JPH01321069A - 炭素繊維強化金属複合材料の製造法 - Google Patents
炭素繊維強化金属複合材料の製造法Info
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- JPH01321069A JPH01321069A JP15569088A JP15569088A JPH01321069A JP H01321069 A JPH01321069 A JP H01321069A JP 15569088 A JP15569088 A JP 15569088A JP 15569088 A JP15569088 A JP 15569088A JP H01321069 A JPH01321069 A JP H01321069A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は鋳造法によシ炭素繊維強化金属複合材料を製造
するに際し、その製造過程で繊維を損傷させることなく
、充分に繊維強度を発現させた複合材料を提供する製造
法に関するものである。
するに際し、その製造過程で繊維を損傷させることなく
、充分に繊維強度を発現させた複合材料を提供する製造
法に関するものである。
アルミニウムまたはマグネシウム等軽金属をマトリック
スとし炭素繊維を強化材とする複合材料(以下C0F、
R,Mという)は比強度、比剛性、低熱膨張係数を有す
る材料として期待されている。このC,F、R,Mの製
造方向としては拡散接合法、溶浸法に大別される。
スとし炭素繊維を強化材とする複合材料(以下C0F、
R,Mという)は比強度、比剛性、低熱膨張係数を有す
る材料として期待されている。このC,F、R,Mの製
造方向としては拡散接合法、溶浸法に大別される。
後者のうち、特に高圧加圧鋳造法(以下溶鍛法)は繊維
予備成形体を作る必要はちるが、生産性の高い方法とし
て注目されている。
予備成形体を作る必要はちるが、生産性の高い方法とし
て注目されている。
発明者らはこの溶鍛法を用い、連続ピッチ系炭素繊維の
一方向強化C0F、R,Mを作製検討している中で、予
備成形体の形状、製造条件、繊維種、及び繊維体積率等
によシ、C,F、RoMの引張強度が著しく低く、又C
1F、R,M内部に鋳造状態ですでにキ裂を含む場合の
あることを知った。
一方向強化C0F、R,Mを作製検討している中で、予
備成形体の形状、製造条件、繊維種、及び繊維体積率等
によシ、C,F、RoMの引張強度が著しく低く、又C
1F、R,M内部に鋳造状態ですでにキ裂を含む場合の
あることを知った。
発明者らはこれらの発生防止を目的として強度劣化及び
キ裂発生のメカニズムについて鋭意検討した。C0F、
R,Mの製造方法である溶鍛法においては、まず繊維予
備成形体を作る必要があシ、又製造に必要な母相(以下
マ) IJソックス材質の溶湯量は複合化に必要十分な
量の数倍以上使用される。さらに予備成形体への溶湯の
浸透をよくするため、予備成形体はその温度を高く保つ
必要があシ鋳造時には相対的に低い温度にある金型へ接
して配置させることは避けている。
キ裂発生のメカニズムについて鋭意検討した。C0F、
R,Mの製造方法である溶鍛法においては、まず繊維予
備成形体を作る必要があシ、又製造に必要な母相(以下
マ) IJソックス材質の溶湯量は複合化に必要十分な
量の数倍以上使用される。さらに予備成形体への溶湯の
浸透をよくするため、予備成形体はその温度を高く保つ
必要があシ鋳造時には相対的に低い温度にある金型へ接
して配置させることは避けている。
その為鋳造によシ複合化された予備成形体部分(以下複
合化部)は実質的にマ) IJソックス質によって鋳ぐ
るまれる形とネる。一方拡散接合法によるC、F、R,
Mの製造ではマトリックスの量は目的とする繊維体積率
に対し、一般的に必要最少限とされるため、鋳造法のよ
うに複合化部全体がマトリックスによシつつまれること
はない。ただいずれの製造方法をとるにせよ高温製造で
あるため、冷却段階でマ) IJソックス繊維の熱膨張
の差に起因する′熱応力が発生することはよく知られて
いる。ただ拡散接合法では必要な製品のほぼ全体が複合
化部であるため、繊維への応力はたかだかマトリックス
の降伏応力である。しかしながら鋳造法では前述のよう
にマトリックス材質のみの領域が大きいため、この領域
の熱収縮量と複合化部の熱収縮量の差が直接複合化部へ
の応力源となると考えられる。マトリックスをAt (
熱膨張係数3 X / 0− ’/’C)とし強化材を
一方向に引き揃えた炭素繊維(熱膨張係数−t X /
o−’/℃)予備成形体として溶鍛法によってC,F
、R,Mを製造した場合、種々の条件によって大きさは
異なるが、複合化部の繊維軸方向には圧縮応力または歪
が発生する。
合化部)は実質的にマ) IJソックス質によって鋳ぐ
るまれる形とネる。一方拡散接合法によるC、F、R,
Mの製造ではマトリックスの量は目的とする繊維体積率
に対し、一般的に必要最少限とされるため、鋳造法のよ
うに複合化部全体がマトリックスによシつつまれること
はない。ただいずれの製造方法をとるにせよ高温製造で
あるため、冷却段階でマ) IJソックス繊維の熱膨張
の差に起因する′熱応力が発生することはよく知られて
いる。ただ拡散接合法では必要な製品のほぼ全体が複合
化部であるため、繊維への応力はたかだかマトリックス
の降伏応力である。しかしながら鋳造法では前述のよう
にマトリックス材質のみの領域が大きいため、この領域
の熱収縮量と複合化部の熱収縮量の差が直接複合化部へ
の応力源となると考えられる。マトリックスをAt (
熱膨張係数3 X / 0− ’/’C)とし強化材を
一方向に引き揃えた炭素繊維(熱膨張係数−t X /
o−’/℃)予備成形体として溶鍛法によってC,F
、R,Mを製造した場合、種々の条件によって大きさは
異なるが、複合化部の繊維軸方向には圧縮応力または歪
が発生する。
一方著しく低い引張強度や内部にキ裂を有するC0F、
R,Mについて組織等の観察を詳細に行なった屑圧縮に
よる繊維の座屈が部分又は全体に発生しておシ、この繊
維損傷が引張強度の著しい低下を引き起していると認め
られた。この観察結果は又同時に前述した熱圧縮応力と
因果関係、すなわち圧縮応力又は歪によシ複合化部の繊
維が座屈損傷し、引張強度の低下及び又はキ裂の発生を
引き起していると推測された。複合化部の部分的繊維損
傷又は全体的キ裂発生が起るか否かは発生した圧縮応力
又は歪が複合化部の繊維の圧縮破断強度または歪を越え
るか否かで決定される。
R,Mについて組織等の観察を詳細に行なった屑圧縮に
よる繊維の座屈が部分又は全体に発生しておシ、この繊
維損傷が引張強度の著しい低下を引き起していると認め
られた。この観察結果は又同時に前述した熱圧縮応力と
因果関係、すなわち圧縮応力又は歪によシ複合化部の繊
維が座屈損傷し、引張強度の低下及び又はキ裂の発生を
引き起していると推測された。複合化部の部分的繊維損
傷又は全体的キ裂発生が起るか否かは発生した圧縮応力
又は歪が複合化部の繊維の圧縮破断強度または歪を越え
るか否かで決定される。
用いる炭素繊維に於て、ピッチ系炭素繊維はPAN系炭
素炭素繊維し、黒鉛化度を高くすることが比較的容易な
ため、C1F、R,M用としてはAt等マトリックスと
の反応性が小さく、又弾性率を高く出来る等方れた面を
有するが、同一強度レベルに於ける圧縮強度または圧縮
破断歪aPAN系に比べ低く、又引張弾性率が高くなる
程その値は小さくなる。それ故前述した凝固冷却によっ
て生じる圧縮応力または歪による複合化部繊維の損傷防
止に対し、ピッチ系繊維によるC、F、RlMの製造は
よシ充分な配慮が必要と考えられる。又繊維体積率及び
または繊維の弾性率が高くなると複合化部の弾性率(E
c )も高くなる。マ) IJソックス複合化部の熱収
縮の相対歪(ε)はほぼ同一と考えられるので発生する
応力(σ)はσαEeXεの関係よシ大きくなシ、繊維
はよシ損傷を受けやすくなることが理解出来る。
素炭素繊維し、黒鉛化度を高くすることが比較的容易な
ため、C1F、R,M用としてはAt等マトリックスと
の反応性が小さく、又弾性率を高く出来る等方れた面を
有するが、同一強度レベルに於ける圧縮強度または圧縮
破断歪aPAN系に比べ低く、又引張弾性率が高くなる
程その値は小さくなる。それ故前述した凝固冷却によっ
て生じる圧縮応力または歪による複合化部繊維の損傷防
止に対し、ピッチ系繊維によるC、F、RlMの製造は
よシ充分な配慮が必要と考えられる。又繊維体積率及び
または繊維の弾性率が高くなると複合化部の弾性率(E
c )も高くなる。マ) IJソックス複合化部の熱収
縮の相対歪(ε)はほぼ同一と考えられるので発生する
応力(σ)はσαEeXεの関係よシ大きくなシ、繊維
はよシ損傷を受けやすくなることが理解出来る。
すなわち本発明者らはピッチ系、PAN系といった繊維
種、繊憔の弾性率、繊維体積率は鋳造法に於ける凝固冷
却時の圧縮応力または歪による繊維損傷に対する重要な
パラメーターであることを把握した。さらにとくにピッ
チ系炭素繊維についてkAを母相とした条件で、繊維体
積率(Vf )と繊維弾性率(Ef )によるC、F、
R,M内の繊維損傷の有無について相関を調べた所、図
2のような関係を見出した。
種、繊憔の弾性率、繊維体積率は鋳造法に於ける凝固冷
却時の圧縮応力または歪による繊維損傷に対する重要な
パラメーターであることを把握した。さらにとくにピッ
チ系炭素繊維についてkAを母相とした条件で、繊維体
積率(Vf )と繊維弾性率(Ef )によるC、F、
R,M内の繊維損傷の有無について相関を調べた所、図
2のような関係を見出した。
すなわち、Ef XVf ) :1.2の値を有する繊
維予備成形体は鋳造法によって複合化された時、内部の
繊維の損傷確率は著しく高いことがわかった。C,F、
R,Mに於て弾性率及び/または体積率を高くすること
は特性を求める上では必須であり、製造時に繊維損傷が
生じることは実用上大きな障害となると考えられた。
維予備成形体は鋳造法によって複合化された時、内部の
繊維の損傷確率は著しく高いことがわかった。C,F、
R,Mに於て弾性率及び/または体積率を高くすること
は特性を求める上では必須であり、製造時に繊維損傷が
生じることは実用上大きな障害となると考えられた。
本発明者らは前述のような結果、状況を把握した後、特
にEf xVf ) x、2の領域にあるC、F、R,
Mに於ても内部に繊維損傷のない製造法について鋭意検
討し、下記7手法等により解決出来ることを見出し本発
明に到達した。
にEf xVf ) x、2の領域にあるC、F、R,
Mに於ても内部に繊維損傷のない製造法について鋭意検
討し、下記7手法等により解決出来ることを見出し本発
明に到達した。
すなわち、本発明の要旨は、連続した炭素繊維を用いた
金属複合材料を鋳造法により製造するに当たり、繊維集
合部の表面の一部に複合化母相材質とは異なる材質によ
って、鋳造後実質的に繊維集合部と母相のみからなる領
域が不連続となるような隔壁を設け、凝固冷却時に生じ
る応力による繊維の損傷を防止したことを特徴とする炭
素繊維強化金属複合材料の製造法にある。
金属複合材料を鋳造法により製造するに当たり、繊維集
合部の表面の一部に複合化母相材質とは異なる材質によ
って、鋳造後実質的に繊維集合部と母相のみからなる領
域が不連続となるような隔壁を設け、凝固冷却時に生じ
る応力による繊維の損傷を防止したことを特徴とする炭
素繊維強化金属複合材料の製造法にある。
以下、本発明の詳細な説明する。
まず、本発明において用いられる・炭素繊維は、特に限
定されるものではなく、公知のポリアクリロニトリル(
PAN)系1.ピツチ系あるいは気相法炭素繊維等のい
ずれの種類でもよいが、特に石炭系又は石油系のピッチ
系炭素繊維が好適である。 ・ 本発明方法においては、このような連続した炭素繊維を
用いた金属複合材料を鋳造法によって製造するに際し、
繊維予備成形体表面の一部に鉄等、マトリックスと異な
る材質により、鋳造後実質的にマトリックスと複合化部
が不連続になるような隔壁を設けることが必要である。
定されるものではなく、公知のポリアクリロニトリル(
PAN)系1.ピツチ系あるいは気相法炭素繊維等のい
ずれの種類でもよいが、特に石炭系又は石油系のピッチ
系炭素繊維が好適である。 ・ 本発明方法においては、このような連続した炭素繊維を
用いた金属複合材料を鋳造法によって製造するに際し、
繊維予備成形体表面の一部に鉄等、マトリックスと異な
る材質により、鋳造後実質的にマトリックスと複合化部
が不連続になるような隔壁を設けることが必要である。
繊維予備成形体の表面に設ける隔壁の形状としては、冷
却時複合化部に負荷される応力が最大の方向(一方向材
であれば繊維軸方向)に対し垂直な方向の変形をおさえ
ることが可能な形状であればよく、筒状等が好ましい。
却時複合化部に負荷される応力が最大の方向(一方向材
であれば繊維軸方向)に対し垂直な方向の変形をおさえ
ることが可能な形状であればよく、筒状等が好ましい。
筒状に於て一端部が閉じられていてもかまわない。
前述した様に冷却時に生じる圧縮応力によ多繊維損傷は
起きるが、これは最大圧縮応力方向(一方向材であれば
繊維軸方向)に対する垂直方向(一方向材であれば横方
向)への変形自由度があるため、剪断不安定となシ座屈
すると考えられる。これ故、この方向の変形をおさえる
ことが出来れば座屈しにくくな多繊維損傷は起らない。
起きるが、これは最大圧縮応力方向(一方向材であれば
繊維軸方向)に対する垂直方向(一方向材であれば横方
向)への変形自由度があるため、剪断不安定となシ座屈
すると考えられる。これ故、この方向の変形をおさえる
ことが出来れば座屈しにくくな多繊維損傷は起らない。
この効果を有するのが隔壁であシ、筒状は最も有効であ
る。その隔壁材質は横方向変形を押さえられれば限定し
ないが一般には鉄、セラミックス等が十分な強度を有し
ているので好ましい。
る。その隔壁材質は横方向変形を押さえられれば限定し
ないが一般には鉄、セラミックス等が十分な強度を有し
ているので好ましい。
本発明においては、用いる炭素繊維の繊維弾性率Ef(
JIS−R−7AO7)と複合化部の繊維体積率(繊維
体積/複合化部の全体積)とが、Atをマトリックスと
する場合には、EfXVf〉°コ、−1の関係を満たす
ような場合に特に有効である。
JIS−R−7AO7)と複合化部の繊維体積率(繊維
体積/複合化部の全体積)とが、Atをマトリックスと
する場合には、EfXVf〉°コ、−1の関係を満たす
ような場合に特に有効である。
本発明方法において用いられる鋳造法自体は、常法によ
ることができる。
ることができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
実施例−1
弾性率ざOT/−1引張強度300 k’j / xj
(測定はJIS−R−7&・oiに準拠)の石炭ピッチ
系炭素繊維を用い一方向に引き揃えた後、C,F、R,
Mに於る繊維体積率がs5%になることを目的として一
端を閉じたステンレスパイプに挿入し予備成形体を作製
した。
(測定はJIS−R−7&・oiに準拠)の石炭ピッチ
系炭素繊維を用い一方向に引き揃えた後、C,F、R,
Mに於る繊維体積率がs5%になることを目的として一
端を閉じたステンレスパイプに挿入し予備成形体を作製
した。
次に1.00℃(Ar雰囲気中)で予備加熱して250
℃の金型にセットした後溶湯温度100℃、溶湯圧力r
AOkQ/cwtの加圧鋳造にてC1F、R,Mを作製
した。尚、使用した溶湯は米国アルミニウム協会のAA
規格によるA356組成のアルミニウム合金である。出
来たC、F、R,Mを冷却後、切出し図−/ (/:C
FRM% 、2:タブ)に示す引張試験片にて強度測定
を行なった。
℃の金型にセットした後溶湯温度100℃、溶湯圧力r
AOkQ/cwtの加圧鋳造にてC1F、R,Mを作製
した。尚、使用した溶湯は米国アルミニウム協会のAA
規格によるA356組成のアルミニウム合金である。出
来たC、F、R,Mを冷却後、切出し図−/ (/:C
FRM% 、2:タブ)に示す引張試験片にて強度測定
を行なった。
(N=グ)値は最高/ s o kg/ d、千切lす
Okfi/−を示した。
Okfi/−を示した。
実施例−コ
弾性率s o T / xi 、引張強度コ901C(
j/−の石炭ピッチ系炭素繊維を用い、一方向に引き揃
えた後C,F、R,Mに於ける繊維体積率が60%にな
ることを目的として一端を閉じたステンレスパイプに挿
入し予備成形体を作製した。以下実施例1と同一の方法
にて製造したC、F、R,Mより図/に示す引張試験片
を切出し、強度測定を行なった。値は100に91/−
を示し、内部には何らキ裂等観察されなかった。
j/−の石炭ピッチ系炭素繊維を用い、一方向に引き揃
えた後C,F、R,Mに於ける繊維体積率が60%にな
ることを目的として一端を閉じたステンレスパイプに挿
入し予備成形体を作製した。以下実施例1と同一の方法
にて製造したC、F、R,Mより図/に示す引張試験片
を切出し、強度測定を行なった。値は100に91/−
を示し、内部には何らキ裂等観察されなかった。
実施例−3
弾性率e !r T / −1引張強度コざ01cQ/
−の・石炭ピッチ系炭素繊維を用い、一方向に引き揃え
た後、C6F、R,Mに於ける繊維体積率が70チにな
ることを目的として、両端開放のステンレスパイプに挿
入し予備成形体を作製した。次にこれを実施例1と同一
の方法にてC0F、RlMを製造し、図7に示す引張試
験片を切出し、作製し強度測定を行なった。値は10!
;kQ/−を示し、内部にキ裂等損傷を観察されなかっ
た。
−の・石炭ピッチ系炭素繊維を用い、一方向に引き揃え
た後、C6F、R,Mに於ける繊維体積率が70チにな
ることを目的として、両端開放のステンレスパイプに挿
入し予備成形体を作製した。次にこれを実施例1と同一
の方法にてC0F、RlMを製造し、図7に示す引張試
験片を切出し、作製し強度測定を行なった。値は10!
;kQ/−を示し、内部にキ裂等損傷を観察されなかっ
た。
比較例−1
弾性率gOT/wJ、引張強度300 kg/ d(測
定はJIS−R−りt、oiに準拠)の石炭ピッチ系炭
素繊維を用い、一方向に引き揃えた後エポキシ樹脂を用
いて乾燥、焼成、固化させ繊維体積率目標値sS係の予
備成形体を作製した。
定はJIS−R−りt、oiに準拠)の石炭ピッチ系炭
素繊維を用い、一方向に引き揃えた後エポキシ樹脂を用
いて乾燥、焼成、固化させ繊維体積率目標値sS係の予
備成形体を作製した。
以下実施例1と同一の方法にてC0F、R,Mを製造し
た。出来たC、F、R,Mを冷却後切出した所、繊維長
手方向のほぼ中央部にクラックが走っており試験の採取
は不可であった。
た。出来たC、F、R,Mを冷却後切出した所、繊維長
手方向のほぼ中央部にクラックが走っており試験の採取
は不可であった。
比較例−2
弾性率y (7T / J 、引張強度コブ0ICQ/
−ωj1定はJIS−R−760)に準拠)の石炭ピッ
チ系炭素繊維を用い、一方向に引き揃えた後エポキシ樹
脂を用いて乾燥、焼成、固化させ繊維体積率目標60%
の予備成形体を作製した。以下実施例1と同一の手法に
てC6F、R,Mを製造し、図/に示す引張試験片を切
出し、作製し、強度測定を行なった。値は31に9/−
と低く、又引張試験前の試料を顕微鏡にて観察した所、
数個所にクラックによる繊維損傷が認められた。
−ωj1定はJIS−R−760)に準拠)の石炭ピッ
チ系炭素繊維を用い、一方向に引き揃えた後エポキシ樹
脂を用いて乾燥、焼成、固化させ繊維体積率目標60%
の予備成形体を作製した。以下実施例1と同一の手法に
てC6F、R,Mを製造し、図/に示す引張試験片を切
出し、作製し、強度測定を行なった。値は31に9/−
と低く、又引張試験前の試料を顕微鏡にて観察した所、
数個所にクラックによる繊維損傷が認められた。
本発明方法によれば、製造過程で繊維を損傷させること
なく充分に繊維強度を発現させた炭素繊維強化金属複合
材料を得ることができる。
なく充分に繊維強度を発現させた炭素繊維強化金属複合
材料を得ることができる。
Claims (3)
- (1)連続した炭素繊維を用いた金属複合材料を鋳造す
るに当たり、繊維集合部の表面の一部に複合化母相材質
とは異なる材質によって、鋳造後実質的に繊維集合部と
母相のみからなる領域が不連続となるような隔壁を設け
、凝固冷却時に生じる応力による繊維の損傷を防止した
ことを特徴とする炭素繊維強化金属複合材料の製造法。 - (2)炭素繊維がピッチ系炭素繊維であることを特徴と
する請求項1記載の炭素繊維強化金属複合材料の製造法
。 - (3)炭素繊維の物性値と繊維体積率が次式を満足する
ことを特徴とする請求項2記載の炭素繊維強化金属複合
材料の製造法。 E_f×Vf>2.2 ここで E_f:JIS−R−7601に基づく繊維弾性率(T
/mm)Vf:複合化部の繊維体積率(繊維体積/複合
化部の全体積)を表わす。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15569088A JPH01321069A (ja) | 1988-06-23 | 1988-06-23 | 炭素繊維強化金属複合材料の製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15569088A JPH01321069A (ja) | 1988-06-23 | 1988-06-23 | 炭素繊維強化金属複合材料の製造法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01321069A true JPH01321069A (ja) | 1989-12-27 |
Family
ID=15611415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15569088A Pending JPH01321069A (ja) | 1988-06-23 | 1988-06-23 | 炭素繊維強化金属複合材料の製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01321069A (ja) |
-
1988
- 1988-06-23 JP JP15569088A patent/JPH01321069A/ja active Pending
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