(57)【要約】Ｓｉ共晶合金を含む工業コンポーネントは、摩耗表面を有する本体を備え、本体及び摩耗表面の両方が、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、共晶合金を含み、第２の相がジシリサイド相である。摩耗表面は、研磨製品が、通過後に１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含むように、研磨製品がそれにわたって通過するとき、１つ以上の金属元素のうちの少なくとも１つのそこから研磨製品への移動を制限するのに十分な、浸食摩耗に対する耐性を含む。本体はまた、少なくとも約３．２ＭＰａ・ｍ１／２の破壊靱性を含み得る。
2015517057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業コンポーネントであって、
摩耗表面を備える、本体であって、前記本体及び前記摩耗表面が、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、共晶合金を含み、前記第２の相がジシリサイド相であり、
前記摩耗表面が、研磨製品がそれにわたって通過するとき、前記１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つのそこから前記研磨製品への移動を制限するのに十分である、浸食摩耗に対する耐性を含み、前記研磨製品が、前記通過後に、前記１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含むか、又は
前記本体が、酸を含む加熱された水溶液中で、１年あたり０．０２５ｍｍ（１年あたり１ミル（ｍｐｙ））未満の腐食速度を含む、工業コンポーネント。
【請求項２】
弁用の耐摩耗コンポーネントであって、前記コンポーネントが、
材料の通過を遮断するための閉塞表面と、前記閉塞表面の周辺における密閉表面とを備える、本体であって、前記閉塞表面及び前記密閉表面のうちの少なくとも１つが、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、共晶合金を含む、摩耗表面であり、前記第２の相がジシリサイド相であり、
前記摩耗表面が、研磨製品がそれにわたって通過するとき、前記１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つのそこから前記研磨製品への移動を制限するのに十分な、浸食摩耗に対する耐性を含み、前記研磨製品が、前記通過後に、前記１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含む、耐摩耗コンポーネント。
【請求項３】
前記第１の相が、元素シリコン相であり、前記１つ以上の元素Ｍが、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ  Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＴｉからなる群から選択される、請求項１又は２に記載のコンポーネント。
【請求項４】
前記第１の相が、ＭＳｉ及びＭ５Ｓｉ３から選択される、金属間化合物相であり、前記１つ以上の元素Ｍが、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ  Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＴｉからなる群から選択される、請求項１又は２に記載のコンポーネント。
【請求項５】
前記共晶凝集が、前記第１及び第２の相のうちの１つの高アスペクト比構造を備え、前記高アスペクト比構造の少なくとも一部分が、前記本体の前記摩耗表面に実質的に垂直に配向される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコンポーネント。
【請求項６】
前記摩耗表面が、湾曲表面であり、前記配向された高アスペクト比構造のそれぞれが、前記湾曲摩耗表面上のそれぞれの最近接位置に実質的に垂直に配向される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のコンポーネント。
【請求項７】
前記本体が、上部部分と縁部とを有するドームを備え、前記ドームの前記上部部分が、前記閉塞表面を備え、前記ドームの前記縁部が、前記密閉表面を備え、前記密閉コンポーネントが、ドーム弁コンポーネントである、請求項２に記載のコンポーネント。
【請求項８】
前記本体が、少なくとも約１０重量％の濃度の酸を含む加熱された水溶液中で、１年あたり０．０２５ｍｍ（１年あたり１ミル（ｍｐｙ））未満の腐食速度を示す、請求項１又は２に記載のコンポーネント。
【請求項９】
前記加熱された水溶液がその沸点以上であり、前記酸が、硫酸、リン酸、ギ酸、硝酸、及び塩酸からなる群から選択される、請求項８に記載のコンポーネント。
【請求項１０】
前記本体が、前記本体の前記摩耗表面に垂直な方向で測定される、少なくとも約２．５ＭＰａ・ｍ１／２の破壊靱性を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のコンポーネント。
【請求項１１】
前記本体が、前記本体の前記摩耗表面に沿った方向で測定される、少なくとも約６ＭＰａ・ｍ１／２の破壊靱性を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のコンポーネント。
【請求項１２】
耐摩耗弁であって、
入口と出口とを備え、前記入口から前記出口への材料の通過のために、それらの間に通路を画定する、弁本体と、
前記入口と前記出口との間で、前記弁本体に連結又は前記弁本体と一体形成される、弁座であって、それを通る前記材料の通過のために、前記通路中に開口部を画定する、弁座と、
前記材料の前記通過を遮断するための閉塞表面と、前記閉塞表面の周辺における密閉表面とを有する、本体を備える、密閉コンポーネントであって、前記通路内に配設され、閉鎖位置と開放位置との間の運動のために構成される、密閉コンポーネントと、を備え、
前記密閉コンポーネントが前記閉鎖位置にあるとき、前記密閉表面が、前記弁座と係合され、前記閉塞表面が前記開口部を完全に閉塞し、
前記密閉コンポーネントが前記開放位置にあるとき、前記密閉表面が前記弁座から係脱され、前記開口部がそれを通る前記材料の前記通過を可能にするようにし、
前記密閉コンポーネント、前記弁本体、及び前記弁座のうちの少なくとも１つが、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、共晶合金を含む、摩耗表面を備え、前記第２の相がジシリサイド相である、耐摩耗弁。
【請求項１３】
ドーム弁、ボール弁、バタフライ弁、ゲート弁、シリンダー弁、及びプラグ弁からなる群から選択される、請求項１２に記載の耐摩耗弁。
【請求項１４】
前記摩耗表面が、研磨製品がそれにわたって通過するとき、前記１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つのそこから前記研磨製品への移動を制限するのに十分な、浸食摩耗に対する耐性を含み、前記研磨製品が、前記通過後に、前記１つ以上の金属元素Ｍのうちの前記少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含むようにする、請求項１２又は１３に記載の耐摩耗弁。
【請求項１５】
前記第１の相が、元素シリコン相であり、前記１つ以上の元素Ｍが、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ  Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＴｉからなる群から選択される、請求項１２〜１４のいずれかに記載の耐摩耗弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、シリコン（Ｓｉ）共晶合金を含む工業コンポーネントに関し、より具体的には、弁用の耐摩耗コンポーネントに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの産業において、良好な破壊靱性を有する耐食及び耐摩耗セラミックコンポーネントの必要性が存在する。炭化ケイ素、窒化ケイ素等の一般的な工業用セラミックは、いくつかの用途のために小規模でこの必要性を満たすことが可能であり得、それらが作製される粉末加圧成形技術は、利用可能な部品のサイズを限定する。
【０００３】
工業用セラミックに対抗する特性を有し得るシリコン（Ｓｉ）共晶合金が、融解及び鋳造プロセスによって製造され得ることが近年認識されている（例えば、国際公開第ＷＯ  ２０１１／０２２０５８号を参照されたい）。課題は、所望の機械的特性のセットを示す配向された共晶微細構造を得るために、融解及び鋳造プロセスへの十分な制御でもって、かかる合金を製造することであった。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
Ｓｉ共晶合金に基づく複雑な形状及び大きいサイズの耐摩耗コンポーネントを製造するために、融解及び鋳造方法又はプロセスが採用され得る。所望の共晶微細構造を生成するための製造プロセスを制御することによって、耐摩耗コンポーネントは、幅広く使用される工業用セラミックの機械的特性に対抗する耐摩耗性及び破壊靱性等の機械的特性を示し得る。Ｓｉ共晶合金は更に、優れた耐食性を示し得る。Ｓｉ共晶合金を含む工業コンポーネント、弁用の耐摩耗コンポーネント、耐摩耗弁、及び耐摩耗コンポーネントを作製する方法が本明細書に記載される。
【０００５】
工業コンポーネントは、摩耗表面を有する本体を備えてもよく、本体及び摩耗表面の両方は、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、Ｓｉ共晶合金を含み、第２の相は、ジシリサイド相である。摩耗表面は、研磨製品が、通過後に１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含むように、研磨製品がそれにわたって通過するとき、１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つのそこから研磨製品への移動を制限するのに十分な、浸食摩耗に対する耐性を含む。本体はまた、又は代替的に、少なくとも約３．２メガパスカル・メートル１／２（ＭＰａ・ｍ１／２）の破壊靱性を含んでもよい。本体はまた、又は代替的に、酸を含む加熱された水溶液中で、１年あたり０．０２５ｍｍ（１年あたり１ミル（ｍｐｙ））未満の腐食速度を含んでもよい。
【０００６】
工業コンポーネントは、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、共晶合金を含む、本体を備えてもよく、第２の相は、ジシリサイド相であり、本体は、少なくとも約３．２メガパスカル・メートル１／２（ＭＰａ・ｍ１／２）の破壊靱性を含み、本体は、酸を含む加熱された水溶液中で、１年あたり０．０２５ｍｍ（１年あたり１ミル（ｍｐｙ））未満の腐食速度を含む。
【０００７】
弁用の耐摩耗コンポーネントは、閉塞表面と、閉塞表面の周辺における密閉表面とを備える、本体を含み、閉塞表面及び密閉表面のうちの少なくとも１つは、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、Ｓｉ共晶合金を含む、摩耗表面であり、第２の相は、ジシリサイド相である。摩耗表面は、研磨製品が、通過後に１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含むように、研磨製品がそれにわたって通過するとき、１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つのそこから研磨製品への移動を制限するのに十分な、浸食摩耗に対する耐性を含む。
【０００８】
耐摩耗弁は、入口と出口とを含み、入口から出口への材料の通過のために、それらの間に通路を画定する、弁本体と、入口と出口との間で、弁本体に連結又は弁本体と一体形成される、弁座であって、それを通る材料の通過のために、通路中に開口部を画定する、弁座と、閉塞表面と、閉塞表面の周辺における密閉表面とを有する、本体を備える、密閉コンポーネントであって、通路内に配設され、閉鎖位置と開放位置との間の運動のために構成される、密閉コンポーネントとを備える。密閉コンポーネントが閉鎖位置にあるとき、密閉表面は、弁座と係合され、閉塞表面は、開口部を完全に閉塞し、密閉コンポーネントが開放位置にあるとき、密閉表面は、弁座から係脱され、開口部がそれを通る材料の通過を可能にするようにする。密閉コンポーネント、弁本体、及び弁座のうちの少なくとも１つが、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、Ｓｉ共晶合金を含む、摩耗表面を備える。第２の相は、ジシリサイド相である。
【０００９】
耐摩耗コンポーネントを作製する方法は、シリコン及び１つ以上の金属元素Ｍを一緒に融解し、シリコン及び１つ以上の金属元素Ｍを含む共晶合金融解物を形成する工程と、共晶合金融解物から熱を一方向に除去し、共晶合金融解物を一方向に凝固させる工程と、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、共晶合金を含む、摩耗表面を有する、耐摩耗コンポーネントを形成する工程であって、第２の相がジシリサイド相である、工程とを含む。摩耗表面は、研磨製品が、通過後に１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含むように、研磨製品がそれにわたって通過するとき、１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つのそこから研磨製品への移動を制限するのに十分な、浸食摩耗に対する耐性を有する。
【００１０】
シリコン共晶合金組成物は、良好な耐摩耗性及び／又は他の好ましい機械的特性を示すコンポーネントが所望される、石油・ガス、半導体、自動車、機械部品、太陽光産業等、多くの産業のいずれにおいても有利に使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】密閉コンポーネント、弁座、及び弁本体を含む、例示的なドーム弁の斜視断面図である。
【図２】Ａ〜Ｂは、例示的な流動床反応器に接続される、図１の斜視断面図であり、ドーム弁は、閉鎖（図２Ａ）及び開放（図２Ｂ）位置にある。
【図３】Ｓｉ−Ｃｒ合金系の相図を示す。
【図４】例示的なＳｉ−ＣｒＳｉ２合金試料の表面の一部分の光学顕微鏡写真である。
【図５】ドーム弁用の鋳造された密閉コンポーネントを示し、密閉コンポーネントは、Ｓｉ−ＣｒＳｉ２合金を含む。
【図６】Ａ〜Ｂはドーム弁用の鋳造及び研磨された密閉コンポーネントの微細構造の光学顕微鏡写真であり、図６Ａは、鋳物の表面から約１ｍｍの熱流の方向に沿って成長する、棒状特性を示し、図６Ｂは、鋳物の中央領域からの等方性粒を示す。
【図７】標準的な測定サイクルの経過中の回転鋳造によって調製される、Ｓｉ研磨ボールと、Ｓｉ−ＣｒＳｉ２試料の固定プレートとの間の摩擦係数を示し、実行中の不連続は、試験中に２５Ｎを維持するための増加した力の結果である。
【図８】熱処理、並びに長期間（４〜６ヶ月）にわたる塩水中の試験の関数として、回転鋳造によって調製されるＳｉ−ＣｒＳｉ２合金の破壊靱性を示す。
【図９】Ａ〜Ｄは、最大で１４４時間にわたる２０重量％のＨＣｌを含有する煮沸水溶液中の浸漬の前後の、Ｓｉ−ＣｒＳｉ２共晶合金試験の試験片の写真を示す。
【図１０】様々なエンジニアリング合金及びＳｉ−ＣｒＳｉ２共晶合金の正規化一般腐食速度を示し、差し込み図は、ミル／年（ｍｐｙ）及びｍｇ／ｃｍ２年での腐食速度を提供し、試験値は、平均で２〜３回の２４時間曝露から判定され、無は、１ｍｐｙ以下である。
【図１１】Ａ〜Ｇは、２０重量％のＨＣｌを含有する煮沸水溶液中の浸漬の前後の、合金試験片の更なる写真を示す。
【図１２】Ａ〜Ｌは、２４時間にわたる２０重量％のＨＣｌを含有する煮沸水溶液中の浸漬の前（Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｇ、Ｉ、Ｋ）及び後（Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈ、Ｊ、Ｌ）の、試験片の走査型電子顕微鏡写真であり、「前」の表面は、研磨された表面であり、示される合金はそれぞれ、コバルト超合金（エルジロイ）、合金２０、Ｔｙｐｅ  ３１６Ｌ、合金Ｘ、合金Ｃ−２７６、及びＳｉ−ＣｒＳｉ２共晶合金である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
用語「備える（comprising）」、「含む（including）」、及び「有する（having）」は、明示的に列挙された対象物を単独で、又は列挙されていない対象物を組み合わせて含む、非制限的な移行語として、本明細書及び特許請求の範囲全体にわたって互換的に使用されることに留意されたい。
【００１３】
本開示は、並外れた耐食性も有し得る耐摩耗Ｓｉ共晶合金に関する。本明細書に記載される融解及び鋳造方法は、図１に示されるように、弁の１つ以上のコンポーネント等、Ｓｉ共晶合金に基づく耐摩耗及び耐食工業コンポーネントを製造するために採用され得る。工業コンポーネントは、複雑な形状及び大きなサイズであってもよい。コンポーネントの並外れた浸食摩耗挙動によって、弁用途は、特に有利であり得るが、コンポーネントの使用法は、当然のことながら弁に限定されない。
【００１４】
一実施形態によると、工業コンポーネントは、摩耗表面を有する本体を有し、本体及び摩耗表面は、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、共晶合金を含み、第２の相は、ジシリサイド相である。例示的な工業コンポーネント、より具体的には、弁２０用の耐摩耗コンポーネントが、以下に更に詳細に記載されるように、図１に示される。摩耗表面は、研磨製品がそれにわたって通過するとき、１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つのそこから研磨製品への移動を制限するのに十分である、浸食摩耗に対する耐性を含み、研磨製品は、通過後に１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含む。本体はまた、又は代替的に、酸を含む加熱された水溶液中で、１年あたり０．０２５ｍｍ（１年あたり１ミル（ｍｐｙ））未満の腐食速度を含んでもよい。
【００１５】
弁用途に対して、耐摩耗コンポーネント（例えば、図１に示される密閉コンポーネント５０）は、材料の通過を遮断するための閉塞表面５８と、閉塞表面５８の周辺における密閉表面５６とを有する、本体５２を有してもよく、閉塞表面５８及び密閉表面５６のうちの少なくとも１つは、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、共晶合金を含む、摩耗表面である。第２の相は、ジシリサイド相である。摩耗表面は、研磨製品がそれにわたって通過するとき、１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つのそこから研磨製品への移動を制限するのに十分な、浸食摩耗に対する耐性を含み、研磨製品は、通過後に、１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含む。
【００１６】
第１の相は、ＭＳｉ及びＭ５Ｓｉ３から選択される元素シリコン相又は金属間化合物相であってもよく、１つ以上の元素Ｍは、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ  Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＴｉからなる群から選択されてもよい。共晶凝集は、第１及び第２の相のうちの１つの高アスペクト比構造を含んでもよく、高アスペクト比構造の少なくとも一部分は、本体の摩耗表面に実質的に垂直に配向される。
【００１７】
摩耗表面は、湾曲表面であってもよく、配向された高アスペクト比構造のそれぞれは、湾曲摩耗表面上のそれぞれの最近接位置に実質的に垂直に配向されてもよい。例えば、図１を再び参照すると、本体５２は、上部部分と縁部とを有するドームを備えてもよく、ドームの上部部分は、閉塞表面５８を備え、ドームの縁部は、密閉表面５６を備え、密閉コンポーネント５０は、ドーム弁コンポーネントである。
【００１８】
本体は、少なくとも約１０重量％の濃度の酸を含む加熱された水溶液中で、１年あたり０．０２５ｍｍ（１年あたり１ミル（ｍｐｙ））未満の腐食速度を含んでもよい。加熱された水溶液は、その沸点以上であってもよく、酸は、硫酸、リン酸、ギ酸、硝酸、及び塩酸からなる群から選択されてもよい。本体は、本体の摩耗表面に垂直な方向で測定される、少なくとも約２．５ＭＰａ・ｍ１／２の破壊靱性を有してもよい。本体は、本体の摩耗表面に沿った方向で測定される、少なくとも約６ＭＰａ・ｍ１／２の破壊靱性を含んでもよい。
【００１９】
図１は、入口３０と出口３２とを備え、入口３０から出口３２への矢印１０の方向での材料の通過のために、それらの間に通路４２を画定する、弁本体４０を含む、例示的な弁２０を示す。それを通る材料の通過のために通路４２中に開口部３４を画定する、弁座４４が、入口３０と出口３２との間で弁本体４０に連結又は弁本体４０と一体形成される。閉塞表面５８と閉塞表面５８の周辺における密閉表面５６とを有する、本体５２を備える、密閉コンポーネント５０は、通路４２内に配設される。密閉コンポーネント５０は、閉鎖位置と開放位置との間の運動のために構成される。密閉コンポーネント５０が閉鎖位置にあるとき、密閉表面５６は弁座４４と係合され、閉塞表面５８は開口部３４を完全に閉塞する。密閉コンポーネント５０が開放位置にあるとき、密閉表面５６は弁座４４から係脱され、開口部３４がそれを通る材料の通過を可能にするようにする。
【００２０】
密閉コンポーネント５０、弁本体４０、及び弁座４４のうちの少なくとも１つは、Ｓｉ共晶合金を含む摩耗表面を含む。Ｓｉ共晶合金は、少なくとも５０原子％のシリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相とを含む、共晶凝集を含み、第２の相は、ジシリサイド相である。
【００２１】
「シリコン含有相」と称され得る第１の相は、元素シリコン相又は金属間化合物相であってもよい。第１の相が元素シリコン相であるとき、第１の相は、結晶シリコン及び／又は非晶質シリコンの形態でシリコンを含む。第１の相が金属間化合物相であるとき、第１の相は、シリコン及び元素（複数を含む）Ｍを含み、式ＭｘＳｉｙを有し、式中、ｘ及びｙは整数である。概して、金属間化合物相は、ジシリサイド相とは異なり、したがってｘは１ではなく、ｙは２ではない。
【００２２】
Ｓｉ共晶合金を含む摩耗表面は、弁を通過する材料と接触する任意の面であってもよい。例えば、密閉コンポーネントの密閉表面５６及び閉塞表面５８の両方等、複数の摩耗表面が存在してもよい。本体５２の下面５９もまた、摩耗表面であってもよい。Ｓｉ共晶合金を含む摩耗表面（複数を含む）は、研磨材料が、通過後に金属元素（複数を含む）Ｍのうちの少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含むように、研磨製品がそれにわたって通過するとき、金属元素（複数を含む）Ｍのうちの少なくとも１つ（及び最大で全部）のそこから研磨材料への移動を制限するのに十分である、浸食摩耗に対する耐性を有する。汚染レベルの増加はまた、１００ｐｐｂ未満、１０ｐｐｂ未満、又は１ｐｐｂ未満であってもよい。本明細書で使用されるとき、「研磨材料」は、７．０のモース硬度を有する、シリコン以上のモース硬度を有する材料を指す。
【００２３】
例示的なＳｉ共晶合金試料の特性化及び試験（以下の実施例を参照されたい）は、浸食摩耗耐性、破壊靱性、及び他の機械的特性が、特に摩耗表面（複数を含む）において、共晶合金の微細構造と関連があることを示している。特許請求される本発明は、有効な制限内で１つ以上のプロセス条件を調整することによって、例えば、過熱温度を上昇若しくは低下させることによって、若しくは特定の方向性凝固方法又はプロセス条件を選択することによって、異なるＭ若しくは２つ以上のＭの組み合わせを使用することによって、又はこれらの任意の組み合わせによって、共晶合金のある特定の機械的特性又は微細構造を調節し得る。これらの実験を考察する前に、例示的な耐摩耗弁が図２Ａ及び２Ｂを参照して記載され、共晶反応及びＳｉに富んだ共晶合金が説明される。
【００２４】
Ｓｉ共晶合金を含む１つ以上の摩耗表面を含むコンポーネントを製造する利点のうちの１つは、図２Ａ及び２Ｂを参照して理解され得、それらは、シリコンビーズ、粒子、繊維、又はフレーク等、微粒子シリコン生成物２２を生成するために使用される流動床反応器２４に接続される、ドーム弁２０を示す。ドーム弁２０は、反応器中で合成されるシリコン生成物２２の選択的分配を可能にする。場合によっては、シリコン生成物２２は、高純度シリコンを含んでもよく、それは、それが１，０００十億分率原子（ｐｐｂａ）以下の不純物含量を有することを意味する。
【００２５】
図２Ａ及び２Ｂを参照すると、閉塞表面５８及び閉塞表面５８の周辺における密閉表面５６を備える密閉コンポーネント（ドーム状本体）５０は、閉鎖位置（図２Ａ）と開放位置（図２Ｂ）との間で、弁本体４０の通路４２内に回転可能に配設される。閉鎖位置において、密閉コンポーネント５０の密閉表面５６は弁座４４と係合し、閉塞表面４８は、弁座４４によって画定される開口部３４を完全に閉塞する。結果的に、流動床反応器２４からのシリコン生成物２２は、図２Ａに示されるように、開口部３４を通過することができない。対照的に、図２Ｂに示されるように、密閉コンポーネント５０が開放位置に移動されるとき、密閉表面５６は、弁座４４から係脱され、開口部３４は、少なくとも部分的に閉塞されず、それによってシリコン生成物２２が開口部を通過することを可能にする。密閉コンポーネント５０は、複数の所定の開放位置を含む、閉鎖位置（図２Ａ）から開放位置（図２Ｂ）までの一連の開放位置のうちのいずれに回転されてもよく、各開放位置は、弁座４４によって画定される開口部３４の異なるサイズをもたらす。弁座４４によって画定される開口部３４のサイズを制御することによって、流動床反応器２４から弁２０を通るシリコン生成物２２の通過及び通過速度が制御され得る。
【００２６】
図２Ｂから分かるように、シリコン生成物２２が開口部を通って、かかるコンポーネントの露出表面にわたって通過する際、シリコン生成物２２と弁２０の様々なコンポーネントとの間の有意な量の滑り（摩擦）接触が可能である。概して、シリコン生成物に対して、かつ特に、高純度シリコン生成物に対して、それを通るシリコン生成物２２の通過中、弁２０からシリコン生成物２２への汚染物質の移動を最小限に抑えることが重要であり得る。その結果として、ドーム弁２０の１つ以上のコンポーネントは、摩耗表面（複数を含む）とシリコン生成物２２との間の摩擦接触が、シリコンの汚染を引き起こさないように、１つ以上の耐摩耗（及びしたがって非汚染）表面を含んでもよい。既に述べたように、密閉コンポーネント５０、弁座４４、及び弁本体４０のそれぞれは、１つ以上の非汚染摩耗表面を含んでもよい。一実施例では、密閉コンポーネント５０及び弁座４４のそれぞれは、１つ以上の摩耗表面を備える。別の実施例では、密閉コンポーネント５０及び弁本体４０のそれぞれは、１つ以上の摩耗表面を備える。更に別の実施例では、弁本体４０及び弁座４４のそれぞれは、１つ以上の摩耗表面を備える。また、密閉コンポーネント５０、弁座４４、及び弁本体４０のそれぞれは、１つ以上の摩耗表面を備えることも想到される。他の実施形態では、密閉コンポーネント５０、弁座４４、又は弁本体４０は、１つ以上の摩耗表面を含む。
【００２７】
例えば、密閉コンポーネントは、Ｓｉ共晶合金を含む１つ以上の摩耗表面を含んでもよい。図１を再び参照すると、耐摩耗密閉コンポーネント５０は、上部部分及び縁部を有するドーム形状を画定する、本体５０を含む、ドーム弁コンポーネントであってもよく、本体５０の上部部分は、閉塞表面５８を含み、本体の縁部は、密閉表面５６を含む。密閉コンポーネント５０の摩耗表面は、閉塞表面５８及び密閉表面５６のうちの一方又は両方を含んでもよい。図２Ｂに例示されるように、閉塞表面５８及び密閉表面５６の両方は、弁２０の動作中、シリコン生成物２２との滑り接触に供されてもよい。本実施例では、密閉コンポーネント５０の摩耗表面は、略半球形状を有する湾曲表面である。しかしながら、他の種類の弁のために設計される密閉コンポーネント５０は、別の形状を有する摩耗表面を含んでもよい。加えて、密閉コンポーネント５０の下面５９もまた、摩耗表面であってもよい。
【００２８】
弁座４４もまた、又は代替的にかかる摩耗表面を含んでもよい。図１から分かるように、弁座によって画定される開口部は、通路よりも小さい断面積を包含するため、弁座４４は、シリコン生成物２２が弁を通って、弁座の露出表面にわたって通過する際、それとの反復した滑り接触を有してもよい。弁本体４０はまた、シリコン生成物２２との滑り接触に供されてもよく、Ｓｉ共晶合金を含む摩耗表面を含むことから利益を得ることができる。
【００２９】
良好な摩耗特性に加えて、又は代替的に、耐摩耗コンポーネントが良好な破壊靱性、代替的に良好な耐食性、代替的にこれらの任意の組み合わせを示すことが有利である。結果的に、Ｓｉ共晶合金は、摩耗表面（複数を含む）においてだけではなく、耐摩耗コンポーネントのバルク内にも存在し得る。その結果として、例示的なドーム弁２０の密閉コンポーネント５０、弁座４４、及び／又は弁本体４０は、少なくとも約３．２ＭＰａ・ｍ１／２の破壊靱性を有してもよい。破壊靱性はまた、少なくとも約６ＭＰａ・ｍ１／２であってもよく、２５ＭＰａ・ｍ１／２を超えることはできない。より具体的には、破壊靱性は、本体の摩耗表面（複数を含む）に沿った方向で測定される、少なくとも約６ＭＰａ・ｍ１／２であってもよく、破壊靱性は、摩耗表面（複数を含む）に垂直な方向で測定される、少なくとも約２．５ＭＰａ・ｍ１／２であってもよい。塩水等の腐食環境への、密閉コンポーネント５０中のＳｉに富んだ共晶合金の曝露後、破壊靱性は維持され得るか、代替的に破壊靱性の損失が阻止され得る。
【００３０】
図１に示される例示的なドーム弁２０に加えて、ボール弁、バタフライ弁、ゲート弁、シリンダー弁、プラグ弁等の他の種類の弁が、共晶合金を含む摩耗表面を含む、耐摩耗コンポーネントを含んでもよく、共晶合金は、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコン含有相と式ＭＳｉ２のジシリサイド相との共晶凝集を含む。また、上記の耐摩耗コンポーネントが、弁以外の用途又はシステムで使用され得ることも想到される。
【００３１】
共晶反応及びＳｉ共晶合金
図３の例示的な相図を参照すると、元素Ｓｉ及びＭの共晶反応は、以下の通り説明され得る。
【００３２】
【数１】
2015517057.tif 000003
式中、液体相（Ｌ）及び２つの固体相（例えば、（１）にあるようなＳｉ及びＭＳｉ２又は（２）にあるようなＭｘＳｉｙ及びＭＳｉ２）は、共晶組成物及び対応する共晶温度で、平衡状態で存在する。二元共晶合金の場合、共晶組成物及び共晶温度は、不動点（又は共晶点）を定義する。共晶組成物を有する液体は、固体相の共晶凝集からなる共晶合金を形成するために、共晶温度を通した冷却によって、共晶凝固を受ける。共晶組成物における共晶合金は、元素又は化合物構成成分及びこれらの任意の他の組成物よりも低い温度で融解する（「共晶」（eutectic）は、「容易に融解される」という意味のギリシャ語「eutektos」に由来する）。
【００３３】
それぞれがシリサイドを形成する２つ以上の金属元素Ｍを含む、多成分共晶合金の場合、共晶境界曲線は、複数の不動点間で画定され得る。例えば、上記の反応（１）を受ける、少なくとも５０原子％のＳｉ及び２つの金属元素（Ｍ＝Ｍａ，Ｍｂ）を含む三元共晶合金の場合、共晶境界曲線は、２つの二元共晶点を結び、一方は、Ｓｉ及びＭａＳｉ２によって定義され、もう一方は、Ｓｉ及びＭｂＳｉ２によって定義される。共晶境界曲線上の組成物を有する液体は、冷却により共晶凝固を受け、共晶合金を形成する。
【００３４】
共晶組成物において、共晶温度を通した冷却により形成される、固体相（例えば、Ｓｉ及びＭＳｉ２又はＭｘＳｉｙ及びＭＳｉ２）は、凝固プロセスに依存する形態を有する共晶凝集を定義する。共晶凝集は、固体相の交互の相を含む、層状形態を有してもよく、それらは、それらのそれぞれの体積分率に応じて、マトリックス及び強化相と称されてもよく、強化相は、マトリックス相よりも低い体積分率で存在する。換言すれば、強化相は、０．５未満の体積分率で存在する。強化相は、別個の共晶構造を含んでもよく、一方で、マトリックス相は、実質的に連続性であってもよい。例えば、共晶凝集は、実質的に連続性のマトリックス相中で分散される、棒状、プレート状、針状、及び／又は球状構造の強化相を含んでもよい。かかる共晶構造は、「強化相構造」と称され得る。
【００３５】
共晶凝集中の強化相構造は更に、少なくとも１つの次元（例えば、長さ）が、別の次元（例えば、幅、厚さ、直径）を２倍以上超えるとき、高アスペクト比構造とも称され得る。強化相構造のアスペクト比は、標準的な測定及び画像分析ソフトウェアを使用して、光学又は電子顕微鏡法によって判定され得る。凝固プロセスは、マトリックス相中で高アスペクト比構造を形成及び整合するように制御されてもよい。例えば、共晶合金が方向性凝固プロセスによって生成されるとき、例えば図４に示されるように、凝固の方向に沿って複数の高アスペクト比構造を整合することが可能であり、図４は、例示的なＳｉ−ＣｒＳｉ２共晶合金試料の表面に垂直に整合される棒状構造の光学顕微鏡画像を示す（及び画像中真横から見る）。
【００３６】
強化相構造は、構造の平均横寸法の０．５〜２倍の平均特性距離λ、相互から離間されてもよい。例えば、約１ミクロン〜約５０ミクロンの平均直径を含む棒状構造に対して、平均特性距離λは、約５００ｎｍ〜約１００ミクロンであってもよい。より小さい強化相構造（例えば、より小さい直径の棒、又は約１ミクロン〜約５ミクロンの範囲の平均横寸法を有するより小さい粒子）の場合、平均特性距離λは、約０．５ミクロン〜約１０ミクロン、又は約４ミクロン〜約６ミクロンの範囲であってもよい。強化相構造の平均の長さは、約１０ミクロン〜約１０００ミクロン、及びより典型的には約１００ミクロン〜約５００ミクロンの範囲であってもよい。
【００３７】
概して、用語「異常」又は「不規則」及び「正常」又は「規則的」は、共晶凝集の均一性の程度を説明するために使用され得、均一性の極値で又はほぼ極値で、異常又は不規則な共晶構造は、無作為に配向され、及び／又はサイズが不均一であり、正常又は規則的な共晶構造は、実質的な程度の整合及び／又はサイズ均一性を示す。「実質的な程度」の整合（又はサイズ均一性）は、共晶構造の少なくとも約５０％が整合される、及び／又は同一サイズである構成を指す。好ましくは、共晶構造の少なくとも約８０％が整合される、及び／又は同一サイズである。例えば、正常な共晶凝集は、シリサイド棒の約９０％が整合される構成で、シリコン相に埋め込まれる、所与の幅又は直径のシリサイド棒を含んでもよい。共晶凝集のシリサイド棒は、単一の「コロニー」又はシリコンマトリックス全体にわたって複数のコロニーに配置されてもよく、各コロニーは、実質的な程度の整合を有する棒を含む。強化相構造に関して使用されるとき、句又は用語「実質的に整合された」、「実質的に平行な」、及び「配向された」は、「実質的な程度の整合を有すること」と同じ意味を有するものと見なされ得る。
【００３８】
本明細書に記載される共晶合金は、シリコン含有及びジシリサイド相の共晶凝集から全体的又は部分的になってもよい。共晶合金が、シリコン及び金属元素（複数を含む）Ｍをそれらの共晶濃度比で含むとき（つまり、合金の共晶組成物）、１００体積パーセント（体積％）の共晶合金が共晶凝集を含む。
【００３９】
一方で、共晶合金が、シリコン及び金属元素（複数を含む）Ｍをそれらの亜共晶濃度比で含むとき（シリコンの濃度は共晶濃度よりも低い（＞０原子％シリコンの下限で））、１００体積％未満の共晶合金が共晶凝集を含む。これは、冷却中の共晶凝集の形成前の非共晶相の形成による。
【００４０】
同様に、共晶合金が、シリコン及び金属元素（複数を含む）Ｍをそれらの過共晶濃度比で含むとき（シリコンの濃度は共晶濃度を超える（＜１００原子％シリコンの上限で））、１００体積％未満の共晶合金が、冷却中の共晶凝集の形成前の非共晶相の形成により、共晶凝集を含み得る。
【００４１】
シリコン及び金属元素（複数を含む）Ｍの濃度比に応じて、少なくとも約７０体積％、少なくとも約８０体積％、又は少なくとも約９０体積％の共晶合金が、共晶凝集を含み得る。
【００４２】
本明細書に記載される共晶合金は、０原子％を超えるＳｉ、例えば、少なくとも約５０原子％のＳｉを含む。合金はまた、少なくとも約６０原子％のＳｉ、少なくとも約７０原子％のＳｉ、少なくとも約８０原子％のＳｉ、又は少なくとも約９０原子％のＳｉ；及び最大で約９０原子％のＳｉ、代替的に最大で約８０原子％のＳｉ、代替的に最大で約７０原子％のＳｉ、代替的に最大で約６０原子％のＳｉ；代替的に、金属元素（複数を含む）Ｍ、及び元素の共晶、亜共晶、又は過共晶濃度比が採用されるかどうかに応じて、最小及び最大値で、上記の任意の使用可能な組み合わせを含んでもよい。共晶合金は、合計で１００原子％のシリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及び任意の残留不純物元素を含む。
【００４３】
シリコン含有相は、既に述べたように、結晶シリコン及び／又は非晶質シリコンを含む、元素シリコン相であってもよい。結晶シリコンは、ダイヤモンド立方晶結晶構造を有してもよく、粒径又は微結晶サイズは、約２００ナノメートル（ｎｍ）〜約５ミリメートル（ｍｍ）又はそれ以上の範囲内にあってもよい。典型的には、粒径は、約１μｍ〜約１００μｍである。
【００４４】
金属元素（複数を含む）Ｍは、クロム、コバルト、ハフニウム、モリブデン、ニッケル、ニオビウム、レニウム、タンタル、チタン、タングステン、バナジウム、及びジルコニウムのうちの１つ以上であってもよい。存在する場合、金属間化合物相ＭｘＳｉｙは、ＭＳｉ及びＭ５Ｓｉ３、例えば、ＣｒＳｉ、ＣｏＳｉ、ＴｉＳｉ、ＮｉＳｉ、Ｖ５Ｓｉ３、Ｎｂ５Ｓｉ３、Ｔａ５Ｓｉ３、Ｍｏ５Ｓｉ３、及びＷ５Ｓｉ３等から選択される式を有してもよい。ジシリサイド相ＭＳｉ２は、立方晶系Ｃ１、正方晶系Ｃ１１ｂ、六方晶系Ｃ４０、斜方晶系Ｃ４９、及び斜方晶系Ｃ５４構造から選択される、結晶構造を有してもよい。結晶構造は、立方晶系Ｃ１であってもよい。結晶構造は、正方晶系Ｃ１１ｂであってもよい。結晶構造は、六方晶系Ｃ４０であってもよい。結晶構造は、斜方晶系Ｃ４９であってもよい。結晶構造は、斜方晶系Ｃ５４であってもよい。コバルトジシリサイド（ＣｏＳｉ２）及びニッケルジシリサイド（ＮｉＳｉ２）のそれぞれは、立方晶系Ｃ１結晶構造を有し、モリブデンジシリサイド（ＭｏＳｉ２）、レニウムジシリサイド（ＲｅＳｉ２）、及びタングステンジシリサイド（ＷＳｉ２）のそれぞれは、正方晶系Ｃ１１ｂ結晶構造を有し、ハフニウムジシリサイド（ＨｆＳｉ２）及びジルコニウムジシリサイド（ＺｒＳｉ２）のそれぞれは、斜方晶系Ｃ４９結晶構造を有し、クロムジシリサイド（ＣｒＳｉ２）、ニオビウムジシリサイド（ＮｂＳｉ２）、タンタルジシリサイド（ＴａＳｉ２）、及びバナジウムジシリサイド（ＶＳｉ２）のそれぞれは、六方晶系Ｃ４０構造を有する。チタンジシリサイド（ＴｉＳｉ２）は、斜方晶系Ｃ５４結晶構造を有する。
【００４５】
以下の表１及び２は、例示的な二元のＳｉに富んだ共晶系に対する反応、対応する不動点、及び反応中に形成されるシリサイド相の情報のリストを提供する。表１は、元素シリコン相及びジシリサイド相をもたらす共晶反応を含み、表２は、ジシリサイド相及びジシリサイド相以外の金属間化合物相をもたらす共晶反応を含む。
【００４６】
以下のアプローチを使用して、ＭＳｉ２の理論体積分率が導出され、それは、Ｓｉ−Ｃｒ系の特定の場合に対して示されるが、表１及び２に記載される理論体積分率に達するように、共晶系のいずれにも一般化され得る。
【００４７】
相図から、Ｓｉ−ＣｒＳｉ２共晶点が８５．５原子％のＳｉ及び１４．５％原子％のＣｒであることが分かる。重量％が以下によって計算される。
【００４８】
【数２】
2015517057.tif 000004
【００４９】
１００ｇの試料と仮定して、
【００５０】
【数３】
2015517057.tif 000005
【００５１】
反応中、ＣｒＳｉ２は、Ｃｒ金属の全部を消費することによって形成され、したがって、ＣｒＳｉ２は０．４４３モルある。ＣｒＳｉ２の分子量は、１０８．１６８ｇ／モルである。
【００５２】
【数４】
2015517057.tif 000006
【００５３】
各相の体積は、材料の密度によって除算することによって計算される。
【００５４】
【数５】
2015517057.tif 000007
【００５５】
各相の理論体積分率は、総体積によって除算される各相の体積である。
【００５６】
【数６】
2015517057.tif 000008
【００５７】
【表１】
2015517057.tif 000009
【００５８】
【表２】
2015517057.tif 000010
【００５９】
共晶合金が２つ以上の元素Ｍを含む多成分共晶合金である場合、ジシリサイド（ＭａＳｉ２及びＭｂＳｉ２）又は金属間化合物（ＭＳｉ若しくはＭ５Ｓｉ３）のそれぞれが、同一の結晶構造を有し、相互に可溶性であり、本質的に単一の強化相（例えば、（Ｍａ、Ｍｂ）Ｓｉ２、（Ｍａ、Ｍｂ）Ｓｉ、（Ｍａ、Ｍｂ）５Ｓｉ３）を形成するのに有利であり得る。例えば、ジシリサイド相の場合、Ｍａ及びＭｂは、Ｃｏ及びＮｉ、又はＭｏ及びＲｅであってもよい。また、多成分共晶合金が２つ以上の不溶性シリサイド相を含むように、多成分共晶合金が、異なる結晶構造を有するジシリサイド又は金属間化合物を形成する、２つ以上の金属元素Ｍを含んでもよいことが想定される。例えば、Ｍａ及びＭｂは、Ｃｒ及びＣｏ、又はＣｒ及びＮｉであってもよく、それらは、不溶性ジシリサイド相を形成し得る。結果的に、例示的な三元共晶合金は、表３に記載されるように、２つの金属元素Ｍを含んでもよく、Ｍ＝Ｍａ，Ｍｂである。
【００６０】
【表３】
2015517057.tif 000011
【００６１】
共晶摩耗表面の微細構造及び特性
例示的なＳｉ共晶合金試料の微細構造及び機械的特性の調査は、浸食摩耗耐性、破壊靱性、耐食性、及び／又は他の機械的特性が、本体の摩耗表面における共晶合金の微細構造に関連し得ることを示している。具体的には、試料表面に実質的に垂直に配向される高アスペクト比シリサイド構造の１つ以上のコロニーの存在は、低摩耗速度、並びに破壊靱性、耐食性、又はこれらの組み合わせの高い値等、改善された機械的特性と関連していた。
【００６２】
結果的に、共晶凝集は、本体の摩耗表面（複数を含む）に実質的に垂直に配向されるシリサイド相の高アスペクト比構造（例えば、棒状又はプレート状構造）の１つ以上のコロニーを含んでもよい。例えば、少なくとも約２０体積％の高アスペクト比構造が、摩耗表面に実質的に垂直に配向されてもよく、いくつかの実施形態では、約１００体積％の高アスペクト比構造が、実質的に垂直な配向を有し得る。高アスペクト比構造は、摩耗表面の付近に、つまり、摩耗表面から約５ミクロンの距離内に有利に配設される。
【００６３】
摩耗表面が湾曲表面であってもよいため、（摩耗表面に対して）垂直配向を有する高アスペクト比構造の少なくとも一部分は、相互に非平行に配向されてもよい。例えば、配向された高アスペクト比構造のそれぞれは、湾曲閉塞表面上のそれぞれの最近接位置に実質的に垂直に配向されてもよい。
【００６４】
１００体積％の本体が共晶合金を含んでもよいことが想定される。代替的に、１００体積％未満の本体が共晶合金を含んでもよい。例えば、本体は、共晶合金以外の材料を含む支持部分を覆う、共晶合金を含む（及び摩耗表面を含む）表面部分又は層を含んでもよい。表面層は、約１００ｎｍ〜２ｍｍに及ぶ厚さを有してもよい。支持部分の材料は、アルミニウム又は鋼等の金属又は合金を含んでもよい。
【００６５】
Ｓｉ共晶合金を含む耐摩耗コンポーネントの製造
耐摩耗コンポーネントを作製する方法が本明細書に記載される。プロセスは、Ｓｉ共晶合金を含むコンポーネントを形成するために、共晶合金融解物の制御された方向性凝固を可能にし、合金は、コンポーネントの摩耗表面において正常な共晶微細構造を示し得る。
【００６６】
該方法は、共晶合金融解物を形成するために、シリコン及び１つ以上の金属元素Ｍを一緒に融解する工程と、共晶合金融解物を一方向に凝固するために、共晶合金融解物から熱を一方向に除去する工程とを含む。共晶合金を含む摩耗表面を含む、耐摩耗コンポーネントが形成され、共晶合金は、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含み、第２の相は、ジシリサイド相である。
【００６７】
共晶合金融解物は、シリコン及び１つ以上の金属元素Ｍをそれらの共晶濃度比で含んでもよい。代替的に、共晶合金融解物は、シリコン及び１つ以上の金属元素Ｍをそれらの亜共晶濃度比で含んでもよく、亜共晶濃度比は、＞０原子％のシリコン濃度に基づく下限を有する。また、共晶合金融解物が、シリコン及び１つ以上の金属元素Ｍをそれらの過共晶濃度比で含んでもよく、過共晶濃度比は、＜１００原子％のＳｉのシリコン濃度に基づく上限を有することも想定される。共晶合金融解物から形成される共晶合金は、上記の属性及び化学的性質のいずれを有してもよい。
【００６８】
共晶合金融解物から熱を一方向に除去する工程は、共晶合金融解物を通して凝固先端を除去する工程を伴ってもよく、凝固先端は、共晶合金融解物と共晶合金組成物との間に界面を画定する。熱は、それらの間に壁を画定する、離間した内表面及び外表面を有する鋳型中で、共晶合金融解物から一方向に除去されてもよく、内表面は、融解物を含有する閉鎖された体積空間を画定する。凝固先端の移動方向は、それに対して直角な方向で、鋳型の内表面から離れてもよい。凝固中に形成される共晶合金の共晶凝集は、鋳型の内壁に対して直角（垂直）な方向であってもよい凝固先端の移動方向に、実質的に平行に配向される強化相の高アスペクト比構造（第１の相又は第２の相のいずれかであってもよい）を含んでもよい。
【００６９】
また、凝固先端の移動方向（及びその結果として、高アスペクト比構造の配向）は、鋳型の内壁から離れた距離によって異なり得ることも想到される。例えば、鋳型は、凝固先端の運動方向及び得られる高アスペクト比構造の整合を制御するために、その中に１つ以上の熱伝導シャントを含んでもよい。
【００７０】
冷却を促進するために、鋳型の外表面（外表面は、鋳型の壁によって内表面から分離されている）は、例えば、水冷、空気若しくは強制空気による冷却、又は温度勾配の制御を維持するための熱拡散率の調整のための鋳型表面の改質によって、能動的に冷却され得る。これはまた、インサイドアウト又はアウトサイドインの凝固を可能にする、鋳物の中心を通るガス流動の能動的冷却も含む。換言すれば、凝固先端が、鋳型の内壁に向かって外向きの方向に、鋳型の中心から移動し得ることも想到される。
【００７１】
受動的又は能動的冷却のいずれかの結果として、鋳型の外表面は、１分あたり少なくともセ氏約１０度（℃／分）、少なくとも約５０℃／分、少なくとも約１００℃／分、又は少なくとも約５００℃／分の速度で冷却され得る。加えて、熱は、少なくとも約１０℃／分、少なくとも５０℃／分、少なくとも約１００℃／分、又は少なくとも約５００℃／分の速度で共晶合金融解物から除去され得る。
【００７２】
鋳型は、黒鉛又は金属若しくは耐火材料等、熱伝導性材料から作成され得る。好ましくは、鋳型の材料は、処理中、共晶合金融解物と反応しない。鋳型は、融解物と鋳型材料との間の反応を阻止又は防止するために、共晶合金融解物と接触する１つ以上の表面上に、バリアコーティングを含んでもよい。融解及び凝固は、真空又は不活性ガス環境下で行われてもよい。真空環境は、約１０−２Ｐａ（約１０−４トル）以下の圧力で維持される環境であることが理解される（より低い圧力は、より高い真空に相関する）。好ましくは、真空環境は、約１０−３Ｐａ（１０−５トル）以下及び０Ｐａを超える圧力で維持される。
【００７３】
鋳型の内壁は、湾曲であってもよく、したがって得られる耐摩耗コンポーネントは、湾曲表面を有してもよい。鋳型及び耐摩耗コンポーネントは一緒に、多成分物品を含んでもよく、鋳型及び耐摩耗コンポーネントは、動作可能に接触及び接続されていてもよい。代替的に、該方法は、鋳型なしの耐摩耗コンポーネントを得るために、耐摩耗コンポーネント及び鋳型を相互から分離する工程を更に含んでもよい。耐摩耗コンポーネントは、プロセス中で直接使用されてもよく、代替的に、耐摩耗コンポーネントは、例えば機械加工によって更に処理されてもよい。耐摩耗コンポーネントは、少なくとも１つの強固な機械的特性を有する製造されたコンポーネントを必要とする、石油・ガス、半導体、及び、太陽光産業等、任意の産業で有利に使用され得る。例えば、コンポーネントは、油井からの高温の原油若しくは高温の原油及び塩水の混合物等の悪い材料、又は半導体又は太陽光製造作業における微粒子シリコン等、研磨材料の移動を保持、遮断、及び／又は移動するために使用され得る。
【００７４】
一緒に融解する工程は、以下に定義されるように、共晶温度以上及び共晶合金の過熱温度未満で、シリコン及び元素（複数を含む）Ｍを所定の温度まで加熱する工程を伴ってもよい。代替的に、シリコン及び元素（複数を含む）Ｍは、Ｓｉ共晶合金の過熱温度以上で、所定の温度まで加熱されてもよい。融解されたシリコン及び元素（複数を含む）Ｍは、拡散が生じるのに、及び融解物が均質化するのに十分長い時間にわたって、所定の温度で保持されることが有利である。
【００７５】
過熱温度は好ましくは、迅速な拡散を促進し、均質な融解物が、過度に長い保持時間（例えば、約６０分を超える）なしで形成されることを可能にするために、共晶温度を十分はるかに超える。凝固前に均質な融解物を得ることは、融解物の全体積が冷却によって共晶凝固を受けるように、共晶組成物における合金に対して特に重要である。共晶合金融解物の局所領域が共晶組成物からの逸脱を含む場合、これらの局所領域は、凝固中に、望ましくない非共晶相の沈殿及び粗大化を経験し得る。
【００７６】
結果的に、過熱温度が、共晶合金に対して、共晶温度よりも少なくとも約５０℃高い、共晶温度よりも少なくとも約１００℃高い、共晶温度よりも少なくとも約１５０℃高い、共晶温度よりも少なくとも約２００℃高い、共晶温度よりも少なくとも約２５０℃高い、又は共晶温度よりも少なくとも約３００℃ことが有利である。過熱温度はまた、共晶温度よりも最大で約５００℃高い、代替的に共晶温度よりも最大で約４００℃高い、代替的に共晶温度よりも最大で約３００℃高い、代替的に共晶温度よりも最大で約２００℃高い、代替的に上記の最小及び最大値の任意の使用可能な組み合わせであってもよい。例えば、Ｓｉ−ＣｒＳｉ２系に対して、過熱温度は、約１４００℃〜約１６００℃の範囲内にあってもよく、それは、Ｓｉ−Ｃｒ共晶系の共晶温度よりも約６５℃〜約２６５℃高い。
【００７７】
典型的には、共晶合金融解物は、最大で約６０分、最大で約４０分、又は最大で約２０分の保持時間にわたって、所定の温度で保持される。共晶合金融解物はまた、少なくとも約５分、少なくとも約１０分、少なくとも約２０分、少なくとも約４０分、又は少なくとも約６０分、代替的に上記の最小及び最大値の任意の使用可能な組み合わせの保持時間にわたって、所定の温度で保持されてもよい。例えば、保持時間は、約２０分〜６０分であってもよい。より低い保持時間は、より高い所定の温度と併せて採用され得る。
【００７８】
耐摩耗コンポーネントは、２部鋳造プロセスで形成されてもよく、コンポーネントの別の部分に隣接して配設される、耐摩耗部分又は層を含んでもよく、耐摩耗部分は、一方向に凝固されたＳｉ共晶合金を含み、別の部分は、アルミニウム合金又は鋼等、別の金属又は合金から鋳造又は一方向に凝固される。隣接部分は、結合又は別様に一緒に固定されてもよい。また、Ｓｉ共晶合金を含む部分又は層は、溶射又は他のコーティング方法によって形成されてもよいことが想到される。
【００７９】
耐食性
本明細書に記載される耐摩耗Ｓｉ共晶合金はまた、並外れた耐食性も示し得る。化学プロセスは、多くの場合、高温の塩酸（ＨＣｌ）溶液等、侵食性環境を伴う。ＨＣｌは、高度に酸性の特性、及び結合してＨＣｌを非常に腐食性の化学物質にする、反応性塩化物イオンを有する、還元酸である。腐食に耐えるように設計される多くの構造合金が今日存在するが、ほんの一部が、侵食性の高温塩酸環境に対して優れた耐性を示す。
【００８０】
ＨＣｌ環境において優れた耐食性を示す、強化されたキャスタブルＳｉ共晶合金が製造されてきた。加えて、Ｓｉ共晶合金は、異なる濃度及び温度の硫酸、ギ酸、硝酸、及び塩酸＋塩化鉄溶液において、優れた耐食性を示し得る。かかる耐食性は、弁コンポーネント等、工業コンポーネントに対して特に有利であり得る。
【００８１】
工業コンポーネントは、シリコン、１つ以上の金属元素Ｍ、及びシリコンを含む第１の相と式ＭＳｉ２の第２の相との共晶凝集を含む、共晶合金を含む、本体を含んでもよく、第２の相は、ジシリサイド相であり、本体は、酸を含む加熱された水溶液中で、１年あたり０．０２５ｍｍ（１年あたり１ミル（ｍｐｙ））未満の腐食速度を示す。本体は更に、少なくとも約３．２メガパスカル・メートル１／２（ＭＰａ・ｍ１／２）の破壊靱性も示し得る。
【００８２】
水溶液は、その沸点以上であってもよい。酸は、硫酸、リン酸、ギ酸、硝酸、及び塩酸からなる群から選択される。酸は、少なくとも約１０重量％の濃度で、水溶液中に存在してもよい。濃度はまた、少なくとも約２０重量％、少なくとも約４０重量％、又は少なくとも約７０重量％であってもよい。一実施例では、酸は、塩酸であり、濃度は、少なくとも約２０重量％である。
【００８３】
共晶合金は、既に記載された特性のうちのいずれをも有し得る。例えば、第１の相は、元素シリコン相であってもよく、１つ以上の元素Ｍは、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、及びＨｆからなる群から選択されてもよい。高い耐食性を有する共晶合金の一例では、１つ以上の金属元素Ｍは、Ｃｒを含んでもよく、ジシリサイド相は、約５０重量％〜約６０重量％の濃度で存在してもよい。例えば、ジシリサイド相の濃度は、約５４％であってもよい。
【００８４】
また、上に記載された通り、工業コンポーネントの本体は、本体の摩耗表面に垂直な方向で測定される、少なくとも約２．５ＭＰａ・ｍ１／２、及び本体の摩耗表面に沿った方向で測定される、少なくとも約６ＭＰａ・ｍ１／２の破壊靱性を有してもよい。本体は、研磨製品が、通過後に１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つの２００十億分率（ｐｐｂ）以下の汚染レベルの増加を含むように、研磨製品がそれにわたって通過するとき、１つ以上の金属元素Ｍのうちの少なくとも１つのそこから研磨製品への移動を制限するのに十分な、浸食摩耗に対する耐性を含む、摩耗表面を有してもよい。上に記載される耐食性を有する本体は、ドーム弁、ボール弁、バタフライ弁、ゲート弁、シリンダー弁、及び／又はプラグ弁用の弁コンポーネントであってもよい。
【実施例】
【００８５】
実施例１：ドーム弁用の密閉コンポーネントの製造
３９９ｇのＳｉ及び１２６ｇのＣｒを含有する５２５ｇの投入物を、黒鉛坩堝（１６．５ｃｍ（６．５”）の外径（ＯＤ）、１１．４ｃｍ（４．５”）の内径（ＩＤ）、２０．３ｃｍ（８”）の高さ）に投入し、次いで、それを誘導コイルに配置した。コイルアセンブリ及びドーム形鋳型（１０．２ｃｍ（４”）の直径）を真空チャンバ（７６．２ｃｍ（３０”）の直径×１２７ｃｍ（５０”）の深さ）で囲い、チャンバを９．３ｍＰａ（７×１０−５トル）の圧力まで排気した。３ｋＨｚの周波数及び３０ｋＷの電力で、電力を誘導コイルに印加した。投入物の温度は、約５〜１０分の加熱後に１５５０℃に達し、融解物を５分間均質化した。次いで、チャンバを３３．３ｋＰａ（２５”Ｈｇ）まで、アルゴンで埋戻し、投入物を所望の注入温度（１５５０℃）まで再加熱した。次いで、融解物を黒鉛ドーム弁鋳型に注入し、凝固させた。この場合、冷却速度及び鋳型温度を直接制御しなかった。しかしながら、伝熱を改善するために、鋳型の熱挙動を制御すること、及び／又は鋳型を能動的に冷却することが好ましくあり得る。鋳造Ｓｉ−合金ドーム弁の画像が、図５に示される。
【００８６】
実施例２：特性化−光学顕微鏡法
ドーム弁用の例示的な密閉コンポーネントを、ダイヤモンドカットオフソー（Ｂｕｅｈｌｅｒ  Ｉｓｏｍｅｔ  １０００）を使用して分割し、熱流に対して垂直及び平行の両方の方向で研磨した。得られる試料の光学顕微鏡写真が、図６Ａに示される。顕微鏡写真は、融解物が凝固すると、共晶が、ドーム弁表面に垂直なＣｒＳｉ２の棒と共に成長したことを示す。いったん凝固先端が部品の中心に達すると、図６Ｂに示される微細構造によって示されるように、凝固は等方性であった。ＣｒＳｉ２棒の方向性成長は、熱が黒鉛を通して抽出される際、鋳型表面から離れた成長先端の移動に起因する。共晶成長はまた、液体の表面から生じ、２つの凝固先端が接触するとき、コンポーネントの中心で等方性凝固を引き起こす。熱流は更に、融解物中への熱シャントの組み込み、及び黒鉛鋳型の能動的冷却によって制御されてもよい。
【００８７】
実施例３：試験−破壊靱性
ＡＳＴＭ  Ｃ１４２１に従って、シェブロンノッチ４点屈曲試験を用いて、密閉コンポーネントセクションの平行方向での破壊靱性を測定した。手順は、ディスコソーを使用して、シェブロンノッチを各試料に切断するする工程と、次いで、各切り欠き試料を４点屈曲試験器に配置する工程とを含んだ。安定破壊に対して、荷重対変位を記録し、ＫＩＣ、臨界応力拡大値又は平面歪み破壊靱性を計算した。破壊靱性又はＫＩＣ値は、脆性材料中の亀裂拡大に対する耐性の基準を提供する。
【００８８】
平行配向の破壊靱性は、２．９ＭＰａ・ｍ１／２であり、標準偏差は、１０個の試料の合計で６つの有効な測定から０．３である。試験のために４０ｍｍの長さの平行六面体が必要とされ、試料が十分に厚くないため、熱流に対する垂直方向は測定しなかった。しかしながら、垂直配向において、６〜１０ＭＰａ・ｍ１／２の靱性が予測され、それは、この値が、亀裂伝播方向に垂直な棒を伴い調製される同一組成物の試料中で得られたためである。
【００８９】
実施例４：試験−摩耗速度
図７のデータは、往復摩耗試験器を使用して、ＡＳＴＭ  Ｇ１３３に従って実施された標準的な測定サイクル中の、Ｓｉ研磨ボールとＳｉ−ＣｒＳｉ２の固定プレートとの間の摩擦係数を示す。ＳｉＣ参照材料からのデータが、比較のために示される。実行中の不連続は、試験中に２５Ｎ荷重を維持するために力を増加した結果である。本実施例で試験したＳｉ−ＣｒＳｉ２試料を、回転鋳造によって調製し、それは、実施例８に記載されるように実施され得る。
【００９０】
シリコンボールとＳｉ−ＣｒＳｉ２共晶合金との間の摩擦係数は、ＳｉＣ参照材料（Ｈｅｘａｌｏｙ  ＳＡ，Ｓａｉｎｔ  Ｇｏｂａｉｎ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ）と同程度であった。Ｓｉ共晶合金の摩耗速度は、ＳｉＣよりも高いと予測した。しかしながら、細かな微細構造を有する正常な共晶構造が存在するとき（処理及び鋳造パラメータの適切な調整によって）、摩耗速度はＳｉＣと同程度であり得る。
【００９１】
実施例５：試験−塩水処理
図８のデータは、高温曝露（２４時間１０００℃）後、及び塩水中のアズキャスト及び熱処理Ｓｉ−ＣｒＳｉ２材料の４〜６ヶ月の処理後の、回転鋳造によって調製されるＳｉ−ＣｒＳｉ２合金試料の破壊靱性を示す。示されるように、熱処理又は環境曝露後の試料の破壊靱性に観察可能な変化はなかった。試料の耐摩耗性もまた、観察可能な変化を示さず、測定可能な量のＣｒは、塩水槽で浸出されなかった。熱／環境曝露後の材料の安定性、及び浸出がないことは、それらの材料が、石油・ガス産業で見られるものと同様に、海水環境において、弁コンポーネントとしての長期の使用に好適であり得ることを示す。
【００９２】
実施例６：試験−固体摩耗砂利試験
標準的な試験装置において２〜１８ｍｍのシリコンチップを使用して、密閉コンポーネントセクションに対して、Ｈｅｍｌｏｃｋ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｈｅｍｌｏｃｋ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ，ＵＳＡ）によって実施される固体摩耗砂利試験において、Ｓｉ−ＣｒＳｉ２材料は、超硬タングステンカーバイドと同程度に機能し、硬化金属をコーティングする機能が優れていた。試験後、Ｓｉチップ表面の分析は、１ｐｐｂ未満のＣｒがシリコン中に移動したことを示し、それは、弁コンポーネント及び他の高い摩耗用途におけるこれらの材料の高い浸食摩耗耐性及び有用性の有望な指標である。
【００９３】
実施例７：試験−耐食性
表４に示される化学組成物を有する様々なＳｉに富んだ共晶合金を、一般的な水腐食攻撃に対するそれらの耐性に関してスクリーニングした。
【００９４】
ＡＳＴＭ  Ｇ３１−７２（２００４），「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ  ｆｏｒ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌｓ」に記載されるプロトコルに従って、腐食研究を実施した。Ｓｉに富んだ共晶合金を含む試験片を、基準において要求される通りに調製した（研磨、洗浄、乾燥、実験用電子てんびん上で０．１ｍｇ単位で計量、並びに長さ、幅、及び厚さ寸法に対して、マイクロメートルで正確に測定した）。還流冷却器、大気密閉部、サーモウェル、及び温度調整デバイスが取り付けられた壁の厚いパイレックス容器中で、全浸漬曝露を実施した。１〜２個の試験試料を、２〜４個の複製を伴い、水性煮沸酸溶液（２０重量％のＨＣｌ）又は腐食性（３０重量％のＫＯＨ）培地に浸した。特に断りのない限り、試験溶液を最小限の撹拌（煮沸によって引き起こされる泡立ち及び乱流以外）又は通気で、静的条件下で維持した。
【００９５】
【表４】
2015517057.tif 000012
【００９６】
【表５】
2015517057.tif 000013
＊試験値は、平均で２〜３回の２４時間の曝露から判定した。＊＊１時間の曝露
【００９７】
次いで、メタノール及び脱イオン（ＤＩ）水中で各試験片を洗浄し、腐食生成物を除去した。これに続いて、ＤＩ水で完全にすすぎ、次いで、１２０℃のオーブンで約３０分間乾燥させた。次いで、試験片を０．１ｍｇ単位で再び計量した。重量損失を記録し、表面積（片表面積（ｃｍ２で）で質量損失（ｇ又はｍｇで）を除算することによる）及び年単位の時間（１日＝０．００２７４０年）当たりの平均質量損失の数字に変換した。これらの試験の結果は、表５に要約される。
【００９８】
２０重量％のＨＣｌを含有する煮沸水溶液中のＳｉ−ＣｒＳｉ２合金の重量損失は、表５に示されるように、ごくわずかであると判定した。試験片を、煮沸している２０重量％のＨＣｌ溶液に、最大で１４４時間浸した（酸を４８時間毎に再び注いだ。質量損失は検出されず、Ｓｉ−ＣｒＳｉ２共晶合金は、図９Ａ〜９Ｄに示されるように、１４４時間の曝露後でさえ、研磨された光沢を維持し続けた。
【００９９】
Ｓｉ−ＣｒＳｉ２合金が、２０重量％のＨＣｌを含有する煮沸水溶液中での腐食に耐えることが分かったため、様々な金属合金での比較評価を行った。また、試験片を、煮沸している２０重量％のＨＣｌ溶液中で、２４時間にわたって試験した。表面積×時間当たりの質量損失計算に加えて、以下の関係に従って、重量損失を１年当たりのミル（ｍｐｙ）での平均浸透深さの数字に変換した。
【０１００】
【数７】
2015517057.tif 000014
（式中、
Ｒｍｐｙ＝１年当たりのミルでの腐食速度
Ｗｏ＝グラムでの試片の元の重量
Ｗｆ＝グラムでの試片の最終重量
Ａ＝ｃｍ２での試料の面積
Ｔ＝時間での試験持続時間
Ｄ＝ｇ／ｃｍ３での複合体又は合金の密度）
【０１０１】
これらの試験の結果は、表６及び図１０に記載され、更なる補助情報は、表８に記載される。
【０１０２】
【表６】
2015517057.tif 000015
＊試験値は、平均で２〜３回の２４時間の曝露から判定した。無＝＜１ｍｐｙ
【０１０３】
図１０は、２０重量％のＨＣｌを含有する煮沸水溶液中の様々なエンジニアリング合金及びＳｉ−ＣｒＳｉ２共晶合金の一般的な腐食速度を示す。差し込み図は、ミル／年及びｍｇ／ｃｍ２年で、煮沸している２０重量％のＨＣｌ溶液中の様々なエンジニアリング合金及びＳｉ−ＣｒＳｉ２共晶合金の腐食速度を示す。
【０１０４】
また、試験のＳｉ−Ｃｒ試験片を、２５重量％のＨＣｌ煮沸水溶液中で、７０℃で１４．５日間試験し、同一条件下で、炭化ケイ素工業用セラミック（Ｈｅｘｏｌｏｙ  ＳＡ  ＳｉＣ）と比較した。結果は、表７に報告される。
【０１０５】
【表７】
2015517057.tif 000016
＊試験値は、４つの試験片から判定した。試験時間：１４．５日の水中試験、断続的に撹拌した。
【０１０６】
煮沸まで、様々な水性酸性溶液中で、上記と同様の条件下で、Ｓｉ−Ｃｒ共晶合金の試片を更に試験した。試験片を洗浄、計量し、重量損失をｍｐｙで計算した。様々な酸試験溶液、並びにハステロイＣ−２７６及び３１６Ｌ  ＳＳと比較したこれらの試験の結果は、表８に示される。図１１及び１２は、更なる補助データを示す。具体的に、図１１Ａ〜１１Ｇは、２０重量％のＨＣｌを含有する煮沸水溶液中の浸漬の前後の、合金試験片の画像である。図１２Ａ〜１２Ｌは、２４時間にわたる２０重量％のＨＣｌを含有する煮沸水溶液中の浸漬の前（Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｇ、Ｉ、Ｋ）及び後（Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈ、Ｊ、Ｌ）の、試験片の走査型電子顕微鏡写真であり、「前」の表面は、研磨された表面であり、示される合金はそれぞれ、コバルト超合金（エルジロイ）、合金２０、Ｔｙｐｅ  ３１６Ｌ、合金Ｘ、合金Ｃ−２７６、及びＳｉ−ＣｒＳｉ２共晶合金である。
【０１０７】
【表８】
2015517057.tif 000017
試験値は、平均で２〜３回の２４時間の曝露から判定した。＊６時間の曝露、ｎｄ＝未判定、無＜１ｍｐｙ、＾空気なし（グローブボックス）
【０１０８】
上記の試験は、広範囲の酸腐食環境を含み、Ｓｉ−Ｃｒ共晶合金が塩酸又は他の酸の水溶液に対して良好な体制を有することを示す。
【０１０９】
実施例８：製造−試験試料の回転鋳造
上記のいくつかの実施例のための試験試料を提供するために、回転鋳造を採用したため、例示的な回転鋳造の実施が本明細書に記載される。２１．８ｋｇのクロム及びバランスシリコンを含む９０ｋｇのバッチを、セラミックるつぼ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  Ｈｙｃｏｒ  ｍｏｄｅｌ  ＣＰ−２４５７）で内張りし、耐火トップキャップ（Ｖｅｓｕｖｉｕｓ  Ｃｅｒｃａｓｔ  ３０００）で密閉した４５３．６ｋｇ（１０００ｌｂ）の誘導炉（Ｂｏｘ  ＩｎｄｕｃｔｏＴｈｅｒｍ）中で融解した。融解プロセス中、ＳｉＯガス及び二酸化ケイ素の形成を低減するために、液体滴下によって、炉をアルゴンでパージした。
【０１１０】
シリコン共晶融解物を、耐火物内張移動取鍋（Ｃｅｒｃａｓｔ  ３０００）に注入する前に、１５２４℃まで加熱した。移動取鍋を、プロパン／空気燃料トーチアセンブリを使用して、１６００℃まで予熱した。回転鋳造装置に注入する前に、移動取鍋中のシリコン共晶融解物の温度を、１５２０℃で測定した。炉及び移動取鍋の両方からの融解材料を、基準材料組成物を作るための元素分析のために採用した。
【０１１１】
回転鋳造装置（Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ  Ｃａｓｔｉｎｇ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｃｏ．、モデルＭ−２４−２２−１２−ＷＣ）に、直径４２０ｍｍ×長さ６３５ｍｍの公称寸法を有する耐火物内張鋳鋼鋳型を取り付けた。本実験で生成した共晶合金鋳物は、直径３７２ｍｍ×長さ６３５ｍｍ×壁厚７４ｍｍであった。
【０１１２】
共晶合金融解物を回転鋳造する前に、厚さ約１ｍｍの下塗りを提供するために、Ａｄｖａｎｔａｇｅ  Ｗ５０１０塗型剤を回転鋳型の内表面上に噴霧した。鋼製鋳型を５８ｒｐｍで回転させ、外部バーナアセンブリを使用して、１７５℃まで予熱した。次いで、鋳型を７３５ｒｐｍまで加速させ、十分な体積のＣｅｒｃａｓｔ  ３０００耐火物を手動で投入し、鋳型内で１９ｍｍ厚の第１の耐火層を遠心力で作製した。次いで、鋳型を熱処理オーブンに移動し、それにより、周囲温度までゆっくり冷却する前に、鋳型を１７５℃で更に４時間維持した。
【０１１３】
次いで、Ｖｅｓｕｖｉｕｓ  Ｓｕｒｅｂｏｎｄ  ＳＤＭ  ３５を手動で型穴に投入し、鋳型を７３５ｒｐｍで回転させ、第１の耐火層上に６ｍｍ厚の第２の耐火層を均一に生成した。３０分間の回転後、鋳型アセンブリを停止し、１２時間空気乾燥させた。
【０１１４】
プロパン／酸素トーチを使用し、鋳型の内側耐火表面を１３１５℃まで予熱した。トーチノズルを、端部キャップ中の１００ｍｍの開口部と同一平面上に位置付け、鋳型に向け、反対側の端部キャップ中の後方の１００ｍｍの開口部から放出させた。
【０１１５】
Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｒ  ２モデル３３６０の計量デバイス上で支持される移動取鍋を使用し、誘導炉から回転鋳造鋳型に共晶合金融解物を移動させた。共晶合金融解物を１５２０℃の移動取鍋から、７３５ｒｐｍの速度で回転させられている耐火被覆鋳型に注入した。
【０１１６】
鋳型速度を７３５ｒｐｍで４分間維持し、不純物及びスラグを分離した。次いで、鋳型速度を、材料が回転鋳型の底部にたまっているように視覚的に見え、液滴が鋳型の頂部で下降するように見える点（雨のように落ちる点）までゆっくり低減した。鋳型速度を１４０ｒｐｍと測定し、周囲空気冷却のみで３０分間維持した。次いで、鋳型速度を７３５ｒｐｍまで増加させ、６３分間の方向性凝固のために維持した。アルミナセラミック棒を、鋳型キャップ中の１００ｍｍの開口部を通して挿入し、鋳物の芯がまだ液体であることを検証した。鋳物が固体であるように視覚的に見え、計量棒が鋳物の内表面を貫通することが不可能であるとき、実験を終了した。
【０１１７】
Ｆｌｕｋｅ  ６５赤外線放射温度計測定器を使用して、鋳型の外側の温度に関して、実験温度データを記録した。モデルＯＳ５２４赤外線放射温度計（Ｏｍｅｇａ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｃ．，Ｓｔａｍｆｏｒｄ，ＣＴ）を使用して、鋳型及び取鍋の内部温度を測定した。内蔵式赤外線放射温度計を有する写真／接触タコメータ（Ｅｘｔｅｃｈ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｎａｓｈｕａ，ＮＨ）を使用して、鋳型の回転速度（ｒｐｍで）を測定した。浸漬温度センサ（Ｈｅｒａｅｕｓ  ＥｌｅｃｔｒｏＮｉｔｅ  ｍｏｄｅｌ）を使用して、共晶合金融解物温度を測定した。
【０１１８】
１００％凝固後、鋳物を更に４５分間回転させ、回転鋳造装置からの取り外し前に、鋳型に空気冷却を提供した。次いで、鋳型及び鋳物を取り外し、一晩ゆっくり冷却した。
【０１１９】
油圧プレスを使用し、鋼製鋳型本体から鋳物を抽出した。耐火シェルを分離し、鋳物をシリカグリットでブラストし、残りの微量の耐火物を除去した。
【０１２０】
本発明は、これらのいくつかの実施形態を参照しながら十分な詳細を記載されてきたが、本発明から逸脱することなく、他の実施形態が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲は、本明細書に含まれる好ましい実施形態の説明に限定されるべきではない。特許請求の範囲の中に意味をもたらすすべての実施形態は、文字通り、又は均等物によってのいずれであっても、その中に包含される。更に、上記の利点は、必ずしも発明の唯一の利点ではなく、本発明のあらゆる実施形態によって記載されたすべての利点が達成されることを必ずしも期待しない。
【図１】
2015517057.tif 000018
【図２Ａ】
2015517057.tif 000019
【図２Ｂ】
2015517057.tif 000020
【図３】
2015517057.tif 000021
【図４】
2015517057.tif 000022
【図５】
2015517057.tif 000023
【図６Ａ】
2015517057.tif 000024
【図６Ｂ】
2015517057.tif 000025
【図７】
2015517057.tif 000026
【図８】
2015517057.tif 000027
【図９】
2015517057.tif 000028
【図１０】
2015517057.tif 000029
【図１１】
2015517057.tif 000030
【図１２Ａ−１２Ｂ】
2015517057.tif 000031
【図１２Ｃ−１２Ｄ】
2015517057.tif 000032
【図１２Ｅ−１２Ｆ】
2015517057.tif 000033
【図１２Ｇ−１２Ｈ】
2015517057.tif 000034
【図１２Ｉ−１２Ｊ】
2015517057.tif 000035
【図１２Ｋ−１２Ｌ】
2015517057.tif 000036
【国際調査報告】
2015517057.tif 000037
2015517057.tif 000038
2015517057.tif 000039
2015517057.tif 000040
2015517057.tif 000041