JPH02101128A - 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
金属枯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
熱海市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ＩＩＩ）子に記載されている如く、強化繊維
が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ｔ
ｌｉ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、■甲溶融加工法、■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、このことか複合材料
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゛な元素が挿加
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だ
けで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一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４
９−４２５０’４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５１−２８４３
３号、特開昭５３−３８７９１号、特開昭５７−１６９
０３６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
維である場合には、一般に繊維か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
クス金属の溶湯か浸透し、従って上述の如き方法によれ
ば繊維と７トリツ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７トリツクス金属の溶湯と
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、ることか困難であり、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てあ
・る。これらの問題は米国特許第４．３７６．８０３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かかる特開昭５
’１３１４６６号公報や特開昭６２７６７１３３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
１−１．６５２６５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てはマトリック
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飼料を製造
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７トリツクス金属か凝固するこ
とか避けられないため、歩留りを向上させることができ
ないという問題かある。

また特表昭５９−５００９７３号公報及び１９８５年４
月に出版されたＪｏｒｎａｌ　ｏｒＭａＬｅｒ４ａｌｓ
　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飼料の製造方法が記
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
面被照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
とが必要であるという問題かある。

本願発明者等は、従来の複合飼料の製造方法に於ける」
一連の如き問題に鑑み、種々の実験的研究を行った結果
、７トリツクス金属の溶湯の表面にハロゲン化物のフラ
ックス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、マトリックス金属の溶湯を加圧し
なくてもマトリックス金属が個々の強化材の間に良好に
充填された複合飼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飼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１」法の複合
飼料を非常に能率よく且装置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１１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ハロゲン化物のフラックスの溶
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太し、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飼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
にハロゲン化物のフラックス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か導入され
る。フラックスの溶融液はマトリックス金属の溶湯及び
強化Ｈ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
び強化材の濡れ性か向上され、これによりマトリックス
金属の溶湯か成形体全体に良好に浸透して行く。

従って本発明のｈ°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
７トリツクス金属の溶湯を加圧したり強化材を高温に予
熱するための大損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祠
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、強化材成形体はフラックスの溶融
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フラックスの溶
融液の層にて被覆された状態にある。従ってフラックス
の溶融液か使用されない従来の方法の場合に比して、強
化材が７トリツクス金属の溶湯と反応することによる劣
化か防止若しくは低減され、これにより７トリツクス金
属が良好に複合強化された複合飼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
属の溶湯か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祠料が所定の強化制体
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
状及び寸法の複合飼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、フラ・リクスはフッ化物系、塩
化物系、及びこれらの混合物であってよく、例えばに２
　ＺｒＦ６　、Ｋ２　ＴｉＦ６　、ＫＡｌＦ４、Ｋ３　
ＡｌＦ３　、Ｋ２　ＡｌＦ３　　・Ｈ２Ｏ、Ｃ５ＡＩＦ
４、Ｃ３ＡＩＦ５　・Ｈ２Ｏ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、Ｚｒ５ＨｆＳＶＳＮｂ、Ｔａの如き遷移
金属又はＡＩを含むフッ化物や、従来よりアルミニウム
はんだ用フラックスとして使用されているＫＣＩ、Ｎａ
Ｃ１，ＬｉＣ１、ＺｎＣｌ、ＮＨ４Ｃｌ、ＣａＣ１２、
Ｓ　ｒＣ１２，５ｎＣ１２、ＮａＦ等であることが好ま
しい。

また本発明の方法に於ては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ。

ＣｒＳ　Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓ　　ｉＳ　ＭｇＳ　Ａ　
ｌ、Ｚｎ５ＳｎＳＴｉ、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く、成るい
は個々の強化材がかかる特定の金属にて被覆されていて
よい。

かくして強化材成形体中に特定の金属の微細片が含まれ
ている場合若しくは強化材が特定の金属にて被覆されて
いる場合には、マＩ・す・ノ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０．５μ、平均
繊維長１５０μのＳｉＣウィスカ１０（東海カーボン株
式会社製）を成形することにより、２０　Ｘ　１０　Ｘ
　３０　ｍ＋ｍの寸法を有し繊維体積率が２０％である
強化材成形体１２を形成した。また第２図に示されてい
る如く、１０％ＭｇＣｌ２．４０％ＣａＣｌ２．３０％
ＮａＣ１，２０％ＫＣＩなる組成を有する粉末状のフラ
ックスを約８００℃の純マグネシウムの溶湯１６の表面
に層状に配置し、フラックスを溶湯の熱によって溶融さ
せることにより、溶湯の表面をフラックスの溶融液１４
にて覆った。

次いで強化材成形体１２を２００℃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
て純マグネシウムの溶湯中に強化材成形体１２を導入し
、溶湯中に約２０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純マ
グネシウムが過不足なく良好に浸透しており、ＳｉＣウ
ィスカと純マグネシウム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
飼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ＳｉＣウィスカの体積率は元の強化祠成形体
に於ける体積率と実質的に同一の２０％であった。

また比較の１」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ｆ熱した後
、純マグネシウムの溶湯中に直接浸漬し２０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、純マグ
ネシウム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 第５図に示されている如く、容器１８に貯容された湯温
７６０°Ｃの純アルミニウムの溶湯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。

次いでフラックスとしてのＫＡｌＦ４粉末を純アルミニ
ウムの溶ｌ易２０の一方の表面に層状に配置し、ＫＡｌ
Ｆ４粉末を溶湯の熱によって溶融させることにより、溶
湯の一方の表面をＫＡｌＦ４の溶融液２４にて覆った。

次いて第５図に示されている如く、表面に厚さ０．２μ
にてＮ１が無電解めっきされた繊維径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の層を経て純アルミニ
ウムの溶湯中に連続的に導入し、溶湯の他方の表面より
連続的に人気中に取出し、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平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純アルミニウムが過不足なく良好
に浸透しており、炭素繊維と純アルミニウムとの密着状
態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４０％であった。

実施例３ 強化材成形体として平均繊維径８μのステンレス鋼（Ｊ
ＩＳ規格５ＵＳ３１６Ｌ）繊維よりなる帯状のフェルト
（日本精線株式会社製「ナスロンフェルト」、厚さ５１
１１ｍ５幅５０ｍｍ）が使用され、フラックスとして２
０％ＮａＣ１，４５％ＫＣＩ。

１５％ＬｉＣ１，１０％ＬｉＦ、１０％ＺｎＣ１２なる
組成を有する粉末状のフラックスが使用され、マトリッ
クス金属の溶湯として湯温７３０°Ｃのアルミニウム合
金（ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｃ）の溶湯が使用された点を除き
実施例２と同様の要領にて帯状の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
、ステンレス鋼繊維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；」
法も元の強化材成形体の・Ｊ゛法と実質的に同一であり
、またステンレス鋼繊維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８％であった。

また比較のに１的で、実施例１の比較例の場合と同様、
フラックス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、ステンレス鋼繊維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。

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
あることは当業名にとって明らかであろう。例えばフラ
ックスの溶融液はフラックスの粉末等を加熱することと
により形成され、しかる後マトリックス金属の溶湯の表
面に配置されてもよい。

【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
実施例を示ず解図である。 １０・・・ＳｉＣウィスカ、１２・・・強化材成形体。 １４・・・フラックスの溶融液、１６・・・純マグネシ
ウムの溶湯、１８・・・容器、２０・・・純アルミニウ
ムの溶湯、２２・・・仕切り壁、２４・・・ＫＡ　Ｉ　
Ｆ４の溶融液、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
月代　　　　　理　　　　　人　　　弁理士　　明　　
石　　昌　　毅］８ 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ハロゲン化物
   のフラックス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。