JP2010180447A

JP2010180447A - 軽金属材料

Info

Publication number: JP2010180447A
Application number: JP2009024016A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Inasawa; 伸太郎稲沢
Original assignee: Showa Highpolymer Co Ltd; Shoko Co Ltd
Current assignee: Shoko Co Ltd; Resonac Holdings Corp
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】繊維材料により補強された軽金属材料を提供する。
【解決手段】ＳｉＯ_２成分が５０重量％未満である含珪素繊維を補強材とし、この含珪素繊維を軽金属に混合し、または軽金属の表面に密着して軽金属を補強して本発明の軽金属材料とした。含珪素繊維としては、例えば玄武岩を主成分とする玄武岩繊維が使用できる。玄武岩繊維は、長さが３００μｍから１０ｍｍである短繊維が３重量％から７０重量％含まれるもの、または織布が好適に使用できる。また、玄武岩繊維の平均径が１から５０μｍであるのが好適である。
【選択図】なし

Description

本発明は、含珪素繊維により強化された軽金属材料に関する。

軽金属は、鉄、ステンレス等一般的に使用される金属に比較して著しく軽い特長を有し、一方、比重の小さなプラスチック材料に比較して強度が高い特長を有する。それらの特長を生かし、電子機器、自動車、航空機の軽量化材料として注目され使用されてきているが、先に述べた鉄、ステンレス等に比較して強度が低い等の相違があり、用途により、それらの相違点を改善することが求められている。また、ＯＡ機器等の筐体に使用する場合には、材料を薄板の形状として使用することが多いが、その際には薄板材の耐衝撃性の向上が求められる。

例えば、下記特許文献１には、室温強度及び高温強度に優れたマグネシウム合金部材の製造方法が開示されている。また、下記特許文献２には、窒化マンガンと複合させて、線膨張係数を抑制する技術が開示されている。

特開平９−２７１９１９号公報特開２００８−２２３０７７号公報

しかし、上記従来例では、強度及び線膨張係数の十分な改善は得られない。また、微量元素の調整と微結晶制御により課題の解決を目指すことは製造の際の条件設定が難しいという問題がある。また、樹脂材料の場合には、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等のように、繊維材料により補強する技術が知られているが、金属の繊維材料による補強は、一般的には行われていない。その大きな理由は、金属に混合する際の温度に耐えられる材料が限られることである。補強材料として使用される繊維としては、例えばアラミド繊維、ガラス繊維、カーボン繊維等がある。アラミド繊維及びガラス繊維は繊維としての性能を保ちうる温度範囲は４００℃以下であり、軽金属の補強材に使用することは困難である。また、耐熱性があるカーボン繊維は力学強度的にも優れているが、軽金属にカーボンが溶解する為、カーボン繊維の表面処理をしない限り使用できないという問題がある。また、他の繊維材料として、ホウ素繊維、チタン繊維等があるが、高価であるという問題がある。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、繊維材料により補強された軽金属材料を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の軽金属材料の発明は、ＳｉＯ_２成分が５０重量％以下である含珪素繊維により補強されたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の軽金属材料において、前記含珪素繊維が玄武岩を主成分とする繊維であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の軽金属材料において、前記玄武岩を主成分とする繊維には、長さが３００μｍから１０ｍｍである繊維が３重量％から７０重量％含まれることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の軽金属材料において、前記玄武岩を主成分とする繊維の平均径が１から５０μｍであることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の軽金属材料において、前記玄武岩を主成分とする繊維が織布であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の軽金属材料において、軽金属がアルミニウム、亜鉛、マグネシウム及びそれらを主成分とする合金であることを特徴とする。

本発明によれば、繊維材料により補強され、耐衝撃性及び高い強度を有する軽金属材料を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を説明する。

本実施形態にかかる軽金属材料は、ＳｉＯ_２成分が５０重量％未満である含珪素繊維を補強材とし、この含珪素繊維を軽金属に混合し、または軽金属の表面に密着して軽金属を補強したことを特徴としている。ここで、含珪素繊維としては、例えば玄武岩を主成分とする繊維（以降、玄武岩繊維という）等を使用することができる。このような含珪素繊維は、軽金属より高い強度を有し、高い融点を有するので、軽金属材料の強度の向上が可能となる。また、含珪素繊維を補強材として使用することにより、軽金属材料の耐衝撃性を高めることができる。

上記含珪素繊維として使用される玄武岩繊維は、１５００から１７００℃の高温で溶融した後に、引き取ることにより繊維化させたものである。この玄武岩繊維の径は、小さくとも１μｍ、種々の用途を勘案すれば、大きくとも５０μｍである。径が小さいほどＬ／Ｄのアスペクト比が大きくなり、補強効果が大きくなるとともに繊維による軽金属材料表面の荒れを抑制することができる。しかし、径が１μｍより小さくなると工業生産性が低下する。また、径が１０μｍより大きくなると繊維の取り扱いが容易となり、短繊維を混合する際の分散性も向上する。しかし、径が５０μｍを超えると、補強効果が低下し、軽金属材料表面の荒れが大きくなる。以上より、上記径の範囲が適切である。

また、玄武岩繊維の形態は、溶融引き取りした長繊維でも該長繊維を集束したロービングでもよい。また、該長繊維を、チョッピングまたは粉砕した短繊維、超短繊維を使用することもできる。押し出し成形する際に短繊維は配向するので、線膨張係数を抑制することができる。その場合の繊維の長さは５０μｍから２０ｍｍが好適であり、さらに好ましくは３００μｍから１０ｍｍである。また、このような短繊維が３重量％から７０重量％含まれる玄武岩繊維を使用することが、線膨張係数を抑制するために好適である。さらに、アスペクト比が５より大きいことが望ましい。

また、玄武岩繊維には、長繊維または短繊維以外に、織布を使用することもできる。織布を使用することで、樹脂の分野でよく知られたＦＲＰと同様な効果を軽金属材料にも期待できる。すなわち、軽金属を織布で補強することにより、面状の成形物の強度、耐衝撃性を改善することができる。これにより、筐体等への使用も可能になる。

以上に述べた玄武岩繊維は、従来のガラス繊維に比較して、高耐熱、高強度、高剛性であり、軽金属の補強材として好適である。また、ＳｉＯ_２成分を５０重量％以下に減らした高融点硝子製の硝子繊維も高強度、高耐熱性を有し、上記補強材として使用することができる。さらに、繊維性能を少なくとも６５０℃以上まで保持する無機繊維も使用することができる。

本実施形態において使用される軽金属は、通常知られる比重が３より小さい金属合金であり、具体的には、金属アルミニウム、アルミニウム合金、金属マグネシウム、マグネシウム合金、金属亜鉛、亜鉛合金などが好適に使用される。

玄武岩繊維等の含珪素繊維が充分な補強効果を発現するには、含珪素繊維が軽金属と良好な界面相互作用を有することが必要である。ここで、含珪素繊維の主成分であるＳｉＯ_２と軽金属とが軽金属の溶融温度下で接触すると、軽金属が酸化され、ＳｉＯ_２が還元され、この酸化還元反応により含珪素繊維と軽金属とが密着する。この場合、接触時間と温度とを適切に制御する必要がある。すなわち、含珪素繊維が融解する温度を超えない条件下で軽金属と複合化することが必要である。具体的には、例えば玄武岩繊維の場合、８５０℃を超えないこと、好ましくは６５０℃を超えないことが好適である。これにより、含珪素繊維が繊維として維持され、補強材として機能することができる。

また、含珪素繊維は、含珪素繊維により補強された軽金属材料の３重量％から７０重量％を使用するのが好適である。含珪素繊維が３重量％未満であると軽金属材料の耐衝撃性が十分に向上せず、７０重量％を超えると軽金属成との混合が困難になり、軽金属の表面に繊維の形状が出て外観が悪くなる。

以下、上記実施形態の具体例を実施例として説明する。

〔実施例１〕
マグネシウム合金として市販のＡＺ９１系合金（主要添加成分がアルミニウムと亜鉛）を使用し、これを黒鉛坩堝にて溶解させた。この坩堝に玄武岩繊維のチョップ（繊維径１０μｍ、繊維長５ｍｍ）を４０重量％加えて、溶融混合した。該混合物を４５０℃で５０ｍｍ径、５００ｍｍ長のビレットに成型した後、４００℃にて押出して、厚さ１．６０ｍｍの板とした。その後、更に３５０℃で圧延し、玄武岩繊維で補強された厚さ０．８ｍｍのマグネシウム合金板を得た。

〔実施例２〕
市販のＡＺ９１系合金を４５０℃で５０ｍｍ径、５００ｍｍ長のビレットに成型した後、３５０℃にて押出して、厚さ１．６０ｍｍの板とした。その後、更に３３０℃で圧延し、厚さ０．８ｍｍのマグネシウム合金板を得た。この厚さ０．８ｍｍのマグネシウム合金板２枚の間に、繊維径１２μｍ、６００ｔｅｘの玄武岩繊維で織った織布（目付け重量２００ｇ／平方インチ（３１ｇ／平方ｃｍ）、厚さ０．１９ｍｍ）を挟み、３８０℃で圧延し、玄武岩繊維織布で補強された厚さ１．０ｍｍのマグネシウム合金板を得た。

〔実施例３〕
マグネシウム合金として市販のＡＭ６０系合金（主要添加成分がアルミニウムとマンガン）を使用し、これを実施例１と同様に黒鉛坩堝にて溶解させた。この坩堝に玄武岩繊維のチョップ（繊維径１２μｍ、繊維長１０ｍｍ）を２５重量％加えて、溶融混合した。該混合物を４５０℃で５０ｍｍ径、５００ｍｍ長のビレットに成型した後、４００℃にて押出して、厚さ１．６０ｍｍの板とした。その後、更に３５０℃で圧延し、玄武岩繊維で補強された厚さ０．８ｍｍのマグネシウム合金板を得た。

〔実施例４〕
市販のＡＭ６０系合金を４５０℃で５０ｍｍ径、５００ｍｍ長のビレットに成型した後、３５０℃にて押出して、１．６０ｍｍ厚みの板とした。その後、更に３３０℃で圧延し、厚さ０．８ｍｍのマグネシウム合金板を得た。この厚さ０．８ｍｍのマグネシウム合金板２枚の間に、繊維径１０μｍ、１２００ｔｅｘの玄武岩繊維で織った織布（目付け重量１２０ｇ／平方インチ（１８．６ｇ／平方ｃｍ）、厚さ０．１４ｍｍ）を挟み、３８０℃で圧延し、玄武岩繊維織布で補強された厚さ０．８ｍｍのマグネシウム合金板を得た。

〔比較例１〜４〕
実施例１〜４において玄武岩繊維もしくは玄武岩繊維織布を使用しないことを除き、同一条件でマグネシウム合金板を得た。

以上に述べた実施例１〜４及び比較例１〜４について外観の以上の有無及び１ｍの高さから２ｋｇの鉄球を落下させた場合の変形を観察する試験（以降、鉄球落下試験という）を行い、各軽金属材料の評価を行った。その評価結果が表１に示される。

表１に示されるように、実施例１〜４及び比較例１〜４のいずれにおいても、目視の結果、外観の異常は認められなかった。一方、鉄球落下試験においては、実施例１の最大変形が２ｍｍ、実施例２の最大変形が０．５ｍｍ、実施例３の最大変形が２．５ｍｍ及び実施例４の最大変形が０．８ｍｍであった。これに対して、比較例１〜４では、いずれの軽金属材料にも割れが発生し、最大変形の測定ができなかった。なお、上記最大変形は、初期平面状態から鉄球が衝突して陥没した穴の最大深さの測定値である。

以上の結果から、本実施例１〜４は、比較例１〜４に対して、靭性、耐衝撃性が高く、高強度であることがわかる。

Claims

ＳｉＯ_２成分が５０重量％以下である含珪素繊維により補強されたことを特徴とする軽金属材料。
請求項１記載の軽金属材料において、前記含珪素繊維は玄武岩を主成分とする繊維であることを特徴とする軽金属材料。
請求項２記載の軽金属材料において、前記玄武岩を主成分とする繊維には、長さが３００μｍから１０ｍｍである繊維が３重量％から７０重量％含まれることを特徴とする軽金属材料。
請求項２または請求項３に記載の軽金属材料において、前記玄武岩を主成分とする繊維の平均径が１から５０μｍであることを特徴とする軽金属材料。
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の軽金属材料において、前記玄武岩を主成分とする繊維が織布であることを特徴とする軽金属材料。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の軽金属材料において、軽金属がアルミニウム、亜鉛、マグネシウム及びそれらを主成分とする合金であることを特徴とする軽金属材料。