(57)【要約】【課題】  部材全体に亘り高い熱伝導性を有する金属基複合部材を提供する。【解決手段】  高熱伝導性金属基複合部材１は，三次元網目構造を有するセラミック成形体２と，そのセラミック成形体２に充填された金属マトリックス３とよりなる。セラミック成形体２は，最密充填形式で配列する複数の球状セル４と，相隣る両球状セル４間の隔壁５に存する複数の連通孔６とを有する。セラミック成形体２の熱伝導率Ｋｃと金属マトリックス３の熱伝導率Ｋｍとの間にＫｃ＞Ｋｍの関係が成立する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元網目構造を有するセラミック成形体（２）と，そのセラミック成形体（２）に充填された金属マトリックス（３）とよりなり，前記セラミック成形体（２）は，最密充填形式で配列する複数の球状セル（４）と，相隣る両球状セル（４）間の隔壁（５）に存する複数の連通孔（６）とを有し，前記セラミック成形体（２）の熱伝導率Ｋｃと前記金属マトリックス（３）の熱伝導率Ｋｍとの間にＫｃ＞Ｋｍの関係が成立することを特徴とする高熱伝導性金属基複合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高熱伝導性金属基複合部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来，この種の部材としては粒子分散金属基複合部材および繊維分散金属基複合部材が知られている。前者の場合は，その熱伝導性に関する方向性が小さい，といった利点がある反面，熱伝導率の高い複数の粒子が，それらの粒子よりも熱伝導率の低いマトリックスに分散している状態にあって，熱は，熱伝導率の低いマトリックスを流れると共に粒子とマトリックスの界面を伝達する必要があるため，部材全体における熱伝導性向上度合いが低い，という問題があった。一方，後者の場合は，繊維の配向方向に関する熱伝導性は高いものの，配向方向以外の熱伝導性は低いという異方性が存在する。このような異方性については，繊維配向をランダムにすることで低減可能であるが，熱の流れ方向に配向する繊維の量が減少するため，部材全体における熱伝導性向上度合いが低い，という問題があった。
【０００３】
ところで，耐摩耗性の向上を狙って，三次元網目構造を有するセラミック成形体と，そのセラミック成形体に充填された金属マトリックスとよりなる金属基複合部材が開発されている（例えば，特許文献１参照）。そこで，セラミック成形体を高い熱伝導率を有する材料を用いて成形し，部材全体に熱伝導率の高い伝熱路を張巡らせれば，部材全体における熱の流れを向上させ，熱伝導性に関する方向性の緩和を期待することができる。
【特許文献１】特開平６−１７０５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら，従来のセラミック成形体は，そのセルの大きさおよびセルの分布状態が不均一であるため，金属基複合部材内部において部分的な熱の流れが大きく異なり，部材全体の熱伝導性向上度合いが低い，という問題を生じるおそれがあった。
【０００５】
本発明は，セラミック成形体の構造を改善することにより，部分的な熱の流れを均一にすることで，部材全体に亘り高い熱伝導性を有する金属基複合部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため本発明によれば，三次元網目構造を有するセラミック成形体とそのセラミック成形体に充填された金属マトリックスとよりなり，前記セラミック成形体は，最密充填形式で配列する複数の球状セルと，相隣る両球状セル間の隔壁に存する複数の連通孔とを有し，前記セラミック成形体の熱伝導率Ｋｃと前記金属マトリックスの熱伝導率Ｋｍとの間にＫｃ＞Ｋｍの関係が成立する高熱伝導性金属基複合部材が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
前記のように構成すると，セラミック成形体における球状セルの大きさおよびその分布状態の均一性を高めて，部材全体に亘り熱伝導率の高い伝熱路をバランスよく張巡らせることができ，これにより，低体積分率Ｖｆにて，高い熱伝導性を有する金属基複合部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１，２において，短柱状をなす高熱伝導性金属基複合部材１は，三次元網目構造を有するセラミック成形体２と，そのセラミック成形体２に充填された金属マトリックス３とよりなる。図３，４において，セラミック成形体２は直方体状をなし，最密充填形式で配列する複数の球状セル４と，相隣る両球状セル４間の隔壁５に存する複数の連通孔６とを有する。
【０００９】
連通孔６の内径のメジアンＭｄは，金属マトリックス３を構成する溶湯の加圧充填を許容し得るようにＭｄ≧１μｍに設定される。またセラミック成形体２内部の熱の流れから球状セル４の内径のメジアンＭD と連通孔６の内径のメジアンＭｄとの比Ｍｄ／ＭD はＭｄ／ＭD ＜０．５に設定される。ただし，比Ｍｄ／ＭD ≧０．５では隔壁５の量が少なくなるため，部材１全体の熱伝導性が低下する。球状セル４の内径のメジアンＭD は３Ｄ  ＣＴ解析により，また連通孔６の内径のメジアンＭｄは水銀圧入法によりそれぞれ求められる。
【００１０】
金属マトリックス２の構成材料としては，Ａｌ，Ａｌ合金，Ｍｇ，Ｍｇ合金，Ｓｉ，Ｓｉ合金等が用いられる。セラミック成形体２の構成材料としては，高い熱伝導率を有するＳｉＣ，ＡｌＮ等が用いられる。この場合，セラミック成形体２の熱伝導率Ｋｃと金属マトリックス３の熱伝導率Ｋｍとの間にはＫｃ＞Ｋｍの関係を成立させる。
【００１１】
金属マトリックス３およびセラミック成形体２の構成材料例に関する熱伝導率Ｋｍ，Ｋｃは表１の通りである。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
セラミック成形体２の製造に当っては，図５に示すごとく，次のような諸工程が用いられる。
【００１４】
（ａ）工程：球状セル４を形成すべく，所定のメジアン直径を有する球状合成樹脂粒子７の集合体と，それら合成樹脂粒子７よりも小径で，且つ所定のメジアン直径を有するセラミック粒子８の集合体とを用意する。
【００１５】
（ｂ）工程：両集合体を被覆処理機に投入して合成樹脂粒子７の表面にセラミック粒子８を密に付着させた被覆粒子９の集合体を得る。
【００１６】
（ｃ）工程：被覆粒子９の集合体を型に入れて最密充填処理を行う。
【００１７】
（ｄ）工程：型内に，例えば，セラミック粒子８と同一材質のセラミックスを含むセラミックスラリを注入して集合体の隙間に充填する。
【００１８】
（ｅ）工程：セラミックスラリを乾燥した後，そのセラミックス１０と被覆粒子９の集合体とよりなる付形物１１を離型する。
【００１９】
（ｆ）工程：付形物１１を所定の雰囲気の焼結炉内に設置して，所定の炉内圧下，所定の昇温速度にて炉内を，合成樹脂粒子７を熱分解し得る加熱温度まで上昇させ，その加熱温度を所定時間維持する。これにより合成樹脂粒子７が熱分解して，球状セル４が形成されると共に相隣る両球状セル４間に在って複数のセラミック粒子８およびセラミックス１０よりなる隔壁形成部５ａに，熱分解ガスが抜ける際の圧力で複数の連通孔６が形成される。
【００２０】
（ｇ）工程：炉内をセラミック粒子８を焼結し得る温度まで上昇させて，その焼結温度を所定時間維持する。これにより三次元網目構造を有するセラミック成形体２を得る。
【００２１】
前記製造方法において，球状セル４の内径およびその均一化は合成樹脂粒子７のメジアン直径に依存し，また球状セル４の分布状態の均一化は前記（ｃ）工程の最密充填処理を行うことによって達成される。さらに連通孔６の内径は前記（ｆ）工程における炉内雰囲気，昇温速度，炉内圧，セラミックスラリの粘度（セラミックス１０の濃度）等によって制御される。例えば，合成樹脂粒子７のメジアン直径を所定値に設定し，また前記昇温速度を制御することによって，両メジアンＭｄ，ＭD の比Ｍｄ／ＭD をＭｄ／ＭD ＜０．５に収めることができる。
【００２２】
以下，具体例について説明する。
【００２３】
〔Ｉ〕セラミック成形体の製造
前記（ａ）〜（ｇ）工程を以下に述べる条件にて行い，縦２０mm，横２０mm，長さ２００mmの直方体状セラミック成形体を得た。
【００２４】
（ａ）工程…球状合成樹脂粒子の集合体：メジアン直径が９０μｍのＰＭＭＡ粒子の集合体（綜研化学社製，商品名ＭＲ−９０Ｇ）；セラミック粒子の集合体：メジアン直径が０．５μｍのＳｉＣ粒子の集合体（屋久島電工社製，商品名ＯＹ−２０）．
（ｂ）工程…合成樹脂粒子の集合体（Ｗ1 ）とセラミック粒子の集合体（Ｗ2 ）との配合重量比：Ｗ1 ／Ｗ2 ＝１／１；被覆処理機：ホソカワミクロン社製，商品名ＡＭ−１５Ｆ（特開２００３−１６０３３０号公報参照），回転速度１０００rpm ，処理時間０．５ｈ，インナーピース距離１mm．
（ｃ）工程：型の寸法および構造：縦２０mm，横２０mm，深さ１００mmの凹部を有する２つのＰＴＦＥ製ブロックを対向して配置し，縦２０mm，横２０mm，長さ２００mmのキャビティを有するものを型とした；減圧濾過による最密充填処理：複数の吸引孔を有する一方のブロックの底面に，０．７μｍの連通孔を持つガラス繊維製濾材を敷き，次いで他方のブロックの開口からキャビティ内に被覆粒子を投入し，その後，一方のブロックの吸引孔を介してキャビティ内を減圧した。
【００２５】
（ｄ）工程…セラミックスラリ：ＳｉＣスラリ
（ｅ）工程…１次乾燥処理：２０℃，２０ｈ；２次乾燥処理：９０℃，１ｈ．
（ｆ）工程…炉内雰囲気：大気；炉内圧：０．１ＭＰａ；昇温速度：１０℃／ｈ；加熱温度：５００℃，１ｈ．
（ｇ）工程…焼結温度：２０００℃；焼結時間：３ｈ．
このようにして得られたセラミック成形体２は三次元網目構造を有するもので，複数の球状セル４は最密充填形式で配列していて，その内径のメジアンＭD はＭD ＝８０μｍであり，また連通孔６の内径のメジアンＭｄはＭｄ＝１６μｍであり，よって，両メジアンＭｄ，ＭD の比Ｍｄ／ＭD はＭｄ／ＭD ＝０．２であった。
【００２６】
〔II〕金属基複合部材の製造
セラミック成形体２を金型のキャビティに設置し，次いで６８０℃のＡｌ合金（ＪＩＳ  ＡＤＣ１２）の溶湯を用い，射出速度０．２ｍ／ｓ，鋳造圧力７５ＭＰａの条件で低速層流ダイカスト法を行って，縦２０mm，横３０mm，長さ４０mmで，且つセラミック成形体２の体積分率ＶｆがＶｆ＝３０％の金属基複合部材１を得た。この部材１を実施例とした。
【００２７】
比較のため前記セラミック成形体と同一材質で同一寸法のＭＭＩ社製発泡セラミック成形体を用いて前記と同様の方法で金属基複合部材を製造し，これを比較例１とした。また粒径のメジアンが１５μｍであるＳｉＣ粒子を均一に分散させた金属基複合部材を製造し，これを比較例２とした。さらに球状セルの内径のメジアンＭD がＭD ＝１００μｍであり，また連通孔の内径のメジアンＭｄがＭｄ＝５０μｍであって，両メジアンＭｄ，ＭD の比Ｍｄ／ＭD がＭｄ／ＭD ＝０．５であること以外は実施例と同様の金属基複合部材を製造し，これを比較例３とした。
【００２８】
実施例および比較例１〜３より直径１０mm，厚さ２mmの試験片を作製し，それらについて，レーザフラッシュ法熱伝導率測定装置（アルバック理工社製，型式ＴＣ−７０００）を使用して熱伝導率を測定した。
【００２９】
表２は実施例および比較例１〜３に関する諸データを示す。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
表２より，実施例は，高伝熱材が網目状に連結されているため（連続性有り）熱伝導について等方性を持ち，また球状セルの分布が均一であり，その上，メジアンＭｄ≧１μｍであると共にＭｄ／ＭD がＭｄ／ＭD ＜０．５であることから高い熱伝導性を有することが判る。比較例１は前記連続性はあるが，球状セルのサイズが不均一なため，等方性は中程度であり，また球状セルの分布も不均一であるため，実施例に比べて熱伝導性が低くなっている。さらに比較例２は熱伝導についての等方性および高伝熱材の均一性はあるものの前記連続性が無いため，実施例に比べて熱伝導率が低くなっている。
【００３２】
図６は，実施例および比較例１に関する，テンプレート法による球状セルの内径と，その存在確率との関係を示す。実施例では，球状セルの内径のバラツキ範囲が３０〜１１０μｍであるのに対し，比較例１のそれは４０〜３４０μｍと広範囲である。よって，球状セルの内径の均一性は実施例の方が比較例１に比べて高いことが解る。
【００３３】
高熱伝導性金属基複合部材としては，エンジンのシリンダブロックにおいて，シリンダボア回り，シリンダヘッドガスケット面等から選択される１箇所以上を強化したもの，シリンダヘッドにおいて，燃焼室周り，バルブシート圧入部，バルブガイド圧入部等から選択される１箇所以上を強化したもの，ピストンにおいて，その頂部，リング溝周り等から選択される１箇所以上を強化したもの，各種機器において，強度と冷却性を要求される部位を持ち，そこを強化したもの等を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】金属基複合部材の斜視図である。
【図２】金属基複合部材の要部拡大断面図である。
【図３】セラミック成形体の斜視図である。
【図４】セラミック成形体の要部拡大断面図である。
【図５】セラミック成形体の製造工程説明図である。
【図６】球状セルの内径とその存在確率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１……金属基複合部材
２……セラミック成形体
３……金属マトリックス
４……球状セル
５……隔壁
６……連通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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