JP3492681B2 - 改良された過共晶合金の製造方法およびこれを基本とする複合材料 - Google Patents
改良された過共晶合金の製造方法およびこれを基本とする複合材料Info
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Description
【０００１】
この発明は改良された過共晶合金を製造する方法およ
びこのような合金を含む金属マトリクス複合材料に関す
る。 背景技術 金属マトリクス複合材料は構造材料として次第に受け
入れられてきている。このような複合材料は典型的に
は、金属マトリクス内に埋め込まれたファイバ、グリッ
ト、パウダーなどの強化粒子を含む。マトリクスはファ
イバを保護し複合材料内の荷重を伝達する一方で、この
強化により、複合材料に強度、剛性および他の所望の特
性が付与される。２つの成分、マトリクスと強化剤はこ
のように協同して、どちらか一方だけで得られるもの以
上の改良された結果を達成する。典型的な複合材料は炭
化珪素あるいはアルミナの粒子で強化されたアルミニウ
ム合金である。 良質の金属マトリクス複合材料を製造する際の主な問
題は強化粒子の偏析である。粒子の偏析は固化中および
液体状態においても生じる。液体状態での偏析は適当な
液体の混合により克服することができる。しかしなが
ら、たとえ粒子が一様に液中に分配されたとしても、そ
の粒子はなお固化中に偏析する場合がある。金属マトリ
クス複合材料が固化工程にある時に、強化粒子は固化界
面を越えて退けられ、最後に固化する樹枝状間液中で凝
集する場合がある。例えば、アルミニウムマトリクス複
合材料においては、固体α−アルミニウム樹枝状結晶が
形成され、強化粒子は成長する樹枝状結晶から押し出さ
れ、最終的には、最後に固化する樹枝状間液に捕らえら
れる。したがって、強化粒子はアルミニウム樹枝状結晶
中では見いだされず、この意味では、アルミニウム樹枝
状結晶は強化粒子に対し“濡れ性”がないといえる。こ
の結果、鋳造材料中に強化粒子が全く不均一に分布され
る。 強化粒子が固化界面により押し出されるのかあるいは
包み込まれるのかは、主に、粒子と固体表面間の濡れ性
の程度に依存する。固体表面が粒子を濡らす場合、粒子
は固体表面に包み込まれる。この場合、固化材料中の粒
子分布は液状中に存在した時と同じくらい均一である。
他方、固体表面、例えばアルミニウム樹枝状結晶表面、
が粒子を濡らさない場合、粒子は押し出され、樹枝状間
偏析が起きる。共晶あるいは過共晶系などのある合金系
では、合金の溶融物から直接金属間化合物が析出するこ
とがある。これらの金属間化合物はしばしば荒く、脆い
粒子である傾向があり、これらの粒子は密度差により、
特に固化速度が遅い場合、偏析する傾向がある。 耐火粒子と金属間化合物表面の間の濡れ性の先行技術
には、いくつかの証拠がある。例えば、The Metallutgi
cal Society/AIME、ニューオーリンズ、1986年３月２−
６の185頁のP.K.Rohatgi著の“金属マトリクス複合材料
中の界面”では、過共晶Al−Ni合金の固化中のグラファ
イト粒子上での１次NiAl3の凝集の例を示している。ま
た、過共晶Al−Ni合金の固化中にグラファイトおよびア
ルミニウム粒子上で１次Siが凝集する傾向があることが
示されている。 粒子強化Al−Ti−Ｂ合金の固化研究が、1987年、９月
21−24日、U.K.、シェフィールドの金属協会、137頁の
K.Kuisalaasおよび、L.Backerudの固化工程1987で説明
されている。これらの研究はTiAl3金属間化合物はTiB2
粒子の表面に接着する傾向があることを示した。 高温で適用されるアルミニウム合金に関する研究が、AF
S会報86−143の、D.A.Granger達による“高温で適用さ
れるアルミニウム合金"777−778頁で説明されている。
伝統的には、高温で適用される鋳造合金は多量のCuある
いはNiを、例えば約8wt％Cuおよび5.5wt％Niまで、添加
することにより、製造された。このように形成される、
大量分画の金属間化合物は高温特性を改善すると、一般
に考えられている。しかしながら、添加できるこれらの
元素の量は、その添加量がある限界を越えると固化時に
大きな脆い金属間一次生成物を形成するので、制限され
ていた。添加できるMnの量は0.5wt％以下に制限され
た。 この発明の目的は、過共晶合金を改良し、固化中に起
きる傾向のある過共晶合金でできた金属マトリクス複合
材料中の強化粒子の偏析の問題を解決するための技術を
提供することである。更に、この発明の目的は改善され
た高温特性を有する新しい合金生成物を製造することで
ある。 発明の開示 本発明によれば、非金属耐火粒子は、溶融した過共晶
合金に添加されると、金属間化合物相を、その溶融合金
から、その固化中に、最初に固化する様にさせることに
より、固化中に包み込まれることが見い出されている。
このため、耐火粒子は、金属間化合物相が固化中に成長
するにつれ、その金属間化合物相により包み込まれるこ
とになる。金属間化合物は耐火粒子を包み込むので、耐
火粒子が樹枝状間領域に対し偏析する傾向はもはや無
く、粒子は、固化インゴット全体に一様に分布し続ける
ことになる。過共晶合金における共晶量を越える過剰の
合金元素の存在は、望まれる金属間化合物相を形成させ
る機能を有し、この金属間化合物相は冷却される合金が
過共晶合金であるならば冷却中に自動的に形成される。
発明を実行するための最良の様式 本発明の１つの実施例では、耐火粒子は金属間化合物
を析出させるためのリファイナー（refiner）として作
用する。非強化過共晶合金の使用は、固化時にしばしば
粗く、脆い金属間化合物粒子を形成するため、非常に限
られている。金属間化合物粒子は密度の違いにより、特
に固化速度が速くないときに、偏析する傾向がある。例
えば、A390合金などの、シリンダブロックに使用され
る、市販の過共晶Al−Si合金では、１次シリコンを良好
な摩耗特性に適した大きさに微細化するのに、以前は燐
酸添加あるいはフラックス処理が必要であった。しかし
ながら、１次シリコンを微細化する燐酸の効率は溶融物
の保持時間の増加に伴い減少し、鋳造の実行を複雑にす
る。他方、本発明によれば、炭化珪素粒子などの耐火粒
子を添加すると、これらの金属間化合物を凝集させ、微
細化することができ、その形態を変更することもでき、
このため、粗い金属間化合物の有害効果を減少させる。
これは高温で使用する予定の合金にとって、特に効果的
である。 アルミニウム合金製品を高温でも使用できるようにす
る要求がある。このような高温用合金は鋳造において、
あるいは鍛造および押出しなどの精錬製品として、適用
することができる。耐火粒子が金属間化合物を析出させ
るためのリファイナーとして作用する、本発明の合金複
合材料は超高温強度を有し、鋳造ブレーキロータなどの
用途に使用することができる。 別の実施例によれば、耐火粒子はまた、過共晶合金を
含む複合材料中の強化粒子として機能することもでき
る。このように、耐火粒子は過共晶合金を微細化するた
めだけでなく、それと共に複合材料を形成するためにも
使用することができる。粒子が合金を微細化するためだ
けに使用される場合、この粒子は典型的には非常に小さ
い大きさ、例えば１ミクロンより小さいサイズで使用さ
れる。他方、合金を強化するためにも使用されるとき
は、ずっと大きい大きさ、例えば20ミクロンまで、で使
用することができる。強化のためには、粒子は５−20ミ
クロン範囲の大きさで使用され、10−15ミクロンが好ま
しい。粒子が強化サイズで使用されると、金属間化合物
相による粒子の濡れ性および包み込みにより、冷却中の
樹枝状間領域への偏析の問題は避けられる。 過共晶合金はアルミニウム合金が好ましいが、マグネ
シウム合金などの他の材料も使用することができる。非
金属耐火材料は金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、
金属ケイ化物が好ましい。最も好ましい耐火材料は炭化
珪素あるいは酸化アルミニウム粒子である。 複合材料を製造する本発明の方法は、比較的同じ大き
さの、例えばどの方向においても5:1を越えないアスペ
クト比を有する、強化粒子を用いたときに最も良く作用
する。強化粒子は典型的には５−40容積％の量で添加さ
れ、10−25容量％が好ましい。本発明の好ましい特性に
よれば、炭化珪素強化粒子は、複合材料の固化中に形成
されるシリコン結晶により包み込まれることがわかって
いる。 この発明はまた、改良された高温特性を有する新しい
アルミニウム合金製品に関する。新しい製品の１つは、
固化中に形成される金属間化合物に濡れることにより非
金属耐火強化粒子が一様に分散されている、粒子強化ア
ルミニウム合金鋳造物である。別の新規製品は、合金に
含まれる非金属耐火材料の粒子の微細化効果により、固
化中に形成される金属間化合物が微細な粒子として一様
に分散される強化アルミニウム合金鋳造物である。 新規製品の合金は、珪素、マグネシウム、マンガン
を、珪素７−16wt％、マグネシウム0.3−2.0wt％、マン
ガン0.5−3.0wt％の量で含む過共晶アルミニウム合金で
ある。珪素は流動性を補助し、耐火粒子を安定化させ
る；珪素が７％未満であれば、炭化材料は不安定になり
安く、他方16％を越えると、粗い金属間化合物が形成さ
れ、複合材料は脆くなる。マグネシウムは濡れ性を改善
し、強度を与える；マグネシウムが0.3％未満では、濡
性が不十分であり、一方２％を越えると、収縮多孔性が
生じる。マンガンは一様な耐火粒子分布及び改善された
高温強度を与える金属間化合物を形成する；マンガンが
0.5％未満では、高温強度に何の改善も見られず、3.0％
を越えると鋳造温度が高くなりすぎる。 合金はまた、5.0wt％までの銅を含む。これにより、
昇温強度が改善され、5.0％を越える量では、鋳造流動
性が不十分となり、また、脆くなる。別の選択成分はニ
ッケルであり、これも5.0wt％まで存在することができ
る。ニッケルにおいても、昇温強度が改善されるが、5.
0％を越えると、粗い金属間化合物となり、脆くなる。 更に一般的な選択元素は鉄であり、1.0wt％まで存在
することができる。1.0wt％を越えると、耐火粒子では
微細化することのできない、粗い金属間化合物を形成す
る恐れがある。 合金はまた、粒子リファイナーとして、チタンを0.2w
t％まで含むことができ、0.1−0.2wt％が好ましい。 一連のアルミニウム合金及びそこから析出した、この
発明において有効な金属間化合物相を以下の表１に示
す： 表１ 合金 金属間化合物 Al−16wt％Si Si Al−12wt％Si−1.5wt％Fe FeSiAl5 Al− 7wt％Si−2wt％Fe Fe2SiAl8 Al−12wt％Si−1.5wt％Mn Mn3Si2Al15 Al−11wt％Si−5wt％Ni NiAl3 Al−10wt％Si−10wt％Mg Mg2Si Al−10wt％Si−2wt％Cr Cr5Si8Al2 Al−16wt％Si−0.3wt％Ti Ti（AlSi）２ Al−10wt％Si−0.5wt％Zr ZrAl3 高温で適用するための、特に興味深い合金は実質量の
Mnを含むものである。このような合金はMnを従来の高温
合金複合材料に、過共晶範囲に到達するまで、添加する
ことにより製造することができる。これが耐火粒子と共
に混合され、例えば金属間化合物を微細化しマトリクス
全体に一様にその粒子を分配する。 このように製造された新しい複合材料の例を下記の表
２に示す： 表２ 合金 Al−10wt％ Si−1.2wt％ Mn−0.4wt％ Mg−15vol％ SiC Al−10wt％ Si−1.2wt％ Mn−0.4wt％ Mg−5wt％ Ni−15vol％ SiC Al−10wt％ Si−1.2wt％ Mn−1.0wt％ Mg−5wt％ Ni−2.5wt％ Cu−15vol％ SiC 典型的な金属間化合物は、この発明の工程中に、少な
くとも２つの金属成分から形成された化合物であるが、
珪素は、耐火粒子を濡らしかつ包み込む能力において、
金属間化合物のような挙動をする。従って、この発明に
おいて使用される“金属間化合物”という用語には珪素
が含まれる。 比較例 アルミニウムマトリクス複合材料を、10−15μｍの範
囲の大きさを有する15容量％の炭化珪素粒子と、6.5か
ら7.5％のSiと0.3から0.45％のMgを含むA356アルミニウ
ム合金溶融物とを混合することにより製造する。これが
鋳造、固化されて図１に示される微細構造を有するイン
ゴットを形成する。強化粒子は固化界面を越えて押し出
され、インゴット全体に均一に分配されていないことが
わかるであろう。 実施例１ 15容量％の10−15μｍの範囲の大きさを有する炭化珪
素粒子と３つの異なるアルミニウム合金溶融物とを混合
することにより、３つのアルミニウムマトリクス複合物
を準備した。マトリクス合金は以下の構成とした： 合金A:Al−10wt％Si−1.2wt％Mn−0.4wt％Mg 合金B:Al−10wt％Si−1.2wt％Mn−0.4wt％Mg−5wt％Ni 合金C:Al−10wt％Si−1.2wt％Mn−1.01wt％Mg−5wt％Ni−2.5wt％Cu このように形成された複合材料は鋳造、固化され、直
径12.7mmの鋳造試験バー及び直径57mmのインゴットが形
成された。鋳造試験バーは250℃で100時間保持され、均
熱温度で引っ張り試験を行った。直径57mmのインゴット
は450℃で押し出し成形し、直径9.5mmのロッドとした。
試験バーはロッドから機械加工され、高温強度に関する
長時間の暴露の効果を試験するために、200から400℃の
間で、様々な時間保持された。結果は図12−15に示す。 高温複合合金は鋳造に、あるいは鍛造や押し出しなど
の精錬製品として、適用することができる。図12には、
250℃で100時間後の鋳造材料の強度保持が示されてお
り、これは鋳造ブレーキロータなどの適用に関連する。
図から、新しい合金複合材料は、現在使用されているA3
56−SiC複合材料に対し優れた高温強度を有しているこ
とがわかる。非精錬合金にSiC強化剤を添加すると、こ
れらの材料の高温性能を与えることも明らかである。 精錬製品では、通常鋳造材料では見られない、下部構
造及び粒子の大きさの結晶粒粗大化などの、付加的な軟
化メカニズムが作用する。図13−15は、250,300,400℃
での軟化の時間依存性を示している。３つの合金全てが
暴露の最初の10時間で急激な軟化を示すが、これを越え
ると、かなり安定する。この最初の軟化は通常の析出結
晶粒粗大化及び分割によるものであり、この後、合金は
優れた長期安定性を有する。押し出し結果を図12の鋳造
試験バーに対するこれらの結果とを比較してみると、押
し出し複合材料は幾分優れた強度を有する。 産業上の利用性 上記開示から、この発明が過共晶合金を改良するため
の技術を提供することは明らかである。この合金は従来
の技術により様々な工業製品の製造のために使用するこ
とができる。 ［図面の簡単な説明］
びこのような合金を含む金属マトリクス複合材料に関す
る。 背景技術 金属マトリクス複合材料は構造材料として次第に受け
入れられてきている。このような複合材料は典型的に
は、金属マトリクス内に埋め込まれたファイバ、グリッ
ト、パウダーなどの強化粒子を含む。マトリクスはファ
イバを保護し複合材料内の荷重を伝達する一方で、この
強化により、複合材料に強度、剛性および他の所望の特
性が付与される。２つの成分、マトリクスと強化剤はこ
のように協同して、どちらか一方だけで得られるもの以
上の改良された結果を達成する。典型的な複合材料は炭
化珪素あるいはアルミナの粒子で強化されたアルミニウ
ム合金である。 良質の金属マトリクス複合材料を製造する際の主な問
題は強化粒子の偏析である。粒子の偏析は固化中および
液体状態においても生じる。液体状態での偏析は適当な
液体の混合により克服することができる。しかしなが
ら、たとえ粒子が一様に液中に分配されたとしても、そ
の粒子はなお固化中に偏析する場合がある。金属マトリ
クス複合材料が固化工程にある時に、強化粒子は固化界
面を越えて退けられ、最後に固化する樹枝状間液中で凝
集する場合がある。例えば、アルミニウムマトリクス複
合材料においては、固体α−アルミニウム樹枝状結晶が
形成され、強化粒子は成長する樹枝状結晶から押し出さ
れ、最終的には、最後に固化する樹枝状間液に捕らえら
れる。したがって、強化粒子はアルミニウム樹枝状結晶
中では見いだされず、この意味では、アルミニウム樹枝
状結晶は強化粒子に対し“濡れ性”がないといえる。こ
の結果、鋳造材料中に強化粒子が全く不均一に分布され
る。 強化粒子が固化界面により押し出されるのかあるいは
包み込まれるのかは、主に、粒子と固体表面間の濡れ性
の程度に依存する。固体表面が粒子を濡らす場合、粒子
は固体表面に包み込まれる。この場合、固化材料中の粒
子分布は液状中に存在した時と同じくらい均一である。
他方、固体表面、例えばアルミニウム樹枝状結晶表面、
が粒子を濡らさない場合、粒子は押し出され、樹枝状間
偏析が起きる。共晶あるいは過共晶系などのある合金系
では、合金の溶融物から直接金属間化合物が析出するこ
とがある。これらの金属間化合物はしばしば荒く、脆い
粒子である傾向があり、これらの粒子は密度差により、
特に固化速度が遅い場合、偏析する傾向がある。 耐火粒子と金属間化合物表面の間の濡れ性の先行技術
には、いくつかの証拠がある。例えば、The Metallutgi
cal Society/AIME、ニューオーリンズ、1986年３月２−
６の185頁のP.K.Rohatgi著の“金属マトリクス複合材料
中の界面”では、過共晶Al−Ni合金の固化中のグラファ
イト粒子上での１次NiAl3の凝集の例を示している。ま
た、過共晶Al−Ni合金の固化中にグラファイトおよびア
ルミニウム粒子上で１次Siが凝集する傾向があることが
示されている。 粒子強化Al−Ti−Ｂ合金の固化研究が、1987年、９月
21−24日、U.K.、シェフィールドの金属協会、137頁の
K.Kuisalaasおよび、L.Backerudの固化工程1987で説明
されている。これらの研究はTiAl3金属間化合物はTiB2
粒子の表面に接着する傾向があることを示した。 高温で適用されるアルミニウム合金に関する研究が、AF
S会報86−143の、D.A.Granger達による“高温で適用さ
れるアルミニウム合金"777−778頁で説明されている。
伝統的には、高温で適用される鋳造合金は多量のCuある
いはNiを、例えば約8wt％Cuおよび5.5wt％Niまで、添加
することにより、製造された。このように形成される、
大量分画の金属間化合物は高温特性を改善すると、一般
に考えられている。しかしながら、添加できるこれらの
元素の量は、その添加量がある限界を越えると固化時に
大きな脆い金属間一次生成物を形成するので、制限され
ていた。添加できるMnの量は0.5wt％以下に制限され
た。 この発明の目的は、過共晶合金を改良し、固化中に起
きる傾向のある過共晶合金でできた金属マトリクス複合
材料中の強化粒子の偏析の問題を解決するための技術を
提供することである。更に、この発明の目的は改善され
た高温特性を有する新しい合金生成物を製造することで
ある。 発明の開示 本発明によれば、非金属耐火粒子は、溶融した過共晶
合金に添加されると、金属間化合物相を、その溶融合金
から、その固化中に、最初に固化する様にさせることに
より、固化中に包み込まれることが見い出されている。
このため、耐火粒子は、金属間化合物相が固化中に成長
するにつれ、その金属間化合物相により包み込まれるこ
とになる。金属間化合物は耐火粒子を包み込むので、耐
火粒子が樹枝状間領域に対し偏析する傾向はもはや無
く、粒子は、固化インゴット全体に一様に分布し続ける
ことになる。過共晶合金における共晶量を越える過剰の
合金元素の存在は、望まれる金属間化合物相を形成させ
る機能を有し、この金属間化合物相は冷却される合金が
過共晶合金であるならば冷却中に自動的に形成される。
発明を実行するための最良の様式 本発明の１つの実施例では、耐火粒子は金属間化合物
を析出させるためのリファイナー（refiner）として作
用する。非強化過共晶合金の使用は、固化時にしばしば
粗く、脆い金属間化合物粒子を形成するため、非常に限
られている。金属間化合物粒子は密度の違いにより、特
に固化速度が速くないときに、偏析する傾向がある。例
えば、A390合金などの、シリンダブロックに使用され
る、市販の過共晶Al−Si合金では、１次シリコンを良好
な摩耗特性に適した大きさに微細化するのに、以前は燐
酸添加あるいはフラックス処理が必要であった。しかし
ながら、１次シリコンを微細化する燐酸の効率は溶融物
の保持時間の増加に伴い減少し、鋳造の実行を複雑にす
る。他方、本発明によれば、炭化珪素粒子などの耐火粒
子を添加すると、これらの金属間化合物を凝集させ、微
細化することができ、その形態を変更することもでき、
このため、粗い金属間化合物の有害効果を減少させる。
これは高温で使用する予定の合金にとって、特に効果的
である。 アルミニウム合金製品を高温でも使用できるようにす
る要求がある。このような高温用合金は鋳造において、
あるいは鍛造および押出しなどの精錬製品として、適用
することができる。耐火粒子が金属間化合物を析出させ
るためのリファイナーとして作用する、本発明の合金複
合材料は超高温強度を有し、鋳造ブレーキロータなどの
用途に使用することができる。 別の実施例によれば、耐火粒子はまた、過共晶合金を
含む複合材料中の強化粒子として機能することもでき
る。このように、耐火粒子は過共晶合金を微細化するた
めだけでなく、それと共に複合材料を形成するためにも
使用することができる。粒子が合金を微細化するためだ
けに使用される場合、この粒子は典型的には非常に小さ
い大きさ、例えば１ミクロンより小さいサイズで使用さ
れる。他方、合金を強化するためにも使用されるとき
は、ずっと大きい大きさ、例えば20ミクロンまで、で使
用することができる。強化のためには、粒子は５−20ミ
クロン範囲の大きさで使用され、10−15ミクロンが好ま
しい。粒子が強化サイズで使用されると、金属間化合物
相による粒子の濡れ性および包み込みにより、冷却中の
樹枝状間領域への偏析の問題は避けられる。 過共晶合金はアルミニウム合金が好ましいが、マグネ
シウム合金などの他の材料も使用することができる。非
金属耐火材料は金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、
金属ケイ化物が好ましい。最も好ましい耐火材料は炭化
珪素あるいは酸化アルミニウム粒子である。 複合材料を製造する本発明の方法は、比較的同じ大き
さの、例えばどの方向においても5:1を越えないアスペ
クト比を有する、強化粒子を用いたときに最も良く作用
する。強化粒子は典型的には５−40容積％の量で添加さ
れ、10−25容量％が好ましい。本発明の好ましい特性に
よれば、炭化珪素強化粒子は、複合材料の固化中に形成
されるシリコン結晶により包み込まれることがわかって
いる。 この発明はまた、改良された高温特性を有する新しい
アルミニウム合金製品に関する。新しい製品の１つは、
固化中に形成される金属間化合物に濡れることにより非
金属耐火強化粒子が一様に分散されている、粒子強化ア
ルミニウム合金鋳造物である。別の新規製品は、合金に
含まれる非金属耐火材料の粒子の微細化効果により、固
化中に形成される金属間化合物が微細な粒子として一様
に分散される強化アルミニウム合金鋳造物である。 新規製品の合金は、珪素、マグネシウム、マンガン
を、珪素７−16wt％、マグネシウム0.3−2.0wt％、マン
ガン0.5−3.0wt％の量で含む過共晶アルミニウム合金で
ある。珪素は流動性を補助し、耐火粒子を安定化させ
る；珪素が７％未満であれば、炭化材料は不安定になり
安く、他方16％を越えると、粗い金属間化合物が形成さ
れ、複合材料は脆くなる。マグネシウムは濡れ性を改善
し、強度を与える；マグネシウムが0.3％未満では、濡
性が不十分であり、一方２％を越えると、収縮多孔性が
生じる。マンガンは一様な耐火粒子分布及び改善された
高温強度を与える金属間化合物を形成する；マンガンが
0.5％未満では、高温強度に何の改善も見られず、3.0％
を越えると鋳造温度が高くなりすぎる。 合金はまた、5.0wt％までの銅を含む。これにより、
昇温強度が改善され、5.0％を越える量では、鋳造流動
性が不十分となり、また、脆くなる。別の選択成分はニ
ッケルであり、これも5.0wt％まで存在することができ
る。ニッケルにおいても、昇温強度が改善されるが、5.
0％を越えると、粗い金属間化合物となり、脆くなる。 更に一般的な選択元素は鉄であり、1.0wt％まで存在
することができる。1.0wt％を越えると、耐火粒子では
微細化することのできない、粗い金属間化合物を形成す
る恐れがある。 合金はまた、粒子リファイナーとして、チタンを0.2w
t％まで含むことができ、0.1−0.2wt％が好ましい。 一連のアルミニウム合金及びそこから析出した、この
発明において有効な金属間化合物相を以下の表１に示
す： 表１ 合金 金属間化合物 Al−16wt％Si Si Al−12wt％Si−1.5wt％Fe FeSiAl5 Al− 7wt％Si−2wt％Fe Fe2SiAl8 Al−12wt％Si−1.5wt％Mn Mn3Si2Al15 Al−11wt％Si−5wt％Ni NiAl3 Al−10wt％Si−10wt％Mg Mg2Si Al−10wt％Si−2wt％Cr Cr5Si8Al2 Al−16wt％Si−0.3wt％Ti Ti（AlSi）２ Al−10wt％Si−0.5wt％Zr ZrAl3 高温で適用するための、特に興味深い合金は実質量の
Mnを含むものである。このような合金はMnを従来の高温
合金複合材料に、過共晶範囲に到達するまで、添加する
ことにより製造することができる。これが耐火粒子と共
に混合され、例えば金属間化合物を微細化しマトリクス
全体に一様にその粒子を分配する。 このように製造された新しい複合材料の例を下記の表
２に示す： 表２ 合金 Al−10wt％ Si−1.2wt％ Mn−0.4wt％ Mg−15vol％ SiC Al−10wt％ Si−1.2wt％ Mn−0.4wt％ Mg−5wt％ Ni−15vol％ SiC Al−10wt％ Si−1.2wt％ Mn−1.0wt％ Mg−5wt％ Ni−2.5wt％ Cu−15vol％ SiC 典型的な金属間化合物は、この発明の工程中に、少な
くとも２つの金属成分から形成された化合物であるが、
珪素は、耐火粒子を濡らしかつ包み込む能力において、
金属間化合物のような挙動をする。従って、この発明に
おいて使用される“金属間化合物”という用語には珪素
が含まれる。 比較例 アルミニウムマトリクス複合材料を、10−15μｍの範
囲の大きさを有する15容量％の炭化珪素粒子と、6.5か
ら7.5％のSiと0.3から0.45％のMgを含むA356アルミニウ
ム合金溶融物とを混合することにより製造する。これが
鋳造、固化されて図１に示される微細構造を有するイン
ゴットを形成する。強化粒子は固化界面を越えて押し出
され、インゴット全体に均一に分配されていないことが
わかるであろう。 実施例１ 15容量％の10−15μｍの範囲の大きさを有する炭化珪
素粒子と３つの異なるアルミニウム合金溶融物とを混合
することにより、３つのアルミニウムマトリクス複合物
を準備した。マトリクス合金は以下の構成とした： 合金A:Al−10wt％Si−1.2wt％Mn−0.4wt％Mg 合金B:Al−10wt％Si−1.2wt％Mn−0.4wt％Mg−5wt％Ni 合金C:Al−10wt％Si−1.2wt％Mn−1.01wt％Mg−5wt％Ni−2.5wt％Cu このように形成された複合材料は鋳造、固化され、直
径12.7mmの鋳造試験バー及び直径57mmのインゴットが形
成された。鋳造試験バーは250℃で100時間保持され、均
熱温度で引っ張り試験を行った。直径57mmのインゴット
は450℃で押し出し成形し、直径9.5mmのロッドとした。
試験バーはロッドから機械加工され、高温強度に関する
長時間の暴露の効果を試験するために、200から400℃の
間で、様々な時間保持された。結果は図12−15に示す。 高温複合合金は鋳造に、あるいは鍛造や押し出しなど
の精錬製品として、適用することができる。図12には、
250℃で100時間後の鋳造材料の強度保持が示されてお
り、これは鋳造ブレーキロータなどの適用に関連する。
図から、新しい合金複合材料は、現在使用されているA3
56−SiC複合材料に対し優れた高温強度を有しているこ
とがわかる。非精錬合金にSiC強化剤を添加すると、こ
れらの材料の高温性能を与えることも明らかである。 精錬製品では、通常鋳造材料では見られない、下部構
造及び粒子の大きさの結晶粒粗大化などの、付加的な軟
化メカニズムが作用する。図13−15は、250,300,400℃
での軟化の時間依存性を示している。３つの合金全てが
暴露の最初の10時間で急激な軟化を示すが、これを越え
ると、かなり安定する。この最初の軟化は通常の析出結
晶粒粗大化及び分割によるものであり、この後、合金は
優れた長期安定性を有する。押し出し結果を図12の鋳造
試験バーに対するこれらの結果とを比較してみると、押
し出し複合材料は幾分優れた強度を有する。 産業上の利用性 上記開示から、この発明が過共晶合金を改良するため
の技術を提供することは明らかである。この合金は従来
の技術により様々な工業製品の製造のために使用するこ
とができる。 ［図面の簡単な説明］
【図１】耐火粒子を含むＡ−356合金鋳造物の顕微鏡写
真である。
真である。
【図２】本発明にかかる耐火粒子を有する過共晶鋳造物
の顕微鏡写真である。
の顕微鏡写真である。
【図３】本発明にかかる耐火粒子を有する過共晶鋳造物
の顕微鏡写真である。
の顕微鏡写真である。
【図４】本発明にかかる耐火粒子を有する過共晶鋳造物
の顕微鏡写真である。
の顕微鏡写真である。
【図５】本発明にかかる耐火粒子を有する過共晶鋳造物
の顕微鏡写真である。
の顕微鏡写真である。
【図６】本発明にかかる耐火粒子を有する過共晶鋳造物
の顕微鏡写真である。
の顕微鏡写真である。
【図７】本発明にかかる耐火粒子を有する過共晶鋳造物
の顕微鏡写真である。
の顕微鏡写真である。
【図８】耐火粒子を含まない過共晶合金鋳造物の顕微鏡
写真である。
写真である。
【図９】耐火粒子を含む過共晶合金鋳造物の顕微鏡写真
である。
である。
【図１０】耐火粒子を含まない別の過共晶合金鋳造物の
顕微鏡写真である。
顕微鏡写真である。
【図１１】耐火粒子を含む図10の合金の鋳造物の顕微鏡
写真である。
写真である。
【図１２】この発明の異なるマトリクス合金及び複合材
料の降伏強度を示す棒グラフである。
料の降伏強度を示す棒グラフである。
【図１３】この発明の３つの異なる鋳造複合材料に対す
る均熱時間の関数としての応力のプロットである。
る均熱時間の関数としての応力のプロットである。
【図１４】この発明の３つの異なる鋳造複合材料に対す
る均熱時間の関数としての応力のプロットである。
る均熱時間の関数としての応力のプロットである。
【図１５】この発明の３つの異なる鋳造複合材料に対す
る均熱時間の関数としての応力のプロットである。
る均熱時間の関数としての応力のプロットである。
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・ブー
ルバード696番
(56)参考文献 特開 平１−96341（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−208039（ＪＰ，Ａ)
特開 昭56−116851（ＪＰ，Ａ)
特開 昭51−139512（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−111538（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C22C 1/10
C22C 21/00
C22C 21/02
C22C 32/00
Claims (17)
- 【請求項１】重量％で、７−16％の珪素、0.3−2.0％の
マグネシウム、0.5−3.0％のマンガン、5.0％以下の
銅、5.0％以下のニッケル、1.0％以下の鉄、0.2％以下
のチタン、残部がアルミニウム及び不可避の不純物から
成るアルミニウム合金を溶融する工程と、 上記溶融金属マトリクスに非金属耐火材料からなる粒子
を添加する工程と、 上記溶融アルミニウム合金と耐火材料粒子とを混合する
工程と、 上記工程により得られた混合物を鋳造する工程とを含む
アルミニウム合金の製造方法において、 上記アルミニウム合金が過共晶アルミニウム合金であっ
て、過共晶溶融アルミニウム合金の過剰の合金元素がそ
の凝固中に上記溶融金属マトリクスから最初に凝固して
金属間化合物を形成し、該金属間化合物が上記耐火粒子
を包み込み、凝固生成物全体に均一に分配させることを
特徴とするアルミニウム合金と非金属耐火材料との複合
材料の製造方法。 - 【請求項２】上記耐火粒子が、金属酸化物、金属窒化
物、金属炭化物、金属ケイ化物からなるグループから選
択されることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】上記耐火粒子が炭化珪素を含むことを特徴
とする請求項２記載の方法。 - 【請求項４】上記形成された金属間化合物がSi、FeSiAl
5、Fe2SiAl8、Mn3Si2Al15、NiAl3、Mg2Siからなるグル
ープから選択されることを特徴とする請求項１記載の方
法。 - 【請求項５】上記耐火粒子が強化粒子であって、20ミク
ロンまでの大きさを有することを特徴とする請求項２記
載の方法。 - 【請求項６】上記耐火粒子が強化粒子であって、10−15
ミクロンの大きさを有することを特徴とする請求項５記
載の方法。 - 【請求項７】上記耐火粒子が１ミクロン以下の大きさを
有することを特徴とする請求項２記載の方法。 - 【請求項８】上記耐火粒子が金属間化合物を核化させ、
微細化することを特徴とする請求項７記載の方法。 - 【請求項９】非金属耐火材料粒子が全体に分配され、重
量％で、７−16％の珪素、0.3−2.0％のマグネシウム及
び0.5−3.0％のマンガン、5.0％以下の銅、5.0％以下の
ニッケル、1.0％以下の鉄、0.2％以下のチタン、残部が
アルミニウム及び不可避の不純物から成るアルミニウム
合金マトリクスを含むアルミニウム合金鋳造物におい
て、 上記アルミニウム合金は過共晶合金であり、その過共晶
合金の過剰合金元素が上記耐火強化粒子を包み込み、凝
固生成物の全体に均一に分配させる金属間化合物を凝固
中に形成されることを特徴とするアルミニウム合金鋳造
物。 - 【請求項１０】上記耐火粒子が、金属酸化物、金属窒化
物、金属炭化物、金属ケイ化物からなるグループから選
択されることを特徴とする請求項９記載の鋳造物。 - 【請求項１１】上記耐火粒子が炭化珪素を含むことを特
徴とする請求項９記載の鋳造物。 - 【請求項１２】上記耐火粒子が20μｍまでの大きさを有
することを特徴とする請求項10記載の鋳造物。 - 【請求項１３】上記耐火粒子が10−15μｍの範囲の大き
さを有することを特徴とする請求項12記載の鋳造物。 - 【請求項１４】上記粒子がどの方向においても5:1以下
のアスペクト比を有することを特徴とする請求項９ない
し13のいずれかに記載の鋳造物。 - 【請求項１５】上記粒子が５−40容量％の量で存在して
いることを特徴とする請求項９−14のいずれかに記載の
鋳造物。 - 【請求項１６】上記耐火粒子を包み込む金属間化合物が
Si、FeSiAl5、Fe2SiAl8、Mn3Si2Al15、NiAl3、Mg2Siか
らなるグループから選択されることを特徴とする請求項
９−15のいずれかに記載の鋳造物。 - 【請求項１７】チタンが合金中に0.1−0.2％の量で存在
していることを特徴とする請求項９ないし16のいずれか
に記載の鋳造物。
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