JPH02298228A - β型窒化珪素ウイスカ強化マグネシウム複合材料 - 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】 童東上Ω五里匁Ｍ 本発明は、繊維強化金属複合材料に関し、更に詳細には
β型窒化珪素ウィスカを強化繊維とし、マグネシウム合
金をマトリックスとする複合材料、即ちβ型窒化珪素ウ
ィスカ強化マグネシウム複合材料に関する。

炙米辺返ｌ 繊維強化金属複合材料のマトリックスを成すマグネシウ
ム合金としては、例えばＭＤＣＩＡ　（ＡＳＴＭ規格で
はＡＺ９１Ａ相当）、ＭＣ７（ＡＳＴＭ規格ではＺＫ６
１Ａ相当）　、ＭＣ８（ＡＳＴＭ規格ではＥＺ３３Ａ相
当）などのＪＩＳ規格合金、或いはＡＭ６０Ａ、ＡＳ４
１Ａ、ＱＥ２２ＡなどのΔＳＴＭ規格合金が使用されて
いた。

しかし、これらのマグネシウム合金とβ型窒化珪素ウィ
スカとの組合わせの場合、例えば溶湯鍛造機（鋳込圧が
高い鋳造機）などを用いて複合材に鋳造してもなお耐熱
性が低く、２００℃以上の比較的高温では使用できない
。

が解決しようとする課題 β型窒化珪素ウィスカは、繊維強化金属複合材料の製造
に使用されている種々の強化繊維の中でも高強度を有し
、高温安定性に優れ、かつ熱膨張率が小さい。本発明者
等は、このようなβ型窒化珪素ウィスカの特性を生かし
たマグネシウム合金との複合材料について鋭意検討した
。そして、低熱膨張を必要とする比較的高温、例えば２
００℃以上の温度での使用に耐えるβ型窒化珪素ウィス
カ強化マグネシウム複合材料（以下、単に複合材料と記
す場合がある。）の提供を本発明の課題とし、どのよう
な化学成分のマグネシウム合金がマトリックスとして最
適であるかを見出すための実験を行い、本発明に到達し
た。

を　゛するための 上述の目的は、本発明によれば、 （１）１％以上、１０％以下のＮｄまたはＮｄ系金属を
含有し、残りが実質的にＭｑであるマグネシウム合金９
５〜７５容口％と、β型窒化珪素ウィスカ５〜２５容邑
％から成るβ型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合
材料、 （２）マグネシウム合金が更に３％以下のＭｎを含有す
るものである上記（１）に記載のβ型窒化珪素ウィスカ
強化マグネシウム複合材料、（３）マグネシウム合金が
更に１．５％以下のＹを含有するものである上記（１）
および（２）に記載のβ型窒化珪素ウィスカ強化マグネ
シウム複合材料、 （４）マグネシウム合金が更に５％以下のＳｍを含有す
るものである上記（１）、（２）および（３）に記載の
β型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料、 （５）マグネシウム合金が更に８％以下のｃｅ又はｃｅ
系金属を含有するものである上記（１）〜（４）に記載
のβ型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料、 （６）３〜１０％のｃｅ系金属を含有し、残りが実質的
にＭＯであるマグネシウム合金９５〜７５容」％とβ型
窒化珪素ウィスカ５〜２５容量％から成るβ型窒化珪素
ウィスカ強化マグネシウム複合材料、 （７）マグネシウム合金が更に３％以下のＭｎを含有す
るものである上記（６）に記載のβ型窒化珪素ウィスカ
強化マグネシウム複合材料、。

によって達成される。ただし、上記（１）〜（７）に記
載のβ型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料は
、マグネシウム合金としては５％以下のＰｒ゛、Ｇｄ又
はＳＣを含んでも一部に差し支えない。また、（６）お
よび（７）に記載のβ型窒化珪素ウィスカ強化マグネシ
ウム複合材料は、５％以下ののＹ又はＳｍを含んでも差
し支えない。

これらの合金元素は、希土類元素か又はそれに近い性質
の元素であり、含有量にもよるが、必らずしも有害では
なく場合によっては有益でさえある。

なお、本明細書におけるＮｄ、Ｙ、Ｓｍ、Ｃｅ、Ｐｒ、
（３ｄおよびＳＣはそれぞれ原子番号６０．３９．６２
．５８．５９．６４、および２１の■Ｂ族の元素であり
、Ｙ、ＳＯ以外は希土類元素である。また、Ｎｄ系金属
とはＮｄ金属含有量が７０％以上のディディミウムを指
し、Ｃｅ系金属とはＣｅ含有量が５０％以上のミツシュ
メタルである。

表１にデイデイミウムおよびミツシュメタルの表１．デ
ィディミウムおよびミツシュメタル組成例 本発明によれば、強化繊維として高強度を有し、高温安
定性に優れ、かつ熱膨張率が低いβ型窒化珪素ウィスカ
を使用し、マトリックスとしてＮｄ含有口が１％以上１
０％以下であり、残りが実質的にマグ季シウム（Ｍｇ）
であるマグネシウム合金を使用し、β型窒化珪素ウィス
カの体積率を５〜２５容但％に設定することにより、後
）ホする本発明者等が行なった実験の結果より明らかな
ように、比較的高温での使用に耐える複合材料を得るこ
とができる。

複合材料のマトリックスとしてのＭｇにＮｄが添加され
てできるマグネシウム合金は、機械的梯質及び耐熱性が
かなり高いが、β型窒化珪素ウィスカで強化すると、そ
れらの特性がより一層向上する。しかし、Ｎｄ含有口が
１％未満ではその効果が充分ではなく、１０％を越える
と脆くなり複合材料は実用には適さなくなる。従って、
本発明の複合材料におけるマトリックスとしてのマグネ
シウム合金のＮｄ含有量は１％以上１０％以下、好まし
くは３〜７％とされる。なお、この場合にＮｄの代りに
Ｎｄ含有最７０％以上のディディミウムを使用しても同
じ効果が得られる。また、３〜１０％のＣｅ系金属（ミ
ツシュメタル）を含有する場合には、後述するＭｑ−Ｎ
ｄ合金をマトリックスとするβ型窒化珪素ウィスカ強化
マグネシウム複合材料のＮｄ含有量に相□応する強度以
上の強度、特にクリープ強度が得られる。

更に、上述のようなＮｄ含有口のＭｇ−Ｎｄ合金をマト
リックスとする複合材料および上述の３〜１０％のＣｅ
系金属を含有するマグネシウム合金をマトリックスとす
る複合材料においては、β型窒化珪素ウィスカの体積率
が５重伍％未満の場合には充分な強度、低い熱膨張率を
確保することができず、この体積率が５〜２５容四％の
範囲では、複合材料の強度は体積率の増加とともにほぼ
直線的に増加するが、体積率が２５容但％を越えると溶
湯の浸透に対するβ型窒化珪素ウィスカの抵抗が増し、
健全な複合材料の製造が回能になる。

なお、・本明細書におけるパーセンテージは、繊維の体
積率の衣用の場合を除きすべて重量％であり、マグネシ
ウム合金の化学成分の表現における［実質的にはＭｇＪ
とは、マトリックスとしてのマグネシウム合金中に含ま
れるＮｄ１Ｍｎ１デイデイミウム等の添加成分以外の不
可避的に含有されるＺｎ、Ｓ　ｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎ　ｉ
等の不純物の合計が０．５％以下で残りがＭｇであるこ
とを意味する。

以下に本発明を実施例について詳細に説明する。

マグネシウム合金ＡＺ９２、ＡＺＳｌｏｌｏ（宇部興産
■製造合金）、ＡＳ２１、ＥＺ３３Ａ、ＱＥ２２Ａ、Ｍ
ｇ−５％Ｎｄ、Ｍｇ−５％Ｎｄ−１％Ｍｎ、Ｍｑ−５％
Ｎｄ−１％Ｙ、Ｍｇ−４％Ｎｄ−２％ＭＭ％およびＭｇ
−５％ＭＭ−２％Ｍｎ（注・・・ＭＭはミツシュメタル
）について、２５０トン竪型ダイカストマシンにより、
β型室、　　化珪素ウィスカ成形体を用いて、β型窒化
珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料を製造した。使
用したマトリックス合金の化学成分、製造条件、２５０
トン竪型ダイ力ストマシン金型キヤビテイ模式図および
β型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料の模式
図を、それぞれ表２、表３、図１および図２に示す。な
お、上記β型窒化珪素ウィスカ成形体は、宇部興産■製
β型窒化珪素ウィスカ（平均ａｍ長１０〜５０μｍ、平
均繊維径０．１〜１．５ａｍ、１００％β−３ｉ３Ｎ４
）をバインダーを使用しないで１軸プレスにより作製し
た。

形状は約１００ｍφＸ２０ｍｔの円板状繊維体積率は約
１０％であり、窒化珪素ウィスカは三次元ランダムに配
向している。

以下に製造方法を具体的に述べる。まず、図１に示した
２５０トン竪型ダイカストマシンのスリーブ■にマグネ
シウム合金溶湯［相］をひしゃくで入れる。スリーブ■
の内部には上記溶湯［相］の温度低下を防止するためセ
ラミックベーパーが置かれている。次に図１に示すよう
に置中子をセットし、その上にβ型室化珪素ウィスカ成
形体■を載せる。

直ちに図１に示すように、可動金型■が上から降表３．
製造条件 りて来て閉じられ、キャビティ■に、プランジャー■の
押し上げにより溶湯［株］が押し込まれる。型閉時間の
４５秒が経過後可動金型■が上方に移動し、図２に示さ
れたβ型室化珪素ウススカ強化マグネシウム複合材料が
取出される。

図２に示したβ型窒化珪素ウィスカ成形体強化マグネシ
ウム複合材料において、円板状の成形体が存在する部分
より、成形体の円形面に平行に試験片を切出して、ＪＩ
Ｓ規格に準じて２００　’Ｃで引張り試験、２５０℃で
クリープ破断試験を行なった。表４に試験結果を示した
が、引張試験、クリープ破断試験ともに、ＥＺ３３Ａ以
外はＦ材（熱処理を施していない材料）に依った。

、圧倒９〜１５、　較例６〜９゜ 実施例１〜８の場合と同様にして、繊維体積率約１０容
量％のβ型窒化珪素ウィスカ成形体と表５に示す化学成
分のマグネシウム合金とから２５０トン竪型ダイカスト
マシンで複合材料を製造した（繊維強化した場合）。又
、表５の化学成分のマグネシウム合金を単独で２５０ト
ン竪型ダイカストマシンで鋳造した（繊維強化していな
い場合）。この二系列製造物より、実施例１〜８の場合
と同じ方法で試験片を切出し、Ｆ材について、２００°
Ｃ引張試験および２５０℃クリープ破断試験を実施した
。その結果を繊維強化していない場合を表６（参考例）
に、繊維強化した場合を表７にそれぞれ示した。また、
これらの実験結果のうち、引張試験結果のみを図３にま
とめた。

表５．Ｍｇ　−（１〜２０）％Ｎｄ合金の化学成分図３
より、Ｎｄの適当な含有量は１％以上、１０％以下、特
に３〜７％であることが分かる。

、症例１６〜２０、比季−１０ 実施例９〜１５の実り結果より適当なＮｄ含有量が分か
った。そこで適当な成形体繊維体積率を求めるため、ま
ず繊維体積率が５容量％、１０容量％、１５容量％、２
０＠量％、２５容量％および３０容量％のβ型窒化珪素
ウィスカ成形体を作った。この成形方法は一軸プレスだ
けか、又は繊維体積率が不充分な場合は更にラバープレ
スを併用した。このようにして用意したβ型窒化珪素ウ
ィスカ成形体を用いて、Ｍｇ−５％Ｎｄ合金について実
施例１〜８の場合と同じようにして複合材料を製造し、
その複合材料（Ｆ材）より試験片を切出して、２００℃
で引張試験および２５０℃でクリープ破断試験を行なっ
た。その結果を表８および図４に示す。

図４より、引張強ざおよび耐力は繊維体積率の増加とと
もに繊維・体積率２５容四％迄は増加するが、それ以上
では増加しない。これは繊維体積率の増加′とともに成
形体への溶湯の浸透抵抗が増加し、その結果繊維体積率
が３ＣＩ量％で終に複合材料内部の溶湯不充填等の欠陥
が表面化したためと考えられる。また、繊維体積率が５
容」％未満では引張強ざは繊維強化していない合金と余
り違いがない。これらの結果と、クリープ破断試験結果
とを考え合わせると、繊維体積率平均５〜２５容量％が
適当と考えられる。

及」夏液里 β型窒化珪素ウィスカを圧縮成形して作った成形体に、
Ｎｄ等を添加したマグネシウム合金を高圧下で含浸、凝
固させることにより、耐熱性に優れた高強度のｍ維強化
マグネシウム複合材料が得られた。この複合材料は２０
０℃引張強ざが約３０ｋｇｆ／ｓ２であり、２００℃引
張試験値のバランスが良く、優れたクリープ強度を有し
ている。

従って、軽量、低熱膨張と耐熱性が要求される用途、例
えば自動車用エンジン部品、汎用エンジン部品等の用途
に適している。

【図面の簡単な説明】

図１は２５０トン竪型ダイ力ストマシン金型キヤビテイ
部模式図、図２はβ型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウ
ム複合材料模式図、図３はＮｄ含有聞の異なるＭｇ−Ｎ
ｄ合金を繊維強化していない場合と繊維強化した場合の
２００℃引張試験結果、そして図４はＭＱ−５％Ｎｄ合
金をマトリックスとする複合材料の繊維体積率と２００
℃引張強さの関係を示す。 図１および図２において、■・・・可動金型、■・・・
キャビティ、■・・・固定金型、■・・・プラテン、■
・・・スリーブ、■・・・プランジャー、■・・・置中
子、■・・・β型窒化珪素ウィスカ成形体、■・・・セ
ラミック・ベーパー、■・・・マグネシウム合金溶湯を
表わす。 特許出願人　　　宇部興産株式会社 ４８ｒｂ　Ｉ６旌る良イしし大わら４トの２００’Ｃう
１張薯戊験糸ぎ」し龜ｆ＃Ｌ体種竿（’／、）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）１％以上、１０％以下のＮｄまたはＮｄ系金属を
   含有し、残りが実質的にＭｇであるマグネシウム合金９
   ５〜７５容量％と、β型窒化珪素ウィスカ５〜２５容量
   ％から成るβ型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合
   材料。
2. （２）マグネシウム合金が更に３％以下のＭｎを含有す
   るものである請求項（１）に記載のβ型窒化珪素ウィス
   カ強化マグネシウム複合材料。
3. （３）マグネシウム合金が更に１．５％以下のＹを含有
   するものである請求項（１）および（２）に記載のβ型
   窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料。
4. （４）マグネシウム合金が更に５％以下のＳｍを含有す
   るものである請求項（１）、（２）および（３）に記載
   のβ型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料。
5. （５）マグネシウム合金が更に８％以下のＣｅ又はＣｅ
   系金属を含有するものである請求項（１）〜（４）に記
   載のβ型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料。
6. （６）３〜１０％のＣｅ系金属を含有し、残りが実質的
   にＭｇであるマグネシウム合金９５〜７５容量％とβ型
   窒化珪素ウィスカ５〜２５容量％から成るβ型窒化珪素
   ウィスカ強化マグネシウム複合材料。
7. （７）マグネシウム合金が更に３％以下のＭｎを含有す
   るものである請求項（６）に記載のβ型窒化珪素ウィス
   カ強化マグネシウム複合材料。