JP2001512183A - 鋳造金属マトリックス複合材料およびその用途 - Google Patents
鋳造金属マトリックス複合材料およびその用途Info
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Abstract
(57)【要約】
金属マトリックス複合材料は、マグネシウム約0.3〜約2.5重量％と、鉄約0.8〜約2.5重量％またはマンガン約1.0〜約2.5重量％の合金元素と、残部アルミニウムと、不純物を含むマトリックスを有する。複数の金属酸化物粒子は、マトリックスおよび粒子の合計容量を基準に、約5容量％を超える量であって約25容量％以下の量で、マトリックス全体に分布されて存在する。この複合材料を鋳型内に注入する。注入した後、マトリックス合金の固化の間に、高い容積分率で金属間粒子がマトリックス合金中で結晶化する。所定容積分率の金属酸化物粒子および金属間粒子の合計量は、約10〜約40容量％、好適には約25〜約40容量％である。
Description
【０００１】 （技術分野） 本発明は、鋳造金属マトリックス複合材料並びにこれに関連する鋳造法および
鋳造金属マトリックス複合材料を用いて製造した鋳造品に関する。
鋳造金属マトリックス複合材料を用いて製造した鋳造品に関する。
【０００２】 （背景技術） 金属マトリックス複合材料は、繊維やホイスカーや粒子などの形態の強化材を
、その固体金属マトリックス中に埋設して有する。このような強化材によって、
複合材料は、優れた機械的特性が得られる一方、金属マトリックスは、強化材を
所望の形態に保持できると共に、外部からの損傷に対し、強化材を保護している
。また、金属マトリックスによって、複合材料は、優れた熱伝導性や表面特性の
ような重要な物性を有することができる。
、その固体金属マトリックス中に埋設して有する。このような強化材によって、
複合材料は、優れた機械的特性が得られる一方、金属マトリックスは、強化材を
所望の形態に保持できると共に、外部からの損傷に対し、強化材を保護している
。また、金属マトリックスによって、複合材料は、優れた熱伝導性や表面特性の
ような重要な物性を有することができる。
【０００３】 金属マトリックス複合材料から製品を製造するため、２つの主要技術が存在す
る。鋳造法（キャスト法）によれば、固体強化材と溶融マトリックス材料との均
一混合物を形成して、鋳型内に注ぎ、ここで、溶融マトリックス材料を固化させ
る。溶浸法によれば、固体強化材を、鋳型などの容器内に予め配置し、次いで溶
融マトリックス材料を容器内に押し込んだり、引き込んだりして、ここでマトリ
ックス材料を固化させる。前記鋳造法は、代表的には、強化材の容積分率が比較
的低い複合材料の製造により適しており、溶浸法は、強化材の容積分率が比較的
高い複合材料の製造により適している。しかしながら、溶浸した材料は、その後
の工程において、過剰の溶融マトリックス金属の添加による希釈によって、強化
材の容積分率ががより低い複合材料にすることができ、このように、溶浸法と希
釈法を組み合わせると、強化材の容積分率が低い複合材料から中程度の複合材料
を製造することができる。
る。鋳造法（キャスト法）によれば、固体強化材と溶融マトリックス材料との均
一混合物を形成して、鋳型内に注ぎ、ここで、溶融マトリックス材料を固化させ
る。溶浸法によれば、固体強化材を、鋳型などの容器内に予め配置し、次いで溶
融マトリックス材料を容器内に押し込んだり、引き込んだりして、ここでマトリ
ックス材料を固化させる。前記鋳造法は、代表的には、強化材の容積分率が比較
的低い複合材料の製造により適しており、溶浸法は、強化材の容積分率が比較的
高い複合材料の製造により適している。しかしながら、溶浸した材料は、その後
の工程において、過剰の溶融マトリックス金属の添加による希釈によって、強化
材の容積分率ががより低い複合材料にすることができ、このように、溶浸法と希
釈法を組み合わせると、強化材の容積分率が低い複合材料から中程度の複合材料
を製造することができる。
【０００４】 鋳造法では、強化材の容積分率が高い複合材料から製品を製造することは、し
ばしば困難である。なぜなら、多数の複雑なパーツ鋳造の場合、溶融金属と強化
材粒子の混合物を、鋳型内の溝に沿って流し込む必要があるからである。強化材
粒子の容積分率が非常に高いと、強化材粒子と溶融金属の混合物は、細い溝を流
動するにはあまりにも粘稠になるか、ごくゆっくりとした速度でしか流動するこ
とができない。その結果、溶融金属は、溝に充填される前に固化しうる。このた
め、鋳型内を満たすことができず、所望の製品を適切な形態に成形することがで
きない。
ばしば困難である。なぜなら、多数の複雑なパーツ鋳造の場合、溶融金属と強化
材粒子の混合物を、鋳型内の溝に沿って流し込む必要があるからである。強化材
粒子の容積分率が非常に高いと、強化材粒子と溶融金属の混合物は、細い溝を流
動するにはあまりにも粘稠になるか、ごくゆっくりとした速度でしか流動するこ
とができない。その結果、溶融金属は、溝に充填される前に固化しうる。このた
め、鋳型内を満たすことができず、所望の製品を適切な形態に成形することがで
きない。
【０００５】 工業的に重要なある種の強化材粒子では、この鋳造の際の問題は、他のタイプ
の強化材に比し、より深刻である。種々のタイプの強化材粒子は、ある種の目的
には実質的に同じと言えるが、このような強化材粒子を含む金属マトリックス複
合材料を鋳造する際の成形性については、同じではない。例えば、アルミニウム
合金マトリックスと、約30容量％までの炭化ケイ素強化材粒子とを含む金属マト
リックス複合材料は、緻密な形状を有する製品に鋳造することができる。他方、
アルミニウム合金マトリックスと、アルミニウム酸化物粒子とを含む金属マトリ
ックス複合材料から同様な製品の鋳造の場合、アルミニウム酸化物の実用上の上
限は、約20〜25容量％である。このような上限の相違は、強化材粒子自体の特性
並びに最終複合材料の安定性などの特性にとって必要なマトリックス合金の種類
の両方に起因する。アルミニウム酸化物を高い容積分率で含む鋳造複合材料を達
成できないことは、重要な製品への使用の妨げとなる。
の強化材に比し、より深刻である。種々のタイプの強化材粒子は、ある種の目的
には実質的に同じと言えるが、このような強化材粒子を含む金属マトリックス複
合材料を鋳造する際の成形性については、同じではない。例えば、アルミニウム
合金マトリックスと、約30容量％までの炭化ケイ素強化材粒子とを含む金属マト
リックス複合材料は、緻密な形状を有する製品に鋳造することができる。他方、
アルミニウム合金マトリックスと、アルミニウム酸化物粒子とを含む金属マトリ
ックス複合材料から同様な製品の鋳造の場合、アルミニウム酸化物の実用上の上
限は、約20〜25容量％である。このような上限の相違は、強化材粒子自体の特性
並びに最終複合材料の安定性などの特性にとって必要なマトリックス合金の種類
の両方に起因する。アルミニウム酸化物を高い容積分率で含む鋳造複合材料を達
成できないことは、重要な製品への使用の妨げとなる。
【０００６】 鋳造法によって製品を製造することは、溶浸法による製品の製造法よりも、他
の点で多数の利点を有するため、アルミニウム合金／金属酸化物強化材のような
鋳造が困難な組成の製品を、これまで可能であったよりもより高い容積分率で強
化材粒子を含んだ状態で鋳造しうるような方法を見いだすことが、望まれている
。本発明は、この必要性を充足したものであり、さらに、これに関連する利点を
提供するものである。
の点で多数の利点を有するため、アルミニウム合金／金属酸化物強化材のような
鋳造が困難な組成の製品を、これまで可能であったよりもより高い容積分率で強
化材粒子を含んだ状態で鋳造しうるような方法を見いだすことが、望まれている
。本発明は、この必要性を充足したものであり、さらに、これに関連する利点を
提供するものである。
【０００７】 （発明の開示） 本発明は、金属マトリックス複合材料、金属マトリックス複合材料からつくら
れる鋳造品の鋳造法、および金属マトリックス複合材料からつくられた鋳造品を
提供する。本発明は、アルミニウム合金／金属酸化物複合材料に関し、鋳造しう
る、実施可能で有効な最大粒子容積分率を増加させるための方法を提供するもの
である。従来法では、最終鋳造品において、その金属酸化物粒子は、最大で約20
〜25容量％に制限されていた。これに対し、本発明の方法によれば、最終鋳造品
を、約40容量％までの粒子を含む組成で、製造することができる。本発明の方法
は、既知の鋳造法（本発明方法の特徴部分を除く）および既知の鋳造装置を用い
て実施することができる。
れる鋳造品の鋳造法、および金属マトリックス複合材料からつくられた鋳造品を
提供する。本発明は、アルミニウム合金／金属酸化物複合材料に関し、鋳造しう
る、実施可能で有効な最大粒子容積分率を増加させるための方法を提供するもの
である。従来法では、最終鋳造品において、その金属酸化物粒子は、最大で約20
〜25容量％に制限されていた。これに対し、本発明の方法によれば、最終鋳造品
を、約40容量％までの粒子を含む組成で、製造することができる。本発明の方法
は、既知の鋳造法（本発明方法の特徴部分を除く）および既知の鋳造装置を用い
て実施することができる。
【０００８】 本発明によれば、鋳造品の製造法は、鋳型を準備する工程および、第１容器に
よって、固化による金属間相の結晶化に有効な組成を有する溶融金属合金と、複
数の固体金属酸化物粒子との実質的に均一な混合物を形成する工程を含んでなる
。この複数の固体金属酸化物粒子は、溶融金属の約5〜約25容量％の量で存在す る。さらに本発明の鋳造法には、第１容器から、上記混合物を鋳型内に移動させ
る工程、および移動した溶融混合物を、鋳型によって固化して、固体金属間相粒
子および固体金属酸化物粒子を合計量で、固化混合物の少なくとも25容量％、好
適には約25〜約40容量％の量で含む固化混合物を形成する工程が包含される。
よって、固化による金属間相の結晶化に有効な組成を有する溶融金属合金と、複
数の固体金属酸化物粒子との実質的に均一な混合物を形成する工程を含んでなる
。この複数の固体金属酸化物粒子は、溶融金属の約5〜約25容量％の量で存在す る。さらに本発明の鋳造法には、第１容器から、上記混合物を鋳型内に移動させ
る工程、および移動した溶融混合物を、鋳型によって固化して、固体金属間相粒
子および固体金属酸化物粒子を合計量で、固化混合物の少なくとも25容量％、好
適には約25〜約40容量％の量で含む固化混合物を形成する工程が包含される。
【０００９】 鋳造品中の高い容積分率は、明確に相異なる供給源から微粒子を供給すること
によって達成することができる。第１供給源は、最初に溶融金属に混合される固
体金属酸化物である。この第１供給源は、鋳造品としての最終固化混合物の約25
容量％までの量を構成する。高い容積分率の金属酸化物粒子は、微細寸法の通路
を有するような鋳型によって鋳造することができない。第２供給源は、溶融金属
中に存在しない金属間粒子である。この金属間粒子は、溶融金属／金属酸化物の
混合物が通路内を流動した後、溶融金属が固化するについて形成される。金属間
粒子は、溶融金属中に存在しないため、その鋳造の際の流動性は、低下すること
がなく、その微細寸法の鋳型通路内への注入も、妨げられない。金属間粒子は、
溶融金属が鋳型内でその最終位置に達した後、固化の間のみに形成され、微粒子
の容積分率は、約25〜約40容量％に増加する。すなわち、粒子のいずれの供給源
も、単独では、所望の容積分率の粒子を供給するのに十分ではないが、これら２
つの供給源は、合計で、必要な容積分率の微粒子を供給することができる。
によって達成することができる。第１供給源は、最初に溶融金属に混合される固
体金属酸化物である。この第１供給源は、鋳造品としての最終固化混合物の約25
容量％までの量を構成する。高い容積分率の金属酸化物粒子は、微細寸法の通路
を有するような鋳型によって鋳造することができない。第２供給源は、溶融金属
中に存在しない金属間粒子である。この金属間粒子は、溶融金属／金属酸化物の
混合物が通路内を流動した後、溶融金属が固化するについて形成される。金属間
粒子は、溶融金属中に存在しないため、その鋳造の際の流動性は、低下すること
がなく、その微細寸法の鋳型通路内への注入も、妨げられない。金属間粒子は、
溶融金属が鋳型内でその最終位置に達した後、固化の間のみに形成され、微粒子
の容積分率は、約25〜約40容量％に増加する。すなわち、粒子のいずれの供給源
も、単独では、所望の容積分率の粒子を供給するのに十分ではないが、これら２
つの供給源は、合計で、必要な容積分率の微粒子を供給することができる。
【００１０】 本発明の方法は、重力、インベストメントまたは圧力ダイカスト法のような実
施可能な鋳造法のいずれによっても、使用することができる。本発明の方法は、
これを用いて、有用ないずれ鋳造品の製造にも使用できるが、鋳造品が、微細寸
法の通路を鋳型内に必要とするような複雑な形状を有する場合に、大きい利点が
得られる。例えば、本発明の方法は、硬質のディスクブレーキローターの鋳造に
使用できるが、その最も大きい利点は、ベント付ディスクブレーキローターの鋳
造の際に得ることができ、その各ベント間のリブが、鋳型の狭い通路によって規
定されているものである。従来法を用い、鋳造用混合物中の金属酸化物が約25容
量％の値を超えている場合、溶融金属と強化材との混合物は、リブの形態が規定
される鋳型通路の全長を流動しうる前に、固化する傾向を示す。これに対し、本
発明の方法によれば、従来法で可能であったよりも非常に高い容積分率の微粒子
を鋳造品中に達成することができる。
施可能な鋳造法のいずれによっても、使用することができる。本発明の方法は、
これを用いて、有用ないずれ鋳造品の製造にも使用できるが、鋳造品が、微細寸
法の通路を鋳型内に必要とするような複雑な形状を有する場合に、大きい利点が
得られる。例えば、本発明の方法は、硬質のディスクブレーキローターの鋳造に
使用できるが、その最も大きい利点は、ベント付ディスクブレーキローターの鋳
造の際に得ることができ、その各ベント間のリブが、鋳型の狭い通路によって規
定されているものである。従来法を用い、鋳造用混合物中の金属酸化物が約25容
量％の値を超えている場合、溶融金属と強化材との混合物は、リブの形態が規定
される鋳型通路の全長を流動しうる前に、固化する傾向を示す。これに対し、本
発明の方法によれば、従来法で可能であったよりも非常に高い容積分率の微粒子
を鋳造品中に達成することができる。
【００１１】 本発明の方法は、好適には、マグネシウム約0.3〜約2.5重量％と、鉄、マンガ
ンおよびそれらの組み合わせからなる群から選ばれる合金元素と、残部アルミニ
ウムと、所望により他の合金元素と、不純物とを含むようなアルミニウムマトリ
ックス合金を用いて、実施される。鉄およびマンガンは、各々、約0.8〜約2.5重
量％および約1.0〜約2.5重量％の量で存在する。この合金は、固体材料全量を基
準に約3〜約20容量％の金属間化合物を固化の間に結晶化して第２供給源の強化 材粒子を形成するのに有効なものでなければならない。他の合金元素として、例
えば、約0.8〜4.0重量％のニッケル、0％を超える量で約0.3％以下のバナジウム
、0％を超える量で約0.2％以下のチタン、0％を超える量で約1.7％以下のコバル
トおよび／または0％を超える量で約0.45％以下のクロムを含むことができる。 マトリックス合金は、好適には、約1.2重量％よりも少ない量のケイ素、約0.5重
量％よりも少ない量の銅および約0.5重量％よりも少ない量の亜鉛を含む。
ンおよびそれらの組み合わせからなる群から選ばれる合金元素と、残部アルミニ
ウムと、所望により他の合金元素と、不純物とを含むようなアルミニウムマトリ
ックス合金を用いて、実施される。鉄およびマンガンは、各々、約0.8〜約2.5重
量％および約1.0〜約2.5重量％の量で存在する。この合金は、固体材料全量を基
準に約3〜約20容量％の金属間化合物を固化の間に結晶化して第２供給源の強化 材粒子を形成するのに有効なものでなければならない。他の合金元素として、例
えば、約0.8〜4.0重量％のニッケル、0％を超える量で約0.3％以下のバナジウム
、0％を超える量で約0.2％以下のチタン、0％を超える量で約1.7％以下のコバル
トおよび／または0％を超える量で約0.45％以下のクロムを含むことができる。 マトリックス合金は、好適には、約1.2重量％よりも少ない量のケイ素、約0.5重
量％よりも少ない量の銅および約0.5重量％よりも少ない量の亜鉛を含む。
【００１２】 選択されたアルミニウムマトリックス合金の組成は、好適には共晶または過共
晶組成であり、これらの用語は、本明細書では、まとめて「非-亜共晶」と呼ぶ 。このような非-亜共晶組成は、冷却の間に液相から結晶化することによって、 高い容積分率で金属間粒子を形成することができ、この金属間粒子は、所定容積
分率の金属酸化物と一緒に、所望の機械的特性を達成することができる。その組
成が亜共晶組成である場合、このような結晶は、低い容積分率でしか形成されず
、このため、そのような容積分率の金属間粒子は、所定容積分率の金属酸化物強
化材と一緒になっても、所望の機械的特性を達成するのに不十分な量である。
晶組成であり、これらの用語は、本明細書では、まとめて「非-亜共晶」と呼ぶ 。このような非-亜共晶組成は、冷却の間に液相から結晶化することによって、 高い容積分率で金属間粒子を形成することができ、この金属間粒子は、所定容積
分率の金属酸化物と一緒に、所望の機械的特性を達成することができる。その組
成が亜共晶組成である場合、このような結晶は、低い容積分率でしか形成されず
、このため、そのような容積分率の金属間粒子は、所定容積分率の金属酸化物強
化材と一緒になっても、所望の機械的特性を達成するのに不十分な量である。
【００１３】 以上の組成は、高い固相線（solidus）温度、代表的には、約630℃またはそれ
以上、好適には約640℃またはそれ以上の温度を有する。この高い温度によって 、鋳造品は、比較的高い温度での使用が可能となり、これは、多くの商品および
用途にとって重要な利点となる。
以上、好適には約640℃またはそれ以上の温度を有する。この高い温度によって 、鋳造品は、比較的高い温度での使用が可能となり、これは、多くの商品および
用途にとって重要な利点となる。
【００１４】 第１供給源の強化材微粒子を供給する金属酸化物は、好適にはアルミニウム酸
化物粒子、代表的には粒径範囲約5〜約25μmのアルミニウム酸化物粒子である。
他の有効な金属酸化物として、例えば、マグネシウム酸化物およびマグネシウム
／アルミニウムスピネルも同様に使用することができる。
化物粒子、代表的には粒径範囲約5〜約25μmのアルミニウム酸化物粒子である。
他の有効な金属酸化物として、例えば、マグネシウム酸化物およびマグネシウム
／アルミニウムスピネルも同様に使用することができる。
【００１５】 本発明は、アルミニウム合金マトリックスと共に金属酸化物強化材および金属
間粒子を有する複合材料を用いる鋳造法を提供する。これら２つのタイプの粒子
は、その容積分率が、合計で、約25〜約40容量％であり、これは、優れた機械的
特性を達成するのに十分な量である。この機械的特性は、好適なアルミニウムマ
トリックス合金の高い固相線温度のため、高い温度でも保持される。本発明は、
25容量％よりも少ない量の粒子、例えば約10〜約25容量％の粒子を有する複合材
料を形成するのに使用することができるが、鋳造品を本発明によって製造する利
点は、やや小さい。
間粒子を有する複合材料を用いる鋳造法を提供する。これら２つのタイプの粒子
は、その容積分率が、合計で、約25〜約40容量％であり、これは、優れた機械的
特性を達成するのに十分な量である。この機械的特性は、好適なアルミニウムマ
トリックス合金の高い固相線温度のため、高い温度でも保持される。本発明は、
25容量％よりも少ない量の粒子、例えば約10〜約25容量％の粒子を有する複合材
料を形成するのに使用することができるが、鋳造品を本発明によって製造する利
点は、やや小さい。
【００１６】 次に、本発明の原理を示した添付の図面を参照しながら、本発明の好適な具体
例を詳しく説明し、本発明の他の特徴および利点を明らかにするが、本発明の技
術的範囲は、好適な具体例に制限されるものではない。
例を詳しく説明し、本発明の他の特徴および利点を明らかにするが、本発明の技
術的範囲は、好適な具体例に制限されるものではない。
【００１７】 （図面の簡単な説明） 図1は、本発明に従い、金属マトリックス複合材料から製品に鋳造するための 好適な方法を示すブロック図、 図2は、鋳造装置の模式図、 図3は、本発明の方法によって製造したベント付ディスクブレーキローターの 斜視図、 図4は、図3のベント付ディスクブレーキローターの製造に用いた鋳型を示す断
面図、 図5は、溶融マトリックス合金と、この溶融マトリックス合金全体に分散され た固体アルミニウム酸化物粒子との溶融混合物を示す仮想断面図、 図6は、固化マトリックス合金と、固化マトリックス合金中に分散された金属 間粒子と、固化マトリックス合金全体に分散されたアルミニウム酸化物粒子との
固化混合物を示す仮想断面図、 図7は、複合材料の３つの複合材料についての圧縮降伏強度を温度関数として 示すグラフである。
面図、 図5は、溶融マトリックス合金と、この溶融マトリックス合金全体に分散され た固体アルミニウム酸化物粒子との溶融混合物を示す仮想断面図、 図6は、固化マトリックス合金と、固化マトリックス合金中に分散された金属 間粒子と、固化マトリックス合金全体に分散されたアルミニウム酸化物粒子との
固化混合物を示す仮想断面図、 図7は、複合材料の３つの複合材料についての圧縮降伏強度を温度関数として 示すグラフである。
【００１８】 （発明を実施するための最良の形態） 図1は、本発明の金属マトリックス複合材料の好適な製造法および本発明の鋳 造法を実施するための好適な方法を示すブロック図である。マトリックス合金の
供給源は、番号20として示す。マトリックス合金は、固化によって高い容積分率
の金属間結晶化粒子を形成しかつ比較的高い固相線温度および比較的低い液相線
温度を有するような、アルミニウム-マグネシウム基合金である。このような好 適なマトリックス合金は、マグネシウムを、約0.3重量％を超える量であって約2
.5重量％以下の量で含有する。約0.3重量％よりも少ない量でマグネシウムが存 在する場合、好適なアルミニウム酸化物強化材は、金属相と十分には濡れを形成
しないため、混合および鋳造が困難である。2.5重量％を超える量でマグネシウ ムが存在する場合、固相線温度は、所望の最小温度約630℃よりも低下する。最 も好適には、マグネシウム含有量は、約0.6〜約2.2重量％である。合金マトリッ
クスは、付加的な合金元素を含む。付加的な合金元素は、鉄約0.8〜約2.5重量％
および／またはマンガン約1.0〜約2.5重量％である。これらの下限値よりも少な
い量で鉄および／またはマンガンが存在する場合、固化によって、不十分な容積
分率の金属間粒子しか得られない。以上の上限値よりも多い量で鉄および／また
はマンガンが存在する場合、液相線温度は、鋳造適性から見てあまりにも高くな
る。マトリックス合金の残部は、アルミニウムおよび市販のアルミニウム合金中
に存在する代表的な不純物である。
供給源は、番号20として示す。マトリックス合金は、固化によって高い容積分率
の金属間結晶化粒子を形成しかつ比較的高い固相線温度および比較的低い液相線
温度を有するような、アルミニウム-マグネシウム基合金である。このような好 適なマトリックス合金は、マグネシウムを、約0.3重量％を超える量であって約2
.5重量％以下の量で含有する。約0.3重量％よりも少ない量でマグネシウムが存 在する場合、好適なアルミニウム酸化物強化材は、金属相と十分には濡れを形成
しないため、混合および鋳造が困難である。2.5重量％を超える量でマグネシウ ムが存在する場合、固相線温度は、所望の最小温度約630℃よりも低下する。最 も好適には、マグネシウム含有量は、約0.6〜約2.2重量％である。合金マトリッ
クスは、付加的な合金元素を含む。付加的な合金元素は、鉄約0.8〜約2.5重量％
および／またはマンガン約1.0〜約2.5重量％である。これらの下限値よりも少な
い量で鉄および／またはマンガンが存在する場合、固化によって、不十分な容積
分率の金属間粒子しか得られない。以上の上限値よりも多い量で鉄および／また
はマンガンが存在する場合、液相線温度は、鋳造適性から見てあまりにも高くな
る。マトリックス合金の残部は、アルミニウムおよび市販のアルミニウム合金中
に存在する代表的な不純物である。
【００１９】 所望により、高い容積分率の結晶化粒子を形成するのに有効な合金元素を付加
的に存在させてもよい。このような付加的な合金元素は、使用する場合、例えば
、約0.8〜約4.0重量％のニッケル、0％を超える量で約0.3％以下のバナジウム、
0％を超える量で約0.2％以下のチタン、0％を超える量で約1.7％以下のコバルト
および／または0％を超える量で約0.45％以下のクロムである。これらの数値を 超える量でニッケルが存在する場合、マトリックスは、脆くなる傾向を示す。上
限値を超える量でバナジウム、チタン、コバルトまたはクロムが存在する場合、
液相線温度は、鋳造適性から見てあまりにも高くなる。
的に存在させてもよい。このような付加的な合金元素は、使用する場合、例えば
、約0.8〜約4.0重量％のニッケル、0％を超える量で約0.3％以下のバナジウム、
0％を超える量で約0.2％以下のチタン、0％を超える量で約1.7％以下のコバルト
および／または0％を超える量で約0.45％以下のクロムである。これらの数値を 超える量でニッケルが存在する場合、マトリックスは、脆くなる傾向を示す。上
限値を超える量でバナジウム、チタン、コバルトまたはクロムが存在する場合、
液相線温度は、鋳造適性から見てあまりにも高くなる。
【００２０】 好適には、マトリックス合金は、約1.2重量％よりも少ない量のケイ素、約0.5
重量％よりも少ない量の銅および約0.5重量％よりも少ない量の亜鉛を含む。こ れらの下限値よりも少ない量で、ケイ素、銅および／または亜鉛が存在する場合
、マトリックスの固相線温度は、あまりにも低い温度に下がる。さらに、上限値
よりも多量に、ケイ素、銅および亜鉛が存在する場合、マトリックス合金は、室
温であまりにも硬くなり、存在する金属間物質に結合すると、合金は非常に脆く
なる。
重量％よりも少ない量の銅および約0.5重量％よりも少ない量の亜鉛を含む。こ れらの下限値よりも少ない量で、ケイ素、銅および／または亜鉛が存在する場合
、マトリックスの固相線温度は、あまりにも低い温度に下がる。さらに、上限値
よりも多量に、ケイ素、銅および亜鉛が存在する場合、マトリックス合金は、室
温であまりにも硬くなり、存在する金属間物質に結合すると、合金は非常に脆く
なる。
【００２１】 好適な２つのマトリックス合金は、（1）マトリックスが、約1％のマグネシウ
ム、約0.6％よりも少ない量のケイ素、約0.25％よりも少ない量の銅、約0.2％よ
りも少ない量のクロム、約2％の鉄、約2％マンガンおよび約2％のニッケル、残 部アルミニウムおよび不可避的不純物を含んでなる合金、および（2）マトリッ クスが、約1％のマグネシウム、約0.6％よりも少ない量のケイ素、約0.25％より
も少ない量の銅、約0.2％よりも少ない量のクロム、約2％の鉄、約2.5％のマン ガンおよび約2％のニッケル、残部アルミニウムおよび不可避的不純物を含んで なる合金である。
ム、約0.6％よりも少ない量のケイ素、約0.25％よりも少ない量の銅、約0.2％よ
りも少ない量のクロム、約2％の鉄、約2％マンガンおよび約2％のニッケル、残 部アルミニウムおよび不可避的不純物を含んでなる合金、および（2）マトリッ クスが、約1％のマグネシウム、約0.6％よりも少ない量のケイ素、約0.25％より
も少ない量の銅、約0.2％よりも少ない量のクロム、約2％の鉄、約2.5％のマン ガンおよび約2％のニッケル、残部アルミニウムおよび不可避的不純物を含んで なる合金である。
【００２２】 複合材料を、ベント付ディスクブレーキローターのような鋳造品の鋳造のため
に使用する場合、合金元素は、マトリックス合金の固相線温度が比較的高く、か
つ液相線温度が比較的低くなるように選択される。固相線温度は、マトリックス
合金含有鋳造品の最大操作温度が比較的高くなるように、比較的高い温度、好適
には少なくとも約630℃、最も好適には少なくとも約640℃である。ベント付ディ
スクブレーキローターの場合、その最大操作温度は、苛酷な使用条件下でもその
部分的溶融が防止されるように、比較的高い温度とすべきである。前記したよう
に、比較的高い固相線温度というこの要件を充足するため、合金元素は、ある種
のものに限られる。他方、液相線温度は、比較的低い温度、好適には約750℃以 下の温度である。その後の溶融および鋳造操作の間、マトリックス合金は、その
鋳型内への最終配置に達する前、液相線温度よりも常に高い温度になるように、
過熱すべきである。マトリックス合金の温度が液相線温度よりも低下すれば、金
属間粒子の形成が開始され、これにより、マトリックス合金の流動性が低下し、
そして鋳型通路内での時期尚早の固化を示す傾向が強くなる。
に使用する場合、合金元素は、マトリックス合金の固相線温度が比較的高く、か
つ液相線温度が比較的低くなるように選択される。固相線温度は、マトリックス
合金含有鋳造品の最大操作温度が比較的高くなるように、比較的高い温度、好適
には少なくとも約630℃、最も好適には少なくとも約640℃である。ベント付ディ
スクブレーキローターの場合、その最大操作温度は、苛酷な使用条件下でもその
部分的溶融が防止されるように、比較的高い温度とすべきである。前記したよう
に、比較的高い固相線温度というこの要件を充足するため、合金元素は、ある種
のものに限られる。他方、液相線温度は、比較的低い温度、好適には約750℃以 下の温度である。その後の溶融および鋳造操作の間、マトリックス合金は、その
鋳型内への最終配置に達する前、液相線温度よりも常に高い温度になるように、
過熱すべきである。マトリックス合金の温度が液相線温度よりも低下すれば、金
属間粒子の形成が開始され、これにより、マトリックス合金の流動性が低下し、
そして鋳型通路内での時期尚早の固化を示す傾向が強くなる。
【００２３】 また合金元素は、好適には、アルミニウム合金マトリックスの固化前の組成が
非-亜共晶組成、すなわち共晶または過共晶組成となるように、選択される。こ のような好適な組成によって、高い容積分率の金属間粒子が、冷却の間の液相か
らの結晶化後に得ることができる。結晶化によって形成された所定容積分率の金
属間粒子＋溶融マトリックス合金中に存在する所定容積分率の金属酸化物粒子の
総和によって、最終鋳造品において所望の機械的特性が達成される。その組成が
亜共晶組成である場合、このような結晶は、低い容積分率でしか形成されず、こ
のため、そのような容積分率の金属間粒子は、所定容積分率の金属酸化物強化材
と一緒になっても、所望の機械的特性を達成するのに不十分な量である。
非-亜共晶組成、すなわち共晶または過共晶組成となるように、選択される。こ のような好適な組成によって、高い容積分率の金属間粒子が、冷却の間の液相か
らの結晶化後に得ることができる。結晶化によって形成された所定容積分率の金
属間粒子＋溶融マトリックス合金中に存在する所定容積分率の金属酸化物粒子の
総和によって、最終鋳造品において所望の機械的特性が達成される。その組成が
亜共晶組成である場合、このような結晶は、低い容積分率でしか形成されず、こ
のため、そのような容積分率の金属間粒子は、所定容積分率の金属酸化物強化材
と一緒になっても、所望の機械的特性を達成するのに不十分な量である。
【００２４】 マトリックス合金は、その後に溶融される。このため、マトリックス合金は、
溶融可能ないずれの形態にも、形成でき、例えば、銑鉄用インゴット、鋳物用イ
ンゴット、金属片などに形成することができる。マトリックス合金は、その全部
または一部を予備合金化してもよいし（これが、好適な態様である）、また、以
下に記載の鋳造操作の間に合金化してもよい。
溶融可能ないずれの形態にも、形成でき、例えば、銑鉄用インゴット、鋳物用イ
ンゴット、金属片などに形成することができる。マトリックス合金は、その全部
または一部を予備合金化してもよいし（これが、好適な態様である）、また、以
下に記載の鋳造操作の間に合金化してもよい。
【００２５】 図1に記載の鋳造法に戻って説明すると、金属酸化物強化材の供給源、好適に は粒子形態の金属酸化物強化材の供給源（参照番号22）を準備する。金属酸化物
は、好適にはアルミニウム酸化物であるが、他の金属酸化物、例えばマグネシウ
ム酸化物およびアルミニウム-マグネシウムスピネルも使用することができる。 金属酸化物粒子は、好適には等軸結晶系またはアスペクト比が約1〜約3の結晶系
である。金属酸化物粒子は、好適には、短繊維またはチョップトホイスカーに近
似させるように、過剰には細長くはない。なぜなら、過剰に細長い粒子は、鋳造
するのがより困難だからである。金属酸化物粒子は、好適には最大寸法約5〜約4
0μmを有する。約5μmよりも小さい粒径の粒子は、高粘度の混合物を形成し、そ
の鋳造が困難になる。約40μmよりも大きい粒径の粒子は、固化前に、溶融混合 物から沈殿して、不均一な分布となり、また最終鋳造品の機械加工性に対し、悪
影響を及ぼす。しかしながら、場合により、より長いか、より大きいかまたはよ
り小さい粒子も使用することができる。
は、好適にはアルミニウム酸化物であるが、他の金属酸化物、例えばマグネシウ
ム酸化物およびアルミニウム-マグネシウムスピネルも使用することができる。 金属酸化物粒子は、好適には等軸結晶系またはアスペクト比が約1〜約3の結晶系
である。金属酸化物粒子は、好適には、短繊維またはチョップトホイスカーに近
似させるように、過剰には細長くはない。なぜなら、過剰に細長い粒子は、鋳造
するのがより困難だからである。金属酸化物粒子は、好適には最大寸法約5〜約4
0μmを有する。約5μmよりも小さい粒径の粒子は、高粘度の混合物を形成し、そ
の鋳造が困難になる。約40μmよりも大きい粒径の粒子は、固化前に、溶融混合 物から沈殿して、不均一な分布となり、また最終鋳造品の機械加工性に対し、悪
影響を及ぼす。しかしながら、場合により、より長いか、より大きいかまたはよ
り小さい粒子も使用することができる。
【００２６】 金属酸化物粒子は、マトリックス合金に混合した際に、マトリックス合金およ
び金属酸化物粒子の合計量に基づき、約5〜約25容量％を構成するような量で、 準備される。下限値よりも小さい容積分率の金属酸化物粒子であれば、鋳造品の
最終特性に関し、何ら実際的な利益が得られない。上限値よりも大きい容積分率
の金属酸化物粒子であれば、以下に記載のような良好な鋳造特性を示さない溶融
混合物が得られる。
び金属酸化物粒子の合計量に基づき、約5〜約25容量％を構成するような量で、 準備される。下限値よりも小さい容積分率の金属酸化物粒子であれば、鋳造品の
最終特性に関し、何ら実際的な利益が得られない。上限値よりも大きい容積分率
の金属酸化物粒子であれば、以下に記載のような良好な鋳造特性を示さない溶融
混合物が得られる。
【００２７】 マトリックス合金および金属酸化物強化材は、一緒に混合して均一な溶融物（
この溶融物には何ら付加的に添加する必要がない）を形成し（工程24）、この溶
融物を、マトリックス合金の液相線温度よりも高い鋳造温度に加熱する（工程26
）。マトリックス合金および金属酸化物粒子は、混合すること（例えば、マトリ
ックス合金を溶融して、金属酸化物粒子中に徐々に添加し、撹拌すること）によ
って完全に合することができる。これとは別の態様として、一部のマトリックス
合金材料を金属酸化物に圧縮、真空または反応性溶浸法（インフィルトレーショ
ン法）によって合して、前駆体を形成し、次いでこの前駆体を残りのマトリック
ス合金で希釈して、鋳造可能な組成を形成する。得られた混合物を、「溶融混合
物」と呼んでいるが、マトリックス合金のみが溶融し、強化材粒子は、固体のま
まで、この溶融物全体に分散されている。混合工程24および加熱工程26は、任意
の順序で連続的または同時に実施することができる。すなわち、マトリックス合
金および粒子は、一緒に混合して次いで加熱するか、加熱して次いで一緒に混合
するか、またはマトリックス合金を加熱して次いで粒子をそこに添加することも
できる。
この溶融物には何ら付加的に添加する必要がない）を形成し（工程24）、この溶
融物を、マトリックス合金の液相線温度よりも高い鋳造温度に加熱する（工程26
）。マトリックス合金および金属酸化物粒子は、混合すること（例えば、マトリ
ックス合金を溶融して、金属酸化物粒子中に徐々に添加し、撹拌すること）によ
って完全に合することができる。これとは別の態様として、一部のマトリックス
合金材料を金属酸化物に圧縮、真空または反応性溶浸法（インフィルトレーショ
ン法）によって合して、前駆体を形成し、次いでこの前駆体を残りのマトリック
ス合金で希釈して、鋳造可能な組成を形成する。得られた混合物を、「溶融混合
物」と呼んでいるが、マトリックス合金のみが溶融し、強化材粒子は、固体のま
まで、この溶融物全体に分散されている。混合工程24および加熱工程26は、任意
の順序で連続的または同時に実施することができる。すなわち、マトリックス合
金および粒子は、一緒に混合して次いで加熱するか、加熱して次いで一緒に混合
するか、またはマトリックス合金を加熱して次いで粒子をそこに添加することも
できる。
【００２８】 混合工程24および加熱工程26は、通常、図2に示すような混合容器40によって 実施される。別の鋳型42（図1の工程28）を準備する。混合容器40は、頂部注入 型のルツボとして模式的に示されているが、他の操作可能なタイプの混合容器で
あれば、いずれでも使用でき、例えば、底部注入型の容器なども使用することが
できる。溶融処理、ろ過処理などのような溶融工程についての詳細は、この分野
で知られており、これら処理の全ては、本発明に適用することができる。 鋳型は、この分野で知られたいずれのタイプであってもよい。しかしながら、
一般に鋳型は、中空体であって、用いた鋳造法に応じて砂型または金型のいずれ
であってもよい。鋳型の内部は、鋳型キャビティと呼ばれ、製造される最終製品
の形態を規定するように形成されるか、または最終の機械加工に適用しうるよう
にほぼ最終の形態を規定するように形成される。したがって、内部形態は、最終
製品の特性に依存する。少なくとも鋳型の一部は、好適には絶縁されており、こ
れにより、溶融混合物は、鋳型内部を流動して最終配置に達するまでその温度を
液相線温度よりも高く維持することができ、この最終配置に達した時点で固化す
る。
あれば、いずれでも使用でき、例えば、底部注入型の容器なども使用することが
できる。溶融処理、ろ過処理などのような溶融工程についての詳細は、この分野
で知られており、これら処理の全ては、本発明に適用することができる。 鋳型は、この分野で知られたいずれのタイプであってもよい。しかしながら、
一般に鋳型は、中空体であって、用いた鋳造法に応じて砂型または金型のいずれ
であってもよい。鋳型の内部は、鋳型キャビティと呼ばれ、製造される最終製品
の形態を規定するように形成されるか、または最終の機械加工に適用しうるよう
にほぼ最終の形態を規定するように形成される。したがって、内部形態は、最終
製品の特性に依存する。少なくとも鋳型の一部は、好適には絶縁されており、こ
れにより、溶融混合物は、鋳型内部を流動して最終配置に達するまでその温度を
液相線温度よりも高く維持することができ、この最終配置に達した時点で固化す
る。
【００２９】 本発明にとって最も興味深い鋳造品は、図3に示すような鋳造ベント付ディス クブレーキローター50であって、これは、一連の薄板部材53によって相互に間隔
をおいた２つのプレート51,52を有し、プレート51,52および横方向に隣接する部
材53によって形成される空気通路54を形成する。空気通路54によって、ブレーキ
間にブレーキディスクに送風してブレーキディスクを冷却する。ブレーキの作用
は、キャリパー／ブレーキパッド55によって得られ、このキャリパー／ブレーキ
パッド55は、２つのプレート51,52の外面に対し作用する。また取付ハブ56も設 けられる。取付ハブ56、プレート51,52、および薄板部材53は、単一品として鋳 造される一体的なユニットを形成する。代表的には、自動車使用者による自動車
の用途については、ディスクブレーキローター50は、直径約250〜350 mmである 。このような代表的なローター50によれば、約40個の薄板部材53が設けられ、こ
れら部材53は、各々、約5 mmの厚みを有して、２つのプレート51,52の間を分離 させている。
をおいた２つのプレート51,52を有し、プレート51,52および横方向に隣接する部
材53によって形成される空気通路54を形成する。空気通路54によって、ブレーキ
間にブレーキディスクに送風してブレーキディスクを冷却する。ブレーキの作用
は、キャリパー／ブレーキパッド55によって得られ、このキャリパー／ブレーキ
パッド55は、２つのプレート51,52の外面に対し作用する。また取付ハブ56も設 けられる。取付ハブ56、プレート51,52、および薄板部材53は、単一品として鋳 造される一体的なユニットを形成する。代表的には、自動車使用者による自動車
の用途については、ディスクブレーキローター50は、直径約250〜350 mmである 。このような代表的なローター50によれば、約40個の薄板部材53が設けられ、こ
れら部材53は、各々、約5 mmの厚みを有して、２つのプレート51,52の間を分離 させている。
【００３０】 鋳型42の具体的な設計は、鋳造される各製品についてこの分野で知られており
、鋳型の設計は、本発明の一部を構成するものではない。図4は、代表的な鋳型4
2を示し、この鋳型42は、本発明に従い好適なベント付ディスクブレーキロータ ー50を形成するのに適している。図4に示した鋳型42は、重力ダイカスト法に使 用される砂型である。鋳型42は、結合砂によって形成される上型70および下型71
を備え、これらの型は、一緒になって鋳型キャビティを形成する。また砂型コア
ー72が設けられ、これは、鋳型キャビティ内に取り付けられ、上型70および下型
71と共働して、鋳造品の形態を規定する。砂型コアー72は、セクション73を備え
、このセクション73は、外方に延在して、図3のローターにおける２つプレート 部材およびこれらのプレートを分離するための薄板部材53の形態を規定する。コ
アー72の中心において、側壁を絶縁した充填用湯口66は、その低端部にフィルタ
ーを載置する。絶縁体68の層は、湯口66の真下に配置し、これにより、溶融混合
物が湯口66内を通過する際に、さらに、溶融混合物から絶縁している。絶縁体67
,68は、鋳造の間、溶融混合物が鋳型通路を通過して最終の位置に達するまで溶 融混合物の温度をマトリックス合金の液相線温度以上の温度に保持するのに役立
つ。その結果、時期尚早の固化は起こらない。 鋳造品は、溶融複合材料を、絶縁注入用湯だまり（図示せず）から湯口66に注
入し、ここから、フィルター74内を通過させて、セクション75（これは、最終ブ
レーキの取付プレートを形成する）に流動させると、溶融複合材料は、鋳造品の
２つのプレートのうち、一方の76内に流動し、次いで約40個の薄板セクション77
を介して、２つのプレートの他方78を充填する。ベント付ローター50に採用され
るような複雑な鋳造品の鋳型は、溶融複合材料を均一かつ完全に充填する必要が
あるような、薄板セクション77の存在を特徴とする。溶融混合物は、フィルター
74から、これらの薄板セクションを介し流動して、別のプレートセクション78を
充填する必要があり、これにより、湯道が充填され、最終の鋳造品が完全な状態
になる。
、鋳型の設計は、本発明の一部を構成するものではない。図4は、代表的な鋳型4
2を示し、この鋳型42は、本発明に従い好適なベント付ディスクブレーキロータ ー50を形成するのに適している。図4に示した鋳型42は、重力ダイカスト法に使 用される砂型である。鋳型42は、結合砂によって形成される上型70および下型71
を備え、これらの型は、一緒になって鋳型キャビティを形成する。また砂型コア
ー72が設けられ、これは、鋳型キャビティ内に取り付けられ、上型70および下型
71と共働して、鋳造品の形態を規定する。砂型コアー72は、セクション73を備え
、このセクション73は、外方に延在して、図3のローターにおける２つプレート 部材およびこれらのプレートを分離するための薄板部材53の形態を規定する。コ
アー72の中心において、側壁を絶縁した充填用湯口66は、その低端部にフィルタ
ーを載置する。絶縁体68の層は、湯口66の真下に配置し、これにより、溶融混合
物が湯口66内を通過する際に、さらに、溶融混合物から絶縁している。絶縁体67
,68は、鋳造の間、溶融混合物が鋳型通路を通過して最終の位置に達するまで溶 融混合物の温度をマトリックス合金の液相線温度以上の温度に保持するのに役立
つ。その結果、時期尚早の固化は起こらない。 鋳造品は、溶融複合材料を、絶縁注入用湯だまり（図示せず）から湯口66に注
入し、ここから、フィルター74内を通過させて、セクション75（これは、最終ブ
レーキの取付プレートを形成する）に流動させると、溶融複合材料は、鋳造品の
２つのプレートのうち、一方の76内に流動し、次いで約40個の薄板セクション77
を介して、２つのプレートの他方78を充填する。ベント付ローター50に採用され
るような複雑な鋳造品の鋳型は、溶融複合材料を均一かつ完全に充填する必要が
あるような、薄板セクション77の存在を特徴とする。溶融混合物は、フィルター
74から、これらの薄板セクションを介し流動して、別のプレートセクション78を
充填する必要があり、これにより、湯道が充填され、最終の鋳造品が完全な状態
になる。
【００３１】 このクロスセクションに関する長い湯道への充填は、金属酸化物強化材粒子が
、金属マトリックスと強化材粒子との合計量の20〜25容量％よりも高い容積分率
で存在するような、従来技術での金属マトリックス複合材料の鋳造にとって、重
大な問題となる。金属酸化物粒子を高い容積分率で存在させると、マトリックス
合金と粒子の溶融混合物は、マトリックス合金の固化開始前に長い湯道78の全長
に沿って混合物が流動できなくなる程度まで、その粘度が増加する傾向（即ち流
動性が低下する傾向）を示す。このような固化が起こると、溶融混合物は、流動
したとしても、非常に遅い速度でしか流動することができず、さらに、湯道およ
び鋳型は、適切に充填されない。その結果、不完全で満足のゆかない最終鋳造品
が形成される。
、金属マトリックスと強化材粒子との合計量の20〜25容量％よりも高い容積分率
で存在するような、従来技術での金属マトリックス複合材料の鋳造にとって、重
大な問題となる。金属酸化物粒子を高い容積分率で存在させると、マトリックス
合金と粒子の溶融混合物は、マトリックス合金の固化開始前に長い湯道78の全長
に沿って混合物が流動できなくなる程度まで、その粘度が増加する傾向（即ち流
動性が低下する傾向）を示す。このような固化が起こると、溶融混合物は、流動
したとしても、非常に遅い速度でしか流動することができず、さらに、湯道およ
び鋳型は、適切に充填されない。その結果、不完全で満足のゆかない最終鋳造品
が形成される。
【００３２】 高い容積分率の粒子は、ベント付ディスクブレーキローターのようなある種の
用途にとって、満足のゆく機械的特性を達成するために必要である。鋳造金属酸
化物粒子の実用上の最大割合を約20〜25容量％に制限すると、アルミニウムマト
リックス／金属酸化物粒子複合材料は、このような用途での使用上の問題発生が
防止される。高い容積分率の金属酸化物粒子を使用することによって、この問題
を解決するため、多くの試みがなされ、例えば、特殊なマトリックス合金を選択
したり、特殊なタイプの金属酸化物粒子を選択したりするなどの試みがなされて
きたが、これまで、成功に至ったものは、全くない。 多数の目的のため、全てのタイプの強化材粒子を同様に処理したが、これらの
強化材粒子は、その鋳造適性について同じではない。例えば、炭化ケイ素強化材
粒子を含む金属-マトリックス複合材料は、種々の理由からこの問題が起こる傾 向がやや小さく、約30容量％までの量で含む複合材料でも、鋳造することができ
る。すなわち、金属酸化物粒子、例えば好適なアルミニウム酸化物粒子は、その
鋳造過程において、他のタイプの強化材粒子とは、異なった挙動を示す。
用途にとって、満足のゆく機械的特性を達成するために必要である。鋳造金属酸
化物粒子の実用上の最大割合を約20〜25容量％に制限すると、アルミニウムマト
リックス／金属酸化物粒子複合材料は、このような用途での使用上の問題発生が
防止される。高い容積分率の金属酸化物粒子を使用することによって、この問題
を解決するため、多くの試みがなされ、例えば、特殊なマトリックス合金を選択
したり、特殊なタイプの金属酸化物粒子を選択したりするなどの試みがなされて
きたが、これまで、成功に至ったものは、全くない。 多数の目的のため、全てのタイプの強化材粒子を同様に処理したが、これらの
強化材粒子は、その鋳造適性について同じではない。例えば、炭化ケイ素強化材
粒子を含む金属-マトリックス複合材料は、種々の理由からこの問題が起こる傾 向がやや小さく、約30容量％までの量で含む複合材料でも、鋳造することができ
る。すなわち、金属酸化物粒子、例えば好適なアルミニウム酸化物粒子は、その
鋳造過程において、他のタイプの強化材粒子とは、異なった挙動を示す。
【００３３】 本発明の方法によれば、工程26の加熱溶融混合物は、工程28で準備した鋳型42
に移動させる（図1の工程30参照）。この移動は、通常「鋳造」と呼んでいる。 均一な溶融混合物は、混合容器40によって形成し、鋳型42に移す。
に移動させる（図1の工程30参照）。この移動は、通常「鋳造」と呼んでいる。 均一な溶融混合物は、混合容器40によって形成し、鋳型42に移す。
【００３４】 図5は、混合容器42中、鋳型42への移動過程および鋳型42の通路内での流動過 程における、溶融混合物80の特性を示す。溶融混合物80は、溶融金属マトリック
ス合金84全体に分散された固体強化材粒子82を含んでなる。固体金属酸化物強化
材粒子は、溶融混合物全量の約5〜約25容量％の量で存在する。この溶融混合物 は、複雑な形状を有する鋳型内に容易に注入でき、これにより、鋳型内への完全
な充填を達成することができる。
ス合金84全体に分散された固体強化材粒子82を含んでなる。固体金属酸化物強化
材粒子は、溶融混合物全量の約5〜約25容量％の量で存在する。この溶融混合物 は、複雑な形状を有する鋳型内に容易に注入でき、これにより、鋳型内への完全
な充填を達成することができる。
【００３５】 溶融混合物の移動工程30の後、溶融混合物は、鋳型内を通過して、その所望の
最終位置に流動し、溶融マトリックス合金は、均一に固化する（図1の工程32） 。図6は、固化後の固化混合物86の微細構造を示し、これは、図5に示した固化前
の微細構造と比較することができる。固化の後、固化混合物86の微細構造は、マ
トリックス合金84全体に分布した金属酸化物粒子82を含み、この金属酸化物粒子
82は、この時点で固体である。さらに、マトリックス合金の固化の間に結晶化し
た、金属間粒子88がマトリックス合金84中に存在する。このような金属間粒子88
は、マトリックス合金の全体に均一に分布させるか、または粒界のようなマトリ
ックス合金の特定の位置に優先的に配置させることができる。
最終位置に流動し、溶融マトリックス合金は、均一に固化する（図1の工程32） 。図6は、固化後の固化混合物86の微細構造を示し、これは、図5に示した固化前
の微細構造と比較することができる。固化の後、固化混合物86の微細構造は、マ
トリックス合金84全体に分布した金属酸化物粒子82を含み、この金属酸化物粒子
82は、この時点で固体である。さらに、マトリックス合金の固化の間に結晶化し
た、金属間粒子88がマトリックス合金84中に存在する。このような金属間粒子88
は、マトリックス合金の全体に均一に分布させるか、または粒界のようなマトリ
ックス合金の特定の位置に優先的に配置させることができる。
【００３６】 金属間粒子88は、代表的には、金属酸化物粒子82に比し、その形態および寸法
がやや規則的ではないが、ローター30のような鋳造品の構造材料である、固化混
合物86の機械的特性に寄与することができる。金属間粒子の組成は、溶融マトリ
ックス合金の出発組成に従い、変化する。金属間粒子のある種の例には、Fe（Mn
）Al6、FeAl3およびNiAl3、並びにこれらの種々の化学量論的化合物が包含され る。 金属間粒子88が占める固化混合物86の容積分率は、出発溶融マトリックス合金
の組成に依存し、最終の鋳造品に必要な機械的特性に従い選択することができる
。代表的には、金属間粒子88の容積分率は、約5〜約20容量％である。金属酸化 物粒子および金属間粒子が占める、固化混合物86の合計容積分率は、約10〜約40
容量％、好適には約25〜約40容量％である。
がやや規則的ではないが、ローター30のような鋳造品の構造材料である、固化混
合物86の機械的特性に寄与することができる。金属間粒子の組成は、溶融マトリ
ックス合金の出発組成に従い、変化する。金属間粒子のある種の例には、Fe（Mn
）Al6、FeAl3およびNiAl3、並びにこれらの種々の化学量論的化合物が包含され る。 金属間粒子88が占める固化混合物86の容積分率は、出発溶融マトリックス合金
の組成に依存し、最終の鋳造品に必要な機械的特性に従い選択することができる
。代表的には、金属間粒子88の容積分率は、約5〜約20容量％である。金属酸化 物粒子および金属間粒子が占める、固化混合物86の合計容積分率は、約10〜約40
容量％、好適には約25〜約40容量％である。
【００３７】 本発明は、前記した工程を用いて実施し、機械的特性の測定を行った。製造し
て試験した具体的な混合物には、次のような組成（割合は重量％）の合金が包含
される。 （合金1）：0.8％のマグネシウム、0.6％のケイ素、0.25％の銅、0.2％のクロム
、2.0％の鉄、2.5％のマンガン、2.0％のニッケル、残部アルミニウムおよび不 純物＋15容量％のアルミニウム酸化物強化材粒子 （合金2）：2.0％のマグネシウム、残部アルミニウムおよび不純物＋20容量％の
アルミニウム酸化物強化材粒子、および （合金3）：8.5〜9.5％のケイ素、0.45〜0.65％のマグネシウム、残部アルミニ ウムおよび不純物＋30容量％の炭化ケイ素強化材粒子
て試験した具体的な混合物には、次のような組成（割合は重量％）の合金が包含
される。 （合金1）：0.8％のマグネシウム、0.6％のケイ素、0.25％の銅、0.2％のクロム
、2.0％の鉄、2.5％のマンガン、2.0％のニッケル、残部アルミニウムおよび不 純物＋15容量％のアルミニウム酸化物強化材粒子 （合金2）：2.0％のマグネシウム、残部アルミニウムおよび不純物＋20容量％の
アルミニウム酸化物強化材粒子、および （合金3）：8.5〜9.5％のケイ素、0.45〜0.65％のマグネシウム、残部アルミニ ウムおよび不純物＋30容量％の炭化ケイ素強化材粒子
【００３８】 図7は、以上の鋳造複合材料について、圧縮降伏応力の機械的特性試験の結果 を温度の関数として示す。本発明の合金1は、合金2よりも優れた圧縮降伏応力性
能が得られた。合金2は、合金1と同様であるが、金属間粒子形成用の合金元素が
少なく、より高い容積分率の金属酸化物粒子を含む。合金1の圧縮降伏応力性能 は、合金3よりも優れていた。合金3は、30容量％の金属酸化物粒子として炭化ケ
イ素強化材を含む。
能が得られた。合金2は、合金1と同様であるが、金属間粒子形成用の合金元素が
少なく、より高い容積分率の金属酸化物粒子を含む。合金1の圧縮降伏応力性能 は、合金3よりも優れていた。合金3は、30容量％の金属酸化物粒子として炭化ケ
イ素強化材を含む。
【００３９】 図3と同様な、原寸のベント付ディスクブレーキローターを、図4と同様な砂型
によって鋳造した。このローターは、直径281 mmおよび重量約4.5 kgを有する。
フィンの厚みは、5.0 mmである。溶融混合物の注入温度は、約750℃であって、 溶融混合物が700℃まで冷却される時点までに、鋳型内に充填しうるように、注 意を払った。用いた合金は、前記した合金1および次のような組成（重量％）の 合金4である。 （合金4）：0.8％のマグネシウム、0.6％のケイ素、0.25％の銅、0.2％のクロム
、2％の鉄、2.5％のマンガン、残部アルミニウムおよび不純物＋15容量％のアル
ミニウム酸化物強化材粒子 この場合、鋳型は、完全に満たされ、鋳造ローターは、完全な状態で形成された
。
によって鋳造した。このローターは、直径281 mmおよび重量約4.5 kgを有する。
フィンの厚みは、5.0 mmである。溶融混合物の注入温度は、約750℃であって、 溶融混合物が700℃まで冷却される時点までに、鋳型内に充填しうるように、注 意を払った。用いた合金は、前記した合金1および次のような組成（重量％）の 合金4である。 （合金4）：0.8％のマグネシウム、0.6％のケイ素、0.25％の銅、0.2％のクロム
、2％の鉄、2.5％のマンガン、残部アルミニウムおよび不純物＋15容量％のアル
ミニウム酸化物強化材粒子 この場合、鋳型は、完全に満たされ、鋳造ローターは、完全な状態で形成された
。
【００４０】 以上、本発明の特定の具体例を用いて本発明を詳しく説明したが、種々の変形
例および改良例も、本発明の精神および技術的範囲を逸脱しない限り、なすこと
ができる。したがって、本発明は、特許請求の範囲の記載事項を除き、いずれに
も制限されない。
例および改良例も、本発明の精神および技術的範囲を逸脱しない限り、なすこと
ができる。したがって、本発明は、特許請求の範囲の記載事項を除き、いずれに
も制限されない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｓ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 イルジューン・ジン カナダ、ケイ７エム・５ビー１、オンタリ オ、キングストン、サセックス・ブールバ ード696番 (72)発明者 デイビッド・ジェイムズ・ロイド カナダ、ケイ０エイチ・１ジー０、オンタ リオ、バス、ルーラル・ルート・ナンバー ３番、ニコルソンズ・ポイント106 Ｆターム(参考） 4K020 AA22 AC01 BB26
Claims (27)
- 【請求項１】 金属合金製のマトリックス84を有し、かつこのマトリックス
84全体に分散された複数の金属酸化物粒子82を含む金属マトリックス複合材料で
あって、この金属酸化物粒子82が、マトリックスおよび粒子の合計容量を基準に
、約5容量％を超える量であって約25容量％以下の量で存在するような金属マト リックス複合材料において、 上記金属合金は、マグネシウム約0.3〜約2.5重量％と、鉄約0.8〜約2.5重量％
、マンガン約1.0〜約2.5重量％およびそれらの組み合わせからなる群から選ばれ
る合金元素と、残部アルミニウムと、所望により少なくとも１つの付加的な合金
元素と、不純物とを含む ことを特徴とする複合材料。 - 【請求項２】 マトリックス84は、このマトリックス84の固化後にのみ形成
される金属間析出物88を有する請求項1記載の複合材料。 - 【請求項３】 金属間析出物88および金属酸化物粒子は、合計で、マトリッ
クス84および粒子82の合計容量を基準に、25容量％を超える量で存在する請求項
2記載の複合材料。 - 【請求項４】 マトリックス84は、約1.2重量％よりも少ない量のケイ素を 含んでなる請求項1〜3のいずれかに記載の複合材料。
- 【請求項５】 マトリックス84は、約0.5重量％よりも少ない量の銅を含ん でなる請求項1〜4のいずれかに記載の複合材料。
- 【請求項６】 マトリックス84は、約0.5重量％よりも少ない量の亜鉛を含 んでなる請求項1〜5のいずれかに記載の複合材料。
- 【請求項７】 マトリックス84は、非-亜共晶組成を含んでなる請求項1〜6 のいずれかに記載の複合材料。
- 【請求項８】 マトリックス84は、約0.8〜4.0重量％のニッケルをさらに含
んでなる請求項1〜8のいずれかに記載の複合材料。 - 【請求項９】 マトリックス84は、前記した少なくとも１つの付加的な合金
元素として、0％を超える量で約0.3％以下のバナジウム、0％を超える量で約0.2
％以下のチタン、0％を超える量で約1.7％以下のコバルト、0％を超える量で約0
.45％以下のクロムまたはそれらの組み合わせを含む請求項1〜9のいずれかに記 載の複合材料。 - 【請求項１０】 マトリックス84は、約1％のマグネシウム、0.6％以下のケ
イ素、約0.25％以下の銅、約0.2％以下のクロム、約2％の鉄、約2％マンガン、 約2％のニッケル、残部アルミニウムおよび不可避的不純物を含んでなる請求項1
〜9のいずれかに記載の複合材料。 - 【請求項１１】 マトリックス84は、約1％のマグネシウム、0.6％以下のケ
イ素、約0.25％以下の銅、約0.2％以下のクロム、約2％の鉄、約2.5％のマンガ ン、残部アルミニウムおよび不可避的不純物を含んでなる請求項1〜9のいずれか
に記載の複合材料。 - 【請求項１２】 複合材料84は、実質的に炭化ケイ素を何ら含んでいない請
求項1〜11のいずれかに記載の複合材料。 - 【請求項１３】 金属酸化物粒子82は、酸化アルミニウム粒子を含んでなる
請求項1〜12のいずれかに記載の複合材料。 - 【請求項１４】 鋳型42を準備する工程28、 第１容器40によって、溶融金属合金84と、固体強化材としての複数の固体金属
酸化物粒子82（この粒子は、マトリックスおよび粒子の合計容量を基準に、約5 容量％を超える量であって約25容量％以下の量で存在する）との実質的に均一な
混合物を形成する工程24、 第１容器40から、上記混合物を鋳型42内に移動させる工程30、および 移動させた混合物を、鋳型42によって固化する工程32を含んでなる、鋳造品を
製造する方法において、 上記溶融金属合金84は、マグネシウム約0.3〜約2.5重量％と、鉄約0.8〜約2.5
重量％、マンガン約1.0〜約2.5重量％およびそれらの組み合わせからなる群から
選ばれる合金元素と、残部アルミニウムと、所望により少なくとも１つの付加的
な合金元素と、不純物とを含む ことを特徴とする方法。 - 【請求項１５】 前記鋳造工程30は、溶融合金を、その鋳型42への導入に際
し少なくとも約750℃の温度で維持することを含んでなる請求項14記載の方法。 - 【請求項１６】 前記準備工程28は、ブレーキローター50の形態を規定する
鋳型を、準備することを含んでなる請求項14または15記載の方法。 - 【請求項１７】 前記準備工程28は、ベント付ブレーキローター50の形態を
規定する鋳型を、準備することを含んでなる請求項14、15または16記載の方法。 - 【請求項１８】 前記固化工程32は、マトリックス中の金属間相を、金属間
相および金属酸化物相の合計容積分率が混合物の約25容量％を超える値になるよ
うに、結晶化させることを含んでなる請求項14〜17のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１９】 鋳造アルミニウム合金マトリックス84を有し、かつこのマ
トリックス84全体に分散された複数の金属酸化物粒子82を含む金属マトリックス
複合鋳造品であって、この金属酸化物粒子82が、マトリックスおよび粒子の合計
容量を基準に、約5容量％を超える量であって約25容量％以下の量で存在するよ うな金属マトリックス複合鋳造品において、 上記マトリックス84は、マグネシウム約0.3〜約2.5重量％と、鉄約0.8〜約2.5
重量％、マンガン約1.0〜約2.5重量％およびそれらの組み合わせからなる群から
選ばれる合金元素と、残部アルミニウムと、所望により他の合金元素と、不純物
とを含むような組成を有し、 上記マトリックス84は、鋳造アルミニウム合金中に形成された金属間粒子88を
含む ことを特徴とする鋳造品。 - 【請求項２０】 少なくとも約630℃の固相線温度を有する鋳造アルミニウ ム合金のマトリックス84を有し、かつこのマトリックス84全体に分散された複数
の金属酸化物粒子82を含む金属マトリックス複合鋳造品であって、この金属酸化
物粒子82が、マトリックスおよび粒子の合計容量を基準に、約5容量％を超える 量であって約25容量％以下の量で存在するような金属マトリックス複合鋳造品に
おいて、 鋳造アルミニウム合金は、金属間粒子88を含む ことを特徴とする鋳造品。 - 【請求項２１】 金属間粒子88は、金属酸化物粒子82および金属間粒子88の
合計量が、マトリックス84および金属酸化物粒子82の合計容量を基準に、少なく
とも25容量％となるような量で存在する請求項20記載の鋳造品。 - 【請求項２２】 アルミニウム合金は、約750℃よりも低い液相線温度を有 する請求項20または21記載の鋳造品。
- 【請求項２３】 鋳造品は、ブレーキローター50である請求項20、21または
22記載の鋳造品。 - 【請求項２４】 鋳造品は、ベント付ブレーキローター50である請求項20〜
23のいずれかに記載の鋳造品。 - 【請求項２５】 鋳造アルミニウム合金マトリックス84およびこのマトリッ
クス84全体に分散された複数の金属酸化物粒子82から製造される金属マトリック
ス複合鋳造品としてのブレーキローターにおいて、 金属マトリックス84は、金属間粒子88を有し、 この金属間粒子88および金属酸化物粒子82は、合計で、マトリックスおよび粒
子の合計容量を基準に、約5容量％を超える量であって約40容量％以下の量で存 在する ことを特徴とするブレーキローター。 - 【請求項２６】 鋳型42を準備する工程28、 第１容器40によって、溶融金属合金84と、この溶融金属合金84中に分散された
複数の固体金属酸化物粒子82（この粒子は、得られる溶融混合物を基準に、約5 〜約25容量％の量で存在する）との実質的に均一な溶融混合物を形成する工程24
,26、 第１容器40から、溶融混合物を鋳型42内に移動させる工程30、および 移動した溶融混合物を鋳型42によって固化して、固化混合物86を鋳造品として
製造する工程32を含んでなる、鋳造品を製造する方法において、 溶融混合物の形成に用いられる溶融合金は、固化による金属間相の結晶化に有
効である ことを特徴とする方法。 - 【請求項２７】 前記形成工程は、溶融合金を、金属間相および固体金属酸
化物粒子の合計量が固化混合物の約25〜約40容量％となるのに十分な量での金属
間相の結晶化に有効な組成で、形成することを含んでなる請求項26記載の方法。
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