JPH0472895B2 - - Google Patents

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JPH0472895B2
JPH0472895B2 JP58127440A JP12744083A JPH0472895B2 JP H0472895 B2 JPH0472895 B2 JP H0472895B2 JP 58127440 A JP58127440 A JP 58127440A JP 12744083 A JP12744083 A JP 12744083A JP H0472895 B2 JPH0472895 B2 JP H0472895B2
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JP
Japan
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metal
particles
nozzle
composite material
molten
Prior art date
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JP58127440A
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Japanese (ja)
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JPS6021346A (en
Inventor
Hirohisa Miura
Hiroshi Sato
Toshio Natsume
Shusuke Katagiri
Yoshiro Hayashi
Masahiro Taguchi
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Publication of JPH0472895B2 publication Critical patent/JPH0472895B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、金属化合物粒子分散金属マトリツク
ス複合材料に係り、更に詳細にはその製造方法に
係る。 一般にマトリツクスとしての金属材料に他の材
料の粒子を分散させて粒子分散金属マトリツクス
複合材料とすることにより金属材料のもつ優れた
性質を活しつつその欠点を補填することができる
ことから、アルミニウム合金、マグネシウム合
金、チタン合金の如き軽金属に於ては炭化ケイ
素、窒化ケイ素の如きセラミツク粒子や硬質金属
の粒子を分散させてその強度や耐熱性を向上させ
ることが試みられており、スポツト溶接用電極チ
ツプを構成する銅合金や軸受用銅合金などに於て
はそれぞれ導電性や軸受性能を害さない範囲にて
セラミツク粒子や硬質金属の粒子を分散させてそ
の耐摩耗性を向上させることが試みられている。
かかる粒子分散金属マトリツクス複合材料に於
て、マトリツクス金属のもつ優れた性質を活しつ
つその欠点を有効に補填するためには、分散され
る粒子は微細且均質でありマトリツクス金属中に
均一に分散されなければならず、また粒子分散金
属マトリツクス複合材料を低廉に製造するために
は分散される粒子は安価なものでなければならな
い。 しかし従来の粒子分散金属マトリツクス複合材
料は、一般に、機械的破砕法またはアトマイズ法
により製造された1〜数十μmの粒子をマトリツ
クス金属の溶湯と機械的に混合する方法またはマ
トリツクス金属の溶湯中にアルゴンガスと一緒に
吹込む噴射分散法などにより製造されており、機
械的破砕法やアトマイズ法によつては粒径1μm
以下の微細な粒子を低廉に製造することができ
ず、またこれらの方法により製造される粒子は表
面活性度が低くマトリツクス金属の溶湯との濡れ
性が悪いため、粒子と溶湯との比重差により溶湯
の上層部と下層部との間に於ては粒子の充填密度
に差が生じ、従つて機械的混合法や噴射分散法に
などによつては微細な粒子をマトリツクス金属の
溶湯中に均一に分散させることが困難であり、ま
た粒子とマトリツクス金属との密着性に優れた複
合材料を製造することが困難である。 本願発明者等は従来の粒子分散金属マトリツク
ス複合材料の製造方法に於ける上述の如き問題に
鑑み、種々の実験的研究を行つた結果、冷却用ノ
ズルより噴出する噴流の流速が音速以上になるよ
う金属化合物を構成すべき金属の蒸気と他の元素
のガスとよりなる混合ガスを冷却用ノズルに通し
て断熱膨張させることにより急冷させれば粒径数
百Å以下の非常に微細で且表面活性度の高い金属
化合物の粒子を能率よく低廉に製造することがで
き、また冷却用ノズルより音速以上の流速にて噴
出した噴流をそのままマトリツクス金属の溶湯中
に導くことにより、特別な撹拌装置を用いてマト
リツクス金属の溶湯を撹拌しなくても非常に微細
な粒子をマトリツクス金属の溶湯中に均一に分散
させることができると共に粒子とマトリツクス金
属との密着性を向上させることができることを見
出した。 本発明は、本願発明者等が行つた種々の実験的
研究の結果得られた知見に基き、非常に微細な金
属化合物の粒子がマトリツクス金属中に均一に且
密着性よく分散された金属化合物粒子分散金属マ
トリツクス複合材料を能率よく低廉に製造するこ
とのできる方法を提供することを目的としてい
る。 かかる目的は、本発明によれば、少くとも一つ
の金属化合物を構成すべき少くとも一つの金属と
他の元素との気体状混合物を冷却用ノズルに通し
て断熱膨張させることにより急冷させつつ前記金
属と前記他の元素とを反応させ前記ノズルより音
速以上の流速にて噴出した噴流を金属溶湯中に導
く金属化合物粒子分散金属マトリツクス複合材料
の製造方法によつて達成される。 本発明によれば、混合ガス(気体状混合物)が
冷却用ノズルに通され断熱膨張によつて急冷され
この過程に於て金属と他の元素との化合反応が行
われるので、粒径数百Å程度の非常に微細な金属
化合物粒子を形成することができ、またかくして
形成された表面活性度の高い金属化合物粒子がそ
のままマトリツクス金属の溶湯中に導かれるので
金属化合物粒子とマトリツクス金属との密着性を
向上させることができ、更には冷却用ノズルより
音速以上の流速にて噴出した噴流によりマトリツ
クス金属の溶湯が適宜に撹拌されるので、粒子を
構成する金属化合物とマトリツクス金属との比重
差が比較的大きい場合にも、電磁撹拌装置の如き
撹拌装置によりマトリツクス金属の溶湯を撹拌し
なくても金属化合物粒子をマトリツクス金属中に
均一に分散させることができる。 また本発明によれば、非常に微細な金属化合物
粒子を形成すること及び金属化合物粒子をマトリ
ツクス金属の溶湯中に分散させることが一連の工
程として間断なく連続的に行われるので、これら
の工程が相互に独立した工程として実施される場
合に比して遥かに能率よく且低廉に金属化合物粒
子分散金属マトリツクス複合材料を能率よく低廉
に製造することができる。 本発明の方法に於けは、金属蒸気が保有する熱
エネルギの一部は冷却用ノズルによる自己断熱膨
張により運動エネルギに変換され、冷却用ノズル
より噴出した噴流はマツハ1〜4の高速流とな
る。今冷却用ノズルより上流側の混合ガスの圧力
及び温度をそれぞれP1(torr)、T1(〓)とし、冷
却用ノズルより下流側の流体の圧力、温度、速度
をそれぞれP2(torr)、T2(〓)、M2(マツハ数)と
すると、冷却用ノズルの下流側の任意の点に於け
る流体の温度及び速度は下記の式により与えられ
る。 冷却用ノズルとして先細ノズルが使用される場
合には、ノズル出口圧力P2が臨界圧力
The present invention relates to a metal matrix composite material in which metal compound particles are dispersed, and more particularly to a method for manufacturing the same. In general, by dispersing particles of other materials in a metal material as a matrix to create a particle-dispersed metal matrix composite material, it is possible to take advantage of the excellent properties of the metal material while compensating for its drawbacks. Attempts have been made to improve the strength and heat resistance of light metals such as magnesium alloys and titanium alloys by dispersing ceramic particles such as silicon carbide and silicon nitride, and hard metal particles. Attempts have been made to improve the wear resistance of the copper alloys that make up the bearings and the copper alloys for bearings by dispersing ceramic particles and hard metal particles to the extent that they do not impair the conductivity or bearing performance. There is.
In such a particle-dispersed metal matrix composite material, in order to take advantage of the excellent properties of the matrix metal while effectively compensating for its drawbacks, the dispersed particles must be fine and homogeneous and uniformly dispersed in the matrix metal. Furthermore, in order to inexpensively manufacture a particle-dispersed metal matrix composite material, the dispersed particles must be inexpensive. However, conventional particle-dispersed metal matrix composite materials are generally produced by mechanically mixing particles of 1 to several tens of micrometers produced by mechanical crushing or atomization with molten matrix metal, or by mixing them with molten matrix metal. It is manufactured by injection dispersion method, etc. in which argon gas is blown in, and particle size is 1 μm depending on mechanical crushing method or atomization method.
The following fine particles cannot be produced at low cost, and the particles produced by these methods have low surface activity and poor wettability with the molten matrix metal. There is a difference in the packing density of particles between the upper and lower layers of the molten metal, and therefore, depending on the mechanical mixing method or jet dispersion method, fine particles can be uniformly distributed in the molten matrix metal. It is difficult to disperse the particles into the matrix metal, and it is also difficult to produce a composite material with excellent adhesion between the particles and the matrix metal. In view of the above-mentioned problems in the conventional manufacturing method of particle-dispersed metal matrix composite materials, the inventors of the present application conducted various experimental studies and found that the velocity of the jet jet ejected from the cooling nozzle exceeds the speed of sound. If a mixed gas consisting of the vapor of the metal and the gas of other elements constituting the metal compound is rapidly cooled by passing it through a cooling nozzle and causing adiabatic expansion, it will form very fine particles with a particle size of several hundred angstroms or less and on the surface. Particles of highly active metal compounds can be produced efficiently and inexpensively, and by directing the jet ejected from a cooling nozzle at a flow rate higher than the speed of sound directly into the molten matrix metal, a special stirring device can be used. It has been found that very fine particles can be uniformly dispersed in a molten matrix metal using the molten matrix metal without stirring the molten matrix metal, and the adhesion between the particles and the matrix metal can be improved. The present invention is based on the knowledge obtained as a result of various experimental studies conducted by the inventors of the present invention, and is based on the findings obtained from various experimental studies conducted by the inventors of the present invention. The object of the present invention is to provide a method for efficiently and inexpensively manufacturing a dispersed metal matrix composite material. According to the present invention, this object is achieved by rapidly cooling a gaseous mixture of at least one metal and another element constituting at least one metal compound by passing it through a cooling nozzle and adiabatically expanding it. This is achieved by a method for producing a metal matrix composite material in which metal compound particles are dispersed, in which the metal and the other element are reacted and a jet ejected from the nozzle at a flow rate higher than the speed of sound is introduced into the molten metal. According to the present invention, a mixed gas (gaseous mixture) is passed through a cooling nozzle and is rapidly cooled by adiabatic expansion. During this process, a combination reaction between the metal and other elements takes place, so the particle size is several hundred. It is possible to form extremely fine metal compound particles on the order of Å, and since the thus formed metal compound particles with high surface activity are directly introduced into the molten matrix metal, the metal compound particles and the matrix metal are in close contact with each other. In addition, since the molten matrix metal is appropriately stirred by the jet ejected from the cooling nozzle at a flow rate higher than the speed of sound, the difference in specific gravity between the metal compound constituting the particles and the matrix metal is reduced. Even when the particles are relatively large, the metal compound particles can be uniformly dispersed in the matrix metal without stirring the molten matrix metal using a stirring device such as an electromagnetic stirring device. Furthermore, according to the present invention, the formation of very fine metal compound particles and the dispersion of the metal compound particles into the molten matrix metal are carried out continuously as a series of steps without any interruption, so these steps can be carried out without interruption. A metal matrix composite material in which metal compound particles are dispersed can be produced more efficiently and at a lower cost than when the processes are carried out as mutually independent steps. In the method of the present invention, a part of the thermal energy held by the metal vapor is converted into kinetic energy by self-adiabatic expansion by the cooling nozzle, and the jet jet ejected from the cooling nozzle is a high-speed flow of Matsuha 1 to 4. Become. The pressure and temperature of the mixed gas upstream from the cooling nozzle are P 1 (torr) and T 1 (〓), respectively, and the pressure, temperature, and velocity of the fluid downstream from the cooling nozzle are P 2 (torr), respectively. , T 2 (〓), and M 2 (Matsuha number), the temperature and velocity of the fluid at any point downstream of the cooling nozzle are given by the following equation. When a tapered nozzle is used as a cooling nozzle, the nozzle outlet pressure P 2 is the critical pressure.

【式】に達したとき速度度M2は マツハ1となり、それ以上圧力P2が減小しても
速度M2は増大しない。一方冷却用ノズルとして
末広ノズル(ラバールノズルとも呼ばれる)が使
用される場合には、P2/P1の減小に伴い速度M2
加速度的に増大し、P2/P1=1/100の場合に速度
M2はマツハ4となる。温度T1はマトリツクス金
属中に分散される金属化合物を構成する金属の蒸
気圧に応じて選定されて良いが、今T1=2273〓
(2000℃)、比熱比k=1.667とすると、圧力比P2/
に応じて冷却用ノズル下流側の流体の温度T2
及び速度M2は凡そ下記の表1に示された値とな
る。
When [formula] is reached, the speed M 2 becomes Matsuha 1, and even if the pressure P 2 decreases further, the speed M 2 does not increase. On the other hand, when a wide divergent nozzle (also called a Laval nozzle) is used as a cooling nozzle, the velocity M 2 increases at an accelerating rate as P 2 /P 1 decreases, and P 2 /P 1 = 1/100. if speed
M2 becomes Matsuha 4. The temperature T 1 may be selected depending on the vapor pressure of the metal constituting the metal compound dispersed in the matrix metal, but now T 1 = 2273〓
(2000℃), specific heat ratio k = 1.667, pressure ratio P 2 /
Temperature of the fluid downstream of the cooling nozzle according to P 1 T 2
and speed M 2 are approximately the values shown in Table 1 below.

【表】 この表1より例えば圧力比P2/P1が1/10の場合
にはT2=905〓(632℃)、M2=2.13(約1400m/se
c)となることが解る。 かくして本発明によれば、混合ガスが冷却用ノ
ズルに通されることにより形成された非常に微細
な金属化合物粒子が音速またはそれ以上の高速度
にてマトリツクス金属の溶湯中に叩き込まれるの
で、金属化合物粒子をその表面活性度が低下しな
いうちにマトリツクス金属の溶湯中に分散させる
ことができ、また冷却用ノズルより噴出した音速
またはそれ以上の噴流によりマトリツクス金属の
溶湯が適宜に撹拌されるので、溶湯撹拌手段を用
いなくても化合物金属粒子をマトリツクス金属の
溶湯中に均一に分散させることができる。尚金属
化合物粒子が保有する運動エネルギの一部はそれ
がマトリツクス金属の溶湯に衝突した際熱エネル
ギに転換されるので、マトリツクス金属の溶湯の
温度を実質的に一定に維持するためには、温度
T2はマトリツクス金属の溶湯の温度よりも僅か
に低い温度に設定されることが好ましい。 また本発明によれば、金属蒸気は他の元素のガ
スと混合された状態にて冷却用ノズルに通され
る。この場合他の元素のガスにより金属蒸気が集
合によつて粒成長することが抑制され、また他の
元素のガスがキヤリアガスとして機能することに
より金属蒸気がより速やかに且連続的に冷却用ノ
ズルへ導かれるので、マトリツクス金属中に分散
される金属化合物粒子の粒径を一層小さくするこ
とができ、また金属化合物粒子の粒径のばらつき
を低減することができる。また他の元素のガスと
の混合ガスがノズルに通されるので、他の元素の
ガスの流量を制御することによりノズル前後の混
合ガスの圧力比を比較的容易に制御することがで
き、これにより混合ガスの冷却速度及び金属化合
物粒子の粒径を容易に制御することができる。 本発明の一つの実施例によれば、金属化合物粒
子がマトリツクス金属の溶湯中により一層均一に
分散されるよう、マトリツクス金属の溶湯は溶湯
撹拌手段により撹拌される。 本発明に於て使用される冷却用のノズルは末広
ノズルまたは先細ノズルの何れであつても良い
が、ノズルを通過する混合ガスの流速をできるだ
け速くすることにより混合ガスの冷却速度をでき
るだけ大きくし、これにより微細で粒径の整つた
高品質の金属化合物粒子を能率よく形成しまたノ
ズルより噴出した噴流によりマトリツクス金属の
溶湯をより効果的に撹拌するためには、末広ノズ
ルが使用されることが好ましい。また本発明によ
る金属化合物粒子分散金属マトリツクス複合材料
の製造方法に冷却用ノズルに於て、マトリツクス
金属の溶湯を対し一定の流量に流動させれば上述
の如き優れた特徴を有する金属化合物粒子分散金
属マトリツクス複合材料をバツチ式ではなく連続
的に製造することが可能である。 尚、本明細書に於て、「金属化合物」とはセラ
ミツクの如く金属と他の元素との化合物を意味す
る。 以下に添付の図を参照しつつ本発明を実施例に
ついて詳細に説明する。 実施例 1 第1図は本発明による金属化合物粒子分散金属
マトリツクス複合材料の製造方法を実施するに好
適な一つの複合材料製造装置を示す概略構成図で
ある。図に於て、1は実質的に密閉された容器を
なす炉殻を示しており、該炉殻1内にはるつぼ2
が配置されている。るつぼ2は開閉弁3により連
通を制御されるガス導入ポート4を有するガス予
熱室5と、該ガス予熱室と連通する金属蒸気室6
とを有している。るつぼ2の周りにはガス予熱室
5及び金属蒸気室6内を所定の温度T1に維持す
るヒータ7が配置されており、このヒータ7によ
り金属蒸気室6内に装入された金属が溶融されて
金属溶湯8とされ、更には金属蒸気として蒸発化
されるようになつている。 るつぼ2の底壁9には金属蒸気室6と炉殻1内
の複合材料製造ゾーン10とを連通接続する導管
11が設けられており、該導管の下端には末広ノ
ズル12が設けられている。複合材料製造ゾーン
10には末広ノズル12の下方にマトリツクス金
属の溶湯13を貯容する容器14が配置されてお
り、末広ノズル12より噴出した噴流15を受け
るようになつている。容器14の周りにはヒータ
16が配置されており、容器14内に貯容された
マトリツクス金属の溶湯13が実質的に一定の温
度に維持されるようになつている。また第1図に
於て仮想線にて示されている如く、モータ17に
より回転されるプロペラ18により必要に応じて
溶湯13を撹拌し得るようになつている。複合材
料製造ゾーン10は導管19により開閉弁20を
介して真空ポンプ21に接続されており、真空ポ
ンプ21により複合材料製造ゾーン10及び金属
蒸気室6内がそれぞれP2及びP1の所定圧力に減
圧されるようになつている。 かくして構成された複合材料製造装置を用いて
以下の要領にて窒化ケイ素の粒子を分散材としア
ルミニウム合金(JIS規格AC8A)をマトリツク
ス金属とする金属化合物粒子分散金属マトリツク
ス複合材料を製造した。 先ず50gの金属ケイ素を金属蒸気室6内に装入
し、ガス導入ポート4よりガス予熱室5を経て金
属蒸気室6内へ窒素ガスを導入し、ヒータ7によ
りるつぼ2を急速加熱して金属蒸気室6内の温度
T1を2100℃とすることにより金属ケイ素を溶融
させてケイ素溶湯8を形成し、更に窒素ガス導入
量を制御して金属蒸気室6内の圧力P1が15torrに
なるよう調整した。 次いで金属蒸気室6内にて形成されたケイ素蒸
気と窒素ガスとよりなる混合ガスを、圧力P2
0.5〜1torrに維持された複合材料製造ゾーン10
へ末広ノズル12を経て噴出させた。この場合混
合ガスは末広ノズル12による自己断熱膨張によ
り温度T2=約700℃以下にまで急冷され、その過
程に於て非常に微細な窒化ケイ素粒子となり、余
剰の窒素ガスと共に複合材料製造ゾーン10へ移
行した。更にかくして生成した窒化ケイ素粒子を
含む噴流15を容器14内に貯容されヒータ16
により温度T3=650〜700℃に維持されたアルミ
ニウム合金の溶湯13の液面に衝突させることに
より、窒化ケイ素の粒子をアルミニウム合金の溶
湯13内に分散させ、また真空ポンプ21により
未反応の窒素ガスを複合材料製造ゾーン10より
除去した。 アルミニウム合金の溶湯13が完全に凝固した
後、炉殻1より容器14を取出し、更に容器14
より窒化ケイ素粒子が分散されたアルミニウム合
金よりなる直径80mm、高さ80mmのインゴツトを取
出し、第2図に示されている如くインゴツト22
より中心線23に沿つて直径10mm、高さ80mmの円
柱体24を切出し、更に円柱体の上面25よりそ
れぞれ15mm、40mm、65mmの点を中心に直径10mm、
厚さ10mmのサンプルA〜Cを切出し、各サンプル
について窒化ケイ素粒子の充填密度(重量%)を
測定した。その測定結果を下記の表2の欄に示
す。第3図は上述のサンプルAについての透過電
子顕微鏡写真であり、図に於て斑点状の部分が窒
化ケイ素粒子であり、それ以外の部分がアルミニ
ウム合金である。この実施例によれば、粒径の小
さい窒化ケイ素粒子をアルミニウム合金中に均一
に分散させることができることが解る。 またプロペラ18によりアルミニウム合金の溶
湯13が撹拌された点を除き上述の実施例と同一
の条件にて製造された複合材料、及び冷却用ノズ
ルとして第4図に示されている如き先細ノズル2
6が使用された点を除き上述の実施例と同一の条
件にて製造された複合材料についての窒化ケイ素
粒子の充填密度の測定結果をそれぞれ下記の表2
の欄及びに示す。 また表2には金属ケイ素窒化法により形成され
た窒化ケイ素粒子(日本電気工業株式会社製
「N2」)が噴射分散法によりアルミニウム合金の
溶湯中に分散されることにより製造された直径80
mm、高さ80mmの比較例としての複合材料について
の窒化ケイ素粒子の充填密度の測定結果及び各複
合材料に於ける窒化ケイ素粒子の粒径及びその平
均粒径も示されている。尚この場合噴射分散法
は、第5図に示されている如く、図には示されて
いないアルゴンガス供給源よりアルゴンガスを供
給される導管27と、該導管内へ分散粒子を供給
しそれらの混合流体を形成する粒子供給器28
と、導管27と連通し混合流体を噴射するノズル
29とを有する噴射装置30により、取鍋31に
貯容された銅合金の溶湯32をるつぼ33内へ少
しずつ注湯しつつ、モリブデン粒子とアルゴンガ
スとの混合噴流34を落下する溶湯32内へ噴射
することにより行われた。
[Table] From Table 1, for example, if the pressure ratio P 2 /P 1 is 1/10, T 2 = 905〓 (632℃), M 2 = 2.13 (approximately 1400m/se
It turns out that c). Thus, according to the present invention, the very fine metal compound particles formed by passing the mixed gas through the cooling nozzle are thrown into the molten matrix metal at the speed of sound or higher, so that the metal The compound particles can be dispersed into the molten matrix metal before their surface activity decreases, and the molten matrix metal is appropriately stirred by the jet stream ejected from the cooling nozzle at the speed of sound or higher. The compound metal particles can be uniformly dispersed in the molten matrix metal without using a molten metal stirring means. A portion of the kinetic energy possessed by the metal compound particles is converted into thermal energy when they collide with the molten matrix metal, so in order to maintain the temperature of the molten matrix metal substantially constant, the temperature must be increased.
Preferably, T 2 is set to a temperature slightly lower than the temperature of the molten metal of the matrix metal. Further, according to the present invention, the metal vapor is passed through the cooling nozzle in a mixed state with gases of other elements. In this case, the other elemental gas suppresses the grain growth of the metal vapor due to aggregation, and the other elemental gas functions as a carrier gas, allowing the metal vapor to reach the cooling nozzle more quickly and continuously. Therefore, the particle size of the metal compound particles dispersed in the matrix metal can be further reduced, and variations in the particle size of the metal compound particles can be reduced. In addition, since a gas mixture with other elemental gases is passed through the nozzle, the pressure ratio of the mixed gas before and after the nozzle can be controlled relatively easily by controlling the flow rate of the other elemental gases. Accordingly, the cooling rate of the mixed gas and the particle size of the metal compound particles can be easily controlled. According to one embodiment of the invention, the molten matrix metal is stirred by a molten metal stirring means so that the metal compound particles are more uniformly dispersed in the molten matrix metal. The cooling nozzle used in the present invention may be either a wide-spread nozzle or a tapered nozzle, but the cooling rate of the mixed gas can be increased as much as possible by increasing the flow rate of the mixed gas passing through the nozzle. In order to efficiently form fine, well-sized, high-quality metal compound particles, and to more effectively stir the molten matrix metal with the jet ejected from the nozzle, a wide-end nozzle is used. is preferred. In addition, in the method for producing a metal matrix composite material in which metal compound particles are dispersed according to the present invention, if the molten metal matrix metal is made to flow at a constant flow rate in the cooling nozzle, the metal compound particle dispersed metal having the above-mentioned excellent characteristics can be produced. It is possible to manufacture matrix composites continuously rather than in batches. In this specification, the term "metal compound" refers to a compound of a metal and another element, such as ceramic. The invention will now be described in detail by way of example embodiments with reference to the accompanying drawings. Example 1 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing one composite material manufacturing apparatus suitable for carrying out the method for manufacturing a metal matrix composite material in which metal compound particles are dispersed according to the present invention. In the figure, reference numeral 1 indicates a furnace shell forming a substantially sealed container, and a crucible 2 is placed inside the furnace shell 1.
is located. The crucible 2 includes a gas preheating chamber 5 having a gas introduction port 4 whose communication is controlled by an on-off valve 3, and a metal vapor chamber 6 communicating with the gas preheating chamber.
It has A heater 7 is arranged around the crucible 2 to maintain the inside of the gas preheating chamber 5 and the metal vapor chamber 6 at a predetermined temperature T1 , and this heater 7 melts the metal charged into the metal vapor chamber 6. The molten metal 8 is converted into molten metal 8, and further evaporated into metal vapor. The bottom wall 9 of the crucible 2 is provided with a conduit 11 that communicates and connects the metal vapor chamber 6 with the composite material production zone 10 in the furnace shell 1, and a diverging nozzle 12 is provided at the lower end of the conduit. . In the composite material manufacturing zone 10, a container 14 for storing a molten matrix metal 13 is arranged below the wide-spread nozzle 12, and is configured to receive the jet stream 15 ejected from the wide-spread nozzle 12. A heater 16 is disposed around the vessel 14 to maintain the molten matrix metal 13 stored within the vessel 14 at a substantially constant temperature. Further, as shown by the imaginary line in FIG. 1, the molten metal 13 can be stirred as necessary by a propeller 18 rotated by a motor 17. The composite material production zone 10 is connected by a conduit 19 to a vacuum pump 21 via an on-off valve 20, and the vacuum pump 21 brings the interior of the composite material production zone 10 and the metal vapor chamber 6 to predetermined pressures of P 2 and P 1 , respectively. It is starting to be depressurized. Using the composite material manufacturing apparatus thus constructed, a metal compound particle-dispersed metal matrix composite material was manufactured using silicon nitride particles as a dispersion material and aluminum alloy (JIS standard AC8A) as a matrix metal in the following manner. First, 50 g of silicon metal is charged into the metal vapor chamber 6, nitrogen gas is introduced from the gas introduction port 4 through the gas preheating chamber 5 into the metal vapor chamber 6, and the crucible 2 is rapidly heated by the heater 7 to melt the metal. Temperature inside steam chamber 6
By setting T 1 to 2100° C., metal silicon was melted to form molten silicon 8, and the amount of nitrogen gas introduced was controlled so that the pressure P 1 in the metal vapor chamber 6 was 15 torr. Next, the mixed gas of silicon vapor and nitrogen gas formed in the metal vapor chamber 6 is heated to a pressure of P 2 =
Composite manufacturing zone 10 maintained at 0.5-1 torr
The liquid was ejected through a wide-divergent nozzle 12. In this case, the mixed gas is rapidly cooled down to a temperature T 2 = approximately 700°C or less by self-adiabatic expansion by the wide-spread nozzle 12, and in the process becomes extremely fine silicon nitride particles, which together with excess nitrogen gas enter the composite material manufacturing zone 10. Moved to. Furthermore, the jet stream 15 containing the silicon nitride particles thus generated is stored in the container 14 and sent to the heater 16.
The particles of silicon nitride are dispersed in the molten aluminum alloy 13 by colliding with the liquid surface of the molten aluminum alloy 13 maintained at a temperature T 3 =650 to 700°C, and unreacted particles are removed by the vacuum pump 21. Nitrogen gas was removed from composite material production zone 10. After the molten aluminum alloy 13 is completely solidified, the container 14 is taken out from the furnace shell 1, and
An ingot 80 mm in diameter and 80 mm in height made of an aluminum alloy in which silicon nitride particles were dispersed was taken out, and an ingot 22 was prepared as shown in FIG.
A cylindrical body 24 with a diameter of 10 mm and a height of 80 mm is cut out along the center line 23, and a diameter of 10 mm is cut out from the top surface 25 of the cylindrical body at points 15 mm, 40 mm, and 65 mm, respectively.
Samples A to C with a thickness of 10 mm were cut out, and the packing density (weight %) of silicon nitride particles was measured for each sample. The measurement results are shown in the column of Table 2 below. FIG. 3 is a transmission electron micrograph of the above-mentioned sample A, in which the spotted portions are silicon nitride particles and the other portions are aluminum alloy. According to this example, it is understood that silicon nitride particles having a small particle size can be uniformly dispersed in an aluminum alloy. In addition, a composite material manufactured under the same conditions as in the above embodiment except that the molten aluminum alloy 13 was stirred by a propeller 18, and a tapered nozzle 2 as shown in FIG. 4 as a cooling nozzle were used.
Table 2 below shows the measurement results of the packing density of silicon nitride particles for composite materials manufactured under the same conditions as in the above example except that No. 6 was used.
Shown in the columns and. Table 2 also shows silicon nitride particles with a diameter of 80 mm manufactured by dispersing silicon nitride particles (N2 manufactured by NEC Corporation) formed by a metal silicon nitriding method into a molten aluminum alloy by a jet dispersion method.
Also shown are the measurement results of the packing density of silicon nitride particles for a composite material as a comparative example with a height of 80 mm, and the particle size and average particle size of the silicon nitride particles in each composite material. In this case, the injection dispersion method, as shown in FIG. particle feeder 28 forming a mixed fluid of
An injection device 30 having a nozzle 29 that communicates with the conduit 27 and injects a mixed fluid gradually pours the molten copper alloy 32 stored in the ladle 31 into the crucible 33, and mixes the molybdenum particles and argon. This was done by injecting a mixed jet 34 with gas into the falling molten metal 32.

【表】 実施例 1′ 上述の実施例1に於て窒素ガスの代わりにアン
モニアガスが使用され、圧力P1、、P2及び温度T2
がそれぞれ20torr、約1torr、約700℃に設定され
た点を除き、実施例1と同様の要領にて窒化ケイ
素粒子を分散材としアルミニウム合金(JIS規格
AC8A)をマトリツクス金属とする複合材料を製
造したところ、表2の欄〜に示された結果と
実質的に同一の結果が得られた。 実施例 2 第1図に示された複合材料製造装置を用いて前
述の実施例1の場合と同様の要領にて炭化ケイ素
の粒子を分散材としアルミニウム合金(JIS規格
AC8A)をマトリツクス金属とする金属粒子分散
金属マトリツクス複合材料を製造し、各複合材料
のサンプルについて炭化ケイ素粒子の充填密度、
粒径、平均粒径を測定した。尚この実施例の製造
条件は以下の如くであつた。 金属ケイ素装入量: 80g 導入ガス:メタン 温度T1:2100℃ 圧力P1:10torr 温度tT2:約800℃以下 圧力P2:0.5〜1.0torr 温度T3:650〜700℃ この実施例に於ける測定結果を下記の表3に示
す。尚比較例に於て使用された炭化ケイ素粒子は
株式会社イビデンの「ベータランダム−ウルトラ
フアイン」であつた。
[Table] Example 1' In Example 1 above, ammonia gas is used instead of nitrogen gas, and the pressures P 1 , , P 2 and temperatures T 2
An aluminum alloy (JIS standard
When a composite material using AC8A) as the matrix metal was produced, substantially the same results as those shown in columns ~~ of Table 2 were obtained. Example 2 Using the composite material manufacturing apparatus shown in FIG. 1, aluminum alloy (JIS standard
A metal particle-dispersed metal matrix composite material using AC8A) as the matrix metal was manufactured, and the packing density of silicon carbide particles was determined for each sample of the composite material.
Particle size and average particle size were measured. The manufacturing conditions for this example were as follows. Amount of silicon metal charged: 80g Introduced gas: Methane Temperature T 1 : 2100℃ Pressure P 1 : 10torr Temperature tT 2 : Approx. 800℃ or less Pressure P 2 : 0.5 to 1.0torr Temperature T 3 : 650 to 700℃ In this example The measurement results are shown in Table 3 below. The silicon carbide particles used in the comparative examples were "Beta Random-Ultra Fine" manufactured by IBIDEN Corporation.

【表】 実施例 3 第1図に示された複合材料製造装置を用いて前
述の実施例1の場合と同様の要領にて炭化ケイ素
の粒子を分散材とし銅合金(0.7%Cr、残部Cu)
をマトリツクス金属とする金属化合物粒子分散金
属マトリツクス複合材料を製造し、各複合材料の
サンプルについて炭化ケイ素粒子の充填密度、粒
径、平均粒径を測定した。尚この実施例の製造条
件は以下の如くであつた。 金属ケイ素装入量:100g 導入ガス:メタン 温度T1:2200℃ 圧力P1:15torr 温度T2:約900℃以下 圧力P2:1.0〜1.5torr 温度T3:1100〜1150℃ この実施例に於ける測定結果を下記の表4に示
す。尚比較例に於て使用された炭化ケイ素粒子は
株式会社イビデンの「ベータランダム−ウルトラ
フアイン」であつた。
[Table] Example 3 A copper alloy (0.7% Cr, balance Cu )
A metal matrix composite material in which metal compound particles are dispersed in the matrix metal was manufactured, and the packing density, particle size, and average particle size of silicon carbide particles were measured for samples of each composite material. The manufacturing conditions for this example were as follows. Amount of silicon metal charged: 100g Introduced gas: Methane Temperature T 1 : 2200℃ Pressure P 1 : 15torr Temperature T 2 : Approx. 900℃ or less Pressure P 2 : 1.0 to 1.5torr Temperature T 3 : 1100 to 1150℃ In this example The measurement results are shown in Table 4 below. The silicon carbide particles used in the comparative examples were "Beta Random-Ultra Fine" manufactured by IBIDEN Corporation.

【表】 上掲の表2乃至表4より、上述の各実施例によ
れば、従来の方法に比して遥かに粒径の小さい金
属化合物粒子をマトリツクス金属中に均一に分散
させることができ、特にマトリツクス金属の溶湯
を撹拌させれば、金属化合物粒子をマトリツクス
金属の溶湯中により一層均一に分散させることが
できることが解る。また冷却用ノズルとして先細
ノズルを用いた場合には金属化合物粒子の粒径及
び平均粒径が僅かに大きくなるが、その場合にも
従来の方法に比して遥かに粒径の小さい金属化合
物粒子をマトリツクス金属の溶湯中に均一に分散
させることができることが解る。 以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではなく本発明の範囲内にて種々の実
施例が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。
[Table] From Tables 2 to 4 above, according to each of the above-mentioned examples, metal compound particles with a much smaller particle size can be uniformly dispersed in the matrix metal compared to the conventional method. In particular, it has been found that if the molten matrix metal is stirred, the metal compound particles can be more uniformly dispersed in the molten matrix metal. In addition, when a tapered nozzle is used as a cooling nozzle, the particle size and average particle size of the metal compound particles become slightly larger, but even in that case, the metal compound particles have a much smaller particle size than in the conventional method. can be uniformly dispersed in the molten matrix metal. Although the present invention has been described in detail with respect to specific embodiments above, the present invention is not limited to these embodiments, and it is understood that various embodiments are possible within the scope of the present invention. It will be clear to those skilled in the art.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による金属化合物粒子分散金属
マトリツクス複合材料の製造方法を実施するに好
適な一つの複合材料製造装置を示す概略構成図、
第2図は実施例に於て製造された複合材料のイン
ゴツトの縦断面を示す説明図、第3図は本発明に
従つて製造された窒化ケイ素粒子を分散材としア
ルミニウム合金をマトリツクス金属とする複合材
料の透過電子顕微鏡写真、第4図は冷却用ノズル
としての先細ノズルを示す部分縦断面図、第5図
は噴射分散法による金属粒子分散金属マトリツク
ス複合材料の製造態様を示す解図である。 1…炉殻、2…るつぼ、3…開閉弁、4…ガス
導入ポート、5…ガス予熱室、6…金属蒸気室、
7…ヒータ、8…金属溶湯、9…底壁、10…複
合材料製造ゾーン、11…導管、12…末広ノズ
ル、13…マトリツクス金属の溶湯、14…容
器、15…噴流、16…ヒータ、17…モータ、
18…プロペラ、19…導管、20…開閉弁、2
1…真空ポンプ、22…インゴツト、23…軸
線、24…円柱体、25…上面、26…先細ノズ
ル、27…導管、28…粒子供給器、29…ノズ
ル、30…噴射装置、31…取鍋、32…溶湯、
33…るつぼ、34…混合噴流。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing one composite material manufacturing apparatus suitable for carrying out the method for manufacturing a metal matrix composite material in which metal compound particles are dispersed according to the present invention;
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a longitudinal section of a composite material ingot produced in an example, and FIG. 3 is an ingot produced according to the present invention in which silicon nitride particles are used as a dispersion material and aluminum alloy is used as a matrix metal. A transmission electron micrograph of the composite material, FIG. 4 is a partial vertical cross-sectional view showing a tapered nozzle as a cooling nozzle, and FIG. 5 is an illustration showing the manufacturing method of a metal particle-dispersed metal matrix composite material by the injection dispersion method. . 1...furnace shell, 2...crucible, 3...on/off valve, 4...gas introduction port, 5...gas preheating chamber, 6...metal vapor chamber,
7... Heater, 8... Molten metal, 9... Bottom wall, 10... Composite material production zone, 11... Conduit, 12... Diverging nozzle, 13... Molten matrix metal, 14... Container, 15... Jet, 16... Heater, 17 …motor,
18...Propeller, 19...Conduit, 20...Opening/closing valve, 2
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Vacuum pump, 22... Ingot, 23... Axis, 24... Cylindrical body, 25... Upper surface, 26... Tapered nozzle, 27... Conduit, 28... Particle supplier, 29... Nozzle, 30... Injection device, 31... Ladle , 32...molten metal,
33... Crucible, 34... Mixing jet.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 少くとも一つの金属化合物を構成すべき少く
とも一つの金属と他の元素との気体状混合物を冷
却用ノズルに通して断熱膨張させることにより急
冷させつつ前記金属と前記他の元素とを反応させ
前記ノズルより音速以上の流速にて噴出した噴流
を金属溶湯中に導く金属化合物粒子分散金属マト
リツクス複合材料の製造方法。 2 特許請求の範囲第1項の金属化合物粒子分散
金属マトリツクス複合材料の製造方法に於て、前
記冷却用ノズルは末広ノズルであることを特徴と
する金属化合物粒子分散金属マトリツクス複合材
料の製造方法。
[Scope of Claims] 1. A gaseous mixture of at least one metal and another element constituting at least one metal compound is passed through a cooling nozzle to expand adiabatically, thereby rapidly cooling the metal and the other element. A method for producing a metal matrix composite material in which metal compound particles are dispersed in a metal matrix by reacting with another element and introducing a jet jet ejected from the nozzle at a flow rate higher than the speed of sound into a molten metal. 2. The method for producing a metal matrix composite material in which metal compound particles are dispersed as set forth in claim 1, wherein the cooling nozzle is a diverging nozzle.
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JPS5424204A (en) * 1977-07-25 1979-02-23 Hitachi Zosen Corp Preparation of alloy of particle dispersion type

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