JPH03138329A - マクロ複合体の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属マトリックス複合体の形成に関する。詳細
には、溶融マ）　＋Ｊフックス属は、反応雰囲気の存在
下で充填材又はプレフォームと接触させられ、そしてプ
ロセスの少なくともある時点で、溶融マトリックス金属
は、部分的又は実質的に完全に反応雰囲気と反応するこ
とにより、溶融マトリックス金属が少なくとも部分的に
自己発生した真空により充填材又はプレフォームに浸透
する。

このような自己発生真空浸透は、外圧や真空をかけなく
とも生じる。

〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕マトリッ
クス金属と、セラミック粒子、ウィスカー、繊維等の補
強又は強化相を含有する複合体製品は、強化相の若干の
剛さと耐摩耗性と金属マトリックスの延性と靭性とを併
せ持つことから、種々の用途に用いられる可能性が大い
にある。

船釣に、金属マ）　ＩＪフックス合体は、一体形のマト
リックス金属に対して、強度、剛さ、耐接触摩耗性及び
高温強度保持等の性質の向上を示すが、一定の性質が向
上する度合いは、主に、特定の成分、体積分率又は重量
分率、そして複合体を形成する際にどのように処理され
るかにより決まる。

ある場合には、複合体がマトリックス金属自体よりも重
量が小さいこともある。粒状、小板状又はウィスカー状
の炭化珪素等のセラミックで強化したアルミニウムマト
リックス複合体は、アルミニウムよりも剛さ、耐摩耗性
及び高温強度が高いことから注目されている。

アルミニウムマトリックス複合体の加工については、圧
力鋳造、真空鋳造、攪拌及び湿潤剤を使用する粉末冶金
法及び液体・金属浸透法を基本とした方法をはじめとし
て種々の金属プロセスが報告されている。

粉末冶金法の場合、粉末形態の金属及び粉末、ウィスカ
ー、チョツプドファイバー等の形態の強化材を混合後、
コールドプレスと焼結を行うか、ホットプレスをする。

従来のプロセスを用いた粉末冶金法による金属マトリッ
クス複合体の製造では、得られる製品の特性に関しであ
る種の制限がある。複合体中のセラミック相の体積分率
は、粒状の場合には、典型的に約４０％に限定される。

また、プレス操作により、得られる実際のサイズが限定
される。続いて処理（例えば、成形又は機械加工）をし
ないか、複雑なプレスをしないときには、比較的単純な
製品形状しか可能でない。また、焼結中に不均一収縮が
生じることがあるだけでなく、コンパクトにおける凝離
及び粒子成長により不均一なミクロ構造が生じることも
ある。

１９７６年７月２０日に付与されたジエイ・シー・キャ
ンネル（Ｊ、　Ｃ，Ｃａｎｎｅｌｌ）等による米国特許
第３、９７０．１３６号には、所定のパターンの繊維配
列を有する繊維強化材、例えば、炭化珪素又はアルミ、
ナライス力−を含有せしめた金属マトリックス複合体の
形成方法が記載されている。この複合体は、共面繊維の
平行マット又はフェルトを、鋳型内に配置して、マット
の少なくとも一部分の間に溶融マ）　ＩＪフックス属、
例えば、アルミニウムの溜がくるようにし、そして圧力
を加えて溶融金属をマットに浸透させるとともに、配列
した繊維を取り囲むようにさせる。溶融金属をマットの
スタック上に注ぐと同時に、圧力下でマット間に流入さ
せる。複合体中の強化繊維の約５０体積％まで充填され
たことが報告されている。

上記した浸透プロセスは、繊維マットのスタックを通し
て溶融マトリックス金属を押し入れることから、圧力誘
導流動プロセスのバラツキが起こる、即ち、マトリック
ス形成、多孔率等が不均一になる恐れがある。たとえ、
溶融金属が繊維配列内の複数の部位ｊ″、、導入ことが
できるとしても、性質が不均一になる可能性がある。そ
の結果、マット／溜配列と流路を複雑にして、繊維マッ
トに適度で目、つ均一に浸透するようにすることが必要
となる１、また、前記圧力浸透法では、大きなマット体
積に浸透させることは本質的に困難であることから、マ
トリックス体積分率に対して比較的低い強化しか得られ
ない。さらに、加圧下で溶融金属を含有せしめる必要が
あり、プロセス費用が高くなる。最後に、整列した粒子
又は繊維への浸透に限定される上記のプロセスは、ラン
ダムに配列した粒子、ウィスカー又は繊維の形態の材料
で強化された金属マトリックス複合体の形成を意図して
いない。

アルミニウムマトリックス・アルミナ充填複合体の加工
では、アルミニウムは容易にアミナを湿潤せず、凝集生
成物を形成することが困難となる。

他のマトリックス金属と充填材との組み合わせについて
も同様のことが言える。この問題については、種々の解
決法が提案されている。このうちの一つとして、アルミ
ナを金Ｗ１４（例えば、ニッケル又はタングステン）で
被覆後、アルミニウムといっしょにホットプレスを行う
ことが挙げられる。

別の手法では、アルミニウムをリチウムと合金し、そし
てアルミナをシリカで被覆できるとしている３、しかし
ながら、これらの複合体が性質のバラツキを示すか、被
膜が充填材を粉化することがあるか、マトリックスがそ
の性質に影響を及ぼすことのあるリチウムを含有する。

アール・ダブリニ・グリムシャー　（ＲｏＷ、　Ｇｒｉ
ｍｓｈａｖ）等による米国特許第４．２３２．０９１号
により、アルミニウム・アルミナ複合体の製造に伴う当
該技術分野でのある種の困難を克服できる。この特許に
は、７０〜３７５ｋｇ／ｃａｆ（Ｄ圧力を加エテ、７ｏ
ｏ〜１０５０℃ニ予熱したアルミナの繊維マット又はウ
ィスカーに溶融アルミニウム（又は溶融アルミニウム合
金）を押し入れることが記載されている。得られた固形
注型物中の金属に対するアルミナの最大体積比は１／４
であった。浸透が外圧に依存するので、このプロセスは
、キャンネル（Ｃａｎｎｅｌ）等の方法と同様の多くの
欠陥がある。

ヨーロッパ特許出願公開第１１５．７４２号には、予備
成形アルミナマトリックスのボイドを溶融アルミニウム
で充填することにより、とりわけ電解槽として有用なア
ルミニウム・アルミナ複合体を製造することについての
記載がある。この特許出願では、アルミナがアルミニウ
ムにより湿潤されず、したがって、プレフォーム全体に
わたって、アルミナを湿潤させるために種々の手法が用
いられることが強調されている。例えば、アルミナを、
チタン、ジルコニウム、ハフニウム又はニオブのニホウ
化物からなる湿潤剤か、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、ジルコニウム又はハフニウムで被覆する。ア
ルゴン等の不活性雰囲気を用いて湿潤を容易にする。ま
た、この特許出願には、圧力を加え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も示されている
。この態様では、細孔を排気後、不活性雰囲気、アルゴ
ン中で溶融金属に圧力を加えることにより浸透が達成さ
れる。また、プレフォームは、気相アルミニウム蒸着に
より表面を湿潤させてから、溶融アルミニウムをボイド
に浸透させて充填することにより浸透を行うことができ
る。プレフォームの細孔にアルミニウムを確実に保持さ
せるためには、真空中かアルゴン中で、例えば、１４０
０〜１８００℃で熱処理する必要がある。このようにし
ないと、圧力浸透材料が気体に暴露されるか、浸透圧力
を取り除くと、物体からアルミニウムが損失する。

電解槽におけるアルミナ成分に溶融金属を浸透させるた
めに湿潤剤を用いることは、ヨーロッパ特許出願公開第
９４３５３号にも示されている。この特許・出願には、
セルライナー又は支持体として陰極電流フィーダーを有
する電解槽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。溶融氷晶石からこの支持体
を保護するために、湿潤剤と溶解抑制剤との混合物の薄
い被膜を、電解槽の運転開始に先立ちアルミナ支持体に
適用するか、電解プロセスにより製造される溶融アルミ
ニウム中に浸漬させながらアルミナ支持体に適用する。

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
カルシウムが開示され、チタンが好ましい湿潤剤として
記載されている。

また、ホウ素化合物、炭素化合物及び窒素化合物が、湿
潤剤の溶融アルミニウムへの溶解を抑制するのに有用で
あると記載されている。この特許出願は、金属マトリッ
クス複合体の製造を教示していない。

加圧及び湿潤剤の使用に加えて、真空にすると多孔性セ
ラミックコンパクト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いる。例えば、１９７３年２月
２７日に付与されたアール・エル・ランディングハム（
Ｌａｎｄ　ｉｎｇｈａｍ）による米国特許第３、７１８
．４４１号には、１０″″６ト一ル未滴の真空下でセラ
ミックコンパクト（例えば、炭化ホウ素、アルミナ及び
ベリリア）に溶融アルミニウム、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
させることが報告されている。１０″′２〜１０″″ｓ
トールの真空では、溶融金属によるセラミックの湿潤が
悪く、金属がセラミックのボイドスペースに自由に流れ
込まなかったが、真空を１０″″６ト一ル未滴に減少さ
せると湿潤が改善されたと記載されている。

また、１９７５年２月４日に付与されたジー・イー・ガ
ッザ（Ｇ、　Ｅ、Ｇａｚｚａ）等による米国特許第３．
８６４．１５４号にも、真空を用いて浸透を行うことが
示されている。この特許には、ＡｌＢ、２粉末のコール
ドプレスコンパクトをコールドプレスアルミニウム粉末
の床上に装填することが記載されている。装填後、ＡＩ
Ｂ、□粉末コンパクトの上部にアルミニウムをさらに配
置する。＾ＩＢ、２　コンパクトをアルミニウム粉末層
間に「サンドイッチ」した状態で装填したルツボを、真
空炉内に配置する。この真空炉を約１０−’　）−ルに
排気してガス抜きする。次に、温度を１１００℃に上昇
させ、その温度で３時間維持する。

これらの条件で、溶融アルミニウムが多孔性ＡＩＢ、□
コンパクトに浸透する。

繊維、ワイヤー、粉末、ウィスカー等の強化材を含有す
る複合材料の製造方法が、１９８２年２月３日に公開さ
れたヨーロッパ特許出願公開第０４５．００２号［出願
人：ドノモ）　（Ｄｏｎｏｍｏｔｏ）　］に開示されて
いる。複合材料は、雰囲気及び溶融金属（例えば、マグ
ネシウム又はアルミニウム）とは反応しない多孔性強化
材（例えば、整列したアルミナ繊維、炭素繊維又はホウ
素繊維）を開口部を有する容器内に配置し、実質的に純
粋な酸素を容器内に吹き込んだ後、容器を溶融金属プー
ルに浸漬させることにより、溶融金属を強化材の隙間に
浸透させることにより製造される。この特許出願には、
溶融金属は容器内に存在する酸素と反応して金属の固形
酸化体を形成することにより容器内を真空にして強化材
の隙間を介して溶融金属を引きよせ、そして容器内に引
き込むことが開示されている。また、この特許出願は、
別の実施態様において、酸素ゲッター元素（例えば、マ
グネシウム）を容器内に配置して容器内の酸素と反応さ
せて真空を作り出し、溶融金属を５０　ｋｇ　／　ｃａ
ｆアルゴンで加圧することとあいまって、強化材（例え
ば、整列炭素繊維）で充填した容器内に溶融金属（例え
ば、アルミニウム）を引き込む。

１９７５年２月１８日に付与されたジェイ・ジェイ・オ
ツド（Ｊ、　Ｊ、（］ｔｔ）等による米国特許第３．８
６７、１７７号には、まず多孔体を「活性剤金属（ａｃ
ｔｉｖａｔｏｒｍｅｔａｌ）　Ｊと接触させた後「フィ
ラー金属（ｆｉｌｌｅｒｍｅｔａｌ）　Ｊ中に浸漬する
ことにより、多孔体に金属を含浸させる方法が開示され
ている。即ち、以下で説明するレフディング（Ｒｅｄｉ
ｎｇ）等による特許第３、３６４．９７６号の方法によ
り、充填剤の多孔性マット又はコンパクト体を溶融活性
剤に浸漬する。このときの浸漬は、多孔体の隙間に溶融
活性剤金属が完全に充填されるのに十分な時間行う。つ
いで、活性剤金属が凝固したら、複合体を第二金属に完
全に浸漬し、そして第二金属が活性剤金属に所望の程度
置換するのに十分な時間維持する。次に、形成した物体
を冷却する。また、多孔体内からフィラー金属を少なく
とも部分的に除去し、所望量の置換金属が多孔体に溶解
又は拡散するに十分な時間再び多孔体を部分的又は完全
に溶融置換金属に浸漬することにより、フィラー金属を
少なくとも第三金属と置換することも可能である。得ら
れる物体は、充填材間の隙間に金属間化合物も含有して
いる。活性剤金属を利用して所望の組成物を有する複合
体を形成することを含む多段階法を利用することは、時
間と金の両方の面で高くつく。

さらに、例えば、金属の適合性（即ち、溶解度、融点、
反応性等）に基づく処理に限定すると、所望の目的のた
めに材料の特性を合わせることが制限される。

１９７０年９月２２日に付与されたジー・デー・ローレ
フｘ　（Ｇ、　Ｄ、　Ｌａｗｒｅｎｃｅ）による米国特
許第３．５２９．６５５号には、マグネシウム又はマグ
ネシウム合金と炭化珪素ウィスカーとの複合体の形成方
法が開示されている。即ち、大気に開放された少なくと
も一つの開口部を有する鋳型でその内容積部に炭化珪素
を入れたものを、鋳型の全ての開口部が溶融マグネシウ
ムの表面下となるように溶融マグネシウム浴に浸漬する
。このときの浸漬は、マグネシウムが鋳型のキャビティ
ーの残りの容積部を満たすに十分な時間行う。溶融金属
が鋳型のキャビティーに侵入するにつれて、鋳型内に存
在する空気と反応して少量の酸化マグネシウムと窒化マ
グネシウムを形成することにより真空を生じさせて、キ
ャビティー内及び炭化珪素のウィスカー間にさらなる溶
融金属を引き込ませる。ついで、充填鋳型を溶融マグネ
シウム浴から取り出し、鋳型内のマグネシウムを固化さ
せる。

１９６８年１月２３日に付与されたジョン・エヌ・レッ
ティング（Ｊｏｈｎ　Ｎ、Ｒｅｄｉｎｇ）等による米国
特許第３、３６４．９７６号には、物体中に自己発生真
空を生じさせて物体中への溶融金属の浸透を高めること
が開示されている。即ち、物体、例えば、黒鉛型、調型
又は多孔性耐火材料を溶融金属、例えば、マグネシウム
、マグネシウム合金又はアルミニウム合金に完全に沈め
る。鋳型の場合には、溶融金属と反応性である気体、例
えば、空気を満たしたキャビティーは、鋳型の少なくと
も１個のオリフィスを介して外部に位置している溶融金
属と連通している。鋳型を溶融体に沈めるとき、キャビ
ティー内の気体と溶融金属との間の反応から真空が発生
したときにキャビティーへの充填が生じる。詳細には、
真空は、金属の固形酸化体の生成により生じる。

１９６８年８月１３日に付与されたジョン・エヌ・レフ
ディング二世（Ｊｏｈｎ　Ｎ、Ｒｅｄｉｎｇ、　Ｊｒ）
等による米国特許第３．３９６．７７７号には、自己発
生真空を生じさせて充填体に溶融金属の浸透を高めるこ
とが開示されている。即ち、この特許には、一端を大気
に開放していている鋼製容器又は鉄製容器を開示してい
る。この容器には粒状の多孔性固体、例えば、コークス
又は鉄が入っており、そして開放端には、多孔性固体フ
ィラーの粒度よりも小さな直径のバーホレーション又は
貫通穴を有するふたがしである。また、この容器は、溶
融金属、例えば、マグネシウム、アルミニウム等と少な
くとも部分的に反応する固体フィラーの細孔内に雰囲気
、例えば、空気を収容している。容器のふたは、空気が
容器に入るのを防ぐのに十分な距離だけ溶融金属の表面
下に浸漬し、そして容器内の雰囲気が溶融金属と反応し
て固体生成物を生成するのに十分な時間溶融金属の表面
下に保つ。この雰囲気と溶融金属との間の反応により、
容器と多孔性固体内に低圧又はかなりの真空を生じさせ
、溶融金属を容器内及び多孔性固体の細孔に引き込む。

レフディング二世の方法は、ヨーロッパ特許第０４５、
００２号に開示されている方法並びに米国特許第３．８
６７、１７７号、第３．５２９．６５５号及び第３．３
６４．９７６号に開示されている方法に多少関連がある
。これらの特許の開示内容は本発明に利用できる。即ち
、上記のレフディング二世の特許では、溶融金属浴を設
け、この溶融金属浴に、充填材を中に入れである容器を
、キャビティー内の気体と溶融金属との間°の反応を誘
発し、そしてキャビティーを溶融金属でシールするのに
十分な深さに浸漬する。この特許における別の態様では
、周囲空気と接触すると溶融状態で酸化されるマトリッ
クス金属の溶融浴の表面を、保護層又はフラックスで覆
う。容器を溶融金属にさせるとき、このフラックスは脇
のほうに移動させられるが、フラックス由来の異物は、
溶融マトリックス金属浴並びに／又は浸透を受ける容器
及び多孔性固体材料に取り込まれる。

このような汚染はたとえ非常に低いレベルであっても、
容器内の真空の生成に有害であるばかりでなく、得られ
る複合体の物性にも有害である。さらに、容器を溶融マ
トリックス金属浴から取り出し、そして過剰のマトリッ
クス金属を容器から排出させるとき、重力により浸透物
体からマトリックス金属が損失することがある。

したがって、上記の利点を維持したまま、外部から適用
する圧力若しくは真空の使用、害のある湿潤剤又は溶融
マトリックス金属プールの使用に頼らない金属マトリッ
クス複合体及び金属マトリックスを含むマクロ複合体の
簡単で信頼性のある製造方法が長く求められていた。さ
らに、金属マトリックス複合体又は金属マトリックス複
合体を含むマクス複合体を製造するのに必要とする最終
機械加工操作が最小ですむ製造方法が長く求められてい
た。本発明は、標準大気圧下で反応性雰囲気（例えば、
空気、窒素、酸素等）の存在下で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、マグネシウム、青銅、
銅、鋳鉄等）を浸透させるための自己発生真空の生成を
含むマクロ複合体の製造方法を提供することにより上記
及び他の必要性を満足させるものである。

本出願人による関連特許及び特許出願 セラミックマトリックス複合体型内に入れられている通
気性フィラー素材の浸透により金属マトリックス複合体
を形成する新規な方法が、本出願人所有の米国特許出願
第１４２．３８５号〔出願臼：１９８８年１月１１日、
発明者：ドウィベディ（Ｄｗｉｖｅｄｉ）等、発明の名
称：「金属マトリックス複合体の製造方法（Ｍｅｔｈｏ
ｄ　ｏｆ　Ｍａｋｉｎｇ　Ｍｅｔａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　
Ｃｏｍｐｏｓｉ−ｔｅｓ）　Ｊ　、現在米国で許可済〕
に開示されている。

ドウィベディ等の発明の方法によれば、溶融前駆体金属
又は母材金属を酸化剤で指向性酸化をして多結晶酸化反
応生成物を発現又は成長させ、適当なフィラー（「第一
フィラー（ｆｉｒｓｔ　ｆｉｌｌｅｒ）　Ｊと称する）
を含有するプレフォームの少なくとも一部分を埋め込む
ことにより鋳型が形成される。その後、形成したセラミ
ックマトリックス複合体からなる鋳型に第二フィラーを
供給し、第二フィラーと鋳型を溶融金属と接触させ、そ
して最も一般的には少なくとも一種の溶融金属を鋳型を
シールする入口又は開口部に導入することにより鋳型の
内容物を密封する。密封した成層には、閉じ込められた
空気を含んでいることがあるが、閉じ込められた空気と
鋳型の内容物を隔離又はシールして外部空気又は周囲空
気を排除又は遮断する。気密環境を提供することにより
、適度の溶融金属温度で第二フィラーの効果的浸透がな
され、したがって、湿潤剤、溶融マトリックス金属にお
ける特殊な合金成分、機械的圧力の適用、真空の適用、
特殊な気体雰囲気又は他の浸透手段の必要性がなくなる
。

上記で説明した本出願人所有の特許出願には、セラミッ
クマトリックス複合体に密着させることのできる金属マ
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
新規な物体が記載されている。

もう１つの本出願人による関連出願はＭｉｃｈａｅｌＫ
、＾ｇｈａｊａｎｉａｎ及びＭａｒｃ　Ｓ、Ｎｅｗｋｉ
ｒｋの１９８８年３月１５日付けの米国特許出願第１６
８．２８４号明細書（“Ｍ６ｔａ１Ｍａｔｒｘｘ　Ｃｏ
ｍｐｏｓｉｔｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏ
ｒ　Ｍａｋｉｎｇｔｈｅ　Ｓａｍｅ”）である。この出
願に開示された方法によれば、マトリックス金属合金が
第１の金属源として及び例えば重力流により第１の溶融
金属源と連通ずるマトリックス金属の溜めとして存在す
る。

とくに、この出願に記載された条件下では、第１の溶融
マトリックス合金源は大気常圧下で充填材素材に浸透し
始め、従って金属マトリックス複合体を製造し始める。

第１の溶融マトリックス金属合金源は充填材素材中への
浸透中に消費され、所望であれば、浸透が続くときに、
溶融マ）ＩＪフックス属の溜めから好ましくは連続手段
で補充することができる。所望量の通気性充填材が溶融
マトリックス合金によって浸透されたとき、温度を下げ
て合金を固化し、よって強化充填材を埋め込む。

金属溜めの使用はこの出願に係る発明の単なる１態様で
あり、これに開示された各種態様に対してこの溜めの態
様を組合せることは必ずしも必要でない。また、これら
の態様のいくつかは本発明と組み合せても有効である。

この金属溜めは充填材の通気性素材に所定量浸透するの
に十分な金属を提供するのに十分な量存在することがで
きる。あるいは、充填材の通気性素材の少なくとも１側
面にバリヤー手段を接触させて表面境界を形成すること
ができる。

さらに、送られる溶融マトリックス合金の供給は少なく
とも充填材の通気性素材の境界（例、バリヤー）まで浸
透が実質的に進行するのに十分でなければならないが、
溜めに存在する合金の量はそのような十分な量以上に多
くてもよく、それによって浸透を完了するのに十分な量
の合金が存在するのみならず、過剰の溶融金属合金が残
って金属マトリックス複合体に付着することができても
よい。こうして、過剰の溶融合金が存在すると、金属マ
）ＩＪフックス浸透して含まれる充填材が溜めに残る過
剰の金属と直接に接触した複雑な複合体（例、マクロ複
合体）が得られるであろう。

本出願人の１９８９年７月１７日付けの特許出願（Ｍａ
ｒｃ、　　Ｓ、　　Ｎｅｗｋｉｒｋ　　ら、”Ｍｅｔｈ
ｏｄｓ　ｆｏｒ　ＦｏｒｍｉｎｇＭａｃｒｏｃｏｍｐｏ
ｓｉｔｅ　Ｂｏｄｉｅｓ　ａｎｄ　ＭａｃｒｏｃｏＩＩ
ＩｐｏｓｉｔｅＢｏｄｉｅｓ　Ｐｒｏｄｕｃｅｄ　Ｔｈ
ｅｒｅｌｙ”）は関連するマクロ複合体の製造方法を開
示している。この出願は１９８９年６月２０日出願の特
許出願第３６８．５６４号（Ｍａｒｃ　Ｓ。

Ｎｅｗｋｉｒｋ　　ら、”Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｆ
ｏｒｍｉｎｇ　Ｍａｃｒｏ−ｃｏｍｐｏｓｘｔｅ　Ｂｏ
ｄｔｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｃｒｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｂ
ｏｄｉｅｓＰｒｏｄｕｃｅｄ　Ｔｈｅｒｅｂｙ″）の一
部継続出願であり、これはさらに１９８８年１１月１０
日付けの特許出願第２６９．４６４号（Ｍａｒｃ　Ｓ、
　Ｎｅｗｋｉｒｋ、“Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｆｏｒｍ
ｉｎｇ　Ｍａｃｒｏ−ｃｏｍｐｏｓｘｔｅ　Ｂｏ＋ｌｅ
ｓ　ａｎｄ　Ｍａｃｒｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｂｏｄｉ
ｅｓＰｒｏｃ！ｕｃｅｄ　Ｔｈｅｒｅｂｙ”）の一部継
続出願である。これらの出願は充填材の通気性素材又は
プレフォームに溶融マトリックス金属が自発浸透して、
自発浸透された材料をセラミック及び／又は金属のよう
な少なくとも１種の第２の材料に結合することによる、
マクロ複合体のいろいろな製造方法を開示している。と
くに、浸透促進剤及び／又は浸透促進剤前駆体及び／又
は浸透雰囲気がプロセスの少なくともある時点で充填権
又はプレフォームと連通しており、これによって溶融マ
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
透することが可能になる。さらに、浸透に先立って、充
填材又はプレフォームを第２の材料の少なくとも１部と
接触させて置くことによって、充填材又はプレフォーム
への浸透後に、浸透した材料が第２の材料と結合し、よ
ってマクロ複合体が形成される。

本発明の方法と類似の自己発生真空プロセスによる金属
マトリックス複合体の製造方法が、本出願人による１９
８９年７月１８日付けの米国特許出願（Ｒｏｂｅｒｔ　
Ｃ，Ｋａｎｔｎｅｒ　　ら、”Ａ　Ｍｅｔｂｏｄ　ｏｆ
　ＦｏｒｍｉｎｇＭｅｔａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｍｐ
ｏｓｉｔｅ　Ｂｏｄｉｅｓ　ｂｙ　ａ　５ｅｌｆ−Ｇｅ
ｎｅｒ−ａｔｅｄ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ａ
ｎｄ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ＰｒｏｄｕｃｅｄＴｈｅｒｅ
ｆｒｏｍ”）に開示されている。この特許出願は、溶融
マトリックス金属を反応雰囲気の存在において充填材又
はプレフォームと接触させ、プロセスの少なくともある
時点で、溶融マトリックス金属が反応雰囲気と部分的に
あるいは実質的に全部反応し、それによって溶融マトリ
ックス金属が少なくとも一部分は自己発生真空の発生に
より充填材又はプレフォームに浸透する方法に係る。こ
のような自己発生真空浸透は外部からの圧力又は真空の
適用なしで起きる。

これら本出願人の特許出願の内容は本願にも含められる
。

〔課題を解決するための手段及び作用効果〕本発明の方
法では、不通気性容器に配置されている充填材の通気性
素材又はプレフォームに溶融マトリックス金属が浸透す
る新規な自己発生真空法により新規な金属マトリックス
複合体が製造される。即ち、溶融マトリックス金属と反
応性雰囲気は、両方とも、プロセス中の少なくともある
時点で通気性素材と連通しており、接触すると、反応性
雰囲気とマトリックス金属及び／若しくは充填材又はプ
レフォーム及び／若しくは不通気性容器との間に真空が
発生し、溶融マトリックス金属が充填材又はプレフォー
ムに浸透する。さらに、浸透に先立って、充填材又はプ
レフォームを少なくとも１種の第２の材料の近くに又は
接触させて置くことによって、充填材又はプレフォーム
への浸透後、浸透した材料が前記少なくとも１種の第２
の材料の少なくとも１部に結合する。

第１の好ましい実施態様において、（１）不通気性容器
、（２）充填材の塊またはその中に含有されるプレフォ
ーム、（３）前記充填材の塊またはプレフォームに隣接
するか、あるいはそれと接触する少なくとも１つの第２
充填材、（４）溶融したマトリックス金属、（５）反応
雰囲気、および（６）反応系を周囲雰囲気から密封する
密封手段からなる反応系が提供される。次いで、溶融し
たマトリックス金属を反応雰囲気および密封手段の存在
下に充填材の塊またはプレフォームと接触させる。反応
雰囲気は、溶融したマトリックス金属および／または充
填材および／または不通気性容器と部分的にあるいは実
質的に完全に反応して、真空をつくることができる反応
生成物を形成し、これにより溶融したマトリックス金属
を少なくとも部分的に充填材の中に引き入れそして少な
くとも１つの第２材料の少なくとも一部分と接触させる
。反応雰囲気および溶融したマ）　ＩＪフックス属およ
び／または充填材および／または不通気性容器を含む反
応は十分な時間連続して、溶融したマトリックス金属を
、充填材またはプレフォームの中に、部分的にあるいは
実質的に完全に浸透させることができる。しかしながら
、溶融したマトリックス金属は充填材またはプレフォー
ムを、溶１したマトリックス金属が少なくとも１つの第
２材料の少なくとも一部分と接触するような程度に、浸
透すべきである。マトリックス金属と異なる組成を有す
る、反応系を密封する外部の密封手段を設けることがで
きる。

別の好ましい実施態様では、マトリックス金属が周囲雰
囲気と反応して、周囲雰囲気から反応系をシールするマ
トリックス金属とは異なる組成の内部的化学シール手段
を形成してもよい。

本発明の他の実施態様において、反応系を密封する外部
の密封手段を設ける代わりに、不通気性容器および／ま
たは少なくとも１つの第２材料の任意の部分をぬらすマ
トリックス金属により外部の物理学的密封を形成するこ
とができ、これは溶融したマトリックス金属が不通気性
容器に添加された後、溶融したマトリックス金属の表面
より上に延び、こうして反応系を周囲雰囲気から密封す
ることができる。さらに、マトリックス金属による不通
気性容器および／または少なくとも１つの第２材料のぬ
れを促進する合金添加剤を混入し、こうして反応系を周
囲雰囲気から密封することができる。

別の好ましい実施態様では、充填材が少なくとも部分的
に反応性雰囲気と反応して、溶融マトリックス金属を充
填材又はプレフォームに引き込む真空を生じさせてもよ
い。さらに、添加物を充填材に含有せしめ、その充填材
を部分的又は実質的に完全に反応性雰囲気と反応して、
真空を生じさせるとともに、得られる物体の性質を高め
ることができる′。さらに、充填材及びマトリックス金
属の他や、充填材及びマトリックス金属の代わりに、不
通気性容器が少なくとも部分的に反応性雰囲気と反応し
て真空を発生させてもよい。

Ｅ、定義 本明細書及び特許請求の範囲に用いられている用語を以
下に定義する。

本明細書で用いられる用語「合金側（Ａｌｌｏｙ　５ｉ
ｄｅ）Ｊとは、溶融金属が充填材の通気性素材又はプレ
フォームに浸透する前に最初に溶融マトリックス金属に
接触した金属マトリックス複合体の面を意味する。

本明細書で用いられる用語「アルミニウム（Ａｌｕｍｉ
ｎｕｍ）　Ｊとは、実質的に純粋な金属（例えば、比較
的純粋な市販の未合金アルミニウム）又は鉄、珪素、銅
、マグネシウム、マンガン、クロム、亜鉛等の不純物及
び／又は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。

本明細書で用いられる用語「周囲雰囲気（Ａｍｂｉｅｎ
ｔＡｔ＋ｎｏｓｐｈｅｒｅ）　Ｊとは、充填材又はプレ
フォーム及び不通気性容器の外の雰囲気を意味する。周
囲雰囲気は、反応性雰囲気と同様の成分を有していても
よいし、反応性雰囲気と異なる成分を有していてもよい
。

金属マトリックス複合体に関連して本明細書で用いられ
る用語「バリヤー（Ｂａｒｒｉｅｒ）　Ｊ又は「バリヤ
ー手段（Ｂａｒｒｉｅｒ　ｍｅａｎｓ）　Ｊとは、充填
材の通気性素材又はプレフォームの表面境界を超えて溶
融マ）　＋Ｊフックス属が移行、移動等するのを妨害、
阻止、防止又は終了させるいずれかの適当な手段を意味
する。この場合の表面境界は前記バリヤー手段によって
形成される。適当なバリヤー手段としては、プロセス条
件下でかなりの団結性を維持し、そして実質的に揮発性
でない（即ち、バリヤー材は、バリヤーとして機能しな
い程度には揮発しない）材料、化合物、元素、組成物等
が挙げられる。

さらに、適当な「バリヤー手段」は、バリヤー手段の湿
潤がバリヤー材の表面を超えて相当に進行しない限り、
用いられるプロセス条件下で移行している溶融マトリッ
クス金属により湿潤されるか、湿潤されない材料も含む
。この種のバリヤーは、溶融マトリックス金属に対して
実質的にほとんど親和性を示さないと思われ、そして充
填材の素材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するのはバリヤー手段により防止
又は阻止される。得られる金属マトリックス複合体生成
物の表面の少なくとも一部分を形成するために必要なこ
とのある最終機械加工又は研削をバリヤーにより減少さ
せることができる。

「結合した」は、ここで使用するとき、２つの物体間の
取り付けの方法を意味する。取り付けは物理学的および
／または化学的および／または機械的であることができ
る。物理学的取り付けは、２つの物体の少なくとも一方
が、通常液状で、他方の物体の微小構造の少なくとも一
部分に浸透することを必要とする。この現象は普通に「
ぬれ」として知られている。化学的取り付けは、２つの
物体の少なくとも一方が他方の物体と化学的に反応して
、２つの物体の間に少なくとも１つの化学的結合を形成
することを必要とする。２つの物体の間に機械的取り付
けを形成する１つの方法は、２つの物体の少なくとも一
方の他方の物体の内部への巨視的浸透を包含する。この
１つの例は、２つの物体の少なくとも一方の他方の物体
の表面上のみぞまたはスロット中への浸透であろう。こ
のような機械的取り付けは、「ぬれ」の微視的浸透を含
まず、このような物理学的取り付けの技術と組み合わせ
て使用することができる。

機械的取り付けの追加の方法は、「収縮勘合（ｓｈｒｉ
ｎｋ　ｆｉｔｔｎｇ）　Ｊのような技術を包含し、ココ
で一方の物体は他方の物体へ圧力勘合により取り付けら
れる。この機械的取り付けの方法において、物体の一方
の他方の物体により圧縮下に所定位置に存在するであろ
う。

本明細書で用いられる用語「青銅（Ｂｒｏｎｚｅ）　Ｊ
とは、鉄、錫、亜鉛、アルミニウム、珪素、ベリリウム
、マグネシウム及び／又は鉛を含んでいてもよい調高含
有合金を意味するとともに、それを含む。青銅合金の具
体例としては、銅の割合が約９０重量％であり、珪素の
割合が約６重量％であり、そして鉄の割合で約３重量％
である合金が挙げられる。

本明細書で用いられる用語「カーカス（Ｃａｒｃａｓｓ
）　Ｊ又は「マトリックス金属のカーカス（Ｃａｒｃａ
ｓｓ　ｏｆＭａｔｒｉｘ　Ｍｅｔａｌ）　Ｊとは、金属
？）リックス複合体の生成中に消費されず、典型的には
、もし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状態のままとなる残存して
いるマトリックス金属の原物体を意味する。このカーカ
スは、第二金属又は外来金属も含んでいてもよい。

本明細書で用いられる用語「鋳鉄（Ｃａｓｔ　Ｉｒｏｎ
）　Ｊとは、炭素の割合が少なくとも約２重量％である
鋳造合金鉄族を意味する。

本明細書で用いられる用語「銅（Ｃｏｐｐｅｒ）　Ｊと
は、工業グレードの実質的に純粋な金属、例えば、種々
の量の不純物を有する９９重量％銅を意味する。

さらに、銅とは、青銅の定義には入らず、そして主成分
として銅を含有する合金又は金属間化合物である金属も
意味する。

本明細書で用いられる用語「フィラー（Ｆｉｌｌｅｒ）
　Ｊとは、マトリックス金属とは実質的に反応せず及び
／又はマトリックス金属に対して限定され溶解度を有し
、そして単相又は多相でよい単一成分又は成分の混合物
を含む。フィラーは、粉末、フレーク、小板状、小球体
、ウィスカー、バブル等の多種多様の形態で用いること
ができ、そして緻密でも多孔性でもよい。また、「フィ
ラー」は、繊維、チョツプドファイバー、粒状物、ウィ
スカーバブル、球体、ファイバーマット等の形態のアル
ミナ又は炭化珪素等のセラミックフィラーび炭素を、例
えば、溶融アルミニウム母材金属による攻撃から保護す
るためにアルミナ又は炭化珪素で被覆した炭素繊維等の
セラミック被覆フィラーも含む。また、フィラーは金属
も含む。

本明細書で用いられる用語「不通気性容器（Ｉｍｐｅｒ
ｍｅａｂｌｅ　Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）　Ｊとは、プロセ
ス条件下で反応性雰囲気及び充填材（又はプレフォーム
）及び／又は溶融マトリックス金属及び／又はシール手
段を収容又は含み、そして周囲雰囲気と反応性雰囲気と
の間に圧力差が生じるように、容器を通ってガス又は蒸
気物質が移動するには十分に不透過性であることのでき
る容器を意味する。

「マクロ複合体」は、ここで使用するとき、セラミック
マトリックス物体、セラミックマトリックスの複合体、
金属物体、および金属マトリックスの複合体から成る群
より選択される２またはそれ以上の材料の任意の組み合
わせを意味し、ここでこれらは任意の立体配置で一緒に
緊密に結合され、ここで材料の少なくとも１つは自己発
生真空の技術により形成される金属マトリックスの複合
体からなる。金属マ）　ＩＪフックス複合体は、外部表
面としておよび／または内部表面として存在することが
できる。さらに、金属マトリックスの複合体は、前述の
群において２またはそれ以上の材料の間の中間層として
存在することができる。前述の群の残留マトリックス金
属および／または材料のいずれかに関する金属マトリッ
クスの複合体の順序、数および／または位置は制限され
ない方法で操作または制御することができることを理解
すべきである。

本明細書で用いられる用語「マ）　ＩＪフックス属（Ｍ
ａｔｒｉｘ　Ｍｅｔａｌ）　Ｊ又は「マトリックス金属
合金（Ｍａｔｒｉｘ　Ｍｅｔａｌ　Ａ１１ｏｙ）　Ｊは
、金属マトリックス複合体を形成するのに利用（例えば
、浸透前）される金属及び／又は充填材と混ぜ合わせて
金属マトリックス複合体を形成する（例えば、浸透後）
金属を意味する。規定される金属がマ）　ＩＪラックス
属として述べられているときには、このようなマトリッ
クス金属は実質的に純粋な金属、不純物及び／又は合金
成分を有する市販の金属、金属が主成分である金属間化
合物又は合金の形態の金属を含む。

本明細書で用いられる用語口金属マ）　ＩＪソックス合
体（Ｍｅｔａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）
　Ｊ又はｒＭＭｃＪとは、プレフォーム又は充填材を埋
め込んだ二次元的又は三次元的に連続している合金又は
マ）　ＩＪフックス属を含有する材料を意味する。マ）
　ＩＪラックス属は、得られる複合体に具体的に望まれ
る機械的性質及び物理的性質を付与する種々の合金元素
を含んでいてもよい。

本明細書で用いられる用語「マトリックス金属とは異な
る金属（＾Ｍｅｔａｌ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｏｍ
　ｔｈｅＭａｔｒｉｘ　Ｍｅｔａｌ）　Ｊ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（例えば、マ）　ＩＪフックス属の主要成分
がアルミニウムの場合、「異なる金属」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）。

本明細書で用いられる用語「プレフォーム（Ｐｒｅ−ｆ
ｏｒｍ）　Ｊ又は「通気性プレフォーム（Ｐｅｒｍｅａ
ｂｌｅＰｒｅｆｏｒｍ）　Ｊとは、マトリックス金属の
浸透のため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フィラー又は充填材の多孔
性素材を意味する。このような素材は、十分な形状の保
全性及び生強度を保持して、マトリックス金属により浸
透される前に外部手段なしで寸法信頼性を付与する。こ
の素材は、マトリックス金属が浸透するのに十分な多孔
性を有していなければならない。プレフォームは、典型
的には、均−又は不均一なフィラーの接合アレー又はア
レンジメント（ｂｏｎｄｅｄ　ａｒｒａｙ　ｏｒ　ａｒ
ｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を含み、そして適当な材料（例え
ば、セラミック及び／又は金属の粒状物、粉末、繊維、
ウィスカー等並びにそれらの組み合わせ）を含んでいて
もよい。プレフォームは、単一体で存在していても、組
立体で存在していてもよい。

本明細書で用いられる用語「反応系（Ｒｅａｃｔｉｏｎ
Ｓｙｓｔｅｍ）　Ｊとは、溶融マトリックス金属の充填
材又はプレフォームへの自己発生真空浸透を示す材料の
組み合わせを意味する。反応系は、充填材の通気性素材
又はプレフォームと、反応雰囲気と〈マトリックス金属
とを中に有する不通気性容器を少なくとも含んでいる。

本明細書で用いられる用語「反応性雰囲気（Ｒｅａｃｔ
ｉｖｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ）　　Ｊとは、マトリッ
クス金属及び／又は充填材（又はプレフォーム）及び／
又は不通気性容器と反応して自己発生真空を生成するこ
とにより、自己発生真空の生成後に溶融マトリックス金
属が充填材（又はプレフォーム）に浸透することのでき
る雰囲気を意味する。

本明細書で用いられる用語「溜（Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）
　Ｊとは、金属を溶融したときに、流れて、フィラー又
はプレフォームと接触状態にあるマトリックス金属の部
分、セグメント又は源を補充又は場合によっては最初に
マトリックス金属を供給し続いて補充するフィラーの素
材又はプレフォームに対して配置した別のマトリックス
金属体を意味する。

本明細書で用いられる用語「シール（Ｓｅａｌ）　Ｊ又
は「シール手段（Ｓｅａｌｉｎｇ　Ｍｅａｎｓ）　Ｊと
は、独立的に形成されるか（例えば、外部シール）、反
応系により形成されるか（内部シール）とは無関係に、
周囲雰囲気を反応性雰囲気から分離するプロセス条件下
での気体不透過性シールを意味する。このシール又はシ
ール手段は、マトリックス金属とは異なる組成を有して
いてもよい。

本明細書で用いられる用語「シールファシリヶータ−（
Ｓｅａｌ　Ｆａｃｉｌｉｃａｔｏｒ）　Ｊとは、マトリ
ックス金属と周囲雰囲気及び／又は不通気性容器及び／
又は充填材若しくはプレフォームとの反応後のシールの
形成を容易にする材料である。この材料は、マトリック
ス金属に添加することができ、そしてマトリックスにシ
ールファシリケーターが存在すると、得られる複合体の
性質を高めることができる。

「第２材料」は、ここで使用するとき、セラミックマト
リックス物体、セラミックマトリックスの複合体、金属
物体、および金属マトリックスの複合体から成る群より
選択される材料を呼ぶ。

本明細書で用いられる用語「湿潤エンハンサ−（Ｉｌｌ
ｅｔｔｉｎｇ　Ｂｎｈａｎｃｅｒ）　Ｊとは、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に添加
したときに溶融マトリックス金属による充填材又はプレ
フォームの湿潤を高める（例えば、溶融マトリックス金
属の表面張力を減少させる）材料を意味する。湿潤エン
ハンサ−が存在すると、例えば、マトリックス金属と充
填材との間の密着を高めることにより、得られる金属マ
トリックス複合体の性質を高めることもできる。

〔実施例〕

第１図を参照すると、第２材料に結合した金属マトリッ
クスの複合体からなるマクロ複合体を形成するための典
型的なレイアップ３０が示されており、金属マトリック
スの複合体は自己発生真空技術により形成される。詳し
くは、充填材またはプレフォーム３１は、下により詳細
に説明する任意の適当な材料であることができ、不通気
性容器３２中の第２材料、例えば、セラミックマトリッ
クスの複合体２９に隣接して配置され、不通気性容器３
２は溶融したマトリックス金属３３および反応雰囲気を
収容することができる。例えば、充填材３１を反応雰囲
気（例えば、充填材またはプレフォームの孔内に存在す
る雰囲気）と十分な時間接触させて、反応雰囲気を不通
気性容器３２中の充填材３１に部分的にあるいは実質的
に完全に浸透させることができる。マトリックス金属３
３は、溶融した形態または固体のインゴットの形態であ
り、次いで充填材３１と接触させて配置する。好ましい
実施態様において下により詳細に説明するように、外部
の密封または密封手段を、例えば、マトリックス金属３
３の表面上に設けて、反応雰囲気を周囲雰囲気３７から
隔離することができる。密封手段は、外部または内部に
しろ、室温において密封手段として機能するまたはしな
いことができるが、プロセス条件下で（例えば、マ）　
ＩＪソックス属の融点またはそれ以上において）密封手
段として機能すべきである。引き続いて、レイアップ３
０を炉内に入れ、この炉は室温であるか、あるいはほぼ
プロセス温度に熱されいる。プロセス条件下に、炉はマ
トリックス金属の融点以上の温度において作動して、溶
融したマトリックス金属を充填材またはプレフォーム中
に浸透させ、そして自己発生真空の形成により、第２材
料の少なくとも一部分と接触させる。

第２図は、本発明の方法を実施するためのプロセス工程
の単純化フローチャートである。工程（１）において、
以下でより詳細に説明する適当な性質を有する適当な不
通気性容器を加工又は得ることができる。例えば、単純
な開放鋼製（例えば、ステンレス製）円筒が鋳型として
適当である。

次に、鋼製容器を、必要に応じて、グラフオイル（ＧＲ
ＡＦＯＩＬ）　（商標）黒鉛テープ（グラフオイルはユ
ニオンカーバイド社の登録商標である）で内張すして、
容器内で生成されるマクロ複合体の取り出しを容易にし
てもよい。以下でより詳細に説明するように、容器内に
ふりま＜　ｅ、ｏ、等の他の材料又はマトリックス金属
に添加される錫を使用して、マクロ複合体が容器又は鋳
型から剥離するのを容易にすることもできる。次に、容
器は、必要に応じて少なくとも部分的にグラフオイル（
商標）テープの別の層で被覆することができる所望量の
適当な充填材又はプレフォームを装填する。黒鉛テープ
の層は、充填材の浸透後に残存しているマトリックス金
属のカーカスから金属マトリックス複合体を分離するの
を容易にする。

次いで、ある量のマ）　ＩＪフックス属、例えば、アル
ミニウム、青銅、銅、鋳鉄、マグネシウムなど容器中に
注ぐことができる。容器は室温にあることができるか、
あるいは任意の適当な温度に予熱することができるであ
ろう。そのうえ、マトリックス金属は最初にマトリック
ス金属の固体のインゴットとして供給し、その後熱して
インゴットを溶融することができる。次いで、外部の密
封手段および内部の密封手段から選択される適当な密封
手段（下に詳細に説明する）を形成することができる。

例えば、外部の手段を形成しようとした場合、外部の密
封手段、例えば、ガラス（例えば、Ｂ２Ｏ５）フリット
を容器中の溶融したマトリックス金属のプールの表面に
適用することができる。次いで、フリットは溶融し、典
型的にはプールの表面をおおうが、下に詳細に説明する
ように、完全な被覆は不必要である。溶融したマトリッ
クス金属を充填材またはプレフォームと接触させ、そし
て外部の密封手段によりマトリックス金属および／また
は充填材を周囲雰囲気から密封した後、必要に応じて、
容器を、プロセス温度に予熱することができる適当な炉
内に、適当な時間の間装置して浸透を起こすことができ
る。炉のプロセス温度は異なるマトリックス金属につい
て異なることができる（例えば、あるアルミニウム合金
について約９５０℃そしである青銅合金について約１１
００℃は望ましい）。適当なプロセス温度は、マトリッ
クス金属の融点および他の特性、ならびに反応系におけ
る成分の特定の特性、例えば、少なくとも１つの第２材
料、および密封手段に依存して変化するであろう。炉中
の温度において適当な時間後、真空は充填材またはプレ
フォーム内に発生しく下に詳細に説明する）、これによ
り溶融したマトリックス金属は充填材またはプレフォー
ムに浸透し、そして少なくとも１つの第２材料の少なく
とも一部分と接触することができるであろう。次いで、
容器を炉から取り出し、そして、例えば、それを冷たい
板上に配置することによって、マトリックス金属を方向
的に固化することができる。次いで、マクロ複合体を任
意の便利な方法で容器から取り出すことができる。

第１図及び第２図についての上記の説明から、本発明の
顕著な特徴が容易に明らかになったことであろう。プロ
セスにおける工程及びプロセスにおいて使用できる材料
の特性について、以下さらに詳細に説明する。

特定の理論又は説明に縛られることはないが、適当なマ
トリックス金属が、典型的には溶融状態で、不通気性容
器内において適当な反応性雰囲気の存在下で、少なくと
も１種の第２の材料の近く又は接触して置かれた適当な
充填材又はプレフォームと接触するとき、反応性雰囲気
と溶融マトリックス金属及び／又は充填材若しくはプレ
フォーム及び／又は不通気性容器との間で反応が生じて
、反応成分より占められる初期容積よりも小さい容積を
占有する反応生成物（例えば、固体、液体又は蒸気）生
成する。反応性雰囲気を周囲雰囲気から分離すると、通
気性充填材又はプレフォームにおいて真空が生じて、溶
融マトリックス金属を充填材のボイドスペースに引き込
むことができる。

さらに、真空の発生により湿潤を高めることができる。

反応性雰囲気と溶融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及び／又は不通気性容器との間の
継続した反応によりさらなる真空を発生させながら、マ
トリックス金属を充填材又はプレフォームに浸透させる
ことができる。

この反応は、溶融マトリックス金属が部分的又は実質的
に完全に充填材の素材又はプレフォームに浸透するに十
分な時間継続させることができる。

充填材又はプレフォームは、反応性雰囲気が少なくとも
部分的に充填材の素材又はプレフォームに浸透するに十
分な程度に通気性がなければならない。さらに、マクロ
複合体を製造するために、溶融マトリックス金属は前記
少なくとも１種の第２の金属の少なくとも１部と接触す
るまで充填材又はプレフォームに浸透すべきである。

本出願は、金属マ）　ＩＪフックス合体の形成中のある
時点で反応性雰囲気と接触させる種々のマトリックス金
属を開示する。即ち、自己発生真空生成を示す特定のマ
トリックス金属／反応性雰囲気の組み合わせ又は系につ
いて種々の観点から説明する。詳細には、自己発生真空
作用は、アルミニウム／空気系；アルミニウム／酸素系
；アルミニウム／窒素系；青銅／空気系；青銅／窒素系
；銅／空気系；銅／窒素系；及び鋳鉄／空気系で観察さ
れた。しかしながら、本出願で具体的に説明する以外の
マ）　ＩＪフックス属／反応性雰囲気系も同様な挙動を
示すことがあることは理解されるところであろう。

本発明の自己発生真空法を実施するためには、浸透中に
存在する反応性雰囲気の減圧が、周囲雰囲気から移送さ
れるいずれの気体によっても顕著に悪影響を受けないよ
うに、反応性雰囲気が周囲雰囲気から物理的に分離され
ることが必要である。

本発明の方法において利用されることのできる不通気性
容器は、マトリックス金属及び／又は反応性雰囲気に対
して反応性があってもなくてもよく、そしてプロセス条
件下で周囲雰囲気不透過性であるいずれの大きさ、形状
及び／又は組成の容器でもよい。具体的には、この不通
気性容器は、プロセス条件に耐えてサイズ及び形状を維
持し、そして周囲雰囲気が容器を通るのを十分に阻止す
るいずれの材料（例えば、セラミック、金属、ガラス、
ポリマー等）からなっていてもよい。雰囲気が容器を通
って移動するのを阻止するに十分な不通気性を有する容
器を利用することにより、容器内に自己発生真空を生成
することが可能となる。さらに、使用される各反応系に
よっては、反応性雰囲気及び／又はマトリックス金属及
び／又は充填材と少なくとも部分的に反応する不通気性
容器を使用して、容器内に自己発生真空を生じさせるか
、容器内に自己発生真空を生じさせるのを促進できる。

不通気性容器は、自己発生真空の発現又は維持に悪影響
を及ぼすことのある細孔、亀裂又は還元性酸化物を有し
ない特徴を持つものが適当である。

したがって、不通気性容器を形成するために多種多様な
材料を使用できることが理解されるであろう。例えば、
成形又は鋳造アルミナ又は炭化珪素が使用できるだけで
なく、マ）　ＩＪフックス属に対して限定された溶解度
又は低い溶解度を有する金属、例えば、アルミニウムマ
トリックス金属、銅マトリツクス金属及び青銅マトリッ
クス金属に関してはステンレス鋼が使用できる。

さらに、多孔性材料（例えば、セラミック体）等の別の
不適当な材料は、少なくとも一部分に適当な被膜を形成
することにより不通気性とすることができる。このよう
な不通気性被膜は、このような多孔性材料に密着及び多
孔性材料をシールするのに適当である多種多様な釉薬及
びゲルのいずれでもよい。さらに、不通気性被膜は、プ
ロセス温度で液体であるものが適当である。この場合、
被膜材料は、容器又は充填材又はプレフォームに粘着的
に接着することにより、自己発生真空下で不通気性を維
持するのに十分な程度に安定でなければならない。適当
な被膜材料としては、ガラス質材料（８２０３）の塩化
物、炭酸塩等が挙げられる。

但し、フィラー又はプレフォームの細孔の大きさは、被
膜が効果的に細孔をブロックして不通気性被膜を形成す
るのに十分な程度に小さくなければならない。

本発明の方法に使用するマトリックス金属は、プロセス
条件下で溶融したとき、充填材内での真空の発生にとも
ない充填材又はプレフォームに浸透するいずれのマトリ
ックス金属でもよい。例えば、マトリックス金属は、プ
ロセス条件下で反応性雰囲気と部分的又は実質的に完全
に反応することにより、少なくとも部分的に真空の発生
により溶融マトリックス金属の充填材又はプレフォーム
への浸透が生じるいずれの金属又は金属白成分であって
もよい。さらに、利用される系によっては、マトリック
ス金属は、反応性雰囲気に対して部分的又は実質的に非
反応性であってもよく、そして真空は反応性雰囲気と必
要に応じて反応系の一種以上の他成分との反応により生
じて、マトリックス金属が充填材に浸透するものでよい
。

好ましい実施態様では、マトリックス金属を湿潤エンハ
ンサ−と合金させて、マトリックス金属の湿潤を容易、
したがって、例えば、マトリックス金属とフィラーとの
結合を容易にして、形成する金属マトリックス金属複合
体の細孔を減少させ、完全浸透に必要な時間を短縮する
ようにしてもよい。さらに、湿潤エンハンサ−を含有す
る材料は、以下で説明するように、シールファシリテー
ター（ｓｅａｌ　ｆａｃｉｌｉｔａｔｏｒ）として作用
して反応性雰囲気を周囲雰囲気から分離するのを補助し
てもよい。

さらに、別の実施態様では、湿潤エンハンサ−を、マ）
　ＩＪフックス属と合金させるのではなく充填材に直接
含有せしめてもよい。湿潤エンハンサ−はマトリックス
金属の湿潤能力を促進してもよく、それによってより高
強度、より高凝着性のマクロ複合体の製造が可能になる
。

このようして、マトリックス金属による充填材の湿潤に
より、得られる金属マトリックス複合体の性質（例えば
、引っ張り強度、耐腐食性等）を高めることができる。

さらに、溶融マトリックス金属による充填材の湿潤によ
り、形成される金属マトリックス金属複合体全体にわた
ってフィラーが均一に分散でき、そしてマトリックス金
属に対するフィラーの結合を向上できる。アルミニウム
マトリックス金属のための有効な湿潤エンハンサ−とし
ては、マグネシウム、ビスマス、鉛、錫、等が挙げられ
、そして青銅及び銅のための湿潤エンハンサ−としては
、セレン、テルル、硫黄等が挙げられる。さらに、上記
で説明したように、少なくとも一種の湿潤エンハンサ−
を、マトリックス金属及び／又は充填材に添加して、得
られる金属マ）　ＩＪフックス合体に所望の性質を付与
してもよい。

さらに、マトリックス金属の溜を使用してマトリックス
金属を充填材に確実に完全に浸透させること及び／又は
マトリックス金属の第−源とは異なる組成を有する第二
金属を確実に供給することが可能である。即ち、場合に
よっては、マ）　ＩＪフックス属の第−源とは異なる組
成の溜の中でマトリックス金属を利用するのが望ましい
ことがある。

例えば、もしマトリックス金属の第−源としてアルミニ
ウム合金を使用するならば、処理温度で溶融する実質的
にいずれの他の金属又は金属合金も溜金属として使用す
ることができる。溶融金属は、相互に非常に混和性であ
ることがよくあり、混合が生じるのに適当な時間を与え
る限りは、溜金属を生じてマトリックス金属の第−源と
混合する。

したがって、マトリックス金属の第−源とは組成の異な
る溜金属を使用することにより、マトリックス金属の性
質を種々の作業要件に合わせることができ、したがって
、金属マ）　＋Ｊフックス属複合体の性質を適合させる
ことができる。

反応系を暴露する温度（例えば、処理温度）は、どのマ
トリックス金属、充填材又はプレフォーム、第２の材料
及び反応性雰囲気を使用するかにより異なっていてもよ
い。例えば、アルミニウムマトリックス金属の場合、本
発明の自己発生真空プロセスは、少なくとも約７００℃
、好ましくは約８５０℃以上の温度で進行する。１００
０℃を超える温度は一般的に必要ではなく、特に有効な
温度範囲は８５０〜１０００℃である。青銅マトリック
ス金属又は銅マトリツクス金属の場合には、約１０５０
〜約１１２５℃の温度が有効であり、そして鋳鉄の場合
には約１２５０〜約１４００℃の温度が適当である。−
船釣には、マトリックス金属の融点よりも高いが揮発点
よりも低い温度が使用される。

マクロ複合体の金属マ）ＩＪフックス合体部分の形成中
の金属マトリックス金属の組成及びミクロ構造を、得ら
れるマクロ複合体に所望の特性を付与するように適合さ
せることが可能である。例えば、一定の系では、プロセ
ス条件は、例えば、金属間化合物、酸化物、窒化物等の
生成を制御するように選択することができる。さらに、
金属マトリックスの組成を適合させることに加えて、金
属マトリックス複合体部分の他の物理的特性、例えば、
多孔率を、金属マトリックス金属複合体部分の冷却速度
を制御することにより変えることができる。ある場合に
は、形成されたマクロ複合体を保持している容器を冷却
板上に配置すること及び／又は断熱材を容器の周囲に選
択的に配置することにより、金属マトリックス金属複合
体部分を指向的に固化することが望ましいことがある。

さらに、マクロ複合体の金属マトリックス複合体部分の
別の性質（例えば、引っ張り強度）は、熱処理（実質的
にマトリックス金属のみの熱処理に相当する標準的な熱
処理か、部分的又は大きく変更した熱処理）を使用する
ことにより制御することができる。マクロ複合体の金属
マトリックス複合体部分の特性を変更するこれらの技術
は最終マクロ複合体の特性を特定の工業上の要件に適合
させるための変更又は改質に利用できる。

本発明の方法において使用する条件下に、少なくとも１
つの第２材料に隣接するか、あるいは接触して位置する
充填材の塊またはプレフォームは、反応雰囲気から周囲
雰囲気を隔離する前のプロセスの間にある時点において
、十分に浸透性であって反応雰囲気を充填材またはプレ
フォームに浸透させるべきである。適当な充填材を準備
することによって、反応雰囲気は、溶融したマトリック
ス金属および／または充填材および／または不通気性容
器と接触したとき、部分的にあるいは実質的に完全に反
応し、これにより真空を発生し、この真空は溶融したマ
）　ＩＪフックス属を充填材中に引き入れそして少なく
とも１つの第２材料の少なくとも一部分と接触させる。

そのうえ、充填材内の反応雰囲気の分布は実質的に均一
である必要はないが、反応雰囲気の実質的に均一な分布
は所望の金属マトリックスの複合体の形成を促進するこ
とができる。

金属マトリックス複合体を形成する本発明の方法は、多
種多様の充填材に適用でき、そして材料の選択は、主に
、マトリックス金属、少なくとも１種の第２の材料、処
理条件、溶融マトリックス金属と反応性雰囲気との反応
性、充填材と反応性雰囲気との反応性、溶融マトリック
ス金属と不通気性容器との反応性及び最終的なマクロ複
合体の金属マトリックス複合体に求められる性質等の要
因により決まる。例えば、マトリックス金属がアルミニ
ウムを含むとき、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）窒化物（例えば、窒化チタン）が
挙げられる。もし充填材が意に反して溶融マトリックス
金属と反応する傾向がある場合には、このような反応は
、浸透時間及び温度を最小に抑えること及びフィラーに
非反応性被膜を設けることにより調節できる。充填材は
、炭素又は他の非セラミック材料等の支持体と、支持体
を浸食又は分解から保護するために支持体に担持されて
いるセラミック被膜とを含んでいてもよい。

適当なセラミック被膜としては、酸化物、炭化物及び窒
化物が挙げられる。本発明の方法に使用するのに好まし
いセラミックとしては、粒子状、小板状、ウィスカー状
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）であっても、マルチフィラ
メントトウ等の連続フィラメントの形態であってもよい
。さらに、充填材又はプレフォームの組成及び／又は形
状は、均一でも不均一でもよい。

充填材のサイズ及び形状は、最終マクロ複合体の金属マ
トリックス複合体部分において望まれる性質を得るため
に必要とされるいずれのものであってもよい。即ち、浸
透は充填材の形状によっては制限されないので、材料は
粒子状、ウィスカー状、小板状又は繊維状でよい。球体
、小管、ベレット、耐火繊維布等の他の形状のものを用
いてもよい。さらに、材料のサイズは浸透を制限しない
が、小粒子の素材の完全浸透を達成するには、より大き
な粒子の素材の完全浸透を達成するよりもより高い温度
又はより長い時間が必要である。はとんどの工業的用途
では、平均充填材サイズは２４グリッド未満〜約５００
グリッドが好ましい。さらに、充填材又はプレフォーム
の通気性素材のサイズ（例えば、粒径等）を制御するこ
とにより、最終マクロ複合体に形成される金属マトリッ
クス複合体部分の物理的性質及び／又は機械的性質を、
無制限の工業的用途に合うように調整することができる
。さらに、異なる粒度の充填材を含有せしめることによ
り、充填材のより高い充填率を達成してマクロ複合体の
金属マトリックス複合体部分を調整することができる。

また、必要に応じて、浸透中に充填材を攪拌（例えば、
容器を震盪する）すること及び／又は浸透前に粉末化マ
トリックス金属と充填材を混合することにより低い粒子
充填率を得ることも可能である。

本発明の方法において利用される反応性雰囲気は、少な
くとも部分的又は実質的に完全に溶融マトリックス金属
及び／又は充填材及び／又は不通気性容器と反応して反
応前の雰囲気及び／又は反応成分よりも占有容積の小さ
い反応生成物を生成するいずれの雰囲気でもよい。即ち
、反応性雰囲気は、溶融マトリックス金属及び／又は充
填材及び／又は不通気性容器と接触すると、反応系の一
種以上の成分と反応して、個々の成分を合わせたよりも
占有容積の小さい固体、液体又は気相反応生成物を生成
することにより、溶融マトリックス金属を充填材又はプ
レフォームに引き込むのを促進するボイド又は真空を発
生させてもよい。反応性雰囲気と一種以上のマ）　ＩＪ
フックス属及び／又は充填材及び／又は不通気性容器と
の間の反応は、マトリックス金属が少なくとも部分的又
は実質的に完全に充填材に浸透するのに十分な時間継続
することができる。しかしながら、溶融マトリックス金
属は、充填材素材又はプレフォームと近く又は接触して
置かれた少なくとも１種の第２の材料の少なくとも１部
と接触するまで、充填材又はプレフォームに浸透させる
べきである。例えば、空気を反応性雰囲気として使用す
るとき、マ）　ＩＪフックス属（例えば、アルミニウム
）と空気との間の反応により、反応生成物（例えば、ア
ルミナ及び／又は窒化アルミニウム等）を生成させるこ
とができる。プロセス条件下で、反応生成物は、反応す
る溶融アルミニウムと空気により占有される総容積より
も小さい容積を占める傾向がある。反応の結果、真空が
発生して、溶融マトリックス金属の充填材又はプレフォ
ームへの浸透が生じる。

利用する系によっては、類似の方法により充填材及び／
又は不通気性容器が反応性雰囲気と反応して、溶融マト
リックス金属の充填材への浸透を促進してもよい。自己
発生真空反応は、少なくとも１種の第２の材料と結合し
てマクロ複合体を形成する金属マ）　ＩＪフックス合体
の生成を生じるのに十分な時間継続することができる。

さらに、シール又はシール手段を設けて周囲雰囲気から
充填材又はプレフォームへの気体の流入を防止又は制限
（例えば、周囲雰囲気の反応性雰囲気への流入の防止）
するのを補助する必要があることが判明した。第１図に
おいて、不通気性容器３２及び充填材３１内の反応性雰
囲気は周囲雰囲気３７から十分に分離されていて、反応
性雰囲気と溶融マトリックス金属３３及び／又は充填材
若しくはプレフォーム３３及び／又は不通気性容器３２
との間の反応が進行するにつれて、所望の浸透が達成さ
れるまで反応性雰囲気と周囲雰囲気との間に圧力差が生
じるとともにそれが維持されるようにしなければならな
い。反応性雰囲気と周囲雰囲気との間の分離は完全であ
る必要はなく、むしろ、実質的な圧力差が存在するに「
十分」であればよい（例えば、流量が反応性雰囲気を補
充するのに直接必要とする流量よりも少ない限り、周囲
雰囲気から反応性雰囲気への気相の流れが生じる）。上
記したように、周囲雰囲気と反応性雰囲気との必要な分
離の一部分は、容器３２の不通気性により提供される。

また、はとんどのマトリックス金属は十分に周囲雰囲気
不透過性であるので、溶融マトリックス金属プール３３
は、必要な分離の別の一部分を提供する。しかしながら
、不通気性容器３２とマトリックス金属との間の界面は
、周囲雰囲気と反応性雰囲気との間の漏れ経路を提供す
ることがある。したがって、シールはこのような漏れを
十分に阻止又は防止するものを設けなければならない。

適当なシール又はシール手段は、機械的手段、物理的手
段又は化学的手段に分類され、それらの各々はさらに外
部手段又は内部手段に分類される。

「外部（ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ）　Ｊとは、溶融マトリッ
クス金属とは無関係にシール作用が生じるか、溶融マト
リックス金属により提供されるシール作用に加えてシー
ル作用が生じることを意味する（例えば、反応系の他の
要素に添加される材料から生じるシール作用）。「内部
（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）　Ｊとは、シール作用が専らマ
トリックス金属の一つ以上の特性から生じることを意味
する（例えば、不通気性容器を湿潤するマトリックス金
属の能力から生じる。）内部機械的シールは、十分な深
さの溶融マトリックス金属プールを設けるか、上記した
レフディング及びレフディング等の特許及びそれらに関
連した特許と同様に、充填材又はプレフォームの浸漬に
より形成することができる。

しかしながら、例えば、レフディング二世により教示さ
れているような内部機械的シールは、多種多様な用途に
は効果的でなく、そして過剰に多量の溶融マトリックス
金属が必要なこともあることが判明した。本発明によれ
ば、外部的シール並びに物理的及び化学的内部シールに
より、内部機械的シールの欠点を克服できる。外部シー
ルの好ましい実施態様においては、シール手段は、プロ
セス条件下でマ）　ＩＪフックス属とは実質的に非反応
性である固体又は液体のマトリックス金属の表面に外部
から適用される。このような外部シールは、周囲雰囲気
からの気相成分が反応性雰囲気へ移動するのを防止する
か、少なくとも十分に阻止することが判明した。外部物
理的シールとして使用するのに適当な材料は、ガラス（
例えば、ホウ素又は珪素ガラス、Ｂ２Ｏ５、溶融酸化物
等）又はプロセス条件下で周囲雰囲気が反応性雰囲気に
移動するのを十分に阻止する他の材料をはじめとする固
体でも液体でもよい。

外部機械的シールは、周囲雰囲気と反応性雰囲気との間
の気体移動が十分に阻止されるように、マ）　ＩＪフッ
クス属プールと接触する不通気性容器の内表面を予備平
滑化又は予備研磨又は成形することにより形成すること
ができる。容器を不通気性にするために適用することが
できる釉薬及び８２０３等の被膜も、適当なシールを提
供できる。

外部化学的シールは、例えば、不通気性容器と反応性が
ある溶融マトリックス金属の表面に材料を配置すること
により提供することができる。反応生成物は、金属間化
合物、酸化物、炭化物等を含むことができる。

内部物理的シールの好ましい実施態様においては、マト
リックス金属は、周囲雰囲気と反応して、マトリックス
金属の組成とは異なる組成を有するシール又はシール手
段を形成することができる。

例えば、マトリックス金属が周囲雰囲気と反応すると、
反応生成物（例えば、Ａｌ−Ｍｇ合金と空気との反応の
場合はＭｇＯ及び／若しくはアルミン酸化物マグネシウ
ムスピネル又は青銅合金と空気との反応の場合には酸化
銅）が生成して、反応性雰囲気を周囲雰囲気からシール
することができる。

内部物理的シールのさらなる実施態様においては、シー
ルファシリテータ−（ｓｅａｌ　ｆａｃｉｌｉｔａｔｏ
ｒ）をマトリックス金属に添加（例えば、アルミニウム
マトリックス金属についてはマグネシウム、ビスマス、
鉛等を添加、銅又は青銅マ）　ＩＪフックス属について
はセレン、テルル、硫黄等を添加）して、マ）　ＩＪフ
ックス属と周囲雰囲気との間の反応でシールの形成を容
易にすることができる。内部化学的シール手段を形成す
る際、マトリックス金属は不通気性容器と反応してもよ
い（例えば、容器又はその被膜（内部）の部分溶解によ
るか、充填材を周囲雰囲気からシールすることのできる
反応生成物又は金属間生成物等を生成することにより）
。

さらに、シールは、周囲雰囲気が充填材に流入（例えば
、反応雰囲気への流入）することなく反応系における容
積変化（即ち、膨張又は収縮）又は他の変化に従わなけ
ればならないことが理解されるであろう。即ち、溶融マ
トリックス金属が充填材の通気性素材又はプレフォーム
に浸透するにつれて、容器内の溶融マトリックス金属の
深さが減少する傾向がある。このような系のための適当
なシール手段は、容器内における溶融マトリックス金属
のレベルが減少するときに周囲雰囲気から充填材に気体
移動するのを十分に防止するものでなければならない。

本発明のある実施Ｈ様において、マクロ複合体の形成に
利用する少なくとも１つの第２材料は、マトリックス合
金が不通気性容器内に配置された後、溶融したマトリッ
クス合金の表面レベルより上に延びることができる。こ
の場合において、溶融したマトリックス金属は、また、
第２材料とともに溶融したマトリックス金属、第２材料
、および周囲雰囲気の界面において密封を形成すべきで
ある。溶融したマトリックス金属および不通気性容器の
間の密封に関する上の説明は、また、密封が必要である
とき、溶融したマトリックス金属と第２材料との間の密
封に適用される。

又はバリヤー手段を本発明と組み合わせて利用してもよ
い。即ち、本発明の方法において使用することのできる
バリヤーは、充填材の表面境界を超えて溶融マトリック
ス金属が移行、移動等するのを妨害、阻止、防止又は終
了させるいずれの手段でもよい。適当なバリヤー手段は
、本発明のプロセス条件下で、かなりの構造保全性を維
持し、揮発性でなく、そして溶融マ）　ＩＪフックス属
が充填材の規定された表面境界を超えて継続して浸透す
るのを局部的に阻止、停止、妨害、防止等することがで
きるいずれの材料、化合物、元素、組成物等でよい。バ
リヤー手段は、自己発生真空浸透中に使用するか、以下
でより詳細に説明するようにマトリックス金属複合体を
形成するための自己発生真空法に関連して利用する不通
気性容器中で使用することができる。これらのバリヤー
手段はマクロ複合体成形体の製造を促進する。

適当なバリヤー手段は、バリヤー手段の湿潤がバリヤー
材料の表面（即ち、表面湿潤）を超えてかなり進行しな
い限りは、用いられるプロセス条件下で溶融マ）　１７
ツクス金属を移動することにより湿潤するものでもしな
いものでもよい。この種のバリヤーは、溶融マトリック
ス金属金に対してほとんど親和性を示さないと思われ、
そして溶融マトリックス金属が充填材又はプレフォーム
の規定された表面境界を超えて移動するのは、このバリ
ヤー手段により防止又は阻止される。また、バリヤーは
、最終マクロ複合体を製造するのに必要とされることの
ある最終機械加工又は研磨を減少することができる。

特にアルミニウムマトリックス金属に有効なバリヤーと
しては、炭素、とりわけ黒鉛として知られている炭素の
結晶同素体が適当である。黒鉛は、説明するプロセス条
件下では溶融アルミニウム合金により実質的に湿潤され
ない。特に好ましい黒鉛は、溶融アルミニウム合金が充
填材の規定された表面境界を超えて移動するのを防止す
る特徴を示す黒鉛テープ製品グラフオイル（商標）であ
る。

また、この黒鉛テープは、耐熱性であり、そして化学的
に実質的に不活性である。グラフオイル（商標）黒鉛テ
ープは、柔軟性、可とう性、適合性、整合性及び弾性が
あり、はとんどのバリヤーの適用に合う種々の形状に作
製できる。また、黒鉛バリヤー手段は、充填材又はプレ
フォームの周囲及び境界に、スラリー若しくはペースト
又は塗膜の形態で用いてもよい。グラフオイル（商標）
テープは、可とう性黒鉛シートの形態であるので特に好
ましい。このペーパー状黒鉛シートを用いる方法の一つ
は、浸透を受ける充填材又はプレフォームをグラフオイ
ル（商標）材料の層に包むことである。また、黒鉛シー
ト材料を成形して金属マトリックス金属複合体に望まし
い形状の雌型とし、次に、この雌型に充填材を充填する
ことができる。

さらに、５００グリツドアルミナ等の他の微粉砕粒状材
料も、粒状バリヤー材料の浸透が充填材の浸透速度より
も小さい速度で生じる限りは、一定の状況ではバリヤー
として機能することができる。

バリヤー手段は、規定されている表面境界をバリヤー手
段の層で被覆する等の適当な手段により適用できる。こ
のようなバリヤー手段の層は、塗装、浸漬、シルクスク
リーニング、蒸着により適用するか、バリヤー手段を液
体、スラリー若しくはペーストの形態で塗布するか、蒸
発性バリヤー手段のスパッタリングにより適用するか、
固体の粒状バリヤー手段の層を単に付着させるか、バリ
ヤー手段の固体薄シート又はフィルムを規定された表面
境界上に適用すればよい。バリヤー手段を適所に配置し
た状態で、自己発生真空浸透は、浸透しているマトリッ
クス金属が表面境界に達し、そしてバリヤー手段に接触
したときに実質的に終了する。

自己発生真空法とバリヤー手段の使用との組み合わせに
よりマクロ複合体の金属マトリックス複合体部分を形成
する本発明の方法により、従来技術に対して重要な利点
が提供される。即ち、本発明の方法を利用することによ
り、高価又は複雑な処理を行う必要なく金属マトリック
ス複合体を製造できる。本発明の一態様において、市販
されているか、特定の必要性に合わせることのできる不
通気性容器は、少なくとも１種の第２の材料の近く又は
接触して置かれた所望の形状の充填材又はプレフォーム
、反応性雰囲気、及びマトリックス金属が形成されたマ
クロ複合体の表面を超えて浸透するのを停止するための
バリヤー手段を含むことができる。反応性雰囲気が、プ
ロセス条件下で不通気性容器及び充填材に注入されるマ
トリックスと接触すると、自己発生真空が生じ、それに
より、溶融マ）　ＩＪフックス属が充填材に浸透し、最
終的に前記少なくとも１種の第２の材料の少なくとも１
部と接触する。本発明の方法は、複雑な処理工程、例え
ば、鋳型を複雑な形状に機械加工すること、溶融マトリ
ックス金属浴の維持、形成物体を複雑な形状の鋳型等か
ら取り出すこと等を避けることができる。さらに、充填
材の溶融マトリックス金属による置換は、溶融金属浴内
に沈まない安定な容器を用いることにより実質的に最小
限に抑えることができる。

本発明の種々の態様を以下の実施例で示すが、これらの
実施例は本発明を説明する目的のみに示されるものであ
り、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。

実施例１ 次の実施例は、アルミニウム金属マトリックス複合体の
中間層を利用して、セラミックマトリックス物体をステ
ンレス鋼の物体に結合する方法を実証する。

直径１．２７ｃｍ（１部２インチ）および長さ６．３５
ｃｍ（２１部２インチ）の概算寸法を有するステンレス
鋼棒を、商業的に入手可能なアルミテのるつぼからなり
、直径３．８１ｃｍ　（１１部２インチ）および高さ６
．３５ｃｍ　（２１部２インチ）の概算寸法を有する不
通気性容器内に直立位置に配置し、ステンレス鋼棒の１
端がアルミするつぼの底部に静止するようにした。

次いで、ステンレス鋼棒の外側表面およびアルミするつ
ぼの内側表面との間の環状空間に、５４グリツドの炭化
ケイ素の粒子からなるほぼ１．９１ｃｍ（３部４インチ
）の厚さの層を充填した。ステンレス鋼棒の外側表面は
水中の８２０．粉末の溶液で前辺て被覆シタ。Ｂｚ０３
粉末はニューハンプシャイヤー州シーブルックのエサ−
・カンパ＝−（Ａｅｓａｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手
した。概算組成２．５〜３．５重量％のＺｎ　。

３．０〜４．０重量％のＣｕ　、　７．５〜９．５重量
％のＳｉ　、　０．８〜１．５重量％のＦｅ　、　０．
２０〜０．３０重量％のＭｇ　、　＜０．５０重量％の
Ｍｎ　、　＜Ｑ、３５重量％のＳｎ　、および＜０．５
０重量％Ｎｉを有し、残部がアルミニウムであるアルミ
ニウム合金からなる固体のマトリックス金属のある量を
、室温の不通気性容器内の炭化ケイ素の充填材の上で配
置した。次いで、不通気性容器およびその内容物から成
る構成体を、約６００℃の温度に予熱した抵抗性の加熱
空気の雰囲気の炉内に配置した。次いで、炉温度を１．
５時間かけてほぼ９００℃に上げ、その間固体のマトリ
ックス合金はステンレス鋼の棒とアルミするつぼとの間
の環状空間内に溶融したマトリックス合金のほぼ１．９
１ｃｍ（３部４インチ）の層が形成した。次いで、溶融
したマトリックス金属は密封形成材料で覆われた。詳し
くは、ニューハンプシャイヤー州シーブルックのエサ−
・カンパニー（Ａｅｓａｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ）からの８
２０．粉末を溶融したアルミニウムマトリックスの金属
の表面上に配置した。

約９００℃において１５分後、Ｂ２０．材料は実質的に
完全に溶融してガラス状層を形成した。そのうえ、Ｂ２
Ｏ３中に捕捉されていた水は実質的に完全に脱気し、こ
れにより気体不透過性密封を形成した。この構成体を炉
内に約８００℃においてさらに２時間維持した。その後
、この構成体を炉から取り出し、そして水冷した銅の冷
たい板と直接接触して配置した。この構成体の最終の構
造体の分析において、溶融したマトリックス金属が炭化
ケイ素の充填材に浸透して、金属マトリックスの複合体
を形成し、この金属マトリックスの複合体はアルミする
つぼ覆ったステンレス鋼棒の両者に結合し、こうして固
体のマクロ複合体を形成し、ここでセラミック物体（ア
ルミするつぼ）は金属マトリックスの複合体の中間層に
より金属物体くステンレス鋼棒）に結合していることが
示された。さらに、炭化ケイ素の充填材に浸透しなかっ
た残留マトリックス金属の層は、アルミするつぼ、金属
マトリックスの複合体の中間層、およびステンレス鋼棒
に構成体の上表面において結合していた。

第３図は、この実施例において形成した最終マクロ複合
体の水平断面の写真である。この断面はマトリックス金
属の残留層より下でありかつアルミするつぼの底より上
において取った。この断面は、金属マトリックスの複合
体の中間層（６４）によりアルミするつぼ（６２）に結
合したステンレス鋼棒（６０）を示す。

実施例２ 次の実施例は、アルミニウムの金属マトリックスの複合
体へ結合したセラミックマトリックスの複合体からなる
マクロ複合体を形成する方法を実証する。この実施例は
、また、機械的結合を他の結合機構と組み合わせて利用
することを実証する。

アルミニウムマトリックスにより埋め込まれた炭化つ゛
イ素の充填材からなる円筒形のセラミックマトリックス
の複合体を、約３．８１ｃｍ　（１１／２インチ）の内
径台よび約５．７２ｃｍ　（２１／４インチ）の高さを
有しそして１６ゲージＡｌ５Ｉ３０４型ステンレス鋼か
ら構成された不通気性容器内に含有された５００グリツ
ドのアルミナ粉末［ツートン・カンパニー（Ｎｏｒｔｏ
ｎ　Ｃｏｍｐａｎｙ）からの３８＾１ｕｎｄａｍコの上
部に配置した。この容器は約３．８１ｃｍ　（１１／２
インチ）の内径および約５．７２ｃｍ　（２１／４イン
チ）長さを有する１６ゲージのステンレス鋼管を４．４
５ｃｍ　（１３／４インチ）　Ｘ４．４５ｃｍ　（１３
／４インチ）の１６ゲージのステンレス鋼板に溶接する
ことによって作った。前述の円筒形のセラミックマトリ
ックスの複合体を、次の本出願人に係る米国特許出願（
それらの開示をここに引用によって加える）に記載され
ている技術により作った：米国特許出願第０６／　８１
９，３９７号、１９８６年１月１７日提出、現在登録さ
れた、発明者Ｍａｒｃ　Ｓ、Ｎｅｗｋｉｒｋ　ｅｔ　ａ
ｌ９、発明の名称「複合体セラミック物品およびその製
造方法」、および米国特許出願第０７／　３３８，４７
１号、１９８９年４月１４日提出、これは米国特許出願
第０６／　８６１，０２５号（１９８６年５月８日提出
および現在放棄した）の規定６２の継続出願である、両
者とも発明者Ｍａｒｃ　Ｓ、Ｎｅｗｋｉｒｋｅｔ　ａｌ
、、発明の名称（造形したセラミック複合体およびその
製造方法」。環状空間円筒形のセラミックマトリックス
の複合体の外径に相当するセラミックマトリックスの複
合体の表面と不通気性容器の内側表面との間の環状空間
に、前述の５００グリツドのアルミニウム粉末を充填し
て、アルミニウム粉末のレベルがセラミックマトリック
スの複合体の上表面のレベルと等しくなるようにした。

５００グリツドの粉末は、この実施例の条件下に、溶融
したマ）　Ｕックス金属に対して不透過性であるバリヤ
ー材料として作用した。セラミックマトリックスの複合
体の上表面は、第４図に示すパターンで配向された４つ
の幅０．８９　ｍｍ　（０，０３５インチ）×深さ０．
７６２ｍｍ（０，０３０インチ）のスロットを有した。

スロワ）　（６６）は円筒形のセラミックマトリックス
の複合体の垂直軸から約８°で傾斜していた。５００グ
リツドの粉末は、セラミックマトリックスの複合体の上
表面を覆い、そしてセラミックマトリックスの複合体の
表面上のスロットの中へ入らなかった。円筒形のセラミ
ックマトリックスの複合体の概算寸法は、直径３．４９
ｃｍ　（１３／８インチ）および高さ０．７９ｃｍ　（
５／１６インチ）であった。

次いで、９０グリツドの炭化ケイ素の粒子からなる充填
材のほぼ０．３１８ｃｍ（０，１２５インチ）の厚さの
層を、セラミックマトリックスの複合体の上表面の上部
に配置した。炭化ケイ素の粒子は、また、セラミックマ
トリックスの複合体の上表面中のスロットを充填した。

概算組成２．５〜３．５重量％のＺｎ　、　３．０〜４
．０重量％のＣｕ　、　７．５〜９．５重量％のＳｉ　
、　０．８〜１．５重量％のＦｅ　、　５．２〜５．３
重量％のＭｇ　、＜０．５０重量％のＭｎ　、　＜０．
３５重量％のＳｎ　、および＜０．５０重量％Ｎ１を有
し、残部がアルミニウムであるアルミニウム合金からな
る溶融したマトリックス金属ある量を室温の不通気性容
器内に配置して、炭化ケイ素の充填材を覆った。溶融し
たマトリックス金属は約８００℃の温度であった。次い
で、溶融したマ）　ＩＪフックス属を密封形成材料で覆
った。詳しくは、ニューハンプシャイヤー州シーブルッ
クのエサ−・カンパニー（八ｅｓａｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ
）からの８２０．粉末を、溶融したアルミニウムマ）Ｉ
Ｊフックス金属上に配置した。不通気性容器およびその
内容物から成る構成体を、約８００℃の温度に予熱した
抵抗性の加熱空気の雰囲気の炉内に配置した。この温度
において１５分後、Ｂ２０．材料は実質的に完全に溶融
してガラス状層を形成した。そのうえ、Ｂ２Ｏ３中に捕
捉されていた水は実質的に完全に脱気し、これにより気
体不透過性密封を形成した。この構成体を炉内に約８０
０℃においてさらに２時間維持した。その後、この構成
体を炉から取り出し、そして不通気性容器の底を定める
ステンレス鋼板を、水冷した銅の冷たい板と直接接触し
て配置して、マトリックス金属を方向的に固化した。構
成体を室温に冷却した後、それを分解してセラミックマ
トリックスの複合体に結合した金属マトリックスの複合
体からなるマクロ複合体を得た。次いで、マクロ複合体
の金属マトリックス区画をほぼ０．３８１ｍｍ（０，０
１５インチ）の厚さに粉砕した。第５図に示すこの最終
のマクロ複合体を１系列の熱衝撃試験に付して、金属マ
トリックスの複合体（６８）がセラミックマトリックス
の複合体（７０）に熱衝撃のために分離するかどうかを
決定した。熱衝撃試験は熱サイクルからなり、ここでマ
クロ複合体を空気雰囲気を有する炉内で５００℃の温度
に上げ、そして５００℃の温度に１５分間維持した後、
炉から室温の空気の雰囲気の環境に１５分間取り出した
。マクロ複合体を１５分間の室温の環境に暴露した後、
５００℃の炉内にもどし、そしてサイクルを反復した。

サイクルを６回報告した後、結合の破壊またはセラミッ
クマトリックスの複合体からの金属マトリックスの複合
体の分離が観察された。

実施例３ 次の実施例は、アルミニウムの金属マトリックスの複合
体の中間層の利用により、ステンレス鋼の物体に結合し
たセラミックマトリックスの複合体からなるマクロ複合
体を形成する方法を実証する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリックス金属と、反応雰囲気と、不通気性容器
   と、充填材のルーズな集合体及び充填材のプレフォーム
   からなる群から選ばれた少なくとも１種の材料からなる
   通気性素材と、該通気性素材に隣接した少なくとも１種
   の第２又は追加の物体とを含む反応系を形成し、 該反応系の外部である周囲雰囲気から該反応系を少なく
   とも部分的にシールして、該反応雰囲気と該反応雰囲気
   の間に正味の圧力差を形成し、ここにシールは外部シー
   ル、内部物理的シール及び内部化学的シールのうち少な
   くとも１種によって提供し、そして 該シールせる反応系を加熱し、マトリックス金属を溶融
   して該少なくとも１種の物体に該溶融マトリックス金属
   を少なくとも部分的に浸透させ、該少なくとも１種の第
   ２又は追加の物体に一体的に付着又は結合した金属マト
   リックス複合体を形成し、よってマクロ複合体を得る、 工程からなることを特徴とするマクロ複合体の製造方法
   。