JPH03138326A - ホウ酸アルミニウムウイスカー強化金属基複合材料の製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はホウ酸アルミニウムウィスカーを強化材とした
金属基腹合材料の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、航空宇宙産業を始めとする多くの産業分野におけ
る技術的発展にともない、従来の金属材料に比較してよ
り高温に耐え、より高強度、高弾性、高硬度の新素材が
要求されるようになった。

金属材料の中でアルミニウムは比重が軽く、易加工性、
低価格のため航空機、自動車、建材をはじめとして化学
機械においても多用されている材料である。更に高強度
、耐熱性を目的として各種アルミニウム合金が用いられ
ている。

そして更に機械的特性を向上させる目的で高強度、高弾
性を有する炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭素、アルミナ、
６チタン酸カリウム等のウィスカーや繊維を強化材とし
てアルミニウム系の金属との複合化を図ろうとする開発
が盛んに進められている。複合化の方法としては、ホッ
トプレス法、ＨＩＰ法、溶浸法、粉末冶金法、高圧凝固
鋳造法及び熱間押出法等が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

アルミニウム金属基複合材料を造るときの重要な要素と
しては、強化用ウィスカーまたは繊維が溶融状態のアル
ミニウムに対して濡れ性が高く且つ不活性なことであり
、これを満足するような強化材は数少な（多くの繊維、
またはウィスカーは表面を不活性な化合物でコーティン
グして用いるのが実情である。

このような中にあってアルミナウィスカーは前記の２つ
の要素を有しており強化材としては有望な素材であるが
、高価なために航空宇宙用はともかく自動車、建材等の
汎用分野への適用をはかる際の障壁となっている。また
比較的安価なアルミナ系繊維もそのもの自体はアルミナ
ウィスカー同様有望な素材であるが、繊維製造過程でシ
ョット（非繊維状粒子）が混入し、その大きさは数十μ
ｍから数百μｍにも達するため、これが複合材にした時
欠陥となりクラック発生の起点となり易いという信頼性
の点で大きな問題を残している。

ウィスカーでは現在６チタン酸カリウムウイスカーのみ
が価格的にみて汎用複合材料用強化繊維としての可能性
を有しているが、この化合物は４価のチタニウムがアル
ミニウム金属によって還元されてしまいＴｉ５Ａ１とい
った金属間化合物を形成してしまうという本質的な問題
を持っている。

従って、このような場合は加熱処理時間を極力短くして
この様な反応を抑えるようにしているが、逆に複合効果
が十分発揮できないという欠点がある。

本発明はこのような問題点を解決し廉価でマトリックス
金属と反応しない補強用素材を用い、十分な補強効果を
発揮するるウィスカー強化アルミニウム系金属基複合材
料の製造方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者等は、このような事情に鑑み鋭意試験研究を重
ねた結果、補強素材としてホウ酸アルミニウムウィスカ
ーを用いることにより十分な補強効果を有するアルミニ
ウム系金属基複合材料を得るという所期の目的が達成で
きることを見出し本発明を完遂した。

即ち、本発明方法によれば廉価に製造できて、且つアル
ミニウム金属と反応しにくいホウ酸アルミニウムウィス
カーの予備成型体を製作し、これを２００〜５００℃に
保持した金型に入れ、これに溶融したアルミニウム、ま
たはアルミニウム合金を３００〜２，０００　ｋｇｆ／
ｃｄの圧力で圧入溶浸することにより、目的とするアル
ミニウム系金属基複合材を得ることが可能である。

本発明において使用されるホウ酸アルミニウムウィスカ
ーは、特開昭６３−３１９２９８号公報及び同６３３１
９２９９号公報に記載の方法によって製造され、その代
表的なものは化学式９Ａｌ、Ｏ，・２ＢｚＯｓ及び２Ａ
１２０、・Ｂ２０．で示されるものである。これらはア
ルミニウム無機塩の中から選ばれた少なくとも一種のア
ルミニウム供給成分とホウ酸の酸化物、酸素酸、アルカ
リ金属塩の中から選ばれた少なくとも一種のホウ酸供給
成分とをアルカリ金属の塩化物、硫酸塩、炭酸塩の中か
ら選ばれた少なくとも一種の溶融剤の存在下、９ＡＩ□
０．・２８！０３は９００〜１２００゛Ｃで、２ＡｈＯ
ｓ・Ｂｔｕｓは６００　Ｓ−１０００℃の温度に加熱し
て反応させ、育成させるという液相法により得ることが
できる。高価なウィスカーが主として高度な技術を要す
る気相法で作られているのに対し、溶融剤を用いる液相
法は比較的容易に製造することができ、従ってウィスカ
ーを安価に供給することが可能である。

〔作　用〕

これらホウ酸アルミニウムウィスカーは高強度、高弾性
、高融点を有しており、各種マトリックスの強化材とし
て有用な素材である。そして化合物中にアルミナ成分を
多く含み、化学的性質はアルミナ繊維に類似したところ
が多くアルミニウムに対する親和性が良好であり、且つ
アルミニウムと反応しに（い、更に溶融剤中で化学反応
により均一にウィスカーを育成させるため非繊維状粒子
がなく、また生成したとしてもアルミニウム金属の複合
材として構造欠陥とならない数μｍ程度の微細なもので
あるためアルミニウム系金属の強化材として有用である
。

このような性質を有するため予備成型体に溶融したアル
ミニウムまたはアルミニウム合金が高温で接触してもウ
ィスカーは反応せず、複合による強度発現が可能なわけ
であり、ショットがないため複合材の信顛性も高い。

また予備成型体を製作する際に、バインダーとして無機
系のものと有機系のものを併用することにより、成型性
が良く且つ溶融金属を圧入した時の圧力に十分耐えうる
強度を有するものを得ることが可能である。

〔発明の好適態様〕

本発明のマトリックス材として用いるアルミニウム及び
アルミニウム合金は、展伸材あるいは鋳物用として一般
的に用いられているものである。

またホウ酸アルミニウムウィスカーは化学式９八Ｉ□０
３・２ＢＺ０３および２八Ｉ２Ｏ３・Ｂ２０．であり、
その大きさは繊維径０．０５〜５μｍ、長さ２〜５０μ
ｍであり、好ましくは繊維径０．５〜２μｍ、長さ５〜
５０μｍのものであり、毛玉等凝集が無く十分ウィスカ
ーがほぐれているものが適している。

ウィスカーの予備成型体を製作のために先ず水を分散剤
とするスラリーを調製する。この時のウィスカー濃度は
３〜４０％とし、ウィスカーに対し０．１〜２０％の有
機質バインダー及び０．０１〜５％の無機質バインダー
を添加して機械的にあるいは超音波等を照射してウィス
カーが一本一本はぐれた均一なスラリーを作る必要があ
る。有機質及び無機質バインダーは水溶性若しくは親水
性のもので、具体的には前者では澱粉、アルギン酸塩、
砂糖、糖１セルローズエーテル、ポリビニルアルコール
、カルボキシメチルセルロース等、また後者では水ガラ
ス、珪酸ゾル、アルミナゾル等が適している。

このようにして得たスラリーを濃縮して水分１〜１０％
程度の半乾燥状態のウィスカーとし、所定の形状に設計
された型に入れ加圧成型する。この時に有機質バインダ
ーが成型性を向上させる役目を果たす。前記成形体を１
００〜２００°Ｃで乾燥したのち無機質バインダーをゲ
ル化させ、ウィスカーの予備成形体の機械的強度を後で
行う溶湯鍛造時にかかる圧力に耐えるまでに高めるため
に、５００〜１ｏｏｏ″Ｃで焼成する。なおこの焼成に
よって有機質バインダーは全て燃焼してしまう。

以上のようにして出来上がったウィスカー予備成形体を
所定の形状に設計された金型に組み込み所定量のアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注ぎ込み、上部
パンチにより加圧してウィスカー予備成形体の空隙に溶
湯を浸透させ複合体の製造を完了する。溶湯を浸透させ
る圧力は５０〜２．０００　ｋｇ／Ｃ１ｉの範囲である
。また金型温度は２００〜５００°Ｃ１溶湯温度は７０
０〜９００°Ｃ１そして予備成形体温度は溶湯温度と同
程度にするのが良い。

金型温度を上げ過ぎると溶湯の凝固速度が遅く性能的に
は良い物が出来るが、生産性は悪くなる。

また逆に金型温度が低い場合には予備成形体及び溶湯の
凝固が早くなり浸透が不十分となる。同様な理由で予備
成形体も充分余熱しておくことが必要である。ここで用
いるアルミニウム及びその合金としては、ＪＩＳで規定
されている進展材、及び鋳物材が適用される。

前記複合材はＪＩＳに規定される熱処理を行ったり、ダ
イスを用いて熱間押出を行ったり、機械加工をして最終
部品とし使用可能となる。

〔実　施　例〕

以下本発明を実施例及び比較例によって具体的に説明す
る。

実施例１及び比較例１ ウィスカーの径が約１μｍ１長さが１０〜３０μｍの９
ＡｌｚＯｓ・２８ｇＯｓウィスカー（四国化成工業■製
画品名　アルボレックスＧ）１００ｇを１２の水に分散
させ、これにポリビニルアルコールを５ｇ、３０％水溶
液のシリカゾルを４　ｃｃ加え、超音波を２０分間照射
して均一に分散したスラリーを調整する。

次にこれをロータリー式エバポレーターで水分約ｌθ％
にまで濃縮して内容物を取り出し、内径１０ｃｍのシリ
ンダー形状の塩化ビニル製型に入れ、内容物の高さが２
Ｃ１１になるまで塩化ビニル製のピストンで圧縮してウ
ィスカー予備成形体を造る。脱型した予備成形体を１５
０℃にて２時間乾燥させ、更に８００°Ｃで１時間焼成
してシリカゾルをゲル化させ、ある程度機械的強度のあ
るウィスカ一体積分率（Ｖｆ）が２０％の予備成形体を
得た０次に３００°Ｃに保った内径１２ｃ＋ｍのシリン
ダー形状の金型の底面中心部に焼成完了の熱いままの予
備成形体を置き、８００’Ｃで溶融させたアルミニウム
伸展材ＪＩＳ　Ａ６０６１合金約２００ｃｃを注湯し、
素早く金型上部シリンダーで加圧して溶融アルミニウム
合金を予備成形体に浸透させる。この時の圧力は８００
ｋｇ／ｃｍｚであり、約１分以内に溶湯は浸透が終了し
凝固するので、脱型して複合材を得た。ＪＩＳ　１１４
０００に規定されるＴ６処理を施し、ＪＩＳ　Ｚ　２２
０１に規定される４号試験片を切り出し、ＪＩＳ　Ｚ　
２２４１に規定される方法で引張強度、弾性率を測定し
た。この結果は表１に示した通りであり、ホウ酸アルミ
ニウムウィスカーの強度発現が見られた。

比較のために前記実施例に従ってアルミナ短繊維（電気
化学工業株製　商品名：アルセン）、６チタン酸カリウ
ムウイスカー（チタン工業■製商品名：　ＩＴ−３００
）　、炭化珪素ウィスカー（タテホ化学工業■製）及び
窒化珪素ウィスカー（タテホ化学工業■製）を用いて同
様なＶｆ　＝　２０％の複合材を造った。これら複合材
の機械強度を測定した結果は表１に示したとおりであっ
た。これによれば炭化珪素以外はホウ酸アルミニウムよ
りも低い値となっていることが分かる。炭化珪素ウィス
カーは高い値であるが、ウィスカーの価格がホウ酸アル
ミニウムウィスカーの２０倍以上であることを考えれば
、汎用材料としては、ホウ酸アルミニウムウィスカーの
方が、より現実的であると考えられる。

表１ ＊　９Ａ２Ｂは９Ａ１．０３・２Ｂ！０３ウイスカーを
、Ｗはウィスカーを表す。

実施例２ ウィスカーの径が約０．５μｍ１長さが１０〜２０μｍ
の２Ａ１２０３・Ｂ２０．ウィスカー（四国化成工業■
製画品名　アルボレックスＺ）を用い、有機質バインダ
ーとしてカルボキシメチルセルロース、無機質バインダ
ーとしてアルミナゾルを添加して、実施例１に従いＶｆ
　＝２０及び３０％の予備成形体を造り、マトリックス
合金はアルミニウム伸展材ＪＩＳへ２０１４で、複合材
を作りＴ４熱処理を行い、その後５００°Ｃで熱間押出
を行い直径１２ｍｍの線材を造った。

この材料の機械的特性を表２に示す。この結果からも充
分強度発現した複合材料が得られることが判明した。

表２ 実施例３ 実施例１と同様なホウ酸アルミニウムウィスカー予備成
形体（Ｖｆ＝２０χ）を作り、マトリックス合金はアル
ミニウム鋳造材ＪＩＳ　Ｈ５２０２ＡＣ８Ａで実施例１
に従い複合材を製造し、Ｔ６処理後常温、２００°Ｃ１
３００℃１００時間放置後、同一温度雰囲気化での引張
強度を測定した。この結果は表３に示すとおりで、非強
化のものに比べ熱間では高い強度を保持しており、本島
は高温に曝される場所においての使用が可能であるもの
と認められる。

表３ 〔発明の効果〕 前記のようにして造ったアルミニウム複合材は、Ｘ線回
折、及び走査型電子顕微鏡観察の結果、ホウ酸アルミニ
ウムウィスカーはマトリックスであるアルミニウム及び
アルミニウムの合金と全く反応していないことが分かっ
た。そして、試験片を切り出しその機械的強度を測定し
た結果ウィスカーによる補強効果が充分発現しているこ
とが確認でき、本発明が非常に有効であることが証明さ
れた。

本発明方法によれば、このようにアルミニウム金属との
親和性に優れ、且つアルミニウムと反応しない比較的廉
価なホウ酸アルミニウムウィスカーを用いるた金属基複
合材料を得ることができ、汎用材料としての使用が期待
できる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ホウ酸アルミニウムウィスカーの予備成型体を造
   り、これに溶融したアルミニウムあるいはアルミニウム
   合金を５０〜２，０００ｋｇｆ／ｃｍ＾２の圧力で圧入
   溶浸することを特徴とするホウ酸アルミニウムウィスカ
   ー強化金属基複合材料の製造方法。
2. （２）化学式９Ａｌ＿２Ｏ＿３・２Ｂ＿２Ｏ＿３のホウ
   酸アルミニウムウィスカーを用いる請求項（１）に記載
   の方法。
3. （３）化学式２Ａｌ＿２Ｏ＿３・Ｂ＿２Ｏ＿３のホウ酸
   アルミニウムウィスカーを用いる請求項（１）に記載の
   方法。
4. （４）予備成型体のバインダーとし無機系のものと有機
   系のものを併用することを特徴とする請求項（１）に記
   載の方法。