JPH01278567A - アルミニウム合金−樹脂複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、アルミニウム合金−樹脂複合材料に関する。

従来技術とその問題点 近年プラスチック射出成形製品の多品種少量生産化が進
んでおり、且つ製品開発サイクルの短縮化が要求されて
いることから、試作品を迅速に作製する必要かある。

また、最終製品の利質、性能乃至機能、形状、色彩など
の全ての事項が確定する以前にこれらについて試作テス
トを行う必要がある場合には、試作金型を繰返し作製す
ることは、多大の手間とコストを要する。

従って、試作用金型の製作期間の短縮、製作加工性の改
善、軽量化、コストの低減などに対する要求が高まりつ
つある。

射出成形の対象となるプラスチックは、主にＡＢＳ樹脂
、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタ
ール樹脂などの比較的耐熱性の高いエンジニアリングプ
ラスチックである。従来これら樹脂の射出成形用試作金
型利付として、銅粉末またはアルミニウム粉末とエポキ
シ−ポリイミドブレンド樹脂との複合材料か提案されて
いる。

しかしながら、銅粉末系複合利付製の金型は、強度的に
は優れているものの、重くて、取扱いか困難である。

一方、アルミニウム粉末系複合利付製の金型は、軽量で
はあるが、強度、耐摩耗性、硬度なとか低いので、製品
の精度が低く且つ耐久性か不十分であり、実用に耐えな
い。すなわち、強度および剛性か低い場合（通常抗折力
１５１τｇ７ｍｍ２以」−であることが要求される）に
は、射出成形時の圧力により金型の合せ面で僅かの間隙
か生じた状態で、樹脂か押出されるために、製品にパリ
を生じる。

また、型に小さな凹部か形成されている°場合（例えは
製品に字が浮彫りに形成される場合）、やはり射出圧力
により凹部か変形して、精度が出ない。

さらに、射出可能回数も限られてくる。

問題点を解決するための手段 本発明者は、アルミニウム粉末と樹脂とからなる複合利
付の現状に鑑みて種々研究を重ねてきた。

その結果、アルミニウム中のマグネシウム含有量が、ア
ルミニウム粉末と樹脂との接着力に大きく影響し、延い
てはプラスチックの射出成形用金型の強度にも影響する
ことを見出した。さらに、アルミニウムとして、特定量
の銅および／または珪素を含有する合金を使用する場合
には、強度、剛性、耐摩耗性、硬度などが改善され、金
型の耐久性が著しく向上することが見出された。

すなわち、本発明は、下記のアルミニウム粉末と樹脂と
からなる複合利付に係る。

■　アルミニウム合金粉末と樹脂とからなる複合材料に
おいて、アルミニウム合金中のマグネシウム含有量を０
．２重量％以下とし、且つ複合材料中のアルミニウム合
金粉末配合量を６５〜７５重量％としたことを特徴とす
るアルミニウム合金−樹脂複合材料。

■　アルミニウム合金が、銅１〜２０重量％を含有する
」二記第１項に記載のアルミニウム合金−樹脂複合材料
。

■　アルミニウム合金が、珪素０．３〜４０重量％を含
有する」二記第１項に記載のアルミニウム合金−樹脂複
合材料。

■　アルミニウム合金が、銅１〜２０重量％および珪素
０．３〜４０重量％（但し両者の合計量は、５〜４５重
量％の範囲内にある）を含有する」二記第１項に記載の
アルミニウム合金−樹脂複合利付。

■　樹脂が、熱硬化型エポキシ樹脂または熱変形温度か
２００℃以上の熱可塑性樹脂である」二記第１項に記載
のアルミニウム合金−樹脂複合利付。

本発明においては、マグネシウム含有量を０．２重量％
（下記においては単に％とする）以下、より好ましくは
０．１％以下としたアルミニウム合金を使用する。マグ
ネシウム含有量が０．２％を」−回る場合には、アルミ
ニウム合金粉末と樹脂との密着性が著しく低下して、複
合材料の抗折力が１５ｋｇ／ｍｍ２に達しない。一般に
、アルミニウム中のマク′ネシウムは、熱処理中にアル
ミニウム表面に高濃度に析出して、酸化されることが知
られている。従って、多量のマグネシウムを含有するア
ルミニウム合金粉末を樹脂と混合する場合には、マグネ
シウム酸化物を多量に含む酸化皮膜（水利皮膜をも含む
）と樹脂との結合が両者の接着力を決定することになる
ものと推測される。この場合には、アルミニウム合金粉
末と樹脂との密着性が著しく低下することは、当然と言
えよう。

本発明においては、アルミニウム合金中に銅１〜２０％
を含有させることが好ましく、４．５〜１０％程度含有
させることがより好ましい。すなわち、上記のアルミニ
ウム合金中のマグネシウム含有量の抑制により、アルミ
ニウム合金粉末と樹脂との密着性低下要因が除去された
場合には、複合材料製金型の強度および耐変形性は、は
ぼアルミニウム合金の強度により定まる。従って、金型
製造時の複合材料の加熱温度乃至キユアリング温度で時
効硬化して、最高強度を発揮する銅含有量１〜２０％の
アルミニウム合金が好適である。

さらに、本発明においては、アルミニウム合金中に珪素
０．３〜４０％を含有させることが好ましく、１２〜２
０％含有させることがより好ましい。」−記銅との共存
下にこの量的範囲の珪素を含むアルミニウム粉末の配合
により、本発明複合材料の硬度および耐摩耗性が大巾に
改善される。また、珪素は、複合材料の熱膨張率を低下
させ、金型の形状安定性を改善させる。

なお、アルミニウム合金中に銅と珪素とを含有させる場
合には、両者の合計量は、５〜４５％程度の範囲内とす
ることが好ましい。

また、本発明においては、アルミニウム合金粉末と樹脂
との密着を阻害しない範囲で、不純物として、鉄、ニッ
ケル、マンガン、クロムなどの遷移金属を含んでいても
良い。この様な不可避不純物の合計」二限量は、１０％
程度である。

アルミニウム合金粉末の平均粒度は、２０〜１００μｍ
程度とすることが好ましい。

本発明複合材料において使用される樹脂は、熱硬化性エ
ポキシ樹脂、及び熱変形温度が２００℃以上の熱可塑性
樹脂である。熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルサル
ホン、ポリアミド、ボリアリレートなどが例示される。

複合材料中のアルミニウム合金粉末と樹脂との割合は、
前者６５〜７５％（より好ましくは７０〜７５％）に対
し、後者３５〜２５％（より好ましくは３０〜２５％）
とする。アルミニウム合金粉末の量が７５％を上回る場
合（すなわち樹脂の量が２５％を下回る場合）には、合
金粉末が樹脂によって保持され難いため、強度が低下す
る。−方、アルミニウム合金粉末の量が６５％を下回る
場合（すなわち樹脂の量が３５％を上回る場合）には、
熱伝導性が低下する。熱伝導性が低いと、射出成形用金
型として使用する場合に、高温で注入された原料樹脂か
ら得られる製品が凝固するまでに長時間を要するために
、１シヨツト毎の所要時間が長くなり、生産性が低下す
る。

発明の効果 本発明の複合材料は、強度（耐変形性）、剛性、硬度、
耐摩耗性、耐熱性などの特性に優れており、熱伝導性か
高く、熱膨張率が低い。従って、本発明の複合利付は、
プラスチック材料の射出成形用金型用材料としてのみな
らず、各種機器類の部品（ブラケット、軸受、小型精密
ギア、ベアリングリテーナ−、ポンプハウジング）など
の利付としても、有用である。

実施例 以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより
一層明らかにする。

実施例１ （イ）純Ａ、Ｑ、　（ｏ）ｌ）　−４，５％Ｃｕ。

（ハ）ＡＪ：！−４．５％Ｃｕ−０．６％Ｍｇ（Ａ２０
１４に相当）および（ニ）Ａρ−１２Ｓ　１−ｌＣｕ−
ｌＭｇ　（Ａ４０３２に相当）の粉末をそれぞれアトマ
イズ法により調製した後、２５０メツシュ通過に分級し
た。

次いで、熱硬化性エポキシ樹脂（商標“パーマフレック
スＬＳ”、住友化学工業（株）製、硬化剤を含む）の１
００メツシュ通過粉と上記のＡ、Ｑ粉とを所定の割合で
配合し、ブレンダーにて均一に混合した後、圧力５０ｋ
ｇ／ｃＪ、温度２００℃でホン）・プレス成形し、２０
０　’Ｃで３時間のキユアリングをおこなった。

得られたキユアリング後の成形体の抗折力（ｋｇ／ｍｍ
２）は、第１表に示す通りであった。なお、第１表のエ
ポキシ樹脂量は、複合材料重量に対する％を示ず。

第１表 エポキシ樹脂量 １５　２０　２２．５　２５　２７．５　３０　　３５
　　４０Ａρ粉 （イ）　　　４．３９．７　１２．５　１５．８　１Ｂ
、４　１７．５　１Ｂ、２　１４．４（ロ）　　　４．
１９，３　１３．１　１７．２　１８．ＯＬ８．７　１
７．３　１４．８（ハ）　　　２．５４．０　７．９　
１３．２　１３．９　　Ｌ４．７　　Ｌ３．Ｌ　　１．
１．２（ニ）　　　　−４，２−１２，５−１３，７１
２，１１０，９第１表に示す結果から、Ｍｇを０．６％
アルミニウム合金（ハ）を使用する複合材料の抗折力が
極めて低いことか明らかである。

また、複合材料中の樹脂量は、２５％〜３５％とすべき
ことも、明らかである。

実施例２ 下記に示す１合金粉を実施例１と同様にして、調製した
。

（イ）・・・実施例１と同じ、 （ロ）・・・実施例１と同じ、 （ハ）・・・実施例１と同じ、 （ホ）　・＝Ａｎ　−４，５Ｃｕ　−Ｉ　Ｓ　ｉ（へ）
＝−Ａｕ−４，５Ｃｕ−１２３ｉ（＋−）＝−Ａρ−４
，５Ｃｕ−２０Ｓｉ（チ）　・・−Ａρ−４，５Ｃｕ−
３０８ｉ次いで、２液温合タイプの熱硬化性エポキシ樹
脂（商標“テクノダインＨＴ−１８Ｘ”、１月間化学（
株）製）と上記のＡ！Ｑ粉とを所定の割合で配合し、ブ
レンダーにて均一に混合した後、常温下無荷重で４８時
間硬化させ、次いで８０℃で１時間のキユアリングをお
こなった。

上記の様にして得られた成形体の抗折力（ｋｇ／ｍｍ２
）は、第２表に示す通りであった。なお、第２表のエポ
キシ樹脂量は、複合材料重量に対する％を示す。

−］　２　− 第２表 エポキシ樹脂量 Ａρ粉 （イ）　　　　　　−１６，０− （ロ）　　　　１５．８　１７．５　１６．０（ハ）　
　　　　−１５，７− （ホ）　　　　　　−１７，７− （へ）　　　　　−１８，２− （ト）　　　　　　　−１８，８− （チ）　　　　　−１８，１− また、ポリエーテルサルホン（商標”ＶＩＣＴＲＥＸ”
、住友化学工業（株）製）の１００メツシュ通過粉」１
記のＡｆｆ粉とを所定の割合で配合し、ブレンダーにて
均一に混合した後、圧力２００ｋｇ　／　ｃＪ、温度３
３０℃でホットプレス成形を行なった。

」１記の様にして得られた成形体の抗折力（ｋｇ／ｍｍ
２）は、第３表に示す通りであった。なお、第３表のエ
ポキシ樹脂量は、複合材料重量に対する％を示す。

第３表 ポリエーテルサルホン量 Ａρ粉 （イ）　　　　　　−１６，５− （ロ）　　　　１５．５１７．１１５．９（ハ）　　　
　　−１５，２− （ホ）　　　　　　−１７，３− （へ）　　　　　−１７，９− ０）　　　　　　　−１８，５− （チ）　　　　　　−１８，０− 第２表および第３表において、Ｍｇを含有しないＡρ粉
（ロ）を使用する場合とＭｇを０．６％含有するＡρ粉
（ハ）を使用する場合との対比から、Ｍｇの存在がＡρ
粉と樹脂との接着力を低下させる主な要因であることが
明らかである。

実施例３ １−４．５％ＣｕにＭｇをそれぞれ０．０１％、０．１
％、０．２％および０．　５％含有させたＡ！：２合金
粉末を調製し、２５０メツシュ通過に分級した。

次いで、実施例１で使用したと同様の熱硬化性エポキシ
樹脂２５部に上記で得たＡρ合金粉末を７５部を混合し
、実施例１と同様にして、成形し、キユアリングを行っ
た。

第４表にキユアリング後の成形体の抗折力（ｋｇ／ｍｍ
２）を示す。

＝　　１５　− 第４表 抗　　折　　力 （ｋｇ／ｍｍｍｍ ２）量（％） ０、０１　　１７．２ ０、１　　１６．８ ０、２　　１５．１ ０、５　　１３．７ 第４表に示す結果から、複合材料の抗折力を１５ｋｇ／
ｍｍ２以上とするためには、Ｍｇ含有量は、０．２％以
下、より好ましくは０．１％以下とするすべきことが明
らかである。

実施例４ （イ）純Ａｕ、−（ｏ）Ａｕ−４，５％Ｃｕおよび（へ
）Ａｕ−４，５Ｃｕ−１２Ｓ　ｉの粉末をそれぞれアト
マイズ法により調製した後、２５０メツシュ通過に分級
した。次いで、実施例１で使用したと同様の熱硬化性エ
ポキシ樹脂２５部と上記のＡρ粉末（またはＡρ合金粉
末）７５部との混合物を使用して、実施例１と同様にし
て成形を行い、キユアリングを行った。

得られた成形体に１０ｋｇｆ／ＣｒＦｌの力をかけた場
合の歪量の割合を測定し、変形量を算定した。結果を第
５表に示す。

第５表 変形量（％） （イ）８．６ （ロ）４．８ （へ）３．７ 第５表に示す結果から、純Ａ、Ｑ粉末（イ）を使用する
場合に比して、銅含有Ａρ金合金口）を使用することに
より、変形量は、約１／２に低下しており、さらにＳｉ
含有Ａ１合金（へ）を使用することにより、変形量は、
さらに−層低下している。

実施例５ （イ）純１１、　（０）Ａｎ−４，５％Ｃｕ　。

（へ）Ａｐ−４，５Ｃｕ−１２Ｓ　ｉおよび（１・）Ａ
ｐ−４，５Ｃｕ−２０Ｓｉの粉末をそれぞれアトマイズ
法により調製した後、２５０メツシュ通過に分級した。

次いで、実施例１で使用したと同様の熱硬化性エポキシ
樹脂２５部と」１記のＡ！Ｑ粉末（またはＡ、Ｑ合金粉
末）７５部との混合物を使用して、実施例１と同様にし
て成形を行い、キユアリングを行った。

得られた成形体の＋Ｉｌ硬度（ＨＲＨ）、ｆＩＩＩ比摩
耗ｆｔ　（ｍｍ２／ｋｇ）および（ＩｒＩｌ熱膨脹係数
は、第６表に示す通りであった。なお、比摩耗量は、大
越式摩耗試験機により、４１）ｊ定した。

第６表 硬度　　　比摩耗量　　熱膨張係数 （イ）　　　　５６　　６Ｘ１０−６２９．８Ｘ１０−
６（ロ）　　　　９３　　５Ｘ１０−６２９．５Ｘ１０
−８（へ）　　１０３　　２Ｘ１０−６２８．４Ｘ１０
−６第６表に示す結果から、Ｃｕ及びＳｉを含有するＡ
、Ｑ合金を使用することにより、複合利付の硬度および
耐摩耗性を改善し得ることが明らかである。

実施例６ （Ａ）　　Ｃｕ含有量を種々変えたＡｐ−Ｃｕ合金２５
部と実施例１で使用したと同様の樹脂７５部との混合物
を使用して、実施例１と同様にして成形体を製造し、キ
ユアリングを行った。

第７−１表にキユアリング後の成形体の抗折力（ｋｇ／
ｍｍ”　）　、硬度（ＨＲＨ）および変形量（％）を示
す。なお、第７−１表において、例えば、１−Ｃｕとあ
るのは、９９Ａρ−ＩＣｕなる合金を意味する。

第７−１表 抗折力　　　　　硬度　　　変形母 合金　　（ｋｇ／ｍｍ２）　　　（ＨＲＨ）　　　（％
）１−Ｃｕ１５．８　　　　　６０８．３２−Ｃｕ　　
１６．４　　　　　７１　　７．２３−Ｃｕ　　１６．
７　　　　　８２　　６．０４．５−Ｃｕ　　１７．２
　　　　　９３　　４．８６−Ｃｕ　　１７．５　　　
　１００　　４．２１０−Ｃｕ　　１７．０　　　　１
０３　　　Ｂ、８１．５−Ｃｕ　　１６．５　　　　１
０５　　３．５２０−Ｃｕ　　１６．　０　　　　１０
５　　３．　５５０−Ｃｕ　　１２．　０　　　　１０
５　　　Ｂ、　　５第７−１表に示す結果は、Ｃｕ含有
量の増加に伴って、硬度が増大し且つ変形量か低下する
傾向にあることを示している。しかしながら、Ｃｕの量
が２０％を超える場合には、抗折力が１５ｋｇ／ｍｍ２
を下回る様になるので、Ｃｕ含有量は１〜２０％、より
好ましくは４．５〜１０％程度とすべきである。

（Ｂ）　　Ｓｉ含有量を種々変えたＡｐ−８１合金２５
部と実施例１で使用したと同様の樹脂７５部との混合物
を使用して、実施例１と同様にして成形体を製造し、キ
ユアリングを行った。

第７−２表にキユアリング後の成形体の抗折力（ｋｇ／
ｍｍ２）　、硬度（ＨＲＨ）および変形量（％）を示す
。なお、第７−２表において、例えば、０．３−３ｉと
あるのは、９９．７Ａρ−０，３３ｉなる合金を意味す
る。

第７−２表 抗折力　　　　　硬度　　　変形量 合金　　（ｋｇ／ｍｍ２）　　　（ＨＲＨ）　　　（％
）０．３−３ｉ　　１５．８　　　　　５９　　８．３
ｌ−３ｉ　　１６．０　　　　　６２　　８．０５−８
ｉ　　１６．９　　　　　６９　　７．０１２−８ｉ　
　１７．　２　　　　　８１　　６．　１２０−８ｉ　
　１７．８　　　　　９５　　５．　２３０−３ｉ　　
１７．　６　　　　１０３　　４．　０４０−８ｉ　　
１７．　１　　　　１０５　　３．　５４５−８ｉ　　
１５．　０　　　　１０５　　３．　５第７−２表に示
す結果は、Ｓｉ含有量の増加に伴って、やはり硬度が増
大し且つ変形量が低下する傾向にあることを示している
。しかしながら、Ｓｉの量が４０％を超える場合には、
抗折力が１５ｋｇ／ｍｍ２を下回る様になるので、Ｓｉ
含有量は０．３〜４０％、より好ましくは１２〜２０％
程度とすべきである。

（Ｃ）　　Ｃｕ含有量を４．５％とし、Ｓｉ含有量を種
々変えたＡ、Ｑ−Ｃｕ−８ｉ合金２５部と実施例１で使
用したと同様の樹脂７５部との混合物を使用して、実施
例１と同様にして成形体を製造し、キユアリングを行っ
た。

第７−３表にキユアリング後の成形体の抗折力（ｋｇ／
ｍｍ２）　、硬度（ＨＲＨ）および変形量（％）を示す
。なお、第７−３表において、例えば、１−８ｉとある
のは、９４．５Ａρ−４，５Ｃｕ−ＩＳｉなる合金を意
味する。

第７−３表 抗折力　　　　　硬度　　　変形量 合金　　（ｋｇ／ｍｍ２）　　　（ＨＲＨ）　　　（％
）１−８ｉ　　１７．４　　　　　９５　　４．９５−
３ｉ　　１７．５　　　　１００　　４．１１２−８ｉ
　　１７．　６　　　　１０３　　３．　７２０−３ｉ
　　１８．　５　　　　１０５　　３．　５３０−８ｉ
　　１８．　１　　　　１０５　　３．　５４０−８ｉ
　１７．５　　１０５　　訊５４５−３ｉ　　１６．　
１　　　　１０５　　３．　５第７−３表に示す結果は
、Ａ、Ｑ−Ｃｕ−８ｉ合金中のＳｉ含有量の増加に伴っ
て、やはり硬度が増大し且つ変形量が低下する傾向にあ
ることを示している。しかしながら、Ｓｉの量が４０％
を超える場合には、抗折力がかなり急激に低下する様に
なるので、ＣｕとＳｉの合計含有量は５〜４５％、より
好ましくは１０〜２５％程度とすべきである。

実施例７ Ａｕ−４，５Ｃｕ合金と実施例２で使用したと同様の２
種の樹脂を使用して、実施例２と同様にしてＡρ金合金
樹脂とからなる複合材料製の成形体を作成した。

第８表に複合利付１００部中の樹脂配合量と変形量（実
施例４と同様にして測定）との関係を示す。なお、第８
表において、樹脂Ａは、熱硬化性エポキシ樹脂を示し、
樹脂Ｂは、ポリエーテルサルホン（実施例２で使用した
ものと同じ）を示す。

第８表 変形量（％） 樹脂Ａ： ２５部　　　　　５．０ ３０部　　　　　５．４ ３５部　　　　　５．７ ４０部　　　　　７．６ 樹脂Ｂ： ２５部　　　　　４．６ ３０部　　　　　４．９ ３５部　　　　　５．２ ４０部　　　　　６．８ 第８表に示す結果から、樹脂量が４０％を超えると、変
形量が著るしい増加を示すことが明らかである。従って
、樹脂量は、３５％以下とする必要がある。

（以　上）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミニウム合金粉末と樹脂とからなる複合材料
   において、アルミニウム合金中のマグネシウム含有量を
   ０．２重量％以下とし、且つ複合材料中のアルミニウム
   合金粉末配合量を６５〜７５重量％としたことを特徴と
   するアルミニウム合金−樹脂複合材料。
2. （２）アルミニウム合金が、銅１〜２０重量％を含有す
   る第１請求項に記載のアルミニウム合金−樹脂複合材料
   。
3. （３）アルミニウム合金が、珪素０．３〜４０重量％を
   含有する第１請求項に記載のアルミニウム合金−樹脂複
   合材料。
4. （４）アルミニウム合金が、銅１〜２０重量％および珪
   素０．３〜４０重量％（但し両者の合計量は、５〜４５
   重量％の範囲内にある）を含有する第１請求項に記載の
   アルミニウム合金−樹脂複合材料。
5. （５）樹脂が、熱硬化型エポキシ樹脂または熱変形温度
   が２００℃以上の熱可塑性樹脂である第１請求項に記載
   のアルミニウム合金−樹脂複合材料。