JPH032338A

JPH032338A - 複合強化合金及びその製造法

Info

Publication number: JPH032338A
Application number: JP13470389A
Authority: JP
Inventors: Noboru Uenishi; 昇上西; Yoshinobu Takeda; 義信武田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1991-01-08

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、繊維により複合強化された酸化物分散強化合
金及びその製造法に関する。

〔従来の技術〕

従来、高強度の金属材料には、析出物を金属マトリック
ス中に分散させたいわゆる析出強化型金属がある。

この析出物は金属材料の高強度化に寄与するため、多く
の金属材料では、この析出物を金属マトリックス中に分
散させた析出強化型の金属となっている。

ところで、近年の金属材料の高強度化に伴って、セラミ
ックス粒子（ＹＺ［］ｆｆ、＾ＬＩＩ＋　、Ｔｉｌ］ｚ
等）を金属マトリックス中に分散させたいわゆるＯＤ　
Ｓ合金の研究１；１発が盛んになって来ている。

○ｌ）　Ｓ合金は、粒子径が０．４μ■以−ド、より望
ましくは２００〜６００人のセラミックス粒子を、金属
マトリックス中に分散させて強１ｙを高めたものである
。

一般に、セラミックス粒子は、高強度であり、また高温
（＞　１０００℃〕においても高強度を有するため、金
属材料に分散させていた従来の析出物に代わって、金属
材料マトリックスをより強化するための、より有望な分
散物として期待されている。

金属マトリックス中に分散された析出物やセラミックス
粒子は、該金属マトリックス中の転位運動を抑制する作
用があり、これによっ゛Ｃ金属マトリックスを強化させ
る効果を奏する。

このように、従来のＯＤＳ合金は、金属マトリックスを
強化させる作用を有しており、これにより多くの合金、
例えばＣｕ、　ＡＩ、　Ｎｉ系の合金が強化され、高強
度ＯＤＳ合金としての研究開発、用途の開発等が行われ
ている。

一方、従来から、金属中にウィスカやＳｉＣ等の高強度
繊維を配合して金属材料を強化する金属の複合材料強化
技術も行われている。

この技術は２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ１）Ｓ合金のように金属マ
トリックスを強化するものとは違い、高強度のウィスカ
やＳｉＣ等を軟らかい金属マトリックス中に含ませるこ
とにより、ｆ）強度のウィスカやＳｉＣと軟らかい金属
マトリックスとの中間の強度を持たせるものである。

材料の強化法から見れば、マトリックスの強化ではなく
、材料の構造力学的な強化法と言えるものである。

その証明の１つは、材料物性（材料硬度や強度等）値に
複合則が成立することである。

すなわち、 σ＝ａＡｆ　４＋σｍ　ｆ　ｍ　　　　（１）（ここで
、σは複合材の強度、σ７と σ、は夫々Ａ材とＢ材の強度や硬度、ｆＡとｆ、は夫々Ａ材とＢ材の体積率）の式が成立する
。

〔発明が解決し７ようとする課題〕ところで、最近の技術の高度化に伴い、高機能部品の作
成の必要性が生じている。

このような高機能部品の作成のためには、前述の０１）
　Ｓ合金、あるいは金属と高強度繊維との複合材料でさ
えも強度が不充分であり、史に金属材料の高強度化が要
求され、この要求に対応するために、より新しい材料開
発の必要性が生じている。

本発明は、このような必要性に応えるべ（なされたもの
で、ＯＤ　Ｓ合金を高強度繊維により強化し、より高強
度化した合金を提案することを［１的とする。

［課題を解決するための手段〕上記目的を、本発明では、２０ＶＯＩ％以上が直径０．
４μ■以下である粒度分布を持つ酸化物粒子を０．３〜
５ｗｔ％含む酸化物分散強化合金中に、直径が１０μ諺
以Ｅの炭素繊維、炭化ケイ素ウィスカ、窒化ケイ素ウィ
スカ、又はごれらにＢ又はＢ、Ｃを化学蒸着させた繊維
を３〜３５ｖｏｌ％含むことを特徴とする複合強化合金
により達成する。

また、本発明は、２０ＶＯ１％以上が直径０．４μｍ以
下である粒度分布を持つ酸化物粉末を用いてメカニカル
アロイング法により作成した該酸化物粒子を０．３〜５
ｗｔ％含むメカニカルアロイング粉末と、直径が１０μ
醜以１−の炭素繊維、炭化ケイ素ウィスカ、窒化ケイ素
ウィスカ、又はこれらにＢ又はＢ、Ｃを化学蒸着させた
繊維を３〜３５ｖｏｌ％となるように混合し、上記メカ
ニカルアロイング粉末の融点の１／２以上の温度におい
て熱間押出することを特徴とする複合強化合金の製造法
に関する。

〔作　用〕

ところで、前述のＯＤＳ合金の概念と、高強度繊維と金
属との複合強化材料の概念を単に結び付けるというよう
な発想では高強度化は実現しなかった。

その理由の１つは、ＯＤＳ合金中の酸化物及び繊維の大
きさの制御が充分なされていない点を挙げることができ
る。

また、他の理由は、この２つの概念を結び付けて材料設
計を行うと言う発想がない点を挙げることができる。

本発明では、酸化物及び繊維の大きさを充分制御し、ま
たその配合割合等も充分考慮した設計として、従来のＯ
ＤＳ合金、繊ｍｉ化複合材料では得ることのできない高
強度の合金を提供するものである。

本発明は、金属として００５合金を用い、該合金を繊維
で複合させて強化するものである。

すなわち、前記（］）式のＡ材としてＯＤＳ合金を用い
、１３材としてＳｉＣウィスカ等の高強度繊維を用いる
のである。

本発明では、前述のように、ＯＤＳ合金におけるマトリ
ックスの転位運動の抑制により強化を行う酸化物の大き
さと、複合材料における構造力学的な作用により強化を
行うウィスカ等の繊維状物の大きさの制御が１つの技術
上のポイントになる。

研究の結果、ＯＤ　Ｓ合金中の酸化物の大きさは、その
２０ｖｏｌ％以上が直径０．４μ鍾以下の大きさである
ことが重要である。

直径が０．４ｕ膳より大きい酸化物であると、ＯＤＳ合
金としての本来の性能が十分に発揮できない、なぜなら
材料を変形した際に起こる転位運動の酸化物によるピニ
ングが十分でなくなるからである。

直径０．４＃層以下の小粒径の酸化物であっても、その
量が２０ｖｏｌ％未満であると、酸化物粒子間距離が大
きくなり過ぎ、ＯＤＳ合金として不適となり、所期の強
度を得ることができない、この理由もまた上述の転化の
酸化物によるピニングが十分に起きなくなるからである
。

また、５ａｓｉ状物の大きさは、直径１０ｕｇｉ以上で
あることが重要である。直径１０μ−未満であると、Ｏ
ＤＳの強化繊維物としての効果が十分でないからである
。

以ト、述べた酸化物の粒径や繊維状物の大きさについて
の説明は、いずれもその範囲を超えても本発明の効果が
全くなくなるといった性質のものではないが範囲内であ
ることが望ましい。

Ｅ記のような大きさの酸化物と繊維状物を、酸化物は０
．３〜５ｗｔ％、繊維状物は３〜３５ｖｏｌ％の範囲か
ら、その用途に応じて選択し、配合する。

但し、酸化物のにが０．３ｗｔ％未満であると、酸化物
粒子間の距離が太き（なり過ぎＯｆ）　Ｓ合金として不
適となり、５ｗｔ％よりも多いとメカニカルアロイ粉末
が細かくなり過ぎ、酸素による汚染が多くなってメカニ
カルアロイ粉末を固化成形した材料の延性に悪影響を及
ぼす場合が多い。

また、繊維状物の量は、３　　ｖｏｌ％未満であると少
な過ぎて繊維状物を配合する意味がなくなり、３５　ｖ
ｏＪ％より多くてもＯＤＳ合金中に繊維を均一に分散さ
せることが難しくなるだけである。またＯＤＳよりも繊
維の特性の影響が強くなり酸化物を含むＯＤＳ合金と複
合化させた利点が少なくなる。

以上のように、酸化物及び繊維状物の大きさ及び配合比
率は、主に強度向上のためであるが、他の必要特性と併
せて考慮することが好ましい。

例えば、強度と共に延性を特に必要とする場合には酸化
物量や繊維状物の配合比率は少ない方が良い等酸化物や
繊維状物は強度以外の特性にも影響すると思われる。

また、本発明方法では、ＯＤＳ合金を、いわゆるメカニ
カル“？ロイング法（以下ＭＡ法）によりメカニカルア
ロイング粉末（以下Ｍ　Ａ　１５）　末）を作成し、該
粉末を押出して作成する。

このＯＤＳ合金に繊維状物を含有させるために、上記押
出に先立って、ＭＡ粉末、！！−繊維状物を上記の配合
比率で混合しておけばよい。

更に、本発明において、酸化物粒子としては、ＹよＯｓ
、　ＡＩｔＯコ、Ｚｒ口２、Ｔｉｎ□等を使用すること
ができる。

中でもＹ２Ｏ３、Ａｌ□０．又はそれらの複合酸化物を
使用することが好ましい。

何故なら、高温（＞　１０００℃）においても分解しな
い安定な酸化物であり、比較的安価な粉末であるからで
ある。　ＹｚＯｘとＡｌ２ｏｚの複合酸化物はＭＡ法中
に生成するもので　Ｙ□０．・　ＡｈＯ□のほかにいく
つかの種類が生成する。

また、本発明において、複合強化合金のマトリックスと
しては、Ｎｉ合金、純Ｃｕ、　Ａｌ合金、Ｔｉ合金が好
適である。これらの合金系ではＹ２Ｏ３や＾１ｔ０３を
分散させたＯＤＳが知られており、これらのＯＤＳを複
合化させることによりさらに高強度化を達成することが
できる。

〔実施例）実施例１５０ｖｏｌ％、３０ｖｏｌ％、１Ｑｖｏｌ％が直径０．
４μ諺以下である粒度分布を持つ３種のＹ２Ｏ３、Ａｌ
２Ｏ゜粉末を３ｗｔ％、（ｉｉ＋＋Ｌ％含むＮｉ合金（
Ｎｉ−２０Ｃｒ−０，６ＡＩ−０，３７ｉ）　、純Ｃｕ
（純度〉９９％）　、Ａｌ合金（Ａｌ−６７ｎ−２，１
Ｍｇ−０，２Ｃｕ）　、　Ｔｉ合金（Ｔｉ−６ＡＩ−４
Ｖ）を、ＭＡ法によりアトライタを用いて作成した。

この時のＭＡはＡ「雰囲気中で５０時間アジテークを２
５０ｒρ膳回転させて行い、原料は各元素の粉末（純度
〉９９％）を用いた。

得られたＭＡ絹粉末１５ｖｏｌ％の直径７４μ麺のＳｉ
ウィスカ、ＳｉＮウィスカを夫々加え、ボールミルで１
０時間撹拌混合した。

この混合粉末を、Ｎｉ合金は１０００°Ｃで、純Ｃｕは
７８０°Ｃで、Ａｌ合金は４４０°Ｃで、Ｔｉ合金は８
００℃で夫々押出し、得られた押出材の組織を調べた。

この結果、Ｔ２０．を６ｗｔ％含むものは、いずれもＭ
Ａ絹粉末−３３（］メツシュと細かかっただ酸素による
汚染が多かった（〉３％）。

一方、Ｙ２Ｏ３を３ｗｔ、％含むものは、いずれもＭＡ
絹粉末上２５０メツシエであったため酸素による１η染
も少なかった（く２％）。

このことから、Ｔ２０．を６ｗｔ％含有させると多過ぎ
ることが明らかとなった。

また、直径０．４μｍ以下のＹ２Ｏ３を１Ｑｖｏｌ％し
か含まないものでは、いずれもＹｚＯｓ粒子間の距離が
１００ｎ■以上もあり、ＯＤＳ合金としては不敵であっ
た。（酸化物粒子間距離が大き過ぎると、材料の変形に
伴う転位の動きを効果的に止めることができない為強度
が低くなり高強度を有すべきＯＤＳ合金としては適さな
い）一方、直径０．／１μｍｌ以下のＹ　２１１１を５
０ＶＯ１％、３０ｖｏｌ％含むものでは、いずれもＹ２
Ｏ１粒子間の距離がｌＯｎｗ〜７０ｎｍと好ましく、Ｏ
ＤＳ合金として好適であった。

また、直径０．４μ■以下の粒径のＴ２０．を５０ｖｏ
ｌ％、３０　ｖａｔ％含むＹ２Ｏ１を３ｗｔ％と、１５
ｖｏｌ％の直径７４μ■のＳｉＣウィスカ、ＳｉＮウィ
スカとを含む一ヒ記いずれの押出材も、Ｙ２Ｏ１、Ｓｉ
Ｃウィスカ、ＳｉＮウィスカを含まない上記Ｎｉ合金、
純Ｃｕ、ＡＩ合金、Ｔｉ合金押出材の強度より、２０〜
８３％も高い強度を示すことが明らかとなった。

なお、ＹｘＯｉは上記Ｎｉ合金、Ａｌ合金、Ｔ１合金中
において、その全てがＡｌ．Ｏｆｆとの複合酸化物（３
ＹＪｚ　・５ＡＩｔＯｘ、Ｙ２Ｏ３・ＡｌｚＯｚ　）を
作っていることが明らかとなった。

［発明の効果］以ト詳述したように、本発明によれば、最近の高度な技
術で必要とされる高機能部品の作成に適した高強度を有
する新規な複合強化合金を提供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）２０ｖｏｌ％以上が直径０．４μｍ以下である粒
度分布を持つ酸化物粒子０．３〜５ｗｔ％含む酸化物分
散強化合金中に、直径が１０μｍ以上の炭素繊維、炭化
ケイ素ウィスカ、窒化ケイ素ウィスカ、又はこれらにＢ
又はＢ＿４Ｃを化学蒸着させた繊維を３〜３５ｖｏｌ％
含むことを特徴とする複合強化合金。
（２）酸化物粒子がＹ＿２Ｏ＿３、Ａｌ＿２Ｏ＿３又は
それらの複合酸化物である請求項（１）記載の複合強化
合金。
（３）酸化物粒子分散強化合金のマトリックスがＮｉ合
金、純Ｃｕ、Ａｌ合金又はＴｉ合金である請求項（１）
、（２）記載の複合強化合金。
（４）２０ｖｏｌ％以上が直径０．４μｍ以下である粒
度分布を持つ酸化物粉末を用いてメカニカルアロイング
法により作成した該酸化物粒子を０．３〜５ｗｔ％含む
メカニカルアロイング粉末と、直径１０μｍ以上の炭素
繊維、炭化ケイ素ウィスカ、窒化ケイ素ウィスカ、又は
これらにＢ又はＢ＿４Ｃを化学蒸着させた繊維を３〜３
５ｖｏｌ％となるように混合し、前記メカニカルアロイ
ング粉末の融点の１／２以上の温度において熱間押出す
ることを特徴とする複合強化合金の製造法。