JPH0159343B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野 本発明は、金属マトリツクス中に分散した硬い
粒子を有する複合構造物の製造に関する。 技術の沿革および問題点 ある与えられた利用材料が特定の所望の機能を
果すために必要な特性あるいは性質を有していな
い場合、材料を組み合わせることは大変に古くか
ら行われている。最近では材料のそのような組合
せは「複合材料」として知られている。思い付く
複合材料の例としては、つりざお、自転車のフレ
ーム等に使用されるグラフアイト強化樹脂、船体
などに使用されるガラス強化樹脂、および家具や
台所表面等に使用される木材−FORMICA（商
標）積層体が挙げられる。他の複合材料として
は、即座に複合材料として認識することができな
いが、多くの航空機や車体の部品、そして木の樹
幹、動物の骨等のような自然の複合材料が挙げら
れる。各々の複合材料は、少なくとも一の特性が
この複合材料の一の素材の反映であり、かつ少な
くとも一の特性がこの複合材料の他の一の素材の
反映であるように機械的、物理的あるいは化学的
性質を有することによつて特徴づけられる。たと
えば、ガラスで強化された船体を考えた場合、樹
脂が軽量と耐水性に寄与しているのに対し、複合
材料の強度はガラス繊維の引張強度および弾性率
の反映である。 本願明細書において「複合材料」とは、各々の
成分の反映である少なくとも一つの特性を有する
二種以上の成分よりなる材料を意味する。この意
味で、本願明細書で記載されまた特許請求する種
類の複合材料は分散硬化された合金あるいは金属
とは異なる。複合材料と同様に、分散硬化された
金属は金属マトリツクス中に分散した硬い相を有
する。しかし複合材料とは異なり、分散硬化され
た金属では硬い相は通常微細な大きさで比較的少
量の粒子よりなつているので、一般的には硬い相
の性質は併合されてマトリツクスの性質を高める
が、それら自体は最終生成物中で顕著には反映さ
れない。 本発明に先立つて、マトリツクス金属と他の相
の複合材料を作ることは知られていた。たとえ
ば、マトリツクスとしてアルミニウムまたはアル
ミニウム合金、および硬い相として炭化ケイ素を
とると、複合材料は炭化ケイ素の粒子、および繊
維もしくはウイスカー、の両方を用いて製造され
てきた。概説すれば、これらの複合材料は、マト
リツクス材料の粉末を、上記の形状のいずれか一
つ、たとえば粉末、繊維またはウイスカー状の約
５〜30容量％の炭化ケイ素と共におだやかに（ま
たは弱く）混合することによつて得られた。混合
された粉末はその後に適当な密度に圧縮し、次い
でグラフアイトで内張りされた鋼製金型中で制御
された保護雰囲気下でホツトプレスして緻密な物
体を得る。この方法により炭化ケイ素複合材料を
製造する場合に、マトリツクスと硬い相との間の
結合を生じさせるためには、金属マトリツクスの
一部が溶融する温度で真空ホツトプレスする必要
がある。マトリツクスとしてアルミニウム合金を
用いる場合、すでに加熱温度が合金の固相線温度
を越えていなければならないことが見い出されて
いる。マトリツクスとして純粋なアルミニウムが
用いられる場合には、少なくとも初期の溶融は起
らねばならない。 ホツトプレス温度を液相が存在する温度とする
ことは、従来方法においてはマトリツクスと補強
材との間の結合を生じさせるために必要とされ
た。いわゆる補強製品では、何らかの冶金学的化
学的または物理的な性質の結合が全くないかある
いは比較的弱い場合、いわゆる複合材料は特性の
望ましい組合せを示さないであろう。ボートの船
体の例にもどると、ガラスと樹脂が相互に濡れて
も結合もしない場合は、ガラス繊維と樹脂とはボ
ートの船体に働く力に個々に独立して作用するで
あろうから船体は即座に層に剥離しまたは剥落す
るであろう。金属マトリツクスと補強相とが互い
に適当に結合していない場合も、全体的に同様の
結果となる。しかしながら、ある場合には、液相
処理を経て金属マトリツクスと補強相との間の結
合を得る手法は有害な副次的効果を発生すること
がある。とりわけ、液相線温度と固相線温度との
間の狭い範囲に温度を制御して過熱を避けること
は困難である。補強相とマトリツクス金属とが密
度において調和しない通常の場合には、液相が優
勢を占める温度までたまたま過度に加熱すると補
強相の分離が生じることがある。偶然の過熱が起
つた場合に、半仕上げの複合体の機械的完全性と
幾何学的外形を保持するが困難になることはより
重大なことである。固相線温度と液相線温度との
間の差が小さいほど（純粋なマトリツクス金属は
ほとんど存在しない）偶然の過熱からの損傷が大
きく、そのような過熱がおこる確率は大きくな
る。さらに、たとえ最初の混合によつて生成され
るマトリツクス中で硬い補強相が良好に分散する
ように温度が適当に制御されているとしても、プ
レス温度を固相線温度あるいはその付近の温度に
するとマトリツクス中での望ましくない粒子の成
長を起こす結果となる。さらにまた、マトリツク
スが分散硬化された合金である場合には、熱処理
された複合材料中に液状成分を生成させるような
高温にすると液相内の分散硬化相の無秩序性を破
壊するであろう。熱処理された構造物の大きさの
度合が増加するにつれて固相線が増し、この固相
線を超える熱処理に伴う実際上の別の困難な点
は、封入方法と加熱方法である。固相線を超える
熱処理を受ける金属の大きな構造物は、全体的に
容器に包まれていなければならないか、あるいは
自己変形を避けるために完全な底、側部および端
部の支持体を有している。実際上、最終に近い形
状の部品のホツトプレスは、補強材から溶融金属
が絞り出されるのを避けるように組立てられた金
属性容器または鋳型またはダイス型内で行わなけ
ればならない。同様に、大きなビレツトは厳密な
制御により内部的に処理されねばならない。熱源
と加熱対象物との間の温度差ΔTによつて加熱対
象物への熱伝導を起こす通常の加熱では、非常に
厳密に制御されなければ、ビレツトの内部が固相
線温度以上に加熱されるよりもはやくビレツトの
皮相部が全体に溶融するようになる。 上記に鑑みて、マトリツクス金属の固相線より
高い温度に加熱することなしに補強相がマトリツ
クス金属に結合することができ、それによつて補
強相とマトリツクスとによる効果的な複合材料を
製造するという方法を提供することは明らかに望
ましいことである。そのような方法を提供するこ
とが本発明の目的である。 発明の説明 本発明は前述した意味の複合材料の製造方法に
関する。すなわち、装入物を粉末状態へ強力に機
械摩砕しつつ金属マトリツクス材料を各補強粒子
のまわりに包み込むために、展性マトリツクス金
属材料、すなわち金属または合金または合金成分
と、好ましくはマトリツクスと硬い材料との全体
量の約0.2〜約30容量％の硬い炭化物、酸化物、
ホウ化物、炭化−ホウ化物、窒化物または硬い金
属間化合物のような補強材料の粒子とを強力に機
械摩砕して、マトリツクス材料と補強粒子表面と
の間に強い結合を形成させる。強力な機械摩砕が
完結した後、得られた粉末をホツトプレスする
か、あるいはマトリツクス材料について公知の粉
末冶金技術上通常の方法で焼結することによつて
処理する。圧縮かつ処理された粉末の成形品は、
次いで機械的に加工されて密度を増し、工業的利
用のための工学的形態を備える。 本発明は、また、このような強力な機械的摩砕
の生成物、すなわち補強粒子が金属マトリツクス
粉末中に包み込まれて結合している粉末生成物に
関する。 展性金属マトリツクスは、水平回転型ボールミ
ルまたはアトリツター中で行つている室温（25
℃）またはわずかに上昇した温度で展性を示す、
あるいは加工できる金属または合金であれば何で
もよい。本発明においては、特に、マトリツクス
金属としては、アルミニウムまたはアルミニウム
基台金が好ましく用いられる。マトリツクス材料
に適した有用な構造物の金属の例としては鉄、ニ
ツケル、チタン、モリブデン、ジルコニウム、銅
およびアルミニウムおよびこれらの金属の合金が
含まれ、この合金には、炭素鋼、ニツケル含有お
よびニツケル非含有ステンレス鋼、MONEL（商
標）ニツケル−銅合金、コバルト含有またはコバ
ルト非含有のニツケル−クロムを主体とする高温
合金、真鍮、ブロンズ、アルミニウムブロンズ、
キユプロニツケルおよびアルミニウム協会で規定
された、1000、2000、3000、4000、5000、6000、
7000および8000系列中の種々のアルミニウム合金
が含まれる。マトリツクスの金属は望ましい特定
の金属または合金の粉末、例えば微小に粉砕した
粉末として用意しなければならない。あるいは、
ニツケル粉末および銅粉末のような単体粉末の混
合物を用いてマトリツクス合金（たとえばキユプ
ロニツケルマトリツクスを形成するような割合
で）を形成させることができる。もちろん混合物
は純粋な成分である必要はない。なぜなら、成分
をマスター合金粉末として含めることが好都合だ
からである。たとえばマグネシウムは、マグネシ
ウム粉末そのものを取り扱うことを避けるために
マグネシウムとニツケルを含むマスター合金とし
て用いることができる。他の同様の例は、たとえ
ばマグネシウム中に10％のリチウムを含むマスタ
ー合金粉末としてリチウムを含ませることであ
る。本明細書の目的において「硬い」とは、得ら
れた複合材料の補強相を形成する粒子に用いら
れ、一般的に(1)モース硬さのリツジウエイ
（Ridgway）拡張法において引つかき硬度が８を
こえ、(2)実質的に展性のない性質であることを意
味する。比較的軟質のマトリツクス類（たとえば
銅またはアルミニウム）でもつて、本発明の目的
のために通常考えられるよりもいくらか軟い補強
粒子、たとえばグラフアイト粒子を用いて有用な
複合材料をつくることが可能である。本発明の方
法はこれらの特殊な場合にも応用可能であると考
えられるが、説明のためには「硬い」粒子の通常
の場合を取り扱う。本発明の方法に有用な硬い粒
子には、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、ジルコ
ニア、ガーネツト、フツ化物イオンおよび水酸化
物イオンで変性されたケイ酸塩を含むケイ酸アル
ミニウム（たとえばトパーズ）、炭化ホウ素；タ
ンタル、タングステン、ジルコニウム、ハフニウ
ムおよびチタンの単一または混合炭化物、ホウ化
物、炭化−ホウ化物および炭化−窒化物；および
Ni₃Alのような金属間化合物の非繊維型粒子が含
まれる。特に、本発明では、比較的密度が小さ
く、かつ弾性率が高いという理由で、マトリツク
スとしてアルミニウム合金を、分散補強粒子とし
て炭化ケイ素または炭化ホウ素を含有する複合材
料の製造方法に関する。本発明による方法の実施
に本質的なものではないが、複合材料の特性およ
び特徴の観点から本発明の方法による複合材料の
製造には少なくとも（マトリツクスと硬い粒子と
の全体量に基いて）約10容量％の硬い粒子を用い
ることが好都合である。大部分の例では、単一の
種類の補強粒子が、本発明の方法でつくられる複
合材料中で記載した量だけ用いられるであろう
が、一種以上の種類の補強粒子を用いることも好
都合である。このことに注目することもまた重要
である。同時に、マトリツクスは単一相または二
相であつてもあるいは分散相を含むことができ、
この分散相は、かかる相の析出自体で形成される
か、または、本発明の方法における強力な機械的
摩砕工程の際、あるいはそれに先立つて微細粒子
を含めることによつて形成される。 本明細書において「強力な機械的摩砕」とは、
米国特許第3591362号明細書に記載されかつ定義
されているように、機械的合金化における強度に
匹敵するエネルギー強度で、機械的手段によつて
摩砕することを意味する。本発明方法は強力な機
械的摩砕工程は、スチールボールを含むツエグバ
リ（Szegyari）アトリツター（垂直撹拌型ボー
ルミル）または水平回転型ボールミル中で、マト
リツクス粒子が結合して大きな団塊になるのを最
小限におさえるような条件下で行うことができ
る。かくして、米国特許第3591362号明細書の方
法におけるように、方法の目的は常に過度の金属
同士の結合を防止することにある。しかしなが
ら、本発明方法による摩砕は米国特許第3591362
号明細書の方法とは異なり、マトリツクス材料中
に硬い粒子を完全に分散させ、被覆させるのに必
要な時間行なう必要があるのみである。本発明の
方法では機械的合金化を同時に伴なつていなけれ
ば、飽和硬度まで摩砕する必要もないしまた有用
性もない。銅、ニツケル、マグネシウム、鉄、リ
チウム成分を一種またはそれ以上含む通常のアル
ミニウム合金およびアルミニウムのような軽いマ
トリツクス金属の場合には、硬い材料との強力な
摩砕（または便宜上「機械的合金化」）は特別の
方法で行わねばならない。これは本発明に、特
に、関連するものである。特に、軽金属粉末と処
理助剤（たとえばステアリン酸）と硬い補強材
（たとえば炭化ケイ素粒子）との装入物を、前記
米国特許明細書に記述されたような機械的合金化
に供した場合には、有用な製品はほとんど得られ
ないであろう。この装入物は急速に粒化して摩砕
を妨げるであろう。この例として、Al−4Cu−
1.5Mg合金のマトリツクスとなるようなアルミニ
ウム、銅およびマグネシウムの粉末装入物を（金
属に対して）1.5ステアリン酸と５容量％の炭化
ケイ素と共に機械的合金化に供した。短時間で粉
末は固まつてアトリツター容器の側壁に密着し
て、有用な製品は全く得られなかつた。本発明の
方法に軽金属（および多分、圧力をかけると容易
に固まる他の金属）を用いる時には、最初硬い材
料を加えないで軽金属装入物の飽和硬度の50％ま
たはさらに75％を達成するのに十分な時間だけ機
械的に合金化し、次いで装入物に硬い材料を加え
て機械的合金化を完結させることが必要である。
このようにして、マトリツクス粉末を前もつて少
なくとも約８時間から約12時間に至る間機械的に
合金化すると、アトリツター中で約1/4〜約３時
間で、炭化ケイ素が、機械的に合金化されたアル
ミニウム合金マトリツクス中に適度に分散し得る
ことが見い出された。 分散が完結した後、得られた粉末をそれのみで
圧縮するか、あるいはマトリツクス金属から粉末
冶金体を製造するために普通の条件下でさらに別
のマトリツクス材料と混合する。次いで得られた
複合圧縮物を真空ホツトプレスするか、あるいは
マトリツクス金属について普通の条件下、すなわ
ちマトリツクス金属の溶融がほとんどおこらない
ような条件下で処理する。金属性容器内にプレス
した後のアルミニウム合金／炭化ケイ素複合材料
については、押し出し後にホツトプレスは真空
下、約510℃で完了することができる。 当業者は、時間と温度との別の組み合わせを用
いることができ、またプレスおよび焼結における
他の変形態様を用いることができることを認識す
るであろう。たとえば、複合材料粉末は単純なプ
レスの代りにホツトプレスでき、たとえば均衡を
はかつてホツトプレスして補助の焼結時間あるい
は温度を減らすことができる。もしくは、プレス
する代りに、複合材料粉末で作られた粉末冶金賦
形物は、マトリツクス金属および補強材に不活性
な液状媒体を用いて脱型することができる。一般
的には、マトリツクス金属を液化（溶融）あるい
は部分的に液化することを含まない粉末冶金の技
術に応用することのできうるものであればどんな
技術も用いることができる。 ホツトプレスあるいは熱処理完了後、本発明の
方法に従つて製造された実質的に最終的な形状お
よび寸法の複合材料は、熱間あるいは冷間プレ
ス、鋳造、サイジングまたは何らかの他の加工操
作によつて高密度化することができるが、これら
の操作によつて、焼結物の変形は、最終目的物に
対する所定の許容誤差により許容される変形量に
制限される。加えて、より一層重要なことは、焼
結物はビレツト、スラブまたは構造的な形状に加
工するのに適合した他の形状、たとえばロツド、
棒、線、管、シート等の形状にすることができ
る。マトリツクスの金属および必要とする構造的
な形状の特性にふさわしい通常の方法を用いるこ
とができる。熱間または冷間に行われるこれらの
通常の方法には鋳造、圧延、押出し、延伸および
類似の加工方法が含まれる。 例示としての複合材料、すなわち炭化ケイ素粒
子を分散して含有するアルミニウム合金マトリツ
クスについては、約510℃の温度操作で23：１比
の押出しによつて、小さい焼結ビレツトが1.9cm
に成形された。この方法によつて製造された複合
材料製品中での補強材の分散（分布）は、かかる
複合材料の従来の製造方法によつて製造される分
散よりもはるかに優れている。 本発明を実施するための最良の態様 炭化ケイ素−アルミニウム合金マトリツクス複
合材料を以下の方法により製造した。粉状展性金
属成分を秤量してアルミニウム3288.6g、マグネ
シウム52.2g、銅139.2gの混合物をえ、これにス
テアリン酸48.8重量部を加えた。52100個の各々
直径約7.54mmの鋼性ボール69Kgを充填内蔵するサ
イズ4Sのツエグバリアトリツターとして知られ
ている撹拌型ボールミル中に金属粉末とステアリ
ン酸を仕込んだ、次いで、粉末を窒素雰囲気中で
12時間、機械的合金化に供した。このようにして
機械的に合金化された粉末の硬度は、202ないし
217DPHであつた。次いで、アトリツターをから
にし、機械的に合金化した粉末を、８％の酸素を
配合した窒素雰囲気中で約１時間安定化させた
（すなわち、非発火性にした）。次いで、この安定
化した粉末を、５、10、15、20、25および30容量
％量の約3μm平均粒径を有する炭化ケイ素粒子と
混合した。炭化ケイ素砂〔グレードSL1、カーボ
ランダム社製（Carborundum Corporation）〕は
表１に示す分析値を有していた。 表 １ 材料 重量％ 遊離ケイ素 2.7 鉄 0.061 アルミニウム 0.20 遊離炭素 2.00 酸素 0.26 全炭素 30.30 全ケイ素 68.90 炭化ケイ素砂を加えた試料を、前述した撹拌型
ボールミル内でさらに２時間処理して、強い粒子
とマトリツクスとの結合が形成され得るような条
件下で砂粒子をマトリツクス金属内に包み込ん
だ。 撹拌型ボールミル内での処理が完結した後、粉
末を取り出し、８％の酸素／窒素雰囲気中に約１
時間さらして粉末を安定化させた。次いで試料を
金属製容器に充填して、充填生成物を約510℃で
加熱しながら排気した。次いで金属製容器を密封
し、さらに約510℃の温度で圧縮した。熱い圧縮
充填生成物から金属製容器を、機械にかけて除い
た。次いで、約510℃で押出し比を約23：１にし
て、熱い圧縮生成物を押出し、直径約19mmの棒を
形成した。 押出された生成物の室温における平均的な機械
的性質を、熱処理条件と共に表２に示す。

【表】 150℃における引張り試験の結果を、５、10お
よび15容量％の炭化ケイ素を含む複合材料につい
て、および補強されていないマトリツクス金属に
ついて表３に示す。

【表】 さらに、510℃で押出された材料の232℃および
315℃における引張り試験の結果を表４に示す。

【表】 機械的に合金化して４重量％のマグネシウムと
少量の炭素および酸素とを含む複合材料としたア
ルミニウムマトリツクスを有する別の材料を、さ
らに処理して10および20容量％のB₄Cを含ませ
た。これらの材料の室温にける弾性率は、10容量
％のB₄Cを含む材料について100GPa、および20
容量％のB₄Cを含む材料について114〜123GPaと
評価された。 上記のアルミニウム−銅−マグネシウム合金よ
りなる複合材粉末は、サイズ100Sのツエグバリ
アトリツター中で純粋な金属粉末を７〜1/2時間
だけ機械的に合金化し、次いで炭化ケイ素砂〔ノ
ートン社（Norton Company）〕を加えてさらに
１／２時間摩砕を続けることによつても製造される。
この方法は処理時間を著しく短縮し、かつ機械的
に合金化した金属粉末を除いたり、それらにSiC
を加え、さらに混合物をアトリツターに再び詰め
戻すというようないくつかの処理段階を省略する
ものである。このようにして製造された複合材粉
末は、ちようど二段階処理と同じぐらい容易に有
用な形状に処理することができることが証明され
た。20％のSiCを含む複合材料については、315
℃の温度で有用な形状に押し出すことができた。 法令の規則に従つて、ここでは本発明の特定の
実施の態様を例示しかつ説明した。特許請求の範
囲によつてカバーされる本発明の諸変形態様をな
し得、また本発明のいくつかの特徴は対応する他
の特徴を使用することなしに有利に用いることが
できることを、当業者は理解できよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アルミニウムおよびアルミニウム基合金より
   なる群から選択されるマトリツクス金属の性質の
   少なくとも一つの力学的特性の反映と補強相の性
   質の少なくとも一つの力学的特性の反映とを示
   す、金属マトリツクスと補強相粒子とからなる複
   合材料の製造方法であつて、 前記金属マトリツクスの粒子を前記補強相粒子
   のない状態で飽和硬度の少なくとも50％まで機械
   的に合金化ないし摩砕し、 次いで、この機械的に合金化された金属粒子を
   補強相粒子と共に機械的に強力に摩砕することに
   よつて補強相粒子が金属マトリツクスと補強相粒
   子との全体量の0.2〜30容量％を占めかつ補強相
   粒子が金属マトリツクス中に包み込まれかつ結合
   した粉末を製造し、 次いで、この粉末を、単独あるいは他の金属粉
   末と混合して、プレスおよび熱処理を施して、機
   械的に形成可能で実質的に隙間のない団塊を製造
   することからなり、前記熱処理は金属マトリツク
   スが実質的に全体的に固体状態であるような温度
   で行われることを特徴とする、金属マトリツクス
   と補強相粒子とからなる複合材料の製造法。 ２ 前記プレスおよび熱処理が、真空ホツトプレ
   スよりなる、特許請求の範囲第１項に記載の方
   法。 ３ 前記補強相粒子が、炭化物、ホウ化物、窒化
   物、酸化物および金属間化合物からなる群より選
   択される硬い粒子である、特許請求の範囲第１項
   に記載の方法。 ４ 前記補強相粒子が、炭化ケイ素および炭化ホ
   ウ素の粒子からなる群より選択される粒子であ
   る、特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ５ 前記機械的合金化の操作が、処理助剤の存在
   下において金属粉末の混合物に対して行われる、
   特許請求の範囲第１項に記載の方法。