JPS6173846A - 多孔質繊維強化金属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、多孔質繊維強化金属複合材料及びその！１造
方法に関する。本発明の多孔質繊維強化金属複合材料は
、比較的高温で用いられる吸音部材、減音部材、フィル
タ部材などに利用することができる。またセラミックス
溶射層の下地部材、軽量部材などに利用することができ
る。

［従来の技術１ 多孔質金属材料として従来より、金属を発泡させたもの
、金属粉末を焼結させたもの、シラスバルーン等の中空
体を母材金属中に混ぜたもの等が提供されている。

然しなから上記したものは、繊維が含まれていない通常
の金属組織中に空孔を有しているため強度が低く、又、
耐熱性も母材金属のそれを超えるものでなかった。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、上記した従来の技術に鑑みなされたものであ
り、従来の多孔質金属材料の強度、耐熱性を改善したも
のである。

［問題点を解決するための手段］ 第１の発明の多孔質繊維強化金属複合材料は、繊維集積
体と、該繊維集積体に付着した金属と、該金属が付着し
た繊ｍ＊積体を構成する一部繊維間に分散された空孔と
から構成されていることを特徴とするものである。

繊維集積体とは、強化繊維がからまった状態で又は整列
した状態で多数集合したものを意味する。

本発明の多孔質繊維強化金属複合材料は多孔質であるに
もかかわらず、強化繊維で補強されているため高強度で
ある。更には、本発明の多孔質繊維強化金属複合材料を
高温で加熱した場合であっても強化繊維の存在により、
外形のくずれは抑えられる。前記した強化繊維は、金属
基複合材料に従来より通常用いられる強化繊維を用いる
ことができる。短Ｕ＆維、長りｌ雑のいずれも用いるこ
とができる。なお、金属と強化繊維との間の接合性を良
好にするため、溶湯金属に対するぬれ性が良好な物質あ
るいは溶湯金属と同一の金属をコーティングした強化繊
維を用いてもよい。強化繊維は、金属よりも融点が高い
ことが好ましい。その主たる理由は、本発明の多孔質繊
維強化金属複合材料を後述するように溶融鍛造法で製造
する場合には、強化繊維の融点が金属の融点よりも低い
と、繊維が溶けてしまうからである。従って、強化繊維
は、アルミノ」妓維、アルミナシリカｍｕ、ジルコニア
繊維、窒化珪素繊維、炭素繊維、炭化珪素繊維、ガラス
繊維、ボロン繊維、場合によっては金属繊維などを用い
ることができる。金属繊維としては、ステンレス繊維を
用いることができる。強化繊維としてはウィスカを用い
てもよい。ウィスカは、セラミックウィスカが望ましい
。セラミックスの方が弾性率が高いからである。セラミ
ックウィスカは炭化珪素ウィスカ、窒化珪素ウィスカ、
アルミナウィスカ、ジルコニアウィスカ等を用いること
ができる。使用条件によっては上記したセラミックウィ
スカに限らず金属ウィスカ、グラフ１イトウイスカを用
いても良い。

繊維集積体を描成ヅる強化繊維の配向、配合量について
は、用途に応じ任意に定めることができる。なお、繊維
の体積率は、全体を１００体積％とすると２〜３０％程
度が望ましい。繊維の体積率が２％以下であると、繊維
の補強効果が小となり、３０％以上であると、空孔形成
の制限となり空孔が形成されにくくなるからである。な
お繊維の分布は一般に均一とするが、必要に応じて繊維
の体積率を所定部位では小さく、又他の所定部位では大
きくしても良い。この場合の繊維体積率の変化は連続的
でも良く、また段階的でも良い。

金属は、前記繊維集積体を構成する強化繊維に付着して
繊維強化金属複合材料を形成する。金属は一般に軽金属
をＩｎいる。軽金属は従来のものを用いることができる
。例えば、アルミニウム、マグネシウム、アルミニウム
系合金、マグネシウム系合金等を用いることができる。

空孔は、前記金属が付着した繊維集積体を構成する一部
ＨＡＨ間に分散されている。空孔は、多孔質ａｌ維強化
金属複合材料を構成する金属の溶融点近くにまたは溶融
点以上に加熱することによって、形成することができる
。空孔は、多孔質繊維強化金属複合材料に吸音作用、減
音作用、軽量化作用をもたらす。又、空孔は多孔質繊維
強化金属複合材料の熱膨張率や熱伝導率を小さくする作
用も果す。空孔が熱膨張率を小さくするのは、繊維によ
って金属の熱膨張が規制されているため、金属の熱ｉ脹
は外方へあられれず該空孔の空間部に吸収され、そのた
め、見掛は上の熱膨張量が小さくなるからであると推察
される。この空孔は、多孔質Ｕ＆維強化金属複合材料の
内部にできるだ【プ均一に分散していることが望ましい
。空孔の体積％は、要請される強度や耐熱性、断熱性な
どによって異なるが仝休を１．００体積％としたときに
、５へ・５０体積％であることが望ましい。ここで、空
孔の体積％の測定は画像解析装置による断面の空孔面積
率デ測定を基準にして行なう。空孔の大きさは、要請さ
れる強度、耐熱性、断熱性によって異なるが、５〜１０
０μ程度とすることができる。空孔はほぼ同じ大きさの
ものとしてもよいし、大径の空孔と小径の空孔とを併せ
て用いてもよい。

上記したような第１の発明の多孔質繊維強化金属複合材
料を製造するための具体的方法は種々考えられるが、そ
のうちの最も望ましい製造方法、すなわち本願の第２の
発明に係る製造方法を以下に説明する。

第２の発明の製造方法は、溶融した金属を繊維集積体に
含侵、接触させた模、該金属を固化することによりブロ
ックを形成する第１の工程と、該ブロックを加熱し該金
属を溶融することにより、該溶融金属が付着した該繊維
集積体を構成する一部繊維間に、空孔を分散させて形成
する第２の工程とを順に実施することを特徴とするもの
である。

第１の工程では、溶融した金属を繊維集積体に含侵、接
触させた後該金属を固化することにより、強化繊維を埋
設したブロックを形成する。第１の工程では、具体的に
は従来と同様に、成形型のキャビティ内に繊維集積体を
配設し、その状態で成形型のキャビティ内に、溶融金属
例えば前記したアルミニウム系合金、マグネシウム系合
金などの溶融金属を注入して繊維間に含侵して付着させ
、そのまま溶融金属を固化させることにより行なうこと
ができる。このようにすれば、金属と繊維集積体とを容
易に一体化しつる。この場合、キＶごティ内に溶融金属
を注入した状態で高圧を加え固化するまでその圧力を保
持する溶湯鍛造法（高圧鋳造法や加圧鋳造法ともよばれ
る）を用いることが望ましい。加圧手段は一般にプラン
ジャーとするが、場合によってはガス圧でもよい。プラ
ンジャーによる溶湯鍛造法を用いた場合の圧力は通常５
００〜２００　ｋＵ／　ａｍ２程度とする。第１の工程
では、溶湯鍛造法と異なり特に高圧を加えない真空鋳造
法、ダイキャスト法、溶場浸透法を場合によっては用い
ることもできる。尚、前記した繊維集積体は従来より用
いられる公印の手段、例えば真空成形法や圧縮成形法に
より形成できる。

第２の工程では、前記ブロックを該金属の溶融点以上に
加熱溶融し、繊維間にある金属に空孔を分散させて形成
する。この場合金属の溶融点以上の温度に加熱した場合
であっても、本発明の多孔質繊維強化金ｆｉｌ複合材料
自体の外形変化、寸法変−化は、強化繊維間に介在する
金属の表面張力の作用などによって、抑制することがで
きる。ブロックの加熱は、還元性雰囲気、アルゴンやヘ
リウムなどの一イナートガス雰囲気で行なうことが望ま
しい。ここで、ブロックの全部を加熱してもよいし、又
は一部を、金属（例えばアルミ合金）の融点以上の温度
に加熱してもよい。第２の工程では、強化繊維がアルミ
ナシリカ矩繊維で、金属がＪ　Ｉ　Ｓ−ＡＣＯＡのアル
ミニウム合金である場合には、前記加熱温度を６００〜
８００℃程度とすることができる。ここで加熱温度が高
い程、空孔が多くなるので、加熱湯度の高低によって空
孔の割合を調整できる。第２の工程では、ブロックを部
分的に加熱する手段として、該１０ツクの表面に電極を
近接させてアークを発生させる手段、レーザービームを
ブロックの表面部分に照射する手段、電子ビームをブロ
ックの表面部分に照射する手段を用いることができる。

尚、ブロック全体を熱処理炉内に装入してブロック全体
を加熱すればブロック全体が多孔体となる。又アーク、
レーザービーム、電子ビームなどで部分的にブロックの
表面を加熱すれば融点以上に加熱された部分だけが多孔
体となり、必要部分のみに空孔を形成した多孔質繊維強
化金属複合材料を形成できる。前記したアークを発生す
る手段としては、イナートガス中でタングステン゛電極
と前記ブロックとの間でアークを発生させるティグアー
ク法を用いることができる。ティグアーク法では、電極
直径３．２ｍｍ程度、アーク長さ６ｍｍ程度、電流１５
０〜１２ＯＡ程度、電圧１４程度、アルゴンガス流ｆｆ
１２５リットル／分とすることができる。

レーザービームを照射する手段では、レーザービーム照
射と共に補助ガスを流すことができ、又、熱による加工
変質層を小さくするためパルス発成のレーザーを使用す
ることができる。

［発明の効果］ 本発明の多孔質繊維強化金属複合材料は、繊維９Ｐ、８
１体と、該Ｉ！雑東積体に付着した金属と、該金属が付
着した繊維集積体を構成する一部ＩＩ維間に分散された
空孔とから構成されていることを特徴とするものである
。

故に従来から提供されている強化繊維が含まれていない
多孔質金屑材料、例えば、発泡金属材料、金属粉末を圧
粉体としてそれを焼結させた焼結体材料、シラスバルー
ンなどの中空体を金属組織中に混ぜた材料に比して、外
形がくずれにくく、この意味で耐熱性が向上している。

又、強化繊維の存在により強度が向上している。

また本発明の製造方法によれば、上述のように優れた特
性を有する多孔質繊維強化金属複合材料を比較的簡単か
つ容易に製造することができる。

更には第２の工程をアーク、レーザビーム、電子ビーム
による加熱で行なえば、多孔質繊維強化金属複合材料の
表面部分のみに空孔を形成することができる。

Ｅ実施例１コ （第１の工程）まず、強化繊維として、■ｍ％でＡ１２
０３５０％−８ｉＯｚ５０％なる組成を有する平均繊維
径１〜２０μｍ１繊Ｈ長さ１０〜１００μｍのアルミナ
シリカ短繊維を用い、真空成形法により直径１００ｍｍ
、厚さ３Ｑｍｍ円板状の繊維集積体を形成した。この繊
維集積体の繊維充填密度は０．１７ｇ／ｃｃであった。

次いでこの４１Ｍ集積体を溶湯鍛造用成形型のキャビテ
ィの相当部に配冒した。この場合、成形型は３００℃に
予熱し、繊維集積体は８００℃に予熱した。次に７００
℃に溶解したＪＩＳ−ＡＣ８Ａのアルミニウム合金の溶
湯をキャビティ内に注ぎ、１５００気圧の圧力をかけて
溶湯をＳ維集積体の繊維間に含侵、接触し、これにより
溶湯鍛造を施した。そしてこれによりアルミナシリカ繊
維の体積％が６〜８％である繊維強化金属複合材料を形
成した。

（第２の工程） 上記し・た多孔質繊維強化金属複合材料から３個のブロ
ックＮｏ、１、Ｎｏ、２、Ｎ００３を適宜切り出した。

各ブロックの大きさは４０ミリメートル〈長さ）Ｘ３０
ミリメートル（幅）×１０ミリメートル（厚み）とした
。そしてＮｏ、１のブロックを６００℃に保持した電気
炉内に装入して１時間加熱保持し、これによりＮｏ、１
のブロックに空孔を形成した。その後、電気炉から取り
出したＮ０９１のブロックを空冷した。

同様に７００℃に保持した電気炉内にＮｏ、２のブロッ
クを装入して同様に空孔を形成した後空冷した。又同様
に８００℃に保持した電気炉にＮＯ，３のブロックを装
入し、空孔を形成した後空冷部した。

尚、比較例として、Ｊ　ｌ５−ＡＣ８Ａ合金を溶湯鍛造
により形成し、これをＮｏ、４のブロック（強化繊維を
含まない）とし、Ｎ０９１の場合と同様に６００℃に保
持した電気炉に装入した。比較例としてのＮｏ、４のブ
ロックは、繊維が含まれていない点を除いて、Ｎｏ、１
〜Ｎｏ、３のブロックとほぼ同一の条件で製造した。な
お、電気炉内における保持時間はＮｏ、１〜Ｎｏ、４と
もに同じ１時間である。

（評ｌｌ８） 電気炉内で加熱した場合の外形状態、空孔の形成程度の
結果を第１表に示す。ここで第１表に示すように外形状
態は、Ｎｏ、１〜Ｎｏ、３ともにそのまま保持された。

第１図はＮｏ、１のブロックの加熱後の外形状態を示し
た側面図であり、ブロック外形がほとんどくずれていな
いのがわかる。

比較例としてのＮｏ、４では、第２図に示したように外
形は大きく変化してくずれた。又、空孔の体積％は、第
１表に示すように、Ｎｏ、１の場合１０〜２０％であり
（切断面により若干具なるた第　　　１　　　表 第　　　２　　　表 め幅がある）、Ｎｏ、２の場合１５〜２５％であり、Ｎ
Ｏ３３の場合２０〜３５％であり、第１表から明らかな
ように、ブロックを加熱する温度が高いほど、空孔は多
かった。

尚第３図、第４図はＮｏ、１のブロックの顕微鏡金属組
織を示す写真図であり、第３図は倍率が１００倍、第４
図は倍率が４００倍である。第３図および第４図におい
て不規則形状の黒い部分は空孔を示し、円形、紡垂形、
線形の黒い部分は繊維を、残りの部分はアルミニウム合
金を示す。又、比較例であるＮｏ、４では、加熱温度が
Ｎｏ、１の場合と同じであるにもかかわらす空孔は形成
されなかった。

上記した第１表の結果から以下の（１）、（２）のこと
が理解される。

（１）８００℃と溶融点以上の場合まで加熱しても、多
孔質のブロックの形状は、はとんどくずれることなく保
持される。８００℃と溶融点以上の温度に加熱しても、
形状がほとんどくずれることなく保持されるのは、繊維
と繊維との間の金属に表面張力が生じるなどの影響によ
ると推察される。

従って、本発明の多孔質繊維強化金属複合材料は、溶融
温度以上に加熱しても外形がほとんどくずれず、又はあ
まりくずれず、この意味で耐熱性が良好である。

（２）６００℃と同じ温度に加熱したＮｏ、１のブロッ
クと、Ｎ０１４のブロックとを比較すると、繊維が含ま
れているＮ０１１のブロックでは空孔が１０〜２０％形
成されたが、繊維が含まれていないＮ０１４のブロック
では、空孔が形成されなかった。このことから、空孔形
成には、繊維の存在が大きく寄与していると推察される
。

次に上記した第１の工程及び第２の工程を経て製造した
多孔質繊維強化金ＷｒＳ複合材料を切り出してＮｏ、１
１〜Ｎ０．１４のブロックを数個ずつ形成した。尚、Ｎ
ｏ、１１〜Ｎ０．１４のブロックの大きさｌｅｔ、８０
ミリメートル（長さ）×８０ミリメートル（幅）×１０
ミリメートル（厚み）とした。そしてこれらブロックを
前記と同様に６００℃、７００℃、Ｅ３００℃に加熱【
ノ、その後冷即し開繊加工することにより引張り試験片
、加熱試験片を作製し、引張り試験、加熱試験を行なっ
た。加熱試験は具体的にはアルミナ製ボートに加熱試験
片をのせ、これを所定の温度に加熱された管状炉へ装入
することにより行なった。引張試験は、具体的には、試
験片の平行部にひずみゲージをはり、２０トンの万能試
験礪を用いて１ｍｍ／ｍｉｎの引張速度で行なった。尚
、引張り試験片は、平行部の径５ミリメートル、平行部
の長さ２０ミリメートル、標点距離２５ミリメートルと
した。

又、加熱試験片は、４０ミリメートル（長さ）×３０ミ
リメートル（幅）×８ミリメ〜トル（厚み）とした。

比較例として、アルミニウム合金粉末から圧密体を形成
しその圧粉体を５８０〜５９０℃で２０〜３０分焼結し
、空孔体積％を約３０％としたＮ０９１４の焼結体を形
成した。このＮｏ、１４の焼結体についても前述同様に
引張り試験、加熱試験を行なった。Ｎｏ、１１〜Ｎｏ、
１４の試験結果を第２表に示す。この試験結果から以下
のことが理解できる。

空孔体積％がぼぼ同じ（３０％程度）のＮ０５１３とＮ
ｏ、１４とを比較すると、繊維強化したＮｏ、１３の場
合は、引張り強さが９ｋｌｌＪ／平方ミリメートル、ヤ
ング率が５０２０ｋＣ］／平方ミリメートルと共に高い
。これはＮｏ、１３に含まれている繊維の補強作用によ
るものと推察されるっこのことから、本発明の多孔質繊
維強化金属複合材料は、従来の多孔質金属材料よりも強
度が向上していることがわかる。

Ｌ実施例２ｊ 実施例１は、ブロック全体を加熱して空孔を形成するも
のであるが、実施例２は、ブロック（長さ４０ミリメー
トル、幅３０ミリメートル、厚み１０ミリメートル）の
表面を部分的に加熱して空孔を形成するものて゛ある。

実施例２では、１）ζ■記ジブロック表面にタングステ
ン電極を近接させ、これによりブロックと電極との間に
アークを発生させ、以てブロックの表面の金属を部分的
に溶融点以上に加熱溶融し、これにより表面に空孔を形
成した。空孔形成条件は、電圧１４Ｖ、電流１２０△、
ブロックの移動速度３　ｍ　ｍ　／　ｓ　ｅ　ｃ、アル
ゴンガス２５リツトル／ｍｉｎで行ない、ブロックの表
面を幅５ｍｍ、深さｉ、９１Ｔ１ｍに溶解さけた。その
結果ブロックの表面は、空孔が４３体積％になっている
ことが判った。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例であるＮｏ、１のブロックの
加熱後の外形状態を示す側面図、第２図は比較例である
Ｎｏ、４のブロックの加熱後の外形状態を示す側面図で
ある。第３図は本発明の実施例であるＮｏ、１のブロッ
クの組織を示す顕微鏡写真図（倍率１００倍）であり、
第４図は倍率の異なった同じ顕微鏡写真図（倍率４００
倍）である。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）　繊維集積体と、該繊維集積体に付着した金属と
   、該金属が付着した繊維集積体を構成する一部繊維間に
   分散された空孔とから構成されていることを特徴とする
   多孔質繊維強化金属複合材料。
2. （２）　空孔の体積％は、全体を１００体積％とすると
   ５〜５０体積％である特許請求の範囲第１項記載の多孔
   質繊維強化金属複合材料。
3. （３）　空孔の大きさは、５〜１００μである特許請求
   の範囲第１項記載の多孔質繊維強化金属複合材料。
4. （４）　金属は、アルミニウム又はアルミニウム系合金
   である特許請求の範囲第１項記載の多孔質繊維強化金属
   複合材料。
5. （５）　繊維集積体は、アルミナ繊維、ジルコニア繊維
   、窒化珪素繊維、炭化珪素繊維、炭素繊維、アルミナシ
   リカ繊維、ボロン繊維、ガラス繊維の少なくとも一種か
   ら構成されている特許請求の範囲第１項記載の多孔質繊
   維強化金属複合材料。
6. （６）　溶融した金属を繊維集積体に含侵、接触させた
   後、該金属を固化することによりブロツクを形成する第
   １の工程と、 該ブロックを加熱し該金属を溶融することにより、該溶
   融金属が付着した該繊維集積体を構成する一部繊維間に
   空孔を分散させて形成する第２の工程とを順に実施する
   ことを特徴とする多孔質繊維強化金属複合材料の製造方
   法。
7. （７）　第１の工程は、溶湯鍛造法により行なわれる特
   許請求の範囲第６項記載の多孔質繊維強化金属複合材料
   の製造方法。
8. （８）　第２の工程は、ブロック全体又はブロックの一
   部を加熱することにより行なわれる特許請求の範囲第６
   項記載の多孔質繊維強化金属複合材料の製造方法。
9. （９）　第２の工程は、アーク、レーザビーム、電子ビ
   ームによる加熱によつて行なわれる特許請求の範囲第６
   項記載の多孔質繊維強化金属複合材料の製造方法。
10. （１０）　金属は、アルミニウム又はアルミニウム系合
    金である特許請求の範囲第６項記載の多孔質繊維強化金
    属複合材料の製造方法。
11. （１１）　繊維集積体は、アルミナ繊維、ジルコニア繊
    維、炭化珪素繊維、窒化珪素繊維、炭素繊維、アルミナ
    シリカ繊維、ボロン繊維、ガラス繊維の少なくとも一種
    から構成されている特許請求の範囲第６項記載の多孔質
    繊維強化金属複合材料の製造方法。