JPH08127807A - 複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】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
が存在することがない複合材の製造方法を提供する。 【構成】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
る。

Description

【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

Claims (4)

【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。