JPH07500148A - Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｒ−マトリックス中に酸化アルミニウム強化材を含む鋳造複合材料 - 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】 Ａ１−Ｍ　−５ｒ−マトリックス中に酸化アルミニウム強化材を含む鋳造複合材 本発明は、鋳造複合材料、特に、酸化アルミニウムの強化材粒子と、強化材に対 して濡れ性が良好であるが、反応による広範な有害な相を形成しないアルミニウ ム合金マトリックスを含む複合材料の製造に関する。

背景技術 鋳造複合材料は、通常、反応炉でマトリックス合金を溶解し、その？ｌｋ粒子を 加えることにより形成される。この混合物は、マトリックス合金の粒子に対する 濡れ（ｗｅｔｔｉｎｇ）を助長するために激しく混合され、適当な混合時間の後 、該混合物は鋳型または型の中に鋳込みされる。混合は、混合物中への気体の導 入を最少にしている間になされる。得られる複合材料は、合金組成のマトリック ス全体に粒子の強化材が分散されるものとなる。

このような鋳造複合材料は、粉末冶金技術と浸透技術により製造されるような金 属−マトリックス複合材料の他のタイプよりも、はるかに安価に製造できる。

米国特許４．７５９．９９５号、４．７８６、４６７号および５．０２８．３９ ２号において記述されているような鋳造方法により製造される複合材料は、それ らの最初の導入のわずか数年後に商業的に成功した。

望ましくは、上記鋳造複合材料は充分濡れた粒子を含み、気孔がほとんどな（、 一般的に均一な微細構造であることである。完全な濡れは、充分な複合強度およ び他の機械的特性を実現するのに必要である。同程度に貢要なのは、でき上がっ た鋳造複合材料の微細構造と機械的性質に悪影響を与える可能性のある有筈相の 形成を避けることが必要なことである。

酸化アルミニウム粒子で強化された鋳造複合材料の、アルミニウム合金−マトリ ックス中にマグネシウムが存在することは、重大な問題を引き起こしてきた。

１７２パーセントかそれ以上のマグネシウムは、多（のアルミニウム合金中に存 在し、時硬処理の間に、充分な強度を達成する。マトリックスの１７２パーセン トかそれ以上の、このような大量のマグネシウムを含むアルミニウムマトリック ス合金は、容易に酸化アルミニウム粒子に濡れるが、しかし、また、その粒子と 反応して、砕けやすいスピネル相ＭｇＡ１□０４を生ずる可能性がある。形成さ れるスピネルの量は、合金のマグネシウム含有量、混合温度および混合時間とい う、３つの要素に依存する：。混合温度は６８０−７３０℃であり、混合時間は １−２時間であるという通常の混合条件下で、合金マトリックスのマグネシウム 含有量は形成されるスピネルの量の主な決定要因となる。少量のマグネシウムを 含むアルミニウムマトリックス合金は、多量のスピネル形成を示さないが、しか しまた、酸化アルミニウム粒子を容易には濡らさない。　濡れを増強する、また は、マトリックスと粒子の間の化学的相互作用を制御するために、応用される多 くの技術があり、それらは、ある環境下で働く場合がある。粒子は特別な被覆で 改質され得るが、しかし、被覆操作により、粒子と複合材料の費用がひどく高く なる。少量の反応性気体が混合室に導入できるが、濡れを改良するには鋳造複合 材料の多孔率が増す、という犠牲を払う場合のみ達成される。濡れを改良するた めに、混合が達成される温度を上げることが考えられるが、しかし、温度を上げ ることは、また、熱力学的には宵利だが、低温での形成においては反応速度の遅 い有害層の発生を加速することになる。

それゆえ、アルミニウムーマグネシウム合金と酸化アルミニウム粒子の鋳造複合 材料の製造に関する改良技術は、継続的に必要とされている。本発明はこの必要 を満たし、さらに、関連する利点を提供するものである。

発明の開示 本発明は、アルミニウムー合金マトリックス中に、酸化アルミニウム粒子を含み 、また、マグネシウムも含む、鋳造複合材料の製造において用いられる製造法と 組成を提供する。この技術は、溶融したマトリックス合金に、さらに合金要素を 少量制御して加えることを要し、それゆえ、既存の処理手順で操作できる。反応 性のスピネル相を含まない３パーセントまでのマグネシウムを含むアルミニウム 合金は、この方法によって製造され得る。スピネル形成を抑制すると、マグネシ ウムが混合の間に添加されない場合に、より多くのマグネシウムを時効硬化反応 において関与させ、時硬した複合材料の機械的性質を、実質的に改良することに なる。

本発明によれば、複合材料は、約５から約２重量パーセントの酸化アルミニウム 強化粒子と、約９５から約２重量パーセントのマトリックス合金の混合物からな る。マトリックス合金は、約０．１５から約３重量パーセントのマグネシウムと 、所望の程度までマトリックス中でのスピネル形成を減らすために充分な量のス トロンチウムを含む、好ましくは約０１から約２重量パーセントまでのストロン チウムを含む、アルミニウムを主成分とする合金である。添加されねばならない ストロンチウムの量は、スピネル形成の減少がどの程度が望ましいかに依存する 。

溶融混合物内への気体の導入と気体の保持を最小にする間、上記強化粒子に対し てマトリックス合金を濡らし、溶融物の体積全体に上記粒子を分散させ、上記の 組成物の溶融混合物を混ぜ合わせ、それから複合混合物を鋳造することにより、 複合材料は製造される。

アルミニウムーマグネシウムマトリックス合金へのストロンチウムの添加により スピネル相の形成が減少することは、強化材としての利用に適している酸化アル ミニウムのタイプの数を増加させるという、予想外の貢要な有益な効果をもたら す。ストロンチウムがなければ、か焼アルミナだけが０．１５−３パーセントの マグネシウムを含むアルミニウム合金マトリックスの中の、スピネル形成をいく らか抑制できる。充分な量のストロンチウムを加えることにより、スピネル形成 を抑制すると、か焼アルミナだけでなく、溶融したアルミナ、噴霧乾燥したアル ミナ、板状アルミナ、焼結アルミナを含む他のタイプのアルミナを用いることも 可能である。これらの他のタイプのアルミナは、アルミニウムーマグネシウムマ トリックスにおいて、溶融したマトリックス合金中にアルミナを混合するには、 今までは大変困難なことであった。

アルミナ強化材とアルミニウムーマグネシウム合金マトリックスを含む通常の複 合材料においては、スピネル相の形成は強化粒子の表面積を増やし、それにより 溶融状繋でのマトリックス合金の粘度を増す。結果として、複合材料で用いられ 得るアルミ７の最小サイズこ最大量は、制限されることになる。、：二とえば、 ２０体積バーτントのアルミア微粒子で、スピネルが形成する場合に用いられ得 る最小のアルミア微粒子は、最小の大きざが約１ｇ−２２ミクロンである。不発 明によりスピネル形成を抑制すると、上記粒子の大きさの最小値を約９−１３ミ クロノまで減らずことができる。１０体積パーセントのアルミナ微粒子で、通常 の方法で用いらｎうる最小のアルミナ微粒子は、杓９−１０ミクロンの大きさで ある。本発明によりスピネル形成を抑制すると、粒子の大きさの最／４Ｘ値は、 約６ミクロンまで減らすことができる。他の例においては、スピネルが形成する 場合に、マトリックス中に混合され得るアルミナ微粒子強化材の最大の実際的体 積の割合は約２５体積バーでントであるが、しかし、スピネル形成が抑制される と、２５体積パーセント以上、３５体積パーセントまでに増加する。

かくして、この方法が用いられると、ストロンチウムの添加によりスピネル形成 は抑制され、マトリックスの粘度は比較的低いままである。より小さい粒子と、 その粒子のよりアきい体積割合は、このようにして用いられ得る。

一方、ストロンチウムが存在すると、アルミナから溶融マトリックス中ヘナトリ ウムを解放し得る。アルミナは、通常、既存の少量のナトリウムを含み、典型的 に；：０２−０．６重量パーセント程度である。アルミナは、通常少なくとも二 つの相、つまり、低ナトリウムアルファ相と、９重量パーセントのナトリウムを 含み得るベータ相を有することが、研究により判明している。本発明のＡｌ−Ｍ ｇ−５ｒ合金は、イオン交換に関係する可能性のある機構により、アルミナ強化 材からマトリックス中ヘナトリウムを放出しつる。溶解したナトリウムは、最終 生成物において、熱クランキング、ストリンガ−１および他の欠陥を引き起こす 可能性がある。それゆえ、ナトリウムが約１２重量パーセント以下の低ナトリウ ムアルミナを強化材として使うことが強く望まれる。ナトリウムは、このような 低ナトリウムのアルミナからマトリックスの中に溶解するが、溶解する量は少な いので、最終生成物の性質に宵ｔｔ影響は与えない。より高いナトリウム含有量 を有するアルミナ：＝、最終的な金属マトリックスのナトリウム含有量が高すぎ る結果となる。この要求は、言い替えれば、アルミナのベータ相の割合が十分に 低くして、アルミナの全ナトリウム含有量は重量で約０．２パーセントより少な くする必要があるということである。

本発明の複合材料は、析出物の硬化に必要とされるマグネシウムを含有するアル ミニウムを主成分とするマトリックスを含む。このマトリックスは、酸化アルミ ニウム微粒子に十分に濡れているが、しかし、マグネシウムの含有量が重量で３ パーセントまで程度である時でさえ、スピネル相の生成は減少するか、完全に抑 制される。得られる複合材料は、時効硬化に関与するマトリックス中で保持され る、より大量のマグネシウムに起因する改良された機械的性質を有する。本発明 の他の特徴と利点は、以下の好ましい具体例のより詳細な記述と、発明の本質を 例示として描く添付図面により明らかになるであろう。

図面の簡単な説明 図１は、ストロンチウムが添加されない場合の、ＡＡ−６０６１アルミニウムマ トリツクス中に１５体積パーセントの酸化アルミニウム粒子を含む複合材料の顕 微鏡写真である。

図２は、０．１重量パーセントのストロンチウムが添加された、６０６１アルミ ニウムマトリツクス中に１５体積パーセントの酸化アルミニウム粒子を含む複合 材料の顕微鏡写真である。

図３は、０．５重量パーセントのストロンチウムが添加された、６０６１アルミ ニウムマトリツクス中に１５体積パーセントの酸化アルミニウム粒子を含む複合 材料の顕微鏡写真である。

図４は、１５体積パーセントの酸化アルミニウム粒子を含む６０６１合金に含ま れるストロンチウム含有量の関数としてのスピネル形成の減少を示すグラフであ る。

図５は、６０６１アルミニウムマトリツクス中に１５体積パーセントの酸化アル ミニウム粒子を含み、ストロンチウムを加えない場合と、０．６重量パーセント のストロンチウムを加えた場合の、複合材料に関する時硬時間の関数としての降 伏強度のグラフである。

図６は、６０６１アルミニウムマトリツクス中に１５体積パーセントの酸化アル ミニウム粒子を含み、種々の量のストロンチウムを加えた複合材料の混合時間の 関数としての、マトリックス中のマグネシウム含有量のグラフである。

発明を実施するための最良の形態 本発明により、鋳造複合材料の製造方法は、酸化アルミニウム強化粒子を約５か ら約３５体積パーセント、および、溶融マトリックス合金を約９５から約６５体 積パーセントという組成を持つ混合物の提供を含む。マトリックス合金は、約０ １５パーセントから約３重量パーセントのマグネシウムと約０．１から約２重量 パーセントのストロンチウムを含む、アルミニウムを主成分とする合金である。

この組成物は、混合物内への気体の導入と混合物内の気体の保持を最少にする間 に、マトリックス合金を粒子Ｉ：濡れさせ、溶融したマトリックスの体積全体に 粒子を分散させるために、混合される。混合物は、最終的な形に鋳造されるか、 もしくは、さらなる処理のために、半製品形態に鋳造される。

強化粒子は王として「酸化アルミニウム」から形成され、これはアルミナもしく はＡｌ２Ｏ，とも呼ばれ、様々な形と形態をしている。典型的な例として、粒子 は直径が５−１０ミクロンで、アスペクト比が１−５であるが、しかし、これら のパラメーターは例示であり、本発明はこれに限定されない。粒子は不純物の量 における他の酸化物、あるいは１！図的な付加物のような、他の成分も含む可能 性がある。本発明の必要性は、酸化アルミニウム粒子が、マトリックス合金中に 存在するマグネシウムと高温で化学的に反応して、スピネル相ＭｇＡｌ２Ｏ４を 形成するので、それゆえ、その粒子が、実質的なスピネル反応を起こすのに十分 な酸化アルミニウムを含んでいるときはいつでも有益である、ということに起因 する。

酸化アルミニウムは、約０２重量パーセント以下のナトリウム含有量（通常は酸 化ナトリウムとして存在）を有するのが好ましい。複合材が１備されたら、溶融 したマトリックス合金は、高ぜん新条件（ｈｉｇｈ−ｓｈｅａｒ　ｃｏｎｄｉｔ ｆｏｎ）で酸化アルミニウム強化粒子と混合される。ナトリウムはマトリックス 中に粒子から放出され、マトリックス中に溶解して、含有されるナトリウムとな る。マグネシウムとともに存在するナトリウムは、鋳造性と高温処理に影響を与 える熱脆性につながる可能性がある。複合材料は冷めて、マトリックスが固体化 した後、溶解したす１　トリウムは、複合材料のｗｋ械的特性を減少させる亀裂 、ストリンガ−および他の欠陥を引き起こすかもしれない。アトリウムが約０． ２パーセントよりも少なければ、溶解したナトリウムの影響は無視できるように なり、許容され得る。

アルミナは種々の製造法で製造される。実験により、か焼アルミナだけが、通常 の方法で製造されるアルミニウムーマグネシウム合金マトリックスにおいて、ス ピネルの形成に対して適度な抵抗を示すことが示された。この、アルミナのタイ プの選択の制限は、特別な要求に合致するのに適当なアルミナを選ぶための合金 設計能を減らす。ストロンチウムが添加され、本発明に従いスピネル形成を抑制 すると、スピネルが形成しないで、アルミナの多種多様なタイプをうまく用いる ことができることになる。かくして、溶融アルミナ、噴霧乾燥したアルミナ粒子 、板状のアルミナ、および焼結アルミナのような、他のタイプのアルミナを用い ることができる。

本発明の方法に用いられたアルミナ粒子は、微粒子の有効表面積を増すスピネル は形成されず、以前の、スピネルが形成される方法を用いる場合よりも、最小の サイズがより小さくてもよい。アルミニウムーマグネシウム合金マトリックス中 にアルミナ微粒子を含む通常の複合材料において、二つの理由から、粒子は、微 粒子が２０体積パーセントの場合は約１９−２２ミクロンよりも大きくなくては ならないし、微粒子が１０体積パーセントの場合は約９−１０ミクロンよりも大 きくなくてはならない。より小さい粒子はスピネル形成の間に大部分反応し、そ して、より小さい粒子を含む溶融混合物は、スピネル反応した粒子の表面積の増 加のために粘度が高くなりすぎて、適切に混合されない。ストロンチウムの添加 によるスピネル形成の抑制とともに、溶解するとか許容できないほど粘度が高く なることなく、アルミナ粒子の最小の大きさは、２０体積パーセントのアルミナ 強化材に対しては約９−１３ミクロン、１０体積パーセントのアルミナ強化材に 対しては６ミクロンに作られ得る。

これらの結果は、以下のように、約５体積パーセントから約３５体積パーセント の、関係するアルミナの含有量の範囲にわたって、内挿および外挿されつる。

粒子／マトリックスの境界面でスピネルが形成する従来の合金に対しては、アル ミナ粒子の最小サイズはおよそ５１＝ＫＶ、の関係で表わされる。二こで、ｓｌ にミクロンで表わされるアルミナ粒子の最小の許容されるサイズであり、■、は 体積パーセントにざる混合物中のアルミナ粒子の量であり、Ｋは比例定数である 。

本発明の方法に対しては、５２＝１／２ＫＶ、＝１となり、ここで、ｓ２はスピ ネルの形成が抑制される場合の、ミクロンで表わされるアルミナ粒子の最小の許 容される大きさである。

強化粒子は２体積で混合物の約５から約３５パーセントの量が存在する。（それ ゆえ、池の成分、つまり上記マトリックスは、混合物の約９５から約６５体積パ ーセントの量が存在する。）もし、粒子の存在量が約５体積パーセントよりも少 ないならば、その存在により実現される技術的な価値はないし、複合材料の製造 は技術的にも経済的にも正当化されない。もし、約２重量パーセント以上の粒子 が存在するなら、複合材料混合物はあまりに粘度が高く、適切に混合されない。

粒子は、あまり混合され得ない連続的な粒子と違って、自由に流れてマトリック スの中に混合され得る。

アルミニウムーマグネシウムマトリックス中のアルミナ粒子を含む通常の複合材 料において、粒子の体積の割合は約２５パーセントを超えることができないし、 また、溶融した混合物の粘度は、適切に混合されるにはあまりにも高すぎる。体 積の割合がより大きい場合、スピネル反応は粒子の表面積の有意量の増加をもた らし、それによって粒子とマトリックス合金の溶融した混合物の粘Ｉは著しく増 す。ストロンチウムの十分な量の追加によりスピネル形成を抑制することは、混 合の間粒子の表面積を一定に保つことになり、粘度が実質的に増加しない。

かくして、本発明の方法では、アルミナの含有は約０１５パーセント程度に高く てもよく、それでもなお、混合と粒子へのマトリックス合金の濡れを許容するの に十分な低い粘度を有する。

マトリックスはアルミニウムを主成分とする合金である。それは、約０．１５か ら約３重量パーセントのマグネシウムを含む。この範囲のマグネシウムは本発明 の絶対的な必須要件である。さもなげれば、スピネルは問題を引き起こすのに十 分な量は形成せず、それゆえ、ストロンチウムを加える必要はない。もし、マグ ネシウムの存在量が約０１５重量パーセントよりも少ないなら、複合材料マトリ ックスの強化においてマグネシウムは実質的な役割を果たさず、とにがくスピネ ルの形成は有意な量ではないので、明らかな問題は起こらない。もし、約３電量 パーでント以上のマグネ／ラムが存在するとき、高度なスピネルの核形成が起こ り、その結果、受容できる濃度の、細かい粒子の割れない反応生成物ができる。

マトリックス中に、望みの程度までスビゑル相を減らす十分な量のストロンチウ ムが存在しなければならない。この添加は、スピネルの形成を部分的に、もしく は十分に抑制するのに、十分であり得る。実質的な目的のためには、「完全な抑 制」とは、スピネル形成の９５パーセントの抑制として定義されていた。アルミ ニウムを主成分とするマトリックス中の、酸化アルミニウム粒子を含む鋳造複合 材料に加えるストロンチウムの許容範囲の選択に、決定的な影響を与える四つの ＝要な要因が特定されてきた。これらの要因には、マトリックス合金のマグネシ ウムの含有量と、混合と鋳造の間の合金の温度と、マトリックス合金と微粒子の 全混合時間と接触時間、および所望の程度のスピネルの抑制、が含まれる。これ らの要素の全てを統合する理論は展開されていないが、開業的興味のある条件に ついていくつかの指針が確認されている。

かくして、反応してスピネルを形成する強化材とともに、アルミニウムマトリッ クス中のマグネシウムとストロンチウムの適当な量の組み合わせは、本製造法の 必要な部分である。

典型的な場合において、複合材料は約７３０℃の温度で混合することにより準備 される。接触時間は、比較的短い４５分から約１２０分という長い時間までの範 囲にわたることができ、これは、固体化の完成前の活発な混合と保持時間の両方 を含み得る時間である。７３０℃の混合温度で、４５分の接触時間に対して、ス ピネル形成の７５パーセントの抑制を達成するために要求されるストロンチウム の含有量は、マトリックス合金におけるマグネシウムの重量パーセントの０゜１ 倍種度である。これらと同じ条件下で、スピネル形成の９５パーセントの抑制（ つまり、実質的に完全な抑ＩＩ＋）を達成するのに必要なストロンチウムの含有 量は、マトリックス合金−のマグ２Ａ／ウムの０．４重量パーセント程度である ３７３０℃の混合温度で１２０分の接触時間に対して、スピネル形成の９５パー セントの抑制を達成するのに必要なストロンチウムの含有量は、マトリ、７クス 合金由のマグネシウムの重量パーでントの０６倍程度である。

これらの観察とアルミニウム合金の溶融実施の知識に基づいて、いくつかの一般 的な結論が得られる。最初に、スピネル形成の抑制の程度が大きい（９５パーセ ントまたは完全な抑制）はうが望ましく、これは本発明で達成可能である。ヌ二 に、短い混合時間とマトリックスの０．１５パーセントである最少のマグネシウ ム含有量の場合、結果によれば４５分の混合時間に対しては、ストロンチウムの 添加量が約０．０６パ一セント程度、１２０分の混合時間の場合は０．０９パ一 セント程度に小さくてかまわない。本件の出願人は、この分析に基づいて、商業 的な鋳造業の実施において更に長い保持時間の可能性があるので、少し余裕を持 たせるために、ストロンチウムの最少含有量は約０．１パーセントが望ましいも のと選択した。第三に、長い混合時間と約１０パーセントというマグネ／ラムの 最大含有量に対して、マトリックス中のストロンチウム含有量はスピネル形成の ９５パーセント抑制を達成するために、約１．８重量パーセントであるべきであ る。本件の出願人は、実際の鋳造業の実施においては、さらにより長い保持時間 の可能性があるので、少し余裕を持つために、これらの結果に基づいて、このマ グネシウムのレベルで、約２パーセントというストロンチウムの含有最大量を選 んだ。

マトリックスはマグネ／ラムを含むアルミニウム合金において通営見い出される 他の元素も含む可能性がある。このような元素は、銅、ニッケル、クロム、鉄、 マンガンを含むが、これらに限定されない。ストロンチウムの存在はスピネル形 成により引き起こされるマトリックスからのマグネシウムの損失を減らすが、こ れらの他の元素に有！な影響を及ぼすとは思われない。

強化粒子と溶融マトリックス合金の混合物は実施可能ないかなる方法によっても 製造されてもよい。好ましくは、マトリックス合金は溶融し、マグネシウム（も し既存しないなら）とストロンチウムは溶融物に加えられ撹拌される。酸化アル ミニウム強化粒子は溶融物に加えられ、高ぜん断撹拌によって混合される。

微粒子物質にマトリックス合金を濡れさせるために、混合物は、米国特許４゜７ ５９．９９５号、４．７８６．４６７号、５．０２８，３９２号に記述の製造過 程に従って良好に混合される。

好ましい混合は溶融物の中に渦が生じない状態で、真空か、もしくは静的な窒素 雰囲気において、続いて脱気することにより達成される。米国特許４．７８６゜ ４６７号の図１の関係においては、溶融物において渦を最小にすることが重要で ある。真空の利用は米国特許４．７５９．９９５号と４．７８６．４６７号に記 載されている。混合の間、窒素雰囲気を用いる気体を最少にし、続いて脱気する ことは、米国特許５．０２８．３９２号に記載されている。典型的な例において 、混合物は９０−１３５分間、真空中で混合される。

混合が完了した後、混合物は鋳造される。それは鋳型もしくは鋳塊鋳型に入れて 鋳造され得るか、もしくは連続的に鋳造され得る。マトリックスが鋳物の微細構 造を備えて固体化するように鋳造工程が複合材料を冷却する限り、どんなタイプ の鋳造工程でも利用され得る。

多（の異なった合金システムが用意され、スピネル形成の抑制のためのストロン チウムの利用を確認するために試験された。各々の場合に、複合材料は１５体積 パーセントの酸化アルミニウム粒子の強化材と、８５体積パーセントのマトリッ クス合金を含んでいた。マトリックス合金が６０６１合金（公称組成は、Ｓｉは ０．６重量パーセント、Ｃｕは０．２５重量パーセント、Ｍｇは１．２重量パー セント、Ｃｒは０２０重量パーセント、残部はアルミニウム）の場合は、０．０ ．１．０，２．０．５．０．６あるいは１．０重量パーセントのＳｒを含有；　 ７００５合金（公称組成は、マグネシウムは１．４１量パーセント、亜鉛は４、 ５１量パーセント、マンガンは０．４５重量パーセント、クロムは０．１３重量 パーセント、チタンは０．０４重量パーセント、残部はアルミニウム）の場合は 、０．０５、あるいは１．０重量パーセントのストロンチウムを含有、２０２４ 合金（公称の組成は、４５重量パーセントの銅、０．６重量パーセントのマンガ ン、１．５重量パーセントのマグネシウム、残部はアルミニウム）の場合は、１ ．０重量バーでントのストロンチウムを含有。

複合材料は、約７３０’Ｃの温度で上記公称合金組成物を溶解することにより複 合材料か用意され、それから、アルミニウムー１０ｗｔ　％ストロンチウム母合 金の形で、適当量のストロンチウムが加えられた。（フリーのマグネシウムを置 き換えるために、攪拌操作の間マグネシウムは添加されなかった。さもな（ば、 スピネル形成のためにフリーのマグネシウムは失われる可能性がある。）酸化ア ルミニウム粉末は溶融物に加えられ、反応容器は密封され、約Ｉ　Ｔｏｒｒもし くはそれ以下の真空まで排気された。混合物は、約１２０Ｏｒｐｍの撹拌速度で 、溶融物の表面で渦を生じない撹拌羽根を用いて混合された。混合は１２０分間 続けられたが、化学分析のために溶融物のサンプルを取るために、定期的に休止 された。

混合した複合材料は５７ｍｍの円い鋳塊鋳型中に鋳込みされ固体化された。

図１−３は、研究されている合金の微細構造を表し、６０６１合金の、Ｓｒが０ 重量パーセントの場合（図１）、Ｓｒが０．１重量パーセントの場合（図２）、 Ｓｒが０５重量パーセントの場合（図３）を示す。スピネル相ＭｇＡｌ□Ｏイは 図１に示されるように、ストロンチウムを含まない組成物中に存在し、酸化アル ミニウム粒子の表面に小さい結晶がくっついているように見える。大部分の応用 に用いられると判断されたごく少量のスピネル相だけが、図２に示されるように 、ストロンチウム０１重量パーセントを含む複合材料中に見られる。実質的に０ ．５重量パーセントのストロンチウムを含む複合材料中にはスピネル相は見られ ない。マトリックス合金の少な（とも約０１重量パーセントのストロンチウムが 存在すれば、受容できる程度にスピネル形成を抑制するのに十分である。

同様の結果が研究された他の合金において観察された。

図４は、４５分の混合の後、種々の溶融物から取り出されたサンプルにおけるス ピネル含有量の評価の結果を示す。ストロンチウムを添加しない物質と比較して 、スピネルの７５パーセントの減少は充分であると考えられる。このスピネル含 有量の減少は、０１以上のストロンチウムを含むそれらの合金で達成される。ス ピネルのほとんど完全な抑制（すなわち９５パーセントの減少）は０４パ一セン ト以上のストロンチウムを含む合金で達成される。これらの結果は、添加される ストロンチウムの量は、少量の減少から実質的に完全な抑制まで、所望量だけス ピネル形成を減らすよう調整できることを示す。

１２０分の混合のあと、鋳造複合材料のいくつかの機械的性質が研究された。

特に、張力試験の研究は、０と０．６重量パーセントのストロンチウムを含む６ ０６１合金に対してなされた。これらの試験のために、注型し放しの複合材料は 欅に延ばされ、機械で張力試験の標本に造られた。この標本は１時間の間、５３ ０°Ｃで溶体化熱処理され、水で焼入れされた。標本は０から２４時間の範囲の 種々の時間、１７５℃で時硬され、降伏と最終的な強度に対して張力が試験され た図５は、時硬時間の関数として０．２パーセントの降伏強度を示す時硬試験の 結果を表す。ストロンチウムを含まない標本は、ただわずかの時硬反応を示した だけであるが、一方、０．６重量パーセントのストロンチウムを含む標本は大き い時硬反応を示した。ストロンチウムを含まない標本においては、マグネシウム の大部分は、混合の間反応してスピネルを形成し、それゆえ、強化された凝固物 の形成には利用されない。一方、約０４重量パーセント以上のストロンチウムを 含む標本は、時硬の間、マグネシウムの大部分を強化凝固物を形成するのに利用 され得るままにし、スピネル相を形成しない（図３に示される）。

図６は鋳造アルミニウム（マグネシウムを添加）合金−アルミナ強化複合材料に ストロンチウムを添加する効果についての、この理解をさらに支えるものである 。１５体積パーセントのアルミナ粒子と種々の量のストロンチウムを含む６０６ １合金混合物の標本は所定の時間のあと標本抽出され、マトリックスはマグネシ ウムの含有量にたいして化学的に分析された。ストロンチウムを含まない溶融物 は、最初は約１２パーセントから１２０分後には約０．２パーセントへという、 マグネシウム含有量の連続的で迅速な減少を示した。０．１と０．２重量パーセ ントのストロンチウムを含む溶融物は、マグネシウム含有量がはるかにゆっくり と減少するのを示した。

０６重量パーセントのストロンチウムを含むマトリックスは、約１，２パーセン トから約１０パーセントへと、マグネシウム含有量のわずかな減少を示した。６ ０６１合金は、溶融して、しばしば約１０重量パーでントのマグネシウムを含有 するので、最初に１２パーセントのマグネシウムを供すると、混合のあと結果と して、１０パーセントの許容できるマグネシウムのレベルとなる。

真空混合環境に対するマグネシウムの損失の効果を見積もるために、マトリック ス６０６１合金のサンプル（酸化アルミニウム微粒子は含まない）だけは１３５ 分間混合され、マグネシウム含有量の損失は約１．０５重量パーセントまでにな っていることが判ワた（「真空のみ」と印している、く線）。図６は、０６重量 パーセントのストロンチウムを含む合金においてマグネシウムの損失のほとんど 全部は、スピネル形成よりもむしろ蒸発によるものであったということを示し、 これは図３によって支持される結論である。図６は、また、ストロンチウムを含 まないマトリックスからのマグネ／ラムの損失の大部分は、蒸発よりもむしろス ピネル相の形成による、という結論と一致する。

合金のいくつかにおいて、その損失をスピネル形成に！き換えるために溶融物に マグネシウムが加えられなかった研究において、これらの結果が得られたことは 喜ばしいことであろう。商業的な実施において、スピネル形成に対するマグネシ ウムの損失は、混合の間にマグネシウムを加えることにより補われ得るが、しか し、このような添加が必要であることは、複合材料の溶融工程をより複雑に、予 期できないものとする。かくして、本発明の重要な有用性は、スピネル反応（な ぜならストロンチウムはこの効果を抑制する）と溶融操作の複雑さにおける付随 的な減少による、マグネシウムの損失を補う必要がないことである。

かくして、少量のストロンチウムは、０．１５から３１量パーセントのマグネシ ウムを含むマトリックス中の酸化アルミニウム粒子の複合合金中に存在する場合 に、驚Ｘべき有益な効果を有する。ストロンチウムはスピネル相の形成を減らす かもしくは完全に抑制する。スピネル相は、さもなければ形成されて、利用でき るマグネシウムのマトリックスを減らす。十分なストロンチウムが存在すると、 スピネル形成は抑制され、はとんど全てのマグネシウムが時効硬化反応に利用さ れ、複合材料はすばらしい時硬応答とすばらしい機械的性質を示す。これらの改 良は濡れの効果には関係しない、なぜなら、ストロンチウムを含まないマトリッ クス合金が粒子に７分に濡れることができるからである。その力１わり（：、こ れらの改良は、酸化アルミニウム強化材がマグネシウムを含むアルミニウムを主 成分とするマトリックス合金中に存在するとき観察されたように、スピネル形成 力（減少することに起因する。

実例を挙げるために本発明の特定の実施例を詳細に記述してきたが、本発明の本 質と範囲から逸脱しない範囲の様々な変形実施例が可能である。従って、本発明 は添付の特許請求の範囲による以外は制限されない。

スピネル形成の減少−％ 応力（ＭＰａ） θ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８）

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．酸化アルミニウムの強化粒子約５から約３５体積パーセントと、マトリック ス合金約９５から約６５体積パーセントの混合物からなる複合材料であり、該マ トリックス合金は、マグネシウム約０．１５から約３重量パーセントと複合材料 中でのスピネル形成を減らすために十分な量のストロンチウムを含む、アルミニ ウムを主成分とする合金である複合材料。
2. ２．ストロンチウムの含有量がマトリックスの約０．１重量パーセント以上であ る請求項１記載の複合材料。
3. ３．ストロンチウムの含有量がマトリックスの約０．４重量パーセント以上であ る請求項１記載の複合材料。
4. ４．上記マトリックスが鋳造微細構造を有する請求項１記載の複合材料。
5. ５．上記酸化アルミニウム強化粒子が、重量で約０．２パーセントよりも少ない ナトリウムを含む請求項１記載の複合材料。
6. ６．上記酸化アルミニウム強化粒子が、溶融アルミナ、噴霧乾燥アルミナ、板状 アルミナ、焼結アルミナからなるグループから選ばれる請求項１記載の複合材料 。
7. ７．上記酸化アルミニウム強化粒子の最小の大きさがおよそＳ２からおよそＳ１ の範囲にある（ここでＳ１とＳ２は各々Ｓ１＝ＫＶａおよびＳ２＝１／２ＫＶａ ＋１で与えられ、Ｓ１とＳ２はミクロンの単位で、Ｖａは複合材料の体積パーセ ントでの存在するアルミナ粒子の量であり、Ｋは定数である請求項１記載の複合 材料。
8. ８．約５から約３５体積パーセントの酸化アルミニウム強化粒子と、約９５から 約６５体積パーセントのマトリックス合金の混合物からなる複合材料であり、該 マトリックス合金は約０．１５から約３重量パーセントのマグネシウムと約０１ から約２重量パーセントのストロンチウムを含むアルミニウムを主成分とするマ トリックス合金である複合材料。
9. ９．鋳造複合材料の製造法であり、 約５から約３５体積パーセントの酸化アルミニウム強化粒子と、約９５から約６ ５体積パーセントの溶融マトリックス合金の組成を有する混合物の製造法であり 、該マトリックス合金は、約０．１５から約３重量パーセントのマグネシウムと 、複合材料中でスピネル形成を減らすために十分な量のストロンチウムを含むア ルミニウム主成分とする合金であり、上記粒子に上記マトリックス合金を濡らし 、溶融マトリックスの体積全体に粒子を分散するために、上記混合物を混合し、 そして、上記混合物を鋳造する、 という工程からなる鋳造複合材料の製造法。
10. １０．上記ストロンチウムの含有量が上記マトリックスの約０．１重量パーセン ト以上である請求項９記載の製造法。
11. １１．上記ストロンチウムの含有量が上記マトリックスの約０．４重量パーセン ト以上である請求項９記載の製造法。
12. １２．上記ストロンチウムの含有量が上記マトリックスの約０．１から約２重量 パーセントである請求項９記載の製造法。
13. １３．上記混合物中への気体の導入と混合物内の気体の保持を最少にしつつ上記 混合の工程を行う請求項９記載の製造法。
14. １４．上記混合工程において、混合物に対して真空が適用される請求項９記載の 製造法。
15. １５．混合の段階の間に静的な窒素雰囲気が上記混合物に対して用いられる請求 項９記載の製造法。
16. １６．上記酸化アルミニウム強化粒子が約０．２重量パーセント以下のナトリウ ムを含む請求項９記載の製造法。
17. １７．上記酸化アルミニウム強化粒子が、溶融アルミナ、噴霧乾燥したアルミナ 、板状のアルミナ、焼結アルミナからなるグループから選ばれる請求項９記載の 製造法。
18. １８．酸化アルミニウム強化粒子の最小の大きさがおよそＳ２からおよそＳ１の 範囲にあり、ここでＳ１とＳ２は各々Ｓ１＝ＫＶａおよびＳ２＝１／２ＫＶａ＋ １で与えられ、Ｓ１とＳ２はミクロンでの単位で、Ｖａは複合材料中での存在す るアルミナ粒子の体積パーセント量であり、Ｋは定数である請求項９記載の製造 法。
19. １９．酸化アルミニウム強化粒子の体積の割合が約５から約３５体積パーセント である請求項９記載の製造法。
20. ２０．請求項９記載の製造法により得られる鋳造複合材料。