JPH0331434A - 金属基複合材料を含むクラッド材の製造方法 - 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、クラッド材の製造方法に係り、更に詳細には
金属基複合材料を含むクラッド材の製造方法に係る。

従来の技術 金属基複合材料の主要な製造方法として、例えば昭和５
８年に出版された「工業材料」の第３１巻第１３号の第
２１頁乃至第２６頁に記載されている如く、高圧鋳造法
や減圧鋳造法の如き液相浸透法及び粉末冶金法やホット
プレスの如き固相法が従来より知られており、これらの
方法を利用して金属基複合材料を含むクラッド材、即ち
互いに一体的に接合された金属基複合材料及び金属板（
筒状のものを含む）とよりなるクラッド材を製造するこ
とが従来より試みられている。

発明が解決しようとする課題 しかし液相浸透法に於ては、クラッド材形成用の金属板
の種類によっては複合材料のマトリックス金属を金属板
の表面に拡散浸透させることが困難であるため、複合材
料と金属板との間の接合強度が低く、高強度のクラッド
材を製造することが困難である。またマトリックス金属
の溶湯が金属板によって冷却されるため、金属板及び製
造されるべきクラッド材の形状や大きさによってはマト
リックス金属の浸透不良が生じ易く、特に大物、長尺物
のクラッド材の製造が困難である。

また固相法に於ては、液相浸透法の場合に比してマトリ
ックス金属を金属板に良好に構過させることができるの
で、複合材料と金属板との間に成る程度の接合強度を確
保することはできるが、複合材料を製造するための強化
材が長時間に亙り高温度に加熱されるため、強化材の劣
化をきたし易く、従って複合材料の強度等に優れたクラ
ッド材を製造することが困難であり、また大物、長尺物
、複雑形状のクラッド材を製造することが困難である。

更に液相浸透法及び固相法の何れに於ても、加圧若しく
は減圧用の型や鋳型が必要であり、また大炎りな加圧装
置や減圧装置が必要であり、従って金属基複合材料を含
むクラッド材を低廉に且能率よく製造することが困難で
ある。

本発明は、従来より周知の複合材料の製造方法を応用し
て金属基複合材料を含むクラッド材を製造する場合に於
ける上述の如き問題に鑑み、大物、長尺物、複雑形状物
であっても金属基複合材料と金属板との接合強度に優れ
マトリックス金属の浸透゛不良等の欠陥を有しないクラ
ッド材を低廉に且能率よ（製造することのできる方法を
提供することを目的としている。

課題を”解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、無機質の強化材と
金属フッ化物の微細片と軽金属の溶湯との濡れ性に優れ
た金属とを含む多孔質の成形体を形成し、前記成形体を
クラッド材形成用の金属板に当接させ、その状態にて前
記成形体の少なくとも一部を軽金属の溶湯に接触させ、
前記溶湯を実質的に加圧することなく前記成形体中に浸
透させることを含む金属基複合材料を含むクラッド材の
製造方法によって達成される。

発明の作用 本発明によれば、無機質の強化材と金属フッ化物の微細
片と軽金属の溶湯との濡れ性に優れた金属とを含む混合
物にて多孔質の成形体が形成され、該成形体がクラッド
材形成用の金属板に当接せしめられ、その状態にて成形
体の少なくとも一部が軽金属の溶湯に接触せしめられ、
これにより軽金属の溶湯が実質的に加圧されることなく
成形体中に浸透せしめられる。

従って金属フッ化物によって溶湯の表面及び金属板の表
面の酸化被膜が除去され、これにより溶湯が強化材及び
金属板に容易に濡れるようになり、成形体中に溶湯が良
好に浸透すると共に溶湯の金属元素が金属板の表面に良
好に拡散浸透する。またこの場合軽金属の溶湯との濡れ
性に優れた金属が成形体に含まれていることにより、溶
湯はこの金属を伝って成形体中に良好に浸透し、また溶
湯との反応によって発熱することにより溶湯が強化材及
び金属板に一層良好に濡れることが確保され、これによ
り溶湯の成形体中への浸透及び溶湯を構成する金属元素
の金属板の表面中への拡散浸透が良好に行われる。

尚本発明の方法に於ては、成形体中に含まれる金属フッ
化物の微細片は強化材に対する重量比で０．０７％以上
、特に０．０９％以上であることが好ましい。

また本発明の方法に於ては、金属板及び成形体の互いに
他に対する当接面の少なくとも一方に追加の金属フッ化
物の微細片が付着された状態で互いに当接されてもよい
。

また本発明の方法に於ては、金属フッ化物は任意の金属
元素のフッ化物であってよいが、例えばに２　ＺｒＦ６
　、Ｋ２　ＴｉＦ６　、ＫＡｌＦ４　、Ｋ３ＡＩＦ、　
、Ｋ２ＡｌＦ５　　ａｌｐ　０１ＣＩ５ＡＩＦ４、Ｃ５
ＡＩＦｓ　　・Ｈ２０の如く、アルカリ金属、アルカリ
土類金属、希土類金属の如き電気的に正の元素と結合し
たＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの如き遷移金属又
はＡＩを含むフッ化物であることが好ましい。従って本
発明の他の一つの詳細な特徴によれば、金属フッ化物は
電気的に正の金属元素と結合した遷移金属又はＡＩを含
むフッ化物である。

また本発明の方法に於ては、マトリックスの溶湯との濡
れ性に優れた金属はＮｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕｓ　
Ｚｎ％ＡＩ％　Ｍｇｓ　Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｏ５Ａｇ５Ｐｂ
、５ｉＳＴａ、ＶＳＮｂ、Ｚｒ又はこれらを主成分とす
る合金であることが好ましく、特に強化材が炭素繊維や
ＳｉＣ繊維（ウィス力を含む）である場合にはＴｉ、Ｎ
ｉ％Ｔａ、Ｖ。

Ｎｂ％Ｚｒ及びこれらを主成分とする合金であることが
好ましい。

また本発明の方法に於ては、金属は短繊維、ウィスカ、
粉末の如き微細片として使用され、従って強化材と金属
の微細片と金属フッ化物の微細片との混合物又は表面に
金属の微細片及び金属フッ化物の微細片が付着された強
化材にて成形体が形成されてよく、或いは強化材と金属
の微細片との混合物にて成形体が形成され、しかる、後
側々の強化材及び金属の微細片の表面に金属フッ化物の
微細片が付着されてよい。また強化材の表面に金属が被
覆され、金属被覆層の表面に金属フッ化物の微細片が付
着されてもよく、また強化材の表面に金属が被覆され、
その被覆層中に金属フッ化物の微細片が分散され、かか
る複合被覆層を有する強化材を用いて成形体が形成され
てもよい。

また本発明の方法に於ては、強化材は長繊維、短繊維、
ウィスカ、粒子、又はそれらの混合物の如き任意の形態
のものであってよく、また金属フッ化物も粉末、ウィス
カ、短繊維の如き任意の形態のものであってよい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例１ まず第１図に示されている如く、外径３０ｔｓ、内径２
８■−１長さ１０００■ｌのステンレス鋼（ＪＩｓ規格
５ＵＳ３０４）製のパイプ１０の周りに、平均粒径３０
μｍのＴｉ粒子が体積率１．３％にて均一に付着された
平均繊維径１５μ書・のＳＩＣ繊維１２（日本カーボン
株式会社製「ニカロン」、フィラメント数５００本）を
巻取り角度約８５゜にて積層厚さが２膳膳になるようフ
ィラメントワインディングによって巻き付けることによ
り、円筒状の繊維成形体１４を形成した。

次いで第２図に示されている如く、繊維成形体１４をパ
イプごと５０℃のに！！ＺｒＦ６の飽和水溶液１６中に
該溶液の温度が３０℃になるまで浸漬し、しかる後繊維
成形体を乾燥させることにより、繊維の表面に微細なに
２ＺｒＦ６を再結晶により全体で０．５ｇ付着させた。

次いで繊維成形体１４をパイプごと２００℃に１５分間
予熱した後、第３図に示されている如く、繊維成形体を
パイプごと７５０℃の純ＡＩの溶湯１８中に約３０秒間
浸漬し、しかる後繊維成形体を溶湯より取出し、そのま
まの状態で溶湯を凝固させた。この場合溶湯はそれが凝
固するまで表面張力により繊維成形体に付着した状態を
維持し、実質的に成形体より滴り落ちることはなかった
。

次いで第４図に示されている如く、かくして得られたＳ
ｉＣ繊維１２にて複合強化された純ＡＩよりなる複合材
料２０とステンレス鋼１０’　とよりなるクラッドパイ
プ２２をその長手方向中央にて切断してその断面を調査
した。

その結果第５図に示されている如く、複合材料とステン
レス鋼との界面には間隙や酸化被膜層は存在せず、Ａｌ
−Ｆｅ拡散層が形成されてこれらが互いに良好に接合し
ていることが認められた。

またＳｉＣ繊維の体積率は約３６％であり、元の繊維成
形体全体に純ＡＩが過不足なく良好に浸透しており、Ｓ
ｉＣ繊維と純ＡＩとの密着状態も良好であることが確認
された。またこのクラッドパイプの比重及び弾性率はそ
れぞれ４，４、約１３０００　ｋｇ／−一２であり、こ
のクラ・ソドパイプは軽量であり剛性に優れていること
が確認された。

また比較の目的で、繊維成形体をに！ＺｒＦ６の飽和水
溶液中に浸漬せず、従って繊維の表面に微細なに２Ｚｒ
Ｆ６を付着させなかった点を除き、上述の実施例の場合
と同一の要領及び条件にてクラッドパイプの製造を試み
たところ、複合材料とステンレス鋼との界面に酸化被膜
層が存在し、これに起因してこれらの接合強度が不十分
であることが認められた。

実施例２ 強化材として厚さ０．２μ脂にてＮｉがめっきされたＳ
ｉＣ繊維（日本カーボン株式会社製「ニカロン」）が使
用され、軽金属の溶湯として湯温約８００℃の純Ｍｇの
溶湯が使用された点を除き、上述の実施例１の場合と同
一の要領及び条件にてクラッドパイプを製造し、そのク
ラッドパイプの中央を切断してその断面を調査した。

その結果このクラッドパイプはＳｉＣ繊維にて複合強化
された純Ｍｇよりなる複合材料とステンレス鋼とよりな
っており、複合材料とステンレス鋼との界面には間隙や
酸化被膜層は存在せず、Ｍｇ−Ｆｅ拡散層が形成されて
これらが互いに良好に接合していることが認められた。

またＳＩＣ繊維の体積率は約３６％であり、元の繊維成
形体全体に純Ｍｇが過不足なく良好に浸透しており、Ｓ
ＩＣ繊維とｍＭｇとの密着状態も良好であることが確認
された。尚このクラッドバイブの比重及び弾性率はそれ
ぞれ４，０、約１２００　ｋｇ／　＠Ｉ”であった。

実施例３ 厚さ０．２μｍにてＮｉがめっきされた平均繊維径７μ
層の炭素繊維（東し株式会社製「Ｔ３００」、フィラメ
ント数６０００本）をＫＡ　Ｉ　Ｆ４粉末が水に懸濁さ
れたスラリー中に通した後炭素繊維を乾燥させることに
より、炭素繊維１ｍ当り０．３ｇのＫＡ　Ｉ　Ｆ４粉末
を付着させた。

次いでかくして処理された炭素繊維を外径２１０■、内
径２００ｍ−１長さ３０歳−のＡ１合金（Ｊ！Ｓ規格６
０６１）のパイプの周りにフィラメントワインディング
により巻取り角度８７°にて積層厚さが２１１；なるよ
う巻付けた。次いで軽金属の溶湯として湯温的５８０℃
のＡｔ合金（八！−１０％５１−４％Ｃｕ−１０％Ｚｎ
）の溶湯が使用され、成形体及びパイプの溶湯中への浸
漬時間が１５秒に設定された点を除き、上述の実施例１
の場合と同一の要領及び条件にてクラッドバイブを製造
し、その中央を切断してその断面を調査した。

その結果このクラッドバイブは炭素繊維にて複合強化さ
れたＡ１合金よりなる複合材料とＡ１合金とよりなって
おり、複合材料と元のパイプのＡ１合金との興、の界面
には間隙や酸化被膜層は存在せず、これらが互いに良好
に接合していることが認められた。また炭素繊維の体積
率は約４８％であり、元の繊維成形体全体にＡ１合金が
過不足なく良好に浸透しており、炭素繊維とマトリック
ス金属としてのＡ１合金との密着状態も良好であること
が確認された。尚このクラッドバイブの比重及び弾性率
はそれぞれ２，６、約９５００ｋｇ／ａｍ２であった。

実施例４ 第６図に示されている如く、幅３００■、長さ５００■
、厚さ２ｍｓのステンレス鋼板２６　（Ｊ　ＩＳ規格５
ＵＳ４３０）の周りにその長手方向に沿って平均繊維径
２０μｍのステンレス鋼繊維２８（ＪＩＳ規格５ＵＳ３
１６、東京製綱株式会社製「サスミックファイバー」、
フィラメント数３０００本）を一方向に積層厚さが２ｍ
ｓになるよう巻付けた。次いでかくしてステンレス鋼繊
維が巻付けられたステンレス鋼板を第７図に示されてい
る如く約８０℃のに２ＺｒＦ６飽和水溶液３０中に浸漬
した後取出し、それを約８０℃にて十分乾燥させ、これ
によりステンレス鋼繊維に全体で約１゜５ｇのＦ２Ｚｒ
Ｆ６粉末を再結晶により付着させた。次いでかくして処
理されたステンレス鋼繊維及びステンレス鋼板を約１５
０℃に２０分間予熱した後、第８図に示されている如（
約７６０℃の純Ａ１の溶湯３２中に３０秒間浸漬し、し
かる後ステンレス鋼繊維及びステンレス鋼板を溶湯より
取出し、そのままの状態で溶湯を凝固させた。

次いでかくして形成されたクラッド板をその長手方向中
央部にて横断方向に切断しその断面を調査した。その結
果第９図に示されている如く、元のステンレス鋼板２６
の両側にステンレス鋼繊維２８にて複合強化された純Ａ
Ｉよりなる複合材料３４が形成されており、複合材料と
ステンレス鋼板との間の界面には間隙や酸化被膜層は存
在せず、Ａｌ−Ｆｅ拡散層が形成されてこれらが互いに
良好に接合していることが認められた。またステンレス
鋼繊維の体積率は約４０％であり、ステンレス鋼繊維の
間に純ＡＩが過不足なく良好に浸透しており、ステンレ
ス鋼繊維と純ＡＩとの密着状態も良好であることが確認
された。このクラッド板の比重及び弾性率はそれぞれ５
．８、約１３２００　ｋｇ／　ｓ＊”であった。

尚この実施例に於けるステンレス鋼繊維は強化材及び軽
金属の溶湯との濡れ性に優れた金属の両方の機能を果し
たものと考えられる。

実施例５ 厚さ０．１層重にてＳｎがめっきされた平均繊維径１μ
麿、平均繊維長１５０μ層のＳｉＣウィスカと０．００
１ｇのＫＡ　Ｉ　Ｆ４粉末とよりなる幅２０量−１長さ
５０ｍ■、厚さ１■曽のシート状の成形体を形成した。

次いでこの成形体を幅２０ｍ５．長さ５０−■、厚さ０
．５−麿の２枚のＡ１合金板（Ｊ！Ｓ規格６０６１）に
て挾み、サンドイッチ状の構造体を形成した。次いでこ
のサンドイッチ構造体を約２００℃に１５分間予熱した
後、約５８０℃のＡ１合金（ＡＩ−１０％５ｔ−４％、
Ｃｕ　−１０％Ｚｎ）の溶湯中に１５秒間浸漬した後溶
湯より取出し、そのまま溶湯を凝固させ、しかる後凝固
体の長手方向中央部を横断方向に切断してその断面を調
査した。

その結果元のＡ１合金板の間にＳｉＣウィスカにて複合
強化されたＡ１合金よりなる複合材料が形成されており
、この複合材料とＡ１合金板との間の界面には間隙や酸
化被膜は存在せず、これらが互いに良好に接合している
ことが認められた。

またＳＩＣウィスカの体積率は約２０％であり、元の成
形体全体にＡ１合金が過不足な（良好に浸透しており、
ＳＩＣウィスカとＡ１合金との密着状態も良好であるこ
とが確認された。尚このクラッド板の比重及び弾性率は
それぞれ２．８．９０００　ｋｇ／■■：であった。

以上に於ては本発明を幾つかの実施例について詳細に説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

発明の効果 以上の説明より明らかである如く、本発明によれば、金
属フッ化物によって溶湯の表面及び金属板の表面の酸化
被膜が除去され、これにより溶湯が強化材及び金属板に
容品に濡れるようになり、成形体中に溶湯が良好に浸透
すると共に溶湯の金属元素が金属板の表面に良好に拡散
浸透する。またこの場合軽金属の溶湯との濡れ性に優れ
た金属が成形体に含まれていることにより、溶湯はこの
金属を伝って成形体中に良好に浸透し、また溶湯との反
応によって発熱することにより溶湯が強化材及び金属板
に一層良好に濡れることが確保され、これにより溶湯の
成形体中への浸透及び溶湯を構成する金属元素の金属板
の表面中への拡散浸透が良好に行われる。

従って大物、長尺物、複雑形状物であっても金属基複合
材料と金属板との間の接合強度に優れ、軽金属の浸透不
良等の欠陥を含まないクラッド材を製造することができ
、また液相浸透法や固相法の場合に比して低摩に且能率
よくクラブ下材を製造することができる。

また本発明によれば、連続的な成形体及び金属板を互い
に当接させつつ軽金属の溶湯中に連続的に通すこにより
、クラッド材を連続的に製造することも可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図乃至第３図は本発明によるクラッド材の製造方法
の一つの実施例の一連の工程を示す工程図、第４図は第
１図乃至第３図に示された実施例に於て製造されたクラ
ッドパイプをその長平方向に垂直な平面に沿って切断し
て示す断面図、第５図は第４図に示された断面の要部を
４００倍にて示す顕微鏡写真、第６図乃至第８図は本発
明によるクラッド材の製造方法の他の一つの実施例の一
連の工程を示す工程図、第９図は第６図乃至第８図に示
された実施例に於て製造されたクラッド板の断面を示す
断面図である。 １０・・・バイブ、１２・・・ＳｉＣ繊維、１４・・・
繊維成形体、　　１６−Ｋｇ　Ｚ　ｒ　Ｆ６の飽和水溶
液、１８・・・純ＡＩの溶湯、２０・・・複合材料、２
２・・・クラッドパイプ、２６・・・ステンレス鋼板、
２８・・・ステンレス鋼繊維、３０・・・Ｋ２ＺｒＦ６
飽和水溶液、３２・・・純Ａｌの溶湯、３４・・・複合
材料特　許　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社代　
　　　　理　　　　　人　　　弁理士　　明　　石　　
昌　　毅第 １ 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 （方 式） （１） 明細書第１８頁第５行の 「断面の要部」 を 手 続 補 正 書 「断面の一部の金属組織」 と補正する。 １゜ 事件の表示 平成１年特許願第１６６２９１号 ２゜ 発明の名称 ４゜ 代 理 人 居 所 ８１０４東京都中央区新川１丁目５番１９号平成１年９
月１１日 （平成１年９月２６日発送） ６゜ 補正により増加する発明の数 ７゜ 補正の対象 明細書の図面の簡単な説明の欄

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 無機質の強化材と金属フッ化物の微細片と軽金属の溶湯
   との濡れ性に優れた金属とを含む多孔質の成形体を形成
   し、前記成形体をクラッド材形成用の金属板に当接させ
   、その状態にて前記成形体の少なくとも一部を軽金属の
   溶湯に接触させ、前記溶湯を実質的に加圧することなく
   前記成形体中に浸透させることを含む金属基複合材料を
   含むクラッド材の製造方法。