JPS61159540A - 繊維強化金属材の製法 - 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〕 この発明は、繊維強化金属材（ＦＲＭ）の製法に関し、
金属粉末と補強用短繊維との混合物を圧粉成形し、これ
を容器内に密閉して熱間静水圧成形を行うことにより、
金属と繊維との結合が良好で、加工性、機械的強度等の
優れた繊維強化金属材を得ることができるよう圧したも
のである。

〔従来技術とその問題点〕

従来の繊維強化金属材（以下、ＦＲＭと略称する。）の
製法として、まず補強用繊維を溶融金属中に投入、分散
し、冷却して作る方法がある。しかし、この方法は、繊
維と金属との比重の差、溶融金員の粘度が高いなどの理
由によシ、ａｍの分散が均一とならず、得られるＦＲＭ
の機械的特性に大きなバラツキが生ずるなどの欠点があ
った。

また、連続繊維を金属体を巻き付け、この周囲に溶融金
属を流し込み、半溶融状態にて加圧する方法がある。し
かし、この方法は連続繊維のみにしか使用できず、製品
形状が限られる欠点があった。

また、金属ドラムに繊維を整列して巻き付け、プラズマ
浴射によシ溶融金属を吹き付けて、母材を作成し、この
母材を重ね合せて加圧する方法がある。しかし、この方
法も金属か完全に繊維の間に浸透せず、また厚物を作る
には多階Ｖｃ重ねなければならず、製品形状に限定があ
る。さらに、補強用繊維によシ成型体をつ＜シ、溶融金
属を流し込む方法があるが、この方法も金属が完全に繊
維間に浸透してゆかない問題があシ、高温の溶湯な用い
れは浸透性は向上するものの繊維との反応の恐れが生じ
る。

このように、従来のＦＲＭの製法にあっては、種々の問
題があり、良好な％性を有するＦＲＭを得ることは困難
であった。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、この発明Ｉ／ｃあっては、金属粉末と補強用繊
維との混合物を圧粉成形１−１ついで、熱間静水圧成形
を行うことＫより、上記問題点を解決し、優れた特性の
ＦＲＭを製造できるようにした。

以下、この発明の詳細な説明する。

この発明では、補強用繊維として長さθ０００／〜０２
間の短繊維やホイスカーが用いられる。繊維の種類とし
ては、特に限定されることなく、ホウ累繊維、ＳｉＣ被
情ホウ素繊維（３ｏ１−ａｉｃ）、ＳｉＣ繊維、炭素繊
維、アルミナ繊維、ベリリウム繊維、タングステン繊維
、Ａｔ２０８ホイスカー、ＳｉＣホイスカーなどがマト
リックスとなる金属との相溶性、反応性などを適宜考慮
の上選ばれる。

また、金属粉末としては、粒径θ０００／〜ａＯ／ｍの
ものが用いられ、その種類はやはり限定されないが、特
に好ましいものとしては、Ａ／、。

Ｃｕ、’ｌ’ｉおよびこれらの合金がある。

そして、これらの短繊維と金属粉末とは混合されたうえ
、圧粉成形され成形体とされる。短繊維と金属粉末との
混合割合は、容積比で短繊維がｓ〜！ｒＯｑｂとされる
。短繊維が！ｆ−未満では補強効果が得られず、！ｒｏ
ｍを越えると短繊維が過剰となって均一分散が不可能と
なシ、不都合である。

これらの混合手段としては、ボールミルやタンブラ−な
どが用いられ、有機溶剤などの分散媒を併用することも
混合効率を高めるうえで好ましい。

得られた混合物は、ついで圧粉成形する。圧粉成形には
通常の粉末成形プレス機が用いられ、数〜数十トンの加
圧力で加圧して成形体とする。成形体の形状は以後の工
程との関係で通常円柱体とされることが多い。

ついで、この圧粉成形体を容器内に密閉する。

この容器は、可撓性を有し、次工程の熱間静水圧成形の
際に容易忙変形して内部忙収容された圧粉成形体に加圧
力が加わシ、かつ上記粉末金属の融点以上の温度で溶融
しない程度の耐熱性するものが用いられ、粉末金属ＫＡ
ｔ’ＰＣｕを用いる場合には軟鋼が用いられる。また、
この容器内圧は、圧粉成形体のみならず、圧粉成形体と
金属材料、例えば金属パイプ内に円柱状の圧粉成形体を
入れ、これを円筒状の容器に収容することもでき、ＦＲ
Ｍと金蝿との複合材料を製造することもできる。

この容器を次に熱間静水圧プレス機にセントし、熱間静
水圧成形を行う。加圧加熱条件は温度を上げてゆくとと
もに加圧力を上げてゆ＜７．まず、温度を金属の融点に
まで上げてゆく。この昇温に伴って加圧力を上げ【ゆく
。この時の加圧力は比較的低圧とされ、圧粉成形体の温
度上昇による体積膨張が生じない程度の加圧力とされ、
金属の融点よシ３θ℃低い温度での変形抵抗値の７０〜
１３倍、好ましくは７７〜１３倍の加圧力とされる。

この加圧力が１０倍未満では圧力不足で密度の向上度合
が不足し、また１５倍を越えると過剰となって成形体が
つぶれる恐れが生じる。この１段目の低圧の加圧によっ
て、成形体の形くずれが防止される。

次に温度が融点に達し、粉末金属が溶融すると、コ段目
の高圧の加圧忙移る。この時の温度は融点もしくはこれ
をわずかに越える程度で十分である。

また、加圧力はｇＯ〜／ｊＯＭＰａ程度とされる。

ｔＯＭＰａ未満では溶融金属の短繊維への浸透が不足し
、また／、ｔＯＭＰａを越えてもこれ以上浸透効果が増
大せず、不経済でもある。このコ段目の加圧の時間は、
成形体の大きさ、短繊維と金属との組合わせなどＫよっ
て異るが、通常コ分〜３時間程度とされる。この一段目
の加圧によって溶融金属が短繊維中によく浸透し、両者
の物理的もしくは化学的結合が促がされる。

ついで、容器を冷却するとともに加圧力を低下してゆき
、熱間静水圧成形を終了する。つぎに、容器を開封して
成形体（ＦＲＭ）を取シ出す。この成形体は必要に応じ
て、圧延加工、鍛造加工、押出加工、引抜加工などのａ
Ｓ加工や切切削加工が施されて、所望の形状のＦＲＭと
される。

〔作用〕

このようなＦＲＭの製法によれは、寸法の近似した金精
粉末と短繊維とを混合しているので、両者の混合、分散
が均一に行われる。また、圧粉成形体を容器内に封入し
て熱間静水圧成形を行つ【いるので、加圧媒体の圧粉成
形体への侵入が防止されるとともに密封下での加熱加圧
となるので、材料の酸化による劣化がない。さらに、熱
間静水圧成形を２段にわたって行っているので、短繊維
中に金属がゆっくりとかつ完全に浸透してゆき、両者の
結合が向上し、しかも微細な９間、９隙がつぶされ＠度
が向上し、機械的特性の高いＦＲＭとなる。また、金属
の融点をわずかに越える程度の温度で加圧処理している
ので、金属と繊細との反応を抑えること本できる。また
、短繊維を利用しているので得られたＦＲＭの２次加工
が容易となり、複雑な形状の加工ができる。さらに、こ
の方法によれは、補強用繊維の含有割合の高い高強度Ｆ
ＲＭも裏道できる。

〔実施例１〕 ＳｉＣウィスカー（平均径０．ｇμｍ１長さ１１０μｍ
＞ｇｏ容量部と純Ａｔ粉末（粒径２００メツシユバス、
アトマイズ粉）２０容量部とを混ぜ、Ｖ型ミキサーでア
セトンとともに、Ｉｉ’時間攪拌する。

ついで、恒温槽で≠Ｏ′ＣＶｃて加熱し、アセトンを完
全に除去する。ついで、この混合物を粉末成型プレス機
にて圧粉成形し、直径！ｒｐｍ、厚さ３０冒の円盤状の
成形体とする。この円盤状の成形体を７θ枚重ねて、内
径５／ｗ１外径７　！ｒ　ｍ１ｌｌ、長さ３００ｍの純
Ａ／、パイプの内に入れ、さらＫこれを内径ｇ０鵡、肉
厚ユ５晴、長さ３３０鰭の軟鋼製パイプ（容器）ＶＣ収
容し、上面および底面を同材質の軟鋼の板で蓋をし、電
子ビーム溶接を行い、密封した。

ついで、この容器を熱間静水圧プレス機にセット口、熱
間静水圧成形した。条件は第１図に示す。

この条件は、温度が６９Ｏ℃に昇温するまでは圧力を徐
々に筒＜シて！０ＭＰａ程度とし、温度がＡ９０’ＧＫ
なって、十分溶融したのち、圧力な１００ＭｐｈＶＣ急
加圧するものである。

熱間静水圧成形終了後、容器から成形体を取シ出し、こ
れをｔｔｓｏ℃に加熱し、熱間押出で直径２０ｍの線材
とし、さらに伸線加工、焼鈍を行って直径２１１１ＩＩ
の線材とした。

この細材の機械的特性を検討した。結果を第１表に示す
。

〔実施例２〕 金属粉末として純銅粉（粒径ｌ！ｒθメツシュバス、ア
トマイズ粉）を用い、実施例１と同様の操作によシ径２
１１ＩＩ＋の線材を作成した。熱間静水圧成形の条件は
、第２図に示す通〕であ！Ｄ、ＦＲＭの熱間押出条件は
ｇ２０℃である。同様にこの機材九つい【もその機械的
特性を測定し結果を第１表に示した。

〔実施例３〕 金属粉末として、Ｔｉ粉末を用い、実施例１と同様の操
作を行い径２酬の線材を得た。熱間静水圧成形条件は第
３図に示す通〕であｎ、ＦＲＭの熱間押出条件はｇ５０
℃とした。線材の機械的特性を第１表に示す。

〔比較例１〕 実施例１と同一のＳｉＣウィスカーのみを径ＳＯ咽、厚
さ３０ｍの形状にプレスした加圧力３トン）。

この成形体を径１００ｍ５深さ７２０ｍの有底円筒状金
属製鋳型に置き、鋳型全体を２！；Ｏ′ＣＶＣ加熱した
うえ、ざ３０℃の純Ａｔ溶湯な金型内に鋳込む。溶湯が
溶融中にポンチで加圧し、溶湯の浸透を促進する。凝固
後、円柱状のＦＲＭの外周を旋削し、径ｇＯｍ、長さ１
００ｗ５ｌｌＣ仕上げる。ついで、これを内径ｇＯｗｍ
、外径ｇＳ叫、長さ／１０論の軟鋼パイプ中に入れ、両
端を同−材質にて溶接密封し、これを弘ＳＯ℃に加熱し
て径２０ｗ５ＶＣ熱間押出し、さら忙伸線加工、焼鈍に
よシ径２ＩＩｍの線材とする。この線材の機械的特性を
第１表忙併せて示す。

〔比較例２〕 比較例１において、温度／ｌＯθ℃のＣｕ溶湯を用いた
以外は同様圧して径コ■の線材を得た。

このものの機械的特性を第１表に併せて示す。

〔比較例３〕 実施例３において、熱間静水圧成形の条件を第ｑ図忙示
すよう罠実施し、同様ＶＣ２１１Ｉ＋の線材な得　４゜
た。このものの機械的特性を第１表に併せて示す。

第２表 第１表から明らかなように、この発明によって得られる
ＦＲＭは機械的特性が従来法のものに比べて大きく向上
していることがわかシ、繊維の補強効果が十分生される
ことが認められる。

〔発明の効果〕

以上説明したように１この発明のＦＲＭの農法によれば
、短繊維間に完全かつ均一に金属が分布し、かつ組繊内
部に空隙、ボイド等がなく、シかも繊維と金属との不賛
な反応も生じず、機械的特性、加工性等の優秀なＦＲＭ
が得られる。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれもこの発明の実施例および比較例における
熱間静水圧成形の際の成形条件を示すグラフである。 第１図 □時間 第３図 第４図 ■、　事件の表示 昭和６０年特許願第６０６号 ２、　発明の名称 繊維強化金属材の製法 ３、補正をする者

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　金属粉末と補強用繊維との混合物を圧粉成形し
   たのち、この圧粉成形体を容器内に密閉し、ついで熱間
   静水圧で加圧成形する繊維強化金属材の製法。
2. （２）　上記熱間静水圧成形を２段加圧で行う特許請求
   の範囲第１項記載の繊維強化金属材の製法。
3. （３）　上記２段加圧において、第１段加圧は上記粉末
   金属の融点未満の温度で低圧で行い、第２段加圧は上記
   融点以上の温度で第１段の圧力よりも高圧で行う 特許請求の範囲第２項記載の繊維強化金属材の製法。