(57)【要約】基材上への金属間化合物からなる金属コーティングの形成方法および該方法により製造されたコーティングに関し、特に、少なくとも２種元素の金属を混合して金属間化合物形成用の均質前駆体を形成し：該前駆体を機械的に合金化して、微粒子を形成し：そして、該微粒子を、該微粒子が反応して金属間化合物となるために、該微粒子が半−固体／液体の状態に変化するのに十分な温度で該微粒子を反応性焼結する：以上の段階からなる金属間化合物からなる微粒子の形成方法に関する。本方法は、広く金属間化合物の形成に好適な少なくとも２種の金属からなる前駆体から合金化された集塊を形成し、基材の粗面化表面上に部分変換集塊のコーティングを蒸着させる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）少なくとも２種元素の金属を混合して金属間化合物形成用の均質前駆体を形成する；
（ｉｉ）該前駆体を機械的に合金化して、微粒子を形成する：そして
（ｉｉｉ）該微粒子を、該微粒子が反応して金属間化合物となるために、該微粒子が半−固体／液体 (semi-solid/liquid) の状態に変化するのに十分な温度で該微粒子を反応性焼結する：
以上の段階からなる金属間化合物からなる微粒子の形成方法。
【請求項２】
該元素金属が、ニッケル、チタンおよび鉄からなる群から選択される１または２以上の金属とアルミニウムとからなる粉末化金属である、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】
該前駆体がさらに強度向上剤、摩擦向上剤および耐摩耗向上剤からなる群から選択される少なくとも１の向上剤からなる、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項４】
該微粒子が、高温流動層で反応性焼結される、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項５】
請求の範囲第１項の方法により製造した微粒子。
【請求項６】
（ｉ）金属間化合物の形成用の少なくとも２種金属からなる前駆体から合金化集塊 (agglomerate) を形成し；
（ｉｉ）該集塊を反応させ、該集塊を金属間化合物に部分的に変換し：
（ｉｉｉ）該部分的に変換した集塊のコーティングを粗面化した基材表面上に蒸着させ：
（ｉｖ）該コーティングを処理して、該基材形状に適合させ、そして
（ｖ）該コーティングを反応性焼結し：
以上の段階からなる金属コーティングの形成方法。
【請求項７】
該集塊が該前駆体の機械的合金化により製造される、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項８】
該集塊が、熱処理により金属間化合物に部分的に変換される、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項９】
該部分的に変換された集塊が、該基材の厚さと比較して薄いコーティングとして蒸着される、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項１０】
該コーティングが、最も低い融点を有する該蒸着金属の融点より低いかまたはほぼ該融点の温度で反応性焼結される、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項１１】
該物理的に処理されたフィルムが、該フィルムを半ー固体／液体の状態に変化させるのに十分な温度で反応性焼結される、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項１２】
該固体基材が、金属、セラミックまたは高分子素材である、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項１３】
該元素金属が、アルミニウムと、ニッケル、チタンおよび鉄からなる群から選択される１または２以上の金属からなる粉末状金属である、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項１４】
該集塊が、アルミニウムと、ニッケル、チタンおよび鉄からなる群から選択される１または２以上の金属とからなる、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項１５】
金属間化合物が、アルミニウムと、ニッケル、チタンおよび鉄からなる群から選択される１または２以上の金属とからなる、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項１６】
該コーティングが、アルミニウムと、ニッケル、チタンおよび鉄からなる群から選択される１または２以上の金属とからなる、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項１７】
該熱処理された集塊が、基材上に蒸着される前にアニールされる、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項１８】
該基材上の該柔軟な、展性ある、金属フィルムの物理的処理が、摩擦接触、冷却処理またはピーニング (peening) である、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項１９】
該集塊が、強度向上剤、摩擦向上剤および耐摩耗向上剤からなる群から選択される少なくとも１種の向上剤と共に該基材に適用される、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項２０】
請求の範囲第６項の方法により製造されたコーティング。
【請求項２１】
請求の範囲第６項のコーティングからなる基材。
【請求項２２】
乗物その他の機械用のブレーキ装置の部品である、請求の範囲第６項の基材。
【請求項２３】
ブレーキ・ローター、ブレーキ・ドラム、ブレーキ・ディスクである、請求の範囲第６項の基材。
【請求項２４】
クラッチの部品である、請求の範囲第６項に記載の基材。
【請求項２５】
エンジンの部品またはエンジン・ブロックである請求の範囲第６項に記載の基材。
【請求項２６】
高分子またはプラスチック射出成型器用スクリューである請求の範囲第６項に記載の基材。
【請求項２７】
銃、ライフル、キャノン砲の銃身または航空機着陸装置である請求の範囲第６項に記載の基材。
【請求項２８】
（ｉ）金属間化合物の形成用の少なくとも２種の金属からなる前駆体から合金化集塊を形成し；
（ｉｉ）該部分的に変換された集塊のコーティングを基材の粗面化表面に蒸着し：
（ｉｉｉ）該基材の形状に適合するように該コーティングを処理し；そして
（ｉｖ）該コーティングを反応性焼結し：
以上の段階からなる金属コーティングの形成方法。
【請求項２９】
該集塊が、該前駆体の機械的合金化により形成される請求の範囲第２８項に記載の方法。
【請求項３０】
該部分的に変換された集塊が、該基材の厚さと比較して薄いコーティングとして蒸着される請求の範囲第２８項に記載の方法。
【請求項３１】
該コーティングが、最も低い融点を有する該蒸着金属の融点より低いかほぼ該融点の温度で反応性焼結される、請求の範囲第２８項に記載の方法。
【請求項３２】
ブレーキ・ローター、ブレーキ・ドラムまたはブレーキ・ディスクである、請求の範囲第２８項の基材。
【請求項３３】
（ｉ）金属間化合物形成用の少なくとも２種の金属からなる前駆体から合金化集塊を形成し；
（ｉｉ）該部分的に変換された集塊のコーティングを基材の粗面化表面に蒸着し：そして
（ｉｉｉ）該コーティングを反応性焼結し：
以上の段階からなる金属コーティングの形成方法。
【請求項３４】
該集塊が該前駆体の機械的合金化により形成された、請求の範囲第３３項に記載の方法。
【請求項３５】
該部分的に変換された集塊が、該基材の厚さと比較して薄いコーティングとして蒸着される請求の範囲第３３項に記載の方法。
【請求項３６】
該コーティングが、最も低い融点を有する該蒸着金属の融点より低いかほぼ該融点の温度で反応性焼結される、請求の範囲第３３項に記載の方法。
【請求項３７】
ブレーキ・ローター、ブレーキ・ドラムまたはブレーキ・ディスクである、請求の範囲第３３項の基材。
【請求項３８】
（ｉ）金属間化合物形成用の少なくとも２種の金属からなる前駆体から合金化集塊を形成し；
（ｉｉ）該集塊を反応させて、部分的に変換された該集塊にして金属間化合物とし；そして
（ｉｉｉ）該部分的に変換された集塊を基材の粗面化表面に蒸着する：
以上の段階からなる金属コーティングの形成方法。
【請求項３９】
該集塊が、該前駆体の機械的合金化により形成される、請求の範囲第３８項に記載の方法。
【請求項４０】
熱処理により該集塊が部分的に金属間化合物に変換される、請求の範囲第３８項に記載の方法。
【請求項４１】
該部分的に変換された集塊が、該基材の厚さと比較して薄いコーティングとして蒸着される請求の範囲第３８項に記載の方法。
【請求項４２】
ブレーキ・ローター、ブレーキ・ドラムまたはブレーキ・ディスクである請求の範囲第３８項に記載の基材。
【請求項４３】
（ｉ）第１の基材上に元素金属の組合せを蒸着し、柔軟で、展性のある金属フィルムを形成し、ここに金属の組合せは金属間化合物の形成に適したものである；
（ｉｉ）第２の基材を該フィルムにより該第１の基材に機械的に結合させ；
（ｉｉｉ）該フィルムの反応に十分な時間、熱と圧力を加えて該フィルムを反応性焼結し；そして
（ｉｖ）該金属の該反応を完結させて該金属間化合物を形成するのに十分な温度で該フィルムを反応性焼結し；
以上の段階からなる金属間化合物により複数の基材間に結合を形成する方法。
【請求項４４】
該元素金属の組合せが、該元素金属の粉末の機械的合金化により形成される、請求の範囲第４３項に記載の方法。
【請求項４５】
該元素金属の組合せが、該基材の厚さと比較して薄いコーティングとして蒸着される、請求の範囲第４３項に記載の方法。
【請求項４６】
さらに、基材をロール加工して該結合を強固にする、請求の範囲第４３項に記載の方法。
【請求項４７】
さらに、基材を鍛造して、該結合を強固にする、請求の範囲第４３項に記載の方法。
【請求項４８】
ブレーキ・ローター、ブレーキ・ドラムまたはブレーキ・ディスクである請求の範囲第４３項に記載の基材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、高性能、自動調整型の保護コーティング及びその製造方法に関する。これらのコーティングは、それらが適用される基材の幾何学的、機構的な構成に適合する。従って、本発明はまた、それらと強固に接着される新規な耐摩擦、耐摩耗、耐腐食性の金属コーティングを有する金属、セラミックおよびポリマー基材に関する。低空隙性で平坦で、欠陥のほとんどない平滑で、実質的に連続的な本発明コーティングは、良好な耐摩耗性と耐熱性を特徴とし、自動車部品、工具など、広範囲の有用な用途を有している。
【背景技術】
【０００２】
ほとんどのブレーキは摩擦型であり、動いている部品に固定表面が接触し、速度を落とし、停止させる。ブレーキへの使用の限界は、滑りにより全エネルギーが吸収され、発散させなければならない熱に変換されるので、動作条件がより厳しくなることの相違を除いては、クラッチの条件と同様である。１つの重要な点は、エネルギーが吸収され、熱が放散される速度である。摩擦ブレーキにおいて、もしブレーキの温度があまりに高くなると、結果的に摩擦力が低下し、フェーディング(fading)と呼ばれる状態となる。現代のブレーキローター／ドラムおよびクラッチは、例えば、レーシングカーなどの、高性能自動車にしばしば匹敵する厳しい動作条件に耐えうる特別な性能を要求される。
【０００３】
金属間化合物は公知であり、そのいくつかは所望の物性を有している。金属間化合物は、２またはそれ以上の金属間化学反応により生成する。一般に、それらは高強度（特に高温において）、優秀な耐侵食性および耐腐食性など、セラミック的な物性を有している。それらは、良好な接着性および展性など、セラミックに優る物性を有する。しかし、基材への適用後には、金属間化合物はその室温におけるもろい性質のため、成形や研磨が困難となる。これに対し、クロムやニッケルは成形や研磨は容易であるが、それらは容易に侵食され、腐食され、酸化される。
【０００４】
【特許文献１】１つの金属間化合物のコーティングが、米国特許第５８２０９４０号（ゴライニン他）に開示されている。この特許は、熱反応性の２種および多成分粉末から形成された接着性コーティングを開示する。それは拡散型金属間化合物コーティングであって、アルミニウムを含む熱反応性の金属粉がプラズマトーチ (plasma torch) 中に導入される。熱反応性粉末中の発熱反応がプラズマトーチ中で生じ、基材上への放熱の後、それは完了する。米国特許によると、発熱反応により生じた熱が金属間化合物の基材中への拡散を促進し、改良された接着性を付与する。
【０００５】
ゴライニン他の方法は、展性と柔軟性を与えるために、層全体に拡散して残留する過剰の未反応アルミニウムを許容する一方、最終表面物性を制御し、高空隙率、平滑性欠如などの表面欠陥を最少化する手段、または冷却段階で発生するクラックの防止手段については、開示もなければ、示唆もされていない。形状、表面平滑度および粗度、空隙度およびクラックの発生、その他の微細構造欠陥などの表面特性は、かかるコーティングが実質的に完全に反応した後の機械的処理（成形または研磨）によっては容易に防止することができない。
【０００６】
従って、欠陥除去のために、希望形状への物質加工を可能にする基材上への金属間化合物のコーティングを形成する経済的な方法の実現が、従来より望まれていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は広義には、基材上への金属間化合物からなる金属コーティングの形成方法、および該方法により形成されたコーティングに関する。本方法は広義には、金属間化合物の形成に適した少なくとも２種の金属からなる前駆体の合金化された集塊 (alloyed agglomerate) を形成し、基材の粗面化表面上に部分的に変換された集塊のコーティングを蒸着させる方法に関する。
【０００８】
本発明の広義の目的は、金属間化合物からなる金属コーティングの基材上への形成方法の提供にある。
本発明の他の目的は、所望形状への素材の処理および欠陥の除去処理を可能とする方法によるコーティング形成のための経済的な方法の提供にある。
さらにもう１つの本発明の目的は、金属間化合物からなる粒子の経済的な形成方法の提供にある。
また、金属間化合物からなる金属層を用いた２つの表面を接合する経済的な方法の提供も本発明の目的である。
本発明のその他の目的、特徴および利点は、特許請求の範囲を考慮しつつ以下の発明の詳細な説明を読むことにより、当業者には容易に理解できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の主な目的は、主として金属やセラミック基材用の、金属間化合物からなる新規金属コーティングの提供である。加えてそのコーティングは、種々の高分子基材に適用することができる。例えば、２，３の例を挙げれば、それらにはポリエステルおよびいわゆるアミノ樹脂などの熱可塑性および熱硬化性樹脂が含まれる。つまり本発明は、高温、耐摩耗性構造物質から、クラッチ板のような、ブレーキやクラッチ部品表面および、その他の耐摩擦表面、ピストンの表面コーティング、エンジンのシリンダー内壁のコーティングその他モーター自動車部品と該システム用部品の製造にわたる種々のタイプの基材のコーティングに基いている。該コーティングは、広範囲の用途への使用を可能とする特性を付与するために、独特の処理段階を経て製造される。
【００１０】
該コーティングは、以下の方法に従って製造される。予備段階として、コーティングされる基材表面はグレイニング (graining)、サンドブラストその他の公知の方法により粗面化される。次いで、元素金属の粒子、粉末、小平板 (platelet) またはワイヤーは、混合され、前駆体を形成する。公知のいかなる混合方法も使用可能である。好適例では、急速凝固スプレイ (rapid solidification spray) が、均一な粉末混合物を形成することから使用される。この前駆体は、金属間化合物の合成に好適である。典型的に使用される金属は、アルミニウム、ニッケル、チタン、鉄またはこれらの金属の組合せのいずれかである。他の代表的な金属には、幾つかの例を挙げれば、硼素、クロム、タングステン、モリブデンなどである。好適な金属の組合せは、アルミニド(aluminide)、例えばニッケルアルミニド、チタンアルミニド、鉄アルミニドなどを形成するものの組合せである。また好適な具体例には、残留応力を小さくするために、基材と同等の熱膨張率を有する金属間化合物が選択される。もしも、選択された金属間化合物が基材と非常に相違する熱膨張係数を有する場合には、最終コーティング中の金属間化合物の割合が少なくなる。アルミニドの合成のための金属粉末の比率の範囲は通常、約１０から約５０重量％のアルミニウム粉末、および約５０から約９０重量％の、例えばニッケル、チタン、鉄などの第２金属である。さらなるその他の金属粉末は、微量から約１５重量％の範囲で少量を使用することができる。さらにコーティングの形態は、ウィスカー、カーバイド（ＳｉＣ），アルミナファイバー、その他の金属およびセラミック粒子の、当業者に容易に判断しうる量の種々のタイプの粒子により変性することができる。コーティングの摩擦係数、比強度(specific strength)、比弾性率はさらに、ボロン、カーボンまたはシリコンカーバイドのフィラメントや粒子などの耐摩擦および耐摩耗改良剤により強化し向上することができる。しかし、金属間化合物の形成に適する上記化合物のいかなる組合せも使用可能であり、これらの組合せも本願特許請求の範囲記載の発明の範囲に包含される。下表は、本発明のコーティング形成用の金属粉末の好適な範囲を示したものである。
【００１１】
【表１】
2005520052.tif 000002
【００１２】
次の段階は、前駆体 (precursor) を機械的に合金化 (mechanically alloying) し、前駆体金属間化合物マトリックス混合物（ＰＩＭＭ）の集塊 (agglomerates) の形成である。これは典型的には、回転シリンダーまたはＶ−コーン・ブレンダー中で前駆体物質を回転混合 (tumbling) することからなっている。機械的合金化について知られているいかなる方法も使用することができ、これらの修正技術も本発明特許請求の範囲の範囲内である。機械的合金化は、いくつかの前駆体の金属間化合物を形成させる。これら前駆体の金属間化合物への変換率は、機械的合金化の程度によって決まる。前駆体がより金属間化合物に転換されると、前駆体は強靱となり、それを強固にする。さらに、このブレンディングと機械的合金化を１段階で実施することができ、この修正技術は、本発明特許請求の範囲の範囲内である。
【００１３】
機械的合金化の選択肢として、ブレンドの一部を真空反応させることができ、それは物質をガス抜きし、その一部を金属間化合物に変換する。ガス抜きは湿気を除去し、アルミニウム、マグネシウム、またはチタンのマトリックスの場合、非晶状オキシドを結晶化オキシドに転化する。
【００１４】
好適例において、前駆体ブレンドは合金化されるか、前記のように真空中で反応される。しかし、コーティングは、最終段階が反応性焼結 (reactive sintering) である限り、合金化または真空反応を省略して形成することができる。これらの修正技術は、本発明特許請求の範囲の範囲内である。
【００１５】
この段階で、ＰＩＭＭは反応性焼結され、金属間化合物粒子を形成する。フィルム用反応性焼結温度は、固体または半−固体／液体 (quasi-solid/liquid) 状態中で前駆体混合物を焼結するのに適した温度範囲内である。好適例において、高温流動層 (fluidizing bed) が、微粒子の凝集を防止するために使用される。しかしながら、単純なタンブリングや、反応ミリング (milling) を使用することができる。このプロセスは、金属間化合物粉、フィラメント、小粒(platelets)、ファイバー、その他いかなる形状または性状のものの形成にも使用可能であることは、当業者には容易に理解することができる。このプロセスにより形成されたいかなる金属間化合物粒子も、本発明特許請求の範囲の範囲内である。これらの金属間化合物は次いで、他の製造プロセスに添加剤として使用することができる。
【００１６】
コーティングが望ましい場合には、ＰＩＭＭは次いで熱処理され、さらに混合構成物の一部が反応して金属間化合物となる。次いで、公知の方法を用いて、基材の粗面化された表面上にＰＩＭＭを蒸着させる。フレームまたはプラズマ溶射蒸着 (flame or plasma spray deposition) 、高温機械的プレス (hot mechanical pressing) 、その他の公知の熱蒸着法などの熱蒸着プロセスが使用される場合、ＰＩＭＭの構成物はさらに金属間化合物を形成する。従って、もし熱蒸着法が使用されるならば、熱処理は省略することができる。熱蒸着法は、最終反応性焼結の温度を越えるべきではない。低温プレス、スミアリング (smearing) 、化学蒸着法、被覆加工 (cladding) 、プレス加工、スタンピング (stamping) 、延伸その他の公知の低温蒸着法も使用することができる。（但し、いくつかの低温蒸着法では、基材をプレフィックスト・フォーム (prefixed form) または成型物 (molded product) とする必要がある。）これらの修正技術は、本発明特許請求の範囲の範囲内である。この蒸着法は、金属間化合物粒子と原料化合物粒子の両方を含む、薄い、柔軟な、展性のある金属フィルムを形成する。
【００１７】
好適例において、ＰＩＭＭは前記のように熱処理される。しかしコーティングはこの段階を省略して製造することができ、かかる修正技術は、本発明特許請求の範囲の範囲内である。
【００１８】
熱溶射コーティングは、溶滴に溶融し、次いで選択した基材上に噴射することができる、金属線または粉状物から形成することができる。衝突と同時に、それらは表面に接着する微平板を形成し、基材構造を変質させることなくかなり緻密な保護コーティングを形成する。
【００１９】
プラズマ溶射は、高−ＫＷ電気アーク (high-KW electric arc) から、流量向上ノズル (flow enhancing nozzles) を通じたプラズマ形成ガスへの熱輸送を用いて実施することができる。溶射装置内で、ガス流室は、リング状陽極を形成するノズルに隣接する軸棒状陰極 (axial stick cathode) を有する。制御ギャップ内に、流出ガスが通過する直流アークが保持される。所定温度に加熱され、ガスの一部がイオン化されてプラズマとなる。金属粉が、出口フレームに射出され、ガス中で粉末は溶融、可塑化され、高速で部分表面に噴射される。噴出炎の希釈化と正確な冷却技術により、表面温度が低温に保たれ、放熱の望ましくない早期開始が防止される。
【００２０】
フレーム溶射は、フレーム加速ノズルを有するトーチ中での酸素とアセチレン混合物の燃焼により実施される。ワイヤー状物質の場合、フレームは、ノズル軸から供給されるワイヤーと同軸である。燃焼ガスは、溶融粒子を溶融し、原子化し、コーティング表面に噴射される。粒子は、キャリア・ガスにより、フレームノズル中に注入され、そこで基材表面に発射される。
【００２１】
好適例において、フィルムは次いで被覆された表面を、例えば、ロール加工、プレス加工、機械加工、ピーニング (peening) および／または研磨など、機械的に処理することにより可塑的に変形され、希望する形状および表面状態となる。フィルムは、例えば、異種金属表面間で緊密な接着が達成されるに十分高い減速比で、可塑的に変形（低温処理）、または焼結温度以下での加熱下で可塑的に変形される。このようにしてフィルムが形成され、金属粒子は結合し、連続マトリックスを形成する。フィルムの機械的処理は、空隙率を低下させ、基材への最終コーティングの強度と結合力を向上させる。プレスとロール加工は、可塑的変形の好適な選択肢である。ＰＩＭＭフィルムは、空隙と欠陥を埋め、表面拘束 (surface restraints) により形成される構造に自己調整 (self-adjust) することができる。機械的処理はさらに、ある種のフィルムを金属間化合物に変換する。
【００２２】
加えて、焼結前または焼結処理完了前の圧縮または研磨など、フィルムの一部の硬化金属間化合物状態への変換前の、柔軟な展性状態の蒸着フィルムの機械的処理により、柔軟フィルムは、処理体中の表面空隙や欠陥に流入し、それを充填する。表面が後に反応性焼結され、前駆体金属が金属間化合物からなる金属コーティングに変換すると、硬質セラミック状コーティングと粗面化された処理体の間に非常に強靱な、耐久力のある結合が形成される。従って、本発明の方法はまた、金属、セラミックおよび高分子などの基材の傷付けられたり不完全な表面を修復することができるので有用である。
【００２３】
好適例において、蒸着フィルムは前記のように機械的に処理される。しかし、コーティングはこの段階を省略して製造することもでき、これらの修正技術は、本発明特許請求の範囲の範囲内である。
【００２４】
処理フィルムは次いで反応性焼結され、金属間化合物からなる金属コーティングに変換される。このフィルム用の反応性焼結温度は、固体または半固体／液体状態の前駆体混合物の焼結に適当な温度範囲内である。通常、反応温度は、最も低い溶融温度の前駆体混合物の金属の溶融温度の近辺である。例えば、ニッケルーアルミニウム金属コーティングおよびチタンーアルミニウムコーティングは、好ましくは約６５０゜Ｃで反応性焼結され、その温度はアルミニウム金属の融点よりわずかに低温である。この例において、コーティングは固体状態で反応性焼結される。多相の部分的または完全反応物質が得られる。相形成は高度値の向上と良く相関している。初期混合物中の反応は、金属粒子の天然オキシド (natural oxide) 層により制限される。機械的変形は、粒子上の天然オキシドを切断することにより、反応を高める。この加熱は、摩擦、レーザー、フレーム、プラズマ、炉などの公知の表面または塊状物加熱方法により実施することができる。好適例において、表面加熱が使用される。しかし、公知の全ての加熱方法が本発明特許請求の範囲の範囲内に包含される。
【００２５】
好適例において、機械的処理フィルムは前記のように反応性焼結される。しかしフィルムが熱的に基材に適用される限り、この段階を省略してコーティングを製造することができる。これらの修正技術は、本発明特許請求の範囲の範囲内である。
【００２６】
本願明細書および特許請求の範囲中で使用される「反応性焼結」なる語は、ある組成物に熱が加えられ、その組成物の少なくとも一部に化学反応を生じ、新たな組成物を形成する工程を意味している。組成物は、公知技術が認識する語「焼結(sintering)」と対照的に、その融点以下、またはほぼ融点の温度に加熱される。「焼結」は、加熱工程として公知であり、ここでは化合物は融点以下に厳密に保たれる。
【００２７】
他の重要な利点は、反応性焼結の前にフィルムを機械的処理することにより達成される。焼結工程は通常、基材にコーティングを固定する結合を含んでコーティングの一体性を失わせるような、多孔性で、クラックのある表面、その他の欠陥など、粗く、不均一な欠点のある表面を形成する傾向がある発熱反応である。従来のコーティング中の欠陥の１つの原因は、蒸着した金属の溶融に十分な高温での焼結時のガスの放出であった。フィルムの機械的処理も、フィルム中の金属間化合物の量を増加させる。これがコーティングを形成するためのフィルムの最終反応性焼結に必要な温度を低下させる。通常の焼結温度よりも低い温度、即ち液体状態、でフィルムを反応性焼結することにより、反応の完結に必要な処理時間を短縮することができる。熱処理がより低温で実施されると、熱処理に起因する残留応力は減少する。その場での (in-situ) 反応性焼結はガスの発生を少なくし、付随してコーティング中の欠陥の発生を減らす。好都合に、製造工程も短縮され、製造コストを下げ、総合的な経済性を向上させる。従って、ＰＩＭＭの熱処理およびフィルムの機械的処理は、共にコーティングの製造コストの低減と同時に、最終コーティング中の欠陥の減少に寄与している。
【００２８】
最終焼結温度に影響するのに加えて、フィルム中の金属間化合物の量は、フィルムの硬度、そして最終コーティングの硬度に影響する。従って、最終反応性焼結温度および焼結時間と共に、前駆体の組成、機械的合金化、熱処理、機械的処理の程度は、全てコーティングの最終硬度および強度に影響する。より強靱なコーティングが望まれるとき、コーティング中のより高い割合の金属間化合物を要する。好適例において、金属間化合物はコーティング中０から７０容量％である。金属間化合物の割合が、約７０％を越えると、金属間化合物がコーティングの硬化を阻害する。
【００２９】
本発明方法により製造されたコーティングは２つの物の接合にも使用することができる。上記説明により製造されたＣｄＳ粉末集塊などのＰＩＭＭは、堆積し、接合される第１の物体上に機械的プレス、熱蒸着、流動層、粉末塗布コーティング法によりフィルムを形成する。接合される第２の物体は、第１の物体に機械的に接合され、次いでその場で熱反応し、フィルムをコーティングに変換する。部分反応と関連して粉末共蒸着および／または層蒸着法も鉄主体基材において使用される。
【００３０】
ローター、ドラム、ディスク、クラッチなど用に選択される代表的な基材は、チタン合金（グレード２およびＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ）、超合金 (superalloys) （２１４および２３０ニッケル−ベース、ＨＲ−１２０ニッケルー鉄ーベース、および５５６鉄−ベース）、および高温スチール（１５−１５ＰＨ）など、最も商業的に入手可能な高温合金である。チタン合金は、それらの高強度と高い耐腐食性と共に低密度を理由として、航空宇宙、化学工業における構造材として広く使用されている。超合金は、最も厳しい用途用の素材として使用されている。それらは高温酸化、高温腐食、クリープ、高周期疲労 (high-cycle fatigue) 、および熱疲労に曝される。スチールは高性能用途に最も広く採用されている素材である。しかし、合金の化学的挙動が、低温から穏和な温度への用途に通常限定している。特にチタン合金とスチールにおいて、７５０゜Ｃから８００゜Ｃを越える温度において、まだ環境耐久性に問題がある。これも高温合金ブレーキ／クラッチ部品の保護のための本願発明のコーティングの開発を必要とした。上記方法により製造されたコーティングを有する高温合金基材が、極限的動作条件を必要とする、レーシングカー、軍事、宇宙航空、商用乗物その他の用途に実質的にいかなる用途にも適用しうる高性能ブレーキおよびクラッチを提供する。
【００３１】
以下の実施例は、本発明の説明を提供するものであるが、これらは例示を目的とするもので、本発明の条件および範囲を画するものではない。
【実施例】
【００３２】
実施例１
回転シリンダーブレンダー中で、標記割合粉末を機械的合金化および混合し、アルミニウムとニッケルの粉末を作成した。粉末を４５０゜Ｃで真空ガス抜きした。次いでそれらを乱流ヘリウム雰囲気、６５０°Ｃ（アルミニウムの融点より低温）で熱処理した。処理後の粉末は、完全に反応し、非常に低い空隙率の金属間化合物構造を示した。金属間化合物粒子は、機械的合金化を通じて細く延伸された。金属間化合物相の粒径分布と容積分画の定量微細構造分析は、状態図で予想されるものであった。金属間化合物の平均粒径分布は、４．１から５．７μｍであった。平均長さは、９．４から１６．６μｍであった。製造された金属間化合物粉末／粒子は、アルミニウム合金２０２４のクラッド・シート上に機械的に埋め込まれた（ロール加工）。その後のアルミニウムシートの腐食試験は、際だった物性を示した。
【００３３】
実施例２
ニッケル、鉄、チタン粉末と混合したアルミニウム粉末を機械的に合金化し、プラズマ蒸着し、ＰＩＭＭフィルムを製造し、それをアルミナイド(aluminides)と称される金属間化合物の形成の基礎とした。プラズマ蒸着フィルムは、柔軟で、展性があり、機械的成形、研磨が容易であった。コーティングの硬度は、機械的合金化量の関数である金属間化合物の容積割合に異存していた。生成したコーティングの物性は、フィルム蒸着の間になされた機械的合金化または熱処理の量に影響されなかった。フィルムの成形・研磨後、フィルムは摩擦、プラズマおよびフレームで加熱され、最終コーティングが形成された。加えて、スミアリング、粉末衝突、化学およびクラッディング法などその他の蒸着法により、良好なコーティング形成が行われた。ＰＩＭＭ中の組成変化により、延性、硬度、腐食、侵食性、耐摩耗性などの性質の相違するコーティングが得られた。最後に、ＳｉＣ、アルミナ繊維、その他の粒子などの添加剤を加えて、ＰＩＭＭを有するコーティングが製造された。これらの添加剤は、さらに潤滑性、強度、強靱性、仕上げ形態などの最終コーティングの性質を変化させた。１００ナノメーターから１ｍｍのコーティング厚さが、これら製法により得られた。
【００３４】
実施例３
前駆体物質混合フィルム中の組成変化が（例えば、延性、硬度、腐食性、侵食性／耐摩耗性などの）性質の相違するコーティングが得られることが以下のようにして示された。ザラザラのスチール・ブレーキ・ローター（１５−１５  ＰＨ）上に、摩擦向上剤なしのＡｌ−Ｎｉ金属の、化学量論量のＰＩＭＭがプラズマ蒸着され、ＰＩＭＭフィルムが形成された。ビッカースマイクロ硬度数（ＶＨＮ）は１１０であった。フィルムを有するブレーキ・ローターは、２０ｋｓｉ、４５０°Ｃで一軸ホットプレスされた。その後、ローターを電気オーブン中、７００°Ｃで１０分間加熱した。部分反応フィルムは、６６０の平均ＶＨＮに達した。最後に、ブレーキ操作中、コーティングは再成型され、完全に反応し、８５０の平均ＶＨＮを有する最終コーティングを形成した。摩擦係数はほぼ０．７であった。
【００３５】
実施例４
チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金）のブレーキ・ローター上に、５％摩擦向上剤（ＴｉＣ）を有する金属組成物、Ａｌ５０Ｎｉ３０Ｆｅ１０Ｔｉ７−Ｗからなるフィルム層が混合中、機械的合金化された。次いでそれをフレーム噴射蒸着し、「新型金属間化合物もしくはトリアルミナイド」と呼ばれる金属間化合物の形成のために、ＰＩＭＭフィルムを製造した。フレーム蒸着フィルムは、柔軟で、展性があり、機械的成型および研磨が容易であった。フィルムは容積で２０％の金属間化合物と８０％のＰＩＭＭからなっていた。ＶＨＮは２５０であった。このフィルムを有するブレーキ・ローターは、２０ｋｓｉで一軸冷間プレス加工された。その後、ローターは、電気オーブン中で、７００°Ｃで１０分間加熱された。部分反応フィルムは、７２０の平均ＶＨＮに達した。最後に、ブレーキ操作中、コーティングは再成型され、完全に反応され、１２４０の平均ＶＨＮを有する最終コーティングを形成した。摩擦係数はほぼ０．６４であった。
【００３６】
実施例５
ＣｄとＳの粉末および／またはカドミウムー硫黄リッチ粉末が、流動層コーティング法によりブレーキ・バッキング・プレート上に蒸着された。鉄ベース摩擦物質が、機械的プレスにより、コーティングされたブレーキ・バッキング・プレートに接合された。機械的プレスの後、反応性焼結法を用いて、接合組成物、ＦｅＳ−Ｃｄｓ−ＦｅＣｄ、を作成し、それはバッキング・プレートと摩擦物質の接合の土台となった。標準ブレーキ・パッドの製造方法が用いられ、通常の試験工程が用いられ、ブレーキ・パッドの試験が実施された。優秀な温度耐性のあるブレーキ・パッドが得られた。パッドは、高品質パッドに関して、ファクター６に達する剪断強度に向上した。
【００３７】
実施例６
本実施例は、前駆体混合物粉末のフィルムを有する金属シート層に関する。金属シートは、金属間化合物からなる金属物質の層で結合された。ロールまたは鍛造で最終的に結合を完成させる。該層構造の結合の後、粉末の熱反応が励起され、組成物が加熱される。この方法の主たる利点は、巨視的層形成の２次元クラック停止能による大きなエネルギー吸収の可能性にある。また、比較的等方性の可能性もある。最後に、この組成物は機械的変形処理により容易に最終形状に成形される。この方法により作成された組成物の一例は、３００３Ａｌ合金シート間のＮｉＡｌ合金の未反応ー機械的合金化粒子からなる粉末を用いてなされ、それはその後、プレス加工（１５ｋｓｉ）され（またはロール加工により）層構造は結合される。６５０°Ｃ以下の反応で、Ａｌを有する組成物シートと金属間化合物を有する金属層は、同じ厚さのアルミニウムシートのほぼ２倍の曲げ強度に向上した。組成物全体の密度は、Ａｌ単独の密度と同様である。組成物は、ＮｉＡｌの０．２ｆｔ−ｌｂｓと比較して、７４ｆｔ−ｌｂｓのノッチ付き衝撃エネルギーを有する。この組成物は室温で８％の伸びを有する。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の他の例および修正は、以上の説明から、当業者には容易に到達しうるであろう。例えば、鍛造、トーション(torsion)その他の公知の高温処理工程を採用することができる。本発明は、スチールや反応性金属間化合物など、他の金属の合金を用いて、ブレーキ・ローター／ドラム／ディスクなどに実用化可能である。従って、本発明は上述の説明に限定されるものではなく、さらなる実施例と修正技術は本発明特許請求の範囲に包含されるものと理解しなければならない。
【国際調査報告】
2005520052.tif 000003