JPS6092438A - 繊維強化金属複合材料の製造方法 - 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】 本発明は、繊維強化金属複合材料（以下、「ＦＲＭＪと
略す）の製造方法の改良に関する。

ＦＲＭは母材である金属中に強化材としての繊維を埋設
した複合材料であり、従来拡散接合法、溶融含浸法、溶
湯鍛造法等の方法乞こよって製造されている。

拡散接合法は、繊維を金属箔で挟み、あるいは繊維を金
属粉末中にｌｌ没し、これをホットプレスによってじっ
くり時間をかけて１＆紺と金属とを一体化１゛るもので
ある。

溶融含浸法は、多数の繊維の集まりであるｗＩＩｔｔ集
合体に、溶融した母材金属を接触、浸透させて、その後
同化させることにより繊維と金属とを一体化するもので
ある。

ｗＩ融鍛造法は、該１’；Ｉ　＋Ａ金金属接触、浸透を
加圧下において行うものである。

Ｆ［＜Ｈの強度、ｖ４膨張率、弾性率等の緒特性は、該
ＩＰ　ＲＭ中における繊維の配向状態によって影響を受
ける。例えば、繊維が１次元方向に配列されていれば、
ト冒くＭの緒特性も該配列方向と、該方向に直交する方
向とでは大きく異なる。従って、できるだけ等方向た゛
特性を有するＩ？ＲＭを得たい場合には、繊維の配向状
態もできるだけ無秩序に分散させる必要がある。例えば
繊維が１次元方向にのみ配列されでいた場合に、その配
列方向と直交する方向に衝撃が加ｔ〕ったときには、そ
のＦ　ＲＭは強度的に弱い。故に繊維を少なくとも二次
元的に無秩序に分散させることが望ましい。

ところが、上記した様な従来の製造方法では、ＦＲＭ中
におりる繊維を無秩序に分散することは困難である。

本発明は、以上の事情に鑑み案出されたものであり、短
繊維を少なくとも二次元的に無秩序かつ均一に分散させ
たＦ　ＨＭを製造する方法を提供することを目的とする
。

即ち、本発明は、繊ｌＬ集合体に溶融したＮ祠金属を接
触、浸透させ、その後、母材金属を固化させるＩＩ維強
化金属複合材料の製造方法において、前記繊維集合体は
、多数の短繊維と液体とを混ぜ合わせた状態で撹拌する
ことにより、該短繊維を分散させる第一の工程と、分散
させた後に前記液体を取り除く第二の工程とを含む工程
から形成されることを特徴とするｒａｍ強化金属複合材
料の製造方法である。

繊維集合体は、母材金属を接触、浸透させる対象物であ
り、繊維集積体、繊維圧密体を含む意味である。Ｉ！ｌ
−維集合体を形成する第一の工程では、多数の短繊維と
液体とを混ぜ合わせた状態で撹拌することにより、該短
繊維を分散させる。ここで、撹拌とは、短繊維と液体と
をかきまぜることを意味する。撹拌手段としては通常の
方法を用いることができる。例えば、短繊維と液体とを
収納した容器内で、回転翼や回転子を回転駆動させる方
法を用いることができる。このようにすれば、短繊維を
無秩序かつ均一ζこ分散させ得る。回転速度は１１１０
ｒｐｔ口が望ましい。回転翼や回転子の回転方向は、水
平方向でもよく、縦方向でもよく、場合によっては斜め
方向であってもよい。回転翼や回転子を容器内で移動さ
せでもよい。このようにすれば知繊絹の分散を良好に行
ないつる。比較的長い短縁Ｉｌｌを用いる場合などには
、該短繊維がからむことが間々あるが、この場合にはか
らみ抑制用の棒やバイブを容器に立設するとよい。他の
撹拌手段としでは、短繊維と液体とを収納した容器を回
転する方法、混練ミルを駆動させる方法、超音波発生１
１！７置や気体送出装置などによって該容器内で気泡を
多重に発生させる方法等がある。

撹拌の際には、所要暇の短繊維と液体とを容器内に収納
した後、撹拌を開始してもよく、又、撹拌中のｔ＆棒に
該ＩＳ１拌を続けながら短繊維を少量ずつ加えることに
してもよい。

短繊維とは、前記撹拌によって分散し得る長さの繊維を
意味し、比較的長目の短繊維やウィスカも含む。その長
さは通常５０〜６０００７Ｌの範Ｄｔｌが望ましい。短
繊維としては、炭素繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維
、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、タングステ
ン繊維等を用いることができる。

液体としては、短ｍ維゛を分散させ得る流動性を有する
ものであれば何でもよいが、場合によりでは短繊維を分
散させうるかぎり半流動性のものでもよい。液体は短繊
維と反応しないものが望ましい。代表的な液体としては
水を用いることができる。手軽であり、粘性も小さく、
しかも短繊維Ｖ悪影響を及ぼさないからである。この場
合、Ｔ６温水、冷水、温水のいずれでもよい、尚、液体
中で撹拌した短ｍ維が極く短時閘に沈殿してしまい該短
繊維を撹拌させにくい場合には、該短繊維を沈殿しにく
くするため、水ガラス等の粘性剤を液体例えば水に添加
して用いてもよい。又使用条件によっては液体としてト
リクレン等の脱脂剤、酸、液状樹脂を用い°〔°もよい
。

第一の］−程においては、撹拌と共に超音波振動処理を
行うことが望ましい。超音波振動処理を行えば、短繊維
の表面に付着しているサージング材や汚れ等を洗浄し得
、短繊維と母材金属との濡れ性を改善し得るからである
。超音波振動処理を行う際の振動数は、フ、す繊維の秤
類、ｍ、液体の神類等によって設定するが、通常２５〜
４０　Ｋ　ＩＩ　Ｚの′＠開が望；トシい。この＠ｉ回
内で短繊維の分散が良好となるからである。（！１し振
動数は上記範囲に限られるものではなく必要に応じて適
宜変更し得る。

第二の」二程では、分散させた後に液体を取り除く。こ
の場合液体な蒸発させて完全に取り除くことが望ましい
。液体を取り除くにあたっては、液体中で短繊維を沈殿
させた後、その−１−ずみ液を取り除き、更に短縁粕Ｅ
ｔｉ：乾燥させ、これにより水分を蒸発することが９」
ましい。沈殿させる場合には、液体及び短繊維を収納し
た容器を所定時間静置するとよい、乾燥は１０〜１５０
℃の温度で乾燥炉内探持によって行うとよい。、また液
体を取り除くにあたっては、液体と短繊維とを収納した
容器の底壁や側壁の全面または一部にろ適用フィルター
を設け、短繊維が沈殿した後に液体をこのフィルターを
通して１）；出しても良い。尚ろ適用フィルターに代え
て、繊維を通さぬ大きさの排出孔を形成してもよい。ろ
適用フィルターや上記排出孔を用いれば、容器をＭりな
くても液体をＩＪｒ出できるため、分散状態にある短繊
維を乱さない。

上記した第一の工程及び第二の工程を経て繊維集合体が
形成される。この場合繊維集合体は、プランジャーで加
圧することによって繊維性密林とし、７１１ｉ定の繊１
ｉ＋Ｉ　ｆｔ’積分率にしておくとよい。又繊維集合体
は、バインダを該繊維集合体に圧入含浸させておいても
よい。バインダとしては、エポキシ樹脂、フェノール樹
脂、ポリイミド樹脂等の有機バインダ、リン酸アルミニ
ウム、水ガラス等の無機バインダを用いることがでさる
。叉、ｍ紺集合体は、短ｗＡ紺が１ｌｆｆ拌によって分
散しているかぎり、長時間品温で保持して繊維同士の接
触部分を拡散させておいでもよい。

第一のニ１稈及び第二の工程を経て製造した繊維集合体
に、溶融したＩ！＃祠金属を接触、浸透させて繊維と母
材金属とな一体化させる。該母材金属の接触、浸透に際
しでは繊維集合体を収納する金型を予熱し、該予熱した
金型内に上記繊維集合体を収納するとよい。その後、Ｉ
Ｖｆ融した母材金属を金型内に注ぎ、接触、浸透させて
繊維と母材金属とを一体化する。金型を予熱する理由は
、金型及び繊維集合体の温度が低ずぎると、溶融した母
材金属が繊維集合体の隅々まで接触、浸透する前に金型
及び繊維集合体に熱を奪われて同化してしまい、接触、
浸透が不十分となる恐れがあるからである。

上記方法では、Ｉｌｉ紺集金集合体′ＦＢ融した母材金
属を注ぐという：ｒＩＩｌｌＩを踏むために、溶融した
Ｎ４４金属を繊維集合体にすみやかに接触、浸透させる
ことができる。従って両者が一緒に高温下におかれる時
間も短くてさ、反応も無視できる程度に抑制できる。

母ｔｔＡ金属としではアルミニウム、アルミニウム合金
、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、チタ
ン、チタン合金等を用いることができる。

母材金属の溶融温度は、該母材金属の融点より５０℃〜
２００℃高めとするとよい。これは、母材金属が繊維に
充分に接触、浸透する前に固化することを防止するため
には、あまり低温では好ましくなく、又繊維集合体にバ
インダを圧入含浸させた場合に該バインダのガス化及び
炭化を促進するためには、ある程度高温である必要があ
り、一方、母材金属があまり高温であると母材金属と繊
維とが反応し劣化してしまうためこれら３者の条件より
、上記値となるのである。

上記接触、浸透に際しては、これを加圧下で行うことも
できる。加圧Ｆで行うとＤＩ材金金属繊維への接触、浸
透がよりすみやかとなり、又バインダを用いた場合でも
、バインダから発生ずるガスあるいは炭化物が１？　Ｒ
Ｍ中に欠陥として残りにくくなる。

この様にして母材金属を接触、浸透させた後冷却する。

冷却は強制冷却を行なうと、母相金属と繊維とが高温１
：に置かれる時間を短縮できるためにその劣化も無視で
きる程度に軽減できる。

本発明の方法によりト’　ＲＭを製造すると、！？Ｉ＜
Ｍ中におりる短繊維の配向状態が無秩序となる。

そのためＩ”　ＲＭの諸特性も等方向なもの又は等方向
之こ近いものとすることができる。従フて、それだけ強
度などの諸特１１１も優れたものとなる。ここで、ＩＪ
材金金属接触、浸透前に繊維集合体をプランジャーで加
圧する場合であっても、短繊維は少なくとも二次元ζこ
フ！［秩序となる。

更に第一の」１程においで、撹拌と共に超音波振動処理
を行った場合には、短繊維の表面に付着しているサージ
ング＋Ａや汚れなどを除去することができるため、短編
ｔｉｌｌと１３Ｊ杓金属との濡れ性を改善できる。この
結果１＜７相金属の繊維集合体への浸透も良りｆとなり
、ト”　Ｉ＜　Ｍの強度を増大させ得る。

以下、本発明の実施例を第１図〜第８図を参！ｉセしで
説明する。本例では、短繊維として直径０゜１　＝　１
　、　（、）　Ｉｔ、長さ５０〜２００７１　（７）繊
維を用い、母材金属としてアルミニウム合金を用い、又
液体として水を用いた。

まず第１図に示すように上面が開口する容器１の空間２
内に前記短編１１ｔ　３を装入した。この場合短繊維３
の爪は１００ｇとした。次に第２図に示すように容器ｌ
の空間２内に水４を２００ｇ注入した。その後、超音波
振動発生装置５内に前記容器ｌをセットすると共に、回
転翼６を容器ｌ因に挿入した。そして、超音波振動発生
装置５を作動させて容器ｌに超音波振動を与えると共に
、回転翼６を水平方向に回転駆動させた。この場合２分
間行った。超音波振動発生装置５の振動数は３０Ｋ　Ｈ
Ｚとし、回転翼６の回転速度は１ｍ／秒とした。上記の
操作を行った結果、短繊維３は水４の中で無秩序かつ均
一に分散された。

次に回転翼６０回転駆動を停止させると共に超音波振動
発生装置５の作動を停止し、容器１を超音波振動発生装
置５から取り外した。そして、容器１を静止状態のまま
１５分間保持することによって、第１１図に示すように
短編ｌ１ｔ３を水ｌｌの中で沈殿させ、これによフて短
繊維３と上ずみ液７とに分けた。次に第ｆｉｌイ１に示
すように容器ｌから上ずみ液７を取り除いた。その後、
容器１内の短繊維３を乾燥し、短繊維１（に残留してい
る水分をずへて除去した。乾燥は１５０℃の温度で行っ
た。

これによって繊維集合体８が形成された。

次に容器ｌ内にプランジャー９を挿入し、このプランジ
ャー９にＪ、って前記繊維集合体８を圧力１００〜７０
０ｋｇ／ｃｍ”で加圧した。この結果繊維体積分率は／
１．０％となった。第８図はプランジャーｇによ）て加
圧した後の繊維集合体８を示す。

そして上記のようにしで製造した繊維集合体８を金型の
キャビイテ？内に収納し、溶湯鍛造法により溶融したア
ルミニウム合金を該繊維集合体８に接触、浸透さＵｏ、
両者を一体化させた。ここに金型のキャビィティの内部
形状は前記繊維集合体８の外部形状と略同じ形状である
。

接触、浸透に際しでは、先ず金型な３５０℃〜５５０℃
に予熱し、温度が安定した時点で前記繊維集合体８を収
納し、これに融点より５０’Ｃ〜２００℃高い温度のア
ルミニウム合金を注ぎ、５０〜２０００ｋｇ／ｃｍ”の
圧力で加圧し、その後急速に冷却し、繊維含有率４０％
のｌ”　ＲＭを製造した。

上記のような手順で製造したｐ″Ｉ（Ｍの試料（Ｎ。

１及びＮａ２）の曲げ強度及び焼ＩＪ荷重を調べた。

曲げ強度を調べる試験方法は、３点曲げ試験である。焼
付荷重を調べる試験方法は、まさっ試験である。Ｎａ　
ｌの場合には、炭素短繊維を用い、その繊維の長さは８
０００μ、径は７７Ｌ、ｌ維集合体の繊維体積分率は６
％、母材金属はＪ　Ｉ　５−Ａ５９０とした。Ｎａ２の
場合には、炭化珪素（Ｓ　ＩＣ）短繊維を用い、その繊
維の長さは５０〜２００μ、径は０．１〜１．ｏ４、繊
維集合体の繊維体積分率は４０％、母材金属はＪ　Ｉ　
５−Ａ５９０とした。

更に本例に対する比較例として、従来から用いられてい
る加圧法、焼結法、バインダー法で上記短繊維から繊維
集合体を形成し、そしてその繊維集合体に母ヰＡ金属（
Ｊ　Ｉ　Ｓ−Ａ；Ｊ９０）　を接Ｍ、浸透させて試料を
作製し、その試料の曲げ強度及び焼付荷重を調べた。こ
こで加圧法とは短繊維をプランジャー等で加圧してａ紺
矩合体を形成する方法である。焼結法とは、プランジャ
ー等で加圧して、練絹、集合１４．を形成し、更に長時
間高温で保持して繊維の接触部分を拡散させる方法であ
る。

バインダー法は、プシンジャー等で短繊維を加圧して繊
維集合体を形成し、史に樹脂を含浸させる方法である。

木例及υ比較例の試験結果を第１表に示す。炭化珪素短
繊維を用いたときには、本例の場合、曲げ強度は８１３
　ｋ１Ｈ／　ｍｍＬ、焼ｔ−１荷重は１２ｏｂｇと大き
かった。一方比較例の場合、曲げ強度は３２〜４９咄／
　ｍｍ’−−類１４６１距は７０〜１００呟と小さかっ
た。

炭化珪素繊維を用いたときには、本例の場合、曲げ強度
は：ｉ　７　ｋＢ　／　ｍｍＬ、填１］荷Ｉトは１５０
ｋｇと入きかフた。一方、比較例の場合、曲げ強度は９
〜１５　ｋＢ　／　ｍｍ”　、ｊ：尭イ４荷・［は８０
〜１２０ｋｇと小さかった。

以−にの試験結果から明らかなように炭化珪素短繊維を
用いたどきには、本例の曲げ強度は比較例第１表 の曲げ強度に対して１．８０〜２．７５倍と大きい。又
、炭素炭繊維を用いたときには本例の曲げ強度は比較例
の曲げ強度に比して２．１８〜４゜１倍と非常に大きい
。その理由は、短繊維と水とを混ぜ合わせた状態で撹拌
することにより該短繊維を無秩序かつ均一に分散させた
ことに起因する。

即ぢ、短繊維を無秩序かつ均一に分散させたため、ＦＲ
Ｍの特性が等方向となり、そのためＦＲＭの強度、焼１
］荷重が増加した。父上記の倍数から明らかなように本
例による改善効果は、炭素短繊維の方が炭化珪素短繊維
の場合よりも大きい。これは炭化珪素短繊維の表面に何
着しているサージング材が超音波指動処理によって除去
され、これにより炭素短繊維と溶融母材金属との濡れ性
が良好となることに基因すると推琴される。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の代表的な実施例を示し、第１図は短繊維
を容器に装入している状態の縦断側面図、第２図は水を
容器に装入しでいる状態の縦断側面図、第３図は超音波
振動発生装置にセットした容器内で回転翼を回転してい
る状態の縦断側面図、第４図は容器内で短繊維を沈殿し
た状態の縦断側面図、第５図は容器から−Ｌずみ液を取
り除いた状態の縦断側面図、第６図は容器内の短繊維を
乾燥している状態の縦断側面図、第７図はプランジャー
によって短繊維を加圧している状態の縦断側面図、第８
図はプランジャーによって加圧して形成した繊維集合体
の斜視１メＩである。 、図中、１は容器、；Ｊは短繊維、４は水、５は超音波
振動発生装置Ｘ、（３は回転翼、７は上ずみ液、９はプ
ランジ・１・−１１（は繊維集合体を示す。 特許出ルｆ１人　１．１本電装株式会社代１７１１人　
弁理士　大川　宏 量　弁理士　藤谷　峰 同　弁理士　丸山明夫 ；、；、　１０　・２１″゛：２図 第３　＋＝、！！：→゛５４図 第５図　第６１・・１ 第７　Ｉ’ｌｌ　、配８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）繊維集合体ζこｆ’ｌ’ｆ融した母Ｕ金属を接触
   、浸透させ、その後゛、Ｉ’Ｌ　ｋ４金属を固化させる
   繊維強化金属複合Ｉ４別の製造方法において、 前記繊維集合体は、多数の短繊維と液体とを混ぜ合わぜ
   た状態で撹拌することにより、該短１ｔｉｌＷを分散さ
   せる第一の１−程と、分散させた後に前記液体を取り除
   く第二の工程とを含む工程から形成されることを特徴と
   する＊　ｉｔｔ強化金属複合材料の製造方法。 （２）第一・の工程ζこおいて、撹拌と共に超音波賑勅
   処理を行う１，１１許請求の範囲第１　Ｘ＜（記載の繊
   維強化金属複合ｋＡ料の製造方法。 （２（）超音波際動処理は、２５〜：（５Ｋ　Ｉｔ　Ｚ
   の振動を与えながら行う特許請求の範囲第２項記載の繊
   維強化金属複合材料の製造方法。 （４）液体は水である特許請求の範囲第１項記載の１ａ
   維強化金属複合材料の製造方法。 （５）第二の工程は、短繊維を液体中で沈殿させた後、
   その上ずみ液を取り除き、該短縁ＩＩＩを乾燥すること
   により行う特許請求の範囲第１項記載の繊維強化金属複
   合材料の製造方法。 （６）短繊維は、炭素ｔａ＄１又は炭化珪素繊維であり
   、母材金属はアルミニウム又はアルミニウム合金である
   特許請求の範囲第１項記載の繊維強化金属複合材料の製
   造方法。