(57)【要約】本発明は傾斜機能部材の製造方法を提供し、このような部材は、第１材料の外層と、第２材料の内側コアを有し、２つの材料間の界面を横断する微細構造の漸次的な変化があり、本方法は、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）系をベースとする２以上のアルミニウム合金より形成される部材の製造にとりわけ適用され、本方法は、溶融した第１金属をモールドに導入する工程と、第１金属の層をモールドの壁面に接触して部分的に凝固させる工程と、第１金属の残存する溶融部分を除去する工程と、溶融した第２金属をモールドに導入する工程と、同じように凝固可能となる工程とを含んでいる。
2008507410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
傾斜機能部材の製造方法であって、
モールド内に溶融状態の第１材料を導入する工程と、
第１材料の層をモールド壁面に接触して少なくとも部分的に凝固させる工程と、
第１材料の残存する溶融部分を除去する工程と、
モールド内に溶融状態の第２材料を導入する工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
少なくとも除去する工程を、還元ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
第１材料の層が酸化されるのを実質的に防止するように、第２材料を導入する工程において、第１材料の除去後、十分に短い間隔で第２材料をモールドに導入することを含む請求１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
モールド壁面の１以上の箇所において第１材料の層が所望の厚さとなるように、第１材料を導入する前に該１以上の箇所の温度を異ならせる付加的な工程を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
第１材料を導入する工程において、第１材料を加圧下でモールドに導入することを含む請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】
第２材料を導入する工程において、第２材料を加圧下でモールドに導入することを含む請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】
第１材料を導入する前に、モールドの少なくとも一部分を余熱する付加的な工程を含むことを特徴とする請求１〜６のいずれかに記載の製造方法。
【請求項８】
第２材料が実質的に凝固するまで、第２材料をモールド内にて加圧下で保持する付加的な工程を含むことを特徴とする請求６または７に記載の製造方法。
【請求項９】
第２材料の層を第１材料の上で少なくとも部分的に凝固させる付加的な工程と、
第２材料の残存する溶融部分を除去する付加的な工程と、
モールド内に溶融状態の第３材料を導入する付加的な工程と、
を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の製造方法により製造された傾斜機能部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、傾斜機能部材、とりわけ金属のような２以上の材料により形成された部材、さらにとりわけアルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）系をベースとする２以上のアルミニウム合金、またはＣｕ−ＳｎまたはＦｅ−Ｃのような他の２元系もしくは多成分合金により形成された傾斜機能部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジニアリングにおいて、軽量でさらに耐摩耗性を有し、安価な方法で製造できる部品への明らかな需要がある。概して、耐摩耗性材料は、しばしば本質的に脆く、従って、動的に負荷のかかる（例えばエンジン内）可動部品に用いられると破壊するリスクがある。この問題を克服する１つの方法は、耐摩耗性の外側コーティングを高靱性および高延性のコアに塗布することであり、例えば金属のコアにセラミックコーティングを行うことである。従来のこのような耐摩耗性の表面コーティングを提供する方法は、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）等のような、プラズマをベースにしており、従って高価な装置が必要であるが、通常マイクロメータオーダーの非常に薄い層を蒸着するのみで、使用中にすぐに摩耗する。さらに、コートされた基材では、部材が加熱または冷却されると、コーティングと基材との熱膨張係数の不一致に起因し、大きな応力が生じ得る。これは、コーティングの剥離および基材−コーティング界面の層間剥離(delamination)を生じるかもしれない。
【０００３】
他の軽量耐摩耗性材料は金属マトリクス複合材料（ＭＭＣ）である。これは、金属マトリクスが、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）のような補強用のセラミック粒子を含む材料である。しかしながら、このようなセラミック粒子と、通常はアルミニウムの金属マトリクスとの間の密着性（濡れ）を確保することに問題がある。さらに、これらの材料が鋳造のために溶融される際に、セラミックの粒子は部材の底部に凝集または堆積する傾向がある。従って多孔性がこの方法による材料の要点であり、避けることは極めて困難である。原材料もまた比較的高価である。
【０００４】
スプレーキャスティングは、更なる方法であり、これにより過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金に細かい微細構造を形成し得る。この方法は、不活性ガスを伴う溶融金属の流体のアトマイズおよび、この方法を相対的に高価にする動く基材への堆積を含み、部材をニアネットシェイプに形成することができない。つまり有用な部材を形成するために更なる加工が必要な予備的な形状しか形成できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の目的は、所定の物理特性を有する第１材料の少なくとも１つの外層と、異なる物理特性を有する第２材料の内部コアとを含み、第１材料と第２材料との間で微細組織が漸次的に変化する傾斜機能部材の新しい製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、従って、傾斜機能部材の製造方法を提供し、該方法はモールド内に溶融状態の第１材料を導入する工程と、第１材料の層をモールド壁面に接触して少なくとも部分的に凝固させる工程と、第１材料の残存する溶融部分を除去する(またはデカントする、decanting)工程と、モールド内に溶融状態の第２材料を導入する工程とを含む。
【０００７】
好ましくは、本方法は少なくとも除去する(decanting)工程が還元ガス雰囲気中で行われることを含む。
【０００８】
好ましくは、本方法は、第１材料の層が酸化されるのを実質的に防止するように、第１材料の除去後、充分に短い間隔で第２材料をモールドに導入する工程を含む。
【０００９】
好ましくは、本方法は、モールド壁面の１以上の箇所において第１材料の層が所望の厚さとなるように、第１材料を導入する前に該１以上の箇所の温度を異ならせる（または変える）工程を含む。
【００１０】
好ましくは、本方法は、第１材料を加圧下でモールドに導入する工程を含む。
【００１１】
好ましくは、本方法は、第２材料を加圧下でモールドに導入する工程を含む。
【００１２】
好ましくは、本方法は、第１材料を導入する前に、モールドを予熱する工程を含む。
【００１３】
好ましくは、本発明は、第２材料が実質的に凝固するまで、第２材料をモールド内にて加圧下で保持する工程を含む。
【００１４】
好ましくは、本発明は、第２材料を、第１材料の層の上で少なくとも部分的に凝固させる工程と、第２材料の残存する溶融部分を除去する工程と、モールド内に溶融状態の第３材料を導入する工程とを含む。
【００１５】
本明細書において、用語「傾斜機能部材」は、第１材料の外層と、第２材料のコアとを有し、２つの材料の間の界面を横切って微細構造が徐々に変化する部材を意味する。
【００１６】
本明細書において、用語「溶融状態」は、通常、材料を所定の温度または所定の温度範囲まで加熱することにより、材料が、重力の影響または付加的な助力により、例えばモールド等に流入またはモールド等から流出可能となり、モールドの形状に対応するようになる、例えば金属のような材料の状態を意味する。
【００１７】
本明細書において、用語「部材」は、最終製品または特定の用途で使用できると考えられるまでに１以上の更なる処理（または加工）が必要となる場合がある製品に加え、最終製品または所望の用途で使用できる状態の実質的な最終製品を意味する。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面を参照して本発明を説明する。
【００１９】
図１を参照し、本発明にかかる傾斜機能部材の製造方法を実施するための、全体が１０で表される、本発明にかかる装置の第１の実施形態を示す。以下の説明全体に亘り、本発明の方法は、主として、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）系をベースとする合金、とりわけ過共晶および亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の使用を基本として説明する。しかしながら、本発明の方法は、これらの合金および他の金属合金に限定される理由はなく、例えば熱可塑性樹脂のような鋳造のために溶融状態に変化することができるほとんど全ての材料に使用してもよい。過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金および亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の選択は、自動車、航空およびロボット産業のような多くの産業界において、軽量および耐摩耗性部材の生産で過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金および亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の使用が支配的である状況を単に反映している。
【００２０】
共晶合金は、共晶マトリクス中に針状シリコンの微細組織を有し、硬いが、単一（monolithic）であれば脆い。亜共晶合金は共晶マトリクスの２つの相に取り囲まれた純アルミニウム相の微細組織を有する。このような合金は、概して高靱性および高延性であり、構造材料として有用である。本発明の方法は、以下に詳細を示すように、共晶組成と共晶微細組織とを有する表面を有するが、中心コアに亜共晶組成の中心コアを有し、この２つの間で微細組織の漸次的な変化を伴う。これにより表面が耐摩耗性であるが、コアが高靱性となり、これは機械工学に用いられる多くの部材の理想的な特性である。
【００２１】
従って、図１に示される第１の実施形態にかかる装置１０は、モールド１２が図示するように直立して(upright)保持されるように、またはモールド１２から材料を除去するように反転できるように、回転可能なフレームＦに固定された実質的に既知のモールド１２を含む。従って、当然のことながら、フレームＦは、モールド１２が反転するよう操作可能ないかなる適切な形状および／または構成（または配置）であってもよい。
【００２２】
モールド１２は、製造される部材の形状と反対の凹凸形状(negative)のキャビティ１４を規定する。キャビティ１４は説明のため単に直方体ブロックとなっている。過共晶組成のＡｌ−Ｓｉ合金（以下、「材料Ａ」という。）を溶融し、キャビティ１４に注ぐ。材料Ａからの熱は、モールド１２を介し、抜け出し、従ってモールド１２に隣接する材料は冷却され最初に凝固する。凝固層の厚さは、適正厚さと見なされるまで時間とともに厚くなり、そしてモールド１２はフレームＦを用いて反転され、従って残存する液体状の材料Ａは除去される。これによりモールド１２の壁面に沿って凝固した材料Ａの層をもたらす。材料Ａの層の厚さは、製造される傾斜機能部材（図示せず）の用途および上記部材が用いられる条件に応じて変わる。部材を製造するコストのような他の因子も、当然に材料Ａの層の厚さに影響を与え得る。モールド１２から除去された材料Ａは、好ましくは、後の部材をモールド内で製造する際に使用されるように、適切な貯蔵部（図示せず）の中で溶融した状態で保持される。
【００２３】
モールド１２を、そして直立位置に戻し、亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金（以下、「材料Ｂ」という）をキャビティ１４の残りのスペースを埋めるように注ぐ。材料Ａを除去した後、充分に短い間隔で材料Ｂをキャビティ１４に注いだ場合、材料Ａの層は酸化される時間がなく、この結果、材料Ａの外層と材料Ｂのコアとの間に、最終的に視認可能な界面が存在しない。本方法が還元ガス雰囲気中で実施された場合、長時間露出しても、このよう酸化は起こらない。
【００２４】
材料Ａと材料Ｂとの間の明確な界面の欠如は、また、溶融した材料Ｂの付加により材料Ａの露出した表面が再溶融することにも起因する。液体領域での対流および混合は、材料Ａと材料Ｂとの間の急な組成勾配を取り除く。このようにして、例えば外側の過共晶の層から内側の亜共晶のコアのように、材料Ａから材料Ｂに向かって、組成および微細組織の漸次的な変化がある。この結果、傾斜機能材料（ＦＧＭ、functionally gradient material）または傾斜機能部材が得られ、外層は、硬いおよび耐摩耗性のような所定の機械的特性を有し、コアは、例えば、より柔らかいが、より高靱性およびより高延性のような異なる機械的特性を有する。このような傾斜機能部材は、また、部材が加熱または冷却される際に生じ得る応力に対する感受性が低い。傾斜機能部材を形成する２つの材料の熱膨張係数の違いがあり得るにもかかわらず、詳細を以下に示すように、一方から他方への漸次的な微細組織の変化が上述の応力の影響を最小限に抑えるからである。
【００２５】
特に過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金および亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金について言及すると、過共晶の外層は、相対的に速い凝固を可能にし、細かい耐摩耗性の表面微細組織をもたらす。内部の液状の共晶合金は除去されることから、形成される部材の中央部に深刻な応力は発生せず、また大きくそして問題となる針状シリコンの形成は避けられ、さらに中央またはコアの合金は亜共晶となることから、最終の部材には大きくそして問題となる針状シリコンは存在しない。もし部材全体が過共晶合金より鋳造されると、硬く耐摩耗性の表面を得るように、部材の表面が最初にかつ相対的に速く凝固するが、内部はより遅く凝固し、これにより本質的に脆い大きな針状シリコンを形成する。凝固および収縮により生じる応力に起因し、鋳造物は完全に凝固する前に部分的に破損し得る。鋳造物は、例え破損しなくても内部の大きな針状シリコンの結晶は、材料を脆くするクラック伝播の進路を与える。本発明の方法により回避されるいくつかの問題がある。
【００２６】
さらに、本発明の方法により製造された部材は、高いシリコン濃度を有する過共晶の表面に起因し、優れた表面熱特性、すなわち高温での高い強度と、より高い断熱特性を有する。摩耗状況において、摩擦は熱を生じることから、これらは有益な特性であり、高温で材料Ａが軟化しないという結果は重要である。さらに、材料Ａから材料Ｂへの組成の傾斜は、温度の変化により応力が上下または変化する状態である熱疲労に対し、材料により優れた耐久性を与える。
【００２７】
図２を参照し、本発明にかかる傾斜機能部材の製造方法を実施するための例示的手段である、全体が１１０で表される、本発明にかかる装置の第２の実施形態を示す。装置１１０は、また、内部に傾斜機能部材（図示せず）を鋳造するためのキャビティ１１４を規定するモールド１１２を含む。モールド１１２は、既知の形態の第１砂箱(sand box)２０より形成され、砂箱２０内部は、キャビティ１１４を規定するように、従来の鋳造の慣例に従い緻密にした砂２２により満たされている。当然のことながら、第１砂箱２０と、関連する砂２２とは、キャビティ１１４内部で鋳造される材料より高い融点を有する金属またはセラミック材料のような、他の適正な材料により形成されたモールド（図示せず）に置き換えることができる。
【００２８】
第１砂箱２０は、またキャビティ１１４の底から下方に延在する１組のチャンネル２６を規定するように、緻密にされた砂２２により満たされた、同様な第２砂箱２４の上に設置されている。１組のチャンネル２６は、貯蔵部２８内に延在しており、貯蔵部２８は、貯蔵部２８を規定するように、緻密にされた砂２２により満たされた第３砂箱３０内部に規定される。
【００２９】
砂箱２０、２４、３０それぞれは、持ち上げおよび位置合わせを容易にするように、対向して配置された１組のハンドル３２を備えている。さらに砂箱２０、２４、３０それぞれは、それぞれのコーナ部に、突起(lug)３４を備えており、それぞれの突起３４は、その内部を貫通するボア３６を規定する。従って、砂箱２０、２４、３０を順に積み重ねると、突起３４に隣接するボア３６が整列し、従って、砂箱２０、２４、３０を互いに固定するように、位置決めピン（図示せず）をその内部に通してもよい。
【００３０】
好ましくは炭素または適正な高い融点を有する他の材料より形成される、１組のロッド３８は、使用時に、キャビティ１１４を通り、下方に挿入され、そしてチャンネル２６を塞ぐようにチャンネル２６内に挿入され、その結果、溶融した材料を、キャビティ１１４内へ導入でき、下方に流れてチャンネル２６を通り貯蔵部２８に入らない。
【００３１】
また、装置１１０を用い実施される本発明の方法の説明において、好ましくは過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金である材料Ａ、および好ましくは亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金である材料Ｂ、について言及する。最初に、材料Ａと材料Ｂとが、誘導炉等のような例えば適切な炉により溶融される。材料Ａは、キャビティ１１４を満たすようにキャビティ１１４に注がれる。キャビティ１１４は形態が環状であり、中心コア４０を有し、例えばステンレス鋼等から形成されていることに注意すべきである。従って、装置１１０は、例えばブッシュ（bushing）（図示せず）等の内面が材料Ａよりなる環状部材を製造するように構成されている。材料Ａを、キャビティ１１４の周辺付近で凝固させている間、１組のロッド３８は、図示された位置に保持されている。材料Ａの凝固層が所望の厚さに達すると１組のロッド３８は、チャンネル２６から上方向に引き抜かれ、この結果、残存する溶融した材料Ａが下方向に向けて流れて貯蔵部２８に入ることが可能になる。１組のロッド３８をチャンネル２６内に固定する場合、凝固した材料Ａの層が形成できるように、１組のロッド３８は、キャビティ１１４の壁面から充分に離れて配置する。
【００３２】
一旦、ロッド３８を取り除くと、溶融した材料Ａは、貯蔵部２８に流れ込み、そして溶融した材料Ｂをキャビティ１１４、材料Ａの半凝固層の周囲に導入する。貯蔵部２８とチャンネル２６との両方を満たすのに充分な量の材料Ａが存在する場合、材料Ｂは、チャンネル２６内部を流れない。ロッド３８上の金属凝固を避けるように、ロッド３８は、加熱され、または断熱材料より作られてもよい。
【００３３】
材料Ｂの導入は、材料Ａと材料Ｂとの界面の再溶融をもたらし、従って材料Ａと材料Ｂとの間にステップ状の変化の代わりに、微細組織および特性の勾配をもたらす。また、本方法は還元ガス雰囲気中で実施される、または少なくとも材料Ａを除去する工程および材料Ｂを鋳造する工程が還元ガス中であることが好ましい。
【００３４】
このように装置１１０は本発明にかかる方法を実施可能にし、その結果、傾斜機能部材を製造する。
【００３５】
図３〜図６を参照し、本発明にかかる方法を実施するための、全体が２１０で表される、装置の第３の実施形態を示す。また、この第３の実施形態の説明において、所定の機械的特性を有する材料Ａおよび異なる機械的特性を有する材料Ｂについて言及する。材料Ａは好ましくは過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金であり、材料Ｂは好ましくは、亜共晶Ａｌ−Ｓｉ合金である。
【００３６】
装置２１０は、製造される部材の形状（図示せず）と反対の凹凸形状のキャビティ２１４を規定するモールド２１２を含む。キャビティ２１４は、キャビティ２１４を規定するように、従来の鋳造の慣例通り、緻密にした砂２２２により満たされている第１砂箱２２０内部で主として規定される。第１砂箱２２０は、第２砂箱２２４の上に設置されており、第２砂箱も、緻密にされた砂２２２で満たされ、キャビティ２１４の下側部分を規定している。当然のことながら、キャビティ２１４全体は、第１砂箱２２０内部に含まれてもよい。また当然ことながら、砂箱２２０と２２４は、他の適切な材料より形成された他の適正なモールド（図示せず）に置き換えられてもよい。キャビティ２１４より延在しているのは、詳細を以下に示すように、キャビティ２１４に材料Ａおよび材料Ｂを挿入および除去するための１組のチャンネル２２６である。砂箱２２０と２２４とは、また好ましくは、持ち上げおよび位置合わせのための１組のハンドル２３２をそれぞれ備えている。
【００３７】
装置２１０は、第２砂箱２２４に着脱可能に係合した坩堝５０を更に含み、坩堝５０は標準的な耐火物タイプであり、材料Ａと材料Ｂとをそれぞれ受け入れるように、第１チャンバー５２と第２チャンバー５４とに分かれている。坩堝５０は図４に分離して示されている。
【００３８】
装置２１０は、図５に分離して示される、坩堝５０用の蓋５６を更に含んでいる。蓋５６は、坩堝５０と蓋５６との間に堅固な圧力シールを提供するような、形状および大きさを有する。このために、蓋５６は、坩堝の上端を受け入れるための周縁(rim)５８を備え、周辺５８はシーリング材を備えてもよい。
【００３９】
別の態様では、ガスケット（図示せず）を蓋５６と坩堝５０上部との間に用いてもよい。堅固な圧力シールが生ずるように、ガスケットを締め付けるように圧力が坩堝５０と蓋５６との間に付与される。
【００４０】
別の態様では、蓋５６は、セラミックファイバ材料により作られ、坩堝５０上に押し付けられてもよい。これにより堅固な圧力シールを形成する
【００４１】
蓋５６を貫通して延在しているのは、使用に際し第１チャンバー５２内に位置する第１フィードチューブ６０と、使用に際し第２チャンバー５４内に位置する第２フィードチューブ６２である。第１および第２フィードチューブ６０、６２は、好ましくは、グラファイトもしくはセラミック材料、または溶融した材料Ａおよび材料Ｂの熱に耐えることができる他の材料より形成される。第１および第２フィードチューブ６０、６２は坩堝５０の底部に隣接する位置まで延在するサイズを有する。
【００４２】
また蓋５６を貫通し延在しているのは、従って使用に際し第１チャンバー５２内部に位置する第１ポンプチューブ６４と、使用に際し第２チャンバー５４内に位置する第２ポンプチューブ６６とである。第１および第２ポンプチューブ６４、６６は坩堝５０の上部内で終点となるサイズを有している。第１および第２ポンプチューブ６４、６６は、また、砂箱２２４が蓋５６上部に設置された際にアクセス可能となるように蓋５６の周囲付近より外部に出るように配置されている。
【００４３】
図３に示すように、第２砂箱２２４が蓋５６に取り付けられた場合、それぞれのチャンネル２２６は、第１フィードチューブ６０および第２フィードチューブ６２の一方のそれぞれと流体連通(fluid communication)している。従って、第１貯蔵部５２からキャビティ２１４の内部までと、第２チャンバー５４からキャビティ２１４の内部までとの流路が存在する。第１フィードチューブ６０上部でチャンネル２２６の内部に、第１バルブ６８が配置されており、第１バルブ６８は、第１チャンバー５２とキャビティ２１４との間の材料Ａの流れを可能にする、または止める操作を可能にする。一方、第２バルブ７０が、第２フィードチューブ６２の上部でチャンネル２２６内部に配置され、第２バルブ７０は第２チャンバー５４とキャビティ２１４との間の材料Ｂの流れを可能にする、または止める操作を可能にする。第１および第２バルブ６８、７０は、使用中に装置２１０内部が到達する温度に耐える適切な、いかなる形態でもよい。
【００４４】
特に図６を参照する。従って、使用中、材料Ａは第１チャンバー５２内にあり、材料Ｂは第２チャンバー５４内にある。そして、蓋５６を、坩堝５０の上にシールし、砂箱２２０、２２４は図示するように蓋５６に取り付ける。１組のバルブ６８、７０は最初閉じられている。もしまだであれば、それから材料Ａと材料Ｂとは溶融される。溶融は好ましくは坩堝５０にて炉内で行い、より好ましくは誘導加熱により行う。別の態様では、材料ＡとＢとは別の炉（図示せず）で溶融し、それぞれのフィードチューブ６０、６２を通り坩堝５０に注ぐことが可能である。
【００４５】
そして、第１バルブ６８を開放し、また加圧下で第１ポンプチューブ６４を通じチャンバー５２にガスを供給する。従って、ガス圧は溶融した材料Ａを、第１フィードチューブ６０内に押し上げ、内部を満たすようにキャビティ２１４に入れる。材料Ａがキャビティ２１４の表面に沿って凝固できるように、所定の間隔の時間、圧力は維持される。凝固層の厚さは、第１チャンバー５２内で圧力を維持する時間により制御する。材料Ａの凝固層が所望の厚さに達すると圧力を解放し、従って残存する液状の材料Ａは第１フィードチューブ６０を通り、第１チャンバー５２内に流れ戻る。
【００４６】
そして第１バルブ６８を閉じ、第２バルブ７０を開放する。必要であれば、第２フィードチューブ６２を塞ぐ凝固金属を通る穴を開けるように装置（図示せず）を用いることが可能である。第２ポンプチューブ６２を通り第２チャンバー５４に圧力を付与し、この結果、溶融した材料Ｂは上方向に押され、第２フィードチューブ６２を通り、キャビティ２１４の内部に入る。溶融した材料Ｂはキャビティ２１４の内部の材料Ａの層の表面を再溶融し、この結果、材料Ａと材料Ｂとの２つの材料の間に傾斜界面を形成する。キャビティ２１４の内部で材料Ｂが凝固するまで第２チャンバー５４の内部で圧力を維持し、これにより収縮の問題を回避するのを助ける。そして、溶融した材料Ｂが第２フィードチューブ６２の内部に入り、第２チャンバー５４の内部に流れ戻るように圧力を解放する。そして、完成した傾斜機能部材を露出するように、第１砂箱２２０は、第２砂箱２２４より取り除いてもよい。
【００４７】
当然のことながら、坩堝５０、とりわけ第１チャンバー５２と第２チャンバー５４とは２つの分離した坩堝（図示せず）に置き換えることが可能であり、２つの分離した坩堝は、気密性のチャンバー（図示せず）の中に収納してもよく、好ましくは気密性のチャンバーは誘導炉（図示せず）を含む。材料Ａおよび材料Ｂをモールド内に搬送するように、材料Ａと材料Ｂとが同時にモールド内に挿入されるのを避ける適切なバルブ（図示せず）を用いてチャンバーを加圧してもよい。別の態様では、材料Ａと材料Ｂとで異なる保持温度が必要な場合、２つの分離したチャンバー（図示せず）を２つの坩堝（図示せず）を収容するのに用いることができる。
【００４８】
図７を参照する。第１および第２バルブ６８、７０は、内部に第１貫通孔８４と第２貫通孔８６とを有する本体８２を含むバルブブロック８０に置き換えることが可能である。貫通孔８４、８６それぞれは、関連して操作できるバルブ（図示せず）を有し、バルブ（図示せず）はそれぞれ第１ハンドル８８と第２ハンドル９０により操作可能である。さらに、バルブブロック８０は、好ましくは、本体８２の内側方向に延在する１以上の加熱チャンバー９２を備え、バルブブロック８０の内部での材料Ａまたは材料Ｂの凝固を防止するように、加熱チャンバー９２の内部に加熱要素（図示せず）を挿入してもよい。そして、バルブブロック８０は、好ましくは第２砂箱２２４全体とバルブ６８、７０とを置換し、第１砂箱２２０は、バルブブロック８０の上に直接取り付けられる。このような構成において、キャビティ２１４全体は、第１砂箱２２０または他の適切なモールド（図示せず）の内部に位置する必要がある。バルブブロック８０の使用により、時間を要し、困難な作業である、第２砂箱２２４の緻密にされた砂２２２内部にバルブ６８、７０を慎重かつ正確に配置する必要性を避けられる。
【００４９】
図８および図９を参照し、本発明にかかる傾斜機能部材の製造方法のための、全体が４１０で示される、本発明の第４の実施形態を示す。装置４１０は、詳細を以下に示すように、傾斜機能部材（図示せず）の真空鋳造を実施するように構成されている。装置４１０は、好ましくは緻密にされた砂から形成されるモールド４１２を含む。モールド４１２は、傾斜機能部材（図示せず）を鋳造するためのキャビティ４１４を、内部に規定する。モールド４１２は、真空カップ９５の内部に挟持または保持され、モールド４１２と真空カップ９５との間は、流体密封シールされている。図示する実施形態では、真空カップ９５は断面が実質的に円形であるが、当然のことながら他のいかなる適切な形状も使用可能である。
【００５０】
真空カップ９５より吸引部(suction)９６が延在し、真空カップ９５を介して負圧または真空をモールド４１２に作用することが可能なように、吸引部９６は、使用中、真空ポンプ（図示せず）等に接続されている。モールド４１２は、多孔性の砂により形成されていることから、キャビティ４１４の内部に真空が形成される。モールドは底面にゲートまたはチャンネル４２６を備え、キャビティ４１４に外部アクセスを提供する。モールド４１４の内部の凝固、従って、冷却部(chill)９７付近の材料の厚さを制御するように、モールドは、またモールド４１４の周囲の様々な位置に配置される冷却部９７を備えてもよい。
【００５１】
従って、モールド４１２は使用に際して、真空カップ９５の内部に保持され、溶融した材料Ａを含み、好ましくは誘導炉である炉４５０の上に配置される。そして、モールド４１４は、図９に示すように、材料Ａの中に降ろされ、真空カップ９５、従ってキャビティ４１４を、吸引部９６を介して矢印Ｖの方向に空気を抜くことにより真空にする。従って、材料Ａはキャビティ４１４の内部に引き上げられ、キャビティ４１４の壁面に接触し凝固を開始する。材料Ａが所望の厚さに達した後、真空カップ９５より真空が解放され、キャビティ４１４の内部の溶融部分は、重力により炉４５０の中に流し込まれて戻る。
【００５２】
モールド４１２と真空カップ９５とを迅速に、溶融した材料Ｂ（図示せず）を含み、好ましくは、第１炉４５０と同じタイプである第２炉（図示せず）に移動する。モールド４１２が材料Ｂの中に降ろされ、材料Ａの皮膜の中にコアを形成するように溶融した材料Ｂをキャビティ４１４の内部に引き上げるように、キャビティ４１４を真空にし、従って上述の方法を繰り返す。材料Ｂが完全に凝固するまで、真空は維持する。
【００５３】
当然のことながら、材料Ｂは、部分的に凝固した後、第２炉（図示せず）に解放し戻し、第３の材料（図示せず）をキャビティ４１４に導入する等が可能である。
【００５４】
この種の真空鋳造は、減圧吸引鋳造法(Countergravity low pressure air melt)（ＣＬＡ）として既知である。よく知られた変形は真空吸引鋳造法(Countergravity low pressure vacuum melt)（ＣＬＶ）である。２つの方法の違いは、ＣＬＡでは金属を通常、大気に対し開放して溶融し、一方、ＣＬＶでは金属を真空中で溶融する。それゆえ、ＣＬＶは通常、大気中で溶融できない活性金属に用いられる。
【００５５】
上述の実施形態は、本発明の効果を示す比較的シンプルな方法であり、これらの方法に様々な変更または改良が可能なことに注意すべきである。例えば、通常フィーダー（図示せず）として知られている、高温の材料の適切な貯蔵部を備えることが可能である。材料Ａおよび材料Ｂの凝固速度を制御するためであり、生産工程において第２モールド（図示せず）を使う際に収縮の問題および困難性を引き起こす可能性があることから、特に材料Ａおよび／または材料Ｂがキャビティ２１４に入る前の流路（または湯道）の凝固を避けるためである。さらに、凝固速度を制御し、製造しようとする部材の特定の領域を材料Ａのターゲットとするように、適切な冷却部（図示せず）をモールド２１２の周辺に備えることができる。別の態様では、凝固を制御するように、加熱または冷却するセクションを有する、金属のモールド（図示せず）または他の適切な材料のモールドを用いることが可能である。
【００５６】
当然のことながら、他のいかなる適切な鋳造方法も本発明にかかる方法に使用することができる。例えば、ロストワックス法(Hitchiner process)は、インベストメント鋳造法であり、モールドの周囲の気密性チャンバーに不完全真空を付与することにより溶融した金属をモールド（図示せず）の中に引き上げる。チューブ（図示せず）がモールドから溶融金属の槽または坩堝の中に向け下方向に延在しており、これにより溶融金属をモールド内に吸い上げるのを容易にする。このような方式で溶融した金属をモールドの内部に引き上げることは、よく制御された充填速度と鋳造製品（図示せず）中の非常に低い不純物レベルを可能にする。従って、１つは材料Ａを含み、１つは材料Ｂを含む溶融金属の２つの槽を備えることで、本発明の方法は、ロストワックス法を用いることが可能である。モールド（図示せず）は、ロストワックス法の標準的な方法により用意してもよいが、材料Ａの凝固量を増やした箇所を作るように所望の位置に冷却部（図示せず）を有してもよい。そしてモールドが、材料Ａの槽の上部に設置され、ゲートチューブが溶融した材料Ａの表面下となる。そしてモールドを真空にすることにより材料Ａはモールド内に引き上げられ、充分な量の材料Ａがモールド（図示せず）の壁面に凝固するまたは、冷却部（図示せず）のみに凝固する所定の時間後、真空は開放され、残存する材料Ａの溶融部分は槽または坩堝（図示せず）に戻される。そして、モールドが溶融した材料Ｂを含む第２槽または坩堝（図示せず）の上になるように、モールドまたは坩堝を移動し、再びモールドのチューブを材料Ｂの表面下に延在する。モールドの残りの部分を充填するように、材料Ｂを上方向に引き上げるのに真空が再び用いられる。材料Ｂは柔らかい露出した材料Ａの層表面と結合し傾斜微細組織を形成する。材料Ｂがモールド内で完全に凝固すると、真空を開放する。必要であれば、製造工程を支援するように、個々の部材が凝固した後で、しかし流路（図示せず）が凝固する前に真空は開放できる。
【００５７】
本発明の方法とともに用いてもよい更なる鋳造方法は、コスワース鋳造法であり、コスワース鋳造法は低圧鋳造法の１つのバリエーションである。コスワース鋳造法の鍵となる違いは、溶融金属をモールド（図示せず）の中に移動するのに、シールドした坩堝（図示せず）にガスの圧力差を付与するのではなく、金属ポンプを用いることである。
【００５８】
本発明にかかる傾斜機能部材の製造方法が主として、最終製品または実質的な最終製品（図示せず）の製造を意図して用いられる間は、それほど重要ではないが、本発明の方法は、また、鍛錬用金属製品等の製造用のブルーム、スラブ、ビレット（図示せず）等を製造できる可能性がある。上述した方法のいずれか１つを用い、本発明の方法に従って例えばインゴット（図示せず）を製造することが可能であり、そして多くの押し出し法または、例えば熱間圧延、冷間圧延のような他の方法のうちの１以上を用いて傾斜機能鍛錬用金属製品を製造することが可能である。このようなインゴット（図示せず）は、また、例えばドロップ鍛造等の鍛造工程に用いることができる。
【００５９】
本発明にかかる方法は、またバルク金属ガラス（ＢＭＧ）部材、またはバルク金属ガラスの外層を有する部材を製造するのに用いてもよい。ＢＭＧは比較的新しい材料であり、多くの他の有益な特性に加え、飛び抜けた高強度、耐摩耗性、耐食性および弾性を有するガラス状の固体を形成するように、液体金属を過冷することにより製造される、この新しいタイプの材料は１９６０年にカリフォルニア工科大学で発見され、以来、特に最近の１０年間、多くの研究および商業活動の対象とされている。しかしながら、ＢＭＧ内の熱伝導は遅く、従って、比較的薄い鋳造厚さでのみ必要な冷却速度を達成できる。連続的な鋳造および除去を通じ、ＢＭＧ部材が層状に積み重なることが可能となり、所定の時間で薄い層のみが凝固することにより、必要な冷却速度を達成できることから、本発明の方法はＢＭＧの形成に用いることが可能となる。この方法は、また、部分的にガラス質の中間または遷移層を伴い、ＢＭＧを結晶材料と結合する構成を可能とする。この方法は、モールド（図示せず）の壁面の一部または壁面において、十分に速い冷却速度を用い、ＢＭＧの層を初期鋳造する工程と、そして残存する液体材料を除去し、続いてＢＭＧ層の内部に結晶質のコアを鋳造する工程とを含む。ＢＭＧ外層と結晶質コアとの間の遷移層は従って部分的にガラス質の領域である。
【００６０】
本発明は、従って、傾斜機能部材、とりわけ例えば２以上のアルミニウム合金から形成される軽量金属部材の比較的シンプルな製造方法を提供し、傾斜機能部材は、例えは耐摩耗性のような特定の特性を有する外層と、例えば耐衝撃性等のような異なる特性を有する少なくとも１つの内層またはコアとを有する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明にかかる方法を実施するための装置の第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明にかかる方法を実施するための装置の第２の実施形態を示す側断面図である。
【図３】本発明にかかる方法を実施するための装置の第３の実施形態を示す側断面図である。
【図４】図３に示す装置の坩堝を形成する部分を示す側断面図である。
【図５】図４に示す坩堝の蓋を示す斜視図である。
【図６】内部に金属Ａと金属Ｂを有する、図３に示す装置を示す側断面図である。
【図７】図３に示す装置で用いることができるバルブブロックを示す斜視図である。
【図８】本発明にかかる方法を実施するための装置の第４の実施形態を示す断面斜視図であり、モールドが上昇位置にある。
【図９】図９に示す装置の側断面図であり、モールドが下降位置にある。
【図１】
2008507410.tif 000003
【図２】
2008507410.tif 000004
【図３】
2008507410.tif 000005
【図４】
2008507410.tif 000006
【図５】
2008507410.tif 000007
【図６】
2008507410.tif 000008
【図７】
2008507410.tif 000009
【図８】
2008507410.tif 000010
【図９】
2008507410.tif 000011
【国際調査報告】
2008507410.tif 000012
2008507410.tif 000013
2008507410.tif 000014