JPS63312931A - セラミック−金属複合体の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はセラミック−金属複合体の製造方法に関し、一
層詳細には、セラミック粉末と酸により溶出される気孔
形成粉末との混合粉末により成形体を得て後、前記成形
体に焼成および溶出処理を施して三次元網目構造を呈す
るセラミック焼結体を形成し、さらに前記セラミック焼
結体に溶融金属を加圧充填して耐摩耗性および耐熱性等
に優れた複合体を得ることを可能にしたセラミック−金
属複合体の製造方法に関する。

［発明の背景］ 物理的、化学的に異なる２種類以上の材料を混合あるい
は結合して得られる複合体が一般に知られている。この
種の複合体として、セラミックと金属とからなる複合体
が広汎に使用されている。前記セラミック−金属複合体
では、耐熱性、耐摩耗性並びに強度等に優れるため、例
エバ、シリンダヘッドのバルブシート部分、ピストンお
よびロッカーアーム等のように他の部材と常時摺接する
部分に効果的に採用されるに至っている。

ところで、前述したセラミック−金属複合体を製造する
ためには、一般的には、以下に示す方法が用いられてい
る。　　。

すなわち、先ず、有機質発泡体に有機樹脂を用いてセラ
ミック粉末を付着させて所定形状の成形体を得、次いで
、前記成形体を乾燥固化して後、前記有機質発泡体を燃
焼させると共に、焼結処理を施し複数の気孔を有するセ
ラミック焼結体を成形している。さらに、このセラミッ
ク焼結体に溶融金属を含浸、あるいは、所定圧力で充填
してセラミック−金属複合体を製造している。

この場合、前記の従来方法によれば、有機樹脂を用いて
セラミック成形体を形成しているが、前記有機樹脂の固
着力が弱いため、この成形体が容易に変形してしまう。

従って、成形体の取扱作業が相当に煩雑なものとなる欠
点が指摘される。しかも、前述したようにして得られる
セラミック焼結体に溶融金属を加圧充填する際、この加
圧力により前記セラミック焼結体が変形し、不均一な繊
維分布を有する複合体が製造されるという問題が露呈す
る。

また、有機質発泡体を燃焼除去した後にセラミックの焼
結を行っており、セラミック焼結体の寸法精度を確保す
るためにはこの有機質発泡体の除去後、直ちに焼成作業
を開始する必要がある。このため、通常、低温で焼結促
進機能を発揮する焼結助剤を使用して低温下でセラミッ
クの焼結を遂行しており、この結果、セラミンク焼結体
の強度低下を招来することになる。従って、前記セラミ
ック焼結体に溶融金属を所定の加圧力で充填する際、こ
の加圧力によりセラミック焼結体が変形してしまい、品
質に優れた複合体を製造することが不可能となる不都合
が指摘される。

さらに、有機質発泡体に形成されている気孔に対応して
このセラミック焼結体に気孔が設けられるため、前記セ
ラミック焼結体の気孔が、実質上、大きなものとなって
しまう。従って、セラミック焼結体全体に亘り微細な気
孔を略均−に分布させることは列置不可能となる。この
ため、セラミック焼結体の強度が低いものとなり、前述
したように、このセラミック焼結体に溶融金属を加圧充
填する際、前記セラミック焼結体が変形するという不都
合から回避出来ない。

結果的に、このように大きな気孔を有するセラミック焼
結体では、複合体の製造工程に使用することが実質上不
可能となってしまう。

しかも、このような複数の気孔を有する、所謂、三次元
網目構造の有機質発泡体を製造するためには多くの工程
を要し、前記製造作業が極めて煩雑であるという問題が
生じている。

［発明の目的］ 本発明は前記の不都合を克服するためになされたもので
あって、セラミック粉末と酸により溶出し得る気孔形成
粉末との混合粉末を用いて成形体を成形し、次いで、前
記成形体に焼結処理を施してセラミック焼結体を得て後
、溶出処理により前記気孔形成粉末を溶出除去し、さら
に、前記焼結体に溶融金属を加圧充填して複合体を製造
することにより、全体に亘り微細な気孔を略均−に分布
させたセラミック焼結体を得ることが出来、しかも、有
機質発泡体を用いる際のように成形体が変形することを
阻止すると共に、前記成形体を所望の焼結条件で焼結処
理し、これによって耐摩耗性や耐熱強度等に優れた複合
体を得ることを可能としたセラミック−金属複合体の製
造方法を提供することを目的とする。

［目的を達成するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明はセラミック粉末
と酸により溶出される気孔形成粉末との混合粉末を用い
て成形体を成形する第１の工程と、前記成形体に焼結処
理を施して焼結体を得る第２の工程と、前記焼結体に溶
出処理を行って気孔形成粉末を溶出除去する第３の工程
と、前記溶出処理終了後の焼結体に溶融金属を加圧充填
して複合体を得る第４の工程とからなることを特徴とす
る。

［実施態様］ 次に、本発明に係るセラミック−金属複合体の製造方法
について好適な実施態様を挙げ、添付の図面を参照しな
がら以下詳細に説明する。

この場合、セラミック粉末としては、直径２０μｍ以下
の５ｉｉＮ４、サイアロン、ＳｉＣ。

、６／！！Ｏ，およびＺｒＯ□等の単独粉末、あるいは
これらの混合粉末が用いられる。また、Ｔｉ−、Ｍｏ　
、Ｃｒ　、Ｔａ　、Ｈｔ　、ＷおよびＺｌ等の炭化物、
窒化物若しくは硼化物等を単独あるいは複合させたもの
、またはこれらにＳ　１ｘＮａ　、ＡＩｔｉｏ３、Ｓ　
ｉＣおよびサイアロン等を複合させたものが採用される
。

一方、気孔形成粉末はセラミック焼結体に積極的に微細
な気孔を形成して所定の気孔率を有し且つ３次元網目構
造を呈する前記セラミック焼結体を得るために用いられ
るものであり、この気孔形成粉末としては以下に示す２
種のものがある。

すなわち、Ｎ　ａ　ｚ　Ｏ（８〜４０重量％）、Ａ　ｌ
　ｚ　Ｏ３（２０重量％以下）、ＢＯ３（３０〜６５重
量％）およびＳｉＯ□（４０重量％以下）の混合粉末に
ＣａＯｌＭｇＯの少なくとも１種を添加して溶融、粉砕
の各工程を経て得られたガラス質で直径１μｍ〜５μｍ
のＡｆ、Ｏ，−Ｎａ、Ｏ−Ｂ、Ｏ，−Ｓ、Ｏ，系粉末が
第１の気孔形成粉末である。また、Ａｘｚｏｚ（２０重
量％以下）　、Ｂｚ（ｈ（３０〜６５重量％）　、Ｓ、
０ｆ（４０重量％以下）°およびＫＺＯ（４０重量％以
下）の混合粉末にＣａＯｌＭｇＯの少なくとも１種を添
加して、前記と同様に溶融、粉砕の各工程を経て得られ
たガラス質で直径１μｍ〜５μｍのＡｆｚＯｓ　　Ｂｔ
ｕｓ　　Ｓ＋Ｏｚ−に２０系粉末が第２の気孔形成粉末
である。

この場合、セラミック粉末の焼結性を向上させるため、
必要に応じて焼結助剤粉末が使用される。この種の焼結
助剤粉末としては、直径０．１ｕｍ　〜１μｍのＡ　Ｉ
ｌ　ｚ　Ｏｓ、ＹｚＯｚ　、Ｍ　ｇ　ＯおよびＳ、Ｏ，
等の単独粉末、あるいはこれらの混合粉末が採用されて
いる。

そして、前述したセラミック粉末、焼結助剤粉末および
気孔形成粉末を夫々の中から選択すると共に、所定の配
合量（セラミック粉末を３０〜９７重量％、焼結助剤粉
末を１０重重量以下および気孔形成粉末を１５重量％以
下）で混合して混合粉末を得る０次いで、この混合粉末
を用いて、例えば、スリップキャスティング法、加圧成
形法または射出成形法等の各種成形法により所望の形状
を呈する成形体を成形する。

さらに、前記成形体を８００℃〜２２００℃で０．５時
間〜２４時間焼成することによりセラミック焼結体を得
て後、このセラミック焼結体を３０℃〜６０″ＣのＨＣ
ｊｌ！あるいはＨＮＯ，の単−酸、またはこれらの混酸
よりなる酸溶液中に所定時間浸漬して気孔形成粉末を溶
出除去する。この場合、溶出作業を終了したセラミック
焼結体を約１７００°Ｃで焼成すれば、このセラミック
焼結体の際摩耗性および耐熱強度を一層向上させること
が出来る。

なお、セラミック粉末としてＳ＋ｓＮａを使用し、１２
００℃の焼成温度に選択した際の気孔形成粉末の配合量
とセラミック焼結体の曲げ強度との関係を第１図に示す
。第２図はセラミック粉末としてＳ　ｉ、Ｎ４（図中、
Ａ参照）と５ｉＣ（図中、Ｂ参照）とを用い、１２００
℃で焼結処理を行った際の夫々のセラミック粉末に配合
される気孔形成粉末の配合量と空隙率との関係を示した
ものである。また、第３図はセラミック粉末として５ｉ
ｓＮａを使用し、焼成温度を１２００°Ｃ（図中、Ｃ参
照）と１７００℃（図中、Ｄ参照）とに選択した際の気
孔形成粉末の配合量と空隙率との関係を示したものであ
る。さらに、酸溶出後のセラミック焼結体を１７００℃
の焼成温度で１時間焼成した時の空隙率と曲げ強度との
関係を第４図に示す。従って、第１図乃至第４図を参照
し、所定の曲げ強度並びに空隙率等に対応して気孔形成
粉末の配合量等を選択すればよい。

次いで、このようにして得られるセラミック焼結体と複
合化される金属材料としては、Ａｌ、Ｍ、、Ｚ、、Ｃ，
、ＰｈおよびＳ７等の金属、またはこれらの金属の合金
が使用される。

そして、セラミック焼結体を溶融金属が含浸し易いよう
に、予め、１００℃〜１０００℃の温度に加温しｔおき
、このセラミック焼結体に前記溶融金属を５０ｋｇ／ｃ
ｍ”　〜１５００ｋｇ／ｃｍ”の加圧力で充填する。こ
れによって、所定時間冷却後、所望のセラミック−金属
複合体が製造されるに至る。この場合、溶融金属とのぬ
れ性や密着性を向上させるべくセラミック焼結体に金属
、合金またはセラミラグ材等を蒸着等の方法により被覆
しておくと好適である。

そこで、本実施態様では、セラミック−金属複合体の一
例であるシリンダヘッドの製造方法について詳細に説明
する。

すなわち、第５図において、参照符号ｌＯは本発明に係
る方法を用いて製造されるシリンダヘッドを示す。この
場合、前記シリンダヘッド１０はアルミニウム合金で鋳
造成形されており、シリンダ室１２と吸気路１４並びに
前記シリンダ室１２と排気路１６との間にはパルプガイ
ド孔１８ａ、１８ｂと同軸的にバルブシート２０ａ、２
０ｂが設けられる。前記バルブシート２０ａ、２０ｂは
実質的には、第６図に示すように、リング状のセラミッ
ク焼結体２４を成形して後、このセラミック焼結体２４
に後述するようにアルミニウム合金を加圧充填してシリ
ンダヘッド１０と一体的に鋳造される。

このように構成されるシリンダヘッド１０において、先
ず、前記セラミック焼結体２４を成形する。

この場合、実質的にはセラミック粉末としてＳｉ３Ｎ４
、焼結助剤粉末としてＡ　ｌ　ｚ　Ｏ３および気孔形成
粉末としてガラス質で直径１μｍ〜５μｍのＡＩ！、、
Ｏ，−Ｎａ、０−Ｂ２Ｏ，−３ｔｏ。

系粉末を用いる。そして、夫々の粉末を所定の配合量で
混合し、加圧成形法により成形圧カフ５ＭＰａにて第６
図に示すセラミック焼結体２４に対応するリング状の成
形体を成形する。

次いで、この成形体を１ｓｏｏ’ｃの温度で８時間焼成
し、セラミック焼結体２４を得る。さらに、前記セラミ
ック焼結体２４を５０°Ｃに加温された４ＮのＨＮＯ，
中に浸漬し、このＨＮＯ：ｌに超音波振動を付与した状
態で所定時間保持する。

従って、気孔形成粉末および不純物が溶出された３次元
網目構造を有するセラミック焼結体２４が得られる。こ
れによって、直径０．５μｍ〜３μｍの微細な気孔を全
体に亘り略均−に分布したセラミック焼結体２４が製造
されるに至る。

さらに、図示しない高圧鋳造用金型において、バルブシ
ート２０ａ、２０ｂに対応する位置にセラミック焼結体
２４を配置し、このセラミック焼結体２４を、予め、略
２５０℃の温度に加温しておく。

次に、図示しない金型内に略７３０℃の温度で溶融して
いるアルミニウム合金（ＡＣ２Ｂ）の溶湯を充填し、略
２００ｋｇ／ｃｍ”の加圧力で所定時間保持する。この
ため、前記アルミニウム合金の一部はセラミック焼結体
２４内に充填され、バルブシート２０ａ、２０ｂがシリ
ンダヘッド１０と一体的に鋳造成形されるに至る。

この場合、本実施態様によれば、セラミック焼結体２４
内に分散している気孔形成粉末を酸により溶出させるた
め、全体に亘って略均−に分布された微細な気孔を有す
るセラミック焼結体２４を製造することが出来る。この
ため、前記セラミック焼結体２４は十分な強度を有する
と共に、セラミック粉末の体積率を良好に且つ高く確保
することが可能となる。しかも、セラミック成形体を所
望の温度で焼結し得るため、強度に優れたセラミック焼
結体２４を製造することが出来る。これによって、セラ
ミック焼結体２４にアルミニウム合金の溶湯を加圧充填
する際にこの加圧力（略２００ｋｇ／　ｃｍ”　）によ
り前記セラミック焼結体２４が変形することがない。

また、一般に、セラミック粉末にはセラミック焼結体２
４としての強度低下の要因となる不純物を含有している
場合が多いが、本実施態様では、この不純物が溶出処理
によってセラミック焼結体２４から除去されるため、当
該セラミック焼結体２４の強度を一層向上させるという
利点が顕在化する。

さらに、従来のように、有機質発泡体を用いることがな
いため、セラミック成形体が変形することを阻止するこ
とが出来る。従って、セラミック成形体の取扱作業が一
挙に簡易化すると共に、高精度なセラミック焼結体２４
が得られる。

その上、製造が煩雑な有機質発泡体を用いるものに比べ
、セラミック焼結体２４の生産効率を一挙に向上させる
という効果が挙げられる。

結果的に、このようなセラミック焼結体２４を介して鋳
造成形されるバルブシート２０ａ、２０ｂは十分な耐摩
耗性、耐熱強度および耐圧強度等を有することが可能と
なる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、セラミック粉末と酸に
より溶出し得る気孔形成粉末との混合粉末を用いて成形
体を成形し、この成形体に焼結処理並びに溶出処理を施
して複数の微細な気孔を有するセラミック焼結体を得、
さらにこのセラミック焼結体に溶融金属を加圧充填して
セラミック−金属複合体を製造している。このため、有
機質発泡体を用いて成形体を得る際のように、この成形
体が変形することがなく、前記成形体の取扱イ￥業が簡
易化する。しかも、セラミック粉末を所望の焼結条件で
焼結し得ると共に、セラミック焼結体に微細な気孔が形
成されるため、高強度なセラミック焼結体を製造するこ
とか出来る。従って、前記セラミック焼結体に溶融金属
を所定の圧力で充填する際、このセラミック焼結体が変
形することがない。結局、耐摩耗性並びに耐熱性等に優
れた高品質な複合体を確実に且つ効果的に製造すること
が出来るという効果が得られる。

さらに、従来のように、製造工程の煩雑な有機質発泡体
を用いるものに比べ、セラミック焼結体を一挙に容易に
且つ短時間で製造することが出来、複合体を効率的に製
造し得るという実質的な利点も挙げられる。

以上、本発明について好適な実施態様を挙げて説明した
が、本発明はこの実施態様に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並び
に設計の変更が可能なことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図はセラミック成形体に添加される気孔形成粉末の
配合量とセラミック焼結体の曲げ強度との関係を示すグ
ラフ、 第２図はセラミック粉末としてＳｉＣと５ｉｚＮ４とを
用い、夫々に添加される気孔形成粉末の配合量と空隙率
との関係を示すグラフ、第３図はセラミック粉末として
５ｉｉＮ４を用い、２種の異なる焼結温度における気孔
形成粉末の配合量と空隙率と６関係を示すグラフ、グラ
フ、 第５図は本発明に係るセラミック−金属複合体の製造方
法により鋳造成形されるシリンダヘッドの概略構成を示
す縦断面図、 第６図は第５図に示すシリンダヘッドに組み込まれるセ
ラミック焼結体の斜視図である。 １０・・・シリンダヘッド ２０ａ、２０ｂ・・・バルブシート ２４・・・セラミック焼結体 ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ 配合！（＊量％） ＦＩＧ、４ ０　　　１０　　２０　　３０　　　、！、０　　５０
　　６０空陳牽Ｃ％）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック粉末と酸により溶出される気孔形成粉
   末との混合粉末を用いて成形体を成形する第１の工程と
   、前記成形体に焼結処理を施して焼結体を得る第２の工
   程と、前記焼結体に溶出処理を行って気孔形成粉末を溶
   出除去する第３の工程と、前記溶出処理終了後の焼結体
   に溶融金属を加圧充填して複合体を得る第４の工程とか
   らなることを特徴とするセラミック−金属複合体の製造
   方法。