JP4294882B2 - 金属−セラミックス複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非加圧で複合化させた金属−セラミックス複合材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、金属−セラミックス複合材料は、金属が有する延性、高靭性、高熱伝導性、高電気伝導性等の特性とセラミックスが有する高剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等の特性を兼ね備えている。当該材料は、従来から難しいとされていた金属とセラミックスがそれぞれ有する特性の調和が採れているため、機械装置の業界等から次世代の材料として普及しつつある。
その中でも、Ａｌ合金は軽量かつ耐食性に優れるほか熱伝導性や電導性においても優れているため、かかるＡｌ合金の特徴を生かして基材にＡｌ合金を用いた金属−セラミックス複合材料が注目されている。
【０００３】
Ａｌ合金を用いた金属−セラミックス複合材料の製造方法として、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法等の方法が知られているが、いずれの方法によっても強化材であるセラミックスの含有量を増加させることが困難なため剛性の向上にも限界があることに加え、大型の加圧装置を必要とし、ニアネット成形も困難である等種々の問題があった。
【０００４】
上記問題を解決する方法に非加圧浸透法がある。この方法は、ＳｉＣやＡｌ２Ｏ３等のセラミックス粉末からなるプリフォームに、Ｍｇを含むアルミニウムインゴットを接触させた状態で、Ｎ２雰囲気下、７００〜９００℃に加熱して、加圧なしで溶融したアルミニウム合金をプリフォーム中に浸透させる方法であって、ＭｇとＮ２との化学反応を利用してセラミックス粉末に対する溶融アルミニウム合金の濡れ性を改善することにより、加圧なしでアルミニウム合金をプリフォーム中に浸透できる点に特徴がある。
しかし、この方法では、Ｍｇの存在が不可欠であるため、使用環境によっては、複合材料中のＭｇが飛散する場合があった。その結果、Ｍｇを含まない溶融アルミニウム合金をセラミックス粉末中に高圧で押し込める高圧含浸法が現在では多用されているが、やはり大型の加圧装置が必要なこと、また、複雑な形状品を作製するのが困難なこと等の問題を残している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上述した金属−セラミックス複合材料の製造方法が有する課題に鑑みてなされたもので、Ｍｇを含まないアルミニウム合金であっても、加圧装置を使用することなく浸透可能で、複雑な形状でも容易に作製できる金属−セラミックス複合材料およびその製造方法を提供する。
【０００６】
【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、Ｓｉを含むアルミニウム合金を基材として用いれば、Ｍｇを含まずとも、アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維により形成したプリフォームに非加圧で浸透可能であるとの知見を得て本発明を完成した。
【０００７】
即ち、本発明は、以下の金属−セラミックス複合材料および製造方法を提供するものである。
（１）アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維を強化材とし、Ａｌ−Ｓｉ合金を基材としてなる金属−セラミックス複合材料であって、該アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維をアルミナ質のバインダーによりプリフォームとし、これにＡｌ−Ｓｉ合金の溶融物を非加圧で浸透させてなることを特徴とする金属−セラミックス複合材料（請求項１）。
（２）Ａｌ−Ｓｉ合金がＳｉを１０〜９９質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の金属−セラミックス複合材料（請求項２）。
（３）アルミナ粉末が粒径３μｍ以下の粒子を５体積％以下含み、アルミナ繊維が平均長さ５〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属−セラミックス複合材料（請求項３）。
（４）金属−セラミックス複合材料におけるアルミナ粉末および／またはアルミナ繊維の充填率が４０〜８０体積％であることを特徴とする請求項１〜３に記載の金属−セラミックス複合材料（請求項４）。
（５）アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維を強化材とし、Ａｌ−Ｓｉ合金を基材としてなる金属−セラミックス複合材料の製造において、アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維をアルミナ質のバインダーによりプリフォームとし、これにＡｌ−Ｓｉ合金の溶融物を非加圧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５）。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下さらに本発明を詳細に説明する。
本発明で強化材として使用するアルミナ粉末やアルミナ繊維は、Ａｌ２Ｏ３を主成分として含むものであればよく、その他の成分を含んでいてもかまわない。
アルミナ粉末の粒度は、粒径３μｍ以下の粒子を５体積％以下含むものが好ましい。粒径３μｍ以下の粒子が５体積％超えると、Ａｌ−Ｓｉ合金の溶融物の含浸速度が遅くなるほか、未含浸部分が生じ易くなる。
また、アルミナ繊維は、平均長さが５〜１０００μｍのものが好ましい。平均長さが５μｍ未満では、Ａｌ−Ｓｉ合金の溶融物の含浸速度が遅くなるほか、未含浸部分が生じ易くなる。また、平均長さが１０００μｍを超えると金属−セラミックス複合材料の寸法安定性を損なう場合がある。
【０００９】
また、アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維のプリフォームを形成するために使用するアルミナ質のバインダーは、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ（ＯＨ）₃等を含むアルミナゾルが好適である。
【００１０】
本発明で基材として用いるＡｌ−Ｓｉ合金は、Ｓｉを１０〜９９体積％含むものが好ましい。Ｓｉが１０体積％未満ではＡｌ−Ｓｉ合金の溶融物の含浸速度が遅くなるほか、未含浸部分が生じ易くなる。また、Ｓｉが９９体積％を超えると金属−セラミックス複合材料の破壊靭性が低下して割れ易くなる。
また、このＡｌ−Ｓｉ合金は、本発明の解決課題の趣旨からＭｇを含まないものが好ましい。
【００１１】
本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法は、アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維にアルミナ質のバインダーを添加・混合し、この混合物を金型に入れて所定の形状のプリフォームを加圧成形等の公知の方法で成形する。
次に、成形したプリフォームにＡｌ−Ｓｉ合金を接触させ、窒素分圧が１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下の真空中または不活性ガス中でＡｌ−Ｓｉ合金が溶融する温度以上に該接触体を加熱することにより、Ａｌ−Ｓｉ合金の溶融物を非加圧下で自発的にプリフォームに浸透させた後、冷却する方法である。
【００１２】
ここで、金属−セラミックス複合材料におけるアルミナ粉末および／またはアルミナ繊維の充填率は、４０〜８０体積％が好ましい。充填率が４０体積％未満ではプリフォームの強度が低くなって形状が保持できず、また、８０体積％を超えるとプリフォームを作製することが困難となる。
【００１３】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。
【００１４】
表１に、以下の試験に使用した材料を示す。
【００１５】
【表１】

【００１６】
複合材料の作製
アルミナ粉末１００重量部にイオン交換水５０重量部加え、さらにアルミナ質のバインダーを３重量部加えてスラリーを調製した。このスラリーを金型に流し込み、フイルタープレスで脱水して脱型し、１２００℃で焼成して、表２に示す充填率を有し大きさが５０×５０×３０ｍｍのプリフォームを成形した。
次に、表２に示すＳｉ含有率を有するＡｌ−Ｓｉ合金を該プリフォームの上に載置し、真空中で１５００℃に加熱して該合金を溶融し、この状態を５時間保持したのち冷却して、表２に記載の金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００１７】
浸透状態の評価
上記のプリフォームを手で持ち、軽く力を加えてプリフォームが壊れた場合をプリフォームの強度不良とした。また、上記の金属−セラミックス複合材料を切断し、その切断面を目視で観察してＡｌ−Ｓｉ合金の浸透状態を調べた。これらの結果を表２に示す。
【００１８】
【表２】

【００１９】
表１から明らかなように、Ａｌ−Ｓｉ合金のＳｉ含有率、並びに強化材であるアルミナ粉末の粒度および充填率が本発明の範囲内にある実施例１では、Ａｌ−Ｓｉ合金の浸透状態が良好で、未浸透部分がなかった。
これに対して、比較例１では、強化材の充填率が低すぎたため、プリフォームの強度が小さかった。また、比較例２では、充填率８５体積％のプリフォームを作製するのは困難であった。さらに、比較例３では、アルミナ粉末の粒度が小さすぎるため、未含浸部分が多くみられた。比較例４では、合金のＳｉ含有率が小さいため、ほとんど浸透していなかった。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｍｇを含まないアルミニウム合金であっても、加圧装置を使用することなく浸透可能で、複雑な形状でも作製が容易な金属−セラミックス複合材料およびその製造方法を提供できる。

Claims (1)

1. アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維を強化材とし、Ｓｉを１０〜９９体積％含むＡｌ−Ｓｉ合金を基材としてなる金属−セラミックス複合材料の製造において、アルミナ粉末および／またはアルミナ繊維をアルミナ質のバインダーであるアルミナゾルによりプリフォームとし、これにＡｌ−Ｓｉ合金の溶融物を窒素分圧が１×１０ ^−３ Ｔｏｒｒ以下の真空中または不活性ガス中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。