JP2905514B2

JP2905514B2 - 金属マトリックス複合体を形成するための逆形状リプリケーション法

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Publication number: JP2905514B2
Application number: JP1291362A
Authority: JP
Inventors: レイホワイトダニイ; ウィラードアークハートアンドリュー
Original assignee: RANKISAIDO TEKUNOROJII CO LP; RANKU SAIDO KK
Current assignee: RANKISAIDO TEKUNOROJII CO LP; RANKU SAIDO KK
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-11-10
Publication date: 1999-06-14
Anticipated expiration: 2014-06-14
Also published as: CA2000775C; DK558389D0; DE68912523D1; FI91832C; IL91728A; FI91832B; DE68912523T2; IL91728A0; KR900007526A; NO176185C; PT92257B; BR8905616A; NO176185B; CN1042496A; CA2000775A1; TR25274A; AU4164189A; CN1082568C; NZ231070A; NO893980D0

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、自発浸透法による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、マトリックス金属の
インゴットを、金属マトリックス複合体に形成しようと
するキャビティーの形状と実質的に相補であるパターン
に賦形する。マトリックス金属マトリックス複合体の賦
形インゴットを、プロセス条件下でマトリックス金属の
賦形インゴットの形状に一致させることのできる充填材
の透過性素材（permeable mass、以下「通気性素材」と
もいう。）により囲む。又、前記方法の少なくともある
時点で、浸透増進剤及び／又は浸透増進剤前駆体及び／
又は浸透雰囲気が、充填材と連通状態にあり、マトリッ
クス金属の賦形インゴットは、溶融されると、周囲充填
材通気性素材に自発的に浸透する。このような自発浸透
後、マトリックス金属の最初の賦形インゴットの形状に
実質的に相当するキャビティーを中に有する金属マトリ
ックス複合体が製造される。

〔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
する延性及び靱性を併せ持つので、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
金属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、
種々の冶金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、攪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めした金
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、加圧下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で充填する
ことにより、電解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投を有するセルを
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
びべリリア）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11
00℃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（Jobn 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がないので、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は浮かんで離れ
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、又は湿潤材を損傷しないで、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、浸透させるための自発浸透機構
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米
国特許第4,528,088号（特開平1-52040号公報）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
リヤー手段の例が米国特許第4,935,055号（特開平1-215
935号公報）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。

米国特許第4,828,008号に記載された方法は特開平1-2
73659号公報において改善された。これに開示された方
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
気性充填材に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。

〔課題を解決するための手段〕

又、本発明の主題は、新規なセラミックマトリックス
複合材料に関する本出願人による別の出願（以下、「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
ることがある）にも関連している。

許細には、セラミック複合体品を製造するための逆形
状リプリケーション法が米国特許第4,828,785号（特開
昭63-230663号公報）及び米国特許第4,713,360号（特開
昭61-6173号公報）に開示されている。これらに開示さ
れている方法によれば、賦形母材金属を適合充填材層に
埋め込み、賦形母材金属が、酸化反応生成物を形成して
適合充填材層に成長するようにすることにより、最初の
賦形母材金属の形状に実質的に相当する賦形キャビティ
ーを中に有するセラミック複合体を生じさせる。

この本出願人によるセラミックマトリックス特許出顧
の主題は、本発明に利用できる。

本発明によれば、充填材の通気性素材に溶融マトリッ
クス金属を浸透させることにより、金属マトリックス複
合体が製造される。詳細には、好ましい実施態様におい
て、充填材は、適合材料からなり、これで、最初に、マ
トリックス金属の賦形インゴットを囲む。処理中のある
時点で、充填材が自己支持形となることができる。即
ち、充填材の通気性素材を、例えば、高温及び／又は結
合材及び／又は反応物等に暴露することにより自己支持
形とすることができる。更に、通気性充填材が特定の加
熱範囲にわたって充分な適合性を有することにより、充
填材自体と賦形マトリックス金属との間の熱膨張の差異
及び賦形マトリックス金属の融点体積の変化に適応でき
ることが好ましい。

更に、好ましい実施態様において、少なくとも賦形マ
トリックス金属を囲む支持体帯域において、充填材は、
好ましくは賦形マトリックス金属の融点より高いが、マ
トリックス金属を溶融させる温度よりは低く且つ好まし
くはある程度それに近い温度で固有の自己結合性を示す
ものでよい。

更に、別の好ましい実施態様においては、充填材は、
自発的プロセス中の少なくともある時点で充填材に暴露
する成分（例えば、浸透雰囲気）との反応により、自己
支持形となる。

又、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
填材と連通状態にあることにより、賦形金属が、溶融さ
れると、充填材に自発浸透できる。

溶融マトリックスの所望量が充填材に自発浸透する
と、マトリックス金属の賦形インゴットの形状に少なく
とも部分的に対応するキャビティーが、自発浸透された
充填材に形成される（即ち、形成される金属マトリック
ス複合体は中にキャビティーを含有している）。

好ましい一実施態様においては、充填材が、浸透増進
剤前駆体を含んでいてもよい。その後、この充填材を浸
透雰囲気と接触させて、充填材の少なくとも一部分に浸
透増進剤を生成する。このような浸透増進剤は、溶融金
属と充填材との接触の前又はそれに続いて生成できる。
更に、浸透雰囲気は、自発浸透プロセスの実質的に全体
を通してて提供して、充填材と連通状態のままでよい。
又、自発浸透プロセスの一部分の間のみ、充填材及び／
又はマトリックス金属と連通させてもよい。基本的に
は、少なくとも自発浸透中は、浸透増進剤は充填材の少
なくとも一部分に位置していることが望ましい。

更に、好ましい別の実施態様においては、浸透増進剤
前駆体を充填材に供給せずに、浸透増進剤を、充填材及
び／又はマトリックス金属及び／又は浸透雰囲気のうち
の少なくとも一つに供給してもよい。この場合でも、基
本的には、自発浸透中は、浸透増進剤は、充填材の少な
くとも一部分に位置しなければならない。

本出願では、主にアルミニウムマトリックス金属につ
いて説明するが、これらは金属マトリックス複合体の形
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、浸透雰囲気として作用する窒素の存在下
で接触させられる。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／
浸透雰囲気は、自発浸透を示す。しかしながら、他のマ
トリックス金属／浸透増進剤前駆俸／浸透雰囲気系も、
アルミニウム／マグネシウム／窒素系と同様に挙動する
ことができる。例えば、同様の自発浸透の挙動が、アル
ミニウム／ストロンチウム／窒素系；アルミニウム／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／窒素系において観察さ
れた。従って、本明細書では、主にアルミニウム／マグ
ネシウム／窒素系について説明するが、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るとき、
このアルミニウム合金を、充填材（例えば、アルミナ又
は炭化珪素粒子）と接触させる。この際、充填材はマグ
ネシウムと混合したものであっても及び／又はプロセス
のある時点でマグネシウムに暴露してもよい。更に、好
ましい実施態様において、アルミニウム合金及び／又は
プレフォーム若しくは充填材は、プロセスの少なくとも
一部分の間、窒素雰囲気中に入れられる。このプレフォ
ームは、自発的に浸透される。自発的浸透及び金属マト
リックスの生成の程度又は速度は、系に供給されるマグ
ネシウムの濃度（例えば、アルミニウム合金中及び／又
は充填材中及び／又は浸透雰囲気中）、充填材粒子のサ
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。

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で、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。

本明細書で使用する「バリヤー」又は「バリヤー手
段」とは、充填材の通気性素材（permeable mass）又は
プレフォームの表面境界を超えて溶融マトリックス金属
が移動、動き等をするのを妨げ、妨害、防止又は終了さ
せるいずれかの適当な手段を意味する。この場合、表面
境界は、前記バリヤー手段により形成されている。適当
なバリヤー手段としては、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しない（即ち、バリ
ヤー材はバリヤーとして機能しないほどには揮発しな
い）材料、化合物、要素、組成物等を挙げることができ
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、必要とされるかもしれない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）」又は
「マトリックス金属のカーカス」とは、金属マトリック
ス複合体物体の形成中に消費されなかった残存している
マトリックス金属の最初の物体を意味し、一般的には、
冷却すると、形成された金属マトリックス複合体と少な
くとも部分的に接触したままの状態を維持する。又、カ
ーカスは、第二又は外来金属も含んでいてもよい。

本発明で使用する「キャビティー（cavity）」とは、
素材又は物体（例えば、金属マトリックス複合体）内の
未充填空間を意味し、どのような特定の空間形状にも限
定されず、密閉及び／又は開放空間の両方を含む。即
ち、キャビティーには、中空体の内部を形成しているキ
ャビティーのように、キャビティーを含有する素材又は
物体の外部とは連通せず完全に独立している空間も含ま
れる。更に、キャビティーには、例えば、通路又は開口
部を介して、素材又は物体の外部表面に開放されている
空間も含まれる。

本明細書で使用する「充填材」とは、マトリックス金
属と実質的に反応せず及び／又はマトリックス金属への
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、溶融アルミニウムマトリックス金属によっ
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被覆充填材でもよい。又、
充填材は、所望の形状をしている金属でもよい。

本明細書で使用される「浸透雰囲気（Infiltrating a
tmosphere）」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。

本明細書で使用される「浸透増進剤（Infiltration E
nhancer）」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。

本明細書において使用される「浸透増進剤前駆体（In
filtration Enhancer 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。

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。

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、適当な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。

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 Composite）」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。

マトリックス金属と「異種」の金属とは、マトリック
ス金属と同じ金属を、主要成分として含有しない金属を
意味する（例えば、マトリックス金属の主要成分がアル
ミニウムの場合には、「異種」の金属は、例えば、ニッ
ケルを主要成分として有することができる。

「マトリックス金属を入れるための非反応性容器」と
は、プロセス条件下で、充填材及び／又は溶融マトリッ
クス金属を入れるか又は収容することができ且つ自発浸
透機構に対して顕著な悪影響を及ぼすような方法では、
マトリックス及び／又は浸透雰囲気及び／又は浸透増進
剤前駆体及び／又は充填材若しくはプレフォームとは反
応しない容器を意味する。

本明細書において使用される「プレフォーム（Prefor
m）」又は「通気性プレフォーム（permeable prefor
m）」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）からなってよい。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
ムと接触している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
クス金属を提供しか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マト
リックス金属の別個の物体を意味する。溜は、マトリッ
クス金属とは異なる金属を提供するために使用してもよ
い。

本明細書で使用される「賦形マトリックス金属（Shap
ed Matrix Metal）」又は「賦形マトリックス金属のイ
ンゴット（Ingot of Shaped Matrix Metal）」とは、本
発明のプロセス条件下で、周囲充填材に自発浸透するこ
とにより金属マトリックス複合体を形成する、所定のパ
ターンに賦形したマトリックス金属を意味する。得られ
る金属マトリックス複合体は、マトリックス金属の形状
を少なくとも部分的に逆に複写した形状を有する。

本明細書で使用される「自発浸透（Spontaneous Infi
ltration）」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又はプレフォームの
通気性素材に浸透することを意味する。

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。

本発明は、マトリックス金属のインゴットの形状リプ
リケーション法による、キャビティーを中に有する金属
マトリックス複合体の形成に関する。詳細には、マトリ
ックス金属のインゴットを所定の形状に賦形し、充填材
で少なくとも一部分を囲むことができる。

充填材は、賦形マトリックス金属インゴットを完全又
は一部分のみを囲むことができる。又、賦形インゴット
の一部分は、充填材を超えて外に延びていてもよい。し
かしながら、このような外まで延びた賦形インゴットの
部分は複写されない。更に、以下で詳述するバリヤー手
段を用い、該バリヤー手段を前記賦形マトリックス金属
インゴットの表面の少なくとも一部分に接触させること
によって、複写されない表面部を形成することができ
る。従って、本発明により、マトリックス金属の賦形イ
ンゴットの形状を所望の程度に逆に複写した金属マトリ
ックス複合体を形成できる。

自発浸透を達成するために、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、充填材と連通状態にあることに
より、マトリックス金属は、溶融されると、充填材に自
発的に浸透できる。このような自発浸透が行われた後
に、賦形マトリックス金属インゴットの最初の形状に少
なくとも部分的に相補なキャビティーが、金属マトリッ
クス複合体に形成される。

充填材又は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）充填材中；及び／又
は（３）浸透雰囲気から；及び／又は（４）外部源から
自発系に提供される。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、充填材若しくはプレフォ
ーム及び／又はマトリックス金属及び／又は浸透雰囲気
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、浸透増進剤が充填材の
少なくとも一部分に形成することができるように、充填
材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（例えば、マグネシウ
ムが浸透増進剤前駆体であり且つ窒素が浸透雰囲気であ
る場合には、浸透増進剤は、プレフォーム若しくは充填
材の一部分に位置させる窒化マグネシウムでよい）。

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
属の賦形インゴットを、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適当な耐火容器内に入れる
ことができる充填材内に埋め込むことができる。マグネ
シウムを含有するか、マグネシウムに暴露され且つ処理
中のある時点で窒素雰囲気に暴露される充填材は、溶融
アルミニウムマトリックス金属と接触させることができ
る。そのとき、マトリックス金属は充填材に自発的に浸
透する。

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、充填材は、
窒素含有ガスが、プロセス中のある時点で充填材に浸透
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、
通気性充填材に溶融マトリックス金属を浸透させて、窒
素透過充填材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し、及び／
又は窒素を浸透増進剤前駆体と反応させて浸透増進剤を
充填材中に形成して自発浸透を生じさせることができ
る。自発浸透及び金属マトリックス複合体生成の程度又
は速度は、アルミニウム合金のマグネシウム含量、充填
材のマグネシウム含量、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）、充填材の平均サイズ
（例えば、粒径）、充填材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態す
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、充填材とマトリックス金属の両方又は充填材だけ
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
満の窒素が浸透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、珪素又は亜銘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
／又は充填材のマグネシウム含有を増加すれば、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。充填材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（Crystolon）〔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できる。
更に、マグネシウムを専ら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
くとも一部分を充填材に入れる場合には、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、アルミナプレフォームを同様なアルミニウム
マトリックス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
で達成されたのと同様な自発浸透を達成するには、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／又は充填材の表面及び／又は充填材内部
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、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、合金化及び充填材の少
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、充填材
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、賦形した合金に含ませるか又は賦形
した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675℃、好ま
しくは少なくとも約750〜800℃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、原理と
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、通気性充填材が、
プロセス中の少なくともある時点で窒素含有ガスの存在
下で、溶融アルミニウムと接触状態となる。この窒素含
有ガスは、ガスの連続流を充填材及び／又は溶融アルミ
ニウムマトリックス金属の少なくとも一つと接触を維持
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、マトリックス金属の賦形インゴット
の形状に充填材の形状が一致する能力及び最終複合体製
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。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被膜を有してい
る。適当な被膜としては、酸化物、炭化物、硼化物及び
窒化物等のセラミックが挙げられる。本発明の方法に用
いるのに好ましい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、充填材は、均一でも又は不均一でもよい。

又、特定の充填材は、同様な化学組成を有する充填材
に対して優れた浸透性を示すことが判明した。例えば、
米国特許第4,713,360号に開示されている方法により製
造した破砕アルミナ物体は、市販のアルミナ製品よりも
所望の浸透性を示す。更に、米国特許第4,851,375号
（特開昭62-12678号公報）に開示されている方法により
製造した破砕アルミナ物体も、市販のアルミナ製品より
も所望の浸透性を示す。上記特許及び特許出願の各々の
内容は、本発明に利用できる。従って、上記した米国特
許及び特許出願の方法により製造した破砕又は粉砕した
物体を用いることにより、より低い浸透温度及び／又は
より短い浸透時間で、セラミック材の通気性素材の完全
浸透が生じることが判明した。

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且つマトリックス金属の賦形イ
ンゴットの形状に一致させることのできるいずれのもの
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は、溶融マトリックス金属及び浸
透雰囲気を透過するものでなければならない。

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するかしないかによっ
ては左右されない利点がある。従って、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最初の素材を使用す
ることにより、少なくとも約50％のオーダーの高い体積
分率の充填材を得ることができる。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
の場合もあることが判明した。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貴、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、使用する充填材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、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、セラミック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
クスセラミック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。特に好ましい黒鉛
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、充填材の周囲に簡単に成形
される。

窒素環境における浸透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ヘの
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、粒状物質への浸透が充
填材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バッタリングによ
り、又は固形粒子バリヤ一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、金属マトリックス複合体中に賦形キャビテ
ィーを形成するために使用することのできるアセンブリ
ーの断面図である。具体的には、ノートン社（Norton C
o.）製で39クリストロン（39Crystolon）の商品名で販
売されている220グリット炭化珪素からな充填材（３）
を、高純度アルミナボートからなる耐火容器内に配置し
た。アルミナ耐火ボートは、ボルト・テクニカル・セラ
ミクス社（Bolt Techical Ceramics）製で、純度は99.7
％であった。珪素約15重量％及びマグネシウム約15重量
％で残部がアルミニウムからなり、約9/2インチx2イン
チxl/2インチの寸法を有する２本の賦形アルミニウム合
金バー（2a）及び（2b）を互いに積層し、バー（2a）の
表面が充填材（３）の表面と実質的に同一表面となるよ
うに、220グリット炭化珪素に埋め込んだ。充填材
（３）及びインゴット（2a）及び（2b）が入っているア
ルミナボート（１）を、制御雰囲気電気抵抗炉内に配置
した。この炉には、マッフル管が備わっていて、それを
抵抗コイルにより外部から加熱し、更に、外部雰囲気か
らシールした。窒素約96体積％及び水素約４体積％から
なる浸透雰囲気（即ち、生成ガス）をマッフル管の内部
に供給した。生成ガスを、約350cc/分の速度で炉内に流
した。マッフル炉を、約10時間かけて、約900〜930℃の
温度に上昇させた。この温度で約12時間維持後、マッフ
ル炉を、５時間かけてほぼ室温まで冷却した。ボート
（１）を炉から取り出し、内容物を検査した。形成した
金属マトリックス複合体（７）を頭上から見た第3A図に
示すように、賦形インゴット（2a）及び（2b）の形状に
実質的に対応する形状を有するキャビティー（６）が形
成された。更に、形成した金属マトリックス複合体
（７）におけるキャビティー（６）内を頭上から角度を
つけて見た第3B図に示したように、バー（2a）及び（2
b）の複写が非常に正確であり、バー（2a）及び（2b）
上に存在するソーマーク（saw mark）（８）が、金属マ
トリックス複合体に逆に複写されていた。

実施例２この実施例において、より複雑な形状を逆複写した。
第２図は、金属マトリックス複合体に複雑なキャビティ
ーを形成するのに使用したアセンブリーの断面図であ
る。詳細には、ノートン社製で38アランダムの商品名で
阪売されている220グリット酸化アルミニウム粉末から
なる充填材（５）を、高純度アルミナボートからなる耐
火容器（１）の底の部分に注いだ。このアルミナボート
は、ボルト・テクニカル・セラミクス社製で、純度は9
9.7％であった。次に、重量が約158gで外表面に複数の
突起（９）を有する機械加工アルミニウム合金インゴッ
ト（４）を、充填材の上部に配置した。この機械加工イ
ンゴット（４）の成分は、珪素約５重量％、亜鉛約５重
量％及びマグネシウム約７重量％で残部がアルミニウム
であった。更に、充填材（５）を、インゴットが充填材
（５）で実質的に完全に覆われるまで、インゴット
（４）の周囲に注いだ。次に、充填材（５）及びインゴ
ット（４）の入ったボート（１）を、実施例１で説明し
たマッフル管炉内に配置した。炉内を真空にして大気を
パージし、パージの後に、生成ガス（即ち、窒素96体積
％及び水素４体積％）からなる浸透雰囲気を炉内に流し
た。生成ガスを、500cc/分の速度で、マッフル管炉に連
続的に供給した。マッフル管を、１時間当たり約150℃
の昇温速度で、約875℃まで加熱した。この温度を約15
時間維持した。次に、マッフル管炉を、１時間当たり約
200℃の速度で、ほぼ室温まで冷却した。冷却後、ボー
ト（１）を取り出して検査した。

形成した金属マトリックス複合体の断面を示した第4A
図から明らかなように、金属マトリックス複合体（11）
に、形状がインゴット（４）に実質的に相補的であるキ
ャビティー（10）が形成された。即ち、マトリックス金
属は、溶融したときに、充填材（５）に実質的に完全に
浸透して、インゴット（４）の突起（９）と相補的な溝
（9a）が形成された。更に、第4B図は、形成された金属
マトリックス複合体（11）の断面切断前の端面図であ
る。このように、リプリケーション法では、賦形インゴ
ット（４）の形状を実質的に逆に複写した形状のキャビ
ティー（10）を有する複合体が提供されたことが分か
る。キャビティー（10）の底の部分に位置する物質（2
0）片は、賦形インゴット（４）の上に直接位置させた
充填材の一部分に対応する。

上記で実施例を具体的に説明したが、これらの実施例
については、当業者において種々の変更が可能であり、
このような全てのの変更は、本出願の特許請求の範囲内
であると理解されるべきである。

〔発明の効果〕

上記で説明したように、本発明による金属マトリック
ス複合体の形成方法によれば、マトリックス金属の賦形
したインゴットは、溶融されると、周囲の通気性充填材
素材に自発的に浸透し、マトリックス金属の最初のイン
ゴットの形状に実質的に対応する形状のキャビティーを
有する金属マトリックス複合体が製造される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１において使用された材料のアセンブ
リーの断面概略図であり；第２図は、実施例２において
使用された材料のアセンブリーの断面概略図であり；第
3A図及び第3B図は、実施例１において製造された金属マ
トリックス複合体の形状及び組織を示す写真であり；第
4A図及び第4B図は、実施例２において製造された金属マ
トリックス複合体の形状及び組織を示す写真である。１……耐火容器、2a、2b……アルミニウム合金インゴッ
ト、３、５……充填材、４……機械加工インゴット、６
……キャビティー、７……金属マトリックス複合体、９
……突起、9a……溝、11……金属マトリックス複合体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アンドリューウィラードアークハートアメリカ合衆国，デラウェア 19711, ニューアーク，ブライドルシェアーロード 48 (56)参考文献特開昭48−311（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−42504（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−31466（ＪＰ，Ａ) 特開平１−279715（ＪＰ，Ａ) 特開平１−279721（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 1/09 B22D 19/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリックス金属の賦形インゴットを形成
し、前記インゴットを、実質的に非反応性の充填材である透
過性素材で少なくとも部分的に囲み、少なくとも前記賦形インゴットを、その融点より高い温
度領域に加熱して溶融することによって溶融マトリック
ス金属の源を形成し、反応中の少なくともある時点に浸透雰囲気を適用し、か
つ浸透増進剤または浸透増進剤前駆体の少なくとも一つ
を供給して、マトリックス金属を前記浸透素材の実質的
に全体に自発的に浸透させ、よって前記マトリックス金
属の前記賦形インゴットの形状に対し少なくとも部分的
に相補の形状を成すキャビティーを有する金属マトリッ
クス複合体を形成する行程を含む、金属マトリックス複
合体の形成方法。
【請求項２】前記浸透雰囲気が、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、連通する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記浸透増進剤前駆体および浸透増進剤の
少なくとも一つを、マトリックス金属、充填材および浸
透雰囲気の少なくとも一つに供給する、請求項１に記載
の方法。
【請求項４】前記充填材がプレフォームを含む、請求項
１に記載の方法。
【請求項５】充填材の表面境界をバリヤーで規定する工
程を含み、マトリックス金属がこのバリヤーまで自発的
に浸透する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】バリヤーが、カーボンおよび二硼化チタン
からなる群から選ばれた材料を含む、請求項５に記載の
方法。
【請求項７】充填材が、粉末、フレーク、小板、小球、
ウィスカー、泡状体、繊維、粒子、繊維マット、截断し
た繊維、球、ペレット、細管および耐火布からなる群か
ら選ばれた材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】前記キャビティーが、少なくとも部分的に
開口しているか、または実質的に完全に閉止している、
請求項１又は３に記載の方法。
【請求項９】前記充填材が、自発的浸透工程の少なくと
もいずれかの点において、自己の形状を支持する、請求
項1,3または６に記載の方法。
【請求項１０】前記充填材が、前記インゴットの前記加
熱、および接着剤の使用、および浸透雰囲気を含む少な
くとも一つの他の物質と前記充填材との化学反応の、少
なくとも一つによって、自己の形状を支持する、請求項
1,3または６に記載の方法。
【請求項１１】前記カーボンが、グラファイトを含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項１２】前記充填材が少なくとも１種のセラミッ
クス又はセラミックス被覆材料である請求項１に記載の
方法。