JPH02254128A - 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、更に詳細にはセラミック繊
維の如き無機質の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基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金属基複合
材）４の主要な製造方法として、昭和５８年に出版され
た「工業材料」の第３１巻第１３号の第２１頁乃至第２
６頁に記載されている如く、粉末冶金法、ホットプレス
法、高圧鋳造法、減圧鋳造法がある。

これらはそれぞれに長所を有しているが、何れの方法に
於ても加圧用の型や鋳型か必要であり、また犬山りな加
圧装置や減圧装置が必要であり、従って複合材料を紙庫
に且能率よく製造することが困難である。

また粉末冶金法以外の上述の方法に於ては、表面まで強
化材にて複合強化された複合材料を製造することが困難
であり、逆に粉末冶金法に於ては長ｍ維を強化材とする
複合材料を製造することが困難である。

更に上述の何れの方法に於ても、中空の複合材料を製造
するためには、複合材料を形成した後切削その他の機械
加工を大幅に行うことが必要てあリ、また長尺の複合材
料を製造することが困難である。

本発明は、マトリックス金属の溶湯を加圧するための鋳
型や所定形状の複合材料を製造するための鋳型を用いる
ことなく、所定形状の表面まで強化材にて複合強化され
た軽金属よりなる複合１イ料を所定の形状及びχＪ法に
て非常に能率よく且紙庫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目的としている。

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金属をマ
トリックスとする金属基複合飼料の製造方法にして、少
くとも表面部が炭素又は黒鉛よりなる所定形状の支持体
上に無機質の強化材とマトリックスの溶湯に対する濡れ
性に優れた金属と金属フッ化物とを含む多孔質の成形体
を形成し、前記成形体の少くとも一部をマトリックスの
溶湯に接触させ、前記溶湯を実質的に加圧することなく
前記成形体中に浸透させた後凝固させ、しかる後前記支
持体を除去す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 無機質の強化材と金属と金属フッ化物とを含む多孔質の
成形体の少くとも一部がマトリックス金属の溶湯と接触
せしめられると、溶湯は金属を伝って成形体中へ浸透し
、金属フッ化物はマトリックス金属の溶湯及び金属の酸
化膜を除去して強化材に対する溶湯の濡れを改善する。

またマトリックス金属の溶湯及び金属は互いに反応する
ことによって発熱し、その熱によって溶湯及び強化材か
加熱され、これにより溶湯の成形体中への浸透性及び強
化材の濡れ性が向上され、これによりマトリックス金属
の溶湯が成形体全体に良好に浸透して行く。

また炭素や黒鉛は軽金属の溶湯に対し殆ど濡れないので
、軽金属の溶湯が凝固した後にその凝固体より支持体を
容易に除去することができる。

従って本発明の方法によれば、強化（イと金属と金属フ
ッ化物とを含む多孔質の成形体を所定形状の支持体」二
に所定の形状及び寸法にて形成し、その成形体をマトリ
ックス金属の溶湯に接触させれば、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、マトリッ
クス金属の溶湯が凝固するまで成形体は支持体によって
所定の形状及び寸法に維持され、またマトリックス金属
の溶湯が凝固した後に凝固体より支持体を容易に除去す
ることができるので、表面まで強化材にて複合強化され
た軽金属よりなる複合材料を所定の形状及び寸法にて容
易に且能率よく形成することかできる。

また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は不要であり、また高圧鋳造法
の場合の如く鋳型内の複合飼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ないので、従来の複合
材料の製造方法の場合に比して、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材料を能率よく低数
に製造することができる。

また本発明の方法によれば、所定形状の支持体の周りに
成形体を形成することにより、所定形状の内部空間を有
する中空の複合材料を容易に製造することができ、また
長尺の支持体上に長尺の成形体を形成することにより長
尺の複合材料を容品に製造することができる。

本発明の方法に於ては、金属フッ化物は任意の金属元素
のフッ化物であってよいが、例えばに２ＺｒＦ６　、Ｋ
２　ＴｉＦ６　、ＫＡｌＦ４　、Ｋ３　ＡｌＦ６　、Ｋ
ｐ　ＡｌＦ３　　・Ｈｐ　Ｏ，ＣｓＡ　ＩＦ４　、Ｃｓ
　Ａ、　ｌ　Ｆ　５　　・Ｈ！！Ｏ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、Ｚｒ、Ｈｆ５Ｖ、、Ｎｂ、Ｔａの
如き遷移金属又はＡｌを含むフッ化物であることが好ま
しい。従って本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、
金属フッ化物は電気的に正の金属元素と結合した遷移金
属又はＡｌを含むフッ化物である。

また本発明の方法に於ては、金属はマトリックスの溶湯
に対する濡れ性に優れている限り任意の金属であってよ
いか、特にＮｉ、Ｆｅ５Ｃｏ、ＣＩ　　Ｓ　Ｍｎ−、Ｃ
ｕＳ　Ａｇ、、　Ｓ　　ｉ　Ｓ　ＭｇＳ　Ａ　　ｌ、　
　Ｚｎ。

Ｓ　ｒｌ、ＰｂＳＴｉ、Ｎｂ、又はこれらを主成分とす
る合金であることが好ましい。従って本発明の他の一つ
の詳細な特徴によれば、金属はＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ
、Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓ　１５Ｍｇ。

Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、ＳＰｂ、Ｔ　ｉ、Ｎｂ、及びこれら
を主成分とする合金よりなる群より選択された金属であ
る。

本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、成形
体中に金属及び金属フッ化物が含まれていれば、マトリ
ックス金属の溶湯の成形体中への浸透性を向上させるこ
とができるが、強化材に対する金属の重量比が２９６以
上であり、強化材に対する金属フッ化物の重量比か０．
０３％以上、特に０．０５％以上である場合にマトリッ
クス金属の溶湯を成形体中へ良好に浸透させることかで
きる。従って本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、
成形体中の金属の量は強化材に対する重量比で見て２％
以上に設定され、成形体中の金属フッ化物の量は強化材
に対する重量比で見て０．０３％以上、好ましくは０．
０５９６以上に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
成形体中の強化材、金属、及び金属フッ化物の合計の体
積率が低過ぎても逆に高過ぎてもマトリックス金属の溶
湯を成形体中に良好に浸透させることか困難になる。従
って本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、成形
体中の強化材、金属、及び金属フッ化物の合計の体積率
は５〜８０％、好ましくは６〜８０％に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
成形体中に含まれる金属の体積率が高い値であってもマ
トリックス金属の溶湯を成形体中に良好に浸透させるこ
とができるが、金属の量が多くなればなる程強化材の体
積率が相対的に低下し、またその種類によってはマトリ
ックス金属の組成が大きく変化するこ占になる。従って
本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、成形体中
の金属の体積率は８０％以下、好ましくは７５％以下に
設定される。

また本発明の方法に於ては、金属は短繊維、ウィスカ、
粉末の如き微細片として使用され、従って強化材と金属
の微細片と金属フッ化物の微細片との混合物又は表面に
金属の微細片及び金属フッ化物の微細片が付着された強
化材にて成形体が形成されてよく、或いは強化材と金属
の微細片との混合物にて成形体が形成され、しかる後側
々の強化材の表面に金属フッ化物の微細片か付着されて
よい。また金属は強化材の表面に被覆されてもよく、ま
た強化材の表面に金属か被覆され、その被覆層中に金属
フッ化物の微細片が分散され、かかる複合被覆層を有す
る強化材を用いて成形体が形成されてもよい。

また本発明の方法に於ては、強化材は長繊維、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、また金属フッ化物も短繊維、ウィ
スカ、粉末の如き任意の形態のものであってよい。

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 まず第１図に示されている如く、直径８０ｍｍ。

長さ１００ｍｍの黒鉛棒１０の周りに厚さ０．２μｍに
てＮ１メツキが施された平均繊維径７μｍの炭素繊維１
２（東し株式会社製ｒＴ３００Ｊ、フィラメント数６０
００本）を巻取り角度４５６にて積層厚さか５ｍｍにな
るようフィラメントワインディングによって巻き付ける
ことにより、円筒状の繊維成形体１４を形成した。次い
で第２図に示されている如く、繊維成形体１４を黒鉛棒
ごと８０℃のＫｐＺｒＦ６の飽和水溶液１６中に該溶液
の温度が３０℃になるまで浸漬し、しかる後ｍ維成形体
を乾燥させることにより、繊維の表面に微細なに２Ｚｒ
Ｆ６を再結晶により付着させた。

次いで繊維成形体］４を黒鉛棒ごと２００℃に１５分間
予熱した後、第３図に示されている如く、繊維成形体を
黒鉛棒ごと７５０℃の純Ａｌの溶湯１８中に約３０秒間
浸漬し、しかる後繊維成形体を溶湯より取出し、そのま
まの状態で溶湯を凝固させた。この場合溶湯はそれが凝
固するまで表面張力により繊維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
。

次いでかくして得られた凝固体より黒鉛棒を抜取ること
により、第４図に示されている如く、炭素繊維１２にて
複合強化された純ＡＩよりなるパイプ２０を形成した。

尚かくして形成されたパイプの別法を測定したところ、
このパイプは元の繊維成形体と実質的に同一の形状及び
寸法を何していることが認められた。またこのパイプを
軸線に沿って切断し、その断面を研磨して光学顕微鏡に
て観察したところ、炭素繊維の体積率は約４３％であり
、元の繊維成形体全体に純ＡＩが過不足なく良好に浸透
しており、炭素繊維と純ＡＩとの密着状態も良好である
ことが確認された。

実施例２ 第５図に示されている如く、黒鉛よりなり２００Ｘ３０
０Ｘｂ 体２２の周りにその長手方向に沿って実質的に平行に繊
維径３０μｍのステンレス鋼繊維２４（ＪＩＳ規格５Ｕ
Ｓ３１６）を積層厚さが’ｚ＋＋ｍになるよう巻付ける
ことにより、断面矩形の繊維成形体２６を形成した。次
いで繊維成形体２６の個々の繊維２４の表面に実施例１
の場合と同様の要領にてＫｐＺｒＦ６を微細に付着させ
た。

次いで繊維成形体２６を支持体ごと約３００’Ｃに１０
分間予熱した後、第６図に示されている如く、繊維成形
体を支持体ごと約７５０°Ｃのアルミニウム合金（ＪＡ
Ｓ規格ＡＣ８Ａ）の溶湯２８　ｒｌ］に約２０秒間浸漬
し、しかる後繊維成形体を溶湯より取出し、そのままの
状態で溶湯を凝固させた。

この場合にも溶湯はそれが凝固するまで表面張力により
繊維成形体に付着しまた状態を維持し、実質的に成形体
より滴り落ちることはなかった。次いで第７図に示され
ている如く、かくして得られた凝固体より支持体を崩壊
させて除去することにより断面矩形の中空の複合材料３
０を形成し、更にその両端部の接続部を切断することに
より、第８図に示されている如く、ステンレス鋼繊維２
４にて複合強化されたアルミニウム合金よりなる板状の
複合材料３２を形成した。

尚かくして形成された複合材料の寸法を測定したところ
、この複合材料の幅及び厚さは元の繊維成形体と実質的
に同一であることが認められた。

またこの腹合材料をステンレス鋼繊維に対し実質的に垂
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、ステンレスｗ４繊維の体積率は約３５％であ
り、個々のステンレス鋼繊維の間に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確認さ
れた。

実施例３ ＫＡ　Ｉ　Ｆ４粉末が水に懸澗されたスラリーを用意し
、該スラリーに対し超音波振動を加えつつ、平均繊維径
１５μｍの炭化ケイ素繊維（目本力ボン株式会社製「ニ
カロン」、フィラメント数５００本）を連続的にスラリ
ー中に通し、これにより個々の繊維の表面にＫ　Ａ　Ｉ
　Ｆ　４を微細に付着させた。次いでかくして処理され
た繊維を十分に乾燥させた後、直径２１０ｍ１１１１長
さ１１００Ｉｌ１の黒鉛棒の周りに巻取り角度的９０°
にてコイル状に繊維を巻（１けることにより、厚さ２ｍ
ｆｆ１の円筒状の繊維成形体を形成した。次いで繊維成
形体を黒鉛棒ごと２００℃に約１５分間予熱した後、約
７２０℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ２Ｃ）の
溶湯中に１５秒間浸漬し、しかる後繊維成形体を溶湯よ
り取出し、そのままの状態で溶湯を凝固させた。この場
合にも溶湯はそれが凝固するまで表面張力により繊維成
形体に付着した状態を維持し、実質的に繊維成形体より
滴り落ちることはなか一つだ。次いでかくして得られた
凝固体より黒鉛棒を抜取ることにより、炭化ケイ素繊維
にて複合強化されたアルミニウム合金よりなるパイプを
形成した。

尚かくして形成されたパイプの寸法を測定したところ、
このパイプは元の繊維成形体と実質的に同一の形状及び
寸法を有していることが認められた。またパイプを軸線
に沿って切断し、その断面を研磨して光学顕微鏡にて観
察したところ、炭化ケイ素繊維の体積率は約４８％であ
り、元の繊維成形体全体にアルミニウム合金が過不足な
く良好に浸透しており、炭化ケイ素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確認された。

実施例４ 外径８０ｍｍ、内径７８１１１′ｌｌのステンレスｔｌ
ｉｌ　（Ｊ　ＩＳ規格Ｓ　Ｕ　Ｓ　３０４　）よりなり
円筒状の外周面に厚さ０．５ｍｍにて黒鉛か塗布された
パイプを用意し、該パイプの周りに平均繊維径８μｍの
ステンレス鋼繊維（ＪＩＳ規格Ｓ　Ｕ　Ｓ　３１−６、
東京製綱株式今月製「ザスミックファイバー」、フィラ
メント数６０００本）を積層厚さが３ｍｍになるようコ
イル状に巻付けることにより、円筒状の繊維成形体を形
成した。次いて容器内に貯容されたＫＡｌＦ４のアルコ
ール懸濁液中に繊維成形体をパイプごと浸漬し、容器を
密封してその内部を減圧し、しかる後繊維成形体を懸濁
液より取出して十分に乾燥させ、これにより個々のステ
ンレス鋼繊維の表面にＫＡ　Ｉ　Ｆ４を微細に付着させ
た。次いで繊維成形体をパイプこと１５０℃に１５分間
予熱し、しかる後繊維成形体をパイプごと７５０℃の純
Ａｌの溶湯中に２０秒間浸漬し、しかる後繊維成形体を
溶湯より取出し、そのままの状態で溶湯を凝固さぜた。

この場合にも溶湯はそれが凝固するまで表面張力により
繊維成形体に付着した状態を維持し、実質的に繊維成形
体より滴り落ちることはなかった。次いでかくして得ら
れた凝固体よりパイプを引抜き、これによりステンレス
鋼繊維にて複合強化された純ＡＩよりなるパイプを形成
した。

尚かくして形成されたパイプの寸法を測定したところ、
このパイプは元の繊維成形体と実質的に同一の形状及び
寸法を有していることが認められた。またこのパイプを
軸線に沿って切断し、その断面を研磨して光学顕微鏡に
て観察しところ、ステンレス鋼繊維の体積率は約４１％
であり、元の繊維成形体全体に純Ａｌが過不足なく良好
に浸透しており、ステンレス鋼繊維と純Ａｌとの密着状
態も良好であることが確認された。

実施例５ 粒径１０μｍの黒鉛粉末よりなり１０Ｘ５０Ｘ１５＋＋
＋ｍの寸法を有する支持体を用意し、該支持体の周りに
実施例１に於て使用された炭素繊維と同−のＮｉメツキ
が施された炭素繊維を長手方向に沿って積層厚さが５）
になるよう巻付け、これにより断面中空の繊維成形体を
形成した。次いで繊維成形体を実施例１の場合と同一の
要領にて処理することにより個々の炭素繊維の表面にに
２ＺｒＦ６を再結晶により付着させた。

次いで繊維成形体を支持体ごと２００　’Ｃに１５分間
予熱した後、約７５０℃の純Ｍｇの溶湯中に３０秒間浸
漬し、しかる後繊維成形体を溶湯より取出し、そのまま
の状態で溶湯を凝固させた。この場合にも溶湯はそれか
凝固するまで表面張力により繊維成形体に（＝１着した
状態を維持し、実質的に繊維成形体より滴り落ちること
はなかった。次いでかくして得られた凝固体より支持体
を崩壊によって除去することにより、炭素繊維にて複合
強化された純Ｍｇよりなる中空体を形成した。

尚かくして形成された中空体の寸法を測定したところ、
この中空体は元の繊維成形体と実質的に同一の形状及び
寸法を有していることが認められた。またこの中６空体
を炭素繊維に垂直に切断し、その断面を研磨して光学顕
微鏡にて観察したところ、炭素繊維の体積率は約４６％
であり、元の繊維成形体全体に純Ｍｇが過不足なく良好
に浸透しており、炭素繊維と純Ｍｇとの密着状態も良好
であることが確認された。

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
あることは当業者にとって明らかであろう。例えば上述
の何れの実施例に於ても支持体の表面は平滑であるが、
表面に凹凸を有する支持体を使用すれば、その凹凸とは
逆の凹凸を有する複合材料を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明による複合材料の製造方法の
一つの実施例を示す一連の工程図、第５図乃至第８図は
本発明による複合材料の製造方法の他の一つの実施例を
示す一連の工程図である。 １０・・・黒鉛棒、］２・・・炭素繊維、］４・・・繊
維成形体、１６・・・ＫｐＺｒＦ６の飽和水溶液、１８
・・・純ＡＩの溶湯、２０・・・パイプ、２２・・支持
体、２４・・・ステンレス鋼繊維、２６・・・繊維成形
体、２８・・・アルミニウム合金の溶湯、３０・・・複
合Ｈ料、３２・・・板状の複合材料 特　許　出　願　人　　　　トヨタ自動車株式会社代　
　　理　　　人　　　弁理士　　明石　昌毅第 図 ２０・・ツマイブ 第 図 第５ 図 弔６ 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
   選択された金属をマトリックスとする金属基複合材料の
   製造方法にして、少くとも表面部が炭素又は黒鉛よりな
   る所定形状の支持体上に無機質の強化材とマトリックス
   の溶湯に対する濡れ性に優れた金属と金属フッ化物とを
   含む多孔質の成形体を形成し、前記成形体の少くとも一
   部をマトリックスの溶湯に接触させ、前記溶湯を実質的
   に加圧することなく前記成形体中に浸透させた後凝固さ
   せ、しかる後前記支持体を除去する金属基複合材料の製
   造方法。