(57)【要約】金属マトリクスと、少なくとも２種の異なる金属を含む複数の合金粒子を有する、不連続に強化された金属複合物であって、この合金粒子は、１μｍ〜約１０μｍの範囲の大きさを有し、金属マトリクス内に少なくとも２０体積％の量で分散しており、ここで、この合金粒子は、少なくとも１種の、金属マトリクス中の金属と同じ金属を有する、金属複合物。本発明は、金属マトリクス内に分散した少なくとも２種の異なる金属を含む合金粒子を有する、不連続に強化された金属複合物を提供する。金属／合金の界面特性は、金属／セラミック粒子の界面特性よりも優れている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不連続に強化された金属複合物であって、
金属マトリクス；および
少なくとも２種の異なる金属を含有する複数の合金粒子を含み、
該合金粒子は、１μｍ〜約１０μｍの範囲の大きさを有し、少なくとも２０体積％の量で該金属マトリクス内に分散しており、ここで、該合金粒子は、該金属マトリクス中の金属と同じ少なくとも１種の金属を有する粒子である、金属複合物。
【請求項２】
前記金属マトリクスが、アルミニウムを含み、前記複数の合金粒子がアルミニウムと少なくとも１種の他の金属とを含む、請求項１に記載の不連続に強化された金属複合物。
【請求項３】
前記合金粒子が、ＦｅＡｌ３である、請求項２に記載の不連続に強化された金属複合物。
【請求項４】
前記合金粒子が、少なくとも２０体積％〜約５０体積％の範囲の量で前記金属マトリクス内に分散している、請求項１に記載の不連続に強化された金属複合物。
【請求項５】
前記金属マトリクスが、アルミニウム、チタン、ニオビウムおよびマグネシウム、またはこれらの合金のうちの少なくとも１種である、請求項１に記載の不連続に強化された金属複合物。
【請求項６】
前記合金粒子が、前記金属マトリクスの金属と、該金属マトリクスの金属以外の少なくとも１種の金属とを含む、請求項５に記載の不連続に強化された金属複合物。
【請求項７】
前記金属マトリクスの金属以外の前記少なくとも１種の金属が、アルミニウム、チタン、ニオビウム、マグネシウム、鉄、クロム、バナジウムおよびジルコニウムのうちの少なくとも１種である、請求項１に記載の不連続に強化された金属複合物。
【請求項８】
金属マトリクス複合物を処理する方法であって、該方法は、少なくとも２種の異なる金属の溶融した合金を噴霧して金属マトリクスを形成し、金属マトリクスと合金粒子とを含有する粉末粒子を産生する工程を包含し、該合金粒子は、少なくとも２０体積％の量で該金属マトリクス中に分散している、方法。
【請求項９】
前記合金粒子が、約２０体積％〜約７０体積％の範囲の量で、前記金属マトリクス中に分散している、請求項８に記載の処理方法。
【請求項１０】
前記合金粒子が、約３０体積％〜約７０体積％の範囲の量で、前記金属マトリクス中に分散している、請求項８に記載の処理方法。
【請求項１１】
前記合金粒子の大きさが、１μｍ〜約１０μｍの範囲である、請求項８に記載の処理方法。
【請求項１２】
ホットプレスおよび押出成形による前記粉末粒子の後処理をさらに包含する、請求項８に記載の処理方法。
【請求項１３】
ホットプレスおよび圧延による前記粉末粒子の後処理をさらに包含する、請求項８に記載の処理方法。
【請求項１４】
熱間等静圧圧縮成形による前記粉末粒子の後処理をさらに包含する、請求項８に記載の処理方法。
【請求項１５】
金属マトリクス複合物を処理する方法であって、該方法は、少なくとも２種の異なる金属の溶融した合金を噴霧して金属マトリクスを形成し、金属マトリクスと、１μｍ〜約１０μｍの範囲の大きさを有する合金粒子とを含有する粉末粒子を産生する工程包含する、方法。
【請求項１６】
前記合金粒子の大きさが、約２μｍ〜約１０μｍである、請求項１５に記載の処理方法。
【請求項１７】
ホットプレスおよび押出成形による前記粉末粒子の後処理をさらに包含する、請求項１５に記載の処理方法。
【請求項１８】
ホットプレスおよび圧延による前記粉末粒子の後処理をさらに包含する、請求項１５に記載の処理方法。
【請求項１９】
熱間等静圧圧縮成形による前記粉末粒子の後処理をさらに包含する、請求項１５に記載の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（発明の背景）
一般に、複合材料は、異なる適用についての特定の要件に従って、その特性を調整することを可能にすることによって、設計の柔軟性を提供するある種の材料を構成する。例えば、金属マトリクス複合物（例えば、アルミニウムマトリクス複合物）は、種々の構造適用および非構造適用に用いられ得、これらの適用としては、エレクトロニクス産業、自動車産業および航空宇宙産業のための適用が挙げられる。複合材料は一般に、その強化材の形状および大きさに基づいて分類される。
【０００２】
複合材料の１つの型は、マトリクスの長さに沿って延びる連続的なファイバーを含む。図２は、金属マトリクス（２０）からできている連続ファイバー複合物（１０）を示し、これは、セラミックファイバー（３０）で強化されている。図３は、不連続なセラミックファイバー強化材を有する複合材料の別の型を示す。図３に示す金属マトリクス複合物（５０）において、特定の強化材（６０）は合金（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｓ）である。
【０００３】
複合材料の特性は、マトリクス材料、ならびに、強化材料の型、形状、大きさおよび体積分率に影響される。連続ファイバー複合物の主な強化機構は、マトリクスからファイバーへの負荷の移動に基づき、この負荷は、主に、ファイバーにより運ばれる。強力なファイバーが負荷の大半を運ぶので、負荷の方向に配列された連続ファイバーを用いて、強度および剛性の最も高いレベルが、達成される。連続ファイバー複合物は、ファイバーの方向では優れた強度を有するが、その適用は、高い生産コスト、処理に関する問題、およびその劣った横方向の特性により制限される。
【０００４】
一般に、不連続に強化された複合物は、連続ファイバー複合物よりも弱い。しかし、不連続に強化されたマトリクス複合物は、その低コスト、処理における増加した柔軟性、および機械的特性の等方性のような理由により、魅力的である。
【０００５】
例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）は、通常、不連続に強化された金属マトリクス複合材料を製造するのに用いられる。特に、強化材料として、炭化珪素を含むアルミニウムマトリクスの粒子状複合物が、一般に用いられる。しかし、炭化珪素粒子による負荷の共有は、金属／セラミック系の固有に弱い結合により制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
改善された強度、剛性および強靭性を有し、処理においてより高い柔軟性を提供する不連続に強化された金属マトリクス複合物に対する必要性がある。よりよい処理制御を可能にする処理方法に対する必要性もまた存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の要旨）
本発明は、不連続に強化された金属マトリクス複合物を提供し、この金属マトリクス複合物は、金属マトリクスと、少なくとも２種の異なる金属を含む複数の合金粒子とを含み、この合金粒子は、１μｍ〜約１０μｍの大きさを有し、少なくとも２０体積％の量で、金属マトリクス内に分散しており、ここで、この合金粒子は、金属マトリクス中の金属と少なくとも１種の同じ金属を有する粒子である。
【０００８】
本発明は、独立して、金属マトリクス複合物を処理する方法を提供し、この方法は、少なくとも２種の異なる金属の溶融した合金を噴霧して金属マトリクスを形成し、金属マトリクスと合金粒子とを含有する粉末粒子を産生する工程を包含し、ここで、この合金粒子は、少なくとも２０体積％の量で、金属マトリクス内に分散している。
【０００９】
本発明は、独立して、金属マトリクス複合物を処理する方法を提供し、この方法は、少なくとも２種の異なる金属の溶融した合金を噴霧して金属マトリクスを形成し、金属マトリクスと１μｍ〜約１０μｍの範囲の大きさを有する合金粒子とを含有する粉末粒子を産生する工程を包含する。
【００１０】
本発明のこれらの特性および利点、ならびに他の特性および利点は、以下の本発明の種々の例示的な実施例の詳細な説明に記載されている。
【００１１】
（発明の詳細な説明）
本発明は、金属マトリクス内に分散した少なくとも２種の異なる金属を含む合金粒子を有する、不連続に強化された金属複合物を提供する。金属／合金の界面特性は、金属／セラミック粒子の界面特性よりも優れている。さらに、合金粒子は、強化材料として非金属粒子（すなわち、セラミック粒子）を含む金属マトリクス複合物と比べて、その処理において、より高い柔軟性を可能にする。
【００１２】
本発明は、独立して、急速凝固および粉末治金（Ｐ／Ｍ）技術による、合金強化材を含む金属の粒子状複合物の処理を提供する。急速凝固処理は、合金粒子を用いる場合に適合され得る。また、合金粒子を用いる場合、所望の組成の液体合金が、ガス噴霧されて、予め合金にされた粉末を産生する。この処理方法は、強化粒子の大きさの範囲および分散のよりよい制御を可能にし、それによって、改善された特性を有する不連続に強化された金属マトリクス複合物を提供する。
【００１３】
金属中の粒子の強化効果は、種々の強化機構を含む。例えば、微粒子は、マトリクスの可塑的変形への拘束を発揮する。粒子による負荷の共有が、不連続に強化されたマトリクス内で生じるが、粒子は、ファイバーが共有するよりも少ない量の負荷を共有する。マトリクスの強化は、不連続に強化された金属マトリクス複合物の全体の強度の部分である。
【００１４】
粒子状複合物の機械的挙動に影響を及ぼす種々の因子としては、粒子相の性質および型（強度および変形能）、粒子の大きさ、体積分率、粒子の形状（アスペクト比）、マトリクスと粒子相との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）、マトリクスと粒子状材料との間の結合強度、ならびにマトリクスの特徴が挙げられる。
【００１５】
一般に、粒子状複合物は、非常に広範囲の粒子の大きさを包含する。粒子状複合物の１つの範疇は、Ｏｒｏｗａｎ機構によりマトリクス中の転位動作を直接阻害する、１ミクロン未満の大きさの硬い粒子からなる分散強化金属である。一般に、分散強化材料中の微粒子相の必要とされる比率は、比較的少ない。このような分散強化材料は、例えば、高温の適用に用いられ得る。しかし、このような分散強化材料は、より広範囲かつ高価な処理を受ける。
【００１６】
粒子状複合物の第２の型は、ミクロンの大きさの粒子を含み、ここでは、剛性および強度が増強され、そして、これらの複合物は、構造適用に用いられ得る。粒子状複合物の第３の型は、約５０μｍ〜２５０μｍの範囲の大きさを有する、より粗い微粒子を有する。この型の粒子状複合物は、より高い柔軟性と処理の容易さを提供し、これらは、摩耗されやすい適用に有用である。
【００１７】
これらの複合物の強化機構は、一般に、いくつかの構成要素（例えば、マトリクス強化材、熱膨張係数（ＣＴＥ）のミスマッチによる熱残留応力、およびマトリクスから粒子への負荷移動）を包含する。粒子のアスペクト比は、マトリクスから粒子への負荷移動に影響を及ぼす重要な因子である。これらの粒子状複合物における強化の程度は、粒子の大きさが減るにつれて、そしてまた、粒子相の量が増加するにつれて、増加する。
【００１８】
構造適用については、目的の特性は、強度、剛性および破壊靭性である。通常、構造適用について微細粒子（２０μｍ以下、好ましくは、約１０μｍ未満の直径を有する粒子）および、高体積分率の粒子（約２０体積％以上）が用いられる。
【００１９】
構造適用用の金属マトリクス粒子状複合物の開発は、その処理柔軟性を増加しつつ、その機械的特性を強化する工程を包含する。粒子相の負荷共有構成要素は、金属マトリクス複合物の全体の強度および剛性を増加させるために改善されるべきである。負荷共有特性に関して重要な特性は、マトリクスと強化合金相との間の界面共有強度である。なぜならば、強化材の負荷移動能および強化効果は、合金相とマトリクスとの間の結合強度を増加させるからである。
【００２０】
高い結合強度はまた、不連続に強化された金属マトリクス複合物の破壊靭性の点から、興味深いものであり得る。合金処理および加熱処理で強化された金属マトリクスと比べて、合金で強化された金属マトリクスは、高い温度でその強度をより保持し得、従って、高い操作温度下で用いられ得る。Ｆｉｂｅｒ  Ｐｕｓｈ−Ｏｕｔ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅを用いて、結合強度、およびファイバーとそのマトリクスとの間のすべり摩擦を測定し得る。
【００２１】
本発明の１つの実施形態において、不連続に強化された金属複合物は、金属マトリクスと、金属マトリクス内に分散した少なくとも２種の異なる金属を有する合金粒子とを含む。本発明の種々の実施形態において、金属マトリクスに用いられる金属は、特には限定されないが、例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ならびに、合金形成の際に適切に合金化合物を形成する、他の処理可能な金属およびその合金が挙げられ得る。上で議論したように、金属と合金との界面は一般に、金属とセラミックとの間の界面より強い。
【００２２】
本発明の種々の実施形態において、合金粒子中の少なくとも１種の金属は、マトリクス金属と同じである。合金粒子に用いられる金属の組み合わせは、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、チタン、ニオビウム、鉄、ならびに、マトリクス金属を有する合金を形成する他の金属が挙げられ得る。
【００２３】
本発明の不連続に強化された金属複合物を形成する際、合金粒子は、金属マトリクス内に分散している。上で議論されるように、構造適用について、合金粒子の粒子の大きさは、２０μｍ未満、そして、より好ましくは、約１０μｍ未満であるべきである。
【００２４】
本発明の種々の実施形態において、合金粒子は、金属マトリクス単独の強度および剛性に対して、金属マトリクス複合物の強度および剛性を増加するのに必要な量で、金属マトリクスに添加されるべきである。本発明の種々の実施形態において、合金粒子は、約１０体積％〜約７０体積％の範囲の量で添加される。
【００２５】
図１は、本発明の例示的な実施形態に従う、不連続に強化された金属マトリクス複合物１００を示す。この不連続な強化金属マトリクス複合物１００は、金属マトリクス２００内に分散した合金粒子３００を含む。
【００２６】
合金粒子の選択は、種々の考慮事項を包含し得る。本発明の種々の実施形態において、合金粒子は、低密度、高弾性率および高強度、ならびに、良好な熱安定性を有する合金粒子である。このような材料の１つは、例えば、鉄の三アルミニウム化合物（ｔｒｉ−ａｌｕｍｉｎｉｄｅ  ｏｆ  ｉｒｏｎ）（ＦｅＡｌ３）である。
【００２７】
本発明に従う不連続に強化された金属マトリクス複合物は、急速凝固経路および粉末治金経路により処理され得る。所望の組成の合金は、不活性ガス噴霧されて予め合金にされた粉末を産生し得る。粉末粒子の冷却速度は、粉末粒子の大きさに依存する。粉末粒子の大きさが小さいほど、冷却速度は速くなる。合金粒子の大きさは、冷却速度と共に変化する。より細い、および／または、より粗い粉末の大きさが、さらに処理して、微粒子の大きさを変えるのに用いられ得る。
【００２８】
予め合金にされた粉末の大きさの選択は、粒子の大きさを変えるための基礎となる。本発明の種々の実施形態において、粒子相の大きさは、複合物中で、約２０μｍ以下（好ましくは、約１０μｍ以下）である。
【００２９】
不活性ガス噴霧により産生される、予め合金にされた粉末は、処理の粉末治金経路により圧密化され得、この経路は、真空ホットプレスと、その後の、加熱押出成形により、円形または短形の断面の棒を得る工程を包含する。
【００３０】
以下は、粉末治金（Ｐ／Ｍ）経路による複合物の処理方法の説明である。一般に、Ｐ／Ｍ経路は、以下の工程を包含する：（１）マトリクス合金の噴霧粉末を産生する工程；（２）マトリクス合金粉末と、粉末形状の強化材とをブレンドする工程；（３）ブレンドした粉末を缶詰め（ｃａｎｎｉｎｇ）および脱気する工程；（４）真空ホットプレスしてビレットを産生する工程；ならびに（５）加熱押出成形して棒にする工程。
【００３１】
以下は、Ｐ／Ｍ経路による処理の例示的な例である。この例において、金属マトリクスとしてアルミニウムを用い、合金粒子として、ＦｅＡｌ３を用いる。しかし、上で議論するように、種々の金属および合金粒子が用いられ得る。
【００３２】
第１に、Ａｌ−Ｆｅ合金組成物が状態図から選択して、所定の体積分率のＦｅＡｌ３を得る。次いで、所望の組成の液体合金を不活性なガスで噴霧して、アルミニウムマトリクスとＦｅＡｌ３粒子とを含有する粉末粒子を産生する。このＦｅＡｌ３粒子は、融解生成物の急速凝固の間に形成される。次に、粉末粒子を篩にかけて所望の大きさの範囲の粒子を得る。次いで、粉末を缶詰めし、脱気し、そして、真空加熱圧縮して、ビレットを産生し、その後、押出成形により棒を形成する。特に、粉末（例えば、粉末粒子）を缶詰めするために、粉末粒子をまず冷却充填に供し、この間、粉末をおおよそ室温か、または、わずかに高い温度で缶詰めし、次いで、硬充填に供し、この間に、缶詰めした粉末を容器に圧充填し、加熱し得る。
【００３３】
本発明の不連続な強化金属マトリクス複合物が、金属単体よりも高い強度と剛性とを必要とする種々の構造において用いられ得ることが、当業者に明らかであるはずである。本発明の材料は、乗物の部品、構造材料などに用いられ得る。
【００３４】
本発明が、その中に分散した少なくとも２種の金属から形成される合金粒子を有する金属マトリクスを提供することが、本発明の際に、当業者に明らかであるはずである。その中に分散した合金粒子を有する金属マトリクスを提供することによって、得られた複合物は、金属／セラミック複合物よりも強い界面結合強度を有する。さらに、本発明は、処理の急速凝固および粉末治金（Ｐ／Ｍ）経路により、合金粒子の大きさの範囲および分散の、良好な制御を可能にする。本発明に従う、得られる合金／金属マトリクス複合物は、強化粒子の所定の微粒子の大きさおよび体積分率について、金属／セラミック粒子状複合物と比べて、改善された特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明の１つの実施形態に従う、不連続な金属マトリクス複合物の模式図である。
【図２】図２は、連続ファイバー金属マトリクスの模式図である。
【図３】図３は、不連続かつランダムに方向付けられたセラミック／金属ファイバー複合物の模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2005530034.tif 000006
2005530034.tif 000007