JP3023985B2 - 金属マトリクス複合材料を鋳造するための装置及びその方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は金属−マトリクス複合材料の鋳造に関し、
より詳細には、このような複合材料を凝固させるための
方法及び装置に関する。

背景技術 補強金属マトリクス複合材料は、構造材料として次第
に認められている。金属マトリクス複合材料は、典型的
には、金属マトリクス内に埋め込まれたファイバ、グリ
ット、粉末などの補強粒子から成る。補強材は複合材料
に対し、強度、剛性、摩耗耐性、及びその他の所望の特
性を与えるが、一方、マトリクスは粒子を防御し、複合
材料片内の荷重を移動する。このように、２つの成分で
あるマトリクスと補強材は、協力して、それぞれの成分
が提供することのできる結果よりも優れた結果を達成す
る。

20年前、補強複合材料は、製造コストが高く、製品設
計者による容認が欠如していたため、ほとんど研究室で
の好奇心と同然であった。より近年では、グラファイト
−エポキシ複合材料などの非金属複合材料の製造が、そ
の製造コストを大きく減少させて、進歩した。金属−マ
トリクス複合材料のコストは依然、かなり高いものであ
る。ここ数年で、金属マトリクスを有する大量の鋳造補
強複合材料を再現性良く製造することができる製造技術
が発見され、これらの材料のコストを大きく引き下げ
た。例えば、米国特許第4,759,995号及び米国特許第4,7
86,457号を参照されたい。

上記特許の方法が発見されて以来、鋳造複合材料に対
する多くの適用が開発され、その使用量は大きく増加
し、そのためそれらが主な新しい型の構造材料となって
いる。これらの鋳造金属マトリクス複合材料により、従
来のモノリシック材料よりもわずかに高いコストで、複
合材料の特性を改善することができる。鋳造金属−マト
リクス複合材料は、有機−マトリクス複合材料を使用す
ることができない高温あるいはその他の条件の下で使用
することができる。

上記特許の方法は工業規模で鋳造金属−マトリクス複
合材料の製造を可能とする分野で大きな進歩を遂げた
が、これらの技術により製造された複合材料構造は必ず
しも最適ではない。例えば、いくつかの場合において
は、これらのアプローチにより製造された複合材料の微
細構造において不規則性があることが発見されている。
これらの不規則性は、補強材粒子が均一に分配されてい
ない複合材料内の不均一領域として明らかにされる。更
に、粒子間ではマトリクスは、時に、低い融点を有する
偏析共晶構造を示す。これらの微細構造の不規則性によ
り、より均一性の高い複合材料において期待されるもの
に比べ低い物理特性となる。

従って、一様な微細構造及び対応する改良特性を生成
する改良鋳造金属−マトリクス複合材料製造方法に対す
る要求が存在する。この発明はこの要求を満たすもので
あり、更に関連する利点を提供するものである。

発明の開示 この発明は溶融金属−マトリクス複合材料を処理して
凝固鋳造構造とするための方法及び装置を提供するもの
である。本発明のアプローチにより製造された固体複合
材料は、従来のアプローチにより製造されたもので比
べ、より一様で、微細で、孔のない微細構造を有する。
共晶相は、粒子と排他的に結合されているというよりむ
しろ、金属マトリクスを通りより均一に広がっている。
この発明のアプローチは経済的に、商業量の鋳造複合材
料を製造するために容易に使用することができる。

本発明の１つの観点によると、固体鋳造複合材料を製
造するための方法は、溶融金属と固体でその混合物の体
積の約５から約35％を占め、自由に流れる補強材粒子と
の混合物を供給する工程を含み、該混合物は粒子の偏析
を妨害するために凝固前に撹拌し、その撹拌はガスが混
合物中に入り込むのを実質的に妨害するように行い；更
に、溶融金属の液相線温度及び固相線温度の間で少なく
とも１秒に約15℃の冷却速度で、その混合物を凝固する
工程を含む。供給工程は米国特許第4,759,995号及び第
4,786,467号の混合工程を使用することが好ましい。

溶融混合物をどの様にして凝固するかに関係なく、溶
融混合物は、凝固する前に、混合装置あるいは中間保持
炉から鋳造装置に徐々に注ぎ込む。どちらの場合でも、
溶融物を、その溶融物中で粒子が偏析するのを防ぐため
に撹拌する。撹拌工程では、もしも非常な注意をもって
行わなければ、ガスがその溶融物中に入り込みやすく、
１つの観点においては、本発明はこのようにしてガスが
入り込むことを防ぐことにある。本発明はこの観点に依
れば、固体鋳造複合材料を製造する方法は、溶融金属と
固体でその混合物の体積の約５から約35％を占め、自由
に流れる補強材粒子との混合物を供給する工程を含み、
該混合物は粒子の沈降を妨害するために凝固前に撹拌
し、その撹拌は撹拌中にガスが混合物中に入り込むの妨
害するために混合物の表面を機械的に被覆して行い；更
に、その混合物を凝固する工程を含む。

鋳造前に、でぎる限り、気泡を溶融金属から除去する
ためにも注意が必要である。本発明はこの観点に依れ
ば、固体鋳造複合材料を製造する方法は、溶融金属を固
体でその混合物の体積の約５から約35％を占め、自由に
流れる補強材粒子との混合物を供給する工程を含み、該
混合物は溶融混合物から捕捉された気泡を除去するため
に凝固前に処理し、；更に、その混合物を凝固する工程
を含む。

最後に、溶融金属は凝固前に粒子が偏析するのを防ぐ
ために鋳造装置内で静かに撹拌しても良い。

この型の鋳造複合材料を製造するための米国特許第4,
759,995号及び第4,786,467号及びその他の従来のアプロ
ーチでは、溶融金属と補強材粒子の混合物は直径が少な
くとも数センチメートルの密閉した金属あるいはセラミ
ックチルモード中で鋳造されていた。このようなスチー
ルモード内での複合材料の凝固速度は、１秒につき約６
℃以下、セラミックのモールドでは更にそれ以下と決め
られていた。

対照してみると、この発明のアプローチでは、凝固速
度は１秒につき少なくとも約15℃であって、好ましく
は、100℃を越えるのがよく、１秒につき1000℃を越え
ても良い。凝固速度が高いほど、補強材粒子合材料構造
全体にわたる分布がより均一なものとなり、補強材粒子
が全くない領域及び補強材の濃度が高すぎる領域の発生
率が減少する。

非常に様々な鋳造技術を使用することができる。鋳造
技術は、必要な高い凝固温度勾配で鋳造物にクラッキン
グが発生しないようなものでなければならない。通常、
より高い勾配は、クラッキングの傾向の少ない薄い部分
においてのみ達成される。

マトリクス内の補強材粒子に隣接した大きな共晶−組
成領域の発生もまた、大きく減少され、鋳造複合材料の
利用に対する非常に重要な発展となる。いくつかの適用
においては、拡散均質化加熱処理、すなわち費用のかか
り均熱炉を必要とする時間のかかる操作により、どの共
晶領域も除去されなければならない。長い加熱処理によ
って鋳造複合材料の粒子の退化が生ずる場合がある。本
発明のアプローチでは、大きな共晶領域の生成を妨害す
ることにより、そのような均質化加熱処理に対する必要
性を全く除去し、あるいはのために必要な時間を非常に
短くする。本発明の方法を使用すると、微細構造中には
わずかな共晶領域が存在するかもしれないが、従来の手
順により生成されるものに比べ非常に小さく、構造中に
より均一に分布している。大きさがより小さく、より均
一に分布しているので、共晶領域は悪影響を及ぼすこと
も無く、無視することができる。あるいは、機械仕事あ
るいは従来の工程のより大きな共晶領域に必要であった
時間よりずっと短い均質化加熱処理により除去すること
ができる。

本発明はまた、他の適当な装置も使用することができ
るが、鋳造複合材料を製造するための装置の１つの型を
提供する。本発明のこの観点によれば、鋳造複合材料を
製造するための装置は溶融金属と固体で自由に流れる補
強材粒子との混合物を供給するための供給手段と；凝固
混合物の形を決定するためのモールド手段とを備え、該
モールド手段は横の内表面が凝固混合物の形におけるチ
ャネルを決定する側壁を有し、そのチャネルの開口の逆
端を有する中空のスリーブモールドを含み；更に供給手
段からの混合物の流れを受け、モールド手段の貯槽（re
servoir）として作用するための貯蔵手段と；混合物中
の粒子の均一な分布が維持されるように補助するために
その混合物を撹拌するための手段と；モールド手段の他
端から凝固混合物を除去するための回収手段とを備え、
該モールド手段と回収手段は協同して、混合物の体積全
体に、１秒につき少なくとも15℃の冷却速度を与える。
アルミニウム−ベースの合金に対しては、この冷却速度
は約600−650℃の範囲の温度に維持される。

より詳細には、鋳造複合材料を製造するための装置
は、その中で溶融金属と固体で自由に流れる補強材粒子
との混合物が準備される、該混合物は実質的には溶存し
たあるいは捕獲されたガスを有しない、ミキサと；横の
内表面が凝固混合物の形におけるチャネルを決定する側
壁と、チャネル開口の両端を有する水冷却中空スリーブ
モールドとを備え、該スリーブモールドは一端が頂端に
他端が底端になるように垂直な配置され；更に、ミキサ
からスリーブモールドの一端までの混合物の流れを維持
するための貯蔵手段とを備え、該貯蔵手段はスリーブモ
ールドの上に配置された偏析混合物貯槽を含み、該貯槽
はトイから混合物を受け、混合物がスリーブモールドの
頂端に入る前にその溶融状態の金属を有する混合物を保
持するために適合され、また、混合物中の補強材の一様
な分布を維持するのを補助するために貯槽中に含まれる
混合物を撹拌するための混合手段と；スリーブモールド
の底端から凝固混合物を支持し、徐々に回収するための
水冷却回収支持部とを備え、該スリーブモールドと回収
支持部は協同してその混合物の体積全体に１秒につき少
なくとも約15℃の冷却速度を与えるようにしたものであ
る。

この発明はまた、混合状態で、鋳造装置に注がれのを
待機している溶融複合材料を維持するための装置も提供
する。本発明のこの観点では、鋳造複合材料を製造する
ための装置は溶融金属と固体で自由に流れる補強材粒子
との混合物を、その混合物中で粒子が偏析するのを防ぐ
ために、撹拌するミキサと；混合物を撹拌している時に
その混合物中にガスが入り込むのを防ぐための混合物の
表面上の機械被覆とを備える。

この凝固装置は複合材料に対し半連続あるいは連続凝
固手順を提供する。この装置ではかなり安定した熱勾配
及び凝固速度が確立され、そのため複合材料は端から端
まで一様である。対照すると、チルモールド中で鋳造さ
れた複合材料は巨視的な構造変動を示す。

この装置はまた、凝固する複合材料に対し１秒につき
15℃以上のかなり高い冷却速度を与え、前に述べたよう
に微細構造が改善されることとなる。

このように、この発明は鋳造複合材料の技術におけ重
要な進歩である。本発明を使用すると、より一様な微細
構造が生成され、改善された特性が得られる。本発明の
他の特性及び利点は、添付の図面と参照して、以下の好
ましい実施例のより詳細な説明から明らかになるであろ
う。これらの図面は例として、この発明の原理を示して
いる。

図面の簡単な説明 図１は従来のアプローチにより製造された微細構造を
示す中倍率での顕微鏡写真である； 図２は本発明を用いて製造された微細構造を示す中倍
率での顕微鏡写真である； 図３は典型的な金属合金の凝固範囲を示す状態図の一
部の略図である； 図４は鋳造装置の１つの好ましい実施例の側断面図で
ある； 図５は溶融物の表面を機械的に被覆した保持炉の側断
面図である； 図６は他の実施例の顕微鏡写真である。

本発明を実行するための最適形態 この発明は金属合金マトリクス中の補強材粒子の鋳造
複合材料に関する。この複合材料は、まず溶融金属合金
中に混合された粒子を用いて製造され、それからその合
金は粒子が分散された状態を維持して凝固される。混合
手順は米国特許第4,759,995号あるいは米国特許4,786,4
67号に示されているものが好ましいが、この発明の利用
はこれらの特別な技術に限られるものではない。補強材
粒子は溶融合金と混合され区別のできる型である、固体
として存在する必要がある（このため、粒子は共晶補強
複合材料を形成するために、溶融金属の一様な共晶組成
が凝固した時に生成する型のものではなく、単相から二
相領域まで冷却することにより固体状態で生成される型
のものでもよい）。補強材粒子は炭化珪素あるいは酸化
アルミニウムなどの耐火性で、ガラス状の、あるいはセ
ラミックの材料が好ましい。その粒子は大きさがかなり
小さく、典型的には直径１−50ミクロンであるが、本発
明はそれに限定されるものではない。

しかしながら、その粒子は溶融マトリクス中で“自由
に流れて”いなければならない。ここで使用されている
ように、この用語は粒子が非連続であり、基板あるいは
支持部に固定あるいは結合されるものではなく、空間に
しっかりと固定されるものでなく、集合的に複合材料の
総体積の高い部分を占め金属合金の凝固前の混合中に互
いに自由に動き回ることのできないものではなく、さも
なければ溶融合金の粘性による以外の溶融合金中の移動
において束縛されないものであることを意味する。かな
り粘性の高い混合物が上記の意味で自由に流れることが
できるが、“自由に流れる”という用語が特に流動性を
示唆すると理解すべきではない。

溶融合金及び補給粒子を混合した後、その混合物はそ
の溶融マトリクスを凝固することにより固体に転換され
る。溶融合金中の固体であるその粒子は凝固中も固体の
ままであり、溶融合金は凝固し、複合材料の固体金属マ
トリクスを形成する。

図１−２は複合材料の微細構造に関する凝固速度の効
果を示している。興味深い凝固速度は、図３に示される
ように、液相線あるいは温度100と固相線あるいは温度1
02の間の凝固領域104の組成C₀のマトリクス混合物によ
り実験された局部凝固速度である。ちょうど液状温度以
上でちょうど固体温度以下の冷却加速は通常凝固領域10
4における冷却速度に近いが、より一般的には非常に高
いあるいは低い温度での凝固速度は適切ではない。鋳造
複合材料のマトリクスとして使用した好ましいアルミニ
ウム−ベース合金では、凝固領域104は典型的には約650
℃以下、約600℃以上である。

図１は約15容量％の炭化珪素粒子と85容量％の約７重
量％の珪素を含むアルミニウム合金から成る複合材料を
鋼鉄モールドで鋳造し、凝固した時に形成される従来技
術による微細構造を示す。液相線から固相線温度までの
冷却温度は１秒に約４℃である。複合材料の微細構造は
第２の相がセル間の境界に偏析された状態のセル状マト
リクスを有する。図１はアルミニウム合金マトリクス中
の黒く見える炭化珪素粒子を示している。いくつかの粒
子間には、粗いパッチ（patch）の灰色に見える共晶領
域がある。粒子も共晶領域も両方ともセル境界に偏析さ
れる。その結果、構造中に、炭化珪素粒子の無い露出
（denuded）領域が生じる。

露出領域と粗い共晶領域の存在は関連しており、どち
らも複合材料の物理的、機械的特性を損なう傾向があ
る。原則として、粗い共晶領域は、固体温度以下である
が非常にその温度に近い温度で非常に長い均質化加熱処
理により除去することができる。あるいは、大規模な凝
固後の機械操作により破壊することができるであろう。
このような加熱処理は経費がかかり、時間もかかる。粒
子にも悪い影響を及ぼすであろう。露出領域が、材料の
再溶融をしない加熱処理によって除去できるかどうかは
疑問である。

対照して、図２は、凝固領域の凝固速度が１秒につき
約15℃よりずっと大きいものであるように、同じ複合材
料を凝固させることにより生成された微細構造を示す。
特に、図２の微細構造はツインロールキャスタ中で１秒
につき約160℃の凝固速度で得られたものであった。そ
の構造には露出領域はほとんど無く、露出の程度は図１
に示される構造よりもずっと少ない。共晶領域の程度は
ずっと少なく、粒子から分離されている。この構造は、
偏析／露出効果による劣化を受けず、この粒子に結合し
た共晶領域の存在による特性の大きな減少もない。図２
に示された薄い共晶領域は、押し出しあるいはローリン
グなどの次の製造処理中に破壊し均質化することができ
るが、とにかく複合材料の特性にはほとんど悪影響を及
ぼさない。

このように、凝固領域中の冷却速度を増加させると、
複合材料中の粒子の分布及び、複合材料の金属マトリク
ス中の共晶相の分布の両方ともが改善される。この説明
と結合するのは希望していないが、構造における両方の
改善に対する基本は凝固の性質からきているものである
と考えられる。粒子は凝固する界面からアルミニウムマ
トリクス合金のセル間境界に向かって排除される。マト
リクス合金のセルの大きさが大きい場合、大規模な偏析
及び露出領域が生じる。マトリクス合金のセルの大きさ
が小さい場合、見かけ上の偏析の程度は著しく減少す
る。

アルミニウムマトリクス合金のセルの大きさが粒子間
隔の空間以下である、あるいは商業的に興味深い典型的
な例に対しては約25ミクロンである場合、容認できる一
様な構造が得られる。ほとんどのアルミニウム合金に対
しては、１秒につき約15℃の液相線及び固相線温度間の
凝固速度により、約25ミクロンのアルミニウム合金のセ
ルの大きさが得られる。１秒につき15℃の凝固速度を選
択するのは、その結果得られる微細構造に大きく関係す
る、言い換えれば、粒子間の空間とマトリクス合金セル
の大きさの間の関係に関係する。凝固速度が高くなるほ
ど、より好ましい、より小さいセルの大きさが得られ
る。好ましい粒子材料としては、約10−20容量％の範囲
の粒子の体積部分に依存して、平均の粒子の大きさが約
10ミクロンであり、平均粒子間隔が約20−28ミクロンの
ものである。そのため、容認できる一様な構造を達成す
るための最大のセルの大きさは平均粒子の約1.0倍のも
のである。例えば、図１では、セルの大きさは35ミクロ
メータのオーダーであり、平均粒子間隔の約1.5倍であ
る。図２では、セルの大きさは約５ミクロンのオーダー
であり、これは平均粒子間隔よりずっと小さい。粒子の
大きさは凝固勾配に伴って変化はしないが、セルの大き
さは凝固速度の増加に伴い減少する。このように、増加
する速度のある点、約１秒につき15℃、で、上記の基準
を満たし、容認できる一様な構造が得られる。

このように、本発明に係る鋳造複合材料は、アルミニ
ウム−合金マトリクス中に分散される約５から約35容量
％の補強材粒子の分散を含み、該マトリクスは補強材粒
子の平均粒子間隔以下のセルの大きさである鋳造したま
まの微細構造を有するものである。好ましい実施例で
は、マトリクスのセルの大きさは補強材粒子の平均粒子
間隔の約半分以下である。

他の好ましい実施例では、鋳造複合材料は、アルミニ
ウム−合金マトリクスに分散される約５から約35容量％
の補強材粒子の分布を有するものである。このマトリク
スは補強材粒子の平均粒子の大きさ以下のセルの大きさ
である鋳造したままの微細構造を有するものである。

容認できる構造が得られる凝固速度のこの決定は、幾
分定性的なものである必要があるが、凝固手順を設計す
る際には有効なガイドラインとして約立つ。最大のセル
の大きさが約25ミクロンでは小さいがセル境界では容認
できる偏析である。一方、図２で示されるように、より
高い凝固速度では、より均質な構造を達成される。

このように、セルの大きさは約10−12ミクロン以下が
より好ましく、これは粒子間隔の約２分の１のセルの大
きさに対応する。このセルの大きさは１秒につき約100
℃以上の凝固速度で生成される。

特別な容認できる微細構造を達成するために必要な凝
固速度の上記決定は、粒子間隔ほど大きくないセルの大
きさ、約10ミクロメータの好まし粒子の大きさ、及び約
10−20容量％の粒子の好まし体積部分を基準に使用した
評価に基づくものである。粒子の大きさが非常に高かっ
たり低かったり、あるいは粒子の容積部分が非常に高か
ったり低かったり、あるいは粒子の形が非常に異なって
いる場合、そのような場合は、必要なセルの大きさ及び
凝固速度を決定するために同様な評価を使用することが
できるであろう。

“約”とうい用語は凝固速度、セルの大きさ及び平均
粒子の大きさの相互関係を示す際に使用している。この
例においては、その相互関係が正確あるいは一般的なも
のでないため、この用語は物理学的に重要である。例え
ば、マトリクス合金の組成によって変動があっても良
い。しかしながら、凝固の研究により、多くの合金に対
し上記一般化は有効な技術近似であることが示唆されて
いる。

本発明のアプローチは約５から約35容量％の範囲の補
強材粒子に対して実施可能である。約５％以下では、補
強材の存在の効果は小さいので、露出領域の効果は無視
できる。約35％を越えると、補強材はここで使用されて
いる意味で、溶融マトリクス中を自由に流れなくなり、
粒子拘束効果が凝固工程を支配する。

鋳造前に、粒子を溶融マトリクス合金中へ混合するた
めの好ましい装置は、米国特許第4,759,995号及び第4,7
86,467号に開示されている。

上記特許の装置により準備された溶融金属と固体補強
材粒子の混合物は、供給手段により、図４に示される鋳
造装置140に送られる。粒子と溶融マトリクス合金との
混合物141は、絶縁されたトラフあるいはトイ142を通し
て送られる。トイ142中の溶融混合物138のレベルはスピ
ルウェイ（spillway）144の高さにより確立される。

混合装置は、複合材料が混合されている時に、ガスが
その複合材料中に入り込まないように、その中のガスが
保持されないように設計される。しかしながら、溶融混
合物がミキサからトイ142に注じ込まれる時、あるいは
実質的に乱流が存在する場合にトイに沿って流れている
時に、ガスが溶融混合物138中に入り込むことができ
る。従って、トイ中の混合物141の表面上には気泡146、
酸化物スキン層、あるいはフロスがあるかもしれない。
気泡、酸化物スキン層、あるいはフロスは、好ましくは
スキマー148を用いて、混合物141の表面から除去され
る。

スキマー148は酸化アルミニウムなどの、溶融アルミ
ニウム−ベースマトリクス合金に不溶のセラミック片で
ある。スキマーは、流れている混合物141の表面の上方
から下方に延びトイ142中の混合物中に入り、矢印150で
図示されるように、混合物がスキマー148の下を流れる
ようにしている。泡146は混合物141の表面からすくい取
られ、その後除去することができる。スキマー148は泡
が鋳造ヘッドに到達するのを防ぐ。その代わりに、スキ
マーは溶融混合物の表面下に通じる穴を有する板でも良
く、溶融混合物がこの穴を通して流れるようにする。

気泡はまた、１つ以上のこし器あるいはフィルタ151
により溶融金属の流れから除去される。フィルタ151は
単一のフィルタ素子あるいは連続した２つ以上の素子を
含むものでも良く、流れが鋳造装置に入る前に、トイ14
2中の複合混合物141の流れの中に浸される。個々のフィ
ルタ151は、溶融複合混合物中で安定した、選択された
大きさの穴を有する多孔性材料で作られているのか好ま
しい。すなわち、フィルタ混合物141がそのフィルタを
通過する時に溶解したりあるいは衰えたりしないだろ
う。１つのフィルタ151は6.5cm²（１平方インチ）につ
き50の穴を有する＃32の織布あるいは6.5cm²（１平方イ
ンチ）につき25の穴を有する＃30の織布の織りファイバ
グラスソックである。他のフィルタは多孔性フォームフ
ィルタであり、通常ファイバグラスフィルタの下流に配
置され、16.4立方センチメートル（１立方インチ）につ
き５から10の穴を有する。フォームフィルタは更に酸化
物スキン層及び泡を除去する。

ろ過された混合物141は流れてトイ142からホットトッ
プ152に入る。このホットトップは絶縁され、加熱する
ことができ、スリーブモールド154の上方に位置する貯
槽を含む。ホットトップ152はモールド154内で凝固する
混合物上の静水圧ヘッドを維持し、モールド154への混
合物の均一な供給を維持し、ガスが固体複合材料中に混
ざり込む可能性を減少させる。フィードヘッド内の混合
物141は金属が溶融状態であるように保持される。撹拌
羽根車156は溶融混合物138中に浸漬される。羽根車156
は混合物141中で程度の低い撹拌が維持されるように回
転される。粒子を金属に濡らすのは、ミキサ中で行われ
るので、羽根車156の目的ではない。代わりに、羽根車1
56は補強材粒子が沈降により偏析し、このため凝固前に
溶融混合物141中に偏析領域を形成することを防ぐ。

スリーブモールド154はその形がモールド154から出て
くる複合材料の凝固インゴット160の形を決定する内側
側壁158を含む。典型的には、側壁158は円を規定し、そ
のため、インゴット160は円筒形であり、あるいは長方
形を規定し、そのためインゴット160が直角形プリズム
となる。しかし、所望の形ならどの様な形でも使用する
ことができる。スリーブモールド154は中空であり、冷
却ライン162により水冷される。油などの潤滑剤が潤滑
剤ライン163から壁158の内円周の回りに注入される。側
壁158はインゴット160を取り囲み、モールド154の両端
は開いたままにする。

金属が溶融状態である混合物141は流れてモールド154
の頂端に入る。熱は水冷により、側壁158に隣接した部
分から除去され、混合物141が側壁158に隣接したあたり
でまず凝固し始める。混合物141の中央部164は最後に凝
固し（混合物の金属が最後に凝固するという意味で）、
Ｖ一型の固体／液体界面166が生成する。界面166の下で
は、混合物はすっかり固体となり、インゴット160を形
成する。

インゴット160は、モールド154の低端の底に対してモ
ールドプラグ168を置き、液体混合物中141に注ぎ込むこ
とにより、開始される。モールドプラグ168は、制御可
能な速度でピット（図示せず）中に低くされる受け台17
2上に載置される。

水噴射口174は、インゴットがスリーブモールド154の
低端から出てきてから、そのインゴットからの熱の除去
速度を増加させるために、インゴット160の横側に対
し、連続的な水の流れを吹き付ける。

熱勾配、モールド154及びインゴット160の水冷により
確立される。℃／秒、と受け台174の移動の下降速度、c
m/秒、を組み合わせて、混合物138の凝固速度、℃／
秒、を決定する。鋳造実験における実際的な問題とし
て、鋳造物の断面積の大きさが熱回収の最大速度を決定
し、そのため、その鋳造に対し達成することのできる凝
固速度を制限する。次に、凝固速度に関する冶金学的な
制限は凝固材料のクラッキングの生じやすさである。

鋳造装置140は半連続的に作動する。すなわち、鋳造
は連続的であるが、受け台172の移動の下方長さに対し
てのみである。装置140は１秒につき15℃より大きい冷
却速度、及びかなり小さな大きさのビレットに対しては
１秒につき100℃より大きい冷却速度を達成する。

連続キャスターはこの技術において知られている。完
全連続ツインベルト連続鋳造装置は米国特許第4,034,17
7号及び4,061,178号において開示され、連続ツインロー
ル鋳造装置は米国特許第4,723,590号において開示され
ている。このような完全連続鋳造装置は１秒につき100
℃を越える、しばしば１秒につき1000℃を越える冷却速
度をうまく達成することができる。

図４の半−連続鋳造装置の説明に戻ると、この鋳造装
置による大量の複合材料の鋳造は、１時間以上までの長
時間の時間を要するかもしれない。溶融混合物は典型的
にはその期間中、そこから混合物がトイに注ぎ込まれ、
その後鋳造装置に向かって流される、混合炉内にあるい
は中間保持設備内で保持される。この保持期間中、溶融
金属との密度の違いにより粒子の偏析が起こらないよう
に連続的に撹拌される。

鋳造したまま観察することにより、鋳造物の最初の部
分は比較的ガス穴の無いことが明らかになった。これに
より、注意深く混合、注ぐときの注意、スキマー148及
びフィルタ151を組み合わせると、少なくとも最初は、
満足のいく生成物を得るのに十分であることが示唆され
る。

しかしながら、後に鋳造される鋳造物の部分は多孔率
がより高い傾向がある。これにより、混合時間が長いと
溶融複合材料にガスが入り込む傾向があることが示唆さ
れる。この状態は、たとえ全鋳造工程中の操作状態を正
確に一様に維持するために多くの注意を払ったとして
も、持続する。

時間と鋳造される金属の体積に伴い鋳造物の多孔率が
増加するのは支持炉のミキサ内の複合材料の長時間の撹
拌に由来していた。溶融物上の静表面を維持するために
大きな注意を払っても、撹拌を行うとラッピング操作に
よりガスが溶融物中に入り込むのは避けられない。入り
込むガスの量は撹拌強度にともない増加する。たとえば
撹拌強度がかなり低い場合でも、時間の増加にともない
増加する。このように溶融複合材料に入り込んだガスは
同伴されるので、容易には除去できない。ミキサあるい
は支持炉内の溶融材料の増加したガスの量は粘性測定に
より確認され、この測定では時間に伴い溶融物の粘性が
増加することが示されている。また、フィルタ151の観
察により確認され、このフィルタは鋳造操作において前
半よりも後半での方がより迅速に詰まる。

常に−増加するガスの溶融複合材料への混入の問題
は、撹拌する時に溶融混合材料にガスが混入するのに対
し機械的な表面防護壁を備えることにより解決される。
機械的な表面防護壁は溶融複合材料の表面でラッピング
動作を減少させ、これにより長期にわたる撹拌中のガス
の累積的な溶融複合材料中への混入は著しく減少する。

図５は溶融複合材料202を含む保持炉200を示してい
る。溶融物202は連続的にスターラー204により撹拌され
る（粒子の偏析を防ぐために必要な撹拌動作は、粒子の
濡れを得るために必要なものよりずっと少ない）。代わ
りの撹拌装置を使用することもできる。この撹拌によ
り、溶融物202中にガスをトラップし、トラップされる
ガスの量は撹拌時間の増加に伴い増加する。好まし機械
的な表面防護壁は一片のファイバガラス布206であり、
これは溶融複合材料中での溶解あるいは他の劣化に対し
安定し、溶融物202の表面上に配置される。溶融アルミ
ニウム上に浮かぶ材料で作成されたフロート208がファ
イバガラス布206に縫い込まれ、あるいは接着され、こ
の布が溶融物202中に沈むのを防いでいる。好ましいフ
ロート材料は絶縁材として一般に使用される型の繊維板
である。ファイバガラス布206は、溶融物をトイ142に注
ぐ前に溶融物202の表面上に置かれる。溶融物202の溶融
金属はファイバガラス布206の開口を通って移動し、そ
のため布206は表面上に浮いている半分が浸水した状態
にある。フロート206は布が更に溶融物中に沈むのを防
ぐ。

機械的な表面防護壁は、被覆されていない領域はガス
を吸収する傾向があるので、溶融物202の表面全体を覆
うことが望ましい。

そのため、ファイバガラス布206は大きめに切られる
のが好ましく、そのため、数字210で示されるように、
最初は保持炉200の内表壁まで布が広がる。保持炉200は
更に傾けられるので、溶融物202の表面が増加し、壁ま
で広がる過剰材料は次第に溶融物の暴露表面上に引っ張
られてくることとなる。このように、機械的な表面防護
壁の大きさは自動的に調整される。混合あるいは保持炉
が傾けられない底注入あるいは他の技術に対しては、フ
ァイバガラス布は溶融物の頂部の大きさに切ったり、所
望の大きすぎる大きさのままにしておくことができる。
機械的な表面防護壁は、保持及び注入操作全体におい
て、溶融物の表面領域全体を覆うことが望ましい。

機械的な表面防護壁を提供する他のアプローチも使用
できる。セラミックボール層、ガラスボール層あるいは
木炭層でさえも、溶融物の表面を静めるために使用する
ことができる。融点の低い塩の層もまた、溶融物の表面
を静めるためにその表面に配置することができる。しか
しながら、取扱いが容易で、注入操作が完了した時に除
去するのが簡単であるため、ファイバガラス布を使用す
ることが好ましい。

より流動性の高い（粘性の低い）合金に対しては、混
合中に溶融材料内にガスが混入する傾向が低いので、機
械的な表面制御は必要ないかもしれない。

このアプローチの実施可能性は、実験鋳造の実行の後
の段階で機械的表面防護壁を除去することにより説明さ
れている。表面防護壁が存在している場合、鋳造物の多
孔率は最初低く、鋳造操作の全期間を通して低いままで
あり、数時間の鋳造まででさえそうである。表面防護壁
が鋳造操作の中間点で除去された場合、結果的に得られ
るインゴットのその後の調査により、防護壁の除去が多
孔率の量の増加を引き起こすことが示されている。

表面防護壁はまた、トイ142中の混合物141上に浮かぶ
障壁布220により示されるように、トイ142上でも使用す
ることができる。同様の表面防護壁アプローチはガスが
混合物141中にトラップされ得る場所ならどこでも適用
することができる。

以下の実施例は本発明の観点を説明するものであり、
いかなる観点においてもこの発明の限定をするものでは
ない。

実施例１ アルミニウム−７重量％珪素の合金中の15容量％の炭
化珪素粒子の鋳造複合材料は鋼鉄モールド中で１秒につ
き約４℃の速度で凝固させた。その結果得られた材料の
微細構造は図１に示す。

実施例２ 米国特許第4,723,590号に開示されているツインロー
ルキャスタ内で、１秒につき約1600℃の凝固速度で、凝
固を行ったこと以外は、実施例１を繰り返した。この合
金の構造を図２に示す。

実施例３ 10容量％の酸化アルミニウム補強材粒子を有するAA
（アルミニウム協会、Aluminum Association）2014アル
ミニウムの加熱処理は、（１）複合材料が鋼鉄モールド
で鋳造され１秒につき約４℃の速度で凝固される低圧鋳
造技術により、及び（２）複合材料が図４に示されるよ
うな装置を用いて、１秒につき約15℃より大きな凝固速
度で、鋳造される半連続鋳造技術により準備されてい
た。

低圧鋳造により生成される材料は433MPa（62,800ps
i）の耐力強度、456MPa（66,200psi）の極限引張強度、
破壊時に2.75％の伸びを有していた。その構造は図１に
示されたものと同様である。半連続鋳造により製造され
た材料は優れた特性を有し、472MPa（68,400psi）の耐
力強度、503MPa（73,000psi）の極限引張強度、4.0％の
伸びを示した。

実施例４ 多くの鋳造複合材料を図４に示した装置を用いて製造
した。それぞれの場合で製造したAl₂O₃粒子層の容積部
の範囲と共に、その合金を表１に示す。

様々な合金の系に対する鋳造条件は表２に示す。

実施例５ アルミニウム合金マトリクス及びAl₂O₃粒子を用い
て、４つの鋳造複合材料を製造した。表３に、それぞれ
の場合において使用した合金及びAl₂O₃粒子の量を示
す。

約150kgのそれぞれのインゴットを750−770℃内で制
御される溶融温度で、るつぼ炉の中で溶融した。フラク
シング（fluxing）などの溶融金属処理は、その溶融物
に適用しなかった。注入する直前に、溶融物を撹拌し、
その撹拌は鋳造の間は継続した。鋳造は米国特許4,723,
590号に示される型のツインロールキャスタで行った。
このキャスタは、ロールギャップ4mm、ストリップ幅300
mmで、25mmのチップセットバック、グラファイト被覆ロ
ーラを有する。

鋳造が完遂したストリップは、540℃で２時間均質化
し、350℃で４時間エージングし、1.5mmに冷却して圧延
し（60％減少）、550℃で１時間溶融熱処理し、（回転
及び横方向で）引っ張りをカットし、175℃で０、１、
４、８及び16時間エージングすることにより作成した。

これらの合金の開始の及び定常状態の鋳造は、SiC補
強合金に対する従来の鋳造試験と何等異なることをしな
いでも達成することができる。しかしながら、実施可能
な鋳造速度ウィンドーはより狭く、4mmのゲージで850−
900mm/分の幅であることが好ましい。

図６に、鋳造後のAA6061＋15Al₂O₃ストリップから得
られた低倍率の顕微鏡写真を示す。全体の微細構造か
ら、粒子が一様に分散され、構造には主な鋳造欠陥が事
実上無いことが示されている。

鋳造後のストリップの化学分析を以下の表４に示す。

AA6063＋15Al₂O₃シート及びAA6061＋15Al₂O₃シートに
対し機械特性を測定した。耐力強度、極限引張強度、破
壊時の伸びは175℃、８時間のエージングの後、一般に
安定することがわかった。

175℃で８時間のエージングの後の典型的な結果を図
５に示す： 本発明は鋳造、金属マトリクス複合材料を商業的に製
造する技術において重要な進歩を提供するものである。
高品質で、微細構造が一様な複合材料が、この発明によ
り、商業的なスケールで製造することができる。説明の
ために本発明の特定の実施例について詳細に記述した
が、この発明の範囲に反することなく、種々の変更態様
のものを行うことができる。従って、この発明は添付の
請求の範囲に示されるもの以外に制限されるものではな
い。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハドソン、ラリー・ジー アメリカ合衆国、01342・ニューヨーク、 プラスキ、アール・アール・ナンバー ４、ハルシー・ロード7979番 (72)発明者 ジン、イルジョーン カナダ、ケイ７エム・５ビー１、オンタ リオ、キングストン、サセックス・ブー ルバード696番 (72)発明者 ロイド、デイヴィッド・ジー カナダ、ケイ７エム・６ビー７、オンタ リオ、キングストン、ベリック・プレイ ス865番 (72)発明者 スキボー、マイケル・ディー アメリカ合衆国、92024・カリフォルニ ア、ルーカディア、エオラス・ストリー ト1346番 (56)参考文献 特開 平１−313179（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−139464（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−89906（ＪＰ，Ａ) 特表 平１−501489（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 11/00 B22D 11/10 B22D 11/10 350 B22D 19/14

Claims (23)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融金属と、個体でその混合物の約５から
   35容量％を占め、自由に流れる補強材粒子との混合物を
   供給する工程と、該混合物を粒子の偏析を防ぐために凝
   固前に撹拌する工程と、該混合物を凝固させる工程を備
   えた固体鋳造複合材料の製造方法であって、 上記凝固前に撹拌する工程において、上記混合物中にガ
   スが混入するのを実質的に防ぎつつ混合物の撹拌を行
   い、上記凝固させる工程において、該混合物を、形成さ
   れる複合材料中のマトリックスの平均セルサイズが上記
   粒子の粒子間隔よりも大きくならないように、その溶融
   金属の液相線及び固相線温度間で１秒につき少なくとも
   約15℃の冷却速度で凝固させ、それによって補強材粒子
   が均一に分散した固体鋳造複合材料を得ることを特徴と
   する方法。
2. 【請求項２】上記撹拌する工程において、上記混合物中
   にガスが混入するのを防ぐために該混合物の表面上に機
   械的な被覆物を配置する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】上記機械的な被覆物は溶融混合物と接触し
   ても安定な材料からなるブラケットである請求項２記載
   の方法。
4. 【請求項４】上記溶融混合物から捕集された気泡を除去
   する請求項１または２記載の方法。
5. 【請求項５】上記溶融金属を、金属と粒子は通り抜ける
   ことができるが気泡は通り抜けることのできないフィル
   タに通すことにより気泡の除去を行なう請求項４記載の
   方法。
6. 【請求項６】上記溶融金属を、該溶融金属に沈められた
   開口に通すことによって表面の泡及び気泡の通過を妨
   げ、これにより上記気泡の除去を行う請求項４記載の方
   法。
7. 【請求項７】上記溶融金属はアルミニウム合金である請
   求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
8. 【請求項８】補強材粒子は金属酸化物、炭化物、窒化物
   及びガラス物質からなる群から選択される請求項１ない
   し６のいずれかに記載の方法。
9. 【請求項９】補強材粒子が酸化アルミニウムである請求
   項８記載の方法。
10. 【請求項１０】補強材粒子が炭化ケイ素である請求項８
    記載の方法。
11. 【請求項１１】冷却速度が１秒あたり約15ないし約100
    ℃である請求項１ないし10のいずれかに記載の方法。
12. 【請求項１２】冷却速度が１秒あたり約100℃をこえる
    請求項１ないし10のいずれかに記載の方法。
13. 【請求項１３】平均セルサイズが約25ミクロンを越えな
    い請求項１記載の方法。
14. 【請求項１４】冷却速度をマトリックスの平均セルサイ
    ズが上記粒子の粒子間隔の半分より大きくならないよう
    にする請求項１記載の方法。
15. 【請求項１５】平均セルサイズが約12ミクロンを越えな
    い請求項１記載の方法。
16. 【請求項１６】鋳造複合材料を製造する装置であって、 溶融金属と固体の自由に流れる補強材粒子の混合物を供
    給する手段と、 凝固する混合物の形状を規定するものであって、中空の
    スリーブモールドを有し、その側壁が凝固する混合物の
    形状を規定する通路となる内部側面を有するとともに該
    通路の両端が開放されているモールド手段と、 上記供給手段からの混合物の流れを受け、上記モールド
    手段の貯槽として機能する貯槽手段と、 上記混合物中に粒子が均一に分配されるのを保持するの
    を助けるために混合物を撹拌する手段と、 上記モールド手段の他端から上記凝固した混合物を取り
    出す手段とを備え、 特に混合物の撹拌中に混合物中にガスが混入するのを避
    けるために、ガス混入を防止可能な機械的被覆物を混合
    物の表面に備え、上記モールド手段と取り出し手段とが
    協同して少なくとも１秒当たり15℃の冷却速度を混合物
    の容量全体に与えるように構成してなる装置。
17. 【請求項１７】さらに、溶融混合物から捕集した気泡を
    除去する手段を備える請求項16記載の装置。
18. 【請求項１８】上記除去手段が金属および粒子は通過す
    るが、気泡の通過を妨げフィルタである請求項17記載の
    装置。
19. 【請求項１９】上記除去手段が混合物中に浸漬した開口
    を有する混合物の流路にあるプレートであって、表面泡
    および気泡の通過を妨げる請求項17記載の装置。
20. 【請求項２０】アルミニウム合金マトリックスに補強材
    粒子約５−約35容量％が分散した鋳造複合材料であっ
    て、上記マトリックスが補強材粒子の平均粒子間隔以下
    のセルサイズを有する鋳造したままの微細構造を有する
    ことを特徴とする鋳造複合材料。
21. 【請求項２１】マトリックスのセルサイズが補強材粒子
    の平均粒子間隔の約半分以下である請求項20記載の鋳造
    複合材料。
22. 【請求項２２】平均セルサイズが約25ミクロンを越えな
    い請求項20または21に記載の鋳造複合材料。
23. 【請求項２３】平均セルサイズが約12ミクロンを越えな
    い請求項20または21に記載の鋳造複合材料。