JPH07276034A - 繊維強化複合金属物品とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 実質的にＹ字形または漏斗状形の配向強化繊
維を高密度で含む繊維強化複合金属材料の提供。 【構成】 磁性金属で被覆した非金属強化繊維を、気体
中において、定磁場と交番磁場の複合磁場内で、振動を
与えてＹ字形または漏斗状形の鋳型内に配向集合させて
から、該繊維集合塊に溶融マトリックス金属を溶浸す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、繊維強化複合金属物品
とその製造方法に関する。より特定して言えば、磁性金
属繊維または磁性金属で被覆した非金属質繊維で強化さ
れた複合金属物品であってＹ字状ないし逆漏斗状の形状
を有するもの、及びその製造方法に関する。なおここに
言うＹ字状ならびに逆漏斗状という語はきわめて概念的
な意味で使用されているものであって、その形状の範囲
は厳密な意味におけるＹ字形ないし漏斗状形を意味する
ものでない。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】高強度物質の繊維で強化さ
れた金属基複合材料、特に軽金属基複合材料はよく知ら
れている。その強化用繊維としては、タングステン繊維
にホウ素または炭化ホウ素の被覆を施したもの、炭素繊
維、炭素繊維にホウ素、炭化ホウ素、ホウ化チタニウム
の被覆を施したもの、アルミナ繊維、炭化ケイ素ホイス
カー等の非金属質繊維、タングステン繊維、鋼繊維等の
金属繊維がある。中でも、非金属質繊維は軽量で、比強
度、比剛性が高く、高温でも強度をよく維持することか
ら好ましい材料である。

【０００３】繊維強化複合材料の強度は、強化繊維の配
向と全容積によって大きく支配される。強度は強化繊維
の配向方向に発揮されるので、配向は特に重要で、負荷
応力に対する配向繊維の傾き角、すなわち配向角が大に
なれば、複合材料の引っ張り強度は低下する。繊維の長
さについてはいわゆる連続繊維あるいは長繊維が望まし
いが、生産性において短繊維の方が一般に有利である。
そこで、短繊維を用いて高容積率にするには、マット状
の繊維塊を押し固めることが行われているが、この方法
では、繊維は破断し、また無方向の繊維塊であれば、押
し付けても圧縮方向に直角には配向するものの、押し付
け面ないしそれに平行な平面内では繊維は不定方向をと
る。また繊維塊は押し付け圧に反発して必ずしも高密度
にはならない。

【０００４】強化繊維を無配向のままマトリックス金属
中に分散させた複合体を押し出し処理により、押し出し
方向に配向させることが知られている。この方法では、
強化繊維が破断し、期待されたほど強度を上げることが
できない。

【０００５】長い細線状の強化繊維を束線状に束ね、該
束線を順次に連続してマトリックス金属が溶融し得る温
度に保たれている加熱部分、さらに前記マトリックス金
属が凝固し得る温度に保たれている成形部分を通過させ
ることからなる複合線材の製造方法は知られている (特
開昭５２−８５９６１号) 。この方法は比較的細い部材
の製造にしか適用できない。

【０００６】磁場内に置かれた強化金属繊維を含む溶融
マトリックス金属相に水平方向に電流を流して、電磁力
によって強化金属繊維を沈ませないようにした状態で凝
固させて複合金属材料を製造する方法が知られている
（特開昭５３−６３２２１号）。この方法は比較的大き
い部材中で強化繊維を配向させ均一に分散させるには有
効であるが、強化繊維を密集させることはできない。

【０００７】磁性を有する強化繊維を含む溶融マトリッ
クス金属の溶湯に磁界を作用させて強化組織を配向させ
て凝固させることからなる複合材料の製造方法が知られ
ている (特開昭５８−１２７２２号) 。この方法も強化
繊維を配向させることができるが、密集させることはで
きない。

【０００８】特開昭６３−２９０２２９号には磁性を有
する強化金属繊維を気体中において磁場内で振動させら
れる型内に落下させることによって配向集合塊となし、
該集合塊に溶融マトリックス金属を溶浸することからな
る繊維強化複合金属材料の製造方法が開示されている。
この方法は上述の従来法の欠点はかなり克服されている
がマトリックス金属が軽金属であって材料に軽量性が要
求されるような場合には不利である。

【０００９】本発明者らは先に磁性金属で被覆した非金
属強化繊維を、気体または真空中において、磁場内で、
振動を与えて配向集合させてから、該繊維集合塊に溶融
マトリックス金属を溶浸することによって前記先行技術
の欠点が克服されることを見出し、金属のマトリックス
とそのなかに配向密集する磁性金属で被覆された非金属
繊維からなる繊維強化複合金属材料と、磁性を有する金
属で被覆された非金属繊維を、気体中において、磁場内
で振動させられる型内に落下させることによって配向集
合塊となし、該集合塊に溶融マトリックス金属を溶浸す
ることからる繊維強化複合金属材料の製造方法を提供し
た（特願平５ー２４１１９２号）。

【００１０】また同時に定磁場と交番磁場を組合せた複
合磁場を提供する装置，即ち、 直流電流を通ずるソレ
ノイドと、その上方に設けられた交流電流を通ずるソレ
ノイドと、直流ソレノイドに挿入される鉄芯と、鉄芯の
上端に置かれる型と、磁性を有する繊維材料を該型内に
少量づつ連続的に落下させる手段からなる磁性を有する
繊維の配向密集塊の形成装置をも発明した（特願平５−
２４１１９３号）。

【００１１】該発明の時点では、該方法によって製造で
きる物品の形状は特に限定されていないが、実際に製造
されたものは棒状を主体とする単純な形状のものに限ら
れていた。

【００１２】本発明者らは上記特願平５−２４１１９３
号の装置を使用してさらに研究を進めた結果、前記発明
の原理に従って、定磁場と交番磁場の複合磁場を採用す
るとき、かなり複雑な形状の物体を製造できることを確
認した。

【００１３】

【問題を解決する手段・発明の構成】本発明は、金属の
マトリックスとそのなかに配向密集する磁性金属繊維ま
たは磁性金属で被覆された非金属繊維からなる実質的に
Ｙ字状または漏斗状形状の繊維強化複合金属物品を提供
する。

【００１４】本発明はまた、磁性金属繊維または磁性金
属で被覆された非金属繊維を気体雰囲気中において、定
磁場と交番磁場の複合磁場内で実質的に逆Ｙ字形状また
は逆漏斗形状の型内に落下させることによって配向集合
塊となし、該集合塊に溶融マトリックス金属を溶浸する
ことからなる繊維強化複合金属物品の製造方法を提供す
る。

【００１５】本願発明は原理として前記特願平５ー２４
１１９２号発明を踏襲し、装置として特願平５−２４１
１９３号発明を使用するものである。即ち、本発明にお
いて、使用される強化金属繊維は、磁性金属、即ち鉄、
クロム、ニッケル、コバルトおよびその合金、代表的に
は磁性を有するステンレス鋼、およびこれらの金属で被
覆されたアルミナおよびアルミナ系繊維、炭素繊維、、
炭化ケイ素繊維、シリカ繊維、ホウ素繊維等の無機繊維
を包含する。強化繊維の寸法に本質的な制限はないが、
直径 (四角形断面の場合は一辺の幅) が１５〜１００μ
ｍであることが好ましい。繊維の長さにも特に制限はな
いが、製品の形状大きさに対応して、長すぎるものは配
向が困難となるので、例えば自動車部品のような形状大
きさの場合は、繊維のアスペクト比をも考慮に入れて、
１〜５０ｍｍ、好ましくは２〜２０ｍｍ、より好ましく
は３〜１０ｍｍである。

【００１６】本発明において、磁性金属とは、鉄、ニッ
ケル、コバルトおよびそれらの合金を意味する。これら
の金属による非金属繊維の被覆は既知の如何なる方法に
よってもよいが、通常は無電解めっき法による。非金属
材料の無電解めっき法に関しては例えば、最新表面処理
技術編集委員会篇「最新表面処理技術総覧」（産業技術
サービスセンター発行（昭和６２年１２月２１日））に
詳細に説明されている。本発明において、気体中とは、
通常は大気中を意味するが、特に必要があれば、不活性
気体中でもよい。実用上そのようなことが実施されるこ
とは無さそうであるが、真空中であってもよい。すなわ
ち、本発明において、気体中なる語は真空中をも含む。

【００１７】本発明において、マトリックス金属とは、
前記の繊維自身および磁性を有する被覆金属と反応（合
金）して、強化繊維の特性の劣化を生ぜず、また、これ
らとの接触よって自身が劣化しない金属であれば何であ
ってもよいが、実際に使用されるものは、いわゆる軽金
属、すなわち、アルミニウム、マグネシウム、およびそ
れらの合金である。

【００１８】本発明において、磁場とは、定磁場（直流
磁場）と交番磁場（交流磁場）の重畳する複合磁場であ
る。 本発明において、鋳型とは、強化繊維を配向集合
させるための容器であると同時に、後に溶融マトリック
ス金属を溶浸する鋳型自体となるものである。本願発明
の研究段階では差し当たって石膏を利用したが、種々の
材料が考えられ、実生産ではダイカスト用合せ金型が使
用される。金型については当業界において周知であるか
ら詳細に述べる必要はない。

【００１９】溶浸金属としてマグネシウムを用い、石膏
鋳型を使用する場合（実生産においても多品種少量生産
の場合に考えられる）には、石膏に水分が残留するとマ
グネシウムと反応するので、５００℃以上、好ましくは
７００℃以上で焼成する必要がある。石膏鋳型によるマ
グネシウムの鋳造技術はよく知られており、そのための
特殊石膏が米国Ａｒｗｏｏｄ社から発売されている。

【００２０】本発明の特徴は、重力場に置かれた定磁場
と交番磁場の組合せによって、ある厚さの範囲では斜方
向にも配向させることができることである。従って、短
繊維を単に一方向のみならず、Ｙ字状、漏斗状という概
念のもとに一つの形態内で異なった方向にも配向させる
ことができることである。即ち、逆Ｙ字形、ないし逆漏
斗状の型を前記の組合せ磁場に置き、Ｙ字または漏斗の
足の側から短繊維を導入する時、短繊維をＹ字状型また
は漏斗状型の内部に均一に配向させることができる。そ
の配向可能な磁場方向に対する角度は目下のところ約４
５°を超えると考えられているが、Ｙ字形、漏斗状とい
う常識的な概念で把握されるべきである。またＹ字形
体、漏斗状の表面は完全に平面、円筒面、円錐面でなく
てもよく、多少の凹凸は許容できる。

【００２１】通常被覆短繊維は振動篩いによって鋳型に
導入されるが、それは必須用件ではない。また複合磁場
内に置かれる鋳型に機械的振動を加えてもよい。これは
単に叩打によってもよい。

【００２２】溶融マトリックス金属の溶浸の方法は、ど
のような方法であってもよい。代表的な方法の幾つか
は、例えば、カ・イ・ポルトノイ、エス・イェ・サリベ
コフ、イ・エリ・スヴェトロフ、ヴェ・エム・チュバロ
フ共著、青山忠明訳、「複合材料の構造と性質」( 和歌
山市吹屋町２丁目１８番地、日・ソ連通信社発行) の第
III 章「液相結合法による複合材料の製造」に詳細に説
明されている。また本発明における溶融マトリックスの
溶浸は反重力鋳造法によってもよいが、実生産ではダイ
カスト法によるのが有利である。

【００２３】本発明の方法において、種々の段階で繊維
の被覆金属やマトリックス金属の改質のために種々の熱
処理を加えることも当然に本発明の内である。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、例えば、コネクティン
グロッド（コンロッド）のような部材を極めて軽量強力
な形で提供できる。

【００２５】

【発明の具体的記載】次に図面を参照して本発明を具体
的に説明する。図１は本発明の方法において磁性を付与
した強化繊維を、気体中において、磁場内で、振動させ
て型内に落下させることによって、配向集合塊にするた
めの装置の一例（特願平５−２４１１９３号に記載の装
置）を示す断面図である。装置は、上部に交番磁極の交
流磁場、下部に鉄芯を有する直流磁場にコイルが配置さ
れる。基台ｉ、交流電磁コイルｄ、直流電磁コイルｈ、
鉄芯ｇ、鉄芯上下用装置ｊ、交流電源ｋ、直流電源ｌよ
りなり、鉄芯ｇの上部に型ｅ (本願発明の場合は後に溶
融マトリックス金属を鋳込む鋳型) が鋳型保持具ｆによ
り支持され、鋳型ｅに臨んだ漏斗ｃが設けられ、漏斗ｃ
に臨んで配置され適当な軽い振動を与えられる篩ａから
磁性を付与された強化繊維ｂが鋳型内に落下させられ
る。強化繊維は磁場内を落下中にコイルに付与される交
番電流により発生する交番磁場の作用で振動し、磁力線
方向に配向し、鉄芯の上部に保持された鋳型に伝えられ
る振動と定磁場と交番磁場の複合磁場の効果により密に
集められ配向繊維集合体ｍを形成する。鋳型は図示のよ
うに鉄芯上に載置されてもよいが、鉄芯とは独立に懸垂
し、それにより上下振動を（可能ならば水平方向の振動
をも）与えてもよい。

【００２６】図２は配向繊維集合体ｍを入れた鋳型ｅに
溶融マトリックス金属ｐを溶浸するための実験室的装置
の一例を示す断面図である。るつぼｎは必要に応じて適
当なライニングを施したものでよく、例えば、溶融アル
ミニウム、またはマグネシウムまたはそれらの合金を保
持する。強化繊維の配向集合塊ｍが充填された、例え
ば、ステンレス鋼の鋳型ｅにアダプターｒを介して吸気
管ｑが装着されて溶融マトリックス金属ｐ中に沈めら
れ、吸気管ｑを適当な吸引手段に連結して吸引すること
により、配向繊維集合体を収容した鋳型内に溶融マトリ
ックス金属を導入する。

【００２７】本発明は次の参考例と実施例によってより
具体的に例示される。

【参考例１】実質的に上述の図１と図２に示される構造
の、繊維充填装置とマトリックス金属溶浸装置を使用し
て、ニッケル被覆アルミナ繊維で強化したマグネシウム
基の複合金属棒を製作した。

【００２８】使用した非金属繊維はデュポン社製の直径
１８μｍ、長さ３ｍｍの、表面に厚さ１μｍの無電解ニ
ッケルめっきを施したアルミナ繊維で、めっき後１００
℃に加熱し、強磁性化したものである。強化繊維を配向
集合させるための型は鋳型と共通で、１８−８ステンレ
ス鋼製で、内径１０ｍｍ、高さ１００ｍｍであった。使
用したマトリックス金属はマグネシウム合金ＭＣ２であ
った。

【００２９】前記ニッケル被覆繊維を繊維充填装置によ
って鋳型内に充填した後に、鋳型の上部にアダプターを
装着して吸気管を結合し、溶融マグネシウム合金中に沈
め該合金を吸引導入し、マグネシウム合金が鋳型内に充
填されるのを待って、浴より引き上げ、冷却固化させた
後、鋳型を取除いた。このようにして得られた複合金属
棒は、繊維の容積率約４０％、密度３．３ｇ／ｃｍ³ 、
曲げ強度７５０ＭＰａであった。

【００３０】単なるアルミナ繊維をハンドプレスにより
型枠内で加圧圧縮した後同じマグネシウム合金を溶浸
し、このビレットを熱間で押し出しすることにより造ら
れた同様の複合金属棒の繊維容積率が約１８％、曲げ強
度が４５０ＭＰａであるのに比して容積率では２倍を超
える増加であり、曲げ強度で１．６倍の増加となった。

【００３１】また前記特開昭６３−２９０２２９号に記
載のステンレス鋼繊維を強化繊維とする製品は、繊維の
容積率約４０％、密度４．１％ｇ／ｃｍ³ 、曲げ強度８
５１ＭＰａであるから、これに比すれば、本発明の製品
は密度はその約８０％で、曲げ強度は低いが、比曲げ強
度では、該製品の２０７に対して２２７であり、本発明
製品の方が高い。

【００３２】

【参考例２】参考例１で使用したものと同じニッケル被
覆アルミナ繊維を用いて、同じ装置により、マトリック
ス金属としてアルミニウムを使用して繊維強化複合金属
棒を製作した。この材料の容積率は約４０％、密度は
３．７ｇ／ｃｍ³ 、曲げ強度は８７２ＭＰａであった。
従って、比曲げ強度は２３５であり、マグネシウ基複合
材料に比し、軽量化効果においてやや劣るものの、比曲
げ強度において有利である。

【００３３】

【参考例３】直径１５μｍ、長さ２ｍｍの市販のピッチ
系炭素繊維に慣用の無電解めっき法によって厚さ１μｍ
のニッケル被覆を施した。この被覆炭素繊維とマグネシ
ウム合金ＭＣ２を用いて実施例１と同様に操作して、繊
維強化複合金属棒を製造した。炭素繊維は軽いので、こ
れを円滑に型内に落下させるには困難があったが、繊維
束を形成することができた。

【００３４】得られた複合材料は繊維容積率４３％、密
度約２．８、曲げ強度７６１ＭＰａであった。曲げ強度
はアルミナ繊維使用の場合と同程度であるが、この材料
の軽量化効果は大きい。

【００３５】

【実施例１】図３は本発明の方法で造った自動車エンジ
ン用コネクティングロッド（コンロッド）の形状と表面
組織を示す写真である。これと同じ形状でＹ字部の下端
に押し湯部を付けた型をワックスで作成した。寸法は長
さ１４０ｍｍ，厚さ２０ｍｍ、Ｙ字部の幅７６ｍｍであ
った。別に該ワックス型を充分な余裕を以て収容できる
茶筒のように身と蓋から成り、天井と底の中央に導入導
出の為の短管を付した容器を１８ー８ステンレス鋼で造
り、Ｙ字の下端（押し湯部）を下にして円筒状の容器の
中心に直立に置き、石膏を流し込んで鋳型を造り、鋳型
の上部空間にはカオウールを詰め、石膏が硬化してから
加熱してワックスを除去し、さらに減圧下に７００℃で
充分に焼成した。

【００３６】このように作成した鋳型を図１に示す装置
を大形化したもの（内径９５ｍｍ）に、図４に示すよう
に、配置し、１７ー７ＰＨステンレス鋼製の５０μｍ×
１００μｍ×３ｍｍの繊維（厚さ５０μｍの鋼板を切断
して造った）用いて、上記繊維密集塊形成装置により、
交流電流５０Ａ、直流電流５Ａの条件で充填した。この
ように繊維を充填した石膏型を図２に示すのと実質的に
同じ装置を用いて、図５に示すように、参考例１と同様
ＭＣ２マグネシウム合金を溶浸した。加熱は高周波加熱
によった。冷却後、茶筒様容器を開いて石膏を破壊し、
このようにして図３に示すコンロッドが得られた。図６
はこのコンロッドの断面組織を示す写真である。この物
品の全体的密度は２．９８ｇ／ｃｍ³ であった。残念な
がら装置の制約により引張り強度を測定するころができ
なかった。

【００３７】石膏型を用いて同様条件で造った、チャッ
ク部の直径１４ｍｍ、平行部の直径９ｍｍ、長さ１２０
ｍｍの繊維強化物体より削り出して造ったチャック部の
直径１２ｍｍ、平行部の直径８ｍｍ、長さ１１０ｍｍの
試験片では４６３ＭＰａの引張り強度を得ている。

【００３８】

【参考例４】実施例１の前半に記したのと同一の材料と
条件で被覆繊維を充填した。このように繊維を充填した
石膏型を同様に図２に示すのと実質的に同じ装置を用い
て、図５に示すように、透明アクリル樹脂を溶浸して充
填状態観察用試料を作製して図３に示すコンロッド各部
の繊維容積率を測定した。その結果を図７に示す。そこ
に見られるように、繊維容積率は参考例１〜３の場合よ
り低い。これは石膏型を用いたので、型に対する繊維の
滑りが悪いためと形状の故に部分的に充填の不十分の部
分があるためである。即ち、Ｙ字の頭の部分には繊維の
不均一分布があるが、ここは実用上大きな力のかかる部
分ではなく、充分に実用に耐える繊維分布である。

【００３９】

【実施例２】ステンレス鋼繊維の代りに参考例１に記載
の強化繊維を用いて実施例１と同様にコンロッドを作製
した。このものの繊維容積率は約２０％で、全体的密度
は２．５３ｇ／ｃｍ³ であった。以上記載の通り、本発
明をＹ字状物品であるコンロッド製造の参考例と実施例
によって具体的に説明したが、論理的に考えると、Ｙ字
状鋳型の頭部は局限された空間であって、そこでは繊維
分布の均一化に不利がある。特に上に試作したような形
状では繊維移動の盲点となる死空間が生じる。その点逆
漏斗状空間では側方への移動はむしろ自由である。繊維
自身は交番磁場によって振動させられているのであるか
ら、時間をかければ側方への移動は自然に起って均一化
する。従って本願発明の方法は逆漏斗状形の物体の製造
にも利用できることは自明である。

【００４０】また鋳型に付いても溶浸法についても上記
の石膏型と反重力鋳造方に限られるものでなく、合せ金
型によるダイカスト法による実施が可能であることは言
を要しない。またマトリックス材料に関しても、アルミ
ニウムで実施可能であることも自明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁性を付与した強化繊維を鋳型内で配向集合塊
とするための装置の概念を示す断面図である。

【図２】強化繊維の配向集合塊を収容した鋳型に溶融マ
トリックス金属を導入する装置の概念を示す断面図であ
る。

【図３】本発明にかかる被覆繊維強化マグネシウム合金
製コンロッドの形状と表面の金属組織を示す写真であ
る。

【図４】本発明方法において、鋳型に繊維を充填する状
態を示す図である。

【図５】繊維を充填した鋳型にマトリックス金属を溶浸
する状態を示す図である。

【図６】図３に示すコンロッドの断面の金属組織を示す
写真である。

【図７】図３に示すコンロッドの形状における繊維容積
率を示す図である。

【符号の説明】

ｄ：交流電磁コイル、ｈ：直流電磁コイル、ｊ：振動
台、ｅ：型、ｇ：鉄芯、ｂ：強化繊維、ｎ：鋳型、ｐ：
溶融マトリックス金属、ｍ :磁性を付与した強化繊維の
配向集合塊

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属のマトリックスとそのなかに配向密
   集する磁性金属繊維または磁性金属で被覆された非金属
   繊維からなる実質的にＹ字状または漏斗状形状の繊維強
   化複合金属物品。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の繊維強化複合金属物品
   であって、金属繊維が鉄、クロム、ニッケル、コバルト
   およびその合金の繊維である物品。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の繊維強化複合金属物品
   であって、非金属強化繊維がアルミナおよびアルミナ系
   繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、シリカ繊維、ホウ素
   繊維のいずれかである物品。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の繊維強化複合金属物品
   であって、マトリックス金属がアルミニウム、マグネシ
   ウムおよびそれらの合金から選ばれるものである物品。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の繊維強化複合金属物品
   であって、繊維を被覆する金属が、鉄、ニッケル、コバ
   ルトおよびそれらの合金のいずれかである物品。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の繊維強化複合金属物品
   であって、コネクティングロッドとして使用される物
   品。
7. 【請求項７】 磁性金属磁繊維または磁性金属で被覆さ
   れた非金属繊維を気体雰囲気中において、定磁場と交番
   磁場の複合磁場内で実質的に逆Ｙ字形状または逆漏斗形
   状と型内に落下させることによって配向集合塊となし、
   該集合塊に溶融マトリックス金属を溶浸することからな
   る繊維強化複合金属物品の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の繊維強化複合金属物品
   の製造方法であって、鋳型が石膏型である方法。
9. 【請求項９】 請求項７に記載の繊維強化複合金属物品
   の製造方法であって、鋳型が合せ金型である方法。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の繊維強化複合金属物
    品の製造方法であって、溶融金属の溶浸をダイカスト法
    によって行なう方法。
11. 【請求項１１】 請求項６に記載の繊維強化複合金属材
    料の製造方法であって、被覆繊維の充填後および／また
    はマトリックス金属溶浸後に熱処理を加える方法。