JPH11131164A - アルミナ金属マトリックス複合材料およびその鋳造方法 - Google Patents
アルミナ金属マトリックス複合材料およびその鋳造方法Info
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- JPH11131164A JPH11131164A JP23451198A JP23451198A JPH11131164A JP H11131164 A JPH11131164 A JP H11131164A JP 23451198 A JP23451198 A JP 23451198A JP 23451198 A JP23451198 A JP 23451198A JP H11131164 A JPH11131164 A JP H11131164A
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Abstract
(57)【要約】
本複合材料は、アルミナ０．４〜８．８体積％、炭素ま
たはグラファイト１〜４．４体積％、およびニッケル含
有アルミナイド０．５〜２０体積％を含むアルミニウム
合金マトリックスからなる。アルミナは、平均粒子径が
３〜２５０μmであり、炭素およびグラファイトは平均
粒子径が１０〜２５０μmである。この複合材料は、溶
融アルミニウムまたはアルミニウム系合金中に含まれる
アルミナおよび炭素またはグラファイト粒子を攪拌して
溶融混合物を形成することにより、鋳造する。この溶融
混合物を、マトリックス合金の液相線より上の温度から
直接鋳造する。凝固している間、炭素またはグラファイ
ト粒子がアルミナの沈降を遅延させるか、または阻止
し、より均質な複合材料構造を造り出す。得られた複合
材料構造は、アルミニウム系合金、アルミナ、炭素また
はグラファイト、およびニッケル含有アルミナイド分散
質を含む。
たはグラファイト１〜４．４体積％、およびニッケル含
有アルミナイド０．５〜２０体積％を含むアルミニウム
合金マトリックスからなる。アルミナは、平均粒子径が
３〜２５０μmであり、炭素およびグラファイトは平均
粒子径が１０〜２５０μmである。この複合材料は、溶
融アルミニウムまたはアルミニウム系合金中に含まれる
アルミナおよび炭素またはグラファイト粒子を攪拌して
溶融混合物を形成することにより、鋳造する。この溶融
混合物を、マトリックス合金の液相線より上の温度から
直接鋳造する。凝固している間、炭素またはグラファイ
ト粒子がアルミナの沈降を遅延させるか、または阻止
し、より均質な複合材料構造を造り出す。得られた複合
材料構造は、アルミニウム系合金、アルミナ、炭素また
はグラファイト、およびニッケル含有アルミナイド分散
質を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミナおよび炭
素またはグラファイト粒子を含むアルミニウム系金属に
関する。特に、本発明はアルミナ含有金属マトリックス
複合材料（ＭＭＣ）の鋳造に関する。
素またはグラファイト粒子を含むアルミニウム系金属に
関する。特に、本発明はアルミナ含有金属マトリックス
複合材料（ＭＭＣ）の鋳造に関する。
【０００２】
【従来の技術】Rohatgi et al.の米国特許第５，６２
６，６９２号は、ニッケル被覆グラファイト粒子および
炭化ケイ素粒子を組み合わせて中立浮力混合物を製造で
きることを開示している。中立浮力混合物は、溶融した
アルミニウム系マトリックス中で、低密度グラファイト
が浮き上がるのを阻止し、高密度炭化ケイ素粒子が沈降
するのを阻止する。この溶融混合物の安定性により、特
殊な急速凝固装置を使用せずに、金属マトリックス複合
材料を鋳造することができる。中立浮力法により、炭化
ケイ素およびグラファイトの粒子を含むアルミニウム系
複合材料を鋳造するための最初の商業的に実行可能な方
法が得られた。
６，６９２号は、ニッケル被覆グラファイト粒子および
炭化ケイ素粒子を組み合わせて中立浮力混合物を製造で
きることを開示している。中立浮力混合物は、溶融した
アルミニウム系マトリックス中で、低密度グラファイト
が浮き上がるのを阻止し、高密度炭化ケイ素粒子が沈降
するのを阻止する。この溶融混合物の安定性により、特
殊な急速凝固装置を使用せずに、金属マトリックス複合
材料を鋳造することができる。中立浮力法により、炭化
ケイ素およびグラファイトの粒子を含むアルミニウム系
複合材料を鋳造するための最初の商業的に実行可能な方
法が得られた。
【０００３】これらのハイブリッド炭化ケイ素−グラフ
ァイト複合材料により、優れた耐摩耗性が低コストで得
られる。製造業者はこれらのハイブリッド複合材料を容
易に機械加工することができるが、「硬い」炭化ケイ素
粒子が炭化タングステン工具の工具摩耗速度を加速す
る。ダイアモンド（ＰＣＤおよびＣＶＤ−ダイアモンド
被覆炭化物）は、炭化ケイ素補強した金属マトリックス
複合材料を機械加工するのに十分な硬度を有する。しか
し、これらのダイアモンド工具は、非常に高価であり、
断続切削で起こる衝撃に耐えられず、限られた形状およ
びサイズでしか入手できない。炭化ケイ素を含む複合材
料を機械加工する際の摩耗速度が加速されることによ
り、用途によっては機械加工コストが特定の用途に許容
される限界を超えて増加することがある。
ァイト複合材料により、優れた耐摩耗性が低コストで得
られる。製造業者はこれらのハイブリッド複合材料を容
易に機械加工することができるが、「硬い」炭化ケイ素
粒子が炭化タングステン工具の工具摩耗速度を加速す
る。ダイアモンド（ＰＣＤおよびＣＶＤ−ダイアモンド
被覆炭化物）は、炭化ケイ素補強した金属マトリックス
複合材料を機械加工するのに十分な硬度を有する。しか
し、これらのダイアモンド工具は、非常に高価であり、
断続切削で起こる衝撃に耐えられず、限られた形状およ
びサイズでしか入手できない。炭化ケイ素を含む複合材
料を機械加工する際の摩耗速度が加速されることによ
り、用途によっては機械加工コストが特定の用途に許容
される限界を超えて増加することがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、耐摩
耗性の複合材料を形成することである。本発明のもう一
つの目的は、過剰の偏析を起こすことなく、容易に鋳造
できる複合材料を提供することである。本発明の別の目
的は、低い工具摩耗速度で機械加工できる複合材料を提
供することである。
耗性の複合材料を形成することである。本発明のもう一
つの目的は、過剰の偏析を起こすことなく、容易に鋳造
できる複合材料を提供することである。本発明の別の目
的は、低い工具摩耗速度で機械加工できる複合材料を提
供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は下記の事項をそ
の特徴としている。 （１） アルミナ０．４〜８．８体積％、炭素およびグ
ラファイトからなる群から選択された潤滑相１〜４．４
体積％、およびニッケル含有アルミナイド分散質０．５
〜２０体積％を含むアルミニウム合金マトリックスから
なることを特徴とするアルミニウム系金属マトリックス
複合材料。 （２） アルミナ２〜６体積％、炭素およびグラファイ
トからなる群から選択された潤滑相１．５〜４体積％、
およびニッケル含有アルミナイド分散質１〜１５体積％
を含むアルミニウム合金マトリックスからなり、前記ア
ルミナの平均粒子径が１０〜８０μmであり、前記潤滑
相の平均粒子径が２０〜２００μmであることを特徴と
するアルミニウム系金属マトリックス複合材料。 （３） 潤滑相が２〜３．８体積％のグラファイトであ
り、アルミナが３〜６体積％であり、ニッケル含有アル
ミナイドが２〜１２体積％であり、アルミニウム合金マ
トリックスが０．５〜２重量％の鉄および０．１〜１重
量％のマグネシウムを含むことを特徴とする前記（２）
に記載の複合材料。 （４） アルミニウム系複合材料の鋳造方法であって、 ａ）アルミニウムおよびアルミニウム系合金からなる群
から選択された溶融マトリックス合金中にアルミナを供
給する工程、 ｂ）前記溶融マトリックス合金中に、炭素またはグラフ
ァイトからなる潤滑相を供給する工程、 ｃ）前記溶融マトリックス合金を攪拌し、アルミナおよ
び潤滑相を前記溶融マトリックス合金の全体に配分し、
前記マトリックス合金の液相線より高い温度を有する溶
融混合物を形成する工程、および ｄ）前記溶融混合物を前記液相線より高い前記温度から
冷却し、前記潤滑相が前記アルミナ相の沈降を遅延させ
ながら、前記溶融混合物を凝固させる工程を含んでな
り、凝固した複合材料がアルミニウム系合金、アルミ
ナ、潤滑相およびニッケル含有アルミナイド分散質を含
むことを特徴とする方法。 （５） 潤滑相の粒子径の、アルミナの粒子径に対する
比が少なくとも５〜１であり、溶融マトリックス中に潤
滑相を供給する工程が、ニッケル被覆したグラファイト
粒子および短く切ったニッケル被覆繊維からなる群から
選択された材料を前記溶融マトリックス合金の中に導入
することを含むことを特徴とする、前記（４）に記載の
アルミニウム系複合材料の鋳造方法。
の特徴としている。 （１） アルミナ０．４〜８．８体積％、炭素およびグ
ラファイトからなる群から選択された潤滑相１〜４．４
体積％、およびニッケル含有アルミナイド分散質０．５
〜２０体積％を含むアルミニウム合金マトリックスから
なることを特徴とするアルミニウム系金属マトリックス
複合材料。 （２） アルミナ２〜６体積％、炭素およびグラファイ
トからなる群から選択された潤滑相１．５〜４体積％、
およびニッケル含有アルミナイド分散質１〜１５体積％
を含むアルミニウム合金マトリックスからなり、前記ア
ルミナの平均粒子径が１０〜８０μmであり、前記潤滑
相の平均粒子径が２０〜２００μmであることを特徴と
するアルミニウム系金属マトリックス複合材料。 （３） 潤滑相が２〜３．８体積％のグラファイトであ
り、アルミナが３〜６体積％であり、ニッケル含有アル
ミナイドが２〜１２体積％であり、アルミニウム合金マ
トリックスが０．５〜２重量％の鉄および０．１〜１重
量％のマグネシウムを含むことを特徴とする前記（２）
に記載の複合材料。 （４） アルミニウム系複合材料の鋳造方法であって、 ａ）アルミニウムおよびアルミニウム系合金からなる群
から選択された溶融マトリックス合金中にアルミナを供
給する工程、 ｂ）前記溶融マトリックス合金中に、炭素またはグラフ
ァイトからなる潤滑相を供給する工程、 ｃ）前記溶融マトリックス合金を攪拌し、アルミナおよ
び潤滑相を前記溶融マトリックス合金の全体に配分し、
前記マトリックス合金の液相線より高い温度を有する溶
融混合物を形成する工程、および ｄ）前記溶融混合物を前記液相線より高い前記温度から
冷却し、前記潤滑相が前記アルミナ相の沈降を遅延させ
ながら、前記溶融混合物を凝固させる工程を含んでな
り、凝固した複合材料がアルミニウム系合金、アルミ
ナ、潤滑相およびニッケル含有アルミナイド分散質を含
むことを特徴とする方法。 （５） 潤滑相の粒子径の、アルミナの粒子径に対する
比が少なくとも５〜１であり、溶融マトリックス中に潤
滑相を供給する工程が、ニッケル被覆したグラファイト
粒子および短く切ったニッケル被覆繊維からなる群から
選択された材料を前記溶融マトリックス合金の中に導入
することを含むことを特徴とする、前記（４）に記載の
アルミニウム系複合材料の鋳造方法。
【０００６】本発明の複合材料は、アルミナ０．４〜
８．８体積％、炭素またはグラファイト１〜４．４体積
％、およびニッケル含有アルミナイド(aluminide) ０．
５〜２０体積％を含むアルミニウム合金マトリックスか
らなる。アルミナは、平均粒子径が３〜２５０μmであ
り、炭素およびグラファイトは平均粒子径が１０〜２５
０μmである。この複合材料は、溶融アルミニウムまた
はアルミニウム系合金中に含まれるアルミナおよび炭素
またはグラファイト粒子を攪拌して溶融混合物を形成す
ることにより、鋳造する。この溶融混合物を、マトリッ
クス合金の液相線より高い温度から直接鋳造する。凝固
している間、炭素またはグラファイト粒子がアルミナの
沈降を遅延させるか、または阻止し、より均質な複合材
料構造を造り出す。得られた複合材料構造は、アルミニ
ウム系合金、アルミナ、炭素またはグラファイト、およ
びニッケル含有アルミナイド分散質を含む。
８．８体積％、炭素またはグラファイト１〜４．４体積
％、およびニッケル含有アルミナイド(aluminide) ０．
５〜２０体積％を含むアルミニウム合金マトリックスか
らなる。アルミナは、平均粒子径が３〜２５０μmであ
り、炭素およびグラファイトは平均粒子径が１０〜２５
０μmである。この複合材料は、溶融アルミニウムまた
はアルミニウム系合金中に含まれるアルミナおよび炭素
またはグラファイト粒子を攪拌して溶融混合物を形成す
ることにより、鋳造する。この溶融混合物を、マトリッ
クス合金の液相線より高い温度から直接鋳造する。凝固
している間、炭素またはグラファイト粒子がアルミナの
沈降を遅延させるか、または阻止し、より均質な複合材
料構造を造り出す。得られた複合材料構造は、アルミニ
ウム系合金、アルミナ、炭素またはグラファイト、およ
びニッケル含有アルミナイド分散質を含む。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の組成物により、通常の装
置で鋳造できる、安定したアルミナ含有アルミニウム合
金マトリックスが得られる。本発明は、炭素またはグラ
ファイトを使用して高密度アルミナ粒子の沈降を阻止
し、それによって複合材料の鋳造性を著しく向上させ、
部品中の粒子の分散の一様性を高める。
置で鋳造できる、安定したアルミナ含有アルミニウム合
金マトリックスが得られる。本発明は、炭素またはグラ
ファイトを使用して高密度アルミナ粒子の沈降を阻止
し、それによって複合材料の鋳造性を著しく向上させ、
部品中の粒子の分散の一様性を高める。
【０００８】ＭＭＣは、理想的には、アルミナおよび炭
素またはグラファイト（Ｇｒ）を下記の比率で含み、中
立の浮力を達成する。同じサイズの粒子に対して、 ＶAl2O3 ＝０．４２ＶCまたはGr ｍAl2O3 ＝０．７４ｍCまたはGr ただし、 Ｖ＝体積 ｍ＝質量 注：上記の式は、アルミニウムマトリックスの密度２．
７g/cc、炭素密度２．２g/ccおよびアルミナ密度３．９
g/ccを想定している。
素またはグラファイト（Ｇｒ）を下記の比率で含み、中
立の浮力を達成する。同じサイズの粒子に対して、 ＶAl2O3 ＝０．４２ＶCまたはGr ｍAl2O3 ＝０．７４ｍCまたはGr ただし、 Ｖ＝体積 ｍ＝質量 注：上記の式は、アルミニウムマトリックスの密度２．
７g/cc、炭素密度２．２g/ccおよびアルミナ密度３．９
g/ccを想定している。
【０００９】中立浮力の原理にしたがえば、炭素または
グラファイトは理想的には複合材料の１〜４体積％を占
め、アルミナは０．４２〜１．６８体積％になる。しか
し、より優れた摩耗特性を達成するためにアルミナの画
分をより高くしたい場合、溶融物中で大きなアルミナ粒
子よりもゆっくり沈降する細かいアルミナ粒子を使用す
ることができる。アルミナおよびグラファイトを溶融物
中で混合することにより、これらの物質が複合材料の全
体にわたって一様に配分される。中立浮力を達成するこ
とにより、これらの複合材料を、砂型の様なゆっくり冷
却する型の中で、アルミナが大量に沈降することなく、
鋳造することができる。炭素またはグラファイトの体積
％を約４体積％に制限することにより、ＭＭＣの強度低
下が少なくなり、優れた潤滑特性が得られる。少なくと
も１．５または２体積％のグラファイトを添加すること
により、耐摩耗性用途に最良の潤滑を与えることができ
る。
グラファイトは理想的には複合材料の１〜４体積％を占
め、アルミナは０．４２〜１．６８体積％になる。しか
し、より優れた摩耗特性を達成するためにアルミナの画
分をより高くしたい場合、溶融物中で大きなアルミナ粒
子よりもゆっくり沈降する細かいアルミナ粒子を使用す
ることができる。アルミナおよびグラファイトを溶融物
中で混合することにより、これらの物質が複合材料の全
体にわたって一様に配分される。中立浮力を達成するこ
とにより、これらの複合材料を、砂型の様なゆっくり冷
却する型の中で、アルミナが大量に沈降することなく、
鋳造することができる。炭素またはグラファイトの体積
％を約４体積％に制限することにより、ＭＭＣの強度低
下が少なくなり、優れた潤滑特性が得られる。少なくと
も１．５または２体積％のグラファイトを添加すること
により、耐摩耗性用途に最良の潤滑を与えることができ
る。
【００１０】マトリックスの中にニッケル被覆したグラ
ファイトを導入することが、グラファイトを溶融アルミ
ニウムの中に添加するための最も効果的な方法である。
ニッケルはグラファイトを濡れ易くし、凝固の際にニッ
ケルアルミナイド分散質を形成する。ニッケル含有アル
ミナイド相は、複合材料の耐摩耗性を強化する。理想的
には、ニッケル含有アルミナイド相の凝固した体積画分
は、１．８〜１２体積％である。合金は、所望によりア
ルミナイド形成を促進する元素、例えば０〜３重量％の
鉄、および０〜２重量％のマグネシウムを含むが、ある
種のアルミニウム系マトリックス合金では、さらに多く
の鉄およびマンガンを配合することができる。マトリッ
クス合金は、０．５〜２重量％の鉄、０．１〜１重量％
のマグネシウム、および５〜１９重量％のケイ素を含む
のが有利である。マトリックスは５〜１５重量％のケイ
素を含むのが最も有利である。
ファイトを導入することが、グラファイトを溶融アルミ
ニウムの中に添加するための最も効果的な方法である。
ニッケルはグラファイトを濡れ易くし、凝固の際にニッ
ケルアルミナイド分散質を形成する。ニッケル含有アル
ミナイド相は、複合材料の耐摩耗性を強化する。理想的
には、ニッケル含有アルミナイド相の凝固した体積画分
は、１．８〜１２体積％である。合金は、所望によりア
ルミナイド形成を促進する元素、例えば０〜３重量％の
鉄、および０〜２重量％のマグネシウムを含むが、ある
種のアルミニウム系マトリックス合金では、さらに多く
の鉄およびマンガンを配合することができる。マトリッ
クス合金は、０．５〜２重量％の鉄、０．１〜１重量％
のマグネシウム、および５〜１９重量％のケイ素を含む
のが有利である。マトリックスは５〜１５重量％のケイ
素を含むのが最も有利である。
【００１１】所望により、ニッケル被覆したアルミナを
溶融物の中に導入することにより、アルミナの濡れ性を
高め、アルミニウムと反応してニッケルアルミナイドを
形成する。最後に、マトリックス合金にニッケルを単純
に添加することもできる。グラファイトをニッケルで被
覆しない場合、グラファイトを溶融アルミニウムの中に
導入するために、グラファイトを濡らす方法がさらに必
要になる。あるいは、溶融物の中に鉄を導入することに
より、複合材料中のニッケルを含む金属間化合物が多く
なる。
溶融物の中に導入することにより、アルミナの濡れ性を
高め、アルミニウムと反応してニッケルアルミナイドを
形成する。最後に、マトリックス合金にニッケルを単純
に添加することもできる。グラファイトをニッケルで被
覆しない場合、グラファイトを溶融アルミニウムの中に
導入するために、グラファイトを濡らす方法がさらに必
要になる。あるいは、溶融物の中に鉄を導入することに
より、複合材料中のニッケルを含む金属間化合物が多く
なる。
【００１２】
【実施例】合金製造の最初に、２３．１kgのアルミニウ
ム合金４１３．０を融解させ、脱気し、垢取りを行なっ
た。アルゴンガスで溶融金属を保護しながら、アルミナ
含有複合材料（アルミナ２２体積％）８．２６kgを溶融
物に加えた。この合金を加えた後、アルミナは５．１体
積％になった。攪拌しながら６１５ｇのニッケル被覆グ
ラファイト粒子（Ｎｉ５０重量％）を加えることによ
り、公称グラファイト含有量３．５体積％の合金を製造
した。この溶融混合物を数時間攪拌した後、混合物を７
００℃でＡＳＴＭ試験棒型中に鋳造することにより、試
験試料を製造した。
ム合金４１３．０を融解させ、脱気し、垢取りを行なっ
た。アルゴンガスで溶融金属を保護しながら、アルミナ
含有複合材料（アルミナ２２体積％）８．２６kgを溶融
物に加えた。この合金を加えた後、アルミナは５．１体
積％になった。攪拌しながら６１５ｇのニッケル被覆グ
ラファイト粒子（Ｎｉ５０重量％）を加えることによ
り、公称グラファイト含有量３．５体積％の合金を製造
した。この溶融混合物を数時間攪拌した後、混合物を７
００℃でＡＳＴＭ試験棒型中に鋳造することにより、試
験試料を製造した。
【００１３】試料（合金１）の化学分析により、下記の
組成が得られた。
組成が得られた。
【００１４】 表１ 分析値（重量％） 試料 Ａｌ Ｎｉ Ｃ Ａｌ2Ｏ3 Ｓｉ Ｆｅ 合金１ 73.5* 3.39 2.64 7.2 8.8 0.7 * 残部および不可避不純物を含む。
【００１５】下記の表２は、アルミナのグラファイトに
対する体積比および合金１のニッケルアルミナイドの分
析結果を示す。
対する体積比および合金１のニッケルアルミナイドの分
析結果を示す。
【００１６】 表２ Ｃ Ａｌ2Ｏ3 Ｎｉ Ｆｅ Ｓｉ Ａｌ Ｍｇ （体積 （体積 （重量 （重量 （重量 （重量 （重量 ％） ％） ％） ％） ％） ％） ％） 全体 3.3 5.0 金属間化合物 23.3 8.4 2.4 63.2 1.8
【００１７】図１は、ＳＥＭ顕微鏡写真が複合材料の代
表的な部分を示す。この合金は、以前のDuralcan F3S.2
0S（２０体積％ＳｉＣ）＋A356複合材料を基材とするハ
イブリッド複合材料合金よりも大量のニッケル含有金属
間化合物を含んでいた。４１３．０合金中の高い鉄含有
量および複合材料のマグネシウム含有量が、アルミナイ
ド相の体積画分を増加すると考えられる。
表的な部分を示す。この合金は、以前のDuralcan F3S.2
0S（２０体積％ＳｉＣ）＋A356複合材料を基材とするハ
イブリッド複合材料合金よりも大量のニッケル含有金属
間化合物を含んでいた。４１３．０合金中の高い鉄含有
量および複合材料のマグネシウム含有量が、アルミナイ
ド相の体積画分を増加すると考えられる。
【００１８】グラファイトの平均粒子径は約８５μmで
ある。平均粒子径が１０μmしかないアルミナがグラフ
ァイトを安定化させ、溶融物中での過剰の沈降を防止し
ている。図１は、より大きなグラファイト粒子を取り囲
み、安定化させるアルミナ粒子の群を示している。
ある。平均粒子径が１０μmしかないアルミナがグラフ
ァイトを安定化させ、溶融物中での過剰の沈降を防止し
ている。図１は、より大きなグラファイト粒子を取り囲
み、安定化させるアルミナ粒子の群を示している。
【００１９】鋳造した材料を１０ｘ１０ｘ５mm摩耗ブロ
ックに切断することにより、「リング上ブロック摩耗試
験を使用する、材料の耐滑り摩耗性の標準評価方法」
（"Standard Practice for Ranking Resistance of Mat
erials to Sliding Wear UsingBlock-on-Ring Wear Tes
t" ）、G77, Annual Book of ASTM Standards, ASTM,Ph
iladelphia, Pa., 1984 pp.446-62 にしたがう乾式滑り
摩耗用の試験試料を得た。これらの試料をリング材料SA
E-52100 に対して、０．５ m/s滑り速度および１０００
m滑り間隔で試験することにより、図２の結果を得た。
ックに切断することにより、「リング上ブロック摩耗試
験を使用する、材料の耐滑り摩耗性の標準評価方法」
（"Standard Practice for Ranking Resistance of Mat
erials to Sliding Wear UsingBlock-on-Ring Wear Tes
t" ）、G77, Annual Book of ASTM Standards, ASTM,Ph
iladelphia, Pa., 1984 pp.446-62 にしたがう乾式滑り
摩耗用の試験試料を得た。これらの試料をリング材料SA
E-52100 に対して、０．５ m/s滑り速度および１０００
m滑り間隔で試験することにより、図２の結果を得た。
【００２０】アルミナ−グラファイト複合材料は、炭化
ケイ素およびグラファイトの体積画分がより高い複合材
料と同等またはそれ以上の性能を示した。高負荷では、
アルミナ−グラファイト複合材料は、摩耗リングの変色
が少なく、ブロック材料の全体積で行なった温度測定に
より立証される様に、炭化ケイ素複合材料程高い摩擦熱
を発生しないと考えられる。
ケイ素およびグラファイトの体積画分がより高い複合材
料と同等またはそれ以上の性能を示した。高負荷では、
アルミナ−グラファイト複合材料は、摩耗リングの変色
が少なく、ブロック材料の全体積で行なった温度測定に
より立証される様に、炭化ケイ素複合材料程高い摩擦熱
を発生しないと考えられる。
【００２１】複合材料の機械加工性は、側方研削試験に
より測定した。AFADAL VMC 6030 CNC研削機（２２hp
（１６．４kw）、１００ rpm）は、２個の挿入物を含
む。これらの挿入物は、ＰＶＤ ＴｉＣＮ被覆炭化物か
らなり、下記の幾何学的構造を有する。 クリアランス角度 １５° ワイパークリアランス角度 １５° 進入角度 ９０° 総直径は１．５インチ（３８．１mm）で、切削部の軸方
向深度は０．２５インチ（０．６３cm）または０．１０
インチ（０．２５cm）である。すべての複合材料を乾式
条件下で試験することにより、摩耗試験を促進した。
より測定した。AFADAL VMC 6030 CNC研削機（２２hp
（１６．４kw）、１００ rpm）は、２個の挿入物を含
む。これらの挿入物は、ＰＶＤ ＴｉＣＮ被覆炭化物か
らなり、下記の幾何学的構造を有する。 クリアランス角度 １５° ワイパークリアランス角度 １５° 進入角度 ９０° 総直径は１．５インチ（３８．１mm）で、切削部の軸方
向深度は０．２５インチ（０．６３cm）または０．１０
インチ（０．２５cm）である。すべての複合材料を乾式
条件下で試験することにより、摩耗試験を促進した。
【００２２】図３は、アルミナ含有複合材料が、６体積
％ＳｉＣ−４体積％Ｇｒ複合材料よりも優れ、類似の耐
摩耗性を有する１０体積％ＳｉＣ−４体積％Ｇｒ複合材
料よりもはるかに優れた機械加工性を有することを示し
ている。アルミナ粒子（炭化ケイ素粒子の硬度が無い）
は、炭化ケイ素粒子よりも機械加工性が優れている。そ
の上、アルミナ合金はより高い速度で機械加工し、その
ために仕上げがより速い。さらに、マトリックス全体に
わたって析出した脆いニッケルアルミナイド化合物がア
ルミニウム系マトリックスの延性を下げ、金属チップを
せん断するのに必要なエネルギーを低下させた。アルミ
ナ含有複合材料のもう一つの利点は、工具の切削速度に
あまり影響されないことである。
％ＳｉＣ−４体積％Ｇｒ複合材料よりも優れ、類似の耐
摩耗性を有する１０体積％ＳｉＣ−４体積％Ｇｒ複合材
料よりもはるかに優れた機械加工性を有することを示し
ている。アルミナ粒子（炭化ケイ素粒子の硬度が無い）
は、炭化ケイ素粒子よりも機械加工性が優れている。そ
の上、アルミナ合金はより高い速度で機械加工し、その
ために仕上げがより速い。さらに、マトリックス全体に
わたって析出した脆いニッケルアルミナイド化合物がア
ルミニウム系マトリックスの延性を下げ、金属チップを
せん断するのに必要なエネルギーを低下させた。アルミ
ナ含有複合材料のもう一つの利点は、工具の切削速度に
あまり影響されないことである。
【００２３】合金の別の製造方法では、アルミニウム−
マトリックス−アルミナ含有複合材料を融解させ、この
混合物中に炭素またはグラファイトを混合する。これに
よってアルミナおよび潤滑相を溶融物中に導入するため
の低コスト方法が得られる。所望により、これらの混合
物にさらにアルミニウム合金を追加することにより、そ
の溶融物中のアルミナの体積％を下げることができる。
あるいは、ＡｌＢ2 、ＡｌＮ、ＭｇＯ、Ｎｉ2 Ｂ、Ｓｉ
3 Ｎ4 、ＴｉＮ、Ｙ2Ｏ3 、ＺｒＢ2 、およびＺｒＯ2
の様な他の添加剤も、炭素またはグラファイトと共に中
立浮力複合材料を形成することができる。
マトリックス−アルミナ含有複合材料を融解させ、この
混合物中に炭素またはグラファイトを混合する。これに
よってアルミナおよび潤滑相を溶融物中に導入するため
の低コスト方法が得られる。所望により、これらの混合
物にさらにアルミニウム合金を追加することにより、そ
の溶融物中のアルミナの体積％を下げることができる。
あるいは、ＡｌＢ2 、ＡｌＮ、ＭｇＯ、Ｎｉ2 Ｂ、Ｓｉ
3 Ｎ4 、ＴｉＮ、Ｙ2Ｏ3 、ＺｒＢ2 、およびＺｒＯ2
の様な他の添加剤も、炭素またはグラファイトと共に中
立浮力複合材料を形成することができる。
【００２４】残念ながら、ある種の用途に対するアルミ
ナおよびグラファイト複合材料の最も効果的な範囲は、
理想的な中立浮力範囲内に完全には入らないことがあ
る。アルミナ沈降を阻止するのに可能な複合材料範囲
は、表３の体積％で表す範囲を含む。
ナおよびグラファイト複合材料の最も効果的な範囲は、
理想的な中立浮力範囲内に完全には入らないことがあ
る。アルミナ沈降を阻止するのに可能な複合材料範囲
は、表３の体積％で表す範囲を含む。
【００２５】 表３ 材料 広い 中間 狭い アルミナ 0.4 〜8.8 2〜 6 3 〜6 炭素 1 〜4.4 1.5 〜4 2 〜3.8 グラファイト 1 〜4.4 1.5 〜4 2 〜3.8 ニッケルアルミナイド 0.5 〜20 1〜 15 2 〜12
【００２６】本発明の鋳造方法により、マトリックス合
金の液相線温度より高い温度を有する溶融混合物を型の
中に直接注ぎ込むことができる。本明細書の目的には、
マトリックス合金の液相線は、金属間化合物以外のマト
リックス合金が実質的に１００％液体である温度であ
る。この鋳造方法は、０．４〜４０体積％のアルミナ、
１〜１５体積％のグラファイトまたは炭素、および１〜
２０体積％のニッケル含有アルミナイドを含む複合材料
を鋳造することができる。
金の液相線温度より高い温度を有する溶融混合物を型の
中に直接注ぎ込むことができる。本明細書の目的には、
マトリックス合金の液相線は、金属間化合物以外のマト
リックス合金が実質的に１００％液体である温度であ
る。この鋳造方法は、０．４〜４０体積％のアルミナ、
１〜１５体積％のグラファイトまたは炭素、および１〜
２０体積％のニッケル含有アルミナイドを含む複合材料
を鋳造することができる。
【００２７】しかし、アルミニウム−マトリックス−ア
ルミナ−グラファイト複合材料を鋳造する場合、アルミ
ナの炭素またはグラファイトに対する体積画分の比は、
０．３〜２．０であるのが有利であり、０．４〜１．２
であるのが最も有利である。この範囲は、アルミナの沈
降を効果的に阻止する。アルミナの分布をさらに最適化
するために、鋳造の直前に溶融物を攪拌することによ
り、粒子を一様に配分し易くなる。この沈降阻止方法に
より、許容できない沈降なしに鋳造物が凝固するのに十
分な時間、沈降が抑制される。溶融した金属−アルミナ
−グラファイト混合物が中立浮力を達成すると、アルミ
ナは沈降せず、偏析なしに鋳造物が凝固するのに利用で
きる時間が大幅に増加する。これらの中立浮力混合物
は、ニッケルアルミナイドの溶解温度より高い温度で安
定している。
ルミナ−グラファイト複合材料を鋳造する場合、アルミ
ナの炭素またはグラファイトに対する体積画分の比は、
０．３〜２．０であるのが有利であり、０．４〜１．２
であるのが最も有利である。この範囲は、アルミナの沈
降を効果的に阻止する。アルミナの分布をさらに最適化
するために、鋳造の直前に溶融物を攪拌することによ
り、粒子を一様に配分し易くなる。この沈降阻止方法に
より、許容できない沈降なしに鋳造物が凝固するのに十
分な時間、沈降が抑制される。溶融した金属−アルミナ
−グラファイト混合物が中立浮力を達成すると、アルミ
ナは沈降せず、偏析なしに鋳造物が凝固するのに利用で
きる時間が大幅に増加する。これらの中立浮力混合物
は、ニッケルアルミナイドの溶解温度より高い温度で安
定している。
【００２８】粒子径は、炭素またはグラファイトの安定
化効果を最大限に発揮させるのに重要である。理想的に
は、アルミナおよび炭素またはグラファイトは、マイク
ロメートルで測定した、表４の平均粒子径範囲を有す
る。
化効果を最大限に発揮させるのに重要である。理想的に
は、アルミナおよび炭素またはグラファイトは、マイク
ロメートルで測定した、表４の平均粒子径範囲を有す
る。
【００２９】 表４ 材料 広い 中間 狭い アルミナ 3 〜250 10 〜80 10 〜40 炭素またはグラファイト 10 〜250 20〜 200 30 〜150
【００３０】沈降速度は粒子径に正比例するので、グラ
ファイトよりも小さな粒子径を有するアルミナ粒子を使
用することは、溶融混合物の安定化に貢献する。例え
ば、グラファイトの粒子径の半分未満のアルミナ粒子径
を使用することが混合物の安定化に貢献する。グラファ
イトのアルミナに対する粒子径比が少なくとも５〜１、
あるいは１０〜１でも、１００ミクロンまで、およびそ
れ以上の粒子径のグラファイトを含む溶融混合物が安定
化する。複合材料は、小さなアルミナ粒子（＜２０μ
m）を大きなグラファイト粒子（＞５０μm）と組み合わ
せて含むのが最も有利である。さらに、効果的なグラフ
ァイト被膜潤滑性を得るために表面の平らなグラファイ
トを必要とする複合材料では、アルミニウムがグラファ
イトを覆うのを防止するのに、大きなグラファイト粒子
が有利である。
ファイトよりも小さな粒子径を有するアルミナ粒子を使
用することは、溶融混合物の安定化に貢献する。例え
ば、グラファイトの粒子径の半分未満のアルミナ粒子径
を使用することが混合物の安定化に貢献する。グラファ
イトのアルミナに対する粒子径比が少なくとも５〜１、
あるいは１０〜１でも、１００ミクロンまで、およびそ
れ以上の粒子径のグラファイトを含む溶融混合物が安定
化する。複合材料は、小さなアルミナ粒子（＜２０μ
m）を大きなグラファイト粒子（＞５０μm）と組み合わ
せて含むのが最も有利である。さらに、効果的なグラフ
ァイト被膜潤滑性を得るために表面の平らなグラファイ
トを必要とする複合材料では、アルミニウムがグラファ
イトを覆うのを防止するのに、大きなグラファイト粒子
が有利である。
【００３１】同様に、アルミナ粒子のグラファイト粒子
に対する数の比を増加することにより、溶融物がさらに
安定化する。グラファイト粒子１個あたりのアルミナ粒
子の比を３または５にすることは、混合物の安定性に寄
与する。グラファイト粒子１個あたりのアルミナ粒子の
比を少なくとも１０にすることにより、混合物が最も効
果的に安定化する。さらに、アルミナのグラファイトに
対する少なくとも１．２の体積比が、鋳造性を犠牲にす
ることなく、耐摩耗性を最適化する。この比は、耐摩耗
性を最適化するのに少なくとも１．５であるのが最も有
利である。
に対する数の比を増加することにより、溶融物がさらに
安定化する。グラファイト粒子１個あたりのアルミナ粒
子の比を３または５にすることは、混合物の安定性に寄
与する。グラファイト粒子１個あたりのアルミナ粒子の
比を少なくとも１０にすることにより、混合物が最も効
果的に安定化する。さらに、アルミナのグラファイトに
対する少なくとも１．２の体積比が、鋳造性を犠牲にす
ることなく、耐摩耗性を最適化する。この比は、耐摩耗
性を最適化するのに少なくとも１．５であるのが最も有
利である。
【００３２】あるいは、本発明は短く切ったアルミナま
たは短く切ったグラファイト繊維を使用することができ
る。アルミナ粒子よりも単位体積あたりの表面積が大き
い短く切ったアルミナをグラファイトと組み合わせるの
が、沈降を阻止するのに特に効果的である。短く切った
繊維を使用することにより、より大きな比率のアルミナ
を、特定量のグラファイトと組み合わせることができ
る。短く切ったアルミナまたは短く切ったグラファイト
の繊維を、それらのニッケル被覆した形態で加えること
により、短く切った繊維を溶融物中に導入し易くなる。
たは短く切ったグラファイト繊維を使用することができ
る。アルミナ粒子よりも単位体積あたりの表面積が大き
い短く切ったアルミナをグラファイトと組み合わせるの
が、沈降を阻止するのに特に効果的である。短く切った
繊維を使用することにより、より大きな比率のアルミナ
を、特定量のグラファイトと組み合わせることができ
る。短く切ったアルミナまたは短く切ったグラファイト
の繊維を、それらのニッケル被覆した形態で加えること
により、短く切った繊維を溶融物中に導入し易くなる。
【００３３】予期しなかった様な耐摩耗性を有する複合
材料の具体例は、必須成分として２．５〜４体積％のグ
ラファイト、３〜８体積％のアルミナおよび１〜１２体
積％のニッケルアルミナイドからなる。この添加剤の組
合せにより、２０体積％までの炭化ケイ素を含み、ニッ
ケルアルミナイドまたはグラファイトを含まない複合材
料に匹敵する性能を有する複合材料が得られる。
材料の具体例は、必須成分として２．５〜４体積％のグ
ラファイト、３〜８体積％のアルミナおよび１〜１２体
積％のニッケルアルミナイドからなる。この添加剤の組
合せにより、２０体積％までの炭化ケイ素を含み、ニッ
ケルアルミナイドまたはグラファイトを含まない複合材
料に匹敵する性能を有する複合材料が得られる。
【００３４】
【発明の効果】アルミナ−グラファイト複合材料は、特
に高負荷で極めて良好な耐摩耗性を有する。さらに、ア
ルミナ含有複合材料は、炭化ケイ素含有複合材料と比較
して、工具の寿命が向上し、切削速度に対する感受性が
改良されている。沈降させる傾向があるアルミナと浮揚
させる傾向があるグラファイトまたは炭素を組み合わせ
ることにより、従来の鋳造方法を大きく変えずに鋳造で
きる複合材料を形成することができる。この比較的少量
のアルミナ、グラファイトおよびニッケルアルミナイド
により、優れた機械加工性、および鋳鉄および炭化ケイ
素ハイブリッド複合材料で達成される乾燥滑り摩耗耐性
より優れた耐摩耗性を有する、商業的に鋳造できる複合
材料が得られる。
に高負荷で極めて良好な耐摩耗性を有する。さらに、ア
ルミナ含有複合材料は、炭化ケイ素含有複合材料と比較
して、工具の寿命が向上し、切削速度に対する感受性が
改良されている。沈降させる傾向があるアルミナと浮揚
させる傾向があるグラファイトまたは炭素を組み合わせ
ることにより、従来の鋳造方法を大きく変えずに鋳造で
きる複合材料を形成することができる。この比較的少量
のアルミナ、グラファイトおよびニッケルアルミナイド
により、優れた機械加工性、および鋳鉄および炭化ケイ
素ハイブリッド複合材料で達成される乾燥滑り摩耗耐性
より優れた耐摩耗性を有する、商業的に鋳造できる複合
材料が得られる。
【００３５】法律の規定により、本明細書は本発明の特
定の実施態様を例示し、説明する。当業者には明らかな
様に、請求項は本発明の形態における変形を含み、本発
明の特定の態様は、他の態様を使用せずに、効果的に実
行できる。
定の実施態様を例示し、説明する。当業者には明らかな
様に、請求項は本発明の形態における変形を含み、本発
明の特定の態様は、他の態様を使用せずに、効果的に実
行できる。
【図１】アルミナ５体積％およびグラファイト３．５体
積％で形成した本発明の複合材料の５０倍ＳＥＭ顕微鏡
写真である。
積％で形成した本発明の複合材料の５０倍ＳＥＭ顕微鏡
写真である。
【図２】アルミナ５体積％およびグラファイト３．５体
積％を含むアルミニウム系合金の摩耗試験結果を、鋳鉄
および炭化ケイ素−グラファイトハイブリッド複合材料
と比較するグラフである。
積％を含むアルミニウム系合金の摩耗試験結果を、鋳鉄
および炭化ケイ素−グラファイトハイブリッド複合材料
と比較するグラフである。
【図３】アルミナ５体積％およびグラファイト３．５体
積％を含むアルミニウム系合金の摩耗試験結果を、炭化
ケイ素／グラファイトハイブリッド複合材料と比較する
グラフである。
積％を含むアルミニウム系合金の摩耗試験結果を、炭化
ケイ素／グラファイトハイブリッド複合材料と比較する
グラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 プラディープ、クマー、ロハッジ アメリカ合衆国ウィスコンシン州、ミルウ ォーキー、ホワイトフィッシュ、ベイ、イ ースト、フェアモント、アベニュ、1401 (72)発明者 トーマス、フランシス、スティーブンソン カナダ国オンタリオ州、トロント、インデ ィアン、ロード、593 (72)発明者 アンソニー、エドワード、モウリーン、ワ ーナー ワーナーカナダ国オンタリオ州、バーリン トン、オークウッド、コート、304
Claims (5)
- 【請求項１】アルミナ０．４〜８．８体積％、炭素また
はグラファイトからなる潤滑相１〜４．４体積％、およ
びニッケル含有アルミナイド分散質０．５〜２０体積％
を含むアルミニウム合金マトリックスからなることを特
徴とするアルミニウム系金属マトリックス複合材料。 - 【請求項２】アルミナ２〜６体積％、炭素またはグラフ
ァイトからなる潤滑相１．５〜４体積％、およびニッケ
ル含有アルミナイド分散質１〜１５体積％を含むアルミ
ニウム合金マトリックスからなり、前記アルミナの平均
粒子径が１０〜８０μmであり、前記潤滑相の平均粒子
径が２０〜２００μmであることを特徴とするアルミニ
ウム系金属マトリックス複合材料。 - 【請求項３】潤滑相が２〜３．８体積％のグラファイト
であり、アルミナが３〜６体積％であり、ニッケル含有
アルミナイドが２〜１２体積％であり、アルミニウム系
マトリックスが０．５〜２重量％の鉄および０．１〜１
重量％のマグネシウムを含むことを特徴とする請求項２
に記載の複合材料。 - 【請求項４】アルミニウム系複合材料の鋳造方法であっ
て、 ａ）アルミニウムまたはアルミニウム系合金からなる溶
融マトリックス合金中にアルミナを供給する工程、 ｂ）前記溶融マトリックス合金中に、炭素またはグラフ
ァイトからなる潤滑相を供給する工程、 ｃ）前記溶融マトリックス合金を攪拌し、アルミナおよ
び潤滑相を前記溶融マトリックス合金の全体に配分し、
前記マトリックス合金の液相線より高い温度を有する溶
融混合物を形成する工程、および ｄ）前記溶融混合物を前記液相線より高い前記温度から
冷却し、前記潤滑相が前記アルミナ相の沈降を遅延させ
ながら、前記溶融混合物を凝固させる工程 を含んでなり、凝固した複合材料がアルミニウム系合
金、アルミナ、潤滑相およびニッケル含有アルミナイド
分散質を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項５】潤滑相の粒子径の、アルミナの粒子径に対
する比が少なくとも５〜１であり、溶融マトリックス中
に潤滑相を供給する工程が、ニッケル被覆したグラファ
イト粒子および短く切ったニッケル被覆繊維からなる群
から選択された材料を前記溶融マトリックス合金の中に
導入することを含むことを特徴とする、請求項４に記載
のアルミニウム系複合材料の鋳造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US915097 | 1997-08-20 | ||
| US08/915,097 US6183877B1 (en) | 1997-03-21 | 1997-08-20 | Cast-alumina metal matrix composites |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11131164A true JPH11131164A (ja) | 1999-05-18 |
| JP3573403B2 JP3573403B2 (ja) | 2004-10-06 |
Family
ID=25435215
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23451198A Expired - Fee Related JP3573403B2 (ja) | 1997-08-20 | 1998-08-20 | アルミナ金属マトリックス複合材料およびその鋳造方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6183877B1 (ja) |
| EP (1) | EP0897994B1 (ja) |
| JP (1) | JP3573403B2 (ja) |
| CA (1) | CA2245189C (ja) |
| DE (1) | DE69805923T2 (ja) |
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| CN106498204A (zh) * | 2016-11-08 | 2017-03-15 | 上海航天精密机械研究所 | 一种内生铝基复合材料铸件制备方法 |
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