JPH0142340B2

JPH0142340B2 -

Info

Publication number: JPH0142340B2
Application number: JP60193416A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kubo; Tadashi Donomoto; Atsuo Tanaka; Hidetoshi Hirai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-09-02
Filing date: 1985-09-02
Publication date: 1989-09-12
Also published as: EP0213615A3; JPS6254045A; AU572736B2; EP0213615A2; EP0213615B1; AU6189986A; CA1289778C; DE3677290D1; US4720434A

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野本発明は、繊維強化金属複合材料に係り、更に
詳細には炭化ケイ素短繊維、窒化ケイ素短繊維、
又はこれらの複合繊維を強化繊維としアルミニウ
ム合金をマトリツクス金属とする複合材料、即ち
炭化ケイ素及び窒化ケイ素短繊維強化アルミニウ
ム合金に係る。従来の技術及び発明が解決しようとする問題点繊維強化金属複合材料のマトリツクス金属を成
すアルミニウム合金としては、従来より一般に下
記の如き鋳造用アルミニウム合金又は展伸用アル
ミニウム合金が使用されている。鋳造用アルミニウム合金 JIS規格AC8A（0.8〜1.3％Cu、11.0〜13.0％Si、
0.7〜1.3％Mg、0.8〜1.5％Ni、残部実質的にAl） JIS規格AC8B（2.0〜4.0％Cu、8.5〜10.5％Si、
0.5〜1.5％Mg、0.1〜１％Ni、残部実質的にAl） JIS規格AC4C（0.25％≧Cu、6.5〜7.5％Si、0.25
〜0.45％Mg、残部実質的にAl） AA規格A201（４〜５％Cu、0.2〜0.4％Mn、
0.15〜0.35％Mg、0.15〜0.35％Ti、残部実質的に
Al） AA規格A356（6.5〜7.5％Si、0.25〜0.45％Mg、
0.2≧Fe、0.2％≧Cu、残部実質的にAl） Al−２〜３％Li合金（デユポン社）展伸用アルミニウム合金 JIS規格6061（0.4〜0.8％Si、0.15〜0.4％Cu、0.8
〜1.2％Mg、0.04〜0.35％Cr、残部実質的にAl） JIS規格5056（0.3％≧Si、0.4％≧Fe、0.1％≧
Cu、0.05〜0.2％Mn、4.5〜5.6％Mg、0.05〜0.2％
Cr、0.1％≧Zn、残部実質的にAl） JIS規格2024（0.5％Si、0.5％Fe、3.8〜4.9％Cu、
0.3〜0.9％Mn、1.2〜1.8％Mg、0.1％≧Cr、0.25
％≧Zn、0.15％≧Ti、残部実質的にAl） JIS規格7075（0.4％≧Si、0.5％≧Fe、1.2〜2.0
％Cu、0.3≧Mn、2.1〜2.9％Mg、0.18〜0.28％
Cr、5.1〜6.1％Zn、0.2％Ti、残部実質的にAl）これらのアルミニウム合金をマトリツクス金属
とする複合材料に関する従来の研究はこれら在来
のアルミニウム合金を使用して複合材料の強度等
を向上させる目的で行われており、従つて複合材
料の製造に従来より使用されているこれらのアル
ミニウム合金は、強化繊維との関連に於て必ずし
も最適の組成を有するものではなく、そのため上
述の如き従来より使用されているアルミニウム合
金によつては、アルミニウム合金をマトリツクス
金属とする複合材料の機械的性質、特に強度を最
適化することはできない。本願発明者等は、従来より一般に使用されてい
るアルミニウム合金をマトリツクス金属とする複
合材料に於ける上述の如き問題に鑑み、従来より
繊維強化金属複合材料の製造に使用されている
種々の強化繊維の中でも特に高強度を有し高温安
定性及び強度向上効果に優れた炭化ケイ素短繊維
若しくは窒化ケイ素短繊維を強化繊維とする複合
材料に於て、そのマトリツクス金属としてのアル
ミニウム合金が如何なる組成を有するものが最適
であるかについて種々の実験的研究を行つた結
果、Cu及びSi含有量がそれぞれ特定の範囲にあ
り且Mg、Ni、Zn等の元素を実質的に含有しない
アルミニウム合金がマトリツクス金属として最適
であることを見出した。本発明は本願発明者等が行つた種々の実験的研
究の結果得られた知見に基づき、炭化ケイ素短繊
維若しくは窒化ケイ素短繊維を強化繊維としアル
ミニウム合金をマトリツクス金属とする複合材料
であつて、曲げ強さの如き機械的性質に優れた複
合材料を提供することを目的としている。問題点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、炭化ケイ
素短繊維及び窒化ケイ素短繊維の少なくとも一方
を強化繊維とし、Cu含有量が２〜６％でありSi
含有量が0.5〜３％であり残部が実質的にAlであ
るアルミニウム合金をマトリツクス金属とする炭
化ケイ素及び窒化ケイ素短繊維強化アルミニウム
合金によつて達成される。発明の作用及び効果本発明によれば、強化繊維として高強度を有し
高温安定性及び強度向上効果に優れた炭化ケイ素
短繊維若しくは窒化ケイ素短繊維が使用され、マ
トリツクス金属としてCu含有量が２〜６％であ
りSi含有量が0.5〜３％であり残部が実質的にAl
であるアルミニウム合金が使用されることによ
り、後に説明する本願発明者等が行つた実験的研
究の結果より明確である如く、強度等の機械的性
質に優れた複合材料を得ることができる。また本発明によれば、従来の炭化ケイ素短繊維
強化アルミニウム合金又は窒化ケイ素短繊維強化
アルミニウム合金と同等の強度が得られれば十分
である場合には、炭化ケイ素若しくは窒化ケイ素
短繊維短繊維の体積率は従来に比して低い値であ
つてよく、従つて使用される短繊維の量を低減す
ることができるので、複合材料の被削性や生産性
を向上させることができ、また複合材料のコスト
を低減することができる。複合材料のマトリツクス金属としてのAlにCu
及びSiが添加されると、そのAlの強度が向上し、
これにより複合材料の強度が向上する。しかし本
願発明者等が行つた実験的研究の結果によれば、
Cu含有量が２％未満では強度向上効果が十分で
はなく、逆にCu含有量が６％を越えると複合材
料は極めて脆弱になつて、早期に破壊するように
なり、またSi含有量が0.5％未満では強度向上効
果が十分ではなく、逆にSi含有量が３％を越える
と複合材料は脆弱になつて早期に破壊するように
なる。従つて本発明の複合材料に於けるマトリツ
クス金属としてのアルミニウム合金のCu含有量
は２〜６％とされ、Si含有量は0.5〜３％とされ
る。また本願発明者等が行つた実験的研究の結果に
よれば、上述の如き組成を有するアルミニウム合
金をマトリツクス金属とする複合材料に於ては、
炭化ケイ素短繊維若しくは窒化ケイ素短繊維の体
積率が５％未満の場合には十分な強度を確保する
ことができず、また炭化ケイ素短繊維若しくは窒
化ケイ素短繊維の体積率が40％、特に50％を越え
ると、短繊維の体積率が増大されても複合材料の
強度はそれほど増大しない。また複合材料の耐摩
耗性は炭化ケイ素短繊維若しくは窒化ケイ素短繊
維の体積率の増大と共に向上するが、繊維体積率
が０〜５％程度の範囲に於ては繊維体積率の増大
と共に急激に増大し、繊維体積率が約５％以上の
領域に於ては、繊維体積率が増大されても複合材
料の耐摩耗性はそれほど向上しない。従つて本発
明の一つの詳細な特徴によれば、炭化ケイ素短繊
維若しくは窒化ケイ素短繊維の体積率は５〜50
％、好ましくは５〜40％とされる。また本発明の複合材料のマトリツクス金属とし
てのアルミニウム合金のCu含有量及びSi含有量
は比較的高い値であり、アルミニウム合金中の
Cu若しくはSi濃度にムラがある場合には、Cu若
しくはSi濃度が高い部分が脆弱になり、従つて均
質なマトリツクス金属を得ることができない。従
つて本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれ
ば、アルミニウム合金中のCu若しくはSi濃度が
均一になるよう、480〜520℃にて２〜８時間に亙
る溶体化処理が施され、好ましくは更に150〜200
℃にて２〜８時間に亙る時効処理が施される。更に本発明の複合材料に於ける炭化ケイ素短繊
維は、炭化ケイ素ホイスカ又は炭化ケイ素の不連
続繊維の何れであつてもよく、炭化ケイ素の不連
続繊維は炭化ケイ素の連続繊維が所定の長さに切
断されたものであつてもよい。同様に本発明の複
合材料に於ける窒化ケイ素短繊維は、窒化ケイ素
ホイスカ又は窒化ケイ素の不連続繊維の何れであ
つてもよく、窒化ケイ素の不連続繊維は窒化ケイ
素の連続繊維が所定の長さに切断されたものであ
つてもよい。また炭化ケイ素短繊維若しくは窒化
ケイ素短繊維の繊維長は10μ〜５cm、特に50μ〜
２cm程度であることが好ましく、繊維径は0.1〜
25μ、特に0.1〜20μ程度であることが好ましい。尚本明細書に於けるパーセンテージは繊維の体
積率の表現の場合を除き全て重量％であり、アル
ミニウム合金の組成の表現に於ける「実質的に
Al」とはマトリツクス金属としてのアルミニウ
ム合金中に含まれるAl、Cu、Si以外のMg、Fe、
Zn、Mn、Ni、Ti、Crの如き不可避的な金属元
素の合計が１％以下であることを意味する。更に
本明細書に於ける組成や温度に関する「以上」
「以下」「〜」による範囲の表示に於ては、それら
自身の値がその範囲に含まれているものとする。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炭化ケイ素短繊維を強化繊維としアルミニウム
合金をマトリツクス金属とする複合材料に於てそ
の強度を向上させるためにはアルミニウム合金が
如何なる組成のものが適切であるかについての検
討を行うべく、炭化ケイ素ホイスカ（東海カーボ
ン株式会社製「トーカマツクス」、繊維長50〜
200μ、繊維径0.2〜0.5μ）を強化繊維とし、Al−
Cu−Si系の種々の組成のアルミニウム合金をマ
トリツクス金属とする複合材料を高圧鋳造法によ
り製造し、各複合材料について曲げ強さの評価を
行つた。まず純アルミニウムの地金（純度99％以上）と
Al−50％Cu母合金とAl−25％Si母合金とを配合
することにより、下記の表１に示されている如く
種々のCu及びSi含有量を有し残部が実質的にAl
であるアルミニウム合金A1〜A42を形成した。
次いで炭化ケイ素ホイスカの集合体に対しバイン
ダを使用しないで圧縮成形を行うことにより、第
１図に示されている如く個々の炭化ケイ素ホイス
カ１が実質的に三次元ランダムにて配向され繊維
体積率が30％である38×100×16mmの繊維成形体
２を形成した。次いで繊維成形体２を600℃に加
熱し、しかる後第２図に示されている如く250℃
の鋳型３のモールドキヤビテイ４内に設置し、該
鋳型内に710℃のアルミニウム合金の溶湯５を素
早く注湯し、該溶湯を約200℃のプランジヤ６に
より1000Kg／cm²の圧力にて加圧し、その加圧状態
をアルミニウム合金の溶湯が完全に凝固するまで
保持した。かくして鋳型３内の溶湯が完全に凝固
した後、その凝固体を鋳型より取出し、凝固体の
外周部に存在するアルミニウム合金のみよりなる
部分を切削により除去し、これにより炭化ケイ素
ホイスカを強化繊維としアルミニウム合金をマト
リツクス金属とし繊維体積率が30％である複合材
料を取出した。

【表】

【表】次いで各複合材料に対し、510℃にて８時間に
亙る溶体化処理と160℃にて８時間に亙る人工時
効処理を施した。次いで上述の如く製造され熱処
理が施された各複合材料より、長さ50mm、幅10
mm、厚さ２mmの曲げ試験片を切出し、各曲げ試験
片について支点間距離40mmにて３点曲げ試験を行
つた。尚これらの曲げ試験に於ては、破断時に於
ける表面応力Ｍ／Ｚ（Ｍ＝破断時に於ける曲げモ
ーメント、Ｚ＝曲げ試験片の断面係数）を複合材
料の曲げ強さとして測定した。この曲げ試験の結果を第３図に示す。尚第３図
は上記曲げ試験の結果に基づきCu含有量をパラ
メータとしてSi含有量（％）と複合材料の曲げ強
さ（Kg／mm²）との関係を表わしている。第３図より、Cu含有量が1.5％及び6.5％である
複合材料の曲げ強さはSi含有量が何れの値の場合
にも比較的低い値であり、Cu含有量が２〜６％
である複合材料の曲げ強さはSi含有量が０％及び
４％である場合を除きCu含有量が1.5％又は6.5％
である複合材料の曲げ強さに比してかなり高い値
であり、従つてCu含有量は２〜６％であること
が好ましいことが解る。またSi含有量が0.5〜３
％である複合材料の曲げ強さはCu含有量が1.5％
及び6.5％である場合を除きSi含有量が０％又は
４％である複合材料の曲げ強さに比してかなり高
い値であり、特にCu含有量が２〜４％と比較的
低い値である場合には、複合材料の曲げ強さはSi
含有量が２％の場合に最大値となり、Cu含有量
が５〜６％と比較的高い値である場合には、複合
材料の曲げ強さはSi含有量が0.5〜１％である場
合に最大値となり、従つてSi含有量は0.5〜３％
であることが好ましいことが解る。また第３図に示された各値は、体積率30％の炭
化ケイ素ホイスカを強化繊維とし、在来の実用合
金であるJIS規格AC4Cのアルミニウム合金をマ
トリツクスとする複合材料の曲げ強さ60Kg／mm²よ
りも遥かに高い値であり、特にCu含有量及びSi
含有量がそれぞれ２〜６％、0.5〜３％である複
合材料は上述の従来の複合材料の約1.4倍〜約1.6
倍の曲げ強さを有していることが解る。この曲げ試験の結果より、繊維体積率30％の炭
化ケイ素ホイスカを強化繊維としAl−Cu−Si系
のアルミニウム合金をマトリツクス金属とする複
合材料の強度を向上させるためには、マトリツク
ス金属としてのアルミニウム合金のCu含有量は
２〜６％であり、Si含有量は0.5〜３％であるこ
とが好ましいことが解る。実施例２炭化ケイ素不連続繊維を強化繊維としアルミニ
ウム合金をマトリツクス金属とする複合材料に於
てその強度を向上させるためにはアルミニウム合
金が如何なる組成のものが適切であるかについて
の検討を行つた。炭化ケイ素不連続繊維それ自身
を供給するメーカがないため、炭化ケイ素連続繊
維（日本カーボン株式会社製「ニカロン」、繊維
径10〜15μ）を約５mmに切断することにより炭化
ケイ素不連続繊維を形成し、該炭化ケイ素不連続
繊維の集合体に有機バインダとしてのポリビニル
アルコールを添加した後その集合体に対し圧縮成
形を行い、かくして得られた圧縮成形体７を第４
図に示されている如くステンレス鋼製のケース８
内に充填し、圧縮成形体をケースごと大気中にて
600℃に１時間加熱することによつてポリビニル
アルコールを消失させ、これにより炭化ケイ素不
連続繊維９よりなり繊維体積率が40％、20％であ
る38×100×16mmの繊維成形体を形成した。この
場合個々の炭化ケイ素不連続繊維は38×100mmの
平面に平行な平面内に於てはランダムに配向さ
れ、この平面に垂直な高さ方向に積重ねられた二
次元ランダムに配向された。次いで実施例１に於て形成されたアルミニウム
合金A1〜A42及び上述の如く形成された繊維成
形体を使用して、実施例１の場合と同一の要領及
び同一の条件の高圧鋳造により炭化ケイ素不連続
繊維を強化繊維としアルミニウム合金をマトリツ
クス金属とし繊維体積率が40％及び20％である複
合材料を製造した。次いで各複合材料に対し実施
例１の場合と同一の条件にて溶体化処理及び人工
時効処理を施し、各複合材料より繊維配向の二次
元ランダム平面が50×10mmの平面に平行になるよ
う実施例１の場合と同一寸法の曲げ試験片を切出
し、各曲げ試験片について実施例１の場合と同一
の要領及び条件にて曲げ試験を行つた。これらの曲げ試験の結果をそれぞれ第５図及び
第６図に示す。尚第５図及び第６図はそれぞれ上
記曲げ試験の結果に基づきCu含有量をパラメー
タとしてSi含有量（％）と複合材料の曲げ強さ
（Kg／mm²）との関係を表わしている。第５図及び第６図より、炭化ケイ素不連続繊維
の体積率が40％及び20％の何れの場合に於ても、
Cu含有量が1.5％及び6.5％である複合材料の曲げ
強さはSi含有量が何れの値の場合にも比較的低い
値であり、Cu含有量が２〜６％である複合材料
の曲げ強さはSi含有量が０％及び４％である場合
を除きCu含有量が1.5％又は6.5％である複合材料
の曲げ強さに比してかなり高い値であり、従つて
Cu含有量は２〜６％であることが好ましいこと
が解る。また炭化ケイ素不連続繊維の体積率が40
％及び20％の何れの場合に於ても、Si含有量が
0.5〜３％である複合材料の曲げ強さはCu含有量
が1.5％及び6.5％である場合を除きSi含有量が０
％又は４％である複合材料の曲げ強さに比してか
なり高い値であり、特にCu含有量が２〜４％と
比較的低い値である場合には、複合材料の曲げ強
さはSi含有量が２％の場合に最大値となり、Cu
含有量が５〜６％と比較的高い値である場合に
は、複合材料の曲げ強さはSi含有量が0.5〜１％
である場合に最大値となり、従つてSi含有量は
0.5〜３％であることが好ましいことが解る。また第５図及び第６図に示された各値は、それ
ぞれ体積率40％、20％の炭化ケイ素不連続繊維を
強化繊維とし、在来の実用合金であるJIS規格
AC4Cのアルミニウム合金をマトリツクスとする
複合材料の曲げ強さ63Kg／mm²、55Kg／mm²よりも遥
かに高い値であり、特にCu含有量及びSi含有量
がそれぞれ２〜６％、0.5〜３％である複合材料
は上述の従来の複合材料のそれぞれ約1.6倍〜約
1.8倍、約1.4倍〜約1.6倍の曲げ強さを有している
ことが解る。これらの曲げ試験の結果より、繊維体積率40
％、20％の炭化ケイ素不連続繊維を強化繊維とし
Al−Cu−Si系のアルミニウム合金をマトリツク
ス金属とする複合材料の場合にも、その強度を向
上させるためには、マトリツクス金属としてのア
ルミニウム合金のCu含有量は２〜６％であり、
Si含有量は0.5〜３％であることが好ましいこと
が解る。実施例３炭化ケイ素不連続繊維の体積率が15％に設定さ
れた点を除き、実施例２の場合と同一の要領及び
条件にて製造された複合材料について、実施例１
の曲げ試験と同様の曲げ試験を行つた。この曲げ
試験の結果を第７図に示す。尚第７図は上記曲げ
試験の結果に基づきCu含有量をパラメータとし
てSi含有量（％）と複合材料の曲げ強さ（Kg／
mm²）との関係を表わしている。第７図より、Cu含有量が1.5％及び6.5％である
複合材料の曲げ強さはSi含有量が何れの値の場合
にも比較的低い値であり、Cu含有量が２〜６％
である複合材料の曲げ強さはSi含有量が０％及び
４％である場合を除きCu含有量が1.5％又は6.5％
である複合材料の曲げ強さに比してかなり高い値
であり、従つてCu含有量は２〜６％であること
が好ましいことが解る。またSi含有量が0.5〜３
％である複合材料の曲げ強さはCu含有量が1.5％
及び6.5％である場合を除きSi含有量が０％又は
４％である複合材料の曲げ強さに比してかなり高
い値であり、特にCu含有量が２〜４％と比較的
低い値である場合には、複合材料の曲げ強さはSi
含有量が２％の場合に最大値となり、Cu含有量
が５〜６％と比較的高い値である場合には、複合
材料の曲げ強さはSi含有量が１％である場合に最
大値となり、従つてSi含有量は0.5〜３％である
ことが好ましいことが解る。また第７図に示された各値は、Si含有量が０％
及び４％である場合を除き、体積率15％の炭化ケ
イ素不連続繊維を強化繊維とし、在来の実用合金
であるJIS規格AC4Cのアルミニウム合金をマト
リツクスとする複合材料の曲げ強さ53Kg／mm²より
も遥かに高い値であり、特にCu含有量及びSi含
有量がそれぞれ２〜６％、0.5〜３％である複合
材料は上述の従来の複合材料の約1.3倍〜約1.6倍
の曲げ強さを有していることが解る。この曲げ試験の結果より、繊維体積率15％の炭
化ケイ素不連続繊維を強化繊維としAl−Cu−Si
系のアルミニウム合金をマトリツクス金属とする
複合材料の場合にも、その強度を向上させるため
には、マトリツクス金属としてのアルミニウム合
金のCu含有量は２〜６％であり、Si含有量は0.5
〜３％であることが好ましいことが解る。実施例４炭化ケイ素ホイスカの体積率が10％、５％に設
定された点を除き、実施例１の場合と同一の要領
及び条件にて製造された複合材料について、実施
例１の曲げ試験と同様の曲げ試験を行つた。これ
らの曲げ試験の結果をそれぞれ第８図及び第９図
に示す。尚第８図及び第９図はそれぞれ上記曲げ
試験の結果に基づきCu含有量をパラメータとし
てSi含有量（％）と複合材料の曲げ強さ（Kg／
mm²）との関係を表わしている。第８図及び第９図より、炭化ケイ素ホイスカの
体積率が10％及び５％の何れの場合に於ても、
Cu含有量が1.5％及び6.5％である複合材料の曲げ
強さはSi含有量が何れの値の場合にも比較的低い
値であり、Cu含有量が２〜６％である複合材料
の曲げ強さはSi含有量が０％及び４％である場合
を除きCu含有量が1.5％又は6.5％である複合材料
の曲げ強さに比してかなり高い値であり、従つて
Cu含有量は２〜６％であることが好ましいこと
が解る。また炭化ケイ素ホイスカの体積率が10％
及び５％の何れの場合に於ても、Si含有量が0.5
〜３％である複合材料の曲げ強さはCu含有量が
1.5％及び6.5％である場合を除きSi含有量が０％
又は４％である複合材料の曲げ強さに比してかな
り高い値であり、特にCu含有量が２〜４％と比
較的低い値である場合には、複合材料の曲げ強さ
はSi含有量が２％の場合に最大値となり、Cu含
有量が５〜６％と比較的高い値である場合には、
複合材料の曲げ強さはSi含有量が１％である場合
に最大値となり、従つてSi含有量は0.5〜３％で
あることが好ましいことが解る。また第８図及び第９図に示された各値は、Si含
有量が０％及び４％である場合を除き、それぞれ
体積率10％、５％の炭化ケイ素ホイスカを強化繊
維とし、在来の実用合金であるJIS規格AC4Cの
アルミニウム合金をマトリツクスとする複合材料
の曲げ強さ50Kg／mm²、46Kg／mm²よりも遥かに高い
値であり、特にCu含有量及びSi含有量がそれぞ
れ２〜６％、0.5〜３％である複合材料は上述の
従来の複合材料の約1.3倍〜約1.5倍、約1.2倍〜約
1.4倍の曲げ強さを有していることが解る。これらの曲げ試験の結果より、繊維体積率10
％、５％の炭化ケイ素ホイスカを強化繊維とし
Al−Cu−Si系のアルミニウム合金をマトリツク
ス金属とする複合材料の場合にも、その強度を向
上させるためには、マトリツクス金属としてのア
ルミニウム合金のCu含有量は２〜６％であり、
Si含有量は0.5〜３％であることが好ましいこと
が解る。以上の実施例１〜４より、炭化ケイ素短繊維を
強化繊維とする複合材料の強度を向上させるため
には、炭化ケイ素短繊維の体積率に拘らず、マト
リツクス金属としてのアルミニウム合金のCu含
有量は２〜６％であり、Si含有量は0.5〜３％で
あることが好ましいことが解る。実施例５窒化ケイ素ホイスカを強化繊維としアルミニウ
ム合金をマトリツクス金属とする複合材料に於て
その強度を向上させるためにはアルミニウム合金
が如何なる組成のものが適切であるかについての
検討を行うべく、窒化ケイ素ホイスカ（タテホ化
学株式会社製窒化ケイ素ホイスカ、平均繊維径
1μ、平均繊維長100μ）を圧縮成形することによ
り、繊維体積率が40％、30％、20％であり、個々
のホイスカが三次元ランダムにて配向された繊維
成形体を形成した。次いで実施例１に於て形成されたアルミニウム
合金A1〜A42及び上述の如く形成された繊維成
形体を使用して、実施例１の場合と同一の要領及
び同一の条件の高圧鋳造により窒化ケイ素ホイス
カを強化繊維としアルミニウム合金をマトリツク
ス金属とし繊維体積率が40％、30％、20％である
複合材料を製造した。次いで各複合材料に対し実
施例１の場合と同一の条件にて溶体化処理及び人
工時効処理を施し、各複合材料より実施例１の場
合と同一寸法の曲げ試験片を切出し、各曲げ試験
片について実施例１の場合と同一の要領及び条件
にて曲げ試験を行つた。これらの曲げ試験の結果をそれぞれ第１０図〜
第１２図に示す。尚第１０図及び第１２図はそれ
ぞれ上記曲げ試験の結果に基づきCu含有量をパ
ラメータとしてSi含有量（％）と複合材料の曲げ
強さ（Kg／mm²）との関係を表わしている。第１０図〜第１２図より、窒化ケイ素ホイスカ
の体積率が40％、30％及び20％の何れの場合に於
ても、Cu含有量が1.5％及び6.5％である複合材料
の曲げ強さはSi含有量が何れの値の場合にも比較
的低い値であり、Cu含有量が２〜６％である複
合材料の曲げ強さはSi含有量が０％及び４％であ
る場合を除きCu含有量が1.5％又は6.5％である複
合材料の曲げ強さに比してかなり高い値であり、
従つてCu含有量は２〜６％であることが好まし
いことが解る。また炭化ケイ素不連続繊維の体積
率が40％、30％及び20％の何れの場合に於ても、
Si含有量が0.5〜３％である複合材料の曲げ強さ
はCu含有量が1.5％及び6.5％である場合を除きSi
含有量が０％又は４％である複合材料の曲げ強さ
に比してかなり高い値であり、特にCu含有量が
２〜４％と比較的低い値である場合には、複合材
料の曲げ強さはSi含有量が２％の場合に最大値と
なり、Cu含有量が５〜６％と比較的高い値であ
る場合には、複合材料の曲げ強さはSi含有量が
0.5〜１％である場合に最大値となり、従つてSi
含有量は0.5〜３％であることが好ましいことが
解る。また第１０図〜第１２図に示された各値は、そ
れぞれ体積率40％、30％、20％の窒化ケイ素ホイ
スカを強化繊維とし、在来の実用合金であるJIS
規格AC4Cのアルミニウム合金をマトリツクスと
する複合材料の曲げ強さ60Kg／mm²、57Kg／mm²、53
Kg／mm²よりも遥かに高い値であり、特にCu含有
量及びSi含有量がそれぞれ２〜６％、0.5〜３％
である複合材料は上述の従来の複合材料のそれぞ
れ約1.5倍〜約1.8倍、約1.4倍〜約1.6倍、約1.3倍
〜約1.6倍の曲げ強さを有していることが解る。これらの曲げ試験の結果より、繊維体積率40
％、30％、20％の窒化ケイ素ホイスカを強化繊維
としAl−Cu−Si系のアルミニウム合金をマトリ
ツクス金属とする複合材料の場合にも、その強度
を向上させるためには、マトリツクス金属として
のアルミニウム合金のCu含有量は２〜６％であ
り、Si含有量は0.5〜３％であることが好ましい
ことが解る。実施例６窒化ケイ素ホイスカの体積率が10％、５％に設
定された点を除き、実施例５の場合と同一の要領
及び条件にて製造された複合材料について、実施
例１の曲げ試験と同様の曲げ試験を行つた。これ
らの曲げ試験の結果をそれぞれ第１３図及び第１
４図に示す。尚第１３図及び第１４図はそれぞれ
上記曲げ試験の結果に基づきCu含有量をパラメ
ータとしてSi含有量（％）と複合材料の曲げ強さ
（Kg／mm²）との関係を表わしている。第１３図及び第１４図より、窒化ケイ素ホイス
カの体積率が10％及び５％の何れの場合に於て
も、Cu含有量が1.5％及び6.5％である複合材料の
曲げ強さはSi含有量が何れの値の場合にも比較的
低い値であり、Cu含有量が２〜６％である複合
材料の曲げ強さはSi含有量が０％及び４％である
場合を除きCu含有量が1.5％又は6.5％である複合
材料の曲げ強さに比してかなり高い値であり、従
つてCu含有量は２〜６％であることが好ましい
ことが解る。また窒化ケイ素ホイスカの体積率が
10％及び５％の何れの場合に於ても、Si含有量が
0.5〜３％である複合材料の曲げ強さはCu含有量
が1.5％及び6.5％である場合を除きSi含有量が０
％又は４％である複合材料の曲げ強さに比してか
なり高い値であり、特にCu含有量が２〜４％と
比較的低い値である場合には、複合材料の曲げ強
さはSi含有量が２％の場合に最大値となり、Cu
含有量が５〜６％と比較的高い値である場合に
は、複合材料の曲げ強さはSi含有量が１％である
場合に最大値となり、従つてSi含有量は0.5〜３
％であることが好ましいことが解る。また第１３図及び第１４図に示された各値は、
Si含有量が０％及び４％である場合を除き、体積
率10％、５％の窒化ケイ素短繊維を強化繊維と
し、在来の実用合金であるJIS規格AC4Cのアル
ミニウム合金をマトリツクスとする複合材料の曲
げ強さ47Kg／mm²、44Kg／mm²よりも遥かに高い値で
あり、特にCu含有量及びSi含有量がそれぞれ２
〜６％、0.5〜３％でる複合材料は上述の従来の
複合材料の約1.3倍〜約1.5倍、約1.2倍〜約1.4倍
の曲げ強さを有していることが解る。これらの曲げ試験の結果より、繊維体積率10
％、５％の窒化ケイ素短繊維を強化繊維としAl
−Cu−Si系のアルミニウム合金をマトリツクス
金属とする複合材料の場合にも、その強度を向上
させるためには、マトリツクス金属としてのアル
ミニウム合金のCu含有量は２〜６％であり、Si
含有量は0.5〜３％であることが好ましいことが
解る。以上の実施例５及び６より、窒化ケイ素短繊維
を強化繊維とする複合材料の強度を向上させるた
めには、窒化ケイ素短繊維の体積率に拘らず、マ
トリツクス金属としてのアルミニウム合金のCu
含有量は２〜６％であり、Si含有量は0.5〜３％
であることが好ましいことが解る。実施例７炭化ケイ素短繊維と窒化ケイ素短繊維とよりな
る複合繊維を強化繊維としアルミニウム合金をマ
トリツクス金属とする複合材料に於てその強度を
向上させるためにはアルミニウム合金が如何なる
組成のものが適切であるかについての検討を行つ
た。まず実施例１に於て使用された炭化ケイ素ホイ
スカと実施例５に於て使用された窒化ケイ素ホイ
スカとを実質的に１：１の重量比にて均一に混合
し、該混合物に対し圧縮成形を行うことにより、
炭化ケイ素ホイスカ及び窒化ケイ素ホイスカの体
積率がそれぞれ10％であり、全体の体積率が20％
であり、炭化ケイ素ホイスカ及び炭化ケイ素不連
続繊維が互いに均一に混合された状態にて三次元
ランダムに配向された繊維成形体を形成した。ま
た炭化ケイ素ホイスカと窒化ケイ素ホイスカとを
実質的に３：１の重量比にて均一に混合し、該混
合物に対し圧縮成形を行うことにより、炭化ケイ
素ホイスカの体積率が22.5％であり、窒化ケイ素
ホイスカの体積率が7.5％であり、全体の体積率
が30％であり、炭化ケイ素ホイスカ及び窒化ケイ
素ホイスカが互いに均一に混合された状態にて三
次元ランダムに配向された繊維成形体を形成し
た。次いでこれらの繊維成形体を用いて上述の実施
例１の場合と同一の要領及び条件にて炭化ケイ素
ホイスカ及び窒化ケイ素ホイスカを強化繊維とし
アルミニウム合金をマトリツクス金属とし繊維体
積率が20％、30％である複合材料を製造した。次
いで各複合材料に対し実施例１の場合と同一の条
件にて溶体化処理及び人工時効処理を施し、各複
合材料より実施例１の場合と同一寸法の曲げ試験
片を切出し、各曲げ試験片について実施例１の場
合と同一の要領及び条件にて曲げ試験を行つた。これらの曲げ試験の結果をそれぞれ第１５図及
び第１６図に示す。尚第１５図及び第１６図はそ
れぞれ上記曲げ試験の結果に基づきCu含有量を
パラメータとしてSi含有量（％）と複合材料の曲
げ強さ（Kg／mm²）との関係を表わしている。第１５図及び第１６図より、複合繊維の体積率
が20％及び30％の何れの場合に於ても、Cu含有
量が1.5％及び6.5％である複合材料の曲げ強さは
Si含有量が何れの値の場合にも比較的低い値であ
り、Cu含有量が２〜６％である複合材料の曲げ
強さはSi含有量が０％及び４％である場合を除き
Cu含有量が1.5％又は6.5％である複合材料の曲げ
強さに比してかなり高い値であり、従つてCu含
有量は２〜６％であることが好ましいことが解
る。また複合繊維の体積率が20％及び30％の何れ
の場合に於ても、Si含有量が0.5〜３％である複
合材料の曲げ強さはCu含有量が1.5％及び6.5％で
ある場合を除きSi含有量が０％又は４％である複
合材料の曲げ強さに比してかなり高い値であり、
特にCu含有量が２〜４％と比較的低い値である
場合には、複合材料の曲げ強さはSi含有量が２％
の場合に最大値となり、Cu含有量が５〜６％と
比較的高い値である場合には、複合材料の曲げ強
さはSi含有量が0.5〜１％である場合に最大値と
なり、従つてSi含有量は0.5〜３％であることが
好ましいことが解る。また第１５図及び第１６図に示された各値は、
それぞれ炭化ケイ素ホイスカ及び窒化ケイ素ホイ
スカの体積比が上記実施例にそれぞれ対応し全体
の体積率がそれぞれ20％、30％である炭化ケイ素
ホイスカ及び窒化ケイ素ホイスカよりなる複合繊
維を強化繊維とし、在来の実用合金であるJIS規
格AC4Cのアルミニウム合金をマトリツクスとす
る複合材料の曲げ強さ54Kg／mm²、59Kg／mm²よりも
遥かに高い値であり、特にCu含有量及びSi含有
量がそれぞれ２〜６％、0.5〜３％である複合材
料は上述の従来の複合材料の約1.3倍〜1.5倍、約
1.4倍〜約1.6倍の曲げ強さを有していることが解
る。これらの曲げ試験の結果より、体積率がそれぞ
れ10％の炭化ケイ素ホイスカ及び窒化ケイ素ホイ
スカよりなりこれらが均一に混合された複合繊維
又は体積率が22.5％の炭化ケイ素ホイスカと体積
率が7.5％の窒化ケイ素ホイスカとよりなりこれ
らが均一に混合された複合繊維を強化繊維とし
Al−Cu−Si系のアルミニウム合金をマトリツク
ス金属とする複合材料の場合にも、その強度を向
上させるためには、マトリツクス金属としてのア
ルミニウム合金のCu含有量は２〜６％であり、
Si含有量は0.5〜３％であることが好ましいこと
が解る。実施例８炭化ケイ素ホイスカ及び窒化ケイ素ホイスカの
体積率がそれぞれ2.5％、7.5％に設定され、全体
の体積率が10％に設定された点を除き、実施例７
の場合と同一の要領及び条件にて製造された複合
材料について、実施例１の曲げ試験と同様の曲げ
試験を行つた。この曲げ試験の結果を第１７図に
示す。尚第１７図は上記曲げ試験の結果に基づき
Cu含有量をパラメータとしてSi含有量（％）と
複合材料の曲げ強さ（Kg／mm²）との関係を表わし
ている。第１７図より、Cu含有量が1.5％及び6.5％であ
る複合材料の曲げ強さはSi含有量が何れの値の場
合にも比較的低い値であり、Cu含有量が２〜６
％である複合材料の曲げ強さはSi含有量が０％及
び４％である場合を除きCu含有量が1.5％又は6.5
％である複合材料の曲げ強さに比してかなり高い
値であり、従つてCu含有量は２〜６％であるこ
とが好ましいことが解る。またSi含有量が0.5〜
３％である複合材料の曲げ強さはCu含有量が1.5
％及び6.5％である場合を除きSi含有量が０％又
は４％である複合材料の曲げ強さに比してかなり
高い値であり、特にCu含有量が２〜４％と比較
的低い値である場合には、複合材料の曲げ強さは
Si含有量が２％の場合に最大値となり、Cu含有
量が５〜６％と比較的高い値である場合には、複
合材料の曲げ強さはSi含有量が１％である場合に
最大値となり、従つてSi含有量は0.5〜３％であ
ることが好ましいことが解る。また第１７図に示された各値はそれぞれ体積率
2.5％、7.5％の炭化ケイ素ホイスカ及び窒化ケイ
素短繊維よりなる複合繊維を強化繊維とし、在来
の実用合金であるJIS規格AC4Cのアルミニウム
合金をマトリツクスとする複合材料の曲げ強さ48
Kg／mm²よりも遥かに高い値であり、特にCu含有
量及びSi含有量がそれぞれ２〜６％、0.5〜３％
である複合材料は上述の従来の複合材料の約1.3
倍〜約1.5倍の曲げ強さを有していることが解る。この曲げ試験の結果より、それぞれ繊維体積率
2.5％、7.5％の炭化ケイ素ホイスカ及び窒化ケイ
素短繊維よりなる複合繊維を強化繊維としAl−
Cu−Si系のアルミニウム合金をマトリツクス金
属とする複合材料の場合にも、その強度を向上さ
せるためには、マトリツクス金属としてのアルミ
ニウム合金のCu含有量は２〜６％であり、Si含
有量は0.5〜３％であることが好ましいことが解
る。以上の実施例７及び８より、炭化ケイ素短繊維
と窒化ケイ素短繊維とよりなる複合繊維を強化繊
維とする複合材料の強度を向上させるためには、
炭化ケイ素短繊維及び窒化ケイ素短繊維の体積率
及びそれらの混合比に拘らず、マトリツクス金属
としてのアルミニウム合金のCu含有量は２〜６
％であり、Si含有量は0.5〜３％であることが好
ましいことが解る。実施例９上述の各実施例よりアルミニウム合金のCu含
有量及びSi含有量はそれぞれ２〜６％、0.5〜３
％であることが好ましいことが解つたので、強化
繊維である炭化ケイ素短繊維、窒化ケイ素短繊維
及びそれらの複合繊維の体積率が如何なる値であ
ることが適切であるかの検討を行うべく、Cu含
有量が５％でありSi含有量が１％であり残部が実
質的にAlであるアルミニウム合金をマトリツク
ス金属とし、実施例１に於て使用された炭化ケイ
素ホイスカ、実施例５に於て使用された窒化ケイ
素ホイスカ、及び体積比１：１にて均一に混合さ
れた炭化ケイ素ホイスカ及び窒化ケイ素ホイスカ
よりなる複合繊維の各集合体より、繊維体積率が
５％、10％、15％、20％、30％、40％、50％であ
り、個々のホイスカが三次元ランダムにて配向さ
れた複合材料B₁〜B₇，C₁〜C₇，D₁〜D₇を実施例
１の場合と同一の要領及び条件にて製造し、各複
合材料に対し実施例１の場合と同一の条件にて溶
体化処理及び人工時効処理を施し、各複合材料よ
り実施例１の場合と同一寸法の曲げ試験片を切出
し、各曲げ試験片について実施例１の場合と同一
の要領及び条件にて曲げ試験を行つた。またCu
含有量が５％でありSi含有量が１％であり残部が
実質的にAlであるアルミニウム合金の鋳物に対
し実施例１の場合と同一の条件にて溶体化処理及
び人工時効処理を施し、該鋳物より実施例１の場
合と同一寸法の曲げ試験片を切出し、該曲げ試験
片についても実施例１の場合と同一の要領及び条
件にて曲げ試験を行つた。これらの曲げ試験の結
果を第１８図〜第２０図に示す。第１８図〜第２０図より、ホイスカの種類に拘
らず、繊維体積率が０〜５％の範囲に於ては、繊
維体積率が増大されても複合材料の曲げ強さは僅
かしか増大せず、マトリツクス金属であるアルミ
ニウム合金の曲げ強さに近い値であり、繊維体積
率が５〜40％の範囲に於ては、繊維体積率の増大
に伴ない曲げ強さはほぼ直線的に大幅に向上し、
繊維体積率が40％以上の範囲に於ては繊維体積率
が増大されても曲げ強さはそれほど向上しないこ
とが解る。従つて強化繊維の体積率は、その種類
に拘らず、５〜50％、特に５〜40％であることが
ことが好ましいことが解る。以上に於ては、本発明を本願発明者等が行つた
実験的研究との関連に於て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つ
て明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は個々の炭化ケイ素ホイスカが三次元ラ
ンダムにて配向された繊維成形体を示す斜視図、
第２図は第１図に示された繊維成形体を用いて行
われる高圧鋳造による複合材料の製造の製造工程
を示す解図、第３図は体積率30％の炭化ケイ素ホ
イスカにて強化されたアルミニウム合金よりなる
複合材料について行われた曲げ試験の結果に基
き、Cu含有量をパラメータとしてSi含有量と複
合材料の曲げ強さとの関係を示すグラフ、第４図
は個々の炭化ケイ素不連続繊維が二次元ランダム
にて配向されステンレス鋼製のケース内に充填さ
れた繊維成形体を示す斜視図、第５図乃至第７図
はそれぞれ繊維体積率が40％、20％、15％である
炭化ケイ素不連続繊維にて強化されたアルミニウ
ム合金よりなる複合材料について行われた曲げ試
験の結果に基き、Cu含有量をパラメータとして
Si含有量と複合材料の曲げ強さとの関係を示すグ
ラフ、第８図及び第９図はそれぞれ繊維体積率が
10％、５％である炭化ケイ素ホイスカにて強化さ
れたアルミニウム合金よりなる複合材料について
行われた曲げ試験の結果に基き、Cu含有量をパ
ラメータとしてSi含有量と複合材料の曲げ強さと
の関係を示すグラフ、第１０図乃至第１４図はそ
れぞれ繊維体積率が40％、30％、20％、10％、５
％である窒化ケイ素ホイスカにて強化されたアル
ミニウム合金よりなる複合材料について行われた
曲げ試験の結果に基き、Cu含有量をパラメータ
としてSi含有量と複合材料の曲げ強さとの関係を
示すグラフ、第１５図は互いに均一に混合された
繊維体積率10％の炭化ケイ素ホイスカ及び繊維体
積率10％の窒化ケイ素ホイスカにて強化されたア
ルミニウム合金よりなる複合材料について行われ
た曲げ試験の結果に基き、Cu含有量をパラメー
タとしてSi含有量と複合材料の曲げ強さとの関係
を示すグラフ、第１６図は互いに均一に混合され
た繊維体積率22.5％の炭化ケイ素ホイスカと繊維
体積率7.5％の窒化ケイ素ホイスカにて強化され
たアルミニウム合金よりなる複合材料について行
われた曲げ試験の結果に基き、Cu含有量をパラ
メータとしてSi含有量と複合材料の曲げ強さとの
関係を示すグラフ、第１７図は互いに均一に混合
された繊維体積率2.5％の炭化ケイ素ホイスカと
繊維体積率7.5％の窒化ケイ素ホイスカにて強化
されたアルミニウム合金よりなる複合材料につい
て行われた曲げ試験の結果に基き、Cu含有量を
パラメータとしてSi含有量と複合材料の曲げ強さ
との関係を示すグラフ、第１８図乃至第２０図は
それぞれ炭化ケイ素ホイスカ、窒化ケイ素ホイス
カ、体積比１：１の炭化ケイ素ホイスカ及び窒化
ケイ素ホイスカにて強化されたアルミニウム合金
よりなる複合材料について行われた曲げ試験の結
果に基き、繊維体積率と複合材料の曲げ強さとの
関係を示すグラフである。１……炭化ケイ素ホイスカ、２……繊維成形
体、３……鋳型、４……モールドキヤビテイ、５
……アルミニウム合金の溶湯、６……プランジ
ヤ、７……繊維成形体、８……ケース、９……炭
化ケイ素不連続繊維。

Claims

【特許請求の範囲】１炭化ケイ素短繊維及び窒化ケイ素短繊維の少
なくとも一方を強化繊維とし、Cu含有量が２〜
６％でありSi含有量が0.5〜３％であり残部が実
質的にAlであるアルミニウム合金をマトリツク
ス金属とする炭化ケイ素及び窒化ケイ素短繊維強
化アルミニウム合金。２特許請求の範囲第１項の炭化ケイ素及び窒化
ケイ素短繊維強化アルミニウム合金に於て、前記
炭化ケイ素短繊維若しくは前記窒化ケイ素短繊維
の体積率は５〜50％であることを特徴とする炭化
ケイ素及び窒化ケイ素短繊維強化アルミニウム合
金。３特許請求の範囲第２項の炭化ケイ素及び窒化
ケイ素短繊維強化アルミニウム合金に於て、前記
炭化ケイ素短繊維若しくは前記窒化ケイ素短繊維
の体積率は５〜40％であることを特徴とする炭化
ケイ素及び窒化ケイ素短繊維強化アルミニウム合
金。