JPH0447016B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、繊維強化金属複合材料（以下、
FRMと略称する。）の新規な製造方法に関するも
のであり、更に詳しくはFRMの剪断強度を大巾
に向上させる製造方法に関するものである。 近年無機質繊維にアルミナ質繊維、炭素繊維、
シリカ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊
維などを用い、マトリツクスにアルミニウムまた
はアルミニウム合金（以下アルミニウム合金類と
呼ぶ）を用いた軽量複合材料が開発され多くの産
業分野で使用され始めつつある。航空宇宙産業、
自動車産業等においては特に耐熱性と高強度が要
求される部位への使用が考えられている。 本発明者らは先に特願昭56−134896にて示され
るようにFRM成形体を溶体化処理後、急冷する
ことによりFRMの機械的強度を大巾に向上させ
る方法を発明した。しかるに強度部材として用い
られる材料には引張り強度、曲げ強度などの他に
剪断強度の高いことを要求されるものが多く特願
昭56−134896に示される発明ではこの場合不満足
なことが判つた。 本発明者らはFRMの剪断強度を高める方法に
ついて鋭意検討した結果本発明を完成するに至つ
た。 即ち、第２成分として銅または亜鉛を含み、か
つ熱処理可能なアルミニウム合金をマトリツクス
とし、無機質繊維を強化材とした繊維強化金属複
合材料を400℃以上にて溶体化処理した後急冷つ
いで100℃以上250以下にて焼もどすことによつて
高い剪断強度を有する繊維強化金属複合材料が得
られることを見い出した。 以下に本発明を詳細に説明する。 本発明に用いられる無機質繊維は、炭素繊維、
シリカ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊
維およびアルミナ質繊維である。無機質繊維に求
められる性能としては高強度である事はもとより
であるが、溶融アルミニウム合金と接触した時に
過度に反応して劣化しない方が好ましい。一方適
度な反応が起こり、繊維の強度は余り低下しない
が、繊維とマトリツクス界面で応力の伝達が達成
され強化効果を十分発揮できることが望ましい。
その為、これら無機繊維の表面を他物質で被覆す
ることで繊維界面でマトリツクス金属との濡れ
性、反応性を調節することもできるこの理由から
これらの無機質繊維のうち本発明の効果を最も顕
著に示し得る繊維は特公昭51−13768号に記載さ
れているアルミナ質繊維である。 即ち一般式 （式中、Ｙは有機残基、ハロゲン、水酸基の一
種または二種以上を示す。） で表わされる構造単位を有するポリアルミノキサ
ンを原料とし、これに得られるシリカアルミナ繊
維中のシリカ含有が28％以下であるような量にケ
イ素を含む化合物を一種または二種以上混合し、
該混合物を紡糸して得られる前駆体繊維を焼成し
てなるアルミナ質繊維であり、好ましくはシリカ
（SiO₂）含有量が２重量％以上25重量％以下のも
のであり、Ｘ線的構造においてα−Al₂O₃の反射
を実質的に示さないアルミナ繊維である。このア
ルミナ質繊維は本発明の効果を損なわない範囲で
リチウム、ベリリウム、ホウ素、ナトリウム、マ
グネシウム、リン、カリウム、カルシウム、チタ
ン、クロム、マンガン、イツトリウム、ジリコニ
ウム、ランタン、タングステン、バリウムなどの
一種または二種以上の酸化物などのような耐化性
化合物を含有することができる。 本発明FRMに用いられる無機質繊維の量は特
に限定されるものではなく強化効果の発現する範
囲であれば特に制限はない。 加工方法によつては繊維の密度に疎密をもた
し、溶湯が含浸し易くすることも可能である。 本発明に用いられるアルミニウムを主成分とす
る合金（アルミニウム合金）として好適なものは
第２成分として銅または亜鉛を含み、かつ熱処理
可能な合金である。また合金の強度向上、流動性
向上、組織の微細化などの目的で第３成分以上の
成分としてケイ素、鉄、銅、ニツケル、スズ、マ
ンガン、マグネシウム、鉛、亜鉛、ジルコニウ
ム、チタン、バナジウム、ナトリウム、リチウ
ム、アンチモン、ストロンチウム、またはクロム
などの一種以上を含むことができる。これらの合
金は本発明で述べる熱処理をほどこすことにより
FRMの剪断強度を高める効果が特に著しい。 さらに好ましくは本発明者らがFRMの機械強
度を向上させる目的で発明した（特願昭55−
105729、特願昭55−106154、特願昭56−52616、
特願昭56−52617、特願昭56−52618、特願昭56−
52620、特願昭56−52621および特願昭56−52623）
マトリツクス中への添加元素である、ビスマス、
カドミウム、インジウム、バリウム、ラジウム、
カリウム、セシウム、ルビジウム、アンチモン、
ストロンチウムおよびフランシウムの一種以上を
該アルミニウム合金に含有させることである。こ
れらの元素をマトリツクス合金としてのアルミニ
ウム合金に添加することによりFRMの引張り、
曲げ強度を著しく高めることができ、本発明の効
果をより明確に発現することができる。 各種のアルミニウム合金類中でこれらのアルミ
ニウム合金類が特に顕著に効果を示す理由は明ら
かではないが、FRM中での無機質繊維とこれら
のマトリツクス合金の濡れ性、繊維とマトリツク
ス合金の界面付近の合金の組織の形状などが以下
に示す熱処理による効果を顕著に示し得る状態に
なる合金であると考えられる。 このアルミニウム合金は本発明の効果を損なわ
ない範囲で他元素を含有していてもさしつかえな
い。 熱処理条件は選択されるマトリツクス合金によ
つて最適条件は異なるが、偏析した元素または合
属間化合物が母相中に固溶するのに十分な温度で
あることを要する。好ましくは400℃以上の温度
であり、更に好ましくはアルミニウム合金がAl
−Cu系合金の場合、450℃以上でありAl−Zn系
合金の場合430℃以上である。最高温度はFRM成
形体が変形しない範囲であれば何度でもかまわな
いが一般にはマトリツクス合金の固相線より低い
温度で行なうのが望ましい。 熱処理の時間は熱処理温度や製品の大きさによ
つて異なるが、一般には１時間から30時間程度が
最適である。熱処理後の急冷条件はα相中に固溶
した偏析物が再び結晶粒界に析出しない程度の速
度であれば十分であり、具体的には溶体化温度か
ら200℃までを300℃／min以上の早さで冷却すれ
ばよい。一般に採られている方法としては、水や
油による冷却方法があり、この他液体窒素浸漬と
か送風による冷却方法なども取り得る。焼もどし
は100℃以上250℃以下の温度で５時間以上30時間
以下の範囲で行なうことが望ましい。この様に
FRMに熱処理、急冷操作および焼もどしを行な
うことにより、マトリツクス合金自体は一般の熱
処理効果に基づいた変化すなわち結晶粒界に存在
した偏析物のα相中への固溶および析出により強
化されているのは当然の事ながら、この様な処理
を受けたFRMの剪断強度は、処理前のFRMの剪
断強度より大巾に向上することが認められる。 本発明のFRMは種々の方法によつて製造し得
る。すなわちその主なものとして、(1)液体合属含
浸法のような液相法、(2)拡散接合のような固相
法、(3)粉末冶金（焼結、熔結）法、(4)溶射、電
析、蒸着などの沈積法、(5)押出、圧延などの塑性
加工法、(6)高圧凝固鋳造法などが例示される。 本発明の効果が特に顕著に認められる方法は(1)
の液体金属含浸法や(6)の高圧凝固鋳造法などのよ
うに溶融金属と繊維が直接接触する場合である
が、(2)〜(5)に示される製造方法においても明らか
に効果が認められる。 この様にして製造されたFRMは他のアルミニ
ウム合金、または熱処理の行なわれていない場合
と比較して、大巾に剪断強度の向上が認められ
る。また加工法上も既存のアルミニウムの設備、
方法を何ら変更する事なく本発明を実行できるこ
とは実生産上からも非常に大きなメリツトであ
る。以下本発明を実施例によりさらに詳しく説明
するが、本発明はこれによつて限定されるもので
はない。尚、実施例中％は断わりのあるもの以外
は全て重量％を表わすものとする。 実施例 １ マトリツクス金属としてAU5GT（Al−4.2％Cu
−0.36％Si−0.23％Mg−0.10％Ti−0.01％Zn−
0.001％Ｂ）、およびAA−7076（Al−7.5％Zn−0.6
％Cu−0.5％Mn−1.6％Mg）を、無機質繊維とし
てアルミナ質繊維〔Al₂O₃含有率85％、SiO₂含有
率15％、平均繊維径14μｍ、引張り強度150Kg／
mm²（ゲージ長20mm）、弾性率23500Kg／mm²〕を用い
ガス加圧含浸法にて溶湯温度680℃、加圧力50
Kg／mm²の条件下、繊維体積含有率（Vf）50％の
FRM（厚さ５mm、幅10mm、長さ35mmの長手方向に
アルミナ質繊維が配置された試験片）を作製し
た。このFRMを第１表に示される条件で熱処理
を行なつた。 また比較のため純度99.5％のアルミニウムおよ
びAl−7.5％MgをマトリツクスとしたFRMを同
一条件で作製、第１表に示される熱処理を行なつ
た。ついでこれらの成形体の剪断強度を測定し
た。第１表に結果を示した。これより銅または亜
鉛を第２成分として含むアルミニウム合金に所定
の熱処理を行なつたFRMの剪断強度が著しく高
いことが認められる。なお剪断強度の測定はJIS
K7214を参考にして打抜きによる剪断試験方法に
より行つた。すなわち、前記のFRMの試験片を
その10mm×35mmの面を上下に向けて水平に治具に
固定し、該面の中央部を上から垂直方向に、断面
が15mm×15mmの角形ポンチで打抜く方法によつ
た。剪断面積は５mm×10mm×２であつた。用いた
試験機は(株)島津製作所製オートグラフDCS−25T
型、クロスヘツドスピードは１mm／分であつた。

【表】

【表】 実施例 ２ マトリツクス合金にAU5GTおよびAA−7076
合金を用い、これらの合金中にバリウムをそれぞ
れ0.3％添加した合金を作製した。これらの合金
と実施例１に用いたアルミナ質繊維を実施例１と
同様の方法で複合化し、繊維体積含有率50％の
FRMを作製した。これらのFRMに第２表に示す
熱処理をほどこし、実施例１と同様に剪断強度を
測定し、測定結果を第２表に示す。また、厚さ２
mm、幅20mm、長さ80mmの長手方向にアルミナ質繊
維を配置した試験片を調製し、JIS K7055を参考
にしてスパン距離60mmで３点曲げ試験により曲げ
強度を測定した結果を第２表に示す。この結果か
らバリウムを少量マトリツクス合金中に添加し熱
処理することによつて曲げ強度が著しく向上し、
曲げ強度と剪断強度のバランスの取れたFRMが
得られることが判る。

【表】 実施例 ３ 無機質繊維に平均繊維径7.5μｍ、引張り強度
300Kg／mm²、弾性率23000Kg／mm²の炭素繊維、平均
繊維径15μｍ、引張り強度220Kg／mm²、弾性率
20000Kg／mm²の遊離炭素を含むシリコンカーバイ
ド繊維を用い、マトリツクスとなるアルミニウム
合金にAU5GT−0.3％Ba合金を、また比較のた
めAl−0.3％Ba合金を用いて実施例１に示したの
と同じ方法でV_f＝50％のFRMを作製した。この
FRM成形体を515℃で10時間熱処理した後水中に
投入急冷し、ついで160℃で10時間焼もどしを行
なつた。この成形体の剪断強度、曲げ強度を測定
した結果を第３表に示す。また比較のため熱処理
を行なわない成形体の剪断強度、曲げ強度を測定
した結果も第３表に示す。この結果からわかるよ
うに本発明に示された製造方法により作られた
FRMは剪断強度、曲げ強度いずれも優れた性能
を示した。

【表】

【表】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第２成分として銅または亜鉛を含みかつ熱処
   理可能なアルミニウム合金をマトリツクスとし無
   機質繊維を強化材とした繊維強化金属複合材料を
   400℃以上の温度にて溶体化処理後急冷、ついで
   100℃以上250℃以下の温度にて焼もどすことを特
   徴とする剪断強度にすぐれた繊維強化金属複合材
   料。