JPH08232028A - 複合材料及びその製造方法 - Google Patents

複合材料及びその製造方法

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JPH08232028A
JPH08232028A JP8013145A JP1314596A JPH08232028A JP H08232028 A JPH08232028 A JP H08232028A JP 8013145 A JP8013145 A JP 8013145A JP 1314596 A JP1314596 A JP 1314596A JP H08232028 A JPH08232028 A JP H08232028A
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JP
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metal
matrix
reinforcing material
die
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JP8013145A
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English (en)
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Robin Michael Kurt Young
マイケル カート ヤング ロビン
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UK Atomic Energy Authority
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UK Atomic Energy Authority
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    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/02Pressure casting making use of mechanical pressure devices, e.g. cast-forging
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036Alloys containing non-metals starting from a melt
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22CALLOYS
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    • C22C1/1068Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の課題は、強化材の高い体積分率、及
びガス圧補助式溶浸により生産されるものと同じ又はそ
れより良い特性を有する金属マトリックス複合製品を生
産する方法を改良することができる方法の改良である。 【解決手段】 非金属強化材粉末を金属又は金属合金マ
トリックス材料と混合し、マトリックス金属/合金の溶
融を起こさせるに十分高い温度に加熱し、凝固が起きる
前に、混合物にダイプレスで高圧を加えることによっ
て、金属マトリックス複合製品が作られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合材料の製造に
関し、さらに詳しくは、粒子状の非金属、好ましくは、
セラミック強化材で強化された金属マトリックス又は金
属合金マトリックスからなるそのような材料の製造方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】金属マトリックス複合材料の製造のため
の多くの工程が開発されてきた。例えば、粒状の強化材
を、液体の金属マトリックス材料に入れてかき混ぜ、或
いは、強化材の多孔性予備形成品を作り、事前の排気及
び/又は引き続く圧力の適用により又はそれらなしに、
溶浸によって溶融金属マトリックスを導入し、及び、若
しくは、金属マトリックス材料と強化材料の微粉砕の固
体混合物は、大型ダイプレス内で圧力を受けて、混合物
中の粒子の固体の融解により製品を形成する。工程の選
択は、適用に依存し、溶浸は、複雑な形状を形成し、及
び/又は高い割合の強化材が望まれる場合に、最も一般
的に採用される。どんな工程が採用されても、受け入れ
られる低コストで、効果的な大量生産を達成する問題に
打ち勝つことは困難である。時間の浪費と金属マトリッ
クス複合材料をその要求される最終寸法に機械加工する
高価な段階とを回避するように、ネット形状鋳造を達成
することが、特に望まれるが、それは難しい。大型ダイ
プレスで作られるような簡単な形状については、上述の
固体ルートは満足できる。マトリックス金属と強化材の
両方は、粒状形態で提供されなければならず、大型ダイ
プレスが必要とされる。にもかかわらず、原材料は、比
較的低コストで入手でき、ダイプレスのキャピタルコス
ト及び保守コストは、製品を生産することができる相対
的な簡単さ及び速度によって相殺される。しかし、欠点
は、このルートによって、組み込まれる強化材の最高の
割合が約40体積パーセントであることである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、強化材の高
い体積分率、及びガス圧補助式溶浸により生産されるも
のと同じ又はそれより良い特性を有する、金属マトリッ
クス複合製品を生産することができる方法の改良であ
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、 i ) 金属又は金属合金マトリックス材料の粒子を、強
化材の粒子と相互に分散させた混合物を形成し、マトリ
ックス及び強化材の相対的な割合が、出来上がった複合
製品に望まれる割合と対応し、 ii) 混合物を、マトリックス材料の溶融を引き起こす
のに十分高い温度まで加熱し、 iii) ダイ内で加熱された混合物に圧力を加えて、かな
りの割合の溶融金属又は金属合金粒子を、強化材の粒子
を埋設する連続マトリックスに合体させるのに十分な剪
断力及び圧力を成分に及ぼし、 iv) マトリックス材料が凝固したとき、固体製品をダ
イから取り出すことからなる複合材料の製品の製造方法
を提供する。マトリックス材料が、融点を有する場合、
例えば、金属マトリックス材料では、段階(ii)の温度
は、融点より上である。しかし、マトリックス材料が、
温度範囲を超えて、軟化し、溶融する金属合金である場
合には、段階(ii)の温度は、段階(iii)で言及された
合体に十分な溶融を行わせるような温度である。実際に
は、温度は、段階(ii)において、合金マトリックス材
料を完全に溶融させるためのに十分高く上昇させること
が望まれる。
【0005】粒子の形状は、どの粒子も、寸法が他の粒
子を大きく超えないことを除き、ここでは何も言わな
い。繊維状強化材の使用を除外しないが、これは繊維を
短い長さに切った形態で使用される。本発明の方法で
は、強化材は非金属、好ましくはセラミックであること
が好ましい。加熱された混合物をダイに導入する前に、
ダイを予め加熱することは好ましい。金属マトリックス
材料が、圧力を加え、かつ上述の段階(iii)に必要とさ
れる液体の金属マトリックス材料の分離した溶滴(出発
材料の粒子に相当する)の分裂を達成するのに十分長く
溶融したままであることが必要である。ここにトレード
オフがある、すなわち、ダイが冷たければ、混合物は金
属マトリックス材料の融点より適当に高い温度に加熱さ
れる。しかし、ダイを予め加熱することは、一般的に、
より経済的である。この方法は、ダイに加えられる200
メガパスカル(Mpa) の圧力でよく働くことがわかった。
原理では、圧力が高ければ高いほど、結果はよくなる。
にもかかわらず、この方法は、より低いダイの圧力、例
えば、恐らく100Mpaで働くことが予想される。
【0006】ダイプレスによって行われる一軸圧締めに
よって引き起こされる非均衡応力は、本発明の方法、特
に上述の段階(iii)を補助する。本発明は、前述の方法
により作られた生産物を含む。
【0007】
【実施形態】今、本発明を使用する、特定の方法及び製
品を、例示として、添付図面を参照して説明する。この
実施形態では、所望の充填体積分率を与えるための異な
る等級(grade)の混合からなる炭化珪素粉末が、複合製
品中の炭化珪素強化材の必要な体積分率を与えるため
に、市販の純粋なアルミニウム粉末又は2014アルミニウ
ム合金粉末と混合される。例えば、60-70 体積パーセン
トの240 等級(grade) の炭化珪素粒子と対応する40-30
体積パーセントの600 等級(grade) の粒子との混合が、
炭化珪素の最高充填体積分率を与える。炭化珪素は、そ
の平均粒径に対応する粒径の金属又は金属合金粉末と混
合され、3つの証明実験で、それぞれ、70、65、60体積
パーセントの体積分率の製品を得た。薄肉鋼缶11に、
軽く圧締めした混合粉末を充填した。鋼缶11を、油圧
ダイプレス12への導入前に、酸化を制限するためにア
ルゴンガス下でマッフル炉内で800 °C まで予熱した。
それから、鋼缶を、500 トンの油圧プレス12のブロッ
ク18の孔16に移した。次いで、200MPaの圧力を、油
圧ライン13及びピストン14を経て加えて、数分間保
持した。プレス12を、全圧力に達するまで、金属又は
金属合金マトリックス材料の溶融溶滴を確実に凝固させ
ない程十分に予熱した。
【0008】凝固したビレットの取り出しを容易にする
ために、使用されたプレス12は、固体ダイプレート1
5をブロック18の孔16の底部に受け入れた改良押出
ダイであった。ダイプレート15及びブロック18は、
蹄鉄型の摺動可能なブロック17によって、加えられる
圧力に対して支持される。摺動可能なブロック17が、
ブロック18を支持し続けながら、ダイプレート15及
び圧締めされたビレットを、摺動可能なブロック17の
腕部の間の空間に押し出すために、油圧機構(示され
ず)を用いて、摺動可能なブロック17を側方に移動さ
せる。次いで、ライン13からの油圧を解放し、ライン
19を経て戻り油圧を加えることによってピストン14
を戻す。プレート、シリンダー、リング及び他の単純な
形状は、プレスの適当な変更又はインサートを使用する
ことによって、容易に形成されることが理解されるだろ
う。硬度(熟成の前後両方)及び密度が、一般的に、ガ
ス圧補助式溶浸によって形成された類似の組成の複合材
料と同等であることを示す試験が、生産物ビレットから
機械加工されたサンプルで実施された。本発明を使用す
る実施形態の高圧液体圧締め方法により形成された製品
の密度は、強化材の高い(65体積パーセント、70体積パ
ーセント) 体積分率での溶浸によって達成されるより
も、幾分小さかった。
【0009】金属組織学上の検査が、金属又は金属合金
マトリックス内の大きい粒子及び小さい粒子の均一な分
布を示した。同一の粒子の境界又は炭化珪素のない領域
はなく、界面炭化物相の形成は認められなかった。引っ
張り試験及び破壊エネルギー及び靱性試験は、高圧液体
圧締め複合材料が、対応するガス圧補助式溶浸の製品よ
り高い引っ張り強度及び破壊靱性を有することを示し
た。弾性モジュラス測定は、高圧液体圧締めによって作
られた複合材料とガス圧補助式溶浸によって作られた複
合材料とほぼ同じ値を示した。高圧液体圧縮方法の複合
製品は、ブレーキディスクに適用される。金属マトリッ
クス複合材料の認識される利点、即ち、耐磨耗性、軽量
性、熱伝導性に加えて、高い体積分率の複合材料は、さ
らに、熱応力のレベルが低く、熱疲労亀裂の可能性を減
らす。さらなる可能性として、加工プラスチック材料、
光学装置の基板及び検知器として利用できる。本発明
は、前述の実施形態の詳細な説明を限定するものではな
い。例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金、特に
アルミニウムシリコン合金のマトリックスで、複合材料
を製造するための特定の適用を有しているけれども、高
い融点のマトリックス材料が必要ならば、本方法は、
銀、銅、青銅又は均一な真鍮粉末を使用してもよい。例
えば、ボロンカーバイド、二ホウ化チタン、アルミナ、
窒化シリコン又はサイアロン(sialon)のような、炭化珪
素以外のセラミック粒子を使用してもよい。
【0010】加熱は、必ずしも、アルゴンガス下で行わ
れる必要はないが、成分を加熱する温度で成分と反応し
ない任意適当なガスの下で行われるのがよい。又は、加
熱は、真空下で行われてもよい。マトリックス材料又は
金属合金の粒径は、必ずしも、強化材料の平均粒径に一
致する必要はない。より細かい金属又は金属合金粒子を
使用してもよい。実際、より粗い金属又は金属合金粒子
を使用してもよいが、それには、制限がある。上に示さ
れるように、強化材の高い体積分率を達成するために、
異なる粒径の混合が好ましいが、本方法は、所望なら
ば、単一の平均的な粒径の強化材粒子で行われてもよ
い。マトリックス金属又は金属合金粉末と特定の強化材
の混合物は、所望ならば、マトリックスを溶融するため
の加熱処理の前に、ブリケット(brickette) 内へプレス
されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】金属マトリックス複合材料成分を充填した容器
を有する油圧ダイプレスの断面図である。
【符号の説明】 11 缶 12 ダイプレス 13 油圧ライン 14 ピストン 15 ダイプレート 16 孔 17 摺動可能なブロック 18 ブロック 19 ライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロビン マイケル カート ヤング イギリス オーエックス11 0アールエイ オックスフォードシャー ディドコット ハーウェル 329 ユナイテッド キン グドム アトミック エナヂイ オーソリ ティ パテンツ デパートメント内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 i ) 金属又は金属合金マトリックス
    材料の粒子を、強化材の粒子と相互に分散させた混合物
    を形成し、マトリックス及び強化材の相対的な割合が、
    出来上がった複合製品に望まれる割合に対応し、 ii) 混合物を、マトリックス材料の溶融を生じさせる
    に十分高い温度まで加熱する段階からなる複合製品の製
    造方法において、 iii) 大部分の溶融金属又は金属合金の粒子を、強化材
    の粒子を埋設した連続マトリックスに合体させるのに十
    分な剪断力及び圧力が成分に及ぼされるように、ダイ
    (12)内で加熱された混合物に圧力を加え、 iv) マトリックス材料が凝固したとき、固体製品(1
    1)をダイ(12)から取り出す、段階をさらに有する
    方法。
  2. 【請求項2】 ダイ(12)が予熱されることをさらに
    特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 ダイに及ぼされる圧力は、100Mpaを超え
    ることをさらに特徴とする、請求項1又は請求項2に記
    載の方法。
  4. 【請求項4】 強化材料の体積パーセントは、45%又は
    それ以上であることをさらに特徴とする、請求項1乃至
    3に記載の方法。
  5. 【請求項5】 強化材料の体積パーセントは、60%又は
    それ以上であることをさらに特徴とする、請求項1乃至
    4に記載の方法。
  6. 【請求項6】 強化材料は、非金属からなることをさら
    に特徴とする、前述の請求項いずれかに記載の方法。
  7. 【請求項7】 強化材料は、セラミックからなることを
    さらに特徴とする、請求項6に記載の方法。
  8. 【請求項8】 請求項1乃至7のいずれかの方法により
    作られた製品。
JP8013145A 1995-01-27 1996-01-29 複合材料及びその製造方法 Pending JPH08232028A (ja)

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GB9501645:7 1995-01-27
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JPH08232028A true JPH08232028A (ja) 1996-09-10

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US (1) US5701943A (ja)
EP (1) EP0728849A1 (ja)
JP (1) JPH08232028A (ja)
GB (2) GB9501645D0 (ja)
NO (1) NO960305L (ja)

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