JPH08109423A - 繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法 - Google Patents

繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法

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JPH08109423A
JPH08109423A JP24554694A JP24554694A JPH08109423A JP H08109423 A JPH08109423 A JP H08109423A JP 24554694 A JP24554694 A JP 24554694A JP 24554694 A JP24554694 A JP 24554694A JP H08109423 A JPH08109423 A JP H08109423A
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淳司 二宮
Masanori Ozaki
正則 尾崎
Kazuhiro Takashiba
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 粗大な柱状結晶組織の生じることのない、組
織および特性の均質な繊維強化アルミニウム複合材料を
提供することを目的とする。 【構成】 金型内の所定箇所に繊維成形体を設置し、加
圧鋳造法により金属溶湯を繊維成形体に充填する繊維強
化複合材料の製造方法において、セラミック繊維、セラ
ミックウィスカーのうち1種または2種以上からなる強
化繊維成形体を成形し、少なくともZnを5.0wt%
以上、Mgを2.0wt%以上含むAl−Zn−Cu−
Mg系合金にTiまたはZrを添加し、Ti量を0.0
5wt%以上0.8wt%以下、または、Zr量を0.
04wt%以上0.7wt%以下とした溶湯を該成形体
中に含浸させ、前記溶湯を凝固させることを特徴とする
繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミック繊維、セラ
ミックウィスカーからなる強化繊維成形体にアルミニウ
ム合金溶湯を含浸充填させる繊維強化アルミニウム複合
材料の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】繊維強化複合材料は、製品の強度特性を
向上させる目的でセラミック繊維やセラミックウィスカ
ー(SiC、Si3 N4、Al2O3、K2O・6Ti
O2等)により構成された強化繊維成形体にアルミニウ
ムおよびアルミニウム合金等のマトリックス金属を複合
する研究開発が行われている。この種の複合材料の製造
方法としては、強化繊維成形体を製品形状にし、これを
金型内に配置してからマトリックス金属を成形体に含浸
させる加圧鋳造法、マトリックス金属粉末と強化繊維を
混合し、加圧焼結する粉末冶金法、溶融したマトリック
ス金属に強化繊維を添加して攪拌混合して分散させるコ
ンポキャスティング法等がある。
【0003】これらの内、加圧鋳造法は簡易な製造方法
であり、これが主に使われている。しかし、高強度材料
を得るためにJIS7075合金等の高力系合金を使用
する場合、加圧鋳造法では粉末冶金法やコンポキャステ
ィング法のように比較的均一な組織や強度特性を得るこ
とができず、組織制御が困難であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、加圧鋳造法
の品質上最も重要なことは、強化繊維成形体内に溶湯を
十分に含浸させることであるが、これを達成するために
金型の温度を上昇させ、溶湯含浸時に溶湯温度を保持す
ることにより、良好な溶湯含浸性を得ていた。しかし、
組織の微細化成分であるTiやZr等は大部分が繊維成
形体内に含浸されずAl残部に留まってしまうので、複
合鋳塊内の微細化成分濃度が抑えられ、微細化効果を低
下させてしまい、凝固時には複合鋳塊の組織は粗大な柱
状結晶組織となってしまうという問題を生じていた。こ
の粗大な柱状結晶組織は、柱状晶部の結晶粒界で高力ア
ルミニウム合金の強化成分であるMg等の各種元素の偏
析をおこしてしまい、組織および特性の不均一なものと
なっていた。
【0005】なお、繊維強化アルミニウム複合材料鋳塊
は図4に示すように、繊維強化成形体(繊維部)にアル
ミニウム合金(マトリックス部)が充填されている複合
部と、繊維強化成形体内に含浸しきれず、アルミニウム
合金のみが該成形体上に残留したAl残部とから構成さ
れており、さらに複合部は中央部に粗大な結晶粒が集ま
っている等軸晶部と、等軸晶部を中心に鋳塊外方向に向
かって柱状に結晶粒が並んでいる柱状晶部とから構成さ
れている。
【0006】
【問題を解決するための手段】本発明は、このような状
況に対して鋭意研究を行った結果、得られたものであ
り、その目的とするところは、組織および特性の均質な
繊維強化アルミニウム複合材料を提供することにある。
【0007】即ち、本願請求項1の発明は、金型内の所
定箇所に繊維成形体を設置し、加圧鋳造法により金属溶
湯を繊維成形体に充填する繊維強化複合材料の製造方法
において、セラミック繊維、セラミックウィスカーのう
ち1種または2種以上からなる強化繊維成形体を成形
し、少なくともZnを5.0wt%以上、Mgを2.0
wt%以上含むAl−Zn−Cu−Mg系合金にTiま
たはZrを添加し、Ti量を0.05wt%以上0.8
wt%以下、または、Zr量を0.04wt%以上0.
7wt%以下とした溶湯を該成形体中に含浸させ、前記
溶湯を凝固させることを特徴とする繊維強化アルミニウ
ム複合材料の製造方法である。
【0008】
【作用】本発明における溶湯はTi含有量が0.05w
t%以上0.8wt%以下であり、またはZr含有量が
0.04wt%以上0.7wt%以下であるので、組織
が微細化されて均質となり、したがって、強度特性が均
質となる。しかして、Ti含有量が0.05wt%未満
またはZr含有量が0.04wt%未満であると、上記
効果が得られない。またTi含有量が0.8wt%より
多いと、融点の上昇にともなう含浸性の低下により、粗
大なTi化合物が形成され組織が十分に微細化されな
い。またZr含有量が0.7wt%より多い場合も、融
点の上昇にともなう含浸性の低下により、粗大なZr化
合物が形成され組織の微細化効果の低減をおこす。
【0009】なお、前記においてTiを含有させた溶湯
を用いる場合、マトリックス部にZrが含まれている
と、Tiによる微細化効果を阻害してしまうので、Ti
を含有させた溶湯を用いる場合は溶湯中のZr含有量は
なるべく少量であることが望ましい。また、Zrを含有
させた溶湯を用いる場合も同様の理由で、Ti含有量は
なるべく少量であることが望ましい。
【0010】前記複合材料を構成するアルミニウム合金
溶湯に用いられるAl−Zn−Cu−Mg系合金として
は、例えばJIS7075合金等の高力合金を挙げるこ
とができる。これらの合金の微細化剤であるTiまたは
Zrの添加方法は、単体での添加は活性で困難であるた
めAl−Ti合金およびAl−Ti−B合金、またはA
l−Zr合金による添加で行う必要がある。
【0011】前記複合材料を構成する強化繊維成形体で
あるセラミックス繊維としては、例えばアルミナ連続繊
維、カーボン連続繊維、炭化ケイ素連続繊維、ボロン連
続繊維、アルミナ短繊維、アルミナシリカ短繊維等を使
用するものである。また、セラミックウィスカーとして
は、例えば炭化ケイ素ウィスカー、ホウ化チタンウィス
カー、チタン酸カリウムウィスカー、ホウ酸アルミニウ
ムウィスカー等を使用するものである。これらは1種ま
たは2種以上の混合物の形で使用することができる。
【0012】本発明において、繊維強化アルミニウム複
合材料に対する強化繊維成形体の体積充填率は、10〜
30%とするのが望ましい。この理由は体積充填率が1
0%未満であると、強化繊維成形体を形成することが困
難となり、本発明の本来の目的である、繊維強化アルミ
ニウム複合材料を製造することがきない。また、体積充
填率が30%を越えると、溶湯を強化繊維成形体内に含
浸することが困難となり、体積充填率が30%を越える
繊維強化アルミニウム複合材料を製造したとしても、引
張強度等の強度特性は向上せず、逆に低下してしまう。
したがって、体積充填率は10〜30%とする。また、
体積充填率は形状や用途に合わせて10〜30%の範囲
内で任意に変えることができる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【0014】まず、SiCウィスカー(平均径0.1〜
1.0μm、引張強度14GPa、ヤング率480GP
a)を有機バインダーを主成分とする水溶液に混合して
撹拌し、次いでこれを金型に入れて外径100mmφ、
高さ150mmの円柱状に成形した。次に前記円柱状体
を乾燥後に550℃にて脱バインダー処理を行って強化
繊維成形体となし、これを所定温度に予熱した後、鋳型
内に配列した。該鋳型内に800℃に加熱したアルミニ
ウム合金溶湯を充満させ、この鋳型内の溶湯に加圧パン
チを降下させて50MPaの圧力を付与した。上記にお
いて、鋳型は500℃に予熱した。
【0015】上記において使用したアルミニウム合金
は、JIS7075合金(Al−Zn−Cu−Mg系)
を基に主要成分であるAl、およびTiまたはZrの含
有量を表1に示した値に種々変化させた。
【0016】また従来例は、アルミニウム合金中のAl
およびTiまたはZrの含有量が表1に示すごとくJI
S7075合金の組成である以外は、前記実施例と同様
の方法により繊維強化アルミニウム複合材料を製造し
た。
【0017】
【表1】
【0018】表2に各複合材料の強度特性および複合鋳
塊各部のTiまたはZrの含有量を示す。なお、疲労特
性(500MPa)は、負荷荷重の最大値を500MP
aとし、0〜500MPaの負荷を試料が破断するまで
繰り返し、破断した時の負荷回数とした。
【0019】強度特性は複合鋳塊において、図4に示す
ようなサンプルによって評価したが、中心部の強度特性
はほぼ同一であるため、最も微細化効果が顕著に現れた
鋳塊横方向最外部のサンプル(d)で評価した。
【0020】
【表2】 (0.2%耐力の─は測定不能)
【0021】表2から明らかなように本発明例は、種々
の強度特性がいずれも高い値を示している。これは、T
iまたはZr添加により微細化効果が発揮され、偏析の
低減をすることができたためである。これに対して、従
来例、比較例は鋳塊周辺部において強化成分の偏析を制
御することができなかったため、粗大な柱状結晶が生
じ、微細化効果が十分に発揮することができず、いずれ
も強度特性が本発明例よりも低くなっている。なお、
0.2%耐力が測定不能ということは、試料がほとんど
伸びずに破断したためであり、したがって、測定不能の
試料は靱性が劣るということである。また、複合鋳塊各
部のTi、Zrの含有量において本発明例と従来例を比
較すると、本発明による複合鋳塊の方が複合部に添加元
素が十分に供給されていることが分かる。
【0022】次に、得られた複合鋳塊の縦方向および横
方向の強度分布を調査した。複合鋳塊の縦方向とは、複
合鋳塊の底面を0cmとして測定開始点とし、複合部上
部を測定終了点としたものである。なお、測定サンプル
は(a)である。また、複合鋳塊の横方向とは、複合鋳
塊の中心軸を0cmとして、測定サンプル(a)、
(b)、(c)、(d)の同じ鋳塊高さについて測定し
たものである。結果は図1、図2に示す。本発明例(No
2)は縦方向は従来例(No10)と同等な結晶組織である
ので、引張強度特性は従来例とさほど変わらないが、横
方向では顕著に微細化効果が現れ、比較的均質な強度特
性を示していることがわかる。
【0023】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
組織および強度特性の均質な繊維強化アルミニウム複合
材料が得られ、工業上有用な効果をもたらすものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は複合鋳塊縦方向の強度特性変化を示すグ
ラフである。
【図2】図2は複合鋳塊横方向の強度特性変化を示すグ
ラフである。
【図3】図3は複合鋳塊の縦断面図である。
【図4】図4は複合鋳塊から取り出したサンプルの採取
位置を示す説明図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金型内の所定箇所に繊維成形体を設置し、
    加圧鋳造法により金属溶湯を繊維成形体に充填する繊維
    強化複合材料の製造方法において、セラミック繊維、セ
    ラミックウィスカーのうち1種または2種以上からなる
    強化繊維成形体を成形し、少なくともZnを5.0wt
    %以上、Mgを2.0wt%以上含むAl−Zn−Cu
    −Mg系合金にTiまたはZrを添加し、Ti量を0.
    05wt%以上0.8wt%以下、または、Zr量を
    0.04wt%以上0.7wt%以下とした溶湯を該成
    形体中に含浸させ、前記溶湯を凝固させることを特徴と
    する繊維強化アルミニウム複合材料の製造方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1060221C (zh) * 1998-01-04 2001-01-03 刘越 钛酸钾晶须增强锌铝合金复合材料及其制造方法
CN100402691C (zh) * 2005-06-29 2008-07-16 哈尔滨工业大学 含SnO2涂覆陶瓷相增强铝基或镁基复合材料
CN103667754A (zh) * 2013-12-18 2014-03-26 江苏科技大学 一种轻质耐磨三偏心蝶阀及其制备方法
CN109957685A (zh) * 2019-04-19 2019-07-02 大连科天新材料有限公司 一种高分散TiB2/A356复合材料制备方法

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