JPH0672029B2 - 繊維強化金属 - Google Patents
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- JPH0672029B2 JPH0672029B2 JP1327777A JP32777789A JPH0672029B2 JP H0672029 B2 JPH0672029 B2 JP H0672029B2 JP 1327777 A JP1327777 A JP 1327777A JP 32777789 A JP32777789 A JP 32777789A JP H0672029 B2 JPH0672029 B2 JP H0672029B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガラス繊維強化金属に関する。
［従来技術］ 繊維強化金属（FRM）は金属に繊維を複合させることに
より金属単独では達成できない物性を実現する。かかる
FRMとしては従来アルミニウム合金を炭素繊維、セラミ
ック繊維〔SiC、Si-Ti-C-O（チラノ繊維）、アルミナ、
ボロン〕、ガラス繊維等により強化したものが代表的で
あり、金属マトリックスに高い引張強度や剛性および低
い熱膨張係数を与える。
より金属単独では達成できない物性を実現する。かかる
FRMとしては従来アルミニウム合金を炭素繊維、セラミ
ック繊維〔SiC、Si-Ti-C-O（チラノ繊維）、アルミナ、
ボロン〕、ガラス繊維等により強化したものが代表的で
あり、金属マトリックスに高い引張強度や剛性および低
い熱膨張係数を与える。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のFRMでは例えば強化繊維として炭
素繊維を用いた場合、アルミニウム溶湯と強化繊維とが
反応して炭化アルミニウムAl4C3を形成しFRMの強度が充
分向上しない。また、セラミック繊維のうちSiC、Si−T
i−Ｃ−Ｏ（チラノ）繊維を用いた場合は、アルミニウ
ムとの濡れ性が悪く充分な強度のFRMが得られない。さ
らにアルミナ繊維のうちAl2O3にSiO2を含むものはアル
ミ溶湯と反応し、一方SiO2を含まないアルミナ繊維で
は、反応性がなく濡れ性もよいが強度が低い（1.38GP
a）。さらに、ボロン繊維は繊維径が大きく複雑な形状
にできないためFRM用の強化繊維として充分な機能を果
たすことができないなどの問題点を有する。さらにこれ
らセラミック繊維はきわめて高価であるというコスト面
の問題も大きい。また、高強度の有機繊維であるケブラ
ーは耐熱性が低く、さらに一般のガラス繊維は合金溶湯
と反応性を有し弾性率、強度も低い。
素繊維を用いた場合、アルミニウム溶湯と強化繊維とが
反応して炭化アルミニウムAl4C3を形成しFRMの強度が充
分向上しない。また、セラミック繊維のうちSiC、Si−T
i−Ｃ−Ｏ（チラノ）繊維を用いた場合は、アルミニウ
ムとの濡れ性が悪く充分な強度のFRMが得られない。さ
らにアルミナ繊維のうちAl2O3にSiO2を含むものはアル
ミ溶湯と反応し、一方SiO2を含まないアルミナ繊維で
は、反応性がなく濡れ性もよいが強度が低い（1.38GP
a）。さらに、ボロン繊維は繊維径が大きく複雑な形状
にできないためFRM用の強化繊維として充分な機能を果
たすことができないなどの問題点を有する。さらにこれ
らセラミック繊維はきわめて高価であるというコスト面
の問題も大きい。また、高強度の有機繊維であるケブラ
ーは耐熱性が低く、さらに一般のガラス繊維は合金溶湯
と反応性を有し弾性率、強度も低い。
このように、従来の強化繊維と金属との組み合わせによ
るFRMは、強化繊維とマトリックス金属の溶湯とが界面
で反応したり、あるいは金属溶湯に対する繊維の濡れ性
が悪いなどの問題点を有する。すなわち、FRMの製造
時、金属マトリックスと強化繊維とが界面で反応すると
得られたFRMの強度が低下する。また、マトリックスと
強化繊維との濡れ性が悪いと両者の接着が充分でなく、
そのままでは得られたFRMは強度、弾性率とも複合則が
成り立たず、充分な物性は得られない。
るFRMは、強化繊維とマトリックス金属の溶湯とが界面
で反応したり、あるいは金属溶湯に対する繊維の濡れ性
が悪いなどの問題点を有する。すなわち、FRMの製造
時、金属マトリックスと強化繊維とが界面で反応すると
得られたFRMの強度が低下する。また、マトリックスと
強化繊維との濡れ性が悪いと両者の接着が充分でなく、
そのままでは得られたFRMは強度、弾性率とも複合則が
成り立たず、充分な物性は得られない。
このため、従来FRMを製造するには、強化繊維の表面に
ニッケルなどの金属をメッキしたり、あるいはSiCなど
の無機化合物をプラズマコーティングするなどの方法に
より表面処理を行った後、マトリックス金属を含浸する
方法が用いられている。しかしながら、かかる方法は多
大の費用を要し、工程も繁雑となる。
ニッケルなどの金属をメッキしたり、あるいはSiCなど
の無機化合物をプラズマコーティングするなどの方法に
より表面処理を行った後、マトリックス金属を含浸する
方法が用いられている。しかしながら、かかる方法は多
大の費用を要し、工程も繁雑となる。
本発明者らは、前記問題点に鑑み高弾性繊維であるオキ
シナイトライドガラスをFRMの強化繊維として用いるこ
とを検討したところ、所定以上の窒素を含有するオキシ
ナイトライドガラス繊維はメッキなどの前処理を施さな
くても溶湯との反応がなく、しかも濡れ性が良好であ
り、得られたFRMに複合則がほぼ成立することを見いだ
し本発明を完成した。
シナイトライドガラスをFRMの強化繊維として用いるこ
とを検討したところ、所定以上の窒素を含有するオキシ
ナイトライドガラス繊維はメッキなどの前処理を施さな
くても溶湯との反応がなく、しかも濡れ性が良好であ
り、得られたFRMに複合則がほぼ成立することを見いだ
し本発明を完成した。
［課題を解決するための手段］ 本発明は、窒素含有量８原子％以上のガラス繊維、およ
び該ガラス繊維に含浸されたマトリックス金属からなる
ことを特徴とする繊維強化金属を提供するものである。
び該ガラス繊維に含浸されたマトリックス金属からなる
ことを特徴とする繊維強化金属を提供するものである。
本発明では強化用繊維として窒素含有量８原子％以上の
オキシナイトラドガラス繊維を用いる。特に窒素含有量
が12原子％以上の場合は金属に対するガラス繊維の濡れ
性が良好で、FRMの強度が高い。また原料であるSi3N4は
比較的高価であり、さらに窒素含有量が多いと紡糸性が
低下するので、かかる観点から窒素含有量８原子％以上
のガラス繊維を用いる。
オキシナイトラドガラス繊維を用いる。特に窒素含有量
が12原子％以上の場合は金属に対するガラス繊維の濡れ
性が良好で、FRMの強度が高い。また原料であるSi3N4は
比較的高価であり、さらに窒素含有量が多いと紡糸性が
低下するので、かかる観点から窒素含有量８原子％以上
のガラス繊維を用いる。
本発明FRMに用いられるガラス繊維は、特にSi-M1-M2-O-
N系を有するオキシナイトライドガラス繊維であって、S
iO2、Si3N4およびM1Oをモル％にて下式： 65≦（SiO2＋3Si3N4＋M1O）×100/（100＋2Si3N4）＜10
0 ……（ａ） 0.7≦（SiO2＋3Si3N4）／M1O≦2.3 ……（ｂ） ［式中、M1はCaまたはCa＋Mgであり、M2はAl、Sr、La、
Ba、Ｙ、Ti、Zr、Ce、Na、Ｋ、Sb、Ｂ、Cr、Pb、Ｖおよ
びSnからなる群より選ばれた１種または２種以上の金属
を意味する。］ を満足する量含有するのが好ましい。
N系を有するオキシナイトライドガラス繊維であって、S
iO2、Si3N4およびM1Oをモル％にて下式： 65≦（SiO2＋3Si3N4＋M1O）×100/（100＋2Si3N4）＜10
0 ……（ａ） 0.7≦（SiO2＋3Si3N4）／M1O≦2.3 ……（ｂ） ［式中、M1はCaまたはCa＋Mgであり、M2はAl、Sr、La、
Ba、Ｙ、Ti、Zr、Ce、Na、Ｋ、Sb、Ｂ、Cr、Pb、Ｖおよ
びSnからなる群より選ばれた１種または２種以上の金属
を意味する。］ を満足する量含有するのが好ましい。
したがって、本発明で用いられるオキシナイトライドガ
ラスは、Si-Ca-M2-O-NまたはSi-Ca-Mg-M2-O-Nガラス系
を有する。金属M2は単独で、また２種以上を組み合わせ
て使用してもよい。
ラスは、Si-Ca-M2-O-NまたはSi-Ca-Mg-M2-O-Nガラス系
を有する。金属M2は単独で、また２種以上を組み合わせ
て使用してもよい。
また、該ガラスはSiO2０〜40モル％、CaO26〜70モル
％、MgO0〜20モル％およびM222原子％以下を含むのが好
ましい。
％、MgO0〜20モル％およびM222原子％以下を含むのが好
ましい。
したがって、本発明にて用いられる強化繊維のオキシナ
イトライドガラスの好ましい組成は、モル％にて次の式
を満たす。
イトライドガラスの好ましい組成は、モル％にて次の式
を満たす。
（SiO2＋3Si3N4＋CaO＋MgO）×100/（100＋2Si3N4）＝6
5〜100 ……（ａ）′ （SiO2＋3Si3N4）／（CaO＋MgO）＝0/7〜2.3 ……
（ｂ）′ 式中、CaOは添加したCaO、あるいはCaOに変換されうる
化合物のモル％、またMgOは添加したMgO、あるいはMgO
に変換されうる化合物のモル％である。
5〜100 ……（ａ）′ （SiO2＋3Si3N4）／（CaO＋MgO）＝0/7〜2.3 ……
（ｂ）′ 式中、CaOは添加したCaO、あるいはCaOに変換されうる
化合物のモル％、またMgOは添加したMgO、あるいはMgO
に変換されうる化合物のモル％である。
かかるガラス繊維の繊維径は３〜50μｍ、また連続繊維
であっても0.5〜100mmの短繊維であってもよい。
であっても0.5〜100mmの短繊維であってもよい。
また、マトリックス金属としては、アルミニウム、チタ
ン、マグネシウム、ニッケル、銅およびこれら各金属の
合金などが用いられる。
ン、マグネシウム、ニッケル、銅およびこれら各金属の
合金などが用いられる。
マトリックス金属を強化繊維に含浸させるには種々の方
法を用いることができるが、オキシナイトライドガラス
繊維を金型に入れ、これにマトリックスとなる金属の溶
湯を注ぎ込み、ついで加圧した後、凝固させるのがよ
い。具体的には、例えば強化繊維を500〜600℃に加熱し
た金型中に入れ、800℃程度に加熱熔融したアルミニウ
ム合金などを流し入れて１〜数百MPa程度で加圧し、冷
却凝固させFRMを得る。かかる方法によれば、約900℃の
高温まで空気中で製造が可能である。
法を用いることができるが、オキシナイトライドガラス
繊維を金型に入れ、これにマトリックスとなる金属の溶
湯を注ぎ込み、ついで加圧した後、凝固させるのがよ
い。具体的には、例えば強化繊維を500〜600℃に加熱し
た金型中に入れ、800℃程度に加熱熔融したアルミニウ
ム合金などを流し入れて１〜数百MPa程度で加圧し、冷
却凝固させFRMを得る。かかる方法によれば、約900℃の
高温まで空気中で製造が可能である。
なお、本発明のFRMを製造するには、前記鋳造法のほか
公知のFRM製造法、例えば粉末冶金法、コンポジットワ
イヤー法、プラズマスプレー法、溶射法、蒸着法、ダイ
キャスト法、ホットプレス法などがいずれも採用しえ、
適宜の形状のFRMを製造することができる。
公知のFRM製造法、例えば粉末冶金法、コンポジットワ
イヤー法、プラズマスプレー法、溶射法、蒸着法、ダイ
キャスト法、ホットプレス法などがいずれも採用しえ、
適宜の形状のFRMを製造することができる。
［作用］ 本発明では強化繊維とマトリックス金属とが反応せず、
また強化繊維がマトリックス金属に均一に濡れる。
また強化繊維がマトリックス金属に均一に濡れる。
［実施例］ つぎに実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
実施例中、％はモル％を意味する。
実施例中、％はモル％を意味する。
実施例１ （強化繊維の製造） ガラスの原料粉末〔SiO2:8.6％、Si3N4:19.4％、CaO:5
9.8％、MgO:6.9％、Al3O3:5.2％；窒素含有量23.4原子
％、式（ａ）＝96.2、式（ｂ）＝1.00〕を混合してモリ
ブデン製ルツボに入れ、グラファイト製ヒータにて加熱
しルツボ下部よりガラス繊維を引き出して紡糸した。紡
糸は、1780℃で１時間ガラスを熔融後、1570℃に保持
し、ルツボの底に設けたノズルからガラスを落下させ繊
維化し、巻き取り速度約1000m/分にてワインダーに巻き
取った。得られた繊維は、引張り弾性率205GPa、引張り
強度:3.62GPa、繊維径:12μｍ、密度:2.89g/cm3であっ
た。
9.8％、MgO:6.9％、Al3O3:5.2％；窒素含有量23.4原子
％、式（ａ）＝96.2、式（ｂ）＝1.00〕を混合してモリ
ブデン製ルツボに入れ、グラファイト製ヒータにて加熱
しルツボ下部よりガラス繊維を引き出して紡糸した。紡
糸は、1780℃で１時間ガラスを熔融後、1570℃に保持
し、ルツボの底に設けたノズルからガラスを落下させ繊
維化し、巻き取り速度約1000m/分にてワインダーに巻き
取った。得られた繊維は、引張り弾性率205GPa、引張り
強度:3.62GPa、繊維径:12μｍ、密度:2.89g/cm3であっ
た。
（FRMの製造） 金型（5mm×5mm×20mm）を550℃に保持し、これに一方
向に引きそろえた前記ガラス繊維束0.72gを入れ、10分
間保持した。これに800℃にて溶解したアルミ合金6061
（Al−Mg−Si系のモデル材料）の溶湯を注ぎ23MPaにて
加圧し、加圧したまま冷却して凝固させた。第１図は得
られたFRMの断面の組織の顕微鏡写真であり、繊維と金
属との界面は明瞭で反応は認められず、また繊維間には
金属が均一に侵入しており濡れ性は良好である。さら
に、EPMAでの測定結果でも元素の移動はなく、繊維とマ
トリックスの反応は見られず、繊維にはダメージは見ら
れなかった。
向に引きそろえた前記ガラス繊維束0.72gを入れ、10分
間保持した。これに800℃にて溶解したアルミ合金6061
（Al−Mg−Si系のモデル材料）の溶湯を注ぎ23MPaにて
加圧し、加圧したまま冷却して凝固させた。第１図は得
られたFRMの断面の組織の顕微鏡写真であり、繊維と金
属との界面は明瞭で反応は認められず、また繊維間には
金属が均一に侵入しており濡れ性は良好である。さら
に、EPMAでの測定結果でも元素の移動はなく、繊維とマ
トリックスの反応は見られず、繊維にはダメージは見ら
れなかった。
得られたFRMはオキシナイトライドガラス繊維を50体積
％含有し、その曲げ弾性率は137GPa、曲げ強さは1.76GP
aであった。なお、マトリックス金属であるアルミニウ
ム合金6061自身の引張り弾性率は68.6GPa、引張り強度
は309MPaである。
％含有し、その曲げ弾性率は137GPa、曲げ強さは1.76GP
aであった。なお、マトリックス金属であるアルミニウ
ム合金6061自身の引張り弾性率は68.6GPa、引張り強度
は309MPaである。
実施例２ ガラス原料としてSiO230.5％、Si3N49.5％、CaO49.4
％、MgO6.0％、Al2O34.6％〔窒素含有量12.6原子％、式
（ａ）＝96.1、式（ｂ）＝1.06〕を用い実施例１と同様
にしてガラス繊維を製造した。ただし、溶融温度1700
℃、紡糸温度1510℃とした。得られたガラス繊維は、引
張弾性率113GPa、引張強度3.43GPa、繊維径12μｍ、密
度2.85g/cm3であった。
％、MgO6.0％、Al2O34.6％〔窒素含有量12.6原子％、式
（ａ）＝96.1、式（ｂ）＝1.06〕を用い実施例１と同様
にしてガラス繊維を製造した。ただし、溶融温度1700
℃、紡糸温度1510℃とした。得られたガラス繊維は、引
張弾性率113GPa、引張強度3.43GPa、繊維径12μｍ、密
度2.85g/cm3であった。
この繊維0.71gを用い、実施例１と同様にしてFRMを製造
した。得られたFRMの断面の組織の顕微鏡写真を第２図
に示す。第１図と同様繊維とAl合金との界面には反応層
が認められず、また繊維間に金属が均一に侵入しており
濡れ性も良好である。なお、FRM中強化繊維の含有量は5
0体積％である。得られたFRMは、曲げ弾性率88.2GPa、
曲げ強度1.67GPaであり、複合則が成立していた。
した。得られたFRMの断面の組織の顕微鏡写真を第２図
に示す。第１図と同様繊維とAl合金との界面には反応層
が認められず、また繊維間に金属が均一に侵入しており
濡れ性も良好である。なお、FRM中強化繊維の含有量は5
0体積％である。得られたFRMは、曲げ弾性率88.2GPa、
曲げ強度1.67GPaであり、複合則が成立していた。
比較例１ ガラス原料としてSiO239.3％、Si3N44.0％、CaO46.％、
MgO5.0％、Al2O35.0％〔窒素含有量5.6原子％、式
（ａ）＝95.4、式（ｂ）＝0.99〕を用い実施例１と同様
にしてガラス繊維を製造した。ただし、溶融温度1600
℃、紡糸温度1430℃とした。得られたガラス繊維の物性
は、引張弾性率100GPa、引張強度3.43GPa、繊維径12μ
ｍ、密度2.82g/cm3であった。
MgO5.0％、Al2O35.0％〔窒素含有量5.6原子％、式
（ａ）＝95.4、式（ｂ）＝0.99〕を用い実施例１と同様
にしてガラス繊維を製造した。ただし、溶融温度1600
℃、紡糸温度1430℃とした。得られたガラス繊維の物性
は、引張弾性率100GPa、引張強度3.43GPa、繊維径12μ
ｍ、密度2.82g/cm3であった。
この繊維0.70gを用い、実施例１と同様にしてFRMを製造
した。なお、FRM中強化繊維の含有量は50体積％であ
り、得られたFRMは、曲げ弾性率66.6GPa、曲げ強度392M
Paで、アルミニウム合金はほとんど強化されなかった。
した。なお、FRM中強化繊維の含有量は50体積％であ
り、得られたFRMは、曲げ弾性率66.6GPa、曲げ強度392M
Paで、アルミニウム合金はほとんど強化されなかった。
実施例３ （強化繊維の製造） ガラスの原料粉末〔SiO2:35.29％、Si3N4:10.38％、Ca
O:36.23％、MgO:6.04％、Al2O3:12.08％；窒素含有量8.
1原子％ 式（ａ）＝90、式（ｂ）＝0.83〕を混合し
て、モリブデン製ルツボに入れグラファイト製ヒーター
にて加熱し、ルツボ下部よりガラス繊維を引き出し紡糸
した。紡糸は1670℃で２時間ガラスを溶融後、1500℃に
保持し、ルツボの底に設けたノズルからガラスを落下さ
せ繊維化し、巻とり速度約1000m/分でワインダーに巻き
取った。得られた繊維は、引っ張り弾性率103GPa、引張
強度:3.43GPa、繊維径12μｍであった。
O:36.23％、MgO:6.04％、Al2O3:12.08％；窒素含有量8.
1原子％ 式（ａ）＝90、式（ｂ）＝0.83〕を混合し
て、モリブデン製ルツボに入れグラファイト製ヒーター
にて加熱し、ルツボ下部よりガラス繊維を引き出し紡糸
した。紡糸は1670℃で２時間ガラスを溶融後、1500℃に
保持し、ルツボの底に設けたノズルからガラスを落下さ
せ繊維化し、巻とり速度約1000m/分でワインダーに巻き
取った。得られた繊維は、引っ張り弾性率103GPa、引張
強度:3.43GPa、繊維径12μｍであった。
（FRMの製造） ニッケルメッシュの枠（35mm×20mm×5mm）で一方向に
引きそろえた前記ガラス繊維（約5g）を包み、この枠ご
と金型に入れ500℃で10分間保持した。これに800℃で溶
解した1000系アルミニウムの溶湯を注ぎ6.86GPaで加圧
し、加圧したまま冷却して凝固させた。
引きそろえた前記ガラス繊維（約5g）を包み、この枠ご
と金型に入れ500℃で10分間保持した。これに800℃で溶
解した1000系アルミニウムの溶湯を注ぎ6.86GPaで加圧
し、加圧したまま冷却して凝固させた。
第３図は得られたFRM断面の組織の顕微鏡写真であり、
繊維と金属との界面は明瞭で反応は認められず、また繊
維間には金属が均一に侵入しており濡れ性は良好であ
る。
繊維と金属との界面は明瞭で反応は認められず、また繊
維間には金属が均一に侵入しており濡れ性は良好であ
る。
得られたFRMはオキシナイトライドガラス繊維を30体積
％含有し、その曲げ弾性率は63.7GPa、曲げ強さは833MP
aであった。なお、マトリックス金属であるアルミニウ
ム（1000系）の曲げ弾性率は49GPa、曲げ強度49MPaであ
った。
％含有し、その曲げ弾性率は63.7GPa、曲げ強さは833MP
aであった。なお、マトリックス金属であるアルミニウ
ム（1000系）の曲げ弾性率は49GPa、曲げ強度49MPaであ
った。
これら実施例および比較例の結果を下記の第１表にまと
める。
める。
［発明の効果］ 本発明のFRMは、強化繊維に表面処理などの特別な前処
理を施すことなく高い引張り強度、弾性率が得られる。
理を施すことなく高い引張り強度、弾性率が得られる。
【図面の簡単な説明】 第１図、第２図および第３図は、FRM断面の繊維の形状
を示す顕微鏡写真（1000倍）である。
を示す顕微鏡写真（1000倍）である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長船 晴夫 京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会社島津製作所三条工場内 (72)発明者 金丸 訓明 京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会社島津製作所三条工場内 (56)参考文献 特開 平１−103928（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−103926（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−65045（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−215451（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】窒素含有量８原子％以上のガラス繊維、並
びに該ガラス繊維に含浸された、アルミニウム、チタ
ン、マグネシウム、ニッケル、銅およびこれら金属の合
金から選ばれたマトリックス金属からなる繊維強化金
属。
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