JPH0471974B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明はマグネシアウイスカーで補強された金
属複合材料の製造方法に係り、詳しくは、エンジ
ン、ピストン等の自動車部品、飛行機、電機、そ
の他各種産業機器などの高強度かつ軽量化、各種
特性の高機能化等を要求される材料として極めわ
有用なマグネシアウイスカーで補強された金属複
合材料の製造方法に関するものである。 ［従来の技術］ 金属や合金（以下、本明細書においては、「金
属材料」と総称する。）は高強度で耐衝撃性や靭
性が高いという優れた特長を有する反面、耐摩耗
性は比較的低く、また、比重が大きいため構成部
材の重量を増大させるという欠点を有している。 従つて、このような問題を改善する目的で、最
近、フアインセラミツクスと称されるウイスカー
と金属材料との複合材料が注目され、種々のウイ
スカーと金属材料との複合化についての工業的研
究が推進されている。 ウイスカーは、細い繊維状単結晶で、ひげ結晶
ともいわれる。ウイスカーの特徴は、細いほど結
晶の欠陥（転位など）が非常に少ないことで、螺
旋転位の存在ではよじれが起きたり、弾性限界が
低かつたりすることで結晶の完全性が検出でき
る。従つて、大きな強度をもつことになり、この
ため複合材料における繊維強化材として極めて有
効である。 従来、技術的、工業的な強化繊維材としてのセ
ラミツクスウイスカーとしては、Al₂O₃、SiC、
B₄C、Si₃N₄等の化合物ウイスカーや、単体とし
ては炭素ウイスカーが提供され、また、最近で
は、チタン酸カリウムウイスカーが提供され工業
化されようとしている。 一方、補強されるマトリツクスとしての金属材
料としては、Al合金（Al−Cu、Al−Cu−Mg、
Al−Cu−Si、Al−Mg−Zr、Al−Si、Al−Zn−
Mg−Zr、Al−Zn−Zr−Sn等）、Bi合金（Bi−
In、Bi−Sn）、Cd合金（Cd−Zn）、Co合金（Co
−Al）、その他Cr合金、Cu合金、Mg合金、Ni合
金、Pb合金、Sn合金、Ti合金、Zn合金が知られ
ている。 しかして、このようなセラミツクスウイスカー
と金属材料との複合化方法としては、一般に分子
的析出法、液相法、固相法が採用され、複合化さ
れた材料はホツトロール、押し出し、熱間圧延、
熱間押し出し法等によつて成形されている。この
ような複合化に際しては、ウイスカーの溶融金属
との「ぬれ性」や「反応性」を改善する必要性が
あるため、ウイスカーの種類や複合化方法によつ
ては、ウイスカーを予め表面コーテイング剤で処
理して用いている。 金属複合材料に用いられるウイスカーに対して
は、セラミツクス本来の性質である高温強度、高
弾性率、耐酸化性、軽量性の性質に加えて、更に
より高強度で高温に耐え得ることが要求される。
これは、例えば、ウイスカーの耐熱性温度が合金
の溶融温度よりも低い場合には、製造方法によつ
ては、ウイスカー結晶は分解し強化材料としての
作用をなさなくなるためである。 ［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、従来においては、繊維長と繊維
径との比即ちアスペクト比や、物性が均質で、良
好な特性を有するウイスカーを低コストで大量に
供給することができる技術が確立されていなかつ
た。 このため、従来のセラミツクスウイスカーは、 アクペクト比が不均一で均質性に劣る。 マトリツクスの金属材料とのなじみが悪く、
また表面コーテイング剤を用いた場合において
も良好なぬれ性を得難い。 耐熱性等の面で不十分である。 等の欠点を有し、複合強化材料としてのウイスカ
ーの性能を十分に発揮させることができる複合化
技術が確立されていないという実状も相俟つて、
金属複合化材料に望される十分な力学的特性の改
善効果を奏することができなかつた。 しかも、セラミツクスウイスカーは、高価であ
ることなど、多くの問題点を有し、このため、今
日までセラミツクスウイスカーで補強された金属
複合材料の工業的製品化が実現していないのが現
状である。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記従来の問題点を解決し、著しく優
れた特性を有する複合材料の製造方法を提供する
ものであつて、 ハロゲン化物及びマグネシウム塩を加熱して混
合溶融塩を得、得られた混合溶融塩を水蒸気雰囲
気で加熱してマグネシアウイスカーを析出成長さ
せ、このマグネシアウイスカーを金属材料と複合
化することを特徴とするマグネシアウイスカーで
補強された金属複合材料の製造方法、 を要旨とするものである。 本発明者等は、上記従来の問題点を解決すべ
く、より耐高温性に優れ、熱伝導性、電気絶縁
性、高強度性、化学的安定性、耐久性等にも優れ
た特性を有するウイスカーについて鋭意開発研究
を重ねた結果、繊維強化材料として、従来注目さ
れていなかつたマグネシアウイスカーに着目し
た。 従来より、マグネシアウイスカーの製造方法と
しては、Mg金属を高温加熱蒸発させ、酸素ガス
と気相反応させる方法、ハロゲン化Mgと酸素と
の気相反応による方法等が知られているが、いず
れの方法によつても、得られるウイスカーはアス
ペクト比が不均一であり、またマトリツクスとの
相性が悪く、複合材料に適応し得ないものであつ
た。しかしながら、下記の如く本発明において採
用されるマグネシアウイスカーによれば、極めて
優れた特性を有する複合材料が得られるのであ
る。 以下、本発明につき詳細に説明する。 まず、本発明で用いるマグネシアウイスカーの
製造方法について説明する。 本発明に係るマグネシアウイスカーはハロゲン
化物とマグネシウム塩との混合溶融塩を水蒸気雰
囲気で加熱して合成される。従つて、本発明に係
るマグネシアウイスカーの合成には、まずマグネ
シウム塩とハロゲン化物との混合溶融塩を調整す
る。 原料のマグネシウム塩としては、塩化マグネシ
ウム、硫酸マグネシウム等が挙げられ、これらは
１種単独であるいは２種以上併用して用いること
ができる。また、ハロゲン化物としては、カリウ
ム、リチウム、カルシウム等のハロゲン化物、例
えば塩化カリウム等が挙げられる。ハロゲン化物
についても１種のみであるいは２種以上併用して
用いることができる。 このようなマグネシウム塩とハロゲン化物との
混合割合は特に制限はないが、一般にはマグネシ
ウム塩に対するハロゲン化物のモル比が0.5〜5.0
の範囲となるように調合するのが好適である。 これらの混合溶融塩は、原料混合物をシリカ質
坩堝等の耐熱容器に投入して、650〜900℃の温度
で１〜６時間程度加熱溶融させて調整される。 なお、加熱溶融にあたり、空気中の酸素による
酸化で、溶融塩中に等方性MgOないしMgOCl等
の粒子が分解生成するが、生成したMgO等は溶
融塩のデカンテーシヨン等により容易に除去され
る。 MgO等を除去した溶融塩は、シリカ質坩堝等
の耐熱容器に入れて、これをガス流入口及び排出
口を有する電気炉等の加熱炉内に挿入し、650〜
1000℃、好ましくは700〜900℃に加熱する。その
際炉口部のガス流入口より水蒸気を流入させなが
ら加熱する。水蒸気の流入量は、加熱原料１Kg当
り50〜500mlH₂O／Hr程度とし、キヤリアーガス
として空気を50〜500l／min流入させるのが好適
である。 このような水蒸気雰囲気における加熱により、
マグネシアウイスカーが水蒸気流入側の坩堝壁面
に析出成長し、加熱炉排気口からは塩化水素含有
空気が排出される。 坩堝壁面に析出成長したマグネシアウイスカー
は、マグネシウム塩やハロゲン化物、その他形状
の悪い酸化マグネシウム等の不純物が付着してい
るため、これを水で洗浄、沈降分離することによ
り精製する。水洗浄により、マグネシウム塩やハ
ロゲン化物は水に溶解し、また形状が悪く、大き
いMgO等は沈降して、マグネシアウイスカーが
上層部に浮遊するため、これを回収することによ
り、容易に高純度マグネシアウイスカーを得るこ
とができる。 このようにして製造されるマグネシアウイスカ
ーの繊維長、繊維径は加熱条件等によつても異な
るが、一般には、繊維長30μm〜６mm、繊維径１
〜5μmで、アスペクト比が30〜3000前後のものが
得られる。 本発明において、マグネシアウイスカーで補強
するマトリツクスの金属材料としては特に制限は
なく、本発明はあらゆる種類の金属又は合金に適
用することができるが、例えば下記合金に極めて
有効である。 Al合金（Al−Cu、Al−Cu−Mg、 Al−Cu−Si、Al−Mg−Zr、 Al−Si、Al−Zn−Mg−Zr、 Al−Zn−Zr−Sn等）、 Bi合金（Bi−In、Bi−Sn等）、 Cd合金（Cd−Zn等）、 Co合金（Co−Al等）、 その他、Cr合金、Cu合金、Mg合金、Ni合金、
Pb合金、Sn合金、Ti合金、Zn合金等にも極めて
有効である。 本発明においてマグネシアウイスカーの配合量
は、マトリツクスの金属材料100重量部に対して
５〜40重量部とするのが好ましい。マグネシアウ
イスカーの含有量がマトリツクス100重量部に対
して５重量部未満であると、本発明による十分な
改善効果が得られ難く、逆に、マグネシアウイス
カーの含有量がマトリツクス100重量部に対して
40重量部を超えるとマトリツクスの成形性等が低
下する場合がある。 本発明においては、所定量のマグネシアウイス
カーとマトリツクスの金属材料とを用い、常法に
従つて容易に複合材料を製造することができる。
例えば、マトリツクスがAl合金、Zn合金である
場合には液相法における押し出し法、熱間圧延法
等によつて低コストで効率的に金属複合材料が製
造される。 製造される金属複合材料の形態は、マグネシア
ウイスカーがマトリツクス金属材料中に均一に分
散した状態のものでも良く、また、金属材料とマ
グネシアウイスカーで形成された成形体とを一体
化したものでも良い。 なお、マグネシアウイスカーはマトリツクスと
のなじみをより向上させるために適当な表面コー
テイング剤で処理しても良いが、本発明で用いる
マグネシアウイスカーは極めて金属材料との相性
が良いことから、通常、表面コーテイング工程は
不要である。 また、本発明においては、成形性の改善やその
他軽量化等を目的として、各種の補助材料を金属
複合材料中に充填使用しても良いことは言うまで
もない。 ［作用］ ハロゲン化物とマグネシウム塩との混合溶融塩
を水蒸気雰囲気で加熱して合成されたマグネシア
ウイスカーは、針状の形態を有し、かつアスペク
ト比が均一で大きい。従つてその形態上の特性か
ら、優れた補強効果、特性改善効果を有する上
に、マトリツクスとの馴染みが良好で、従来の充
填材料と異なり、充填量の増加と共に、引張強
さ、衝撃強さを低下させることはなく、効果的に
力学的特性、熱的特性（耐高温性、熱伝導性等）、
電気的特性等の諸特性の改善することができる。 しかも、本発明に係るマグネシアウイスカー
は、比較的低温で短時間に製造できるので、製品
のコストダウンが図れる。 ［実施例］ 以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説
明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以
下の実施例に限定されるものではない。 実施例 １ マグネシウム塩としてMgCl₂を用い、ハロゲン
化物としてKClを用い、これらの混合物100gをシ
リカ質坩堝に入れ800℃で45分加熱して、溶融塩
を得た。その際生成した固形物を除去して、溶融
物のみをシリカ質坩堝に投入して、850℃で５時
間電気炉内にて少量の水蒸気を炉内に送り込み続
けながら静置して、マグネシアウイスカーを析
出、成長させた。次いで、生成物を水で洗浄し、
不純物を分解して、純粋な針状に成長したマグネ
シアウイスカーを得た。 得られたマグネシアウイスカーに水溶性有機高
分子の水溶液を加えて撹拌し、均一な分散液と
し、濾過脱水し、乾燥してウイスカーシートを作
成した。このシートを金型に入れ、750℃に加熱
溶融した2017Al合金溶湯を注ぎ150Kg／cm²で加圧
成型して、マグネシアウイスカーの割合が５体積
％又は10体積％の金属複合材料をそれぞれ製造し
た。得られた材料について、引張強度を調べ、結
果を第１表に示した。また、比較のため、マグネ
シアウイスカーを含まないものについても引張り
強度を測定し、結果を第１表に併記した。 第１表より本発明によれば、極めて高強度の金
属複合材料が製造されることが明らかである。

【表】 ［発明の効果］ 以上詳述した通り、本発明の金属複合材料の製
造方法はマトリツクスに、ハロゲン化物とマグネ
シウム塩との混合溶融塩を水蒸気雰囲気で加熱し
て合成されたマグネシアウイスカーを充填するも
のである。 本発明で用いるマグネシアウイスカーは、アス
ペクト比が均一で大きく、均質性に優れ、良好な
形態を有するため、マトリツクス金属材料との相
性が著しく良好で、極めて優れた特性改善効果を
有する。しかも、本発明で用いるマグネシアウイ
スカーは比較的低温かつ短時間で容易に製造する
ことができる。 このため本発明の方法によれば、高強度、高弾
性率で各種特性に優れ、かつ、安価であるため、
部品の軽量化、低コスト化に有効な金属複合材料
が提供される。 このような本発明で製造される金属複合材料
は、エンジン、コンロツド、ピストン等の自動車
部品、航空機部品、電機、その他の各種産業機器
の構成材料として極めて有用である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ハロゲン化物及びマグネシウム塩を加熱して
   混合溶融塩を得、得られた混合溶融塩を水蒸気雰
   囲気で加熱してマグネシアウイスカーを析出成長
   させ、このマグネシアウイスカーを金属材料と複
   合化することを特徴とするマグネシアウイスカー
   で補強された金属複合材料の製造方法。 ２ マグネシアウイスカーの含有量がマトリツク
   ス100重量部に対して５〜40重量部であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のマグネ
   シアウイスカーで補強された金属複合材料の製造
   方法。 ３ マトリツクスがAl合金、Zn合金又はMg合金
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項に記載のマグネシアウイスカーで補強さ
   れた金属複合材料の製造方法。