JP2524093B2 - セラミック複合体 - Google Patents

セラミック複合体

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、成形された自己支持セ
ラミック複合物に係る。一層詳細には、本発明は、セラ
ミックマトリックスにより浸透された形作られたプレフ
ォームを含んでいる形作られた自己支持セラミック複合
物に係り、また親金属前駆物質からの酸化反応生成物の
“成長”によりセラミックマトリックスによって、形作
られたプレフォームを浸透し、前記酸化反応生成物が前
記プレフォームの成分を埋め、それにより前記プレフォ
ームのジオメトリを有する複合物を形成することにより
製造される新規なセラミック複合物に係る。
【０００２】
【本願出願人に譲渡された特許出願の説明】本願の対象
は、本願出願人の特公平３−７５５０８号公報のそれに
係る。この公報には、充填材の透過性の塊の中へ親金属
から酸化反応生成物を成長させることにより自己支持セ
ラミック複合物を製造するための新規な方法が開示され
ている。しかし、その結果として得られる複合物は郭定
又は予め定められたジオメトリ、形状又は輪郭を有して
いない。
【０００３】セラミック酸化反応生成物を成長させる方
法は一般的に、本願出願人の特公平４−３６１１２号公
報及びこれに対応する米国特許出願の一部継続出願であ
る１９８５年９月１７日付け米国特許出願第７７６，９
６４号の一部継続出願である１９８６年１月１５日付け
米国特許出願第８１８，９４３号明細書に開示されてい
る。合金化されたドーパントの使用により高められ得る
酸化現象を使用するこの方法は、前駆物質金属からの酸
化反応生成物として成長させられた自己支持セラミック
物体を提供する。この方法は、“自己支持セラミック材
料の製造方法”という名称の１９８４年７月２０日付け
米国特許出願第６３２，６３６号の一部継続出願に対応
する特公平４−４０３１３号公報に開示されているよう
な前駆物質金属の表面に施されたドーパントの使用によ
り改良された。本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡され
た前記の特許出願の明細書のすべての開示内容を参照に
よりここに組入れたものとする。
【０００４】
【従来の技術】近年、古くから金属が用いられてきた構
造材料にセラミックスを使用することに関心が高まって
きた。この関心を刺激してきたのは、金属と比較した時
の耐蝕性、硬度、耐摩耗性、弾性係数及び耐熱性のよう
ないくつかの性質に関するセラミックスの優秀性であ
る。
【０００５】一層強度が高く、一層信頼性が高く、また
一層丈夫なセラミック物品を製造する現在の努力は
（１）モノリシックセラミックスに対する改良された処
理方法の開発と（２）新しい材料組成、特にセラミック
マトリックス複合物の開発とに集中している。複合物構
造は、複合物の所望の性質を得るために密に組合わされ
ている二つ又はそれ以上の異なる材料から作られた不均
質な材料、物体又は物品を含んでいる構造である。例れ
ば、二つの異なる材料が、一方を他方のマトリックスの
中に埋め込むことにより密に組合わされ得る。セラミッ
クマトリックス複合物構造は典型的に、粒子、ファイ
バ、棒などのような二つ又はそれ以上の異なる種類の充
填剤材料を取り囲むセラミックマトリックスを含んでい
る。
【０００６】セラミック物品を調製する伝統的な方法は
下記の一般的な過程を含んでいる。 （１）粉末形態でセラミック材料を調製する、（２）非
常に微細な粒子を得るべく粉末のグラインディング又は
ミリングを行う、（３）例えば一軸方向圧縮、等圧圧
縮、射出成形、テープ鋳込、スリップ鋳込又はいくつか
の他の方法のいずれかにより（後続の処理の間の収縮を
許す）所望のジオメトリを有する物体として粉末を形成
する。（４）個々の粉末粒子がコヒーレントな構造を形
成するべく互いに結合するように高められた温度に加熱
することにより物体を稠密化する（この過程は、好まし
くは圧力を与えずに（すなわち無加圧焼結により）、し
かし場合によっては追加的な駆動力を与えて一軸方向圧
力のもとに（すなわち高温圧縮により）又は等圧のもと
に（すなわち高温等圧圧縮により）行われる）、（５）
しばしばダイアモンド研削により仕上げる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】これらの伝統的な方法
がセラミックマトリックス複合物材料の調製に応用され
る時、追加的な困難が生ずる。おそらく最も困難な問題
は上記（４）の稠密化過程で生ずる。通常好まれる方法
である無加圧焼結では、もし材料が高度に両立性でなけ
れば、粒子複合物の調製は困難又は不可能であり得る。
一層重要なこととして、従来の焼結では、たいていの場
合に、たとい材料が両立性である時にも、粉末粒子を稠
密化するのに必要な変位を阻止する傾向があるファイバ
により粒子の相互結合が禁止されるので、ファイバ複合
物を含むことは不可能である。これらの困難は、場合に
よっては、高温に於いて外部圧力を与えて稠密化プロセ
スを強制することにより部分的に克服されてきた。しか
し、このような手順は、与えられる外部圧力による強化
ファイバの破壊又は損傷と、（特に一軸方向高温圧縮の
場合に）複雑な形状を形成する可能性の制限と、プロセ
スの低い生産性及び場合によっては必要とされる大掛か
りな仕上げ作業の結果としてのコストの増大とを含む多
くの問題を発生し得る。
【０００８】また追加的な困難が、マトリックスの中に
複合物第二相の均一な分布を保つことが重要である粉末
とウィスカー又はファイバとの混合の過程及び前記
（３）の物体形成過程で生ずる。例えば、ウィスカー強
化されたセラミック複合物の調製の際に、混合過程及び
物体形成過程に含まれる粉末及びウィスカー流動プロセ
スは強化ウィスカーの不均一性及び望ましくない方向性
を生じ、その結果として性能が低下する。
【０００９】金属とシリカとの強化／還元（“レドック
ス”）反応により金属酸化物耐熱物を製造するための方
法は米国特許第２，７０２，７５０号明細書に開示され
ている。この特許によれば、シリカ物体がアルミニウム
のような金属の溶融浴の中へ浸され、もしくは金属粉末
がシリカ物体中にくまなく分散され、また次いで加熱さ
れる。所望であれば、アルミナのような不活性材料が物
体へ追加され得る。耐熱物は、金属をその酸化物に強化
し、他方シリカを自由なシリコンに還元することにより
形成される。米国特許第３，９７３，９７７号明細書に
は、いくつかの酸化物の集塊を溶融アルミニウムの浴の
中へ浸すことにより圧倒的にアルミン酸マグネシウムス
ピネルから成るサーメットを製造する方法が開示されて
いる。これらの二つの特許のいずれも、気相酸化体によ
る金属前駆物質の酸化により形成された酸化反応生成物
の方向性成長も、形作られたプレフォームの中へのこの
ような成長及び浸透も開示していない。
【００１０】本願の譲受人と同一の譲受人に譲受された
特許出願には、そこに一層完全に説明されているような
伝統的なセラミック技術のこれらの問題のいくつかを解
決する新しいプロセスが記載されている。本発明は、こ
れらのプロセスを追加的な新規な構想と組合わせて、最
終又はほぼ最終の形状に複雑な構造を形成するものであ
る。一層詳細には、本発明は、例えば湾曲した面又は表
面及び孔又は開口のある比較的複雑なジオメトリ及び形
態を有する複合物形状を形成するものである。さらに、
本発明は、公知のプロセスに付随する困難及び制限を克
服する独特の酸化現象により特定の予め定められたジオ
メトリのセラミック複合物を製造するものである。この
方法によれば、一層直接的で一層多面的で従来の方法よ
りも経済的なメカニズムにより、典型的に高い強度及び
破断じん性を有する形作られたセラミック物体が得られ
る。
【００１１】本発明によれば、現在利用可能な技術では
複製が困難又は不可能である予め定められた形状、寸法
及び厚みを有する一体の物体としてセラミック物品を高
い信頼性をもって製造するための手段が得られる。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明に
よれば、（１）少なくとも１つの郭定表面境界を有する
浸透されたプレフォームの輪郭を有するセラミックスマ
トリックスであって、（ｉ）親金属と少なくとも１種の
ドーパントの酸化反応により生成した、相互連結した実
質的に単一相の多結晶酸化反応生成物と、（ii）該親金
属の１又は２以上の非酸化成分である少量の金属成分及
び／又は(iii) 空隙、から本質的になるセラミックスマ
トリックス、及び（２）該マトリックス中に埋設され、
少なくとも１つの郭定表面を有する、所定の形状のプレ
フォームとして成形された充填材、を含んで成ることを
特徴とするセラミック複合成形体が提供される。
【００１３】本発明は、広く言って、セラミックマトリ
ックスにより浸透されたプレフォームを含んでいる予め
定められた形状の自己支持セラミック複合物物体を提供
するものである。セラミックマトリックスは主として、
プレフォームを浸透し且つ本質的に酸化反応生成物及び
オプションとして一つ又はそれ以上の金属成分から成る
多結晶性の材料を形成するべく気相酸化体による親金属
前駆物質の酸化反応により得られる。気相酸化体は、後
で一層詳細に説明するように、固体酸化体もしくは液体
酸化体と組合わせて使用され得る。このような場合に
は、多結晶性マトリックスはこのような追加的な酸化体
及びこのような酸化体の酸化又は還元された成分による
金属前駆物質の反応生成物を含んでいてよい。結果とし
て得られる自己支持複合体は実質的にプレフォームのそ
れと同じ形態又はジオメトリを有する。本発明のプロセ
スによれば、その後の例えば研削による仕上げを最小化
又は不要にする最終又はほぼ最終の形状が得られる。ま
た、製品は直線性、同心性及び一般的な設計忠実性のよ
うな望ましい特性を呈する。
【００１４】本発明の方法によれば、セラミック複合物
は、所望の予め定められた形状を有し且つ少なくとも一
つの郭定された表面境界を有する少なくとも一つのプレ
フォームを形成することにより製造される。プレフォー
ムは気相酸化体に対して、また酸化反応生成物の成長に
よる浸透に対して透過性である。親金属は、溶融金属の
物体を形成するべく親金属の融点よりも高く但し酸化反
応生成物の融点よりも低い温度に加熱される。しかし、
作動温度可能な温度範囲又は好ましい温度がこの全温度
間隔を越えてはならないことは理解されよう。溶融金属
の物体は、プレフォームの郭定された表面境界が接触領
域の外側に又はそれから離れて又はそれから間隔をおい
て置かれ、また酸化反応生成物の生成又は成長がプレフ
ォームの中へ且つ郭定された表面境界に向かう方向に生
起するように、金属をプレフォームに隣接して置くこと
により、透過性プレフォームの領域と接触させられる。
この温度で又は温度範囲内で、溶融金属は酸化反応生成
物の相を形成するべく酸化体と反応する。酸化環境に継
続的に露出しつつ、また酸化反応生成物の少なくとも一
部分を、溶融金属の物体と接触し且つそれらの間に位置
する状態に保ちつつ、溶融金属が酸化体に向けて酸化反
応生成物を通じて漸進的に引かれる。こうして、酸化反
応生成物は酸化体と先に形成されプレフォームを浸透し
終わった酸化反応生成物との間の界面に形成し続ける。
反応は、プレフォームの形態又はジオメトリを有するセ
ラミック複合物を形成するため、多結晶性の酸化反応生
成物がプレフォームを郭定された表面境界まで浸透し終
わり、従ってまた結果として得られた多結晶性マトリッ
クスがプレフォームの成分を埋め終わるまで継続され
る。
【００１５】本発明の他の局面では、後で一層詳細に説
明するように、親金属前駆物質の酸化時に形成されたセ
ラミックマトリックスにより浸透された形作られたプレ
フォームのそれと実質的に同じ形態又はジオメトリを有
する自己支持セラミック複合成形体が提供される。本発
明の材料は、密なセラミック構造を製造するための従来
のプロセスでは達成困難であった厚みに横断面を通じて
実質的に均一な特性で成長させられ得る。また、これら
の材料を得るプロセスは、微細で高純度で均一な粉末の
調製、グリーン物体形成、結合剤バーンアウト、及び焼
結、高温圧縮及び（又は）高温等圧圧縮による稠密化を
含む通常のセラミック製造方法で高いコストが必要とさ
れるという問題を取り除く。
【００１６】本発明による製品は、ここで用いられるよ
うに、電気的、摩耗的、熱的、構造的又は他の特徴又は
特性が重要又は有利である応用に対して、制限なしに、
工業的、構造的及び技術的セラミック物体を含むことを
意図し、また溶融金属の処理中に望ましくない副生物と
して生成され得るようなリサイクル又は廃棄材料を含む
ことを意図しない商業的物品として使用するために適合
可能又は製造可能である。
【００１７】本明細書中で使用される下記の用語は下記
のように定義されている。“セラミック”とは、古典的
な意味、すなわち完全に非金属又は有機材料から成って
いるという意味でのセラミック物体に限定されるものと
して不当に解釈されるべきではなく、親金属から誘導さ
れた、又は酸化体から又はドーパントにより生成された
一つ又はそれ以上の金属成分を少量又は実質的な量で、
最も典型的に約１〜４０％（体積百分率）の範囲内で又
はさらに大きな割合で含んでいるとしても、組成又は支
配的特性に関して優勢にセラミックである物体を指して
いる。
【００１８】“酸化反応生成物”とは、一般的に、金属
が電子を他の元素、化合物又はそれらの組合わせに供与
し又はそれらと共有した任意の酸化状態での一つ又はそ
れ以上の金属を意味する。従って、この定義による“酸
化反応生成物”は酸化体による一つ又はそれ以上の金属
の反応の生成物を含んでいる。“酸化体”とは、一つ又
はそれ以上の適当な電子受容体又は電子共有体を意味
し、元素、元素の組合わせ、化合物又は化合物の組合わ
せ（還元可能な化合物を含む）であって、またプロセス
条件に於いて蒸気、固体又は液体である。
【００１９】“親金属”とは、多結晶性反応生成物に対
する前駆物質である金属、例えばアルミニウムを指し、
また比較的純粋な金属、不純物及び（又は）合金化成分
を含有する商業的に入手可能な金属としてのその金属、
又はその金属前駆物質が主成分である合金を含んでい
る。また特定の金属が親金属、例えばアルミニウムとし
て述べられる時、アイデイティファイされた金属が、そ
れとは別に文脈中で指示されないかぎり、この定義で解
されるべきである。
【００２０】
【実施例】本発明によれば、（後で一層詳細に説明する
ように）ドープされていてよく、また酸化反応生成物へ
の前駆物質である親金属がインゴット、ビレット、棒、
板などに形成され、また不活性の床、るつぼ又は他の耐
熱容器の中に置かれる。（後で一層詳細に説明する）透
過性の形作られたプレフォームが少なくとも一つの郭定
された表面境界を有するものとして、また気相酸化体及
び浸透する酸化反応生成物に対して透過性を有するもの
として製造される。プレフォームは、プレフォームの郭
定された表面境界の少なくとも一部分が一般的に親金属
の金属表面から離れて又は外側に置かれるように、親金
属の一つ又はそれ以上の表面又はその表面の一部分に隣
接して、好ましくはそれと接触して置かれる。プレフォ
ームは好ましくは親金属の表面と接触している。しか
し、所望であれば、プレフォームは溶融金属の中に部分
的に浸されてよいが、全体的に浸されてはならない。な
ぜならば、完全な浸漬は多結晶性マトリックスの適当な
成長のためのプレフォームの中への気相酸化体のアクセ
スを遮断又は阻止するからである。酸化反応生成物の生
成は、郭定された表面境界に向かう方向に生起する。適
当な容器内の親金属及び透過性プレフォームのこのセッ
トアップが炉の中に置かれ、また環境が気相酸化体を供
給され且つプロセス条件に加熱される。
【００２１】本発明の実施に有用なプレフォームは、気
相酸化体がプレフォームを透過し、また親金属と接触す
るのを許すべく、十分に多孔性又は透過性でなければな
らない。またプレフォームは、プレフォームの形態又は
ジオメトリを実質的に乱したり変化させたりすることな
しにプレフォームの中のマトリックスとしての酸化反応
生成物の成長を受入れるべく、十分に透過性でなければ
ならない。
【００２２】気相酸化体は常時気体状であり、又はプロ
セス条件で気化されており、大気のような酸化雰囲気を
生ずる。典型的な気相酸化体は、例えば、揮発性又は揮
発可能な元素、化合物、又は化合物の成分を含む下記の
元素又は化合物、又は下記の元素又は化合物の組合わせ
を含んでいる：酸素、窒素、ハロゲン、硫黄、リン、ヒ
素、炭素、ホウ素、セレン、テルル、メタン、エタン、
プロパン、アセチレン、エチレン、プロピレン（炭素の
源としての炭化水素）及び空気、Ｈ2 ／Ｈ2 Ｏ及びＣＯ
／ＣＯ2 のような混合物。最後の二つ（すなわちＨ2 ／
Ｈ2 Ｏ及びＣＯ／ＣＯ2 ）はプレフォームの所望の酸化
可能な成分に対して相対的に環境の酸素活性を減ずるの
に有用である。酸素又は酸素含有（空気を含む）気体混
合物は適当な気相酸化体であり、通常は空気が経済上の
明らかな理由で好まれている。気相酸化体が特定の気体
又は蒸気を含有するものとして特定される時、これは特
定された気体又は蒸気が、利用される酸化環境の中で得
られる条件のもとに親金属の唯一、優勢又は少なくとも
有意義な酸化剤である気相酸化体を意味する。例えば、
空気の主成分は窒素であるが、空気に含有されている酸
素は通常、利用される酸化環境の中で得られる条件のも
とに親金属の唯一の酸化剤である。従って、空気は“酸
素含有気体”酸化体の定義に属し、“窒素含有気体”酸
化体の定義には属さない。本明細書で使用される“窒素
含有気体”酸化体の一例は、典型的に約９６％（体積百
分率）の窒素及び約４％（体積百分率）の水素を含有す
る“成形気体”である。
【００２３】プロセス条件に於いて液体又は固体である
酸化体が気相酸化体と組合わせて利用され得る。このよ
うな追加的な酸化体は、プレフォームの表面を越えてで
はなくプレフォームの中で優先的に親金属の酸化を強化
するのに特に有用であり得る。すなわち、このような追
加的な酸化体の使用により、プレフォームの外の環境よ
りも親金属の酸化に好ましい環境がプレフォームの中に
作られ得る。この強化された環境は境界へのプレフォー
ムの中のマトリックス成長を助長し、また過成長を最小
化するのに有利である。固体酸化体が利用される時に
は、固体酸化体は例えば粒子形態でプレフォーム全体を
通じて、又は親金属と隣接するプレフォームの一部分を
通じて、分散させられ、またプレフォームと混合されて
もよいし、プレフォーム粒子上への被覆として利用され
てもよい。任意の適当な固体酸化体が気相酸化体との両
立性に関係して利用され得る。このような固体酸化体は
ホウ素又は炭素のような適当な元素、又は（酸素の源と
しての）二酸化シリコン、又は親金属のホウ化物反応生
成物よりも熱力学的安定性が低い特定のホウ化物のよう
な適当な還元可能な化合物を含んでいてよい。
【００２４】もし液体酸化体が利用されるならば、液体
酸化体はプレフォーム全体を通じて、又は溶融金属と隣
接するプレフォームの一部分を通じて、分散させられ得
る。このような液体酸化体は溶融親金属への気相酸化体
のアクセスを阻止しない。液体酸化体とは、酸化反応条
件のもとに液体である酸化体を意味し、従って液体酸化
体は酸化反応条件に於いて溶融状態又は液体状態にある
塩のような固体前駆物質を有し得る。代替的に、液体酸
化体は液体前駆物質、すなわちプレフォームの多孔性表
面の一部又は全部を被覆するのに使用され、また適当な
酸化体モイエティを生ずるべくプロセス条件に於いて溶
融又は分解されている材料の溶液であってよい。ここに
定義されるような液体酸化体の例は低融点ガラスを含ん
でいる。
【００２５】親金属及び透過性プレフォームを含むレイ
アップは、気相酸化体を供給されている炉の中に置か
れ、また親金属の融点よりも高く但し酸化反応生成物の
融点よりも低い温度に加熱される。例えば、気相酸化体
として空気を使用するアルミニウム親金属の場合には、
温度は一般に約３５０〜１４５０℃の間、好ましくは約
９００〜１３５０℃の間である。この作動可能な温度間
隔又は好ましい温度範囲内で、溶融金属の物体又はプー
ルが形成し、また酸化体と接触して、溶融金属が酸化反
応生成物の層を形成するべく反応する。酸化環境への露
出を継続しつつ、適当な温度範囲内で、残りの溶融金属
が酸化体の方向に酸化反応生成物の中へまたそれを通じ
て漸進的に引かれる。酸化体との接触時に、溶融金属は
追加的な酸化反応生成物を形成するべく反応する。酸化
反応生成物の少なくとも一部分は、プレフォーム中の多
結晶性酸化反応生成物の継続成長を維持するべく、溶融
金属及び気相酸化体と接触し且つそれらの間に位置する
状態に保たれる。多結晶性酸化反応生成物はプレフォー
ムの中で成長し続け、一般にもし気相酸化体の交換が行
われ、また追加的な親金属が存在するならば、その成分
を埋める。気相酸化体が空気である時には、この交換は
炉の中に通気手段を設けることにより最も好都合に行わ
れる。
【００２６】プロセスは、酸化反応生成物がプレフォー
ムの成分を郭定された表面境界まで、望ましくはそれを
超過せずに（多結晶性マトリックス材料による“過成
長”を生ぜずに）、埋め終わるまで継続される。結果と
して得られるセラミック複合物製品はその境界まで、本
質的に気相酸化体による親金属の酸化反応生成物と、オ
プションとして、親金属の非酸化成分又は還元可能な酸
化体の金属成分のような一つ又はそれ以上の金属成分と
から成る多結晶性材料を含むセラミックマトリックスに
より浸透されたプレフォームを含んでいる。最も典型的
には、プレフォーム及び多結晶性材料の境界は実質的に
一致している。しかし、プレフォームの表面に於ける個
々の成分は露出されてもよいし、マトリックスから突出
してもよい。従ってまた、浸透及び埋め込みはマトリッ
クスによりプレフォームを完全に包囲しなくてもよい。
さらに、結果として得られる多結晶性マトリックスが多
孔性を呈してよいことは理解されよう。多孔性は金属相
の部分的又はほぼ完全な置換であり得るが、空隙の体積
百分率は温度、時間、親金属の形式及びドーパント濃度
のような条件に大きく関係する。典型的にこれらの多結
晶性セラミック構造の中で、酸化反応生成物クリスタラ
イトは一次元よりも多い次元、好ましくは三次元に相互
結合されており、また金属相及び孔相は少なくとも部分
的に相互結合されていてよい。本発明のセラミック複合
物製品は一般に良好に郭定された境界を有し、また元の
プレフォームの寸法及び幾何学的形態を有する。
【００２７】本発明を以下では親金属がアルミニウムで
ある実施例に重点をおいて説明するが、これは例示の目
的での説明に過ぎず、シリコン、チタン、スズ、ジルコ
ンなどのような他の金属が本発明の規範を満足して使用
され得ること、又は本発明の規範を満足するべくドープ
され得ることは理解されよう。本発明の実施にあたりプ
レフォームを製造するのに有用な材料の例は、選択され
た親金属及び酸化システムに関係して酸化アルミニウ
ム、炭化シリコン、オキシ窒化シリコンアルミニウム、
酸化ジルコン、ホウ化ジルコン、窒化チタン、チタン酸
バリウム、窒化ホウ素、窒化シリコン、種々の鉄合金、
例えば鉄・クロム・アルミニウム合金、炭素、アルミニ
ウム、種々のクレー及びそれらの混合物の一つ又はそれ
以上を含んでいてよい。しかし、任意の適当な材料がプ
レフォームに使用され得る。例えば、もしアルミニウム
が親金属として使用され、また窒化アルミニウムが意図
される酸化反応生成物であれば、窒化アルミニウム及び
（又は）酸化アルミニウム粒子がプレフォームに対する
適当な材料である。もしジルコンが親金属として使用さ
れ、また窒化ジルコンが意図される酸化反応生成物であ
れば、二ホウ化ジルコン粒子がプレフォームに対する適
当な組成を含んでいる。もしチタンが親金属として使用
され、また窒化チタンが意図される酸化反応生成物であ
れば、アルミナ及び（又は）二ホウ化チタン粒子が適当
である。もしスズが親金属として使用され、また酸化ス
ズが意図される酸化反応生成物であれば、アルミナ粒子
から成るプレフォームが適当である。もしシリコンが親
金属として使用され、また窒化シリコンが意図される酸
化反応生成物であれば、窒化チタン粒子から成るプレフ
ォームが適当である。
【００２８】本発明の透過性プレフォームはスリップ鋳
込、射出成形、トランスファー成形、真空成形のような
任意の従来の方法、又はさもなければ、後で一層詳細に
特定され且つ説明される任意の適当な材料の圧縮により
任意の予め定められた又は所望の寸法及び形状に形成さ
れ得る。透過性プレフォームは、前記のように、気相酸
化体と組合わせて使用され得る固体酸化体及び（又は）
液体酸化体を含んでいてよい。プレフォームは少なくと
も一つの表面境界を有するものとして製造されなければ
ならず、またセラミックマトリックスによる浸透の後に
寸法忠実性が得られるように十分な形状一体性及び生強
度を保たなければならない。しかし、透過性プレフォー
ムは、成長する多結晶性マトリックスを受入れるのに十
分に透過性でなければならない。好ましくは、本発明の
プレフォームは体積百分率で約５％と９０％との間、一
層好ましくは約２５％と５０％との間の多孔性を有す
る。多孔性プレフォームは、好ましくは、高い一体性及
び良好に郭定された境界を有するセラミック複合物製品
を形成するべくプレフォームの中への多結晶性マトリッ
クスの成長を助長するためプロセス条件のもとに溶融親
金属により濡らされ得なければならない。
【００２９】任意の寸法及び形状のプレフォームは、成
長する多結晶性マトリックスに対する境界を本質的に郭
定する少なくとも一つの表面境界を有する。一例とし
て、プレフォームは、親金属と接触する平らな表面境界
と、多結晶性材料がそこまで成長すべき郭定された表面
境界を表すドーム状表面境界とを有する半球状であって
よい。又はプレフォームは、親金属の金属表面と接触す
る一つの方形表面境界と、成長する多結晶性材料に対す
る目的点である残りの五つの方形表面境界とを有する立
方体状であってよい。酸化反応の結果として得られる多
結晶性材料のマトリックスは透過性プレフォームの中
へ、その郭定された表面境界を実質的に乱したり変位さ
せたりすることなく、郭定された表面境界までプレフォ
ームの成分を浸透し且つ埋めるように成長させられる。
こうして、プレフォームを損傷するかもしれない外力は
含まれておらず。またプレフォームをひび割れさせその
元の形状及び許容差に関する忠実性を失わせる収縮は僅
少又は皆無であり、またセラミック複合物製品を得るの
に厄介でコストのかかる高温、高圧のプロセス及び設備
は必要とされない。加えて、粒子複合物の無圧力焼結の
ために必要な化学的及び物理的両立性に関する特別な要
求は本発明により回避される。
【００３０】本発明の透過性プレフォームはセラミック
及び（又は）金属粒子、粉末、ファイバ、ウィスカー、
ワイヤー、粒子、中空物体又は球、ワイヤー又は耐熱ク
ロス、中実球など及びそれらの組合わせのような任意の
適当な材料から成っていてよい。プレフォーム材料は典
型的に結合されたアレー又は配置を含んでおり、このア
レーは、プレフォームの輪郭を変化させることなく酸化
体と酸化反応生成物成長の浸透とに対してプレフォーム
を透過性にするべく、隙間、開口、介在空間などを有す
る。プレフォームは所望の形状に予め配置された強化
棒、バー、管、小管、板、ワイヤー、球又は伯の粒子、
プレートレット、ワイヤー、クロス、セラミック耐熱ク
ロスなど又は前記の任意のものの組合わせの格子を含ん
でいてよい。さらに、プレフォームの材料は均質又はは
不均質であってよい。セラミック粉末又は粒子のような
プレフォームの適当な材料は、本発明の反応と干渉しな
い、又は望ましくない残留副生物をセラミック複合物製
品の中に残さないポリビニルアルコールなどのような任
意の適当な結合剤により互いに結合され得る。例えば、
約１０から１０００まで又はそれよりも細かいグリット
又はメッシュ寸法を有する炭化シリコン又はアルミナ、
又はメッシュ寸法及び形式の混合物のような適当な粒子
が使用され得る。粒子は、有機結合剤中で粒子のスラリ
ーを形成し、スラリーをモールドの中へ注ぎ、次いで高
められた温度での乾燥により部分をセットさせるといっ
た公知又は従来の技術によりモールドされ得る。
【００３１】一層詳細には、透過性プレフォームの形成
及び製造に使用され得る適当な材料に関しては、三つの
部類の材料が透過性プレフォームに適した材料として特
定され得る。プレフォーム材料の第一の部類は、プロセ
スの温度及び酸化条件のもとで、揮発性でなく、熱力学
的に安定であり、また溶融親金属と反応しない又はその
中へ過剰に溶融しない化学種を含んでいる。例えば金属
としてアルミニウムが、また酸化体として空気又は酸素
が使用される場合に、多くの材料がこのような規範を満
足することが当業者に知られている。このような材料は
下記のような単一金属の酸化物を含んでいる。アルミニ
ウムの酸化物Ａｌ2 Ｏ3 、セリウムの酸化物ＣｅＯ2 、
ハフニウムの酸化物ＨｆＯ2 、ランタンの酸化物Ｌａ2
Ｏ3 、ネオジムの酸化物Ｎｄ2 Ｏ3 、プラセオジムの種
々の酸化物、サマリウムの酸化物Ｓｍ2Ｏ3 、スカンジ
ウムの酸化物Ｓｃ2 Ｏ3 、トリウムの酸化物ＴｈＯ2 、
ウランの酸化物ＵＯ2 、イットリウムの酸化物Ｙ2 Ｏ3
及びジルコニアの酸化物ＺｒＯ2。加えて、アルミン酸
マグネシウムスピネルＭｇＯＡｌ2 Ｏ3 のような多数の
二元、三元及び一層多元の金属化合物が安定な耐熱性化
合物のこの部類に含まれている。
【００３２】プレフォーム材料の第二の部類は、酸化及
び高温環境で本質的に安定ではないが、劣化反応速度が
比較的遅いために、成長する多結晶性セラミックマトリ
ックスによる浸透の際にプレフォーム相として作用及び
（又は）機能をし得る材料である。本発明にとって特に
有用な材料は炭化シリコンである。この材料は、炭化シ
リコン粒子を形成且つ被覆する酸化シリコンの保護層が
炭化シリコンのそれ以上の酸化を制限することがなかっ
たとすれば、本発明に従って酸素又は空気によりアルミ
ニウムを酸化するのに必要な条件のもとに完全に酸化す
るであろう。
【００３３】本発明のプレフォームに対して適当な材料
の第三の部類は、熱力学又は反応速度の理由で、本発明
の実施のために必要な酸化環境及び溶融金属への露出に
耐えて残存すると期待されない材料である。このような
プレフォームは、もし（１）環境が例えば酸化気体とし
てのＨ2 ／Ｈ2 Ｏ又はＣＯ／ＣＯ2 混合物の使用を通じ
てより低い活性にされるならば、又は（２）プロセス環
境の中で種を反応速度的に不活性にする強化アルミニウ
ムのような被覆の着装を通じて不活性にされるならば、
本発明のプロセスと両立性にされ得る。プレフォーム材
料のこのような部類の一例は、溶融アルミニウム親金属
と組合わせて使用される炭素ファイバである。もしアル
ミニウムが、前記ファイバを含むプレフォームを組入れ
るマトリックスを発生するべく例えば１２５０℃に於い
て空気又は酸素により酸化されるべきであれば、炭素フ
ァイバは（炭化アルミニウムを形成するべく）アルミニ
ウム及び（ＣＯ又はＣＯ2 を形成するべく）酸化環境の
双方と反応する傾向がある。これらの望まれない反応
は、親金属及び（又は）酸化体との反応を阻止するべく
（例えばアルミナで）炭素ファイバを被覆することと、
オプションとして、アルミニウムを酸化する傾向がある
が、含まれている炭素ファイバは酸化しない酸化体とし
て、ＣＯ／ＣＯ2 雰囲気を使用することとにより回避さ
れ得る。
【００３４】本発明のプレフォームは単一のプレフォー
ムとして、また一層複雑な形状を形成するべくプレフォ
ームの組立体として使用され得る。多結晶性マトリック
スがプレフォーム組立体の隣接する接触部分を通じて成
長し、また隣接プレフォームをそれらの接触部分に於い
て一体のセラミック複合物として結合し得ることが見出
されている。プレフォームの組立体は、酸化反応生成物
の成長の方向が、組立てられたプレフォームにより郭定
される境界まで組立体を浸透し且つ埋めるべく、プレフ
ォームの組立体に向けられるように、配置されている。
こうして、複雑なセラミック複合物が、従来の製造技術
によっては製造され得ない一体の物体として形成され得
る。本明細書中で“プレフォーム”という用語が使用さ
れる時には常に、それは、特に区別して述べられないか
ぎり、単一のプレフォーム又はプレフォームの組立体を
意味することは理解されよう。このようなプレフォーム
の組立体の一例として、第１図には、凹み１８を有する
プレフォーム１６と頂面境界２１及び凹み２２を有する
プレフォーム２０とから成るプレフォーム組立体を載せ
られた親金属１４を含んでいる不活性床１２を収容する
るつぼ１０の立断面図が示されている。プレフォーム２
０は、凹み１８及び２２の境界又は周縁が合致するよう
に、プレフォーム１６の上に重ねられており、また凹み
１８及び２２は互いに相補性であり、長方形の開口２４
を郭定している。凹み１８及び２２の表面は、本願出願
人の特開昭６３−３０３７７号公報に記載されているよ
うに、プレフォームの表面を越えて、また開口２４の中
への酸化反応生成物の成長を禁止するためのバリヤー手
段を設けられていてよい。上記のように、多結晶性マト
リックスは、プレフォーム１６及び２０を結合又は一体
化して、長方形の開口２４を有するセラミック複合物を
形成するように、プレフォーム２０の頂面境界２１まで
プレフォーム１６及び２０の組立体を浸透するべく成長
させられる。
【００３５】プレフォームの元の形状及び寸法を本質的
に保つ最終又はほぼ最終の形状のセラミック複合物物体
を製造する際、セラミックマトリックスの成長はプレフ
ォームの少なくとも一つの郭定された境界まで生起しな
ければならない。表面境界を越える成長は下記の過程の
いずれか一つ又はそれらの組合わせにより阻止、禁止又
は制御され得る。（１）プレフォーム表面を越える成長
にくらべて内部成長が高度に優先的に行われるように、
例えばプレフォームの中に固体又は液体酸化体を組入れ
ることによりプレフォームの中の条件を作る。（２）親
金属が完全に消費され又は多結晶性構造に変換される時
に酸化反応生成物が透過性プレフォームの境界に位置す
るように、実質的に正確な予め定められた量の親金属を
使用する。（３）最初にプロセスに利用可能な酸化体の
量を制御又は制限する。（４）前記特開昭６３−３０３
７７号公報に記載されているようにプレフォーム表面に
バリヤー手段を設ける。（５）適当な時点で、酸化雰囲
気の排気又は消去により又はプロセス温度エンベローブ
の外側、例えば親金属の融点以下の温度への反応温度の
変更によりプロセスを停止する。通常、温度が炉温度の
低下により下げられ、次いで材料が炉から取り出され
る。過程（５）は任意の郭定された境界のマトリックス
過成長を避けるべく注意を必要とする。
【００３６】本発明の実施により得られるセラミックス
複合物製品は通常、セラミックス複合物製品の全体積の
体積百分率で約５％と約９８％との間が多結晶性セラミ
ックマトリックスで埋められている一つ又はそれ以上の
プレフォーム材料から成っている密でコヒーレントな製
品である。多結晶性セラミックマトリックスは通常、親
金属がアルミニウムであり、また空気又は酸素が酸化体
である時、（多結晶性マトリックスの重量の）重量百分
率で約６０％ないし約９９％の相互結合されたαアルミ
ナ酸化物及び約１％ないし約４０％の非酸化金属成分か
ら成っている。
【００３７】本発明の他の実施例のように、また本願の
譲受人と同一の譲受人に譲渡された特許出願に説明され
ているように、金属と組合わせてのドーパント材料の追
加は酸化反応プロセスに有利に影響する。ドーパント材
料の機能はドーパント材料自体のほかに多数の因子に関
係する。これらの因子は、例えば、特定の親金属、所望
の最終製品、二つ又はそれ以上のドーパントが使用され
る時のドーパントの特定の組合わせ、合金化ドーパント
と組合わせて外部から与えられるドーパントの使用、ド
ーパントの濃度、酸化環境及びプロセス条件を含んでい
る。
【００３８】親金属と組合わせて使用されるドーパント
は（１）親金属の合金化成分として与えられてよいし、
（２）親金属の表面の少なくとも一部分に与えられてよ
いし、（３）プレフォームの中へ又はプレフォームの部
分に与えられ又は組入れられてよい。また、（１）ない
し（３）の方法の二つ又はそれ以上の任意の組合わせが
用いられてよい。例えば、合金化されたドーパントが外
部から与えられるドーパントと組合わせて使用され得
る。ドーパントがプレフォームに与えられる方法（３）
の場合には、プレフォームへのドーパントの供給は任意
の適当な仕方で、例えば好ましくは親金属に隣接するプ
レフォームの少なくとも一部分を含めて被覆として又は
粒子形態でプレフォームの部分又は塊全体を通じてドー
パントを分散させることにより行われ得る。また、プレ
フォームへのドーパントの供給は、プレフォームを通過
性にする内部開口、間隙、通路、介在空間などを含むプ
レフォームへ且つその中に一つ又はそれ以上のドーパン
ト材料の層を着装することによっても行われ得る。ドー
パント材料の便利な与え方は、単に床全体をドーパント
材料又はその前駆物質の液体（すなわち溶液）の中に浸
す方法である。ドーパントの源は、ドーパントの剛固な
物体を、親金属の少なくとも一部分及びプレフォームと
接触し且つそれらの間に位置する状態に置くことによっ
ても与えられ得る。例えば、（アルミニウム親金属の酸
化のためのドーパントとして有用な）シリコン含有ガラ
スの薄板が親金属の表面上に置かれ得る。（Ｍｇで内部
ドープされていてよい）アルミニウム親金属が、シリコ
ン含有材料を重ねられて、酸化環境の中（例えばアルミ
ニウムの場合には空気中、約８５０℃と約１４５０℃と
の間、好ましくは約９００℃と約１３５０℃との間）で
溶融される時、通過性プレフォームの中への多結晶性セ
ラミックマトリックスの成長が生起する。ドーパントが
外部から親金属の表面の少なくとも一部分に与えられる
場合には、多結晶性酸化物構造は一般にドーパント層を
実質的に越えて（すなわち着装されたドーパント層の深
さを越えて）透過性プレフォームの中に成長する。いず
れの場合にも、一つ又はそれ以上のドーパントが親金属
表面及び（又は）透過性プレフォームに外部から与えら
れ得る。追加的に、親金属の中で合金化され且つ（又
は）親金属に外部から与えられるドーパントは、プレフ
ォームに与えられるドーパントにより増大され得る。こ
うして、親金属の中で合金化され且つ（又は）親金属に
外部から与えられるドーパントの濃度不足はプレフォー
ムに与えられるそれぞれのドーパントの追加的な濃度に
より増大され得る（その逆のことも言える）。
【００３９】特に酸化体として空気が使用される場合に
アルミニウム親金属に対して有用なドーパントは、例え
ば、互いに組合わせて又は下記のような他のドーパント
と組合わせて、マグネシウム金属及び亜鉛金属を含んで
いる。これらの金属、又は金属の適当な源は、結果とし
て得られるドープされた金属の全重量に対して重量百分
率で約０．１〜１０％の間の濃度でアルミニウム主体の
親金属の中へ合金化され得る。この範囲内の濃度はセラ
ミック成長を開始させ、金属輸送を増強し、また結果と
して得られる酸化反応生成物の成長形態に有利に影響す
ると思われる。
【００４０】アルミニウム主体の親金属システムに対す
る多結晶性酸化反応成長を助長するのに有効である他の
ドーパントは、特にマグネシウム又は亜鉛と組合わせて
使用される時、例えばシリコン、ゲルマニウム、スズ及
び鉛である。これらの他のドーパント又はそれらの適当
な源の一つ又はそれ以上がアルミニウム親金属の中へ全
合金の重量百分率で約０．５％から約１５％までの各々
の濃度で合金化される。しかし、一層望ましい成長速度
及び成長形態が全親金属合金の重量百分率で約１％から
約１０％までの範囲内のドーパントで得られる。ドーパ
ントとしての鉛は一般に、アルミニウム中の低い溶解度
に対する余裕を作るように、少なくとも１０００℃の温
度でアルミニウム主体の親金属の中へ合金化されてい
る。しかし、スズのような他の合金化要素の追加は一般
に鉛の溶解度を増し、また合金化材料がより低い温度で
追加されることを許す。
【００４１】一つ又はそれ以上のドーパントが、先に説
明したように、環境に関係して使用され得る。例えば、
親金属がアルミニウムであり、また酸化体が空気である
場合、ドーパントの特に有用な組合わせは（ａ）マグネ
シウム及びシリコン、又は（ｂ）亜鉛及びシリコンを含
んでいる。このような例では、好ましいドーパント濃度
はマグネシウムに対しては重量百分率で約０．１％から
約３％までの範囲、亜鉛に対しては重量百分率で約１％
から約６％までの範囲、シリコンに対しては重量百分率
で約１％から約１０％までの範囲である。
【００４２】親金属がアルミニウムであり、また酸化体
が空気である場合に有用なドーパント材料の他の例はナ
トリウム、リチウム、カルシウム、ホウ素、リン及びイ
ットリウムを含んでおり、これらのドーパント材料は個
々に、又は酸化体及びプロセス条件に関係して一つ又は
それ以上の他のドーパントと組合わせて使用され得る。
ナトリウム及びリチウムはppm 範囲の非常に少ない量
で、典型的には約１００〜２００ppm の量で使用され、
また単独又は一緒に、又は他のドーパントと組合わせて
使用され得る。セリウム、ランタン、プラセオジム、ネ
オジム及びサマリウムのような希土類元素も、特に他の
ドーパントと組合わせて使用される時、有用なドーパン
トである。
【００４３】前記のように、ドーパント材料を親金属の
中へ合金化することは必ずしも必要でない。例えば、薄
い層の中の一つ又はそれ以上のドーパント材料を親金属
の表面の全体もしくは一部分に選択的に与えることは親
金属の表面又はその部分からの局所的なセラミック成長
を可能にし又は改良し、またそれ自体で透過性プレフォ
ームの中への多結晶性セラミックマトリックスの所望の
成長に通ずる。こうして、透過性プレフォームの中への
多結晶性セラミックマトリックスの成長は、親金属の表
面上にドーパント材料を局所的に置くことにより有利に
影響され得る。着装されるドーパントの被覆又は層は親
金属物体の厚みに比較して薄く、また透過性プレフォー
ムの中への酸化反応生成物の成長又は生成は実質的にド
ーパント層を越えて、すなわち着装されたドーパント層
の深さを越えて延びている。ドーパント材料のこのよう
な層は塗装、浸漬、シルクスクリーニング、蒸発によっ
ても、液体又はペースト形態での着装によっても、スパ
ッタリングによっても、親金属の表面上への固体粒子ド
ーパントの層又はドーパントの固体薄膜の単なる折山に
よっても着装され得る。ドーパント材料は、必ずしも必
要ではないが、有機もしくは無機結合剤、ビヒクル、溶
剤及び（又は）シックナーを含んでいてよい。一層好ま
しくは、ドーパント材料は親金属の表面に粉末として着
装され、又は充填剤の少なくとも一部分を通じて分散さ
せられる。親金属の表面にドーパントを着装する一つの
特に好ましい方法は、処理前にドープされた親金属の取
扱を容易にする密着被覆を得るため、水／有機結合剤混
合物の中のドーパントの液体懸濁物を利用し、それを親
金属の表面上にスプレーする方法である。
【００４４】ドーパント材料は、外部に使用される時、
通常親金属の表面の一部分にその上の均一な被覆として
着装される。ドーパントの量は、それが着装される親金
属の量に対して相対的に広い範囲にわたり有効であり、
また、アルミニウムの場合に、実験は上側もしくは下側
の作動可能な限界をアイデンティファイし損なった。例
えば、酸化体として空気を使用するアルミニウム主体の
親金属に対するドーパントとして外部に着装された二酸
化シリコンの形態でシリコンを利用する時、親金属の１
ｇあたり０．００００３ｇ、又は露出された親金属表面
の１cm2 あたり約０．０００１ｇというわずかな量のシ
リコンが、マグネシウム及び（又は）亜鉛の源を与える
第二のドーパントと一緒に、多結晶性セラミック成長現
象を生ずる。また、セラミック構造が、酸化されるべき
親金属の１ｇあたり０．０００８ｇよりも多く且つＭｇ
Ｏが着装される親金属表面の１cm2 あたり０．００３ｇ
よりも多い量のＭｇＯをドーパントとして使用すること
によって、酸化体として空気又は酸素を使用するアルミ
ニウム主体の親金属から得られることが見出された。或
る程度までドーパント材料の量の増大はセラミック複合
物を形成するのに必要な反応時間を減ずると思われる
が、これはドーパントの形式、親金属及び反応条件のよ
うな因子に関係する。
【００４５】親金属がマグネシウムにより内部でドープ
されたアルミニウムであり、また酸化媒体が空気又は酸
素である場合、マグネシウムは約８２０℃から９５０℃
までの温度で合金から少なくとも部分的に酸化されるこ
とが観察された。このようなマグネシウムによりドープ
されたシステムの場合には、マグネシウムは溶融アルミ
ニウム合金の表面に酸化マグネシウム及び（又は）アル
ミン酸マグネシウムスピネル相を形成し、また成長プロ
セスの間にこのようなマグネシウム化合物は主に、成長
するセラミック構造の中の親金属の初期酸化物表面（す
なわち、“開始表面”）に留まる。こうして、このよう
なマグネシウムによりドープされたシステムでは、酸化
アルミニウム主体の構造が開始表面に於いてアルミン酸
マグネシウムスピネルの比較的薄い層から離れて形成さ
れる。所望であれば、この開始表面は研削、機械加工、
研磨又はグリットプラスティングなどにより容易に除去
され得る。
【００４６】以下、下記の例により本発明を説明する。
なお、これらの例は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定
するものではない。 例１ 類似の部分には同一の参照符号が付されている図２ない
し図５を詳細に参照すると、セラミックスプロケット３
８が、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されている形状を
有するプレフォーム３０から製造された。プレフォーム
は外径３インチ（７．６cm）、厚み３／１６インチ
（０．４８cm）であり、また中央鍵孔３１を有する。プ
レフォームは、炭化シリコン粒子を使用する通常の方法
により調製された。重量百分率で８０％の炭化シリコン
粒子（重量百分率で７０％の５００グリット及び重量百
分率で３０％の２２０グリットの混合物）と重量百分率
で２０％の有機結合剤溶液（Ｅｌｍｅｒウッドグリュー
と水とを４：１の比で混合したもの）とを含む均一な混
合物がシリコンゴムモールドの中へ注がれ、次いでセッ
トするべく乾燥された。剛固なスプロケット形状３０が
次いでゴムモールドから取り出された。
【００４７】追加的な６％の鉛で合金化された（いずれ
も重量百分率で活性ドーパントとしての８〜８．５％の
Ｓｉ、２〜３％のＺｎ及び０．１％（時によっては、も
っと高く０．１７〜０．１８％の範囲内）のＭｇ及び
３．５％のＣｕならびにＦｅ，Ｍｎ及びＮｉの公称組成
を有するBelmont Metal Inc.からの）３８０．１という
品番のアルミニウム合金の３インチ（７．６cm）直径の
円筒状の板３２がプレフォーム表面３３と接触する状態
に置かれた。プレフォームの完全な浸透を可能にするの
に十分な量の合金を与えるべく同一の合金３８０．１の
インゴット３４が板３２の表面２８と接触する状態に置
かれた。円筒状の板及びインゴットの組合わせの重量は
１００ｇであった。第３図に示されているようにセット
アップされたシステム（プレフォーム３０ならびに合金
３２及び３４）は、前記特開昭６３−３０３７７号公報
に記載されているようにセラミックマトリックスによる
プレフォームジオメトリの過成長を阻止するべくバリー
のプラスター（ミズーリ州、セントルイスのBondex Int
ernationalからの重量百分率で約３５％の炭酸カルシウ
ムを含有するBondex）の水性スラリーにより全露出表面
を被覆された。バリーのプラスターの被覆３５はセット
することを許され、また被覆されたユニットが、図４に
示されているように、耐熱るつぼ３７の中に入れられて
いるアルミナ粒子（Norton CompanyからのＥｌアランダ
ム、９０グリット）の床３６の中へ完全に浸された。
【００４８】図４に示されているようなシステムが空気
中で２００℃の初期温度から２００℃／hrの速度で１０
００℃の最終温度へ加熱され、この温度に空気中で６６
hrにわたり保たれた。炉は次いで同一の速度で冷却さ
れ、また試料が約６００℃に於いて取り出された。上記
の過程により、プレフォームのプラスター被覆された境
界までスプロケットの炭化シリコン粒子を完全に埋めて
いる（材料のＸ線粉末回折分析により明示されるよう
な）αアルミナマトリックスを含むセラミック複合物が
得られた。スプロケットの面３３に付着する過剰アルミ
ニウム及び脱水されたプラスター層は、形成された複合
物から機械的に除去された。その結果として得られたセ
ラミックスプロケット３８は、図５に示されているよう
に、プレフォームの忠実性の高い複製を呈し、また７
９．８の平均ロックウエルＡ硬度を有した。 例２ ２・１／４インチ（５．７cm）角及び１／４〜３／８イ
ンチ（０．６４〜０．９５cm）厚みの二つのプレフォー
ムが、いずれも重量百分率で９５％のアルミナ粒子(Nor
ton Co. からのＥ３８アランダム、９０メッシュ寸法）
及び５％の二酸化シリコンを含むものとして調製され
た。プレフォームは、先ずアルミナを有機結合剤（FMC
Co. からのアベシルＰＨ・１０５）と混合し、次いで組
成を所定のジオメトリに７９００psi （５４．４MPa)に
於いて圧縮し、最後に前記プレフォームを１３７５℃に
於いて２４hrにわたり予加熱することにより形作られ
た。二つのプレフォームの各々は、耐熱容器に入れられ
たアルミナ粒子 (Norton Co.からのＥ３８アランダム、
２４メッシュ寸法）の床の頂の上に置かれた。異なる合
金組成を有するアルミニウムの二つの２インチ（５．１
cm）角、１／２インチ（１．３cm）厚みのブロックが、
それぞれ各プレフォームの頂の上に置かれて、親金属と
して使用された。使用された二つの合金は９９％純アル
ミニウム及び（追加的な６％の鉛なしに例１に記載され
た公称組成を有する）３８０．１合金であった。
【００４９】上記の二つのシステムが９００℃の設定点
温度に空気中で、αアルミナセラミックマトリックスが
反対側の郭定された境界までプレフォームを完全に浸透
するのに十分な時間である３６hrにわたり加熱された。
αアルミナセラミックマトリックスの生成はＸ線粉末回
折分析により確認された。図６（ａ）及び図６（ｂ）に
は、この例のセラミック製品の立断面図が示されてい
る。９９％純アルミニウムから製造された物体４５及び
３８０．１合金から製造された物体４７の検査の際に、
いずれの場合にもαアルミナセラミックマトリックスが
プレフォームの中へ完全に浸透し終わっていることが観
察された。セラミックマトリックスによるプレフォーム
境界の過成長はアルミナ粒子床に露出されているプレフ
ォームの面に制限され、また二つのシステムの間で度合
が異なった。９９％純アルミニウム前駆物質を使用した
試料は充填剤床の中へのセラミックマトリックスによる
プレフォーム境界の無視し得る過成長を示し、これは少
しの機械加工又は研削により容易に除去され得た。３８
０．１合金の酸化から得られたセラミックマトリックス
は、同一の反応時間に対して、プレフォームを浸透する
のに少ない時間を明らかに要したので、セラミック複合
物４７は実質的な過成長４７を有した。従って、忠実性
は、郭定されたプレフォーム境界を越えるセラミックマ
トリックスの成長を許さないように反応を制御すること
により達成され得る。 例３ 図７（ａ）、図７（ｂ）及び第図７（ｃ）を参照する
と、立面図で台形の形状（１・３／４インチ（４．４c
m）の厚み、８・７／１６インチ（２１cm）×２・１／
２インチ（６．４cm）の長方形の面５１、８・５／８
（２２cm）×２・３／４インチ（７cm）の長方形の面５
２）を有するプレフォーム５０が、いずれも重量百分率
で３２％のアルミナ粒子（Norton Co.からのＥ６７アラ
ンダム、１０００メッシュ寸法）、３５％の二酸化シリ
コン（５００メッシュ寸法）、０．５％のシリコン、
（下記のようなプレフォーム混合物をスラリー化するの
に使用される水の中に予め溶融された溶質として導入さ
れる）０．５％のケイ酸ナトリウム及び３２％の（ミズ
リー州メキシコのA. P. Green Refractories Co.からの
１００メッシュ寸法又はそれよりも細かい）グリーンキ
ャスト結合剤を含む混合物から通常の方法により鋳造さ
れた。上記の混合物が（上記の量の溶解されたケイ酸ナ
トリウムを含む）水の中にスラリー化され、上記のジオ
メトリを有するモールドの中へ注がれた。混合物は空気
中で乾燥を許され、剛固な台形の物体５０としてモール
ドから除去された。語“Ｌａｎｘｉｄｅ”がプレフォー
ムの面５２の上に刻印され（図７（ｂ）参照）、また空
気中で１hrにわたり１０００℃で加熱された。
【００５０】いずれも長さ８・１／２インチ（２１．６
cm）、幅２・１／２インチ（６．４cm）、厚み１／２イ
ンチ（１．３cm）の、（重量百分率で２．５％のＭｇ
と、全体で約１％のＦｅ，Ｃｒ，Ｓｉ及びＣｕのような
他の種の組合わせとを公称組成として含む）商業的に入
手可能な５０５２合金の二つのバーと、９９％純アルミ
ニウムの一つのバーとが、純アルミニウムのバーが二つ
の５０５２合金のバーの間に位置するように重ねられ
た。このスタックが耐熱容器の中に入れられている炭化
シリコン粒子（２４メッシュ寸法）の薄い層の頂の上に
置かれた。台形のプレフォームが、プレフォームの面５
１がアルミニウム合金のバーの８・１／２インチ（２
１．６cm）×２・１／２インチ（６．４cm）の長方形の
頂面と完全に接触するように、アルミニウムのバーのス
タックの頂の上に置かれた。こうしてプレフォームの全
重量が金属スタックにより支えられた。次いで、るつぼ
が、アルミニウム金属を完全に覆うように、但しプレフ
ォームの五つの表面がアルミニウム金属と接触せずに大
気に実質的に露出された状態に留まるように、炭化シリ
コン粒子（１４メッシュ寸法）で満たされた。
【００５１】上記のシステムが（空気の流れにベントさ
れている）炉の中に置かれ、１０００℃の反応温度に５
hr周期を通して加熱された。炉はその反応温度に１４４
hrにわたり保たれた。炉は周囲温度に冷却され、またプ
レフォームを完全に浸透するべく追加的な６hrにわたり
１０００℃に再加熱された。溶融アルミニウム金属が酸
化体（気相酸化体及びシリカのような固体酸化体）と反
応して、プレフォームを浸透するαアルミナセラミック
マトリックスを形成し、こうしてプレフォーム組成の粒
子を埋めた。セラミックマトリックスの生成はプレフォ
ームの表面境界まで完全に継続し、またそれらの郭定さ
れた境界の中に実質的に含まれた。複合物製品５３の検
査により、明白な刻印（図７（ｃ）参照）により明らか
にされるように、セラミックマトリックスによる無視し
得る過成長のみを有し、プレフォームに対する高い忠実
性が得られることが示された。
【００５２】以上は、プレフォームの組成が優先的にプ
レフォーム境界の中で溶融親金属の酸化を高める本発明
の実施例を示すものである。このような優先的な酸化は
セラミックマトリックスによるプレフォーム境界の過成
長の制御を助ける。こうして得られた物体５３は台形プ
レフォーム５０のジオメトリを保つ形作られたセラミッ
ク物品である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により一層複雑な複合物を形成す
るため、長方形開口を形成する二つのプレフォームの組
立体を重ねられている親金属インゴットを、るつぼの中
に入れられた不活性床の中に置かれたプレフォーム組立
体及び金属と共に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は本発明に従って複合物を製造する
のに使用するためスプロケットとして形作られたプレフ
ォームの平面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）の線２
ｂ・２ｂに沿う第２図のプレフォームの断面図である。
【図３】親金属に重なる図２（ａ）のプレフォームの組
立体を示す断面図である。
【図４】るつぼの中に入れられている不活性床の中に置
かれた第３図の組立体を示す断面図である。
【図５】結果として得られた複合物の外観を示す写真で
ある。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は例２に従って製造
された複合物の横断面の構造を示す写真である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は例３の複合物を製
造するのに使用されるプレフォームを側面及び上から見
た外観を示す写真である。図７（ｃ）は例３に従って製
造された複合物の外観を示す写真である。
【符号の説明】 １０…るつぼ １２…不活性床 １４…親金属 １６…プレフォーム １８…凹み ２０…プレフォーム ２２…凹み ２４…開口 ３０…プレフォーム ３１…鍵孔 ３２…アルミニウム合金板 ３３…プレフォーム表面 ３４…インゴット ３５…プラスター被覆 ３６…床 ３７…るつぼ ３８…スプロケット ４５…セラミック複合物 ４６…過成長 ４７…セラミック複合物 ５０…プレフォーム ５１，５２…長方形面 ５３…複合物製品

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （１）少なくとも１つの郭定表面境界を
    有する浸透されたプレフォームの輪郭を有するセラミッ
    クスマトリックスであって、（ｉ）親金属と少なくとも
    １種のドーパントの酸化反応により生成した、相互連結
    した実質的に単一相の多結晶酸化反応生成物と、（ii）
    該親金属の１又は２以上の非酸化成分である少量の金属
    成分及び／又は(iii) 空隙、から本質的になるセラミッ
    クスマトリックス、及び （２）該マトリックス中に埋設され、少なくとも１つの
    郭定表面を有する、所定の形状のプレフォームとして成
    形された充填材、を含んで成ることを特徴とするセラミ
    ック複合成形体。
  2. 【請求項２】 前記親金属がアルミニウムを含み、前記
    酸化反応生成物がα−アルミナを含む請求項１記載のセ
    ラミック複合成形体。
  3. 【請求項３】 前記非酸化金属成分を前記セラミックマ
    トリックスの１〜４０容積％を含む請求項１又は２記載
    のセラミック複合成形体。
  4. 【請求項４】 前記プレフォームがシリカ、炭化ケイ
    素、アルミナ及びこれらの混合物から選ばれた少なくと
    も１つの充填材を含む請求項１，２又は３記載のセラミ
    ック複合成形体。
  5. 【請求項５】 前記親金属がアルミニウム、チタン、ケ
    イ素、シリコニウム又は錫を含み、該親金属の対応する
    酸化反応生成物が窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化
    ケイ素、窒化ジルコニウム又は酸化錫を含む請求項１記
    載のセラミック複合成形体。
  6. 【請求項６】 複合成形体の全容積を基準に、５〜９８
    容積％のプレフォームを成す充填材が、セラミックマト
    リックスに埋設され、該セラミックスマトリックスは、
    該マトリックスの全重量を基準に６０〜９９重量％の相
    互連結したα−アルミナと１〜４０重量％のアルミナ含
    有非酸化金属成分を含む請求項１〜４のいずれか１項に
    記載のセラミック複合成形体。
  7. 【請求項７】 前記プレフォームが中空体、粒状体、粉
    末、繊維、ウィスカー、球状物、板状物、凝集物、線
    材、ロッド、バー、小板、ペレット、チューブ、耐火繊
    維布、小チューブ、又はこれらの混合物を含む請求項１
    〜５のいずれか１項に記載のセラミック複合成形体。
  8. 【請求項８】 前記プレフォームが、接触表面で結合さ
    れて一体のセラミック複合体を成すプレフォームの集合
    体を含む請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミッ
    ク複合成形体。
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