JPH01287238A - Aluminum-base composite material - Google Patents

Aluminum-base composite material

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JPH01287238A
JPH01287238A JP11562688A JP11562688A JPH01287238A JP H01287238 A JPH01287238 A JP H01287238A JP 11562688 A JP11562688 A JP 11562688A JP 11562688 A JP11562688 A JP 11562688A JP H01287238 A JPH01287238 A JP H01287238A
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JP
Japan
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whiskers
aluminum
composite material
powder
matrix
Prior art date
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JP11562688A
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Japanese (ja)
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Jun Shimizu
清水 遵
Jun Kusui
潤 楠井
Masahiko Kawai
川井 正彦
Toru Kimura
亨 木村
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Toyo Aluminum KK
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Toyo Aluminum KK
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  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

PURPOSE:To uniformly disperse whiskers in an Al-base matrix material by using an Al powder having a specific diameter at the time of manufacturing an Al-base composite material by using an Al powder as a matrix and also using whiskers as a reinforcement. CONSTITUTION:At the time of manufacturing an Al-base composite material in which an Al powder is used as a matrix and also whiskers are used as a reinforcement, an Al powder having an average diameter dp(mu) specified by 5dw/Vf>dp [where dw and Vf represent the average diameter (mu) of the whiskers and the volume percentage of the whiskers in the composite material, respectively] is used. Further, the Al powder mentioned above can be prepared by a gas atomizing method, a centrifugal atomizing method, etc., and moreover, respective whiskers of SiC, Si3N4, Al2O3, etc., are used as the above whiskers, and the diameter and length of the whisker are regulated to about 0.1-1mu and about 5-200mu, respectively, and also the volume percentage of the whiskers is regulated to about 0.05-0.30. By this method, the Al-base composite material in which whiskers are uniformly dispersed can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ウィスカー強化型アルミニウム基複合利に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to whisker-reinforced aluminum-based composites.

本願明細書においては、アルミニウムおよびアルミニウ
ム合金を一括して“アルミニウム”と総称するものとす
る。
In this specification, aluminum and aluminum alloys are collectively referred to as "aluminum".

従来技術とその問題点 高強度、高剛性、耐熱性などに優れたウィスカーを強化
材とするウィスカー強化型複合材は、高比強度、高比剛
性、優れた耐熱性などを備えているので、航空機、宇宙
船などの宇宙航空機分野における構造機能部品、自動車
、船などの輸送機器分野における構造機能部品、スポー
ツ用品乃至機具などの素材として、注目されている。
Conventional technology and its problems Whisker-reinforced composite materials, which use whiskers as reinforcing materials, have high specific strength, high specific stiffness, and excellent heat resistance. It is attracting attention as a material for structural and functional parts in the field of spacecraft such as aircraft and spacecraft, structural and functional parts in the field of transportation equipment such as automobiles and ships, and sports goods and equipment.

既存のウィスカー強化アルミニウム複合利の製造方法は
、(イ)あらかじめ作製したウィスカーのプリフォーム
内の空間にアルミニウム溶湯を加圧下に含?Jtさせた
後、冷却させる高圧凝固鍛造法と(ロ)ウィスカーとア
ルミニウム粉末とを混合した後、圧縮成形する方法とに
大別される。
Existing methods for manufacturing whisker-reinforced aluminum composites include (a) containing molten aluminum under pressure in a space within a whisker preform prepared in advance; There are two main methods: (1) a high-pressure solidification forging method in which the aluminum powder is cooled after Jt, and (2) a method in which whiskers and aluminum powder are mixed and then compression molded.

(イ)の方法は、ウィスカーのプリフォーム製造という
煩雑な工程を必要とするのみならず、アルミニウム溶湯
の含浸時にその高い溶湯圧力のために、プリフォーム自
体が変形することがあり、複合材中のウィスカーの体積
分率を制御することが困難である。
Method (a) not only requires the complicated process of manufacturing whisker preforms, but also the preform itself may be deformed due to the high molten pressure during impregnation with molten aluminum. It is difficult to control the volume fraction of whiskers.

一方、(ロ)の方法には、(イ)の方法とは異なった問
題点が存在する。一般に、ウィスカーは、直径0.1〜
1μm程度、長さ5〜200μm程度の針状形態をなし
ており、繊維相互が絡まり合って、いわゆる“もぐさ状
”を呈している。従って、アルミニウム粉末との均一混
合のためには、まずこの絡まり番十分にほぐした後、混
合を行う必要がある。特開昭59−185701号公報
および特開昭60−251922号公報には、ウィスカ
ーの絡まりをほぐして、アルミニウム粉末と均一に混合
させる方法が開示されている。しかしながら、混合する
アルミニウム粉末の粒径が大きければ、その後の固化成
形工程において、ウィスカーがアルミニウム粉末の隙間
に集中して、アルミニウムマトリックスとの均一な分散
は、望み難い。このことは、特にウィスカーの体積分率
の大きい複合材を製造する場合に顕著となる。
On the other hand, method (b) has different problems from method (b). Generally, whiskers have a diameter of 0.1 to
It has a needle-like shape with a diameter of about 1 μm and a length of about 5 to 200 μm, and the fibers are intertwined with each other to form a so-called “moxa-like” shape. Therefore, in order to mix uniformly with the aluminum powder, it is necessary to first sufficiently loosen the tangles and then mix. JP-A-59-185701 and JP-A-60-251,922 disclose a method for disentangling whiskers and uniformly mixing them with aluminum powder. However, if the particle size of the aluminum powder to be mixed is large, the whiskers will concentrate in the gaps between the aluminum powders in the subsequent solidification molding process, making it difficult to expect uniform dispersion with the aluminum matrix. This becomes especially noticeable when producing a composite material with a large volume fraction of whiskers.

問題点を解決するための手段 本発明者は、上記の如き従来技術の問題点に鑑みて種々
研究を重ねた結果、アルミニウム基複合材中のウィスカ
ーの均一な分散は、使用するウィスカーの直径と複合相
中のウィスカーの体積分率で規定される数値よりも小さ
い粒径のアルミニウム粉末を使用することにより、可能
となることを見出した。
Means for Solving the Problems The present inventor has conducted various studies in view of the problems of the prior art as described above, and has found that uniform dispersion of whiskers in an aluminum matrix composite material depends on the diameter of the whiskers used. It has been found that this is possible by using aluminum powder with a particle size smaller than the value defined by the volume fraction of whiskers in the composite phase.

すなわち、本発明は、下記のアルミニウム基複合材を提
供するものである: 「アルミニウム粉末をマトリックスとし、ウィスカーを
強化材とするアルミニウム基複合制であって、 5d /Vf>dp (但し、 d、:ウィスカーの平均直径(μm) Vf :複合材中のウィスカーの体積分率dpニアルミ
ニウム粉末の平均直径(μm))で規定される直径を有
するアルミニウム粉末をマトリックスとして使用するこ
とを特徴とするアルミニウム基複合材。」 本発明にお゛いてマトリックス成分として使用するアル
ミニウム粉末は、ガスアトマイズ法、遠心アトマイズ法
などの常法で作られたものが使用できる。
That is, the present invention provides the following aluminum matrix composite material: "An aluminum matrix composite material in which aluminum powder is used as a matrix and whiskers are used as a reinforcing material, and 5d /Vf>dp (however, d, : average diameter of whiskers (μm) Vf : volume fraction of whiskers in composite material dp average diameter of aluminum powder (μm)) An aluminum product characterized by using aluminum powder as a matrix. Base composite material.'' The aluminum powder used as the matrix component in the present invention can be one made by a conventional method such as a gas atomization method or a centrifugal atomization method.

本発明で使用するウィスカーとしては、特に限定されず
、5iCSSi3 N4、A1203、K20φ6Ti
02などの公知のウィスカー材料が使用される。これら
のウィスカーは、直径0.1〜1μm程度、長さ5〜2
00μm程度のものである。使用に際しては、これらの
ウィスカー  4 −一 一の絡まり状態をあらかじめほぐしておくことも、従来
技術の場合と同様である。
The whiskers used in the present invention are not particularly limited, and include 5iCSSi3 N4, A1203, K20φ6Ti
Known whisker materials such as 02 are used. These whiskers have a diameter of about 0.1 to 1 μm and a length of 5 to 2 μm.
It is about 00 μm. Before use, the tangled state of these whiskers 4-11 must be loosened in advance, as in the case of the prior art.

アルミニウム粉末とウィスカーとの混合割合は、複合祠
の用途、ウィスカーの種類などにより変わり得るが、通
常前者95〜70容量%に対し、後者5〜30容量%程
度とすることが好ましい。換言すれば、ウィスカーの体
積分率は、0.05〜0.30程度とすることが好まし
い。
The mixing ratio of aluminum powder and whiskers may vary depending on the use of the composite shrine, the type of whiskers, etc., but it is usually preferable that the former be about 95 to 70% by volume and the latter about 5 to 30% by volume. In other words, the volume fraction of the whiskers is preferably about 0.05 to 0.30.

この様な条件下において、本発明で使用するアルミニウ
ム粉末の平均直径d (μm)は、5d  /Vf>d
p (但し、 d、:ウィスカーの平均直径(μm) Vf :複合材中のウィスカーの体積分率)を満足する
ものでなければならない。この条件を満足しない場合に
は、ウィスカーとアルミニウム粉末との均一な混合が行
われず、従って、成形製品の引張強度などの物性も劣っ
たものとなる。
Under such conditions, the average diameter d (μm) of the aluminum powder used in the present invention is 5d /Vf>d
p (where d: average diameter of whiskers (μm) Vf: volume fraction of whiskers in the composite material). If this condition is not satisfied, the whiskers and the aluminum powder will not be mixed uniformly, and therefore the physical properties such as tensile strength of the molded product will be poor.

本発明による複合材は、例えば、沸点が低く、アルミニ
ウムと化合物を作らず、且つ低毒性の溶媒中で、上記の
要件を満足するアルミニウム粉末とウィスカーとを均一
に混合した後、溶媒を除去し、以後常法に従って缶に詰
め、減圧下に脱ガスし、封缶し、熱間で押出し成形する
ことにより、製造される。
The composite material according to the present invention can be produced by, for example, uniformly mixing aluminum powder and whiskers that meet the above requirements in a solvent that has a low boiling point, does not form compounds with aluminum, and has low toxicity, and then removes the solvent. Thereafter, it is manufactured by filling into cans according to conventional methods, degassing under reduced pressure, sealing the can, and hot extrusion molding.

発明の効果 本発明によるウィスカー強化複合材は、アルミニウムマ
トリックスとウィスカーとが均一に分゛散されているの
で、公知の複合材に比して、強度が高い。
Effects of the Invention The whisker-reinforced composite material according to the present invention has higher strength than known composite materials because the aluminum matrix and whiskers are uniformly dispersed.

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。
EXAMPLES Examples will be shown below to further clarify the features of the present invention.

実施例1 AA6061アルミニウムの空気アトマイズ粉末(10
0メツシュ通過)を回転式遠心風力分級機により風力分
級し、最大直径(分級点)が、d+ =5.1μm、d
2=9.8μm、d3−1.5.3μm、d4 =20
.2μmの4種の粉末を得た。
Example 1 Air atomized powder of AA6061 aluminum (10
0 mesh passing) was air-classified using a rotary centrifugal air classifier, and the maximum diameter (classification point) was d+ = 5.1 μm, d
2=9.8μm, d3-1.5.3μm, d4=20
.. Four kinds of powders of 2 μm were obtained.

この粉末とアルコール中で超音波分散させたに20・5
Ti02ウイスカー(倍率5000倍の走査型電子顕微
鏡写真により求めた100本の平均直径d=0.64μ
m)とを所定の体積分率で混合し、ホモジナイザーで攪
拌しつつ分散させて、アルコールを除去した。
This powder was ultrasonically dispersed in alcohol to give 20.5
Ti02 whiskers (100 average diameter d = 0.64μ determined by scanning electron micrograph at 5000x magnification)
m) at a predetermined volume fraction and dispersed while stirring with a homogenizer to remove alcohol.

得られた混合粉末を温度530℃、圧力2000 kg
 f / cイで真空ホットプレスし、温度530′C
1押出し比10で熱間押出しし、T6処理した後、得ら
れた複合相の引張試験を行った。
The obtained mixed powder was heated at a temperature of 530°C and a pressure of 2000 kg.
Vacuum hot press at f/c, temperature 530'C
After hot extrusion at an extrusion ratio of 10 and T6 treatment, the resulting composite phase was subjected to a tensile test.

第1図にd2=9.81tmのアルミニウム粉末を使用
した場合のウィスカ一体積分率と引張り強度との関係を
示す。
FIG. 1 shows the relationship between whisker volume fraction and tensile strength when aluminum powder with d2=9.81 tm is used.

ウィスカーの体積分率が0.28までの場合には、引張
強度は、体積分率に比例して増加しているが、0.28
を超えると増加の度合いが下がり始め、0.33辺りか
らは逆に低下している。
When the volume fraction of whiskers is up to 0.28, the tensile strength increases proportionally to the volume fraction, but 0.28
When the value exceeds 0.33, the rate of increase begins to decline, and from around 0.33 onwards, the rate of increase begins to decline.

ウィスカーの体積分率が0.28の場合、5XO,64
÷0.28=11..4となり、またウィスカーの体積
分率か0.33の場合、5XO,64÷0.33=9.
7となり、本実施例におけるアルミニウム粉末の直径、
ウィスカーの平均直径およびウィスカーの体積分率は、
」−2の関係式を満足している。
When the whisker volume fraction is 0.28, 5XO,64
÷0.28=11. .. 4, and if the whisker volume fraction is 0.33, then 5XO, 64÷0.33=9.
7, the diameter of the aluminum powder in this example,
The average whisker diameter and whisker volume fraction are:
”-2 is satisfied.

第2図にウィスカーの平均直径を考慮したアルミニウム
粉末とウィスカーの体積分率との関係を示す。より詳細
には、図中の曲線は、 d  =5d  /V、とした場合の関係を示し、曲W 線上および左側では、引張強度とウィスカーの体積分率
とは直線関係にある(例えは第1図においてVfが0.
28以下の場合)のに対し、曲線の右側では、引張強度
の増加の度合いが低下するか、強度そのものが低下する
FIG. 2 shows the relationship between the aluminum powder and the volume fraction of the whiskers, taking into account the average diameter of the whiskers. More specifically, the curve in the figure shows the relationship when d = 5d /V, and on the curve W line and on the left side, there is a linear relationship between the tensile strength and the whisker volume fraction (for example, In Figure 1, Vf is 0.
28 or less), on the right side of the curve, the degree of increase in tensile strength decreases or the strength itself decreases.

第1図および第2図に示す結果から、ウィスカーの体積
分率から、使用可能なアルミニウム粉末の粒径が規定さ
れることか明らかである。
From the results shown in FIGS. 1 and 2, it is clear that the volume fraction of whiskers determines the particle size of usable aluminum powder.

なお、第1図および第2図において“A”として示すV
f=0.25なるアルミニウム複合相の結晶組織の光学
顕微鏡写真(1000倍)を第3図として示し、また“
B”として示ずVr−〇、35なるアルミニウム複合相
の結晶組織の光学顕微鏡写真(1000倍)を第4図と
して示す。
In addition, V shown as "A" in FIGS. 1 and 2
An optical micrograph (1000x) of the crystal structure of the aluminum composite phase with f=0.25 is shown in Figure 3, and “
FIG. 4 shows an optical micrograph (1000x magnification) of the crystal structure of the aluminum composite phase Vr-〇, 35, which is not shown as "B".

第3図に示す本発明アルミニウム複合相の場合には、黒
色で表わされるウィスカーが均一に分散しているのに対
し、第4図に示す比較アルミニウム複合Hの場合には、
黒色で表わされるウィスカーの分散か不均一となってい
る。
In the case of the aluminum composite phase of the present invention shown in FIG. 3, the whiskers shown in black are uniformly dispersed, whereas in the case of the comparative aluminum composite H shown in FIG.
The whiskers shown in black are unevenly distributed.

実施例2 ■<、0・6Ti02ウイスカーに代えてSiCウィス
カー(倍率5000倍の走査ハ゛!電r顕微鏡写真によ
り求めた100本の平均直径d =W 0.37μm)を使用する以外は実施例1と同様にして
、得られた複合相の引張試験を行った。
Example 2 Example 1 except that SiC whiskers (100 average diameter d = W 0.37 μm determined by scanning high-speed electron micrograph at 5000x magnification) were used in place of the 0.6 Ti02 whiskers. A tensile test of the obtained composite phase was conducted in the same manner as above.

第5図にウィスカーの平均直径を考慮したアルミニウム
粉末とウィスカーの体積分率との関係を示す。
FIG. 5 shows the relationship between the aluminum powder and the volume fraction of the whiskers, taking into account the average diameter of the whiskers.

ウィスカーの種類が異なる場合にも、ウィスカーの体積
分率から、使用可能なアルミニウム粉末の粒径が規定さ
れることが明らかである。
It is clear that even when the types of whiskers are different, the particle size of the usable aluminum powder is determined by the volume fraction of the whiskers.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明複合相において特定直径のアルミニウ
ム粉末を使用した場合のSiCウィスカ一体積分率と引
張強度との関係を示すグラフである。第2図は、本発明
複合材においてSiCウィスカーの平均直径を考慮した
アルミニウム粉末とウィスカーの体積分率との関係を示
すグラフである。第3図は、V、=0.25なる本発明
アルミニウム複合相の結晶組織の光学顕微鏡写真(10
00倍)である。第4図は、V、r =0.3Qる比較
例アルミニウム複合相の結晶組織の光学顕微鏡写真(1
000倍)である。第5図は、本発明複合材においてに
20・6Ti02ウイスカーの平均直径を考慮したアル
ミニウム粉末とウィスカーの体積分率との関係を示すグ
ラフである。 (以上)
FIG. 1 is a graph showing the relationship between SiC whisker volume fraction and tensile strength when aluminum powder of a specific diameter is used in the composite phase of the present invention. FIG. 2 is a graph showing the relationship between aluminum powder and whisker volume fraction in consideration of the average diameter of SiC whiskers in the composite material of the present invention. FIG. 3 shows an optical micrograph (10
00 times). Figure 4 is an optical micrograph (1
000 times). FIG. 5 is a graph showing the relationship between aluminum powder and the volume fraction of whiskers in the composite material of the present invention, taking into account the average diameter of 20.6Ti02 whiskers. (that's all)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1) アルミニウム粉末をマトリックスとし、ウィス
カーを強化材とするアルミニウム基複合材であって、 5d_w/V_f>d_p {但し、 d_w:ウィスカーの平均直径(μm) V_f:複合材中のウィスカーの体積分率 d_p:アルミニウム粉末の平均直径(μm)}で規定
される直径を有するアルミニウム粉末をマトリックスと
して使用することを特徴とするアルミニウム基複合材。
(1) An aluminum matrix composite material in which aluminum powder is used as a matrix and whiskers are used as reinforcing materials, and 5d_w/V_f>d_p {where, d_w: average diameter of whiskers (μm), V_f: volume of whiskers in the composite material. An aluminum matrix composite material characterized in that an aluminum powder having a diameter defined by the ratio d_p: average diameter of aluminum powder (μm)} is used as a matrix.
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