(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ−Ｓｉ合金マトリックス中にＳｉＣ強化材が複合された金属−セラミックス複合材料であって、前記Ａｌ−Ｓｉ合金マトリックスは、Ａｌの濃度が連続的に傾斜し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２】
前記ＳｉＣ強化材は、ＳｉＣ粉末および／またはＳｉＣ繊維で構成され、その粒径または長さが０．３μｍ以下の粒子の割合が１０％以下であり、かつ３００μｍ以上の粒子の割合が１％以下であって、該複合材料中のＳｉＣ強化材の含有率が４０〜８０体積％の範囲である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３】
ＳｉまたはＳｉ合金からなるマトリックス中にＳｉＣ強化材が複合された素材に、溶融したＡｌ合金を接触させ、Ａｌ合金を１４００〜１８００℃の温度範囲に保持することにより、Ａｌ成分を前記マトリックス中に拡散させ、請求項１または請求項２に記載の金属−セラミックス複合材料を得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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属マトリックス中にセラミックス強化材が複合された金属−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】
セラミックス繊維または粒子で強化されたセラミックスと金属との複合材料は、セラミックスと金属の両方の特性を兼ね備えている。すなわち、高剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等のセラミックスの優れた特性と、延性、高靱性、高熱伝導性等の金属の優れた特性とを備えている。
【０００３】
このようなセラミックスと金属との複合材料の中で、マトリックスの金属がＡｌまたはＡｌ合金であり、セラミックスが例えばＳｉＣであるものは、ＡｌまたはＡｌ合金とセラミックスとの間で熱膨張係数が大きく相違することから、部材中のＳｉＣの含有率を変化させることにより部材の熱膨張係数を制御することが可能である。
【０００４】
そして、本発明者らは、先に、ＳｉＣの含有率を徐々に変化させた複数枚のシートを積層することにより、その積層方向に熱膨張係数が徐々に変化した部材を得る技術を提案している（特願２０００−１５１０４９）。このような特徴を利用して、例えば熱膨張係数が異なる異種材料からなる部材同士を接合する場合に、これらの間に上述のようにして熱膨張係数が徐々に変化した複合材料からなる部材を挿入することで、異種材料間の熱膨張係数の違いによって発生する応力を緩和することが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにして強化材であるＳｉＣの含有率を変化させることで熱膨張係数を変化させることは可能ではあるものの、ＳｉＣの含有率の変化は段階的にならざるを得ず、熱膨張係数の変化も段階的となって無視し得ない熱応力が発生する場合もあり、熱膨張係数が連続的に変化した複合材料が望まれている。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、熱膨張係数が連続的に変化した金属−セラミックス複合材料およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく研究を重ねた結果、Ａｌ−Ｓｉ合金マトリックス中にＳｉＣ強化材が複合された金属−セラミックス複合材料において、マトリックス中のＡｌの濃度を連続的に傾斜させることが有効であることを見出した。すなわち、Ｓｉの室温付近の熱膨張係数は２．６×１０−６／℃であり、ＳｉＣの熱膨張係数である３．０×１０−６／℃とほぼ等しいのに対し、Ａｌの熱膨張係数は２３×１０−６／℃と大きな値であるから、Ａｌ−Ｓｉ合金マトリックス中のＡｌ濃度を連続的に傾斜させることにより、熱膨張係数を連続的に変化させることができ、十分な熱応力緩和効果を得ることができる。また、このようにＡｌを連続的に傾斜させるためには、ＳｉまたはＳｉ合金からなるマトリックス中にＳｉＣ強化材が複合された素材に、所定組成の溶融したＡｌ合金を接触させて高温状態でＡｌ成分をマトリックス中に拡散させることが有効であることを見出した。
【０００８】
本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、以下の（１）〜（３）を提供する。
【０００９】
（１）Ａｌ−Ｓｉ合金マトリックス中にＳｉＣ強化材が複合された金属−セラミックス複合材料であって、前記Ａｌ−Ｓｉ合金マトリックスは、Ａｌの濃度が連続的に傾斜してなることを特徴とする金属−セラミックス複合材料。
【００１０】
（２）上記（１）において、前記ＳｉＣ強化材は、ＳｉＣ粉末および／またはＳｉＣ繊維で構成され、その粒径または長さが０．３μｍ以下の粒子の割合が１０％以下であり、かつ３００μｍ以上の粒子の割合が１％以下であって、該複合材料中のＳｉＣ強化材の含有率が４０〜８０体積％の範囲であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料。
【００１１】
（３）ＳｉまたはＳｉ合金からなるマトリックス中にＳｉＣ強化材が複合された素材に、溶融したＡｌ合金を接触させ、Ａｌ合金を１４００〜１８００℃の温度範囲に保持することにより、Ａｌ成分を前記マトリックス中に拡散させ、上記（１）または（２）の金属−セラミックス複合材料を得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。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的に説明する。
本発明の金属−セラミックス複合材料は、Ａｌ−Ｓｉ合金マトリックス中にＳｉＣ強化材が複合されたＳｉＣ強化Ｓｉ−Ａｌ合金基複合材料であって、Ａｌ−Ｓｉ合金マトリックスは、Ａｌの濃度が連続的に傾斜してなる。
【００１３】
このような金属−セラミックス複合材料は、ＳｉＣ強化材を分散させたプリフォームに、溶融した金属ＳｉまたはＳｉ合金を含浸させてＳｉＣ強化Ｓｉ基複合材料（以下、「ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料」と記す）からなる素材を製造し、これに後述する拡散処理を施してマトリックス中にＡｌ成分を拡散させることにより好適に得ることができる。
【００１４】
本発明の複合材料中のＳｉＣ強化材の含有率は４０〜８０体積％の範囲であることが好ましい。ＳｉＣ含有率が４０体積％よりも低い場合には、素材であるＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の作製時におけるプリフォームの強度が不十分となるばかりでなく、ＳｉＣ強化材の含有率の制御が困難であり、したがって熱膨張係数を制御することが困難となる。一方、ＳｉＣの含有率が８０体積％を超えると複合材料中に添加することができるＡｌ成分の割合が少なくなるため、充分な熱膨張係数の変化を得ることが困難となる。なお、ＳｉＣ強化材は、複合材料中に均等に含まれていても、その含有率が傾斜していてもよい。ＳｉＣ強化材の含有率を傾斜させた素材のマトリックス中にＡｌを拡散させれば熱膨張係数をより大きく傾斜させることができる。このようにＳｉＣ強化材の含有率を傾斜させた場合にも全体としてＳｉＣ強化材の含有率が４０〜８０体積％の範囲であることが好ましい。
【００１５】
ＳｉＣ強化材としては典型的にはＳｉＣ粉末および／またはＳｉＣ繊維が用いられる。この場合に、その粒径または長さが０．３μｍ以下の粒子の割合が１０％以下であり、かつ３００μｍ以上の粒子の割合が１％以下であることが好ましい。０．３μｍ以下の粒子の割合が１０％を超えると金属Ｓｉが含浸しにくく、未含浸が生じやすい。一方、３００μｍ以上の粒子が１％を超えると、加工性が悪くなり、高精度で加工することが困難となるため好ましくない。
【００１６】
次に、本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法について説明する。
まず、ＳｉＣ強化材を分散させたプリフォームに溶融した金属ＳｉまたはＳｉ合金を含浸させてＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる素材を作製し、この素材に溶融したＡｌ合金を接触させる。次いで、Ａｌ合金を１４００〜１８００℃の温度範囲に保持してＡｌ成分を金属ＳｉまたはＳｉ合金からなるマトリックス中に拡散させる。保持温度がＡｌ合金の融点以上であればＡｌ成分がマトリックス中で拡散するが、１４００℃未満では拡散速度が極めて遅いため、製造上現実的ではない。逆に１８００℃を超えるとＡｌ成分の蒸発が生じて好ましくない。また、Ａｌ成分の濃度傾斜勾配は、添加Ａｌ合金のＡｌ濃度、保持温度および保持時間を制御することによって制御可能である。例えば、保持時間を長くすることでマトリックス中へのＡｌの拡散が進むと、Ａｌ濃度傾斜の勾配が０に近づくが、わずかでも濃度傾斜が存在する限り、本発明の範囲内に含まれる。この際の拡散方法は特に限定されない。
【００１７】
以下、本発明の製造方法をさらに詳細に説明する。
まず、ＳｉＣ強化材として、好ましくは、粒径または長さが０．３μｍ以下の粒子の割合が１０％以下であり、かつ３００μｍ以上の粒子の割合が１％以下のＳｉＣ粉末および／またはＳｉＣ繊維を用意する。用意したＳｉＣ粉末および／またはＳｉＣ繊維を分級した後、所定割合で混合することにより目的のＳｉＣ含有率を得ることが可能である。
【００１８】
所定の充填状態が得られるように粒度を調製したＳｉＣ粉末および／またはＳｉＣ繊維に好ましくは含浸助剤として機能するカーボンブラック等の炭素源およびバインダー等を混合し、この混合物を鋳込み成形、加圧成形など種々の方法で目的のＳｉＣ含有率を有するプリフォームを形成する。このとき、成型用のバインダーとして有機バインダーを用いることでバインダーとしての機能の他、炭素源としての機能を兼備するようにしてもよい。プリフォーム中のＳｉＣの含有率は、ＳｉＣ粉末および／またはＳｉＣ繊維として配合されたもののみならず、含浸助剤として添加している炭素源や有機バインダーも合金含浸後にＳｉＣに変化することから、目的の熱膨張係数を得るためにはこれらも勘案する必要がある。
【００１９】
形成されたプリフォームに、好ましくは窒素分圧が１×１０−３Ｔｏｒｒ（０．１３３Ｐａ）以下の真空中または不活性ガス中で溶融した金属ＳｉまたはＳｉ合金をプリフォーム中に浸透させ、結果物を冷却することにより、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる素材を得る。
【００２０】
引き続き、得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる素材に溶融したＡｌ合金を接触させ、マトリックス中に拡散させる。この処理は、例えば素材の近傍にＡｌ合金塊を設置し、これを所定温度まで昇温して溶融させ、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる素材とＡｌ合金溶湯とを接触させて、所定時間保持することにより、Ａｌ合金のＡｌ成分がＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる素材のマトリックス中へ拡散していき、これを降温することにより、Ａｌ濃度が連続的に傾斜したＳｉ−Ａｌ合金からなるマトリックスを有する金属−セラミックス複合材料が得られる。この際の拡散処理としては、容器内にプリフォームを設置し、その容器内で金属ＳｉまたはＳｉ合金を溶融させてこれらをプリフォームに含浸させてＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる素材を得た後、引き続きその容器内の素材の近傍にＡｌ合金塊を設置し、Ａｌ合金を溶融させてマトリックス中へＡｌ成分を拡散させる手法が好適である。なお、素材の近傍にＡｌ合金を設置する代わりに、予め所定温度までＡｌ合金を昇温しておき、これに素材を所定時間浸漬するようにしてもよい。
【００２１】
以上の方法により金属−セラミックス複合材料を作製することによりマトリックス中のＡｌ濃度を連続的に傾斜させることが可能であることから、熱膨張係数が連続して変化する複合材料を得ることができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例とともに示す。
【００２３】
（実施例）
（１）ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる素材の作製
まず、強化材であるセラミックス粉末として粒度ＧＰ＃８００のＳｉＣ粉末（信濃電気精錬社製）１００質量部に対し、フェノール樹脂（群栄化学社製  ＰＬ４８２６）１０質量部を添加して混合し、得られた混合粉末を金型に投入し、プレス成形により３００×３００×３０ｍｍのプレス体を作製した。得られたプレス体を１５０℃に加熱して樹脂を硬化させ、プリフォームを作製した。このプリフォームをＮ２中１０００℃で焼成し樹脂を炭化させた仮焼体を得た。得られた仮焼体に金属Ｓｉを接触させ、この状態でＡｒ雰囲気中１６００℃に加熱し、溶融した金属Ｓｉをプリフォーム中に含浸させ、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる素材を得た。得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる素材の密度を測定し、ＳｉＣの含有率を推定した。結果を表１に示す。
【００２４】
（２）Ａｌ成分の拡散
得られたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる素材とＡｌ−５０質量％Ｓｉ合金を接触させて設置し、昇温速度１０℃／ｍｉｎで昇温した後１６００℃で３０分間保持した。その後６００℃まで２０℃／ｍｉｎで冷却してから放冷し、Ａｌ濃度が傾斜したＳｉＣ強化Ｓｉ−Ａｌ合金基複合材料（以下、「Ａｌ濃度傾斜ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料」と記す）を得た。
【００２５】
（３）評価
得られたＡｌ濃度傾斜ＳｉＣ／Ｓｉ−Ａｌ複合材料を、Ａｌ成分拡散時の設置状態において高さ０ｍｍ（Ａｌ拡散口）、１５ｍｍ（中央）、３０ｍｍ（Ａｌ拡散口と反対側の端部）付近から加工により３×４×２０ｍｍの試験片を採取し、それら試験片を用いて２５℃を基準とした２００℃における熱膨張係数を測定した。また、室温〜４００℃の間で５００回昇降温を繰り返す繰り返し試験を行った。それらの結果を表１に示す。
【００２６】
（比較例）
強化材として、信濃電気精錬社製ＳｉＣ粉末ＧＰ＃１０００に、ＧＰ＃１８０を添加割合が０質量％、３０質量％、および６０質量％となるように添加し、それぞれについてコロイダルシリカおよびアクリル樹脂を混合してスラリーを調製し、これをドクターブレードにより厚さ約１ｍｍのシートを作製した。得られたシートにコロイダルシリカを配合したアクリル樹脂を塗布し、各配合で作製したシートをそれぞれ１０枚ずつ重ね、さらにＧＰ＃１８０の配合量が多いものから順に積み重ね、１００℃で熱プレスすることによって３００×３００×３０ｍｍのプリフォームを作製した。さらに、このプリフォームを大気中１０００℃で焼成して仮焼体とし、これをＡｌ合金（ＡＣ８Ａ）とともにＮ２中８５０℃で加熱し、ＳｉＣ／Ａｌ複合材料を得た。このようにして製造されたＳｉＣ含有率が段階的に変化したＳｉＣ／Ａｌ複合材料について実施例と同様に熱膨張係数を測定し、さらに繰り返し試験を行った。その結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１に示すように、実施例ではＡｌ拡散口端部からＡｌ非拡散口端部に向けて熱膨張係数が単調に減少しており、繰り返し試験で割れが発生しなかったことから、熱膨張係数が連続的に変化していると推測された。これに対し、比較例では熱膨張係数の変化は段階的であるため割れが発生した。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱膨張係数が連続的に変化した金属−セラミックス複合材料およびその製造方法を得ることができる。