(57)【要約】  本発明は車両ブレーキロータを形成するための方法に関し、該方法は成形した金属基材を金属合金構成要素とセラミック粒子の混合物とともにダイの内容物を加熱してロードする工程と、その一方で圧力を適用して、前記混合物の少なくとも一つの構成要素を加熱する工程を含み、それによって、ダイの内容物を高密度化し、前記金属基材上に被覆するセラミック粒子含有金属マトリクス合成物を形成し、さらに生成された被覆生成物を冷却する工程を含む。【選択図】図１
2018537596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体金属基材の表面に結合した金属合金層を形成するための方法であって、
内容物をダイにロードする工程であって、前記ダイの内容物が、前記基材、および好ましくは粉末形態の金属含有混合物を含み、前記基材の表面が、前記金属含有混合物と接触していないとき、第１の温度で溶融し、前記金属含有混合物の構成要素が、前記第１の温度よりも低い第２の温度で溶融する、ロードする工程と、
前記ダイの内容物を、前記第１の温度と前記第２の温度との間の温度に加熱する工程であって、前記基材の元素と前記混合物の少なくとも１つの構成要素との反応を可能にする、加熱する工程と、
前記内容物が周囲温度に冷却される前の時間を含む期間、前記ダイに圧力を適用することによって、前記ダイの内容物を高密度化する工程と、を含み、これにより、
前記混合物の少なくとも１つの構成要素を含む前記層が、前記基材の表面に結合する、方法。
【請求項２】
前記期間が、発熱反応が起こる時間を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ダイの内容物を、前記第１の温度と前記第２の温度との間の温度に加熱して、前記基材、前記粉末の第１の構成材料、およびもしあれば前記粉末の第２の構成材料のうちの少なくとも２つの元素の反応を可能にする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記溶融体の体積が、前記基材の体積よりも小さい、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記第１の温度が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、および亜鉛からなる群の元素、またはアルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素からなる群の１以上の元素を含む合金の融点に相当する、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記反応が、気相の生成物を生じない、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記反応は、アルミニウム、ホウ素、コバルト、銅、鉄。ニッケル、パラジウム、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素、からなる群の反応物が関与する、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記反応は、前記粉末の第１の反応物および前記粉末の第２の反応物が関与する、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記粉末が、アルミニウム合金およびセラミック微粒子を含む、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
ａ．前記基材が、アルミニウムを含み、かつ、
ｂ．前記粉末が、アルミニウム、またはアルミニウムおよびケイ素の合金、もしくはアルミニウム、ケイ素およびマグネシウムの合金、もしくはアルミニウムおよびチタンの合金、もしくはアルミニウム、ケイ素およびチタンの合金、またはＴｉ−ＡｌおよびＴｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎｂから選択されるプレアロイ粉末を含む、
請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記セラミック微粒子が、炭化ケイ素を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記層の外部表面の２５％〜６５％、好ましくは前記層の外部表面の３５％以上が、セラミック微粒子を含む、請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記層の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記層および前記基材が生成物を含み、前記生成物の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、請求項１乃至１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記粉末が、更に、
ａ．前記粉末が、バインダを含まないこと、
ｂ．前記粉末が、約６１重量％のアルミニウムケイ素合金、および約３９重量％の炭化ケイ素を含むこと、
ｃ．前記粉末が、約５９．５重量％のアルミニウムケイ素合金、約３８重量％の炭化ケイ素、および必要に応じて約２．５重量％のチタンを含むこと、
ｄ．前記粉末は、Ｄ１０が約５マイクロメートル、Ｄ５０が約１５マイクロメートル、およびＤ９０が約３８マイクロメートルにより定義される粒子サイズの分布を有するアルミニウムケイ素合金を含むこと、
ｅ．前記粉末は、粒子サイズが約１０マイクロメートル〜２０マイクロメートルである炭化ケイ素を含むこと、
ｆ．前記粉末は、粒子サイズが約４４マイクロメートルであるチタンを含むこと、
ｇ．前記粉末が、アルミニウム合金３５６、アルミニウム合金４０３２、アルミニウム合金５０５２またはアルミニウム合金５０８３を含むこと、
ｈ．前記粉末が、アルミニウムを１２ｗｔ％のケイ素合金と共に含むこと、
ｉ．前記粉末が、炭化ケイ素粒子を含み、前記炭化ケイ素粒子の９５％は、粒子サイズが約５０マイクロメートル未満であること、ならびに、
ｊ．必要に応じて、形成された前記生成物を加熱処理すること、
のうちの１以上を特徴とする、請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
基材が、本質的にアルミニウム１１００またはアルミニウム合金５０５２から構成される、請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記粉末が、前記基材の表面に広げられる、請求項１乃至１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記粉末が、前記基材の表面に、厚さ０．００１インチ〜０．２５インチ、好ましくは０．６０〜０．１２５インチ、より好ましくは０．４０〜０．０８０インチ、最も好ましくは約０．０５０インチで広げられる、請求項１乃至１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
液体溶融体の量が、固相の反応生成物の形成によって減少する、請求項１乃至１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記ダイを排気することを更に含む、請求項１乃至１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記基材が、ハブ−ディスクアセンブリを含む、請求項１乃至２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
液体金属マトリックス複合物および固体金属基材を一体化するための方法であって、
前記液体金属マトリックス複合物が関与する反応を可能にすることと、
前記液体金属マトリックス複合物および前記固体金属基材の組み合わせを、前記反応のうちの少なくとも一部の間に高密度化し、前記金属マトリックス複合物を、液体から固体に冷却し、必要に応じて、形成された生成物を加熱処理することと、を含む、方法。
【請求項２３】
前記液体金属マトリックス複合物および前記固体金属基材の組み合わせを、前記反応の持続時間のうちの少なくとも一部の間に高密度化することを更に含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記液体金属マトリックス複合物の体積が、前記基材の体積よりも小さい、請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記基材は、溶融温度が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄。ニッケル、チタン、バナジウム、および亜鉛からなる群の元素、またはアルミニウム合金であって、好ましくはアルミニウムならびにコバルト、銅、鉄。ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素、からなる群の１以上の元素を含むアルミニウム合金の融点に相当する、請求項２２乃至２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記反応が、気相の生成物を生じない、請求項２２乃至２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記反応は、アルミニウム、ホウ素、コバルト、銅、鉄。ニッケル、パラジウム、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素からなる群から選択される２以上の金属の発熱反応が関与する、請求項２２乃至２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記反応は、前記複合物の液体金属マトリックスの第１の反応物および前記複合物の液体金属マトリックスの第２の反応物が関与する、請求項２２乃至２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
前記液体金属マトリックス複合物が、アルミニウム合金およびセラミック微粒子、好ましくは炭化ケイ素を含む、請求項２２乃至２８のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
ａ．前記基材が、アルミニウムを含み、かつ、
ｂ．前記金属マトリックス複合物が、炭化ケイ素、またはアルミニウムおよびケイ素の合金、またはアルミニウム、ケイ素、およびマグネシウムの合金、または、またはアルミニウムおよびチタンの合金、またはアルミニウム、ケイ素およびチタンの合金、またはＴｉ−ＡｌもしくはＴｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎｂから選択されるプレアロイ粉末を含む、
請求項２２乃至２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記層の外部表面の２５％〜６５％、好ましくは前記層の外部表面の３５％以上が、セラミック微粒子を含む、請求項２２乃至３０のいずれかに記載の方法。
【請求項３２】
前記層の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、請求項２２乃至３１のいずれかに記載の方法。
【請求項３３】
前記層および前記基材が生成物を含み、前記生成物の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、請求項２２乃至３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
周囲気圧未満で前記反応を可能にすることを更に含む、請求項２２乃至３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
前記基材が、ハブ−ディスクアセンブリを含む、請求項２２乃至３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
請求項１乃至３５のいずれかに記載の方法によって形成される、車両ブレーキロータ。
【請求項３７】
固体基材の表面に結合した層を形成するためのシステムであって、
ａ．ダイであって、用意される前記ダイの内容物を取り囲み、前記内容物が、前記基材および粉末を含み、前記ダイが、必要に応じて通気口を含む、ダイと、
ｂ．前記ダイの内容物を加熱するために、用意されたエネルギー源からエネルギーを放出するように構成されている加熱サブシステムと、
ｃ．力を前記内容物に対して適用するように構成されている機械的サブシステムと、
ｄ．前記加熱サブシステムおよび前記機械的サブシステムを制御するために連結されている制御装置であって、前記内容物を加熱することによって、前記基材の表面と前記粉末との間の発熱反応を可能にするように構成されており、かつ、前記内容物が周囲温度に冷却される前の時間を含む期間、前記力を適用することによって、前記内容物の高密度化を可能にするように構成されている、制御装置と、
を備えるシステム。
【請求項３８】
前記ダイの内容物から気体を、前記必要に応じた通気口を介して除去するように適合した真空サブシステムを更に含む、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記基材がハブ−ディスクアセンブリを含む、請求項３７または３８に記載のシステム。
【請求項４０】
ａ．周辺構成要素と、
ｂ．ベース構成要素と、
ｃ．カバー構成要素と、
を備えるダイであって、
ｄ．前記ベース構成要素が、前記周辺構成要素と摩擦嵌合封止を形成し、かつ、
ｅ．前記カバー構成要素が、前記周辺構成要素と摩擦嵌合封止を形成する、ダイ。
【請求項４１】
ａ．前記ダイが、ハブ構成要素を更に備え、かつ、
ｂ．前記ハブ構成要素が、前記ベース構成要素および前記カバー構成要素と摩擦嵌合封止を形成する、
請求項４０に記載のダイ。
【請求項４２】
少なくとも１つの摩擦嵌合封止が、グラファイト対グラファイトの界面を備える、請求項４０または４１に記載のダイ。
【請求項４３】
ａ．前記周辺構成要素が、軸に関して円筒対称性を有し、かつ、
ｂ．前記ハブ構成要素、前記ベース構成要素、および前記カバー構成要素が、前記周辺構成要素から、ユニットとして解体可能であり、前記解体が、前記周辺構成要素および前記ユニットを前記軸に沿って分離することによってなされる、
請求項４０乃至４２のいずれかに記載のダイ。
【請求項４４】
ａ．内部を有する容器と、
ｂ．前記内部の排気のための通気口と、
ｃ．前記容器内の第１の位置で、前記容器を閉鎖して前記内部を取り囲み、更に前記容器内の第２の位置で、前記容器を閉鎖して前記内部を取り囲むカバーと、
を備えるダイであって、
ｄ．前記通気口が、前記第１の位置にあるカバーよりも、前記第２の位置にあるカバーによって、より塞がれる、ダイ。
【請求項４５】
前記カバーに第１の方向に力を適用して、前記カバーを更に前記容器内に進ませることによって、前記ダイの内容物が圧力を受けることができ、前記第１の位置にあるカバーに前記力を適用することが、前記カバーを前記第２の位置の方へ動かす、請求項４４に記載のダイ。
【請求項４６】
前記カバーが、前記容器と摩擦嵌合封止を形成する、請求項４４または４５に記載のダイ。
【請求項４７】
前記カバーが前記第１の位置から前記第２の位置に動かされる間、前記封止が維持される、請求項４６に記載のダイ。
【請求項４８】
前記容器が、
ａ．ベース構成要素と、
ｂ．前記ベース構成要素に当接する周辺構成要素であって、前記ベース構成要素と前記周辺構成要素との間の摩擦嵌合封止を形成する、周辺構成要素と、
を備える、請求項４４乃至４７のいずれかに記載のダイ。
【請求項４９】
前記容器、前記カバー、前記ベース構成要素、および前記周辺構成要素のうちの少なくとも１つが、それぞれの摩擦嵌合封止において、加圧グラファイトを含む、請求項４４乃至４８のいずれかに記載のダイ。
【請求項５０】
ａ．ディスクとして形成される、低気孔率金属の基材と、
ｂ．前記ディスクと接触する、用意されるブレーキパッドと協働するために、コアに結合した層と、
を備える車両ブレーキロータであって、
ｃ．前記層の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、
車両ブレーキロータ。
【請求項５１】
前記層が、前記層の外部表面の３５％を超える表面で、埋め込まれたセラミック微粒子を含む、請求項５０に記載の車両ブレーキロータ。
【請求項５２】
前記層が、金属マトリックス複合物を含み、かつ前記金属マトリックス複合物が、好ましくは全体にわたって実質的に均一である、請求項５０または５１に記載の車両ブレーキロータ。
【請求項５３】
気孔率が０．２０体積％未満であり、かつ前記層が、冶金的結合によって、前記コアに接合される、請求項５０乃至５２のいずれかに記載の車両ブレーキロータ。
【請求項５４】
シーケンスを行う機械可読プログラムコードを含む機械可読メモリであって、制御装置が、加熱サブシステムおよびプレスサブシステムに連結されており、前記シーケンスが、固体基材の表面に結合した層を形成するためのものであり、前記基材および粉末が、チャンバ内に配置され、前記加熱サブシステムおよび前記プレスサブシステムの対象となり、前記シーケンスが、順番に、
前記粉末を、前記粉末の少なくとも１つの構成材料の融点以上に加熱して、溶融体を生成する、前記加熱サブシステムへの第１の指示であって、前記加熱サブシステムの前記第１の指示への応答は、前記基材をバルク溶融させることのない、第１の指示と、
前記溶融体への、前記基材に対する機械的な力を維持する、前記プレスサブシステムへの第２の指示と、
ある期間、前記溶融体および前記基材の冷却を可能にする、前記加熱サブシステムへの第３の指示と、
前記期間の経過後に、前記機械的な力を減少させる、前記プレスサブシステムへの第４の指示と、
を含む、機械可読メモリ。
【請求項５５】
前記制御装置が、更に、気体を前記チャンバから除去するように適合した排気サブシステムに連結されており、
前記方法が、前記第１の指示の前に、気体を前記チャンバから除去する、前記排気サブシステムへの第５の指示を更に含む、請求項５４に記載の機械可読メモリ。
【請求項５６】
車両ブレーキロータを形成する方法であって、成形された金属基材を、金属合金化構成要素およびセラミック粒子の混合物と共に、ダイにロードすることと、
高圧電流を前記ダイに流すと共に、圧力を適用して、前記合金化混合物の金属構成要素のうちの少なくとも１つを溶融させることにより、前記ダイの内容物を高密度化して、前記金属基材上に、または前記金属基材を通る、セラミック粒子含有合金コーティングを形成することと、
生じるコーティングされた生成物を冷却することと、
必要に応じて、前記コーティングされた生成物を加熱処理することと、
を含む、方法。
【請求項５７】
前記金属基材が、アルミニウムまたはチタンで形成され、かつ前記コーティング材料が、アルミニウム、チタンおよび炭化ケイ素の混合物を含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記基材がハブ−ディスクアセンブリを含む、請求項５６または５７に記載の方法。
【請求項５９】
車両ブレーキロータを形成するための方法であって、
金属基材を用意することと、
走査プラズマトーチを用いて、高温アークプラズマ流を前記基材の表面に当てることであって、前記プラズマ流が、金属または金属合金、セラミック粉末、およびイオン化可能ガスを含み、前記基材が電極を形成し、前記プラズマアークおよびトーチパワー源と共に電気回路を完成させ、前記プラズマが、前記ガスをイオン化して前記基材の表面を加熱するために、十分なエネルギーを有する、走査プラズマトーチを用いることと、
前記基材中の金属と、前記プラズマ流中の金属または金属合金との間の反応を引き起こすことにより、セラミック粉末を含む複合物表面層を前記基材上に形成することと、
を含む、方法。
【請求項６０】
前記複合物表面の形成後、ガスの冷却ジェット流を、前記基材のプラズマ加熱エリアに当てる工程を含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記基材が、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、鉄、ニッケル、銅または亜鉛からなる群から選択される金属を含み、かつ前記粉末が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウムおよび亜鉛からなる群からの金属、またはアルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブおよびケイ素からなる群の２以上の元素を含む合金を含む、請求項５９または６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記イオン化可能ガスが、Ａｒ、Ｈｅ、またはＡｒ、ＨｅおよびＮ２の混合物、または炭素含有ガスのうちの少なくとも１つを含む、請求項５９乃至６１のいずれかに記載の方法。
【請求項６３】
前記基材が、フルサイズディスクの形状であり、ハブを含む、請求項５９乃至６２のいずれかに記載の方法。
【請求項６４】
固体金属基材の表面に結合した溶融合金層を形成するための方法であって、
金属基材を用意することと、
前記基材に面する回転ヘッドを配置することと、
十分な圧力下で、前記回転ヘッドと前記基材との間に、粉末金属およびセラミック供給混合物を供給することであって、摩擦が温度を上昇させて、前記金属供給材料を前記金属基材の表面に固体状態溶接／結合させ、または前記圧力および摩擦が、前記金属基材の表面を溶融させ、前記金属供給材料と反応させて、前記金属およびセラミック混合物を前記基材の表面に結合させるよう、供給することと、
必要に応じて、生じた生成物を加熱処理することと、
を含む、方法。
【請求項６５】
前記基材が、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、鉄、ニッケル、銅または亜鉛からなる群から選択される金属を含み、かつ前記粉末金属供給材料が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウムおよび亜鉛からなる群からの金属、またはアルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブおよびケイ素からなる群の２以上の元素を含む合金を含む、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記基材がハブ−ディスクアセンブリを含む、請求項６４または６５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実質的に気孔のない、耐摩耗金属セラミック微粒子複合物の金属基材上での形成、当該複合物層を形成するためのシステム、および作製される生成物に関する。本発明は、車両ブレーキロータに関して特に有用であり、当該有用性に関して記載していくが、他の有用性も考えられる。
【背景技術】
【０００２】
自動車、トラック、電車、および大量輸送システムを含む陸上車は、ディスクブレーキを使用して、車両を減速および／または停止させる。ディスクブレーキシステムは一般に、ロータおよびキャリパを備える。ロータは、車両のホイールと共に回転するように取り付けられる。キャリパはブレーキパッドを備え、このブレーキパッドをロータと摩擦接触させて、ホイールの回転を減速および／または停止させる。従来の鋳鉄ブレーキロータは、比較的重い。このロータは、ブレーキ中に摩耗し、ダストを発生する。従来の鋳鉄ブレーキロータに対する代替物は、重量を減少できると共に、より良好な燃料経済性、空気および水の両方の汚染の減少、ならびに車両加速の向上に寄与できる。鋳鉄よりも軽量な材料としては、アルミニウムおよびチタンが挙げられるが、摩擦用途でのこれらの表面トライボロジーは、鋳鉄と対照的に、ブレーキロータとして機能するために必要な性能が欠如している。停止力の改善、および耐摩耗性の向上のために、セラミック微粒子を金属マトリックスに添加して、摩擦を増加させることが知られており、この添加はまた、摩擦用途において、ほとんどまたは全くダストを生じないという利点を有する。
【０００３】
多くの従来プロセスは、望ましい特性を有するブレーキロータを形成するために適用される場合、欠点を有する。例えば、アルミニウムで形成され、従来のプラズマスプレー技術で適用されたセラミックコーティングを有する一部のロータは、残留気孔率が不満足であると共に、コーティングのロータ基材に対する接着性が、車両ロータ用途では不十分である。ほとんど気孔のないブレーキロータは、信頼性および良好な伝熱を可能にする。
【０００４】
複合物、特にアルミニウム−セラミック粒子複合物を作製するために使用される従来の撹拌鋳造（ｓｔｉｒ  ｃａｓｔｉｎｇ）は、本質的に、大抵の車両ロータ用途にとって、許容できない気孔率を生じる。加えて、少なくとも３０〜５０体積％のセラミック粒子の充填量（ｌｏａｄｉｎｇ）が、高い耐摩耗性および比較的大きな運動量を有する車両のブレーキ性能のために望ましい。従来の撹拌鋳造は、この必然的に高い粒子の充填量において、気孔のない複合物を作製しないと思われている。従来の撹拌鋳造では、セラミック粒子は、溶融アルミニウム合金全体にわたって組み込まれる。不溶性微粒子が液体アルミニウム中に撹拌されるほど、混合物の粘度は、添加される微粒子の体積と共に増加する。粘度の増加は、微粒子のサイズにも関係する。一般に、微粒子が小さいほど、粘度が大きく増加する。しかし、良好なブレーキ性能のために、微細な粒子サイズ、好ましくは約５０μｍ未満が使用される。ブレーキロータ用途のために、微細なセラミック粒子をアルミニウムマトリックス内に組み込む従来の撹拌プロセスは、実際の粒子サイズに応じて、約２５体積％が限界であるが、その理由は、より大きな体積充填量および粘度の混合物の撹拌および鋳造が、非実用的になるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８，２０３，０９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、実質的に気孔のない、支持基材に結合した金属／セラミック複合物を形成するための方法および装置であって、先行技術での上記および他の課題を克服する方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の様々な態様によると、基材（例えば車両ブレーキロータ）の表面に、本明細書で検討されるシステムおよび方法を使用して形成される複合物層は、実質的に気孔を含まず、望ましいサイズのセラミック粒子および複合物密度を含む。複合物層内のセラミック粒子の比較的高い密度は、コア基材への熱流を妨害する能力を有する。層は、基材表面全体を包んでもよく、または基材の外部表面の１以上の選択された領域（例えば１以上の環状バンド）に形成されてもよい。また、複合物層は、基材を強化してもよく、これにより、層および基材の組み合わせが、層の無い基材と比較して、改善された機械的および熱的特性の組み合わせ（例えば、摩擦係数、摩耗率、熱伝導率、熱容量、比熱、比重、密度、圧縮強度、延性、剛性）を提供するようにしてもよい。
【０００８】
車両ブレーキロータに関する、本明細書で検討される本発明の用途において、層は、粒子体積充填量に応じて、鋳鉄よりも大きな摩擦を有し、本質的に、より大きな熱容量を有する。より大きな熱容量は、鉄よりも大きな蓄熱容量を提供し、約３０体積パーセントを超えるセラミック粒子充填量は、改善されたブレーキ性能を提供し、低い摩耗特性は、ほとんどまたは全くダストを発生させないため、鋳鉄よりも空気汚染が少ない。
【０００９】
複合物摩擦層は、セラミック粒子の密度または体積に関して、層の外側表面から基材への距離の関数として評価され得る。１層より多い層を形成してもよい。例えば、セラミック粒子体積が、外側表面から基材コアまで異なっている場合、基材の温度は、外部表面の温度未満であり得る。従来の手段による外部表面上の薄いコーティングであって、比較的低い熱伝導率のセラミック（例えば酸化物）を含むコーティングは、基材への熱流の優れた断熱を提供し得る。
【００１０】
アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、および／またはチタン合金の基材は、鋳鉄よりも大幅に軽く、車両ブレーキロータ用途のため、軽量かつ高熱容量であるので好ましい。チタンは、アルミニウムと同様に、車両ブレーキロータ用途に適した摩擦学的表面（ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ  ｓｕｒｆａｃｅ）を提供しない。１以上の金属（例えば、基材の金属、または基材溶融温度よりも低い融点を有する金属、および目的の発熱反応で反応物として機能する金属）の金属マトリックス中のセラミック粒子の層は、車両ブレーキ温度の両端値に耐えることができる耐摩耗複合物ブレーキ表面を提供し得る。
【００１１】
以下の説明では、金属マトリックス複合物層でコーティングされた金属基材の例として、車両ブレーキロータについて言及する。金属基材は、コアとも称される。動作時、層の外部表面は、ブレーキ表面を提供する。当該ブレーキロータが車両に従来の方式で取り付けられる場合、上で検討したように、ブレーキ表面と１以上のブレーキパッドとの間の摩擦が、車両を減速および／または停止させる。
【００１２】
固体金属基材の表面上に層を形成するためのシステムは、本明細書の開示に従って構成される従来の手動および／または自動加工およびプロセス制御機器および設備から組み立ててもよい。自動化は、従来のプログラミング技術を使用して用意されるファームウェアおよび／またはソフトウェアを、設備にインストールすることにより、または設備を接続することにより、達成してもよい。一実施では、システムは、従来設計のチャンバ、ヒータ、プレス、および真空ポンプの一体化（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む。システムは、真空ホットプレスとして知られている種類のものであってもよい。Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ＬＬＣ（Ｓａｎｔａ  Ｒｏｓａ，ＣＡ）およびＦｕｒｎａｃｅ  Ｓｏｕｒｃｅ  ＬＬＣ（Ｔｅｒｒｙｖｉｌｌｅ，ＣＴ）により供給される種類の商業用の真空ホットプレスを使用してもよく、またはカスタムメイドのシステムが、金属マトリックス複合物ブレーキロータを作製する目的を達成してもよい。
【００１３】
チャンバは、周囲条件に配置されながら、比較的高い温度および比較的低い気圧を経済的に維持するため、隔離された任意の筐体を含む。また、炉の運転は陽圧で行ってもよく、またはガスフローと共に行ってもよいが、ただし不活性ガス、例えばアルゴン、または窒素などのブレーキ材料と実質的に非反応性のガスが使用される場合に限る。一般にチャンバは、閉鎖可能な開口部を含み、この開口部を通じて、望ましい期間、より高い温度および適用圧力の対象となるダイをチャンバ内に置くことができ、その後ダイをチャンバから取り出すことができる。筐体を貫く追加の通路は、加熱、プレス、および排気機能、ならびに計装および制御を補助するために一般に有用である。チャンバは、プレスを収容する構造物を含んでもよい。逆に、チャンバは可動性であってもよく、ブレーキロータに加工されるセラミック複合物層を有するベースの上で、下降または代わりに上昇させてもよい。
【００１４】
ヒータは、ダイの内容物を加熱するエネルギーを提供する任意の装置（例えば、電気的、化学的、磁気的）を含む。加熱は、ダイに実施してもよく（例えば、ダイに対する高温の物体のプレス、ダイおよび／またはその内容物の抵抗を通る電気伝導、磁気誘導、および放電プラズマ焼結と称される種類の加熱であって、電場支援焼結技術（ｆｉｅｌｄ  ａｓｓｉｓｔ  ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ＦＡＳＴ）または電流活性化圧力支援高密度化（ｃｕｒｒｅｎｔ  ａｃｔｉｖａｔｅｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）とも称される加熱）、かつ／またはダイに向かって放射してもよい（例えばマイクロ波加熱、電子ビーム加熱、レーザー光加熱、チャンバ内の放射熱源、およびチャンバの排気前のダイ周囲のガスを介した伝導または対流）。ヒータは、加熱に使用されるエネルギーの供給源を含んでもよい。ヒータは、加熱またはエネルギー変換に使用されるエネルギーの供給源を含んでもよい。ヒータは、エネルギーを１つの形態から別の形態に変換してもよい（例えば、電力から磁気誘導用のＲＦ、電力のパルス等）。
【００１５】
プレスは、機械的な力をチャンバ内のダイに適用する任意の設備を含む。プレスは、ダイと接触して力を適用する１以上のラム（例えば、可動ピストン、固定バックストップ）を含んでもよい。プレスは、プレスとダイとの間の熱的変化を減少させるために、加熱、冷却、および／または断熱を含んでもよい。
【００１６】
真空ポンプは、ガスをチャンバから除去する任意の機械的設備を含む。また、真空ポンプは、チャンバ内のガスを別のガスで置換してもよい。真空ポンプは、ダイ周囲のガスの圧力を調節してもよい。
【００１７】
温度、機械的圧力、およびチャンバ内の周囲のガスの程度の制御は、１以上のプログラミングされた制御装置によって統合できる。プログラミングは、ダイの内容物を処理するためのシーケンス、ならびに人、設備、およびダイの内容物にとって安全な運転条件を維持するためのシーケンスを含んでもよい。シーケンスは、任意の従来のプログラミング言語で、設定点、変更の速度、設定点での持続時間、変更を達成するための持続時間、限界を超えるときの例外行為の限界条件（例えば、チャンバを周囲条件に戻す、チャンバを既知の安全な条件に戻す、作業者にアラームを鳴らして調整させる、エンドシーケンス制御）、および／またはプログラムシーケンス制御（例えば分岐、ループ、サブルーチン、エラー処理）を定義する指示（例えばコマンド、パラメータ、引数、命令文）を含んでもよい。プログラミングは、集中型であっても、または分散型であってもよい。プログラム制御が、特殊な制御装置の間で分散している場合、従来技術を使用して、ステータスおよび制御を伝達する信号（例えば、フィードバック、コマンド、情報のリクエスト、リソースのリクエスト、コミットメント）を送信および受信して、集中プログラム制御の効果を達成してもよい。
【００１８】
本発明の更なる特徴および利点は、下記の詳細な説明から理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一態様による、高密度の本質的に気孔のない金属セラミック微粒子複合物を、コア金属上の複合物コーティングの構成で、または複合物の断面全体を包む構成要素として作製するために使用できるシステムの機能的ブロック図であり、本発明の様々な態様による、ダイおよびその内容物の断面図を含む。
【図２】本発明の一態様による、基材の表面上に層を形成するための方法のフローチャートである。
【図３】図１のシステム、および／または図２の方法で使用するための空のダイの上面図である。
【図４】図３のダイで使用するためのプレスフィットベースの上面図であり、プレスフィットトップも同様の構成を有する。
【図５】一緒に組み立てられたプレスフィットチップおよびボトムの斜視図である。
【図６】図２と同様の図であり、本発明の別の態様による、基材の表面上に層を形成するための代替の方法の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図面を参照すると、図１は、本発明による、高密度で本質的に気孔のない金属セラミック微粒子複合物コーティングを金属コア上に作製するために使用できるシステムを示す。本明細書で使用するとき、「気孔のない」とは、コーティングが、一般に約０．０５〜２体積％以下の気孔、より詳細には、約０．５〜１体積％以下の気孔、更により詳細には、約０．１〜０．２５体積％以下の気孔を含むことを意味する。
【００２１】
図１のシステム１００は、チャンバ１０２、制御装置１１０、加熱サブシステム１１２、プレスサブシステム１１４、および排気サブシステム１１６を備える。これらのシステム１００の構成要素は、互いに、および重力に対して、任意の好都合な向きで配置されてもよい。示されるように、ダイ１５０は、ダイ１５０の内容物を加工するために、チャンバ１０２内に配置されている。ダイ１５０は、内部１６６を画定する。ダイ１５０は、周辺構成要素１５２、プレスフィットベース１５６、およびプレスフィットトップ１５４を備える。ダイ１５０の内容物は、ダイ内部１６６内に置かれており、固体基材１６２、ならびに粉末１６４および１６５を含む。内容物を内部１６６内に置くことを、本明細書では、ダイ１５０をロード（ｌｏａｄ）すると称する。ロードは、任意の従来技術を用いて、手動および／または自動で達成され得る。
【００２２】
チャンバ１０２は、上で検討したチャンバを表す。チャンバ１０２は、断熱内部１０４を提供する。チャンバ１０２は、内部１０４を周囲大気から隔離する。チャンバ１０２は、ドアおよびドアウェイ（図示せず）を有し、これを通じて、ロードされたダイをチャンバ内に置き、ドアを閉めた状態で加工を行うことができる。ダイを置くことは、従来の設計の手動および／または自動手段（例えば、コンベヤ、ホイスト、エレベータ、ターンテーブル、ウェブ）によってなされてもよい。加工が完了すると、ダイを取り出し、アンロードして、上で検討した複合物層を有する基材を含む生成物を解放することができる。
【００２３】
制御装置１１０は、上で検討したように、プログラム可能な制御装置を表す。制御装置１１０の一部は、加熱サブシステム１１２、プレスサブシステム１１４、および／または排気サブシステム１１６のうちの１以上と一体であってもよい（例えば、指示を行うため、ステータスを報告するため、フィードバック制御のため、限界条件をモニタリングするため、アラームのため、人および設備の安全のため、材料を扱う設備と協働するための、計装および／または回路の効率的なパッケージング）。制御装置１１０は、従来のメモリ（図示せず）、および従来の順序機械を含み、この順序機械はメモリを読み取って、上で検討したシーケンスを行う。一実施では、制御装置は、パーソナルコンピュータ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）オペレーティングシステム、およびプロセス制御ソフトウェアを含む。パーソナルコンピュータは、プログラム指示を受け取って１以上のシーケンスをメモリに記憶するためのユーザーインタフェイスを含み、更に、ダイ１５０の内容物に適用されるプロセスの進捗を監視し、上記の条件を計装によって観察するためのディスプレイを含み、この計装は、加熱サブシステム１１２、プレスサブシステム１１４、排気サブシステム１１６、チャンバ１０２、および／またはダイ１５０内に配置され得る。制御装置１１０は、従来技術を使用して、ステータスおよび制御のために、加熱サブシステム１１２と信号１２２を介して通信する。制御装置１１０は、従来技術を使用して、ステータスおよび制御のために、プレスサブシステム１１４と信号１２４を介して通信する。制御装置１１０は、従来技術を使用して、ステータスおよび制御のために、排気サブシステム１１６と信号１２６を介して通信する。
【００２４】
加熱サブシステム１１２は、上で検討したように、ヒータを備える。加熱サブシステム１１２は、制御装置１１０に応答して、熱１３２をダイ１５０の内容物および／またはラム１３４に与える。サブシステム１１２からの熱は、以下で検討するように、粉末１６４および１６５を溶融させる。加熱サブシステム１１２は、制御装置１１０によって制御される従来の冷却技術を更に含んでもよく、シーケンスにおける任意の適切な時間に、ダイ１５０の内容物を冷却してもよい。
【００２５】
プレスサブシステム１１４は、上で検討したように、プレスを備える。プレスサブシステム１１４は、制御装置１１０に応答して、ラム１３４およびプレスフィットトップ１５４を介して、機械的な力をダイ１５０の内容物に適用する。示されるように、ラム１３４からの圧力は、スタンドオフ１７０を通り、ハブ１５８からの機械的干渉を避ける。プレスサブシステム１１４からの力は、以下で検討するように、ダイ１５０の内容物を高密度化する。プレスサブシステム１１４によって適用される機械的な力は、反力と釣り合う。反力は、対向するラム（図示せず）によって提供されてもよい。単純化のために、図１は、アースグラウンド１０６によって提供される反力を示す。
【００２６】
スタンドオフ１７０、カバー１５４、およびプレスフィットベース１５６は、ラムの機械的な力をダイ１５０の内容物に均等に分布させるように設計されている。本発明の様々な態様による一実施では、ダイ１５０の内容物をプロセス中ずっと、比較的水平に近い状態で確実に維持することにより、層の均一な厚さが達成される。
【００２７】
排気サブシステム１１６は、上で検討したように、真空ポンプを備える。排気サブシステム１１６は、ハブ１５８を通る通気口１７２を介し、スタンドオフ１７０、およびチャンバ内部１０４を通って、カップリング１３６によってダイ内部１６６に流体連通している。排気サブシステム１１６は、制御装置１１０に応答して、ダイ内部１５０のガスの種類（ある場合）、およびガスの圧力を制御する。排気サブシステム１１６は、同様に、例えば、間接的にダイ内部１６６を通気口１７２を介して制御するために、チャンバ内部１０４を制御してもよい。排気サブシステム１１６は、１以上のガスをダイ内部１６６および／またはチャンバ内部１０４に導入および／または加圧してもよい。
【００２８】
ダイは、温度および圧力の対象となる内容物を収容する任意の構造を含む。内容物のうちの少なくとも一部は、液相であってもよい。例えば、ダイ１５０は、基材１６２ならびに粉末１６４および１６５を収容し（例えば取り囲む）、これにより、加工中に存在し得るこれらの材料の任意の液体および／または気相が、ダイ１５０から漏洩することのないようになっている。例えば、粉末１６４および１６５がアルミニウム合金を含む場合、液相のアルミニウム合金（例えば、加熱サブシステム１１２による昇温で生じる）がダイ１５０に収容され（例えば取り囲まれ）、チャンバ内部１０４には漏洩しないようになっている。ダイ１５０は、いくつかの構成要素で形成されていてもよく、これらの構成要素は、構成要素間の界面における封止に適した寸法を有する。
【００２９】
封止は、ダイ１５０の内容物の低粘度液体金属相がダイ１５０から漏洩することを防ぐ。本明細書に記載される封止は、以下で検討する温度および圧力で、金属の漏洩を抑制する。本発明の様々な態様によると、ダイ１５０の液相の内容物の量は、ダイ１５０の内容物全体を液化した場合と比べて、比較的少ない。
【００３０】
ダイ１５０は、コーティング（例えば、炭素、グラファイト、窒化ホウ素）を有する、グラファイト、セラミック、および／または金属（例えば、鋼、チタン）で形成してもよい。
【００３１】
本発明の様々な態様による一実施では、ダイ１５０はプレスフィットグラファイト構成要素で形成され、第１の構成要素のグラファイト表面と、第２の構成要素のグラファイト表面とが、一緒に摩擦嵌合（ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｆｉｔ）するサイズである。
【００３２】
構成要素は、当該材料に摩擦嵌合して、構成要素間で適切な封止を形成してもよく、このことは、任意の液体金属が圧力下で当該プレスフィット構成要素を通じて漏洩することを防ぐ。
【００３３】
部材１５４は、内部１６６の内容物に関して、ダイ１５０を取り囲むことを完成させる。部材１５４は、機械的圧力を、ラム１３４からスタンドオフ１７０を介して、ダイ１５０の内容物に伝える。また、部材１５４は、ラム１３４により押し進められ、ダイ内部１６６で滑動する。第１の位置では、示されるように、部材１５４は、通気口１７２を塞がない。部材１５４のこの位置では、通気口１７２は、ダイ内部１６６とチャンバ内部１０４との間で、流体連通を提供する。したがって、チャンバ内部１０４の排気は、通気口１７２を介してダイ内部１６６を排気する。また、チャンバ内部１０４へのガスの導入は、充填、混合、および拡散によって、通気口１７２を介してダイ内部１６６にガスを導入する。
【００３４】
一実施では、ラム１３４は、一方向にのみ力を適用する。ラム１３４は、３つの機能のために使用できる。第１に、ラム１３４は、部材１５４をダイ１５０内に導入して、ダイ１５０を閉鎖するために使用でき、部材１５４および周辺構成要素１５２の摩擦嵌合に打ち勝つ力を適用する。このとき、部材１５４は第１の位置にある。第２に、ラム１３４は、部材１５４を第１の位置から離れるように同じ方向に（更にダイ１５０内に）動かし、通気口１７２を塞いで、圧力の適用時に、溶融金属が通気口を通じて漏れることを防ぐために使用できる。このとき、部材１５４は第２の位置にある。第３に、ラム１３４は、ダイ１５０の内容物の高密度化のために、同じ方向に力を加えるために使用できる。
【００３５】
ラム１３４が、部材１５４を第１の位置（図示される）から離れるように更にダイ１５０内に進ませると、部材１５４は第２の位置で、完全に通気口１７２を塞ぎ、気体および液体を封止して、ダイ１５０の内容物がチャンバ内部１０４に漏洩しないようにする。本発明の様々な態様による一実施では、部材１５４、ダイ１５０の構成要素は、グラファイトで形成される。部材１５４の寸法は、上で検討したように、周辺構成要素１５２内で摩擦嵌合を提供する。
【００３６】
基材またはコアは、構造的な剛性を目的の生成物に与える。基材は、溶融温度が、複合物表面層を形成する構成要素のうちの少なくとも１つの溶融温度よりも高いので、基材の溶融温度よりも低い高温を、ダイの内容物に適用することによって、表面層材料が溶融体を形成するのに対し、基材のバルクは固体のままであり、すなわち溶融しないであろう。複合物層と接触する基材表面では溶融し、優れた結合が生じるであろう。基材は、構造用金属（例えば、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛）であって、商業用の純粋な形態、または一部の場合には合金の構造用金属で形成してもよい。合金は、任意の構造用金属および／または合金化材料（例えば、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、ケイ素）を含んでもよい。基材は、本質的に低い気孔率を呈する、ブレーキロータ用に予め切断された商業用のプレート材料であってもよく、または基材１６２は、低気孔率で形成された、商業用の純粋なアルミニウムもしくはアルミニウム合金の鋳造もしくは圧延ディスクであってもよい。
【００３７】
典型的に粉末形態である表面層材料は、発熱反応のための少なくとも１つの反応物を含んでもよく、生成物の機能を発揮させ、かつ／または生成物の機能の性能を向上させる材料を更に含んでもよい。機能は、構造的特性に依存し得る。粉末および／または表面層を、強化材（ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ）と称してもよい。基材および表面層の生成物を、表面強化材を有するコアと称してもよい。粉末は、金属インゴットの形態を取ってもよく、１以上の材料の粒子を含んでもよく、各材料は粉末の構成材料である。粉末は、加熱時、発熱反応に関与し得る。好ましくは、発熱反応は、気相の生成物を生じない。例えば、粉末１６４および１６５は、組成が同一である。粉末１６４は、本明細書で検討する方法の結果として、基材１６２と一体の表面を提供する。基材１６２をコアとして形成される車両ブレーキロータの摩擦および摩耗特性を改善するために、粉末１６４および１６５はセラミック微粒子（例えば炭化ケイ素）を含む。粉末１６４または１６５は、２つの反応物を含んでもよい。第１の反応物は、構造用金属および／または合金化材料であってもよい。第２の反応物は、ホウ素、ケイ素、コバルト、鉄、ニッケル、マグネシウム、パラジウム、チタン、またはこれらの組み合わせであってもよい。従来の分析、シミュレーション、または試験を使用して、目的の反応および反応物により決定される高温に粉末が加熱されるまで、発熱反応は開始しないであろう。
【００３８】
車両ブレーキロータでは、炭化ケイ素は、金属粉末中に含まれる好ましいセラミック粒子である。炭化ケイ素の代わりに、または炭化ケイ素に加えて、粉末で使用できる他のセラミック粒子としては、金属の炭化物、窒化物、ケイ化物、酸化物、および金属間組成物（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）が挙げられる。これらのセラミック粒子の金属構成要素としては、アルミニウム、チタン、ホウ素  鉄、ニッケル、コバルト、銅、および亜鉛の単独のものまたは任意の組み合わせが挙げられる。車両ブレーキロータの作製のための一実施では、粉末は、アルミニウム合金およびセラミック微粒子を含んでもよい。アルミニウム合金は、Ｓｉを０パーセントから最大６〜１９重量％、好ましくは７〜１８重量％、より好ましくは９〜１２重量％含んでもよく、Ｍｇを０重量％から最大０．１〜１５重量％、好ましくは０．２〜１２重量％、より好ましくは０．４〜１重量％含んでもよい。合金のケイ素は、優れた濡れ性および／または結合性を、炭化ケイ素を含む大抵のセラミック粒子に与える。ＳｉＣと結合したケイ素は、炭化アルミニウムの形成を減少させる。炭化アルミニウムは、水分の存在下で腐食することがあり、これにより構造的一体性を失う。本発明の様々な態様による、好ましい車両ブレーキロータでは、層の組成は、２５〜６５体積％以上、好ましくは３０〜６５体積％、より好ましくは３５〜５０体積％の単一または混合セラミック微粒子である。
【００３９】
層は、金属マトリックスおよび基材の結合の結果を指す。本発明の様々な態様により形成される基材および層の生成物の断面は、粉末の構成材料の段階的濃度を明らかにすることができ、これは、生成物の表面で始まり、基材内へと延びる。層は、生成物の機能を発揮するために有意である濃度以上の構成材料を有する、生成物の部分に相当する。層の内部境界は、目視検査による確認が難しいことがある。しかし、目的の機能、当該機能を有意に発揮するために必要な構成材料の濃度、および電子分散分光法に基づいて、境界（例えば表面からの深さ）を決定できる。境界は、目視検査では明らかでないことがあるので、境界は、分析、シミュレーション、および／または試験によって決定してもよく、生成物の寸法（例えば厚さ）として規定してもよい。例えば、生成物が車両ブレーキロータの場合、粉末１６４によって形成される層は、生成物の表面から境界まで、生成物内に延びていてもよく、この境界は、車両ブレーキロータの有用なブレーキ寿命の終わりに関連するセラミック粒子の濃度を基準として画定される。粉末由来の炭化ケイ素の濃度を、試作品の様々な深さでの試験によって決定し、ブレーキ層を画定してもよい。本発明の様々な態様による、固体基材の表面上に層を形成するための方法は、上で検討したように、実質的に気孔が存在しない層を作製する。この結果は、一部の実施において、ダイ空洞を排気すること、ダイの内容物を、金属粉末の融点と基材の融点との間の温度に加熱すること、および粉末と基材との間の任意の可能性のある発熱反応の前に開始し得、粉末の融点未満に層が冷却された後に終了し得る期間、圧力を適用することのうちの１つ以上の組み合わせによって得られる。車両ブレーキロータを作製する方法の一実施では、層は、基材に接合したセラミックを含み、この接合は、金属マトリックス複合物を形成する基材との一体化によりなされる。層は、基材と比較して、優れた摩擦、摩耗、および熱容量特性を有し得る。
【００４０】
このような方法の実施は、任意の実用的な順序で、固体基材および粉末を含む内容物をダイ内にロードすること、基材の表面および粉末の溶融を可能にする温度に、内容物を加熱すること、ならびに内容物を高密度化することを含む。別の実施では、発熱反応が存在しないときに加熱が行われ、表面層と基材との間の結合を達成する。本方法は、高密度化する前に、ダイを排気することを更に含んでもよい。
【００４１】
例えば、図２の方法２００は、ダイ（１５０）を組み立て（２０２）、ダイの内部を離型化合物でコーティングし、組み立てられたダイをチャンバ内に置くことで始まる。一体構造のダイを使用する場合、例えば、上で検討したように、（プロセス中に生じ得る任意の相の）内容物および生成物を収容可能であるダイを使用する場合、組み立てを省略してもよい（例えば不必要である）。
【００４２】
ダイ、粉末、および基材に使用される材料に応じて、適切な離型化合物を適用して、ダイの内部をコーティングしてもよい。このようなコーティングは、生成物のダイからの取り出しを容易にする。例えば、グラファイトおよび熱可塑性樹脂で形成されるドライフィルム潤滑剤であって、アルミニウムの熱間鍛造、揺動鍛造、および冷間押出、ならびに金属鋳造の金型の前処理で、ビレット潤滑剤として使用される種類のドライフィルム潤滑剤を使用してもよい。例えば、Ａｃｈｅｓｏｎにより市販されるＤＡＧ  ３８６を使用してもよい。また、窒化ホウ素離型化合物を使用してもよい。
【００４３】
ダイに内容物をロードすることは、粉末（１６４）をダイ（１５０）の内側に広げ（２０４）、基材（１６２）（例えばブレーキロータコア）を粉末（１６４）の上に置き（２０６）、粉末（１６５）を広げ（２０８）、基材（１６２）を覆うことにより達成され得る。また、混合金属粉末の代わりに、固体形態または粉末形態のアルミニウムインゴット、例えばＡ３５６またはＡ３５９を使用してもよい。２つの粉末分散、もしくは２つのインゴット、または粉末およびインゴットの両方と基材とは、ダイの内容物を構成する。
【００４４】
別の実施では、基材の片側にのみ層を形成するために、広げる工程のうちの１つを省略してもよい。
【００４５】
ダイをロードする前に、２以上の粉末材料の均一な混合物として、粉末を調製してもよい。粒子サイズ分布の均一性、および混合物内の粒子材料分布の均一性は、少なくとも部分的に、従来の粉砕、スクリーニング、および混合技術を使用して、粉末を調製することにより達成できる。
【００４６】
ロード後、上で検討したように、ダイ（１５０）をカバー（１５４）してもよい。一実施では、残留大気ガスをダイの内部から排気するために、ダイの通気口（１７２）を開放したまま、ダイ（１５０）が閉鎖される。排気のため、ダイを真空ホットプレス、上で検討したシステム（１００）、または真空チャンバ内に置いてもよい。
【００４７】
ダイが通気口を備え、通気口が開放されている場合、１以上のサイクルでの排気（２１０）および／またはパージにより、ダイの内部のガスを除去して、大気または他のガスが存在しない適切な状態を得ることができ、この大気または他のガスは、そうでなければ、層内の気孔の一因となることがある。導入される任意のガスは、残って望ましい化学反応に関与してもよく、または、好ましくは、ダイから排気されてもよい。排気後、上で検討したように、例えばラムを動かすことによって、通気口を閉鎖する。他の実施では、従来技術を使用して通気口を覆うことにより（例えば、栓を通気口に差し込み、ダイの周りにバンドを適用して栓を固定する、ダイの周りにバンドを適用して通気口を覆う）、通気口を閉鎖する。
【００４８】
一実施では、排気（２１０）は、（真空ホットプレスとは対照的に）通気口を閉鎖するように設けられた真空チャンバ内で達成される。別の実施では、排気されたチャンバ内で、ダイがロードされ（２０４、２０６、２０８）、閉鎖される。更に別の実施では、ダイは通気口を備えず、排気されたチャンバ内で、ダイがロードされ（２０４、２０６、２０８）、閉鎖される（例えば、カバー１５４が取り付けられる）。その後、ダイは従来のホットプレス内、または図１を参照して、上で検討した種類のシステム内に置かれるが、ただしこのシステムでは、排気サブシステムが省略され、制御装置およびチャンバが結果的に簡略化されている。
【００４９】
１以上のロードされたダイ（１５０）を予め用意し、輸送し、かつ／または無期限に保管してもよい。ロードされたダイを、バッチ加工のために、ウェブと組み合わせてもよい。バッチ加工は、方法２００の任意の工程間において、従来の材料取り扱い技術で達成できる。ロードされたダイの内容物は、表面層の金属合金を溶融するために十分に高い温度に加熱される（２１２）。粉末の構成材料間の任意の発熱反応は、表面層の温度を更に上昇させるであろうから、必要な外部加熱はより少なく、本明細書で溶融体と称されるものが生じる。表面層とコアとの間の界面で、より高い温度を発生することも、表面層とコアとの間のより良好な接着性に寄与するであろう。しかし、特定の構成材料、例えばＡｌ−ＳｉＣ粉末では、例えばＴｉを添加しない限り、発熱反応は非常に少ないか、または全く起こらないであろう。加熱は、ダイの内容物全体が高温になるまで続けてもよい。表面層を完全に溶融し、コアに結合する十分な期間、およびダイの内容物の発熱反応を実質的に完了するための期間（例えば、意図される反応物の９０％〜１００％が反応によって消費されるのに必要な時間）の後、加熱を中止してもよい。また、発熱反応は、粉末に隣接する基材（１６２）の表面が関与してもよい。可能にすることは、一般に、粉末の構成材料の融点を超えることを含む。
【００５０】
基材が存在しないとき、粉末は、粉末の少なくとも１つの構成材料が液相で存在する溶融温度を有する。粉末溶融温度を、粉末の１以上の構成材料が液相で存在する温度として定義してもよい。１つより多い構成要素が溶融する場合、溶融した構成要素は、合金または新しい化合物を形成してもよい。例えば、溶融したアルミニウム合金は、チタン粉末と反応して、金属間化合物ＴｉＡｌ、Ｔｉ３Ａｌ、ＴｉＡｌ３のうちの１つまたは全てを形成し得る。粉末の残りの構成材料（一般にセラミック微粒子）は、固相であり続けてもよい。発熱反応は、粉末の固体材料と粉末の液相材料との濡れ性を改善し得る。
【００５１】
基材の表面は、粉末と接触していないとき、本明細書で基材溶融温度と称される溶融温度を有する。基材の表面は、発熱反応の加熱および化学効果の対象であってもよく、表面で、またはより低い溶融温度の表面層と接触して、局所的に溶融してもよい。例えば、アルミニウム合金中のケイ素は、溶融温度を低下させる。Ｓｉが表面層にＡｌと共に存在する場合、Ｓｉはコアの表面と反応を開始し、かつコア内に拡散して、更なる溶融を引き起こし得る。したがって、加工中の溶融温度における時間は重要であり、コアの表面を越えたコアの溶融を回避するために、最適化されなければならない。また、長時間の溶融温度は、界面に気孔を生じさせることがあり、この気孔は、機械的および熱的特性に対して有害である。
【００５２】
本発明の様々な態様による、重要な部類の実施では、基材のバルクは、プロセス中の任意の時点において、液体として存在しない。バルク溶融を回避するために、上で検討した高温は、基材溶融温度未満でなければならない。バルク溶融を回避するために、高温、高温を維持する持続時間、任意の発熱反応の程度、および基材の熱容量は、分析、シミュレーション、および／または試験によって選択される。
【００５３】
任意の可能性のある発熱反応を可能にする前、その間、および／またはその後に、ダイの内容物を高密度化してもよい。高密度化は、ホットプレス技術と多少類似する技術を使用して達成できる。ホットプレス技術は、固体材料に圧力を適用する。対照的に、本発明の様々な態様によると、圧力は、液体を含む溶融体に適用される。例えば、起こり得る任意の発熱反応の前および／またはその間に、圧力を内容物に適用してもよい（２１４）。圧力（すなわち機械的な力）は、発熱反応の開始および／または維持に寄与し得る。圧力は、ダイの構成要素（例えばカバー１５４、ベース１５６、カバーおよびベースの両方）に適用されてもよい。圧力を適用して、ダイのカバーおよびベースを互いの方へ押し進めてもよい。圧力は同じ力で継続してもよく、または一連の力で継続してもよい。例えば、ダイを加熱のための領域（１０４）から出し、冷却のための領域に入れる動きを容易にするために、圧力を短時間中断し、回復させてもよい。
【００５４】
場合により発熱反応中に、圧力を溶融体に、基材に逆らうように適用することにより、溶融体の少なくとも１つの材料（例えば、金属マトリックス複合物、金属間複合物、液体金属合金、反応の生成物）は、金属マトリックス複合物、金属間複合物、および／または基材の合金を形成することによって、基材と結合する。圧力を溶融体に適用することにより、溶融体の固体微粒子材料が、より完全に濡れてもよい。したがって、生成物の使用時、層は固体微粒子を不利な条件で保ち得る。
【００５５】
発熱反応、基材の表面に対する溶融体の存在、および／または基材に対する溶融体の圧力は、溶融体および基材の表面を一体化し得る。一体化は、基材の表面の局所的溶融を含んでもよい。
【００５６】
好ましくは、ダイの内容物が、溶融した液体構成要素から固体に冷却するまで、高密度化を継続する。一部の基材および粉末の組み合わせでは、液体から固体への冷却中、生成物の大幅な収縮が起こり得る。冷却中に、高密度化圧力を継続することによって、気孔を回避し得る。例えば、ダイの内容物への圧力は、ダイの内容物が冷却される間（２１６）、維持される。加速冷却は、従来技術を使用して達成され得る（例えば、チルドガスをチャンバ内に、例えば液体窒素の供給源から導入し、または単なるガスフローをチャンバに通す）。
【００５７】
更なる大幅な収縮のリスクが低下した後、圧力を除去してもよい（２１８）。その後、チャンバ（１０２）の開放準備をしてもよい。ダイをチャンバから取り出して、生成物をダイから取り出すことを容易にしてもよい。最後に、生成物をダイから取り出す（２２０）。取り出しは、ダイの解体を含んでもよい。取り出しは、周辺構成要素を残りのダイおよび生成物の組み合わせから取り外した後、ベースおよびカバー構成要素を生成物から分離することを含んでもよい。ダイの構成要素を、再使用のために修復（ｒｅｆｕｒｂｉｓｈ）してもよく、またはそのまま再使用してもよい。
【００５８】
本発明の様々な態様による一実施では、生成物は、次のアセンブリにおける設置の用意ができており、または使用の用意ができている。生成物の仕様を満たすために、後工程の機械加工が不必要であってもよい。他の実施では、生成物はニアネットシェイプであり、後工程の機械加工の用意ができている。
【００５９】
車両ブレーキロータを形成するための一実施では、ダイは、溶融金属の格納容器として機能する。ダイの全ての構成要素を、同様の構成で形成し、熱膨張の違いを回避してもよい。例えば、図３のダイ１５０は、周辺構成要素１５２、ボトムベース構成要素１５６、ハブ構成要素１５８、および図４のトップカバー構成要素１５４を備える。一実施では、構成要素は、下記の表１に記載される寸法および特性を有する。
【００６０】
周辺構成要素は、１以上の外部側壁をダイに提供する。外部側壁は、生成物に望まれるネットシェイプに相当してもよい。生成物のダイからの取り出しを簡略化し、溶融金属をより良好に格納するために、円および楕円の形状が好ましい。例えば、周辺構成要素１５２は、中心３０２を通る円対称の軸を有する空のシリンダとして形成される。周辺構成要素１５２は、半径３８６において、ダイ１５０の外部表面を画定する。
【００６１】
ベース構成要素は、周辺構成要素を少なくとも部分的に閉鎖するのに役立ち、これにより、ダイがロードされ得るようにする。ベース構成要素は、ダイの内容物に対して、機械的な力を適用するための表面を提供し得る。例えば、ベース構成要素１５６は、中心３０２を通る円対称の軸を有するディスクとして形成され、この中心３０２は、周辺構成要素１５２の対称の軸に相当する。ベース構成要素１５６は、半径３８４において、周辺構成要素１５２と円形摩擦嵌合封止を形成する。ベース構成要素１５６は、ハブ構成要素１５８に対して、半径３８２で摩擦嵌合封止を形成するサイズの円形オリフィスを備える。構成要素間の摩擦嵌合封止は、運転温度において、膨張により摩擦嵌合が緩和され、液体金属が加圧下で摩擦嵌合を通って漏洩することのないように調節される。
【００６２】
ハブ構成要素は、１以上の内部側壁をダイに提供する。内部側壁は、生成物に望まれるネットシェイプに相当してもよい。生成物のダイからの取り出しを簡略化するために、円および楕円の形状が好ましい。例えば、ハブ構成要素１５８は、中心３０２を通る円対称の軸を有するシリンダとして形成される。ハブ構成要素１５８は、半径３８２において、ベース構成要素１５６と円形摩擦嵌合封止を形成する。ハブ構成要素１５８は、通気口１７２を備える。
【００６３】
通気口１７２は、ハブ１５８内に１以上の孔をあけることにより形成してもよい。他の実施では、ハブ構成要素１５８は、同様の構成および向きの１つより多い通気口を備える。
【００６４】
ダイのカバー構成要素は、ダイの１以上の他の構成要素と協働して、内容物をダイ内に完全に収容する。カバーは、ダイの内容物に対して、機械的な力を適用するための表面を提供し得る。例えば、カバー構成要素１５４は、中心４０１を通る円対称の軸を有するディスクとして形成され、この中心４０１は、周辺構成要素１５２の対称の軸に相当する。カバー構成要素１５４は、半径３８４において、周辺構成要素１５２と円形摩擦嵌合封止を形成する。カバー構成要素１５４は、ハブ構成要素１５８に対して、半径４０４および３８２で摩擦嵌合封止を形成するサイズの円形オリフィス４０２を備える。
【００６５】
【表１】
2018537596.tif 000003
【００６６】
摩擦嵌合封止は、摩擦嵌合するべき構成要素の半径の不整合により形成してもよい。不整合は、０．００２インチ〜０．０１０インチ、好ましくは約０．００３〜０．００９インチ、より好ましくは０．００４〜０．００８インチであってもよい。約０．００５インチの不整合が特に好ましい。不整合は、同じ組成および断面の部分では、高温でも一定のままである。
【００６７】
本発明の更なる特徴は、下記の実施例から理解されるであろう。
【実施例】
【００６８】
実施例Ｉ
第１の実施例として、下記のように方法２００を使用して、車両ブレーキロータを形成できる。工程２０４および２０８において、粉末は、粉末アルミニウムケイ素合金、炭化ケイ素粉末、およびチタン粉末を含む。バインダは粉末中に含まれない。ＡｌＳｉ合金構成材料は５９．５重量％であり、ＶａｌｉｍｅｔによりＧｒａｄｅ  Ｓ−９として市販される、Ｄ１０が４．８２マイクロメートル、Ｄ５０が１５．２３マイクロメートル、およびＤ９０が３７．５６マイクロメートルにより定義される粒子サイズの分布を有する種類のものである。ＳｉＣ構成材料は３８．０重量％であり、ＥＳＫによりＧｒａｄｅ  Ｆ６００−Ｄとして市販される、粒子サイズが１０マイクロメートル〜２０マイクロメートルの種類のものである。チタン構成材料は２．５重量％であり、ＡＤＭＡにより市販される、粒子サイズが約４４マイクロメートルの３２５メッシュとして規定される種類のものである。粉末は、材料分布が均一になるまで混合される。各粉末部分１６４および１６５が、均一な厚さ０．０１０インチ〜０．２５インチ、好ましくは０．０６０〜０．１２５インチ、より好ましくは０．０４０〜０．０８０インチ、最も好ましくは約０．０５０インチに広げられる。
【００６９】
粉末のチタン構成材料は、いくつかの目的に役立つ。チタンおよびアルミニウムは、アルミニウムが液相にあるときに反応し、熱を生じる（すなわち、発熱反応）。チタンおよびアルミニウムの反応は、融点がチャンバの高温よりも大幅に高い、チタンアルミナイドを形成し得る。したがって、粉末のアルミニウムの一部は、この時点でチタンアルミナイドとして、もはや液相ではなく、ダイ１５０の封止を通って漏洩するリスクが低下する。溶融体の冷却時、層の表面は、収縮による表面の変形の結果、パイピング構造（ｐｉｐｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の形成の対象となる。パイピング構造の形成は、粉末中にチタン構成材料を含むこと、およびアルミニウム合金構成要素の冷却中に圧力を適用することにより、抑制され得る。
【００７０】
工程２０６において、基材は、１１００アルミニウムとも称される商業用の純粋なアルミニウム（鍛造アルミニウム）であり、形状は直径が約１２．０インチ、厚さが約０．５インチのディスクである。ディスクは、自動車の従来のハブにディスクを取り付けるために、直径が約６．０インチの中心円形開口部を有する。商業用のアルミニウムディスクは、非常に低い気孔率を有する。
【００７１】
工程２１０において、ダイを、従来のポンプを使用して、１００ｔｏｒｒ未満の圧力に排気する。チャンバを窒素またはアルゴンガスで再充填（ｂａｃｋ  ｆｉｌｌ）した後、再びポンプで吸い出す。チャンバを窒素またはアルゴンガスで充填した後、更に再びポンプで吸い出す。結果として生じる圧力は、１００ｔｏｒｒ未満である。排気前に、ダイ内の粉末を乾燥させてもよい。乾燥を達成するために、加熱サブシステム１１２を、設定点摂氏１５０度から２５０度の間、好ましくは約２００度、および保持時間最大１０時間〜２０時間でプログラミングする。プレスサブシステムを設定点２０ｐｓｉ〜１００ｐｓｉでプログラミングして、カバーを上で検討した第１の位置から第２の位置に滑らかに動かすことにより、通気口を閉鎖する。
【００７２】
別の実施では、粉末をダイ内に広げる（２０４、２０８）前に、任意の従来技術（例えば、真空、温度）によって、粉末を予め乾燥させる。したがって、温度設定点および保持時間を省略することにより、工程２１０を簡略化してもよい。
【００７３】
工程２１２において、加熱システムを、設定点摂氏約６２５度、および保持時間最大約１．５時間でプログラミングする。また、設定点摂氏５５０度、および保持時間約２．０時間を使用してもよい。ハブ構成要素１５８の温度が摂氏５５０度〜６２５度に達する時に終了する期間では、設定点摂氏７５０度を使用し、この期間の終了後、設定点摂氏６２５度、および持続時間１．５時間〜２．０時間を使用してもよい。上で検討したように、基材は、金属を純粋な形態、または合金形態で含み、粉末の構成材料を溶融させる温度よりも高い基材溶融温度を有する。基材をバルク溶融させない方法で、ダイの内容物を加熱する。
【００７４】
工程２１２および２１４は、同時に行われる。
【００７５】
工程２１４において、プレスサブシステム１１４を、設定点２５０ｐｓｉ〜６００ｐｓｉ、好ましくは３５０ｐｓｉ〜６００ｐｓｉ、より好ましくは５００ｐｓｉ、および移行時間０．２５〜１．０時間、好ましくは約０．５〜１．０時間、より好ましくは約０．５時間を達成する速度でプログラミングする。ダイ１５０内のラム１３４の直線的な変位は、内容物が液体形態にある場合、内容物の計算厚さに制限される。工程２１６で冷却が開始した後、冷却中の生成物の収縮を考慮するために、ダイ１５０内への追加の直線的な変位を計算してもよい。
【００７６】
工程２１６において、加熱システムを周囲温度の設定点でプログラミングする。冷却は、強制冷却せずに、約２．５〜３時間進行し、このときダイは、摂氏約３００度にある。好ましくは、冷却中ずっと、排気されたチャンバで、高密度化が継続する。
【００７７】
別の実施では、摂氏６２５度での最終浸漬（ｓｏａｋ）の後、排気サブシステムを周囲圧力の設定点でプログラミングし、窒素を液体窒素源からチャンバ内に導入することによって、更なる冷却を加速する。
【００７８】
工程２１８において、プレスサブシステムを設定点０ｐｓｉでプログラミングし、または圧力を単純に手動で解放する。設定点に達すると、ダイがチャンバから取り出される。
【００７９】
工程２２０において、ダイ１５０を解体し、形成されたディスクを取り出す。このディスクは、その後、車両への設置のために、ロータハブに溶接されてもよい。結果として生じる車両ブレーキロータ生成物は、厚さ約８ｍｍの固体アルミニウムコア、および両側の厚さ約３ｍｍの層を有し、この層は、ブレーキ表面として、アルミニウムマトリックス中に炭化ケイ素を含む。ロータの両側のブレーキ面積の３５％〜６０％は、炭化ケイ素金属マトリックス複合物である。ロータの気孔率は、好ましくは、０．５〜１体積％未満である。金属マトリックス層とコアとの間に形成される結合は、冶金的拡散結合（ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｂｏｎｄ）であり、この結合は、デラミネーションおよびスポーリングを排除する。本方法の結果として、排気が溶融体を脱気し、適用した機械的な力が固体炭化ケイ素粒子を溶融体中に維持し、かつ適用した機械的な力が、溶融体と基材の表面との結合に寄与した。
【００８０】
本明細書で検討されるシステムおよび方法を使用して形成される車両ブレーキロータは、ロータの厚み全体にわたって、セラミック複合物を含んでもよく、このロータは、配合物の発熱構成要素を含んでもよい。他の実施では、発熱構成要素は配合物で利用されず、ロータのセラミック複合物部分は、摩擦表面における比較的高い濃度から、ロータの厚みを通って比較的低い濃度まで、セラミック粒子の漸次的変化を呈する。
【００８１】
実施例ＩＩ
第２の実施例として、下記のように方法２００の変形例で、車両ブレーキロータを形成できる。工程２０４および２０８において、粉末は、アルミニウム合金、チタン、および炭化ケイ素を含む。アルミニウム合金は、一般に３５６と称される種類のものである。炭化ケイ素は、粉末の３５％で含まれる。炭化ケイ素粒子の９０パーセントは、１５マイクロメートル（μｍ）である。粒子を、従来の任意の混合技術によって乾燥混合する（例えば、スチールボールまたはセラミックボールでのボールミル、アトリションミリング、回転タンブリング（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  ｔｕｍｂｌｉｎｇ）、パルス流動床）。均一な材料濃度に混合した後、粉末のアルミニウム合金の融点を超えて加熱されるときに混合物を収容するダイ内に、粉末を流し込む。
【００８２】
工程２０６において、鋳造または圧延により作製される純粋なアルミニウムのプレートを基材として使用し、アルミニウム合金３５６を表面層として使用する。
【００８３】
工程２１０において、ロードされたダイを、空気の排気可能なチャンバ内に置く。真空ポンプを使用して、チャンバ内の圧力を１００ｔｏｒｒ未満に吸い出す。チャンバを不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン、二酸化炭素、アンモニア）で再充填する。吸い出しおよび再充填するサイクルを、更に２回繰り返す。
【００８４】
工程２１２および２１４は、同時に行われる。
【００８５】
工程２１２において、温度をアルミニウム合金３５６の融点に上昇させ、これにより、粉末のアルミニウム合金および表面を溶融させる。チタン粉末は、粉末の溶融アルミニウムおよび基材と発熱反応し（テルミット型反応）、粉末のアルミニウム合金の溶融に寄与する熱を生じる。また、この熱は、アルミニウムと炭化ケイ素粒子との濡れ性および／または結合、ならびにケイ素と炭化ケイ素粒子との濡れ性および／または結合を向上させる。粉末のチタン構成材料は、粉末の溶融アルミニウム合金と反応して、チタンアルミナイド（例えば、ＴｉＡｌ、Ｔｉ３Ａｌ、およびＴｉＡｌ３）を形成する。粉末のチタン構成材料の一部は、粉末のアルミニウム合金由来のケイ素と反応して、チタンシリサイド（例えば、ＴｉＳｉ２、Ｔｉ５Ｓｉ３）を形成する。
【００８６】
工程２１４において、液体アルミニウム金属からの圧搾を防止する漏洩防止フィットラム（ｌｅａｋ  ｐｒｏｏｆ  ｆｉｔｔｅｄ  ｒａｍ）で、圧力をダイに適用する。約１．４ＭＰａ〜３５ＭＰａ（２００ｐｓｉ〜５ｋｓｉ）の圧力を使用してもよい。選択される圧力は、粉末の液体アルミニウム合金を粉末の残りの構成材料に浸透させるために十分である。溶融アルミニウム合金へのラムの圧力は、炭化ケイ素粒子をプレスする。第１の実施では、十分な圧力および持続時間（例えば、適切な設定点）が、炭化ケイ素粒子を、ベース１５６に隣接する表面に集中させて、カバー１５４に隣接する表面と比べて、比較的大きな摩擦を当該表面に提供する。第２の実施では、第１の実施と比較して、より低い圧力設定点および／またはより短い持続時間設定点を使用する。第２の実施では、炭化ケイ素粒子は、生成物の断面全体にわたって、より均一である。
【００８７】
工程２１６において、加熱を中止する。冷却を周囲温度まで続ける。
【００８８】
工程２２０において、生成物である車両ブレーキロータを、ダイから取り出す。生成物は、好ましくは、実質的に気孔を有しない。車両ブレーキシステムで生成物を使用するために、後続の機械加工は必要ない。
【００８９】
生成物は、チタン粒子と溶融アルミニウム合金との発熱反応で部分的に形成される複合物から構成され、この複合物は、反応からの熱、補助加熱、および溶融アルミニウムを通じてセラミック微粒子を押す圧力の結果である。
【００９０】
第１の実施では、工程２１０は、工程２１２、２１４および２１６と同時に継続する。第２の実施では、工程２１２、２１４および２１６は、周囲気圧で行われる。両方の生成物は、十分に低い気孔率を含むが、より低い気孔率は、第２の実施と比較して、第１の実施から生じ得る。
【００９１】
この第２の実施例のいくつかの変形例は、本発明の様々な態様による実施である。任意のアルミニウム合金を粉末および基材に使用してもよいが、ただし基材の溶融温度が、層を形成するために使用されるアルミニウム合金よりも高い場合に限る。工程２０４および２０８でダイ内に広げられるＳｉＣ粉末の量を増加させて、生成物中のセラミックの表面濃度または充填量を増加させてもよい。プレスは、減圧気圧（ｒｅｄｕｃｅｄ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）下で行ってもよく、または不活性の非反応性ガスの周囲気圧で行ってもよい。加熱は、従来の電気伝導、磁気誘導、放射マイクロ波技術または上方および下方ラムを通じたダイ内容物の抵抗加熱を使用して達成してもよい。粉末は、コバルト、鉄、マグネシウム、および／またはニッケルが関与するアルミニウムとの発熱反応を補助するために、チタンの代わりに、またはチタンに加えて、反応物を含んでもよい。粉末は、生成物の機能に適したサイズのセラミック粒子を含んでもよい。車両ブレーキロータでは、サイズが５００マイクロメートル未満、好ましくは１００マイクロメートル未満、最も好ましくは５０マイクロメートル以下のセラミック粒子を使用してもよい。炭化ケイ素の代わりに、または炭化ケイ素に加えて、任意のセラミック粒子を使用してもよい。他の実施では、セラミック粒子は、従来の異なる材料（例えば、酸化物、炭素、炭化チタン、窒化クロム、炭化クロム、二ホウ化チタン）の混合物である。
【００９２】
実施例ＩＩＩ
第３の実施例として、基材をアルミニウム合金５０５２で形成し、表面層で使用した金属合金粉末は４０３２タイプであったことを除き、実施例ＩＩのプロセスを繰り返した。
【００９３】
実施例ＩＶ
第４の実施例として、下記のように方法２００により、車両ブレーキロータを形成できる。工程２０４および２０８において、アルミニウム粉末および炭化ケイ素粉末の混合物を使用する。
【００９４】
工程２０６において、基材は商業用の純粋なチタンのディスクであり、車両ブレーキロータ用の寸法に予め切断されている。
【００９５】
工程２１２および２１４は、同時に行われる。
【００９６】
工程２１２において、抵抗加熱は、電流源（例えば、ＤＣ、ＡＣ、パルス）供給部をラムおよびダイのベース構成要素に接続することを含む。ダイを通る電流は、温度を上昇させ、アルミニウム粉末を溶融させ、プラズマを発生する。熱はアルミニウムを溶融させる。バルク基材は溶融しないが、その理由は、基材が経験する温度は、基材の溶融温度を超えないからである。しかし、基材の表面は、金属マトリックス複合物表面層中の元素と反応し始めるであろう。このことは、界面での強い結合を促進するため、有益である。溶融アルミニウムは、基材のチタンと発熱反応して、ガンマチタン（すなわちＴｉＡｌ）、または他のアルミナイドのＴｉ３ＡｌもしくはＴｉＡｌ３を形成する。アルミニウムが液相である間に、十分に高密度の表面層が形成され、これは、チタンアルミナイド（例えば、ＴｉＡｌ、Ｔｉ３Ａｌ、ＴｉＡｌ３）中の炭化ケイ素粒子から構成される。
【００９７】
工程２１４において、約１０ＭＰａ〜３５ＭＰａ（１．４５ｋｓｉ〜５ｋｓｉ）の範囲の圧力が適用され、ダイの内容物を高密度化する。圧力が適用されると、炭化ケイ素微粒子強化チタンアルミナイドは、ほぼ完全に密になり、実質的に気孔を含まないようになる。
【００９８】
この第３の実施例のいくつかの変形例は、本発明の様々な態様による実施である。粉末は、良好なガンマ合金を生じることが知られる他の合金化元素（例えば、クロム、マンガン、ニオブ、ケイ素）を更に含んでもよい。ＳｉＣまたは他のセラミック粒子、例えばＴｉＣ、ＴｉＢ２、Ｂ４Ｃ等を含むＴｉおよびＡｌ粉末の初期の供給材料とは対照的に、供給粉末はプレアロイ粉末、例えばＴｉＡｌ、Ｔｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎｂ等であってもよい。基材は、商業用の純粋なチタンの代わりに、別のチタンの合金、例えば合金Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖで形成されてもよい。上で検討したように、加熱を、放射（例えばマイクロ波）、磁気誘導、または他の技術で補完してもよい。ラム間の抵抗加熱技術を、上で検討した加熱技術のうちの１以上で置き替えてもよい。任意のセラミック粒子またはセラミック粒子の組み合わせを、粉末で使用してもよい。粉末混合物は、発熱反応構成要素を含まなくてもよく、または他の発熱反応のための反応物、例えば金属間化合物形成物（例えば、銅、コバルト、鉄、ニッケル）を含んでもよい。
【００９９】
実施例Ｖ
第５の実施例として、下記のように方法２００により、車両ブレーキロータを形成できる。工程２０４から２２０は、上で検討した第３の実施例と同じであるが、少数の例外を有する。工程２１０において、ダイを排気しない。代わりに、ダイおよびチャンバ内の雰囲気は、イオン化ガス（例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素）で充填される。
【０１００】
工程２１２において、抵抗加熱を、粉末のアルミニウム材料構成要素が溶融温度に達する時間までの（およびこの時間を含む）持続時間適用する。ダイおよびダイの内容物の物質および熱移動特性、ならびに他のシステム構成要素（例えばラム）の任意の影響を説明する、分析、シミュレーション、および／または試験によって、この持続時間を決定してもよい。アルミニウム構成要素の抵抗加熱溶融と同時に、アルミニウムを溶融させるために必要に応じてパルス印加され得る電圧によって、溶融体を通じてプラズマが発生する。プラズマは、比較的急速にディスクおよび溶融体の温度を上昇させ、高密度化を促進する。プラズマは、溶融前のアルミニウム、および非溶融の炭化ケイ素セラミックの粒子の表面を浄化し、固化（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）および高密度化を促進する。
【０１０１】
追加の電源および／またはコンデンサバンクから、ラムを通じて高エネルギー放電を行うことにより、プラズマを発生させてもよく、これは、ダイ内のガスをイオン化させる。
【０１０２】
一実施では、工程２１２から抵抗加熱を省略し、プラズマに関連する加熱単独で溶融を達成する。
【０１０３】
この第４の実施例のいくつかの変形例は、本発明の様々な態様による実施である。基材は、上で検討したように、任意の構造用金属、または構造用金属の合金であってもよい。任意のセラミック粒子またはセラミック粒子の組み合わせを、粉末で使用してもよい。粉末は、他の発熱反応のための反応物、例えば金属間化合物形成物（例えば、銅、コバルト、鉄、ニッケル）を含んでもよい。ダイ内のイオン化ガスの圧力は、周囲圧力未満であっても、または周囲圧力以上であってもよい。
【０１０４】
実施例ＶＩ
粉末形態のアルミニウム合金３５６の混合物を、アルミニウムの合計の２％のチタンの粉末および３５％のＳｉＣと混合した。後者の粒子サイズは、９０％が１５マイクロメートル（μｍ）であった。スチールボールまたはセラミックボールでのボールミル、アトリションミリング、回転タンブリング、パルス流動床を含む適切な混合により、粒子を乾燥混合し、アルミニウムの融点を超えて加熱するときに混合物を収容するダイ内に流し込んだ。乾燥混合物の上部に、３５６アルミニウム合金の固体プレートを置いた。ロードされたダイを、空気の排気可能なチャンバ内に置いた。真空ポンプを用いて、チャンバ内の圧力を１００ｔｏｒｒ未満に低下させた。窒素、アルゴン、ＣＯ２およびアンモニアを含む不活性ガスで、チャンバを再充填し、再びポンプで３回吸い出した。フィットラムでダイに圧力を適用し、温度を３５６アルミニウム合金の融点に上昇させた。約１０ＭＰａ〜３５ＭＰａ（１．４５ｋｓｉ〜５ｋｓｉ）の圧力は、溶融した３５６合金を乾燥粉末混合物に浸透させるために満足であり、ここで、チタン粉末は溶融したアルミニウムと発熱反応（テルミット型反応）して、３５６合金粉末の溶融に寄与し、かつアルミニウムおよびケイ素とＳｉＣ粒子との濡れ性／結合の向上に寄与する内部熱を生じると共に、チタンが溶融合金と反応して、ＴｉＡｌ、Ｔｉ３ＡｌおよびＴｉＡｌ３を含み得るチタンアルミナイドを形成し、３５６合金中のＳｉからシリサイドＴｉＳｉ２およびＴｉ５Ｓｉ３を形成する。溶融した３５６合金へのラムの圧力は、ＳｉＣ粒子をプレスし、これは、十分に高い圧力および十分に長く保持されれば、ＳｉＣ粒子を底面に集中させるであろうが、このことは、その後、より大きな摩擦を当該表面に提供できる。この圧力がより低い範囲にあり、溶融したトップ３５６層がＳｉＣ粒子床に浸透するために十分な時間の後に圧力が除去される場合、ＳｉＣは、形成される複合物の断面にわたって均一であるであろう。加熱力を止め、溶融３５６合金を室温に冷却し、ロータをダイから取り出す。典型的には、溶融成形ロータの表面は十分満足なものであり、成形は、ロータをブレーキシステムに取り付けるために、後続の機械加工が必要ない公差でなされる。
【０１０５】
補助加熱と組み合わされた、チタン粒子と溶融アルミニウムとの間の発熱、および複合物を通じて、上部で溶融する溶融アルミニウムを押すラムの圧力により、残留気孔率が２％未満、最も多くの場合１％未満、典型的には０．５％未満の複合物が生じ、これは、ブレーキロータ用に理想的な複合物である。
【０１０６】
低い気孔率の蓋然性を向上させる１つの反復は、減圧下でプレスを行うことである。減圧により、任意の残留ガスを排除することは、残留気孔につながる残留ガスポケットが捕捉されないことに寄与する。
【０１０７】
任意のアルミニウム合金をマトリックスとして使用してもよく、ＳｉＣまたは任意のセラミック粒子組成物の任意の体積充填量を使用してもよく、プレス作業は、減圧下で行ってもよく、または不活性の非反応性ガスの周囲圧力で行ってもよい。加熱方法は、伝導、誘導、マイクロ波、またはダイ格納容器内の混合物をアルミニウムの融点を超えて昇温させる任意の適切な手段によってもよい。また、チタンおよびアルミニウム以外の反応を使用して、発熱発生反応を生じさせてもよい。いくつかの例示的な溶融アルミニウムとの発熱反応は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＭｇを含む。セラミックフィラーの粒子サイズは任意のサイズであってもよいが、より小さなサイズの粒子がブレーキ動作で最高の力を発揮するので、約５００μｍ未満の粒子サイズを使用するべきであり、好ましくは１００μｍ未満、最も好ましくは５０μｍ未満の粒子サイズを使用するべきである。また、セラミック粒子の混合物を使用して、複合物ロータの摩擦表面などのカスタム特性を達成してもよい。例えば、酸化物粒子は、緊急ブレーキ時のロータ本体への熱流への耐性に役立ち、炭素もチタンと反応してＴｉＣ粒子を形成でき、窒化クロムまたは炭化クロムは、摩擦を低下させることが知られており、一方でＴｉＢ２は、熱伝導率を増加させる。したがって、合金および粒子組成物をカスタマイズして、表面の摩擦係数および熱伝導率を含むカスタマイズ特性を有するブレーキロータを作製することが可能である。
【０１０８】
実施例ＶＩＩ
図６を参照して、ブレーキロータの寸法に予め切断されたＣＰチタンのディスクを作製し、前述のアルミニウムおよびＳｉＣ粉末の混合物を、工程６０２で両側に適用した。工程６０４において、追加の混合物をダイの下部に置き、ＣＰ  Ｔｉディスクをダイ内に置き、混合物の層をダイ内のＣＰ  Ｔｉディスクの上面に加えた。工程６０６において、ラムを加えてチャンバ内でダイにフィットさせ、チャンバを排気して、不活性ガスで再充填した。工程６０８で、高アンペア数、例えば２５，０００アンペアの交流電源を、上部ラムおよびダイの下部に接続することにより、プレスしながら加熱を行った。このダイの下部も、フィットラムであってもよい。印加される電力は、ＣＰ  Ｔｉディスクの表面で温度を上昇させ、粉末混合物中のアルミニウムを溶融させた。加熱を続けて、アルミニウムをチタンと発熱反応させると共に、圧力を約１０ＭＰａ〜３５ＭＰａ（１．４５ｋｓｉ〜５ｋｓｉ）の範囲で適用し続けた。アルミニウムが液相である間に、ＴｉＡｌ、Ｔｉ３ＡｌまたはＴｉＡｌ３を含み得るチタンアルミナイド中のＳｉＣ粒子から構成される十分に高密度の表面層が形成されたが、このＴｉＡｌは、ガンマチタンと称される。良好なガンマ合金を生じることが知られる他の合金化元素、例えばＮｂ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ等を、Ａｌ−ＳｉＣ粉末混合物に添加してもよい。アルミニウムの溶融体は、ＣＰ  Ｔｉディスクと反応して、ＣＰ  Ｔｉディスクに冶金的結合した表面層を形成する。適用圧力により、ＳｉＣ微粒子強化チタンアルミナイドは十分に高密度であり、かつ気孔を含まず、これは、ブレーキロータ用に非常に望ましい特徴である。加熱プロセス全体は非常に高速であり、約６０秒しかかからなかった。工程６１０において、電流電源を接続解除し、コーティングされたブレーキロータを収容するダイアセンブリに、温度に応じて冷却不活性ガスまたは空気を、５分間送風した。
【０１０９】
基材は、ＣＰ  Ｔｉディスクまたは任意のチタン合金であってもよく、ラム間の抵抗加熱の代替として、パルスまたは連続電流、マイクロ波、誘導、放射等によって、加熱を行ってもよい。また、任意のセラミック粒子またはセラミック粒子の組み合わせを用いてもよく、アルミニウム以外の金属間化合物形成物となり得る他の発熱反応、例えばＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを使用してもよい。また、抵抗加熱は、任意の周波数の電流、直流と同様に、電流のパルスでも達成できることも認識される。
【０１１０】
実施例ＶＩＩＩ
実施例ＶＩＩと同じセットアップを用いた。抵抗加熱がアルミニウムを融点に加熱すると、追加の電源またはコンデンサバンクからの大きな電力の放電が誘起され、アルゴンまたはヘリウムの残留雰囲気でプラズマが発生し、このプラズマがディスクおよび表面コーティングの温度を瞬時に上昇させた。圧力が適用されると、アルミニウムはチタン表面と反応し、十分に高密度で気孔を含まない表面転換層を生じた。本プロセスは、多くの場合、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）と称される。発生するプラズマは、粒子表面を浄化し、当技術分野でよく知られる固化を促進する。十分なパルスの電力が最初に加えられる場合、先に抵抗または他の形態の加熱を行う必要はなく、このことは、全体としての固化時間を短くして、十分に高密度で気孔を含まない表面／コーティング複合物をＳｉＣで作製する。
【０１１１】
チタンは任意の合金であってもよく、セラミック粒子は、カスタム表面特性を生じるために、単数であっても、または混合されていてもよく、アルミニウム以外、例えばＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの金属間化合物を含む発熱反応を使用してもよく、プラズマを生じるイオン化ガスは、アルゴンまたはヘリウム以外であってもよく、プロセスは、減圧、周囲圧力、または更には陽圧で実施してもよい。
【０１１２】
実施例ＩＸ
更に別の例として、一体化ワンピースハブ−ディスクを使用して、車両ブレーキロータを形成する。ブレーキディスクのコストは、このブレーキディスクの自動車での使用を可能にする。複合物ディスクを複合物層のサンドイッチとしてモノリシックコアの両側に作製し、またはディスクの厚さ全体にわたる複合物として作製した後、ハブをディスクに溶接しなければならず、このことは、ホイールアセンブリへの取り付けを可能にする。ハブの作製およびディスクへの溶接を別個に行うことは、溶接作業により、並行して何らかのロスのために、後続の機械加工作業を必要とすることがあり、非常に高価な手順である。コストを削減する代替のプロセスは、鋳造、鍛造、または代替のプロセスであって、ディスクおよびハブをワンピースで作製した後、アセンブリのディスク部分を複合物の層でコーティングするプロセスを用いることである。一体化ハブ−ディスクワンピースを、グラファイト等のダイセット内に置き、これは、アウターリングを、ベースの固体グラファイトディスクと共に収容する。アルミニウム−炭化ケイ素（Ａｌ−ＳｉＣ）粉末の混合物をダイの下部、固体グラファイトディスクピースの上部に置き、突出するハブと反対側のハブ−ディスクの下部の孔用の追加のグラファイト栓も置く。ワンピースハブ−ディスクをダイ内に置いた後、追加のＡｌ−ＳｉＣの混合物をワンピースハブ−ディスクのディスク部分に置き、その後、ハブを覆う孔から構成されるダイ上部を置く。ロードされたダイを、大気に対して閉鎖されたチャンバ内に置く。残留大気を、不活性ガス、例えばアルゴンもしくは窒素でのパージによって交換し、または真空の適用によって排気する。Ａｌ合金金属マトリックス複合物が溶融するが、ワンピースハブ−ディスクが溶融しない温度にダイを加熱する。圧力を（１〜８ＭＰａ）の範囲でダイに適用して、Ａｌ−ＳｉＣ合金を固化し、コアワンピースハブ−ディスクに冶金的結合させる。冷却サイクル中ずっと、圧力を適用し続けて、気孔率が２％未満のＡｌ−ＳｉＣ合金の層を作製する。複合物層中のＳｉＣの百分率は、約２５％〜６５％、好ましくは３５％〜５０％で異なっていてもよい。
【０１１３】
実施例Ｘ
別の例として、形成したブレーキディスクを熱処理して、硬さを増加させ、機械的特性を改善したことを除き、実施例ＸＩのプロセスを繰り返した。好ましくは、熱処理は、いわゆるＴ６処理（Ｔ６  ｔｅｍｐｅｒ）を含み、これは、溶体化熱処理＋時効化としても知られ、この中で、サンドイッチ複合物が最初に自然に冷却することを許容される。このとき、サンドイッチ複合物を、高温オーブンで温度５１０℃に加熱する。４時間後、鋳造物をオーブンから取り出し、迅速に急冷する。その後、鋳造物を低温オーブンに移動させ、１７０℃で１２時間保持した後、空冷する。
【０１１４】
実施例ＸＩ
例えば、我々の先行する特許文献１（当該文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれる）の教示に従い、積層造形（ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＡＭ）プロセスを用いて、ロータの全厚みである複合物、または表面反応物もしくはクラッディングとしての複合物を形成してもよい。積層造形は、ＣＡＤ駆動パワービーム源から構成され、これは、粉末またはワイヤを、連続的に動くスポットで溶融させて、材料を１層ずつ構築し、または表面を変換して、クラッドもしくはコーティング層を構築できる。パワービームを生じる加工としては、電子ビーム（ｅ−ビーム）、レーザー、またはプラズマ移行アーク（ＰＴＡ）が挙げられ、ここでワークピースは一方の電極であり、トーチヘッドは他方の電極であり、ガス、例えばアルゴンまたはヘリウムをイオン化して、ヘッドと部品との間でプラズマビームを形成する。パワービームプロセスのうちのいずれかを用いて、金属およびセラミック粒子を共供給（ｃｏ−ｆｅｅｄ）して１層ずつ構築することにより、ブレーキロータを構築してもよい。例えば、アルミニウムワイヤまたは粉末を、溶融プールスポットに、同じく共供給されるセラミック粉末と共に供給して、複合物を作製してもよい。ロータ全体を、望ましい厚さで、事実上任意の望ましいセラミック粒子体積で構築するように、ＣＡＤプログラムを設定してもよく、ブレーキロータで最も望ましくは、セラミック粒子を体積３５〜６０％で含む。セラミックは、構築の開始で濃度が異なっていてもよく、最終層厚が構築されるまで減少し、ロータの各表面で、高い耐摩耗性を提供するために、再度高濃度で追加されてもよい。
【０１１５】
任意のパワービームプロセスを使用して、ブレーキロータを１層ずつ、任意の望ましいセラミック粒子充填量で構築してもよく、これは、アルミニウムもしくはその合金、チタンもしくはその合金、またはロータとして使用できる他の構造用金属、例えばＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎについて、各表面へのグラデュエーション（ｇｒａｄｕａｔｉｏｎ）を含む。
【０１１６】
特定の事例では、純粋な１１００アルミニウム合金粉末をマトリックスとして使用でき、ＳｉＣ粒子をセラミックフィラーとして使用できる。ＰＴＡシステムをパワービーム源として用いてもよい。１１００アルミニウム粉末およびＳｉＣ粉末の供給混合物を使用して、アルミニウムマトリックス中、４０体積％のＳｉＣの複合組成物を作製してもよい。ＰＴＡシステムを構築速度５ｌｂｓ／ｈｒで設定して、ロータ全体を１時間で構築してもよいが、その理由は、おおよそのサイズが直径３１０ｍｍ、開放中心孔１５０ｍｍの典型的なロータの重量は、アルミニウム−ＳｉＣ複合物で５ポンド未満であるからである。
【０１１７】
実施例ＸＩＩ
ＰＴＡ  ＡＭシステムを用いて、アルミニウム−ＳｉＣ組成物を予め切断されたサイズのＣＰ  Ｔｉディスクの表面に適用してもよい。ＣＡＤシステムおよびＰＴＡへのパワーは、ディスクの表面の数ｍｍを、３５６アルミニウム合金およびＳｉＣ粉末の粉末供給混合物と共に、ちょうど溶融させるように設定して、５０体積％のＳｉＣを含有するチタンアルミナイドの層を作製してもよい。ＰＴＡビームパワーは、アルミニウムとチタンとの発熱反応を補って、ＣＰ  Ｔｉディスクの層が過度に深く溶融しないように制御してもよい。
【０１１８】
このパワービーム加工は、チタン以外のベース材料で、表面クラッド層を形成できる。アルミニウムおよび鋳鉄または鋼を含むベース材料を使用してもよい。アルミニウムがベースロータ材料であれば、チタン粉末を使用して発熱させ、複合物クラッド層を形成してもよい。標準的な鋳鉄ロータを使用して、ＦｅＡｌ、Ｆｅ３ＡｌまたはＦｅＡｌ３の表面層を形成してもよく、チタンを使用して、チタン金属間化合物ＴｉＦｅ２またはＴｉＦｅを形成してもよい。
【０１１９】
任意のパワービームプロセスを使用して、チタンディスクの表面を溶融させてもよく、このチタンディスクは、任意のチタン合金であってもよい。アルミニウム以外、例えばＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎの金属間化合物を、任意の単一または混合組成セラミック粒子と共に使用して、クラッド反応層表面を形成してもよく、同様に鋳鉄または鋼のベース合金を使用してもよく、この上に金属間化合物−セラミック粒子合金が形成され得る。
【０１２０】
実施例ＸＩＩＩ
摩擦撹拌溶接システムを一部変更して、ＣＡＤシステムで制御される回転ヘッドに粉末供給材料を供給してもよく、このＣＡＤシステムは、制御された下向きの圧力を回転ヘッドに提供すると共に、工具経路で前進する制御された速度を提供する。５０体積％のＳｉＣ粉末およびアルミニウム粉末の混合物を、回転ヘッドに供給してもよく、この回転ヘッドは、十分な下向きの圧力を有し、摩擦がチタン基材の表面を、供給材料中のアルミニウムと共に溶融させ、摩擦撹拌プロセス回転ヘッドの下で、溶融に寄与する発熱を生じ、ＳｉＣ粒子を溶融層内に封入して、凝固時、回転ヘッドがＣＡＤ誘導工具経路で前進すると、ＳｉＣ微粒子を含有する、気孔を含まないチタンアルミナイドの表面が作製される。
【０１２１】
制御された下向きの圧力を有する回転ヘッドの前進を加速するために、ヘッドの正面に、追加の熱を適用してもよく、例えば火炎トーチ、レーザービーム、電子ビーム、プラズマ移行アーク（ＰＴＡ）ビーム、誘導結合、または集束放射ビーム、例えばタングステン−石英ランプからのビームを適用してもよい。回転速度および下向きの圧力の回転ヘッドを多少緩和して、チタンロータ上に溶融経路を生成し、ＦＳＰ加工の正面に追加の熱を適用してもよい。ＦＳＰのＣＡＤ制御では、形成される複合物層は、ブレーキロータのサイズに予め切断されたＣＰ  Ｔｉディスクの表面全体であってもよく、またはちょうどブレーキパッドの幅の経路であってもよい。
【０１２２】
回転ヘッド速度およびその下向きの圧力、Ａｌ−Ｔｉからの発熱、および前進する回転ヘッドの正面に与えられる任意の補助熱により生成される溶融体の深さによって、チタンアルミナイド−ＳｉＣ層の厚さを制御してもよい。表面層厚は、約０．２５ｍｍ〜約５ｍｍ程度の薄さであってもよい。非常に硬く強度の高い回転ヘッドでは、十分な下向きの圧力および回転速度で、深さ１０ｍｍ以上に溶融させることが可能である。このような摩擦撹拌能力は、ブレーキロータの断面全体を、複合物として、摩擦撹拌加工（ＦＳＰ）により作製することを可能にし、これは、積層造形で説明した１層ずつの加工に類似して、単一パスまたは複数パスで可能である。
【０１２３】
この実施例はＣＰ  Ｔｉベースロータで与えられているが、他のベース金属、例えばアルミニウム、鋳鉄、鋼、銅、および亜鉛を用いて、摩擦撹拌加工（ＦＳＰ）により、単一または混合セラミック粒子との複合物を作製してもよい。
【０１２４】
前述の説明では、本発明の実施および好ましい実施形態を検討しているが、これらは、特許請求の範囲で定義される本発明の範囲を逸脱することなく、変更または修正できる。丸括弧で列挙される例は、代替であっても、または任意の方法で組み合わされてもよい。本発明は、開示される構造および方法の任意の実用的な組み合わせを含む。明細書で使用するとき、単語「プロセス」および「方法」は同義である。明細書および特許請求の範囲で使用するとき、単語「有する」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、全ての文法的変形において、開放型であり、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」およびその文法的変形と同義である。説明の明瞭性のために、いくつかの具体的な本発明の実施および実施形態を記載してきたが、本発明の範囲は、以下に明記される特許請求の範囲によって評価されるように意図される。
【符号の説明】
【０１２５】
１００  システム
１０２  チャンバ
１１０  制御装置
１１２  加熱サブシステム
１１４  プレスサブシステム
１１６  排気サブシステム
１５０  ダイ
【図１】
2018537596.tif 000004
【図２】
2018537596.tif 000005
【図３】
2018537596.tif 000006
【図４】
2018537596.tif 000007
【図５】
2018537596.tif 000008
【図６】
2018537596.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成29年6月6日(2017.6.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体金属基材の表面に結合した金属合金層を形成するための方法であって、
内容物をダイにロードする工程であって、前記ダイの内容物が、前記基材、および粉末形態の金属含有混合物を含み、前記基材の表面が、前記金属含有混合物と接触していないとき、第１の温度で溶融し、前記金属含有混合物の構成要素が、前記第１の温度よりも低い第２の温度で溶融する、ロードする工程と、
前記ダイの内容物を、前記第１の温度と前記第２の温度との間の温度に加熱する工程であって、前記基材の元素と前記混合物の少なくとも１つの構成要素との反応を可能にする、加熱する工程と、
前記内容物が周囲温度に冷却される前の時間を含む期間、前記ダイに圧力を適用することによって、前記ダイの内容物を高密度化する工程と、を含み、これにより、
前記混合物の少なくとも１つの構成要素を含む前記層が、前記基材の表面に結合する、方法。
【請求項２】
前記期間が、発熱反応が起こる時間を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ダイの内容物を、前記第１の温度と前記第２の温度との間の温度に加熱して、前記基材、前記粉末の第１の構成材料、およびもしあれば前記粉末の第２の構成材料のうちの少なくとも２つの元素の反応を可能にする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記溶融体の体積が、前記基材の体積よりも小さい、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記第１の温度が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、および亜鉛からなる群の元素、またはアルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素からなる群の１以上の元素を含む合金の融点に相当する、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記反応が、気相の生成物を生じない、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記反応は、アルミニウム、ホウ素、コバルト、銅、鉄、ニッケル、パラジウム、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素からなる群の反応物が関与する、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記反応は、前記粉末の第１の反応物および前記粉末の第２の反応物が関与する、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記粉末が、アルミニウム合金およびセラミック微粒子を含む、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
ａ．前記基材が、アルミニウムを含み、かつ、
ｂ．前記粉末が、アルミニウム、またはアルミニウムおよびケイ素の合金、もしくはアルミニウム、ケイ素およびマグネシウムの合金、もしくはアルミニウムおよびチタンの合金、もしくはアルミニウム、ケイ素およびチタンの合金、またはＴｉ−ＡｌおよびＴｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎｂから選択されるプレアロイ粉末を含む、
請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記セラミック微粒子が、炭化ケイ素を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記層の外部表面の２５％〜６５％、好ましくは前記層の外部表面の３５％以上が、セラミック微粒子を含む、請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記層の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記層および前記基材が生成物を含み、前記生成物の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、請求項１乃至１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記粉末が、更に、
ａ．前記粉末が、バインダを含まないこと、
ｂ．前記粉末が、約６１重量％のアルミニウムケイ素合金、および約３９重量％の炭化ケイ素を含むこと、
ｃ．前記粉末が、約５９．５重量％のアルミニウムケイ素合金、約３８重量％の炭化ケイ素、および必要に応じて約２．５重量％のチタンを含むこと、
ｄ．前記粉末は、Ｄ１０が約５マイクロメートル、Ｄ５０が約１５マイクロメートル、およびＤ９０が約３８マイクロメートルにより定義される粒子サイズの分布を有するアルミニウムケイ素合金を含むこと、
ｅ．前記粉末は、粒子サイズが約１０マイクロメートル〜２０マイクロメートルである炭化ケイ素を含むこと、
ｆ．前記粉末は、粒子サイズが約４４マイクロメートルであるチタンを含むこと、
ｇ．前記粉末が、アルミニウム合金３５６、アルミニウム合金４０３２、アルミニウム合金５０５２またはアルミニウム合金５０８３を含むこと、
ｈ．前記粉末が、アルミニウムを１２ｗｔ％のケイ素合金と共に含むこと、
ｉ．前記粉末が、炭化ケイ素粒子を含み、前記炭化ケイ素粒子の９５％は、粒子サイズが約５０マイクロメートル未満であること、ならびに、
ｊ．必要に応じて、形成された前記生成物を加熱処理すること、
のうちの１以上を特徴とする、請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
基材が、本質的にアルミニウム１１００またはアルミニウム合金５０５２から構成される、請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記粉末が、前記基材の表面に広げられる、請求項１乃至１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記粉末が、前記基材の表面に、厚さ０．００１インチ〜０．２５インチ、好ましくは０．６０〜０．１２５インチ、より好ましくは０．４０〜０．０８０インチ、最も好ましくは約０．０５０インチで広げられる、請求項１乃至１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
液体溶融体の量が、固相の反応生成物の形成によって減少する、請求項１乃至１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記ダイを排気することを更に含む、請求項１乃至１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記基材が、ハブ−ディスクアセンブリを含む、請求項１乃至２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
液体金属マトリックス複合物および固体金属基材を一体化するための方法であって、
前記液体金属マトリックス複合物が関与する反応を可能にすることと、
前記液体金属マトリックス複合物および前記固体金属基材の組み合わせを、前記反応のうちの少なくとも一部の間に高密度化し、前記金属マトリックス複合物を、液体から固体に冷却し、必要に応じて、形成された生成物を加熱処理することと、を含む、方法。
【請求項２３】
前記液体金属マトリックス複合物および前記固体金属基材の組み合わせを、前記反応の持続時間のうちの少なくとも一部の間に高密度化することを更に含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記液体金属マトリックス複合物の体積が、前記基材の体積よりも小さい、請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記基材は、溶融温度が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、および亜鉛からなる群の元素、またはアルミニウム合金であって、好ましくはアルミニウムならびにコバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素からなる群の１以上の元素を含むアルミニウム合金の融点に相当する、請求項２２乃至２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記反応が、気相の生成物を生じない、請求項２２乃至２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記反応は、アルミニウム、ホウ素、コバルト、銅、鉄、ニッケル、パラジウム、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素からなる群から選択される２以上の金属の発熱反応が関与する、請求項２２乃至２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記反応は、前記複合物の液体金属マトリックスの第１の反応物および前記複合物の液体金属マトリックスの第２の反応物が関与する、請求項２２乃至２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
前記液体金属マトリックス複合物が、アルミニウム合金およびセラミック微粒子、好ましくは炭化ケイ素を含む、請求項２２乃至２８のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
ａ．前記基材が、アルミニウムを含み、かつ、
ｂ．前記金属マトリックス複合物が、炭化ケイ素、またはアルミニウムおよびケイ素の合金、またはアルミニウム、ケイ素、およびマグネシウムの合金、またはアルミニウムおよびチタンの合金、またはアルミニウム、ケイ素およびチタンの合金、またはＴｉ−ＡｌもしくはＴｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎｂから選択されるプレアロイ粉末を含む、
請求項２２乃至２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記層の外部表面の２５％〜６５％、好ましくは前記層の外部表面の３５％以上が、セラミック微粒子を含む、請求項２２乃至３０のいずれかに記載の方法。
【請求項３２】
前記層の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、請求項２２乃至３１のいずれかに記載の方法。
【請求項３３】
前記層および前記基材が生成物を含み、前記生成物の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、請求項２２乃至３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
周囲気圧未満で前記反応を可能にすることを更に含む、請求項２２乃至３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
前記基材が、ハブ−ディスクアセンブリを含む、請求項２２乃至３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
請求項１乃至３５のいずれかに記載の方法によって形成される、車両ブレーキロータ。
【請求項３７】
固体基材の表面に結合した層を形成するためのシステムであって、
ａ．ダイであって、用意される前記ダイの内容物を取り囲み、前記内容物が、前記基材および粉末を含み、前記ダイが、必要に応じて通気口を含む、ダイと、
ｂ．前記ダイの内容物を加熱するために、用意されたエネルギー源からエネルギーを放出するように構成されている加熱サブシステムと、
ｃ．力を前記内容物に対して適用するように構成されている機械的サブシステムと、
ｄ．前記加熱サブシステムおよび前記機械的サブシステムを制御するために連結されている制御装置であって、前記内容物を加熱することによって、前記基材の表面と前記粉末との間の発熱反応を可能にするように構成されており、かつ、前記内容物が周囲温度に冷却される前の時間を含む期間、前記力を適用することによって、前記内容物の高密度化を可能にするように構成されている、制御装置と、
を備えるシステム。
【請求項３８】
前記ダイの内容物から気体を、前記必要に応じた通気口を介して除去するように適合した真空サブシステムを更に含む、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記基材がハブ−ディスクアセンブリを含む、請求項３７または３８に記載のシステム。
【請求項４０】
ａ．周辺構成要素と、
ｂ．ベース構成要素と、
ｃ．カバー構成要素と、
を備えるダイであって、
ｄ．前記ベース構成要素が、前記周辺構成要素と摩擦嵌合封止を形成し、かつ、
ｅ．前記カバー構成要素が、前記周辺構成要素と摩擦嵌合封止を形成する、ダイ。
【請求項４１】
ａ．前記ダイが、ハブ構成要素を更に備え、かつ、
ｂ．前記ハブ構成要素が、前記ベース構成要素および前記カバー構成要素と摩擦嵌合封止を形成する、
請求項４０に記載のダイ。
【請求項４２】
少なくとも１つの摩擦嵌合封止が、グラファイト対グラファイトの界面を備える、請求項４０または４１に記載のダイ。
【請求項４３】
ａ．前記周辺構成要素が、軸に関して円筒対称性を有し、かつ、
ｂ．前記ハブ構成要素、前記ベース構成要素、および前記カバー構成要素が、前記周辺構成要素から、ユニットとして解体可能であり、前記解体が、前記周辺構成要素および前記ユニットを前記軸に沿って分離することによってなされる、
請求項４０乃至４２のいずれかに記載のダイ。
【請求項４４】
ａ．内部を有する容器と、
ｂ．前記内部の排気のための通気口と、
ｃ．前記容器内の第１の位置で、前記容器を閉鎖して前記内部を取り囲み、更に前記容器内の第２の位置で、前記容器を閉鎖して前記内部を取り囲むカバーと、
を備えるダイであって、
ｄ．前記通気口が、前記第１の位置にあるカバーよりも、前記第２の位置にあるカバーによって、より塞がれる、ダイ。
【請求項４５】
前記カバーに第１の方向に力を適用して、前記カバーを更に前記容器内に進ませることによって、前記ダイの内容物が圧力を受けることができ、前記第１の位置にあるカバーに前記力を適用することが、前記カバーを前記第２の位置の方へ動かす、請求項４４に記載のダイ。
【請求項４６】
前記カバーが、前記容器と摩擦嵌合封止を形成する、請求項４４または４５に記載のダイ。
【請求項４７】
前記カバーが前記第１の位置から前記第２の位置に動かされる間、前記封止が維持される、請求項４６に記載のダイ。
【請求項４８】
前記容器が、
ａ．ベース構成要素と、
ｂ．前記ベース構成要素に当接する周辺構成要素であって、前記ベース構成要素と前記周辺構成要素との間の摩擦嵌合封止を形成する、周辺構成要素と、
を備える、請求項４４乃至４７のいずれかに記載のダイ。
【請求項４９】
前記容器、前記カバー、前記ベース構成要素、および前記周辺構成要素のうちの少なくとも１つが、それぞれの摩擦嵌合封止において、加圧グラファイトを含む、請求項４４乃至４８のいずれかに記載のダイ。
【請求項５０】
ａ．ディスクとして形成される、低気孔率金属の基材と、
ｂ．前記ディスクと接触する、用意されるブレーキパッドと協働するために、コアに結合した層と、
を備える車両ブレーキロータであって、
ｃ．前記層の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、
車両ブレーキロータ。
【請求項５１】
前記層が、前記層の外部表面の３５％を超える表面で、埋め込まれたセラミック微粒子を含む、請求項５０に記載の車両ブレーキロータ。
【請求項５２】
前記層が、金属マトリックス複合物を含み、かつ前記金属マトリックス複合物が、好ましくは全体にわたって実質的に均一である、請求項５０または５１に記載の車両ブレーキロータ。
【請求項５３】
気孔率が０．２０体積％未満であり、かつ前記層が、冶金的結合によって、前記コアに接合される、請求項５０乃至５２のいずれかに記載の車両ブレーキロータ。
【請求項５４】
シーケンスを行う機械可読プログラムコードを含む機械可読メモリであって、制御装置が、加熱サブシステムおよびプレスサブシステムに連結されており、前記シーケンスが、固体基材の表面に結合した層を形成するためのものであり、前記基材および粉末が、チャンバ内に配置され、前記加熱サブシステムおよび前記プレスサブシステムの対象となり、前記シーケンスが、順番に、
前記粉末を、前記粉末の少なくとも１つの構成材料の融点以上に加熱して、溶融体を生成する、前記加熱サブシステムへの第１の指示であって、前記加熱サブシステムの前記第１の指示への応答は、前記基材をバルク溶融させることのない、第１の指示と、
前記溶融体への、前記基材に対する機械的な力を維持する、前記プレスサブシステムへの第２の指示と、
ある期間、前記溶融体および前記基材の冷却を可能にする、前記加熱サブシステムへの第３の指示と、
前記期間の経過後に、前記機械的な力を減少させる、前記プレスサブシステムへの第４の指示と、
を含む、機械可読メモリ。
【請求項５５】
前記制御装置が、更に、気体を前記チャンバから除去するように適合した排気サブシステムに連結されており、
前記方法が、前記第１の指示の前に、気体を前記チャンバから除去する、前記排気サブシステムへの第５の指示を更に含む、請求項５４に記載の機械可読メモリ。
【請求項５６】
車両ブレーキロータを形成する方法であって、成形された金属基材を、金属合金化構成要素およびセラミック粒子の混合物と共に、ダイにロードすることと、
高圧電流を前記ダイに流すと共に、圧力を適用して、前記合金化混合物の金属構成要素のうちの少なくとも１つを溶融させることにより、前記ダイの内容物を高密度化して、前記金属基材上に、または前記金属基材を通る、セラミック粒子含有合金コーティングを形成することと、
生じるコーティングされた生成物を冷却することと、
必要に応じて、前記コーティングされた生成物を加熱処理することと、
を含む、方法。
【請求項５７】
前記金属基材が、アルミニウムまたはチタンで形成され、かつ前記コーティング材料が、アルミニウム、チタンおよび炭化ケイ素の混合物を含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記基材がハブ−ディスクアセンブリを含む、請求項５６または５７に記載の方法。
【請求項５９】
車両ブレーキロータを形成するための方法であって、
金属基材を用意することと、
走査プラズマトーチを用いて、高温アークプラズマ流を前記基材の表面に当てることであって、前記プラズマ流が、金属または金属合金、セラミック粉末、およびイオン化可能ガスを含み、前記基材が電極を形成し、前記プラズマアークおよびトーチパワー源と共に電気回路を完成させ、前記プラズマが、前記ガスをイオン化して前記基材の表面を加熱するために、十分なエネルギーを有する、走査プラズマトーチを用いることと、
前記基材中の金属と、前記プラズマ流中の金属または金属合金との間の反応を引き起こすことにより、セラミック粉末を含む複合物表面層を前記基材上に形成することと、
を含む、方法。
【請求項６０】
前記複合物表面の形成後、ガスの冷却ジェット流を、前記基材のプラズマ加熱エリアに当てる工程を含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記基材が、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、鉄、ニッケル、銅または亜鉛からなる群から選択される金属を含み、かつ前記粉末が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウムおよび亜鉛からなる群からの金属、またはアルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブおよびケイ素からなる群の２以上の元素を含む合金を含む、請求項５９または６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記イオン化可能ガスが、Ａｒ、Ｈｅ、またはＡｒ、ＨｅおよびＮ２の混合物、または炭素含有ガスのうちの少なくとも１つを含む、請求項５９乃至６１のいずれかに記載の方法。
【請求項６３】
前記基材が、フルサイズディスクの形状であり、ハブを含む、請求項５９乃至６２のいずれかに記載の方法。
【請求項６４】
固体金属基材の表面に結合した溶融合金層を形成するための方法であって、
金属基材を用意することと、
前記基材に面する回転ヘッドを配置することと、
十分な圧力下で、前記回転ヘッドと前記基材との間に、粉末金属およびセラミック供給混合物を供給することであって、摩擦が温度を上昇させて、前記金属供給材料を前記金属基材の表面に固体状態溶接／結合させ、または前記圧力および摩擦が、前記金属基材の表面を溶融させ、前記金属供給材料と反応させて、前記金属およびセラミック混合物を前記基材の表面に結合させるよう、供給することと、
必要に応じて、生じた生成物を加熱処理することと、
を含む、方法。
【請求項６５】
前記基材が、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、鉄、ニッケル、銅または亜鉛からなる群から選択される金属を含み、かつ前記粉末金属供給材料が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウムおよび亜鉛からなる群からの金属、またはアルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブおよびケイ素からなる群の２以上の元素を含む合金を含む、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記基材がハブ−ディスクアセンブリを含む、請求項６４または６５に記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月20日(2018.7.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体金属基材、好ましくはハブ−ディスクアセンブリ、の表面に結合した金属合金層を形成するための方法であって、
内容物をダイにロードする工程であって、前記ダイの内容物が、前記基材、および粉末形態の金属含有混合物を含み、前記基材の表面が、前記金属含有混合物と接触していないとき、第１の温度で溶融し、前記金属含有混合物の構成要素が、前記第１の温度よりも低い第２の温度で溶融する、ロードする工程と、
前記ダイの内容物を、前記第１の温度と前記第２の温度との間の温度に加熱する工程であって、前記基材の元素と前記混合物の少なくとも１つの構成要素との反応を可能にする、加熱する工程と、
前記内容物が周囲温度に冷却される前の時間を含む期間、前記ダイに圧力を適用することによって、前記ダイの内容物を高密度化する工程と、を含み、これにより、
前記混合物の少なくとも１つの構成要素を含む前記層が、前記基材の表面に結合する、方法。
【請求項２】
以下の（ａ）〜（ｓ）：
（ａ）前記期間が、発熱反応が起こる時間を含む、
（ｂ）前記ダイの内容物を、前記第１の温度と前記第２の温度との間の温度に加熱して、前記基材、前記粉末の第１の構成材料、およびもしあれば前記粉末の第２の構成材料のうちの少なくとも２つの元素の反応を可能にする、
（ｃ）前記溶融体の体積が、前記基材の体積よりも小さい、
（ｄ）前記第１の温度が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、および亜鉛からなる群の元素、またはアルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素からなる群の１以上の元素を含む合金の融点に相当する、
（ｅ）前記反応が、気相の生成物を生じない、
（ｆ）前記反応は、アルミニウム、ホウ素、コバルト、銅、鉄、ニッケル、パラジウム、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素からなる群の反応物が関与する、
（ｇ）前記反応は、前記粉末の第１の反応物および前記粉末の第２の反応物が関与する、
（ｈ）前記粉末が、アルミニウム合金およびセラミック微粒子を含む、
（ｉ）ｉ．前記基材が、アルミニウムを含み、かつ、
ｉｉ．前記粉末が、アルミニウム、またはアルミニウムおよびケイ素の合金、もしくはアルミニウム、ケイ素およびマグネシウムの合金、もしくはアルミニウムおよびチタンの合金、もしくはアルミニウム、ケイ素およびチタンの合金、またはＴｉ−ＡｌおよびＴｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎｂから選択されるプレアロイ粉末を含む、
（ｊ）前記セラミック微粒子が、炭化ケイ素を含む、
（ｋ）前記層の外部表面の２５％〜６５％、好ましくは前記層の外部表面の３５％以上が、セラミック微粒子を含む、
（ｌ）前記層の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、
（ｍ）前記層および前記基材が生成物を含み、前記生成物の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、
（ｎ）前記粉末が、更に、
ｉ．前記粉末が、バインダを含まないこと、
ｉｉ．前記粉末が、約６１重量％のアルミニウムケイ素合金、および約３９重量％の炭化ケイ素を含むこと、
ｉｉｉ．前記粉末が、約５９．５重量％のアルミニウムケイ素合金、約３８重量％の炭化ケイ素、および必要に応じて約２．５重量％のチタンを含むこと、
ｉｖ．前記粉末は、Ｄ１０が約５マイクロメートル、Ｄ５０が約１５マイクロメートル、およびＤ９０が約３８マイクロメートルにより定義される粒子サイズの分布を有するアルミニウムケイ素合金を含むこと、
ｖ．前記粉末は、粒子サイズが約１０マイクロメートル〜２０マイクロメートルである炭化ケイ素を含むこと、
ｖｉ．前記粉末は、粒子サイズが約４４マイクロメートルであるチタンを含むこと、
ｖｉｉ．前記粉末が、アルミニウム合金３５６、アルミニウム合金４０３２、アルミニウム合金５０５２またはアルミニウム合金５０８３を含むこと、
ｖｉｉｉ．前記粉末が、アルミニウムを１２ｗｔ％のケイ素合金と共に含むこと、
ｉｘ．前記粉末が、炭化ケイ素粒子を含み、前記炭化ケイ素粒子の９５％は、粒子サイズが約５０マイクロメートル未満であること、ならびに、
ｘ．必要に応じて、形成された前記生成物を加熱処理すること、
のうちの１以上を特徴とする、
（ｏ）基材が、本質的にアルミニウム１１００またはアルミニウム合金５０５２から構成される、
（ｐ）前記粉末が、前記基材の表面に広げられる、
（ｑ）前記粉末が、前記基材の表面に、厚さ０．００１インチ〜０．２５インチ、好ましくは０．６０〜０．１２５インチ、より好ましくは０．４０〜０．０８０インチ、最も好ましくは約０．０５０インチで広げられる、
（ｒ）  液体溶融体の量が、固相の反応生成物の形成によって減少する、ならびに、
（ｓ）前記ダイを排気することを更に含む、
の１以上を特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
液体金属マトリックス複合物および固体金属基材、好ましくはハブ−ディスクアセンブリ、を一体化するための方法であって、
前記液体金属マトリックス複合物が関与する反応を可能にすることと、
前記液体金属マトリックス複合物および前記固体金属基材の組み合わせを、前記反応のうちの少なくとも一部の間に高密度化し、前記金属マトリックス複合物を、液体から固体に冷却し、必要に応じて、形成された生成物を加熱処理することと、を含む、方法。
【請求項４】
以下の（ａ）〜（ｌ）：
（ａ）前記液体金属マトリックス複合物および前記固体金属基材の組み合わせを、前記反応の持続時間のうちの少なくとも一部の間に高密度化することを更に含む、
（ｂ）前記液体金属マトリックス複合物の体積が、前記基材の体積よりも小さい、
（ｃ）前記基材は、溶融温度が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、および亜鉛からなる群の元素、またはアルミニウム合金であって、好ましくはアルミニウムならびにコバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素からなる群の１以上の元素を含むアルミニウム合金の融点に相当する、
（ｄ）前記反応が、気相の生成物を生じない、
（ｅ）前記反応は、アルミニウム、ホウ素、コバルト、銅、鉄、ニッケル、パラジウム、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブ、およびケイ素からなる群から選択される２以上の金属の発熱反応が関与する、
（ｆ）前記反応は、前記複合物の液体金属マトリックスの第１の反応物および前記複合物の液体金属マトリックスの第２の反応物が関与する、
（ｇ）前記液体金属マトリックス複合物が、アルミニウム合金およびセラミック微粒子、好ましくは炭化ケイ素を含む、
（ｈ）ｉ．前記基材が、アルミニウムを含み、かつ、
ｉｉ．前記金属マトリックス複合物が、炭化ケイ素、またはアルミニウムおよびケイ素の合金、またはアルミニウム、ケイ素、およびマグネシウムの合金、またはアルミニウムおよびチタンの合金、またはアルミニウム、ケイ素およびチタンの合金、またはＴｉ−ＡｌもしくはＴｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎｂから選択されるプレアロイ粉末を含む、
（ｉ）前記層の外部表面の２５％〜６５％、好ましくは前記層の外部表面の３５％以上が、セラミック微粒子を含む、
（ｊ）前記層の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、
（ｋ）前記層および前記基材が生成物を含み、前記生成物の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、ならびに、
（ｌ）周囲気圧未満で前記反応を可能にすることを更に含む、
の１以上を特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
固体基材、好ましくはハブ−ディスクアセンブリ、の表面に結合した層を形成するためのシステムであって、
（ａ）ダイであって、用意される前記ダイの内容物を取り囲み、前記内容物が、前記基材および粉末を含み、前記ダイが、必要に応じて通気口を含む、ダイと、
（ｂ）前記ダイの内容物を加熱するために、用意されたエネルギー源からエネルギーを放出するように構成されている加熱サブシステムと、
（ｃ）力を前記内容物に対して適用するように構成されている機械的サブシステムと、
（ｄ）前記加熱サブシステムおよび前記機械的サブシステムを制御するために連結されている制御装置であって、前記内容物を加熱することによって、前記基材の表面と前記粉末との間の発熱反応を可能にするように構成されており、かつ、前記内容物が周囲温度に冷却される前の時間を含む期間、前記力を適用することによって、前記内容物の高密度化を可能にするように構成されている、制御装置と、
を備え、さらに必要に応じて、
（ｅ）前記ダイの内容物から気体を、前記必要に応じた通気口を介して除去するように適合した真空サブシステム、
を備えるシステム。
【請求項６】
（ａ）周辺構成要素と、
（ｂ）ベース構成要素と、
（ｃ）カバー構成要素と、
を備えるダイであって、
（ｄ）前記ベース構成要素が、前記周辺構成要素と摩擦嵌合封止を形成し、かつ、
（ｅ）前記カバー構成要素が、前記周辺構成要素と摩擦嵌合封止を形成する、ダイ。
【請求項７】
以下の（ａ）〜（ｃ）：
（ａ）ｉ．前記ダイが、ハブ構成要素を更に備え、かつ、
ｉｉ．前記ハブ構成要素が、前記ベース構成要素および前記カバー構成要素と摩擦嵌合封止を形成する、
（ｂ）少なくとも１つの摩擦嵌合封止が、グラファイト対グラファイトの界面を備える、ならびに、
（ｃ）ｉ．前記周辺構成要素が、軸に関して円筒対称性を有し、かつ、
ｉｉ．前記ハブ構成要素、前記ベース構成要素、および前記カバー構成要素が、前記周辺構成要素から、ユニットとして解体可能であり、前記解体が、前記周辺構成要素および前記ユニットを前記軸に沿って分離することによってなされる、
の１以上を特徴とする、請求項６に記載のダイ。
【請求項８】
ｉ．内部を有する容器と、
ｉｉ．前記内部の排気のための通気口と、
ｉｉｉ．前記容器内の第１の位置で、前記容器を閉鎖して前記内部を取り囲み、更に前記容器内の第２の位置で、前記容器を閉鎖して前記内部を取り囲むカバーと、
を備えるダイであって、
ｉｖ．前記通気口が、前記第１の位置にあるカバーよりも、前記第２の位置にあるカバーによって、より塞がれる、ダイ。
【請求項９】
以下の（ａ）〜（ｅ）：
（ａ）前記カバーに第１の方向に力を適用して、前記カバーを更に前記容器内に進ませることによって、前記ダイの内容物が圧力を受けることができ、前記第１の位置にあるカバーに前記力を適用することが、前記カバーを前記第２の位置の方へ動かす、
（ｂ）前記カバーが、前記容器と摩擦嵌合封止を形成する、
（ｃ）前記カバーが前記第１の位置から前記第２の位置に動かされる間、前記封止が維持される、
（ｄ）前記容器が、
ｉ．ベース構成要素と、
ｉｉ．前記ベース構成要素に当接する周辺構成要素であって、前記ベース構成要素と前記周辺構成要素との間の摩擦嵌合封止を形成する、周辺構成要素と、を備える、ならびに、
（ｅ）前記容器、前記カバー、前記ベース構成要素、および前記周辺構成要素のうちの少なくとも１つが、それぞれの摩擦嵌合封止において、加圧グラファイトを含む、
の１以上を特徴とする、請求項８に記載のダイ。
【請求項１０】
ｉ．ディスクとして形成される、低気孔率金属の基材と、
ｉｉ．前記ディスクと接触する、用意されるブレーキパッドと協働するために、コアに結合した層と、
を備える車両ブレーキロータであって、
ｉｉｉ．前記層の気孔率が、２体積％未満、好ましくは１体積％未満、より好ましくは０．２５体積％未満である、
車両ブレーキロータ。
【請求項１１】
以下の（ａ）〜（ｃ）：
（ａ）前記層が、前記層の外部表面の３５％を超える表面で、埋め込まれたセラミック微粒子を含む、
（ｂ）前記層が、金属マトリックス複合物を含み、かつ前記金属マトリックス複合物が、好ましくは全体にわたって実質的に均一である、ならびに、
（ｃ）前記層の気孔率が０．２０体積％未満であり、かつ前記層が、冶金的結合によって、前記コアに接合される、
の１以上を特徴とする、請求項１０に記載の車両ブレーキロータ。
【請求項１２】
シーケンスを行う機械可読プログラムコードを含む機械可読メモリであって、制御装置が、加熱サブシステムおよびプレスサブシステムに連結されており、前記シーケンスが、固体基材の表面に結合した層を形成するためのものであり、前記基材および粉末が、チャンバ内に配置され、前記加熱サブシステムおよび前記プレスサブシステムの対象となり、前記シーケンスが、順番に、
前記粉末を、前記粉末の少なくとも１つの構成材料の融点以上に加熱して、溶融体を生成する、前記加熱サブシステムへの第１の指示であって、前記加熱サブシステムの前記第１の指示への応答は、前記基材をバルク溶融させることのない、第１の指示と、
前記溶融体への、前記基材に対する機械的な力を維持する、前記プレスサブシステムへの第２の指示と、
ある期間、前記溶融体および前記基材の冷却を可能にする、前記加熱サブシステムへの第３の指示と、
前記期間の経過後に、前記機械的な力を減少させる、前記プレスサブシステムへの第４の指示と、
を含み、必要に応じて、
前記制御装置が、更に、気体を前記チャンバから除去するように適合した排気サブシステムに連結されており、かつ、
前記方法が、前記第１の指示の前に、気体を前記チャンバから除去する、前記排気サブシステムへの第５の指示を更に含む、機械可読メモリ。
【請求項１３】
車両ブレーキロータを形成する方法であって、成形された金属基材を、金属合金化構成要素およびセラミック粒子の混合物と共に、ダイにロードすることと、
高圧電流を前記ダイに流すと共に、圧力を適用して、前記合金化混合物の金属構成要素のうちの少なくとも１つを溶融させることにより、前記ダイの内容物を高密度化して、前記金属基材上に、または前記金属基材を通る、セラミック粒子含有合金コーティングを形成することと、
生じるコーティングされた生成物を冷却することと、
必要に応じて、前記コーティングされた生成物を加熱処理することと、
を含み、必要に応じて、
（ａ）前記金属基材が、アルミニウムまたはチタンで形成され、かつ前記コーティング材料が、アルミニウム、チタンおよび炭化ケイ素の混合物を含む、および、
（ｂ）前記基材がハブ−ディスクアセンブリを含む、
の一方または両方をさらに特徴とする、方法。
【請求項１４】
車両ブレーキロータを形成するための方法であって、
金属基材を用意することと、
走査プラズマトーチを用いて、高温アークプラズマ流を前記基材の表面に当てることであって、前記プラズマ流が、金属または金属合金、セラミック粉末、およびイオン化可能ガスを含み、前記基材が電極を形成し、前記プラズマアークおよびトーチパワー源と共に電気回路を完成させ、前記プラズマが、前記ガスをイオン化して前記基材の表面を加熱するために、十分なエネルギーを有する、走査プラズマトーチを用いることと、
前記基材中の金属と、前記プラズマ流中の金属または金属合金との間の反応を引き起こすことにより、セラミック粉末を含む複合物表面層を前記基材上に形成することと、
を含み、必要に応じて、以下（ａ）〜（ｄ）：
（ａ）前記複合物表面の形成後、ガスの冷却ジェット流を、前記基材のプラズマ加熱エリアに当てる工程を含む、
（ｂ）前記基材が、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、鉄、ニッケル、銅または亜鉛からなる群から選択される金属を含み、かつ前記粉末が、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウムおよび亜鉛からなる群からの金属、またはアルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブおよびケイ素からなる群の２以上の元素を含む合金を含む、
（ｃ）前記イオン化可能ガスが、Ａｒ、Ｈｅ、またはＡｒ、ＨｅおよびＮ２の混合物、または炭素含有ガスのうちの少なくとも１つを含む、ならびに、
（ｄ）前記基材が、フルサイズディスクの形状であり、ハブを含む、
の１以上を特徴とする、方法。
【請求項１５】
固体金属基材、好ましくはハブ−ディスクアセンブリ、の表面に結合した溶融合金層を形成するための方法であって、
金属基材を用意することと、
前記基材に面する回転ヘッドを配置することと、
十分な圧力下で、前記回転ヘッドと前記基材との間に、粉末金属およびセラミック供給混合物を供給することであって、摩擦が温度を上昇させて、前記金属供給材料を前記金属基材の表面に固体状態溶接／結合させ、または前記圧力および摩擦が、前記金属基材の表面を溶融させ、前記金属供給材料と反応させて、前記金属およびセラミック混合物を前記基材の表面に結合させるよう、供給することと、
必要に応じて、生じた生成物を加熱処理することと、
を含み、
前記基材が、好ましくは、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、鉄、ニッケル、銅または亜鉛からなる群から選択される金属を含み、かつ前記粉末金属供給材料が、好ましくは、アルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウムおよび亜鉛からなる群からの金属、またはアルミニウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、マンガン、ニオブおよびケイ素からなる群の２以上の元素を含む合金を含む、方法。
【国際調査報告】
2018537596.tif 000010
2018537596.tif 000011
2018537596.tif 000012