JP3987022B2 - 三次元網目構造を備えたセラミック成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は,三次元網目構造を備えたセラミック成形体の製造方法に関する。
従来,この種のセラミック成形体の製造方法としては,フォームプラスチックへのセラミックスラリの含浸,セラミックスラリの乾燥,フォームプラスチックの熱分解およびセラミック粒子の焼結を順次行う,といった方法が知られている(例えば,特許文献1参照)。
特開平5−50182号公報
しかしながら従来のセラミック成形体は,そのセルの大きさおよびセルの分布状態が不均一であるため,金属基複合部材の強化材として用いた場合,その金属基複合部材の強度,摺動特性等の機械的性質,冷却性能,熱膨脹率等の物理特性等が,その部材において部分的に大きく異なるおそれがある,という問題があった。
本発明は,前記に鑑み,セルの大きさおよびその分布状態の均一性を高めたセラミック成形体を得ることができる前記製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため本発明によれば,複数の球状セルと,相隣る両球状セル間の隔壁に存する複数の連通孔とを有する三次元網目構造を備えたセラミック成形体を製造するに当り,球状合成樹脂粒子の集合体と,それら球状合成樹脂粒子よりも小径のセラミック粒子の集合体とを混合して,それら球状合成樹脂粒子の表面に複数の前記セラミック粒子を付着させた被覆粒子の集合体を得る工程と,前記被覆粒子の集合体を型に入れて,それら被覆粒子を最密充填形式に配列させる処理を行う工程と,前記被覆粒子の集合体に存する隙間にセラミックスを充填して付形物を得る工程と,前記付形物を離型する工程と,前記付形物の各球状合成樹脂粒子を熱分解して,前記球状セルを形成すると共に相隣る両球状セル間に在って複数の前記セラミック粒子および前記セラミックスよりなる隔壁形成部に複数の前記連通孔を形成する工程と,複数の前記セラミック粒子および前記セラミックスを焼結して前記隔壁を形成する工程とを用いる,三次元網目構造を備えたセラミック成形体の製造方法が提供される。
前記のような手段を採用すると,球状セルの大きさおよびその分布状態に関して高い均一性を備えたセラミック成形体を得ることができる。また球状セルの大きさは球状合成樹脂粒子の大きさに依存するので,球状セルの大きさの調節は容易である。よって,このセラミック成形体は金属基複合部材用強化材として好適である。
図1,2において,直方体状をなす高強度金属基複合部材1は,三次元網目構造を有するセラミック成形体2と,そのセラミック成形体2に充填された金属マトリックス3とよりなる。図3,4において,セラミック成形体2は直方体状をなし,最密充填形式で配列する複数の球状セル4と,相隣る両球状セル4間の隔壁5に存する複数の連通孔6とを有する。
連通孔6の内径のメジアンMdは,金属マトリックス3を構成する溶湯の加圧充填を許容し得るようにMd≧1μmに設定される。またセラミック成形体2の強度を確保すべく,球状セル4の内径のメジアンMD と連通孔6の内径のメジアンMdとの比Md/MD は0.1<Md/MD <0.5に設定される。ただし,比Md/MD がMd/MD ≦0.1では連通孔6の孔縁部に応力が集中するため部材1の強度が低下し,一方,Md/MD ≧0.5では隔壁5の量が少なくなるため部材1の強度および剛性が低下する。球状セル4の内径のメジアンMD は3D CT解析により,また連通孔6の内径のメジアンMdは水銀圧入法によりそれぞれ求められる。
セラミック成形体2の構成材料としては,SiC,Al2 O3 ,Si3 N4 ,AlN等のエンジニアリングセラミックスが好適であるが,これらに限定されるものではない。また金属マトリックス2の構成材料としては,Al,Al合金,Si,Si合金,Cu,Cu合金,Mg,Mg合金等が用いられる。
セラミック成形体2の製造に当っては,図5に示す諸工程が用いられる。
(a)工程:球状セル4を形成するための球状合成樹脂粒子7の集合体と,それら合成樹脂粒子7よりも小径のセラミック粒子8の集合体とを用意する。球状合成樹脂粒子7としては,メジアン直径DM が,例えば,10μm≦DM ≦1000μmのものが用いられ,一方,セラミック粒子8としては,メジアン直径dM が,例えば,0.1μm≦dM ≦100μmのものが用いられる。このセラミック粒子8はセラミック成形体2の主たる構成材料であって,その材質は前述の通りである。球状合成樹脂粒子7としては,PMMA(ポリメタクリル酸メチル)粒子,PS(ポリスチレン)粒子等が用いられる。この場合,C(カーボン)粒子の使用も可能である。
(b)工程:両集合体を被覆処理機に投入して合成樹脂粒子7の表面にセラミック粒子8を密に付着させた被覆粒子9の集合体を得る。合成樹脂粒子7の集合体とセラミック粒子8の集合体の配合重量比は,合成樹脂粒子7の集合体の重量をW1 とし,セラミック粒子8の集合体の重量をW2 としたとき,0.1≦W1 /W2 ≦10が適当である。W1 /W2 <10では合成樹脂量に対してセラミックス粒子量が不足している為,合成樹脂粒子7の全表面をセラミックス粒子8により覆いきれず,一方,W1 /W2 >0.1では合成樹脂量に対してセラミックス粒子量が過多となり,樹脂表面を被覆せずに残留するセラミックス粒子8が多く存在するようになる。被覆処理機としては,ホソカワミクロン社製,商品名AM−15F(特開2003−160330号公報参照)が用いられ,その回転速度RSは500rpm ≦RS≦2500rpm に,処理時間tは0.25h≦t≦1hにそれぞれ設定され,またインナーピース距離は1mmに調節されている。
(c)工程:被覆粒子9の集合体を型に入れて最密充填処理を行う。この処理には,石こう等の多孔質型,底面に複数の吸引孔を有し,且つ各種金属またはPTFEよりなる型等を用いる減圧濾過方式が採用される。この場合,必要に応じて型の開口側から型内を加圧する,といった手段も適用される。
(d)工程:型内に,例えば,セラミック粒子8と同一材質のセラミックスを含むセラミックスラリを注入して集合体の隙間に充填する。セラミックスラリは,セラミック粒子,解膠剤,バインダおよび蒸留水よりなり,解膠剤としては,四級アンモニウム塩,アクリル酸オリゴマ,モノエチルアミン等が用いられ,またバインダとしては,ポリビニルアルコール,アクリルエマルジョン,ポリビニルブチラール,メチルセルロース,β−1.3グルカン等が用いられる。セラミックスラリの調製に当っては,バインダおよび蒸留水よりなる混合物を調製し,次いでその混合物,セラミック粒子,解膠剤および蒸留水をボールミルを用いて十分に混合し,その後真空脱気を行う,といった方法が採用される。セラミックスラリの粘度ηは0.05Pa・s≦η≦5Pa・sが適当である。η<0.05Pa・sでは水分量が過多となって,乾燥・焼成後のセラミックスの変形・収縮量が大きくなり,一方,η>5Pa・sではスラリの粘度が高すぎるため,集合体の隙間にスラリを充分に浸透させることができなくなる。
(e)工程:セラミックスラリを乾燥した後,そのセラミックス10と被覆粒子9とよりなる付形物11を離型する。乾燥に当っては,加熱温度をTとし,また加熱時間をtとして,10℃≦T≦30℃,5h≦t≦40hの1次乾燥処理および30℃≦T≦120℃,1h≦t≦20hの2次乾燥処理が採用される。
(f)工程:付形物11を所定の雰囲気の焼結炉内に設置して,所定の炉内圧下,所定の昇温速度にて炉内を,合成樹脂粒子7を熱分解し得る加熱温度まで上昇させ,その加熱温度を所定時間維持する。これにより合成樹脂粒子7が熱分解して,球状セル4が形成されると共に熱分解ガスが抜ける際の圧力で,相隣る両球状セル4間に在って複数のセラミック粒子8およびセラミックス10よりなる隔壁形成部5aに複数の連通孔6が形成される。炉内雰囲気は大気または窒素,Ar等の不活性ガスによる。合成樹脂粒子7の材質にもよるが,一般的には,炉内圧Pは0.01MPa≦P≦1MPaに,また昇温速度Hrは5℃/h≦Hr≦120℃/hに,さらに加熱温度Tは300℃≦T≦600℃に,加熱時間tは0.5h≦t≦10hにそれぞれ設定される。炉内雰囲気において,昇温速度が同一である場合,大気雰囲気よりも窒素ガス雰囲気の方が合成樹脂粒子集合体の減量,つまりその熱分解は緩慢となる,といった傾向が現出する。炉内圧PがP<0.01MPaでは合成樹脂粒子(C粒子)やバインダの熱分解による発生ガス圧力が高く,付形物が変形したり,破壊するおそれがあり,一方,P>1MPaでは発生ガス圧力が低く,充分な連通孔を得ることができない。また昇温速度HrがHr<5℃/hでは発生ガス圧力が低く,充分な連通孔を得ることができず,一方,Hr>120℃/hでは発生ガス圧力が高く,付形物が変形したり,破壊するおそれがある。さらに加熱温度TがT<300℃では合成樹脂粒子等やバインダが充分に気化しきれず付形物中に残留し,一方,T>600℃では付形物の表面付近が徐々に雰囲気の影響をうけてくる。また加熱時間tがt<0.5hでは合成樹脂粒子やバインダが残留する場合があり,一方,t>10hでは付形物の表面付近が徐々に雰囲気の影響をうけてくる。
(g)工程:炉内をセラミック粒子8を焼結し得る温度まで上昇させて,その焼結温度を所定時間維持する。これにより三次元網目構造を有するセラミック成形体2を得る。セラミック粒子8の材質にもよるが,一般的には,焼結温度Tは1000℃≦T<2300℃に,また焼結時間tは2h≦t≦6hにそれぞれ設定される。焼結温度TがT<1000℃では焼結が不充分であり,一方,T≧2300℃ではセラミックスの昇華が開始される。また焼結時間tがt<2hでは焼結が不充分であり,一方,t=6hで,セラミックスの焼結は充分におこなわれているので焼結時間をこれ以上延長する必要はない。なお,コスト,炉の寿命向上等を考慮して,焼結助剤の使用,雰囲気の加圧等の手段を採用して焼結温度の低下を図ることができる。
前記製造方法において,球状セル4の内径およびその均一化は合成樹脂粒子7のメジアン直径DM に依存し,また球状セル4の分布状態の均一化は前記(c)工程の最密充填処理を行うことによって達成される。さらに連通孔6の内径は前記(f)工程における炉内雰囲気,昇温速度,炉内圧,セラミックスラリの粘度(セラミックス10の濃度)等によって制御される。例えば,合成樹脂粒子7のメジアン直径DM を所定値に設定し,また前記昇温速度Hrを制御することによって,両メジアンMd,MD の比Md/MD を0.1≦Md/MD <0.5に収めることができる。
図6に示すように,被覆粒子9において,セラミック粒子8の一部を,小径の合成樹脂粒子71 により置換したものを製造し,それら小径の合成樹脂粒子71 の熱分解によって連通孔6の形成を促進し,また連通孔6の内径のメジアンMdを制御する,といった手段を採用することもできる。
以下,具体例について説明する。
〔実施例I〕
前記(a)〜(g)工程を以下に述べる条件にて行い,縦20mm,横30mm,長さ40mmの直方体状セラミック成形体を得た。
前記(a)〜(g)工程を以下に述べる条件にて行い,縦20mm,横30mm,長さ40mmの直方体状セラミック成形体を得た。
(a)工程…球状合成樹脂粒子の集合体:メジアン直径DM が90μmのPMMA粒子の集合体(綜研化学社製,商品名MR−90G);セラミック粒子の集合体:メジアン直径dM が0.5μmのSiC粒子の集合体(屋久島電工社製,商品名OY−20).
(b)工程…合成樹脂粒子の集合体(W1 )とセラミック粒子の集合体(W2 )との配合重量比:W1 /W2 =1/1;被覆処理機:ホソカワミクロン社製,商品名AM−15F,回転速度RS 1000rpm ,処理時間t 0.5h,インナーピース距離1mm.
(c)工程:型の寸法および構造:縦20mm,横30mm,深さ20mmの凹部を有する2つのPTFE製ブロックを対向して配置し,縦20mm,横30mm,長さ40mmのキャビティを有するものを型とした;減圧濾過による最密充填処理:複数の吸引孔を有する一方のブロックの底面に,0.7μmの連通孔を持つガラス繊維製濾材を敷き,次いで他方のブロックの開口からキャビティ内に被覆粒子を投入し,その後,一方のブロックの吸引孔を介してキャビティ内を減圧した。
(b)工程…合成樹脂粒子の集合体(W1 )とセラミック粒子の集合体(W2 )との配合重量比:W1 /W2 =1/1;被覆処理機:ホソカワミクロン社製,商品名AM−15F,回転速度RS 1000rpm ,処理時間t 0.5h,インナーピース距離1mm.
(c)工程:型の寸法および構造:縦20mm,横30mm,深さ20mmの凹部を有する2つのPTFE製ブロックを対向して配置し,縦20mm,横30mm,長さ40mmのキャビティを有するものを型とした;減圧濾過による最密充填処理:複数の吸引孔を有する一方のブロックの底面に,0.7μmの連通孔を持つガラス繊維製濾材を敷き,次いで他方のブロックの開口からキャビティ内に被覆粒子を投入し,その後,一方のブロックの吸引孔を介してキャビティ内を減圧した。
(d)工程…セラミックスラリ:SiCスラリ;組成:SiC粒子(α−SiC,メジアン直径0.5μm)の集合体 61.7mass%,20%四級アンモニウム塩 2.8mass%,35%アクリルエマルジョン 1.9mass%,蒸留水 33.6mass%;粘度η 0.32Pa・s.
(e)工程…1次乾燥処理:加熱温度T 20℃,加熱時間t 20h;2次乾燥処理:加熱温度T 90℃,加熱時間t 1h.
(f)工程…炉内雰囲気:大気;炉内圧P:0.1MPa;昇温速度Hr:10℃/h;加熱温度T:500℃,加熱時間t:1h.
(g)工程…焼結温度T:2000℃;焼結時間t:3h.
このようにして得られたセラミック成形体2は三次元網目構造を有するもので,複数の球状セル4は最密充填形式で配列していて,その内径のメジアンMD はMD =80μmであり,また連通孔6の内径のメジアンMdはMd=16μmであり,よって,両メジアンMD ,Mdの比Md/MD はMd/MD =0.2であった。
(e)工程…1次乾燥処理:加熱温度T 20℃,加熱時間t 20h;2次乾燥処理:加熱温度T 90℃,加熱時間t 1h.
(f)工程…炉内雰囲気:大気;炉内圧P:0.1MPa;昇温速度Hr:10℃/h;加熱温度T:500℃,加熱時間t:1h.
(g)工程…焼結温度T:2000℃;焼結時間t:3h.
このようにして得られたセラミック成形体2は三次元網目構造を有するもので,複数の球状セル4は最密充填形式で配列していて,その内径のメジアンMD はMD =80μmであり,また連通孔6の内径のメジアンMdはMd=16μmであり,よって,両メジアンMD ,Mdの比Md/MD はMd/MD =0.2であった。
〔実施例II〕
前記(a)〜(g)工程を以下に述べる条件にて行い,縦20mm,横30mm,長さ40mmの直方体状セラミック成形体を得た。
前記(a)〜(g)工程を以下に述べる条件にて行い,縦20mm,横30mm,長さ40mmの直方体状セラミック成形体を得た。
(a)工程…球状合成樹脂粒子の集合体:メジアン直径DM が10μmのPMMA粒子の集合体(綜研化学社製,商品名MX−1000);セラミック粒子の集合体:メジアン直径dM が0.01μmのSiO2 粒子の集合体(SIGMA社製,商品名S−5280)およびメジアン直径dM が0.28μmのA2 O3 粒子の集合体(大明化学社製,商品名タイミクロンTM−D),SiO2 粒子の集合体とAl2 O3 粒子の集合体との配合重量比SiO2 /Al2 O3 =1/20.
(b)工程…合成樹脂粒子の集合体(W1 )とセラミック粒子の集合体(W2 )との配合重量比:W1 /W2 =1/1;被覆処理機:ホソカワミクロン社製,商品名AM−15F,回転速度RS 1000rpm ,処理時間t 0.5h,インナーピース距離1mm.
(c)工程:型の寸法および構造:縦20mm,横30mm,深さ20mmの凹部を有する2つのPTFE製ブロックを対向して配置し,縦20mm,横30mm,長さ40mmのキャビティを有するものを型とした;減圧濾過による最密充填処理:複数の吸引孔を有する一方のブロックの底面に,0.7μmの連通孔を持つガラス繊維製濾材を敷き,次いで他方のブロックの開口からキャビティ内に被覆粒子を投入し,その後,一方のブロックの吸引孔を介してキャビティ内を減圧した。
(b)工程…合成樹脂粒子の集合体(W1 )とセラミック粒子の集合体(W2 )との配合重量比:W1 /W2 =1/1;被覆処理機:ホソカワミクロン社製,商品名AM−15F,回転速度RS 1000rpm ,処理時間t 0.5h,インナーピース距離1mm.
(c)工程:型の寸法および構造:縦20mm,横30mm,深さ20mmの凹部を有する2つのPTFE製ブロックを対向して配置し,縦20mm,横30mm,長さ40mmのキャビティを有するものを型とした;減圧濾過による最密充填処理:複数の吸引孔を有する一方のブロックの底面に,0.7μmの連通孔を持つガラス繊維製濾材を敷き,次いで他方のブロックの開口からキャビティ内に被覆粒子を投入し,その後,一方のブロックの吸引孔を介してキャビティ内を減圧した。
(d)工程…セラミックスラリ:A2 O3 スラリ;組成:Al2 O3 粒子(メジアン直径0.28μm)の集合体 40.6mass%,ポリカルボン酸アンモニウム 1.3mass%,アクリルエマルジョン 1.9mass%,蒸留水 56.2mass%;粘度η 0.43Pa・s.
(e)工程…1次乾燥処理:加熱温度T 20℃,加熱時間t 20h;2次乾燥処理:加熱温度T 90℃,加熱時間t 1h.
(f)工程…炉内雰囲気:大気;炉内圧P:0.1MPa;昇温速度Hr:10℃/h;加熱温度T:500℃,加熱時間t:1h.
(g)工程…焼結温度T:1600℃;焼結時間t:3h.
このようにして得られたセラミック成形体2は三次元網目構造を有するもので,複数の球状セル4は最密充填形式で配列していて,その内径のメジアンMD はMD =10μmであり,また連通孔6の内径のメジアンMdはMd=2μmであり,よって,両メジアンMD ,Mdの比Md/MD はMd/MD =0.2であった。
(e)工程…1次乾燥処理:加熱温度T 20℃,加熱時間t 20h;2次乾燥処理:加熱温度T 90℃,加熱時間t 1h.
(f)工程…炉内雰囲気:大気;炉内圧P:0.1MPa;昇温速度Hr:10℃/h;加熱温度T:500℃,加熱時間t:1h.
(g)工程…焼結温度T:1600℃;焼結時間t:3h.
このようにして得られたセラミック成形体2は三次元網目構造を有するもので,複数の球状セル4は最密充填形式で配列していて,その内径のメジアンMD はMD =10μmであり,また連通孔6の内径のメジアンMdはMd=2μmであり,よって,両メジアンMD ,Mdの比Md/MD はMd/MD =0.2であった。
なお,前記金属基複合部材としては,エンジンのシリンダブロックにおいて,シリンダボア回り,シリンダヘッドガスケット面,ボルト締結座面,ジャーナル軸受周り等から選択される1箇所以上を強化したもの,シリンダヘッドにおいて,シリンダヘッドガスケット面,ボルト締結座面,カムジャーナル軸受周り,バルブシート圧入部,バルブガイド圧入部等から選択される1箇所以上を強化したもの,ケースやカバー類においてボルト締結座面,合せ面等から選択される1箇所以上を強化したもの等を挙げることができる。
2…………セラミック成形体
4…………球状セル
5…………隔壁
5a………隔壁形成部
6…………連通孔
7…………球状合成樹脂粒子
8…………セラミック粒子
9…………被覆粒子
10………セラミックス
11………付形物
4…………球状セル
5…………隔壁
5a………隔壁形成部
6…………連通孔
7…………球状合成樹脂粒子
8…………セラミック粒子
9…………被覆粒子
10………セラミックス
11………付形物
Claims (1)
- 複数の球状セル(4)と,相隣る両球状セル(4)間の隔壁(5)に存する複数の連通孔(6)とを有する三次元網目構造を備えたセラミック成形体(2)を製造するに当り,球状合成樹脂粒子(7)の集合体と,それら球状合成樹脂粒子(7)よりも小径のセラミック粒子(8)の集合体とを混合して,それら球状合成樹脂粒子(7)の表面に複数の前記セラミック粒子(8)を付着させた被覆粒子(9)の集合体を得る工程と,前記被覆粒子(9)の集合体を型に入れて,それら被覆粒子(9)を最密充填形式に配列させる処理を行う工程と,前記被覆粒子(9)の集合体に存する隙間にセラミックス(10)を充填して付形物(11)を得る工程と,前記付形物(11)を離型する工程と,前記付形物(11)の各球状合成樹脂粒子(7)を熱分解して,前記球状セル(4)を形成すると共に相隣る両球状セル(4)間に在って複数の前記セラミック粒子(8)および前記セラミックス(10)よりなる隔壁形成部(5a)に複数の前記連通孔(6)を形成する工程と,複数の前記セラミック粒子(8)および前記セラミックス(10)を焼結して前記隔壁(5)を形成する工程とを用いることを特徴とする,三次元網目構造を備えたセラミック成形体の製造方法。
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