JP2801303B2 - 破砕した多結晶酸化反応生成物を充填材として利用した金属マトリックス複合体の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属マトリックス複合体の形成方法及び該
方法により製造した新規な金属マトリックス複合体に関
する。詳細には、母材金属と酸化剤との多結晶酸化反応
生成物が最初に生成する。その後、この多結晶酸化反応
生成物を粉砕して、適当な容器に入れることができるか
又は成形してプレフォームとすることのできる適当な大
きさの充填材とする。次に、粉砕した多結晶酸化反応生
成物の充填材又はプレフォームを、プロセスの少なくと
もある時点で、浸透増進剤及び／又は浸透増進剤前駆体
及び／又は浸透雰囲気の存在下で、マトリックス金属合
金と接触するように配置することにより、充填材又はプ
レフォームにマトリックス金属合金が自発的に浸透す
る。粉砕又は破砕した多結晶酸化反応生成物を用いるこ
とにより、浸透が増進する。更に、新規金属マトリック
ス複合体が生成する。

〔従来の技術及び発明が解決すべき課題〕

金属マトリックスと粒状セラミック、ウイスカー、繊
維等の補強又は強化相からなる複合体製品は、強化相が
有する剛性及び耐摩耗性の一部と金属マトリックスが有
する延性及び靭性を併せ持つので、種々の用途に使用さ
れる大きな見込みがある。一般的に、金属マトリックス
複合体では、単一材料のマトリックス金属が持つ強度、
剛性、耐接触摩耗性、高温強度等の性質は向上するが、
特定の性質が向上する程度は、特定の成分、容積分率又
は重量分率及び複合体を形成する際の処理方法によって
大きく異なる。ある場合には、複合体が、マトリックス
自体よりも重量が軽いこともある。例えば、粒状、ペレ
ット状又はウイスカー状の炭化珪素等のセラミックスで
強化したアルミニウムマトリックス複合体は、剛性、耐
摩耗性及び高温強度がアルミニウムよりも高いので有用
である。

アルミニウムマトリックス複合体の製造に関しては、
種々の金属プロセスが報告されており、例えば、粉末冶
金法並びに圧力鋳造、真空鋳造、撹拌及び湿潤剤を使用
する液体金属浸透法に基づいた方法が挙げられる。粉末
冶金法の場合、粉末状の金属と粉末、ウイスカー、チョ
ップトファイバー等の形態の強化剤とを混合し、その
後、常温成形し焼結するか、又はホットプレスする。こ
の方法により製造された炭化珪素強化アルミニウムマト
リックス複合体における最大セラミック体積分率は、ウ
イスカーの場合は約25体積％であり、粒状の場合は約40
体積％であると報告されている。

従来のプロセスを利用した粉末冶金法による金属マト
リックス複合体の製造には、得られる製品の特性に関し
てある種の制限がある。即ち、複合体におけるセラミッ
ク相の体積分率は、一般的に、粒状の場合には、約40％
に制限される。又、圧縮操作の場合には、得られる実際
の大きさが制限される。更に、後で加工（例えば、成形
又は機械加工）をせず又複雑なプレスに頼らずに得られ
る製品は、比較的簡単な形状のものしかない。又、焼結
中に不均一な収縮を生じるほか、圧縮粉の凝離及び結晶
粒成長のためにミクロ構造が不均一となる。

1976年７月20日に許可された、ジェイ・シー・キャネ
ル（J.C.Cannell）等による米国特許第3,970,136号に
は、所定の繊維整列パターンを有する繊維強化材、例え
ば、炭化珪素又はアルミナウイスカーを含有せしめた金
属マトリックス複合体を形成する方法が記載されてい
る。この複合体は、共面繊維の平行マット又はフェルト
を金型に入れてマットの少なくとも一部分の間に溶融マ
トリックス金属、例えば、アルミニウムの溜を配置し、
圧力をかけて溶融金属をマットに浸透させ配列している
繊維を包囲させる。又、溶融金属を、マットの積層体上
に注ぎながら、加圧してマット間に流すことができる。
これに関して、強化繊維を複合体に最大約50体積％充填
されたことが報告されている。

繊維マットの積層体を通して溶融マトリックス金属を
押し入れるのは外力に依存しているので、上記した浸透
法は、圧力誘発流動プロセス特有の変動、即ち、マトリ
ックスの生成や多孔率等が不均一となる可能性がある。
たとえ、溶融金属を繊維アレイ内の複数の部位に導入し
ても、性質は不均一になる可能性がある。その結果、複
雑なマット／溜配置及び流路を設けて、繊維マットの積
層体に十分且つ均一に浸透できるようにする必要があ
る。又、上記した圧力浸透法では、体積の大きなマット
に強化材を浸透させることが元来困難であるので、マト
リックス体積に対する強化材の割合が比較的低いものし
か得られない。更に、加圧下で溶融金属を含有させるた
めに型が必要であり、費用がかさむ。最後に、整列させ
た粒子又は繊維への浸透に限定されている上記の方法
は、ランダムに配列した粒子、ウイスカー又は繊維の形
態の物質で強化したアルミニウム金属マトリックス複合
体の生成には用いられない。

アルミニウムマトリックス・アルミナ充填複合体の製
造では、アルミニウムは容易にはアルミナを湿潤せず、
凝集した製品を形成するのが困難となる。この問題に対
しては種々の解決法が提案された。このような手法の一
つとして、アルミナを金属（例えば、ニッケル又はタン
グステン）で被覆後、アルミニウムとともにホットプレ
スする。別の手法では、アルミニウムをリチウムと合金
し、アルミナをシリカで被覆してもよい。しかしなが
ら、これらの複合体は、性質にバラツキがみられたり、
被膜が充填材を劣化させる場合があるか、又はマトリッ
クスがリチウムを含有しマトリックスの性質に影響を及
ぼすことがある。

アール・ダブリュ・グリムシャー（R.W.Grimshaw）等
による米国特許第4,232,091号では、アルミニウムマト
リックス・アルミナ複合体の製造で遭遇する当該技術に
おける困難はある程度克服される。この特許では、75〜
375kg/cm²の圧力をかけて、溶融アルミニウム（又は溶
融アルミニウム合金）を、700〜1050℃に予備加熱した
アルミナの繊維又はウイスカーマットに押し入れること
が記載されている。この際、得られた一体鋳物における
金属に対するアルミナの最大体積比は、0.25/1であっ
た。この方法でも、浸透を行うのは外力に依存するの
で、キャネル（Cannel）等と同様な欠陥がある。

ヨーロッパ特許出願公開公報第115,742号では、予備
成形したアルミナのボイドを溶融アルミニウムで充填す
ることにより、電界槽部材として特に有効であるアルミ
ニウム・アルミナ複合体を作製することが記載されてい
る。この出願では、アルミニウムによるアルミナの非湿
潤性が強調されており、プレフォーム全体にわたってア
ルミナを浸潤するための種々の手法が用いられている。
例えば、アルミナを、チタン、ジルコニウム、ハフニウ
ム若しくはニオブの二硼化物からなる湿潤剤又は金属、
即ち、リチウム、マグネシウム、カルシウム、チタン、
クロム、鉄、コバルト、ニッケル、ジルコニウム若しく
はハフニウムで被覆する。この際、アルゴン等の不活性
雰囲気を用いて湿潤を容易にする。又、この出願も、圧
力をかけて、溶融アルミニウムを未被覆マトリックスに
浸透させることを記載されている。この態様では、孔を
排気後、不活性雰囲気（例えば、アルゴン）中で溶融ア
ルミニウムに圧力を加えることにより達成される。又、
溶融アルミニウムを浸透させてボイドを充填する前に、
プレフォームにアルミニウムを気相蒸着により浸透させ
て表面を湿潤することもできる。プレフォームの孔にア
ルミニウムを確実に保持するためには、真空中又はアル
ゴン中で、熱処理（例えば、1400〜1800℃）することが
必要である。このようにしないと、圧力浸透物質をガス
に暴露したり又は浸透圧を取り除くと、物体からのアル
ミニウムの損失が生じる。

湿潤剤を用いて電解槽のアルミナ成分に溶融金属を浸
透させることは、ヨーロッパ特許出願公開第94353号に
も記載されている。即ち、この公開公報には、セルライ
ナー又は支持体として陰極電流供給手段を有するセルを
用いて、電解採取によりアルミニウムを製造することが
記載されている。この支持体を溶融氷晶石から保護する
ために、湿潤剤と溶解抑制剤との混合物の薄い被膜を、
セルの始動前又は電解法で製造した溶融アルミニウムに
浸漬中に、アルミナ支持体に塗布する。湿潤剤として
は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、珪素、マグネ
シウム、バナジウム、クロム、ニオブ又はカルシウムが
が開示されており、チタンが好ましい湿潤剤として記載
されている。又、硼素、炭素及び窒素の化合物が、溶融
アルミニウムの湿潤剤への溶解度を抑制するのに有効で
あると記載されている。しかしながら、この刊行物は、
金属マトリックス複合体の製造を示唆していないばかり
か、このような複合体を、例えば、窒素雰囲気中で形成
することも示唆していない。

圧力の付加及び湿潤剤の塗布の他に、真空にすること
により多孔性セラミック成形体への溶融アルミニウムの
浸透が促進されることも開示されている。例えば、1973
年２月27日に許可されたアール・エル・ランディングハ
ム（R.L.Landingham）による米国特許第3,718,441号に
は、セラミック成形体（例えば、炭化硼素、アルミナ及
びベリリア）に、10^-6トール未満の真空下で、溶融アル
ミニウム、ベリリウム、マグネシウム、チタン、バナジ
ウム、ニッケル又はクロムを浸透することが報告されて
いる。10^-2〜10^-6トールの真空では、溶融金属によるセ
ラミックの湿潤が不良で、金属がセラミックのボイド空
間に自由に流れ込まなかった。しかしながら、真空を10
^-6トール未満まで減少させると、湿潤が向上したと記載
されている。

1975年２月４日に許可されたジー・イー・ガザ（G.E.
Gazza）等による米国特許第3,864,154号にも、真空を用
いて浸透を行う旨の記載がある。又、この特許には、Al
B₁₂粉末の常温圧縮成形体を常温圧縮アルミニウム粉末
のベッド上に添加することが記載されている。その後、
更に、アルミニウムをAlB₁₂粉末成形体の上部に配置す
る。アルミニウム粉末の層間に「挟んだ」AlB₁₂を成形
体を装填したルツボを真空炉に入れる。この炉を、約10
^-5トールまで排気してガス抜きをする。続いて、温度を
1100℃に上昇し、３時間維持する。これらの条件で、溶
融アルミニウムを多孔性AlB₁₂成形体に浸透させる。

1968年１月23日に許可されたジョン・エヌ・レッディ
ング（John N.Reding）等による米国特許第3,364,976号
には、物体に自己発生真空を作り出して、溶融金属の物
体への浸透を促進することが開示されている。即ち、物
体、例えば、黒鉛金型、鋼金型又は多孔性耐火材を、溶
融金属に完全に浸すことが開示されている。金型の場
合、金属と反応性のあるガスで満たした金型キャビティ
が、外部に位置する溶融金属と、金型内の少なくとも一
つのオリフィスを介して連通している。金型を溶融液に
浸漬すると、キャビティ内のガスと溶融金属との間の反
応で自己発生真空が生じるとともにキャビティが金属で
満たされていく。この際の真空は、金属が酸化物固体状
態になる結果生じる。従って、レッディング等には、キ
ャビティ内のガスと溶融金属との間の反応を引き起こす
ことが必須であることが開示されている。しかしなが
ら、金型を用いるには本来制限があり、真空を生じさせ
るために金型を使用することは望ましくない。即ち、ま
ず、金型を機械加工して特定の形状にし；その後、仕上
げ機械加工して、金型上に許容できる鋳造表面を形成
し；使用前に組立；使用後に分解して注型品を取り出
し；その後、最も一般的には、金型表面を最仕上げして
金型を再生するか、又はもはや使用できない状態の場合
には金型を捨ててしまう必要がある。金型を複雑な形状
に機械加工するのは、非常にコストがかかるとともに時
間がかかる場合がある。更に、複雑な形状をした金型か
ら成形品を取り出すのも困難のことがある（即ち、複雑
な形状を有する注型品は、金型から取り外すとき壊れる
ことがある）。更に、多孔性耐火材の場合、金型を使用
せずに、直接溶融金属に浸漬できることも述べられてい
るが、容器金型を使用せずに弱く結着されるか又は分離
した多孔性材料に浸透させる手段はないので、耐火材は
一体品でなければならない（即ち、粒状物質は、溶融金
属に入れたときに、一般的に解離するか浮かんで離れて
しまう）。更に、粒状物質又は弱く、成形したプレフォ
ームに浸透させようとする場合、浸透金属が粒子又はプ
レフォームの少なくとも一部分と置換してしまって不均
一なミクロ構造を生じることのないように注意しなけれ
ばならない。

従って、圧力を加えたり真空にしたり（外部から印加
するか、内部で生じさせるかとは無関係に）する必要の
ないか、又は湿潤剤を損傷しないで、セラミック材料等
の別の材料を埋め込んだ金属マトリックスを生成する賦
形金属マトリックス複合体を製造するための簡単で信頼
性のある方法が長年求められていた。更に、金属マトリ
ックス複合体を製造するのに要する最終的な機械加工操
作を最少限にすることも長年求められていた。本発明
は、処理中の少なくともある時点で浸透増進剤が存在す
る限り、標準大気圧下の浸透雰囲気（例えば、窒素）の
存在下において、プレフォームに成形できる材料（例え
ば、セラミック材料）に溶融マトリックス金属（例え
ば、アルミニウム）を浸透させる自発的浸透機構を提供
することによりこれらの必要性を満たすものである。

本発明の主題は、他のいくつかの本出願人による米国
特許出願及び日本出願に関連している。具体的には、こ
れらの他の特許出願（以下、しばしば、「同一出願人に
よる金属マトリックス特許出願」と称する）には、金属
マトリックス複合材料を製造する新規な方法が記載され
ている。

金属マトリックス複合材料を製造する新規な方法は、
「メタル マトリックス コンポジッツ（Metal Matrix
Composites）」と題する1987年５月13日出願の本出願
人による米国特許出願第049,171号〔発明者：ホワイト
（White）等〕及び特開平１−52040号に開示されてい
る。ホワイト等の発明の方法によれば、金属マトリック
ス複合体は、充填材の通気性素材（例えば、セラミック
又はセラミック被覆材料）に、少なくとも約１重量％の
マグネシウム、好ましくは少なくとも約３重量％のマグ
ネシウムを含有する溶融アルミニウムを浸透させること
により製造される。この際、外部圧力又は真空を印加し
なくても、自発的に浸透が起きる。供給溶融金属と充填
材の素材とを、約10〜100体積％、好ましくは少なくと
も約50体積％の窒素を含有するとともに残り（存在すれ
ば）が非酸化性ガス（例えば、アルゴン）であるガスの
存在下において、少なくとも約675℃の温度で接触させ
る。これらの条件下で、溶融アルミニウム合金が標準大
気圧下でセラミック素材に浸透して、アルミニウム（又
はアルミニウム合金）マトリックス複合体が形成され
る。所望量の充填材に溶融アルミニウム合金を浸透させ
たら、温度を低下させて合金を固化することにより、強
化充填材を埋め込んだ固形金属マトリックス構造を形成
する。通常及び好ましくは、送り出される溶融金属の供
給量は、実質的に充填材の素材の境界まで浸透するに十
分な量である。ホワイト等により製造されるアルミニウ
ムマトリックス複合体中の充填材の量は、非常に高くす
ることができる。即ち、合金に対する充填材の体積比が
1:1を超えるものを得ることができる。

前記したホワイト等の発明におけるプロセス条件下で
は、アルミニウムマトリックス全体に分散した形態で、
窒化アルミニウムの不連続相を形成することができる。
アルミニウムマトリックスにおける窒化物の量は、温
度、合金組成、ガス組成及び充填材等の因子によって異
なっていてもよい。従って、系におけるこのような因子
の一つ以上を制御することにより、複合体の一定の性質
を所望のものに合わせることができる。しかしながら、
ある最終用途の場合、複合体が窒化アルミニウムをほと
んど含有しないことが望ましい場合がある。

温度が高いほど浸透には有利であるが、このプロセス
により窒化物が生成しやすくなる。ホワイト等の発明で
は、浸透速度と窒化物生成との間のバランスをとること
ができる。

金属マトリックス複合体生成に使用するのに適当なバ
リヤー手段の例が、「メソッド オブ メーキング メ
タル マトリックス コンポジットウイズ ザ ユース
オブ ア バリヤー（Method of Making Metal Matri
x Composite with the Use of a Barrier）」と題する1
988年１月７日出願の本出願人による米国特許出願第14
1,642号〔発明者：ミカエル・ケー・アグハジァニアン
（Michael K.Aghajanian）等〕及び特開平１−215935号
に開示されている。アグハジァニアン等の発明の方法に
よれば、バリヤー手段〔例えば、粒状二硼化チタン又は
商品名がグラフォイル（商標）であるユニオンカーバイ
ド社製の軟質黒鉛テープ製品等の黒鉛材料〕が、充填材
とマトリックス合金の規定された表面境界に配置され、
バリヤー手段により形成される境界まで浸透する。この
バリヤー手段は、溶融合金の浸透を阻止、防止又は終了
させるのに用いられ、得られた金属マトリックス複合体
中に網又は網に近い形状を形成する。従って、形成した
金属マトリックス複合体の外形は、バリヤー手段の内部
形状と実質的に一致する。

米国特許出願第049,171号及び特願昭63−118032号に
記載の方法は、「メタル マトリックス コンポジッツ
アンド テクニクス フォー メーキング ザ セイ
ム（Metal Matrix Composites and Techiques for Maki
ng the Same）」と題する1988年３月15日出願の本出願
人による米国特許出願第168,284号〔発明者：ミカエル
・ケー・アグハジァニアン（Michael K.Aghajanian）及
びマーク・エス・ニューカーク（Mark S.Newkirk）〕及
び特開平１−273935号によって改善された。この米国特
許出願に開示された方法によれば、マトリックス金属合
金は、第一金属源及び、例えば、重力流れにより第一溶
融金属源と連通するマトリックス金属合金の溜として存
在する。特に、これらの特許出願に記載されている条件
下では、第一溶融マトリックス合金が、標準大気圧下、
充填材の素材に浸透し始め、従って、金属マトリックス
複合体の生成が始まる。第一溶融マトリックス金属合金
源は、充填材の素材への浸透中に消費され、自発浸透の
継続とともに、必要に応じて、好ましくは連続的な手段
により、溶融マトリックス金属の溜から補充することが
できる。所望量の通気性充填材を溶融マトリックス合金
が自発浸透したら、温度を低下させて合金を固化するこ
とにより、強化充填材を埋め込んだ固形金属マトリック
スを形成する。金属の溜を使用することは、この特許出
願に記載されている発明の一実施例態様にすぎず、溜の
実施態様を、開示されている発明の別の各実施態様と組
み合わせる必要はないが、実施態様の中には、本発明と
組み合わせて使用するのが有益な場合もある。

金属の溜は、所定の程度まで充填材の通気性素材に浸
透するに十分な量の金属を提供する量で存在することが
できる。又、任意のバリヤー手段を、充填材の通気性素
材の少なくとも一方の表面に接触させて、表面境界を形
成することができる。更に、送り出す溶融マトリックス
合金の供給量は、少なくとも、充填材の通気性素材の境
界（例えば、バリヤー）まで実質的に自発浸透するに十
分な量でなければならないが、溜に存在する合金の量
は、このような十分な量を超えてもよく、合金量が完全
浸透に十分な量であるばかりでなく、過剰の溶融金属合
金が残存して金属マトリックス複合体に固定してもよ
い。従って、過剰の溶融合金が存在するとき、得られる
物体は、金属マトリックスを浸透させたセラミック物体
が溜に残存している過剰の金属に直接結合している複雑
な複合体（例えば、マクロ複合体）である。

上記した本出願人による金属マトリックスに関する特
許出願には、金属マトリックス複合体の製造方法及び該
方法から製造される新規な金属マトリックス複合体が記
載されている。前記した本出願人による金属マトリック
スに関する特許出願の全ての開示事項は、特に本発明に
利用できる。

更に、本出願人による、いくつかの特許出願及び発行
された特許（以下、しばしば「本出願人によるセラミッ
クマトリックス特許出願」と称する）には、セラミック
材及びセラミック複合材料を高い信頼性で製造する方法
が記載されている。この方法についての一般的な事柄
は、「ノーベル セラミック マテリアルズ アンド
メソッズ フォー メーキング セーム（Novel Cerami
c Materials and Methods for Making Same）と題する
本出願人による1987年12月15日発行の米国特許第4,713,
360号〔発明者：マーク・エス・ニューカーク（Mark S.
Newkirk）等〕（この特許の対応外国出願としては、特
開昭61−6173号および1985年９月25日に公開されたヨー
ロッパ特許出願第0,155,831号がある）に開示されてい
る。この特許には、気相酸化剤と反応して酸化反応生成
物を生成する溶融母材前駆体金属を酸化反応生成物の形
態で成長させて自己支持形セラミック体を製造する方法
が開示されている。この方法では、溶融金属は、生成し
た酸化反応生成物を通って移動して酸化剤と反応し、そ
れにより、相互に接続した金属成分を必要に応じて含ん
でいてもよいセラミック多結晶体が連続的に成長する。
母材金属と合金する一種以上のドーパントを使用するこ
とにより、このプロセスを増進したり又は、ある場合に
は、このプロセスが可能になる。例えば、空気中でアル
ミニウムを酸化する場合には、マグネシウム及び珪素を
アルミニウムと合金してα−アルミナセラミック構造体
を製造することが望ましい。

米国特許第4,713,360号の方法は、本出願人による198
6年１月27日出願の米国特許出願第822,999号及び特開昭
61−97160号公報に記載されているようなドーパント材
を母材金属の表面に適用することにより改善された。こ
の特許出願は、出願日が1985年９月17日である米国特許
出願第776,965号の一部継続出願であり、この一部継続
出願は出願日が1985年６月25日である米国特許出願第74
7,788号の一部継続出願であり、又、この一部継続出願
は出願日が1984年７月20日である米国特許出願第632,63
6号の一部継続出願である。尚、上記全ての米国特許出
願において、発明者はマーク・エス・ニューカーク（Ma
rc S.Newkirk）等であり、タイトルは「メソッズ オブ
メーキング セルフサポーティング セラミック マ
テリアルズ（Methods of Making Self−Supporting Cer
amic Materials）である（上記出願の対応外国出願とし
ては、1986年１月22日に公開されたヨーロッパ特許出願
第0,169,067号がある）。

出願日が1985年２月４日である米国特許第697,876号
の一部継続出願である、出願日が1986年１月17日である
本出願人による米国特許第819,397号（特開昭62−12678
号公報に対応）に記載されているように、セラミック複
合体を製造するのに同様の酸化現象が利用された。尚、
上記の両方の米国特許出願において、発明者はマーク・
エス・ニューカーク（Marc S.Newkirk）等であり、タイ
トルは「コンポジット セラミック アーティクルズ
アンド メソッズ オブ メーキング セーム（Compos
ite Ceramic Articles and Methods of Making Same）
である（上記出願の対応外国出願としては、1986年９月
３日に公開されたヨーロッパ特許出願第0,193,292号が
ある）。これらの出願には、母材金属前駆体から酸化反
応生成物を成長させて充填材（例えば、炭化珪素粒状充
填材又はアルミナ粒状充填材）の通気性素材とし、それ
により、充填材にセラミックマトリックスを浸透又は埋
め込むことによって支持形セラミック複合体を製造する
方法が開示されている。しかしながら、得られる複合体
は、所定の形状を有していない。

所定の形状を有するセラミック複合体を製造する方法
は、「シエイプト セラミック コンポジッツ アンド
メソッズ オブ メーキング ザ セーム（Shaped C
eramic Composites and Methods of Making the Sam
e）」と題する本出願人による、出願日が1986年５月８
日である米国特許出願第861,025号〔発明者：マーク・
エス・ニューカーク（Marc S.Newkirk）等〕（この特許
の対応外国出願としては、特開昭63−30376号公報及び1
987年11月11日に公開されたヨーロッパ特許出願第0,24
5,192号がある）に開示されている。この米国特許出願
に記載の方法によれば、生成する酸化反応生成物は、充
填材の通気性自己支持形プレフォーム（例えば、アルミ
ナ又は炭化珪素プレフォーム材）の規定された表面境界
の方向に浸透する。

上記した本出願人による各セラミックマトリックス特
許出願には、セラミックマトリックス複合体の製造方法
及び該方法により製造される新規なセラミックマトリッ
クス複合体が記載されている。前記した本出願人による
全てのセラミックマトリックス特許出願の開示事項全体
が、本発明に利用できる。

これらの本出願人によるセラミックマトリックス特許
出願及び特許において説明されているように、新規な多
結晶セラミック材料又は多結晶セラミック複合材料は、
母材金属及び酸化材（例えば、固体、液体及び期待）の
間の酸化反応によって生成する。これらの本出願人によ
るセラミックマトリックス特許出願及び特許に開示され
ている一般的な方法によれば、母材金属（例えば、アル
ミニウム）の温度を、融点よりは高いが酸化反応生成物
の融点よりも低い温度まで加熱上昇させて、酸化剤と接
触した場合に反応して酸化反応生成物を生成する溶融母
材金属本体を形成する。この温度で、酸化反応生成物又
は少なくともその一部分は、溶融母材金属の本体及び酸
化剤と接触状態となるとともに、それらの間に拡大して
いき、溶融金属は、生成した酸化反応生成物を通り且つ
酸化剤の方向に引き寄せられるか又は輸送される。輸送
された溶融金属は、以前に生成した酸化反応生成物の表
面で酸化剤と接触して、更なる新たな酸化反応生成物を
生成する。このプロセスが継続すると、更なる金属が多
結晶化反応生成物の生成により輸送され、それにより、
相互接続した微結晶のセラミック構造が間断なく「成
長」する。得られるセラミック体は、母材金属の非酸化
成分等の金属成分及び／又はボイドを含有している。こ
れに関して、本出願人による全てのセラミックマトリッ
クス特許出願及び特許では、酸化は広い意味で用いら
れ、一種以上の元素及び／又は化合物でもよい酸化剤に
対する金属の電子の損失又は共有を意味する。従って、
酸素以外の元素でも、酸化剤の役割を果たす。

ある場合には、酸化反応生成物の成長に好影響を及ぼ
すか又は成長を容易にするために、母材金属に一種以上
のドーパントを存在させることが必要な場合がある。こ
のようなドーパントは、酸化反応生成物の成長中のある
時点又は成長前に、少なくとも部分的に母材金属と合金
してもよい。例えば、母材金属がアルミニウムで酸化剤
が空気の場合には、ドーパント、例えば、広範な種類の
ドーパント材の中から２つを挙げれば、マグネシウム及
び珪素等を、アルミニウムと合金し、生成した成長合金
を母材金属として利用することができる。このような成
長合金の得られる酸化反応生成物は、アルミナ、一般的
にα−アルミナを含有している、 新規なセラミック複合体及び該セラミック複合体の製
造方法も、前記した本出願人によるセラミックマトリッ
クス特許出願のいくつかに開示され且つ特許請求の範囲
に記載されている。これらの特許出願では、酸化反応を
利用して、多結晶セラミックマトリックスが浸透した実
質的に不活性な充填材を含有するセラミック複合構造体
を製造する（注：ある場合には、反応性充填材、例え
ば、進行している酸化反応の生成物及び／又は母材金属
と少なくとも部分的に反応する充填材を使用することが
望ましい）。母材金属は、賦形し且つ処理をして自己支
持形にできる通気性充填材（又はプレフォーム）の素材
に隣接して配置し、その後、加熱して、上記した酸化剤
と反応して酸化反応生成物を生成する溶融母材金属の本
体を生成する。酸化反応生成物が成長し且つ隣接する充
填材に浸透するにつれて、溶融母材金属は、充填材の素
材内で以前に生成した酸化反応生成物を介して引き寄せ
られて酸化反応生成物と反応し、上記したように、以前
に生成した酸化反応生成物の表面に更なる新たな酸化反
応生成物を生成する。成長した酸化反応生成物は、充填
材に浸透又は充填材を埋め込んで、充填材埋め込み多結
晶セラミックマトリックスからなるセラミック複合構造
体を生成する。上記でも説明したように、充填材（又は
プレフォーム）にバリヤー手段を利用して、セラミック
複合構造体の境界又は表面を形成してもよい。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前記した本出願人によるセラミックマトリ
ックス特許出願の教示事項に従い、溶融母材金属と酸化
剤の間の酸化反応により成長させ粉砕せる多結晶酸化反
応生成物からなる充填材の通気性素材（permealbe mas
s）又はプレフォームへの浸透による金属マトリックス
複合体の形成方法の改善に関する。意外にも、多結晶酸
化反応生成物は、粉砕した形態では、マトリックス金属
の通気性充填材素材への浸透速度の増加及び／又はプロ
セス温度の低下及び／又は金属／粒子反応の減少及び／
又はコストの低下が可能となる。更に、本発明により、
充填材の体積分率を増加させることができる。

一旦、粉砕多結晶酸化反応生成物を得て且つ成形して
充填材又はプレフォームとすれば、充填材の通気性素材
又はプレフォームの浸透により、金属マトリックス複合
体が製造される。即ち、浸透増進剤及び／又は浸透増進
剤前駆体及び／又は浸透雰囲気は、プロセス中の少なく
ともある時点で、充填材又はプレフォームと連通状態に
あり、それにより、溶融マトリックス金属が充填材又は
プレフォームに自発的に浸透する。更に、浸透増進剤前
駆体を供給するのではなく、浸透増進剤を、プレフォー
ム、充填材の素材及び／又はマトリックスの少なくとも
一つに直接供給してもよい。基本的には、少なくとも自
発的に浸透している間は、浸透増進剤が、充填材又はプ
レフォームの少なくとも一部分に存在していなければな
らない。例えば、マトリックス金属（例えば、アルミニ
ウム合金）は、充填材の通気性素材又はプレフォーム
（例えば、セラミック粒子、ウイスカー及び／又は繊
維）の表面と連通するように配置して、マトリックス金
属が溶融状態にあるときには、充填材の通気性素材又は
プレフォームに自発的に浸透できるようにする。更に、
浸透増進剤又は浸透増進剤前駆体が、本質的に、粉砕し
た多結晶酸化反応生成物によって供給されないものであ
る場合には、浸透増進剤又は浸透増進剤前駆体を、マト
リックス金属及び粉砕した酸化反応生成物の少なくとも
一つに添加してもよい（充填材又はプレフォームのいず
れの形態でもよい）。粉砕多結晶酸化反応生成物、マト
リックス金属、浸透増進剤前駆体及び／又は浸透増進剤
並びに浸透雰囲気を組み合わせることにより、マトリッ
クス金属が充填材又はプレフォームに自発的に浸透す
る。

本出願では、浸透雰囲気として作用する窒素の存在下
で、金属マトリックス複合体の生成中のある時点で、浸
透増進剤前駆体として作用するマグネシウムと接触させ
るアルミニウムマトリックス金属について主に説明す
る。即ち、アルミニウム／マグネシウム／窒素からなる
マトリックス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気系
は、自発的浸透を示す。しかしながら、他のマトリック
ス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気系も、アルミニ
ウム／マグネシウム／窒素系と同様の方法で作用する。
例えば、同様の自発的浸透の挙動が、アルミニウム／ス
トロンチウム／窒素系；アルミニウム／亜鉛／酸素系；
及びアルミニウム／カルシウム／窒素系で観察された。
従って、本明細書では、アルミニウム／マグネシウム／
窒素系を主に説明するが、他のマトリックス金属／浸透
増進剤前駆体／浸透雰囲気系も同様に挙動することがで
き、本発明の範囲内である。

マトリックス金属がアルミニウム合金からなり且つ粉
砕多結晶酸化反応生成物が粉砕アルミナ多結晶酸化反応
生成物からなり場合には、アルミニウム合金を、例え
ば、マグネシウムの存在下において、プレフォーム又は
充填材と接触させ及び／又はプロセス中のある時点でマ
グネシウムに暴露する。アルミニウム合金及び充填材又
はプレフォームは、プロセスの少なくともある部分の
間、窒素雰囲気中に入れる。これらの条件下で、プレフ
ォーム又は充填材への浸透が自発的に行われる。自発的
浸透及び金属マトリックス複合体の生成の程度又は速度
は、系に供給される浸透増進剤前駆体（例えば、マグネ
シウム）及び／又は浸透増進剤の濃度（例えば、アルミ
ニウム合金中及び／又はプレフォーム中の）、充填材又
はプレフォームのサイズ及び／又は組成、浸透雰囲気中
の窒素濃度、浸透のために与えられる時間、及び／又は
浸透が生じる温度をはじめとする一定の処理条件に応じ
て異なる。浸透は、一般的に、実質的に完全にプレフォ
ーム又は充填材を埋め込むのに十分な程度まで起きる。

定 義 セラミックマトリックス複合体及び金属マトリックス
複合体の両方に関連して本明細書で使用する「アルミニ
ウム」とは、実質的に純粋な金属（例えば、比較的純粋
で市販されている未合金化アルミニウム）又は不純物及
び／若しくは鉄、珪素、銅、マグネシウム、マンガン、
クロム、亜鉛等の合金成分を有する市販の金属等の他の
グレードの金属及び金属合金を意味するとともにそれら
を含む。この定義で用いているアルミニウム合金は、ア
ルミニウムが主成分である合金又は金属間化合物であ
る。

金属マトリックス複合体に関連して本明細書で使用す
る「残部非酸化性ガス」とは、浸透雰囲気を成す主要ガ
スの他に存在するガスで、プロセス条件下でマトリック
ス金属と実質的に反応しない不活性ガス又は還元性ガス
であることを意味する。使用されるガス中の不純物とし
て存在してもよい酸化性ガスは、プロセス条件下でかな
りの程度までマトリックス金属を酸化するには不十分で
なければならない。

金属マトリックス複合体に関連して本明細書で使用す
る「バリヤー」又は「バリヤー手段」とは、プロセス条
件下で、ある程度の一体性を維持し且つ実質的に揮発せ
ず（即ち、バリヤー材はバリヤーとして機能しないほど
には発揮しない）、好ましくは、気相酸化剤（使用する
場合）を透過するとともに、酸化反応生成物が連続して
成長するのを局部的に抑制、悪影響を及ぼすこと、停
止、干渉、防止等を行うことのできる、いずれかの材
料、化合物、元素、組成物等を意味する。

更に、適当な「バリヤー手段」としては、用いられる
プロセス条件下で、移動する溶融マトリックス金属で実
質的に湿潤しない材料が挙げられる。この種のバリヤー
は、溶融マトリックス金属に対しては実質的に何ら親和
性を示さないと思われ、充填材の素材又はプレフォーム
限定された表面境界を超えて溶融マトリックス金属が移
動するのがバリヤー手段によって妨げられる。このバリ
ヤーは、必要とされる場合のある最終的な機械加工又は
研磨を減らし、得られる金属マトリックス複合体製品の
表面の少なくとも一部分を形成する。このバリヤーは、
ある場合には、通気性若しくは多孔性又は、例えば、孔
をあけるか若しくはバリヤーに穴をあけることにより通
気性にして、ガスを溶融マトリックス金属に接触させて
もよい。

本明細書で使用する「カーカス（carcass）」、「母
材金属カーカス」又は「マトリックス金属カーカス」と
は、セラミック体、セラミック複合体又は金属マトリッ
クス複合体の形成中に消費されずに残存し、一般的に
は、形成した物体と少なくとも部分的に接触した状態で
残存している母材金属又はマトリックス金属の最初の物
体を意味する。一般的には、カーカスには、一般的に、
母材金属若しくはマトリックス金属及び／又は第二又は
外来金属を含んでいてもよい。

本明細書で使用する「セラミック」とは、過度に限定
された古典的な意味におけるセラミック体には限定され
ず、即ち、非金属及び無機材料のみから成るものには限
定されず、組成物又は主要な性質が、主にセラミックの
ものである物体を意味する。但し、この物体は、母材金
属に由来するか、酸化剤若しくはドーパントから還元さ
れた少量又は相当量（最も一般的には約１〜40体積％の
範囲内であるが、これ以上の量で含まれていてもよい）
の一種以上の金属成分（物体を形成するのに用いた処理
条件に応じて独立及び／又は相互に接続した形態）を含
有してもよい。

セラミックマトリックス複合体に関連して本明細書で
使用する「ドーパント」とは、母材金属（parent meta
l）と組み合わせて使用したときに、酸化反応プロセス
に好ましく影響するか若しくは促進し並びに／又は成長
プロセスを変化させてミクロ構造及び／若しくは生成物
の性質を変更する物質（合金成分又は充填材と結合及び
／若しくは充填材に含有及び／若しくは充填材中若しく
は上に存在する成分）を意味する。ドーパントの機能に
関して特別な原理又は説明には限定されないが、ドーパ
ントの中には、明らかに、母材金属とその酸化反応生成
物との間に、酸化反応生成物の生成を促進するような適
当な表面エネルギーの関係が本来存在しない場合には、
酸化反応生成物の生成を促進するのに有効もなのがある
と思われる。ドーパントは、溶融母材金属による酸化反
応生成物の湿潤を増進又は誘発する好ましい表面エネル
ギー関係を生じ；合金、酸化剤及び／又は充填材との反
応により成長表面に、（ｉ）単一又は複数の保護的及び
／又は凝着性酸化反応生成物層が生成するのを最少限に
抑える、（ii）溶融金属への酸化剤の溶解度（及び浸透
性）を増進できる、そして／又は（iii）酸化剤を酸化
雰囲気からいずれかの前駆体酸化物層を通し輸送して、
次に、溶融金属と結合させて別の反応生成物を生成でき
る、「前駆体層」を生成し；酸化反応生成物の生成につ
れて、そのミクロ構造の変化を生じさせるか、続いて、
このような酸化反応生成物の金属成分組成及び性質を変
え；及び／又はは酸化反応生成物の成長核生成及び／又
は成長の均一性を増進する。

金属マトリックス複合体とセラミックマトリックス複
合体の両方に関連して本明細書で使用する「充填材」と
は、金属（例えば、母材金属）及び酸化反応生成物と実
質的に反応せず及び／又はそれらに対する溶解度が限ら
れている単一成分又は成分の混合物が含まれ、単相又は
複相であってもよい。充填材は、粉末、フレーク、板
状、小球体、ウイスカー、バブル等の多種多様の形態で
使用でき、緻密でも多孔でもよい。又、「充填材」は、
繊維、チョップトファイバー、粒体、ウイスカー、バブ
ル、球体、繊維マット等の形態のアルミナ又はシリコン
カーバイド等のセラミック充填材並びに炭素が、例え
ば、溶融アルミニウム母材金属によって侵食されるのを
防止するためにアルミナ若しくは炭化珪素で被覆した炭
素繊維等のセラミック被覆充填材でもよい。又、充填材
は金属でもよい。

セラミック又はセラミック複合体に関連して本明細書
において使用する「成長合金（growth alloy）」とは、
最初又は処理中のある時点で、酸化反応生成物の成長を
生じさせるに十分な量の必要成分を含有する合金を意味
する。

金属マトリックス複合体に関連して本明細書で使用さ
れる「浸透雰囲気（Infiltrating Atmosphere）」と
は、マトリックス金属及び／又はプレフォーム（又は充
填材）及び／又は浸透増進剤前駆体及び／又は浸透増進
剤と相互作用し、マトリックス金属の自発浸透を生じさ
せ又は促進させる存在雰囲気を意味する。

金属マトリックス複合体に関連して本明細書で使用さ
れる「浸透増進剤（Infiltration Enhancer）」とは、
マトリックス金属が充填材若しくはプレフォームに自発
浸透するのを促進又は補助する物質を意味する。浸透増
進剤は、例えば、浸透増進剤前駆体を浸透雰囲気と反応
させて、（１）ガス状物及び／又は（２）浸透増進剤前
駆体と浸透雰囲気との反応生成物及び／又は（３）浸透
増進剤前駆体と充填材若しくはプレフォームとの反応生
成物を生成することにより製造できる。更に、浸透増進
剤は、プレフォーム及び／又はマトリックス金属及び／
又は浸透雰囲気の少なくとも一つに直接供給して、浸透
増進剤前駆体と別の種との間の反応で生成させた浸透増
進剤と実質的に同様の方法で作用させてもよい。基本的
には、少なくとも自発浸透中は、浸透増進剤は、自発浸
透を達成するために、充填材又はプレフォームの少なく
とも一部分に位置していなければならない。

金属マトリックス複合体に関連して本明細書において
使用される「浸透増進剤前駆体（Infiltration Enhance
r Precursor）」とは、マトリックス金属、プレフォー
ム及び／又は浸透雰囲気と組み合わせて使用すると、マ
トリックス金属の充填材又はプレフォームへの自発浸透
を誘発又は補助する物質を意味する。特別な原理又は説
明には限定されないが、浸透増進剤前駆体が浸透雰囲気
及び／又はプレフォーム若しくは充填材及び／又は金属
と相互作用できる位置に、浸透増進剤前駆体が配置若し
くは移動できることが必要である。例えば、あるマトリ
ックス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気系では、浸
透増進剤前駆体が、マトリックス金属の溶融温度、その
近くの温度又は場合によってはそれよりもいくらか高い
温度で揮発することが望ましい。このような揮発によ
り、（１）浸透増進剤前駆体と浸透雰囲気との反応によ
る、マトリックス金属による充填材又はプレフォームの
湿潤を増進するガス状物の生成；及び／又は（２）浸透
増進剤前駆体と浸透雰囲気との反応による、充填材又は
プレフォームの少なくとも一部分における湿潤を増進す
る固体状、液状又はガス状浸透増進剤の生成；及び／又
は（３）充填材又はプレフォームの少なくとも一部分内
において湿潤を増進する固体状、液状又はガス状浸透増
進剤を生成する充填材又はプレフォーム内の浸透増進剤
前駆体の反応が生じる。

セラミック複合体に関連して本明細書において使用さ
れる「液相酸化剤（Liquid−Phase Oxidant）又は「液
体酸化剤（Liquid Oxidant）」とは、プロセス条件下
で、特定の液体が、母材金属又は前駆体金属の唯一の酸
化剤であるか、主要な酸化剤であるか、又は酸化剤の少
なくともかなりの部分を成すことを意味する。

液体酸化剤は、酸化反応条件下で液体であるものを意
味する。従って、液体酸化剤は、塩等の酸化反応条件で
溶融する固体前駆体を有していてもよい。又、液体酸化
剤は、充填材の一部分又は全体に含浸するのに使用され
且つ酸化反応条件で融解又は分解して適当な酸化剤成分
を生成する液体前駆体（例えば、物質溶液）を有してい
てもよい。ここで定義した液体酸化剤としては、例え
ば、低融点ガラスが挙げられる。

液体酸化剤を母材金属及び充填材と一緒に使用する場
合、一般的に、充填材の層の全体又は所望のセラミック
体を含む部分に、酸化剤を含浸（例えば、被覆又は酸化
剤への浸漬）させる。

金属マトリックス複合体に関連して本明細書において
使用される「マトリックス金属」又は「マトリックス金
属合金」とは、金属マトリックス複合体の形成に用いら
れる金属（例えば、浸透前）及び／又は充填材と混じり
合って金属マトリックス複合体を形成している金属（例
えば、浸透後）を意味する。上記金属をマトリックス金
属と称する場合には、マトリックス金属には、実質的に
純粋な金属、不純物及び／若しくは合金成分を有する市
販の金属、金属が主成分である金属間化合物又は合金も
含まれる。

金属マトリックス複合体に関連して本明細書において
使用される「マトリックス金属／浸透増進剤前駆体／浸
透雰囲気系」又は「自発系」とは、プレフォーム又は充
填材への自発浸透を示す物質の組み合わせを意味する。
「／」が、例示するマトリックス金属、浸透増進剤前駆
体及び浸透雰囲気の間に用いられるときは、特定の方法
でそれらを組み合わせると、プレフォーム若しくは充填
材への自発浸透を示す系又は物質の組み合わせを示すた
めに使用される。

金属マトリックス複合体に関連して本明細書において
使用される「金属マトリックス複合体（Metal Matrix C
omposite）」又は「MMC」は、プレフォーム又は充填材
を埋め込んだ、二次元若しくは三次元的に連続する合金
又はマトリックス金属からなる材料を意味する。マトリ
ックス金属に種々の合金元素を含有せしめて、特に所望
の機械的及び物理的性質を有するようにしてもよい。

セラミックマトリックス複合体及び／又は金属マトリ
ックス複合体に関連して本明細書において使用される
「異種」の金属とは、マトリックス金属又は母材金属と
同じ金属を、主要成分として含有しない金属を意味する
（例えば、マトリックス金属又は母材金属の主要成分が
アルミニウムの場合、「異種」の金属は、例えば、ニッ
ケルを主成分として含有することができる）。

セラミックマトリックス複合体に関連して本明細書に
おいて使用される「窒素含有ガス酸化剤（Nitrogen−Co
ntaining Gas Oxidant）」とは、使用する酸化用環境に
存在している条件下で、窒素が母材金属又は前駆体金属
の酸化剤として、唯一のものであるか、主要な部分を占
めるか、少なくともかなりの部分を占めている特定のガ
ス又は蒸気を意味する。

セラミックマトリックス複合体に関連して本明細書に
おいて使用される「酸化剤」とは、一種以上の適当な電
子受容体又は電子共有体を意味し、酸化反応条件で固
体、液体、気体又はこれらの組み合わせ（例えば、固体
と気体）でもよい。酸化剤の典型的なものとしては、酸
素、窒素、ハロゲン、硫黄、リン、砒素、炭素、硼素、
セレン、テルル並びに／又はそれらの化合物及びそれら
の組み合わせ、例えは、シリカ又は珪酸塩（酸素源とし
て）、メタン、エタン、プロパン、アセチレン、エチレ
ン、プロピレン（炭素源としての炭化水素）並びに空
気、H₂/H₂O及びCO/CO₂（酸素源）等の混合物〔後者の二
つ（即ち、H₂/H₂O及びCO/CO₂）は環境の酸素活性を減少
させるのに有効である〕が挙げられるが、酸化剤は上記
のものには限定されない。

セラミックマトリックス複合体に関連して本明細書に
おいて使用される「酸化反応生成物（Oxidation Reacti
on Product）」とは、金属（一種以上）が別の元素、化
合物又はそれらの組み合わせに対して電子をゆずり渡す
か、それらと電子を共有した、酸化状態にある一種以上
の金属を意味する。従って、ここで定義した「酸化反応
生成物」には、一種以上の金属と一種以上の酸化剤との
反応生成物が含まれる。

セラミックマトリックス複合体に関連して本明細書に
おいて使用される「酸素含有ガス酸化剤（Oxygen−Cont
aining Gas Oxidant）」とは、使用する酸化環境に存在
している条件下で、酸素が母材金属又は前駆体金属の酸
化剤として、唯一のものであるか、主要な部分を占める
か、少なくともかなりの部分を占めている特定のガス又
は蒸気を意味する。

セラミックマトリックス複合体に関連して本明細書に
おいて使用される「母材金属（Parent Meta1）」とは、
多結晶酸化反応生成物の前駆体である金属（一種以上）
（例えば、アルミニウム、珪素、チタン、錫及び／又は
ジルコニウム）を意味し、例えば、実質的に純粋な金
属、不純物及び／若しくは合金成分を含有する市販の金
属又は金属前駆体が主成分である合金等の金属が挙げら
れる。特定した金属を母材金属又は前駆体として記載し
てある場合（例えば、アルミニウム等）、特記のない限
りは、その金属については、上記の定義を頭に入れて判
断する必要がある。

セラミックマトリックス複合体及び／又は金属マトリ
ックス複合体に関連して本明細書において使用される
「プレフォーム（Preform）」又は「通気性プレフォー
ム（Permeable Preform）」とは、浸透するマトリック
ス金属の境界を実質的に形成する少なくとも一つの表面
境界を用いて製造される充填材又は充填材の多孔性素材
（porous mass）を意味する。このような素材は、マト
リックス金属を浸透させる前に、寸法忠実性を提供する
に十分な形状保持性及び生強度を維持する。又、この素
材は、自発浸透でマトリックス金属を受け入れるのに十
分な程度に多孔性でなければならない。プレフォーム
は、一般的には、充填材が、均一若しくは不均一の形態
で、結着して充填又は配置されてなり、適当な物質（例
えば、セラミック及び／又は金属の粒子、粉末、繊維、
ウイスカー等並びにそれらの組み合わせ）をからなって
いてもよい。プレフォームは、単独でも集成体で存在し
てもよい。

本明細書で使用される「溜（Reservoir）」とは、金
属が溶融したとき、流れて、充填材若しくはプレフォー
ムと接触し、浸透又は反応して酸化反応生成物を生成し
ている母材金属又はマトリックス金属の部分、セグメン
ト若しくは源を補充又は、ある場合には、最初にマトリ
ックス金属を提供し且つ続いて補充するために、充填材
又はプレフォームの素材に対して分離して配置された母
材金属又はマトリックス金属と別個の物体を意味する。
又、溜を使用して、マトリックス金属マトリックス複合
体とは異種の金属を生成することもできる。

セラミックマトリックス複合体に関連して本明細書に
おいて使用される「第二金属又は外来金属（Second or
Foreign Metal）」とは、母材金属の未酸化成分の代わ
りに、未酸化成分に追加して、あるいは酸化成分と結合
して、生成するセラミック又は金属マトリックス複合体
の金属成分に配合されているか、配合されることが望ま
しい、適当ないずれの金属、金属の組み合わせ、合金、
金属間化合物又はそれらの源を意味する。この定義にお
ける第二金属又は外来金属には、母材金属と第二金属と
の間に生成する金属間化合物、合金、固溶体等が含まれ
る。

セラミックマトリックス複合体に関連して本明細書に
おいて使用される「固相酸化剤（Solid−Phase Oxidan
t）」又は固体酸化剤（Solid Oxidant）」とは、プロセ
ス条件下で、特定の固体が、母材金属又は前駆体金属の
唯一の酸化剤であるか、主要な酸化剤であるか、又は酸
化剤の少なくともかなりの部分を占めることを意味す
る。

固体酸化剤が母材及び充填材とともに用いられるとき
には、通常、充填層全体にわたって分散するか、酸化反
応生成物が成長する層の部分に分散する。この際、固体
酸化反応生成物は、例えば、充填材と混合した粒状物の
形態であるか、充填材粒子上に被覆した形態で用いる。
このように用いられる固体酸化剤の適当なものとして
は、硼素若しくは炭素等の元素、又は二酸化珪素若しく
は母材金属の硼化物反応生成物よりも熱力学的安定性が
低い一定の硼化物等の還元性化合物が挙げられる。例え
ば、硼素又は還元性硼化物を、アルミニウム母材金属の
固体酸化剤として使用するとき、得られる酸化反応生成
物には硼化アルミニウムが含まれている。

場合によっては、母材金属と固体酸化剤との酸化反応
は、非常に早く進行し、プロセスが発熱反応のために酸
化反応生成物が融解し易いことがある。これが生じる
と、セラミック体のミクロ構造の均一性が低下すること
がある。このような急速な発熱反応は、組成物に、過剰
の熱を吸収する比較的不活性な充填材を混合することに
より改善できる。このような不活性充填材の適当な例と
しては、意図する酸化反応生成物と同一又は実質的に同
一のものである。

金属マトリックス複合体との関連において本明細書で
使用される「自発浸透（Spontaneous Infiltration）」
とは、圧力又は真空を印加（外部から印加するか若しく
は内部で発生させるかとは無関係に）しなくても、マト
リックス金属が充填材の通気性素材又はプレフォームに
浸透することを意味する。

セラミックマトリックス複合体との関連において本明
細書において使用される「気相酸化剤（Vapor−Phase O
xidant）」とは、特定のガス又は蒸気を含有するか、そ
れからなる酸化剤であり、使用される酸化環境において
得られる条件下で確認されるガス又は蒸気が、母材金属
又は前駆体金属の唯一の酸化剤であるか、主要な酸化剤
であるか、又は酸化剤の少なくともかなりの部分を占め
ることを意味する。例えば、空気の主成分は窒素である
が、酸素は窒素よりもかなり強力な酸化剤であるので、
空気に含まれている酸素が母材金属の唯一の酸化剤であ
る。従って、「空気」と言う用語が本明細書及び特許請
求の範囲に使用されるときには、「酸素含有ガス酸化
剤」の範囲にはいるが、「窒素含有ガス酸化剤」（「窒
素含有ガス」酸化剤の一例としては、一般的に、窒素を
約96体積％、水素を約４体積％の割合で含有する化成ガ
ス（forming gas）が挙げられる）の範囲には入らな
い。

以下の図は、本発明の理解を深めるために示したもの
であるが、本発明の範囲はこれらによっては限定されな
い。各図において、同様な構成要素は同様な参照番号を
用いてある。

本発明の方法により粉砕されるセラミック複合体を形
成するために（即ち、金属マトリックス複合体の生成に
使用する充填材又はプレフォームを形成するために）、
下記に詳述するようにしてドープすることのできる母材
金属（即ち、成長金属）をインゴット、ビレット、ロッ
ド、プレート等に成形し、不活性層、ルツボ又は他の耐
火容器内に入れる。母材金属は、一個以上の断片、イン
ゴット等から成っていてもよく且つ適当な手段で適当に
賦形したものでもよい。母材は、ドーパント材（下記で
詳述する）と結合した状態で酸化してもよい。充填材の
通気性素材又は、好ましい実施態様では、通気性の賦形
されたプレフォーム（下記で詳述する）は、少なくとも
一つの規定された表面境界を有し且つ、気相酸化剤を単
独又は別の酸化剤と組み合わせて使用するときには、気
相酸化剤を過渡し且つ、通気性素材を使用するときに
は、浸透酸化反応生成物を透過するように製造する。
又、このプレフォームは、母材金属に隣接させ且つ、好
ましくは、母材金属の少なくとも一方の表面又は表面の
一部分と接触するように配置してもよい。この際、プレ
フォームの規定された表面境界の少なくとも一部分は、
一般的に、母材金属の表面から離して、即ち、外方向に
間隔を置いて離して配置する。プレフォームは、母材金
属の表面と接触状態にあることが好ましいが、必要に応
じて、プレフォームは、溶融金属に完全ではなく部分的
に浸漬していてもよい。完全に浸漬すると、気相酸化剤
がプレフォームに接近するのが遮断されたり、ブロック
されたりして、プレフォームを埋め込む酸化反応生成物
が適切に生成されなくなる。しかしながら、気相酸化剤
を使用しないときには（即ち、プロセス条件で使用する
酸化剤が、固体酸化剤又は液体酸化剤だけであるときに
は）、溶融母材金属にプレフォームが完全に浸漬させる
ことも可能である。酸化反応生成物は、規定された表面
境界の方向に生成する。母材金属と通気性素材又はプレ
フォームのセットアップは、アミナ又はキャスタブル
（castable）耐火物から形成したボート等の適当な容器
内に配置し、炉内に挿入する。

溶融母材金属の気相酸化を生じさせるために、炉内の
雰囲気は酸化剤を含有していてもよい。次に、炉を、プ
ロセス条件まで加熱する。更に、一般的に、電気加熱を
使用して本発明で使用する温度とする。しかしながら、
酸化反応成長を生じさせ、マトリックス金属を溶融状態
とさせることができるとともに、悪影響を及ぼさない、
いずれの加熱手段を本発明に使用してもよい。

少なくとも一種の酸化剤が気相酸化剤の場合、複合体
の製造には、気相酸化剤がプレフォームに透過して母材
金属に接触するに十分な程度に多孔性又は通気性である
ものが有効である。又、プレフォームは、自己支持形で
且つ十分に通気性があり、実質的に妨害、乱れ又はプレ
フォームの形状の変化を生ぜずに、プレフォーム内にマ
トリックスとして酸化反応生成物を生成又は成長させ得
るものでなければならない。

酸化剤としては、固体、液体若しくは気相酸化剤又は
これらを組み合わせて用いることができる。酸化剤の典
型例としては、酸素、窒素、ハロゲン、硫黄、リン、砒
素、炭素、硼素、セレン、テルル及び／又は化合物並び
にそれらの組み合わせが挙げられ、例えは、シリカ（酸
素源として）、メタン、エタン、プロパン、アセチレ
ン、エチレン及び／又はプレピレン（炭素源として）並
びに空気、H₂/H₂O及びCO/CO₂等の混合物が挙げられるが
これらには限定されない。混合物の形態の場合、後者の
二つ（即ち、H₂/H₂O及びCO/CO₂）は、環境の酸素活性を
減少させるのに有効である。従って、本発明のセラミッ
ク構造体は、酸化物、窒化物、炭化物、硼化物及びオキ
シニトリドの一種以上を含有する酸化反応生成物からな
っていてもよい。より詳細には、酸化反応生成物は、例
えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪
素、硼化珪素、硼化アルミニウム、窒化チタン、窒化ジ
ルコニウム、硼化チタン、硼化ジルコニウム、炭化チタ
ン、炭化ジルコニウム、窒化珪素、硼化ハフニウム及び
酸化錫でよい。通常、酸化反応には気相酸化剤を、単独
又はプロセス条件下で固体又は液体である酸化剤と一緒
に用いるものとして説明するけれども、セラミックマト
リックス複合体を製造するには、気相酸化剤を必要とし
ない。気相酸化剤を用いずに、プロセス条件下で固体又
は液体である酸化剤を用いるときには、プレフォーム
は、周囲雰囲気透過性である必要がない。しかしなが
ら、プレフォームは、実質的に妨害、乱れ又はプレフォ
ームの形状の変化を生ぜずに、プレフォーム内にマトリ
ックスとして酸化反応生成物を生成又は成長させ得る程
度には十分に通気性がなければならない。

固体又は液体酸化剤を使用すると、プレフォーム外の
環境よりも母材金属の酸化動力学にとって好ましい環境
をプレフォーム内に生成することがある。この増強され
た環境は、境界の方向にプレフォーム内にマトリックス
を生成するのを促進し且つ過成長を最少限に抑える利点
がある。固体酸化剤を用いるときには、粒状等の形態
で、プレフォーム全体に分散又は母材金属に隣接したプ
レフォームの部分に分散してプレフォームと混合して
も、プレフォームからなる粒子上に被膜として設けても
よい。適当な固体酸化剤としては、硼素若しくは炭素等
の適当な元素又は二酸化珪素（酸素源として）若しくは
母材金属の硼化物反応生成物よりは熱力学的安定性が低
い特定の硼化物等の適当な還元性化合物が挙げられる。

液体酸化剤を用いるときには、液体酸化剤は、プレフ
ォーム全体又は溶融母材金属に隣接する部分に分散すれ
ばよい。この場合の液体酸化剤は、酸化反応条件下で液
体であるものを意味する。従って、液体酸化剤は、酸化
反応条件で溶融又は液体である、塩等の固体前駆体を含
有していてもよい。又、液体酸化剤は、液体前駆体、例
えば、プレフォームの多孔表面の一部分又は全体に塗布
するのに用いられ且つプロセス条件下で融解又は分解し
て適当な酸化剤成分を生成する物質の溶液でもよい。こ
こで定義した液体酸化剤としては、例えば、低融点ガラ
スが挙げられる。

本出願人による特許出願及び特許において説明されて
いるように、例えば、アルミニウム母材金属と一緒にド
ーパント材を添加すると、酸化反応プロセスに良い影響
が及ぼされる。ドーパント材の作用は、ドーパント材自
体以外の多数の因子によって異なることがある。これら
の因子としては、例えば、意図する最終生成物、２種以
上のドーパントを用いるときにはドーパントの特定の組
み合わせ、合金化ドーパントと組み合わせて外部に適用
したドーパントの使用、ドーパントの濃度、酸化環境及
びプロセス条件が挙げられる。

母材金属と一緒に使用されるドーパント（一種以上）
は、（１）母材金属の合金成分として提供するか、
（２）スプレーコーティング又は塗装等により母材金属
の表面の少なくとも一部分に適用するか、（３）充填材
に添加するか、又は上記手法（１）、（２）及び（３）
を組み合わせて用いてもよい。例えば、合金ドーパント
を外部から適用したドーパントと組み合わせて用いても
よい。ドーパント源は、ドーパント粉末又はドーパント
の剛体を母材金属表面の少なくとも一部分と接触させて
配置することにより提供できる。例えば、珪素含有ガラ
スの薄いシートを、アルミニウム母材金属の表面に配置
することができる。珪素含有物質で被覆したアルミニウ
ム母材金属（内部をMgでドープしてもよい）を、酸化環
境中で加熱するとき（例えば、空気中でアルミニウムを
加熱する場合、約850〜約1450℃、好ましくは約900〜約
1350℃）、多結晶セラミック材の成長が生じる。ドーパ
ントをアルミニウム母材金属の表面の少なくとも一部分
に外部から適用する場合、多結晶酸化アルミニウム構造
が、ドーパント層をかなり超えて（少なくとも適用した
ドーパント層の深さを超えて）成長する。ともかく、一
種以上のドーパントを、母材金属表面に外部から適用し
てもよい。更に、母材金属内に合金するドーパントの濃
度の不足は、母材金属に外部から適用するそれぞれのド
ーパント（一種以上）で追加される濃度で補うことがで
きる。

アルミニウム母材金属用のドーパントの有効なものと
しては、特に特に空気を酸化剤をとして用いる場合に
は、例えば、マグネシウム、亜鉛及び珪素、それらの組
み合わせ、又は下記する他のドーパントとの組み合わせ
が挙げられる。これらの金属又は適当な金属源は、アル
ミニウム系母材金属に、得られるドープした金属の総重
量に対して各々約0.1〜10重量％の濃度で合金できる。
この範囲の濃度では、セラミックの成長が開始し、金属
輸送が増進され且つ得られる酸化物の成長モルホロジー
に良い影響を与えられるものと思われる。いずれか一つ
のドーパントの濃度範囲は、ドーパントの組み合わせ及
びプロセス温度等の因子によって異なる。

アルミニウム母材金属系からのアルミナ多結晶酸化反
応生成物の成長のに効果的である他のドーパントには、
例えば、ゲルマニウム、錫及び鉛がある。これらは、マ
グネシウムと組み合わせて用いたときに特に効果的であ
る。上記した他のドーパントの一種以上又はそれらの適
当な源は、アルミニウム母材金属系に、総合金に対して
各々約0.5〜約15重量％の濃度で合金される。しかしな
がら、ドーパント濃度が総母材金属合金の約１〜10重量
％の範囲の場合、より好ましい成長動力学及び成長モル
ホロジーが得られる。

鉛をドーパントを用いる場合には、アルミニウムへの
溶解度が低いことを考慮して、少なくとも1000℃の温度
でアルミニウム系母材金属に合金する。しかしながら、
錫等の他の合金成分を添加すると鉛の溶解度が増加し、
合金材がもっと低い温度で添加できる。

母材金属がアルミニウムで、酸化剤として空気を用い
る場合に、特に有効なドーパントの組み合わせとして
は、（ｉ）マグネシウムと珪素又は（ii）マグネシウ
ム、亜鉛と珪素が挙げられる。この例において、マグネ
シウム濃度は約0.1〜約３重量％、亜鉛濃度は約１〜約
６重量％及び珪素濃度は約１〜約10重量％であることが
好ましい。

母材金属がアルミニウムの場合に有効であるドーパン
ト材の別の例としては、ナトリウム及びリチウムが挙げ
られ、これらは、プロセス条件に応じて、単独でも、一
種以上の他のドーパントと組み合わせて用いてもよい。
ナトリウム及びリチウムは、極微量（ppmオーダーの範
囲、一般的に約100〜200ppm）で用いることができ、各
々単独若しくは一緒に又は他のドーパント（一種以上）
と組み合わせて用いてもよい。カルシウム、硼素、リ
ン、イットリウム並びにセリウム、ランタン、プラセオ
ジウム、ネオジウム及びサマリウム等の希土類元素もド
ーパントとして有効であり、これらも、他のドーパント
と組み合わせて用いると特に有効である。

ドーパント材を外部に用いる場合、通常、均一な被膜
として母材金属の表面の一部分に適用する。ドーパント
の量は、適用する母材金属の量に対して広範囲で有効で
あり、アルミニウムの場合、実験では使用可能な上限及
び下限の確認ができなかい程度に広範囲で使用可能であ
った。例えば、酸化剤として酸素を用いて、アルミニウ
ム系母材金属用のドーパントとして外部から二酸化珪素
の形態で珪素を外部から適用するとき、マグネシウムの
第二ドーパント源と一緒に、母材金属１グラム当たり珪
素を0.00003グラムの少量又は露出する母材金属表面の1
cm²当たり珪素を約0.0001グラムの量で使用して、多結
晶セラミックの成長現象を生じせしめた。セラミック構
造は、ドーパントとしてMgOを、酸化すべき母材金属の
１グラム当たりMgが約0.0008グラムを超え且つMgOが適
用される母材金属表面の1cm²当たりMgが0.003グラムを
用いることにより、酸化剤として空気又は酸素を用いて
アルミニウム・珪素合金母材金属から得ることができる
ことが判明した。

母材金属がマグネシウムで内部ドープしたアルミニウ
ムである場合、合金成分のうちマグネシウムが約820〜9
50℃の温度で酸化することが認められた。上記したマグ
ネシウムドープ系の例では、マグネシウムは、溶融アル
ミニウム合金の表面で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、成長プロセス
中、このようなマグネシウム化合物は、成長セラミック
構造における、主に母材金属合金の最初の酸化物表面
（例えば、開始表面）に残存している。しかしながら、
このようなマグネシウムでドープした系において、酸化
アルミニウム系構造が、開始表面の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生成する。所望
の場合、この開始表面は、多結晶セラミック生成物を用
いる前に、研削、機械加工、研磨又はグリットブラスト
仕上げにより容易に除去できる。

本発明の代替実施態様では、多結晶酸化反応生成物の
成長中、異種の気相酸化剤を導入できる。これに関し
て、「異種」とは、初期気相（又は固体相）酸化剤の組
成と化学的に異なる組成を有することを意味する。従っ
て、「異種」の気相酸化反応生成物を用いて生成した第
二酸化反応生成物により、勾配のある性質を有する互い
に一体的に結合した２つのセラミック体又はセラミック
相を生成する（例えば、最初に形成したセラミック複合
体の上に層を形成できる）。

別の実施態様において、セラミック複合体を最初に生
成し、その後、この完全生成セラミック複合体を、酸化
剤、好ましくは、セラミック複合体において埋め込んだ
充填材用のマトリックスして作用する酸化反応生成物を
生成するのに使用したものとは「異種」の酸化剤に暴露
する。この別の実施態様においては、セラミック複合体
中の残留連続母材金属は、セラミック複合体の少なくと
も片方の表面の方向に引き寄せられ、「異種」の酸化剤
と反応して、最初に生成した酸化反応生成物からなる基
板上に異種の酸化反応生成物を生成する。

本発明の更なる別の実施態様においては、セラミック
複合体における金属成分を、組成を変化させて調整でき
る、即ち、例えば、第二金属を、例えば、酸化反応生成
物の成長中、母材金属と合金又は母材金属に拡散して、
組成を好ましく変化させることにより、母材金属の機械
的、電気的及び／又は化学的性質を好ましく変化させる
ことができる。

賦形したセラミック複合体の生成を補助するために、
充填材又はプレフォーム一緒にバリヤー手段を使用する
ことができる。即ち、本発明で使用するのに適当なバリ
ヤー手段としては、酸化反応生成物の成長又は生成を妨
げ、抑制又は終了させるのに適当な手段を挙げることが
できる。例えば、適当なバリヤー手段は、本発明のプロ
セス条件下で、ある程度の結着性を維持し、揮発性でな
く且つ好ましくは気相酸化剤を使用する場合にはそれを
透過するとともに、酸化反応生成物が連続して成長する
のを局部的に妨げ、阻害、停止抑制、防止等することの
できる、材料、化合物、元素、組成物等が挙げられる。

バリヤー剤の範疇に入るものの一つを挙げると、輸送
される溶融母材金属によっては実質的に湿潤されないも
のが挙げられる。この種のバリヤーは、溶融金属に対し
て実質的にほとんど親和性を示さないので、成長は、バ
リヤー手段により終了又は抑制される。他のバリヤー
は、輸送される溶融金属と反応して、輸送金属に過剰に
溶解又はそれを希釈するか、固体反応生成物（例えば、
溶融金属輸送プロセスを妨害する金属間化合物）を生成
することにより更に成長するのを抑制する。この種のバ
リヤーは、酸化物又は還元性金属化合物等のいずれかの
適当な前駆体又は密度の高いセラミック材をはじめとす
る金属又は金属合金でよい。この種のバリヤーを用いた
場合の成長抑制又は成長阻害の性質上、終了する前にバ
リヤー内に延びるか、いくらかバリヤーを超えるまで成
長する。それでも、バリヤーを用いることにより、生成
した酸化反応生成物に必要とされることのある最終的な
機械加工又は研削の手間を減少できる。上記したよう
に、バリヤーは、通気性又は多孔性であることが好まし
く、従って、固体の不透過性壁を用いるとき、バリヤー
は、少なくとも一帯域又は片方又は両方の端部を開口し
て、気相酸化剤が溶融母材金属に接触できるようにする
必要がある。

母材金属としてアルミニウムを用い且つ酸化剤として
空気を用いる場合、本発明において特に有効なバリヤー
としては、硫酸カルシウム、珪酸カルシウム及びリン酸
トリカルシウムが挙げられる。これらのバリヤーは、生
成する酸化反応生成物と局部的に反応して不透過性のア
ルミン酸カルシウム層を形成し、このアルミン酸カルシ
ウム層が酸化反応生成物が更に成長するのを局部的に停
止させる。このようなバリヤーは、一般的に、好ましく
は予備賦形してプレフォームとした充填材層の表面にス
ラリー又はペーストとして適用できる。又、バリヤー手
段は、多孔性及び通気性を増加するために、加熱して除
去されるか、加熱して分解される適当な燃焼性又は揮発
性材料を含んでいてもよい。更に、バリヤー手段は、プ
ロセス中にも発生することのある収縮又は亀裂の発生を
減少させるために適当な耐火粒状物を含んでいてもよ
い。充填材層と同じ膨張係数を有するこのような粒状物
が、特に望ましい。例えば、プレフォームがアルミナを
含有し且つ得られるセラミックがアルミナを含有する場
合、バリヤーは、望ましくは、約20〜1000メッシュを有
するアルミナ粒状物と混合してもよい。アルミナ粒状物
は、硫酸カルシウムと、例えば、約10:1〜1:10、好まし
くは約1:1の比で混合してもよい。本発明の一実施態様
において、バリヤー手段は、硫酸カルシウム（即ち、焼
き石膏）とポートランドセメントとの混合材を含む。ポ
ートランドセメントは焼き石膏に対して、10:1〜1:10、
好ましくは約1:3の比で混合できる。又、所望の場合、
ポートランドセメントを、バリヤー材として単独で使用
してもよい。

アルミニウム母材金属と酸化剤として空気を用いたと
き、別の実施態様においては、バリヤーとして、焼き石
膏とシリカとを化学量論量（焼き石膏が過剰でもよい）
で混合して用いる。処理中、焼き石膏とシリカが反応し
て珪酸カルシウムを生成し、これが、実質的に亀裂のな
い点で特に利点のあるバリヤーとなる。更なる別の実施
態様においては、焼き石膏を約25〜40重量％の炭酸カル
シウムと混合する。加熱すると、炭酸カルシウムが分解
して二酸化炭素を放出することにより、バリヤー手段の
多孔性を高める。

アルミニウムを主成分とする母材金属系に用いられる
特に有効な他のバリヤーとしては、充填材層の重畳壁若
しくは容器又は充填材量の表面に対する層として用いる
ことのできる鉄材料（例えば、ステンレス鋼容器）、ク
ロミア（chromia）及び他の耐火酸化物が挙げられる。
更に別のバリヤーとして、アルミナ等の密度の高い焼結
又は融解セラミックが挙げられる。これらのバリヤー
は、通常、不透過性であるので、特別に加工して多孔性
とするか、開放端等の開放部を必要する。バリヤー手段
は、反応条件下で、脆い生成物を生成することがある
が、これを研磨してセラミックを回復させることができ
る。

バリヤー手段は、適当な形態、サイズ及び形状で製造
又は生成することができ、好ましくは気相酸化剤を透過
することが好ましい。バリヤー手段は、フィルム、ペー
スト、スラリー、透過性若しくは不透過性シート若しく
はプレート、金属若しくはセラミックスクリーン若しく
は布等の網状若しくは有孔ウエブ、又はこれらの組み合
わせで適用又は使用できる。又、バリヤー手段は、ある
種の充填材及び／又はバインダーを含有していてもよ
い。

バリヤー手段のサイズ及び形状は、セラミック生成物
の所望の形状により異なる。一例として挙げるならば、
バリヤー手段を母材金属から所定の距離だけ離して配置
すると、セラミックマトリックスの成長が、バリヤー手
段と出会う地点で局部的に停止又は抑制される。一般的
に、セラミック生成物の形状は、バリヤー手段の形状の
逆である。例えば、凹形のバリヤーが少なくとも部分的
に母材金属から離れている場合、凹形のバリヤーの境界
と母材金属の表面部分により形成される容積スペース内
に多結晶の成長が生じる。成長は、実質的に凹形バリヤ
ーの所で終結する。バリヤー手段を取り除いた後、セラ
ミック体は、バリヤー手段の凹面により形成される凸部
分を少なくとも有したままである。多孔を有するバリヤ
ー手段に関して、隙間を介して多結晶物質がいくらか過
成長してもよい。但し、このような過成長は、より効果
的なバリヤー材を用いることにより大きく制限又はなく
すことができる。このような場合、成長した多結晶セラ
ミック体からバリヤー手段を取り除いた後、研削、グリ
ットブラスティング等により多結晶の過成長部分をセラ
ミック体から取り除いて、多結晶材の過成長部が残存し
ていない所望のセラミック部分を生成する。更に、母材
金属から離れ且つ金属の方向に円筒状突起を有するバリ
ヤー手段を用いると、円筒状突起の同じ直径及び高さが
逆に繰り返された円筒状のくぼみを有するセラミック体
が生成する。

セラミック複合体の生成において多結晶材の過成長を
最少限に抑えるか、過成長を無くすために、バリヤー手
段を、充填材層又はプレフォームの規定された表面境界
上に配置するか、それに近接して位置させる。層又はプ
レフォームの規定された表面境界上にバリヤー手段を配
置するのは、規定された表面境界にバリヤー手段を層状
にもうけることにより行うことができる。このようなバ
リヤー手段の層は、塗装、浸漬、シルクスクリーニン
グ、蒸発することにより、液体、スラリー若しくはペー
スト上のバリヤー手段を塗布することにより、揮発性バ
リヤー手段のスパッタリングにより、固体の粒状手段の
層を簡単に付着させることにより、又は固体の薄いシー
ト若しくはフィルム上のバリヤー手段を規定された表面
境界に適用することにより設けることができる。バリヤ
ー手段を適所に配置した場合、多結晶酸化反応生成物の
成長は、プレフォームの規定された表面境界に到達し且
つバリヤー手段と接触すると終結する。

セラミック複合体を製造するための好ましい実施態様
においては、バリヤー手段を有するか、バリヤー手段を
上に配置した、規定された表面境界の少なくとも一部分
により形成された、少なくとも一つの表面境界を有する
通気性賦形プレフォーム（下記で詳述する）が生成され
る。ここで、「プレフォーム」には、最終的に一体型複
合体に結合される別個のプレフォームのアセンブリーが
含まれる。プレフォームを、一つ以上の母材金属表面又
は母材金属の表面の一部分に隣接且つ接触させて配置し
て、バリヤー手段を有するか、上にバリヤー手段を設け
た規定された表面境界の少なくとも一部分が、一般的
に、金属表面から離し且つ外方向に配置し、酸化反応生
成物が、プレフォーム中及びバリヤー手段を有する規定
された表面境界の方向に生じるようにする。通気性プレ
フォームは、レイアップの一部分であり、炉内で加熱す
ると、母材金属及びプレフォームが気相酸化剤に暴露さ
れるか、気相酸化剤により包囲される。この際、気相酸
化剤は、固体酸化剤又は液体酸化剤と組み合わせて用い
てもよい。金属と酸化剤が反応し、酸化反応生成物がプ
レフォームに浸透して、バリヤー手段を有するか、バリ
ヤー手段を上に設けた規定された表面境界と接触するま
で反応プロセスを維持する。もっとも一般的には、プレ
フォームの境界と多結晶マトリックスの境界は、実質的
に一致するが、プレフォームの表面での個々の成分は、
露出するか、マトリックスから突き出ている場合があ
り、従って、マトリックスでプレフォームを完全に包囲
又は埋封する観点からは、浸透及び埋め込みが完全でな
いことがある。バリヤー手段と接触すると、成長が防
止、阻害又は終結され、多結晶材の過成長が実質的に生
じない。得られるセラミック複合体生成物には、母材金
属と酸化剤との酸化反応生成物並びに必要に応じて母材
金属の未酸化成分及び酸化剤の還元成分等の一種以上の
金属成分から実質的になる多結晶材を含むセラミックマ
トリックスが、境界まで浸透又は埋め込まれたプレフォ
ームが含まれている。一般的に、酸化反応は、母材金属
源を枯渇させるに充分な時間継続される。カーカスは、
ハンマーでたたく等の手段で除去して、セラミック又は
セラミック複合体を生成する。

セラミック又はセラミック複合体が一旦生成したら、
金属マトリックス複合体の生成に充填材として使用する
前に粉砕しなければならない。特に、本発明を実施する
際、多結晶酸化反応生成物の粉砕、微粉砕等を行った
後、成形して充填材の素材とするか、好ましくは、充填
材を賦形してプレフォームとする。セラミック又はセラ
ミック複合体は、主に金属マトリックス複合体に使用す
る所望の粒子サイズに応じて、ジョークラッシング（ja
w crushing）、インパクトミリング（impact millin
g）、ローラーミリング、ジャイレートリークラッシン
グ（gyratory crushing）又は他の従来の手法等の手法
により粉砕できる。粉砕又は破砕したセラミック材を、
篩によりサイズ分けし、充填材又はプレフォームとして
使用するために回収する。セラミック体を、まず、例え
ば、ショークラッシャー、ハンマーミル等を用いて破砕
して、約1/4インチ〜約1/2インチ（約0.6cm〜約1.3cm）
の大きな断片とすることが望ましい。その後、大きな断
片を、ボールミリング、インパクトミリング等の手段に
より粉砕して、例えば、50メッシュ（300μｍ）又はそ
れ以上に微細な微粒子とすることができる。次に、粒状
物を篩分けして、所望のサイズの分画を得る。充填材の
サイズは、製造したセラミック複合体及び製造すべき金
属マトリックス複合体（例えば、成形した金属マトリッ
クス複合体の意図する用途）に応じて、約−200メッシ
ュ〜約500メッシュ（約74μｍ〜約25μｍ）又はそれ以
上微細なサイズが適当である。

粉砕した酸化反応生成物を、一旦、充填材として所望
の粒子サイズに成形するか、プレフォームに成形した
ら、充填材又はプレフォームにマトリックス金属を自発
的に浸透させる必要がある。

プレフォームへのマトリックス金属の自発浸透を行う
ためには、浸透増進剤が自発系に提供されなければなら
ない。浸透増進剤は浸透増進剤前駆体から生成されるこ
とができ、浸透増進剤前駆体は（１）マトリックス金属
中に；及び／又は（２）プレフォーム中に；及び／又は
（３）浸透雰囲気から；及び／又は（４）外部源から自
然系に提供される。更に、浸透増進剤前駆体を供給する
のではなく、浸透増進剤を、プレフォーム及び／又はマ
トリックス金属及び／又は浸透雰囲気に直接供給でき
る。基本的には、少なくとも自発浸透中には、浸透増進
剤は、充填材若しくはプレフォームの少なくとも一部分
に位置しなければならない。

好ましい実施態様においては、浸透増進剤がプレフォ
ームの少なくとも一部分に形成することができるよう
に、プレフォームとマトリックス金属との接触前に若し
くは実質的に同時に、浸透増進剤前駆体を、少なくとも
部分的に、浸透雰囲気と反応させることができる（この
際、例えば、浸透増進剤前駆体としてマグネシウムが用
いられ、浸透雰囲気として窒素が用いられる）。

マトリックス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気系
の一例として、アルミニウム／マグネシウム／窒素系が
挙げられる。具体的には、アルミニウムマトリックス金
属を、プロセス条件下で、アルミニウムを溶解させたと
きにアルミニウムマトリックス金属及び／又は充填材と
反応しないアルミナボート等の適当な耐火容器内に入れ
ることができる。プレフォーム材は、溶融マトリックス
金属と接触させることができる。

更に、浸透増進剤前駆体を供給するのではなく、浸透
増進剤を、プレフォーム及び／又はマトリックス金属及
び／又は浸透雰囲気の少なくとも一つに直接供給しても
よい。特に、浸透増進剤は、粉砕した酸化反応生成物充
填材中の残量マグネシウムでよい。基本的には、少なく
とも自発浸透中には、浸透増進剤は、充填材又はプレフ
ォームの少なくとも一部分に位置しなければならない。

本発明の方法に用いられる条件下では、アルミニウム
／マグネシウム／窒素自発浸透系の場合に、プレフォー
ムは、窒素含有ガスが、プレフォームに浸透若しくは通
過し及び／又は溶融マトリックス金属と接触するのに十
分な程度通気性でなければならない。更に、通気性プレ
フォームに溶融マトリックス金属を浸透させて、窒素透
過プレフォームに溶融マトリックス金属を自発浸透させ
ることにより、金属マトリックス複合体を形成させるこ
とができる。自発浸透及び金属マトリックス複合体生成
の程度は、アルミニウム合金のマグネシウム含量、プレ
フォーム又は充填材のマグネシウム含量、プレフォーム
又は充填材における窒化マグネシウムの量、追加合金元
素の有無（例えば、珪素、鉄、銅、マグネシウム、クロ
ム、亜鉛等）、プレフォームを成す充填材の平均サイズ
（例えば、粒径）、充填材又はプレフォームの表面状態
及び種類、浸透雰囲気の窒素濃度、浸透に与えられる時
間並びに浸透が生じる温度を含む一定のプロセス条件に
より異なる。例えば、溶融アルミニウムマトリックス金
属の浸透を自発的に生じさせるために、アルミニウム
を、合金重量に対して少なくとも約１重量％、好ましく
は少なくとも約３重量％のマグネシウム（浸透増進剤前
駆体として機能する）と合金化することができる。又、
上記で説明した補助合金元素をマトリックス金属に含有
せしめて、特定の性質を作り出してもよい。更に、補助
合金元素は、充填材又はプレフォームの自発浸透を生じ
させるためのマトリックスアルミニウム金属に必要とさ
れるマグネシウムの最少量に影響する場合がある。例え
ば、揮発による自発系からのマグネシウムの損失は、浸
透増進剤を形成するのにマグネシウムが全く存在しない
程度までは生じてはならない。従って、十分な濃度の初
期合金元素を用いて、自発浸透が揮発によって悪影響さ
れないようにすることが望ましい。更に、プレフォーム
とマトリックス金属の両方又はプレフォームだけにマグ
ネシウムが存在すると、自発浸透を達成するのに必要な
マグネシウムの量が減少する場合がある。

窒素雰囲気における窒素体積％も、金属マトリックス
複合体の生成速度に影響を及ぼす。即ち、約10体積％未
満の窒素が雰囲気に存在する場合、自発浸透が非常にゆ
っくり生じるか又はほとんど生じない。即ち、少なくと
も約50体積％の窒素が雰囲気に存在して、それにより、
例えば、浸透速度をはるかに大きくして浸透時間を短く
することが好ましいことが見い出された。浸透雰囲気
（例えば、窒素含有ガス）を充填材若しくはプレフォー
ム及び／又はマトリックイス金属に直接供給してもよい
し、又は物質の分解から生成若しくは生じさせてもよ
い。

溶融マトリックス金属が充填材又はプレフォームに浸
透させるのに必要とする最少マグネシウム含量は、処理
温度、時間、珪素又は亜鉛等の補助合金元素の有無、充
填材の性質、自発系の一種以上の成分中におけるマグネ
シウムの位置、雰囲気の窒素含量及び窒素雰囲気の流速
等の一種又はそれ以上の変数によって異なる。合金及び
／又はプレフォームのマグネシウム含量を増加すれば、
より低温又はより短い加熱時間で完全な浸透を達成する
ことができる。又、一定のマグネシウム含量の場合、亜
鉛等のある種の補助合金元素を添加すると、より低温を
用いることが可能となる。例えば、使用範囲の下端、即
ち、約１〜３重量％でのマトリックス金属のマグネシウ
ム含量を、上記した最低処理温度、高窒素濃度又は一種
以上の補助合金元素の少なくとも一つとの組み合わせで
用いてもよい。プレフォームにマグネシウムを全く添加
しない場合には、多種多様なプロセス条件にわたる一般
的な実用性に基づいて、約３〜５重量％のマグネシウム
を含有する合金が好ましく、より低い温度及びより短い
を用いる場合には、少なくとも約５％が好ましい。又、
浸透に必要とする温度条件を和らげるために、アルミニ
ウムのマグネシウム含量を約10重量％を超えるものとし
てもよい。補助合金元素と組み合わせて用いるときに
は、マグネシウム含量を減少させてもよいが、これらの
合金元素は補助的機能しか果たさないので、少なくとも
上記で規定した最少量のマグネシウムと一緒に用いる。
例えば、10％珪素だけと合金化した公称純粋アルミニウ
ムは、1000℃では500メッシュの39クリストロン（Cryst
olon）〔ノートン社（Norton Co.）製純度99％炭化珪
素〕のベッドに実質的に浸透しなかった。しかしなが
ら、マグネシウムが存在すると、珪素が浸透工程を促進
することが判明した。更に、マグネシウムを専らプレフ
ォーム又は充填材に供給する場合には、その量は異な
る。供給されるマグネシウムの総量の少なくとも一部分
をプレフォーム又は充填材に入れる場合又は浸透をもっ
と高い温度で行う場合には、自発系に供給されるマグネ
シウムの量（重量％）がもっと少なくても自発浸透が生
じることが分かった。金属マトリックス複合体におい
て、望ましくない金属間化合物が生成するのを防止する
ためには、マグネシウムの量は少ない方が望ましい。炭
化珪素プレフォームの場合には、マグネシウムを少なく
とも約１重量％含有するプレフォームを、実質的に純粋
な窒素雰囲気の存在下で、アルミニウムマトリックス金
属と接触させると、マトリックス金属がプレフォームに
自発的に浸透することが分かった。アルミナプレフォー
ムの場合、許容できる自発浸透を達成するのに必要なマ
グネシウムの量は、これよりわずかに大きい。即ち、ア
ムミナプレフォームを同様なアルミニウムマトリックス
と金属と接触させると、炭化珪素プレフォームに浸透し
たアルミニウムとほぼ同じ温度で且つ同じ窒素雰囲気下
で、すぐ上で説明した炭化珪素プレフォームで達成され
たと同じ同様な自発浸透を構成するには、少なくとも約
３重量％のマグネシウムが必要であることが分かった。

又、充填材又はプレフォームをマトリックス金属に浸
透させる前に、自発系に対して、浸透増進剤前駆体及び
浸透増進剤を、合金の表面及び／又はプレフォーム若し
くは充填材の表面及び／又はプレフォーム若しくは充填
材内部に供給することも可能である（即ち、供給浸透増
進剤又は浸透増進剤前駆体をマトリックス金属と合金化
する必要がなく、むしろ、単に自発系に供給すればよ
い）。マグネシウムをマトリックス金属の表面に適用す
る場合には、その表面は、充填材の通気性素材に近接若
しくは好ましくは接触している表面であること、又は充
填材の通気性素材がマトリックス金属の表面に最も近接
若しくは好ましくは接触していることが好ましい。又、
このようなマグネシウムは、プレフォーム又は充填材の
少なくとも一部分に混入してもよい。更に、表面への適
用、合金化及びプレフォームの少なくとも一部分へのマ
グネシウムの配置のいくつかを組み合わせて使用するこ
とができる。浸透増進剤及び／又は浸透増進剤前駆体の
適用の組み合わせにより、プレフォームへのマトリック
スアルミニウム金属の浸透を促進するために必要なマグ
ネシウムの総重量％の減少できるとともに、浸透が生じ
る温度を低下させることができる。更に、マグネシウム
が存在するために生成する望ましくない金属間化合物の
量も最少に抑えることもできる。

一種以上の補助合金元素の使用及び周囲ガス中の窒素
濃度も、所定温度でのマトリックス金属の窒化の程度に
影響する。例えば、合金に含ませるか又は合金の表面に
置く亜鉛若しくは鉄等の補助合金元素を使用して、浸透
温度を低下し、それにより、窒化物の生成量を減少で
き、一方、ガス中の窒素濃度を増加すると窒化物の生成
を促進できる。

合金に含まれ及び／又は合金の表面に置かれ及び／又
は充填材若しくはプレフォーム材に結合させたマグネシ
ウムの濃度も、所定温度での浸透の程度に影響する傾向
がある。その結果、マグネシウムがプレフォーム又は充
填材とほとんど直接接触しない場合には、少なくとも約
３重量％のマグネシウムを合金に含ませることが好まし
い。１重量％のように、この量未満の合金含量では、浸
透には、より高温のプロセス温度又は補助合金元素が必
要な場合がある。（１）合金のマグネシウム含量のみ
を、例えば、少なくとも約５重量％に増加する場合；及
び／又は（２）合金成分を充填材若しくはプレフォーム
の通気性素材と混合するとき；及び／又は（３）亜鉛又
は鉄等の別の元素がアルミニウム合金に存在する時は、
本発明の自発浸透法を行うのに必要とする温度はもっと
低くてもよい。温度も、充填材の種類により異なる。一
般的に、自発的でかつ進行する浸透は、少なくとも約67
5℃、好ましくは少なくとも約750〜850℃のプロセス温
度で生じる。1200℃を超える温度では、一般的に、本方
法には利点がないと思われ、特に有効な温度範囲は、約
675℃〜約1200℃であることが判明した。しかしなが
ら、原則として、自発浸透温度は、マトリックス金属の
融点を超え且つマトリックス金属の蒸発温度未満であ
る。更に、自発浸透温度は、充填材の融点よりも低くな
ければならない。更に、温度が増加するとともに、マト
リックス金属と浸透雰囲気との間の反応生成物が生成す
る傾向が増加する（例えば、アルミニウムマトリックス
金属と窒素浸透雰囲気の場合、窒化アルミニウムが生成
する場合がある）。このような反応生成物は、金属マト
リックス複合体の意図する用途により、望ましいことも
あれば、望ましくない場合もある。更に、浸透温度を達
成するために、電気抵抗加熱が一般的に使用される。し
かしながら、マトリックス金属が溶融状態となり、自発
浸透に悪影響を及ぼさない加熱手段であれば、本発明で
使用することができる。

本発明の方法においては、例えば、通気性プレフォー
ムが、窒素含有ガス〔例えば、窒素96％と水素４％から
なる生成ガス（forming gas）〕の存在下で、溶融アル
ミニウムと接触状態となり、この状態を、浸透を達成す
るのに要する全時間の間維持する。このことは、ガスの
連続流をプレフォーム及び溶融アルミニウムマトリック
ス金属と接触を維持することにより供給できる。窒素含
有ガスの流量は重要ではないけれども、合金マトリック
スにおける窒化物の生成により雰囲気から損失する窒素
を補償するに十分であり、且つ溶融金属を酸化する場合
のある空気の進入を防止又は阻止するに十分な流量であ
ることが好ましい。

金属マトリックス複合体を形成する方法は、多種多様
の充填材に適用でき、どの充填材を選択するかは、マト
リックス合金、プロセス条件、溶融マトリックス合金と
充填材との反応性及び最終複合体製品に求められる性質
等の因子により異なる。例えば、アルミニウムがマトリ
ックス金属の場合、適当な充填材としては、（ａ）酸化
物、例えば、アルミナ；（ｂ）炭化物、例えば、炭化珪
素；（ｃ）硼化物、例えば、アルミニウムドデカボライ
ド；及び（ｄ）窒化物、例えば、窒化アルミニウムが挙
げられる。好ましい実施態様においては、破砕した酸化
反応生成物を充填材として使用する。更に、この破砕し
た酸化反応生成物は、単独又は他の充填材と組み合わせ
て使用して、浸透用通気性素材又はプレフォームを形成
できる。充填材が溶融アルミニウムマトリックス金属と
反応する傾向がある場合には、浸透時間及び温度を最少
限度とするか、又は充填剤に非反応性被覆を設けること
により適応できる。充填材は、カーボン又は他の非セラ
ミック材料等の基材を包含し、この基材は侵食又は分解
から保護のためにセラミック被膜を有している。適当な
被膜としては、セラミック酸化物、炭化物、硼化物及び
窒化物が挙げられる。本発明の方法に用いることのでき
るセラミックとしては、粒子状、板状、ウイスカー状及
び繊維状のアルミナ及び炭化珪素が挙げられる。繊維
は、不連続（細断した形態）でも又はマルチフィラメン
トトウ等の連続フィラメントでもよい。更に、セラミッ
ク素材又はプレフォームは、均一でも又は不均一でもよ
い。

セラミック酸化反応生成物を形成するのに使用する充
填材又は一旦破砕したセラミック反応生成物と混合する
充填材のサイズ及び形状は、複合体において望ましい性
質を得るのに必要されるいずれのものでもよい。従っ
て、浸透は充填材の形状によっては制限されないので、
充填材は、粒子状、ウイスカー状、板状又は繊維状でよ
い。球体、小管、ペレット、耐火繊維布等の他の形状を
用いてもよい。更に大きな粒子の場合よりは小さい粒子
の素材を完全に浸透させるには温度を高めるか又は時間
を長くすることが必要な場合があるが、浸透は、充填材
のサイズによっては制限されない。浸透されるべき充填
材（プレフォームに賦形した）の素材は、通気性でなけ
ればならない（即ち、溶融マトリックス金属透過性及び
浸透雰囲気透過性）。

本発明による金属マトリックス複合体を形成する方法
は、溶融マトリックス金属をプレフォーム又は充填材の
素材に押し込むか又は押し入れるために、圧力を使用し
てもしなくてもよい。本発明によれば、高い充填材体積
％及び低い多孔率を有する実質的に均一な金属マトリッ
クス複合体を製造することが可能である。充填材の多孔
率がより小さい初期の素材及び／又は充填効率を増加す
るためにサイズの異なる粒子を使用することにより、少
なくとも約50％のオーダーの充填材の体積分率が達成で
きる。又、素材が、溶融合金による浸透を禁止する閉孔
を有する成形体又は完全に密な構造に転換されないかぎ
り、充填剤の素材を圧縮又は圧密化することにより、体
積分率を高めることができる。

セラミック充填材の周囲へのアルミニウムの浸透とマ
トリックスの形成の場合、アルミニウムマトリックスに
よるセラミック充填材の湿潤は、浸透機構の重要な要素
の場合がある。更に、低い処理温度では、金属の窒化は
無視できる程度又は極少量であり、窒化アルミニウムの
生成は金属マトリックスに分散した形態で不連続相が極
少量が生成するだけである。温度範囲の上限に接近する
につれて、金属の窒化はもっと生じ易くなる。従って、
金属マトリックスにおける窒化物相の量は、浸透が生じ
るプロセス温度を変えることにより制御できる。窒化物
生成がより顕著になる特定のプロセス温度も、使用され
るマトリックスアルミニウム合金、充填材の体積に対す
る該合金の量、浸透されるべき充填材及び浸透雰囲気の
窒素濃度等の因子により異なる。例えば、一定のプロセ
ス温度での窒化アルミニウム生成の程度は、合金が充填
材を湿潤する能力の減少及び雰囲気の窒素濃度の増加と
ともに増加するものと思われる。

従って、複合体の形成中に金属マトリックスの構造を
作り出し、得られる生成物に特定の特性を付与すること
が可能である。一定の系の場合、プロセス条件を、窒化
物生成を制御するように選択することができる。窒化ア
ルミニウム相を含有する複合体生成物は、生成物に対し
て好ましいか又はその性能を向上できるある種の性質を
示す。更に、アルミニウム合金を自発浸透させるための
温度範囲は、使用するセラミックにより異なってもよ
い。充填材としてアルミナを用いる際、窒化物が著しく
生成することによりマトリックスの延性が減少しないこ
とが望ましい場合には、浸透温度は、好ましくは約1000
℃を超えてはならない。延性がもっと小さく且つ剛さの
大きなマトリックスを有する複合体を製造することが望
ましい場合には、1000℃を超える温度を用いてもよい。
炭化珪素を充填材として用いるときには、アルミニウム
合金は、充填剤としてアルミナを使用するときよりは窒
化の程度が小さいので、炭化珪素に浸透させるには、よ
り高い温度である約1200℃を用いてもよい。更には、破
砕又は粉砕した酸化反応成長生成物を充填材として使用
するとき、約750〜850℃の温度が使用できる。

特に、立体酸化プロセスにより形成した多結晶材に
は、非酸化母材金属等の金属成分が含まれていてもよ
い。金属の量は、主にセラミック又はセラミック複合体
の製造における母材金属の消耗（転化）の程度に応じ
て、１〜40体積％及びある場合にはそれ以上の広い範囲
で異なることができる。母材金属の残留金属又はカーカ
スの少なくとも一部分を、この物質を充填材として使用
する前に、酸化反応生成物から分離することが望まし
い。この分離は、多結晶物質の破砕又は粉砕の前及び／
又は後に行うことができる。場合によっては、酸化反応
生成物は、金属よりも容易に砕けることがあり、従っ
て、場合によっては、粉砕及び篩分けにより金属から酸
化反応生成物を部分的に分離することが可能である。し
かしながら、本発明によれば、単独又は別の充填材と組
み合わせて使用する粉砕酸化反応生成物は、明らかに、
プロセス条件下での類似物質間の親和性及び／又は一種
以上の補助合金元素の存在に起因して溶融合金に対して
親和性を示す。この親和性のため、浸透動力学が高ま
り、その結果、市販のセラミック充填材、即ち、立体酸
化プロセスによって製造されなかった充填材を用いた実
質的に同様のプロセスよりもいくらか早い速度で浸透が
生じることがことが判明した。別の充填材を、粉砕した
酸化反応生成物と混合しようとする場合、粉砕した酸化
反応生成物は、浸透動力学を高めるに充分な量で供給さ
れなければならない（例えば、充填材の少なくとも約10
〜25体積％は、粉砕酸化反応生成物から構成される必要
がある）。更に、粉砕酸化反応生成物を充填材として使
用するとき、より低い温度で行うことができ、コスト及
び取扱いの点で有利である。又、低温では、溶融金属が
充填材と反応し、金属マトリックス複合体の機械的性質
に有害な影響を及ぼすことのある望ましくない反応生成
物を生成することが少ない。

本発明の浸透の増進に貢献すると思われる一つの因子
として、補助合金元素及び／又は充填材と密接に関連し
たアルミニウム母材金属の存在が挙げられる。例えば、
空気中でのアルミニウムの酸化反応で、酸化反応生成物
としてアルミナを生成するとき、本出願人による特許及
び特許出願で説明されているように、ドーパント材を、
一般的に、アルミニウム母材金属と関連させるか、アル
ミニウム母材金属と組み合わせて使用する。母材金属若
しくはドーパント又はその一部分は、反応系から消耗さ
れず、一部分又は実質的に全ての多結晶セラミック材に
分散状態となることがある。このような場合、母材又は
ドーパント材を、粉砕酸化反応生成物の表面で濃縮して
もよいし、母材金属又はドーパントを酸化反応生成物内
に結合してもよい。特定の理論又は説明にはとらわれな
いが、多結晶物質を充填材として使用するために粉砕す
るとき、粉砕酸化反応生成物を自発浸透するために使用
するマトリックス金属は、充填材に含まれている母材金
属及び／又はドーパントに起因して、この充填材に対し
て親和性を示すことができる。即ち、残留母材金属及び
／又はドーパントは、最終的な複合体製品の製造におい
て、補助合金元素の役割を有効に果たすことにより、浸
透プロセスを増進したり；及び／又は浸透増進剤とし作
用したり；及び／又は浸透増進剤前駆体として作用する
ことができる。従って、粉砕酸化反応生成物は、固有的
に、マトリックス金属を充填材又はプレフォームに自発
浸透させるのに必要な浸透増進剤及び／又は浸透増進剤
前駆体の少なくとも一部分を提供できる。

更に、マトリックス金属の溜を用いて、充填材を確実
に完全に浸透させたり及び／又はマトリックスの第一源
とは異なる組成を有する第二金属を供給することが可能
である。即ち、ある場合には、マトリックス金属の第一
源とは組成が異なるマトリックス金属を溜に用いること
が望ましい場合がある。例えば、アルミニウム合金をマ
トリックス金属の第一源として用いる場合、実際に処理
温度で溶融するいずれの他の金属又は金属合金を溜金属
として用いてもよい。溶融金属は互いに非常によく混和
することがあり、この際、混合が生じるに十分な時間が
ある限り、溜金属はマトリックス金属の第一源と混合す
る。従って、マトリックスの第一源とは異なる組成の溜
金属を用いることにより、種々の操作要件を満たすよう
に金属マトリックスの性質を合わせ、それにより、金属
マトリックス複合体の性質を作り出すことができる。

又、本発明と組み合わせてバリヤーを使用することも
できる。具体的には、本発明で使用するバリヤー手段
は、充填材の規定された表面境界を超えて、溶融マトリ
ックス合金（例えば、アルミニウム合金）が移動、動き
等をするのを妨害、阻止、防止又は終了させるいずれか
の適当な手段でよい。適当なバリヤー手段としては、本
発明のプロセス条件下で、一体性を維持し、揮発せず且
つ好ましくは本発明で使用するガスを透過するととも
に、充填材の規定された表面を超えて連続して浸透又は
その他の動きをするのを局部的に阻止、停止、妨害、防
止等をすることが可能な材料、化合物、元素、組成物等
が挙げられる。

適当なバリヤー手段としては、用いられるプロセス条
件下で移動している溶融金属によって実質的に湿潤され
ない材料が挙げられる。この種のバリヤーは、溶融マト
リックス合金に対してほとんど親和性を示さず且つ溶融
マトリックス金属を充填材の規定された表面境界を超え
ては実質的に移動させない。バリヤーは、金属マトリッ
クス複合体製品の最終機械加工又は研磨の必要性を減少
させる。上記したように、このバリヤーは、通気性若し
くは多孔性であるか又は穴あけにより通気性にして、ガ
スを溶融マトリックス合金に接触させることができなけ
ればならない。

アルミニウムマトリックスに特に有効なバリヤーの適
当なものとしては、炭素、特に黒鉛として知られている
結晶性同素体状炭素を含有するものが挙げられる。黒鉛
は、説明したプロセス条件下では、溶融アルミニウム合
金によっては実質的に湿潤されない。特に好ましい黒雲
としては、グラフォイル（Grafoil）（ユニオンカーバ
イド社の登録商標）として販売されている黒鉛テープ製
品が挙げられる。黒鉛テープは、充填材の規定された表
面境界を超えて溶融アルミニウム合金が移動するのを防
止するシーリング性を示す。又、黒鉛テープは、耐熱性
であり且つ化学的に不活性である。グラフォイルは可撓
性、適合性（conpatible）、従型性（conformable）、
弾性（resilient）である。グラフォイル黒鉛テープ
は、バリヤーの用途に適合するように種々の形状に作製
することができる。しかしながら、黒鉛バリヤー手段
は、充填材又はプレフォームの周囲及び境界に、スラリ
ー、ペースト又は塗膜としてでも用いることができる。
グラフォイルは、可撓性黒鉛シートの形態であるので特
に好ましい。使用に際して、この紙様黒鉛は、充填材又
はプレフォームの周囲に簡単に成形される。

窒素雰囲気におけるアルミニウム金属マトリックス合
金に関する他の好ましいバリヤーとして、このバリヤー
材を用いたときに使用する一定のプロセス条件下で、溶
融アルミニウム金属合金により一般的に湿潤されない遷
移金属硼化物〔例えば、二硼化チタン（TiB₂）〕であ
る。この種のバリヤーの場合、プロセス温度は約875℃
を超えてはならず、この温度を超えると、バリヤー材の
有効性が低下し、実際に、温度を上げるとバリヤーへの
浸透が生じる。遷移金属硼化物は、一般的には粒状（１
〜30ミクロン）である。バリヤー材は、スラリー又はペ
ーストの形態で、好ましくはプレフォームとして賦形し
たセラミック充填材の通気性素材の境界に適用してもよ
い。

窒素雰囲気におけるアルミニウム金属マトリックス合
金に関する他の好ましいバリヤーとして、充填材又はプ
レフォームの外表面上にフィルム又は層として適用され
る低揮発性有機化合物が挙げられる。窒素中、特に本発
明のプロセス条件で焼成すると、有機化合物が分解して
カーボンスート（soot）フィルムが残る。有機化合物
は、塗装、噴霧、浸漬等の従来の手段により適用でき
る。

更に、微粉砕した粒状物質は、粒状物への浸透が充填
材質への浸透より遅い速度で生じる限り、バリヤーとし
て機能することができる。

したがって、バリヤー手段は、規定された表面境界を
バリヤー手段の層で被覆する等の何れかの適当な手段に
より適用できる。このようなバリヤー手段の層は、塗
装、浸漬、スクリーン印刷、蒸着、又は液体、スラリー
若しくはペーストの形態でバリヤー手段に塗布すること
により、又は揮発性バリヤー手段のスパッタリングによ
り、又は固形粒子バリヤー手段の層を単に付着させるこ
とにより、又はバリヤー手段の固形薄シート若しくはフ
ィルムを、規定された表面境界上に適用することにより
適用できる。所定の位置にバリヤー手段を用いた場合、
浸透マトリックス金属が規定された表面境界に到達し且
つバリヤー手段に接触すると、自発浸透が実質的に終了
する。

〔実施例〕

以下、実施例により種々の態様を説明する。しかしな
がら、実施例は、本発明を説明するものであって、特許
請求の範囲に記載した本発明の範囲を限定するものでは
ない。

実施例１ 第１図は、酸化反応生成物を成長するのに使用できる
アセンブリーの断面図である。詳細には、寸法が3/2×
４×９インチ（3.8cm×10.2cm×22.8cm）で、ベルモン
トメタルズ社（Belmont Metals）製のわずかに変性した
380.1アルミニウム合金を含む母材金属バー（１）を、
ノートン社（Nonton）から入手した90グリット（216μ
ｍ）登録商標EIアランダムの成層（２）の上に配置し、
高純度アミナ耐火ボート（４）に入れた。アルミナボー
トは、ボルト・テクニカル・セラミクス（Bolt Technic
al Ceramics）から入手したものであり、純度は99.7％
であった。母材金属バー（１）を、登録商標EIアランダ
ム成層（２）内に、バー（１）の表面が成層（２）と実
質的に同一平面となるように配置した。アルミニウム合
金（１）の成分は、亜鉛2.5〜3.5％、銅3.0〜4.0％、珪
素7.5〜9.5％、鉄0.8〜1.5％、マグネシウム0.2〜0.3
％、マンガン０〜0.5％、ベリリウム０〜0.001％及び錫
０〜0.35％であった。セラミック体が合金（１）の表面
から大気の方向（例えば、成層（２）から離れるよう
に）にのみ成長するように、140グリット（150μｍ）シ
リカ粒子（３）の約5gを、実質的にアルミニウム合金バ
ー（１）の上表面のみに適用してアルミニウム合金バー
を外部からドープした。成層（２）、アルミニウム合金
（１）及びドーパント（３）の入ったボート（４）を、
電気抵抗炉に入れた。電気抵抗炉を、１時間当たり約20
0℃の昇温速度で約1100℃の温度まで加熱し、溶融アル
ミニウム合金が空気環境中で酸素と反応して酸化反応生
成物を生成するに充分な時間その温度で保持した。加熱
中、空気を炉内に循環して、酸化剤を提供した。成長し
た酸化反応生成物により、アルミニウム合金（１）の上
に「ローフ（loaf）」が生成した。次に、ボート（４）
及びその内容物を冷却した。最終的な酸化反応生成物
（即ち、ローフ）をボートから取り出し、ハンマーでた
たいて、母材金属カーカスを取り外した。次に、酸化反
応生成物ジョークラッシャーに入れ、破砕して、ゴルフ
ボール又は豆粒の大きさのチャンクとした。酸化反応生
成物のチャンクを、酸化アルミニウム粉砕媒体及び水と
ともに、磁器製ジャーに入れた。ボールミリングによ
り、チャンクのサイズを、もっと小さな粒子に減少させ
た。更に、酸化反応生成物が、母材アルミニウム合金由
来の未酸化母材金属を含有することがあるので、ボール
ミリング中は、溶液のpHを制御して、アルミニウムと水
との反応を減少させる必要があった。ボールミリング
は、約36時間継続した。ボールミリング後、磁器ジョー
の内容物を嵌挿し、従来の手法を用いて篩分けした。、
ボールミリング後に残存する20メッシュ（850μｍ）を
超えるチャンクを、ボールミルに戻し、後で再び粉砕し
た。100メッシュ（150μｍ）未満で且つ−200メッシュ
（74μｍ）を超える破砕酸化反応生成物粒子を採取し
た。

第２図は、マトリックス金属を粉砕酸化反応生成物に
浸透するのに使用することができるアセンブリーの断面
図である。詳細には、粉砕酸化反応生成物（12）を、酸
化反応生成物を生成するために上記で使用したものと同
様な高純度アルミナボート（14）内に配置した。浸透さ
せるマトリックス金属のインゴット（10）を破砕酸化反
応生成物（12）の上部に配置した。この際、前記マトリ
ックス金属（10）が粉砕充填材（12）の表面の上に延び
るようにして配置した。破砕酸化反応生成物（12）を自
発的に浸透するために使用したアルミニウム合金（10）
は、寸法が１インチ×２インチ×1/2インチ（2.5cm×5.
1cm×1.3cm）であるマトリックス金属のバー又はインゴ
ットであった。マトリックス金属アルミニウム合金は、
珪素を約５重量％及びマグネシウムを約５重量％含有し
ていた。この物質アセンブリーを入れたアルミナボート
（14）を、電気抵抗加熱マッフル炉内に配置した。この
マッフル炉は、実質的に浸透ガスのみが存在するように
シールした。この場合、生成ガスを浸透雰囲気として使
用した（即ち、窒素96体積％及び水素４体積％）。生成
ガスは、マッフル炉を通して、約350cc/分の速度で通過
させた。温度が約800℃に到達するまで、マッフル炉を
約10時間加熱した。炉を、この温度で、約５時間維持し
た。次に、炉を５時間冷却した。アセンブリーを炉から
取り出したところ、充填材（12）が、マトリックス金属
（10）により実質的に完全に埋め込まれたことが認めら
れた。

第３図は、実施態様１で得られた金属マトリックス複
合体の顕微鏡写真（×400）である。暗い領域（20）は
破砕酸化反応生成物充填材に相当し、明るい領域（21）
はマトリックスに相当する。

実施例２ 本実施例は比較例である。この実施例では、ノートン
社（Norton Co.）から入手した溶融酸化アルミニウム粒
子である市販の90グリット38アランダムを、アルミナボ
ート内に配置した、実施例１で使用したのと同様のマト
リックス金属をその上に配置した。これらの物質を実施
例１で説明し且つ第２図に示す構成とした。実施例１と
同様の方法により、アセンブリーをマッフルに入れ加熱
した。冷却後、ボートを取り出し、検査した、その結
果、アルミニウム合金マトリックスの顕著な浸透は認め
られなかった。

実施例３ 本実施例は比較例である。本発明の破砕酸化反応生成
物では、低温で自発浸透が生じることを実証するため
に、下記の実験を行った。即ち、浸透温度を高くしたこ
とを除いて、実施例２の操作を繰り返した。即ち、実施
例２に従って作製した物質のアセンブリーを入れたボー
トをマッフル内に配置し、約900℃の高温で実施例１に
従って加熱した。炉を冷却し、ボートを取り出した。検
査をしたところ、マトリックス金属が実質的に完全に浸
透したことが判明した。

上記の実施例は、充填材として破砕酸化反応生成物を
用いるのが望ましいことを示している。特に、充填材と
して破砕酸化反応生成物を用いると、浸透動力学が増進
することが判明した。

上記の実施例では具体的な説明を行ったが、当業者に
おいてはこれらの実施例の種々の変更が可能であり、こ
れらの全ての変更は、本出願の特許請求の範囲の範囲内
であると理解すべきである。

〔発明の効果〕

上記で説明したように、本発明によれば、粉砕又は破
砕多結晶酸化反応生成物充填材として使用することによ
り、金属マトリックス複合体を形成する際、充填材への
マトリックス金属の浸透を増進（例えば、速度又は量）
することができる。又、本発明により、新規な金属マト
リックス複合体が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１に準じてセラミック複合体を製造す
るのに使用した物質のアセンブリーの断面概略図であ
り；第２図は、実施例１に準じて金属マトリックス複合
体を製造するのに使用した物質のアセンブリーの断面概
略図であり；第３図は実施例１に準じて形成した金属マ
トリックス複合体の断面の組織を示す顕微鏡写真（×40
0）である。 １……母材金属、２……アランダム層、３……シリカ粒
子、４……耐火ボート、10……マトリックス金属、12…
…粉砕酸化反応生成物、14……アルミナボート、20……
破砕酸化反応生成物、21……マトリックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル ケボック アグハジャニアン アメリカ合衆国，メリーランド 21014, ベルエアー，ヘルムスデール コート 604 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 1/10 B22D 19/14

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融母材金属を、気相酸化剤、液体酸化
   剤、および固相酸化剤の少なくとも一つと、任意に第二
   の充填材物質の存在において、酸化反応させることによ
   って、セラミックまたはセラミック複合体物質を酸化反
   応生成物として成長させることによって得られた破砕セ
   ラミックまたはセラミック複合体物質の形の充填材
   （１）、およびマトリックス金属（２）を設け、かつ 温度をマトリックス金属の融点より高い温度とし、かつ
   浸透増進剤前駆体および浸透増進剤の少なくとも一つ
   （３）を存在させ、かつマトリックス金属の自発的な浸
   透を許容するかまたは増進させ、かつこの浸透期間の少
   なくとも一部分において、充填材およびマトリックス金
   属の少なくとも一つと連通して、充填材の少なくとも一
   部分にマトリックス金属を自発的に浸透させる浸透性雰
   囲気（４）を存在させることを含むことを特徴とするマ
   トリックス金属のマトリックス中に埋設されたセラミッ
   ク充填材を含む金属マトリックス複合体の製造方法。
2. 【請求項２】前記浸透増進剤前駆体および前記浸透増進
   剤の少なくとも一つを、マトリックス金属、充填材およ
   び浸透性雰囲気の少なくとも一つに、供給する工程をさ
   らに含む、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】前記破砕した酸化反応生成物が、浸透増進
   剤および浸透増進剤前駆体の少なくとも１つを、本質的
   に含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】充填材の表面境界をバリヤーで規定し、こ
   のときマトリックス金属が、充填材にバリヤーまで自発
   的に浸透する工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれ
   かに記載の方法。
5. 【請求項５】自発的な浸透の間に、温度が、マトリック
   ス金属の融点より高いが、マトリックス金属の蒸発温度
   および充填材の融点より低い、請求項１〜４のいずれか
   に記載の方法。
6. 【請求項６】前記酸化反応生成物が、酸化物、窒化物、
   炭化物、硼化物および酸化窒化物よりなる群から選択さ
   れた少なくとも一つの物質を含む、請求項１〜５のいず
   れかに記載された方法。
7. 【請求項７】前記酸化反応生成物が、アルミニウム酸化
   物、アルミニウム窒化物、珪素炭化物、珪素硼化物、ア
   ルミニウム硼化物、チタン窒化物、ジルコニウム窒化
   物、チタン硼化物、ジルコニウム硼化物、チタン炭化
   物、ハフニウム硼化物および錫酸化物よりなる群から選
   択された少なくとも一つの物質を含む、請求項６に記載
   の方法。
8. 【請求項８】前記酸化反応生成物が約74μｍ〜約25μｍ
   の範囲の寸法に破砕されている、請求項１〜７のいずれ
   かに記載の方法。