JPH04367365A - 繊維強化金属筒状体およびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽量・高剛性で高強度
かつ低膨張性を有し、耐熱疲労性にも優れた金属筒状体
およびその製造方法に関し、更に詳しくは、ハイブリッ
ド型炭素繊維強化Ａｌ合金を用いて作製した繊維強化金
属筒状体およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄に次いで使用量が多く身近な金
属であるＡｌについて、高性能材料としての開発が活発
に行われている。その一つとして、Ａｌの本来持つ特徴
としての軽量であることを生かしながら、比強度・比弾
性率の高さ、耐熱性、耐摩耗性の改良を目指して繊維強
化金属複合材料（Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　
Ｍｅｔａｌｓ：以下、ＦＲＭとする）の開発が活発に行
われている。

【０００３】このＦＲＭは、特に、従来の金属材料と比
較して軽量で、比強度、比剛性が高く、耐熱性も優れ、
疲労強度も向上するなどの利点があるので、宇宙・航空
分野を中心に開発が進められている。最近は、強化繊維
として炭素繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維など良質
の強化繊維が開発され、複合化技術、成形技術と合わせ
て急速な技術の進展が見られ、宇宙・航空分野ばかりで
なく、一般機械、自動車などの分野にまで波及してきて
いる。

【０００４】ところがこのＦＲＭは、前記のごとく従来
の金属材料にはない高強度・高剛性といった優れた性質
を有する材料として注目されているものの、加熱・冷却
の熱サイクルによって性質が低下する（熱疲労）という
問題があった。特に、ＦＲＭの強化繊維として炭素繊維
を用いた場合、ＦＲＭの熱膨張係数を非常に小さくでき
るという利点はあるものの、逆に繊維／母相界面の熱応
力・熱歪が大きいので、耐熱疲労性が著しく低下すると
いう問題を有していた。

【０００５】そこで、ＦＲＭの耐熱疲労性を改善する技
術として、いくつかの方法が提案されている。

【０００６】第１の方法として、炭素繊維に表面処理を
施す方法　（Ｔ．　Ｋｙｏｎｏ，　Ｉ．　Ｗ．　Ｈａｌ
ｌ，Ｍ．　Ｔａｙａ　ａｎｄ　Ａ．　Ｋｉｔａｍｕｒａ
，　Ｐｒｏｃ．　Ｊａｐａｎ−　Ｕ．Ｓ．　ＣＣＭ−Ｉ
ＩＩ，　Ｐ．５５３，　（１９８６））が提案されてい
る。

【０００７】第２の方法として、繊維に微粒子やウィス
カを付着させること（繊維のハイブリッド化）によりＦ
ＲＭの耐熱疲労性も向上させる方法（Ｓ．　Ｙａｍａｄ
ａ，　Ｓ．　Ｔｏｗａｔａ，　Ｈ．　Ｉｋｕｎｏ，　Ｐ
ｒｏｃ．　Ｉｎｔ．　Ｓｙｍｐ．　Ａｄｖａｎｃｅｓ　
ｉｎ　Ｃａｓｔ　ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＭｅｔａｌ　Ｃ
ｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，　Ｎｏ，　８８１６−００３，　
Ｐ．１０９，　（１９８８））が提案されている。

【０００８】また、ＳｉＣ系繊維に変えて炭素繊維を用
いた場合には、該炭素繊維は母相と熱膨張係数差が大き
い上、界面強度も小さいので、これら欠点をなくすため
に、第３の方法として、Ａｌ−Ｃａ合金を母相としたＦ
ＲＭ（特開昭６０−１９４０３９号公報）が提案されて
いる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記第
１の方法では、ＦＲＭ合金の機械的強度は改良されるも
のの、７〜８μｍの炭素繊維に表面処理を行うため大変
手間がかかり、また繊維が有するしなやかさも失われ、
コスト高の原因にもなるという問題を有していた。また
、この方法では、得られるＦＲＭが耐熱疲労性が十分で
はないという問題を有していた。

【００１０】また、前記第２の方法では、ＳｉＣ系繊維
に変えて炭素繊維を用いた場合には、該炭素繊維は母相
と熱膨張係数差が大きい上、界面強度も小さいので、炭
素繊維に単に微粒子やウィスカを付着させただけでは耐
熱疲労性を向上させることは難しいという問題点を有し
ていた。

【００１１】また、前記第３の方法では、このＦＲＭ合
金はＦＲＭの機械的強度は改良されるものの、繊維の強
化だけでは強度がまだ十分ではなく、耐熱疲労性の改善
をするまでには至らなかった。

【００１２】そこで、本発明者らは、上述の如き従来技
術の問題点を解決すべく鋭意研究し、各種の系統的実験
を重ねた結果、本発明を成すに至ったものである。

【００１３】本発明の目的は、軽量・高剛性・高強度で
、低膨張性かつ耐熱サイクル性に優れた繊維強化金属筒
状体およびその製造方法を提供するにある。

【００１４】本発明者らは、上述の従来技術の問題に関
し、以下のことに着眼した。すなわち、先ず、ＦＲＭの
耐熱疲労性は、繊維とマトリックスとの界面強度と密接
な関係がある。そこで、炭素繊維の表面に介在物を付着
させることにより繊維の間隔を適当にし、母相金属の充
填性を良くして界面強度を高めることに着目した。また
、炭素繊維の場合、この方法だけでは、界面強度は十分
に大きくないので、さらにマトリックス中に繊維のぬれ
性を良くする元素を添加することに着眼した。

【００１５】一方、熱疲労の生じるメカニズムとして、
加熱・冷却に伴い母相が圧縮、引張の降伏を繰り返して
、繊維／母相界面の剥離を生じさせることが分かった。 そこで、加熱時に塑性歪が回復し易く、降伏強度が小さ
く、柔らかい母相、または、降伏強度が大きく、実用温
度域において熱応力で降伏を生じない母相を用いること
によって耐熱疲労性を向上させ得ることに着目した。

【００１６】そこで、Ａｌと炭素繊維とのぬれ性を向上
させるために、母相中に元素の周期律表の第ＩＩａ族の
元素を添加したマトリックスを採用したハイブリッド型
ＦＲＭに着目した。さらに、ＦＲＭの特定の方向の熱膨
張係数を特に小さくするために、板厚方向に積層させる
ことがよく行われるが、このような積層板状材では、熱
応力により積層界面が剥離する。そこで、ＦＲＭを筒状
体として、その径方向に積層することにより、積層界面
の剥離を抑制し、前記従来技術の問題点を克服すること
に至った。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の繊維強化金属筒
状体は、ある程度の間隔をもって配設されたヤング率３
００ＧＰａ以上を有する炭素長繊維と，該炭素長繊維の
間隙に介在させた炭化珪素，アルミナ，窒化珪素等のセ
ラッミクスや炭素，ガラス等の物質より選択された少な
くとも一種以上の粒子，短繊維，ウィスカまたは板状小
片体等の耐熱性物質とからなる強化繊維と、該強化繊維
の間隙を充填した元素周期律表の第ＩＩａ族元素を含む
Ａｌ合金からなるマトリックス部とからなる繊維強化金
属筒状形成体であって、前記強化繊維が径方向に積層さ
れてなり，高剛性・高強度で低線膨張係数を有するとと
もに、耐熱疲労性に優れたことを特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明の繊維強化金属筒状体が上述の如き効果
を発揮するメカニズムについては、未だ必ずしも明らか
ではないが、次のように考えられる。

【００１９】本発明の繊維強化金属筒状体は、強化繊維
と該強化繊維の間隙を充填したマトリックス部とからな
る。

【００２０】強化繊維は、ある程度の間隔をもって配設
された炭素長繊維の間隙に、炭化珪素、アルミナ、窒化
珪素等のセラッミクスや炭素、ガラス等の物質より選択
された少なくとも一種以上の粒子、短繊維、ウィスカま
たは板状小片体からなる耐熱性物質を介在させてなる。 これより、炭素長繊維がある程度の間隔を置いて均一に
分散され、鋳造欠陥が減少するのに加え、炭素長繊維同
士の接触がなくなり、炭素長繊維の破壊およびその伝播
が抑制されるため、高強度、高剛性のＦＲＭが得られる
。

【００２１】また、マトリックス部は、強化繊維間の間
隙を充填してなる金属或いは合金であり、元素周期律表
の第ＩＩａ族元素を含むＡｌ合金からなる。これより、
強化繊維とのぬれ性が高まり、ＦＲＭの繊維軸に垂直方
向の強度、および繊維とマトリックスの剪断強度が高ま
り、耐熱疲労性も向上する。

【００２２】さらに、前記強化繊維を、径方向に積層さ
せて繊維強化金属筒状体としたので、積層界面で熱疲労
等によりクラックが発生しようとした場合にも、周方向
の拘束力が働き、クラックの発生は抑制される。従って
、耐熱疲労性が向上する。

【００２３】

【発明の効果】本発明の繊維強化金属筒状体は、高強度
、高剛性、低熱膨張で、かつ耐熱疲労性に優れている。

【００２４】

【実施例】以下に、本発明をさらに具体的にした具体例
について、説明する。

【００２５】第１具体例

【００２６】本第１具体例の繊維強化金属筒状体は、あ
る程度の間隔をもって配設されたヤング率３００ＧＰａ
以上を有する炭素長繊維の間隙に、炭化珪素、アルミナ
、窒化珪素等のセラッミクスや炭素、ガラス等の物質よ
り選択された少なくとも一種以上の粒子、短繊維、ウィ
スカまたは板状小片体等の耐熱性物質を介在させた強化
繊維と、該強化繊維間の間隙を充填したＡｌ−Ｃａ合金
からなるマトリックス部とからなる繊維強化金属筒状形
成体であって、前記強化繊維が径方向に積層されてなり
、長さ方向のヤング率が１５０ＧＰａ以上で、室温から
３００℃での平均線膨張係数が−１．０〜１．０×１０
−６℃−１であり、かつ温度差３００℃以内（例えば、
室温と３００℃）での繰り返し冷却後も、実質的に強度
低下のないことを特徴とする。

【００２７】本第１具体例の繊維強化金属筒状体は、高
強度、高剛性、低熱膨張で、かつ耐熱疲労性に優れてい
る。

【００２８】本第１具体例の繊維強化金属筒状体が上述
の如き効果を発揮するメカニズムについては、未だ必ず
しも明らかではないが、次のように考えられる。

【００２９】本第１具体例の繊維強化金属筒状体は、強
化繊維と該強化繊維の間隙を充填したマトリックス部と
からなる。強化繊維は、ある程度の間隔をもって配設さ
れた炭素長繊維の間隙に、炭化珪素、アルミナ、窒化珪
素等のセラッミクスや炭素、ガラス等の物質より選択さ
れた少なくとも一種以上の粒子、短繊維、ウィスカまた
は板状小片体からなる耐熱性物質を介在させてなる。こ
れより、炭素長繊維がある程度の間隔を置いて均一に分
散され、鋳造欠陥が減少するのに加え、炭素長繊維同士
の接触がなくなり、炭素長繊維の破壊およびその伝播が
抑制されるため、高強度、高剛性のＦＲＭが得られる。

【００３０】また、マトリックス部は、強化繊維間の間
隙を充填したＡｌ−Ｃａ合金からなる金属マトリックス
である。これより、強化繊維とのぬれ性が一層高まり、
ＦＲＭの繊維軸に垂直方向の強度、および繊維とマトリ
ックスの剪断強度が高まり、耐熱疲労性も向上する。

【００３１】さらに、前記強化繊維を、径方向に積層さ
せて繊維強化金属筒状体としたので、積層界面で熱疲労
等によりクラックが発生しようとした場合にも、周方向
の拘束力が働き、クラックの発生は抑制される。従って
、耐熱疲労性が向上する。

【００３２】第２具体例

【００３３】本第２具体例の繊維強化金属筒状体は、あ
る程度の間隔をもって配設されたヤング率５００ＧＰａ
以上を有する炭素長繊維の間隙に、炭化珪素、アルミナ
、窒化珪素等のセラッミクスや炭素、ガラス等の物質よ
り選択された少なくとも一種以上の粒子、短繊維、ウィ
スカまたは板状小片体等の耐熱性物質を介在させた強化
繊維と、該強化繊維間の間隙を充填したＡｌ−Ｚｎ−Ｍ
ｇ合金を主成分とする合金からなるマトリックス部とか
らなる繊維強化金属筒状形成体であって、前記強化繊維
が径方向に積層されてなり、長さ方向のヤング率が２５
０ＧＰａ以上で、−１５０℃〜１２０℃で熱膨張曲線が
直線的でかつその線膨張係数が−０．５〜１．０×１０
−６℃−１であり、かつ１５０℃以下の温度域で３００
℃の温度差での繰り返し加熱・冷却後も実質的に強度低
下のないことを特徴とする。

【００３４】本第２具体例の繊維強化金属筒状体は、高
強度、高剛性、低熱膨張で、かつ耐熱疲労性に優れてい
る。

【００３５】本第２具体例の繊維強化金属筒状体が上述
の如き効果を発揮するメカニズムについては、未だ必ず
しも明らかではないが、次のように考えられる。

【００３６】本第２具体例の繊維強化金属筒状体は、強
化繊維と該強化繊維の間隙を充填したマトリックス部と
からなる。強化繊維は、ある程度の間隔をもって配設さ
れた炭素長繊維の間隙に、炭化珪素、アルミナ、窒化珪
素等のセラッミクスや炭素、ガラス等の物質より選択さ
れた少なくとも一種以上の粒子、短繊維、ウィスカまた
は板状小片体からなる耐熱性物質を介在させてなる。こ
れより、炭素長繊維がある程度の間隔を置いて均一に分
散され、鋳造欠陥が減少するのに加え、炭素長繊維同士
の接触がなくなり、炭素長繊維の破壊およびその伝播が
抑制されるため、高強度、高剛性のＦＲＭが得られる。

【００３７】また、マトリックス部は、強化繊維間の間
隙を充填したＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金からなる金属マトリ
ックスである。これより、強化繊維とのぬれ性が一層高
まり、ＦＲＭの繊維軸に垂直方向の強度、および繊維と
マトリックスの剪断強度が高まり、熱膨張が直線的で小
さく耐熱疲労性も向上する。

【００３８】さらに、前記強化繊維を、径方向に積層さ
せて繊維強化金属筒状体としたので、積層界面で熱疲労
等によるクラックの発生は、周方向の拘束力によって抑
制される。従って、耐熱疲労性が向上する。

【００３９】第３具体例

【００４０】以下に、前記発明および前記具体例の繊維
強化金属筒状体を、さらに具体的に説明する。

【００４１】前記繊維強化金属筒状形成体の連続繊維は
、炭素長繊維からなり、該炭素長繊維同士がある程度の
間隔をもって配設されている。該炭素長繊維は、どのよ
うなものでもよいが、該炭素長繊維間に充填させたマト
リックスがＡｌ−Ｃａ合金の場合は、該マトリックス部
中のＣａとの反応性からヤング率が３００ＧＰａ（約３
００００ｋｇｆ／ｍｍ２）以上のものが好ましい。また
、マトリックスがＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金の場合は、該マ
トリックス部中のＭｇおよびＺｎとの反応性および繊維
強化金属の線膨張係数を小さくするため、ヤング率が５
００ＧＰａ（約５００００ｋｇｆ／ｍｍ２）以上のもの
が好ましい。このように、高弾性タイプの炭素長繊維を
用いることにより、繊維軸方向および繊維軸に直角方向
の強度と、繊維軸方向の剛性を大きくすることができる
。また、該炭素長繊維の太さや長さ、および断面形状等
の性状は、目的とする繊維強化金属筒状体の形状や構造
、および要求される物性、性能等により適宜選択する。

【００４２】次に、炭素長繊維の間隙に介在させた耐熱
性物質は、炭化珪素、アルミナ、窒化珪素等のセラッミ
クスや炭素、ガラス等の物質より選択された少なくとも
一種以上の粒子、短繊維、ウィスカまたは板状小片体か
らなり、これら物質を単独で用いても、二種以上の物質
または／および形状のものを組み合わせて用いてもよい
。なお、この耐熱性物質の粒子径は、０．３〜１０μｍ
であることが好ましい。これは、この範囲であれば、粒
子が炭素長繊維の間隙にほぼ均一に分散して介在し、炭
素長繊維の均一分布に適するためである。該粒子径が０
．３μｍ未満の場合、粒子が凝集し易く、また該粒子径
が１０μｍを超える場合には、炭素長繊維の間隙に粒子
が侵入しにくく、該炭素長繊維の均一分布に適しにくい
ので、ともに好ましくない。

【００４３】また、耐熱性物質の配合量は、炭素長繊維
に対して、体積率で３〜４０％であることが好ましい。 これは、該範囲とすることにより、連続繊維の体積率を
３０〜６０％程度に保つことができ、炭素長繊維の接触
がなくなり該炭素長繊維の間隔が適当となり、該炭素長
繊維が均一分布するためである。また、該耐熱性物質の
配合量が炭素長繊維に対して３体積％未満の場合は、炭
素長繊維同士に接触が生じ、また４０体積％を超えると
炭素長繊維の分布が不均一となり、ともに好ましくない
。また該耐熱性物質は、炭化珪素粒子であることが好ま
しい。これは、他の介在物に比べ、寸法が安定で鱗片状
でなく、Ａｌ合金中での安定性に優れ、公害上の問題も
少ないためである。

【００４４】次に、前記強化繊維間の間隙を充填するマ
トリックス部は、第１にＡｌ−Ｃａ合金であることが好
ましい。このＣａの添加量は、強化繊維とのぬれ性を適
度にし、降伏応力を上げないため０．１〜０．５重量％
であることが好ましい。これは、該添加量が０．５重量
％を超えると強化繊維と激しく反応しＦＲＭの強度は低
下し、また０．１重量％未満の場合ぬれ性の改善効果は
小さいので、添加量は０．１〜０．５重量％が適当であ
る。また、この程度の少量の添加であれば、マトリック
スの降伏応力は純Ａｌとほどんど変わらず小さく（例え
ば図１３）、加熱・冷却に伴い導入される塑性歪が回復
し易いため、耐熱疲労性に優れる。

【００４５】このようにマトリックスをＡｌ−０．１〜
０．５重量％Ｃａ合金とすることにより、マトリックス
はわずかの温度変化で降伏を生じ、繊維強化金属の熱膨
張係数はマトリックス降伏後は強化繊維の熱膨張係数と
ほぼ同じになるため、広い温度範囲で熱膨張係数を小さ
くすることができる。なお、該Ａｌ−Ｃａ合金は、該マ
トリックス部に要求される性質を損なわない範囲で、他
の金属元素が添加されたものでもよい。なお、該マトリ
ックス部と前記連続繊維との混合比率は、マトリックス
組成、連続繊維の種類・形状等、目的とする繊維強化金
属筒状体およびそれを形成する繊維強化金属筒状形成体
の形状や構造、および要求される物性、性能等により適
宜選択する。

【００４６】第２に、マトリックス部は、Ａｌ−Ｚｎ−
Ｍｇ合金であることが好ましい。この合金は、降伏応力
が大きく、実用温度域において熱応力で降伏を生じない
ためである。この合金を用いることにより、繊維強化金
属の熱膨張曲線の直線領域を広くすることができる。さ
らに、前記合金中のＭｇは、強化繊維とのぬれ性が良く
、これらの元素が繊維強化金属の界面強度を適度に強く
し、加熱や冷却時に界面で熱応力をよく伝達し、熱膨張
曲線の直線性を保つことができる。また、適度な界面強
度を持つため、繊維強化金属の強度は、繊維方向、およ
び繊維に垂直方向に優れる。また、熱膨張曲線が直線的
であるので、加熱・冷却を繰り返しても熱膨張曲線はヒ
ステリシスを示さず、可逆的であるので耐熱疲労性が優
れる。

【００４７】なお、該マトリックス部は、前記合金でも
、ＪＩＳ−７０００番シリーズのものを用いることが望
ましい。これは、前記Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金マトリック
スを用いることによる効果が、より顕著になるからであ
る。なお、該Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金は、該マトリックス
部に要求される性質を損なわない範囲で、他の金属元素
が添加されたものでもよい。なお、該マトリックス部と
前記連続繊維との混合比率は、マトリックス組成、連続
繊維の種類・形状等、目的とする繊維強化金属筒状体お
よびそれを形成する繊維強化金属筒状形成体の形状や構
造、および要求される物性、性能等により適宜選択する
。

【００４８】本発明の繊維強化金属筒状体は、前記ハイ
ブリッド型の強化繊維と、該強化繊維の間隙に充填させ
たマトリックス部とからなり、前記強化繊維を径方向に
積層してなる金属筒状体である。なお、筒状体とは、長
さが半径に対して十分に大きいものである。筒状体の断
面形状および寸法は、用途や要求される強度等によって
適宜選択される。

【００４９】ここで、繊維強化金属筒状体の具体的構造
を、図１〜図３を用いて説明する。

【００５０】図１は、筒状体の長さ方向に炭素長繊維１
１を配向させた構造である。

【００５１】図２は、筒状体の周方向に炭素長繊維２１
を配向させた構造である。

【００５２】図３は、筒状体の長さ方向に対して＋θ方
向に炭素長繊維３１１を螺旋状に巻き、その上から−θ
の方向に炭素長繊維３１２を巻き、筒状体の径方向に炭
素長繊維が積層された構造である。

【００５３】本発明の繊維強化金属筒状体は、図３に示
したような構造、または図１〜図３に示した何れかの構
造と図３に示したような構造とを組み合わせた積層構造
が好適である。なお、後者の図１〜図３に示した何れか
の構造と図３に示したような構造とを組み合わせた積層
構造の具体的一例としては、図３のように±θ方向に繊
維を配向させた筒状体の上に図２のように繊維を長さ方
向に対し９０°に配向させた部分を配設した構造がある
。この場合、該構造は、強化繊維を前記のように形成し
、マトリックス部となる金属を注湯して繊維強化金属筒
状体とする方法、それぞれの構造の繊維強化金属筒状体
を作製しそれを組み合わせて前記構造の繊維強化金属筒
状体とする方法などがある。

【００５４】このように、筒状体の径方向に積層されて
いる場合には、耐熱疲労性の向上効果に特に著しい。こ
れは、周方向の拘束力によって、積層界面でのクラック
発生が抑制されるからである。

【００５５】さらに、炭素長繊維は、主として長さ方向
に対して±１０°〜±３５°に螺旋状に配設することが
好ましい。これは、該範囲の螺旋状に配設することによ
り、熱膨張係数が小さくでき、周方向と半径方向の強度
をともに大きなものとすることができるからである。

【００５６】また、繊維強化金属筒状体は、最外層に強
化繊維を前記繊維強化金属筒状体の長さ方向に対して大
略９０°方向に配設したフープを有することが好ましい
。これより、筒状体の径方向の強度、剛性を高めること
ができる上、割れ等の欠陥の発生を防止することができ
るので、製造が容易となる。

【００５７】図４に、配向角と熱膨張係数および弾性率
の関係を示した。図中、「Ｅ」は弾性率を、「α１　」
は熱膨張係数（マトリックス：弾性域）、「α２　」は
熱膨張係数（マトリックス：塑性変形域）を示す。同図
から明らかのように、配向方向が±３５度を超えると繊
維強化金属の熱膨張係数は急激に大きくなる。一方、配
向方向が±１０度より小さい場合には、繊維強化金属筒
状体の周方向と半径方向の強度が小さく、製造時に割れ
等の欠陥が生じ易い。また、配向角が小さい方が弾性率
は大きい。

【００５８】本発明の繊維強化金属筒状体は、以上のよ
うに構成することにより、高剛性、高強度でかつ低熱膨
張特性を有するうえに、耐熱疲労性にも優れたものとな
る。

【００５９】本発明の繊維強化金属筒状体の製造方法に
ついて、その具体的な方法を簡単に説明すると以下のよ
うである。

【００６０】本発明の繊維強化金属筒状体の製造方法は
、先ず、炭素長繊維がある程度の間隔をもって配設され
、該炭素長繊維の間隙に炭化珪素、アルミナ、窒化珪素
等のセラッミクスや炭素、ガラス等の物質より選択され
た少なくとも一種以上の粒子、短繊維、ウィスカまたは
板状小片体からなる耐熱性物質を介在させたハイブリッ
ド繊維を用意する。次に、筒状体製造用の芯棒を用意し
、該芯棒の回りに前記ハイブリッド繊維を螺旋状に巻き
、径方向に積層させた繊維強化金属筒状体原体を形成す
る。次いで、該繊維強化金属筒状形成体原体をケースに
配置し、必要により応力緩和体をケースに接合し、所定
の形状の型内にケースに配置した該繊維強化金属筒状形
成体原体を配置し、該原体の繊維間に元素周期律表の第
ＩＩａ族元素を含むＡｌ合金からなる金属溶湯を注入し
充填させた後、冷却・固化することにより、繊維強化金
属筒状形成体が得られる。次いで、該繊維強化金属筒状
形成体に、必要により所定の形状に切削や切断等の加工
を施し、径方向の所定形状に積層させた繊維強化金属筒
状体が得られる。

【００６１】本発明の繊維強化金属筒状体の好適な製造
方法について、以下に説明する。

【００６２】第１の好適な繊維強化金属筒状体の製造方
法は、ある程度の間隔をもって配設されたヤング率３０
０ＧＰａ以上を有する炭素長繊維の間隙に、炭化珪素、
アルミナ、窒化珪素等のセラッミクスや炭素、ガラス等
の物質より選択された少なくとも一種以上の粒子、短繊
維、ウィスカまたは板状小片体からなる耐熱性物質を配
置してハイブリッド繊維を作製する工程と、熱膨張係数
が前記ハイブリッド繊維束の径方向の熱膨張係数とほぼ
同程度以上の材料からなる芯棒を用意し、前記ハイブリ
ッド繊維を該芯棒の周囲に螺旋状に配置し径方向に積層
してプリフォームを作製する工程と、熱膨張係数が前記
ハイブリッド繊維束の径方向の熱膨張係数とほぼ同程度
以下の材料からなるケースを用意し、該ケースに前記プ
リフォームを配置する工程と、該ケースを鋳型のキャビ
ティにセットし、元素周期律表の第ＩＩａ族元素を含む
Ａｌ合金を注湯し、高圧鋳造によりハイブリッド繊維と
前記第ＩＩａ族元素を含むＡｌ合金との複合体を作製す
る工程と、該複合体インゴットから繊維強化金属筒状体
を取り出す工程と、からなることを特徴とする。

【００６３】本製造方法により、高剛性、高強度でかつ
低熱膨張特性を有する上に耐熱疲労性にも優れた繊維強
化金属筒状体を、歩留り良く、かつ効率的に製造するこ
とができる。

【００６４】第２の好適な繊維強化金属筒状体の製造方
法は、ある程度の間隔をもって配設されたヤング率３０
０ＧＰａ以上を有する炭素長繊維の間隙に、炭化珪素、
アルミナ、窒化珪素等のセラッミクスや炭素、ガラス等
の物質より選択された少なくとも一種以上の粒子、短繊
維、ウィスカまたは板状小片体等の耐熱性物質を配置し
て強化繊維を作製する工程と、線膨張係数が１８×１０
−６℃−１以上のＦｅまたはＭｎあるいはそれらの合金
製の芯棒を用意し、前記強化繊維を該芯棒の周囲に螺旋
状に配置し、径方向に積層してプリフォームを作製する
工程と、線膨張係数が１８×１０−６℃−１以下の材料
からなり、合金溶湯を内部に導入する導入部を有するケ
ースを用意し、該ケースに前記プリフォームを配置する
工程と、該ケースおよびプリフォームを鋳型のキャビテ
ィにセットし、Ａｌ−Ｃａ合金溶湯を注湯し、高圧鋳造
により複合体を作製する工程と、該複合体インゴットか
ら繊維強化金属筒状体を取り出す工程と、からなること
を特徴とする繊維強化金属筒状体の製造方法である。

【００６５】本製造方法により、高剛性、高強度でかつ
低熱膨張特性を有する上により一層耐熱疲労性に優れた
繊維強化金属筒状体を、歩留り良く、かつ効率的に製造
することができる。

【００６６】第３の好適な繊維強化金属筒状体の製造方
法は、ある程度の間隔をもって配設されたヤング率５０
０ＧＰａ以上を有する炭素長繊維の間隙に、炭化珪素、
アルミナ、窒化珪素等のセラッミクスや炭素、ガラス等
の物質より選択された少なくとも一種以上の粒子、短繊
維、ウィスカまたは板状小片体等の耐熱性物質を配置し
て強化繊維を作製する工程と、線膨張係数が１８×１０
−６℃−１以上のＦｅまたはＭｎあるいはそれらの合金
製の芯棒を用意し、前記強化繊維を該芯棒の周囲に螺旋
状に配置し、径方向に積層してプリフォームを作製する
工程と、線膨張係数が１８×１０−６℃−１未満の材料
からなり、合金溶湯を内部に導入する導入部を有するケ
ースを用意し、該ケースに前記プリフォームを配置する
工程と、前記ケースおよびプリフォームを鋳型のキャビ
ティにセットし、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇを主成分とする合金
溶湯を注湯し、高圧鋳造により複合体を作製する工程と
、該複合体インゴットから繊維強化金属筒状体を取り出
す工程と、該繊維強化金属筒状体をＴ６またはＴ７処理
する工程と、からなることを特徴とする繊維強化金属筒
状体の製造方法である。

【００６７】本製造方法により、高剛性、高強度でかつ
低熱膨張特性を有する上により一層耐熱疲労性に優れた
繊維強化金属筒状体を、歩留り良く、かつ効率的に製造
することができる。

【００６８】この製造方法が上述の如き効果を発揮する
メカニズムについては、未だ必ずしも明らかではないが
、次のように考えられる。

【００６９】すなわち、先ず、プリフォームを作製する
に際して、前記耐熱性物質からなる連続炭素長繊維の間
隙に前記耐熱性物質からなる微細なウィスカや微粒子等
を配置し、その後該炭素長繊維間に母相金属を注入し充
填してＦＲＭ化するようにしたので、注湯に際して繊維
同士の接触を極めて少なくすることができ、母相金属を
繊維／繊維間へ十分に充填することができる。従って、
炭素長繊維の周囲をウィスカや微粒子等で強化された母
相金属が取り囲むことによって、繊維軸に平行な面内で
の剪断応力および繊維軸に垂直な面内での剪断応力等の
機械的強度に優れるとともに、高い強度を有しかつ高剛
性のものとすることができる。よって、高剛性で高強度
の筒状体とすることができる。

【００７０】また、螺旋状に強化繊維（ハイブリッド繊
維）を巻く芯棒として、熱膨張係数がハイブリッド繊維
束の径方向とほぼ同程度かまたはそれより大きい材料を
選ぶことにより、高圧鋳造による複合化後の冷却時に芯
棒が繊維強化金属筒状体を圧迫するのを防止し、割れ等
が欠陥のない健全な繊維強化金属筒状体が得られる。

【００７１】また、ケースは、繊維強化金属筒状体の外
に配置されるので、繊維強化金属筒状体の径方向の熱膨
張係数の熱膨張係数と同程度かまたはそれより小さい材
料とすることにより、高圧鋳造後の冷却時の収縮量が繊
維強化金属筒状体より小さく、繊維強化金属筒状体への
外側からの圧迫を防止することがでる。

【００７２】次に、高圧鋳造により、強化繊維（ハイブ
リッド繊維）とＡｌ−Ｃａ合金やＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金
などの元素周期律表の第ＩＩａ族元素を含むＡｌ合金と
を複合化することにより、ほぼ完全に、繊維の間隙に該
Ａｌ合金が充填され、繊維強化金属の強度、剛性を大き
くすることができる。また、インゴットより繊維強化金
属筒状体平行部をまず切り出すことにより、繊維強化金
属筒状体の長さ方向の残留応力を除去することができる
。 次に、ケースの湯口部分を除去することにより、繊維強
化金属筒状体に無理な力を加えることなく容易にケース
と繊維強化金属筒状体を分離することができる。そして
、最後に芯棒を抜くことにより、繊維強化金属筒状体に
無理な力を加えることなく容易に繊維強化金属筒状体を
得ることができる。

【００７３】以下に、前記本発明の繊維強化金属筒状体
の好適な製造方法をさらに具体的に説明する。

【００７４】先ず、ある程度の間隔をもって配設された
ヤング率３００ＧＰａ以上を有する炭素長繊維の間隙に
、炭化珪素、アルミナ、窒化珪素等のセラッミクスや炭
素、ガラス等の物質より選択された少なくとも一種以上
の粒子、短繊維、ウィスカまたは板状小片体からなる耐
熱性物質を配置して強化繊維を作製する（ハイブリッド
繊維作製工程）。本工程において用いられる炭素長繊維
、該炭素長繊維間に介在させる粒子、短繊維、ウィスカ
または板状小片体からなる耐熱性物質は、前述したもの
と同様のものを用いることができる。なお、該介在物質
として短繊維やウィスカ、または微粒子を用いる場合は
、耐熱性非金属材料を用いることが好ましい。このよう
な材料を用いることにより、繊維体と母相金属とを複合
化する際に、高温に曝露されても蒸発や溶融することな
く十分に繊維間を保持することができる。なお、該ハイ
ブリッド繊維の作製方法としては、介在物となる物質を
所定量懸濁させた溶液中に超音波を照射しながら該繊維
束を浸漬し、その後に引き上げて乾燥させることが好ま
しい。浸漬しながら連続的に巻き取ればより効率的であ
る。このようにして作製した繊維体の一本一本の表面に
は均一に介在物が付着し、繊維と繊維との間を一定間隔
に保持している。

【００７５】次に、熱膨張係数がＦＲＭ筒状体の径方向
の熱膨張係数とほぼ同程度であるかまたはそれ以上の材
料からなる芯棒を用意し、前記ハイブリッド繊維を該芯
棒の周囲に螺旋状に巻き付けてプリフォームを作製する
（プリフォーム作製工程）。このとき用いる芯棒は、ス
テンレス鋼、Ｍｎ合金、アルミニウムブロンズなどの、
７００〜８００℃での強度および剛性に優れた材料であ
ることが好ましい。これは、溶湯温度７００〜８００℃
において高強度、高剛性の芯棒を選ぶことにより、高圧
鋳造時の芯棒の変形を防止できるので、後工程での芯棒
の除去が容易となる上、製造されたＦＲＭ筒状体の変形
が防止できるからである。また、炭素繊維の配向は、第
２発明で前述した通りの理由で、前記芯棒の周囲にフィ
ラメントワインディング法により±１０〜±３５°に螺
旋状に前記ハイブリッド繊維を配設することが望ましい
。さらに好ましくは、±１５°程度である。このときの
巻き方としては、例えば＋１５°方向に巻いた層の上に
−１５°方向の層を重ねて巻き、径方向に積層された構
造とする。また、後の加工工程においてＦＲＭ筒状体と
芯棒を分離し易いように、芯棒にはあらかじめ黒鉛、窒
化硼素等の離型剤を塗布しておくことが好ましい。

【００７６】次に、熱膨張係数が前記ハイブリッド繊維
束の径方向の熱膨張係数とほぼ同程度またはそれ以下の
材料からなるケースを用意し、該ケースに前記プリフォ
ームを配置する（ケーシング工程）。ここで、ケースの
材質は、炭素繊維の熱膨張係数を考慮して、ステンレス
鋼、普通鋼などを用いる。ただし、後の鋳造工程でＡｌ
−Ｃａ合金と反応せず、加工工程で繊維強化金属筒状体
とケースの分離を容易にするため、ケースの表面には黒
鉛、窒化硼素等の離型剤を十分に塗布しておくことが望
ましい。さらに、凝固・冷却時に繊維強化金属筒状体の
長さ方向の熱応力を緩和するために、ケースの両端部に
は外部のＡｌとの連結を断ち切る仕切り板をつけること
が望ましい（例えば図５（ｂ））。このように、ケース
に仕切り板をケース両端に取り付けることにより、外部
のＡｌ合金部との連結を断ち切ることができるので、凝
固・冷却時に繊維強化金属筒状体に外部より働く長さ方
向の熱応力を緩和することができる。

【００７７】また、ケースの側面には、凝固・冷却時に
繊維強化金属筒状体の径方向の熱応力を緩和するために
、フィンを付けることが望ましい（例えば図５（ａ）お
よび（ｂ））。このように、ケース側面に外側のＡｌ合
金部を分断するフィンを取り付けることにより、繊維強
化金属筒状体に外側より働く径方向の熱応力を緩和する
ことができる。さらに、湯口は、ケースの上下面に配置
することが望ましい（例えば図５（ｂ））。これより、
繊維強化金属筒状体の変形を防止できるからである。ま
た、湯口の形状は、繊維強化金属筒状体の長さ方向に対
しては短く、それに直交する方向には長い長方形とし、
長さ方向の数カ所に分散させて設けることが望ましい（
例えば図５（ｂ））。これは、凝固・冷却時に湯口部分
が熱応力により切断または変形して繊維強化金属筒状体
に長さ方向の熱応力が加わるのを防止するからである。

【００７８】次に、前記ケースを鋳型のキャビティにセ
ットし、Ａｌ−Ｃａ合金やＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金などの
元素周期律表の第ＩＩａ族元素を含むＡｌ合金の溶湯を
注湯し、高圧鋳造により、ハイブリッド繊維と周期律表
の第ＩＩａ族元素を含むＡｌ合金との複合体インゴット
を作製する（複合体作製工程）。ここで、プリフォーム
を入れたケースは、Ｎ２　ガスあるいは不活性ガス中で
、４００℃〜７５０℃に予熱しておく。これより、周期
律表の第ＩＩａ族元素を含むＡｌ合金の溶湯を途中で凝
固することなく炭素繊維間隙に十分に充填することがで
きる。また、鋳造型は、２５０℃以上に予熱し、離型剤
を塗布することが望ましい。鋳造時の圧力は、４００ｋ
ｇｆ／ｃｍ２　以上で凝固が完了するまで１〜２分程度
加圧状態を保つことが望ましい。また、注湯温度は、７
００〜８００℃とすることが望ましい。これらの鋳造条
件とすることにより、引け巣、充填欠陥などのない健全
で、かつ適度に繊維とマトリックスが反応して強度、剛
性、耐熱疲労性等に優れた繊維強化金属筒状体を得るこ
とができる。

【００７９】次に、前記複合体インゴットから繊維強化
金属筒状体を取り出す（ＦＲＭ筒状体作製工程）。鋳造
インゴットより繊維強化金属筒状体の平行部のみを切断
して切り出した後、ケースの上下の湯口部分を除去し、
芯棒の入った繊維強化金属筒状体からケースを剥がし、
芯棒を押し抜いて繊維強化金属筒状体を得る。これより
、繊維強化金属筒状体の残留応力を除去し、繊維強化金
属筒状体に過剰な負荷をかけずに、かつ容易に繊維強化
金属筒状体を取り出すことができる。

【００８０】なお、元素周期律表の第ＩＩａ族元素を含
むＡｌ合金の溶湯Ａｌ合金溶湯としてＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ
合金を用いた場合は、さらに、該繊維強化金属筒状体を
熱処理することが望ましい。これにより、マトリックス
部であるＡｌ合金の降伏応力がさらに高まり、ＦＲＭ筒
状体の熱膨張曲線を広い温度範囲で直線的にし、かつそ
の線膨張係数を小さくすることができる。また、同時に
、マトリックスの強度を向上することができるので、Ｆ
ＲＭの繊維に直角方向の強度を一層向上させることがで
きる。

【００８１】以下に、本発明の実施例を説明する。

【００８２】第１実施例

【００８３】先ず、弾性率４００ＧＰａ、軸方向強度２
５０ｋｇｆ／ｍｍ２　の高弾性タイプの炭素長繊維束を
、ＳｉＣ粒子（平均粒径：１．８μｍ）１ｋｇを１０リ
ットルのエタノール中に懸濁した液中に超音波を付与し
ながら通過させ、炭素長繊維にＳｉＣ粒子を付着させた
強化繊維束（ＦＲＭとしたときの繊維に直角方向の熱膨
張係数：約１８×１０−６℃−１）を作製した。重量測
定の結果、ＳｉＣ粒子の付着量は、炭素繊維に対して約
１０体積％であった。

【００８４】次に、この強化繊維束５２をフィラメント
ワインディング装置を用いて＋１５°／−１５°／＋１
５°／−１５°にヘリカル巻きした。なお、芯棒５３は
ステンレス鋼製（熱膨張係数：約１８×１０−６℃−１
）とし、表面に黒鉛を塗布しておいた。

【００８５】次に、図５の図５（ａ）および図５（ｂ）
に示すように、繊維成形体（プリフォーム）５１を、湯
口５７となる切込みのついたステンレス製の半割りパイ
プ５４の中に収め、半割りパイプ５４に凝固時の熱応力
を緩和するフィン５５および仕切り板５６を取り付け、
鋳型５８内に配置した。

【００８６】次に、この繊維成形パイプを７５０℃のＮ
２　ガス雰囲気中で３０分間加熱後、金型内にセットし
、７５０℃のＡｌ−０．４重量％Ｃａ合金を金型キャビ
ティに注湯し、７５０ｋｇｆ／ｃｍ２　で２分間加圧し
、凝固させた。得られたインゴットから、大まかに繊維
強化金属筒状体の含まれる部分を切出し、ケースの湯口
部分をエンドミル等で切削して除去し、ケースを繊維強
化金属筒状体より分離する。次いで、この芯棒の入った
繊維強化金属筒状体より、ハンドプレス等を用いて芯棒
を押し抜き、本実施例にかかる繊維強化金属筒状体を得
た。

【００８７】得られたＦＲＭパイプの外観を観察したと
ころ、外観性状は良好で全く欠陥がなかった。また、こ
のＦＲＭパイプの断面の金属組織を、光学顕微鏡（倍率
：４００倍）で観察した。その結果を、図６に示す。 同図より明らかのごとく、充填不良、引け巣等の欠陥は
全く観察されなかった。

【００８８】なお、図７に、湯口の位置とＦＲＭパイプ
の真円度との関係を示した。これより、湯口を上下位置
に配置することにより、変形を極めて小さくできること
が分かった。

【００８９】また、作製したＦＲＭパイプの平均線膨張
係数を横型熱膨張計により測定した。その結果を、図８
に示す。同図より明らかのごとく、ＦＲＭパイプの室温
（ＲＴ）〜３００°Ｃでの平均線膨張係数は、０〜−０
．７×１０−６℃−１と非常に小さかった。また、ＦＲ
Ｍパイプをエポキシ接着剤でつかみ治具に固定して引張
試験を行った結果、歪ゲージを取付けたほぼ中央部で破
壊した。このときの長さ方向の弾性率は１６０ＧＰａと
大きく、強度も４５０ＭＰａと大きかった。

【００９０】次に、得られたＦＲＭパイプを用い、室温
〜３００°Ｃで加熱・冷却を５００回繰り返した。該試
験後のＦＲＭパイプの断面の金属組織の走査型電子顕微
鏡写真図（倍率：２０００倍）を、図９に示す。また、
該熱サイクル試験後の本実施例のＦＲＭパイプの室温〜
３００℃の平均熱膨張係数は、０〜−０．７×１０−６
℃−１と小さかった。さらに、熱サイクル後の寸法変化
を、表１に示した。

【００９１】

【表１】

【００９２】なお、比較のために、強化繊維を±１５°
に板状に積層してＡｌ合金溶湯としてＡｌ−０．４重量
％Ｃａ合金を用いた（試料番号Ｃ１）、Ａｌ−５％Ｍｇ
合金を用いた（試料番号Ｃ２）、および純Ａｌを用いた
（試料番号Ｃ３）、以外は前記実施例と同様にして、比
較用繊維強化金属体を作製し（試料番号：Ｃ１〜Ｃ３）
、同様の評価試験を行った。なお、比較用繊維強化金属
体の熱サイクル試験後の断面の金属組織の走査型電子顕
微鏡写真図を、試料番号Ｃ１は図１０（倍率：２０００
倍）に、試料番号Ｃ２の結果は図１１（倍率：２０００
倍）にそれぞれ示す。また、該熱サイクル試験後の寸法
変化を、表１に併せて示す。

【００９３】図９〜図１１より明らかのごとく、板状積
層材である比較用繊維強化金属体は、熱疲労により積層
界面にクラックが認められたが、パイプ状の本実施例の
繊維強化金属筒状体はクラックが認められず、耐熱疲労
性に優れていることが分かる。

【００９４】また、表１より、板状のものではＡｌ−０
．４重量％Ｃａマトリックスの場合（試料番号Ｃ１）が
最も残留変形量が小さく、さらに本実施例のようにパイ
プ状にすることによりさらに寸法安定性が改善されるこ
とが分かった。

【００９５】第２実施例

【００９６】前記第１実施例と同様の強化繊維束を一方
向に並べて角パイプ状ケースに配設し、第１実施例と同
様の方法により、各種のＡｌ合金と複合化して本実施例
にかかる繊維強化金属体を得た。

【００９７】図１２に、一方向強化ＦＲＭの熱サイクル
による寸法変化を示した。同図より、Ａｌ−５重量％Ｍ
ｇ合金、純Ａｌに比べ、Ａｌ−０．４重量％Ｃａ合金を
マトリックスとした場合に、最も残留変形量が小さいこ
とが分かった。

【００９８】さらに、この原因について解析するために
、Ｃａの添加量を変えて同様の方法により作製したＦＲ
Ｍについて、硬さおよび繊維軸に垂直方向の強度および
繊維軸方向の強度について調べた結果を、図１３および
図１４に示した。これらの図より、マトリックス中にＣ
ａを添加することにより、繊維／マトリックス界面強度
が改善され、垂直方向強度が大きくなるが、Ｃａ添加に
より硬さはほとんど変化しないことが明らかとなった。

【００９９】このように、界面強度が強く、母相が柔ら
かいことが、耐熱疲労性の向上に寄与しているものと考
えられる。しかし、Ｃａの添加量を多くすると、繊維軸
方向の強度が低下するので、その添加量は０．５重量％
程度までとしたほうがよいことが分かる。

【０１００】第３実施例

【０１０１】前記第１実施例と同様の強化繊維束を、ア
ルミニウムブロンズ製芯棒の周囲に＋１５°／−１５°
／＋１５°／−１５°にヘリカル巻きし、さらにその上
から９０°方向に強化繊維束を巻いた。この繊維成形体
とＡｌ−０．４重量％Ｃａ合金を前記第１実施例と同様
にして高圧鋳造法で複合化した後、金型中で自然放冷し
、繊維強化金属筒状体を得た。

【０１０２】得られた繊維強化筒状体は、ケースおよび
芯棒の除去が容易であり、割れ等の欠陥の無い５０ｃｍ
長さの筒状体が得られた。なお、芯棒をステンレス製と
し、最外層にフープ（９０°巻層）を設けないほかは、
前記第３実施例と同様にして５０ｃｍの筒状体を作製し
た場合は、ケースまたは芯棒と繊維強化金属筒状体との
間の離型状態が悪いと、繊維強化金属筒状体に割れが生
じることがあった。

【０１０３】第４実施例

【０１０４】先ず、弾性率７４０ＧＰａ、軸方向強度２
．７５ＧＰａの炭素長繊維束を、ＳｉＣ粒子（平均粒径
：１．８μｍ）１ｋｇを１０リットルのエタノール中に
懸濁した液中に超音波を付与しながら通過させ、炭素長
繊維にＳｉＣ粒子を付着させた強化繊維束（ＦＲＭとし
たときの繊維に直角方向の熱膨張係数：約１８×１０−
６℃−１）を作製した。重量測定の結果、ＳｉＣ粒子の
付着量は、炭素繊維に対して約１０体積％であった。

【０１０５】次に、この強化繊維束５２をフィラメント
ワインディング装置を用いて＋１５°／−１５°／＋１
５°／−１５°にヘリカル巻きした。なお、芯棒５３は
ステンレス製（熱膨張係数：約１８×１０−６℃−１）
とし、表面に黒鉛を塗布しておいた。

【０１０６】次に、繊維成形体（プリフォーム）５１を
、湯口５７となる切込みのついたステンレス製の半割り
パイプ５４の中に収め、半割りパイプ５４に凝固時の熱
応力を緩和するフィン５５および仕切り板５６を取り付
け、鋳型５８内に配置した（図５（ａ）および図５（ｂ
））。

【０１０７】次に、この繊維成形パイプをＮ２　ガス雰
囲気とし、７５０℃の７０７５合金（組成：Ａｌ−６重
量％Ｚｎ−３重量％Ｍｇ−２重量％Ｃｕ−０．３重量％
Ｃｒ）を金型キャビティに注湯し、７５０ｋｇｆ／ｃｍ
２で２分間加圧し、凝固させた。得られたインゴットか
ら、繊維強化金属筒状体の含まれる部分を切出し、ケー
スの湯口部分をエンドミル等で切削して除去し、ケース
を繊維強化金属筒状体より分離する。次いで、この芯棒
に入った繊維強化金属筒状体より、ハンドプレス等を用
いて芯棒を押し抜き、本実施例にかかる繊維強化金属筒
状体を得た。

【０１０８】得られたＦＲＭパイプの外観を観察したと
ころ、外観性状は良好で全く欠陥がなかった。また、こ
のＦＲＭパイプの断面の金属組織を、光学顕微鏡で観察
したところ、充填不良、引け巣等の欠陥は全く観察され
なかった。また、湯口を上下位置に配置することにより
、変形を極めて小さくできることが分かった。また、作
製したＦＲＭパイプをＴ６処理（４６５℃４時間溶体化
処理→１２０℃３６時間の時効硬化処理）後、熱膨張係
数を横型熱膨張計により測定した。その結果、−１５０
℃〜１２０℃までの温度域で直線の熱膨張曲線を示し、
その線膨張係数は、０．４×１０−６℃−１と非常に小
さかった。また、同様の方法で作製した板状の一方向強
化材について、引張試験を行った結果、ほぼ中央部で破
壊した。このときの繊維方向の弾性率は４７０ＧＰａと
大きく、強度も０．９ＧＰａと大きかった。

【０１０９】次に、得られたＦＲＭパイプを用い、−１
５０〜１２０°Ｃで加熱・冷却を５００回繰り返した。 その結果、ＦＲＭパイプにクラックは認められなかった
。

【０１１０】なお、比較のために、強化繊維を±１５°
に板状に積層してＡｌ合金溶湯としてＡｌ−５重量％Ｍ
ｇ合金を用いた（試料番号Ｃ４）、および純Ａｌを用い
た（試料番号Ｃ５）、以外は前記実施例と同様にして、
比較用繊維強化金属体を作製し（試料番号：Ｃ４、Ｃ５
）、同様の評価試験を行った。その結果、何れの場合に
も、積層界面にクラックが認められた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の繊維強化金属筒状体の具体的構造の一
例を示した説明図である。

【図２】本発明の繊維強化金属筒状体の具体的構造の一
例を示した説明図である。

【図３】本発明の繊維強化金属筒状体の具体的構造の一
例を示した説明図である。

【図４】本発明の繊維強化金属筒状体の強化繊維の配向
角と熱膨張係数および弾性率の関係の一例を示す線図で
ある。

【図５】本発明の第１実施例における繊維強化金属筒状
体の製造方法を示す説明図で、図５（ａ）は繊維成形体
の径方向断面図、図５（ｂ）は繊維成形体の長手方向の
断面図である。

【図６】本発明の第１実施例において得られたＦＲＭパ
イプの断面の金属組織を示す写真図である（倍率：４０
０倍）。

【図７】本発明の第１実施例において得られたＦＲＭパ
イプの、湯口の位置とＦＲＭパイプの真円度との関係を
示す線図である。

【図８】本発明の第１実施例において得られたＦＲＭパ
イプの熱膨張量と温度との関係を示す線図である。

【図９】本発明の第１実施例において得られたＦＲＭパ
イプの加熱−冷却試験後の断面の金属組織を示す写真図
（倍率：２０００倍）である。

【図１０】比較例（試料番号Ｃ１）において得られた比
較用ＦＲＭパイプの加熱−冷却試験後の断面の金属組織
を示す写真図（倍率：２０００倍）である。

【図１１】比較例（試料番号Ｃ２）において得られた比
較用ＦＲＭパイプの加熱−冷却試験後の断面の金属組織
を示す写真図（倍率：２０００倍）である。

【図１２】本発明の第２実施例において得られた一方向
強化ＦＲＭの熱サイクルによる寸法変化を示す線図であ
る。

【図１３】本発明の第２実施例において得られた一方向
強化ＦＲＭのＣａの添加量と硬さおよび繊維軸に垂直方
向の強度との関係を示す線図である。

【図１４】本発明の第２実施例において得られた一方向
強化ＦＲＭのＣａの添加量と硬さおよび繊維軸方向の強
度との関係を示す線図である。

【符号の説明】

１１、２１、３１１、３１２　　・・・　　炭素長繊維
５１　　・・・　　繊維成形体（プリフォーム）５２　
　・・・　　強化繊維束 ５３　　・・・　　芯棒 ５４　　・・・　　半割りパイプ ５５　　・・・　　フィン ５６　　・・・　　仕切り板 ５７　　・・・　　湯口 ５８　　・・・　　鋳型

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ある程度の間隔をもって配設されたヤ
   ング率３００ＧＰａ以上を有する炭素長繊維と、該炭素
   長繊維の間隙に介在させた炭化珪素、アルミナ、窒化珪
   素等のセラッミクスや炭素、ガラス等の物質より選択さ
   れた少なくとも一種以上の粒子、短繊維、ウィスカまた
   は板状小片体等の耐熱性物質とからなる強化繊維と、該
   強化繊維の間隙を充填した元素周期律表の第ＩＩａ族元
   素を含むＡｌ合金からなるマトリックス部とからなる繊
   維強化金属筒状形成体であって、前記強化繊維が径方向
   に積層されてなり、高剛性・高強度で低線膨張係数を有
   するとともに、耐熱疲労性に優れたことを特徴とする繊
   維強化金属筒状体。
2. 【請求項２】　　ある程度の間隔をもって配設されたヤ
   ング率３００ＧＰａ以上を有する炭素長繊維の間隙に、
   炭化珪素、アルミナ、窒化珪素等のセラッミクスや炭素
   、ガラス等の物質より選択された少なくとも一種以上の
   粒子、短繊維、ウィスカまたは板状小片体等の耐熱性物
   質を介在させた強化繊維と、該強化繊維間の間隙を充填
   したＡｌ−Ｃａ合金からなるマトリックス部とからなる
   繊維強化金属筒状形成体であって、前記強化繊維が径方
   向に積層されてなり、長さ方向のヤング率が１５０ＧＰ
   ａ以上で、室温から３００℃での平均線膨張係数が−１
   ．０〜１．０×１０−６℃−１であり、温度差３００℃
   以内での繰り返し冷却後も、実質的に強度低下のないこ
   とを特徴とする繊維強化金属筒状体。
3. 【請求項３】　　マトリックス部が、Ａｌ−０．１〜０
   ．５重量％Ｃａ合金であることを特徴とする請求項２記
   載の繊維強化金属筒状体。
4. 【請求項４】　　強化繊維が、該繊維強化金属筒状体の
   長さ方向に対して±１０〜±３５°に螺旋状に配設され
   てなり、低線膨張係数を有することを特徴とする請求項
   ２記載の繊維強化金属筒状体。
5. 【請求項５】　　繊維強化金属筒状体が、最外層に強化
   繊維を前記繊維強化金属筒状体の長さ方向に対して大略
   ９０°方向に配設したフープを有してなり、筒状体の径
   方向の強度に優れてなることを特徴とする請求項１記載
   の繊維強化筒状体。
6. 【請求項６】　　炭素長繊維の間隙に配設された耐熱性
   物質が炭化珪素粒子であり、該粒子の大きさが０．３〜
   １０μｍで、該粒子の配合量が炭素長繊維に対して体積
   率で３〜４０％であることを特徴とする請求項２記載の
   繊維強化金属筒状体。
7. 【請求項７】　　ある程度の間隔をもって配設されたヤ
   ング率３００ＧＰａ以上を有する炭素長繊維の間隙に、
   炭化珪素、アルミナ、窒化珪素等のセラッミクスや炭素
   、ガラス等の物質より選択された少なくとも一種以上の
   粒子、短繊維、ウィスカまたは板状小片体等の耐熱性物
   質を配置して強化繊維を作製する工程と、線膨張係数が
   １８×１０−６℃−１以上のＦｅまたはＭｎあるいはそ
   れらの合金製の芯棒を用意し、前記強化繊維を該芯棒の
   周囲に螺旋状に配置し、径方向に積層してプリフォーム
   を作製する工程と、線膨張係数が１８×１０−６℃−１
   以下の材料からなり、合金溶湯を内部に導入する導入部
   を有するケースを用意し、該ケースに前記プリフォーム
   を配置する工程と、該ケースおよびプリフォームを鋳型
   のキャビティにセットし、Ａｌ−Ｃａ合金溶湯を注湯し
   、高圧鋳造により複合体を作製する工程と、該複合体イ
   ンゴットから繊維強化金属筒状体を取り出す工程と、か
   らなることを特徴とする繊維強化金属筒状体の製造方法
   。
8. 【請求項８】　　芯棒がアルミニウムブロンズであり、
   高圧鋳造後、ゆっくりと冷却することを特徴とする請求
   項７記載の繊維強化金属筒状体の製造方法。
9. 【請求項９】　　ある程度の間隔をもって配設されたヤ
   ング率５００ＧＰａ以上を有する炭素長繊維の間隙に、
   炭化珪素、アルミナ、窒化珪素等のセラッミクスや炭素
   、ガラス等の物質より選択された少なくとも一種以上の
   粒子、短繊維、ウィスカまたは板状小片体等の耐熱性物
   質を介在させた強化繊維と、該強化繊維間の間隙を充填
   したＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金を主成分とする合金からなる
   マトリックス部とからなる繊維強化金属筒状形成体であ
   って、前記強化繊維が径方向に積層されてなり、長さ方
   向のヤング率が２５０ＧＰａ以上で、−１５０℃〜１２
   ０℃で熱膨張曲線が直線的でかつその線膨張係数が−０
   ．５〜１．０×１０−６℃−１であり、かつ１５０℃以
   下の温度域で３００℃の温度差での繰り返し加熱・冷却
   後も実質的に強度低下のないことを特徴とする繊維強化
   金属筒状体。
10. 【請求項１０】　　マトリックス部が、Ａｌ−４〜７重
    量％Ｚｎ−２〜３重量％Ｍｇ合金であることを特徴とす
    る請求項７記載の繊維強化金属筒状体。
11. 【請求項１１】　　強化繊維を径方向に積層させた繊維
    強化金属筒状体であり、該強化繊維が繊維強化金属筒状
    体の長さ方向に対して±１０〜±３５°に螺旋状に配設
    されてなることを特徴とする請求項７記載の繊維強化金
    属筒状体。
12. 【請求項１２】　　炭素長繊維の間隙に配設された耐熱
    性物質が炭化珪素粒子であり、該粒子の大きさが０．３
    〜１０μｍで、該粒子の配合量が炭素長繊維に対して体
    積率で３〜４０％であることを特徴とする請求項７記載
    の繊維強化金属筒状体。
13. 【請求項１３】　　ある程度の間隔をもって配設された
    ヤング率５００ＧＰａ以上を有する炭素長繊維の間隙に
    、炭化珪素、アルミナ、窒化珪素等のセラッミクスや炭
    素、ガラス等の物質より選択された少なくとも一種以上
    の粒子、短繊維、ウィスカまたは板状小片体等の耐熱性
    物質を配置して強化繊維を作製する工程と、線膨張係数
    が１８×１０−６℃−１以上のＦｅまたはＭｎあるいは
    それらの合金製の芯棒を用意し、前記強化繊維を該芯棒
    の周囲に螺旋状に配置し、径方向に積層してプリフォー
    ムを作製する工程と、線膨張係数が１８×１０−６℃−
    １未満の材料からなり、合金溶湯を内部に導入する導入
    部を有するケースを用意し、該ケースに前記プリフォー
    ムを配置する工程と、前記ケースおよびプリフォームを
    鋳型のキャビティにセットし、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇを主成
    分とする合金溶湯を注湯し、高圧鋳造により複合体を作
    製する工程と、該複合体インゴットから繊維強化金属筒
    状体を取り出す工程と、該繊維強化金属筒状体をＴ６ま
    たはＴ７処理する工程と、からなることを特徴とする繊
    維強化金属筒状体の製造方法。