JPH0660362B2 - 複合混合物材料の形成方法 - Google Patents

複合混合物材料の形成方法

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JPH0660362B2
JPH0660362B2 JP1182367A JP18236789A JPH0660362B2 JP H0660362 B2 JPH0660362 B2 JP H0660362B2 JP 1182367 A JP1182367 A JP 1182367A JP 18236789 A JP18236789 A JP 18236789A JP H0660362 B2 JPH0660362 B2 JP H0660362B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は一般的に金属、金属合金および金属複合物の
混合および鋳造の方法およびシステムに関し、特に広範
囲の希望の微細組織のを有する均質な金属複合物を製造
するための種々のタイプの鋳造装置と容易に組合せでき
て、特別の設計特性を有する混合室を用いる方法および
システムに関する。
（従来の技術） Nam P.Suh に許された1981年７月14日発行の米国特許明
細書第4,278,622 号、および1981年７月21日発行の米国
特許明細書第4,279,843 号は一般的に「ミキサロイ プ
ロセス(mixalloy process)」として知られているように
なった方法について記述している。
そのような方法は材料の正面衝突により金属混合物を形
成するために溶融状態あるいはスラリー状態で材料を混
合することから成る。特許はこの方法を一般的用語で述
べているが、完全に均質な混合を保証するために必要な
限定的なパラメータに関して詳細に述べてない上に、均
質な混合物特性を保持しながら材料を鋳造するためのこ
の方法を使用するための如何なる適切な技術情報も特に
開示していない。
Luis E．Sanchez-Caldera 外に許した1987年11月17日発
行の後続の米国特許明細書第４，７０６，７３０ 号
は、間接的侵触法を用いるミキサロイプロセス技術の改
良を開示している。この特許はもし衝突流体の正面衝突
の代りに、傾斜衝突を生じせしめるように衝突角度が変
更されるならば、不安定さ（すなわち混合品質の変化）
が減少され、かつ実質的に無くすことすらできることを
開示している。ここに使用の用語の「不安定さ」は時間
の函数として混合室に到着する材料の流速の変化による
混合品質の変化のことをいう。
このような改良は不安定さを予防するために必要である
けれども、傾斜衝突技術は常に関係する材料の真に均質
な混合を保証しないということが決定的になっている。
たとえば、もし衝突流体がお互いに化学反応を必要とす
る成分から成っているならば、たとえ化学量論が局部的
に維持されていても、全ての反応物がお互いに完全に反
応することを保証し得る十分な混合を傾斜衝突のみで
は、必ずしも常に与え得るとは限らないということがあ
る。
さらに、上述の先の２つの特許は混合物の微細組織を保
持するために十分急速に混合物を冷却する必要について
また言及しているがどの特許も必要な冷却を実行するた
めの特別の技術についても何も記述していない。一方、
後に発行された米国特許明細書第4,706,730 号は鋳型鋳
造装置あるいはダイキャスト機の使用により冷却するこ
とに言及している。一般的に、後者によって達成される
高冷却速度は約 100℃／秒のオーダーの大きさのみであ
り、このような冷却速度ある種の金属複合物の処理にあ
っては十分に速くないかも知れない。
溶融状態での材料の完全な混合および該材料の冷却中の
十分に速い冷却速度、すなわち 100℃／秒より大きい冷
却速度の両方が確保できる適切な方法とシステムを案出
することは好ましい。
（本発明の要約） この発明の混合および鋳造システムは、少くとも一方が
金属あるいは合金である溶融状のあるいはスラリー状の
混合される材料を分離した通路を通して時には混合室と
称される混合領域へ供給する材料射出部からなる。材料
がその混合物を形成せしめるように材料は傾斜衝突する
方法で圧力下に実質的に同時に混合領域へ材料を供給す
る。
混合領域は導入通路から導出通路への連通を与えてお
り、好ましい完全な混合操作を達成するために、導出通
路の断面積の導入通路の全断面積に対する比率は特別の
値よりも小さく選ばれるように通路は設計されている。
かくて、その比率（Ａｏ／Ａｉ）は約32より小さく選ば
れる。ここでＡｏは導出通路の断面積であり、Ａｉは全
ての導入通路の総断面積すなわち断面積の総計である。
さらに、実質的な冷却が行われる前の導出通路の長さＬ
および径Ｄは、そのような導出通路におけるその比率Ｌ
／Ｄが約５より大きくなければならない。
しかし、Ｌ自体の最適の長さは、処理される材料性質お
よび希望の混合物の微細組織の函数であり、そのような
限定内において特別の適用のために、実験的に最適に決
定される。
ここに使用の「実質的な冷却」なる用語は以下に更に詳
細に延べられる。例えば 100℃／秒より大きい冷却速度
を達成可能な鋳造装置は混合室から導出通路への直接連
通によって使用できる。このようなアプローチは、（水
あるいはガスを使用する）霧化技術、チルドブロック金
属回転技術、あるいは何か他の凝固技術あるいはそれら
の技術の組合せによって 100℃／秒より速い冷却速度を
達成するような急速凝固の方法にミキサロイプロセスを
結合する手段を提供する。このような高い冷却速度は以
下に更に詳細に記述するようにある種の金属複合物の処
理に必要とされる。
（発明が解決しようとする課題） 上述のように、この発明は材料の混合に関し、少くとも
材料の一方は、金属あるいは金属合金である。ある場合
にはそのような材料の混合は混合中に、混合物成分の一
部あるいは全部を化学反応に到らしめる。混合方法の終
局の目的は金属複合物を造ることである。前述の米国特
許明細書第4,706,730 号に使用される用語によれば、金
属複合物はマトリックスに追加的な相が追加されている
金属あるいは金属合金からなる材料として定義されてい
る。例えば、追加的相はポリマーの如きプラスチック、
セラミック、ガラス、あるいはマトリックス金属や金属
合金と混合し得ない他の金属あるいは金属合金であり得
る。
米国特許明細書第4,706,730 号に記載されているよう
に、第１図に図解的に示す正面衝突技術は不安定さのポ
テンシャル源であり、全体的操業失敗の原因にすらな
る。この理由から、間接的、あるいは傾斜衝突技術が第
2A図、第2B図、第2C図、第2D図に図解的に示すようにま
たその特許に検討されているように開発された。しか
し、ある応用においてそのような傾斜衝突手段は不安定
さは回避できるがそれにもかかわらずそのような手段は
時に関係材料の不完全混合に到るということが発見され
ている。
（課題を解決するための手段） しかし、今やこの発明によればもし、一種の混合室の幾
何学的制約が満足されるならば、不安定さの回避と完全
混合の両方が達成され得る。そのような制約が完全混合
を確保する混合室の設計を与えるのみならず、もし化学
反応が混合物成分の一部あるいは全部の間に要求される
ならば、システムはまたこれらの成分がそのように反応
するための十分な時間を確保する。
不安定さの回避を確実にし実質的完全混合を与える混合
法の特別典型実施は、例えば第2B図に示されるように種
々の傾斜衝突の一つの特別例として使用され、更に混合
室の設計を通して限定的選択が要求される重要なパラメ
ーターを図解的に示している第３図において示される。
第３図の特別実施例において確認されているようにこの
ようなパラメーターは、 (1) 混合領域17中への導入連通通路13断面状の流れ区
域A1およびA2（参照番号11および12により確認できる）
の合計Ａｉ（すなわちＡｉ＝Ａ１＋Ａ２）と； (2) 混合領域17からの導出通路16の断面区域Ａo（参照
番号15により確認できる）と； (3) 実質的冷却が行われる前に混合物の混合と通過が
全般にわたって行われる長さＬと； (4) 導出通路16と径Ｄと； (5) 自由流れ長さＬｏ（特に下記に定義される） である。
混合長Ｌは、導入流体物の衝突と初期混合が発生する領
域17における導出通路16の装入部から、冷却システムの
装入部まで、例えば鋳型14の表面であるいは後述のよう
にガスあるいは液体の衝突場所で、あるいはチルブロッ
ク溶融物回転体等の界面で材料の最終鋳造が実施される
ような外部冷却が実質的に始まる点18までの距離であ
る。
初期混合が領域17で生じる一方、材料の混合は導出通路
16を通って材料が移動中に更に引続いて生じる。用語自
由流れ長さＬｏは、混合材料の流れが実質的に何ら制限
されることなく導出通路16（通路によってそこでは効果
的に制限されている）を去る点19から材料の最後の鋳造
あるいは外部冷却が開始する点18までの長さを意味す
る。
この発明に従って、良好な混合室デザインを達成するた
めに、次の関係が真に保たれねばならない。かくて、混
合流体物間の十分な接近を許すために、導出断面積Ａｏ
の全導入断面積Ａｉに対する比は実施例において、 で示される。
もし流体物がお互いに十分に接近していないすなわち、
Ａｏ／Ａｉ＞３２、ならば、流体物の一部は実質的に決
してお互いに合うことないので、流れの撹乱の程度が高
いにもかかわらず、材料は満足に混合しない。一方、比
較的ＡｏのＡｉに対する比が小さい混合室で均質な混合
物を造ることは可能であるけれども、もしこの比があま
りにも小さすぎると例えば約0.125 より小さいならば、
混合操作の圧力低下が相対的に役に立たなくなる。換言
すれば、もしシステムがあまりにも低い比率で設計され
ているならば、溶融材料を流すために必要なエネルギー
のパーセントの大部分が導出通路を通る圧力低下を克服
するために消費される。したがって、その比率は好まし
くは約0.125 から約２の範囲内にあるべきであることが
更にわかり、より好ましくは約0.75から約1.5 の比率が
一般的に最も効果的な結果を生じることが見いだされ
た。
考慮すべき他の重要なパラメーターは第３図のシステム
において描かれているごとき混合長さＬである。流体物
が混合領域で最初にお互いに衝突した後あまりにも急速
に鋳造されるならば、混合が充分でなかったかあるいは
化学反応が存在するなら、複合物の反応成分の完全反応
が達成されないかの理由により鋳造材料は非均質の微細
組織を造り出す。このために、次の関係 Ｌ／Ｄ＞５ （式２） に従ってシステムを設計する必要がある。ここでＬおよ
びＤは上のように定義され、第３図の典型例で示され
る。
多くの他の応用例において、混合室を離れる流体物の安
定性は非常に重要であり（例えば非常に速い冷却速度が
要求される場合に）、式２により負わされた限定に加え
て、Ｌｏを零に等しくするかできるだけ零に近づけるこ
とがまた好ましい。
実際のシステムは、Ｌｏを零に減少することは必ずしも
容易でなく、そのような場合に、次のように関係が表言
され得る；即ち自由なあるいは制限のない混合物の流れ
が不安定となる点の長さよりＬｏは短い。
ここで使用される意味において自由流れ（すなわち流れ
は点19で混合室の導出通路16を離れる）が不安定になる
場所は、混合室14の導出通路16から去った予じめ閉じ込
められた流体柱が波状に発展し始め最後に連続的に連な
る流れの破損となり不連続の注滴となる場所を意味する
と見なされる。
しかし、例えば連続鋳造の保持容器すなわちタンディッ
シュに直接係合している混合室の場合におけるような流
れが不安定になろうとなかろうとは問題でないような応
用においてはＬｏに関する上述の制限は重要な役割を果
していないということが理解されるべきである。このよ
うな場合、式２の混合長さＬは混合領域の衝突領域17か
ら連続鋳造の保持容器すなわちタンディッシュ２の始ま
りの点まで流れの流さである。
式１および式２、および長さＬｏで表現されている上述
の関係は、ガラス、ポリマーおよび／あるいはセラミッ
クスと組合わされている金属や金属合金、溶湯あるいは
スラリー状態の構成成分の全ての物と同様に金属や金属
合金からなる混合物の多数のタイプに対して使用でき
る。混合された（もし必要なら、化学的に反応された）
混合物は例えば米国特許明細書第4,278,622 号および第
4,279,843 号における如く混合室から鋳型へあるいは米
国特許明細書第4,786,730 号に記述されているごとくダ
イキャト機へ供給される。ある場合には上述の技術で達
成される冷却速度は、この発明により設計の良い混合室
で高乱流の混合の結果である極めて微細組織を保持する
為に十分に速くない。そのような場合に粒子の余分の合
着あるいは粒子の粒径の増大を防止するために 100℃／
秒より速い冷却速度が要請される。第４図および第５図
は急速凝固プロセス(RSP) あるいは技術を利用する典型
的システムを図示する。これらのシステムは混合室の導
出通路と直接に係合されている。
ここで用いる急速凝固プロセス(RSP) なる用語は約1000
℃／秒あるいはそれより速い冷却速度を達成することを
意味する。
例えば第４図は混合室の導出通路23を霧化ノズル24と結
合させたシステムを図示する。ガスあるいは水のような
液体は（矢印25参照）、導出通路23から出る液体あるい
はスラリーの混合流れと相互作用して、流れをばらばら
にして凝固した粉末粒子27とする。このようなばらばら
は混合室から導出通路が出た所では起らないので距離Ｌ
ｏを効果的に提示して短距離26の間、流れはこわれずに
そのままでいる。各粉末粒子は個々にそれ自体ミクロー
複合材料として考えられる。このようなアプローチで、
もっと早い冷却速度、1000℃／秒の早さの、あるいは一
層早いものが達成される。
第４図の方法において、このように製造された粉末は従
来の第２次加工で加圧され、押出され、あるいは他の方
法で成形され、バーやロッドや他の形状の製品や成形品
に完成される。このような粉末を用いる他の２次加工は
溶射技術に使用する成形物に粉末を析出させることであ
り、例えば成形物から周知の機会加工あるいは加圧技術
により最終製品が造れる。
上述のように、第４図に図解の霧化技術により、1000℃
／秒の早さの、あるいはそれより速い急速冷却速度が達
成される。例えば混合室での完全混合の間非常に不安定
な条件を維持するために、1000℃／秒より一層速い冷却
速度の他の急速凝固技術を用いることができる。例とし
て、第５図は導出通路23に直接係合しているチルドブロ
ック溶融回転装置[Chilled block melt spinning(CMB
S)]28示す。この場合は、金属リボン29が製造される。
すなわち、このリボンは1,000,000 ℃／秒のような高い
オーダの冷却速度の結果得られる。再び導出通路23から
チルブロックまでの短かい距離は長さＬｏを表わす。
混合材料は第４図および第５図を参照して検討される特
別のシステムの注入部分20A および20B に適宜供給され
る。20A および20B の部分で比較的に固体の材料の加熱
および溶融が行われ，溶融スラリー材料に生成され、既
にスラリーあるいは溶融状態にある材料は最初にそのよ
うに供給させる。第４図および第５図で示される特別の
実施ではガス注入手段20C および20D が比較的高圧で個
々に部分20A および20B 中にガスを注入する。ガスは部
分20A および20B 中の材料を推し進め分離した導入溝21
A および21B を通過せしめて式１および式２の表わされ
る関係に従って設計された混合領域22中へ送給する。こ
の実施例ではＬｏは最小になっている。第３図、第４図
および第５図では混合領域１個のものが示されている
が、もし希望するならば、製造される材料の性質によっ
て支配される１個あるいはそれ以上の混合領域から混合
領域17および22を構成することができる。図に示される
ように、混合流体は次いで霧化した空気あるいは水を溶
融金属流中に衝突せしめる（第４図）か、混合物をチル
ドブロック溶融回転体に供給する（第５図）ことにより
鋳造される。不安定さのない高乱流且つ高冷却速度で材
料混合物を造る上述の技術により多くの独特の材料の生
成が行われる。これらの材料には金属と不混合の複合
物、極めて粒径の小さい金属材料，それ自体化学反応に
よって形成された分散強化複合物、および例えば液体状
態の金属と、スラミック材料を含有するスラリーを混合
することにより得られる他のタイプの複合物がある。
上述の特別の実施例はこの発明の唯一の実施例とは考え
られず、その変更がこの発明の精神と範囲内の技術にお
いて可能である。従って、この発明は請求の範囲の記載
事項を除いて上記で検討した実施例に限定的に解釈され
るべきでない。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来技術の材料の混合技術を図解的に示す。 第2A図、第2B図、第2C図、第2D図はそれぞれ従来技術の
材料の混合技術を図解的に示す。 第３図はこの発明の特別に典型的な実施例により図解的
に混合室を用いる混合技術を示す。 第４図および第５図はこの発明の更に別の典型的実施例
を示す特別のシステムの側面図を図解的に示す。
フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２２Ｆ 9/08 Ａ // Ｂ３２Ｂ 15/04 (72)発明者 ナム・ピー・スー アメリカ合衆国マサチューセッツ州01776, サドバリー，メイナード・ファーム・ロー ド 34 (72)発明者 ユン―ホン・チュン アメリカ合衆国マサチューセッツ州01747, ホープデール，ベンズ・ウェイ ３

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（１）少くともその１種が金属あるいは金
    属合金である少くとも２種以上の材料の各々を溶融状態
    あるいはスラリー状態で供給する段階と、 （２）導入通路を通って少くとも一混合区域中へ該材料
    の各々を流し、傾斜衝突して複合混合物を形成するよう
    に上記材料が実質的に同時に少くとも一混合区域に到達
    する段階と、 （３）導出通路の断面積Ａｏおよび全ての導入通路の断
    面積の総計Ａｉは各々、次の関係 を持つように選ばれている導出通路中に少くとも一混合
    区域から上記混合物を流出せしめる段階、 とからなることを特徴とする少くとも一方が金属あるい
    は合金である少くとも２種以上の材料の複合混合物の形
    成方法。
  2. 【請求項２】（４）径Ｄおよび少くとも上記の一混合区
    域における導出通路の装入部から冷却システムの装入部
    までの距離である距離Ｌを有し、ＬおよびＤは次の関係 を持つように選ばれている導出通路から冷却システムの
    装入部へ複合混合物を供給する段階、 を更に有することを特徴とする請求項１に記載の複合混
    合物の形成方法。
  3. 【請求項３】上記の（１）ないし（４）の段階が実質的
    に連続操作で実施されることを特徴とする請求項２に記
    載の複合混合物の形成方法。
  4. 【請求項４】少くとも２種の材料を選んだ速度と温度で
    流し、該材料あるいは該材料の成分にお互いに化学反応
    を生起させ、該化学反応法における１種あるいはそれ以
    上の安定な反応生成物を含有する混合物を形成すること
    を特徴とする請求項１に記載の複合混合物の形成方法。
  5. 【請求項５】複合混合物を鋳造装置に供給して該混合物
    を１個あるいはそれ以上の製品に鋳造することを特徴と
    する請求項２に記載の方法。
  6. 【請求項６】複合混合物をダイキャスト機に供給するこ
    とを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】複合混合物を連続鋳造装置の保持容器ある
    いはタンディッシュに供給することを特徴とする請求項
    ２に記載の方法。
  8. 【請求項８】複合混合物を急速凝固法を付与するシステ
    ムに供給することを特徴とする請求項２に記載の方法。
  9. 【請求項９】複合混合物の粉末粒子を形成するために複
    合混合物をアトマイザーに供給することを特徴とする請
    求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】該粉末粒子を予め選んだ形状に形成する
    段階から更に成ることを特徴とする請求項９に記載の方
    法。
  11. 【請求項１１】該粉末粒子を予め選んだ形状に噴霧凝固
    させる段階から更に成ることを特徴とする請求項９に記
    載の方法。
  12. 【請求項１２】複合混合物をチルドブロック溶湯スピニ
    ング装置(a chilled blockmelt spinning apparatus)に
    供給することを特徴とする請求項８に記載の方法。
  13. 【請求項１３】比Ａo／Ａiを約０．１２５から約２．０
    までの範囲になるように選んだことを特徴とする請求項
    １に記載の方法。
  14. 【請求項１４】比Ａo／Ａiを約０．７５から約１．５ま
    での範囲になるように選んだことを特徴とする請求項１
    に記載の方法。
  15. 【請求項１５】混合領域と； 少くとも２種の材料が傾斜衝突してそれらの複合混合物
    を形成するような方法で該混合領域へ少くとも２種の該
    材料を供給するための、溝断面積の合計がＡiである少
    くとも２個の導入通路と； Ａoの断面積を有し、断面積ＡiとＡoは次の関係 を有するように設計されている上記混合領域から複合混
    合物を供給する導出通路と； から成ることを特徴とする少くとも一方が１金属あるい
    は金属合金である少くとも２種の材料の複合混合物の形
    成システム。
  16. 【請求項１６】導出通路は径Ｄを有し、該導出通路から
    供給される複合混合物を冷却する冷却システムを更に包
    含し、冷却システムの装入部は、該混合領域における導
    出通路の装入部から距離Ｌであり、径Ｄと距離Ｌの関係 となるように設計されていることを特徴とする請求項１
    ５に記載のシステム。
  17. 【請求項１７】お互いに化学的に反応する材料あるいは
    製品の成分からなる少くとも２種の材料とその化学反応
    法の１種あるいはそれ以上の安定な反応生成物を混合物
    が含有するように化学反応を生起せしめる温度と速度で
    該材料が該導入通路により該混合領域へ供給されること
    を特徴とする請求項１５に記載のシステム。
  18. 【請求項１８】冷却システムは鋳造システムであり、複
    合混合物は該混合物を鋳造するために連続的方法で該冷
    却システムへ供給されることを特徴とする請求項１６に
    記載のシステム。
  19. 【請求項１９】該冷却システムは急速凝固法を供給する
    システムであり、複合混合物は該混合物の急速凝固のた
    めの連続方法で該冷却システムに供給されることを特徴
    とする請求項１６に記載のシステム。
  20. 【請求項２０】該冷却システムは、該混合物を凝固して
    混合物の粉末粒子とするために該導出通路から供給され
    る複合混合物に霧化液体を衝突させるアトマイザー手段
    を有していることを特徴とする請求項１９に記載のシス
    テム。
  21. 【請求項２１】該冷却システムはチルドブロック溶湯ス
    ピニングシステムであり、複合混合物は該導出通路から
    供給され、混合物の凝固物はソリッドリボンになること
    を特徴とする特徴とする請求項１９に記載のシステム。
JP1182367A 1988-07-15 1989-07-14 複合混合物材料の形成方法 Expired - Lifetime JPH0660362B2 (ja)

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