下の粒径をも つ炭素を形成する有機物粉末５５％とステアリン酸亜鉛粉末α５チからなる。

試験片■： 第一層　：　アルミナ粉９５，０％とモノアルミニウムリン酸塩溶液５゜Ｏチか らなる。

第二層　：　アルミナ粉７１．０１モノアルミニウムリン酸塩溶液５゜０チおよ び鉄粉２４．０％からなる。

第三層　：　鉄粉７０．０％とアルミナ粉２５．０％とモノアルミニウムリン酸 塩溶液５．０チからなる。

第四層　二　鉄粉９９６％とステアリン酸亜鉛粉末０．７チからなる。

試験片は５００　ＭＰａで圧縮し、揮発炉で加熱処理し、保護ガス雰囲気中で３ ０分間１１２０℃において焼結した。

試験片の膨張曲線を測定した。第２図に示す結果は、本発明に従って調製した多 層体についての膨張経過が圧縮し、焼結したセラミックスについての膨張経過に 非常に接近していることを示している。

さらに各試験片の顕微鏡検査でセラミックスと金属間の良好な結合が得られるこ とが分り、セラミック粒子と金属粒子との間の亀裂の発生は観察できなかった。

熱衝撃に対する耐久性についての予備的テストとして、各試験片を金属層上で溶 接用トーチで赤熱するまで加熱し、ついで水中で急冷した。テストを全試験片が ばらばらになるまで繰り返した。各試験片の何れも層の境界で亀裂の形成が増大 する傾向を示さなかった。

本発明を例示のためにここに記載した各実施例では、本発明者らはアルミナと鉄 粉を用いた。しかしながら、各実施例はセラミックスはアルミニウムシリケート 、マグネシウム−アルミニウムシリケート、ジルコニア、ジルコニウムンリケー ト、オルトンリケード、炭化珪素およびスラグであっても同様によいことを示し ている。本発明は鉄粉およびその合金に限定されないばかりか、アルミニウム、 銅、ニッケル、クロム、モリブデン、マンガンおよびこれらの合金のようなその 他の金属も使用できる。

連続実験で、ある種の適用に対してはバインダーとして２−またはる−価金属の その他のリン酸塩類を使用し得ることも分った。

特許請求の範囲第１項で使用される「・・・・・・または用いられるセラミック スと金属との間の異なる混合比を有する数層状の・・・・・・」なる表現は、物 体の断面全体にわたって、例えばその一方何から他方側へ、核化が連続的に変化 する複合体も包含するよう意図している。換言すれば、この具体例は無限に薄い 層によって構成される。従って極端な場合には、物体はその一方側が金属からな り、反対側がセラミックスからなっていてもよい。

使用されるバインダーに関しては、水の存在が重要である。従って、バインダー の各成分の少なくとも一つは溶液の形態で加えてもよい。これに代えて、乾燥物 質は外部から水を補うとよい。バインダーの量（その固形分を基準として）は特 に臨界的ではないが、複合体の重量を基準として、約１０重量％までが適当であ る。

その下限は効果的な結合に必要な量によって決定される。約１％の量は通常必要 で、少なくとも約２または５重量％使用されるのが普通である。

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Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．用いられるセラミツクスと金属との間の異なる混合比を有する焼結体が一層 状または数層状に作られており、且つ、セラミツクスの部分および混合帯域にモ ノアルミニウムリン酸塩またはアルミナ（またはアルミニウム水和物）とりン酸 （または乾燥リン酸）が配合されていることを特徴とする、通常の粉末冶金の加 圧および焼結条件で金属粉末と耐火性セラミツク粉末とを接合することによつて 不均質焼結体を製造する方法。
2. ２．焼結を８００〜１，３５０℃、好ましくは１，０００〜１，２５０℃の温度 で行たうことを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
3. ３．粉末の圧縮を０．５〜１０ｔ／ｃｍ２、好ましくは１〜５ｔ／ｃｍ２の圧力 で行なうことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。
4. ４．焼結を非酸化性雰囲気中で少なくとも１０分間行なうことを特徴とする請求 の範囲第１項〜３項のいずれかに記載の方法。
5. ５．金属粉末が鉄、アルミニウム、銅、ニツケル、モリブデン、クロムおよびマ ンガンの各元素の一つまたはいくつかを含有することを特徴とする請求の範囲第 １〜４項のいずれかに記載の方法。
6. ６．金属粉末がさらに炭素、リンおよびシリコンの各元素の一つまたはいくつか を含有することを特徴とする請求の範囲第１〜５項のいずれかに記載の方法。
7. ７．セラミツクスが下記のセラミツク物質の一つまたはいくつかを含有すること を特徴とする請求の範囲第１〜６項のいずれかに記載の方法：アルミニウムシリ ケート、マグネシウムーアルミニウムシリケート、ジルコニア、ジルコエタムシ リケート、オルトシリケート、炭化珪素およびスラグ。