JP2007521968A - 金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
金属クラッド22は、延性を示す任意の金属または金属合金で構成してよい。ある実施形態において、金属クラッド22は、コアワイヤ26の材料成分(例えば、繊維およびマトリックス材料)と著しく化学反応しない金属合金をはじめとする延性金属材料から選択される。
本発明のMCCW20に用いるのに好適な金属マトリックス複合体物品26を作成するための連続繊維としては、金属酸化物(例えば、アルミナ)繊維、ホウ素繊維、窒化ホウ素繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維およびこれらの繊維の組み合わせのようなセラミック繊維が挙げられる。一般的に、酸化セラミック繊維は結晶セラミクスおよび/または結晶セラミックおよびガラスの混合物である(すなわち、繊維は、結晶セラミックとガラス相の両方を含有していてもよい)。通常、これは、繊維が少なくとも1×105(ある実施形態においては少なくとも1×106、または少なくとも1×107)のアスペクト比(すなわち、繊維の長さ対繊維の平均直径の比)を有することを意味している。通常、かかる繊維の長さは少なくとも約50メートルであるが、約数キロメートル以上の長さであってもよい。一般的に、連続強化繊維の平均繊維直径は少なくとも5マイクロメートルから略50マイクロメートル以下である。より一般的に、平均繊維直径は25マイクロメートル以下、最も一般的には8マイクロメートル〜20マイクロメートルである。
一般的に、金属マトリックス複合体ワイヤ26の金属マトリックスは、マトリックス材料が繊維材料と著しく化学的に反応せず(すなわち、繊維材料に対して比較的化学的に不活性である)、例えば、繊維外部に保護コーティングを与える必要性を排除するように選択する。マトリックス材料に選択した金属は、クラッド22と同じ材料である必要はないが、クラッド22とは著しく化学的に反応してはならない。金属マトリックス材料としては、アルミニウム、亜鉛、錫、マグネシウム、およびそれらの合金(例えば、アルミニウムと銅の合金)が例示される。ある実施形態において、マトリックス材料はアルミニウムとその合金を含むのが望ましい。
一般的に、連続コアワイヤ26は、例えば、連続金属マトリックス浸透プロセスにより作成することができる。ある好適なプロセスは、例えば、米国特許第6,485,796号明細書(カーペンター(Carpenter)ら)に記載されている。
本発明のクラッディング方法は、未クラッディングワイヤ26に比べて改善された特性を示す例証の金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤ20を製造するものである。略円形の断面形状を備えたコアワイヤ26については、得られたワイヤの断面形状は一般的に完全な円ではない。本発明のクラッディング方法は、不規則形のコアワイヤ26を補って、比較的円形の金属クラッディングされた製品(すなわち、MCCW20)を作成する。クラッド22の厚さtを変えると、コアワイヤ26の形状の不一致が補われ、この方法によりコアワイヤ26が中心となることにより、MCCW20の直径や真円度のような仕様や耐性が改善される。ある実施形態において、本発明による略円形の断面形状を備えたMCCW20の平均直径は、少なくとも1mm、少なくとも1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、更には3.5mmである。
本発明に従って作成した金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤは、オーバーヘッド電力伝送ケーブルをはじめとする様々な用途に用いることができる。
ワイヤ引張り強さ
実質的にASTM E345−93に記載された通りにして、データ取得システム(マサチューセッツ州カントンのインストロンコープ(Instron Corp.,Canton,MA)より「インストロン(INSTRON)」型番8000−074という商品名で入手)により駆動されたメカニカルアラインメント固定具(インストロンコープ(Instron Corp.)より「インストロン(INSTRON)」型番8000−072という商品名で入手)を備えた引張り試験機(インストロンコープ(Instron Corp.,)より「インストロン(INSTRON)」型番8562試験機(Tester)という商品名で入手)を用いて、MCCW20の引張り特性を求めた。
引張り試験機(マサチューセッツ州カントンのインストロンコープ(Instron Corp.,Canton,MA)より「インストロン(INSTRON)4201」という商品名で市販)およびASTM D3379−75(高モジュラス単一フィラメント材料の引張り強度およびヤング率の標準試験方法(Standard Test Methods for Tensile Strength and Young’s Modulus for High Modulus Single−Filament Materials))に記載された試験を用いて繊維強度を測定した。試料ゲージ長さは25.4mm(1インチ)であり、歪み速度は0.02mm/mmであった。繊維トウの引張り強度を確かめるために、10本の単一繊維フィラメントを繊維のトウから不規則に選択し、各フィラメントを試験してその破断荷重を求めた。
1995年発行のASTM E−228に従ってCTEを測定した。(5.1cm)2インチのワイヤ長さを用いて膨張計(「ユニサーム(UNITHERM)1091」という商品名で入手)で作業を行った。固定具を用いて、6.4mm(0.25インチ)の内径の開いた外径10.7mm(0.42インチ)のアルミニウムの2つのシリンダから構成される試料を保持した。試料を留めネジで各側に留めた。試料長さを各留めネジの中心から測定した。規格および技術学会(NIST)認定溶融シリカ較正参照試料(ワシントンDCのNIST(NIST,Washington,DC)より「溶融シリカ(Fused Silica)」という商品名で入手)により、各温度範囲について少なくとも2回の較正を実施した。試料を、実験室空気雰囲気中で、5℃の加熱傾斜速度で−75℃〜500℃の温度範囲にわたって試験した。試験からの出力は、加熱中50℃毎または冷却中10℃毎に集めた寸法膨張対温度の一組のデータであった。CTEは温度による膨張の変化率であるため、CTEについての値を得るためにデータを処理する必要がある。膨張対温度データを、図表ソフトウェアパッケージ(ワシントン州レッドモンドのマイクロソフト(Microsoft,Redmond,WA)より「エクセル(EXCEL)」という商品名で入手)を用いてプロットした。二次べき関数を、曲線のための等式を得るためにソフトウェアで利用可能な標準フィッティング関数を用いて、データに合わせた。この等式の偏差を計算して、一次関数を求めた。この等式は、温度による膨張の変化率を表していた。この等式を、当該の温度範囲、すなわち、−75〜500℃にわたってプロットして、CTE対温度のグラフで示した。等式を用いて、任意の温度での瞬間のCTEも得た。
ワイヤに沿って4点でマイクロメートルの読取りを行うことによりワイヤの直径を測定した。一般的に、ワイヤは完全な円ではないため、長い部分と短い部分があった。ワイヤを回転させて読取りを行って、長い部分と短い部分の両方を測定した。直径を、長い部分と短い部分の平均として記録した。
標準鋼質試験により繊維体積分率を測定した。ワイヤ断面を磨き、合衆国国立衛生研究所のリサーチサービス部門(Research Services Branch of the National Institutes of Health)により開発された公共画像処理プログラムであるNIH IMAGE(バージョン1.61)というコンピュータプログラムの助けにより密度プロファリフィング機能を用いて繊維体積分率を測定した。このソフトウェアは、ワイヤの代表的な領域の平均グレースケール強度を測定した。
ワイヤの断面形状がいかに円に近いかの尺度である真円度値は、指定した長さにわたる単一の真円度の平均より定義される。平均を計算するための単一真円度値は、回転レーザーマイクロメーター(ニューヨーク州マウントキスコのズムバッハエレクトロニクス社(Zumbach Electronics Corp.,Mount Kisco,NY)より「ODAC30J回転レーザーマイクロメーター(ROTATING LASER MICROMETER)」、ソフトウェア「USYS−100」、バージョンBARU13A3という商品名で入手)を用いて、マイクロメーターが180度の各回転中、100msec毎にワイヤ直径を記録するように設定して、次のようにして求めた。180度の各スイープは行うのに10秒かかった。マイクロメーターは、各180度回転からのデータの報告をプロセスデータベースへ送った。報告には、回転サイクル中に集めた100個のデータ点の最小、最大および平均が含まれていた。ワイヤ速度は1.5メートル/分(5フィート/分)であった。「単一真円度値」は、回転サイクル中に集めた100個のデータ点についての最小直径対最大直径の比であった。真円度値は、指定した長さにわたる測定された単一の真円度値の平均である。単一平均直径は、100個のデータ点の平均であった。
指定した長さにわたる測定された単一真円度値の変動係数である真円度均一性値は、測定された単一真円度値の平均で除算した測定された単一真円度値の標準偏差の比である。標準偏差は、次の等式に従って求めた。
指定した長さにわたる測定された単一平均直径の変動係数である直径均一性値は、測定された単一平均直径で除算した測定された単一平均直径の標準偏差の比により定義される。測定された単一平均直径は、真円度値について上述した通りにして得られた100個のデータ点の平均である。標準偏差は、等式(1)を用いて計算した。
アルミニウムマトリックス複合体ワイヤを、1500デニール「ネクステル(NEXTEL)610」アルミナセラミック繊維の34トウを用いて作成した。各トウは約420本の繊維を含んでいた。繊維は、実質的に断面が丸く、直径は平均で約11〜13マイクロメートルの範囲であった。繊維の平均引張り強度(上述した通りに測定)は、2.76〜3.58GPa(400〜520ksi)であった。個々の繊維の強度は2.06〜4.82GPa(300〜700ksi)であった。繊維(多数のトウの形態にある)を、溶融物の表面を通してアルミニウムの溶融浴へ供給し、2グラファイトローラ下の水平面に通過させ、溶融物の表面を通して45度で溶融物から戻し、ダイ本体を配置して、テークアップスプール上とした(例えば、米国特許第6,336,495号明細書(マックロウ(McCullough)ら、図1に記載されている)。アルミニウム(>99.5%、ニューヨーク州ニューヨークのベルモントメタルズ(Belmont Metals,New York,NY)製アルミニウム)を、24.1cm×31.3cm×31.8cm(9.5”×12.5”×12.5”)の寸法のアルミナるつぼ(ペンシルバニア州ビーバーフォールズのベスビウスマックダニエル(Vesuvius McDaniel,Beaver Falls,Pa)より入手)で溶融した。溶融アルミニウムの温度は約720℃であった。95%ニオブと5%モリブデンの合金(ペンシルバニア州ラージのPMTI社(PMTI Inc.,Large,PA)より入手)から、長さ12.7cm(5インチ)×直径2.5cm(1インチ)のシリンダを作成した。シリンダを、20.06〜20.4kHzの振動周波数まで所望の振動に調整することにより(すなわち、長さを変えることにより調整)、超音波ホーンアクチュエータとして用いた。アクチュエータの振幅は0.002cm(0.0008インチ)より大きかった。アクチュエータの先端を、ローラ間の繊維と平行に導入し、それらの距離は<2.54mm(<0.1インチ)となるようにした。アクチュエータをチタン導波管に接続し、これを超音波トランスデューサに接続した。繊維をマトリックス材料に浸透させて、比較的均一な断面および直径のワイヤを形成した。このプロセスにより作成したワイヤの直径は2.06mm(0.081インチ)であった。
入口ガイドダイ38に挿入する前に、300℃(表面コア温度)までの電磁誘導加熱を用いてコアワイヤ26を加熱した以外は、実施例1に記載された通りにして実施例2を作成した。この結果、長さ304m(1000ft)およびクラッド壁厚さ0.70mm(0.03インチ)のクラッドワイヤ(MCCW20)が得られた。
上述したワイヤ引張り強度試験を用いて、直径2.05mm(0.081インチ)のAMCコアワイヤ26(実施例1に記載した通り作成)の張力破断を試験した。目視検査による試験後、破断の数を記録した。380mm(15インチ)またはこれより長いゲージ長さで、ワイヤに多数の破断が観察された。破断の数は、一般的に、635mm(25インチ)までのゲージ長さについて2〜4異なった。高速ビデオカメラ(ニューヨーク州ロチェスターのコダック(Kodak,Rochester,NY)より「コダック(KODAK)」という商品名で市販(コダック(Kodak)HRC1000、500フレーム/秒、試料から61cm(2フィート)に配置))を用いて、破断機構を記録した。ビデオは、各ワイヤにおける一連の破断示す。一次(第1)破断は自然の張力であり、続く破断(すなわち、二次破断)は全て、操作機構の1つとして、通常の圧縮バックリングを示した。他の破断表面のフラクトグラフィー(SEM)によればまた、圧縮マイクロバックリングが他の二次破断機構であったことが分かった。
0.7mm(0.03インチ)アルミニウムクラッド22でクラッディングされた直径2.05mm(0.081インチ)のAMCコアワイヤ26(実施例1に記載した通り)の張力破断を試験した。クラッドワイヤ(MCCW20)は、635mm(25インチ)ゲージ長さを有していた。クラッドワイヤは、一次張力破断後、二次破断を示さなかった(破断時荷重は平均で4900Nであった)。二次破断がないことは、破断ワイヤ(MCCW20)の長い部分を再び担持して、張力を再び試験することにより確認された(ゲージ長さは38.1cm(15インチ)より長かった)。再試験の際、クラッドワイヤ(MCCW20)は、やや大きな破断時荷重(約5000N)を示した。この結果は、隠れ二次破断部位がクラッドワイヤになかったことを示した。荷重変位はまた、図10のグラフに示すように、一次引張り破断が生じるときのアルミニウムクラッド22の役割を明らかに示していた。荷重の急激な降下は、ACW26の一次破断に付随するものであるが、荷重はゼロまで直ぐには降下しない。荷重のいくつかは、グラフの領域に矢印90で示されているように、急激な反跳を伸張し抑えるアルミニウムクラッド22により実施される。
曲げ保持試験は、変形後ワイヤにより保持された曲げ量を示すものである。曲げが保持されない場合には、ワイヤは完全に弾性である。ある量の曲げが保持される場合は、ワイヤまたはワイヤの少なくとも一部は塑性変形して曲げ形状を保持していた。曲げ保持試験は、一般的に、曲げ角度で実施され、試験するワイヤの破断強度より弱く押し付けるものである。
Claims (39)
- 互いに長手方向に配向され、セラミックまたは炭素の少なくとも一方を含む複数の実質的に連続した繊維を含む、少なくとも1つのトウと、
各トウが金属マトリックス中に配置された金属マトリックスと、
を具備する、外部表面を有する金属マトリックス複合体ワイヤをチャンバに通して移動させる工程と、
前記チャンバ内の温度を延性金属の融点より低く保ち、前記チャンバ内の圧力を前記延性金属を可塑化するのに十分なものとして、前記チャンバ内の前記金属マトリックス複合体ワイヤの前記外部表面に前記延性金属を付随させる工程と、
前記金属マトリックス複合体ワイヤの前記外部表面を被覆する金属クラッドへと前記付随させた延性金属を成形して金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤを提供するのに有効な条件下で、前記延性金属を付随させた前記金属マトリックス複合体ワイヤを前記チャンバから引き出す工程と、
を有する、金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤを製造する方法。 - 前記延性金属の融点は1000℃以下である、請求項1に記載の方法。
- 前記延性金属の融点は700℃以下である、請求項1に記載の方法。
- 前記金属マトリックス複合体の前記金属は、アルミニウム、亜鉛、錫、マグネシウムまたはそれらの合金のうち少なくとも1種類を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記金属マトリックス複合体の前記金属は、アルミニウムまたはその合金の少なくとも一方を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記金属マトリックス複合体ワイヤは、前記金属マトリックス複合体ワイヤの総体積を基準として、40〜70体積パーセントの繊維を含む、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも85数量%の繊維が実質的に連続している、請求項1に記載の方法。
- 前記繊維はセラミック酸化物繊維である、請求項1に記載の方法。
- 前記繊維は多結晶、アルファアルミナ系繊維である、請求項1に記載の方法。
- 前記多結晶、アルファアルミナ系繊維は、前記各繊維の総金属酸化物含量を基準として、少なくとも99重量%のAl2O3を含む、請求項9に記載の方法。
- 前記延性金属は、アルミニウム、亜鉛、錫、マグネシウム、銅およびこれらの合金からなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記延性金属はアルミニウムである、請求項1に記載の方法。
- 前記付随した延性金属が成形されて、前記ワイヤが前記延性金属によって同心円状に囲まれる、請求項1に記載の方法。
- 前記延性金属は、0.2mm〜6mmの厚さに前記金属マトリックス複合体ワイヤを被覆する、請求項13に記載の方法。
- 前記延性金属は、0.5mm〜3.0mmの厚さに前記金属マトリックス複合体ワイヤを被覆する、請求項13に記載の方法。
- 前記金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤは、少なくとも100メートルの長さにわたって少なくとも0.95の真円度値を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤは、少なくとも100メートルの長さにわたって0.5%以下の真円度均一性値を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤは、少なくとも100メートルの長さにわたって0.3%以下の直径均一性値を有する、請求項1に記載の方法。
- 金属マトリックス複合体ワイヤをチャンバに通して移動させることは、チャンバ入口ダイからチャンバ出口ダイまで直線経路に従う、請求項1に記載の方法。
- 互いに長手方向に配向され、セラミックまたは炭素の少なくとも一方を含む複数の実質的に連続した繊維を含む、少なくとも1つのトウと、
各トウが金属マトリックス中に配置された金属マトリックスと、
を具備する、外部表面を有する金属マトリックス複合体ワイヤを提供する工程と、
前記金属マトリックス複合体ワイヤの前記外部表面に延性金属を付随させる工程と、
前記付随させた延性金属を前記金属マトリックス複合体ワイヤの前記外部表面を被覆する金属クラッドへと成形して金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤを提供するのに有効な条件下で、前記付随させた延性金属を操作する工程であって、前記金属マトリックス複合体ワイヤが、長さ300メートルのセグメントに提供される場合、少なくとも0.95の真円度値を呈する工程と、
を有する、金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤを製造する方法。 - 前記延性金属の融点は1000℃以下である、請求項20に記載の方法。
- 前記延性金属の融点は700℃以下である、請求項20に記載の方法。
- 前記金属マトリックス複合体は、アルミニウム、亜鉛、錫、マグネシウムまたはそれらの合金のうち少なくとも1種類を含む、請求項20に記載の方法。
- 前記金属マトリックス複合体は、アルミニウムまたはその合金の少なくとも一方を含む、請求項20に記載の方法。
- 前記金属マトリックス複合体ワイヤは、前記ワイヤの総体積を基準として、40〜70体積パーセントの繊維を含む、請求項20に記載の方法。
- 少なくとも約85数量%の繊維が実質的に連続している、請求項20に記載の方法。
- 前記繊維はセラミック酸化物繊維である、請求項20に記載の方法。
- 前記繊維は多結晶、アルファアルミナ系繊維である、請求項20に記載の方法。
- 前記多結晶、アルファアルミナ系繊維は、前記各繊維の総金属酸化物含量を基準として、少なくとも99重量%のAl2O3を含む、請求項28に記載の方法。
- 前記延性金属は、アルミニウム、亜鉛、錫、マグネシウム、銅およびこれらの合金からなる群より選択される、請求項20に記載の方法。
- 前記延性金属はアルミニウムである、請求項20に記載の方法。
- 前記付随した延性金属が成形されて、前記ワイヤが前記延性金属によって同心円状に囲まれる、請求項20に記載の方法。
- 前記延性金属は、0.2mm〜6mmの厚さに前記金属マトリックス複合体ワイヤを被覆する、請求項32に記載の方法。
- 前記延性金属は、0.5mm〜3.0mmの厚さに前記金属マトリックス複合体ワイヤを被覆する、請求項32に記載の方法。
- 前記金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤは少なくとも100メートルの長さを有しており、塑性変形を示す、請求項30に記載の方法。
- 前記金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤは、少なくとも100メートルの長さにわたって0.5%以下である直径均一性値を有する、請求項20に記載の方法。
- 前記金属クラッディングされた金属マトリックス複合体ワイヤは、少なくとも100メートルの長さにわたって0.3%以下である直径均一性値を有する、請求項20に記載の方法。
- 前記延性金属の融点より低い温度まで前記延性金属を加熱することにより、前記ワイヤの前記外部表面と協働するように前記延性金属が配置される、請求項20に記載の方法。
- 前記延性金属に加えられた圧力により、前記延性金属は、前記ワイヤの前記外部表面を可塑的にコートする、請求項38に記載の方法。
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