JP2905525B2 - マクロ複合体の形成方法 - Google Patents
マクロ複合体の形成方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、溶融マトリックス金属を充填材又はプレフ
ォームの通気性素材に自発浸透させ、自発浸透された物
質を少なくとも一つのセラミック及び／又は金属のよう
な第二の物質に結合せしめることによるマクロ複合体の
形成に関する。特に、浸透増進剤及び／又はその前駆体
及び／又は浸透雰囲気は、溶融マトリックス金属が充填
材又はプレフォームに自発浸透させるプロセス間の少な
くともある時点で、充填材又はプレフォームに連絡して
いる。更に、浸透の前に、充填材又はプレフォームは、
充填材又はプレフォームの浸透の後に、浸透された物質
が第二の物質に結合してマクロ複合体を形成するよう
に、第二の物質の少なくとも一部と接触するように置か
れる。
ォームの通気性素材に自発浸透させ、自発浸透された物
質を少なくとも一つのセラミック及び／又は金属のよう
な第二の物質に結合せしめることによるマクロ複合体の
形成に関する。特に、浸透増進剤及び／又はその前駆体
及び／又は浸透雰囲気は、溶融マトリックス金属が充填
材又はプレフォームに自発浸透させるプロセス間の少な
くともある時点で、充填材又はプレフォームに連絡して
いる。更に、浸透の前に、充填材又はプレフォームは、
充填材又はプレフォームの浸透の後に、浸透された物質
が第二の物質に結合してマクロ複合体を形成するよう
に、第二の物質の少なくとも一部と接触するように置か
れる。
金属マトリックスと粒状セラミック、ウイスカー、繊
維等の補強又は強化相からなる複合体製品は、強化相が
有する剛性及び耐摩耗性の一部と金属マトリックスが有
する延性及び靱性を併せ持つので、種々の用途に使用さ
れる大きな見込みがある。一般的に、金属マトリックス
複合体では、単一材料のマトリックス金属が持つ強度、
剛性、耐接触摩耗性、高温強度等の性質は向上するが、
特定の性質が向上する程度は、特定の成分、容積分率又
は重量分率及び複合体を形成する際の処理方法によって
大きく異なる。ある場合には、複合体が、マトリックス
金属自体よりも重量が軽いこともある。例えば、粒状、
ペレット状又はウイスカー状の炭化珪素等のセラミック
スで強化したアルミニウムマトリックス複合体は、剛
性、耐摩耗性及び高温強度がアルミニウムよりも高いの
で有用である。
維等の補強又は強化相からなる複合体製品は、強化相が
有する剛性及び耐摩耗性の一部と金属マトリックスが有
する延性及び靱性を併せ持つので、種々の用途に使用さ
れる大きな見込みがある。一般的に、金属マトリックス
複合体では、単一材料のマトリックス金属が持つ強度、
剛性、耐接触摩耗性、高温強度等の性質は向上するが、
特定の性質が向上する程度は、特定の成分、容積分率又
は重量分率及び複合体を形成する際の処理方法によって
大きく異なる。ある場合には、複合体が、マトリックス
金属自体よりも重量が軽いこともある。例えば、粒状、
ペレット状又はウイスカー状の炭化珪素等のセラミック
スで強化したアルミニウムマトリックス複合体は、剛
性、耐摩耗性及び高温強度がアルミニウムよりも高いの
で有用である。
アルミニウムマトリックス複合体の製造に関しては、
種々の金属プロセスが報告されており、例えば、粉末冶
金法並びに圧力鋳造、真空鋳造、攪拌及び湿潤剤を使用
する液体金属浸透法に基づいた方法が挙げられる。粉末
冶金法の場合、粉末状の金属と粉末、ウイスカー、チョ
ップトファイバー等の形態の強化剤とを混合し、その
後、常温成形し焼結するか、又はホットプレスする。こ
の方法により製造された炭化珪素強化アルミニウムマト
リックス複合体における最大セラミック体積分率は、ウ
イスカーの場合は約25体積％であり、粒状の場合は約40
体積％であると報告されている。
種々の金属プロセスが報告されており、例えば、粉末冶
金法並びに圧力鋳造、真空鋳造、攪拌及び湿潤剤を使用
する液体金属浸透法に基づいた方法が挙げられる。粉末
冶金法の場合、粉末状の金属と粉末、ウイスカー、チョ
ップトファイバー等の形態の強化剤とを混合し、その
後、常温成形し焼結するか、又はホットプレスする。こ
の方法により製造された炭化珪素強化アルミニウムマト
リックス複合体における最大セラミック体積分率は、ウ
イスカーの場合は約25体積％であり、粒状の場合は約40
体積％であると報告されている。
従来のプロセスを利用した粉末冶金法による金属マト
リックス複合体の製造には、得られる製品の特性に関し
てある種の制限がある。即ち、複合体におけるセラミッ
ク相の体積分率は、一般的に、粒状の場合には、約40％
に制限される。又、圧縮操作の場合には、得られる実際
の大きさが制限される。更に、後で加工（例えば、成形
又は機械加工）をせず又複雑なプレスに頼らずに得られ
る製品は、比較的簡単な形状のものしかない。又、焼結
中に不均一な収縮を生じるほか、圧縮粉の凝離及び結晶
粒成長のためにミクロ構造が不均一となる。
リックス複合体の製造には、得られる製品の特性に関し
てある種の制限がある。即ち、複合体におけるセラミッ
ク相の体積分率は、一般的に、粒状の場合には、約40％
に制限される。又、圧縮操作の場合には、得られる実際
の大きさが制限される。更に、後で加工（例えば、成形
又は機械加工）をせず又複雑なプレスに頼らずに得られ
る製品は、比較的簡単な形状のものしかない。又、焼結
中に不均一な収縮を生じるほか、圧縮粉の凝離及び結晶
粒成長のためにミクロ構造が不均一となる。
1976年７月20日に許可された、ジェイ・シー・キャネ
ル（J.C. Cannell）等による米国特許第3,970,136号に
は、所定の繊維整列パターンを有する繊維強化材、例え
ば、炭化珪素又はアルミナウイスカーを含有せしめた金
属マトリックス複合体を形成する方法が記載されてい
る。この複合体は、共面繊維の平行マット又はフェルト
を金型に入れてマットの少なくとも一部分の間に溶融マ
トリックス金属、例えば、アルミニウムの溜を配置し、
圧力をかけて溶融金属をマットに浸透させ配列している
繊維を包囲させる。又、溶融金属を、マットの積層体上
に注ぎながら、加圧下してマット間に流すことができ
る。これに関して、強化繊維を複合体に最大約50体積％
充填されたことが報告されている。
ル（J.C. Cannell）等による米国特許第3,970,136号に
は、所定の繊維整列パターンを有する繊維強化材、例え
ば、炭化珪素又はアルミナウイスカーを含有せしめた金
属マトリックス複合体を形成する方法が記載されてい
る。この複合体は、共面繊維の平行マット又はフェルト
を金型に入れてマットの少なくとも一部分の間に溶融マ
トリックス金属、例えば、アルミニウムの溜を配置し、
圧力をかけて溶融金属をマットに浸透させ配列している
繊維を包囲させる。又、溶融金属を、マットの積層体上
に注ぎながら、加圧下してマット間に流すことができ
る。これに関して、強化繊維を複合体に最大約50体積％
充填されたことが報告されている。
繊維マットの積層体を通して溶融マトリックス金属を
押し入れるのは外力に依存しているので、上記した浸透
法は、圧力誘発流動プロセス特有の変動、即ち、マトリ
ックスの生成や、多孔率等が不均一となる可能性があ
る。たとえ、溶融金属を繊維アレイ内の複数の部位に導
入しても、性質は不均一になる可能性がある。その結
果、複雑なマット／溜配置及び流路を設けて、繊維マッ
トの積層体に十分且つ均一に浸透できるようにする必要
がある。又、上記した圧力浸透法では、体積の大きなマ
ットに強化材を浸透させることが元来困難であるので、
マトリックス体積に対する強化材の割合が比較的低いも
のしか得られない。更に、加圧下で溶融金属を含有させ
るために型が必要であり、費用がかさむ。最後に、整列
させた粒子又は繊維への浸透に限定されている上記の方
法は、ランダムに配列した粒子、ウイスカー又は繊維の
形態の物質で強化したアルミニウム金属マトリックス複
合体の生成には用いられない。
押し入れるのは外力に依存しているので、上記した浸透
法は、圧力誘発流動プロセス特有の変動、即ち、マトリ
ックスの生成や、多孔率等が不均一となる可能性があ
る。たとえ、溶融金属を繊維アレイ内の複数の部位に導
入しても、性質は不均一になる可能性がある。その結
果、複雑なマット／溜配置及び流路を設けて、繊維マッ
トの積層体に十分且つ均一に浸透できるようにする必要
がある。又、上記した圧力浸透法では、体積の大きなマ
ットに強化材を浸透させることが元来困難であるので、
マトリックス体積に対する強化材の割合が比較的低いも
のしか得られない。更に、加圧下で溶融金属を含有させ
るために型が必要であり、費用がかさむ。最後に、整列
させた粒子又は繊維への浸透に限定されている上記の方
法は、ランダムに配列した粒子、ウイスカー又は繊維の
形態の物質で強化したアルミニウム金属マトリックス複
合体の生成には用いられない。
アルミニウムマトリックス・アルミナ充填複合体の製
造では、アルミニウムは容易にはアルミナを湿潤せず、
凝集した製品を形成するのが困難となる。この問題に対
しては種々の解決法が提案された。このような手法の一
つとして、アルミナを金属（例えば、ニッケル又はタン
グステン）で被覆後、アルミニウムとともにホットプレ
スする。別の手法では、アルミニウムをリチウムと合金
し、アルミナをシリカで被覆してもよい。しかしなが
ら、これらの複合体は、性質にバラツキがみられたり、
被膜が充填材を劣化させる場合があるか、又はマトリッ
クスがリチウムを含有しマトリックスの性質に影響を及
ぼすことがある。
造では、アルミニウムは容易にはアルミナを湿潤せず、
凝集した製品を形成するのが困難となる。この問題に対
しては種々の解決法が提案された。このような手法の一
つとして、アルミナを金属（例えば、ニッケル又はタン
グステン）で被覆後、アルミニウムとともにホットプレ
スする。別の手法では、アルミニウムをリチウムと合金
し、アルミナをシリカで被覆してもよい。しかしなが
ら、これらの複合体は、性質にバラツキがみられたり、
被膜が充填材を劣化させる場合があるか、又はマトリッ
クスがリチウムを含有しマトリックスの性質に影響を及
ぼすことがある。
アール・ダブリュ・グリムシャー（R.W.Grimshaw）等
による米国特許第4,232,091号では、アルミニウムマト
リックス・アルミナ複合体の製造で遭遇する当該技術に
おける困難はある程度克服される。この特許では、75〜
375kg/cm2の圧力をかけて、溶融アルミニウム（又は溶
融アルミニウム合金）を、700〜1050℃に予備加熱した
アルミナの繊維又はウイスカーマットに押し入れること
が記載されている。この際、得られた一体鋳物における
金属に対するアルミナの最大体積比は、0.25/1であっ
た。この方法でも、浸透を行うのは外力に依存するの
で、キャネル（Cannel）等と同様な欠陥がある。
による米国特許第4,232,091号では、アルミニウムマト
リックス・アルミナ複合体の製造で遭遇する当該技術に
おける困難はある程度克服される。この特許では、75〜
375kg/cm2の圧力をかけて、溶融アルミニウム（又は溶
融アルミニウム合金）を、700〜1050℃に予備加熱した
アルミナの繊維又はウイスカーマットに押し入れること
が記載されている。この際、得られた一体鋳物における
金属に対するアルミナの最大体積比は、0.25/1であっ
た。この方法でも、浸透を行うのは外力に依存するの
で、キャネル（Cannel）等と同様な欠陥がある。
ヨーロッパ特許出願公開公報第115,742号では、予備
成形したアルミナのボイドを溶融アルミニウで充填する
ことにより、電解槽部材として特に有効であるアルミニ
ウム・アルミナ複合体を作製することが記載されてい
る。この出願では、アルミニウムによるアルミナの非湿
潤性が強調されており、プレフォーム全体にわたってア
ルミナを湿潤するための種々の手法が用いられている。
例えば、アルミナを、チタン、ジルコニウム、ハフニウ
ム若しくはニオブの二硼化物からなる湿潤剤又は金属、
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、ニッケル、ジルコニウム若しく
はハフニウムで被覆する。この際、アルゴン等の不活性
雰囲気を用いて湿潤を容易にする。又、この出願も、圧
力をかけて、溶融アルミニウムを未被覆マトリックスに
浸透させることを記載されている。この態様では、孔を
排気後、不活性雰囲気（例えば、アルゴン）中で溶融ア
ルミニウムに圧力を加えることにより達成される。又、
溶融アルミニウムを浸透させてボイドを充填する前に、
プレフォームにアルミニウムを気相蒸着により浸透させ
て表面を湿潤することもできる。プレフォームの孔にア
ルミニウムを確実に保持するためには、真空中又はアル
ゴン中で、熱処理（例えば、1400〜1800℃）することが
必要である。このようにしないと、圧力浸透物質をガス
に曝露したり又は浸透圧を取り除くと、物体からのアル
ミニウムの損失が生じる。
成形したアルミナのボイドを溶融アルミニウで充填する
ことにより、電解槽部材として特に有効であるアルミニ
ウム・アルミナ複合体を作製することが記載されてい
る。この出願では、アルミニウムによるアルミナの非湿
潤性が強調されており、プレフォーム全体にわたってア
ルミナを湿潤するための種々の手法が用いられている。
例えば、アルミナを、チタン、ジルコニウム、ハフニウ
ム若しくはニオブの二硼化物からなる湿潤剤又は金属、
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、ニッケル、ジルコニウム若しく
はハフニウムで被覆する。この際、アルゴン等の不活性
雰囲気を用いて湿潤を容易にする。又、この出願も、圧
力をかけて、溶融アルミニウムを未被覆マトリックスに
浸透させることを記載されている。この態様では、孔を
排気後、不活性雰囲気（例えば、アルゴン）中で溶融ア
ルミニウムに圧力を加えることにより達成される。又、
溶融アルミニウムを浸透させてボイドを充填する前に、
プレフォームにアルミニウムを気相蒸着により浸透させ
て表面を湿潤することもできる。プレフォームの孔にア
ルミニウムを確実に保持するためには、真空中又はアル
ゴン中で、熱処理（例えば、1400〜1800℃）することが
必要である。このようにしないと、圧力浸透物質をガス
に曝露したり又は浸透圧を取り除くと、物体からのアル
ミニウムの損失が生じる。
湿潤剤を用いて電解槽のアルミナ成分に溶融金属を浸
透させることは、ヨーロッパ特許出願公開第94353号に
も記載されている。即ち、この公開公報には、セルライ
ナー又は支持体として陰極電流供給手段を有するセルを
用いて、電解採取によりアルミニウムを製造することが
記載されている。この支持体を溶融氷晶石から保護する
ために、湿潤剤と溶解抑制剤との混合物の薄い被膜を、
セルの始動前又は電解法で製造した溶融アルミニウムに
浸漬中に、アルミナ支持体に塗布する。湿潤剤として
は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、珪素、マグネ
シウム、バナジウム、クロム、ニオブ又はカルシウムが
が開示されており、チタンが好ましい湿潤剤として記載
されている。又、硼素、炭素及び窒素の化合物が、溶融
アルミニウムの湿潤剤への溶解度を抑制するのに有効で
あると記載されている。しかしながら、この刊行物は、
金属マトリックス複合体の製造を示唆していないばかり
か、このような複合体を、例えば、窒素雰囲気中で形成
することも示唆していない。
透させることは、ヨーロッパ特許出願公開第94353号に
も記載されている。即ち、この公開公報には、セルライ
ナー又は支持体として陰極電流供給手段を有するセルを
用いて、電解採取によりアルミニウムを製造することが
記載されている。この支持体を溶融氷晶石から保護する
ために、湿潤剤と溶解抑制剤との混合物の薄い被膜を、
セルの始動前又は電解法で製造した溶融アルミニウムに
浸漬中に、アルミナ支持体に塗布する。湿潤剤として
は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、珪素、マグネ
シウム、バナジウム、クロム、ニオブ又はカルシウムが
が開示されており、チタンが好ましい湿潤剤として記載
されている。又、硼素、炭素及び窒素の化合物が、溶融
アルミニウムの湿潤剤への溶解度を抑制するのに有効で
あると記載されている。しかしながら、この刊行物は、
金属マトリックス複合体の製造を示唆していないばかり
か、このような複合体を、例えば、窒素雰囲気中で形成
することも示唆していない。
圧力の付加及び湿潤剤の塗布の他に、真空にすること
により多孔性セラミック成形体への溶融アルミニウムの
浸透が促進されることも開示されている。例えば、1973
年２月27日に許可されたアール・エル・ランディングハ
ム（R.L.Landingham）による米国特許第3,718,441号に
は、セラミック成形体（例えば、炭化硼素、アルミナ及
びベリリア）に、10-6トール未満の真空下で、溶融アル
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ことが報告されて
いる。10-2〜10-6トールの真空では、溶融金属によるセ
ラミックの湿潤が不良で、金属がセラミックのボイド空
間に自由に流れ込まなかった。しかしながら、真空を10
-6トール未満まで減少させると、湿潤が向上したと記載
されている。
により多孔性セラミック成形体への溶融アルミニウムの
浸透が促進されることも開示されている。例えば、1973
年２月27日に許可されたアール・エル・ランディングハ
ム（R.L.Landingham）による米国特許第3,718,441号に
は、セラミック成形体（例えば、炭化硼素、アルミナ及
びベリリア）に、10-6トール未満の真空下で、溶融アル
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ことが報告されて
いる。10-2〜10-6トールの真空では、溶融金属によるセ
ラミックの湿潤が不良で、金属がセラミックのボイド空
間に自由に流れ込まなかった。しかしながら、真空を10
-6トール未満まで減少させると、湿潤が向上したと記載
されている。
1975年２月４日に許可されたジー・イー・ガザ（G.E.
Gazza）等による米国特許第3,864,154号にも、真空を用
いて浸透を行う旨の記載がある。又、この特許には、Al
B12粉末の常温圧縮成形体を常温圧縮アルミニウム粉末
のベッド上に添加することが記載されている。その後、
更に、アルミニウムをAlB12粉末成形体の上部に配置す
る。アルミニウム粉末の層間に「挟んだ」AlB12成形体
を装填したルツボを真空炉に入れる。この炉を、約10-5
トールまで排気してガス抜きをする。続いて、温度を11
00℃に上昇し、３時間維持する。これらの条件で、溶融
アルミニウムを多孔性AlB12成形体に浸透させる。
Gazza）等による米国特許第3,864,154号にも、真空を用
いて浸透を行う旨の記載がある。又、この特許には、Al
B12粉末の常温圧縮成形体を常温圧縮アルミニウム粉末
のベッド上に添加することが記載されている。その後、
更に、アルミニウムをAlB12粉末成形体の上部に配置す
る。アルミニウム粉末の層間に「挟んだ」AlB12成形体
を装填したルツボを真空炉に入れる。この炉を、約10-5
トールまで排気してガス抜きをする。続いて、温度を11
00℃に上昇し、３時間維持する。これらの条件で、溶融
アルミニウムを多孔性AlB12成形体に浸透させる。
1968年１月23日に許可されたジョン・エヌ・レッディ
ング（John N.Reding）等による米国特許第3,364,976号
には、物体に自己発生真空を作り出して、溶融金属の物
体への浸透を促進することが開示されている。即ち、物
体、例えば、黒鉛金型、鋼金型又は多孔性耐火材を、溶
融金属に完全に浸すことが開示されている。金型の場
合、金属と反応性のあるガスで満たした金型キャビティ
が、外部に位置する溶融金属と、金型内の少なくとも一
つのオリフィスを介して連通している。金型を溶融液に
浸漬すると、キャビティ内のガスと溶融金属との間の反
応で自己発生真空が生じるとともにキャビティが金属で
満たされていく。この際の真空は、金属が酸化物固体状
態になる結果生じる。従って、レッディング等には、キ
ャビティ内のガスと溶融金属との間の反応を引き起こす
ことが必須であることが開示されている。しかしなが
ら、金型を用いるには本来制限があり、真空を生じさせ
るために金型を使用することは望ましくない。即ち、ま
ず、金型を機械加工して特定の形状にし；その後、仕上
げ機械加工して、金型上に許容できる鋳造表面を形成
し；使用前に組立；使用後に分解して注型品を取り出
し；その後、最も一般的には、金型表面を最仕上げして
金型を再生するか、又はもはや使用できない状態の場合
には金型を捨ててしまう必要がある。金型を複雑な形状
に機械加工するのは、非常にコストがかかるとともに時
間がかかる場合がある。更に、複雑な形状をした金型か
ら成形品を取り出すのも困難のことがある（即ち、複雑
な形状を有する注型品は、金型から取り外すとき壊れる
ことがある）。更に、多孔性耐火材の場合、金型を使用
せずに、直接溶融金属に浸漬できることも述べられてい
るが、容器金型を使用せずに弱く結着されるか又は分離
した多孔性材料に浸透させる手段がないので、耐火材は
一体品でなければならない（即ち、粒状物質は、溶融金
属に入れたときに、一般的に解離するかは浮かんで離れ
てしまう）。更に、粒状物質又は弱く成形したプレフォ
ームに浸透させようとする場合、浸透金属が粒子又はプ
レフォームの少なくとも一部分と置換してしまって不均
一なミクロ構造を生じることのないように注意しなけれ
ばならない。
ング（John N.Reding）等による米国特許第3,364,976号
には、物体に自己発生真空を作り出して、溶融金属の物
体への浸透を促進することが開示されている。即ち、物
体、例えば、黒鉛金型、鋼金型又は多孔性耐火材を、溶
融金属に完全に浸すことが開示されている。金型の場
合、金属と反応性のあるガスで満たした金型キャビティ
が、外部に位置する溶融金属と、金型内の少なくとも一
つのオリフィスを介して連通している。金型を溶融液に
浸漬すると、キャビティ内のガスと溶融金属との間の反
応で自己発生真空が生じるとともにキャビティが金属で
満たされていく。この際の真空は、金属が酸化物固体状
態になる結果生じる。従って、レッディング等には、キ
ャビティ内のガスと溶融金属との間の反応を引き起こす
ことが必須であることが開示されている。しかしなが
ら、金型を用いるには本来制限があり、真空を生じさせ
るために金型を使用することは望ましくない。即ち、ま
ず、金型を機械加工して特定の形状にし；その後、仕上
げ機械加工して、金型上に許容できる鋳造表面を形成
し；使用前に組立；使用後に分解して注型品を取り出
し；その後、最も一般的には、金型表面を最仕上げして
金型を再生するか、又はもはや使用できない状態の場合
には金型を捨ててしまう必要がある。金型を複雑な形状
に機械加工するのは、非常にコストがかかるとともに時
間がかかる場合がある。更に、複雑な形状をした金型か
ら成形品を取り出すのも困難のことがある（即ち、複雑
な形状を有する注型品は、金型から取り外すとき壊れる
ことがある）。更に、多孔性耐火材の場合、金型を使用
せずに、直接溶融金属に浸漬できることも述べられてい
るが、容器金型を使用せずに弱く結着されるか又は分離
した多孔性材料に浸透させる手段がないので、耐火材は
一体品でなければならない（即ち、粒状物質は、溶融金
属に入れたときに、一般的に解離するかは浮かんで離れ
てしまう）。更に、粒状物質又は弱く成形したプレフォ
ームに浸透させようとする場合、浸透金属が粒子又はプ
レフォームの少なくとも一部分と置換してしまって不均
一なミクロ構造を生じることのないように注意しなけれ
ばならない。
従って、圧力を加えたり真空にしたり（外部から印加
するか、内部で生じさせるかとは無関係に）する必要の
ないか、又は湿潤材を損傷しないで、セラミック材料等
の別の材料を埋め込んだ金属マトリックスを生成する、
賦形金属マトリックス複合体を製造するための簡単で信
頼性のある方法が長年求められていた。更に、金属マト
リックス複合体を製造するのに要する最終的な機械加工
操作を最少限にすることも長年求められていた。本発明
は、処理の少なくともある時点で浸透増進剤が存在する
限り、標準大気圧下の浸透雰囲気（例えば、窒素）の存
在下において、プレフォーム中に成形できる材料及び／
又はバリヤーと一緒に供給できる材料（例えば、セラミ
ック材料）に溶融マトリックス金属（例えば、アルミニ
ウム）を、浸透させるための自発的浸透機構を提供する
ことによりこれらの必要性を満たすものである。
するか、内部で生じさせるかとは無関係に）する必要の
ないか、又は湿潤材を損傷しないで、セラミック材料等
の別の材料を埋め込んだ金属マトリックスを生成する、
賦形金属マトリックス複合体を製造するための簡単で信
頼性のある方法が長年求められていた。更に、金属マト
リックス複合体を製造するのに要する最終的な機械加工
操作を最少限にすることも長年求められていた。本発明
は、処理の少なくともある時点で浸透増進剤が存在する
限り、標準大気圧下の浸透雰囲気（例えば、窒素）の存
在下において、プレフォーム中に成形できる材料及び／
又はバリヤーと一緒に供給できる材料（例えば、セラミ
ック材料）に溶融マトリックス金属（例えば、アルミニ
ウム）を、浸透させるための自発的浸透機構を提供する
ことによりこれらの必要性を満たすものである。
本発明の主題は、他のいくつかの本出願人による米国
特許出願及び日本出願に関連している。具体的には、こ
れらの他の特許出願（以下、しばしば、「同一出願人に
よる金属マトリックス特許出願」と称する）には、金属
マトリックス複合材料を製造する新規な方法が記載され
ている。
特許出願及び日本出願に関連している。具体的には、こ
れらの他の特許出願（以下、しばしば、「同一出願人に
よる金属マトリックス特許出願」と称する）には、金属
マトリックス複合材料を製造する新規な方法が記載され
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、
「メタル マトリックス コンポジッツ（Metal Matrix
Composites）」と題する1987年５月13日出願の本出願
人による米国特許出願第049,171号〔発明者：ホワイト
（White）等〕及び昭和63年５月15日に出願された特願
昭63-118032号に開示されている。ホワイト等の発明の
方法によれば、金属マトリックス複合体は、充填材の通
気性素材（例えば、セラミック又はセラミック被覆材
料）に、少なくとも約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有する溶
融アルミニウムを浸透させることにより製造される。こ
の際、外部圧力又は真空を印加しなくても、自発的に浸
透が起きる。供給溶融金属と充填材の素材とを、約10〜
100体積％、好ましくは少なくとも約50体積％の窒素を
含有するとともに残り（存在すれば）が非酸化性ガス
（例えば、アルゴン）であるガスの存在下において、少
なくとも約675℃の温度で接触させる。これらの条件下
で、溶融アルミニウム合金が標準大気圧下でセラミック
素材に浸透して、アルミニウム（又はアルミニウム合
金）マトリックス複合体が形成される。所望量の充填材
に溶融アルミニウム合金を浸透させたら、温度を低下さ
せて合金を固化することにより、強化充填材を埋め込ん
だ固形金属マトリックス構造を形成する。通常及び好ま
しくは、送り出される溶融金属の供給量は、実質的に充
填材の素材の境界まで浸透するに十分な量である。ホワ
イト等により製造されるアルミニウムマトリックス複合
体中の充填材の量は、非常に高くすることができる。即
ち、合金に対する充填材の体積比が1:1を超えるものを
得ることができる。
「メタル マトリックス コンポジッツ（Metal Matrix
Composites）」と題する1987年５月13日出願の本出願
人による米国特許出願第049,171号〔発明者：ホワイト
（White）等〕及び昭和63年５月15日に出願された特願
昭63-118032号に開示されている。ホワイト等の発明の
方法によれば、金属マトリックス複合体は、充填材の通
気性素材（例えば、セラミック又はセラミック被覆材
料）に、少なくとも約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有する溶
融アルミニウムを浸透させることにより製造される。こ
の際、外部圧力又は真空を印加しなくても、自発的に浸
透が起きる。供給溶融金属と充填材の素材とを、約10〜
100体積％、好ましくは少なくとも約50体積％の窒素を
含有するとともに残り（存在すれば）が非酸化性ガス
（例えば、アルゴン）であるガスの存在下において、少
なくとも約675℃の温度で接触させる。これらの条件下
で、溶融アルミニウム合金が標準大気圧下でセラミック
素材に浸透して、アルミニウム（又はアルミニウム合
金）マトリックス複合体が形成される。所望量の充填材
に溶融アルミニウム合金を浸透させたら、温度を低下さ
せて合金を固化することにより、強化充填材を埋め込ん
だ固形金属マトリックス構造を形成する。通常及び好ま
しくは、送り出される溶融金属の供給量は、実質的に充
填材の素材の境界まで浸透するに十分な量である。ホワ
イト等により製造されるアルミニウムマトリックス複合
体中の充填材の量は、非常に高くすることができる。即
ち、合金に対する充填材の体積比が1:1を超えるものを
得ることができる。
前記したホワイト等の発明におけるプロセス条件下で
は、アルミニウムマトリックス全体に分散した形態で、
窒化アルミニウムの不連続相を形成することができる。
アルミニウムマトリックスにおける窒化物の量は、温
度、合金組成、ガス組成及び充填材等の因子によって異
なっていてもよい。従って、系におけるこのような因子
の一つ以上を制御することにより、複合体の一定の性質
を所望のものに合わせることができる。しかしながら、
ある最終用途の場合、複合体が窒化アルミニウムをほと
んど含有しないことが望ましい場合がある。
は、アルミニウムマトリックス全体に分散した形態で、
窒化アルミニウムの不連続相を形成することができる。
アルミニウムマトリックスにおける窒化物の量は、温
度、合金組成、ガス組成及び充填材等の因子によって異
なっていてもよい。従って、系におけるこのような因子
の一つ以上を制御することにより、複合体の一定の性質
を所望のものに合わせることができる。しかしながら、
ある最終用途の場合、複合体が窒化アルミニウムをほと
んど含有しないことが望ましい場合がある。
温度が高いほど浸透には有利であるが、このプロセス
により窒化物が生成しやすくなる。ホワイト等の発明で
は、浸透速度と窒化物生成との間のバランスをとること
ができる。
により窒化物が生成しやすくなる。ホワイト等の発明で
は、浸透速度と窒化物生成との間のバランスをとること
ができる。
金属マトリックス複合体生成に使用するのに適当なバ
リヤー手段の例が、「メソッド オブ メーキング メ
タル マトリックス コンポジット ウイズ ザ ユー
ス オブ ア バリヤー（Method of Making Metal Mat
rix Composite with the Use of a Barrier）」と題す
る1988年１月７日出願の我々の米国特許出願第141,642
号〔発明者：ミカエル・ケー・アグハジァニアン（Mich
ael K. Aghajanian）等〕及び昭和64年１月６日に出願
された特願昭64-1130号に開示されている。アグハジァ
ニアン等の発明の方法によれば、バリヤー手段〔例え
ば、粒状二硼化チタン又は商品名がグラフォイル（商
標）であるユニオンカーバイド社製の軟質黒鉛テープ製
品等の黒鉛材料〕が、充填材とマトリックス合金の規定
された表面境界に配置され、バリヤー手段により形成さ
れる境界まで浸透する。このバリヤー手段は、溶融合金
の浸透を阻止、防止又は終了させるのに用いられ、得ら
れた金属マトリックス複合体中に網又は網に近い形状を
形成する。従って、形成した金属マトリックス複合体の
外形は、バリヤー手段の内部形状と実質的に一致する。
リヤー手段の例が、「メソッド オブ メーキング メ
タル マトリックス コンポジット ウイズ ザ ユー
ス オブ ア バリヤー（Method of Making Metal Mat
rix Composite with the Use of a Barrier）」と題す
る1988年１月７日出願の我々の米国特許出願第141,642
号〔発明者：ミカエル・ケー・アグハジァニアン（Mich
ael K. Aghajanian）等〕及び昭和64年１月６日に出願
された特願昭64-1130号に開示されている。アグハジァ
ニアン等の発明の方法によれば、バリヤー手段〔例え
ば、粒状二硼化チタン又は商品名がグラフォイル（商
標）であるユニオンカーバイド社製の軟質黒鉛テープ製
品等の黒鉛材料〕が、充填材とマトリックス合金の規定
された表面境界に配置され、バリヤー手段により形成さ
れる境界まで浸透する。このバリヤー手段は、溶融合金
の浸透を阻止、防止又は終了させるのに用いられ、得ら
れた金属マトリックス複合体中に網又は網に近い形状を
形成する。従って、形成した金属マトリックス複合体の
外形は、バリヤー手段の内部形状と実質的に一致する。
米国特許出願第049,171号及び特願昭63-118032号に記
載の方法は、「メタル マトリックス コンポジッツ
アンド テクニクス フォー メーキング ザ セイム
（Metal Matrix Composites and Techniques for Makin
g the Same）」と題する1988年３月15日出願の本出願人
による米国特許出願第168,284号〔発明者：ミカエル・
ケー・アグハジァニアン（Michael K. Aghajanian）及
びマーク・エス・ニューカーク（Mark S.Newkirk）〕及
び平成元年３月15日に出願された特願平1-63411号によ
って改善された。この米国特許出願に開示された方法に
よれば、マトリックス金属合金は、第一金属源及び、例
えば、重力流れにより第一溶融金属源と連通するマトリ
ックス金属合金の溜として存在する。特に、これらの特
許出願に記載されている条件下では、第一溶融マトリッ
クス合金が、標準大気圧下、充填材の素材に浸透し始
め、従って、金属マトリックス複合体の生成が始まる。
第一溶融マトリックス金属合金源は、充填材の素材への
浸透中に消費され、自発浸透の継続とともに、必要に応
じて、好ましくは連続的な手段により、溶融マトリック
ス金属の溜から補充することができる。所望量の通気性
充填材に溶融マトリックス合金が自発浸透したら、温度
を低下させて合金を固化することにより、強化充填材を
埋め込んだ固形金属マトリックスを形成する。金属の溜
を使用することは、この特許出願に記載されている発明
の一実施態様にすぎず、溜の実施態様を、開示されてい
る発明の別の各実施態様と組み合わせる必要はないが、
実施態様の中には、本発明と組み合わせて使用するのが
有益な場合もある。
載の方法は、「メタル マトリックス コンポジッツ
アンド テクニクス フォー メーキング ザ セイム
（Metal Matrix Composites and Techniques for Makin
g the Same）」と題する1988年３月15日出願の本出願人
による米国特許出願第168,284号〔発明者：ミカエル・
ケー・アグハジァニアン（Michael K. Aghajanian）及
びマーク・エス・ニューカーク（Mark S.Newkirk）〕及
び平成元年３月15日に出願された特願平1-63411号によ
って改善された。この米国特許出願に開示された方法に
よれば、マトリックス金属合金は、第一金属源及び、例
えば、重力流れにより第一溶融金属源と連通するマトリ
ックス金属合金の溜として存在する。特に、これらの特
許出願に記載されている条件下では、第一溶融マトリッ
クス合金が、標準大気圧下、充填材の素材に浸透し始
め、従って、金属マトリックス複合体の生成が始まる。
第一溶融マトリックス金属合金源は、充填材の素材への
浸透中に消費され、自発浸透の継続とともに、必要に応
じて、好ましくは連続的な手段により、溶融マトリック
ス金属の溜から補充することができる。所望量の通気性
充填材に溶融マトリックス合金が自発浸透したら、温度
を低下させて合金を固化することにより、強化充填材を
埋め込んだ固形金属マトリックスを形成する。金属の溜
を使用することは、この特許出願に記載されている発明
の一実施態様にすぎず、溜の実施態様を、開示されてい
る発明の別の各実施態様と組み合わせる必要はないが、
実施態様の中には、本発明と組み合わせて使用するのが
有益な場合もある。
金属の溜は、所定の程度まで充填材の通気性素材に浸
透するに十分な量の金属を提供する量で存在することが
できる。又、任意のバリヤー手段を、充填材の通気性素
材の少なくとも一方の表面に接触させて、表面境界を形
成することができる。
透するに十分な量の金属を提供する量で存在することが
できる。又、任意のバリヤー手段を、充填材の通気性素
材の少なくとも一方の表面に接触させて、表面境界を形
成することができる。
更に、送り出す溶融マトリックス合金の供給量は、少
なくとも、充填材の通気性素材の境界（例えば、バリヤ
ー）まで実質的に自発浸透するに十分な量でなければな
らないが、溜に存在する合金の量は、このような十分な
量を超えてもよく、合金量が完全浸透に十分な量である
ばかりでなく、過剰の溶融金属合金が残存して金属マト
リックス複合体に固定してもよい。従って、過剰の溶融
合金が存在するとき、得られる物体は、金属マトリック
スを浸透させたセラミック物体が溜に残存している過剰
の金属に直接結合している複雑な複合体（例えば、マク
ロ複合体）である。
なくとも、充填材の通気性素材の境界（例えば、バリヤ
ー）まで実質的に自発浸透するに十分な量でなければな
らないが、溜に存在する合金の量は、このような十分な
量を超えてもよく、合金量が完全浸透に十分な量である
ばかりでなく、過剰の溶融金属合金が残存して金属マト
リックス複合体に固定してもよい。従って、過剰の溶融
合金が存在するとき、得られる物体は、金属マトリック
スを浸透させたセラミック物体が溜に残存している過剰
の金属に直接結合している複雑な複合体（例えば、マク
ロ複合体）である。
上記した本出願人による金属マトリックスに関する特
許出願には、金属マトリックス複合体の製造方法及び該
方法から製造される新規な金属マトリックス複合体が記
載されている。前記した本出願人による金属マトリック
スに関する特許出願の全ての開示事項は、特に本発明に
利用できる。
許出願には、金属マトリックス複合体の製造方法及び該
方法から製造される新規な金属マトリックス複合体が記
載されている。前記した本出願人による金属マトリック
スに関する特許出願の全ての開示事項は、特に本発明に
利用できる。
マクロ複合体は第二の物質と接触及び結合する金属マ
トリックス複合体を形成することにより製造される。金
属マトリックス複合体は、溶融マトリックス金属を充填
材又はプレフォームの素材に自発浸透させることにより
製造される。特に、浸透増進剤及び／又は浸透増進剤前
駆体及び／又は浸透雰囲気は、溶融マトリックス金属が
充填材又はプレフォームに自発的に浸透させるプロセス
中の少なくともある点で、充填材又はプレフォームと連
絡している。
トリックス複合体を形成することにより製造される。金
属マトリックス複合体は、溶融マトリックス金属を充填
材又はプレフォームの素材に自発浸透させることにより
製造される。特に、浸透増進剤及び／又は浸透増進剤前
駆体及び／又は浸透雰囲気は、溶融マトリックス金属が
充填材又はプレフォームに自発的に浸透させるプロセス
中の少なくともある点で、充填材又はプレフォームと連
絡している。
本発明の好ましい態様に於いて、浸透増進剤はプレフ
ォーム（又は充填材）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直接供給できる。
最終的に、少なくとも自発浸透の間、浸透増進剤は充填
材又はプレフォームの少なくとも一部に配置されている
必要がある。
ォーム（又は充填材）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直接供給できる。
最終的に、少なくとも自発浸透の間、浸透増進剤は充填
材又はプレフォームの少なくとも一部に配置されている
必要がある。
マクロ複合体を形成する第一の好ましい態様に於い
て、充填材又はプレフォームに自発浸透するために供給
されるマトリックス金属の量は、浸透性物質の完全な浸
透を達成するために必要なものより過剰に供給される。
かくして、残留する又は過剰のマトリックス金属（例え
ば、充填材又はプレフォームに浸透するために使用され
なかったマトリックス金属）は、浸透された素材と接触
して残っており、浸透された素材に密接に結合するよう
になる。残留するマトリックス金属の量、サイズ、形
状、及び／又は組成は、事実上無制限の数の組み合わせ
を作るように制御できる。更に、金属マトリックス複合
体の残留マトリックス金属との相対サイズは、残留マト
リックス金属の表面上に金属マトリックス複合体表皮を
形成する一つの極端（例えば、少量の自発浸透のみが生
じる）から、金属マトリックス複合体の表面上の表皮と
して残留マトリックス金属を形成する他の極端（例え
ば、少量の過剰のマトリックス金属のみが供給される）
まで制御できる。
て、充填材又はプレフォームに自発浸透するために供給
されるマトリックス金属の量は、浸透性物質の完全な浸
透を達成するために必要なものより過剰に供給される。
かくして、残留する又は過剰のマトリックス金属（例え
ば、充填材又はプレフォームに浸透するために使用され
なかったマトリックス金属）は、浸透された素材と接触
して残っており、浸透された素材に密接に結合するよう
になる。残留するマトリックス金属の量、サイズ、形
状、及び／又は組成は、事実上無制限の数の組み合わせ
を作るように制御できる。更に、金属マトリックス複合
体の残留マトリックス金属との相対サイズは、残留マト
リックス金属の表面上に金属マトリックス複合体表皮を
形成する一つの極端（例えば、少量の自発浸透のみが生
じる）から、金属マトリックス複合体の表面上の表皮と
して残留マトリックス金属を形成する他の極端（例え
ば、少量の過剰のマトリックス金属のみが供給される）
まで制御できる。
第二の好ましい態様に於いて、充填材又はプレフォー
ムは、他の又は第二の物体（例えば、セラミック体又は
金属体）の少なくとも一部と接触させて置かれ、溶融マ
トリックス金属は、金属マトリックス複合体が第二の物
体に密接して結合するようになるまで、少なくとも第二
の物体の表面にまで充填材又はプレフォームに自発浸透
する。第二の物体への金属マトリックス複合体の結合
は、マトリックス金属及び／又は充填材又はプレフォー
ムが第二の物体と反応することに起因する。更に、もし
第二の物体が形成された金属マトリックス複合体を少な
くとも部分的に取り囲むか若しくは実質的に完全に取り
囲むか、又は形成された金属マトリックス複合体により
取り囲まれるならば、収縮又は圧縮密着（fit）が生じ
る。このような収縮密着は、金属マトリックス複合体を
第二の物体に結合する唯一の手段であるか、又は、それ
は金属マトリックス複合体又は第二の物体の間の他の結
合機構と組み合わさって存在する。更に、収縮密着の量
は、熱膨張係数の望ましい組み合わせ又は選択を得るた
めに、マトリックス金属、充填材若しくはプレフォーム
及び／又は第二の物体の適当な組み合わせを選択するこ
とによって制御できる。かくして、例えば、金属マトリ
ックス複合体は、それが第二の物体よりも高い熱膨張係
数を有し第二の物体及び金属マトリックス複合体が少な
くとも部分的に第二の物体を取り囲むように製造される
であろう。この例に於いて、金属マトリックス複合体は
少なくとも収縮密着により第二の物体に結合するであろ
う。かくして、他のセラミック又は金属のような第二の
物体に結合した金属マトリックス複合体からなるマクロ
複合体の広範囲の連続体（spectrum）が形成できる。
ムは、他の又は第二の物体（例えば、セラミック体又は
金属体）の少なくとも一部と接触させて置かれ、溶融マ
トリックス金属は、金属マトリックス複合体が第二の物
体に密接して結合するようになるまで、少なくとも第二
の物体の表面にまで充填材又はプレフォームに自発浸透
する。第二の物体への金属マトリックス複合体の結合
は、マトリックス金属及び／又は充填材又はプレフォー
ムが第二の物体と反応することに起因する。更に、もし
第二の物体が形成された金属マトリックス複合体を少な
くとも部分的に取り囲むか若しくは実質的に完全に取り
囲むか、又は形成された金属マトリックス複合体により
取り囲まれるならば、収縮又は圧縮密着（fit）が生じ
る。このような収縮密着は、金属マトリックス複合体を
第二の物体に結合する唯一の手段であるか、又は、それ
は金属マトリックス複合体又は第二の物体の間の他の結
合機構と組み合わさって存在する。更に、収縮密着の量
は、熱膨張係数の望ましい組み合わせ又は選択を得るた
めに、マトリックス金属、充填材若しくはプレフォーム
及び／又は第二の物体の適当な組み合わせを選択するこ
とによって制御できる。かくして、例えば、金属マトリ
ックス複合体は、それが第二の物体よりも高い熱膨張係
数を有し第二の物体及び金属マトリックス複合体が少な
くとも部分的に第二の物体を取り囲むように製造される
であろう。この例に於いて、金属マトリックス複合体は
少なくとも収縮密着により第二の物体に結合するであろ
う。かくして、他のセラミック又は金属のような第二の
物体に結合した金属マトリックス複合体からなるマクロ
複合体の広範囲の連続体（spectrum）が形成できる。
更に好ましい態様に於いて、過剰の又は残留するマト
リックス金属が、上記第二の好ましい態様（例えば、金
属マトリックス複合体と第二の物体との組み合わせ）に
供給される。この態様に於いて、上記の第一の好ましい
態様と同様に、充填材又はプレフォームに自発浸透する
ために供給されるマトリックス金属の量は、浸透性物質
の完全な浸透を達成するために必要な量より過剰に供給
される。更に、上記第二の好ましい態様と同様に、充填
材又はプレフォームは、他の又は第二の物体（例えば、
セラミック体又は金属体）の少なくとも一部と接触させ
て置かれ、溶融マトリックス金属は、金属マトリックス
複合体が第二の物体に密接して結合するようになるま
で、少なくとも第二の物体の表面にまで充填材又はプレ
フォームに自発浸透する。かくして、最初の二つの好ま
しい態様で記載したマクロ複合体よりも更に複合したマ
クロ複合体も達成できる。特に、金属マトリックス複合
体と第二の物体（例えば、セラミック体及び／又は金属
体）及び過剰の又は残留するマトリックス金属の両者と
を選択しそして組み合わせることができることにより、
事実上無制限の順列又は組み合わせが達成できる。例え
ば、マクロ複合体シャフト又はロッドを作ることが望ま
れるならば、シャフトの内側部分は第二の物体（例え
ば、セラミック又は金属）であってよい。第二の物体は
金属マトリックス複合体により少なくとも部分的に取り
囲まれる。次いで金属マトリックス複合体は第二の物体
又は残留マトリックス金属により少なくとも部分的に取
り囲まれる。もし金属マトリックス複合体が残留マトリ
ックス金属により取り囲まれたならば、他の金属マトリ
ックス複合体は残留マトリックス金属を少なくとも部分
的に取り囲み得る（例えば、残留マトリックス金属はそ
れがマトリックス金属の内側部分と接触する充填材又は
プレフォームの方に外部に向かって、そしてマトリック
ス金属の外側部分と接触している充填材又はプレフォー
ムの方に外部に向って共に浸透するに十分な量で供給さ
れる）。従って、重要なエンジニアリングの機会が、本
発明のこの第三の態様によって提供される。
リックス金属が、上記第二の好ましい態様（例えば、金
属マトリックス複合体と第二の物体との組み合わせ）に
供給される。この態様に於いて、上記の第一の好ましい
態様と同様に、充填材又はプレフォームに自発浸透する
ために供給されるマトリックス金属の量は、浸透性物質
の完全な浸透を達成するために必要な量より過剰に供給
される。更に、上記第二の好ましい態様と同様に、充填
材又はプレフォームは、他の又は第二の物体（例えば、
セラミック体又は金属体）の少なくとも一部と接触させ
て置かれ、溶融マトリックス金属は、金属マトリックス
複合体が第二の物体に密接して結合するようになるま
で、少なくとも第二の物体の表面にまで充填材又はプレ
フォームに自発浸透する。かくして、最初の二つの好ま
しい態様で記載したマクロ複合体よりも更に複合したマ
クロ複合体も達成できる。特に、金属マトリックス複合
体と第二の物体（例えば、セラミック体及び／又は金属
体）及び過剰の又は残留するマトリックス金属の両者と
を選択しそして組み合わせることができることにより、
事実上無制限の順列又は組み合わせが達成できる。例え
ば、マクロ複合体シャフト又はロッドを作ることが望ま
れるならば、シャフトの内側部分は第二の物体（例え
ば、セラミック又は金属）であってよい。第二の物体は
金属マトリックス複合体により少なくとも部分的に取り
囲まれる。次いで金属マトリックス複合体は第二の物体
又は残留マトリックス金属により少なくとも部分的に取
り囲まれる。もし金属マトリックス複合体が残留マトリ
ックス金属により取り囲まれたならば、他の金属マトリ
ックス複合体は残留マトリックス金属を少なくとも部分
的に取り囲み得る（例えば、残留マトリックス金属はそ
れがマトリックス金属の内側部分と接触する充填材又は
プレフォームの方に外部に向かって、そしてマトリック
ス金属の外側部分と接触している充填材又はプレフォー
ムの方に外部に向って共に浸透するに十分な量で供給さ
れる）。従って、重要なエンジニアリングの機会が、本
発明のこの第三の態様によって提供される。
上記好ましい態様のそれぞれに於いて、金属マトリッ
クス複合体はマトリックス金属の基体の、外側若しくは
内側表面、又はその両方の何れかとして形成できる。更
に、金属マトリックス複合体表面は、マトリックス金属
基体のサイズに関して選択された又は予定された厚さの
ものであってよい。本発明の自発浸透技術は厚い壁又は
薄い壁の金属マトリックス複合体の製造が可能であり、
その構造体に於いて、金属マトリックス複合体表面を与
えるマトリックス金属の相対容積は、金属基体の容積よ
りも実質的に大きいか又は小さい。更になお、外側若し
くは内側表面又は両方の何れかであってよい金属マトリ
ックス複合体は、またセラミック又は金属のような第二
の物質に結合でき、それにより金属マトリックス複合体
及び／又は過剰のマトリックス金属及び／又はセラミッ
ク又は金属のような第二の物体との間の結合の著しい数
の組み合わせを提供する。
クス複合体はマトリックス金属の基体の、外側若しくは
内側表面、又はその両方の何れかとして形成できる。更
に、金属マトリックス複合体表面は、マトリックス金属
基体のサイズに関して選択された又は予定された厚さの
ものであってよい。本発明の自発浸透技術は厚い壁又は
薄い壁の金属マトリックス複合体の製造が可能であり、
その構造体に於いて、金属マトリックス複合体表面を与
えるマトリックス金属の相対容積は、金属基体の容積よ
りも実質的に大きいか又は小さい。更になお、外側若し
くは内側表面又は両方の何れかであってよい金属マトリ
ックス複合体は、またセラミック又は金属のような第二
の物質に結合でき、それにより金属マトリックス複合体
及び／又は過剰のマトリックス金属及び／又はセラミッ
ク又は金属のような第二の物体との間の結合の著しい数
の組み合わせを提供する。
金属マトリックス複合体の形成に関して、この出願
は、金属マトリックス複合体の形成の間のある時点で、
浸透増進剤前駆体として機能するマグネシウムと、浸透
雰囲気として機能する窒素の存在下で接触されるアルミ
ニウムマトリックス金属について最初に述べることが注
目される。かくして、アルミニウム／マグネシウム／窒
素のマトリックス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気
系は、自発浸透を示す。しかしながら、他のマトリック
ス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気系も、アルミニ
ウム／マグネシウム／窒素系と同様な状態で挙動する。
例えば、同様な自発浸透性質は、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、及び
アルミニウム／カルシウム／窒素系で観察される。従っ
て、本明細書では主にアルミニウム／マグネシウム／窒
素系について述べるが、他のマトリックス金属／浸透増
進剤前駆体／浸透雰囲気系も同様な状態で挙動できるこ
とはいうまでもない。
は、金属マトリックス複合体の形成の間のある時点で、
浸透増進剤前駆体として機能するマグネシウムと、浸透
雰囲気として機能する窒素の存在下で接触されるアルミ
ニウムマトリックス金属について最初に述べることが注
目される。かくして、アルミニウム／マグネシウム／窒
素のマトリックス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気
系は、自発浸透を示す。しかしながら、他のマトリック
ス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気系も、アルミニ
ウム／マグネシウム／窒素系と同様な状態で挙動する。
例えば、同様な自発浸透性質は、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、及び
アルミニウム／カルシウム／窒素系で観察される。従っ
て、本明細書では主にアルミニウム／マグネシウム／窒
素系について述べるが、他のマトリックス金属／浸透増
進剤前駆体／浸透雰囲気系も同様な状態で挙動できるこ
とはいうまでもない。
マトリックス金属がアルミニウム合金からなるとき、
アルミニウム合金は、充填材（例えば、アルミナ又は炭
化珪素）から成るプレフォーム又は充填材、それと混合
された充填材若しくはプレフォームと接触されるか、及
び／又はプロセス処理の間のある時点でマグネシウムに
曝露される。更に、好ましい態様に於いて、アルミニウ
ム合金及び／又はプレフォーム若しくは充填材は、少な
くとも処理の一部の間窒素雰囲気中に含まれる。プレフ
ォームは自発的に浸透され、自発浸透及び金属マトリッ
クスの形成の範囲又は速度は、例えば、系（例えば、ア
ルミニウム合金中、及び／又は充填材若しくはプレフォ
ーム中、及び／又は浸透雰囲気中）に与えられるマグネ
シウムの濃度、プレフォーム若しくは充填材中の粒子の
サイズ及び／若しくは組成、浸透雰囲気中の窒素の濃
度、浸透のために許容される時間、並びに／又は浸透が
生じる温度を含む処理条件の与えられた設定により変わ
る。自発浸透は、典型的に、プレフォーム又は充填材を
実質的に完全に埋め込むために十分な範囲に生じる。
アルミニウム合金は、充填材（例えば、アルミナ又は炭
化珪素）から成るプレフォーム又は充填材、それと混合
された充填材若しくはプレフォームと接触されるか、及
び／又はプロセス処理の間のある時点でマグネシウムに
曝露される。更に、好ましい態様に於いて、アルミニウ
ム合金及び／又はプレフォーム若しくは充填材は、少な
くとも処理の一部の間窒素雰囲気中に含まれる。プレフ
ォームは自発的に浸透され、自発浸透及び金属マトリッ
クスの形成の範囲又は速度は、例えば、系（例えば、ア
ルミニウム合金中、及び／又は充填材若しくはプレフォ
ーム中、及び／又は浸透雰囲気中）に与えられるマグネ
シウムの濃度、プレフォーム若しくは充填材中の粒子の
サイズ及び／若しくは組成、浸透雰囲気中の窒素の濃
度、浸透のために許容される時間、並びに／又は浸透が
生じる温度を含む処理条件の与えられた設定により変わ
る。自発浸透は、典型的に、プレフォーム又は充填材を
実質的に完全に埋め込むために十分な範囲に生じる。
定義 本明細書で使用する「アルミニウム」とは、実質的に
純粋な金属（例えば、比較的純粋で市販されている未合
金化アルミニウム）又は不純物及び／若しくは鉄、珪
素、銅、マグネシウム、マンガン、クロム、亜鉛等の合
金成分を有する市販の金属等の他のグレードの金属及び
金属合金を意味するとともにそれらを含む。この定義で
用いているアルミニウム合金は、アルミニウムが主成分
である合金又は金属間化合物である。
純粋な金属（例えば、比較的純粋で市販されている未合
金化アルミニウム）又は不純物及び／若しくは鉄、珪
素、銅、マグネシウム、マンガン、クロム、亜鉛等の合
金成分を有する市販の金属等の他のグレードの金属及び
金属合金を意味するとともにそれらを含む。この定義で
用いているアルミニウム合金は、アルミニウムが主成分
である合金又は金属間化合物である。
本明細書で使用する「残部非酸化性ガス」とは、浸透
雰囲気を成す主要ガスの他に存在するガスで、プロセス
条件下でマトリックス金属と実質的に反応しない不活性
ガス又は還元性ガスであることを意味する。使用される
ガス中の不純物として存在してもよい酸化性ガスで、プ
ロセス条件下でかなりの程度までマトリックス金属を酸
化するには不充分でなければならない。
雰囲気を成す主要ガスの他に存在するガスで、プロセス
条件下でマトリックス金属と実質的に反応しない不活性
ガス又は還元性ガスであることを意味する。使用される
ガス中の不純物として存在してもよい酸化性ガスで、プ
ロセス条件下でかなりの程度までマトリックス金属を酸
化するには不充分でなければならない。
本明細書で使用する「バリヤー」又は「バリヤー手
段」とは、充填材の通気性素材（permeable mass）又は
プレフォームの表面境界を超えて溶融マトリックス金属
が移動、動き等をするのを妨げ、妨害、防止又は終了さ
せるいずれかの適当な手段を意味する。この場合、表面
境界は、前記バリヤー手段により形成されている。適当
なバリヤー手段としては、プロセス条件下で、ある程度
の一体性を維持し且つ実質的に揮発しない（即ち、バリ
ヤー材はバリヤーとして機能しないほどには揮発しな
い）材料、化合物、要素、組成物等を挙げることができ
る。
段」とは、充填材の通気性素材（permeable mass）又は
プレフォームの表面境界を超えて溶融マトリックス金属
が移動、動き等をするのを妨げ、妨害、防止又は終了さ
せるいずれかの適当な手段を意味する。この場合、表面
境界は、前記バリヤー手段により形成されている。適当
なバリヤー手段としては、プロセス条件下で、ある程度
の一体性を維持し且つ実質的に揮発しない（即ち、バリ
ヤー材はバリヤーとして機能しないほどには揮発しな
い）材料、化合物、要素、組成物等を挙げることができ
る。
更に、適当な「バリヤー手段」としては、用いられる
プロセス条件下で、移動する溶融マトリックス金属で実
質的に湿潤しない材料が挙げられる。この種のバリヤー
は、溶融マトリックス金属に対しては実質的に何ら親和
性を示さないと思われ、充填材の素材又はプレフォーム
限定された表面境界を超えて溶融マトリックス金属が移
動するのがバリヤー手段によって妨げられる。このバリ
ヤーは、必要とされるかもしれない最終的な機械加工又
は研磨を減らし、得られる金属マトリックス複合体製品
の表面の少なくとも一部分を形成する。このバリヤー
は、ある場合には、通気性若しくは多孔性又は、例え
ば、孔をあけるか若しくはバリヤーに穴をあけることに
より通気性にして、ガスを溶融マトリックス金属に接触
させてもよい。
プロセス条件下で、移動する溶融マトリックス金属で実
質的に湿潤しない材料が挙げられる。この種のバリヤー
は、溶融マトリックス金属に対しては実質的に何ら親和
性を示さないと思われ、充填材の素材又はプレフォーム
限定された表面境界を超えて溶融マトリックス金属が移
動するのがバリヤー手段によって妨げられる。このバリ
ヤーは、必要とされるかもしれない最終的な機械加工又
は研磨を減らし、得られる金属マトリックス複合体製品
の表面の少なくとも一部分を形成する。このバリヤー
は、ある場合には、通気性若しくは多孔性又は、例え
ば、孔をあけるか若しくはバリヤーに穴をあけることに
より通気性にして、ガスを溶融マトリックス金属に接触
させてもよい。
本明細書で使用する「カーカス（carcass）」又は
「マトリックス金属のカーカス」とは、金属マトリック
ス複合体物体の形成中に消費されなかった残存している
マトリックス金属の最初の物体を意味し、一般的には、
冷却すると、形成された金属マトリックス複合体と少な
くとも部分的に接触したままの状態を維持する。又、カ
ーカスは、第二又は外来金属も含んでいてもよい。
「マトリックス金属のカーカス」とは、金属マトリック
ス複合体物体の形成中に消費されなかった残存している
マトリックス金属の最初の物体を意味し、一般的には、
冷却すると、形成された金属マトリックス複合体と少な
くとも部分的に接触したままの状態を維持する。又、カ
ーカスは、第二又は外来金属も含んでいてもよい。
本明細書で使用される「過剰のマトリックス金属」又
は「残留するマトリックス金属」とは、充填材又はプレ
フォーム中への自発浸透の所望の量が達成された後に残
留し、そして形成された金属マトリックス複合体に密接
に結合しているマトリックス金属の量を意味する。過剰
の又は残留するマトリックス金属は、充填材又はプレフ
ォームに自発浸透したマトリックス金属と同じか又は異
なっている組成を有する。
は「残留するマトリックス金属」とは、充填材又はプレ
フォーム中への自発浸透の所望の量が達成された後に残
留し、そして形成された金属マトリックス複合体に密接
に結合しているマトリックス金属の量を意味する。過剰
の又は残留するマトリックス金属は、充填材又はプレフ
ォームに自発浸透したマトリックス金属と同じか又は異
なっている組成を有する。
本明細書で使用する「充填材」とは、マトリックス金
属と実質的に反応せず及び／又はマトリックス金属への
溶解度が限られている単一成分又は成分の混合物が含ま
れ、単相又は複相であってもよい。充填材は、粉末、フ
レーク、板状、小球体、ウイスカー、バブル等の多種多
様の形態で使用でき、緻密でも多孔でもよい。又、「充
填材」は、繊維、チョップファイバー、粒体、ウイスカ
ー、バブル、球体、繊維マット等の形態のアルミナ又は
シリコンカーバイド等のセラミック充填材並びに炭素
が、例えば、溶融アルミニウム母材金属によって侵食さ
れるのを防止するためにアルミナ若しくは炭化珪素で被
覆した炭素繊維等のセラミック被覆充填材でもよい。
又、充填材は金属でもよい。
属と実質的に反応せず及び／又はマトリックス金属への
溶解度が限られている単一成分又は成分の混合物が含ま
れ、単相又は複相であってもよい。充填材は、粉末、フ
レーク、板状、小球体、ウイスカー、バブル等の多種多
様の形態で使用でき、緻密でも多孔でもよい。又、「充
填材」は、繊維、チョップファイバー、粒体、ウイスカ
ー、バブル、球体、繊維マット等の形態のアルミナ又は
シリコンカーバイド等のセラミック充填材並びに炭素
が、例えば、溶融アルミニウム母材金属によって侵食さ
れるのを防止するためにアルミナ若しくは炭化珪素で被
覆した炭素繊維等のセラミック被覆充填材でもよい。
又、充填材は金属でもよい。
本明細書で使用される「浸透雰囲気（Infiltrating a
tmosphere）」とは、マトリックス金属及び／又はプレ
フォーム（又は充填材）及び／又は浸透増進剤前駆体及
び／又は浸透増進剤と相互作用し、マトリックス金属の
自発浸透を生じさせ又は促進させる存在雰囲気を意味す
る。
tmosphere）」とは、マトリックス金属及び／又はプレ
フォーム（又は充填材）及び／又は浸透増進剤前駆体及
び／又は浸透増進剤と相互作用し、マトリックス金属の
自発浸透を生じさせ又は促進させる存在雰囲気を意味す
る。
本明細書で使用される「浸透増進剤（Infiltration E
nhancer）」とは、マトリックス金属が充填材若しくは
プレフォームに自発浸透するのを促進又は補助する物質
を意味する。浸透増進剤は、例えば、浸透増進剤前駆体
を浸透雰囲気と反応させて、（１）ガス状物及び／又は
（２）浸透増進剤前駆体と浸透雰囲気との反応生成物及
び／又は（３）浸透増進剤前駆体と充填材若しくはプレ
フォームとの反応生成物を生成することにより製造でき
る。更に、浸透増進剤は、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
直接供給して、浸透増進剤前駆体と別の種との間の反応
で生成させた浸透増進剤と実質的に同様の方法で作用さ
せてもよい。基本的には、少なくとも自発浸透中は、浸
透増進剤は自発浸透を達成するために充填材又はプレフ
ォームの少なくとも一部分に位置していなければならな
い。
nhancer）」とは、マトリックス金属が充填材若しくは
プレフォームに自発浸透するのを促進又は補助する物質
を意味する。浸透増進剤は、例えば、浸透増進剤前駆体
を浸透雰囲気と反応させて、（１）ガス状物及び／又は
（２）浸透増進剤前駆体と浸透雰囲気との反応生成物及
び／又は（３）浸透増進剤前駆体と充填材若しくはプレ
フォームとの反応生成物を生成することにより製造でき
る。更に、浸透増進剤は、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
直接供給して、浸透増進剤前駆体と別の種との間の反応
で生成させた浸透増進剤と実質的に同様の方法で作用さ
せてもよい。基本的には、少なくとも自発浸透中は、浸
透増進剤は自発浸透を達成するために充填材又はプレフ
ォームの少なくとも一部分に位置していなければならな
い。
本明細書において使用される「浸透増進剤前駆体（In
filtration Enhancer Precursor）」とは、マトリック
ス金属、プレフォーム及び／又は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材又はプレフ
ォームへの自発浸透を誘発又は補助する物質を意味す
る。特別な原理又は説明には限定されないが、浸透増進
剤前駆体が浸透雰囲気及び／又はプレフォーム若しくは
充填材及び／又は金属と相互作用できる位置に、浸透増
進剤前駆体が配置若しくは移動できることが必要であ
る。例えば、あるマトリックス金属／浸透増進剤前駆体
／浸透雰囲気系では、浸透増進剤前駆体が、マトリック
ス金属の溶融温度、その近くの温度又は場合によっては
それよりもいくらか高い温度で揮発することが望まし
い。このような揮発により、（１）浸透増進剤前駆体と
浸透雰囲気との反応による、マトリックス金属による充
填材又はプレフォームの湿潤を増進するガス状物の生
成；及び／又は（２）浸透増進剤前駆体と浸透雰囲気と
の反応による、充填材又はプレフォームの少なくとも一
部に湿潤を増進する固体状、液状又はガス状浸透増進剤
の生成；及び／又は（３）充填材又はプレフォームの少
なくとも一部分内において湿潤を増進する固体状、液状
又はガス状浸透増進剤を生成する充填材又はプレフォー
ム内の浸透増進剤前駆体の反応が生じる。
filtration Enhancer Precursor）」とは、マトリック
ス金属、プレフォーム及び／又は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材又はプレフ
ォームへの自発浸透を誘発又は補助する物質を意味す
る。特別な原理又は説明には限定されないが、浸透増進
剤前駆体が浸透雰囲気及び／又はプレフォーム若しくは
充填材及び／又は金属と相互作用できる位置に、浸透増
進剤前駆体が配置若しくは移動できることが必要であ
る。例えば、あるマトリックス金属／浸透増進剤前駆体
／浸透雰囲気系では、浸透増進剤前駆体が、マトリック
ス金属の溶融温度、その近くの温度又は場合によっては
それよりもいくらか高い温度で揮発することが望まし
い。このような揮発により、（１）浸透増進剤前駆体と
浸透雰囲気との反応による、マトリックス金属による充
填材又はプレフォームの湿潤を増進するガス状物の生
成；及び／又は（２）浸透増進剤前駆体と浸透雰囲気と
の反応による、充填材又はプレフォームの少なくとも一
部に湿潤を増進する固体状、液状又はガス状浸透増進剤
の生成；及び／又は（３）充填材又はプレフォームの少
なくとも一部分内において湿潤を増進する固体状、液状
又はガス状浸透増進剤を生成する充填材又はプレフォー
ム内の浸透増進剤前駆体の反応が生じる。
本明細書で使用される「マクロ複合体」とは、例え
ば、化学反応及び／又は圧力若しくは収縮密着により一
緒に密接して結合している、あらゆる配置の二種又は三
種以上の物質の全ての組み合わせであって、それらの物
質の少なくとも一種が、充填材、プレフォーム、又は少
なくともいくらかの多孔を含有する最終セラミック又は
金属物体の通気性素材中への溶融マトリックス金属の自
発浸透により形成された金属マトリックス複合体からな
るものを意味する。金属マトリックス複合体は外側表面
及び／又は内側表面として存在することができる。金属
マトリックス複合体の残留するマトリックス金属及び／
又は第二の物体に関連する順序、数、及び／又は位置
は、無制限の様式に操作又は制御できることはいうまで
もない。
ば、化学反応及び／又は圧力若しくは収縮密着により一
緒に密接して結合している、あらゆる配置の二種又は三
種以上の物質の全ての組み合わせであって、それらの物
質の少なくとも一種が、充填材、プレフォーム、又は少
なくともいくらかの多孔を含有する最終セラミック又は
金属物体の通気性素材中への溶融マトリックス金属の自
発浸透により形成された金属マトリックス複合体からな
るものを意味する。金属マトリックス複合体は外側表面
及び／又は内側表面として存在することができる。金属
マトリックス複合体の残留するマトリックス金属及び／
又は第二の物体に関連する順序、数、及び／又は位置
は、無制限の様式に操作又は制御できることはいうまで
もない。
本明細書において使用される「マトリックス金属」又
は「マトリックス金属合金」とは、金属マトリックス複
合体の形成に用いられる金属（例えば、浸透前）及び／
又は充填材と混じり合って金属マトリックス複合体を形
成している金属（例えば、浸透後）を意味する。上記金
属をマトリックス金属と称する場合には、マトリックス
金属には、実質的に純粋な金属、不純物及び／若しくは
合金成分を有する市販の金属、金属が主成分である金属
間化合物又は合金も含まれる。
は「マトリックス金属合金」とは、金属マトリックス複
合体の形成に用いられる金属（例えば、浸透前）及び／
又は充填材と混じり合って金属マトリックス複合体を形
成している金属（例えば、浸透後）を意味する。上記金
属をマトリックス金属と称する場合には、マトリックス
金属には、実質的に純粋な金属、不純物及び／若しくは
合金成分を有する市販の金属、金属が主成分である金属
間化合物又は合金も含まれる。
本明細書において使用される「マトリックス金属／浸
透増進剤前駆体／浸透雰囲気系」又は「自発系」とは、
プレフォーム又は充填材への自発浸透を示す物質の組み
合わせを意味する。「／」が、例示するマトリックス金
属、浸透増進剤前駆体及び浸透雰囲気の間に用いられる
ときは、特定の方法でそれらを組み合わせると、プレフ
ォーム若しくは充填材への自発浸透を示す系又は物質の
組み合わせを示すために使用される。
透増進剤前駆体／浸透雰囲気系」又は「自発系」とは、
プレフォーム又は充填材への自発浸透を示す物質の組み
合わせを意味する。「／」が、例示するマトリックス金
属、浸透増進剤前駆体及び浸透雰囲気の間に用いられる
ときは、特定の方法でそれらを組み合わせると、プレフ
ォーム若しくは充填材への自発浸透を示す系又は物質の
組み合わせを示すために使用される。
本明細書において使用される「金属マトリックス複合
体（Metal Matrix Composite）」又は「MMC」は、プレ
フォーム又は充填材を埋め込んだ、二次元若しくは三次
元的に連続する合金又はマトリックス金属からなる材料
を意味する。マトリックス金属に種々の合金元素を含有
せしめて、特に所望の機械的及び物理的性質を有するよ
うにしてもよい。
体（Metal Matrix Composite）」又は「MMC」は、プレ
フォーム又は充填材を埋め込んだ、二次元若しくは三次
元的に連続する合金又はマトリックス金属からなる材料
を意味する。マトリックス金属に種々の合金元素を含有
せしめて、特に所望の機械的及び物理的性質を有するよ
うにしてもよい。
マトリックス金属と「異種」の金属とは、マトリック
ス金属と同じ金属を、主要成分として含有しない金属を
意味する（例えば、マトリックス金属の主要成分がアル
ミニウムの場合には、「異種」の金属は、例えば、ニッ
ケルを主要成分として有することができる。
ス金属と同じ金属を、主要成分として含有しない金属を
意味する（例えば、マトリックス金属の主要成分がアル
ミニウムの場合には、「異種」の金属は、例えば、ニッ
ケルを主要成分として有することができる。
「マトリックス金属を入れるための非反応性容器」と
は、プロセス条件下で、溶融マトリックス金属を入れる
か又は収容することができ且つ自発浸透機構に対して顕
著な悪影響を及ぼすような方法では、マトリックス及び
／又は浸透雰囲気及び／又は浸透増進剤前駆体及び／又
は充填材若しくはプレフォームとは反応しない容器を意
味する。
は、プロセス条件下で、溶融マトリックス金属を入れる
か又は収容することができ且つ自発浸透機構に対して顕
著な悪影響を及ぼすような方法では、マトリックス及び
／又は浸透雰囲気及び／又は浸透増進剤前駆体及び／又
は充填材若しくはプレフォームとは反応しない容器を意
味する。
本明細書において使用される「プレフォーム（Prefor
m）又は「通気性プレフォーム（permeable preform）」
とは、浸透するマトリックス金属の境界を実質的に形成
する少なくとも一つの表面境界を用いて仕上げられる
（即ちセラミック及び金属体を完全に焼成又は形成され
る）、充填材又は充填材の多孔性素材（porous mass）
を意味する。このような素材は、マトリックス金属を浸
透させる前に、寸法忠実性を提供するに十分な形状保持
性及び生強度を維持する。又、この素材は、自発浸透で
マトリックス金属を受け入れるに十分な程度に多孔性で
なければならない。プレフォームは、一般的には、充填
材が、均一若しくは不均一の形態で、結着して充填又は
配置されてなり、適当な物質（例えば、セラミック及び
／又は金属の粒子、粉末、繊維、ウイスカー等並びにそ
れらの組み合わせ）からなってよい。プレフォームは、
単独でも集成体で存在してもよい。
m）又は「通気性プレフォーム（permeable preform）」
とは、浸透するマトリックス金属の境界を実質的に形成
する少なくとも一つの表面境界を用いて仕上げられる
（即ちセラミック及び金属体を完全に焼成又は形成され
る）、充填材又は充填材の多孔性素材（porous mass）
を意味する。このような素材は、マトリックス金属を浸
透させる前に、寸法忠実性を提供するに十分な形状保持
性及び生強度を維持する。又、この素材は、自発浸透で
マトリックス金属を受け入れるに十分な程度に多孔性で
なければならない。プレフォームは、一般的には、充填
材が、均一若しくは不均一の形態で、結着して充填又は
配置されてなり、適当な物質（例えば、セラミック及び
／又は金属の粒子、粉末、繊維、ウイスカー等並びにそ
れらの組み合わせ）からなってよい。プレフォームは、
単独でも集成体で存在してもよい。
本明細書で使用される「溜（reservoir）」とは、金
属が溶融したとき、流れて、充填材若しくはプレフォー
ムと接触しているマトリックス金属の部分、セグメント
若しくは源を補充又は、ある場合には、最初にマトリッ
クス金属を提供しかつ続いて補充するために、充填材又
はプレフォームの素材に対して分離して配置されたマト
リックス金属の別個の物体を意味する。
属が溶融したとき、流れて、充填材若しくはプレフォー
ムと接触しているマトリックス金属の部分、セグメント
若しくは源を補充又は、ある場合には、最初にマトリッ
クス金属を提供しかつ続いて補充するために、充填材又
はプレフォームの素材に対して分離して配置されたマト
リックス金属の別個の物体を意味する。
本明細書で使用される「第二の物体（body）」又は
「追加の物体」とは、化学反応及び／又は機械的若しく
は収縮密着の少なくとも一つにより、金属マトリックス
複合体に結合し得る他の物体を意味する。このような物
体には、焼結セラミック、熱圧縮セラミック、押出しセ
ラミックなどのような従来のセラミック、並びに、Marc
S. Newkirk et alの名前で1987年12月15日に発行され
た我々の米国特許第4,713,360号、Marc S. Newkirk et
alの名前で1986年１月17日に出願された我々の米国特許
出願第819,397号（名称“Composite Ceramic Articles
and Methods of Making Same"）,Marc S.Newkirk et al
の名前で1986年５月８日に出願された我々の米国特許出
願第861,025号（名称：“Shaped Ceramic Compositions
and Methods of Making the Same"）,Robert C.Kantne
r et alの名前で1988年２月５日に出願された我々の米
国特許出願第152,518号（名称：“Method for In Situ
Tailoring the Metallic Component of Ceramic Articl
es and Articles Made Thereby"）,T.Dennis Claar et
alの名前で1987年12月23日に出願された我々の出願中の
米国特許出願第137,044号（名称：“Process for Prepa
ring Self-Supporting Bodies and Products Made Ther
eby"）に記載された方法、並びに他の我々の許可された
及び出願中の米国特許出願に含まれる方法の変形及び改
良により製造されたもののような、従来のものではない
セラミック及びセラミック複合体も含まれる。これらの
我々の米国出願に開示され特許請求されたセラミック及
びセラミック複合体の製造法及び特徴を教示する目的の
ために、上記出願の全開示を、参照することにより本明
細書に含ませる。更に、本発明の第二の又は追加の物体
には、高温金属、耐腐食性金属、耐侵食性金属などのよ
うな金属の金属マトリックス複合体及び構造体も含まれ
る。従って、第二の又は追加の物体には実際上無制限の
数の物体が含まれる。
「追加の物体」とは、化学反応及び／又は機械的若しく
は収縮密着の少なくとも一つにより、金属マトリックス
複合体に結合し得る他の物体を意味する。このような物
体には、焼結セラミック、熱圧縮セラミック、押出しセ
ラミックなどのような従来のセラミック、並びに、Marc
S. Newkirk et alの名前で1987年12月15日に発行され
た我々の米国特許第4,713,360号、Marc S. Newkirk et
alの名前で1986年１月17日に出願された我々の米国特許
出願第819,397号（名称“Composite Ceramic Articles
and Methods of Making Same"）,Marc S.Newkirk et al
の名前で1986年５月８日に出願された我々の米国特許出
願第861,025号（名称：“Shaped Ceramic Compositions
and Methods of Making the Same"）,Robert C.Kantne
r et alの名前で1988年２月５日に出願された我々の米
国特許出願第152,518号（名称：“Method for In Situ
Tailoring the Metallic Component of Ceramic Articl
es and Articles Made Thereby"）,T.Dennis Claar et
alの名前で1987年12月23日に出願された我々の出願中の
米国特許出願第137,044号（名称：“Process for Prepa
ring Self-Supporting Bodies and Products Made Ther
eby"）に記載された方法、並びに他の我々の許可された
及び出願中の米国特許出願に含まれる方法の変形及び改
良により製造されたもののような、従来のものではない
セラミック及びセラミック複合体も含まれる。これらの
我々の米国出願に開示され特許請求されたセラミック及
びセラミック複合体の製造法及び特徴を教示する目的の
ために、上記出願の全開示を、参照することにより本明
細書に含ませる。更に、本発明の第二の又は追加の物体
には、高温金属、耐腐食性金属、耐侵食性金属などのよ
うな金属の金属マトリックス複合体及び構造体も含まれ
る。従って、第二の又は追加の物体には実際上無制限の
数の物体が含まれる。
本明細書で使用される「自発浸透（Spontaneous Infi
ltration）」とは、圧力又は真空を印加（外部から印加
するか若しくは内部で発生させるかとは無関係に）しな
くても、マトリックス金属が充填材又はプレフォームの
通気性素材に浸透することを意味する。
ltration）」とは、圧力又は真空を印加（外部から印加
するか若しくは内部で発生させるかとは無関係に）しな
くても、マトリックス金属が充填材又はプレフォームの
通気性素材に浸透することを意味する。
以下の図は、本発明の理解を深めるために示したもの
であるが、本発明の範囲はこれらによっては限定されな
い。各図においで、同様な構成要素は同様な参照番号を
用いてある。
であるが、本発明の範囲はこれらによっては限定されな
い。各図においで、同様な構成要素は同様な参照番号を
用いてある。
本発明は、その一部が、溶融マトリックス金属が充填
材又はプレフォームに自発浸透することにより形成され
た金属マトリックス複合体からなる、マクロ複合体を形
成することに関する。
材又はプレフォームに自発浸透することにより形成され
た金属マトリックス複合体からなる、マクロ複合体を形
成することに関する。
本発明によるマクロ複合体は、少なくとも一つの第二
の又は追加の物体と接触する金属マトリックス複合体を
形成することにより製造される。特に、金属マトリック
ス複合体は、溶融マトリックス金属を充填材又はプレフ
ォームの通気性素材に自発浸透させることにより製造さ
れる。特に、浸透増進剤及び／又はその前駆体及び／又
は浸透雰囲気は、溶融マトリックス金属が充填材又はプ
レフォームに自発的に浸透させるプロセス中の少なくと
もある点で、充填材又はプレフォームと連絡している。
の又は追加の物体と接触する金属マトリックス複合体を
形成することにより製造される。特に、金属マトリック
ス複合体は、溶融マトリックス金属を充填材又はプレフ
ォームの通気性素材に自発浸透させることにより製造さ
れる。特に、浸透増進剤及び／又はその前駆体及び／又
は浸透雰囲気は、溶融マトリックス金属が充填材又はプ
レフォームに自発的に浸透させるプロセス中の少なくと
もある点で、充填材又はプレフォームと連絡している。
本発明の好ましい態様に於いて、浸透増進剤はプレフ
ォーム（又は充填材）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直接供給できる。
最終的に、少なくとも自発浸透の間、浸透増進剤は充填
材又はプレフォームの少なくとも一部に配置されている
べきである。
ォーム（又は充填材）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直接供給できる。
最終的に、少なくとも自発浸透の間、浸透増進剤は充填
材又はプレフォームの少なくとも一部に配置されている
べきである。
マクロ複合体を形成するための第一の好ましい態様に
於いて、自発浸透するために供給されるマトリックス金
属の量は、浸透するために必要なものより過剰に供給さ
れる。換言すれば、マトリックス金属は、残留する又は
過剰のマトリックス金属（例えば、充填材又はプレフォ
ームに浸透するのに使用されなかったマトリックス金
属）が、浸透された充填材又はプレフォームに密接に結
合するように、充填材又はプレフォームに完全に浸透す
るために必要なものよりも多い量で供給される。
於いて、自発浸透するために供給されるマトリックス金
属の量は、浸透するために必要なものより過剰に供給さ
れる。換言すれば、マトリックス金属は、残留する又は
過剰のマトリックス金属（例えば、充填材又はプレフォ
ームに浸透するのに使用されなかったマトリックス金
属）が、浸透された充填材又はプレフォームに密接に結
合するように、充填材又はプレフォームに完全に浸透す
るために必要なものよりも多い量で供給される。
他の好ましい態様に於いて、充填材又はプレフォーム
は、セラミック又は金属のような第２の物体と接触させ
て置かれ、溶融マトリックス金属は、第二の物体にまで
充填材又はプレフォームに自発浸透するために導入さ
れ、第二の物体に密接に結合するようになり、かくし
て、セラミック又は金属の第二の物体に結合した金属マ
トリックス複合体からなるマクロ複合体を形成する。
は、セラミック又は金属のような第２の物体と接触させ
て置かれ、溶融マトリックス金属は、第二の物体にまで
充填材又はプレフォームに自発浸透するために導入さ
れ、第二の物体に密接に結合するようになり、かくし
て、セラミック又は金属の第二の物体に結合した金属マ
トリックス複合体からなるマクロ複合体を形成する。
他の好ましい態様に於いて、充填材又はプレフォーム
は、他のセラミック体又は金属のような第二の物体と接
触させて置かれ、溶融マトリックス金属は、充填材又は
プレフォームと第二の物体との間の接触点にまで充填材
又はプレフォームに自発浸透するために導入される。形
成された金属マトリックス複合体は第二の物体に密接に
結合される。更に、追加のマトリックス金属が、それが
充填材又はプレフォームに自発浸透するために必要な量
より多い量で存在するように供給され得る。従って、セ
ラミック体、金属体又はセラミック複合体のような第二
の物体に密接に結合している金属マトリックス複合体に
密接に結合している過剰のマトリックス金属からなるマ
クロ複合体が形成される。
は、他のセラミック体又は金属のような第二の物体と接
触させて置かれ、溶融マトリックス金属は、充填材又は
プレフォームと第二の物体との間の接触点にまで充填材
又はプレフォームに自発浸透するために導入される。形
成された金属マトリックス複合体は第二の物体に密接に
結合される。更に、追加のマトリックス金属が、それが
充填材又はプレフォームに自発浸透するために必要な量
より多い量で存在するように供給され得る。従って、セ
ラミック体、金属体又はセラミック複合体のような第二
の物体に密接に結合している金属マトリックス複合体に
密接に結合している過剰のマトリックス金属からなるマ
クロ複合体が形成される。
上記好ましい態様に於いて、金属マトリックス複合体
はマトリックス金属の基体の、外側若しくは内側表面、
又はその両方の何れかとして形成できる。更に、金属マ
トリックス複合体表面は、マトリックス金属基体のサイ
ズに関して選択された又は予定された厚さのものであっ
てよい。本発明の自発浸透技術は厚い壁又は薄い壁の金
属マトリックス複合体構造の製造が可能であり、その構
造体に於いて、金属マトリックス複合体表面を与えるマ
トリックス金属の相対容積は、金属基体の容積よりも実
質的に大きいか又は小さい。更になお、外側若しくは内
側表面又は両方の何れかであってよい金属マトリックス
複合体は、またセラミック又は金属のような第二の物質
に結合でき、それにより金属マトリックス複合体及び／
又は過剰のマトリックス金属及び／又はセラミック又は
金属体のような第二の物体との間の結合の著しい数の組
み合わせを提供する。
はマトリックス金属の基体の、外側若しくは内側表面、
又はその両方の何れかとして形成できる。更に、金属マ
トリックス複合体表面は、マトリックス金属基体のサイ
ズに関して選択された又は予定された厚さのものであっ
てよい。本発明の自発浸透技術は厚い壁又は薄い壁の金
属マトリックス複合体構造の製造が可能であり、その構
造体に於いて、金属マトリックス複合体表面を与えるマ
トリックス金属の相対容積は、金属基体の容積よりも実
質的に大きいか又は小さい。更になお、外側若しくは内
側表面又は両方の何れかであってよい金属マトリックス
複合体は、またセラミック又は金属のような第二の物質
に結合でき、それにより金属マトリックス複合体及び／
又は過剰のマトリックス金属及び／又はセラミック又は
金属体のような第二の物体との間の結合の著しい数の組
み合わせを提供する。
従って、本発明は多数の工業的要求に合致するため又
はそれを満足させるために使用でき、それにより本発明
の効能が提供される。
はそれを満足させるために使用でき、それにより本発明
の効能が提供される。
本発明のマクロ複合体を形成するために、金属マトリ
ックス複合体は、マトリックス金属の充填材又はプレフ
ォームの素材中への自発浸透により形成されなくてはな
らない。マトリックス金属の充填材又はプレフォームへ
の自発浸透と行うために、浸透増進剤が自発系に供給さ
れなくてはならない。浸透増進剤は、（１）マトリック
ス金属中に、及び／又は（２）充填材又はプレフォーム
中に、及び／又は（３）浸透雰囲気から、及び／又は
（４）自発系中への外部源から供給される浸透増進剤前
駆体から形成できる。更に、浸透増進剤前駆体を供給す
るよりもむしろ、浸透増進剤を、充填材若しくはプレフ
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直接供給できる。最終的に、
少なくとも自発浸透の間に、浸透増進剤は充填材又はプ
レフォームの少なくとも一部に位置していなくてはなら
ない。
ックス複合体は、マトリックス金属の充填材又はプレフ
ォームの素材中への自発浸透により形成されなくてはな
らない。マトリックス金属の充填材又はプレフォームへ
の自発浸透と行うために、浸透増進剤が自発系に供給さ
れなくてはならない。浸透増進剤は、（１）マトリック
ス金属中に、及び／又は（２）充填材又はプレフォーム
中に、及び／又は（３）浸透雰囲気から、及び／又は
（４）自発系中への外部源から供給される浸透増進剤前
駆体から形成できる。更に、浸透増進剤前駆体を供給す
るよりもむしろ、浸透増進剤を、充填材若しくはプレフ
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直接供給できる。最終的に、
少なくとも自発浸透の間に、浸透増進剤は充填材又はプ
レフォームの少なくとも一部に位置していなくてはなら
ない。
好ましい実施態様においては、浸透増進剤が充填材若
しくはプレフォームの少なくとも一部分に形成すること
ができるように、プレフォームと溶融マトリックス金属
との接触前に若しくは実質的に同時に、浸透増進剤前駆
体を、少なくとも部分的に、浸透雰囲気と反応させるこ
とができる（例えば、マグネシウムが浸透増進剤前駆体
であり且つ窒素が浸透雰囲気である場合には、浸透増進
剤は、充填材又はプレフォームの一部分に位置させる窒
化マグネシウムでよい）。
しくはプレフォームの少なくとも一部分に形成すること
ができるように、プレフォームと溶融マトリックス金属
との接触前に若しくは実質的に同時に、浸透増進剤前駆
体を、少なくとも部分的に、浸透雰囲気と反応させるこ
とができる（例えば、マグネシウムが浸透増進剤前駆体
であり且つ窒素が浸透雰囲気である場合には、浸透増進
剤は、充填材又はプレフォームの一部分に位置させる窒
化マグネシウムでよい）。
マトリックス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気系
の一例として、アルミニウム／マグネシウム／窒素系が
挙げられる。具体的には、アルミニウムマトリックス金
属を、プロセス条件下で、アルミニウムを溶解させたと
きにアルミニウムマトリックス金属と反応しない適当な
耐火容器内に入れることができる。マグネシウムを含む
か、マグネシウムに曝露され、そしてプロセスの少なく
ともいずれかの時点で窒素雰囲気に曝露される充填材
は、次いで、溶融アルミニウムマトリックス金属と接触
させる。このマトリックス金属は充填材又はプレフォー
ム中に自発浸透する。
の一例として、アルミニウム／マグネシウム／窒素系が
挙げられる。具体的には、アルミニウムマトリックス金
属を、プロセス条件下で、アルミニウムを溶解させたと
きにアルミニウムマトリックス金属と反応しない適当な
耐火容器内に入れることができる。マグネシウムを含む
か、マグネシウムに曝露され、そしてプロセスの少なく
ともいずれかの時点で窒素雰囲気に曝露される充填材
は、次いで、溶融アルミニウムマトリックス金属と接触
させる。このマトリックス金属は充填材又はプレフォー
ム中に自発浸透する。
更に、浸透増進剤前駆体を供給するのではなく、浸透
増進剤を、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直接供給しても
よい。基本的には、少なくとも自発浸透中には、浸透増
進剤は、充填材又はプレフォームの少なくとも一部分に
位置しなければならない。
増進剤を、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直接供給しても
よい。基本的には、少なくとも自発浸透中には、浸透増
進剤は、充填材又はプレフォームの少なくとも一部分に
位置しなければならない。
本発明の方法に用いられる条件下では、アルミニウム
／マグネシウム／窒素自発浸透系の場合に、充填材又は
プレフォームは、窒素含有ガスが、プロセス中のある時
点で充填材又はプレフォームに浸透若しくは通過し及び
／又は溶融マトリックス金属と接触するのに十分な程度
通気性でなければならない。更に、通気性充填材又はプ
レフォームに溶融マトリックス金属を浸透させて、窒素
透過充填材又はプレフォームに溶融マトリックス金属を
自発浸透させることにより、金属マトリックス複合体を
形成し、及び／又は窒素を浸透増進剤前駆体と反応させ
て浸透増進剤を充填材又はプレフォーム中に形成して自
発浸透を生じさせることができる。自発浸透及び金属マ
トリックス複合体生成の程度又は割合は、アルミニウム
合金のマグネシウム含量、充填材又はプレフォームのマ
グネシウム含量、充填材又はプレフォームにおける窒化
マグネシウムの量、追加合金元素の有無（例えば、珪
素、鉄、銅、マグネシウム、クロム、亜鉛等）、充填材
の平均サイズ（例えば、粒径）、充填材の表面状態及び
種類、浸透雰囲気の窒素濃度、浸透に与えられる時間並
びに浸透が生じる温度を含む一定のプロセス条件により
異なる。例えば、溶融アルミニウムマトリックス金属の
浸透を自発的に生じさせるために、アルミニウムを、合
金重量に対して少なくとも約１重量％、好ましくは少な
くとも約３重量％のマグネシウム（浸透増進剤前駆体と
して機能する）と合金化することができる。又、上記で
説明した補助合金元素をマトリックス金属に含有せしめ
て、特定の性質を作り出してもよい。更に、補助合金元
素は、充填材又はプレフォームの自発浸透を生じさせる
ためのマトリックスアルミニウム金属に必要とされるマ
グネシウムの最少量に影響する場合がある。例えば、揮
発による自発系からのマグネシウムの損失は、浸透増進
剤を形成するのにマグネシウムが全く存在しない程度ま
で生じてはならない。従って、十分な濃度の初期合金元
素を用いて、自発浸透が揮発によって悪影響されないよ
うにすることが望ましい。更に、充填材又はプレフォー
ムとマトリックス金属の両方又は充填材又はプレフォー
ムだけにマグネシウムが存在すると、自発浸透を達成す
るのに必要なマグネシウムの量が減少する場合がある。
／マグネシウム／窒素自発浸透系の場合に、充填材又は
プレフォームは、窒素含有ガスが、プロセス中のある時
点で充填材又はプレフォームに浸透若しくは通過し及び
／又は溶融マトリックス金属と接触するのに十分な程度
通気性でなければならない。更に、通気性充填材又はプ
レフォームに溶融マトリックス金属を浸透させて、窒素
透過充填材又はプレフォームに溶融マトリックス金属を
自発浸透させることにより、金属マトリックス複合体を
形成し、及び／又は窒素を浸透増進剤前駆体と反応させ
て浸透増進剤を充填材又はプレフォーム中に形成して自
発浸透を生じさせることができる。自発浸透及び金属マ
トリックス複合体生成の程度又は割合は、アルミニウム
合金のマグネシウム含量、充填材又はプレフォームのマ
グネシウム含量、充填材又はプレフォームにおける窒化
マグネシウムの量、追加合金元素の有無（例えば、珪
素、鉄、銅、マグネシウム、クロム、亜鉛等）、充填材
の平均サイズ（例えば、粒径）、充填材の表面状態及び
種類、浸透雰囲気の窒素濃度、浸透に与えられる時間並
びに浸透が生じる温度を含む一定のプロセス条件により
異なる。例えば、溶融アルミニウムマトリックス金属の
浸透を自発的に生じさせるために、アルミニウムを、合
金重量に対して少なくとも約１重量％、好ましくは少な
くとも約３重量％のマグネシウム（浸透増進剤前駆体と
して機能する）と合金化することができる。又、上記で
説明した補助合金元素をマトリックス金属に含有せしめ
て、特定の性質を作り出してもよい。更に、補助合金元
素は、充填材又はプレフォームの自発浸透を生じさせる
ためのマトリックスアルミニウム金属に必要とされるマ
グネシウムの最少量に影響する場合がある。例えば、揮
発による自発系からのマグネシウムの損失は、浸透増進
剤を形成するのにマグネシウムが全く存在しない程度ま
で生じてはならない。従って、十分な濃度の初期合金元
素を用いて、自発浸透が揮発によって悪影響されないよ
うにすることが望ましい。更に、充填材又はプレフォー
ムとマトリックス金属の両方又は充填材又はプレフォー
ムだけにマグネシウムが存在すると、自発浸透を達成す
るのに必要なマグネシウムの量が減少する場合がある。
窒素雰囲気における窒素体積％も、金属マトリックス
複合体の生成速度に影響を及ぼす。即ち、約10体積％未
満の窒素が雰囲気に存在する場合、自発浸透が非常にゆ
っくり生じるか又はほとんど生じない。即ち、少なくと
も約50体積％の窒素が雰囲気に存在して、それにより、
例えば、浸透速度をはるかに大きくして浸透時間を短く
することが好ましいことが見い出された。浸透雰囲気
（例えば、窒素含有ガス）を充填材若しくはプレフォー
ム及び／又はマトリックス金属に直接供給してもよい
し、又は物質の分解から生成若しくは生じさせてもよ
い。
複合体の生成速度に影響を及ぼす。即ち、約10体積％未
満の窒素が雰囲気に存在する場合、自発浸透が非常にゆ
っくり生じるか又はほとんど生じない。即ち、少なくと
も約50体積％の窒素が雰囲気に存在して、それにより、
例えば、浸透速度をはるかに大きくして浸透時間を短く
することが好ましいことが見い出された。浸透雰囲気
（例えば、窒素含有ガス）を充填材若しくはプレフォー
ム及び／又はマトリックス金属に直接供給してもよい
し、又は物質の分解から生成若しくは生じさせてもよ
い。
溶融マトリックス金属が充填材又はプレフォームに浸
透させるのに必要とする最少マグネシウム含量は、処理
温度、時間、珪素又は亜鉛等の補助合金元素の有無、充
填材の性質、自発系の一種以上の成分中におけるマグネ
シウムの位置、雰囲気の窒素含量及び窒素雰囲気の流速
等の一種又はそれ以上の変数によって異なる。合金及び
／又はプレフォームのマグネシウム含量を増加すれば、
より低温又はより短い加熱時間で完全な浸透を達成する
ことができる。又、一定のマグネシウム含量の場合、亜
鉛等のある種の補助合金元素を添加すると、より低温を
用いることが可能となる。例えば、使用範囲の下端、即
ち、約１〜３重量％でのマトリックス金属のマグネシウ
ム含量を、上記した最低処理温度、高窒素濃度又は一種
以上の補助合金元素の少なくとも一つとの組み合わせで
用いてもよい。充填材又はプレフォームにマグネシウム
を全く添加しない場合には、多種多様なプロセス条件に
わたる一般的な実用性に基づいて、約３〜５重量％のマ
グネシウムを含有する合金が好ましく、より低い温度及
びより短い時間を用いる場合には、少なくとも約５％が
好ましい。又、浸透に必要とする温度条件を和らげるた
めに、アルミニウムのマグネシウム含量を約10重量％を
超えるものとしてもよい。補助合金元素と組み合わせて
用いるときには、マグネシウム含量を減少させてもよい
が、これらの合金元素は補助的機能しか果たさないの
で、少なくとも上記で規定した最少量のマグネシウムと
一緒に用いる。例えば、10％珪素だけと合金化した公称
純粋アルミニウムは、1000℃では500メッシュの39クリ
ストロン（Crystolon）〔ノートン社（Norton Co.）製
純度99％炭化珪素〕のベッドに実質的に浸透しなかっ
た。しかしながら、マグネシウムが存在すると、珪素が
浸透工程を促進することが判明した。更に、マグネシウ
ムを専らプレフォーム又は充填材に供給する場合には、
その量は異なる。供給されるマグネシウムの総量の少な
くとも一部分をプレフォーム又は充填材に入れる場合に
は、自発系に供給されるマグネシウムの量（重量％）が
もっと少なくても自発浸透が生じることが分かった。金
属マトリックス複合体において、望ましくない金属間化
合物が生成するのを防止するためには、マグネシウムの
量は少ない方が望ましい。炭化珪素プレフォームの場合
には、マグネシウムを少なくとも約１重量％含有するプ
レフォームを、実質的に純粋な窒素雰囲気の存在下で、
アルミニウムマトリックス金属と接触させると、マトリ
ックス金属がプレフォームに自発的に浸透することが分
かった。アルミナプレフォームの場合、許容できる自発
浸透を達成するのに必要なマグネシウムの量は、これよ
りわずかに大きい。即ち、アルミナプレフォームを同様
なアルミニウムマトリックス金属と接触させると、炭化
珪素プレフォームに浸透したアルミニウムとほぼ同じ温
度で且つ同じ窒素雰囲気下で、すぐ上で説明した炭化珪
素プレフォームで達成されたのと同様な自発浸透を達成
するには、少なくとも約３重量％のマグネシウムが必要
であることが分かった。
透させるのに必要とする最少マグネシウム含量は、処理
温度、時間、珪素又は亜鉛等の補助合金元素の有無、充
填材の性質、自発系の一種以上の成分中におけるマグネ
シウムの位置、雰囲気の窒素含量及び窒素雰囲気の流速
等の一種又はそれ以上の変数によって異なる。合金及び
／又はプレフォームのマグネシウム含量を増加すれば、
より低温又はより短い加熱時間で完全な浸透を達成する
ことができる。又、一定のマグネシウム含量の場合、亜
鉛等のある種の補助合金元素を添加すると、より低温を
用いることが可能となる。例えば、使用範囲の下端、即
ち、約１〜３重量％でのマトリックス金属のマグネシウ
ム含量を、上記した最低処理温度、高窒素濃度又は一種
以上の補助合金元素の少なくとも一つとの組み合わせで
用いてもよい。充填材又はプレフォームにマグネシウム
を全く添加しない場合には、多種多様なプロセス条件に
わたる一般的な実用性に基づいて、約３〜５重量％のマ
グネシウムを含有する合金が好ましく、より低い温度及
びより短い時間を用いる場合には、少なくとも約５％が
好ましい。又、浸透に必要とする温度条件を和らげるた
めに、アルミニウムのマグネシウム含量を約10重量％を
超えるものとしてもよい。補助合金元素と組み合わせて
用いるときには、マグネシウム含量を減少させてもよい
が、これらの合金元素は補助的機能しか果たさないの
で、少なくとも上記で規定した最少量のマグネシウムと
一緒に用いる。例えば、10％珪素だけと合金化した公称
純粋アルミニウムは、1000℃では500メッシュの39クリ
ストロン（Crystolon）〔ノートン社（Norton Co.）製
純度99％炭化珪素〕のベッドに実質的に浸透しなかっ
た。しかしながら、マグネシウムが存在すると、珪素が
浸透工程を促進することが判明した。更に、マグネシウ
ムを専らプレフォーム又は充填材に供給する場合には、
その量は異なる。供給されるマグネシウムの総量の少な
くとも一部分をプレフォーム又は充填材に入れる場合に
は、自発系に供給されるマグネシウムの量（重量％）が
もっと少なくても自発浸透が生じることが分かった。金
属マトリックス複合体において、望ましくない金属間化
合物が生成するのを防止するためには、マグネシウムの
量は少ない方が望ましい。炭化珪素プレフォームの場合
には、マグネシウムを少なくとも約１重量％含有するプ
レフォームを、実質的に純粋な窒素雰囲気の存在下で、
アルミニウムマトリックス金属と接触させると、マトリ
ックス金属がプレフォームに自発的に浸透することが分
かった。アルミナプレフォームの場合、許容できる自発
浸透を達成するのに必要なマグネシウムの量は、これよ
りわずかに大きい。即ち、アルミナプレフォームを同様
なアルミニウムマトリックス金属と接触させると、炭化
珪素プレフォームに浸透したアルミニウムとほぼ同じ温
度で且つ同じ窒素雰囲気下で、すぐ上で説明した炭化珪
素プレフォームで達成されたのと同様な自発浸透を達成
するには、少なくとも約３重量％のマグネシウムが必要
であることが分かった。
又、充填材又はプレフォームをマトリックス金属に浸
透させる前に、自発系に対して、浸透増進剤前駆体及び
浸透増進剤を、合金の表面及び／又はプレフォーム若し
くは充填材の表面及び／又はプレフォーム若しくは充填
材内部に供給することも可能である（即ち、供給浸透増
進剤又は浸透増進剤前駆体をマトリックス金属と合金化
する必要がなく、むしろ、単に自発系に供給すればよ
い）。マグネシウムをマトリックス金属の表面に適用す
る場合には、その表面は、充填材の通気性素材に近接若
しくは好ましくは接触している表面であること、又は充
填材の通気性素材がマトリックス金属の表面に最も近接
若しくは好ましくは接触していることが好ましい。又、
このようなマグネシウムは、プレフォーム又は充填材の
少なくとも一部分に混入してもよい。更に、表面への適
用、合金化及びプレフォームの少なくとも一部分へのマ
グネシウムの配置のいくつかを組み合わせて使用するこ
とができる。浸透増進剤及び／又は浸透増進剤前駆体の
適用の組み合わせにより、プレフォームのマトリックス
アルミニウム金属の浸透を促進するために必要なマグネ
シウムの総重量％の減少できるとともに、浸透が生じる
温度を低下させることができる。更に、マグネシウムが
存在するために生成する望ましくない金属間化合物の量
も最少に抑えることもできる。
透させる前に、自発系に対して、浸透増進剤前駆体及び
浸透増進剤を、合金の表面及び／又はプレフォーム若し
くは充填材の表面及び／又はプレフォーム若しくは充填
材内部に供給することも可能である（即ち、供給浸透増
進剤又は浸透増進剤前駆体をマトリックス金属と合金化
する必要がなく、むしろ、単に自発系に供給すればよ
い）。マグネシウムをマトリックス金属の表面に適用す
る場合には、その表面は、充填材の通気性素材に近接若
しくは好ましくは接触している表面であること、又は充
填材の通気性素材がマトリックス金属の表面に最も近接
若しくは好ましくは接触していることが好ましい。又、
このようなマグネシウムは、プレフォーム又は充填材の
少なくとも一部分に混入してもよい。更に、表面への適
用、合金化及びプレフォームの少なくとも一部分へのマ
グネシウムの配置のいくつかを組み合わせて使用するこ
とができる。浸透増進剤及び／又は浸透増進剤前駆体の
適用の組み合わせにより、プレフォームのマトリックス
アルミニウム金属の浸透を促進するために必要なマグネ
シウムの総重量％の減少できるとともに、浸透が生じる
温度を低下させることができる。更に、マグネシウムが
存在するために生成する望ましくない金属間化合物の量
も最少に抑えることもできる。
一種以上の補助合金元素の使用及び周囲ガス中の窒素
濃度も、所定温度でのマトリックス金属の窒化の程度に
影響する。例えば、合金に含ませるか又は合金の表面に
置く亜鉛若しくは鉄等の補助合金元素を使用して、浸透
温度を低下し、それにより、窒化物の生成量を減少で
き、一方、ガス中の窒素濃度を増加すると窒化物の生成
を促進できる。
濃度も、所定温度でのマトリックス金属の窒化の程度に
影響する。例えば、合金に含ませるか又は合金の表面に
置く亜鉛若しくは鉄等の補助合金元素を使用して、浸透
温度を低下し、それにより、窒化物の生成量を減少で
き、一方、ガス中の窒素濃度を増加すると窒化物の生成
を促進できる。
合金に含まれ及び／又は合金の表面に置かれ及び／又
は充填材若しくはプレフォーム材に結合させたマグネシ
ウムの濃度も、所定温度での浸透の程度に影響する傾向
がある。その結果、マグネシウムがプレフォーム又は充
填材とほとんど直接接触しない場合には、少なくとも約
３重量％のマグネシウムを合金に含ませることが好まし
い。１重量％のように、この量未満の合金含量では、浸
透には、より高温のプロセス温度又は補助合金元素が必
要な場合がある。（１）合金のマグネシウム含量のみ
を、例えば、少なくとも約５重量％に増加する場合；及
び／又は（２）合金成分を充填材若しくはプレフォーム
の通気性素材と混合するとき；及び／又は（３）亜鉛又
は鉄等の別の元素がアルミニウム合金に存在する時は、
本発明の自発浸透法を行うのに必要とする温度はもっと
低くてもよい。温度も、充填材の種類により異なる。一
般的に、自発的でかつ進行する浸透は、少なくとも約67
5℃、好ましくは少なくとも約750〜800℃のプロセス温
度で生じる。1200℃を超える温度では、一般的に、本方
法には利点がないと思われ、特に有効な温度範囲は、約
675℃〜約1200℃であることが判明した。しかしなが
ら、原則として、自発浸透温度は、マトリックス金属の
融点を超え且つマトリックス金属の蒸発温度未満であ
る。更に、充填材又はプレフォームが浸透工程の間に充
填材又はプレフォームの多孔性形状を維持する支持体手
段と共に供給されない場合には、自発浸透温度は充填材
又はプレフォームの融点より低い温度にする必要があ
る。このような支持体手段は、他の構成要素は溶融する
が浸透温度で溶融しない、充填材粒子若しくはプレフォ
ーム通路、又は充填材又はプレフォームの素材のある構
成要素上の被覆物からなる。この後者の態様に於いて、
溶融しない構成要素は溶融した構成要素を支持でき、充
填材又はプレフォームの自発浸透のための適当な多孔度
を維持できる。更に、温度が増加するとともに、マトリ
ックス金属と浸透雰囲気との間の反応生成物が生成する
傾向が増加する（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生成す
る場合がある）。このような反応生成物は、金属マトリ
ックス複合体の意図する用途により、望ましいこともあ
れば、望ましくない場合もある。更に、浸透温度を達成
するために、電気抵抗加熱が一般的に使用される。しか
しながら、マトリックス金属が溶融状態となり、自発浸
透に悪影響を及ぼさない加熱手段であれば、本発明で使
用することができる。
は充填材若しくはプレフォーム材に結合させたマグネシ
ウムの濃度も、所定温度での浸透の程度に影響する傾向
がある。その結果、マグネシウムがプレフォーム又は充
填材とほとんど直接接触しない場合には、少なくとも約
３重量％のマグネシウムを合金に含ませることが好まし
い。１重量％のように、この量未満の合金含量では、浸
透には、より高温のプロセス温度又は補助合金元素が必
要な場合がある。（１）合金のマグネシウム含量のみ
を、例えば、少なくとも約５重量％に増加する場合；及
び／又は（２）合金成分を充填材若しくはプレフォーム
の通気性素材と混合するとき；及び／又は（３）亜鉛又
は鉄等の別の元素がアルミニウム合金に存在する時は、
本発明の自発浸透法を行うのに必要とする温度はもっと
低くてもよい。温度も、充填材の種類により異なる。一
般的に、自発的でかつ進行する浸透は、少なくとも約67
5℃、好ましくは少なくとも約750〜800℃のプロセス温
度で生じる。1200℃を超える温度では、一般的に、本方
法には利点がないと思われ、特に有効な温度範囲は、約
675℃〜約1200℃であることが判明した。しかしなが
ら、原則として、自発浸透温度は、マトリックス金属の
融点を超え且つマトリックス金属の蒸発温度未満であ
る。更に、充填材又はプレフォームが浸透工程の間に充
填材又はプレフォームの多孔性形状を維持する支持体手
段と共に供給されない場合には、自発浸透温度は充填材
又はプレフォームの融点より低い温度にする必要があ
る。このような支持体手段は、他の構成要素は溶融する
が浸透温度で溶融しない、充填材粒子若しくはプレフォ
ーム通路、又は充填材又はプレフォームの素材のある構
成要素上の被覆物からなる。この後者の態様に於いて、
溶融しない構成要素は溶融した構成要素を支持でき、充
填材又はプレフォームの自発浸透のための適当な多孔度
を維持できる。更に、温度が増加するとともに、マトリ
ックス金属と浸透雰囲気との間の反応生成物が生成する
傾向が増加する（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生成す
る場合がある）。このような反応生成物は、金属マトリ
ックス複合体の意図する用途により、望ましいこともあ
れば、望ましくない場合もある。更に、浸透温度を達成
するために、電気抵抗加熱が一般的に使用される。しか
しながら、マトリックス金属が溶融状態となり、自発浸
透に悪影響を及ぼさない加熱手段であれば、本発明で使
用することができる。
本発明の方法においては、例えば、通気性充填材又は
プレフォームが、プロセス中の少なくともある時点で窒
素含有ガスの存在下で、溶融アルミニウムと接触状態と
なる。この窒素含有ガスは、ガスの連続流を充填材若し
くはプレフォーム及び／又は溶融アルミニウムマトリッ
クス金属の少なくとも一つと接触を維持することにより
供給できる。窒素含有ガスの流量は重要ではないけれど
も、合金マトリックスにおける窒化物の生成により雰囲
気から損失する窒素を補償するに十分であり、且つ溶融
金属を酸化する場合のある空気の進入を防止又は阻止す
るに十分な流量であることが好ましい。
プレフォームが、プロセス中の少なくともある時点で窒
素含有ガスの存在下で、溶融アルミニウムと接触状態と
なる。この窒素含有ガスは、ガスの連続流を充填材若し
くはプレフォーム及び／又は溶融アルミニウムマトリッ
クス金属の少なくとも一つと接触を維持することにより
供給できる。窒素含有ガスの流量は重要ではないけれど
も、合金マトリックスにおける窒化物の生成により雰囲
気から損失する窒素を補償するに十分であり、且つ溶融
金属を酸化する場合のある空気の進入を防止又は阻止す
るに十分な流量であることが好ましい。
金属マトリックス複合体を形成する方法は、多種多様
の充填材に適用でき、どの充填材を選択するかは、マト
リックス合金、プロセス条件、溶融マトリックス合金と
充填材との反応性及び最終複合体製品に求められる性質
等の因子により異なる。例えば、アルミニウムがマトリ
ックス金属の場合、適当な充填材としては、（ａ）酸化
物、例えば、アルミナ；（ｂ）炭化物、例えば、炭化珪
素；（ｃ）硼化物、例えば、アルミニウムドデカボライ
ド；及び（ｄ）窒化物、例えば、窒化アルミニウムが挙
げられる。充填材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場合には、浸透時間及び温度を最
少限度とするか、又は充填剤に非反応性被覆を設けるこ
とにより適応できる。充填材は、カーボン又は他の非セ
ラミック材料等の基材を包含し、この基材は侵食又は分
解から保護のためにセラミック被膜を有している。適当
なセラミック被膜としては、酸化物、炭化物、硼化物及
び窒化物が挙げられる。本発明の方法に用いるのに好ま
しいセラミックとしては、粒子状、板状、ウイスカー状
及び繊維状のアルミナ及び炭化珪素が挙げられる。繊維
は、不連続（細断した形態）でも又はマルチフィラメン
トトウ等の連続フィラメントでもよい。更に、充填材又
はプレフォームは、均一でも又は不均一でもよい。
の充填材に適用でき、どの充填材を選択するかは、マト
リックス合金、プロセス条件、溶融マトリックス合金と
充填材との反応性及び最終複合体製品に求められる性質
等の因子により異なる。例えば、アルミニウムがマトリ
ックス金属の場合、適当な充填材としては、（ａ）酸化
物、例えば、アルミナ；（ｂ）炭化物、例えば、炭化珪
素；（ｃ）硼化物、例えば、アルミニウムドデカボライ
ド；及び（ｄ）窒化物、例えば、窒化アルミニウムが挙
げられる。充填材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場合には、浸透時間及び温度を最
少限度とするか、又は充填剤に非反応性被覆を設けるこ
とにより適応できる。充填材は、カーボン又は他の非セ
ラミック材料等の基材を包含し、この基材は侵食又は分
解から保護のためにセラミック被膜を有している。適当
なセラミック被膜としては、酸化物、炭化物、硼化物及
び窒化物が挙げられる。本発明の方法に用いるのに好ま
しいセラミックとしては、粒子状、板状、ウイスカー状
及び繊維状のアルミナ及び炭化珪素が挙げられる。繊維
は、不連続（細断した形態）でも又はマルチフィラメン
トトウ等の連続フィラメントでもよい。更に、充填材又
はプレフォームは、均一でも又は不均一でもよい。
又、特定の充填材は、同様な化学組成を有する充填材
に対して優れた浸透性を示すことが判明した。例えば、
「ノーベル セラミック マテリアルズ アンド メソ
ッズ オブ オブ メーキング セーム（Novel Cerami
c Materials and Methods of Making Same）と題する、
マーク・エス・ニューカーク（Mark S. Newkirk）等に
よる1987年12月15日発行の米国特許出願第4,713,360号
に開示されている方法により製造した破砕アルミナ物体
は、市販のアルミナ製品よりも所望の浸透性を示す。更
に、「コンポジット セラミック アーティクルズ ア
ンド メソッズ オブ メーキング セーム（Composit
e Ceramic Articles and Methods of Making Same）と
題する同時継続及び同一出願人による米国特許第819,39
7号〔発明者：マーク・エス・ニューカーク（Mark S. N
ewkirk）等〕に開示されている方法により製造した破砕
アルミナ物体も、市販のアルミナ製品よりも所望の浸透
性を示す。上記特許及び特許出願の各々の内容は、本発
明に利用できる。従って、上記した米国特許及び特許出
願の方法により製造した破砕又は粉砕した物体を用いる
ことにより、より低い浸透温度及び／又はより短い浸透
時間で、セラミック材の通気性素材の完全浸透が生じる
ことが判明した。
に対して優れた浸透性を示すことが判明した。例えば、
「ノーベル セラミック マテリアルズ アンド メソ
ッズ オブ オブ メーキング セーム（Novel Cerami
c Materials and Methods of Making Same）と題する、
マーク・エス・ニューカーク（Mark S. Newkirk）等に
よる1987年12月15日発行の米国特許出願第4,713,360号
に開示されている方法により製造した破砕アルミナ物体
は、市販のアルミナ製品よりも所望の浸透性を示す。更
に、「コンポジット セラミック アーティクルズ ア
ンド メソッズ オブ メーキング セーム（Composit
e Ceramic Articles and Methods of Making Same）と
題する同時継続及び同一出願人による米国特許第819,39
7号〔発明者：マーク・エス・ニューカーク（Mark S. N
ewkirk）等〕に開示されている方法により製造した破砕
アルミナ物体も、市販のアルミナ製品よりも所望の浸透
性を示す。上記特許及び特許出願の各々の内容は、本発
明に利用できる。従って、上記した米国特許及び特許出
願の方法により製造した破砕又は粉砕した物体を用いる
ことにより、より低い浸透温度及び／又はより短い浸透
時間で、セラミック材の通気性素材の完全浸透が生じる
ことが判明した。
充填材のサイズ及び形状は、複合体において望ましい
性質を得るのに必要とされるいずれのものでもよい。従
って、浸透は充填材の形状によっては制限されないの
で、充填材は、粒子状、ウイスカー状、板状又は繊維状
でよい。球体、小管、ペレット、耐火繊維布等の他の形
状を用いてもよい。更に、大きな粒子の場合よりは小さ
い粒子の素材を完全に浸透させるには温度を高めるか又
は時間を長くすることが必要な場合があるが、浸透は、
充填材のサイズによっては制限されない。浸透されるべ
き充填材（プレフォームに賦形した）の素材は、通気性
（即ち、溶融マトリックス金属透過性及び浸透雰囲気透
過性）でなければならない。アルミニウム合金の場合に
は、浸透雰囲気は窒素含有ガスを含むことができる。
性質を得るのに必要とされるいずれのものでもよい。従
って、浸透は充填材の形状によっては制限されないの
で、充填材は、粒子状、ウイスカー状、板状又は繊維状
でよい。球体、小管、ペレット、耐火繊維布等の他の形
状を用いてもよい。更に、大きな粒子の場合よりは小さ
い粒子の素材を完全に浸透させるには温度を高めるか又
は時間を長くすることが必要な場合があるが、浸透は、
充填材のサイズによっては制限されない。浸透されるべ
き充填材（プレフォームに賦形した）の素材は、通気性
（即ち、溶融マトリックス金属透過性及び浸透雰囲気透
過性）でなければならない。アルミニウム合金の場合に
は、浸透雰囲気は窒素含有ガスを含むことができる。
溶融マトリックス金属をプレフォーム又は充填材の素
材に押し込むか又は押し入れるために圧力の使用に依存
しない本発明による金属マトリックス複合体を形成する
方法は、高い充填材体積％及び低い多孔率を有する実質
的に均一な金属マトリックス複合体を製造することが可
能である。充填材の多孔率がより小さい最初の素材を使
用することにより、充填材の体積分率をより高めること
ができる。又、素材が、溶融合金による浸透を禁止する
閉孔を有する成形体又は完全に密な構造（即ち、自発浸
透の発生のための不十分な孔度を有する構造）に転換さ
れないかぎり、充填剤の素材を圧縮又は圧密化すること
により、体積分率を高めることができる。
材に押し込むか又は押し入れるために圧力の使用に依存
しない本発明による金属マトリックス複合体を形成する
方法は、高い充填材体積％及び低い多孔率を有する実質
的に均一な金属マトリックス複合体を製造することが可
能である。充填材の多孔率がより小さい最初の素材を使
用することにより、充填材の体積分率をより高めること
ができる。又、素材が、溶融合金による浸透を禁止する
閉孔を有する成形体又は完全に密な構造（即ち、自発浸
透の発生のための不十分な孔度を有する構造）に転換さ
れないかぎり、充填剤の素材を圧縮又は圧密化すること
により、体積分率を高めることができる。
セラミック充填剤の周囲へのアルミニウムの浸透とマ
トリックスの形成の場合、アルミニウムマトリックスに
よるセラミック充填材の湿潤は、浸透機構の重要な要素
の場合がある。更に、低い処理温度では、金属の窒化は
無視できる程度又は極少量であり、窒化アルミニウムの
生成は金属マトリックスに分散した形態で不連続相が極
少量が生成するだけである。温度範囲の上限に接近する
につれて、金属の窒化はもっと生じ易くなる。従って、
金属マトリックスにおける窒化物相の量は、浸透が生じ
るプロセス温度を変えることにより制御できる。窒化物
生成がより顕著になる特定のプロセス温度も、使用され
るマトリックスアルミニウム合金、充填材若しくはプレ
フォームの体積に対する該合金の量、浸透されるべき充
填材及び浸透雰囲気の窒素濃度等の因子により異なる。
例えば、一定のプロセス温度での窒化アルミニウム生成
の程度は、合金が充填材を湿潤する能力の減少及び雰囲
気の窒素濃度の増加とともに増加するものと思われる。
トリックスの形成の場合、アルミニウムマトリックスに
よるセラミック充填材の湿潤は、浸透機構の重要な要素
の場合がある。更に、低い処理温度では、金属の窒化は
無視できる程度又は極少量であり、窒化アルミニウムの
生成は金属マトリックスに分散した形態で不連続相が極
少量が生成するだけである。温度範囲の上限に接近する
につれて、金属の窒化はもっと生じ易くなる。従って、
金属マトリックスにおける窒化物相の量は、浸透が生じ
るプロセス温度を変えることにより制御できる。窒化物
生成がより顕著になる特定のプロセス温度も、使用され
るマトリックスアルミニウム合金、充填材若しくはプレ
フォームの体積に対する該合金の量、浸透されるべき充
填材及び浸透雰囲気の窒素濃度等の因子により異なる。
例えば、一定のプロセス温度での窒化アルミニウム生成
の程度は、合金が充填材を湿潤する能力の減少及び雰囲
気の窒素濃度の増加とともに増加するものと思われる。
従って、複合体の形成中に金属マトリックスの構造を
作り出し、得られる生成物に特定の特性を付与すること
が可能である。一定の系の場合、プロセス条件を、窒化
物生成を制御するように選択することができる。窒化ア
ルミニウム相を含有する複合体生成物は、生成物に対し
て好ましいか又はその性能を向上できるある種の性質を
示す。更に、アルミニウム合金を自発浸透させるための
温度範囲は、使用するセラミックにより異なってもよ
い。充填材としてアルミナを用いる際、窒化物が著しく
生成することによりマトリックスの延性が減少しないこ
とが望ましい場合には、浸透温度は、好ましくは約1000
℃を超えてはならない。延性がもっと小さく且つ剛さの
大きなマトリックスを有する複合体を製造することが望
ましい場合には、1000℃を超える温度を用いてもよい。
炭化珪素を充填材として用いるときには、アルミニウム
合金は、充填剤としてアルミナを使用するときよりは窒
化の程度が小さいので、炭化珪素に浸透させるには、よ
り高い温度である約1200℃を用いてもよい。
作り出し、得られる生成物に特定の特性を付与すること
が可能である。一定の系の場合、プロセス条件を、窒化
物生成を制御するように選択することができる。窒化ア
ルミニウム相を含有する複合体生成物は、生成物に対し
て好ましいか又はその性能を向上できるある種の性質を
示す。更に、アルミニウム合金を自発浸透させるための
温度範囲は、使用するセラミックにより異なってもよ
い。充填材としてアルミナを用いる際、窒化物が著しく
生成することによりマトリックスの延性が減少しないこ
とが望ましい場合には、浸透温度は、好ましくは約1000
℃を超えてはならない。延性がもっと小さく且つ剛さの
大きなマトリックスを有する複合体を製造することが望
ましい場合には、1000℃を超える温度を用いてもよい。
炭化珪素を充填材として用いるときには、アルミニウム
合金は、充填剤としてアルミナを使用するときよりは窒
化の程度が小さいので、炭化珪素に浸透させるには、よ
り高い温度である約1200℃を用いてもよい。
更に、マトリックス金属の溜を用いて、充填材を確実
に完全に浸透させたり及び／又はマトリックスの第一源
とは異なる組成を有する第二金属を供給することが可能
である。即ち、ある場合には、マトリックス金属の第一
源とは組成が異なるマトリックス金属を溜に用いること
が望ましい場合がある。例えば、アルミニウム合金をマ
トリックス金属の第一源として用いる場合、実際に処理
温度で溶融するいずれの他の金属又は金属合金を溜金属
として用いてもよい。溶融金属は互いに非常によく混和
することがあり、この際、混合が生じるに十分な時間が
ある限り、溜金属はマトリックス金属の第一源と混合す
る。従って、マトリックスの第一源とは異なる組成の溜
金属を用いることにより、種々の操作要件を満たすよう
に金属マトリックスの性質を合わせ、それにより、金属
マトリックス複合体の性質を作り出すことができる。
に完全に浸透させたり及び／又はマトリックスの第一源
とは異なる組成を有する第二金属を供給することが可能
である。即ち、ある場合には、マトリックス金属の第一
源とは組成が異なるマトリックス金属を溜に用いること
が望ましい場合がある。例えば、アルミニウム合金をマ
トリックス金属の第一源として用いる場合、実際に処理
温度で溶融するいずれの他の金属又は金属合金を溜金属
として用いてもよい。溶融金属は互いに非常によく混和
することがあり、この際、混合が生じるに十分な時間が
ある限り、溜金属はマトリックス金属の第一源と混合す
る。従って、マトリックスの第一源とは異なる組成の溜
金属を用いることにより、種々の操作要件を満たすよう
に金属マトリックスの性質を合わせ、それにより、金属
マトリックス複合体の性質を作り出すことができる。
又、本発明と組み合わせてバリヤーを使用することも
できる。具体的には、本発明で使用するバリヤー手段
は、充填材の規定された表面堺界を超えて、溶融マトリ
ックス合金（例えば、アルミニウム合金）が移動、動き
等をするのを妨害、阻止、防止又は終了させるいずれか
の適当な手段でよい。適当なバリヤー手段としては、本
発明のプロセス条件下で、一体性を維持し、揮発せず且
つ好ましくは本発明で使用するガスを透過するととも
に、セラミック充填材の規定された表面を超えて連続し
て浸透又はその他の動きをするのを局部的に阻止、停
止、妨害、防止等をすることが可能な材料、化合物、元
素、組成物等が挙げられる。
できる。具体的には、本発明で使用するバリヤー手段
は、充填材の規定された表面堺界を超えて、溶融マトリ
ックス合金（例えば、アルミニウム合金）が移動、動き
等をするのを妨害、阻止、防止又は終了させるいずれか
の適当な手段でよい。適当なバリヤー手段としては、本
発明のプロセス条件下で、一体性を維持し、揮発せず且
つ好ましくは本発明で使用するガスを透過するととも
に、セラミック充填材の規定された表面を超えて連続し
て浸透又はその他の動きをするのを局部的に阻止、停
止、妨害、防止等をすることが可能な材料、化合物、元
素、組成物等が挙げられる。
適当なバリヤー手段としては、用いられるプロセス条
件下で移動している溶融金属によって実質的に湿潤され
ない材料が挙げられる。この種のバリヤーは、溶融マト
リックス合金に対してほとんど親和性を示さず且つ溶融
マトリックス金属を充填材又はプレフォームの規定され
た表面境界を超えては実質的に移動させない。バリヤー
は、金属マトリックス複合体製品の最終機械加工又は研
磨の必要性を減少させる。上記したように、このバリヤ
ーは、通気性若しくは多孔性であるか又は穴あけにより
通気性にして、ガスを溶融マトリックス合金に接触させ
ることができなければならない。
件下で移動している溶融金属によって実質的に湿潤され
ない材料が挙げられる。この種のバリヤーは、溶融マト
リックス合金に対してほとんど親和性を示さず且つ溶融
マトリックス金属を充填材又はプレフォームの規定され
た表面境界を超えては実質的に移動させない。バリヤー
は、金属マトリックス複合体製品の最終機械加工又は研
磨の必要性を減少させる。上記したように、このバリヤ
ーは、通気性若しくは多孔性であるか又は穴あけにより
通気性にして、ガスを溶融マトリックス合金に接触させ
ることができなければならない。
アルミニウムマトリックスに特に有効なバリヤーの適
当なものとしては、炭素、特に黒鉛として知られている
結晶性同素体状炭素を含有するものが挙げられる。黒鉛
は、説明したプロセス条件下では、溶融アルミニウム合
金によっては実質的に湿潤されない。特に好ましい黒鉛
としては、グラフォイル（Grafoil）（ユニオンカーバ
イド社の登録商標）として販売されている黒鉛テープ製
品が挙げられる。黒鉛テープは、充填材の規定された表
面境界を超えて溶融アルミニウム合金が移動するのを防
止するシーリング性を示す。又、黒鉛テープは、耐熱性
であり且つ化学的に不活性である。グラフォイルは可撓
性、適合性（conpatible）、従型性（conformable）、
弾性（resilient）である。グラフォイル黒鉛テープ
は、バリヤーの用途に適合するように種々の形状に作製
することができる。しかしながら、黒鉛バリヤー手段
は、充填材又はプレフォームの周囲及び境界に、スラリ
ー、ペースト又は塗膜としてでも用いることができる。
グラフォイルは、可撓性黒鉛シートの形態であるので特
に好ましい。使用に際して、この紙様黒鉛は、充填材又
はプレフォームの周囲に簡単に成形される。
当なものとしては、炭素、特に黒鉛として知られている
結晶性同素体状炭素を含有するものが挙げられる。黒鉛
は、説明したプロセス条件下では、溶融アルミニウム合
金によっては実質的に湿潤されない。特に好ましい黒鉛
としては、グラフォイル（Grafoil）（ユニオンカーバ
イド社の登録商標）として販売されている黒鉛テープ製
品が挙げられる。黒鉛テープは、充填材の規定された表
面境界を超えて溶融アルミニウム合金が移動するのを防
止するシーリング性を示す。又、黒鉛テープは、耐熱性
であり且つ化学的に不活性である。グラフォイルは可撓
性、適合性（conpatible）、従型性（conformable）、
弾性（resilient）である。グラフォイル黒鉛テープ
は、バリヤーの用途に適合するように種々の形状に作製
することができる。しかしながら、黒鉛バリヤー手段
は、充填材又はプレフォームの周囲及び境界に、スラリ
ー、ペースト又は塗膜としてでも用いることができる。
グラフォイルは、可撓性黒鉛シートの形態であるので特
に好ましい。使用に際して、この紙様黒鉛は、充填材又
はプレフォームの周囲に簡単に成形される。
窒素雰囲気におけるアルミニウム金属マトリックス合
金に関する他の好ましいバリヤーとして、このバリヤー
材を用いたときに使用する一定のプロセス条件下で、溶
融アルミニウム金属合金により一般的に湿潤されない遷
移金属硼化物〔例えば、二硼化チタン（TiB2）〕であ
る。この種のバリヤーの場合、プロセス温度は約875℃
を超えてはならず、この温度を超えると、バリヤー材の
有効性が低下し、実際に、温度を上げるとバリヤーへの
浸透が生じる。遷移金属硼化物は、一般的には粒状（１
〜30ミクロン）である。バリヤー材は、スラリー又はペ
ーストの形態で、好ましくはプレフォームとして賦形し
たセラミック充填材の通気性素材の境界に適用してもよ
い。
金に関する他の好ましいバリヤーとして、このバリヤー
材を用いたときに使用する一定のプロセス条件下で、溶
融アルミニウム金属合金により一般的に湿潤されない遷
移金属硼化物〔例えば、二硼化チタン（TiB2）〕であ
る。この種のバリヤーの場合、プロセス温度は約875℃
を超えてはならず、この温度を超えると、バリヤー材の
有効性が低下し、実際に、温度を上げるとバリヤーへの
浸透が生じる。遷移金属硼化物は、一般的には粒状（１
〜30ミクロン）である。バリヤー材は、スラリー又はペ
ーストの形態で、好ましくはプレフォームとして賦形し
たセラミック充填材の通気性素材の境界に適用してもよ
い。
窒素雰囲気におけるアルミニウム金属マトリックス合
金に関する他の好ましいバリヤーとして、充填材又はプ
レフォームの外表面上にフィルム又は層として適用され
る低揮発性有機化合物が挙げられる。窒素中、特に本発
明のプロセス条件で焼成すると、有機化合物が分解して
カーボンスート（soot）フィルムが残る。有機化合物
は、塗装、噴霧、浸漬等の従来の手段により適用でき
る。
金に関する他の好ましいバリヤーとして、充填材又はプ
レフォームの外表面上にフィルム又は層として適用され
る低揮発性有機化合物が挙げられる。窒素中、特に本発
明のプロセス条件で焼成すると、有機化合物が分解して
カーボンスート（soot）フィルムが残る。有機化合物
は、塗装、噴霧、浸漬等の従来の手段により適用でき
る。
更に、微粉砕した粒状物質は、粒状物質への浸透が充
填材への浸透より遅い速度で生じる限り、バリヤーとし
て機能することができる。
填材への浸透より遅い速度で生じる限り、バリヤーとし
て機能することができる。
したがって、バリヤー手段は、規定された表面境界を
バリヤー手段の層で被覆する等の何れかの適当な手段に
より適用できる。このようなバリヤー手段の層は、塗
装、浸漬、スクリーン印刷、蒸着、又は液体、スラリー
若しくはペーストの形態でバリヤー手段に塗布すること
により、又は揮発性バリヤー手段のスパッタリングによ
り、又は固形粒子バリヤー手段の層を単に付着させるこ
とにより、又はバリヤー手段の固形薄シート若しくはフ
ィルムを、規定された表面境界上に適用することにより
適用できる。所定の位置にバリヤー手段を用いた場合、
浸透マトリックス金属が規定された表面境界に到達し且
つバリヤー手段に接触すると、自発浸透が実質的に終了
する。
バリヤー手段の層で被覆する等の何れかの適当な手段に
より適用できる。このようなバリヤー手段の層は、塗
装、浸漬、スクリーン印刷、蒸着、又は液体、スラリー
若しくはペーストの形態でバリヤー手段に塗布すること
により、又は揮発性バリヤー手段のスパッタリングによ
り、又は固形粒子バリヤー手段の層を単に付着させるこ
とにより、又はバリヤー手段の固形薄シート若しくはフ
ィルムを、規定された表面境界上に適用することにより
適用できる。所定の位置にバリヤー手段を用いた場合、
浸透マトリックス金属が規定された表面境界に到達し且
つバリヤー手段に接触すると、自発浸透が実質的に終了
する。
上記技術の使用を通して、本発明は、形成された金属
マトリックス複合体を少なくとも一つの第二又は追加の
物体に結合又は一体に付着できる技術を提供する。この
物体は、セラミックマトリックス体：セラミックマトリ
ックス複合体、即ちセラミックマトリックス埋め込み充
填材：金属物体：金属マトリックス複合体：及び／又は
上記材料の全ての組み合わせからなる。本発明により製
造された最終製品は、充填材又はプレフォームの素材に
マトリックス金属を自発浸透させることにより形成され
た少なくとも一つの金属マトリックス複合体からなり、
上記物質の少なくとも１種からなる少なくとも一つの物
体に結合又は一体的に付着されているマクロ複合体であ
る。かくして、本発明の最終製品は、一つ又はそれ以上
の表面上で上記材料の少なくとも１種からなる少なくと
も一つの物体に結合した自発浸透された金属マトリック
ス複合体の、事実上無限の数の順列及び組み合わせを含
むことができる。
マトリックス複合体を少なくとも一つの第二又は追加の
物体に結合又は一体に付着できる技術を提供する。この
物体は、セラミックマトリックス体：セラミックマトリ
ックス複合体、即ちセラミックマトリックス埋め込み充
填材：金属物体：金属マトリックス複合体：及び／又は
上記材料の全ての組み合わせからなる。本発明により製
造された最終製品は、充填材又はプレフォームの素材に
マトリックス金属を自発浸透させることにより形成され
た少なくとも一つの金属マトリックス複合体からなり、
上記物質の少なくとも１種からなる少なくとも一つの物
体に結合又は一体的に付着されているマクロ複合体であ
る。かくして、本発明の最終製品は、一つ又はそれ以上
の表面上で上記材料の少なくとも１種からなる少なくと
も一つの物体に結合した自発浸透された金属マトリック
ス複合体の、事実上無限の数の順列及び組み合わせを含
むことができる。
以下の実施例2,3及び５に示すように、本発明は、一
つの自発浸透工程で多層マクロ複合体を形成させること
ができる。特に、溶融マトリックス金属は、セラミック
体のような第二又は追加の物体と接触している充填材又
はプレフォームの素材中に自発浸透できる。充填材又は
プレフォームと該第二又は追加の物体との界面にまで、
充填材又はプレフォームに浸透させる際に、溶融マトリ
ックス金属は、単独又は充填材又はプレフォームとの組
み合わせの何れかで、系を冷却した際に金属マトリック
ス複合体が第二又は追加の物体に結合又は一体に付着す
ることを許容するような方法で、該第二又は追加の物体
と相互作用する。かくして、実施例2,3及び５に記載し
た技術を使用することによって、どのような数の第二又
は追加の物体でも充填材又はプレフォームの中又は周り
に置くことができ、溶融マトリックス金属が充填材又は
プレフォームと該第二又は追加の物体との界面にまで充
填材又はプレフォームの素材に浸透したとき、マトリッ
クス金属の融点及び系内の全ての他の物体の融点の両方
より低い温度に系を冷却する際に、金属マトリックス複
合体と他の物体との間に一体的付着又は結合が生じる。
つの自発浸透工程で多層マクロ複合体を形成させること
ができる。特に、溶融マトリックス金属は、セラミック
体のような第二又は追加の物体と接触している充填材又
はプレフォームの素材中に自発浸透できる。充填材又は
プレフォームと該第二又は追加の物体との界面にまで、
充填材又はプレフォームに浸透させる際に、溶融マトリ
ックス金属は、単独又は充填材又はプレフォームとの組
み合わせの何れかで、系を冷却した際に金属マトリック
ス複合体が第二又は追加の物体に結合又は一体に付着す
ることを許容するような方法で、該第二又は追加の物体
と相互作用する。かくして、実施例2,3及び５に記載し
た技術を使用することによって、どのような数の第二又
は追加の物体でも充填材又はプレフォームの中又は周り
に置くことができ、溶融マトリックス金属が充填材又は
プレフォームと該第二又は追加の物体との界面にまで充
填材又はプレフォームの素材に浸透したとき、マトリッ
クス金属の融点及び系内の全ての他の物体の融点の両方
より低い温度に系を冷却する際に、金属マトリックス複
合体と他の物体との間に一体的付着又は結合が生じる。
自発浸透された金属マトリックス複合体と第二又は追
加の物体との間に強い結合又は一体的付着を形成するこ
とに加えて、本発明はまた第二又は追加の物体を金属マ
トリックス複合体による圧縮下に置くことができる技術
を提供する。また、金属マトリックス複合体を第二又は
追加の物体による圧縮下に置くことができる。かくし
て、金属マトリックス複合体は少なくとも部分的に他の
物体を含むことができ、金属マトリックス複合体の熱膨
張係数が、含まれる第二又は追加の物体の熱膨張係数よ
りも大きい場合には、金属マトリックス複合体は浸透温
度から冷却する際に含有する物体を圧縮下に置く。ま
た、金属マトリックス複合体は、金属マトリックス複合
体よりも大きい熱膨張係数を有する第二又は追加の物体
内に部分的に形成することができる。かくして、冷却の
際に、第二又は追加の物体内に含まれる金属マトリック
ス複合体の部分は第二又は追加の物体により圧縮下に置
かれることになる。
加の物体との間に強い結合又は一体的付着を形成するこ
とに加えて、本発明はまた第二又は追加の物体を金属マ
トリックス複合体による圧縮下に置くことができる技術
を提供する。また、金属マトリックス複合体を第二又は
追加の物体による圧縮下に置くことができる。かくし
て、金属マトリックス複合体は少なくとも部分的に他の
物体を含むことができ、金属マトリックス複合体の熱膨
張係数が、含まれる第二又は追加の物体の熱膨張係数よ
りも大きい場合には、金属マトリックス複合体は浸透温
度から冷却する際に含有する物体を圧縮下に置く。ま
た、金属マトリックス複合体は、金属マトリックス複合
体よりも大きい熱膨張係数を有する第二又は追加の物体
内に部分的に形成することができる。かくして、冷却の
際に、第二又は追加の物体内に含まれる金属マトリック
ス複合体の部分は第二又は追加の物体により圧縮下に置
かれることになる。
本発明の技術は、事実上あらゆる長さの連続マクロ複
合体鎖を製造するのに採用できる。特に、本発明のプロ
セスは、例えば、原料物質の連続流をマトリックス金属
をその融点以上の温度に加熱する炉に通すことができ、
この溶融マトリックス金属が予め設定された容積の充填
材又はプレフォームに浸透するために十分な時間該マト
リックス金属を溶融状態にし、浸透された充填材が冷却
された場合（例えば、炉から取り出す場合）、マトリッ
クス金属が固化温度まで冷却され、それにより金属マト
リックス複合体を生成する、連続製造方法に採用でき
る。この連続プロセスの使用により、金属マトリックス
複合体は第二物質に結合し、第二物質は他の金属マトリ
ックス複合体に結合し、他の金属マトリックス複合体は
他の第二物質に結合したりすることができる。溶融マト
リックス金属はその場で供給することができ、又は、例
えば、マトリックス金属の受容槽から供給される第二の
流れを通して炉に連続的に供給することができる。更
に、GrafoilR（本明細書に記載）のようなバリヤー物質
の層を、マクロ複合体鎖の予め設定されたセグメントの
間に介在させ、それによりバリヤー層で鎖を終結させる
ことができる。
合体鎖を製造するのに採用できる。特に、本発明のプロ
セスは、例えば、原料物質の連続流をマトリックス金属
をその融点以上の温度に加熱する炉に通すことができ、
この溶融マトリックス金属が予め設定された容積の充填
材又はプレフォームに浸透するために十分な時間該マト
リックス金属を溶融状態にし、浸透された充填材が冷却
された場合（例えば、炉から取り出す場合）、マトリッ
クス金属が固化温度まで冷却され、それにより金属マト
リックス複合体を生成する、連続製造方法に採用でき
る。この連続プロセスの使用により、金属マトリックス
複合体は第二物質に結合し、第二物質は他の金属マトリ
ックス複合体に結合し、他の金属マトリックス複合体は
他の第二物質に結合したりすることができる。溶融マト
リックス金属はその場で供給することができ、又は、例
えば、マトリックス金属の受容槽から供給される第二の
流れを通して炉に連続的に供給することができる。更
に、GrafoilR（本明細書に記載）のようなバリヤー物質
の層を、マクロ複合体鎖の予め設定されたセグメントの
間に介在させ、それによりバリヤー層で鎖を終結させる
ことができる。
金属マトリックス複合体の第二又は追加の物体への一
体的付着又は結合は、機械的結合技術を使用することに
より増強できる。特に、金属マトリックス複合体又は第
二若しくは追加の物体の一つ又は両方の表面は、ノッ
チ、孔、細孔、又は結合又は付着が行われる物体の表面
上の対応する逆の形状に合致している全ての他の表面凹
凸を有していてもよい。これらの逆に合致した凹凸は、
金属マトリックス複合体と第二又は追加の物体との間に
作られる化学結合に加えて機械的結合を作る。これらの
結合又は付着機構の組み合わせは、別々の結合又は付着
機構の何れよりも強い結合又は付着を作ることができ
る。
体的付着又は結合は、機械的結合技術を使用することに
より増強できる。特に、金属マトリックス複合体又は第
二若しくは追加の物体の一つ又は両方の表面は、ノッ
チ、孔、細孔、又は結合又は付着が行われる物体の表面
上の対応する逆の形状に合致している全ての他の表面凹
凸を有していてもよい。これらの逆に合致した凹凸は、
金属マトリックス複合体と第二又は追加の物体との間に
作られる化学結合に加えて機械的結合を作る。これらの
結合又は付着機構の組み合わせは、別々の結合又は付着
機構の何れよりも強い結合又は付着を作ることができ
る。
本発明の技術により製造された製品は、高温、摩滅、
腐食、侵食、熱応力、摩擦、及び／又は多くの他の応力
に耐えなくてはならない表面を必要とする工業的応力の
ために有用である。かくして、本発明に係るプロセス
は、金属マトリックス複合体、セラミックマトリックス
複合体、金属、又はこれらのものの組み合わせからなる
表面を使用して増強されたその性能を有する工業製品の
実際的製造に有用である。これらの性質及び特徴に於い
て異なる物質の層を有するマクロ複合体を作るための技
術を提供することにより、これまで従来の物質を使用し
ては満足することが実際的でないか又は不可能であると
考えられていた多くの工業的応用が、本発明のプロセス
により製造されるマクロ複合体の適当なエンジニヤリン
グにより満足裡に行いうるようになった。特に、条件の
ある設定に耐える物体の一部、及び条件の異なった設定
に耐える物体の他の部分を必要とする工業的応用は、所
望の工業的部品の形状を有するマクロ複合体中に形成さ
れる２種又はそれ以上の異なった種類の物質を使用する
ことにより今や満足される。更に、本明細書に記載した
プレフォーム及びバリヤー技術を使用することにより、
自発浸透工程の後で殆ど又は全く最終機械加工を必要と
しない、正味の又は正味に近い形状のマクロ複合体が形
成できる。
腐食、侵食、熱応力、摩擦、及び／又は多くの他の応力
に耐えなくてはならない表面を必要とする工業的応力の
ために有用である。かくして、本発明に係るプロセス
は、金属マトリックス複合体、セラミックマトリックス
複合体、金属、又はこれらのものの組み合わせからなる
表面を使用して増強されたその性能を有する工業製品の
実際的製造に有用である。これらの性質及び特徴に於い
て異なる物質の層を有するマクロ複合体を作るための技
術を提供することにより、これまで従来の物質を使用し
ては満足することが実際的でないか又は不可能であると
考えられていた多くの工業的応用が、本発明のプロセス
により製造されるマクロ複合体の適当なエンジニヤリン
グにより満足裡に行いうるようになった。特に、条件の
ある設定に耐える物体の一部、及び条件の異なった設定
に耐える物体の他の部分を必要とする工業的応用は、所
望の工業的部品の形状を有するマクロ複合体中に形成さ
れる２種又はそれ以上の異なった種類の物質を使用する
ことにより今や満足される。更に、本明細書に記載した
プレフォーム及びバリヤー技術を使用することにより、
自発浸透工程の後で殆ど又は全く最終機械加工を必要と
しない、正味の又は正味に近い形状のマクロ複合体が形
成できる。
かくして、本発明の方法により製造された製品は、実
際上無制限の工業的可能性を有し、今日物質世界に存在
する多くの最も挑戦的エンジニヤリング要求を満足させ
ることを助ける。
際上無制限の工業的可能性を有し、今日物質世界に存在
する多くの最も挑戦的エンジニヤリング要求を満足させ
ることを助ける。
以下、実施例により種々の態様を説明する。しかしな
がら、実施例は、本発明を説明するものであって、特許
請求の範囲に記載した本発明の範囲を限定するものでは
ない。
がら、実施例は、本発明を説明するものであって、特許
請求の範囲に記載した本発明の範囲を限定するものでは
ない。
実施例１ 本実施例は、マトリックス金属の固体片に一体的に付
着又は結合した、成形された金属マトリックス複合体を
得るために、成形されたプレフォーム中への溶融マトリ
ックス金属の自発浸透を使用することが可能であること
を示す。
着又は結合した、成形された金属マトリックス複合体を
得るために、成形されたプレフォーム中への溶融マトリ
ックス金属の自発浸透を使用することが可能であること
を示す。
第１図を参照して、約２インチX2インチX1/2インチの
寸法を有し、重量で約５％シリコン、５％Mg、及び残部
アルミニウムからなる、マトリックス金属のインゴット
２を、約２インチX2インチX1/2インチの寸法を有するプ
レフォーム４の上に置いた。プレフォーム４は、Alcan
からのC-75未粉砕焼成（calcified）アルミナをElmer's
Wood Glue（Elmerのウッドグルー）（Bordon Co.か
ら）と混合することにより製造した。使用したElmer's
Wood Glueの重量は、C-75未粉砕硬化アルミナの約10重
量％であった。このElmer's Wood Glue/アルミナ混合物
にスラリーを作るに十分な水を添加した。スラリーを十
分混合し、ゴム金型中に注型した。次いでゴム金型とそ
の内容物を、ゴム金型の内容物が完全に凍結するまで冷
凍庫中に置いた。この時点で、凍結したプレフォームを
ゴム金型から取り出し乾燥させた。
寸法を有し、重量で約５％シリコン、５％Mg、及び残部
アルミニウムからなる、マトリックス金属のインゴット
２を、約２インチX2インチX1/2インチの寸法を有するプ
レフォーム４の上に置いた。プレフォーム４は、Alcan
からのC-75未粉砕焼成（calcified）アルミナをElmer's
Wood Glue（Elmerのウッドグルー）（Bordon Co.か
ら）と混合することにより製造した。使用したElmer's
Wood Glueの重量は、C-75未粉砕硬化アルミナの約10重
量％であった。このElmer's Wood Glue/アルミナ混合物
にスラリーを作るに十分な水を添加した。スラリーを十
分混合し、ゴム金型中に注型した。次いでゴム金型とそ
の内容物を、ゴム金型の内容物が完全に凍結するまで冷
凍庫中に置いた。この時点で、凍結したプレフォームを
ゴム金型から取り出し乾燥させた。
第１図に示すように、プレフォーム４とマトリックス
金属インゴット２の組立体を、Bolt Technical Ceramic
sから入手したアルミナ耐火物ボート６中に含まれるUni
on CarbideからのGrade HTC二ホウ化チタンの約1/2イン
チ厚さの層の上に置いた。次いで、追加のGrade HTC二
ホウ化チタンを、二ホウ化チタン床８の表面がマトリッ
クス金属インゴット２の上表面と大体同じレベルになる
まで耐火物ボート６に添加した。
金属インゴット２の組立体を、Bolt Technical Ceramic
sから入手したアルミナ耐火物ボート６中に含まれるUni
on CarbideからのGrade HTC二ホウ化チタンの約1/2イン
チ厚さの層の上に置いた。次いで、追加のGrade HTC二
ホウ化チタンを、二ホウ化チタン床８の表面がマトリッ
クス金属インゴット２の上表面と大体同じレベルになる
まで耐火物ボート６に添加した。
耐火物ボート６とその内容物からなる組立体を、室温
で制御された雰囲気の電気抵抗加熱真空炉中に置いた。
炉内を高真空（約1X10-4torr）にし、温度が室温から約
200℃に上昇する間維持した。炉とその内容物を約２時
間約200℃に保持し、その後、形成ガス（約96容積％の
窒素、４容積％の水素）を約１気圧になるまで炉内に戻
して充填し、約1000cc/分の連続形成ガス流速を維持し
た。次いで炉の温度を約10時間かけて約875℃まで傾斜
させて上昇し、約875℃で約15時間保持し、そして約５
時間かけて室温に傾斜させて低下させた。室温に達した
とき、組立体を炉から取り出して解体した。マトリック
ス金属により浸透されたアルミナプレフォームからなる
金属マトリックス複合体が得られた。第２図に示すよう
に、金属マトリックス複合体10は過剰の残留マトリック
ス金属12と一体的に結合していた。
で制御された雰囲気の電気抵抗加熱真空炉中に置いた。
炉内を高真空（約1X10-4torr）にし、温度が室温から約
200℃に上昇する間維持した。炉とその内容物を約２時
間約200℃に保持し、その後、形成ガス（約96容積％の
窒素、４容積％の水素）を約１気圧になるまで炉内に戻
して充填し、約1000cc/分の連続形成ガス流速を維持し
た。次いで炉の温度を約10時間かけて約875℃まで傾斜
させて上昇し、約875℃で約15時間保持し、そして約５
時間かけて室温に傾斜させて低下させた。室温に達した
とき、組立体を炉から取り出して解体した。マトリック
ス金属により浸透されたアルミナプレフォームからなる
金属マトリックス複合体が得られた。第２図に示すよう
に、金属マトリックス複合体10は過剰の残留マトリック
ス金属12と一体的に結合していた。
かくして、この実施例は、自発浸透の使用により、過
剰のマトリックス金属の固体片に一体的に結合した成形
された金属マトリックス複合体を作ることが可能である
ことを示していた。
剰のマトリックス金属の固体片に一体的に結合した成形
された金属マトリックス複合体を作ることが可能である
ことを示していた。
実施例２ 次の実施例は、セラミック体に順繰りに一体的に付着
又は結合した金属マトリックス複合体に一体的に付着又
は結合した過剰のマトリックス金属からなるマクロ複合
体を製造するために、充填材が床へマトリックス金属を
自発浸透することが可能であることを示す。
又は結合した金属マトリックス複合体に一体的に付着又
は結合した過剰のマトリックス金属からなるマクロ複合
体を製造するために、充填材が床へマトリックス金属を
自発浸透することが可能であることを示す。
第３図に示すように、それぞれ約２インチX1インチX1
/2インチの寸法を有し、重量で約３％シリコン、３％M
g、および残部アルミニウムからなる、４個のマトリッ
クス金属のインゴット14を、38 Alundumの商品名で知ら
れNorton Co.で製造された90グリットアルミナ材料の床
16の上に置いた。90グリットアルミナ物質の床16を、Bo
lt Technical Ceramicsにより製造されたアルミナ耐火
物ボート18中に入れた。マトリックス金属インゴット14
を第３図に示すように配置した。
/2インチの寸法を有し、重量で約３％シリコン、３％M
g、および残部アルミニウムからなる、４個のマトリッ
クス金属のインゴット14を、38 Alundumの商品名で知ら
れNorton Co.で製造された90グリットアルミナ材料の床
16の上に置いた。90グリットアルミナ物質の床16を、Bo
lt Technical Ceramicsにより製造されたアルミナ耐火
物ボート18中に入れた。マトリックス金属インゴット14
を第３図に示すように配置した。
耐火物ボート18とその内容物からなる組立体を、管型
炉に置き、形成ガス（約96容積％の窒素、４容積％の水
素）を約300cc/分のガス流速で炉内に流した。次いで炉
の温度を約10時間かけて室温から約1000℃まで上昇さ
せ、約1000℃で約10時間保持し、そして約６時間かけて
室温に傾斜させて低下させた。
炉に置き、形成ガス（約96容積％の窒素、４容積％の水
素）を約300cc/分のガス流速で炉内に流した。次いで炉
の温度を約10時間かけて室温から約1000℃まで上昇さ
せ、約1000℃で約10時間保持し、そして約６時間かけて
室温に傾斜させて低下させた。
室温に達した後、組立体を炉から取り出して解体し
た。マトリックス金属により浸透された90グリット、38
Alundumからなる金属マトリックス複合体が得られた。
金属マトリックス複合体はアルミナ耐火物ボート18と過
剰のマトリックス金属の物体との両方に一体的に付着又
は結合していた。第４図は、アルミナ耐火物ボート22と
金属マトリックス複合体24との間の界面20を示す顕微鏡
写真である。この図は、金属マトリックス複合体−アル
ミナ耐火物ボート界面で良好な結合又は付着が得られて
いることを示している。第４図には示されないけれど
も、過剰のマトリックス金属−金属マトリックス複合体
界面でも強い結合又は良好な付着があった。この結合
は、過剰のマトリックス金属が機械加工無しに除くこと
ができなかった事実により立証される。
た。マトリックス金属により浸透された90グリット、38
Alundumからなる金属マトリックス複合体が得られた。
金属マトリックス複合体はアルミナ耐火物ボート18と過
剰のマトリックス金属の物体との両方に一体的に付着又
は結合していた。第４図は、アルミナ耐火物ボート22と
金属マトリックス複合体24との間の界面20を示す顕微鏡
写真である。この図は、金属マトリックス複合体−アル
ミナ耐火物ボート界面で良好な結合又は付着が得られて
いることを示している。第４図には示されないけれど
も、過剰のマトリックス金属−金属マトリックス複合体
界面でも強い結合又は良好な付着があった。この結合
は、過剰のマトリックス金属が機械加工無しに除くこと
ができなかった事実により立証される。
第５図は、この実施例で形成された金属マトリックス
複合体のミクロ構造の高倍率で撮った顕微鏡写真であ
る。26の線により示されるように、大量の窒化アルミニ
ウムが金属マトリックス複合体内に形成された。窒化ア
ルミニウム26は第５図で黒灰色層として現れ、一方、マ
トリックス金属28は明灰色層として現れ、90グリット、
38 Alundumは黒色粒子30として現れている。かくして、
この実施例は更に、浸透マトリックス金属と浸透雰囲気
との間の反応生成物を含む金属マトリックス複合体のミ
クロ構造を適合するように作ることが可能であることを
示している。
複合体のミクロ構造の高倍率で撮った顕微鏡写真であ
る。26の線により示されるように、大量の窒化アルミニ
ウムが金属マトリックス複合体内に形成された。窒化ア
ルミニウム26は第５図で黒灰色層として現れ、一方、マ
トリックス金属28は明灰色層として現れ、90グリット、
38 Alundumは黒色粒子30として現れている。かくして、
この実施例は更に、浸透マトリックス金属と浸透雰囲気
との間の反応生成物を含む金属マトリックス複合体のミ
クロ構造を適合するように作ることが可能であることを
示している。
かくして、この実施例は、セラミック体に順繰りに一
体的に付着又は結合した金属マトリックス複合体に一体
的に付着又は結合した過剰のマトリックス金属からなる
マクロ複合体を作るために、自発浸透を使用することが
可能であることを示している。更に、この実施例は、金
属マトリックス複合体のミクロ構造が、マトリックス金
属と浸透雰囲気との間に反応生成物を形成させることに
より修正できることを示している。
体的に付着又は結合した金属マトリックス複合体に一体
的に付着又は結合した過剰のマトリックス金属からなる
マクロ複合体を作るために、自発浸透を使用することが
可能であることを示している。更に、この実施例は、金
属マトリックス複合体のミクロ構造が、マトリックス金
属と浸透雰囲気との間に反応生成物を形成させることに
より修正できることを示している。
実施例３ 次の実施例は、セラミック体に順繰りに一体的に付着
又は結合した金属マトリックス複合体に一体的に付着又
は結合した過剰のマトリックス金属からなるマクロ複合
体を作ることが可能であることを示す。
又は結合した金属マトリックス複合体に一体的に付着又
は結合した過剰のマトリックス金属からなるマクロ複合
体を作ることが可能であることを示す。
第６図に示すように、３インチX4インチX1/2インチの
概略寸法を有する商業的に入手できるアルミナ板32（Co
orsにより製造されたAD85）を、アルミナ耐火物ボート3
4の中の、38 Alundumの商品名で知られNorton Co.で製
造された90グリットアルミナ物質の約1/2インチ厚さの
層の上に置いた。次いで、追加の38 Alundumを、アルミ
ナ板32が38 Alundumの約１インチの厚さの層で覆われる
まで耐火物ボート34に加えた。重量で約５％シリコン、
３％Mg、６％亜鉛及び残部アルミニウムからなるマトリ
ックス金属の２本の棒36を、それらがアルミナ板の上に
直接あるように38 Alundumの上に置いた。マトリックス
金属の各棒36は、41/2インチX2インチX1/2インチの概略
寸法を有しており、２本のマトリックス金属棒36は第６
図に示すように、一つの他の上に重ねた。この時点で、
追加の38 Alundumを、38 Alundumの床38の表面が上側の
マトリックス金属棒36の表面と大体同じレベルになるま
で耐火物ボート34に添加した。
概略寸法を有する商業的に入手できるアルミナ板32（Co
orsにより製造されたAD85）を、アルミナ耐火物ボート3
4の中の、38 Alundumの商品名で知られNorton Co.で製
造された90グリットアルミナ物質の約1/2インチ厚さの
層の上に置いた。次いで、追加の38 Alundumを、アルミ
ナ板32が38 Alundumの約１インチの厚さの層で覆われる
まで耐火物ボート34に加えた。重量で約５％シリコン、
３％Mg、６％亜鉛及び残部アルミニウムからなるマトリ
ックス金属の２本の棒36を、それらがアルミナ板の上に
直接あるように38 Alundumの上に置いた。マトリックス
金属の各棒36は、41/2インチX2インチX1/2インチの概略
寸法を有しており、２本のマトリックス金属棒36は第６
図に示すように、一つの他の上に重ねた。この時点で、
追加の38 Alundumを、38 Alundumの床38の表面が上側の
マトリックス金属棒36の表面と大体同じレベルになるま
で耐火物ボート34に添加した。
アルミナ耐火物ボート34とその内容物からなる組立体
を、室温で電気抵抗加熱マッフル管型炉に置き、形成ガ
ス（約96容積％の窒素、４容積％の水素）を約350cc/分
のガス流速で炉内に連続的に流した。炉の温度を約12時
間かけて室温から約1000℃まで上昇させ、約1000℃で約
18時間保持し、そして約５時間かけて室温に傾斜させて
低下させた。
を、室温で電気抵抗加熱マッフル管型炉に置き、形成ガ
ス（約96容積％の窒素、４容積％の水素）を約350cc/分
のガス流速で炉内に連続的に流した。炉の温度を約12時
間かけて室温から約1000℃まで上昇させ、約1000℃で約
18時間保持し、そして約５時間かけて室温に傾斜させて
低下させた。
室温に達した後、組立体を炉から取り出し解体した。
第７図は、組立体から得たマクロ複合体40の断面を示す
写真である。特に、過剰のマトリックス金属42の物体は
金属マトリックス複合体44に一体的に付着又は結合して
おり、金属マトリックス複合体44はマトリックス合金に
より埋め込まれた90グリット、38 Alundumからなり、順
繰りにセラミック板46に一体的に付着又は結合してい
る。かくして、この実施例は、金属マトリックス複合体
の反対側にあるセラミック片と固体金属片とに結合して
いる金属マトリックス複合体からなる多層マクロ複合体
を形成することが可能であることを示している。更に、
この実施例は、１段の自発浸透工程でこのような多層マ
クロ複合体を形成できることを示している。
第７図は、組立体から得たマクロ複合体40の断面を示す
写真である。特に、過剰のマトリックス金属42の物体は
金属マトリックス複合体44に一体的に付着又は結合して
おり、金属マトリックス複合体44はマトリックス合金に
より埋め込まれた90グリット、38 Alundumからなり、順
繰りにセラミック板46に一体的に付着又は結合してい
る。かくして、この実施例は、金属マトリックス複合体
の反対側にあるセラミック片と固体金属片とに結合して
いる金属マトリックス複合体からなる多層マクロ複合体
を形成することが可能であることを示している。更に、
この実施例は、１段の自発浸透工程でこのような多層マ
クロ複合体を形成できることを示している。
実施例４ 次の実施例は、固体マトリックス金属の物体に一体的
に付着した、金属マトリックス複合体を形成できること
が可能であることを示す。
に付着した、金属マトリックス複合体を形成できること
が可能であることを示す。
第８図に示すように、Union Carbideにより製造され
商品名GrafoilRで販売されている15/1000インチ厚さのG
rade GTBグラファイトテープ製品の二重層から形成され
た、６−1/2インチX6−1/2インチX2.5インチの概略寸法
を有する箱48を、GrafoilRの適当なサイズの部分を一緒
に留め、継ぎ目をグラファイト粉末（Lonza Inc.製のGr
ade KS-44）とコロイドシリカ（du Pont製のLudox HS）
とを混合することによって作ったスラリーでシールする
ことにより製造した。グラファイトのコロイドシリカに
対する重量比は約1/3であった。
商品名GrafoilRで販売されている15/1000インチ厚さのG
rade GTBグラファイトテープ製品の二重層から形成され
た、６−1/2インチX6−1/2インチX2.5インチの概略寸法
を有する箱48を、GrafoilRの適当なサイズの部分を一緒
に留め、継ぎ目をグラファイト粉末（Lonza Inc.製のGr
ade KS-44）とコロイドシリカ（du Pont製のLudox HS）
とを混合することによって作ったスラリーでシールする
ことにより製造した。グラファイトのコロイドシリカに
対する重量比は約1/3であった。
次いで、AlcanからのC-75未粉砕アルミナとして知ら
れている未粉砕のアルミナ充填材を、アルミナ材料の床
50が約1.25インチの厚さになるまでGrafoil箱に添加し
た。重量で約５％シリコン、５％Mg、５％亜鉛及び残部
アルミニウムからなるマトリックス金属の、約６−1/2
インチX6−1/2インチX1インチのインゴット52を、Grafo
il箱48内のアルミナ充填材の床50の上に置いた。次い
で、Grafoil箱48とその内容物を、グラファイト耐火物
ボート54内の38 Alundumの商品名で知られNorton Co.で
製造された24グリットアルミナ材料の約１インチ厚さの
層の上に置いた。追加の24グリット38 Alundumを、24グ
リット38 Alundumの床56の表面がGrafoil箱48の上面よ
り僅かに下になるまでグラファイトボートに加えた。
れている未粉砕のアルミナ充填材を、アルミナ材料の床
50が約1.25インチの厚さになるまでGrafoil箱に添加し
た。重量で約５％シリコン、５％Mg、５％亜鉛及び残部
アルミニウムからなるマトリックス金属の、約６−1/2
インチX6−1/2インチX1インチのインゴット52を、Grafo
il箱48内のアルミナ充填材の床50の上に置いた。次い
で、Grafoil箱48とその内容物を、グラファイト耐火物
ボート54内の38 Alundumの商品名で知られNorton Co.で
製造された24グリットアルミナ材料の約１インチ厚さの
層の上に置いた。追加の24グリット38 Alundumを、24グ
リット38 Alundumの床56の表面がGrafoil箱48の上面よ
り僅かに下になるまでグラファイトボートに加えた。
グラファイト耐火物ボート54とその内容物からなる組
立体を、室温で制御された雰囲気の電気抵抗加熱真空炉
中に置いた。炉内を高真空（約1X10-4torr）にし、炉の
温度を約45分間で約200℃に上昇させた。炉の温度を約
２時間真空条件下で約200℃に保持し、その後、窒素ガ
スを約１気圧になるまで炉内に戻し充填した。窒素ガス
の約1.5リットル／分の連続流速を炉内に維持し、炉の
温度を約５時間かけて約865℃まで傾斜させて上昇し、
約865℃で約24時間保持し、そして約３時間かけて室温
に傾斜させて低下させた。
立体を、室温で制御された雰囲気の電気抵抗加熱真空炉
中に置いた。炉内を高真空（約1X10-4torr）にし、炉の
温度を約45分間で約200℃に上昇させた。炉の温度を約
２時間真空条件下で約200℃に保持し、その後、窒素ガ
スを約１気圧になるまで炉内に戻し充填した。窒素ガス
の約1.5リットル／分の連続流速を炉内に維持し、炉の
温度を約５時間かけて約865℃まで傾斜させて上昇し、
約865℃で約24時間保持し、そして約３時間かけて室温
に傾斜させて低下させた。
室温に達した後、組立体を炉から取り出し解体した。
第９図は、組立体から得たマクロ複合体の断面を示す写
真である。特に、第９図は、マトリックス金属により埋
め込まれたC-75未粉砕アルミナからなり、残留マトリッ
クス金属の物体60に一体的に付着している金属マトリッ
クス複合体58を示す。
第９図は、組立体から得たマクロ複合体の断面を示す写
真である。特に、第９図は、マトリックス金属により埋
め込まれたC-75未粉砕アルミナからなり、残留マトリッ
クス金属の物体60に一体的に付着している金属マトリッ
クス複合体58を示す。
かくして、この実施例は、残留マトリックス金属の物
体に一体的に結合している金属マトリックス複合体から
なるマクロ複合体を得ることが可能であることを示して
いる。
体に一体的に結合している金属マトリックス複合体から
なるマクロ複合体を得ることが可能であることを示して
いる。
実施例５ この実施例は、セラミック体に順繰りに一体的に付着
又は結合した金属マトリックス複合体に一体的に付着又
は結合した過剰のマトリックス金属からなるマクロ複合
体を作ることが可能であることを示す。特に、セラミッ
ク物体と過剰のマトリックス金属の物体とは、金属マト
リックス内に埋め込まれた三方向に相互結合したセラミ
ック構造体からなる金属マトリックス複合体と一体的に
付着又は結合している。
又は結合した金属マトリックス複合体に一体的に付着又
は結合した過剰のマトリックス金属からなるマクロ複合
体を作ることが可能であることを示す。特に、セラミッ
ク物体と過剰のマトリックス金属の物体とは、金属マト
リックス内に埋め込まれた三方向に相互結合したセラミ
ック構造体からなる金属マトリックス複合体と一体的に
付着又は結合している。
第10図に示すように、約99.5％純度の酸化アルミニウ
ムからなり１インチ当たり約45個の孔を含む、約１イン
チX1.5インチX0.5インチのセラミックフィルター62を、
High Tech Ceramics of Alfred,New Yorkから得た。セ
ラミックフィルター62を、アルミナボート64の底に置
き、１インチX1インチX1/2インチの概略寸法を有し、重
量で約５％シリコン、約６％亜鉛、約10％マグネシウム
及び残りのアルミニウムからなるマトリックス金属のイ
ンゴット66を、セラミックフィルター62の上に置いた。
アルミナボートは64は、Bolt Technical Ceramicsから
得た99.7％アルミナさや（Sagger）（BTC-AL-99.7％）
であり、基本厚さ3mmで10mm長さX45mm幅X19mm高さの概
略寸法を有していた。アルミナ耐火物ボートとその内容
物からなる組立体を、室温で管型炉に置いた。次いで炉
の扉を閉じ、形成ガス（約96容積％の窒素、４容積％の
水素）を約250cc/分のガス流速で戸に供給した。炉の温
度を約150℃／時間で約775℃まで傾斜上昇させ、約775
℃で約７時間保持し、そして約200℃／時間で室温に傾
斜低下させた。炉から取り出し、組立体からマクロ複合
体を得た。マクロ複合体の金属マトリックス複合体層を
薄片にし、ミクロ構造の顕微鏡写真を得た。この写真を
第11図として示す。
ムからなり１インチ当たり約45個の孔を含む、約１イン
チX1.5インチX0.5インチのセラミックフィルター62を、
High Tech Ceramics of Alfred,New Yorkから得た。セ
ラミックフィルター62を、アルミナボート64の底に置
き、１インチX1インチX1/2インチの概略寸法を有し、重
量で約５％シリコン、約６％亜鉛、約10％マグネシウム
及び残りのアルミニウムからなるマトリックス金属のイ
ンゴット66を、セラミックフィルター62の上に置いた。
アルミナボートは64は、Bolt Technical Ceramicsから
得た99.7％アルミナさや（Sagger）（BTC-AL-99.7％）
であり、基本厚さ3mmで10mm長さX45mm幅X19mm高さの概
略寸法を有していた。アルミナ耐火物ボートとその内容
物からなる組立体を、室温で管型炉に置いた。次いで炉
の扉を閉じ、形成ガス（約96容積％の窒素、４容積％の
水素）を約250cc/分のガス流速で戸に供給した。炉の温
度を約150℃／時間で約775℃まで傾斜上昇させ、約775
℃で約７時間保持し、そして約200℃／時間で室温に傾
斜低下させた。炉から取り出し、組立体からマクロ複合
体を得た。マクロ複合体の金属マトリックス複合体層を
薄片にし、ミクロ構造の顕微鏡写真を得た。この写真を
第11図として示す。
第11図に示すように、セラミックフィルター70の多孔
へのマトリックス金属68の有効な浸透が得られた。更
に、第11図の線72で示すように、マトリックス金属浸透
はセラミックフィルター70のアルミナ成分内に含まれる
多孔に浸透するように完全であった。第11図はまた、ア
ルミナボート76の底と金属マトリックス複合体78との間
の界面75を示している。更に、写真には示されないけれ
ども、過剰のマトリックス金属は、セラミック片の反対
にある、即ちアルミナボーの底の反対にある、金属マト
リックス複合体の末端に一体的に付着又は結合してい
た。
へのマトリックス金属68の有効な浸透が得られた。更
に、第11図の線72で示すように、マトリックス金属浸透
はセラミックフィルター70のアルミナ成分内に含まれる
多孔に浸透するように完全であった。第11図はまた、ア
ルミナボート76の底と金属マトリックス複合体78との間
の界面75を示している。更に、写真には示されないけれ
ども、過剰のマトリックス金属は、セラミック片の反対
にある、即ちアルミナボーの底の反対にある、金属マト
リックス複合体の末端に一体的に付着又は結合してい
た。
かくして、この実施例は、セラミック体に順繰りに一
体的に付着又は結合している金属マトリックス複合体に
一体的に付着又は結合している、過剰のマトリックス金
属の物体からなる多層マクロ複合体を形成することが可
能であることを示している。
体的に付着又は結合している金属マトリックス複合体に
一体的に付着又は結合している、過剰のマトリックス金
属の物体からなる多層マクロ複合体を形成することが可
能であることを示している。
実施例６ 次に実施例は、マトリックス金属の薄い層の反対側に
結合された２個の金属マトリックス複合体からなるマク
ロ複合体を製造するために、１工程で一連のプレフォー
ムを自発浸透させることが可能であることを示す。
結合された２個の金属マトリックス複合体からなるマク
ロ複合体を製造するために、１工程で一連のプレフォー
ムを自発浸透させることが可能であることを示す。
各プレフォームが７インチX7インチX0.5インチの概略
寸法を有する２個のプレフォームを、商品名38 Alundum
Rで知られNorton Co.で製造された220グリットアルミナ
物質とコロイド状アルミナ（Nyacol AL-20）との混合物
から沈澱注型（sediment cast）した。コロイドアルミ
ナの220グリット38 Alundumに対する概略重量比は、70/
30であった。
寸法を有する２個のプレフォームを、商品名38 Alundum
Rで知られNorton Co.で製造された220グリットアルミナ
物質とコロイド状アルミナ（Nyacol AL-20）との混合物
から沈澱注型（sediment cast）した。コロイドアルミ
ナの220グリット38 Alundumに対する概略重量比は、70/
30であった。
プレフォームを乾燥しセットした後、コロイド状アル
ミナペースト（Nyacol AL-20）の薄い（約1/64インチ
厚さ）層を、２個のプレフォームのそれぞれの表面に塗
布した。次いで２個の塗布した表面を、２個のプレフォ
ームの間にコロイド状アルミナをサンドイッチするよう
に接触させた。第12図に示すように、コロイド状アルミ
ナの界面層81を含むプレフォーム80のこの組立体を、次
いで耐火物ボート82内で、Union Carbideにより製造さ
れたGrade HCT二ホウ化チタンの約1/2インチ厚さの層の
上に置いた。７インチX7インチX1/2インチの概略寸法を
有し、重量で約５％シリコン、５％亜鉛、５％Mg、２％
銅及び残りのアルミニウムからなる、マトリックス金属
のインゴット84を、プレフォーム80の組立体の上に置い
た。次いで、追加のGrade HTC二ホウ化チタンを、二ホ
ウ化チタン床86の表面がマトリックス金属インゴット84
の上表面と大体同じレベルになるまで耐火物ボート82に
添加した。
ミナペースト（Nyacol AL-20）の薄い（約1/64インチ
厚さ）層を、２個のプレフォームのそれぞれの表面に塗
布した。次いで２個の塗布した表面を、２個のプレフォ
ームの間にコロイド状アルミナをサンドイッチするよう
に接触させた。第12図に示すように、コロイド状アルミ
ナの界面層81を含むプレフォーム80のこの組立体を、次
いで耐火物ボート82内で、Union Carbideにより製造さ
れたGrade HCT二ホウ化チタンの約1/2インチ厚さの層の
上に置いた。７インチX7インチX1/2インチの概略寸法を
有し、重量で約５％シリコン、５％亜鉛、５％Mg、２％
銅及び残りのアルミニウムからなる、マトリックス金属
のインゴット84を、プレフォーム80の組立体の上に置い
た。次いで、追加のGrade HTC二ホウ化チタンを、二ホ
ウ化チタン床86の表面がマトリックス金属インゴット84
の上表面と大体同じレベルになるまで耐火物ボート82に
添加した。
次いで耐火物ボート82とその内容物からなる組立体
を、室温で制御された雰囲気の電気抵抗加熱真空炉中に
置いた。次いで炉内を高真空（約1X10-4torr）にし、炉
の温度を約45分間で約200℃に上昇させた。炉の温度を
約２時間真空条件下に約200℃に保持した。この最初の
２時間の加熱時間の後に、窒素ガスを約１気圧になるま
で炉内に戻し充填し、温度を約５時間かけて約865℃ま
で上昇させ、約65℃で約18時間保持し、そして次いで約
５時間かけて室温に傾斜させて低下させた。
を、室温で制御された雰囲気の電気抵抗加熱真空炉中に
置いた。次いで炉内を高真空（約1X10-4torr）にし、炉
の温度を約45分間で約200℃に上昇させた。炉の温度を
約２時間真空条件下に約200℃に保持した。この最初の
２時間の加熱時間の後に、窒素ガスを約１気圧になるま
で炉内に戻し充填し、温度を約５時間かけて約865℃ま
で上昇させ、約65℃で約18時間保持し、そして次いで約
５時間かけて室温に傾斜させて低下させた。
室温に達した後、組立体を炉から取り出し解体した。
第13図は、組立体から得たマクロ複合体の断面を示す写
真である。特に、マトリックス金属88の層は、それぞれ
マトリックス金属により埋め込まれた220 グリッド38 A
lundum（およびNyacolコロイド状アルミナからの残留
物）からなる２個の金属マトリックス複合体90の間にサ
ンドイッチされている。マトリックス金属88の層は、金
属マトリックス複合体90のそれぞれに一体的に付着又は
結合し、こうしてマクロ複合体を形成している。
第13図は、組立体から得たマクロ複合体の断面を示す写
真である。特に、マトリックス金属88の層は、それぞれ
マトリックス金属により埋め込まれた220 グリッド38 A
lundum（およびNyacolコロイド状アルミナからの残留
物）からなる２個の金属マトリックス複合体90の間にサ
ンドイッチされている。マトリックス金属88の層は、金
属マトリックス複合体90のそれぞれに一体的に付着又は
結合し、こうしてマクロ複合体を形成している。
かくして、この実施例は、一段の自発浸透工程で、マ
トリックス金属の薄い層により一体的に付着又は結合し
ている２個の金属マトリックス複合体からなるマクロ複
合体を形成することが可能であることを示している。
トリックス金属の薄い層により一体的に付着又は結合し
ている２個の金属マトリックス複合体からなるマクロ複
合体を形成することが可能であることを示している。
第１図は、実施例１で製造されたマクロ複合体を創るた
めに使用された組立体の断面図であり、 第２図は、実施例１で製造されたマクロ複合体の断面構
造を示す図面に代る写真であり、 第３図は、実施例２に於けるマクロ複合体を製造するた
めに使用された組立体の断面図であり、 第４図は、アルミナ耐火物ボートと実施例２で製造され
た金属マトリックス複合体との間の界面を示す図面に代
る顕微鏡写真であり、 第５図は、実施例２で形成さた金属マトリックス複合体
のミクロ構造を示す高倍率で撮った図面に代る顕微鏡写
真であり、 第６図は、実施例３に於けるマクロ複合体を製造するた
めに使用された組立体の断面図であり、 第７図は、実施例３で製造されたマクロ複合体の断面構
造を示す図面に代る写真であり、 第８図は、実施例４に於けるマクロ複合体を製造するた
めに使用された組立体の断面図であり、 第９図は、実施例４で製造されたマクロ複合体の断面構
造を示す図面に代る写真であり、 第10図は、実施例５に於けるマクロ複合体を製造するた
めに使用された組立体の断面図であり、 第11図は、実施例５で形成されたマクロ複合体の断面構
造を示す図面に代る顕微鏡写真であり、 第12図は、実施例６に於けるマクロ複合体を製造するた
めに使用された組立体の断面図であり、そして 第13図は、実施例６で形成されたマクロ複合体の断面構
造を示す図面に代る写真である。 ２……インゴット、４……プレフォーム、６……耐火物
ボート、８……二ホウ化チタン床、10……金属マトリッ
クス複合体、12……残留マトリックス金属、14……イン
ゴット、16……アルミナ材料の床、18……耐火物ボー
ト、20……界面、22……耐火物ボート、24……金属マト
リックス複合体、26……窒化アルミニウム、28……マト
リックス金属、30……アランダム（Alundum）、32……
アルミナ板、34……耐火物ボート、36……棒、38……ア
ランダム床、40……マクロ複合体、42……マトリックス
金属、44……金属マトリックス複合体、46……セラミッ
ク板、48……箱、50……アルミナ床、52……インゴッ
ト、54……耐火物ボート、56……アランダム床、58……
金属マトリックス複合体、60……マトリックス金属物
体、62……セラミックフィルター、64……アルミナボー
ト、66……インゴット、68……マトリックス金属、70…
…セラミックフィルター、75……界面、76……アルミナ
ボート、78……金属マトリックス複合体、80……プレフ
ォーム、81……界面、82……耐火物ボート、84……イン
ゴット、86……二ホウ化チタン床、88……マトリックス
金属、90……金属マトリックス複合体。
めに使用された組立体の断面図であり、 第２図は、実施例１で製造されたマクロ複合体の断面構
造を示す図面に代る写真であり、 第３図は、実施例２に於けるマクロ複合体を製造するた
めに使用された組立体の断面図であり、 第４図は、アルミナ耐火物ボートと実施例２で製造され
た金属マトリックス複合体との間の界面を示す図面に代
る顕微鏡写真であり、 第５図は、実施例２で形成さた金属マトリックス複合体
のミクロ構造を示す高倍率で撮った図面に代る顕微鏡写
真であり、 第６図は、実施例３に於けるマクロ複合体を製造するた
めに使用された組立体の断面図であり、 第７図は、実施例３で製造されたマクロ複合体の断面構
造を示す図面に代る写真であり、 第８図は、実施例４に於けるマクロ複合体を製造するた
めに使用された組立体の断面図であり、 第９図は、実施例４で製造されたマクロ複合体の断面構
造を示す図面に代る写真であり、 第10図は、実施例５に於けるマクロ複合体を製造するた
めに使用された組立体の断面図であり、 第11図は、実施例５で形成されたマクロ複合体の断面構
造を示す図面に代る顕微鏡写真であり、 第12図は、実施例６に於けるマクロ複合体を製造するた
めに使用された組立体の断面図であり、そして 第13図は、実施例６で形成されたマクロ複合体の断面構
造を示す図面に代る写真である。 ２……インゴット、４……プレフォーム、６……耐火物
ボート、８……二ホウ化チタン床、10……金属マトリッ
クス複合体、12……残留マトリックス金属、14……イン
ゴット、16……アルミナ材料の床、18……耐火物ボー
ト、20……界面、22……耐火物ボート、24……金属マト
リックス複合体、26……窒化アルミニウム、28……マト
リックス金属、30……アランダム（Alundum）、32……
アルミナ板、34……耐火物ボート、36……棒、38……ア
ランダム床、40……マクロ複合体、42……マトリックス
金属、44……金属マトリックス複合体、46……セラミッ
ク板、48……箱、50……アルミナ床、52……インゴッ
ト、54……耐火物ボート、56……アランダム床、58……
金属マトリックス複合体、60……マトリックス金属物
体、62……セラミックフィルター、64……アルミナボー
ト、66……インゴット、68……マトリックス金属、70…
…セラミックフィルター、75……界面、76……アルミナ
ボート、78……金属マトリックス複合体、80……プレフ
ォーム、81……界面、82……耐火物ボート、84……イン
ゴット、86……二ホウ化チタン床、88……マトリックス
金属、90……金属マトリックス複合体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダニイ レイ ホワイト アメリカ合衆国，メリーランド 21921, エルクトン，ヒルクレスト レーン ５ (72)発明者 クリストファー ロビン ケネディー アメリカ合衆国，デラウェア 19711, ニューアーク，ウェルウィン ロード 17 (72)発明者 アラン スコット ナゲルバーグ アメリカ合衆国，デラウェア 19808, ウィルミントン，イー．ティンバービュ ウコート 5521 (72)発明者 マイケル ケボック アグハジャニアン アメリカ合衆国，メリーランド 21014, ベルエアー，ヘルムスデール コート 604 (72)発明者 ロバート ジェームズ ウィーナー アメリカ合衆国，デラウェア 19711, ニューアーク，ブランチ ロード 804 (56)参考文献 特開 昭48−311（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−42504（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−31466（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−87835（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C22C 1/09 B22D 19/14
Claims (20)
- 【請求項１】マトリックス金属（１）並びに実質的に非
反応性の充填材の疎素材及び成形された実質的に非反応
性の充填材からなるプレフォームからなる群から選ばさ
れた少なくとも一種の材料からなる、浸透させるべき第
一の物体（２）を準備し、 第一の物体に隣接又は接触させて第二の物体（３）を並
置し、そして 浸透増進剤前駆体及び浸透増進剤の少なくとも一種
（４）、及びマトリックス金属の自発浸透を許容又は増
進し、かつマトリックス金属及び第一の物体の少なくと
も一つと浸透プロセスの少なくとも或る点で連絡する浸
透雰囲気（５）の存在下に、マトリックス金属の融点よ
り高い温度で、溶融マトリックス金属で第一の物体の少
なくとも一部が第二の物体の少なくとも表面まで自発浸
透されて第二の物体に一体的に付着又は結合した金属マ
トリックス複合体を形成せしめることからなるマクロ複
合体の形成方法。 - 【請求項２】マトリックス金属が、第一の物体の自発浸
透の後に、マクロ複合体が金属マトリックス複合体に一
体化されるか、又は結合される残留マトリックス金属を
含むような量で供給される特許請求の範囲第１項の方
法。 - 【請求項３】マトリックス金属、第一の物体及び浸透雰
囲気の少なくとも一つに、浸透増進剤前駆体及び浸透増
進剤の少なくとも一つが外部源から供給される工程を更
に含む特許請求の範囲第１項の方法。 - 【請求項４】浸透の間に、浸透増進剤前駆体が揮発する
特許請求の範囲第１〜３項の方法。 - 【請求項５】揮発された浸透増進剤前駆体が反応して第
一の物体の少なくとも一部に反応生成物を生成せしめる
特許請求の範囲第４項の方法。 - 【請求項６】反応生成物が第一の物体の少なくとも一部
に被覆として生成する特許請求の範囲第５項の方法。 - 【請求項７】浸透が規定されたバリヤー内で生ずる特許
請求の範囲第１〜６項のいずれか１項の方法。 - 【請求項８】バリヤーが炭素、黒鉛及び二硼化チタンか
らなる群より選ばれた材料からなる特許請求の範囲第７
項の方法。 - 【請求項９】充填材が粉末、フレーク、板状体、小球
体、ウィスカー、泡体、繊維、粒体、繊維マット、チョ
ップトファイバー、球体、ペレット、小管及び耐繊維布
から選ばれた少なくとも一つの材料である特許請求の範
囲第１〜８項のいずれか１項の方法。 - 【請求項１０】充填材が少なくとも一つのセラミック材
料からなる特許請求の範囲第１〜９項のいずれか１項の
方法。 - 【請求項１１】充填材が硼化物、炭化物、窒化物及び酸
化物からなる群より選ばれた少なくとも一種の材料から
なる特許請求の範囲第１〜９項のいずれか１項の方法。 - 【請求項１２】マトリックス金属がアルミニウムからな
り、浸透増進剤前駆体が亜鉛からなり、そして浸透雰囲
気が酸素からなる特許請求の範囲第１〜10項のいずれか
１項の方法。 - 【請求項１３】マトリックス金属がアルミニウムからな
り、浸透増進剤前駆体がマグネシウム、ストロンチウム
及びカルシウムからなる群から選ばれた少なくとも一つ
の材料からなり、浸透雰囲気が窒素からなる特許請求の
範囲第１〜10項のいずれか１項の方法。 - 【請求項１４】第二の物体がセラミック体、セラミック
複合体及び金属体並びに金属マトリックス複合体の少な
くとも一つからなる特許請求の範囲第１〜13項のいずれ
か１項の方法。 - 【請求項１５】金属マトリックスがアルミニウム合金か
らなり、第一の物体がアルミナ充填材及びシリコンカー
バイド充填材からなり、第二の物体が自己支持性アルミ
ナ構造体からなる特許請求の範囲第１〜14項のいずれか
１項の方法。 - 【請求項１６】金属体が高温度金属合金、耐腐食性金属
合金及び耐侵食性金属合金からなる群より選ばれた金属
からなる特許請求の範囲第14項の方法。 - 【請求項１７】金属マトリックス複合体が第二の物体内
に形成され、その第二の物体は少なくとも部分的に金属
マトリックス複合体を囲み、そしてそれに一体化されて
いるか又は結合されている特許請求の範囲第１〜16項の
いずれか１項の方法。 - 【請求項１８】形成された金属マトリックス複合体が第
二の物体を少なくとも部分的に囲む特許請求の範囲第１
〜16項のいずれか１項の方法。 - 【請求項１９】マトリックス金属、第一の物体及び第二
の物体が、生成する金属マトリックス複合体の熱膨張係
数が第二の物体の熱膨張係数より高く、最終マクロ複合
体において、第二の物体が金属マトリックス複合体によ
って圧縮応力を受けるように、選ばれる特許請求の範囲
第18項の方法。 - 【請求項２０】マトリックス金属がアルミニウムからな
る特許請求の範囲第１項の方法。
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