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特表2022-514166アルミニウム溶融物を調製するためのシステム及び混合配置構成
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-02-10
(54)【発明の名称】アルミニウム溶融物を調製するためのシステム及び混合配置構成
(51)【国際特許分類】
F27B 14/08 20060101AFI20220203BHJP
F27D 27/00 20100101ALI20220203BHJP
F27D 3/16 20060101ALI20220203BHJP
F27D 13/00 20060101ALI20220203BHJP
【ＦＩ】
F27B14/08
F27D27/00
F27D3/16 Z
F27D13/00 B
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021520178
(86)(22)【出願日】2018-10-24
(85)【翻訳文提出日】2021-04-28
(86)【国際出願番号】 EP2018079095
(87)【国際公開番号】W WO2020083476
(87)【国際公開日】2020-04-30
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521147466
【氏名又は名称】オートモーティブ コンポーネンツ フロビー アーベー
(74)【代理人】
【識別番号】100166338
【弁理士】
【氏名又は名称】関口 正夫
(72)【発明者】
【氏名】ヨートリンド マグヌス
(72)【発明者】
【氏名】クリスティアンソン ステファン
(72)【発明者】
【氏名】ヨハンソン アンデルス
(72)【発明者】
【氏名】ヤンソン パトリック
【テーマコード（参考）】
4K046
4K055
4K056
4K063
【Ｆターム（参考）】
4K046BA02
4K046CC05
4K046CD20
4K046DA03
4K046EA02
4K055AA05
4K055MA02
4K055MA09
4K055MA17
4K056AA05
4K056BA03
4K056CA04
4K056EA12
4K056EA14
4K063AA04
4K063BA03
4K063BA15
4K063CA03
4K063GA19
4K063GA33
4K063GA39
(57)【要約】
車両部品、例えばブレーキディスクを成形する際に使用するための、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム溶融物を得るシステムであって、このシステムは、ＳｉＣ粒子を受け入れ、このＳｉＣ粒子を前処理するための前処理手順を適用するように構成された前処理槽（２）と、前処理槽（２）から溶融炉装置（８）のるつぼ（６）に前処理された粒子を搬送するように構成されたＳｉＣ粒子搬送部材（４）とを含み、溶融炉装置（８）は、固体アルミニウム、例えばアルミニウムスラブを受け入れて溶融し、アルミニウム溶融物（１０）を保持し、前処理された上記ＳｉＣ粒子（１２）を受け入れるように構成されているシステム。このシステムは、細長い混合チャンバ（１６）を画定し、それを取り囲むチューブ状のＳｉＣ粒子混合配置構成（１４）であって、この混合配置構成（１４）は、上記るつぼ（６）に装着されるように構成されており、第１の入口（１８）を介して前処理されたＳｉＣ粒子（１２）を、及び少なくとも１つの第２の入口（２０）を介してアルミニウム溶融物（１０）を混合チャンバ（１６）に受け入れる構造になっており、かつ混合チャンバ（１６）内に配置された回転可能な混合部材（２２）を長手方向軸Ａの周りに回転させることによって混合手順を適用する構造になっており、上記前処理されたＳｉＣ粒子は、上記混合チャンバ内で上記アルミニウム溶融物と一緒に混合されるＳｉＣ粒子混合配置構成（１４）をも含む。混合配置構成（１４）は、上記混合物を混合チャンバからるつぼに送出するための少なくとも１つの出口（２６）を備える。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
車両部品、例えばブレーキディスクを成形する際に使用するための、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム溶融物を得るシステムであって、ＳｉＣ粒子を受け入れ、前記ＳｉＣ粒子を前処理するための前処理手順を適用するように構成された前処理槽（２）と、
前記前処理槽（２）から溶融炉装置（８）のるつぼ（６）に前処理された前記ＳｉＣ粒子を搬送するように構成されたＳｉＣ粒子搬送部材（４）と
を含み、
前記溶融炉装置（８）は、固体アルミニウム、例えばアルミニウムスラブを受け入れて溶融し、アルミニウム溶融物（１０）を保持し、前記前処理されたＳｉＣ粒子（１２）を受け入れるように構成されており、前記システムは、細長い混合チャンバ（１６）を画定し、それを取り囲むチューブ状のＳｉＣ粒子混合配置構成（１４）であって、前記混合配置構成（１４）は、使用時にそれが本質的に垂直な位置にあるように前記るつぼ（６）に装着されるように構成されており、前記混合配置構成は長手方向軸Ａに沿って細長く、第１の入口（１８）を介して前記前処理されたＳｉＣ粒子（１２）を、及び少なくとも１つの第２の入口（２０）を介して前記アルミニウム溶融物（１０）を前記混合チャンバ（１６）に受け入れる構造になっており、かつ前記混合チャンバ（１６）内に配置された回転可能な混合部材（２２）を前記長手方向軸Ａの周りに回転させることによって混合手順を適用する構造になっており、前記前処理されたＳｉＣ粒子は、前記混合チャンバ内で前記アルミニウム溶融物と一緒に混合されるＳｉＣ粒子混合配置構成（１４）をも含み、
前記混合部材（２２）は、前記混合チャンバ（１６）の内壁面（２４）と協働して、回転中に前記混合部材と前記内壁面との間に機械的な剪断力が得られるように構成されており、前記剪断力は前記ＳｉＣ粒子及びアルミニウム溶融物に加えられ、前記アルミニウム溶融物中でのＳｉＣ粒子の高い濡れ性をもたらし、前記混合部材が、前記アルミニウム溶融物及びＳｉＣ粒子の混合物に移動力を与える構造になっており、前記混合配置構成（１４）は、前記混合物を前記混合チャンバから前記るつぼに送出するための少なくとも１つの出口（２６）を備えることを特徴とするシステム。
【請求項2】
前記混合部材（２２）がスクリュー状部材（２８）を備え、前記スクリュー状部材（２８）が、前記スクリュー状部材に沿って走る半径方向に延在する条部を含み、前記スクリュー状部材（２８）が、前記混合チャンバ（１６）の前記内壁面（２４）の内径ｄ２よりもわずかに小さい外径ｄ１を有し、ｄ２－ｄ１が０．１５ｍｍ未満、好ましくは０．１０ｍｍ未満である請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
ＳｉＣ粒子混合配置構成（１４）が、前記混合チャンバ（１６）を画定するハウジング壁（３０）を有する細長いハウジングを含み、前記ハウジングが、第１の本体部（３２）と第２の本体部（３４）を含む請求項１又は請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記ハウジング壁（３０）が、本質的に円形の断面を有する円筒状の形状を有しており、前記第１の入口（１８）及び前記少なくとも１つの第２の入口（２０）が、前記第２の本体部（３４）に配置されており、前記少なくとも１つの出口（２６）が前記第１の本体部（３４）に配置されており、使用中、前記混合配置構成（１４）が、前記第１の入口が前記アルミニウム溶融物の上にあり、前記少なくとも１つの第２の入口が前記アルミニウム溶融物の中に浸漬されるように、前記アルミニウム溶融物（１０）の中に浸漬される請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
前記回転可能な混合部材（２２）が、前記混合チャンバに適合した細長い形状を有し、前記ハウジングの前記第１の本体部（３２）に配置されるように構成された第１の部分（３６）及び前記ハウジングの前記第２の本体部（３４）に配置されるように構成された第２の部分（３８）を含み、前記第１の部分（３６）が前記スクリュー状部材（２８）を備える請求項２、請求項３又は請求項４に記載のシステム。
【請求項6】
前記混合配置構成（１４）の使用中、前記少なくとも１つの出口（２６）の１つが下方に向けられ、前記ＳｉＣ粒子及びアルミニウム溶融物の混合物が、前記スクリュー状部材の回転によって前記出口を介して強制的に排出される請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項7】
前記高い濡れ性が、凝集を最小限にするために９０°未満の接触角によって規定される請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項8】
前記前処理槽（２）が流動化槽であり、前記前処理手順が、前記ＳｉＣ粒子を加熱及び流動化することを含む流動化手順である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項9】
前記流動化手順が所定の時間実行され、前記加熱が、前記ＳｉＣ粒子の周囲に保護酸化物層を実現するために、前記ＳｉＣ粒子を少なくとも４００℃まで、好ましくは約１２００℃まで加熱することを含む請求項８に記載のシステム。
【請求項10】
前記所定の時間が、少なくとも４５分、好ましくは少なくとも１時間である請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
前記流動化槽が、前記槽の上部に少なくとも１つの開口部（４０）を備え、そこで前記ＳｉＣ粒子が前記槽内に導入され、前記流動化槽は、前記槽の底部を貫通する少なくとも１本の供給管（４２）を備え、そこで前記槽内に流動化ガスが供給される請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項12】
前記流動化ガスが、不活性ガス、好ましくは窒素であり、前記流動化ガスが、２０～３５リットル／分、好ましくは２５～３０リットル／分の速度で前記槽内に導入される請求項１１に記載のシステム。
【請求項13】
前記ＳｉＣ粒子の周りに保護酸化物層を達成するために、前記前処理槽を少なくとも４００℃まで、好ましくは約１２００℃まで加熱するように構成された加熱配置構成（４４）が設けられている請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項14】
車両部品、例えばブレーキディスクを成形する際に使用するための、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム溶融物を得るために適用されるチューブ状のＳｉＣ粒子混合配置構成（１４）であって、前記混合配置構成は、細長い混合チャンバ（１６）を画定し、それを取り囲む構造になっており、前記混合配置構成は、使用時に前記混合配置構成が垂直な位置にあるように、溶融炉装置（８）のるつぼ（６）に装着されるように構成されており、前記混合配置構成は、長手方向軸Ａに沿って細長く、第１の入口（１８）を介してＳｉＣ粒子（１２）を、及び少なくとも１つの第２の入口（２０）を介して前記アルミニウム溶融物（１０）を前記混合チャンバに受け入れる構造になっており、前記混合チャンバ内に配置された回転可能な混合部材（２２）を前記長手方向軸Ａの周りに回転させることによって混合手順を適用する構造になっており、前記ＳｉＣ粒子が前記混合チャンバ内で前記アルミニウム溶融物と一緒に混合され、前記混合部材（２２）は、前記混合チャンバの内壁面（２４）と協働して、回転中に前記混合部材と前記内壁面との間に機械的な剪断力が得られるように構成されており、前記剪断力が前記ＳｉＣ粒子及びアルミニウム溶融物に加えられ、前記アルミニウム溶融物中でのＳｉＣ粒子の高い濡れ性が得られ、前記混合部材（２２）は、前記アルミニウム溶融物及びＳｉＣ粒子の混合物に移動力を与える構造になっており、前記混合配置構成は、前記混合物を前記混合チャンバ（１６）から前記るつぼ（６）に送出するための少なくとも１つの出口（２６）を備えることを特徴とする混合配置構成（１４）。
【請求項15】
前記混合部材（２２）がスクリュー状部材（２８）を備え、前記スクリュー状部材（２８）が、前記スクリュー状部材に沿って走る半径方向に延在する条部を含み、前記スクリュー状部材が、前記混合チャンバの前記内壁面の内径ｄ２よりもわずかに小さい外径ｄ１を有し、ｄ２－ｄ１が０．１５ｍｍ未満、好ましくは０．１０ｍｍ未満である請求項１４に記載の混合配置構成。
【請求項16】
前記混合チャンバ（１６）を画定するハウジング壁（３０）を有する細長いハウジングを含み、前記ハウジングが、第１の本体部（３２）と第２の本体部（３４）を含む請求項１４又は請求項１５に記載の混合配置構成。
【請求項17】
前記ハウジング壁（３０）が、本質的に円形の断面を有する円筒状の形状を有しており、前記第１の入口（１８）及び前記少なくとも１つの第２の入口（２０）が、前記第２の本体部（３４）に配置されており、前記少なくとも１つの出口（２６）が前記第１の本体部（３２）に配置されており、使用中、前記混合配置構成が、前記第１の入口（１８）が前記アルミニウム溶融物（１０）の上にあり、前記少なくとも１つの第２の入口（２０）が前記アルミニウム溶融物（１０）の中に浸漬されるように、前記アルミニウム溶融物（１０）の中に浸漬される請求項１６に記載の混合配置構成。
【請求項18】
前記回転可能な混合部材（２２）が、前記混合チャンバに適合した細長い形状を有し、前記ハウジングの前記第１の本体部（３２）に配置されるように構成された第１の部分（３６）及び前記ハウジングの前記第２の本体部（３４）に配置されるように構成された第２の部分（３８）を含み、前記第１の部分（３６）が前記スクリュー状部材（２８）を備える請求項１６又は請求項１７に記載の混合配置構成。
【請求項19】
前記混合配置構成の使用中、前記少なくとも１つの出口（２６）の１つが下方に向けられ、前記ＳｉＣ粒子及びアルミニウム溶融物の混合物が、前記スクリュー状部材（２８）の回転によって前記出口を介して強制的に排出される請求項１４から請求項１８のいずれか１項に記載の混合配置構成。
【請求項20】
前記高い濡れ性が９０°未満の接触角によって規定される請求項１４から請求項１９のいずれか１項に記載の混合配置構成。
【請求項21】
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のシステムによって、又は請求項１４から請求項２０のいずれか１項に記載の混合配置構成によって提供されるＳｉＣ粒子を含むアルミニウム溶融物から成形されたブレーキディスクであって、前記ブレーキディスクは、１５～２５μｍの範囲内のデンドライト間の距離（ＤＡＳ）を有するブレーキディスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、炭化ケイ素粒子（ＳｉＣ）のマトリクスを形成する、アルミニウム合金の車両部品、例えばブレーキディスク、用のアルミニウム溶融物を調製するためのシステム及び混合配置構成に関する。
【背景技術】
【0002】
車両用のブレーキは周知である。典型的なブレーキは摩擦に頼っているため、ブレーキの設計では熱を逃がすこと（熱放散）が最も重要である。摩擦で発生した熱を吸収して放散する必要があるため、ブレーキロータは、通常、ヒートシンクとして機能する。ロータが加熱されると、ロータは熱を吸収するが、ロータの温度がロータが冷却できるよりも早く上昇すると、ロータ、タイヤ、及び他のホイール部品に深刻なダメージが生じる可能性がある。ほとんどの熱対策では、システムからより効率的に熱を排出するために、より大きなヒートシンクが使用される。そのためには、通常、ヒートシンクの物理的寸法を大きくする必要があるが、ロータのサイズを大きくするにはロータの慣性モーメントも大きくする必要があるため、ロータのサイズを大きくすることは通常は現実的ではない。
【0003】
そのため、例えば質量を減らしたブレーキディスクであるが、摩擦による制動からそのブレーキディスクに伝達される熱エネルギーをうまく処理できる能力を持つブレーキディスクを設計することが望ましい。自動車メーカーでは、従来のねずみ鋳鉄製のブレーキディスクに代えて、アルミニウム製の金属マトリクス複合材（ＡＭＣ）のブレーキディスクを採用するために多くの取り組みがなされてきた。このような取り組みは、鋳鉄に比べて高熱伝導率及び低密度等のＡＭＣの有利な特性を利用することを目的として行われてきた。ＡＭＣブレーキ部品の熱伝導率と膨張率は、微粒子状の強化材のレベルと分布を調整することで目的に合わせることができる。このように、炭化ケイ素強化アルミニウム複合材は、シリンダーヘッド、ライナー、ピストン、ブレーキロータ、ブレーキディスク、及びキャリパーの代替材料として使用される機会が増えている。
【0004】
このブレーキ用強化微粒子アルミニウム金属マトリクス複合材は、細かい微粒子の分散で強化され、それによりその耐摩耗性を向上させるアルミニウム合金を提供する。
【0005】
この複合材は、ブレーキロータ、ブレーキカプラー等のブレーキ部品を形成するために使用される。この複合材は、セラミック微粒子で強化されたアルミニウム金属マトリクスから形成される。セラミック微粒子は、約０．１～１．０マイクロメートルの粒子径を持ち、強化微粒子アルミニウム金属マトリクス複合材の約１０体積％以上を形成している。
【0006】
アルミニウム金属マトリクスは、任意の所望のアルミニウム合金、例えば、ＡｌＳｉ９Ｍｇ０６、Ａｌ－Ｓｉ、Ａｌ－Ｃｕ、２ｘｘｘ Ａｌ合金、６ｘｘｘ Ａｌ合金、６１６０ Ａｌ合金、６０６１ Ａｌ合金、又はそれらの組み合わせから形成されてもよい。アルミニウム金属マトリクスを補強するために、任意の所望のセラミック材料、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｃ、ＳｉＯ２、Ｂ、ＢＮ、Ｂ４Ｃ、又はＡｌＮが使用されてもよい。好ましくは、セラミック微粒子は、粒の輪郭が実質的に球形であり、約０．７マイクロメートルのオーダーの粒径を有し、任意の好適な粉末冶金技術等によって加工されてもよい。
【0007】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）はカーボランダムとしても知られ、ケイ素及び炭素を含む半導体である。ＳｉＣは、自然界では、非常に希少な鉱物であるモワサナイトとして存在する。合成ＳｉＣ粉末は、１８９３年から研磨剤として使用するために大量生産されている。炭化ケイ素の粒は、焼結によって互いに結合されて、自動車のブレーキや自動車のクラッチ、及び防弾チョッキのセラミックプレート等、高い耐久性が要求される用途に広く使用されている非常に硬いセラミックスを形成することができる。
【0008】
ケイ素を浸透させた炭素－炭素複合材は、極端な温度に耐えることができるため、高性能の「セラミック」ブレーキディスク又は例えばブレーキロータに使用されている。ケイ素は炭素－炭素複合材料中のグラファイトと反応し、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／ＳｉＣ）となる。米国特許第６，８２１，４４７号明細書には、このようなブレーキディスクの一例が示されている。
【0009】
ＳｉＣの体積は約２０％であるが、車に対する材料の性能と、材料の鋳造／成形性や加工性のバランスをとるために、変えることができる。
【0010】
特許文献では、ブレーキ部品のアルミニウムにＳｉＣ粒子を含有させる例が多く見られる。以下、いくつかの関連特許文書について簡単に論じる。
【0011】
中国特許出願公開第１０７１００９４９号明細書は、アルミニウムマトリクスとＳｉＣ粒子との複合材ブレーキディスク、及びその製造方法を開示する。
【0012】
米国特許出願公開第２０１２－０７９９１６号明細書は、セラミック粒子を伴うアルミニウムマトリクスからなるブレーキ部品を開示する。粒子の例として、ＳｉＣが示されている。製造に関しては、従来の方法が参照されている。
【0013】
特開２０００－１６０３１９号公報は、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｌ－Ｍｇ合金の粉末にＳｉＣ粒子を供給することを示す。この文献には、窒素を用いた流動化について記載されている。
【0014】
特開平０３－７１９６７号公報は、アルミニウム溶融物にＳｉＣ粒子を導入する方法を開示する。尿素が、ＳｉＣ粒子を挿入するための手段として使用される。撹拌装置のプロペラで溶融金属を撹拌しながら、小片状の分散媒体が溶融金属中に順次導入された。この場合、分散媒体のユリア樹脂は溶融金属で加熱されて蒸発し、ＳｉＣ粒子のみが溶融金属中に取り込まれた。
【0015】
中国特許出願公開第１０５５２５１５３号明細書は、列車用のブレーキディスクを開示する。このブレーキディスクは、アルミニウムマトリクス中にＳｉＣ粒子を含む。前処理され、加熱されるＳｉＣ粒子の調製についても記載されている。その後、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム溶融物が撹拌される。
【0016】
中国特許出願公開第１０３４８４７０７号明細書は、例えば、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム合金のブレーキディスクの製造を示す。この文献には、ＳｉＣ粒子強化アルミニウム系複合材料の調製方法が開示されている。
【0017】
中国特許出願公開第１０３１０３３７４号明細書は、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウムマトリクスを含む材料の製造を開示する。この文献で提供されている方法は、マトリクス金属中に強化材を均一に分散させる必要があり、高温での強化材と金属との有害な反応を避ける必要があり、凝固過程で発生する鋳造の欠点を減らすという撹拌鋳造法の問題を解決することを目的とする。
【0018】
中国特許出願公開第１０２７０３７７１号明細書は、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム合金のブレーキディスクの製造を示す。この開示は、ブレーキディスクの技術分野に関し、特に、ブレーキディスク用の炭化ケイ素／アルミニウム合金複合材料の調製方法に関する。
【0019】
中国特許出願公開第１０６５２１２５２号明細書は、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム合金のブレーキディスクの製造を示す。列車用ブレーキディスクのための炭化ケイ素粒子強化アルミニウム系複合材とその調製方法が開示されている。ＳｉＣ細粒子はＭｇ－ＳｉＣの形で添加されているので、マトリクスへの炭化ケイ素粒子の均一な分散の難しさや、界面結合の悪さといった問題が効果的に解決されている。
【0020】
中国特許出願公開第１０５４６３２６５号明細書は、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム合金の調製方法を開示しており、炭化ケイ素粒子強化アルミニウム系複合材料の調製方法を含み、アルミニウム系複合材料の分野に関するものである。
【0021】
アルミニウム溶融物中のＳｉＣ粒子の凝集は、その溶融物によって成形された車両部品、例えばブレーキディスク、の性能に悪影響を及ぼす可能性があることが分かっている。その理由は、ＳｉＣ粒子がアルミニウム溶融物中に均一に分散されず、その結果、例えばブレーキディスクの制動効果と制動摩耗が完全には予測できなくなることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0022】
【特許文献1】米国特許第６，８２１，４４７号明細書
【特許文献2】中国特許出願公開第１０７１００９４９号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第２０１２０７９９１６号明細書
【特許文献4】特開２０００－１６０３１９号公報
【特許文献5】特開平０３－７１９６７号公報
【特許文献6】中国特許出願公開第１０５５２５１５３号明細書
【特許文献7】中国特許出願公開第１０３４８４７０７号明細書
【特許文献8】中国特許出願公開第１０３１０３３７４号明細書
【特許文献9】中国特許出願公開第１０２７０３７７１号明細書
【特許文献10】中国特許出願公開第１０６５２１２５２号明細書
【特許文献11】中国特許出願公開第１０５４６３２６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0023】
従って、本発明の目的は、とりわけブレーキディスクの成形に適合した、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム溶融物を得るための現在使用されている技術を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【0024】
上述の目的は、独立請求項に係る発明によって達成される。
【0025】
好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。
【0026】
本発明の１つの態様によれば、車両部品、例えばブレーキディスクを成形する際に使用するための、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム溶融物を得るシステムが提供される。このシステムは、ＳｉＣ粒子を受け入れ、そのＳｉＣ粒子を前処理するための前処理手順を適用するように構成された前処理槽と、固体アルミニウム、例えばアルミニウムスラブを受け入れて溶融し、アルミニウム溶融物を保持し、前処理されたＳｉＣ粒子を受け入れるように構成された溶融炉装置のるつぼに、前処理槽から前処理された（前処理済みの）粒子を搬送するように構成されたＳｉＣ粒子搬送部材とを含む。当該システムは、細長い混合チャンバを画定し、それを取り囲むチューブ状のＳｉＣ粒子混合配置構成も含む。この混合配置構成は、使用時にそれが本質的に垂直な位置にあるようにるつぼに装着されるように構成されており、この混合配置構成は長手方向軸Ａに沿って細長く、第１の入口を介して前処理されたＳｉＣ粒子を、及び少なくとも１つの第２の入口を介してアルミニウム溶融物を混合チャンバに受け入れる構造になっている。さらには、この混合配置構成は、混合チャンバ内に配置された回転可能な混合部材を長手方向軸Ａの周りに回転させることによって混合手順を適用するように構成されており、上記前処理されたＳｉＣ粒子は、上記混合チャンバ内でアルミニウム溶融物と一緒に混合されるようになっている。上記混合部材は、上記混合チャンバの内壁面と協働して、回転中に混合部材と内壁面との間に機械的な剪断力が得られるように構成されており、この剪断力がＳｉＣ粒子及びアルミニウム溶融物に加えられ、アルミニウム溶融物中でのＳｉＣ粒子の高い濡れ性が得られる。この混合部材は、アルミニウム溶融物及びＳｉＣ粒子の混合物に移動力を与える構造になっており、混合配置構成は、上記混合物を上記混合チャンバからるつぼに送出するための少なくとも１つの出口を備える。
【0027】
一実施形態によれば、前処理槽は流動化槽であり、前処理手順は、ＳｉＣ粒子を加熱及び流動化することを含む流動化手順である。
【0028】
別の態様によれば、本発明は、るつぼに装着されるように構成され、上述してきた特徴を備える混合配置構成に関する。
【0029】
開示されたシステム及び混合配置構成は、アルミニウム溶融物中のＳｉＣ粒子の改善された濡れ性を達成し、その結果、アルミニウムとＳｉＣ粒子の混合が改善され、ＳｉＣ粒子の凝集が本質的に起こらなくなる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【発明を実施するための形態】
【0031】
次に、添付の図を参照しながら、当該システムを詳細に説明する。図全体を通して、同一又は類似の構成要素は、同じ参照符号を有する。さらに、構成要素や図は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。
【0032】
まず、図１の模式図を参照すると、車両部品、例えばブレーキディスクを成形する際に使用するための、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム溶融物を得るシステムが提供される。このシステムは、ＳｉＣ粒子を受け入れ、そのＳｉＣ粒子を前処理するための前処理手順を適用するように構成された前処理槽２を含む。前処理されたＳｉＣ粒子を前処理槽２から溶融炉装置８のるつぼ６に搬送するように構成されたＳｉＣ粒子搬送部材４がさらに設けられている。前処理槽に導入されるＳｉＣ粒子は、１０～３０μｍ、好ましくは１３～２３μｍの範囲で、異なるサイズフラクション、例えば３つの異なるサイズフラクションで存在してもよい。溶融炉装置８は、固体アルミニウム、例えばアルミニウムスラブを受け入れて溶融し、アルミニウム溶融物１０を保持するとともに、前処理されたＳｉＣ粒子１２を受け入れるように構成されている。好ましくは、アルミニウムの炭化物を避けるために、アルミニウム溶融物の最高温度は７５０℃である。
【0033】
当該システムは、細長い混合チャンバ１６を画定し、それを取り囲むチューブ状のＳｉＣ粒子混合配置構成１４も含み、混合配置構成１４は、使用時にそれが本質的に垂直な（鉛直の）位置にあるようにるつぼ６に装着されるように構成されており、混合配置構成は長手方向軸Ａに沿って細長くなっている。
【0034】
図３は、本発明で適用可能なＳｉＣ粒子搬送部材４の模式的側面図である。この搬送部材は、前処理されたＳｉＣ粒子を前処理槽２から溶融炉装置８のるつぼに搬送するように構成されている。搬送部材は、搬送される粒子を受け入れるために、前処理槽の底部から挿入されるように配置された管に設けられたスクリュー搬送手段５を備えることが好ましい。その後、スクリュー搬送手段５が回転し、それによって、前処理された粒子が溶融炉装置に搬送され、この設定では、上記管は、第１の入口１８を介して混合配置構成１４に前処理された粒子を供給するように装着される。搬送部材は、当然のことながら、その代わりに、粒子を搬送するための例えばコンベアベルトを含んでもよい。
【0035】
混合配置構成１４は、図４～図７にさらに図示されており、第１の入口１８を介して前処理されたＳｉＣ粒子１２を、及び少なくとも１つの第２の入口２０を介してアルミニウム溶融物１０を混合チャンバ１６内に受け入れ、混合チャンバ１６内に配置された回転可能な混合部材２２を長手方向軸Ａの周りに回転させることによって混合手順を適用する構造になっている。これによって、前処理されたＳｉＣ粒子が混合チャンバ内でアルミニウム溶融物と一緒に混合される。
【0036】
混合部材２２は、混合チャンバ１６の内壁面２４と協働して、回転中に混合部材と内壁面との間に機械的な剪断力が得られるように構成されており、この剪断力がＳｉＣ粒子及びアルミニウム溶融物に加えられ、アルミニウム溶融物中でのＳｉＣ粒子の高い濡れ性が得られる。
【0037】
混合配置構成１４は、上記混合物を上記混合チャンバから上記るつぼに送出するための少なくとも１つの出口２６を備える。混合部材は、アルミニウム溶融物及びＳｉＣ粒子の混合物に移動力を与える構造になっている。図１では、アルミニウム溶融物とＳｉＣ粒子の混合物が、混合手順の間、るつぼ内を循環することが矢印で示されている。この循環又は撹拌は、混合部材の移動力によってもたらされる。混合手順は、ＳｉＣ粒子がるつぼに挿入されたときから少なくとも２０分間続く。
【0038】
１つの実施形態では、混合部材２２はスクリュー状部材２８を備え、このスクリュー状部材２８は、そのスクリュー状部材に沿って走る半径方向に延在する条部（筋、スレッド）を含む。この実施形態は、図５～図７に示されている。スクリュー状部材２８は、混合チャンバ１６の内壁面２４の内径ｄ２よりもわずかに小さい外径ｄ１を有し、そのｄ２－ｄ１は０．１５ｍｍ未満、好ましくは０．１０ｍｍ未満である（図７参照）。過剰な摩耗は低すぎる剪断力を引き起こし、最終的には濡れていない粒子が溶融物に導入される可能性があるため、スクリュー状部材と内壁面との間の摩耗／遊びを慎重に制御する必要がある。
【0039】
図４を参照すると、ＳｉＣ粒子混合配置構成１４へのハウジングの様々な図が示されている。左側には、長手方向軸Ａに沿った断面図が示されている。右上の図は斜視図を示し、右下の図は軸Ａに対して垂直方向の断面図を示す。
【0040】
混合配置構成１４は、混合チャンバ１６を画定するハウジング壁３０を有する細長いハウジングを含む。ハウジングは、第１の本体部３２と、第２の本体部３４とを含む。より詳細には、ハウジング壁３０は、本質的に円形の断面を有する円筒状の形状を有しており、第１の入口１８及び少なくとも１つの第２の入口２０は、第２の本体部３４に配置されている。少なくとも１つの出口２６は、第１の本体部３２に配置されている。使用中、混合配置構成１４は、第１の入口がアルミニウム溶融物の上にあり、少なくとも１つの第２の入口がそのアルミニウム溶融物の中に浸漬されるように、アルミニウム溶融物１０の中に浸漬される。
【0041】
図５を参照すると、回転可能な混合部材２２の様々な図が示されている。右には長手方向軸Ａに沿った断面図が示されている。左には斜視図が示され、下には上から見た図が示されている。
【0042】
混合部材２２は、混合配置構成のハウジングに挿通されるものであり、混合チャンバに適合した細長い形状を有する。この混合部材は、混合部材の第１の部分３６がハウジングの第１の本体部３２に配置され、混合部材の第２の部分３８がハウジングの第２の本体部３４に配置されるように、混合配置構成のハウジング内に配置されるように構成されている。第１の部分３６は、スクリュー状部材２８を備える。組み立てられた混合配置構成１４は、るつぼに装着された状態で図６に示されている。
【0043】
混合配置構成１４の使用中、少なくとも１つの出口２６の１つは下方に向けられ、ＳｉＣ粒子及びアルミニウム溶融物の混合物は、スクリュー状部材の回転によって出口を介して強制的に排出される。図４から分かるように、さらなる出口２６は、第１の本体部３２の壁を介して設けられてもよい。
【0044】
混合配置構成は、少なくとも８００℃まで、好ましくは少なくとも１０００℃までの作業温度に耐えることができる任意の好適な材料、例えば、様々なグラファイト材料から作られる。１つの有利な設定では、ハウジングはＤｉａｍａｎｔｅ ＩＳＯ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌから作られ、混合部材はグラファイトＥＧ９２から作られる。
【0045】
１つの実施形態によれば、アルミニウム溶融物中のＳｉＣ粒子の高い濡れ性は、凝集を最小限にするために９０°未満の接触角によって規定される。
【0046】
以下では、「濡れ性」という用語についてさらに議論する。
【0047】
濡れ性とは、液体が固体表面との接触を維持する能力であり、両者が一緒になったときの分子間相互作用に起因する。濡れ性の度合い（濡れやすさ）は、接着力と凝集力の力のバランスで決定される。濡れ性は、物質の三相（気体、液体、固体）を扱う。濡れ性は２つの物質の接合や付着に重要である。
【0048】
液体と固体の間の接着力は、液滴が表面に広がる原因となる。液体内の凝集力により、液滴は球状になり、表面との接触を避ける。
【0049】
接触角とは、液体と蒸気との界面が、固体と液体との界面と交わる角度と定義される。接触角は、接着力と凝集力とのバランスで決まる。液滴が平らな固体表面に広がる傾向が強まると、接触角は小さくなる。従って、接触角は濡れ性の逆の尺度となる。９０°より小さい接触角（低接触角）は、表面の濡れが非常に良好で、流体が表面の広い範囲に広がることを示す。９０°より大きい接触角（高接触角）は、一般的に表面の濡れ性が好ましくないことを意味し、流体は表面との接触を最小限に抑え、コンパクトな液滴を形成する。
【0050】
別の実施形態によれば、前処理槽２は流動化槽であり、前処理手順は、ＳｉＣ粒子を加熱及び流動化することを含む流動化手順である。図２には、流動化槽の様々な図が示されており、左には槽の長手方向軸に沿った断面図が示され、右には上から見た図が示され、上中図には上から見た斜視図が示され、下中図には下から見た斜視図が示されている。
【0051】
流動化手順は所定の時間実行され、この所定の時間は少なくとも４５分、好ましくは少なくとも１時間であってもよい。
【0052】
流動化手順の間、ＳｉＣ粒子は、ＳｉＣ粒子の周りにＳｉＯ２の保護酸化物層を達成するために、少なくとも４００℃まで、好ましくは約１２００℃まで加熱される。有利な流動化手順では、流動化及び加熱は、１０００℃超、最も好ましくは約１２００℃までの温度で約１時間行われた。前処理槽を少なくとも４００℃まで、好ましくは約１２００℃まで加熱するように構成された加熱配置構成４４が設けられている。加熱配置構成４４は、例えば、槽に巻かれた加熱コイルであってもよい。加熱配置構成の外側には、温度絶縁層が配置されている。１つの有利な変形例では、流動化槽の外側の断面寸法は約１０００ｍｍであり、内側の空洞は７００～８００ｍｍの範囲の直径を有する。
【0053】
流動化槽は、槽の上部に少なくとも１つの開口部４０を備え、そこでＳｉＣ粒子が槽内に導入される。流動化槽は、槽の底部を貫通する少なくとも１本の供給管４２を備え、そこで槽内に流動化ガスが供給される。流動化ガスは、不活性ガス、好ましくは窒素であり、２０～３５リットル／分、好ましくは２５～３０リットル／分の速度で槽内に導入される。
【0054】
上方に向けられた本質的に均等な流動化ガスストリームを達成するために、ガス流制御部材４６が槽の底部に設けられている。この制御部材は本質的に円盤状であり、好ましくは槽の底部端面の中央に最下点を有する円錐形状を有する。この制御部材は、槽の断面全体にガス流を均一に広げるための多数の小さな開口部（図示せず）を備える。制御部材４６は、１２００℃超までの温度範囲全体で均一なガスストリームを供給してもよい任意の好適な材料から作られる。１つの好適な材料は、グラファイト品質ＩＳＥＭ－１である。
【0055】
流動化は、粒状物質が静的な固体様の状態から動的な流体様の状態に変換される液状化に類似したプロセスである。このプロセスは、流体（液体又は気体）が粒状物質の中を上向きに通過するときに起こる。
【0056】
固体粒子のベッド（床）の底部からガス流が導入されると、そのガス流は、粒子間の空隙を経由してベッド内を上方に移動する。低いガス速度では、各粒子にかかる空力抵抗も小さいため、ベッドは固定された状態を保つ。速度を上げていくと、空力抵抗力が重力に対抗し始め、粒子が互いに離れていくことでベッドの体積が拡大する。さらに速度を上げると、速度は、上向きの抗力が下向きの重力とちょうど等しくなる臨界値に達し、粒子が流体内に浮遊するようになる。この臨界値で、ベッドは流動化したと言われ、流体的な挙動を示すことになる。ガスの速度をさらに上げると、ベッドのかさ密度は減少し続け、その流動化は、粒子がもはやベッドを形成せずガス流によって上方に「運ばれる」まで、さらに激しくなる。
【0057】
流動化すると、固体粒子のベッドは、液体や気体のような流体として振る舞う。この流体的な挙動により、粒子は流体のように搬送され、パイプを通って流されることが可能になる。
【0058】
ここで、粒子の凝集とは、懸濁液中で集合体を形成することを指し、コロイド系の不安定化につながるメカニズムを表す。このプロセスの間に、液相中に分散した粒子が互いに付着し、自然に不規則な粒子のクラスター、フロック、又は粒団（アグリゲート）を形成する。アルミニウム溶融物中の凝集したＳｉＣ粒子は、ブレーキディスクのより予測不可能な挙動を引き起こす可能性があるため、避けるべきである。
【0059】
本発明は、車両部品、例えばブレーキディスクを成形する際に使用するための、ＳｉＣ粒子を含むアルミニウム溶融物を得るために適用される、チューブ状のＳｉＣ粒子混合配置構成１４にも関する。混合配置構成１４は、当該システムに関連して上述されており、ここではその説明を参照する。しかしながら、以下では、特に図１及び図４～図７を参照して、この混合配置構成を説明する。
【0060】
混合配置構成は、細長い混合チャンバ１６を画定し、それを取り囲む構造になっており、使用時にその混合配置構成が垂直な位置にあるように、溶融炉装置８のるつぼ６に装着されるように構成されている。混合配置構成は、長手方向軸Ａに沿って細長く、第１の入口１８を介してＳｉＣ粒子１２を、及び少なくとも１つの第２の入口２０を介してアルミニウム溶融物１０を混合チャンバに受け入れる構造になっている。さらには、この混合配置構成は、混合チャンバ内に配置された回転可能な混合部材２２を長手方向軸Ａの周りに回転させることによって混合手順を適用するように構成されており、ＳｉＣ粒子が回転中に混合チャンバ内でアルミニウム溶融物と一緒に混合される。
【0061】
混合部材２２は、混合チャンバの内壁面２４と協働して、回転中に混合部材と内壁面との間に機械的な剪断力が得られるように構成されており、この剪断力がＳｉＣ粒子及びアルミニウム溶融物に加えられ、アルミニウム溶融物中でのＳｉＣ粒子の高い濡れ性が得られる。混合部材２２は、アルミニウム溶融物及びＳｉＣ粒子の混合物に移動力を与える構造になっており、混合配置構成は、上記混合物を上記混合チャンバ１６から上記るつぼ６に送出するための少なくとも１つの出口２６を備える。
【0062】
１つの実施形態では、混合部材２２はスクリュー状部材２８を備え、このスクリュー状部材２８は、そのスクリュー状部材に沿って走る半径方向に延在する条部を含む。スクリュー状部材は、混合チャンバの内壁面の内径ｄ２よりもわずかに小さい外径ｄ１を有し、そのｄ２－ｄ１は０．１５ｍｍ未満、好ましくは０．１０ｍｍ未満である（図７参照）。
【0063】
混合配置構成１４は、混合チャンバ１６を画定するハウジング壁３０を有する細長いハウジングを含む。ハウジングは、第１の本体部３２と、第２の本体部３４とを含む。より詳細には、ハウジング壁３０は、本質的に円形の断面を有する円筒状の形状を有しており、第１の入口１８及び少なくとも１つの第２の入口２０は、第２の本体部３４に配置されている。少なくとも１つの出口２６は、第１の本体部３２に配置されている。使用中、混合配置構成１４は、第１の入口がアルミニウム溶融物の上にあり、少なくとも１つの第２の入口がそのアルミニウム溶融物の中に浸漬されるように、アルミニウム溶融物１０の中に浸漬される。
【0064】
図５を参照すると、回転可能な混合部材２２の様々な図が示されている。右には長手方向軸Ａに沿った断面図が示されている。左には斜視図が示され、下には上から見た図が示されている。混合部材２２は、混合配置構成のハウジングに挿通されるものであり、混合チャンバに適合した細長い形状を有する。この混合部材は、混合部材の第１の部分３６がハウジングの第１の本体部３２に配置され、混合部材の第２の部分３８がハウジングの第２の本体部３４に配置されるように、混合配置構成のハウジング内に配置されるように構成されている。第１の部分３６は、スクリュー状部材２８を備える。組み立てられた混合配置構成１４は、るつぼに装着された状態で図６に示されている。
【0065】
混合配置構成１４の使用中、少なくとも１つの出口２６の１つは下方に向けられ、ＳｉＣ粒子及びアルミニウム溶融物の混合物は、スクリュー状部材の回転によって出口を介して強制的に排出される。
【0066】
１つの実施形態によれば、アルミニウム溶融物中のＳｉＣ粒子の高い濡れ性は、凝集を最小限にするために９０°未満の接触角によって規定される。濡れ性については、当該システムの説明に関連して上記でより詳細に議論されている。
【0067】
図では、本明細書に記載されていない構成要素が示されているが、その理由は、これらの構成要素が、多くの異なる方法で実現されうる従来の技術を示しているためである。一例として、図６には、るつぼに挿入された部材が示されている。これらの部材は、例えばアルミニウム溶融物の撹拌又は移動を行うために使用される従来の構成要素である。さらには、図６には、移動部材２２に回転運動を与えるように適合された手段も示されている。
【0068】
本発明は、上述のようなシステム又は混合配置構成によって調製されたＳｉＣ粒子を含むアルミニウム溶融物から成形されたブレーキディスクにも関する。具体的には、このブレーキディスクは、その後、１５～２５μｍの範囲内の所望のデンドライト間の距離（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ Ａｒｍ Ｓｐａｃｅ、ＤＡＳ）を達成する。
【0069】
上述のシステムを改良するために、溶融炉装置は、ＳｉＣ粒子の導入前にアルミニウム溶融物に導入される微細化剤（結晶微細化剤）を受け入れるように適合されており、この微細化剤は、アルミニウム溶融物中のＳｉＣ粒子の濡れ性をさらに改善する。
【0070】
溶融物の酸素への暴露は凝集のリスクを高めるため、溶融物の酸素への暴露を最小限に抑えることが重要である。粒子が濡れた後、溶融物は継続的に撹拌する必要があり、そうしなければ、粒子が溶融物の中に沈み（約１ｍｍ／分）、凝集し始める。粒子が導入されて濡れたら、上記混合配置構成を取り外し、従来の撹拌手段を使って撹拌が続けられる。微細化処理された溶融物は、破壊されてスラリー状の粘稠度を獲得し始めるので、２４時間以上温めておくべきではない。
【0071】
ＳｉＣ粒子を供給し、アルミニウム溶融物が完全に富化された後、確立された手順に従って鋳造が行われる。
【0072】
本発明は、上述の好ましい実施形態に限定されるものではない。様々な代替物、変形物、及び同等物が使用されてもよい。それゆえ、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【国際調査報告】