JPH03287732A - ホウ酸マグネシウム繊維強化金属基複合材料及びその製造方法 - 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） 本発明はホウ酸マグネシウム繊維を強化材とした金属基
複合材料に関するものである。

（従来の技術） 近年、航空宇宙産業を始めとする多くの産業分野におけ
る技術的発展に伴ない、従来の金属材料に比較してより
高温に耐え、より高強度、＾弾性率、高硬度の新素材が
要求されるようになった。

金属材料の中でアルミニウム及びその合金は比重が軽く
、易加工性、低価格のため航空機、自動車、建材をはじ
めとして化学機械においても多用されている材料である
。

そして更に機械的特性を向上させる目的で高強度、＾弾
性を有する炭化珪素、窒化珪素、炭素、アルミナ等のウ
ィスカや繊維を強化材としてアルミニウム系の金属との
複合化を図る開発が盛んに進められている。複合化の方
法としては、ホットプレス法、ＨＩＰ法、溶浸法、粉末
冶金法、高圧凝固ＩＩ造法及び熱間押出法等が挙げられ
る。

アルミニウム金属基複合材料を作るための強化用ウィス
カ又は繊維は、炭化珪素ウィスカ、窒化珪素ウィスカや
アルミナ繊維が有望な素材であるが高価なために航空宇
宙用はともかく自動率、建材等の汎用分野への適用をは
かる際の障壁となっている。又、炭化珪素ウィスカ、炭
素繊維やアルミナ繊維等は、熱膨張率がアルミニウムに
比べ極めて小さいため、複合側に則ってこれらの繊維や
ウィスカを用いる複合材料の熱膨張率を制御することが
可能である利点を持っている。しかし、その反面、熱膨
張率が母相と大きく違うため、急熱急冷の熱サイクルに
よる熱歪のため材料が劣化しやすいという本質的な問題
を持っている。ホウ酸マグネシウム繊維の熱膨張係数は
繊維軸方向で２０ｘｉｏ−’であり、アルミニウムの熱
膨張係数と極めて近いため、この繊維によるアルミニウ
ム系の強化材料は、非常に亮い耐熱衝撃性に特徴を見い
出すことができる。又、ホウ酸マグネシウム繊維は、こ
れらの高価な繊維の１／１０ないし１／２０の価格で生
産できるため、この繊維により強化したアルミニウム金
属基複合材料は汎用性の材料として産業に与える影響は
大きい。しかし、この材料はチタン陵カリウム繊維と同
様、溶融金属アルミニウムにより還元される成分を持つ
ため、通常の複合材料調製法であるホットプレスやＨＩ
Ｐ更には高圧凝固僑造法などの高温高圧により複合させ
る方法を単純に適用するだけでは、十分な性能を持った
複合材料を調製することはできない。このため、金属と
繊維がで終るだけ反応しないような熱処理方法が必要と
なる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、補強素材としてホウ酸マグネシウム繊
維を用いることにより、引張強度及び耐熱衝撃性に優れ
たアルミニウム金属基複合材料を廉価に提供することに
ある。

（！ＩＩ！を解決するための手段） 本発明はホウ酸マグネシウム繊維をアルミニウム又はア
ルミニウム合金と複合させて得られる金属基複合材料に
係る。

本発明によれば粉末アルミニウム又は粉末アルミニウム
合金（以下、単にアルミニウム粉末と−・うことがある
）に、ホウ酸マグネシウム繊維を５〜４０％分散させた
混合物を常温で加圧成型したのち、これを不活性又は還
元雰囲気中で、常圧５８０〜６３０℃の温度で焼成する
ことにより、目的とするアルミニウム金属基複合材料を
得ることが可能である。又、高圧凝固倚遺法にお−１で
は、流動性の良い鋳造用アルミニウム合金を用し１．６
００〜７００℃の比較的低温の溶湯を圧入することによ
り、ホウ酸マグネシウム繊維のグメージを最低限に抑え
、高強度の複合材料を得ることが可能である。

本発明に用いたホウ酸マグネシウム繊維は、本発明者等
が発明し、特許第１５４０１２６号で明らかになってい
る化学式Ｍ　ｇ２　Ｂ　２０　ｓのものである。

このホウ酸マグネシウム繊維は高強度、高弾性、高融点
を有しており、各種マトリックスの強化材として有用な
素材である。この繊維は溶融金属と高温で反応する問題
点を持っている反面、反応性があることは化学的親和性
を持つことを示しており、この性質を巧みに利用するこ
とにより、アルミニウムとの複合が可能である。即ち、
予め加圧成型したアルミニウム粉末とホウ峻マグネシウ
ム繊維の混合物をアルミニウムの融点よりやや低い約６
００℃で常圧焼成するだけで複合による強度発現が可能
である。

又、加圧凝固鋳造においては、鋳造性の良い惰遺用合金
の溶湯を用い、溶湯温度を６００〜７００℃に抑えるこ
とにより、アルミニウム合金との反応による繊維の劣化
を最小限に止めることが可能である。

本発明のマトリックス材として用いるアルミニウム又は
アルミニウム合金は、粒径が４４μ−以下、好ましくは
２０μ−以下のもので、表面の酸化程度が極力少ないも
のが焼結性の点で適している。

又、ホウ酸マグネシウム繊維は化学式Ｍｇ２Ｂ２Ｏ、で
あり、その大きさは繊維径０，２〜５μｍ、長さ５〜１
００μ−であり、好ましくは繊維径０．５〜２μ鶴、長
さ１０〜５０μ−のものであり、毛玉等凝集が無く十分
繊維がほぐれているものが分散性の点で適している。添
加量は繊維含有ｆｉ５〜４０体積％が好ましい、この量
よりも少なすぎると十分な補強効果が得られず、多すぎ
ても繊維とアルミニウム金属の界面が十分なじまないた
めやはり補強効果は得られない。

ホウ酸マグネシウム繊維とアルミニウム又はアルミニウ
ム合金粉末の均一な混合は乾式混合では不十分であり、
溶媒を用いた湿式混合が適している。用いる溶媒は、ホ
ウ酸マグネシウム繊維及びアルミニウム粉に対する親和
性の点で極性溶媒が望ましく、具体的にはアルコール類
が最適である。

これにアルミニウム又はアルミニウム合金粉末とホウ酸
マグネシウム繊維を所定量添加し、機械的に好ましくは
超音波を照射して杓−に分散させる。

この時の溶媒に対する固形分の割合は、３〜３０体積％
に１ｌ１１１する。このように調資されたスラリーから
溶媒を除去して乾燥した混合物を得る方法としては、素
早く吸引枦遇して得たものを乾燥させるか、分散状態を
保ちながら蒸発乾固させるかの方法をとる。

原料混合物の加田成型体は金型を用いた通常の方法に従
って作製すれば良い。成型圧力は１〜１０ｔｏｎｆ／ｃ
ｍ２で加圧中は金型内部を真空状態にしておくことが必
要である。

このようにして得られた原料成型物の焼成は金属が酸化
されないよう窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中、若し
くは水素等の還元雰囲気中で行われなければならない。

本発明での最適焼成温度は、アルミニウムとホウ酸マグ
ネシウム繊維の親和性を達成しながらも顕著な反応を妨
げる５８０〜６３０℃である。焼成時間は５分〜２時間
が好適である。

高圧凝固ＩＩ造のためのプリフォーム成型は、ホウ酸マ
グネシウム繊維を少量の界面活性剤を加えて超音波照射
しながら分散させ、これを型の中で脱水成型することに
より行えるが、望ましくは常温領域での賦形性を高める
ため、０．０５〜０．５％の溶液状のＰＶＡを加え、ま
た高温領域での賦形性のために溶液状のコロイドシリカ
などの無機バインダー０．０５〜０．５％を添加し、繊
維をよく分散させたのち、水分の大半をロータリーエバ
ポレータで蒸発させ、これをプリフォーム金型に移し入
れ、望みの繊維体積率になるまで加圧脱水する。高圧鋳
造においては、繊維とアルミニウムとの反応を防ぐため
、通常の溶湯温度８００℃よりかなり低い６００〜７０
０℃を用いる。溶湯温度が低い状態で圧入を行うため、
鋳造性の良い鋳造用合金を用いるのが望ましい。又、溶
湯の温度が低いため、金型内で圧入前に凝固ないしは流
動性を失うのを防ぐため、金型及びプリフォームの温度
は可能な限り＾い方が望ましく、通常の２００〜４００
℃よりかなり高い４５０〜５５０℃を用いるのが望まし
い。

（発明の効果） 前述のようにして得られたホウ酸マグネシウム繊維強化
アルミニウム金属基複合体を、エメリーカッター及び旋
盤により試験片を切り出し、その引張強度及び曲げ強度
を測定した結果、ホウ酸マグネシウム繊維を添加するこ
とにより機械的強度が向上することが確認でき、本発明
の複合方法及び条件が適切なものであることが立証され
た。

本発明によれば、このようにアルミニウム金属との親和
性に優れた廉価なホウ酸マグネシウム繊維を用い、アル
ミニウムとの反応による劣化を防ぎながら簡単な処理工
程で安価に金属基複合材料を得ることができ、汎用材料
としての使用が可能である。

（実　施　例） 以下本発明を実施例によって具体的に説明する。

実施例】 ２００ｃｃのビーカーに１００ｃｃのエチルアルコール
を入れ、これに径が約１μｍ、良さが約２０〜５０μ−
のＭｇ２Ｂ２０５ＩＩＬ維３．１ｇと粒子径２０μ−以
下の純アルミニウム粉１２，２［１（ウィスカの体積含
有量：約２０％）を入れ５分間超音波を照射し、素早く
吸引枦遇したのち、固形分を乾燥して加圧成型用試料と
する。次にこの試料を直径３０ｍ−の金型に入れ、内部
を真空に引きながら全圧５トンの力でプレスして＾さ約
３−一の成型体を作製する。この成型体を磁性ポートに
入れ窒素雰囲気中６２０°Ｃで２０分間保持したのち、
約１時間かけて室温まで冷却する。

このようにして得られた焼成複合体を旋盤及びエメリー
カッターにて切削加工して、曲げ試験片を作製した。こ
の結果、曲げ強度は２２ｋｇｆ／ｍｍ’あった。

比較例１ 実施例１において、ホウ酸マグネシウム繊維を添加せず
に他は同様にして製作した焼成物は、白げ強度が１５ｋ
ｇｆ／ｍｍ’であった１以上の結果から、ホウ酸マグネ
シウム繊維によるアルミニウム金属への補強効果は十分
発揮できたと考えられる。

実施例２ ３００ｃｃのビーカーにホウ酸マグネシウム繊維４０ｇ
をとり、これに０．２％のＰＶＡと０．１％の界面活性
剤（Ｔ　ｒｉＬｏｎ　Ｘ−１００）を含有する水溶液１
５０ｍＺを加え、超音波照射を約５分行って分散させる
。

これに１０％濃度に希釈したコロイドシリカ溶液２３１
ｍ１を加える。再度超音波照射したのち、ロータリー式
エバポレーターで水分の大半を除去した。

これを内径５３−一の円筒形金型に入れ、約５０ｋｇＦ
で加圧しながら脱水し、離型してプリフォームを得た。

このプリフォームを電気炉内で７００℃に加熱した後、
予め４５０℃に加熱した金型に設置する。

この上から予め７００℃に加熱溶融した鋳造用のアルミ
ニウム合金ＡＤＣ１２を注ぎ込み、直ちに９００ｋｇｆ
／ｃ曽”の圧力で加圧鋳造する。鋳造後、冷却固化まで
約３分間加圧鍛造したのち離型し、ホウ酸マグネシウム
強化アルミニウム合金を得た。用いたプリフォームの重
量と、筒造後の複合体の直径と１１１ｉをから算出した
繊維体積率は２３％であった。

円柱状の複合体の直径方向に、小型のダンベルを切り出
し、引張試験を行った。その結果、引張強度は３１ｋｇ
ｆ／ｍｓ”であった、尚、この複合体は通常の金属用切
削工具で容易に切り出せ、工具の損耗が極めて少なく、
加工コストの点で良好な特性を持つことが判明した。

比較例２ 実施例２において、プリフォームを用いることなくＡＤ
Ｃ１２合金を同じ条件で加圧憫造した。こうして得た合
金試料について実施例２と同じ引張試験を行った結果、
引張強度２５ｋｇｆ／ｓｍ２を得た。

実施例３ 実施例２と同様にしてプリフォームを成型し、このプリ
フォームを７００℃で仮焼したのち、６５０℃の電篤炉
で加熱し、予め５００℃に加熱した金型に設置する。こ
の上から予め加熱溶融し、６５０℃に達したＡＩ）Ｃ１
２合金を注ぎ込み、直ちに１１００に、ｒ／ｃ＠２の圧
力で加圧鋳造する。冷却後、実施例２ヒ同様にして引張
強度を測定した。その結果、引張強度３４ｋｇｆ／ｍｓ
＋２を得た。

比較例３ 実施例３と同様にして調製したプリフォームを４００℃
の金型に設置し、８５０℃のＡＤＣ１２合金の溶湯を圧
入し複合化を行った。こうして得た試験片の引張強度は
２４ｋｇｆ／ｍ−’であった。この結果は、溶湯温度が
鳥すぎる場合、繊維の劣化のために十分な強化効果が得
られないことを示している。

（以　上）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ホウ酸マグネシウム繊維をアルミニウム又はアル
   ミニウム合金と複合させて得られる金属基複合材料。
2. （２）化学式Ｍｇ＿２Ｂ＿２Ｏ＿５のホウ酸マグネシウ
   ム繊維を用いる請求項１記載の金属基複合材料。
3. （３）粉末アルミニウム又は粉末アルミニウム合金とホ
   ウ酸マグネシウム繊維をホウ酸マグネシウム繊維体積含
   量５〜４０％の割合で混合し、これを常温で加圧成型し
   たのち、５８０〜６３０℃の温度で不活性或いは還元雰
   囲気中で常圧焼成することを特徴とする請求項１記載の
   金属基複合材料の製造方法。
4. （４）ホウ酸マグネシウム繊維を主成分とするプリフオ
   ームを形成し、このプリフオームに４００〜５５０℃に
   加熱した金型内で６００〜７００℃のアルミニウム合金
   の溶湯を加圧鋳造することを特徴とする請求項１記載の
   金属基複合材料の製造方法。