JPH05508349A - 金属マトリクス複合材料を鋳造するための装置及びその方法 - 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】 金属マトリクス複合材料を鋳造するための装置及びその方法技術分野 この発明は金属−マトリクス複合材料の鋳造に関し、より詳細には、このような 複合材料を凝固させるための方法及び装置に関する。

背景技術 補強金属マトリクス複合材料は、構造材料として次第に認められている。金属マ トリクス複合材料は、典型的には、金属マトリクス内に埋め込まれたファイバ、 グリッド、粉末などの補強粒子から成る。補強材は複合材料に対し、強度、剛性 、摩耗耐性、及びその他の所望の特性を与えるが、一方、マトリクスは粒子を防 御し、複合材料片内の荷重を移動する。このように、２つの成分であるマトリク スと補強材は、協力して、それぞれの成分が提供することのできる結果よりも優 れた結果を達成する。

２０年府、補強複合材料は、製造コストが高く、製品設計者による容認が欠如し ていたため、はとんど研究室での好奇心と同然であった。より近年では、グラフ ァイトーエポキシ複合材料などの非金属複合材料の製造が、その製造コストを大 きく減少させて、進歩した。金属−マトリクス複合材料のコストは依然、かなり 高いものである。ここ数年で、金属マトリクスを有する大量の鋳造補強複合材料 を再現性良く製造することができる製造技術が発見され、これらの材料のコスト を大きく引き下げた。例えば、米国特許第４．　７５９．９９５号及び米国特許 策４，７８６．４６７号を参照されたい。

上記特許の方法が発見されて以来、鋳造複合材料に対する多くの適用が開発され 、その使用量は大きく増加し、そのためそれらが主な新しい型の構造材料となっ ている。これらの鋳造金属マトリクス複合材料により、従来のモノリシック材料 よりもわずかに高いコストで、複合材料の特性を改善することができる。鋳造金 属−マトリクス複合材料は、有機−マトリクス複合材料を使用することができな い高温あるいはその他の条件の下で使用することができる。

上記特許の方法は工業規模で鋳造金属−マトリクス複合材料の製造を可能とする 分野で大きな進歩を遂げたが、これらの技術により製造された複合材料構造は必 ずしも最適ではない。例えば、いくつかの場合においては、これらのアプローチ により製造された複合材料の微細構造において不規則性があることが発見されて いる。これらの不規則性は、補強材粒子が均一に分配されていない複合材料内の 不均一領域として明らかにされる。更に、粒子間ではマトリクスは、時に、低い 融点を有する偏析共晶構造を示す。これらの微細構造の不規則性により、より均 一性の高い複合材料において期待されるものに比べ低い物理特性となる。

従って、一様な微細構造及び対応する改良特性を生成する改良鋳造金属−マトリ クス複合材料製造方法に対する要求が存在する。この発明はこの要求を満たすも のであり、更に関連する利点を提供するものである。

発明の開示 この発明は溶融金属−マトリクス複合材料を処理して凝固鋳造構造とするための 方法及び装置を提供するものである。本発明のアプローチにより製造された固体 複合材料は、従来のアプローチにより製造されたもので比べ、より一様で、微細 で、孔のない微細構造を有する。共晶相は、粒子と排他的に結合されているとい うよりむしろ、金属マトリクスを通りより均一に広がっている。この発明のアプ ローチは経済的に、商業量の鋳造複合材料を製造するために容易に使用すること ができる。

本発明の１つの観点によると、固体鋳造複合材料を製造するための方法は、溶融 金属と固体でその混合物の体積の約５から約３５％を占め、自由に流れる補強材 粒子との混合物を供給する工程を含み、該混合物は粒子の偏析を妨害するために 凝固前に撹拌し、その撹拌はガスが混合物中に入り込むのを実質的に妨害するよ うに行い：更に、溶融金属の液相線温度及び固相線温度の間で少なくとも１秒に 約１５℃の冷却速度で、その混合物を凝固する工程を含む。供給工程は米国特許 第４．７５９，９９５号及び第４，７８６．４６７号の混合工程を使用すること が好ましい。

溶融混合物をどの様にして凝固するかに関係なく、溶融混合物は、凝固する前に 、混合装置あるいは中間保持炉から鋳造装置に徐々に注ぎ込む。どちらの場合で も、溶融物を、その溶融物中で粒子が偏析するのを防ぐために撹拌する。撹拌工 程では、もしも非常な注意をもって行わなければ、ガスがその溶融物中に入り込 みやすく、１つの観点においては、本発明はこのようにしてガスが入り込むこと を防ぐことにある。本発明のこの観点に依れば、固体鋳造複合材料を製造する方 法は、溶融金属と固体でその混合物の体積の約５から約３５％を占め、自由に流 れる補強材粒子との混合物を供給する工程を含み、該混合物は粒子の沈降を妨害 するために凝固前に撹拌し、その撹拌は撹拌中にガスが混合物中に入り込むの妨 害するために混合物の表面を機械的に被覆して行い二更に、その混合物を凝固す る工程を含む。

鋳造前に、できる限り、気泡を溶融金属から除去するためにも注意が必要である 。本発明のこの観点に依れば、固体鋳造複合材料を製造する方法は、溶融金属を 固体でその混合物の体積の約５から約３５％を占め、自由に流れる補強材粒子と の混合物を供給する工程を含み、該混合物は溶融混合物から捕捉された気泡を除 去するために凝固前に処理し、：更に、その混合物を凝固する工程を含む。

最後に、溶融金属は凝固前に粒子が偏析するのを防ぐために鋳造装置内で静かに 撹拌しても良い。

この型の鋳造複合材料を製造するための米国特許第４．７５９．９９５号及び第 ４．７８６，４６７号及びその他の従来のアプローチでは、溶融金属と補強材粒 子の混合物は直径が少なくとも数センチメートルの密閉した金属あるいはセラミ ックチルモールド中で鋳造されていた。このようなスチールモールド内での複合 材料の凝固速度は、１秒につき約６℃以下、セラミックのモールドでは更にそれ 以下と決められていた。

対照してみると、この発明のアプローチでは、凝固速度は１秒につき少なくとも 約１５℃であって、好ましくは、１０００Ｃを越えるのがよく、１秒につき１０ ００℃を越えても良い。凝固速度が高いほど、補強材粒子金材料構造全体にわた る分布がより均一なものとなり、補強材粒子が全くない領域及び補強材の濃度が 高すぎる領域の発生率が減少する。

非常に様々な鋳造技術を使用することができる。鋳造技術は、必要な高い凝固温 度勾配で鋳造物にクラブキングが発生しないようなものでなければならない。

通常、より高い勾配は、クラブキングの傾向の少ない薄い部分においてのみ達成 される。

マトリクス内の補強材粒子に隣接した大きな共晶−組成領域の発生もまた、大き く減少され、鋳造複合材料の利用に対する非常に重要な発展となる。いくつかの 適用においては、拡散均質化加熱処理、すなわち費用のかかる均熱炉を必要とす る時間のかかる操作により、どの共晶領域も除去されなければならない。長い加 熱処理によって鋳造複合材料の粒子の退化が生ずる場合がある。本発明のアプロ ーチでは、大きな共晶領域の生成を妨害することにより、そのような均質化加熱 処理に対する必要性を全く除去し、あるいはそのために必要な時間を非常に短く する。本発明の方法を使用すると、微細構造中にはわずかな共晶領域が存在する かもしれないが、従来の手順により生成されるものに比べ非常に小さく、構造中 により均一に分布している。大きさがより小さく、より均一に分布しているので 、共晶領域は特性に悪影響を及ぼすことも無く、無視することができる。あるい は、機械仕事あるいは従来の工程のより大きな共晶領域に必要であった時間より ずっと短い均質化加熱処理により除去することができる。

本発明はまた、他の適当な装置も使用することができるが、鋳造複合材料を製造 するための装置の１つの型を提供する。本発明のこの観点によれば、鋳造複合材 料を製造するための装置は溶融金属と固体で自由に流れる補強材粒子との混合物 を供給するための供給手段と：凝固混合物の形を決定するためのモールド手段と を備え、該モールド手段は横の内表面が凝固混合物の形におけるチャネルを決定 する側壁を有し、そのチャネルの開口の逆端を有する中空のスリーブモールドを 含み：更に供給手段からの混合物の流れを受け、モールド手段の貯槽（ｒｅｓｅ ｒｖ。

ｉｒ）として作用するための貯蔵手段と：混合物中の粒子の均一な分布が維持さ れるように補助するためにその混合物を撹拌するための手段と：モールド手段の 他端から凝固混合物を除去するための回収手段とを備え、該モールド手段と回収 手段は協同して、混合物の体積全体に、１秒につき少なくとも１５℃の冷却速度 を与える。アルミニウムーベースの合金に対しては、この冷却速度は約６００− ６５０℃の範囲の温度に維持される。

より詳細には、鋳造複合材料を製造するための装置は、その中で溶融金属と固体 で自由に流れる補強材粒子との混合物が準備される、該混合物は実質的には溶存 したあるいは捕獲されたガスを有しない、ミキサと：横の内表面が凝固混合物の 形におけるチャネルを決定する側壁と、チャネル開口の両端を有する水冷却中空 スリーブモールドとを備え、該スリーブモールドは一端が頂端に他端が底端にな るように垂直に配置され二更に、ミキサからスリーブモールドの一端までの混合 物の流れを維持するための貯蔵手段とを備え、該貯蔵手段はスリーブモールドの 上に配置された偏析混合物貯槽を含み、該貯槽はトイから混合物を受け、混合物 がスリーブモールドの頂端に入る前にその溶融状態の金属を有する混合物を保持 するために適合され、また、混合物中の補強材の一様な分布を維持するのを補助 するために貯槽中に含まれる混合物を撹拌するための混合手段と；スリーブモー ルドの底端から凝固混合物を支持し、徐々に回収するための水冷却回収支持部と を備え、該スリーブモールドと回収支持部は協同してその混合物の体積全体に１ 秒につき少なくとも約１５℃の冷却速度を与えるようにしたものである。

この発明はまた、混合状態で、鋳造装置に注がれるのを待機している溶融複合材 料を維持するための装置も提供する。本発明のこの観点では、鋳造複合材料を製 造するための装置は溶融金属と固体で自由に流れる補強材粒子との混合物を、そ の混合物中で粒子が偏析するのを防ぐために、撹拌するミキサと：混合物を撹拌 している時にその混合物中にガスが入り込むのを防ぐための混合物の表面上の機 械被覆とを備える。

この凝固装置は複合材料に対し半連続あるいは連続凝固手順を提供する。この装 置ではかなり安定した熱勾配及び凝固速度が確立され、そのため複合材料は端か ら端まで一様である。対照すると、チルモールド中で鋳造された複合材料は巨視 的な構造変動を示す。

この装！はまた、凝固する複合材料に対し１秒につき１５℃以上のかなり高い冷 却速度を与え、前に述べたように微細構造が改善されることとなる。

このように、この発明は鋳造複合材料の技術におけ重要な進歩である。本発明を 使用すると、より一様な微細構造が生成され、改善された特性が得られる。本発 明の他の特性及び利点は、添付の図面と参照して、以下の好ましい実施例のより 詳細な説明から明らかになるであろう。これらの図面は例として、この発明の原 理を示している。

図面の簡単な説明 図１は従来のアプローチにより製造された微細構造を示す中倍率での顕微鏡写真 である： 図２は本発明を用いて製造された微細構造を示す中倍率での顕微鏡写真である図 ３は典型的な金属合金の凝固範囲を示す状態図の一部の略図である；図４は鋳造 装置の１つの好ましい実施例の側断面図である：図５は溶融物の表面を機械的に 被覆した保持炉の側断面図である：図６は他の実施例の顕微鏡写真である。

本発明を実行するための最適形態 この発明は金属合金マトリクス中の補強材粒子の鋳造複合材料に関する。この複 合材料は、まず溶融金属合金中に混合された粒子を用いて製造され、それからそ の合金は粒子が分散された状態を維持して凝固される。混合手順は米国特許第４ ．７５９．９９５号あるいは米国特許第４．７８６．４６７号に示されているも のが好ましいが、この発明の利用はこれらの特別な技術に限られるものではない 。補強材粒子は溶融合金と混合され区別のできる型である、固体として存在する 必要がある（このため、粒子は共晶補強複合材料を形成するために、溶融合金の 一様な共晶組成が凝固した時に生成する型のものではなく、単相から二相領域ま で冷却することにより固体状態で生成される型のものでもない）。補強材粒子は 炭化珪素あるいは酸化アルミニウムなどの耐火性で、ガラス状の、あるいはセラ ミックの材料が好ましい。その粒子は大きさがかなり小さく、典型的には直径１ −５０ミクロンであるが、本発明はそれに限定されるものではない。

しかしながら、その粒子は溶融マトリクス中で”自由に流れて”いなければなら ない。ここで使用されているように、この用語は粒子が非連続であり、基板ある いは支持部に固定あるいは結合されるものではなく、空間にしっかりと固定され るものでなく、集合的に複合材料の総体積の高い部分を占め金属合金の凝固前の 混合中に互いに自由に動き回ることのできないものではなく、さもなければ溶融 合金の粘性による以外の溶融合金中の移動において束縛されないものであること を意味する。かなり粘性の高い混合物が上記の意味で自由に流れることができる が、“自由に流れる“という用語が特に流動性を示唆すると理解すべきではな溶 融合金及び補強粒子を混合した後、その混合物はその溶融マトリクスを凝固する ことにより固体に転換される。溶融合金中の固体であるその粒子は凝固中も固体 のままであり、溶融合金は凝固し、複合材料の固体金属マトリクスを形成する。

図１−２は複合材料の微細構造に関する凝固速度の効果を示している。興味深い 凝固速度は、図３に示されるように、液相線あるいは温度１００と固相線あるい は温度１０２の間の凝固領域１０４の組成Ｃａのマトリクス混合物により実験さ れた局部凝固速度である。ちょうど液状温度以上でちょうど固体温度以下の冷却 速度は通常凝固領域１０４における冷却速度に近いが、より一般的には非常に高 いあるいは低い温度での凝固速度は適切ではない。鋳造複合材料のマトリクスと して使用した好ましいアルミニウムーベース合金では、凝固領域１０４は典型的 には約６５０℃以下、約６００℃以上である。

図１は約１５容量％の炭化珪素粒子と８５容量％の約７重量％の珪素を含むアル ミニウム合金から成る複合材料を鋼鉄モールドで鋳造し、凝固した時に形成され る従来技術による微細構造を示す。液相線から固相線温度までの冷却温度は１秒 に約４℃である。複合材料の微細構造は第２の相がセル間の境界に偏析された状 態のセル状マトリクスを有する。図１はアルミニウム合金マトリクス中の黒く見 える炭化珪素粒子を示している。いくつかの粒子間には、粗いバッチ（ｐａｔｃ ｈ）の灰色に見える共晶領域がある。粒子も共晶領域も両方ともセル境界に偏析 される。その結果、構造中に、炭化珪素粒子の無い露出（ｄｅｎｕｄｅｄ）領域 が生じる。

露出領域と粗い共晶領域の存在は関連しており、どちらも複合材料の物理的、機 械的特性を損なう傾向がある。原則として、粗い共晶領域は、固体温度以下であ るが非常にその温度に近い温度で非常に長い均質化加熱処理により除去すること ができる。あるいは、大規模な凝固後の機械操作により破壊することができるで あろう。このような加熱処理は経費がかかり、時間もかかる。粒子にも悪い影響 を及ぼすであろう。露出領域が、材料の再溶融をしない加熱処理によって除去で きるかどうかは疑問である。

対照して、図２は、凝固領域の凝固速度が１秒につき約１５℃よりずっと大きい ものであるように、同じ複合材料を凝固させることにより生成された微細構造を 示す。特に、図２の微細構造はツインロールキャスタ中で１秒につき約１６００ ℃の凝固速度で得られたものであった。その構造には露出領域はほとんど無く、 露出の程度は図１に示される構造よりもずっと少ない。共晶領域の程度はずっと 少なく、粒子から分離されている。この構造は、偏析／露出効果による劣化を受 けず、この粒子に結合した共晶領域の存在による特性の大きな減少もない。図２ に示された薄い共晶領域は、押し出しあるいはローリングなどの次の製造処理中 Ｉ＝破壊し均質化することができるが、とにかく複合材料の特性にはほとんど悪 影響を及ぼさない。

このように、凝固領域中の冷却速度を増加させると、複合材料中の粒子の分布及 び、複合材料の金属マトリクス中の共晶相の分布の両方ともが改善される。この 説明と結合するのは希望していないが、構造における両方の改善に対する基本は 凝固の性質からきているものであると考えられる。粒子は凝固する界面からアル ミニウムマトリクス合金のセル間境界に向かって排除される。マトリクス合金の セルの大きさが大きい場合、大規模な偏析及び露出領域が生じる。マトリクス合 金のセルの大きさが小さい場合、見かけ上の偏析の程度は著しく減少する。

アルミニウムマトリクス合金のセルの大きさが粒子間隔の空間以下である、ある いは商業的に興味深い典型的な例に対しては約２５ミクロンである場合、容認で きる一様な構造が得られる。はとんどのアルミニウム合金に対しては、１秒につ き約１５℃の液相線及び固相線温度間の凝固速度により、約２５ミクロンのアル ミニウム合金のセルの大きさが得られる。１秒につき１５℃の凝固速度を選択す るのは、その結果得られる微細構造に大きく関係する、言い換えれば、粒子間の 空間とマトリクス合金セルの大きさの間の関係に関係する。凝固速度が高くなる ほど、より好ましい、より小さいセルの大きさが得られる。　好ましい粒子材料 としては、約１０−２０容量％の範囲の粒子の体積部分に依存して、平均の粒子 の大きさが約１０ミクロンであり、平均粒子間隔が約２２−２８ミクロンのもの である。そのため、容認できる一様な構造を達成するための最大のセルの大きさ は平均粒子間隔の約１，０倍のものである。例えば、図１では、セルの大きさは ３５ミクロメータのオーダーであり、平均粒子間隔の約１．５倍である。図２で は、セルの大きさは約５ミクロンのオーダーであり、これは平均粒子間隔よりず っと小さい。粒子の大きさは凝固勾配に伴って変化はしないが、セルの大きさは 凝固速度の増加に伴い減少する。このように、増加する速度のある点、約１秒に つき１５℃、で、上記の基準を満たし、容認できる一様な構造が得られる。

このように、本発明にかかる鋳造複合材料は、アルミニウムー合金マトリクス中 に分散される約５から約３５容量％の補強材粒子の分散を含み、該マトリクスは 補強材粒子の平均粒子間隔以下のセルの大きさである鋳造したままの微細構造を 有するものである。好ましい実施例では、マトリクスのセルの大きさは補強材粒 子の平均粒子間隔の約半分以下である。

他の好ましい実施例では、鋳造複合材料は、アルミニウムー合金マトリクスに分 散される約５から約３５容量％の補強材粒子の分布を有するものである。このマ トリクスは補強材粒子の平均粒子の大きさ以下のセルの大きさである鋳造したま まの微細構造を有するものである。

容認できる構造が得られる凝固速度のこの決定は、幾分定性的なものである必要 があるが、凝固手順を設計する際には有効なガイドラインとして役立つ。最大の セルの大きさが約２５ミクロンでは小さいがセル境界では容認できる偏析である 。一方、図２で示されるように、より高い凝固速度では、より均質な構造を達成 される。

このように、セルの大きさは約１０−１２ミクロン以下がより好ましく、これは 粒子間隔の約２分の１のセルの大きさに対応する。このセルの大きさは１秒につ き約１００℃以上の凝固速度で生成される。

特別な容認できる微細構造を達成するために必要な凝固速度の上記決定は、粒子 間隔はど大きくないセルの大きさ、約１０ミクロメータの好ましい粒子の大きさ 、及び約１０−２０容量％の粒子の好ましい体積部分を基準に使用した評価に基 づくものである。粒子の大きさが非常に高かったり低かったり、あるいは粒子の 容積部分が非常に高かったり低かったり、あるいは粒子の形が非常に異なってい る場合、そのような場合は、必要なセルの大きさ及び凝固速度を決定するために 同様な評価を使用することができるであろう。

”約”という用語は凝固速度、セルの大きさ及び平均粒子の大きさの相互関係を 示す際に使用している。この例においては、その相互関係が正確あるいは一般的 なものでないため、この用語は物理学的に重要である。例えば、マトリクス合金 の組成によって変動があっても良い。しかしながら、凝固の研究により、多くの 合金に対し上記−膜化は有効な技術近似であることが示唆されている。

本発明のアプローチは約５から約３５容量％の範囲の補強材粒子に対して実施可 能である。約５％以下では、補強材の存在の効果は小さいので、露出領域の効果 は無視できる。約３５％を越えると、補強材はここで使用されている意味で、溶 融マド・リクス中を自由に流れなくなり、粒子拘束効果が凝固工程を支配する。

鋳造前に、粒子を溶融マトリクス合金中へ混合するための好ましい装置は、米国 特許第４．７５９．９９５号及び第４，７８６．４６７号に開示されている。

上記特許の装置により準備された溶融金属と固体補強材粒子の混合物は、供給手 段により、図４に示される鋳造装置１４０に送られる。粒子と溶融マトリクス合 金との混合物１４】は、絶縁されたトラフあるいはトイ１４２を通して送られる 。トイ１４２中の溶融混合物１３８のレベルはスピルウェイ（ｓｐｉｌｌ、ｗａ ｙ）　１４４の高さにより確立される。

混合装置は、複合材料が混合されている時に、ガスがその複合材料中に入り込ま ないように、その中のカスが保持されないように設計される。しかしながら、溶 融混合物がミキサからトイ１４２に注ぎ込まれる時、あるいは実質的に乱流が存 在する場合にトイに沿って流れている時に、ガスが溶融混合物１３８中に入り込 むことができる。従って、トイ中の混合物１４１の表面上には気泡１４６、酸化 物スキン層、あるいはフロスがあるかもしれない。気泡、酸化物スキン層、ある いはフロスは、好ましくはスキマー１４８を用いて、混合物１４１の表面から除 去される。

スキマー１４８は酸化アルミニウムなどの、溶融アルミニウムーベースマトリク ス合金に不溶のセラミック片である。スキマーは、流れている混合物１４１の表 面の上方から下方に延びトイ１４２中の混合物中に入り、矢印１５０で図示され るように、混合物がスキマー１４８の下を流れるようにしている。泡１４６は混 合物１４１の表面からす（い取られ、その後除去することができる。スキマー１ ４８は泡が鋳造ヘッドに到達するのを防ぐ。その代わりに、スキマーは溶融混合 物の表面下に通じる穴を有する板でも良く、溶融混合物がこの穴を通して流れる ようにする。

気泡はまた、１つ以上のこし器あるいはフィルタ１５１により溶融金属の流れか ら除去される。フィルタ１５１は単一のフィルタ素子あるいは連続した２つ以上 の素子を含むものでも良く、流れが鋳造装置に入る前に、トイ１４２中の複合混 合物１４１の流れの中に浸される。個々のフィルタ１５１は、溶融複合混合物中 で安定した、選択された大きさの穴を有する多孔性材料で作られているのが好ま しい。すなわち、フィルタは混合物１４１がそのフィルタを通過する時に溶解し たりあるいは衰えたりしないだろう。１つのフィルタ１５１は６．５ｃｍ２（１ 平方インチ）につき５０の穴を有する＃３２の織布あるいは６．５ｃｍ２（ｉ平 方インチ）につき２５の穴を有する＃３０の織布の織りファイバグラスフックで ある。他のフィルタは多孔性フオームフィルタであり、通常ファイバグラスフィ ルタの下流に配置され、１６４立方センチメートル（１立方インチ）につき５か ら１０の穴を有する。フオームフィルタは更に酸化物スキン層及び泡を除去する 。

ろ過された混合物１４１は流れてトイ１４２からホットトップ１５２に入る。

このホットトップは絶縁され、加熱することができ、スリーブモールド１５４の 上方に位置する貯槽を含む。ホットトップ１５２はモールド１５４内で凝固する 混合物上の静水圧ヘッドを維持し、モールド１５４への混合物の均一な供給を維 持し、ガスが固体複合材料中に混ざり込む可能性を減少させる。フィードヘッド 内の混合物１４１は金属が溶融状態であるように保持される。撹拌羽根車１５６ は溶融混合物１３８中に浸漬される。羽根車１５６は混合物１４１中で程度の低 い撹拌が維持されるように回転される。粒子を金属に濡らすのは、ミキサ中で行 われるので、羽根車１５６の目的ではない。代わりに、羽根車１５６は補強材粒 子が沈降により偏析し、このため凝固前に溶融混合物１４１中に偏析領域を形成 することを防ぐ。

スリーブモールド１５４はその形がモールド１５４から出てくる複合材料の凝固 インゴｙｔ４６０の形を決定する内側側壁１５８を含む。典型的には、側壁１５ ８は円を規定し、そのため、インゴット１６０は円筒形であり、あるいは長方形 を規定し、そのためインゴット１６０が直角形プリズムとなる。しかし、所望の 形ならどの様な形でも使用することができる。スリーブモールド１５４は中空で あり、冷却ライン１６２により水冷される。油などの潤滑剤が潤滑剤ライン１６ ３から壁１５８の内円周の回りに注入される。側を］５８はインゴット１６０を 取り囲み、モールド１５４の両端は開いたままにする。

金属が溶融状態である混合物１４１は流れてモールド１５４の頂端に入る。熱は 水冷により、側壁１５８に隣接した部分から除去され、混合物１４１が側を１５ ８に隣接したあたりでまず凝固し始める。混合物１４１の中央部１６４は最後に 凝固しく混合物の金属が最後に凝固するという意味で）、■−型の固体／液体界 面１６６が生成する。界面１６６の下では、混合物はすっかり固体となり、イン ゴット１６０を形成する。

インゴット１６０は、モールド１５４の低端の底に対してモールドプラグ１６８ を！き、液体混合物中１４１に注ぎ込むことにより、開始される。モールドプラ グ１６８は、制御可能な速度でビット（図示せず）中に低（される受け台１７２ 上に裁置される。

水噴射口１７４は、インゴットがスリーブモールド１５４の低端から出てきてか ら、そのインゴットからの熱の除去速度を増加させるために、インゴット１６０ の横側に対し、連続的な水の流れを吹き付ける。

熱勾配、モールド１５４及びインゴット１６０の水冷により確立される、℃／秒 、と受け台１７４の移動の下降速度、ａｍ／秒、を組み合わせて、混合物１３８ の凝固速度、℃／秒、を決定する。鋳造実験における実際的な問題として、鋳造 物の断面積の大きさが熱回収の最大速度を決定し、そのため、その鋳造に対し達 成することのできる凝固速度を制限する。次に、凝固速度に関する冶金学的な制 限は凝固材料のクラブキングの生じやすさである。

鋳造装置１４０は半連続的に作動する。すなわち、鋳造は連続的であるが、受は 台１７２の移動の下方長さに対してのみである。装置１４０は１秒につき１５℃ より大きい冷却速度、及びかなり小さな大きさのビレットに対しては１秒につき １００℃より大きい冷却速度を達成する。

連続キャスターはこの技術において知られている。完全連続ツインベルト連続鋳 造装置は米国特許第４，０３４，１７７号及び４，０６１．１７８号において開 示され、連続ツインロール鋳造装置は米国特許第４，７２３．５９０号において 開示されている。このような完全連続鋳造装置は１秒につき１００℃を越える、 しばしば１秒につき１０００℃を越える冷却速度をうま（達成することができる 。

図４の半一連続鋳造装置の説明に戻ると、この鋳造装置による大量の複合材料の 鋳造は、１時間以上までの長時間の時間を要するかもしれない。溶融混合物は典 型的にはその期間中、そこから混合物がトイに注ぎ込まれ、その後鋳造装置に向 かって流される、混合炉内にあるいは中間保持設備内で保持される。この保持期 間中、溶融金属との密度の違いにより粒子の偏析が起こらないように連続的に撹 拌される。

鋳造したまま観察することにより、鋳造物の最初の部分は比較的ガス穴の無い１ ４８及びフィルタ１５１を組み合わせると、少な（とも最初は、満足のい（生成 物を得るのに十分であることが示唆される。

しかしながら、後に鋳造される鋳造物の部分は多孔率がより高い傾向がある。

これにより、混合時間が長いと溶融複合材料にガスが入り込む傾向があることが 示唆される。この状態は、たとえ全鋳造工程中の操作状態を正確に一様に維持す るために多くの注意を払ったとしても、持続する。

時間と鋳造される金属の体積に伴い鋳造物の多孔率が増加するのは支持炉のミキ サ内の複合材料の長時間の撹拌に由来していた。溶融物上の静表面を維持するた めに大きな注意を払っても、撹拌を行うとラッピング操作によりガスが溶融物中 に入り込むのは避けられない。入り込むガスの量は撹拌強度にともない増加する 。たとえ撹拌強度がかなり低い場合でも、時間の増加にともない増加する。この ように溶融複合材料に入り込んだガスは同伴されるので、容易には除去できない 。ミキサあるいは支持炉内の溶融材料の増加したガスの量は粘性測定により確認 され、この測定では時間に伴い溶融物の粘性が増加することが示されている。

また、フィルタ１５１の観察により確認され、このフィルタは鋳造操作において 前半よりも後半での方がより迅速に詰まる。

常に一増加するガスの溶融複合材料への混入の問題は、撹拌する時に溶融複合材 料にガスが混入するのに対し機械的な表面防護壁を備えることにより解決される 。機械的な表面防護壁は溶融複合材料の表面でのラッピング動作を減少させ、こ れにより長期にわたる撹拌中のガスの累積的な溶融複合材料中への混入は著しく 減少する。

図５は溶融複合材料２０２を含む保持炉２００を示している。溶融物２０２は連 続的にスターテ−２０４により撹拌される（粒子の偏析を防ぐために必要な撹拌 動作は、粒子の濡れを得るために必要なものよりずっと少ない）。代わりの撹拌 装置を使用することもできる。この撹拌により、溶融物２０２中にガスをトラッ プし、トラップされるガスの量は撹拌時間の増加に伴い増加する。　好ましい機 械的な表面防護！は一片のファイバガラス布２０６であり、これは溶融複合材料 中での溶解あるいは他の劣化に対し安定し、溶融物２０２の表面上に配置される 。

溶融アルミニウム上に浮かぶ材料で作成されたフロート２０８がファイバガラス 布２０６に縫い込まれ、あるいは接着され、この布が溶融物２０２中に沈むのを 防いでいる。好ましいフロート材料は絶縁材として一般に使用される型の繊維板 である。ファイバガラス布２０６は、溶融物をトイ１４２に注ぐ前に溶融物２０ ２の表面上に置かれる。溶融物２０２の溶融金属はファイバガラス布２０６の開 口を通って移動し、そのため布２０６は表面上に浮いているが半分浸水した状態 にある。フロート２０６は布が更に溶融物中に沈むのを防ぐ。

機械的な表面防護壁は、被覆されていない領域はガスを吸収する傾向があるので 、溶融物２０２の表面全体を覆うことが望ましい。

そのため、ファイバガラス布２０６は大きめに切られるのが好ましく、そのため 、数字２１０で示されるように、最初は保持炉２００の内裏壁まで布が広がる。

保持炉２００は更に傾けられるので、溶融物２０２の表面が増加し、壁まで広が る過剰材料は次第に溶融物の暴露表面上に引っ張られて（ることとなる。このよ うに、機械的な表面防護壁の大きさは自動的に調整される。混合あるいは保持炉 が傾けられない底注入あるいは他の技術に対しては、ファイバガラス布は溶融物 の頂部の大きさに切ったり、所望の大きすぎる大きさのままにしておくことがで きる。機械的な表面防護壁は、保持及び注入操作全体において、溶融物の表面領 域全体を覆うことが望ましい。

機械的な表面防護壁を提供する他のアプローチも使用できる。セラミックポール 層、ガラスポール層あるいは木炭層でさえも、溶融物の表面を静めるために使用 することができる。融点の低い塩の層もまた、溶融物の表面を静めるためにその 表面に配置することができる。しかしながら、取扱いが容易で、注入操作が完了 した時に除去するのが簡単であるため、ファイバガラス布を使用することが好ま しい。

より流動性の高い（粘性の低い）合金に対しては、混合中に溶融材料内にガスが 混入する傾向が低いので、機械的な表面制御は必要ないかもしれない。

このアプローチの実施可能性は、実験鋳造の実行の後の段階で機械的表面防護壁 を除去することにより説明されている。表面防護壁が存在している場合、鋳造物 の多孔率は最初低く、鋳造操作の全期間を通して低いままであり、数時間の鋳造 まででさえそうである。表面防護壁が鋳造操作の中間点で除去された場合、結果 的に得られるインゴットのその後の調査により、防護壁の除去が多孔率の量の増 加を引き起こすことが示されている。

表面防護壁はまた、トイ１４２中の混合物１４１上に浮かぶ障壁布２２０により 示されるように、トイ１４２上でも使用することができる。同様の表面防護壁ア プローチはガスが混合物１４１中にトラップされ得る場所ならどこでも適用する ことができる。

以下の実施例は本発明の詳細な説明するものであり、いかなる観点においてもこ の発明の限定をするものではない。

材料は鋼鉄モールド中で１秒につき約４℃の速度で凝固させた。その結果得られ た材料の微細構造は図１に示す。

実施例２ 米国特許第４．７２３．５９０号に開示されているツインロールキャスタ内で、 １秒につき約１６００℃の凝固速度で、凝固を行ったこと以外は、実施例Ｉを繰 り返した。この合金の構造を図２に示す。

実施例３ １０容量％の酸化アルミニウム補強材粒子を有するＡＡ（アルミニウム協会、Ａ １ｕｍｉｎｕ＋＊　Ａｓ５ｏｃｉａｔｉｏｎ）　２０１４アルミニウムの加熱処 理は、（１）複合材料が鋼鉄モールドで鋳造され１秒につき約４℃の速度で凝固 される低圧鋳造技術により、及び（２）複合材料が図４に示されるような装置を 用いて、１秒につき約１５℃より大きな凝固速度で、鋳造される半連続鋳造技術 により準備されていた。

低圧鋳造により生成される材料は４３３ＭＰａ　（６２，８００ｏｓ　ｊ）の耐 力強度、４５６ＭＰａ　（６６，２００ｐｓ　ｉ）の極限引張強度、破壊時に２ ．７５％の伸びを有していた。その構造は図１に示されたものと同様である。半 連続鋳造により製造された材料は優れた特性を有し、４７２ＭＰａ　（６８，４ ｏｏｐｓｌ）の耐力強度、５０３ＭＰａ　（７３，０００ｐｓ　ｉ）の極限引張 強度、４６０％の伸びを示した。

多くの鋳造複合材料を図４に示した装置を用いて製造した。それぞれの場合で製 造したＡｌ、０３粒子層の容積部の範囲と共に、その合金を表１に示す。

表１ 様々な合金の系に対する鋳造条件は表２に示す。

アルミニウム合金マトリクス及びＡｌ２Ｏ３粒子を用いて、４つの鋳造複合材料 を製造した。表３に、それぞれの場合において使用した合金及びＡ１□０１粒子 の量を示す。

表３ 約１５０ｋｇのそれぞれのインゴットを７５０−７７０℃内で制御される溶融温 度で、るつぼ炉の中で溶融した。フラツシング（ｆｌｕｘｉｎｇ）などの溶融金 属処理は、その溶融物に適用しなかった。注入する直前に、溶融物を撹拌し、そ の撹拌は鋳造の間は継続した。鋳造は米国特許第４，７２３．５９０号に示され る型のツインロールキャスタで行った。このキャスタは、ロールギャップ４ｍｍ ％ストリップ幅３００ｍｍで、２５ｍｍのチップセットバック、グラファイト被 覆ローラを有する。

鋳造が完遂したストリップは、５４０℃で２時間均質化し、３５０℃で４時間エ ージングし、１．５ｍｍに冷却して圧延しく６０％減少）、５５０℃で１時間溶 液熱処理し、（回転及び横方向で）引っ張りをカットし、１７５℃で０．１．４ ．８及び１６時間二一ジングすることにより作成した。

これらの合金の開始の及び定常状態の鋳造は、ＳｉＣ補強合金に対する従来の鋳 造試験と何等異なることをしないでも達成することができる。しかしながら、実 施可能な鋳造速度ウィンドーはより狭く、４ｍｍのゲージで８５０−９００ｍｍ Ｚ分の幅であることが好ましい。

図６に、鋳造後のＡＡ６０６１＋１５Ａ１ｚＯｓストリップから得られた低倍率 の顕微鏡写真を示す。全体の微細構造から、粒子が一様に分散され、構造には主 な鋳造欠陥が事実上無いことが示されている。

鋳造後のストリップの化学分析を以下の表４に示す。

ＡＡ６０６３＋１５Ａｌ□０３シート及びＡＡ６０６１＋１５Ａ］□０３シート に対し機械特性を測定した。耐力強度、極限引張強度、破壊時の伸びは１７５℃ 、８時間のエージングの後、一般に安定することがわかった。

１７５℃で８時間のエージングの後の典型的な結果を図５に示す：図５ 本発明は鋳造、金属マトリクス複合材料を商業的に製造する技術において重要な 進歩を提供するものである。高品賀で、微細構造が一様な複合材料が、この発明 により、商業的なスケールで製造することができる。説明のために本発明の特定 の実施例について詳細に記述したが、この発明の精神と範囲に反することなく、 種々の変更態様のものを行うことができる。従って、この発明は添付の請求の範 囲に示されるもの以外に制限されるものではない。

組成　−％ ＦＮＧ、３ 要約書 溶融金属中で自由に流れる補強材粒子の複合材料混合物を、マトリクス合金の液 相線及び固相線温度間で１秒につき約１５℃以上の冷却速度で凝固させる。

この高い冷却速度により、固体複合材料は均質構造となる。粒子の偏析が起こら ないように混合物を撹拌している間に、溶融複合材料中に気泡が混入するのを避 けるために注意を向ける。粘性の高い溶融物に対しては、鋳造前の撹拌中に泡が トラップされないように、ファイバガラスブランケットなどの人工的な表面層を 使用することができる。従って、気泡を濾過あるいはスキミングすることにより 溶融混合物から除去する。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成５年１月１２日−

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. １．固体鋳造複合材料を製造する方法であって、該方法が溶融金属と固体でその 混合物の約５から３５容量％を占め、自由に流れる補強材粒子との混合物を供給 する工程を含み、該混合物が粒子の偏析を防ぐために凝固前に撹拌され、該撹拌 はその混合物中にガスが混入するのを実質的に防ぐように行われ；さらに、 該混合物をその溶融金属の液相線及び固相線温度間で１秒につき少なくとも約１ ５℃の冷却速度で凝固させる工程とを含む固体鋳造複合材料製造方法。
2. ２．上記供給工程が、上記混合物が撹拌されている時にその混合物中にガスが混 入するのを防ぐために該混合物の表面上に機械的な被覆物を配置する工程とを含 む請求項１記載の方法。
3. ３．上記機械的な被覆物は溶融混合物と接触しても安定な材料からなるブランケ ットである請求項２記載の方法。
4. ４．上記供給工程は、上記溶融混合物からトラップされた気泡を除去する工程を 含む請求項１記載の方法。
5. ５．上記除去工程は、上記溶融金属を、金属と粒子は通り抜けることができるが 気泡は通り抜けることのできないフィルタに通すことにより行われる請求項４記 載の方法。
6. ６．上記除去工程は、該金属を沈められた開口に通すことにより行われ、これに より表面の泡及び気泡の通過が妨害される請求項４記載の方法。
7. ７．上記溶融金属はアルミニウム合金である請求項１記載の方法。
8. ８．補強材粒子は金属酸化物、炭化物、窒化物及びガラス物質からなる群から選 択される請求項１記載の方法。
9. ９．補強材粒子が酸化アルミニウムである請求項１記載の方法。
10. １０．補強材粒子が炭化ケイ素である請求項１記載の方法。
11. １１．冷却速度が１秒あたり約１５ないし１００°Ｃである請求項１記載の方法 。
12. １２．冷却速度が１秒あたり約１００°Ｃをこえる請求項１記載の方法。
13. １３．固体鋳造複合材料を製造する方法であって、該方法が溶融金属と固体でそ の混合物の約５から３５容量％を占め、自由に流れる補強材粒子との混合物を供 給する工程を含み、該混合物が凝固前に撹拌中に混合物内にガスが混入するのを 防ぐために混合物の表面に機械的な被覆物を伴って撹拌が行われ、該混合物が凝 固前に溶融混合物から捕集した気泡を除去するように処理され；さらに、 該混合物をその溶融金属の液相線及び固相線温度間で１秒につき少なくとも約１ ５℃の冷却速度で凝固させる工程とを含む固体鋳造複合材料製造方法。
14. １４．上記混合物がマトリックスの平均セルサイズが上記粒子の粒子間間隔より 大きくならないような溶融金属の液相線および固相線温度間の冷却速度で凝固さ せる請求項１記載の方法。
15. １５．平均セルサイズが約２５ミクロンを越えない請求項１３記載の方法。
16. １６．冷却速度がマトリックスの平均セルサイズが上記粒子の粒子間間隔の半分 より大きくならない請求項１３記載の方法。
17. １７．平均セルサイズが約１２ミクロンを越えない請求項１３記載の方法。
18. １８．鋳造複合材料を製造する装置であって、溶融金属と固体の自由に流れる補 強材粒子の混合物を供給する手段と、凝固した混合物の形状を規定するものであ って、中空のスリーブモールドを有し、その側壁が凝固した混合物の形状に溝を 規定する内部側面を有するとともに該溝の両端が開放されているモールド手段と 、上記供給手段からの混合物の流れを受け、上記モールド手段の貯槽として機能 する貯槽手段と、 上記混合物中に粒子が均一に分配されるのを保持するのを助けるために混合物を 撹拌する手段と、 上記モールド手段の他端から上記凝固した混合物を取り出す手段とを備え、上記 モールド手段と取り出し手段とが協同して少なくとも１秒当たり１５°Ｃの冷却 速度を混合物の容量全体に与えるように構成してなる装置。
19. １９．撹拌する手段が混合物の撹拌中に混合物内にガスを取り込まないように混 合物の表面に機械的被覆物を備える請求項１８記載の装置。
20. ２０．さらに、溶融混合物から捕集した気泡を除去する手段を備える請求項１８ 記載の装置。
21. ２１．上記除去手段が金属および粒子は通過するが、気泡の通過を妨げるフィル タである請求項１８記載の装置。
22. ２２．上記除去工程が混合物中に浸漬した開口を有する混合物の流路にあるプレ ートであって、表面上および気泡の通過を妨げる請求項２０記載の装置。
23. ２３．鋳造複合材料を製造する装置であって、溶融金属と固体の自由に流れる補 強材粒子の混合物を調製し、その混合物が実質的に溶解したまたは捕集したガス を有しないものとする撹拌手段と、その側壁が凝固した混合物の形状に溝を規定 する内部側面を有するとともに該溝の両端が開放されているものであって、その 端部の１つが上端を、他の１つが底端となるように垂直に配置された水冷中空ス リーブモールドと、上記撹拌手段からの混合物の流れを受け、上記スリーブモー ルドの一端に保持する手段であって、上記スリーブモールドの１端の上方に配置 した絶縁された混合物貯槽を備え、該貯槽を混合物を上記スリーブモールドの上 端に導入する前に樋から混合物を受け、混合物をその金属が溶融状態にあるよう に保持するように適用する貯槽手段と、 上記混合物中に粒子が均一に分配されるのを保持するのを助けるために混合物を 撹拌する手段と、 上記スリーブモールドの底端から上記凝固した混合物を支持し、徐々に取り出す 水冷取り出し支持体とを備え、 上記スリーブモールドと取り出し支持体とが協同して少なくとも１秒当たり１５ °Ｃの冷却速度を混合物の容量全体に与えるように構成してなる装置。
24. ２４．アルミニウム合金マトリックスに補強材粒子約５−約３５容量％が分散し 、上記マトリックスが補強材粒子の平均粒子間隔以下のセルサイズを有する鋳造 したままの微細構造を有する鋳造複合材料。
25. ２５．マトリックスのセルサイズが補強材粒子の平均粒子間隔の半分以下である 請求項２４記載の鋳造複合材料。
26. ２６．アルミニウム合金マトリックスに補強材粒子約５−約３５容量％が分散し 、上記マトリックスが補強材粒子の平均粒子サイズ以下のセルサイズを有する鋳 造したままの微細構造を有する鋳造複合材料。
27. ２７．平均セルサイズが約２５ミクロンを越えない請求項２４、２５または２６ に記載の鋳造複合材料。
28. ２８．平均セルサイズが約１２ミクロンを越えない請求項２４、２５または２６ に記載の鋳造複合材料。