JPS61213330A - 耐高温強度棒状体およびその製造方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明はボルトその他の機械的結合手段等に適用される
高比強度および高比弾性を備えた耐高温強度棒状体およ
びその製造方法に関する。

〔発明の技術的背狽とその問題点〕 構造物を機械的に接合する手段として、例えばボルト結
合が一般的に用いられているが、これらは高・強度を目
的としているため従来は鉄系材料で構成されるものがほ
とんどであった。ところが、最近では特殊な目的のため
にＦｅ系材料以外のボルトの必要性も生じている。例え
ば宇宙機器、航空機、自動車、ロボットなどの分野では
軽石化が最優先するが、へ強度と共に高弾性を兼ね備え
ることが強く求められている。また原子力、核融合およ
び高エネルギ物理等の分野で用いるボルト等の場合、ｌ
”ｅ系材料製のものでは誘１ｇ放射化により放射能が低
減するまで長期間を必要どし、人体への影響が懸念され
るため、半減期の短い軽元素金属、特にＡｌ系材料での
設計製作がなされるＪ：うになってきている。Ａｌ系材
料はＦｅ系材料に比べ重量を約１／３、半減期を約１／
１０に減少することが可能である。Ａｌ系材料の中でも
ジュラルミンと総称される高力Ａｌ！合金においては、
Ｆｅ系材料に近い強度特性を得ることが可能であるが、
弾性率の向上がほとんどないことが欠点である。また高
力Ａ１合金を形成する添加元素としてのＣｕ、Ｍｎ、Ｚ
ｎ等は放射化が大きく不適元素である。ざらに、これら
の分野では超高真空を述するため、１３０〜２００℃程
度に加熱するベーキング処理を必要とするが、Ａｊ！系
材料を単体で用いた場合には１００℃以上の高温下にお
いては急激に強度低下する欠点があった。

ところで、従来、軽量強化材として、軽金属マトリック
ス中にウィスカを混入した金属基複合材料が知られてい
る。このようなウィスカ混入の複合材料は高温耐熱強度
を有することから、この材料によりボルト等の耐強度棒
状体を構成することが考えられる。しかし、高引張り、
剪断力等を受けるボルト等に単なる複合材料をそのまま
の形態で適用した場合には、強度上の信頼性が必ずしも
完全ではなく、例えば亀裂等が生じると、その成長の抑
制が困難である等の問題がある。

また、従来、このような金属基複合材料の成形に際して
は、ウィスカを有磯溶剤で固めたプリフォームを作り、
これを成形型内に収納して軽金属Ｆ８ＫＪを注湯する方
法が一般に採用されている。

この場合、ウィスカのマトリックス金属中への含有体積
率を増大させ、製品の強度を高める手段として、プリフ
ォーム成形時に加圧による濃縮化を図ることが行なわれ
ている。しかし、加圧力除去後に、内部圧力によって膨
張したり、プリフォーム外表面にひび割れ等を生じ、好
ましい成形が行なえなくなる問題がある。

（発明の目的〕 本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高強
度と高弾性を右するとともに高温強度を有し、半減期を
短くできる耐高温強度棒状体と、その棒状体をウィスカ
複合材料で構成する場合に高ウィスカ体積率のプリフォ
ームを良好な形状で得ることができる製造方法を提供す
ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の耐高温強度棒状体は、引張り、剪断等の荷重が
高温状態下で作用する部分に使用される耐高温強度棒状
体において、耐熱性を右する軽金属材料を主体とし、そ
の軸心部に軸心方向に沿う耐熱性長繊維束を配設したこ
とを特徴としている。

望ましくは、棒状主体部分を軽金属マトリックス中にウ
ィスカを混入したものとし、耐熱性長１１１ｍ束は耐熱
無機物からなるものとする。

また、本発明の耐高温強度棒状体の製造方法はウィスカ
の分散液を混合・撹拌する第１の工程と、第１の工程で
得られた懸濁液を注型後脱液し、次いで加圧して第１の
プリフォームを成形する第２の工程と、第１のプリフォ
ームを分散液中で混合・撹拌する第３の工程と、第３の
工程で得られた懸濁液を注型後脱液して第２のプリフォ
ームを成形する第４の工程とからなるプリフォーム成形
工程を右し、上記工程において得られたプリフォームの
中心部に繊維束を配置して、そのプリフォームに軽金属
溶湯を注湯することを特徴とする。

本発明において、マトリックスを構成する軽金属として
は、Ａｌ系、Ｍｇ系、Ｔｉ系のものを適用する。また耐
熱性長繊維束を構成する耐熱無機物およびウィスカとし
ては、Ａｌ２Ｏ２系、ＳｉＣ系、Ｃ系、Ｂ系、３ｉ−Ｔ
ｉ　−Ｃ系等を挙げることができる。これらの耐熱無機
物からなるｍ帷束およびウィスカは比較的密度が小さく
、したがってこれらを軽金属マトリックス中に混入する
と軽量複合材料が得られる。

本発明に係る耐高温強度棒状体、例えばボルトは、その
円周方向中心部の長手方向に沿って前述した耐熱性長繊
維束が軽金属マトリックス中に混入され、その外周部分
は、例えば軽金属マトリックス中にウィスカを混入した
構造となっている。

このように、繊維およびウィスカを軽金属マトリックス
中に混入した金属基複合材料にとすることによって、高
比強度と高弾性を有するボルトが構成できる。また、ボ
ルトの外周部は軽金属マトリックス中にウィスカが混入
した構造であるため、転造、切削等によるボルトの成形
加工が容易となる。

次にボルトの円周方向中央部の長手方向に沿って配置さ
れるｍ維」については、ボルト成形前の素形材の径（Ｄ
）に対して、中央部の繊維束径を（ｄ）とした場合、０
．２＜ｄ／Ｄ＜０．８とすることが望ましい。ｄ／Ｄが
０．２よりも小さいと、素形材製造時に繊維を素形材の
円周方向中央部の長手方向に沿って直線的に配置させる
ことが技術的に困難である。一方、ｄ／Ｄが０．８より
も大きいと、Ｉｌｉ帷がネジ加工部にも配置されるよう
になるため、ネジ加工法が切削加工の場合、繊維を切断
するためボルトの強度低下を生じ、また、ネジ加工法が
転造加工の場合には繊維が破損して、ネジ加工が困難と
なる。

本発明に係る耐高温強度棒状体の製造方法では、ウィス
カのプリフォーム成形を行なう。このプリフォーム成形
は、有機系バインダーによるプリフォーム成形であるが
、約５００〜８００℃程度の高温加圧成形となるため、
有機系バインダーは約２００〜３００℃程度で飛散する
。このため３０％以下のｍｍでは局部的な片寄りを生じ
、体積率のバラツキが大きな問題となる。また繊維では
体積率が増すと機械的強度も比例して向上するが、体積
率７０％以上ではマトリックス金属が繊維の周辺まで完
全に廻り込めず、欠陥の多い材料となる。したがって、
ボルト素形材中の円周中央部に長手方向に直線的かつ均
一的に繊維を配向させるためにはｍ＃ｆｆ束内の適正な
体積率としては３０〜７０％の範囲が好適である。

一方、ウィスカはそれ自体粉状であり、所定の形状とす
るためには水あるいは有機溶剤中に浸漬してからプリフ
ォーム成形を行なう。ウィスカのプリフォームを成形す
る場合、ウィスカ体積率は１０〜４０％の範囲とするこ
とが望ましい。水また有機溶剤中にウィスカを分散した
液を乾燥したときのウィスカ体積率が１０％程度あり、
またウィスカ体積率が４０％を超えると、ウィスカによ
り複合材料の強化に対する効果が小さく、また伸びが急
激に低下する。

さらに、本発明による耐高温強度棒状体の製造方法では
、ウィスカのプリフォーム成形に際し、二段階液混合工
程を施す。即ち、第１の工程でウィスカの分散液を混合
、撹拌および脱液した後、加圧してウィスカの体積率を
高めた第１のプリフォーム成形を行ない、これを乾燥し
た後、再度懸濁液にして、脱液、乾燥して第２のプリフ
ォーム成形を行なう。これにより、第１のプリフォーム
の乾燥時に内部圧力によりひび割れ等が生じても、再度
の液混合および非加圧乾燥により、ひび割れ等を消去す
ることができる。

〔発明の実施例〕

第１図（Ａ）〜（Ｇ）は本発明に係る耐高温強度棒状体
、例えばボルトの製造方法の各工程順に示す工程である
。例えば、ＳｉＣからなるウィスカ１を水２（または有
機溶剤）中に混入し、撹拌器３により撹拌する（Ａ）。

次いで、このウィスカ１が混入した懸濁液４を筒状の型
５内に流入さぽ、ｗ！紙等の滅過材６を介して吸引器７
により水２を吸引する（Ｂ）。この状態では、プリフォ
ームのウィスカ体積率は約１０％である。次いで湿潤状
態のＳｉＣウィスカ１を加圧機８で加圧する（Ｃ）。こ
れにより、プリフォームのウィスカ体積率は約３０％ま
で高まる。加圧成形後、ウィスカのプリフォーム９を取
り出ず（０）。このプリフォームはＳｉＣウィスカ１の
スプリングバックにより無数の割れが発生する。割れの
発生したプリフォームに再度水２（または有機溶剤）を
加え、撹拌器３により混合撹拌する（Ｅ）。次いで筒状
の型５の中心部に繊維のプリフォーム１０を配置させ、
この繊維プリフォーム１０の外周側にウィスカの懸濁液
１１を流入させ、第１図（Ｂ）で示す方法と同様にして
真空吸引を行なう（Ｆ）。これによって円周方向中心部
の長手方向に沿って繊維プリフォーム１０が配置され、
その外周部のウィスカのプリフォーム１２が配置された
角柱状のプリフォーム１３を取り出し乾燥する（Ｇ）。

このプリフォーム１３は割れがなく、第１図（Ｃ）で加
圧したときのプリフォームと同程度、例えば３０％のウ
ィスカ体積率を有する。

このようにして得られた角柱状のプリフォーム１３にＡ
ｊ！系、ＭＱ系、Ｔｉ系の軽合金溶湯を注湯した後、例
えば第１図（Ｈ）の如く丸棒状に成形し、その後、切削
加工、転造加工等の方法によつでネジ加工を行ない所定
形状のボルトとすることができる。

本実施例のボルトの製造方法において、第１図（Ａ）〜
第１図（Ｇ）で示す各工程によって直接第１図（Ｈ）に
示す円柱状にプリフォームを成形してもよい。また円柱
状または角柱状のウィスカプリフォームを成形し、次い
でウィスカプリフォームの中心部に穿孔を設け、この孔
部に繊維プリフォームを挿入した後、Ａｌ系合金等の溶
湯をプリフォームに注湯してもよい。

第１表は本実施例に用いた金属基複合材料の単体素材の
各種特性について示したものであるが、Ａｌ２Ｏ３繊維
とＳｉＣウィスカはマトリックスのＡ７合金と同程度の
密度であり、かつ引張強さや弾性率は著しく高い強化素
材であることがわかる。

第　　１　　　表 第２図はボルトの円周方向中央部の長手方向に沿って配
置させたＡ第２０３系ｖａｎ束１４の直径を素形材の直
径の半分の３．５ａｍとし、さらにその外周表面部を６
０６１Ａｊ！合金１５として、転造ネジ加工を行なった
Ｍ８ボルトである。第３図は、外周表面部を３０％体積
率でＳ　ｉ　Ｃ，ウィスカ強化した６０６１Ａｊ！合金
１６としたもので、それ以外は第２図同様にしたＭ８ボ
ルト（本発明）である。

Ｍ８ボルト各温度における引張試験結果を第４図に示す
。曲線Ａは第２図に示したボルト、曲線”Ｂは第３図に
示したボルト、曲線Ｃは市販されている６０６１−Ｔ６
のＡ１合金ボルトである。本発明によるポル１〜は室温
の破断荷重は２．０〜２．５ｔｏｎ程度であり、市販の
Ａ１合金ボルトの約１，３ｔｏｎに比べ著しい強度向上
が認められる。さらに本発明によるボルトの大きな特徴
として、高温強度が大きく向上することであり、Ａ１合
金ボルトでは１００℃を超えると曲ｗＩＣの通り急激な
強度低下を示すが、第２図のボルトでは曲線Ａの通り１
５０℃停止度まで、さらに第３図のボルトでは曲線７の
通り３００’Ｃ程度まで強度低下がなく非常に良好であ
る。また前述した３種類のボルト成形前の素形材におい
て、室温における密度と弾性率の測定結果を第２表に示
すが、本発明のボルトは市販のＡｌ！合金ボルトに比べ
同等のレベルの密度を有しており、弾性率の向上が大き
いことがわかる。

次に素形材の系（Ｄ）に対して内周中央部の長手方向に
配向したｌ！維束径（ｄ）とした場合、素形材径（Ｄ＞
中に含まれる１ｉｌｌＩ東径（ｄ）の割合ｄ／Ｄとして
成形したＭボルトの破断荷重の関係を第５図に示す。

第５図から明らかなように破断荷重はｄ／Ｄが約０．８
まで直線的に増大していることがわかる。

第６図はＡｊ！中の５ｉＣ（ウィスカ）体積率と機械的
特性との関係を示し、５ｉＣ（ウィスカ）の体積率が１
０〜４０％の範囲では体積率が向上するにつれて、引張
強さおよび０．２％耐力が急激に増大し、一方、伸びは
体積率が４０％を超えると急激に低下していることがわ
かる。

第７図は５ｉＣ（ウィスカ）プリフォームの体積率と面
圧との関係を示し、第２図に示すプリフォームの成形工
程において、５ｉＣ（ウィスカ）のプリフォームを再懸
濁して再度プリフォームを成形すると、再ｌＩｌ？１１
時（破線ｂ）では最初に加圧したときく実線ａ）に比べ
て若干の体積率減少はあるものの、略最初の値に近い体
積率のプリフォームが成形できることがわかる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明に係る＃４高温強度棒状体に
よれば、耐熱性を有する軽金属を主体とし、その軸心部
に軸方向に沿って耐熱性長１１束を配設することにより
、引張り、剪断等の荷重がａ編上で作用しても、十分な
高強度、高弾性を発揮することができる。特に主体部を
軽金属マトリックスに比重の小さいウィスカを混入した
複合強化材料とした場合には、繊維束による軸心部補強
作用により、さらに高比強度と高比弾性を有するものと
なる。そして、例えばボルト等に適用した場合には、従
来のＡ１合金ボルトが使用不可能な１００〜３００℃近
い高温領域でも、各種特性の低下が小さい助他意で十分
適用できるようになる。また、複合強化材としての繊維
やウィスカは、Ａｊ！２０３系、ＳａＣ系、Ｃ系、Ｂ系
、、ｓｌ−’ｒｉ−Ｑ系等であり、マトリックスのＡｉ
＋同様に半減期が小さいため、放射化が問題とされる分
野においても、高力Ａ１合金よりも好ましい材料となる
等の効果がある。

また、ウィスカのプリフォーム成形においては、ウィス
カの体積率が高いプリフォームが、ひび割れ等の不都合
を生じることなく、良好な形態で得られ、上記の棒状体
の成形を容易、かつ確実に行なうことができる。

このように本発明に係る棒状体によれば、その耐熱性、
高比強度、高比弾性、低放射能化等に基づき、宇宙、航
空、自動車、ロボット、原子力、核融合、高エネルギ物
理等の分野における部品として、信頼性や健全性を著し
く高める等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｇ）は本発明に係る耐高温強度棒状体
の製造方法の一例を各工程順に示す工程図、第１図（Ｈ
）は得られた耐高温強度棒状体の素形を示す斜視図、第
２図は外周部をＡ１合金として経過ネジ加工したＭ８ポ
ル１−の断面図、第３図は外周部をＳｉＣウィスカ強化
材としたＭ８ボルトの断面図、第４図は各ボルトの破断
荷重特性線図、第５図は素形材径と！［束径との割合を
変化させた場合の破断荷重特性線図、第６図はウィスカ
体積率と引張強さ等との関係を示す特性線図、第７図は
ウィスカプリフォームの体積率と面圧との関係を示す特
性線図である。 １・・・ウィスカ（ＳｉＣ）、２・・・水（または有機
溶剤）、３・・・撹拌器、４・・・懸濁液、５・・・型
、６・・・濾過材、７・・・吸引器、８・・・加圧機、
９・・・プリフォーム（ウィスカ）、１０・・・プリフ
ォーム（繊維）、１１・・・懸濁液、１２・・・プリフ
ォーム（ウィスカ）、１３・・・プリフォーム（ウィス
カおよび繊維）、１４・・・Ａｌ２Ｏ３系繊維束、１訃
・・６０６１Ａ７合金、１６・・・ＳｉＣウィスカ強化
６０６１△１合金。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第１図 第２図 第３図 ０２％而１面（Ｋｇｆ／ｍｍ　）、グ１５１Ｈｓ（Ｋｇ
ｆ／ｍｍ２）仲α　％

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、引張り、剪断等の荷重が高温状態下で作用する部分
   に使用される耐高温強度棒状体において、耐熱性を有す
   る軽金属材料を主体とし、その軸心部に軸心方向に沿う
   耐熱性長繊維束を配設したことを特徴とする耐高温強度
   棒状体。 ２、棒状体主体部は軽金属マトリックス中にウィスカを
   混入した金属基複合材料からなり、耐熱性長繊維束は耐
   熱無機繊維からなる特許請求の範囲第１項記載の耐高温
   強度棒状体。 ３、軽金属マトリックスが、Ａｌ系、Ｍｇ系、Ｔｉ系の
   いずれかである特許請求の範囲第２項記載の耐高温強度
   棒状体。 ４、耐熱無機繊維が、Ａｌ＿２Ｏ＿３系、ＳｉＣ系、Ｃ
   系、Ｂ系、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ系のいずれか１種以上である
   特許請求の範囲第２項記載の耐高温強度棒状体。 ５、ウィスカが、ＳｉＣ系、またはＡｌ＿２Ｏ＿３系の
   いずれか１種以上である特許請求の範囲第２項記載の耐
   高温強度棒状体。 ６、軽金属マトリックス中に体積率３０〜７０％の範囲
   で耐熱無機繊維が混入されている特許請求の範囲第２項
   記載の耐高温強度棒状体。 ７、軽金属マトリックス中に体積率１０〜４０％の範囲
   でウィスカが混入されている特許請求の範囲第２項記載
   の耐高温強度棒状体。 ８、棒状体主体部は外周部に転造または切削加工により
   ねじ山を形成され、これによりボルトとされている特許
   請求の範囲第１項記載の耐高温強度棒状体。 ９、ボルトの素形材径（Ｄ）に対し、その軸心部に配設
   した繊維束径（ｄ）の割合を０．２＜ｄ／Ｄ＜０．８と
   した特許請求の範囲第８項記載の耐高温強度棒状体。 １０、ウィスカの分散液を混合・攪拌する第１の工程と
   、第１の工程で得られた懸濁液を注型後脱液し、次いで
   加圧して第１のプリフォームを成形する第２の工程と、
   第１のプリフォームを分散液中で混合・撹拌する第３の
   工程と、第３の工程で得られた懸濁液を注型後脱液して
   第２のプリフォームを成形する第４の工程からなるプリ
   フォーム成形工程とを有し、上記工程において得られた
   プリフォームの中心部に繊維束を配置し、そのプリフォ
   ームに軽金属溶湯を注湯することを特徴とする耐高温強
   度棒状体の製造方法。 １１、第４の工程において、繊維束を型の中心部に配置
   し、その状態下で懸濁液注型を行なう特許請求の範囲第
   １０項記載の耐高温強度棒状体の製造方法。