JPS6057495B2 - 複合材の製造方法 - Google Patents

複合材の製造方法

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JPS6057495B2
JPS6057495B2 JP54065500A JP6550079A JPS6057495B2 JP S6057495 B2 JPS6057495 B2 JP S6057495B2 JP 54065500 A JP54065500 A JP 54065500A JP 6550079 A JP6550079 A JP 6550079A JP S6057495 B2 JPS6057495 B2 JP S6057495B2
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alumina
molten
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molten metal
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    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • C22CALLOYS
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    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、アルミナのファイバまたはホイスカ、のマ
ット、を強化材として備えた、AlまたはAl合金、か
らなる複合材、の製造方法にかかるものである。
A1およびAl合金、の材質の耐力を増大させるべく強
化するいろいろな試みがすでに行われてきている。そう
した試みのなかには、強化材としていろいろ違つた形態
のアルミナを使つたものも数多くある。そうした際に当
面してきている主要難点は、アルミナの形態が単結晶で
も多結晶でも、それをA1やその合金、の溶融物が一簡
単には「ぬらす」ことができない、ことである。(WO
lfetal,Chem.Eng.PrOg.VOlu
me62(3)Pages74−78(1966)参照
)この問題の対策としてこれまで講じられてきているこ
とのひとつは、揮発性誘導物を形成するひζとつの金属
、たとえば(ともに揮発性カルボニルを作る)NiやW
1(揮発性ジクメン誘導物を作る)Cr,Tlあるいは
C仄でそうしたアルミナをまずおおい込む、ことである
。そのような金属ふたつ、で順次おおい込むことも行わ
れてきてい!る。金属でおおわれたアルミナ、のファイ
バまたはホイスカの形態のもの、の均質混合物は、つい
で、予備処理し、型枠入れし、固体状態ではあるが熱と
圧力との共同作用でブレス工程中にその金属の部分的溶
融が生じるように適切に選定されたt条件で熱ブレスさ
れる。そのようにして在来作られてきた材質は、試料の
別別な部分では特性も変動が見られ、多孔性が著しく認
められるし、しかもそれは強化材アルミナの含有量が増
すにつれて増していたものであつて、マトリクス全体強
度が落ちる原因となつていた。この方式での熱ブレス温
度は425℃までにされてきたものである。同じ問題の
対策としての別なもの(イギリス特許第1506476
号明細書)は、Li含有量が1〜8重量%であるA1合
金の溶融物と、連続フィラメントすなわち長繊維なりぶ
つ切りファイバすなわち短繊維なりの多結晶アルミナと
、を使うものである。そうした長繊維や短繊維はシリカ
でうすくおlおつたものとして、低めのLi含有量のA
l合金を使うことができるようにしてもよい。そのよ・
うな方式では、その合金中のLlと、長繊維や短繊維の
そうした表面キ、のあいだの反応が生じて、そうした表
面は灰色に、さらには黒く、なるのであるが、そうした
ファイバ径の20%以下にしかわたらないように十分に
留意することが重要である。そのような、さやのような
中間層が、それらアルミナの長繊維および/または短繊
維をにとかその合金とかへ接合するなかだちとして働く
。そうした溶融金属がそのアルミナ材質組織内へはいり
込むことに対する大なり小なりの抵抗にうち勝たせるべ
く、2〜14Lbs′In2(0.14〜1k9/Cf
ll見当)の圧力差をかけるとされている。この方法で
作られた複合材は必然的にLiを含むものとなる。この
発明の目的は、変成されていないアルミナのファイバお
よび/またはホイスカを使うことを基本とした、複合材
の製造方法、を提供することである。この発明によつて
提供される方法は、A1又は/及びA1合金と、強化材
としてのアルミナ繊維又はウィスカーのマットとからな
る複合材を製造する方法であつて、(71700〜10
50℃に予熱された未修正のアルミナ繊維又はウィスカ
ーのマットを含む型枠内に、1050℃以下の温度では
アルミナに対して非反応性の1種類以上の元素を含有す
るN又は/及びA1合金の溶融物をマットが前記溶融物
に被覆されるまで導入し、(イ)溶融金属とアルミナ間
の界面張力に抗して溶融金属をマット隙間内に浸入させ
るべく、前記型枠の内容物に少なくとも75k91ai
の圧力を加え、(ウ)溶融金属にマットと接触した状態
で固化させる、ものである。
この方法に使うアルミナは単結晶なり多結晶なりいずれ
の形態でもよい。
アルミナのそうした単結晶形態というのは、実質的に純
粋のαアルミナである。そうした形態のアルミナのホイ
スカを作ることは、イギリス特許第1489346号明
細書およびアメリカ合衆国特許第394756涛明細書
に示され、権利請求されている。ファイバ形態のアルミ
ナを使うときは、それは実質的にαアルミナである強力
・高モジユラス多結晶ファイバ材、である。典型的な製
品例としては、アメリカ合衆国特許第3808015,
38536羽各号明細書に示されたものがある。おしな
べて、こうしたアルミナは、いろいろな形態の合成アル
ミナだと考えてよい。この方法では、そうしたファイバ
とかホイスカとかを、たとえばひとつなり複数なりの金
属で表面おおいを形成するというようにして、変成する
こと、を避けている。すなわち、ファイバとかホイスカ
とかは、製造されたままのものとして使い、この方法に
使うにさきだつて変成させることはまつたくない。その
マトリクス構造は、Nとか、考えられている温度条件下
ではαアルミナと反応することのないひとつなり複数な
りの元素、を含むAl合金とか、を含んでいる。
そうした主要合金元素は、Siなり、Mg,Cu,Zn
,Sn,Mn,NiあるいはFeといつたような金属な
り、である。ここで用いるそうした合金はいろいろな種
類の鋳造合金、たとえば汎用合金、強耐力合金または特
殊用途合金、のいずれにすることもある。有用なそうし
た合金の一覧表はBritishStandardSp
ecificatiOnND.l49O(1970)P
agesl2&13に示されている。それら合金の大部
分のものは、Si,Cu,Mg,MnおよびNilのひ
とつまたはいくつか、を主要合金元素として含んでいる
が、それに加えてさらにほかの金属少量を含んでもよく
、それらは、避けることのできない不純物であることも
あるし、たとえばTiのように特別な目的の添加物であ
ることもある。この発明の方法で調製された複合材は、
A1なりA1合金なりが、製品中の重量での主要割合い
を占めている。
好ましくは、その複合材が少なくとも85重量%のA1
なりA1合金なりを含むものとし、残部がαアルミナの
ファイバなりホイスカなり、となる。多くのそうした複
合材では、少なくとも90重量%のAlなりAl合金な
りを含み、残部がαアルミナのファイバなりホイスカな
り、である。製品複合材を強化するべく十分な量のファ
イバなりホイスカなりを使つて、そうした強化材にない
金属だけの場合にくらべてはつきりと差の出るようにす
るべきである。別な表現形式で云うと、そうした金属に
対するアルミナの容量割合いは20%にまでなるものさ
えある。この発明の方法は、減圧手段と、液圧ラムとい
つたような加圧手段と、を備えた電気炉、内で行うと便
利である。
変成されていないαアルミナのファイバおよび/または
ホイスカ、の仕込み物を収めた型枠をそうした炉内へ入
れて700〜1050℃の温度に予熱する。一方、実質
的に純粋のAl金属なり、A1合金なり、を溶融するま
で、そうして好ましくは融点より少なくとも50C上の
ところまで、別途加熱する。そこで、その溶融金属を、
その炉内の、すでに述べたように予熱された型枠内、仕
込み物上、へ注ぎ込む。そのになり合金なりの温度は、
その変成されていないアルミナのファイバおよび/また
はホイスカを侵すことになるほどの高いものにしてはな
らない。アルミナには少量のほかの酸化物、たとえばマ
グネシア、を含んでいることがあり、溶融金属の温度を
どれくらいにするのが適切かを決める際にはそうしたこ
とも配慮すべきである。原材料が与えられればそれで試
験を何回か行うだけで、溶融金属の便宜温度範囲を簡単
に知ることができる。仕込み物は、すべて溶融した状態
で予熱ずみ型枠内に供給されてから、そこではじめてつ
ぎの工程に進むべきである。純粋のAlを使う場合の典
型的な温度条件は、それを900〜950℃の温度で注
ぎ、変成されていないアルミナのマットは800〜85
0℃に予熱しておく、ことである。
N<5Siとを基材とする合金を使うときには、温度を
いくぶん低めにして、たとえば、変成されていないアル
ミナのマットは800〜8500Cでよいとして、溶融
合金は850〜900℃としてよい。ここで見られるよ
うに、溶融金属は変成されていないアルミナよりも高温
にすることが好ましい。つぎに、型枠内のそうした溶融
金属に触れさせた液圧ラムのピストンを作動して、その
型枠内容物に圧力を加える。
こうして溶融金属表面にかなりの圧力が加えられ、これ
によつてその溶融金属は、その金属と変成されていない
アルミナのマットとの界面張力にうち勝つて、そのマッ
トのすきま内へはいり込むよう押し進められる。こうし
て、その金属と、変成されていないアルミナと、がじか
に結びつき合う。こうした加圧にさきだつて、型枠内部
のむだなすきまをなくしておくことが好ましい。すなわ
ち、それによつて、液圧ラム運転中にその型枠内の溶融
金属中に気泡などがまつたくないようにするべきである
。この加圧ののち、その溶融金属がアルミナ・マットを
巻き込んだままで固化するようにして、強化された鋳造
体を作り出す。固まれば、その鋳ものは型枠から取出せ
ばよい。この方法でどんな圧力を使うかは本質的な要件
である。
実験結果が満足であつたのは75〜375k91dの圧
力を使つたときであつた。設備さえ適切であればさらに
高い圧力を使うこともできるが、それまでにする必要は
ないと見うけられる。もつと低い圧力を使つてよいかど
うかは、どれくらいの強化が求められているのかという
こと、すなわちアルミナの各個のファイバおよび/また
はホイスカがどれくらい遊離したものでもかまわないか
ということ、に大きく左右される。型枠内容物の温度と
施行圧力とはたがいに相関関係にある。
内容物温度が70(代)くらいであれば375k9′d
というような高圧でないと満足な結果が得られないが、
温度が850℃ならば圧力は75k91c11!を越え
なくともよい。この方法では、溶融金属も、アルミナの
ファイバおよび/またはホイスカのマットを収容してい
る型枠も、加圧のもとで高温に、すなわちその溶融金属
が固化しはじめる温度より高く、するのであるから、そ
れら溶融金属とアルミナ・マットと.は、その溶融金属
が固化温度に冷えることなしに、じかに接触し合うこと
となる。
そうした接触時点で、型枠とアルミナ・マットとは溶融
金属より実際は高温になることがある。それらがあまり
に高温であると、そのアルミナと溶融金属との界′面で
反応が生じることになりかねない。ただ、温度が105
00Cまでであればそうした反応は問題にしなくてよい
ほどしか生じないようである。したがつて、それが温度
の上限ということになるが、好ましくは950℃を越え
ない温度とする。もちろん、溶融金属の性質次第で、温
度をどう選ぶべきかが、左右されるが、全般的に云つて
700〜9000Cの作業温度が好ましい。そうした界
面で生じる結合がどのような性質のものであるかは、い
まだ解明されていない。つぎに、この発明のいくつかの
具体例を示す。
実例1この例では市販の純にを使つた。
特に分析はjしなかつたが、製品仕様として純度99.
踵量%を越えるものであると示されていた。結晶アルミ
ナ・ホイスカのマットを得るべくイギリス特許第148
部恥号の方法を使い、そのマットを黒鉛張りの型枠内へ
納めた。そのアルミナ●ホイスカ収納・型枠をプランジ
ャ装備付き電気真空炉内で800〜85(代)に熱した
。同時に、そのホイスカ・マットを十分におおい込むだ
けの市販Alを950℃に熱して、その溶融金属を90
0〜950℃の仕込み温度でそのホイスカ上へ注ぎ込ん
だ。型枠中心上のプラン・ジヤを少し下げたところで、
真空ポンプを運転してガスをすつかり抜き出してから、
そのプランジャを完全に下げて溶副A1面へ75k91
c1tの圧力を加えた。その使用プランジャのピストン
端部は黒鉛面とされていた。加圧の読みが数分間一定化
したところで、そのプランジャを引き戻し、型枠内容物
は炉から取出す前に放冷した。製品の検査結果は、その
溶融金属がアルミナ・マットのすきま内へはいり込んで
型枠の黒鉛内張りに達するまで貫通していることを示し
た。実例2 実例1の方法をくり返したが、市販純Alのかわりに、
約1.轍量%のMgll.l%のSilO.7%の■、
を含む強耐力AI合金、を使い、それは約900℃に熱
した。
圧力は約110kg′dとした。似たような結果が得ら
れた。実例3 実例1の方法をしり返したが、市販純Alのかわりに、
約1.鍾量%のCUll.3%のMg、11.5%のS
ilを含む特殊用途N合金、を使い、それは約850′
Cに熱し、一方、型枠とホイスカ・マットとは約775
℃に熱して、圧力は約225k91c711とした。
似たような結果が得られた。実例4 実例1の方法をくり返したが、市販純Alのかわりに、
1.2%のMg)2.2%のNi)を含むAl基材合金
、を使い、それは約85伊Cに熱し、一方、型枠とホイ
スカ・マットとは約775℃に熱して、圧力は約200
k91aiとした。
似たような結果が得られた。実例5 実例3の方法をくり返したが、そのアルミナ・ホイスカ
のマットのかわりに、市販の連続アルミナ長繊維の束を
その黒鉛張り型枠内へ並べ入れて使つた。
使用合金も、加えた温度・圧力も、実例3の場合と同じ
にした。かなりな強化が得られたことが試験で示された
。この方法による製品は、こうした種類の製品としては
例外的と云つてよいほどに多孔度が低く、実際、1〜2
%の範囲の多孔度である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 Al又は/及びAl合金と、強化材としてのアルミ
    ナ繊維又はウィスカーのマットとからなる複合材を製造
    する方法であつて、(ア)700〜1050℃に予熱さ
    れた未修正のアルミナ繊維又はウィスカーのマットを含
    む型枠内に、1050℃以下の温度ではアルミナに対し
    て非反応性の1種類以上の元素を含有するAl又は/及
    びAl合金の溶融物をマットが前記溶融物に被覆される
    まて導入し、(イ)溶融金属とアルミナ間の界面張力に
    抗して溶融金属をマット隙間内に浸入させるべく、前記
    型枠の内容物に少なくとも75kg/cm^2の圧力を
    加え、(ウ)溶融金属をマットと接触した状態で固化さ
    せる、ことを特徴とする複合材の製造方法。 2 特許請求の範囲第1項記載の方法であつて、Alと
    Siを基材とする溶融合金を用い、未修正アルミナのマ
    ットを750〜800℃に予熱すると共に、前記溶融合
    金の温度を850〜900℃とすることを特徴とする複
    合材の製造方法。 3 特許請求の範囲第1項記載の方法であつて、実質上
    純粋なAl溶融物を用い、未修正アルミナのマットを8
    00〜850℃に予熱すると共に、前記溶融Alの温度
    を900〜950℃とすることを特徴とする複合材の製
    造方法。 4 特許請求の範囲第1〜3項のいずれか一つに記載の
    方法であつて、アルミナがαアルミナの人造形態にある
    ことを特徴とする複合材の製造方法。 5 特許請求の範囲第4項記載の方法であつて、アルミ
    ナの人造形態がウィスカー形態であり、かつ、各ウィス
    カーが単結晶であることを特徴とする複合材の製造方法
    。 6 特許請求の範囲第1〜3項のいずれか一つに記載の
    方法であつて、マットが溶融金属で被覆された後に、溶
    融物質とアルミナマットを脱気すべくまず減圧してから
    、少なくとも75kg/cm^2の圧力値まで昇圧して
    溶融物質のマット隙間内への侵入を完了させることを特
    徴とする複合材の製造方法。 7 特許請求の範囲第4項記載の方法であつて、マット
    が溶融金属で被覆された後に、溶融物質とアルミナマッ
    トを脱気すべくまず減圧してから、少なくとも75kg
    /cm^2の圧力値まで昇圧して溶融物質のマット隙間
    内への侵入を完了させることを特徴とする複合材の製造
    方法。 8 特許請求の範囲第5項記載の方法であつて、マット
    が溶融金属で被覆された後に、溶融物質とアルミナマッ
    トを脱気すべくまず減圧してから、少なくとも75kg
    /cm^2の圧力値まで昇圧して溶融物質のマット隙間
    内への侵入を完了させることを特徴とする複合材の製造
    方法。
JP54065500A 1978-05-26 1979-05-26 複合材の製造方法 Expired JPS6057495B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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JP (1) JPS6057495B2 (ja)
DE (1) DE2921452A1 (ja)
FR (1) FR2426520A1 (ja)
GB (1) GB1595280A (ja)
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