JP2000204453A - マグネシウム基複合材料の製造方法及びマグネシウム基複合材料 - Google Patents

マグネシウム基複合材料の製造方法及びマグネシウム基複合材料

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Abstract

(57)【要約】 【課題】低圧でマグネシウム溶湯をプリフォームへ含浸
・浸透させることができ、複雑な形状の成形を低コスト
で可能とすると共に、高い強度を得ることのできるマグ
ネシウム基複合材料の製造方法及びマグネシウム基複合
材料を提供する。 【解決手段】強化繊維によって形成されたプリフォーム
に、溶融したマグネシウム合金を不活性ガスの圧力によ
って含浸・浸透させるガス圧浸透法を用い、マグネシウ
ム合金の母相を強化繊維によって補強した複合材料を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マグネシウム合金
の母相を強化繊維によって補強して成るマグネシウム基
複合材料の製造方法及びマグネシウム基複合材料に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近時、特に機械的強度や耐摩耗性を要求
される機械部品に、セラミックス等の強化繊維よって補
強して成る繊維強化金属の適用が進んでおり、このよう
な繊維強化金属として、マグネシウム合金を母相とした
ものも考えられている。
【0003】繊維強化金属の製造方法としては、従来よ
り、高圧鋳造法や粉末法が知られている。
【0004】高圧鋳造法は、強化繊維によって形成され
たプリフォームに、油圧プレス等によって溶融金属を1
00気圧以上の高い圧力で含浸・浸透させるものであ
り、粉末法は金属粉末とセラミックスを混合して熱間静
水圧プレス(HIP)等によって高温・高圧で成形する
ものである。
【0005】また、マグネシウム合金を母相とするマグ
ネシウム基複合材料では、セラミックス成形体のプリフ
ォームにマグネシウム溶湯と反応し易い酸化ケイ素(S
iO 2 )を混合することによって低い圧力で含浸させる
自発的浸透法も試みられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高圧鋳
造法はプリフォームに溶融金属を高い圧力で含浸・浸透
させるものであるためにプリフォームの変形や割れを誘
発し易く、複雑形状の部品への適用が困難であるという
問題があった。
【0007】また、粉末法は高価な金属粉末を用いると
共に高温高圧での処理が必要であるために製造コストが
高いという問題がある。
【0008】更に、自発的浸透法はSiO2 を含浸圧力
の低下を目的として添加するものであって粒子径が大き
く量も多く、強度増加に寄与するものではなかった。
【0009】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であって、低圧でマグネシウム溶湯をプリフォームへ含
浸・浸透させることができ、複雑な形状の成形を低コス
トで可能とすると共に、高い強度を得ることのできるマ
グネシウム基複合材料の製造方法及びマグネシウム基複
合材料を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決する為の手段】上記目的を達成する本発明
のマグネシウム基複合材料の製造方法は、強化繊維によ
って形成されたプリフォームに、溶融したマグネシウム
合金を不活性ガスの2気圧以上の圧力によって含浸・浸
透させるガス圧浸透法を用い、マグネシウム合金の母相
を強化繊維によって補強した複合材料を形成することを
特徴とする。
【0011】また、上記含浸・浸透時の複合化温度は6
80〜720℃の範囲であることを特徴とする。
【0012】また、上記プリフォーム中にSiO2
はSi粒子を容積比で4%以下混合することを特徴とす
る。
【0013】また、上記SiO2 又はSi粒子の粒径
は、5μm以下であることを特徴とする。
【0014】また、粒径が5μmの上記Si粒子が容積
比で2%添加されていることを特徴とする。
【0015】更に、強化繊維によって形成されたプリフ
ォームに、溶融したマグネシウム合金を不活性ガスの圧
力によって含浸・浸透させて、マグネシウム合金の母相
を前記プリフォームによって補強して成るマグネシウム
基複合材料であって、前記母相を形成するマグネシウム
合金の組成が、Al:8.1〜10.5%,Zn:0.
4〜1.0%,Mn:0.13〜0.35%,Si:
0.30%以下,Cu:0.10%以下,Ni:0.0
1%以下,Mg:残部であることを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本願発
明の実施の形態について説明する。
【0017】本願発明によるマグネシウム基複合材料の
製造方法では、図1に概念図を示す気密的に密閉可能な
チャンバー11を備える電気炉10中に配設した坩堝1
2内に、強化材によるプリフォーム1とマグネシウム合
金のインゴットを挿置し、チャンバー11内を真空化し
つつ加熱すると共にチャンバー11内を所定圧力の不活
性ガスで満たしてインゴットを溶融させ、溶融したマグ
ネシウム合金の溶湯2をプリフォーム1に含浸・浸透さ
せる低圧鋳造法によって、マグネシウム合金の母相をプ
リフォーム1で補強した複合材を形成するものである。
【0018】図示電気炉10は、気密的に密閉可能なチ
ャンバー11の内部にカーボン製の坩堝12が配設さ
れ、チャンバー11には給排気通路13が接続されて構
成されている。給排気通路13は、真空吸引通路13A
とアルゴンガス供給通路13Bの二通路に分岐し、真空
吸引通路13Aが図示しない真空ポンプに接続されると
共にアルゴンガス供給通路13Bが図示しないアルゴン
ガス供給源に接続され、各通路(真空吸引通路13A,
アルゴンガス供給通路13B)にはそれぞれ当該通路1
3A,13Bを開閉するバルブ(真空吸引バルブ13
a,アルゴンガス供給バルブ13b)が介設されてい
る。尚、14は溶湯温度を計測する熱電対である。
【0019】このような電気炉10を用い、下記のごと
き工程でプリフォーム1にマグネシウム合金の浸透・含
浸を行う。
【0020】即ち、チャンバー11内の坩堝12内に、
プリフォーム1を置いてその上にマグネシウム合金のイ
ンゴットを載置した後、アルゴンガス供給バルブ13b
を閉止状態とすると共に真空吸引バルブ13aを開放
し、真空吸引通路13Aを介してチャンバー11内を真
空に引きながら加熱する。
【0021】次いで、所定温度でアルゴンガス供給バル
ブ13bを開いて所定圧力のアルゴンガスをチャンバー
11内に導入し、複合化温度まで加熱する。
【0022】そして、複合化温度で20分間保持した
後、アルゴンガスの圧力を所定の含浸圧力に設定し、そ
のまま5分間保持した後、冷却するものである。
【0023】上記のごときプロセスで、含浸圧力,複合
化温度,プリフォーム中に添加するSiO2 又はSi粒
子の径及び量,を変化させて実験した結果を下記に示
す。
【0024】尚、強化材としてのプリフォームは、平均
径0.5μm、平均長さ34μmのSiCウイスカと反
応材を溶媒中に分散させた後吸引濾過しつつプレスして
形成したものを用い、SiCウイスカの体積含有率は2
0%,反応材の体積含有率は0〜4%である。また、マ
グネシウム合金の組成は、Al(アルミニウム):8.
1〜9.8%,Zn(亜鉛):0.4〜1.0%,Mn
(マンガン):0.13〜0.35%,Si(ケイ
素):0.30%以下,Cu(銅):0.10%以下,
Ni(ニッケル):0.01%以下,Mg(マグネシウ
ム):残部である。
【0025】図2は、含浸圧力を変化させて形成した成
形品の引っ張り強さを測定した結果である。その他の条
件は、複合化温度:700℃,SiO2 粒子径:0.8
μm,SiO2 粒子添加量:2%に固定したものであ
る。これにより、2気圧という極めて低圧から高い引っ
張り強度が得られることが解る。また、組織観察によっ
ても未含浸部分は観察されず、低い圧力によっても健全
な複合材料を得ることが確認された。これにより、ター
ビンインペラのように三次元複雑形状の部品の成形も可
能となるものである。
【0026】次に、複合化温度を変化させて形成した成
形品の引っ張り強さを測定した結果を図3に示す。その
結果、680〜720℃の範囲とすることで高い引っ張
り強度を得ることができた。これは、反応生成物である
Mg2 Siの粗大化を防ぐことができるためと考えられ
る。
【0027】図4にプリフォーム中に混合するSiO2
又はSi粒子の混合量を変化させて形成した成形品の引
っ張り強さを測定した結果を示す。その結果、プリフォ
ーム中にSiO2 又はSi粒子を容積比で4%以下の範
囲で混合することで高い引っ張り強度を得ることができ
た。
【0028】また、図5にプリフォーム中に混合するS
iO2 又はSi粒子の径を変化させて形成した成形品の
引っ張り強さを測定した結果を示す。その結果、プリフ
ォーム中に5μm以下の粒径のSiO2 又はSi粒子を
混合することで高い引っ張り強度を得ることができた。
これは、マグネシウム溶湯とSiO2 又はSiの反応生
成物であるMg2 Siが適当な大きさで適当な量分散す
ることで、強度増強に寄与しているものと考えられる。
【0029】更に、図4及び図5とから、粒径が5μm
のSi粒子を容積比で2%添加することで特に高い引っ
張り強度を得ることができることが解る。
【0030】ここで、マグネシウム合金母相の組成は前
述のごとくであるが、インゴット溶け落ち前のガス圧が
低いとマグネシウムが蒸発してしまうために組成が変化
し、アルミニウム成分が増加していると考えられ、その
影響を調べるべく組成中のアルミニウム成分を増加させ
て実験した結果、強度増加傾向が見られ、10.3%で
最大約8%の強度増加が確認できたものである。
【0031】
【発明の効果】以上述べたように、本発明に係るマグネ
シウム基複合材料の製造方法によれば、強化繊維によっ
て形成されたプリフォームに、溶融したマグネシウム合
金を不活性ガスの圧力によって含浸・浸透させるガス圧
浸透法を用い、マグネシウム合金の母相を強化繊維によ
って補強した複合材料を形成することにより、2気圧以
上という低い圧力によっても健全な複合材料を得ること
でき、これにより、タービンインペラのように三次元複
雑形状の部品の成形も可能となるものである。
【0032】また、上記含浸・浸透時の複合化温度は6
80〜720℃の範囲であることにより、反応生成物で
あるMg2 Siの粗大化を防ぐことができ、高い引っ張
り強度を得ることができる。
【0033】また、プリフォーム中にSiO2 又はSi
粒子を容積比で4%以下混合することにより、高い引っ
張り強度を得ることができる。
【0034】また、SiO2 又はSi粒子の粒径は、5
μm以下であることにより、マグネシウム溶湯とSiO
2 又はSiの反応生成物であるMg2 Siが適当な大き
さで適当な量分散することで強度増強に寄与し、高い引
っ張り強度を得ることができる。特に、粒径が5μmの
上記Si粒子が容積比で2%添加されていることによ
り、高い引っ張り強度を得ることができる。また、強化
繊維によって形成されたプリフォームに、溶融したマグ
ネシウム合金を不活性ガスの圧力によって含浸・浸透さ
せて、マグネシウム合金の母相を前記プリフォームによ
って補強して成るマグネシウム基複合材料として、母相
を形成するマグネシウム合金の組成が、Al:8.1〜
10.5%,Zn:0.4〜1.0%,Mn:0.13
〜0.35%,Si:0.30%以下,Cu:0.10
%以下,Ni:0.01%以下,Mg:残部であること
により、高い引っ張り強度を得ることができるものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明によるマグネシウム基複合材料の製造
方法に用いる電気炉の概念図である。
【図2】含浸圧力を変化させて形成した成形品の引っ張
り強さを測定した結果を示すグラフである。
【図3】複合化温度を変化させて形成した成形品の引っ
張り強さを測定した結果を示すグラフである。
【図4】プリフォーム中に混合するSiO2 又はSi粒
子の混合量を変化させて形成した成形品の引っ張り強さ
を測定した結果を示すグラフである。
【図5】プリフォーム中に混合するSiO2 又はSi粒
子の径を変化させて形成した成形品の引っ張り強さを測
定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 プリフォーム 2 マグネシウム合金の溶湯 10 電気炉 11 チャンバー 12 坩堝 13 給排気通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細井 英治 東京都江東区豊洲三丁目1番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内 Fターム(参考) 4K020 AA01 AA22 AC02 BA03 BB05 BB26

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】強化繊維によって形成されたプリフォーム
    に、溶融したマグネシウム合金を不活性ガスの圧力によ
    って含浸・浸透させるガス圧浸透法を用い、マグネシウ
    ム合金の母相を強化繊維によって補強した複合材料を形
    成することを特徴とするマグネシウム基複合材料の製造
    方法。
  2. 【請求項2】上記不活性ガスの圧力は2気圧以上である
    ことを特徴とする請求項1に記載のマグネシウム基複合
    材料の製造方法。
  3. 【請求項3】上記含浸・浸透時の複合化温度は680〜
    720℃の範囲であることを特徴とする請求項1又は2
    に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
  4. 【請求項4】上記プリフォーム中にSiO2 又はSi粒
    子を容積比で4%以下混合することを特徴とする請求項
    1,2又は3に記載のマグネシウム基複合材料の製造方
    法。
  5. 【請求項5】上記SiO2 又はSi粒子の粒径は、5μ
    m以下であることを特徴とする請求項4に記載のマグネ
    シウム基複合材料の製造方法。
  6. 【請求項6】粒径が5μmの上記Si粒子が容積比で2
    %添加されていることを特徴とする請求項4に記載のマ
    グネシウム基複合材料の製造方法。
  7. 【請求項7】強化繊維によって形成されたプリフォーム
    に、溶融したマグネシウム合金を不活性ガスの圧力によ
    って含浸・浸透させて、マグネシウム合金の母相を前記
    プリフォームによって補強して成るマグネシウム基複合
    材料であって、 前記母相を形成するマグネシウム合金の組成が、Al:
    8.1〜10.5%,Zn:0.4〜1.0%,Mn:
    0.13〜0.35%,Si:0.30%以下,Cu:
    0.10%以下,Ni:0.01%以下,Mg:残部,
    であることを特徴とするマグネシウム基複合材料。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7147728B2 (en) * 2004-10-27 2006-12-12 Lightwave Nano Biotech Co., Ltd. Magnesium alloy producing negative potential
CN101921973A (zh) * 2010-07-06 2010-12-22 南京信息工程大学 铁钴合金纤维增强镁合金复合材料及其制备方法
JP2011113951A (ja) * 2009-11-30 2011-06-09 Toyama Univ マグネシウム系複合材料
CN102590455A (zh) * 2012-02-16 2012-07-18 西北工业大学 一种测量真空气压浸渗法浸渗特性的装置及方法

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