JPH0328338A - 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藁ニウムウイスカーを強化材とした
金属基複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果ニウムは、比重が軽く易加工性で
あり且つ低価格のため、航空機、自動車、建材をはじめ
として化学機械その他の分野においても高強度、耐熱性
を目的として多用されている． アルミニウム系金属の機械的特性を向上させるために、
高強度、高弾性を有する炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭素
、アルξナ、６チタン酸カリウム等のウイスカーや繊維
を強化材として複合化を図ろうとする開発が盛んに進め
られており、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、高圧凝固鋳造法および
熱間押出法等が知られている。

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、溶融状態のアルミニウムに対して強化用ウイス
カーまたは繊維の濡れ性が高く且つ不活性なことであり
、これらの特性を満足するような強化材は限られており
、多くのウイスカーないし繊維は、表面を不活性な化合
物でコーティングして用いられているのが実情である．
このような中にあってアルミナ系の繊維、ウイスカーは
上記の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企てる際の障壁となって
いる。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、Ｔｉ３Ａ１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った。

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
を発揮しう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よ
ニウム系金属基複合材料を得るという所期の目的を達威
したものである．即ち、本発明方法によれば粉末アルミ
ニウムまたは合金に、廉価に製造でき且つアルミニウム
系金属と反応しにくいホウ酸アルごニウムウィス力一を
５〜４０％の割合で分散させた混合物を、不活性または
還元雰囲気中で加圧しながら、５５０゜Ｃ〜６５０゜Ｃ
の温度で１０分から２時間かけて焼結することにより、
目的とするアルミニウム系金属基複合材が得られること
を知見したものである．本発明において使用のホウ酸ア
ル５ニウムウィスカーは、本発明者等が発明した化学式
９Ａ１，Ｏ，・２ｆｈＯ３及び２ＡＩ，０３・ＢｇＯ＊
で代表される化合物であり、（特開昭６３−３１９２９
８号及び同６３−３１９２９９号公報）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
ニウム供給或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或分
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．Ｏ，
・２ＢｚＯｓは９００〜１２Ｏ０゜Ｃの温度で、２Ａ１
！０３・Ｂ２Ｏ，は６００〜ｌ０００℃の温度に加熱し
て反応させて、育威させるという液相法により得ること
ができる。高価なウイスカ一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、本品は溶融剤を用
いる液相法によって容易に製造することができ、？って
安価に供給することが可能である。

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
アルミニウム合金粉は粒径が５０μｍ以下、好ましくは
２Ｏμｍ以下のもので、表面の酸化程度が極力少ないも
のが焼結性の点で適して゛いる。

またホウ酸アル壽ニウムウィスカーは化学式９Ａｌ２Ｏ
１・２ＢｚＯ＋および２Ａｌ２Ｏ１・Ｂ２Ｏ３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
一がほぐれているものが分散゛性の点で適している。添
加量はウィスカー含有Ｎ５〜４０体積％が好ましい。こ
の量よりも少なずぎると充分な補強効果が得られず、多
すぎてもウィスカ一とアルミニウム金属の界面が充分な
じまないためやはり補強効果が得られない。

ホウ酸アルミニウムウィスカ一とアルミニウムまたはア
ルミニウム合金粉の均一混合は乾式混合では不十分であ
り溶媒を用いた湿式混合が適している。用いる溶媒は沸
点が１５０″Ｃ以下の通常のものでよい。これにアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金粉とホウ酸アルミニウム
ウィスカーを所定量添加し、機械的に好ましくは超音波
を照射して均一に分散させる，この時の溶媒に対する固
形分の割合は３〜３０体積％に調製する。このように調
製されたスラリーから溶媒を除去して乾燥した混合物を
得る方法としては、素早く吸引濾過して得たものを乾燥
させるか、分散状態を保ちながら蒸発乾固させるかの方
法をとる。

またホウ酸アルミニウムウイスカ一にビニルシランを表
面被覆させる方法としては、ビニルシラン蒸気をウイス
カ一に接触する方法、ビニルシランとウイスカ一をスラ
リー状態で混合する方法及びビニルシランをウイスカ一
の表面にスプレーする方法が知られている。ビニルシラ
ンによって表面被覆したウイスカ一をアルミニウム系金
属粉に分散させるために用いる溶媒としてはヘキサン、
ベンゼン等の非極性のものが優れている。

以上のようにして調製された原料混合粉末を内部が真空
常態に保てる構造の金型に入れ、真空にして５００〜５
０００ｋｇｆ／ｃ−の圧力で加圧しながら５５０〜６５
０゜Ｃの温度域で５分〜２時間加熱焼結することにより
複合材を得ることが可能である。

また、原料混合粉末を真空下で鉄製またはガラス製のカ
プセルに充填封じ込みを行い、このカプセルを窒素ガス
で５００〜５０００ｋｇｆ／ｃ−の圧力で等方的に加圧
しながら５５０〜６５０゜Ｃの温度域で５分〜２時間加
熱焼結することによっても複合材を得ることが可能であ
る。ただしウイスカ一をビニルシランで処理した場合の
カプセル封じ込みは、５００℃の温度で真空加熱してビ
ニルシランを完全に分解除去したのちに行うべきである
。

作用 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果ナ或分を多く含み
、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
ウムと反応しにくいため特に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熱間加圧焼結でウイスカ一
が反応せず、複合による強度発現が可能になると考えら
れる。またホウ酸アルミニウムウィスカーの表面にビニ
ルシラン処理を接触させることにより、ウィスカ一とア
ルミニウム系金属粉末の分散性を高めることができ、よ
り均一な複合材の製造が可能である。

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ｌ ビーカーに２Ｏ０ｃｃのエチルアルコールを入れ、これ
に径が約１μｍ、長さがｌＯ〜３０μｍの９Ａ１ｚＯ３
・２８ｚ（ｈウイスカー〔商品名：「アルボレックスＧ
」四国化戒工業■製）　９．３ｇ、粒子径５０μｍ以下
の純アルミニウム粉〔山石金属■製）　３６．６ｇ　　
（ウイスカーの体積含有量：約２Ｏ％）を加えて、２Ｏ
分間超音波を照射し、素早く吸引濾過したのち固形分を
乾燥して、加圧焼結用試料を調製した。次にこの試料を
直径４５ｍｍの金型に入れ、内部を真空に？引しながら
全圧１５トンの力でプレスしたのち、そのまま金型を６
５０゜Ｃの温度に加熱して２Ｏ分保持し原料混合物を焼
結させた．焼結した複合物は、先ず金型を冷却したのち
常圧に戻して取り出し、このようにして得られた焼威複
合体をエメリーカッター及び旋盤にて切削加工して引張
試験及び硬度測定用の試験片を作製し、その特性を調べ
た結果、引張強度は１８ｋｇｆ／ｍｎ＋”　、０．２ｋ
ｇ荷重時のマイクロビッカース硬度は６８であった。

これに対して９Ａｌ！０１２ＢｚＯｚウィスカーを添加
せずに前記と同様にして造った焼成物は、引張強度が９
ｋｇｆ／ｍｓ＋”　、０．２ｋｇｆ荷重のマイクロビッ
カース硬度は３８であり、ホウ酸アルミニウムウィスカ
一によるアルミニウム金属への補強効果は顕著であった
． 実施例２ ９Ａｌ■０３・２Ｂｚ０３ウイスカー約４０ｇを充填し
た外径３０ａ＋ｍ，全長２Ｏｃｔｍのガラス管を８０゜
Ｃに加熱し、このガラス管に８０゜Ｃでトリメトキシビ
ニルシラン薫気が飽和常態の空気を毎分５００ｃｃの速
度で１時間通過させることによりウイスカーにビニルシ
ラン処理を施した。このウイスカ一を用い且つ原料の分
散溶剤としてヘキサンを用いた以外は実施例１と全く同
様の処理を行ったところ、その焼戊物の引張強度は２Ｏ
ｋｇｆ／ｍｓ”であった．実施例３ 実施例２と同様にして表面をビニルシラン処理した９八
ｌ！０３・２８ＺＯ３ウイスカ−５ｇをヘキサン１５０
Ｉ１１に入れ、さらに表１に示した４種類の純アル壽ニ
ウム粉を夫々２Ｏｇ添加した４種類の原料混合スラリー
を用意し、（ウイスカ一の体積含有量は約２Ｏ％）これ
らを夫々超音波を照射しながら攪拌したのち、水流ポン
プにつないだ吸引濾過器に注ぎ、直ちに減圧にして濾過
し、得られた固形分を乾燥して、直径１０〜２Ｏ開、長
さ５０ｍｍ程度の太鼓状のバイレックスガラス製のカプ
セル中に均一に固く充填し、カプセルを真空ラインに接
続し内部を真空して５００℃の温度で約１時間保持して
ビニルシランを分解除去した。次いでバーナーで真空ラ
イン接続部を切断溶封して処理用のカプセルを造り、こ
のカプセルを熱間等方加圧装置（ＨＩＰ）にセットして
６３０゜Ｃに昇温したのちカプセルを入れたチャンバー
の窒素の圧力を１，　０００ｋｇｆ／ｃｏ＋”に上昇し
、１時間保持して焼結させた。その後１時間かけて降温
、降圧してカプセルがら複合材を取り出し、エメリーカ
ッター、旋盤により試験片を切り出し、引張強度と硬度
を測定した。結果は表１に示したとおりであり、使用し
たアルミニウム粉の粒径が小さくなるに連れて引張強度
が向上した。

表１ 実施例４及び比較例 純アルごニウム粉として５μ一以下品〔東洋ア７Ｌ／　
Ｑ　二’ｙ　ム＆Ｉ製：品番５００５　：ｌを用い、９
ＡｂＯ＋　・２Ｉ１２Ｏ３ウイスカ一を全体に対する体
積割合がＩＯ、２Ｏ、ＪＯ％になるよう添加し、以下実
施例３と同じ方法で処理して複合材を作製し、これらの
試験片の引張強度及び硬度を測定したところ表２に示し
たとおりの結果であった。

また比較のために９Ａｈ（ｈ・２８ｚ０３の代わりに、
６チタン酸カリウムウイスカー〔大塚化学■製、商品名
「ティスモＤＪ）を用いて同じように処理し、この複合
材の引張強度を測定した結果は同表に示したとおりであ
った。

表２ 実施例５ ビーカーに２Ｏ０ｃｃのへキサンを入れ、これに径が約
０．６μｍ、長さが１０〜２Ｏμｍの２ＡＩｚＯｉ　・
Ｂｚ（ｈウイスカ−９．３ｇ，粒子径５０μｍ以下のア
ルミニウムーマグネシウム系合金粉末３６．６ｇ　　（
ウィスカーの体積含有量：約２Ｏ％）を夫々加え、２Ｏ
分間超音波を照射して素早く吸引濾過し、固形分を乾燥
して加圧焼結用試料を造った。次にこの試料を直径４５
ａ＋ｓ＋の金型に入れて、内部を真空に吸引しながら全
圧２Ｏ１−ンの力でプレスしたのち、そのまま金型を６
２Ｏ　”Ｃの温度に加熱して３０分保持し原料混合物を
焼結させた。以下実施例１と同様にして試験片を作製し
、その物性を測定した結果、引張強度は３４ｋｇｆ／ａ
ｇｆｌＩ”　、０．２ｋｇ荷重時のマイクロビッカース
硬度は７５であった。

これに対して２ＡｂＯｓ・Ｂ２Ｏ３ウィスカ一を添加せ
ずに前記と同様にして造った焼戒物は、引張強度が２８
ｋｇｆ／ｍ−であり、０．２ｋｇｆ荷重のマイクロビッ
カース硬度は４５であった。

発明の効果 本発明方法によって得られたホウ酸アル逅ニウムウイス
カー強化アルミニウム金属基複合体をエメリー力ッター
及び旋盤により試験片を切り出しその引張強度及び硬度
を測定した結果、ホウ酸アルミニウムウイスカ一を添加
することにより機械的強度は向上し、さらに硬度も高く
なることを確認できた。またビニルシランでウイスカー
の表面を処理することにより強度は一層向上した。

本発明によれば、このようにアルミニウム金属との親和
性に優れ、且つアル壽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イス力一を用いた金属基複合材料
を得ることができ、汎用材料としての使用可能性が期待
できる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ホウ酸アルミニウムウィスカーとアルミニウムま
   たはアルミニウム合金粉末の混合物を加圧下で加熱焼成
   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）化学式９Ａｌ＿２Ｏ＿１・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。（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。 （４）ビニルシランを表面に被覆させたホウ酸アルミニ
   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。