(57)【要約】【課題】Ａｌ基材と複合層の界面で剥離が生じない優れた耐熱性と、例えば、ブレーキロータなどに使用された場合に要求される優れた耐摺動性を備えた複合材料及びその製造方法を提供する。【解決手段】Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末を含む混合粉末２ａに、Ａｌ基材３ａを溶浸させ、これらを燃焼合成反応させることにより得たＡｌ３Ｔｉを主成分とする複合層２と、この複合層２の少なくとも片面に固化させたＡｌ基材３と、を有し、この固化させたＡｌ基材３と前記複合層２との界面４における当該Ａｌ基材３中に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを析出させた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末を含む混合粉末にＡｌ基材を溶浸させ、これらを燃焼合成反応させることにより得たＡｌ３Ｔｉを主成分とする複合層と、この複合層の少なくとも片面に固化させたＡｌ基材と、を有し、この固化させたＡｌ基材と前記複合層との界面における当該Ａｌ基材中に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを析出させたことを特徴とする複合材料。
【請求項２】
前記混合粉末は、これに含まれる前記Ｔｉ粉末と前記セラミックス粉末の混合比がモル比で１：１１〜１：２０であることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
前記針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉの面積率が４．０８〜７．１０％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合材料。
【請求項４】
Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末を含む混合粉末と、Ａｌ基材と、を接触させる接触工程と、
前記接触工程で接触させた前記混合粉末及び前記Ａｌ基材を、前記Ａｌ基材の溶融温度以上Ａｌ３Ｔｉの溶融温度未満の焼成温度で焼成して燃焼合成反応させた焼成体を得る焼成工程と、
前記焼成工程で焼成した前記焼成体を冷却速度２〜６００℃／分で冷却して複合材料を得る冷却工程と、
を含むことを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記混合粉末は、これに含まれる前記Ｔｉ粉末と前記セラミックス粉末の混合比がモル比で１：１１〜１：２０であることを特徴とする請求項４に記載の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、例えば、ブレーキロータなどの耐熱性及び耐摺動性が要求される部材の材料として用いられる複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、自動車等は燃費の向上や運動性能の向上のため軽量化することが強く求められている。特に、自動車の足回りは、運動性能に大きく関係することから、いわゆるバネ下荷重を小さくするため従来鉄で形成されてきた部材をアルミニウム（Ａｌ）で形成することが検討されている（以下、Ａｌで形成された部材をＡｌ部材という）。例えば、ブレーキロータもその一つであるが、ブレーキロータは、自動車の制動時に非常に高温となったり、冷却されて急激に温度が低くなったりするだけでなく、ブレーキパッドと激しく摺動するため、高い耐熱性及び耐摺動性が要求される。そのため、純Ａｌ製やＡｌ合金製のブレーキロータでは、これらの要求に応えることができないのが実状である。
【０００３】
そのため、Ａｌ部材の耐熱性及び耐摺動性を向上させる目的で、Ａｌ部材の表面に耐熱層を形成した部分強化材が検討されている。
Ａｌ部材の表面を改質する周知の技術として、例えば、溶射、ＰＶＤ、ＣＶＤ、めっきなどのコーティング手法がある。
また、Ａｌ部材の表面を改質する周知の技術として、例えば、ホットプレス法（ＨＰ）、熱間静水圧プレス法（ＨＩＰ）などのように、加圧条件下で他金属と拡散接合する手法や、機械的接合する手法（クラッディング）、鋳ぐるみ法、ろう付け法などもある。
【０００４】
さらに、Ａｌ部材の表面を改質する技術として、瞬時に合成が行われエネルギー的にも優位な、異種材料の強固な結合・複合化を可能とする燃焼合成法（ＳＨＳ：Self-propagating High-Temperature Synthesis）による金属基複合材料を製造する手法も提案されている。
ここで、燃焼合成法とは、燃焼反応による発熱により化学反応を連鎖的に起こし目的とする物質を合成する方法である。このように燃焼合成法は、反応熱を利用した合成方法であるため、素材を燃焼合成反応が励起する温度に設定するだけで、エネルギーを投入することなく、物質の合成を進行させることが可能で、省エネルギーの観点からも注目されている。
【０００５】
しかし、かかる燃焼合成法は、反応が急激で急速な温度上昇を伴うため、生成する複合材料が膨張するなどの諸問題が発生しやすく、反応の制御が難しい。このため、燃焼合成反応を安定化させつつ所望の特性を複合材料に付与することの困難性が欠点となり、現時点で工業的な応用が進んでいないのが実情である。
このような欠点を克服し、所定の特性を付与するため以下のような公知技術が存在する。
【０００６】
例えば、特許文献１には、Ｎ２雰囲気中でＭｇとの反応によりＭｇ３Ｎ２を生成し、これがセラミックス粒子の表面を還元し、Ａｌなどの金属との濡れ性を改善して無加圧で複合化してＡｌ−セラミックスの複合層を有する材料（複合材料）を得ることができる旨が記載されている。このように、Ａｌなどの金属が溶融してセラミックス粒子に溶浸し、複合化することにより、Ａｌ基材と複合層が強固に結合した部分強化複合材料を得ることができる。また、いくつかのセラミックスの充填量の異なる層を積層し浸透させると傾斜構造をもつ複合層を得ることも記載されている。
【０００７】
特許文献２、３には、燃焼合成反応と同時に加圧操作を組み合わせて、緻密でかつ接合性に優れた特性を複合材料に付与する技術が記載されている。
また、特許文献４には、Ａｌ基複合材上に燃焼合成可能な粉末層を設け、燃焼合成反応を起こして、粉末層をセラミックス化（複合化）するとともに、その反応熱によりＡｌ基材との間にも燃焼合成反応を起こし、強固に接合する技術が記載されている。
さらに、特許文献５〜８には、溶融したＡｌを溶浸させて燃焼合成反応を起こし、アルミナイド金属間化合物を含んだ複合材料を得る方法において、空隙率や金属の体積分率を制御してＡｌの溶浸を促進し、結合が強固になる特性を複合材料に付与する技術が記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特許第２９９８８２８号
【特許文献２】特開平９−７１４７９号公報
【特許文献３】特開平１１−１７２３５１号公報
【特許文献４】特開平５−１４８６１４号公報
【特許文献５】特開２００４−２１１１０９号公報
【特許文献６】特開２００４−３４６３６８号公報
【特許文献７】特開２００４−３０７８８３号公報
【特許文献８】特開２００４−３５３０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、溶射、ＰＶＤ、ＣＶＤ、めっきなどによって形成されたコーティング膜は、１ｍｍ以上の厚膜に形成することが困難であり、Ａｌ基材とコーティング膜の界面における耐熱性に問題がある。そのため負荷の高い摺動条件下ではＡｌ基材が溶融し、コーティング膜も容易に剥離してしまう。
また、ＨＩＰ、ＨＰを用いれば界面の接合強度を向上できるが、設備が大きくなり、製品の形状自由度が限定される。
さらに、クラッディングでもＡｌ基材にＦｅなどの高融点金属を接合することは可能であるが、接合強度が不十分であり、信頼性も高くない。
【００１０】
そして、鋳ぐるみ法では、酸化膜を除去処理してもＡｌなどはすぐに酸化膜を形成してしまい、欠陥なく接合することは困難であり、Ａｌ基材とセラミックスの界面を十分な接合強度で接合することができない。
ろう付け法は、比較的厚みのある耐熱層を形成できる手法の一つであり、例えば、Ａｌ基材とセラミックスをろう付けにより容易に接着できる長所がある。しかし、これらに収縮の差があるため、温度が上昇すると、Ａｌ基材とセラミックスの界面で容易に剥離してしまう。
【００１１】
特許文献１に記載の技術では、Ｍｇ３Ｎ２の活性が高いため、ＡｌＮを生成してしまい、Ａｌが溶浸しない部分が生成しやすい。そのため、欠陥が残存するおそれがある。また、活性化に時間を要するため、生産効率にも問題がある。
【００１２】
特許文献２、３に記載の技術では、複合体の素材により焼結時の収縮率も異なるので割れ、剥離が生じやすいという問題がある。さらに、加圧作用を加えるため設備が大きくなり、複雑な形状やニアネットシェープが困難になり加工が必要となる。また、焼結温度の大きく異なる材料を複合化することは困難である。
【００１３】
特許文献４に記載の技術では、反応熱が基材で冷やされるため、接合する反応が途中で停止してしまい、充分な接合強度が得られない。また反応熱をより大きくするとさらにポーラスな層となり、かつ激しい燃焼合成による膨張も起こり目的の構造を有する複合材料を得ることすらできないおそれがある。
【００１４】
また、特許文献５〜８に記載のいずれの技術においても、Ａｌ基材と複合層を連続的につなげることができ、その接合強度は従来の手法より向上することができるものの、Ａｌ基材と複合層の熱膨張差があり、依然としてＡｌ基材と複合層の界面で剥離が生じるという問題がある。
【００１５】
本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、Ａｌ基材と複合層の界面で剥離が生じない優れた耐熱性と、例えば、ブレーキロータなどに使用された場合に要求される優れた耐摺動性を備えた複合材料及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題を解決するため、本発明に係る複合材料は、Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末を含む混合粉末にＡｌ基材を溶浸させ、これらを燃焼合成反応させることにより得たＡｌ３Ｔｉを主成分とする複合層と、この複合層の少なくとも片面に固化させたＡｌ基材と、を有し、この固化させたＡｌ基材と前記複合層との界面における当該Ａｌ基材中に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを析出させたことを特徴としている。
【００１７】
このように、Ａｌ基材と複合層との界面におけるＡｌ基材中に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを析出させて、いわゆるくさび効果を得ることにより、Ａｌ基材と複合層の熱膨張差がある場合であってもこれらの界面で剥離が生じないようにすることができる。
【００１８】
本発明において、前記混合粉末は、これに含まれる前記Ｔｉ粉末と前記セラミックス粉末の混合比がモル比で１：１１〜１：２０であるのが好ましい。
このように、混合粉末の混合比を特定の範囲に規制することによって、セラミックス粉末が反応熱を吸収して急激な温度上昇を抑制し、また、複合層の分散が崩れることなくＡｌ表面を部分強化することが可能となる。
【００１９】
本発明においては、前記針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉの面積率が４．０８〜７．１０％であるのが好ましい。
Ａｌ３Ｔｉの面積率をこのような特定の範囲に規制すれば、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉによるくさび効果を確実に得ることができる。そのため、Ａｌ基材と複合層の熱膨張差がある場合であってもこれらの界面で剥離がより生じないようにすることが可能となる。
【００２０】
本発明に係る複合材料の製造方法は、Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末を含む混合粉末と、Ａｌ基材と、を接触させる接触工程と、前記接触工程で接触させた前記混合粉末及び前記Ａｌ基材を、前記Ａｌ基材の溶融温度以上Ａｌ３Ｔｉの溶融温度未満の焼成温度で焼成して燃焼合成反応させた焼成体を得る焼成工程と、前記焼成工程で焼成した前記焼成体を冷却速度２〜６００℃／分で冷却して複合材料を得る冷却工程と、を含むことを特徴としている。
【００２１】
このように、混合粉末とＡｌ基材を接触工程で接触させた後、焼成工程で特定の範囲の焼成温度で焼成し、Ａｌ基材を溶融させて混合粉末に溶浸させることにより、燃焼合成反応を生じさせる。このとき、混合粉末とＡｌ基材を焼成してなる焼成体は、燃焼合成反応によってＴｉ粉末及び溶融したＡｌ基材が発熱を伴う化学反応を起こし、Ａｌ３Ｔｉを生成する。そして、冷却工程で特定の範囲の冷却速度で冷却することにより、Ａｌが凝固するまでの間に、混合粉末からＡｌ基材に拡散したＴｉ原子と、Ａｌ基材中のＡｌ原子と、が化学反応して、Ａｌ基材中に針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを析出させることができる。そのため、いわゆるくさび効果を得ることにより、Ａｌ基材と複合層の熱膨張差がある場合であってもこれらの界面で剥離が生じないようにすることができる。
【００２２】
本発明において、前記混合粉末は、これに含まれる前記Ｔｉ粉末と前記セラミックス粉末の混合比がモル比で１：１１〜１：２０であるのが好ましい。
このように、混合粉末の混合比を特定の範囲に規制することによって、セラミックス粉末が反応熱を吸収して急激な温度上昇を抑制し、また、複合層の分散が崩れることなくＡｌ表面を部分強化した複合材料を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の複合材料は、Ａｌ基材と複合層の界面で剥離が生じない優れた耐熱性と、優れた耐摺動性と、を備えている。
本発明の複合材料の製造方法によれば、Ａｌ基材と複合層の界面で剥離が生じない優れた耐熱性と、優れた耐摺動性と、を備えた複合材料を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の要旨は、Ａｌ基材と複合層との熱膨張差による、Ａｌ基材と複合層の界面における剥離を防ぐために、燃焼合成反応後の冷却速度を特定の範囲に制御することで、固化させたＡｌ基材中に拡散したＴｉを針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉとして当該Ａｌ基材側に析出させ、そのくさび効果によってＡｌ基材と複合層の熱膨張差がある場合であってもこれらの界面で剥離が生じにくくさせたことにある。
【００２５】
以下、適宜図面を参照しながら本発明に係る複合材料及びその製造方法について詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本発明に係る複合材料の構成を説明する断面図であり、図２（ａ）は、本発明に係る複合材料の製造方法のフローを示すフローチャートであり、（ｂ）〜（ｄ）は、焼成工程及び冷却工程での複合層及びＡｌ基材の様子を説明する説明図であり、図３は、アルミニウムの組織と性質について説明する説明図であり、（ａ）は、Ｔｉの含有量（質量％）と冷却速度（℃／ｓ）におけるアルミニウムの組織を示すグラフであり、（ｂ）は、冷却速度が速い場合のアルミニウムの組織を示した写真であり、（ｃ）は、冷却速度が遅い場合のアルミニウムの組織を示した写真である。なお、同図中（ｂ）及び（ｃ）のスケールバーは１０μｍを示す。
【００２６】
まず、図１を参照して、本発明に係る複合材料について説明する。
図１に示すように、本発明に係る複合材料１は、Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末を含む混合粉末２ａ（図２（ｂ）（ｃ）参照）にＡｌ基材３ａ（図２（ｂ）（ｃ）参照）を溶浸させ、これらを燃焼合成反応させることにより得たＡｌ３Ｔｉを主成分とする複合層２と、この複合層２の少なくとも片面に固化させたＡｌ基材３と、を有し、この固化させたＡｌ基材３と複合層２との界面４における当該Ａｌ基材３中に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを析出させている。
【００２７】
ここで、燃焼合成反応とは、溶融したＡｌ（溶融Ａｌ）が、Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末の連続した間隙を充填して混合粉末の全体に浸透していく過程において、溶融ＡｌとＴｉ粉末が化学反応してＡｌ３Ｔｉ（チタン−アルミ金属間化合物）を生成する、発熱を伴う化学反応いう（下記式（１）参照。）。なお、本発明においては、燃焼合成反応を、後記する吸熱を伴う化学反応と対比する関係から「第１化学反応」ということもある。
３Ａｌ ＋ Ｔｉ  →  Ａｌ３Ｔｉ ＋ １４６ｋＪ・・・（１）
この第１化学反応が連鎖的に起こり、溶融Ａｌが、瞬時に混合粉末に浸透していき、Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末の間隙がＡｌ３Ｔｉ（チタン−アルミ金属間化合物）を主成分にする複合層２に置換される。
【００２８】
なお、前記した燃焼合成反応（第１化学反応）のみでは、その化学反応が激しく、複合材料１に急激な膨張や多孔質が生じることが多いため、本発明においてはＴｉ粉末とともにセラミックス粉末を用いることで第１化学反応を緩和させている。セラミックス粉末として、例えば、ＴｉＮ粉末を用いた場合を例に説明すると以下のようになる。
つまり、ＴｉＮ粉末が溶融Ａｌと吸熱を伴う化学反応を起こしてＡｌ系化合物を生成させる（下記式（２）参照）。なお、本発明においては、かかる化学反応を「第２化学反応」という。
Ａｌ ＋ ＴｉＮ ＋ ２０ｋJ  →  ＡｌＮ ＋ Ｔｉ・・・（２）
【００２９】
Ｔｉ（金属Ｔｉ）粉末は、前記したように、燃焼合成反応（第１化学反応）において、溶融Ａｌと発熱を伴う化学反応を起こしてＡｌ３Ｔｉを生成させる役割を担う（前記式（１）参照）。
Ｔｉ粉末は、例えば、平均粒径が４５〜２５０μｍであれば、溶浸させたＡｌ基材３ａのＡｌ原子と好適に燃焼合成反応させることができるので好ましい。
【００３０】
セラミックス粉末は、前記したように、燃焼合成反応（第１化学反応）で生じた熱を利用して溶融Ａｌと吸熱を伴う化学反応を起こし、Ａｌ系化合物を生成させる役割を担う（前記式（２）参照）。
セラミックス粉末は、例えば、平均粒径が１〜３μｍ、より好ましくは１〜１．５μｍの範囲のものであれば、溶浸させたＡｌ基材３ａのＡｌ原子と好適に燃焼合成反応させることができるので好ましい。
セラミックス粉末としては、例えば、ＴｉＯ２、ＮｉＯ、ＳｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＺｎＯ、ＴｉＮ、Ｆｅ４Ｎ、Ｃａ３Ｎ２、Ｍｏ２Ｎから選択される化合物のうち少なくとも一つを含むものを用いることができるが、これらの中でもＴｉＮを好適に用いることができる。
【００３１】
混合粉末２ａは、前記したＴｉ粉末及びセラミックス粉末を、モル比で１：１１〜１：２０の範囲の混合比で含むのが好ましい。混合粉末２ａがこれらをかかる範囲で含むと、燃焼合成反応を安定して連鎖反応させることができる（つまり、安定して第１化学反応と第２化学反応を起こすことができる）。また、固化させたＡｌ基材３と複合層２との界面４におけるＡｌ基材３中（特に、界面４の近傍）に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを好適に析出させることが可能となる。
【００３２】
一方、混合粉末２ａが、Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末を、モル比で１：１１未満の混合比で含む場合、Ｔｉ粉末の含有割合が高いため発熱が多くなって燃焼合成反応が激しくなりすぎてしまい、複合材料が膨張したり、多孔質になったりする。
また、混合粉末２ａが、Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末を、モル比で１：２０を超えた混合比で含む場合、セラミックス粉末の含有割合が高いため、吸熱が多くなって燃焼合成反応が緩和されすぎてしまい、固化させたＡｌ基材３と複合層２との界面４におけるＡｌ基材３中に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを好適に析出させることができなかったり、燃焼合成反応が連鎖反応せず複合材料とならなかったりすることがある。
かかる混合粉末２ａは、通常の乳鉢や磁性乳鉢を用いて乾式で混合したり、エタノールなどの有機溶媒を用いて湿式で混合し、ろ紙にて吸引ろ過した後に乾燥させたりすることで好適に得ることができる。
【００３３】
Ａｌ基材３（３ａ）は、加熱されて混合粉末２ａに溶浸し、燃焼合成反応を生じさせることができればよく、ＪＩＳＺ４０００の１０００系として規定される純Ａｌ、及びＪＩＳＺ４０００の３０００系や５０００系、ＡＣ４ＣＨ、ＡＣ２Ｂ、ＡＤＣ１２などとして規定されるいずれの汎用のＡｌ合金であっても好適に用いることができる。
【００３４】
燃焼合成反応によって得られたＡｌ３Ｔｉ（チタンアルミナイド）は、優れた耐熱性、強度及び耐酸性を有することが知られている。そのため、本発明に係る複合材料１は、前記したようにこれを主成分とする複合層２の効果によって、その複合層２に優れた耐熱性と耐摺動性が具備されることとなる。
【００３５】
そして、本発明に係る複合材料１は、この複合層２の少なくとも片面に、溶融した後に固化させたＡｌ基材３を有し、さらに複合層２とこのＡｌ基材３の界面におけるＡｌ基材３中に、複合層２から連続する針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉが析出した構成となっているため、複合層２から連続する針状又は薄板状のＡｌ３ＴｉがＡｌ基材３中にくさびのように食い込む効果（くさび効果）を得ることができる。その結果、Ａｌ基材３と複合層２とに熱膨張差があり、これらが加熱された場合であっても、これらがその界面４で剥離することがない。析出した針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉは、例えば、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡などを用いることにより確認することができる。
なお、このような針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉは、後記するように適切な条件で焼成工程Ｓ２と冷却工程Ｓ３を実施することにより適切に析出させることができる。
【００３６】
かかる針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉは、その面積率が４．０８〜７．１０％であるのが好ましい。針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉの面積率をかかる範囲とすれば、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉによるくさび効果を確実に得ることができるためである。
針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉの面積率が４．０８％未満であると、くさび効果（熱膨張率低減効果）が小さくなるので好ましくない。一方、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉの面積率が７．１０％を超えると、析出させた針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉの層の靭性が低減するので好ましくない。なお、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉの面積率は、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡などで撮像した写真を画像解析ソフトなどで解析することによって測定することができる。
【００３７】
以上に説明した本発明に係る複合材料１は、固化させたＡｌ基材３と複合層２との界面４における当該Ａｌ基材３中に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを析出させることにより、いわゆるくさび効果を得、これにより、Ａｌ基材３と複合層２とを強固に結びつけることができる。そのため、加熱され、さらに急激に冷却されたような場合であっても、これらの界面４において熱膨張差に起因する剥離を生じにくくさせることができる。
【００３８】
本発明に係る複合材料１は、次に説明する製造方法によって好適に製造することができる。
すなわち、本発明に係る複合材料の製造方法は、図２（ａ）のフローチャートに示すように、Ｔｉ粉末及びセラミックス粉末を含む混合粉末２ａと、Ａｌ基材３ａと、を接触させる接触工程Ｓ１と、接触工程Ｓ１で接触させた混合粉末２ａ及びＡｌ基材３ａを、Ａｌ基材３ａの溶融温度以上Ａｌ３Ｔｉの溶融温度未満の焼成温度で焼成して燃焼合成反応させた焼成体（不図示）を得る焼成工程Ｓ２と、焼成工程Ｓ２で焼成した焼成体を冷却速度２〜６００℃／分で冷却して複合材料１を得る冷却工程Ｓ３と、を含んでなる。
【００３９】
接触工程Ｓ１における混合粉末２ａとＡｌ基材２ａの接触は、例えば、坩堝内に混合粉末２ａを敷き詰め、さらにその上にＡｌ基材３ａ（Ａｌインゴット）を設置することにより行うことができる。
なお、混合粉末２ａは、坩堝内でタッピング充填して敷き詰めたり、圧粉成形してこれを底面に載置したりしてもよい。
【００４０】
焼成工程Ｓ２では、接触工程Ｓ１で混合粉末２ａ上にＡｌ基材３ａを接触配置させた坩堝を、均一に加熱することができる焼成炉内に設置し、これを前記した焼成温度で所定の保持時間焼成する。これにより、図２（ｂ）に示すように、昇温中に溶融したＡｌ基材３ａが混合粉末２ａに溶浸して複合層２となる。そして、図２（ｃ）に示すように、所定の保持時間焼成することによって複合層２（混合粉末２ａ）中のＴｉ原子がＡｌ基材３ａ中に拡散する。
【００４１】
焼成工程Ｓ２における焼成温度がＡｌ基材３ａの溶融温度未満であると、Ａｌが溶融しないため、燃焼合成反応が生じず、複合材料１を製造することができない。また、焼成温度がＡｌ３Ｔｉの溶融温度を超えると、生成した複合材料１中のＡｌ３Ｔｉが溶融してしまい、所望の複合材料１を製造することができない。
ここで、Ａｌ基材３ａの溶融温度以上Ａｌ３Ｔｉの溶融温度未満とは、好適には、例えば、９００〜１２００℃とするとよい。焼成温度がこの範囲であると、燃焼合成反応を安定して連鎖反応させることができる。また、固化させたＡｌ基材３と複合層２との界面４におけるＡｌ基材３中に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを好適に析出させることが可能となる。
さらに、Ｔｉ粉末とセラミックス粉末の混合比をモル比で１：１１〜１：２０の範囲で含み、かかる焼成温度で焼成すると、複合層２を乱すことなく均一に形成することができ、複合材料１の片面のみを部分的に強化することができる。
【００４２】
なお、本発明における保持時間とは、Ａｌが溶融している時間をいい、かかる保持時間としては、例えば、０．２〜１．０時間とすることができる。焼成工程Ｓ２における保持時間が０．２時間未満であると、溶融したＡｌの溶浸とそれによる燃焼合成反応が十分に行われないため、複合層２の形成が十分でないおそれがあり、また、混合粉末２ａからＡｌ基材３ａに拡散するＴｉ原子の量も十分でなくなり、Ａｌ３Ｔｉの析出も十分に行われないおそれがある。これに対し、保持時間が１．０時間を超えると、歩留まりが悪くなるだけでなく、混合粉末２ａからＡｌ基材３ａに拡散するＴｉ原子の量が多くなりすぎる結果、Ａｌ３Ｔｉの析出量が多くなりすぎるおそれがある。
【００４３】
なお、焼成工程Ｓ２で用いる焼成炉は、炉内をＡｒやＮ２などの不活性ガス雰囲気に置換することができ、Ａｌ基材３ａを溶融させるとともに、前記した特定の焼成温度で所定の保持時間焼成することができ、さらに燃焼合成反応を励起するのに必要なエネルギーを供給できるものであればどのようなものを用いてもよい。例えば、電気炉や誘導加熱炉などを用いることができる。
【００４４】
そして、冷却工程Ｓ３では、図３（ａ）及び（ｄ）に示すように、焼成体を冷却速度２〜６００℃／分で冷却することにより、混合粉末２ａからＡｌ基材３ａに拡散したＴｉ原子とＡｌ基材３ａ中のＡｌ原子とが化学反応して、Ａｌ基材３中に針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉを析出させた複合材料１を製造することができる。冷却工程Ｓ３における冷却速度が２℃／分未満であると、冷却速度が遅すぎるため、固化させたＡｌ基材３と複合層２との界面４における当該Ａｌ基材３中に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉの析出量が多くなりすぎるおそれがある。これに対し、冷却工程Ｓ３における冷却速度が６００℃／分を超えると、冷却速度が速すぎるため、固化させたＡｌ基材３と複合層２との界面４における当該Ａｌ基材３中に、針状又は薄板状のＡｌ３Ｔｉが析出しないおそれがある。なお、冷却速度は、５℃／分以上とするのが好ましく、２５℃／分以下または２０℃／分未満としてもよい。
【００４５】
なお、図３に示すように、Ａｌ−Ｔｉ系合金において、冷却速度を制御することによってＡｌ３Ｔｉの結晶形態を制御できることが知られている（金子純一、村上雄、古城紀雄：「アルミニウムの組織と性質」、軽金属学会、Ｐ．３４６〜３５０（１９９０）、堀茂徳、田井英男、松本英一：軽金属、３４、Ｐ．３７７（１９８４）、S. Hori, H. Tai and Y. Narita:”Rapidly Quenched Metals” ed. by S. Steeb and H. Warlimont, Elseviser Science Publishers B. V. , P.911-914(1985)）。冷却速度が速すぎると、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、αＡｌ単相の組織又はαＡｌと花びら状組織となり、冷却速度が遅すぎると、（ｃ）に示すように、αＡｌと針状平衡相（三次元的には薄板状をなす）となる。
【００４６】
なお、通常、固体中のＴｉ原子は、下記式（３）により固体Ａｌ中を拡散することが知られている。
Ｄ＝Ｄ０ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）・・・（３）
ここで、Ｑは、２６０ｋＪ／ｍｏｌ、Ｄ０は、１．１２×１０−１ｍ２／ｓ、Ｒは、８．３１４４７２Ｊ・Ｋ-1・ｍｏｌ-1（気体定数）、Ｔは、温度（Ｋ）を示す。
【００４７】
本発明においては、Ａｌの融点以上の焼成温度で十分に焼成することによって混合粉末２ａ若しくは複合層２中のＴｉ原子を溶融Ａｌ中に、容易に拡散させることができるようにし、また、冷却速度を制御することによって、拡散したＴｉ原子とＡｌとの化合物を、針状又は薄板状のＡｌ３ＴｉとしてＡｌ基材３へ析出させることを可能とした。
つまり、本発明の燃焼合成反応においては、均一で乱れのない健全な部分強化複合材料を生成できるとともに、燃焼合成反応中に燃焼合成を起こす混合粉末２ａからＴｉ原子をＡｌ基材３ａへと拡散させ、その後、Ａｌ３Ｔｉとして析出させることが可能となり、Ａｌ基材３と複合層２との熱膨張差があっても、Ａｌ基材３と複合層２の界面４で剥離が生じない優れた耐熱性を具備することが可能となった。
【実施例】
【００４８】
次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
〔１〕  Ｔｉ粉末とセラミック粉末のモル比と焼成温度
Ｔｉ粉末と、セラミックス粉末としてＴｉＮ粉末と、を用い、Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比を、モル比で１：０、１：０．１、１：０．５、１：１、１：２、１：３．５、１：７、１：１１、１：１５、１：２０、１：４０、１：１００、０：１となるように調製して磁性乳鉢にて混合し、それぞれの混合粉末を得た。混合粉末を夫々坩堝内にタッピング充填し、充填した混合粉末上にＡｌインゴット（Ａｌ基材）を設置し、雰囲気を調整できる電気炉内に設置した。そして、電気炉内の雰囲気をＮ2ガスで置換した。
その後、誘導加熱にて坩堝全体を昇温速度５０℃／分で８００、９００、１０００、１２００、１４００℃まで温度を上げた後、電気炉内で放冷した（冷却速度約４５０〜６００℃／分程度）。
【００４９】
図４は、Ｔｉ粉末へのＴｉＮ粉末の混合体積（％）、すなわち、ＴｉとＴｉＮのモル比（モル／モル）について、同図中に示す各焼成温度（℃）で焼成した結果を示す表及び写真であり、図５は、ＴｉとＴｉＮのモル比（モル／モル）と、同図中に示す各焼成温度（℃）で焼成した結果を示す写真であり、図６は、ＴｉとＴｉＮのモル比（モル／モル）と、同図中に示す各焼成温度（℃）で焼成した結果を示す写真である。なお、それぞれの図中において、破線部内が本発明の要件を満たし、良好な結果を得ることができた実施例であることを示す。なお、図４〜６に示す写真はいずれもデジタルカメラで近接撮像した。
【００５０】
図４〜６に示すように、Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比が、モル比で１：３．５〜１：７かつ焼成温度９００〜１４００℃、および１：１１〜１：２０かつ１４００℃の試料においては、膨張もなく健全な複合材料が得られたものの、複合層は一部分散してＡｌ基材へ拡散してしまい、均一に形成されなかった。しかし、混合比がモル比で１：１１〜１：２０かつ焼成温度９００〜１２００℃の試料では、複合層が分散せず均一に形成され、より健全な形態でＡｌ基材の部分強化組織を有する複合材料を得ることができた。
【００５１】
〔２〕  焼成温度及び保持時間の影響
Ｔｉ粉末と、セラミックス粉末としてＴｉＮ粉末と、を用い、Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比を、モル比で１：１５とし、これをエタノール中で攪拌子を用いて混合し、ろ紙にて吸引ろ過した後、９０℃で１時間乾燥した。このようにして得られた混合粉末をカーボン坩堝内に充填し、その上にＡｌインゴットを設置して、雰囲気を調整できる電気炉内に設置した。そして、電気炉内の雰囲気をＡｒで置換した。その後、ヒータにより加熱して坩堝全体を昇温速度１０℃／分で９００〜１２００℃まで上げた後、電気炉内で冷却速度５℃／分で室温まで冷却した。
【００５２】
図７は、Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比がモル比で１：１５である場合における焼成温度（℃）及び保持時間（分）の影響を示す表及び写真であって、（ａ）は、Ｎｏ．１〜３の条件を示した表であり、（ｂ）〜（ｄ）は、Ｎｏ．１〜３の条件で製造した複合材料の断面の顕微鏡観察写真（倍率５０倍）である。ここで、（ｂ）〜（ｄ）中のスケールバーは２００μｍを示す。
なお、図７（ａ）の表の保持時間は、Ａｌが溶融（Tmelt）している時間であり、温度が高くなると保持時間は長くなる。
また、針状組織の面積率は、画像解析ソフトＷｉｎ  ＲＯＯＦ  ｖｅｒ．５．０３（三谷商事社製）を用いて、顕微鏡観察写真を取り込んで測定した。
【００５３】
図７（ａ）に示すように、Ｎｏ．１〜３のいずれの複合材料も、溶融Ａｌが混合粉末に溶浸し、複合層を形成するとともに、Ａｌ基材と複合層との界面におけるＡｌ基材中に針状組織が形成されている（○）ことを確認することができた（図７（ｂ）〜（ｄ）参照）。
【００５４】
〔３〕  保持時間の影響
Ｔｉ粉末と、セラミックス粉末としてＴｉＮ粉末と、を用い、Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比を、モル比で１：１５とし、これを乳鉢にて乾式で混合した。得られた混合粉末をカーボン坩堝内に充填し、その上にＡｌインゴットを設置して、雰囲気を調整できる誘導加熱炉内に設置した。そして、誘導加熱炉内の雰囲気をＮ２で置換した。その後、ヒータにより加熱して坩堝全体を昇温速度６０℃／分で９００℃まで上げた後、誘導加熱炉内で冷却速度５℃／分で室温まで冷却した。
【００５５】
図８は、Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比がモル比で１：１５である場合における保持時間（分）の影響を示す表及び写真であって、（ａ）は、Ｎｏ．４〜６の条件を示した表であり、（ｂ）〜（ｄ）は、Ｎｏ．４〜６の条件で製造した複合材料の断面の顕微鏡観察写真（倍率２００倍）である。ここで、（ｂ）〜（ｄ）中のスケールバーは１００μｍを示す。
なお、針状組織の面積率は、前記と同様にして求めた。
【００５６】
図８（ａ）に示すように、Ｎｏ．４〜６のいずれの複合材料も、溶融Ａｌが混合粉末に溶浸し、複合層を形成するとともに、保持時間によらずＡｌ基材と複合層との界面におけるＡｌ基材中に針状組織が形成されている（○）ことを確認することができた（図８（ｂ）〜（ｄ）参照）。
【００５７】
〔４〕  冷却速度の影響
Ｔｉ粉末と、セラミックス粉末としてＴｉＮ粉末と、を用い、Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比をモル比で１：１５とし、これを乳鉢にて乾式で混合した。得られた混合粉末をカーボン坩堝内に充填し、その上にＡｌインゴットを設置し、雰囲気を調整できる誘導加熱炉もしくは電気炉内に設置した。そして、誘導加熱炉内および電気炉内の雰囲気をＡｒで置換した。その後、加熱して坩堝全体を昇温速度６０℃／分で９００℃まで上げた後、誘導加熱炉内で、図９に示す５〜８００℃／分の冷却速度で冷却した。なお、Ｎｏ．７、８は、電気炉により焼成と冷却を行い、Ｎｏ．９、１０は、誘導加熱炉により焼成と冷却を行った。
【００５８】
図９は、Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比がモル比で１：１５である場合における冷却速度（℃／分）の影響を示す表及び写真であって、（ａ）は、Ｎｏ．７〜１０の条件を示した表であり、（ｂ）〜（ｅ）は、Ｎｏ．７〜１０の条件で製造した複合材料の断面の顕微鏡観察写真（倍率２００倍）を示す図である。ここで、（ｂ）〜（ｅ）中のスケールバーは１００μｍを示す。
なお、針状組織の面積率は、前記と同様にして求めた。
【００５９】
図９（ａ）に示すように、Ｎｏ．７〜９の複合材料は、溶融Ａｌが混合粉末に溶浸し、複合層を形成するとともに、冷却速度によらずＡｌ基材と複合層との界面におけるＡｌ基材中に針状組織が形成されている（○）ことを確認することができた（図９（ｂ）〜（ｄ）参照）。
しかし、図９（ａ）及び（ｅ）に示すように、Ｎｏ．１０の複合試料は、冷却時間が速すぎため、Ａｌ基材と複合層との界面におけるＡｌ基材中に針状組織が形成されなかった（×）。
【００６０】
〔５〕  冷熱耐久試験
複合材料を直径φ２５ｍｍ、厚さ１５ｍｍに切り出して試験片を作製し、表面を＃１０００まで研磨後、冷熱耐久試験を実施した。
冷熱耐久試験は、試験片を５００℃まで加熱し、室温の水中へ投下することで行った。その結果を図１０に示す。図１０は、冷熱耐久試験を行った複合材料の結果を示す写真であって、（ａ）は、その外観を示す写真であり、（ｂ）は、（ａ）の一部拡大写真である。なお、（ｂ）のスケールバーは５００μｍを示す。
図１０の（ａ）及び（ｂ）に示すように、複合層中に厚さ方向及び平面方向にクラックが発生するほど過激な条件であっても、Ａｌ基材と複合層の界面に剥離が生じることはなく、Ａｌ基材と複合層は強固に結合していることが確認できた。
【００６１】
以上、本発明の複合材料及びその製造方法について、発明を実施するための最良の形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
【００６２】
例えば、Ａｌ基材３ａの両面を複合層２、２で挟んだ３層構造の複合材料（不図示）とすることができることはいうまでもない。
このような３層構造の複合材料を製造する場合、接触工程Ｓ１においてＡｌ基材３ａの両面を混合粉末２ａで挟んで焼成することによって、かかる３層構造の複合材料を製造することができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る複合材料の構成を説明する断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明に係る複合材料の製造方法のフローを示すフローチャートであり、（ｂ）〜（ｄ）は、焼成工程及び冷却工程での複合層及びＡｌ基材の様子を説明する説明図である。
【図３】アルミニウムの組織と性質について説明する説明図であり、（ａ）は、Ｔｉの含有量（質量％）と冷却速度（℃／ｓ）におけるアルミニウムの組織を示すグラフであり、（ｂ）は、冷却速度が速い場合のアルミニウムの組織を示した写真であり、（ｃ）は、冷却速度が遅い場合のアルミニウムの組織を示した写真である。なお、（ｂ）及び（ｃ）のスケールバーはいずれも１０μｍを示す。
【図４】ＴｉとＴｉＮのモル比（モル／モル）について、同図中に示す各焼成温度（℃）で焼成した結果を示す表及び写真である。
【図５】ＴｉとＴｉＮのモル比（モル／モル）と、同図中に示す各焼成温度（℃）で焼成した結果を示す写真である。
【図６】ＴｉとＴｉＮのモル比（モル／モル）と、同図中に示す各焼成温度（℃）で焼成した結果を示す写真である。
【図７】Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比がモル比で１：１５である場合における焼成温度（℃）及び保持時間（分）の影響を示す表及び写真であって、（ａ）は、Ｎｏ．１〜３の条件を示した表であり、（ｂ）〜（ｄ）は、Ｎｏ．１〜３の条件で製造した複合材料の断面の顕微鏡観察写真（倍率５０倍）である。ここで、（ｂ）〜（ｄ）中のスケールバーは２００μｍを示す。
【図８】Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比がモル比で１：１５である場合における保持時間（分）の影響を示す表及び写真であって、（ａ）は、Ｎｏ．４〜６の条件を示した表であり、（ｂ）〜（ｄ）は、Ｎｏ．４〜６の条件で製造した複合材料の断面の顕微鏡観察写真（倍率２００倍）である。ここで、（ｂ）〜（ｄ）中のスケールバーは１００μｍを示す。
【図９】Ｔｉ粉末とＴｉＮ粉末の混合比がモル比で１：１５である場合における冷却速度（℃／分）の影響を示す表及び写真であって、（ａ）は、Ｎｏ．７〜１０の条件を示した表であり、（ｂ）〜（ｅ）は、Ｎｏ．７〜１０の条件で製造した複合材料の断面の顕微鏡観察写真（倍率２００倍）である。ここで、（ｂ）〜（ｅ）中のスケールバーは１００μｍを示す。
【図１０】冷熱耐久試験を行った複合材料の結果を示す写真であって、（ａ）は、その外観を示す写真であり、（ｂ）は、（ａ）の一部拡大写真である。
【符号の説明】
【００６４】
１      複合材料
２      複合層
２ａ    混合粉末
３      （溶融して固化した後の）Ａｌ基材
３ａ    （溶融前及び溶融した）Ａｌ基材
４      界面
Ｓ１    接触工程
Ｓ２    焼成工程
Ｓ３    冷却工程
【図１】
2009041058.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009041058.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2009041058.tif 000008
【図７】
2009041058.tif 000009
【図８】
2009041058.tif 000010
【図９】
2009041058.tif 000011
【図１０】
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