JPH03177547A - 繊維強化金属の熱処理方法 - 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】

〔発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、マトリックス金属を繊維で強化した繊維強
化金属を熱処理する際に利用される繊維強化金属の熱処
理方法に関するものである。 （従来の技術） 従来の繊維強化金属としては、例えば第７図に示すよう
なものがある。 第７図の繊維強化金属１において、２はマトリックス金
属、３は強化用のＦａ維であり、２′は繊維を複合化し
ていない金属であって、この場合、金属２．２′として
は工業用純マグネシウムまたはネオジムを５買量％含む
Ｍｇ−Ｎｄ合金を用い、強化用の繊、ｉｉ３としてはア
ルミナ短繊維を用いており、繊維３の特性は例えば第１
表に示すようなものを用いている。 このような繊維強化金属１を得るに際しては、まず、繊
維３を真空成形により成形して、繊維体積含有率（Ｖｆ
値）７％の繊維成形体を得る０次いで、１０００℃に予
熱した前記繊ｆａ戊形体を金型内に設置し、各マトリッ
クス金属をそれぞれ鋳造温度（溶湯温度）７２０℃に加
熱して注湯し、これらを１０００気圧の圧力下で加圧凝
固させて、第７図に示す繊維強化金属１を部分的に有す
る鋳物を得る。 このようにして得た繊維強化金属１の熱的寸法安定性を
評価するに際しては、例えば、第８図に示す形状の試料
４を切り出す、この場合、試料４における繊維３の配向
は、試料軸文を含み紙面に平行な面内で２次元ランダム
配向となっており、この試料４はあらかじめ窒素ガス中
で５１０’０Ｘｌｈｒの焼鈍をほどこされ、この試料４
には、寸法測定のために文ｌ＝約２０ｍｍのゲージ長を
けがき線にて記入したものを用いる。この試料４はその
ほか、１２　＝４ｍｒｎ、１３　＝８５ｍｍ、１４＝１
６ｍｍ、ＪＬｃ、＝５ｍｍの寸法を有してｌ／する。 （発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来のｍ維強化金属１にあっ
ては、マトリックス金属２とアルミナ短ｆＲ維３の熱膨
張係数が異なるため、加熱・冷却時にマトリックス金属
２中に熱応力が発生し、特に急冷時（例えば、マトリッ
クス金属２を時効析出強化させるために行う溶体化焼入
処理時）に発生する８応力が、とくにマトリックス金属
２が合金の場合において、マトリックス金属２中にｉａ
維３の配向方向に引張の応力がそしてまた繊維軸と垂直
方向に圧縮の応力が大きく残留することがあるので、こ
のような残留応力が存在する状態において繊維強化金属
１を高温（例えば、３００℃程度）で使用する際に、マ
トリックス金属２が上記残留応力を緩和すべくクリープ
変形を起こし、その結果として繊維強化金属１の寸法が
ＦＪｌ維３の配向方向に伸長しそしてまた繊維軸と垂直
方向に収縮して、繊維強化金属製部品の初期の公差の狂
いから部品を損傷させることがありうるという課返があ
った。 （発明の目的） この発明は、このような従来の課題にかんがみてなされ
たもので、繊維強化金属の冷却時（例えば、マトリック
ス金属を時効析出強化させるために行う溶体化焼入処理
時）にマトリックス金属中に残留応力が生ずるのを防止
することが可能であり、その後の高温での使用時におい
て優れた寸法安定性を確保することが可能であって、繊
維強化金属製部品の公差狂いを小さなものとすることが
可能である繊維強化金属の熱処理方法を提供することを
目的としている。

【発明の構成】

（課題を解決するための手段） この発明に係わるＦｉＡ維強化金属の熱処理方法は、　
ｍｒａ強化金属の冷却時に、ｆｊｌｒｔｓとマトリック
ス金属の熱膨張差に起因して発生して前記マトリックス
金属中に残留しようとする熱応力と同一方向の外部応力
を負荷することにより、前記熱応力を緩和する構成とし
たことを特徴としており。 このような繊維強化金属の熱処理方法の構成を前述した
従来の課題を解決するための手段としている。 この発明に係わる繊維強化金属の熱処理方法において適
用される繊維強化金属は、マトリックス金属を繊維で強
化した複合材料からなるものであるが、前記マトリック
ス金属の種類はとくに限定されないものであり、部材の
軽量化の意味からは軽金属や軽合金などが使用される。 また１強化用の繊維においてもその種類はとくに限定さ
れず、マトリックス金属の種類等に応じて適宜選定して
使用される。 そして、マトリックス金属の全体に強化用の繊維を分散
させたｍ、ｉｉ強化金属のほか、マトリックス金属の部
分に強化用のＦａ維を分散させたｔａ維強化金属部分を
有する金属などにも適用される。 そして、このようなｍ！１強化金属を冷却する熱処理を
行うに際し、強化用のｍｆａとマトリックス金属の熱膨
張差に起因して発生して前記マトリックス金属中に残留
しようとする熱応力と同一方向の外部応力をこの冷却時
に負荷することにより、前記応力を緩和するようにする
。 （発明の作用） この発明に係わる繊維強化金属の熱処理方法では、前述
したように、ｍｍ強化金属の冷却時に、Ｊ＋ａｒａとマ
トリックス金属の熱膨張差に起因して発生して前記マト
リックス金属中に残留しようとする熱応力と同一方向の
外部応力を負荷するようにしているので、　Ｆａｒａ強
化金属の冷却時には繊維の配向方向に引張の外部応力が
負荷されるとともにその結果としてＦａ！！軸と垂直方
向に圧縮の外部応力が負荷されることとなり、繊維とマ
トリックス金属の８膨張差に起因して発生して前記マト
リックス金属中に残留しようとする熱応力が緩和される
ようになる。 したがって、ｍ！！強化金属を高温で使用するときでも
、残留応力を緩和するためのクリープ変形は生じないも
のとなり、繊維強化金属の高温での使用時において優れ
た寸法安定性が確保されるようになる。 （実施例） Ｘ夏史ユ この実施例においては、熱処理に供される繊維強化金属
として１強化用の繊維にアルミナ短ｌａ雄を用いると共
に、マトリックス金属に工業用純マグネシウムとネオジ
ムを５質量％含むＭｇ−Ｎｄ合金の２種類を用いて前記
従来技術において述べたと同様の工程に従って作製した
繊維強化金属に適用した。 第１図はこの発明に係わるＦｉＩｉ維強化全強化金属理
方法において、前記ｔｉＡｍ強化金属を外部応力下で熱
処理するために用いた治具を示している。 この第１図に示す治具１１は、第８図に示した試料４と
同じ形状を有するｍ維強化金属１２を熱処理するために
用いるものであって、１３は鉄（Ｓ　４０　Ｃ）製の筒
状治具基体である。そして、試料形状をなす繊維強化金
属１２の両端には、それぞれ繊維強化金属１２の肩の部
分（アール部１２ａ）に固定されるようにつかみ具１４
および１５が伽番ｌ＃けられふ−これらのり７Ｉ＋）み
且１４．ｔ（よび１５はいずれも２つ割り型のものであ
り、それぞれ止め具１６および１７で固定される。そし
て、一方の止め具１６は矩形断面の軸部１６ａを具備し
ており、軸部１６ａに形成したねじ部１６ｂに締結され
たナツト１８を回転することによって、軸部１６ａは筒
状治具基体１３に設けたスライド部１３ａを上下できる
と共に、つかみ具１５が上方向に移動した際に筒状治具
基体１３に設けた段部１３ｂに当たる構造になっている
。 このような治具１１を用いて冷却時に試料形状のＭＩＩ
Ｍ強化金属１２に引張の外部応力を負荷する方法は以下
のとおりである。 まず、室温にて第１図に示すように治具１１にｔａＩＩ
ｉ強化金属１２をセットする。そして、ナツト１８を利
用してつかみ具１５が筒状治具基体１３に設けた段部１
３ｂに当たって密着するように調節する。 次に、窒素ガス雰囲気中において５１０℃まで加部１．
て０−５ｈｒ俣坊十スーごのＪ−１躊牲樒化金属１２の
全体としての熱膵張係数は筒状治具基体１３の素材であ
る鉄のそれよりも大きいため、この加熱によってつかみ
具１５と筒状治具基体１３に設けた段部１３ｂとの間に
隙間が生じる。そこで、高温（５１０℃）の状態のまま
で再びナツト１８を調節して、つかみ具１５を段部１３
ｂに当てて密着させる。この状態で、ｍｍ強化金属１２
のゲージ長（７５８図の長さ文、）と拘束治具１１の対
応ゲージ長は等しくなっている。 最後に、この状態から繊維強化金属１２と治具１１を一
体で水中に急冷する。この冷却によって、ｍ全種化金ｒ
ｉ１ｈ１２は治具１１よりも大幅に収縮しようとするが
、このｍ全種化金属１２は治具１１において固定された
つかみ具１４および１５に拘束される結果、ｍｆａ強化
金属１２には引張応力が負荷されるに至る。 一万、比較のために従来法において外部応力が加わらな
い条件下で急冷された試料形状のｍ！ｉ強化金属を得る
に際しては、つかみ具１５を取り外した状態にしたｍ全
種化金属（１２）を治具（１１）に組み込んで同様の急
冷熱処理を施した。 続いて、急冷時に治具１１による拘束を行った繊維強化
金属１２と行わなかったｍ全種化金属（１２）（７）両
者について３２０℃で６１ｈｒ保持する焼鈍実験を行い
、焼鈍による寸法変化を測定した。そして、これらのｍ
ｓ強化金属の熱処理に伴う寸法変化の測定は、倍率１０
倍の拡大鏡を用いてＩＬｍの精度にて行った。ここで、
得られた結果を第２図に示す。 第２図は焼鈍前のｍ維強化金属の寸法をり、とし、焼鈍
後のそれをＬとしたとき、その寸法変化を（Ｌ−Ｌｏ　
）／Ｌｏ　　（％）で表してグラフ化したものであり、
第２図（ａ）は治具による拘束を行わずに急冷した場合
（従来の熱処理法）、（ｂ）は急冷時に治具による拘束
を行った場合（本発明の熱処理法）において、それぞれ
３２０℃で６１時間焼鈍した後の寸法変化を示す。 第２図（Ｌ）に示すように、拘束を行わずに急冷した従
来法の純マグネシウムをマトリックス金属とする繊維強
化金属およびＭｇ−５質量％Ｎｄ合金をマトリックス金
属とする繊維強化金属はそれぞれ約０．１％および約０
．２％伸長していることが明らかであり、このようなマ
トリックス金属を合金化によって固溶ならびに分散強化
した繊維強化金属の方がその後の焼鈍によって大きく伸
長する挙動は、ｍ全種化アルミニウム合金の場合（樋野
、小松。 森：軽金属、ＶｏＲ，３８，Ｎｏ、１０，６１４（１９
８８））にも共通して認められる。 一方、急冷時に治具による拘束を行ったＦＩＡｍ強化金
属においては、第２図（ｂ）に示すように、純マグネシ
ウムをマトリックス金属とするＦａｍ強化金属（Ｆ　Ｒ
ＣＰ　Ｍ　ｇ　）およびＭｇ−５質量％Ｎｄ合金をマト
リックス金属とするａｒｔｓ強化金属（ＦＲＭｇ５Ｎｄ
）ともに、拘束を行わない繊維強化金属に比べて伸長量
は大幅に減少する。 た場合は優れた熱的寸法安定性を示すことが判る。 実」Ｕ生ヱ この実施例は、アルミナ短繊維強化マグネシウム合金よ
りなる繊維強化金属製のピストンに対してこの発明に係
わる熱処理を施した場合を示すものである。 第３図に示す加圧Ｒ造型２０において、２１は外型、２
２は外型２１に設けたヒータ、２３はコアであって、こ
のコア２３はコア部２３ａ。 ２３ｂおよび２３ｃの３分割型で構成されている。 そして、このコア２３に隙間無く、８００″Ｃに予熱し
たアルミナ短繊維成形体（ｔｉＡｍ含有率１０％）２４
を当接して配置した後、マトリックス金属２５としてＭ
ｇ−５質量％Ｎｄ合金溶湯（７２０℃）を鋳造し、パン
チ２６により１０００気圧の圧力下で加圧凝固させた。 次いで、得られた鋳物を加圧ｎ造型２０から取４１１＋
ヂ１　＋品開伽し１プ１７りχル考に害ｉ各士まの状態
とし、比較例としてコア２３を取りはずして、それぞれ
５１０℃の炉内に１時間保持した後、それぞれ水中に急
冷した。 そして、本発明例の鋳物は、急冷後に３分割のコア部２
３ａ　、２３ｂおよび２３ｃを取りはずし、本発明例お
よび比較例の鋳物に対しそれぞれ１７０℃×５時間の時
効処理を施した後、ピストンに仕上げた。 このピストンは、最高３００℃の温度にさらされること
があるため、３００℃の焼鈍時におけるピストンの寸法
変化を第４図に示すＡ寸法（冠面）および３寸法（スカ
ート）を測定することにより調べた。ここで、得られた
結果を第５図に示す。 この第５図より明らかなように、急冷時にコア２３を装
着したままにして冷却することによりこの急冷時に応力
を負荷した本発明例のピストンは、コアを外して急冷時
に応力を負荷しない比較例のピストンに比べて、Ａ寸法
（冠面）および３寸法（スカート）のいずれにおいても
寸法変化率が著しく小さいものとなっており、優れた熱
的寸法安定性を有していることが判る。 この結果は、ＰＪ１４図および第６図により１次のよう
に説明される。 ピストン各部のｍｍ配向は、第４図（ａ）（ｂ）に示す
ように、ピストン３１の冠面３１ａの部分で２次元ラン
ダムとなっており、スカート３１ｂを構成する円筒面内
で２次元ランダムとなっている。そこで、冠面３１ａの
直径Ａの方向に並んだ繊維とそれを取り囲むマトリック
ス金属からなるユニットを考えて熱的寸法安定性を考察
する。 第６図（ａ−１）に示すａｒｔｓ強化金属４１において
、第６図（ａ−２）に示すように、繊維４３とそれを取
り囲むマトリックス金属４２からなるユニ、、）４１’
を考えると、ｍ全種化金属４１はこのユニット４１′が
隣接して方向Ｄ（冠面のＡ方向）に並んだ構造であると
考えられる。このユニット４１′は、第６図（ａ−３）
に示すように、マトリックス金属４２を介して相互に連
なっているので、各ユニット４１′のマトリックス金属
部の伸縮が直接ピストン冠面３１ａの伸縮に反映される
。そして、高圧鋳造法で製造した繊維強化金属４１はそ
の共晶温度で繊維４３とマトリックス金属４２が一体化
すると考えられ、その後、溶体化処理のための高温（今
回の場合、５１０℃に対応）に保持した繊維強化金属４
１においては、マトリックス金属４２の歪はほぼ完全に
解放され、マトリックス金属４２および繊１ｔｉ４３は
ともに応力フリーの状態にあると考えられる。この状態
にあるユニット４１′を模式的に第６図（ｂ−Ｈに示す
０次に、この状態から急冷すると、マトリックス金属４
２および＠＠４３はそれぞれの熱膨張係数に従って収縮
しようとする。それゆえ、より大きく収縮するマトリッ
クス金属４２はＦ１１ｍ４３に拘束されてＦａ雄力方向
引っ張られることになる。この状態を第６図（ｂ−２）
に破線で示す、ここで、マトリックス金属４２が純マグ
ネシウムの場合には、その流動変形応力レベル（ｆｌｏ
ｗ　　５ｔｒｅｓｓ　　１ｅｖｅｌ）が低いことから、
マトリックス金属４２は容易にすベリ変形を生じ、マト
リックス金属４２にかかる引張応力は大幅に緩和される
と考えられる（第６図（ｂ−２）の実線図参照）、一方
、マトリックス金属４２がＭｇ−Ｎｄ合金のごとき合金
の場合には、ネオジムの合金化にともなう固溶強化およ
び晶出物の分散による分散強化により流動変形応力レベ
ルが上昇することから、上述のすべり変形は有効に妨げ
られ、マトリックス金属４２は相当高い引張応力下に置
かれることになる。この状態を第６図（ｂ−３）に示す
（この図において、マトリックス金属４２に記入した転
位の記号は、晶出物などによって運動を阻止されてマト
リックス金属４２を貫通しえなかった転位を模式的に表
す）、いま、このような急冷された状態にある繊維強化
金属をマトリックス金属の回復・再結晶温度以上の一定
温度（本実施例では３００℃に相当）に保持すると、冠
面３１ａを構成する繊維強化金属４１のマトリックス金
属４２は上述の引張残留応力によってクリープ変形を生
じて、冠面全体としての伸び変形をもたらすこととなる
のであり、この従来の熱処理法による伸び変形量を実測
した結果は第５図の比較例に示したとおりである。 これに対し、この発明のように、ピストン内部にコア２
３　（２３ａ　、２３ｂ　、２３ｃ）を装着したままで
熱処理を行うと、コア２３の熱膨張係数（約１２Ｘ１０
−ｅ′／Ｋ）はＨａ雄雄花化金属４１熱膨張係数（約２
６Ｘ１０−’／Ｋ）よりも小さいために、この拘束下の
急冷によって冠面３１ａの繊維強化金属には引張応力が
作用する。 このようなコア２３による拘束下の急冷では、冠面３１
ａの１＠雄強化金属におけるマトリックス金属の残留引
張応力は大幅に低減されるに至る。 そして、このようなマトリックス金属の残留引張応力を
大幅に低減させたｍ雄花化金属では、引き続く焼鈍時に
、もはやクリープ変形の駆動力がほとんど存在しないた
めに伸び変形は生じ難いと考えられる。事実この予測と
一致して、第５図の本発明例に示すように拘束下の急冷
を行ったピストン３１の冠面３１ａは焼鈍時にもほとん
ど伸長せず、きわめて高い寸法安定性を示している。 このことは、第４図のスカー）３１ｂの部分についても
同様のことが言える。 すなわち、コア２３による拘束のない場合、スカート３
１ｂの３寸法は、　ｉｊｌｌＩｍの配向方向に垂直とな
っているため第５図の３寸法（スカート）の変化（比較
例）に示すように大きく収縮することとなるが、本発明
例の場合にはコア２３の拘束によりＢ方向の圧縮残留応
力が大幅に低減され、第５図のも寸法（スカート）の変
化（本発明例）に示すようにほとんど収縮しないものと
なり、優れた寸法安定性を示すことが判る。

【発明の効果】

この発明に係わるｍ雄花化金属の熱処理方法では、繊維
強化金属の冷却時に、繊維の配向方向に発生する熱応力
と同じ方向の外部応力を負荷することにより前記熱応力
を強制的に緩和するようにしているので、従来の場合に
おいて冷却時にマトリックス金属中に残留する応力を解
消することが可能となり、その後の高温での使用時に優
れた寸法安定性を確保することが可能であることから、
繊維強化金属製部品の公差狂いを著しく小さなものとす
ることが可能であるという著しく優れた効果もがたらさ
れ、第６図に示したモデルで繊維強化金属の寸法安定性
は支配されていることからいかなる繊維、マトリックス
金属および繊維の配向においても基本的に有効な方法で
あるという著しく優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係わる繊維強化金属の熱処理方法の
実施例１において、前記繊維強化金属を外部応力下で熱
処理するために用いた治具を示す断面説明図、第２図は
従来例および本発明例による熱処理方法の焼鈍後の寸法
変化を示すグラフ、第３図はこの発明に係わる繊維強化
金属の熱処理方法の実施例２において、前記繊維強化金
属（ピストン）の加圧鋳造型を示す断面説明図、第４図
（ａ）（ｂ）は第３図に示した加圧鋳造法により鋳造し
たピストンの各々部分平面説明図および断面説明図、第
５図は比較例および本発明例による熱処理方法の焼鈍後
の寸法変化を示すグラフ、第６図はこの発明に係わるＦ
ａ雄雄花化金属熱処理方法の作用を示す説明図、第７図
はｔｉ＆Ｍ強化金属の構造を例示する説明図、第８図は
寸法安定性の評価を行う際に用いる試料（繊維強化金属
）の形状を例示する説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）繊維強化金属の冷却時に、繊維とマトリックス金
   属の熱膨張差に起因して発生して前記マトリックス金属
   中に残留しようとする熱応力と同一方向の外部応力を負
   荷することにより、前記熱応力を緩和することを特徴と
   する繊維強化金属の熱処理方法。