JP2016502604A - アルミニウム−炭化ホウ素複合材料の可鍛性を向上させるための添加剤 - Google Patents

アルミニウム−炭化ホウ素複合材料の可鍛性を向上させるための添加剤 Download PDF

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Abstract

本開示は、アルミニウム−炭化ホウ素複合材料中のホウ素と包晶反応を起こすことが可能な添加剤を提供する。添加剤は、バナジウム、ジルコニウム、ニオブ、ストロンチウム、クロム、モリブデン、ハフニウム、スカンジウム、タンタル、タングステン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されてもよく、可鍛性を促進するように、鋳造前に溶融複合材料の流動性を維持するために使用される。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年１１月１９日に出願され、その全体が本明細書に組み込まれる米国仮特許出願第６１／７２７，９４９号の優先権を主張するものである。
本発明は、鋳造前にそれらの流動性を増加させるための包晶反応から得られた生成物を有するアルミニウム／炭化ホウ素複合金属マトリックス材料を鋳造することに関する。反応生成物は、炭化ホウ素のホウ素と包晶反応を起こすことが可能な添加剤を使用することにより得られる。
溶融Ａｌ−Ｂ4Ｃ混合物の流動性を増加させるために、また米国特許第７，５６２，９６２号に記載されるように、チタンを加えることができる。溶融アルミニウム金属とＢ4Ｃ粉末との混合物にチタンを加えると、Ｂ4Ｃ粒子と、Ｂ4Ｃ粒子を汚染するアルミニウムマトリックスとの界面付近に反応生成物が形成される。反応生成物は、アルミニウムからＢ4Ｃ粒子を遮蔽すると教示されている。
鋳造および成形前に溶融Ａｌ−Ｂ4Ｃ混合物の適切な流動性を維持する手段および方法が提供されることが、非常に望ましいであろう。手段および方法は、好ましくは、産業環境において成形および／または鋳造しやすい流動性を提供／維持する。
本開示は、アルミニウム、添加剤とホウ素との包晶反応の生成物、および分散する炭化ホウ素粒子を含む鋳造複合材料を提供する。包晶反応の生成物の存在は、鋳造前に溶融複合材料の流動性を維持し、複合材料の可鍛性および成形を促進する。
第１の態様において、本開示は、（ｉ）アルミニウム、（ｉｉ）添加剤とホウ素との包晶反応の生成物、（ｉｉｉ）分散する炭化ホウ素粒子、および（ｉｖ）任意選択的にチタンを含む鋳造複合材料を提供する。添加剤は、クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。複合材料の試料は、鋳造前に、約７００℃の温度まで約１２０分間加熱した後、試料を収容するための溝（溝は、約３３ｍｍの幅、約６．５ｍｍ〜約４．０ｍｍの高さを有し、約１０°の水平軸から下方に傾斜する）を有する型を使用して測定した場合に少なくとも１００ｍｍの鋳造長さに相当する流動性を有する。ある実施形態において、試料の鋳造長さは少なくとも１９０ｍｍである。別の実施形態において、鋳造複合材料は、保持時間中に保持に供され、鋳造時間中に鋳造に供され、保持時間および鋳造時間は、全部で１２０分である。別の実施形態において、包晶反応の生成物は、溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金を、（炭化ホウ素粒子の組み込み前に）包晶反応を起こすことが可能な添加剤と組み合わせることによって提供される。さらに別の実施形態において、添加剤は、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。別の実施形態において、添加剤はスカンジウムである。さらなる実施形態において、添加剤はストロンチウムである。さらに別の実施形態において、添加剤はジルコニウムである。ある実施形態において、分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、鋳造複合材料の総体積に対して４％〜４０％である。そのような実施形態において、添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、鋳造複合材料の総重量に対して０．４７％〜８．００％であってもよく、また任意選択的に、複合材料は、鋳造複合材料の総重量に対して０．５０％〜４．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含むことができる。別の実施形態において、分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、鋳造複合材料の総体積に対して４．５％〜１８．９％である。そのような実施形態において、添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、鋳造複合材料の総重量に対して０．３８％〜４．００％であってもよく、また任意選択的に、鋳造複合材料は、鋳造複合材料の総重量に対して０．４０％〜２．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含む。別の実施形態において、分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、鋳造複合材料の総体積に対して１９．０％〜２８．０％である。そのような実施形態において、添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、鋳造複合材料の総重量に対して１．６８％〜６．００％であってもよく、また任意選択的に、鋳造複合材料は、鋳造複合材料の総重量に対して１．８０％〜３．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含むことができる。さらに別の実施形態において、分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、鋳造複合材料の総体積に対して２５．０％〜２８．０％または２８．０％〜３３．０％である。そのような実施形態において、添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、鋳造複合材料の総重量に対して０．９４％〜４．００％であってもよく、また任意選択的に、鋳造複合材料は、鋳造複合材料の総重量に対して１．００％〜２．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含むことができる。
第２の態様によれば、本開示は、鋳造複合材料を調製する方法を提供する。広義には、本方法は、（ａ）（ｉ）ホウ素と包晶反応を起こすことが可能な添加剤を含む溶融アルミニウム合金を、（ｉｉ）炭化ホウ素粒子の源と組み合わせて、添加剤とホウ素との包晶反応の生成物、および分散する炭化ホウ素粒子を含む鋳造複合材料を提供することと、（ｂ）溶融複合物を成形して鋳造複合材料を形成することと、を含む。添加剤は、クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。複合材料の試料は、鋳造前に、約７００℃の温度まで約１２０分間加熱した後、試料を収容するための溝（溝は、約３３ｍｍの幅、約６．５ｍｍ〜約４．０ｍｍの高さを有し、約１０°の水平軸から下方に傾斜する）を有する型を使用して測定した場合に少なくとも１００ｍｍの鋳造長さに相当する流動性を有する。ある実施形態において、鋳造長さは少なくとも１９０ｍｍである。さらに別の実施形態において、本方法は、ステップ（ｂ）の前に、保持時間中に溶融複合材料を保持することと、鋳造時間中に溶融複合物を鋳造することと、をさらに含み、保持時間および鋳造時間は、全部で１２０分である。さらに別の実施形態において、本方法は、ステップ（ａ）の前に、溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金を、包晶反応を起こすことが可能な添加剤と組み合わせることによって溶融アルミニウム合金を提供することをさらに含む。使用することができる添加剤の種類、添加剤の濃度、炭化ホウ素粒子の濃度、複合材料中のチタンの任意選択的な存在に関する実施形態は、上に記載されており、ここに適用される。
第３の態様によれば、本開示は、アルミニウム、添加剤とホウ素との包晶反応の生成物、および分散する炭化ホウ素粒子を含む溶融複合材料の鋳造特性および／または成形特性を向上させる方法を提供する。広義には、本方法は、（ｉ）ホウ素と包晶反応を起こすことが可能な添加剤を含む溶融アルミニウム合金を、（ｉｉ）炭化ホウ素粒子の源と組み合わせて、鋳造複合材料を提供することを含む。添加剤は、クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。複合材料の試料は、鋳造前に、約７００℃の温度まで約１２０分間加熱した後、試料を収容するための溝（溝は、約３３ｍｍの幅、約６．５ｍｍ〜約４．０ｍｍの高さを有し、約１０°の水平軸から下方に傾斜する）を有する型を使用して測定した場合に少なくとも１００ｍｍの鋳造長さに相当する流動性を有する。鋳造長さ、使用することができる添加剤の種類、添加剤の濃度、炭化ホウ素粒子の濃度、複合材料中のチタンの任意選択的な存在に関する実施形態は、上に記載されており、ここに適用される。
第４の態様によれば、本開示は、アルミニウム、添加剤とホウ素との包晶反応の生成物、および分散する炭化ホウ素粒子を含む溶融複合材料の溶融複合材料の成形を促進する方法を提供する。広義には、本方法は、（ｉ）ホウ素と包晶反応を起こすことが可能な添加剤を含む溶融アルミニウム合金を、（ｉｉ）炭化ホウ素粒子の源と組み合わせて、鋳造複合材料を提供することを含む。添加剤は、クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。複合材料の試料は、鋳造前に、約７００℃の温度まで約１２０分間加熱した後、試料を収容するための溝（溝は、約３３ｍｍの幅、約６．５ｍｍ〜約４．０ｍｍの高さを有し、約１０°の水平軸から下方に傾斜する）を有する型を使用して測定した場合に少なくとも１００ｍｍの鋳造長さに相当する流動性を有する。鋳造長さ、使用することができる添加剤の種類、添加剤の濃度、炭化ホウ素粒子の濃度、複合材料中のチタンの任意選択的な存在に関する実施形態は、上に記載されており、ここに適用される。
このように、本発明の性質を全体的に記載してきたが、次に、添付の図面を参照する。
異なるロットのＢ4Ｃ粉末を含有する溶融アルミニウム混合物の流動性の損失を示す。結果は、７３５℃の初期温度で溶融アルミニウムに加えられたＢ4Ｃ粉末（３０％ ｖ／ｖ）の種々のロット（Ａ〜Ｅ）に対して、炉内での保持時間（分）の関数における流動性（Ｋ型を使用して測定した試料の鋳造長さ（ｍｍ）として測定される）として示される。３．５％ ｗ／ｗ Ｔｉを含有するロットＡ（◆）、３．５％ ｗ／ｗ Ｔｉを含有するロットＢ（■）、３．５％ ｗ／ｗ Ｔｉを含有するロットＣ（▲）、３．０％ ｗ／ｗ Ｔｉを含有するロットＤ（●）、および２．０％ Ｔｉ ｗ／ｗを含有するロットＥ（○）についての結果が示される。 複合材料の鋳造長さを決定するために使用することができるＫ型の実施形態を示す。（Ａ）Ｋ型の下方傾斜部１０の概略側面図。（Ｂ）Ｋ型の溝入り部４０の概略上面図。（Ｃ）Ｋ型の溝入り部５０の概略断面図。
高いＢ4Ｃ含有量（例えば、例えば少なくとも３０％ ｖ／ｖ）を有するホウ素金属マトリックス複合物（ＭＭＣ）の製造は、通常、非常に優れた品質のＢ4Ｃ粉末を必要とする。高品質のＢ4Ｃ粉末は、良好な粒度分析分布を有し、最小限の微粉様粒子を有する。一般に、そのようなＢ4Ｃ粉末のみが、大量に金属マトリックスに組み込まれ得る。Ｂ4Ｃ粉末がそのような良品質ではない場合、溶融金属の保持時間中に、すなわち鋳造前に、著しい流動性の損失が観察される可能性がある。その上に、溶融金属の保持温度を上昇させることは、この流動性の損失を補填しない、なぜなら、それはアルミニウムとＢ4Ｃ粉末との反応に有利に作用する可能性があり、それによって粘性をさらに増加させるからである（流動性の損失）。そのような状況において、溶融金属は、チキソトロピック性金属として挙動する。
図１は、鋳造前の溶融複合物の保持時間中の流動性の損失を示す。産業環境において、Ａｌ−Ｂ4Ｃ混合物の成形／鋳造を可能にするためには、特定の流動性が特定の時間必要とされる。図１に示す曲線は、たとえチタンの存在下であっても、複合材料の調製に使用したＢ4Ｃ粉末が材料の粘性を増加させ、後続ステップ（例えば成形）のために産業環境において必要とされる流動性を満たすことができなかったことを示す。
本開示によれば、アルミニウム、包晶反応の生成物、および分散する炭化ホウ素粒子を含む鋳造Ａｌ−Ｂ4Ｃ複合材料が提供される。複合材料は、最初に、アルミニウム（またはアルミニウム合金）を、炭化ホウ素粒子のホウ素と包晶反応を起こすことが可能な添加剤（または添加剤の組み合わせ）と組み合わせることによって得られ、最終的にはアルミニウムまたはアルミニウム合金におけるそのような包晶反応の生成物を提供する。一旦、添加剤がアルミニウム中に（またはアルミニウム合金中に）含まれると、炭化ホウ素粒子がアルミニウム（またはアルミニウム合金）と組み合わさり、それによって添加剤とホウ素との包晶反応を引き起こす。本明細書に示すように、アルミニウム／アルミニウム合金における添加剤の使用（および、最終的には複合材料中の包晶反応生成物の存在）が、溶融複合物の流動性を維持するのに有用であり、そのため溶融複合材料に良好な可鍛性を付与することが示されている。いくつかの実施形態において、添加剤の使用が、溶融複合物の保持中に起こる反応生成物（例えば、ＡｌとＢ4Ｃの間、またはＡｌとＢ4Ｃとの間に起こる反応生成物等）の形成を阻害するかまたは遅らせると考えられる。他の実施形態において、そのような複合材料の流動性を実質的に変化させることなく該材料におけるチタンの使用を制限するために、添加剤を使用することができることが示されている。この溶融複合材料の流動性の維持は、より低い等級のＢ4Ｃ源を使用するために、また結果として生じる金属マトリックス複合物（複数可）の成形および／または鋳造を促進するために、炉内における溶融混合物の保持時間の延長を可能にすることができる。
鋳造される前は、複合材料は溶融状態にあり、流動性を有する。本明細書に記載される開示において、溶融複合材料は、鋳造前には、産業環境における鋳造を許容する流動性を有する。溶融複合材料の流動性を決定するために、Ｋ型を使用することが可能である。現在、当該技術分野で使用され、かつ知られているそのような型は、複合材料が凝固する前にその試料の長さを測定する。Ｋ型を用いて測定される長さは、鋳造長さと称される。
溶融複合材料の試料の流動性を決定するために使用することができるＫ型の実施形態を図２に示す。Ｋ型は、（図２Ａに示すような）下方傾斜部０１０および（図２Ｂおよび２Ｃに示すような）溝入り部０４０の２つの係合可能部からなる。試料が型に挿入されると、傾斜部０１０が溝入り部０４０に係合する。試料は、固まるまで傾斜部０１０に沿って溝０４０内で鋳造することができる。通常はミリメートルで測定される、試料によって覆われる長さは、流動性の尺度であり、鋳造長さを意味する。
図２Ａに示すように、下方傾斜部は、通常モノリシックであり、滑らかな表面を有し、かつ約１０°の角度０３０だけ水平軸０２０から下方に傾斜した平面０１５を備える。平面０１５は、溝入り部０４０の外側面０５５に直接接触し（図２Ｂおよび２Ｃに示される）、溝に約１０°の角度を提供するためのものである。
溝入り部０４０は、溶融複合物の試料を収容するための密閉可能な溝０５０を画定する、部分的に中空の構造である（図２Ｂ）。図２Ｂに示すように、溝入り部は、傾斜部０１０の平面０１５に直接接触するための外側面０５５を有する。図２Ｂに示す実施形態において、溝０５０は、セクション０６０およびセクション０７０（突起部を画定する）の２つの異なるセクションを含む。いくつかの実施形態において、Ｋ型は、型の端（例えば、試料が傾斜平面０１５に接触し始める位置）から９３ｍｍ、１３０ｍｍ、１６８ｍｍ、および２０５ｍｍの距離に位置する少なくとも４つのセクション０７０（例えば、４つの突起部）を備える。
図２Ｃは、密閉可能な溝０５０の拡大図を示す。セクション０６０は、約６．５ｍｍの類似する高さ０６１を有する。高さ０６１は、外壁０５５によって画定される長さの間で一定である。高さ０６１は、（溝入り部０４０が傾斜部０１０と係合したときに）傾斜平面０１５によって画定される軸０８０に対して測定される。セクション０７０は、約４ｍｍの類似する高さ０７１を有する。高さ０７１は、外壁０５５によって画定される長さの間で一定である。高さは、（溝入り部０４０が傾斜部０１０上で係合したときに）傾斜平面０１５によって画定される軸０８０に対して測定される。
本開示の文脈において、鋳造複合材料は、好ましくは鋳造前に、少なくとも１００ｍｍ、少なくとも１２０ｍｍ、少なくとも１４０ｍｍ、少なくとも１６０ｍｍ、少なくとも１８０ｍｍ、少なくとも１９０ｍｍ、または少なくとも２００ｍｍの鋳造試料長さに相当する流動性を有する。複合材料の流動性を決定するために使用される試料は、産業用鋳造環境を再現するために約７００℃の温度で約１２０分間加熱することができる。
よって、本開示は、鋳造複合材料を製造する方法も提供する。そのようにするために、包晶反応を起こすことが可能な添加剤（または添加剤の組み合わせ）を含む溶融アルミニウム合金（アルミニウム−塩基マトリックス合金とも称される）を炭化ホウ素と組み合わせて溶融複合物を提供する。本開示に示すように、溶融複合物の流動性は、添加剤を含まない同様の溶融複合物と比較してより長い期間、許容される産業レベルに維持することができる。
本明細書に記載される方法において、使用されるアルミニウムまたはアルミニウム合金は、溶融形態で提供される。そのため、アルミニウムまたはアルミニウム合金は、Ｂ4Ｃ粒子と組み合わされる前に、その溶融温度まで加熱されることが好ましい。ある実施形態において、アルミニウム合金は、包晶反応を起こすことが可能な添加剤を含み（複数の実施形態において、該添加剤から本質的になり、さらなる実施形態において、該添加剤からなる）、残りは、本質的にアルミニウムまたはアルミニウム合金である。避けられないまたは不可避の不純物（各不純物につき最大０．０５％ ｗ／ｗ）も、合金中に存在し得る（合計で最大０．１５％ ｗ／ｗの不純物）。例示的なアルミニウム合金として、限定されないが、１１ｘｘシリーズおよび６ｘｘｘシリーズの合金が挙げられる。いくつかの実施形態において、Ｔｉがアルミニウムまたはアルミニウム合金に含まれてもよい。代替の実施形態において、アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金中にＴｉが存在する場合、それは微量元素である（例えば、その濃度は、不可避の不純物の濃度を超えない）と考えられる。
ある実施形態において、複合材料は、４％〜４０％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含み、複合材料中の添加剤（または添加剤の組み合わせ）のモル濃度は、０．０１０４４〜０．０８３５１である。いくつかの実施形態において、複合材料中にＴｉが存在する場合、添加剤（または添加剤の組み合わせ）とＴｉを合わせたモル濃度は、０．０１０４４〜０．０８３５１である。いくつかの実施形態において、複合材料中の添加剤の濃度は、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して０．４７％〜１５．３２％、０．４７％〜８．００％、０．９０％〜８．００％、０．９５％〜８．００％、１．００％〜８．００％、または１．１０％〜８．００％であってもよい。いくつかの実施形態において、複合物中の添加剤とＴｉを合わせたモル比は、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して０．４７％〜１５．３２％、０．４７％〜８．００％、０．９０％〜８．００％、０．９５％〜８．００％、１．００％〜８．００％、または１．１０％〜８．００％であってもよい。
別の実施形態において、複合材料は、４．５％〜１８．９％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含み、複合材料中の添加剤（または添加剤の組み合わせ）のモル濃度は、０．００８３５〜０．０４１７５である。いくつかの実施形態において、複合材料中にＴｉが存在する場合、添加剤（または添加剤の組み合わせ）とＴｉを合わせたモル濃度は、０．００８３５〜０．０４１７５である。いくつかの実施形態において、複合材料中の添加剤の濃度は、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して０．３８％〜７．６８％、０．３８％〜４．００％、０．９０％〜４．００％、０．９５％〜４．００％、１．００％〜４．００％、または１．１０％〜４．００％であってもよい。いくつかの実施形態において、複合物中の添加剤とＴｉを合わせたモル比は、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して０．３８％〜７．６８％、０．３８％〜４．００％、０．９０％〜４．００％、０．９０％〜４．００％、１．００％〜４．００％、または１．１０％〜４．００％であってもよい。
さらなる実施形態において、複合材料は、１９％〜２８％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含み、複合材料中の添加剤（または添加剤の組み合わせ）のモル濃度は、０．０３７５８〜０．０６２６３である。いくつかの実施形態において、複合材料中にＴｉが存在する場合、添加剤（または添加剤の組み合わせ）とＴｉを合わせたモル濃度は、０．０３７５８〜０．０６２６３である。いくつかの実施形態において、複合材料中の添加剤の濃度は、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して１．６９％〜１１．５１％または１．６９％〜６．００％であってもよい。いくつかの実施形態において、複合物中の添加剤とＴｉを合わせたモル比は、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して１．６９％〜１１．５１％または１．６９％〜６．００％であってもよい。
さらなる実施形態において、複合材料は、２５％〜２８％（ｖ／ｖ）または２８％〜３３％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含み、複合材料中の添加剤（または添加剤の組み合わせ）のモル濃度は、０．０２０８８〜０．０４１７５である。いくつかの実施形態において、複合材料中にＴｉが存在する場合、添加剤（または添加剤の組み合わせ）とＴｉを合わせたモル濃度は、０．０２０８８〜０．０４１７５である。いくつかの実施形態において、複合材料中の添加剤の濃度は、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して０．９４％〜７．６８％、０．９４％〜４．００％、０．９５％〜４．００％、１．００％〜４．００％、または１．１０％〜４．００％であってもよい。いくつかの実施形態において、複合物中の添加剤とＴｉを合わせたモル比は、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して０．９４％〜７．６８％、０．９４％〜４．００％、０．９５％〜４．００％、１．００％〜４．００％、または１．１０％〜４．００％であってもよい。
重量パーセント濃度または特定のモル濃度で提供される添加剤の濃度は、アルミニウム合金に関してであれ全複合材料に関してであれ、あらゆる形態の添加剤（可溶性添加剤、金属間化合物または耐火性化合物として溶液から析出する過剰な添加剤、およびＢを含有する包晶反応生成物に含まれる添加剤を含む）を含むものと理解されたい。包晶反応の生成物の形成を引き起こすことが可能な添加剤は、マスター合金（例えば、Ａｌ−１０％添加剤のマスター合金）を含む任意の都合のよい形態で、または添加剤を含有する顆粒もしくは粉末として加えることができる。いくつかの実施形態において、鍛錬用合金（ＡＡ１ｘｘｘ、ＡＡ２ｘｘｘ、ＡＡ３ｘｘｘ、ＡＡ４ｘｘｘ、もしくはＡＡ６ｘｘｘを含む）または鋳造合金（ＡＡ２ｘｘもしくはＡＡ３ｘｘを含む）に対する粉末の形態として添加剤を加えることが企図されてもよい。
同様に、上記で挙げたチタンの濃度またはモル濃度は、アルミニウム合金に関してであれ全複合材料に関してであれ、あらゆる形態のチタン（可溶性Ｔｉ、金属間化合物または耐火性化合物として溶液から析出する過剰なＴｉ、およびＴｉ−Ｂ化合物を含む）を意味する。チタンは、マスター合金（例えば、Ａｌ−１０％Ｔｉのマスター合金）を含む任意の都合のよい形態で、またはチタンを含有する顆粒もしくは粉末として加えることができる。いくつかの実施形態において、アルミニウム合金中にチタンを含有するＡＡ１ｘｘｘ合金を使用することが望ましいかもしれない。代替のまたは補完的な実施形態において、例えば、鍛錬用合金（ＡＡ２ｘｘｘ、ＡＡ３ｘｘｘ、ＡＡ４ｘｘｘ、もしくはＡＡ６ｘｘｘを含む）、または鋳造合金（ＡＡ２ｘｘもしくはＡＡ３ｘｘを含む）等のアルミニウム合金としてチタンを加えることが企図されてもよい。
いくつかの実施形態において、包晶反応の生成物の形成を引き起こすことが可能な添加剤は、ジルコニウムであってもよく、アルミニウム合金は、ジルコニウムを含むまたは含有することができる。いくつかの実施形態において、Ｚｒが添加剤として使用される場合、複合材料はＴｉを含まない（存在する場合、Ｔｉは、微量元素であると考えられる）。他の実施形態において、Ｚｒが添加剤として使用される場合、Ｔｉが複合材料中に存在してもよい。４％〜４０％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、ジルコニウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．９５〜約７．６１、約１．００〜約７．６１、または約１．１０〜約７．６１重量パーセントの濃度で提供されてもよい。そのような実施形態において、Ｔｉが存在する場合、それは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．５０〜約４．００、約０．９０〜約４．００、約０．９５〜約４．００、約１．００〜約４．００、または約１．１０〜約４．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい。４．５％〜１８．９％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、ジルコニウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．７６〜約３．８１、約０．９０〜約３．８１、約０．９５〜約３．８１、約１．００〜約３．８１、または約１．１０〜約３．８１重量パーセントの濃度で提供されてもよい。そのような実施形態において、Ｔｉが存在する場合、それは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．４０〜約２．００、約０．９０〜約２．００、約０．９５〜約２．００、約１．００〜約２．００、または約１．１０〜約２．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい。１９％〜２８％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、ジルコニウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約３．４３〜約５．７１重量パーセントの濃度で提供されてもよい。そのような実施形態において、Ｔｉが存在する場合、それは（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約１．８０〜約３．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい。２５％〜２８％（ｖ／ｖ）または２８％〜３３％のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、ジルコニウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約１．９０〜約３．８１重量パーセントの濃度で提供されてもよい。そのような実施形態において、Ｔｉが存在する場合、それは（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約１．００〜約２．００または約１．１０〜２．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい一方チタンは提供されてもよい。上記で挙げたジルコニウムの濃度は、アルミニウム合金に関してであれ全複合材料に関してであれ、あらゆる形態のジルコニウム（可溶性Ｚｒ、金属間化合物または耐火性化合物として溶液から析出する過剰なＺｒ、およびＺｒ−Ｂ化合物を含む）を意味するものと理解されたい。ジルコニウムは、マスター合金（例えば、Ａｌ−１０％ Ｚｒのマスター合金）を含む任意の都合のよい形態で、またはジルコニウムを含有する顆粒もしくは粉末として加えることができる。いくつかの実施形態において、アルミニウム合金中にジルコニウムを含有するＡＡ１ｘｘｘ合金を使用することが望ましいかもしれない。代替のまたは相補的な実施形態において、例えば、鍛錬用合金（ＡＡ２ｘｘｘ、ＡＡ３ｘｘｘ、ＡＡ４ｘｘｘ、もしくはＡＡ６ｘｘｘを含む）、または鋳造合金（ＡＡ２ｘｘもしくはＡＡ３ｘｘを含む）等のアルミニウム合金としてジルコニウムを加えることが企図されてもよい。
いくつかの実施形態において、包晶反応の生成物の形成を引き起こすことが可能な添加剤は、ストロンチウムであってもよく、アルミニウム合金は、チタンと組み合わせてストロンチウムを含むかまたは含有することができる。４％〜４０％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、ストロンチウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．９１〜約７．３２、約０．９５〜約７．３２、約１．００〜約７．３２、または約１．１０〜約７．３２重量パーセントの濃度で提供されてもよく、チタンは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．５０〜約４．００、約０．９０〜約４．００、約０．９５〜約４．００、約１．００〜約４．００、または約１．１０〜約４．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい。４．５％〜１８．９％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、ストロンチウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．７３〜約３．６６、約０．９０〜約３．６６、約０．９５〜約３．６６、約１．００〜約３．６６、または約１．１０〜約３．６６重量パーセントの濃度で提供されてもよく、チタンは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．４０〜約２．００、約０．９０〜約２．００、約０．９５〜約２．００、約１．００〜約２．００、または約１．１０〜約２．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい。１９％〜２８％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、ストロンチウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約３．２９〜約５．４９重量パーセントの濃度で提供されてもよく、チタンは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約１．８０〜約３．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい。２５％〜２８％（ｖ／ｖ）または２８％〜３３％のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、ストロンチウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約１．８３〜３．６６重量パーセントの濃度で提供されてもよく、チタンは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約１．００〜約２．００または約１．１０〜約２．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい。上記で挙げたストロンチウムの濃度は、アルミニウム合金に関してであれ全複合材料に関してであれ、あらゆる形態のストロンチウム（可溶性Ｓｒ、金属間化合物または耐火性化合物として溶液から析出する過剰なＳｒ、およびＳｒ−Ｂ化合物を含む）を意味するものと理解されたい。ストロンチウムは、マスター合金（例えば、Ａｌ−１０％Ｓｒのマスター合金）を含む任意の都合のよい形態で、またはストロンチウムを含有する顆粒もしくは粉末として加えることができる。いくつかの実施形態において、アルミニウム合金中にストロンチウムを含有するＡＡ１ｘｘｘ合金を使用することが望ましいかもしれない。代替のまたは補完的な実施形態において、例えば、鍛錬用合金（ＡＡ２ｘｘｘ、ＡＡ３ｘｘｘ、ＡＡ４ｘｘｘ、もしくはＡＡ６ｘｘｘを含む）、または鋳造合金（ＡＡ２ｘｘもしくはＡＡ３ｘｘを含む）等のアルミニウム合金としてストロンチウムを加えることが企図されてもよい。
いくつかの実施形態において、包晶反応の生成物の形成を引き起こすことが可能な添加剤は、スカンジウムであってもよく、アルミニウム合金は、チタンと組み合わせてスカンジウムを含むかまたは含有することができる。４％〜４０％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、スカンジウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．４７〜約３．７５、約０．９０〜約３．７５、約１．００〜約３．７５、または約１．１０〜約３．７５重量パーセントの濃度で提供されてもよく、チタンは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．５０〜約４．００、約０．９０〜約４．００、約０．９５〜約４．００、約１．００〜約４．００、または約１．１０〜約４．００の濃度で提供されてもよい。４．５％〜１８．９％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、スカンジウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．３８〜約１．８８、約０．９０〜約１．８８、約１．００〜約１．８８、または約１．１０〜約１．８８重量パーセントの濃度で提供されてもよく、チタンは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．４０〜約２．００、約０．９０〜約２．００、約０．９５〜約２．００、約１．００〜約２．００、または約１．１０〜約２．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい。１９％〜２８％（ｖ／ｖ）のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、スカンジウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約１．６９〜約２．８２重量パーセントの濃度で提供されてもよく、チタンは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約１．８０〜約３．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい。２５％〜２８％（ｖ／ｖ）または２８％〜３３％のＢ4Ｃ粒子を含む複合材料において、スカンジウムは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約０．９４〜約１．８８、約１．００〜約１．８８、または約１．１０〜約３．８８重量パーセントの濃度で提供されてもよく、チタンは、（Ｂ4Ｃ粒子を含む）複合材料の総重量に対して約１．００〜約２．００または約１．１０〜約２．００重量パーセントの濃度で提供されてもよい。上記で挙げたスカンジウムの濃度は、アルミニウム合金に関してであれ全複合材料に関してであれ、あらゆる形態のスカンジウム（可溶性Ｓｃ、金属間化合物または耐火性化合物として溶液から析出する過剰なＳｃ、およびＳｃ−Ｂ化合物を含む）を意味するものと理解されたい。スカンジウムは、マスター合金（例えば、Ａｌ−１０％ Ｓｃのマスター合金）を含む任意の都合のよい形態で、またはスカンジウムを含有する顆粒もしくは粉末として加えることができる。いくつかの実施形態において、アルミニウム合金中にスカンジウムを含有するＡＡ１ｘｘｘ合金を使用することが望ましいかもしれない。代替のまたは補完的な実施形態において、例えば、鍛錬用合金（ＡＡ２ｘｘｘ、ＡＡ３ｘｘｘ、ＡＡ４ｘｘｘ、もしくはＡＡ６ｘｘｘを含む）、または鋳造合金（ＡＡ２ｘｘもしくはＡＡ３ｘｘを含む）等のアルミニウム合金としてスカンジウムを加えることが企図されてもよい。
理論に束縛されることを望むものではないが、添加物は、ＡｌＢ2に関するものよりも負である形成のエンタルピーを有するＢを含む反応生成物を形成するために、本明細書に記載される方法において使用することができる。例えば、チタンを含むアルミニウム合金にバナジウムが使用される場合、理論に束縛されることなく、この添加がチタンとの別の反応を推進すると考えられる。反応生成物は、（Ｔｉ，Ｖ）Ｂ2等の化合物であるかもしれない。そのような反応生成物の形成は、チタンを含有するアルミニウム溶融物とＢ4Ｃ粒子との反応を停止するかまたは低減するであろう。したがって、本開示は、複合物が成形されるまで、好ましくは鋳造されるまで、該複合物の流動性を維持するために、アルミニウム溶融物とＢ4Ｃ粒子との反応の阻害剤としての包晶反応の生成物の形成を引き起こすことが可能な添加剤の添加を提供する。
ソフトウェアＦａｃｔＳｔａｇｅ（商標）を使用して、種々の元素の添加後に形成することが予想される反応生成物の形成のエンタルピーの理論計算を実施し、それを表１に示す。
ある実施形態において、添加物は、限定されないが、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、スカンジウム（Ｓｃ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、およびそれらの任意の組み合わせを含む。別の実施形態において、添加物は、限定されないが、（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、スカンジウム（Ｓｃ）、およびそれらの任意の組み合わせを含む。さらに別の実施形態において、添加物は、限定されないが、ジルコニウム（Ｚｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、スカンジウム（Ｓｃ）、およびそれらの任意の組み合わせを含む。さらに別の実施形態において、添加物は、Ｃｒを含むかまたはそれからなる。さらに別の実施形態において、添加物は、Ｍｏを含むかまたはそれからなる。さらに別の実施形態において、添加物は、Ｖを含むかまたはそれからなる。さらに別の実施形態において、添加物は、Ｎｂを含むかまたはそれからなる。別の実施形態において、添加物は、Ｔａを含むかまたはそれからなる。さらに別の実施形態において、添加物は、Ｗを含むかまたはそれからなる。さらに別の実施形態において、添加物は、Ｈｆを含むかまたはそれからなる。別の実施形態において、添加物は、Ｚｒを含むかまたはそれからなる。さらに別の実施形態において、添加物は、Ｓｒを含むかまたはそれからなる。さらに別の実施形態において、添加物は、Ｓｃを含むかまたはそれからなる。一実施形態において、添加物は、ＺｒおよびＳｃの組み合わせを含むかまたはそれからなる。別の実施形態において、添加物は、ＺｒおよびＳｒの組み合わせを含むかまたはそれからなる。さらに別の実施形態において、添加物は、ＳｒおよびＳｃの組み合わせを含むかまたはそれからなる。さらに別の実施形態において、添加物は、Ｚｒ、Ｓｒ、およびＳｃの組み合わせを含むかまたはそれからなる。
溶融アルミニウム合金を提供するために、添加剤（複数可）、任意選択的にチタンが、溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金に加えられる。いくつかの実施形態において、実質的に均質な溶融アルミニウム合金を得るために、溶融アルミニウム合金の元素を混合／撹拌することが企図される。代替のまたは補完的な実施形態において、実質的に均質な溶融アルミニウム合金を得るために、溶融アルミニウム合金に熱を印加することが企図される。
いくつかの実施形態において、また上に示したように、チタンを含有するアルミニウム合金が使用されてもよい。そのような実施形態において、チタンおよび添加剤（または添加剤の組み合わせ）を特定の順序でアルミニウムまたはアルミニウム合金に加える必要はない。ある実施形態において、最初にチタンが溶融アルミニウム／合金に加えられ、次いで、添加剤（複数可）が加えられる。代替の実施形態において、最初に添加剤（複数可）が溶融アルミニウム／合金に加えられ、次いでチタンが加えられる。さらに別の実施形態において、チタンおよび添加剤（複数可）が、同時に溶融アルミニウム／合金に加えられる。
一旦、溶融アルミニウム合金が提供されると、それが炭化ホウ素の源（例えば、炭化ホウ素粉末（自由流動性の粉末等））と組み合わさり、分散する炭化ホウ素粒子を含む溶融複合材料を提供する。溶融複合材料において、（添加剤および任意選択的にチタンが補充された）アルミニウム合金は溶融形態であり、炭化ホウ素粒子は固体形態であり、少なくとも部分的に包晶反応の生成物と関連していることを理解されたい。いくつかの実施形態において、炭化ホウ素の源（例えば、炭化ホウ素粉末）を本明細書に記載される溶融アルミニウム合金に加えることが望ましいかもしれない。いくつかの実施形態において、分散するＢ4Ｃ含有粒子を有する実質的に均質な溶融複合材料を得るために、溶融複合材料の元素を混合／撹拌することが企図される。「分散する」という用語は、Ｂ4Ｃ含有粒子が、材料のマトリックス全体に実質的に均一に分布していることを意味する。いくつかの実施形態において、混合／攪拌は、複合材料中でＢ4Ｃ粒子を適切に湿潤させることができる様式で実行されることが企図される。
溶融複合材料は、包晶反応生成物の生成物の存在に起因して、産業環境において鋳造しやすい流動性を有する。流動性は、当業者に既知の種々の方法によって決定することができる。一例において、流動性は、粘度計を用いて測定される。別の例において、流動性は、型内の鋳造試料の長さを測定することによって評価される。そのようにするために、真空を印加した、液体アルミニウムに基づく混合物を特定の温度（例えば、約７００℃）で収容する炉（例えば、約３５ｋｇの容量）の中に、ある量のＢ4Ｃ粉末を加えることが可能である。溶融金属とＢ4Ｃ粉末との混合物の試料は、ステップモールドを使用して、所定の長さで、一定間隔（例えば、２０分毎）で得ることができる。いくつかの実施形態において、Ｋ型ステップモールドが使用されてもよい。流動性は、得られた混合物が凝固する前に該混合物によって達成される／覆われる距離として定量化される。いくつかの実施形態において、Ｋ型は、試料受容チャンバまたは３３ｍｍの幅（および、いくつかの実施形態において、３１５ｍｍの最大長）を有する溝を有し、約１０°の角度で傾斜する、グラファイトでコーティングされたステンレススチールのステップモールドであってもよい。上述のＫ型における１２０分の保持時間の後に１００ｍｍの距離を達成する溶融複合材料は、ダイレクトチル鋳造のための良好な流動性を有すると見なされる。別の例において、上述のＫ型における１２０分の保持時間の後に１９０ｍｍの距離を達成する溶融複合材料は、ダイレクトチル鋳造のための優れた流動性を有すると見なされる。ある実施形態において、複合材料の流動性は、１２０分後に１９０ｍｍ以上である。さらなる実施形態において、複合材料の流動性は、１２０分後に２００ｍｍ以上である。ある実施形態において、溶融複合物の流動性は、１２０分の保持時間の後に約７００℃の温度で測定した場合、少なくとも１００ｍｍである。実施形態において、複合材料の流動性は、１２０分の保持時間の後に約７００℃の温度で測定した場合、少なくとも１０５ｍｍ、１１０ｍｍ、１１５ｍｍ、１２０ｍｍ、１２５ｍｍ、１３０ｍｍ、１３５ｍｍ、１４０ｍｍ、１４５ｍｍ、１５０ｍｍ、１５５ｍｍ、１６０ｍｍ、１６５ｍｍ、１７０ｍｍ、１７５ｍｍ、１８０ｍｍ、１８１ｍｍ、１８２ｍｍ、１８３ｍｍ、１８４ｍｍ、１８５ｍｍ、１８６ｍｍ、１８７ｍｍ、１８８ｍｍ、１８９ｍｍ、１９０ｍｍ、１９１ｍｍ、１９２ｍｍ、１９３ｍｍ、１９４ｍｍ、１９５ｍｍ、１９６ｍｍ、１９７ｍｍ、１９８ｍｍ、１９９ｍｍ、または２００ｍｍである。いくつかの実施形態において、溶融複合物の流動性は、保持時間および保持温度によって変化し得ることが予想される。他の実施形態において、複合材料の流動性は、アルミニウム合金と炭化ホウ素粒子との混合時には測定されないが、包晶反応生成物が形成した後、またはさらには溶融複合材料を特定の温度（例えば、保持温度）で特定の時間（例えば、保持時間）保持した後に測定される。
実施形態において、複合材料を溶融状態に留まらせるために、複合材料の試料を特定の温度に保持することが企図される。特定の実施形態において、複合材料は、約６６０℃、６７０℃、６８０℃、６９０℃、７００℃、７１０℃、７２０℃、７３０℃、７４０℃、７５０℃、７６０℃、７７０℃、７８０℃、７９０℃、または８００℃以上の最低保持温度に維持される。特定の実施形態において、複合材料は、約８００℃、７９０℃、７８０℃、７７０℃、７６０℃、７５０℃、７４０℃、７３０℃、７２０℃、７１０℃、７００℃、６９０℃、６８０℃、６７０℃、または６６０℃以下の最高保持温度に維持される。代替の実施形態において、複合材料は、上で定義した最低保持温度と上で定義した最高保持温度との間の範囲の温度に維持される。
いくつかの実施形態において、複合材料の試料を特定の保持時間溶融状態に保持することが企図される。特定の実施形態において、複合材料は、約２０分、３０分、４０分、５０分、６０分、７０分、８０分、９０分、１００分、１１０分、１２０分、１３０分、１４０分、１５０分、１６０分、１７０分、１８０分、１９０分、または２００分以上の最低保持時間保持される。特定の実施形態において、複合材料は、約２００分、１９０分、１８０分、１７０分、１６０分、１５０分、１４０分、１３０分、１２０分、１１０分、１００分、９０分、８０分、７０分、６０分、５０分、４０分、３０分、または２０分以下の最高保持時間保持される。代替の実施形態において、特定の保持時間は、上で定義した最低保持時間と上で定義した最高保持時間との間の範囲である。
いくつかの実施形態において、特定の鋳造時間の間に複合材料を鋳造することが企図される。特定の実施形態において、複合材料は、約２０分、３０分、４０，分、５０分、６０分、７０分、８０分、９０分、１００分、１１０分、１２０分、１３０分、１４０分、１５０分、１６０分、１７０分、１８０分、１９０分、または２００分以上の最低鋳造時間鋳造される。特定の実施形態において、複合材料は、約２００分、１９０分、１８０分、１７０分、１６０分、１５０分、１４０分、１３０分、１２０分、１１０分、１００分、９０分、８０分、７０分、６０分、５０分、４０分、３０分、または２０分以下の最高鋳造時間鋳造される。代替の実施形態において、特定の鋳造時間は、上で定義した最低鋳造時間と上で定義した最高鋳造時間との間の範囲である。
溶融複合物は、任意の形態の鋳造（鋼片またはスラブのＤＣ鋳造を含む）、将来的な再溶融および鋳造のための鋳塊の鋳造、ならびに成形鋳造の任意の便利な形態を使用した形状への鋳造がしやすい。鋳造複合体は、さらに処理することができ、（ａ）再溶融および形状の鋳造、（ｂ）押出し、ならびに（ｃ）圧延または（ｄ）鍛造等のさらなる操作に十分に適合する。
本明細書に記載される方法は、任意の形状のアルミニウム炭化ホウ素複合材料、特に、高レベルのＢ4Ｃを含有する材料の調製に使用されてもよい。有利には、いくつかの実施形態において、添加剤の存在下で、溶融Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ4Ｃ複合物の流動性を実質的に変化させることなく、より等級の低いＢ4Ｃ粉末を使用することができる。
本発明は、本発明の範囲を限定するためではなく、むしろそれを例示するために与えられる以下の実施例を参照することにより、より容易に理解されるであろう。
実施例Ｉ
７６５℃の温度の炉内で一次アルミニウム金属合金（ＡＡ１１００）溶融した。Ｔｉを加え、次いでＳｒを加えた。その後、Ｂ4Ｃ粒子を溶融物に注入した。ＴｉおよびＳｒの最終濃度は、両方とも１．６５重量％であった。Ｂ4Ｃ粒子の最終濃度は、２８体積％であった。
最終混合物を約７００℃の温度に維持し、２０分毎に２つの流動性試料を採取した。流動性の測定値を表２に示す。
表２に示す結果は、１２０分の保持時間の後、流動性が１９０ｍｍよりも高く、それによって複合材料の産業的鋳造を可能にすることを示唆している。
実施例ＩＩ
７６５℃の温度の炉内で一次アルミニウム金属合金（ＡＡ１１００）溶融した。Ｚｒを加えた。その後、Ｂ4Ｃ粒子を溶融物に注入した。Ｚｒの最終濃度は、３．８重量％であった。Ｂ4Ｃ粒子の最終濃度は、１９体積％であった。
最終混合物を約７００℃の温度に維持し、種々の間隔で２つの流動性試料を採取した。得られた流動性の測定値を表３に示す。
表３に示す結果は、１２０分の保持時間の後、流動性が１９０ｍｍよりも高く、それによって複合材料の産業的鋳造を可能にすることを示唆している。
本発明を、その特定の実施形態に関連して説明してきたが、特許請求の範囲の範囲は、実施例に記載される好ましい実施形態によって制限されるべきではなく、全体としての説明と一致した最も広義の解釈が与えられるべきであることを理解されたい。

Claims (46)

  1. （ｉ）アルミニウム、（ｉｉ）添加剤とホウ素との包晶反応の生成物、（ｉｉｉ）分散する炭化ホウ素粒子、および（ｉｖ）任意選択的にチタンを含む鋳造複合材料であって、
    ・前記添加剤は、クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択され、
    ・前記複合材料の試料は、鋳造前に、約７００℃の温度まで約１２０分間加熱した後、前記試料を収容するための溝を有する型を使用して測定した場合に少なくとも１００ｍｍの鋳造長さに対応する流動性を有し、前記溝は、約３３ｍｍの幅、約６．５ｍｍ〜約４．０ｍｍの高さを有し、約１０°の水平軸から下方に傾斜する、方法。
  2. 前記鋳造長さは、少なくとも１９０ｍｍである、請求項１に記載の鋳造複合材料。
  3. 前記鋳造複合材料は、保持時間中に保持に供され、鋳造時間中に鋳造に供され、前記保持時間および前記鋳造時間の組み合わせは、少なくとも１２０分である、請求項１または２に記載の鋳造複合材料。
  4. 前記添加剤は、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳造複合材料。
  5. 前記添加剤は、スカンジウムである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳造複合材料。
  6. 前記添加剤は、ストロンチウムである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳造複合材料。
  7. 前記添加剤は、ジルコニウムである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳造複合材料。
  8. 前記分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、前記鋳造複合材料の総体積に対して４％〜４０％である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の鋳造複合材料。
  9. 前記添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、前記鋳造複合材料の総重量に対して０．４７％〜８．００％である、請求項８に記載の鋳造複合材料。
  10. 前記鋳造複合材料の総重量に対して０．５０％〜４．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含む、請求項９に記載の鋳造複合材料。
  11. 前記分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、前記鋳造複合材料の総体積に対して４．５％〜１８．９％である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の鋳造複合材料。
  12. 前記添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、前記鋳造複合材料の総重量に対して０．３８％〜４．００％である、請求項１１に記載の鋳造複合材料。
  13. 前記鋳造複合材料の総重量に対して０．４０％〜２．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含む、請求項１２に記載の鋳造複合材料。
  14. 前記分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、前記鋳造複合材料の総体積に対して１９．０％〜２８．０％である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の鋳造複合材料。
  15. 前記添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、前記鋳造複合材料の総重量に対して１．６９％〜６．００％である、請求項１４に記載の鋳造複合材料。
  16. 前記鋳造複合材料の総重量に対して１．８０％〜３．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含む、請求項１５に記載の鋳造複合材料。
  17. 前記分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、前記鋳造複合材料の総体積に対して２５．０％〜２８．０％である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の鋳造複合材料。
  18. 前記分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、前記鋳造複合材料の総体積に対して２８．０％〜３３．０％である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の鋳造複合材料。
  19. 前記添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、前記鋳造複合材料の総重量に対して０．９４％〜４．００％である、請求項１７または１８に記載の鋳造複合材料。
  20. 前記鋳造複合材料の総重量に対して１．００％〜２．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含む、請求項１９に記載の鋳造複合材料。
  21. 鋳造複合材料を調製する方法であって、
    （ａ）（ｉ）ホウ素と任意のチタンと包晶反応を起こすことが可能な添加剤を含む溶融アルミニウム合金を、（ｉｉ）炭化ホウ素粒子の源と組み合わせて、前記添加剤とホウ素との包晶反応の生成物、および分散する炭化ホウ素粒子を含む鋳造複合材料を提供することであって、
    ・前記添加剤は、クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択され、
    ・前記複合材料の試料は、鋳造前に、約７００℃の温度まで約１２０分間加熱した後、前記試料を収容するための溝を有する型を使用して測定した場合に少なくとも１００ｍｍの鋳造長さに対応する流動性を有し、前記溝は、約３３ｍｍの幅、約６．５ｍｍ〜約４．０ｍｍの高さを有し、約１０°の水平軸から下方に傾斜する、提供することと、
    （ｂ）前記溶融複合物を成形して前記鋳造複合材料を形成することと、を含む、方法。
  22. 前記鋳造長さは、少なくとも１９０ｍｍである、請求項２１に記載の方法。
  23. ステップ（ｂ）の前に、保持時間中に前記溶融複合材料を保持することと、鋳造時間中に前記溶融複合物を鋳造することと、をさらに含む、請求項２１または２２に記載の方法。
  24. ステップ（ａ）の前に、溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金を前記添加剤と組み合わせることによって前記溶融アルミニウム合金を提供することをさらに含む、請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
  25. 前記添加剤は、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項２１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
  26. 前記添加剤は、スカンジウムである、請求項２１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
  27. 前記添加剤は、ストロンチウムである、請求項２１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
  28. 前記添加剤は、ジルコニウムである、請求項２１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
  29. 前記分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、前記鋳造複合材料の総体積に対して４％〜４０％である、請求項２１〜２８のいずれか１項に記載の方法。
  30. 前記添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、前記鋳造複合材料の総重量に対して０．４７％〜８．００％である、請求項２９に記載の方法。
  31. 前記鋳造複合材料の総重量に対して０．５０％〜４．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
  32. 前記分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、前記鋳造複合材料の総体積に対して４．５％〜１８．９％である、請求項２１〜２８のいずれか１項に記載の方法。
  33. 前記添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、前記鋳造複合材料の総重量に対して０．３８％〜４．００％である、請求項３２に記載の方法。
  34. 前記複合材料は前記鋳造複合材料の総重量に対して０．４０％〜２．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
  35. 前記分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、前記鋳造複合材料の総体積に対して１９．０％〜２８．０％である、請求項２１〜２８のいずれか１項に記載の方法。
  36. 前記添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、前記鋳造複合材料の総重量に対して１．６８％〜６．００％である、請求項３５に記載の方法。
  37. 前記複合材料は、前記鋳造複合材料の総重量に対して１．８０％〜３．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
  38. 前記分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、前記鋳造複合材料の総体積に対して２５．０％〜２８．０％である、請求項２１〜２８のいずれか１項に記載の方法。
  39. 前記分散する炭化ホウ素粒子の濃度（ｖ／ｖ）は、前記鋳造複合材料の総体積に対して２８．０％〜３３．０％である、請求項２１〜２８のいずれか１項に記載の方法。
  40. 前記添加剤の濃度（ｗ／ｗ）は、前記鋳造複合材料の総重量に対して０．９４％〜４．００％である、請求項３８または３９に記載の方法。
  41. 前記複合材料は、前記鋳造複合材料の総重量に対して１．００％〜２．００％の濃度（ｗ／ｗ）でチタンをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
  42. 請求項２１〜４１のいずれか１項に記載の方法によって得られる、鋳造複合材料。
  43. （ｉ）アルミニウム、（ｉｉ）添加剤とホウ素との包晶反応の生成物、（ｉｉｉ）分散する炭化ホウ素粒子、および（ｉｖ）任意選択的にチタンを含む溶融複合材料の鋳造特性および／または成形特性を向上させる方法であって、前記方法は、（ａ）ホウ素と包晶反応を起こすことが可能な前記添加剤を含む溶融アルミニウム合金を（ｂ）炭化ホウ素粒子の源と組み合わせて融複合材料を提供することを含み、
    ・前記添加剤は、クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択され、
    ・前記複合材料の試料は、鋳造前に、約７００℃の温度まで約１２０分間加熱した後、前記試料を収容するための溝を有する型を使用して測定した場合に少なくとも１００ｍｍの鋳造長さに対応する流動性を有し、前記溝は、約３３ｍｍの幅、約６．５ｍｍ〜約４．０ｍｍの高さを有し、約１０°の水平軸から下方に傾斜する、方法。
  44. 前記鋳造長さは、少なくとも１９０ｍｍである、請求項４３に記載の方法。
  45. （ｉ）アルミニウム、（ｉｉ）添加剤とホウ素との包晶反応の生成物、（ｉｉｉ）分散する炭化ホウ素粒子、および（ｉｖ）任意選択的にチタンを含む溶融複合材料の溶融複合材料の成形を促進する方法であって、前記方法は、（ａ）ホウ素と包晶反応を起こすことが可能な前記添加剤を含む溶融アルミニウム合金を（ｂ）炭化ホウ素粒子の源と組み合わせて融複合材料を提供することを含み、
    ・前記添加剤は、クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、スカンジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択され、
    ・前記複合材料の試料は、鋳造前に、約７００℃の温度まで約１２０分間加熱した後、前記試料を収容するための溝を有する型を使用して測定した場合に少なくとも１００ｍｍの鋳造長さに対応する流動性を有し、前記溝は、約３３ｍｍの幅、約６．５ｍｍ〜約４．０ｍｍの高さを有し、約１０°の水平軸から下方に傾斜する、方法。
  46. 前記鋳造長さは、少なくとも１９０ｍｍである、請求項４５に記載の方法。
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