JP3370800B2 - 複合材の製造方法 - Google Patents

複合材の製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス粉末と金
属粉末からなる複合材において、その表面がセラミック
スリッチでその内部が金属リッチである複合材の製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、各種機械部品の材料として、硬
度や耐熱性に優れるという利点からセラミックスが広く
使用されている。ところが、このセラミックスは、一般
的に靱性に劣るという欠点があり、このため、最近、セ
ラミックスと金属を複合化したセラミックス複合体(以
下、複合材という)が採用されている。
【0003】この場合、複合材の耐摩耗性を向上させる
ためにセラミックス量を増加させると、硬度が上昇する
一方、靱性が低下して強度低下が発生してしまう。そこ
で、種々の異なる組成比に設定された金属とセラミック
スの混合粉末を階段状に積層してこの混合粉末を焼結す
るもの(以下、従来例1という)や、クラッド(被
着)、嵌合または焼嵌め等によるもの(以下、従来例2
という)が一般的に採用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来例1では、金属とセラミックスの焼成温度が大きく
異なっているため、金属の焼成温度を基準にするとセラ
ミックスが緻密化せず、一方、セラミックスの焼成温度
を基準にすると金属の融点を越えて形状を保つことがで
きない。しかも、金属とセラミックスの緻密化速度およ
び組成による収縮が温度により異なるため、変形の他、
クラックが生じてしまうという問題が指摘されている。
【0005】また、上記の従来例2では、金属とセラミ
ックスの界面が存在するため、この界面で熱伝導や応力
弾性波等が集中し、熱応力の集中や応力集中が発生する
という問題がある。
【0006】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、その物性を深さ方向に変化させることにより、表
面の硬度に優れるとともに、靭性も高く、しかも界面が
存在しない複合材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】前記の課題を解決するた
めに、本発明は、セラミックス粉末と金属粉末の混合粉
末により成形体を成形し、この成形体を仮焼成して仮焼
成体を得た後、この仮焼成体に金属塩の溶液を含浸させ
て本焼成する複合材の製造方法であって、前記金属塩溶
液は、周期表のVIII族のFe、Ni、CoとVII
A族のMnとVIA族のCrと有機金属塩から選択され
る1種以上あるいはそれらの合金であるセラミックス粒
子成長材を有する溶液であることを特徴とする。
【0008】
【作用】本発明に係る複合材の製造方法では、所定の複
合比で金属とセラミックスの混合粉末が得られ、この混
合粉末で成形された成形体には、仮焼成が施される。次
いで、セラミックス粒子の粒成長を促進させるような金
属(以下、粒成長促進材という)が、水溶液や有機溶媒
に分散された形態で仮焼成体に導入された後、本焼成処
理が施される。この本焼成処理中、焼成温度の上昇に伴
って金属の体積拡散とセラミックス粒子の粒成長が惹起
されるため、表面側がセラミックスリッチでかつ内部が
金属リッチな傾斜機能を有する複合材を得ることができ
る。
【0009】
【実施例】本発明に係る複合材の製造方法について実施
例を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明す
る。
【0010】図1は、本発明方法の処理手順を示すフロ
ーチャートであり、これに沿って概略的に説明する。ま
ず、所定の複合比に調製された金属とセラミックスの混
合粉末が得られ(ステップS1)、この混合粉末で成形
体が成形される(ステップS2)。この成形体は、成形
時に添加された成形補助材が脱脂された後、800℃〜
1000℃で15分間〜60分間程度加熱して仮焼成処
理が施される(ステップS3)。
【0011】この時、金属粉末の粒子は、粉末同士の接
点が体積拡散して癒着されたような状態、所謂、ネック
が生成された状態に維持される。このネックの形成が進
み過ぎると、連なっていた気孔や空隙が閉塞し、後工程
の金属塩溶液や有機金属溶液の含浸が有効に遂行されな
い。また、ネックの生成時に気孔が三次元的に連なって
いる必要がある。このため、粉末の成形荷重を金属の塑
性変形領域まで上げることができず、この成形荷重が1
00MPa〜300MPaに設定される。
【0012】仮焼成後、粒成長促進材が、仮焼成体に導
入される(ステップS4)。この導入は、粒成長促進材
を最小の単位で行うのが最も効果的であり、イオンや単
一分子の形で導入する。具体的には、粒成長促進材が、
水溶液や有機溶媒に分散された形態で仮焼成体の気孔中
に含浸される。なお、原料粉末の混合工程で粒成長促進
材の導入を行うこともできるが、脱脂、焼成中の影響が
あり、焼成パターンの変更等、厳密な管理が必要となっ
てしまうため、好ましくない。一方、仮焼成体への含浸
では、金属粒子のネックが生成されているため、焼成時
の体積拡散がスムーズで焼結への影響が少ない。
【0013】次いで、溶媒を乾燥除去させた後(ステッ
プS5)、本焼成処理が施される(ステップS6)。こ
の本焼成処理中、焼成温度の上昇に伴って金属の体積拡
散とセラミックス粒子の粒成長が惹起される。セラミッ
クス粒子の粒成長は、吸熱反応であり、仮焼成体の中で
最も早く温度が上がる表面で粒成長が開始される。表面
で吸熱反応が生じると、そこで熱が奪われるために熱勾
配が発生する。
【0014】粒成長促進材は、一種の触媒として作用
し、粒成長中に粒子に若干取り込まれるが、大部分はさ
らに内部に移動して未だ粒成長の小さい部分に集積され
ていく。このように、粒成長の成長度合いは、熱のやり
とりにより決定されるものであり、粒成長部分の厚さお
よびその勾配は、昇温速度や保持時間によって制御可能
である。
【0015】また、複合材の組成は、表面の粒成長が大
きく進行した部分でセラミックス成分が略100%近く
になる一方、内部深部で初期の複合成分のままか、また
は金属リッチになる。従って、表面側がセラミックスリ
ッチでかつ内部が金属リッチな傾斜機能を有する複合材
を得ることができる。
【0016】さらに、粒成長促進材とセラミックス膜を
形成するものを選択して含浸させたり、表面層をセラミ
ックス膜で覆った後に焼成して粒成長部と被覆層が拡散
層を持つセラミックス被膜を成形することができる。 〈実施例1〉平均粒径が2μmのWC(炭化タングステ
ン)粉末を78wt%、平均粒径が1μmのTaC(炭
化タンタル)粉末を2wt%、および平均粒径が1μm
の金属Co(コバルト)粉末を20wt%の割合で、エ
チルアルコールを分散液媒体として十分混合した。この
混合後に、約100μmに造粒し、150MPaの成形
圧にて22×5×80mmの成形体が成形された。そし
て、450℃で30分間、さらに650℃で30分間真
空中で保持し、その後、1050℃まで昇温してその温
度で60分間保持して仮焼成体を得た。
【0017】次いで、各仮焼成体が、それぞれ硝酸ニッ
ケルの10%水溶液、20%水溶液、30%水溶液およ
び飽和溶液中に超音波振動を付与されながら浸漬され、
これらの仮焼成体中に硝酸ニッケル溶液が含浸された。
付与された超音波振動は16MHz、浸漬時間は10分
間であった。
【0018】これらの仮焼成体は、80℃で12時間の
乾燥処理が施された後、10℃/minの昇温速度で1
000℃まで昇温されて30分間保持され、さらに5℃
/minの昇温速度で1360℃まで昇温されて90分
間真空中で保持された。これにより、本焼成体(複合
材)が得られた。
【0019】本焼成体は、その表面に鏡面研磨が施され
るとともに、中央部で切断されて鏡面仕上げされ、Hv
硬度および電子顕微鏡による平均粒子径の変化を検出し
た。その結果が、図2および図3に示されている。ま
た、本焼成体を1mmの厚さに切断し、スパン30mm
で抗折強度を測定した。その際、試験片を多数用意して
おき、表面からの距離変化による強度変化が追跡できる
ようにした。この結果は、図4に示されている。さら
に、図5には、抗折強度試験において取り出された試験
片を化学分析し、金属量とセラミックス量の変化を表面
からの距離の変化に対応して示しており、図6には、破
壊靱性値の変化を表面からの距離の変化に対応して示し
ている。
【0020】このように、第1の実施例によれば、本焼
成体の硬度、強度等の物性値がこの本焼成体の深さ方向
に傾斜的に変化し、その変化の成因が粒子成長に基づく
ものであることが判った。また、図5から、セラミック
ス粒子の成長に伴って金属量も内部に向かって傾斜的に
変化していることが判った。さらに、得られた物性値の
中、表面の硬度がHv2500と高く、PVDコーティ
ングやCVDコーティングされたものに匹敵し、強度が
4.5GPaとなって超微粒子超硬最高級品に相当し、
靱性のデータとしての破壊靱性値は、FC材の値に相当
するものであった。従って、セラミックス粒子の粒成長
により、硬度、強度および靱性において、これまでの材
料では到達し得なかった高い値が得られた。 〈実施例2〉複合材を構成する金属およびセラミックス
粒子が、表1の組成になるように調製され、これらが十
分に混合された後、22×5×80mmの試験片が成形
された。試験片は、900℃〜1100℃の温度範囲で
仮焼きされて仮焼成体が得られ、この仮焼成体が、表1
の実験例1〜24に示すように、粒成長促進材として各
種の金属塩および有機金属を含浸し、乾燥後に1360
℃〜1450℃の温度範囲で本焼成処理されて本焼成体
が得られた。この本焼成処理は、窒素雰囲気中、1ba
lの加圧下または0.1〜1Torrの減圧下で行われ
た。
【0021】
【表1】
【0022】そこで、各複合材配合例をそのままに粒成
長促進材を含浸させずに本焼成した比較例A〜Fが用意
された。次いで、各本焼成体は、鏡面研磨が施された
後、その表面から内部に所定の距離ずつ変位した位置で
Hv硬度が測定された。また、本焼成体から厚さが1m
mで4×50mmの曲げ試験用試験片を切断し、スパン
30mmで曲げ強度を測定した。これらの結果が、表2
に示されている。
【0023】
【表2】
【0024】さらに、試験片の中央断面で、複合材の構
成粒子の大きさの変化をその表面から電子顕微鏡により
測定するとともに、該表面からの距離の変化に対応する
金属量の変化を検出した。これらの結果が、表3、表4
に示されている。
【0025】
【表3】
【0026】
【表4】
【0027】これらの結果から、第2の実施例では、本
焼成体の表面から内部に向かって物性値が変化している
ことが判った。これは、粒成長によるものであり、ま
た、この粒成長に伴って化学組成も変化した(表3参
照)。これにより、表面側の金属が、複合材の構成成分
であるセラミックス粒子の成長に伴って内部に移動し、
化学組成も傾斜的に変化していることが確認された。
【0028】
【発明の効果】以上のように本発明に係る複合材の製造
方法によれば、以下の効果が得られる。
【0029】粒成長促進材が、水溶液や有機溶媒に分散
された形態で仮焼成体に導入された後、本焼成処理が施
されるため、この本焼成処理中、焼成温度の上昇に伴っ
て金属の体積拡散とセラミックス粒子の粒成長が惹起さ
れる。従って、表面側がセラミックスリッチでかつ内部
が金属リッチな傾斜機能を有する複合材を得ることがで
き、簡単かつ安価な作業で、複合材の表面層の耐摩耗
性、摺動性、耐熱性が向上し、しかも前記複合材の内部
の高強度化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る製造方法を説明するためのフロー
チャートである。
【図2】表面からの距離変化と硬度変化の関係を示す図
である。
【図3】表面からの距離変化と粒子径変化の関係を示す
図である。
【図4】表面からの距離変化と抗折強度変化の関係を示
す図である。
【図5】表面からの距離変化と金属量変化の関係を示す
図である。
【図6】表面からの距離変化と破壊靱性値変化の関係を
示す図である。
フロントページの続き (72)発明者 平賀 一仁 埼玉県狭山市新狭山1−10−1 ホンダ エンジニアリング株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22F 7/06

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミックス粉末と金属粉末の混合粉末に
    より成形体を成形し、この成形体を仮焼成して仮焼成体
    を得た後、この仮焼成体に金属塩の溶液を含浸させて本
    焼成する複合材の製造方法であって、 前記金属塩溶液は、周期表のVIII族のFe、Ni、
    CoとVIIA族のMnとVIA族のCrと有機金属塩
    から選択される1種以上あるいはそれらの合金であるセ
    ラミックス粒子成長材を有する溶液であることを特徴と
    する複合材の製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載の製造方法において、前記金
    属塩溶液の塩は、硝酸塩、酢酸塩または塩化物塩である
    ことを特徴とする複合材の製造方法。
  3. 【請求項3】請求項1記載の製造方法において、前記有
    機金属塩は、VIII族のFe、Ni、CoとVIIA
    族のMnとVIA族のCrから選択される1種以上ある
    いはそれらの合金を有することを特徴とする複合材の製
    造方法。
  4. 【請求項4】請求項1記載の製造方法において、前記仮
    焼成体は、粒子同士が癒着した状態であることを特徴と
    する複合材の製造方法。
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