JPH04210437A - 金属マトリックスを有する複合材料を製造するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１］

【産業上の利用分野】本発明はより特定的には、アルミ
ニュウム及びその合金から成る金属マトリックスを有す
る複合材料を製造するための方法及び装置に係る。当業
者にはその用途の殆どにおいて金属は特に機械的特性を
向上するため合金の形で用いられることが公知である。 ［０００２１

【従来の技術］しかしながら、技術の発達を考えるとこ
れらの特性に関するユーザーの要求は次第に厳しくなり
、従ってこれらの合金は、高温に対する耐性の貧しさ、
疲労又は摩耗に対する耐性の低さ、及び摩擦による亀裂
又は低すぎる弾性率などの欠点をもつ。 ［０００３１当業者が複合材料に頼った理由はここにあ
る。複合材料とはつまり金属マトリックスが、例えば金
属に普通は溶解しない粉末材料の分散によって強化され
た製品のことである。 ［０００４１Ｌかし７粉末材料がその強化の役割を効果
的に発揮するためには、得らねた複合材料に最も均質で
あり得る特性を与λるために、７１−リックスを通して
それらを均一に分配するという問題を解決することが肝
要である。実際、すでに金属７１へリックスをもつ複合
材料を製造する様々な方法がある。 ［０００５］こうして現在量も完成された技術は、粉末
冶金、成形−鍛造等の方法を用いているが、し７かしそ
れらは複雑で経費がかさみ、したがって「最高級品」と
されている。 ［０００６］もう少し標準的な強化製品のための市場を
目指すこともまた可能である。そのためには最も単純な
技術が用いられなげねばならない。最も魅力的な技術は
細かい粒子を直接液体金属中に又は液体と固体との間の
スペース内に分散することである。不幸にもこの技術は
、次のいくつかの理由から適用が極端に難かしいことが
分かった。 ［０００７］まず第一に、強化粒子はそれらが酸化物、
炭化物、窒化物、又は他の耐熱性複合物であっても、金
属によって湿らされにくい。従って一方ではそれらを金
属に導入することは困難で、そしてこのことはしばしば
極めて厳格な作業条件以外では不可能でさえあるかもし
れない。そして他方では一度金属内に入るとこのむずか
しい作業の過程で形成されても　冶金学的に害のあるか
もしれない物体を分散させるのはむずかしい。 ［０００８］従って許容し得ない金属の酸化及びガス化
を、粒子の導入と同時に引き起こさないことは極めて困
難であることが分かる。実際、多数の汚染の原因が存在
する。即ち、−導入された粒子の表面からの脱着。 ［０００９３−粒子が集まり状態で金属に入った場合に
、粒子間に存在する空気。 ［００１０１−そして粒子を導入し及び分散するための
現在の装置。 ［００１１］これまでに公知である製造方法は１つの共
通点をもっている。例えば、米国特許第４４７３１０３
号及び４７５９９９５号に開示された方法をあげてもよ
い。 ［００１２］この形式の浸漬は、常に浴の表面上の酸化
物表皮の致命的な存在によって覆えされる。 ［００１３］−この表皮は導入される粒子のための障壁
とトラップを形成し、これが湿潤性の問題に更なる困難
さを付は加える。 ［００１４１−粒子が最終的に金属に入り込むときに少
しの表皮を伴い、これが金属の汚染と、粒子の集まりが
文字どおり表皮内に包み込まれるならば、粒子の分散と
を困難にする。 ［００１５３この浸漬のため現在２つの方法が用いられ
ている。第１の方法は粉末が羽根によって表面下に押し
込まれ、羽根に様々な運動が与えられる機械的な方法で
ある。第２の方法は、液体金属内に生じる渦の吸引に基
づいているから水力式の方法である。 ［００］、　６］　Ｌかし不幸にもこれらの方法は２つ
共、浴の表面上にそれら自体によって更に多くのドロス
を生じ、更に金属の内部汚染を強めるという共通の傾向
をもつ。従って、それらは粒子の導入条件をさらに微妙
にし７、そして不満足にも当然ながらそねほど良い結果
には至らないというパラドックスをもつ。 ［００１７］雰囲気の調整（真空、アルゴン等）と様々
な作業上の注意（すくいとり、事前脱ガス等）が状態を
向上させるが、しかしこれらの方法を真に有効にするに
は充分ではない。酸化物表皮は依然として表面上に形成
され、粉末は最終的に集まり内に浸され、作業時間は依
然として非常に長い。 ［００１８１その結果、得られる製品は常に以下を表す
。 ［００１９］−多孔性であり、−酸化物があり、−球状
の粒子の集合（そしてしばしば粒間に金属は無い）、又
は鎖状（同じ酸化物表皮内に捕えられた）である。 ［００２０１さらに導入が必ずしも唯一の問題ではない
。粒子は一旦導入されると、強い混合及び／又は金属の
剪断によって分散されなければならない。実際、強い混
合は、もし導入が何らかの機械的方法によって実行され
るならば容易に達成できる。２つの作業はそうすれば両
立できる。 ［００２１］他方では渦の形成は金属の遠心分離を要求
し、これは強い混合と両立せず、側壁に導入された粉末
のデカンテーションに利する傾向さえある。粒子の分散
は、もはや完全に液体金属ではなく少なくない固体摩擦
をもつペースト状金属で作業することによって得られた
強力な剪断を介して不可能な混合処理を代替することで
のみ有効であり得る。 ［００２２］これらの欠点を考えて、本出願人は製造方
法と装置の完成を目指した。 ［００２３１本発明によれば、本方法は出発点が金属浴
であり、その少なくとも１部が液体であって且つ混合処
理にかけられ、溶解性のない粉末材料がその中に導入さ
れ、前記粉末材料が重力によって垂直で直線方向に前記
浴の中心部に運ばれ、遠心力が導入方向に対して事実上
直角に加えられ、材料が前記方向の周辺で複数の脈の形
で浴と接触し、さらにこれに回転運動が与えられ、この
動きが混合処理と相俟って浴内への材料の分散を引き起
こす。 ［００２４］こうして本発明においては、材料は粉末状
態で導入され、そして粉末は浴面の直下に運ばれ且つ酸
化物表皮から遠ざけて保たれる。 ［００２５］遠心力のおかげで、これらの粒子はかなり
の速度を獲得し、従って集まりを形成できず、その結果
事実上互いに離れて浴に達する。 ［００２６］更に、粒子は入力方向に誘導されるから、
連続的にシフトする浴と衝撃点をもち、混合処理と共に
粒子の導入と分散を促進する。 ［００２７］浴表面下への導入は、好ましくは材料が少
なくとも２つの脈に従って浴と接触しこうし２て粒子の
分散に寄与するようにして実行される。 ［００２８］また好ましくは、これらの粒子は浴への導
入に先立って水分を脱着され、酸化物表皮の発達に寄与
する酸化現象を防ぐ。 ［００２９２更に浴の金属に対して不活性の雰囲気内で
、それ自体制御雰囲気内にある浴の入った容器と個別に
浴の中心部へホッパから材料を運ぶことができる。 ［００３０１粒子の導入は粒子上に導入方向に、少なく
とも部分的に重力の作用でそれから遠心力の作用と協働
するガス圧をかけることによって可能にされる。 ［００３１１材料に加えられる回転運動は、毎分３００
〜１５００回転の間に含まれる速度で実行されるのが好
ましい。この限界以下の速度は良い分散を可能にしない
低すぎる遠心力を作る。この限界を越える速度は一方で
は大きすぎて脈の充分な流れを妨げる遠心力を生じ、他
方では、発明の目的の一つが実際にこの難点を克服する
対象であった渦効果を生じてしまう。 ［００３２］浴は同様に一方では新しい金属浴の添加に
よって、他方では複合材料の抽出によって連続して更新
されてもよい。これは例えば浴が、炉と鋳造ステーショ
ンとの間に配置された操作とりべ内に置おかれている場
合である。 ［００３３］この場合、材料導入の速度は浴を更新する
ため添加された新しい金属浴の流速に連動される。すべ
ての粉末材料はこの方法で用いられても良いが、しかし
好ましくは酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化
物、炭素及びグラファイトが選択されるであろう。 ［００３４］均質分散を得るため、１μｍ〜５μｍの間
の粒度の粒子が好ましくは用いられる。細か過ぎる粒子
は湿潤が困難で派内に流れることが難しかしく、より粗
い粒子は均一に分散する。 ［００３５］Ｌかしながら最良の結果は、浴補強材料の
パーセンテージに関しては５μｍ〜１００μｍの間に含
まれるより狭い範囲で得られ、これは好ましくは容積で
３〜３０％の間に含まれ、低いパーセンテージは金属マ
トリックスの性質を変えることが困難で、一方高いパー
センテージは多かれ少なかれ不均質混合物を生じる。 ［００３６１本発明は好ましくはアルミニュウム合金及
びそれらとアルミナ及び炭化ケイ素との複合材料に適用
する。 ［００３７３３本発明同様に本方法を実施するための装
置にも適用する。 ［００３８］この装置では浴混合手段が、粒子導入手段
と結合され且つ容器内に含まれる浴内に浸漬された円板
とその底部で結合された中空回転子を含んでおり、容器
の平面は回転子の軸に対して垂直であり、さらに円板の
側壁は少なくとも２つの羽根を備え、円板の質量体は頂
上部で中心部付近が回転子の中空部と連絡する分配室を
形成すべくスカラップ形に切られており、そしてその側
壁上には浴中へ開口する事実上半径方向の通路を備えて
おり、さらに回転−子の内部では分酪室に開く中空の固
定子が回転子と組み合わされることなく延伸し、その上
方部分が材料供給用装置と連通ずることを特徴とする。 ［００３９］こうして本発明装置は例えば米国特許第１
１８０２６５６号により公知である先行技術から区別さ
れる。その差異は固定子かあ−って、回転子の内部に供
給装置と分配室との間に重力に１よって材料の粒子を確
実に運搬し、そして室内に生じる遠心力の作用に、よっ
て前記粒子の運搬が通路を通って浴中へ行われることで
ある。 ［００４０１この構成によって粒子は、遠心力を介し、
て減速されることなく重心によってより素箔く下降する
。 実際、もし下降ダクｌ〜として役立つのが回転子自体で
あれば、遠心力は側壁に対して粉末を張り付かせ、下降
を遅らせようとするであろう。 ［００４］、）材料と共に空気が戻るのを防ぎたいと望
む場合は、供給装置が用いられる。これは閉鎖されたロ
ートによって構成され、乾燥していて金属に対して不活
性なガスの雰囲気下に保持され、さらに該装置は固定子
に密閉式に結合され、固定子を回転子から分離するスペ
ースはその内部に回転シールをはめ込むことによ−）で
閉じらねる。 ［００４２）回転子はその周縁上に浴に運動を与える羽
根を含んでいる。混合作業は強化され、また渦の傾向は
、羽根の向きの適正な選択によって及び／又は少なくと
も１つのバッフルを浴を含む容器内に導入することによ
って減退する。 ［００４３３回転子の周縁部の水力学的効果によって、
これらの羽根は、粒子が回転子からよりたやすく現れ且
つこうして通路が詰まるのを防ぐことを可能にする。 ［００４４１回転子−固定子装置は事実上浴内に粒子を
分散する機能をもつが、同様に回転運動によって前記浴
に何らかの混合作用を与える。しかしながら、この混合
作用は不適切であるかも知れない。さらに回転速度が高
すぎるときは、通路が粒子で詰まり、浴に分配されるレ
ベルで詰まりを生じるかもしれない。従ってこの速度は
制限されなげねばならず、浴を混合する作用も同様に不
適切になるかもしれない。 ［００４５］このため幾つかの場合においては、分配用
回転子以外の混合手段の使用が考えられる。即ち、−回
転子に固定され、且つその直径が適正な周縁速度を与え
るのに適した混合用タービンか、又は−浴に浸漬された
独立した回転式混合装置か、又は−容器内に取り付けら
れ、且つ浴に作用する電磁式混合装置である。 ［００４６１周囲大気からの汚染に対して全体的な安全
性をもつために、乾燥して金属に不活性の雰囲気ガスを
浴上にもつことも又好ましい。 ［００４７１この種の装置は、るつぼ又は鋳造ヘッド内
へのように炉内に正しく設置されることができよう。 ［００４８］ 【実施例】次に添付図面を参照して本発明装置の１実施
例につき詳しく説明する。 ［００４９］図１は中空回転子１を示し、該回転子は、
容器例えばるつぼ４に入った液体金属の浴３内に浸漬さ
ねた円ぺ２をその下部に備える。 ［００５０１この円板は、回転子の中空部６と連絡する
分配室５をその中心部近くにもつ。この室は、その側壁
（二事実ヒ半径力向の通路７を備えており、通路は、円
板の側壁トに及び／又はそこに備えられた羽根８の間で
浴中に開口する。 ［００５１１回転子の内部では固定子９が回転子の内壁
と接続しないで延伸する。固定子の底部が分配室内に開
口し、その上方部分が、浴の質量内に溶解又は分散する
材料１１を供給するホッパ１０と連絡する。 ［００５２］固定子と回転子との間に配置された回転シ
ール１２は、大気から室５を分離することを可能にする
。回転子駆動装置は図示していない。 ［００５３］図２に示す円板２は、羽根８を備え、且つ
その中心部近くに側壁りに羽根８の間で浴中に開口する
通路７を備えた分配室５をもつ。 ［００５４Ｎ以下に実施例をあげて本発明を説明する。 ［００５５３実施週↓ ３ｋｇのＡ３７ＧＯ，３アルミニュウム合金が炉内で製
造された（シリコン７重量％、マグネシュウム０，３重
量％を含む合金）。この母金属に対して最も単純な型式
（開放ホッパ）を用いた本発明の方法によって粒度Ｆ２
４０　（およそ５０μｍ）の炭化ケイ素粒子１０％が添
加された。 ［００５６］導入は８分間継続して行われ、金属の品質
の変化を何ら引き起こさなかった。粒子は正しく分配さ
れ、塊状の集積を何ら示さなかった。 ［００５７Ｎ使用の回転子は直径が６０μｍ、羽根が４
枚、直径１５μｍの穴が４つで、この穴を通って粒子が
導入された。回転速度は７００回／分である。 ［００５８１実施例２ ３ｋｇのＡ−５７Ｇ０．３アルミニウム合金が炉で製造
された。この母金属に対して粒度Ｆ６００　　（およそ
１０μｍ）の炭化ケイ素粒子１０重量％が添加された。 粒子の細かさを考慮して、本方法はこの度は、ホッパが
中性（アルゴン）雰囲気下にある型式によって実行され
た。 ［００５９］導入は２５分継続して行われ、金属の品質
に何ら変化を起こさなかった。 ［００６０１粒子は正しく分配され、塊状の集積を何ら
示さなかった。 ［００６１１使用の回転子は直径が６０ｍｒｎ、羽根が
４枚、直径２μｍの８つの通路で、この通路を通って粒
子が導入された。回転速度は７００回／分であった。

【図面の簡単な説明】

【図１．】るつぼ内に入った液体金属浴内に回転子が浸
された状態を表す本発明装置の断面図である。

【図２】図１の水平面Ｘ−Ｙに従う回転子の横断面図で
ある。

【符号の説明】

■　中空回転子 ２　円板 ５　分配室 ７　通路 ９　固定子 １０　供給装置 １１　粉末材料

【図１】

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】出発点が金属の浴であり、その少なくとも
   １部が液体であって且つ混合処理にかけられ、溶解性の
   ない粉末材料がこの中に導入され、前記粉末材料が重力
   によって垂直で直線方向に前記浴の中心部に運ばれ、遠
   心力が導入方向に対して事実上直角に加えられ、材料が
   前記方向の周辺で複数の脈の形で浴と接触し、さらにこ
   れに回転運動が与えられ、この動きが混合処理と相俟っ
   て浴内への材料の分散を引き起こすことを特徴とする複
   合材料を製造するための方法。
2. 【請求項２】材料が少なくとも２つの脈に従って浴と接
   触することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】材料が、浴の中心部への導入に先立って水
   分含量が脱去されることを特徴とする請求項１に記載の
   方法。
4. 【請求項４】材料が、金属に対して不活性のガス雰囲気
   の下で導入されることを特徴とする請求項１に記載の方
   法。
5. 【請求項５】ガス圧が、導入方向に従って材料上にかけ
   られることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 【請求項６】回転運動が、３００回転／分〜１５００回
   転／分に含まれる速度で実行されることを特徴とする請
   求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】浴が一方では新しい金属浴の添加によって
   、他方では複合材料の抽出によって連続して更新される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 【請求項８】材料導入の速度が、浴を更新するための新
   しい金属浴の流速に関連されていることを特徴とする請
   求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】材料が酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物
   、ケイ化物、炭素及びグラファイトを含むグループに属
   することを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 【請求項１０】材料が１μｍと５μｍの間の粒度をもつ
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 【請求項１１】粒度が５μｍと１００μｍとの間に含ま
    れることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 【請求項１２】浴内で材料の比率が容積で３％と３０％
    との間に含まれることを特徴とする請求項１に記載の方
    法。
13. 【請求項１３】金属浴がアルミニュウム合金であること
    を特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 【請求項１４】材料がアルミナ及び炭化ケイ素を含むグ
    ループに属することを特徴とする請求項１３に記載の方
    法。
15. 【請求項１５】請求項１に記載の方法を実施するための
    装置であって、浴混合手段が、粒子導入手段と結合され
    、且つ容器内に含まれる浴内に浸漬された円板とその底
    部で結合された中空回転子を含んでおり、容器の平面は
    回転子の軸に対して垂直であり、さらに円板の側壁は少
    なくとも２つの羽根を備え、円板の質量体は、その頂上
    部で中心部付近が回転子の中空部と連絡する分配室を形
    成すべくスカラップ形に切られており、そしてその側壁
    上には浴中へ開口する事実上半径方向の通路を備えてお
    り、さらに回転子の内部では分配室に開く中空の固定子
    が回転子と組み合わされることなく延伸し、その上方部
    分が材料供給用装置と連通することを特徴とする装置。
16. 【請求項１６】回転シールが回転子と固定子との間に配
    置されていることを特徴とする請求項１５に記載の装置
    。
17. 【請求項１７】供給装置が、閉鎖されて、且つ乾燥して
    いて金属に対して不活性なガスの雰囲気下に保持された
    ホッパであることを特徴とする請求項１５に記載の装置
    。
18. 【請求項１８】容器が少なくとも１つのバッフルをその
    内部に備えていることを特徴とする請求項１５に記載の
    装置。
19. 【請求項１９】回転子が、その軸上に混合用タービンを
    備えていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
20. 【請求項２０】回転子が、浴内に浸漬された少なくとも
    １つの回転混合装置と結合されていることを特徴とする
    請求項１５に記載の装置。
21. 【請求項２１】容器が電磁式浴混合装置を備えているこ
    とを特徴とする請求項１５に記載の装置。
22. 【請求項２２】浴が、容器内において乾燥して金属に不
    活性の雰囲気ガスの下で配置されていることを特徴とす
    る請求項１５に記載の装置。
23. 【請求項２３】容器が炉、とりべ、鋳造用ヘッドを含む
    グループに属することを特徴とする請求項１５に記載の
    装置。