JPH0673469A

JPH0673469A - 金属基複合材料の生産方法ならびに装置

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Publication number: JPH0673469A
Application number: JP3267217A
Authority: JP
Inventors: Valery G Borisov; ガフリロビッチボリソフバレリー; Ljudmila P Borisenko; ペトロフナボリセンコリュドミラ; Alexandr Vasilievic Ivanchenko; ファシリービッチイヴァンシェンコアレキサンダー; Nikolai A Kaluhsky; アンドリービッチカルッツスキーニコライ; Alexandr P Bogdanov; ペトロビッチボアダナフアレキサンダー; Vladimir M Rapoport; メンデレビッチラポポルトブラドミール; Nikolai N Belousov; ニコラエビッチベロウソフニコライ; Svetlana N Pavlova; ニコラエフナパフロバスベトラナ; Tatyana I Belyaeva; イゴレフナベルヤエフタシャーナ; Vladimir V Volkov; ブラディミロビッチボルコフブラドミール
Original assignee: V N I PI ALJUMINI MAGNIEVO; VSES N I PROEKT INST ALJUMINI MAGNIEVO
Current assignee: V N I PI ALJUMINI MAGNIEVO; VSES N I PROEKT INST ALJUMINI MAGNIEVO
Priority date: 1990-09-19
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1994-03-15
Also published as: CN1062769A; ES2036134A1; FR2666819B1; CA2051605A1; BR9103931A; DE4131239A1; ITMI912431A0; DE4131239C2; ITMI912431A1; GB2248071A; IT1258217B; FR2666819A1; ES2036134B1; GB9119770D0

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】金属組織中に微細なセラックス、金属類の分散
をよくする。【構成】微細分割された固体添加粒子をイオン化された
不活性ガス流の中に混和包有させ、この不活性ガスをイ
オン化し、そしてイオン化ガスにより生じた熱を固体粒
子の加熱に活用し、その温度が、固体粒子が融解、昇華
もしくは解離により非固体状態となる温度以下であっ
て、融解、昇華もしくは解離の温度の約半分よりも高い
温度となっている複合材料の製造方法で、その後、ガス
と、混和包有され加熱された固体粒子の流れを、溶融金
属の塊体中に噴射し、微細分割固体粒子と、溶融金属と
の混合物を生成し、溶融金属と固体粒子の混合物の物理
的攪拌を起させ、この溶融金属内に固体粒子の実質的に
均一な分布を確立し、微細分割粒子と金属との混合物が
完全に凝固するまで溶融金属の物理的攪拌を続ける、金
属基複合材料の生産方法ならびに装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属組織学の分野に関
し、特に金属組織の中に極めて微細なセラミックス，金
属類，合金類，金属間化合物類，炭化物類，窒化物類，
ほう化物類等の基本金属の性質を強化する上で有用な物
質の粒子を分布状態で有する基本金属の鋳造による製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機や船舶の建造、自動車製造やその
他多くの工業の発達にともなって、機械加工性そして使
用上の諸特性の改善された新規材料がますます求められ
つつある。

【０００３】金属組織をもった材料（すなわち合金類）
は今日では、完全な融解と、構成成分の相互の融解（図
２ａ）を十分達成するような完全なシステムにおいてあ
る温度に到達させる溶解方法により、添加成分を使って
基本金属を液体状態まで溶融して生産される。

【０００４】冷却及び凝固中における合金の温度の低下
により、合金成分の溶解度は急速に低下し、そして、そ
れぞれの合金系ならびに組成にとって特定のある温度に
おいて、固相が析出し初め、均質融体から合金成分より
なる結晶の形態にまで成長するか、あるいは、更に高頻
度に起るのだが、構成成分（金属間化合物相）（図２
ｂ，ｃ）の化学的化合物から成る結晶の形態にまでこの
均質な融体から成長する。更に冷却を進めると、残余の
融体は、基本金属内の成分の固溶体（図２、ｄ）の形で
晶出する。基本合金（マトリックス・素地）のそれとは
異なる結晶格子と性質をもった金属間化合物相は全体と
して、合金系の諸性質に強く影響を及ぼす。

【０００５】この合金の結晶生成過程において析出した
金属間化合物相の大きさは、１ミクロンの何分の１かを
超えるものであってはならず、もしそうでなければ合金
の性質は、靭性及び強度の損失により大いに低下する。

【０００６】金属ならびにメタロイド（金属と非金属と
の中間的元素）の金属質素地における溶解度は固体の状
態で非常に大きい制限を受け、これにより市販の合金の
選択範囲は狭まる。さらに、市販の構造用合金の性質
を、その組成を変えることにより改良する上で実際問題
として制限を受けることになる。

【０００７】新規な等級の構造用材料が開発されてお
り、この材料は全体的にみてその系に保証された特性を
達成可能とするような人工的に混入された粒子、あるい
は酸化物の繊維、炭化物と他の化合物を含有している。
このような材料は複合材料として知られており、その理
由はこの金属系の構成成分は、在来の合金の場合のよう
に素地金属から析出されるのではなく、人工的にこの系
に混入されるからである。混入粒子をもった素地を現わ
す公知の全ての金属合金であって、それらの性質が素地
の性質と相当程度異っているそのような合金類は、合金
製造中に自然発生的に得られたとしてもこれは基本的に
は複合材料である。

【０００８】人工的な、あるいは天然の原材料から成る
複合系材料によって表わされる金属質材料の性質は次の
ように表示される：・材料の延性は、素地内のメタロイド間生成物及びその
他の介在物の大きさと結晶構造に依存するのと同様に、
可塑性流れに対する素地の能力（一般的に言って、基本
合金中の成分の固溶体のもつ能力）により決定される；・強度，耐熱性，疲労強度，き裂の発達に対する材料の
抵抗性は、介在物の作用を受けている素地の結晶格子の
歪曲と同様に、介在物と素地間の相互作用により決めら
れる；・材料のかたさ，耐摩耗性，摩擦関連特性は介在物の性
質により決定される；・材料の弾性係数，線膨張係数，比重（密度）は素地と
介在物との特性の組合わせで決定される。

【０００９】かくして、予め設定された加工性と実用特
性との組合わせをもった新規な金属質材料を開発するこ
とは、それぞれの場合において、その金属系のもつ最適
組成の選択に基づいて、すなわち、素地ならびに介在物
の性質と相互作用が、全体的に、その複合材料の性質を
決定する、そのような素地ならびに介在物の選択に基づ
いて、理論的に達成されるべきである。

【００１０】金属質系の基材（すなわち素地）の選択は
その材料の必要とされる実用特性、ならびに材料特性の
水準（鋼，アルミニウム，マグネシウム，ニッケルな
ど）により決定される。

【００１１】構造用金属質材料を生産する技術の実施に
おける最大の困難なことは、その構造体に、成分を、化
合物の超微粒子の形で、素地において熱力学的にしかも
熱的に安定状態で噴射することであり、この場合の超微
粒子の大きさは２〜３ナノメータないし２〜３ミクロン
である。

【００１２】自然の複合金属材料（すなわち錯合金）を
生産する場合、均質融体を高速冷却して得られた基本金
属内にある合金成分の過飽和固溶体から、粒子（メタロ
イド間化合物）を析出させることによってこの問題は処
理される。必要とされる冷却速さは、合金融体の量が比
較的少い場合においてのみ、実際にはなし遂げられる。
実際に、高速冷却は冷却媒体内における融体の微小滴を
冷却するやり方の、融体の物理的分散で実施される。こ
の方法は、ペレットを提供するために、高価な操作、す
なわち、乾燥，脱ガスそして粒子（球状粒子）の高密つ
め込みとから成っている。かくして、ペレット化技法に
より新規な金属質合金を生産する技法はこの工業におい
て今まで広い用途を見出していない。

【００１３】超微粒子を金属質融体内に導入することの
困難性は２種類の外的状況に帰する。その第１は超微粒
子（粒度が１ミクロンの１／１０００以下）の流動性の
欠如によるものであり、融体中に噴射される場合、これ
ら粒子の計測がむしろ困難であるか、あるいは時には不
可能でさえある。その第２は、融体と接触している粒子
の表面にある吸収酸素に依るものであって、基本金属の
酸化物は、融体による粒子のぬれを妨げる表面上に形成
される。この問題は、酸素との高反応性をもった金属
（アルミニウム，マグネシウムなど）の融体の中に粒子
を噴射する場合に特に現われる。上述の要因は、また、
特にアルミニウム・けい素系合金のような合金の生産時
に生ずる合金材料（例えばけい素）の廃棄粉体を使い、
この粉体の形で合金成分を噴射して融体を合金化してな
る融体の中に、粒子、すなわち結晶核を噴射して合金の
直接改造をする、そのような技法の実行を阻止する。

【００１４】提案した技法ならびにこの技法を実施する
ための装置の最重要な特徴の１つは、図３にその概略を
示すような合金組織をもつ充填材料（複合材料の生産の
場合）もしくは組織成分（合金生産の場合）から成る微
粒子の融体の中に噴射が実現できるということである。

【００１５】成分原子から遊離した素地は、所望の充填
材料（図３ａ）の粒子が噴射される。組織成分（Ａχ
Ｂｙ）と、素地Ａ内の合金成分Ｂの溶液との間に、系の
平衡状態が存在すると、素地内に混入された粒子は、大
きさの減少を伴って適当な温度における飽和濃度にまで
溶解し、この過程は非常に制御し易く、また限定された
溶解度をもった予め設定された成分を合金した組織を有
する合金の生産を可能とする。

【００１６】包有された鋳造複合材料を生産する過程に
おける大部分の段階について、Rohat'gi P.K.,Asthana
R.,Das S.-Inst. Metal Rev., 1986,Vol.31,N3-15 〜13
9 頁、「鋳造金属−セラミック粒子複合材料の凝固，組
織ならびに性質」に説明されており、この論文に含まれ
る項目は：・基本融体の生産：・大量融体金属内における固体粒子の均一分布；・合成複合材料の結晶生成；である。

【００１７】超微粒子を融体の中に噴射する従来技術で
は以下の方法が用いられており、その技術は以下の文献
に開示されているものと同じである、「鋳造アルミニウ
ム・黒鉛粒子複合材料、重要な設計材料」、 Rohatgi
P.K.,Das S.,Dan T.K.-J.Inst.Eng.,1989年 3月,vol.6
7.N2- 77〜83頁：・融体ならびに添加粒子の機械的撹拌方法；・粉体素地金属を混合したペレットの加圧法ならびに、
粒子を融体に突き込むことによる粒子の補強法、ならび
に融体の機械的撹拌法；の各方法が含まれている。

【００１８】鋳造金属複合材料の生産過程で生ずる諸問
題は、素地と充填材料との間の密度の差が大きいことに
より生ずる鋳造した材料の不均一性と同様に、補強用充
填粒子と素地融体とのぬれ性の欠如もしくは劣弱も関係
する。

【００１９】補強用充填粒子と基本金属素地との間の接
着強度を増大することは、「液相アルミニウムに対する
黒鉛のぬれ性及びぬれ性に及ぼす合金元素の影響」，Ch
oh Takao,Kemmel Roland,Oki Takeo, Z.MetallKunde, 1
987 年 vol.78.N4 286〜290頁、すなわちその内容は：・補強用充填粒子の表面に対する親金属性コーティング
の適用；・基本金属融体の中への表面活性剤の導入；・融体温度の上昇．である。

【００２０】複合材料の生産方法（日本出願番号ＮＯ．
５６−１４１９６０，日付．０８．０４．８０ＮＯ．
５５−４５９５５，発行．０５．１１．８１）が公知と
なっており、この方法で提案しているのは、充填材とし
ての天然の中空微小球体の直径１５０μｍの使用であっ
て、この球体は、黒鉛粉体，ＴｉＢ₂ ，アルミニウムの
窒化物と酸化物，鱗片状ならびに小片状黒鉛と同様に、
各種金属質材料と充分両立して用いられるのであり、金
属カルシウムを重量百分率で０．０５ないし５．０％融
体に添加し、材料の均一性を保証する。

【００２１】本法の重大な欠点は元素（カルシウム）の
融体中に導入する必要性があることであって、このカル
シウムは液相の基本金属中には可溶であるが、実際には
固相素地には不溶であり、素地と反応して脆性の共晶成
分を形成する。この現象は素地ならびに複合体それ自体
の機械的性質を劣化させることになる。そればかりか、
充填材として、話題の大きさ（１５０μｍ）の中空微小
球を用いることは、機械的性質の絶対値を改善する上で
役には立たず、しかも材料主要部単位体当りの相対的値
の若干の改善を達するにしかすぎない。

【００２２】本発明に関連する従来技術は複合材料の生
産方法（Met.Trans., 1978年 V.9.N3. 383〜388 頁）で
あり、この方法で用いる基本溶融金属は、大きさが０．
０１〜１０μｍの不溶性の酸化物粒子（Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｂ
ｅＯ，ＣａＯ，ＣｅＯ₂ ，ＴｉＯ₂ ，ＭｇＯ，ＴｈＯ
₂ ，ＶＯ₂ ，ＺｒＯ₂ ）と、Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｔｉ，
Ｚｒの炭化物，ほう化物，窒化物を用いてドープ処理を
施したＭｇ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ及びＣｏである。
これらの粒子は粉体もしくは細繊維として噴射される。
融体内での粒子の均一な分布を保証するには、これら粒
子は予熱された不活性ガス（Ａｒ，Ｈｅ）の流れの中に
噴射され、それと同時に、基本金属を激しく撹拌する。
粒子の容積百分率は、０．５ないし２０％の範囲内にあ
る。また、粒子と融体との界面にあって表面活性を改良
する元素の１つは溶融金属中に噴射される。このような
表面活性金属（Ｍｇ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ）を
噴射することは酸化物上の親金属性被覆の生成を保証し
この被覆が系のぬれ性の少なからず改善し、３０分間全
部にわたって融体の偏析は全く生じない。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】前述の方法は以下のよ
うな欠点をもっている：１）素地融体の化学組成は表面活性金属を噴射するため
の必要上、制限が加えられるのであって、これら表面活
性金属は多くの場合、生成する複合材料の技術的ならび
に機械的性質の減損を招来する；２）凝固過程における撹拌をしないということは、特に
凝固時間が長い場合、偏析ならびに層状部分の形成領域
の生成を促進し、その結果、得られる複合材料の性質が
悪くなる。３）補強用粒子が不溶性であることが、合金添加物によ
る基本金属の結晶化及びそれに続いて実施する加工熱処
理の組合せにより、材料の生産上伝統的な強化物質であ
るこれら元素もしくはこれら元素から成る化合物の超微
粒子を用いて補強された素地を有する材料の生産方法を
用いる可能性をなくしてしまう。

【００２４】本発明の目的は、補強用充填粒子の分散の
均一性と、基本金属素地とこれら粒子の粘着強度と、そ
して広範囲に及ぶセラミック粒子，金属そして炭化物，
窒化物，ほう化物，酸化物，黒鉛そしてガラスを含む金
属間化合物を用いて拡張された複合材料のグループを提
供する能力とを増大することによって複合材料の品質を
改良するにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】前述の目的及びその他の
目的は複合材料製作の１つの方法によって達成される
が、その方法では、例えば、セラミック，金属、そして
酸化物，ほう化物，炭化物，窒化物，黒鉛，ガラスを含
む金属間化合物などの不活性ガス中にある微細分割固体
添加粒子を混合包有し、固体粒子を加熱するために混合
包有不活性ガスをイオン化して高温にまでもってゆくの
であって、この場合の高温は、粒子が融解、昇華あるい
は解離により非固体になる温度よりも低く、このような
温度の約半分よりも高い温度であり、このような加熱の
後、イオン化混合包有ガスと混合包有され加熱された固
体粒子との流れを溶融金属塊体中に噴射し、それと同時
に溶融金属の塊体中の撹拌を続け添加した粒子の分散を
充分に促進し維持して複合材料の塊体中に凝固させ、同
時に、固体粒子を含有する溶融金属内の撹拌運動を凝固
完了時点まで続ける。

【００２６】本発明の実施においては、基本金属融体は
アルミニウム，鉄，銅，マグネシウム，ニッケル，コバ
ルト，クロームでよい。適切な基本金属は上述の金属の
合金であって、それらの合金中で上述の金属は主要合金
元素である、例えば重量で４％以下のマンガンを含有す
るアルミニウムとか、鋼，鋳鉄及び強靭鋳鉄などであ
る。また基本金属として適切な金属はマグネシウム，
銅，ニッケル，チタンそしてこれらの合金である。

【００２７】補強用充填添加粒子は極めて微細であって
粒度は平均値で１〜１００μｍである。これらの粒子
は、Ａｌ中のＳｉのような素地元素；ＴｉＡｌ₃ ，Ｚｒ
Ａｌ₃，ＦｅＡｌ₃ ，ＦｅＡｌ₅ ，ＣｒＡｌ₇ ，ＣｒＡ
ｌ₃ ，ＮｉＡｌ₃ ，Ｃｏ₂ Ａｌ₉ ，ＳｃＡｌ₃ などのよ
うな金属間化合物；ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＷＣ，ＮｂＣ，Ｆ
ｅ₃ Ｃのような炭化物；ＴｉＮ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＺｒＮの
ような窒化物；ＴｉＢ₂，ＡｌＢ₂ のようなほう化物；
ＺｒＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＴｉＯ₂ ，Ｂ₂ Ｏ₃ のような酸
化物；そして他に、サファイヤ，ガラス，黒鉛及び浸炭
窒化物などのセラミック材料と化学的に化合物を形成す
ることがない金属でありうる。金属の分散強化用に用い
られるその他の粒子材料も用いうるのであって、本過程
の段階を通じて熱力学的安定性を満足のいくように保持
することができる。

【００２８】本発明で用いられる混合包有用の不活性ガ
スは、他にも有用な不活性ガスはあるが、アルゴンまた
はヘリウムが好ましい。この不活性ガスはイオン化さ
れ、混合包有された粒子は、融体の中に噴射されある高
温にまで加熱されるに先立ってイオン化ガス中で予熱さ
れる、そして前記ある高温とは粒子が溶融，昇華あるい
は解離する温度直下の温度、すなわち、溶融点、昇華温
度あるいは解離温度の約０．９の温度がその場合に応じ
て用いられる。ある高温においては、これら粒子は凝集
して融体中に好ましくない大きい粒子を生ずるか、ある
いは、意図しない組成をもつ粒子を生ずるか、あるいは
融体内に粒子の所望量の実質的な消耗低減が起る。溶融
点（昇華温度または解離温度）の約０．５以下の粒子温
度では、得られる複合製品は、強度、かたさ、組織の均
一性、分散粒子の均一性そして均質性の増大を現示する
ことはない。

【００２９】粒子の予熱過程における温度の間隔は、溶
融金属表面の流動層の粒子による鉄の腐食ならびに破壊
の過程において、粒子表面から吸収酸素を除くことによ
って、粒子と基本金属との間の強力な接着を保証する相
間作用に対して必要にして十分な程度の活力を提供する
必要性にもとづいて、経験的に決定された。

【００３０】特殊な粒子材料に対して適用する適切な温
度範囲を決定することは、便覧などに記載され公刊され
ている温度データにより決められるし、また、±１℃の
精度をもったAgema などの高温測定装置を用いても決め
ることができる。しかし、基本線に係る諸条件を確立す
ることは、多くの場合、特に金属間化合物あるいはその
他の粒子が包有されていてしかも公刊されているデータ
が具合よく利用できないような場合には一層便利であ
る。例えば、複合材料を製作するに先立って、特殊粒子
の装入及びガスを流すための予熱段階で用いるガスのイ
オン化装置を用いて試行を実施し、粒子のイオン化ガス
中での滞留時間を増して融解（蒸発もしくは解離）にち
ょうど必要な長さとし、この粒子は観察を続けられて融
解など起らぬように若干この時間は短縮される。これら
の処理条件は、溶解点の０．９の温度を示すようにな
る。粒子の融解が起る滞留時間の約１／２の滞留時間は
溶融点の０．５に対応する。経験的時間間隔は、同様に
して、ガスの流れならびにガスに対する粒子の装入を、
同業技術において公知となっている概念に従って、調節
することによって決定される。

【００３１】本発明で使用する場合に特に有効な粒子の
選択については、以下の、温度範囲を併記した表Ａに表
記してあり、この表には実施例としての基本金属の組成
も指示してある。表Ａ粒度粒子（組成）ミクロン添加温度範囲 ℃ 基本融体 ──────────────────────────────────── SiC 5-50 1100 - 2000 Al 、アルミニウム合金 Al-4%Cu-1.5% M_g -0.5%Mn, Fe TiAl₃ 1-10 670 - 1200 Al, アルミニウム合金 Al-4%Cu-1.5% M_g ──────────────────────────────────── TiB₂ 5-10 1400-2500 Al, アルミニウム基合金 Si₃N₄ 1-5 950-1710 Cu,Ni Graphite 5-50 1800-3240 Al-12% Si 黒鉛 ────────────────────────────────────

【００３２】本発明においては、重量で約０．５％ない
し約２５％の充填材料が、溶融金属の基本金属槽内に混
合させることが可能であり、添加される特定材料とその
量とは同技術で公知となっている概念にもとづいて決め
られ、例えばかたさ、強度、延性、弾性などの機械的性
質の特別な向上もしくは組合わせを達成する。

【００３３】以下に掲げる表Ｂは実施例としての粒子含
有量、基本金属、そして強化された機械的性質の表示を
示してある。表Ｂ ──────────────────────────────────── 粒子組成量重量％基本金属（組成）強化特性 ──────────────────────────────────── １． SiC 10 Al Rm=200MPa,E=120 KN/MM², K₁/K₂=9 ２． ZrAl₃+CrAl₃ 1 + 1 Al R_0・2/Rm=0.99 TiAl₃ 15 Al S₁/S₃=300 ここで:Rm − 瞬間的引張強さ R_0・2− 耐力 E − 弾性係数 K − 線形摩耗率 S − 素地内における粒子の比密度 1,2,3 − アルミニウム基複合材料、アルミニウム及びAl-10%Ti 合金に適用できる係数

【００３４】本発明の実施においては、溶融基本金属は
例えば連続的に撹拌力を受けさせるなどして固体粒子の
導入開始から鋳造金属の鋳造及び凝固の完了まで物理的
撹拌が施される。立上り時は、基本融体は物理的撹拌を
うける、すなわち、るつぼ形容器の中で、非干渉状態で
接触する磁気的手段を使う公知技術により、基本金属槽
に対して適切に好ましく撹拌力が加えられる。処理のこ
の段階においては、公知の種類の羽根を用いた機械的撹
拌がやはり採用される。撹拌の程度は十分激しくあるべ
きで、例えば、槽の目視可能の連続的転動を施し、添加
粒子の均一分散状態を保証し、しかも供試用試料は決め
た時間間隔で採取される。粒子を含有する基本金属融体
が鋳造準備完了しておれば、その材料は直接適当な鋳型
に移注され、その鋳型内の溶融材料に対して物理的撹拌
が続けられ、例えば鋳型の外側に連結した超音波エネル
ギーなどの振動を適当に加えるなどして撹拌し、この溶
融金属内の振動を、鋳型中の金属が全部凝固し終るまで
継続する。物理的撹拌をするために用いる超音波の強さ
は、るつぼ内に得られる均一性を維持する上で充分な強
さであるが、溶融金属の塊体に相当著しい目視可能な運
動を起させるほど強烈であってはならない。

【００３５】本発明の実施に当っては、混合包有する固
体粒子をもつイオン化不活性ガスの流れが、基本金属槽
内に対して、固体粒子が少くとも５cmの深さ、例えば槽
深さの約１０％の深さまで入るように噴射される。

【００３６】液相の容積の、１００％から０％すなわち
完全凝固までの変化の過程における連続撹拌は、工程の
前段階で可能とされた素地の容積に対する補強材料の均
一分布と、そして粒子と融体との界面におけるぬれ性の
向上とを保証する上で、本発明にとって予め設定された
必要条件である。複合材料の液体・固体共存状態におけ
る如何なる段階においても撹拌を欠いた場合、基本金属
素地と粒子との間の表面接触を弱める結果になり、また
層状部分、偏析及び化学的ならびに組織的組成の不均一
性の望ましくない形成を生ずる。

【００３７】素地融体内の粒子の熱力学的安定性はこれ
ら粒子の基本金属との化学的作用を抑止し、制御されて
いない大きさと形状をもった好ましくない化合物の形成
をも抑止し、かくして、従来技術に基づく技法とは対照
的に、基本金属を融解しその後結晶化と熱処理との組合
わせの処理を施すことによって、超微粒子補強合金の形
成と、そして、補強相の量と、大きさとそして形状の事
前設定値をもった、金属と金属間化合物から成る複合材
料の生産とを保証する。

【００３８】図１を参照すると、黒鉛を用いて適当に作
られたるつぼ（１０）は、素地金属、例えば、金属槽
（１）を物理的に撹拌するために従来の磁気コイル４を
用い、好ましくは図１に示すような激しい回転運動で撹
拌されるアルミニウムの溶融金属槽（１）を有する。る
つぼ（１０）は長尺のイオン化室（２）を内部に有する
保護蓋（１５）を具備する。不活性ガス、例えばアルゴ
ンが制御可能状態でライン（８）からイオン化室（２）
に導入され、このガスはイオン化され公知技術に従って
プラズマアークを生成し、その結果、８，０００℃ない
し２０，０００℃の温度範囲という極めて高い温度がイ
オン化室内に生成される。微細分割された充填材料はホ
ッパ（３）内に保持されこのホッパには微細分割された
充填材料を計量する計量手段（図示してない）が設けら
れ、この充填材料は導管（１６）を経てイオン化室
（２）内に導入される。充填粒子が入るイオン化室
（２）は、粒子の融解が起る温度直下の高温、例えば粒
子の融解温度の０．５と０．９との間の温度まで、急速
に加熱される。イオン化された不活性ガスの流れ（２
５）の中に混合包有されている、加熱され活性化された
粒子が、不活性ガスの噴射と、金属槽表面直下槽へのこ
の噴流の貫入とによって溶融槽（１）内に導入される。
磁気コイル（４）による金属槽（１）の連続的物理的撹
拌により、加熱され活性化された固体充填材粒子の均一
分散が確立する。金属槽の温度は、例えば熱電対（図示
せず）を用いて測定され、この温度が、充填材粒子の望
ましくない融解や解離が発生する温度より低い温度であ
ることを保証する。充填材粒子の槽内における均一分散
状態は、好都合な時間間隔で槽から試料採取された試料
を分析して確定される。予定した、所望量の固体充填材
粒子が溶融金属槽の中へ導入されてしまうと、るつぼ
（１０）の底にある栓（５）が開けられ、固体添加粒子
（９）を含有する溶融金属は、鋳型（６）、例えば鋼で
適当に作られた鋳型の中に注入される。溶融金属は鋳型
内で凝固させられ、均一に分散している固体充填材粒子
を包囲する。凝固が進むにつれて、固体充填材粒子は溶
融金属相中に均一に分散して滞留していることを確証す
るために、超音波トランスデューサ（７）が鋳型（５）
に連結され、鋳型内の溶融金属が、超音波エネルギー振
動をうけて物理的に撹拌され、この振動は、溶融相全体
が固体状態になるまで続けられる。

【００３９】図４（Ａ）は、金属槽の中へ添加物を一層
深く貫入させた結果得た、（２５）で示すイオン化ガス
流の流速を増すことによって、イオン化室（２′）内に
反応物を導入するための導管（２０）を備えた図１のる
つぼを示している。図４（Ｂ）は、取鍋の底部から導入
されるイオン化ガスならびに添加物を含む図４（Ａ）の
るつぼを示す。不活性ガスは気泡（３０）を形成し、こ
の気泡は金属槽の上部と、その表面で接触する超音波ト
ランスデューサ（１２）により破砕され分散される。

【００４０】図５は、超音波トランスデューサ（１２）
と、イオン化ガスの噴射（２５）とを伴った図４（Ｂ）
のるつぼを示しており、この噴射の流れ（２５）は図４
（Ｂ）の中心線に関して対称であり、気泡（３０）を含
む粒子の上方への螺旋運動が図示してある。

【００４１】

【実施例】本発明の方法を試験するため、Ｄ１６と同様
に公知である４％Ｃｕ、１．５％Ｍｇ及び０．５％Ｍｎ
を含むアルミニウム基合金と同様に、非合金の金属とア
ルミニウム及び鉄を用いた。これらの材料は、各種の複
合材料を生産するため、基本融体として分離して用いら
れた。用いた立上り時の補強用材料は、粒度が５〜５０
μｍの炭化けい素粉体、粒度が１〜１０μｍのＴｉＡｌ
₃ 、そしてまた１０〜１００μｍの粒度をもつチタン粉
体であった。

【００４２】複合材料を生産するための試験は、図１に
略図で示す試験装置で実施した。るつぼは、黒鉛製と
し、素地融体（１）を入れた、この素地融体は、従来の
プラズマトロン形イオン化装置（２）を用いて予め設定
した温度にまで予熱された混合包有された補強用粒子と
共に、イオン化されたアルゴンガスの流れにより噴射さ
れた、そしてこのイオン化装置（２）はイオン化装置を
介して流れる予め設定された流量をもつ粉体の流れを確
立するための計量装置（３）がとりつけられている。粒
子温度、Ｔ_p は変化され、粉体粒子の噴射の前後におい
て、基本融体の純含有量の変化を検出することで監視し
た。Ｔ_p は次式により算出された：

【数１】ここで：θ−添加物噴射後の融体温度、℃；Ｔ_m −添加物噴射前の素地温度、℃；Ｃ_m −素地金属の比熱、Ｍ_m −金属塊体、kg、Ｃ_p −粒子の比熱、Ｍ_p −粒子の塊体、kg、Ｋ_n −粒子の噴射を伴わないイオン化ガス流による処理
における予熱中における融体表面の空冷に及ぼす熱影響
の算出に採用される無次元因子であって、融体金属と金
属とが５kgであって、イオン化されたアルゴンガス流量
が、０．１Ｍ³ ／分であれば、Ｋ_n ＝０．０５−０．０
６となる。

【００４３】添加物の噴射過程において混合物を撹拌し
ながら、磁気コイル（４）を用いて鋳造が実施された。
固体添加物の予め設定されている量が噴射された後、栓
（５）がるつぼから外され、固・液共存混合物が、るつ
ぼ底部の穴を通って流出し鋼製鋳型に鋳込まれた。直径
５０mmの鋼製鋳型（６）が用いられ、溶融した金属と固
体粒子との混合物は、鋳型内の内容物が凝固し終るま
で、超音波発生機（７）により撹拌された。得られた
２．５kgの固体鋳物は熱間押出し加工された。得られた
複合材料の品質評価は以下の各要因により決定された： −化学的ならびに組織的均一性、 −補強用粒子の大きさ、 −複合材料の強度。

【００４４】複合材料の化学的不均一性について、供試
鋳物の鋳造方向を横切る各種の横断面における補強粒子
の成分の含有量の変化を用いて評価した。この場合の化
学的不均一性係数Ｋ_c は次により表わされる：

【数２】ここで：Ｃ_K −鋳物の断面における補強粒子成分の含有
量、重量％；ｎ −分析の対象とした断面の数；Ｃ_max,Ｃ_min −断面における補強粒子成分の含有量の最
大値と最小値、重量％．

【００４５】複合材料の組織的不均一性は、係数Ｋ_ave
により、補強粒子の平均粒度の変化により評価した：

【数３】ここで、ｄｉ−ｉ番目の粒子の平均粒度、μｍ；ｄ_max ｄ_min −分析対象粒子の粒度の最大値と最小値；ｎ−分析した粒子の数。

【００４６】強度は最大引張強さ、Ｒｍ、Ｍｐａ（ＵＴ
Ｓ）を測定して評価した。化学組成は、カウントメータ
ＡＲＬ７２０００により、精度±０．０１％を用いて決
定した；組織の特性は金属組織学で用いる光学顕微鏡
ＭｅＦ−３Ａにより、倍率３０００倍以下で決定し、ま
た組織分析装置 Omnimeter 2を用い組織中の元素の定量
分析を実施した。強度の決定は、引張試験機ＵＴＳ−１
００により、適用する力の最大値１００ＫＮに依った。
これら前出の装置は全て最新技術に依るものであった。
表１には試験結果がまとめてある。

【００４７】得られた試験結果から、認められること
は、最良の特性諸元が保証されたのは、金属基複合材料
の生産のための本発明に係る方法に従った実験のＮＯ．
６、９、１２、３６、４２、５１、５７、６６、６９、
７２により生産された複合材料の試料に依ってであっ
た。

【００４８】本発明の別な実施態様においては、複合材
料の製造用充填材料は、イオン化され混合包有されたガ
スの環境内で合成され、かくして生成された発生期の材
料は、浄化用イオン化ガスで遮蔽され基本金属融体中に
導入されるのであって、この融体は、例えば磁気的、な
らびに超音波の技術を用いて物理的に撹拌されて、基本
金属素地中の合成材料を均一に分布させる。充填用材料
は、充填用材料を生産する反応物の実質的な化学量論的
量を導入することによって合成される。例えば、窒化チ
タンの充填材料を作る場合は、２０〜５０μｍの適正寸
法をもったチタン粉体が、次式に対応する割合で窒素ガ
ス中に混合包有される：２Ｔｉ＋Ｎ₂ …２ＴｉＮ

【００４９】チタン／窒素混合物はイオン化された不
活性ガス流中を通され、温度範囲が２２００〜３０００
℃の中のある温度において、蒸気の状態の窒化チタンを
形成するためチタンと窒素との間の反応を完了するまで
の充分な時間をかけてイオン化ガスに暴露されるのであ
って、前記蒸気の状態の窒化チタンはイオン化不活性ガ
スにより基本金属融体、例えばアルミニウムの表面に搬
送され、この基本金属融体は、不連続な小容積の窒化チ
タンを均一に分散させるため物理的に撹拌され、その結
果、基本金属の凝固により超微粒の強化充填材粒子を提
供するに到る。

【００５０】その他の充填用材料は以下のようにして同
様に合成される：３Ｓｉ（粉体）＋２Ｎ₂ …Ｓｉ₃ Ｎ₄ Ｔｉ（粉体）＋３Ａｌ（粉体）…ＴｉＡｌ₃

【００５１】基本金属融体の温度は、ある温度に保持さ
れるのであって、この温度では添加材料が焼入れされ、
その結果合成された添加材料が融体中に好ましくない溶
解をすることがなくなる。

【００５２】本発明のもう１つの実施態様では、炭化水
素、プロパン、ブタン天然ガス、メタンあるいは一酸化
炭素、二酸化炭素などの炭素担持ガスが、イオン化され
た不活性ガス流との混合気流中でイオン化され、解離さ
れる。炭素解離生成物は、充填用添加物として基本融体
中に噴射される単原子元素炭素である。酸素担持ガスに
対しては、遊離した単原子酸素がイオン化したガス流で
あってこのガス流は、例えばアルミニウムの融体と反応
し、融体中に酸化アルミニウム、Ａｌ₂ Ｏ₃ の超微粒充
填用粒子を形成する。

【００５３】表２に示す条件下にある本発明の実施に従
い、また表２に示す材料を使い、指示された添加物は、
指示された溶融基本金属素地中に導入され、改善された
機械的性質をもった複合材料を生産した。

【００５４】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、微細分割
固体添加粒子を含む高温混合包有不活性ガスを溶融金属
塊中に噴射し該溶融金属の撹拌を凝固完了時点まで続け
ることにより、補強用充填粒子の分散の均一性及び、基
本金属素地とこれら粒子の粘着強度、そして広範囲に及
ぶセラミック粒子や、金属、炭化物、窒化物、ほう化
物、酸化物、黒鉛そしてガラスを含む金属間化合物を用
いて拡張された複合材料のグル−プを提供する能力とを
増大し、複合材料の品質を向上させることができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の各種実施態様の実施のための装置を示
す図である。

【図２】合金生成の過程で生ずる金属組織学的条件を表
す図である。

【図３】合金生成の過程で生ずる金属組織学的条件を表
す図である。

【図４】本発明の各種実施態様の実施のための装置を示
す図である。

【図５】本発明の各種実施態様の実施のための装置を示
す図である。

【符号の説明】

１溶融金属槽２、２′ イオン化室３ホッパー４コイル５栓６鋳型７、１２超音波トランスデューサ８ライン９融体１０るつぼ１５蓋１６、２０導管２５イオン化ガス流３０気泡

【表１（ａ）】

【表１（ｂ）】

【表１（ｃ）】

【表１（ｄ）】

【表２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リュドミラペトロフナボリセンコソビエト社会主義連邦共和国レニングラードスレドニープロスペクト 86 (72)発明者アレキサンダーファシリービッチイヴァンシェンコソビエト社会主義連邦共和国レニングラードスレドニープロスペクト 86 (72)発明者ニコライアンドリービッチカルッツスキーソビエト社会主義連邦共和国レニングラードスレドニープロスペクト 86 (72)発明者アレキサンダーペトロビッチボアダナフソビエト社会主義連邦共和国レニングラードスレドニープロスペクト 86 (72)発明者ブラドミールメンデレビッチラポポルトソビエト社会主義連邦共和国レニングラードスレドニープロスペクト 86 (72)発明者ニコライニコラエビッチベロウソフソビエト社会主義連邦共和国レニングラードスレドニープロスペクト 86 (72)発明者スベトラナニコラエフナパフロバソビエト社会主義連邦共和国レニングラードスレドニープロスペクト 86 (72)発明者タシャーナイゴレフナベルヤエフソビエト社会主義連邦共和国レニングラードスレドニープロスペクト 86 (72)発明者ブラドミールブラディミロビッチボルコフソビエト社会主義連邦共和国レニングラードスレドニープロスペクト 86 (72)発明者ビクトルセメノビッチシャステロフソビエト社会主義連邦共和国レニングラードスレドニープロスペクト 86

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微細分割された固体添加粒子をイオン化
された不活性ガス流の中に混和包有させ、この不活性ガ
スをイオン化し、そしてイオン化ガスにより生じた熱を
固体粒子を高温にまで加熱するために活用し、この場合
の高温は固体粒子が融解，昇華もしくは解離により非固
体状態となる温度以下であって、融解、昇華もしくは解
離の温度の約半分よりも高い温度であり、そのような高
温にまで加熱後、ガスと、混和包有され加熱された固体
粒子の前記流れを、溶融金属の塊体中に噴射し、微細分
割固体粒子と、溶融金属との混合物を生成し、しかる
後、溶融金属と固体粒子の混合物の物理的撹拌を起さ
せ、この溶融金属内に固体粒子の実質的に均一な分布を
確立し、しかも微細分割粒子と金属との混合物が完全に
凝固するまで溶融金属の物理的撹拌を続けることからな
ることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項２】溶融金属と固体粒子の混合物は、当初る
つぼ内に入れられ、撹拌は、るつぼの外側に設けた磁気
的手段によってなされ、続いて前記混合物の一部は鋳型
に移送されこの混合物の撹拌は鋳型の外側に設けた超音
波手段により実施されてなることを特徴とする請求項１
に記載の方法。
【請求項３】イオン化不活性ガス流の中に、反応にお
ける予め設定された組成に比例する微細分割固体及び／
またはガス反応物を混和包有し、前記イオン化不活性ガ
ス中に混和包有されると同時に前記反応物間に反応を起
こさせ、反応生成物を溶融金属槽の中に貫流させ、しか
も前記金属槽を物理的に撹拌して槽内の前記反応生成物
を均一に分散させることから成ることを特徴とする複合
材料の製造方法。
【請求項４】前記基本金属は、アルミニウム，鉄，マ
グネシウム，銅，ニッケル，クローム，チタニウムから
選択され、前記添加材料は、金属の炭化物，窒化物，炭
素窒化物，酸化物ならびにほう化物と同様に、基本金属
の１つと他の金属との２成分系あるいは多成分系化学的
化合物から選択されることを特徴とする請求項１に記載
の方法。
【請求項５】イオン化ガスを用いて加熱された添加粒
子を、物理的に撹拌された溶融基本金属中に噴射するこ
とによって形成された均一に分散された成分をもつ複合
材料もしくは合金であって、得られた材料は噴射の領域
から連続的に除去され、物理的撹拌が連続的に保持され
る期間中連続的な冷却が施されてなることを特徴とする
複合材料もしくは合金。
【請求項６】前記基本金属は、アルミニウム，鉄，マ
グネシウム，銅，ニッケル，クローム，チタニウムから
選択され、前記添加材料は、金属の炭化物，窒化物，炭
素窒化物，酸化物ならびにほう化物と同様に、基本金属
の１つと他の金属との２成分系あるいは多成分系化学的
化合物から選択されることを特徴とする請求項５に記載
の複合材料もしくは合金。
【請求項７】複合材料を製造する装置であって： (i)溶融基本金属を内容物とするるつぼ手段と；（ii）不活性ガスと混和包有する充填粒子の流れを受入
れ、前記ガスをイオン化しそして前記粒子を加熱するた
めにるつぼ手段に隣接して配置されたプラズマ発生手段
と；（iii)前記イオン化ガスならびに加熱粒子を前記るつぼ
手段に噴射して、前記るつぼの中に存在する場合は溶融
金属の中に貫流させる手段と；（iv）前記るつぼ内に存在する場合はその溶融金属を連
続的に撹拌する手段と； (v)前記るつぼから、充填粒子を包有する溶融金属を受
入れる鋳型手段と；そして、（vi) 前記鋳型手段中に存在する場合はその溶融金属を
連続的に撹拌する手段と、から成ることを特徴とする装
置。
【請求項８】前記るつぼが蓋を有し、イオン化ガスな
らびに加熱粒子を噴射する手段が前記蓋を通過すること
を特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】るつぼ内の溶融金属を撹拌する手段が磁
気による撹拌手段であることを特徴とする請求項７に記
載の装置。
【請求項１０】鋳型手段内の溶融金属を撹拌する手段
が超音波トランスデューサ手段であることを特徴とする
請求項７に記載の装置。
【請求項１１】イオン化ガスならびに加熱粒子を噴射
する手段が前記るつぼの底を貫流することを特徴とする
請求項７に記載の装置。
【請求項１２】超音波トランスデューサ手段がるつぼ
手段の上方部分に隣接して具備されていることを特徴と
する請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】超音波トランスデューサ及びイオン化
ガスならびに加熱粒子を噴射する手段は水平方向に置換
えられ、その結果、るつぼ内の溶融金属は回転運動が与
えられることを特徴とする請求項１２に記載の装置。