JPH0217617B2

JPH0217617B2 -

Info

Publication number: JPH0217617B2
Application number: JP55106154A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamatsuta; Kenichi Nishio
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1980-07-31
Filing date: 1980-07-31
Publication date: 1990-04-23
Also published as: JPS5732344A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は無機質繊維を強化材とし、金属または
合金（以下金属類と略称する）をマトリツクスと
する機械強度のすぐれた繊維強化金属複合材料
（以下複合材料と略称する）に関する。近年、無機質繊維にアルミナ繊維、炭素繊維、
シリカ繊維、シリコンカーバイト繊維、ボロン繊
維などを用い、マトリツクスにアルミニウム、マ
グネシウム、銅、ニツケル、チタンなどを用いた
複合材料が開発され、多くの産業分野に使用され
始めている。無機質繊維と金属類を複合化する際溶融または
高温の金属類と無機質繊維界面で反応が生じ、脆
化層が生ずる。このため複合材料の強度は低下
し、理論強度と比較して低い強度を与える場合が
多い。かかる繊維劣化を防止するために種々の方
法、例えば繊維の表面をコーテイング剤等で処理
する方法などがとられているが、取扱い上の面倒
さ、コスト高などの問題が生じ、実用的でない。本発明者らは、容易に実施し得る方法で複合材
料の強度を向上させるべく鋭意検討した結果金属
類に、添加した時に金属類の表面張力を低下さ
せ、かつアルミナ質繊維との反応性がマトリツ
クス金属類のアルミナ質繊維との反応性より低い
金属元素の１種または２種以上を添加する事によ
り、この金属類をマトリツクスとした複合材料の
機械強度が飛躍的に向上することを見出し、本発
明に至つた。本発明はアルミニウム、マグネシウムおよび銅
から選ばれた金属または合金（ただし、合金中に
ビスマス、スズ、カドミウム、アンチモンおよび
インジウムを含まない。）をマトリツクスとし、
強化材としてアルミナ質繊維を15〜70容積％含む
繊維強化金属複合材料において、該マトリツクス
にビスマス、カドミウム、アンチモンおよびイン
ジウムよりなる群から選ばれる少なくとも一種の
金属元素を0.05〜10重量％含有せしめてなること
を特徴とする繊維強化金属複合材料を提供するも
のである。以下に本発明を詳細に説明する。本発明複合材料中に含まれるアルミナ質繊維の
割合は特に限定されるものではないが、好ましく
は15〜70容積％の範囲である。15容積％未満では
強化効果が小さく、70容積％を超えると繊維同志
の接触により、かえつて強度が低下する。繊維形
状は長繊維、短繊維いずれをも使用する事がで
き、目的、用途に応じていずれかまたは両者を同
時に使用できる。目的とする機械強度または弾性
率を得るために一方向、クロスプライ、ランダム
配向などの配向方法を選択する事が出来る。アル
ミナ質繊維として本発明の金属強化効果を最も顕
著に示しうる繊維は特公昭51−13768号に記載さ
れているアルミナ質繊維である。即ち、アルミナ
（Al₂O₃）含有量が72重量％以上、100重量％以
下、好ましくは75重量％以上、98重量％以下であ
り、シリカ（SiO₂）含有量が０重量％以上、28
重量％以下、好ましくは２重量％以上、25重量％
以下の組成のものであり、Ｘ線的構造においてα
−Al₂O₃の反射を実質的に示さないアルミナ繊維
である。このアルミナ質繊維は本発明の効果をそ
こなわない範囲でリチウム、ベリリウム、ホウ
素、ナトリウム、マグネシウム、ケイ素、リン、
カリウム、カルシウム、チタン、クロム、マンガ
ン、イツトリウム、ジルコニウム、ランタン、タ
ングステン、バリウムなどの一種または二種以上
の酸化物などのような耐火性化合物を含有するこ
とができる。本発明に用いられるマトリツクス金属類とし
て、好適なものはアルミニウム、マグネシウム、
銅または合金（ただし、合金中にビスマス、ス
ズ、カドミウム、アンチモンおよびインジウムを
含まない。）である。軽量かつ高強度が要求され
る場合には、アルミニウムやマグネシウム金属ま
たは合金をマトリツクスとする系が好適であり、
耐熱性かつ高強度を要求される場合には銅または
合金をマトリツクスとする系が好適である。本発
明でいうこれらの金属類は通常の使用にさしつか
えない範囲で少量の不純物元素を含有していても
さしつかえない。本発明おいて上述の金属類に添加される金属元
素として特に好適なものはビスマス、カドミウ
ム、アンチモン、インジウム等である。これ等の
添加金属元素に要求される第１の条件はマトリツ
クス金属類に添加した際、金属類の表面張力を低
下させるものでなくてはならない。これは金属類
の表面の添加元素濃度が合金中の添加元素の平均
濃度より高いことが必要だからであり、この事は
Gibbsの吸着等温式により示される。 Γ₂＝−１／RTd〓／dlnC₂ 但し、 Γ₂：界面に吸着されている成分(2)の表面濃度
（mole／cm²） d〓：表面張力の変化分（dyn／cm） C₂：成分(2)の濃度Ｒ：気体定数Ｔ：絶体温度つまり添加元素濃度C₂の変化に対して表面張
力の減少が顕著であればあるほど添加元素の表面
濃度は高くなる事を示している。本発明においては、マトリツクス金属類に0.1
モル％加えた時にマトリツクス金属類の表面張力
を5dyn／cm以上好ましくは10dyn／cm以上低下さ
せる金属元素が好ましい。5dyn／cm以下の表面
張力減少しか示さない添加元素では添加元素の表
面濃度が余り高くならず好ましくない。たとえば
アルミニウムにビスマス、カドミウム、アンチモ
ン、インジウムなどを0.1モル％添加すると、ア
ルミニウムの表面張力をそれぞれ400、15、105、
20dyn／cm²低下させており、これら添加元素がア
ルミニウムの表面に高濃度に存在する事を示して
いる。即ちアルミナ質繊維とマトリツクス金属類
との接触界面にこれら添加元素が多量に存在する
状況がおこつていることが考えられる。実際に、
本発明者らはオージエ（Auger）走査顕微鏡およ
びEPMA（Electron Probe Micro Analyser）分
析を行なつた結果、これらの事実を確認した。次に、これら添加元素に要求される第２の条件
はアルミナ質繊維と反応を示さないか、あるいは
示してもマトリツクス金属類のアルミナ質繊維と
の反応性よりも低い反応性を有する事である。こ
の指標として化合物生成の自由エネルギー変化が
考えられる。アルミナ質繊維を強化材として用い
た場合の事を考えると、マトリツクス金属類と添
加金属元素の酸化物生成の自由エネルギー変化
（酸素１原子当量当り）で系統的に考えられる。
（以下変化分を△Goと記す）。例えばアルミニウ
ム、マグネシウムの△Goはそれぞれ室温で−
122、−136Kcal／moleであり、この値は温度の上
昇と共に若干増加する傾向を有する。しかし温度
に対してどの金属元素についてもほぼ同一の傾き
を示しており△Goの室温下での大きさの順位は
高温下での大きさの順位と相対的に同一序列を示
している。△Go値が小さいほど酸化物を形成し
やすい傾向を有す。ビスマス、カドミウム、アン
チモン、インジウム、の△Goの値はそれぞれ−
39、−55、−50、−67Kcal／moleであり、マトリツ
クスにアルミニウム、マグネシウムを使つた場合
アルミナ質繊維とマトリツクス間の反応が抑制さ
れ適度な界面結合強度を有するため、強度の向上
した複合材料を与えるのである。以上述べた機構
によりこれら２つの条件を満足する金属元素をマ
トリツクス金属類に添加することにより複合材料
の強度が飛躍的に向上する。これら添加金属元素の好適な添加量はマトリツ
クス金属類に対し0.05重量％から10重量％であ
り、更に好ましくは0.1重量％から５重量％であ
る。添加量が0.05重量％より少ない場合、本発明
の効果が顕著に認められない。また添加量が10重
量％より多い場合、マトリツクス金属類の特質を
損い、耐食性の低下、伸びの減少などと共に繊維
とマトリツクス金属類間の反応を完全に抑制して
しまうために複合材料の強度向上効果も小さくな
る。これら添加金属元素のマトリツクス金属への添
加方法は種々の方法が取り得、一般の合金の製造
方法に従つて添加して何ら問題は生じない。例え
ばマトリツクスとなる金属をるつぼ中で空気中あ
るいは不活性雰囲気下で溶融し、希望の添加金属
元素の一種または二種以上を添加し、十分に撹拌
し冷却して作製する方法がある。本発明複合材料は種々の方法によつて製造し得
る。すなわちその主なものとして、(1)液体金属含浸
法のような液相法、(2)拡散接合のような固相法、
(3)粉末冶金（焼結、溶結）法、(4)溶射、電析、蒸
着などの沈積法、(5)押出、圧延などの塑性加工
法、(6)高圧凝固鋳造法などが例示される。本発明
の効果が特に顕著に認められる方法は(1)の液体金
属含浸法や(6)の高圧凝固鋳造法などのように溶融
金属と繊維が直接接触する場合であるが、(2)〜(5)
に示される製造方法においても明らかに効果が認
められる。この様にして製造された複合材料は本発明に用
いられる添加金属類元素の存在しない場合と比較
して大幅な機械強度の向上が認められる。また加
工法上も既存の設備、方法を何ら変更することな
く本発明を実行できることは実生産上からも非常
に大きなメリツトである。以下本発明を実施例に
よりさらに詳しく説明するが、本発明はこれによ
つて限定されるものではない。実施例１黒鉛製るつぼをアルゴン雰囲気下約700℃に熱
し、この中に純アルミニウム塊（純度99.9％）
500ｇｒを加え、溶融した後2.5ｇｒのビスマスを
加え、炭素鋼棒で十分撹拌することによりアルミ
ニウム−ビスマス合金を調整した。この合金は組
成分析により0.501重量％のビスマスを含有して
いることを確認した。平均繊維径14μ、引張り強
度150Kg／mm²、引張り弾性率23500Kg／mm²のアルミ
ナ質繊維（Al₂O₃含有率85重量％、SiO₂含有率15
重量％）を用い、110mmの長さに切りそろえ束ね
て内径４mmの鋳型管に平行に引き入れた。次いで
アルゴンガス雰囲気中で700℃に保つた上記アル
ミニウム−ビスマス合金溶融体の中に鋳型管の一
端を浸し、他方を真空脱気しつつ、溶湯表面に50
Kg／cm²の圧力をかけて繊維間へアルミニウム−ビ
スマス合金を浸透させ、これを冷却することによ
つて繊維強化金属複合材料を得た。繊維体積含有
率は50±１％になるように調整した。また比較の
ため、純アルミニウム（純度99.9％）をマトリツ
クスとして、全く同じ方法で繊維強化金属複合材
料を得た。このようにして作製した繊維強化金属
複合材料の常温での曲げ強度、曲げの弾性率を測
定した。結果を第１表に示すが比較例と較べて著
しく強度が向上していた。

【表】実施例２カドミウム、アンチモン、インジウム、をそれ
ぞれアルミニウムに対し１重量％の割合で実施例
１に示したと全く同じ方法で加え、合金を製造し
た。組成分析により出された組成を第２表に示
す。実施例１で用いられたのと同じアルミナ繊維
を用いてやはり実施例１と同じ方法で繊維強化金
属複合材料を作製した。この複合材料の常温での
曲げ強度、曲げ弾性率を測定した結果を第２表に
示す。いずれも第１表比較例２と較べて高い曲げ
強度を示した。

【表】実施例３マトリツクス金属をマグネシウムまたは銅に変
えた場合について示す。マグネシウムの場合は市
販の純マグネシウム（純度99.9％）250グラムと
6.0グラムのビスマスを黒鉛製るつぼ中にとりア
ルゴンガス雰囲気下、このるつぼを約700℃まで
加熱し、十分に撹拌した後室温まで冷却し、Mg
−Bi合金を得た。この合金は組成分析の結果2.36
重量％のビスマスを含有していた（以下Mg−
2.36Biと記す）。この合金をマトリツクスとし、
実施例１で用いたアルミナ繊維及び複合化方法に
より700℃にて複合化し、繊維強化金属複合材料
を得た。比較のため純マグネシウムをマトリツク
スとした繊維強化金属複合材料を同じ条件下にて
作製した。次に98.0グラムの銅粉（300メツシユパス）と
2.0グラムのビスマス粉（300メツシユパス）を、
ポリメチルメタクリレートのクロロホルム溶液中
に懸濁したものに実施例１で用いたのと同じアル
ミナ質繊維を浸漬し、表面をCuとBi粉でコート
されたアルミナ繊維シートを作製した。このシー
トは厚み約250μを有し、繊維の含有量は56.7体積
％であつた。このシートを10枚積重ね合わせ炭素
製鋳型に入れ真空ホツトプレス中、真空度
10^-2Torr、600℃で２時間結合剤のポリメチルメ
タクリレートを分解除去したのち、徐々に加圧、
加熱最終的に10^-3Torr 1010℃ 250Kg／mm²の圧
力で２時間保持し、繊維強化金属複合材料を得
た。比較のためマトリツクスとして銅のみの繊維
強化金属複合材料を同じ方法、条件下にて作製し
た。これらの複合材料の室温における曲げ強度を
測定した結果を第３表に示す。いずれの場合もビ
スマスを添加することによつて大巾に曲げ強度が
向上している。

【表】

Claims

【特許請求の範囲】

１アルミニウム、マグネシウムおよび銅から選
ばれた金属または合金（ただし、合金中にビスマ
ス、スズ、カドミウム、アンチモンおよびインジ
ウムを含まない。）をマトリツクスとし、強化材
としてアルミナ質繊維を15〜70容積％含む繊維強
化金属複合材料において、該マトリツクスにビス
マス、カドミウム、アンチモンおよびインジウム
よりなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元
素を0.05〜10重量％含有せしめてなることを特徴
とする繊維強化金属複合材料。