JPH0218371B2

JPH0218371B2 -

Info

Publication number: JPH0218371B2
Application number: JP11628286A
Authority: JP
Inventors: Yoshiji Ito; Mamoru Imuda; Hiroshi Nakatani
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1986-05-22
Filing date: 1986-05-22
Publication date: 1990-04-25
Also published as: JPS62274035A

Description

【発明の詳細な説明】発明の産業上の利用分野本発明は、金属系複合材料の製造方法に関する
ものである。とくに、本発明は、金属粉末のスラ
リーを強化繊維に含浸させ、加圧状態で加熱する
ことにより金属の焼結を行う金属系複合材料の製
造方法に関するものである。

先行技術金属内部に強化繊維を配合した金属系複合材料
は、軽量でかつ高い強度を有するものとして多く
の分野での利用が期待されている。従来、この金
属系複合材料を製造する方法としては、溶湯含浸
法、箔冶金法、イオンプレーテイング法及びスラ
リー法が知られている。溶湯含浸法は、強化繊維
に金属の溶湯を含浸させ、型の中で硬化させるも
のであるが、複雑な形状の製品の製造には適して
おらず、平板や棒状の製品の製造にその用途が限
られていた。箔冶金法は、金属箔の上に繊維を適
当な層数だけ重ねて、加熱、加圧することによつ
て、金属の焼結をおこなうもので、溶湯含浸法と
同様に、製造しうる製品の形状に制限があつた。
また、イオンプレーテイング法は、繊維の周りに
金属を蒸着したものを集めて、加熱、加圧するも
ので、製造しうる製品の形状に制約がある点は、
前記の二つの方法と同様であつた。

これに対し、スラリー法は、微細な金属粉末と
通常、水よりなる溶媒、アルギン酸ソーダのよう
な粘性調整剤とを混合したスラリーを、強化繊維
に含浸させた後、所定の形状に成形して、加圧状
態の下で加熱して、焼結を行うものであるが、製
品の形状に対する自由度が大きいという点で、他
の方法に比し優れた特質を持つている。

発明が解決しようとする問題点このようにスラリー法は、他の製造方法に比べ
て優れた特質を有しているが、従来のスラリー法
では、強化繊維とその間に介在するマトリツクス
金属との均質な配合を得ることが困難であり、ま
た、マトリツクス金属の完全焼結による無欠陥状
態を得ることが難しいという問題があつた。すな
わち、強化繊維は、多数の繊維素が束になつたト
ウの形態をなしており、この強化繊維にスラリー
を含浸させるには、繊維のトウをスラリーに浸漬
し、しかる後にスラリーの浴からひき上げるので
あるが、この際、スラリーが繊維の間から滴り落
ちてしまい、繊維間に充分な量を保持することが
きわめて困難であつた。また、金属粉末の焼結は
加圧下における加熱によつて、接触する金属粒間
に、固相状態の下での拡散と、一部溶融状態の下
での結合とに基づく一体化を生ぜしめるものであ
るが、溶媒として使用される水は、金属表面を酸
化する傾向があり、生じた酸化物は、固相状態で
の拡散を阻害し、しかも金属粒同志の結合後には
マトリツクス中に不純物として残存して、機械的
性質を低下させてしまつていた。

そこで、かかる先行技術の問題点を解消するた
め、本出願人は、金属粉末を、非水性溶媒に対し
て可溶性の低分子量粘着剤より成る粘性調整剤及
び界面活性剤より成る強化繊維表面への金属粉末
の付着改良剤とともに、非水性溶媒へ添加して、
スラリーを形成することにより、金属表面の酸化
を防止し、マトリツクス金属と強化繊維との間の
均一な配合状態を得る方法を提案した。（特願昭
60−278011号）この方法によれば、金属粉末のスラリーを形成
するのに非水性溶媒を使用するため、金属粉末に
酸化が生ずることがなく、またスラリーに低分子
量粘着剤を添加することにより、スラリーの粘性
を適性に維持し、金属粉末の懸濁状態を維持する
ことができるだけでなく、界面活性剤が添加され
ているため、繊維束の内部まで金属を十分に浸透
させることができ、その結果、強化繊維と金属マ
トリツクスとの間の均一な配合が得られ、機械的
性質の優れた金属系複合材料を製造しうるという
大きな効果が得られた。

しかしながら、現状では、適当な粒径のスラリ
ー用の金属粉末が得られないということに起因し
て、この方法によつても必ずしも十分満足する結
果を得ることは困難であつた。すなわち、金属系
複合材料製造のためのスラリー用金属粉末は、球
形でかつ微細粒であることが必要不可欠であり、
通常アルゴン等の不活性ガスを使用したアトマイ
ズ法により製造されたものが用いられている。し
かし、この不活性ガスアトマイズ法により製造さ
れた金属粉末は、球形で形状の点では、上記のス
ラリー用金属粉末としての要求を満足している
が、粒径の点では不十分であつた。たとえば、ア
ルゴンガスアトマイズ法によつて製造したアルミ
ニウム合金粉末の場合、325メツシユ以下の粒径
が85〜90％の粒度分布を持つたものが、現状技術
における製造可能な限界であつた。更に、この金
属粉末の粒径を観察すると、粒径40ミクロン以上
のものが60％程度を占めており、例えば、炭素繊
維と複合化させる場合、繊維径６〜８ミクロンに
対して金属粉末の粒径が大きすぎるため、繊維上
に金属粉末を均一に付着させることが困難であつ
た。このため、金属系複合材料に成形したとき
に、マトリツクス金属と繊維の均質な配合状態が
得られず、期待した強度の金属系複合材料を得る
ことが困難であつた。

発明の目的本発明は、マトリツクス金属と強化繊維とが均
質に配合され、マトリツクスを形成する金属粉末
が完全焼結して無欠陥状態にある金属系複合材料
の製造方法を提供することを目的とするものであ
る。

発明の構成本発明のかかる目的は、非水性溶媒に、非水性
溶媒に可溶性の低分子量粘着剤を粘性調整剤とし
て、界面活性剤を強化繊維表面への金属粉末の付
着性改良剤としてそれぞれ添加してスラリーを調
製し、該スラリーに金属粉末を添加して混合し、
所定の時間静置した後に、沈澱物を除去し、強化
繊維を該スラリーに浸漬して、該強化繊維に該ス
ラリーを含浸させることによつて達成される。

本発明において使用しうる非水性溶媒としては
エチルアルコールなどのアルコール系溶媒が適し
ているが、これらに限定されるものではない。

本発明において粘性調整剤として使用しうる非
水性溶媒に可溶性の低分子量粘着剤としては、エ
チルセルロース、アクリル酸重合物などが好適で
あるが、これらに限定されるものではない。

本発明において使用しうる強化繊維表面への金
属粉末の付着性改良剤としての界面活性剤として
は、ラウリル硫酸ナトリウムなどが好ましく使用
しうるが、これに限定されるものではない。

第１図は、本発明に係る金属系複合材料の製造
方法のステツプを示すフロー図である。まず、非
水性溶媒に、非水性溶媒に可溶性の低分子量粘着
剤を粘性調整剤として、界面活性剤を強化繊維表
面への金属粉末の付着性改良剤としてそれぞれ添
加し、混合してスラリーを調製する。ついで、こ
うして調製したスラリーに金属粉末を添加し、機
械的にまたは超音波などにより十分に撹拌混合す
る。混合後、所望の金属粉末粒径と粘着剤の濃度
等により、予め定めた時間、金属粉末を含むスラ
リーを静置する。静置後、スラリーをスラリー含
浸槽へ移すなどの方法で、生じた沈澱物とスラリ
ーとを、沈澱物がスラリーに混入しないように慎
重に分離する。こうして粒径の大きい金属粉末粒
子を沈澱物として除去したスラリーは所望の粒径
の金属粉末のみが均一に懸濁している。このスラ
リーに、強化繊維を浸漬し、強化繊維にスラリー
を含浸させる。次いで、乾燥後、スラリーを含浸
した強化繊維を所定の形状に成形し、更に、加圧
状態で加熱して金属の焼結をおこない、金属系複
合材料を得る。

発明の効果本発明においては、金属粉末の添加混合後、ス
ラリーを所定の時間静置することにより、分級を
生じさせ、沈澱した比較的径の大きい粒子を除去
して、微細な粒子のみから成るスラリーを得るこ
とが可能となる。

また本発明においては、非水性溶媒中の低分子
量粘着剤の濃度と金属粉末添加混合後の静置時間
を調整することにより、任意の粒径の金属粉末を
含んだスラリーを得ることができ、非水性溶媒中
の低分子量粘着剤の濃度を十分高くすると共に、
静置時間を十分長くすれば、これまで分離困難で
あるとされた微細な金属粉末を含んだスラリーを
得ることも可能となる。

本発明においては、スラリー中での金属粉末の
微細化および低分子量粘着剤濃度を適正に選択す
ることにより、金属粉末を非水性溶媒中に均質に
懸濁させることができ、このため、強化繊維に金
属粉末を均一に付着させることが可能となる。

また本発明においては、金属粉末の分級処理と
金属粉末のスラリーへの混合処理とを同一工程で
行うことができるため、金属粉末表面の酸化等に
よる汚染を防止することができる。

実施例以下、本発明の効果を明らかにするために、実
施例を掲げる。

実施例スラリー液A1およびA2の調製：非水性溶媒であるエチルアルコール1000c.c.に、
界面活性剤としてラウリル硫酸ナトリウム0.63ｇ
および低分子量粘着剤としてエチルセルロース
4.0ｇを添加し、十分混合して、スラリー液A1を
調製した。また、エチルセルロースの添加量のみ
を6.0ｇに変えて、スラリー液A2を調製した。

スラリー液B1およびB2の調製：非水性溶媒であるエチルアルコール1000c.c.に、
界面活性剤としてラウリル硫酸ナトリウム0.63ｇ
および低分子量粘着剤としてアクリル酸重合物
（和光純薬株式会社製ハイビスワコー）4.0ｇを添
加し、十分混合して、スラリー液B1を調製した。
また、アクリル酸重合物の添加量のみを6.0ｇに
変えて、スラリー液B2を調製した。

スラリーA1、A2、B1およびB2の調製こうして調製したスラリー液A1、A2、B1およ
びB2にそれぞれ、JIS規格による4032Al合金粉末
を、溶液100c.c.当たり20ｇ添加し、十分撹拌混合
して、それぞれ、スラリーA1、A2、B1および
B2を得た。ここに、使用した4032Al合金粉末の
粒度は、250メツシユ以上が1.6％、250〜325メツ
シユが15.4％、325メツシユ以下が83.0％であつ
た。

こうして調製したスラリーA1、A2、B1および
B2の混合完了後の静置時間と金属粉末の沈降量
との関係を求めたところ、第２図に示す結果が得
られた。第２図より、粘着剤の種類、添加量によ
つて、金属粉末の沈降速度が異なること、したが
つて、粘着剤の種類、添加量を調整することによ
つて、金属粉末の沈降速度を所望のように制御し
うることが明らかになつた。

また、静置時間と分級効果との関係を調べるた
め、スラリーA1中の懸濁粒子をサンプリングし
て、走査型電子顕微鏡によつて懸濁粒子を撮影し
たところ、第３図に示されるような結果を得た。
ここに、細粒化率＝１−（分級後の上澄液中に含
まれる粒子の重量／分級前の粒子の重量）と定義
される。第３図より、静置時間が長くなればなる
程、粒径の大きな粒子が沈降分離され、懸濁液中
の金属粉末が微細化されることが認められた。第
３図ｄを参照すれば、３分間静置することによ
り、金属粉末粒子の粒径は10ミクロン以下に細粒
化されることがわかつた。

金属系複合材料の成形静置時間の異なる数種のスラリーA1をサンプ
リングし、これらを用いて、6Kフイラメントの
PAN系高弾性炭素繊維（東邦レーヨン株式会社
製HM40）および6KフイラメントのPAN系高強
度中弾性炭素繊維（東邦レーヨン株式会社製IM
−500）に金属粉末を含浸させ、乾燥後、真空ホ
ツトプレスにより、560℃、36Kg・ｆ／cm²で５分
間、一段目の予備成形をし、次いで、555℃、180
Kg・ｆ／cm²で30分間、二段目の予備成形をおこな
つた。その後、530℃、950Kg・ｆ／cm²で30分間加
熱処理を行つて、金属系複合材料＃１および＃２
をそれぞれ得た。

こうして得た金属系複合材料＃１および＃２に
つき、スラリーA1中の金属粉末の細粒化率と引
張強度および弾性率との関係を求めたところ、第
４図に示される結果を得た。第４図において、実
線は引張強度、破線は弾性率をそれぞれ示してい
る。第４図より、細粒化率の上昇に伴つて、引張
強度および弾性率はともに著しく向上することが
わかつた。

また、静置時間３分で細粒化率0.69のスラリー
A1を用いて製造した金属系複合材料＃１および
＃２と静置時間０の、すなわち分級を行わないス
ラリーA1を用いて製造した金属系複合材料＃３
および＃４の引張強度を求めたところ、第１表に
示される結果を得た。

更に、これらの金属系複合材料＃１乃至＃４の
断面ミクロ組織を電子顕微鏡で撮影したところ、
第５図のようになつた。第５図より、金属系複合
材料＃１および＃２では、繊維とマトリツクス金
属とが均一かつ微細に配合されていることが認め
られ、このために、引張強度が向上したことがわ
かつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る金属系複合材料の製造
方法のステツプを示すフローチヤートである。第
２図は、実施例におけるスラリーの混合完了後の
静置時間と金属粉末の沈降量との関係を示すグラ
フである。第３図は、実施例における静置時間が
変化したときのスラリー中の金属粉末の状態を示
す電子顕微鏡写真である。第４図は、実施例にお
ける細粒化率と引張強度および弾性率との関係を
示すグラフである。第５図は、実施例における金
属系複合材料＃１乃至＃４の断面ミクロ組織の電
子顕微鏡写真である。第１表金属系複合材料引張強度＃１ 85.3Kg・ｆ／cm² （836MPa）＃２ 81.8Kg・ｆ／cm² （802MPa）＃３ 63.0Kg・ｆ／cm² （617MPa）＃４ 40.3Kg・ｆ／cm² （395MPa）

Claims

【特許請求の範囲】

１非水性溶媒に、非水性溶媒に可溶性の低分子
量粘着剤を粘性調整剤として、界面活性剤を強化
繊維表面への金属粉末の付着性改良剤として、そ
れぞれ添加してスラリーを調製し、該スラリーに
金属粉末を添加して混合し、所定の時間静置した
後に、沈澱物を除去し、強化繊維を該スラリーに
浸漬して、該強化繊維に該スラリーを含浸させ、
しかる後に、該強化繊維を所定の形状に成形し、
次いで加圧状態で加熱して前記金属粉末を焼結す
ることを特徴とする金属系複合材料の製造方法。