JPH0339443A

JPH0339443A - 複合材料用マグネシウム合金

Info

Publication number: JPH0339443A
Application number: JP17398489A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Hirasawa; 平沢　良和; Shiyuujirou Oki; 沖　脩二郎; Yoshitaka Ueda; 上田　由高
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1989-07-07
Filing date: 1989-07-07
Publication date: 1991-02-20
Anticipated expiration: 2010-11-15
Also published as: JPH07107185B2

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】童皇ミＬ皿里発畳本発明は、ウィスカ強化複合材料用マグネシウム〈本明
細書においてはマグネシウムを単にＭＣＪと表す場合が
ある。〉合金に関し、更に詳細にはβ型窒化珪素ウィス
カを強化繊維とし、マグネシウム合金をマトリックスと
する複合材料用のマグネシウム合金に関する。

正至曵藍逝繊維強化金属複合材料のマトリックスを威すマグネシウ
ム合金としては、例えばＭＤＣＩＡ　（ＡＳＴＭ規格で
はＡＺ９１Ａ相当＞、ＭＣ７（Ａ３７Ｍ規格ではＺＫ６
１Ａ相当）　、ＭＣ８（ＡＳＴＭ規格ではＥＺ３３Ａ相
当）などのＪＩＳ規格合金、或いはＡＭ６０Ａ、ＡＳ４
１Ａ、ＱＥ２２ＡなどのＡＳＴＭ規格合金が使用されて
いた。

しかし、これらのマグネシウム合金とβ型窒化珪素ウィ
スカとの組合わせの場合、例えば溶湯鍛造機（鋳込圧が
高い鋳造機）などを用いて複合材に鋳造してもなお耐熱
性が低く、２００℃以上の比較的高温では使用できない
。

が　°しようとする β型窒化珪素ウィスカは、繊維強化金属複合材料の製造
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、かつ熱膨張率が小さい。本発明者
等は、このようなβ型窒化珪素ウィスカの特性を生かし
たマグネシウム合金との複合材料について鋭意検討した
。そして、低熱膨張を必要とする比較的高温、例えば２
００℃以上の温度での使用に耐えるβ型窒化珪素ウィス
カ強化マグネシウム複合材料（以下、単に複合材料と記
す場合がある。）の提供を目的にマグネシウム合金成分
について研究を行い、本発明に到達した。

を　決するための上述の目的は、本発明によれば、（１）１〜１０％のＮｄまたはＮｄ系金属を含有し、残
りが実質的にＭｇであるβ型窒化珪素ウィスカ強化複合
材料用マグネシウム合金、（２）マグネシウム合金が更
に０．２〜３％のＭｎを含有するものである上記（１）
に記載の複合材料用マグネシウム合金、（３〉マグネシウム合金が更に０．５〜６％のＹを含有
するものである上記（１）および（２〉に記載の複合材
料用マグネシウム合金、（４）マグネシウム合金が更に０．５〜５％のＳｍを含
有するものである上記（１）、（２）およびに（３）に
記載の複合材料用マグネシウム合金、（５）マグネシウ
ム合金が更に０．５〜８％のＣｅまたはＣｅ系金属を含
有するものである上記（１）〜（４）に記載の複合材料
用マグネシウム合金、（６）３〜１０％のＣｅ系金属を含有し、残りが実質的
にＭＯであるβ型窒化珪素ウィスカ強化複合材料用マグ
ネシウム合金、（７）マグネシウム合金が更に０．２〜３％のＭｎを含
有するものである上記（６〉に記載の複合材料用マグネ
シウム合金、によって達成される。上記（１）〜（７）に記載の複合
材料用マグネシウム合金は、マグネシウム合金としては
５％以下のｌ）ｒ、（３ｄ又はＳＣを含んでも一向に差
し支えない。また、（６）および（７）に記載のβ型窒
化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料は、５％以下
のＹ又はｓｍを含んでも差し支えない。これらの合金元
素は、希土類元素か又はそれに近い性質の元素であり、
含有量にもよるが、必らずしも有害ではなく場合によっ
ては有益でさえある。　なお、本明細書におけるＮｄＳ
ＹｌＳｍ、Ｃｅ、Ｐｒ、（３ｄおよびＳＣはそれぞれ原
子番＠６０，３９．６２．５８．５９．６４、および２
１のＩＩＩＢ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金属含有量が７０
％以上のディデイミウムを指し、Ｃｅ系金属とはＣｅ含
有量が５０％以上のミツシュメタルである。

族１にディディミウムおよびミツシュメタルの組成の１
例を示す。

表１゜デイデイξウムおよびミツシュメタル組成例本発明によれば、強化繊維として高強度を有し、高温安
定性に優れ、かつ熱膨張率が低いβ型窒化珪素ウィスカ
を使用し、マトリックスとしてＮｄ含有量が１％以上１
０％以下であり、残りが実質的にＭＯであるマグネシウ
ム合金を使用し、β型窒化珪素ウィスカの体積率を５〜
２５容量％に設定することにより、後述する本発明者等
が行なった実験の結果より明らかなように、比較的高温
での使用に耐える複合材料を得ることができる。

複合材料のマトリックスとしてのＭｇにＮｄが添加され
てできるマグネシウム合金は、機械的性質及び耐熱性が
かなり高いが、β型窒化珪素ウィスカで強化すると、そ
れらの特性がより一層向上する。しかし、Ｎｄ含有量が
１％未満ではその効果が充分ではなく、１０％を越える
と脆くなり複合材料は実用には適さなくなる。従って、
本発明の複合材料におけるマトリックスとしてのマグネ
シウム合金のＮｄ含有量は１％以上１０％以下、好まし
くは３〜７％とされる。なお、この場合にＮｄの代りに
Ｎｄ含有１７０％以上のディディミウムを使用しても同
じ効果が得られる。また、３〜１０％のＣｅ系金属（ミ
ツシュメタル）を含有する場合には、後述するＭｇ−Ｎ
ｄ合金をマトリックスとするβ型窒化珪素ウィスカ強化
マグネシウム複合材料のＮｄ含有量に相応する強度以上
の強度、特にクリープ強度が得られる。しかしながら、
Ｃｅ系金属の含有量が３％より少ないと、強度が不充分
であり、１０％を超えるとマグネシウム合金及びその複
合材料は脆化し不適当である。

更に、上述のようなＮｄ含有量のＭｇ−Ｎｄ合金をマト
リックスとする複合材料および上述の３〜１０％のＣｅ
系金属を含有する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は、β型窒化珪素ウィスカの体積率
が５容量％未渦の場合には充分な強度、低い熱膨張率を
確保することができず、この体積率が５〜２５容量％の
範囲では、複合材料の強度は体積率の増加とともにほぼ
直線的に増加するが、体積率が２５容量％を超えると溶
湯の浸透に対するβ型窒化珪素ウィスカの抵抗が増し、
健全な複合材料の製造が困難になる。

なお、本明細書におけるパーセンテージは、繊維の体積
率の表現の場合を除きすべて重量％であり、マグネシウ
ム合金の化学成分の表現における「実質的にＭｇ」とは
、マトリックスとしてのマグネシウム合金中に含まれる
Ｎｄ、Ｍｎ、ディディミウム等の添加成分以外の不可避
的に含有されるｚｎ、ｓ＋、　Ｆｅ５ｃｕ、Ｎ　＋等の
不純物の合計が０．５％以下で残りがＭｇであることを
意味する。

なお、１〜１０％のＮｄ又はＮｄ系金属を含有し、残り
が実質的にＭｇであるβ型窒化珪素ウィスカ強化複合材
料用マグネシウム合金に、更に０．２〜３％のＭｎ１０
．５〜６％のＹＳｏ、５〜５％のＳｍ、０．５〜８％の
ＣｅまたはＣｅ系金属を含有させたマグネシウム合金は
、β型窒化珪素ウィスカ強化複合材料用として好適であ
る。

ここで、Ｍｎが０．２％より少ないとＭｎ添加の効果は
なく、３％を超えると脆化の原因となる。

Ｙが０．５％より少ないとＹ添加の効果はなく、６％を
超えても耐熱性向上の効果はない。Ｓｍが０．５％より
少ないと添加効果はなく、５％を超えるとマグネシウム
合金は脆くなる。ＣｅまたはＣｅ系金属が０．５％より
少ないと添加の効果はなく、８％を超えるとマグネシウ
ム合金は脆くなる。

また、３〜１０％のＣｅ系金属を含有し、残りが実質的
にＭｇであるβ型室化珪素ウスヌカ強化複合材料用マグ
ネシウム合金に、更に０．２〜３％のＭｎを含有させた
マグネシウム合金は、β型窒化珪素ウィスカ強化複合材
料用として好適である。

以下に本発明を実施例について詳細に説明する。

マグネシウム合金ＡＺ９２、ＡＺＳｌｏｌｏ（宇部Ｑ産
ＩＨＪ３１金）、ＡＳ２１、ＥＺ３３Ａ。

ＱＥ２２Ａ、Ｍｇ−５％Ｎｄ１Ｍｇ−５％Ｎｄ−１％Ｍ
ｎ％Ｍｇ−５％Ｎｄ−１％Ｙ１Ｍｇ−４％Ｎｄ−２％Ｍ
ＭＳおよびＭ（Ｊ−５％ＭＭ−２％Ｍｎ（注・・・ＭＭ
はミツシュメタル）について、２５０トン竪型ダイカス
トマシンにより、β型窒化珪素ウィスカ成形体を用いて
、β型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料を製
造した。使用したマトリックス合金の組成、製造条件、
２５０トン竪型ダイ力ストマシン金型キヤビテイ模式図
およびβ型窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料
の模式図を、それぞれ表２、表３、図１および図２に示
す。なお、上記β型室化珪素ウィスカ′成形体は、宇部
興産■製β型窒化珪素ウィスカ（平均繊維長１０〜５０
μ椛、平均繊維径０゜１〜１．５μ椛、１００％β−３
ｉｓＮｉｓ）をバインダーを使用しないで１軸プレスに
より作製した。

形状は約１００ｓφＸ２０＃ｔの円板状、繊維体積率は
約１０％であり、窒化珪素ウィスカは三次元ランダムに
配向している。

以下に製造方法を具体的に述べる。まず、図１に示した
２５０トン竪型ダイカストマシンのスリ表３゜製造条件一ブ■にマグネシウム合金溶湯［株］をひしやくで入れ
る。スリーブ■の内部には上記溶湯■の温度低下を防止
するためセラミックベーパーが置かれている。次に図１
に示すように置中子をセットし、その上にβ型室化珪素
ウィスカ成形体■を載せる。

直ちに図１に示すように、可動金型■が上から降りて来
て閉じられ、キャビティ■に、プランジャー■の押し上
げにより溶ｉｉｏが押し込まれる。型閉時間の４５秒が
経過後可動金型■が上方に移動し、図２に示されたβ型
窒化珪素ウィスカ強化マグネシウム複合材料が取出され
る。

図２に示したβ型窒化珪素ウィスカ成形体強化マグネシ
ウム複合材料において、円板状の成形体が存在する部分
より、成形体の円形面に平行に試験片を切出して、ＪＩ
Ｓ規格に準じて２００℃で引張り試験、２５０℃でクリ
ープ破断試験を行なった。族４に試験結果を示したが、
引張試験、クリープ破断試験ともに、ＥＺ３３Ａ以外は
「材（熱処理を施していない材料）に依った。

例９〜１５　　　　６〜９実施例１〜８の場合と同様にして、繊維体積率約１０容
量％のβ型窒化珪素ウィスカ成形体と表５に示す化学成
分のマグネシウム合金とから２５０トン竪型ダイカスト
マシンで複合材料を製造した＜ｔａ維強化した場合）。

又、表５の組成のマグネシウム合金を単独で２５０トン
竪型ダイカストマシンで鋳造した（ｌＩ維強化していな
い場合〉。

この二系列製造物より、実施例１〜８の場合と同じ方法
で試験片を切出し、Ｆ材について、２００℃引張試験お
よび２５０℃クリープ破断試験を実施した竺その結果を
繊維強化していない場合を表６（参考例）に、繊維強化
した場合を表７にそれぞれ示した。また、これらの実験
結果のうち、引張試験結果のみを図３にまとめた。

表５゜Ｍｇ−（１〜２０）％Ｎｄ合金の組成図３より、Ｎｄの適当な含有量は１％以上、１０％以下
、特に３〜７％であることが分かる。

を例１６〜２０　比較例１０実施例９〜１５の実験結果より適当なＮｄ含有量が分か
った。そこで適当な成形体繊維体積率を求めるため、ま
ず繊維体積率が５容量％、１０容量％、１５容量％、２
０容量％、２５容量％および３０容量％のβ型窒化珪素
ウィスカ成形体を作った。この成形方法は一軸プレスだ
けか、又は繊維体積率が不充分な場合は更にラバープレ
スを併）用した。このようにして用意したβ型窒化珪素
ウィスカ成形体を用いて、ＭＣｌ−５％Ｎｄ合金につい
て実施例１〜８の場合と同じようにして複合材料を製造
し、その複合材料（Ｆ材〉より試験片を切出して、２０
０℃で引張試験および２５０℃でクリープ破断試験を行
なった。その結果を族８および図４に示す。

図４より、引張強さおよび耐力は繊維体積率の増加とと
もに繊維体積率２５容量％迄は増加するが、それ以上で
は増加しない。これはｍ９１体積率の増加とともに成形
体への溶湯の浸透抵抗が増加し、その結果繊維体積率が
３０容量％で終に複合材料内部の溶湯不充填等の欠陥が
表面化したためと考えられる。また、繊維体積率が５容
量％未満では引張強ざは繊維強化していない合金と余り
違いがない。これらの結果と、クリープ破断試験結果と
を考え合わせると、繊維体積率平均５〜２５容量％が適
当と考えられる。

及旦匹羞屡 β型窒化珪素ウィスカを圧縮成形して作った成形体に、
Ｎｄ等を添加したマグネシウム合金を高圧下で含浸、凝
固させることにより、本発明の耐熱性に浸れた高強度の
繊維強化マグネシウム複合材料が得られた。この複合材
料は２００℃引張強さが約３０ｋＯｆ／ａｙｓ２であり
、２００℃引張試験値のバランスが良く、優れたクリー
プ強度を有している。

）従って、軽量、低熱膨張と耐熱性が要求されるノ用途、例えば自動車用エンジン部品、汎用エンジン部品
等の用途に適している。

【図面の簡単な説明】

図１は２５０トン竪型ダイ力ストマシン金型キヤビテイ
部模式図、図２はβ型室化珪素゛ウィスカ強化マグネシ
ウム複合材料模式図、図３はＮｄ含有量の異なるＭＣｌ
−Ｎｄ合金を繊維強化していない場合と繊維強化した場
合の２００℃引張試験結果、そして図４はＭＣｌ−５％
Ｎｄ合金をマトリックスとする複合材料の繊維体積率と
２００℃引張強さの関係を示す。図１および図２において、 ■・・・可動金型、■・・・キャビティ、■・・・固定
金型、■・・・プラテン、■・・・スリーブ、■・・・
プランジャー■・・・置中子、■・・・β型窒化珪素ウ
ィスカ成形体、■・・・セラミック・ペーパー、■・・
・マグネシウム合金溶湯を表わす。）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）１〜１０％のＮｄまたはＮｄ系金属を含有し、残
りが実質的にＭｇであるβ型窒化珪素ウィスカ強化複合
材料用マグネシウム合金。
（２）マグネシウム合金が更に０．２〜３％のＭｎを含
有するものである請求項（１）に記載の複合材料用マグ
ネシウム合金。
（３）マグネシウム合金が更に０．５〜６％のＹを含有
するものである請求項（１）および（２）に記載の複合
材料用マグネシウム合金。
（４）マグネシウム合金が更に０．５〜５％のＳｍを含
有するものである請求項（１）、（２）および（３）に
記載の複合材料用マグネシウム合金。
（５）マグネシウム合金が更に０．５〜８％のＣｅまた
はＣｅ系金属を含有するものである請求項（１）〜（４
）に記載の複合材料用マグネシウム合金。
（６）３〜１０％のＣｅ系金属を含有し、残りが実質的
にＭｇであるβ型窒化珪素ウィスカ強化複合材料用マグ
ネシウム合金。
（７）マグネシウム合金が更に０．２〜３％のＭｎを含
有するものである請求項（６）に記載の複合材料用マグ
ネシウム合金。