JP3375958B2

JP3375958B2 - Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｒ−マトリックス中に酸化アルミニウム強化材を含む鋳造複合材料

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Publication number: JP3375958B2
Application number: JP50730993A
Authority: JP
Inventors: ロイド、デビッド・ジェームス; ジン・イルジョーン; マックレオード、アラン・デイヴィッド; ガブリエル、クリストファー・ミーテック; スキボー、マイケル・ディー
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1992-10-15
Publication date: 2003-02-10
Anticipated expiration: 2018-02-10
Also published as: EP0608299A1; AU2760392A; ATE131212T1; DE69206630T2; DE69206630D1; WO1993008311A1; EP0608299B1; JPH07500148A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、鋳造複合材料、特に、酸化アルミニウムの
強化材粒子と、強化材に対して濡れ性が良好であるが、
反応による広範な有害な相を形成しないアルミニウム合
金マトリックスを含む複合材料の製造に関する。

背景技術鋳造複合材料は、通常、反応炉でマトリックス合金を
溶解し、その後粒子を加えることにより形成される。こ
の混合物は、マトリックス合金の粒子に対する濡れ（we
tting）を助長するために激しく混合され、適当な混合
時間の後、該混合物は鋳型または型の中に鋳込みされ
る。混合は、混合物中への気体の導入を最少にしている
間になされる。得られる複合材料は、合金組成のマトリ
ックス全体に粒子の強化材が分散されるものとなる。

このような鋳造複合材料は、粉末治金技術と浸透技術
により製造されるような金属−マトリックス複合材料の
他のタイプよりも、はるかに安価に製造できる。米国特
許第4,759,995号、4,786,467号および5,028,392号にお
いて記述されているような鋳造方法により製造される複
合材料は、それらの最初の導入のわずか数年後に商業的
に成功した。

望ましくは、上記鋳造複合材料は充分濡れた粒子を含
み、気孔がほとんどなく、一般的に均一な微細構造であ
ることである。完全な濡れは、充分な複合強度および他
の機械的特性を実現するのに必要である。同程度に重要
なのは、でき上がった鋳造複合材料の微細構造と機械的
性質に悪影響を与える可能性のある有害相の形成を避け
ることが必要なことである。

酸化アルミニウム粒子で強化された鋳造複合材料の、
アルミニウム合金−マトリックス中にマグネシウムが存
在することは、重大な問題を引き起こしてきた。1/2パ
ーセントかそれ以上のマグネシウムは、多くのアルミニ
ウム合金中に存在し、時硬処理の間に、充分な強度を達
成する。マトリックスの1/2パーセントかそれ以上の、
このような大量のマグネシウムを含むアルミニウムマト
リックス合金は、容易に酸化アルミニウム粒子に濡れる
が、しかし、また、その粒子と反応して、砕けやすいス
ピネル相MgAl₂O₄を生ずる可能性がある。形成されるス
ピネルの量は、合金のマグネシウム含有量、混合温度お
よび混合時間という、３つの要素に依存する：。混合温
度は680−730℃であり、混合時間は１−２時間であると
いう通常の混合条件下で、合金マトリックスのマグネシ
ウム含有量は形成されるスピネルの量の主な決定要因と
なる。少量のマグネシウムを含むアルミニウムマトリッ
クス合金は、多量のスピネル形成を示さないが、しかし
また、酸化アルミニウム粒子を容易には濡らさない。

濡れを増強する、または、マトリックスと粒子の間の
化学的相互作用を制御するために、応用される多くの技
術があり、それらは、ある環境下で働く場合がある。粒
子は特別な被覆で改質され得るが、しかし、被覆操作に
より、粒子と複合材料の費用がひどく高くなる。少量の
反応性気体が混合室に導入できるが、濡れを改良するに
は鋳造複合材料の多孔率が増す、という犠牲を払う場合
のみ達成される。濡れを改良するために、混合が達成さ
れる温度を上げることが考えられるが、しかし、温度を
上げることは、また、熱力学的には有利だが、低温での
形成においては反応速度の遅い有害層の発生を加速する
ことになる。

それゆえ、アルミニウムーマグネシウム合金と酸化ア
ルミニウム粒子の鋳造複合材料の製造に関する改良技術
は、継続的に必要とされている。本発明はこの必要を満
たし、さらに、関連する利点を提供するものである。

発明の開示本発明は、アルミニウム−合金マトリックス中に、酸
化アルミニウム粒子を含み、また、マグネシウムも含
む、鋳造複合材料の製造において用いられる製造法と組
成を提供する。この技術は、溶融したマトリックス合金
に、さらに合金要素を少量制御して加えることを要し、
それゆえ、既存の処理手順で操作できる。反応性のスピ
ネル相を含まない３パーセントまでのマグネシウムを含
むアルミニウム合金は、この方法によって製造され得
る。スピネル形成を抑制すると、マグネシウムが混合の
間に添加されない場合に、より多くのマグネシウムを時
効硬化反応において関与させ、時硬した複合材料の機械
的性質を、実質的に改良することになる。

本発明によれば、複合材料は、約５から約35体積パー
セントの酸化アルミニウム強化粒子と、約95から約65体
積パーセントのマトリックス合金の混合物からなる。マ
トリックス合金は、約0.15から約３重量パーセントのマ
グネシウムと、所望の程度までマトリックス中でのスピ
ネル形成を減らすために充分な量のストロンチウムを含
む、好ましくは約0.1から約２重量パーセントまでのス
トロンチウムを含む、アルミニウムを主成分とする合金
である。添加されねばならないストロンチウムの量は、
スピネル形成の減少がどの程度が望ましいかに依存す
る。

溶融混合物内への気体の導入と気体の保持を最小にす
る間、上記強化粒子に対してマトリックス合金を濡ら
し、溶融物の体積全体に上記粒子を分散させ、上記の組
成物の溶融混合物を混ぜ合わせ、それから複合混合物を
鋳造することにより、複合材料は製造される。

アルミニウム−マグネシウムマトリックス合金へのス
トロンチウムの添加によりスピネル相の形成が減少する
ことは、強化材としての利用に適している酸化アルミニ
ウムのタイプの数を増加させるという、予想外の重要な
有益な効果をもたらす。ストロンチウムがなければ、か
焼アルミナだけが0.15−３パーセントのマグネシウムを
含むアルミニウム合金マトリックスの中の、スピネル形
成をいくらか抑制できる。充分な量のストロンチウムを
加えることにより、スピネル形成を抑制すると、か焼ア
ルミナだけでなく、溶融したアルミナ、噴霧乾燥したア
ルミナ、板状アルミナ、焼結アルミナを含む他のタイプ
のアルミナを用いることも可能である。これらの他のタ
イプのアルミナは、アルミニウム−マグネシウムマトリ
ックスにおいて、溶融したマトリックス合金中にアルミ
ナを混合するには、今までは大変困難なことであった。

アルミナ強化材とアルミニウム−マグネシウム合金マ
トリックスを含む通常の複合材料においては、スピネル
相の形成は強化粒子の表面積を増やし、それにより溶融
状態でのマトリックス合金の粘度を増す。結果として、
複合材料で用いられ得るアルミナの最小サイズと最大量
は、制限されることになる。たとえば、20体積パーセン
トのアルミナ微粒子で、スピネルが形成する場合に用い
られ得る最小のアルミナ微粒子は、最小の大きさが約19
−22ミクロンである。本発明によりスピネル形成を抑制
すると、上記粒子の大きさの最小値を約９−13ミクロン
まで減らすことができる。10体積パーセントのアルミナ
微粒子で、通常の方法で用いられうる最小のアルミナ微
粒子は、約９−10ミクロンの大きさである。本発明によ
りスピネル形成を抑制すると、粒子の大きさの最小値
は、約６ミクロンまで減らすことができる。他の例にお
いては、スピネルが形成する場合に、マトリックス中に
混合され得るアルミナ微粒子強化材の最大の実際的体積
の割合は約25体積パーセントであるが、しかし、スピネ
ル形成が抑制されると、25体積パーセント以上、35体積
パーセントまでに増加する。

かくして、この方法が用いられると、ストロンチウム
の添加によりスピネル形成は抑制され、マトリックスの
粘度は比較的低いままである。より小さい粒子と、その
粒子のより大きい体積割合は、このようにして用いられ
得る。

一方、ストロンチウムが存在すると、アルミナから溶
融マトリックス中へナトリウムを解放し得る。アルミナ
は、通常、既存の少量のナトリウムを含み、典型的には
0.2−0.6重量パーセント程度である。アルミナは、通常
少なくとも二つの相、つまり、低ナトリウムアルファ相
と、９重量パーセントのナトリウムを含み得るベータ相
を有することが、研究により判明している。本発明のAl
−Mg−Sr合金は、イオン交換に関係する可能性のある機
構により、アルミナ強化材からマトリックス中へナトリ
ウムを放出しうる。溶解したナトリウムは、最終生成物
において、熱クラッキング、ストリンガー、および他の
欠陥を引き起こす可能性がある。それゆえ、ナトリウム
が約0.2重量パーセント以下の低ナトリウムアルミナを
強化材として使うことが強く望まれる。ナトリウムは、
このような低ナトリウムのアルミナからマトリックスの
中に溶解するが、溶解する量は少ないので、最終生成物
の性質に有意な影響は与えない。より高いナトリウム含
有量を有するアルミナは、最終的な金属マトリックスの
ナトリウム含有量が高すぎる結果となる。この要求は、
言い替えれば、アルミナのベータ相の割合が十分に低く
して、アルミナの全ナトリウム含有量は重量で約0.2パ
ーセントより少なくする必要があるということである。

本発明の複合材料は、析出物の硬化に必要とされるマ
グネシウムを含有するアルミニウムを主成分とするマト
リックスを含む。このマトリックスは、酸化アルミニウ
ム微粒子に十分に濡れているが、しかし、マグネシウム
の含有量が重量で３パーセントまで程度である時でさ
え、スピネル相の生成は減少するか、完全に抑制され
る。得られる複合材料は、時効硬化に関与するマトリッ
クス中で保持される、より大量のマグネシウムに起因す
る改良された機械的性質を有する。本発明の他の特徴と
利点は、以下の好ましい具体例のより詳細な記述と、発
明の本質を例示として描く添付図面により明らかになる
であろう。

図面の簡単な説明図１は、ストロンチウムが添加されない場合の、AA−
6061アルミニウムマトリックス中に15体積パーセントの
酸化アルミニウム粒子を含む複合材料の顕微鏡写真であ
る。

図２は、0.1重量パーセントのストロンチウムが添加
された、6061アルミニウムマトリックス中に15体積パー
セントの酸化アルミニウム粒子を含む複合材料の顕微鏡
写真である。

図３は、0.5重量パーセントのストロンチウムが添加
された、6061アルミニウムマトリックス中に15体積パー
セントの酸化アルミニウム粒子を含む複合材料の顕微鏡
写真である。

図４は、15体積パーセントの酸化アルミニウム粒子を
含む6061合金に含まれるストロンチウム含有量の関数と
してのスピネル形成の減少を示すグラフである。

図５は、6061アルミニウムマトリックス中に15体積パ
ーセントの酸化アルミニウム粒子を含み、ストロンチウ
ムを加えない場合と、0.5重量パーセントのストロンチ
ウムを加えた場合の、複合材料に関する時硬時間の関数
としての降伏強度のグラフである。

図６は、6061アルミニウムマトリックス中に15体積パ
ーセントの酸化アルミニウム粒子を含み、種々の量のス
トロンチウムを加えた複合材料の混合時間の関数として
の、マトリックス中のマグネシウム含有量のグラフであ
る。

発明を実施するための最良の形態本発明により、鋳造複合材料の製造方法は、酸化アル
ミニウム強化粒子を約５から約35体積パーセント、およ
び、溶融マトリックス合金を約95から約65体積パーセン
トという組成を持つ混合物の提供を含む。マトリックス
合金は、約0.15パーセントから約３重量パーセントのマ
グネシウムと約0.1から約２重量パーセントのストロン
チウムを含む、アルミニウムを主成分とする合金であ
る。この組成物は、混合物内への気体の導入と混合物内
の気体の保持を最少にする間に、マトリックス合金を粒
子に濡れさせ、溶融したマトリックスの体積全体に粒子
を分散させるために、混合される。混合物は、最終的な
形に鋳造されるか、もしくは、さらなる処理のために、
半製品形態に鋳造される。

強化粒子は主として「酸化アルミニウム」から形成さ
れ、これはアルミナもしくはAl₂O₃とも呼ばれ、様々な
形と形態をしている。典型的な例として、粒子は直径が
５−10ミクロンで、アスペクト比が１−５であるが、し
かし、これらのパラメーターは例示であり、本発明はこ
れに限定されない。粒子は不純物の量における他の酸化
物、あるいは意図的な付加物のような、他の成分も含む
可能性がある。本発明の必要性は、酸化アルミニウム粒
子が、マトリックス合金中に存在するマグネシウムと高
温で化学的に反応して、スピネル相MgAl₂O₄を形成する
ので、それゆえ、その粒子が、実質的なスピネル反応を
起こすのに十分な酸化アルミニウムを含んでいるときは
いつでも有益である、ということに起因する。

酸化アルミニウムは、約0.2重量パーセント以下のナ
トリウム含有量（通常は酸化ナトリウムとして存在）を
有するのが好ましい。複合材が準備されたら、溶融した
マトリックス合金は、高せん断条件（high−shear cond
ition）で酸化アルミニウム強化粒子と混合される。ナ
トリウムはマトリックス中に粒子から放出され、マトリ
ックス中に溶解して、含有されるナトリウムとなる。マ
グネシウムとともに存在するナトリウムは、鋳造性と高
温処理に影響を与える熱脆性につながる可能性がある。
複合材料は冷めて、マトリックスが固体化した後、溶解
したナトリウムは、複合材料の機械的特性を減少させる
亀裂、ストリンガーおよび他の欠陥を引き起こすかもし
れない。ナトリウムが約0.2パーセントよりも少なけれ
ば、溶解したナトリウムの影響は無視できるようにな
り、許容され得る。

アルミナは種々の製造法で製造される。実験により、
か焼アルミナだけが、通常の方法で製造されるアルミニ
ウム−マグネシウム合金マトリックスにおいて、スピネ
ルの形成に対して適度な抵抗を示すことが示された。こ
の、アルミナのタイプの選択の制限は、特別な容器に合
致するのに適当なアルミナを選ぶための合金設計能を減
らす。ストロンチウムが添加され、本発明に従いスピネ
ル形成を抑制すると、スピネルが形成しないで、アルミ
ナの多種多様なタイプをうまく用いることができること
になる。かくして、溶融アルミナ、噴霧乾燥したアルミ
ナ粒子、板状のアルミナ、および焼結アルミナのよう
な、他のタイプのアルミナを用いることができる。

本発明の方法に用いられたアルミナ粒子は、微粒子の
有効表面積を増すスピネルは形成されず、以前の、スピ
ネルが形成される方法を用いる場合よりも、最小のサイ
ズがより小さくてもよい。アルミニウム−マグネシウム
合金マトリックス中にアルミナ微粒子を含む通常の複合
材料において、二つの理由から、粒子は、微粒子が20体
積パーセントの場合は約19−22ミクロンよりも大きくな
くてはならないし、微粒子が10体積パーセントの場合は
約９−10ミクロンよりも大きくなくてはならない。より
小さい粒子はスピネル形成の間に大部分反応し、そし
て、より小さい粒子を含む溶融混合物は、スピネル反応
した粒子の表面積の増加のために粘度が高くなりすぎ
て、適切に混合されない。ストロンチウムの添加による
スピネル形成の抑制とともに、溶解するとか許容できな
いほど粘度が高くなることなく、アルミナ粒子の最小の
大きさは、20体積パーセントのアルミナ強化材に対して
は約９−13ミクロン、10体積パーセントのアルミナ強化
材に対しては６ミクロンに作られ得る。

これらの結果は、以下のように、約５体積パーセント
から約35体積パーセントの、関係するアルミナの含有量
の範囲にわたって、内挿および外挿されうる。粒子／マ
トリックスの境界面でスピネルが形成する従来の合金に
対しては、アルミナ粒子の最小サイズはおよそS₁＝KV_a
の関係で表わされる。ここで、S₁はミクロンで表わされ
るアルミナ粒子の最小の許容されるサイズであり、V_aは
体積パーセントによる混合物中のアルミナ粒子の量であ
り、Ｋは比例定数で、およそ１に等しい。本発明の方法
に対しては、S₂＝1/2KV_a＋１となり、ここで、S₂はスピ
ネルの形成が抑制される場合の、ミクロンで表わされる
アルミナ粒子の最小の許容される大きさである。

強化粒子は，体積で混合物の約５から約35パーセント
の量が存在する。（それゆえ、他の成分、つまり上記マ
トリックスは、混合物の約95から約65体積パーセントの
量が存在する。）もし、粒子の存在量が約５体積パーセ
ントよりも少ないならば、その存在により実現される技
術的な価値はないし、複合材料の製造は技術的にも経済
的にも正当化されない。もし、約35体積パーセント以上
の粒子が存在するなら、複合材料混合物はあまりに粘度
が高く、適切に混合されない。粒子は、あまり混合され
得ない連続的な粒子と違って、自由に流れてマトリック
スの中に混合され得る。

アルミニウム−マグネシウムマトリックス中のアル
ミナ粒子を含む通常の複合材料において、粒子の体積の
割合は約25パーセントを超えることができないし、ま
た、溶融した混合物の粘度は、適切に混合されるにはあ
まりにも高すぎる。体積の割合がより大きい場合、スピ
ネル反応は粒子の表面積の有意量の増加をもたらし、そ
れによって粒子とマトリックス合金の溶融した混合物の
粘度は著しく増す。ストロンチウムの十分な量の追加に
よりスピネル形成を抑制することは、混合の間粒子の表
面積を一定に保つことになり、粘度が実質的に増加しな
い。かくして、本発明の方法では、アルミナの含有は約
35体積パーセント程度に高くてもよく、それでもなお、
混合と粒子へのマトリックス合金の濡れを許容するのに
十分な低い粘度を有する。

マトリックスはアルミニウムを主成分とする合金であ
る。それは、約0.15から約３重量パーセントのマグネシ
ウムを含む。この範囲のマグネシウムは本発明の絶対的
な必須要件である。さもなければ、スピネルは問題を引
き起こすのに十分な量は形成せず、それゆえ、ストロン
チウムを加える必要はない。もし、マグネシウムの存在
量が約0.15重量パーセントよりも少ないなら、複合材料
マトリックスの強化においてマグネシウムは実質的な役
割を果たさず、とにかくスピネルの形成は有意な量では
ないので、明らかな問題は起こらない。もし、約３重量
パーセント以上のマグネシウムが存在するとき、高度な
スピネルの核形成が起こり、その結果、受容できる濃度
の、細かい粒子の割れない反応生成物ができる。

マトリックス中に、望みの程度までスピネル相を減ら
す十分な量のストロンチウムが存在しなければならな
い。この添加は、スピネルの形成を部分的に、もしくは
十分に抑制するのに、十分であり得る。実質的な目的の
ためには、「完全な抑制」とは、スピネル形成の95パー
セントの抑制として定義されていた。アルミニウムを主
成分とするマトリックス中の、酸化アルミニウム粒子を
含む鋳造複合材料に加えるストロンチウムの許容範囲の
選択に、決定的な影響を与える四つの主要な要因が特定
されてきた。これらの要因には、マトリックス合金のマ
グネシウムの含有量と、混合と鋳造の間の合金の温度
と、マトリックス合金と微粒子の全混合時間と接触時
間、および所望の程度のスピネルの抑制、が含まれる。
これらの要素の全てを統合する理論は展開されていない
が、商業的興味のある条件についていくつかの指針が確
認されている。

かくして、反応してスピネルを形成する強化材ととも
に、アルミニウムマトリックス中のマグネシウムとスト
ロンチウムの適当な量の組み合わせは、本製造法の必要
な部分である。

典型的な場合において、複合材料は約730℃の温度で
混合することにより準備される。接触時間は、比較的短
い45分から約120分という長い時間までの範囲にわたる
ことができ、これは、固体化の完成前の活発な混合と保
持時間の両方を含み得る時間である。730℃の混合温度
で、45分の接触時間に対して、スピネル形成の75パーセ
ントの抑制を達成するために要求されるストロンチウム
の含有量は、マトリックス合金におけるマグネシウムの
重量パーセントの0.1倍程度である。これらと同じ条件
下で、スピネル形成の95パーセントの抑制（つまり、実
質的に完全な抑制）を達成するのに必要なストロンチウ
ムの含有量は、マトリックス合金中のマグネシウムの0.
4重量パーセント程度である。730℃の混合温度で120分
の接触時間に対して、スピネル形成の95パーセントの抑
制を達成するのに必要なストロンチウムの含有量は、マ
トリックス合金中のマグネシウムの重量パーセントの0.
6倍程度である。

これらの観察とアルミニウム合金の溶融実施の知識に
基づいて、いくつかの一般的な結論が得られる。最初
に、スピネル形成の抑制の程度が大きい（95パーセント
または完全な抑制）ほうが望ましく、これは本発明で達
成可能である。第二に、短い混合時間とマトリックスの
0.15パーセントである最少のマグネシウム含有量の場
合、結果によれば45分の混合時間に対しては、ストロン
チウムの添加量が約0.06パーセント程度、120分の混合
時間の場合は0.09パーセント程度に小さくてかまわな
い。本件の出願人は、この分析に基づいて、商業的な鋳
造業の実施において更に長い保持時間の可能性があるの
で、少し余裕を持たせるために、ストロンチウムの最少
含有量は約0.1パーセントが望ましいものと選択した。
第三に、長い混合時間と約３重量パーセントというマグ
ネシウムの最大含有量に対して、マトリックス中のスト
ロンチウム含有量はスピネル形成の95パーセント抑制を
達成するために、約1.8重量パーセントであるべきであ
る。本件の出願人は、実際の鋳造業の実施においては、
さらにより長い保持時間の可能性があるので、少し余裕
を持つために、これらの結果に基づいて、このマグネシ
ウムのレベルで、約２パーセントというストロンチウム
の含有最大量を選んだ。

マトリックスはマグネシウムを含むアルミニウム合金
において通常見い出される他の元素も含む可能性があ
る。このような元素は、銅、ニッケル、クロム、鉄、マ
ンガンを含むが、これらに限定されない。ストロンチウ
ムの存在はスピネル形成により引き起こされるマトリッ
クスからのマグネシウムの損失を減らすが、これらの他
の元素に有意な影響を及ぼすとは思われない。

強化粒子と溶融マトリックス合金の混合物は実施可能
ないかなる方法によっても製造されてもよい。好ましく
は、マトリックス合金は溶融し、マグネシウム（もし既
存しないなら）とストロンチウムは溶融物に加えられ撹
拌される。酸化アルミニウム強化粒子は溶融物に加えら
れ、高せん断撹拌によって混合される。

微粒子物質にマトリックス合金を濡れさせるために、
混合物は、米国特許4,759,995号、4,786,467号、5,028,
392号に記述の製造過程に従って良好に混合される。

好ましい混合は溶融物の中に渦が生じない状態で、真
空か、もしくは静的な窒素雰囲気において、続いて脱気
することにより達成される。米国特許4,786,467号の図
１の関係においては、溶融物において渦を最小にするこ
とが重要である。真空の利用は米国特許4,759,995号と
4,786,467号に記載されている。混合の間、窒素雰囲気
を用いる気体を最少にし、続いて脱気することは、米国
特許5,028,392号に記載されている。典型的な例におい
て、混合物は90−135分間、真空中で混合される。

混合が完了した後、混合物は鋳造される。それは鋳型
もしくは鋳塊鋳型に入れて鋳造され得るか、もしくは連
続的に鋳造され得る。マトリックスが鋳造ミクロ組織を
備えて固体化するように鋳造工程が複合材料を冷却する
限り、どんなタイプの鋳造工程でも利用され得る。

多くの異なった合金システムが用意され、スピネル形
式の抑制のためのストロンチウムの利用を確認するため
に試験された。各々の場合に、複合材料は15体積パーセ
ントの酸化アルミニウム粒子の強化材と、85体積パーセ
ントのマトリックス合金を含んでいた。マトリックス合
金が6061合金（公称組成は、Siは0.6重量パーセント、C
uは0.25重量パーセント、Mgは1.2重量パーセント、Crは
0.20重量パーセント、残部はアルミニウム）の場合は、
０、0.1、0.2、0.5、0.6あるいは1.0重量パーセントのS
rを含有;7005合金（公称組成は、マグネシウムは1.4重
量パーセント、亜鉛は4.5重量パーセント、マンガンは
0.45重量パーセント、クロムは0.13重量パーセント、チ
タンは0.04重量パーセント、残部はアルミニウム）の場
合は、０、0.5、あるいは1.0重量パーセントのストロン
チウムを含有;2024合金（公称の組成は、4.5重量パーセ
ントの銅、0.6重量パーセントのマンガン、1.5重量パー
セントのマグネシウム、残部はアルミニウム）の場合
は、1.0重量パーセントのストロンチウムを含有。

複合材料は、約730℃の温度で上記公称合金組成物を
溶解することにより複合材料が用意され、それから、ア
ルミニウム−10wt.％ストロンチウム母合金の形で、適
当量のストロンチウムが加えられた。（フリーのマグネ
シウムを置き換えるために、攪拌操作の間マグネシウム
は添加されなかった。さもなくば、スピネル形成のため
にフリーのマグネシウムは失われる可能性がある。）酸
化アルミニウム粉末は溶融物に加えられ、反応容器は密
封され、約1Torrもしくはそれ以下の真空まで排気され
た。混合物は、約1200rpmの撹拌速度で、溶融物の表面
で渦を生じない撹拌羽根を用いて混合された。混合は12
0分間続けられたが、化学分析のために溶融物のサンプ
ルを取るために、定期的に休止された。混合した複合材
料は57mmの円い鋳塊鋳型中に鋳込みされ固体化された。

図１−３は、研究されている合金の微細構造を表し、
6061合金の、Srが０重量パーセントの場合（図１）、Sr
が0.1重量パーセントの場合（図２）、Srが0.5重量パー
セントの場合（図３）を示す。スピネル相MGAl₂O₄は図
１に示されるように、ストロンチウムを含まない組成物
中に存在し、酸化アルミニウム粒子の表面に小さい結晶
がくっついているように見える。大部分の応用に用いら
れると判断されたごく少量のスピネル相だけが、図２に
示されるように、ストロンチウム0.1重量パーセントを
含む複合材料中に見られる。実質的に0.5重量パーセン
トのストロンチウムを含む複合材料中にはスピネル相は
見られない。マトリックス合金の少なくとも約0.1重量
パーセントのストロンチウムが存在すれば、受容できる
程度にスピネル形成を抑制するのに十分である。同様の
結果が研究された他の合金において観察された。

図４は、45分の混合の後、種々の溶融物から取り出さ
れたサンプルにおけるスピネル含有量の評価の結果を示
す。ストロンチウムを添加しない物質と比較して、スピ
ネルの75パーセントの減少は充分であると考えられる。
このスピネル含有量の減少は、0.1以上のストロンチウ
ムを含むそれらの合金で達成される。スピネルのほとん
ど完全な抑制（すなわち95パーセントの減少）は0.4パ
ーセント以上のストロンチウムを含む合金で達成され
る。これらの結果は、添加されるストロンチウムの量
は、少量の減少から実質的に完全な抑制まで、所望量だ
けスピネル形成を減らすよう調整できることを示す。

120分の混合のあと、鋳造複合材料のいくつかの機械
的性質が研究された。特に、張力試験の研究は、０と0.
6重量パーセントのストロンチウムを含む6061合金に対
してなされた。これらの試験のために、注型し放しの複
合材料は棒に延ばされ、機械で張力試験の標本に造られ
た。この標本は１時間の間、530℃で溶体化熱処理さ
れ、水で焼入れされた。標本は０から24時間の範囲の種
々の時間、175℃で時硬され、降伏と最終的な強度に対
して張力が試験された。

図５は、時硬時間の関数として0.2パーセントの降伏
強度を示す時硬試験の結果を表す。ストロンチウムを含
まない標本は、ただわずかの時硬反応を示しただけであ
るが、一方、0.6重量パーセントのストロンチウムを含
む標本は大きい時硬反応を示した。ストロンチウムを含
まない標本においては、マグネシウムの大部分は、混合
の間反応してスピネルを形成し、それゆえ、強化された
凝固物の形成には利用されない。一方、約0.4重量パー
セント以上のストロンチウムを含む標本は、時硬の間、
マグネシウムの大部分を強化凝固物を形成するのに利用
され得るままにし、スピネル相を形成しない（図３に示
される）。

図６は鋳造アルミニウム（マグネシウムを添加）合金
−アルミナ強化複合材料にストロンチウムを添加する効
果についての、この理解をさらに支えるものである。15
体積パーセントのアルミナ粒子と種々の量のストロンチ
ウムを含む6061合金混合物の標本は所定の時間のあと標
本抽出され、マトリックスはマグネシウムの含有量にた
いして化学的に分析された。ストロンチウムを含まない
溶融物は、最初は約1.2パーセントから120分後には約0.
2パーセントへという、マグネシウム含有量の連続的で
迅速な減少を示した。0.1と0.2重量パーセントのストロ
ンチウムを含む溶融物は、マグネシウム含有量がはるか
にゆっくりと減少するのを示した。

0.6重量パーセントのストロンチウムを含むマトリッ
クスは、約1.2パーセントから約1.0パーセントへと、マ
グネシウム含有量のわずかな減少を示した。6061合金
は、溶融して、しばしば約1.0重量パーセントのマグネ
シウムを含有するので、最初に1.2パーセントのマグネ
シウムを供すると、混合のあと結果として、1.0パーセ
ントの許容できるマグネシウムのレベルとなる。真空混
合環境に対するマグネシウムの損失の効果を見積もるた
めに、マトリックス6061合金のサンプル（酸化アルミニ
ウム微粒子は含まない）だけは135分間混合され、マグ
ネシウム含有量の損失は約1.05重量パーセントまでにな
っていることが判った（「真空のみ」と印している点
線）。図６は、0.6重量パーセントのストロンチウムを
含む合金においてマグネシウムの損失のほとんど全部
は、スピネル形成よりもむしろ蒸発によるものであった
ということを示し、これは図３によって支持される結論
である。図６は、また、ストロンチウムを含まないマト
リックスからのマグネシウムの損失の大部分は、蒸発よ
りもむしろスピネル相の形成による、という結論と一致
する。

合金のいくつかにおいて、その損失をスピネル形成に
置き換えるために溶融物にマグネシウムが加えられなか
った研究において、これらの結果が得られたことは喜ば
しいことであろう。商業的な実施において、スピネル形
成に対するマグネシウムの損失は、混合の間にマグネシ
ウムを加えることにより補われ得るが、しかし、このよ
うな添加が必要であることは、複合材料の溶融工程をよ
り複雑に、予期できないものとする。かくして、本発明
の重要な有用性は、スピネル反応（なぜならストロンチ
ウムはこの効果を抑制する）と溶融操作の複雑さにおけ
る付随的な減少による、マグネシウムの損失を補う必要
がないことである。

かくして、少量のストロンチウムは、0.15から３重量
パーセントのマグネシウムを含むマトリックス中の酸化
アルミニウム粒子の複合合金中に存在する場合に、驚く
べき有益な効果を有する。ストロンチウムはスピネル相
の形成を減らすかもしくは完全に抑制する。スピネル相
は、さもなければ形成されて、利用できるマグネシウム
のマトリックスを減らす。十分なストロンチウムが存在
すると、スピネル形成は抑制され、ほとんど全てのマグ
ネシウムが時効硬化反応に利用され、複合材料はすばら
しい時硬応答とすばらしい機械的性質を示す。これらの
改良は濡れの効果には関係しない、なぜなら、ストロン
チウムを含まないマトリックス合金が粒子に十分に濡れ
ることができるからである。そのかわりに、これらの改
良は、酸化アルミニウム強化材がマグネシウムを含むア
ルミニウムを主成分とするマトリックス合金中に存在す
るとき観察されたように、スピネル形成が減少すること
に起因する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジン・イルジョーンカナダ、ケイ７エム・５ビー１、オンタリオ、キングストン、サセックス・ブルーバード696番 (72)発明者マックレオード、アラン・デイヴィッドカナダ、ケイ０ケイ・３エヌ０、オンタリオ、ヤーカー、ピー・オー・ボックス 172番 (72)発明者ガブリエル、クリストファー・ミーテックカナダ、ケイ７ピー・２シー５、オンタリオ、キングストン、ニューホール・ドライブ913番 (72)発明者スキボー、マイケル・ディーアメリカ合衆国、92024・カリフォルニア、ルーカディア、エオラス・ストリート1346番 (56)参考文献特公平１−22337（ＪＰ，Ｂ２) 特公平２−17618（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 32/00 C22C 21/00 - 21/18 C22C 1/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化アルミニウムの強化粒子５から35体積
パーセントと、マトリックス合金95から65体積パーセン
トの混合物からなる複合材料であり、該マトリックス合
金は、マトリックス合金に対して0.15から３重量パーセ
ントのマグネシウムと、複合材料中でのスピネル形成の
少なくとも75％を抑制可能な量のストロンチウムを含
む、アルミニウム合金である複合材料。
【請求項２】ストロンチウムの含有量がマトリックス合
金に対して0.1重量パーセント以上である請求項１記載
の複合材料。
【請求項３】ストロンチウムの含有量がマトリックス合
金に対して0.4重量パーセント以上である請求項１記載
の複合材料。
【請求項４】上記マトリックスが鋳造ミクロ組織を有す
る請求項１記載の複合材料。
【請求項５】上記酸化アルミニウム強化粒子が、該酸化
アルミニウム強化粒子に対して重量で0.2パーセントよ
りも少ないナトリウムを含む請求項１記載の複合材料。
【請求項６】上記酸化アルミニウム強化粒子が、溶融ア
ルミナ、噴霧乾燥アルミナ、板状アルミナ、焼結アルミ
ナからなるグループから選ばれる請求項１記載の複合材
料。
【請求項７】上記酸化アルミニウム強化粒子の最小の大
きさがS₂からS₁の範囲にあり、ここでS₁とS₂は各々S₁＝
KV_aおよびS₂＝1/2KV_a＋１で与えられ、S₁とS₂はミクロ
ンの単位で、V_aは複合材料中に存在するアルミナ粒子の
体積パーセント表記による量であり、Ｋは定数で１に等
しい請求項１記載の複合材料。
【請求項８】５から35体積パーセントの酸化アルミニウ
ム強化粒子と、95から65体積パーセントのマトリックス
合金の混合物からなる複合材料であり、該マトリックス
合金は、マトリックス合金に対して0.15から３重量パー
セントのマグネシウムとマトリックス合金に対して0.1
から２重量パーセントのストロンチウムを含むアルミニ
ウム合金である複合材料。
【請求項９】鋳造複合材料の製造法であり、５から35体積パーセントの酸化アルミニウム強化粒子
と、95から65体積パーセントの溶融マトリックス合金の
組成を有する混合物の製造法であり、該マトリックス合
金は、マトリックス合金に対して0.15から３重量パーセ
ントのマグネシウムと、複合材料中でのスピネル形成の
少なくとも75％を抑制可能な量のストロンチウムを含む
アルミニウム合金であり、上記粒子を上記マトリックス合金で濡らし、溶融マトリ
ックスの体積全体に粒子を分散するために、上記混合物
を混合し、そして、上記混合物を鋳造する、という工程からなる鋳造複合材料の製造法。
【請求項１０】上記ストロンチウムの含有量が上記マト
リックス合金に対して0.1重量パーセント以上である請
求項９記載の製造法。
【請求項１１】上記ストロンチウムの含有量が上記マト
リックス合金に対して0.4重量パーセント以上である請
求項９記載の製造法。
【請求項１２】上記ストロンチウムの含有量が上記マト
リックス合金に対して0.1から２重量パーセントである
請求項９記載の製造法。
【請求項１３】上記混合物中への気体の導入と混合物内
の気体の保持を最少にしつつ上記混合の工程を行う請求
項９記載の製造法。
【請求項１４】上記混合工程において、真空で混合を行
う請求項９記載の製造法。
【請求項１５】上記混合工程において、上記混合物に渦
が生じないような静的な窒素雰囲気下で混合を行う請求
項９記載の製造法。
【請求項１６】上記酸化アルミニウム強化粒子が、該酸
化アルミニウム強化粒子に対して0.2重量パーセント以
下のナトリウムを含む請求項９記載の製造法。
【請求項１７】上記酸化アルミニウム強化粒子が、溶融
アルミナ、噴霧乾燥したアルミナ、板状のアルミナ、焼
結アルミナからなるグループから選ばれる請求項９記載
の製造法。
【請求項１８】酸化アルミニウム強化粒子の最小の大き
さがS₂からS₁の範囲にあり、ここでS₁とS₂は各々S₁＝KV
_aおよびS₂＝1/2KV_a＋１で与えられ、S₁とS₂はミクロン
での単位で、V_aは複合材料中に存在するアルミナ粒子の
体積パーセント表記による量であり、Ｋは定数で１に等
しい請求項９記載の製造法。
【請求項１９】酸化アルミニウム強化粒子の体積の割合
が５から35体積パーセントである請求項９記載の製造
法。
【請求項２０】請求項９ないし19のいずれかに記載の製
造法により得られる鋳造複合材料。