JPH05507321A - 金属マトリックス複合材の製造方法 - 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】 金属マトリックス複合材の製造方法 〈産業上の利用分野〉 本発明は金属マトリックス複合体の新規な製造方法に間する。

特に自発的浸透技術による金属マトリックス複合材を形成する本発明の好ましい 方法において、浸透促進剤（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｎｇ　ｅｎｈａｎｃｅｒ）及 び／又は浸透促進前駆体及び／又は浸透雰囲気が充填剤物質又はプレフォームと 連繋して、製造課程の少なくとも成る点において、溶融マトリックス金属が充填 割物質又はプレフォームに自発的浸透するものである。このような自発的浸透は いかなる圧力又は減圧の適用の必要なくして行われる。溶融マトリックス金属は 、自発的浸透法を促進させる驚くべき方法で提供される。

＜［３１伎歪） 金属のマトリックスとセラミックの粒子、ホイスカー、繊維等の強化相とから成 る複合材製品は、強化相の剛性、耐磨耗性とマトリックス金属の延性、靭性のい くつかを合わせ持つため、いろいろの応用が可能である。一般に、金属マトリッ クス複合材は金属マトリックス単体と比べて、強度、剛性、接触摩擦抵抗、熱膨 張係数、密度、熱伝導性、高温強度などの特性が改良されるが、所望の特性の改 良の程度は、特定の成分とその容積又は重量割合及び複合材の形成方法に大きく 依存する。複合材はマトリックス金属自体よりも軽量であることもできる０例え ば粒子、ベレット、ボイスカー状の炭化ケイ素のようなセラミックスで強化した アルミニウムマトリックス複合材は、アルミニウムと比べて、高い北南性（例、 密度に対する弾性率）、耐磨耗性、熱伝導性、低い熱膨張係数、また高温強度及 び／又は比強度（例、密度に対する強度）を持つので有用である。

アルミニウムマトリックス複合材を製造する多くの金属学的方法が報告されてお り、粉末冶金法や、加圧鋳造、真空鋳造、攪拌及び浸潤剤を用いる液体金属浸透 法などがある。粉末冶金法では、粉末状の金属と粉末、ボイスカー、短繊維等の い形状の強化材を混合した後、常温プレス及び焼結するか、またはホットブ　ス する。この方法で製造した炭化ケイ素強化アルミニウムマトリックス複合材中の 最高のセラミックス体積率としては、ホイスカーの場合で約２５体積％、粒子の 場合で約４０体積％が報告されている。

従来の金属冶金的手法による金属マトリックス複合材の製造では、得られる製品 の特性に関して制約がある。複合材中のセラミック相の体積率が制約され、粒子 状で約４０体積％である。また、加圧成形できる寸法には限りがある。後加工（ 成形や機械加工）や複雑なプロセスによらなければ、製品形状が比較的簡単なも のに限られる。

さらに、焼結時の収縮が不均一であり、また成形及び粒成母時の偏析による微細 組織の不均一化が起こる。

米国特許第３９７０１３６号（１９７６年７月２０日Ｊ、Ｃ，Ｃａｎｎｅｌｌ　 らに発行）は所定の繊維配向を有する炭化ケイ素又はアルミナホイスカー等の繊 維強化材を含む金属マトリックス複合材の製造方法を記載している。この複合材 は、型の中に面内配向繊維の平行なマット又はフェルトと共に、少なくとも一部 のマットの間に溶融マトリックス金属（例、アルミニウム）の溜（ｒｅｓｅｒｖ ｏｉｒ）を置き、加圧して溶融金属をマントに浸透させ配向繊維を包囲させるこ とにより作成される。

溶融金属はマットに上から注いで圧力でマット積層体間に流入するようにしても よい。複合材巾約５０体積％までの強化繊維を複合化できたことが報告されてい る。

上記の浸透法は、溶融マトリックス金属を繊維マント積層体中に強制的に浸透さ せる外部圧力に依存しているので、加圧流体プロセスの不規則性が避けられない 、即ち、マトリックス形成、多孔度、等が不均一になる可能性がある。この多孔 度の不均一性は繊維列に多くの位置から溶融金属を導入しても起きる。したがっ て、繊維マット積層体への適切かつ均一な浸透を実現するためには複雑なマット ／溜配列と波路を提供することが必要になる。また、上記の加圧浸透法は、本質 的にマントの体積率が大きいものに浸透させることが困難であり、比較的小さい 強化材／マトリックス体積比だけが実現可能である。さらに、溶融金属を型の中 に加圧下に保持する必要があり、このため方法が高価になる。最後に、上記の方 法は、配列した粒子や繊維に浸透することに限定されており、不規則に配向され た粒子、ホイスカー、繊維の形の材料で強化されたアルミニウム金属マトリック ス複合材の製造には向けられていない。

アルミニウムマトリックス／アルミナ充填剤の複合材の製造では、アルミナはア ルミニウムで濡れにくいためｍ密な製品を形成することは困難である。この問題 を解決するいろいろな方法が提案されている。１つの手法はアルミナを金属（例 、ニッケル、タングステン）で被覆してからアルミニウムと共にホットプレスす ることである。

別の手法では、アルミニウムをリチウムと合金化し、またアルミナをシリカで被 覆する。しかし、これらの複合材は特性が変化したり、被覆物がフィラーを劣化 させたり、またマトリックスがリチウムを含むためマトリックスの特性が悪影響 を受けたりする。

米国特許第４２３２０９１号（ＲＪ、Ｇｒｉ曽５ｈａ−らに発行）はアルミニウ ムマトリックスアルミナ複合材の製造に伴う従来技術の困難のうちいくつかを解 決している。この特許では、７００　”Ｃ〜１０５０”Ｃに予熱したアルミナ製 の繊維又はホイスカーのマットに溶融アルミニウム（又は溶融アルミニウム合金 ）を浸透させるために７５〜３７５　ｋｇ／ｃｊの圧力を通用する。得られた固 体鋳造物のアルミナ／金属の最高体積比は０．２５／　１であった。浸透が外部 圧力に依存しているためにこの方法はＣａｎｎｅｌｌ　らの特許の方法と同様の 多くの困難を伴う。

欧州特許出願公開第１１１７４２号は、予備成形したアルミナマトリックスの空 隙を溶融金属で満たして、特に電解槽部材として有用なアルミニウム／アルミナ 複合材の製造を記載している。この出願はアルミナがアルミニウムで濡れないこ とを強調して、アルミナのプリフォーム全体を濡らすためにいろいろな手法を用 いている。アルミナをチタン、ジルコニウム、ハフニウム又はニオブのニホウ化 物の湿潤剤あるいは金属即ちリチウム、マグネシウム、カルシウム、チタン、ク ロム、鉄、コバルト、ジルコニウム又はハフニウムで被覆している。アルゴンな どの不活性雰囲気を用いて湿潤を促進している。この文献も溶融アルミニウムが 未被覆マトリックスに浸透するように圧力を適用している。すなわち、不活性雰 囲気（例、アルゴン）中で、空隙部を真空排気した後、溶融アルミニウムを加圧 している。あるいは、プリフォームにアルミニウムを気相析出させてその表面を 濡らしてから溶融アルミニウムを浸透させ空隙部を満たすこともできる。プリフ ォーム空隙部中のアルミニウムの保持を確実にするために、真空又はアルゴン中 での熱処理（例、１４００〜１８００”Ｃ）が必要である。そうでないと、加圧 浸透される材料を気体に暴露したりあるいは浸透圧力を除去すると、複合体中の アルミニウムが減少するであろう。

電解槽中のアルミナ部材に溶融金属の浸透を行うために湿潤剤を用いることは欧 州特許出願公開第９４３５３号にも記載されている。この刊行物は陰極電流供給 体を電解槽の内張又は基材として有する電解槽で電気メッキしてアルミニウムを 製造する方法を記載している。

この基材を溶融氷晶石から保護するために、浸潤剤と溶解抑制剤の混合物の薄膜 を、電解の開始前に、又は電解により生成する溶融アルミニウムに浸漬しながら 、アルミナ基材に適用する。記載されている湿潤剤はチタン、ジルコニウム、ハ フニウム、ケイ素、マグネシウム、バナジウム、クロム、ニオブ、カルシウムで あり、チタンが好ましいと記載されている。ホウ素、炭素、窒素の化合物は湿潤 剤の溶融アルミニウムへの溶解を抑制するのに有用であると記載されている。し かしながら、この文献は金属マトリックス複合材の製造を示唆していないし、ま たそのような複合材のたとえばアルゴン中での製造も示唆していない。

圧力と湿潤剤の適用の他に、真空の適用も多孔質セラミック成形体中への溶融ア ルミニウムの侵入を助けることが報告されている。

例えば、米国特許第３７２８４４１号（１９７３年２月２７日にＲルルａｎｄｉ ｎｇｈａｍに付与）は１０−”ｔｏｒｒ以下の真空中でセラミック成形体（例、 炭化ホウ素、アルミナ、ベリリア）に溶融したアルミニウム、ベリリウム、マグ ネシウム、チタン、バナジウム、ニッケル又はクロムを浸透する方法を報告して いる。　１０−”〜１０−”ｔｏｒｒの真空では金属がセラミック空孔中に自由 流動しないのでセラミックの溶融金属による濡れが乏しかったが、真空を１０− ”ｔｏｒｒ以下にしたら濡れが改良されたと記載されている。

米国特許第３８６４１５４号（１９７５年２月４日にＧ、Ｂ、Ｇａｚｚｅらに付 与）も真空を用いた浸透を記載している。この特許は、常温プレスしたアルミニ ウム粉末床上に常温プレスしたＡＩＢ＋ｚ粉末を配置することを記載している。

そのＡＩＢ＋！粉末成形体の上にさらにアルミニウムを配置した。こうしてアル ミニウム粉末の層の間にＡＩＢＩ＊粉末成形体を挟持したものを入れた坩堝を真 空炉に置いた。炉を約１０−’ｔｏｒｒに真空排気して脱気を行った。それから 温度を１１００℃に昇温して３時間保持した。これらの条件下で溶融アルミニウ ムは多孔質＾ＩＢ１゜成形体中に侵入した。

米国特許第３３６４９７６号（１９６８年１月２３日にＪｏｈｎ　Ｎ、Ｒｅｄｉ ｎｇらに付与）は、溶融金属の成形体中への侵入を促進するために成形体中に真 空を自発的（内部的）に発生させる考えを開示している。具体的にいうと、グラ ファイトの型、スチールの型あるいは多孔質耐火材料などを、溶融金属中に完全 に浸漬することが開示されている。型の場合、型のキャビティ（空隙部）に金属 と反応する気体を満たし、このキャビティは型に設けた少な（とも１つのオリフ ィスを介して外部の溶融金属と連通可能にする。この型を溶融金属中に浸漬する と、キャビティの気体と溶融金属との反応によって内部が真空になるので、キャ ビティへの溶融金属の充満が起きる。具体的にいうと、真空は固体状の金属酸化 物が形成される結果として発生する。このように、この特許ではキャビティ中の 気体と溶融金属との反応を起こすことが不可欠である。しかし、真空を発生させ るために型を用いることは、型を用いるが故の制約があるので望ましくない、最 初に型を特別の形状に機械加工し、次いで型の表面を鋳造に適した表面に仕上げ 及び加工をし、さらに使用前に組立を行い、使用後に鋳造品を取り出すために型 を分解し、それから再び型を再生しなければならず、またこの型再生は型表面が もはや不適当になると殆ど再仕上げ或いは廃棄が必要になる。複雑な形状の型の 機械加工は非常に高価でありかつ時間を労する。しかも、複雑な形状の型からの 鋳造製品の脱型も困難である（複雑な形状の鋳造品は脱型時に破損し易い）、さ らに、型を用いなくても多孔質耐火材料を溶融金属中に直接に浸漬できるとの示 唆があるが、容器となる型なしでは結合の弱い又はばらばらの多孔質材料には浸 透しようがないので、耐火材料は一体物でなければならない（すなわち、粒状物 は溶融金属中に置くと、通常、分離（分散）しあるいは浮いてしまうと考えられ る）。

さらに、粒状物又は弱い結合のプリフォームに浸透させる場合には、浸透する金 属が粒状物又はプリフォームの少なくとも一部を移動させて不均一な微細組織に ならないように注意が必要である。

したがって、長い間、加圧や真空（外部的又は内部的発生のいずれにかかわらず ）の適用に依存せず、またセラミック材料などの別、の材料に金属マトリックス を複合化するのに不所望な湿ｍ荊を必要としない、簡単で信頼性のある方法の必 要性が感じられていた。また、金属マトリックス複合体を製造するのに最終機械 加工の量を最小限にする必要も感じられていた０本発明はこれらの必要性を、プ ロセスの少なくともどこかの点で浸透促進剤前駆体及び／又は浸透促進剤が存在 する限り、普通の大気圧下で、浸透雰囲気（例、窒素）の存在において、ある材 料（例、セラミック材料；成形したプリフォームでもよい）に溶融マトリックス 金属（例、アルミニウム）を浸透させる自発浸透法を提供することにより、満た すものである。

本　が　する　許　び　＝　の− この出願の対象は、本出願人のその他のいくつかの特許出願及び特許と関連して いる。具体的には、これらの本出願人の他の特許出願及び特許は、金属マトリッ クス複合材料の製造方法Ｃ以下、「本出願人の金属マトリックス特許及び特許出 願ｊとも称する）を記載している。

金属マトリックス複合材料を製造する新規な方法は、本出願人の米国特許第４８ ２８００８号（１９８９年５月９日発行、１９８７年５月１３日出願の米国特許 出願第０４９１７１号対応、発明者Ｗｈｉｔｅら、発明の名称”Ｍｅｔａｌ　Ｍ ａｔｒｉｘ　Ｃｏ＋ｗｐｏｓｉｔｅｓ　″、ＥＰＯより対応出願が１９８８年１ １月１７日に公開第０２９１４４１号として出願公開）に開示されている。この −ｈｉｔｅらの方法によると、金属マトリックス複合材は充填剤（例、セラミッ クス又はセラミックス被覆材料）の通気性材料に、少なくとも１重量％のマグネ シウム、好ましくは少なくとも約３重量％のマグネシウムを含む溶融アルミニウ ムを浸透させて製造される。浸透は外部圧力又は真空の適用なしで自発的に起き る。供給される溶融金属合金は、約１０〜１００体積％、好ましくは少なくとも ５０体積％の窒素を含み残りの気体は存在する場合には不酸化性気体（Ｎ、アル ゴン）である気体の存在において、少なくとも約６７５℃の温度で充填剤物質と 接触される。この条件において、溶融アルミニウム合金は普通の大気圧下でセラ ミックス材料中に浸透してアルミニウム（又はアルミニウム合金）マトリックス 複合材を形成する。溶融アルミニウム合金が充填剤物質の所望量に浸透したら、 温度を下げて合金を固化させると、強化充填荊物質で強化された固体金属マトリ ックス構造が形成される０通常また好ましくは、送られる溶融金属の供給は実質 的に充填剤物質の境界まで浸透が進行するのに充分であろう。

Ｗｈｉｔｅらにより製造されたアルミニウムマトリックス複合材の充填剤の量は 極めて高い、すなわち、１対工より大きい充填側対合金の体積比が実現できよう 。

上記のＷｈｉｔｅらのプロセス条件では、アルミニウムマトリックス中に分散し た不連続相として窒化アルミニウムが形成される。アルミニウムマトリックス中 の窒化アルミニウムの量は温度、合金組成、気体組成、充填剤物質などの要因に より大きく変化する。系においてこのような要因のいくつかを制御することによ って複合材の所望の特定の性質を得ることが可能である。しかしながら、最終用 途によっては、窒化アルミニウムを殆ど又は実質的に含まない複合材が望ましい こともある。

温度を高くすると浸透には都合がよいが、窒化物が形成され易くなることが見出 された。　Ｗｈｊｔｅらの発明は浸透速度と窒化物形成の閣のバランスの選択が 可能である。

金属マトリックス複合材の形成に用いるのに適当なバリヤ手段の例が、本出願人 の米国特許第４９３５０５５　（１９９０年６月１９日発行、１９８８年１月７ 日出願の米国特許出願第１４１６４２号、発明者Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｋ、Ａｇｈａ ｊａｎｉａｎ　ら、発明の名称”Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｍａｋｉｎｇ　Ｍｅｔ ａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｌ１ｐ。

５ｉｔｅ　ｗｉｔｈ　［Ｉｓｅ　ｏｆ　ａ　Ｂａｒｒｉｅｒ″、ｆ！ＰＯより１ ９８９年７月１２日に公開第０３２３９４５号として出願公開された）に開示さ れている。このＡｇｈａｊａｎｉａｎらの発明の方法によると、充填剤物質の所 定の表面境界に、バリヤ手段（Ｎ、粒状ニホウ化チタン、又はユニオンカーバイ ド社がら商標ＧＲＡＦＯＩＬとして販売されている柔軟グラファイト箔製品など のグラファイト材料）を形成し、マトリックス金属をバリヤ手段で限定された境 界まで浸透させる。バリヤ手段は溶融金属の浸透を禁止し、防止し、又は終了さ せることにより、得られる金属マトリックス複合材に正味又はほぼ正味の形状を 提供する。したがって、形成された金属マトリックス複合体はバリヤ手段の内側 形状に実質的に対応する外部形状を有する。

米国特許第４８２８００８号の方法は、本出願人の米国特許出願第５１７５４１ 号（発明者Ｍｉｃｂａｅｌ　Ｋ、Ａｇｈａｊａｎｉａｎ及びＭａｒｋ　Ｓ、Ｎｅ ｗｋｉｒｋ、発明の名称″Ｍｅｔａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏ＠ｐｏｓｉｔｅｓ　 Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　Ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　５ａｖｘｅ”、ＥＰＯ より対応出願が１９８９年９月２０日に公開第０３３３６２９号として出願公開 されている、１９８８年３月１５日出願の米国特許出願第１６８２８４号の継続 出Ｗ）により改良された。これらの米国特許出願に開示された方法によると、マ トリックス金属合金が、第１の金属源として、及び溶融した第１の金属源と例え ば重力流により連通ずるマトリックス金属合金の溜として存在する。具体的には 、この特許出願に記載された条件下で、溶融した第１のマトリックス金属源は普 通の大気圧下で充填剤物質に浸透を開始し、そして金属マトリックス複合材の形 成を開始する。第１の溶融マトリックス金属合金源は充填剤物質への浸透により 消費されるが、所望に応じて、自発浸透が継続する間、溶融マトリックス金属の 溜から好ましくは連続手段で補給することができる。所望量の通気性充填剤に溶 融金属マトリックスが自発的に浸透したとき、温度を下げて合金を固化させると 、充填剤物質で強化された固体金属マトリックス構造物を得る。金属の溜を使用 することはこの特許出願に記載された発明の簡単なＩｎ！様に過ぎないこと、ま たそれに開示されている別のａｍのそれぞれではこの溜の態様を用いる必要はな いことが理解されるべきであり、またこれらの態様のいくつかは本発明でも採用 すると有用であろう。

溜の金属は、通気性充填剤物質に所定のところまで浸透するのに充分な量の金属 を提供するような量である０選択的に、任意のバリヤ手段を、通気性フィラー材 料の表面境界を成す少なくとも１つの側面に接触させることができる。

さらに、溶融マトリックス金属の送られる供給量は自発的浸透が実質的に通気性 充填剤物質の境界（即ちバリヤ）まで進行するのに充分でなければならないが、 溜に存在する合金の量はそのような量を超過して、浸透を完了するのに充分な量 の合金が存在するのみならず、過剰の溶融金属合金が残って金属マトリックス複 合体に付着してもよい、したがって、過剰の溶融合金が存在する場合に得られる ものは複合した複合体（即ちマクロ複合体）であり、金属マトリックスが浸透し たセラミックスは溜に残る余分な金属と直接に連結しているであろう。

金属マトリックス技術の更なる改良は、本出願人の米国特許出願０７１５２１０ ４３号（１９９０年５月９日出願、これは１９９０年２月２３日出願の米国特許 出１１０７／４８４７５３号の一部継続出願であり、これはさらに１９８９年１ １月７日出願の米国特許出１ｉ１０７／４３２６６１号（放棄済）　（７）　一 部継続出願であり、これはさらに１９８９年１０月６日出願の米国特許出願０７ ／４１６３２７号（放棄済）の一部継続出願であり、これはさらに１９８９年５ 月９日出願の米国特許出１１０７／３４９５９０号（放棄済）の一部継続出閣で あり、これはさらに１９８８年１１月１０日出願の米国特許出願０７／２６９３ １１号の一部継続出ｉｔ（放棄済）であり、これらはいずれも発明者Ｍｉｃｈａ ｅｌ　Ｋ、Ａｇｂａｊａｎｉａｎらで、発明の名称は“Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ 　Ｆｏｒｙｉｉｎｇ　Ｍｅｔａｌ　Ｍｅｔａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏ５ｐｏｓｉ ｔｅ　Ｂｏｄｉｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ＰｒｏｄｕｃｅｄＴｈｅ　ｒ ｅｆｒｏｍ”であり、米国特許出願０７／４１６３２７号の対応出願がＥＰＯよ り１９９０年７月２７日に公開第０４１６３２７号として出願公開されている） に見出される。これらのＡｇｈａｊａｎｉａａらの出願によると、プロセスの少 なくともある点で、充填剤物質又はプリフォームと連通ずると、溶融金属マトリ ックスの充填剤＠！ｊ質又はプリフォームへの自発浸透を可能にする、浸透促進 剤及び／又は浸透促進剤前駆体及び／又は浸透雰囲気を使用して、マトリックス 金属の充填剤物質又はプリフォームへの浸透を実施している。　Ａｇｈａｊａｎ ｉａｎらは自発浸透を発現する多くの浸透促進剤及び／又は浸透促進剤前駆体及 び／又は浸透雰囲気の系を開示している。具体的には、Ａｇｈａｊａａｔａｎら はアルミニウム／マグネシウム／窒素系、アルミニウム／ストロンチウム／窒素 系、アルミニウム／亜鉛Ｚｆａ素系、アルミニウム／カルシウム／窒素系で観察 される自発浸透現象を開示している。しがしながら、Ａｇｈａｊａｎｉａｎらの 出願に含まれる開示から、自発浸透現象はその他の浸透促進剤及び／又は浸透促 進剤前駆体及び／又は浸透雰囲気の系でも起きることは明白である。

上記の本出願人の金属マトリックスに関する特許及び特許出願のそれぞれは金属 マトリックス複合体の製造方法及びその製造方法から製造される新規な金属マト リックス複合体を記載している。これらの本出願人の金属マトリックスに関する 特許及び特許出願の開示事項はこの明細書でも特に参照して含まれるものである 。

〈発明の概要〉 金属マトリックス複合体は、充填剤物質又はプレフォームの通気性物体に溶融マ トリックス金属が自発的に浸透して製造される。特に浸透促進剤及び／又は浸透 促進前駆体及び／又は浸透雰囲気は充填剤物質又はプレフォームと協調して、プ ロセスの少なくとも成る点において、溶融マトリックス金属が充填剤物質又はプ レフォームに自発的に浸透するものである。この溶融マトリックス金属は、自発 的浸透法を促進させる驚くべき手段によって提供される。

本発明は自発的浸透法により金属マトリックス複合体を主として形成することに 話を進めるが、しかし溶融マトリックス金属は前述した独自の方法により金属マ トリックス複合体の形成が促進されて提供される金属マトリックス複合体形成技 術（例えば、圧力、浸透、真空浸透、撹拌等）に、本願発明が適用できることは 当業者において理解されるべきである。

第１の好ましい態様として、マトリックス金属はプレフォーム又は充填剤物質と 溶融状態においてのみ接触される。特に、マトリックス金属の固体インゴットを 空間的には充填剤物質又はプレフォームと分離しく例えば、充填剤物質又はプレ フォームの上に懸垂しておくか、又は充填剤物質又はプレフォームの上に置き、 そしてマトリックス金属を直接に充填剤物質又はプレフォームと接触させない） 、そしてマトリックス金属のインゴットをその溶融する温度に加熱し、溶融マト リックス金属を流動状態にしそして浸透が始まる時点において、該プレフォーム 又は充填剤物質の少なくともその一面と接触する。マトリックス金属を充填剤物 質又はプレフォームと溶融状態でのみ接触させ、マトリックス金属の表面に生ず る望ましくない表面層の形成は阻止され、その結果浸透が促進される。充填剤物 質又はプレフォームからマトリックス金属インゴットを分離させる最初の手段は 、いかなる単純な又は複雑な手段であっても良い。

第２の好ましいＢ様として、またマトリックス金属をプレフォーム又は充填剤物 質と溶融状態においてのみ接触させるが、しかしながら、溶融マトリックス金属 を提供するのに異なった手段が採用される。特に、マトリックス金属の固体イン ゴットは、プレフォーム又は充填剤物質から離れた適切な耐火性容器の中で加熱 する。耐火性容器はプレフォーム又は充填剤物質に隣接して加熱しても良く、ま たプレフォーム又は充填剤物質と完全に分離しても良い、かくして、溶融マトリ ックス金属の溜めはセットされる０次いでマトリックス金属の溜めは充填剤物質 又はプレフォームと連繋することになる。特に、溜めはプレフォーム又は充填剤 物質の実質的に完全な浸透に必要なマトリックス金属のみを供給し、又はもし必 要であるならば、溜めは実質的に完全な浸透を行うのに必要な量よりも過剰にマ トリックス金属を供給することもできる。

上述のいづれの態様においても、マトリックス金属とプレフォーム又は充填剤物 質との溶融状態でのみの接触は、浸透を助長するマトリックス金属とプレフォー ム又は充填剤物質との間の界面を清浄にしておかなくてはならない０例えば、決 定的に浸透に影響を与える保護層（例えば酸化物又は窒化物）の形成の可能性は 最小限にする。しかしながら、マトリックス金属の固体インゴットと充填剤物質 又はプレフォームとの接触により生ずる熱応力（ｔｈｅｒｓａｌ　５ｔｒｅｓｓ ）は、マトリックス金属とプレフォーム又は充填剤物質と溶融状態においてのみ 接触させることによって改善される（例えば、プレフォーム又は充填剤の割れは 改善される）。

上述の検討した好ましいｍｉｓのいづれにおいても、特に自発的浸透法による金 属マトリックス複合体の形成に関し、浸透促進剤の前駆体は、浸透前又は浸透の 課程で、充填剤物質又はプレフォーム、及び／又はマトリックス金属及び／又は 浸透雰囲気の少なくとも一つに供給される。供給された浸透促進前駆体は、その 後充填剤物質又はプレフォーム及び／又はマトリックス金属及び／又は浸透雰囲 気の少なくとも一つと反応して、充填剤物質又はプレフォームの少なくとも一部 分に浸透促進剤を形成する。究極的には、少なくとも自発的浸透の課程において 、浸透促進剤は充填剤物質又はプレフォームの少なくとも一部分と接触する。

本発明の他の好ましいａ様において、再び自発的浸透に関し、浸透促進前駆体を 供給するというよりはむしろ、浸透促進剤を直接にプレフォーム、及び／又はマ トリックス金属、及び／又は浸透雰囲気の少なくとも一つに供給する。最終的に 、少なくとも自発的浸透の課程において、浸透促進剤は充填剤物質又はプレフォ ームの少なくとも一部分と接触する。

本発明においてマトリックス金属の種々の例について述べるが、これらは金属マ トリックス複合体の形成の課程の成る点において、浸透雰囲気のもと浸透促進前 駆体と接触する。従って、本願においては自発的浸透を示す特定のマトリックス 金属／浸透促進前駆体／浸透雰囲気系について多（を言及する。しかしながら、 上に述べたと同様に行いうるちの他に、他の多くのマトリックス金属／浸透促進 前駆体／浸透雰囲気系もこれらから想定できよう、特に、アルミニウム／マンガ ン／窒素系、アルミニウム／ストロンチウム／窒素系、アルミニウム／亜鉛／酸 素系、そしてアルミニウム／カルシウム／窒素系において自発的浸透の挙動が観 察される。従って、本出願においては上に述べた限られた系について論麿される にしても（特にアルミニウム／マグネシウム／窒素系に関して強調されるが）、 他のマトリックス金Ｅｌ／浸透促進前駆体／浸透雰凹気系も同様の挙動を示すこ とは理解すべきである。

充填剤物質又はプレフォームの透過体に自発的浸透を行う好ましい態様は、溶融 マトリックス金属をプレフォーム又は充填剤物質と接触することである。プレフ ォーム又は充填剤物質をそれらと混ぜ、合わせて、製造のいづれかの課程で浸透 促進前駆体に接触することである。特に好ましい１１様としては、溶融マトリッ クス金属が充填剤物質又はプレフォームと接触する前に、浸透促進＃駆体が充填 剤物質又はプレフォームに提供されることである。更に、溶融マトリックス金属 が充填剤物質又はプレフォームと接触する前に、充填剤物質又はプレフォームの 中に提供された浸透促進前駆体が、例えば、充填剤物質又はプレフォーム及び／ 又は浸透雰囲気と反応し、充填割物質又はプレフォーム内に浸透促進剤を形成す ることである。他の好ましい１！様として、溶融マトリックス金属及び／又はプ レフォーム若しくは充填割物質が、反応課程の少なくとも一時期において浸透雰 囲気と連繋することである。他の好ましい態様として、マトリックス金属及び／ 又はプレフォーム若しくは充填剤物質は、実質的にすべての課程で浸透雰囲気と 連繋する。プレフォーム又は充填剤物質は溶融マトリックス金属によって自発的 に浸透され、そして自発的浸透及び金属マトリックス複合体の形成の程度又は割 合は、例えば、系に供給された浸透促進前駆体の濃度及び／又は供給場所（例え ば、溶融マトリックス合金の中、及び／又は充填剤物質若しくはプレフォームの 中、及び／又は浸透雰囲気の中）、充填剤物質のサイズ及び／又は組成、プレフ ォームの粒子のサイズ及び／又は組成、プレフォーム若しくは充填剤物質に浸透 する有効な多孔度、浸透が生ずるに要する時間、及び／又は浸透が生ずる温度、 を包含する設定された製造条件によって変化する。自発的浸透は、典型的にはプ レフォーム又は充填剤物質が実質的に完全に埋封されるに十分な程度行われる。

更に、マトリックス金属、充填剤物質等の組成、及び／又は製造条件を変えるこ とによっ−で、得られる金属マトリックス複合体の物理的及び機械的性質は、特 定の適用及び必要性に適合して定められる。更には、得られた金属マトリックス 複合体を後処理（例えば、方向性凝固、加熱処理等）することによって、特定の 適用又は必要性に適合するように行われる。なお更に、金属マトリックス複合材 の形成での製造条件を調整することによって、得られた金属マトリックス複合材 の窒素含有量は、広範囲に工業的用的に適合させることができる。

更には、充填剤物質若しくはプレフォームを含む物質の組成、及び／又はサイズ （例えば粒径）及び／又は形状を規制することによって、得られる金属マトリッ クス複合材の物理的及び／又は機械的性質が種々の工業的用途に適合し又は処理 することができる０例えば、金属マトリックス複合材の摩耗抵抗は、充填割物質 のサイズを大きくすれば（例えば、充填剤物質粒子の平均粒径を大きくする）増 大し、充填剤物質の摩耗抵抗はマトリックス金属のそれ自体より大きくなること が新たに見い出された。しかしながら、強度及び／又は靭性は充填剤のサイズが 少さくなるに従って増大する傾向にある。更に、金属マトリックス複合材の熱膨 張率は充填剤をより多く用いると減少し、充填剤の熱膨張率はマトリックス金属 の熱膨張率より低くなる。また、得られる金属マトリックス複合材の機械的及び ／又は物理的性質（例えば、密度、弾性率及び／又は比弾性率、強度及び／又は 比強度）は、充填剤物質を別々の状態又はプレフォームの形体として加えること によって調整できる０例えば、充填剤の密度がマトリックス金属のそれより高い 場合に、充填剤粒子のサイズ及び／又は形状を変えて別々の状態又はプレフォー ムの形体として加えると、充填剤物質の送入を多くすることにより金属マトリッ クス複合材の密度は増加することになる９本願発明の手法を通用することにより 、浸透することができる充填割物質又はプレフォームの体積割合は、広範囲に変 えることができる。浸透する充填剤の使用できるより少ない容積割合（容積％） は、主として多孔性充填剤物質又はプレフォームを形成できる性質によって定め られ（例えば約１０容積％）、一方充填剤物質又はプレフォームの高い容積割合 は、少なくとも成る種の多孔度を有する濃密な充填剤物質又はプレフォームを形 成できる性質によって定められる（約９５容積％）、従って、上述の方法を行う に際し、これらを単独又は組合せて暑々の所望の性質を有する金属マトリックス 複合材を調整することができる。

本明細書中の用語「アルミニウム」は、実質的に純粋な金Ｍ（例えば、比較的純 粋で、市販の合金化されていないアルミニウム）、或いは鉄、ケイ素、銅、マグ ネシウム、マンガン、クロム、亜鉛、等の不純物金属及び／又は合金成分を含む 市販の金属の如き、その他の等級の金属及び金属合金を含む意味である。この定 義の目的ではアルミニウム合金はアルミニウムを主成分とする合金又は金属間化 合物である。

「　ヒ　気　Ｂａ１ａｎｃｅ　Ｎｏｎ−０ｘｉｄｆｚｆｎ　Ｇａ５）」本明細書 中の用語「残部非酸化性気体」は、浸透雰囲気を構成する主たる気体の他に存在 する全ての気体を意味し、プロセス条件下でマトリックス金属と実質的に反応性 でない不活性ガス又は還元性気体である。用いる気体中に不純物として存在する かもしれない酸化性気体は、プロセス条件下で実質的な量でマトリックス金属を 酸化するのに不十分な量でなければならない。

「バリヤ」又は「、だＪｊ２ＥＲＪ 本明細書中の用語「バリヤ」又は「バリヤ手段」は、通気性充填剤物質又はプリ フォームの当該バリヤ手段によって画定された表面境界を越えて溶融マトリック ス金属が移行、移動等をすることを妨げ、禁止し、防止し又は終了させる適当な 手段の全てを意味する。

適当なバリヤ手段は、プロセス条件下で、一定の一体性を保持し実質的に揮発性 でない（即ち、バリヤ材料はバリヤとしてのｓｔＭを失う程度までには揮発性で はない）すべての適当な材料、化合物、元素、組成物、その他であることができ る。

さらに、適当な「バリヤ手段」は、採用するプロセス条件下で、移行している溶 融マトリックス金属によって実質的に湿潤されない材料を含む。この種のバリヤ は、明らかに、溶融マトリックス金属と実質的に殆ど又は全く親和性を示さず、 充填剤物質又はプリフォームの画定された表面境界を越えての移動がバリヤ手段 によって防止又は禁止される。バリヤは必要な最終機械加工又は研削を減少させ 、得られる金属マトリックス複合材製品の表面の少なくとも１部を画定する。バ リヤは、特定の場合には通気性あるいは多孔質であってもよく、またバリヤを例 えばドリルで穿孔し又は破壊して通気性にして、気体が溶融マトリックス金属等 と接触するようにしてもよい。

「戻鳳ユｃａｒｃａｓｓ）　Ｊ又は「マドＬ２クス　ｃａｒｃａｓｓ　ｏｆＭａ ｔｒｉｘ　Ｍｅｔａｌ）　Ｊ 本明細書中の用語「残骸」又は「マトリックス金属残骸」は、マトリックス金属 複合材の形成の際に消費されずに残った環マトリックス金属のすべてを指称し、 典型的には、冷却すると、形成された金属マトリックス複合材と少な（とも部分 的に接触して残るものである。この残骸も二次金属又は異金属を含有してもよい ことが理解されるべきである。

ｒｍＱｌユ虹）」 本明細書中の用語「充填剤」は、マトリックス金属と実質的に非反応性であり、 及び／又はマトリックス金属に限られた溶解性である、単一の成分又はそのよう な成分の混合物を含むことを意図しており、前記成分は単−相又は多相であるこ とができる。充填剤は、粉末、フレーク、板、微小球（マイクロスフェア）、ホ イスカー、気泡、繊維、粒子、繊維マット、短繊維、球、ベレット、チューブ、 耐火布帛、などのいろいろな形状及び寸法であることができ、また緻密質又は多 孔質のいずれでもよい。また、「充填剤」は、繊維、繊維マット等若しくはそれ らの混合物の形状のアルミナ又は炭化ケイ素のようなセラミックフィラー、及び 例えば溶融マトリックス金属アルミニウムによる攻撃から炭素を保護するために アルミナ又は炭化ケイ素で被覆した炭素のようなセラミックス被覆充填剤を含む 。

また、充填剤は如何なる所望の形態でもよい。

「熱トッピング（初上土■吐■Σ」 本明細書中の用語「熱トッピング端は、少なくとも部分的に形成された金属マト リックス複合材の一端（「トッピング」端）にマトリックス金属及び／又は充填 剤物質及び／又はトッピング端に供給された他の材料の少なくとも１つと発熱的 に反応する物質を置くことを指称する。この発熱反応は、トッピング端のマトリ ックス金属を溶融状態に維持するのに充分な熱を提供すべきであるが、複合材の 残りのマトリックス金属は固化温度に冷える。

ｒ　’　”　−１ｎｆｉｌｔｒａｔｉｎ　ａｔｍｏｓ　ｈｅｒｅ）　Ｊ本明細書 中の用語「浸透雰囲気」は、存在して、マトリックス金属及び／又はプリフォー ム（又はフィラー材料）及び／又は浸透促進剤前駆体及び／又は浸透促進剤と相 互作用し、マトリックス金属の自発浸透を許容又は促進する雰囲気を意味する。

”　’　ｔｎｆｉｌｔｒａｔｉｎ　ｅｎｈａｎｃｅｒ）」本明細書中の用語「浸 透促進剤」は、マトリックス金属の充填剤物質又はプリフォーム中への自発浸透 を促進又は補助する物質を意味する。浸透促進剤は、例えば、（１）気体種を生 成する浸透促進前駆体と浸透雰囲気の反応、及び／又は（２）浸透促進前駆体と 浸透雰囲気の反応生成物、及び／又は（３）浸透促進前駆体と充填剤物質又はプ リフォームの反応生成物から形成することができる。また、浸透促進剤は、プリ フォーム及び／又はマトリックス金属及び／又は浸透雰囲気の少なくとも１つに 直接供給されて、浸透促進前駆体と他の種との反応により形成される浸透促進剤 と同様に機能してもよい、最終的に、少なくとも自発浸透の闇には、浸透促進剤 は浸透材料又はプリフォームの少なくとも一部に位置すべきであり、また浸透促 進剤は少な（とも一部がマトリックス金属により還元可能でもよい。

本明細書中の用語「浸透促進前駆体」又は「浸透促進剤の前駆体」は、（１）マ トリックス金属、（２）プリフォーム若しくは充填剤物質、及び／又は（３）浸 透雰囲気と組み合わせて使用すると、マトリックス金属の充填剤物質又はプリフ ォームへの自発浸透を誘起し又は助ける浸透促進剤を形成する物質を意味する。

いかなる特定の理論にも限定される意図はないが、浸透促進剤の前駆体は、浸透 促進剤の浸透雰囲気及び／又はプリフォーム若しくは充填剤物質及び／又はマト リックス金属との相互作用を可能にする位置へ配置されるか、存在するか、輸送 されることが可能であることが必要であるように思われる。例えば、あるマ）　 ＩＪフクス金属／浸透促進前駆体／浸透雰囲気の系では、浸透促進前駆体が、マ トリックス金属が溶融する温度付近又は場合によりさらにいくらか高い温度で気 化されることが望ましい、このような気化によって、例えば、（１）浸透促進前 駆体と浸透雰囲気が反応して、充填割物質又はプリフォームのマトリックス金属 による濡れを促進する気体種を生成したり、（２）浸透促進前駆体と浸透雰囲気 が反応して、充填剤物質又はプリフォームの少なくとも一部の中に濡れを促進す る固体、液体又は気体の浸透促進剤を生成したり、及び／又は（３）充填剤物質 又はプリフォーム中で浸透促進前駆体が反応して、充填割物質又はプリフォーム の少なくとも一部の中に濡れを促進する固体、液体又は気体の浸透促進剤を生成 したりするであろう。

「ヱ上ユ１９ス童員」又は「マトリックス　人　」本明細書中の用語「マトリッ クス金属」又は「マトリックス金属合金」は、マトリックス金属複合材を形成す るために用いられる金ＩＫ（例えば、浸透前）及び／又はマトリックス金属複合 材を形成する充填割物質とまぜ合わされる金１ｉ（例えば、浸透後）を意味する 。

特定の金属がマトリックス金属として記載されている場合には、そのようなマト リックス金属は、実質的に純粋なその金属、不純物及び／又は合金成分を含む市 販の金属、その金属が主成分（■ａｊｏｒ　ｏｒｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔ　ｃｏ ｎｓｔｉｔｕｅｎｔ）である金属間化合物又は合金を含むことが理解されるべき である。

「マトリックス　′　°徨　゛−道ｊ１凪りＪと級」又は「浸透系」 本明細書中の用語「マトリックス金属／浸透促進前駆体／浸透雰囲気の系」又は 「浸透系」は、プリフォーム又は充填剤物質中への自発浸透を示す物質の上記組 合せを指称する０例示のマトリックス金属と浸透促進前駆体と浸透雰囲気の間に 「／」がある場合には、いつでも、「／」は、特定の仕方で組み合わせるとプリ フォーム又は充填剤物質中への自発浸透を示す物質の系を指称していることが理 解されるべきである。

「　マトリックス　Ａ　」又はｒＭＭＣＪ本明細書中の用語「金属マトリックス 複合材」又はｒＭＭｃＪは、２次元又は３次元的に連結した合金又はマトリック ス金属中にプリフォーム又は充填剤物質に配合（ｅｍｂｅｄ）された材料を意味 する。マトリックス金属は得られる複合材に特定の所望の機械的及び物理的特性 を付与するために各種の合金成分を含むことができる。

マトリックス　と「　なる 本明細書中のマトリックス金属と「異なる」金属というときは、マトリックス金 属と同じ金属を主成分として含まない金属を意味する。（例えば、マトリックス 金属の主成分がアルミニウムであると、「異なる」金属は例えばニッケルを主成 分とすることができよう）「マド１ツクス　六　る　・　」 本明細書中の用語「マトリックス金属を収容する非反応性容器」は、プロセス条 件下で充填剤物質（又はプリフォーム）及び／又は溶融マトリックス金属を収容 し又は含有することができ、かつ自発浸透機構を有意に損なわせるような仕方で マトリックス及び／又は浸透雰囲気及び／又は浸透促進前駆体及び／又は充填剤 物質若しくはプリフォームと反応しない、すべての容器を意味する。非反応性容 器は溶融マトリックス金属の自発浸透の終了後、廃棄マトリックス課は回収する ことができる。

「プリフォーム」又は”−ｅｒｍｅａｂｌｓ）ブ１フオーム。

本明細書中の用語「ブリフｔ−ム」又は「通気性プリフォーム」は、少なくとも １つの表面境界が浸透するマトリックス金属のための境界を実質的に画定するよ うに充填剤又は充填剤物質で作成した多孔質材料で、マトリックス金属が浸透す るに先立って寸法安定性であるのに充分な形状一体性及び生強度を有する多孔質 材料を意味する。この材料はその中へマトリックス金属の自発的浸透を行うのに 充分に多孔質であるべきである。プリフォームは典型的には均一な或いは異質（ ヘテロ）の充填剤の結合体（ｂｏｎｄｅｄ　ａｒｒａｙ　ｏｒ　ａｒｒａＢｅ■ ａｎｔ）からなり、いかなる適当な材料（例えば、セラミックス及び／又は金属 の粒子、粉末、繊維、ホイスカー等及びこれらの混合物）からなってもよい。プ リフォームは単一体としても或いは集合体としても存在することができる。

「Ｉ濃」上吐五μ注σ」 本明細書中の用語「溜め」は、充填剤又はプリフォームに関して離れな置かれた マトリックス金属の存在（物体）であり、これが溶融され流れて、充填剤又はプ リフォームと接触しているマトリックス金属の一部、セグメント又はソース（源 ）を補給したり、或いは場合によっては最初に供給した後補給したりするものを 意味する。

”　”　）（ｓ　ｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｆｉｌｔｒａｔｆｏｎ）　Ｊ本明細書中 の用語「自発的浸透（非加圧浸透）」は、圧力（加圧）又は真空（外部から適用 するものも内部的に発生するものも）の適用の必要なしで起きる充填剤又はプリ フォームの通気性材料中へのマトリックス金属の浸透を意味する。

〈図面の簡単な説明〉 本発明の理解に役立つために次に図面を示すが、これらは本発明の範囲を限定す るためのものではない。

図１は、実施例１の金属マトリックス複合体を製造するのに使用されるレイアン プの横断図である。

図２は、本発明の好ましい実施態様に相応する横断図である。

図３ａは、実施例２の方法により充填剤を準備するために使用するロータリキル ンの横断図である。

図３ｂは、実施例２の方法により金属マトリックス複合体を製造するために使用 するレイアップの横断図である。

図３０は、実施例２の試料りの充填剤物質から得られた金属マトリックス複合体 の約４００倍で撮影した写真である。

図３ｄは、実施Ｎ２の試料りの充填剤物質から得られた金属マトリックス複合体 の約１０００倍で撮影した写真である。

図３ｅは、実施例２の試料Ｅの充填剤物質から得られた金属マトリックス複合体 の約４００倍で撮影した写真である。

図４は、実施例３の方法により充填剤物質を製造するために使用される流動床反 応器の横断図である。

図５は、実施例４の方法により金属マトリックス複合体を製造するために使用さ れるレイアップの横断図である。

図６は、実施例５の方法により金属マトリックス複合体を製造するために使用さ れる装置の横断図である。

図７は、実施例６の方法により金属マトリックス複合体を製造するために使用さ れるレイアップの横断図である。

図８は、実施例７の方法により金属マトリックス複合体を製造するために使用さ れるレイアップの横断図である。

〈発明の詳細な説明及び実施１１様〉 本発明は、溶融マトリックス金属により充填剤物質又はプレフォームを自発的浸 透して金属マトリックス複合材料を製造することに関する。特に、浸透促進側及 び／又は浸透促進前駆体及び／又は浸透雰囲気が充填剤物質又はプレフォームと 連繋して、製造課程の少なくとも成る点において、溶融マトリックス金属を充填 剤物質又はプレフォームに自発的浸透させるものである。溶融マトリックス金属 は自発的浸透法を促進する独自な方法により提供される。

第１の好ましい態様として、マトリックス金属はプレフォーム又は充填剤物質と 溶融状態においてのみ接触する。特に、マトリックス金属の固体インゴットを空 間的には充填剤物質又はプレフォームと分離しく例えば、充填剤物質又はプレフ ォームの上に懸垂しておくか、又は充填剤物質又はプレフォームの上に置き、そ してマトリックス金属を直接に充填剤物質又はプレフォームと接触させない）、 そしてマトリックス金属の該インゴットをその溶融する温度に加熱し、溶融マト リックス金属を流動状態にし、そして浸透が始まる時点において少なくとも該プ レフォーム又は充填剤物質の表面と接触する。マトリックス金属を充填剤物質又 はプレフォームと溶融状態でのみ接触させ、マトリックス金属の表面に生ずる望 ましくない表面層の形成が阻止され、その結果浸透が促進される。充填剤物質又 はプレフォームからマトリックス金属インゴットを分離させる最初の手段は、い かなる単純な又は１１１Ｍな手段であっても良い。

第１の好ましい態様を行うためのレイアップの１つの側面は、本願の実施例１に おいて詳細に記載し、また図１において横断図を用いて模式的に示した。一般に は、充填剤物質又はプレフォーム１６は耐火性容器１２の中に１き、そして充填 剤物質又はプレフォームの上にマトリックス金属を懸垂する保持手段１８を用意 する。マトリックス金属１９は保持手段１８の上に置いて、充填剤物質又はプレ フォーム１６の上にマトリックス金属を懸垂しておく、浸透雰囲気下マトリック ス金属の溶融点以上の温度にレイアップを加熱し、溶融マトリックス金属を流動 状態にし、そして自発的浸透が行れる場所である充填剤物質又はプレフォームの 少なくとも一面において接触させる。

第１の好ましいＢ様を行うためのレイアップの他の例は、図２に横断図を用いて 模式的に示した。一般には、プレフォーム３３の上面にバリヤー３７を有するプ レフォーム３３を製造条件のもとで揮発する消耗物品３５（例えば、ポリスチレ ン、スチロールフオーム、ワックス、木材等）で少なくとも一部分を覆う、消耗 物品３５で囲まれたプレフォーム３３を耐火性容器３０内のベッド剤３１（マト リックス金属より実質的には非湿潤性である物質、ｂｅｄｄｆｎｇ　ｍａｔｅｒ ｉａｌ）の中に置き、そして追加的のベッド剤３１をプレフォーム３３のキャビ ティーの中に入れた９例えば、レイアップ全体を浸透雰囲気である環境にするか 、又は図２に示したように浸透雰囲気供給管３２を使用してプレフォームに対し 局部的の浸透雰囲気である環境にするかによって、浸透雰囲気をレイアップに与 える。マトリックス金属インゴット３４をバリヤー３７の上に置き、マトリック ス金属３４をプレフォーム３３に直接接触させない、製造条件に基き加熱を行う と、消耗物品３５は揮発してプレフォーム３３へ隣接してチャンネル又は開口を 形成する。この製造条件下、溶融マトリックス金属は消耗物品によって作られた 開口又はチャンネルに流れ込み、そしてプレフォームの少なくとも一部分に接触 し、この部分において自発的浸透が始まる。

第２の好ましいｔＩ様として、またマトリックス金属をプレフォーム又は充填剤 物質と溶融状態においてのみ接触させるが、しかしながら、溶融マトリックス金 属を提供するのに異なった手段が採用される。特に、マトリックス金属の固体イ ンゴットは、プレフォーム又は充填剤物質から離れた適切な耐火性容器の中で加 熱する。耐火性容器はプレフォーム又は充填剤物質に隣接して加熱しても良く、 またプレフォーム又は充填剤物質と完全に分層しても良い、かくして、溶融マト リックス金属の溜めはセットされる０次いでマトリックス金属の溜めは充填剤物 質又はプレフォームと連繋することになる。特に、溜めはプレフォーム又は充填 剤物質の実質的に完全な浸透に必要なマトリックス金属のみを供給し、又はもし 必要であるならば、溜めは実質的に完全な浸透を行うのに必要な量よりも過剰に マトリックス金属を供給することもできる。

この第２の好ましい態様を行うためのレイアップの１つの例は、本願の実施例６ に詳細に示し、また図７において横断図を用いて模式的に示した。一般には、充 填剤物質又はプレフォーム７８を耐火性容器７２の中に置く、第２の耐火性容器 ７５の外側と連繋するための少なくとも一つの開口アロを有する第２の耐火性容 器７５を、耐火性容器７２の中に設けた。マトリックス金属インゴット７９を第 ２の耐火性容器７５の中に置き、そしてマトリックス金属を溶融するために、マ トリックス金属の溶融点以上の温度にレイアンプを浸透雰囲気のもとで加熱した 。この溶融マトリックス金属は第２の耐火性容器７５の中の少なくとも一つの開 口アロを通して流れ、そしてプレフォーム７８の少なくとも一面と接触し、この 点において自発的浸透が始まる。

上述のいづれの１１様において、特に金属マトリックス複合材を製造する自発的 浸透の技術に関し、マトリックス金属とプレフォーム又は充填剤物質との溶融状 態でのみの接触は、浸透を助長するためにマトリックス金属とプレフォーム又は 充填剤物質との間の界面を清浄にしておかなくてはならない０例えば、決定的に 浸透に影響を与える保護層（例えば酸化物又は窒化物）の形成の可能性は、最小 限にする。しかしながら、マトリックス金属の固体インゴットと充填剤物質又は プレフォームとの接触により生ずる熱応力（ｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓ）は、 マトリックス金属とプレフォーム又は充填剤物質と溶融状態においてのみ接触さ せることによって、改善される（例えば、プレフォーム又は充填剤の割れは改善 される）。

上に述べたいづれの１１様において、自発的浸透に関し特別の理論又は説明に結 びつけるものではないが、浸透促進前駆体を少なくとも一つのマトリックス金属 、及び／又は充填剤物質若しくはプレフォーム及び／又は浸透雰囲気と組合せて 用いると、浸透促進前駆体が反応して浸透促進剤を生成し、これが溶融マトリッ クス金属の充填剤物質又はプレフォームへの自発的浸透を誘導し又は助長する。

更には、このような浸透促進前駆体を使用すると、浸透を行う前又はその課程で 、前駆体が浸透促進剤となってその位置で、又は局部的に移行し、そこで浸透促 進前駆体自体が少なくとも一つの浸透雰囲気、及び／又はプレフォーム又は充填 剤物質、及び／又は溶融マトリックス金属と相互に反応することが必要であると 思われる０例えば、成る糧のマトリックス金属／浸透促進前駆体／浸透雰囲気系 において、マトリックス金属が溶融する温度において、その温度付近において、 又はそれより多少上において、浸透促進前駆体が揮発するのが望ましい、このよ うな揮発は、（１）浸透促進前駆体が浸透雰囲気によってガス状物を生成し、こ のものがマトリックス金属による充填剤物質又はプレフォームの濡れを促進する 、及び／又は（２）浸透促進前駆体が浸透雰囲気によって、少なくとも充填剤物 質又はプレフォームの一部分において、固体、液体又はガス状浸透促進剤を生成 し、濡れを促進する、及び／又は（３）浸透促進前駆体が充填剤物質又はプレフ ォームの中で、少なくとも充填剤物質又はプレフォームの一部分において、固体 、液体又はガス状浸透促進剤を生成し、濡れを促進する。

従って、例えば製造課程の成る点において、浸透促進前駆体が溶融マトリックス 金属に含まれ又は結合すると、浸透促進前駆体は溶融マトリックス金属から揮発 して、そして少なくとも一つの充填剤物質若しくはプレフォーム及び／又は浸透 雰囲気と反応することが可能となる。このような反応により固体である浸透促進 剤を生成し、この固体が浸透雰囲気において安定であるならば、この固体は、例 えば塗膜のように充填剤物質又はプレフォームの少なくとも一部分に沈着するこ とができる。更に、このような固体はプレフォーム又は充填剤物質の少なくとも 一部分の中に区別できるものとして存在されよう、このような固体が形成される と、溶融マトリックス金属はこの固体と反応する傾向があり（例えば、溶融マト リックス金属は形成された固体を還元する）、そして浸透促進前駆体は溶融マト リックス金属と一体化する（例えば、溶解するか又は合金化する）。

従って、更に別個の浸透促進前駆体は揮発し、そして別個のもの（例えば、充填 剤物質若しくはプレフォーム及び／又は浸透雰囲気）と反応し、再び同様の固体 を生成する。浸透促進前駆体の浸透促進剤への連続した転換は、浸透促進剤の溶 融マトリックス金属との還元反応によって再度浸透促進前駆体を形成するなどし て、結果として自発的浸透された金属マトリックス複合材が得られるまで行われ ると想定される。

マトリックス金属の充填剤物質又はプレフォームへの自発的浸透を効果的に行う ために、浸透促進剤は自然系に供与されるべきである。（１）金属マトリックス 内、及び／又は（２）充填剤物質若しくはプレフォーム、及び／又は（３）浸透 雰囲気から、及び／又は（４）外部から自然系、に供与される浸透促進前駆体か ら浸透促進剤を形成することができる。更に浸透促進前駆体を供給するよりはむ しろ、浸透促進剤を直接に充填剤物質若しくはプレフォーム及び／又はマトリッ クス金属及び／又は浸透雰囲気の少なくとも一つに加えても良い。終極的には、 少な（とも自発的浸透の課程で、浸透促進剤は充填剤物質又はプレフォームの少 なくとも一部分の中に存在していなくては部分的に浸透雰囲気で反応させること ができ、充填剤物質又はプレフォームがマトリックス金属と接着する前又は実質 的に連続して反応する間、浸透促進剤が充填剤物質又はプレフォームの少なくと も一部分の中に形成されることは可能である（例えば、マグネシウムが浸透促進 前駆体でありそして窒素が浸透雰囲気である場合には、浸透促進剤は窒化マグネ シウムであって、プレフォーム又は充填剤物質の少なくとも一部分の中に存在す る。）。

マトリックス金属／浸透促進前駆体／浸透雰囲気系の例は、アルミニウム／マグ ネシウム／窒素系である。製造課程中アルミニウムが溶融しても、アルミニウム マトリックス金属及び／又は充填剤物質とは反対に反応しない適当な耐火性容器 中に、アルミニウムマトリックス金属を送入する。充填剤物質又はプレフォーム はその後溶融アルミニウムマトリックス金属と接触し、そして自発的浸透する。

更には、浸透促進前駆体を供給するよりはむしろ、浸透前又はその課程で、浸透 促進剤を直接にプレフォーム若しくは充填剤物質、及び／又はマトリックス金属 、及び／又は浸透雰囲気の少な（とも一つに供給しても良い、最終的には、少な くとも自発的浸透の課程において、浸透促進剤は充填剤物質又はプレフォームの 少なくとも一部分の中に存在していなくてはならない。

特に本発明の好ましい態様は、充填剤物質又はプレフォームが溶融マトリックス 金属と接触する前に、浸透促進剤が、例えば充填剤物質又はプレフォームに供給 される。

例えば、自発的浸透前の耐火性容器内において、又は液体、固体若しくはガス状 態で生ずる浸透促進剤が別個の容器内で形成する如き事前の課程において、浸透 促進剤が特に充填剤物質又はプレフオ−ムの少なくとも一部分の中に形成されて も良い０例えば、充填剤促進前駆体及び浸透雰囲気を、自発的浸透に使用される 耐火性容器内の充填剤物質又はプレフォームの少なくとも一部分内に供給するこ とにより、自発的浸透前に、浸透促進前駆体は浸透雰囲気により、充填剤物質又 はプレフォームの少なくとも一部分内に浸透促進剤が形成される。更に、充填剤 物質又はプレフォームをロータリーキルン又は流動床の如き装置内に入れ、充填 剤物質又はプレフォームの少なくとも一部分内に浸透促進前駆体を形成する１例 えば、充填剤物質をロータリキルンの中に置き、そして浸透促進前駆体を液体、 固体又はガス状態で充填剤物質の少なくとも一部分に供与する６次に、浸透雰囲 気をロータリキルンの少なくとも一部分に供し、少なくとも部分的に浸透促進前 駆体と反応させ、充填剤物質の少なくとも一部に浸透促進剤を形成する。更に他 の例として、充填剤物質を流動床の中に置き、そして浸透促進前駆体を液体、固 体又はガス状態で充填剤物質の少な（とも一部分に供与してもよい０次に、浸透 雰囲気を流動床の少なくとも一部分に供し、少なくとも部分的に浸透促進前駆体 と反応し、充填剤物質の少な（とも一部分の中に浸透促進剤を形成する。他の例 として、プレフォームを浸透促進前駆体を含む流動床の中に置き、そして浸透雰 囲気を流動床の少なくとも一部分に準備し、このことによりプレフォームの少な くとも一部分の中に浸透促進剤を形成する。充填剤物質又はプレフォームの少な くとも一部分の中に浸透促進剤を準備する方法とは無間係に、浸透促進剤を直接 に充填剤物質又はプレフォームに加えて、自発的浸透により金属マトリックス複 合体の形成を促進することも可能である（例えば、浸透時間を減少し、マトリッ クス金属の窒化を規制し、最終金属マトリックス複合体の形状適合度を高めたり する）。

本発明方法において採用される条件のもと、アルミニウム／マグネシウム／窒素 自発的浸透系の場合、プレフォーム又は充填剤物質は通気性になり、反応課程及 び／又は溶融マトリックス金属と接触している時に窒素含有ガスが充填剤物質又 はプレフォームに浸透又は通気する。更に、通気性充填剤物質又はプレフォーム は溶融マトリックス金属の浸透を容易にし、これにより窒素を透過したプレフォ ームは溶融マトリックス金属と自発的に浸透して金属マトリックス複合体を形成 し、及び／又は窒素が浸透促進前駆体と反応して充填剤物質又はプレフォームの 中に浸透促進剤を形成し、そして自発的浸透を行わせる。アルミニウム合金のマ グネシウム含有量、プレフォーム著しくは充填剤物質のマグネシウム含有量、プ レフォーム又は充填剤物質中の窒化マグネシウムの量、合金元素の存在（例えば 、シリコン、鉄、銅、マグネシウム、クロム、亜鉛等）、プレフォーム又は充填 剤物質の平均サイズ（例えば粒径）、充填剤物質又はプレフォームの表面状態及 び形体、浸透雰囲気の窒素濃度、浸透に用する時間、並びに浸透が生ずる温度等 の所定の製造条件によって、自発的浸透の規模及び金属マトリックス複合材の形 成が変って（る０例えば、溶融アルミニウムマトリックス金属の自発的浸透が生 ずる場合、アルミニウムは合金全体に対して少な（とも約１重量％、そして好ま しくは少なくとも約３重量％のマグネシウム（浸透促進前駆体として機能する） を含金として含有する。上で述べたように、補助合金元素をマトリックス金属に 含ませて、その特定の性質に調整しても良い、更に、補助合金元素は、マトリッ クスアルミニウム金属に必要とする最小限のマグネシウムに関与して、充填剤物 質又はプレフォームの自発的浸透を起しても良い０例えば、揮発することによっ て自然系からマグネシウムが損失し、マグネシウムが存在しなくな、て、浸透促 進剤が形成されないようになることは避けるべきである。したがって、自発的浸 透が反対に揮発によって影響されないように、初期の合金元素を十分に使用する のが望ましい、更には、プレフォーム（若しくは充填剤物ｆ）及びマトリックス 金属の両者、又はプレフォーム（若しくは充填剤物質）単独の中に存在するマグ ネシウムは、自発的浸透を行わせるに必要なマグネシウムの量を節減することに なる（後程詳細に検討する）。

浸透雰囲気中に存在する窒素の容積％も、また金属マトリックス複合体の形成速 度に影響を与える。特に、雰囲気中約１０容積％以下の窒素が存在すると、自発 的浸透は大変遅いか又は殆んど生じない。

例えば、少なくとも約５０容積％の窒素が雰囲気中に存在すると、浸透速度が大 変早くなり短時間で浸透することを新たに発見した。浸透雰囲気（例えば窒素含 有ガス）を直接に充填剤物質若しくはプレフォーム及び／又はマトリックス金属 に供することができ、そうでないと物質の分解が生ずる。

溶融マトリックス金属が充填剤物質又はプレフォームに浸透するのに要する最小 限のマグネシウムの量は、処理温度、時間、シリコン若しくは亜鉛の如き補助合 金元素の存在、充填剤物質の性質、マグネシウムが存在する自然系中の１つ又は それ以上の成分、雰囲気中の窒素含有量、そして窒素の流通速度の如き種々の要 因によって定まる０合金及び／又はプレフォームのマグネシウム含有量が増加す れば、より低い温度又はより短い時間で完全な浸透が達成される。

また、所定のマグネシウム含有量である場合、亜鉛の如き補助合金元素を加える と、より低い温度を採用することが可能である０例えば、操作可能の最小限であ る約１から３重量％のマトリックス金属中のマグネシウムの含有量の場合、上述 した最小の処理温度、窒素の高濃度、又は１種以上の補助合金元素のいづれか少 なくともへつを併用しても良い、マグネシウムをプレフォームに加えない場合、 広範囲の製造条件から一般的な有用性を考慮して、約３から５重量％のマグネシ ウムを含む合金が望ましく、より低い温度及びより短かい時開を採用する時には 、少なくとも約５重量％であるのが望ましい、マグネシウム含量がアルミニウム 合金の約１０重量％と過剰に用いると、浸透に要する温度条件は適度のものとな る。マグネシウム含量は補助合金元素と併用して用いると節減できるが、しがし これらの元素は補助的な機能のみであって、そして少なくとも上述した特定の最 小限のマグネシウムと併用して用いられる１例えば、１０重量％シリコンの各目 上純粋なアルミニウム合金は、１０００℃において５００メツシユの３９クリス トロン（ツートン社からの９９％純粋の炭化珪素）のベットには実質的に浸透し ない、更に例えば、マグネシウムの量を変えて、プレフォーム又は充填剤物質の みに限って加えてみる。そうすると少なくとも、供給される多少のマグネシウム がプレフォーム又は充填剤物質内に存在した場合に、自然系に供給されたより少 ないパーセント量のマグネシウムで、自発的浸透が生ずることが新たに見い出さ れた。金属マトリックス複合体の中に望ましくない中間体を性成させないために 、マグネシウムの量奇より少なくすることは好ましいことである。炭化珪素プレ フォームの場合、少なくとも約１重量％のマグネシウムを含むプレフォームで実 質的に純粋な窒素雰囲気において、プレフォームをアルミニウムマトリックス金 属と接触させると、マトリックス金属は自然にプレフォームに自発的浸透する。

アルミナプレフォームの場合、許容できる自発的浸透を行うに必要なマグネシウ ムの量は、少し多い、特に、アルミナプレフォームであって、アルミニウムが炭 化珪素プレフォームに浸透していくのと凡そ同じ温度でそして同じ窒素雰囲気で 、アルミニウムマトリックス金属と接触させた時に、上に述べた炭化珪素プレフ ォームに行うと同じ自発的浸透では、少なくとも約３重量％のマグネシウムが必 要であることが、新たに知見された。

マトリックス金属が充填剤物質又はプレフォームに浸透して行く前に、自然系に おいて浸透促進前駆体及び／又は浸透促進剤を、合金の表面に、及び／又はプレ フォーム若しくは充填剤物質の表面に、及び／又はプレフォーム若しくは充填剤 物質の中に、供給することは可能であることをまた新たに見い出した（例えば、 浸透促進剤又は浸透促進前駆体をマトリックス金属と合金化して供給する必要は なく、単んに自然系に供給する。）、例えば、アルミニウム／マグネシウム／窒 素系において、仮にマグネシウムをマトリックス金属の表面に適用するとすると 、その表面は充填剤物質の透過部分に最も近いか、又は好ましくは接触した表面 であり、更にこのようなマグネシウムをプレフォーム又は充填剤物質の少なくと も一部分に混ぜ合せるのが好ましい、更に、表面への適用、合金化及びマグネシ ウムのプレフォームの少なくとも一部分に送入することを組合せて用いることも 可能である。このような組合せで浸透促進剤及び／又は浸透促進前駆体を適用す ることは、マトリックスアルミニウム金属のプレフォームへの浸透の促進に必要 なマグネシウムの全重量％を減少することができ、同様により低い温度で浸透を 行うことができる。更に、マグネシウムの存在による望ましくない中間体の生成 もまた最小限に押えることができる。

一つ又はそれ以上の補助合金元素を採用すること、及び雰囲気ガスとしての窒素 の濃度は、いづれも所定の温度においてマトリックス金属の窒化の程度に影響を 与える０例えば、合金の中に又は合金の表面に存在する亜鉛又は鉄の如き補助合 金元素は浸透温度の低下に使用され、そして窒化物の形成が減少され、ここにお いてガス中の窒素の濃度は窒化物形成の促進に利用されることになる。

合金中及び／又は合金表面及び／又は充填剤若しくはプレフォーム物質と組合せ たマグネシウムの濃度は、所定の温度において浸透に成る程度影響を与える傾向 がある。その結果、マグネシウムが殆んど又は全たくプレフォーム又は充填剤物 質と直接に接触しない場合には、少なくとも約３重量％のマグネシウムが合金の 中に含まれているのが好ましい、この量より合金の含有量が少ないと、例えば１ 重量％のマグネシウムでは、より高い処理温度又は補助合金元素が浸透に必要と なる。（１）合金のマグネシウム含有量のみを、例えば少なくとも約５重量％に 増加する。及び／又は（２）合金成分を充填剤物質若しくはプレフォームの浸透 部分と混ぜ合せる、及び／又は（３）亜鉛又は鉄の如き他の元素をアルミニウム 合金内に存在させる場合には、本発明の自発的浸透方法に必要な温度を下げるこ とができる。

温度はまた別個の充填剤物質によって変化する。一般に、アルミニウム／マグネ シウム／窒素系において、自発的進行の浸透は、少なくとも６７５℃、そして好 ましくは少なくとも約７５０℃から約８００℃の処理温度によって生ずる。　１ ２００℃を超える温度は一般には利益がなく、特に有用な温度範囲は約６７５℃ から約１０００℃であることが新たに知見された。しかしながら、一般的に云っ て、自発的浸透温度はマトリックス金属の融点より上であるが、しかしマトリッ クス金属の揮発温度より下である。更に、自発的浸透温度は充填剤物質の融点よ り下であるべきである。更には、温度が上昇するにつれ、マトリックス金属と浸 透雰囲気との間の反応生成物の形成が増大する傾向にある（例えば、アルミニウ ムマトリックス金属と窒素浸透雰囲気の場合、窒化アルミニウムが形成される） 、このような反応生成物は、意図する金属マトリックス複合体の適用に基づき好 ましくまたは好ましくもないものになる。更に、電気抵抗熱は、代表的に浸透温 度を形成するのに使用される。しかしながら、マトリックス金属を溶融すること ができ、また自発的浸透に悪い影響を与えない加熱手段は、本発明において使用 することができる。

本発明方法において、例えば通気性充填剤物質又はプレフォームは、少なくとも 処理の課程において、窒素含有ガスの存在下溶融アルミニウムと接触する。窒素 含有ガスは、充填剤物質若しくはプレフォーム及び／又は溶融アルミニウムマト リックス金属の少な（とも一つと接触するために、連続流体として供給する。窒 素含有ガスの流量は臨界的なものではないが、窒化物の生成によって雰囲気から 窒素ガスの消失を補償し、そして空気が流入することによる溶融金属の酸化を阻 止又は禁止するのに十分な流量であるのが好ましい。

金属マトリックス複合材を形成する方法は、種々の充填剤物質に適用でき、そて マトリックス合金、製造条件、溶融マトリックス合金と充填剤物質との反応性、 及び最終複合材に要求する性質の如き要因に基づいて充填剤物質は選定される０ 例えば、アルミニウムがマトリックス金属である場合、好ましい充填剤物質は、 （ａ）例えばアルミナ、マグネシア、ジルコニアの如き酸化物、（ｂ）例えば炭 化珪素の如き炭化物、（ｃ）例えばアルミニウムドデカ硼化物、チタン二硼化物 の如き硼化物、（ｄ）例えばアルミニウム窒化物の如き窒化物、及び（ｅ）これ らの組合せが含まれる。充填剤物質が溶融アルミニウムマトリックス金属と反応 する傾向があると、浸透時間及び温度を最小限にして、又は充填剤に非反応性被 膜を形成して対応させることができる。充填剤物質は、損傷又は退化から支持体 を守るため、セラミック被膜を有する炭素又は他の非セラミック材料の如き支持 体を包含することができる。好ましいセラミック被膜は酸化物、炭化物、硼化物 及び窒化物が含まれる０本発明方法において使用される好ましいセラミックは、 粒子、小板状物、ホイスカー及び繊維の形体でのアルミナ及び炭化珪素が含まれ る。繊維は、不連続の（細断した形体）又はマルチフィラメント　トウ（ｔｏｓ ）の如き連続したフィラメントの形体である。更に、充填剤物質又はプレフォー ムは、いづれも均質又は不均質であっても良い。

浸透が促進することを新たに見い出した。例えば、Ｍ、Ｓ、Ｎｅｗｋｉｒｋ等に 付与された１９８７年１２月１５日付特許第４，７１３，３６０号、発明の名称 “新規セラミック物質及びその製造方法”に開示された方法によって製造された 粉砕アルミナ体は、市場において入手できるアルミナ製品と関連して、望ましい 浸透性を示す、更に、この特許及び特許出願中のこの主題は、本願明細書におい て引用され述べられている。

セラミック物質の通気性体の完全な浸透は、前述した特許の方法によって得られ る粉砕した微粉物を用いて、より低い浸透温度及び／又はより短かい浸透時間で 行い得ることを今回発見した。

充填剤物質（又はプレフォーム）のサイズ、形状、化学的性質及び容積量は、所 望する複合材料の性質の達成に必要である。浸透は充填剤物質の形体によって制 限されないので、充填剤物質は粒子、ホイスカー、小板状又は繊維の形状であっ て良い０球状、管状、ペレット耐熱繊維クロス等の如き形状で用いても良い、更 には、より高い温度及びより長い時間は、より大きい粒子より、より小さい粒子 の完全な浸透に必要なであり、また特殊な反応条件によっては逆ではあるが、浸 透は充填剤物質のサイズによって制限を受けない。

ミクロン単位の微少な平均粒径又は少なくとも約１１００ミクロン又はそれ以上 のものも、本発明において成功裡に使用することができるが、好ましくは約２ミ クロンから約１０００ミクロンの範囲のものが、商業上非常に多く使用される。

更に、浸透される充填剤物質（又はプレフォーム）は、通気性であるべきである （例えば、溶融マトリックス金属及び／又は浸透雰囲気に通気性である少なくと も相互に連絡した気孔を有する）、更には、サイズ（例えば粒径）及び／又は結 合構造及び／又は充填剤物質若しくはプレフォームを含む物質の組成を規制する ことによって、形成される金属マトリックス複合材料を工業的に必要なものに調 整又は加工することができる０例えば、金属マトリックス複合材の耐摩耗性は、 充填剤物質のサイズの増大（Ｎえば、充填剤物質粒子の平均粒径を大きくする） によって大きくなり、充填剤物質はマトリックス金属より高い耐摩耗性となる。

しかしながら、強度及び／又は靭性は、充填剤のサイズが小さくなるに従って増 加する傾向にある。更に、金属マトリックス複合材の熱膨張率は充填剤の使用量 が多くなると減少し、そして充填剤の熱膨張率はマトリックス金属の熱膨張率よ り低くなる。形成される金属マトリックス複合体の機械的及び／又は物理的性質 （例えば、密度、熱膨張率、弾性率及び／又は比弾性率、強度及び／又は比強度 ）は、粗密でない状態での又はプレフォーム中の充填剤物質の送入によって調整 することができる０例えば、充填剤の密度がマトリックス金属のそれより大きい 場合、充填剤粒子のサイズ及び／又は形状を変えて含むプレフォーム又は密でな い状態の物質を供給することによって、充填剤物質の送入を高めて充填剤物質を より多く供給すると、密度の高い金属マトリックス複合体が得られる。この本発 明の教示を採用して、浸透される充填剤物質又はプレフォームの容積パーセント を広範囲に変えることができる。浸透される充填剤の容積パーセントが少ないと 、多孔性充填剤物質又はプレフォーム（例えば、約１０容積％）を形成する能力 に主として欠け、一方浸透する充填剤又はプレフォームの容積パーセントが大き くなると、少なくとも相互に連結した細孔を有する密の充填剤物質又はプレフォ ーム（例えば、約９５容積％）を形成する能力に主として欠けてくる。

従って、上述した教示を単独又は組合せて実行し、所望の組合せた性質を有する 金属マトリックス複合材を製造することができる。

本発明による金属マトリックス複合材の形成方法は、圧力を採用して溶融マトリ ックス金属をプレフォーム又は充填剤物質に押し入れ又は圧入することなくして 、充填剤物質の高容積そして低多孔性を有する実質的に均一な金属マトリックス 複合材を製造できる。低多孔性の充填剤物質を最初に使用することにより、高容 積含有の充填剤物質が得られる。充填剤が溶融合金による浸透が阻止されるよう な密閉多孔性又は全たくの密の構造に接触しない限り、充填剤が圧縮又は緻密で あれば、高容積含有量の物体が得られる。特に、約６０から８０容積％の規模の 含有量の物体が、振動による送入、粒子サイズ分布の調整等により得ることがで きる。しかしながら、充填剤をより多く含む物体を得るために、別個の方法を用 いることもできる。４０から５０容積％の規模の充填剤を含む物体は、本発明に よる熱形成方法に適している。このような容積含有量においては、浸透複合材は その形状を実質的に維持し、これにより次に示す加工を容易にする。熱形成後の 所望の最終複合材に応じて、粒子の送入を多くするか又は少なくするかを行う、 更に、粒子の送入を少なくするために、本発明の熱形成方法を関連させ、粒子の 送入を減少させる方法を採用することもできる。

セラミック充填剤周辺のアルミニウム浸透及びマトリックスの形成において、ア ルミニウムマトリックス金属によるセラミック充填剤の濡れは、浸透機構におい て重要な部分を占めることが新たに見い出された。更に、溶融マトリックス金属 による充填剤の濡れは、形成される金属マトリックス複合材料中の充填剤の均一 な分散となり、そしてマトリックス金属の充填剤への結合を良好にする。更に、 低い処理温度において、無視できる程度の又は最小限の金属窒化物が生成し、金 属マトリックス中に分散したアルミニウム窒化物の微量の不連続相となる。しか しながら、温度が上限に近づ（につれ、金属の窒化はより生じ易くなる。したが って、金属マトリックス中の窒化物権の量は、浸透の生ずる処理温度を変化させ て規制する。

窒化物をより多く形成する特定の処理温度は、使用するマトリックスアルミニウ ム合金、充填剤若しくはプレフォームの容積に関連した量、浸透される充填剤物 質、及び浸透雰囲気の窒素濃度の如き要因を採用して変化させる。例えば、所定 の温度におけるアルミニウム窒化物形成の程度は、合金が充填剤に濡れづらくな るに従い増加し、また雰囲気の窒素濃度が増えるに従い増加するものと考えられ る。

それ故に、複合材の形成の課程で金属混合物の成分を調整して、得られる製品の 特性に寄与することは可能である。所定の系において、窒化物の形成を規制する ために処理条件を選定することになる。

アルミニウム窒化物権を含む複合製品は、製品の性能に好ましいか又は改善した 成る種の性質を呈す、充填剤物質としてのアルミナの場合、窒化物の顕著な形成 によってマトリックスの耐久性が減少されないことを望むならば、浸透の温度は 好ましくは約１０００°Ｃを超えてはならない、しかし、複合材の延性が少なく そしてより硬いマトリックスを望むならば、１０００℃を超える温度を採用して も良い、炭化珪素を充填剤物質として使用した場合、アルミナを充填剤として使 用した場合に比較して、アルミニウム合金は窒化物に変りすらいので、約１２０ ０°Ｃの高い温度で炭化珪素に浸透されることになる。

更に、金属マトリックス複合材中のマトリックス金属の成分、及び例えば多孔度 の如き欠陥は、金属マトリックス複合材の冷却速度を調整して改善することがで きる０例えば、金属マトリックス複合材料を有する容器を冷却板の上に置く及び ／又は容器について選択的に絶縁物質を置く如きの手法によって、金属マトリッ クス複合材を方位的に固化することができる。更に、金属マトリックスの成分は 、金属マトリックス複合材の形成後に変性することができる。例えば、形成され た金属マトリックス複合材を熱処理して、金属マトリックス複合材の引張強さを 改善しても良い（引張強さの標準テストはＡＳＴＭ−Ｄ　３５５２−７７、１９ ８２年再証認）。

例えば、マトリックス金属として５２Ｑ、Ｏアルミニウム合金を含む金属マトリ ックス複合材の望ましい熱処理は、金属マトリックス複合材を、例えば約４３０ ℃の高温に加熱して、長時間（例えば、１８から２０時間）維持することである 。次いで金属マトリックスを沸騰水に約１００　’Ｃにおいて約２０秒問いやし く例えば、？−４熱処理）、引張応力に耐えように複合材の性質を調整し又は改 善することができる。

更に、充填剤物質の浸透を完全に行うために、及び／又は第１のマトリックス金 属と成分の異なる第２の金属を供給するために、マトリックス金属の溜めを使用 することは可能である。特に、成る場合には、第１のマトリックス金属と成分的 に異なるマトリックス金属を、溜に入れて使用することが望ましい０例えば、第 １のマトリックス金属としてアルミニウム合金を使用した場合、実質上処理温度 において溶融する他の金属又は金属合金を溜め金属として使用することができる 。溶融金属は通常互いに大変に混り易いので、十分な時間混り合せておく限り、 溜め金属は第１のマトリックス金属と混合することになる。故に、第１のマトリ ックス金属と組成の異なる溜め金属を用いることにより、種々の操作要件に適合 するマトリックス金属の性質を調整することができ、そして金属マトリックス複 合材の性質をも調整することが可能である。

本発明と組合せてバリヤー媒体を用いることもできる。特に、本発明において採 用されるバリヤー媒体は、充填剤物質の指定した表面域を越えて溶融マトリック ス合金（例えばアルミニウム合金）が移行したり、移動したりするのを妨害し、 禁止し、阻止し又は停止する適切な媒体である。好ましいバリヤー媒体は、本発 明を行う条件下において、一体性を維持し、揮発性でなくそして好ましくは使用 されるガスに対し通気性である物質、化合物、元素又は組成物等であって、同様 にセラミック充填剤の所定の表面域を越えて連続して浸透し又は移動するが如き を、局部的に禁止し、停止し、防害し又は阻止することができるものである。バ リヤー媒体は自発的浸透の課程で使用され、以下に詳細に述べる自発的浸透金属 マトリックス複合材の熱形成と関連して使用されるモールド又は他の取付具の如 き形状であっても良い。

好ましいバリヤー媒体は、採用された処理条件のもと、溶融マトリックス合金が 移行しても実質的に濡れない物質が含まれる。この種のバリヤーは、溶融マトリ ックス合金に対し殆んど又は全く親和性でなく、そして充填剤物質又はプレフォ ームの指定の表面域を越えて移動することをバリヤー媒体によって阻止又は禁止 される。このバリヤーは、金属マトリックス複合製品が必要とする最終的な機械 加工又は研削仕上を節減する。すでに上で述べたように、バリヤーは、好ましく は通気性若しくは浸透性、又は細かく穿かつことにより通気性にし、ガスを透過 して溶融マトリックス合金と接触させるものである。

アルミニウムマトリックス合金に対し特に有用な好ましいバリヤーは、炭素を含 むものであって、特にグラファイトの如き炭素の結晶性同素体である。グラファ イトは、特に前述した処理条件のもとでは、溶融アルミニウム合金によって本質 的に濡れることがない。

特に好ましいグラファイトは、ユニオンカーバイド社の登録商標である商品名グ ラフオイルとして販売されているグラファイト箔（ｇｒａｐｈｆｔｅ　ｆｏｉｌ ）製品である。このグラファイト箔は、充填剤物質の所定の表面域を越えて溶融 アルミニウム合金の移行を阻止するシール特性を有する。このグラファイトはま た耐熱性であって、そして化学的に不活性である。グラフオイルグラファイト箔 は柔軟性、適合性、調合性そして弾力性である。このものは種々の形状に加工し 、バリヤーとしての使用に適合する。しかしながら、グラファイトバリヤー媒体 は、スラリー若しくはペーストとして、又は塗膜として、充填剤物質又はプレフ ォームの境界の周辺またはその上に用いられる。グラフオイルは柔軟なグラファ イトシートであるので、特に好ましい、使用に際し、この紙の欅なグラファイト は、充填剤物質又はプレフォームの周辺に簡単に適用できる。

窒素の中でのアルミニウムマトリックス合金に適した他の好ましいバリヤーは遷 移金属硼化物（例えば、チタンニ硼化物、ＴｉＢｇ）であって、この物質を使用 する成る種の条件の場合、溶融アルミニウム金属合金によっては一般に濡れるこ とはない、この種のバリヤーでは、処理温度が約８７５℃を超えてはならず、そ うでないとこのバリヤー物質は効果が少なく、そして事実、温度が上昇するとバ リヤーへの浸透が生ずる。更に、バリヤー物質の粒子サイズは、その物質の自発 的浸透を阻止するための能力に影響を与える。遷移金属硼化物は、代表的には粒 形である（１から３０ミクロン）、このバリヤー物質は、好ましくはプレフォー ムとして事前に成形したセラミック充填剤物質の通気性部分の境界に、スラリー 又はペーストとして適用される。

窒素中のアルミニウム金属マトリックス合金に対する他の有用なバリヤーは、充 填剤物質又はプレフォームの外面にフィルム又は層として適用する低揮発性を権 化合物が含まれる０本発明の処理条件において、窒素中燃焼すると、この有機化 合物は炭素のすす膜を残して分解する。この有機化合物は、塗装、噴霧又は浸漬 の如き通常の手段によって適用される。

更に、微粉砕された粒状物質も、充填剤物質の浸透速度より遅い速度でこの粒状 物質が浸透する限り、バリヤーとして機能することになる。

かくして、所定の表面域をバリヤー媒体の層で覆うことによる如き適当な手段に よって、バリヤー媒体を適用することもできる。このようなバリヤー媒体の層は 、塗装、浸漬、シルクスクリーニング、蒸発により、又は液体、スラリー若しく はペースト状で７１′リヤ一媒体を適用し、更には揮発性バリヤー媒体をスパッ ターすることにより、又は固体粒状バリヤー媒体の層を単んに沈着することによ り、又はバリヤー媒体の薄いシート若しくはフィルムを指定した表面域に適用さ れる。浸透マトリックス金属が指定した表面域に到着しそしてバリヤー媒体と接 触すると、そこに設けられたバリヤー媒体は実質的に自発的浸透を終結する。

次に示す実施例には本発明の種々な実証が含まれている。しかしながら、これら の実施例は説明のためと考えるべきであり、そして特許請求の範囲に示した本発 明の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。

ス１ｊ１− ここでの実施例は、箱体の開口端部の外周に付着したアルミニウム合金リップを 有する端部が開口した金属マトリックス複合材箱体を形成するために、便利な合 金スリングを使用して自発的浸透技術の利用を明らかにする。

約２インチ（５１ｍ）の長さ、約１インチ（２５膳）の幅そして約１インチ（２ ５■）の深さの内部キャビティを有する長方形のグラファイトシーｌレド１２を グレードＡＴＪグラファイト（ユニオンカーツマイト社、Ｃ１ｅｖｅｌａｎｄ、 Ｏ［１）の固体から準備した。約１．８７５インチ（４８ｍ）の長さ、約０．８ ７４インチ（２５■）の幅そして約０．３１２インチ（７，９Ｗ）の高さのグラ ファイトインサート２０をグラファイトモールド１２の底面に１き、グラファイ トインサート２０の境界面と長方形グラファイトモールド１２の内壁との間に約 ０．３１２インチ（７，９ｍ５）の深さ及びＭｏ、０６３インチ（１，６腫）の 幅のチャンネルを形成した。グラファイトモールドの内面及びグラファイトイン サートの外面を、５０容積％のＤＡＧ　１５４コロイド状グラフアイト（アチソ ン社、Ｐｏｒｔ　Ｈｕｒｏｎ、ＭＩ）を含む混合物によって噴霧して塗膜１３を 形成した０次に、グラファイトモールド及びグラファイトインサートを塗布乾燥 後、グラファイトモールドの内部及びグラファイトインサートの表面を、布を使 用してグラファイトモールド内及びグラファイトインサートの上に残った残金を 拭き取った。グラファイトモールドの内部及びグラファイトインサートの表面を 、３２５メツシユ（約４５μｍ以下の粒径）のマグネシウム粉末２１（リード社 、Ｌａｋｅｈｕｒｓｔ、にＪ）を用いて塗布した。この塗布はペンキブラシと同 様に使用される綿製のアプリケーターを使用して行った。

重量で約７．５−８．５％のＳ　ｉ、　ａ、ｏ−４，０％のＣｕ、　２．７−３ ．５％のＺ　ｎ、　０．２−０．３％のＭｇ、　５０．０１％のＣａ、５０．０ １％のＴｔ。

０．７−１．０％のＦｅ、５０．５０％のＮｉ、５０．５０％のＭｎ、５０．３ ５％のＳｎ、５０．０１％のＢｅ、５０．１５％のＰｂそして残りがアルミニウ ムを含む約３０グラムの３２５メツシユ（約４５μｍ以下の粒径）アルミニウム 合金粉末１４を、グラファイトインサートの境界面と長方形グラファイトモール ドの内壁で作られたチャンネルの中に送入した。

このグラファイトモールドを静かに左右に振ってアルミニウム合金粉末を平担に ならした。アルミニウム合金粉末１４を平担にならしな後、３２５メツシユ（約 ４５μｍ以下の粒径）マグネシウム粉末１５（リード社、Ｌａｋｅｈｕｒｓ　ｔ 、　ＮＪ　）の薄い膜をアルミニウム合金粉末を軽く覆うようにして、３２５メ ツシユ（約４５μｍ以下の粒径）アルミニウム合金粉末１４の上に設けた。

約７９．７重量％の３９クリストロン２２０グリツド（約６６βｍの平均粒径） の炭化珪素（ツートン社、Ｗｏｒｃｅ内ｔｅｒ＋ＭＡ）　、約１９．４重量％の ３９グリストロン５００グリフト（約１７ｊ！ｍの平均粒径）の炭化珪素及び約 ２．９重量％の３２５メツシユ（約４５μｍ以下の粒径）マグネシウム粉末（リ ード社、Ｌａｋｅｈｕｒｓｔ、ＮＪ）を含む混合物である充填剤物質１６は、二 〇三者をプラスチックジャーに入れ、そしてこのプラスチックジャーを静かに左 右に振って準備した。約２０グラムのこの充填剤物質を、３２５メツシユ（約４ ５μｍ以下の粒径）アルミニウム粉末で覆っている３２５メツシユ（約４５μｍ 以下の粒径）マグネシウム粉末１５の上に設けた。この充填剤物質１６は、グラ ファイトモールド１２の中にあるグラファイトインサート２０を覆っている。グ ラファイトモールドを静かに左右に振って充填剤物質１６を平担にならした。充 填剤物質の平担面は、グラファイトインサート２０の上面で約０．３８インチ（ ９，５■）であった０次に、約０．１５グラムの５０メツシユ（約３００２ｍ以 下の粒径）マグネシウム粉末１７（商品名ＡＬＦＡ、　ジェンソンマテー社、Ｗ ａｒｄ　Ｈｉｌｌ、ＮＪ）を充填剤物［１６の平担面に均等にふりかけた。　＃ ｉＦ！１８をグラファイトモールドの開口部の上に設け、溶融状態におけるマト リックス金属の供給のためのスリング手段及びサポート手段とした。その後、５ ０メツシユ（約３００ｊ！ｍ以下の粒径）マグネシウム粉末２２を清浄したｔＲ 箔の表面にふりかけた０ｗ４箔１８の中にギャップ２３が存在するので、溶融に よりマトリックス金１１１９はグラファイトモールドエ２の中にある充填剤物質 １６に近接することになる。

名目上、重量で約１１．０−１３．０％のＳｔ、５１．２％のＦｅ、０．５−１ ．５％のＣｕ、　５０．３５％のＭｎ、　０．７−１．３％のＭｇ、　２．０− ３．０％のＮｉ、５０．３５％のＺｎ、５０．２５％のＴｉ及び残りがアルミニ ウムを含むアルミニウム合金３３６である約３８グラムのマトリックス金属１９ を、グラファイトモールドの開口部の上に存在する銅箔ストリップを覆っている マグネシウム粉末の上に１き、セットアツプを形成した。

次に、約１０インチ（２５４鵬）の幅、約１２インチ（３０５■）の長さそして 約３インチ（７６腸）の高さのステンレス温容器ｌＯＯ中にセットアツプを設置 した。このステンレス鋼容器１０の中にセットアツプを設置する前に、約１２イ ンチ（３０５■）の長さ、約１０インチ（２５４■）の幅及び約０．０１インチ （０，２５１）の厚さのグレードＰＰ−２５４ベルマホイルグラフアイト箔ｎ　 （ＴＴアメリカ社、Ｐｏｒｔｌａｎｄ、ＯＲ）をステンレス鋼容器の内部キャビ ティの底に設けた。約１０グラムのチタンスポンジ物質２４（ケムアロイ社、Ｂ ｒｙｎ　Ｍａｗｒ、ＰＡ）及び約１５グラムの５０メツシユ（約３００４！ｍ以 下の粒径）マグネシウム粉末２５（リード社、ＬａｋｅｈｕｒｓｔＪＪ）を、ス テンレス鋼容器ｌＯの底部におけるグラファイトモールドの外側端部の周辺及び グラファイト箔シート１１の上面にふけかけた。第２のグラファイト箔２６をセ ットアツプの上に設け、そしてセットアツプの外側壁に相対するものとした。

ステンレス鋼容器１０及びその内容物を含むレイアップを耐熱炉内にあるレトル トに入れ、そしてレトルトの扉を閉めた。レトルト室を水銀柱約３０インチ（７ ６２臘）に減圧し、そして１分間について約１０リツトルの流速で窒素ガスを充 満した。炉及び内容物を１時間について約４００℃の割合で室温から約８１５℃ に加熱し、この間この窒素ガスの流速を維持し続けた。１分間について約１０リ ツトルの窒素ガスを約８１５℃において１５時間流した後、ステンレス容器及び その内容物を炉から取り出し、そして過剰のマトリックス金属をグラファイトモ ールドから取り除いた。約８１５℃の温度にあるグラファイトモールド及びその 内容物を、約室温状態にある冷却アルミニウム板の上に移し、そしてこのグラフ ァイトモールドの上部を絶縁セラミックブランケットで覆った。セントアップの 上部は高温に維持し、そしてセットアツプの底部の放熱子と接触させ、セットア ツプ内の溶融金属の方向性固化を行った。

セットアツプを室温に冷却した後、セットアツプを分解すると、マトリックス金 属は充填剤物質に浸透し、箱の開口端部の外周に付着したアルミニウム合金リッ プを有する薄い壁の金属マトリックス複合箱体を含む複合体が得られたことが明 らかとなった。

ｕ■又 ここでの例は、充填剤物質をマトリックス金属と接触させて金属マトリックス複 合体を形成剃る前に、少なくとも充填剤物質の一部分に窒化マグネシウムを形成 する方法を明らかにする。特に、ここでは（１）充填剤物質内で窒素とマグネシ ウムとを反応させて、少な（とも充填剤物質の一部分に窒化マグネシウムが形成 される、（２）窒化反応はロータリキルン内で事前に行われる、そして（３）ロ ータリキルンからの窒化された充填剤物質は、マトリックス金属と接触して金属 マトリックス複合体を形成する、ことを明らかにする。

図３８に模型的に示したロータリキルンは、アメリカンアイアン社（ＡＩＳＩ） のタイプ３０４ステンレス調から作られた回転レトルト３０２を有し、これを抵 抗加熱による空気雰囲気炉３０１に送入するものである。この回転レトルト３０ ２は、分離壁３０６で分離された反応キャビティ３０４及びプラグキャビティ３ ０５を有する管状室３０３を含んでいる。約２５インチ（６３５鵬）の長さの管 状室３０３は、約６インチ（１５２■）の外径及び約１１ゲージ（約０゜１２イ ンチ、約３■）の壁厚を有する０反応キャビティ３０４は約１３．５インチ（３ ４３■）の長さ、プラグキャビティ３０５は約１１インチ（２７９閣）の長さ、 そしてこの分離壁は管状室３０３の内径を円周状に約２インチ（５１ｍ）延びて いて、そして約７ゲージ（約０．１８インチ、約４．６ｍ）の厚さを有する。

約１２インチ（３０５ｍ）の長さ及び約３／８インチ（９，５＋＋ｓ）の直径を 有する駆動軸３１７は、管状室３０３の反応室端部の壁に同軸的に取り付けられ ている。更に、出口３２１はアメリカンアイアン社（ＡＩＳＩ）タイプ３０４の ステンレス鋼で作られたスケジュール４０バイブであって、名目約１／２インチ （１３ｍ）の直径を有し、そして約３／４インチ（１９謔）の長さは管状室３０ ３の壁端部内に存在している。出口３２１はキャップ３２２を有している。並列 ボルト３２０及びナツト３１０で締めてプラグ３０７を管状室３０３に結合する フランジ３０８は、管状室３０３のプラグキャビティ端部に位置する。フランジ ３０８は管状室３０３の内径を円周状に約２．２インチ（５，６閤）延びていて 、そして約１１ゲージ（約０．１２インチ、約３鵬）の厚さを有する。

プラグ３０７は管状体、面板、端板（ｅｎｄ　ｐｌａｔｅ）及び入口管３１４を 含む、約１１．２５インチ（２８６■）の長さのプラグ３０７は、約５インチ（ １２７腫）の外径及び約１１ゲージ（約０．１２インチ、約３■）の壁厚を有す る。約８インチ（２０３層）の直径と約１１ゲージ（約０．１２インチ、約３■ ）の厚さを有する面板は、管状室３０３のプラグキャビティ３０５内にプラグ３ ０７を載置するために並列ボルト３２０に相応して４個の穴を有する。プラグ３ ０７の端部に形成された約５インチ（１２７厘）の直径を有する端板は、プラグ キャビティ３０５に延びて送入されている。入口管３１４は面板及び端板に接合 し、そしてプラグ３０７内において同軸的に載置されている。更に、入口管３１ ４は、名目上的０．２５インチ（６，４閣）の直径及び約１８インチ（４５７■ ）の長さを有するＡｌ５Ｉタイプ３０４ステンレス鋼スケジユール４０バイブで ある。６個のスペーサー３０９は、プラグ３０７の外周に沿って等間隔に設けら れている。これらのスペーサー３０９は管状室３０３のプラグキャビティ３０５ 内で同軸的にプラグ３０７と並列している。

約９インチ（２２９■）の内径を有するドライブガイド３１２は、約１．５イン チ（３，８鵬）の幅そして約０．５インチ（１３閣）の深を有するチャンネルか ら製造されたものである。ドライブガイドサポート（ｄｒｉｖｅ　ｇｕｉｄｅ　 ５ｕｐｐｏｒｔ）３１１は、管状室３０３の外側からドライブガイド３１２の内 側に円周状に延びていて、そして約７ゲージ（約０．１８インチ、４８６■）の 厚さを有する。ドライブガイド３１２は２個のローラ３１３を有し、回転レトル ト３０２は約−馬力の電動モータ（ミルウォーキ電気機器社、Ｂｒｏｏｋｊ　ｆ ｅｌｄ、　ＷＩ）に直接又は１５：１の減速比を有する伝動装置を通して駆動シ ャフト３１７によって回転される。充填剤物質内に窒化マグネシウムを形成する ために、充填剤物質と約３重量％のマグネシーム粉末から成る約１ｏｏｏグラム の充填剤混合物３１８を、約５００グラムの商品名ブルンダムアルミナ平削り媒 体３１９（Ｕ、Ｓ、ストンウェアー社、阿ａｈｗａｋ＋　ＮＪ）を含む反応室３ ０４に加えた。

この平削り媒体３１９は約１／２インチ（１３■）の直径及び約１／２インチ（ １３■）の長さを、有していた０分離壁３０６とプラグ３０７の端板との間のス ペース３２３は、約１／２インチ（１３腫）の厚さの商品名セラブランケットの セラミックブランケット及び２つの商品名ベルマ箔グラファイト箔（ＴＴアメリ カ社、Ｐｏｒｔｌａｎｄ、ＯＲ）で覆った。セラミックブランケットはプラグ３ ０７の端板と接触し、一方グラファイト箔は分離壁３０６と接触する。プラグ３ ０７は、４個のポルｌ−３２０のナンド３１０を用いてフランジ３０８に締め付 けた。ナツト３１０を締めると、プラグ３０７の端板はセラミックブランケット を押圧し、それによりグラファイト箔は分離壁３０６と接触し実質的にシールを 形成する０回転レトルト３０２は次に空気雰囲気抵抗加熱炉３０１の中に入れる と、２つのローラ３１３はドライブガイド３１２と接触しそして回転レトルト３ ０２を保持する。駆動シャフト３１７はまた電動モータに直接、又は伝動装置を 通して接続する。入口管３１４の内径に実質的に相応する外径を有するパージ管 ３１５を入口管３１４に送入し、反応キャビティ３０４に窒素雰囲気を供給する 。パージ管３１５の外径と入口管３１４の内径との間のスペースはグラファイト 箔によって実質的にシールされる。

試料ＡからＥまでを準備するために用いたパラメータを表１に示した。特に、表 １には、充填剤物質のタイプ及び量、充填剤物質への付加物、充填剤物質と組合 せた１／２インチ（１３■）直径の平削り媒体の量、試料への加熱条件、試料へ のガス流量並びに処理課程における１分間の回転数（ｒｐｍ）で示した回転レト ルト３０２０回転速度についてそれぞれ示した。試料ＡからＥは、１時間に約４ ００″Ｃの割合で表１に示した温度にまで加熱した。

次に、試料ＡからＥの製造の課程で観察した事柄について述べる。

跋且Δ 試料Ａの充填剤物質３１Ｂは、約９７重量％の３９グリストロン５００グリツド （約１７ミクロンの平均粒径）炭化珪素（ツートン社、Ｉｔｊｏｒｃｅｓｔｅｒ 、ＭＡ）及び約３重量％の３２５メツシユ（約４５ミクロン以下の粒径）マグネ シウム粉末（ハート社、Ｔａ５ａｑｕａ＋　ＰＡ　）を含有する。充填剤物質３ １８及び平削り媒体３１９を回転レトルト３０２の反応室３０４に入れた後、窒 素パージ管３１５を入口管３１４に送入し、そして１分間に約２から約３リツト ルの窒素流量で反応室３０４に導入した０回転レトル）　３０２及びその内容物 を次いで１分間に約９０回転の速度で回転しながら、炉３０１及びその内容物を １時間に約４００℃の割合で約２５０℃に加熱した。約２５０℃で約１時間加熱 した後、炉３０１及びその内容物を１時間に約４００℃の割合で約７５０℃に加 熱した。約７５０℃で約３０分後、炉３０１への電源を止める一方、反応室３０ ４へ１分間に約２から約３リツトルの窒素を流し、そして回転レトルト３０２を 約９０ｒｐｌａで回転を続けた。キルン及びその内容物を約、３５０″Ｃに冷却 した後、電動モータを駆動シャフト３１７から切り離し、そしてレトルト及びそ の内容物を急速に冷却するために、回転レトルト３０２を炉３０１から取り出し た０回転レトルト３０２とその内容物を約室温に冷却した後、充填剤物質を反応 室３０４から取り出し、そしてジャーに移した。充填剤物質は緑色がかった黄色 であって、そして水と接触すると発熱反応及びアンモンニアの臭気特性を示した 。これらの観察は窒化マグネシウムの特性に一致する。

跋料旦 ここでの試料の充填剤物９３１８は、約９７重量％の１５０グリツド（約１２２ 　ミクロンの平均粒径）炭化珪素（ツートン社、Ｗｏｒｃｅｓ　ｔｅｒ。

？ＩＡ）及び残りが３２５メツシユ（約４５ミクロン以下の粒径）マグネシウム 粉末（ハート社、Ｔａｍａｑｕａ、　ＰＡ　）を含有する。ここでは試料Ａの方 法を実質的に繰返した０回転レトル）　３０２及びその内容物を回転し１時間に 約４００°Ｃの割合で約２５０　’Ｃから約７５０℃に加熱している間、反応室 ３０４の内径が平削り媒体３１９と接触して騒音を生じたので、実質的に停止し た。特に約６６５℃と約６７０″Ｃの間においてである。約６７３℃において再 び騒音が始まるが、しかし約６６５℃において生じた騒音よりは大きくない、約 ７５０°Ｃまでは少さな騒音が鳴り続けた。約７５０℃で約３０分後、炉３０１ への電源を止め、そして窒素を流し続けながら、炉３０１及び内容物を冷却した 。窒素を約１４時間流し続けた後、この充填剤物質を試料とした。充填剤物質は 黄色で流動性がなく、試料Ａと同様に水と接触すると発熱反応及びアンモンニア の臭気特性を示した。

試料旦 試料Ｃの充填剤物質は、３２５メツシユのマグネシウム粉末を２００メツシユ（ 約７５ミクロン以下の粒径）マグネシウム粉末（ハート社、τａｍａｑｕａ、　 ＰＡ　）に代えて用いた点を除いて、試料Ａのそれと実質的に同じである。試料 Ｃは、試料Ａ及びＢとは異なって、約２５０　”Ｃに加熱し次に約６７０℃に加 熱した。約６７０℃において、回転レトルト３０２を炉３０１から取り出した。

充填剤の試料を次に反応室３０４がら取り出した。この充填剤物は凝集している ことが認められた。更に、充填剤物質は主として濃い緑色状の灰色を呈し一部に 黄色部分が存在していた。この緑色状の充填剤物質は水と接触しても発熱反応を 呈しなかった。

回転レトルト３０２を直ちに再度組立を行った。窒素を再度パージ管３１４を通 して反応室３０４に送り、そして回転レトルト３０２を再度、ｔｉ’１ｔ３０１ の中に入れた。炉３０１及びその内容物を１時間に約４００　”Ｃの割合で約７ ５０°Ｃに再度加熱し、約３０分間約７５０　”Ｃに維持した後、約１６０℃に 冷却した。約室温において、回転レトルト３ｏ２を開き、すると得られた充填剤 は明緑色状の黄色で流動性のないものであった。

メ料旦 試料の充填剤物質３１８は、約９７重量％の５００グリツド（約１７ミクロンの 平均粒径）炭化珪素（ツートン社、勤ｒｃｅｓｔｅｒ、ＭＡ）及び約３重量％の ３２５メツシユ（約４５ミクロン以下の粒径）マグネシウム粉末（ハート社、丁 ａｍａｑｕａ、ＰＡ）を含有する。炉３０１及びその内容物を約３０分間約７５ ０℃に維持する代りに、約３０分間約６７０　”Ｃに維持した点を除いて、試料 Ａの方法を実質的に繰返した０Ｍ転リレトル　３０２及びその内容物を約室温に 冷却した後、充填剤物質及び平削り媒体３１９を回転レトルト３０２の反応室３ ０４から取り出すと、充填剤物質は流動性のないものであった。

マトリックス金属による浸透用の充填剤物質を準備するために、穴を存するステ ンレス調のかん（ｃａｎ）に入れて、充１１１ｑ物質を平削り媒体３１９から分 離した。穴はかんの底部から非流動性の充填剤物質を通し、一方平削り媒体３１ ９をがんの中にとどめておくものである、充填割物質を平削り媒体３１９から分 離すると、マトリックス金属の浸透用に使用できる。特に、図３ｂの横断図で明 らかなように、約６インチ（１５２閣）四方で約３インチ（７６■）の深さ、約 １／８インチ（３ｍ）の壁厚を有し、そしてＰＩ！ＲＭＡ　ＦＯＩＬグラファイ ト箔（ＴＴアメリカ社、Ｐｏｒｔｌａｎｄ、ＯＲ）から作った箱体３３２で内張 したＧｒａｄｅＡＴＪグラファイトモールド３３１の中に、１００グラムの充填 剤物質３３３を送入した。グラファイトモールド３３１の側面を繰返したたいて 、グラファイト箔箱体３３２の中の充填剤物質３３３を平担にした。約２４グリ ツド（約１０３５ミクロンの平均粒径）マグネシウム粉末３３４（ハート社、Ｔ ａｍａｑｕａ、ＰＡ）を平担にした充填割物質３３３の上に均一にふりかけた。

約１２重量％の珪素及び残部がアルミニウムである約３３０グラムのマトリック ス金属３３５のインゴットをマグネシウム粉末３３４の上に１いてレイアップ３ ３０を形成した。

グラファイト箔で内張したグラファイトモールド３３１とその内容物を含むレイ アップ３３０を、あらかじめ約２２０℃に加熱した雰囲気を調整できるレトルト を並べて有する炉の中に入れた。レトルトの扉を閉めた後、真空ポンプを使用し てレトルトを減圧にした０次いで真空ポンプをレトルトからはずし、そして窒素 ガスを充満して凡そ大気圧にした。窒素ガスの流速は、１分間に約５リツトルを レトルトに流しそして維持した１次いで炉及び内容物を、１時間に約４００℃の 割合で約２２０℃から約７５０℃に加熱した。約７５０℃において１時間後、炉 とその内容物を約室温に冷却した。室温において、窒素ガスの流れを止めそして レトルトの扉を開けてみると、充填剤物質３３３の部分がマトリックス金属３３ ５によって浸透され金属マトリックス複合体を形成していた。

金属マトリックス複合体の金属組織を調べるために切断し、そして磨いた。特に 、図３０は、試料りの充填剤物質３３３を使用して製造した金属マトリックス複 合体を約４００倍に拡大して撮影した顕微鏡写真である０図３Ｃに示されたその 微細構造の特徴は、炭化珪素充填剤３４０、マトリックス金属３４１及びマトリ ックス金属３４１内の沈殿物３４２を含むものであって、図３０でそれが明らか である。更に、図３ｄは、試料りの充填剤物１３３３を使用して製造した金属マ トリックス複合体を約１０００倍に拡大して撮影した顕微鏡写真である。

図３０におけると同様、図３ｄの微ｗｉ構造の特徴は、炭化珪素充填剤３４０、 マトリックス金属３４１及びマトリックス金属３４１内の沈殿物３４２を含むも のである。

跋料旦 炉３０１及びその内容物を加熱した温度は約７１０℃、そして回転レトルト３０ ２の回転速度は処理の課程で約３Ｏｒｐｍである点を除いて、試料りの方法を実 質的に同じ様に繰返して行った。試料りと同じ欅に、平削り媒体３１９はそのま ま、一方充填剤物質３３３は試料りで使用したと同じグラファイト箔３３２で内 張したグラファイトボート３３１に移行するように、ステンレス鋼のかん（ｃａ ｎ）に入れて充填割物質３３０を平削り媒体３１９から分離した。試料りと同様 に、試料Ｅの充填剤物質３３３は、図３ｂに示されたマトリックス金属３３５を 用いたレイアップ３３０内部で得られる。充填割物質３３３の浸透は約７８０℃ において約３時間行った。約室温に冷却した後、グラファイトポート３３１及び その内容物をレトルトから取り出すと、マトリックス金属３３５が充填剤物質３ ３３の部分に浸透して金属マトリックス複合体を形成していることが明らかとな った０図３ｅは、試料Ｅの充填剤物質３３３を使用して形成した金属マトリック ス複合体を約４００倍に拡大して撮影した顕微鏡写真である。この金属マトリッ クス複合体の微細構造の特徴は、炭化珪素粒子３４０及びマトリックス金属３４ １を含有することである。

従って、ここでの実施例は、窒素雰囲気においてマグネシウム粉末を含む充填剤 物質を加熱することにより、充填剤物質の少なくとも一部分に窒化マグネシウム が形成されることを明らかにした。この実施例は更に、得られた充填剤物質はマ トリックス金属に浸透され金属マトリックス複合体を形成することができること を明らかにしている。

スＪｉＪＬ支 ここでの例は、充填剤物質をマトリックス金属と接触させて金属マＩ−ＩＪフッ クス合体を形成する前に、少なくとも充填剤物質の一部分に窒化マグネシウムを 形成する方法を明らかにする。特に、ここでは（１）充填剤物質内で窒素とマグ ネシウムとを反応させて、少なくとも充填剤物質の一部分に窒化マグネシウムが 形成される、そして（２）窒化反応は流動床反応器内で行われることを示す。

ここで、図４に横断図が示した流動床反応器を準備した。この流動床反応器は、 管状サスセプター（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）４０７．ガス拡散器４１８゜浸漬管４ ０８．及び反応器の頂部４１６が密閉されそして底部は排出漏斗４０４を有する 反応管４０１を包含する。特に、約３６インチ（９１４■）の長さの反応管４０ １は、約６インチ（１５２閣）の内径及び約０．４４インチ（１１＋ｗ）の壁厚 を有する。更に、反応管４０１は各反対端部にコニカル管継手４０２を有する石 英管（アメリカン溶融石英社、Ｖｏｏｒｈｅｅｓ　、　ＮＪ）を包含している０ 反応管４０１は水平に保持されている。

端部から他の端部までの約６インチ（１５２閣）の排出瀬戸４０４は、（１）反 応管４０１の底部と接合し、約６インチ（１５２腫）の内径及び約６゜９インチ （１７５閣）の外径を有する頂部、（２）各目上約０．５インチ（１３■）の直 径を有するステンレス鋼パイプに溶接した約０．５インチ（１３閣）の直径の底 部、及び（３）排出漏斗４０４の内面からサスセプターホルダー４０６に延びて いるサスセプターサボー）　（ｓｕｃｅｐｔｏｒｓｕｐｐｏｒｔ）　４０５を有 する。排出漏斗４０４．サスセプターサポート４０５及びサスセプターホルダー ４０６は、約１１ゲージ（約０．１２インチ、約３ｍ）の厚さのステンレス鋼シ ート（ＡｒＳＩ　Ｔｙｐｅ　３０４）から製作した。

カプリングリング４１０．アタッチメントリング４１１．及びカップリングリン グ４１０とアタッメントリング４１１を通ずボルト４１２を含む第１のコニカル 管状クランプによって、排出瀬戸４０４は反応管４０１の底部と接合し、そして カップリングナフト４１３を締めつけることになる。カップリングナンド４１３ を締める前に、シリコンゴムを含むガスケット４０３を、反応管４０１の底部と 排出漏斗４０４のフランジの間に置く、ガスの封印は、カップリングナツト４１ ３を締めることによって、排出漏斗４０４と反応管４０１の底部との間を強固に 密閉する。

排出漏斗４０４の底部におけるステンレス鋼パイプは、排出バルブ４１９によっ て止められている。

反応管４０１の頂部に位置する第２のコニカル管状クランプは、またカップリン グリング４１０．アタッチメントリング４１１及びアタッチメントリング４１１ とカップリングリング４１０を通すカップリングボルト４１２を有し、そしてカ ップリングナツト４１３を締めることになる。カンプリングナツト４１３をカッ プリングボルト４１２に締めることにより、アタッチメントリング４１１と反応 管４０Ｌの頂部の間にあるシリコンラバーを含むガスケット４０３を押圧してシ ールを形成する。かみ合いクランプ（図４には示していない）を締め付けて０− リング４１４を押圧すると、反応管４０１の頂部のアタッチメントリング４１１ と反応器の頂部４１６との間に強固なガスシールが形成される。

達成圧力計４２４は、反応器頂部４１６からの管４２３を通して反応管４０１内 の雰囲気と接触している。熱電対４０９．浸漬管４０８及びガス排出管４１５は 、反応器頂部４１６を通して延びている。ガス排出管４１５は、ガス排出バルブ ４２１によって締められている。浸漬管４０８は約３０インチ（７６２畷）の長 さで、約０．３インチ（７，６ｍ）の外径と約０．２インチ（５閣）の内径のム ライト（コアーセラミック社、Ｇｏｌｄｅｎ、Ｃ（１）であって、移動式のもの で製造工程中は反応器頂部４１６からガス拡散器４１８に延びている。熱電対４ ０９は、端部をムライト管で覆われたにタイプの熱電対である（ボルトテクニカ ルセラミックス社、Ｃｏｎｒｏｅ、ＴＸ）＊ サスセプター４０７は約２．５インチ（６４ｍ）の外径と約２インチ（５１■） の内径を有し、そしてガス拡散器４１８につながっている時には、約１８インチ （４５７＋＋ａ）の長さになる。サスセプター４０７とガス拡散器４１８は、反 応管４０１と同軸的に並行するようにサスセプターホルダー４０６によって保持 されている。更に、サスセプターホルダー４０６は反応管４０１内でサスセプタ ー４０７を保持しているので、その底部には約９インチ（２２９■）のスペース が存在する。別の言葉でいうと、サスセプター４０７は反応管４０１の中央に、 そして同軸に並行して位置している。サスセプター４０７及びガス拡散器４１８ はＧｒａｄｅ　Ｈ−４９０グラフアイト（グレートレークカーボン社、Ｍｏｒｇ ａｎ　ｔ。

＋ｔｏ、ＮＣ）で出来ている。ガス拡散器４１８内のコニカルキャビティの角度 は約６０度である。充填剤物質４２０がサスセプター４０７に入れられると、ガ ス拡散器４１８に接続している浸漬管４０８の端部からガスが流れ、充填剤物質 ４２０に浸透して流動床を形成する。誘導コイル４１７に通電され、そしてサス セプター４０７に誘導的に結合され加熱することになる９次に加熱されたサスセ プター４０７は充填剤物質４２０及びガス流を加熱する。流動ガスが窒素を含み そして充填剤物質が混合物としてマグネシウム粉末と充填剤を含むと、窒素は充 填剤と混り合ったマグネシウムと反応して、充填剤の少なくとも一部分に窒化マ グネシウムを形成する。

試料Ｆ及びＧは、充填剤物質の少なくとも一部分に窒化マグネシウムを形成する 種々の可能な方法の中で、二つの改善方法を明らかにする。

跋粁Ｌ １９重量％の３９クリストロン５００グリフト（約１７ミクロンの平均粒径）炭 化珪素、７８重量％の３９クリストロン２２０グリツド（約６６ミクロンの平均 粒径）炭化珪素（ツートン社、Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ、ＭＡ）及び約３重量％の３ ２５メツシユ（約４５ミクロン以下の粒径）マグネシウム粉末（ハート社、Ｔａ ｍａｑｕａ、　ＰＡ　）を含む充填剤物質４２０を、約６．５インチ（１６５■ ）の充填剤物質の深さになるように、ガス拡散器４１Ｂで止められているサスセ プター管４０７の中に入れた。サスセプター管４０７及びその内容物は、ホール ダ−４０６によって反応管４０１内で同軸に並行に保持された０次いで、数個の かみ合いクランプ（図４には示していない）によって反応器頂部４１６と上部付 属リング４１１の間のＯ−リング４１４を押圧して、流動床反応器を密閉した。

流動床反応器は次に減圧し、達成圧力計４２４の表示が水銀柱約３０インチ（７ ６２■）を示した。反応器頂部４１６から浸漬管４０８を通し、そして水銀柱で 約３０インチ（７６２腫）の減圧で２０分維持した後、サスセプター４０７内の 充填剤物質４２０に妨げにならないように、アルゴンをゆっくりと充満して約大 気圧にした。流動床反応器内の圧力が約大気圧になった後、浸漬管４０８を充填 剤物質４２０を通して更に延ばし、そして浸漬管４０８の端部をガス拡散器４１ ８の頂部と接触させた。アルゴンの流速を工分間に約７リツトルにして、充填剤 物質４２０を流動化した。

誘導コイル４１７に通電してサスセプター４０７を誘導的に加熱し、これにより 充填剤物質４２０を約３０分間で約６００℃の温度に加熱した。

流動床内の温度を約６００℃に維持し、そして反応器の圧力は１平方インチ当り 約０．５ボンド（０，０３５ｋｇ／ｄ）を記録し、この約１０分後に浸漬管４０ ８を通して流したアルゴンを窒素に代え、１分間に約１０リツトルの窒素流量に した。サスセプター４０７とその内容物を次に３０分間で約６００℃から約６６ ０℃に加熱した。充填剤物質４２０が約ｆｉ６０℃になった後、誘導コイル４１ ７への電源を止め、そして窒素の流量を１分間に約５リツトルに減少した。約１ ３．５時間後、浸漬管４０８を通して窒素を供給するガス供給栓を閉めて窒素流 を止めた。ガス流出バルブ４２１をまた閉めた。流動床反応器及びその内容物を 水銀柱３０インチ（７６２腫）に減圧した後、浸漬管４０＆にガス供給管を接続 し、そしてサスセプター４０７から充填割物質４２０を排出漏斗４０４に送るた めに窒素ガスを注入した。流動床反応器内が大気圧になった後、排出バルブ４１ ９を開けて、充填割物質を試料とした。この得られた充填剤物質は濃い灰色から 光沢のある黒色であって、空気にさらすとアンモンニアの臭気が認められた。

拭且旦 ここでは、流動床反応器を使用して充填剤物質４２０を製造する別個の方法を明 らかにする。水銀柱約３０インチ（７６２■）に約５分間維持したこと及び流動 床反応器をアルゴンガスではなく窒素ガスを充満したことを除いて、試料Ｆの方 法を実質的に繰返した。更に、最初の３分間充填割物ｆ４２０を約３０℃から約 ３５４℃に加熱する閏、窒素の流量を１分間に約８リツトルとした。約３５４℃ において、窒素の流量を１分間に約５リツトルに減少し、そして充填割物質４２ ０を６分間で約５８２°Ｃの温度に加熱した。約５８２℃において、窒素の流量 を１分間に約６リツトルに増加し、そしてサスセプター４０７とその内容物を約 ６００℃に加熱し、約大気圧に維持した。約６００℃に維持している闇、充填剤 物質４２０は凝集し始めた。約６００℃において約３０分後、流動床反応器及び その内容物を振動し、そして充填剤物質４２０の温度を約７１４℃に上昇した。

急速に温度を上昇すると、熱電対４０９の上で充填剤物ｆ４２０が凝集すること が認められた。誘導コイル４１７への電源を止め、そして窒素ガスの流れによっ て充填剤物質を冷却した。約１時間後、充填剤物質をサスセプター４０７から取 り出し、そして実質的に試料Ｆの方法に従って排出漏斗４０４に移行させた０次 いで排出バルブ４１９を開けて充填剤物質の試料を得た。この試料は緑色状の黄 色で、そして空気にさらすとアンモニアの臭気を示した。これらの観察は、窒化 マグネシウムの特性に一致した。

従って、ここでの例は、充填剤の少なくとも一部分に窒化マグネシウムが形成さ れる別途の方法として、流動床反応器の使用を明らかにした。

叉ｌ■土 ここでの例は、金属マトリックス複合体の促進した製造方法を明らかにする。特 に、マトリックス金属の融点より低い温度であって、そしてマグネシウムの窒化 を行う温度における第１工程において、マグネシウムと窒素が反応して充填割物 質の少なくとも一部分に窒化マグネシウムが形成される。炉をアルボを用いて窒 素を置換した後、炉とその内容物をマトリックス金属の融点より上の温度に加熱 すると、マトリックス金属は充填剤物質に浸透して、金属マトリックス複合体を 形成する。

図５は、下記に示す金属マトリックス複合材を製造するために使用されるレイア ップの横断図である。特に、約３．７５インチ（９５閣）の長さ、約１．８イン チ（４５腫）の幅及び約０．７９インチ（２０ｍ）の深を有する内部キャビティ のアルミナボート５０１に、約１２６グラムの充填剤混合物５０２を詰めた。こ の充填剤物質５０２は、約９５重量％の３８アルンダム２２０グリツド（約６６ ミクロンの平均粒径）アルミナ（ツートン社、Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ、ＭＡ）及び 約５重量％の３２５メツシユ（約４５ミクロン以下の粒径）マグネシウム粉末（ リード社、Ｌａｋａｈｕｒｓｔ＋１１１Ｊ）からの混合物である。約２インチ（ ５１ｍ）の長さ、約１インチ（２５ｍ）の幅そして約０．５インチ（１３ｍ）の 厚さのマトリックス金属５０３を、アルミナポート５０１内の充填剤物質５０２ の上に１いてレイアップを形成した。このマトリックス金属５０３は、各目上的 ９９゜７重量％のアルミニウム組成のアルミニウム合金である。

アルミナポート５０１及びその内容物を含むレイアップを室温において抵抗加熱 管状炉の中に置いた。管状炉を実質的に密閉し、そしてこの管と内容物を水銀柱 約３０インチ（７６２謳）に減圧した０次いで、１分間に約０．５リツトルの流 量で窒素を管状炉の中に導入し、そして管状炉とその内容物を１時間に約２００ °Ｃの割合で約５４０℃に加熱した。約５４０°Ｃにおいて約２時間後、窒素の 導入を止め、そして管状炉とその内容物を再度水銀柱約３０インチ（７６２鵬） に減圧した６次いで、１分間に約０．５リツトルの流量でアルゴンを管に導入し 、そして管状炉とその内容物を１時間に約２００℃の割合で約８００℃社加熱し た＠　１分間に約０．５リツトルの流量でアルゴンを流しながら約８００℃にお いて約２時間後、管状炉とその内容物を、１時間に約３００℃の割合で約室温に 冷却した。約室温でアルミナボート５０１及びその内容物を炉から取り出して見 てみると、アルゴン雰囲気でのマトリックス金属５０３は充填剤物質に浸透し金 属マトリックス複合体を形成していた。

ここでの例は、窒素雰囲気下そしてマトリックス金属の融点以下の温度において 、充填剤物質の少なくとも一部分に窒化マグネシウムを形成し、そしてその結果 、不活性雰囲気下マトリックス金属が充填割物質に浸透して、金属マトリックス を形成することが可能であることを明らかにした。

叉ｌ五ｌ ここでの例は、充填剤の少なくとも一部分にマグネシウムを最初に窒化し、そし て次に溶融マトリックス金属を充填剤物質と接触して充填剤物質に自発的浸透を 行って、金属マトリックス複合体を製造することが可能であることを明らかにす る０図６は、この実施例で金属マトリックス複合材を形成するために使用される 装置の横断図である。

約６６ミクロンの平均粒径を有する約７８重量％の３９クリストロン２２０グリ ツド炭化珪素（ツートン社、Ｗｏｒｅｅｓｔｅｒ、ＭＡ）　、約１７ミクロンの 平均粒径を有する約１９重量％の３９クリストロン５００グリツド炭化珪素（ツ ートン社、Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ、ＭＡ）　、及び３重量％の３２５メツシユマグ ネシウム粉末（ハート社、Ｔａｍａｑｕａ、　ＰＡ　）を含む充填剤物質６０８ を、商品名バルンダム　アルミナ平削り媒体と約２時間ボールミル処理を行って 実質的に均質の混合物を製造した。ミルの課程で、充填剤物質に対する平削り媒 体の重量比は、２：１である。

充填剤物質６０８は、約２８インチ（７１１■）の長さ、約６インチ（１５２■ ）の内径そして約１１ゲージ（約０．１２インチ、３閣）の壁厚を有するシリン ダーの中に入れた。このシリンダー６０１はＡｌ５Ｉタイプ３０４のステンレス 鋼から製造した。更に、シリンダ６０１の内径とその底部を、ＰＥ［？ＭＡ　Ｆ ＯｒＬグラファイト１（ＴＴアメリカ社、Ｐｏｒｔｌａｎｄ。

０１？）で三層に内張すした。グラファイト箔の各層は約０．０２インチ（０， ５■）の厚さである。約１１ｋｇの充填剤物質６０８をグラファイト箔６０２で 内張すしたステンレス鋼のシリンダー６０１に送入し、そして平担にならした後 、シリンダー６０１内の充填剤物質６０８の高さは約１４インチ（３５６閣）で あることが明らかになった。

シリンダー６０１とその内容物を抵抗加熱空気雰囲気炉６０９の中であって耐火 性台６０７の上に置くと、シリンダー６０１の頂部は炉６０９の頂部より上にな る。シリンダー６０１の外径に相当する直径の穴を有する商品名セラグランクセ ラミックブランケット６０６をシリンダー６０１の周辺に設けた。銅箔の二つの 層６０４をシリンダー６０１の開口部の上に置き、そして覆いを形成するために 間近の端部を下に折った。　ｖｌｏ、２５インチ（６，４厘）の直径を有する穴 を、ｆＲ箔の二層６０４をくり抜いて準備し、そしてこの穴を通して０゜２５イ ンチ（６，４＋ａｍ）の外径を有する鋼管６０５を設！した。１分間に約２８リ ツトルの割合で窒素を鋼管６０５を通してシリンダー６０１の内部キャビティに 流した。炉６０９及びその内容物を１時間に約４００℃の割合で約室温から約２ ５０″Ｃに加熱した。約２５０°Ｃにおいて約１２時間後、１分間に約２８リツ トルの流量で窒素を流しながら、炉６０９及びその内容物を１時間に約４００　 ”Ｃの割合で約７５０℃の温度に加熱した。約７５０℃において約４時間後、１ 分間に約２８リツトルの窒素を流しながら、約１２重量％の珪素及び残部がアル ミニウムから成る１２ｋｇの溶融マトリックス金属であってそして約７５０°Ｃ の温度において、銅箔の二層６０４を通して充填剤物質６０８に注入した。全部 の溶融マトリックス金属を銅箔の二層６０４を通して注入した後、炉６０９及び その内容物を約５分間約７５０℃に維持した。炉６０９への電源を止め、そして シリンダー６０１及びその内容物を炉６０９から取り出し、水冷銅冷却板の上に 置いてマトリックス金属を方向性に固化した。

約室温において、シリンダー６０９を分解してみると、マトリックス金属は充填 剤物質に浸透して金属マトリックス複合体を形成していることが明らかになった 。

従って、ここでの実施例は、充填剤物質の少なくとも一部分にマグネシウム窒化 物を形成し、そして次に溶融マトリックス金属を充填剤物質に浸透して金属マト リックス複合材料を形成することによる金属マトリックス複合体を形成する方法 を明らかにした。

１施■工 ここでの実施例は、本発明の方法に従って溶融マトリックス金属を充填剤物質の プレフォームに接触する方法を明らかにする。全体で約６１．６グラムの商品名 プルオニツクＡコロイド状アルミナ（ウェスポンド社、ｎｉｌ齢ｉ　ｎｇ　ｔｏ ｎ　、　ＤＨ）の水溶液を、約１２２．６グラムの脱イオン水で希釈し、そして １６オンスの商品名ナルゲンプラスチックジャー（ナルゲ社、Ｒｏｃｈｅｓｔｅ ｒ、ＮＹ）に入れた。約４３０．４グラムの２２０グリツド（約６６ミクロンの 平均粒径）３９クリストロン緑色炭化珪素粒子（ツートン社、Ｗｏｒｃｅｓ　ｔ ｅｒ、　ＭＡ　）及び約１８４．８グラムの５００グリフト（約１７ミクロンの 平均粒径）３９クリストロン緑色炭化珪素粒子をジャーに加えた。約０．６グラ ムの実験用セラミック結合剤ｘＵＳ４０３０３．００　（ダウケミカル社、Ｍｔ ｄｌａｎｄ、　Ｍｌ　）をジャーに加えキヤステング用のスラリーを準備した。

ジャー及びその内容物を約２時間ロラーミルを行い、次いでジャー及びその内容 物をオービタル混合機に移しそして約２時間混合し取り出した。

約６インチ（１５２膳）の直径で約０．０６３５インチ（２■）の深さの円形内 部キャビティを有するＧｒａｄｅ　Ｇ１−１０００シリコンゴムモールド（プラ スチックツールイングサブライ社、Ｅｘｔｏｎ、ＰＡ）を平担な硬いアルミニウ ム板の上に置いた。このモールドが実質的に−ばいになるまで、充填剤物質スラ リーをモールドに注いだ、アルミニウム板／モールド及びその内容物を減圧室の 中に入れ、そして部屋内を水銀柱約２８インチ（７１１鵬）に減圧した。約２分 後、減圧室を大気圧に戻し、そしてアルミニウム板／モールド及びその内容物を 減圧室から取り出した。モールド及びその内容物をシントロン磁気振動機（ＦＭ ＣＪｅｓｔ　Ｒｅａｄｉｎｇ、ＦＡ）の上に載せた振動板を入力しそして調整ノ ブ（ｋｎｏｂ）を約５にセットした。約１分後、調整ノブを約３に下げ、そして スラリー混合物をプラスチックスパチュラを使用してモールドの中央部にかき集 めた　ｉｌｌ整ノブを３にセットして４分間振動した後、残金の水をスラリーの 上部から集め、振動板を止め、そしてモールド内のプレフォームを室温において 約３時間乾燥した。

プレフォームをモールドから取り出し、そして約６，５インチ（１６５ＩＩＩｌ ＋）四方であって約０．５インチ（１３ｍｍ）の厚さを有するジルコニア板の上 に置いた。このジルコニア板及びプレフォームを室温で空気雰囲気の炉の中に入 れた。炉内部の温度を、約１時間かけて室温から約１００℃に上げた。約１００ ℃の温度を１時間維持した後、炉の温度を約８時間かけて約１１００°Ｃに上げ た。約２時間約１ｉｏｏ℃の温度に維持した後、炉内部の温度を約５時間かけて 約室温に下げた。ジルコニア板及びプレフォームを炉から取り出した。

約５０容積％のＤＡＧ　１５４コロイド状グラフアイト（アチソンコロイド社、 Ｐｏｒｔ　Ｈｕｒｏｎ、Ｍｌ）及び約５０％変性エタノールを含むバリヤー塗布 剤として使用する混合物を準備した。バリヤー塗布剤の薄い被膜をプレフォーム の一面に通用するためにエアーブラシを使用した。

バリヤー塗布剤を乾燥し、そして更にバリヤー塗布剤の薄い被膜を実質的に同様 にして適用した。約０．２８グラムのバリヤー塗布剤が適用されるまで、同様に 繰返した。

図７に示したように、約９インチ（２２９■）四方、約４インチ（１０２履）の 高さ及び約１／２インチ（１３閣）の厚さを有するグラファイトボート７１を次 に示すように改造した。約３／１６インチ（５ｍｍ）の厚さの溝を作るため、グ ラファイトボート７１の底部と側面に切り込みを入れ、スライド扉機構を準備し た。約９インチ（２２９ｍ）の幅、約６インチ（１５２ｍ）の高さ及び約３／１ ６インチ（５■）の厚さを有するグラファイト板７３を溝に入れて、スライド扉 機構を形成した。グラファイトボート７１の内面部分は、約０．０１５インチ（ ０，４閣）の厚さの一枚板の商品名グラフオイルグラフディト箔７４（ユニオン カーバイト社、Ｄａｏｂｕｒｙ、ＣＴ）を、局部的に切断及び折り曲げて内張と した。グラフオイルシートの折曲げた部分は、商品名リジンドロックグラファイ トセメント（ポリカーボン社、Ｖａｌｅｎｃｉａ、　ＣＡ）を用いて接着した。

スライド扉機構の部分は、内張を行わずにそのまま残した。約１．５インチ（３ ８ｍｍ）　Ｘ約８インチ（２０３■）の内部面積及び約１／２インチ（１３■） の壁厚を有する第２のグラファイトボート７５を、スライド扉機構の存在する反 対の壁に設けた。それぞれ４個の直径５／１６インチ（８ｍ）の穴を、スライド 扉機構に面した第２のグラファイトボート７５の側面壁の底部にあけた。約１／ ４インチ（６＋＋ａ）の高さ、約３／４インチ（１９腫）の直径を有する６オー ムのサポート手段とした。このグラファイト上昇リング７７は、商品名グラファ イトボンド５５１−Ｒグラファイトセメント（アレムコ社、Ｏｓｓｉｎｉｎｇ、 ＮＹ）を使用して、商品名グラフオイルシートに接着した。

プレフォーム７８の被覆処理を行っていない面をグラファイト上昇リング７７に 接触させ、プレフォーム７８をグラファイトボート７１内のグラファイト上昇リ ング７７の上に置いた。約１５重量％の珪素、５．５重量％のマグネシウム及び 残りがアルミニウムであるマトリックス金属インゴット７９の約１４９６．５グ ラムを第２のグラファイトボート７５に入れた。グラファイトボート７１及びそ の内容物を、次に室温において抵抗加熱で調整される炉の中に入れた。炉を密閉 し、水銀柱約３０インチ（７６２■）に減圧し、そして窒素ガスで充満して約大 気圧にした。この方法を再度繰返した。１分間に約５リツトルの流量で窒素ガス を炉内に通した。炉内の温度を１時間に約２００℃の割合で約８００℃に加熱し た。約８００℃において約１６時間維持した後、炉の扉を開いて、そしてステン レス鋼のトングを使用しスライド扉機構を引き上げて、砂を含んだスチールボー トに残ったマトリックス金属残骸を取り出した。スライド扉機構を元の位置に戻 し、炉の扉を閉め、そして炉とその内容物を室温に戻した。次いで扉を開け、グ ラファイトボート７１とその内容物を炉から取り出し、そして形成された金属マ トリックス複合体をグラファイトボート７１から取り出した。

皇旌五１ ここでの例は、マトリックス金属を充填剤物質から離して準備し、そして溶融し ている間に、マトリックス金属を充填剤物質に流して浸透させ、金属マトリック ス複合体を形成することを明らかにする。

図８は、高度に装填された金属マトリックス複合体を製造するために採用された セットアツプを示す、特に、約３．０重量％のマグネシウム粒子、　（３２５メ ツシユで約４５ミクロン以下の粒径、ハート社、Ｔａｍａｑｕａ、ＰＡ）及び残 部が約１７ミクロンの平均粒径の５００グリッド３９クリストロン緑色炭化珪素 粒子（ツートン社、１１ｏｒｃｅｓｔｅｒ＋ＭＡ）を含む約１５００グラムの混 合物である充填剤物質８５を、約８．３リツトルのポーセレンボールミル（［Ｊ 、Ｓ、ストンウェアー社、Ｈａｈｍａｋ、　ＮＪ）に入れた。約１．０インチ（ ２５閣）の直径を有する４０００グラムのアルミナベースの媒体をこのボールミ ルに加えた。充填剤物質は約２時間ボールミルで処理され、次いで約１７４イン チ（６■）から１／２インチ（１３■）の壁厚を有しそして６．５インチ（１６ ５■）四方であって約４．０インチ（１０２腫）の深さのグラファイトボート８ ０に注入した。

このグラファイトボートの内部は、事前に商品名エアロダッグコロイドグラファ イト８３（アチソンコロイド社、Ｐｏｒｔ　Ｈｕｒｏｎ、ＮＪ）を用い４回薄く エアロゾル噴霧し、そして空気巾約２時間約３８０℃の温度で乾燥した。

グラファイトボート８０及びその内容物を真空乾燥炉の中に置き、次いでボール ミル処理した充填剤物１ｘ８５から残った湿気を取り除くため約１時間維持ｅｒ ℃の温度に維持した。この中に含まれている充填剤物質を平担にするため、グラ ファイトボート８０を振動し、そして数回軽くたたいて充填剤物質をより田につ めた。約４５ミクロン以下の粒径を有するマグネシウム粒子８４　（３２５メツ シユ、ハート社、Ｔａｍａｑｕａ、ＰＡ）を、１平方インチ（１６ｍｇ／ｃ’） 当り約０．１グラムの濃度になるように、充填剤物質８５の表面に実質的に平均 してふりかけた。

約１２．０重量％の珪素及び残部がアルミニウムから成る数個のマトリックス金 属８２のインゴット、全体で約２．２８６グラムを、約６．５インチ（１６５ｍ ）平方で約４．０インチ（１０２ｍ）の深さ及び約１／４（６膳）から１／２イ ンチ（１３ｍ）の厚さを有する第２のグラファイトボート８１に入れた。この第 ２のグラファイトボート８１は、また約２，０インチ（５１ｍ）の直径の穴が底 部に設けである。第２のグラファイトボー）８１の開口上部は、商品名グラホイ ルグラファイト箔８６（ユニオンカーバイド社、Ｃ１ｅｖｅｌａｎｄ、ＯＲ）で 軽く覆われ、その端部は第２のグラファイトボート８１の側面で折り曲げられて いる。第２のグラファイトボート８１とその内容物を直接第１のグラファイトボ ート８０とその内容物の上に置き、そして両者をレトルト炉の中に入れた。約３ ０グラムの窒化アルミニウム粒子８７（アドバンスドレフラクトリー社、Ｂｕｆ ｆａｌｏ、ＮＹ）を耐火製るつぼに入れ、次いでこれを、レトルト雰囲気中の酸 化性ガスを集中し易いように、積み重ねたグラファイトボート８０．８１に隣合 せるようにしてレトルトに入れた。

レトルトを密閉し、そして真空ポンプを使用してレトルト内の雰囲気を減圧した ０次いで、レトルトに窒素ガスを充満して約大気圧にした。１分間に約１５リツ トルの流量で、窒素ガスをレトルトに流し、そして維持した。この炉を次に１時 間に約４００℃の割合で、約室温から約２２５℃の温度に加熱した。約２２５° Ｃの温度で約１２時間維持した後、再び１時間に約４００℃の割合で温度を約５ ２５℃に上げた。

約５２５℃の温度で約１時間維持した後、再び１時間に約４００℃の割合で温度 を更に約７８０℃に上げた。約７８０℃の温度で約３時間維持した後、レトルト 室を開けそして積重ねたグラファイトボート８０．８１を取り出してみると、マ トリックス金属８２は溶融して、上部のグラファイトボート８１の底部の穴から 下部のグラファイトボート８０の充填剤物質８５に流れ、そしてマトリックス金 属８２が充填剤物質８５に自発的に浸透して、高度につめられた金属マトリック ス複合材が得られたことが確認された。

第２のグラファイトボート８１を第１のグラファイトボート８０から取り出し、 そして形成した高度につめられた金属マトリックス複合材を含む第１のグラファ イトポートト８０を冷却板の上に置いて、ボート内に含まれている金属マトリッ クス複合体の方向性固化を行った。

金属マトリックス複合体の露出面は、商品名フィドルＮａＱ熱トッピング粒子混 合物（ホセコ社、Ｃ１ｅｖｓｌａｎｄ、０［１）で覆って、方向性固化の課程で の温度勾配を維持した。約室温に冷却してから、高度につめられた金属マトリッ クス複合体をグラファイトボート８０から取り出し、そしてグリッドプラスト仕 上によって表面を清浄にした。

コゴ丁厄丁 ［ｊ：百１ ０ゴ：］ｑ− 一ゴ−３ｅニ ［「１− 巨酊：コ「 要約書 本発明は金属マトリックス複合体を製造する新規な方法に関する。

特に、浸透促進剤及び／又は浸透促進Ｐ；Ｉ駆体及び／又は浸透雰囲気は、生成 課程の成る点において充填剤物質又はプレフォームと連繋し、溶融マトリックス 金属を充填剤物質又はプレフォームに自発的浸透させる。このような自発的浸透 は圧力又は減圧の適用なくして生ずる。溶融マトリックス金属は自発的浸透方法 を促進する驚くべき手段によって得られる。

国際調査報告

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. １．充填剤又はプレフォームを含む通気性体を準備し、マトリックス金属を溶融 状態においてのみ該通気性物体の少なくとも一面と接触させて浸透させ、そして 溶融マトリックス金属によって通気性物質の少なくとも一面に浸透されることを 包含する金属マトリックス複合材の製造方法。
2. ２．消耗物質を該マトリックス金属と該通気性物体との間に置き、そして該マト リックス金属が溶融するまで、該消耗物質は該マトリックス金属と該通気性物体 との間で分離を継続している請求項１記載の方法。
3. ３．該消耗物質は該溶融マトリックス金属と接触すると揮発する請求項２記載の 方法。
4. ４．該浸透は自発的浸透を含む請求項１乃至３のいずれか記載の方法。
5. ５．該溶融マトリックス金属が該通気性物体に接触する前に、浸透促進剤は該通 気性物体の少なくとも一部分に形成される請求項４記載の方法。
6. ６．浸透雰囲気は該通気性物体と連緊している請求項４記載の方法。
7. ７．該浸透雰囲気は浸透部分のみの該通気性物体と連緊している請求項６記載の 方法。
8. ８．実質的に不活性雰囲気は少なくとも浸透部分の該通気性物体と連緊している 請求項７記載の方法。
9. ９．該浸透は自発的浸透を含み、そして該通気性物体は、少なくとも最初は充填 剤を含み、更に該溶融マトリックス金属が該充填剤と接触する前に該充填剤の少 なくなくとも一部分に浸透促進剤が形成され、ここで該浸透促進剤はロータリキ ルン及び流動床から成る群から選ばれた少なくとも一つの装置内に形成される請 求項１記載の方法。
10. １０．固体マトリックス金属及び該通気性物体はお互いに物理的に分離しており 、そして該固体マトリックス金属が溶融されるとお互いに連緊することができる 請求項１記載の方法。
11. １１．充填剤又はプレフォームを含む通気性物体を準備し、該通気性物体の少な くとも一部分に浸透促進剤を準備し、該浸透促進剤が該通気性物体の中に準備さ れた後溶融マトリックス金属が該通気性物体の少なくとも一面と接触し、そして 通気性物体の少なくとも一部分で溶融マトリックス金属によって自発的浸透する ことを包含する金属マトリックス複合材の製造方法。
12. １２．該通気性物体は溶融状態においてのみ該マトリックス金属により接触する 請求項１１記載の方法。
13. １３．充填剤又はプレフォームの通気性物体を準備し、浸透促進前駆体を該通気 性物体の少なくとも一部分と連緊し、浸透雰囲気を該浸透促進前駆体と連緊して 、 該通気性物体の少なくとも一部分に該浸透促進前駆体を浸透促進剤に形成し、 該浸透促進剤が形成された後溶融マトリックス金属が該通気性物体の少なくとも 一面と接触し、そして溶融マトリックス金属が少なくとも通気性物体の一部分に 自発的浸透することを包含する金属マトリックス複合材の製造方法。
14. １４．該浸透促進剤が浸透促進前駆体と該浸透雰囲気との間の反応により形成さ れる請求項１３記載の方法。
15. １５．該マトリックス金属はアルミニウムを含み、該浸透促進前駆体はマグネシ ウムを含み、そして該浸透雰囲気は窒素を含む請求項１３乃至１４記載のいづれ かの方法。
16. １６．該通気性物体は溶融状態においてのみ該マトリックス金属によって接触す る請求項１３乃至１５記載のいづれかの方法。
17. １７．該マトリックス金属は最初マトリックス金属の少なくとも一つの固体イン ゴットであって、該通気性物体から離れて置かれる請求項１３乃至１６記載のい づれかの方法。
18. １８．該通気性物体は最初少なくとも充填剤を含み、そして該充填剤がロータリ キルンに存在する間に該浸透促進剤は該充填剤の中に形成される請求項１３乃至 １７記載のいづれかの方法。
19. １９．該浸透促進前駆体及び該浸透雰囲気は該ロータリキルンの中でお互いにそ して該充填剤と連緊し、そして該浸透促進剤が該充填剤の少なくとも表面部分に 形成される請求項１８記載の方法。
20. ２０．該溶融マトリックス金属が該充填剤と接触する前に、該浸透促進剤と接触 している該充填剤をモールドの中に置く請求項１９記載の方法。
21. ２１．該通気性物体は最初少なくとも充填剤を含み、そして該充填剤を流動床処 理により該浸透促進剤を該充填剤の中に形成する請求項１３乃至１７のいづれか の方法。
22. ２２．該浸透促進前駆体及び該浸透雰囲気は該流動床の中でお互にそして該充填 剤と連緊し、そして該浸透促進剤は該充填剤の少なくとも表面部分で形成される 請求項２１記載の方法。
23. ２３．該浸透雰囲気は該充填剤を通して流れ該流動床を形成する請求項２２記載 の方法。
24. ２４．該溶融マトリックス金属を該充填剤と接触する前に、該浸透促進剤を含む 該充填剤をモールドの中に入れて置く請求項２３記載の方法。
25. ２５．前記各請求項のいづれかにより形成された金属マトリックス複合材。