JPH01263233A - β型窒化珪素ウイスカ強化金属複合材料の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はβ型窒化珪素ウィスカで強化された金属複合材
料の製法に関し、特に特定のβ型窒化珪素ウィスカ成形
体を使用する金属複合材料の製法に関する。

（従来の技術及びその問題点）） セラミックウィスカ強化金属複合材料としては、炭化珪
素ウィスカあるいは窒化珪素ウィスカを強化材としたア
ルミニウム合金が広く検討されており、耐摩耗性を付与
した強度、弾性率の高い材料が開発されつつある。

同時にウィスカと金属材料との複合化方法についても、
高圧鋳造法及び粉末冶金法を中心としていくつかの方法
が開発されている。しかし、生産性が高く最も実用的な
方法として高圧鋳造法が注目されている。

高圧鋳造法は、−船釣には、強化材となるウィスカを予
め均一のときほぐし、所定の形状、含有率となるように
バインダを用いてプリフォームとし、このプリフォーム
に母材となるアラミニラムなどの金属を溶融状態で加圧
含浸させることによって、ウィスカと母材金属との複合
化を行う方法である。上記のバインダはプリフォームの
強度を保持するためにに使用される。

このプリフォームの形成法としては、例えば特開昭５９
−２２６１３９号公報に記載されているように、原料の
焼成で得られたウィスカを水などの溶媒に分散させ、必
要に応じてバインダを添加し、この後に分散液を所望形
状の型に入れて加圧あるいは真空にして脱液を行う方法
が採用されている。

上記方法では、−旦生成したウィスカをプリフォームに
成形するために溶媒に分散させる必要があり、経費がか
かり、ウィスカ強化金属運台材料の製造コストを高める
原因の一つになっている。

また、上記方法には、−旦生成したウィスカを溶媒中で
ときほぐすため得られるプリフォーム中のウィスカが損
傷を受けたり、折れたりする。このため、上記プリフォ
ームを使用して得られる金、属複合材料の高温での強度
が低いという重大な問題が発生する。

さらに、上記方法で得られるプリフォーム外力があまり
かからない状態、例えばその貯蔵時あるいは鋳型内への
配置時には充分その形状を保持する。しかし、鋳型内に
配置されたプリフォームに母材金属の溶湯を注湯し、こ
の溶湯を型内にで高圧凝固させる際には、通常４００〜
１０００ｋｇ／　ｃｆｆｌ程度の圧力を加えるため、プ
リフォームが収縮したり変形したりする。特に、体積含
有率の低いプリフォームにおいてはこの傾向が著しい。

従って、公知の方法で得られるプリフォームを使用して
金属複合材料を高圧鋳造法で製造する方法においては、
ウィスカを所定の体積含有率に設定することが困難で、
特に低い体積含有率を口約とする場合は特殊な工夫が必
要とされる。また、ウィスカが均一に分散されていない
金属複合材料の部分を機械加工によって取り除くことも
考えられるが、一般にセラミックウィスカ強化金属複合
材料では、機械加工が母材金属に比較して著しく困難で
あり、加工費用が多大になるという欠点がある。

（問題点を解決するための技術的手段）本発明は公知技
術におけるような問題のないβ型窒化珪素ウィスカ強化
金属複合材料の製法を提供する。

本発明は、密度０．１５〜１．１ｇ／ｃｆｆｌ、曲げ強
度２５ｋｇ／ｃｍ２以上、硬度４５喀／　ｃｎ１以上、
圧縮強度３０ｋｇ／ｃｎ（以上のβ型窒化珪素ウィスカ
成形体であり、該成形体の９０重量％以上がβ型窒化珪
素ウィスカからなり、該ウィスカのうち８０重量％以上
が、０．１〜５μｍの直径、２〜１００μｍの長さを有
し、かつウィスカ同士でウィスカ１本につき１個所以上
の個所で接触固着しているβ型窒化珪素ウィスカに、溶
融マトリックス金属を加圧含浸させて凝固させることを
特徴とするβ型窒化珪素ウィスカ強化金属複合材料の製
法である。

本発明で使用されるβ型窒化珪素ウィスカー成形体の曲
げ強度、硬度及び圧縮強度は、それぞれ、ＪＩＳ　Ｚ２
１１３　、ＪＩＳ　Ｚ２１１７及びＪＩＳ　ｚ２１１１
　ニ従ッテ測定した値である。

本発明のβ型窒化珪素ウィスカー成形体は、０、１５〜
１．１　ｇ／ｃｉの密度、２５ｋｇ／ｃｍ２以上の曲げ
強度、４５ｋｇ／ｃＴＡ以上の硬度及び３０ｋｇ／ａＪ
以上の圧縮強度を有している。また、上記成形体は、そ
の９０重世％以上がβ型窒化珪素ウィスカーからなって
おり、さらに上記β型窒化珪素ウィスカーの８０％以上
は、０．１〜５μｍの直径及び２〜１００μｍの長さを
有している。これらβ型窒化珪素ウィスカーは成形体中
でウィスカー同士がウィスカー１本につき１個以上の個
所で接触固着しており、強固な成形体を形成している。

本発明で使用されるβ型窒化珪素ウィスカー成形体は、
例えば、非晶質窒化珪素粉末又はα型窒化珪素粉末に稀
土類元素及び／又はアルカリ土類金属の酸化物粉末を配
合し、配合物を含窒素非酸化性ガス雰囲気下に加熱焼成
することによって調製することができる。

非晶質窒化珪素粉末は、それ自体公知の方法、例えば四
ハロゲン化珪素とアンモニアとを液相又は気相で反応さ
せた反応生成物を加熱処理することによって調製するこ
とができ、通常のＸ線回折によって明確な回折現象が現
れない、いわゆる非晶質の粉末である。

α型窒化珪素粉末は、上記の非晶質窒化珪素粉末を焼成
する方法の他に、シリカの還元窒化法、珪素の直接窒化
法等の公知の方法で製造することができる。α型窒化珪
素粉末の比表面積は０．０１〜２０ｍ／ｇ、　ｖＦに２
〜１３ｒｄ／ｇＴ：あることが好ましい。

稀土類元素の具体例としては、イツトリウム、ランタン
、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウム
、ユーロピュウム、ガドニウム、ジスプロシウム、イン
テルビウム等のランタン系列元素及びスカンジウムが挙
げられる。また、アルカリ土類金属の具体例としては、
マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム
等が挙げられる。

焼成時に稀土類元素及び／又はアルカリ土類金属の酸化
物に転化し得る化合物をこれらの酸化物に代えて使用す
ることもできる。その例としては、窒化珪素ウィスカー
成長時に一部又は全部が酸化物に転化し得る化合物であ
ればいかなる化合物を使用してもよく、その例としては
水酸化物、炭酸塩等が挙げられる。

ｆ希土類元素及び／又はアルカリ土類金属の酸化物粉末
の配合量は、非晶質窒化珪素及び／又はα窒化珪素から
選ばれる原料粉末１００重量部当たり、酸化物換算で０
．１〜２．０重量部である。これらの配合量が下限より
小さいとウィスカーの生成が不充分で、上限より大きい
と緻密化した焼結体類似のものが生成し、ウィスカーに
よる成形体とはいえず、複合材料用プリフォームとして
の形態上しては不満足のものしかできない。

非晶質窒化珪素及び／又はα型窒化珪素粉末と稀土類元
素及び／又はアルカリ土類稀土類の酸化物粉末との混合
粉末の調製法については特に制限はなく、それ自体公知
の方法、例えば両者を乾式混合する方法、不活性液体中
で両者を湿式混合した後に不活性液体を除去する方法等
を採用することができる。混合装置としては、Ｖ型混合
撮、ボールミル又は振動ボールミルが好ましく使用され
る。上記混合粉末の別の調製法としては、非晶質窒化珪
素粉末の前駆体、例えばシリコンジイミド又はシリコン
テトラミドに稀土類元素又はアルカリ土類金属の化合物
粉末を混合分散させ、この分散物を加熱処理する方法を
採用することもできる。

上記調製法において、非晶質窒化珪素又はその前駆体を
使用する場合、これらは酸素又は水分に対してきわめて
敏感であるので、制御された不活性雰囲気下で取り扱う
必要がある。

含窒素非酸化性ガスの具体例としては、窒素、アルゴン
、アンモニアあるいはこれらの混合ガスが挙げられる。

焼成条件としては、混合粉末が１０００°Ｃから最高温
度の間を平均して、０．１〜４０時間、特に４〜２０時
間加熱されるように設定することが好ましい。焼成時の
最高温度は１８５０°Ｃ以下、好ましくは１６００〜１
８００’Ｃの範囲内の温度である。混合粉末の焼成の際
に使用される炉については特に制限はなく、例えば高周
波誘導加熱方式、抵抗加熱方式によるパンチ炉、ロータ
リー炉、ブツシャ−炉等を使用することができる。

ついで、本発明で特定するβ型窒化珪素ウィスカ成形体
を鋳型内に配置し、これに母材金属の溶湯を注湯し、こ
の溶湯を鋳型内で加圧しながら凝固させることによって
、ウィスカ強化金、属複合材料を製造することができる
。

β型窒化珪素ウィスカ成形体は、常法に従い、鋳型内に
配置するに先立って、２００〜１５００°Ｃの範囲の温
度に予備加熱ることが好ましい。

母材金属としてはアルミニウム、マグネシウム、亜鉛、
銅、ニッケル、鉄、チタンあるいはそれらを基体とする
合金が好ましく使用される。比較的低融点の合金として
は、アルミニウムと、珪素、鉄、銅、マンガン、マグネ
シウム、クロム、亜鉛、チタン、ニッケル、鉛、湯など
との合金、又はマグネシウムと、アルミニウム、亜鉛、
マンガン、ジルコニウム、稀土類元素あるいはトリウム
との合金が挙げられる。一方、畜融点の合金の例として
は、チタンと、アルミニウム、錫、マンガン、鉄、クロ
ム、モリブデン、バナジウムなどとの合金が挙げられる
。

金属複合材料におけるβ型窒化珪素ウィスカ成形体の割
合は、５〜５０体積％であることが好ましい。その割合
は過度に低いと機械的特性の高い複金材料かえられず、
その割合は過度に高くしようとすると、ウィスカ成形体
を母材金属との濡れが悪くなったり、金属溶湯がウィス
カ成形体が通りにくくなったりして、良好な複合材料が
得られない。

（発明の効果） 本発明で得られるβ型窒化珪素ウィスカ強化金属複合材
料は、公知のセラミックウィスカ強化金属複合材料に比
較して、高温、特に２００°Ｃ以上の温度における機械
的特性が大幅に改善されている。

例えば、複合材料中のβ型窒化珪素ウィスカの割合が１
０体積％であるアルミニウム複合材料において、公知の
アルミニウム複合材料に比して、２００°Ｃ以上での曲
げ強度が高（、さらに高温での強度保持率が向上してい
る。

また、前述した方法によってβ型窒化珪素ウィスカを製
造する場合は、焼成によって形成されたウィスカをその
ままか、あるいはわずかの成形加工をするだけで、目的
形状のプリフォームとすることができる。従って、公知
のウィスカプリフォームの形成において必要であった、
ウィスカをときほぐした後にプリフォームを形成する工
程を省略することができ。これにより、得られる複合材
料の強度を改善することができると共に、製造コストを
大幅に低減することが可能となる。

（実施例） 以下に実施例を示す。

実施例１ シリコンジイミドを１２００　’Ｃで加熱分解して得ら
れた非晶質窒化珪素粉末１００重量部と純度９９．９％
の酸化イツトリウム１重量部とを窒素ガス雰囲気下で振
動ボールミルに入れ、１時間混合した。

混合粉末を、内径１５ｍｍ、長さ２００皿の有底円筒状
カーボン製容器内に充填した。この容器を電気炉中にセ
ットし、窒素ガス雰囲気下に、１７５０°Ｃで焼成した
。

室温に冷却した後、直径１５−１長さ１００印の棒状の
β型窒化珪素ウィスカプリフォームを容器から取り出し
た。

この棒状物は約０．３２ｇ／ｃｍの密度、４０．５聴／
ｄの曲げ強度、６９．５　ｋｇ／ａｆｌの硬度及び４６
．２ｋｇ／ｃＩＩＮの圧縮強度を有していた。この板状
物を走査型電子顕微鏡で観察したところ、長さ５〜１０
０μｍ、直Ｂｏ、２〜４μｍのウィスカーが主体の、ウ
ィスカー同士が１本につき１個以上の個所で固着して複
雑に絡み合った像が認められた。

また、上記板状物を粉砕した粉末をＸ線回折によって調
べたところ、β型窒化珪素に帰属できる回折以外の回折
は殆ど認められなかった。

上記プリフォームを６００　’Ｃに予熱した後、鋳型内
に配ヱし、ついで鋳型内に７７０″Ｃに加熱した母材金
属のアルミニウム（Ａ１０７０）溶湯を射出し、１００
０　ｋｇ／ｃｆｆｌの加圧下で凝固させて、１５０　Ｘ
　６０　Ｘ　１０ｎｕのウィスカ強化アルミニウム複合
材料を製造した。複合材料中のβ型窒化珪素ウィスカの
体積含有率は１０％であり、鋳造前後で変化がなかった
。

上記複合材料から直径１０皿、長さ４０皿の試験片を切
り出し、スパン３０皿、クロスヘツドスピード０．５皿
／分の条件で、室温から４００°Ｃの範囲で３点曲げ試
駿を行った。結果を第１図に示す。また、得られた複合
材料をその中央で明所してプリフォームの分布を調べた
ところ、第２図に示すように、ウィスカが複合材料内に
均一に分散して分布していることが認められた。

実施例２ 比表面積４．８ｎ（７ｇのα型窒化珪素粉末１２０重量
部、酸化カルシウム重量部及びエタノール６００重量部
をボールミルに入れ、湿式混合した後、減圧乾燥し、得
られた塊状物を粉砕し混合粉末とした。この混合粉末を
内径５０口、高さ３０工の円筒状カーボン製容器内に充
填した。この容器を電気炉中にセットし、窒素ガス雰囲
気下、１７５０°Ｃで焼成して、上記容器に形状の対応
する円板状のβ型窒化珪素スイス力のプリフォームを得
た。

この円板状物は０．３６　ｇ　／ｃｉの密度、４２．０
　Ｊ／　ｃｆｆｌの曲げ強度、７２．３誌／　ＣＴＩＩ
の硬度及び５０．４ｋｇ／ｄの圧縮強度を有していた。

得られたブリフオームを走査型電子顕微鏡で観察したと
ころ、長さ１０〜１００μｍ、直径０．５〜０．７μｍ
のウィスカーが主体の、ウィスカー同士が複雑に絡み合
った改が認められた。

上記の円板状のプリフォームを使用して実施例１と同様
の方法で、マグネシウム合金（ＡＭｌｏｏ）を母材とす
る複合材料を製造した。尚、鋳型も４００°Ｃに予熱し
、マグネシウム合金の溶湯温度を７３０°Ｃとした。

得られた複合材料中のβ型窒化珪素ウィスカの体積含有
率は１８％であった。また、実施例１におけると同様に
して、複合材料の中央部を切断してプリフォームの分布
状態を観察したところ、収縮及び変形は認められなかっ
た。

比較例１ 実施例１におけると同様にして得られたβ型窒化珪素ウ
ィスカを解砕した後に水に分散させて均一な分散液を調
製した。ついで、分散液を濾過して得られたウィスカを
１袖プレスして、５０×５０Ｘ１００皿のプリフォーム
を作成した。

このプリフォームを用いた以外は実施例１におけると同
様にして、ウィスカの体、櫃含有率１３％のβ型窒化珪
素ウィスカ強化アルミニウム複合材料を得た。

実施例１におけると同様にして、複合材料の中央部を切
断してプリフォームの分布状態を観察したところ、第３
図に示すように、プリフォームの収縮及び変形が認めら
れた。

この複合材料中のβ型窒化珪素ウィスカを含有する部分
から４Ｘ３Ｘ４０ｍｍの試験片を切り出し、実施例１に
おけると同様の方法で曲げ強度を測定した。結果を第１
図に併記する。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１及び比較例１で得られたβ型窒化珪素
ウィスカ強化アルζニウム複合材料の曲げ強度を示す図
である。第２図及び第３図は、それぞれ、実施例１及び
比較例１で得られた複合材料の断面を示す図である。第
２図及び第３図において、斜線部分はβ型窒化珪素ウィ
スカを含有する部分であり、空白部はβ型窒化珪素ウィ
スカを含有しない部分である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 密度０．１５〜１．１ｇ／ｃｍ＾３、曲げ強度２５ｋｇ
   ／ｃｍ＾２以上、硬度４５ｋｇ／ｃｍ＾２以上、圧縮強
   度３０ｋｇ／ｃｍ＾２以上のβ型窒化珪素ウィスカ成形
   体であり、該成形体の９０重量％以上がβ型窒化珪素ウ
   ィスカからなり、該ウィスカのうち８０重量％以上が、
   ０．１〜５μｍの直径、２〜１００μｍの長さを有し、
   かつウィスカ同士でウィスカ１本につき１個所以上の個
   所で接触固着しているβ型窒化珪素ウィスカに、溶融マ
   トリックス金属を加圧含浸させて凝固させることを特徴
   とするβ型窒化珪素ウィスカ強化金属複合材料の製法。