JPH06502692A - 金属母材合金 - 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】 金属母材合金 本発明は、金属母材（メタルマトリックス）合金、詳しくは、母材に分散された セラミック硼化物粒子を育するアルミニウムをベースとした母材を介在する金属 母材合金に関する。

二硼化チタンの如きセラミック硼化物の粒子をアルミニウムやその合金に混合し て、該合金の剛性の如き機械的性能を向上させることが以前に提案されていた。

従って、例えば、米国特許第３０３７８５７号（出願人、ユニオンカーバイド） には、二硼化チタンの如き硼化物の予め成形された粒子をアルミニウムやアルミ ニウム合金に添加することによってアルミニウムベースの金属母材複合体を製造 することが開示されている。比較的低い硼化物配合量のため、これは約１２００ °Ｃで、アルミニウム溶融物に粒子が添加されることによって達成される。しカ ルながら、米国特許′Ｍ３０３７８５７号において開示された好ましい方法は、 硼化物とアルミニウムをベースとした非加熱母材金属の粉体を乾式混合し、混合 物を高圧で圧縮し、しがる後ｔｏｏｏ〜１１５０″Ｃの間に加熱するものである 。

予め成形された硼化物粒子は高価である。さらに、公知の技術によってそれらを 生成すると、粒子表面の不純物が必然的に増加する。このことは、粒子のアルミ ニウムベースの溶融物による濡れの性能を減しさせ、これらを用いて作成した複 合体の機械的性能に反対の影響を与える。

欧州特許第０１１３２４９Ａ号（出願人　アルコン）には、アルミニウムまたは アルミニウム合金のような母材金属の溶融物中において、系内（ｉｎ　５ｉｔｕ 　）化学反応によって硼化物粒子のようなセラミック粒子の比較的低配合量の粒 子を製造することによる金属母材複合体の製造方法が開示されている。欧州特許 第０１１３２４９Ａ号に開示された方法はにおいては、新規に形成されるセラミ ック粒子を含有する溶融物は、最終生成物の機械的強度を向上させるために粒子 がセラミック網目構造を内部形成する充分な時間、高温に保たれる。網目構造の 生成は通常、３０分の典梨的期間にわたり、少なくとも１１００°Ｃの温度に保 持されることを要する。そして、この処理は、劇的な流動性の低下をもたらすた め、欧州特許第０１１３２４９Ａ号においては、所望の最終生成物の適切な形状 を有するるつぼ中てこの操作を実行することを推奨している。

今回、硼化物粒子をその中に分散したアルミニウムベースの母材溶融物を生成す ることが可能てあり、該溶融物は鋳造可能であり、さらに、鋳造は、驚くべき優 れた機械的性能を有する生成物を製造できることが見出された。

本発明に従えば、硼化物セラミック粒子を分散した鋳造可能なアルミニウムベー スの母材溶融物の製造方法が提供され、その方法は、アルミニウムベースの溶融 物中で、粒子前駆体が、溶融物中に分散された硼化物セラミック粒子を生成する ような反応を含み、その方法は、溶融物が流動性を維持するような条件下で実施 される。

好ましくは、反応の終了時までの溶融物の流動性は、母材が溶融する温度におい て、溶融物が自己保持性でないようなものである。このような流動性は以下の原 理の適切な手段によって＃制御が可能である。

（ａ）本発明で考慮されたような種類の合金による作業の経験の結果、過剰な加 熱は、むしろ流動性の低下を引き起こすことが確信された。したがって、溶融物 を流動状態に保持するためには、その温度が制御されなければならない。好まし くは、溶融物中の温度は、反応の間を通じて及び実際上、それ以後も、１０００ °Ｃ以下に保持される必要がある。

（ｂ）生成物の硼化物粒子配合量は、多過ぎてはならない。一般的に、硼化物粒 子量は、分散された硼化物セラミック粒子の１５重量％以下であり、好ましくは 、５〜ｌｏｔ量％である。流動性を低下させることなく溶融物に含有させること のできる硼化物セラミック粒子の最大配合量は、溶融物の組成によって変えうる ことが見出された。従って、例えば、純粋なアルミニウムにおいては、１５重量 ％以上の分散された硼化物セラミック粒子によって流動しうる溶融物が得られた が、アルミニウムーシリコーン合金においては１０重量％までにおいてのみ達成 された。しかしながら、その相違は、組成よりもむしろ溶融物が暴露される温度 状況に起因すると思われる。

（ｃ）さほど重要ではないか、生成した溶融物は反応の終了の３０分以内に、好 ましくは１０分以内に鋳造されることが推奨される、なぜならば、保持時間を延 長すると、溶融物の粘度増加、すなわち、流動性の低下が起きるためである。

（ｄ）攪拌は、溶融物の流動性の低下を防止する一助となることが確信される。

したがって、例えば、溶融物を誘導炉中に含有させ、誘導攪拌を与える処理を行 うことにより、溶融物の攪拌が準備されることが推奨される。

硼化物セラミック粒子は、チタン、ジルコニウム、クロム、タンタル、ハフニウ ム、ニオブ、モリブデン、及びバナジウムのいずれか一種または二種以上であり 、二硼化チタンが好ましい。硼化物セラミック粒子は化学的に純粋である必要は ない。粒子は、例えば、混合した硼化物（例えば、一種以上の金属）を含有して いてもよく、さらに、例えば、一種または二種以上の窒化硼素を含有していても よい。さらには、硼化物セラミック粒子に加えて、他のセラミック粒子か存在し ていてもよい。

セラミック硼化物粒子を製造するためのアルミニウムベース溶融物中の反応は、 アルミニウムベース溶融物中で硼化物セラミック粒子の系内生成として知られて いる反応処置の多くのタイプの中の何れであってもよい。いくつかは、チタン− 硼素−アルミニウム結晶微細化剤の生成物に関する文献、さらに、欧州特許０１ １３２４９号にもに概説されている。該反応は、ＳＨＳ　（自己成長反応高温合 成）型でないことは理解されよう、そのような反応であれば、反応性生物は鋳造 可能な溶融物を形成しないからである。

硼化物粒子は、溶融物中のアルミニウムと以下のものとの反応によって形成され ることが好ましい： （ａ）アルミニウムと反応して硼素を生成する一つの塩及び；（ｂ）アルミニウ ムと反応して硼化物形成金属（単数又は複数の）を生成する一種または二種以上 の塩。

溶融物中のアルミニウムと塩（ａ）との反応で生成された硼素は、その後、溶融 物中のアルミニウムと一種または二種以上の塩（ｂ）との反応で生成された硼化 物形成金属（単数又は複数の）と反応し、セラミック硼化物粒子を生成する。

反応は、例えば、適切な形状を有し、適切に制御された誘４炉中に保持されるこ とによって、溶融物を攪拌しながら、アルミニウムベースの溶融物に対して塩（ ａ）と（ｂ）の混合物を制御された割合で供給することによって達成されること ができる。好ましい塩（ａ）は硼弗化カリウム、ＫＢＦ、である。一種または二 種以上の塩（ｂ）は、一種または二種以上のカリウムの二重弗化物及び硼化物形 成金＠（単数又は複数の）が好ましく挙げられる。

反応か行われるアルミニウムベースの溶融物はアルミニウム又はアルミニウム合 金であればよい。

本発明の好ましい実施例によれば、硼化物セラミック粒子は二硼化チタンを含有 しており、生成物中のチタン対硼素の重量比は、２．５：１から２・１、好まし くは２．３：ｌから２．１：１であることが好ましい。

前記の文に記載された好ましい態様を実施する好ましい方法は、溶融した硼弗化 カリウム、ＫＢＦ、及びフルオロチタン酸カリウム、好ましくはヘキサフルオロ チタン酸カリウム、Ｋ　２　Ｔ　Ｉ　Ｆ　＋中において反応することによって硼 化物粒子を製造することである。２種の塩は、好ましくは前記のような方法で溶 融物の攪拌を持続しながら、制御された割合で、アルミニウムベースの溶融物に 供給されることか好ましい。

本発明の方法に従う、硼化物セラミック粒子の系内生成によって、鋳造可能な溶 融物の生成か可能となり、該溶融物に存在する硼化物セラミック粒子の大部分は 、光学顕微鏡で測定した粒子径がＩＥクロン未満である。

一旦、金属母材溶融物に分散された硼化物セラミック粒子を含有する鋳造可能な 溶融物か生成されれば、それは通常の方法によって鋳造することかできる。

もし必要であれば、母材金属の組成を所望の最終組成を与えるように調整しても よい。硼化物セラミック粒子の形成反応を鋳造前に行うことが母材金属の組成に 逆の影響を与える場合においては、そのような母材金属組成の調整を行うことか 好ましいてあろう。例えば、前記の如く、弗化物塩かセラミック硼化物粒子を生 成するために使用される場合は、生成した副生成物のアルミニウムフルオライド カリウム（弗化アルミニウムのカリウム塩）は、アルミニウムベースの母材金属 中に存在する々口何なるアルカリ金属又はアルカリ土類金属も除去することにな る。もし最終的なアルミニウムベースの金属が、そのような成分（例えば、マグ ネシウム）を含有することを要する場合は、該成分を反応が完了し、副生成した 弗化物塩を除去するまで、アルミニウム母材金属から完全に抜いておくことか好 ましく、その後、鋳造に先立って所望の量のアルカリ金属やアルカリ土類金属を 添加する・＼きである。

前記の如く、反応か完了した後、温度は加熱しすぎないようにされなければなら ず、温度は一般的には１０００°Ｃ未満に保持されなければならない。また、反 応終了後、鋳造までの時間をあまり長くすることは好ましくなく、その期間は３ ０分未満が好ましく、もっとも好ましくは１０分未満である。反応の終了時に、 通常のケースの場合のように反応が均一な条件下で実行された場合、得られるセ ラミック硼化物粒子は溶融物中全体にわたって均一に分散されることが見比され た。しかしながら、温度及び反応と鋳造の間の時間に関する前記の条件が守られ なかった場合は、溶融物の流動性低下の傾向が増大する。同様の理由で、攪拌は この期間中、継続されることが好ましい。前記の条件が守られれば、鋳造に先立 つ溶融物中のセラミック硼化物粒子は母材金属流動体全体にわたり実質的に均一 に分散されるであろう。しかしながら、一旦、生成物が鋳造されると、得られた 固形化した生成物中の硼化物セラミック粒子は多少不均一に分散されること及び 例えば、押出等の機械的加工を鋳造後の生成物に加えることによって、セラミッ ク硼化物粒子が母材金属中で再び均一な分散状態になり、生成物の機械的特性を 向上させることができることが見出された。

本発明に従って作られた鋳造生成物は、通常の金属母材成分が一般的に使用され ている分野において用いることができる。本発明の生成物が使用されると期待さ れる、より好適な分野は、例えばアーク噴射のために消費されるような、硬質表 面合金としての使用である。

本発明のより深い理解のために、本発明に従う具体例が参照図面とともに以下の 実施例によって述へられる。

図１は、実施例に提示された本発明の合金の１００倍の光学顕微鏡写真である。

図２は、同じ合金の１０００倍の光学顕微鏡写真である。

実施例 約２０Ｋｇのアルミニウムを、炭素を結合したシリコンカーバイド製るつぼ中で 誘導加熱することによって溶融した。６６０°Ｃの出発温度において、アルミニ ラムを誘導攪拌しながら、Ｋ２Ｔｉ　Ｆ＊とＫＢＦ、の均質（ｉｎｔｉｍａｔｅ ）な混合物をアルミニウム中に供給した。Ｋ２ＴＩＦａとＫＢＦ４の塩は、二硼 化チタン、ＴｉＢ２、セラミック粒子を生成するのに要する化学量論的割合であ った。

発熱の反応熱は溶融物の温度上昇を引き起したか、温度は１ｏｏｏ°Ｃ未満に保 持された。充分な塩は反応して、約８重量％のＴｉＢｚを含有するアルミニウム の溶融物を生成した。反応の副生成物として得られたアルミニウムフルオライド カリウムは、２０１４アルミニウム合金の組成、すなわち、重量％で、シリコー ン０．８％、銅４．４％、マンガン０．　８％、マグネシウム０．５０％、バラ ンス量のアルミニウム及び付随的な不純物、の母材を作るように添加が行われる 前に、溶融物の表面から除去された。

合金は鋳造してビレットとし、押出してロッドとした。合金の微細構造は、図１ 及び２に示す如く、アルミニウム合金母材中に非常に微細なＴｉＢｚ粒子の良好 に分散された個々の粒子からなっている。これらＴｉＢｓ粒子の大部分は、顛微 鏡写真で見られるように、直径１ミクロン未満である。走査型電子顕微鏡による 作業で、粒子は一〇的には平板状の形状をなすことが示され、典型的には２゜５ ミクロン以下の直径で、厚さ０．１ミクロンを有する。

この微細なＴｉＢ２粒子の分散物は、他のアルミニウム金属母材複合体に比較し て、低体積分率においてさえ、特に存利な機械的性質を向上させることか見出さ れた。溶融処理され、熟成されたＴｉＢｚを含有する２０１４合金と含有しない 合金との機械的性質の比較を以下に示す。

加熱処理後の性質 ＹＭ　Ｏ，２％ＰＳ　ＵＴＳ　％ ＧＰａ　ＭＰａ　ＭＰａ　Ｅｌｏｎｇ ２０１４合金　ＴＢ　７２．３　２３４　４０５　３２ＴＦ７２．４　４３９　 ４９１　９ ２０１４合金　ＴＢ　８８．５　２９４　４９３　１４＋８重１％ＴｉＢｚ　Ｔ Ｆ　８８．６　４６０　５１０　４０．２％ＰＳ　＝　０．２％耐力（プルーフ 　ストレス）ＵＴＳ　＝　極大引張強さ ％εｌｏｎｇ　＝　破断時の伸びパーセントＴＢ　＝　５０５°Ｃで溶融処理し 、自然に熟成したＴＦ　＝　５０５°Ｃで溶融処理し、１６０℃で２４時間熟成 した剛性と強度における重大な改良が、他のアルミニウム金属母材複合体におい てしばしば伴うような劇的な延伸性の低下なく、達成されたことが確認できる。

さらに、比較的微細なサイズと低体積分率のＴｉＢｚが、他のアルミニウム金属 母材複合体に比較して、物質の加工性の容易さを向上させるであろうことが期待 される。

フロントページの続き （７２）発明者　ケリー、ジェームズ　レスリー　フレデリック イギリス国、シェフイールド　ニス３０２ビージー、バムフォード、シャツトン 　ホール　ファーム（番地ない （７２）発明者　パートン、ダグラス　フィリップイギリス国、シェフイールド 　ニス６４イーエイ、ヒルズポロウ、ワズリー　レーン５９ （７２）発明者　ウッド、ジョン　ヴイヴイアンイギリス国、ベッドフォード　 エムケイ４４２イーニス、ポーンバースト、オールドレフトリ−（番地なし）

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．硼化物セラミック粒子を分散した、鋳造可能なアルミニウムベースの母材溶 融物の製造方法であって、 該方法が、アルミニウムベースの溶融物中において、粒子の前駆体が溶融物中に 分散された硼化物セラミック粒子を生成するように反応することを含み、該方法 は、溶融物が流動性を保持するような条件下で実行される母材溶融物の製造方法 。
2. ２．溶融物の流動性が反応の完了時に、母材が溶融する温度において、溶融物が 自己保持性でないようなものである、請求の範囲第１項記載の方法。
3. ３．溶融物の温度が、反応の間にわたって１０００℃未満に保持される、請求の 範囲第１項又は第２項記載の方法。
4. ４．生成物中に１５重量％未満の分散された硼化物セラミック粒子が含まれる、 請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の方法。
5. ５．生成物中に１０〜１５重量％の分散された硼化物セラミック粒子が含まれる 、請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載の方法。
6. ６．方法を通して、撹拌が継続される、請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか に記載の方法。
7. ７．硼化物粒子が、溶融物中のアルミニウムと以下のものとの反応によって形成 される、請求の範囲第１項乃至第６項のいずれかに記載の方法：（ａ）アルミニ ウムと反応して硼素を生成する一つの塩及び；（ｂ）アルミニウムと反応して単 数又は複数の硼化物形成金属を生成する一種又は二種以上の塩。
8. ８．塩（ａ）が硼弗化カリウム、ＫＢＦ４である、請求の範囲第７項記載の方法 。
9. ９．カリウムの２重硼化物及び単数又は複数の硼化物形成金属の一種又は二種以 上が、単数又は複数の塩（ｂ）として使用される、請求の範囲第７項又は第８項 に記載の方法。
10. １０．硼化物セラミック粒子が二硼化チタンを含む粒子を含有する、請求の範囲 第１項乃至第９項のいずれかに記載の方法。
11. １１．生成物中の硼化物セラミック粒子が実質的に二硼化チタンからなり、生成 物中のチタン対硼素の重量比が２．５：１から２：１、好ましくは２．３：１か ら２．１：１である請求の範囲第１０項記載の方法。
12. １２．硼化物粒子が溶融した硼弗化カリウム、ＫＢＦ４と、フルオロチタン酸カ リウム、好ましくはヘキサフルオロチタン酸カリウム、Ｋ２ＴｉＦ６の反応によ って生成される、請求の範囲第１０項又は第１１項に記載の方法。
13. １３．硼化物セラミック粒子の大部分が、光学顕微鏡による測定で１ミクロン未 満の粒径である、請求の範囲第１項乃至第１２項のいずれかに記載の方法。
14. １４．金属母材溶融物中に分散された硼化物セラミック粒子を含有する生成した 溶融物を鋳造する工程を含む、請求の範囲第１項乃至第１３項のいずれかに記載 の方法。
15. １５．母材金属の組成が鋳造に先立って調整されている、請求の範囲第１４項に 記載の方法。
16. １６．生成した溶融物が、反応の終了後３０分以内、好ましくは１０分以内に鋳 造される、請求の範囲第１４項又は第１５項に記載の方法。
17. １７．鋳造された生成物が鋳造後機械的に加工される、請求の範囲第１４項乃至 第１６項のいずれかに記載の方法。
18. １８．鋳造された生成物の機械的加工が押出することを含む、請求の範囲第１７ 項に記載の方法。
19. １９．実質的に、前記実施例に記載された金属母材合金の製造方法。
20. ２０．請求の範囲第１項乃至第１９項のいずれかに従う方法により製造された、 分散された硼化物セラミック粒子を有するアルミニウムをベースとする母材。