JP2021523011A - 金属マトリックス複合材ストリップ製品を作製する方法 - Google Patents

金属マトリックス複合材ストリップ製品を作製する方法 Download PDF

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Abstract

金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のコイル状ストリップを作製する方法が開示されている。この方法は、投入材料の厚さを低下させその延性を増大させる熱間圧延および温間圧延プロセスの組合せを含む。得られるＭＭＣストリップはコイル状に巻き上げることができ、これは大量のコイルツーコイル用途に有用である。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は２０１８年５月８日に出願された米国仮特許出願番号第６２／６６８，４３４号の優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
[0002]本開示は金属マトリックス複合材（metal matrix composite）（ＭＭＣ）の加工処理方法に関する。特に、このプロセスにより、ＭＭＣ材料を、コイル状に巻くことができるストリップとして作製することが可能になる。このプロセスは特にアルミニウム−炭化ケイ素（Ａｌ−ＳｉＣ）金属マトリックス複合材と共に使用される。この材料はアルミニウム合金のマトリックス中に分散した炭化ケイ素粒子を含んでいる。また、ＭＭＣ材料のコイルおよびかかるコイルを作製する方法、かかるコイル巻き可能なストリップ材料から形成される物品、ならびにかかる物品を作る方法も開示する。
[0003]金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料は並外れた剛性、高い強度、高い疲労強度、高い昇温時引張強さ、および耐摩耗性を示す。しかしながら、これらの材料は延性が限られており、したがってかかる材料製の物品は主としてバッチプロセスにより作製される。自動化された加工処理設備を用いた大量の加工処理を可能にする形態でＭＭＣ材料を提供することができれば望ましいであろう。
[0004]本開示は、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料をコイル状に巻いてストリップにすることができるようにＭＭＣを加工処理する方法に関する。この加工処理はＭＭＣの強度を低下させるが、その延性を増大させて、薄いゲージのコイル巻き可能なストリップを経済的に作製することができる可能性を制限する亀裂の発生を防ぐ。
[0005]本明細書には、様々な実施形態で、ＭＭＣ材料のストリップを作製する方法であって、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料の長方形の投入材料を熱間加工して（hot working）、熱間圧延ＭＭＣ材料を作製する工程と、熱間圧延ＭＭＣ材料を温間加工して（warm working）ＭＭＣ材料のストリップを得る工程とを含む、方法が開示されている。
[0006]ＭＭＣ材料のストリップはその後コイルに巻き上げることができる。
[0007]一部の実施形態において、熱間加工はＭＭＣ材料の再結晶温度より高い温度で行なわれる。他の実施形態において、熱間加工は約９００°Ｆ（４８２℃）以上の温度で行なってもよい。熱間加工は少なくとも７５％の合計％ＨＷまで行ない得る。熱間加工は複数の熱間パスで行なうことができ、各熱間パスは２０％以下の％ＨＷをもたらす。
[0008]温間加工は室温より高くＭＭＣ材料の再結晶温度未満の温度で行ない得る。特定の実施形態において、温間加工は約３５０°Ｆ〜約６００°Ｆ（約１７７℃〜約３１５℃）の温度で行なうとよい。温間加工は加熱されたローラーを用いて行なうことができる。温間加工は少なくとも７５％の合計％ＷＷまで行なうことができる。温間加工は複数の温間パスで行ない得、各温間パスは６５％以下の％ＷＷをもたらす。
[0009]さらなる実施形態において、ＭＭＣ材料のストリップはまた、温間加工後に冷間加工される。冷間加工は約１０％以下の合計％ＣＷまで行ない得る。
[0010]ＭＭＣ材料はアルミニウム合金およびアルミニウム合金中に分散したセラミック粒子を含む。セラミック粒子は炭化物、酸化物、ケイ化物、ホウ化物、および窒化物からなる群から選択される少なくとも１種のセラミック材料を含み得、特定の実施形態においては炭化ケイ素である。ＭＭＣ材料は約１５ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％のセラミック粒子を含み得る。セラミック粒子の平均粒径は約０．３ｐｍ〜約５ｐｍであり得る。
[0011]特定の実施形態において、ＭＭＣ材料は約１５ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％の炭化ケイ素で強化された６０６１または２１２４アルミニウム合金である。他の実施形態において、ＭＭＣ材料は約１０ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％の炭化ケイ素で強化された６０６１、６０６３、６０８２、２００９、２６１８または２１２４アルミニウム合金である。当然のことながら、炭化ケイ素の代わりに、またはそれに加えて他のセラミック粒子を使用してもよい。
[0012]また、本明細書には、上記方法に従って作られた金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のコイル状ストリップも開示されている。また、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料の非コイル状ストリップから作られた物品も開示されている。
[0013]本開示の上記およびその他の限定されない特徴は以下により特定的に開示される。
[0014]以下は、本明細書に開示されている代表的な実施形態を例示する目的であって、限定する目的ではなく提示される図面の簡単な説明である。
[0015]本開示の一部の実施形態に従う代表的なプロセスを例示する略図である。 [0016]本開示の一部の実施形態に従って作製された巻き上げられたコイルの図である。 [0017]冷間加工のみされたＭＭＣ材料の短いストリップの写真である。これは、ストリップは亀裂の発生を示している。 図３Ｂは、冷間加工のみされたＭＭＣ材料の短いストリップの写真である。これは、ストリップは亀裂の発生を示している。 [0018]本開示の一部の実施形態に従って加工処理され、高まった特性を有するストリップ材料の写真である。 [0019]温間圧延に用いた装置を出るコイル状ストリップの写真である。
[0020]本明細書に開示されている構成要素、プロセスおよび装置は添付の図面を参照することによってより完全に理解することができる。これらの図は便宜上本開示を実証する容易さに基づく単なる概略図であり、したがって、装置またはその構成要素の相対的な大きさおよび寸法を示すこと、および／または代表的な実施形態の範囲を定義もしくは限定することを意図したものではない。
[0021]以下の記載では分かりやすくするために具体的な用語が使用されているが、これらの用語は図面において説明のために選択された実施形態の特定の構成のみに言及することを意図しており、本開示の範囲を定義または限定することを意図していない。図面および以下の記載において、類似の数値による指定は類似の機能の構成要素を指すものと理解されたい。
[0022]単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は状況が明らかに他のことを指示しない限り複数の指示対象を含む。
[0023]本明細書および特許請求の範囲において使用されるとき、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」および「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」実施形態を包含し得る。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「包含する（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「もつ（ｈａｓ）」、「ことができる（ｃａｎ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」、およびこれらの変化形は、本明細書で使用されるとき、指名された成分／構成要素／工程の存在を必要とし、他の成分／構成要素／工程の存在を許容する制限のない移行句、用語、または単語であることが意図されている。しかしながら、かかる記載は、列挙された成分／構成要素／工程「からなる」および「から本質的になる」組成物、物品、またはプロセスも記載すると解するべきであり、この記載は指名された成分／構成要素／工程のみを、それらから生じ得る不純物と共に含むことを許容し、他の成分／構成要素／工程を排除する。
[0024]本出願の明細書および特許請求の範囲中の数値は、同数の有効数字にされたとき同じである数値およびその値を決定するのに本出願に記載されているタイプの慣用の測定技術の実験誤差の範囲内で表示されている値と異なる数値を包含すると理解するべきである。
[0025]本明細書に開示されている範囲は全て、表示されている端点を含み、独立して組み合わせることができる（例えば、「２グラム〜１０グラム」の範囲は端点の２グラムまたは１０グラムを含み、全ての中間の値を含む）。
[0026]用語「約」は、その値の基本的な機能を変化させることなく変わることができるあらゆる数値を含めて使用することができる。範囲がついて使用されるとき、「約」はまた、２つの端点の絶対値により定義される範囲も開示し、例えば「約２〜約４」はまた範囲「２〜４」も開示する。用語「約」は示されている数のプラスマイナス１０％を示し得る。
[0027]本開示はある平均粒径を有する材料に関する。平均粒径は、粒子の総数の５０％の累積率（容量による）に達する粒子の直径として定義される。言い換えると、粒子の５０％が平均の粒径より大きい直径を有し、粒子の５０％が平均の粒径より小さい直径を有する。粒子の粒度分布はガウス分布であり、上位および下位四分位点を表示されている平均粒径の２５％および７５％とし、全ての粒子は表示されている平均粒径の１５０％未満である。
[0028]本開示は、ある特定のプロセス工程のための温度に言及することがある。本開示において、温度は通常、熱源（例えば炉、オーブン）に設定した温度ではなく、言及される材料が達する温度をいう。用語「室温」は６８°Ｆ（２０℃）〜７７°Ｆ（２５℃）の範囲を指す。
[0029]用語「バー」は０．４８ｍｍより大きい厚さを有する長方形の横断面をもつ一片の材料を指す。用語「プレート」は４．７８ｍｍより大きい厚さを有する長方形の横断面をもつ一片の材料を指す。用語「ストリップ」は４．７８ｍｍ以下の厚さを有する長方形の横断面をもつ一片の材料を指す。用語「スラブ」は長方形の横断面を有する一片の材料をいい、単語「投入材料（input）」と同義で使用されて、本開示のプロセスによりコイル状に巻くことができるストリップに細工される出発材料片を指すことができる。
[0030]用語「コイル」はコイル状に巻き上げられた１本の材料を指し、一巻きの材料といってもよい。
[0031]圧延とは、本明細書で使用されるとき、一対以上のローラーにストック投入材料を通過させてストック投入材料の厚さを低下させる金属成形プロセスである。
[0032]金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料は通常、最終製品加工処理のために別々のストリップまたはプレートとして提供される。これは主としてＭＭＣ材料の限定された延性のためである。結果として、通例バッチ式の加工処理方法を使用して最終製品を生産しなければならなくなり、ＭＭＣ材料の費用対効果が制限される。自動化されたコイルツーコイル（ｃｏｉｌ−ｔｏ−ｃｏｉｌ）加工処理設備を用いて大量の材料を加工処理することができれば望ましいであろう。したがって、ＭＭＣ材料のコイル状に巻かれた形態を作製することが有利であろう。
[0033]ＭＭＣ材料の冷間加工の結果亀裂が発生する。亀裂はＭＭＣ材料の室温での比較的低い延性が原因である。本開示のプロセスでは亀裂が回避され、したがってコイル状に巻かれたＭＭＣストリップを作製することが可能になる。ＭＭＣストリップのコイルは大量のコイルツーコイル用途に有用である。これにより、材料の費用対効果の高い貯蔵／輸送ならびにそれからの物品の生産も可能になる。
[0034]金属マトリックス複合材は、金属マトリックスおよびこの金属マトリックス内に分散した強化粒子を含む複合材料である。金属マトリックス相は通例連続であり、一方強化用粒子は金属マトリックス相内で分散相を形成する。
[0035]本開示のＭＭＣにおいて、マトリックス相はアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される。強化粒子は炭化物、酸化物、ケイ化物、ホウ化物、および窒化物から選択されるセラミック材料である。具体的な強化粒子には、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ホウ素、窒化ケイ素、窒化チタン、および酸化ジルコニウムがある。特定の実施形態において、炭化ケイ素が使用される。
[0036]強化粒子は０．３マイクロメートル（ｐｍ）〜５ｐｍの範囲、例えば約３ｐｍの平均粒径（Ｄ５０）を有し得る。平均粒径は粒子の総容量の５０容量％（ｖｏｌ％）の累積率に達する粒子直径として定義される。言い換えると、粒子の５０ｖｏｌ％が平均粒径より大きい直径を有し、粒子の５０ｖｏｌ％は平均粒径より小さい直径を有する。
[0037]ＭＭＣは約１０ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％、例えば約１５ｖｏｌ％〜約３０ｖｏｌ％および約３０ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％の強化粒子を含み得る。
[0038]ＭＭＣに使用されるアルミニウム合金は２０００シリーズのアルミニウム合金（すなわち、銅を含むアルミニウム合金）、６０００シリーズのアルミニウム合金（すなわち、マグネシウムおよびケイ素を含むアルミニウム合金）、または７０００シリーズのアルミニウム合金（すなわち、亜鉛を含むアルミニウム合金）であり得る。適切なアルミニウム合金の非限定的な例には２００９、２１２４、２０９０、２０９９、６０６１、および６０８２がある。
[0039]一部の実施形態において、アルミニウム合金は約９１．２ｗｔ％〜約９４．７ｗｔ％のアルミニウム、約３．８ｗｔ％〜約４．９ｗｔ％の銅、約１．２ｗｔ％〜約１．８ｗｔ％のマグネシウム、および約０．３ｗｔ％〜約０．９ｗｔ％マンガンを含む。
[0040]他の実施形態において、アルミニウム合金は約９５．８ｗｔ％〜約９８．６ｗｔ％のアルミニウム、約０．８ｗｔ％〜約１．２ｗｔ％のマグネシウム、および約０．４ｗｔ％〜約０．８ｗｔ％のケイ素を含む。
[0041]いくつかの特定の実施形態において、ＭＭＣは約１０ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子、例えば約１５ｖｏｌ％〜約３０ｖｏｌ％および約３０ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された６０６１シリーズまたは２１２４シリーズのアルミニウム合金を含む。
[0042]より特定的な実施形態において、ＭＭＣ材料は４０ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された６０６１アルミニウム合金製であることができる。４０ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された６０６１アルミニウム合金の物理的性質としては、以下が挙げられる。
Figure 2021523011
[0043]他の特定の実施形態において、ＭＭＣ材料は２０ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された６０６１アルミニウム合金製であることができる。２０ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された６０６１アルミニウム合金の物理的性質としては、以下が挙げられる。
Figure 2021523011
[0044]追加の実施形態において、ＭＭＣ材料は２５ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された２１２４アルミニウム合金製であることができる。２５ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された２１２４アルミニウム合金の物理的性質としては、以下が挙げられる。
Figure 2021523011
[0045]特定の実施形態において、ＭＭＣ材料は１７ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された２１２４アルミニウム合金製であることができる。１７ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された２１２４アルミニウム合金の物理的性質としては、以下が挙げられる。
Figure 2021523011
[0046]他の実施形態において、ＭＭＣ材料は約１０ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子、例えば約１５ｖｏｌ％〜約３０ｖｏｌ％、または約３０ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された６０６３、６０８２、２００９、または２６１８シリーズのアルミニウム合金製であることができる。
[0047]いくつかの特定の実施形態において、ＭＭＣ材料は１５ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された２００９シリーズのアルミニウム合金製であることができる。１５ｖｏｌ％の炭化ケイ素粒子で強化された２００９シリーズのアルミニウム合金の物理的性質としては、以下が挙げられる。
Figure 2021523011
[0048]一般に、投入ＭＭＣ材料の製造は粉末金属生産（例えば、限定されることはないが、上述した粉末冶金および高エネルギー混合プロセス）のようないずれかの適切な方法によって行なうことができる。本開示のＭＭＣ材料を作製するには、アルミニウム合金を強化粒子と混合して混合物を形成する。この混合物を圧密化し、圧縮し、および押し出し、または熱間圧延する。このプロセスで長方形の生成物、すなわちスラブを作り出し、これを投入材料として本開示のプロセスに使用してコイル状に巻かれたＭＭＣストリップを作製する。
[0049]例えば、金属粉末およびセラミック粒子を高エネルギー技術で混合してセラミック強化粒子を金属マトリックス中に分配させ得る。この混合のために適切な技術として、粉末構成成分に対して高エネルギー混合を提供するボールミル粉砕、機械的磨砕機、チーマーミル、ロータリーミルおよびその他の方法がある。機械的合金化は粉末の過度の酸化を回避するために大気中で完了するべきである。例えば、不活性雰囲気は、窒素またはアルゴンガスを用いて提供することができる。プロセスパラメーターはセラミック粒子の金属マトリックス中への一様な分配を達成するように選択するべきである。
[0050]高エネルギー混合段階からの粉末は残留するあらゆる湿気を粉末表面から除くためにガスを抜くことができる。これは３７℃〜５００℃（１００°Ｆ〜９３０°Ｆ）で完了し得る。
[0051]熱間圧縮工程はまた強化複合材構造の密度を増大するために行なってもよい。熱間圧縮工程は約７５０°Ｆ（４００℃）〜約１１１２°Ｆ（６００℃）、例えば約７９５°Ｆ（４２５℃）〜約１０２０°Ｆ（５５０℃）の範囲および約９３０°Ｆ（５００℃）の温度で行なってもよい。熱間圧縮は通例３０〜１５０ＭＰａの圧力でのホットダイ圧縮、熱間静水圧プレスまたは熱間押出の使用を含み得る。
[0052]混合物は熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）により圧密化される。ＨＩＰプロセスにおいては、粉末を高圧封じ込め容器内で昇温と高いガス圧力の両方に曝露して粉末を圧縮固体にする。静水圧は全方向性である。ＨＩＰプロセスにより間隙および細孔が排除される。熱間静水圧プレスは６６０°Ｆ（３５０℃）〜１１１０°Ｆ（６００℃）の温度および３０〜１５０ＭＰａの圧力で、金属部分が所要の温度に達するのに充分な期間、通例１時間〜８時間行ない得る。熱間静水圧プレスは市販のアルミニウム合金、鋼、またはニッケルＨＩＰシステムで行ない得る。
[0053]本開示は、長方形の形状を有するＭＭＣ材料の投入材料をコイル状ストリップに加工処理する方法またはプロセスに関する。一般に、投入材料は任意の厚さを有することができ、例えばプレートまたはストリップであることができる。投入材料は任意の長さ、例えば数フィート〜数百フィートの長さを有することができる。本加工処理方法は、昇温と室温の組合せでＭＭＣ材料を加工して、コイル状に巻くことができるＭＭＣ材料のストリップを作製する。本明細書に開示されている方法は、熱間加工、温間加工および冷間加工条件の組合せを用いて、コイル状ストリップ製品を経済的に作製する。
[0054]一般に、上に開示されているＡｌ−ＳｉＣ ＭＭＣのようなＭＭＣは室温で限定された延性を示す。言い換えると、ＭＭＣ材料は、圧延中に投入材料にかかる応力のような圧力または圧縮応力の下で変形できる能力が限定されている。これらの材料を従来の方法によって加工処理して、コイル状ストリップを作製すると、結果として材料に亀裂が発生する。これにより、薄いゲージのＭＭＣストリップを経済的に作製できる能力が大幅に制限される。亀裂は、室温におけるＭＭＣ材料の低めの延性ならびに材料中への冷間加工の蓄積によって生じる。
[0055]ＭＭＣ材料の延性は本開示の圧延プロセス中材料の温度を上昇させることによって改良することができる。温度が上昇すると材料にいくつかのことが起こる。まず第１に、材料の強度が低下し、圧延プロセスにおける材料の所与の負荷当たりのより大きな圧下が可能になる。第２に、ＭＭＣ材料のアルミニウムマトリックスの延性が温度と共に増大する。約３５０°Ｆ（１７５℃）〜約６００°Ｆ（３１５℃）程度の温度で、Ａｌ−ＳｉＣ ＭＭＣ材料内のアルミニウム合金の微細構造が圧延により誘発された変形から回復する。これにより、より低い温度で可能なものよりずっと大きい合計変形を達成することが可能になる。
[0056]図１は、長方形形状のＭＭＣ投入材料からコイル状ストリップを作製するプロセス１００の代表的な実施形態におけるプロセス工程を示すフローチャートである。第１の工程１０２で、ＭＭＣ材料の長方形形状のスラブを圧延ミルのような圧延装置への投入材料として準備する。投入材料は、例えば、ストリップまたはプレートでよく、比較的に大きい厚さを有し得る。
[0057]一部の実施形態において、投入材料は例えば連続鋳造プロセスを介して連続的に供給される。これらの連続プロセスでは、溶融した材料がその後の圧延ミルでの圧延のための長方形の投入材料形状に固化する。他の実施形態において、投入材料は、バッチプロセスで圧延するのに適した長方形の投入材料の別々の一片を含み得る。
[0058]ＭＭＣ投入材料は、第１の熱間加工工程１０４を経る。熱間加工は、合金が、一般に合金の再結晶温度を超える温度で、ローラー、ダイを通過するか、または鍛造されて合金の切片断面を減少させて所望の形状および寸法を作り出す金属成形プロセスである。これは一般に機械的性質の方向性を低下させ、新たに等軸の微細構造を生成させる。行なわれる熱間加工の程度は厚さの％圧下率（％低下率）（％ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）、または％ＦＩＷとして示される。熱間加工は通常熱間圧延により行なわれる。
[0059]圧延は、投入材料を一対以上のローラーに通過させて、投入材料の厚さを低下させ投入材料の厚さを均一にする金属成形プロセスである。熱間圧延では、金属の温度をその再結晶温度より高く上昇させる。熱間圧延工程は約９００°Ｆ（４８０℃）〜約１０５０°Ｆ（５６５℃）ｒの温度で行なわれ、すなわち、投入材料はこの温度に加熱された後に圧延ミルを通過する。投入材料は比較的に厚く、したがって熱間圧延プロセス中必要とされる温度を維持する。一部の実施形態において、投入材料は既に加熱された状態にあり、例えば連続鋳造プロセスから直接にとられる。他の実施形態において、ＭＭＣ投入材料は所望の熱間加工処理温度より低い温度から所望の熱間加工温度に加熱される。
[0060]投入材料は加熱または熱間加工される間は缶に入れないことが企図される。缶に入れるとは、投入材料を金属の２つのシートの間に挟んだ後２つのシートを溶接／密封して投入材料を封入することをいう。缶に入れると、投入材料は、潜在的に酸素に富み汚染物質を含有する周囲の雰囲気または環境から隔離される。したがって、溶融金属温度ではより急速に酸化が起こるので、材料を加熱しながら缶に入れると、材料の腐食および酸化が減少する。缶に入れることは一般に、投入材料が約１．２１９２ｍ（４フィート）未満の長さであるときにのみ有用であり、これは企図される商業的な製造プロセスでは起こらない。
[0061]熱間加工プロセス１０４における投入材料の厚さの圧下率（低下率）（％ＨＷ）は変化し得る。一般に、本開示のＭＭＣは圧延パス当たり３０％までの厚さの圧下率で熱間圧延され得る。一部の実施形態において、パス当たりの厚さ圧下率は約５％〜約３０％である。他の実施形態において、パス当たりの厚さ圧下率は約１０％〜約３０％である。一部の実施形態において、パス当たりの熱間圧延の厚さ圧下率は約１０％〜約２５％であり得る。投入材料は１回より多くの圧延パスを通り得る。一部の実施形態において、投入材料は２、３、４、５、６、７、８、９、または１０回ミルロールを通過し得る。
[0062]熱間加工工程における、すなわちすべての熱間圧延パスが完了した後の、最大の合計圧下率（低下率）（％ＨＷ）はＭＭＣ材料の投入材料厚さの約７５％であるが、７５％より大きい圧下率も許容できる。ワークピースが薄くなり過ぎるとあまりに速く熱を失うので熱間加工が起こらなくなる。一部の実施形態において、圧延パス間に投入材料の中間の再加熱は必要とされない。他の実施形態において、材料は圧延パス間に再加熱してもよい。
[0063]熱間加工工程後、熱間加工ＭＭＣ材料は温間加工プロセス１０６を経る。これは一般に温間圧延により行なわれる。温間圧延工程は熱間加工ＭＭＣ材料がまだ昇温にあるうちに行われる。望ましくは、ＭＭＣ材料は約３５０°Ｆ〜約６００°Ｆ（約１７５℃〜約３１５℃）の温度にある。一部の実施形態において、温間圧延に使用されるローラーもまたこの温度に加熱される。言い換えると、ローラーは、熱をＭＭＣ材料に伝導するように加熱される。一般に、ＭＭＣは良好な熱伝導体であり、ＭＭＣ材料は、熱間加工後には熱がＭＭＣ材料の厚さ全体に浸透することができるほど十分に薄い。
[0064]一部の実施形態において、温間加工工程に使用される圧延ミルの少なくとも１つのローラーが加熱される。ローラーは温間圧延に好ましい温度範囲に合致するように加熱され得る。ローラーは当技術分野で公知の様々な方法で、例えば抵抗発熱体をローラーに挿入することで加熱することができる。
[0065]温間加工プロセス１０６におけるＭＭＣ材料の厚さの圧下率（低下率）（％ＷＷ）は圧延パス当たり６５％以下であり得る。他の実施形態において、パス当たりの圧下率は約５％〜約６５％である。一部の実施形態において、温間加工圧下率は約１０％〜約３０％であり得る。一部の実施形態において、温間加工圧下率は約１０％〜約２５％であり得る。一部の実施形態において、温間加工プロセスは圧延ミルを通る多数回のパスを含む。一部の実施形態において、投入ＭＭＣ材料は圧延ミルを２、３、４、５、６、７、８、９、または１０回通過し得る。
[0066]温間加工工程の厚さの合計圧下率（低下率）、すなわちすべての温間圧延パスが完了した後の合計圧下率は出発厚さ（すなわち熱間加工が行なわれた後のＭＭＣ材料の厚さ）の少なくとも７５％である。一部の実施形態において、温間加工工程の厚さの合計圧下率は熱間加工が行なわれた後のＭＭＣ材料の出発厚さの約９０％である。
[0067]温間圧延プロセス１０６は、ＭＭＣ材料の端部亀裂の存在を取り除くかまたは少なくとも大幅に低減するので有利である。また、温間圧延プロセスは冷間加工と比較して圧延ミルのパス当たりＭＭＣ材料の厚さのより大きい圧下率が可能になる。材料は熱間圧延温度で急速な酸化をより受け易いので、熱間圧延温度と比較して比較的に低い圧延温度は材料の酸化を制限する。
[0068]一部の実施形態において、温間加工プロセス１０６の後、ＭＭＣ材料は任意の冷間加工プロセス１０８を経る。すなわち、温間加工プロセスからの材料を放冷した後加工ミルに供給する。冷間加工は、金属の形状または大きさを塑性変形により機械的に変更させるプロセスである。これは金属または合金の圧延、深絞り、プレス、へら絞り、押出またはヘディング（ｈｅａｄｉｎｇ）によって行なうことができる。金属が塑性的に変形されるとき、材料内で原子の転位が起こる。特に、転位は金属の粒子を横切って、またはその内部で起こる。転位は互いに重なり、材料内の転位密度が増大する。重なる転位の増大によりさらなる転位の移動はより困難になる。これにより、得られる合金の硬度および引張強さは増大するが、一般に合金の延性および衝撃特性は低減する。冷間加工はまた合金の表面仕上げを改良する。機械的な冷間加工は一般に合金の再結晶点より低い温度で行なわれ、通常室温で行なわれる。冷間加工の割合（％ＣＷ）、または変形の程度は、冷間加工前後の合金の断面積の変化を測定することによって決定することができる。
[0069]冷間加工プロセス１０８はほぼ室温で行なわれる。ＭＭＣ材料自体は室温であるはずである。ＭＭＣ材料の限定された延性のため、ＭＭＣ材料の厚さの合計圧下率（低下率）（％ＣＷ）は約１０％以下に制限される。一部の実施形態において、冷間加工プロセスは圧延ミルを通る多数回のパスを含む。一部の実施形態において、ＭＭＣ材料は圧延ミルを２、３、４、５、６、７、８、９、または１０回通過し得る。
[0070]望ましくは、これらの工程後、得られるＭＭＣストリップは約０．０４ミリメートル（ｍｍ）〜約１．２５ｍｍの厚さを有する。
[0071]一部の実施形態において、プロセス１００は巻き上げる工程１１０をさらに含む。すなわち、図２を参照して、材料はそれ自体の回りに巻き付けられて、材料のより大きいロールまたはコイル２００を作り出すことができる。一部の実施形態において、材料は芯２１０の回りに巻き付けられる。一部の実施形態において、コイル形態２００は約４０．６４ｃｍ（１６インチ）〜約５０．８ｃｍ（２０インチ）の内径ＩＤを有する。一部の実施形態において、コイル形態は約１５２．４ｃｍ（６０インチ）〜約１８２．８８ｃｍ（７２インチ）の外径ＯＤを有する。芯２１０はまた、材料を貯蔵し輸送することができる手段も提供する。
[0072]得られるＭＭＣコイル状ストリップ材料はＭＭＣ材料の大量生産に使用することができる。ＭＭＣ材料は巻き戻し、宇宙、防衛、航空宇宙、自動車、ＯＥＭ、消費財、家電製品、および輸送用途のような用途に有用な物品に変換することができる。例えば、巻き戻したＭＭＣストリップは打抜き、切断等により、物品を形成することができる。物品としては、出口案内翼、油圧／燃料ブロック、車輪、固定翼構造／皮、ヘリコプター部品、ピストン、ピストンピン、シリンダーライナー、ブレーキキャリパー、連接棒、プッシュロッド、シャシー部品、光学センサー、および衛星構造を挙げることができる。
[0073]以下の実施例は本開示の組成物、物品、および方法を例示するために挙げられるものである。実施例は単なる実例であり、本開示を実施例に記載される材料、条件、またはプロセスパラメーターに限定する意図はない。
[0074]比較例１
[0075]２０ｖｏｌ％のＳｉＣ粒子で強化された６０６１アルミニウム合金製のＭＭＣ片を３．５５ｍｍ（０．１４０インチ）の厚さに押し出し、１２．０６５ｃｍ（４．７５インチ）の幅に切断した。これらの材料片をパス当たり１０％ＣＷで冷間圧延した。図３Ａおよび図３Ｂに見られるように、端部亀裂の発生が起こった。
[0076]実施例１
[0077]２０ｖｏｌ％のＳｉＣ粒子で強化された６０６１アルミニウム合金製のＭＭＣ片を３．５５ｍｍ（０．１４０インチ）の厚さに押し出し、１２．０６５ｃｍ（４．７５インチ）の幅に切断した。これらの材料片を４５０°Ｆ〜５５０°Ｆ（２３２℃〜２８７℃）の温度で０．４６ｍｍ（０．０１８インチ）の厚さ、または８７％厚さの％ＷＷおよび１２．０６５ｃｍ（４．７５インチ）幅に温間圧延した。図４に示されているように、材料に亀裂は存在しなかった。この材料は容易にコイル状に巻き上げられた。
[0078]実施例２
[0079]２０ｖｏｌ％のＳｉＣ粒子で強化された６０６１アルミニウム合金製のＭＭＣ片を３．５５ｍｍ（０．１４０インチ）の厚さおよび１１．４３ｃｍ（４．５インチ）の幅に押し出した。端部は押し出されたままであった。
[0080]Ｇｒｉｅｖｅ炉を用いてサンプルを予熱した。炉を７００°Ｆ（３７０℃）に設定し、サンプルを３０分炉内に保持した。Ｆｅｎｎ圧延ミルを用いてＭＭＣサンプルを温間圧延した。ローラーを約６００°Ｆ（３１５℃）に予熱した後圧延した。保温手袋を用いてサンプルを炉から圧延ミルに移した。ＭＭＣサンプルを圧延ミルのエントリーテーブルに載せたところ、即座に圧延シーケンスが係合した。温度は圧延プロセスの開始時に材料片の尾部に高温計を接触させて測定した。圧延ミルから出た後、サンプルを素早く圧延ミルの入口側に戻した。第１のサンプルでは、７回のパスが完了した後温度を４００°Ｆ（２０４℃）未満に低下させた。第１のサンプル（投入材料長さ２２．８６ｃｍ（９インチ））の各パスのデータを下記表１に挙げる。
[0081]表２は出発厚さ３．５５ｍｍ（０．１４０インチ）および投入材料長さ２２．８６ｃｍ（９インチ）の第２のサンプルのデータを示す。表３は出発厚さ３．５５ｍｍ（０．１４０インチ）および投入材料長さ４５．７２ｃｍ（１８インチ）の第３のサンプルのデータを示す。表４は出発厚さ３．５５ｍｍ（０．１４０インチ）および投入材料長さ９１．４４ｃｍ（３６インチ）の第４のサンプルのデータを示す。表５は出発厚さ３．５５ｍｍ（０．１４０インチ）および投入材料長さ１２１．９２ｃｍ（４８インチ）の第５のサンプルのデータを示す。
Figure 2021523011
Figure 2021523011
Figure 2021523011
Figure 2021523011
Figure 2021523011
[0082]実施例３
[0083]２０ｖｏｌ％のＳｉＣ粒子で強化された６０６１アルミニウム合金製のＭＭＣ片を実施例２と同様にして、しかし出発厚さを１．４５ｍｍ（０．０５７インチ）、出発長さを５２．０７ｃｍ（２０．５インチ）として作製した。端部は押し出されたままであった。次いでサンプルを温かいローラーを用いて圧延した。プロセスは実施例２と同じであった。各パスの結果を下記表６に挙げる。最終のストリップは長さが１６４．８４６ｃｍ（６４．９インチ）であった。
Figure 2021523011
[0084]図５は、温間圧延に使用した圧延ミルを出るコイル状に巻き上げられたＭＭＣストリップの写真である。
[0085]上に開示された、およびその他の特徴および機能の変形、またはそれらの代替物は多くの他の異なるシステムまたは応用に組み合わせられることが理解されよう。現在のところ予期または予測できない様々な代替、修正、変化または改良がこの後当業者によりなされ得るが、それらもまた以下の特許請求の範囲またはその均等物に包含されることが意図されている。

Claims (17)

  1. 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のストリップを製造する方法であって：
    前記ＭＭＣ材料の長方形の投入材料を熱間加工して、熱間圧延ＭＭＣ材料を作製する工程；及び
    前記熱間圧延ＭＭＣ材料を温間加工して前記ＭＭＣ材料のストリップを得る工程；
    を含む、前記方法。
  2. 前記ＭＭＣ材料のストリップをコイルに巻き上げる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記熱間加工を約９００°Ｆ（４８２℃）〜約１０５０°Ｆ（５６５℃）の温度で行なう、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記熱間加工を少なくとも７５％の合計％ＦＩＷまで行なう、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記熱間加工を複数回の熱間パスで行ない、各熱間パスが２０％以下の％ＦＩＷをもたらす、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記温間加工を約３５０°Ｆ〜約６００°Ｆ（約１７７℃〜約３１５℃）の温度で行なう、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記温間加工を加熱されたローラーを用いて行なう、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記温間加工を少なくとも７５％の合計％ＷＷまで行なう、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 前記温間加工を複数回の温間パスで行ない、各温間パスが６５％以下の％ＷＷをもたらす、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 前記温間加工後に前記ＭＭＣ材料のストリップを冷間加工する工程をさらに含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記冷間加工を約１０％以下の合計％ＣＷまで行なう、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記ＭＭＣ材料が、アルミニウム合金、および前記アルミニウム合金内に分散したセラミック粒子を含む、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 前記セラミック粒子が、炭化物、酸化物、ケイ化物、ホウ化物、および窒化物からなる群から選択される少なくとも１種のセラミック材料を含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ＭＭＣ材料が約１５ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％のセラミック粒子を含む、請求項１２または１３に記載の方法。
  15. 前記セラミック粒子の平均粒径が約０．３ｐｍ〜約５ｐｍである、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法。
  16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法に従って作製される金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のコイル状ストリップ。
  17. 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料の非コイル状ストリップから作製される物品。
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