JPS60194039A - 繊維強化アルミニウム合金複合材料および製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明はｍ維−金属複合材料、特に炭素繊維−アルミニ
ウム合金複合材料に関し、さらにその製造方法及び機械
的強度の改良に関する。

［技術的背景］ 繊維金属複合材料、いわゆる繊維強化金属（ＦＲＭ）は
通常強化用ａｍとしてポロン、アルミナ、炭化ケイ素、
炭素系繊維が主として用いられる。この中で炭素系繊維
は、比重が小さく、ヤング率か犬きく、　ＦＲ１４とし
ての被削性にもすぐれＦＲＰ４用強化ｍ維として有利な
点が多い。

しかしながら、マトリックスを構成するアルミニウム合
金をその溶融温度以上に加熱し、加圧してＦＲ１４を得
る場合に■ｍＭ１とマトリックスが互いに濡れにくかっ
たり　（繊維との結合が不充分なため、剪断力の低下を
生ずる）、また、■アルミニウム溶湯が繊Ｍ（炭素繊維
）と反応してＡ１４Ｃ：３を生成したりしく繊維自体の
強度低下を生ずる）、これがＦＲ）Ｉの性質を低下させ
る原因となっている。

その為、従来は炭素繊維にＮｉ、　Ｃｕ、　Ａｇメッキ
あるいはＴｉ、　Ｂの化合物、さらにＳｉＣの蒸着等の
表面処理をおこなってアルミニウム溶湯と濡れやすくし
たり、また、アルミニウム溶湯と繊維が直接接触しない
様にしてＦＲＭを作製する方法が一般的であった。

しかし、直径７〜８１Ｌｍの炭素系繊維に表面処理を行
うことは手数がかかり、繊維のもつしなやかさも失われ
、コスト高の原因にもなっている。

さらに、炭素ｆ４！ｌ維を使用したＦＲＭはマトリック
ス合金に引張の残留応力が発生し、該ＦＲＭを引張強度
部材として使用する場合には、ｍ維か受けもつべき引張
荷重をマトリックス金属が受持ち、マトリックス金属が
先に降伏する等の欠点があった。

［目的］ 本発明は、炭素繊維強化アルミニウム合金複合材料の−
Ｌ述の欠点を解消することを目的とし、具体的には炭素
繊維の強度特性を十分生かしつつアルミニウム合金との
濡れ性ないし結合性を改善してより高い機械的強度の炭
素繊維強化アルミニウム合金複合材料を得ることを課題
とする。

［発明の構成概要］ 本発明によれば、繊維に表面処理をほどこすことなく、
マトリックスを構成するアルミニウム合金中の添加元素
を選ぶことによってアルミニウム合金と炭素系繊維の界
面の反応を制御し、濡れ性を改善する。

ヤング率３０，０００ｋｇ／ｍｍ’未満のいわゆる高強
度型炭素繊維はアルミニウム溶湯と反応してＡｌ４Ｃ３
が生成されＦＲＭとして十分な特性が得られにくい。一
方、ヤング率３０，０００ｋｇ／ｍｔＩｆ以上のいわゆ
る黒鉛比率の高い高弾性型の黒鉛繊維は一般にアルミニ
ウム溶湯とその酸化膜の存在によって濡れに＜＜、溶湯
鍛造法、高圧鋳造法、溶湯含浸法などで（以下、本発明
において総称として溶湯鍛造法と云う）マトリックスを
構成するアルミニウム合金を繊維束中に含浸させてもな
お濡れが悪く、引張り試験で繊維のｐｕｌｌ　ｏｕｔが
みられＦＲＮとして十分な性質が得られない。

本発明はアルミニウムと酸化物生成傾向が同じか、それ
より大きいＺｒ、　Ｋｇ、　Ｌｉ、　Ｃｅ、　Ｂａ、　
Ｂｅ。

Ｃａ等を単独或いは複合添加したマトリックス用Ａ１合
金を溶湯鍛造法によって繊維束中に含浸させマトリック
スと繊維とが強固に結合したＦＲＭおよびその製造方法
を提供する。本発明におけるＡ１合金は溶湯鍛造時に緻
密なアルミナ膜の生成が抑制されるので、繊維との界面
がぬれてａｍとよく結合し、ＦＲＭを引張っても繊維の
抜けがない、というすぐれた機械的性質が得られる。

また本発明によれば、上記添加元素を含むＡ１合金をマ
トリックスとし、溶湯鍛造後、所定温度で熱処理又は時
効硬化処理を施すことが有効に作用する。さらにその後
、常温より低い温度まで冷却して常温にもどすことによ
りマトリックス合金中の引張残留応力を解消し、優れた
機械的強度の」二昇をもたらす。

即ち、＊発明の第１の態様は、ヤング率３０，０００ｋ
ｇ／ｍｒｎ’以上を有する炭素系ｍ維を３０〜７ｏ＃積
％含む繊維強化アルミニウム合金複合材料であって、マ
トリックスを構成するアルミニウム合金として酸化物生
成傾向がアルミニウムと同等以上の元素Ｚｒ、　Ｍｇ、
　Ｌｉ、　Ｃｅ、　Ｂａ、　Ｂｅ及びＣａの１種以上を
０．０１〜１０重量％含むことを特徴とする繊維強化ア
ルミニウム合金複合材料を提供する。

前記酸化物生成傾向がアルミニウムと同等以上の元素は
、下記所定重量％として１種又は２種以上を用いる： Ｍｇ　２　〜ｌＯ％、　Ｚｒ　Ｏ，０５〜５％。

Ｃａ０．０５〜５％、　Ｌｉ　Ｏ，０５〜５％。

Ｂｅ　Ｏ，０１〜０．２％、ＢａＯ，０５〜２％、及び
Ｃｅ　Ｏ，０５〜０．５％。

さらに、本発明の第２の態様は、繊維強化アルミニウム
合金複合材料の製造方法であり、ヤング率３０　、００
０ｋｇ／　ｍ　ｔｎ’以上を有する炭素系繊維を３０〜
７０体積％含み、マトリックス金属を酸化物生成傾向が
アルミニウムと同等以上の元素Ｚｒ、　Ｍｇ、　Ｌｉ。

Ｃｅ、　Ｂａ、　Ｂｅ　及びＣａの１種以上を０．０１
−１０重量％含むアルミニウム合金とする繊維強化アル
ミニウム合金複合材料を溶湯鍛造する工程、該溶湯鍛造
物を４００℃以上５５０°Ｃ以下の温度で熱処理するか
又は通常の時効硬化処理をする工程、その後常温より低
い温度まで冷却する工程を含むことを特徴とする。

Ｌ記熱処理は、マトリックス合金と炭素繊維との界面反
応を適当に制御するために行うものである。４００℃よ
り低い温度では十分な反応が期待できず、　５５０℃を
こえるとその効果が不明瞭となり、　５６０℃をこえる
と界面反応が好ましくない程度に進行し脆化が生じる。

上記熱処理の後、通常の時効硬化処理を施すことも、強
度改善に有効である。この時効硬化処理は既知のもので
あり各Ａ１合金系について所定の温度がある０例えばＡ
　ｌ−Ｃｕ系では１７０℃〜　１１１０℃、Ａｌ−９ｉ
系では　１７０℃、Ａｌ−Ｍｇ−５ｉ系では１８０〜１
７５”Ｏ，Ａｌ−Ｚｎ系では１２０℃が標準温度である
。

また、さらに常温より低い温度まで冷却する工程を施し
、マトリックス合金中に圧縮残留応力、繊維に引張残留
応力を生じせしめて、より抗張力の高いＦＥＷを得る。

炭素繊維としては前述の理由でヤング率３０，０００ｋ
ｇ／ｍｔｎ’未満のものは複合材料の強度改善が期待で
きないが、本発明では、ヤング率３０，０００ｋｇ／ｍ
ｒｎ”以上のものを用い添加元素の存在によりマトリッ
クス合金との濡れ性を改善する。そのため、従来必要で
あった炭素繊維の表面処理（”＋　Ｇｕ。

Ａｇ等のメッキ等）は必ずしも必要としない、この濡れ
は本発明によれば、添加元素の選択、量、”熱処理条件
の選定等により適当な反応範囲に制御できる。即ち、反
応性の高い場合（Ｉれすぎのとき）には、酸化物生成傾
向がＡ１に近いＺｒ等を用いるか、添加元素量を減らし
たＡ１合金とし、　４００〜５５０″Ｃの温度で熱処理
することにより界面反応を適当なものに制御する。

本発明に有利に用いられるＡ１合金とは、純アルミニウ
ム又はアルミニウム系合金をベースとしたものであり、
アルミニウム系合金としては、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｚ
ｎ系、Ａ　ｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−５ｉ系、Ａｌ−Ｃｕ−５
ｉ系、Ａ　Ｉ　−Ｓ　１−Ｍｇ系、Ａ　ｌ−Ｚｎ−Ｍｇ
系、ＡＩＡｌ−９ｉ−Ｃｕ−系、ＡＩＡｌ−５ｉ−Ｃｕ
−Ｎｉ−系を用いることができる。複合材料中の炭素繊
維の含有量は３０〜７０体積％とする。

下限値より少ないと繊維の強化効果が十分でなく、上限
値をこえるとマトリックスが不足し強度不足を招く。

ｒ　ｈＬ　′Ｊ＆　かφ七−＾自訃捏１以下本発明につ
いて実施例に基づき詳述する。

なおｒ％」は、別設指示ないとき重量％を示す。

一般に、ＦＲＨの引張り強さは、ｌａ維の配向が引張り
軸方向とある角度を有する場合、繊維方向の引張り強さ
σし　と、繊維とマトリックスの層間剪断強さτによっ
て大きく支配され、それらの値が共に大きい事が望まし
い。

従って、以下曲げ試験からσｂを、圧縮剪断試験からτ
をめ、それらの値によってＦＲＨの性質を評価した。

第１　（ａ）　〜（ｅ）図はヤング率が４０，０００ｋ
ｇ／ｍｔｎ’である黒鉛繊維を６０体積％含み、マトリ
ックス合金組成が異なる各ＦＲＨの曲げ試験からめたσ
トと圧縮剪断試験からめたτを、ＦＲＭ溶湯鍛造後の熱
処理温度との関連で示したものである。

第１　（ａ）図はマトリックスとして純ＡＩを用いた場
合で、この場合には繊維とマトリックスが濡れない為に
てか低い値を示し、従って、曲げ試験でも層間剪断破壊
を示し最大引張り強さに達する以前に破断し、ＦＲＭと
しては適当な組み合せではない０図中に示したハツチは
複合則から期待出来るσｂである。種々の温度で熱処理
を行っでもτの上昇はみとめられず、熱処理温度が５８
０’Ｃをこえると引張り破壊でも、層間剪断破壊でもな
い複雑な破壊を示す脆化が生じる。

第１（ｂ）図はマトリックスに酸化物生成傾向がＡ１よ
り小さい添加元素としてＧｕを添加したＡｌ−１〜５％
Ｃｕ合金を用いた場合の結果であり、純アルミニウムマ
トリックスの場合と同様の傾向を示し、破壊形態も類似
の破壊を示し点線で示した複合則から期待出来る値より
かなり低い結果であった。４６０°Ｃで熱処理を行って
もσトは上昇の傾向がみられるかでか小さく　ＦＲＭと
しては好ましくない。これらは　（ａ）、（ｂ）いずれ
もｍ維とマトリックス合金との「濡れ」が悪く、互いに
結合していないためと考えられる。

第１　（ｃ）図はＡＩとほぼ同じ酸化物生成傾向を有す
るＺｒを０．５％純ＡＩに対し添加した場合で、製造の
ままでは、σし　、τともに純Ａ１マトリックスの場合
と同等の値を示すが、４３０℃で１時間熱処理すること
によりσトが１３０ｋｇ／ｍｍ’とすぐれた値を示し、
繊維の抜けない引張り破壊の形態を示した。また、τは
４ｋｇ／ｍｍ’まで上昇した。熱処理温度を更に高める
とては上Ａするが界面反応が進行しσしの低下がみられ
好ましくない。Ｚｒ量を０．１％、０．９７％の場合に
も図は省略したが同様の傾向を示した。

第１　（ｄ）図は酸化物生成傾向が更に大きいＭｇを２
〜５重量％添加した場合である。この合金では・鍛造の
ままで・τが６　Ｋｇ／　ｍ　ｍ’とすぐれた値を示し
、引張り強さも複合則から期待出来る値に近づく。これ
らの合金を４００ａ〜５５０℃（＃に４（１０〜５００
″Ｃ）で熱処理するとτ、σし共に上昇し、さらに機械
的性質のすぐれたＦＲＭとなる。

第１（ｅ）図はＡＩとの酸化物生成傾向がＡＩに対し酸
化物生成自由エネルギー差１５０（ｋＪ／ｇｏＩ　Ｏ□
）以上の差をもって大きいＣａの場合の結果である。　
Ｃａを１％添加した場合には鍛造のままでてはｔｏｋｇ
／ｍｍ’となるが、　ｓｒｓ表面での反応がすすみすぎ
て九が小さくなる。それ故、鍛造条件としてＡ　Ｉ　−
Ｃａ合金溶湯が繊維とふれあう時間を極力短くシ。

鍛造後の冷却速度を早くする等の配慮が必要となる。し
かし、Ｃａ量が少ない０．５％の場合には図中に示した
様にすぐれた値を示す。

本発明はＡｌ溶湯と濡れにくい特にヤング率３０．００
０ｋｇ／　ｍ　ｍ”以上の炭素系繊維を用いて、Ａｌ溶
湯に酸化物生成傾向がＡＩよりも大きな添加元素を添加
することによって、繊維とマトリックス間に適度な反応
を生ぜしめて、両者を強固に結合せしめたものである。

かかる添加元素の添加量としては、０．０１〜１０ｗｔ
％が（さらに望ましくは０．０５〜５％）望ましい。０
．０１５未満では十分な効果が出す、１０％をこえると
、マトリックスのＡＩ又はＡ１合金の特性が変化するこ
と、それ以上入れても更に性質を改善する効果は得られ
ない。Ｎｇでは２〜１０％　（望ましくは２〜５％）　
、　Ｚｒ、　Ｃａ、　Ｌｉでは０．０５〜５％　（さら
に望ましくは０．０５〜１％）の範囲がよい、　Ｂｅは
０．０１〜０．２％（さらに望ましくは０．０１−０．
１％）　、Ｂａは０．０５〜２％（さらに望まｌ　／　
１−）ｎ　ｎ’；　−ＩＱｊ　１１’！ａｌ−）　４１
　１／−ｎ　Ｆ’Ａ　／七　仁、ケ望ましくは０．１〜
０．２％）がよい、添加量が少ない範囲では、熱処理を
行なうことにより、多い範囲では鍛造のままでτが高く
なる。なお、添加元素の種類は、一種に限られるもので
はなく、上記元素を二種以上、上記範囲内で加えるので
もよい。

次に第１表はＡ１合金の場合の一例を示したもので、い
づれも黒鉛繊維と組合せてＦＲＭとしたものは鍛造のま
ま（Ｂｓ　ｃａｓｔ）のものよりも、熱処理したものの
方が、τが上昇している。しかし、　１％Ｍｇの場合に
はτの上昇が小さい。

炭素系繊維にはその原料によってレーヨン、ＰＡＮおよ
びピッチ系などがある。また、そのヤング率は繊維中の
黒鉛結晶の配向性に対応する０例えばＰＡＩＩ系の場合
ヤング率３０，０００ｋｇ／　ｍｍ’　以下に相当する
炭素繊維は、繊維とＡ１溶湯との反応が早く、本方法に
よっては反応を防ぐことができず、優れたＦＲＭを得る
ことは出来ない、第２図は繊維公称弾性率即ち、繊維中
の黒鉛結晶の配向性の異なる炭素ｍ！を用いた場合の結
果であり、弾性率が２８，０００ｋｇ／ｍｒｎ’以下の
炭素繊維では鍛造のままの状態でτが大きく、σｂが低
いことを示す、即ち、繊維とＡＩの界面反応が進行して
おりこの様な場合には本発明による酸化物生成傾向の大
きい元素を添加するまでもなく、反応が進行する。

第１表 本発明の場合繊維とマトリックスの界面の濡れ性を改良
する事が特徴であり、酸化物生成傾向の大きい元素を含
むアルミニウム合金が、どの様なａ４ｉ″ｒ！ｉれ性が
向上するかの客観的な知見は得られていない。しかし界
面において、Ａ１□０３が生成しにくくなっており、Ａ
Ｉと繊維間の反応、拡散、結合が、適度に進行するもの
と思われる。なお、繊維とマトリックス界面にＸ線、Ｅ
ＰＭＡなどで検出出来る反応生成物は認められていない
。

第３　（ａ）、（ｂ）　ｍはヤング率が４０，０００ｋ
ｇ／　ｍｍ’テある黒鉛繊維を６０体積％含む純Ａ１マ
トリックスとＡｌ−２％Ｍｇ合金マトリックスの場合に
ついて圧縮剪断試験後の破面をＳＥＭで観察したＩａｍ
表面の顕微鏡写真である。第３（ａ）図は純Ａ１マトリ
ックスでで＝　２．１ｋｇ／　ｍｒｎ’の場合であり繊
維の表面は平滑である。第３（ｂ）図は、τ＝　７ｋｇ
／　ｍ　ｒｒｆを有した＾ｌ−２％Ｍｇ合金場合であり
１繊維表面にマトリックスの付着がみられ明らかに濡れ
性繊維とマトリックス合金の結合がみられた。また第４
（ａ）。

（ｂ）図は繊維−マトリックス界面付近をオージェ分析
によって調べたもので、純Ａ１マトリックスの場合には
、第４（ａ）図に示した様に、マトリックス中へ、炭素
は拡散しておらず、また反応らしい挙動はみられなかっ
たが、マトリックスがＡｌ−１％Ｍｇ合金の場合には、
第４（ｂ）図に示した様に炭素がマトリックス中へ拡散
し、両者の反応進行がみとめられた。

これらの現象から酸化物生成傾向がＡＩと同等か、それ
より強い添加元素を含むＡ１合金をマトリックスにした
場合には溶湯鍛造時にｔａｌＩｎと溶融マトリックス合
金が最初にふれあう時に生成されているであろうアルミ
ナ皮膜の微密性が弱くなりｌａｍと濡れやすくなる事が
考えやすい。

すなわち、添加元素はアルミナ皮膜の出来やすさ、微密
性のちがいに寄与していると推察出来、従って、添加元
素の必要量は溶湯鍛造条件によって異なり、また、マト
リックスに実用アルミニウム合金を用いた場合、例えば
Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金、Ａｌ−５１−Ｍｇ合金の様な時
効硬化合金の場合には、析出物に移行するＭｇ量によっ
て、当然添加量を増す必要がある。すなわち、ＺｎとＭ
ｇ、あるいはＳｉとＭｇが共存するＡ１合金では、Ｍｇ
Ｚｒ＋２あるいはＭｇ２５　ｉが析出しやすく、黒鉛を
濡れやすくするために必要なＭ、が実買上少なくなる。

それ故、ｌ’１ｇの添加量はＭ８／　ＺｎあるいはＭｇ
／Ｓ　ｉの原子比でそれぞれ２あるいは坏以上にするの
がよい。

以下冷却処理について説明する。

黒鉛の熱膨張係数は、常温以下では−０，７Ｘ　１０〜
−１．２Ｘ　１０　１／’０を示すトイわれ、Ａ！（７
）ｌＬ４ｔ２４Ｘ６ １０　１／”Ｃといわれる。従って、溶湯鍛造後または
その後の熱処理を行って界面強度を向上させた場合には
、室温付近まで冷却することによって第６図に示すよう
に繊維には−σに相当する圧縮応力、マトリックスには
＋σに相当する引張り応力が作用する。一般に５ｉＣ４
Ｊ！維やＡｌ２Ｏ３繊維は引張強さより圧縮強さが大き
いといわれているが、炭素系繊維は逆に圧縮強さの方が
引張り強さより小さいといわれ（例えば大杉他著「炭素
繊維Ｊ　Ｐ１７１〜１８３近代編集社）ており、炭素系
繊維のＦＲＭをこの様な状態で使用することは好ましく
ない。

そこで、溶湯鍛造のままあるいは熱処理後常温まで冷却
された材料は、一般にマトリックスには引張、ｍ＃Ｉに
は圧縮の残留応力が発生する。この材料を第６図に示す
如＜−Ｂ、温度ＴＤまでサブゼロ処理したのち常温まで
もって来ると繊維およびマトリックスに作用する残留応
力の絶対値をより小さくすることが出来る。また、より
低い温度Ｔ。

までサブゼロ処理したのち常温までもってくることによ
り第６図中に示した様に繊維には圧縮残留応力をマトリ
ックスには引張残留応力を発生せしめることが出来る。

必要な冷却温度はマトリックス、繊維の熱膨張係数、Ｆ
ＲＭの形状、製法によって任意に選択する必要があり、
少くとも室温より低い温度、好ましくは０℃以下、十分
効果を出すには一５０℃以下とするのが好ましい、第２
表には液体窒素温度−１８６℃に冷却するサブゼロ処理
の有無による曲げ強さの違いを示す、　Ｍｇを２％含有
するものはサブゼロ処理を施すといずれも２０〜４０ｋ
ｇ／　ｍｒｎ’の強度上昇がみられた。もちろんこれら
の効果は繊維とマトリックスの応力の伝達がなされるこ
とが条件になり、純ＡＩマトリックスの場合およびＭｇ
が２％未満の場合の様にτの小さい場合には第２表中に
示した様にめだった効果は期待出来ない。

第２表 本発明の複合材料の製造方法は以下の通りである。

（１）　型内に、炭素繊維を体積比で３０〜７０％とな
るように供給する。

（２）　溶湯鍛造法（溶湯含浸法等を含む）により上記
型中へ、所定組成の合金溶湯を加圧、浸入せしめ、凝固
させる。（加圧力は３００〜１５００ｋｇ／　ｃ　ｒｎ
’　テある。）（３）　型からＦＲＭを取り出す。

（４）　ＦＲＭを熱処理する。

温度は４００〜５５０℃の範囲が望ましい。

時間は３０分以上。

（５）　必要に応じ時効処理を施す。（特に時効硬化型
合金の場合） （６）　第２の態様の場合は、常温より低い温度に冷却
する。

［実施例］ 実施例　１ ■　５ＵＳ３０４、肉厚１ｍ＋１１（７）角パイプチー
辺１　Ｂ＋ｕ＋、長さ　１３０■で一端が封じられたケ
ースを用い、離型剤としての黒鉛粉末を十分塗布したの
ち、第５図（ａ）に示した様にその中に炭素繊維としテ
ノ東しＮ４０、直径７〜８　ｇｔｍ　ｃ７）繊ｒＩｓｅ
ｏｏｏ本束のヤーンを長さ１２０＋ａｓに切断し５ＯＳ
３０４のスペーサで挟んで体積率が６０％になる様に挿
入した。

■　第５図（ｂ）に示した様に、この繊維束をケースご
とＮ２中で７００℃、１５分加熱し予熱した。

■　１８０℃に予熱した溶湯鍛造金型中に第５図（ｅ）
に示す様に配置し、同時にあらかじめ７５０℃に溶解し
たＡｌ−３％Ｍｇ合金を注湯した。

■　すばやくパンチにより５００ｋｇ／ｍｍ″の加圧を
かけ１分間保持後除荷した。なお、注湯開始から加圧開
始までは約８秒を要した。

■　凝固した舟型アルミニウム合金インゴットを金型か
らとり出し、切削加工によって、このインゴットから厚
さ２．２ｍｍ、１ｌ１３＋＊ｍ、長さ　１２０ｍｍの短
冊状のＦＲＭ試片をとり出した。

■　この短冊状試片から２腸層厚さ、１］１２履濡、長
さ６０ｍｍの試験片を作り、スパン５０膳層で曲げ試験
を行い、また、　２履厘厚さ、巾１２ｍ層、高さｌｈｍ
の試験片を切り出し、Ｉａｒａ方向の圧縮剪断試験を行
った。その結果、ｃｒ　し＝　１２０ｋｇ／ｍｎｆ、τ
＝５．２　ｋｇ／　ｍｒｒＩ′の値を得た。

■　また、上記短冊状試片を４３０℃、２ｈｒ真空中で
加熱後、空冷して前述と同様の試験を行なっテσし＝　
１４０ｋｇ／ｍｒｎ’、ｔ　＝　８．８ｋｇ／ｍｒｎ’
を得た。

［比較例］ 比較例として純Ａ１をマトリックスに、同様の方法で試
験片を作製し、試験を行なったところ次の結果が得られ
たが、では前述のＡｌ−３％Ｍｇに比べて次の通り鋳造
のままでも、熱処理したものでも低い値であった。

鋳造のまま　σ＞　＝　１３０ｋｇ／ｍｒｎ’τ　＝　
１．８ｋｇ／ｍｒｎ’ ４８０℃、２ｈｒ真空中加熱後空冷 ａｌ、　＝　１４０ｋｇ／ｍｒｎ’ τ＝２．２ｋｇ／ｍｒｎ’ 実施例　２ ■　実施例１と同じ ■　実施例１と同じ ■　１８０℃に予熱した溶湯鍛造金型中に第５図（Ｃ）
に示す様に配置し、同時にあらかじめ８００℃に溶解し
たＡｌ−０，５％Ｚｒ合金を注湯した。

■　実施例１と同じ ■　実施例１と同じ ■　この短冊状試片から２Ｉ１膳厚さ、ｌｉ］１２腸腸
、長さ８ｈｍの試験片を作り、スパン５ｈ＋ｍで曲げ試
験を行い、また、２ＩＩＩ１１厚さ、巾１２履謡、高さ
１０ｍｍの試験片を切り出し、繊維方向の圧縮剪断試験
を行った。その結果σ、　＝　１３０ｋｇ／ｍｒｎ’で
剪断破壊し、τ＝　２．８ｋｇ／ｍｍ’であった。即ち
、マトリックス純Ａ１の場合よりもτは高くなっている
。

■　上記試片を４３０℃、２時間真空中加熱後空冷して
前述と同様の試験を行ってσＢ　＝　１３０ｋｇ／ｍｒ
ｎ’で引張破壊、τ＝４ｋｇ／ｍｒｎ’の値を得た。

剪断破面をＳＥＭにより観察したところ熱処理を行なっ
たものでは鋳造のままよりも繊維上に付着物が多くみら
れた。

実施例　３ ■　実施例１と同じ ■　実施例１と同じ ■　実施例１と同じ。但し、マトリックスの組成はＡｌ
−５，２％Ｃｕ−０，３％Ｚｒ。

■　実施例１と同じ Φ）　実施例１と同じ （６）　実施例１と回し。但し、（Ｉｂ＝　１０７ｋｇ
／ｍｍ’剪断破壊し、τ＝　３．９ｋｇ／ｍｍ’であっ
た。

■　１−記試験片を４８０℃で２ｈｒ真空中加熱後空冷
して前述と同様の試験を行なって、σｙ　＝　１１７ｋ
ｇ／　ｍｒｒｒ’で引張破壊、τ＝　５．５ｋｇ／ｍｒ
ｎ’を得た。

実施例　４ ■　実施例１と同じ。

■　実施例１と同じ。

Ｃ，リ　実施例１と同じ。但し、マトリックス組成はＡ
ｌ−３，３％Ｚｎ−２％Ｍｇとした。

（４）　実施例１と同じ。

■　実施例１と同じ。

■　この短冊状試片から、２ＩＩ１ｍ厚さ、ｌｌ］１２
＋ｏｍ、長さ　１２０■の試験片を作り、スパン１００
１１１１１で曲げ試験を行った。その結果、σ＞　＝　
１２０ｋｇ／ｍｒｎ’であった。

■　上記試験片を４８０℃×２時間真空中加熱後水冷し
、常温で４８時間保持後１２０°Ｃ１２４時間大気中時
効処理し水冷して上記試験を行った結果σト＝　１００
．０ｋｇ／ｍｒｎ’　テあった。

■）　上記熱処理後液体窒素中に５分浸漬し、その後常
温で２時間放置後にσトは１３８ｋｇ／ｍｒｎ’に上昇
した。

なお、純ＡＩ又はＡ１よりも酸化物形成傾向の小さい元
素を含んだＡ１合金をマトリックスとした場合、鋳造の
まま又は熱処理を行なってもてはせいぜい２ｋｇ／ｍｍ
’であった。

しかし、Ａ１よりも酸化物形成傾向の大きい又は同等の
元素を含むＡ１合金では鍛造のままでもては純ＡＩマト
リックスの場合に比べて大きく　（τ＝　２ｋｇ／ｍｍ
’以上）、さらに熱処理を加えることによってでは改善
される。

また、サブ零処理を加えることによって、マトリックス
に圧縮応力、繊維に引張応力を発生させることができ、
引張、圧縮ともに耐えうるＦＲＭを得ることができる。

実施例　５ ■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ。ただし、マトリックス組成はＡｌ
−１％Ｌｉ。

■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ。

■　短冊状試片から２１１１１厚さ、１２■幅、８０ｍ
ｍ長さの曲げ試験片と２Ｉｌ■厚さ、１２ｉ＋ｉ幅、１
０ｍｍ高さの剪断試験片を作製した。

熱処理前　ｃｒし＝１２０ｋｇ／ｍｍ’τう＝　２．７
ｋｇ／ｍｍ’ ■　上記試験片を４６０°ＣＸ２ｈｒ真空中加熱後空冷
して各試験を行なった。

その結果繊維とマトリックスとが反応を生じて、τがに
貸している ｃｒｙ　＝　ｌＯＱｋｇ／ｍｔｎ’ τ＝　５．０ｋｇ／　ｍ　ｒｒｆ　の値を得た。

実施例　６ ■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ、ただし、マトリックス組成はＡｌ
−０，ｌＢｅ−０，３％Ｌｉｅ ■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ。

（Φ　短冊状試片から２ｇ１１厚さ、１２ｍ腸幅、８０
＋＊ｍ長さの曲げ試験片と２＋ｓｍ厚さ、１２ｍｍ幅、
１０ｍｍ高さの剪断試験片を作製した。

ａｓ−ｃａｓｔ　ｃ６　＝　１２０ｋｇ／ｍｍ’τδ　
＝　５．６ｋｇ／ｍば ■　Ｌ記試験片を４６０°ＣＸ　２ｈｒ真空中加熱後空
冷して各試験を行なった。

その結果 ｃｇ、＝　１４０ｋｇ／　ｍ　ｍ’ τＢ＝　８．１ｋｇ／ｍｒｎ’　の値を得た。

実施例　７ ■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ、ただし、マトリックス組成はＡｌ
−０，５％Ｂａ。

■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ。

（少　短冊状試片から２層層厚さ、１２腸腫幅、８０ｍ
腸長さの曲げ試験片と２層層厚さ、　１２腸腫幅、１０
■層高さの剪断試験片を作製した。

ａｓ−ｃａｓｔ　ｃ＞　＝　１３０ｋｇ／ｍｒｎ’τＢ
＝３．８ｋｇ／ｍゴ ■　上記試験片を４８０℃Ｘ　２ｈｒ真空中加熱後空冷
して各試験を行なった。

その結、果 （Ｊ、＝　１１０ｋｇ／　ｍ　ｒｎ” τＢ＝５．８ｋｇ／ｍゴ　の値を得た。

実施例　８ ■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ、ただし、マトリックス組成はＡｌ
−８，２％Ｚｎ−２％Ｍｇ−０，１７１１１：ｒ−０，
２８％Ｍｎ。

■　実施例１に同じ。

■　実施例１に同じ。

■　短冊状試片から２ｍｍ厚さ、１２腸腫幅、８０ａｍ
長さの曲げ試験片と２層園厚さ、１２腸腫幅、１０脂鵬
高さの剪断試験片を作製した。

■　−上記試験片を４８０℃Ｘ　２ｈｒ加熱後水冷し、
１２０℃で時効処理した。

その強度は σｙ　＝　８７ｋｇ／ｍゴ　であった。

さらに、時効処理した試験片を一１１１８℃まで冷却後
常温にて試験を行なった。その結果１強度は ｃｒ　＝　１１８ｋｇ／ｍｒｎ’　であった。

し

【図面の簡単な説明】

第１’（ａ）ないしｌ　（ｂ）図は、黒鉛繊維／ＡＩ合
金の機械的性質（τ、σ）と熱処理温度を示すグラフ、 第２図は、繊維の弾性率とＦＲＭ強度の関係を示すグラ
フ、 第３（ａ）および３（ｂ）図はＩａ＃１表面の顕微鏡写
真であり、第３　（ａ）ｍはマトリックスが純Ａ１の場
合で＝２．１ｋｇ／ｍｒｎ’）　、　第３　（ｂ）図は
マトリ−／　クスがＡ１−２％Ｎｇｃ７）場合である（
　７　＝　７．０ｋｇ／ｍ　ｍ’　）。繊維はいずれも
グラファイト。 第４（ａ）および（ｂ）図は、剪断破面のオージェ分析
の結果を示すグラフ、 第５図は、ＦＲＭの製法実施例を示すフロー図、 第６図は、ＦＲＭ構成要素中の内部応力と温度の関係を
示すグラフである。 出願人　株式会社豊田中央研究所 代理人　弁理士　加藤　舗道 第４図 （ａ） ０　１２５分 茅４゜図 （＋）） ０　３０分 戚 帛 ・　・　・　・　・ 第６図 （ａ） （ｂ） 手続補正書（方式） ％式％ 事件の表示 昭和５９年特許願第４８４９８号 （昭和５９年３月１４日出駒 発明の名称　繊維強化アルミニウム合金複合材料および
製造方法 補正をする者 事件との関係　特許出願人 氏名　（３８０）株式会社豊田中央研究所代表者　小　
松　登 ５　補正命令の日刊　昭和５９年６Ｊ］６日（昭和５９
年６月２６日発送） ３　補正により増加する発明の数　なし工　明細書の「
図面の簡単な説明、」の欄を次の通り補正する。 （１）明細書第３２頁第１３行ｒｌ（ｂ）Ｊを「１頭」
に補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　ヤング率３Ｇ、（ｌＧＯｋｇ／ｍｍ’以上を有
   する炭素系繊維を３０〜７０体積％含むｍ！ｉ強化アル
   ミニウム合金複合材料であって、マトリックスを構成す
   るアルミニウム合金として酸化物生成傾向がアルミニウ
   ムと同等以上の元素Ｚｒ、　Ｍｇ、　Ｌｉ、　Ｇｅ、　
   Ｂａ。 Ｂｅ、及びＣａの１種以上を０．０１−１０重量％含む
   ことを特徴とする繊維強化アルミニウム合金複合材料。 （２）前記酸化物生成傾向がアルミニウムと同等以北の
   元素として下記所定重量％の１種以上を含む請求の範囲
   第１項記載の複合材料： Ｍｇ　２　〜１０％、ＺｒＯ，０５〜５％Ｇａ０．０５
   〜５％、Ｌｉ０．０５〜５％Ｂｅ　Ｏ，０１〜０．２％
   、ＢａＯ，０５〜２％、及び（３）ヤング率３０．００
   ０ｋｇ／ｍｍ″以上を有する炭素系繊維を３０〜７０体
   ａ９６含み、マトリックス金属のペースを純アルミニウ
   ム又はアルミニウム合金とし酸化物生成傾向がアルミニ
   ウムと同等以上の元素Ｚｒ、　Ｍｇ＋　＋、＋、　Ｃｅ
   、　Ｂａ、　Ｂｅ及びＣａｃ７）１種以上を０．０１〜
   １０重量％含むアルミニウム合金とする繊維強化アルミ
   ニウム合金複合材料を溶湯鍛造する工程、該溶ｉ鍛造物
   を４００℃以上５５０℃以下の温度で熱処理する工程、
   その後常温より低い温度まで冷却する工程を含むことを
   特徴とする繊維強化アルミニウム合金複合材料の製造方
   法。 （４）前記熱処理工程の後さらに通常の時効硬化処理を
   する工程を含むことを特徴とする請求の範囲ｔｊｇＺ項
   記載の製造方法。