JPS6242017B2

JPS6242017B2 -

Info

Publication number: JPS6242017B2
Application number: JP16436384A
Authority: JP
Inventors: Kenki Ishizawa; Takehiko Kobayashi
Original assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Current assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Priority date: 1984-08-06
Filing date: 1984-08-06
Publication date: 1987-09-05
Also published as: JPS6141745A

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］本発明は繊維強化低熱膨張性複合材料に係り、
特に金属及び／又はその合金と膨張率の低い
Li₂O―Al₂O₃―SiO₂系鉱物粉末とを複合せしめる
ことによつて、金属及び／又はその合金の有する
熱膨張率を低下させるようにし、かつこれに高強
度の繊維を複合させることにより、高強度、高弾
性を付与するようにした繊維強化低熱膨張性複合
材料に関するものである。［従来の技術］従来、低熱膨張材料としては金属では各種測定
器、バイメタル及び時計等の部品の材料として使
われているアンバー合金がある。しかしながらこ
のアンバー合金は比重が８〜8.5g／cm³と大きく、
価格が高いと共に加工性にも問題がある。またセラミツクの低熱膨張材料としてはアルミ
ニウムチタネート、ペタライト等が知られている
が、これらはいずれも機械的強度が小さく、また
熱履歴性を有するため、精密機器部品等としての
使用は困難である。ところで一般に２種以上の素材を複合してなる
複合体においては、個々の素材の特性の体積分率
に比例して複合体の特性が定まると言われてい
る。これがいわゆる複合則である。例えば、ｎ個
の素材からなる複合体の熱膨張率α_cに関しては
次式のようになる。 α_c＝Ｋ_１α_１Ｖ_１＋Ｋ_２α_２Ｖ_２＋…＋Ｋ_ｏα_ｏＶ_ｏ
／Ｋ_１Ｖ_１＋Ｋ_２Ｖ_２＋…＋Ｋ_ｏＶ_ｏ…(1) (1)式において、αは熱膨張率、Ｖは体積分率、
Ｋは体積弾性率を表し、１ないしｎの添字は１な
いしｎ番目の素材に係ることを示す。従つて熱膨張率の低い鉱物の粉末と金属及び／
又はその合金、そして更に第３成分であるウイス
カー等の強化用繊維を複合させる際、(1)式が効果
的に利用できるものと考えられる。［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、上記複合則は、構成素材間に相
互作用が全くないことを前提としており、実際の
複合材料においては、界面拡散相、製造プロセス
に生じる残留応力相、それに複合材料の構成素材
間の熱膨張率と弾性率の差による界面の熱応力等
の因子が作用し、目標とする特性の複合材を得る
ことは容易なことではない。例えば金属と低熱膨張性の鉱物粉末とを複合さ
せても、加工性に富み高強度の低熱膨張性金属複
合材料を得ることは困難である。そのため従来、
金属と低熱膨張性の鉱物粉末とを組み合わせるこ
とにより両者の特徴を兼ね備えた複合材料を製造
しようとする試みはあまり行なわれず、金属及び
その合金と低熱膨張性の鉱物粉末との組み合わせ
に、更にセラミツク単結晶繊維（以下、「ウイス
カー」という。）等の繊維を添加して強化するこ
とによつて、その三者の特徴を兼ね備えた複合材
料を製造しようとする試みはなされなかつた。［問題点を解決するための手段］本発明は上記実情に鑑み、アンバー合金に比し
極度に比重が小さく、かつ安価で製造でき、加工
性に富み、また熱履歴性が小さく高強度で高弾性
の繊維強化低熱膨張性複合材料を提供するべくな
されたものであり、 Fe、Cu、Ni、Co、Mo、Ti、Cr、Al、Mn、
Si、Zn、Be、Ｗの金属及びこれらの金属のうち
２種以上の金属の合金からなる群から選ばれる１
種又は２種以上40〜90重量％並びにLi₂O―Al₂O₃
―SiO₂系鉱物粉末10〜60重量％を含んでなるマ
トリツクス組成物70〜99体積％と、ガラス繊維、セラミツク繊維、金属繊維、金属
ーセラミツク複合繊維及びセラミツク単結晶繊維
からなる群から選ばれる１種又は２種以上の繊維
１〜30体積％と、を含んでなることを特徴とする繊維強化低熱膨張
性複合材料、を要旨とするものである。以下本発明の構成につき、さらに詳細に説明す
る。本発明で使用される金属及びその合金は、
Fe、Cu、Ni、Co、Mo、Ti、Cr、Al、Mn、Si、
Zn、Be、Ｗ及びこれらの金属のうち２種以上の
金属の合金である。複合材料の使用目的によつて
これらの金属及びその合金のうち１種又は２種以
上が組み合わされて用いられる。本発明の繊維強化低熱膨張性複合材料を製造す
るに際しては、後述のように、通常、これらの金
属や合金の粉末と鉱物粉末との混合粉末が繊維強
化の母材となり、この母材に繊維を複合させたも
のを成形、焼結するのであるが、この複合材料を
製造するに際して、用いる金属、合金の粉末の平
均粒径は50μｍ以下とりわけ20μｍ以下であるこ
とが好ましい。粒径が50μｍ以上の粒子を多量に
含有した金属、合金粉末を使用すると、高密度の
複合材料が得られ難い。なお粒径５μｍ以下の金
属、合金粉末を多く含有すると金属、合金粉末が
酸化され易く、取り扱いが困難となるため好まし
くない。また本発明で使用できるLi₂O―Al₂O₃―SiO₂系
鉱物粉末としては、モル比で、Li₂O：Al₂O₃：
SiO＝１：１：２〜10のものが使用でき、具体的
には、例えばLi₂O―Al₂O₃―2SiO₂（β―ユーク
リプタイト）、Li₂O―Al₂O₃―4SiO₂（β―スポジ
エメン）、Li₂O―Al₂O₃―8SiO₂（ペタライト）、
等が挙げられる。なお複合材料の目標特性に対応
して、任意の種類のLi₂O―Al₂O₃―SiO₂系鉱物粉
末を選ぶことができる。複合材料を製造するに際してはこの鉱物粉末と
しては500μｍ以下の粒度のものが好ましく、と
りわけ平均粒径が10〜200μｍであることが好ま
しい。粒径が500μｍを超える粒子を多量に含有
すると、焼結性に悪影響を及ぼす。また平均粒径
が10μｍ未満であると金属の平均粒径が５μｍ未
満となり好ましくない。（これは後に述べるよう
に、本発明の繊維強化低熱膨張性複合材料を製造
するに際して、鉱物粉末の粒径を金属、合金粉末
の粒径の２倍以上とするのが好ましいからであ
る。）本発明においては、前記金属ないしは合金、
Li₂O―Al₂O₃―SiO₂系鉱物を含有するマトリツク
ス組成物に各種繊維を添加して強化する。本発明において、用いられる強化用繊維はガラ
ス繊維、セラミツク繊維、金属繊維、金属―セラ
ミツク複合繊維及びウイスカーからなる群から選
ばれる１種又は２種以上である。ガラス繊維としては、ガラス短繊維、ガラス長
繊維のいずれも用い得る。またセラミツク繊維としては、ロツクウール、
ムライト質繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、
SiC繊維、BN繊維、炭素繊維、ジルコニア
（ZrO₂）繊維、トリア（ThO₂）繊維、イツトリア
（Y₂O₃）繊維等が用いられる。この他にも、上述
のガラス繊維及び後述のウイスカーのいずれにも
属さない、各種の無機質繊維を用い得る。金属繊維としては、ステンレス繊維、スチール
繊維、モリブデン（Mo）繊維、タングステン
（Ｗ）繊維等が用いられる。金属―セラミツク複合繊維としては、ホウ素―
タングステン（Ｂ―Ｗ）繊維、SiC―Ｗ繊維等が
用いられる。ウイスカーとしては、SiCウイスカー、Si₃N₄ウ
イスカー、アルミナ質ウイスカー等を用いること
ができる。これらの繊維は複合材料の目標特性に対応し
て、１種又は２種以上を選択して用いることがで
きる。これらの繊維の形状は、短繊維、長繊維共に、
その径が100μｍ以下、特に20μｍ以下のものが
好ましい。繊維の径が100μｍを超えると、金属
―鉱物粉末組成物との界面接着性に問題が生じ、
複合材料の強度劣化の原因となる。また、短繊維
に関しては、アスペクト比（繊維の直径と長さの
比）が20〜100が好ましい。短繊維のアスペクト
比が100を超えるものを用いると混合時に繊維同
志の絡みが生じ均一分散が困難となる。また20未
満のものを使用すると、得られる複合材料に繊維
補強の効果が現れない。一般に２種以上の異なる素材からなる複合材料
においては、素材間の熱膨張差に伴う相互の結晶
粒間の歪と弾性率との積である界面の熱応力、並
びに、製造プロセスにて発生する残留応力などの
原因により、構成素材相互の熱膨張差相殺が定常
的でなくなる。即ち、２種以上の素材を複合してなる複合体に
おいて複合則が成り立つ場合には、その特性、例
えば熱膨張特性は、前記(1)式から算出される値と
ほぼ一致する。ところが、上述の如き熱応力や残
留応力が作用する場合には、複合体の熱膨張特性
は各素材の熱膨張率の体積分率には必ずしも比例
しなくなり、前記複合則からの乖離が生じ得る。本発明の複合材料においても、熱応力や残留応
力が作用する場合には、マトリツクスとなる金属
又は合金に対するLi₂O―Al₂O₃―SiO₂系鉱物粉末
の熱膨張率低減効果が現われにくいという傾向が
生じ得る。ところが本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、
金属又は合金とLi₂O―Al₂O₃―SiO₂系の鉱物粉末
の粒径を制御することによつて、熱膨張効果に対
する熱応力及び残留応力の影響を克服することが
できることが見い出されたのである。即ち金属又は合金の粉末の粒径に対して鉱物粉
末の粒径を大きくする程、鉱物粉末の金属又は合
金への熱膨張率低減効果が大きくなり、この効果
は鉱物粉末の粒径を金属又は合金の粒径の好まし
くは２倍以上にすることにより顕著になるのであ
る。（２倍未満であると上記のように金属複合材
料の界面の熱応力及び残留応力の影響によつて熱
膨張率低減効果が少ない。）また、鉱物粉末の粒径が金属又は合金の粉末の
粒径の10倍を超えるとLi₂O―Al₂O₃―SiO₂系鉱物
粉末の粒径が過度に大きくなり、高密度の金属複
合材料が得られ難いことも見い出された。このようなことから、本発明の繊維強化低熱膨
張性複合材料を製造するに際しては、金属及び／
又は合金、Li₂O―Al₂O₃―SiO₂系鉱物粉末、並び
に繊維を配合するに際し、金属、合金の平均粒径
に対し該鉱物粉末の平均粒径を２倍以上とし、且
つ10倍以下にすることが好ましい。本発明の複合材料における配合比は、金属及
び／又はその合金40〜90重量％並びにLi₂O―
Al₂O₃―SiO₂系鉱物粉末10〜60重量％を含有する
マトリツクス組成物70〜99体積％、ガラス繊維、
セラミツク繊維、金属繊維、金属―セラミツク複
合繊維及びウイスカーの各種繊維１〜30体積％で
ある。マトリツクス組成物において、金属及び／又は
その合金が40％未満であると、LiO₂―Al₂O₃―
SiO₂系鉱物粉末の増加に伴い、鉱物粉末の影響
が大きくなり、複合材料の金属的性質が極端に低
減し、強度が低下すると共に、加工性が悪化す
る。また金属及び／又は合金の含有量が90重量％を
超える場合には、該鉱物粉末を複合することによ
る熱膨張率低減効果が殆ど現れない。また複合材
料中の繊維の含有量が１体積％未満であると補強
効果が現れず、繊維含有量１体積％以上で、繊維
含有量に比例して複合材料の強度が向上するが、
繊維含有量が30体積％で強度はほぼピークに達
し、それ以上の強度向上は得られ難い。本発明の繊維強化低熱膨張性複合材料の一般的
な製造法としては、繊維として短繊維を使用する
場合には、予めロールミル又はボールミルにて均
一混合させた配合物を、金型を用いた加圧成形法
等公知の手法で成形する。また、繊維として長繊
維を使用する場合には、配向させた長繊維に、金
属及び／又はその合金と鉱物粉末との混合スラリ
ーをスリツプキヤストして成形する。その後、得
られた成形体を、600〜1300℃の真空中又は非酸
化雰囲気中で加熱して焼結させる。この際、ホツ
トプレス、熱間静水圧加圧法（HIP法）等を採用
すれば、高密度で更に高強度の複合材料を容易に
得ることができる。［作用］金属及び／又はその合金に、膨張率の低い
Li₂O―Al₂O₃―SiO₂系鉱物粉末を複合せしめるこ
とによつて、金属の有する熱膨張率を低下させる
ようにすることができる。更に、ガラス繊維、セラミツク繊維、金属繊
維、金属―セラミツク複合繊維、ウイスカーによ
り強化することにより、高強度、高弾性を付与す
ることができる。［実施例］以下に本発明を実施例及び比較例により更に具
体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない
限り、以下の実施例に限定されるものではない。実施例１ Fe、Cu、Ni、Co、Mo、Ti、Cr、Al、Mn、
Si、Zn、Beの金属及びその合金粉末（平均粒径
５μｍ）の１種又は２種以上を40〜60重量％、
Li₂O―Al₂O₃―SiO₂系鉱物粉末（平均粒径15μ
ｍ）を40〜60重量％の範囲でそれぞれ含んでなる
マトリツクス組成物を70〜90体積％、ガラス繊維、セラミツク繊維、金属繊維、金属
―セラミツク複合繊維及びウイスカーからなる群
から選ばれる１種又は２種以上を10〜30体積％、の範囲内で第１表に示す如く配合し、溶媒として
イソプロピルアルコール、潤滑剤としてステアリ
ン酸亜鉛（添加量0.5重量％）を添加して、ボー
ルミルで５時間均一に混合した。得られた混合粉末を成形圧2000Kg／cm²にて各々
成形し、その成形体を熱間静水圧加圧装置（以
下、「HIP装置」と称する。）にて第１表に示す処
理条件で処理した。得られた試料（No.１〜15）の特性を第１表に示
す。実施例２第２表に示すマトリツクス組成物に、アルギン
酸ソーダ0.5重量％、アクリル酸ポリマー１重量
％を添加し、泥漿PH約4.5〜５、泥漿比重約1.6に
なるようにした泥漿を調製した。一方、型の内部に、第２表に示す長繊維を一
方向だけに延在するようにして（No.17〜19）、又
は、一方向とこれと直交する方向に配向して
（No.16，20）それぞれ装入しておく。この型の内
部に上記泥漿をスリツプ法により充填し、繊維の
間隙に溶浸させ、次いで加圧して成形体とした。
配合割合は第２表の通りである。得られた成形体
を乾燥後、HIP装置にて第２表に示す処理条件に
て処理した。得られた試料（No.16〜20）の特性を第２表に示
す。なお、引張強度は繊維を配向した方向に力を
加えることにより測定した。比較例１マトリツクス組成物の金属又は合金粉末と鉱物
粉末の配合割合、及びマトリツクス組成物と繊維
との配合割合を第２表に示す如く変えたこと以外
は実施例１と同様にして成形体を得、この成形体
をHIP装置にて第２表に示す処理条件にて処理し
た。得られた試料（No.21〜25）の特性を第２表に示
す。

【表】

【表】第１表及び第２表より、本発明の繊維強化低熱
膨張性複合材料は高強度、高弾性であることが認
められる。［発明の効果］以上詳述したように、本発明によれば熱膨張率
が金属及びその合金の熱膨張率付近から零に近い
範囲の任意の熱膨張率であつて、しかも高強度、
高弾性の複合材料が提供される。この繊維強化低
熱膨張性複合材料及びそれを含む材料は、アンバ
ー合金よりも低熱膨張且つ軽量であり、また安価
に製造できる。そのため、各種の機器装置特に測定機器や精密
機器の部品であつて、ある程度以上の強度、弾性
率が必要で軽量且つ低熱膨張性を必要とする箇所
への装着部品に最適である。また他金属との締付
けも良好である。形状が複雑で、かつ高い寸法精度が要求される
部材に、本発明の複合材料を適用するには、次の
及びの工程によれば良い。即ち目的とする
部材よりも寸法の大きい素材を、本発明の複合材
料で製造する。次にこの素材を切削する。本発明の複合材料の出発原料は粉末及び繊維で
あるから、上記素材としてもかなり複雑な形状の
ものも成形し得る。金型成形した場合の露出面は金属であるため光
沢面が得られる。また外表面にメツキ、コーチン
グを施すことも可能である。このように本発明の繊維強化低熱膨張性複合材
料は、軽量、安価且つ高強度、高弾性で加工性が
極めて良好なため、測定及び精密機器用部品等と
して好適であり、その利用価値は大なるものであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１ Fe、Cu、Ni、Co、Mo、Ti、Cr、Al、Mn、
Si、Zn、Be、Ｗの金属及びこれらの金属のうち
２種以上の金属の合金からなる群から選ばれる１
種又は２種以上40〜90重量％並びにLi₂O―Al₂O₃
―SiO₂系鉱物粉末10〜60重量％を含んでなるマ
トリツクス組成物70〜99体積％と、ガラス繊維、セラミツク繊維、金属繊維、金属
―セラミツク複合繊維及びセラミツク単結晶繊維
からなる群から選ばれる１種又は２種以上の繊維
１〜30体積％と、を含んでなることを特徴とする繊維強化低熱膨張
性複合材料。