JPH0196340A

JPH0196340A - アルミ合金複合材料およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0196340A
Application number: JP25076387A
Authority: JP
Inventors: Toron Ron Tan; トロンロンタン; Takanobu Nishimura; 隆宣西村; Tatsuyoshi Aisaka; 逢坂　達吉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-10-06
Filing date: 1987-10-06
Publication date: 1989-04-14

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明はウィスカ等の強化用繊維から成る予備成形体（
プリフォーム）に溶融金属マトリックスを加圧含浸させ
て製造する金属基複合材料に係り、特にアルミ合金をマ
トリックスとして使用したアルミ合金複合材料およびそ
の製造方法に関する。

（従来の技術）近年、炭素ｍｔｔｔｔ、アルミナｍｌＬ、炭化ケイ素１
Ｍ紺等のセラミックス繊維で強化された金属基複合材料
が新素材の１つとして注目されている。その中ぐち、高
強度、高剛性およびｉ１５滑性を右する炭素ＩＮを強化
繊維とし、アルミ合金をマトリックス金属とする炭素繊
維強化アルミ合金複合材料は、宇宙ｎ器、ロボット部品
、自動車部品等の幅広い分野での応用が期待されている
。

上記炭素４Ｍ雑強化アルミ合金複合材料の製造方法とし
ては、溶湯含浸加圧鋳造法（以下溶浸法という）が知ら
れている。溶浸法は通常の高圧鋳造法に近いプロヒスで
鋳造することができ、−度に多数の複雑形状部品を生産
できるので、天吊生産に適した製造方法と言われている
。

溶浸法による炭素繊維強化アルミ合金複合材料の製造工
程を第２図（△）〜（Ｄ）を用いて説明する。

まず、炭素ｍ維で所定の形状および繊維体積率（Ｖｆ’
）を右づる炭素ｍＷ１予備成形体１を作成する。この予
備成形体１を金型２の中にセットし、ヒータ３で５００
〜７００℃に加熱する（第２図（Ａ））。

その後、溶融アルミ合金マトリックス４を金型２内に注
湯し、この溶融アルミ合金マトリックス４をピストン５
で直接加圧することにより予備成形体１に含浸させ、複
合部６を得る（同図（Ｂ））。なお、炭素繊維予備成形
体１内に゛溶融アルミ合金マトリックス４を含浸させる
のに必要なピストン５の加圧は、予備成形体１の繊維体
積率や金型２、溶融アルミ合金７トリツクス４の温度条
件および溶融アルミ合金マトリックス４の組成等により
異なるが、一般に３００〜１０００気圧である。

ざらに、ピストン５を押し下げ、予備成形体１の中に完
全に溶融アルミ合金マトリックス４を充填しく同図（Ｃ
））、凝固後、金型２から取り出し、アルミ合金複合材
料７を（；する（同図（Ｄ））。

ところで、一般に繊維強化複合材料においては、繊維と
マトリックス金属の間の結合力の大きさ、いわゆるぬれ
性のよいことが中型な因子となっている。また、繊維と
マトリックス金属の間に有害な反応生成物の層が形成さ
れると望ましくないことも知られている。

炭素ｔｉｌｌで強化したアルミ合金複合材ＩＩ　７にＪ
３いては、炭素！！維とアルミ合金マトリックスの間に
、製造方法や条件により、容易にＡｊ！４ｃ３が形成さ
れ、このＡｊ！４Ｃ３により炭素１１１ｆｔが劣化する
。また、Ａ（４Ｃ３が形成されると、炭素繊維とアルミ
合金の一聞のぬれ性がよくないことが知られている。

そのため、このような炭素繊維の劣化を抑制すべく、炭
素繊維とアルミ合金７１−リックスの溶湯との複合化に
先立って、炭素繊維の表面に炭化チタニウム、炭化ジル
コニウム、炭化珪素等の炭化物の層を形成し、その炭化
物の層により炭素繊維とアルミ合金マトリックスとが反
応することを抑制する方法が従来から採用されている。

（発明が解決しようとする問題点）上記の炭１１１１Ｍの表面に炭化物の層を形成させる方
法においては、炭素繊組とアルミ合金マトリックスの溶
湯との複合化に先立って、ＩＡ素繊１の表面に炭化物の
層を形成させるＧ　Ｖ　Ｄ　（Ｃｈｃｍｉ−ｃａｔ　ｖ
ａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法のような特別なコ
ーティングエ稈を要する。

そのため、炭素繊維強化アルミ合金複合材料の製造コス
トが非常に高くなる。また、条件によってはコーティン
グ処理中に炭Ｎｉｌ維自体の強度低下を伴うため、ｅｌ
られた炭素ｌｌｆｆの強さは元の炭素繊維より弱いもの
になるという問題がある。

また、炭化物の層は固相のアルミ合金とＩＡ素繊維の間
の拡散に対しては障壁として作用するが、液相のアルミ
合金と接触する場合は、あまり効果的な障壁とならない
ので、溶浸法で複合化する際に、界面反応により炭素ｍ
維が劣化する。したがって、複合材料の強度を充分に向
上させることができないという問題がある。

さらに、ＣＶＤ法のようなコーティング法により表面に
炭化物の層を形成した炭素繊維の予備成形体１の製作に
際しては、炭素繊維間の結合力が弱いため、プレス成形
した予備成形体１の表面からクランクが発生し易い。し
かも、予備成形ｌＡ１の強瓜が低いため、含浸加圧鋳造
する際に予備成形体１が破壊されることがあり、完全に
強化された複合材料を得に（いという問題がある。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、ＣＶＤ
法のような高価な高温・高真空設備ヤ）反応ガスを必要
とけず、大気中において極めて簡単な設備で製造するこ
とを可能とし、さらに作業性がよく、しか・ｂ経済的な
アルミ合金複合材料およびその製造方法を提供すること
を目的とする。

また、本発明の他の目的は、合浸加圧Ｕ造する際に予備
成形体が破壊されることがなく、炭素繊維とアルミ合金
マトリックスの反応により炭素繊維の劣化が生じないア
ルミ合金複合材料およびその製造方法を提供することで
ある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本件第２番目の発明に係るアルミ合金複合材料の製造方
法は、炭素繊維を繊維骨格とする予備成形体を製造し、
この予備成形体にアルミ合金をマトリックスとして加圧
含浸させて複合化させるアルミ合金権合材料の製造方法
において、前記予備成形体にアルミ合金を含浸させる前
に、予備成形体の繊維骨格を構成する炭素繊維の表面に
、アルミナ被覆層を形成させるものである。

本件第２番目の発明に係るアルミ合金複合材わ１は、表
面にアルミナ被覆層を右する炭素ｍ維よりなる予備成形
体と、この予備成形体にマトリックスとして含浸された
アルミ合、金とを有してなるものである。

（作用）予備成形体にアルミ合金を含浸させる前に、予備成形体
の繊維骨格を構成する炭素繊維の表面に、アルミナ被覆
層を形成させるため、このアルミナ被覆層により各ｖ２
素繊維が強固に結合され、予備成形体の強電が茗しく向
、Ｆする。

そのため、含浸加圧ｖＩ迄する際に予備成形体が破壊さ
れることがなく、また炭ＭＩＩ緒とアルミ合金マトリッ
クスとの反応により炭素繊維が劣化ツることもない。し
たがって、充分な強度を有するアルミ合金複合材料を提
供することができる。

また、予備成形体の繊維骨格を構成する炭素繊維の表面
に、アルミナ被覆層を形成さける■稈は、高価な高温・
高真空設備や反応ガスを必要とせず、人気中で極めて鈴
生な設備で製′！！！することができるため、作業性が
よく、しがち好演的である。

（実施例）本発明に係るアルミ合金複合材料およびその製造方法の
一実施例を図面を参照して説明する。

まず、アルミ合金複合材料の！ＥＪ造方法について説明
する。アルミ合金複合材料の製造方法においては、まず
ＰＡＮ系やＰＩＴＣＨ系等の炭素繊維（ＳｉＣウィスカ
）を用意する。炭素繊維の大きさは例えば平均径１０μ
乳、平均良さ３０００μｍである。

この炭Ｍ機紺の特性の一例を第１表に示ず。

次に、上記炭Ａｌ１１［を水等の溶液を分散媒としたア
ルミナゾル（アルミナ水和物含右吊２０重Ｍ％程度）に
約１０分間浸漬し、撹拌した後脱水し、さらに常温から
１５０℃程度の間の４度で約２時間例えば大気中で分散
・乾燥させる。

このように、炭素ｍＭをアルミナシ、ル中に浸漬し、撹
拌し、脱水・乾燥させることにより、アルミナゾルがゲ
ル化し、３次元的網目構造となり、炭素！！雑の表面に
均一なアルミナ被覆層が形成される。このアルミナ被覆
層の厚さは分子＆’ｌｌ＝中のアルミナゾルの濃度と、
上記の表面処理工程の回数によって決まる。一般に、ア
ルミナ被覆層の厚さは数μｍが適当である。

次に、上記アルミナ被覆層を右する炭素繊維に１０重ｈ
１％程度の水を謙加し、均一に混合した後、予備成形体
を圧縮成形により作成づる。予備成形体の大きさは例え
ば直径８０＃、高さ８０＃Ｉｌｌであり、体積率は３０
％程度である。

その後、予備成形体を例えば５００℃の４度で４時間加
熱する。予備成形体は加熱されることにより、炭素ＩＡ
ＩＭ表面にゲル化したアルミナゾルが結晶化し、δアル
ミナとなり、ＩＡ索［ｆｆの表面に均一なδアルミナ被
覆層を形成すると共に、炭素ｍ離間に結晶化したδアル
ミナにより強固な結合力が生ずる。炭素繊維表面に形成
されたδアルミナ被覆層は、透過電子類ｒｌｌＩＩの制
限視笠の回折パターンにより確認することができる。

次に、加熱接の予備成形体を金型内に設定し、第２表の
本発明例に示す条件で例えば６０６１アルミ合金より成
るマトリックス溶湯を注湯し、含浸加圧鋳造して複合化
する。

第２表　　　　　　　数ル次に本発明に係るアルミ合金複合材料についてを説明する。

有する炭素繊維より成る予備成形体と、マトリンΔ クスとして前記予備成形体に含浸されたアルミ台た金とを有して成るものである。

材上述した製造方法により製造した本発明に係るアｔｂ＝
ａｆｔ’ｆｉ＠４４Ｆｌ□。１．ア７．．ヵ　　。

被覆を有しない炭素ｍｍを用い、第２表の比較例光に示すように本発明例と同条件で予備成形体を作成し、
６０６１アルミ合金と複合化させて、アルしミ合ｆｔ複合材料を製造した。

鏡そして、それらのアルミ合金複合材料の縦中心台新面を観察した結果、アルミナ被覆を施さなかっ木だ予備成形体を用いたアルミ合金複合材料には多のクラ
ックが発生した。一方、アルミナ被覆をした子猫成形体
を用いたアルミ合金複合材料本発明例）にはクラックが
全く見られなかった。

次に、アルミナ被覆を施さなかったアルミ合金金材料（
比較例）と、アルミナ被覆を施したアミ合金複合材料（
本発明例）からそれぞれ試ｖ１取り出してＸ線回折を行
なった。その結果を第Ｎに示す。アルミナ被覆を施さな
かったアルミ金複合材料（比較例）のＸ線回折パターン
には、第４　Ｃ３による回折パターンが明瞭に観察され
。一方、アルミナ被覆を施したアルミ合金複合料（本発
明例）のＸ線回折パターンにはＡｊ！４３による回折線
が全く観察されなかった。

さらに、上記比較例のアルミ合金複合材料ど水明例のア
ルミ合金複合材料のアルミ合金を、ａ　ＯＨ水溶液を用
いて溶かし、炭素４ｉ＆紺を抽出た。ｈｌ＋出した炭素
繊維の表面の透過型電子顕微の制限視野回折パターンか
ら、比較例のアルミ金複合材料にはＡｌ４Ｃ３が同定さ
れた。一方、発明例のアルミ合金複合材料にはＡｌ４Ｃ
３が同定されなかった。

また、上記比較例のアルミ合金複合材料と本発明例のア
ルミ合金複合材料からそれぞれ試験片を取り出し、Ｔ６
熱処理を施した後、引張試験を行なった。その結果を第
３表に示す。

第３表第３表に示すように、アルミノ被覆を施さなかったアル
ミ合金複合材料（比較例）は、６０６１アルミ合金の場
合と比較して、引張強さ０．２％耐力について、炭素繊
維の強化効果が顕著に見られた。しかし、アルミナ被覆
を施したアルミ合金複合材料（本発明例）は、引張強さ
、０．２％耐力および伸びのいずれもが、比較例よりも
さらに大幅に向上した。

上記実施例におけるアルミナ被覆層は、炭素繊維を予備
成形体に固める際の成形性と予備成形体の強度をそれぞ
れ向上させるバインダとしてｎ用する。また、上記アル
ミナ被覆層は、溶浸法で複合化する際、液相のアルミニ
ウム合金と炭素繊維の間の拡散に対して有効な障壁とし
て作用する。

したがって、アルミナ被覆層を右する予備成形を用いた
アルミ合金複合材料を含浸加圧鋳造す際、炭素ａｆＭと
液相アルミ合金との界面反応を質的に皆無にすることが
できる。さらに、予備形体にクラックが発生して複合４
１ＦＩ！ｌ１ｔＩｉが不良になる要因を除外することが
できる。

このように上記実施例によれば、含浸用ｆｆ鋳造する際
に予備成形体が破壊されることがな（、また炭素繊維と
アルミ合金マトリックスの反応により炭Ｍ謀雑の劣化が
生じないアルミ合金複合材料およびその製造方法を提供
することができる。

また、上記実施例においては、高価な高温・高真空設備
や反応ガスを必要とけず、大気中で極めて簡単な設備で
製造することができるため、作業性がよく、しかｂ経済
的である。

上記実施例においては、炭素繊維の大きさ、アルミナゾ
ルの濃度、予備成形体の形状、加熱温度や時間等におい
て、具体的な数値を挙げて説明したが、これらの数値は
一例を示したものであって、本発明はこれに限定されず
、他に様々な態様が考えられる。

（発明の効果）本発明に係るアルミ合金複合材料およびその製造方法は
、予備成形体にアルミ合金を含浸させる前に、予備成形
体の繊Ｍ骨格を構成する炭素繊維の表面に、アルミナ被
覆層を形成させることにより、表面にアルミナ被Ｎ層を
有する炭素ｔａ＠より成る予備成形体と、マｉ・リツク
スとして前記予備成形体に含浸されたアルミ合金とを有
して成るアルミ合金複合材料を製造したから、含浸加圧
鋳造する際に予備成形体が破壊されることがなく、また
炭素繊維とアルミ合金マトリックスの反応により炭素ｔ
ｌＡＭの劣化が生じることがない。

また、本発明は高価な高温・高真空設備や反応ガスを必
要とせず、大気中で極めて簡単な設備で製造することが
できるため、作業性がよく、しがら経済的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るアルミ合金複合材１１のＸ線回折
結果を比較例と比較して示ず特性図、第２図（Ａ）〜（
Ｄ）は溶浸法によるアルミ合金腹合材料の製造工程を示
す■程図である。１・・・予備成形体、４・・・溶融アルミ合金マｌ〜リ
ックス、７・・・アルミ合金複合材料。出願人代理人　　　波　多　野　　　久Ｇ（１）−・比較例（２）−−一本梵明伊Ｊ（Ａ）　　　　　　　　　　　　　　（Ｂ）第２図

Claims

【特許請求の範囲】１、炭素繊維を繊維骨格とする予備成形体を製造し、こ
の予備成形体にアルミ合金をマトリックスとして加圧含
浸させて複合化させるアルミ合金複合材料の製造方法に
おいて、前記予備成形体にアルミ合金を含浸させる前に
、予備成形体の繊維骨格を構成する炭素繊維の表面に、
アルミナ被覆層を形成させることを特徴とするアルミ合
金複合材料の製造方法。２、表面にアルミナ被覆層を有する炭素繊維よりなる予
備成形体と、この予備成形体にマトリックスとして含浸
されたアルミ合金とを有してなることを特徴とするアル
ミ合金複合材料。