JPH02250933A - 金属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〕 本発明は複合材料の製造方法に係り、特に金属を基材と
し繊維を補強材料とするプリフォームを適当数重ねたも
のを高温で変形しやすい材料に挾み、ローラーによって
圧延加工するようにした繊維強化金属複合材料の製造方
法に関する。

〔従来の技術〕

一般に繊維強化金属は、金属をマトリクスとし、ボロン
、炭化ケイ素、アルミなどのセラミックスを利用して強
化した複合材料であり、この種の金属複合材料を使って
シート材やプレート材を製作する技術として、高温で加
圧成形を行なうプレス法と高温で変形しにくいステンレ
ス鋼板製の平板治具にプリフォームを挾んで圧延成形を
行なうロール成形法が知られている。

このうち、プレス法は加工物の寸法がプレスのプラテン
の寸法によって制限され、特に長尺物の金属複合材料の
製造ができないという問題を有している。

一方、ロール成形法は平板治具が薄いと脆性の強化繊維
に応力が集中して繊維の破断が生じるおそれがあるため
に、平板治具の厚さは必然的に厚いものが使用される結
果となり、重量が嵩んで作業性が悪く、さらに加熱に長
時間を要するために繊維とマトリックス金属の反応が促
進されて複合材としての特性を得られないという問題が
ある。

そこで、上記問題点を解消するために、金属を基材とし
補強繊維で補強されたプリフォームの外側を高温で変形
しやすいパック材で包着し、上記プリフォームの補強繊
維の走る方向に沿って上ロールと下ロールの間を通過さ
せて圧延加工するようにして、加熱時間を短縮するとと
もに加工装置の軽量化を図って作業性を向上させた長尺
状の金属複合材料の製造方法（特開昭６２−６８６０５
号公報）が開発された。

（発明が解決しようとする課題） 上記金属複合材料の製造方法は、補強繊維で補強された
プリフォームの外側を高温で変形しやすいパック材をプ
リフォームの補強繊維の走る方向に沿って上ロールと下
ロールの間を通過させて圧延加工するものであるが、上
ロールと下ロールの間の加圧力が特定されていないため
に、圧延加工する際に、脆性で細径のセラミックス繊維
を補強繊維に用いた場合には、その補強繊維を破断させ
ないで金属複合材料を作ることが難しい。

本発明は上記した点に鑑みてなされたもので、金属を基
材とし補強繊維で補強したプリフォームの外側を高温で
変形しやすいパック材で包着した複合材料素材を、加圧
力を特定した複数の圧延加工工程を通すことで、補強繊
維が脆性で細径のセラミックス繊維であってもその補強
繊維を破断させることなく金属複合材料を作るようにし
た金属複合材料の製造方法を提供することを目的とする
。

（課題を解決するための手段） 本発明の金属複合材料の製造方法は、金属を基材とし補
強繊維で補強したプリフォームの外側を高温で変形しや
すいパック材で包着した複合材料素材を設け、この複合
材料素材を、加工圧を大きく設定した上ロールと下ロー
ルを備え複合材料素材の積層金属の隙間を減少させると
ともに金属表面の酸化被膜を破るようにした第１圧延加
工工程を通し、ついで加工圧を順次下げたるように配置
した複数列のロールを備え金属間の隙間をさらに減少さ
せて金属同士を密着させるとともに金属の拡散によりマ
トリックス金属の接合を促進させる第２圧延加工工程を
通し、さらに第２圧延加工工程の最後のロールの加工圧
よりも高い加工圧のロールを備えマトリックス金属の接
合を完成させるとともに所定寸法に成形する第３圧延加
工工程を通すことで構成される。

（作　用） 本発明の金属複合材料の製造方法においては、金属を基
材とし補強繊維で補強したプリフォームの外側を高温で
変形しやすいパック材で包着した複合材料素材を、第１
圧延加工工程で大きな加工圧を補強繊維で補強したプリ
フォームに加え、積層金属の隙間を減少させるとともに
金属表面の酸化被膜を破り金属素地同士の接触面積を増
大させ、ついで加工圧を順次下げるようにした第２圧延
加工工程で積層金属間の隙間をさらに減少させて金属同
士を密着させるとともに金属の拡散によりマトリックス
金属の接合を促進させ、さらにこの複合材料素材を、加
工圧を大きく設定した上ロールと下ロールを備えた第１
圧延加工工程を通し、複合材料素材の積層金属の隙間を
減少させるとともに金属表面の酸化被膜を破り、ついで
第２圧延加工工程の最後の加工圧よりも高い加工圧の第
３圧延加工工程を通しマトリックス金属の接合を完成さ
せるとともに複合材料の加工寸法を所定値にする。

〔実施例〕

以下本発明による金属複合材料の製造方法の一実施例を
図面を参照して説明する。

第１図において、符号１は複合材料のプリフォームを示
し、このプリフォーム１は金属例えばアルミニウム合金
を基材として炭素繊維や炭化けい素繊維等の繊維を補強
材料としてプリプレグ処理を施したシート材あるいはワ
イヤ状の半製品である。これらのプリフォーム１は一般
に積層したものが使われ、プリフォーム１の周囲は高温
でマトリックス材料よりも塑性変形しやすい材料例えば
チタンシート材のパック材２で覆われ複合材料素材を形
成する。基材金属の酸化を防止する必要がある場合には
、電子ビーム溶接法によりプリフォーム１をパック材２
で密封し、両端にキャビティ３．３を形成しておき、加
圧成形時にプリフォーム１から発生するガスをキャビテ
ィ３内に放出させ、パック材２が塑性変形しやすいよう
にする。

さらに上記被加工物であるプリフォーム１とパック材２
との間にたとえばボロンナイトライドの粉末のような摩
擦係数を小さくする潤滑剤４を介在させると、境界面に
おける軟質材が塑性変形するときに被加工物であるプリ
フォームに伝達される引張応力を抑えてプリフォームの
繊維の引張破断を防止する上で効果的である。

ローラ圧延による変形度は、第２図に示すように、 素材の圧延前の厚さをｔｌ、素材の圧延後の厚さをｔ２
、圧延速度をａ１間隙をｂ１０−ラ径をｒ１接触角をα
とすれば、 変形度ε−（ｔ　１−　ｔ　２）　／　（（α／３８０
）　・２ｙｒ　ｒ／ａ）の計算式が成立する。

上記ローラ圧延による加工速度とロール成形加工条件と
の関係により、第３図に示すロール成形加工条件でＳ　
ｉ　Ｃ／Ａ　Ｉワイヤープリフォームから複合材料を作
る実験をしたら、素材であるＳｔＣ／Ａ１ワイヤープリ
フォームと同等の強度を有する金属複合材料の成形がで
きた。

すなわち第３図に示すように、ＳｉＣ／ＡＩワイヤープ
リフォームを加工速度７７ｗ／ｓｉｎで２回圧延し、つ
ぎに加工速度５５　ｍ＋＊／　ｓｌｎ　ｓ加工速度３８
ｍｍ／ｉｆｎ　ｓ加工速度１５ｍｍ／ｓｉｎの順に連続
して３回圧延し、最後に加工速度１８ｍｍ／ａｋｉｎで
１回圧延して金属複合材料を作った。

この実験結果によれば、Ｓ　ｉ　Ｃ／Ａ　Ｉワイヤープ
リフォームの脆性で細径のＳｉＣ（セラミックス繊維）
を破断させることなくＡＩワイヤ表面の酸化被膜を破壊
し金属素地同士の接触面積を増大し、かつ金属の拡散を
促進できた。

上記実験結果を参考にして作った複合材料の連続製造装
置を第４図に示す。

第４図に示す複合材料の連続製造装置において、ＳｉＣ
ワイヤープリフォーム１０と充填材となるアルミニウム
箔１１がロール状に交互に置かれかつこれらを挟む位置
にワイヤー押え用チタンシート１２が配置される。好ま
しくはワイヤー押え用チタンシート１２にノズル１３を
介してボロンナイトライドの粉末のような摩擦係数を小
さくするための潤滑剤が噴霧される。上記ＳＬＣワイヤ
ープリフォーム１０は溶浸法で金属マトリックス中に長
繊維を均一に分散させることで作られる。

送り出されるＳＩＣワイヤープリフォーム１０とアルミ
ニウム箔１１およびワイヤー押え用チタンシート１２は
、ガイドローラ１４において積層され、これに続く圧延
機構１５に送られる。

上記圧延機構１５は、赤外線ヒータ１６と対をなす上ロ
ール１７と下ロール１８を備えた６つの圧延装置１９か
らなり、第１圧延工程を構成する第１圧延装置１９ａお
よび第２圧延装置１９ｂでは、第３図に示すように加工
速度が７７ｍｍ／ｍｉｎになるように設定され、第２圧
延工程を構成する第３圧延装置１９Ｃ１第４圧延装置１
９ｄおよび第５圧延装置１９ｅでは、第３圧延装置１９
ｃで加工坤度５５ｍ１．／＊ｉｎ、第４圧延装置１９ｄ
で加工速度３８ｍｍ／Ｗｉｎｓ第５圧延装置１９ｅで加
工速度１５ｍ＋＊／ｓｉｎになるように設定され、また
第３圧延工程を構成する第３圧延装置１９ｆでは加工速
度１８ｍｍ／ｓｉｎになるように設定されている。

つぎに本発明の複合材料の製造方法を上記複合材料の連
続製造装置を用いて説明する。

ＳＩＣワイヤープリフォーム１０と充填材となるアルミ
ニウム箔１１の積層体の外側を高温で変形しやすいチタ
ンシート１２（パック材）で包着した複合材料素材を、
ガイドローラ１４を介して第１圧延工程を構成する第１
圧延装置１９ａおよび第２圧延装置１９ｂに送り、複合
材料素材をこの第１圧延装置１９ａおよび第２圧延装置
１９ｂの加工圧を大きくした上ロールと下ロールの間を
通すことで、複合材料素材の積層金属の隙間を減少させ
るとともに金属表面の酸化被膜を破るようにし、上記処
理が施された複合材料素材をつぎにつづく第２圧延加工
工程に送り、ここで加工圧を順次下げるように配置した
第３圧延装置１９ｃ。

第４圧延装置１９ｄおよび第５圧延装置１９ｅを連続し
て通すことで、複合材料素材の金属間の隙間をさらに減
少させて金属同士を密着させるとともに金属の拡散によ
りマトリックス金属の接合を促進させ、ついで上記処理
が施された複合材料素材を第３圧延加工工程に送り、第
２圧延加工工程の第５圧延装置１９ｅの加工圧よりも高
い加工圧の第６圧延装置１９ｆを通すことで、マトリッ
クス金属の接合を完成させるとともに所定寸法に成形さ
れた複合材料が作られる。

ＳｉＣ／ＡＩワイヤープリフォームについての成形温度
と引張強度の関係の実験結果を第５図に示す。

この実験結果によれば、ＳｉＣ／ＡＩワイヤープリフォ
ームの引張強度は治具使用によるロール成形法およびプ
レス成形法で得た金属複合材料の特性を比較して大きな
差はなく本発明による成形法が従来の成形法と同等に有
効であることが確認された。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によれば、補強繊
維が脆性で細径のセラミックス繊維であっても、その補
強繊維を破断させることなく長尺の金属複合材料を作る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はプリフォームの外側をパック材で被った被加工
物を示す斜視図、第２図はＦＲＭの加工速度を説明する
ための図、第３図は圧延回数と加工速度との関係を示す
図、第４図は本発明の金属複合材料の製造方法を実施す
るための製造装置の全体図、第５図は成形温度と引張り
強度との関係を示した線図である。 １０・・・ＳｉＣワイヤープリフォーム、１１・・・ア
ルミニウム箔、１２・・・ワイヤー押え用チタンシート
、１５・・・圧延機構、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ。 １９ｄ、１９ｅ、　　１９ｆ−圧延装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　金属を基材とし補強繊維で補強したプリフォームの外
   側を高温で変形しやすいパック材で包着した複合材料素
   材を設け、この複合材料素材を、加工圧を大きく設定し
   たロールを備え複合材料素材の積層金属の隙間を減少さ
   せるとともに金属表面の酸化被膜を破るようにした第１
   圧延加工工程を通し、ついで加工圧を順次下げるように
   配置した複数列のロールを備え金属間の隙間をさらに減
   少させて金属同士を密着させるとともに金属の拡散によ
   りマトリックス金属の接合を促進させる第２圧延加工工
   程を通し、さらに第２圧延加工工程の最後のロールの加
   工圧よりも高い加工圧のロールを備えマトリックス金属
   の接合を完成させるとともに所定寸法に成形する第３圧
   延加工工程を通すことを特徴とする金属複合材料の製造
   方法。