JPH0832595B2 - セラミック複合材料を製造する逆型複製方法 - Google Patents
セラミック複合材料を製造する逆型複製方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の分野］ 本発明は、１以上の造形されたキャビティを有するセ
ラミック複合体（composite bodies）の製造方法に関す
る。特に、本発明は、充填材を埋め込む多結晶マトリッ
クスと少なくとも１つのそれに形成された選択された形
状のキャビティを有するセラミック複合体、および逆に
複製してセラミック複合体のキャビティを形成するポジ
ティブ金型として造形された母材金属の酸化反応生成物
を充填材のベッドに浸透させることによって複合体を生
成する方法に関する。
ラミック複合体（composite bodies）の製造方法に関す
る。特に、本発明は、充填材を埋め込む多結晶マトリッ
クスと少なくとも１つのそれに形成された選択された形
状のキャビティを有するセラミック複合体、および逆に
複製してセラミック複合体のキャビティを形成するポジ
ティブ金型として造形された母材金属の酸化反応生成物
を充填材のベッドに浸透させることによって複合体を生
成する方法に関する。
［関係する特許出願］ 本発明の主題は、米国特許出願第697,878号明細書（1
985年２月４日）に継続する米国特許出願（1986年１月1
7日）（両特許出願とも出願人はMarc S.Newkirk et al
であり、タイトルは“複合体セラミック物品およびその
生成方法”である）の主題に関係している。これら特許
出願は、母材金属を充填材に浸透する大きさに成長させ
た酸化反応生成物によって自己支持性セラミック複合体
を生成する新しい方法を開示する。しかしながら、生成
された複合体は、限定されたまたは予め定められた構成
を有さない。
985年２月４日）に継続する米国特許出願（1986年１月1
7日）（両特許出願とも出願人はMarc S.Newkirk et al
であり、タイトルは“複合体セラミック物品およびその
生成方法”である）の主題に関係している。これら特許
出願は、母材金属を充填材に浸透する大きさに成長させ
た酸化反応生成物によって自己支持性セラミック複合体
を生成する新しい方法を開示する。しかしながら、生成
された複合体は、限定されたまたは予め定められた構成
を有さない。
酸化反応によってセラミック生成物を成長させる方法
は、Marc S.Netwkirk et alによるタイトルが“新セラ
ミック材料およびその生成方法”（1984年３月16日）と
称された米国特許出願明細書（1986年１月）に開示され
ており、この特許出願は、同出願人による同タイトルの
米国特許出願第705,787号明細書（1985年２月26日）の
継続出願である米国特許第776,964号明細書（1985年９
月17日）の継続出願である。合金されたドーパントを使
用することによって効果が増した前記特許出願に記載さ
れるような通常の酸化現象を使用して前駆母材金属から
の酸化反応生成物として成長した自己支持性セラミック
体を生成しまたそれを生成する方法を開示している。Ma
rc S.Newkirk et alによるタイトルが“自己支持性セラ
ミック材料の生成方法”と称される米国特許出願第632,
636号明細書（1984年７月20日）、米国特許出願第747,7
88号明細書（1985年６月25日）、米国特許出願第776,96
5号明細書（1985年９月17日）の継続出願である米国特
許出願明細書（1986年１月）で開示されるような前駆母
材金属の表面に適用された外部ドーパントを使用するこ
とによって方法は改善された。
は、Marc S.Netwkirk et alによるタイトルが“新セラ
ミック材料およびその生成方法”（1984年３月16日）と
称された米国特許出願明細書（1986年１月）に開示され
ており、この特許出願は、同出願人による同タイトルの
米国特許出願第705,787号明細書（1985年２月26日）の
継続出願である米国特許第776,964号明細書（1985年９
月17日）の継続出願である。合金されたドーパントを使
用することによって効果が増した前記特許出願に記載さ
れるような通常の酸化現象を使用して前駆母材金属から
の酸化反応生成物として成長した自己支持性セラミック
体を生成しまたそれを生成する方法を開示している。Ma
rc S.Newkirk et alによるタイトルが“自己支持性セラ
ミック材料の生成方法”と称される米国特許出願第632,
636号明細書（1984年７月20日）、米国特許出願第747,7
88号明細書（1985年６月25日）、米国特許出願第776,96
5号明細書（1985年９月17日）の継続出願である米国特
許出願明細書（1986年１月）で開示されるような前駆母
材金属の表面に適用された外部ドーパントを使用するこ
とによって方法は改善された。
前記特許出願は、以下の説明と明確に関係している。
［背景および従来技術］ 近年、金属によって歴史的に提供された構造上の応用
に対してセラミックを使用することに関心が寄せられて
きた。これは、耐蝕性、硬度、弾性率、および金属と比
較した場合の耐火性のようにセラミックの特性が優れて
いることに着目している。しかしながら、セラミック成
分が商業的に成功するには、引張荷重、より大きい耐傷
性（靱性）、および改良されたパフォーマンスの信頼性
の必要性が残されている。
に対してセラミックを使用することに関心が寄せられて
きた。これは、耐蝕性、硬度、弾性率、および金属と比
較した場合の耐火性のようにセラミックの特性が優れて
いることに着目している。しかしながら、セラミック成
分が商業的に成功するには、引張荷重、より大きい耐傷
性（靱性）、および改良されたパフォーマンスの信頼性
の必要性が残されている。
より強度の高い、信頼性のある、また強靱な堅いセラ
ミック物品を生成するために（１）モノリシック セラ
ミックに対する改良された処理方法を発展させ、また
（２）新材料の組成物、新しいセラミック マトリック
ス複合体を発展させることに焦点を当てて現在努力が重
ねられている。複合体構造は密接に結合することで所望
の複合体特性を得る１以上の異なる材料からなる不均質
材料、体または物品を包含する。たとえば、２つの異な
る材料は１つの材料を他方の材料のマトリックスに埋め
込むことによって密接に結合される。セラミック マト
リックス複合体構造は典型的に、粒状、繊維状、ロッド
状等のような１以上の異なった種類の充填材材料を密閉
するセラミック マトリックスを包含する。
ミック物品を生成するために（１）モノリシック セラ
ミックに対する改良された処理方法を発展させ、また
（２）新材料の組成物、新しいセラミック マトリック
ス複合体を発展させることに焦点を当てて現在努力が重
ねられている。複合体構造は密接に結合することで所望
の複合体特性を得る１以上の異なる材料からなる不均質
材料、体または物品を包含する。たとえば、２つの異な
る材料は１つの材料を他方の材料のマトリックスに埋め
込むことによって密接に結合される。セラミック マト
リックス複合体構造は典型的に、粒状、繊維状、ロッド
状等のような１以上の異なった種類の充填材材料を密閉
するセラミック マトリックスを包含する。
セラミック物品を調製する伝統的方法には、以下のよ
うな工程がある：（１）粉状のマトリックス材料を調製
する。（２）微粒子を得るために粉を粉砕する。（３）
所望の形状（次の工程の間の収縮を許容するもの）を有
するボディに粉を形成する。たとえば、この工程は一軸
圧縮、平衡圧縮、射出成型、テープ注型、スリップ注
型、または他の多数の技術によって行われる。（４）ボ
ディを上昇温度に加熱することによってボディを圧縮
し、個々の粉状粒子を結合させて凝集性構造を形成す
る。この工程は圧力を適用せずに（つまり圧力なしの焼
結によって）行われることが好ましいが、場合によって
は、附随的駆動力が必要でありまた一軸的に（つまり熱
圧）または等圧に外部圧力を適用して、つまり等圧圧縮
を使用して提供される。（５）頻繁に、必要なダイアモ
ンド粉砕によって終了する。
うな工程がある：（１）粉状のマトリックス材料を調製
する。（２）微粒子を得るために粉を粉砕する。（３）
所望の形状（次の工程の間の収縮を許容するもの）を有
するボディに粉を形成する。たとえば、この工程は一軸
圧縮、平衡圧縮、射出成型、テープ注型、スリップ注
型、または他の多数の技術によって行われる。（４）ボ
ディを上昇温度に加熱することによってボディを圧縮
し、個々の粉状粒子を結合させて凝集性構造を形成す
る。この工程は圧力を適用せずに（つまり圧力なしの焼
結によって）行われることが好ましいが、場合によって
は、附随的駆動力が必要でありまた一軸的に（つまり熱
圧）または等圧に外部圧力を適用して、つまり等圧圧縮
を使用して提供される。（５）頻繁に、必要なダイアモ
ンド粉砕によって終了する。
現在、改良された粉処理技術にかなりの努力がなさ
れ、またこの様な努力によってセラミック パフォーマ
ンスは改良されてきたが、技術が複雑でまた価格に問題
がある。この様な技術は２つの範囲に分けられる：
（１）ゾルーゲル、プラズマ、およびレーザー技術を使
用して均一の超微粉材料を生成する改良された方法、お
よび（２）焼結、熱圧、および熱平衡圧縮の優れた技術
を包めた圧縮およびコンパクトの改良された方法。これ
ら努力の目的は、密度の高い、微粉砕の、無傷のミクロ
構造を生成することであり、実際にパフーマンス範囲で
の改良はある範囲で得られた。しかしながら、これら発
展によってセラミック構造を生成するための価格が非常
に上がる。この様に、商業的にセラミックを使用する上
で価格的に非常に制限される。
れ、またこの様な努力によってセラミック パフォーマ
ンスは改良されてきたが、技術が複雑でまた価格に問題
がある。この様な技術は２つの範囲に分けられる：
（１）ゾルーゲル、プラズマ、およびレーザー技術を使
用して均一の超微粉材料を生成する改良された方法、お
よび（２）焼結、熱圧、および熱平衡圧縮の優れた技術
を包めた圧縮およびコンパクトの改良された方法。これ
ら努力の目的は、密度の高い、微粉砕の、無傷のミクロ
構造を生成することであり、実際にパフーマンス範囲で
の改良はある範囲で得られた。しかしながら、これら発
展によってセラミック構造を生成するための価格が非常
に上がる。この様に、商業的にセラミックを使用する上
で価格的に非常に制限される。
現代のセラミック処理では、セラミック技術はスケー
リングの多様性が制限される。圧縮を目的とした通常の
処理（つまり粉状粒子間の隙間を取除く）は、セラミッ
クの大きい１ピース構造の適用可能性と両立しない。粒
子サイズが大きくなると、たとえば、処理時間が増加
し、大量の処理に対しては均一処理条件が必要となり、
不均一圧縮または熱的圧縮によって部分を破壊し、焼結
の間に部分を歪めたり弛ませ、また熱圧を使用する場合
の圧縮力やダイ ディメンションが過渡となり、熱平衡
圧縮の場合に必要な内部容積と壁厚のために圧力容器の
価格が増すなどの種々の問題が生じる。
リングの多様性が制限される。圧縮を目的とした通常の
処理（つまり粉状粒子間の隙間を取除く）は、セラミッ
クの大きい１ピース構造の適用可能性と両立しない。粒
子サイズが大きくなると、たとえば、処理時間が増加
し、大量の処理に対しては均一処理条件が必要となり、
不均一圧縮または熱的圧縮によって部分を破壊し、焼結
の間に部分を歪めたり弛ませ、また熱圧を使用する場合
の圧縮力やダイ ディメンションが過渡となり、熱平衡
圧縮の場合に必要な内部容積と壁厚のために圧力容器の
価格が増すなどの種々の問題が生じる。
これら伝統的方法がセラミック マトリックス複合体
材料の調製に使用される場合、附随的に困難な問題が生
じる。恐らく、最も重大な問題は上記（４）のような圧
縮工程に関するものである。通常、圧力なしの焼結方法
が好ましいが、これは材料があまり適応していないと粒
状複合体には困難であるまたは不可能である。もっと重
大なことは、粒子の結合が粉状粒子を圧縮するのに必要
な配置を阻止しようとする繊維によって妨げられるた
め、材料が適合する場合でさえも繊維複合体を含む場合
には通常の焼結は不可能である。これら問題は、高温で
外部圧力を使用して圧縮処理を強制することによって部
分的に克服された。しかしながら、この様な工程は複雑
な型を生成するのに（特に一軸的熱圧の場合に）制限さ
れる外部圧力によって強化繊維を破壊したり損傷を与え
たりするという多くの問題を生み、また工程の処理能力
が低いことで概して高価となり必要な操作を終えるには
かなりの時間を要する。
材料の調製に使用される場合、附随的に困難な問題が生
じる。恐らく、最も重大な問題は上記（４）のような圧
縮工程に関するものである。通常、圧力なしの焼結方法
が好ましいが、これは材料があまり適応していないと粒
状複合体には困難であるまたは不可能である。もっと重
大なことは、粒子の結合が粉状粒子を圧縮するのに必要
な配置を阻止しようとする繊維によって妨げられるた
め、材料が適合する場合でさえも繊維複合体を含む場合
には通常の焼結は不可能である。これら問題は、高温で
外部圧力を使用して圧縮処理を強制することによって部
分的に克服された。しかしながら、この様な工程は複雑
な型を生成するのに（特に一軸的熱圧の場合に）制限さ
れる外部圧力によって強化繊維を破壊したり損傷を与え
たりするという多くの問題を生み、また工程の処理能力
が低いことで概して高価となり必要な操作を終えるには
かなりの時間を要する。
ウイスカーまたは繊維の粉をブレンドする工程および
上記（３）のボディ組成工程で附随的に問題が生じ、マ
トリックス内の複合体の第２相を均一に配分しなければ
ならない。たとえば、ウイスカー強化セラミック複合体
の調製には、混合工程とボディの組成工程を含む粉およ
びウイスカーフロー処理の結果、強化ウイスカーの不均
一で好ましくない方向性が生じ、その結果パフーマンス
特性を損じてしまう。
上記（３）のボディ組成工程で附随的に問題が生じ、マ
トリックス内の複合体の第２相を均一に配分しなければ
ならない。たとえば、ウイスカー強化セラミック複合体
の調製には、混合工程とボディの組成工程を含む粉およ
びウイスカーフロー処理の結果、強化ウイスカーの不均
一で好ましくない方向性が生じ、その結果パフーマンス
特性を損じてしまう。
同種の特許出願では、伝統的セラミック技術の問題を
解決する新しい方法が説明される。本発明は附随的新概
念とこれら処理を結付けてセラミック技術の限界、つま
り複雑な構造をネットまたはネットに近い型に組成す
る、特に複雑な内部キャビティを有する型、特に凹型キ
ャビティを有する型を組成する困難性を取除く。この様
な型には、部分を所望の形状にするのに必要な内部型は
ボディがその周囲で形成された後で取り除けないので、
通常使用されるセラミック体組成方法（前記工程
（３））は適用不可能である。この様な部分形状は完成
したセラミック ブランクから所望の型を研削仕上げす
ることによって調製され、このアプローチはセラミック
研削仕上げにおいて妨げとなる価格的問題のためにあま
り使用されない。
解決する新しい方法が説明される。本発明は附随的新概
念とこれら処理を結付けてセラミック技術の限界、つま
り複雑な構造をネットまたはネットに近い型に組成す
る、特に複雑な内部キャビティを有する型、特に凹型キ
ャビティを有する型を組成する困難性を取除く。この様
な型には、部分を所望の形状にするのに必要な内部型は
ボディがその周囲で形成された後で取り除けないので、
通常使用されるセラミック体組成方法（前記工程
（３））は適用不可能である。この様な部分形状は完成
したセラミック ブランクから所望の型を研削仕上げす
ることによって調製され、このアプローチはセラミック
研削仕上げにおいて妨げとなる価格的問題のためにあま
り使用されない。
本発明は、既知の工程に関する問題と制限を克服する
通常の酸化現象によって予め定められた内部形状のセラ
ミック複合体を生成する。この方法は通常のアプローチ
より直接的で多様的なまた低価格のメカニズムによって
典型的に強度で丈夫な造形された割目を有するキャビテ
ィ含有セラミック体を提供する。
通常の酸化現象によって予め定められた内部形状のセラ
ミック複合体を生成する。この方法は通常のアプローチ
より直接的で多様的なまた低価格のメカニズムによって
典型的に強度で丈夫な造形された割目を有するキャビテ
ィ含有セラミック体を提供する。
本発明は、現在使用されている技術では困難なまたは
不可能なサイズと厚さの造形されたキャビティを有する
セラミック体を確実に生成する手段を提供する。
不可能なサイズと厚さの造形されたキャビティを有する
セラミック体を確実に生成する手段を提供する。
［発明の概要］ 本発明によれば、ポジティブ形態または型の形状を逆
に複製する少なくとも１つのキャビティを有する自己支
持性セラミック複合体を生成する方法が提供される。セ
ラミック複合体は埋め込まれた充填材を有するセラミッ
クマトリックスを包含し、マトリックスは母材金属の酸
化によって得られ、酸化剤、たとえば気相酸化剤、場合
により母材金属の１以上の非酸化成分との前記母材金属
の酸化反応生成物から本質的になる多結晶質材料を形成
する。この方法は以下の工程を包含する：母材金属は造
形されて型を提供し、その後造形された母材金属の形状
を逆に複製する適切な充填剤内に埋め込まれる。充填材
は、（１）酸化剤が気相酸化剤である場合のように必要
なときに酸化剤が透過可能であり、またいかなる場合に
も発達する酸化反応生成物による浸透物が透過可能であ
る；（２）加熱温度域において充填材と母材金属の間の
熱膨張の差と母材金属の融点における体積変化に充分な
適応性を有する；（３）型を包囲する支持ゾーンで少な
くとも、前記母材金属の融点以上ではあるが酸化反応温
度以下であって好ましくはこの温度に非常に近い温度で
のみ本質的に自己結合し、これによって前記充填材は以
下で説明されるように母材金属の移行によってベッド内
に逆に複製された形状を維持するのに十分な凝集力を有
する。埋め込まれた造形された母材金属は融点以上の温
度範囲に加熱されるが、この温度は酸化反応生成物の融
点以下である温度で融解した母材金属のボディを形成
し、また融解母材金属は酸化反応生成物を形成する酸化
剤の温度範囲または期間で反応する。酸化反応生成物の
少なくとも一部はその温度範囲に維持され融解金属の体
と酸化剤に接触しそれらの間に維持され、それによって
融解金属は酸化反応生成物によって融解金属のボディか
ら次第に引出され、酸化反応生成物が酸化剤と以前に形
成された酸化反応生成物との間の接触点で充填材のベッ
ド内に形成し続けるとき同時にキャビティを形成する。
この反応は、少なくとも部分的に酸化反応生成物の成長
によって酸化反応生成物内に充填材を埋め込み前記キャ
ビティを有する複合体を形成するのに十分な時間その温
度範囲に維持される。最終的に生成された自己支持性複
合体は過渡の充填材から分離される。
に複製する少なくとも１つのキャビティを有する自己支
持性セラミック複合体を生成する方法が提供される。セ
ラミック複合体は埋め込まれた充填材を有するセラミッ
クマトリックスを包含し、マトリックスは母材金属の酸
化によって得られ、酸化剤、たとえば気相酸化剤、場合
により母材金属の１以上の非酸化成分との前記母材金属
の酸化反応生成物から本質的になる多結晶質材料を形成
する。この方法は以下の工程を包含する：母材金属は造
形されて型を提供し、その後造形された母材金属の形状
を逆に複製する適切な充填剤内に埋め込まれる。充填材
は、（１）酸化剤が気相酸化剤である場合のように必要
なときに酸化剤が透過可能であり、またいかなる場合に
も発達する酸化反応生成物による浸透物が透過可能であ
る；（２）加熱温度域において充填材と母材金属の間の
熱膨張の差と母材金属の融点における体積変化に充分な
適応性を有する；（３）型を包囲する支持ゾーンで少な
くとも、前記母材金属の融点以上ではあるが酸化反応温
度以下であって好ましくはこの温度に非常に近い温度で
のみ本質的に自己結合し、これによって前記充填材は以
下で説明されるように母材金属の移行によってベッド内
に逆に複製された形状を維持するのに十分な凝集力を有
する。埋め込まれた造形された母材金属は融点以上の温
度範囲に加熱されるが、この温度は酸化反応生成物の融
点以下である温度で融解した母材金属のボディを形成
し、また融解母材金属は酸化反応生成物を形成する酸化
剤の温度範囲または期間で反応する。酸化反応生成物の
少なくとも一部はその温度範囲に維持され融解金属の体
と酸化剤に接触しそれらの間に維持され、それによって
融解金属は酸化反応生成物によって融解金属のボディか
ら次第に引出され、酸化反応生成物が酸化剤と以前に形
成された酸化反応生成物との間の接触点で充填材のベッ
ド内に形成し続けるとき同時にキャビティを形成する。
この反応は、少なくとも部分的に酸化反応生成物の成長
によって酸化反応生成物内に充填材を埋め込み前記キャ
ビティを有する複合体を形成するのに十分な時間その温
度範囲に維持される。最終的に生成された自己支持性複
合体は過渡の充填材から分離される。
すなわち、本発明によれば、 （ａ）母材金属を造形して造形母材金属による型を形成
し、かつ該母材金属を、母材金属の酸化反応により生成
する物体の少なくとも一部中に溶融金属を輸送する相互
連結した金属通路を形成せしめる少なくとも１種のドー
パントと共に、充填材による透過性素材中に埋設して、
酸化反応生成物の形成が該透過性充填材素材中に向うよ
うに配置させ、 （ｂ）該埋設母材金属成形体を該母材金属の融点より高
いがその酸化反応生成物の融点より低い温度に加熱して
溶融した母材金属体を形成し、かつ該温度で該母材金属
を酸化剤と反応させて酸化反応生成物を形成し、かつ該
温度で該酸化反応生成物の少なくとも一部を該溶融母材
金属体及び該酸化剤と接触しかつその間にあるように維
持せしめて、溶融母材金属を既に形成された酸化反応生
成物を通して前記酸化剤に向かってかつ隣接する前記充
填材素材中に引き込み、かつ形成されつつある複合体中
にキャビティを同時に形成し、よって該充填材素材中の
前記酸化剤と前記予め形成された酸化反応生成物体の界
面に新鮮な酸化反応生成物を形成し、そして （ｃ）上記反応を継続して、上記によって形成されるキ
ャビティを有する酸化反応生成物体中に、前記充填材素
材の少なくとも一部を埋設する 工程を有することを特徴とする、型の形状を逆に複製し
た少なくとも１つのキャビティを有するセラミックス及
び充填材含有複合材料の製造方法が提供される。
し、かつ該母材金属を、母材金属の酸化反応により生成
する物体の少なくとも一部中に溶融金属を輸送する相互
連結した金属通路を形成せしめる少なくとも１種のドー
パントと共に、充填材による透過性素材中に埋設して、
酸化反応生成物の形成が該透過性充填材素材中に向うよ
うに配置させ、 （ｂ）該埋設母材金属成形体を該母材金属の融点より高
いがその酸化反応生成物の融点より低い温度に加熱して
溶融した母材金属体を形成し、かつ該温度で該母材金属
を酸化剤と反応させて酸化反応生成物を形成し、かつ該
温度で該酸化反応生成物の少なくとも一部を該溶融母材
金属体及び該酸化剤と接触しかつその間にあるように維
持せしめて、溶融母材金属を既に形成された酸化反応生
成物を通して前記酸化剤に向かってかつ隣接する前記充
填材素材中に引き込み、かつ形成されつつある複合体中
にキャビティを同時に形成し、よって該充填材素材中の
前記酸化剤と前記予め形成された酸化反応生成物体の界
面に新鮮な酸化反応生成物を形成し、そして （ｃ）上記反応を継続して、上記によって形成されるキ
ャビティを有する酸化反応生成物体中に、前記充填材素
材の少なくとも一部を埋設する 工程を有することを特徴とする、型の形状を逆に複製し
た少なくとも１つのキャビティを有するセラミックス及
び充填材含有複合材料の製造方法が提供される。
本発明に従えば、母材金属前駆物質の型または形状を
逆に複製しそれに含浸された充填材を有するセラミック
マトリックスを包含する自己支持性セラミック複合体が
提供される。マトリックスは母材金属前駆物質の酸化に
よって形成された相互に接続された結晶質を有する多結
晶質酸化反応生成物また場合により前記されたように金
属成分または孔またはその両方から本質的になる。
逆に複製しそれに含浸された充填材を有するセラミック
マトリックスを包含する自己支持性セラミック複合体が
提供される。マトリックスは母材金属前駆物質の酸化に
よって形成された相互に接続された結晶質を有する多結
晶質酸化反応生成物また場合により前記されたように金
属成分または孔またはその両方から本質的になる。
本発明の材料は密度の高いセラミック構造を生成する
通常の工程によって行なうには困難な厚さに断面をすべ
て実質的に均一の特性を有するように成長される。これ
ら材料を生成する工程は、微粒子、高純度、均一の粉調
製、生（green）のボディ形成、結合剤のバーンアウ
ト、焼結、熱圧、および熱平衡圧縮処理を含む通常のセ
ラミック生成方法では価格が高くなってしまうことを防
ぐ。本発明の生成物は、ここで使用されるように、電気
的、摩擦、温度的、構造的、またはその他の特性が重要
であるまたは利益となるこの様な適用を制限されずに工
業的、構造的、技術的セラミック体を包含し、また融解
金属の処理においては望ましくない副産物として生成さ
れるような再循環されたまたは汚染された水を包含しな
い商業的物品として使用されまた構成される。
通常の工程によって行なうには困難な厚さに断面をすべ
て実質的に均一の特性を有するように成長される。これ
ら材料を生成する工程は、微粒子、高純度、均一の粉調
製、生（green）のボディ形成、結合剤のバーンアウ
ト、焼結、熱圧、および熱平衡圧縮処理を含む通常のセ
ラミック生成方法では価格が高くなってしまうことを防
ぐ。本発明の生成物は、ここで使用されるように、電気
的、摩擦、温度的、構造的、またはその他の特性が重要
であるまたは利益となるこの様な適用を制限されずに工
業的、構造的、技術的セラミック体を包含し、また融解
金属の処理においては望ましくない副産物として生成さ
れるような再循環されたまたは汚染された水を包含しな
い商業的物品として使用されまた構成される。
本明細書および特許請求の範囲で使用される語は以下
のように定義される： “セラミック”は、古典的意味で、つまり非金属およ
び無機質材料から完全になるという意味で、セラミック
体に限定されることを意味せず、むしろボディが母材金
属から得られたまたは酸化剤またはドーパントから還元
された少ないまたは実質的量、最も典型的には約1-40容
積％の範囲の１以上の金属成分を含有しまたさらに金属
を包含するが、組成または優性の特性に関して広くセラ
ミックである体を意味する。
のように定義される： “セラミック”は、古典的意味で、つまり非金属およ
び無機質材料から完全になるという意味で、セラミック
体に限定されることを意味せず、むしろボディが母材金
属から得られたまたは酸化剤またはドーパントから還元
された少ないまたは実質的量、最も典型的には約1-40容
積％の範囲の１以上の金属成分を含有しまたさらに金属
を包含するが、組成または優性の特性に関して広くセラ
ミックである体を意味する。
“酸化反応生成物”とは概して、金属が電子を他の元
素、化合物またはその組合せに放出または共有する酸化
状態の１以上の金属を意味する。従って、この定義に入
る“酸化反応生成物”は、本明細書で説明されたような
酸化剤と１以上の金属との反応の生成物を包含する。
素、化合物またはその組合せに放出または共有する酸化
状態の１以上の金属を意味する。従って、この定義に入
る“酸化反応生成物”は、本明細書で説明されたような
酸化剤と１以上の金属との反応の生成物を包含する。
“酸化剤”とは、１以上の適切な電子受容体または電
子共有体を意味し、処理条件で固体、液体、または気体
（蒸気）、またはこれらの組合（たとえば固体で気体）
である。
子共有体を意味し、処理条件で固体、液体、または気体
（蒸気）、またはこれらの組合（たとえば固体で気体）
である。
本明細書と特許請求の範囲で使用される“母材金属
（parent metal）”とは、たとえば多結晶質酸化反応生
成物に対する前駆物質であるアルミニウムのような金属
を意味し、比較的純粋な金属、不純なおよび／または合
金成分の商業的に入手できる金属、またはその金属前駆
物質が大部分の成分である合金を包含する：またたとえ
ばアルミニウムのような母材金属である場合、その金属
は本文で示されない限りこの定義に入る。
（parent metal）”とは、たとえば多結晶質酸化反応生
成物に対する前駆物質であるアルミニウムのような金属
を意味し、比較的純粋な金属、不純なおよび／または合
金成分の商業的に入手できる金属、またはその金属前駆
物質が大部分の成分である合金を包含する：またたとえ
ばアルミニウムのような母材金属である場合、その金属
は本文で示されない限りこの定義に入る。
“キャビティ”とは広い意味で、本体またはボディ内
の充填されていない空間を意味し、特定のスペース構成
に制限されず、閉じたスペースおよび開いたスペースの
両方を包含する。つまり、閉じられた中空体の内部を規
定するようなキャビティを包含する本体またはボディの
外部への連絡から完全に閉ざされたキャビティを包含す
る。定義された語は、この様な連絡に開いているキャビ
ティ、たとえばキャビティを有する本体またはボディの
外部に開いている１以上の通路または開口と、それ自身
が通路または開口であるキャビティを包含する。後者の
タイプのキャビティは、たとえば、円筒体を通って、両
端に開口を有する簡単な内腔を包含する。
の充填されていない空間を意味し、特定のスペース構成
に制限されず、閉じたスペースおよび開いたスペースの
両方を包含する。つまり、閉じられた中空体の内部を規
定するようなキャビティを包含する本体またはボディの
外部への連絡から完全に閉ざされたキャビティを包含す
る。定義された語は、この様な連絡に開いているキャビ
ティ、たとえばキャビティを有する本体またはボディの
外部に開いている１以上の通路または開口と、それ自身
が通路または開口であるキャビティを包含する。後者の
タイプのキャビティは、たとえば、円筒体を通って、両
端に開口を有する簡単な内腔を包含する。
［好ましい具体例の説明］ 本発明では、母材金属は型形式で提供され、その形状
大きさは生成されたセラミック複合体内のキャビティと
して逆に複製される。本発明によれば、複雑な形は、セ
ラミック体を造形するまたは機械加工するというよりむ
しろセラミックの組成または成長の間に生成されたセラ
ミック複合体内で逆に複製される。“逆に複製される
（inversely replicated）”とは、本発明の工程によっ
て得られたセラミック複合体のキャビティが母材金属の
形または型に一致するセラミック複合体の内部表面によ
って定められることを意味する。母材金属の型は適切な
手段によって適切に造形される：たとえば、バー、ビレ
ット、またはインゴットのような金属片を適切に機械加
工、注型、成型、押出し、または造形することによって
型を造形する。型としての母材金属は、溝、内腔、窪
み、ランド、ボス、フランジ、スタッド、スクリュース
レッド等を有し、またカラー、ブッシュ、ディスク、バ
ー等も有し、実際に所望の構成の型を提供する。母材金
属型は、充填材の適切なベッド内に埋め込まれた場合に
型がベッド内の造形されたキャビティを制限し充填材が
本体内にキャビティを占めるように適切に造形された１
以上の単一金属片を包含する。キャビティを占める母材
金属が完全に融解し充填されたキャビティの外に移行す
ると、造形されたキャビティは生成されたセラミック複
合体で発展する、この様に、一特性では、困難でコスト
のかかるセラミック粉砕または機械加工ではなく金属を
機械加工するまたは形成することによってキャビティ型
を形成することが本発明の特徴である。
大きさは生成されたセラミック複合体内のキャビティと
して逆に複製される。本発明によれば、複雑な形は、セ
ラミック体を造形するまたは機械加工するというよりむ
しろセラミックの組成または成長の間に生成されたセラ
ミック複合体内で逆に複製される。“逆に複製される
（inversely replicated）”とは、本発明の工程によっ
て得られたセラミック複合体のキャビティが母材金属の
形または型に一致するセラミック複合体の内部表面によ
って定められることを意味する。母材金属の型は適切な
手段によって適切に造形される：たとえば、バー、ビレ
ット、またはインゴットのような金属片を適切に機械加
工、注型、成型、押出し、または造形することによって
型を造形する。型としての母材金属は、溝、内腔、窪
み、ランド、ボス、フランジ、スタッド、スクリュース
レッド等を有し、またカラー、ブッシュ、ディスク、バ
ー等も有し、実際に所望の構成の型を提供する。母材金
属型は、充填材の適切なベッド内に埋め込まれた場合に
型がベッド内の造形されたキャビティを制限し充填材が
本体内にキャビティを占めるように適切に造形された１
以上の単一金属片を包含する。キャビティを占める母材
金属が完全に融解し充填されたキャビティの外に移行す
ると、造形されたキャビティは生成されたセラミック複
合体で発展する、この様に、一特性では、困難でコスト
のかかるセラミック粉砕または機械加工ではなく金属を
機械加工するまたは形成することによってキャビティ型
を形成することが本発明の特徴である。
本発明は好ましい母材金属としてのアルミニウムにつ
いて詳細に説明されるが、本発明の規準に適合する適切
な母材金属はシリコーン、チタン、錫、ジルコニウム、
およびハフニウムであるが、これに限定されない。
いて詳細に説明されるが、本発明の規準に適合する適切
な母材金属はシリコーン、チタン、錫、ジルコニウム、
およびハフニウムであるが、これに限定されない。
固体、液体、または気相酸化剤、またはこの様な酸化
剤の結合は前記のように使用される。たとえば、典型的
酸化剤には、無制限に、酸素、窒素、ハロゲン、硫黄、
リン、ひ素、炭素、ホウ素、セレン、テリウム、および
たとえば、シリカ（酸素の源）、メタン、エタン、プロ
パン、アセチレン、エチレン、およびプロピレン（炭素
の源）のようなその化合物、と組合せ、また空気、H2／
H2OおよびCO/CO2のような混合物が使用され、後者の２
つ（つまりH2／H2OとCO/CO2）は環境の酸素活動度を減
少させるのに有用である。
剤の結合は前記のように使用される。たとえば、典型的
酸化剤には、無制限に、酸素、窒素、ハロゲン、硫黄、
リン、ひ素、炭素、ホウ素、セレン、テリウム、および
たとえば、シリカ（酸素の源）、メタン、エタン、プロ
パン、アセチレン、エチレン、およびプロピレン（炭素
の源）のようなその化合物、と組合せ、また空気、H2／
H2OおよびCO/CO2のような混合物が使用され、後者の２
つ（つまりH2／H2OとCO/CO2）は環境の酸素活動度を減
少させるのに有用である。
適切な酸化剤を使用するが、本発明の実施例は気相酸
化剤を使用することについて説明される。気体または蒸
気酸化剤、つまり気相酸化剤を使用する場合、充填材は
気相酸化剤を透過させから、酸化剤に対して充填材のベ
ッドを露出すると気相酸化剤は充填材のベットに浸透し
て融解母材金属に接触する。“気相酸化剤”とは、酸化
雰囲気を提供する蒸発されたまたは通常の気体材料を意
味する。たとえば、酸素または酸素（空気を含む）を含
有する気体混合物は、好ましい気相酸化剤であり、アル
ミニウムが母材金属である場合、空気は通常経済的に好
ましい。酸化剤が特定の気体または蒸気を含有するまた
は包含するものである場合、これは、気体または蒸気が
少なくとも使用される酸化環境で得られる条件化の母材
金属の単独、主成分の重要な酸化剤であることを意味す
る。たとええば、空気の大部分の成分は窒素であるが、
酸素は窒素より非常に強い酸化剤であるため、空気の酸
素含量は母材金属に対する単独であるまたは主成分酸化
剤である。空気は“酸素含有気体”酸化剤の定義内にあ
るが、“窒素含有気体”酸化剤の定義内にはない。ここ
で使用される“窒素含有気体”酸化剤の例は“形成気
体”であり、窒素96容積パーセントと水素４容量パーセ
ントを含有する。
化剤を使用することについて説明される。気体または蒸
気酸化剤、つまり気相酸化剤を使用する場合、充填材は
気相酸化剤を透過させから、酸化剤に対して充填材のベ
ッドを露出すると気相酸化剤は充填材のベットに浸透し
て融解母材金属に接触する。“気相酸化剤”とは、酸化
雰囲気を提供する蒸発されたまたは通常の気体材料を意
味する。たとえば、酸素または酸素（空気を含む）を含
有する気体混合物は、好ましい気相酸化剤であり、アル
ミニウムが母材金属である場合、空気は通常経済的に好
ましい。酸化剤が特定の気体または蒸気を含有するまた
は包含するものである場合、これは、気体または蒸気が
少なくとも使用される酸化環境で得られる条件化の母材
金属の単独、主成分の重要な酸化剤であることを意味す
る。たとええば、空気の大部分の成分は窒素であるが、
酸素は窒素より非常に強い酸化剤であるため、空気の酸
素含量は母材金属に対する単独であるまたは主成分酸化
剤である。空気は“酸素含有気体”酸化剤の定義内にあ
るが、“窒素含有気体”酸化剤の定義内にはない。ここ
で使用される“窒素含有気体”酸化剤の例は“形成気
体”であり、窒素96容積パーセントと水素４容量パーセ
ントを含有する。
固体酸化剤が使用される場合、充填材に混合された粒
子としてまたは恐らく充填粒子のコートとして充填材の
全ベッドまたは母材金属に隣接するベッドの一部を通っ
て通常分散される。適切な固体酸化剤は、ホウ素または
炭素、または母材金属のホウ化反応生成物より熱学的安
定性が低いホウ化物のような還元できる化合物等の成分
を包含するものが使用される。たとえば、ホウ素または
還元できるホウ化物がアルミニウム母材金属に対する固
体酸化剤として使用される場合、生成された酸化反応生
成物はホウ化アルミニウムである。
子としてまたは恐らく充填粒子のコートとして充填材の
全ベッドまたは母材金属に隣接するベッドの一部を通っ
て通常分散される。適切な固体酸化剤は、ホウ素または
炭素、または母材金属のホウ化反応生成物より熱学的安
定性が低いホウ化物のような還元できる化合物等の成分
を包含するものが使用される。たとえば、ホウ素または
還元できるホウ化物がアルミニウム母材金属に対する固
体酸化剤として使用される場合、生成された酸化反応生
成物はホウ化アルミニウムである。
ある場合には、酸化反応は固体酸化剤と共に急速に進
行するので、酸化反応生成物は工程の発熱特性によって
融解しやすい。融解によって、セラミック体のミクロ構
造の均一性を損う。この急速な発熱反応は低い反応性を
表わす比較的不活性の充填材を組成物に混合することに
よって阻止される。このような充填材は反応の熱を吸収
し、熱が逃げることを最小限に止どめる。この様な適切
な不活性充填材の例には酸化反応生成物がある。
行するので、酸化反応生成物は工程の発熱特性によって
融解しやすい。融解によって、セラミック体のミクロ構
造の均一性を損う。この急速な発熱反応は低い反応性を
表わす比較的不活性の充填材を組成物に混合することに
よって阻止される。このような充填材は反応の熱を吸収
し、熱が逃げることを最小限に止どめる。この様な適切
な不活性充填材の例には酸化反応生成物がある。
液体酸化剤が使用される場合、充填材の全ベッドまた
は融解金属に隣接する部分は酸化剤の浸漬によってコー
トされるまたは飽和され、充填材が注入される。液体酸
化剤手段とは、酸化反応条件下の液体を意味し、そのた
め液体酸化剤は酸化反応条件で融解する塩のような固体
前駆物質である。また、液体酸化剤は液体、前駆物質、
たとえば材料の溶液であり、充填材の浸透部分または全
体に使用され、酸化反応条件で融解されるまたは分解さ
れて適切な酸化剤成分を提供する。ここで定義されるよ
うな液体酸化剤の例には融解率の低いガラスがある。
は融解金属に隣接する部分は酸化剤の浸漬によってコー
トされるまたは飽和され、充填材が注入される。液体酸
化剤手段とは、酸化反応条件下の液体を意味し、そのた
め液体酸化剤は酸化反応条件で融解する塩のような固体
前駆物質である。また、液体酸化剤は液体、前駆物質、
たとえば材料の溶液であり、充填材の浸透部分または全
体に使用され、酸化反応条件で融解されるまたは分解さ
れて適切な酸化剤成分を提供する。ここで定義されるよ
うな液体酸化剤の例には融解率の低いガラスがある。
本発明で使用するのに適した充填材には目的に適した
１以上の多種の材料がある。ここで使用されるように充
填材に使用される“適した”という意味は、充填材が型
の周囲に充填される、型に堆積される、または型の周囲
を巻いているものという意味であり、充填材内に埋め込
まれた型の形状大きさに適合する。たとえば、充填材が
微粒状の耐火性酸化金属のような粒状材料を包含する場
合、型は充填材によって埋め込まれるので、型が充填さ
れたキャビティ（型によって充填されたまたは占められ
たキャビティ）をなすする。しかしながら、充填材は微
粒状の形である必要はない。たとえば、充填材は線、繊
維、またはウイスカーまたは金属繊維のような材料を包
含する。充填材は２以上のこの様な成分または形状大き
さの構造の不均質または均質結合、たとえば小粒状グレ
ンやウイスカーの結合を包含する。充填材の物理的構成
は、母材金属の型が充填材の本体によってまたはその範
囲内で埋め込まれ、充填材が型の表面に近接して接触す
るようにものであればよい。母材金属型は、複合体で近
接して形成されたキャビティが雌型の形状であるので、
“型”として記載される。この様に型はまず適切な充填
材のベッド内に（充填された）キャビティを形成し、キ
ャビティはまず造形され型によって充填される。
１以上の多種の材料がある。ここで使用されるように充
填材に使用される“適した”という意味は、充填材が型
の周囲に充填される、型に堆積される、または型の周囲
を巻いているものという意味であり、充填材内に埋め込
まれた型の形状大きさに適合する。たとえば、充填材が
微粒状の耐火性酸化金属のような粒状材料を包含する場
合、型は充填材によって埋め込まれるので、型が充填さ
れたキャビティ（型によって充填されたまたは占められ
たキャビティ）をなすする。しかしながら、充填材は微
粒状の形である必要はない。たとえば、充填材は線、繊
維、またはウイスカーまたは金属繊維のような材料を包
含する。充填材は２以上のこの様な成分または形状大き
さの構造の不均質または均質結合、たとえば小粒状グレ
ンやウイスカーの結合を包含する。充填材の物理的構成
は、母材金属の型が充填材の本体によってまたはその範
囲内で埋め込まれ、充填材が型の表面に近接して接触す
るようにものであればよい。母材金属型は、複合体で近
接して形成されたキャビティが雌型の形状であるので、
“型”として記載される。この様に型はまず適切な充填
材のベッド内に（充填された）キャビティを形成し、キ
ャビティはまず造形され型によって充填される。
本発明で有用な適切な充填材は、以下で説明されるよ
うな本発明の酸化反応条件の下で、酸化剤が気相酸化剤
であるときに酸化剤が通過する意味で透過性がある。い
ずれの場合でも、充填材は酸化反応生成物の成長または
発展するとき透過性がある。酸化反応が行われるときの
温度で、充填材はまずまたは急速に形成されたまたは発
展された十分な凝集力を有し、型によってまず充填され
たキャビティから型の融解金属が移行するように型に適
した充填剤によって逆に複製された形状を維持し、結果
として（移行によって）キャビティを形成する。酸化反
応の間、融解母材金属は反応を維持するように形成され
た酸化反応生成物を通って移行する。この酸化反応生成
物は周囲雰囲気、そのため炉雰囲気、たとえば空気が透
過せず、発展するキャビティに入るこができない。この
方法では、低圧領域は融点母材金属の移行によって形成
されたキャビティ内で発展する。酸化反応生成物の発展
層は通常最初は弱いので、重力に結合された酸化反応生
成物を介して発展する差圧を維持することができず、内
側に破壊しやすく、融解母材金属によって排気された領
域の少なくとも一部を充填し、それによって型によって
まず形成されたキャビティの形を損う。さらに、気相酸
化剤を使用する場合、キャビティの破壊はキャビティ内
の母材金属液体表面レベルを酸化剤に露出し、酸化とキ
ャビティ組成工程を開始する元のキャビティ内の新しく
制限された外側表面を形成し、発展するセラミック複合
体の元の所望の形の適合度を完全に喪失する。この次に
は、長い時間繰返してキャビティ内の内部超構造を包含
する誤って生じた体を形成し、母材金属の型の元の形に
少しも似ていないものを生じる。この形状の損失を阻止
するために、充填材は、母材金属の融点以上で酸化反応
温度に近い（それ以下の）温度で選択され、部分的に焼
成するまたはキャビティの外側からの構造的力を提供
し、また成長する酸化反応生成物構造がキャビティ壁を
横切ってことなる発展した差圧に対して自己支持性であ
るような厚さを得るまで少なくとも発展するキャビティ
に型の複製された形状を維持する程に発展した酸化反応
生成物の層と結合される。
うな本発明の酸化反応条件の下で、酸化剤が気相酸化剤
であるときに酸化剤が通過する意味で透過性がある。い
ずれの場合でも、充填材は酸化反応生成物の成長または
発展するとき透過性がある。酸化反応が行われるときの
温度で、充填材はまずまたは急速に形成されたまたは発
展された十分な凝集力を有し、型によってまず充填され
たキャビティから型の融解金属が移行するように型に適
した充填剤によって逆に複製された形状を維持し、結果
として（移行によって）キャビティを形成する。酸化反
応の間、融解母材金属は反応を維持するように形成され
た酸化反応生成物を通って移行する。この酸化反応生成
物は周囲雰囲気、そのため炉雰囲気、たとえば空気が透
過せず、発展するキャビティに入るこができない。この
方法では、低圧領域は融点母材金属の移行によって形成
されたキャビティ内で発展する。酸化反応生成物の発展
層は通常最初は弱いので、重力に結合された酸化反応生
成物を介して発展する差圧を維持することができず、内
側に破壊しやすく、融解母材金属によって排気された領
域の少なくとも一部を充填し、それによって型によって
まず形成されたキャビティの形を損う。さらに、気相酸
化剤を使用する場合、キャビティの破壊はキャビティ内
の母材金属液体表面レベルを酸化剤に露出し、酸化とキ
ャビティ組成工程を開始する元のキャビティ内の新しく
制限された外側表面を形成し、発展するセラミック複合
体の元の所望の形の適合度を完全に喪失する。この次に
は、長い時間繰返してキャビティ内の内部超構造を包含
する誤って生じた体を形成し、母材金属の型の元の形に
少しも似ていないものを生じる。この形状の損失を阻止
するために、充填材は、母材金属の融点以上で酸化反応
温度に近い（それ以下の）温度で選択され、部分的に焼
成するまたはキャビティの外側からの構造的力を提供
し、また成長する酸化反応生成物構造がキャビティ壁を
横切ってことなる発展した差圧に対して自己支持性であ
るような厚さを得るまで少なくとも発展するキャビティ
に型の複製された形状を維持する程に発展した酸化反応
生成物の層と結合される。
適切な自己結合充填材は、適切な温度で、本質的に焼
成する、または充填材の適切な添加剤または表面の修正
によって結合されるものである。たとえば、空気酸化剤
を使用してアルミニウム母材金属を使用する適切な充填
材は、アルミナ粉の上の微粒子または注型として添加さ
れたシリカ結合を有するアルミナ粉を包含する。材料の
この様な混合はセラミック マトリックスが形成する酸
化反応条件でまたはそれ以下で部分的に焼成または結合
する。シリカ添加剤がない場合、アルミナ粒子は結合に
対して十分に高い温度を必要とする。もう一つの適切な
充填材には、工程の酸化条件下で所望の温度範囲で粒子
を結合させやすい表面上に反応生成物の層を形成するも
のがある。アルミニウムが母材金属として使用され、空
気が酸化剤として使用される場合の充填材の例には、ア
ルミニウム酸反応に対して適切な温度範囲で共に結合す
る二酸化ケイ素を形成する微炭化ケイ素粒子（たとえば
500メッシュおよびそれより細い）がある。
成する、または充填材の適切な添加剤または表面の修正
によって結合されるものである。たとえば、空気酸化剤
を使用してアルミニウム母材金属を使用する適切な充填
材は、アルミナ粉の上の微粒子または注型として添加さ
れたシリカ結合を有するアルミナ粉を包含する。材料の
この様な混合はセラミック マトリックスが形成する酸
化反応条件でまたはそれ以下で部分的に焼成または結合
する。シリカ添加剤がない場合、アルミナ粒子は結合に
対して十分に高い温度を必要とする。もう一つの適切な
充填材には、工程の酸化条件下で所望の温度範囲で粒子
を結合させやすい表面上に反応生成物の層を形成するも
のがある。アルミニウムが母材金属として使用され、空
気が酸化剤として使用される場合の充填材の例には、ア
ルミニウム酸反応に対して適切な温度範囲で共に結合す
る二酸化ケイ素を形成する微炭化ケイ素粒子（たとえば
500メッシュおよびそれより細い）がある。
この様な装置は本発明の範囲内にあるが充填材の前記
本体またはベッドは焼成可能なまたは自己結合充填材を
包含する、または焼結または結合剤を含有する必要があ
る。自己結合充填材および／または結合または焼結剤
は、母材金属の型に隣接し取囲んでいるベッドの部分ま
たは充填剤でのみ、酸化反応生成物の十分な厚さが得ら
れる前にキャビティの破壊（および母材金属型の形に対
する成長したセラミックの形の適合度の損失）を防ぐの
に十分な厚さと機械力を有する発達するキャビティの枠
を焼結するまたは結合することによって形成するのに十
分な深さに分散される。この様に、型を包囲する充填材
の“支持ゾーン”が本質的に適切な温度範囲内で焼結可
能なまたは自己結合する充填材を包含し、または適切な
温度範囲内で有効な焼結または結合剤を含有すればよ
い。ここで使用されるように、充填材の“支持ゾーン”
とは、型を包囲する充填材の厚さが、結合したとき、成
長する酸化反応生成物が前記のようにキャビティ破壊に
対して自己支持するまで、型の複製された形状を維持す
るのに必要な構造力を少なくとも提供するのに十分であ
ることを意味する。充填材の支持ゾーンのサイズは、型
のサイズと構成、および支持ゾーンの焼結可能なまたは
自己結合充填材によって得られる機械力によって変化す
る。支持ゾーンは、酸化反応生成物が成長する距離以下
の間または成長の全距離の間型の表面から充填材ベッド
に拡大する。実際に、ある場合には、支持ゾーンは極め
て薄い。たとえば、充填材の支持ゾーンは非自己結合ま
たは非焼結充填剤の大きいベッド内に入っている型とそ
れ自身を囲む充填材のベッドであるが、ある場合には、
支持ゾーンは適切な接着剤またはコート剤によって型に
接着される自己結合または焼結可能粒子のコートのみを
包含する。このコート技術の例は以下で説明される。
本体またはベッドは焼成可能なまたは自己結合充填材を
包含する、または焼結または結合剤を含有する必要があ
る。自己結合充填材および／または結合または焼結剤
は、母材金属の型に隣接し取囲んでいるベッドの部分ま
たは充填剤でのみ、酸化反応生成物の十分な厚さが得ら
れる前にキャビティの破壊（および母材金属型の形に対
する成長したセラミックの形の適合度の損失）を防ぐの
に十分な厚さと機械力を有する発達するキャビティの枠
を焼結するまたは結合することによって形成するのに十
分な深さに分散される。この様に、型を包囲する充填材
の“支持ゾーン”が本質的に適切な温度範囲内で焼結可
能なまたは自己結合する充填材を包含し、または適切な
温度範囲内で有効な焼結または結合剤を含有すればよ
い。ここで使用されるように、充填材の“支持ゾーン”
とは、型を包囲する充填材の厚さが、結合したとき、成
長する酸化反応生成物が前記のようにキャビティ破壊に
対して自己支持するまで、型の複製された形状を維持す
るのに必要な構造力を少なくとも提供するのに十分であ
ることを意味する。充填材の支持ゾーンのサイズは、型
のサイズと構成、および支持ゾーンの焼結可能なまたは
自己結合充填材によって得られる機械力によって変化す
る。支持ゾーンは、酸化反応生成物が成長する距離以下
の間または成長の全距離の間型の表面から充填材ベッド
に拡大する。実際に、ある場合には、支持ゾーンは極め
て薄い。たとえば、充填材の支持ゾーンは非自己結合ま
たは非焼結充填剤の大きいベッド内に入っている型とそ
れ自身を囲む充填材のベッドであるが、ある場合には、
支持ゾーンは適切な接着剤またはコート剤によって型に
接着される自己結合または焼結可能粒子のコートのみを
包含する。このコート技術の例は以下で説明される。
充填材は、透過性本体を形成して、酸化反応生成物の
浸透性を妨げたり、または気相酸化剤が使用される場合
にこの様な酸化剤の通路を妨げるような焼結、融解、ま
たは反応することはない。さらに、形成する焼結された
本体は、成長温度に到達する前に金属と充填材との間の
不適合が拡大することによって破損し、結合剤の破損を
実質上単独で充填するマトリックスによってマトリック
スの発達の間に不均質性複合体を形成するような低温で
形成しない。例えば、アルミニウム母材金属は固体また
は融解金属を加熱することによって熱的に拡大するだけ
ではなく、融解する量がかなり増加する。これには、拡
大によって自己結合構造を破壊しないように、母材金属
型が、焼結または自己結合ではなく埋め込まれ、充填材
に関する差拡大以前に母材金属型を注型する頑丈な構造
を形成するような充填材のベッドが必要である。これが
生じると、型の複製された形は失われる、または、より
典型的には、母材金属からの酸化反応生成物の成長によ
り充填材の破壊されたベッドへの浸透が生じて不均質な
複合材料が形成される。
浸透性を妨げたり、または気相酸化剤が使用される場合
にこの様な酸化剤の通路を妨げるような焼結、融解、ま
たは反応することはない。さらに、形成する焼結された
本体は、成長温度に到達する前に金属と充填材との間の
不適合が拡大することによって破損し、結合剤の破損を
実質上単独で充填するマトリックスによってマトリック
スの発達の間に不均質性複合体を形成するような低温で
形成しない。例えば、アルミニウム母材金属は固体また
は融解金属を加熱することによって熱的に拡大するだけ
ではなく、融解する量がかなり増加する。これには、拡
大によって自己結合構造を破壊しないように、母材金属
型が、焼結または自己結合ではなく埋め込まれ、充填材
に関する差拡大以前に母材金属型を注型する頑丈な構造
を形成するような充填材のベッドが必要である。これが
生じると、型の複製された形は失われる、または、より
典型的には、母材金属からの酸化反応生成物の成長によ
り充填材の破壊されたベッドへの浸透が生じて不均質な
複合材料が形成される。
前記したように、結合または焼結剤は、充填剤が本来
の十分な自己結合性または焼結特性を有さないため、型
によって初め占められていたキャビティの空間に形成さ
れつつあるキャビティの崩壊を防止しえない場合に、充
填材の成分として包含される。この結合剤は充填材全体
または支持ゾーンだけに分散される。目的に適切な材料
は、酸化反応生成物を形成するのに必要な酸化条件下
で、必要な機械力を提供するのに十分な充填材を少なく
とも部分的に分解するまたは結合するオルガノ金属材料
を包含する。結合剤は、酸化反応工程を妨げずに、セラ
ミック複合体の生成物内に好ましくない残留副産物を残
すことはない。この目的に適切な結合剤は当業者には既
知である。例えば、テトラエチルオルトシリケートは適
切なオルガノ金属結合剤の典型であり、酸化反応温度で
必要な凝集力の充填剤を有効に結合するシリカ成分を残
す。
の十分な自己結合性または焼結特性を有さないため、型
によって初め占められていたキャビティの空間に形成さ
れつつあるキャビティの崩壊を防止しえない場合に、充
填材の成分として包含される。この結合剤は充填材全体
または支持ゾーンだけに分散される。目的に適切な材料
は、酸化反応生成物を形成するのに必要な酸化条件下
で、必要な機械力を提供するのに十分な充填材を少なく
とも部分的に分解するまたは結合するオルガノ金属材料
を包含する。結合剤は、酸化反応工程を妨げずに、セラ
ミック複合体の生成物内に好ましくない残留副産物を残
すことはない。この目的に適切な結合剤は当業者には既
知である。例えば、テトラエチルオルトシリケートは適
切なオルガノ金属結合剤の典型であり、酸化反応温度で
必要な凝集力の充填剤を有効に結合するシリカ成分を残
す。
本発明の工程では、酸化環境の母材金属とベッドの構
成は金属の融点以上の温度ではあるが、酸化反応生成物
の融点以下の温度に加熱され、融解金属の本体またはプ
ールを生じる。酸化剤との接触によって、融解金属は反
応し酸化反応生成物の層を形成する。酸化環境に対して
継続して露出することによって、適切な領域内で、残り
の融点金属は酸化剤の方向の酸化反応生成物に成形され
またこれを通り酸化剤との接触によって附随的酸化反応
生成物を形成する。附随的酸化反応生成物の少なくとも
一部は、融解母材金属と酸化剤とに接触しまたそれらの
間で維持され、充填材のベッドの多結晶質酸化反応生成
物は継続的に成長し、それによって多結晶質酸化反応生
成物内に充填材を埋め込む。多結晶質マトリックス材料
は適切な酸化反応条件が維持される限り長さ成長し続け
る。
成は金属の融点以上の温度ではあるが、酸化反応生成物
の融点以下の温度に加熱され、融解金属の本体またはプ
ールを生じる。酸化剤との接触によって、融解金属は反
応し酸化反応生成物の層を形成する。酸化環境に対して
継続して露出することによって、適切な領域内で、残り
の融点金属は酸化剤の方向の酸化反応生成物に成形され
またこれを通り酸化剤との接触によって附随的酸化反応
生成物を形成する。附随的酸化反応生成物の少なくとも
一部は、融解母材金属と酸化剤とに接触しまたそれらの
間で維持され、充填材のベッドの多結晶質酸化反応生成
物は継続的に成長し、それによって多結晶質酸化反応生
成物内に充填材を埋め込む。多結晶質マトリックス材料
は適切な酸化反応条件が維持される限り長さ成長し続け
る。
酸化反応生成物が浸透し所望の量の充填材が埋め込ま
れるまで工程は継続する。生じたセラミック複合体生成
物は多結晶質酸化反応生成物、最適には母材金属の１以
上の非酸化成分または気孔、またはその両方を包含する
セラミック マトリックスによって埋め込まれた充填材
を包含する。これら多結晶質セラミック マトリックス
は典型的に、酸化反応生成物の結晶質は１次元以上、好
ましくは３次元で相互に接続され、金属混入物または気
孔は部分的に相互に接続される。工程が母材金属の用尽
を越えて行われない場合、得られたセラミック複合体は
密度が高く本質的に気孔がない。工程が完了すると、つ
まり、工程の条件下で可能な限りの金属が酸化される
と、相互に接続された金属に位置する孔はセラミック複
合体内に形成される。本発明の生成されたセラミック複
合体生成物は、形成され冷却された複合体に関する処理
の間の母材金属の融点と熱的拡大差容量変化に調節さ
れ、元の型の元の寸法と形状構成を実質上有する。
れるまで工程は継続する。生じたセラミック複合体生成
物は多結晶質酸化反応生成物、最適には母材金属の１以
上の非酸化成分または気孔、またはその両方を包含する
セラミック マトリックスによって埋め込まれた充填材
を包含する。これら多結晶質セラミック マトリックス
は典型的に、酸化反応生成物の結晶質は１次元以上、好
ましくは３次元で相互に接続され、金属混入物または気
孔は部分的に相互に接続される。工程が母材金属の用尽
を越えて行われない場合、得られたセラミック複合体は
密度が高く本質的に気孔がない。工程が完了すると、つ
まり、工程の条件下で可能な限りの金属が酸化される
と、相互に接続された金属に位置する孔はセラミック複
合体内に形成される。本発明の生成されたセラミック複
合体生成物は、形成され冷却された複合体に関する処理
の間の母材金属の融点と熱的拡大差容量変化に調節さ
れ、元の型の元の寸法と形状構成を実質上有する。
図に関して、第１図はアルミナ容器のような耐火性容
器２を示し、その内に母材金属の型６を埋め込まれた充
填材４のベッドを含有する。第１図および第２図に示さ
れるように、型６は構成が概して円筒状である中央部分
８を有し、軸方向に短いが中央部分８以上の直径の端部
8a、8bの対と接合する。概して、型６は小さい直径の中
央部分に接合した概して円形の円板型端部を含む構成の
ダンベルを有する。
器２を示し、その内に母材金属の型６を埋め込まれた充
填材４のベッドを含有する。第１図および第２図に示さ
れるように、型６は構成が概して円筒状である中央部分
８を有し、軸方向に短いが中央部分８以上の直径の端部
8a、8bの対と接合する。概して、型６は小さい直径の中
央部分に接合した概して円形の円板型端部を含む構成の
ダンベルを有する。
第１図の装置によって金属を融解させるのに十分な高
温まで加熱することで、充填材４のベッドに浸透し融解
金属と接触する気相酸化剤は、融解金属を酸化させ、酸
化反応生成物を成長させ、充填材４の周囲ベッドに浸透
する。例えば、母材金属がアルミニウム母材金属であ
り、空気が酸化剤である場合、酸化反応温度は約850℃
乃至約1450℃であり、約900℃乃至約1350℃であること
が好ましく、酸化反応生成物は典型的にアルファ−アル
ミナである。融解金属が型６によって形式的に占められ
る容積から酸化反応生成物からの形成層を通って移行
し、酸化反応生成物の成長層の周囲大気に不透過性であ
り、酸化反応生成物の容器型層上のネット圧力によって
その容積内に低下した圧力を生じる。しかしながら、型
６を包囲する充填材４（または支持ゾーン）のベッド
は、母材金属の融点以上ではあるが酸化反応温度に近く
またそれ以下である自己結合温度でまたはそれ以上の温
度で本質的に自己結合する。このように、自己結合温度
に加熱されることによって、しかしその前ではないが、
充填材または支持ゾーンは焼結されるまたはそれ自身に
結合され、発展キャビティつまり充填材の支持ゾーンを
囲む充填材が差圧に抵抗し、充填材４のベッド内に型６
の形に適するように充填材によって充填されて形成され
たキャビティの形状を維持するのに十分な力を成長する
酸化反応生成物に結合させる。前記されたように、充填
材が加熱および融解によって母材金属の拡大が完了する
前に自己結合すると、自己結合された充填材は金属の拡
大によって亀裂が入るまたは破壊される。充填材４の支
持ゾーンのみが焼結可能なまたは自己結合充填材または
結合または焼結剤を含有するまたは包含する実施例で
は、第１図の破線５は充填材４のベッドの支持ゾーンの
延長を示す。反応が継続すると、型６によって形式的に
充填されるベッド４内のキャビティは、気相酸化物に接
触し、酸化されて追加の酸化反応生成物を形成する外側
表面に酸化反応生成物を通って融解母材金属が移行する
ことによって実質的に完全に排出される。酸化反応生成
物は融解母材金属の酸化されていない成分の混入を含有
する多結晶質セラミック材料を包含する。型６によって
以前に占められた容積の排気反応が完了すると、装置は
冷却され、第１図の破線７によって大きさが示される結
果として生じたセラミック複合体は、過剰充填材から分
離され、容器２内に残る。この様な過剰充填材またはそ
の部分は、焼結または自己結合のために、凝集体を形成
し、グリットブラスト仕上げ、粉砕等によって囲まれた
セラミック複合体から容易に取り除くことができる。経
済的に安価な技術では、充填材としてまたは充填材の成
分として適切であって取除かれた充填材およびグリッド
が次の操作において充填材として再び使用されるような
材料のグリット粒子を使用してグリットブラスト仕上げ
を行なう。工程の間のキャビティの破壊を阻止するのに
必要な自己結合充填材は典型的に生成された複合体の力
以下であることは重要である。そのため、生じた複合体
に重大な損傷を与えるようなことなくグリットブラスト
仕上げすることによって過剰な自己結合した充填材を取
り除くことは実際に極めて特性となることである。いず
れの場合でも、形成されたキャビティを有するセラミッ
ク複合体構成は機械加工または研磨によって所望の外形
に形成するためにさらに造形される。例えば、第３図で
示されるように、セラミック複合体10は外側表面12、対
向端面14a、14bを有し、また型６の表面に一致する表面
によって定められるキャビティ16を有する円形円筒形に
粉砕される。この様に、キャビティ16の形は型６の形の
逆複製であり、キャビティ16は端部18a、18b、および端
部18a、18bより直径が小さい接続中央部18によって定め
られる。多数の場合、セラミック本体は研磨または機械
加工する必要なく過剰、アンエントレインド充填剤の除
去によって形成される。
温まで加熱することで、充填材４のベッドに浸透し融解
金属と接触する気相酸化剤は、融解金属を酸化させ、酸
化反応生成物を成長させ、充填材４の周囲ベッドに浸透
する。例えば、母材金属がアルミニウム母材金属であ
り、空気が酸化剤である場合、酸化反応温度は約850℃
乃至約1450℃であり、約900℃乃至約1350℃であること
が好ましく、酸化反応生成物は典型的にアルファ−アル
ミナである。融解金属が型６によって形式的に占められ
る容積から酸化反応生成物からの形成層を通って移行
し、酸化反応生成物の成長層の周囲大気に不透過性であ
り、酸化反応生成物の容器型層上のネット圧力によって
その容積内に低下した圧力を生じる。しかしながら、型
６を包囲する充填材４（または支持ゾーン）のベッド
は、母材金属の融点以上ではあるが酸化反応温度に近く
またそれ以下である自己結合温度でまたはそれ以上の温
度で本質的に自己結合する。このように、自己結合温度
に加熱されることによって、しかしその前ではないが、
充填材または支持ゾーンは焼結されるまたはそれ自身に
結合され、発展キャビティつまり充填材の支持ゾーンを
囲む充填材が差圧に抵抗し、充填材４のベッド内に型６
の形に適するように充填材によって充填されて形成され
たキャビティの形状を維持するのに十分な力を成長する
酸化反応生成物に結合させる。前記されたように、充填
材が加熱および融解によって母材金属の拡大が完了する
前に自己結合すると、自己結合された充填材は金属の拡
大によって亀裂が入るまたは破壊される。充填材４の支
持ゾーンのみが焼結可能なまたは自己結合充填材または
結合または焼結剤を含有するまたは包含する実施例で
は、第１図の破線５は充填材４のベッドの支持ゾーンの
延長を示す。反応が継続すると、型６によって形式的に
充填されるベッド４内のキャビティは、気相酸化物に接
触し、酸化されて追加の酸化反応生成物を形成する外側
表面に酸化反応生成物を通って融解母材金属が移行する
ことによって実質的に完全に排出される。酸化反応生成
物は融解母材金属の酸化されていない成分の混入を含有
する多結晶質セラミック材料を包含する。型６によって
以前に占められた容積の排気反応が完了すると、装置は
冷却され、第１図の破線７によって大きさが示される結
果として生じたセラミック複合体は、過剰充填材から分
離され、容器２内に残る。この様な過剰充填材またはそ
の部分は、焼結または自己結合のために、凝集体を形成
し、グリットブラスト仕上げ、粉砕等によって囲まれた
セラミック複合体から容易に取り除くことができる。経
済的に安価な技術では、充填材としてまたは充填材の成
分として適切であって取除かれた充填材およびグリッド
が次の操作において充填材として再び使用されるような
材料のグリット粒子を使用してグリットブラスト仕上げ
を行なう。工程の間のキャビティの破壊を阻止するのに
必要な自己結合充填材は典型的に生成された複合体の力
以下であることは重要である。そのため、生じた複合体
に重大な損傷を与えるようなことなくグリットブラスト
仕上げすることによって過剰な自己結合した充填材を取
り除くことは実際に極めて特性となることである。いず
れの場合でも、形成されたキャビティを有するセラミッ
ク複合体構成は機械加工または研磨によって所望の外形
に形成するためにさらに造形される。例えば、第３図で
示されるように、セラミック複合体10は外側表面12、対
向端面14a、14bを有し、また型６の表面に一致する表面
によって定められるキャビティ16を有する円形円筒形に
粉砕される。この様に、キャビティ16の形は型６の形の
逆複製であり、キャビティ16は端部18a、18b、および端
部18a、18bより直径が小さい接続中央部18によって定め
られる。多数の場合、セラミック本体は研磨または機械
加工する必要なく過剰、アンエントレインド充填剤の除
去によって形成される。
適切な充填材を選択し、型６によってまず占められた
充填されたキャビティから実質上すべての融解母材金属
を除くのに十分な時間酸化反応条件を維持することによ
って、型６の形状はキャビティ16によって逆に複製され
る。型６（およびキャビティ16）の図示される形は比較
的簡単であるが、本発明によって型６より複雑な形状の
型の形をそっくりと逆に複製してセラミック複合体内に
形成される。セラミック複合体10の外側表面は、望まし
ければ、形成されたキャビティ16のサイズと形に一致す
る所望のサイズと形に研磨され機械加工されて形成され
る。
充填されたキャビティから実質上すべての融解母材金属
を除くのに十分な時間酸化反応条件を維持することによ
って、型６の形状はキャビティ16によって逆に複製され
る。型６（およびキャビティ16）の図示される形は比較
的簡単であるが、本発明によって型６より複雑な形状の
型の形をそっくりと逆に複製してセラミック複合体内に
形成される。セラミック複合体10の外側表面は、望まし
ければ、形成されたキャビティ16のサイズと形に一致す
る所望のサイズと形に研磨され機械加工されて形成され
る。
前記のように透過性、適合性、自己結合という充填材
の特性は充填材の全組成物の特徴であり、充填材の個々
の成分はこれら特性を必要としないということが理解さ
れるであろう。この様に、充填材は単一の材料、同材料
ではあるが異なるメッシュサイズの粒子の混合物、また
は２以上の材料の混合物のいずれかを包含する。後者の
場合、充填材のある成分は、例えば、酸化反応温度で十
分に自己結合または焼結しないが、成分の部分であるそ
の充填材は、他の材料の存在によって自己結合温度でお
よびそれ以上の温度で自己結合または焼結特性を必要と
する。複合体に対して所望の性質を与えることによって
セラミック複合体で充填材を有用にするような多数の材
料は、前記された透過性、適合性、および自己結合性を
有する。この様な適切な材料は酸化反応温度以下の温度
で十分に焼結されないまたは結合されないままにとどま
るため、型を埋め込まれる充填材は熱的拡大と融点容積
変化を調節し、酸化反応生成物の成長または発達の初期
段階の間に形成キャビティの破壊を阻止するのに必要な
機械力を与えるのに十分な母材金属の融点以上ではある
が酸化反応温度に近くまたそれ以上の温度で、焼結また
は自己結合することができる。
の特性は充填材の全組成物の特徴であり、充填材の個々
の成分はこれら特性を必要としないということが理解さ
れるであろう。この様に、充填材は単一の材料、同材料
ではあるが異なるメッシュサイズの粒子の混合物、また
は２以上の材料の混合物のいずれかを包含する。後者の
場合、充填材のある成分は、例えば、酸化反応温度で十
分に自己結合または焼結しないが、成分の部分であるそ
の充填材は、他の材料の存在によって自己結合温度でお
よびそれ以上の温度で自己結合または焼結特性を必要と
する。複合体に対して所望の性質を与えることによって
セラミック複合体で充填材を有用にするような多数の材
料は、前記された透過性、適合性、および自己結合性を
有する。この様な適切な材料は酸化反応温度以下の温度
で十分に焼結されないまたは結合されないままにとどま
るため、型を埋め込まれる充填材は熱的拡大と融点容積
変化を調節し、酸化反応生成物の成長または発達の初期
段階の間に形成キャビティの破壊を阻止するのに必要な
機械力を与えるのに十分な母材金属の融点以上ではある
が酸化反応温度に近くまたそれ以上の温度で、焼結また
は自己結合することができる。
充填材の個々の成分に関して、充填材成分として適切
なものには、工程の温度と酸化上条件下で、揮発性では
なく熱力学的に安定したまた融解母材金属中で過渡に反
応しないまたは溶解しない化学的種がある。アルミニウ
ム母材金属および酸化剤として空気または酸素を使用す
る場合にこの様な規準に合うような当業者には既知の多
数の材料がある。この様な材料には、：アルミニウム、
Al2O3；セレン、CeO2；ハフニウム、HfO2；ランタン、L
a2O3；ネオジウム、Nd2O3；パラセオジム、多種の酸化
物；サマリウム、Sm2O3；スカンジウム、Sc2O3；トリウ
ム、ThO2；ウラン、UO2；イットリウム、Y2O3；および
ジルコニウム、ZrO2の単一金属酸化物がある。さらに、
多数の２元、３元、および多元のアルミン酸マグネシウ
ム スピネル、MgO.Al2O3のような金属化合物は、安定
した耐火性化合物に含まれる。
なものには、工程の温度と酸化上条件下で、揮発性では
なく熱力学的に安定したまた融解母材金属中で過渡に反
応しないまたは溶解しない化学的種がある。アルミニウ
ム母材金属および酸化剤として空気または酸素を使用す
る場合にこの様な規準に合うような当業者には既知の多
数の材料がある。この様な材料には、：アルミニウム、
Al2O3；セレン、CeO2；ハフニウム、HfO2；ランタン、L
a2O3；ネオジウム、Nd2O3；パラセオジム、多種の酸化
物；サマリウム、Sm2O3；スカンジウム、Sc2O3；トリウ
ム、ThO2；ウラン、UO2；イットリウム、Y2O3；および
ジルコニウム、ZrO2の単一金属酸化物がある。さらに、
多数の２元、３元、および多元のアルミン酸マグネシウ
ム スピネル、MgO.Al2O3のような金属化合物は、安定
した耐火性化合物に含まれる。
第２の適切な充填材成分には、好ましい実施例の酸化
と高温環境で本質的に安定しないが、分解反応の比較的
遅い機構によって、成長するセラミック本体内の充填材
相として組込まれるものがある。その例として炭化ケイ
素がある。この材料は、炭化ケイ素の酸化の進行を制限
する炭化ケイ素粒子を形成し覆っている酸化ケイ素の保
護層ではない場合、本発明によって、例えば、アルミニ
ウムを酸素または空気で完全に酸化する必要がある条件
下で完全に酸化する。保護酸化ケイ素層によって、酸化
剤として空気または酸素を使用するアルミニウム母材金
属に対する工程の酸化反応条件下で炭化ケイ素粒子は焼
結するまたはそれ自身および充填材の他の成分に結合す
ることができる。
と高温環境で本質的に安定しないが、分解反応の比較的
遅い機構によって、成長するセラミック本体内の充填材
相として組込まれるものがある。その例として炭化ケイ
素がある。この材料は、炭化ケイ素の酸化の進行を制限
する炭化ケイ素粒子を形成し覆っている酸化ケイ素の保
護層ではない場合、本発明によって、例えば、アルミニ
ウムを酸素または空気で完全に酸化する必要がある条件
下で完全に酸化する。保護酸化ケイ素層によって、酸化
剤として空気または酸素を使用するアルミニウム母材金
属に対する工程の酸化反応条件下で炭化ケイ素粒子は焼
結するまたはそれ自身および充填材の他の成分に結合す
ることができる。
第３の適切な充填材成分には、炭素繊維のようなもの
があり、熱力学的にまたは動力学的に酸化環境または好
ましい実施例に含まれる融解アルミニウムに対する暴露
に対して生き残らないが、１）例えば酸化気体としてCO
/CO2を使用することによって環境の活動度が小さい、ま
たは２）酸化環境で動力学的に種を反応させない酸化ア
ルミニウムのようにコートを使用すれば工程に適合す
る。
があり、熱力学的にまたは動力学的に酸化環境または好
ましい実施例に含まれる融解アルミニウムに対する暴露
に対して生き残らないが、１）例えば酸化気体としてCO
/CO2を使用することによって環境の活動度が小さい、ま
たは２）酸化環境で動力学的に種を反応させない酸化ア
ルミニウムのようにコートを使用すれば工程に適合す
る。
本発明の実施例としてまた上記特許出願明細書で説明
されるように、金属に添加されるドーパント材料は酸化
反応工程に好ましく影響する。ドーパント材料はドーパ
ント材料そのものというより多数の要素によって作用す
る。これら要因には、例えば、特定の母材金属、所望の
端生成物、また２以上のドーパントが使用される場合の
ドーパントの特定の組合せ、合金ドーパントと組合わせ
て外部的に適用されるドーパントの使用、ドーパント濃
度、酸化環境、および工程条件がある。
されるように、金属に添加されるドーパント材料は酸化
反応工程に好ましく影響する。ドーパント材料はドーパ
ント材料そのものというより多数の要素によって作用す
る。これら要因には、例えば、特定の母材金属、所望の
端生成物、また２以上のドーパントが使用される場合の
ドーパントの特定の組合せ、合金ドーパントと組合わせ
て外部的に適用されるドーパントの使用、ドーパント濃
度、酸化環境、および工程条件がある。
ドーパントは、（１）母材金属の合金成分として使用
される、（２）母材金属の表面の少なくとも一部に使用
される、または（３）充填材、または充填材ベッドの一
部、例えば充填材の支持ゾーンに使用される、または２
以上の技術（１）、（２）、および（３）の組合せによ
って提供される。（３）の技術の場合、ドーパントは充
填材に使用され、コートまたは特定の形式で充填材全体
またはその部分にドーパントを分散させるような適切な
方法で行われるが、母材金属に隣接する充填材のベッド
の少なくとも一部を包含することが好ましい。充填材に
対するドーパントは、ベッドにまたはベッド内に１以上
のドーパント材料の層を形成することによって使用さ
れ、内部開口、気孔、通路、介在するスペース等を包含
し透過性を与えられる。いずれかのドーパント材料を使
用する通常の方法は、ドーパント材料の液体（例えば溶
液）に全ベッドを単に浸透させる方法である。ドーパン
トの源は、母材金属表面の少なくとも一部と充填材ベッ
ドに接触してまたそれらの間にドーパントの頑丈な本体
を位置させることによって提供される。例えば、シリコ
ーン含有ガラスの薄いシート（アルミニウム母材金属の
酸化に対するドーパントとして有用な）は母材金属の表
面に位置することができる。シリコーン含有材料に乗っ
たアルミニウム母材金属（Mgで内部をドープされた）が
酸化環境（例えば空気中のアルミニウムの場合、約850
℃乃至約1450℃であり、好ましくは約900℃乃至約1350
℃）で融解されると、多結晶質セラミック マトリック
スは透過性ベッドに成長する。ドーパントが母材金属の
表面の少なくとも一部に外的に使用される場合、多結晶
質酸化物の構造はドーパント層の下（つまり使用された
ドーパント層の深さ以下に）に実質上透過性充填材内で
成長する。いずれの場合でも、１以上のドーパントは母
材金属表面および／または透過性ベッドに外的に使用さ
れる。さらに、母材金属内に合金されおよび／または母
材金属に外的に使用されたドーパントは充填材ベットに
使用されたドーパントによって増加する。このように、
母材金属内で合金されおよび／または母材金属に外的に
使用された濃度の低いドーパントはベッドに使用された
各ドーパントの追加濃度によって増加する、およびその
逆である。
される、（２）母材金属の表面の少なくとも一部に使用
される、または（３）充填材、または充填材ベッドの一
部、例えば充填材の支持ゾーンに使用される、または２
以上の技術（１）、（２）、および（３）の組合せによ
って提供される。（３）の技術の場合、ドーパントは充
填材に使用され、コートまたは特定の形式で充填材全体
またはその部分にドーパントを分散させるような適切な
方法で行われるが、母材金属に隣接する充填材のベッド
の少なくとも一部を包含することが好ましい。充填材に
対するドーパントは、ベッドにまたはベッド内に１以上
のドーパント材料の層を形成することによって使用さ
れ、内部開口、気孔、通路、介在するスペース等を包含
し透過性を与えられる。いずれかのドーパント材料を使
用する通常の方法は、ドーパント材料の液体（例えば溶
液）に全ベッドを単に浸透させる方法である。ドーパン
トの源は、母材金属表面の少なくとも一部と充填材ベッ
ドに接触してまたそれらの間にドーパントの頑丈な本体
を位置させることによって提供される。例えば、シリコ
ーン含有ガラスの薄いシート（アルミニウム母材金属の
酸化に対するドーパントとして有用な）は母材金属の表
面に位置することができる。シリコーン含有材料に乗っ
たアルミニウム母材金属（Mgで内部をドープされた）が
酸化環境（例えば空気中のアルミニウムの場合、約850
℃乃至約1450℃であり、好ましくは約900℃乃至約1350
℃）で融解されると、多結晶質セラミック マトリック
スは透過性ベッドに成長する。ドーパントが母材金属の
表面の少なくとも一部に外的に使用される場合、多結晶
質酸化物の構造はドーパント層の下（つまり使用された
ドーパント層の深さ以下に）に実質上透過性充填材内で
成長する。いずれの場合でも、１以上のドーパントは母
材金属表面および／または透過性ベッドに外的に使用さ
れる。さらに、母材金属内に合金されおよび／または母
材金属に外的に使用されたドーパントは充填材ベットに
使用されたドーパントによって増加する。このように、
母材金属内で合金されおよび／または母材金属に外的に
使用された濃度の低いドーパントはベッドに使用された
各ドーパントの追加濃度によって増加する、およびその
逆である。
特に酸化剤としての空気を用いたアルミニウム母材金
属に特に有用なドーパントには、例えば、以下で説明さ
れるような他のドーパントと結合させたまたは互に結合
したマグネシウム金属と亜鉛金属がある。これら金属、
または金属の適切な源は、ドープされた金属の重量に基
づいた約0.1-10重量％の濃度でアルミニウム−ベースの
母材金属に合金される。１ドーパントの濃度はドーパン
トと処理温度を組合わせたこの様な要因による。この範
囲での濃度は金属移行を強め、セラミック成長を開始
し、酸化反応生成物の成長形態に好ましく影響する。
属に特に有用なドーパントには、例えば、以下で説明さ
れるような他のドーパントと結合させたまたは互に結合
したマグネシウム金属と亜鉛金属がある。これら金属、
または金属の適切な源は、ドープされた金属の重量に基
づいた約0.1-10重量％の濃度でアルミニウム−ベースの
母材金属に合金される。１ドーパントの濃度はドーパン
トと処理温度を組合わせたこの様な要因による。この範
囲での濃度は金属移行を強め、セラミック成長を開始
し、酸化反応生成物の成長形態に好ましく影響する。
アルミニウムベースの母材金属システムに対して多結
晶質酸化反応成長を促進するのに有効な他のドーパント
は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、錫、および鉛が
あり、特にマグネシウムまたは亜鉛と共に使用すると有
効である。１以上のこれら他のドーパントまたはそれら
の適切な源は、全合金が約0.5乃至約15重量％の濃度で
アルミニウム母材金属システムに合金される。しかしな
がら、所望の成長運動性および成長形態は全金属合金が
約1-10重量％の範囲のドーパント濃度で得られる。ドー
パントとしての鉛は、少なくとも1000℃の温度でアルミ
ニウムベース母材金属に概して合金され、アルミニウム
に低い溶解性を与える。しかしながら、鉛のような他の
合金成分を添加することは概して鉛の溶解度を増加させ
低い温度で合金材料を添加することになってしまう。
晶質酸化反応成長を促進するのに有効な他のドーパント
は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、錫、および鉛が
あり、特にマグネシウムまたは亜鉛と共に使用すると有
効である。１以上のこれら他のドーパントまたはそれら
の適切な源は、全合金が約0.5乃至約15重量％の濃度で
アルミニウム母材金属システムに合金される。しかしな
がら、所望の成長運動性および成長形態は全金属合金が
約1-10重量％の範囲のドーパント濃度で得られる。ドー
パントとしての鉛は、少なくとも1000℃の温度でアルミ
ニウムベース母材金属に概して合金され、アルミニウム
に低い溶解性を与える。しかしながら、鉛のような他の
合金成分を添加することは概して鉛の溶解度を増加させ
低い温度で合金材料を添加することになってしまう。
１以上のドーパントは前記説明のように環境に依存し
て使用される。例えば、アルミニウム母材金属で酸化剤
として空気を使用する場合、ドーパントの特に有用な結
合は、（ａ）マグネシウムとシリコンまたは（ｂ）マグ
ネシウム、亜鉛、およびシリコンがある。このような例
では、好ましいマグネシウム濃度は、約１乃至約６重量
％の範囲の亜鉛と約１乃至約10重量％の範囲のシリコン
に対して約0.1乃至約３重量％の範囲内に落ちる。
て使用される。例えば、アルミニウム母材金属で酸化剤
として空気を使用する場合、ドーパントの特に有用な結
合は、（ａ）マグネシウムとシリコンまたは（ｂ）マグ
ネシウム、亜鉛、およびシリコンがある。このような例
では、好ましいマグネシウム濃度は、約１乃至約６重量
％の範囲の亜鉛と約１乃至約10重量％の範囲のシリコン
に対して約0.1乃至約３重量％の範囲内に落ちる。
アルミニウム母材金属に有用なドーパント材料の他の
例には、個々に使用されるまたは酸化剤と工程条件によ
って１以上のドーパントと組合せて使用されるナトリウ
ム、リチウム、カルシウム、ホウ素、リン、およびイッ
トリウムがある。ナトリウムとリチウムは、１ミリオン
につき非常に少量の部、典型的に１ミリオンにつき約10
0-200部の１ミリオンにつき非常に少量で使用され、個
々にまたは他のドーパントと組合せて使用される。セリ
ウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム、およびサマ
リウムのような稀土成分は有用なドーパントであり、他
のドーパントと組合せて使用すると特に有用である。
例には、個々に使用されるまたは酸化剤と工程条件によ
って１以上のドーパントと組合せて使用されるナトリウ
ム、リチウム、カルシウム、ホウ素、リン、およびイッ
トリウムがある。ナトリウムとリチウムは、１ミリオン
につき非常に少量の部、典型的に１ミリオンにつき約10
0-200部の１ミリオンにつき非常に少量で使用され、個
々にまたは他のドーパントと組合せて使用される。セリ
ウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム、およびサマ
リウムのような稀土成分は有用なドーパントであり、他
のドーパントと組合せて使用すると特に有用である。
前記のよにう、ドーパント材料を母材金属に合金する
必要はない。例えば、薄い層の１以上のドーパント材料
をすべての母材金属の表面またはその一部に選択的に使
用すると、母材金属の表面またはその部分からローカル
セラミックが成長し、多結晶質セラミック材料の成長を
選択された領域の透過性充填材に導く。このように、透
過性ベッドへの多結晶質セラミック材料の成長は、母材
金属表面のドーパント材料の決定された位置によって制
御することができる。使用されるドーパントのコートま
たは層は母材金属本体の厚さに関して薄く、透過性ベッ
ドへの酸化反応生成物の成長または組成はドーパント層
の下、つまり使用されたドーパント層の深さ以下に実質
上延びる。この様なドーパント材料の層は、塗装、浸
漬、スクリーン法、蒸発、または液体またはペースト状
のドーパント材料を使用する。またはスパッタ、または
固体粒状ドーパントまたはドーパントの固体の薄いシー
トまたはフィルムを母材金属の表面に簡単に堆積させる
ことによって使用できる。ドーパント材料は、必要では
ないが、有機または無機質結合剤、ビヒクル、溶剤、お
よび／または増粘剤を包含する。もっと好ましい方法
は、ドーパント材料は母材金属の表面に粉として使用す
るまたは充填材の少なくとも一部を通って分散すること
である。ドーパントを母材金属表面に使用する一つの特
定の好ましい方法は、母材金属表面にスプレイされた水
／有機結合剤混合物のドーパントの液体懸濁を使用して
工程の前にドープされた母材金属を取り扱う接着コート
を得る方法である。
必要はない。例えば、薄い層の１以上のドーパント材料
をすべての母材金属の表面またはその一部に選択的に使
用すると、母材金属の表面またはその部分からローカル
セラミックが成長し、多結晶質セラミック材料の成長を
選択された領域の透過性充填材に導く。このように、透
過性ベッドへの多結晶質セラミック材料の成長は、母材
金属表面のドーパント材料の決定された位置によって制
御することができる。使用されるドーパントのコートま
たは層は母材金属本体の厚さに関して薄く、透過性ベッ
ドへの酸化反応生成物の成長または組成はドーパント層
の下、つまり使用されたドーパント層の深さ以下に実質
上延びる。この様なドーパント材料の層は、塗装、浸
漬、スクリーン法、蒸発、または液体またはペースト状
のドーパント材料を使用する。またはスパッタ、または
固体粒状ドーパントまたはドーパントの固体の薄いシー
トまたはフィルムを母材金属の表面に簡単に堆積させる
ことによって使用できる。ドーパント材料は、必要では
ないが、有機または無機質結合剤、ビヒクル、溶剤、お
よび／または増粘剤を包含する。もっと好ましい方法
は、ドーパント材料は母材金属の表面に粉として使用す
るまたは充填材の少なくとも一部を通って分散すること
である。ドーパントを母材金属表面に使用する一つの特
定の好ましい方法は、母材金属表面にスプレイされた水
／有機結合剤混合物のドーパントの液体懸濁を使用して
工程の前にドープされた母材金属を取り扱う接着コート
を得る方法である。
ドーパント材料が外的に使用される場合、均一のコー
トとして母材金属の表面の一部に適用される。ドーパン
トの性質は適用される母材金属の量に関して広い範囲で
有効であり、アルミニウムの場合、実験によって使用で
きる上限と下限を示すことはできなかった。例えば、酸
化剤として空気または酸素を使用してアルミニウムベー
スの母材金属にドーパントとして外的に使用される二酸
化ケイ素の形でシリコンを使用する場合、マグネシウム
および／または亜鉛の源を有する第２のドーパントと共
に母材金属１グラムについて0.0001グラムのシリコーン
を使用すると多結晶質セラミック成長現象を生じる。セ
ラミック構成は、酸化される母材金属１グラムについて
0.0005グラム以上であってまたMgOを使用する場合に母
材金属表面１平方センチメーターにつき0.005グラム以
上のドーパントとしてMgOを使用することによって酸化
剤としての空気または酸素を使用してアルミニウムベー
スの母材金属から生成することができる。ドーパント材
料の量がある程度増加することでセラミック複合体を生
成するのに必要な反応時間が減少するが、これはドーパ
ントの型、母材金属、および反応条件としてこの様な要
因に依存する。
トとして母材金属の表面の一部に適用される。ドーパン
トの性質は適用される母材金属の量に関して広い範囲で
有効であり、アルミニウムの場合、実験によって使用で
きる上限と下限を示すことはできなかった。例えば、酸
化剤として空気または酸素を使用してアルミニウムベー
スの母材金属にドーパントとして外的に使用される二酸
化ケイ素の形でシリコンを使用する場合、マグネシウム
および／または亜鉛の源を有する第２のドーパントと共
に母材金属１グラムについて0.0001グラムのシリコーン
を使用すると多結晶質セラミック成長現象を生じる。セ
ラミック構成は、酸化される母材金属１グラムについて
0.0005グラム以上であってまたMgOを使用する場合に母
材金属表面１平方センチメーターにつき0.005グラム以
上のドーパントとしてMgOを使用することによって酸化
剤としての空気または酸素を使用してアルミニウムベー
スの母材金属から生成することができる。ドーパント材
料の量がある程度増加することでセラミック複合体を生
成するのに必要な反応時間が減少するが、これはドーパ
ントの型、母材金属、および反応条件としてこの様な要
因に依存する。
母材金属がマグネシウムを内部にドープされたアルミ
ニウムであり、酸化媒体が空気または酸素であると、マ
グネシウムは約820乃至950℃の温度で合金から少なくと
も部分的に酸化されるということが観察された。マグネ
シウムドープ処理システムの場合、マグネシウムは融解
アルミニウム合金の表面で酸化マグネシウムおよび／ま
たはアルミン酸マグネシウム スピネル相を形成し、成
長工程の間にこの様なマグネシウム化合物は成長するセ
ラミック構造の母材金属合金（つまり“最初の表面”）
の最初の酸化表面に最初は止どまる。この様にマグネシ
ウムドープ処理システムでは、アルミニウム酸化ベース
構造は最初の表面でアルミン酸マグネシウム スピネル
の比較的薄い層から離れて生成される。望ましければ、
この最初の表面は粉砕、機械加工、研磨、またはグリッ
トブラスト仕上げによって容易に取り除くことができ
る。
ニウムであり、酸化媒体が空気または酸素であると、マ
グネシウムは約820乃至950℃の温度で合金から少なくと
も部分的に酸化されるということが観察された。マグネ
シウムドープ処理システムの場合、マグネシウムは融解
アルミニウム合金の表面で酸化マグネシウムおよび／ま
たはアルミン酸マグネシウム スピネル相を形成し、成
長工程の間にこの様なマグネシウム化合物は成長するセ
ラミック構造の母材金属合金（つまり“最初の表面”）
の最初の酸化表面に最初は止どまる。この様にマグネシ
ウムドープ処理システムでは、アルミニウム酸化ベース
構造は最初の表面でアルミン酸マグネシウム スピネル
の比較的薄い層から離れて生成される。望ましければ、
この最初の表面は粉砕、機械加工、研磨、またはグリッ
トブラスト仕上げによって容易に取り除くことができ
る。
本発明によって得られたセラミック複合体構造は通常
密度が高い凝集体であり、複合体構造約５乃至約98容量
％は多結晶質セラミック マトリックス内に埋め混まれ
た１以上の充填材成分からなる。多結晶質ライン セラ
ミック マトリックスは、母材金属がアルミニウムであ
り空気または酸素が酸化剤である場合、母材金属からの
ように、約60乃至約99重量％（多結晶質マトリックスの
重量）の相互に接続されたアルファ−アルミナと約１乃
至40重量％の非酸化金属成分から通常なる。
密度が高い凝集体であり、複合体構造約５乃至約98容量
％は多結晶質セラミック マトリックス内に埋め混まれ
た１以上の充填材成分からなる。多結晶質ライン セラ
ミック マトリックスは、母材金属がアルミニウムであ
り空気または酸素が酸化剤である場合、母材金属からの
ように、約60乃至約99重量％（多結晶質マトリックスの
重量）の相互に接続されたアルファ−アルミナと約１乃
至40重量％の非酸化金属成分から通常なる。
本発明は、以下の例に従って示されるがそれに制限さ
れない。
れない。
例１ 炭化ケイ素粒子を含有するセラミック マトリックス
複合体の複雑な形状大きさの複製を示すために、10％の
シリコンと３％のマグネシウムを含有する直径１インチ
で長さ６インチのアルミニウムのねじ込みロッドは、炭
化ケイ素（ノートン社39クリスタロン、90メッシュ）の
ベッドに完全に沈められ、空気中で72時間1125℃の工程
整定値温度に加熱された。全炉時間は87時間で５時間の
加熱と10時間の冷却サイクルで行なった。
複合体の複雑な形状大きさの複製を示すために、10％の
シリコンと３％のマグネシウムを含有する直径１インチ
で長さ６インチのアルミニウムのねじ込みロッドは、炭
化ケイ素（ノートン社39クリスタロン、90メッシュ）の
ベッドに完全に沈められ、空気中で72時間1125℃の工程
整定値温度に加熱された。全炉時間は87時間で５時間の
加熱と10時間の冷却サイクルで行なった。
生成した複合体材料は第４図のように断面を有し、ア
ルミナ セラミック マトリックス／炭化ケイ素複合体
材料へのねじ込みロッドの複製を示す。生成された複合
体の組成物はＸ線粉回折分析によって確認された。
ルミナ セラミック マトリックス／炭化ケイ素複合体
材料へのねじ込みロッドの複製を示す。生成された複合
体の組成物はＸ線粉回折分析によって確認された。
この場合、ベッドの自己結合が考えられ観察され、工
程温度の炭化ケイ素粒子の部分的酸化の結果であり、シ
リカ結合材料の層を形成した。
程温度の炭化ケイ素粒子の部分的酸化の結果であり、シ
リカ結合材料の層を形成した。
例２ アルミナ粒子を含有するセラミック マトリックス複
合体の複雑な形状大きさの複製を示すために、二酸化ケ
イ素の層は10％のシリコンと３％のマグネシウムを含有
するアルミニウムの２インチのねじ込みロッドの表面に
有機結合剤で適用された。ロッドはアルミナ（ノートン
社、38アルミニウム、220メッシュ）のベッドに完全に
埋め混まれ50時間1250℃の工程整定値温度に加熱され
た。全炉時間は60時間であり５時間の加熱と５時間の冷
却のサイクルを行なった。
合体の複雑な形状大きさの複製を示すために、二酸化ケ
イ素の層は10％のシリコンと３％のマグネシウムを含有
するアルミニウムの２インチのねじ込みロッドの表面に
有機結合剤で適用された。ロッドはアルミナ（ノートン
社、38アルミニウム、220メッシュ）のベッドに完全に
埋め混まれ50時間1250℃の工程整定値温度に加熱され
た。全炉時間は60時間であり５時間の加熱と５時間の冷
却のサイクルを行なった。
ロッドの断面は、第５図に示されるようにねじ込みロ
ッドの複製を示す。生成された複合体材料の組成は、Ｘ
線粉回折分析によって確認された。この場合、互いに結
合され隣接するアルミナ粒子に結合された合金表面に適
用された層は“支持ゾーン”を形成し表面の複製工程を
可能にする。
ッドの複製を示す。生成された複合体材料の組成は、Ｘ
線粉回折分析によって確認された。この場合、互いに結
合され隣接するアルミナ粒子に結合された合金表面に適
用された層は“支持ゾーン”を形成し表面の複製工程を
可能にする。
第４図および第５図のスクリューねじ込み形状大きさ
は伝統的セラミック処理方法のいずれかによって行なう
には特に困難であるが、本発明の工程によって極めて容
易に生成される。
は伝統的セラミック処理方法のいずれかによって行なう
には特に困難であるが、本発明の工程によって極めて容
易に生成される。
例３ 本発明の実施例は結合剤と支持ゾーンのアルミナ粒子
のベッドを使用してセラミック マトリックス複合体に
複雑な形状大きさの組成を示す。この実験では、22ゲー
ジ ステンレス スチール シリンダが母材金属と充填
材の整定値に対する容器として使用された。容器は3 1/
4インチの内部直径と0.0625インチ直径孔あけを有し、
充填剤のベッドに対する気相酸化剤の拡散の40％の開領
域に対して提供された。この容器は0.016インチの直径
のホールと30％開領域を有するステンレス スチール
スクリーンに並べられ、容器の孔あけを通って充填材材
料が逃げないようにした。この容器またはベセルはステ
ンレス スチールキャップで底部を封じられ、95重量パ
ーセントのアルファ−アルミナ粒子（ノートン社38アル
ンダム、90メッシュ）と５重量パーセントの二酸化ケイ
素（主として約100メッシュサイズ以上）からなる予め
焼成された不均質性充填材で充填された。直径が1 1/16
インチの長さが26インチであり、10％のシリコンと３％
のマグネシウムで合金されたアルミニウムのロッドは表
面の中央2/3の長さに亙って16このフィン状突起を有
し、困難な型の形態複製の忠実度を示すために使用され
た。ロッドは有機結合剤で適用された二酸化ケイ素（主
として100メッシュサイズ以上の）が全表面に均一に被
覆された。ロッドは容器中に含有された前記充填材に沈
められ、セラミック マトリックスの成長は対称的であ
り、またステンレス スチール容器の壁の軸方向に沿っ
ている。
のベッドを使用してセラミック マトリックス複合体に
複雑な形状大きさの組成を示す。この実験では、22ゲー
ジ ステンレス スチール シリンダが母材金属と充填
材の整定値に対する容器として使用された。容器は3 1/
4インチの内部直径と0.0625インチ直径孔あけを有し、
充填剤のベッドに対する気相酸化剤の拡散の40％の開領
域に対して提供された。この容器は0.016インチの直径
のホールと30％開領域を有するステンレス スチール
スクリーンに並べられ、容器の孔あけを通って充填材材
料が逃げないようにした。この容器またはベセルはステ
ンレス スチールキャップで底部を封じられ、95重量パ
ーセントのアルファ−アルミナ粒子（ノートン社38アル
ンダム、90メッシュ）と５重量パーセントの二酸化ケイ
素（主として約100メッシュサイズ以上）からなる予め
焼成された不均質性充填材で充填された。直径が1 1/16
インチの長さが26インチであり、10％のシリコンと３％
のマグネシウムで合金されたアルミニウムのロッドは表
面の中央2/3の長さに亙って16このフィン状突起を有
し、困難な型の形態複製の忠実度を示すために使用され
た。ロッドは有機結合剤で適用された二酸化ケイ素（主
として100メッシュサイズ以上の）が全表面に均一に被
覆された。ロッドは容器中に含有された前記充填材に沈
められ、セラミック マトリックスの成長は対称的であ
り、またステンレス スチール容器の壁の軸方向に沿っ
ている。
前記システムは225時間1250℃の整定値温度に加熱さ
れた。全炉時間は265時間であり、10時間の加熱と30時
間の冷却サイクルを行なった。
れた。全炉時間は265時間であり、10時間の加熱と30時
間の冷却サイクルを行なった。
前記工程は、Ｘ線粉回折分析によって証明されたよう
に、充填材材料のアルファ−アルミナ粒子を埋め込んだ
アルファ−アルミナ マトリックスを有する凝集複合体
材料を生成した。キャビティは高い忠実度の注型アルミ
ニウムロッドの形状大きさの逆複製を示した。
に、充填材材料のアルファ−アルミナ粒子を埋め込んだ
アルファ−アルミナ マトリックスを有する凝集複合体
材料を生成した。キャビティは高い忠実度の注型アルミ
ニウムロッドの形状大きさの逆複製を示した。
本発明の２〜３の実施例は前記のように説明された
が、本発明を多様に組合わせたり変更することが可能で
あることは当業者には理解されるであろう。
が、本発明を多様に組合わせたり変更することが可能で
あることは当業者には理解されるであろう。
第１図は、粒子状の充填材のベッド内に埋め込まれ、耐
火性容器内に閉じ込められた造形された母材金属の型の
装置を示す概要的断面図であり、 第２図は、第１図の装置で使用された造形された母材金
属の型の拡大図であり、 第３図は、本発明によって生成された自己支持性セラミ
ック複合体の部分的断面図であり、 第４図は、例１によって調整され、また母材金属として
のねじ切りロッドの形を複製する内部形状を示すために
切断されたセラミック複合体を示す写真であり、 第５図は、ねじ切り金属イゴットの形の複製を示すため
に取り出されたセラミック複合体の頂部と底部を示す写
真である。 ２……耐火性容器、４……充填材ベッド、６……型、８
……中央部分、8a、8b……端部、10……セラミックス複
合体、12……外側表面、14……逆端面、16……キャビテ
ィ。
火性容器内に閉じ込められた造形された母材金属の型の
装置を示す概要的断面図であり、 第２図は、第１図の装置で使用された造形された母材金
属の型の拡大図であり、 第３図は、本発明によって生成された自己支持性セラミ
ック複合体の部分的断面図であり、 第４図は、例１によって調整され、また母材金属として
のねじ切りロッドの形を複製する内部形状を示すために
切断されたセラミック複合体を示す写真であり、 第５図は、ねじ切り金属イゴットの形の複製を示すため
に取り出されたセラミック複合体の頂部と底部を示す写
真である。 ２……耐火性容器、４……充填材ベッド、６……型、８
……中央部分、8a、8b……端部、10……セラミックス複
合体、12……外側表面、14……逆端面、16……キャビテ
ィ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エイチ・ダニエル・レスハー アメリカ合衆国，デラウエア州 19808, ウイルミントン，フアルコン・コート ６
Claims (20)
- 【請求項１】（ａ）母材金属を造形して造形母材金属に
よる型を形成し、かつ該母材金属を、母材金属の酸化反
応により生成する物体の少なくとも一部中に溶融金属を
輸送する相互連結した金属通路を形成せしめる少なくと
も１種のドーパントと共に、充填材による透過性素材中
に埋設して、酸化反応生成物の形成が該透過性充填材素
材中に向うように配置させ、 （ｂ）該埋設母材金属成形体を該母材金属の融点より高
いがその酸化反応生成物の融点より低い温度に加熱して
溶融した母材金属体を形成し、かつ該温度で該母材金属
を酸化剤と反応させて酸化反応生成物を形成し、かつ該
温度で該酸化反応生成物の少なくとも一部を該溶融母材
金属体及び該酸化剤と接触しかつその間にあるように維
持せしめて、溶融母材金属を既に形成された酸化反応生
成物を通して前記酸化剤に向かってかつ隣接する前記充
填材素材中に引き込み、かつ形成されつつある複合体中
にキャビティを同時に形成し、よって該充填材素材中の
前記酸化剤と前記予め形成された酸化反応生成物体の界
面に新鮮な酸化反応生成物を形成し、そして （ｃ）上記反応を継続して、上記によって形成されるキ
ャビティを有する酸化反応生成物体中に、前記充填材素
材の少なくとも一部を埋設する 工程を有することを特徴とする、型の形状を逆に複製し
た少なくとも１つのキャビティを有するセラミックス及
び充填材含有複合材料の製造方法。 - 【請求項２】前記酸化剤が気相酸化剤である特許請求の
範囲第１項記載の方法。 - 【請求項３】前記酸化剤が前記温度で固体である特許請
求の範囲第１項記載の方法。 - 【請求項４】前記酸化剤がシリカ、ホウ素、還元可能な
ホウ素化物のうち少なくとも１種である特許請求の範囲
第１項記載の方法。 - 【請求項５】前記酸化剤が酸素含有気体及び窒素含有気
体から選ばれる酸化剤である特許請求の範囲第２項記載
の方法。 - 【請求項６】前記母材金属がアルミニウムを含む特許請
求の範囲第１又は２項記載の方法。 - 【請求項７】前記母材金属がケイ素、チタン、亜鉛、ジ
ルコニウム、ハフニウムから選ばれる材料を含む特許請
求の範囲第１又は２項記載の方法。 - 【請求項８】前記酸化剤が酸素含有気体、窒素含有気
体、ハロゲン、硫黄、りん、ヒ素、炭素、ホウ素、セレ
ン、テルル、H2／H2O混合物、メタン、エタン、プロパ
ン、アセチレン、エチレン、プロピレン、及びCO/CO2混
合物、又はこれらの化合物もしくは混合物から選ばれる
材料を含む特許請求の範囲第1,2又は６項記載の方法。 - 【請求項９】前記酸化剤が空気又は形成ガスを含む特許
請求の範囲第２又は６項記載の方法。 - 【請求項１０】前記母材金属がアルミニウムを含む特許
請求の範囲第3,4又は５項記載の方法。 - 【請求項１１】前記充填材が中空体、粒状物、粉末、繊
維、ウイスカー、球状物、気泡、鋼綿、板状物、凝集
物、綿材、ロッド、バー、小板、ペレット、チューブ、
耐火繊維布、小チューブ、又はこれらの混合物からなる
特許請求の範囲第１〜10項のいずれか１項に記載の方
法。 - 【請求項１２】前記充填材がアルミニウム、セリウム、
ハフニウム、ランタン、ニオブ、プラセオジム、サマリ
ウム、スカンジウム、トリウム、ウラン、イットリウム
及びジルコニウムから選ばれた金属の１又は２以上の金
属酸化物の群から選ばれた特許請求の範囲第１〜10項の
いずれか１項に記載の方法。 - 【請求項１３】前記充填材が酸化アルミニウム、シリ
カ、炭化珪素、酸窒化珪素アルミニウム、酸化ジルコニ
ウム、チタン酸バリウム、窒化硼素、窒化珪素、アルミ
ン酸マンガン、第一鉄合金、鉄クロムアルミニウム合
金、炭素又はアルミニウムの１種以上からなる特許請求
の範囲第１〜10項のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項１４】前記充填材が固体酸化剤を含む特許請求
の範囲第１〜７項のいずれか１項記載の方法。 - 【請求項１５】前記酸化剤が酸素含有気体を含みかつ前
記温度が850〜1450℃である特許請求の範囲第６項記載
の方法。 - 【請求項１６】前記充填材が前記温度で液体である特許
請求の範囲第１項記載の方法。 - 【請求項１７】前記少なくとも１種のドーパントを
（ｉ）前記母材金属と合金化する、（ii）前記少なくと
も１種のドーパントを前記母材金属の表面に層として適
用しかつドーパント物質の適用層より実質的に深くまで
酸化反応生成物を生成することを含む、（iii）前記少
なくとも１種のドーパントを少なくとも１部を前記充填
材中に配置すること、から選ばれる少なくとも１つの方
法で配置する特許請求の範囲第１〜16項のいずれか１項
記載の方法。 - 【請求項１８】前記少なくとも１種のドーパントがマグ
ネシウム、亜鉛、珪素、ゲルマニウム、錫、亜鉛、ホウ
素、ナトリウム、リチウム、カルシウム、りん、イット
リウム及び希土類金属から選んだ少なくとも１種の材料
の源である特許請求の範囲第16又は17項記載の方法。 - 【請求項１９】前記希土類金属がランタン、セリウム、
プラセオジム、ネオジム及びサマリウムから選ばれる特
許請求の範囲第18項記載の方法。 - 【請求項２０】型の形状を逆に複製する少なくとも１つ
のキャビティを有する自己支持性セラミック複合体を生
成する方法において、 前記複合体は、（１）母材金属の酸化によって生成され
て得られる、（ｉ）前記母材金属の酸化剤との酸化反応
生成物と、場合により（ii）１以上の金属成分とから本
質的になる多結晶質材料のセラミックスマトリックス、
および（２）前記マトリックスによって埋め込まれた充
填材を含んでなり、 （ａ）前記母材金属を造形して造形母材金属の型を提供
し、 （ｂ）適合した充填材のベッド内に前記造形母材金属を
埋め込んで前記造形母材金属の形状を逆に複製し、前記
充填材は、（１）前記酸化剤が工程（ｃ）において融解
した母材金属に接触することが必要な場合に前記酸化剤
が透過でき、かつ前記充填材を通る酸化反応生成物の成
長による浸透物が透過でき、（２）前記母材金属の融点
における容積変化と、前記母材金属と前記充填材の間の
熱膨張の差に適応するのに十分な適応性を保持し、かつ
（３）少なくとも前記型を包囲する支持ゾーンで、前記
母材金属の融点以上の温度であるが酸化反応温度より低
くしかもそれに十分に近接した温度であって前記のよう
に適応するのに十分な温度でのみ本質的に自己結合し、
それによって前記充填材は以下で限定されるような前記
母材金属の移行に従って前記ベッド内に逆複製された形
状を保持するに十分な凝集力を有し、 （ｃ）前記埋め込まれた造形母材金属を融点温度以上で
はあるが前記酸化反応生成物の融点以下である温度に加
熱して融解した母材金属のボディを形成し、前記温度
で、 （１）前記酸化剤と融解母材金属を反応させて前記酸化
反応生成物を形成し、 （２）前記酸化反応生成物の少なくとも一部を融解金属
の前記ボディと前記酸化剤に接触させかつその間に維持
して、酸化反応生成物を通して融解金属の前記ボディか
ら融解金属を次第に引き出して充填材の前記ベッドに入
れて、前記酸化剤とそれ以前に形成された酸化反応生成
物との界面で酸化反応生成物を形成し続けるとき同時に
充填材の前記ベッド中に前記キャビティを形成し、 （３）前記酸化反応生成物の成長によって少なくとも部
分的に前記充填材を前記酸化反応生成物内に埋め込んで
前記キャビティを有する前記複合体を形成するのに十分
な時間前記反応を継続し、 （ｄ）生成された自己支持性複合体をあれば過剰充填材
から分離する 工程を包含する自己支持性セラミック複合体を製造する
方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US823542 | 1986-01-27 | ||
| US06/823,542 US4828785A (en) | 1986-01-27 | 1986-01-27 | Inverse shape replication method of making ceramic composite articles |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62230663A JPS62230663A (ja) | 1987-10-09 |
| JPH0832595B2 true JPH0832595B2 (ja) | 1996-03-29 |
Family
ID=25239058
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1430887A Expired - Fee Related JPH0832595B2 (ja) | 1986-01-27 | 1987-01-26 | セラミック複合材料を製造する逆型複製方法 |
Country Status (27)
| Country | Link |
|---|---|
| US (4) | US4828785A (ja) |
| EP (1) | EP0234704B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0832595B2 (ja) |
| KR (1) | KR950004063B1 (ja) |
| CN (1) | CN1017616B (ja) |
| AT (1) | ATE69039T1 (ja) |
| AU (1) | AU602878B2 (ja) |
| BR (1) | BR8700342A (ja) |
| CA (1) | CA1303336C (ja) |
| CS (1) | CS275933B6 (ja) |
| DE (1) | DE3774147D1 (ja) |
| DK (1) | DK165178C (ja) |
| ES (1) | ES2028061T3 (ja) |
| FI (1) | FI84343C (ja) |
| GR (1) | GR3003664T3 (ja) |
| IE (1) | IE59605B1 (ja) |
| IL (1) | IL81191A (ja) |
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| PL (1) | PL153691B1 (ja) |
| PT (1) | PT84198B (ja) |
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| ZA (1) | ZA87413B (ja) |
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