JPH032339A

JPH032339A - 繊維強化マグネシウム合金

Info

Publication number: JPH032339A
Application number: JP1136619A
Authority: JP
Inventors: Harumichi Hino; 治道樋野; Mikiya Komatsu; 幹也小松; Yoshikazu Hirasawa; 平沢　良和; Shiyuujirou Oki; 沖　脩二郎; Yoshitaka Ueda; 上田　由高
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Ube Industries Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Ube Corp
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1991-01-08
Also published as: US5077138A; DE69016832T2; EP0400574A1; DE69016832D1; EP0400574B1

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）本発明は１機械的性質に優れていると共に比較的高温で
の使用に耐えることが可能でありしかも軽量であること
が望まれる自動車部品、４１！械構造物部品、航空宇宙
機器部品等の部材の素材として好適に利用される繊維強
化マグネシウム合金に係わり、さらに詳しくは高強度を
有していると共に高温安定性に優れ、熱膨張率が低く比
較的廉価であるアルミナ短繊維を強化繊維とし、マグネ
シウム合金をマトリックスとしたアルミナ短繊維強化マ
グネシウム合金に関するものである。（従来の技術）近年、複合材料の研究が盛んに進められるようになって
きており、ｍｒａ強化樹脂（ＦＲＰ）、繊維強化セラミ
ックス（ＦＲＣ）、！ａ！Ｉ強化金属（ＦＲＭ）などの
強化繊維を用いた複合材料が開発されそして実用に供さ
れるようになってきている。そして、繊維強化金属においては、マトリックスとして
いわゆる軽金属に属するアルミニウム合金やマグネシウ
ム合金などを使用することも行われており、マトリック
スとなる後者のマグネシウム合金としては、例えば、Ｊ
ＩＳに制定されるＭＤＣＩＡ　（ＡＳＴＭ−ＡＺ９１Ａ
相当品）、ＭＣ７（ＡＳＴＭ−ＺＫ６１Ａ相当品、ＭＣ
８（ＡＳＴＭ−ＥＺ３３Ａ相当品）などや、ＡＳＴＭに
制定されるＡＭ６０Ａ、ＡＳ４１Ａ、ＱＥ２２Ａなどの
使用が考えられる。しかし、これらのマグネシウム合金は、アルミナ短繊維
成形体との組み合わせとして例えば溶湯鍛造法などによ
り複合材料の形に作製した場合において、ここで作製さ
れた複合材料の耐熱性が低く比較的高温例えば２００℃
以上の温度での使用には適さないものが多いという課題
を有していた。（発明の目的）本発明はこのような課題にかんがみてなされたもので、
アルミナ短繊維と既存のマグネシウム合金とを複合化さ
せてなるアルミナ短繊維強化マグネシウム合金において
、従来より繊維強化複合材料に使用されている種々の強
化繊維の中でも高強度を有し高温安定性に優れていると
共に熱膨張率が低くかつ比較的廉価であるアルミナ短り
ａ雌はそのまま使用することとし、マトリックスとなる
マグネシウム合金の合金成分について種々の実験研究を
重ねることにより、アルミナ短ｔａ錐を強化繊維とし、
マグネシウム合金をマトリックスとする複合材料におい
て、比較的高温例えば２００°Ｃ以上の温度での使用で
あっても機械的および熱的に十分耐えることが可能であ
ると共に低熱膨張であるアルミナ短繊維強化マグネシウ
ム合金を提供することを目的としているものである。（：５？！明の構成］（課題を解決するための手段）本発明に係わる繊維強化マグネシウム合金は、２〜１５
重量％のＮｄまたはそれに相当するＮｄ系金属を含有し
、さらに必要に応じて、３重量％以下のＭｎ、１．５重
量％以下のＹ、５重量％以下のＳｍ、５．Ｉｚ％以下の
Ｐｒ、５重量％以下のＧｄ、５重量％以下のＳｃ、８重
量％以下のＣｅまたはそれに相当するＣｅ系金属のうち
から選ばれる１種または２種以上を含有し、残部が実質
的にＭｇよりなるマグネシウム合金７０〜９５体積％と
、アルミナ短ｆａｍ５〜３０体積％とからなる構成とし
たことを特徴としており、このような複合材料の構成を
前述した従来の課題を解決するための手段としている。この場合、マグネシウム合金中に含まれるＮｄ、Ｙ、Ｓ
ｍ、Ｃｅ、Ｐｒ、ＧｄおよびＳｃはそれぞれ原子番号６
０，３９，６２，５８゜５９．６４および２１の元素周
期表Ｗｂ族の元素であり、Ｙ、Ｓｃ以外は希土類元素で
ある。また、Ｎｄ系金属とはＮｄを主体とする（例えば
、Ｎｄを７０重量％以上含有する）ディディミウム（Ｄ
ｉ）であり、例えばバストネサイト原鉱石から逆抽出精
製されるものであって、７５１表に例示Ｃｅ系金属とは
Ｃｅを主体とする（例えば、Ｃｅを５０重量％以上含有
する）ミツシュメタル（ＭＭ）であり、例えばモナズ原
鉱石から濃縮精製されるものであって、第１表に例示す
るような合金成分からなるものである。第１表；ディディミウムおよびミツシュメタルの合金成
分例（重量％）含有元素ディディミウムミツシュメタル（Ｄｉ）（ＭＭ）Ｎｄ７２．３１８．２Ｐｒ７．９６．４ａ８．８２２．６Ｃｅ０．８５０．６Ｐｒ０．７５０．０３ｉ０．５６０．１６Ｃｅ７．０５０．５９その他不純物１．８４１．４２本発明に係るアルミナ短繊維強化マグネシウム合金は、
必須元素として２〜１５重量％のＮｄまたはそれに相当
するＮｄ系金属を含有し、残部が実質的にＭｇよりなる
マグネシウム合金をマトリックスとしているものであり
、このＮｄを必須元素として含有するマグネシウム合金
は機械的性質および耐熱性にかなり優れたものであるの
で、このような合金にさらに高強度を有し高温安定性に
優れた熱膨張率が低いアルミナ短繊維を複合化すること
によって１機械的性質および耐熱性がより一層向上した
複合材料となる。この場合、Ｎｄ含有量が２重量％未満
であると上記したような効果が十分に得られず、１５重
量％を超えると脆くなり、複合材料は比較的低い強度で
破断するおそれがでてくるようになるので、複合材料に
おけるマトリックスとしてのマグネシウム合金中に含有
されるＮｄ含有量は２〜１５重量％、より好ましくは４
〜７重量％の範囲とするのがよいことがわかった。この場合、Ｎｄの一部または全部の代わりとしてＮｄ系
金属であるディディミウムを含有させてもよいが、この
場合のディディミウムの含有量についてはマグネシウム
合金中のＮｄ含有量が２〜１５重量％となるように定め
る。また、このマグネシウム合金中には、必要に応じて、３
重量％以下のＭｎ、１．５重量％以下のＹ、５重量％以
下のＳｍ、５重量％以下のＰｒ。５重量％以下のＧｄ、５重量％以下のＳｃ、８重量％以
下のＣｅまたはそれに相当するＣｅ系金属のうちから選
ばれる１種または２種以上を含有させることによって、
マグネシウム合金の機械的性質や耐熱性をより一層向上
させたものとすることができるようになる。そして、このような元素を含有し残部が実質的にＭｇよ
りなるマグネシウム合金において、残部が実質的にＭｇ
よりなるとは若干の不純物を含んでいる場合をも含むこ
とを意味するものであり、Ｚｎ、Ｓｉ　、Ｆｅ、Ｃｕ、
Ｎｉ等の不純物が例えば０．５重量％以下の範囲で含有
されている場合をも含むことを意味するものである。本発明に係わるアルミナ短繊維強化マグネシウム合金は
、このようなマグネシウム合金中にアルミナ短繊維を複
合化させるが、このアルミナ短繊維は数ある強化ｊａｍ
のなかでも、高強度を有し高温安定性に優れていると共
に熱膨張率が低くかつ比較的廉価なものであって、複合
材料の強化繊維として適したものである。この強化繊維として用いられるアルミナ短繊維には通常
の場合５ｉ０２が含まれるが、この５ｉ０２は５ｉ０２
＋２Ｍｇ→Ｓｉ＋２Ｍｇ０の反応によりＳｉとなる。そ
して、このＳｔは上述したＮｄを含有するマグネシウム
合金の強度を低下させるので、アルミナ類ｍａｔに含ま
れる５ｉ０２は少ない方が望ましいといえる・。そして、マグネシウム合金に対するアルミナ短ｍ維の含
有量（繊維体積率：Ｖｆ）が５体積％未満であるとアル
ミナ短繊維による強化作用が有効に得られないため十分
な強度および低い熱膨張率を確保することができず、３
０体体積超過であるとマグネシウム合金溶湯をアルミナ
短ｍｒａ間隙に侵透させる際の抵抗が大きくなって健全
な鋳造品（例えば溶湯鍛造品）とすることが困難となる
ので、アルミナ短ｍ維の体積率は５〜３０体積％とする
のがよく、この範囲の繊維体積率とすることによって複
合材料の強度は繊維体積率の増加とともにほぼ比例的に
増加する。（発明の作用）本発明に係る繊維強化マグネシウム合金は、上述した構
成を有するものであるから、機械的性質および耐熱性に
優れたマトリックスのマグネシウム合金が、高強度を有
し高温安定性に優れていると共に熱膨張率が低くかつ比
較的低廉であるアルミナ類ｍｆａによって強化されたも
のとなっているので、それぞれの特長が相乗的に活用さ
れた複合材料となっており、機械的性質に優れていると
共に低熱膨張であり比較的高温での使用にも十分に耐え
うる軽量な複合材料になっているという作用がもたらさ
れる。（実施例）施例１〜５　　較例１〜５複合材料のマトリックスとして用いるマグネシウム合金
に、第２表に示すような合金成分をもつ、ＡＳＴＭ−Ａ
Ｚ９２　、ＡＺＳ　１０１０　（宇部興産（株）製）、
ＡＳ２１．ＥＺ３３ＡおよびＱＥ２２Ａをそれぞれ比較
例１〜５において用いると共に、Ｍｇ−５重量％Ｎｄ、
Ｍｇ−５重量％Ｎｄ−１重量％Ｍ　ｎ　、　Ｍ　ｇ　−
５重量％Ｎｄ−１重量％Ｙ、Ｍｇ−５重量％Ｎｄ−４重
量％ＭＭおよびＭｇ−４重量％Ｎｄ−２重量％Ｓｍをそ
れぞれ実施例１〜５において用いた。＝・方、７）Ｌｔミナ短繊Ｍ（ＩＣＩ社製；　Ｓ　ｉ　
０２含有量５重量％以下）を水中に混入したのち吸弓す
る吸引法によって円板状のアルミナ短繊維成形体（直径
約１００ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、繊維体積率約１０体積％
）を用意した。このアルミナ短繊維成形体の繊維方向は
、円板の円形面にほぼ平行な状ＩＬでアトランダムにな
っているものであった。そして、第２図に示す概略構造の金型キャビティ１を有
する型締力２５０　Ｔ　ｏ　ｎ竪型ダイカストマシンを
用いた。第２図に示すダイカストマシンは、プラテン２
に固定した固定金型３と可動金型４とによって金型キャ
ビティ１が形成されるもので、固定金型３にはスリーブ
５を固定し、このスリーブ５の上端にｎ中子６を設けて
いると共にスリーブ５の内部にセラミックペーパー（商
品名；ファインフレックス）７を配設し、スリーブ５内
でプランジャ９を昇降可能に備えた構造をなすものであ
る。そこで、可動金型４を上方に移動させて型開きし、置中
子６の上に前記円板状のアルミナ短ＦＪ￥ｉ維成形体８
を配設したのち可動金型４を固定金型３に型締めした状
態とし、スリーブ５内に供給した第１表に示す成分組成
のマグネシウム合金溶湯１０をプランジャ９により金型
キャビティ１内に押し込むことによって、金型キャビテ
ィ１内でマグネシウム合金溶湯１０を鋳造し、アルミナ
短繊維成形体８の内部にもマグネシウム合金溶湯１０を
浸透させたのち凝固させることによって、第１図に示す
ようなアルミナ短繊維強化マグネシウム合金よりなる鋳
造体１１を得た。なお、このときの鋳造条件を第３表に
示す。第３表：＃１造条件次に、第１図に示したアルミナ短繊維強化マグネシウム
合金よりなる鋳造体１１において、アルミナ短繊維成形
体８の存在する部分より、当該成形体の円形面と平行に
試験片を切り出し。ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　　Ｇ　　０５６７およびＪＩＳＺ
　　２２７２）に準じて２００℃での引張試験および２
５０℃でのクリープ破断試験を行った。これらの結果を第４表に示す。第４表に示した結果より明らかなように、実施例１〜５
では比較例１〜５に比べていずれも２００°Ｃでの引張
強度および０．２％耐力においてより優れた値を示して
おり、また２００℃での伸びにおいても良好なる値を示
していることが認められた。また、２５０℃におけるク
リープ破断強度においても著しく優れた値を示すことが
認められた。そして、実施例１〜５の複合材料間におけ
る強度差はかなり小さなものとなっていた。実施例６〜１２．比較例６〜８．参考例１〜実施例１〜
５において用意した繊維体積率が１０体積％である円板
状のアルミナ短繊維成形体８を第２図に示した金型キャ
ビティ１内に配設し、金型キャビティ１内に第５表に示
す合金成分のマグネシウム合金の溶湯１０を鋳造するこ
とによって、第１図に示した形状をもつ比較例６．実施
例６〜１２および比較例７．８のアルミナ短繊維強化マ
グネシウム合金よりなる鋳造体１１を得た。次いで、実施例１〜５と同様にして各繊維強化マグネシ
ウム合金よりなる鋳造体（ｌ造後熱処理せず）１１から
試験片を切り出して２００°Ｃでの引張試験および２５
０°Ｃでのクリープ破断試験を行った。これらの結果を
第６表に示す。また、参考のために、第５表に示した合金成分のマグネ
シウム合金の溶湯を用いた鋳造体を作製し、この鋳造体
には繊維強化しないもめとしてそれぞれ２００℃での引
張試験および２５０　’Ｃでのクリープ破断試験を行っ
た。これらの結果を第７表に示す。また、２００℃での引張試験結果のうち引張強さおよび
伸びをまとめて第３図に示す。第３図に示した結果より明らかなように、Ｎｄ含有にが
２〜１５重量％の範囲で良好な結果が得られており、３
〜ｔ　ｉ　ｆｆ＜量％でより優れた結果が得られており
、４〜７重量％でとくに優れた結果が得られていること
が認められた。なお、第３図に示した結果において、繊
維強化を行った場合と行わなかった場合とにおいては曲
線に若干のずれを有しているが、これはＮｄ含有量があ
る程度多くなるとマグネシウム合金の溶湯の流動性が向
上するためと思われる。実施例１３〜１５実施例６〜１２の結果よりＮｄ含有量の適切なる範囲が
明らかとなったので、こんどはｔａ雄体積率（Ｖｆ）の
より望ましい範囲を求めるために、実施例１のＭｇ−５
重量％Ｎｄマグネシウム合金をマトリックスとして、こ
れに複合化されるアルミナ短繊維成形体の体積率が５％
、１０％（実施例１と同じ）、２０％、３０％および４
０％となるほかは実施例１の場合と同様にしてアルミナ
短Ｉａ維強化マグネシウム合金よりなる鋳造体１１を製
造した。この場合のアルミナ短繊維成形体の製造は、実
施例１の場合と同様に、水中にアルミナ短繊維を浮かべ
た状態にして吸引成形したのち、必要に応じてプレスに
より圧縮し、アルミナバインダーにより結合して１種々
の繊維体積率となるようにした。次いで、各鋳造体（熱処理を施さないＦ材）１１より試
験片を切り出して２００℃での引張試験および２５０℃
でのクリープ破断試験を行った、これらの結果を第８表
に示すと共に引張試験の結果を第４図に示す。第８表および第４図に示した結果より明らかなように、
アルミナ短繊維の体積率が３０体積％を超えても引張強
さは増加せず、むしろアルミナ短繊維中にマトリックス
であるマグネシウム合金を１−分に浸透させることが困
難となって観全な鋳物ができにくくなることから、引張
強度の向上は期待できなくなってくるので、３０体体積
以下とすることが望ましいことが認められた。また、５
体積％未満ではアルミナ短繊維で強化しない場合と引張
強さが変わらないものとなり、繊維強化の効果が得られ
ないことが認められた。したがって、このような結果と
クリープ破断試験結果とを考え合わせると、アルミナ短
繊維マグネシウム合金中における繊維体積率は５〜３０
体積％の範囲とするのが適切であることが認められた。

【発明の効果】

本発明に係るアルミナ短ｍ維強化マグネシウム合金は、
２〜１５重量％のＮｄまたはそれに相当するＮｄ系金属
を含有し、さらに必要に応じて、３重量％以下のＭｎ、
１．５重量％以下のＹ、５重量％以下のＳｍ、５重量％
以下のＰｒ、５重量％以下のＧｄ、５重量％以下のＳｃ
、８重量％以下のＣｅまたはそれに相当するＣｅ系金属
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有し、残部
が実質的にＭｇよりなるマグネシウム合金７０〜９５体
積％と、アルミナ短ｍ維５〜３０体積％とからなる構成
としたものであるから、Ｎｄを必須元素として含有する
機械的性質および耐熱性にかなり優れたマグネシウム合
金が、高強度を有し高温安定性に優れ熱膨張率が低いア
ルミナ短繊維により強化されたものとなっているので、
両者の特長が相乗的に活用された複合材料となっており
、機械的強度に優れていると共に軽量であり、比較的高
温例えば２００℃以上の温度での使用においても機械的
および熱的に十分に耐えうると共に低熱膨張の複合材料
であり、アルミナ短ｍ維は廉価なものであるの〒素材コ
ストの低減にも寄与す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図は本発明の実施例において作製したアルミナ短繊
維強化マグネシウム合金よりなる鋳造体の有半破断説明
図、第２図は第１図のアルミナ短繊維強化マグネシウム
合金よりなる鋳造体を鋳造するのに用いた竪型ダイカス
トマシンの金型キャビティ部分の断面説明図、第３図は
マグネシウム合金中のＮｄ含有量による引張強さおよび
伸びへの影響を調べた結果を例示する説明図、第４図は
マグネシウム合金マトリックス中の繊維体積率による引
張強さ、０．２％耐力および伸びへの影響を調べた結果
を例示する説明図である。８・・・アルミナ類！ｉＪｍ　Ｃｒ＆形体）、１０・・
・マグネシウム合金（溶湯）、１１・・・アルミナ短繊
維強化マグネシウム合金よりなる鋳造体。第１図第２図特許出願人　　日産自動車株式会社特許出願人　　宇部興産株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）２〜１５重量％のＮｄまたはそれに相当するＮｄ
系金属を含有し、残部が実質的にＭｇよりなるマグネシ
ウム合金７０〜９５体積％と、アルミナ短繊維５〜３０
体積％とからなることを特徴とするアルミナ短繊維強化
マグネシウム合金。
（２）２〜１５重量％のＮｄまたはそれに相当するＮｄ
系金属を含有し、さらに、３重量％以下のＭｎ，１．５
重量％以下のＹ，５重量％以下のＳｍ，５重量％以下の
Ｐｒ，５重量％以下のＧｄ，５重量％以下のＳｃ，８重
量％以下のＣｅまたはそれに相当するＣｅ系金属のうち
から選ばれる１種または２種以上を含有し、残部が実質
的にＭｇよりなるマグネシウム合金７０〜９５体積％と
、アルミナ短繊維５〜３０体積％とからなることを特徴
とするアルミナ短繊維強化マグネシウム合金。