(57)【要約】完全にアルミニウムと反応したセラミックス／金属複合材料が記載されている。この複合体は結合剤、例えばシリカを含むセラミックス、例えば炭化珪素の予備成形体から、これを金属の混合物または合金、例えばアルミニウム／珪素と接触させ、結合剤と反応させてセラミックス／金属複合材料をつくることによって製造される。また該複合材料および該材料を含ませてつくられた製品も記載されている。
2005533929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硼化物または炭化物をベースにしたセラミックス部分およびアルミナ−アルミニウム結合相を含んで成るセラミックス／金属複合材料において、該複合材料はアルミニウムと実質的に十分に反応していることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
該材料はアルミニウムと実質的に反応しないことを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項３】
該セラミックス部分は炭化珪素、炭化硼素、または二硼化チタンまたはこれらの混合物を含んで成ることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項４】
該セラミックス部分は平均粒径が約５〜約５０００μｍである粒子状の炭化珪素を含んで成ることを特徴とする請求項３記載の複合材料。
【請求項５】
少なくとも５０容積％の炭化物粒子を含んで成ることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項６】
少なくとも６０容積％の炭化物粒子を含んで成ることを特徴とする請求項５記載の複合材料。
【請求項７】
約５０〜９０容積％の炭化物、約３２〜７容積％の酸化アルミニウム、および約１８〜３容積％のアルミニウムを含んで成ることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項８】
実質的に連続的なセラミックス部分を含んで成ることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項９】
アルミナ−アルミニウム結合相は、シリカが結合した硼化物または炭化物をベースにしたセラミックスの予備成形体中のシリカを、約１８〜約９５重量％の珪素を含むアルミニウム合金と反応させることによりつくられることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項１０】
約５重量％以下のシリカを含んで成ることを特徴とする請求項９記載の複合材料。
【請求項１１】
約１重量％以下のシリカを含んで成ることを特徴とする請求項１０記載の複合材料。
【請求項１２】
硼化物または炭化物をベースにしたセラミックス部分およびアルミナ−アルミニウム結合相を含んで成る複合材料において、該材料はアルミニウムおよびアルミニウム合金と実質的に反応しないことを特徴とする複合材料。
【請求項１３】
シリカが結合した硼化物または炭化物をベースにしたセラミックス部分およびアルミニウム合金部分からつくられたマトリックスを有するセラミックス／金属複合材料を含んで成る製品において、該シリカはアルミニウムと実質的に十分に反応してアルミナをつくっていることを特徴とする製品。
【請求項１４】
該製品はアルミニウムとあまり反応をすることなく熔融したアルミニウムと接触させることができることを特徴とする請求項１３記載の製品。
【請求項１５】
該製品は上昇管、ダイス型／成形型、加熱器の浸漬管、熱電対保護管、取鍋、および撹拌装置から成る群から選ばれることを特徴とする請求項１４記載の製品。
【請求項１６】
該製品は摩擦または摩耗に曝される一つまたはそれ以上の表面をもっていることを特徴とする請求項１３記載の製品。
【請求項１７】
該製品は軸受け、ノズル、ブッシング、弁の機素、ライニング材、ブレーキの機素、クラッチ、エンジンの機素、およびタービンの機素から成る群から選ばれることを特徴とする請求項１６記載の製品。
【請求項１８】
該製品は電気伝導体であることを特徴とする請求項１３記載の製品。
【請求項１９】
該製品は電動モーターのブラシ、高温／有害環境のセンサー、高温／有害環境のプローブ、電極および電流捕集器から成る群から選ばれることを特徴とする請求項１８記載の製品。
【請求項２０】
該製品は熱管理装置であることを特徴とする請求項１３記載の製品。
【請求項２１】
該製品は熱放散器、熱吸収器、熱拡散器、および基質から成る群から選ばれることを特徴とする請求項２０記載の製品。
【請求項２２】
該製品は高速度の弾丸から運動エネルギーを吸収して消費することを特徴とする請求項１３記載の製品。
【請求項２３】
該セラミックス部分は炭化珪素、炭化硼素、または二硼化チタン、またはそれらの混合物であることを特徴とする請求項１３記載の製品。
【請求項２４】
ａ．シリカが結合した硼化物または炭化物をベースにした予備成形体を、約１８〜約９５重量％の珪素を含み残りは実質的にアルミニウムおよび不純物を含んで成る熔融した金属と反応させ、
ｂ．予備成形体の中におけるアルミニウムとシリカとの反応を実質的に完結させ、少なくとも約５０容積％の硼化物または炭化物を含み残りはアルミナ、アルミニウムおよび不純物を含んで成る複合体をつくり、
ｃ．該複合体を熔融した金属との接触から取り出す
工程を含んで成ることを特徴とする硼化物または炭化物をベースにしたセラミックス／金属複合体の製造法。
【請求項２５】
少なくとも約５０容積％の硼化物または炭化物を含むシリカが結合した硼化物または炭化物をベースにした予備成形体をつくった後、該予備成形体を熔融した金属と接触させる工程をさらに含んで成ることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
所望の製品と実質的に同じ形および大きさをもった予備成形体をつくることをさらに含んで成ることを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
予備成形体と熔融した金属との接触は予備成形体を熔融した金属の中に浸漬することを含んで成ることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２８】
該熔融した金属は約２０〜約３０重量％の珪素を含んで成ることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２９】
該熔融した金属は約２５重量％の珪素を含んで成ることを特徴とする請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
該熔融した金属の温度は約１０００〜１２５０℃であることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項３１】
該熔融した金属はの温度約１１５０℃であることを特徴とする請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
該予備成形体は少なくとも約６０容積％の硼化物または炭化物を含んで成ることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項３３】
該予備成形体は少なくとも約９０容積％の硼化物または炭化物を含んで成ることを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
該予備成形体は炭化珪素、炭化硼素、または二硼化チタンまたはそれらの混合物を含んで成ることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項３５】
該予備成形体は炭化珪素を含んで成ることを特徴とする請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
該予備成形体は一般に平均粒径が約５〜約５０００μｍである硼化物または炭化物の粒子を含んで成ることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項３７】
反応の進行と共に、予備成形体の形および大きさを実質的に同じに保つことをさらに含んで成ることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項３８】
請求項２４記載の方法でつくられた複合材料。
【請求項３９】
請求項２４記載の方法でつくられた複合材料を含んで成ることを特徴とする製品。
【請求項４０】
該製品は形および大きさが予備成形体と実質的に同じであることを特徴とする請求項３９記載の製品。
【請求項４１】
該製品は上昇管、成形型、加熱器の浸漬管、熱電対保護管、軸受け、ノズル、ブッシング、弁の機素、ライニング材、電動モーターのブラシ、高温／有害環境のセンサー、高温／有害環境のプローブ、電極、電流捕集器および外装材から成る群から選ばれることを特徴とする接触は３９記載の方法。
【請求項４２】
ａ．反応性の結合剤をもったセラミックスの予備成形体を熔融した金属浴と反応させて反応性の結合剤の間の反応を開始させ、反応
ＡＷＢＸ＋Ｍ  →  ＭｙＢｚ＋Ｎ、
但しここでＡＷＢＸはセラミックスであり（Ｂは必ずしも硼素ではない）、
Ｍは該結合剤と反応するＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｙ、Ｎｂおよびそれらの混合物またはそれらの合金から成る群から選ばれる熔融金属浴中の金属であり、
ＭｙＢｚは望ましくない反応生成物であり、
ＮはＡであってもなくてもよいが窒素ではなく、熔融した金属浴の中に含まれる金属であり、ここでＮはＡＷＢＸを安定化するのに十分な量で熔融した金属浴中に存在するものとする、
を防ぎ、
ｂ．予備成形体中において金属Ｍと結合剤との間の反応を実質的に完結させて少なくとも約５０容積％のセラミックを含み残りが金属Ｍ、金属Ｍと結合剤との反応生成物、および不純物を含んで成る複合体をつくり、
ｃ．該複合体を熔融した金属との接触から取り出す
工程を含んで成ることを特徴とするセラミックス／金属複合体を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の条項の下で、改善されたセラミックス／金属材料およびその製造法と題する２００２年７月２４日出願の暫定米国特許出願第６０／３９８，０６３号の利益を請求する。該特許出願はその全文を引用により本明細書に包含される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は一般にセラミックス／金属材料、さらに特定的には炭化物および硼化物をベースにした材料、およびこれらの材料の製造法に関する。
【背景技術】
【０００３】
金属マトリックスおよび強化相または補強相、例えばセラミックスの粒子、ウイスカー、繊維などを有する複合材料は、補強相がもつ或る程度のかたさおよび耐摩耗性と金属材料がもつ延性および靭性が組み合わされているために種々の用途に使用されている。これらの材料は一般に金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）と呼ばれている。このような複合体は、金属だけを使用した場合に比べ、一般に改善された強度、耐摩耗性、および高温相容性を示し、また金属だけからつくられた同じ製品に比べて軽量にすることができる。
【０００４】
同様に、結合相またはマトリックス相がセラミックス材料からつくられ、補強相が金属または他のセラミックスからつくられた複合体も多くの製品の製造に使用されている。これらの材料は一般にセラミックスマトリックス複合体（ＣＭＣ）と呼ばれる。これらの材料も、金属だけを用いてつくられた場合に比べ、改善された強度、かたさ、耐摩耗性、および温度相容性を示し、またセラミックス成分だけの場合に比べ、改善された延性および靭性を示す。セラミックスだけの材料は金属だけの材料に比べ改善された温度抵抗性および強度を与えるが、セラミックス材料だけを使用する際の主な欠点は信頼性がないことである。このような信頼性の低さは破砕に対する靭性が低く、脆性破砕を生じる挙動に由来するものであり、このことはセラミックスが偶発的な過負荷、接触による損傷、または迅速な温度変化に応答し急速に破滅的な破壊を起こし易い原因となっている。金属の補強相を加えると、セラミックスだけの場合に比べて信頼性が改善される。
【０００５】
金属とセラミックスとを組み合わせて複合材料にすることによって改善された材料の性質が得られるから、これらの材料は宇宙産業、自動車、医療用およびスポーツ産業を含む多くの分野に用途が見出だされてきた。このような複合材料を製造する一つの方法は、例えば特許文献１記載のように、塊状の熔融した金属を通常は不活性のグラファイトまたはアルミナの坩堝の中でガスにより気相酸化を行い、指向成長法（ｄｉｒｅｃｔｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ  ｐｒｏｃｅｓｓ）によりセラミックスを含んだ固体部材をつくる方法である。反応生成物は最初熔融した金属の溜りの露出した表面に生じ、次いで外側へと成長して行き、通路を通してさらに金属を輸送することにより、原料の金属とガス相の酸化剤との間の酸化反応によるセラミックスの生成物の中に供給される。
【０００６】
複合体をつくるための直接金属酸化物法（ｄｉｒｅｃｔ  ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｐｒｏｃｅｓｓ）は単一方向の過程であり、成長は材料の片側から他の側へと起こるであろう。従って材料はその片側が他の側に対して均一でない可能性がある。また多孔性のセラミックス材料（例えばＡｌ２Ｏ３、Ｂ４Ｃ、ＳｉＣ）の中に熔融した金属を侵入させると、セラミックス／金属複合体が生じることも知られている。
【０００７】
セラミックス／金属複合体をつくる他の方法は、特許文献２に記載されているように、熔融した金属をセラミックスの犠牲予備成形体により蒸気相を用いないで酸化する方法であり、これには犠牲予備成形体を熔融した金属と、該金属の融点よりは高いが犠牲予備成形体の融点または軟化点よりも低い温度において接触させる過程が含まれる。犠牲予備成形体が少なくとも部分的に変化して金属相を含むセラミックス金属酸化物の物体になり得るのに十分な時間の間、高温において犠牲予備成形体と熔融した金属とを接触させた状態に保つ。
【０００８】
また或る種の複合材料は特定の性質を改善するためにウイスカー、粒子または他の添加物、例えばセラミックスの炭化物の粒子を含んでいる。セラミックスの炭化物の粒子を含む大部分の構造材料は小さい炭化物の粒子を含んでいる。何故ならば小さい粒子は良好に焼結し、改善された粒子が得られるからである。ＭＭＣ材料では小さい粒子が使用される。何故ならば大きな粒子は強度および破砕靭性が低下すると思われるからである。ＭＭＣ材料では、これらの小さい粒子は軟かい／靭性をもった金属マトリックスによって保持されているから、移動し易い。さらにそれらの直径は小さいから、界面の結合の中の小さい区域だけがこれらの粒子を適切な位置に保持しているに過ぎない。
【特許文献１】米国特許第４，７１３，３６０号明細書。
【特許文献２】米国特許第５，２１４，０１１号明細書。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の概要
本発明によれば、硼化物または炭化物をベースにしたセラミックス／金属複合材料において、硼化物または炭化物をベースにしたセラミックスの最初の部分が熔融した金属浴の中でシリカと結合して化学的に安定化され、硼化物または炭化物が熔融した金属によって著しくは消費、変化、溶解、反応せず、或いは影響を受けることがない改善された硼化物または炭化物をベースにしたセラミックス／金属複合材料が提供される。本発明の材料では従来の複合体に比べて改善された性質が得られる。本発明の複合材料からつくられた製品は、熔融した金属と実質的に反応せず、熔融した金属を取り扱うのに使用することができる。
【００１０】
本発明には、シリカを硼化物または炭化物と組み合わせて硼化物または炭化物を少なくとも５０容積％含むシリカが結合した予備成形体をつくり、次いで少なくとも約１８重量％以上で約９５重量％以下の珪素を含み残りが実質的にアルミニウムおよび不純物である熔融した金属と該予備成形体とを接触させる硼化物または炭化物をベースにしたセラミックス／金属複合材料の製造法が含まれる。アルミニウムと予備成形体注のシリカとの間の反応を実質的に完結させて少なくとも約５０容積％が炭化物または硼化物であり残りが実質的にアルミナ、アルミニウム合金、および不純物である複合体をつくる。次に、さらに処理を行い使用するために、この実質的に反応した複合体を熔融した金属との接触から取り出す。
【００１１】
本発明の詳細な説明
本発明は、結合相またはマトリックス相がセラミックス／金属複合体であるセラミックス／金属複合材料に関する。好適な具体化例は炭化珪素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）およびアルミニウム（Ａｌ）を含む複合材料である。本発明をここに記載された特定の材料に限定するつもりはないが、炭化珪素、アルミナおよびアルミニウムの複合材料、並びに該材料の製造法に関するものとして、次に例を挙げながら本発明の説明を行う。
【００１２】
本明細書において使用される「金属」という言葉には、純粋な金属、金属合金、金属間化合物、およびこれらの混合物が含まれる。本明細書において使用される「セラミックス」と言う言葉は無機性の非金属材料、典型的には本来結晶性をもった材料として定義され、一般に金属および非金属元素、例えばアルミニウムと酸素（アルミナ−Ａｌ２Ｏ３）、カルシウムと酸素（カルシア−ＣａＯ）、珪素と酸素（シリカ−ＳｉＯ２）、他の同様な酸化物、窒化物、硼化物、硫化物、および炭化物の間でつくられる化合物を定義するものとして使用される。本明細書において「または（或いは）」という言葉は包括的な意味で使用され、排他的な意味においては使用されない。ＢＲＹＡＮ  Ａ．ＧＡＲＮＥＲ，Ａ著、ＤＩＣＴＩＯＮＡＲＹ  ＯＦ  ＭＯＤＥＲＮ  ＬＥＧＡＬ  ＵＳＡＧＥ  ６２４頁、（第２版、１９９５年）参照のこと。本明細書において「シリカが結合した」という言葉は、シリカが硼化物、炭化物、または他のセラミックスの粒子および他のシリカ分子の表面に結合し、硼化物、炭化物または他のセラミックス粒子の周りを被覆し、硼化物、炭化物、または他のセラミックス粒子を凝集させて緻密な物体にしていることを意味する。
【００１３】
一好適具体化例においては、通常の方法でシリカを炭化珪素と組み合わせ、少なくとも約５０容積％が炭化珪素であるシリカが結合した炭化珪素予備成形体をつくる。この予備成形体を通常の方法、例えばスリップ鋳込み、押し出しなどの方法によって実質的に所望の形にすることができる。予備成形体を操作温度、一般的には約１０００〜１２５０℃に予熱する。次に加熱した成形された予備成形体を予熱炉から取り出し、反応炉の中に入れ、この中で約１８〜約９５重量％の珪素を含み残りが実質的にアルミニウムおよび不純物である熔融した金属と接触させ、好ましくはその中に完全に浸漬する。この接触は種々の方法で達成することができ、その中には予備成形体を熔融した金属の上に浮遊させ、熔融した金属を予備成形体の中または上に注ぎ、熔融した金属を予備成形体の中に押し込むか、他の任意の方法よって予備成形体と熔融した金属とを接触させる方法が含まれる。熔融した金属は、その環境に依存して意図的にまたは意図せずに、アルミニウムまたは珪素以外の成分、例えば他の金属、ドーピング剤または汚染物質を含んでいることができる。
【００１４】
アルミニウムとシリカとの反応が所望の程度に達するまで、一般的には完結するまで、予備成形体を熔融した金属に浸漬したまま、或いは何等かの方法で接触させたままの状態に保つ（下記参照）。反応の完結度が所望の程度に達したら、今や複合材料になった予備成形体を取り出し、これを冷却する。これで最終的な製品は使用できる状態、またさらに仕上げ等を行なえる状態になる。
【００１５】
熔融したアルミニウム／珪素浴はアルミニウムの融点よりは高いが予備成形体の融点または軟化点よりも低い温度に保たれる。好ましくはこの温度は約１０００〜約１２５０℃であり、大気圧におけるアルミニウム合金の融点よりも十分に高い温度である。熔融したアルミニウム合金中の珪素の割合は珪素として好ましくは約２０〜約３０重量％、最も好ましくは約２５重量％である。この過程は大気圧よりも約５ｐｓｉないし約５μｍＨｇ絶対圧の間の圧力でうまく完了した。またこの過程は不活性雰囲気中でうまく完了した。またこの過程はこれよりも高い圧力でもうまく完結させることができると考えられ、下記に説明するように、この過程および反応は熔融した金属を予備成形体が細孔の中に押し込まれる過程には依存しない。予備成形体を熔融した金属の中に浸漬することが好ましいから、熔融した金属以外に反応を取り巻く雰囲気は存在しない。予備成形体を浸漬することは必ずしも必要ではないが、浸漬を行うことにより反応は予備成形体のすべての外側の表面から予備成形体の中心へと進行し、反応が予備成形体全体に亙って起こるのに必要な時間が短くなるであろう。予備成形体を浸漬しないで他の方法により予備成形体と熔融した金属とを接触させる方が望ましい環境もあるかもしれないが、この場合には使用者の選択に依存して雰囲気の組成をコントロールすることもしないこともできる。
【００１６】
予備成形体により熔融した金属浴中の液体アルミニウムが酸化されて酸化アルミニウムになるための酸化剤として作用するのに必要な程度の高温に熔融したアルミニウム合金の温度が達すると、予備成形体中のシリカが反応を起こす。アルミニウムはシリカを還元し、珪素と酸素を生じ、酸素と反応してアルミナを生じる。反応したシリカから生じる珪素は熔融した金属と合金をつくり、若干のシリカは最終的な複合材料の中に保存されることができる。或る言い方をすれば、アルミニウムはシリカ中の珪素を移動させて置換し、アルミナを生じる。この具体化例においては、下記の反応が生じる。
３ＳｉＯ２＋４Ａｌ  →  ２Ａ１２Ｏ３＋３Ｓｉ          （１）
予備成形体中のシリカが熔融したアルミニウムと実質的に十分に反応して複合材料を生じるのに十分な時間の間、予備成形体および熔融した金属をこの高温に保持する。実質的に十分に反応するという言葉は、上記（１）の反応によりシリカが消費され、予備成形体中に残ったシリカが約５重量％以下、好ましくは約１重量％以下になることを意味する。しかしこれよりも多量または少量のシリカを含むような予め定められた時点まで反応を進行させ、この時点で製品を熔融した金属との接触から取り出すことも本発明の範囲内に入る。
【００１７】
一般にこの反応によりシリカを置換した部分（この部分は非反応部分を含まず、この具体化例では炭化珪素を含まない）に対して約３５容積％の金属（アルミニウム）および約６５容積％のセラミックス（アルミナ）が生じる。従って予備成形体の中に５０容積％の炭化珪素と５０容積％のシリカが存在した場合、反応した複合体は約５０容積％の炭化珪素、約３２容積％の酸化アルミニウムおよび約１８容積％のアルミニウムを含んでいるであろう。予備成形体が約９０容積％の炭化珪素および約１０容積％のシリカである場合、反応した複合体は約９０容積％の炭化珪素、約７容積％のアルミナおよび約３容積％のアルミニウムを含んでいるであろう。同様に、予備成形体中の炭化珪素の容積％の値が５０〜９０容積％である場合、反応した複合体はその中にそれに対応した容積％のアルミナおよびアルミニウムを含んでいるであろう。
【００１８】
熔融した金属の中に十分な珪素が存在していると、シリカと熔融したアルミニウムからアルミナを生じる反応は熱力学的に有利であるが、アルミナと炭化珪素との反応は抑制される（下記参照）。この反応を実質的に完結させることにより、最も好ましくは反応完結後、シリカは複合材料の中に残らない。しかし複合材料の中に若干の少量のシリカが残存していることができる。さらに複合材料の中の表面の炭化珪素を酸化してシリカをつくり、酸素を含む雰囲気に露出した最終複合材料の表面上の一部にシリカの被膜をつくることができる。反応が完結すると、十分に反応した複合材料を熔融した金属との接触から取り出す。
【００１９】
反応（１）が進行するにつれて、若干のアルミニウム合金が複合材料自身のマトリックスの一部になる。シリカはアルミナおよびアルミニウムの両方により置換される。元の予備成形体の中の炭化珪素はアルミニウムと反応せず、元の予備成形体中の炭化珪素の量は反応が実質的に完結した後の複合体中の炭化珪素の量と実質的に同じである。従って炭化珪素は熔融したアルミニウム合金の中で反応すべき犠牲予備成形体にはならず、予備成形体が熔融した金属と接触してから接触が停止されるまでの間反応しない相になる。本発明によりつくられた複合材料は該材料の接合相またはマトリックス相をなすセラミックス／金属複合体を有し、これは驚くべきことには結合相が単一の成分、例えばアルミニウムまたは珪素（金属マトリックス複合体）または窒化珪素または酸化アルミニウム（セラミックスマトリックス複合体）である従来の複合体またはセラミックスとは異なっている。
【００２０】
アルミニウムとシリカとの間の反応速度は、反応が実質的に完結する前に熔融したアルミニウムを予備成形体と接触させた状態に保つ時間の長さを決定する。１１５０℃においてこの反応速度は予備成形体が毎時約１〜３ｍｍの深さだけ反応するような速度である。換言すれば、１１５０℃において予備成形体の中に１ｍｍ透過させるためには約２０〜６０分の間接触を行わなければならない。予備成形体が緻密なほど、シリカ反応原料が存在しない空隙または層間の間隙が少ないから、反応は速く進行する。緻密度が好ましくは約７５容積％以上、最も好ましくは約８５容積％以上のものを使用するが、予備成形体が緻密になるほど、反応は速く且つ均一に進行するであろう。
【００２１】
一般に従来の複合体の製造法では、多孔性を増加させて金属が予備成形体の中に流れ込みことができセラミックス材料との接触を最大にすることが有利であり、従って予備成形体全体に亙り連続的な多孔性が必要であるから、制限を生じるような圧力がない流路が存在するか、或いは液体金属が透過できないポケットが生じる可能性がある。これらの方法ではしばしば金属を細孔の中に流し込み通過させるために正または負の圧力が使用される。従来の複合体組成物をつくる場合とは異なり、本発明では反応原料と接触させるためにセラミックス中の細孔を通してアルミニウムを移動させる必要はなく、本発明においては予備成形体の多孔性は不利である。何故ならば複合体の生成は反応によって推進され、細孔を充填することによって推進されるものではないからである。
【００２２】
驚くべきことには、この反応は予備成形体の大きさおよび形に著しい影響を与えない。換言すれば、上記反応完結後に得られる製品は元の予備成形体と実質的に同じ大きさおよび形をもっている。
【００２３】
熔融したアルミニウムは高度の反応性をもった金属であり、典型的には下記式に従い炭化珪素と反応して炭化アルミニウムを生じる。
３ＳｉＣ＋４Ａｌ  →  Ａｌ４Ｃ３＋３Ｓｉ      （２）
炭化アルミニウムは空気中の水分と反応して容易に分解しメタンおよびアルミナになるから、複合材料に対して有害である。炭化珪素は複合材料のセラミックス相と一体となった部分であるから、それが炭化アルミニウムを生じる反応および次に分解してメタンになる反応により、複合材料またはそれからつくられる製品の構造の一体性について問題が生じる。
【００２４】
従来の複合材料は該材料の性質を強化するための炭化珪素の粒子、ウイスカーまたは繊維を含んでいるが、本発明の複合材料はアルミニウムと実質的に反応しない実質的な成分として炭化珪素を含み、該複合材料をつくるのに使用される熔融したアルミニウムに珪素を加えたためにこのことが達成されることは驚くべきことである。熔融した金属中に少なくとも約１８重量％珪素が存在する場合、アルミニウムと炭化珪素との反応はもはや熱力学的に有利ではなくなる。いかなる理論によっても本発明を限定するつもりはないが、珪素が豊富なために上記反応（２）を左へ移行させることにより炭化珪素がアルミニウムと反応して炭化アルミニウムをつくるのを防止することができる。このことは、熔融した金属の浴の中に炭化アルミニウムの生成を最低限度に抑制するかまたは除去するのに十分な量の珪素を確実に存在させることによって達成することができる。しかし熔融した金属の中のアルミニウムの量が不十分な場合には、あまりに多くの珪素が存在するとアルミニウムと珪素との反応が妨害される可能性がある。
【００２５】
シリカが結合した炭化珪素および少なくとも１８重量％の珪素を含む熔融した金属をつくることにより、熔融したアルミニウム中における炭化珪素の安定化が達成される。予想外にもこれによって炭化珪素をベースにした複合材料で結合相またはマトリックス相がセラミックス／金属複合体である複合材料をつくることができる。シリカはアルミニウムと反応して熔融したアルミニウム合金の中にアルミナおよび珪素を生じ、これによってアルミニウムが炭化珪素と反応して有害な炭化アルミニウムを生じる反応を防ぐ。
【００２６】
以上、熔融したアルミニウム−珪素金属浴の中で反応させるためにシリカが結合した炭化珪素を用いることによって本発明を説明したが、シリカが結合した炭化硼素（Ｂ４Ｃ）を少なくとも約１８重量％の珪素を含む熔融したアルミニウム−珪素浴の中で使用し、十分に熔融した金属浴と反応したシリカが結合した相を有する炭化硼素をベースにした複合材料を得ることもできる。本発明に従い最高約７５容積％の炭化硼素を含み残りが実質的にシリカである炭化硼素をベースにした予備成形体および複合材料がつくられた。
【００２７】
二硼素化チタンも同様な方法で予備成形体に使用できる他のセラミックスである。
【００２８】
炭化珪素と炭化硼素との混合物も有利な炭化物組成物を生じるであろう。５０容積％の炭化珪素、１５容積％の炭化硼素、および３５容積％のシリカから成る最初の予備成形体を少なくとも約１８重量％の珪素を含む熔融したアルミニウム合金の中に浸漬すると、炭化硼素を用いないで炭化珪素を使用した場合よりも大きな強度をもつ炭化物をベースにした複合材料を生じた。予備成形体に炭化硼素を加えると、一般にもっと緻密度が大きく多孔度の小さい予備成形体が得られ、上記のような改善された反応が得られる。炭化珪素および約０〜約４５容積％の炭化硼素の混合物も本発明に有用なことが見出だされた。さらに公知にように、ウイスカー、繊維、または他の粒子を予備成形体材料に加えて特定の環境に対する所望の性質を得ることもできる。
【００２９】
予備成形体中において炭化硼素がかなりの量で使用されていることは驚くべきことである。何故ならば炭化硼素が酸化すると酸化硼素（Ｂ２Ｏ３）になるからである。酸化硼素は室温で加水分解し、水に浸漬した場合には溶解する。炭化硼素材料の粒子の境界がかなりの量の酸化硼素を含んでいる場合、この粒子の境界は水に溶解し、製品は幾何学的な一体性を失うに違いない。従って炭化硼素材料に対する従来の方法では酸化硼素が生成することを防ぐことが試みられた。しかし本発明においては炭化硼素が酸化して酸化硼素になることは不利ではない。何故ならば酸化硼素がシリカと組み合わされて存在すると焼結中に粒子の再配置が起こり、合理的な時間尺度において高い密度を生じるからである。上記に説明したように、本発明においては高密度であることは好適である。また酸化硼素は酸化剤として挙動し、シリカと共に反応してアルミニウム／アルミナ相を生じる助けになることによってシリカ結合相の一部になる。
【００３０】
他の炭化物の混合物または炭化物／硼化物の混合物または硼化物の混合物を含む他のセラミックスも複合材料の結合相またはマトリックス相に加えることができ、式ＡｗＢｘをもち結合剤を含むセラミックスも任意の熔融した金属Ｍの中で安定化させることができる。この場合下記の反応が起こる。
ＡｗＢｘ＋Ｍ  →  ＭｙＢｚ＋Ｎ      （３）
ここでＡｗＢｘはセラミックス（Ｂは必ずしも硼素ではない）であり；Ｍは結合剤と反応するＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、ＹおよびＮｂから成る群から選ばれる金属であり：ＮはＡであることもまたＡでないこともできるが窒素ではなく、熔融した金属浴に含まれる金属である。金属Ｍを含む熔融した金属浴の中に十分量の金属Ｎを含ませて反応を左側へ動かし、セラミックスＡｗＢｘを安定化させることができる。反応（３）を確実に左側に動かすことは必ずしも必要ではない。特に炭化物の場合、熔融した金属合金の環境の中で望ましくない反応生成物を不安定化させ、望ましくない反応生成物を分解すれば十分である。
【００３１】
例えば、浴中にアルミニウムと合金化するのに十分な量のチタンを含ませて炭化アルミニウムの生成を防ぐことにより、熔融したアルミニウム浴の中でＴｉＣを安定化させることができよう。特定の温度において炭化チタンを安定化させるのに必要なチタンの量はあまり実験を行わないでも当業界の専門家によって決定することができる。金属が硼素の場合、結合剤としてシリカの代わりに酸化硼素を使用することができよう。
【００３２】
好ましくは炭化物粒子は、少なくとも約５０容積％の最初の予備成形体と、少なくとも約５０容積％の熔融した金属との反応後に得られた複合材料とから成っている。極端に小さい炭化珪素粒子を使用しなければならない内部に炭化珪素粒子が分散した従来の複合材料とは異なり、本発明の炭化珪素粒子は一般に平均粒径が約５〜約５０００μｍであり、好ましくは複合材料全体に亙って接触しているか実質的に接触している。個々のＳｉＣ粒子は一般に好ましくは丸い形をしていないが、個々の粒子の平均直径はこの範囲内に入っている。直径が５μｍより小さい粒子および５０００μｍよりも大きい粒子も許容でき、しばしばＳｉＣ粒子のバッチの中に存在しているが、粒子の大部分は約５〜約５０００μｍの平均直径をもっていることが好ましい。
【００３３】
「接触」という言葉は結合していることを意味するばかりでなく、粒子が物理的に接触または結合していることを意味する。さらにすべての粒子が接触している必要はなく、粒子の実質的な部分が接触しているだけで十分である。驚くべきことには、本発明においてはこのように大きな炭化珪素の粒子を使用することができ、これによって炭化珪素の粒子、ウイスカー、繊維または他の充填材を使用した従来の複合体に比べ、強度、熱伝導度および電気伝導度、熱的衝撃耐性、かたさ、および耐摩耗性が改善される。
【００３４】
このような大きな炭化珪素粒子を使用して得られる予想外の結果は、摩滅または摩耗の結果として生じる複合材料から望ましくない粒子の損失が減少することである。小さい粒子は良好に焼結を起こし、材料に改善された強度が付与されるから、炭化物粒子を含む従来のセラミックス材料は小さい粒子を使用している。炭化物粒子を混入した従来のＭＭＣ材料は小さい粒子を使用している。何故ならばこれらの小さい粒子は大きな粒子ほどには強度および破砕靭性を減少しないからである。軟かい／靭性をもったマトリックス（金属）の中に埋め込まれた従来のＭＭＣ材料の小さい粒子に比べ、本発明の大きな粒子はかたいマトリックスの中に埋め込まているから、移動する傾向が少ない。さらに、粒子はせいぜいその直径の深さまで埋め込まれるに過ぎないから、本発明の大きな直径をもった粒子は従来の材料に比べて一層堅固に埋め込まれる。
【００３５】
本発明のかたい／靭性をもったマトリックスは、粒子を適切な位置に保持し、従来のＭＭＣ材料に比べて移動するのを困難にしている。また本発明のマトリックスはそのかたさのために腐蝕に対して耐性をもっている。本発明のこれらの特徴のために炭化物粒子の移動が困難になる。本発明の複合材料のかたさ、強度、および靭性を含むこれらの特徴によって、この材料は一つまたはそれ以上の表面が摩擦または摩耗に曝される製品、例えば軸受け、ノズル、ブッシング、弁の機素、ライニング材等に特に適している。本発明により、ブレーキのローター、クラッチ、エンジンの機素、およびタービンの機素を含んだ自動車および宇宙産業における多くの製品が有利に製作される。
【００３６】
摩擦または摩耗の条件下において本発明の材料から粒子は殆ど移動しないから、第３の物体の摩耗は最低限度に抑制される。第３の物体の摩耗とは、第１の材料の表面の中に埋め込まれた粒子が表面から移動して第１の材料およびそれと接触した第２の材料の間の空間の中に拡散して行く場合に起こる摩耗または摩滅である。次にこれらの移動した粒子はこの二つの材料の間で摩砕作用を及ぼし、これによって片方または両方の材料の摩耗が起こる。
【００３７】
すべての炭化珪素粒子が他の炭化珪素粒子と接触しているわけではないが、炭化珪素が少なくとも５０容積％で存在している結果、予備成形体および反応した複合材料全体に亙って実質的に連続した炭化珪素の相を与えるのに十分な量の接触が得られる。これによって炭化珪素相を通る熱的なまたは電気的な連絡経路を得ることができる。好ましくは予備成形体の中で少なくとも約６０容積％の炭化珪素が存在し、これによってこのような接触および実質的に連続的な炭化珪素相の生成が促進される。炭化珪素の粒子は一般に他の炭化珪素の粒子から分離された状態に留まっているが、粒子が接触しているために実質的に連続した炭化珪素相が生じる。
【００３８】
本発明の金属相、好ましくは上記のアルミニウムまたはアルミニウム合金もまた実質的に連続的であることが好ましい。
【００３９】
図１は本発明のセラミックス／金属複合体１０の一部を示し、ここでは炭化珪素の粒子１２（灰色）がアルミナ１４（白色）およびアルミニウム金属１６（黒色）と共に示されている。炭化珪素の粒子１２は実質的に接触しており、セラミックス／金属複合体１０の５０容積％より多い割合で存在することが好ましい。
【００４０】
本発明の材料は熔融したアルミナと接触させる必要がある製品と共に使用するのに特に適している。熔融したアルミニウムは高度の反応性をもった金属であり、金属、セラミックス、またはセラミックス／金属複合体、或いはそれが接触する他の材料と反応する傾向がある。当業界に公知のように、液体のアルミニウムにより全体的に浸蝕を受けない金属または合金はもしあったとしても極めて少なく、殆どすべての金属は烈しく浸蝕される。アルミニウムは接触した材料の構造物または組成物と反応し、それを分解させ、或いは他の方法で変化させる。或る場合には、これはかなり迅速に起こる。他の場合には遅れて（ｏｖｅｒ  ｔｉｍｅ）起こる。いずれにせよこれによって熔融したアルミニウムは接触した材料からの反応生成物により、或いは接触した材料自身によって汚染され、接触した材料の構造的な一体性が崩壊する可能性がある。
【００４１】
これとは対照的に本発明の複合材料は、アルミニウムがシリカと反応してアルミナを生じた場合、アルミニウムの融点より実質的に高い温度において既に十分にアルミニウムと反応している。これ以上アルミニウムと反応することはない。本発明の操作温度においてこの反応が起こり、遷移相、例えばθ−アルミナ（またはβ−アルミナ、γ−アルミナおよびδ−アルミナ）ではなくてアルミナのα相を生じる。θ−アルミナは１８００°Ｆ（約９８０℃）より低い温度でアルミニウムがシリカと反応した際に生じる酸化アルミニウムの結晶構造である。このような低い温度は鋳物をつくる操作温度では典型的であり、それによってθ−アルミナが生じる。熔融シリカまたは他のセラミックスを含むセラミックスまたは複合材料をアルミニウムで処理する際、α−アルミナが生じる場合に比べてθ−アルミナが生じる場合の方が劣化が起き易い。何故ならばθ−アルミナは弱い結晶材料だからである。アルミナが約１８００°Ｆ（約９８０℃）以下の温度で生じる際、θ−アルミナが存在すると材料に破滅的な損傷を与える。本発明によれば、すべての温度範囲において熱力学的に安定な構造をもち、時間、温度およびアルミニウムとの接触に関して安定なα−アルミナが生じる。
【００４２】
本発明の複合材料は、一好適具体化例においては主として炭化珪素／アルミニウム／アルミナ複合体であり、従って悪影響を生じることなく熔融したアルミニウムと接触させることができる。このことは予想外のことである。何故ならば、大部分の炭化珪素の物体は熔融したアルミニウムと反応するかまたはその中に溶解する結合相を含んでおり、これによって成分の構造的な一体性が減少する可能性があるからである。従来の伝統的な結合相は粘土、シリカ、炭素および／または珪素金属である。また、アルミニウムの融点よりも高い温度をかけた場合、本発明の複合体の中のアルミニウム金属が熔融し複合体から出て行くことも予想される。しかし本発明の材料では、このようなアルミニウムの融点より高い温度においてもアルミニウム金属が複合体から実質的に移動して行くような現象は見られない。
【００４３】
例えばアルミニウムの鋳物を含む金属鋳物工業において、低圧永久成形法（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍｏｌｄ（ＬＰＰＭ）  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）として知られている方法を含む低圧ダイキャスト法がしばしば用いられる。図２にこのようなＬＰＰＭ法を示す。この場合熔融した金属１８は坩堝またはバット２０の内部に入れられている。成形用のキャビティー２４をもったダイス型または成形型２２がバット２０の上にあり、上昇管（ライザー管）２６の頂部に固定されている。この上昇管は熔融した金属１８の浴の中へと下方に延びている。この上昇管２６は「ストーク（ｓｔａｌｋ）」と呼ばれ、その中を貫通した孔２８をもっている。加圧パイプ３２を介してバット２０の中の熔融した金属１８の上方のガス区域３０に正の圧力がかけられると、熔融した金属１８は孔２８を通って成形用のキャビティー２４の中へと押し込まれる。ストーク、即ち上昇管２６は殆ど気密になっていて、ガス区域からのガスが孔２８を上昇して行く熔融した金属の中に捕捉されることを防ぎ、また上昇管２６の外側と孔２８との間に正の圧力差を保ち、熔融した金属１８を成形用のキャビティー２４の中に移動させなければならない。ガスの捕捉が起こると仕上げられた金属の鋳物の中に空隙が生じる恐れがある。伝統的な上昇管２６は、金属の原素材、典型的には鋳鉄を鋳込んで所望の幾何学的形状にするか、或いは通常の処理法を使用してセラミックス管（例えば窒化珪素、ＳｉＡｌＯＮ、チタン酸アルミニウム）をつくることによって製造される。鉄または鋼の上昇管はアルミニウムのような熔融した金属を溶解することによって汚染する傾向があり、低品質の金属の鋳物を生じる可能性がある。しばしば熔融シリカのセラミックス上昇管が使用されるが、鋳造施設での典型的な取り扱いに耐える機械的強度をもっていない。熔融したアルミニウムの場合、シリカはこの金属に対して反応性をもっているので、熔融した金属は汚染物質を取り込む可能性があり、管２６の寿命は短くなるであろう。
【００４４】
上昇管２６が熔融したアルミニウム１８と反応すると、上昇管２６の構造的な一体性が損なわれ、物理的な衝撃を一層影響を受け易くなるばかりでなく、不純物がガス区域３０、上昇管２６の組成物または上昇管２６と熔融した金属１８との反応生成物から生じるガスを介して成形用のキャビティー２４によりつくられる部分の中に導入されることができる。このような反応は上昇管２６の結晶構造を変えるか、或いは上昇管２６が熔融した金属１８の浴から取り出される場合、例えば上昇管２６またはバット２０等の保守の場合に上昇管２６が熔融した金属１８と反応して起こる脆化による破壊または他の損傷を受けるような上昇管２６に対する他の変化を生じる。これらのシステムは典型的には使用できる時間の大部分を占め、規則的な保守が必要なために、頻繁に熱的および機械的な衝撃が起こる機会が生じる。
【００４５】
本発明に従ってつくられた上昇管２６は、既に十分にアルミニウムと反応しているから、熔融したアルミニウムと接触した際それ以上は反応、分解、劣化などを起こさない。従って不純物がキャビティー２４によってつくられる部分または熔融した金属１８の中に導入さることはなく、また熱的または機械的衝撃を受けた場合でも上昇管２６の構造的一体性は十分に保持される。本発明に従ってつくられた上昇管２６は、熔融した金属との接触から取り出された際同じ大きさの熱的衝撃を受けない。何故ならば、本発明の複合材料は従来の材料が行うような反応または他の変化を行わないからである。このことは、本明細書に記載された本発明に従ってつくられた他の製品に対しても同様である。
【００４６】
さらに、上昇管２６がつくられる複合材料の高密度、低多孔性のために、ガスが孔２８の中を上昇する際、ガスが熔融した金属の中に取り込まれることが実質的に防がれる。そうでない場合この孔はサイフォン効果によってガス区域３０から上昇管２６の壁を通して孔２８の中に取り込まれる可能性がある。ところで本発明では上昇管２６の壁を通したガスの透過は殆どまたは全くなく、孔２８と上昇管２６の外部との間に正の圧力差が保たれ、熔融した金属１８は孔２８を通って成形用のキャビティー２４の中へ効率的に押し込まれる。
【００４７】
本発明の複合材料はまた成形型２２をつくる材料として使用するのに適している。例えばもし熔融した金属１８が熔融したアルミニウムである場合、従来の材料からつくられた成形型２２は熔融したアルミニウムに対して上記と同じ反応をし易く、その結果構造的な劣化、成形用のキャビティー２４によってつくられるダイス型の部分への不純物の導入等が生じる。ダイス型／成形型２２は通常鋼からつくられ、熔融した金属１８を導入する前に成形用のキャビティー２４の表面に非湿潤性のセラミックス被膜が被覆される。このことは、ダイス型／成形型２２が図２に示されたＬＰＰＭ法の一部であるか他の鋳造法、例えば図３および４に示された方法の一部であるかには無関係にそうである。このセラミックス被膜は使用するたびに成形用のキャビティー２４の表面に再び被覆しなければならない。一般にこのような被膜は窒化硼素（ＢＮ）または熔融した金属１８に対する他の非湿潤剤、例えば他のセラミックスである。
【００４８】
複合材料自身の中にアルミニウムが存在しているために、本発明の複合材料を熔融したアルミニウムに対するダイス型／成形型として使用することは驚くべきことである。熔融したアルミニウムを成形用のキャビティー２４の中に導入する場合、それは複合材料の構造物の内部に含まれるアルミニウムの融点よりも高い温度で行われる。ダイス型／成形型２２の構造的な一体性はダイス型／成形型２２の構造物の内部に熔融したアルミニウムが存在することによって弱まり、温度がアルミニウムの融点よりも高いためにアルミニウムの漏洩が起こることが予想されるが、驚くべきことにはそうはならない。複合材料の内部のアルミニウムは複合材料から漏れ出すことはなく、アルミニウムが存在することによる構造の一体性の劣化は起こらない。特定の理論によって本発明を限定するつもりはないが、複合材料の中のアルミニウムはセラミックス／金属マトリックスの中に捕捉されることができ、複合体から熔融した金属１８の中へと出て行くのに必要な曲がりくねった経路の中を移動することができないと考えられる。予想外にも、このことによって成形用のキャビティー２４の表面を被覆する必要がなくなり、成形型２２の寿命が延び、汚染物質が成形用のキャビティー２４の中にある熔融した金属１８の中へと導入される傾向を減少させることを含め、上記に述べた利点を得ることができる。本発明に従ってつくられた成形型２２は従来の鋼の型が行うような熔融した金属との反応を行わないから、長い寿命を有し、成形された加工部材の中へ導入される不純物は減少する。
【００４９】
成形型２２をつくることができる一つの方法は、成形すべき所望の加工部材の犠牲材料（例えばワックス、プラスティックス等）の模型を先ずつくる方法である。次に本発明の予備成形体の材料をワックスの模型の上に注型するか、或いはワックスの模型を予備成形体の材料の中に浸漬するか、または他の何等かの方法で予備成形体の材料をつくってワックスの模型を被覆する。予備成形体の材料を硬化させ、予備成形体を溶解するかまたは他の方法で除去し（例えば融解）、所望の加工部材の形をしたキャビティーをもつ予備成形体を残す。次にこの予備成形体を浸漬または他の方法でアルミニウムおよび珪素を含む熔融した金属と接触させ、上記のようにして反応させ最終的な複合材料の成形型２２をつくる。本発明に従ってつくられたこのようなダイス型／成形型２２は、熔融した金属だけを用いる以外の用途、例えばプラスティックス／重合体製品をつくる用途に適している。
【００５０】
これらの利点に加えて、本発明の複合材料は改善された耐摩耗性および改善された熱伝導性をもっており、この性質はダイス型／成形型２２に関して利点がある。しばしばダイス型／成形２２は１個またはそれ以上の冷却通路３４をもち、これを通して流体、一般的には水を循環させ、図３および４に示されているように成形用のキャビティー２４の中の熔融した金属１８を冷却する。熔融した金属１８が冷却されたら、冷却された部材をダイス型／成形型２２から取り出し、さらに熔融した金属１８を成形用のキャビティー２４の中に注入する。熔融した金属１８を迅速に冷却するほど、仕上げられた製品を迅速に成形用のキャビティー２４から取り出し、再び熔融した金属１８で成形用のキャビティー２４を充填することができる。換言すれば、部材を迅速に冷却するほど、材料の処理量は大きくなり、部材の生産量も大きくなる。
【００５１】
本発明を特定の理論によって拘束するつもりはないが、本発明においては複合材料の中におけるアルミニウムまたは他の金属相の連続性により改善された熱伝導度が得られると考えられる。またＳｉＣ粒子が近接または接触していることにより、ＳｉＣ粒子が接触せずに抵抗性をもったセラミックス（例えばアルミナまたはシリカ）の中に閉じ込められている従来の材料に比べ、改善された熱伝導度が得られる。さらに予備成形体の中のＳｉＣをアルミニウム／アルミナ層で置き換えることにより、アルミニウムとＳｉＣ粒子とを接触させ、これによって容易に伝導性が得られる。
【００５２】
この改善された熱伝導度のために、成形用のキャビティー２４の中の熔融した金属１８から複合材料の成形型２２を通って冷却用の通路３４へと熱を一層迅速に伝達することができ、従って各部材をつくる時間が短くなり、成形型２２を通る部材の処理量が増加する。さらに、本発明の複合材料の熱伝導度が改善された結果として、同じ冷却効果を得るのに少ない数の冷却用通路３４しか必要とせず、或いは成形用のキャビティー２４と冷却用の通路３４の間の距離を増加させることができる。
【００５３】
冷却用の通路３４と成形用のキャビティー２４との間の距離がこのように増加できることは驚くべき且つ重要なことである。何故ならば、アルミニウムのような熔融した金属が成形用のキャビティー２４の表面と反応しこの表面を分解し亀裂を生じた場合、水が通る一つまたはそれ以上の通路３４への空隙が空くことができる。極端に高い温度で熔融する金属が冷却用の通路の中で水と接触すると、水は瞬間的に蒸発し、極端に高い圧力を生じ、これが爆発の原因になり、その結果人に対する傷害および装置の損傷を起こす可能性がある。従って、成形型２２の中に十分な熱伝達を行いながら、表面からできるだけ遠くに成形用のキャビティー２４を配置することが有利である。
【００５４】
また本発明によれば別法として、冷却用の通路３４を成形用のキャビティー２４の表面近くに置き、熔融した加工部材の冷却を改善することもできる。本発明に従ってつくられた成形型２２を用いるとキャビティー２４の表面の腐蝕または裂断の傾向が減少するから、通常の材料に比べ、アルミニウムが冷却用の通路３４と接触する機会が少なくなる。従って、必要に応じ冷却用の通路３４を熔融した加工部材の近くに置くことによって冷却を改善することができる。
【００５５】
冷却用の通路３４は一体としてつくられ、現在の標準的な方法におけるように製作後機械加工して成形型２２にするのではなく、上記のように成形型２２をつくるのに使用される予備成形体にし、冷却用の通路３４がつくられた成形型２２の一部になるようにすることができる。
【００５６】
或る環境においては、本発明の複合材料から一部だけがつくられた成形型２２をつくることも驚くべきことでありまた有利なことである。本発明の複合材料の中では熱伝達が改善されており、これによって成形用のキャビティー２４によりつくられる部分の中において選択的に結晶構造または内部領域を配列させるようにして本発明の複合材料からつくられた成形型２２の部分の中で一層迅速に熱を取り去ることにより、成形用のキャビティー２４の中で熔融した金属に対し方向性をもった選択的な冷却を行うことができる。
【００５７】
或る種の成形型２２では、加熱要素またはその中に埋め込まれた流体ラインをもつようにつくられ、選択的に加熱するかまたは成形型２２の一部の加熱を少なくしてその中にある熔融した金属の固化および冷却を制御する。本発明に従ってつくられた成形型２２は、熱伝導度が改善されているから、冷却／加熱過程のこのような制御を行うのに特に適している。
【００５８】
熔融した金属の浴１８を加熱する一つの方法は、図５に示されているように、加熱器の浸漬管３６を熔融した金属の浴１８のバット２０の中に挿入する方法である。加熱器の浸漬管３６は１個またはそれ以上の加熱要素３８を有する管であり、これを熔融した金属の浴の中に浸漬して熔融した金属の浴に熱を与える。通常、加熱器の浸漬管３６は熔融シリカまたは他のセラミックスからつくられる。セラミックスは一般に熱伝達特性が悪い絶縁体であるから、加熱要素３８から熔融した金属の浴１８への熱の伝達が不十分である。しかし、加熱器の浸漬管３６の材料にはセラミックスが使用される。何故ならばそれは熔融した金属１８、特にアルミニウムとの反応に対して抵抗性をもっており、高温において安定であるからである。
【００５９】
熔融シリカの管は熔融した金属に露出すると、しばしば少なくとも失透するかまたはアルミニウムと反応した後に脆化し、上昇管に関連して上記に説明したように、熔融した金属１８から取り出した後容易に破砕するようになる。通常の材料からつくられた加熱器の浸漬管３６を熔融した金属１８との接触から取り出した後、温度の変化および他の材料との接触により生じた熱的および機械的なストレスはしばしばこれらの管を破壊するのに十分である。例えば失透による変化は熔融した金属の浴から取り出した際の冷却により容積の変化を生じ、その結果管は破滅的な構造の破壊を起こす。
【００６０】
本発明の複合材料からつくられた加熱器の浸漬管３６は、上記のように熱伝導度が改善されているため、熱を一層効率的に熔融した金属１８の浴に伝達する。驚くべきことには、熔融した金属１８の浴の中の熔融したアルミニウムは、これらの管３６が既に十分にアルミニウムと反応しているから、本発明の複合材料からつくられた加熱器の浸漬管３６とは反応しない。従って、例えば保守、清掃、加熱要素の取替え等のために管３６が熔融した金属１８から取り出された場合、加熱器の浸漬管３６の組成物および構造物は、熔融した金属浴１８の中に最初に挿入された時の管３６の組成と殆ど同一であり、管３６の構造の変化のために生じた機械的なまたは熱的なストレスによって材料が破壊される傾向は殆どない。これによって同じ管３６を熔融した金属浴１８の中に再び挿入することができる。
【００６１】
さらに、上記のように、熔融したアルミニウムは本発明に従ってつくられた加熱器の浸漬管３６と反応しないから、熔融した金属１８の中に不純物が導入されることはなく、加熱器の浸漬管３６の構造的な一体性は正常なまま保持される。驚くべきことには、加熱器の浸漬管３６の複合材料の中のアルミニウムは実質的に複合材料の中に残り、熔融した金属１８は複合材料中のアルミニウムの融点よりも高い温度にあるにもかかわらず、熔融した金属１８の中に移動することはない。
【００６２】
加熱器の浸漬管３６の材料は改善された熱伝導度をもっているから、エネルギーは所望の温度において加熱要素３８から熔融した金属１８の浴へと一層効率的に伝達される。これによって加熱要素３８のコストが節約され寿命が延ばされる。
【００６３】
熔融した金属１８の中に熱電対を浸漬し、熔融した金属１８の温度を監視することがしばしば必要である。熔融したアルミニウムは殆どすべての材料と反応するから、熱電対を浸漬した結果熱電対の材料は反応、溶解、腐蝕、侵食等を起こすことができる。従って図６に示されているように、熱電対を熱電対保護管４０の中に入れ、次にこれを熔融した金属の浴１８の中に浸漬して温度を決定することが多い。加熱器の浸漬管３６について上記に説明したように、熱電対保護管は通常熔融シリカまたは他のセラミックスからつくられるが、これらの材料はしばしば構造的にまたは化学的に熔融したアルミニウムと反応し、熱電対保護管４０が脆化して変化した構造物および組成物を生じる。熔融した金属浴１８から熱電対保護管４０を取り出すと、管４０は熱的または機械的な衝撃を受け、該管４０が破壊する原因となる。本発明の複合材料からつくられた熱電対保護管４０は本発明の組成物および構造物に関して説明した上記の利点をもっており、従って従来の材料からつくられた熱電対保護管４０に比べて構造的に丈夫である。
【００６４】
また本発明の複合材料からつくられた熱電対保護管４０は良好な熱伝導度をもち、そのため熔融した金属の浴１８の温度を一層正確に読み取ることができ、また温度変化を正確に伝達する際の時間的な遅れが少ない。このことは、熔融した金属浴１８から熱電対保護管４０を取り出した場合の改善された機械的および熱的な結果に加えて、熱電対保護管４０に対する従来の材料に比べた場合の驚くべき改善である。
【００６５】
熔融したアルミニウムまたは他の金属と接触させるのに適した本発明に従ってつくられた他の製品には、取鍋および撹拌装置が含まれる。一般に本発明に従ってつくられた大部分の製品は、熔融した金属、特に熔融したアルミニウムに露出した場合、改善された一体性を示す。
【００６６】
驚くべきことに本発明の複合材料は、高速度の弾丸から運動エネルギーを消費して吸収する防護板または防護材料（例えば多重材料システムでのかたい成分）にも十分に適している。セラミックスの防護材は典型的には体の防護材および種々の型の車輛、例えば種々の型の陸上車輛、船舶、および航空機の外装材として使用される。典型的にはセラミックスのタイルを基質に接着して固定し、次いでこれを外側のカバーの中に包み込む。次にこの外装システムを種々の方法により、或いは車体の外装の場合のように単に繊維布のポケットの中に入れるだけで、車輛に取り付ける。
【００６７】
図７および８に示されているように、外装材４２はその中に配置された外装アセンブリー４４をもつカバー５２を含んでいる。カバー５２は外装アセンブリー４４の後ろの面を部分的にまたは完全に被覆する後ろの部分５４をもっている。カバー５２はナイロン繊維布のような単一の材料からつくることができるか、或いは繊維布、かたいプラスティックスおよび発泡体の組み合わせであることができ、いずれを選ぶかはコストおよび入手性を含んだ環境に依存するであろう。
【００６８】
外装アセンブリー４４は上記のようにしてつくられた本発明のセラミックス／金属複合材料の板４６、裏板５０、およびその間にある接着剤４８を含んでいる。裏板５０は、例えばコストおよび入手性に依存して、Ｋｅｖａｒ（Ｒ）または他のアラミド繊維、Ｓｐｅｃｔｒａ（Ｒ）、ガラス繊維布、天然または合成繊維、または任意の適当な材料を含む任意の適当な材料からつくることができる。接着剤４８は、例えばエポキシド、ポリウレタン、ポリスルフィド、ポリオレフィン、ウレタン、およびこれらの混合物またはそれらの組み合わせを含む任意の適当な接着剤であることができる。接着剤の選択は用途の環境に依存するであろう。
【００６９】
熱的な制御が望ましい他の用途に対しても本発明の驚くべきほど改善された熱伝導性が利点になる。この改善された熱伝導性は熱管理装置、例えば半導体における用途に特に良く適している。この中には半導体に対する熱放散器、熱吸収器、熱拡散器、および基質として使用される本発明に従ってつくられた製品が含まれる。他の用途には、極低温装置および宇宙産業用の熱拡散器に対する本発明に従ってつくられた製品が含まれる。
【００７０】
本発明の複合材料は、従来のセラミックス材料に比べ、改善された電気伝導性並びに熱伝導性をもっている。再び本発明をいかなる特定の理論によっても拘束するつもりはないが、複合材料中において金属相が連続しておりＳｉＣが存在することが、従来の材料に比べて電気伝導性が改善されている原因になっていると思われる。改善された電気伝導度は、改善された熱伝導度と全く同様に、ＳｉＣ粒子から固有の抵抗性をもったシリカ層が取り除かれている結果である。シリカ層が除去されるのは熔融したアルミニウムと反応してシリカ層がアルミニウムとアルミナの両方から成る複合層に変化した結果である。反応した表面層のＳｉＣとアルミニウムの部分が接触すると、電気伝導および熱伝導の両方に対する優れた経路が得られる。
【００７１】
改善された電気伝導度は、本発明の複合材料の他の性質と組み合わされて、多数の潜在的な用途および製品を与えるが、これらの中には電動モーターのブラシ、高温／有害な環境におけるセンサーおよびプローブ、燃料電池に使用される電極（例えば陰極または陽極）および電流捕集器、電気化学的用途、アルミニウムの精錬、熔融した金属の処理等が含まれるが、これだけには限定されない。
【００７２】
以上具体化例の上記説明によって本発明を例示し、且つこれらの具体化例を或る程度詳細に記述したが、いかなる方法においても本発明をこれらの詳細点に限定または制限することは本出願人の意図するところではない。当業界の専門家にはこれ以外の利点および変更は極めて明白であろう。従って本発明はその広い範囲における態様において上記の特定の詳細点、代表的な装置および方法、並びに上記の例示的な例に限定されるものではない。従って本出願人の一般的なまたは本発明を構成する概念の精神および範囲を逸脱することなく、このような詳細点からの変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明のセラミックス／金属複合体の走査電子顕微鏡写真。
【図２】本発明に従ってつくられた上昇管およびダイス型／成形型を例示する低圧成形型の立面図。
【図３】内部を通る冷却用の通路をもった本発明に従ってつくられたダイス型／成形型の側立面図。
【図４】図３のダイス型／成形型の端立面図。
【図５】本発明に従ってつくられた加熱器浸漬管を例示する熔融した金属浴の立面図。
【図６】本発明に従ってつくられた熱電対保護管を例示する熔融した金属浴の立面図。
【図７】本発明に従ってつくられた外装材の切り取り透視図。
【図８】図７の８−８の線に一般的に沿った断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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