JPS61295346A

JPS61295346A - 繊維強化金属の製造方法

Info

Publication number: JPS61295346A
Application number: JP13542985A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Towata; 真一砥綿; Senichi Yamada; 山田　銑一
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1985-06-21
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1986-12-26
Also published as: JPH0257135B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は繊維強化金属（ＦＲＭ　）とその製造方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

近年、各種機械部品や構造材などにおいて、種々の複合
材料例えば金属を繊維で強化したにＲＭが使用されてい
る。ＦＲＭに用いられる強化繊維は母材（マトリックス
）金属、特にアルミニウム合金やマグネシウム合金など
とは濡れにくい反面、一旦濡れると反応して繊維が劣化
する。このため、一般には強化繊維に表面処理が行われ
る。処理法としては例えばＣＶＤ法、めっき法が挙げら
れる。これらの方法では強化繊維の表面に金属やセラミ
ックスを均一に膜状に被覆するが、強化繊維との間の熱
膨張係数の差による剥離が生じて表面処理の効果が減少
したり、又、被膜を厚くすると強化繊維のしなやかさが
失われたり、硬く脆くなるため繊維が損傷し易くなるな
ど問題が多い。更に、繊維の一本一本に表面処理を行う
ためには複雑な装置を必要とし、コスト的にも不利であ
る。又、これらの強化繊維を使用して高圧凝固鋳造法に
よってＦＲＭを製造すると、繊維が片寄り繊維の分布が
粗な部分と密な部分が生じ易い。このため、ＦＲＭ中の
繊維体積率（Ｖｆ）の制御が困難であり、特にＶｔが小
さい場合に強化繊維が均一に分散したＦＲＭは得難く、
ｌｌ１１几Ｍ本来の特色である設計の自由度が損われて
いた。又、連続繊維のみで強化し九Ｆ）１．Ｍでは強度
の異方性が大きく、例えば前記高圧凝固鋳造法による炭
素連続繊維強化アルミニウム合金では繊維の長さ方向の
強さは１５０　ｋｆ／１ｍ２以上あるのに対して、それ
と直角方向では数に２／■２しかない。短繊維のみを使
用したＦＲＭは等方性ではあるが強度は一般に低い。

又、従来より複合材料に用いる強化繊維として連続繊維
又は長繊維と短繊維又はウィスカとを組合せて使用する
方法等が提案されている。

例えば、ＦＲＭ部材の内側には長繊維を使用し、外側に
は短繊維を使用する方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記従来例においても例えば長繊維と短
繊維とを部材の内側で使い分ける方法は製造工程が煩雑
となる。また強度も充分でない。さらにプリプレグ製造
時に長繊維と短繊維とを混在せしめる方法は、長繊維束
中の表面にはけ等によって、短繊維を付着させることは
できる。しかしながら内部の長繊維の一本一本の表面に
均一に付着させることは困難であシ、繊維体の品質が不
均一となる。

本発明は上記従来技術における問題点を解決するための
ものであり、その目的とするところは、母材金属中に連
続繊維を均一に分散させることにより繊維体積率を制御
でき、又、互いに特性の異なる連続繊維や短繊維、ウィ
スカ又は粉末を組合せることにより、異方性や残留応力
、耐摩耗性等の機械特性が向上した繊維強化金属とその
製造方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち本発明の繊維強化金属は、炭化ケイ素、窒化ケ
イ素、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコニ
ア、ベリリア、炭化ボロン。

炭化ケイ素、炭化チタン等のセラミック、炭素、金属、
金属間化合物等の耐熱性物質より選択された少なくとも
１種からなる連続繊維と、該連続繊維の線維間隙に介在
する炭化ケイ素。

窒化ケイ素、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジ
ルコニア、ベリリア、炭化ボロン、炭化ケイ素、炭化チ
タン等のセラミック、炭素、金属、金属間化合物等の耐
熱性物質より選択された少なくとも１種からなる短繊維
、ウィスカ又は粉末と、母材金属とからなることを特徴
とする。

連続繊維としては前記セラミック、又は耐熱性非金属例
えば炭素、ホウ素、あるいは耐熱性金属、合金、若しく
は金属間化合物例えばモリブデン、タングステン、鋼、
ステンレス鋼、龜４゜ＦｅＡｌ　、等の材料よりなる繊
維を単独又は組合せて用いることができる。繊維の太さ
や断面形状等の性状は用途に応じて選択する。

連続繊維の繊維間隙に介在させる短繊維、ウィスカ又は
粉末の量は両者の性状や製造したＦｋＬＭの用途などに
よっても異なるが、機械部品や構造材に用いる場合には
連続繊維、短繊維、ウィスカ又は粉末の連続繊維に対す
る体積率は０．５　％〜５００％程度とするのが好まし
い。

本発明のＦＲＭＫ使用できる母材金属としてはアルミニ
ウム若しくはマグネシウム又はこれらを主成分とする合
金が挙げられる。母材金属と強化繊維体との比率は、母
材金属及び強化繊維体の種類や製造したＦ）ＬＭの用途
などによって種々に変化させることができる。

本発明のＦＬＭに用いる繊維体を製造する方法は特に限
定されないが例えば電着法、流動床を用いる方法、吹付
は法、懸濁液浸漬法が挙げられる。簡便さ及び適用範囲
の広さなどの点て懸濁液浸漬法が好ましい。懸濁液浸漬
法の一例としては、例えばボビンなどに巻き付けた連続
繊維又は適当数の該連続繊維を束ねた連続繊維束を巻戻
して、短繊維、ウィスカ又は粉末のうちの少なくとも１
種以上を懸濁した液体中に浸漬し、該連続繊維の各々の
表面に該短繊維、ライス力又は粉末を付着させ、引き揃
えて再びボビンに巻取る方法が挙げられる０連続繊維束を使用する場合には繊維の数は特に限定され
ないが少ない方が各繊維一本一本に均一に短繊維などを
付着させることかできてよい。又、繊維数の多い連続繊
維束を浸漬する液体には超音波により振動を与えると各
繊維に均一に繊維束内部の繊維まで付着を行うことがで
きる。超音波は液体を入れた容器の外側に設けた超音波
付加器によって与えてもよいし、又は適当数の超音波振
動子例えばセラミック振動子を液体中に適切に配置して
与えてもよい０超音波の照射パターンは連続−であって
もパルス状であってもよい０その強度や振動数及び照射
時間は連続繊維やこれに付着させる短繊維、ウィスカ又
は粉末の種類、あるいは前記付着物の液中濃度、連続繊
維の浸漬時間などの処理条件によりて選択するが、例え
ば振動数は１０幻七〜２０００に比程度が使用し易い。

付着させるべき物を懸濁させる処理液は水でもよいが、
有機溶剤例えばエタノール、メタノール、アセトン特に
エタノールが好ましい。とりわけ、連続繊維の表面にサ
イジング剤が塗布されている場合には、サイジング剤の
溶解により短繊維などの付着が容易となり、又、揮発性
が水に比べて高いので乾燥が早く、生産性が向上する利
点がある。又、前記有機溶剤と水との混合物を使用して
もよい。

処理液中の付着物濃度は特に限定されないが、あまり小
さいと連続繊維上に均一な付着がみられず効果が少なく
なり、又逆に大きすぎると付着量が必要以上に多くなる
ため、例えば付着物として炭化ケイ素ウィスカを用い、
繊維数６０００本／ヤーンの連続繊維束を処理する場合
、炭化ケイ素ウィスカ濃度は０．５ｆ／Ｌ〜５０１／Ｌ
程度が好ましい。

多数の連続繊維よりなる束を処理液中に浸漬する場合に
は浸漬前に繊維束にプロワを当てて開繊することが望ま
しい。繊維数や処理液への超音波振動の有無によりでプ
ロワの吐出流量を調整するとよい。繊維数が少ないか、
又は処理液に充分に超音波振動を付与する場合にはプロ
ワはかならずしも必要ではない。

処理液を入れた処理槽の数は１基でもよいが、複数の付
着物を用いる場合などＫは、各々の付着物を懸濁した複
数の処理槽を用いてもよい０浸漬時間の調整は可動ロー
ルなどの通常の方法により行うことができる。又、必要
ならば処理した連続繊維束をボビンに巻取る前に乾燥炉
や赤外線乾燥機、熱風乾燥機等を用いて乾燥させる０次いで前記方法によって製造した繊維体を適当な長さに
切断するか、又は該繊維体を予め所望のＦＲＭ製品に応
じた大きさ、形状の予備成形体とし、鋳造型のキャビテ
ィ内に配置する。異なる種類の繊維体を組合せて使用し
てもよい。

この鋳造型を所定温度例えば７００℃〜８００℃に予熱
し、次いでキャビティ内に鋳造型とほぼ同温度に加熱し
た母材金属の溶湯を注入する。次いで、との溶湯を所定
圧例えば４００　ｋｆ／ｃｄ　〜９００ｋｔ／ｄに加圧
しながら室温まで冷却して母材金属を固化させる。更に
必要があれば表面加工や機械加工を行りてもよい。

本発明に用いる連続繊維やこの表面に付着させる短繊維
、ウィスカ又は粉末及び金属母材は市販品をそのまま使
用することができる。

第１図に本発明の繊維強化金属の一例を示す。

図中、１３はウィスカ（又は短繊維）、１４は連続繊維
、１５は母材金属を示し、連続繊維１４の間隙にウィス
カ１３が配置され、残る空間に母材金属１５を充填した
構造を有する。ウィスカ１３の種類や性状、付着時の条
件又はウィスカ１３を付着した連続繊維１４の充填条件
などを選択すれば、ウィスカ１５を間隙に均一に配置す
ることもできるし、又は連続繊維１４の周囲に集中的に
配置することもできる。ウィスカ１３によって母材金属
１５は強化されるが、更に強化するために元素添加する
ことも可能である。この場合、母材の合金組成は限定さ
れるものではない。連続繊維１４の間隙にウィスカ１３
が配置されることによって、連続繊維１４同士の接触が
防止される利点があるほか、ウィスカ１３の量を変える
ことによりて連続繊維１４の体積率を制御できる。更に
、ウィスカ１３の存在によって連続繊維１４と直角方向
の強度が改善されるために、繊維強化金属の異方性が軽
減される。連続繊維１４と同等か又はそれより小さい熱
膨張係数を有するウィスカ１３を使用すれば、熱的残留
応力が軽減される効果がある。更に、耐摩耗性を有する
ウィスカ１３を使用することによって耐摩耗性に優れた
繊維強化金属を得ることができる。

〔実　施　例〕

以下の実施例において本発明を更に詳細に説明する。な
お、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

実施例１：第２図は本発明に用いる強化繊維体の製造装置の一例を
示す。炭化ケイ素ウィスカ（平均直゛　　径約０．２Ａ
Ｔｌ、平均長さ約１００μｍ　）５ｆをエチルアルコー
ル１０００ｃｃの入った処理槽１中に投入後、超音波付
加器２により超音波振動を与えて懸濁させ、処理液３を
調整した。東し■製Ｍ４０炭素繊維束（繊維直径７〜８
μｍ、繊維数６０００本。

サイジング剤付）４をボビン５から巻戻し、超音波を付
加させたままで浸漬時間が約１５秒となるよう可動ロー
ラ６及び７によりて調節して処理液３中に浸漬しながら
通し、次いで圧力ローラ８及び９によりて押圧した後再
びボビン１０に巻取り、定温・大気中で乾燥させた。

図中、１１はプロワ、１２は乾燥炉を示し、必要に応じ
て使用する。

処理前黒色であった繊維は処理後うぐいす色を帯び、電
子顕微鏡（ＳＥＭ）観察の結果、第３図に示すようにウ
ィスカ１５が連続繊維１４上に付着しているのが認めら
れた、又、処理後秤量の結果、繊維束長さ１０ｍ当り０
．１５　Ｆのウィスカが付着しているのが判った。

次いで、第４図囚に示すように、前記方法により製造し
た繊維体１６を長さ１５０露に切断して５０本束ね、鋼
製パイプ１７中に挿入した。

次いで（ハ）に示すように、鋼製バイブ１７をヒータ１
８により窒素ガス中で７６０℃に予熱し、更に（Ｑに示
すように鋳造型１９内に配置して、７６０℃に加熱した
純アルミニウムの溶湯２０を注入し、パンチ２１を用い
て５００ｋＳ’／−で６０秒加圧した。

得られた繊維強化金属の連続繊維の繊維軸線に対して直
角方向の金属組織の断面図を第１図に示す。図から明ら
かなように、連続繊維１４は母材金属１５中に均一に分
散され、相互の接触はほとんど認められなかりた。又、
繊維間隙には多数のウィスカ１３の存在が確認された。

実施例２：炭化ケイ素ウィスカ（実施例１で用いたものと同じ）と
窒化ケイ素ウィスカ（平均直径約０．３μ、平均長さ約
２００μｍ）各５ｔを、第２図に示すエチルアルコール
１０００ｃｃの入った処理槽１中に投入後、超音波付加
器２により超音波振動を与えて懸濁させ、処理液３を調
整した。実施例１と同一の炭素繊維束を使用し、浸漬時
間を２０秒とする以外は実施例１と同様の方法でウィス
カを付着させた連続繊維体を製造したところ、繊維束長
さ１０ｍ当り０．２２のウィスカが付着した。

次いで、第４図囚に示すように、前記方法により製造し
た繊維体１６を長さ１５０１１Ｉ＋に切断して１００本
束ね、鋼製パイプ１７中に挿入した。

次いで、（ト）に示すように、鋼製パイプ１７を窒素ガ
ス中で７２０℃に予熱し、更に（Ｑに示すように１鋳造
型１９内に配置して、７２０℃に加熱した純マグネシウ
ムの溶湯２０を注入し、パンチ２１を用いて７５０　ｋ
ｒ／−で６０秒加圧した０得られた繊維強化金属の、連
続繊維の繊維軸線に対して直角方向の金属組織の断面図
は第１図と同様であり、繊維間隙には多数のウィスカが
認められ、連続繊維同士の接触は著しく少なかりた。

曲げ強さ測定試験：実施例１と同様の方法を用いて、ウィスカ付着条件を変
えて本発明の繊維強化金属を製造し、連続繊維の繊維軸
に対して直角方向に対する曲げ試験を行りた。結果を第
５図に示す。ライス力を付着させた連続繊維を用いた本
発明の繊維強化金属は、ウィスカを用いない従来の繊維
強化金属に比べて約２〜５倍曲げ強さが向上しておシ、
ハイブリッド効果が明確に現われている。

又、超音波付加の効果及び処理液にエタノールを用いる
効果も明瞭であシ、付着時の条件を適切に選択すること
により大きな曲げ強さが得られることが判る。

〔発明の効果〕

上述のように本発明の繊維強化金属は、連続繊維と、該
連続繊維の繊維間隙に介在する短繊維、ウィスカ又は粉
末のうちの少なくとも１種と、母材金属とからなるもの
であるため、母材金属中に各々の連続繊維を均一に分散
させることができ、繊維体積率を非常に広範囲に制御す
ることが可能であり、更に連続繊維と付着物及び母材金
属の種々の組合せが可能であるため広範囲にわたる要求
特性を満たすことができる。

又、連続繊維同士の接触が減少し、且つその組成が均一
となるため圧縮剪断強さなどの機械特性も改善された。

特に連続繊維の繊維軸線に垂直な方向の強度が著しく向
上し、異方性が改善された。

又、本発明の繊維強化金属の製造方法は、連続繊維と、
該連続繊維の繊維間隙に介在する短繊維、ウィスカ又は
粉末とからなる繊維体又は、これから作製された予備成
形体を鋳造型のキャビティ内に配置して母材金属の溶湯
を注入する方法であるため簡便で生産効率が高い。更に
強化繊維体の製造時に処理液に超音波を付加したり、処
理液として有機溶剤を使用するなどの各種変法が可能で
あり、これにより付着量を制御できるため同−設備で各
種の強化繊維体を製造することができ、又、これらの繊
維体にようて予め種々の形状の予備成形体を作製するこ
とも可能であるため、各種性状の繊維強化金属を容易に
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の繊維強化金属の一例の金属組織の光学
顕微鏡写真、第２図は本発明の製造方法における強化繊維体の製造装
置の一例の概略図、第５図は第２図の装置を用いて製造した繊維体における
繊維の形状を示す電子顕微鏡写真、第４図は第６図の繊
維体を用いて本発明の繊維強化金属を製造する工程を示
す概略図、第５図は本発明の繊維強化金属のウィスカ付
着条件と曲げ強さ及び従来の繊維強化金属の曲げ強さを
示すグラフである０図中、１・・・処理槽　　　　　２・・・超音波付加器３・・
・処理液　　　　　　４・・・炭素繊維束５　、１０−
・・ボビン　　　６，７・・・可動ローラ８．９・・・
圧力ローラ　　１１・・・ブロワ１２・・・乾燥炉　　
　　　１５・・・ウィスカ１４・・・連続繊維　　　　
１５・・・母材金属１６・・・繊維体　　　　　１７・
・・パイプ１８・・・ヒータ　　　　　１９・・・鋳造
型２０・・・溶湯　　　　　２１・・・パンチ特許出願
人　　株式会社　豊田中央研究所片３図Ｊ才４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、シリカ、ア
ルミナ−シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ボロン、
炭化ケイ素、炭化チタン等のセラミック、炭素、金属、
金属間化合物等の耐熱性物質より選択された少なくとも
１種からなる連続繊維と、該連続繊維の繊維間隙に介在する炭化ケイ素、窒化ケイ
素、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコニア
、ベリリア、炭化ボロン、炭化ケイ素、炭化チタン等の
セラミック、炭素、金属、金属間化合物等の耐熱性物質
より選択された少なくとも１種からなる短繊維、ウィス
カ又は粉末と、母材金属とからなる繊維強化金属。
（２）母材金属がアルミニウム若しくはマグネシウム又
はアルミニウム合金若しくはマグネシウム合金であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の繊維強化金
属。
（３）炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、シリカ、ア
ルミナ−シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ボロン、
炭化ケイ素、炭化チタン等のセラミック、炭素、金属、
金属間化合物等の耐熱性物質より選択された少なくとも
１種からなる連続繊維と、該連続繊維の繊維間隙に介在する炭化ケイ素、窒化ケイ
素、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコニア
、ベリリア、炭化ボロン、炭化ケイ素、炭化チタン等の
セラミック、炭素、金属、金属間化合物等の耐熱性物質
より選択された少なくとも１種からなる短繊維、ウィス
カ又は粉末とからなる繊維体、あるいは該繊維体からな
る予備成形体を鋳造型のキャビティ内に配置し、次いで該キャビティ内に母材金属の溶湯を注入した後冷
却・固化することを特徴とする繊維強化金属の製造方法
。
（４）繊維体を、連続繊維の各々の表面に短繊維、ウィ
スカ又は粉末を付着させ、引き揃えて調製することを特
徴とする特許請求の範囲第３項記載の方法。