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JP2010524689A - 傾斜機能金属マトリックス複合シート - Google Patents

傾斜機能金属マトリックス複合シート Download PDF

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JP2010524689A JP2010503238A JP2010503238A JP2010524689A JP 2010524689 A JP2010524689 A JP 2010524689A JP 2010503238 A JP2010503238 A JP 2010503238A JP 2010503238 A JP2010503238 A JP 2010503238A JP 2010524689 A JP2010524689 A JP 2010524689A
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ウナル，アリ
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Abstract

【解決手段】外層(6)と外層(8)の間に、粒子状物質(10)の多い固体中心層(18)を有する、傾斜機能金属マトリックス複合(ＭＭＣ)製品(20)を製造する方法であって、粒子状物質(10)を含む溶融金属(Ｍ)を一対の送り鋳造面(Ｄ１)(Ｄ２)に送給し、溶融金属(Ｍ)を凝固させ、ＭＭＣ製品(20)を鋳造面(Ｄ１)(Ｄ２)の間から引き出すことを含んでいる。固体中心層(18)に含まれる粒子状物質(10)は外層(6)(8)のいずれかよりも高い密度である。ＭＭＣ製品(20)は、金属外層の機械加工容易性及び外観と、固体中心層(18)によりもたらされる強化特性とを兼ね備えている。
【選択図】図１

Description

＜関連出願の説明＞
本願は、2007年4月11日に出願された米国仮出願第11/734,121号、発明の名称「傾斜機能金属マトリックス複合シート」の優先権を主張し、その内容は、本願に組み込まれるものとする。
＜発明の分野＞
本発明は、アルミニウム基金属マトリックス複合材料に関する。本発明の一実施例は、高密度の粒子を有する中心層を具えた傾斜機能金属マトリックス複合シート及び該シートを製造する方法に関するものである。本発明は、本出願人に係る米国特許第5514228号、第6672368号及び第6880617号に開示された装置に基づいて実施されることができ、前記米国特許は引用を以て本願に組み込まれるものとする。
＜発明の背景＞
金属マトリックス複合材料(Metal Matrix Composite;ＭＭＣ)は、金属マトリックスの特性を強化粒子と組み合わせることにより、最終生成物の機械特性を高める。例えば、アルミニウム基ＭＭＣ製品は通常、弾性率の向上、熱膨張係数の低下、耐摩耗性の向上、破断応力の改善をもたらすが、その他に耐熱疲労性の向上を示すこともある。
これまでＭＭＣを作る方法には、スクイズ鋳造、スクイズ溶浸、スプレー堆積、スラリー鋳造、粉体処理加工などがある。これらの製造方法の目的は、金属マトリックス全体に粒子の一様な分布を生成すること、又は金属生成物の外面近傍に粒子を分布させることである。これまで、鋳造ＭＭＣの最終生成物の製造は、圧延、鍛造、又は押出によって行われているが、粒子相の高負荷特性がその製造の妨げとなっていた。
それゆえ、ＭＭＣの強化された機械特性に加えて、改善された延性、外観及び製造の容易性を具える、アルミニウム基金属マトリックス複合材料に対する要請が存在する。
＜発明の要旨＞
本発明は、粒子状物質の中心層を有する、傾斜機能(functionally graded)ＭＭＣを製造する方法を開示するものである。本発明の方法は、粒子状物質を含む溶融金属を、一対の送り鋳造面(advancing casting surfaces)に供給することを含んでいる。溶融金属はその後、鋳造面と鋳造面の間を進む過程で凝固し、第１の固体外層と、第２の固体外層と、粒状物質がこれら外層のいずれかよりも高い密度で存在する半固体中心層とを具える複合物が生成される。
中心層は、その後凝固して、２つの外層に挟まれた中心層を有する固体複合金属生成物が形成され、該金属生成物は鋳造面と鋳造面の間から引き出される。金属生成物は、鋳造面の間から引き出された後、１又は複数回の熱間圧延パス又は冷間圧延パスに付される。
鋳造面は通常、ロール又はベルトの表面であり、鋳造面と鋳造面の間にニップが画定される。一実施例では、金属生成物は約50〜300fpmの速度でニップを出ていく。実施に際し、溶融金属は例えばアルミニウム合金であり、粒子状物質は例えば酸化アルミニウムである。前述したように、本発明の方法で得られる金属生成物は２つの外層と、粒子状物質が高い密度で存在する中心層とを具えている。例えば、アルミニウム基ＭＭＣの場合、中心層は体積率で約70％の酸化アルミニウム粒子から構成されることができる。本発明の生成物は、厚さ約0.004〜約0.25インチのストリップ、シート、又はパネルなどであり、該生成物はＭＭＣの利点に加えて、延性及び外観の向上、並びに製造の容易さをもたらす金属マトリックス複合物である。
本発明の生成物は構造的用途に適しており、例えば、航空宇宙産業、自動車産業、建築及び建設産業で用いられるパネルである。
図１は、本発明の方法を説明するフローチャートである。
図２は、本発明の方法を実施する装置の一例を示す略図である。
図３は、本発明に基づいて操作される装置を詳細に示す拡大断面図である。
図４は、本発明に基づいて作られたストリップの横断面の顕微鏡写真である。
図５は、本発明に基づいて鋳造された後、厚さ0.008インチに熱間圧延されたストリップの横断面の顕微鏡写真である。
＜発明の詳細な説明＞
添付図面及び下記の記載は、本発明の実施の形態を説明するものである。しかし、広く鋳造プロセスに精通している者であれば、構造の新規な特徴並びにここに図示及び説明された方法を、特定の細部を変更することで他の態様にも適用できると考えられる。従って、図面及び説明は本発明の範囲を制限するものと解されるべきでなく、広義かつ一般的な教唆であると理解されるべきである。どの数値範囲に言及する場合も、その範囲は規定した最小値と最大値との間における各々の数及び／又は分数並びにあらゆる数及び／又は分数を含むものと理解されるべきである。
最後に、以下の説明に当たり、「上側」、「下側」、「右側」、「左側」、「垂直」、「水平」、「上面」、「下面」の語及びこれらの関連語は、この発明に関するものであり、図面に示された図を基準にした方向である。
「アルミニウム合金」、「マグネシウム合金」及び「チタニウム合金」という語は、少なくとも50重量％以上の前記元素と、少なくとも一種の調整元素(modifier element)とを含む合金を意味するものとする。アルミニウム、マグネシウム及びチタニウムの合金は、軽量で、重量に対する強度比が高く、室温及び高温での比剛性が高いため、航空宇宙産業及び自動車産業での構造用として魅力的な材料である。本発明は、全てのアルミニウム合金で実施されることができる。
本発明の、最も基本的な形態を図１のフローチャートに概略的に示している。図１に示されている通り、ステップ100では、粒子状物質を含んだ溶融金属が、鋳造装置へ送給される。該鋳造装置は、間隔を隔てる状態で溶融金属を前進させる一対の鋳造面を含んでおり、これについては以下で詳細に述べる。ステップ102では、鋳造装置により、少なくとも溶融金属の一部が急速に冷却され、溶融金属の外層と粒子状物質の多い中心層が凝固する。凝固した外層は、合金の鋳造が進むにつれてその厚さを増す。
鋳造装置を出た生成物は、ステップ102で生成された固体中心層を有し、該中心層は粒子状物質を含み、固体外層の間に挟まれている。生成物は、限定するものではないが、シート、プレート、スラブ、又はフォイルなどの様々な形態に作られることができる。押出鋳造の場合、生成物の形態は例えばワイヤ、ロッド、バー又は他の押出物である。いずれの場合でも、生成物はステップ104においてさらなる加工及び／又は処理を施すことができる。ステップ100からステップ104の順序は、本発明の方法では一定されてはおらず、連続して行ってもよいし、ステップの一部を同時に行ってもよいことは留意されるべきである。
本発明では、溶融金属が冷却される速度は、金属外層の急速凝固が達成される速度に選択される。アルミニウム合金及び他の金属合金の場合、金属の外層の冷却速度は約1000℃／秒以上の速度で行われることができる。本発明に用いられる適当な鋳造装置として、限定するものではないが、双ロール鋳造機、ベルト鋳造機、スラブ鋳造機、又はブロック鋳造機における冷却された鋳造面がある。垂直ロール鋳造機もまた、本発明で用いられることができる。連続鋳造機では、鋳造面は一般的に間隔を有しており、その離間距離が最小となる領域を有する。
ロール鋳造機では、鋳造面と鋳造面の間の最小離間距離の部位はニップとして知られている。ベルト鋳造機では、ベルトの鋳造面と鋳造面の間の最小離間距離の部位は、鋳造機の入口側プーリー間のニップである。本発明の方法における鋳造装置の操作では、鋳造面と鋳造面の間が最短距離の位置で金属の凝固が行われるが、これについては、後でより詳細に記載する。以下に記載する本発明の方法は双ロール鋳造機を用いて実施するものであるが、この鋳造機に限定することを意味するものではない。他の連続鋳造の鋳造面についても、この発明を実施するのに用いることができるだろう。
一例として、本発明の実施に稼動されるロール鋳造機(図２を参照)を、図３に詳細に示している。図２を参照すると(先行技術と本発明に係る水平方向の連続鋳造を、包括的に示したものである)、本発明は、矢印Ａ1及びＡ2の方向に対向回転する一対の冷却されたロールＲ1及びＲ2を用いて実施することができる。なお、Ｍは溶融金属、Ｈは均熱炉、Ｔはトラフ(trough)、Ｓは生成物である。ロール鋳造機の従来の使用法では低速度で運転するので、傾斜機能生成物は生成されない。図３でより詳細に示されている通り、本発明の実施において、フィードチップＴは、耐熱性又は他のセラミック材料から作られており、溶融金属Ｍを矢印Ｂの方向に分配し、矢印Ａ1及びＡ2の方向に回転するロールＲ1及びＲ2に直接分配する。フィードチップＴと、各ロールＲ1及びＲ2との間のギャップＧ1及びＧ2は最小に維持される。これは、溶融金属の漏出を防ぐためであり、また溶融金属がロールＲ1及びＲ2に沿って空気にさらされるのを最小にし、さらにチップＴと、ロールＲ1及びＲ2とが接触するのを防ぐためである。ギャップＧ1とＧ2の適当な寸法は、約0.01インチである。ロールＲ1とＲ2の中心線を通る面Ｌは、ロールＲ1とＲ2との間の最小隙間の領域(ロールニップＮとして表される)を通る。
図３から理解されるように、本発明では粒子状物質(10)を含んだ溶融金属Ｍが、ロール鋳造機のロールＲ1とＲ2の間に送り込まれる。当業者であれば、ロールＲ1及びＲ2がロール鋳造機の鋳造面であることを理解し得るであろう。通常、Ｒ1とＲ2は、溶融金属Ｍの凝固を促進するために冷却されており、溶融金属Ｍは領域２及び４でそれぞれロールＲ1及びＲ2と直接接触する。溶融金属Ｍは、ロールＲ1及びＲ2に接触すると、冷却が始まり、凝固する。冷却中の金属は、ロールＲ1に隣接した凝固金属の第１シェル(6)として凝固し、ロールＲ2に隣接した凝固金属の第２シェル(8)として凝固する。
シェル(8)(6)の厚さは、金属ＭがニップＮに向かって前進するにつれて増大する。最初、粒子状物質は第１及び第２のシェル(8)(6)と溶融金属Ｍとの接触面に配置されている。溶融金属Ｍが冷却ロールＲ1、Ｒ2の対向面間を移動するとき、粒子状物質(10)は溶融金属Ｍがより遅く移動する中心部(12)の流れの中へ引き込まれ、矢印Ｃ1及びＣ2の方向に運ばれる。中心部(12)については、領域(16)で表されるニップＮの上流では、金属Ｍは半固体であり、粒子状物質(10)成分と溶融金属Ｍ成分を有している。領域(16)における溶融金属Ｍの稠度(consistency)はドロドロ程度(mushy)であるが、その理由の一部は、粒子状物質(10)が溶融金属の中に分散していることによる。
ロールＲ1及びＲ2が前方に向けて回転することにより、ニップＮでは、金属の固体部分、すなわち第１及び第２の外殻(6)(8)と中心部(12)の粒子状物質だけが前進し、中心部(12)の溶融金属ＭはニップＮから上流に押しやられるので、金属はニップＮの位置を通過するときはほぼ固体である。ニップＮの下流では、中心部(12)は粒子状物質(10)を含み、第１のシェル(6)と第２のシェル(8)との間に挟まれた固体中心層(18)である。
明確にするために記載すると、上記の三層構造のアルミニウム品は、粒子状物質(10)が高密度で存在する中心部(12)が第１のシェル(6)と第２のシェル(8)の間に挟まれており、これは、傾斜機能ＭＭＣとも称される。固体中心層(18)の粒子状物質(10)の大きさは、約30ミクロン以上である。ストリップ製品の場合、固体中心部は例えば、ストリップの全体厚さの約20〜約30%を構成する。図２の鋳造機はストリップＳを略水平な方向で生成することを示しているが、これに限定することを意味するのではなく、ストリップＳは傾斜又は垂直な状態で鋳造機から出ていくようにすることもできる。
図３に関して説明する鋳造プロセスは、図１に概要を記載した方法のステップをフォローするものである。ステップ100でロール鋳造機Ｒ1、Ｒ2へ運ばれた溶融金属Ｍは冷却を開始し、ステップ102で溶融金属Ｍは凝固する。金属が冷却すると、冷却された鋳造面Ｒ1、Ｒ2の近傍又は隣接部で凝固した金属の外層(第１のシェル(6)及び第２のシェル(8))へと発展する。前の段落で説明したように、第１のシェル(6)と第２のシェル(8)の厚さは、金属組生成物が鋳造装置を通過する過程で増加する。ステップ102において、粒子状物質(10)は中心部(12)の中へ引き込まれ、中心部は凝固した外層(6)(8)に部分的に囲まれる。図３では、第１のシェル(6)と第２のシェル(8)が中心部(12)をほぼ取り囲んでいる。
換言すると、粒子状物質(10)を含んだ中心部(12)は第１のシェル(6)と第２のシェル(8)の間に位置している。中心部(12)の溶融金属Ｍは、内層(17)を形成する。別の言い方をすれば、内層(17)は第１のシェル(6)と第２のシェル(8)との間に挟まれた状態で配置される。他の鋳造装置では、第１のシェル及び／又は第２のシェル(8)は完全に内層(17)を取り囲むこともある。図１のステップ104を参照すると、内層(17)は凝固している。内層(17)の完全凝固前では、内層(17)は半固体であり、粒子状物質成分(10)と金属成分を含んでいる。この段階では、内層(17)の金属の稠度はドロドロ状態であるが、その理由の一部は、溶融金属の中に粒子状物質(10)が分散していることによる。
ステップ106において、生成物は完全に凝固し、粒子状物質(10)を含む固体中心層(18)と、該固体中心層(18)を取り囲む第１のシェル(6)及び第２のシェル(即ち、外層)とを含んでいる。固体中心層(18)の厚さＴ1は、例えば、生成物(20)の厚さＴの約10〜40％である。一実施例において、固体中心層(18)は粒子状物質を約70体積％含んでいる。一方、第１のシェル(6)と第２のシェル(8)は粒子状物質を約10体積％含んでいるが、シェルの合計厚さ(Ｔ2＋Ｔ3)は生成物(20)の厚さＴの約60〜90％である。それゆえ、ＭＭＣの密度は固体中心層(18)が最も高く、外側シェル(6)(8)ではＭＭＣの密度は低い。
ステップ104において、約30ミクロン以上の大きさの粒子状物質(10)が、中心部(12)の中へ移動するが、この移動は、溶融金属の内層(17)と凝固した外層(6)(8)との速度差によって生じる剪断力によって起こる。内層(17)へのこの移動を達成するために、ロール鋳造機Ｒ1、Ｒ2は約50フィート／分以上の速度で稼働される必要があるだろう。ロール鋳造機Ｒ1、Ｒ2は、これまで10フィート／分未満の速度で稼働されていたため、約30ミクロン以上の大きさの粒子状物質(10)を内層(17)の中へ移動させるのに必要な剪断力は発生しない。
本発明の重要な特徴は、約30ミクロン以上の大きさを有する粒子状物質(10)を、内層(17)の中へ移動させることである。
本発明で開示された傾斜機能ＭＭＣの構造は、ＭＭＣの利点(例えば、改善された機械特性)と、金属外層の延性及び外観とを具えている。この発明の実施に用いられる鋳造面は、溶融金属Ｍの熱の熱シンクとして機能する。稼働時、鋳造品の表面における均一性が完全に得られるように、熱は溶融金属から冷却された鋳造面へ均一に伝達される。冷却された鋳造面は、鋼、銅又は他の適当な材料から作られることができ、溶融金属と接触する表面が凹凸形状を有するようにテクスチャード(textured)加工されることもできる。鋳造面はまた、例えばニッケル又はクロムなどの他の金属又は非金属でコーティングされることもできる。
表面の凹凸は、冷却された鋳造面の表面からの熱伝達を向上させる働きがある。冷却された鋳造面の表面における不均一性の程度を強制的に制御することで、その表面を通しての熱伝達はより均一になる。表面の凹凸は、例えば、溝、くぼみ、ギザギザ状等の構造であり、規則正しいパターンで模様として間隔を有するものであってよい。本発明の方法で稼働されるロール鋳造機の場合、ロールＲ1及びＲ2の適切な速度を制御、維持及び選択することが本発明の実施可能性に影響を与えるだろう。ロールの速度は、溶融金属ＭがニップＮに向かって前進する速度を決定する。その速度が遅過ぎると、粒子状物質(10)は十分な力を受けることができず、金属生成物の内層(17)に取り込まれることはできないだろう。従って、本発明は50フィート／分より速い速度での操作に適している。
一実施例では、本発明は50〜300fpmの速度で稼働されている。溶融アルミニウムがロールＲ1及びＲ2へと運ばれる線形スピードは、ロールＲ1及びＲ2の速度よりも遅く、例えば該ロールの速度の約４分の１である。本発明に係る高速連続鋳造を達成できるのは、部分的には、テクスチャー加工された表面Ｄ1及びＤ2が溶融金属Ｍからの均一な熱伝達を確実なものとするからであり、下記に記載するように、ロール分離力(roll separating forces)が本発明を実施する上で重要なもう一つのパラメータだからである。
本発明の有意な利点は、金属がニップＮに達するまで、固体ストリップは生成されないことである。厚さＴはロールＲ1とＲ2との間のニップＮの寸法によって決まる。ロール分離力は、溶融金属をニップＮから離れる方向に上流に向けて押し上げるのに十分な大きさである。ロール分離力が十分に大きくないと、過剰の溶融金属がニップＮを通過するため、上部シェル(6)と下部シェル(8)の層と固体中心部(18)が互いに離れる方向に力が作用し、位置ずれを生じることになるだろう。これとは逆に、ニップＮに到達する溶融金属が不十分であると、従来のロール鋳造プロセスで起こるように、ストリップの生成が早まってしまう。生成が早められたストリップ(20)はロールＲ1及びＲ2によって変形し、中心線で分離されてしまう。
適当なロール分離力とは、鋳造幅１インチにつき約5〜1000lbsである。一般的に、厚肉合金を鋳造するときは、厚肉合金から熱を取り除くために、鋳造速度をより遅くする必要がある。従来のロール鋳造とは異なり、本発明では、完全固体の非鉄ストリップはニップ上流では生成されないから、このような遅い鋳造速度では、過度のロール分離力が生じない。
合金ストリップは、50〜300fpmの鋳造速度では約0.08〜0.25インチの厚さに生成される。
一実施例では、溶融金属はアルミニウム又はアルミニウム合金である。
第２の実施例では、粒子状物質は、例えば酸化アルミニウム、炭化ホウ素、炭化ケイ素若しくは窒化ホウ素などの非金属材料、又は、鋳造時に生成されるか又は溶融金属に添加される金属材料である。
図４は、本発明に係る傾斜機能ＭＭＣ鋳造品の顕微鏡写真を示している。示されたストリップ(400)は15重量％のアルミナを含んでおり、0.004ゲージである。粒子状物質(10)は、ストリップ(400)全体に分布しているのが観察され、その分布は、中心層(401)では高密度であるのに対し、外層(402)及び(403)ではそれぞれ低密度であることを示している。本発明のプロセスでは溶融物が急速凝固するため、粒子状物質とアルミニウムマトリックスとの間で何の反応も起こらないということは留意されるべきである。さらに、本発明に係る圧延生成物の場合、図５に示されるように、粒子と金属マトリックスの間の界面には、何の損傷も認められない。図５は傾斜機能ＭＭＣストリップ(厚さ0.2mmの圧延状態でＡｌ、15体積％のＡｌ2Ｏ3の複合物)を示しており、金属の外層は成型特性が良好で、中心層の剛性は向上している。本発明ではまた、冷間圧延のプロセス中に再加熱しないで冷間圧延生成物を製造することができる。粒子状物質は生成物の表面に露出しないため、圧延ロールを摩耗又は摩滅させることはない。
本発明について、その具体的な実施例を参照して詳細に説明したが、発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び改良を成し得ることは、当業者には明白であろう。それゆえ、本発明は添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲に含まれる変形及び変更を包含するものである。

Claims (13)

  1. 傾斜機能金属マトリックス複合物を製造する方法であって、
    粒子状物質を含んだ溶融金属を、一対の送り鋳造面に送給するステップ、
    溶融金属を前記鋳造面と鋳造面の間を前進させながら溶融金属を凝固させ、第１の固体外層と、第２の固体外層と、両固体外層の間に半固体の中心層とを有し、前記半固体の中心層に第１又は第２の固体外層よりも高い密度で粒子状物質が存在する生成物を形成するステップ、
    半固体の中心層を凝固させて、半固体の中心層が一対の送り鋳造面のニップを通過した後、第１及び第２の固体外層と凝固した中心層とから構成される固体金属生成物を形成するステップ、及び
    固体金属生成物を前記鋳造面と鋳造面の間から引き出すステップ、を含んでいる方法。
  2. 固体金属生成物を、熱間圧延又は冷間圧延することをさらに含んでいる、請求項１の方法。
  3. 鋳造面と鋳造面の間のニップを、約0.08〜約0.25インチに設定するステップをさらに含んでいる、請求項１の方法。
  4. 溶融金属を前進させるステップは、溶融金属混合物を、約50〜約300fpmの速度で鋳造面と鋳造面の間を前進させることを含んでいる、請求項１の方法。
  5. 一体化された固体金属生成物の厚さを、１又は複数回の熱間圧延パス又は冷間圧延パスにより、約0.004〜約0.125インチの最終厚さに減少させるステップをさらに含んでいる、請求項１の方法。
  6. 溶融金属は、アルミニウム合金であり、粒子状物質は、酸化アルミニウム、炭化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素及びあらゆる非金属材料から成る群から選択される、請求項１の方法。
  7. 固体金属生成物は、シート、ストリップ又はパネルである、請求項１の方法。
  8. 第１の外層と、
    第２の外層と、
    第１及び第２の層の間に位置し、粒子状物質が第１又は第２の外層よりも高い密度で存在する中心層とを含んでいる、傾斜機能金属マトリックス複合製品。
  9. 第１の外層、第２の外層、及び中心層はアルミニウム合金であり、粒子状物質は酸化アルミニウム、炭化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素及びあらゆる非金属材料から成る群から選択される、請求項８の製品。
  10. 中心層は酸化アルミニウム粒子を最大約70体積％まで含む、請求項９の製品。
  11. 製品はストリップ鋳造プロセスを用いて作られる、請求項８の製品。
  12. 製品は厚さ約0.004〜0.125インチである、請求項８の製品。
  13. 製品はストリップ、シート、又はパネルである、請求項８の製品。
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