(57)【要約】【課題】低コスト化を図ると共に適切な強度を確保することができる複合多孔質プリフォーム及びそれを用いた複合材料及びそれらの製造方法を提供する。【解決手段】複合多孔質プリフォームは、金属粉末を焼結した多孔質体からなる基部と、強化材単体又は該強化材と前記金属粉末との混合物を焼結した多孔質体からなり前記基部と一体化して前記基部を強化した強化部と、からなることを特徴とする。すなわち、複合多孔質プリフォームのうちの一部分に強化材が含まれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末を焼結した多孔質体からなる基部と、強化材単体又は該強化材と前記金属粉末との混合物を焼結した多孔質体からなり前記基部と一体化して前記基部を強化した強化部と、からなることを特徴とする複合多孔質プリフォーム。
【請求項２】
前記金属粉末のうち少なくとも前記混合物に含まれる前記金属粉末は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末との混合物からなり、
前記強化部は、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合していることを特徴とする請求項１記載の複合多孔質プリフォーム。
【請求項３】
前記強化部は、前記強化材の体積率が所定方向に向かって傾斜的に変化していることを特徴とする請求項１記載の複合多孔質プリフォーム。
【請求項４】
前記強化部は、切削加工を施さない部位に用いられることを特徴とする請求項１記載の複合多孔質プリフォーム。
【請求項５】
前記基部は腐食環境側に配設される部位に用いられ、前記強化部は腐食環境側に配設されない部位に用いられることを特徴とする請求項１記載の複合多孔質プリフォーム。
【請求項６】
前記基部と前記強化部とは、所定方向に交互に積層されることを特徴とする請求項１記載の複合多孔質プリフォーム。
【請求項７】
主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末と強化材とからなる混合物を焼結して、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合して多孔質体を形成していることを特徴とする複合多孔質プリフォーム。
【請求項８】
前記副金属粉末は、前記主金属粉末に対して体積率１〜２０％であることを特徴とする請求項２又は７に記載の複合多孔質プリフォーム。
【請求項９】
前記主金属粉末は鉄であり、前記副金属粉末は銅であることを特徴とする請求項２又は７に記載の複合多孔質プリフォーム。
【請求項１０】
金属粉末を焼結した多孔質体からなる基部と、強化材単体又は該強化材と前記金属粉末との混合物を焼結した多孔質体からなり前記基部と一体化して前記基部を強化した強化部と、からなる複合多孔質プリフォームと、
前記複合多孔質プリフォームに含浸されるマトリックスと、
からなることを特徴とする複合材料。
【請求項１１】
前記金属粉末のうち少なくとも前記混合物に含まれる前記金属粉末は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末との混合物からなり、
前記強化部は、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合し、
前記マトリックスは、前記副金属粉末の融点より低い融点を持つ材料であることを特徴とする請求項１０記載の複合材料。
【請求項１２】
主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末と強化材とからなる混合物を焼結して、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合して多孔質体を形成する複合多孔質プリフォームと、
前記副金属粉末より低い融点を持ち前記複合多孔質プリフォームに含浸されるマトリックスと、
からなることを特徴とする複合材料。
【請求項１３】
金属粉末を成形型に充填する基部充填工程と、
強化材単体又は該強化材と前記金属粉末との混合物を前記成形型に充填する強化部充填工程と、
前記成形型に充填された前記金属粉末及び前記混合物を加圧成形して一体化された粉末成形体とする加圧成形工程と、
前記粉末成形体を焼結して多孔質体を形成した複合多孔質プリフォームとする焼結工程と、
からなることを特徴とする複合多孔質プリフォームの製造方法。
【請求項１４】
前記金属粉末のうち少なくとも前記混合物に含まれる前記金属粉末は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末との混合物からなり、
前記焼結工程は、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合させることを特徴とする請求項１３記載の複合多孔質プリフォームの製造方法。
【請求項１５】
主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末と強化材とからなる混合物を成形型に充填する充填工程と、
前記成形型に充填された前記混合物を加圧成形して粉末成形体とする加圧成形工程と、
前記粉末成形体を焼結して、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合して多孔質体を形成した複合多孔質プリフォームとする焼結工程と、
からなることを特徴とする複合多孔質プリフォームの製造方法。
【請求項１６】
金属粉末を成形型に充填する基部充填工程と、
強化材単体又は該強化材と前記金属粉末との混合物を前記成形型に充填する強化部充填工程と、
前記成形型に充填された前記金属粉末及び前記混合物を加圧成形して一体化された粉末成形体とする加圧成形工程と、
前記粉末成形体を焼結して多孔質体を形成した複合多孔質プリフォームとする焼結工程と、
前記複合多孔質プリフォームにマトリックスを含浸して複合材料とする含浸工程と、
からなることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項１７】
前記金属粉末のうち少なくとも前記混合物に含まれる前記金属粉末は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末との混合物からなり、
前記焼結工程は、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合し、
前記マトリックスは、前記副金属粉末の融点より低い融点を持つ材料であることを特徴とする請求項１６記載の複合材料の製造方法。
【請求項１８】
主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末と強化材とからなる混合物を成形型に充填する充填工程と、
前記成形型に充填された前記混合物を加圧成形して粉末成形体とする加圧成形工程と、
前記粉末成形体を焼結して、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合して多孔質体を形成した複合多孔質プリフォームとする焼結工程と、
前記副金属粉末より低い融点からなるマトリックスを前記複合多孔質プリフォームに含浸して複合材料とする含浸工程と、
からなることを特徴とする複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合多孔質プリフォーム、それを用いた複合材料、複合多孔質プリフォームの製造方法、及び複合材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料の軽量化及び高強度化の要請に伴い、例えば特許第３１８３８０４号公報に開示されているように、鉄等の金属粉末とセラミックス等の強化材との混合物を焼結させた複合多孔質プリフォームに、アルミニウム等のマトリックスを含浸して成形された複合材料が用いられている。
【特許文献１】特許第３１８３８０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許第３１８３８０４号公報に開示された複合材料の複合多孔質プリフォームは、セラミックスなどの強化材が全体に含有している。このように強化材を全体に用いることにより複合材料全体の強度を向上させることができるが、セラミックスなどの強化材は非常に高価な材料であるので、強化材を用いることは複合材料の高コスト化を招来することになる。
【０００４】
また、複合材料全体が均一な強度を必要としない場合も少なくない。この場合に、複合材料全体を高い強度が必要な部分の強度に合わせると、高強度の不要な部分についても高強度となり、高コスト化につながる。
【０００５】
一方、複合材料のさらなる高強度化の要請もある。しかし、従来の複合材料では強度を上げるために強化材の体積率を増加させると上述したように高コスト化を招来するという問題が生じる。さらに、従来の複合材料は、特に複合多孔質プリフォームにマトリックスを含浸する際に、強化材が偏析したり流出したりして、適切な強度を確保することができない場合があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、低コスト化を図ると共に適切な強度を確保することができる複合多孔質プリフォーム及びそれを用いた複合材料及びそれらの製造方法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】
【０００７】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、部分的により高い強度が必要な複合材料にはその部分に強化材を用いて部分的に強化することを思いつき、本発明を完成するに至った。また、複合材料の強化作用を有する材料として、強化材に加えて主金属より低融点の副金属を用いることを思いつき、本発明を完成するに至った。
【０００８】
（複合多孔質プリフォーム）
すなわち、本発明の第１の複合多孔質プリフォームは、金属粉末を焼結した多孔質体からなる基部と、強化材単体又は該強化材と前記金属粉末との混合物を焼結した多孔質体からなり前記基部と一体化して前記基部を強化した強化部と、からなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の複合多孔質プリフォームは、前記第１の複合多孔質プリフォームの前記金属粉末のうち少なくとも前記混合物に含まれる前記金属粉末は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末との混合物からなり、前記強化部は、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合していることを特徴とする。
【００１０】
ここで、強化部が強化材と金属粉末により形成されている場合には、強化部を形成する金属粉末のみが主金属粉末及び副金属粉末の混合物からなるか、若しくは、強化部を形成する金属粉末及び基部を形成する金属粉末が主金属粉末及び副金属粉末の混合物からなる。また、強化部が強化材単体により形成されている場合には、基部を形成する金属粉末が主金属粉末及び副金属粉末の混合物からなる。
【００１１】
本発明の第３の複合多孔質プリフォームは、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末と強化材とからなる混合物を焼結して、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合して多孔質体を形成していることを特徴とする。
【００１２】
（複合材料）
また、本発明は、上記の複合多孔質プリフォームを用いた複合材料としてもよい。すなわち、本発明の第１の複合材料は、金属粉末を焼結した多孔質体からなる基部と、強化材単体又は該強化材と前記金属粉末との混合物を焼結した多孔質体からなり前記基部と一体化して前記基部を強化した強化部と、からなる複合多孔質プリフォームと、前記複合多孔質プリフォームに含浸されるマトリックスと、からなることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の複合材料は、前記第１の複合材料の前記金属粉末のうち少なくとも前記混合物に含まれる前記金属粉末は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末との混合物からなり、前記強化部は、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合し、前記マトリックスは、前記副金属粉末の融点より低い融点を持つ材料であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３の複合材料は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末と強化材とからなる混合物を焼結して、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合して多孔質体を形成する複合多孔質プリフォームと、前記副金属粉末より低い融点を持ち前記複合多孔質プリフォームに含浸されるマトリックスと、からなることを特徴とする。
【００１５】
（複合多孔質プリフォームの製造方法）
また、本発明は、上記の複合多孔質プリフォームの製造方法としても把握することができる。すなわち、本発明の第１の複合多孔質プリフォームの製造方法は、金属粉末を成形型に充填する基部充填工程と、強化材単体又は該強化材と前記金属粉末との混合物を前記成形型に充填する強化部充填工程と、前記成形型に充填された前記金属粉末及び前記混合物を加圧成形して一体化された粉末成形体とする加圧成形工程と、前記粉末成形体を焼結して多孔質体を形成した複合多孔質プリフォームとする焼結工程と、からなることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第２の複合多孔質プリフォームの製造方法は、前記金属粉末のうち少なくとも前記混合物に含まれる前記金属粉末は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末との混合物からなり、前記焼結工程は、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合させることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第３の複合多孔質プリフォームの製造方法は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末と強化材とからなる混合物を成形型に充填する充填工程と、前記成形型に充填された前記混合物を加圧成形して粉末成形体とする加圧成形工程と、前記粉末成形体を焼結して、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合して多孔質体を形成した複合多孔質プリフォームとする焼結工程と、からなることを特徴とする。
【００１８】
（複合材料の製造方法）
また、本発明は、上記の複合材料の製造方法としても把握することができる。すなわち、本発明の第１の複合材料の製造方法は、金属粉末を成形型に充填する基部充填工程と、強化材単体又は該強化材と前記金属粉末との混合物を前記成形型に充填する強化部充填工程と、前記成形型に充填された前記金属粉末及び前記混合物を加圧成形して一体化された粉末成形体とする加圧成形工程と、前記粉末成形体を焼結して多孔質体を形成した複合多孔質プリフォームとする焼結工程と、前記複合多孔質プリフォームにマトリックスを含浸して複合材料とする含浸工程と、からなることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第２の複合材料の製造方法は、前記金属粉末のうち少なくとも前記混合物に含まれる前記金属粉末は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末との混合物からなり、前記焼結工程は、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合し、前記マトリックスは、前記副金属粉末の融点より低い融点を持つ材料であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第３の複合材料の製造方法は、主金属粉末と前記主金属粉末より少ない体積率からなり前記主金属粉末より融点の低い副金属粉末と強化材とからなる混合物を成形型に充填する充填工程と、前記成形型に充填された前記混合物を加圧成形して粉末成形体とする加圧成形工程と、前記粉末成形体を焼結して、前記強化材と前記主金属粉末が焼結した主金属とが前記副金属粉末が焼結した副金属を介して接合して多孔質体を形成した複合多孔質プリフォームとする焼結工程と、前記副金属粉末より低い融点からなるマトリックスを前記複合多孔質プリフォームに含浸して複合材料とする含浸工程と、からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の第１の複合多孔質プリフォームによれば、強化部にのみ強化材が含まれており、基部には強化材が含まれていない。そして、強化部をより高い強度が必要な部分とし、複合多孔質プリフォーム全体の強度を適切に高めることができる。すなわち、複合多孔質プリフォームの部位毎の必要な強度に応じて、基部と強化部とを適宜配設することができる。これにより、高価な強化材を複合多孔質プリフォームの必要な部分のみに用いることにより、低コスト化を図ることができる。
【００２２】
本発明の第２の複合多孔質プリフォームによれば、強化部が強化材と金属粉末の混合物により形成されている場合であって、強化部を形成する金属粉末のみが主金属粉末及び副金属粉末の混合物からなる場合には、強化材を強化部の副金属を介して強化部の主金属に確実に接合させることができる。すなわち、強化部の副金属が、強化部の主金属と強化材との接着剤としての役割を有している。これにより、強化材が偏析したり、強化材が強化部から流出したりすることを防止できる。その結果、複合多孔質プリフォームは、強化材による強度を適切に確保することができる。さらに、強化材の脱落等を防止することができるので、複合多孔質プリフォームのハンドリング性も向上させることができる。
【００２３】
また、強化部が強化材と金属粉末の混合物により形成されている場合であって、強化部を形成する金属粉末及び基部を形成する金属粉末が主金属粉末及び副金属粉末の混合物からなる場合には、上記の効果に加えて、基部と強化部との境界面において強化材を基部若しくは強化部の副金属を介して基部の主金属に接合させることができる。すなわち、強化部の副金属が、基部の主金属と強化材との接着剤としての役割をも有している。これにより、基部と強化部との境界面においても、強化材が偏析したり流出したりすることを防止できる。その結果、複合多孔質プリフォームは、強化材による強度を適切に確保することができる。さらに、強化材の脱落等を防止することができるので、複合多孔質プリフォームのハンドリング性も向上させることができる。
【００２４】
また、強化部が強化材単体により形成されている場合であって、基部を形成する金属粉末が主金属粉末及び副金属粉末の混合物からなる場合には、基部と強化部との境界面において強化材単体を基部の副金属を介して基部の主金属に接合させることができる。すなわち、基部の副金属が、基部の主金属と強化部の強化材との接着剤としての役割をも有している。これにより、基部と強化部との境界面において、強化材が偏析したり流出したりすることを防止できる。その結果、複合多孔質プリフォームは、強化材による強度を適切に確保することができる。さらに、強化材の脱落等を防止することができるので、複合多孔質プリフォームのハンドリング性も向上させることができる。
【００２５】
さらに、主金属に副金属が固溶されることにより、焼結した主金属の強度を向上させることができる。つまり、強化材のみならず副金属も強化作用を有することになる。その結果、複合多孔質プリフォームの強度をさらに向上させることができる。さらに、強度を所定値に保持する場合には、従来の複合多孔質プリフォームに比べて強化材の体積率を低減させることができる。これにより、複合多孔質プリフォームの低コスト化を図ることができる。さらに、複合多孔質プリフォームの強度が向上することにより、複合多孔質プリフォームのハンドリング性を向上させることもできる。
【００２６】
本発明の第３の複合多孔質プリフォームによれば、副金属を介して強化材を主金属に確実に接合させることができる。すなわち、副金属が、主金属と強化材との接着剤としての役割を有している。これにより、強化材が複合多孔質プリフォーム内にて偏析したり、強化材が複合多孔質プリフォームから流出したりすることを防止できる。その結果、複合多孔質プリフォームは、強化材による強度を適切に確保することができる。さらに、強化材の脱落等を防止することができるので、複合多孔質プリフォームのハンドリング性も向上させることができる。
【００２７】
本発明の第１〜第３の複合材料によれば、それぞれ本発明の第１〜第３の複合多孔質プリフォームの効果と同様の効果を奏する。なお、本発明の第２及び第３の複合材料によれば、マトリックスを含浸する際に特に起こりやすい強化材の偏析や流出を確実に抑制することができる。
【００２８】
本発明の第１〜第３の複合多孔質プリフォーム又は第１〜第３の複合材料の製造方法によれば、上述した本発明の第１〜第３の複合多孔質プリフォーム又は第１〜第３の複合材料を製造することができる。これらの製造方法により製造された複合多孔質プリフォーム又は複合材料によれば、上記と同様の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
まず、本発明の第１の複合多孔質プリフォーム、複合材料、複合多孔質プリフォームの製造方法、及び複合材料の製造方法に該当することについて述べる。
【００３１】
第１発明の金属粉末の成分元素は、鉄、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｍｎ等、又はこれらの合金等である。この金属粉末の平均粒径は、１〜１０００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍである。そして、強化部を形成する強化材の形状は、粉末、繊維、又はウイスカ等の何れであってもよく、強化材は、セラミックス、金属間化合物、金属、炭素の一種以上からなる。強化材がセラミックスの場合の成分元素は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、アルミナ、アルミナシリカ、ムライト、窒化ケイ素、硼酸アルミ、等であり、金属又は金属間化合物である場合の成分元素はタングステン、鉄、銅、ベリリウム等又はその化合物である。強化材を粉末とした場合の平均粒径は、１〜２００μｍ、好ましくは、５〜１００μｍである。セラミックスを繊維又はウイスカとした場合、平均繊維径（ウイスカ径）は０．１〜２０μｍ、好ましくは０．１〜１０μｍであり、繊維長（ウイスカ長）は１〜５００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍである。
【００３２】
また、基部を形成する金属粉末は、基部における占有体積率（ｖｆ）３５〜９５％、好ましくは５０〜９０％である。また、基部を形成する原料粉末には、焼結により除去されるバインダが含まれている。このバインダは、例えば、ステアリン酸、ステアリン酸亜鉛等である。そして、基部を形成するバインダは、基部における占有重量率１〜１０％、好ましくは１〜５％である。
【００３３】
強化部が強化材と金属粉末の混合物の場合には、強化部を形成する金属粉末は、強化部における占有体積率３０〜９０％、好ましくは４０〜８０％である。強化部が強化材単体の場合には、強化材は強化部における占有体積率３５〜９５％、好ましくは５０〜９０％であり、強化部が強化材と金属粉末の混合物の場合には、強化材は強化部における占有体積率１〜３０％、好ましくは１〜１０％である。また、強化部を形成する原料粉末には、上述のバインダが含まれている。このバインダは、強化部における占有重量率１〜１０％、好ましくは１〜５％である。なお、基部及び強化部を形成する原料粉末は、上述の金属粉末及び強化材及びバインダの他に、例えば、添加剤等を含んでもよい。
【００３４】
成形型に充填された上述の原料粉末は、加圧成形されて粉末成形体を成形する（加圧成形工程）。そして、上述した基部及び強化部を形成する粉末等材料を焼結する焼結温度は、金属粉末の成分元素が鉄の場合には１０００〜１２５０℃である（焼結工程）。
【００３５】
また、複合材料を構成するマトリックスの成分元素は、アルミニウム、マグネシウム等、又は、これらの合金等である。ただし、上述したように、マトリックスは基部及び強化部を形成する金属粉末の成分元素より低融点のものである。例えば、金属粉末の成分元素が鉄又は銅の場合には、マトリックスの成分元素をアルミニウム等とする。
【００３６】
また、強化部は、強化材の体積率が所定方向に向かって傾斜的に変化するようにした傾斜機能材料としてもよい。これにより、傾斜的に強度を変化させることができる。この場合、成形型に強化部を形成する原料粉末を充填する強化部充填工程において、強化材の体積率が傾斜的に異なる原料粉末を複数回に分けて充填すること等により行われる。
【００３７】
また、強化部は、切削加工を施さない部位に用いられるようにしてもよい。強化部と基部との切削性を比べた場合には、強度が高い強化部の方が切削性は悪くなる。さらに、セラミックスなどの強化材は金属に比べて切削性が悪いことからも、基部に比べて強化部の方が切削性は悪くなる。そこで、複合多孔質プリフォーム又は複合材料を成型後に、切削する部位に基部を配設することで、切削性の良好な複合多孔質プリフォーム及び複合材料を成形することができる。その結果、容易な加工により複雑な形状からなる複合多孔質プリフォーム及び複合材料を提供することができる。さらには、加工コストを低減することができる。この場合、成形型に基部を形成する原料粉末を充填する基部充填工程において、切削加工を施す部位に基部を形成する原料粉末を充填することにより行われる。一方、成形型に強化部を形成する原料粉末を充填する強化部充填工程において、切削加工を施さない部位に強化部を形成する原料粉末を充填することにより行われる。
【００３８】
また、基部は、腐食環境側に配設される部位に用いられ、強化部は腐食環境側に配設されない部位に用いられるようにしてもよい。一般に、金属のみの部分と金属とセラミックスとが含まれている部分との耐食性は、金属のみの部分の方が良好となる。例えば、強化材として炭化ケイ素を用い、金属粉末としてマグネシウムを用いた場合には、耐食性が比較的良くない。そこで、腐食環境側、例えば、複合多孔質プリフォーム又は複合材料の外表面側に、基部を配設することで、複合多孔質プリフォーム及び複合材料の耐食性を良好とすることができる。この場合、成形型に基部を形成する原料粉末を充填する基部充填工程において、腐食環境側の部位に基部を形成する原料粉末を充填することにより行われる。一方、成形型に強化部を形成する原料粉末を充填する強化部充填工程において、腐食環境側ではない部位に強化部を形成する原料粉末を充填することにより行われる。
【００３９】
また、基部と強化部とは、所定方向に交互に積層されるようにしてもよい。この場合、本発明の第１の複合多孔質プリフォームの製造方法及び第１の複合材料の製造方法における基部充填工程と強化部充填工程とを交互に行う。これにより、積層される所定方向に垂直方向に対して強度を高くすることができ、一方所定方向に対しては強度が低くなる。このように特定方向に高強度の複合多孔質プリフォーム及び複合材料を提供することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２の複合多孔質プリフォーム、複合材料、複合多孔質プリフォームの製造方法、及び複合材料の製造方法に該当することについて述べる。
【００４１】
第２発明の金属粉末を構成する主金属粉末の成分元素は、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｍｎ等、又は、これらの合金等である。この主金属粉末の平均粒径は、１〜１０００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍである。また、金属粉末を構成する副金属粉末の平均粒径は、１〜１０００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍである。なお、副金属粉末は、上述したように、主金属粉末より低融点のものである。例えば、主金属粉末の成分元素が鉄の場合には、副金属粉末の成分元素は銅、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ａｌ等となる。強化材は、上述した第１発明における強化部を形成する強化材と同様である。さらに、基部及び強化部を形成する原料粉末は、上述の主金属粉末、副金属粉末、強化材の他に、バインダを含み、さらに、例えば添加剤等を含んでもよい。
【００４２】
また、基部を形成する主金属粉末は、基部における占有体積率３５〜９５％、好ましくは５０〜９０％である。基部を形成する副金属粉末は、基部における占有体積率０〜１５％、好ましくは１〜１０％である。ただし、基部を形成する副金属粉末の基部を形成する主金属粉末に対する体積率は、０〜２０％、好ましくは１〜１５％である。基部を形成するバインダは、基部における占有重量率１〜１０％、好ましくは１〜５％である。
【００４３】
強化部が強化材と主金属粉末と副金属粉末の混合物の場合には、強化部を形成する主金属粉末は、強化部における占有体積率３０〜９０％、好ましくは４０〜８０％である。強化部を形成する副金属粉末は、強化部における占有体積率１〜１５％、好ましくは１〜１０％である。ただし、強化部を形成する副金属粉末の強化部を形成する主金属粉末に対する体積率は、１〜２０％、好ましくは１〜１５％である。また、強化部が強化材単体の場合には、強化材は強化部における占有体積率３５〜９５％、好ましくは５０〜８０％であり、強化部が強化材と主金属粉末と副金属粉末の混合物の場合には、強化材は強化部における占有体積率３０〜９０％、好ましくは４０〜８０％である。強化部を形成するバインダは、強化部における占有重量率１〜１０％、好ましくは１〜５％である。
【００４４】
そして、上述したように、強化材は、副金属を介して主金属に接合されている。すなわち、焼結後の複合多孔質プリフォームは、主金属の表面に副金属が残存している状態となる。これは、副金属が拡散してしまわない温度にて焼結することにより達成することができる。例えば、主金属が鉄で副金属が銅の場合には、複合多孔質プリフォームの焼結温度は、１０００〜１０８０℃である。
【００４５】
さらに、特に、主金属粉末の成分元素が鉄の場合で、副金属粉末の成分元素が銅の場合には、銅の一部が鉄に固溶される。その結果、多孔質プリフォームの強度を向上させることができる。
【００４６】
また、複合材料を構成するマトリックスの成分元素は、アルミニウム、マグネシウム等、又は、これらの合金等である。ただし、上述したように、マトリックスは基部及び強化部を形成する副金属粉末の成分元素より低融点のものである。例えば、副金属粉末の成分元素が銅の場合には、マトリックスの成分元素をアルミニウム等とする。
【００４７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３の複合多孔質プリフォーム、複合材料、複合多孔質プリフォームの製造方法、及び複合材料の製造方法に該当することについて述べる。
【００４８】
第３発明の主金属粉末及び副金属粉末の成分元素は、第２発明の主金属粉末及び副金属粉末の成分元素と同様である。強化材は、第１発明の強化部を形成する強化材と同様である。さらに、複合多孔質プリフォームを形成する原料粉末は、上述の主金属粉末、副金属粉末、強化材の他に、バインダを含み、さらに、例えば添加剤等を含んでもよい。
【００４９】
主金属粉末は、複合多孔質プリフォーム全体における占有体積率は、３０〜９０％、好ましくは４０〜８０％である。副金属粉末は、複合多孔質プリフォーム全体における占有体積率は、１〜１５％、好ましくは１〜１０％である。ただし、副金属粉末の主金属粉末に対する体積率は、１〜２０％、好ましくは１〜１５％である。バインダは、複合多孔質プリフォーム全体における占有重量率１〜１０％、好ましくは１〜５％である。
【００５０】
そして、第２発明と同様に、焼結後の複合多孔質プリフォームは、主金属の表面に副金属が残存している状態となる。これは、副金属が拡散してしまわない温度にて焼結することにより達成することができる。例えば、主金属が鉄であり副金属が銅の場合には、複合多孔質プリフォームの焼結温度は、１０００〜１０８０℃である。
【００５１】
さらに、特に、主金属粉末の成分元素が鉄の場合で、副金属粉末の成分元素が銅の場合には、銅の一部が鉄に固溶される。その結果、多孔質プリフォームの強度を向上させることができる。
【００５２】
また、複合材料を構成するマトリックスの成分元素は、アルミニウム、マグネシウム等、又は、これらの合金等である。ただし、上述したように、マトリックスは副金属粉末の成分元素より低融点のものである。例えば、副金属粉末の成分元素が銅の場合には、マトリックスの成分元素をアルミニウム等とする。
【実施例】
【００５３】
次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
【００５４】
（第１実施例）
まず、第１実施例について説明する。第１実施例における基部を形成する基部原料として、金属粉末である平均粒径７５μｍの純鉄粉（Ｆｅ）を６０質量％と、バインダであるステアリン酸亜鉛を１重量％と、黒鉛を鉄粉の０．７重量％とを用意して混合した（第１混合工程）。
【００５５】
また、強化部を形成する強化部原料として、金属粉末である平均粒径７５μｍの純鉄粉（Ｆｅ）を６０質量％と、強化材として平均ウイスカ長２０μｍで平均ウイスカ径１μｍの炭化ケイ素ウイスカ（ＳｉＣウイスカ）を５質量％と、バインダであるステアリン酸亜鉛を３重量％と、黒鉛を鉄粉の０．７重量％とを用意して混合した（第２混合工程）。
【００５６】
次に、生成された基部原料及び強化部原料を成形型に充填した（充填工程）。このとき、図１に示すように、まず、基部原料を成形型の下方側に充填し（基部充填工程）、続いて、強化部原料を成形型の中の基部原料の上方側に充填する（強化部充填工程）。つまり、成形型の下方側には強化材が含有しておらず、成形型の上方側にのみ強化材が含有している。さらに続けて、基部原料を成形型の中の強化部原料の上方側に充填し（基部充填工程）、さらに強化部原料を成形型の中の基部原料の上方側に充填する（強化部充填工程）。つまり、図２（ａ）（ｂ）に示すように、基部原料と強化部原料とが、交互に積層されている。なお、図２（ａ）は、鋳造型に複合多孔質プリフォームを保持した状態の図を示し、図２（ｂ）は、所定方向に積層された複合多孔質プリフォームを示す図である。そして、図２（ａ）（ｂ）において、網掛け部分が強化部を示し、白抜き部分が基部を示す。つまり、図２（ａ）に示すように、鋳造型に保持する部分には、基部を配設するように成形型に基部材料及び強化部材料を充填する。また、図２（ｂ）に示すように、強度を特に高くする所定方向に垂直な方向に、基部材料及び強化部材料を交互に充填する。また、図２（ｃ）に示すように腐食環境側に配設される部分が基部となるように、成形型の中に基部原料及び強化部原料を充填してもよい。
【００５７】
次に、成形型に充填した基部原料及び強化部原料を、油圧プレスで上下方向から加圧して、基部原料と強化部原料とからなる粉末成形体を生成した（加圧成型工程）。こうして得られた粉末成形体を成形型から取り出した。
【００５８】
次に、この粉末成形体を真空炉の中に入れて、真空又は窒素雰囲気で１１１０℃で０．５時間加熱して焼結させた（焼結工程）。こうして、粉末成形体と同形状で気孔率が約３５〜４０体積％の複合多孔質プリフォームが得られた。
【００５９】
次に、複合多孔質プリフォームを高圧鋳造金型に配設して、マトリックスとなる約８００℃のアルミニウム合金溶湯を注湯し、加圧力１００ＭＰａで加圧した（含浸工程）。こうして、複合多孔質プリフォームにマトリックスが含浸した複合材料が得られた。
【００６０】
（第２実施例）
次に、第２実施例について説明する。第２実施例における複合多孔質プリフォームを形成する原料として、主金属粉末である平均粒径７５μｍの純鉄粉（Ｆｅ）を６０質量％と、副金属粉末である平均粒径３０μｍの銅粉（Ｃｕ）を鉄重量の１０重量％と、強化材として平均粒径５μｍの炭化ケイ素粒子（ＳｉＣ粒子）を５質量％と、バインダであるステアリン酸亜鉛を３重量％と、黒鉛を鉄重量の０．７重量％とを用意して混合した（混合工程）。
【００６１】
次に、生成された原料を成形型に充填した（充填工程）。次に、成形型に充填した原料を、油圧プレスで上下方向から加圧して、粉末成形体を生成した（加圧成型工程）。こうして得られた粉末成形体を成形型から取り出した。
【００６２】
次に、この粉末成形体を真空炉の中に入れて、真空又は窒素雰囲気で１０５０℃で０．５時間加熱して焼結させた（焼結工程）。こうして、粉末成形体と同形状で気孔率が約３５体積％の複合多孔質プリフォームが得られた。つまり、主金属粉末が焼結した主金属と炭化ケイ素粒子の一部とが、副金属粉末が焼結した副金属を介して接合している。
【００６３】
次に、複合多孔質プリフォームを高圧鋳造金型に配設して、マトリックスとなる約８００℃のアルミニウム合金溶湯を注湯し、加圧力１００ＭＰａで加圧した（含浸工程）。こうして、図３に示すような、複合多孔質プリフォームにマトリックスが含浸した複合材料が得られた。なお、図３は、上述のようにして製造された複合材料を示す写真である。図３において、マトリックスは薄いグレーで示す部分であり、焼結した鉄粉は黒若しくは濃いグレーで示す部分であり、炭化ケイ素粒子はやや濃いグレーで示す部分である。また、焼結した銅粉は、焼結した鉄粉等の表面に残存している。具体的には、焼結した銅粉は、焼結した鉄粉と鉄粉との隙間部分や、焼結した鉄粉と炭化ケイ素粒子との隙間部分等に多く残存している。
【００６４】
ここで、本実施例における複合材料の曲げ強さについて、アルミニウムからなるマトリックスと比較しながら図４を参照して説明する。本試験は、上述した複合材料とアルミニウムからなるマトリックスとをそれぞれ室温下及び２００℃環境下において行った曲げ強さ評価試験である。この曲げ強さ評価試験の結果を図４に示す。図４に示すように、室温下においては、マトリックスの曲げ強さは約３１０ＭＰａであるのに対して、本実施例における複合材料の曲げ強さは約３５１ＭＰａであった。２００℃環境下においては、マトリックスの曲げ強さは約２７８ＭＰａであるのに対して、本実施例における複合材料の曲げ強さは約３５１ＭＰａであった。
【００６５】
つまり、室温下においても２００℃環境下においても、何れも本実施例における複合材料はアルミニウムのマトリックスに比べて、曲げ強さが向上していることが分かる。特に、アルミニウムのマトリックスは室温下における曲げ強さに対して２００℃環境下における曲げ強さが低下しているのに対して、本実施例における複合材料は室温下及び２００℃環境下において何れもほぼ同等の曲げ強さである。すなわち、特に、２００℃等の高温環境下において、本実施例の複合材料は曲げ強さの向上が著しいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１実施例における複合材料を示す図である。
【図２】第１実施例における基部と強化部の配設位置を説明する図である。
【図３】第２実施例における複合材料を示す写真である。
【図４】第２実施例における複合材料とマトリックスの室温及び２００℃での曲げ試験結果である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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