JPH0433705A - 短繊維または粒子分散強化金属基複合材圧延板の製造方法 - 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〕 この発明は、短繊維または粒子分散強化した金属基複合
材、特にアルミニウム基複合材を圧延して、圧延板を製
造する方法に関するものであり、限定された展延性を有
する複合材を用いて、割れなどを発生させることなく、
良好な圧延板を製造する方法を提供するものである。

［従来の技術１ 近年、各種強化繊維または粒子で複合化したアルミニウ
ム合金基複合材が種々間発されている。

これらの複合材は、基地となるアルミニウム合金の軽量
かつ良好なる緒特性に加えて、強化材の複合化により強
度、剛性、耐摩耗性、熱的安定性などの面で著しく改良
された特性を有しており、工業的な利用が開始されてい
る。

工業的利用を更に拡大するためには、各種部材形状を得
るための加工手段を多様に選択でき、かつ容易に加工を
行えることが要求される。特に、従来の金属、合金に対
して行われているものと同様の展伸加工、すなわち圧延
、押出、鍛造などの塑性加工が可能ム複合材の開発や、
限定された展延性を有する複合材に対しては、前記塑性
加工に対する適切な加工方法の開発が強く望まれている
。

ところで、アルミニウムまたはアルミニウム合金基複合
材の中で、一般に炭素繊維なとの長繊維により強化され
た複合材は、塑性加工が困難である。これは、長繊維の
存在により複合材の塑性流動が妨げられ、また塑性加工
中に生ずる強い引張応力や曲げ応力により長繊維の破断
が生じて強化機能が失われるためである。

一方、ウィスカや切断繊維などの短繊維、または粒子を
分散させた複合材では、その強化の程度は長繊維を用い
た場合に比して低下するものの、複合材の塑性流動が可
能であり、かつ塑性加工中に繊維、粒子の破断が生じに
くく、多少の破断が生じた場合でも強化権能が失われに
くい特徴がある。実際、多くの短繊維または粒子分散強
化アルミニウム合金基複合材は押出や鍛造加工が可能で
ある。加工温度に関しても、条件により冷間加工が可能
な場合があり、態量加工は多くの場合に可能である。但
し、これらの加工の場合でも、複合材の塑性加工性は、
従来の非強化の金属、合金に比べると限定されており、
加工温度、加工速度、加工率などをより適切な範囲に限
定する必要がある。

［発明が解決しようとする課Ｂ］ 短繊維または粒子分散強化アルミニウム合金基複合材は
、押出や鍛造のように加工中に働く応力が主として圧縮
応力である場合には比較的良好な展延性を示す。しかし
、押出では、金型出口直後の押出材表面に働く引張応力
により表面割れが発生しやすく、鍛造では伸ばされる部
分や、型に接触しない自由表面に割れが発生しやすい。

また、板状製品への加工に適する圧延では、引張応力が
働きやすいため、多くの短繊維または粒子分散強化複合
材で加工割れが発生する。発明者らの知見によれば、強
化材の体積率が、短繊維強化の場合では、約５％以上に
なると圧延による割れが顕著になり、粒子分散の場合に
は約１５％以上になると同様に圧延による割れが顕著に
なる。加工割れは、板表面がと端面舒に生じやすいが、
板表面の割れは、板状製品の品質を基本的に損なうので
、完全に防止する必要がある。この表面割れは、中心Ｍ
に比べて大きなづ１張応力が板表面に作用し、さらに、
板表面が、ロールおよびロールの潤滑剤、冷却剤に熱を
奪われて温度低下し、展延性が失われて、圧延時の引張
応力に耐えられなくなることにより発生する。押出や鍛
造では、金型を適正温度にすることにより加工中の複合
材の温度低下を抑制できるが、一般の圧延方法では、圧
延ロールおよび圧延機の保全上の点から、またロールと
披圧延材間の潤滑の必要性から、ロールを複合材の適性
加工温度近くまで加熱することは困難である。

このような状況から、短繊維または粒子分散強化アルミ
ニウム合金基複合材については、工業的利用の範囲が大
きい板状製品を一般の圧延方法により製造することは困
難であり、その利用範囲も限定されていた。

この発明の目的は、上記課題を解決して、限定された展
延性を有する短繊維または粒子分散強化アルミニウム合
金基複合材などの金属基複合材を、表面割れなどの欠陥
を生ずることなく圧延して、工業的利用に適した複合材
圧延板を得る製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 発明者らは、この目的に沿って、特に、短繊維または粒
子分散強化アルミニウム合金基複合材を退京の圧延ロー
ルにて圧延する種々の方法を試み、複合材の温度条件、
潤滑条件、第２種金属または合金板の介在の効果、複合
材圧延板の割れ発生条件などについて、鋭意研究を重ね
た結果、以下の発明をするに到達した。

すなわち、本願発明の短繊維または粒子分散強化金属基
複合材圧延板の製造方法は、短繊維または粒子分散強化
金属基複合材を圧延して該複合材圧延板を製造するに際
し、前記複合材からなる板素材の両面を展延性を有する
金属または合金板で挾み、かつ該板素材と前記金属また
は合金板との間に潤滑材を介在させて積層体を構成し、
加熱された該積層体を圧延に供することを特徴とするも
のである。

以下、この発明の製造方法の要点について詳しく述べる
。

短繊維または粒子分散強化金属基複合材については、従
来、種々の構成、種々の製造方法によるものが知られて
いる。

強化短繊維としては、炭化けい素ウィスカ、窒化けい素
ウィスカ、チタン酸カリウィスカ、酸化アルミニウム・
はう酸ウィスカなどを例示することができ、これらは、
いずれもＩμｍ前後の径と数μｍから数十μｍの長さを
有し、強度、剛性に優れ、金属基地と複合化することに
より優れた特性を発揮させる。また、切断した炭素繊維
や酸化アルミニウム・けい酸短繊維などは、数μｍから
数十μｍの径を有し、複合化が容易であるとともに、適
当な強化作用および耐摩耗性の向上なとの機能性の向上
が得られる。

また、分散強化に用いられる粒子としては、酸化アルミ
ニウム、炭化けい素、炭化チタン、窒化ボロンなと強度
や耐摩耗性の向上に寄与するもの、あるいは、黒鉛、二
硫化モリブデンなど潤滑剤として摩擦・摩耗特性を向上
させるものなどがある。なお、特別な目的では、短繊維
と強化粒子を同時に添加、複合化する場合もある。

また、基地となる金属種としては、アルミニウムまたは
アルミニウム合金が代表的であるが、これらに限定され
るものではなく、マグネシウム、チタンなとの純金属、
合金を例示することができる。

アルミニウム基地を例として説明すると、従来の展伸用
合金、鋳造用合金から広く選択することができ、また、
特別に調整された合金組成を有するものや、意図された
合金ではない工業用純アルミニウムを用いることも可能
である。

代表的なアルミニウム合金としては、展伸用３１Ｓ合金
のＡ６０６１合金（ＡＩ−１ｕｇ−５ｉ合金）、Ａ２０
１４合金（Ａ　Ｉ−Ｃｕｌ−Ｃｕ−１ｉ合金）、また、
鋳造用ＪＩＳ合金のＡＣ４Ｃ合金（ＡＩ−５ｔ−ＩＪｇ
合金）、ＡＣ８Ａ合金（ＡＩ−５ｉ−Ｃｕ−ＩＪｇ−Ｎ
ｊ金合金などを挙げることができる。

上記した多様な短繊維または粒子と金属基地との複合化
方法も主なものでも数種あり、短繊維または粒子によっ
てプリフォームを形成し、これに基地金属の溶湯を高圧
含浸する方法、基地金属溶湯または半溶融状１帖のスラ
リーに短繊維または粒子を添加し、撹拌混合して複合化
する方法、基地金属粉末と短繊維または粒子を混合し、
粉末冶金的方法で固化する方法などが挙げられる。

上記した短繊維または粒子分散強化複合材からなる板素
材は、その形状は、圧延によって圧延板が得られるもの
であればよく、特に限定を受けない。

この板素材の両面を挟むのに用いる金属、合金板は多少
の圧延加工を受けるため、展延性を有する必要がある。

さらに、この金属、合金板は複合材を保温するために、
熱伝導率が低く、複合材を覆うように配置されるのが望
ましい。さらに、基地金属と固着しにくく、酸化スケー
ルなどで複合材を汚染しないことや、圧延温度で複合材
より変形抵抗が大きく、かつ熱的に安定であるなどの諸
要件を満たすのが好ましい。広くこれらの要件を満たす
ものとしては、ステンレス鋼板が挙げられる。もちろん
実際の圧延条件に応じてアルミニウム合金板や銅合金板
なども用いることができる。

これらの金属、合金板の初期厚さは自由に選択できるが
、複合材の初期厚さの５％以下でも十分な効果が得られ
ることが多く、適切な厚さは、複合材表面の削れ発生を
有効に防止することを基本として、資材の節約の観点も
含めて決定されるべきである。

摺合材とこれを挾む金属、合金板の間には潤滑材を介在
させて積層体を構成する。

積層体は、予め樺層板として用意し、これを圧延に供す
る他に、圧延檄直前で複合材と、展延性金属または合金
板とを重ね合わせるとともに、潤滑材を併結して、圧延
状、魁で積層体とすることも可能である。なお、Ｍａし
圧延を行う場合には、すべての圧延工程において積層体
状態で圧延することが要求されるものではなく、初期の
工程では、複合材のみで圧延し、その後、樟層した状態
で圧延することも可能である。

ムお、前記潤滑材としては、圧延温度は一般に高く、ま
た圧延中の圧力も高いので、所望の効果を得るために、
油性、水性のものよりも固体潤滑材を用いるのが望まし
い。

固体潤滑材としては、黒鉛、二硫化モリブデンなどが良
好な作用を示すが、その他に、酸化鉛、ぶつ化カルシウ
ムを例示することができる。

これらの潤滑材は、そのまま、または、潤滑油やグリー
スと混合した状態で、例えば、複合材素材の両面に塗布
または吹き付けられるが、その方法は特に限定されない
。また、展延性金属または合金板に潤滑材を付着させる
ことも可能である。

潤滑材の量は場合により異なるが、例えば、アルミニウ
ム合金基複合材をステンレス鋼板で挾む場合には、元々
複合材の基地であるアルミニウム合金とステンレス鋼板
とは固着しにくいので、潤滑材の適用量を少なくできる
。

なお、繰返し圧延されるに従い、固体潤滑材は、複合材
、金属、合金板の表面に固着される。

ステンレス鋼板を用いると、大半の固体潤滑材は複合材
の表面に固着するが、なお十分な潤滑作用を保持するこ
とが多い。潤滑が不十分と認められる場合には、繰返し
圧延の途中で固体潤滑材を追加することにより引き続き
圧延できる。

１１合材、金属または合金板は、圧延開始前および繰返
し圧延の間に、圧延中の複合材温度が適切に保たれるよ
うに、炉などにより加熱される。この加熱は、積層体に
対し行う他に、複合材、展延性金属または合金板のそれ
ぞれ単独に対し行うことも可能である。但し、効率の点
では、予め用意された積層体を加熱するのが好ましい。

適切な加熱温度は、その複合材の展延性の温度依存性に
より決定される。強化短繊維または粒子の寸法が大きく
、複合材中の体積率が高いほど適切な温度は高温側にな
り、その範囲は狭くなる。

例えば、アルミニウム合金基地の場合には、−般に加熱
温度が２５０　’Ｃ未満では圧延割れを防止するのには
低温すぎ、加熱温度が６２０℃を超えると、基地合金の
局部融解や、複合材と金属、合金板との固着を生じやす
くなる。したがって、好ましい加熱温度は２５０℃以上
６２０℃以下である。

アルミニウム合金を基地とし、短繊維の体積率が１０％
以上の場合、あるいは、粒子の体積率が２０％以上の場
合には、好ましい加熱温度の下限は約４５０℃であり、
上限は基地アルミニウム合金の局部融解が始まる温度よ
り約１０℃下である。従って、例えば基地合金がＪＩＳ
Ａ７０７５のように固相線温度が低い合金で、しかも強
化材体積率が大きい場合には、適切な加熱温度範囲は約
４５０℃から約５１０℃であり、加熱後、直ちに圧延を
行うことが重要である。また、繰り退し圧延の間、頗緊
に再加熱を行うのが望ましい。

［作　　用］ 短繊維、粒子と基地合金のいずれの組合わせ、またいず
れの複合化方法によっても、得られた複合材の展延性、
塑性加工性は基地合金より低下する。短繊維の場合は、
径が大きいほど、長いほどアスペクト比（長さ／径）が
大きいほど展延性が低下し粒子の場合は径が大きいほど
展延性が低下する。また短繊維、粒子の複合材中の体積
率が大きいほど展延性が低下する。

本発明方法で、これらの短繊維または粒子分散強化７１
合材からなる板素材を、例えば逼常の圧延ロールにて圧
延する際に、展延性を有する金属合金板で挾むことによ
り、複合材と圧延ロールとの直接接触を防止し、ロール
に熱を奪われて複合材の温度が低下するのを抑制し、ま
た、ロール接触面近傍で発生する引張応力を複合材に及
ぼさない。

同様の効果は、アルミニウム合金の特殊圧延方法として
知られているクラッド圧延においても得られる。実際、
短繊維または粒子分散強化複合材の板状素材の両面に非
強化のアルミニウム合金を配置し、この積層体を離退し
圧延すると、複合材と非強化材は固着してクラツド材と
なり、非強化材が高い展延性を有する場合には、圧延割
れを防止できる。しかしながら、このクラッド圧延法に
おいては、累積の圧延率が高くなるに従い、非強化材の
厚さが減少し、複合材の保護効果が減少する。すなわち
、圧延が進むにつれて、割れを防止できなくなる開戸が
ある。さらに、得られた圧延板の表面は非強化材で覆わ
れており、使用目的の多くに対し、これを除去する必要
があるのも問題である。

また、潤滑材は、圧延による複合材と展延性金属または
合金板との固着を防ぎ、さらに、複合材が圧延されて伸
ばされる際に、金属１合金板の圧延を最小限に抑え、そ
の間に生ずる複合材と金属、合金板間の滑りを容易にす
る。これらの固着防止、潤滑作用が十分でない場合、金
属、合金板は複合材と一緒に圧延され、割れを防止する
効果が失われる。すなわち、固着防止、潤滑作用が不十
分であると、クラッド圧延と同様の問題を生じ、特に、
金属、合金板と複合材が部分的に固着した場合には、以
降の圧延バスで金属、合金板にしわが生じて圧延を続行
できなくなる。

［実施例］ 次に、この発明の実施イ列を説明する。

第１表に示す短繊維および粒子分散強化アルミニウム合
金基複合材からなる板素材を、Ａ、Ｂの２種用意した。

板素材Ａは、ＳｊＣウィスカ強化複合材からなるもので
あり、ウィスカ・プリフォームにＪＩＳＡ６０６１アル
ミニウム合金溶湯を高圧含浸して径２００ｍｍの複合材
ビレットを作り、これをｈ間押出して径６０ｍｍの丸棒
とした。さらに、長さ２００ｍｍに切断した押出た棒を
熱間鍛造にて平打ちして、厚さ２０ｍｍ、輻約１４０ｍ
ｍの板素材Ａを得て圧延に供した。

なお、圧延方向は同素材の幅方向、すなわも押出方向に
直角な方向とした。

さらに、板素材Ｂは、アルミナ粒子分散複合材からなる
ものであり、ＪＩＳＡ５０５２合金溶湯にアルミナ粒子
を添加し、混合撹拌して複合化した。複合材の溶湯を鋳
造して、径２００ｍｍのビレットとし、これをスライス
して厚さ２０ｍｍ、１４０ｍｍ角の板素材Ｂを得て圧延
に供した。

第１表 用いた圧延権は、通常の２段圧延機であり、ロール径は
２１６ｍｍ、ロール幅Ｃロール胴長）は３００ｍｍであ
る。

なお、Ａ、Ｂ各３枚づつの板素材を用意し、Ａ、Ｂ各１
枚には、無機バインダー溶剤に分散させた二硫化モリブ
デン（固体潤滑材）を揮発性有機溶剤と混合して板両面
に塗布後、乾燥して固体潤滑膜を形成させた。

さらに、厚さ０．８ｍｍの５ＬＩＳ３０４ステンレス鋼
板を真半分に折り重ね、その間に潤滑材を塗布した前記
板素材Ａ、Ｂを挟み、板素材Ａ、Ｂの両面をステンレス
鋼板で十分に覆うようにした。

また、比較のため、二硫化モリブデンを塗布しない板素
材Ａ、Ｂ各１枚づつを、同様にステンレス鋼板に挟み込
んだ。

さらに、残りのＡ、Ｂ各１枚についても比較のため、潤
滑材を塗布することなく、また、ステンレス鋼板で覆う
ことなく、そのまま圧延に供した。

上記した計６枚の積層板または素材単体からなる供試板
を電気炉に入れ、５００°Ｃとなるように加熱保持した
。

なお、供試板の圧延に先立ち、通常のアルミニウム合金
板を５００℃に加熱したものをダミーとして８４し圧延
し、ロール表面をなじませるとともに、ロール表面温度
を約８０℃まで上昇させた。

供試材の圧延において、ステンレス鋼板で覆ったものに
ついては、ステンレス鋼板の祈り退し部分を圧延方向に
向けて圧延した。この方向性の付与によってステンレス
鋼板と複合材とを、積層した状態で、良好に圧延するこ
とができた。ステンレス鋼板を折り重ねないで使用する
場合には、ステンレス鋼板の先端部（圧延方向に対し）
を複合材に、スポット溶接などによって仮止めするのが
望ましい。また、素材を往復圧延する場合には、ステン
レス鋼板の祈り返し部分または仮止め部分が圧延方向に
向くように、素材の向きを変えるのが望ましい。

なお、ダミーおよび供試材の圧延では、各圧延バス毎に
潤滑および冷却作用を有する水溶性エマルジョンをロー
ル表面にかけた。圧延１パスの圧下量が初期には約０．
８ｍｍ、圧延が進むにつれ約０．３ｍｍとなるようにロ
ール間隙を調整した。条件を揃えるため、全供試材とも
Ｉパス毎に電気炉に戻し、再加熱した。また繰返し圧延
により複合材が延び、ステンレス鋼板がほとんど圧延さ
れずに、複合材がはみ出した場合には、複合材を覆うの
に十分な長さのステンレス鋼板に変えて再圧延に供した
。

なお、この実施？Ｉでは、固体潤滑材の再塗布は行わな
かった。

圧延結果を第２表に示した。ウィスカ強化複合材からな
る板素材Ａ、および粒子分散複合材からなる板素材Ｂは
、いずれも本発明の実施例の製造方法によれば、板厚２
ｍｍ、紀圧延率で９０％まで圧延しても表面割れは皆無
であり、品質良好な板材が得られた。しかも、板素材と
、ステンレス鋼板も圧延後容易に分離できた。但し、板
素材の幅方向端部には最大１５ｍｍ程度の割れが発生し
た。

これに対し、比較例の２方法によれば、潤滑材を塗布す
ることなくステンレス鋼板で挾んだものでは、ステンレ
ス鋼板が複合材に焼付き、その後、しわなどが発生して
正常な圧延ができなくなった。また、板素材を単独で圧
延したものでは、板素材の表面に激しい割れを生じた６ 第２表 ［発明の効果Ｊ 以上、説明したように、本発明の製造方法によれば、短
繊維または粒子分散強化金属基複合材を圧延して該複合
材圧延板を製造するに際し、前記複合材からなる板素材
の両面を展延性を有する金属または合金板で挟み、かつ
該板素材と前記金属または合金板との間に潤滑材を介在
させて積層体を楕成し、加熱された該積層体を圧延に供
することを特徴とするので、限定された展延性を有する
短繊維また粒子分散強化金属基複合材からなる板素材か
ら、通常の圧延ロールを用いて表面割れのない良好な圧
延板を得ることができる。従来製造が困難であった板状
複合材を圧延により製造できるので、その生産量が増大
し、製造費用が大幅に低下する。また展延加工材とする
ことにより内部欠陥を減少できるへど、工業上の優れた
効果がもたらされる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　短繊維または粒子分散強化金属基複合材を圧延して該
   複合材圧延板を製造するに際し、前記複合材からなる板
   素材の両面を展延性を有する金属または合金板で挟み、
   かつ該板素材と前記金属または合金板との間に潤滑材を
   介在させて積層体を構成し、加熱された該積層体を圧延
   に供することを特徴とする短繊維または粒子分散強化金
   属基複合材圧延板の製造方法