JP2541298B2

JP2541298B2 - 金属基複合材料の製造方法

Info

Publication number: JP2541298B2
Application number: JP63252453A
Authority: JP
Inventors: 義明梶川; 徹哉菅沼; 隆森川; 淳夫田中; 雅洋久保; 哲也額見
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-10-06
Filing date: 1988-10-06
Publication date: 1996-10-09
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: JPH02101128A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、複合材料に係り、更に詳細には金属繊維等
を強化材とし、アルミニウム合金等をマトリックスとす
る金属基複合材料の製造方法に係る。

従来の技術及び発明が解決しようとする課題例えば日本軽金属学会の主催により昭和60年７月15〜
16日に熱海市に於て開催された第３回金属成形セミナー
に於て頒布された「アルミニウム複合材料（FRM）の成
形」と題する小冊子に記載されている如く、強化繊維が
連続繊維である繊維強化金属複合材料の製造方法とし
て、拡散合法、プラズマ・スプレイ法、気相析出
法、溶融浸透法、電着法（めっき法）等があり、強
化繊維が不連続繊維である繊維強化金属複合材料の製造
方法として、粉末冶金法、コンポキャスティング
法、溶湯鍛造法、半溶融加工法、HIP法等がある
ことが知られている。

これらの方法のうち溶融浸透法及び溶湯鍛造法は上述
の他の方法に比して量産性等に優れていることから、工
業的には主としてこれらの方法が従来より一般に採用さ
れている。しかし溶融浸透法や溶湯鍛造法に於ては、マ
トリックス金属の溶湯を非常に高い圧力に加圧する必要
があり、従って製造設備が大規模なものとなり、そのた
め複合材料の製造が高コストになり、このことが複合材
料の実用化に対する一つの大きな阻害要因となってい
る。

かくして溶融浸透法や溶湯鍛造法による複合材料の製
造に於ては、マトリックス金属の溶湯に対する必要加圧
力を低減し、更には加圧を省略することが要請されてお
り、このことを実現するためには強化繊維とマトリック
ス金属の溶湯との濡れ性を大幅に改善することが必要で
ある。

かかる要請に鑑み、例えば特開昭61−295344号公報に
は、マトリックス金属として特殊な元素が添加されたア
ルミニウム合金を使用することが提案されている。しか
しマトリックス金属に特殊な元素を添加するだけでは十
分な濡れ性を確保することができず、またマトリックス
金属の組成が特定のものに限定されてしまうという問題
がある。

また強化繊維が連続繊維である場合についてマトリッ
クス金属の溶湯に対する繊維の濡れ性を改善するための
種々の方法が従来より提案されており、例えば特開昭49
−42504号公報には繊維の表面に金属粉末を塗布し、こ
れにより濡れ性を改善する方法が記載されており、特開
昭50−109904号、特開昭52−28433号、特開昭53−38791
号、特開昭57−169036号、特開昭57−169037号の各公報
には繊維の表面に金属を被覆し、これにより濡れ性を改
善する方法が記載されている。

これらの公報に記載されている如く、強化繊維が連続
繊維である場合には、一般に繊維が一方向に配向される
ので、毛細管現象によって個々の連続繊維の間にマトリ
ックス金属の溶湯が浸透し、従って上述の如き方法によ
れば繊維とマトリックス金属の溶湯との間の濡れ性をあ
向上させることができる。しかしマトリックス金属の溶
湯との濡れ性の悪い強化繊維が使用される場合には、こ
れらの方法によってもマトリックス金属の溶湯との間の
濡れ性を十分に向上させることが困難であり、そのため
強化繊維とマトリックス金属との間の密着性に優れた複
合材料を製造することが困難である。

また強化繊維が短繊維やウイスカである場合には、そ
れらが不連続なものであるため毛細管現象によるマトリ
ックス金属の溶湯の浸透を期待することができず、従っ
て例えば特開昭59−205464号公報に記載されている如
く、連続繊維について濡れ性を向上させる手段として知
られている方法を只単に短繊維やウイスカに適用しただ
けではそれらの濡れ性を十分に向上させることはできな
い。また強化繊維が短繊維やウイスカである場合には、
これらの金属を多量に被覆したり金属粉末を多量に塗布
することが困難であり、また非常に高コストである。こ
れらの問題は米国特許第4,376,803号及び同第4,569,886
号公報に記載されている如く繊維の表面を金属酸化物に
て被覆する場合も同様である。

また本出願人と同一の出願にかかる特開昭57−31466
号公報や特開昭62−67133号公報に記載されている如
く、強化材成形体を所定の温度に予熱し、しかる後成形
体中にマトリックス金属の溶湯を加圧浸透させる方法が
知られている。かかる方法によれば、強化材自身が或る
温度に加熱されることによってマトリックス金属の溶湯
と濡れ性が向上し、成形体が予熱されない場合に比して
マトリックス金属の溶湯の浸透性が向上する。しかしこ
れらの方法に於ては成形体を予熱することが必須であ
り、またそのための特別の手段が必要であり、従ってこ
れらの方法によっても複合材料の製造を能率化し低コス
ト化することに限界がある。

また本願出願人と同一の出願人の出願にかかる特開昭
61−165265号公報に記載されている如く、強化材の成形
体中に含まれる金属酸化物とマトリックス金属中の或る
特定の金属元素との間に於ける酸化還元反応を利用して
強化材成形体中へのマトリックス金属の溶湯の浸透性を
向上させる方法が知られている。しかしこの方法に於て
は互いに酸化還元反応する元素が或る程度制限されるた
め、任意の組成の金属をマトリックス金属とする複合材
料を製造することができないという問題がある。

更に上述の何れの従来の方法に於ても、マトリックス
金属の溶湯を或る比較的高い圧力に加圧することが必須
であり、従ってこれら従来の方法によってはマトリック
ス金属の溶湯に対する加圧を省略したり、加圧に必要な
鋳型等の使用を省略して能率よく低廉に複合材料を製造
することはできず、また鋳造毎に鋳型内の成形体以外の
領域に於て比較的多量のマトリックス金属が凝固するこ
とが避けられないため、歩留りを向上させることができ
ないという問題がある。

また特表昭59−500973号公報及び1985年４月に出版さ
れたJornal of Materials Science Lettersには、強化
繊維の成形体をフッ素含有試薬で前処理し、その成形体
にマトリックス金属の溶湯を含浸させる複合材料の製造
方法が記載されている。しかしこの方法に於ては、強化
繊維が炭素又は炭化物を主成分とし若しくは炭素又は炭
化物で表面被覆された強化繊維に限定され、またマトリ
ックス金属の溶湯を含浸させる前に処理後の成形体を予
熱することが必要であるという問題がある。

本願発明者等は、従来の複合材料の製造方法に於ける
上述の如き問題に鑑み、種々の実験的研究を行った結
果、マトリックス金属の溶湯の表面にハロゲン化物のフ
ラックスの溶融液を層状に配置し、該溶融液の層を経て
溶湯内に強化材成形体を導入することにより、上述の如
き種々の問題を解決し得ることを見出した。

本発明は本願発明者等が行った種々の実験的研究の結
果得られた知見に基き、マトリックス金属の溶湯を加圧
しなくてもマトリックス金属が個々の強化材の間に良好
に充填された複合材料を能率よく低廉に製造することの
できる方法を提供することを目的としている。

また本発明は、マトリックス金属の溶湯を加圧するた
めの鋳型や所定の形状の複合材料を製造するための鋳型
を用いることなく、実質的に所定の形状及び寸法の複合
材料を非常に能率よく且低廉に非常に高い歩留りにて製
造することのできる方法を提供することを目的としてい
る。

課題を解決するための手段上述の如き目的は、本発明によれば、Al、Mg、Al合
金、及びMg合金よりなる群より選択されたマトリックス
金属の溶湯の表面にハロゲン化物のフラックスの溶融液
を層状に配置し、前記溶融液の層を経て前記溶湯内に強
化材成形体を導入し、前記強化材成形体中に浸透した溶
湯を凝固させる金属基複合材料の製造方法のよって達成
される。

発明の作用及び効果本発明の方法によれば、マトリックス金属の溶湯の表
面にハロゲン化物のフラックスの溶融液が層状に配置さ
れ、該溶融液の層を経て溶湯内に強化材成形体が導入さ
れる。強化材が特定の金属にて被覆されていない場合に
は、フラックスの溶融液はマトリックス金属の溶湯の表
面及び強化材の表面の酸化膜を除去して強化材に対する
溶湯の濡れを改善し、また強化材が特定の金属にて被覆
されている場合には、フラックスの溶融液はマトリック
ス金属の溶湯の表面及び金属被覆の表面の酸化膜を除去
して金属被覆に対する溶湯の濡れを改善するので、強化
材成形体中への溶湯の浸透性が向上され、これによりマ
トリックス金属の溶湯が成形体全体に良好に浸透して行
く。

従って本発明の方法によれば、マトリックス金属の溶
湯を加圧したり強化材を高温に予熱しなくても、従って
マトリックス金属の溶湯を加圧したり強化材を高温に予
熱するための大掛りな設備を要することなく、マトリッ
クス金属が個々の強化材の間に良好に充填された複合材
料を従来の方法に比して能率よく低廉に製造することが
できる。

また本発明によれば、強化材成形体はフラックスの溶
融液の層を経てマトリックス金属の溶湯中に導入される
ので、少くとも初期段階に於ては強化材又は金属被覆は
フラックスの溶融液の層にて被覆された状態にある。従
ってフラックスの溶融液が使用されない従来の方法の場
合に比して、強化材がマトリックス金属の溶湯と反応す
ることによる劣化が防止若しくは低減され、これにより
マトリックス金属が良好に複合強化された複合材料を製
造することができる。

また本発明の方法によれば、上述の如くマトリックス
金属の溶湯が良好に強化材成形体中へ浸透して行くの
で、強化材にて所定の体積率の成形体を所定の形状及び
寸法にて形成し、その成形体をマトリックス金属の溶湯
中に浸漬した後溶湯より取出せば、成形体全体にマトリ
ックス金属の溶湯が過不足なく迅速に浸透し、これによ
り実質的に所定の形状及び寸法の複合材料が所定の強化
材体積率にて形成される。従ってマトリックス金属の溶
湯を加圧したり所定の製品形状を郭定するための鋳型を
要し、また鋳型内の複合材料以外の部分にて多量のマト
リックス金属が凝固することが避けられない従来の溶湯
鍛造法等に比して、非常に高い歩留りにて実質的に所定
の形状及び寸法の複合材料を能率よく低廉に製造するこ
とができる。

本発明の方法に於ては、フラックスはフッ化物系、塩
化物系、及びこれらの混合物であってよく、例えばK₂Zr
F₆、K₂TiF₆、KAlF₄、K₃AlF₆、K₂AlF₅・H₂O、CsAlF₄、Cs
AlF₅・H₂Oの如く、アルカリ金属、アルカリ土類金属、
希土類金属の如き電気的に正の元素と結合したTi、Zr、
Hf、Ｖ、Nb、Taの如き遷移金属又はAlを含むフッ化物
や、従来よりアルミニウムはんだ用フラックスとして使
用されているKCl、NaCl、LiCl、ZnCl、NH₄Cl、CaCl₂、S
rCl₂、SnCl₂、NaF等であることが好ましい。

また本発明の方法に於ては、Ni、Fe、Co、Cr、Mu、C
u、Ag、Si、Mg、Al、Zn、Sn、Ti、又はこれらを主成分
とする合金の微細片が強化材成形体中に含まれていてよ
く、或いは個々の強化材がかかる特定の金属にて被覆さ
れていてよい。

かくして強化材成形体中に特定の金属の微細片が含ま
れている場合には、フラックスの溶融液によって金属の
微細片の表面の酸化膜も除去され、また強化材が特定の
金属にて被覆されている場合には、フラックスの溶融液
によって金属被覆の表面の酸化膜も除去されるので、特
定の金属とマトリックス金属との間に化合等の反応が良
好に生じ、その際の反応熱により強化材及びマトリック
ス金属の溶湯が加熱され、これにより強化材成形体中へ
の溶湯の浸透性を更に一層向上させることができる。尚
金属被覆は上記化合反応等によって消滅し、従って強化
材はマトリックス金属と良好に密着する。

また本発明の方法に於ては、強化材の形態は長繊維、
短繊維、ウイスカ、粒子、又はそれらの混合物の如き任
意の形態のものであってよく、強化材が長繊維である場
合には強化材成形体は繊維束、強化繊維の編織体などで
あってよく、また強化材が短繊維、ウイスカ、粒子、又
はそれらの混合物である場合には強化材の吸引成形体や
圧縮成形体等であってよい。

尚本発明の方法に於ては、成形体の予熱は不要である
が、マトリックス金属の溶湯に体する強化材等の濡れ性
を向上させるべく成形体を予熱する場合には、その温度
は従来より採用されている温度よりも低いことが好まし
い。また本発明の方法に於ては、マトリックス金属の溶
湯は強化材成形体が浸漬された状態にて凝固せしめられ
てもよく、またその場合マトリックス金属の溶湯は加圧
された状態にて凝固せしめられてもよい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例につい
て詳細に説明する。

実施例１第１図に示されている如く、平均繊維径0.5μ、平均
繊維長150μのSiCウイスカ10（東海カーボン株式会社
製）を成形することにより、20×10×30mmの寸法を有し
繊維体積率が20％である強化材成形体12を形成した。ま
た第２図に示されている如く、10％MgCl₂、40％CaCl₂、
30％NaCl、20％KClなる組成を有する粉末状のフラック
スを約800℃の純マグネシウムの溶湯16の表面に層状に
配置し、フラックスを溶湯の熱によって溶融させること
により、溶湯の表面をフラックスの溶融液14にて覆っ
た。

次いで強化材成形体12を200℃に予熱した後、第３図
及び第４図に示されている如く、溶融液14の層を経て純
マグネシウムの溶湯中に強化材成形体12を導入し、溶湯
中に約20秒間浸漬保持した後溶湯より取出し、強化材成
形体中に浸透した溶湯をそのままの状態にて凝固させ
た。この場合溶湯はそれが凝固するまで表面張力により
強化材成形体に付着した状態を維持し、実質的に成形体
より滴り落ちることはなかった。

溶湯が完全に凝固した後、かくして得られた凝固体を
その長手方向中央にて切断し、その断面を研磨して光学
顕微鏡にて観察したところ、強化材成形体全体に亙り純
マグネシウムが過不足なく良好に浸透しており、SiCウ
イスカと純マグネシウムとの密着状態も良好である複合
材料が形成されていることが確認された。またこの複合
材料の寸法は元の強化材成形体の寸法と実質的に同一で
あり、またSiCウイスカの体積率は元の強化材成形体に
於ける体積率と実質的に同一の20％であった。

また比較の目的で、この実施例に於て形成された強化
材成形体と同様の強化材成形体を200℃に予熱した後、
純マグネシウムの溶湯中に直接浸漬し20秒間保持した後
溶湯より取出して溶湯を凝固させたところ、純マグネシ
ウムの溶湯は強化材成形体中に全く浸透していなかっ
た。

実施例２第５図に示されている如く、容器18に貯容された湯温
760℃の純アルミニウムの溶湯20に仕切り壁22を部分的
に浸漬することにより溶湯の表面を二つの部分に分割し
た。

次いでフラックスとしてのKAlF₄粉末を純アルミニウ
ムの溶湯20の一方の表面に配置し、KAlF₄粉末を溶湯の
熱によって溶融させることにより、溶湯の一方の表面を
KAlF₄の溶融液24にて覆った。

次いで第５図に示されている如く、表面に厚さ0.2μ
にてNiが無電解めっきされた繊維径７μの炭素繊維（東
レ株式会社製「T300」）のヤーン26（フィラメント数30
00本）を溶融液24の層を経て純アルミニウムの溶湯中に
連続的に導入し、溶湯の他方の表面より連続的に大気中
に取出し、炭素繊維のヤーンに浸透した溶湯をそのまま
連続的に凝固させ、これにより炭素繊維にて複合強化さ
れた線状の複合材料28を連続的に形成した。

かくして形成された複合材料を長手方向に垂直に切断
し、その断面を研磨して光学顕微鏡にて観察したとこ
ろ、個々の炭素繊維の間に純アルミニウムが過不足なく
良好に浸透しており、炭素繊維と純アルミニウムとの密
着状態も良好であることが認められた。尚炭素繊維の体
積率は約40％であった。

実施例３強化材成形体として平均繊維径８μのステンレス鋼
（JIS規格SU316L）繊維よりなる帯状のフェルト（日本
精線株式会社製「ナスロンフェルト」、厚さ5mm、幅50m
m）が使用され、フラックスとして20％NaCl、45％KCl、
15％LiCl、10％LiF、10％ZnCl₂なる組成を有する粉末状
のフラックスが使用され、マトリックス金属の溶湯とし
て湯温730℃のアルミニウム合金（JIS規格AC4C）の溶湯
が使用された点を除き実施例２と同様に要領にて帯状の
複合材料を製造した。

この実施例の複合材料に於ても元の強化材成形体全体
に亙りアルミニウム合金が過不足なく良好に浸透してお
り、ステンレス鋼繊維とアルミニウム合金との密着状態
も良好であることが認められた。またこの複合材料の寸
法も元の強化材成形体の寸法と実質的に同一であり、ま
たステンレス鋼繊維の体積率も元の強化材成形体に於け
る体積率と実質的に同一の８％であった。

また比較の目的で、実施例１の比較例の場合と同様、
フラックスの溶融液を使用することなく複合材料の製造
を試みたところ、ステンレス鋼繊維よりなる強化材成形
体中にはアルミニウム合金が全く浸透していなかった。

以上に於ては本発明を幾つかの実施例について詳細に
説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能
であることは当業者にとって明らかであろう。例えばフ
ラックスの溶融液はフラックスの粉末等を加熱すること
とにより形成され、しかる後マトリックス金属の溶湯の
表面に配置されてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明による金属基複合材料の製造
方法の一つの実施例の一連の工程を示す工程図、第５図
は本発明による金属基複合材料の製造方法の他の一つの
実施例を示す解図である。 10……SiCウイスカ,12……強化材成形体,14……フラッ
クスの溶融液,16……純マグネシウムの溶湯,18……容
器,20……純アルミニウムの溶湯,22……仕切り壁,24…
…KAlF₄の溶融液,26……炭素繊維のヤーン,28……複合
材料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中淳夫愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者久保雅洋愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者額見哲也愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (56)参考文献特開昭48−311（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−139512（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−51230（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−124539（ＪＰ，Ａ) 特表昭59−500973（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Al、Mg、Al合金、及びMg合金よりなる群よ
り選択されたマトリックス金属の溶湯の表面にハロゲン
化物のフラックスの溶融液を層状に配置し、前記溶融液
の層を経て前記溶湯内に強化材成形体を導入し、前記強
化材成形体中に浸透した溶湯を凝固させる金属基複合材
料の製造方法。