JPS6146531B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は極微繊維を用いる繊維強化金属複合物
の製造方法に関するものである。

高強度の、軽量の金属に対する需要が増すにつ
れ、繊維強化金属複合物（composite）の製造方
法に関する多くの技術の発展が促されてきた。高
強度の単一結晶繊維あるいはウイスカーの、金属
マトリツクス（matrix）中の効果的な混合は金
属の機械的性質と高強度の繊維の機械的性質との
組み合わせに帰因する。

例えば、通常の治金方法では、強度が高められ
た金属合金を製造できるが、金属の剛さ（stiff―
ness）は同じようなものであろう。しかしなが
らほぼ525×10⁴Kg／cm²の剛さを有する炭化ケイ素
のウイスカーを、ほぼ70×10⁴Kg／cm²の剛さを有
するアルミニウムと混合させると、アルミニウム
のそれより大きい剛さを有する金属複合物が結果
として生じる。

80容量％のアルミニウムと20容量％の炭化ケイ
素ウイスカーからなる複合物は、鋼鉄と実質的に
等しい剛さを持つであろうし、しかも認められる
程の重量の増加もない。かくして鋼鉄の剛さを持
ち耐腐食性のある軽重量のアルミニウムが提供さ
れた。

繊維強化金属複合物の製造において遭遇した多
くの難事とこれらの難事を解決した新規な方法に
ついて米国特許3441392号；3498890号；3668748
号；3828417号及び3833697号に開示されている。
これらの特許に記載した製造方法は先行技術より
も非常に多くの利点をもつものであるが、これら
の製造方法は、すべて比較的大きな形状を有する
ウイスカーを使用した金属複合物の製造方法に関
するものである。これらの製造方法に使用するウ
イスカーは数＋ミクロンの範囲の直径を有するも
のであり、通常30ミクロンまでのものであつた。
しかも1/2インチまでの長さをもつものであつ
た。引き続いて、サブミクロンから上限として10
ミクロンまでの範囲の直径を有する極微
（microscopic）ウイスカーが着実に利用できる点
までセラミツク繊維の技術が進歩した。UCC社
製のVM0032黒鉛ウイスカーは、１〜９ミクロン
の直径を持つものが用いられており、一方ユタ州
ソルトレイク市のエクソンエンタープライズ社製
の炭化ケイ素ウイスカーは500Å〜1000Åのサブ
ミクロンの範囲の直径を有している。

金属強化用に使用される極微ウイスカーは優れ
た金属複合物製品を提供するであろう。複合物中
にこれらのウイスカーを均一に分散させればどの
部分においても高強度をもつ繊維を提供すること
となるであろう。例えば、非結合状態で約250×
10⁶個のエクソン社炭化ケイ素繊維は1.6×10^-5立
方メートル（１立方インチ）を占めるのみであ
る。これらの繊維の長さは従来の金属複合物製造
方法に普通使用されている繊維の直径より短か
い。

従来は、サブミクロンから10ミクロン以下の直
径を有する極徴セラミツクウイスカーは、金属マ
トリツクス複合物に用いるには不適であるとされ
てきた。例えば500〜1000Åの直径を有する炭化
ケイ素繊維を用いるような場合、エポキシ樹脂あ
るいは溶融プラスチツクで、穴あるいはボイドを
形成することなく繊維を結合することは難しかつ
た。また金属粉を加えた場合、これはさらに困難
になつた。金属粉中に繊維を均一に分散させる必
要があり、さらに金属―繊維混合物を成型用のダ
イス型のキヤビテイに仕込む際、この均一な分散
物を維持する必要があつた。

本発明の第一の目的は非常に極微の繊維で強化
した金属マトリツクス複合物を製造する新規かつ
改良された製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、10ミクロン以下の直径を
有する強化繊維を、強化ウイスカーとして有効に
使用して金属マトリツクス複合物を製造する新規
かつ改良された製造方法を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、非常に極微の繊維を
金属粉及び混合用媒質（vehicle）と混ぜ、次い
で室温で何回にも押し出し成型し、金属マトリツ
クス全体に繊維を実質的に均一に分布することか
らなる金属マトリツクス複合物を製造する新規か
つ改良された製造方法を提供することにある。次
いで該混合用媒質は、前記分布を維持しながら該
混合物から除かれる。

本発明の更に別の目的は、非常に極微の繊維を
金属粉全体に一様に分散させ、ダイス型キヤビテ
イ中で繊維強化金属ビレツト（billet）を製造す
ることからなる金属マトリツクス複合物の新規か
つ改良された製造方法を提供することにある。

本発明のこれら目的ならびに他の目的は、以下
に記載する説明ならびに特許請求の範囲を考慮す
ればおのずから明らかになろう。

概括的には、本発明の製造方法は、ベースであ
る金属粉と繊維を置くこと（setting up）から始
まる。金属マトリツクスはマイナス200メツシユ
以下の微細な金属粉からなり、マイナス325の金
属粉が好ましい。適切な金属粉に関して、本発明
者は米国特許3441392号；3668697号及び3833697
号に記載しており、参考としてここに併記する。
6061、2024、7075、5052及び1100と称される、マ
イナス325メツシユ範囲の純粋なアルミニウム
粉、及びアルミニウム粉組成物がバージニア州リ
ツチモンドのレイノルズアルミニウムカンパニー
から入手できる。

まず繊維と金属粉を、繊維が混合物中10〜30容
量パーセントをしめるようにはかりとる。繊維の
容量が20容量％であるのが好ましい。この位が金
属マトリツクス中に混合するのに最も容易である
ことが見出された。上記したように、10ミクロン
以下の直径を有する繊維は、黒鉛繊維あるいは炭
化ケイ素の繊維からなることも可能である。これ
らの繊維は極微細で無秩序に配向した形状であ
る。個々の繊維は顕微鏡で見ない限り長さは明ら
かにわからない。

繊維と金属粉の割合を決められた量はかりとつ
た後、大きい容器に仕込み激しく振動する。理想
的には、この振動は５〜15分間、溶融したカンフ
エンの媒質中で行なう。使用するカンフエンの容
量は繊維―金属粉混合物の全容量と少なくとも等
量、好ましくは等量以上でなければならない。カ
ンフエンのような媒質は、繊維の分散、配向が維
持されるよう一旦極微繊維を金属マトリツクス中
に分散させ、配向させるのが有用であることが判
明した。この目的に使う媒質は低融点を有し、金
属マトリツクスと反応せず、蒸発して実質的に残
渣を残さず、しかも室温で押し出し成型が出来る
ものでなければならない。イーストン・コダツ
ク・カンパニーあるいはグリツデンダーキイカン
パニー（Glidden Durkee Company）で販売さ
れている粗カンフエンは確かに有用ではあるが、
粗カンフエンはアルミニウム及び他の金属粉をア
タツクすることがわかつた。しかしながら粗カン
フエンを一度減圧蒸留すれば本発明の製造方法に
用いるのに適する。粗カンフエンを一回のみ減圧
蒸留サイクルにかけて得られた蒸留カンフエンは
有効な媒質として働くことが判明した。勿論、多
回蒸留サイクルにかけて得られる、より精製され
た蒸留カンフエンはさらに好ましいけれど。

蒸留カンフエンは約52℃で溶解する。溶融した
蒸留カンフエンは、金属粉と極微繊維の決められ
た量のものと共に、混合容器中に入れられる
（insert）。容器中で５〜15分間、はげしく振動し
混合させた後、得られた混合物を冷凍下（under
refrigeration）に冷却し、すべてのカンフエンを
固化させる。カンフエン媒質中に、金属粉と繊維
の冷凍された混合物は、よくいつても非常に悪
い。繊維は金属マトリツクスよりずつと軽量であ
り、そして通常驚くべき程に繊維のサイズと形状
及び金属粉の粒子サイズは変化する。該混合物か
ら強固な（sound）金属複合物ビレツトを得るに
は、繊維を金属マトリツクス中に均等に分散させ
なければならない。

繊維―金属粉の良好な分散状態を得るために、
冷凍された混合物をカンフエン媒質が固化した後
室温で押し出し成型する。混合物を含む冷凍され
たブロツクを、一般的に使用されているダイス型
の押し出し成型器で成型し、この押し出し成型の
工程は少なくとも３回くり返す。混合材料を何回
も押し出し成型すれば、金属粉マトリツクス全体
に極微繊維の極めて良好な分散状態が得られる。
最小限度として３回の押し出し成型が必要である
が、さらに最良の分散状態をうるまで、押出し成
型することもできる。３回の押し出し成型を遂行
した後、繊維の分散状態を顕微鏡でチエツクし、
さらに追加の押し出し成型をかける時はその都度
再チエツクしなければならない。押し出し成型の
過程が終つたら、カンフエン―繊維―金属粉の混
合物を減圧器中に設置し、容器を減圧してカンフ
エンを減圧除去する。蒸発カンフエンは保有しか
つ再使用することができる。すべてのカンフエン
を混合物から減圧除去すれば、ここに乾燥混合物
がビレツトに強化（consolidation）されるため用
意されたことになる。ビレツト調製用装置は、全
く普通に使用されているものでよく、円筒形のス
チールあるいは黒鉛の型、パンチあるいはプラン
ジヤー、加熱器、温度測定用の熱電対及び（水
圧）プレスからなる。本発明を遂行するのに適し
た装置に関しては、本発明者は米国特許3441392
号に記載している。

乾燥混合物を静かにダイス型のキヤビテイに注
ぎ入れる。金属粉は見かけ上はゆるやかに繊維に
付着しているようではあるが分離（segregate）
はしない。カンフエン成分からはなれた残存薄い
油状のフイルムが、この有益な挙動の役目を果し
ているようだ。もしも混合物が分離したら、分散
状態は悪くなるであろうしビレツトの品質も劣る
であろう。

ダイス型のキヤビテイに混合物を満した後、パ
ンチをキヤビテイ内に置く。少くとも35Kg／cm²好
ましくは70〜105Kg／cm²の圧力を該パンチによつ
て混合物にかける。金属粉と繊維上の混合用の媒
質により残されたフイルムにより、ここで再び荷
重による繊維のダメージは最小になり外見上フイ
ルムは潤滑剤のような作用をする。米国特許
3441392号に記載した製造方法と異なり、本発明
の製造方法は混合物が室温の温度にある間に、ダ
イス型のキヤビテイ中にある混合物に圧力をかけ
る工程を含む。

ダイス型の集合体（assembly）全体は、その
場所に於けるパンチと共に金属粉の融点以上の温
度にまで急速に加熱する。この際パンチ上にはほ
とんど圧力をかけないか、又は追加の圧力をかけ
ない。ダイス型の容積とダイス型中の混合物の量
がわかつており、混合物が100％に稠密化（den
―sified）されたなら占めるであろう容積が計算
できるので、その計算された第２の圧力をかけ
る。

例えば、ボイドがないようにするには、2.7グ
ラムのアルミニウムが１cm³の体積をしめねばなら
ない。同様に、2.7グラムのアルミニウムと3.17
グラムの炭化ケイ素繊維がボイドがないようにす
るには２cm³の体積をしめねばならない。ダイス型
中の混合物がボイドがないならばしめるであろう
体積を計算するために、混合物の法則（Law of
Mixtures）を用いて、ボイドのない容積だけが
残るように、ダイス型へのパンチの、必要な動き
が計算できる。ダイス型キヤビテイを熱して、混
合物が半溶融状態になつた後に起こるであろう必
要なパンチの動きは、かくして前もつて計算でき
る。パンチをその距離だけ下方に動かすのに要求
される圧力であるなら、どんな圧力でも利用でき
るが一般的には140Kg／cm²を越える。すべての空
気を混合物から排出すると同時に、溶融金属が繊
維を包み込む。ラムの移動（ram travel）は、完
全な稠密化を保証する計算された移動より考慮し
た上で約５％多めにする。そして過剰の溶融金属
はダイス型とパンチの間の環状の空間を経由して
ダイス型から離脱する。ダイス型キヤビテイ内で
のパンチの５％過剰の移動は室温での容積を計算
することで容易に得られる。

圧力を再びかける際には、ダイス型キヤビテイ
中の混合物を加熱するので、混合物の熱膨張によ
り、プレスされたビレツトが実質的にボイドがな
いことを保証するのに必要とされる計算値より若
干多めにする。圧力を維持し、ダイス型とビレツ
トは冷却する。その後冷却したビレツトをダイス
型から取り出し使用に供する。

最終の加圧工程で、種々の金属―繊維混合物を
半溶融状態にするのに必要とする温度については
本発明者は米国特許3441392号及び3833697号に十
分に記載している。そしてこれらの特許に記載し
た装置並びに温度は本発明の方法を遂行するのに
使用される。

先に強調して述べたように、最終製品のビレツ
トを作製する本発明の方法は、前述の諸特許に記
載された方法と、最初に室温でダイス型中の混合
物に圧力をかけるという点で異なる。

その後、ダイス型キヤビテイの温度をあげて混
合物を前記の特許に記載された半溶融状態にする
間に、ダイス型を最初に圧縮した混合物に対して
保持する。その後、ビレツトを好ましい稠密化状
態にするため、パンチをダイス型のあらかじめ決
められた位置に動かす。極微の繊維は金属粉―繊
維混合物全体に一様に分散させた後、室温で繊維
にダメージを与えずに、混合物に圧力をかけるこ
とができる。この冷間加圧工程は以下の理由によ
り極めて有益である。加熱前に混合物中にあるほ
とんどのボイドを除去し、かつ引き続いて加熱
後、半溶融状態の混合物全体に均一な繊維の分散
を台なし（upset）にするように起る、金属粉の
粒子と繊維間の、実質的な相対的な動きをなくす
る。

加熱前の混合物への重要な意味を持つ圧力の適
応は、混合物を圧縮し、次の加圧工程中加熱され
る混合物のかさは極めて小さくなつており、混合
物全体にわたり等しく温度を維持することが容易
になる。

本発明の製造方法は以下の実施例で示すように
極微の黒鉛及び炭化ケイ素繊維について効果的に
用いられる。

実施例 １ １〜９ミクロンの直径を有する黒鉛繊維
（VM0032、ユニオンカーバイドカンパニー社
製）をアルミニウム粉（マイナス325メツシユ）
と溶融状態の蒸留カンフエンと共にミキサーに仕
込む。黒鉛繊維が繊維―金属粉混合物中20容量％
をしめるようにする。混合物を５〜15分間激しく
振動させ、次にカンフエンが固化するまで冷凍す
る。固化した混合物を４回にわたり押し出し成型
し、次に紙タオルで包んで減圧室に入れる。次い
でカンフエンを減圧除去し乾燥した混合物を注意
してダイス型キヤビテイに仕込む。パンチをキヤ
ビテイに差し込み、まず混合物を少くとも35Kg／
cm²の加圧下に室温で圧縮する。最初の圧縮後、パ
ンチに圧力を加えずに、ダイス型をアルミニウム
粉の融点以上に加熱し、パンチを内部に移動させ
て100％の理論密度の時に混合物が占めるキヤビ
テイの大きさにまでダイス型キヤビテイを圧縮す
る。該キヤビテイをパンチを設置した状態で冷却
し、次に最終製造物のビレツトととり出す。

実施例 ２ 500〜1000Åの直径を有する炭化ケイ素繊維
（エクソンエンタープライズ社製）をアルミニウ
ム粉（マイナス325メツシユ）と共に容器に仕込
み、繊維の固まりを解砕（disintegrate）させ、
金属粉を繊維に付着させるために共に混練する。
炭化ケイ素繊維が繊維―金属粉混合物中20容量％
占めるようにし、極めて微細な繊維は混合される
と金属粉と共に練り粉状（dough―like）の粘稠
度をもつ混合物を形成する。従つてカンフエンの
ような混合用媒質を使用する必要はなくなる。該
練り粉状の混合物を室温で３回にわたり押し出し
成型にかけ、次にダイス型キヤビテイに仕込む。
パンチを差し込んで室温で少くとも35Kg／cm²の加
圧下に混合物を圧縮する。その後圧力を加えるこ
となく、ダイス型をアルミニウム粉の融点以上に
加熱する。前述した方法でパンチを内部に移動さ
せ、最大の密度を得るためダイス型キヤビテイを
圧縮する。キヤビテイを冷却し、最終製品のビレ
ツトをとり出す。

極微の炭化ケイ素は冷間加圧工程中280Kg／cm²
まで加圧できることがわかつた。その冷間加圧工
程は、該繊維が冷間加圧工程中金属粉中に均一に
分散するという点に関して極めて有益である。逆
にもし混合物を最初から半溶融状態に加熱すれ
ば、半溶融金属中の繊維の移動はもつと大きくな
る。

カンフエン以外の媒質でも金属を極微繊維に接
着して実質的にボイドのないビレツトを造るもの
である限り使用可能である。マグネシウム粉は普
通非常に燃えやすいが、アルミニウムと合金にす
れば、このような媒質として使用できる。

実施例 ３ 500〜1000Åの直径を有する炭化ケイ素（エク
ソンエンタープライズ社製）をマグネシウム粉
（マイナス250メツシユ）と共に鉄製ルツボに仕込
む。そして混合物をマグネシウムの融点以下でマ
グネシウムが蒸発するのに十分高い温度（600
℃）に不活性雰囲気下で加熱する。繊維がマグネ
シウム蒸気に接して褐色になるまで加熱の間かく
拌する。次にアルミニウム粉（マイナス350メツ
シユ）を加熱した混合物に加え繊維が灰色になる
まで混合物をかく拌する。アルミニウム粉がマグ
ネシウムに接触し、アルミニウムが溶解し、広が
り、接着した所で共融混合物が形成される。マグ
ネシウムはアルミニウムと合金になるのでコーテ
イングされた繊維は燃えにくい。コーテイングし
た繊維を冷却し、繊維が混合物中20容量％を占め
るのに十分な量のアルミニウム粉を追加して混ぜ
る。次に実施例２のように遂行してビレツトを作
製する。

本発明の方法に用いる新規な冷間加圧工程は、
金属あるいは合金を、固体と液体の中間の状態に
保つのに必要な温度に混合物を熱することを不必
要とする。冷間加圧は実質的に混合物中繊維を最
終の位置まで至らしめるので、最終の熱間加圧の
工程中金属あるいは合金の粉が完全に溶解するよ
うな、金属あるいは合金粉の融点よりはるかに高
い温度にまで加熱することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属粉と直径10ミクロン以下の極微のセラミ
   ツク繊維を乾式混合し、乾燥金属粉―繊維混合物
   に少くとも等容量の溶解した蒸留されたカンフエ
   ンを混合し、ついで得られた混合物からカンフエ
   ンを蒸発させ、ついで少くとも３回にわたり該混
   合物を押し出し成型して該金属粉―繊維混合物中
   の全体にわたり実質的に均一な繊維の分散体を
   得、金属粉―繊維混合物を35〜280Kg／cm²の範囲
   内の最初に前もつて定められた圧力下に冷間加圧
   し、ついで得られた加圧された金属粉―繊維混合
   物を金属粉が半溶融する状態になるよう加熱し、
   さらにその稠密化物をうるため該混合物を熱間加
   圧し、ついで得られた複合物を冷却することから
   なる、繊維強化金属複合物の製造方法。 ２ セラミツク繊維は黒鉛あるいは炭化ケイ素の
   いずれかの繊維からなりかつ該金属粉がマイナス
   200メツシユ以下のアルミニウム粉からなり、該
   セラミツク繊維が全金属粉―繊維混合物に対し体
   積で10％から30％を構成することからなる特許請
   求の範囲第１項に記載された繊維強化金属複合物
   の製造方法。 ３ 該金属粉がマイナス200メツシユ以下であ
   り、該セラミツク繊維が金属粉―繊維混合物に対
   し容積で10〜30％を構成し、該金属粉―繊維混合
   物は該混合物をダイス型のキヤビテイに置くこと
   により冷間加圧し、35―280Kg／cm²の範囲内の最
   初に前もつて定められた圧力に於て該混合物を冷
   間加圧するために該混合物に対しラムをそのダイ
   ス型のキヤビテイに導びき次いで該混合物を金属
   粉が半溶融状態になるのに充分な温度に加熱する
   間、加圧混合物に対するラムを維持し、次いでさ
   らにそれの稠密化物をうるべく加熱された混合物
   をラムで熱間加圧することからなる特許請求の範
   囲第１項に記載された繊維強化金属複合物の製造
   方法。 ４ 直径10ミクロン以下の極微のセラミツク繊維
   をマグネシウム粉と混合し、不活性雰囲気中混合
   物を加熱してマグネシウムを蒸発させかつ該セラ
   ミツク繊維上にマグネシウム被覆を形成し、該マ
   グネシウム被覆繊維と金属粉をまぜてマグネシウ
   ムと金属粉を合金化し、さらに追加量の金属粉を
   加えて乾式混合し、ついで少くとも３回にわたり
   該混合物を押し出し成型して、該金属粉―繊維混
   合物の全体にわたり実質的に均一な繊維の分散体
   を得、金属粉―繊維混合物を35〜280Kg／cm²の範
   囲内の最初に前もつて定められた圧力下に冷間加
   圧し、ついで得られた加圧された金属粉―繊維混
   合物を該金属粉が半溶融する状態になるよう加熱
   し、さらにその稠密化物をうるため該混合物を熱
   間加圧し、ついで得られた複合物を冷却すること
   からなる、繊維強化金属複合物の製造方法。 ５ 該金属粉はアルミニウム粉であり、かつ該セ
   ラミツク繊維がアルミニウム粉―繊維混合物の全
   容積に対し10〜30％の容積をしめることからなる
   特許請求の範囲第４項に記載された繊維強化複合
   体の製造方法。