JP2000343202A - 部分複合化金属基複合材料の製造方法及び装置 - Google Patents
部分複合化金属基複合材料の製造方法及び装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 短時間で、確実に、しかも、任意の度合いで
金属基複合材料の所定の部分を複合化することのできる
方法を提供する。 【解決手段】 第2相粒子を含む溶融金属マトリックス
10を入れたモールド11の周囲から流量を調節した冷
却ガスを吹き付けてモールド11内の溶融金属マトリッ
クス10の凝固態様を制御しつつ、モールド11の周囲
に設けた高周波コイル14に流す高周波電流を調節して
モールド11内の金属マトリックス10の溶融部分のロ
ーレンツ力を制御する。これにより、金属マトリックス
10内の第2相粒子の分布を制御する。
金属基複合材料の所定の部分を複合化することのできる
方法を提供する。 【解決手段】 第2相粒子を含む溶融金属マトリックス
10を入れたモールド11の周囲から流量を調節した冷
却ガスを吹き付けてモールド11内の溶融金属マトリッ
クス10の凝固態様を制御しつつ、モールド11の周囲
に設けた高周波コイル14に流す高周波電流を調節して
モールド11内の金属マトリックス10の溶融部分のロ
ーレンツ力を制御する。これにより、金属マトリックス
10内の第2相粒子の分布を制御する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属基複合材料の
製造方法に関し、詳しくは、特定の部分を特に強化する
ための部分複合化方法に関する。
製造方法に関し、詳しくは、特定の部分を特に強化する
ための部分複合化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】複合材料は、マトリックス中に、それに
溶解しない第2相粒子を分散させた材料であり、これに
より、耐摩耗性、潤滑性、電気特性等、単一相材料では
得られない種々の機能特性を得ることができる。
溶解しない第2相粒子を分散させた材料であり、これに
より、耐摩耗性、潤滑性、電気特性等、単一相材料では
得られない種々の機能特性を得ることができる。
【0003】しかし、複合材料による部材が使用される
場面では、必ずしも第2相粒子が部材の全体に均等に分
布している必要はなく、部分的に分布(複合化)されて
いれば十分である場合がある。例えば、摩耗に対する耐
性が必要とされる部材では、摩擦を受ける表面さえ複合
化(強化)されていれば十分であり、内部はむしろ強化
せずに靭性を保持することが望ましいことが多い。
場面では、必ずしも第2相粒子が部材の全体に均等に分
布している必要はなく、部分的に分布(複合化)されて
いれば十分である場合がある。例えば、摩耗に対する耐
性が必要とされる部材では、摩擦を受ける表面さえ複合
化(強化)されていれば十分であり、内部はむしろ強化
せずに靭性を保持することが望ましいことが多い。
【0004】このような金属基複合材料の部分複合化方
法として、従来2種の方法が知られている。一つは、第
2相粒子を部材の形状に成形しておいた強化材成形体
(プリフォーム)に高圧を負荷してマトリックス金属の
溶湯を加圧溶浸する方法である。
法として、従来2種の方法が知られている。一つは、第
2相粒子を部材の形状に成形しておいた強化材成形体
(プリフォーム)に高圧を負荷してマトリックス金属の
溶湯を加圧溶浸する方法である。
【0005】2つ目は、遠心力により第2相粒子を円柱
の外周部分に集める方法である(例えば、"A STUDY OF
CAST ALLOYS WITH PARTIALLY DISPERSED GRAPHITE" (We
ar,vol.81(1982), pp.209-220)。
の外周部分に集める方法である(例えば、"A STUDY OF
CAST ALLOYS WITH PARTIALLY DISPERSED GRAPHITE" (We
ar,vol.81(1982), pp.209-220)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】プリフォーム法では、
予めプリフォームを作成する必要があるため、時間がか
かるという問題がある。また、加圧溶浸する際にプリフ
ォームに亀裂が入ったり破損しやすく、不良品が生じや
すいという問題もある。
予めプリフォームを作成する必要があるため、時間がか
かるという問題がある。また、加圧溶浸する際にプリフ
ォームに亀裂が入ったり破損しやすく、不良品が生じや
すいという問題もある。
【0007】遠心法では、ブローホールやピンホール等
の欠陥が生じやすいという問題がある。また、強化され
る表面付近での分散範囲が狭く、高い分散度が得られな
いという問題もある。
の欠陥が生じやすいという問題がある。また、強化され
る表面付近での分散範囲が狭く、高い分散度が得られな
いという問題もある。
【0008】本発明は、短時間で、確実に、しかも、任
意の度合いで部分複合化することのできる方法を提供す
るものである。
意の度合いで部分複合化することのできる方法を提供す
るものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係る部分複合化
金属基複合材料の製造方法は、第2相粒子を含む溶融金
属マトリックスを入れたモールドの周囲から流量を調節
した冷却ガスを吹き付けてモールド内の溶融金属マトリ
ックスの凝固態様を制御しつつ、モールドの周囲に設け
た高周波コイルに流す高周波電流を調節してモールド内
の金属マトリックスの溶融部分のローレンツ力を制御す
ることにより金属マトリックス内の第2相粒子の分布を
制御することを特徴とする。
金属基複合材料の製造方法は、第2相粒子を含む溶融金
属マトリックスを入れたモールドの周囲から流量を調節
した冷却ガスを吹き付けてモールド内の溶融金属マトリ
ックスの凝固態様を制御しつつ、モールドの周囲に設け
た高周波コイルに流す高周波電流を調節してモールド内
の金属マトリックスの溶融部分のローレンツ力を制御す
ることにより金属マトリックス内の第2相粒子の分布を
制御することを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明に係る部分複合化金属基複
合材料の製造方法は、例えば図1に示すような装置で実
施することができる。この装置は、原材料を入れるモー
ルド11、その周囲に近接して設けられた高周波加熱用
の金属管12、金属管12の外側に設けられた冷却ガス
吹付管13、そして、最外周に設けられた高周波コイル
14等から成る。モールド11は、製造しようとする材
料10に応じて、それにより浸食されにくいもの、或い
は、溶出しても複合材料10の特性に影響を与えること
の少ないものを選ぶ。例えば、アルミニウム基、アルミ
ニウム合金基の複合材料の場合は、アルミナ製のものが
適している。金属管12は、高周波電流によりジュール
熱を発生しやすい材料を用いる。冷却ガス吹付管13
は、モールド11に向けて冷却ガスを吹き付けるための
吹き出し口15が多数設けられた管である。
合材料の製造方法は、例えば図1に示すような装置で実
施することができる。この装置は、原材料を入れるモー
ルド11、その周囲に近接して設けられた高周波加熱用
の金属管12、金属管12の外側に設けられた冷却ガス
吹付管13、そして、最外周に設けられた高周波コイル
14等から成る。モールド11は、製造しようとする材
料10に応じて、それにより浸食されにくいもの、或い
は、溶出しても複合材料10の特性に影響を与えること
の少ないものを選ぶ。例えば、アルミニウム基、アルミ
ニウム合金基の複合材料の場合は、アルミナ製のものが
適している。金属管12は、高周波電流によりジュール
熱を発生しやすい材料を用いる。冷却ガス吹付管13
は、モールド11に向けて冷却ガスを吹き付けるための
吹き出し口15が多数設けられた管である。
【0011】この装置による部分複合化金属基複合材料
の製造方法は次の通りである。モールド11に、マトリ
ックスとなる金属材料中に第2相粒子を含む複合材料イ
ンゴットを投入する。高周波コイル14に高周波電流を
投入し、金属管12内に周方向の電流を発生させて金属
管12を加熱する。なお、高周波コイル14に投入する
高周波の周波数等の条件は、金属管12の大きさ(これ
は、モールド11の大きさに依存する)や材質により適
切なものを選ぶ。例えば、後述する実施例のように直径
10〜20mm程度のモールド11を使用する場合、周
波数は3.0kHz程度とする。
の製造方法は次の通りである。モールド11に、マトリ
ックスとなる金属材料中に第2相粒子を含む複合材料イ
ンゴットを投入する。高周波コイル14に高周波電流を
投入し、金属管12内に周方向の電流を発生させて金属
管12を加熱する。なお、高周波コイル14に投入する
高周波の周波数等の条件は、金属管12の大きさ(これ
は、モールド11の大きさに依存する)や材質により適
切なものを選ぶ。例えば、後述する実施例のように直径
10〜20mm程度のモールド11を使用する場合、周
波数は3.0kHz程度とする。
【0012】モールド11内の温度を熱電対や放射温度
計等(図示せず)で測定し、その時間的変化を観察する
ことにより、金属基複合材料10の溶融を検出する。全
体が溶融した後、図2に示すように金属管12を引き上
げることにより加熱を停止し、ガス吹付管13から冷却
ガスをモールド11に向けて所定の流量で噴出すること
により制御冷却を行う。この間、高周波コイル14への
高周波の通電は停止することなく継続する。これによ
り、高周波電流がモールド11内の金属基複合材料10
の中に生起され、溶融状態の金属基複合材料10中にロ
ーレンツ力が誘起される。高周波電流の大きさ及び周波
数を調節することにより溶融複合材料10中に誘起され
るローレンツ力の大きさを変化させることができる。ま
た、冷却ガスの吹き出し流量を調節することにより、モ
ールド11内の金属基複合材料10の凝固態様を制御す
ることができる。従って、凝固態様の制御と溶融部のロ
ーレンツ力の制御とを適切に組み合わせることにより、
第2相粒子の分布を任意に制御することが可能となる。
計等(図示せず)で測定し、その時間的変化を観察する
ことにより、金属基複合材料10の溶融を検出する。全
体が溶融した後、図2に示すように金属管12を引き上
げることにより加熱を停止し、ガス吹付管13から冷却
ガスをモールド11に向けて所定の流量で噴出すること
により制御冷却を行う。この間、高周波コイル14への
高周波の通電は停止することなく継続する。これによ
り、高周波電流がモールド11内の金属基複合材料10
の中に生起され、溶融状態の金属基複合材料10中にロ
ーレンツ力が誘起される。高周波電流の大きさ及び周波
数を調節することにより溶融複合材料10中に誘起され
るローレンツ力の大きさを変化させることができる。ま
た、冷却ガスの吹き出し流量を調節することにより、モ
ールド11内の金属基複合材料10の凝固態様を制御す
ることができる。従って、凝固態様の制御と溶融部のロ
ーレンツ力の制御とを適切に組み合わせることにより、
第2相粒子の分布を任意に制御することが可能となる。
【0013】なお、ここで言う「高周波電流の大きさ及
び周波数の調節」には、所定の電流・周波数等で吹き付
けを開始し、完全に凝固するまでの間それらの値を変え
ない場合と、完全に溶融している状態から完全に凝固し
た状態までの間に、それらの値を適宜変化させる場合の
双方を含む。「冷却ガスの吹き出し流量の調節」につい
ても同様である。
び周波数の調節」には、所定の電流・周波数等で吹き付
けを開始し、完全に凝固するまでの間それらの値を変え
ない場合と、完全に溶融している状態から完全に凝固し
た状態までの間に、それらの値を適宜変化させる場合の
双方を含む。「冷却ガスの吹き出し流量の調節」につい
ても同様である。
【0014】上記の例では、高周波加熱用の金属管12
を設け、これを高周波コイル14で加熱して、間接的に
金属マトリックス10を加熱したが、マトリックス10
の金属の種類によっては金属管12を使用することな
く、高周波コイル14で直接モールド11内の金属マト
リックス10を加熱・溶融するようにしてもよい。
を設け、これを高周波コイル14で加熱して、間接的に
金属マトリックス10を加熱したが、マトリックス10
の金属の種類によっては金属管12を使用することな
く、高周波コイル14で直接モールド11内の金属マト
リックス10を加熱・溶融するようにしてもよい。
【0015】さらには、上記のようにモールド11内で
金属マトリックス10を溶融させるのではなく、予め別
のルツボで溶融複合材料(スラリー)を作成しておき、
それをモールド11の中に入れて上記のような制御冷却
中のローレンツ力制御を行うようにしてもよい。
金属マトリックス10を溶融させるのではなく、予め別
のルツボで溶融複合材料(スラリー)を作成しておき、
それをモールド11の中に入れて上記のような制御冷却
中のローレンツ力制御を行うようにしてもよい。
【0016】
【実施例】上記装置を用いて、本発明に係る方法に従っ
て3種の試料(実施例1,実施例2,実施例3)を、そ
して、同じ装置を用いて高周波を印加せずに冷却して1
種の試料(比較例)を作成した。ここで用いたマトリッ
クス金属はAl−Si合金であり、第2相粒子はMgA
l2O4粒子である。これらの試料の製造プロセス、大き
さ及び高周波印加時間を図3に示す。また、中央で縦に
切断した断面写真を図5に示す。
て3種の試料(実施例1,実施例2,実施例3)を、そ
して、同じ装置を用いて高周波を印加せずに冷却して1
種の試料(比較例)を作成した。ここで用いたマトリッ
クス金属はAl−Si合金であり、第2相粒子はMgA
l2O4粒子である。これらの試料の製造プロセス、大き
さ及び高周波印加時間を図3に示す。また、中央で縦に
切断した断面写真を図5に示す。
【0017】図5に示される通り、高周波を印加せずに
冷却した比較例では第2相粒子は全て下に沈殿してしま
っている。それに対し、実施例1〜実施例3では、凝固
する際に高周波が印加されることにより、第2相粒子が
外周側に移動し、外周面で部分複合化が成されている。
また、試料の直径が変化する場合、実施例2における第
2相粒子の外周側への移動が最も顕著となり、部分複合
化には周波数と試料の直径の間に最適値が存在する。
冷却した比較例では第2相粒子は全て下に沈殿してしま
っている。それに対し、実施例1〜実施例3では、凝固
する際に高周波が印加されることにより、第2相粒子が
外周側に移動し、外周面で部分複合化が成されている。
また、試料の直径が変化する場合、実施例2における第
2相粒子の外周側への移動が最も顕著となり、部分複合
化には周波数と試料の直径の間に最適値が存在する。
【0018】実施例1〜実施例3の最表面における第2
相粒子の体積率を図4に示す。最表面の体積率はいずれ
も40%程度であるが、最適試料直径の実施例2で最大
となる。
相粒子の体積率を図4に示す。最表面の体積率はいずれ
も40%程度であるが、最適試料直径の実施例2で最大
となる。
【0019】なお、マトリックス金属としてアルミニウ
ム又はアルミニウム合金(例えば、Al−Si合金、A
l−Mg合金等)を用いた場合、第2相粒子として次の
ようなものを使用することができる。 SiO2→MgAl2O4(Al2O3)の発熱を伴う生
成複合化 例えば、[Al−Si合金/MgAl2O4粒子+Al2
O3粒子] Ti、B→TiB2の発熱を伴う生成複合化 例えば、[Al−Mg合金/TiB2粒子] TiO2→Al3Ti、Al2O3の発熱を伴う生成複合
化 例えば、[Al/Al3Ti粒子+Al2O3粒子] Ti、C→TiCの発熱を伴う生成複合化 例えば、[Al/TiC粒子]
ム又はアルミニウム合金(例えば、Al−Si合金、A
l−Mg合金等)を用いた場合、第2相粒子として次の
ようなものを使用することができる。 SiO2→MgAl2O4(Al2O3)の発熱を伴う生
成複合化 例えば、[Al−Si合金/MgAl2O4粒子+Al2
O3粒子] Ti、B→TiB2の発熱を伴う生成複合化 例えば、[Al−Mg合金/TiB2粒子] TiO2→Al3Ti、Al2O3の発熱を伴う生成複合
化 例えば、[Al/Al3Ti粒子+Al2O3粒子] Ti、C→TiCの発熱を伴う生成複合化 例えば、[Al/TiC粒子]
【0020】
【発明の効果】本発明に係る方法により、金属基複合材
料の第2相粒子を任意に部分に分布させることができ
る。従って、その複合材料の用途に従い、例えば、必要
な部分のみ第2相粒子を高密度に分布させて耐摩耗性を
強化する一方、その他の部分では第2層粒子の密度を低
くして靭性を確保するという最適設計が可能となる。こ
れにより、一般的に高コストである第2相粒子(強化粒
子)の使用量も低減することができる。
料の第2相粒子を任意に部分に分布させることができ
る。従って、その複合材料の用途に従い、例えば、必要
な部分のみ第2相粒子を高密度に分布させて耐摩耗性を
強化する一方、その他の部分では第2層粒子の密度を低
くして靭性を確保するという最適設計が可能となる。こ
れにより、一般的に高コストである第2相粒子(強化粒
子)の使用量も低減することができる。
【0021】図1、図2に示される通り、本発明に係る
方法を実施するための装置は比較的単純な構造であるた
め、設備及び製品を低コストで製造することができる。
また、従来の方法に比べて工程が単純であるため、より
短い時間で部分複合化を達成することができる。
方法を実施するための装置は比較的単純な構造であるた
め、設備及び製品を低コストで製造することができる。
また、従来の方法に比べて工程が単純であるため、より
短い時間で部分複合化を達成することができる。
【図1】 本発明に係る方法を実施するための装置の概
略構成図。
略構成図。
【図2】 上記装置の冷却時の様子を示す概略構成図。
【図3】 実施例の試料の製造プロセス等を示す説明
図。
図。
【図4】 試料最表面における第2相粒子の体積率のグ
ラフ。
ラフ。
【図5】 実施例1、実施例2,実施例3及び比較例の
試料の内部における第2相粒子の分布の状態を示す縦断
面写真。
試料の内部における第2相粒子の分布の状態を示す縦断
面写真。
10…金属マトリックス(複合材料) 11…モールド 12…高周波加熱用金属管 13…冷却ガス吹付管 14…高周波コイル 15…冷却ガス吹き出し口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22C 1/10 C22C 1/10 G
Claims (6)
- 【請求項1】 第2相粒子を含む溶融金属マトリックス
を入れたモールドの周囲から流量を調節した冷却ガスを
吹き付けてモールド内の溶融金属マトリックスの凝固態
様を制御しつつ、モールドの周囲に設けた高周波コイル
に流す高周波電流を調節してモールド内の金属マトリッ
クスの溶融部分のローレンツ力を制御することにより金
属マトリックス内の第2相粒子の分布を制御することを
特徴とする部分複合化金属基複合材料の製造方法。 - 【請求項2】 上記高周波コイルにより、モールド内に
第2相粒子と共に投入した固体金属マトリックスを予め
溶融することを特徴とする請求項1記載の部分複合化金
属基複合材料の製造方法。 - 【請求項3】 モールドの周囲に金属管を設け、高周波
コイルで金属管を加熱し、その熱でモールド内に投入し
た固体金属マトリックスを溶融することを特徴とする請
求項2記載の部分複合化金属基複合材料の製造方法。 - 【請求項4】 金属マトリックスがアルミニウム又はア
ルミニウム合金である請求項1〜3のいずれかに記載の
部分複合化金属基複合材料の製造方法。 - 【請求項5】 [金属マトリックス/第2相粒子]の組
み合わせが、[Al−Si合金/MgAl2O4粒子+A
l2O3粒子]、[Al−Mg合金/TiB2粒子]、
[Al/Al3Ti粒子+Al2O3粒子]、[Al/T
iC粒子]のいずれかである請求項1〜4のいずれかに
記載の部分複合化金属基複合材料の製造方法。 - 【請求項6】 モールドと、その周囲に配置された複数
の冷却ガス吹き出し口と、同じくモールドの周囲に配置
された高周波コイルと、冷却ガス吹き出し口からの冷却
ガスの流量を調節してモールド内の溶融金属マトリック
スの凝固態様を制御しつつ高周波コイルに流す高周波電
流を調節してモールド内の金属マトリックスの溶融部分
のローレンツ力を制御することにより金属マトリックス
内の第2相粒子の分布を制御する制御装置とを備えるこ
とを特徴とする部分複合化金属基複合材料の製造装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11150465A JP2000343202A (ja) | 1999-05-28 | 1999-05-28 | 部分複合化金属基複合材料の製造方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11150465A JP2000343202A (ja) | 1999-05-28 | 1999-05-28 | 部分複合化金属基複合材料の製造方法及び装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000343202A true JP2000343202A (ja) | 2000-12-12 |
Family
ID=15497522
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11150465A Pending JP2000343202A (ja) | 1999-05-28 | 1999-05-28 | 部分複合化金属基複合材料の製造方法及び装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000343202A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007144437A (ja) * | 2005-11-25 | 2007-06-14 | J-Tec Inc | 部分強化型金属基複合材料の製造方法 |
CN105728654A (zh) * | 2014-12-10 | 2016-07-06 | 陕西宏远航空锻造有限责任公司 | 一种解决铝合金铸件表面显微疏松的工艺方法 |
US9890442B1 (en) | 2017-03-17 | 2018-02-13 | King Saud University | Method of preparing a metal matrix nanocomposite |
CN109482844A (zh) * | 2019-01-02 | 2019-03-19 | 江苏大学 | 复杂精密铸件细晶铸造装置及方法 |
-
1999
- 1999-05-28 JP JP11150465A patent/JP2000343202A/ja active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007144437A (ja) * | 2005-11-25 | 2007-06-14 | J-Tec Inc | 部分強化型金属基複合材料の製造方法 |
JP4661548B2 (ja) * | 2005-11-25 | 2011-03-30 | 株式会社ジェイテック | 部分強化型金属基複合材料の製造方法 |
CN105728654A (zh) * | 2014-12-10 | 2016-07-06 | 陕西宏远航空锻造有限责任公司 | 一种解决铝合金铸件表面显微疏松的工艺方法 |
US9890442B1 (en) | 2017-03-17 | 2018-02-13 | King Saud University | Method of preparing a metal matrix nanocomposite |
CN109482844A (zh) * | 2019-01-02 | 2019-03-19 | 江苏大学 | 复杂精密铸件细晶铸造装置及方法 |
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