JPH11500186A - 金属マトリックス複合材料及び製造方法 - Google Patents
金属マトリックス複合材料及び製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
金属マトリックス複合材料及びその製造方法が提供される。本発明方法では、補強相は結合剤を含む水性媒体と組み合わせてスラリーを製造する。次いで、スラリーを乾燥して、補強相の予備成形体を製造する。溶融金属が、次いで予備成形体に導入されて、金属マトリックス複合材料が得られる。本発明の複合材料の補強相は50%を越えて存在出来る。
Description
【発明の詳細な説明】
金属マトリックス複合材料及び製造方法
序文 発明の分野
本発明の分野は、金属マトリックス複合材料である。背景
金属マトリックス複合材料は、金属マトリックスと組合わせた第二の補強又は
充填相を含む材料である。金属マトリックス複合材料は、その一体金属(monoli
thic metal)相当品に比べて、異なった、然も改善されたより多くの望ましい性
質を有している。例えば、複合材料中に存在する特定の金属及び補強相、及び複
合材料中のその相対割合によって、複合材料は、相当する一体金属に比べて、強
度、剛性、接触摩耗抵抗及び高温強度に関して改善された特性を有する。更に、
複合材料に存在する補強相の選択によって、金属マトリックス材料は、その一体
金属相当品よりも安価に製造する事が出来る。
金属マトリックス複合材料に対しては多くの潜在的用途が存在する。金属マト
リックス複合材料の重要な用途は、自動車部材、機械部品及び電子包装並びにユ
ニークな性質の組合せを基にした特殊な製品にある。
特に興味のあるものは、フライアッシュから成る金属マトリックス複合材料で
あり、この種の複合材料は製造が安価であり、その相当する一体金属相当品に比
べて改善された性質を示す。フライアッシュは、微粉炭の燃焼の結果生成される
副生物で廃棄物である。過去には、フライアッシュは、コンクリート添加材、土
壌安定剤、アスファルト及び、例えばレンガの様な構造材用充填材として利用さ
れてきた。フライアッシュは、ミクロン大の、半透明の球状粒子から成り、主に
アルミナ、シリカ、酸化鉄、石灰及びマンガンから成る。
金属マトリックス複合材料を製造する為には、様々な方法が開発されており、
それらの方法としては、分散結合、粉末冶金、キャスティング、ルーズフライア
ッシュベッド(loose fly-ash bed)の圧力浸透、スプレーコジスポジション(spra
y codisposition)等が挙げられる。特に、フライアッシュ金属マトリックス複合
材料に対しては、攪拌キャスティング及びルーズフライアッシュベッドの圧力浸
透の使用が分かっている。
金属マトリックス複合材料の製造の為には、様々な方法が開発されているが、
それらの方法は全体に満足するものではない。例えば、金属マトリックス中での
補強相の不均一分散、マトリックス中での補強相の不適当な水準及びマトリック
ス中に導入される補強相の量の調節の欠如の問題が起こる事が知られている。こ
れらの問題は、特に、フライアッシュ金属マトリックス複合材料の製造において
顕著であり、30%以上の、均質に分散したフライアッシュ水準の組成物は、こ
れまでに製造されていない。
この様に、金属マトリックス複合材料を製造する為の新規な方法の開発が望ま
れている。特に、フライアッシュから成る金属マトリックス複合材料の開発であ
って、フライアッシュ水準が複合材料の30%を越え、フライアッシュが複合材
料全体に均等に分布した複合材料の開発が望まれている。関連文献
米国特許第5,226,494号明細書は、補強相としてフライアッシュ及びオ
イルアッシュを溶融金属に添加して、高速度で攪拌する金属マトリックス複合材
料の製造方法を報告する。米国特許第5,020,584号明細書は、溶融金属が
予備成形充填材に浸透し、浸透助剤が使用される金属マトリックス複合材料の製
造方法を報告する。その他、関連特許として、米国特許第3,573,940号明
細書、第3,585,155号明細書、第4,601,832号明細書、第4,
888,054号明細書及び第4,936,270号明細書が挙げられる。
発明の要旨
新規な金属マトリックス複合材料及びその製造方法が提供される。本発明方法
は、補強相と、結合剤を含む水性媒体とを組み合わせてスラリーを造り、これを
乾燥して固体の、多孔性予備成形体を製造する事を含む。得られた固体の、多孔
性予備成形体は、次いで溶融金属で浸透され、目的とする金属マトリックス複合
材料を製造する。
特定の実施態様の説明
金属マトリックス複合材料及びその製造方法が提供される。本発明方法では、
補強相は、結合剤を含む水性媒体と組み合わされてスラリーを造り、これを乾燥
して補強相の固体で、多孔性の予備成形体を製造する。得られた固体で、多孔性
の予備成形体は、次いで溶融金属で浸透される。本発明の更なる記述では、初め
に本発明方法がより詳細に述べられ続いて本発明方法によって製造される金属マ
トリックス複合材料が述べられる。
本発明方法では、第1の工程は、固体で、多孔性の補強相の補強相予備成形体
を製造する事である。補強相或いは充填相は、金属マトリックス中に導入する事
の出来る材料であれば、どの様なものであっても良い。例えば、オイルアッシュ
、ガラス、黒鉛又は炭素、超伝導セラミックス等の様々な補強相は、金属マトリ
ックス複合材料での使用が分かっている。その低価格さと、それによって与えら
れる複合材料の物性の故に、特に、好ましいのがフライアッシュである。フライ
アッシュが使用される場合、フライアッシュは「C形」又は「F形」フライアッ
シュであっても良く、「F形」フライアッシュが好ましい。充填材は、繊維、ホ
イスカー、球状、粒子等の様々な形態で存在しても良く、好ましくは、球状及び
粒子、例えば、フライアッシュ新球体(cenosphere)及び集塵器フライアッシュで
あっても良い。
固体で多孔性の補強相予備成形体を製造するに当たっては、補強相は、結合剤
を含む水性媒体と組み合わされる。本発明での使用が分かっている結合剤は、予
備成形体において一緒に補強材粒子を保持する事が出来、予備成形体に対して必
要とされる強度を用意して、以下に述べる金属浸透工程においてその形状を維持
する事の出来るものである。本発明で使用される結合剤、又は本発明方法におい
て製造されるそれらの誘導体は、複合材料の性質に逆効果があってはならない。
本発明での使用が分かっている結合剤としては、無機及び有機結合剤が挙げられ
る。無機結合剤は珪酸ナトリウム及びモノアルミニウムホスフェートであり、モ
ノアルミニウムホスフェートが好ましい。有機結合剤としては、ポリビニルアル
コール等のポリマーが挙げられる。水性媒体に存在して予備成形体の製造工程で
使用される結合剤の量は臨界的である。その理由は、過剰の結合剤は低い空隙率
の予備成形体を造り、溶融金属の適切な浸透を抑制するからである。逆に、水性
媒体中の結合剤の不足は不適切な強度の予備成形体となる。補強材と組み合わさ
れる水性媒体中に存在する結合剤の量は、使用する特定の結合剤に依存し、水性
媒体中での結合剤対水比は、一般に、1:1〜1:9、通常は1:1〜1:7、
更に一般的には1:1〜1:2の範囲である。
結合剤を含む水性媒体と組み合わされる補強相の量は、多孔性のスラリーを形
成し、固体で多孔性の予備成形体へと乾燥する事が出来るのに十分なものである
。通常、補強相対水性媒体の比は約1:1〜3:1、通常は約1.5:1〜2:
1の範囲である。補強材及び水性媒体は、水性媒体中で補強材の均一な分散が得
られる様な条件下、通常は穏やかな攪拌条件下で組み合わされる。
必要に応じて、結合剤を含む水性媒体と補強相との組合せによって製造される
スラリーは、空隙率変更剤(porosity modifying agent)を更に含んでも良い。空
隙率変更剤は、予備成形体で高い空隙率が必要とされる場合、例えば金属含有量
が多い複合材料に対して含まれても良い。適当な空隙率変更剤は、予備成形体の
その後の工程中に除去され、それによって予備成形体の空隙容量又は空隙率を増
加させるもので、炭素粉末、木粉、ポリマー粉等が挙げられる。
固体で多孔性の予備成形体の製造の次の工程は、スラリーを乾燥する事である
。便利に作業できる形状で予備成形体を製造する為には、スラリーは型に入れて
も良く、型入れ方法は本発明では臨界的ではない。次いで、成形した予備成形体
を乾燥しても良い。円筒、四角、長方形等の任意の好都合な型形状を使用しても
良く、予備成形体から製造される複合材料の所望の用途によって、特殊な型形状
が便宜上選択される。型は、当業者に公知の材料である、乾燥で使用される高温
に耐える事の出来る通常の材料から造られる。
型への導入に続いて、スラリーは乾燥されて多孔性の補強材予備成形体が製造
される。乾燥速度を高める為に、スラリーは、固体で多孔性の構造体を製造する
のに十分な期間、高温で乾燥しても良い。一般に、スラリーは約90〜250℃
、
通常は約110〜230℃、より一般的には約150〜210℃の範囲の温度で
乾燥される。高温が使用される時は、スラリーは約1〜5時間、通常は1〜2時
間の範囲の期間乾燥される。
スラリーが乾燥され、固体で多孔性の予備成形体が製造された後、スラリーは
型から取り出されて、更に乾燥され、予備成形体中に残っている水の実質的に全
てが除去される。水の実質的に全てとは、型から予備成形体を分離した後の予備
成形体中に存在する水の少なくとも約90%、通常は少なくとも約95%、好ま
しくは少なくとも約98%が除去される事を意味する。この追加乾燥工程は、約
200〜800℃、通常は約350〜750℃、より一般的には550〜650
℃の温度で、10〜50時間、通常は12〜48時間、より一般的には24〜4
8時間の範囲の期間にわたって存在させても良い。
本発明の金属マトリックス複合材料を製造する次の工程は、溶融金属浸透工程
であって、ここで予備成形体が溶融金属と組み合わされて金属マトリックス複合
材料が製造される。この工程で、多孔性予備成形体は金属マトリックス複合材料
の溶融金属成分で浸透される。様々な金属及び金属合金が、本発明の複合材料を
製造する為に予備成形体中に浸透されても良く、アルミニウム、銅、亜鉛、マグ
ネシウム、鉄、鉛、錫等及びその合金が挙げられる。金属又は金属合金は、溶融
又は液状相で存在し、通常、約300〜1200℃、より一般的には350〜1
000℃の範囲の温度で存在する。
溶融金属は、金属を予備成形体に接触させる事によって補強材の多孔性予備成
形体中に浸透させられ、これによって、溶融金属が多孔性予備成形体中に導入さ
れる。多孔性予備成形体中への金属の浸透を助ける為には、圧力を使用しても良
い。圧力は、一般に7.0〜351.5kg/cm2(約100〜5000psi
)、通常は140.6〜175.7kg/cm2(約2000〜2500psi)
の範囲である。予備成形体補強材中に浸透される金属の量は予備成形体の容量及
び空隙率に依るが、浸透される量は、予備成形体中の空隙又は空孔容量を実質的
に充填するのに十分なものである。実質的に充填するとは、多孔性予備成形体の
空孔容量の少なくとも約90%、通常は少なくとも95%、好ましくは少なくと
も約97%が、浸透工程中に溶融金属で占められる様に成る事を意味する。
金属マトリックス複合材料の所望の性質に依って、溶融金属又は金属合金の浸
透は、得られる金属マトリックス複合材料が均質構造体である様に、予備成形体
がキャビティー空間の全てを実質的に占める型キャビティー内で起こしても良い
。別に、複合材料中に一体金属又は金属合金の領域を望む場合、例えば、一体金
属又は金属合金表面が、得られる複合材料に望まれる場合は、接触中、予備成形
体は全体の型キャビティーの領域だけを占めても良い。
浸透に引き続いて、得られた金属マトリックス複合材料は冷却されても良く、
冷却は、空気乾燥、圧搾空気、低温等を含む通常の手段を使用して行っても良い
。得られた複合材料が冷却される速度は、複合材料のひび割れをもたらす程に速
いものであってはならない。最適速度は、実験的に簡単に決める事が出来る。得
られた金属マトリックス複合材料は、所望ならば、更なる加工、例えば、機械加
工、サンド加工等の加工に掛けられても良い。任意に、金属マトリックス複合材
料は、溶融金属に浸漬して、一体金属又は金属合金の層で被覆された金属マトリ
ックス複合材料としても良い。
得られた金属マトリックス複合材料は、予備成形体の補強相、結合剤及び金属
相又はマトリックスから成る。本発明の複合材料に関して使用される「結合剤」
なる言葉は、複合材料の製造中に製造されても良いそれらの誘導体(例えば23
0℃以上の温度では、モノアルミニウムホスフェートはアルミニウムトリホスフ
ェートに転換する)を含む。複合材料は、補強相を欠く一体金属の領域を含めて
製造されるかも知れないので、複合材料は、金属相マトリックス全体に、少なく
とも補強相から成る複合材料の領域に分散した補強相の均一な分散体を有する事
を特徴とする。この後のケースでは、金属マトリックス複合材料は、補強相を均
質に分散した第1領域及び一体金属又はその合金の第2領域を含む。「均一」と
は、補強相から成る複合材料の領域にあって、補強相が、複合材料の他の部分に
比較して、その領域の今1つの部分において高い割合にない事を意味する。複合
材料での補強相の割合は、一般に、約30〜70%、通常は50〜60%の範囲
である。
フライアッシュから成る複合材料に対しては、補強相は、50%を越えて存在
しても良く、70%まで、通常は60%まで存在しても良い。
本発明の複合材料は、様々な用途、例えば、金属マトリックス複合材料の性質
が、相当する一体金属の性質よりも一層必要とされる様な構造材料としての用途
での使用が可能である。
以下の実施例は例示の為であって、これによって限定されるものではない。
実施例
実施例1.フライアッシュ予備成形体の製造
フライアッシュの既知量と、十分な量のモノアルミニウムホスフェート溶液(
MAP溶液)と組み合わせて注入可能なスラリーを製造する事によって、新球体
フライアッシュ(密度<1)及び集塵器フライアッシュ(密度>1)の両方から
フライアッシュ予備成形体を製造した。次いで、スラリーを円筒又は長方形形状
キャビティーに注入して、82.2℃(180°F)で2時間乾燥し、型から取
り出して、型の外側を204.4℃(400°F)で24又は48時間硬化した
。以下の表1は、スラリーを製造するのに使用されたフライアッシユ/MAP溶
液比、及び上記方法で製造された幾つかの新球状フライアッシュ予備成形体の予
備成形体密度特性を示す。
実施例2.実施例1で製造したフライアッシュ予備成形体からのアルミニウム−
フライアッシュ金属マトリックス複合材料の製造
実施例1で製造したフライアッシュ予備成形体を使用して、以下に述べるスク
イーズキャスティング又は圧力浸透方法を使用して、アルミニウム−フライアッ
シュ複合材料を製造した。直径44mm(1.75インチ)及び51mm(2イ
ンチ)寸法のフライアッシュ予備成形体を、51mm(2インチ)黒鉛ダイ中に
置き、815.5℃(1500°F)で2時間予備加熱した。溶融アルミニウム
合金(A356)を、843.3℃(1550°F)でダイの中に注入した。1
40.6kg/cm2〜175.7kg/cm2(2000psi(13.8MPA)
〜2500psi(17.2MPA))の圧力を溶融金属の上に適用して10分
間維持した。複合材料はダイ中で冷却した。
冷却した複合材料をダイから取り出し、その嵩密度及び硬度を測定した。得ら
れたアルミニウム−フライアッシュ複合材料中にフライアッシュは複合材料全体
に、均等に分散していた。集塵器フライアッシュから製造した複合材料中では、
複合材料中のフライアッシュの割合は60%であった。
実施例3.鉛−フライアッシュ複合材料の製造
直径9.5mm(3/8インチ)、長さ101.6mm(4インチ)の新球状フ
ライアッシュ予備成形体を製造した。外径25.4mm(1インチ)、内径12.
7mm(1/2インチ)のスティール型を、窒化硼素で内側を被覆し、98.8
℃(210°F)で2時間乾燥した。フライアッシュ予備成形体含むスティール
型を、抵抗炉中で、500℃に加熱した。400℃の溶融鉛を、加熱されたステ
ィール型に注入し、84.3kg/cm2(1200psi)の内圧を1分間適用
した。圧力を開放して試料を取り出した。
表2は、純粋な鉛と、鉛−フライアッシュ複合材料との硬度特性の比較を示す
。鉛中へのフライアッシュの導入に従って、材料の硬度は著しく増加する。
純粋な鉛は非常に柔らかい材料であるが、シャルピー試験での柔軟材料の衝撃
強度を測定する程度には硬い。鉛へのフライアッシュ添加で、材料の硬度は、表
2で示される様に増加する。
又、ASTM標準(E23−86)を基準に、得られた鉛−フライアッシュ複
合材料についての衝撃試験を行った。鉛−フライアッシュ複合材料の衝撃エネル
ギーは1.96J/cm2である事が分かった。鉛−30容量%フライアッシュ複
合材料の破壊表面のSEM写真から、材料の硬度はフライアッシュの添加によっ
て増加するが、破壊表面は依然として延性挙動を示す事が認められた。
表3は、鉛−40%フライアッシュ複合材料と純粋な鉛の試験棒の密度データ
を示す。スクイーズキャスティングで製造された純粋な鉛の密度は、重力キャス
ティングで製造されたものよりも臨界的に高い。新球状フライアッシュの添加の
結果、複合材料の密度は11.3〜7.75g/cm3へと著しく減少した。
0.48g/ccの新球体密度及び11.27g/ccの鉛密度を基準とした。
上記結果から、鉛−フライアッシュ複合材料の硬度は、マトリックス鉛の硬度
より著しく高い事が結論付けられた。従って、この複合材料は、著しく高いクリ
ープ抵抗を有する事が期待される。又、鉛−40容量%フライアッシュ複合材料
は、相当なシャルピー衝撃強度を示した事が確認された。最後に、鉛−40容量
%フライアッシュ複合材料の密度は7.75g/cm3であった事が確認された。
長期間腐蝕試験は、バッテリーで使用する場合の複合材料の適応性を決定する為
、鉛−フライアッシュ複合材料に対して、470日の期間行った。試験された鉛
−フライアッシュ複合材料試料は、7.5mmの深さの電解液に浸漬された直径
13mmの棒であった。陽極試料は5M硫酸に浸漬して、スタンバイ条件下で、
鉛−酸バッテリー陽極の条件を刺激する為に調節された電位に掛けられた。全て
の測定は周囲温度(20℃)で行われた。各セルの電流読み取りは24時間毎に
行った。
幾つかの鉛試料と鉛−フライアッシュ複合材料試料の470日までの電流密度
が測定された。試験時間を延長するにつれて、フライアッシュ複合材料のセルの
電流密度は純粋な鉛セルの電流密度に接近した。この観察から、フライアッシュ
粒子の幾つかの表面の酸曝露による初期段階でのフライアッシュ複合材料中には
僅かに高い腐蝕電流が存在するかも知れないが、期間にわたって、腐蝕電流は減
少する事が結論付けられた。長期間曝露では、室温での鉛−フライアッシュ複合
材料の陽極腐蝕挙動は、ベターではなくとも、純粋な鉛試料に少なくとも等しく
、その様な複合材料をリード−ライトバッテリーでの使用に十分適したものとす
る事が認められた。
上記検討及び実施例から、金属マトリックス複合材料を製造する新規な方法及
び新規な金属マトリックス複合材料が提供される事が明らかである。比較的に簡
単であるとはいえ、本発明方法は、補強相の割合が複合材料中で30%を越える
金属マトリックス複合材料の製造方法を提供するものである。更に、本発明の複
合材料中の補強相は複合材料全体に均一に分散している。本発明方法は補強相予
備成形体を使用するので、複合材料中の補強材料及び金属の割合は容易に調節出
来、マトリックス全体の補強相の分散が調節出来、複合材料の強度を高める事が
出来、複合材料の形状が、予備成形体によって容易に調節出来る。
本明細書において引用された全ての刊行物及び特許は、それぞれ個々の刊行物
又は特許出願が、特定して、及び個々に、参照によって導入される事が示されて
いたとしても、ここに参照として導入される。
本発明は、理解を明快にする目的で例示並びに実施例によって幾分詳細に記述
したが、或る種の変換及び変更は、添付のクレームの精神又は範囲から逸脱する
事なく行う事が出来るであろう事は、本発明の教示に鑑みて、当業者にとって容
易に明らかであろう。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.6 識別記号 FI
C22C 32/00 C22C 32/00 Z
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.金属マトリックス複合材料の製造方法であって、 (1)補強相を、結合剤を含む水性媒体と組み合わせてスラリーを製造する 工程、 (2)前記スラリーを乾燥して固体で多孔性の予備成形体を製造する工程、 及び、 (3)溶融金属を前記多孔性予備成形体に導入して、前記金属マトリックス 複合材料を製造する工程、 を含む事を特徴とする方法。 2.前記方法が、前記スラリーを型に注入する事を更に含む、請求項1記載の方 法。 3.前記結合剤が無機結合剤である、請求項1記載の方法。 4.前記結合剤が有機結合剤である、請求項1記載の方法。 5.前記補強相が、オイルアッシュ、ガラス、黒鉛、炭素、超伝導セラミックス 及びフライアッシュから成る群から選ばれる、請求項1記載の方法。 6.前記金属がアルミニウム、銅、亜鉛、マグネシウム、鉄、鉛、錫及びそれら の合金から成る群から選ばれる、請求項1記載の方法。 7.金属マトリックス複合材料の製造方法であって、 (1)フライアッシュを、無機結合剤を含む水性媒体と組み合わせてスラリ ーを製造する工程、 (2)前記スラリーを型に注入する工程、 (3)前記スラリーを乾燥して固体で多孔性のフライアッシュ予備成形体を 製造する工程、及び、 (4)溶融金属を前記多孔性予備成形体に導入して、前記金属マトリックス 複合材料を製造する工程、 を含む事を特徴とする方法。 8.前記無機結合剤が珪酸ナトリウムである、請求項7記載の方法。 9.前記無機結合剤がモノアルミニウムホスフェートである、請求項7記載の方 法。 10.前記水性媒体でのモノアルミニウムホスフェート対水比が1:0〜1:9の 範囲である、請求項9記載の方法。 11.前記金属がアルミニウム及びアルミニウム合金から成る群から選ばれる、請 求項7記載の方法。 12.前記金属が鉛及び鉛合金である、請求項7記載の方法。 13.前記フライアッシュが新球状フライアッシュである、請求項7記載の方法。 14.前記フライアッシュが集塵器フライアッシュである、請求項7記載の方法。 15.金属マトリックス複合材料であって、 (1)補強相、 (2)結合剤、及び (3)金属、 から成り、前記補強相が前記金属マトリックス複合材料全体に均質に分散して いる事を特徴とする複合材料。 16.前記補強相が、50%を越えて前記複合材料中に存在する、請求項15記載 の複合材料。 17.前記補強相が、オイルアッシュ、ガラス、黒鉛、炭素、超伝導セラミックス 及びフライアッシュから成る群から選ばれる、請求項15記載の複合材料。 18.前記金属が、アルミニウム、銅、亜鉛、マグネシウム、鉄、鉛、錫及びそれ らの合金から成る群から選ばれる、請求項15記載の複合材料。 19.前記複合材料が、均質に分散した補強相を有する第1領域と、一体金属の第 2領域から成る、請求項15記載の複合材料。 20.金属マトリックス複合材料であって、 (1)フライアッシュ、 (2)モノアルミニウムホスフェート、及び (3)アルミニウム、 から成り、前記フライアッシュが前記複合材料全体に均等に分散して、50% を越えて前記複合材料中に存在する事を特徴とする複合材料。 21.前記フライアッシュが、新球状フライアッシュである、請求項19記載の複 合材料。 22.前記フライアッシュが、集塵器フライアッシュである、請求項19記載の複 合材料。
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