(57)【要約】【課題】  セラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を非加圧で浸透させて得られる金属−セラミックス複合材であって、製造後の複合材に生ずる気孔やボイドを抑制できる金属−セラミックス複合材の製造方法を提供する。【解決手段】  セラミックスを強化材としたプリフォームを基材である溶融金属に浸漬し、プリフォームに溶融金属を浸透させ、溶融金属を浸透させたプリフォーム上に溶融金属保持部材を載置した状態で、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げ、浸透させた溶融金属を凝固させた金属−セラミックス複合材の製造方法とする。【選択図】  図１
2014077154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を浸透させて金属−セラミックス複合材を得るための製造方法であって、プリフォームを基材である溶融金属に浸漬し、プリフォームに溶融金属を浸透させ、溶融金属を浸透させたプリフォーム上に溶融金属保持部材を載置した状態で、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げ、浸透させた溶融金属を凝固させることを特徴とする金属−セラミックス複合材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶融金属保持部材は貯留により、溶融金属を保持することを特徴とする金属−セラミックス複合材の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の溶融金属保持部材は表面張力又は濡れ性により、溶融金属を保持することを特徴とする金属−セラミックス複合材の製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載の溶融金属保持部材は、筒状、中空状の部材からなることを特徴とする金属−セラミックス複合材の製造方法。
【請求項５】
請求項３に記載の溶融金属保持部材は、開口部を有する板状、網状のいずれかからなることを特徴とする金属−セラミックス複合材の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載の溶融金属保持部材は、プリフォームに溶融金属を浸透させる際の前記溶融金属の温度よりも高い融点を有する材料からなることを特徴とする金属−セラミックス複合材の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の溶融金属保持部材は、金属からなることを特徴とする金属−セラミックス複合材の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の溶融金属保持部材は、鉄、鉄合金、銅、銅合金のいずれかからなることを特徴とする金属−セラミックス複合材の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８に記載の金属−セラミックス複合材の製造方法により得られたことを特徴とする金属−セラミックス複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を浸透させて金属−セラミックス複合材を得るための製造方法、その製造方法により得られた金属−セラミックス複合材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、基材となる金属に、セラミックスの繊維や粒子等を強化材とする金属−セラミックス複合材が注目されている。金属−セラミックス複合材は、アルミニウムやアルミニウム合金など基材となる金属が有する強度、延性、靭性、成形性及び熱伝導性等と、強化材である炭化珪素、窒化アルミ、アルミナなどの繊維や粒子からなるセラミックスが有する剛性、耐摩耗性、低熱膨張性等とを併せもつために、軽量化、高熱伝導、低熱膨張などが要求される輸送用機器部品、電子部品等のさまざまな用途の製品に利用されている。この複合材の製造方法は、従来より粉末冶金法、加圧浸透法などが知られている。最近ではセラミックスで成形された多孔質のプリフォームに、基材の金属を非加圧で浸透させる非加圧浸透法も開発されている。この方法によればプリフォームの形状の自由度が高いことから、凹凸を含むなど複雑形状の複合材の素材を、最終製品形状に近い形状に、すなわち、ニアネットシェイプに成形できるとされている。
【０００３】
非加圧浸透法は、セラミックスの繊維や粒子等の強化材に必要に応じて金属の浸透を促進する浸透増進材を加えて、予備成形体となる多孔質のプリフォームを成形し、このプリフォームをその形状を郭定するための容器や鋳型などに収納し、次いでプリフォームに隣接して基材となる金属を配置した後、全体を炉に入れ、炉内を真空、減圧又は非加圧の窒素などの不活性雰囲気とし、金属の溶融する温度に保持することで、或いは、成形したプリフォームを溶融した金属の溶湯に浸漬することで、基材となる金属をプリフォームに自発的に浸透させて金属−セラミックス複合材を製造する方法である。
【０００４】
しかしながら、非加圧浸透法は、非加圧状態で金属を浸透できるという特長があるものの、加圧浸透法などと比較すると、溶融金属の浸透不良や溶融金属の凝固時の体積の収縮によって、複合材の内部に基材となる金属の存在しない気孔やボイドが発生するという課題があった。特にプリフォームを溶融金属に浸漬させた後、溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げ、溶融金属を凝固させて金属−セラミックス複合材を製造する方法では、液相状態の金属が固相となる際に、液体収縮と凝固収縮とによって基材となる金属の不足が生じ易く、これに起因して気孔やボイドの発生を避けることができなかった。複合材に生じた気孔やボイドは、一般の金属の鋳造材に生じた鋳巣と同様に、引張強さ、破壊靭性、耐圧性などの諸特性を劣化させるため、これらの発生を抑制した材料が求められている。
【０００５】
非加圧浸透法の一例として、特許文献１には、多孔質のプリフォームを酸化体とし、酸化体と親金属（基材となる金属）との酸化反応で生成したセラミックマトリックスと親金属とにより、金属−セラミックス複合材を製造する方法が開示されている。特許文献１の方法では、酸化反応に必要な十分な金属を補充、供給するための親金属リザーバ（溜め）手段を設けることで、プリフォームが溶融親金属で満たされ、またセラミックマトリックスが均等に成長することを保証して、強度が高く破断靭性に富む複合材が得られるとしている。例えば、特許文献１の第２１図には、耐熱性容器に入れられた溶融親金属の中に酸化体であるプリフォームを置き、プリフォームを溶融親金属に常に浸された状態に保つために、リザーバから補充用の溶融親金属を供給しつつ、プリフォームと親金属との酸化反応を生成させた後、プロセス完了時に、複合材を溶融親金属浴から取り出して、また過剰な溶融親金属を排出して金属−セラミックス複合材を製造する方法を開示している。
【０００６】
また、非加圧浸透法の別の例として、特許文献２には、溶融金属をプリフォームに接触させ、プリフォームに溶融金属を自発的に浸透させた後、プリフォーム内の溶融金属を方向性凝固させて金属−セラミックス複合材を製造する方法が開示されている。特許文献２の方法によれば、自発浸透機構と方向性凝固との組み合わせにより、ミクロ構造（例えば均一性）が改善され、ミクロ構造中の気孔又はボイドが減少し、引張強さ等の物性が向上した複合材が得られるとしている。より具体的には、特許文献２の実施例１に例示された第２プリフォーム（「プリフォームＮｏ．２」）の製造方法として、第２図に示すように、内側が可撓性黒鉛シートのグラフォイルボックスで、外側がステンレス製ボックスからなる容器内に、プリフォームを配置し、プリフォームの上部に基材となるアルミニウム合金のインゴットを配置し、容器の上部をファイバーフラックスの断熱材の板で覆ってセットアップとし、このセットアップを雰囲気制御炉に配置して炉内を真空排気した後、窒素ガスを供給しつつ、昇温、保持してアルミニウム合金インゴットを融解してプリフォームを自発浸透させたとの記載がある。さらに前記のセットアップを冷却途中で炉から取り出し、第３図に示すように、前記セットアップのステンレス製ボックスを黒鉛板の上部に設置した鋼板の上に載置するとともに、ステンレス製ボックスの周囲に耐火レンガを配置することで、耐火レンガによりセットアップを断熱して合金を溶融状態に維持しつつ、合金の熱をセットアップの底から鋼板を介して吸熱器として作用する黒鉛板へ移動させることで、セットアップを、ベース（底部）から表面の余剰合金の方向に方向性冷却させたとの記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−７４９５３号公報
【特許文献２】特開平２−２３６２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の複合材の製造方法には、プリフォームと親金属との酸化反応に必要な金属を補充する手段としてのリザーバの開示はあるものの、第２１図に例示されるように、プロセス完了時に、溶融金属の浸透した複合材を溶融親金属浴から取り出して複合材を得ようとする場合に、その取り出し後、溶融親金属の体積収縮にともなう気孔やボイドの発生については考慮されておらず、それらを抑制するための方策についての開示も示唆もない。
【０００９】
また、仮に特許文献１の第２１図に例示の製造方法において、プリフォームを耐熱性容器に入れたまま、溶融親金属の体積収縮に対してリザーバから親金属を補充しつつ凝固、冷却すれば、複合材の気孔やボイドを抑制できることは想定できる。しかしながらその場合には、プリフォーム以外の周囲に不要な親金属が大量に残留することとなり、ニアネットシェイプな成形とは言い難く、冷却後に不要な親金属の部分を大量に除去する処理が必要となるのみならず、耐熱性容器を必要とするので、後述するプリフォームの形状を郭定するための容器を有する場合と同様に、生産性の低下や製造コストの上昇といった問題を抱えることとなる。
【００１０】
また、特許文献２に記載の複合材の製造方法は、自発浸透機構と方向性凝固との組み合わせによりミクロ構造を改善して、気孔やボイドが発生する課題を解決するための方策を提案しているものの、その製造方法は、プリフォームを溶融金属に浸漬して金属を浸透させた後、金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げて溶融金属を凝固させて複合材を得る方法とは全く異なる。即ち特許文献２の製造方法では、プリフォームの表面から外側に溶融金属が移動するのを防止するバリアー（障壁）手段として、言い換えれば、プリフォームの形状を郭定するための手段として、可撓性黒鉛シートのグラフォイルボックスなどの容器を必須の構成として必要としている。
【００１１】
特許文献２の例示に限らず、プリフォームの形状を郭定するための手段としての容器や鋳型を使用することは、それ自体の材料費や準備するための費用増加を招くのみならず、それを準備し又プリフォームを収納するための前処理と、複合材を得た後にそれらを除去する後処理とを必要として生産性を低下させる。また、容器や鋳型は、複合材から除去する際に破損するため再利用は困難である。このようにプリフォームを郭定するために容器や鋳型を使用することは、それ自体の費用を要し、また処理工程が増えるなど、生産性の低下や製造コストの上昇を招いていた。
【００１２】
一方で、プリフォームを溶融金属に浸漬して金属を浸透させた後、溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げて溶融金属を凝固させる複合材の製造方法であれば、プリフォームを郭定するための容器や鋳型は必ずしも必要ないものの、一方で当該の製造方法では、金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げた後、溶融金属が凝固する際に、収縮による気孔やボイドが発生しやすいという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上記のような従来技術に鑑み、セラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を非加圧で浸透させて得られる複合材の製造方法であって、得られた複合材に生ずる気孔やボイドを抑制できる金属−セラミックス複合材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的に鑑み、本発明者らは、製造後の複合材に生ずる気孔やボイドを抑制するためには、金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げた後、溶融金属が凝固する際の収縮を補充する必要があることに着目して、プリフォームへの溶融金属の補充手段について鋭意検討した。その結果、溶融金属を浸透させたプリフォームの上に溶融金属を保持する溶融金属保持部材を載置することで、溶融金属の収縮を補充することができるとの知見を得て本発明に想到した。
【００１５】
即ち本発明のセラミックスを強化材としたプリフォームに基材である金属を浸透させて金属−セラミックス複合材を得るための製造方法は、プリフォームを基材である溶融金属に浸漬し、プリフォームに溶融金属を浸透させ、溶融金属を浸透させたプリフォーム上に溶融金属保持部材を載置した状態で、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げ、浸透させた溶融金属を凝固させることを特徴とする。
【００１６】
本発明の溶融金属保持部材は、貯留により溶融金属を保持すると好ましく、その場合の溶融金属保持部材として、筒状、中空状の部材からなると好ましい。または、本発明の溶融金属保持部材は、表面張力又は濡れ性により溶融金属を保持すると好ましく、その場合の溶融金属保持部材として、開口部を有する板状、網状のいずれかからなると好ましい。
【００１７】
また、本発明の溶融金属保持部材は、プリフォームに溶融金属を浸透させる際の前記溶融金属の温度よりも高い融点を有する材料からなると好ましい。さらには溶融金属保持部材は金属からなると好ましく、さらには鉄、鉄合金、銅、銅合金のいずれかからなるとより好ましい。
【００１８】
本発明の金属−セラミックス複合材は、上記の本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法により得られたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
上述したように、本発明の金属−セラミックス複合材及びその製造方法によれば、プリフォームを郭定するための容器や鋳型を使用することなしに、溶融金属が凝固する際の収縮を補充して複合材に生ずる気孔やボイドを抑制できる。従って、本発明の金属−セラミックス複合材は、ミクロ組織中に生じた気孔やボイドに起因して劣化する引張強さ、破壊靭性、耐圧性などの諸特性が改善する効果が期待できる。また、本発明の金属−セラミックス複合材の製造方法は、プリフォームを郭定するための容器や鋳型が不要である利点を有効に活用できるので、生産性の向上や製造コストの抑制にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の一例である溶融金属保持部材として筒状体を用いた場合に、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げた状態を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態の一例である溶融金属保持部材として中空体を用いた場合に、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げた状態を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態の一例である溶融金属保持部材として開口部を有する板状体を用いた場合に、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げた状態を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態の一例である溶融金属保持部材として網状体を用いた場合に、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げた状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る金属−セラミックス複合材及びその製造方法について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明はこの実施の形態により何ら限定されるものではない。
【００２２】
まず、本発明の特徴である溶融金属保持部材について説明する。溶融金属保持部材は、貯留、表面張力又は濡れ性により、溶融金属を保持する。より具体的には貯留にて溶融金属を保持する場合には、溶融金属保持部材は筒状、中空状の部材からなる。溶融金属中で溶融金属を浸透させたプリフォーム上に筒状、中空状の部材を載置し、溶融金属中から引上げ、溶融金属保持部材の内面側に溶融金属を保持した状態で凝固させる。筒状又は中空状の溶融金属保持部材は、その内面でプリフォーム上面の必要部位を覆うような形状であれば良い。また、筒状又は中空状の溶融金属保持部材の高さは必要とされる溶融金属を保持できる高さであれば良く、高すぎると不要な溶融金属を保持することになり、溶融金属凝固後に加工により除去する部分が多くなるため、プリフォームの厚さの５％〜６０％が好ましい。
【００２３】
また、表面張力又は濡れ性により溶融金属を保持する場合には、溶融金属保持部材は開口部を有する板状、網状の部材からなる。溶融金属中で溶融金属を浸透させたプリフォーム上に開口部を有する板状、網状の部材を載置し、溶融金属中から引上げ、プリフォームと板状、網状の部材との間や溶融金属保持部材の開口部に溶融金属を保持した状態で凝固させる。開口部を有する板状体とは、具体的には、板状体に主として厚さ方向に多数の通孔を穿ったパンチングメタルや、板状体に千鳥状に多数のスリットを入れて板状体の伸びる方向に引っ張ることにより、スリットを拡張し通孔を形成することによって得られるエクスパンドメタルが好ましい。板状又は網状の溶融金属保持部材は、プリフォーム上面の必要部位を覆うような形状であれば良い。
【００２４】
パンチングメタルは、板状体に複数個の孔が規則的に又は不規則的に互いに隔置され分散された構造である。孔の形状は円形に限られるものではなく、正方形の如き多角形であっても良い。パンチングメタルの孔径、孔間の中心間距離（ピッチ）、開口率、板厚等の形状は溶融金属保持に必要なサイズにすることが好ましい。また、孔の形状が円形である場合には、各孔の直径及び互いに隣接する孔の中心間距離はそれぞれ１〜２０ｍｍ、２〜３０ｍｍ程度であることが好ましい。
【００２５】
エクスパンドメタルの開口部のサイズ、板厚、エクスパンドメタルの高さである全板厚、開口率は、溶融金属保持に必要なサイズにすることが好ましい。特に開口率は３５％〜９５％程度であることが好ましい。金網は、その網目形状の如何を問わないが、少なくともその線径、メッシュの大きさは溶融金属保持に必要なサイズにすることが好ましい。これらの部材は、簡単に作製でき、入手が容易であり、加工性にも優れる。この際、板状部材の厚さがプリフォームの厚さの５％〜６０％であるのが好ましい。板状部材の厚さが上記範囲であれば、溶融金属が凝固した後に不要となる金属と溶融金属保持部材の削除を行うことが容易となる。
【００２６】
溶融金属保持部材は、プリフォームに溶融金属を浸透させる際の前記溶融金属の温度よりも高い融点を有する材料からなるとよい。溶融金属の温度よりも高い融点を有することにより、金属浴中に浸漬されても溶融することがなく、プリフォームを引き上げた後にも溶融金属を保持することが出来る。溶融金属保持部材が溶融金属の温度よりも低い融点を有する場合には、溶融金属に浸漬した際に溶融を開始し、プリフォームを引き上げる際まで残ることが難しく溶融金属保持部材としての機能を果たしにくい。また、溶融金属中に溶け出すことにより、溶融金属に混合し、溶融金属の組成が変わる可能性がある。溶融金属保持部材は、金属からなるとよく、さらに、鉄、鉄合金、銅、銅合金のいずれかからなると好ましい。より具体的には、鉄又は鉄合金の場合には、炭素鋼、ステンレス鋼などを用いる。また、銅又は銅合金の場合には、無酸素銅、タフピッチ銅、７０−３０黄銅などを用いる。
【００２７】
次にプリフォームの主要な構成物であり、金属−セラミックス複合材となったときの強化材であるセラミックスについて説明する。セラミックスは、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、アルミナ、シリカ、炭素、チタン酸カリウムなどからなる粒子状、繊維状、ウィスカー状などのセラミックスを用いることができる。また必要に応じて基材である金属の浸透を促進する浸透増進材として、粉末状や切粉状などにした、マグネシウム及びマグナリウム、マグネシウムシリサイドなどのマグネシウム合金、カルシウム、チタニア、ジルコニアなどを用意してもよい。さらに必要に応じてセラミックスの結合を強固なものとするためのバインダーを用意してもよい。バインダーは、コロイダルシリカ、水ガラス、アルミナゾル、エチルシリケート、リチウムシリケート、リン酸アルミニウムなどの無機バインダーを用いることができる。
【００２８】
次にプリフォームに浸透させる基材となる金属を説明する。金属は、純アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金等を用いることができる。例えば、アルミニウム合金としては、鋳造用のＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金などが使用できる。
【００２９】
以下、実際の金属−セラミックス複合材の製造方法を説明する。まず用意したセラミックスで、多孔質のプリフォームを成形する。プリフォームの成形には、従来知られた慣用の方法である加圧法、押出法、射出法、鋳込み法などの成形方法を採用できる。例えば、セラミックスにバインダーを添加して混合してスラリーとし、このスラリーを金型でプレスにより成形する方法や、スラリーを石膏型、金型、プラスチック型、アクリル型、ゴム型などの型に鋳込んで成形する方法によれば複雑形状のプリフォームを成形しやすい。またより複雑形状のプリフォームを成形するには、鋳造用鋳型として使用される砂粒子などの骨材にフェノール樹脂などの有機バインダーを被覆したレジンコーテッドサンド（ＲＣＳ）を成形、焼成してなる鋳型、所謂シェル鋳型にスラリーを充填して成形してもよい。型内で成形されたプリフォームは型からの取り出しと前後して、必要に応じて固化、冷凍、乾燥、焼成して多孔質なプリフォームとして完成する。
【００３０】
得られたプリフォームに用意した基材となる金属を非加圧浸透法で浸透させて金属−セラミックス複合材を作製する。その方法は、例えば、プリフォームを電気炉で７００〜９００℃に予熱し、一方で用意した金属を、電気溶解炉により大気雰囲気中で溶解した後、この溶融金属に、予熱したプリフォームを浸漬することにより、溶融金属がプリフォーム内のセラミックスの間にある空孔を埋めて自発的に浸透していくことで強化材のセラミックスと基材の金属とが複合化される。この後、溶融金属中でプリフォームの上に溶融金属保持部材を載置し、溶融金属を保持しつつ、溶融金属の浸透したプリフォームを溶湯から引き上げて、次いで溶融金属を凝固、冷却させることにより金属−セラミックス複合材を作製する。
【００３１】
プリフォーム内に浸透した溶融金属は、凝固する際に液体収縮や凝固収縮によってその体積が収縮する。プリフォーム内に浸透した溶融金属が収縮によって不足すると、複合材の内部に金属の存在しない気孔やボイドを生ずるが、本発明の場合には溶融金属保持部材によりプリフォーム上面に保持した溶融金属は、この体積収縮による溶融金属の不足を補充して、複合材に生ずる気孔やボイドの発生を抑制する。なお、溶融金属が浸透したプリフォームを溶湯から引き上げても、溶融金属は表面張力によりプリフォームに付着した状態を維持するので、プリフォームから滲み出したり、滴り落ちることはない。なお、複合材上の溶融金属保持部材と余分な基材となる金属は、小量なため、必要なら加工によって除去することで平滑な表面をもつ複合材が容易に得られる。
【００３２】
次に本発明の溶融金属保持部材の実施の形態について、図１〜図４を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例である溶融金属保持部材として筒状体を用いた場合に、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げた状態を示す概略図あって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）での矢視Ｘ−Ｘ断面図である。図１において、金属−セラミックス複合材１の上に、筒状の金属溶融金属保持部材２が載置され、溶融金属の貯留部１０として機能する１つの凹部４を形成する。
【００３３】
図１に示した筒状の溶融金属保持部材２は、溶融金属の浸透した金属−セラミックス複合材を溶融金属から引き上げた際に、溶融金属保持部材２によって囲繞された凹部４に収容され停留した溶融金属Ａ１と、溶融金属保持部材２の側壁に溶融金属の表面張力によって形成されたメニスカスの溶融金属Ａ２とが貯留する。貯留した溶融金属Ａ１及びＡ２は、金属−セラミックス複合材１内の溶融金属の凝固による体積収縮の不足を補充する作用を有する。
【００３４】
溶融金属保持部材２の断面形状は、矩形に限定されず、正方形、台形、三角形、半円形などであってもよい。また、溶融金属保持部材２によって囲繞された凹部４の平面視での形状は、正方形、矩形、台形、三角形、菱形、六角形などの多角形、円形、楕円形などであってよい。また、上述の各種の形状からなる凹部を組み合わせたものであってもよい。要するに溶融金属保持部材２によって形成する凹部４は、湯溜部１０として溶融金属を収容できる機能を有すればよく、その形状、数、寸法は適宜設定することができる。また、溶融金属保持部材の底面とプリフォーム上面との密着性については、多少の隙間が形成されても、間に溶融金属があるために、保持されている溶融金属が隙間から漏洩することは起こりにくい。
【００３５】
図２は、本発明の実施の形態の一例である溶融金属保持部材として中空状体を持いた場合に、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げた状態を示す概略図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）での矢視Ｘ−Ｘ断面図である。図２において、金属−セラミックス複合材１の上に、中空状の溶融金属保持部材２が載置され、略矩形の筒状２ａと、本体部２と一体にその中央部に開口部を有するふた部２ｂとからなり、筒状部２ａとふた部２ｂとの間に溶融金属の貯留部１０として機能する凹部４を有するとともに、開口部２ｃを有する。
【００３６】
図２に示した溶融金属保持部材１の湯溜部１０には、溶融金属の浸透した金属−セラミックス複合材１を溶融金属から引き上げた際に、溶融金属保持部材の筒状部２ａ及びふた部２ｂによって囲繞された凹部４に収容され停留した溶融金属Ａ１と、溶融金属保持部材２のふた部２ｂの開口部２ｃの側壁に溶融金属の表面張力によって形成されたメニスカスの溶融金属Ａ２とが貯留する。貯留した溶融金属Ａ１及びＡ２は、金属−セラミックス複合材１内の溶融金属の凝固による体積収縮の不足を補充する作用を有する。
【００３７】
図３は、本発明の実施の形態の別の一例である溶融金属保持部材として開口部を有する板状の場合に、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げた状態を示す概略図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）での矢視Ｘ−Ｘ断面図である。図３において、金属−セラミックス複合材１の上に、開口部２ｃを有する板状の溶融金属保持部２が載置される。溶融金属保持部２は例えば直径５ｍｍの開口部２ｃを１０平方ｃｍあたり１８個有し、開口率３５．３％であるパンチングメタルからなる略矩形の平板状からなり、金属−セラミックス複合材１と溶融金属保持部２の間に湯溜部５、溶融金属保持部材の開口部２ｃ側面に湯溜部１０として機能する複数の凹部４を有する。
【００３８】
図３に示した溶融金属保持部材２を上面に載置した溶融金属の浸透したプリフォーム１を溶融金属から引き上げた際に、金属−セラミックス複合材１と溶融金属保持部材２の間に湯溜部５により溶融金属を保持することが出来るとともに、溶融金属保持部材の開口部２ｃに溶融金属Ａ１を保持することが出来る。さらに開口部２ｃの側壁に溶融金属の表面張力によって形成されたメニスカスの溶融金属Ａ２が貯留する。貯留した溶融金属Ａ１及びＡ２は、プリフォーム１内の溶融金属の凝固による体積収縮の不足を補充する作用を有する。
【００３９】
開口部２ｃの形状は円柱状に限定されず、三角柱状、正四角柱状、六角形等の多角柱状、多角錐状、円錐状、ドーム状などであってもよい。要するに溶融金属保持部材２に形成する開口部２ｃは、湯溜部１０として溶融金属を貯留できる機能を有すればよく、その形状、数、寸法は適宜設定することができる。
【００４０】
図４は、本発明の実施の形態の別の一例である溶融金属保持部材として金網の場合に、溶融金属を浸透させたプリフォームを溶融金属から引き上げた状態を示す概略模式図あって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）での矢視Ｘ−Ｘ断面図である。図４において、金属−セラミックス複合材１の上に、溶融金属保持部２が載置される。溶融金属保持部２は、金網からなり、湯溜部１０として機能する複数の凹部４を有する。溶融金属保持部材１は、例えば直径１ｍｍのワイヤを用い、ピッチ１０ｍｍである金網からなり、湯溜部１０として機能する複数の孔部４を有する。
【００４１】
図４に示した溶融金属保持部材２を上面に載置した金属−セラミックス複合材１を溶融金属から引き上げた際に、溶融金属保持部材２の開口部２ｃに溶融金属Ａ１を保持することが出来る。さらに開口部２ｃの側壁に溶融金属の表面張力によって形成されたメニスカスの溶融金属Ａ２が貯留する。貯留した溶融金属Ａ１及びＡ２は、金属−セラミックス複合材１内の溶融金属の凝固による体積収縮の不足を補充する作用を有する。
【００４２】
金網は、その網目形状の如何を問わないが、少なくともその線径、メッシュの大きさは溶融金属保持に必要なサイズにすることが好ましい。要するに溶融金属保持部材２は、湯溜部１０として溶融金属のメニスカスを貯留できる機能を有すればよく、その形状、数、寸法は適宜設定することができる。
【００４３】
上記のとおり溶融金属保持部材２は、金属−セラミックス複合材１内の溶融金属が凝固する際に生ずる体積収縮による溶融金属の不足を、何ら特別な補充手段を用いることなく、いわば自己補給によって補充することが可能となる。以上の方法で複合材を作製すれば、非加圧浸透法において、プリフォームを郭定するための容器や鋳型を使用することなしに、しかもプリフォームに金属を浸透させた後に溶融金属が浸透したプリフォームを溶融金属から引き上げる方法であっても、複合材に生ずる気孔やボイドを抑制した金属−セラミックス複合材を得ることができる。
【実施例】
【００４４】
本発明を以下の実施例１〜３により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
【００４５】
（実施例１）
プリフォームを成形するために、セラミックスとして平均粒子径１５０μｍの炭化珪素粉末１００部と、無機バインダーとして水ガラス３ｃｃとを混合し、約２分攪拌して、スラリーを得た。次に実施の形態で図１に示した金属−セラミックス複合材１の形状を反転転写したキャビティを画成した成形型（図示せず）に、得られたスラリーを充填した後、炭酸ガスを１５秒間通気してスラリーを固化させた。固化したスラリーを、成形型から取り出した後、焼成炉に入れて、大気雰囲気８００℃で２時間焼成した後、常温まで冷却して所望形状のプリフォームを成形した。本実施例において、プリフォームは、長辺３０ｍｍ×短辺２０ｍｍ×厚さ５ｍｍの平板状からなる。
【００４６】
成形したプリフォームを使用して、基材の金属をアルミニウム合金として、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。プリフォームを７３０℃に予熱し、一方で、電気溶解炉でアルミニウム合金（Ａｌ−１２％Ｓｉ−３％Ｍｇ）を溶解し、重量２０ｋｇ、温度７５０℃の溶融金属を溶製した。予熱したプリフォームを大気雰囲気、大気圧下で前記アルミニウム合金の溶融金属に浸漬し、１．５時間保持した。その後、金属−セラミックス複合材１の上に、炭素鋼（ＳＳ４００）製の長辺３０ｍｍ×短辺２０ｍｍで幅３ｍｍ、高さ３ｍｍの溶融金属保持部材２を載置した後に、金属−セラミックス複合材１を電気溶解炉から取り出し、凝固、冷却させた。このようにしてアルミニウム合金の基材が炭化珪素で強化された、アルミニウム−セラミックス複合材が得られた。なお、金属−セラミックス複合材を電気溶解炉から取り出す際は、金属−セラミックス複合材に溶融金属保持部を載置した方を上方として、湯溜部１０に溶融アルミニウム合金を貯留しつつ、溶融金属から引き上げた。
【００４７】
得られたアルミニウム−セラミックス複合材の気孔やボイドの発生状況を調べるため、透過Ｘ線撮影装置を用い、複合材を現像板上に平板状の本体部２が水平となるように置き、上方から管電圧１１０ｋＶ、照射時間１０秒の条件でＸ線を照射して透過Ｘ線写真を撮影した。透過Ｘ線写真による観察の結果、実施例１のアルミニウム−セラミックス複合材には、気孔やボイドは検出されなかった。
【００４８】
（実施例２）
溶融金属保持部材２を実施の形態で図２に示した中空状体とした以外は、実施例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。本実施例において、溶融金属保持部材２は、炭素鋼（ＳＳ４００）製の筒状部２ａ部は長辺３０ｍｍ×短辺２０ｍｍで幅３ｍｍ、高さ３ｍｍ、ふた部２ｂは長辺３０ｍｍ×短辺２０ｍｍ、厚さ３ｍｍで中央に５ｍｍ×５ｍｍの開口部２ｃを有していた。この溶融金属保持部材２を用いて、実施例１と同様の方法により、アルミニウム合金の基材が炭化珪素で強化された、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。なお、金属−セラミックス複合材を電気溶解炉から取り出す際は、溶融金属保持部材２を載置した面を上方として、湯溜部１０に溶融アルミニウム合金を貯留しつつ、溶融金属から引き上げた後、溶融アルミニウム合金を凝固、冷却させた。得られた複合材について、実施例１と同様に気孔やボイドの発生状況を透過Ｘ線写真により観察した結果、実施例２のアルミニウム−セラミックス複合材には、気孔やボイドは検出されなかった。
【００４９】
（実施例３）
溶融金属保持部材として実施の形態で図３に示した開口部を有する板状体とした以外は、実施例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。本実施例において、溶融金属保持部材２は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼製で厚さ２ｍｍ、直径５ｍｍの開口部２ｃを１０平方ｃｍあたり１８個有し、開口率３５．３％であるパンチングメタルからなる略矩形の平板状である。この溶融金属保持部材２を用いて、実施例１と同様の方法により、アルミニウム合金の基材が炭化珪素で強化された、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。なお、金属−セラミックス複合材を電気溶解炉から取り出す際は、溶融金属保持部材２を載置した面を上方として、湯溜部１０に溶融アルミニウム合金を貯留しつつ、溶融金属から引き上げた後、溶融アルミニウム合金を凝固、冷却させた。得られた複合材について、実施例１と同様に気孔やボイドの発生状況を透過Ｘ線写真により観察した結果、実施例３のアルミニウム−セラミックス複合材には、気孔やボイドは検出されなかった。
【００５０】
（実施例４）
溶融金属保持部材２を実施の形態で図４に示した金網とした以外は、実施例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。本実施例において、溶融金属保持部材２は、タフピッチ銅（ＪＩＳ  Ｈ３１００  Ｃ１１００）製で直径１ｍｍのワイヤを用い、ピッチ１０ｍｍである金網からなる。この溶融金属保持部材２を用いて、実施例１と同様の方法により、アルミニウム合金の基材が炭化珪素で強化された、アルミニウム−セラミックス複合材を製造した。なお、金属−セラミックス複合材を電気溶解炉から取り出す際は、溶融金属保持部材２を載置した面を上方として、湯溜部１０に溶融アルミニウム合金を貯留しつつ、溶融金属から引き上げた後、溶融アルミニウム合金を凝固、冷却させた。得られた複合材について、実施例１と同様に気孔やボイドの発生状況を透過Ｘ線写真により観察した結果、実施例４のアルミニウム−セラミックス複合材には、気孔やボイドは検出されなかった。
【００５１】
（比較例１）
比較のため、溶融金属保持部材を用いない以外は実施例１と同じ方法にて、金属−セラミックス複合材を製造した。なお、金属−セラミックス複合体を電気溶解炉から取り出す際は、金属−セラミックス複合体の板面を上向きにして、略鉛直方向に溶融金属から引き上げた後、溶融アルミニウム合金を凝固、冷却させた。得られた複合材について、実施例１と同様に気孔やボイドの発生状況を透過Ｘ線写真により観察した。その結果、比較例１のアルミニウム−セラミックス複合材には、気孔やボイドが検出された。撮像した透過Ｘ線写真から目視により気孔やボイドの存在する領域をトレースした後、画像解析装置を用いて画像処理し、気孔やボイドの存在する領域の投影面積を測定し、その面積を平板状の複合材の水平方向の全投影面積で割り、空隙面積率（％）として求めた。空隙面積率が小さいほど複合材として優れているのは言うまでもない。比較例１の空隙面積率は１５％であった。
【符号の説明】
【００５２】
１：金属−セラミックス複合材
２：溶融金属保持部材
２ａ：板面
２ｂ：ふた部
２ｃ：開口部
４：凹部
５：湯溜部
１０：湯溜部
【図１】
2014077154.tif 000003
【図２】
2014077154.tif 000004
【図３】
2014077154.tif 000005
【図４】
2014077154.tif 000006