JPH02101127A - 金属基複合材料の製造方法 - 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、複合材料に係り、更に詳細には金属繊維等を
強化材とし、アルミニウム合金等をマトリックスとする
金属基複合材料の製造方法に係る。

従来の技術及び発明が解決しようとする課題例えば日本
軽金属学会の主催により昭和６０年７月１５〜１６日に
熱海型に於て開催された第３回金属成形セミナーに於て
頒布された「アルミニウム複合材料（ＦＲＭ）の成形」
と題する小冊子に記載されている如く、強化繊維か連続
繊維である繊維強化金属複合材料の製造方法として、■
拡散接合法、■プラズマ・スプレィ法、■気相析出法、
■溶融浸透法、■電着法（めっき法）等があり、強化繊
維が不連続繊維である繊維強化金属複合材料の製造方法
として、■粉末冶金法、■コンポキャスティング法、■
溶湯鍛造法、■半溶融加工法、■ＨＩＰ法等があること
が知られている。

これらの方法のうち溶融浸透法及び溶湯鍛造法は上述の
他の方法に比して量産性等に優れていることから、工業
的には主としてこれらの方法が従来より一般に採用され
ている。しかし溶融浸透法や溶湯鍛造法に於ては、マト
リックス金属の溶湯を非常に高い圧力に加圧する必要が
あり、従って製造設備が大規模なものとなり、そのため
複合材料の製造が高コストになり、このことが複合材料
の実用化に対する一つの大きな阻害要因となっている。

かくして溶融浸透法や溶湯鍛造法による複合材料の製造
に於ては、マトリックス金属の溶湯に対する必要加圧力
を低減し、更には加圧を省略することが要請されており
、このことを実現するためには強化繊維とマトリックス
金属の溶湯との濡れ性を大幅に改善することが必要であ
る。

かかる要請に鑑み、例えば特開昭６１−２９５３４４号
公報には、マトリックス金属として特殊な元素が添加さ
れたアルミニウム合金を使用することが提案されている
。しかしマトリックス金属に特殊な元素を添加するたけ
ては十分な濡れ性を確保することができず、またマトリ
ックス金属の組成が特定のものに限定されてしまうとい
う問題がある。

また強化繊維が連続繊維である場合についてマトリック
ス金属の溶湯に対する繊維の濡れ性を改善するための種
々の“方法が従来より提案゛されており、例えば特開昭
４９−４２５０４号公報には繊維の表面に金属粉末を塗
布し、これにより濡れ性を改善する方法が記載されてお
り、特開昭５０１０９９０４号、特開昭５２−２８４３
３号、特開昭５／３’−３８７９１号、特開昭５７−１
６９０３６号、特開昭５７−１６９０３７号の各公報に
は繊維の表面に金属を被覆し、これにより濡れ性を改善
する方法が記載されている。

これらの公報に記載されている如く、強化繊維が連続繊
維である場合にば、一般に繊維が一方向に配向されるの
で、毛細管現象によって個々の連続繊維の間にマトリッ
クス金属の溶湯が浸透し、従って上述の如き方法によれ
ば繊維とマトリックス金属の溶湯との間の濡れ性を向上
させることができる。しかしマトリックス金属の溶湯と
の濡れ性の悪い強化繊維が使用される場合には、これら
の方法によってもマトリックス金属の溶湯との間の濡れ
性を十分に向上させることが困難であり、そのため強化
繊維とマトリックス金属との間の密着性に優れた複合材
料を製造することが困難である。

また強化繊維が短繊維やウィスカである場合には、それ
らが不連続なものであるため毛細管現象によるマトリッ
クス金属の溶湯の浸透を期待することができず、従って
例えば特開昭５９　＝　、２０５４６４号公報に記載さ
れている如く、連続繊維について濡れ性を向上させる手
段として知られている方法を只単に短繊維やウィスカに
適用しただけではそれらの濡れ性を十分に向上させるこ
とはできない。また強化繊維が短繊維やウィスカである
場合には、これらの金属を多量に被覆したり金属粉末を
多量に塗布することが困難であり、また非常に高コスト
である。これらの問題は米国特許節４．３７６．８０．
３号及び同第４．５６９．８８６号公報に記載されてい
る如く繊維の表面を金属酸化物にて被覆する場合も同様
である。

また本願出願人と同一の出願人の出願にががる特開昭５
７−３１４６６号公報や特開昭６２−６７１３３号公報
に記載されている如く、強化材成形体を所定の温度に予
熱し、しかる後成形体中にマトリックス金属の溶湯を加
圧浸透させる方法が知られている。かかる方法によれば
、強化材自身が成る温度に加熱されることによってマト
リックス金属の溶湯との濡れ性が向上し、成形体が予熱
されない場合に比してマトリックス金属の溶湯の浸透性
が向上する。しかしこれらの方法に於ては成形体を予熱
することが必須であり、またそのための特別の手段が必
要であり、従ってこれらの方法によっても複合材料の製
造を能率化し低コスト化することに限界がある。

また本願出願人と同一の出願人の出願にかかる特開昭６
１−１．６５２６．５号公報に記載されている如く、強
化材の成形体中に含まれる金属酸化物とマトリックス金
属中の成る特定の金属元素との間に於ける酸化還元反応
を利用して強化材成形体中へのマトリックス金属の溶湯
の浸透性を向上させる方法が知られている。しかしこの
方法に於ては互いに酸化還元反応する元素が成る程度制
限されるため、任意の組成の金属をマトリックス金属と
する複合材料を製造することができないという問題があ
る。

更に上述の何れの従来の方法に於ても、マトリックス金
属の溶湯を成る比較的高い圧力に加圧することか必須で
あり、従ってこれら従来の方法によっではマトリックス
金属の溶湯に対する加圧を省略したり、加圧に必要な鋳
型等の使用を省略して能率よく低廉に複合材料を製造す
ることはできず、また鋳造毎に鋳型内の成形体以外の領
域に於て比較的多量のマトリックス金属か凝固すること
が避けられないため、歩留りを向上させることかできな
いという問題がある。

また特表昭５９−５００９７３号公報及び１９８５年４
月に出版されたＪｏｒｎａｌ　ｏｆ’　Ｍａｔｅｒｉａ
ｌｓ　５ｃＩｅｎｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓには、強化繊維
の成形体をフッ素含有試薬で前処理し、その成形体にマ
トリックス金属の溶湯を含浸させる複合材料の製造方法
か記載されている。しかしこの方法に於ては、強化繊維
か炭素又は炭化物を主成分とし若しくは炭素又は炭化物
で表面被覆された強化繊維に限定され、またマトリック
ス金属の溶湯を含浸させる前に処理後の成形体を予熱す
ることか必要であるという問題がある。

本願発明者等は、従来の複合材料の製造方法に於ける上
述の如き問題に鑑み、種々の実験的研究を行った結果、
マトリックス金属の溶湯の表面に少なくともＢ２０３を
含む金属酸化物の溶融液を層状に配置し、該溶融液の層
を経て溶湯内に強化材成形体を導入することにより、上
述の如き種々の問題を解決し得ることを見出した。

本発明は本願発明者等が行った種々の実験的研究の結果
得られた知見に基き、マトリ・ソクス金属の溶湯を加圧
しなくてもマトリ・ノクス金属が個々の強化材の間に良
好に充填された複合材料を能率よく低廉に製造すること
のできる方法を提供することを目的としている。

また本発明は、マトリックス金属の溶湯を加圧するため
の鋳型や所定の形状の複合材料を製造するための鋳型を
用いることなく、実質的に所定の形状及び寸法の複合材
料を非常に能率よく且低廉に非常に高い歩留りにて製造
することのできる方法を提供することを目的としている
。

課題を解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、Ａｌ、Ｍｇ、Ａｌ
合金、及びＭｇ合金よりなる群より選択されたマトリッ
クス金属の溶湯の表面に少くともＢ２０３を含む金属酸
化物の溶融液を層状に配置し、前記溶融液の層を経て前
記溶湯内に強化材成形体を導入し、前記強化材成形体中
に浸透した溶湯を凝固させる金属基複合材料の製造方法
によって達成される。

発明の作用及び効果 本発明の方法によれば、マトリックス金属の溶湯の表面
に少くともＢ２Ｏ３を含む金属酸化物の溶融液が層状に
配置され、該溶融液の層を経て溶湯内に強化材成形体が
導入される。金属酸化物の溶融液はマトリックス金属の
溶湯及び強化材の表面の酸化膜を除去して強化材に対す
る溶湯の濡れを改善し、これにより溶湯の成形体中への
浸透性及び強化材の濡れ性が向上され、これによりマト
リックス金属の溶湯が成形体全体に良好に浸透して行く
。

従って本発明の方法によれば、マトリックス金属の溶湯
を加圧したり強化材を高温に予熱しなくでも、従ってマ
トリックス金属の溶湯を加圧したり強化材を高温に予熱
するための大掛りな設備を要することなく、マトリック
ス金属が個々の強化材の間に良好に充填された複合材料
を従来の方法に比して能率よく低廉に製造することかで
きる。

また本発明によれば、強化材成形体は金属酸化物の溶融
液の層を経てマトリックス金属の溶湯中に導入されるの
で、少くとも初期段階に於ては強化材は金属酸化物の溶
融液の層にて被覆された状態にある。従って金属酸化物
の溶融液が使用されない従来の方法の場合に比して、強
化材がマトリックス金属の溶湯と反応することによる劣
化が防止若しくは低減され、これによりマトリックス金
属が良好に複合強化された複合＋Ａ料を製造することが
できる。

また本発明の方法によれば、上述の如くマトリックス金
属の溶湯が良好に強化材成形体中へ浸透して行くので、
強化材にて所定の体積率の成形体を所定の形状及び寸法
にて形成し、その成形体をマトリックス金属の溶湯中に
浸漬した後溶湯より取出せば、成形体全体にマトリック
ス金属の溶湯が過不足なく迅速に浸透し、これにより実
質的に所定の形状及び寸法の複合材料が所定の強化材体
積率にて形成される。従ってマトリックス金属の溶湯を
加圧したり所定の製品形状を郭定するための鋳型を要し
、また鋳型内の複合材料以外の部分にて多量のマトリッ
クス金属が凝固することが避けられない従来の溶湯鍛造
法等に比して、非常に高い歩留りにて実質的に所定の形
状及び寸法の複合材料を能率よく低置に製造することが
できる。

本発明の方法に於ては、金属酸化物はＢ！！０３のみで
あってもよく、またＢ２Ｏ３とＶｌｌ　０５、ＭｏＯ３
、ＰｂＯ５Ｂ　ｉｐ　Ｏ：ｌの少くとも一種との混合物
であってもよい。

また本発明の方法に於ては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃ「、
Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｇｓ　Ｓ　１５Ｍｇ、Ａｌ５Ｚｎ　ｓ　
Ｓ　ｎ　ｓ　Ｔ　ｌ−、又はこれらを主成分とする合金
の微細片が強化材成形体中に含まれていてよい。

また本発明の方法に於ては、例えばに！！ＺｒＦ６　、
Ｋｐ　ＴｉＦ６　、ＫＡｌＦ４　、Ｋ３　ＡｌＦ６、Ｋ
ｐ　ＡｌＦ３　　・Ｈｐ　Ｏ，Ｃ５ＡＩＦ４　、ＣｓＡ
ｌ１　］ Ｆ５　・Ｈ，Ｏの如く、アルカリ金属、アルカリ土類金
属、希土類金属の如き電気的に正の元素と結合したＴｉ
、Ｚｒ５Ｈｆ、ＶＸＮｂＳＴａの如き遷移金属又はＡｌ
を含むフッ化物の微細片が強化材成形体中に含まれてい
てよい。

かくして強化材成形体中に特定の金属の微細片若しくは
特定の金属フッ化物の微細片が含まれている場合には、
マトリックス金属の溶湯に対する強化材の濡れ性を更に
一層向上させることができる。

また本発明の方法に於ては、強化材の形態は長繊維、短
繊維、ウィスカ、粒子、又はそれらの混合物の如き任意
の形態のものであってよく、強化材が長繊維である場合
には強化材成形体は繊維束、強化繊維の編織体などであ
ってよく、また強化材が短繊維、ウィスカ、粒子、又は
それらの混合物である場合には強化材の吸引成形体や圧
縮成形体等であってよい。

尚本発明の方法に於ては、成形体の予熱は不要であるが
、マトリックス金属の溶湯に対する強化材等の濡れ性を
向上させるべく成形体を予熱する場合には、その温度は
従来より採用されている温度よりも低いことが好ましい
。また本発明の方法に於ては、マトリックス金属の溶湯
は強化材成形体が浸漬された状態にて凝固せしめられて
もよく、またその場合マトリックス金属の溶湯は加圧さ
れた状態にて凝固せしめられてもよい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例１ 第１図に示されている如く、平均繊維径３μ、平均繊維
長ＩＩＩＩＩＩのアルミナ短繊維１０　（ＩＣ１社製「
サフィールＲＦＪ）を成形することにより、２０　Ｘ　
２０　Ｘ　４０　ａｍの寸法を有し繊維体積率が１５％
である強化材成形体１２を形成した。またＢ２Ｏ３粉末
（高純度化学株式会社製）を５００　’Ｃに加熱して溶
融し、次いで第２図に示されている如＜　、そ（７）Ｂ
！！０３　（Ｄ溶融液１４を約７３０　’Ｃ，（７）ア
ルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）の溶湯１６の表
面に層状に配置し、溶湯の表面を溶融液１４にて覆った
。

次いで強化材成形体１２を２ｏｏ℃に予熱した後、第３
図及び第４図に示されている如く、溶融液１４の層を経
てアルミニウム合金の溶湯中に強化材成形体１２を導入
し、溶湯中に約３０秒間浸漬保持した後溶湯より取出し
、強化材成形体中に浸透した溶湯をそのままの状態にて
凝固させた。

この場合溶湯はそれが凝固するまで表面張力により強化
材成形体に付着した状態を維持し、実質的に成形体より
滴り落ちることはなかった。

溶湯が完全に凝固した後、かくして得られた凝固体をそ
の長手方向中央にて切断し、その断面を研磨して光学顕
微鏡にて観察したところ、強化材成形体全体に亙りアル
ミニウム合金が過不足なく良好に浸透しており、アルミ
ナ短繊維とアルミニウム合金との密着状態も良好である
複合材料が形成されていることが確認された。またこの
複合材料の寸法は元の強化材成形体の寸法と実質的に同
一であり、またアルミナ短繊維の体積率は元の強化４イ
成形体に於ける体積率と実質的に同一の１４９％であっ
た。

また比較の目的で、この実施例に於て形成された強化材
成形体と同様の強化材成形体を２００℃に予熱した後、
アルミニウム合金（ＪＩＳ規）Ｍ　ＡＣ８Ａ）の溶湯中
に直接浸漬し３０秒間保持した後溶湯より取出して溶湯
を凝固させたところ、アルミニウム合金の溶湯は強化材
成形体中に全く浸透していなかった。

実施例２ 強化材として平均繊維径０．５μ、平均繊維長１００μ
のＳｉＣウィスカ（東海カーボン株式会社製）が使用さ
れ、繊維体積率が２５％に設定され、Ｂ２Ｏ３の溶融液
の代りに実施例１のＪＯ３粉末と同一のＢ、０３粉末と
ＢｉｐＯ３粉末（高純度化学株式会社製）との重量比で
９．１の混合物を８００℃に加熱することにより形成さ
れた溶湯液が使用され、マトリックス金属の溶湯として
湯温７２０℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ７Ｂ
）の溶湯が使用された点を除き実施例１と同様の要領に
て複合＋Ａ料を製造した。

この実施例の複合材料に於ても元の強化材成形体全体に
亙りアルミニウム合金が過不足なく良好に浸透しており
、ＳＩＣウィスカとアルミニウム合金との密着状態も良
好であることが認められた。

またこの複合材料の寸法も元の強化材成形体の寸法と実
質的に同一であり、またＳｉＣウィスカの体積率も元の
強化材成形体に於ける体積率と同一の２５％であった。

また比較の目的で、実施例１の比較例の場合と同様、金
属酸化物の溶融液を使用することなく複合材料の製造を
試みたところ、ＳｉＣウィスカよりなる強化材成形体中
にはアルミニウム合金が全く浸透していなかった。

実施例３ 強化材として平均粒径１０μのＳｉ３Ｎ４粒子（高純度
化学株式会社製）が使用され、粒子体積率が３０％に設
定され、Ｂ２Ｏ３の溶融液の代りに実施例１のＢ２Ｏ３
粉末と同一のＢ２Ｏ３粉末とＶ２Ｏ５粉末（高純度化学
株式会社製）との重量比で１＝１の混合物を７００℃に
加熱することにより形成された溶融液が使用され、マト
リックス金属の溶湯として湯温７００℃のマグネシウム
合金（ＪＩＳ規格ＭＣ２）の溶湯が使用された点を除き
実施例１と同様の要領にて複合材料を製造した。

この実施例の複合材料に於ても元の強化＋ａ成形体全体
に亙りマグネシウム合金が過不足なく良好に浸透してお
り、Ｓｉ３Ｎ４粒子とマグネシウム合金との密着状態も
良好であることが認められた。

またこの複合材料の寸法も元の強化材成形体の寸法と実
質的に同一であり、またＳｉ３Ｎ４粒子の体積率も元の
強化材成形体に於ける体積率と実質的に同一の３０．１
％であった。

実施例４ 強化材として平均繊維径２，８μ、」ス均繊維長１　ｍ
ｔｍのアルミナ−シリカ短繊維（イソライト工業株式会
社製「カオウール」）と平均粒径８μのＢＮ粒子（昭和
電工株式会社製）との混合物が使用され、アルミナーン
リカ短繊維及びＢＮ粒子の体積率がそれぞれ１０％に設
定され、ａ、０３の溶融液の代りに実施例１のＢ２Ｏ３
粉末と同一のＢ２Ｏ３粉末とＭ　ｏ　Ｏ３粉末（日本新
金属株式会社製）との重量比で７＝３の混合物を８００
℃に加熱することにより形成された溶融液が使用され、
マトリックス金属として湯温７３０℃のアルミニウム合
金（ＪＩＳ規格ＡＣ５Ａ）の溶湯が使用された点を除き
実施例１と同様の要領にて複合材料を製造した。

この実施例の複合飼料に於ても元の強化材成形体全体に
亙りアルミニウム合金が過不足なく良好に浸透しており
、アルミナ−シリカ短繊維及びＢＮ粒子とアルミニウム
合金との密着状態も良好であることが認められた。また
この複合材料の寸法も元の強化材成形体の寸法と実質的
に同一であり、またアルミナ−シリカ短繊維及びＢＮ粒
子の体積率も元の強化材成形体に於ける体積率と同一の
それぞれ１０％であった。

実施例５ 第５図に示されている如く、容器］８に貯容されたａ温
７３０℃のアルミニウム合金（Ｊ　Ｉ　ＳＫＩ。

格ＡＣ５Ａ）の溶湯２０に仕切り壁２２を部分的に浸漬
することにより溶湯の表面を二つの部分に分割した。

次いでＢ２Ｏ３粉末（高純度化学株式会社製）とｖ２０
５粉末（高純度化学株式会社製）とｐｂＯ粉末（高純度
化学株式会社製）との重量比で１７：２：１の混合物を
８００℃に加熱することにより形成された溶融液２４を
アルミニウム合金の溶湯２０の一方の表面に層状に配置
し、溶湯の表面を溶融液２４にて覆った。

次いで第５図に示されている如く、繊維径７μの炭素繊
維（東し株式会社製ｒＴ３００Ｊ）のヤーン２６（フィ
ラメント数３０００本）を溶融液２４の層を経てアルミ
ニウム合金の溶湯中に連続的に導入し、溶湯の他方の表
面より連続的に大気中に取出し、炭素繊維のヤーンに浸
透した溶湯をそのまま連続的に凝固させ、これにより炭
素繊維にて複合強化された線状の複合材料２８を連続的
に形成した。

かくして形成された複合材料を長手方向に垂直に切断し
、その断面を研磨して光学顕微鏡にて観察したところ、
個々の炭素繊維の間にアルミニウム合金が過不足なく良
好に浸透しており、炭素繊維とアルミニウム合金との密
着状体も良好であることが認められた。尚炭素繊維の体
積率は約４５％であった。

以上に於ては本発明を幾つかの実施例について詳細に説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。例えば金属
酸化物の溶融液は金属の酸化物の粉末等をマトリックス
金属の溶湯の表面に配置し、溶湯の熱によりそれを溶解
することによって形成されてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明による金属基複合材料の製造
方法の一つの実施例の一連の工程を示す工程図、第５図
は本発明による金属基複合材料の製造方法の他の一つの
実施例を示す解図である。 １０・・・アルミナ短繊維、１２・・・強化材成形体。 １４・・・Ｂ２Ｏ３の溶融液、１６・・・アルミニウム
合金の溶湯、１８・・・容器、２０・・・アルミニウム
合金の溶湯、２２・・・仕切り壁、２４・・・溶融液、
２６・・・炭素繊維のヤーン、２８・・・複合材料特　
許　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社代　　　　　
理　　　　　人　　　弁理士　　明　　石　　昌　　毅
第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ａｌ、Ｍｇ、Ａｌ合金、及びＭｇ合金よりなる群より選
   択されたマトリックス金属の溶湯の表面に少くともＢ＿
   ２Ｏ＿３を含む金属酸化物の溶融液を層状に配置し、前
   記溶融液の層を経て前記溶湯内に強化材成形体を導入し
   、前記強化材成形体中に浸透した溶湯を凝固させる金属
   基複合材料の製造方法。