JPH02182845A - 界面制御型長繊維強化金属の製造方法 - 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） 本発明は長繊維強化金属の製造に係り、より詳細には、
二次成形が容易であり、しかも二次成形後に所定の強度
が得られる界面制御型長繊維強化金属の製造方法に関す
る。

（従来の技術及び解決しようとする課題）長繊維強化金
属に使用される強化繊維は、延性に乏しいため、伸線、
曲げ加工等の二次成形は一般に困難であるとされており
、長繊維強化金属は、はぼ最終製品形状に製造されてい
る。このため、長繊維強化金属の用途が制約されている
のが現状である。

本発明は、かＳる事情に鑑みてなされたものであって、
二次成形が容易で、しかも製品として所定の強度を有す
る長繊維強化金属の製造方法を提供することを目的とす
るものである。

（課題を解決するための手段） 前記問題点を解決するため１本発明者らは、先に界面制
御型長繊維強化金属の製造方法を開発した。

すなわち、この方法は、強化繊維と金属マトリックスと
の界面に低融点の金属層を設け、二次成形は界面がルー
ズになる温度で行い、二次成形後は、この低融点金属層
を金属マトリックス又は繊維中に拡散させて界面強度を
回復させ、繊維強化金属を強化させるという方法である
。具体的には。

二次成形に先立って、溝付きの金属マトリックスの溝内
に繊維を置き、その上に低融点金属の箔を置き、更にフ
ラットな金属マトリックスを重ねて複合化し、予め強化
繊維と金属マトリックスとの界面に低融点の金属層を設
けておく必要がある。

しかし、その後の研究により、二次成形が必ずしも満足
にできない場合があり、実用化が容易な方式の開発が必
要であることが判明し九〇すなわち、長繊維を単に金属
マトリックスの溝内に置くだけではホットプレス等によ
る複合材製造時に界面層が長繊維の回りに均一に生成さ
れず、したがって、二次成形時に不都合が生じることが
判明した。

そこで、この問題を解決するために鋭意研究を重ねた結
果、ここに本発明をなしたのである。

すなわち、本発明は、金属マトリックスと長繊維をホッ
トプレス等により複合化するに際し、長繊維の周囲に、
該金属マトリックスよりも低い温度で軟化又は溶融し、
且つ該金属マトリックス又は繊維との相互拡散により減
少又は消失し得る中間金属層を設けた後、該中間金属層
が軟化又は溶融する温度にて複合化することにより、長
繊維の回りに界面層を欠けることなく配することを特徴
とする二次成形可能な界面制御型長繊維強化金属の製造
方法を要旨とするものである。

また、かする方法で得られた複合材につき、界面層の溶
融点以上乃至固液共存域の温度にて二次成形し、その後
、加熱して該中間金属を金属マトリックス又は繊維中に
拡散させることにより界面層を減少乃至消失させ、界面
強度を回復することを特徴とする界面制御型長繊維強化
金属の製造方法を要旨とするものである。

以下に本発明を更に詳述する。

（作用） 前述の如く、本発明では、二次成形に先立って、金属マ
トリックスと長繊維をホットプレス等により複合化する
が、その際、金属マトリックスより低い温度で軟化又は
溶融し、且つ金属マトリックス又は繊維との相互拡散に
より減少又は消失し得る金属Ｎ（中間金属Ｍ）を設ける
必要がある。この場合、この中間金属層は、ホットプレ
ス時に繊維の回りに欠けることなく界面層を形成するよ
うに予め配置することが肝要である。

繊維の回りに界面層が欠ける部分がある場合。

例えば、界面層が偏在して繊維の周囲の一部が直接金属
マトリックスと接するような場合には、繊維と金属マト
リックスとの界面の剪断応力が十分に低い値とならず、
二次成形（例、曲げ加工）する際、繊維が金属マトリッ
クスにより直接二次成形による剪断応力を受け、繊維が
破断する原因となる。

界面層を繊維の回りに欠けることなく形成するためには
、第１図〜第゛４図に例示するような方法により、予め
中間金属層を配置する。

すなわち、第１図は、金属マトリックス１．２と長繊維
３を積層する際に、金属マトリックス２に溝（Ｕ溝、■
溝、凹凸等）４を設け、この溝内に繊維３を配置して積
層する方法を示している。この場合には、金属マトリッ
クス１，２間に中間金属からなる箔５を介在させると共
に、溝３の底部に中間金属からなる適当な部材（例、粉
末、線等々）６を配置する。この方法によれば、ホット
プレス時に箔５が軟化乃至溶融して溝内に回り込んで繊
維３の回りを概ね包むが、この作用が充分でない溝底部
と繊維３の間に中間金属部材６が配置しであるので、繊
維３の回り全体に界面層が形成される。なお、箔５は金
属マトリックスの接触面同志を容易に接合する効果もあ
る。一方、箔のみを用いた場合にはホットプレス時に溝
底部と繊維との間に中間金属が充分に回り込むことが困
難であり、溝底部と繊維との間に界面層を形成すること
ができない。

第２図の場合には、繊維３の周囲に予め中間金属を浸漬
、蒸着などの方法でコーティングすることにより、中間
金属層７を設ける。これにより、ホットプレス時に中間
金属層７が軟化乃至溶融して繊維３の回り全体に界面層
が形成される。

第３図の場合には、金属マトリックス１及び２の合わせ
面金てに中間金属を浸漬、蒸着などの方法でコーティン
グすることにより、中間金属Ｍ８を設ける。これにより
、ホットプレス時に中間金属層８が軟化乃至溶融して繊
維３の周囲全体に界面層が形成される。

勿論、第４図に示すように、繊維３の上面に中間金属か
らなる箔５を介在させ、下面、すなわち、溝を形成した
面に中間金属８をコーティングにより設けるという組み
合わせもよい。

なお１本発明において、強化用長繊維並びに金属マトリ
ックスの材質、寸法、形状としては特に制限はなく、要
は、繊維強化金属に用いられるものであれば良い。例え
ば、長繊維としてはＳｉＣ繊維、ＢＩｌ維などの非金属
繊維、或いはステンレス鋼繊維などが挙げられる。また
金属マトリックスとしてはアルミニウム又はその合金、
その他の金属又は合金でもよい。

一方、中間金属としては、複合化すべき繊維及び金属マ
トリックスの組み合わせにより決められるが、要は、金
属マトリックスよりも低い温度で軟化乃至溶融し、且つ
金属マトリックス又はＪｉ！ｉＩｉ維との相互拡散によ
り減少乃至消失し得る金属又は合金を選定する。例えば
、長繊維としてｓｉｃ＠維、Ｂ繊維及びステンレス鋼繊
維を用い、マトリックスとして純アルミニウムを用いる
場合には。

亜鉛又はその合金を用いればよい。

次に、上記の如く金属マトリックス、長ＷａＦａ及び中
間金属を配置した材料をホットプレス等により複合化す
る。複合化の条件としては、中間金属層が軟化乃至溶融
する温度で行う必要がある。これにより、金属マトリッ
クスの間に長ｍ、ｍが埋め込まれた複合構造が得られる
が、長繊維の周囲全体には中間金属層が軟化乃至溶融し
て成る程度拡散した界面層が生成される。

複合化後、曲げ加工等々の二次成形を行う。この二次成
形は、中間金属層（界面層）が軟化乃至溶融する温度で
行う必要がある。このような温度に加熱するのは、界面
層をルーズにし、剪断応力を著しく低下させる（すなわ
ち、界面強度を著減させる）ためであり、この状態で二
次加工すれば長ｌａｍ、が金属マトリックスに対して滑
るので、長繊維自体に大きな応力が負荷されず、繊維の
破断を防止することができる。繊維の周り全体に界面層
が生成されている場合には、特に繊維とマトリックスと
の界面の剪断応力は殆どゼロとすることができる。つま
り５繊維には殆ど全く負担をかけずに、複合材の二次成
形ができる。

二次成形後は、熱処理を施し、界面強度の回復を図る。

熱処理温度は、拡散を更に促進させて界面層が減少乃至
消失する条件で行い、例えば、中間金属層（界面Ｍ）が
軟化乃至溶融する温度で、加熱時間を長くすれば良い、
これにより、長繊維強化金属の本来の強度乃至はぼそれ
に等しい強度が得られる。

次に本発明の実施例を示す。

（実施例） まず１強化繊維として直径９６μｍのばね用ステンレス
鋼（ＳＵＳ３０４）の連続繊維（ゲージ長さ１０＋ｕ＋
、引張速度０．０１７＋＋＋ａ＋／ｓのときの引張強さ
２，８ＧＰａ、破断伸び４．１％）、マトリックス金属
として工業用純アルミニウム板（Ａ　１０５Ｏ−Ｈ）、
中間金属として厚さ５０μｍｍの純亜鉛箔をそれぞれ準
備した。

上記アルミニウム板として厚さ０．２ｍｍ、　０．８Ｉ
、１．６ｍｍの３種類を用意し、ともに３０ｍｍＸ６０
＋ｕ＋に切断後、６２３にで１．８ｋｓの焼鈍を施し、
接合する面を研磨紙（＃１０００）で荒らした。

本亜尻菫 まず、厚さ０．８ｍｍのアルミニウム板の片面に、強化
繊維よりも大きい直径１４０μｍｍのＵ溝を約Ｑ　、　
８　ａｍの間隔で付け、この面上に蒸着により純亜鉛層
を設けた後、Ｕ溝内に繊維を配列した。次いで、この上
に亜鉛箔及び厚さ０．２ａａ＋のアルミニウム板を前者
を挾む込む形で積層した。

この積層体を、まず、６７３Ｋ、８　、２　Ｍ　Ｐ　ａ
、６０ｇの条件でホットプレスした０次いで、ホットプ
レス材に６７３Ｋ、３．３ｋｓの熱処理を施した。得ら
れたホットプレス材と熱処理材についてそれぞれ繊維の
引き抜き試験を行った。

更に、厚さ１．６ｍｍのアルミニウム板の両面に強化繊
維よりも大きい直径１４０μｍのＵ溝を約０．８ｍ＋ｉ
の間隔で付け、これらの面上に蒸着により純亜鉛層を設
けた後、Ｕ溝内に繊維を配列した。

次いで、それぞれの面に亜鉛箔及び厚さ０．２ｍｍのア
ルミニウム板を、前者を挟み込む形で積層した。この積
層体も繊維引き抜き試験用の試料と同じ条件でホットプ
レス、熱処理した。得られたホットプレス材と熱処理材
についてそれぞれ曲げ加工を行った。

・の　　き　　き　　　　： まず、ホットプレス材から試験片を採取し、インストロ
ン型引張試験により引張速度０．０１７ａｍ／ｓで繊維
の引き抜き試験（６２３〜６７３Ｋ）を行った。

その結果、繊維とマトリックスとの界面の剪断応力は、
Ａ　Ｑ　−Ｚｎ合金の共晶温度直下である６５３にでは
約７ＭＰａであったものが、共晶温度より上で急激に低
下し、共晶温度と亜鉛の融点（６９２Ｋ）とのほぼ中央
にあたる６７３Ｋにおいては、わずか約０．１ＭＰａと
なった。一方、熱処理材を高温（６７３Ｋ）で試験した
場合は繊維とマトリックスとの界面の剪断応力は約９Ｍ
Ｐａという高い値が得゛られた。ホットプレス材の繊維
とマトリックスとの界面の剪断応力が高温（６７３Ｋ）
で著しく低くなったのは、界面層が高温に加熱されてル
ーズになったためと考えられる。また熱処理材を高温で
試験した場合に繊維とマトリックスとの界面の剪断応力
が高い値となったのは、界面層の更なる加熱により拡散
して界面層が減少乃至消失したために界面強度が回復し
たためと考えられる。

因みに、ホットプレス材の高温加熱時は、第５図に示す
ように、繊維の周囲全体に亜鉛リッチな界面層が形成さ
れており、しかし、熱処理材の高温加熱時は、第６図に
示すように、繊維の回りの界面層が殆ど認められなかっ
た。

皿江麓工： ホットプレス材及び熱処理材から５＋ｍｍＸ６０ｍｍの
試験片を切り出し、９０°Ｖ型治具及び先端半径５ｍｍ
のポンチを用いて、６７３にでそれぞれ曲げ加工を行っ
た。第７図にその時の荷重−たわみ線図を示す。ホット
プレス材の場合は、同じ形状・寸法の純アルミニウム板
の場合とほぼ同様の荷重で曲げ加工でき、繊維の破断は
認められなかった。

熱処理材の場合は、曲げ加工に要する荷重が高く、加工
中に繊維は破断した。同図における荷重の急激な低下が
この破断に対応している。ホットプレスにより強化繊維
の回りには亜鉛リッチな界面層が形成されるが、ホット
プレス材の高温（６７３Ｋ）での曲げ加工ではこの界面
層がルーズな界面層となって繊維とマトリックスとの界
面の剪断応力が著しく低下し１曲げ加工時に繊維に作用
する引張り力（曲げの外側）及び圧縮応力（曲げの内側
）が著しく緩和されたものと考えられる。しかし、熱処
理材の高温（６７３Ｋ）での曲げ加工では界面層がルー
ズにならず、剪断応力が低下しないため、繊維が破断し
たものである。

また、熱処理材の６７３にでの曲げ加工では、熱処理材
は熱処理により界面層の亜鉛がアルミニウム板或いは繊
維中に拡散して界面層が減少又は消失し、界面強度が回
復したため、繊維が破断したものと考えられる。

ル１日汁 前記本発明例において、Ｕ溝底部に純亜鉛の層を配置し
ない以外は本発明例と同様にしてホットプレス材を得た
。これについて繊維の引き抜き試験及び曲げ加工を行っ
た。

本ホットプレス材についての６７３にでの繊維の引き抜
き試験では、前記本発明例では繊維とマトリックスとの
界面の剪断応力が約０．１ＭＰａと極めて低い値に抑え
られたのに対し、本ホットプレス材では約０．５〜２　
Ｍ　Ｐ　ａに達している。この差により１本ホットプレ
ス材についての曲げ加工では、繊維が塑性変形したり破
断したりした。これは、Ｕ溝底部に界面層が形成されな
いため、６７３にでの曲げ加工では界面層が十分にルー
ズにならず、したがって、この部位での剪断応力が十分
に低下しないためと考えられる。第８図には、本ホット
プレス材の６７３Ｋにおける曲げ加工時の荷重−たわみ
線図を示す、第７図における前記本発明材のホットプレ
ス材の場合と比較して、加工に要する荷重が高く、また
同図における荷重の急激な低下は繊維の破断に対応して
いる。

因みに、本ホットプレス材は、第９図に示すように、繊
維と溝底部の間に界面層が生成されていなかった。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、金属マトリック
スと長繊維の複合材において、長繊維の周囲全体に界面
層が生成されているので、二次成形で界面層をルーズに
することにより二次成形を容易に行うことができる。更
に、二次成形後の加熱により界面層を減少乃至消失する
ことにより界面強度が回復し、所定の高強度を有する長
繊維強化金属を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は金属マトリックス、長繊維及び中間金
属の配列構造を示す図。 第Ｓ図及び第６図は本発明材の断面における界面層の分
布状態を模式的に示したもので、第５図はホットプレス
材の場合を示し、第６図は熱処理材の場合を示し、 第７図は本発明材のホットプレス材及び熱処理材を６７
３Ｋにおいて曲げ加工した時の荷重−たわみ線図を示し
、 第８図は比較材のホットプレス材を６７３Ｋにおいて曲
げ加工した時の荷重−たわみ線図を示し、第９図は比較
材のホットプレス材断面における界面層の分布状態を模
式的に示した図である。 １．２・・・金属マトリックス材、３・・・長繊維、４
・・・Ｕ溝、５・・・中間金属の箔、６・・・中間金属
部材、７．８・・・中間金属層のコーティング層。 特許出願人　　新技術開発事業団

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属マトリックスと長繊維をホットプレス等によ
   り複合化するに際し、長繊維の周囲に、該金属マトリッ
   クスよりも低い温度で軟化又は溶融し、且つ該金属マト
   リックス又は繊維との相互拡散により減少又は消失し得
   る中間金属層を設けた後、該中間金属層が軟化又は溶融
   する温度にて複合化することにより、長繊維の回りに界
   面層を欠けることなく配することを特徴とする二次成形
   可能な界面制御型長繊維強化金属の製造方法。
2. （２）積層する金属マトリックスの板又は箔の一方の面
   に溝を形成し、これら金属マトリックス間に長繊維を配
   するに際し、該溝内に長繊維を置き、該溝上に中間金属
   の箔を配置すると共に該溝の少なくとも底部にも中間金
   属部材を配置する請求項１に記載の方法。
3. （３）前記中間金属部材を配置する代わりに、長繊維の
   周囲に中間金属をコーティングする請求項１に記載の方
   法。
4. （４）前記中間金属の箔及び中間金属部材を配置する代
   わりに、金属マトリックスの合わせ面両面及び溝の内面
   に中間金属をコーティングする請求項１に記載の方法。
5. （５）請求項１に記載の方法で得られた複合材につき、
   界面層の溶融点以上乃至固液共存域の温度にて二次成形
   し、その後、加熱して該中間金属を金属マトリックス又
   は繊維中に拡散させることにより界面層を減少乃至消失
   させ、界面強度を回復することを特徴とする界面制御型
   長繊維強化金属の製造方法。