JPH01215935A - 障壁を使用する金属マトリックス複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 背景技術 本発明は一般に一定形状の金属マトリックス複合材料を
製造する方法に係る。より詳細には本発明はセラミック
充填材からなる浸透性環体に溶融アルミニウム合金を溶
浸させ、最終形状の製品を製造するために溶融アルミニ
ウム合金を障壁装置に接触させて面、輪郭、境界等を郭
定せしめることによって一定形状の金属マトリックス複
合材料を製造する方法に係る。

従来技術 金属マトリックスと増強層又は強化層例えばセラミック
粒状物、ウィスカ、繊維′：９を含む複合材料製品は様
々な利用が可能であることが示されている。というのは
複合材料製品では強化層による強度及び硬さと金属マト
リックスによる延性及び剛性が組合されるからである。

一般に金属マトリックス複合材料は強度、剛性、耐接触
厚比性及び高温度に於ける強度持続性のような性質かマ
トリックスの金属に比べて良好な値を示す、しかしなが
らその特性か改善される程度は特定の成分、それら成分
の体積又は重量割合及び複合材料が生成されるときの製
造条件に大きく依存する。ある種の複合材料の重量はマ
トリックス金属より軽いことがある。例えば、粒状、小
板状又はウィスカ状の炭化ケイ素の如きセラミックスで
強化されたアルミニウムマトリックス複合材料は、剛性
、耐摩耗性及び高温に於ける強度かアルミニウムに比べ
て高いため極めて興味ある物質である。

アルミニウムマトリックス複合月料の製造に関して様々
な冶金学的方法か報告されてきた、例えば粉末冶金技術
に基く方法から加圧鋳造を使用するが如き液状金属溶浸
を含む方法等であり且金属のセラシック体への溶浸を効
果的になすために真空又は湿潤祠を使用すること等であ
る。セラミック充填材物質からなる浸透性環体に溶融金
属を自発的に溶浸させることによって金属マトリックス
複合材料を製造する方法は、発明の名称か「金属マトリ
ックス複合材料」であり発明者がアガジャニアン他であ
り１９８７年５月１３日に米国に出願され本出願の出願
人と同一人に譲渡された米国時５′１第０４．９１７１
号に開示されている。かかる発明の方法によると、金属
マトリックス複合材料はセラミック充填材又はセラミッ
ク被膜充填材からなる浸透性環体に少なくとも約１重量
％のマグネシウム好ましくは少な（とも約３重量％のマ
クネシウムを含む溶融アルミニウムを溶浸させることに
よって製造される。溶浸は外部圧力又は高い真空度を必
要とすることなく自発的に行われる。

供給された溶融金属合金の充填利物質からなる椀体に対
する接触は、少なくとも約７００℃の温度にて約１０〜
１００体積％、好ましくは少なくとも約５０体積％の窒
素と残部として非酸化性ガス例えばアルゴンからなるガ
スの存在下でなされる。

かかる条件下で、溶融アルミニウム合金は通常の大気圧
下でセラミック椀体に溶浸しそれによってアルミニウム
マトリックス複合伺科か形成される。

所定量のセラミック物質が溶融合金によって溶浸される
と、かかる合金を固化するために温度か下げられ、それ
によって強化材セラミック物質を埋込む一体的な金属マ
トリックス構造体が形成される。通常好ましくは供給さ
れる溶融合金量は溶浸がセラミック椀体の境界部分まで
実質的に進行することが許されるのに十分な量である。

かかる本願出願人と同一人に譲渡された上記出願の内容
は以下に参照によって組込まれる。

最終形状又は最終形状に近い形状の金属マトリックス複
合材料を製造するための従来技術の方法に於て及び上記
の米国特許出願に記載された方法に於て使われる元素は
、金属マトリックスの溶浸又は移動がセラミック充填材
からなる浸透性塊体又はプリフォームの郭定された境界
面を越えることを最小化し又は防止するために働く。境
界面を越える溶とは金属マトリックスが所定の郭定され
た境界面に溶浸することを制御することによって実質的
に防止することができる、即ちそれは予め決められた一
定量の金属を使用すること、窒素含何ガス雰囲気を排出
すること、又は温度を金属の融点以下に下げることによ
って達成される。これらの方法によって金属マトリック
スがセラミック充填材の椀体又はプリフォームの郭定境
界面を越えて移動するのを実質的に阻１トするには精密
な制御又は注意が必要であり、かかる制御又は注意がさ
れたとしても極めて好ましい最終形状又は最終形状に近
い形状の製品を生成することはできす或いは機械加工又
は仕上加工か付加的に必要となることがある。

本発明によると大気圧下で金属マトリックス複合材料を
製造し、更に金属マトリックス複合材料を最終形状の製
品に仕上げるために好ましい境界面を確実に郭定し又は
溶浸する金属マトリックスの境界を越えた移動又は溶浸
か実質的に防止される方法か提供される。

発明の概要 本発明には、溶融アルミニウム合金をセラミック充填材
物質からなり障壁装置によって確定され又は郭定される
少なくとも一つの境界面を有する浸透性塊体に溶浸させ
ることによって金属マトリックス複合材料を製造するこ
とが含まれる。溶融アルミニウム合金は少なくとも約１
重量％のマグネシウム、好ましくは少なくとも約３重量
％のマグネシウムか含まれる。溶浸は外部圧力又は高真
空の必要性なしに自発的に行われる。溶融金属合金の成
る領域は、少なくとも約７００℃の温度で且約１０〜１
００体積％、好ましくは少なくとも約５０体積％の窒素
と残部として非酸化性ガス例えばアルゴンを含むガスの
存在−ドで、セラミック充填材物質からなる浸透性塊体
に接触される。浸透性塊体はかかる障壁装置か、前記接
触領域から少なくとも部分的に１〜“・、４置されるよ
うに前記溶融金属合金に接触される。

かかる製造条件下では溶融アルミニウム合金は通常の大
気圧下で障壁装置に接触するまで浸透性セラミック環体
を自発的に溶浸する。境界面を越える移動又は溶浸は、
溶融合金か障壁装置に接触するに至ったときに実質的に
終了する。溶融合金がセラミック物質を溶浸し障壁装置
に到達すると、合金を固化するために温度か下げられそ
れによって強化相セラミック物質の境界面まで埋込まれ
た一体的な金属マトリックス構造体が形成される。

本発明の方法によって製造されるアルミニウムマトリッ
クス複合材料内のセラミックス充填材の量は極めて高い
ことがある。セラミック充填材の合金に対する比は１対
１より大きくなることがある。

本発明の実施例ではセラミック充填）ＦＡ物質からなる
浸透性塊体は少なくとも一つの郭定された境界面を有す
るように形成される。障壁装置として例えばフレキシブ
ルなグラファイト製シート又は粒状ニホウ化チタンが、
かかる郭定された境界面上に配置される。溶融合金がセ
ラミック充填材からなる浸透性塊体又はプリフォームに
供給されるか、かかる供給は合金体を浸透性塊体に隣接
して又は接触させて配置させることによってなされ、そ
れによって溶融アルミニウム合金の溶浸か前記障壁装置
方向に向かって起きる。合金及び浸透性セラミック環体
は窒素含有ガスの存在下で合金の融点以上の温度にまで
加熱され、それによってかかる温度にある溶融合金はか
かる障壁装置に到達するまで接触している又は囲んでい
るセラミック層に自発的に溶浸する。かかる障壁装置に
よって浸透性セラミック環体の郭定された境界面を越え
た溶浸が防止される。溶融合金がほぼ完全にかかる郭定
された境界面に至るまでセラミック椀体を溶浸すると、
溶浸されたセラミック構造体は合金の融点以下の温度ま
で冷却され、それによってセラミック椀体をかかる郭定
された境界面まて埋込んでおり、しかも固化されたアル
ミニウム合金か前記郭定された境界面を越えて滲み出て
いることのない、アルミニウム合金からなる一体的なマ
トリックスが製造される。

本発明によって製造されたアルミニウムマトリックス複
合材料は典型的には元のセラミック充填＋４の形態又は
形状を有しており、障壁装置によってアルミニウムマト
リックスが境界面を越えて形成されるのか防止され又は
終丁され、それによって最終形状又は最終形状に近い形
状のセラミック体が形成される。かかるアルミニウムマ
トリックス複合材料はまたアルミニウムマトリックス内
に窒化アルミニウムを不連続相として含む。アルミニウ
ムマトリックス内の窒化物の量は、温度の設定、合金組
成、ガス組成及びセラミック充填材の如き要因によって
変化することかある。分散した窒化アルミニウムの量は
例えば温度のような装置の１又は２以上の要因を制御す
ることによって変化することがあり、それによって例え
ば複合材料の成る種の特性を仕立てることか可能となる
。

ここで使われている用語「残部として非酸化性ガス」は
単体窒素以外のガスであって製造条件下で実質的にアル
ミニウムと反応しない不活性ガス又は還元性ガスの何れ
かであることを意味する。

使用ガス内に不純物として酸化性ガス（窒素以外）か存
在してよいか、その是は金属を実質的に酸化させるため
には不十分な量である。

「セラミック」、「セラミック物質」、「セラミック充
填材」又は「セラミック充填利物質」という語は、アル
ミナ繊維又は炭化ケイ素繊維の如きセラミック充填率Ａ
と、溶融金属による攻撃から炭素を保獲するためにアル
ミナ又は炭化ケイ素で被膜された炭素繊維の如きセラミ
ック被膜充填材物質とが含まれることか意図されている
ことか理解されよう。更にこの製法で使われるアルミニ
ウムはマグネシウムと合金を生成するということ以外に
、実質的に純粋な又は商業的に純粋なアルミニウムであ
ってよく、或いは他の成分例えば鉄、ケイ素、銅、マン
ガン、クロム等との合金てあってよい。

最良の実施例の説明 本発明の方法によると、セラミック充填材物質例えばセ
ラミック粒状物、ウィスカ又は繊維からなる浸透性塊体
が、少なくとも一つの郭定された境界面を何し且かかる
境界面の少なくとも一部分か障壁装置を有し或いは障壁
装置によって囲まれ又は重なり合っているように形成さ
れる。「充填材」という語はプリフォーム又は最終的に
結合して一体的な複合材料になるべきプリフォームの組
立体か含まれる。かかるセラミック充填材はアルミニウ
ムーマグネシウム合金の表面に隣接して且接触して配置
され、それによって障壁装置を有し又は障壁装置によっ
て囲まれ或いは重ね合っている郭定された境界面の少な
くとも一部分は一般にセラミック充填材と接触している
かかるアルミニウム−マグネシウム合金の面から隔置さ
れて或いは外方に配置され、それによって溶融アルミニ
ウムーマグネシウム合金の溶浸かセラミック充填材の内
部り向に目障壁装置を有する境界面方向に生−］３− 起する。セラミック充填利物質からなる浸透性塊体は゛
組立体の一部を形成し、炉内で窒素含有ガスの存在ドで
アルミニウムーマグネシウム合金の融点温度まで加熱さ
れると、アルミニウム合金は溶融し溶融したアルミニウ
ム合金は自発的に且急速に浸透性セラミック環体に溶浸
する。自発的な溶浸は金属マトリックスが障壁装置を有
し或いは障壁装置によって囲まれ又は重なり合っている
郭定された境界面に接触するまで継続する。典型的には
セラミック充填材物質の境界と金属マトリックスの境界
は実質的に一致する、しかしながらセラミック充填利物
質の表面に於ける個々の成分は金属マトリックスから露
出し或いははみ出ることがあり、従って溶浸及び埋込み
はセラミック充填４Ａ物質が金属マトリックスによって
完全に取囲まれ又はカプセル化されることによっては完
結しないことがある。障壁装置によって障壁装置と接触
する溶融アルミニウム合金の移動又は運動が停止され、
阻止され又は終丁させられる、従って実質的に溶融アル
ミニウム合金の移動又は「過溶浸」が郭定された境界面
を越えて起きることはない。金属マトリックス複合材料
かとの程度形成されるかは製造条件によって異なること
があるか、以下で詳細に説明されよう。溶融アルミニウ
ム合金か実質的に障壁装置に至るまでセラミック充填材
物質からなる浸透性塊体に溶浸すると、かかる組立体は
例えば炉から取出されてアルミニウム合金の融点以下の
温度まで冷却することか許され、それによって溶融アル
ミニウム合金は浸透性セラミック塊体内で固化する。生
成された金属マートリックス複合制料製品には、アルミ
ニウム合金マトリックスによってその境界面まで溶浸さ
れ又は埋込まれたセラミック物質の環体か含まれる。か
くして本発明による障壁装置によって十分に郭定された
最終形状の又は最終形状に近い形状の金属マトリックス
複合材料か確実に製造される。本発明の障壁装置は、溶
融アルミニウム合金かセラミック充填材物質の郭定され
た境界面を越えて移動し、運動等することを妨害し、禁
１１−シ、防＋１−．　Ｌ、又は終了させることかでき
る限り如何なる適すな装置てあってもよい。かかる障壁
装置は、本発明の製造条件下で一定の一体性を維持し、
揮発性を有さず口好ましくは窒素含有ガスに対して浸透
性を有し、同時にセラミック充填材の郭定された境界面
を越えた溶浸又は他の如何なる運動をも局部的に禁止し
、停止させ、妨害し、防止する等をすることができる限
り、如何なる物質、化合物、単体、組成物等であってよ
い。

適切な障壁装置には、使用条件下で移動する溶融アルミ
ニウム合金に対して実質的に非濡れ性である物質が含ま
れる。この種の障壁装置は溶融アルミニウム合金に対し
て実質的に殆ど又は全く親和性を示さないように見え、
従ってセラミック充填材物質の郭定された境界面を越え
た運動は障壁装置によって阻止され又は禁止される。か
かる障壁装置によって金属マトリックスセラミツク複合
材料製品に必要な最終の仕上加工又は研削加工が減小さ
れる。上で記述されたように、障壁装置は好ましくは浸
透性を有し又は多孔質性であり又は穿孔によって浸透性
が付与されるべきであり、それによって窒素含台ガスか
溶融アルミニウム合金と接触することが許される。

本発明でとりわけ有用な障壁祠は炭素含有物質であり、
特にグラファイトとして知られる結晶性の炭素同素体が
使われる。グラファイトは基本的には移動する溶融アル
ミニウム合金に対して非濡れ性である。とりわけ好まし
いグラファイトは、ユニオンカーバイト社の米国登録商
標グラフオイル（Ｇｒａｌ’ｏｉｌ　）として販売され
ているグラファイトテープである。このグラファイトテ
ープは、液状シール特性を示し、溶融アルミニウム合金
かセラミック充填材物質の境界面を越えて移動するのを
阻止する。かかるグラファイトテープはまた耐熱性であ
り昇化学的に不活性である。かかるグラフオイルのグラ
ファイト祠はフレキシブルであり、両立性があり、順応
性及び弾性を示す。従ってかかる物質は障壁装置に使用
するのに適するように様々な形状に作られることかでき
る。グラファイト製障壁装置はスラリー又はペーストと
して使用され、或いはセラミック充填材物質の周り又は
境界面上の塗膜として使われてよい。グラフオイルはフ
レキシブルなグラファイトシートの形状をしているため
とりわけ好ましい。かがる紙のような形状のグラファイ
トは使用するとき炉内で加熱する前にアルミニウム合金
／セラミック充填材物質の組立体層りに単に形成される
。かかる組立体かアルミニウム合金の融点まで加熱され
ると、セラミック充填材物質内に溶浸か自発的に起きる
が、かかる溶浸がフレキシブルなグラファイトシートに
達すると停止する。

他の好ましい障壁材は遷移金属ホウ化物例えばニホウ化
チタン（Ｔ　ｉ　Ｂ２）である、というのはかかる物質
は一般に製造条件下で溶融金属合金に対して非濡れ性で
あるからである。この種の形式の障壁祠を使用する場合
には製造温度は約８７５°Ｃを越えるべきでない、とい
うのはかがる温度以上では障壁祠物質は有効性かより小
さくなり、事実、より高い温度では障壁装置内への溶浸
が起きることがある。遷移金属のホウ化物は典型的には
粒状である（１〜３０　ｌｔ　ｍ　）。障壁祠物質は合
金／セラミック充填材の組立体に対する周囲床として使
われるが、好ましくはプリフォームとして予め一定形状
に形成されたセラミック充填材物質か°らなる浸透性塊
体の境界面に対してスラリー又はペーストとして適用さ
れてよい。

他の有用な障壁祠には低揮発性の有機化合物か含まれ、
かかる有機化合物はセラミック充填材物質又はプリフォ
ーム上にフィルム又は層として適用される。かかる有機
化合物は窒素ガス内で、特に本発明の製造条件下で燃焼
されると分解し炭素の煤の膜が残る。かかる有機化合物
は通常の方法例えば塗布、噴霧、浸漬等の手段によって
適用されてよい。

更に微粉化された粒状物質もまた、かかる粒状物質に対
する溶浸かセラミック充填材物質に対する溶浸よりも遅
い速度で起きる限り、障壁として機能することかできる
。

金属マトリックス複合材料の形成に於て溶融合金が境界
面を越えて溶浸し、移動し或いは過溶浸することを最少
化し又は実質的に阻止するために、障壁装置は合金／セ
ラミック充填材に対する周囲の床を構成してよいが、る
つは内ではセラミック充填材の床又はプリフォームの侵
透性椀体の境界面上に配置され又はそれと近接した位置
に置かれてよい。かかる障壁装置は適切な方法によって
例えばかかる障壁装置によって境界面を層状化すること
によって構成されてよい。かかる障壁装置の層は、塗布
、浸漬、シルクスクリーン、蒸発等によって又は液状、
スラリー状又はペースト状の障壁装置を適用することに
よって構成され、或いは揮発性の障壁装置をスパッタリ
ングすることによって又は一体的な粒状障壁装置の層を
弔に配置することによって、又は一体的な薄いシート又
はフィルム状の障壁装置を境界面上に適用することによ
って形成される。障壁装置を一定の位置に配置すること
によって、自発的に起きる溶浸は境界面に到達し且障壁
装置と接触すると実質的に終了する。

本発明で使用される製造条件下では、セラミック椀体は
十分な浸透性を有しており、従ってガス−２０＝ 状の窒素かかかる椀体を浸透し溶融金属に接触すること
が許され、それによって窒素か浸透したセラミック充填
材は溶融アルミニウム合金によって自発的に溶浸されそ
れによってアルミニウムマトリックス複合材料が形成さ
れる。どの程度自発的な溶浸が起き且金属マトリックス
か生成されるかは所定の製造条件即ちアルミニウム合金
中のマグネシウムの含有量、（＝１加される合金元素の
存在、充填材物質の大きさ、表面状態及び形式、ガス中
の窒；Ａａ度、時間、及び温度によって変化する。

溶融アルミニウムが自発的に溶浸するためには、アルミ
ニウムはアルミニウム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％のマグネシウムとの合金
であることが好ましい。かかる合金には−又はそれ以上
の補助的な合金元素例えばケイ素、亜鉛又は鉄か含まれ
てよい、というのはかかる元素は合金で使われるマグネ
シウムの最少量に影響を与えるからである。成る種の元
素は溶融アルミニウムから揮発することがあり、かかる
揮発は１１、−間及び温度に依存することか知られ−２
１＝ ており、従って本発明の製造中に於ても亜鉛の他にマグ
ネシウムも揮発することがある。従って少なくとも約１
重量％のマグネシウムを最初から含む合金を使用するこ
とが望ましい。本発明による製造は製造条件下で少なく
ともの１０体積％の窒素と残部として非酸化性ガスを含
む窒素雰囲気の存在下で実施される。セラミック椀体の
溶浸が実質的に冗了した後、金属は窒素雰囲気内で冷却
されることによって固化され、それによってセラミック
充填材物質を埋込む一体的な金属マトリックスが形成さ
れる。アルミニウムーマグネシウム合金はセラミックに
対して濡れ性を有するから、金属とセラミック間には良
好な結合が期待され、−方それによって複合材料の特性
が改善される。

セラミック溶浸金属マトリックス複合材料の製造にとっ
て有用であるアルミニウム合金中の最少のマグネシウム
含有量は、−又は二辺上の要因、例えば製造温度、製造
時間、ケイ素又は亜鉛の如き補助的な合金元素の存在、
セラミック充填材物質の性質、及びガス流中の窒素含有
量によって変化する。合金中のマグネシウム含有量が増
えるに従って、より低い温度又はより短い加熱時間か使
用される。所定のマグネシウム含有量に対して亜鉛の如
ぎ成る種の補助的な合金元素を添加することによってよ
り低い製造温度を使用することができるようになる。例
えばマグネシウムの含有量が製造領域の最も低い値例え
ば約１〜３重量％である場合には、次の三つのうち少な
くとも一つが組込まれて使用されてよい、即ち上記の最
低製造温度、高い窒素濃度、又は−乃至それ以上の補助
的な合金元素。広い範囲の製造条件に亙って慨して有用
であるための基礎としては約３〜５重量％のマグネシウ
ムを含む合金が好ましく、より低い製造温度及びより短
い製造時間か使われる場合には少なくとも約５市量％の
マグネシウムが含まれることが好ましい。溶浸に必要な
温度条件を緩和するために、アルミニウム合金の約１０
重量％を越えた含有量を有するマグネシウムか使われて
よい。

マグネシウムの含有量は補助的な合金元素と組合されて
使用される場合にはより小さな値でよいか、しかしかか
る元素はただ補助的な機能を発揮するだけであり、典型
的には上で記述された特定量のマグネシウムと組合せて
使われる。例えば１０％のケイ素だけとの合金である公
称純粋なアルミニウムは］０００°Ｃ於て５００メツシ
ユの３９クリストロン（ｃｒｙｓＬｏｌｏｎ　；純度９
９％の炭化ケイ素でＮｏｒｄｏｎ　Ｃｏ、から入手）か
らなる床に対する溶浸は実質的に生じなかった。

−又は二辺上の補助的な合金元素の使用と周囲ガス中の
窒素濃度もまた、所定の温度に於て合金マトリックスが
どれたけ窒化されるかに対して影響を及はす。例えば溶
浸温度を下げるために合金中の補助的合金元素例えば亜
鉛又は鉄の濃度を増加することがありそれによって窒化
物の生成量が減少する。一方窒化物の生成を促進するた
めにガス中の窒素濃度を高くすることもある。

合金中のマグネシウム濃度もまた所定温度で溶浸かどの
程度起きるかに対して影響を与える傾向がある。従って
合金中に少なくとも約３重量％のマグネシウムが含まれ
ることが一層望ましい。マグネシウムの含有量がこれよ
り少ない合金例えばマグネシウムの含１’ｉ’ｆｉｌか
１重量％である場合には、溶とを起こすためには製造温
度をより高くするか又は補助的な合金元素か必要とされ
る。本発明による自発的な溶浸工程を実゛施するために
必要な温度は、合金のマグネシウム含有量が大きいとき
例えば少なくとも約５重量％であるとき又は亜鉛又は鉄
の如き他の元素がアルミニウム合金中に存在する場合に
は、より低くてよい。かかる温度はまた他の異なるセラ
ミック材料が使われる場合には変化する。一般に自発的
な且迅速な溶浸は製造温度が少なくとも約７００°Ｃ１
好ましくは少なくとも約８００°Ｃであるときに起きる
。かかる製造温度は一般に１２００℃を越えても製造工
程に利益をもたらすことはなく、従ってとりわけ有効な
温度範囲は約８００°Ｃから約１２００℃の範囲である
ことか見出された。本発明の方法によると溶融アルミニ
ウム合金は窒素含有ガスの存在下で浸透性セラミック物
質からなる椀体に供給され、かかる窒素含有ノノスは溶
浸か完了するのに要する期間中絶えず存在することが維
持される。これはセラミック物質と溶融アルミニウム合
金からなる組立体に連続的なガス流を接触させ続けるこ
とによってなされる。窒素含有ガスの流量は臨界的では
ないが、合金マトリックス内に窒化物が生成することに
より大気中の窒素の減少を補うことができるために十分
な流量であり且溶融金属上に酸化物を生成せしめる原因
となる空気の侵入を防止又は禁止するために十分な流量
であることか好ましい。

上で記述されたように、窒素含有ガスは少なくとも約１
０体積％の窒素を含む。窒素濃度は溶浸率に影響を与え
ることが見出された。より詳細に説明すると、溶浸を達
成するに必要な時間は窒素濃度が減少するにつれて増加
する傾向にある。発明の名称が「金属マトリックス複合
材料」であり１９８７年５月１３１１に出願され本願出
願人と同一人に譲渡された米国特許出願第０４９１７１
号に示されているように、１０００℃に於て５％のマグ
ネシウムと５％のケイ素を含む溶融アルミニウム合金を
アルミナに溶浸させるために必要な時間は窒素濃度か減
少するにつれて増加する。５０体積％の窒素を含むガス
を使う場合には溶浸は５時間で完了することか示された
。かかる時間は、３０体積％の窒素を含むガスの場合に
は２４時間まで増加し、］Ｏ体積％の窒素を含むガスを
使用する場合には７２時間にまで増加した。基本的には
窒素が１００％であるガスが好ましい。窒素濃度かその
有効な範囲の最も低い値例えば約３０体積％である場合
には一般に好ましくない、というのは溶浸を達成するた
めにはかなり長い加熱時間が必要となるからである。

本発明による方法は様々な広範なセラミック物質に適用
可能であり、セラミック充填材物質の選択は以下のよう
な要因、例えばアルミニウム合金、製造条件、溶融アル
ミニウムの充填材物質に対する反応性、及び最終の複合
材料製品に求められる特性、によって変化する。かかる
充填材物質には、（ａ）アルミナ、マグネシア、チタニ
ア、ジルコニア及びハフニアの如き酸化物、（ｂ）炭化
ケイ素及び炭化チタンの如き炭化物、（ｃ）ニホウ化チ
タン及び−ニホウ化アルミニウムの如きホウ化物、及び
（ｄ）窒化アルミニウム、窒化ケイ素及び窒化ジルコニ
ウムの如き窒化物、か含まれる。

もしセラミック充填材物質か溶融アルミニウム合金と反
応する傾向がある場合には、溶浸時間又は溶浸温度を小
さな値にとることによって、又は充填材上に非反応性被
膜を形成することによって実施される。充填材物質は炭
素又は他の非セラミック物質である基体を含んでおり、
かかる基体は攻撃又は劣化から保護されるためのセラミ
ック被膜を有する。適切なセラミック被膜には酸化物、
炭化物、ホウ化物及び窒化物が含まれる。本発明の方法
で使われるのに好ましいセラミックスには粒状、小板状
、ウィスカ及び繊維状のアルミナ及び炭化ケイ素が含ま
れる。繊維は不連続的なもの（切断されたもの）であっ
てもよくまたマルチフィラメント糸の如き連続的なフィ
ラメント状であってよい。更にセラミック椀体又はプリ
フォームは均一的であってよくまた不均一的であってよ
い。

炭化ケイ素は溶融アルミニウムと反応して炭化アルミニ
ウムを形成するか、もしセラミ、ツク充填材として炭化
ケイ素か使われる場合にはかかる反応は阻止されるか又
は最少化されることが望ましい。炭化アルミニウムは水
分の攻撃を受は易く、かかる攻撃によって複合材料はｌ
ｒｉ在的に弱くなる。

従ってかかる反応を最少化し又は阻止するために、炭化
ケイ素は空中で予め燃焼されそれによって反応性のケイ
素被膜か形成されるか、或いはアルミニウム合金は更に
ケイ素によって合金化されるか或いはその両者が実施さ
れる。何れの場合であっても結果として合金中のケイ素
含有量は増加し炭化アルミニウムの生成は妨げられる。

同様な方法によって他のセラミック充填材物質との好ま
しくない反応を防止することができる。

セラミック物質は複合材料が必要な特性を得るるために
必要な大きさ又は形状に選択される。かくして溶浸は充
填）イ物質の形状によって拘束されないから、かかるセ
ラミック充填材物質は粒状物、ウィスカ、小板形状又は
繊維状の如き形態をしていてよい。他の形状例えば球状
、管状、ペレット＝　２９− 状、耐火繊維製布等か使われてよい。更にかかるセラミ
ック充填材物質の大きさによって溶浸か制限されること
がない、但し小さな粒子からなる椀体の溶浸を完了する
には大きな粒子からなる椀体を溶浸する場合に比べてよ
り高い温度又はより長い時間か必要とされる。更に又、
溶浸されるべきセラミック物質の椀体は浸透性を有する
、即ち溶融アルミニウム合金及び窒素含有ガスに対して
浸透性を有する。セラミック物質は注入されたときの密
度であってよいが適切な密度まで圧縮されてよい。

本発明の方法によると、溶融金属をセラミック物質の椀
体に押込むために圧力を加えるかどうかに関係なく、高
い体積率のセラミック物質部分と低い体積率の空隙部分
を有する実質的に均一なアルミニウム合金マトリックス
複合材料を製造することかできる。セラミック物質の部
分の体積率をより高めるには空隙率の低いセラミック物
質の椀体を使うことによって達成される。もしセラミッ
クの椀体が加圧によって成形されたものである場＝　３
０− 合には、かかる成形によってセラミックの環体が密閉さ
れたセル状の空隙部を有する成形体に変化し或いは完全
に緻密な構造体に変化して溶融合金による溶浸か起きな
くなることがない限り、セラミック物質の部分の体積率
は高い値に１１１られる。

所定のアルミニウム合金／セラミック系によるアルミニ
ウムの溶浸及びマトリックスの生成にとって、セラミッ
クのアルミニウム合金にょる濡れか溶浸機構を支配する
ものであることか明らかとなった。製造温度か低い場合
には金属の窒化は無視できるか又は極めて小さな量であ
るため、金属マトリックス中に分散して生成される窒化
アルミニウムの不連続相は極めて小さな量となる。使用
温度範囲内の最も高い温度に近付くにつれて、金属の窒
化はより起き易くなる。かくして金属マトリックス中の
窒化物相の量は製造温度を変化させることによって制御
されることができる。窒化物の生成が著しくなる製造温
度は様々な要因、例えば使用されるアルミニウム合金及
び充填材の使用量に対するかかるアルミニウム合金の量
、溶浸されるべきセラミック物質、及び使用されるガス
中の窒素濃度、によって変化する。−例えば合金のセラ
ミック充填材物質に対する濡れ性が減少するにつれて及
びガス中の窒素濃度が増加するにつれて、所定の製造温
度での窒化アルミニウムの生成量は増加すると考えられ
る。

従って複合材料の生成中に金属マトリックスの組成を仕
立てることによって、生成される製品に特定の特性を付
与することかできる。所定の装置に対して製造温度は窒
化物の生成を制御するために選択される。窒化アルミニ
ウム相を含む複合材料製品は最終の仕上形状を有する金
属マトリックス複合材料製品にとって好ましい或いはそ
の特性を改善すべき成る種の性質を示す。更にアルミニ
ウム合金による自発的な溶浸にとって必要な温度範囲は
使用されるセラミック物質によって変化することがある
。充填材物質としてアルミナが使われる場合、マトリッ
クスの延性か窒化物の著しい生成によって減少すること
がないようにするためには溶浸温度は好ましくは約１０
００°Ｃを越えるベきてない。しかしながらマトリック
スの延性と剛性かより小さな複合材料を製造することが
望ましい場合には１０００℃以上の温度か使われること
かある。炭化ケイ素の如き他のセラミックスを溶浸する
にはより旨い温度即ち約１２００　’Ｃが使イっれる、
というのは充填伺物質として炭化ケイ素か使われる場合
には充填材としてアルミナを使う場合に比べてアルミニ
ウム合金の窒化物の生成はより少ないからである。

以下の実施例で示されているように、溶融アルミニウム
マグネシウム合金はセラミック物質からなる浸透性塊体
に自発的に溶浸する、というのはかかる合金は窒素ガス
が浸透したセラミック物質に対して濡れ性を有する傾向
があるからである。

溶浸は障壁祠が配置されている郭定された境界面で停止
し又は終了する。ケイ素及び亜鉛の如き補助的な合金元
素かアルミニウム合金中に含まれることがあり、それに
よってより低い製造温度及びより低いマグネシウム濃度
を使用することが許される。

焼成処理されていない炭化ケイ素を溶浸するためには１
０〜２０％又はそれ以上のケイ素を含むアルミニウム−
マグネシウム合金が好ましい、というのはケイ素によっ
て溶融合金の炭化ケイ素による反応か最少化されそれに
よって炭化アルミニウムが生成される傾向があるからで
ある。更に付加えて説明すると、本発明で使われるアル
ミニウム合金は他の様々な合金元素か含まれそれによっ
て合金マトリックスの特定の好ましい機械的及び物理的
特性が提供される。例えば添加材として銅が合金に含ま
れる場合には、熱処理によって硬度と強度が増加するよ
うなマトリックスが提供される。

実施例１ 第１図について説明すると、縦が３．５インチ（８８、
９ｍｍ）横が３．５インチ（８８、９ｍｍ）厚さが０．
５インチ（１２，７ｍｍ）の寸法を有するプリフォーム
が符号１０として示されており、境界面１２．１４．１
６及び１８を有するように形成された。かかるプリフォ
ームは２２０グリッ１・の溶融Ａ　１２０　’を粒状物
（３８Ａｌｕｎｄｕｍ、　Ｎｏｒｔｏｎ　Ｃｏ、より人
手）及びコロイド状Ａ１２０３（ＮｙａＣｏｌＡｌ−２
０コロイド状アルミナゾル、Ｔｈｅ　ＰＱ　Ｃｏｒｐか
ら入手）の混合物をシリコンゴム（Ｂａｓｅ、　Ｇ１−
１００．　ＰｌａｓＬｉｃ　Ｔｏｏｔｉｎｇ　５ｕｐｐ
ｌｙ　Ｃｏ、から入手）製型内で沈澱鋳造し、更にかか
る組成物を冷凍乾燥することによって製造された。かか
るプリフォームの境界面１２には、縦２インチ（５０，
８ｍｍ）横３インチ（７６，２＋ｎｍ）厚さ１／２イン
チ（１２，７ｍｍ）のアルミニウム合金からなるインゴ
ット２０か積車ねられ、かかるインゴットのアルミニウ
ム合金には５重量％のケイ素と５重量％の亜鉛と５車量
％のマグネシウムと残部としてアルミニウムか含まれて
いる。ユニオンカーバイド社のグラフオイル（Ｇｒａｒ
ｏｉｌ　）による厚さ０．０１５インチ（０，３８ｍｍ
）のフレキシブルなグラファイトテープの二重の層２２
がアルミニウム合金インゴット２０及びセラミックプリ
フォーム］０の組立体の周囲に形成され、これらの組立
体全体か縦か１０インチ（２５４ｍｍ）横１０インチ（
２’５４　ｍｍ）高さ４インチ（１０４ｍｍ）のグラフ
ァイト製ボート２６　（Ｇｒａｄｅ　ＡＧＳＸ、ユニオ
ンカーバイド社から入手）内に収容された２４グリツド
の３８アランダム（Ｎｏｒｔｏｎ　Ｃｏから入手）から
なる床２４内に配置された。かかるグラファイト製ボー
ト２６及びその内す物はグラファイト製真空炉内で流量
１．５リットル／分の窒素１００％の流れ内で以下の方
法によって加熱された、即ち一定の温度上昇率で５時間
で８６５℃まで加熱され、８６５℃にて２０時間保持さ
れ、一定の温度下降率で３時間で周囲温度まで下げられ
た。８６５℃に加熱される前に、グラファイト製ボート
２６及びその内容物は捕獲した水分を取除くために同一
の炉内で２００°Ｃ真空で３時間半焼成された。第２図
に図示されているように、アルミニウム合金は自発的に
セラミック製プリフォーム］０の境界面１４．１６及び
１８まで溶浸し、それによって金属マトリックス複合材
料２８が形成された。境界面］２の表面は幾らかの固化
した残留アルミニウム合金で覆われ、第２図に於て？〕
号３〇で示されている。かかる残留アルミニウム合金は
機械加工又は研削加１−によって容易に除去することが
できる。

実施例２ 第３図について説明すると円錐台形状を有するセラミッ
ク製プリフォームか符号３２として示されており、かか
るプリフォームは平均外径が約１゜５インチ（３８、１
ｍｍ）高さか１インチ（２５゜４　ｍｍ）厚さがおよそ
１／１６インチ（１，６ｎｖ）の・Ｊ゛法を有しており
図に示されるように境界面３３及び３４を有するように
形成された。かかるプリフォームは、６８重量％の２２
０グリツドの３８アランダム、２９重量％の５００グリ
ツドの３８アランダム、及び３重量％の３２５メツシユ
のシリコンメタルから、「エルマー」の木材にかわ（ｒ
３ｏｒｄｅｎ、　　Ｉｎｃ、から入手）及び水の混合物
を結合剤溶液として使用し沈澱鋳造（実施例１参照）に
よって製造された。沈澱鋳造に続いて、かかるプリフォ
ームは炭化ケイ索留の抵抗線加熱炉内て空気中て１３０
０℃の温度で３時間予め燃焼された。

５重量％のケイ素、５重量％の亜鉛、７重量２６のマグ
ネシウム及び残部としてアルミニウムからなるアルミニ
ウム合金によって生成された直径が２インチ（５０，８
ｍｍ）高さが１インチ（２５，４ｍｍ）の円筒形インゴ
ット４２かプリフォーム３２の上端部上に配置され、か
かる装置全体か９９゜７％のＡＩ、、０３製のるつは４
６　（Ｂｏｌｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｔ　Ｃｅｒａｍｉｃ
ｓ製）内に収容された５　−６μｍのＴｉ　Ｂ　、　　
（Ｇｒａｄｅ　ＩＩＣＴ　、ユニオンカーバイド社製）
からなる床４４内に沈められた。るつぼ４６及びその内
容物は抵抗線管状炉内で流ｆｆ１５００ｃｃ／分の割合
で窒素９６％と水素４％からなるガスの存在下で以下の
方法によって加熱された、１５０°Ｃ／時間の割合で８
７５℃まで加熱され、８７５℃で１０時間保持され、２
００℃／時間の割合で雰囲気温度まで下げられた。第４
図に示されているように、アルミニウム合金は自発的に
セラミックのプリフォームの境界面３３まで溶浸し、そ
れによってアルミニウム合金マトリックス複合材料４８
か生成された。境界面３４は固化したアルミニウム合金
の残留物によって覆われており、第４図で？１号５０と
して示されている。かかる残留アルミニウム合金は機械
加工又は研削加工によって容易に取除くことかできる。

実施例３ 第５図について説明すると、縦２インチ（５０゜８ｍｍ
）横２インチ（５０，８ｍｍ）高さ１／２インチ（１２
，７ｎｖ）のプリフォームか符号５２として示されてお
り、かかるプリフォームは結合剤溶液として「エルマー
」の木材にかわ（ｎｏｒｄｅｎ、　　ｌ　ｎＣ５から入
手）及び水の混合物を使って焼成Ａｌ２Ｏ、であるＣ−
７５ＵＮＧ　（八１ｅａｎ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｃｏｒ
ｐから人手）からなるスラリーから沈澱鋳造（実施例１
参照）によって製造された。かかるプリフォームは境界
面５４．５６．５８及び６０を有するように形成された
。境界面５４は縦２インチ（５０，８ｍｍ）横２インチ
（５０，８ｍｍ）高さ１／２インチ（１２，７ｍｍ）の
大きさのアルミニウム合金製のインゴット６２によって
積重ねられ、かかるインゴットのアルミニウム合金は５
重量％のケイ素、５重量％のマグネシウム及び残部とし
てアルミニウムを含む。かかる組立体は１５０ｍｍＸ　
６５ｍｍＸ　３５ｍｍの寸法を有しＡｌ２Ｏ３が９９゜
７％である鞘即ちるつは６６　（Ｂｏｌｄ　Ｔｅｃｈｎ
ｉｃａｌ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ、　ｔｎｃ、製）内に収容
された５　〜６　ｐ　ｍのＴＩＢ　２　　（Ｇｒａｄｅ
　ＩＩｃＴ　、　ユニオンカーバイド社製）からなる床
６４内に埋込まれた。るつは６６及びその内容物はグラ
ファイト製真空炉内で流量か１０００　ｃｃ／分の割合
で窒素９６％と水素４％からなるガスの存在下で以下の
方法によって加熱された、即ち一定の温度上昇率で約１
０時間で８７５°Ｃまで加熱され、８７５℃で約１５時
間維持され、一定の温度下降率で５時間で周囲温度まで
下げられた。８７５℃に加熱される前に、るつは及びそ
の内容物は捕獲した水分を除去するために同一の炉内で
２００℃の温度で真空で約６時間かけて焼成された。第
６図に示されているように、アルミニウム合金はセラミ
ックのプリフォーム５２の境界面５６．５８及び６０ま
で０発的に溶浸し、それによってアルミニウム合金マト
リックス複合材料６８か生成された。境界面５４は固化
したたアルミニウム合金の残留物によって覆われており
、第６図に於て符号７０で示されている。かかる残留ア
ルミニウム合金は機械加工又は研削加工によって容易に
除去することかできる。

以上詳細に説明してきた実施例によって本発明の有用性
が明らかにされたが、かかる実施例以外の様々な組合せ
及び変化か当業者にとってなされ得るであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、セラミック充填材物質がグラファイトシート
の二層に囲まれていることを示す本発明の実施例１の装
置の断面立面図である。 第２図は、第１図のセラミック充填材物質の縦断面図で
ある。 第３図は、円錐台形プリフォームが使われている本発明
の実施例２の装置の断面立面図である。 第４図は、第３図のプリフォームの縦断面図である。 第５図は、ＴｉＢ、の床が使われている本発明−４］　
− の実施例３の装置の断面立面図である。 第６図は、第５図のプリフォームの縦断面図である。 １０・・・プリフォーム、１２．１４．１６．１８・・
・境界面、２０・・・インボッｌ−，２２・・・二重の
層。 ２４・・・床、２６・・・グラファイト製ボー１−．２
８・金属マトリックス複合材料、３０・・・アルミニウ
ム合金、３２・・・円錐台状プリフォーム、３３．３４
・・・境界面、４２・・・インボッｌ−，４４・・・床
、４６・・・るつは、４８・・・アルミニウム合金マト
リックス複合＋４’ｌｌ、５０・・アルミニウム合金、
５２・・プリフォーム、５４．５６．５８．６０・・境
界面、６２・・・インゴット、６４・・・床、６６・・
・るつは、６８・・・アルミニウム合金マトリックス複
合材料、７０・・・アルミニウム合金 特許出願人　　ランキサイド・テクノロジーカンパニー
・エル・ピー 代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　明　　石　　
昌　　毅Ｆｉｇ、　ｌ Φど Ｆｉｇ、　３

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属マトリックス複合材料を製造する方法にして
   、 （ａ）アルミニウムと少なくとも１重量％のマグネシウ
   ムを含むアルミニウム合金と、セラミック充填材物質に
   よる浸透性塊体とプリフォームとからなる群から選択さ
   れ一つの障壁装置によって郭定される少なくとも一つの
   面を有する少なくとも一つの物質と、を準備することと
   、 （ｂ）約１０〜１００体積％の窒素と残部として非酸化
   性ガスを含むガスの存在下で溶融状態にある前記アルミ
   ニウム合金を前記少なくとも一つの物質の一領域に接触
   させて前記障壁装置を前記接触領域から少なくとも部分
   的に隔置せしめ、前記少なくとも一つの物質に対して前
   記溶融アルミニウム合金が前記障壁装置に至るまで自発
   的に溶浸させることと、 （ｃ）前記溶融アルミニウム合金が固化することを許し
   前記少なくとも一つの物質を埋込み且前記障壁装置によ
   って確定された面を有する一体的な金属マトリックス複
   合材料構造体を形成することと、 の各工程を含む方法。
2. （２）金属マトリックス複合材料を製造する方法にして
   、 （ａ）セラミック充填材物質からなる浸透性塊体とプリ
   フォームとからなる群から選択され少なくとも一つの郭
   定された境界面を有する少なくとも一つの物質を生成す
   ることと、 （ｂ）前記郭定された境界面上にフレキシブルなグラフ
   ァイト製シートを配置することと、（ｃ）前記少なくと
   も一つの物質の一つの領域をアルミニウムと少なくとも
   約１重量％のマグネシウムとを含むアルミニウム合金に
   接触させ前記フレキシブルなグラファイト製シートを前
   記接触領域から少なくとも部分的に隔置させ且溶融アル
   ミニウム合金の溶浸を前記フレキシブルなグラファイト
   製シート方向に向かって起させることと、（ｄ）約１０
   〜１００体積％の窒素と残部として非酸化性ガスとを含
   むガスの存在下で前記アルミニウム合金を融点以上の温
   度まで加熱し、かかる温度にて溶融アルミニウム合金を
   前記少なくとも一つの物質内に自発的に溶浸せしめ前記
   少なくとも一つの物質を前記フレキシブルなグラファイ
   ト製シートに至るまで埋込むことと、 （ｅ）前記溶融アルミニウム合金を前記少なくとも一つ
   の物質内で固化せしめて前記フレキシブルなグラファイ
   ト製シートによって確定された面を有する金属マトリッ
   クス複合材料を形成せしめることと、 の各段工程を含むことを特徴とする方法。