金属マトリックス複合体本体、及びこれを作製するための方法
鋳造可能であり又は鋳造可能にすることができる、金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）材料を溶融し、型又は坩堝に鋳込み、複数の強化材本体の少なくとも一部を、その懸濁液から溶融マトリックス金属に少なくとも部分的に沈降させる。鋳造物を凝固させ、低濃度負荷の上澄みを、切断、鋸引きなどによって又は鋳造物が依然として溶融状態にある場合にはデカントすることによって、沈降物を含有する鋳造物のゾーンから分離する。好ましい実施形態では、沈降及び／又は凝固プロセス中に、振動の形などの力学的エネルギーをＭＭＣ溶融体に加える。加えられたエネルギーは、強化材を落ち着かせ、より効率的に充填され、それによって鋳造複合体中の体積負荷が増大する。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
[0001]本発明は、金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）本体に関し、詳細には、修正が加えられた鋳造技法によって作製されたＭＭＣに関する。本発明はさらに、そのような鋳造ＭＭＣから作製されたいくつかの例示的な成形品を示す。
【０００２】
［背景技術］
[0002]金属マトリックス複合体は、一般に、モノリシック材料では得ることのできない、１つ又は複数の物理的性質或いはこれらの性質の特定の組合せを有する、比較的新しい種類の材料である。複合体材料は、典型的には、本体全体を通して連続しており又は相互接続している少なくとも１種のマトリックス材料と、このマトリックス材料の全体に分散し又は分布している１種又は複数の強化材料とからなる。複合体材料の強化成分は、不連続体の形をとることができ、又は互いにわずかに隣接していてもよい。名前が示唆する通り、金属マトリックス複合体（時々、略称として「ＭＭＣ」と呼ばれる）は、マトリックス成分として１種又は複数の金属を特徴とする。ＭＭＣ用の強化材料構成要素は、しばしばセラミック材料であり、特に炭化ケイ素、ＳｉＣなどの硬質セラミック材料であるが、これに限定するものではなく、一般には、強化材料の定義に適うものでありまた金属マトリックスに適合する任意の物質にすることができる。したがって、ＭＭＣ本体の強化構成要素は、別の金属にすることもできる。そのようなＭＭＣの例は、銅マトリックスに分散されたタングステン微粒子である。
【０００３】
[0003]近年商業的用途で見られるようになったＭＭＣの１つの種類又は群は、アルミニウム又はアルミニウム合金マトリックスに分散された炭化ケイ素微粒子のものであり、これは略称として「Ａｌ／ＳｉＣ」で知られている。この種類のＭＭＣは、様々な経路によって生成することができる。そのような１つの手法は、事実上の粉末冶金であり、Ａｌ及びＳｉＣの粉末を混合し、加圧し、焼結する。別の手法では、しばしば「プリフォーム」と呼ばれるＳｉＣ微粒子の自己支持性多孔体を形成し、溶融状態にあるアルミニウム又は合金をプリフォームに浸透させる。溶融金属は、真空中でプリフォームに引き入れることができ、これを、時々「高圧鋳造法」と呼ばれる加圧下での押込みを行うことができ、又は溶融金属とプリフォーム材料との間に湿潤状態が生成された場合には、プリフォームに吸収させてもよい。後者の技法に関し、その湿潤状態は、ナトリウムのような金属、又は氷晶石や金属フッ化物のような塩、又は窒化マグネシウムのようなあるセラミックスなどの湿潤剤でプリフォーム材料を被覆することにより、しばしば生成される。例えば、米国特許第４０５６８７４号及び４８２８００８号を参照されたい。
【０００４】
[0004]Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣは、これを数多くの用途に魅力的な材料にする、いくつかの性質の組合せを示す。特にこの材料は、精密部品を作製するのに重要な、低密度（軽量）及び高熱伝導率を有するがより高い剛性及びより低い熱膨張係数を有するような、非強化アルミニウムの望ましい性質の多くを提供する。さらに、これらの材料は、セラミックス又はほとんどのセラミック組成物よりかなり高い機械的靭性を提供する。
【０００５】
[0005]しかし、精密部品の多くには、大きいサイズであること、即ち２０ｋｇよりも重い質量であること、及び／又は長さが数分の１メートル、場合によっては１メートルよりも長い１つ又は複数の寸法を有することが求められている。そのようないくつかの構成部品が、半導体製作装置産業にはあり、例えば、そのサイズをかなりのものにする必要があるガントリービーム及び機械ベースがある。残念ながら、市販のＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣの製作技法のほとんどは、そのような大きな構造を少なくとも単一の一体部品へと、いずれも作製することができず、又はそのように作製する必要に迫られている。
【０００６】
[0006]この問題に対する１つの可能性ある解決策によって、鋳造アルミナなどの、最近の鋳造セラミックスの開発がもたらされてきた。しかし、アルミナはＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣほど軽くはなく、さらに破壊靭性が不足している。
【０００７】
[0007]この問題に対する別の可能性ある解決策は、鋳造可能な形をとるＭＭＣの開発であった。おそらく、最も周知の鋳造可能なＭＭＣは、Ａｌｃａｎ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃｏｍｐａｎｙの子会社であるＤｕｒａｌｃａｎによって開発され商品化された。この鋳造可能なアルミニウムベースのＭＭＣは、強化材としての炭化ケイ素又は酸化アルミニウムの品種に製造された。これらの鋳造可能なＭＭＣは「撹拌鋳造」法によって作製され、通常なら湿潤し難いセラミックに溶融金属を密接させるインペラを用いて、真空中又は不活性雰囲気中で溶融アルミニウム金属浴に、セラミック微粒子を撹拌しながら入れた。セラミック微粒子を約３０体積パーセントまで含有する鋳造可能なＭＭＣは、市販されている。
【０００８】
[0008]その他のＭＭＣ製作技法も、鋳造可能なＭＭＣを作製するのに修正の余地がある。しかし一般に、粉末冶金又はプリフォーム溶浸技法によって作製されたＭＭＣは、そのマトリックス金属が完全に溶融する状態にまで加熱した場合であっても、容易に流動せず、したがって容易に鋳造することができない。典型的には、強化材の負荷（ｌｏａｄｉｎｇ）は鋳造性に高すぎるものであり、追加のマトリックス金属を添加しなければならない。さらに、また特に溶浸プリフォームによって作製されたＭＭＣに関しては、しばしば、強化材本体を一緒に保持する少なくとも非常に薄い被膜、スケルトン、又はスキン層があり、これを破壊した後に、ＭＭＣを鋳造可能にすることができる。これは、通常の要件の他に、強化材の負荷を希薄にするためにより多くのマトリックス金属を添加することである。この粉砕は、高剪断インペラを用いて実現することができる。例えば、その内容の全体が参照により本明細書に特に組み込まれている米国特許第６２２３８０５号を参照されたい。
【０００９】
[0009]所望の大きな構成要素及び構造は、鋳造技法によって作製することができる。しかし、補強材の負荷が約３０又は３５体積パーセントよりも高い場合、鋳造可能な形でＭＭＣを生成することは難しい。精密部品市場で求められる所望の性質、即ち高剛性及び低ＣＴＥは、補強材の体積負荷によって大幅に制御されるので、鋳造性の理由に関する負荷に対するこの制約が、実現することのできる性質の改善を制限する。
【００１０】
[0010]求められているものは、このように限定されない鋳造可能なＭＭＣであり、特に、強化材構成要素のより高い負荷を有する鋳造可能なＭＭＣである。本発明は、ある解決策を提供する。
【００１１】
［発明の目的］
[0011]したがって、材料開発の現況から考えると、本発明の目的は、大きな一体型構造の製造に繋がる材料及び／又は方法を開発することである。
【００１２】
[0012]本発明の目的は、形状製作のための鋳造又は鋳造様技法を利用することである。
【００１３】
[0013]本発明の目的は、成形ＭＭＣ体を作製するために、成形多孔体（例えば「プリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）」）を溶浸させる必要を回避することである。
【００１４】
[0014]本発明の目的は、強化構成要素の荷重（ｌｏａｄｉｎｇ）が比較的高いＭＭＣ体を製造することである。
【００１５】
[0015]本発明の目的は、軽く、剛性及び靭性を有する材料を生成することである。
【００１６】
[0016]本発明の目的は、少なくともセラミックスと比較して、機械加工するのが比較的容易な金属複合体材料を生成することである。
【００１７】
[0017]本発明の目的は、孔を開け易くネジを切り易い金属複合体材料を生成することである。
【００１８】
［発明の開示］
[0018]本発明の、これら及びその他の目的は、金属マトリックス複合体材料（ＭＭＣ）によって、特に鋳造又は鋳造可能なＭＭＣによって達成される。具体的には、また本発明によれば、鋳造可能なＭＭＣを、この材料が鋳造可能になるように少なくとも融点まで加熱する。次いで「溶融」ＭＭＣを、型に、好ましくは所望の形状の型に鋳込む。強化材本体がブラウン運動によっていつまでも懸濁するようにそれほど小さくないならば（例えばコロイドサイズ）、事実上全ての知られている鋳造可能なＭＭＣ材料は、この時点で層状化し始める。即ち、マトリックス金属とは異なる密度の強化構成要素が、懸濁液から沈降し始めて沈殿物を形成し、即ち、均質状態に対して高い体積負荷であるゾーンが形成される。典型的には、強化構成要素は、マトリックス金属の場合よりも高い理論密度を有し、したがって強化材の沈降は、型の底部で生じ、型の上部では生じない（「上方（ａｂｏｖｅ）」、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「下方（ｄｏｗｎ）」、「上部（ｔｏｐ）」、及び「上（ｕｐ）」という用語は、本明細書では、重力の方向に対する方向を指すと解釈される）。同時に強化材構成要素の、マトリックス金属内で高い負荷がかかっており、また低密度で負荷がかかっており、又は除去されてさえいるゾーンが、沈降ゾーンに隣接して（通常は上方に）形成される。低密度で負荷がかかっているＭＭＣのゾーンを、この時点でデカントしてもよく、それによって強化材に富むゾーンを残し、次いでこれを凝固し、型から取り外す。或いは、層状化したＭＭＣ鋳造を凝固させ、次いで低密度で負荷がかかったゾーン（ｓｐａｒｓｅｌｙ ｌｏａｄｅｄ ｚｏｎｅ）を、例えば鋸で切り、機械加工し、侵食させ、腐食させるなどして、強化材に富むゾーンから除去してもよい。
【００１９】
[0019]任意の特定の理論又は説明に拘泥するものではないが、ＭＭＣのマトリックス金属が、調和して溶融しない２種以上の金属を含有する場合、強化材本体は、おそらくは主要相の成長クリスタライトによって、凝固中に押し分けられる（ｓｈｏｖｅｄ）こともある。このように、凝固によって、強化材本体は均一に分布せず、そのまま効率的に充填されない。したがって、本発明の好ましい実施形態では、沈降及び／又は凝固プロセス中に、力学的エネルギー、好ましくは振動の形をとるエネルギーを、ＭＭＣ溶融体に加える。加えられたエネルギーによって、強化材本体を落ち着かせ、より効率的に充填することが可能になり、それによって鋳造複合体の体積負荷が増大する。
【００２０】
［発明を実施するための形態］
[0038]鋳造可能なＭＭＣは、複合体材料の大きく複雑な構造を容易に製作することができる、プラットフォーム又は経路である。全体的な形状を鋳造したら、そのＭＭＣ材料の鋳造物をさらに加工して、ＭＭＣの強化構成要素の体積負荷を増大させ、それによって、高剛性及び／又は低ＣＴＥなどの強化構成要素の所望の性質を強化する。
【００２１】
[0039]具体的には、本発明の好ましい実施形態の本発明の技法を実施するために、鋳造可能なＭＭＣ組成物を提供し、ＭＭＣのマトリックス金属を溶融する。代替例では、通常なら鋳造できないＭＭＣを提供し、その後、例えば追加のマトリックス金属を溶融マトリックスに供給することによって、鋳造できるようにする。強化材を多量に投入する場合、及び／又は強化材粒子を網状構造にし又はその他の方法で互いに結合させる場合には、粉砕が必要になることもある。例えば、前述の米国特許第６２２３８０５号を参照されたい。強化材構成要素は、典型的には依然として固体であるが、便宜上この状態でのＭＭＣを、本明細書では「ＭＭＣ溶融体」又は「溶融ＭＭＣ」と呼ぶ。次いで溶融ＭＭＣを、好ましくは所望の形状の１つである型に鋳込む。次いで、通常なら強化材本体の分散を助けることができる任意の撹拌又は掻き混ぜを、停止させる。
【００２２】
[0040]混合しないまま放置し、この時点で、事実上全ての既知の鋳造可能なＭＭＣ材料は層状化し始めることになり、即ち、マトリックス金属とは異なる密度（ほとんどの場合大きい）の強化材構成要素は、懸濁液から沈降し始めて沈降物を形成し、即ち、均質状態に比べて高い体積負荷のゾーンを形成する。同時に、強化材構成要素のマトリックス金属内で高度に負荷がかかり、低密度で負荷がかかり、又はさらに除去されたゾーンが、沈降したゾーンに隣接して（通常は上方に）形成される。低密度で負荷がかかったＭＭＣのゾーンを、この時点でデカントし、強化材に富む沈降ゾーンをそのままにし、次いで凝固させ、型から外してもよい。或いは、層状化ＭＭＣ鋳造部物を凝固させ、次いで鋸引き、機械加工、侵食、腐食などによって、低密度負荷ゾーン（ｓｐａｒｓｌｅｙ ｌｏａｄｅｄ ｚｏｎｅ）を強化材に富むゾーンから除去してもよい。
【００２３】
[0041]そのような材料の典型的な微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を、図１Ａ及び１Ｂに示す。この材料は、炭化ケイ素セラミック微粒子が、主にアルミニウム金属を含有するマトリックス全体に分布した状態の、鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣである。分布は、少なくとも巨視的スケールでは多かれ少なかれ均質である。Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ、特に鋳造可能なＭＭＣは、一般に、ＭＭＣの金属成分の補助的又は合金成分として、いくらかのケイ素金属も含有する。この場合ケイ素は、顕微鏡写真のグレー相１１として見ることができる。顕微鏡写真に見られる最も明るい相１３は、アルミニウム又はアルミニウムに富む金属溶液である。最も暗い相１５は、炭化ケイ素微粒子である。この明るい相の最大領域を「一次」アルミニウムと呼び、これは、溶融状態からの冷却中に凝固する最初の相であることを意味する。アルミニウム−ケイ素系などの単純な２成分合金相の図では、凝固する２つの相：アルミニウム含有ケイ素相及びケイ素含有アルミニウム相しか存在しない。したがってこの顕微鏡写真では、多数のストライプ又は短い平行線を含有するように見える領域によって示される、凝固する溶融体の最後の部分を、「共晶組成物」と呼ぶ。これは、最も低い融点を有す組成物であり、調和して凍結し、即ち単一の温度及びある範囲の温度を超えないで凍結することを意味する。しかし凝固すると、この共晶組成物はケイ素とアルミニウムに富む相とにそれぞれ分離する。
【００２４】
[0042]しかし鋳造ＭＭＣの供給元は、図１Ｂの鋳造ＭＭＣのミクロ構造の略式検査によって、少なくともある量のＳｉＣ粒子の「凝集」又は「クラスター化」があることが明らかにされても、その生成物が均一であり均質であると言うこと、及びそのマトリックス金属全体の分布が、示されているよりも改善されたままになっていると言うことを好む。いかなる特定の理論又は説明にも拘泥するものではないが、出願人は、ＳｉＣ粒子から凝集塊又はクラスターへの組織化が、マトリックス金属の凝固中に生じ、具体的には主要相（ｐｒｉｍａｒｙ ｐｈａｓｅ）金属結晶の核形成及び成長が、発生するマトリックス金属粒子からＳｉＣ粒子を押し出すと考えている。これは、共晶組成物金属を含有する領域の大部分になぜＳｉＣ粒子が位置しているかの説明を、助けることになる。
【００２５】
[0043]同時に出願人は、粒子を「定着させる（ｎｅｓｔ）」ための振動などの力学的動作（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｃｔｉｏｎ）が存在しない状態では粒子ができるだけ効率的に充填されないことを示唆している、水ベースの流体中のセラミック微粒子の沈降動作などのその他の類似した証拠に気付いている。したがって、金属の凝固が一致しており一次マトリックス金属相の凝固による「粒子の押出し」がない場合であっても、ＭＭＣ溶融体から沈降する粒子が、振動のない状態で非効率的に充填される可能性があるのは事実と考えられる。
【００２６】
[0044]図２は、本発明の鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料（Ｄｕｒａｌｃａｎ Ｆ３Ｓ．３０Ｓ）の、断面の写真を示す。この場合、全体の組成は、鋳造範囲の端から端まで均質ではなく、むしろ鋳造物は溶融状態のままにされ、それによってＳｉＣ強化材を、アルミニウム合金マトリックス金属中で懸濁液から沈降させる。したがって、沈降して堆積し又はＳｉＣに富むゾーン２１は、ＳｉＣ強化材が大幅に除去されている合金に富むゾーン２３の下に存在する。
【００２７】
[0045]図３Ａ及び３Ｂは、それぞれ図２の鋳造成分の、除去されたゾーン及びＳｉＣに富むゾーンの顕微鏡写真である。沈降は完全であり、清浄である。合金相は、ＳｉＣ粒子を含有しない（図３Ａ）。沈降層（図３Ｂ）は、ＳｉＣ負荷がやや高いこと以外、図１Ｂの非沈降ＭＭＣとほぼ同程度の均一性を有するように見える。定量的画像解析（ＱＩＡ）では、この沈降ゾーンでのＳｉＣ負荷が約４５体積パーセントであることを報告している。それにも関わらず、依然としてＳｉＣ粒子の凝集又はクラスター形成がある。したがって、粒子の充填は依然としてより高くなる。
【００２８】
[0046]図４は、本発明の好ましい実施形態の、鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料のミクロ構造を示す。ＳｉＣの体積負荷は、図１Ｂ又は３Ｂの場合よりも、これら３つの顕微鏡写真全てにおいてＳｉＣ粒子が実質的に同じサイズでありまた実質的に同じ粒度分布を有するとしても、明らかに大きい。さらに、ＳｉＣ粒子の明らかな凝集又はクラスター形成を、少なくとも通常の目視検査では見ることはできない。それにも関わらず、このミクロ構造によって表されるＭＭＣ材料は、鋳造プロセスによって作製された。
【００２９】
[0047]具体的には、本発明の好ましい実施形態の本発明の技法を実施するために、鋳造可能なＭＭＣ組成物を提供し、このＭＭＣのマトリックス金属を溶融し、ＭＭＣを鋳込み、その溶融体を、具体的には強化材本体の沈降によって層状化させる。マトリックス金属が固体状態にまで凝固するように冷却する前に、波の形をとる力学的エネルギーを、鋳込まれたＭＭＣ溶融体に与える。このエネルギーは、沈降プロセスの一部又は全てが実質的に完了した後に加えることができ、又は沈降プロセスの実質的に全てが行われる間に加えることができる。このエネルギーは、マトリックス金属が凝固するときに加えてもよい。
【００３０】
[0048]力学的（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）な波エネルギーは、事実上振動性である。さらに、精密な波形は重要ではなく、サイン、鋸歯、及び方形波などの波形が、満足に作用すべきである。さらにこの波は、圧力波、剪断波、又はいくつかの組合せでもよい。出願人は、液体中は剪断波がどのような遠距離も伝播することができないが、溶融体を固体粒子にかなり投入することができるので、本発明のＭＭＣ溶融体にいくらかの効果を発揮できることに、気付いている。約５ヘルツから５０００ヘルツの間の周波数が、満足のいくべきものであり、約２０Ｈｚから２００Ｈｚの間の周波数が好ましい。このように、エネルギーの少なくとも一部は音響周波数範囲内にすることができる。力学的エネルギー波は連続的に加えてもよく、又はパルス若しくはバーストとして加えてもよい。一連の、力の低い衝突、衝撃、揺動も、所望の結果を実現することができる。
【００３１】
[0049]力学的エネルギー波の振幅は、単に、強化材本体が隣接する本体に対してわずかに動くように、十分である必要があると思われる。次いで重力によって、本体を落ち着かせ、一緒に緊密に充填することになる。力学的エネルギー波の振幅は大きすぎてはならず、さもないと、凝固したＭＭＣ本体の孔の存在によって示されるキャビテーションが生ずる可能性がある。或いは、過度に高い振動度によって、緊密に充填された配置構成を形成する強化材本体がもたらされず、代わりに、溶融体の全体にわたってより均一な分散が生ずることになる。振動は、米国特許第５２２２５４２号において、この目的に適切であると記述されている。
【００３２】
[0050]任意の特定の理論又は説明に拘泥するものではないが、同様に又は代替例として、凝固中に与えられる力学的エネルギーは、主要相（ｐｒｉｍａｒｙ ｐｈａｓｅ）結晶を発生させてそこから強化材本体を押し出すための、表面エネルギーで促進される傾向を克服するのに十分であると思われる。又は力学的エネルギーは、一次クリスタライトの核形成及び成長のためのより多くの部位を生成し、したがって、より多くのより小さい一次結晶を、共晶凝固前にもたらすと考えられる。これが生じていれば、強化材本体は、共晶層の凝固が発生する前にそれだけ押し出されないであろう。
【００３３】
[0051]ＭＭＣ又は鋳造可能なＭＭＣを作製するためのほとんどの任意の技法は、本発明と協同して作用すべきである。例えば、米国特許第５５１１６０３号に記載されているような高圧鋳造又は圧力鋳造法、米国特許第３９４８６５０号に記載されているようなＣＯＭＰＯＣＡＳＴＩＮＧ（商標）技法、米国特許第４７８６４６７号に記載されているような撹拌鋳造法、米国特許第４８２８００８号及び第５２２２５４２号に記載されているような常圧金属溶浸法、及び米国特許第４３５４９６４号に記載されているような粉末冶金法は、それぞれ、本発明の沈降プロセスと協同して機能すべきである。これらの特許のそれぞれの開示全体を、参照により本明細書に特に組み込む。
【００３４】
[0052]アルミニウム−ケイ素マトリックス金属系、Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣの作製において非常に一般的に使用されるアルミニウム合金系に関し、本発明は、この系が亜共晶か過共晶であるかに関わらず、機能すべきである。しかし出願人は、過共晶系において、主要相（ｐｒｉｍａｒｙ ｐｈａｓｅ）がケイ素金属でありアルミニウム金属ではないことを理解している（物理学者は時々、ケイ素元素を半金属又は「メタロイド」として分類するが、本発明においては金属と見なすことにする）。
【００３５】
[0053]本発明は、特に粒子の押出しが生ずる場合、マトリックス金属用にその他の合金系を有する鋳造可能なＭＭＣにおいても機能すべきである。本発明は、マトリックス金属が複数の成分からなり、またこれらの成分が同時に凝固しない、鋳造可能なＭＭＣ系で機能すべきである。また本発明は、１成分マトリックス金属系、即ち凝固が一致しているマトリックス金属系においても、より高い強化粒子充填効率及びより精錬されたミクロ構造に関して利益を提供できることも事実と思われる。本発明に関連して機能すべきその他のマトリックス金属系には、マグネシウムやチタン、銅、スズ、亜鉛、鉄、ニッケル、その他の合金などの、周知の鋳造可能な金属が含まれる。ケイ素合金は一般的な鋳造合金ではないが、本発明により機能することもできる。
【００３６】
[0054]出願人は、強化材本体のサイズが１ミリメートル程度よりも大きい工業的に生産されている鋳造可能なＭＭＣを、承知していない。これは、鋳造可能な状態では、ストークスの法則が効力を発揮し、本体がより大きくなるほどより早く懸濁液から沈降するからと考えられる。ほとんどの鋳造可能なＭＭＣでは、これが問題である。本発明は沈降現象を利用するので、これは問題とは程遠く、さらに大きい強化材本体を本発明の鋳造可能なＭＭＣで用いることが可能と考えられる。先に提示したように強化材サイズの下限は、流体分子のブラウン運動がこれらを懸濁させるのに十分激しい場合、密度がどの程度かに関係なく、十分小さい本体が決して懸濁液から流体中に沈降しないという事実によって制御されるようになる。Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ系では、これは、強化材本体のサイズがサブミクロンサイズの範囲に低減するまで生ずるべきではない。しかし、Ｄｕｒａｌｃａｎ Ｇｒａｄｅ Ｆ３Ｓ．３０Ｓの鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ（Ａｌｃａｎ Ｉｎｃ．、Ｊｏｎｑｕｉｅｒｅ、ケベック、カナダ）に関する製品概要は、サイズが３ミクロン程度のＳｉＣ粒子は沈降しないことを示すことに留意されたい。
【００３７】
[0055]これまで本発明は、単一サイズの強化材本体について検討してきた。注意しながら、あるサイズの範囲又は分布を有する鋳造可能なＭＭＣも、本発明で機能すべきである。この場合、ストークスの法則の作用によって、潜在的な問題は、サイズに応じた強化材本体の偏析になる（一定の密度と仮定して）。勾配構造が望まれる場合、これは問題にならないが、この検討では、最終商品をできる限り均一な組成物として求められると想定することにする。上述のように、より大きい本体は、より小さいものよりも速く沈降し易くなる。しかしサイズの範囲がそれほど広くない場合、沈降プロセス中のサイズによる偏析の量を、最小限に保つことができる。
【００３８】
[0056]市販の鋳造可能なＭＭＣのほとんどは、補強材本体に合わせた粒子を特徴とする。しかしＭＭＣは、繊維やプレートレット（ｐｌａｔｅｌｅｔ）などの異なる形態を有する強化材本体で生成されている。したがって本発明は、粒子又は球体だけでなく、強化材本体用のいくつかの異なる形状で機能すべきである。具体的には、薄片、プレートレット（ｐｌａｔｅｌｅｔ）、及びウィスカなどの強化材の形態、又は短繊維などのその他の短い繊維も、本発明において効率的に機能すべきである。長繊維を有するＭＭＣも、強化材繊維を丸薬の形に丸め又は巻き上げることができる場合には鋳造可能にすることができる。例えば、その内容が参照により本明細書に特に組み込まれる、日本国特許第６３１９２８３０号を参照されたい。
【００３９】
[0057]下記の実施例の考察に見られるように、沈降及び振動技法は、鋳造ＭＭＣにおける強化材の体積負荷を上昇させる際に、実に効果的である。具体的には、かなり狭い粒度分布を有する約３０体積％のＳｉＣ微粒子を含有する鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣは、このＳｉＣ粒子を溶融アルミニウム合金内で懸濁液から沈降させることによって、約３７〜４５体積％に増加させることができる。沈降及び／又は凍結ステップ中に振動を加えることにより、沈殿物の負荷がさらに約５０〜６０体積％まで上昇する。粒度分布をいくらか広げることにより、６０〜７０体積％という強化材の負荷を可能にすべきである。これは、例えば２４０及び５００メッシュ微粒子（平均粒度がそれぞれ約６６及び１７ミクロン）を約７０：３０の体積比で混合することによって、実現することができる。
【００４０】
[0058]下記の概略的な記述は図５を参照し、本発明の方法を実施するための手順について述べている。
【００４１】
[0059]２つの空気雰囲気炉（キルン（ｋｉｌｎｓ））を準備する。キルンは、上部投入型でよく、少なくとも約８００℃の温度に加熱することが可能である。第１のキルン５１は、酸化を低減させるため、任意選択で窒化ホウ素微粒子などの塗型剤で被覆された黒鉛坩堝５３を含有する。この黒鉛坩堝には、Ａｌ／ＳｉＣなどの大量の金属マトリックス複合体材料５５を充填する。キルンを、少なくともＭＭＣ材料の融解温度に、即ち少なくとも金属マトリックスの融点に加熱する。ＭＭＣを鋳造可能にするために、必要に応じて追加のマトリックス金属を添加する。鋳造直前に、鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣを混合棒５７で撹拌して、この材料をできる限り均質化する。
【００４２】
[0060]第２のキルン５９は、鋳造するのに望ましい形状の型又はチャンバ５０を含有する。やはりこの型も、適切な塗型剤で被覆された黒鉛でよい。型は、鋳型の底面から所定の高さに位置付けられた、ドレンプラグ５２も特徴とする。ＭＭＣは、伝統的な金属鋳造フィルタ５４を使用して濾過することができる。しかしフィルタの開口は、鋳造可能なＭＭＣの強化材本体がこのフィルタを通過するように、十分なサイズである必要がある。図５では、フィルタが、キルンの蓋の一部として、又はキルンの蓋と一体化したものとして示されている。漏斗５６も、蓋５８と一体化されている。鋳型は、台座又は基部６１上に支持されている。振動の実施形態では、キルン全体を振動ユニット（図示せず）上に支持してもよい。第２のキルンは、鋳造操作に適切な温度まで加熱される。Ａｌ／ＳｉＣの場合、この温度は約６７５℃〜８００℃の範囲内でよい。
【００４３】
[0061]２つのキルンの温度が所望の温度で平衡になったら、第１のキルン５１の蓋６３を外し、ＭＭＣ溶融体５５が入っている坩堝５３を、例えば坩堝鋳造トング６５で坩堝を取り扱う２名によってこの第１のキルンから引き上げ、Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ溶融体を、第２のキルン５９の蓋５８の金属鋳造フィルタ５４に慎重に注ぎ、この第２のキルンに入れられた鋳型５０に注ぐ。次いで鋳込まれたＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣをそのままにし、その間に、ＳｉＣ微粒子を懸濁液から沈降させる。沈降は、約１時間で実質的に終了する。振動を用いる場合、振動ユニットを、鋳込まれたＭＭＣが注がれたらすぐに又はＭＭＣが注がれる前でさえ、作動させることができる。振動を用いる場合、沈降は、約４時間の振動を経る前には終了することができない。
【００４４】
[0062]この時点で、この鋳造は、２つの明確なゾーンを特徴とする。底部又は下部ゾーンは、均質な鋳造ＭＭＣ材料の出発濃度よりも高いＳｉＣ微粒子濃度を有するＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料を特徴とする。頂部又は上部ゾーンは、出発時の鋳造ＭＭＣ材料よりも低いＳｉＣ微粒子濃度であること、おそらくはＳｉＣ微粒子が本質的にゼロでさえあることを特徴とする。
【００４５】
[0063]沈降が終了した後、マトリックス金属が凝固するように鋳造物を冷却させてもよい。しかし好ましい実施形態では、鋳型は、その上部ゾーンが、ドレイニング又はデカンティングによって下部ゾーンから分離されており又は切り離されている。具体的には、第２のキルン５９の側面６７及び蓋５８を、例えばキルンリフトハンドル６９を使用することによって取り外し、型５０及びその内容物である溶融ＭＭＣ材料を、慎重に黒鉛冷却板７１に移して凝固させるが、この凝固は、改善された鋳造物の品質及び精錬されたミクロ構造に向けたものである。しかしマトリックス金属が凝固する前に、ドレンプラグ５２を取り外し、上部ゾーンの溶融体を坩堝７３に流出させる。
【００４６】
[0064]下記の実施例は、本発明のいくつかの好ましい実施形態について、さらにより具体的に例示する。これらの実施例は、事実上の例示とされ、本発明の範囲を限定するものと解釈するべきではない。
【００４７】
［実施例Ｉ］
[0065]この実施例は、補強材成分の体積負荷が高いＭＭＣ本体を製造するために、市販の鋳造可能なＭＭＣ材料に適用される、修正を加えた鋳造技法について示す。
【００４８】
[0066]図６を参照すると、塗型剤で被覆された大きな黒鉛坩堝を、周囲温度の抵抗加熱空気雰囲気キルン（Ｌ＆Ｌ Ｋｉｌｎｓ、Ｂｏｏｔｈｗｙｎ、ＰＡ）内に置いた。それぞれ直径約２インチ（約５ｃｍ）×高さ約８インチ（約２０ｃｍ）と測定される、７個のより小さな型を、大きな坩堝に隣接させて配置した。約３０体積％がＳｉＣ微粒子に投入され、またその量がこれら７個の型を充填するのに十分である、かなりの量の鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料（Ｄｕｒａｌｃａｎ Ｇｒａｄｅ Ｆ３Ｓ．３０Ｓ）を、大きな坩堝内に入れた。次いで炉に通電し、次いで鋳造可能なＭＭＣを、製造業者の指示に従って溶融させた。
【００４９】
[0067]鋳込まれた材料が完全に溶融したら、ＳｉＣ微粒子強化材を撹拌し、又はその他の方法によりマトリックス金属全体に完全に均質化させた。次いでＭＭＣ溶融体を、７個のより小さな型に、実質的に等量で注入した（図７参照）。型を炉から引き出し、その内容物を、キルン内で、下記のおよその滞留時間にわたり周囲条件下で凝固させた：それぞれ０、０．５、１、３、４、５、及び６時間。
【００５０】
[0068]各型及びその内容物が、実質的に周囲温度にまで冷却された後、鋳造物を型から取り出し、長手方向に切断した（図８参照）。切断面を、図９に示すように、各沈下鋳造物の２つの異なるゾーンを明らかにするために、必要に応じて研削し研磨した。下部ゾーンは、アルミニウム−ケイ素マトリックス金属、及びこのマトリックス金属に分散された沈降ＳｉＣ微粒子を含有する、沈降ゾーンである。上部ゾーンは、ＳｉＣ微粒子を実質的に含有せず、マトリックス金属のみであり、したがってこれを「除去ゾーン」と呼ぶ。次いで鋳造物の全高並びに沈降部分の高さを測定し、それによって、沈下又は沈降速度、及び沈降ゾーン内のＳｉＣ負荷を計算することができた。
【００５１】
[0069]図１０は、沈降時間の関数として、沈降ゾーン内のＳｉＣ微粒子の負荷を示す。このように、この実施例は、初期に３０体積％のＳｉＣである鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣは、鋳込み及び沈降後の沈降ゾーン内で約４８．５体積％のＳｉＣ負荷をもたらすこと、及びこの沈降度に到達するのに約６時間を要することを示す。
【００５２】
［実施例ＩＩ］
[0070]この実施例は、修正を加えたＭＭＣ鋳造技法を示す。具体的には、鋳造可能なＭＭＣを鋳込み、強化材成分を懸濁液から沈降させる。振動を、少なくとも沈降時間の一部において、鋳型及びその内容物に加える。したがってこの実施例は、振動の態様であること以外、実施例Ｉと実質的に同じように実施した。
【００５３】
[0071]図１１を参照すると、振動は、抵抗加熱空気雰囲気キルン５１の下にＳＹＮＴＲＯＮ（商標）振動ユニット１１１（ＦＭＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ、ＰＡ）を事前に配置することによって、沈降時間中に実施した。振動は、振動ユニットを「低」設定に設定した状態で、沈降時間の全体を通して連続的に発生させた。この場合も、その目的は、隣接する物質に対してわずかに移動するように十分なだけの力学的エネルギーを、溶融体のＳｉＣ粒子に与え、それによって、材料を「落ち着かせる」こと及び／又はセラミック粒子とマトリックス金属との間の表面張力を克服することである。正確な材料及び成分が入手されない場合、当業者はそれにも関わらず、これらの結果を過度な実験なしに再現できなければならない。具体的には、同様の強化材本体を高度な負荷量で沈降させるよう、ほぼ適正な強度設定の感触を得るために、異なる強度設定の振動ユニットを使用していくつかの簡単な試験操作を周囲温度で水性セラミックスラリーに関して実施することは、ためになると思われる。
【００５４】
＜機械的及び物理的性質の特徴＞
[0072]製作ステップの後、本発明の反応結合セラミック複合体材料の、様々な機械的及び物理的性質を測定した。密度は、機械加工された試験片のバルク体積を測定し、これでその質量を割ることによって決定した。弾性は、ＡＳＴＭ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｄ２８４５に従い、超音波パルスエコー技法によって測定した。硬さは、ロックウェルＢスケール上で測定した。４点曲げでの曲げ強度は、ＭＩＬ−ＳＴＤ−１９４２Ａに従って決定した。破壊靭性は、４点曲げシェブロンノッチ技法、及びスクリュー駆動式ＳｉｎｔｅｃｈモデルＣＴＴＳ−２０００万能試験機を使用し、クロスヘッド速度１ｍｍ／分での押しのけ制御下で測定した。６×４．８×５０ｍｍと測定される試験片を、６ｍｍ寸法に平行な負荷方向と、それぞれ２０及び４０ｍｍの内部及び外部負荷スパンで試験した。０．３ｍｍ幅のダイヤモンド刃で切断されたシェブロンノッチは、開先角度６０°を有し、各試験片の長さの中間に位置付けられた。試験片の寸法は、Ｍｕｎｚ他の分析による２つの計算方法の間での、分析上の差を最小限に抑えるように選択された（Ｄ．Ｇ．Ｍｕｎｚ、Ｊ．Ｌ．Ｓｈａｎｎｏｎ、及びＲ．Ｔ．Ｂｕｂｓｅｙ、「Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｌｏａｄ ｉｎ Ｆｏｕｒ Ｐｏｉｎｔ Ｂｅｎｄ Ｔｅｓｔｓ ｏｆ Ｃｈｅｖｒｏｎ Ｎｏｔｃｈ Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ」、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｆｒａｃｔｕｒｅ、１６ Ｒ１３７〜４１（１９８０））。
【００５５】
[0073]図１２は、沈降時間中の、振動に曝されていない７個の鋳型及び振動に曝された５個の鋳型のそれぞれの鋳型底面からの距離の関数として、ロックウェルＢ硬さを示す。チャートの凡例で、「ＮＶ」は振動していないサンプルを指し、それに対してこれらの指定表示の「Ｖ」を有するサンプルは、振動させたものである。導き出すことができる結論の中には、下記の内容がある。
・約５０体積パーセントのＳｉＣの負荷は、沈降及び振動の約１５０分後に実現された。
・振動させた材料は明らかに、３５分で又は６５分後であっても沈降が終了していない。
・振動させたサンプルは、振動していないサンプルよりも高い硬さを有する。
・より低いレベルの充填が最初に行われ、次いでより高いレベルで行われる。
・硬さは、鋳型の最高レベル（底面から最も離れた距離）で降下する。
【００５６】
[0074]図１３は、それぞれ振動していないサンプル及び振動させたサンプルに関する沈降時間の関数として、沈降Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ鋳造物のロックウェルＢ硬さを示す。この場合も図の凡例は、鋳造手順において述べたように、時間ごとではなく分ごとの沈降時間を報告する。このチャートは、振動していないサンプルが約１時間で沈降を終了するのに対し、振動させたサンプルは沈降を終了せず、沈降し続けて４時間マークで充填することを示唆している。
【００５７】
[0075]図１４は、３つの鋳造物に関する硬さとヤング率のデータの両方を示し、そのうちの２つは振動させていない状態のものであり、もう１つは振動させたものである。白抜きのデータポイントは硬さの測定値を指し、ベタ塗り又は黒塗りのデータポイントは、ヤング率を示す。ヤング率のデータは、硬さのデータが示唆するよりも高いサンプルの均一性を示す。３０％ＳｉＣでの出発材料のヤング率は、約１２９ＧＰａであり、「振動させていない」材料は約１４１ＧＰａ（約３７％の負荷（ｌｏａｄｉｎｇ））、及び「振動させた」サンプルは約１７８ＧＰａである（約５０％の負荷（ｌｏａｄｉｎｇ））。
【００５８】
[0076]次いで、沈降させ、約２４５分間（約６時間）振動させたサンプル、サンプルＶ−５について、さらに特徴付けを行った。
Ａｌ−５０％ＳｉＣ（サンプルＶ−５）
密度（ｇ／ｃｃ） ２．９４〜２．９６
ヤング率（ＧＰａ） １７８
ポアソン比 ０．２６
曲げ強度（ＭＰａ） ２８７（６本のフレックス棒）
平均： ２８６．９
最小 ２６８．８
最大 ３２４．５
標準偏差 ２５．５
破壊靭性（ＫＩＣ、ＭＰａ．ｍ１／２） １３．４（６本の棒）
平均： １３．４３
最小 １２．９８
最大 １４．１０
標準偏差 ０．３９
ＣＴＥ（×１０−６Ｋ−１） １０〜１２
熱伝導率（Ｗ／ｍ−Ｋ） １６０〜２００
【００５９】
[0077]このように、「振動を伴った沈降」条件によって、高弾性率であり良好な強度及び靭性の材料が提供される。
【００６０】
［実施例ＩＩＩ］
[0078]出発時の鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料が二峰性分布のＳｉＣ微粒子であり、この微粒子の約３０パーセントがより小さいサイズであり残りがより大きいサイズであることを除き、実施例ＩＩの鋳造ＭＭＣ製作技法を実質的に繰り返した。具体的には、粒度分布のピークは、約２４０メッシュ及び５００メッシュの微粒子、それぞれ約６６ミクロン及び１７ミクロンを中心とした。
【００６１】
[0079]振動、沈降、及び凝固に従って得られた鋳造物の、研磨された断面の光学顕微鏡写真を、倍率約４００×で図１５に示す。
【００６２】
［実施例ＩＶ］
[0080]この実施例は、上述の本発明の技法を使用して製作された、いくつかの商業的に有用な物品を示す。これらの構成要素のそれぞれは、出発材料として約３０体積パーセントのＳｉＣ微粒子を含有する、Ｄｕｒａｌｃａｎ Ｆ３Ｓ．３０Ｓの鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣを使用して製造した。
【００６３】
[0081]そのような１つの実証用構成要素は、図１６及び１７に示すような、３３０ｍｍ×３３０ｍｍの高剛性のリブ付きプレートであった。
【００６４】
[0082]Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣが鋳込まれる型は、リブ間の鋳造物の一部を画定するために、圧縮性のコアを特徴とする。沈降は、非振動状態での、７００℃で４時間の等温保持を特徴とする。最初に、鋳造可能なＭＭＣ材料を、１インチ当たり２０開口（１センチメートル当たり約８開口）の鋳造フィルタを介して注ぎ込むことを試みたが、ＭＭＣは、このフィルタを適正に通過しなかった。したがって、鋳込み操作をフィルタなしで繰り返した。濾過しないことにより、試験サンプルの鋳込んだままの表面に、非常に数多くの「襞」が目に見えるようになった。
【００６５】
[0083]第２の実証構成要素は、振動の実施形態を使用して鋳造された、６２０ｍｍ×４６０ｍｍの高剛性の機械ベースを特徴とした（図１８参照）。特にこの実験操作は、高負荷を実現するために、振動を伴う７００℃での４時間の等温保持を特徴とした。さらに、部品における酸化物スキンの閉じ込めを少なくするために、「合金ボックス」を利用した。沈降後、鋳型を高温の炉及び振動ユニットから取り出し、冷却板上で凝固させた。
【００６６】
［産業上の利用可能性］
[0084]本発明の方法及び組成物には、複雑な形状、場合によっては大きな単一の複雑な構造を必要とし、開発の中間段階で機械加工し、高い寸法精度、及び精密で高い比剛性、低熱膨張係数、高硬度、高靭性、高熱伝導率、及び／又は高耐磨耗性を必要とする適用例で、有用性がある。したがって本発明の金属マトリックス複合体材料は、とりわけ精密機器、ロボット工学、工作器具、外装、自動車、電子パッケージ及び熱管理、並びに半導体製作工業において興味あるものである。任意選択で強化リブを含有し、１メートル以上の側面が測定され、おそらくは１メートルトン以上が計量される、プレートなどの開放構造は、本発明の技法を使用して製造可能であるべきである。本発明により企図される特定の製造物品には、ウェハーテーブル、真空チャック、静電チャック、空気保持ハウジング、又は支持フレームなどの半導体ウェハー取扱い構成部品、電子パッケージ及び基板、工作機械のブリッジ及びベース、ガントリービームなどのビーム、ミラー基板、ミラーステージ、及びフラットパネルディスプレーセッターなどが含まれるが、これらに限定するものではない。本発明の材料は、例えば外装などの耐衝撃物品、又は例えばブレーキやクラッチ部品などの摩擦材料にも有用と考えられる。
【００６７】
[0085]当業者なら、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、本明細書に記述された本発明に様々な修正を加えることができることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１Ａ】約３０パーセントのＳｉＣ体積負荷を有する、典型的な鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣの研磨された断面の、低及び高倍率の光学顕微鏡写真である。
【図１Ｂ】約３０パーセントのＳｉＣ体積負荷を有する、典型的な鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣの研磨された断面の、低及び高倍率の光学顕微鏡写真である。
【図２】Ｄｕｒａｌｃａｎ Ｆ３Ｓ．３０Ｓ Ａｌ／ＳｉＣインゴットを有する、高温の型に鋳込まれた構成要素の断面を示す図である。
【図３Ａ】図２の鋳造構成要素の、除去されたゾーン及びＳｉＣに富むゾーンをそれぞれ示す顕微鏡写真である。
【図３Ｂ】図２の鋳造構成要素の、除去されたゾーン及びＳｉＣに富むゾーンをそれぞれ示す顕微鏡写真である。
【図４】本発明の好ましい振動による実施形態の、鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料のミクロ構造を示す図である。
【図５】本発明の「沈降ＭＭＣ」を実施する主なステップを示す、概略図である。
【図６】坩堝及び７個の型を有する炉の写真である。
【図７】沈降試験中の温度での、炉の写真である。
【図８】左から右に、鋳込み時、０．５時間、１、３、４、５、及び６時間の沈降時間での、機械加工された沈降サンプルの写真である。
【図９】「除去された（ｄｅ−ｎｕｄｅｄ）」ゾーンと沈降層との界面を示す写真である。
【図１０】平均沈降負荷対時間を示すグラフである。
【図１１】本発明の沈降試験の振動による実施形態に関する、炉の設備の写真である。
【図１２】本発明の「振動させた」実施形態及び「沈降のみ」の実施形態の両方に関する、鋳造物内の位置の関数としての硬さのグラフである。
【図１３】本発明の非振動実施形態及び振動実施形態の両方に関する、沈降時間の関数としての硬さのチャートである。
【図１４】鋳造物内の位置の関数としての、硬さ及び弾性率のグラフである。
【図１５】実施例ＩＩＩにより作製されたＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ鋳造物の、研磨された断面の約４００×の光学顕微鏡写真である。
【図１６】「沈降のみ」の実施形態（振動なし）を使用した、Ａｌ／ＳｉＣからの、３３０ｍｍ×３３０ｍｍの高剛性リブ付きプレート鋳造物（）の写真である。
【図１７】図１６のリブ付きプレートの一部分のクローズアップ写真である。
【図１８】機械加工の最終段階での、鋳造物６２０ｍｍ×４６０ｍｍ高剛性機械ベースの写真である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
[0001]本発明は、金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）本体に関し、詳細には、修正が加えられた鋳造技法によって作製されたＭＭＣに関する。本発明はさらに、そのような鋳造ＭＭＣから作製されたいくつかの例示的な成形品を示す。
【０００２】
［背景技術］
[0002]金属マトリックス複合体は、一般に、モノリシック材料では得ることのできない、１つ又は複数の物理的性質或いはこれらの性質の特定の組合せを有する、比較的新しい種類の材料である。複合体材料は、典型的には、本体全体を通して連続しており又は相互接続している少なくとも１種のマトリックス材料と、このマトリックス材料の全体に分散し又は分布している１種又は複数の強化材料とからなる。複合体材料の強化成分は、不連続体の形をとることができ、又は互いにわずかに隣接していてもよい。名前が示唆する通り、金属マトリックス複合体（時々、略称として「ＭＭＣ」と呼ばれる）は、マトリックス成分として１種又は複数の金属を特徴とする。ＭＭＣ用の強化材料構成要素は、しばしばセラミック材料であり、特に炭化ケイ素、ＳｉＣなどの硬質セラミック材料であるが、これに限定するものではなく、一般には、強化材料の定義に適うものでありまた金属マトリックスに適合する任意の物質にすることができる。したがって、ＭＭＣ本体の強化構成要素は、別の金属にすることもできる。そのようなＭＭＣの例は、銅マトリックスに分散されたタングステン微粒子である。
【０００３】
[0003]近年商業的用途で見られるようになったＭＭＣの１つの種類又は群は、アルミニウム又はアルミニウム合金マトリックスに分散された炭化ケイ素微粒子のものであり、これは略称として「Ａｌ／ＳｉＣ」で知られている。この種類のＭＭＣは、様々な経路によって生成することができる。そのような１つの手法は、事実上の粉末冶金であり、Ａｌ及びＳｉＣの粉末を混合し、加圧し、焼結する。別の手法では、しばしば「プリフォーム」と呼ばれるＳｉＣ微粒子の自己支持性多孔体を形成し、溶融状態にあるアルミニウム又は合金をプリフォームに浸透させる。溶融金属は、真空中でプリフォームに引き入れることができ、これを、時々「高圧鋳造法」と呼ばれる加圧下での押込みを行うことができ、又は溶融金属とプリフォーム材料との間に湿潤状態が生成された場合には、プリフォームに吸収させてもよい。後者の技法に関し、その湿潤状態は、ナトリウムのような金属、又は氷晶石や金属フッ化物のような塩、又は窒化マグネシウムのようなあるセラミックスなどの湿潤剤でプリフォーム材料を被覆することにより、しばしば生成される。例えば、米国特許第４０５６８７４号及び４８２８００８号を参照されたい。
【０００４】
[0004]Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣは、これを数多くの用途に魅力的な材料にする、いくつかの性質の組合せを示す。特にこの材料は、精密部品を作製するのに重要な、低密度（軽量）及び高熱伝導率を有するがより高い剛性及びより低い熱膨張係数を有するような、非強化アルミニウムの望ましい性質の多くを提供する。さらに、これらの材料は、セラミックス又はほとんどのセラミック組成物よりかなり高い機械的靭性を提供する。
【０００５】
[0005]しかし、精密部品の多くには、大きいサイズであること、即ち２０ｋｇよりも重い質量であること、及び／又は長さが数分の１メートル、場合によっては１メートルよりも長い１つ又は複数の寸法を有することが求められている。そのようないくつかの構成部品が、半導体製作装置産業にはあり、例えば、そのサイズをかなりのものにする必要があるガントリービーム及び機械ベースがある。残念ながら、市販のＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣの製作技法のほとんどは、そのような大きな構造を少なくとも単一の一体部品へと、いずれも作製することができず、又はそのように作製する必要に迫られている。
【０００６】
[0006]この問題に対する１つの可能性ある解決策によって、鋳造アルミナなどの、最近の鋳造セラミックスの開発がもたらされてきた。しかし、アルミナはＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣほど軽くはなく、さらに破壊靭性が不足している。
【０００７】
[0007]この問題に対する別の可能性ある解決策は、鋳造可能な形をとるＭＭＣの開発であった。おそらく、最も周知の鋳造可能なＭＭＣは、Ａｌｃａｎ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃｏｍｐａｎｙの子会社であるＤｕｒａｌｃａｎによって開発され商品化された。この鋳造可能なアルミニウムベースのＭＭＣは、強化材としての炭化ケイ素又は酸化アルミニウムの品種に製造された。これらの鋳造可能なＭＭＣは「撹拌鋳造」法によって作製され、通常なら湿潤し難いセラミックに溶融金属を密接させるインペラを用いて、真空中又は不活性雰囲気中で溶融アルミニウム金属浴に、セラミック微粒子を撹拌しながら入れた。セラミック微粒子を約３０体積パーセントまで含有する鋳造可能なＭＭＣは、市販されている。
【０００８】
[0008]その他のＭＭＣ製作技法も、鋳造可能なＭＭＣを作製するのに修正の余地がある。しかし一般に、粉末冶金又はプリフォーム溶浸技法によって作製されたＭＭＣは、そのマトリックス金属が完全に溶融する状態にまで加熱した場合であっても、容易に流動せず、したがって容易に鋳造することができない。典型的には、強化材の負荷（ｌｏａｄｉｎｇ）は鋳造性に高すぎるものであり、追加のマトリックス金属を添加しなければならない。さらに、また特に溶浸プリフォームによって作製されたＭＭＣに関しては、しばしば、強化材本体を一緒に保持する少なくとも非常に薄い被膜、スケルトン、又はスキン層があり、これを破壊した後に、ＭＭＣを鋳造可能にすることができる。これは、通常の要件の他に、強化材の負荷を希薄にするためにより多くのマトリックス金属を添加することである。この粉砕は、高剪断インペラを用いて実現することができる。例えば、その内容の全体が参照により本明細書に特に組み込まれている米国特許第６２２３８０５号を参照されたい。
【０００９】
[0009]所望の大きな構成要素及び構造は、鋳造技法によって作製することができる。しかし、補強材の負荷が約３０又は３５体積パーセントよりも高い場合、鋳造可能な形でＭＭＣを生成することは難しい。精密部品市場で求められる所望の性質、即ち高剛性及び低ＣＴＥは、補強材の体積負荷によって大幅に制御されるので、鋳造性の理由に関する負荷に対するこの制約が、実現することのできる性質の改善を制限する。
【００１０】
[0010]求められているものは、このように限定されない鋳造可能なＭＭＣであり、特に、強化材構成要素のより高い負荷を有する鋳造可能なＭＭＣである。本発明は、ある解決策を提供する。
【００１１】
［発明の目的］
[0011]したがって、材料開発の現況から考えると、本発明の目的は、大きな一体型構造の製造に繋がる材料及び／又は方法を開発することである。
【００１２】
[0012]本発明の目的は、形状製作のための鋳造又は鋳造様技法を利用することである。
【００１３】
[0013]本発明の目的は、成形ＭＭＣ体を作製するために、成形多孔体（例えば「プリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）」）を溶浸させる必要を回避することである。
【００１４】
[0014]本発明の目的は、強化構成要素の荷重（ｌｏａｄｉｎｇ）が比較的高いＭＭＣ体を製造することである。
【００１５】
[0015]本発明の目的は、軽く、剛性及び靭性を有する材料を生成することである。
【００１６】
[0016]本発明の目的は、少なくともセラミックスと比較して、機械加工するのが比較的容易な金属複合体材料を生成することである。
【００１７】
[0017]本発明の目的は、孔を開け易くネジを切り易い金属複合体材料を生成することである。
【００１８】
［発明の開示］
[0018]本発明の、これら及びその他の目的は、金属マトリックス複合体材料（ＭＭＣ）によって、特に鋳造又は鋳造可能なＭＭＣによって達成される。具体的には、また本発明によれば、鋳造可能なＭＭＣを、この材料が鋳造可能になるように少なくとも融点まで加熱する。次いで「溶融」ＭＭＣを、型に、好ましくは所望の形状の型に鋳込む。強化材本体がブラウン運動によっていつまでも懸濁するようにそれほど小さくないならば（例えばコロイドサイズ）、事実上全ての知られている鋳造可能なＭＭＣ材料は、この時点で層状化し始める。即ち、マトリックス金属とは異なる密度の強化構成要素が、懸濁液から沈降し始めて沈殿物を形成し、即ち、均質状態に対して高い体積負荷であるゾーンが形成される。典型的には、強化構成要素は、マトリックス金属の場合よりも高い理論密度を有し、したがって強化材の沈降は、型の底部で生じ、型の上部では生じない（「上方（ａｂｏｖｅ）」、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「下方（ｄｏｗｎ）」、「上部（ｔｏｐ）」、及び「上（ｕｐ）」という用語は、本明細書では、重力の方向に対する方向を指すと解釈される）。同時に強化材構成要素の、マトリックス金属内で高い負荷がかかっており、また低密度で負荷がかかっており、又は除去されてさえいるゾーンが、沈降ゾーンに隣接して（通常は上方に）形成される。低密度で負荷がかかっているＭＭＣのゾーンを、この時点でデカントしてもよく、それによって強化材に富むゾーンを残し、次いでこれを凝固し、型から取り外す。或いは、層状化したＭＭＣ鋳造を凝固させ、次いで低密度で負荷がかかったゾーン（ｓｐａｒｓｅｌｙ ｌｏａｄｅｄ ｚｏｎｅ）を、例えば鋸で切り、機械加工し、侵食させ、腐食させるなどして、強化材に富むゾーンから除去してもよい。
【００１９】
[0019]任意の特定の理論又は説明に拘泥するものではないが、ＭＭＣのマトリックス金属が、調和して溶融しない２種以上の金属を含有する場合、強化材本体は、おそらくは主要相の成長クリスタライトによって、凝固中に押し分けられる（ｓｈｏｖｅｄ）こともある。このように、凝固によって、強化材本体は均一に分布せず、そのまま効率的に充填されない。したがって、本発明の好ましい実施形態では、沈降及び／又は凝固プロセス中に、力学的エネルギー、好ましくは振動の形をとるエネルギーを、ＭＭＣ溶融体に加える。加えられたエネルギーによって、強化材本体を落ち着かせ、より効率的に充填することが可能になり、それによって鋳造複合体の体積負荷が増大する。
【００２０】
［発明を実施するための形態］
[0038]鋳造可能なＭＭＣは、複合体材料の大きく複雑な構造を容易に製作することができる、プラットフォーム又は経路である。全体的な形状を鋳造したら、そのＭＭＣ材料の鋳造物をさらに加工して、ＭＭＣの強化構成要素の体積負荷を増大させ、それによって、高剛性及び／又は低ＣＴＥなどの強化構成要素の所望の性質を強化する。
【００２１】
[0039]具体的には、本発明の好ましい実施形態の本発明の技法を実施するために、鋳造可能なＭＭＣ組成物を提供し、ＭＭＣのマトリックス金属を溶融する。代替例では、通常なら鋳造できないＭＭＣを提供し、その後、例えば追加のマトリックス金属を溶融マトリックスに供給することによって、鋳造できるようにする。強化材を多量に投入する場合、及び／又は強化材粒子を網状構造にし又はその他の方法で互いに結合させる場合には、粉砕が必要になることもある。例えば、前述の米国特許第６２２３８０５号を参照されたい。強化材構成要素は、典型的には依然として固体であるが、便宜上この状態でのＭＭＣを、本明細書では「ＭＭＣ溶融体」又は「溶融ＭＭＣ」と呼ぶ。次いで溶融ＭＭＣを、好ましくは所望の形状の１つである型に鋳込む。次いで、通常なら強化材本体の分散を助けることができる任意の撹拌又は掻き混ぜを、停止させる。
【００２２】
[0040]混合しないまま放置し、この時点で、事実上全ての既知の鋳造可能なＭＭＣ材料は層状化し始めることになり、即ち、マトリックス金属とは異なる密度（ほとんどの場合大きい）の強化材構成要素は、懸濁液から沈降し始めて沈降物を形成し、即ち、均質状態に比べて高い体積負荷のゾーンを形成する。同時に、強化材構成要素のマトリックス金属内で高度に負荷がかかり、低密度で負荷がかかり、又はさらに除去されたゾーンが、沈降したゾーンに隣接して（通常は上方に）形成される。低密度で負荷がかかったＭＭＣのゾーンを、この時点でデカントし、強化材に富む沈降ゾーンをそのままにし、次いで凝固させ、型から外してもよい。或いは、層状化ＭＭＣ鋳造部物を凝固させ、次いで鋸引き、機械加工、侵食、腐食などによって、低密度負荷ゾーン（ｓｐａｒｓｌｅｙ ｌｏａｄｅｄ ｚｏｎｅ）を強化材に富むゾーンから除去してもよい。
【００２３】
[0041]そのような材料の典型的な微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を、図１Ａ及び１Ｂに示す。この材料は、炭化ケイ素セラミック微粒子が、主にアルミニウム金属を含有するマトリックス全体に分布した状態の、鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣである。分布は、少なくとも巨視的スケールでは多かれ少なかれ均質である。Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ、特に鋳造可能なＭＭＣは、一般に、ＭＭＣの金属成分の補助的又は合金成分として、いくらかのケイ素金属も含有する。この場合ケイ素は、顕微鏡写真のグレー相１１として見ることができる。顕微鏡写真に見られる最も明るい相１３は、アルミニウム又はアルミニウムに富む金属溶液である。最も暗い相１５は、炭化ケイ素微粒子である。この明るい相の最大領域を「一次」アルミニウムと呼び、これは、溶融状態からの冷却中に凝固する最初の相であることを意味する。アルミニウム−ケイ素系などの単純な２成分合金相の図では、凝固する２つの相：アルミニウム含有ケイ素相及びケイ素含有アルミニウム相しか存在しない。したがってこの顕微鏡写真では、多数のストライプ又は短い平行線を含有するように見える領域によって示される、凝固する溶融体の最後の部分を、「共晶組成物」と呼ぶ。これは、最も低い融点を有す組成物であり、調和して凍結し、即ち単一の温度及びある範囲の温度を超えないで凍結することを意味する。しかし凝固すると、この共晶組成物はケイ素とアルミニウムに富む相とにそれぞれ分離する。
【００２４】
[0042]しかし鋳造ＭＭＣの供給元は、図１Ｂの鋳造ＭＭＣのミクロ構造の略式検査によって、少なくともある量のＳｉＣ粒子の「凝集」又は「クラスター化」があることが明らかにされても、その生成物が均一であり均質であると言うこと、及びそのマトリックス金属全体の分布が、示されているよりも改善されたままになっていると言うことを好む。いかなる特定の理論又は説明にも拘泥するものではないが、出願人は、ＳｉＣ粒子から凝集塊又はクラスターへの組織化が、マトリックス金属の凝固中に生じ、具体的には主要相（ｐｒｉｍａｒｙ ｐｈａｓｅ）金属結晶の核形成及び成長が、発生するマトリックス金属粒子からＳｉＣ粒子を押し出すと考えている。これは、共晶組成物金属を含有する領域の大部分になぜＳｉＣ粒子が位置しているかの説明を、助けることになる。
【００２５】
[0043]同時に出願人は、粒子を「定着させる（ｎｅｓｔ）」ための振動などの力学的動作（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｃｔｉｏｎ）が存在しない状態では粒子ができるだけ効率的に充填されないことを示唆している、水ベースの流体中のセラミック微粒子の沈降動作などのその他の類似した証拠に気付いている。したがって、金属の凝固が一致しており一次マトリックス金属相の凝固による「粒子の押出し」がない場合であっても、ＭＭＣ溶融体から沈降する粒子が、振動のない状態で非効率的に充填される可能性があるのは事実と考えられる。
【００２６】
[0044]図２は、本発明の鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料（Ｄｕｒａｌｃａｎ Ｆ３Ｓ．３０Ｓ）の、断面の写真を示す。この場合、全体の組成は、鋳造範囲の端から端まで均質ではなく、むしろ鋳造物は溶融状態のままにされ、それによってＳｉＣ強化材を、アルミニウム合金マトリックス金属中で懸濁液から沈降させる。したがって、沈降して堆積し又はＳｉＣに富むゾーン２１は、ＳｉＣ強化材が大幅に除去されている合金に富むゾーン２３の下に存在する。
【００２７】
[0045]図３Ａ及び３Ｂは、それぞれ図２の鋳造成分の、除去されたゾーン及びＳｉＣに富むゾーンの顕微鏡写真である。沈降は完全であり、清浄である。合金相は、ＳｉＣ粒子を含有しない（図３Ａ）。沈降層（図３Ｂ）は、ＳｉＣ負荷がやや高いこと以外、図１Ｂの非沈降ＭＭＣとほぼ同程度の均一性を有するように見える。定量的画像解析（ＱＩＡ）では、この沈降ゾーンでのＳｉＣ負荷が約４５体積パーセントであることを報告している。それにも関わらず、依然としてＳｉＣ粒子の凝集又はクラスター形成がある。したがって、粒子の充填は依然としてより高くなる。
【００２８】
[0046]図４は、本発明の好ましい実施形態の、鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料のミクロ構造を示す。ＳｉＣの体積負荷は、図１Ｂ又は３Ｂの場合よりも、これら３つの顕微鏡写真全てにおいてＳｉＣ粒子が実質的に同じサイズでありまた実質的に同じ粒度分布を有するとしても、明らかに大きい。さらに、ＳｉＣ粒子の明らかな凝集又はクラスター形成を、少なくとも通常の目視検査では見ることはできない。それにも関わらず、このミクロ構造によって表されるＭＭＣ材料は、鋳造プロセスによって作製された。
【００２９】
[0047]具体的には、本発明の好ましい実施形態の本発明の技法を実施するために、鋳造可能なＭＭＣ組成物を提供し、このＭＭＣのマトリックス金属を溶融し、ＭＭＣを鋳込み、その溶融体を、具体的には強化材本体の沈降によって層状化させる。マトリックス金属が固体状態にまで凝固するように冷却する前に、波の形をとる力学的エネルギーを、鋳込まれたＭＭＣ溶融体に与える。このエネルギーは、沈降プロセスの一部又は全てが実質的に完了した後に加えることができ、又は沈降プロセスの実質的に全てが行われる間に加えることができる。このエネルギーは、マトリックス金属が凝固するときに加えてもよい。
【００３０】
[0048]力学的（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）な波エネルギーは、事実上振動性である。さらに、精密な波形は重要ではなく、サイン、鋸歯、及び方形波などの波形が、満足に作用すべきである。さらにこの波は、圧力波、剪断波、又はいくつかの組合せでもよい。出願人は、液体中は剪断波がどのような遠距離も伝播することができないが、溶融体を固体粒子にかなり投入することができるので、本発明のＭＭＣ溶融体にいくらかの効果を発揮できることに、気付いている。約５ヘルツから５０００ヘルツの間の周波数が、満足のいくべきものであり、約２０Ｈｚから２００Ｈｚの間の周波数が好ましい。このように、エネルギーの少なくとも一部は音響周波数範囲内にすることができる。力学的エネルギー波は連続的に加えてもよく、又はパルス若しくはバーストとして加えてもよい。一連の、力の低い衝突、衝撃、揺動も、所望の結果を実現することができる。
【００３１】
[0049]力学的エネルギー波の振幅は、単に、強化材本体が隣接する本体に対してわずかに動くように、十分である必要があると思われる。次いで重力によって、本体を落ち着かせ、一緒に緊密に充填することになる。力学的エネルギー波の振幅は大きすぎてはならず、さもないと、凝固したＭＭＣ本体の孔の存在によって示されるキャビテーションが生ずる可能性がある。或いは、過度に高い振動度によって、緊密に充填された配置構成を形成する強化材本体がもたらされず、代わりに、溶融体の全体にわたってより均一な分散が生ずることになる。振動は、米国特許第５２２２５４２号において、この目的に適切であると記述されている。
【００３２】
[0050]任意の特定の理論又は説明に拘泥するものではないが、同様に又は代替例として、凝固中に与えられる力学的エネルギーは、主要相（ｐｒｉｍａｒｙ ｐｈａｓｅ）結晶を発生させてそこから強化材本体を押し出すための、表面エネルギーで促進される傾向を克服するのに十分であると思われる。又は力学的エネルギーは、一次クリスタライトの核形成及び成長のためのより多くの部位を生成し、したがって、より多くのより小さい一次結晶を、共晶凝固前にもたらすと考えられる。これが生じていれば、強化材本体は、共晶層の凝固が発生する前にそれだけ押し出されないであろう。
【００３３】
[0051]ＭＭＣ又は鋳造可能なＭＭＣを作製するためのほとんどの任意の技法は、本発明と協同して作用すべきである。例えば、米国特許第５５１１６０３号に記載されているような高圧鋳造又は圧力鋳造法、米国特許第３９４８６５０号に記載されているようなＣＯＭＰＯＣＡＳＴＩＮＧ（商標）技法、米国特許第４７８６４６７号に記載されているような撹拌鋳造法、米国特許第４８２８００８号及び第５２２２５４２号に記載されているような常圧金属溶浸法、及び米国特許第４３５４９６４号に記載されているような粉末冶金法は、それぞれ、本発明の沈降プロセスと協同して機能すべきである。これらの特許のそれぞれの開示全体を、参照により本明細書に特に組み込む。
【００３４】
[0052]アルミニウム−ケイ素マトリックス金属系、Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣの作製において非常に一般的に使用されるアルミニウム合金系に関し、本発明は、この系が亜共晶か過共晶であるかに関わらず、機能すべきである。しかし出願人は、過共晶系において、主要相（ｐｒｉｍａｒｙ ｐｈａｓｅ）がケイ素金属でありアルミニウム金属ではないことを理解している（物理学者は時々、ケイ素元素を半金属又は「メタロイド」として分類するが、本発明においては金属と見なすことにする）。
【００３５】
[0053]本発明は、特に粒子の押出しが生ずる場合、マトリックス金属用にその他の合金系を有する鋳造可能なＭＭＣにおいても機能すべきである。本発明は、マトリックス金属が複数の成分からなり、またこれらの成分が同時に凝固しない、鋳造可能なＭＭＣ系で機能すべきである。また本発明は、１成分マトリックス金属系、即ち凝固が一致しているマトリックス金属系においても、より高い強化粒子充填効率及びより精錬されたミクロ構造に関して利益を提供できることも事実と思われる。本発明に関連して機能すべきその他のマトリックス金属系には、マグネシウムやチタン、銅、スズ、亜鉛、鉄、ニッケル、その他の合金などの、周知の鋳造可能な金属が含まれる。ケイ素合金は一般的な鋳造合金ではないが、本発明により機能することもできる。
【００３６】
[0054]出願人は、強化材本体のサイズが１ミリメートル程度よりも大きい工業的に生産されている鋳造可能なＭＭＣを、承知していない。これは、鋳造可能な状態では、ストークスの法則が効力を発揮し、本体がより大きくなるほどより早く懸濁液から沈降するからと考えられる。ほとんどの鋳造可能なＭＭＣでは、これが問題である。本発明は沈降現象を利用するので、これは問題とは程遠く、さらに大きい強化材本体を本発明の鋳造可能なＭＭＣで用いることが可能と考えられる。先に提示したように強化材サイズの下限は、流体分子のブラウン運動がこれらを懸濁させるのに十分激しい場合、密度がどの程度かに関係なく、十分小さい本体が決して懸濁液から流体中に沈降しないという事実によって制御されるようになる。Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ系では、これは、強化材本体のサイズがサブミクロンサイズの範囲に低減するまで生ずるべきではない。しかし、Ｄｕｒａｌｃａｎ Ｇｒａｄｅ Ｆ３Ｓ．３０Ｓの鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ（Ａｌｃａｎ Ｉｎｃ．、Ｊｏｎｑｕｉｅｒｅ、ケベック、カナダ）に関する製品概要は、サイズが３ミクロン程度のＳｉＣ粒子は沈降しないことを示すことに留意されたい。
【００３７】
[0055]これまで本発明は、単一サイズの強化材本体について検討してきた。注意しながら、あるサイズの範囲又は分布を有する鋳造可能なＭＭＣも、本発明で機能すべきである。この場合、ストークスの法則の作用によって、潜在的な問題は、サイズに応じた強化材本体の偏析になる（一定の密度と仮定して）。勾配構造が望まれる場合、これは問題にならないが、この検討では、最終商品をできる限り均一な組成物として求められると想定することにする。上述のように、より大きい本体は、より小さいものよりも速く沈降し易くなる。しかしサイズの範囲がそれほど広くない場合、沈降プロセス中のサイズによる偏析の量を、最小限に保つことができる。
【００３８】
[0056]市販の鋳造可能なＭＭＣのほとんどは、補強材本体に合わせた粒子を特徴とする。しかしＭＭＣは、繊維やプレートレット（ｐｌａｔｅｌｅｔ）などの異なる形態を有する強化材本体で生成されている。したがって本発明は、粒子又は球体だけでなく、強化材本体用のいくつかの異なる形状で機能すべきである。具体的には、薄片、プレートレット（ｐｌａｔｅｌｅｔ）、及びウィスカなどの強化材の形態、又は短繊維などのその他の短い繊維も、本発明において効率的に機能すべきである。長繊維を有するＭＭＣも、強化材繊維を丸薬の形に丸め又は巻き上げることができる場合には鋳造可能にすることができる。例えば、その内容が参照により本明細書に特に組み込まれる、日本国特許第６３１９２８３０号を参照されたい。
【００３９】
[0057]下記の実施例の考察に見られるように、沈降及び振動技法は、鋳造ＭＭＣにおける強化材の体積負荷を上昇させる際に、実に効果的である。具体的には、かなり狭い粒度分布を有する約３０体積％のＳｉＣ微粒子を含有する鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣは、このＳｉＣ粒子を溶融アルミニウム合金内で懸濁液から沈降させることによって、約３７〜４５体積％に増加させることができる。沈降及び／又は凍結ステップ中に振動を加えることにより、沈殿物の負荷がさらに約５０〜６０体積％まで上昇する。粒度分布をいくらか広げることにより、６０〜７０体積％という強化材の負荷を可能にすべきである。これは、例えば２４０及び５００メッシュ微粒子（平均粒度がそれぞれ約６６及び１７ミクロン）を約７０：３０の体積比で混合することによって、実現することができる。
【００４０】
[0058]下記の概略的な記述は図５を参照し、本発明の方法を実施するための手順について述べている。
【００４１】
[0059]２つの空気雰囲気炉（キルン（ｋｉｌｎｓ））を準備する。キルンは、上部投入型でよく、少なくとも約８００℃の温度に加熱することが可能である。第１のキルン５１は、酸化を低減させるため、任意選択で窒化ホウ素微粒子などの塗型剤で被覆された黒鉛坩堝５３を含有する。この黒鉛坩堝には、Ａｌ／ＳｉＣなどの大量の金属マトリックス複合体材料５５を充填する。キルンを、少なくともＭＭＣ材料の融解温度に、即ち少なくとも金属マトリックスの融点に加熱する。ＭＭＣを鋳造可能にするために、必要に応じて追加のマトリックス金属を添加する。鋳造直前に、鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣを混合棒５７で撹拌して、この材料をできる限り均質化する。
【００４２】
[0060]第２のキルン５９は、鋳造するのに望ましい形状の型又はチャンバ５０を含有する。やはりこの型も、適切な塗型剤で被覆された黒鉛でよい。型は、鋳型の底面から所定の高さに位置付けられた、ドレンプラグ５２も特徴とする。ＭＭＣは、伝統的な金属鋳造フィルタ５４を使用して濾過することができる。しかしフィルタの開口は、鋳造可能なＭＭＣの強化材本体がこのフィルタを通過するように、十分なサイズである必要がある。図５では、フィルタが、キルンの蓋の一部として、又はキルンの蓋と一体化したものとして示されている。漏斗５６も、蓋５８と一体化されている。鋳型は、台座又は基部６１上に支持されている。振動の実施形態では、キルン全体を振動ユニット（図示せず）上に支持してもよい。第２のキルンは、鋳造操作に適切な温度まで加熱される。Ａｌ／ＳｉＣの場合、この温度は約６７５℃〜８００℃の範囲内でよい。
【００４３】
[0061]２つのキルンの温度が所望の温度で平衡になったら、第１のキルン５１の蓋６３を外し、ＭＭＣ溶融体５５が入っている坩堝５３を、例えば坩堝鋳造トング６５で坩堝を取り扱う２名によってこの第１のキルンから引き上げ、Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ溶融体を、第２のキルン５９の蓋５８の金属鋳造フィルタ５４に慎重に注ぎ、この第２のキルンに入れられた鋳型５０に注ぐ。次いで鋳込まれたＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣをそのままにし、その間に、ＳｉＣ微粒子を懸濁液から沈降させる。沈降は、約１時間で実質的に終了する。振動を用いる場合、振動ユニットを、鋳込まれたＭＭＣが注がれたらすぐに又はＭＭＣが注がれる前でさえ、作動させることができる。振動を用いる場合、沈降は、約４時間の振動を経る前には終了することができない。
【００４４】
[0062]この時点で、この鋳造は、２つの明確なゾーンを特徴とする。底部又は下部ゾーンは、均質な鋳造ＭＭＣ材料の出発濃度よりも高いＳｉＣ微粒子濃度を有するＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料を特徴とする。頂部又は上部ゾーンは、出発時の鋳造ＭＭＣ材料よりも低いＳｉＣ微粒子濃度であること、おそらくはＳｉＣ微粒子が本質的にゼロでさえあることを特徴とする。
【００４５】
[0063]沈降が終了した後、マトリックス金属が凝固するように鋳造物を冷却させてもよい。しかし好ましい実施形態では、鋳型は、その上部ゾーンが、ドレイニング又はデカンティングによって下部ゾーンから分離されており又は切り離されている。具体的には、第２のキルン５９の側面６７及び蓋５８を、例えばキルンリフトハンドル６９を使用することによって取り外し、型５０及びその内容物である溶融ＭＭＣ材料を、慎重に黒鉛冷却板７１に移して凝固させるが、この凝固は、改善された鋳造物の品質及び精錬されたミクロ構造に向けたものである。しかしマトリックス金属が凝固する前に、ドレンプラグ５２を取り外し、上部ゾーンの溶融体を坩堝７３に流出させる。
【００４６】
[0064]下記の実施例は、本発明のいくつかの好ましい実施形態について、さらにより具体的に例示する。これらの実施例は、事実上の例示とされ、本発明の範囲を限定するものと解釈するべきではない。
【００４７】
［実施例Ｉ］
[0065]この実施例は、補強材成分の体積負荷が高いＭＭＣ本体を製造するために、市販の鋳造可能なＭＭＣ材料に適用される、修正を加えた鋳造技法について示す。
【００４８】
[0066]図６を参照すると、塗型剤で被覆された大きな黒鉛坩堝を、周囲温度の抵抗加熱空気雰囲気キルン（Ｌ＆Ｌ Ｋｉｌｎｓ、Ｂｏｏｔｈｗｙｎ、ＰＡ）内に置いた。それぞれ直径約２インチ（約５ｃｍ）×高さ約８インチ（約２０ｃｍ）と測定される、７個のより小さな型を、大きな坩堝に隣接させて配置した。約３０体積％がＳｉＣ微粒子に投入され、またその量がこれら７個の型を充填するのに十分である、かなりの量の鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料（Ｄｕｒａｌｃａｎ Ｇｒａｄｅ Ｆ３Ｓ．３０Ｓ）を、大きな坩堝内に入れた。次いで炉に通電し、次いで鋳造可能なＭＭＣを、製造業者の指示に従って溶融させた。
【００４９】
[0067]鋳込まれた材料が完全に溶融したら、ＳｉＣ微粒子強化材を撹拌し、又はその他の方法によりマトリックス金属全体に完全に均質化させた。次いでＭＭＣ溶融体を、７個のより小さな型に、実質的に等量で注入した（図７参照）。型を炉から引き出し、その内容物を、キルン内で、下記のおよその滞留時間にわたり周囲条件下で凝固させた：それぞれ０、０．５、１、３、４、５、及び６時間。
【００５０】
[0068]各型及びその内容物が、実質的に周囲温度にまで冷却された後、鋳造物を型から取り出し、長手方向に切断した（図８参照）。切断面を、図９に示すように、各沈下鋳造物の２つの異なるゾーンを明らかにするために、必要に応じて研削し研磨した。下部ゾーンは、アルミニウム−ケイ素マトリックス金属、及びこのマトリックス金属に分散された沈降ＳｉＣ微粒子を含有する、沈降ゾーンである。上部ゾーンは、ＳｉＣ微粒子を実質的に含有せず、マトリックス金属のみであり、したがってこれを「除去ゾーン」と呼ぶ。次いで鋳造物の全高並びに沈降部分の高さを測定し、それによって、沈下又は沈降速度、及び沈降ゾーン内のＳｉＣ負荷を計算することができた。
【００５１】
[0069]図１０は、沈降時間の関数として、沈降ゾーン内のＳｉＣ微粒子の負荷を示す。このように、この実施例は、初期に３０体積％のＳｉＣである鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣは、鋳込み及び沈降後の沈降ゾーン内で約４８．５体積％のＳｉＣ負荷をもたらすこと、及びこの沈降度に到達するのに約６時間を要することを示す。
【００５２】
［実施例ＩＩ］
[0070]この実施例は、修正を加えたＭＭＣ鋳造技法を示す。具体的には、鋳造可能なＭＭＣを鋳込み、強化材成分を懸濁液から沈降させる。振動を、少なくとも沈降時間の一部において、鋳型及びその内容物に加える。したがってこの実施例は、振動の態様であること以外、実施例Ｉと実質的に同じように実施した。
【００５３】
[0071]図１１を参照すると、振動は、抵抗加熱空気雰囲気キルン５１の下にＳＹＮＴＲＯＮ（商標）振動ユニット１１１（ＦＭＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ、ＰＡ）を事前に配置することによって、沈降時間中に実施した。振動は、振動ユニットを「低」設定に設定した状態で、沈降時間の全体を通して連続的に発生させた。この場合も、その目的は、隣接する物質に対してわずかに移動するように十分なだけの力学的エネルギーを、溶融体のＳｉＣ粒子に与え、それによって、材料を「落ち着かせる」こと及び／又はセラミック粒子とマトリックス金属との間の表面張力を克服することである。正確な材料及び成分が入手されない場合、当業者はそれにも関わらず、これらの結果を過度な実験なしに再現できなければならない。具体的には、同様の強化材本体を高度な負荷量で沈降させるよう、ほぼ適正な強度設定の感触を得るために、異なる強度設定の振動ユニットを使用していくつかの簡単な試験操作を周囲温度で水性セラミックスラリーに関して実施することは、ためになると思われる。
【００５４】
＜機械的及び物理的性質の特徴＞
[0072]製作ステップの後、本発明の反応結合セラミック複合体材料の、様々な機械的及び物理的性質を測定した。密度は、機械加工された試験片のバルク体積を測定し、これでその質量を割ることによって決定した。弾性は、ＡＳＴＭ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｄ２８４５に従い、超音波パルスエコー技法によって測定した。硬さは、ロックウェルＢスケール上で測定した。４点曲げでの曲げ強度は、ＭＩＬ−ＳＴＤ−１９４２Ａに従って決定した。破壊靭性は、４点曲げシェブロンノッチ技法、及びスクリュー駆動式ＳｉｎｔｅｃｈモデルＣＴＴＳ−２０００万能試験機を使用し、クロスヘッド速度１ｍｍ／分での押しのけ制御下で測定した。６×４．８×５０ｍｍと測定される試験片を、６ｍｍ寸法に平行な負荷方向と、それぞれ２０及び４０ｍｍの内部及び外部負荷スパンで試験した。０．３ｍｍ幅のダイヤモンド刃で切断されたシェブロンノッチは、開先角度６０°を有し、各試験片の長さの中間に位置付けられた。試験片の寸法は、Ｍｕｎｚ他の分析による２つの計算方法の間での、分析上の差を最小限に抑えるように選択された（Ｄ．Ｇ．Ｍｕｎｚ、Ｊ．Ｌ．Ｓｈａｎｎｏｎ、及びＲ．Ｔ．Ｂｕｂｓｅｙ、「Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｌｏａｄ ｉｎ Ｆｏｕｒ Ｐｏｉｎｔ Ｂｅｎｄ Ｔｅｓｔｓ ｏｆ Ｃｈｅｖｒｏｎ Ｎｏｔｃｈ Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ」、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｆｒａｃｔｕｒｅ、１６ Ｒ１３７〜４１（１９８０））。
【００５５】
[0073]図１２は、沈降時間中の、振動に曝されていない７個の鋳型及び振動に曝された５個の鋳型のそれぞれの鋳型底面からの距離の関数として、ロックウェルＢ硬さを示す。チャートの凡例で、「ＮＶ」は振動していないサンプルを指し、それに対してこれらの指定表示の「Ｖ」を有するサンプルは、振動させたものである。導き出すことができる結論の中には、下記の内容がある。
・約５０体積パーセントのＳｉＣの負荷は、沈降及び振動の約１５０分後に実現された。
・振動させた材料は明らかに、３５分で又は６５分後であっても沈降が終了していない。
・振動させたサンプルは、振動していないサンプルよりも高い硬さを有する。
・より低いレベルの充填が最初に行われ、次いでより高いレベルで行われる。
・硬さは、鋳型の最高レベル（底面から最も離れた距離）で降下する。
【００５６】
[0074]図１３は、それぞれ振動していないサンプル及び振動させたサンプルに関する沈降時間の関数として、沈降Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ鋳造物のロックウェルＢ硬さを示す。この場合も図の凡例は、鋳造手順において述べたように、時間ごとではなく分ごとの沈降時間を報告する。このチャートは、振動していないサンプルが約１時間で沈降を終了するのに対し、振動させたサンプルは沈降を終了せず、沈降し続けて４時間マークで充填することを示唆している。
【００５７】
[0075]図１４は、３つの鋳造物に関する硬さとヤング率のデータの両方を示し、そのうちの２つは振動させていない状態のものであり、もう１つは振動させたものである。白抜きのデータポイントは硬さの測定値を指し、ベタ塗り又は黒塗りのデータポイントは、ヤング率を示す。ヤング率のデータは、硬さのデータが示唆するよりも高いサンプルの均一性を示す。３０％ＳｉＣでの出発材料のヤング率は、約１２９ＧＰａであり、「振動させていない」材料は約１４１ＧＰａ（約３７％の負荷（ｌｏａｄｉｎｇ））、及び「振動させた」サンプルは約１７８ＧＰａである（約５０％の負荷（ｌｏａｄｉｎｇ））。
【００５８】
[0076]次いで、沈降させ、約２４５分間（約６時間）振動させたサンプル、サンプルＶ−５について、さらに特徴付けを行った。
Ａｌ−５０％ＳｉＣ（サンプルＶ−５）
密度（ｇ／ｃｃ） ２．９４〜２．９６
ヤング率（ＧＰａ） １７８
ポアソン比 ０．２６
曲げ強度（ＭＰａ） ２８７（６本のフレックス棒）
平均： ２８６．９
最小 ２６８．８
最大 ３２４．５
標準偏差 ２５．５
破壊靭性（ＫＩＣ、ＭＰａ．ｍ１／２） １３．４（６本の棒）
平均： １３．４３
最小 １２．９８
最大 １４．１０
標準偏差 ０．３９
ＣＴＥ（×１０−６Ｋ−１） １０〜１２
熱伝導率（Ｗ／ｍ−Ｋ） １６０〜２００
【００５９】
[0077]このように、「振動を伴った沈降」条件によって、高弾性率であり良好な強度及び靭性の材料が提供される。
【００６０】
［実施例ＩＩＩ］
[0078]出発時の鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料が二峰性分布のＳｉＣ微粒子であり、この微粒子の約３０パーセントがより小さいサイズであり残りがより大きいサイズであることを除き、実施例ＩＩの鋳造ＭＭＣ製作技法を実質的に繰り返した。具体的には、粒度分布のピークは、約２４０メッシュ及び５００メッシュの微粒子、それぞれ約６６ミクロン及び１７ミクロンを中心とした。
【００６１】
[0079]振動、沈降、及び凝固に従って得られた鋳造物の、研磨された断面の光学顕微鏡写真を、倍率約４００×で図１５に示す。
【００６２】
［実施例ＩＶ］
[0080]この実施例は、上述の本発明の技法を使用して製作された、いくつかの商業的に有用な物品を示す。これらの構成要素のそれぞれは、出発材料として約３０体積パーセントのＳｉＣ微粒子を含有する、Ｄｕｒａｌｃａｎ Ｆ３Ｓ．３０Ｓの鋳造可能なＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣを使用して製造した。
【００６３】
[0081]そのような１つの実証用構成要素は、図１６及び１７に示すような、３３０ｍｍ×３３０ｍｍの高剛性のリブ付きプレートであった。
【００６４】
[0082]Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣが鋳込まれる型は、リブ間の鋳造物の一部を画定するために、圧縮性のコアを特徴とする。沈降は、非振動状態での、７００℃で４時間の等温保持を特徴とする。最初に、鋳造可能なＭＭＣ材料を、１インチ当たり２０開口（１センチメートル当たり約８開口）の鋳造フィルタを介して注ぎ込むことを試みたが、ＭＭＣは、このフィルタを適正に通過しなかった。したがって、鋳込み操作をフィルタなしで繰り返した。濾過しないことにより、試験サンプルの鋳込んだままの表面に、非常に数多くの「襞」が目に見えるようになった。
【００６５】
[0083]第２の実証構成要素は、振動の実施形態を使用して鋳造された、６２０ｍｍ×４６０ｍｍの高剛性の機械ベースを特徴とした（図１８参照）。特にこの実験操作は、高負荷を実現するために、振動を伴う７００℃での４時間の等温保持を特徴とした。さらに、部品における酸化物スキンの閉じ込めを少なくするために、「合金ボックス」を利用した。沈降後、鋳型を高温の炉及び振動ユニットから取り出し、冷却板上で凝固させた。
【００６６】
［産業上の利用可能性］
[0084]本発明の方法及び組成物には、複雑な形状、場合によっては大きな単一の複雑な構造を必要とし、開発の中間段階で機械加工し、高い寸法精度、及び精密で高い比剛性、低熱膨張係数、高硬度、高靭性、高熱伝導率、及び／又は高耐磨耗性を必要とする適用例で、有用性がある。したがって本発明の金属マトリックス複合体材料は、とりわけ精密機器、ロボット工学、工作器具、外装、自動車、電子パッケージ及び熱管理、並びに半導体製作工業において興味あるものである。任意選択で強化リブを含有し、１メートル以上の側面が測定され、おそらくは１メートルトン以上が計量される、プレートなどの開放構造は、本発明の技法を使用して製造可能であるべきである。本発明により企図される特定の製造物品には、ウェハーテーブル、真空チャック、静電チャック、空気保持ハウジング、又は支持フレームなどの半導体ウェハー取扱い構成部品、電子パッケージ及び基板、工作機械のブリッジ及びベース、ガントリービームなどのビーム、ミラー基板、ミラーステージ、及びフラットパネルディスプレーセッターなどが含まれるが、これらに限定するものではない。本発明の材料は、例えば外装などの耐衝撃物品、又は例えばブレーキやクラッチ部品などの摩擦材料にも有用と考えられる。
【００６７】
[0085]当業者なら、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、本明細書に記述された本発明に様々な修正を加えることができることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１Ａ】約３０パーセントのＳｉＣ体積負荷を有する、典型的な鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣの研磨された断面の、低及び高倍率の光学顕微鏡写真である。
【図１Ｂ】約３０パーセントのＳｉＣ体積負荷を有する、典型的な鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣの研磨された断面の、低及び高倍率の光学顕微鏡写真である。
【図２】Ｄｕｒａｌｃａｎ Ｆ３Ｓ．３０Ｓ Ａｌ／ＳｉＣインゴットを有する、高温の型に鋳込まれた構成要素の断面を示す図である。
【図３Ａ】図２の鋳造構成要素の、除去されたゾーン及びＳｉＣに富むゾーンをそれぞれ示す顕微鏡写真である。
【図３Ｂ】図２の鋳造構成要素の、除去されたゾーン及びＳｉＣに富むゾーンをそれぞれ示す顕微鏡写真である。
【図４】本発明の好ましい振動による実施形態の、鋳造Ａｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ材料のミクロ構造を示す図である。
【図５】本発明の「沈降ＭＭＣ」を実施する主なステップを示す、概略図である。
【図６】坩堝及び７個の型を有する炉の写真である。
【図７】沈降試験中の温度での、炉の写真である。
【図８】左から右に、鋳込み時、０．５時間、１、３、４、５、及び６時間の沈降時間での、機械加工された沈降サンプルの写真である。
【図９】「除去された（ｄｅ−ｎｕｄｅｄ）」ゾーンと沈降層との界面を示す写真である。
【図１０】平均沈降負荷対時間を示すグラフである。
【図１１】本発明の沈降試験の振動による実施形態に関する、炉の設備の写真である。
【図１２】本発明の「振動させた」実施形態及び「沈降のみ」の実施形態の両方に関する、鋳造物内の位置の関数としての硬さのグラフである。
【図１３】本発明の非振動実施形態及び振動実施形態の両方に関する、沈降時間の関数としての硬さのチャートである。
【図１４】鋳造物内の位置の関数としての、硬さ及び弾性率のグラフである。
【図１５】実施例ＩＩＩにより作製されたＡｌ／ＳｉＣ ＭＭＣ鋳造物の、研磨された断面の約４００×の光学顕微鏡写真である。
【図１６】「沈降のみ」の実施形態（振動なし）を使用した、Ａｌ／ＳｉＣからの、３３０ｍｍ×３３０ｍｍの高剛性リブ付きプレート鋳造物（）の写真である。
【図１７】図１６のリブ付きプレートの一部分のクローズアップ写真である。
【図１８】機械加工の最終段階での、鋳造物６２０ｍｍ×４６０ｍｍ高剛性機械ベースの写真である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）金属マトリックスと共に含有された複数の個別の強化材本体を含み、金属が溶融状態にあるときに鋳込むことが可能な金属マトリックス複合体材料を提供するステップと、
（ｂ）前記金属を溶融させるステップと、
（ｃ）前記強化材本体の少なくとも一部を沈降させるステップと、
（ｄ）少なくとも前記金属マトリックスを固体状態に凝固させるステップと、
を含む、金属マトリックス複合体物品を作製する方法。
【請求項２】
（ｅ）前記金属マトリックスを完全に固体状態に凝固する前に、前記鋳造可能な金属マトリックス複合体本体を、波又は急速な物理的振動の形の力学的エネルギーにさらすステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
（ｆ）少なくとも前記金属マトリックスを完全に固体状態に凝固させながら、前記エネルギーにさらすステップを継続させるステップ
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記沈降によって、別のゾーンよりも前記強化材本体の負荷が低減された前記金属マトリックス複合体のゾーンが得られ、前記低負荷ゾーンを前記別のゾーンから分離するステップをさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記分離するステップが、前記凝固させるステップの前に、前記型から前記低負荷ゾーンを排出させるステップを含み、それによって前記別のゾーンが前記型に残される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法により生成された、金属マトリックス複合体本体。
【請求項７】
前記マトリックス金属が、アルミニウム、銅、鉄、マグネシウム、ケイ素、スズ、及び亜鉛からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項８】
前記強化材本体が、粒子、薄片、プレートレット、球、及び繊維からなる群から選択された形態を有する、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項９】
前記強化材本体が少なくとも１種のセラミック材料を含む、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１０】
前記強化材本体が、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、及びＢ４Ｃからなる群から選択された少なくとも１種の材料を含む、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１１】
前記強化材本体が、実質的に単一サイズである、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１２】
前記強化材本体が、サイズの範囲又は分布を示す、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１３】
前記マトリックス金属が過共晶合金である、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１４】
前記マトリックス金属が亜共晶合金である、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１５】
前記マトリックス金属がアルミニウム及びケイ素を含み、前記強化材本体が炭化ケイ素微粒子を含む、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１６】
前記別のゾーンが、約３７パーセントから約６５パーセントの範囲内で強化材本体の体積負荷を有する、請求項２に記載の方法により生成された金属マトリックス複合体本体。
【請求項１７】
さらに、前記本体が、鋳造されていることを指し示す微細構造を示す、請求項１６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１８】
鋳造されていることを示す前記微細構造が、前記金属マトリックスが主要相内に豊富に含まれているゾーンよりも前記金属マトリックスが共晶組成物内に豊富に含まれているゾーンにおいて、より高い濃度の強化材本体を含む、請求項１７に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１９】
（ａ）少なくとも１種の金属を含むマトリックス、
（ｂ）前記マトリックス金属中に分散された複数の個別の本体を含む強化材成分を少なくとも３７体積パーセント、及び
（ｃ）鋳造微細構造
を含む、金属マトリックス複合体本体。
【請求項２０】
商業的に望まれる物品の少なくとも一部を反転的に複製する型に、前記溶融金属マトリックス複合体材料を鋳込むステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記金属マトリックスが完全に溶融した状態にある間に、前記エネルギーにさらすステップを開始する、請求項２に記載の方法。
【請求項２２】
前記金属マトリックスが完全に凝固した状態になる前に、前記エネルギーにさらすステップを停止させる、請求項２に記載の方法。
【請求項１】
（ａ）金属マトリックスと共に含有された複数の個別の強化材本体を含み、金属が溶融状態にあるときに鋳込むことが可能な金属マトリックス複合体材料を提供するステップと、
（ｂ）前記金属を溶融させるステップと、
（ｃ）前記強化材本体の少なくとも一部を沈降させるステップと、
（ｄ）少なくとも前記金属マトリックスを固体状態に凝固させるステップと、
を含む、金属マトリックス複合体物品を作製する方法。
【請求項２】
（ｅ）前記金属マトリックスを完全に固体状態に凝固する前に、前記鋳造可能な金属マトリックス複合体本体を、波又は急速な物理的振動の形の力学的エネルギーにさらすステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
（ｆ）少なくとも前記金属マトリックスを完全に固体状態に凝固させながら、前記エネルギーにさらすステップを継続させるステップ
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記沈降によって、別のゾーンよりも前記強化材本体の負荷が低減された前記金属マトリックス複合体のゾーンが得られ、前記低負荷ゾーンを前記別のゾーンから分離するステップをさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記分離するステップが、前記凝固させるステップの前に、前記型から前記低負荷ゾーンを排出させるステップを含み、それによって前記別のゾーンが前記型に残される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法により生成された、金属マトリックス複合体本体。
【請求項７】
前記マトリックス金属が、アルミニウム、銅、鉄、マグネシウム、ケイ素、スズ、及び亜鉛からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項８】
前記強化材本体が、粒子、薄片、プレートレット、球、及び繊維からなる群から選択された形態を有する、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項９】
前記強化材本体が少なくとも１種のセラミック材料を含む、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１０】
前記強化材本体が、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、及びＢ４Ｃからなる群から選択された少なくとも１種の材料を含む、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１１】
前記強化材本体が、実質的に単一サイズである、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１２】
前記強化材本体が、サイズの範囲又は分布を示す、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１３】
前記マトリックス金属が過共晶合金である、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１４】
前記マトリックス金属が亜共晶合金である、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１５】
前記マトリックス金属がアルミニウム及びケイ素を含み、前記強化材本体が炭化ケイ素微粒子を含む、請求項６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１６】
前記別のゾーンが、約３７パーセントから約６５パーセントの範囲内で強化材本体の体積負荷を有する、請求項２に記載の方法により生成された金属マトリックス複合体本体。
【請求項１７】
さらに、前記本体が、鋳造されていることを指し示す微細構造を示す、請求項１６に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１８】
鋳造されていることを示す前記微細構造が、前記金属マトリックスが主要相内に豊富に含まれているゾーンよりも前記金属マトリックスが共晶組成物内に豊富に含まれているゾーンにおいて、より高い濃度の強化材本体を含む、請求項１７に記載の金属マトリックス複合体本体。
【請求項１９】
（ａ）少なくとも１種の金属を含むマトリックス、
（ｂ）前記マトリックス金属中に分散された複数の個別の本体を含む強化材成分を少なくとも３７体積パーセント、及び
（ｃ）鋳造微細構造
を含む、金属マトリックス複合体本体。
【請求項２０】
商業的に望まれる物品の少なくとも一部を反転的に複製する型に、前記溶融金属マトリックス複合体材料を鋳込むステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記金属マトリックスが完全に溶融した状態にある間に、前記エネルギーにさらすステップを開始する、請求項２に記載の方法。
【請求項２２】
前記金属マトリックスが完全に凝固した状態になる前に、前記エネルギーにさらすステップを停止させる、請求項２に記載の方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１０】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１０】
【公表番号】特表２００９−５０７１３７（Ｐ２００９−５０７１３７Ａ）
【公表日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３０２２０（Ｐ２００８−５３０２２０）
【出願日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３５００１
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３０７０１
【国際公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【出願人】（５０２０２７３２９）エム キューブド テクノロジーズ， インコーポレイテッド (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３５００１
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３０７０１
【国際公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【出願人】（５０２０２７３２９）エム キューブド テクノロジーズ， インコーポレイテッド (4)
【Ｆターム（参考）】
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