JP2990023B2 - 繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法 - Google Patents
繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法Info
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- JP2990023B2 JP2990023B2 JP6245546A JP24554694A JP2990023B2 JP 2990023 B2 JP2990023 B2 JP 2990023B2 JP 6245546 A JP6245546 A JP 6245546A JP 24554694 A JP24554694 A JP 24554694A JP 2990023 B2 JP2990023 B2 JP 2990023B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミック繊維、セラ
ミックウィスカーからなる強化繊維成形体にアルミニウ
ム合金溶湯を含浸充填させる繊維強化アルミニウム複合
材料の製造方法に関するものである。
ミックウィスカーからなる強化繊維成形体にアルミニウ
ム合金溶湯を含浸充填させる繊維強化アルミニウム複合
材料の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】繊維強化複合材料は、製品の強度特性を
向上させる目的でセラミック繊維やセラミックウィスカ
ー（ＳｉＣ、Ｓｉ3 Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ・６Ｔｉ
Ｏ２等）により構成された強化繊維成形体にアルミニウ
ムおよびアルミニウム合金等のマトリックス金属を複合
する研究開発が行われている。この種の複合材料の製造
方法としては、強化繊維成形体を製品形状にし、これを
金型内に配置してからマトリックス金属を成形体に含浸
させる加圧鋳造法、マトリックス金属粉末と強化繊維を
混合し、加圧焼結する粉末冶金法、溶融したマトリック
ス金属に強化繊維を添加して攪拌混合して分散させるコ
ンポキャスティング法等がある。
向上させる目的でセラミック繊維やセラミックウィスカ
ー（ＳｉＣ、Ｓｉ3 Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ・６Ｔｉ
Ｏ２等）により構成された強化繊維成形体にアルミニウ
ムおよびアルミニウム合金等のマトリックス金属を複合
する研究開発が行われている。この種の複合材料の製造
方法としては、強化繊維成形体を製品形状にし、これを
金型内に配置してからマトリックス金属を成形体に含浸
させる加圧鋳造法、マトリックス金属粉末と強化繊維を
混合し、加圧焼結する粉末冶金法、溶融したマトリック
ス金属に強化繊維を添加して攪拌混合して分散させるコ
ンポキャスティング法等がある。
【０００３】これらの内、加圧鋳造法は簡易な製造方法
であり、これが主に使われている。しかし、高強度材料
を得るためにＪＩＳ７０７５合金等の高力系合金を使用
する場合、加圧鋳造法では粉末冶金法やコンポキャステ
ィング法のように比較的均一な組織や強度特性を得るこ
とができず、組織制御が困難であった。
であり、これが主に使われている。しかし、高強度材料
を得るためにＪＩＳ７０７５合金等の高力系合金を使用
する場合、加圧鋳造法では粉末冶金法やコンポキャステ
ィング法のように比較的均一な組織や強度特性を得るこ
とができず、組織制御が困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、加圧鋳造法
の品質上最も重要なことは、強化繊維成形体内に溶湯を
十分に含浸させることであるが、これを達成するために
金型の温度を上昇させ、溶湯含浸時に溶湯温度を保持す
ることにより、良好な溶湯含浸性を得ていた。しかし、
組織の微細化成分であるＴｉやＺｒ等は大部分が繊維成
形体内に含浸されずＡｌ残部に留まってしまうので、複
合鋳塊内の微細化成分濃度が抑えられ、微細化効果を低
下させてしまい、凝固時には複合鋳塊の組織は粗大な柱
状結晶組織となってしまうという問題を生じていた。こ
の粗大な柱状結晶組織は、柱状晶部の結晶粒界で高力ア
ルミニウム合金の強化成分であるＭｇ等の各種元素の偏
析をおこしてしまい、組織および特性の不均一なものと
なっていた。
の品質上最も重要なことは、強化繊維成形体内に溶湯を
十分に含浸させることであるが、これを達成するために
金型の温度を上昇させ、溶湯含浸時に溶湯温度を保持す
ることにより、良好な溶湯含浸性を得ていた。しかし、
組織の微細化成分であるＴｉやＺｒ等は大部分が繊維成
形体内に含浸されずＡｌ残部に留まってしまうので、複
合鋳塊内の微細化成分濃度が抑えられ、微細化効果を低
下させてしまい、凝固時には複合鋳塊の組織は粗大な柱
状結晶組織となってしまうという問題を生じていた。こ
の粗大な柱状結晶組織は、柱状晶部の結晶粒界で高力ア
ルミニウム合金の強化成分であるＭｇ等の各種元素の偏
析をおこしてしまい、組織および特性の不均一なものと
なっていた。
【０００５】なお、繊維強化アルミニウム複合材料鋳塊
は図４に示すように、繊維強化成形体（繊維部）にアル
ミニウム合金（マトリックス部）が充填されている複合
部と、繊維強化成形体内に含浸しきれず、アルミニウム
合金のみが該成形体上に残留したＡｌ残部とから構成さ
れており、さらに複合部は中央部に粗大な結晶粒が集ま
っている等軸晶部と、等軸晶部を中心に鋳塊外方向に向
かって柱状に結晶粒が並んでいる柱状晶部とから構成さ
れている。
は図４に示すように、繊維強化成形体（繊維部）にアル
ミニウム合金（マトリックス部）が充填されている複合
部と、繊維強化成形体内に含浸しきれず、アルミニウム
合金のみが該成形体上に残留したＡｌ残部とから構成さ
れており、さらに複合部は中央部に粗大な結晶粒が集ま
っている等軸晶部と、等軸晶部を中心に鋳塊外方向に向
かって柱状に結晶粒が並んでいる柱状晶部とから構成さ
れている。
【０００６】
【問題を解決するための手段】本発明は、このような状
況に対して鋭意研究を行った結果、得られたものであ
り、その目的とするところは、組織および特性の均質な
繊維強化アルミニウム複合材料を提供することにある。
況に対して鋭意研究を行った結果、得られたものであ
り、その目的とするところは、組織および特性の均質な
繊維強化アルミニウム複合材料を提供することにある。
【０００７】即ち、本願請求項１の発明は、金型内の所
定箇所に繊維成形体を設置し、加圧鋳造法により金属溶
湯を繊維成形体に充填する繊維強化複合材料の製造方法
において、セラミック繊維、セラミックウィスカーのう
ち１種または２種以上からなる強化繊維成形体を成形
し、少なくともＺｎを５．０ｗｔ％以上、Ｍｇを２．０
ｗｔ％以上含むＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金にＴｉま
たはＺｒを添加し、Ｔｉ量を０．０５ｗｔ％以上０．８
ｗｔ％以下、または、Ｚｒ量を０．０４ｗｔ％以上０．
７ｗｔ％以下とした溶湯を該成形体中に含浸させ、前記
溶湯を凝固させることを特徴とする繊維強化アルミニウ
ム複合材料の製造方法である。
定箇所に繊維成形体を設置し、加圧鋳造法により金属溶
湯を繊維成形体に充填する繊維強化複合材料の製造方法
において、セラミック繊維、セラミックウィスカーのう
ち１種または２種以上からなる強化繊維成形体を成形
し、少なくともＺｎを５．０ｗｔ％以上、Ｍｇを２．０
ｗｔ％以上含むＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金にＴｉま
たはＺｒを添加し、Ｔｉ量を０．０５ｗｔ％以上０．８
ｗｔ％以下、または、Ｚｒ量を０．０４ｗｔ％以上０．
７ｗｔ％以下とした溶湯を該成形体中に含浸させ、前記
溶湯を凝固させることを特徴とする繊維強化アルミニウ
ム複合材料の製造方法である。
【０００８】
【作用】本発明における溶湯はＴｉ含有量が０．０５ｗ
ｔ％以上０．８ｗｔ％以下であり、またはＺｒ含有量が
０．０４ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下であるので、組織
が微細化されて均質となり、したがって、強度特性が均
質となる。しかして、Ｔｉ含有量が０．０５ｗｔ％未満
またはＺｒ含有量が０．０４ｗｔ％未満であると、上記
効果が得られない。またＴｉ含有量が０．８ｗｔ％より
多いと、融点の上昇にともなう含浸性の低下により、粗
大なＴｉ化合物が形成され組織が十分に微細化されな
い。またＺｒ含有量が０．７ｗｔ％より多い場合も、融
点の上昇にともなう含浸性の低下により、粗大なＺｒ化
合物が形成され組織の微細化効果の低減をおこす。
ｔ％以上０．８ｗｔ％以下であり、またはＺｒ含有量が
０．０４ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下であるので、組織
が微細化されて均質となり、したがって、強度特性が均
質となる。しかして、Ｔｉ含有量が０．０５ｗｔ％未満
またはＺｒ含有量が０．０４ｗｔ％未満であると、上記
効果が得られない。またＴｉ含有量が０．８ｗｔ％より
多いと、融点の上昇にともなう含浸性の低下により、粗
大なＴｉ化合物が形成され組織が十分に微細化されな
い。またＺｒ含有量が０．７ｗｔ％より多い場合も、融
点の上昇にともなう含浸性の低下により、粗大なＺｒ化
合物が形成され組織の微細化効果の低減をおこす。
【０００９】なお、前記においてＴｉを含有させた溶湯
を用いる場合、マトリックス部にＺｒが含まれている
と、Ｔｉによる微細化効果を阻害してしまうので、Ｔｉ
を含有させた溶湯を用いる場合は溶湯中のＺｒ含有量は
なるべく少量であることが望ましい。また、Ｚｒを含有
させた溶湯を用いる場合も同様の理由で、Ｔｉ含有量は
なるべく少量であることが望ましい。
を用いる場合、マトリックス部にＺｒが含まれている
と、Ｔｉによる微細化効果を阻害してしまうので、Ｔｉ
を含有させた溶湯を用いる場合は溶湯中のＺｒ含有量は
なるべく少量であることが望ましい。また、Ｚｒを含有
させた溶湯を用いる場合も同様の理由で、Ｔｉ含有量は
なるべく少量であることが望ましい。
【００１０】前記複合材料を構成するアルミニウム合金
溶湯に用いられるＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金として
は、例えばＪＩＳ７０７５合金等の高力合金を挙げるこ
とができる。これらの合金の微細化剤であるＴｉまたは
Ｚｒの添加方法は、単体での添加は活性で困難であるた
めＡｌ−Ｔｉ合金およびＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金、またはＡ
ｌ−Ｚｒ合金による添加で行う必要がある。
溶湯に用いられるＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金として
は、例えばＪＩＳ７０７５合金等の高力合金を挙げるこ
とができる。これらの合金の微細化剤であるＴｉまたは
Ｚｒの添加方法は、単体での添加は活性で困難であるた
めＡｌ−Ｔｉ合金およびＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金、またはＡ
ｌ−Ｚｒ合金による添加で行う必要がある。
【００１１】前記複合材料を構成する強化繊維成形体で
あるセラミックス繊維としては、例えばアルミナ連続繊
維、カーボン連続繊維、炭化ケイ素連続繊維、ボロン連
続繊維、アルミナ短繊維、アルミナシリカ短繊維等を使
用するものである。また、セラミックウィスカーとして
は、例えば炭化ケイ素ウィスカー、ホウ化チタンウィス
カー、チタン酸カリウムウィスカー、ホウ酸アルミニウ
ムウィスカー等を使用するものである。これらは１種ま
たは２種以上の混合物の形で使用することができる。
あるセラミックス繊維としては、例えばアルミナ連続繊
維、カーボン連続繊維、炭化ケイ素連続繊維、ボロン連
続繊維、アルミナ短繊維、アルミナシリカ短繊維等を使
用するものである。また、セラミックウィスカーとして
は、例えば炭化ケイ素ウィスカー、ホウ化チタンウィス
カー、チタン酸カリウムウィスカー、ホウ酸アルミニウ
ムウィスカー等を使用するものである。これらは１種ま
たは２種以上の混合物の形で使用することができる。
【００１２】本発明において、繊維強化アルミニウム複
合材料に対する強化繊維成形体の体積充填率は、１０〜
３０％とするのが望ましい。この理由は体積充填率が１
０％未満であると、強化繊維成形体を形成することが困
難となり、本発明の本来の目的である、繊維強化アルミ
ニウム複合材料を製造することがきない。また、体積充
填率が３０％を越えると、溶湯を強化繊維成形体内に含
浸することが困難となり、体積充填率が３０％を越える
繊維強化アルミニウム複合材料を製造したとしても、引
張強度等の強度特性は向上せず、逆に低下してしまう。
したがって、体積充填率は１０〜３０％とする。また、
体積充填率は形状や用途に合わせて１０〜３０％の範囲
内で任意に変えることができる。
合材料に対する強化繊維成形体の体積充填率は、１０〜
３０％とするのが望ましい。この理由は体積充填率が１
０％未満であると、強化繊維成形体を形成することが困
難となり、本発明の本来の目的である、繊維強化アルミ
ニウム複合材料を製造することがきない。また、体積充
填率が３０％を越えると、溶湯を強化繊維成形体内に含
浸することが困難となり、体積充填率が３０％を越える
繊維強化アルミニウム複合材料を製造したとしても、引
張強度等の強度特性は向上せず、逆に低下してしまう。
したがって、体積充填率は１０〜３０％とする。また、
体積充填率は形状や用途に合わせて１０〜３０％の範囲
内で任意に変えることができる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【００１４】まず、ＳｉＣウィスカー（平均径０．１〜
１．０μｍ、引張強度１４ＧＰａ、ヤング率４８０ＧＰ
ａ）を有機バインダーを主成分とする水溶液に混合して
撹拌し、次いでこれを金型に入れて外径１００ｍｍφ、
高さ１５０ｍｍの円柱状に成形した。次に前記円柱状体
を乾燥後に５５０℃にて脱バインダー処理を行って強化
繊維成形体となし、これを所定温度に予熱した後、鋳型
内に配列した。該鋳型内に８００℃に加熱したアルミニ
ウム合金溶湯を充満させ、この鋳型内の溶湯に加圧パン
チを降下させて５０ＭＰａの圧力を付与した。上記にお
いて、鋳型は５００℃に予熱した。
１．０μｍ、引張強度１４ＧＰａ、ヤング率４８０ＧＰ
ａ）を有機バインダーを主成分とする水溶液に混合して
撹拌し、次いでこれを金型に入れて外径１００ｍｍφ、
高さ１５０ｍｍの円柱状に成形した。次に前記円柱状体
を乾燥後に５５０℃にて脱バインダー処理を行って強化
繊維成形体となし、これを所定温度に予熱した後、鋳型
内に配列した。該鋳型内に８００℃に加熱したアルミニ
ウム合金溶湯を充満させ、この鋳型内の溶湯に加圧パン
チを降下させて５０ＭＰａの圧力を付与した。上記にお
いて、鋳型は５００℃に予熱した。
【００１５】上記において使用したアルミニウム合金
は、ＪＩＳ７０７５合金（Ａｌ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｍｇ系）
を基に主要成分であるＡｌ、およびＴｉまたはＺｒの含
有量を表１に示した値に種々変化させた。
は、ＪＩＳ７０７５合金（Ａｌ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｍｇ系）
を基に主要成分であるＡｌ、およびＴｉまたはＺｒの含
有量を表１に示した値に種々変化させた。
【００１６】また従来例は、アルミニウム合金中のＡｌ
およびＴｉまたはＺｒの含有量が表１に示すごとくＪＩ
Ｓ７０７５合金の組成である以外は、前記実施例と同様
の方法により繊維強化アルミニウム複合材料を製造し
た。
およびＴｉまたはＺｒの含有量が表１に示すごとくＪＩ
Ｓ７０７５合金の組成である以外は、前記実施例と同様
の方法により繊維強化アルミニウム複合材料を製造し
た。
【００１７】
【表１】
【００１８】表２に各複合材料の強度特性および複合鋳
塊各部のＴｉまたはＺｒの含有量を示す。なお、疲労特
性（５００ＭＰａ）は、負荷荷重の最大値を５００ＭＰ
ａとし、０〜５００ＭＰａの負荷を試料が破断するまで
繰り返し、破断した時の負荷回数とした。
塊各部のＴｉまたはＺｒの含有量を示す。なお、疲労特
性（５００ＭＰａ）は、負荷荷重の最大値を５００ＭＰ
ａとし、０〜５００ＭＰａの負荷を試料が破断するまで
繰り返し、破断した時の負荷回数とした。
【００１９】強度特性は複合鋳塊において、図４に示す
ようなサンプルによって評価したが、中心部の強度特性
はほぼ同一であるため、最も微細化効果が顕著に現れた
鋳塊横方向最外部のサンプル（ｄ）で評価した。
ようなサンプルによって評価したが、中心部の強度特性
はほぼ同一であるため、最も微細化効果が顕著に現れた
鋳塊横方向最外部のサンプル（ｄ）で評価した。
【００２０】
【表２】 （0.2%耐力の─は測定不能）
【００２１】表２から明らかなように本発明例は、種々
の強度特性がいずれも高い値を示している。これは、Ｔ
ｉまたはＺｒ添加により微細化効果が発揮され、偏析の
低減をすることができたためである。これに対して、従
来例、比較例は鋳塊周辺部において強化成分の偏析を制
御することができなかったため、粗大な柱状結晶が生
じ、微細化効果が十分に発揮することができず、いずれ
も強度特性が本発明例よりも低くなっている。なお、
０．２％耐力が測定不能ということは、試料がほとんど
伸びずに破断したためであり、したがって、測定不能の
試料は靱性が劣るということである。また、複合鋳塊各
部のＴｉ、Ｚｒの含有量において本発明例と従来例を比
較すると、本発明による複合鋳塊の方が複合部に添加元
素が十分に供給されていることが分かる。
の強度特性がいずれも高い値を示している。これは、Ｔ
ｉまたはＺｒ添加により微細化効果が発揮され、偏析の
低減をすることができたためである。これに対して、従
来例、比較例は鋳塊周辺部において強化成分の偏析を制
御することができなかったため、粗大な柱状結晶が生
じ、微細化効果が十分に発揮することができず、いずれ
も強度特性が本発明例よりも低くなっている。なお、
０．２％耐力が測定不能ということは、試料がほとんど
伸びずに破断したためであり、したがって、測定不能の
試料は靱性が劣るということである。また、複合鋳塊各
部のＴｉ、Ｚｒの含有量において本発明例と従来例を比
較すると、本発明による複合鋳塊の方が複合部に添加元
素が十分に供給されていることが分かる。
【００２２】次に、得られた複合鋳塊の縦方向および横
方向の強度分布を調査した。複合鋳塊の縦方向とは、複
合鋳塊の底面を０ｃｍとして測定開始点とし、複合部上
部を測定終了点としたものである。なお、測定サンプル
は（ａ）である。また、複合鋳塊の横方向とは、複合鋳
塊の中心軸を０ｃｍとして、測定サンプル（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の同じ鋳塊高さについて測定し
たものである。結果は図１、図２に示す。本発明例（No
２）は縦方向は従来例（No10）と同等な結晶組織である
ので、引張強度特性は従来例とさほど変わらないが、横
方向では顕著に微細化効果が現れ、比較的均質な強度特
性を示していることがわかる。
方向の強度分布を調査した。複合鋳塊の縦方向とは、複
合鋳塊の底面を０ｃｍとして測定開始点とし、複合部上
部を測定終了点としたものである。なお、測定サンプル
は（ａ）である。また、複合鋳塊の横方向とは、複合鋳
塊の中心軸を０ｃｍとして、測定サンプル（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の同じ鋳塊高さについて測定し
たものである。結果は図１、図２に示す。本発明例（No
２）は縦方向は従来例（No10）と同等な結晶組織である
ので、引張強度特性は従来例とさほど変わらないが、横
方向では顕著に微細化効果が現れ、比較的均質な強度特
性を示していることがわかる。
【００２３】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
組織および強度特性の均質な繊維強化アルミニウム複合
材料が得られ、工業上有用な効果をもたらすものであ
る。
組織および強度特性の均質な繊維強化アルミニウム複合
材料が得られ、工業上有用な効果をもたらすものであ
る。
【図１】図１は複合鋳塊縦方向の強度特性変化を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図２】図２は複合鋳塊横方向の強度特性変化を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図３】図３は複合鋳塊の縦断面図である。
【図４】図４は複合鋳塊から取り出したサンプルの採取
位置を示す説明図である。
位置を示す説明図である。
Claims (1)
- 【請求項１】金型内の所定箇所に繊維成形体を設置し、
加圧鋳造法により金属溶湯を繊維成形体に充填する繊維
強化複合材料の製造方法において、セラミック繊維、セ
ラミックウィスカーのうち１種または２種以上からなる
強化繊維成形体を成形し、少なくともＺｎを５．０ｗｔ
％以上、Ｍｇを２．０ｗｔ％以上含むＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ
−Ｍｇ系合金にＴｉまたはＺｒを添加し、Ｔｉ量を０．
０５ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下、または、Ｚｒ量を
０．０４ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下とした溶湯を該成
形体中に含浸させ、前記溶湯を凝固させることを特徴と
する繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6245546A JP2990023B2 (ja) | 1994-10-11 | 1994-10-11 | 繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6245546A JP2990023B2 (ja) | 1994-10-11 | 1994-10-11 | 繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08109423A JPH08109423A (ja) | 1996-04-30 |
| JP2990023B2 true JP2990023B2 (ja) | 1999-12-13 |
Family
ID=17135313
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6245546A Expired - Lifetime JP2990023B2 (ja) | 1994-10-11 | 1994-10-11 | 繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2990023B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1060221C (zh) * | 1998-01-04 | 2001-01-03 | 刘越 | 钛酸钾晶须增强锌铝合金复合材料及其制造方法 |
| CN100402691C (zh) * | 2005-06-29 | 2008-07-16 | 哈尔滨工业大学 | 含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料 |
| CN103667754B (zh) * | 2013-12-18 | 2016-08-24 | 江苏科技大学 | 一种轻质耐磨三偏心蝶阀及其制备方法 |
| CN109957685A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-07-02 | 大连科天新材料有限公司 | 一种高分散TiB2/A356复合材料制备方法 |
-
1994
- 1994-10-11 JP JP6245546A patent/JP2990023B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08109423A (ja) | 1996-04-30 |
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