JPH02236247A - 自発浸透法による金属マトリックス複合体の形成方法 - 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】 〔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
形成に関する。詳細には、浸透増進剤及び／又は浸透増
進剤前駆体を、マトリックス金属と溶融マトリックスに
より浸透される充填材（又はブレフォーム）の間又は間
の界面に少なくとも部分的に配置することができる。更
に、プロセス中の少なくともある時点で、浸透雰囲気は
、充填材若しくはプレフォーム及び／又はマトリックス
金属と連通状態にしてもよい。

〔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、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靭性
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−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
々の金属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
カ一の場合は約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、比較的節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、ジエイ・シー・キ
ャネル（Ｊ．Ｃ，　（：ａｎｎｅｌｌ）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
ウイスカ一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エ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ノクス金属、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、ウィ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ントプレス
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，　Ｇｒｉｍ
ｓｈａｗ）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、７５〜３７５　ｋｇ／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゜Ｃ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、０．２５７１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、１４
００〜１８００″Ｃ）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段を有するセル
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？る。例えば、１９７
３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、アルミナ及びベリリア）に、１０−
ｈ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｝−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−’　
｝−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３，８６４．１
５４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、ＡＩＢ＋　ｚ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ＡＩ
Ｂ＋■粉末成形体の上部に配置する。アルミニウム粉末
の眉間に「挟んだ」＾１Ｂ．■成形体を装？したルッポ
を真空炉に入れる。この炉を、約１０５トールまで排気
してガス抜きをする。続いて、温度を１１００℃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ＡＩＢ，■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・レフ
ディング（Ｊｏｈｎ　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運
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フその
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、内部で生じさせるがとは無関係に）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
る金属マトリンクス特許出願」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、「
メタル　マトリックス　コンポジッッ（Ｍｅｔａｌ　Ｍ
ａｔｒｔｘ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）　Ｊと題する１９
８７年５月１３日出願の本出願人による米国特許出願第
０４９．　１７１号〔発明者：ホワイト（Ｗｈｉｔｅ）
等〕及び昭和６３年５月１５日に出願された特順昭６３
−１１８０３２号に開示されている。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゜Ｃ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１１
Ｉ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
ャ一手段の例が、「メソッド　オブ　メーキング　メタ
ル　マトリックス　コンポジットウイズ　ザ　ユース　
オブ　ア　バリャー（Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｍａｋｉｎ
ｇ　Ｍｅｔａｌ　　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
　ｗｉｔｈ　　ｔｈｅＵｓｅ　ｏｆ　ａ　Ｂａｒｒｉｅ
ｒ）　Ｊと題する１９８８年１月７日出願の本出願人に
よる米国特許出願第１４１．６４２号〔発明者：ミカエ
ル・ケー・アグハジアニアン（Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｋ．　
Ａｇｈａｊａｎｉａｎ）等〕及び昭和６４年１月６日に
出願された特願昭和６４−１１３０号に開示されている
。アグハジアニアン等の発明の方法によれば、バリャ一
手段〔例えば、粒状二硼化チタン又は商品名がグラフオ
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、バリャ一手段によ
り形成される境界まで浸透する。このバリャー手段は、
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、バリャ一手段の内部形状と実質的に一
致する。

米国特許出願第０４９．　１７１号及び特願昭６３−１
１８０３２号に記載の方法は、「メタル　マトリックス
コンボジッフ　ァンド　テクニクス　フォー　メーキン
グ　ザ　セイム（Ｍｅｔａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｍｐ
ｏｓｉｔｅｓａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　
Ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓａｍｅ）　」と題する１９８
８年３月１５日出願の本出願人による米国特許出願第１
６８．２８４号〔発明者：ミカエル・ケー・アグハジア
ニアン（Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｋ，八ｇｈａ　ｊａｎ　ｉａ
ｎ）及びマーク・エス’−ユーカーク（　Ｍａｒｋ　Ｓ
，　Ｎｅｔ＋ｋｉｒｋ）　　）及び平成元年３月１５日
に出瀬された特廓平１−６３４１１号によって改善され
た。この米国特許出願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ず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
補充することかできる。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、任意のバリャ一手段を、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、バリャー
）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〕

本発明によれば、金属マ｝　ＩＪックス複合体が、充填
材又はプレフォームの通気性素材に溶融マトリックス金
属を自発的に浸透させることにより製造される。具体的
には、マトリックス金属と充填材又はプレフォームの通
気性素材との間の界面の一部分に、浸透増進剤及び／又
は浸透増進剤前駆体を含ませる。更に、プロセス中のあ
る時点で、浸透雰囲気が、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のうちの少なくとも一つと
連通状態にあるようにする。浸透増進剤及び／又は浸透
増進剤前駆体及び／又は浸透雰囲気が存在するにより、
マトリックス金属は、溶融されると、充填材又はプレフ
ォームに自発的に浸透する。

好ましい実施態様においては、浸透増進剤前駆体を、マ
トリックス金属の固体インゴットと充填材又はプレフォ
ームの通気性素材との間の界面に設ける。浸透増進剤前
駆体は、例えば、充填材又はプレフォームの多孔性のた
めに浸透雰囲気と連通し、浸透雰囲気が充填材又はプレ
フォームを通って流れる。この浸透増進剤前駆体は、マ
トリックス金属の固体インゴット及び／又は充填材若し
くはプレフォームの少なくとも一つ又は両方の表面にゆ
るく適用すればよい（例えば、粒状物又は固体材料とし
て）。又、浸透増進剤前駆体からスラリー混合物を生成
して、それを適当な手段（例えば、塗装又は噴ｆｉ）に
より、マトリックス金属の固体インゴット及び／又は充
填材若しくはプレフォームの少なくとも一つ又は両方の
表面に適用してもよい。

別の好ましい実施態様では、浸透増進剤を、マトリック
ス金属の固体インゴットと充填材又はプレフォームの通
気性素材との間の界面に設ける。

浸透増進剤は、マトリックス金属の固体インゴット及び
／又は充填材若しくはプレフォームの少なくとも一つ又
は両方の表面にゆるく適用すればよい（例えば、粒状物
又は固体材料として）。又、浸透増進剤からスラリー混
合物を生成して、それを適当な手段（例えば、塗装又は
噴霧）により、マトリックス金属の固体インゴット及び
／又は充填材若しくはプレフォームの少なくとも一つ又
は両方の表面に適用してもよい。

更に、一浸透増進剤及び／又は浸透増進剤前駆体は、浸
透される充填材若し《はプレフォームの通気性素材の表
面の少なくとも一部分にのみ（いずれかの適当な手段で
）適用してもよい。その後、溶融マトリックス金属と、
浸透される充填材又はプレフォームの表面とを接触させ
て、溶融マトリンクス金属の少なくとも一部分が浸透増
進剤及び／又は浸透増進剤前駆体と接触するようにする
。

更に、プロセス中の少なくともある時点で、浸透雰囲気
が、マトリックス金属及び／又は浸透増進剤前駆体及び
／又は浸透増進剤及び／又は充填材若しくはプレフォー
ムの少なくとも一つと連通状態にあるようにしてもよい
。基本的には、浸透増進剤前駆体を用いるか、浸透増進
剤を用いるかとは無関係に、少なくとも自発浸透中は、
浸透増進剤を、マトリックス金属と充填材又はプレフォ
ームとの間の界面の少なくとも一部分に位置させなけれ
ばならない。

本明細書においては、主にアルミニウムマトリックス金
属について説明する。この金属は、金属マトリックス複
合体の形成中のある時点で、浸透雰囲気として作用する
窒素の存在下で、浸透増進剤前駆体として作用するマグ
ネシウムと接触させる。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／浸透雰囲気系は、自発浸透を示す。しかしながら、
他のマトリックス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気
系も、アルミニウム／マグネシウム／窒素と同様に挙動
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
／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、アルミ
ニウム／マグネシウム／窒素系について主に説明するが
、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）のプレフォーム又は充填材の固く結合してい
ない素材と接触させる。この際、充填材又はプレフォー
ムの表面にはマグネシウムが適用されている。同様に、
プロセスを、マトリックス金属の固体インゴットから始
める場合、マグネシウムを、固体マトリックス金属の表
面に適用できる。更に、好ましい実施態様では、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を、
プロセスの少なくとも一部分の間、窒素雰囲気中に入れ
る。プレフォームは自発的に浸透され、金属マトリック
スの自発浸透の程度又は速度は、例えば、系に供給され
るマグネシウムの濃度（例えば、アルミニウム合金上又
は充填材若しくはプレフォームの表面上の濃度）、プレ
フォーム又は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。

定一五 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「バリャー」又は「バリャー手段」
とは、充填材の通気性素材（ｐｅｒｍｅａｂｌｅ　ｍａ
ｓｓ）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、前記バリャ一手段により形成されて
いる。適当なバリャー手段としては、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、バリヤー材はバリャ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「バリャ一手段」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。

この種のバリャーは、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ャ一手段によって妨げ
られる。このバリャーは、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
。

このバリャーは、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ャーに穴をあ
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）　Ｊ
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。

本明細書で使用する「充填材」とは、マトリ・ンクス金
属と実質的に反応せず及び／又はマトリ・ンクス金属へ
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、チゴップトファイバー、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、溶融アルミニウム母材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セラミ・ンク被覆充填材でもよい。

又、充填材は金属でもよい。

本明細書で使用される［浸透雰囲気（Ｉｎｆｉｌｔｒａ
ｔｉｎｇ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ）　Ｊ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（ｆｎｆｉｌｔｒａ
ｔｉｏｎ　Ｅｎｈａｎｃｅｒ）　Ｊ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の中又は上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「浸透増進則前駆体（Ｉｎ
ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　Ｅｎｈａｎｃｅｒ　Ｐｒｅｃｕ
ｒｓｏｒ）　」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／漫透雰囲気系では、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Ｊ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、特定の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紐
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）　
Ｊ又はｒＭＭＣ　Ｊ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Ｊ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
味するく例えば、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（若しくはプレフォーム）
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（Ｐｒｅｆ
ｏｒｍ）　Ｊ又は「通気性プレフォーム（ｐｅｒｍｅａ
ｂｌｅｐｒｅｆｏｒｍ）　Ｊ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、ウイスカ一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。

本明細書で使用される「自発浸透（Ｓｐａｎ　ｔａｎｅ
ｏｕｓＩｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）　Ｊ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
せるがとは無関係に）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。

（本頁以下余白） 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、充填材のゆるい素材又はプレフォームに溶融
マトリックス金属を自発的に浸透させることによる金属
マトリックス複合体の形成に関する。詳細には、浸透増
進剤及び／又は浸透増進剤前駆体を、マトリックス金属
と充填材若しくはプレフォームとの間の界面に、自発浸
透が生じる前に適用するか、溶融マ｝　ＩＪックス金属
と充填材又はプレフォームとの接触と実質的に連続して
適用してもよい。基本的には、少なくとも自発浸透中は
、浸透増進剤を、少なくとも、充填材又はプレフォーム
とマトリックス金属との間の界面並びに／又は充填材又
はプレフォームの少なくとも一部分に位置させなければ
ならない。

具体的には、浸透増進剤前駆体は、浸透雰囲気と少なく
とも部分的に反応させて、溶融マトリックス金属と充填
材又はプレフォームとの接触の前又は実質的に連続して
、浸透増進剤が、充填材又はプレフォームの少なくとも
一部分に生成するようにすることができる（例えば、マ
グネシウムが浸透増進剤前駆体で、窒素が浸透雰囲気の
場合、浸透増進剤は窒化マグネシウムでよ《、プレフォ
ーム又は充填材の少なくとも一部分の表面又は少なくと
も一部分の中に位置させる）。

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
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／又は充填材若し
くはプレフォームと反応しない適当な耐火容器内に入れ
ることができる。充填材又はプレフォームは、表面にマ
グネシウムを有していてもよく、又、処理中の少なくと
もある時点で、窒素雰囲気に暴露してもよい。溶融アル
ミニウムマトリックス金属を、表面にマグネシウムを有
するプレフォーム又は充填材と接触させると、マトリッ
クス金属が、充填材又はプレフォームに自発的に浸透す
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、プレフォーム及び／又はマトリックス金属の少
なくとも一つに（それらの間の界面に）、直接供給して
もよい。

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、充填材又はプ
レフォームは、窒素含有ガスが、プロセス中のある時点
で充填材又はプレフォームに浸透若し《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、通気性充填材又はプレ
フォームに溶融マトリックス金属を浸透させて、窒素透
過充填材又はプレフォーム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又はプレフォームの表面及び／又は
充填材又はプレフォーム内の少なくとも一部分に形成し
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、充填材又
はプレフォームの表面に配置するマグネシウムの量、充
填材若しくはプレフォームの表面又は充填材若しくはプ
レフォーム内の少なくとも一部分に配置する窒化マグネ
シウムの量、追加の合金元素（例えば、珪素、鉄、銅、
マンガン、クロム、亜鉛等）の有無、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。

比較として、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重景％のマグネシウム（浸透増進剤前駆
体として機能する）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、充填材又はプレフォームの自発浸透を生じ
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、充填材若し
くはプレフォームの表面及び／又はマトリックス金属の
表面の両方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（詳細については後述する）．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％未溝の窒素が雰囲気に存
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）を充填材若しくはブレフォーム及び／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。

セラミック充填金属マトリックス複合体を得るために、
マトリックス金属と充填材又はプレフォームとの間の界
面に配置する必要最少マグネシウム含量は、処理温度、
時間、珪素又は亜鉛等の補助合金元素の有無、充填材の
性質、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。マグネシウム含量
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。

比較のために、例えば、使用範囲の下端、即ち、約１〜
３重景％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。充填材又はプレフォーム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
処理時間を用いる場合には、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ＩＯ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ア
ルミニウムは、１０００゜Ｃ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
判明した。

更に、マグネシウムを専らプレフォーム又は充填材に供
給する場合には、その量は異なる。マグネシウムを、マ
トリックス金属とプレフォーム又は充填材との間の界面
に配置するとき、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
判明した。金属マトリックス複合体において、望まし《
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。

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
とが判明した。しかしながら、充填材又はプレフォーム
にマトリックス金属を浸透させる前に、自発系に対して
、浸透増進剤前駆体及び／又は浸透増進剤を、合金の表
面及び／又はプレフォーム若しくは充填材の表面に供給
することにより、自発浸透を達成するのに必要とするマ
グネシウムの量を減少することができる。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、又はマグネシウムを充填材
の通気性素材の表面に適用するときはその表面がマトリ
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。

更に、表面への適用、合金化及びプレフォームの少なく
とも一部分中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、プレフォームへのマトリンクスアルミニウ
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％の滅少ができるとともに、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、合金に含ませるか又は合金の表面に置
《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。

合金及び／又は充填材若しくはプレフォームの少なくと
も表面に配置される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
シウムがプレフォーム又は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
合金に含ませて自発浸透を行うことが好ましい。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゜Ｃ、好ましくは少なくとも約
７５０〜８００″Ｃのプロセス温度で生じる。１２００
゜Ｃ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゜Ｃ〜約
１２００゜Ｃであることが判明した。しかしながら、原
則として、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、充填材の通気性素材
又はプレフォームが、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
態とする。この窒素含有ガスは、ガスの連続流を充填材
若しくはプレフォーム及び／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、合金マトリノ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
から保護のためにセラミック被膜を有している。適当な
セラミック被膜としては、酸化物、炭化物、硼化物及び
窒化物が挙げられる。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、充填材又は
プレフォームは、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、「
ノーベル　セラミック　マテリアルズ　アンド　メソッ
ズ　　オ７゛メーキング　セーム（Ｎｏｖｅｌ　Ｃｅｒ
ａｍｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ
ｓ　ｏｆ　Ｍａｋｉｎｇ　Ｓａｍｅ）と題する、マーク
・エス・ニューカーク（Ｍａｒｋ　Ｓ．　Ｎｃｖｋｉｒ
ｋ）等による１９８７年１２月１５日発行の米国特許第
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、「コンポジット　セラミノク　アーティクルズ　
アンド　メソッズ　オブ　メーキング　セーム（Ｃｏｍ
ｐｏｓｉｔｅ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ａｒｔｉｃｌｅｓ　ａ
ｎｄ　Ｍｏｏｄｓ　ｏｆ　Ｍａｋｔｎｇ　Ｓａｍｅ）と
題する同時継続及び同一出願人による米国特許第８１９
，３９７号〔発明者：マーク・エス・二ューカーク（Ｍ
ａｒｋ　Ｓ．　Ｎｅｗｋｉｒｋ）等］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。

充填材又はプレフォーム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。賦形してプレフォーム
としてもよい浸透されるべき充填材の素材は、通気性で
なければならない、即ち、溶融マトリックス金属透過性
及び浸透雰囲気透過性でなければならない。

溶融マトリックス金属をプレフォーム又は充填材の素材
に押し込むか又は押し入れるために圧力の使用に依存し
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、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、充填材の体積分率をより高めることが
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トマト
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
場合が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、使用されるマトリンクス
金属合金、充填材若しくはプレフォームの体積に対する
該合金の量、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、使用するセラミック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
″Ｃ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゜Ｃ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ｌ２００゜Ｃ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ャ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ャ一手段は、
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。

適当なバリャー手段としては、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、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。

適当なバリャー手段としては、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。この種のバリャーは、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。バリャーは、金属マトリック
ス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、このバリャーは、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ャーの適当
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、グラフオイル（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。

グラフオイルは可撓性、適合性（ｃｏｎｐａｔｉｂｌｅ
）、従型性（ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅ）　、弾性（ｒｅ
ｓ　ｉ　ｌ　ｉｅｎ　ｔ）である。

グラフオイル黒鉛テープは、バリャ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、黒鉛バリャ一手段は、充填材又はプレフ
ォームの周囲及び境界に、スラリー、ぺ一スト又は塗膜
としてでも用いることができる。グラフオイルは、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、この祇様黒鉛は、充填材又はプレフォームの周囲
に簡単に成形される。

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ャーとして、このバリャー材
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。この種のバリャーの場合、プロセス温度は約８７５
　”Ｃを超えてはならず、この温度を超えると、バリャ
ー材の有効性が低下し、実際に、温度を上げるとバリャ
ーへの浸透が生じる。遷移金属硼化物は、一般的には粒
状（１〜３０ミクロン）である。バリャー材は、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ャーとして、充填材又はプレ
フォーム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（ｓｏｏ　ｔ）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、バリャーとして
機能することができる。

したがって、バリャ一手段は、規定された表面境界をバ
リャ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。このようなバリャー手段の層は、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ャー手段に塗布することによ
り、又は揮発性バリャー手段のスパッタリングにより、
又は固形粒子バリャ一手段の層を単に付着させることに
より、又はバリャ一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。所定の位置にバリャ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ハ
リャ一手段に接触すると、自発浸透が実質的に終了する
。

（本頁以下余白） ［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１Ｉ１１ 第１図は、金属マトリックス複合体を形成するのに使用
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　Ｃｏ．）社製で３８
７ランダムの商品名で販売されている２２０グリットア
ルミナ粒子からなる充填材（３）を、耐火容器（１）に
入れた。この耐火容器は、寸法が約１００　ｍｔａｘ　
４５ｍｍｘ　１９ｍｍで、高純度アミナ材料［ＢＴＣ一
＾Ｌ　９９。７％；ボルト・テクニカル・セラミックス
・インコーポレイテッド（Ｂｏｌｔ　Ｔｅｃｈｎｉｃａ
ｌ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ．　Ｉｎｃ．）　　；コンロ−（
Ｃｏｎｒｏｅ）、ＴＸ）からなるものであった。エサー
社（Ａｅｓａｒ）のジョンソン・マセイ（Ｊｏｈｎｓｏ
ｎ　Ｍａｔｈｅｙ）の一部門から入手したマグネシウム
削り屑（４）約２．７ｇの層をアルミナフィルター（３
）の上表面に配置した。寸法が約２インチｘ１インチ×
１７２インチで、重量が４１．９グラムであるマトリッ
クス金属合金（２）を、マグネシウム削り屑（４）層の
上に配置した。この合金（２）は、１１００アルミニウ
ムとして知られている公知の市販のアルミニウム合金で
あり、＾ｌを約９９重量％及びＺｎ，　Ｃｕ，　Ｆｅ，
　Ｓｉ及びＭｎをはじめとする不純物を少量含有してい
た。耐火容器（１）とその内容物を、電気抵抗型制御雰
囲気管炉内に配置した。その後、シールし、約１×１０
〜２トールまで排気し、窒素約９６体積％及び水素約４
体積％からなる生成ガスで裏込めした。この際、生成ガ
スは、約２５０ｃｃ／分の速度で連続的に流した。炉温
を、約１５０″０７時間の昇温速度で、約８７５゜Ｃの
温度まで上昇させ、約８７５゜Ｃで５時間保持後、約２
００゜Ｃ／時間の速度で、室温まで低下させた。ボート
（１）及びその内容物を炉から取り出して観察したとこ
ろ、合金（２）が充填材（３）に実質的に完全に浸透し
たことが判明した。

実新ｌ１ユ Ｍｇ削り屑（４）の層１．３　　ｇを充填材（３）とマ
トリックス金属合金（２）との間に配置したこと及び合
金（２）の重量が約４１．１　ｇであったことを除いて
、実施例１と同様の操作を繰り返した。この場合も、マ
トリックス金属が充填材（３）に実質的に完全に浸透し
た。

（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ンクス
複合体の形成方法によれば、マトリックス金属源と充填
材との間の界面の少なくとも一部分に浸透増進剤及び／
又は浸透増進剤前駆体を供給することにより、マトリッ
クス金属を、溶融した状態で、充填材に効率よく自発的
に浸透させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１で金属マトリックス複合体を形成す
るのに使用するのに使用したアセンブリーの断面図であ
る。 １　・・・耐火容器、２　・・・マトリックス金属合金
、３　・・・充填材、４　・・・マグネシウム削り屑

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリックス金属源を用意し； 実質的に非反応性の充填材を、マトリックス金属源に近
   接して配置し； 浸透増進剤と浸透増進剤前駆体の少なくとも一つを、前
   記マトリックス金属源と前記充填材との間の界面の少な
   くとも一部分に供給し； 充填材の少なくとも一部分に前記溶融マトリックス金属
   を自発的に浸透させることを特徴とする金属マトリック
   ス複合体の製造方法。