JPH0587581B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、繊維強化金属複合材料に係り、更に
詳細には炭素繊維強化マグネシウム合金に係る。 従来技術 繊維強化金属複合材料の一つとして、高強度及
び高剛性を有する炭素繊維を強化繊維としアルミ
ニウム合金やマグネシウム合金の如き軽金属をマ
トリツクス金属とする炭素繊維強化金属複合材料
は既に知られている。炭素繊維を強化繊維としア
ルミニウムを含有する軽金属をマトリツクス金属
とする複合材料に於ては、炭素繊維とマトリツク
ス金属の溶湯との複合時に炭素繊維の表面とマト
リツクス金属中のアルミニウムとが炭化物生成反
応して炭素繊維が劣化することが知られており、
かかる炭素繊維の劣化は炭素繊維中でも黒鉛化度
の高い所謂高弾性系炭素繊維に於ては比較的軽微
であるものの、黒鉛化度の低い所謂高強度系炭素
繊維に於ては著しく、従つて高強度系炭素繊維は
殆ど実用に供せない程脆化しその強度が低下す
る。 かかる炭素繊維の劣化を抑制すべく、特公昭49
−18891号に記載されている如く、マトリツクス
金属としてのマグネシウム合金の溶湯中にアルミ
ニウムよりも炭化物形成傾向の強いチタニウムや
ジルコニウムなどの元素を比較的多量に添加する
ことにより、炭素繊維とアルミニウム合金の溶湯
とを複合化する際に炭素繊維の表面に炭化チタニ
ウムや炭化ジルコニウムの如き炭化物層を積極的
に生成させ、これにより炭素繊維とアルミニウム
合金のアルミニウムとが反応することを抑制する
方法が知られている。しかしこの方法に於ては、
依然として上記反応を十分には抑制することがで
きないだけでなく、脆い炭化物層の生成により炭
素繊維強化アルミニウム合金の強度が低下すると
いう問題がある。 また上述の如き炭素繊維の劣化を抑制すべく、
炭素繊維とアルミニウムを含有するマトリツクス
金属の溶湯との複合化に先だつて、炭素繊維の表
面に炭化チタニウムや炭化ジルコニウムなどの炭
化物を形成し、これにより炭素繊維とマトリツク
ス金属中に含まれるアルミニウムとが反応するこ
とを抑制する方法が従来より知られている。しか
しこの方法に於ては、炭素繊維とマトリツクス金
属の溶湯との複合化に先だつて炭素繊維の表面に
炭化物層を形成させるという特別の工程を要する
ため、炭素繊維強化金属複合材料の製造コストが
高くなるだけでなく、炭素繊維とマトリツクス金
属との密着性はほとんど向上しないため、複合材
料の強度を十分に向上させることができないとい
う問題がある。 本願発明者等は、炭素繊維を強化繊維としアル
ミニウムを含有する軽金属をマトリツクス金属と
する従来の方法により製造された炭素繊維強化金
属複合材料に於ける上述の如き問題に鑑み、炭素
繊維を強化繊維としマグネシウム合金をマトリツ
クス金属とする複合材料について種々の実験的研
究を行つた結果、マグネシウム合金中に結晶の微
細化等を目的に一般に添加されるアルミニウムや
ジルコニウムの量を所定量以下に抑制し、またマ
グネシウム合金に亜鉛を適当量添加することによ
り、炭素繊維の劣化が少なく従つて従来の炭素繊
維強化マグネシウム合金に比して強度が高く、し
かも低廉な炭素繊維強化マグネシウム合金を得る
ことができることを見出した。 発明の目的 本発明は、本願発明者等が行つた種々の実験的
研究の結果得られた知見に基き、炭素繊維の劣化
が少なく、従つて従来の炭素繊維強化マグネシウ
ム合金に比して強度が高くしかも低廉な炭素繊維
強化マグネシウム合金を提供することを目的とし
ている。 発明の構成 上述の如き目的は、本発明によれば、炭素繊維
を強化繊維とし、２〜8wt％のZn、不純物成分と
して許容される0.2wt％以下のZr、不純物成分と
して許容される1wt％以下のAl、残部実質的に
Mgなる組成を有するマグネシウム合金をマトリ
ツクス金属とする炭素繊維強化マグネシウム合金
によつて達成される。 発明の作用及び効果 本願発明者等が行つた実験的研究の結果によれ
ば、後に実施例として詳細に説明する如く、炭素
繊維強化マグネシウム合金の強度はマトリツクス
金属としてのマグネシウム合金中に含まれる亜鉛
の量が2wt％以上になると比較的高くなり、亜鉛
含有量が8wt％を越えると逆に低下し、またマグ
ネシウム合金の鋳造性が悪化する。特に亜鉛含有
量が３〜7.5wt％、更には4.5〜7wt％である場合
に炭素繊維強化マグネシウム合金の強度が非常に
高くなる。 またマグネシウム合金に不純物成分として含ま
れるジルコニウムの量が0.2wt％以下の場合には
ジルコニウム含有量の差異による炭素繊維強化マ
グネシウム合金の強度の差異は微小であるが、ジ
ルコニウム含有量が0.2wt％を越えるとジルコニ
ウム含有量の増大につれて炭素繊維強化マグネシ
ウム合金の強度が著しく低下する。同様にマグネ
シウム合金に不純物成分として含まれるアルミニ
ウムの量が1wt％を越えるとアルミニウム含有量
の増大につれて炭素繊維強化マグネシウム合金の
強度が著しく低下する。 従つて本発明に於けるマグネシウム合金の亜鉛
含有量は２〜8wt％、好ましくは３〜7.5wt％、
更に好ましくは4.5〜7wt％とされ、不純物成分と
して許容されるジルコニウム及びアルミニウムの
量はそれぞれ0.2wt％以下、1wt％以下とされる。 かくして、マトリツクス金属としてのマグネシ
ウム合金中に含まれる亜鉛、ジルコニウム、アル
ミニウムの含有量が規定されることにより、炭素
繊維の劣化が少なく高強度であり、しかも比較的
高価なジルコニウム等が多量に使用される前述の
従来の方法により得られる炭素繊維強化マグネシ
ウム合金に比して低廉な炭素繊維強化マグネシウ
ム合金を得ることができる。 マグネシウム合金中に上述の如き所定量の亜鉛
を含有させることにより炭素繊維強化マグネシウ
ム合金の強度を向上させることができるのは、
亜鉛の添加によりマグネシウム合金の融点が低下
し又流動性が向上することによつて鋳造性が向上
し、これにより高圧鋳造法の如き加圧鋳造法にて
炭素繊維強化マグネシウム合金を製造する場合
に、マトリツクス金属の溶湯が炭素繊維の集合体
中に良好に浸透する、炭素繊維の表面にマグネ
シウムと亜鉛の晶出物が形成されることにより炭
素繊維とマトリツクス金属との間の適合性が改善
され、これにより炭素繊維強化マグネシウム合金
の延性が向上する、マトリツクス金属自体の強
度が改善されるなどの理由によるものと推定され
る。 また本発明によれば、マトリツクス金属の溶湯
の鋳造性が改善されることにより、加圧鋳造法に
よる炭素繊維強化マグネシウム合金の製造能率が
改善され、また亜鉛の添加により僅かではあるが
マトリツクス金属の耐食性も改善される。 尚本明細書に於て、亜鉛、ジルコニウム、アル
ミニウムの含有量の範囲を示す「〜」、「以上」、
及び「以下」の表示に於てはその下限値及び上限
値がその範囲に含まれているものとする。また本
発明による炭素繊維強化マグネシウム合金に於て
は、マグネシウム合金に一般に含まれているZr、
Al以外の不純物、即ちFe、Si、Mnの如き不純物
が総量で0.5wt％以下にてマトリツクス合金中に
含まれていてもより。 実施例 以下添付の図を参照しつつ、本発明を実施例に
ついて詳細に説明する。 炭素繊維を強化繊維としマグネシウム合金をマ
トリツクス金属とする炭素繊維強化マグネシウム
合金に於て亜鉛、ジルコニウム、アルミニウムの
含有量が如何なる範囲であることが妥当であるか
の検討を行うべく、マグネシウム合金中の亜鉛、
ジルコニウム、アルミニウムの含有量を種々の値
に設定して炭素繊維強化マグネシウム合金を製造
し、それぞれについて曲げ試験を行つた。 まず純度99.9wt％のマグネシウムに亜鉛、ジル
コニウム、アルミニウムを種々の量にて添加する
ことにより、下記の表１に示す18種類のマグネシ
ウム合金を形成し、各合金を700℃にて溶解し、
窒素ガスにて脱ガス後、フラツクス（ダウケミカ
ル株式会社製＃310）を用いて精錬した。尚表１
に於て、「不純物総量」とはAl及びZr以外のFe、
Si、Mn等の不純物の総量であり、残部はMgで
あり、単位はwt％である。

【表】

【表】 次いで第４図に示されている如く、繊維径7μ、
長さ100mmの炭素繊維１（東レ株式会社製「トレ
カ」（登録商標）T300、１ストランド＝6000本）
を一方向に揃え縦８mm、横18mm、長さ100mmの形
後に成形し、これを縦、横、長さがそれぞれ10
mm、20mm、120mm、板厚１mmのステンレス鋼（JIS
規格SUS304）製のケース２内に収め、炭素繊維
１をケース２ごと700℃に予熱した。 次いで第５図に示されている如く、炭素繊維１
をケース２ごと200℃に維持された鋳型３のモー
ルドキヤビテイ４内に配置し、該モールドキヤビ
テイ４内に700℃のマグネシウム合金の溶湯５を
素早く注湯し、溶湯５を200℃に維持されたプラ
ンジヤ６により1500Kg／cm²の圧力に加圧した。そ
してその加圧状態をマグネシウム合金の溶湯５が
完全に凝固するまで保持した。溶湯５が完全に凝
固した後、その凝固体をノツクアウトピン７によ
り鋳型３より取出し、ケース２の周りにあるマグ
ネシウム合金を切削により除去してケース２を取
出し、更にケースより炭素繊維１とマグネシウム
合金とよりなる炭素繊維強化マグネシウム合金を
取出した。 以上の如く製作された各炭素繊維強化マグネシ
ウム合金より、炭素繊維の配向方向に沿つて長さ
100mm、厚さ２mm、幅10mmの曲げ試験片を切出し、
それぞれの曲げ試験片について支点間距離80mmに
て繊維配向0゜の方向の三点曲げ試験を行つた。尚
この曲げ試験に於ては、破断時に於ける表面応力
Ｍ／Ｚ（Ｍ＝破断時に於ける曲げモーメント、Ｚ
＝曲げ試験片の断面係数）を炭素繊維強化マグネ
シウム合金の曲げ強さとして測定した。この曲げ
試験の結果を第１図乃至第３図に示す。尚これら
の図に於て第１図乃至第３図はそれぞれ炭素繊維
強化マグネシウム合金の曲げ強さに与える亜鉛、
ジルコニウム、アルミニウム含有量の影響を示し
ており、各図に於ける番号はそれぞれ上掲の表１
の合金番号に対応している。 第１図より、炭素繊維強化マグネシウム合金の
曲げ強さは亜鉛含有量が２〜8wt％の場合に、特
に３〜7.5wt％、更には4.5〜7wt％の場合に高く
なり、亜鉛含有量が約6wt％の場合に最高の強度
となることがわかる。また第２図より、炭素繊維
強化マグネシウム合金の曲げ強さはジルコニウム
含有量が0.2wt％を越えると急激に低下すること
がわかる。従つてジルコニウム含有量は0.2wt％
以下、特に0.18wt％以下に抑えられることが好ま
しいことがわかる。更に第３図より、炭素繊維強
化マグネシウム合金の曲げ強さはアルミニウム含
有量が1wt％を越えると急激に低下することがわ
かる。従つてアルミニウム含有量は1wt％以下、
特に0.6wt％以下に抑えられることが好ましいこ
とがわかる。 また上述の如く製造された本発明による炭素繊
維強化マグネシウム合金についてEPMA及び
ESCAにて分析を行つたところ、炭素繊維の表面
に炭化物が発生することによる炭素繊維の劣化は
殆ど発生しておらず、炭素繊維の表面には炭素繊
維とマグネシウム合金との間の応力伝達を良好に
するマグネシウムと亜鉛との晶出物が発生してお
り、この晶出物は炭素繊維強化マグネシウム合金
の延性を向上させる作用をなすものと推測され
る。また上述の如く製造された本発明による炭素
繊維強化マグネシウム合金について繊維配向90゜
方向の曲げ強さ及び繊維配向0゜の引張り強さを測
定した所、これらの炭素繊維強化マグネシウム合
金はいずれも前述の如き従来の方法により製造さ
れた炭素繊維強化マグネシウム合金よりも高い曲
げ強さ及び引張り強さを有することが確認され
た。 以上に於ては本発明を本願発明者らが行つた実
験的研究との関連に於て特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて種々の実
施例が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図はそれぞれ亜鉛、ジルコニウ
ム、アルミニウムの含有量を種々の値に設定して
製造された炭素繊維強化マグネシウム合金につい
て繊維配向0゜方向の曲げ強さを示すグラフ、第４
図及び第５図は本発明による炭素繊維強化マグネ
シウム合金の高圧鋳造法による製造工程を示す解
図である。 １…炭素繊維、２…ケース、３…鋳型、４…モ
ールドキヤビテイ、５…マグネシウム合金の溶
湯、６…プランジヤ、７…ノツクアウトピン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭素繊維を強化繊維とし、２〜8wt％のZn、
   不純物成分として許容される0.2wt％以下のZr、
   不純物成分として許容される1wt％以下のAl、残
   部実質的にMgなる組成を有するマグネシウム合
   金をマトリツクス金属とする炭素繊維強化マグネ
   シウム合金。 ２ 特許請求の範囲第１項の炭素繊維強化マグネ
   シウム合金に於て、前記マグネシウム合金のZn
   含有量は4.5〜7wt％であることを特徴とする炭素
   繊維強化マグネシウム合金。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項の炭素繊維
   強化マグネシウム合金に於て、前記炭素繊維は高
   強度系炭素繊維であることを特徴とする炭素繊維
   強化マグネシウム合金。