(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属−セラミックス複合材料の一部に金属が埋め込まれている金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該金属の埋め込み方法が、金属の埋め込み箇所に空洞部を有したセラミックス繊維または粒子から成るプリフォームを形成し、その空洞部にＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金の溶融金属を供給すると同時に前記溶融金属をプリフォームに浸透する方法であり、更に浸透後に、前記空洞部の埋め込み金属部分を加工する方法であ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。
【請求項２】
前記該金属の埋め込み方法が、金属の埋め込み箇所に空洞部を有したセラミックス繊維または粒子から成るプリフォームを形成し、その空洞部にＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金の溶融金属を供給すると同時に前記溶融金属をプリフォームに非加圧状態で浸透させる方法であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【請求項３】
金属−セラミックス複合材料の一部に金属が埋め込まれている金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該金属の埋め込み方法が、金属の埋め込み箇所に空洞部を有したセラミックス繊維または粒子から成るプリフォームを形成し、その空洞部に金属粉末または空洞部の形状に合わせたＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系若しくは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系、又は、Ａｌ、Ａｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｔｉ系、Ａｌ−Ｎｉ系、若しくは、Ａｌ−Ｆｅ系のアルミニウム合金塊をあらかじめ詰め込み加熱すると同時にＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金の溶融金属をプリフォームへ浸透する方法であり、更に浸透後に、前記空洞部の埋め込み金属部分を加工する方法であ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。
【請求項４】
該金属の埋め込み方法が、金属の埋め込み箇所に空洞部を有したセラミックス繊維または粒子から成るプリフォームを形成し、その空洞部に金属粉末または空洞部の形状に合わせたＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系若しくはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系、又はＡｌ、Ａｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｔｉ系、Ａｌ−Ｎｉ系、若しくはＡｌ−Ｆｅ系のアルミニウム合金塊をあらかじめ詰め込み加熱すると同時にＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金の溶融金属をプリフォームへ非加圧状態で浸透させる方法であることを特徴とする請求項３記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【請求項５】
金属−炭化珪素複合材料の一部に金属が埋め込まれている金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該金属の埋め込み方法が、金属の埋め込み箇所に空洞部を有した炭化珪素繊維または粒子から成るプリフォームを形成し、その空洞部にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金の溶融金属を供給すると同時に前記溶融金属をプリフォームに浸透する方法であり、更に浸透後に、前記空洞部の埋め込み金属部分を加工する方法であ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、金属に強化材を複合させた金属−セラミックス複合材料の製造方法に関し、特に加工性に優れた金属−セラミックス複合材料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金属−セラミックスの複合材料は、金属とセラミックスの両方の特性を兼ね備えており、例えばこの複合材料は、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を備えている。このように、従来から難しいとされていたセラミックスと金属の両方の特性を備えているため、機械装置メーカ等の業界から次世代の材料として注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この複合材料は、工業用部品として使用するためにはそのまま使用することも構わないが、多くは加工する必要があり、加工するためにはセラミックスが複合されているため、加工性に劣りコストが高いものになっていた。具体的にはセラミックスの含有率が４０ｖｏｌ％より高い複合材料に対しては切削加工は出来ず、ダイヤモンド砥石による研削加工、研磨加工が行われ、４０ｖｏｌ％以下の複合材料に対しては超硬合金または多結晶ダイヤモンドの工具によりフライス加工、エンドミル加工で切削加工が行われ、これら加工に用いる砥石や工具の価格が高い上に加工時間が長くかかるため、加工コストが高いものとなっていた。特に複合材料にネジ穴等の凹部を設ける場合には、コストが金属部品の１０倍以上という非常に高いものとなっていた。
【０００４】
本発明は、上述した金属−セラミックス複合材料が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、容易に且つ安価に凹部を設けることのできる金属−セラミックス複合材料の製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、複合材料に金属を埋め込むことができれば、その金属を加工することにより容易に且つ安価に複合材料に凹部を設けることができるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち本発明は、
（１）金属−セラミックス複合材料の一部に金属が埋め込まれている金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該金属の埋め込み方法が、金属の埋め込み箇所に空洞部を有したセラミックス繊維または粒子から成るプリフォームを形成し、その空洞部に溶融金属を供給すると同時に同じ溶融金属をプリフォームに浸透させる方法であ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（請求項１）とし、また、
（２）前記金属が、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法（請求項２）とし、さらに、
（３）金属−セラミックス複合材料の一部に金属が埋め込まれている金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該金属の埋め込み方法が、金属の埋め込み箇所に空洞部を有したセラミックス繊維または粒子から成るプリフォームを形成し、その空洞部に金属粉末または空洞部の形状に合わせた金属塊をあらかじめ詰め込み加熱すると同時に同じまたは異なる溶融金属をプリフォームに浸透させる方法であ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（請求項３）とし、また、
（４）前記金属が、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項３記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法（請求項４）とし、さらに、
（５）前記埋め込み金属が、Ａｌ、Ａｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｔｉ系、Ａｌ−Ｎｉ系またはＡｌ−Ｆｅ系のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項３記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法（請求項５）とすることを要旨とする。
以下さらに詳細に説明する。
【０００７】
上記複合材料に金属を埋め込む方法としては、金属の埋め込み箇所に空洞部を有したセラミックス繊維または粒子から成るプリフォームを形成し、その空洞部に溶融金属を供給すると同時に同じ溶融金属をプリフォームに浸透させる方法とした（請求項１）。この方法は、あらかじめ設けられた空洞部に溶融金属が供給されるので、空洞部全体が溶融金属で充填され、同時にその同じ溶融金属をプリフォーム中に浸透させ冷却して複合材料とするので、空洞部の溶融金属と浸透金属とが融着し、空洞部に金属がしっかりと埋め込まれた金属−セラミックス複合材料が作製されることとなる。この方法では、埋め込み金属と浸透金属とが同一でなければならない。
【０００８】
その金属としては、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金とした（請求項２）。アルミニウム合金は、安価で剛性が高く、かつ比重が低いので、比剛性も高く好ましく、アルミニウム合金であればいずれでもよいが、その中で浸透金属については、Ａｌ−Ｍｇ系がセラミックス粉末に濡れ性が良好で鬆ができにくく特に好ましい。一方、セラミックス粉末と金属との反応により、Ａｌ4Ｃ3が生成する場合、例えばセラミックスがＳｉＣの場合には、Ａｌ4Ｃ3が生成するため、さらにＳｉの入ったアルミニウム合金を使わざるを得ないが、そのアルミニウム合金にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系を使った場合には、埋め込み金属に複合材料の冷却時に生じる引け鬆が生じ易く好ましくないので、セラミックスがＳｉＣの場合には、ＳｉのほかにさらにＣｕの入ったＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系（例えばＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ）またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系（例えばＡＣ８Ａ）のアルミニウム合金がよい。
【０００９】
複合材料に金属を埋め込む他の方法としては、金属の埋め込み箇所に空洞部を有したセラミックス繊維または粒子から成るプリフォームを形成し、その空洞部に金属粉末または合金をあらかじめ詰め込み加熱すると同時に同じまたは異なる溶融金属をプリフォームに浸透させる方法とした（請求項３）。この方法は、あらかじめ設けられた空洞部に前もって金属を詰め込んで加熱すると同時に溶融金属をプリフォーム中に浸透させるので、浸透金属と詰め込んだ金属の溶融部とが複合材料の界面で強く融着し、前記した方法と同じく空洞部に金属がしっかりと埋め込まれた金属−セラミックス複合材料が作製されることとなる。この方法では、埋め込み金属と浸透金属とが異なっていても構わない。
【００１０】
その金属としては、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金とした（請求項４）。浸透金属については前記した方法で述べたのと同じく、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金が好ましく、埋め込み金属と異なるものにする場合はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のアルミニウム合金でもよい。一方、埋め込み金属については、前記したと同じくＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金が好ましい。また、この埋め込み金属は、熱膨張係数がプリフォームに近い金属が望ましく、この点を満足しない金属では、複合材料の界面にクラックを生じさせる原因となる。
【００１１】
また、上述の埋め込み金属については、浸透金属と異なっていても構わないので、Ｍｇを含まない金属でも用いることができ、その金属としては、Ａｌ、Ａｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｔｉ系、Ａｌ−Ｎｉ系あるいはＡｌ−Ｆｅ系のアルミニウム合金とした（請求項５）。これらアルミニウム合金はいずれも浸透金属より高い溶融温度を有するものであるため、次の理由で引け鬆がよりでき難いことでＭｇを含む上述の埋め込み金属に比べて、さらに好ましい金属となっている。
【００１２】
その理由は、冷却時にできる引け鬆は、金属の固化が遅れる部分に生じるものであるが、これらの埋め込み金属については、その溶融温度が周りの浸透金属よりいずれも高いことから、冷却時に先ずこの埋め込み金属が固化し始めるので、埋め込み金属の部分の固化が遅れることはなく、浸透金属の溶融温度と同じレベルにあるＭｇを含む上述の埋め込み金属に比べて、埋め込み金属の部分での引け鬆がよりでき難いこととなる。
【００１３】
上記複合材料中のセラミックスとしては、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ホウ化チタン等の非酸化物、酸化アルミニウム、酸化珪素等の酸化物のいずれも使用することができ、限定されるものではないが、この中で炭化珪素、酸化アルミニウムが特性やコスト面で優れていて好ましい。
【００１４】
また、上記プリフォームの形成方法としては、セラミックス粉末を加圧する乾式加圧成形法で成形体を作製し、その成形体を焼成して形成する方法と、セラミックス粉末に水及びバインダーを添加し、それを鋳込むセディメントキャスト法で成形体を作製し、その成形体を焼成して形成する方法などがあるが、このセディメントキャスト法で成形体を作製する方が乾燥時にできる水分の通り道がそのまま浸透させる合金の通り道となるため閉気孔の生成がなく、また充填ムラが少なく支障なく金属を浸透できる点で優れている。用いるバインダーとしては、コロイダルアルミナ、コロイダルシリカ等が使用できる。
【００１５】
さらに、上記プリフォームに金属を浸透させる方法としては、そのプリフォームに加圧または非加圧で金属を浸透させる方法があり、加圧あるいは非加圧のいずれの方法でも構わないが、種々の形状の複合材料を簡単に且つ安価に作製できる非加圧の方がより優れている。
【００１６】
【発明に実施の形態】
本発明の製造方法をさらに詳しく述べると、先ず強化材としてＳｉＣ等の粉末を用意する。ＳｉＣ等のセラミックス粉末は、単一の粒径のものでもよいが、２種類以上の平均粒径を有する粉末を混合した方が粉末の充填率が高くなり、プリフォームの強度が増加するので望ましい。
【００１７】
前記したＳｉＣ等の粉末に対し、イオン交換水１０〜５０ｗｔ％程度、コロイダルアルミナ等のバインダーを０．１〜３０ｗｔ％程度、その他に必要があれば消泡剤などを加える。バインダーの量は、少ないと作製したプリフォームの強度が小さく、複合化する際に支障が生じ、多すぎると閉気孔が生じて複合化できない。
【００１８】
得られた配合物をポットミルで混合する。混合時間は長くても１００時間程度以下でよい。混合したスラリーは、振動を印加しながら鋳込み成形する。スラリーの粘度は、粘性が高いと粉末が沈降しないため、１００ポイズ以下が好ましい。鋳型は通常はシリコーンゴム型を使用するがプラスチック、アルミニウム等の型であってもよく、特に限定はない。その鋳型内部に複合材料の金属の埋め込み箇所に見合う空洞部を形成すべく凸部を設ける。鋳込んだ後粒子が沈降する間はなるべく振動を加え充填をよくする。得られた成形体は冷凍して脱型する。冷凍は水が凍ればよく温度に限定はない。脱型した成形体を８００〜１６００℃の温度で焼成してプリフォームを形成する。
【００１９】
形成したプリフォームに上記（１）の方法では、形成された空洞部を含めプリフォームの上部または下部にＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金を置き、窒素気流中で非加圧で７００〜１０００℃の温度で合金を溶融し、空洞部に溶融金属を充填すると同時に同じ溶融金属をプリフォームに浸透させた後、冷却して複合材料を作製する。一方、（３）の方法では、プリフォームの空洞部にＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金を、もしくはＡｌ、Ａｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｔｉ系、Ａｌ−Ｎｉ系あるいはＡｌ−Ｆｅ系のアルミニウム合金を詰め込み、その上部または下部にＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のアルミニウム合金を置き、窒素気流中で（１）と同様にプリフォームに溶融金属を浸透させた後、冷却して複合材料を作製する。
【００２０】
以上の方法で材料の一部に金属を埋め込んだ金属−セラミックス複合材料を作製すれば、埋め込んだ金属部を加工することにより、ネジ穴等の凹部を容易に且つ安価に加工できる金属−セラミックス複合材料とすることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００２２】
（実施例１〜５）
（１）プリフォームの形成
強化材として平均粒径が異なる表１に示す市販の研磨用Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末を表１の割合で配合し、その粉末に対し、実施例１、４、５ではコロイダルシリカを、実施例２、３ではコロイダルアルミナをそれぞれ１０ｗｔ％、イオン交換水を２４ｗｔ％、消泡剤を０．２ｗｔ％加え、媒体を入れてないポットミルで１６時間混合した。得られたスラリーをφ１０ｍｍ、φ１５ｍｍ、φ２０ｍｍの貫通穴を有した１００×１００×３０ｍｍの型でセディメントキャストを行ない、−３０℃に冷却して冷凍品を得た。得られた冷凍品を１０５０℃で焼成しプリフォームを形成した。
【００２３】
（２）金属−セラミックス複合材料の作製
得られたプリフォームの上に実施例１、２では貫通穴部を含め表１に示すアルミニウム合金を置き、実施例３、４、５では得られたプリフォームの貫通穴に表１に示すアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末を詰めた後、貫通穴部を除いた部分のプリフォームの上に表１に示す合金を置き、窒素雰囲気中で８２５℃の温度で貫通穴部を加熱すると同時に合金をプリフォームに非加圧浸透させ金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００２４】
（３）評価
得られたプリフォームの嵩密度をアルキメデス法で測定し、セラミックス粉末の充填率を求めた。また、得られた金属−セラミックス複合材料を貫通穴部を含め切断し、その切断面を目視で観察し、切断面の状態を調べた。それらの結果を表１に示す。
【００２５】
（比較例１〜６）
比較例として比較例１では、金属をＡｌ−１５Ｓｉ−５Ｍｇにした他は実施例２と同様に、比較例２〜６では、埋め込み金属を表１にした他は実施例３と同様にプリフォームを形成し、複合材料を作製し、評価した。それらの結果も表１に示す。
【００２６】
【表１】
0004276304.tif 000002
【００２７】
表１から明らかなように、実施例１〜５においては、貫通穴部の金属に鬆がなく、また、複合材料の部分にも亀裂がなく、問題なく複合材料に金属が埋め込まれていた。
これに対して、比較例１では、埋め込み金属に引け鬆のでき難いＡｌ−Ｍｇ系もしくはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系のアルミニウム合金を使用していないため、複合材料との界面の金属部に引け鬆が生成していた。また、比較例２、３では、埋め込み金属の融点が高いため界面にクラックが発生し、複合材料が割れていた。さらに、比較例４では、埋め込み金属と反応して引け鬆が生じていた。さらにまた、比較例５、６では、比較例１と同様埋込金属に引け鬆のでき難いアルミニウム金属を用いていないので、これも引け鬆が生じていた。
【００２８】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の方法で金属−セラミックス複合材料を作製することにより、材料の一部に金属が埋め込まれた複合材料を作製することができ、その埋め込まれた金属部を加工することにより、容易に且つ安価にネジ穴等の凹部を設けることのできる金属−セラミックス複合材料とすることができるようになった。これにより、金属−セラミックス複合材料の性能を具備しながら、加工性に優れた複合材料とすることができ、工業的利用の範囲が非常に広がった。