JPH03184604A - 繊維強化金属薄板の製造方法 - 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、繊維強化金属薄板の製造方法に関し、詳細に
は、セラミックスウィスカーによって強化されたＡＩ，
　Ｍｇ等の繊維強化金属からなる素材を圧延して、引張
強度と弾性率に優れ、薄肉で長尺なる織維強化金ＢｇＪ
板を効率良く製造する方法に関する。

〔従来の技術〕

近来、炭素繊維やＳｔＣｔｌｍ維の開発に伴い、これら
繊維で強化された複合材が、航空・宇宙・高速車両など
の先端技術分野において、比強度や比弾性に優れる先進
複合材として注目されている。

これら複合材のうち、樹脂をマトリックスとする繊維強
化複合材（ＦＲＰ）は、既に実用段階に達しており、現
在では、耐熱性や耐衝撃性等の大幅な向上が期待できる
金属をマトリックスとした繊維強化金ｊｉ（ＦＲＭ）の
研究が、各方面において盛んに進められている。

そして、ｓａｇ強化金属のうち、ウィスカー等を用いた
短織維強化金属材は、長繊維強化金属材では適用し難い
、鍛造・押出・圧延等の塑性加工が適用可能であるとい
う利点があり、既に、熱間静水圧加圧法や含浸法等の常
法にて製造され、強化椹維としてＳｉＣウィスカーを添
加したＡＩ）ＪやＡｌｇｉの繊維強化金属材に対しては
、押出法および鍛造法による加工技術がほぼ確立されて
いる０反面、その圧延法による加工については、種々の
加工技術上の問題点があり、未だ実用上有効な加工方法
が確立されていないのが現状である。

このため、従来では、繊維強化金属製の薄板を製造する
については、押出法や鍛造法等で板状素材を製造し、こ
れに機械加工を加えて所定厚さの薄板とする方法等が採
られていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

一方、前述のような先端技術分野においては、その比強
度や比弾性をより高めた金属基複合材の供給が強く要望
されており、特に、押出法や鍛造法による特定形状の単
体成形材のみでなく、汎用性に冨むより薄肉で長尺なる
繊維強化金属薄板の供給が望まれている。

しかし、１Ａｌｉ維強化金属簿板を製造するに、前述の
ように押出法や鍛造法等による場合、得られる素材の厚
さと長さに制約が生じ、また、目的とする製品の厚さが
薄くなるほど製品歩留が低下し、極度の生産性の低下と
コスト高を招くという間朋が派生する。

一方、通常の金属薄板の製造には最も効率的である圧延
法を適用せんとするに、前述したように技術的に未解明
な問題点、すなわち、■被圧延材に割れが多発して健全
な圧延が達成し難い、また、■割れの発生を抑えるため
には、軽加工率の圧延を数多く加えると共に、加熱回数
も数多く繰り返すことが必要となり、生産性が極度に低
下し、さらに、■繰り返し加熱下における軽加工率・多
バス圧延では、所期の機械的特性をも得難くなる等に代
表される未解明な問題点があって、実用上有効なる品質
および生産性が得られなかった。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたも
のであって、セラミックスのウィスカーによって強化さ
れたＡＩ、Ｍｇ等の繊維強化金属からなる素材を、割れ
を発生させることなく圧延し得て、薄肉かつ長尺で、機
械的特性に優れる繊維強化金ＷＡ′ｇｉ板を効率良く製
造することが可能な、繊維強化金属薄板の製造方法の提
供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成とさ
れている。

すなわち、第１の繊維強化金属薄板の製造方法は、セラ
ミックスのウィスカーによって強化されたＡｌないしＭ
ｇからなる！ａ維強化金属材を圧延して、繊維強化金属
薄板を製造するについて、常法にて製造された前記繊維
強化金属材からなる素材を、拘束率を２０％以上とする
拘束圧延により、仕上げ圧延温度を３５０°Ｃ〜５５０
℃の範囲内とする条件で圧延するものである。

また、第２の繊維強化金属薄板の製造方法は、上記の素
材が、常法にて製造された繊維強化金属材を押出成形し
てなるものである。

また、第３の繊維強化金属薄板の製造方法は、上記の拘
束圧延がカリバーロール方式であると共に、その圧延時
に潤滑剤を用いるものである。

本発明を、その開発経緯に沿って、以下に詳述する。

まず、本件発明者等は、鳳維強化金属材の圧延に際し発
生する割れの形態と原因を把握するためＳｉＣウィスカ
ーを添加したＡｌ基のＦＲＭ（以下ＳｉＣ／ＡＬ基ＦＲ
Ｍと略記）からなる素材をもとに、フラットロールを用
いて種々の条件下で拭験圧延し、その結果により、以下
のことをｒ１１！認した。

被圧延材の表面温度が３００°Ｃ以下に低下すると割れ
の度合いと発生頻度が増大する。一方、割れの形態は、
両側端面（エツジ）割れと、縦（圧延方向）割れとが主
体であった。

このことは、フラントロールによる圧延においては、被
圧延材の両側が拘束されていないため、被圧延材の両側
端部の材料が圧延方向よりも幅方向に大きく流れて、被
圧延材の両側端部近傍で圧延方向への引張応力が発生し
、この引張応力に起因する割れが、特にＳｉＣ／ＡＬ基
ＦＲＭなどのように延性に乏しい材料では顕著に現出す
るからであリ、また、被圧延材の表面温度が３００°Ｃ
以下に低下すると割れの度合いと発生頻度が増大するの
は、マトリックスのＡＬの延性も低下し、その傾向をよ
り助長するからであると判断される。

一方、これら圧延における被圧延材の材料の幅方向およ
び圧延方向への流れは必ずしも一定でなく、圧延温度、
バス当たりの加工率、潤滑条件、素材の形状などにより
変化するので、本件発明者らは、これら条件と被圧延材
の幅広がり量との関係を調査した。その結果を第４凶に
例示する。

第４図は、被圧延材の幅広がり量（ΔＭｌｌ）と、素材
のアスペクト比（素材断面の幅／ｙＪ、さの比）と、パ
ス当たりの加工率との関係を示すグラフであって、同グ
ラフ中のＯ印プロットは加工率２０％、Δ印プロットは
加工率３０％、ム印プロットは加工率３０％で無潤滑、
印プロットは加工率４０％、マ印プロットは加工率４０
％で無潤滑、目印プロットは加工率５０％、☆印プロッ
トは加工率６０％の例をそれぞれ示す。

第４のグラフに示すように、素材の７スペクト比を小さ
くし、パス当たりの加工率を大きくするほど被圧延材の
幅広がり量が増加する。

なお、被圧延材に生じた割れの度合いと発生頻度は、そ
れぞれの幅広がり量に対応するものであった。また、潤
滑剤の効果をみるに、潤滑剤を用いない場合、バス当た
りの加工率を３０％以上にすると割れの発生頻度が増加
するが、用いた場合は、その変位域を１０％程度高める
ことができた。

これら調査にて確認した事象より、本件発明等は、繊維
強化金属材からなる素材を、被圧延材の両側を拘束しな
いフラットロールによる圧延では割れの発生を完全には
防止し得す、割れを発生させることなく圧延するについ
ては、圧延に際する被圧延材の温度低下と、幅広がり量
とを抑制しない限り、達成し得ないとの知見を１）たの
である。

そこで、本件発明等は、圧延に際する幅広がりを抑制す
る方法として、素材を高強度の金属材料でくるむバック
法、素材の両側に高強度の金属材を配して圧延する両端
サンド法、型溝を設けたロールを用いるカリバーロール
法等を挙げ、これらについて拘束性・コスト・安定性・
生産性等を比較検討した結果、最も利点が多いカリバー
ロール法を採用した。

そして、カリバーロールを用い、素材の断面形状を種々
に変えて、パス当たりの加工率と拘束率とが、被圧延材
の割れ発生に及ぼす影響を調査した。その結果を第３図
に例示する。

第３図は、被圧延材に対するバス当たりの加工率および
拘束率と、被圧延材の割れとの関係を示すグラフであっ
て、同グラフ中のＯ印のプロットは割れが認められなか
った例、Δ印のプロットはエツジ割れが発生した例、×
印のプロットはエツジ割れ縦割れ共に発生した例をそれ
ぞれ示す。

なお、これらの圧延は、圧延開妬温度５００°Ｃ、ロー
ル温度１１０°Ｃ１圧延速度５ｍ／ｓｉｎで行い、圧延
終了態度は、前述した試験圧延の結果を踏まえて、いず
れも３００℃以上とした。

この調査結果により、仕上げ圧延温度を３００°Ｃ以上
、確実には３５０’Ｃ以上とし、拘束率を２０％以上と
する拘束圧延によれば、第３のグラフに示すように、４
０％以上、６０％に達する高加工率を加えても、維強化
金属材からなる素材を、割れを発生させることなく圧延
し得ることを知見した。

次いで、本件発明者らは、上述した割れ発生防止の条件
を把握した後、拘束圧延にて得られた繊維強化金Ｘ１ｉ
Ｓ薄板の機械的特性を、その加工率および内部＆ＩＮＩ
ａの形態との関連において調査した。

そして、このＵＡ査過程において、拘束圧延にて得られ
た繊維強化金属薄板の内部組織は、ＳｉＣ繊維とマトリ
ックスのＡｌとが一方向に配向した組織を呈しており、
また、その配向組織の緻密度は総加工率と相関しており
、一方、その引張強度と弾性率は、配向＆Ｉｌ織が緻密
であればあるほど高まり、該繊維強化金属薄板に複合則
にて期待される値以上の機械的特性を付与し得ることを
知見した。

ここで、本件発明者らは、配向組織をより緻密なものと
するには、用いる素材の内部＆［Ｉ織を予め調整してお
くことが効果的であるとの観点に想達し、また、素材の
内部組織を一方向に配■さセるには押出法が好適であり
、予め押出成形した素材に拘束圧延を加えることで、得
られる繊維強化金属薄板の配向ｍ織をより緻密なものと
し、その引張強度と弾性率をより高め得るとの推論を得
たのである。

そこで、上記調査に加え、常法による繊維強化金属材を
押出成形してなる素材を、拘束圧延して得られた繊維強
化金属薄板の機械的性質と内部組織の形態についても調
べた。

これらの結果を、第１図のグラフおよび第２図のＭｉ織
写真に例示する。

第１図は、拘束圧延された繊維強化金属薄板の総加工率
と、引張強度・弾性率との関係を示すグラフであって、
同グラフ中に○印プロットは引張強度、Δ印プロットは
弾性率をそれぞれ示す、また、・印プロットとム印プロ
ントは、加工率９０％の押出成形を施した素材を用いた
例を示し、Ｏ印およびΔ印の中に点を付したプロットは
、圧延または押出成形を加えない常法によるｍ　Ｅ４を
強化金属材からなる素材の特性を示す。

第２図は、素材と圧延後の繊維強化金属薄板との断面金
属組織を例示するＳ！ＪＩ微鏡写真であって、Ａは常法
による繊維強化金属材からなる素材の断面組織、Ｂは該
素材Ａに総加工率９５％の拘束圧延を加えて得た繊維強
化金属薄板の断面ｍｓａを示し、Ｃは常法による繊維強
化金属材に加工率９０％の押出成形を加えてなる素材の
断面組織、Ｄは該素材Ｃに総加工率８５％の拘束圧延を
加えて得た繊維強化金属薄板の断面組織をそれぞれ示す
。

これら調査結果により、第１図のグラフおよび第２図の
断面金属＆［ｌ！！顕＠鏡写真に示すように、その内部
組織を強化繊維とマトリックス金属とが一方向に配向し
た組織を呈すものとし、かつ、その配向＆ＩＩｔａを緻
密なものとすることで、得られる繊維強化金ｉ薄板の引
張強度と弾性率を、常法で得られる該繊維強化金属材の
値、すなわち複合剤にて期待される値以上に高めること
ができ、また、常法よる繊維強化金属材を押出成形して
なる素材を拘束圧延することで、その配向組織をより緻
密なものとし、その引張強度と弾性率をよりいっそう高
め得ることを知見した。

本発明は、以上に述べた調査結果に基づいてなされたも
のであって、ＡｌないしＭｇをセラミックスのウィスカ
ーにて強化した繊維強化金属からなる素材を、拘束率を
２０％以上とする拘束圧延により仕上げ圧延温度を３５
０℃〜５５０°Ｃの範囲内とする条件で圧延することで
、該繊維強化金属からなる素材を、割れを発生させるこ
となく薄肉かつ長尺に圧延すると共に、その内部ｍｔａ
を強化繊維とマトリックス金属とが一方向に配向した緻
密な組織とし、該繊維強化金属薄板に複合剤にて期待さ
れる値以上の機械的特性を付与するものである。

本発明において、その仕上げ圧延温度を３５０°Ｃ〜５
５０°Ｃの範囲内と限定した運出は、前述したように、
仕上げ圧延温度が３００°Ｃ以下になるとマトリックス
の延性が低下して割れの発生ずる危険度が高まるので、
安全を見て３５０°Ｃを下限値に設定した。一方、５５
０°Ｃを超える場合、割れの発生防止の面では有利とな
るものの、圧延によるビルドアップを考慮しても、加熱
温度との差が小さくなり実用上適用し難くなるのみでな
く、圧延加工歪みにより折角に細粒化された組織が、圧
延終了後の残熱により粗大化して、その機械的特性を低
下させるという現象を招く恐れがあるからである。

なお、本発明によれば、６０％に達する高加工率を通用
できるので、素材のアスペク１−比は１〜３程度の範囲
内とし、その総加工率を５０％以上、望ましくは７０％
以上のより高いものに設定されることが、配向組織の緻
密化による機械的性質の向上を図るに有効であり、さら
に、その圧延に、パス当たりの加工率が５０％以上の強
加工を含むことで、バス回数を少なくすることも、被圧
延材の温度低下の抑制および圧延効率の面で望ましい。

また、圧延に際する被圧延材の温度低下を抑制するには
、ロール温度および圧延速度が重要で、ロール温度は１
５０°Ｃ以上、望ましくは４００°Ｃ程度の高い温度と
され、圧延速度は１０ｍ／ｓｉｎ程度より低く設定され
ることが望ましい、なお、圧延用のロール径は、小さ過
ぎて被圧延材の表面部に過大な剪断歪みを発生させない
ように、十分に大きいものを用いる必要があることはい
うまでもない。

〔実施例〕

以下に本発明の具体的実施例について述べる。

なお、本実施例は、引張強度５０ｋｇｆ／ｍｓ”以上、
弾性率１１０００ｋｇｆ／ａｍ”以上の機械的特性を有
し、長さ３０００ａ＋ｍ以上、厚さ３１ｍ１１以下の維
強化Ａ１合金薄板を得ることを目的とした。

まず、ＪＩＳ：６０６１ＡＬ合金粉末にＳｉＣウィスカ
ーを体積率で２０％添加した混合粉末を、カプセル内に
脱気封入した後、これに常法の熱間静水圧加圧処理を施
し、直径１４３ｍｍ、長さ３５０開の紺強化Ａｌ合金材
を複数個製作した。これら雑強化ＡＩ合金材は、引張強
度４５ｋｇｆ／麟１、弾性率１００１００Ｏ０／＊１の
機械的特性を有するものであった。

次いで、これら繊維強化Ａ１合金材の内の数個を機械加
工して、厚さ４０＋ｕ＋、幅５５ｍ−（アスペクト比！
＝ｉ１．２）で、長さ３５０問とした圧延用の素材Ａと
する−・方、他の数個を熱間押出成形して（加工率ξ９
４％）厚さ１７ｍ＋■、幅５７−ｍ１で、長さ約４００
０ｍｍの中間素材とした後、これら中間素材を機械加工
して、厚さ１５．５ｍｍ、幅５５−（アスペクト比ｚ３
．５）テ、長さ９５０開とした圧延用の素材Ｂとした。

そして、これら素材Ａ、Ｂを５５０’Ｃに加熱し、可逆
式のロールスタンドを二基直列に配した圧延設備を用い
て拘束圧延して、厚さ２．８ｍｍ、幅５５＋ｕ＋、長さ
約５０００ｍｍの繊維強化Ａ１合金薄板を得た。

このとき、各ロールスタンドには、軸方向に断面形状の
異なる二対のカリバーを設けたカリバーロールを組み込
み、圧延開妬温度５００’Ｃ、ロール温度】９０°Ｃ１
各カリバーロールによる被圧延材の拘束率２０パーセン
ト以上とし、その仕上げ圧延温度を３５０°Ｃ以上（目
１４００″Ｃ以上）とする条件にて、各素材に以下の拘
束圧延を加えた。

素材Ａ　（４０ｍｍ厚）については、第１パスで加工率
５５％（約１８旧厚）、第２パスで加工率４５％（約８
ｍ＋ＩＷ）　、第３バスで加工率４５％（約４．５ｕｍ
Ｊ’Ｊ）第４パスで加工率３８％（総加工率−９３％）
の拘束圧延を加えて、厚さ２．８問に仕上げた。これら
の仕上げ圧延温度は、４２０″Ｃ〜４６０’Ｃであった
。

一方、押出成形を加えた素材Ｂ　（１５，５＋１１−厚
）については、第１パスで加工率４０％（約９．５ｍ＋
ＩＷ）、第２パスで加工率３５％（約６開厚）、第３パ
スで加工率３５％（約４開厚）、第４パスで加工率２９
％（総加工率！１８２％）の拘束圧延を加えて、厚さ２
．８ｍｍに仕上げた。これらの仕上げ圧延温度は、３８
０°Ｃ〜４２０°Ｃであった。

ここで、本実施例に用いた圧延設備の加熱炉と節−ロー
ルスタンドの間および第一と第二ロールスタンドの間に
は、内面に断熱材を貼設した保温ケースを配設して、移
送中および圧延中の被圧延材の温度低下を印刷すると共
に、これら保温ケースに温度計を装着して、被圧延材の
温度変化を測温・監視できるものとした。

上述した拘束圧延にて得られた繊維強化Ａ１合金ｎす板
について、それぞれの表面性状を精査すると共に、その
内部ｔＪＩＩａと機械的特性を試験したところ、これら
は全て表面に深みのある割れの存在しない健全な表面性
状を呈し、また、その内部組織は添加した５ｉＣ１１４
維とマトリックスのＡｌ合金とが・方向に配向した組織
を呈し、特に、押出成形した素材Ｂを拘束圧延したもの
は非常に緻密な配向組織を呈するものであった。そして
、これらの機械的特性は、素材入を拘束圧延したもので
、引張強度５２ｋｇｆ／＋ｕ＋”、弾性率１１０００ｋ
ｇｆ／ｍｍ”ト目１（ａヲ満足する特性を有し、また、
予め押出成形した素材Ｂを拘束圧延したものは、引張強
度６０ｋｇｆ／ｍｓ”、弾性率１２０００ｋｇｆ／ｍ＋
＊”と目標値を十二分に満足する優れて高い特性を有す
るものであり、木発門の優れた効果を確認することがで
きた。

なお、以上においては、ＳｉＣウィスカーにて強化され
たＡＩ基の繊維強化金属薄板を例に述べたが、本発明に
係る繊維強化金属薄板の製造方法は、軽量でＡＩと同様
な特性を有してその比強度を高め得ることより、近来、
ＡＩに代わって用いられつつあるＭｇをマトリックス金
属とする城糾強化金属材についても、割れを発生させる
ことなく、薄肉かつ長尺に効率良く圧延し得ると共に、
その内部組織を添加した強化繊維とマトリックス金属が
一方向に配向した緻密な組織を有するものとし得て、複
合則にて期待される値以上の機械的特性を付与すること
ができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明に係る繊維強化金ＷＡ薄板
の製造方法によれば、従来では適用できなかった圧延法
により、セラミックスウィスカーによって強化されたＡ
ｌ、Ｍｇ等の線維強化金属からなる素材を、割れを発生
させることなく、薄肉かつ長尺に効率よく圧延し得、ま
た、その内部＆ＩＩ織を強化繊維とマトリックス金属と
が一方向に配向した緻密な＆１１ｔｉｉとし、該繊維強
化金Ｂ薄板に複合側にて期待される値以上の機械的特性
を付与しｊ）、もって、航空・宇宙・高速車両等の先端
技術分野における需要に対応し得て、その発展に寄与で
きるという大きな成果を達成し得るものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に関わる拘束圧延を加えて得られた温維
強化金属薄板の総加工率と引張強度および弾性率との関
係を示すグラフ、 第２図は本発明に関わる線維強化金属からなる素材およ
び圧延後の繊維強化金ｉ薄板の断面金属組織を示す顕微
鏡写真、 第３図は本発明に関わる被圧延材に対するパス当たりの
加工率および拘束率と被圧延材の割れとの関係を示すグ
ラフ、 沁４図は本発明に関わる素材のアスペクト比およびパス
当たりの加工率と被圧延材の幅広がり量との関係を示す
グラフである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスのウィスカーによって強化されたＡ
   ｌないしＭｇからなる繊維強化金属材を圧延して、繊維
   強化金属薄板を製造するについて、常法にて製造された
   前記繊維強化金属材からなる素材を、拘束率を２０％以
   上とする拘束圧延により、仕上げ圧延温度を３５０℃〜
   ５５０℃の範囲内とする条件で圧延することを特徴とす
   る繊維強化金属薄板の製造方法。
2. （２）素材が、常法にて製造された繊維強化金属材を押
   出成形してなるものであることを特徴とする第１請求項
   記載の繊維強化金属薄板の製造方法。
3. （３）拘束圧延がカリバーロール方式であると共に、そ
   の圧延時に潤滑剤を用いることを特徴とする第１請求項
   または第２請求項記載の繊維強化金属薄板の製造方法。