JPS61149454A - セラミツク粒子分散型複合材 - 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〉 この発明はセラミック粒子分散型複合材に関する。

〈従来の技術〉 粉粒体の攪拌容器、配ｔｉるいに回転体の接触部等、摩
耗による損傷が著しい部材用として、耐摩耗性の良いセ
ラミックを使用することが考えられている。しかしセラ
ミックに脆性的な材料挙動を示し、単一体と用いるにに
靭性に劣り衝撃に弱いという強度上の問題がめる。そこ
でこの欠、咀を改善すべく靭性に丁ぐれた金属をマトリ
ツクスとしこれに耐摩耗性の良いセラミック粒子を分散
させた複合材が考えられ、従来よりこの種の複合材に関
するさまざまな研究開発が進められてきた。

最近提案されている前記複合材の代表例をめげれば次の
通りである。

■　マトリックス金属からなる裏金と強化粒子含有層と
を積層し、マトリックス金属の半溶融温度域でこれに７
１０圧成形する方法。（特向昭５８−１５■　半溶融状
態のマトリックス金属全撹拌しながら強化粒子？混入分
散させ、これを成形して得た粒子分散強化型材料と、上
記マトリックス金属と同じ材料からなる裏金と全積層し
、該マトリックス金属の半溶融温度域で加圧成形する方
法。（特内昭５８−１５３７０６　） ■　マトリックス金属の表面に強化粒子を一様に散布し
、該マトリックス金属の半浴融温ｆｆ域で加圧成形する
方法。（特内昭５８−１５３７０６　）■　比較的径の
大きい（ａのオーダの径）粒子盆金属マトリックヌ中に
一様に分散させる技術として、マド＋Ｊツク７′−會形
成する浴融金属ｔ１分散すべき粒子ｔルバックし加金型
に上方から注入するとともに上方から加圧する浴湯鍛造
の方法がめる。この技術の対象金属としてｉＡｌで、粒
子としてに軽石発泡パーライトである。（中田栄−１複
合化技術としての浴湯鍛造、金属、１９８２．　ＰＩ３
−■　セラミック粉末に水累吸蔵活注金属會複合化させ
てその金属に水素を吸蔵させてなる複合粒子ケマトＩＪ
ツクヌ金属の出湯中に混入する方法。（特丙昭５９−９
３８４６　） 〈発明が解決しようとする問題点〉 従来法により得られる複合材の問題、（を以下に示す。

■　■〜■の技術では金属の表面にしか粒子を分散でき
ないので、粒子の全体に対する充填比率七人きくするこ
とがでさず、軽量化の程度が小さい・＠　■と同じ理由
により、■〜■の技術でに断熱性の高い複合材は得られ
ない。

θ　■〜■で製造された複合材は、表面に粒子が偏在す
るので、切り出しを行った場合に必ずしも粒子が表面に
存在した形になるとぼ限らない。すなわち、複雑な形状
を有する部品等のための加圧材としては不適である。

Ｏ■の技術でに、粒子とじてにセラミックでなく軽石、
発泡バーフィトであるので、得られる複合材にと〈ｖｒ
−耐摩耗性においてすぐれた性能を望み得ない。ま念こ
の浴湯方法によると、マトリック７金属が高融点である
場合、浴融金属の鍔込み時の熱衝撃により粒子が損傷？
受は易いこと、および粒子間ならびに粒子内に存在する
空気等のガス抜きが不十分である几め該ガスによる空洞
が形成てれて品質の低下が生じる懸念がある。

■　■の技術では、使用粒子がＴ１、ｚｒ、’ｒａ％Ｎ
ｌ）等の活性金属と強固に結合するセラミック（アルミ
ナ、ジルコニア等〕に限定される。

かかる状況を背景に本出願人は先に、金属マトリック７
中にセラミック粒子を均一に分散させるとともに粒子間
に気泡等のガスを殆ど含まないようにし友複合材の製造
方法を、特願昭５９−１６３０９６にて提案した。すな
わちこれは、第１図に示すような装置を用いるものであ
り、高周波炉（１）の収容容器（４）内部に、下部に開
孔（７）ヲ有しかつガス抜き用孔（８）を備えた上部壁
（６’）　’に有する隔豪喀設け、該隔室内にセラミッ
ク粒子（５）を装入しておき、この隔室外の炉内空間に
固体金属装入れてｍ熱溶融させ（熔融金属ｔ（３）で示
すう隔室下部の開孔（７）より隔室内に浸入させること
により、隔室内のガヌ會上部壁（６）の孔（８）から排
出させなから時込みｔ行う。図中（９）は舞込時セラミ
ック粒子（５）と熔融金属（３）との比重差によりセラ
ミック粒子（５）が浮き上がるのを防ぐための重り、α
（Ｊに高周波７ＩＩ］熱を行う埋設コイルである。

上記提案の製造方法によれば、分散粒子としてＡ１．ａ
Ｏ３，３Ａｔ、２０Ｊ　・２ｓ１ｏ２、ＺｒＯ，等の酸
化物糸オヨびＳ１Ｃ，Ｔｉｃ等の炭化物系の各セラミッ
クが、ま几マトリックヌ形成用の金属としてはＡｊ、そ
の合金ノ他ｙｃＮ１．Ｃｏ、Ｏｒ系合金、鋼、ヌテ：／
　し７鋼等各種の材料が使用可能となり、すなわちセラ
ミック材料、マトリック７金属材料ｔこれらの中から目
的とする物性、用途等に応じて適宜選択することが可能
となる。

ところが、その後の研究で、上記の方法により製造した
、各種のマトリックス金属およびセラミック粒子の組合
せからなる複合材の中に、必ずしも予期した通りの耐摩
耗性、その他の性能を示ざないものかあ々ことが確認さ
れた。

そこで本発明に、丁ぐれた性能のセラミック粒子分散型
複合材の安定供給ケ可能ならしめることケ目的とするも
のであって、常に安定した詩性能ケ示すセツミック粒子
分散型複合材を提供しようとするものである。

く間頌点ケ解決するための手段〉 本発明者らに上記の方法で性能の異なる材料ケ用いて数
多くの複合材を試作し、その試作品について詳細に性能
調査２行った。その結果、耐摩耗性に対してマトリック
ス金属中に分散したセラミック粒子の大＠ざが深く係わ
っていることが判明した０丁なわち、粒子の大＠ざか成
る一定限ｆｆ’に境としてそれ以下になると耐摩耗性に
急激に劣化するものであり、しかもその粒子の大きさケ
一定限度以上に保持することに粒子のマトリックス金属
との濡れ注の向上にも有効であるという事笑を見出した
。また同時にマトリックス金属に対するセラミック粒子
の充填率についても、所定範囲内に限定しておくことが
すぐれｆｃ朗摩耗性を安定的に保持するために必要であ
ることが確ル３された。

すなわち本発明に、金属をマトリツクスとし、該マトリ
ックス中Ｖこセラミック粒子が均−ＶＣ分散したもので
あって、前記セラミック粒子の平均径が１Ｍ以上、体積
充填率が１５〜８５＋Ｘ″″Ｃあることケ特徴とするセ
ラミック粒子分散型複合材全要旨とする。

以下本発明ケ各要件の数値限定の理由ｒ織りまぜながら
詳細に説明する。

まずセラミツク粒子の充填率全１５〜８５％に限定した
のは、１５％未満では耐摩耗性が急激に低下するからで
ろり、ま７’Ｃ８５％ｋｓえると圧延性の低下が著しく
なるからである。

セラミック粒子の平均径ケ１層以上としたのに、１ｍｍ
未満となると粒子がマトリックス金属刃ムら剥離し易く
なって耐摩耗性が急激に低下するからであり、また詰込
みに際してマトリックスを形成する溶融金属がセラミッ
ク粒子間へ浸透し難くなるからである。この粒径の上限
については次の通りである。粒子を大にするとマトリッ
クス金属からの剥離に対する抵抗が人となって剥離しａ
ぐなり、その結果耐摩耗性の同上が認められるとともに
、径の大きい粒子はマトリックス金属で舞包み易くなる
ので、木質的に金属の濡れ性の悪いアルミナ粒子でも径
を大さくすればマトリックス金属中に固定することが可
能となる。しかしに面径を大にすると舞込時の熱衝撃割
れ、衝撃力による割れの問題を生じ、また７７Ｄ［ｆ成
形時の強度および流動性の点で不利となる。しかしこれ
らの問題ハ粒子の予熱を行うことにより解決の方向にむ
かう。従って上記の事情を勘案して粒子の上限としては
５贋が最も好ましく、また予熱等の措置をとることを考
えれば１０麿程度までが許容される範囲である。

次に本発明複合材笑施の効果について説明する。

まずｍ圧成形性についてに、例えば平均粒径２眉の窒化
硅素を、ＣＯを４０％含む超朗勲合今中に充填率を種々
に変えて含有させた試料（−例を参考図１として掲げる
〕について、１２００℃で圧延試験を竹い、限界圧下率
を調査したところ、第２図に曲線（ａ）で示す結果とな
った。充填率７０％で２５％の圧下が可能であり、その
圧延材に粒子が均一的にマトリックス中に分散したまま
で割れもなく、良好なものであった。

次に比重について述べる。代表的なセラミックの比重に
第１表に示す通りである。

第　　１　　表 上表に見る通り、セラミック粒子の比重はいずれも鋼の
比重（７，８６，１のＡ以下であり、例えば７５％の充
填率とすれば鋼単独の場合の少なくとも６０％の重量に
軽減化ができる。

次ｖｃｍ伝導率について述べる。第２辰に上記セラミッ
クの熱伝導率を示す。

第　　　２　　　表 表に見る通り、セラミックの熱伝導率にＳｉＣを除いて
は例えば鋼（Ｂ　６　Ｋ（！ａ９ｍｂｊ：　）の約晃〜
殉の値でろり、概ねマトリックス金属のＡ以下となる。

粒子の充填率を７５％とすると、複合材としての郊伝心
率は鋼単体の約捧〜狛の値を示すことになる。す々わち
、熱遮蔽の用途に使用する場合、上記のうちで熱伝導率
の低いセラミック粒子を分散粒子として選択使用すれば
、断熱効果の飛躍的向上が期待できる。

次に、本発明の複合材にセラミック粒子がメッキされて
いる場合をも含む。すなわち、セラミック粒子の中には
金属浴湯に対する濡れ注が悪いためにマトリックスを形
成する溶融金属との混合性の悪いものがある（アルミナ
等）。このような場合、まずセラミック粒子との結合性
に丁ぐれｆｃＴｉ、、Ｚｒ％Ｔａ、　Ｎ’ｂ等の活性金
属をメッキによってセラミック粒子表面に？ＢＩ覆させ
ることにより、セラミック粒子のマトリックス金属との
界面接合性（濡れ注）を高め、引張強度またに圧延性の
一層の改善を図ることかでさるものでるる。

本発明の複合材に、＠ｒＪ述した持纜昭５９−１６８０
９６の製造方法によって製造することができる。すなわ
ち、第１図に示し之製造装置を用い、まず隔室（６）内
に所定粒度のセラミック粒子（５）を装入し、次いで容
器（４）内にマトリックス金属を形成するための固体金
属（３〕を詰める。次いで高周波コイルαｑに給電して
高周波ｍ熱を行い、隔室（６）内の粒子（５）を予熱す
るとともに固体金属（３）を溶融せしめる。かぐして荀
周波ｍ熱によりＩ＠融した金属（３）は自重により、ま
九液面をｍ圧して強制圧入することにより、隔室（６）
の側壁下部に設けた開孔（７）から隔室（６〕内に入り
下方からセラミック粒子の間に徐々に浸入してゆき、最
終的に隔室内全体にゆされたつ状形となる。この際、セ
ラミック粒子間に存在するガス、溶融金属とセラミック
粒子との接触によって発生するガス等に、湯ｆの上昇と
ともに順次隔室の上方に押し上げられ、上部壁のガス抜
き孔（３）を通って外気中に放出される。この工うな形
態で行われるガス抜きは、極めて効率のよいものであり
、したがってこの方法によればセラミック粒子がマトリ
ックス金属中に均一緻密ｒｃ分散した複合材を製造する
ことが可能である。しかも鋳込みに当ってセラミック粒
子の予熱が十分に行われるので、熱衝撃割れを起し易い
比較的粒径の大きいセラミック粒子の使用も許される。

次に本発明の冥施例について説明する。

実施例１ 第３表 金属マトリックスとして第３表に示すコバルト基印懸合
金を用い、強化粒子として種々の粒径をもちＳｉＯコア
光・Ａ２２０３９１％の組成からなるアルミナ粒子を用
いて、粒子の充填率を種々に変えて、第１図の製造装置
により各種の複合材を試作した。これを供試材とし、下
記により朗翰耗率および圧下率の調査を行い、それぞれ
粒径および充填率との関係を求めた。

まず粒径と耐摩耗率についてに、充填率７４％の場合に
おける関係を、まｔ粒径と圧下率についてに充填率７４
Ｘと５０Ｘの２種類についての関係を調べた。結果を第
３図のグラフに示す。図中曲線（＋））に粒径ど耐摩耗
率、（Ｃ）に充填率７４％の場合の粒径と圧下率、口〕
に充填率５０Ｘの場合の粒径と圧下率の各関係を示す。

また充填率とｍ４摩耗率および充填率と圧下率の関係に
ついてに、粒径２顛φの上記粒子を用いた場合について
調査した。結果を第合図に示す。図中曲線（ｆ９）に充
填率と耐摩耗率、（ｆ）に充填率と圧下率との各関係を
示す。

なお耐摩耗率についてに、供試材から１０履角の試験片
を切り出し、これを室温においてビニオンデイ７り方式
で、回転中（１００ｒｐｍＪのディ７りの特定の円軌道
上に押し付けて（何重１＃）１０Ｗ−△Ｗ ｂ摺動後、その耐摩耗重含を測定し、次式　ッＸ１００
％（但しＷａ元の重量、△Ｗは摩耗重量〕にて算出した
数値の大′＠チで判定した。また圧下率に供試材から板
厚２０盾の試験片を採取し、常の熱間圧延機にて圧延試
験を笑施し、１２００℃での限界圧下率を求めた。

第３図から、粒径が本発明範囲外の１ｇｍ未満となると
耐摩耗率が急激に減少するのが分る・ま文部４図ｒｃは
、充填率が本発明範囲外の１５％未満となると耐摩耗率
が急激に減少し、まｆｃ８５Ｘを越えると圧下率が極端
に小ざくなジ圧延後の劣化が著しくなることが示されて
いる。

実施例２ 実施例１と同じ要領で製造した、マトリックス金属とア
ルミナ粒子（径２ｗ１）からなる複合材を用いて、クリ
ープ変形量、硬度特注、摩耗特性、溶接性を調歪した。

各試験方法および結果を以下に述べる。

■　クリ−１変形愈 これは、実施例１と同じマトリックス金属とアルミナ粒
子（粒径２Ｍ）を素材とし、粒子の充填率を種々Ｉｃ変
えて試作し次各種の複合材から直方体状試験片（２６，
８１１Ｘ　４２．５１１Ｘ　４０．６１ＥＩ　）を採取
し、これを１２００℃ＶＣ，７Ｊｌ熱し負荷（−軸ｍ圧
）２＃〜を１時間かけ、その時のクリ−１速度（−）と
して得られ文ものでるる。

第５図はクリ−１速度とセラミック粒子充填率との関係
を曲線ばて示したグラフである。図に見る通り、充填率
７４％の複合材に、クリ−１変形量がマトリックス金属
単体のものに比較して約穐に減少し、クリ−１強度にす
ぐれた特性を有していることが分る。

■　硬度特性 実施例１のマトリックス金属とアルミナ粒子（粒径２ｎ
φ、充填率７４ｘ）からなる複合材の縛造ままの本のお
よび舞造後１２００℃ｘ２４ｈｒ熱処理を施し定ものを
供試材とし、セラミック粒子、界面、マトリックス金属
の各部の硬度分布をマイクロビツカーヌ硬度計で測定し
た。結果を第６図に示す。図中、曲線（ｈ）は舞造まま
のもの、（１）に熱処理後のものを示す。図に見る通り
、セラミツク粒子の硬度にマトリックス金属に比較して
５〜６倍の値を有していることが分る。

■　摩耗特性 実施例１のＣｏ基耐熱合金とアルミナ粒子（平均粒径２
　ｍ　、充填率７４％）とからなる複合材と、５４５０
ｅｌと同様のアルミナ粒子とからなる複合材を試作し、
該試作品からそれぞれｌＯ顛角の試験片を切り出し、既
述のビニオンディヌク方式で摺動距離を種樗に変えて耐
摩耗試験を行った。第７図に上記試験における試験片の
延べ摺動距離（Ｋｍ）と摩耗による減ｔ（ｍｇ）の関係
を示したグラフである。図中、曲線（ｊ）にＣＯ基ｒ＃
熱合金単体、船に３４５Ｃ鋼単体、（４）にＣｏ基耐熱
合金をマトリックスとした複合材、０１１）ＵＳ４５Ｃ
７ｉＩ４をマトリックスとした複合材の結果を示す。

図に見る通り、複合材の摩耗ｆｌｔはセラミック粒子単
体の摩耗ｔ（曲線ｎで示す）に近い小式な値であり、こ
れにマトリックス金属単体と比較して約数十分の−で、
複合材とすることにより摩耗特性の大巾な同上が得られ
ること一７ｊｉ理解される。

■　溶接性 セラミック相互間の接着は炭酸銀、酸化銅あるいはマグ
ネシア、ニッケルなどを介して行い得るが、通常２〜３
鶏の力で剥離し、強度は余り期待できない。しかしあら
かじめ鋳込み詩に溶接部近傍の分散粒子密度を疎と、す
るように調節してやれば、溶接は実質的に金属どうしの
溶接に帰着し、良好な溶接性が得られるものでるる。

参考図２に実施例１に示しｆｃＣＯ基劇熱合金とアルミ
ナ粒子（粒径２藺、充填率７４％〕とからなる複合材と
ＳＵＳ　３０８の浴接状況を示す写真である。

図に見る通り、５ＵＳ８０８仏）と複合材（ａとの溶接
に良好に行われていることが分る。

以上の説明から明らかなように、本発明の複合材に耐摩
純性、耐クリープ特性、軽諭注、ｍ工性、断熱性１強度
等各種物性において常に安定した高性能を示すものであ
る。従って本発明に各種機械、構造物等の耐摩耗用部材
としての英用注が著しく高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合材の製造装置を概略的に示した説明図、第
２図は圧下率とセラミック粒子の充填率との関係を示し
たグラフ、第３図にセラミック粒子の粒径と１ｉＩｉ１
摩耗性および粒径と圧下率との関係を示し比グラフ、第
４図はセラミック粒子の充填率と耐摩耗性および充填率
と圧下率の関係を示したグラフ、第５図にセラミック粒
子の充填率とクリ−１菱形量との関係を示したグラフ、
第６図はセラミック粒子、界面、マトリックヌ金属にお
ける硬度分布図、マトリックス金属単体および複合材の
摩耗特性を示したグラフ、第７図はビニオンディヌク方
式による延べ摺動距離と摩耗Ｗｊ、ｔとの関係を示した
グラフである。 １：高周波炉、８：マトリックス形成用金属、４：容器
、５：セラミック粒子、６：隔室、７：開孔部、８：ガ
ヌ抜さ孔、９：重り、１０：鳥周波コイ　ル π１図 、′γτ　２１Ｘ、１ 丸τ４率（−Ａ） 第　４　図１　　　　　　　　゛“　３　口筒　５１゛
４ ヌ ｔｙグラフＩ立子光て４圭（５’、） 第　６　　ｉ’Ｋｉ 界面よりの１圧ａ　（ｍｍ） ４Ｘ７図 山５＜１習動距舷（ｋｒｎ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属をマトリツクスとし、該マトリツクス中にセ
   ラミツク粒子が均一に分散した複合材であつて、前記セ
   ラミツク粒子の平均径が１ｍｍ以上、体積充填率が１５
   〜８５％であることを特徴とするセラミツク粒子分散型
   複合材。
2. （２）加圧成形用であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のセラミツク分散型複合材。
3. （３）セラミツク粒子の比重がマトリツクス金属の１／
   ２以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項に記載のセラミツク分散型複合材。
4. （４）セラミツク粒子の熱伝導率がマトリツクス金属の
   １／２以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   〜３項のいずれかに記載のセラミツク粒子分散型複合材
   。
5. （５）セラミツク粒子がメツキされていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載のセラ
   ミツク粒子分散型複合材。