JP2000509098A - アモルファス金属／補強材複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 補強材を含む金属マトリックス複合材料（20）を得るために、補強材片（22）をバルク凝固中のアモルファス金属のメルト中に分散させ、その結果得られた混合物を、固体金属マトリックス（24）がアモルファスになるようにするのに充分な高速で凝固させる。分散操作を行うには代表的には、金属を溶融させて補強材片（22）をメルト中に混合させるか、或いは、補強材片（22）の塊を準備し、該塊中に溶融アモルファス金属を浸透させる。アモルファス金属は好適には、共晶組成物の組成とほぼ同じ組成を有し、最適には原子百分率で表してジルコニウムとチタンが全部で約４５〜約６７％、ベリリウムが約１０〜約３５％、銅とニッケルが全部で約１０〜約３８％の組成を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 アモルファス金属／補強材複合材料 発明の背景 本発明は、補強材、望ましくは、耐火セラミックス又はダイヤモンドをアモル ファス金属マトリックス中に結合して成る複合材料に関する。 硬質材料、例えばダイヤモンドや或る特定の炭化物、ホウ化物及び窒化物が、 他のこれらよりも軟らかい材料、例えば各種金属を切削するのに広く用いられて いる。大きな単一のこれら硬質材料片は、多くの切削工具用途では、脆すぎるし 、しかも高価すぎる。 切削工具中に上記硬質材料から成る小さな片を用いるボンデッド工具技術が、 多年にわたり開発されている。この技術では、液相焼結法により小さな硬質材料 片を高い温度で金属、例えばニッケル又はコバルト合金のマトリックス中に結合 する。その結果得られた複合材料は冷却の際、金属マトリックス中に分散した硬 質材料の粒子を有する。金属マトリックスは、粒子を相互に結合し、そして物品 に破壊靱性を付与すると共に熱伝導率をもたらす。この種の材料の一例として、 炭化タングステン／コバルト合金切削工具が広範に使用されている。 高い温度で研磨材料と溶融金属の接触時間が長いと、そのために、特にマトリ ックス材料に対する反応性合金添加物の存在下で、粒子と溶融金属との化学的相 互作用が生じる場合がある。この化学反応の結果、粒子とマトリックスとの界面 に、又はマトリックス内に脆弱な中間反応生成物が生ずる場合がある。冷却後、 反応生成物は、複合材料の特性に悪影響を及ぼす場合がある。この問題の解決手 段の一つは、粒子を反応抑制被膜で被覆することであり、かかる被膜は代表的に は付着費用が高くつき、しかも有効性が限られている。したがって、マトリック ス材料に関する選択の範囲は、反応性成分の存在を回避するために著しく制約を 受けることがある。その結果、マトリックスは比較的軟質で且つ弱く、腐食損傷 を受けやすい。 したがって、マトリックス中に分散した補強材粒子、特にダイヤモンド又は耐 火セラミック粒子の改良型ボンデッド複合材料に対する要望がある。かかる改良 型材料は、切削工具にすぐに使用でき、しかも他の分野、例えば高い比強度をも つ表面仕上げ材及び構成部材にも使用できる。本発明は、この要望を満たし、そ れ関連した利点をもたらす。 発明の概要 本発明は、アモルファス金属マトリックスにより互いに結合された補強材を有 する金属−マトリックス複合材料及びかかる複合材料を調製する方法を提供する 。多種多様の補強材を使用できる。好ましい方法では、バルク凝固アモルファス 材料を用い、薄いリボンではなく、大きな工具サイズの複合材料片の調製を可能 にする。 本発明によれば、補強材を含む金属マトリックス複合材料を形成する方法は、 毎秒約５００℃以下の臨界冷却速度でメルトから冷却されるとき、アモルファス 状態を保持できる金属を準備する段階と、金属とは別個に、少なくとも一つの補 強材片を準備する段階とを含む。本発明の方法は更に、金属を溶融して前記少な くとも一つの補強材片をメルト全体中に分散させて混合物を生じさせる段階と、 混合物を前記臨界冷却温度以上の冷却速度で凝固させる段階とを含む。 より好ましくは、本発明の方法では、複数の補強材片を使用する。補強材粒子 （単に「粒子」ともいう）は、全体として繊維のように等軸状又は細長い形状で あるのが良い。分散段階は望ましくは、一塊の溶融金属をるつぼ内で調製して補 強材理希有市をこの溶融金属内へ混ぜるか、或いは、一塊の補強材片を調製し、 金属を溶融し、溶融金属を補強材片中へ浸透させるかのいずれかにより実施され る。 補強材は最適には、アモルファス金属マトリックスの融点よりも少なくとも約 ６００℃高い融点を有し、しかも優れた安定性、強度及び硬さを有するダイヤモ ンド又は耐火セラミックである。金属−マトリックス材料は、メルトを毎秒約５ ００℃以下の速度で冷却する際、アモルファス状態を保持できるバルク凝固アモ ルファス材料である。金属−マトリックス材料は、耐火材料の融点よりも少なく とも約６００℃、好ましくはそれ以上低い融点を有することが必要である。 バルク凝固アモルファス合金の高い表面エネルギ及び低融点に起因して、種々 の補強材は、溶融アモルファス合金で容易にぬれる。かくして複合材料は、補強 材をそれほど劣化させること無く、また驚くべきことに、マトリックス合金の実 質的な結晶を生じさせること無く、比較的低い温度で形成される。 本発明の複合材料では、アモルファス金属マトリックスは、補強材を相互に結 合する。粒子は、マトリックスの低い融点及びその組成により製造中に劣化せず 、したがって、切削工具においけ充分な使用可能性を有する。さらに、アモルフ ァスマトリックスはそれ自体、硬く且つ強固であり、したがって、使用中に劣化 したり直ぐに摩耗することは無く、しかも適度の延性及び耐破壊性を有する。し たがって、複合材料は、硬くて且つ耐破壊性がある切削工具として使用できる。 アモルファス材料は又、耐腐食性が高い。その理由は、これは腐食の開始が優先 的に生ずる優先場所となる内部粒界をもっていないからである。耐腐食性のある ことが望ましい。というのは、本発明の複合材料は使用中、腐食環境中におかれ ると予想されるからである。たとえば、切削工具は、腐食を引き起こすことがあ る冷却剤及び潤滑剤と共に使用されることが多い。 本発明の他の特徴及び利点は、例示として本発明の原理を示している添付の図 面と関連してなされる本発明の好ましい実施例の以下の詳細な説明から明らかに なろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の材料の顕微鏡組織の略図である。 図２は、本発明の材料を用いて製造された第１のタイプの切削工具の立面図で ある。 図３は、本発明の材料を用いて製造された第２のタイプの切削工具の立面図で ある。 図４は、図１の材料を調製する好ましい方法の流れ図である。 図５は、金属、セラミックス及び好ましいバルク凝固マトリックス合金につい て、熱膨張率を温度の関数として表したグラフ図である。発明の詳細な説明 図１は、本発明の方法によって製造された複合材料２０の理想顕微鏡組織を示 している。複合材料２０は、２つの相、即ち補強材相２２及び補強材相２２を保 護してこれを接合する金属マトリックス相２４の混合物である。 金属マトリックス相内に実質的に均一の補強材粒子相アレイが得られるような 本発明の実施例では、補強材相２２は望ましくは、補強材相と金属マトリックス 相のすべてのうち約５０〜９０体積％を占めている。ただし、この範囲から外れ る割合の相も使用できる。もし補強材相が小さな体積％で存在している場合、こ れは補強材相の量の減少につれて、好ましい溶融加工法を用いて金属マトリック ス相内に補強材相の均一の分散を調製するのが次第に困難になる。複合材はまた 、切削工具用途に関しては不十分な硬さを有するであろう。もし補強材相が多い 体積％の状態で存在している場合、補強材粒子を包囲し、そのぬれを生じさせる マトリックス相との均一の混合物を形成することは困難である。そのうえ、複合 材料は、許容限度を越えるほど低い耐破壊性を有している。この実施例の最も好 ましい形態では、補強材相は全材料の約７０〜約８５体積％を占める。この実施 例は望ましくは切削工具等に用いられる。 もう一つの実施例では、少量の補強材が、材料の表面に集中している複合材料 中に存在する。複合材料中に存在する補強材の体積％が小さい場合、補強材粒子 は、マトリックス相が冷えて粘性を次第に増すにつれ、複合材の表面に分離する ことが観察された。本発明のこの形態は、複合材料中の補強材の体積％が一段と 小さい場合に利用でき、特に最終材料が表面仕上げ又は研磨材のような用途に用 いられる場合特に有用である。 図２及び図３は、図１に示すような本発明の材料で作られた切削工具又はバイ トを示している。これらの切削工具は図示の形状のものとして提供されるが、他 の幾何学的形状、例えばドリル、フライス、切れ刃、カッティングホイールを調 製できる。図２の切断工具２６は全体が複合材料２０で作られている。変形例と して、図３の切削工具２８は、複合材料２０で作られたカッティングインサート ３０のみを有している。カッティングインサート３０は、鋼又は他の安価な材料 で作られた工具支持体３２に接合又は取り付けられる。 図４は、複合材料２０の片及び／又は複合材料２０で作られた物品を製造する ための方法を示している。まず最初に、補強材粒子を準備する（符号４０）。補 強材粒子は好ましくは粒形が切削加工、穴開け加工、検索加工及びそれと同等の 用途に用いられるよう約２０〜約１６０メッシュである。補強材粒子は好ましく は、研磨用途で用いられるこの範囲よりも小さい。切削用途及び研磨用途につい ては、補強材粒子は代表的には形状が完全には揃っておらず、図１に示すように 全体として等軸状になっていて不揃いな形状をしている。上述の寸法は粒子の適 当な最大寸法である。最適には、補強材粒子は切削用途に関しては粒形が約２０ 〜約８０メッシュである。補強材相はまた、繊維のように一方向に長く、小板の ように２次元において細長いものであるのが良い。 ダイヤモンド粒子を用いる場合、衝撃力を伴なう切削用途に関しては、塊状ダ イヤモンドが最も好ましい。しかしながら、ダイヤモンド粒子の他の形状も使用 できる。任意の形式のダイヤモンドが本発明に使用可能である。ダイヤモンドは 品質が、宝石級の品質から工業用途の品質そして例えば切削工具のような多くの 工業用途に不適切であるかもしれない非常に低級な品質のものまで様々である。 ダイヤモンドは天然であっても人工であってもよい。本発明に関して品質の適切 な指標は化学組成、介在物含有量、結晶の完全性であり、物理的外観（ただし、 物理的外観はこれらの要因と関連している場合がある）ではない。すべてのダイ ヤモンドは主として、ダイヤモンド立方晶構造に配置された炭素で作られている 。しかしながら、人工及び天然のダイヤモンドには代表的には、様々な種類及び 量の不純物が存在している。天然のダイヤモンドと人工のダイヤモンドは共に、 結晶粒界及び他の欠陥、主として不純物混入を含む形態を示す場合が多い。 これらの要因は、従来型ボンデッド切削工具材料におけるダイヤモンドの使用 性能に悪影響を及ぼす。多量の不純物及び実質的に相当な密度の欠陥を有する低 級ダイヤモンドは、接合作業中に必要な高い温度にさらされる際、化学的及び／ 又は物理的に劣化するので、従来型ボンデッド切削工具における使用に関しては 適切ではない。本明細書で用いる「低級ダイヤモンド」は、８００℃以上の温度 状態で１０分間以上暴露されたときに靭性及び耐摩耗性の減少の形態の損傷を生 じるダイヤモンドとして定義される。 本発明の方法では、低級ダイヤモンドの使用が好ましい。低級ダイヤモンドは グレードのより高いダイヤモンドと比べて僅かに劣る特性を有するが、これらは 、宝石用途や工業用途ほどの要望性は小さいので著しく安価である。本発明の主 要な利点は、切削工具用途に適したボンデッド材料中にこのような低級ダイヤモ ンドを用いることができるということにある。 補強材はまた、耐火セラミック、好ましくはダイヤモンド粒子と関連して説明 したのと同じ粒形及び形状であるのがよい。適当な補強材の例として、安定な酸 化物、例えばアルミナ、ジルコニア、ベリリア及びシリカ、安定な炭化物、例え ばタンタルの炭化物、チタンの炭化物、ジルコニウムの炭化物、タングステンの 炭化物、クロムの炭化物及びシリコンの炭化物、安定な窒化物、例えば立方窒化 ホウ素及びシリコンの窒化物、アルミニウムの窒化物、ジルコニウムの窒化物及 びチタンの窒化物が挙げられる。これらは、限定例ではなく、例示に過ぎない。 耐火セラミックからなる補強材は、マトリックス合金の融点よりも少なくとも 約６００℃高い融点（この用語は、場合によっては「軟化点」を含む）を有する べきである。もしマトリックス合金の融点よりも高い補強材の融点の温度（温度 の差）が約６００℃未満であれば、補強材とマトリックス合金との間には化学反 応の生ずる恐れが高くなり、またマトリックス合金は複合材料の冷却の際に結晶 化を生ずることになる。 マトリックス合金を準備する（符号４２）。マトリックス材料は、メルトから の冷却の際、比較的低い冷却速度、即ち、毎秒５００℃程度以下の冷却速度にお いて、固体状態中にアモルファス形態を保持できる金属合金（本明細書では「バ ルク凝固アモルファス金属」と称する）である。 このように比較的低い冷却速度であってもアモルファス構造を保持できること は、冷却の際にアモルファス構造を保持するためにメルトから毎秒少なくとも約 １０⁴〜１０⁶℃の冷却速度を必要とする他のタイプのアモルファス金属の挙動と 対照的である。かかる金属は薄いリボン又は粒子としてアモルファス形態で製造 できるに過ぎない。補強材をストリップの頂面内に埋め込んだ状態でかかる従来 型アモルファス金属の薄いストリップを調製することは従来示唆されていた。こ れについては、米国特許第４，２６８，５６４号を参照されたい。かかる形態 は、製造が困難であることと補強材が物品全体中に分散されないという理由で切 断工具等の調製には有用性が限られている。 好ましいタイプのバルク凝固アモルファス合金は、ディープな（deep）共晶組 成物の組成とほぼ同じ組成を有している。かかるディープな共晶組成物は比較的 低い融点を有すると共に急勾配の液相線を有している。したがって、バルク凝固 アモルファス合金の組成は望ましくは、アモルファス合金の液相線温度が共晶温 度よりも高い温度（温度差）が約５０℃以下であって、それにより低い共晶融点 の利点を損なわないように選択される。このように融点が低いので、本発明の溶 融加工法、補強材粒子の劣化が最少であるに十分な低い温度で実施できる。 好ましいタイプのバルク凝固アモルファス合金は、共晶組成物に近い組成物、 例えば６６０℃程度の共晶温度を備えたディープな共晶組成物を有する。この材 料の組成は、原子％で、ジルコニウムとチタンの合計が約４５〜約６７％、ベリ リウムが約１０〜約３５％り、銅とニッケルの合計が約１０〜約３８％である。 驚くべきことに、この高い含有量のジルコニウムとチタンは、おそらくは、溶融 加工法では低温が利用されるので代表的な補強材と非常にゆっくりと反応し、実 質的にはマトリックス合金が冷却する際に結晶が実質的に生じない。ジルコニウ ム及びチタンのうち幾分かに代えて相当多量のハフニウムを用いることができ、 またベリリウムに代えて、最大ベリリウムの約半分の量でアルミニウムを用いる ことができ、さらに最高数％の鉄、クロム、モリブデンまたはコバルトを銅及び ニッケルのうち幾分かに代えて用いることができる。最も好ましいかかる金属マ トリックス材の組成は、原子％で表して、ジルコニウムが約４１.２％、チタン が１３.８％、ニッケルが１０％、銅が１２.５％、及びベリリウムが２２.５％ であり、融点は約６７０℃である。このバルク凝固アモルファス合金は公知であ って米国特許第５，２８８，３４４号に記載されている。 バルク凝固アモルファス金属を複合材料のマトリックスとして使用するもう一 つの重要な利点が、好ましいアモルファスマトリックス材料の場合について図５ に示されている。融点の低い金属を複合材料のマトリックスとして使用して溶融 加工法を、補強材との過度の化学反応を回避する比較的低い温度で実施できるよ うにすることが望ましい。融点の低い従来の結晶質固体金属は、図５の曲線に示 すように高い熱膨張率を有する傾向がある。他方関心のあるセラミック補強材は 、熱膨張率が低い傾向がある。従来型結晶質金属とセラミックスとの間の熱膨張 率の大幅な差は、複合材を融点から冷却する際に大きく且つ望ましくない内部応 力及び歪みが生ずるということになる。 本発明者は、バルク凝固アモルファス金属が結晶質固体金属よりも融点につい て非常に低い熱膨張率を有するという知見を得た。バルク凝固アモルファス金属 の熱膨張率は、結晶質金属の熱膨張率よりもセラミックスの熱膨張率にいっそう 近く、その結果、周囲温度への冷却の際、複合材料中の熱によって誘起される歪 み及び応力が非常に低くなる。したがって、これらバルク凝固アモルファス金属 は複合材中のマトリックスとして使用するのが望ましい。 そのうえ、蓄積熱歪み及び応力の合計は、構成要素の熱膨張率の差に加えて、 歪み及び応力の増大開始からの温度変化に依存する。従来型結晶質固体マトリッ クスの場合、熱歪み及び応力は、複合材が冷却されるにつれて金属の融点よりも 低い温度で増大を開始する。バルク凝固アモルファス金属マトリックスの場合、 熱歪み及び応力は複合材が冷却されるにつれてガラス繊維温度で増大を開始する 。というのは、金属は熱応力及び歪みをなくす高い温度でガラスのような流れを 示すからである。好ましいマトリックス材料の場合、融点は約６７０℃であるが 、ガラス繊維温度は３００℃よりも大きく約３５０℃以下である。 かくして、バルク凝固アモルファス材料のマトリックスを有する複合材料中に 引き起こされる熱歪み及び応力は、下記の幾つかの理由で従来型結晶質金属マト リックスを有する複合材料のものよりも非常に低い。一つの理由は、バルク凝固 アモルファス合金の熱膨張率の差が、セラミック補強材のものに近いということ である。第２の理由は、熱歪み及び応力は複合材がマトリックス合金のガラス繊 維温度以下に冷却するまでは発生を開始しないということである。第３の理由は 、アモルファス金属は融点において急激な相の変化を示さないということである 。 バルク凝固合金を溶融し、補強材粒子をメルト中に分散させる（符号４４）。 本明細書において、「分散された」という用語は、補強材粒子が或る量の溶融金 属中に混合されること又はメルトが補強材粒子の塊の中に浸透することのいずれ かを意味する。いずれの場合においても、最終的に得られる複合材は、マトリッ クス材料の全体に亘って分散された補強材粒子を有する。 補強材粒子の体積％が、金属の体積％と比べて比較的小さいとき、補強材をメ ルト中に攪拌して混ぜるのが良い。補強材粒子の体積％が金属の体積％と比較し て比較的大きい場合、或いは補強材粒子が高いアスペクト比の繊維質であり、或 いは互いに織り合わされている場合、メルトを浸透により補強材粒子の塊の中へ 流動させ、或いは押し込む。メルト中への粒子の混合及び粒子の充填塊中へのメ ルトの浸透は、他の分野で用いられる公知の加工法である。 上述の最も好ましいバルク凝固合金の融点は、約６７０℃である。加工法の最 初に段階において、るつぼ内のこのマトリックス合金の塊を、純粋アルゴンの雰 囲気中で、その温度よりも幾分高く、好ましくは約７００℃〜約８５０℃の温度 に、最も好ましくは約７５０℃の温度に加熱する。補強材粒子を攪拌によりメル ト中に加えて分散させる。溶融金属及び溶融していない補強材粒子の混合物を、 約１分間の短い時間の間、溶融温度に保持する。次に、メルトを放冷し、溶融金 属を凝固させる（符号４６）。 浸透法(infiltration approach)において、一塊の補強材粒子を容器、例えば 金属管又はセラミック管中へ入れる。管及び粒子を、純粋なアルゴンの雰囲気中 で、浸透温度に、好ましくは約７００℃〜約８５０℃の温度、最も好ましくは約 ７５０℃の温度に加熱する。マトリックス材料をこの同一の温度まで加熱し、補 強材粒子の塊中に流動させ、或いは変形例として加圧下で補強材粒子の塊の中に 押し込む。次に粒子及び金属を放冷し、溶融金属を凝固させる（符号４６）。 混合物を、溶融金属がアモルファス状態のままであるような十分に高い凝固速 度であるが、毎秒約５００℃よりも大きくない冷却速度で放冷し、複合材を作る 。もし高い冷却速度が必要とされてこれを用いる場合、大抵の用途では十分に厚 い部分品を得ることは困難である。この方法を正しく実施すると、その結果得ら れる組織は、図１に示すものと同一であり、補強材粒子２２は実質的に完全なア モルファス金属マトリックス相２４全体中に亘って分散している。補強材粒子の 回りの結晶度が低いことが注目される場合があるが、これはかかる結晶を引き起 こしているものと考えられる。かかる低い結晶度は、実質的に完全なアモルファ ス金属マトリックス相の許容限度内にある。 プロセス段階４０，４２，４４，４６は、本発明の方法の一実施例を行うのに 十分である。別な実施例では、混合物を固体金属の組織がアモルファスであるか どうかにかかわらず、ステップ４６内で任意の冷却速度で冷却しても良い。しか る後、凝固した混合物を加熱して混合物を再び溶融する（符号４８）。金属合金 のアモルファス状態を維持するのに十分に高い冷却速度で、しかし決して毎秒約 ５００℃よりも大きくない速度で混合物を冷却することにより、これを凝固させ る（符号５０）。ステップ４０，４２，４４，４６，４８，５０を採用するこの 後者の実施例は例えば、複合材料を再び溶融して所望の形状に再び注型するユー ザーに提供される再溶融作業で利用できる。 以下の例は本発明の種々の観点を示しているが、いかなる点においても本発明 を限定するものではない。実験例 １ 或る量の炭化チタン（ＴｉＣ）（サイズは１００〜１２０メッシュ）に、上述 の好ましい組成の溶融金属を浸透させた。浸透操作を、清浄でゲッターされたア ルゴンの雰囲気中で約７５０℃の温度で行った。金属は、ＴｉＣ粒子のぬれを充 分に生じさせ、その結果得られた塊を毎秒約１０℃〜約１２０℃の速度で周囲温 度まで冷却した。浸透温度におけるＴｉＣと溶融金属との接触時間は、１分間未 満であった。炭化チタンと金属合金の混合物を約２分間かけて約９００℃の温度 まで再加熱し、毎秒約１０℃〜約１２０℃の速度で周囲温度まで冷却させた。金 属組織検査の結果の示すところによれば、ＴｉＣは十分にぬれていて、そしてマ トリックスはアモルファスであって実質的に結晶は存在しなかった。実験例 ２ 実験例１を、サイズが８０〜１２０メッシュの炭化シリコン粒子を用いて繰り 返し行った。その結果は実質的に同一であった。実験例 ３ 実験例１を、サイズが８０〜１２０メッシュの炭化タングステン粒子を用いて 繰り返し行った。その結果は実質的に同じであった。実験例 ４ 実験例１を、サイズが１２０〜３２５メッシュのアルミナ粒子を用いて繰り返 し行った。 その結果は実質的に同じであった。実験例 ５ 実験例１を、サイズが１００〜１２０メッシュの立方窒化ホウ素を用いて繰り 返し行った。 その結果は実質的に同じであった。実験例 ６ 実験例１〜実験例５で得られた複合材料及びマトリックス合金の見本の圧子で 生じた凹みのサイズを、ロックウェルタイプの硬さ試験機械中で６０ｋｇ荷重で 円錐形のダイヤモンド圧子を用いて測定した。その結果は次の通りであり（凹み のサイズはマイクロメートルで示されている）、実験例１では３８０、実験例２ では３４０、実験例３では２９０、実験例４では３３０、実験例５では３５０、 マトリックス合金だけでは７２０であった。これらの硬さ測定値の示すところに よれば、粒子が存在しているとマトリックス合金だけの場合よりも複合材料の強 度が増す。というのは、強度は一般に、凹みの直径の二乗に逆比例するからであ る。実験例 ７ 或る量の互いに絡み合った炭化シリコン繊維（各繊維の直径は約２５マイクロ メートル、長さは０.５インチである）に好ましい組成の溶融金属を浸透させた 。浸透を、清浄でゲッターされたアルゴンの雰囲気中で約８００℃の温度で実施 した。金属は繊維質炭化シリコンを、液状合金の広がり(spreading)を示すほど 十分ぬらし、その結果得られた塊を毎秒約１０℃〜約１２０℃の速度で周囲温度 ま で冷却した。浸透温度における炭化シリコンと溶融金属との間の接触時間は約２ 分間であった。複合材料についての金属組織検査によれば、マトリックス合金は 結晶化していなかった。実験例 ８ 或る量のジェネラル・エレクトリック社製ＭＢＧ−Ｔ人工ダイヤモンド粒状材 料（薄緑色で、サイズは１００〜１２０メッシュ）に、上述の好ましい組成の溶 融金属を浸透させた。浸透操作を、清浄でゲッターされたアルゴンの雰囲気中で 約７５０℃の温度で行った。金属は、ダイヤモンド粒子のぬれを充分に生じさせ 、その結果得られた塊を毎秒約１０℃〜約１２０℃の速度で周囲温度まで冷却し た。浸透温度におけるダイヤモンドと溶融金属との接触時間は、１分間未満であ った。金属組織検査を行うと、ダイヤモンド／金属複合材料の見本の金属マトリ ックスは、大部分がアモルファス状態であるが、ダイヤモンド粒子の隣に幾分か の結晶化の証拠のあるように見受けられた。複合材料の残りを約２分間かけて約 ９００℃の温度まで再加熱し、毎秒約１０℃〜１２０℃の速度で周囲温度まで冷 却した。マトリックスを再検査すると、完全にアモルファス状態であり、結晶材 料が存在していないことが分かった。実験例 ９ 或る量のジェネラル・エレクトリック社製ＲＶＧ人工ダイヤモンド粒状材料（ 黒色で、サイズは１００〜１２０メッシュ）に、上述の好ましい組成の溶融金属 を浸透させた。浸透操作を、清浄でゲッターされたアルゴンの雰囲気中で約８０ ０℃の温度で行った。金属は、ダイヤモンド粒子のぬれを充分に生じさせ、その 結果得られた塊を毎秒約１０℃〜約１２０℃の速度で周囲温度まで冷却した。浸 透温度におけるダイヤモンドと溶融金属との接触時間は、約２分間であった。金 属組織検査を行うと、金属マトリックスは完全にアモルファス状態であった。 本発明は、切削工具又はバイトとして、或いは耐摩耗性構造部材として役立つ 硬い研磨複合座入り鵜を調製する方法を提供する。マトリックス中に埋め込まれ た補強材は、主要な切削及び耐摩耗機能を発揮する。アモルファスマトリックス は補強材を有効に接合し、また、これはそれ自体、比較的硬くて強靱な耐摩耗性 材料である。かくして、マトリックスは、使用中、容易には摩耗したりひび割れ することなく、結果的に、補強材粒子が摩耗面から引き抜かれることになる。ア モルファスマトリックス材料及び複合構造それ自体は、耐破壊性を複合材料に与 えるが、これはバイト、耐摩耗性表面、及び類似の物品の十よな属性である。 本発明の特定の実施例を例示の目的で詳細に説明したが、種々の設計変更例及 び変形例を本発明の精神及び技術的範囲から逸脱することなく想到できる。した がって、本発明は、請求の範囲に特定されるような場合を除き、限定されること はない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＣＮ，ＤＥ，ＧＢ，Ｊ Ｐ，ＫＰ (72)発明者 ジョンソン，ウイリアム，エル アメリカ合衆国，カリフォルニア州 91107，パサデナ，マウンテンビュー・ア ベニュー 3546 (72)発明者 シェーファー，ロバート アメリカ合衆国，オハイオ州 43085，ワ ーシングトン，イーストビュー・ドライブ 6961 (72)発明者 スクラグス，デビッド，エム アメリカ合衆国，カリフォルニア州 92057，オーシャンサイド，ローガンベリ ー・ウェイ 5471

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．補強材を含む金属マトリックス複合材料を形成する方法であって、毎秒約 ５００℃以下の臨界冷却速度でメルトから冷却されるとき、アモルファス状態 を保持できる金属を準備し、金属とは別個に、少なくとも一つの補強材片を準 備し、金属を溶融して前記少なくとも一つの補強材片をメルト全体中に分散さ せて混合物を生じさせ、混合物を前記臨界冷却温度以上の冷却速度で凝固させ ることを特徴とする方法。 ２．少なくとも一つの補強材片を準備する前記段階では、複数の補強材片を準備 することを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．複数の補強材片を準備する前記段階では、サイズが約２０メッシュ〜約１６ ０の複数の補強材片準備することを特徴とする請求項１記載の方法。 ４．少なくとも一つの補強材片を準備する前記段階では、ダイヤモンド、安定な 酸化物、安定な炭化物及び安定な窒化物から成る群から選択された補強材を準 備することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。 ５．ダイヤモンドは、低級ダイヤモンドであることを特徴とする請求項４記載の 方法。 ６．金属を準備する前記段階では、ほぼ共晶組成物の組成を有する金属を準備す ることを特徴とする請求項１〜５のうち一つに記載の方法。 ７．金属を準備する前記段階では、原子百分率で表して、ジルコニウムとチタン が全部で約４５〜約６７％、ベリリウムが約１０〜約３５％、銅とニッケルが 全部で約１０〜約３８％の組成を有する金属を準備することを特徴とする請求 項１〜５のうち一つに記載の方法。 ８．金属を溶融して前記少なくとも一つの補強材片をメルト全体中に分散させる 前記段階では、るつぼ内にひとまとまりの溶融金属を調製し、少なくとも一つ の補強材片を溶融金属中に混ぜることを特徴とする請求項１又は２記載の方法 。 ９．金属を溶融して前記少なくとも一つの補強材片をメルト全体中に分散させる 前記段階では、るつぼ内にひとまとまりの補強材片を調製し、金属を溶融し、 溶融金属をひとまとまりの補強材片中に浸透させることを特徴とする請求項１ 又は２記載の方法。 10．凝固段階における冷却速度は、毎秒約５００℃以下であることを特徴とする 請求項１２記載の方法。 11．補強材を含む金属マトリックス複合材料であって、一塊のバルク凝固アモル ファス金属と、一塊のアモルファス金属全体中に分散した状態の複数の補強材 片とを含むことを特徴とする複合材料。 12．アモルファス金属は、原子百分率で表して、ジルコニウムとチタンが全部で 約４５〜約６７％、ベリリウムが約１０〜約３５％、銅とニッケルが全部で約 １０〜約３８％の組成を有することを特徴とする請求項１１の複合材料。 13．ジルコニウムとチタン全体のうち幾分かに代えてハフニウムを、ベリリウム のうち幾分かに代えてアルミニウムを、銅とニッケル全体のうち幾分かに代え て、鉄、クロム、モリブデン、及びコバルトから成る群から選択された元素を それぞれ使用することを特徴とする請求項１２の複合材料。 14．バルク凝固アモルファス金属は、毎秒約５００℃以下の臨界冷却速度でメル トから冷却されるとき、アモルファス状態を保持できることを特徴とする請求 項１１の複合材料。 15．補強材片は、ダイヤモンド、安定な酸化物、安定な炭化物及び安定な窒化物 から成る群から選択されることを特徴とする請求項１１の複合材料。 16．ダイヤモンドは、低級ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１５の複 合材料。