(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料をマトリックス材とし、セラミック繊維又は金属繊維を強化用短繊維とする液相焼結を利用した金属系複合材料を製造する方法であって、
前記強化用短繊維に銅又はコバルトのコーティング層を形成し、前記マトリックス材が前記コーティング層と共晶合金相を生成可能なものであり、前記マトリックス材と前記強化用短繊維とを混合し、前記コーティング層と前記マトリックス材が共晶合金相を生成する条件で液相焼結を行うことを特徴とする液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法において、前記コーティング層は機械合金化法により形成されることを特徴とする液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法において、前記強化用短繊維の径を０．５〜１μｍ、長さを１０〜２００μｍとすることを特徴とする液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法において、前記強化用短繊維の前記金属系複合材料に対する混合割合を２〜３０ｗｔ％とすることを特徴とする液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法において、前記マトリックス材としてチタン又はチタン合金を、前記強化用短繊維として炭化ケイ素繊維を使用することを特徴とする液相焼結を利用した金属系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、セラミック繊維又は金属繊維を強化用短繊維とし、金属材料をマトリックス材として使用する液晶焼結を利用した金属系複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶焼結を利用した金属系複合材料の製造方法に関するものとして、特開昭５８−１３６７３５号公報に記載の方法や、また特開昭６２−６７１４１号公報に記載の方法が知られている。
これらの方法においては、図４に示すように、混合工程において強化用繊維７１に混合されるマトリックス金属粒子７２自体又はその一部に共晶合金７３を用いて、ＨＩＰ（熱間等方加圧）装置７４による液晶焼結によって、マトリックス金属７５が強化用繊維７１を包んだ状態の金属系複合材料７６を製造している。
例えば、特開昭５８−１３６７３５号公報に記載のものでは、マトリックス材としてアルミニウム共晶系合金、アルミニウムとアルミニウム共晶系合金、又はアルミニウムとアルミニウム共晶系合金をつくる金属のいずれかを用い、カーボン繊維と混合してアルミニウムの融点以下の温度で加圧成形してカーボン繊維強化アルミニウム複合材を製造している。ここで、マトリックス金属粒子７２自体又はその一部に共晶合金７３を用いているのは、主に焼結処理温度を低く抑えるため、また強化用繊維７１とマトリックス金属７５との密着性を改善することを目的とするからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の金属系複合材料の製造方法においては、未だ解決すべき以下のような問題があった。
強化用繊維７１として炭化ケイ素を、マトリックス金属粒子７２としてチタン又はチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−4V）粉末を使用して金属系複合材料７６を製造する場合には、炭化ケイ素とチタンは界面の濡れ性（密着性）が悪く、条件によっては強度的に問題があるＴｉＣ（チタンカーバイト）からなる反応相を生成するため、複合材料として両者を複合した場合、十分な界面強度を得ることが出来ず、複合材料として相応しい強度を得ることは極めて困難であった。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、強化用短繊維とマトリックス材との界面強度を向上でき、かつ強度的に問題がある反応相の生成を抑えることが可能な液晶焼結を利用した金属系複合材料の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る液晶焼結を利用した金属系複合材料の製造方法は、金属材料をマトリックス材とし、セラミック繊維又は金属繊維を強化用短繊維とする液相焼結を利用した金属系複合材料を製造する方法であって、
前記強化用短繊維に銅又はコバルトのコーティング層を形成し、前記マトリックス材が前記コーティング層と共晶合金相を生成可能なものであり、前記マトリックス材と前記強化用短繊維とを混合し、前記コーティング層と前記マトリックス材が共晶合金相を生成する条件で液相焼結を行う。従って、金属結合により結合した良好な、強化用短繊維とマトリックス材との界面を得ることができる。
【０００６】
本発明に到った考え方について詳細に説明する。
一般に、マトリックス材をなす金属材料よりも強化用短繊維に用いる、例えば、セラミックスの方が、強度も融点も高いが、セラミックス短繊維とマトリックス金属粉とを均一に混合した混合体を焼結する際、マトリックス金属粉の融点以上に加熱すると、マトリックス金属粉は液化し、その結果、密度の低いセラミックス短繊維は浮力により上方へ移動するので、均一な混合焼結体を得ることができない。また、場合によっては液体金属とセラミックス短繊維の反応（金属間化合物の生成等）により、セラミックス短繊維や得られる混合焼結体の強度は低下することになる。
【０００７】
そこで、予め、セラミックス短繊維とマトリックス金属粉とを均一に混合した混合体を、ＨＩＰ（等方加圧加熱）処理等により、マトリックス金属粉の融点未満の温度域まで加熱し、同時に加圧すると、高品質の固相焼結体を得ることができると考えられる。ところが、この固相焼結では、焼結温度にある一定時間保持される時、マトリックス金属粉が一部塑性流動すると共に、マトリックス金属粉同士の界面で、金属原子が相互拡散することによって、マトリックスの焼結は達成される。一方、強化用短繊維がセラミックスの場合、一般に電子構造による結合形態で分類すると、セラミックスは共有結合体であり、金属は自由電子による金属結合体であるため、セラミックス短繊維とマトリックス金属粉の界面では、それらの組合せにより、
（１）無反応でマトリックスの塑性流動のみによるアンカー効果が生じる、
（２）反応により金属間化合物（炭化物、窒化物、酸化物等）が生成し、脆化すると共に強度も低下する、
（３）一部の原子が置換反応をする、
等のケースが考えられ、一般に界面強度は低下する。また、強化用短繊維が金属である場合においても、その金属の融点が高く、焼結時間が短く、拡散係数が小さい場合には、充分な界面強度が得られないことがある。
【０００８】
以上の問題を解決するために、本発明においては、先ず予め、強化用短繊維として用いるセラミックス短繊維の表面に、マトリックス金属粉（マトリックス材）と低融点の共晶合金を作ることができる第３の金属（本実施の形態では銅又はコバルト）をコーティングしている。なお、図２にはＣｕ−Ｔｉ系状態図を、図３にはＣｏ−Ｔｉ系状態図を示す。図２において、銅−チタンの共晶点Ａ（８７５℃）における密度ρAは７．４１９（ｇｆ／ｃｍ3）、銅−チタンの共晶点Ｂ（９６０℃）における密度ρBは６．０７５（ｇｆ／ｃｍ3）、また図３において、コバルト−チタンの共晶点Ｃ（１１７０℃）における密度ρCは７．５７９（ｇｆ／ｃｍ3）、コバルト−チタンの共晶点Ｄ（１０２０℃）における密度ρDは５．２８７（ｇｆ／ｃｍ3）である。
【０００９】
次に、本発明の液相焼結法について、従来の液相焼結法と比較して説明する。
先ず、従来の液相焼結法においては、マトリックス金属粉に、マトリックス金属と共晶合金を生成する第３の金属粉を共晶組成比になるように予め計量、混合し、それに強化用短繊維としてセラミックス短繊維を加えて混合し、焼結を行っている。この場合、マトリックス金属粉は、完全に共晶合金となり液化するため、焼結時間を短くしないと、密度の低いセラミックス短繊維は浮力により上方へ移動してしまい、均一な混合焼結体は得られない。また、ホットプレスやＨＩＰ処理により、液相焼結する場合には、耐熱用のカプセルが必要となり、このカプセル材は、液化した共晶合金と反応しないものを選定する必要がある。
【００１０】
本発明の液相焼結法が従来の液相焼結法と異なる点は、マトリックス金属粉は、その一部が共晶合金となり、液化するのであって、全てが共晶合金化するのではない点である。つまり、
（１）強化用短繊維の表面に、マトリックス金属と共晶合金を生成する第３の金属をコーティングすることによって、焼結時には、強化用短繊維の周囲のみしか共晶合金は生成せず、マトリックス粒子同士の界面には、マトリックスの金属原子が相互拡散することによる固相焼結部が存在する。
（２）強化用短繊維の表面及びマトリックス金属粉の表面を共に、マトリックス金属と共晶合金を生成する第３の金属をコーティングすることにより、強化用短繊維の周囲のみならず、マトリックス粒子同士の界面にも、共晶合金を生成させて、焼結を行うことができる。この時、マトリックス粒子の中心部は共晶化せず、従って液化しない。
【００１１】
ここで、コーティング層は機械合金化法により形成することもでき、これによって容易にかつ、安価にコーティングができる。
また、強化用短繊維の径を０．５〜１μｍ、長さを１０〜２００μｍとすることもでき、高強度の金属系複合材料を製造できる。強化用短繊維の径を０．５〜１μｍとしたのは、０．５μｍ未満であれば、混合処理中に繊維が破損するという問題があり、一方、１μｍを超えればマトリックス粒子より大きくなる場合があり、均一な混合ができないという問題がある。また、強化用短繊維の長さを１０〜２００μｍとしたのは、１０μｍ未満であれば、繊維強化材としての機能がなくなるという問題があり、一方、２００μｍを超えれば、混合処理時に繊維が絡み合ってクラスターを形成するという問題がある。
また、強化用短繊維の金属系複合材料に対する混合割合を２〜３０ｗｔ％とすることもできる。
さらに、マトリックス材としてチタン又はチタン合金を、強化用短繊維として炭化ケイ素繊維を使用することもでき、これによって、軽くて、強度の高い金属系複合材料を製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法のフロー図である。
【００１３】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法においては、強化用短繊維の一例である炭化ケイ素繊維１０の表面にメカニカルアロイング（ＭＡ、即ち、機械合金化法）により、銅（又はコバルト）１１を圧着させてコーティングする。銅（又はコバルト）１１がコーティングされたコーティング炭化ケイ素繊維１２とマトリックス材（金属材料）の一例であるチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）粉末１３とを混合処理した後、混合物を成形して混合加圧成形材１４とした後、図示しない加熱脱気封入し、ＨＩＰ処理（液晶焼結）装置１５によって液晶焼結を行って、マトリックス材であるチタン合金１６と炭化ケイ素繊維１０との界面状態の良好なセラミック強化金属系複合材料１７を製造している。以下、図１を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
マトリックス材より軽量で、高い強度を有するセラミック材の炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維１０の径は０．５〜１μｍ、長さは１０〜２００μｍのものを使用している。強化用短繊維としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）以外のその他のセラミック短繊維を用いることもでき、さらに、必要に応じて、金属短繊維を用いることもできる。またセラミック短繊維又金属短繊維の他に、セラミックウィスカ又金属ウィスカも使用できる。架橋構造による強化を考慮して、強化用短繊維のアスペクト比（直径と長さの比）は、２０以上となるように調整し、強化用短繊維の長さは、マトリックス金属粉の粒径より大きく、好ましくは粒径の２倍以上となるように調整している。
【００１５】
メカニカルアロイングに用いる銅（又はコバルト）１１の粒度又はサイズは４５μｍとし、例えば、アトライターや遊星ミルを使用して炭化ケイ素繊維１０の表面に圧着させてコーティングしてコーティング炭化ケイ素繊維１２を形成する。コーティング層の厚さは０．１〜１μｍとし、従って、銅（又はコバルト）１１のコーティング炭化ケイ素繊維１２に対する体積率は、１８〜７７％となる。銅（又はコバルト）１１のコーティングの量は、アトライター等によるＭＡ法の場合には、予め所要量を計量した炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維１０、マトリックス材、及びマトリックス材と共晶合金を生成可能な量とする。
コーティングの方法として、メカニカルアロイング以外にも、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｅ）法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｅ）法、又はその他の方法を用いてもよい。
【００１６】
軽量高強度金属であるチタン合金１６の元となるチタン合金粉末１３の粒度は、３０〜１５０μｍ程度としている。チタン合金粉末１３の他に、チタンの元となるチタン粉末も使用でき、さらにその他の金属材料、例えば、マグネシウム、アルミニウム及びそれらの合金を用いることもできる。
炭化ケイ素繊維１０の金属系複合材料１７に対する混合重量割合は、２〜３０ｗｔ％とし、Ｖ型混合機を使用して混合処理する。
この混合物を、万能試験機機（プレス機）を使用して、圧力８００〜１４００ｋｇｆ／ｃｍ2、温度２０℃で成形して混合加圧成形材１４を形成する。混合加圧成形材１４中のコーティング炭化ケイ素繊維１２とチタン合金粉末１３は、図に示すように、コーティング炭化ケイ素繊維１２の周囲をチタン合金粉末１３の粒子がカバーした状態となっている。
【００１７】
カプセル化された混合加圧成形材１４を加熱脱気封入（キャニング）工程で処理後、ＨＩＰ（熱間等方加圧）処理装置１５の耐圧容器１８内に収納し、耐圧容器１８内に装備されたヒーター（図示せず）及び耐圧容器１８内に導入されたガス１９によって、高温、高圧のガス１９（９５０℃、１０００気圧）中、等方圧下で混合加圧成形材１４をＨＩＰ処理してセラミック強化金属系複合材料１７を製造する。
このＨＩＰ処理によって、図１の下に示すように、先ず銅（又はコバルト）１１とチタン合金粉末１３との反応により、銅（又はコバルト）とチタンの反応相（液相）２０が形成され、次いで、銅（又はコバルト）とチタンの反応相（液相）２０とチタン合金粉末１３との反応により、銅（又はコバルト）とチタンの共晶合金相２１が生成される。符号２２はチタンを表している。
【００１８】
炭化ケイ素繊維１０の表面に、チタン合金と共晶合金を生成可能な銅（又はコバルト）１１をコーティングすることによって、液相焼結時には、炭化ケイ素繊維１０の周囲のみしか共晶合金相２１は生成せず、チタン合金粉末１３同士の界面には、マトリックスの金属原子が相互拡散することによって固相焼結部が存在することになる。同時に、出発原料のチタン合金粉末１３の持つ性能は、比較的よく保持されることになる。
【００１９】
従って、セラミック強化金属系複合材料１７は、図１の上側に示すように、マトリックスであるチタン合金１６内に炭化ケイ素繊維１０が分散した、界面状態の良好なものとなっている。また、液相の生成量は、予め計算により算出できるので、液相の厚さ（共晶合金相２１の厚さ）を制御することができる。これによって、共晶合金による液相は炭化ケイ素繊維１０との濡れ性が良好なので、炭化ケイ素繊維１０の表面粗さの窪みの中まで浸透し、凝固後は、良好なアンカー効果を奏する。
さらに、必要があれば、炭化ケイ素繊維１０の表面及びチタン合金粉末１３の表面を共に、チタン合金と共晶合金を生成可能な銅（又はコバルト）１１をコーティングすることによって、炭化ケイ素繊維１０の周囲のみならず、チタン合金粉末１３同士の界面にも、共晶合金相を生成させて、焼結を行うことができ、この時、チタン合金粉末１３粒子の中心部は共晶化することはなく、従って液化することはない。
【００２０】
【実施例】
本発明の一実施の形態に係る液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法を適用してセラミック強化金属系複合材料を製造する方法について説明する。
炭化ケイ素繊維１０の径は０．５〜１．０μｍ、長さは１０〜２００μｍのものを使用し、銅（又はコバルト）１１の粒度は４５μｍ以下とし、アトライターを使用して炭化ケイ素繊維１０の表面に圧着させてコーティングし、コーティング層の厚さ０．１〜１．０μｍを有するコーティング炭化ケイ素繊維１２を形成した。銅（又はコバルト）１１のコーティング炭化ケイ素繊維１２に対する体積率は、１８〜７７％であった。
【００２１】
チタン合金粉末１３の成分構成は、Ｔｉが８９．５％、Ａｌが６．１４％、Ｖ  が３．９３％のものを用い、粒度は１５０μｍ未満とし、炭化ケイ素繊維１０の金属系複合材料１７に対する混合重量割合は、２〜３０ｗｔ％とした。
この混合物を、プレス機を使用して、圧力８００〜１４００ｋｇｆ／ｃｍ2、温度２０℃で成形処理した混合加圧成形材１４を、ＨＩＰ（熱間等方加圧）処理装置１５で、共晶温度＋５０℃、１０００気圧で、３０分間液相焼結させてセラミック強化金属系複合材料１７を製造した。
【００２２】
本発明の一実施の形態に係る液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法においては、以下のことが考察できる。
（１）炭化ケイ素繊維（強化用短繊維）に銅又はコバルトをメカニカルアロイングにより機械的に圧着させたコーティング炭化ケイ素繊維を用いて、マトリックス材となるチタン合金と焼結することにより炭化ケイ素とチタンとの界面の濡れ性（密着性）が改善されたセラミック強化金属系複合材料を製造することができる。
（２）炭化ケイ素繊維とコーティング層の銅又はコバルトとの界面状態は、アンカー効果等により、炭化ケイ素−チタン合金界面と比較して良いと考えられ、また、強度的に問題があるチタンと炭化ケイ素との反応相の生成をコーティング層によって抑えることができる。
（３）コーティング層とマトリックスとの間は、銅又はコバルトがマトリックスのチタンと液相焼結により共晶合金相を形成するため、金属結合によって結合した良好な界面を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１〜５記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法においては、金属結合により結合した良好な、強化用短繊維とマトリックス材との界面を得ることができるので、界面強度が向上した金属系複合材料を製造できる。
特に、請求項２記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法においては、コーティング層は機械合金化法により形成しているので、容易にかつ、安価にコーティングができ、この結果製造コストをダウンできる。
請求項３記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法においては、強化用短繊維の径及び長さを規定しているので、機械強度の優れた金属系複合材料を製造できる。
請求項４記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法においては、強化用短繊維のマトリックス材に対する混合割合を所定に範囲に制御しているので、機械強度の制御が容易となる。
請求項５記載の液相焼結を利用した金属系複合材料の製造方法においては、マトリックス材としてチタン又はチタン合金を、強化用短繊維として炭化ケイ素繊維を使用しているので、軽くて、強度の高いセラミックス強化金属系複合材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る液晶焼結を利用した金属系複合材料の製造方法のフロー図である。
【図２】Ｃｕ−Ｔｉ系状態図である。
【図３】Ｃｏ−Ｔｉ系状態図である。
【図４】従来例に係る液晶焼結を利用した金属系複合材料の製造方法のフロー図である。
【符号の説明】
１０：炭化ケイ素繊維、１１：銅（又はコバルト）、１２：コーティング炭化ケイ素繊維、１３：チタン合金粉末、１４：混合加圧成形材、１５：ＨＩＰ処理（液晶焼結）装置、１６：チタン合金、１７：金属系複合材料、１８：耐圧容器、１９：ガス、２０：反応相（液相）、２１：共晶合金相、２２：チタン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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