(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基複合材料用のプリフォームの製造方法であって、以下の手順（ａ）〜（ｅ）を含むことを特徴とするプリフォームの製造方法：
(a)強化用材料とフッ化マグネシウムとを塩化マグネシウム水溶液に混合してスラリーを形成し、
(b)該スラリーを鋳型の中に注ぎ、
(c)該鋳型内でスラリーを固まるまで放置して、グリーン・プリフォームを形成し、
(d)該グリーン・プリフォームを乾燥させることにより水分を除去し、
(e)該グリーン・プリフォームを約1100℃の温度で焼結することにより、バインダーとして焼結されたフッ化マグネシウムを含む最終形態のプリフォームを形成する。
【請求項２】
請求項１に記載のプリフォームの製造方法において、前記強化用材料が、炭素、グラファイト、炭化シリコン、二ホウ化チタン、炭化ホウ素、窒化ホウ素およびそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とするプリフォームの製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のプリフォームの製造方法において、前記手順(a)において用いられる強化用材料の物理的形状は、粒子、繊維、束、ホイスカーおよびそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とするプリフォームの製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載のプリフォームの製造方法において、前記手順(b)で用いられる前記鋳型は、多孔質鋳型であることを特徴とするプリフォームの製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載のプリフォームの製造方法において、前記手順(d)において、前記グリーン・プリフォームは、オーブンを用いて空気中で乾燥されることを特徴とするプリフォームの製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載のプリフォームの製造方法において、前記手順(d)において前記グリーン・プリフォームはオーブンを用いて約45℃で空気中で乾燥されることを特徴とするプリフォームの製造方法。
【請求項７】
金属基複合材料の製造方法であって、以下の手順（ａ）〜（ｇ）を含むことを特徴とする金属基複合材料の製造方法：
(a)強化用材料とフッ化マグネシウムとを塩化マグネシウム水溶液に混合してスラリーを形成し、
(b)該スラリーを第一の鋳型に注ぎ、
(c)該第一の鋳型内で前記スラリーを固まるまで放置して、グリーン・プリフォームを形成し、
(d)該グリーン・プリフォームを乾燥させることにより水分を除去し、
(e)前記グリーン・プリフォームを約1100℃の温度で焼結して、バインダーとして焼結されたフッ化マグネシウムを含む最終形態のプリフォームを形成し、
(f)該プリフォームを第二の鋳型の中に配置し、
(g)該第二の鋳型内の前記プリフォームに溶融金属を浸透させて、金属基複合材料を形成する。
【請求項８】
請求項７に記載の金属基複合材料の製造方法において、前記強化用材料が、炭素、グラファイト、炭化シリコン、二ホウ化チタン、炭化ホウ素、窒化ホウ素およびそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする金属基複合材料の製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の金属基複合材料の製造方法において、前記手順(a)において用いられる強化用材料の物理的形状は、粒子、繊維、束、ホイスカーおよびそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする金属基複合材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の金属基複合材料の製造方法において、前記手順(b)で用いられる前記第一の鋳型は、多孔質鋳型であることを特徴とする金属基複合材料の製造方法。
【請求項１１】
請求項７に記載の金属基複合材料の製造方法において、前記手順(d)において、前記グリーン・プリフォームは、オーブンを用いて空気中で乾燥されることを特徴とする金属基複合材料の製造方法。
【請求項１２】
請求項７に記載の金属基複合材料の製造方法において、前記手順(d)において前記グリーン・プリフォームはオーブンを用いて約45℃で空気中で乾燥されることを特徴とする金属基複合材料の製造方法。
【請求項１３】
請求項７に記載の金属基複合材料の製造方法において、前記手順(g)は、スクイーズ・キャスティング法を用いられることを特徴とする金属基複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属基複合材料の製造に用いられる強化用プリフォームと、それを使って製造される強化金属とに関する。特に、本発明は、マグネシウム金属基複合材料の製造に用いられるプリフォームに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム、マグネシウム、ならびに、これらのそれぞれの合金等のように一般に軽金属と呼ばれる多くの金属は、溶接能や特に軽量であるといった点で金属としての多くの優れた特徴をもつ一方で、強度的性質が比較的低いという欠点も有している。従来、この欠点が、これらの金属の有効利用を制限してきた。そこで、この問題点を克服する一つの方法として、上記金属を複合材料の形で用いる方法が従来より提案されている。複合材料の形で用いることにより、金属の機械的、物理的および他の性質の欠点を補うことができる。複合材料には、強度を強化するための強化用材料として、炭素、グラファイト、炭化シリコン、二ホウ化チタン、炭化ホウ素、および窒化ホウ素といった典型的な材料が用いられる。アルミニウムならびにマグネシウムから金属基（金属マトリックス）複合材料を製造する技術はいずれもよく知られており、例えば、米国特許USP 4, 279, 289、米国特許USP 4, 715, 442、米国特許USP 4, 995, 444および米国特許USP 5, 791, 397に記載されている。
【０００３】
金属基複合材料の製造方法は、大きく分けて二つのステップを必要とする。第一のステップでは、強化用材料からプリフォームが作られ、バインダー材料と一緒にされる。一般的なバインダー材料はセラミックス材料であり、おそらくシリカが最も一般的である。強化用材料は通常バインダー系に包まれ、その後焼結される。この焼結により、強化用材料をバインダーに包むのを助けるために用いられていた有機材料が焼失するとともに、バインダーがシリカに変化する。第二のステップでは、前記プリフォームを溶融金属に包み、複合材料とする。これは、典型的にはいわゆるスクイーズ・キャスティング法を用いて行う。スクイーズ・キャスティング法は、プリフォームを入れた鋳型の中で、プリフォームの中に溶融金属を高圧で強制注入する方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の金属基複合材料の製造方法は、アルミニウムおよびアルミニウム合金に対してはそこそこに好適である。しかしながら、マグネシウム、あるいはマグネシウムを含む合金の複合材料を製造する場合には、あまり適していない。その原因は、溶融マグネシウムが非常に反応性の高い材料であるということにあり、このことから以下の二つの問題が生じる。
【０００５】
第一は、プリフォームのバインダーとしてシリカを用いることが、疑問となるということである。なぜなら、次の反応が起こるからである。
【０００６】
2Mg + SiO2 → Si + 2MgO
この反応により形成されるシリコンは、マグネシウムの中に溶けて、シリコン−マグネシウム相を形成するが、このシリコン−マグネシウム相は、マグネシウム金属、ならびに、最終的に製造される複合材料の特性には悪影響を及ぼさない。その一方で、酸化マグネシウムは、多かれ少なかれ結晶質固体として形成され、この酸化マグネシウムの結晶質固体は、マグネシウム金属の中には溶けない。酸化マグネシウムの結晶の量が多い場合、酸化マグネシウム結晶の存在が、複合材料の全体的な特性に悪影響を及ぼすことがわかっている。ゆえに、もし酸化マグネシウムの形成を避けようとするならば、上記反応を生じさせないようにするために、使用できるプリフォームバインダーの選択に著しい制限が生じる。
【０００７】
第二は、バインダーあるいは強化用材料として一般に複合材料に用いられる他の材料についても、いくつかで似たような反応が起こるということである。以下の反応がおこることが知られている。
【０００８】
3Mg + Al2O3 → 2Al + 3MgO
2Mg + TiO2 → Ti + 2MgO
Mg3(PO4)2 + 8Mg → 8MgO + P
これらの反応において生成されるアルミニウムとチタンは、マグネシウムと合金を形成し、また、リンは蒸発する性質を有する。よって、最初の二つの反応で生成されるアルミニウムとチタンが、得られる複合材料の特性に与える影響は、あったとしても軽微にすぎない。しかしながら、上記三つの反応の全てで生成される酸化マグネシウムの結晶に関してはその限りではない。脆くて弱い酸化マグネシウムの結晶が存在することで、複合材料に割れが生じやすくなる。よって、酸化マグネシウムの形成を避けようとするならば、これらの３つの反応は、マグネシウムを強化するために用いる強化用材料に対して著しい制限をもたらす。
【０００９】
したがって、金属基としてマグネシウムあるいはマグネシウム合金を使う複合材料を製造する場合には、プリフォームを造るのに用いることのできる新たなバインダー系が必要である。さらに、この新たなバインダー系は、粒子状および繊維状の強化用材料の両方に対して等しく使用可能であることが望まれ、しかも、マグネシウム以外の反応性の低い他の材料に対しても使用できることが望まれる。
【００１０】
本発明は、マグネシウム金属基複合材料に用いるプリフォームを製造するプロセスであって、溶融マグネシウムと反応せず、マグネシウム複合材料中に好ましくない固体材料を生成せず、キャスティング・プロセス中に酸化マグネシウムを形成せず、しかも、一般的なマグネシウム用の強化用材料とともに使用することの可能な、プリフォームバインダーを用いるプリフォームを製造するプロセスを提供することを目的とする。加えて、本発明は、アルミニウムやアルミニウム合金複合材料のような、マグネシウム以外の他の金属の複合材料においても使用することのできるプリフォームを製造するプロセスを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば以下のようなプリフォームの製造方法が提供される。すなわち、金属基複合材料用のプリフォームの製造方法であって、以下の手順（ａ）〜（ｅ）を含むことを特徴とするプリフォームの製造方法である：
(a)強化用材料とフッ化マグネシウムとを塩化マグネシウム水溶液に混合してスラリーを形成し、
(b)該スラリーを鋳型の中に注ぎ、
(c)該鋳型内でスラリーが固まるまで待つことにより、グリーン・プリフォーム(焼結前プリフォーム)を形成し、
(d)該グリーン・プリフォームを乾燥させることにより水分を除去し、
(e)該グリーン・プリフォームを約1100℃の温度で焼結することにより、バインダーとして焼結されたフッ化マグネシウムを含む最終形態のプリフォームを形成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の態様では、金属基複合材料に用いられるプリフォームを製造するプロセスであって、以下の（ａ）〜（ｅ）の手順を含むプロセスが提供される。
(a)強化用材料とフッ化マグネシウムとを塩化マグネシウム水溶液に混合してスラリーを形成し、
(b)該スラリーを鋳型の中に注ぎ、
(c)該鋳型内でスラリーが固まるまで待つことにより、グリーン・プリフォーム(焼結前プリフォーム)を形成し、
(d)該グリーン・プリフォームを乾燥させることにより水分を除去し、
(e)該グリーン・プリフォームを約1100℃の温度で焼結することにより、バインダーとして焼結されたフッ化マグネシウムを含む最終形態のプリフォームを形成する。
【００１３】
本発明の第二の実施の形態では、金属基複合材料を製造するプロセスであって、以下の（ａ）〜（ｇ）の手順を含むプロセスが提供される。
(a)強化用材料とフッ化マグネシウムとを塩化マグネシウム水溶液に混合してスラリーを形成し、
(b)該スラリーを第一の鋳型に注ぎ、
(c)該第一の鋳型内でスラリーが固まるまで待つことにより、グリーン・プリフォーム(焼結前プリフォーム)を形成し、
(d)該グリーン・プリフォームを乾燥させることにより水分を除去し、
(e)該グリーン・プリフォームを約1100℃の温度で焼結して、バインダーとして焼結されたフッ化マグネシウムを含む最終形態のプリフォームを形成し、
(f)該プリフォームを第二の鋳型の中に配置し、
(g)該第二鋳型内のプリフォームに溶融金属を浸透させて、金属基複合材料を形成する。
【００１４】
また、本発明の第三の実施の形態では、焼結されたフッ化マグネシウムと結合した強化用プリフォームを含む金属基複合材料が提供される。
【００１５】
前記第１，第２および第３の実施の形態において、前記金属は軽金属であることが好ましい。さらに好ましくは、前記金属は、アルミニウム、マグネシウム、あるいはその合金であることが望ましい。もっとも好ましいのは、前記金属がマグネシウムあるいはその合金であることである。
【００１６】
前記第１および第２の実施の形態において、ステップ(b)で用いられる鋳型は、多孔質の鋳型であることが望ましい。
【００１７】
前記第１，第２および第３の実施の形態において、プリフォームに用いられる強化用材料は、炭素、グラファイト、炭化ホウ素、炭化シリコン、二ホウ化チタン、窒化ホウ素、およびそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも一つを用いることが望ましい。
【００１８】
第１および第２の実施の形態において、ステップ(a)で粒子状の強化用材料、あるいは、繊維状、束状、ホイスカー状（ｗｈｉｓｋｅｒ）状の強化用材料が用いられることが望ましい。あるいは、ステップ(a)では、粒子状および／または繊維状および／または束状および／またはホイスカー状の強化用材料の混合物を用いることができる。これによって、一以上の物理的形状に一以上の強化用材料を含むハイブリッドな複合材料が得られる。
【００１９】
また、第１および第２の実施の形態において、ステップ(d)ではグリーン・プリフォームはオーブンの中で大気中で乾燥されることが望ましい。さらに好ましくは、ステップ(d)でグリーン・プリフォームは、オーブン中で、約45℃で大気中で乾燥されることが望ましい。
【００２０】
また、第１および第２の実施の形態において、ステップ(g)では、スクイーズ・キャスティングの手法が用いられることが望ましい。
【００２１】
上述の第１，第２および第３の実施の形態のプロセスでは、まず、強化用材料のスラリーが用意される。具体的には、強化用材料として、例えば粒子状の炭化シリコンを用い、この強化用材料を塩化マグネシウム溶液中でフッ化マグネシウムと混合し、スラリーを調合する。このスラリーは、例えば円盤状のプリフォームを形成するための多孔質の鋳型の中に注がれ、固まるまで放置される。固まるプロセスの間、水和した塩化マグネシウム、すなわちMgCl2.6H2Oが形成され、グリーン・プリフォームのつなぎの役目をする低温バインダーとなる。鋳込まれた円盤は、大気中で乾燥するために、一般的にはオーブンの中で約45℃で軽く加熱される。このとき多孔質の鋳型を用いているため、乾燥ステップ中にプリフォームが確実に均一に乾燥し、割れや他の変形を生じない。水和した塩化マグネシウムが焼結前のプリフォームに充分な強さを与えるため、適当な注意を払えば取り扱えるようになる。
【００２２】
乾燥されたグリーン・プリフォームは、その後、約1100℃で焼結される。焼結ステップでは、塩化マグネシウムは分解し、実質的に消失する。同時に、フッ化マグネシウムが焼結されることにより炭化シリコン粉を結合し、多孔質体を形成する。これにより得られる焼結後の円盤は、取り扱うのに充分な強さを持つ。
【００２３】
このように成形されたプリフォームは、マグネシウム金属基複合材料を造るために、第二の鋳型の中に配置される。このプリフォームに、溶融マグネシウム、あるいは溶融マグネシウム合金が浸透させる。マグネシウム合金としては、マグネシウムと合金を形成する元素として、典型的には、アルミニウム、ベリリウム、カルシウム、銅、リチウム、マンガン、希土類グループの金属、シリコン、銀、トリウム、錫、亜鉛、ジルコニウム、イットリウム、および、複数の金属の組み合わせを含むものを用いることができる。金属基複合材料を得るためにプリフォームに溶融金属を浸透させる方法としては、スクイーズ・キャスティング法を用いることが望ましい。
【００２４】
このように、本発明によれば、本発明のバインダーを用いることにより、溶融マグネシウムと反応する可能性のあるバインダーを使うときに生じる問題を回避できることが明らかである。強化用材料として炭化シリコンを用い、上述の本発明の製造方法で製造したマグネシウム複合材料を検査すると、フッ化マグネシウムの大部分は炭化シリコンと結合したままの状態になっていることがわかる。また、フッ化マグネシウムの一部は割れてなくなってしまうと考えられ、複合材料の性質には明らかに悪影響を及ぼさない。
【００２５】
本発明の製造方法で用いられるフッ化マグネシウムバインダーは、溶融マグネシウムあるいは溶融マグネシウム合金と反応しないので、溶融マグネシウムあるいは溶融マグネシウム合金を浸透させるプリフォームに用いるのに非常に適している。しかしながら、本発明の製造方法は、溶融マグネシウムあるいは溶融マグネシウム合金を用いる複合材料用のプリフォームの製造方法に限定されるものではない。フッ化マグネシウムバインダーと反応の問題が生じない他の金属、特にアルミニウムおよびアルミニウム合金を溶融金属とする場合にも適している。
【００２６】
【発明の効果】
上述してきたように本発明によれば、マグネシウム金属基複合材料に用いるプリフォームの製造方法であって、溶融マグネシウムと反応しないプリフォームバインダーを用いるプリフォームの製造方法を提供することができる。