JP2005324989A - Fitted body and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属マトリックス中にセラミックス強化材を複合させてなる金属−セラミックス複合材料とセラミックス板との嵌合体に関し、さらに詳しくは、Al合金にSiC粉末および/またはSiC繊維を強化材として複合させてなるAl合金−セラミックス複合材料とセラミックス板との嵌合体及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fitting body of a metal-ceramic composite material obtained by combining a ceramic reinforcing material in a metal matrix and a ceramic plate, and more specifically, an Al alloy combined with SiC powder and / or SiC fiber as a reinforcing material. The present invention relates to a fitting body of an Al alloy-ceramic composite material and a ceramic plate and a manufacturing method thereof.
近年、金属材料の高靭性、高熱伝導とセラミックスの低熱膨張、耐摩耗性等を兼ね備えた金属基複合材料は次世代を担う新素材として各方面から注目されている。
従来、該金属基複合材料の製造方法としては、粉末冶金法、高圧鍛造法、真空鋳造法などが知られているが、これらの方法は、セラミックス強化材の含有量が制御できない、大型の加圧装置が必要である、ニアネット成形が困難などの理由により、いずれも十分満足できるものではなかった。
In recent years, metal matrix composite materials that combine high toughness of metal materials, high thermal conductivity, low thermal expansion of ceramics, wear resistance, and the like, have attracted attention as a new material for the next generation.
Conventionally, powder metallurgy, high-pressure forging, vacuum casting, and the like are known as methods for producing the metal matrix composite material. However, these methods do not allow the content of the ceramic reinforcement to be controlled and are large-scale processing. Neither was fully satisfactory due to the necessity of a pressure device or difficulty in near-net molding.
ここで、最近、特に注目されている製造方法として米国ランクサイド社が開発した非加圧金属浸透法がある。この方法は、SiCやAl2O3などのセラミックスから成形されたプリフォームとアルミニウム合金を接触させて、これをN2雰囲気炉中で700〜900℃に加熱して溶融したアルミニウム合金を浸透させる方法である。したがって、従来のように化学反応を利用してセラミックス粒と溶融合金の濡れ性を改善したり、機械的な加圧を行わなくても溶融金属を浸透できると言う特長がある。 Here, there is a non-pressurized metal permeation method developed by the US rank side company as a manufacturing method which has recently attracted particular attention. In this method, a preform formed from ceramics such as SiC or Al 2 O 3 is brought into contact with an aluminum alloy, and this is heated to 700 to 900 ° C. in an N 2 atmosphere furnace to infiltrate the molten aluminum alloy. Is the method. Therefore, there is a feature that the wettability between the ceramic grains and the molten alloy can be improved by utilizing a chemical reaction as in the conventional case, and the molten metal can be permeated without mechanical pressurization.
本方法によれば、プリフォームの充填率を制御することにより、セラミックス強化材含有率を30〜85%の間で自由に可変することができる。
また、プリフォームの形状の自由度が高いのでかなり複雑な形状をニアネットで作ることも可能である。
According to this method, by controlling the filling rate of the preform, the ceramic reinforcement content can be freely varied between 30 and 85%.
In addition, since the degree of freedom of the shape of the preform is high, it is possible to make a fairly complicated shape with a near net.
一方、このような金属−セラミックス複合材料とセラミックスを高強度に一体化して接合させることにより特殊な機能を付与した接合体がメカニカルセラミックスやエレクトロセラミックス分野で検討させている。 On the other hand, a joined body imparted with a special function by integrating and bonding such a metal-ceramic composite material and ceramic with high strength is being studied in the field of mechanical ceramics and electroceramics.
このような要求に答えるものとして、金属−セラミックス複合材料とセラミックスとをロウ材を介して接合した接合体とその接合方法が提案されている (たとえば特許文献1参照)。
しかしながら、上記した金属−セラミックス複合材料とセラミックスの接合方法では、ロウ材が接合層に介在するため使用温度を制限されたり、またはエレクトロセラミックス分野の特殊用途においてはロウ材の成分が系内に不純物として拡散するため問題となる場合があった。
さらには、接合条件によっては、接合したセラミックスにクラックが発生するという課題もあった。
However, in the above-described metal-ceramic composite material and ceramic bonding method, the brazing material is interposed in the bonding layer, so that the operating temperature is limited, or in the special application in the electroceramics field, the brazing material component is an impurity in the system. It may become a problem because of diffusion.
Furthermore, depending on the joining conditions, there is a problem that cracks occur in the joined ceramics.
本発明は、上述した金属−セラミックス複合材料とセラミックスの接合方法が有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、金属−セラミックス複合材料とセラミックス板とのロウ材を用いない嵌合体であって、前記セラミックス板は前記金属−セラミックス複合材料の凹部に実質的に隙間のない状態で嵌合された嵌合体とその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems of the above-described method for joining a metal-ceramic composite material and a ceramic, and the object thereof is a fitting body that does not use a brazing material between the metal-ceramic composite material and the ceramic plate. The ceramic plate is provided with a fitting body in which the ceramic plate is fitted into the concave portion of the metal-ceramic composite material with substantially no gap and a manufacturing method thereof.
本発明の目的は、下記した手段によって達成することができる。
(1)金属−セラミックス複合材料とセラミックス板との嵌合体であって、前記セラミックス板は前記金属−セラミックス複合材料の凹部に実質的に隙間のない状態で嵌合されており、かつ、前記セラミックス板には目視可能なクラックが観察されないことを特徴とする嵌合体。
(2)セラミックス強化材からなるプリフォームに凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部にセラミックス板を嵌合する嵌合工程と、前記セラミックス板を嵌合させたプリフォームの凹部を覆うようにプリフォーム板からなる蓋部を載置する蓋部載置工程と、前記プリフォームとプリフーム板からなる蓋部に溶融金属を非加圧で浸透させる浸透工程と、このようにして得られた金属−セラミックス複合材料の蓋部を削り取る研削工程と、を含むことを特徴とする(1)記載の金属−セラミックス複合材料とセラミックス板との嵌合体の製造方法。
The object of the present invention can be achieved by the following means.
(1) A fitting body of a metal-ceramic composite material and a ceramic plate, wherein the ceramic plate is fitted in a concave portion of the metal-ceramic composite material with substantially no gap, and the ceramics A fitting body characterized in that no visible cracks are observed on the plate.
(2) A recess forming step of forming a recess in a preform made of a ceramic reinforcing material, a fitting step of fitting a ceramic plate into the recess, and a recess of the preform fitted with the ceramic plate are covered. A lid placing step for placing a lid made of a preform plate, an infiltration step for infiltrating molten metal into the lid made of the preform and the preform plate without pressure, and the metal thus obtained A method for producing a fitting body of a metal-ceramic composite material and a ceramic plate according to (1), comprising: a grinding step of scraping off the lid portion of the ceramic composite material.
本発明の嵌合体及びその製造方法であれば、ロウ材を用いなくても金属−セラミックス複合材料とセラミックス板とを嵌め合わせて接合することが可能になった。
したがって、嵌合体の使用温度を制限されたり、または、エレクトロセラミックス分野での特殊用途においてロウ材の成分が系内に不純物として拡散するという問題もなくなり、用途が拡大できるという効果がある。
According to the fitting body and the manufacturing method thereof of the present invention, the metal-ceramic composite material and the ceramic plate can be fitted and joined without using a brazing material.
Therefore, there is no problem that the use temperature of the fitting body is limited or the problem that the brazing material component diffuses as impurities in the system in a special application in the field of electroceramics, and the application can be expanded.
以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明では、金属−セラミックス複合材料とセラミックス板との嵌合体であって、前記セラミックス板は前記金属−セラミックス複合材料の凹部に実質的に隙間のない状態で嵌合されており、かつ、前記セラミックス板には目視可能なクラックが観察されないことを特徴とする嵌合体を提案している。
The present invention is described in further detail below.
In the present invention, the metal-ceramic composite material and the ceramic plate are fitted to each other, and the ceramic plate is fitted in a recess of the metal-ceramic composite material with substantially no gap, and A fitting body characterized in that no visible cracks are observed in the ceramic plate is proposed.
ここで、本発明で強化材として使用するセラミックスとしては、SiC粉末および/またはSiC繊維を用いることが好ましい。
また、プリフォームに浸透させる金属としては、Mgを含むAl合金が好ましい。
Here, as the ceramic used as the reinforcing material in the present invention, it is preferable to use SiC powder and / or SiC fiber.
Moreover, as a metal which penetrates the preform, an Al alloy containing Mg is preferable.
本発明では、所定の充填状態が得られるように粒度を調製したSiC粉末および/またはSiC繊維に分散剤やバインダー等を混合し、この混合物を鋳込み成形、加圧成形など種々の方法で所望のSiC含有率を有するプリフォームを使用する。
このプリフォームと前記のAl合金を加熱処理することにより溶融Al合金がプリフォーム内の空孔に浸透して本発明に係る金属−セラミックス複合材料が得られる。
In the present invention, a SiC powder and / or SiC fiber whose particle size has been adjusted so as to obtain a predetermined filling state is mixed with a dispersant, a binder, and the like, and the mixture is obtained by various methods such as casting and pressure molding. A preform having a SiC content is used.
By heat-treating this preform and the Al alloy, the molten Al alloy penetrates into the pores in the preform, and the metal-ceramic composite material according to the present invention is obtained.
本発明の金属−セラミックス複合材料とセラミックス板(以下に、両部材と呼ぶ場合がある。)との嵌合体は、前記セラミックス板が前記金属−セラミックス複合材料の凹部に実質的に隙間のない状態で嵌合されていることを特徴とする。
ここで、本発明のセラミックス板と前記金属−セラミックス複合材料との接合部にはロウ材を介在させないで、直接に両部材が接触して接合している。
また、実質的に隙間のない状態で嵌合されているとは、セラミックス板と前記金属−セラミックス複合材料との接合部に空孔や空隙等の隙間がない状態(即ち、両部材の隙間には前記溶融Al合金が浸透した状態。)で両部材が嵌合されていことを意味している。
In the fitting body of the metal-ceramic composite material of the present invention and the ceramic plate (hereinafter sometimes referred to as both members), the ceramic plate is substantially free from a gap in the recess of the metal-ceramic composite material. It is characterized by being fitted with.
Here, the two members are directly in contact and joined to each other between the ceramic plate of the present invention and the metal-ceramic composite material without interposing a brazing material.
In addition, being fitted with substantially no gap means that there is no gap such as a void or void in the joint between the ceramic plate and the metal-ceramic composite material (that is, the gap between the two members). Means that the molten Al alloy is infiltrated, and that both members are fitted.
次に、本発明のセラミックス板には目視可能なクラックが観察されないこととは、本発明の嵌合体は、以下に説明する製造方法によって得られるため、製造時に両部材の熱収縮の差による歪を少なくすることができるため、従来のようにセラミックス板にクラックを発生させないため、目視によるクラックが発見できないことを意味している。 Next, the fact that no visible cracks are observed in the ceramic plate of the present invention means that the fitting body of the present invention is obtained by the manufacturing method described below, so that distortion due to the difference in thermal shrinkage between the two members during manufacturing is obtained. This means that no cracks are generated in the ceramic plate as in the prior art, and no cracks can be found by visual inspection.
次に本発明では、セラミックス強化材からなるプリフォームに凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部にセラミックス板を嵌合する嵌合工程と、前記セラミックス板を嵌合させたプリフォームの凹部を覆うようにプリフォーム板からなる蓋部を載置する蓋部載置工程と、前記プリフォームとプリフーム板からなる蓋部に溶融金属を非加圧で浸透させる浸透工程と、このようにして得られた金属−セラミックス複合材料の蓋部を削り取る研削工程と、を含むことを特徴とする前記の金属−セラミックス複合材料とセラミックス板との嵌合体の製造方法を提案している。 Next, in the present invention, a recess forming step of forming a recess in a preform made of a ceramic reinforcing material, a fitting step of fitting a ceramic plate into the recess, and a recess of the preform fitted with the ceramic plate are provided. A lid placing step for placing a lid made of a preform plate so as to cover, a permeation step for infiltrating the molten metal into the lid made of the preform and the preform plate without pressure, and thus obtained. And a grinding step of scraping off the lid portion of the metal-ceramic composite material. A method for producing a fitting body of the metal-ceramic composite material and the ceramic plate is proposed.
ここで、本発明のプリフォームの製造方法については、上記したとおりであるが、凹部の形成する方法としては、予め凹部のある型を使用して鋳込み成形、加圧成形など種々の方法により凹部の形成しても良いし、既存のプリフォームに公知の方法で研削加工して凹部を形成しても良い。
この際に、プリフォームに形成する凹部の内寸は、セラミックス板の嵌合を容易ならしめるために、セラミックス板の外寸より大きくすることが好ましい。
また、プリフォームに形成する凹部の深さは、次工程のプリフォーム板からなる蓋部を載置することが可能なように、セラミックス板の厚さ以上に深くすることが好ましい。
Here, the method for producing the preform of the present invention is as described above. However, as a method for forming the concave portion, the concave portion is formed by various methods such as casting molding and pressure molding using a mold having a concave portion in advance. Alternatively, the recess may be formed by grinding an existing preform by a known method.
At this time, the inner dimension of the recess formed in the preform is preferably larger than the outer dimension of the ceramic plate in order to facilitate the fitting of the ceramic plate.
Moreover, it is preferable that the depth of the concave portion formed in the preform is deeper than the thickness of the ceramic plate so that the lid portion made of the preform plate in the next process can be placed.
本発明では、前記セラミックス板を嵌合させたプリフォームの凹部を覆うようにプリフォーム板からなる蓋部を載置する蓋部載置工程を含んでいる。
その理由は、このようにすると、浸透させた溶融金属の冷却時に両部材の熱収縮の差による歪を少なくすることが可能となるからである。
The present invention includes a lid placing step of placing a lid made of a preform plate so as to cover the concave portion of the preform fitted with the ceramic plate.
The reason for this is that, in this way, it is possible to reduce distortion due to the difference in thermal shrinkage between the two members during cooling of the permeated molten metal.
溶融金属を非加圧で浸透させる浸透工程では、好ましくは窒素分圧が1×10-3Torr(0.133Pa)以下の真空中または不活性ガス中で、溶融金属(好ましくは、Al合金)をプリフォーム中に浸透させる。次に、結果物を冷却することにより、セラミックス板を内包する金属−セラミックス複合材料が得られる。 In the permeation step of infiltrating the molten metal without pressure, the molten metal (preferably an Al alloy) is preferably used in a vacuum or an inert gas having a nitrogen partial pressure of 1 × 10 −3 Torr (0.133 Pa) or less. Infiltrate into the preform. Next, by cooling the resultant product, a metal-ceramic composite material including a ceramic plate is obtained.
次に、セラミックス板を内包する金属−セラミックス複合材料から蓋部とセラミックス板の表層の金属を削り取ることにより本発明の金属−セラミックス複合材料とセラミックス板との嵌合体が得られる。 Next, the metal-ceramic composite material of the present invention and the ceramic plate are obtained by scraping off the metal on the surface of the lid and the ceramic plate from the metal-ceramic composite material containing the ceramic plate.
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
なお、図1に、本発明の製造方法を説明するために溶融金属を浸透する前の各部材の配置を模式的に平面構成図として示した。
図2には、図1で示した平面構成図のA−A断面図である。
図3は、本発明の嵌合体を模式的に示した平面構成図である。
図4は、図3で示した平面構成図のB−B断面図である。
(ただし、各図面は模式図であり、各寸法の比率は任意である。よって図面寸法に互換性はない。)
EXAMPLES Hereinafter, although the Example of this invention is specifically mentioned with a comparative example and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to an Example.
In addition, in order to demonstrate the manufacturing method of this invention in FIG. 1, arrangement | positioning of each member before infiltrating molten metal was shown typically as a plane block diagram.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of the plan configuration diagram shown in FIG.
FIG. 3 is a plan configuration diagram schematically showing the fitting body of the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along the line B-B in the plan view of FIG. 3.
(However, each drawing is a schematic diagram, and the ratio of each dimension is arbitrary. Therefore, the drawing dimensions are not compatible.)
(実施例1)
SiC強化材充填率70%のプリフォームを以下に示すように沈降成形法で作製した。
すなわち、#180(平均粒径66μm)の市販SiC粉末70重量部と#800(平均粒径14μm )の市販SiC粉末30質量部に対して、バインダーとしてコロイダルシリカを10質量部、消泡材としてフォーマスタVL(サンノプコ社製)0.2質量部を添加し、更にイオン交換水を24質量部加え、ポットミルで12時間混合して、スラリーとした。このスラリーを、ゴム型に流し込み、それを24時間静置し、SiC粉末を沈殿させ、上済み液を布などで除去した後に、この成形体を冷凍庫で冷凍させてから脱型し、1000℃で焼成して、□700×厚さ30mmのプリフォーム体1を得た。
(Example 1)
A preform having a SiC reinforcing material filling rate of 70% was prepared by a sedimentation molding method as shown below.
That is, 10 parts by weight of colloidal silica as a binder and 70 parts by weight of a commercial SiC powder of # 180 (average particle diameter of 66 μm) and 30 parts by weight of commercially available SiC powder of # 800 (average particle diameter of 14 μm) as an antifoaming material Formass VL (manufactured by San Nopco) (0.2 parts by mass) was added, and 24 parts by mass of ion-exchanged water was further added and mixed in a pot mill for 12 hours to obtain a slurry. The slurry is poured into a rubber mold and left to stand for 24 hours to allow the SiC powder to settle, and after the upper liquid is removed with a cloth or the like, the molded body is frozen in a freezer and demolded. And a
次に、当該プリフォーム体1の中央にエンドミルで生加工により掘り込んで、□301×深さ10mmの凹部2を形成した。つぎに、セラミックスとしてはアルミナ(純度99.5%、気孔率0.1%)を用いて、□300×厚さ10mmのセラミックス体3をはめ込んだ。プリフォームとアルミナ体の隙間は約0.5mmであった。
次に、上記方法と同様にして作製した□400×厚さ10mmのプリフォーム板からなる蓋部4をセラミックス体2を嵌合させたプリフォーム体1の凹部2を覆うように載置して、珪酸ソーダガラスを用いて接着した。
Next, the
Next, a
次に、セラミックス体3を内包するプリフォームをAl合金とともに炉内に設置し、電気炉にて、N2気流中、浸透温度800℃で50時間加熱処理した。加熱中、プリフォームには溶融合金が非加圧浸透した。冷却後、電気炉から取り出したところ、浸透は完了してセラミックス体3を内包する金属−セラミックス複合材料が得られた。
次に、金属−セラミックス複合材料の蓋部(図示せず。)とセラミックス板の表層の金属を削り取れば、図3と図4に模式的に示した本発明の金属−セラミックス複合材料とセラミックス板との嵌合体が得られる。
得られた嵌合体を目視観察したところ、表面に露出したセラミックス体3には位置ずれやクラックの発生は認められなかった。
また、セラミックス板3は前記金属−セラミックス複合材料5の凹部に実質的に隙間のない状態で嵌合されていた。
Next, a preform containing the
Next, if the metal of the metal-ceramic composite material lid (not shown) and the metal on the surface of the ceramic plate are scraped off, the metal-ceramic composite material and ceramic of the present invention schematically shown in FIGS. A fitting body with the plate is obtained.
When the obtained fitting body was visually observed, no displacement or cracking was observed in the
Further, the
(比較例1)
□400×厚さ10mmのプリフォーム板からなる蓋部を乗せず、すなわちアルミナ体をプリフォームで覆わなかったこと以外は実施例1と同様の方法でプリフォームに溶融合金を非加圧浸透した。冷却後、電気炉から取り出したところ、浸透は完了していた。表面層をクラックチェックしたところ、アルミナのセラミックス体にクラックが認められた。これは、蓋部を載置しなかったため実施例1と比べてセラミックス体の冷却速度が周りの複合材料より早くなり熱膨張差によりクラックが発生したと推察された。
したがって、本発明の比較例との優位性を確認することができた。
(Comparative Example 1)
□ The molten alloy was non-pressurized and infiltrated into the preform in the same manner as in Example 1 except that the lid portion composed of a 400 × 10 mm thick preform plate was not placed, that is, the alumina body was not covered with the preform. . After cooling, when taken out from the electric furnace, the infiltration was complete. When the surface layer was checked for cracks, cracks were found in the alumina ceramic body. This was presumed that since the lid was not placed, the ceramic body was cooled faster than the surrounding composite material compared to Example 1, and cracks were generated due to the difference in thermal expansion.
Therefore, the superiority with the comparative example of this invention was able to be confirmed.
(参考例)
使用したセラミックス体としてアルミナを純度88%、気孔率15%に変えた以外は、実施例1と同様の方法でプリフォームに溶融合金を非加圧浸透した。冷却後、電気炉から取り出したところ、浸透は完了していた。浸透素材を研削して□400×厚さ10mmの蓋部のAl合金基複合材料を削り取ったところ、露出したセラミックス体は気孔内に溶融合金が浸透しており、導体化していた。
この結果から、嵌合させるセラミックス板は、高純度で緻密なものが好ましいことが分かった。
(Reference example)
The molten alloy was impregnated into the preform in a non-pressure manner in the same manner as in Example 1 except that alumina was changed to a purity of 88% and a porosity of 15% as the ceramic body used. After cooling, when taken out from the electric furnace, the infiltration was complete. When the penetrating material was ground and the Al alloy-based composite material of □ 400 × 10 mm thick was scraped off, the exposed ceramic body was infiltrated with the molten alloy and became a conductor.
From this result, it was found that the ceramic plate to be fitted is preferably a high purity and dense one.
1;プリフォーム体
2;凹部
3;セラミックス体
4;プリフォーム板からなる蓋部
5;金属−セラミックス複合材料
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