JPS6046237A - 円筒状セラミックス・金属複合材の製造方法 - 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】 本発明は、セラミックス−金属複合材及びその製造法に
係り、より詳しくは、セラミックスの一部に鋳造用金属
を浸透させたものに関する。

従来、セラミックス成形体のみでは強度が不足する耐摩
耗ローラー、表面での断熱性が要求される熱間鋼材搬送
ローラー等、セラミックスと金属の両者の特性を兼ね備
えた特性の要求される分野でセラミックス−金属複合材
が使用されている。

より詳しく説明すると、第１図に示す如く、金属炭化物
、ホウ化物、酸化物、ケイ化物、窒化物等の成形体（以
下、セラミックス成形体という。）からなる外層ｆｔ）
と、金属材からなる内層（２）とからなる円筒状セラミ
ックス−金属複合体があり、この製造において、従来は
、円筒状のセラミックス成形体を鋳型の中にセットして
、その内部に金属を鋳造して両者を溶着させて複合体を
得ていた。

しかし、両者の境界において、セラミックス成形体と金
属の諸性質の相異、セラミックスの金属のぬれ性の問題
等から、両者の結合状態はよくない。

そのため、金属の収縮時の割れ、或いは完成製品での境
界への応力集中等による剥離問題があった。

本発明は、以上の問題に艦みなされたもので、その目的
とするところは、セラミックスと金属との結合状態がよ
く、両者の剥離の心配がなく長寿命、高品質のセラミッ
クス−金属複合材及びその製造法を提供することにあり
、その要旨について述べると、第１発明に関し、本発明
のセラミックス−金属複合材は、セラミックス材で形成
された外層と、該外層のセラミックス材と連続的に焼結
されたセラミックス材であってその焼結粒子空隙に金属
鋳造材を有する浸透層とからなる点にあり、次に第２発
明に関し、本発明の製造法は、緻密なセラミックス材で
形成された外層と、該外層のセラミックス材と連続的に
焼結された空隙率の高いセラミックス材で形成された浸
透前層とからなる円筒状セラミックス複合材を用いて、
その内部に遠心力鋳造により金属鋳造材を鋳造し、前記
浸透前層の焼結粒子空隙に前記金属鋳造材を浸透させた
浸透層を形成する点にある。また、第３発明に関し、本
発明のセラミックス−金属複合材は、第１発明の複合材
の外層と浸透層と、これらに加えて、該浸透層の金属鋳
造材と冶金的に連続した同種若しくは異種の金属鋳造材
で形成された内層とからなる点にあり、更に第４発明に
関し、本発明の製造法は、第２発明の製造法において、
金属鋳造材を遠心力鋳造し、浸透層を形成するのに加え
て、該浸透層の金属鋳造材と冶金的に連続し、前記金属
鋳造材からなる内層とを形成する点にあり、更に第５発
明に関して、本発明の製造法は、第２発明に係る円筒状
セラミックス複合材を用いて、その内部に遠心力鋳造に
より浸透性良好な金属鋳造材を鋳造し、少なくとも前記
浸透前層の焼結粒子空隙に前記金属鋳造材を浸透させた
浸透層を形成し、次に内層として要求される性質を有す
る異種の金属鋳造材を鋳造する点にある。

以下、本発明について詳細に説明する。

先ず、本発明の複合材を第２図に示す実施例に基づいて
説明する。

第２図は、本発明の複合材を円筒状セラミックス−金属
複合材（３）に適用した例である。（４）は外層であり
、緻密に焼成されたセラミックス層からなる。セラミッ
クス材の種類は、使用用途により、例えば、Ｔｉｅ、　
ＳｉＣ％ＡＩ！Ｑ０３、ＺｒＯ２、Ｂｏｏ　％ＴｉＮ　
、　Ｓｉ３Ｎ４等の金属炭化物、ホウ化物、酸化物、ケ
イ化物、窒化物の中から荏意に選択することができる。

（５）は浸透層であり、前記外層（４）のセラミックス
と連続的に焼結されたセラミックス材であって、その焼
結粒子空隙に金属鋳造材が浸透している。該浸透層（５
）の厚さは、１〜５厘譚が好ましい。１１Ｍ未満では、
金属の浸透層が薄くなり、緻密な外層（４）から後述す
る内層（６）の金属層への材質変化が急激となり、境界
剥離抵抗性が悪く方り、一方５　ＭＭを越えると、金属
の浸透が不十分な部分が出来、材質劣化となるので好ま
しくない。また、金属が浸透する前のセラミックス材の
空隙率は、１５〜８０ｑ＆の間で、内層（６）側にいく
程大きくなることが望ましい。

１５チ未満では、浸透が不十分で、浸透層（５）と金属
層である内層（６）との材質変化が急激となり、逆に８
０チを越えると、外層（４）と浸透層（６）の間の境界
における材質変化が急激になり、共に剥離しやすくなる
。（６）は内層であり、前記浸透層（５）の金属鋳造材
と冶金的連続性を有し、かつ同材質であり、所望の機械
的性質により高級鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、鋳鋼等の鉄材
料、又はアルミニウム、銅ガどの非鉄金属及びその合金
を適宜選択できる。

次に本発明の製造法について、前記円筒状セラミックス
−金属複合材（３）の場合を基にして説明するＯ まず、第３図に示す如く、空隙率の全くないか又は非常
に小さい緻密なセラミックス層からなる外層（８）と、
該外層（８）のセラミックスと連続的に焼結された空隙
率の高いセラミックス層であり、既述したようにその厚
さが１〜５ｍ＋１．その空隙率が１５〜８０係の浸透前
層（９）とからなる円筒状セラミックス複合材１７）を
製作する。

この製作は、圧粉成型時、外層相当部に比較して、浸透
前層相当部のセラミックス粒子に熱可塑性結合材の混合
率を多くしたり、セラミックス粒子の粒度を大きくした
り、また成型圧を小さくする等により、圧粉成型し焼成
することにより、外層（８）と浸透前層（９）との空隙
率に差をつけるものである。

次に、第４図に示す如く、前記円筒状セラミックス複合
材（７）を遠心力鋳造用金型（ｌり内に耐火物００及び
バンド（１０１（１０）で固定し、この状態で金型（＋
＋１をローラー（１２＋　０２１上で回転させ、内層θ
４）を形成するため所望の鋳造材溶湯を、注湯用機０３
）を通して注湯し内層０４１を遠心力鋳造する。この際
、円筒状セラミックス複合材（７）の浸透前層（９）の
両端面に、鋳込まれた溶湯に接触するように空間θ拍Ｏ
拍を設けることが望ましい。端面部は、冷却により凝固
が早く、必要とするセラミックスへの浸透が得られ難い
ためである。

また、浸透を助ける手段として、前記円筒状セラミック
ス複合材（７）を４００〜１０００℃に予熱することが
望ましい。この際、予熱による酸化等の変質を防止する
ために、不活性ガス中で予熱することも有効な手段であ
る。加えて、該予熱は、鋳造により生ずる熱衝撃による
円筒状セラミックス複合材（７）の割れ防止及び鋳造後
の両者の収縮差による割れ防止の効果もある。

前記遠心力鋳造の際の金型回転数については、ＧＮＯ，
が大きく、鋳込温度が高い方が浸透を助長する。一般に
ＧＮＯ，はＧ２０〜Ｇ１５０程度であるが勿論０１５０
以上でも浸透を大きくするのでよい。

特に、浸透前層（９）のセラミックスの粒子が小さく、
空隙率が小さく、浸透層を厚くする必要のある場合はＧ
ＭＯｏを大きくすればよい。このように、遠心力鋳造に
よると浸透層の厚さが容易に制御できて好適である。

前記内層（Ｉ４）の溶湯材質は、既述したように、高級
鋳鉄、ダクタイル鋳鉄等の中から要求される性質、強度
に応じて適宜選択されるが、浸透性についてのみいえば
、高級鋳鉄が最良である。

前記内層（Ｉ４）を鋳造した後は、高温の状態下で型バ
ランして、保熱炉、熱処理炉等で十分徐冷することか望
ましい。

以上の説明は円筒状複合材の場合であるが、立型遠心力
鋳造を行うと内層を中実とすることも可能であり、また
、第５図の如く、鋳造材の鋳込量を少なくして、セラミ
ックス外層（４）と、金属浸透層（５）のみからなる複
合材とすることも可能である。

この場合は、既述した第２図の円筒状セラミックス−金
属複合材（３）の金属内層（６）を加工により除去して
も得ることができる。

また、第６図に示す如く、空隙率の高い浸透前層（９）
へは浸透しやすい金属、例えば高級鋳鉄を用いて、その
肉厚丁度にするか、又は少し余分に鋳造し浸透層（５）
１を形成し、次いでその内側へ強度の要求される金属、
例えば鋳鋼又はアダマイト、黒鉛鋳鋼等を鋳造し内層（
６）ｌを形成させれば、浸透の容易さと強靭な根板的強
度を容易に兼備でき優れる。

次に、具体的製造実施例を掲げて説明する。

外径φ３０５×全長４００　’　Ｘ肉厚５０１ＭＭの搬
送ローラー材の製造実施例。

１、外径φ３０５×全長４００’　Ｘ外層ｘｏｔ　ｘ浸
透前層（空隙率５〜５０％　）　５　ｔ　ｊｆｆの円筒
状セラミックス複合材を準備し、８００℃に予熱した後
前述した第４図の如く、遠心力鋳造用金型内へ、耐火材
を介して、設置した。

２、金型を回転させ、金型回転をＣｌＮｏ、で１５０と
した。

３、次に、浸透用金属及び内層金属として、高級鋳鉄を
１３８０℃で鋳込んだ。

４、内層の凝固後、高温状態下で金型からセラミックス
−金属複合材を取り出し、型バラクして保熱炉に入れ、
徐冷した。

５、以上のようにして、前記円筒状セラミックス複合材
に高級鋳鉄が５　ＭＭ浸透したセラミックス−金属複合
搬送ローラー材を得た。

以上述べたように、本発明の複合材は、セラミックス材
で形成された外層と、該外層のセラミックス材と連続的
に焼結されたセラミックス材であってその焼結粒子空隙
に金属鋳造材を有する浸透層とからなる２層構造、又は
、前記外層と浸透層に加えて、該浸透層の金属鋳造材と
冶金的に連続した同種若しくは異種の金属鋳造材で形成
された内層とからなる３層構造としたので、セラミック
スと金属との結合状態がよく、両者の剥離の心配のない
長寿命、高品質のセラミックス−金属複合材が提供でき
、またその製造法も、緻密々セラミックス材で形成され
た外層と、該外層のセラミックス材と連続的に焼結され
た空隙率の高いセラミックス材で形成された浸透前層と
からなる円筒状セラミックス複合材を用いて、その内部
に遠心力鋳造により金属鋳造材を鋳造し、前記浸透前層
の焼結粒子空隙に前記金属鋳造材を浸透させた浸透層を
形成し、又は該浸透層の形成に加えて、該浸透層の金属
鋳造材と冶金的に連続し、前記金属鋳造材と同材質から
なる内層とを形成するので、本発明の複合材を、容易、
経済的に製造でき、また遠心力鋳造における金型回転数
を変更することにより、浸透層を容易に制御できる。加
えて、前記円筒状セラミックス複合材を用いて、その内
部に遠心力鋳造により浸透性の良好秀金属鋳造材を鋳造
し、少なくとも前記浸透前層の焼結粒子空隙に前記金属
鋳造材を浸透させた浸透層を形成し、次に内層として要
求される性質を有する異種の金属鋳造材を鋳造すれば、
通常、浸透性のよくない高靭性鋳造材でも、内層として
容易に適用でき、内層が強靭でかつセラミックス材の外
層の剥離の心配のない高品質、経済的々セラミックスー
金属複合材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のセラミックス−金属複合材の構造を示す
断面図、第２図は本発明を適用した円筒状セラミックス
−金属複合材の構造を示す断面図、第３図は本発明の製
造法に係る円筒状セラミックス複合材の構造を示す断面
図、第４図は本発明の製造に係る製造装置概略の一例を
示、す断面図、第５図は外層と浸透層のみからなる本発
明適用の複合材の部分断面図、第６図は内層の金属と浸
透層の金属とが異材質である場合の本発明の複合材の構
造を示す部分断面図を示す。 （３）・・・円筒状セラミックス−金属複合材、（４）
・・・外層、（５）、（５）１・・・浸透層、（６１、
（６１’・・・内層、（７）・・・円筒状セラミックス
複合材、（８）・・・外層、（９）・・・浸透前層、（
１１）・・・金型。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　セラミックス材で形成された外層と、該外層のセ
   ラミックス材と連続的に焼結されたセラミックス材であ
   ってその焼結粒子空隙に金属鋳造材を有する浸透層とか
   らなるセラミックス−金属複合材。 ２、緻密なセラミックス材で形成された外層と、該外層
   のセラミックス材と連続的に焼結された空隙率の高いセ
   ラミックス材で形成された浸透前層とからなる円筒状セ
   ラミックス複合材を用いて、その内部に遠心力鋳造によ
   り金属鋳造材を鋳造し、前記浸透前層の焼結粒子空隙に
   前記金属鋳造材を浸透させた浸透層を形成することを特
   徴とするセラミックス−金属複合材の製造法０ ３、　セラミックス材で形成された外層と、該外層のセ
   ラミックス材と連続的に焼結されたセラミックス材であ
   ってその焼結粒子空隙に金属鋳造材を有する浸透層と、
   該浸透層の金属鋳造材と冶金的に連続した同種若しくは
   異種の金属鋳造材で形成された内層とからなるセラミッ
   クス−金属覆合材。 ４、　緻密なセラミックス材で形成された外層と、該外
   層のセラミックス材と連続的に焼結された空ＰＪＩの高
   いセラミックス材で形成された浸透前層とからなる円筒
   状セラミックス複合材を用いて、その内部に遠心力鋳造
   により金属鋳造材を鋳造し、前記浸透前層の焼結粒子空
   隙に前記金属鋳造材を浸透させた浸透層と、該浸透層の
   金属鋳造材と冶金的に連続し、前記金属鋳造材からなる
   内層とを形成することを特徴とするセラミックス−金属
   複合材の製造法。 ５、　緻密なセラミックス材で形成された外層と、該外
   層のセラミックス材と連続的に焼結された空隙率の高い
   セラミックス材で形成された浸透前層とからなる円筒状
   セラミックス複合材を用いて、その内部に遠心力鋳造に
   より浸透性良好な金属鋳造材を鋳造し、少々くとも前記
   浸透前層の焼結粒子空隙に前記金属鋳造材を浸透させた
   浸透層を形成し、次に内層として要求される性質を有す
   る異種の金属鋳造材を鋳造することを特徴とするセラミ
   ックス−金属複合材の製造法・ ６、　浸透層はその厚さが１〜５Ｒである特許請求の範
   囲第１項、７１コ第３項に記載のセラミックス−金属複
   合材。 ７、　空隙率の高いセラミックス材はその空隙率が１５
   〜８０％である特許請求の範囲第２項、第４項又（］第
   ５項に記載のセラミックス−金属複合材の製造法。