JPS613864A - 炭素繊維強化マグネシウム合金 - Google Patents

炭素繊維強化マグネシウム合金

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JPS613864A
JPS613864A JP59123392A JP12339284A JPS613864A JP S613864 A JPS613864 A JP S613864A JP 59123392 A JP59123392 A JP 59123392A JP 12339284 A JP12339284 A JP 12339284A JP S613864 A JPS613864 A JP S613864A
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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、繊維強化金属複合材料に係り、更に詳細には
炭素繊維強化マグネシウム合金に係る。
従来技術′ 繊維強化金属複合材料の一つとして、高強度及び高剛性
を有する炭素繊維を強化ｍ雑と６アルミニウム合金やマ
グネシウム合金の如き軽金属をマトリックス金属とする
炭素Ｓ雑強化金属複合材料は既に知られている。炭素繊
維を強化繊維としアルミニウムを含有する軽金属をマト
リックス金属とする複合材料に於ては、炭素繊維とマト
リックス−金属の溶湯との複合時に炭素ｍ維の表面とマ
トリックス金属中のアルミニウムとが炭化物生成反応し
て炭素繊維が劣化り゛ることが知られており。
かかる炭素繊維の劣化は炭素繊維中でも黒鉛化疫の低い
所謂高弾性系炭素Ｓ雑に於ては比較的軽微であるものの
、黒鉛化度の低い所謂高強度系炭素繊維に於ては著しく
、従って高強度系炭素繊維は殆ど実用に供せない程脆化
しその強痕が低下する。
かかる炭素ＩＩ＆雑の劣化を抑制すべく、特公昭４９−
１８８９１月に記載されている如く、マトリックス金属
としてのアルミニウム合金の溶湯中にアルミニウムより
も炭化物形成傾向の強いチタニウムやジルコニウムなど
の元素を比較的多量に添加することにより、炭素繊維と
アルミニウム合金の溶湯とを複合化する際に炭素繊維の
表面に炭化チタニウムや炭化ジルコニウムの如き炭化物
層を積極的に生成させ、これによ′り炭素繊維とアルミ
ニウム合金のアルミニウムとが反応することを抑制する
方法が知られている。しかしこの方法に於ては、依然と
して上記反応を十分には抑制することができないだけで
なく、脆い炭化物層の生成により炭素１１維強化アルミ
ニウム合金の強度が低下するという問題がある。
また上述の如き炭素繊維の劣化を抑制ずべく、炭素繊維
とアルミニウムを含有するマトリックス金属の溶漬との
複合化に先だって、炭素繊維の表面に炭化チタニウムや
炭化ジルコニウムなどの炭化物を形成し、これにより炭
素繊維とマトリックス金属中に含まれるアルミニウムと
が反応することを抑制する方法が従来より知られている
。しかしこの方法に於ては、炭素繊維とマトリックス金
属の溶湯との複合化に先だって炭素繊維の表面に炭化物
層を形成さけるという特別の工程を要するため、炭素繊
維強化金属複合材料の製造コストが高くなるだけでなく
、炭素繊維とマトリックス金属との密着性はほとんど向
上しないため、複合材料の強度を十分に向上させること
ができないという問題がある。
本願発明者等は、炭素ｍＭを強化繊維としアルミニウム
を含有する軽金属をマトリックス金属とする従来の方法
により製造された炭素繊維強化金属複合材料に於ける上
述の如き問題に鑑み、炭素繊維を強化繊維としマグネシ
ウム合金をマトリックス金属とする複合材料について種
々の実験的研究を行った結果、マグネシウム合金中に結
晶の微細化等を目的に一般に添加されるアルミニウムや
ジルコニウムの量を所定量以下に抑制し、またマグネシ
ウム合金に亜鉛を適当量添加することにより、炭素繊維
の劣化が少なく従って従来の炭素繊維強化マグネシウム
合金に比して強度が高く、しかも低廉な炭素繊維強化マ
グネシウム合金を得ることができることを見出した。
発明の目的 本発明は、本願発明者等が行った種々の実験的研究の結
果得られた知見に基き、炭素繊維の劣化が少なく、従っ
て従来の炭素ＩＩｉ維強化マグネシウム合金に比して強
度が高くしかも低廉な炭素繊維強化マグネシウム合金を
提供することを目的としている。
発明の構成 上述の如き目的は、本発明によれば、炭素繊維を強化繊
維とし、２〜８ｗｔ％Ｚｎ　、　０〜０．２ｗｔ％Ｚ「
、０〜１ｗｔ％Ａ＋、残部実質的にＭＯなる組成を有す
るマグネシウム合金をマトリックス金属とする炭素繊維
強化マグネシウム合金によって達成される。
発明の作用及び効果 本願発明者らが行った実験的研究の結果によれば、後に
詳細に説明する如く、炭素繊維強化マグネシウム合金の
強度はマトリックス金属としてのマグネシウム合金中に
含まれる亜鉛含有量が２ｗｔ％以上になると比較的高く
なり、８ｗｔ％以上になると逆に低下し、またマグネシ
ウム合金の鋳造性が悪化する。特に亜鉛含有量は３〜７
，５ｗｔ％、更には４．５〜７ｗｔ％である場合に炭素
繊維強化マグネシウム合金の強度が非常に高くなる。ま
たジルうニウム含有量がＱ、２ｗｔ％以下の場合には炭
素繊維強化マグネシウム合金の強度の差異は微小である
が、ジルコニウム含有量がＱ、２ｗｔ％以上になると炭
素繊維強化マグネシウム合金の強度が著しく低下する。
同様にアルミニウム含有量が１ｗｔ％以上になると炭素
繊維強化マグネシウム合金の強度が著しく低下する。従
って亜鉛含有量は２〜Ｓｗｔ％、好ましくは３〜７．５
ｗｔ％、更には４．５〜７ｗｔ％とされ、ジルコニウム
含有量及びアルミニウム含有量はそれぞれＱ、２ｗｔ％
以下、１ｗｔ％以下とされる。
かくしてマトリックス金属としてのマグネシウム合金中
に含まれる亜鉛、ジルコニウム、アルミニウムの含有量
が規定されることにより、炭素繊維の劣化が少なく高強
痩であり、しかも比較的高価なジルコニウム等が多量に
使用される従来の方法によれ得られる炭素ｌ！雑強化マ
グネシウム合金に比して低廉な炭素繊維強化マグネシウ
ム合金を得ることができる。マグネシウム合金中に上述
の如き所定量の亜鉛を含有させることにより炭素繊維強
化マグネシウム合金の強・度を向上させることができる
の−は、■亜鉛の添加によりマグネシウム合金の融点が
低下し又流動性が向上することによって鋳造性が向上し
、これにより高圧鋳造法の如き加圧鋳造法にて炭素繊維
強化マグネシウム合金を製造する場合に、マトリックス
金属の溶湯が炭素繊維の集合体中に良好に浸透する、■
炭素繊維の表面にマグネシウムと亜鉛の晶出物が形成さ
れることにより炭素繊維とマトリックス金属との間の適
合性が改善され、これにより炭素繊維強化マグネシウム
合金の延性が向上する、■７１〜リックス金属自金属張
度が改善されるなどの理由によるものと推測される。
また本発明によれば、マトリックス金属の溶場の鋳造性
が改善されることにより、加圧鋳造法による炭素繊維強
化マグネシウム合金の製造能率が改善され、また亜鉛の
添加により僅かではあるがマトリックス金属の耐食性も
改善される。
尚本明細書に於て、亜鉛、ジルコニウム、アルミニウム
の含有量の範囲を示づ”「〜」及び「以上」が１以下」
の表示に於てはその下限値及び上限値がその範囲に含ま
れているものとする。また本発明による炭素Ｓａ強化マ
グネシウム合金に於ては、マグネシウム合金に一般に含
まれているＦｅ、、Ｓｉ　、　Ｍｎの如き不純物が総量
でｏ、３ｗｔ％以下にてマトリックス合金中に含まれて
いてもよい。
実施例 以下添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について詳
細に説明する。
炭素繊維を強化ｍ帷としマグネシウム合金をマトリック
ス金属とする炭素１ｓＩＩｆ１強化マグネシウム合金に
於て亜鉛、ジルコニウム、アルミニウムの含有量が如何
なる範囲であることが妥当であるかの検討を行うべく、
マグネシウム合金中の亜鉛、ジルコニウム、アルミニウ
ムの含有量を種々の値に設定して炭素繊維強化マグネシ
ウム合金を製造し、それぞれについて曲げ試験を行った
。
まず純度９９．９ｗｔ％のマグネシウムに亜鉛、ジルコ
ニウム、アルミニウムを種々の量にて添加することによ
り、下記の表１に示す１８種類のマグネシウム合金を形
成し、各′合金を７００’Ｃにて溶解し、窒素ガスにて
脱ガス後、フラックス（ダウケミカル株式会社製＃３１
０）を用いて精錬した。商機１に於て、残部はＭｇであ
り、単位はｗｔ％である。
表　　　　　１ 合金Ｎｏ、　　７ｎ　　　ん１ＺｒＷ ｉ　　　　　　　ｏｏｇ　　　　　ｏ、ｉ　　　　〜　
０．０１　〜０．５２　　　　　　１．６　　　　０．
１　　　〜０．０１　〜０．５３　　　　　　２．９　
　　　０．１２　　〜０．０１　　〜０，５４　　　　
　　４．６　　　　０．０８　　〜０．０１　〜０．５
５　　　　　　５．２　　　　０．１５　　〜０．０１
　〜０．５ｅ　　　　　６，３　　０．１６　〜０．０
１　〜０．５７　　　　　　７．２　　　　０．２３　
　〜０．０１　　〜０．５８　　　　　　８．３　　　
　０．ＩＪＩ　　　〜　０．０１　〜０，５９　　　　
　　９．５　　　　０．２１　　〜０．０１　　〜０，
５１　０　　　　　　５．８　　　　０．２　　　〜０
．０１　〜０．５１１　　　　　　６．０　　　　０．
５　　　〜０．０１　〜０．５１　２　　　　　　５．
７　　　　０．９　　〜０．０１　〜０．５１　３　　
　　　　５．９　　　　１．３　　　〜０．０１　　〜
０．５１４　　　　　　５．９　　　　２．０、　　〜
０．０１　〜０．５１５　　　　　　５．７　　　　０
．１１　　　　−０，１　　　〜０．５１６　　　　　
　５．６　　　　０．１８　　　　　０，２１　　〜０
．５１　７　　　　　　５．７　　　　０．１５　　　
　　０，２８　　〜０．５１８　　　　　　６．０　　
　　０，２　　　　　０．４２　　〜０．５次いで第４
図に示されている如く、ｌｌｌ径径７μ長さ１００ｍ５
の炭素繊維１（束し株式会社製「［・レカ」　（登録商
標）７３００．１ストランド−６０００本）を一方向に
揃えｌｌ８ＩｌｌＩ％、横１８ＩＩＩＩＩ１１長さ１０
０＋ｎｉの形状に成形し、これを縦、横、長さがそれぞ
れ１０ｎ損、２０ｍｍ、’１２０１１１＋１１．板厚１
１１Ｉ１１のステンレス鋼（ＪＩｓ規格Ｓ　ＬＪ　Ｓ　
３０４．　）製のケース２内に収め、炭素１１１１ｆｔ
ｌをケース２ごと７００℃に予熱した。
次いで第５図に示されている如く、炭素繊１１１１をケ
ース２ごと２００℃に維持された鋳型３のモールドキャ
ビティ４内に配置し、該モールドキャピテイ内にマグネ
シウム合金の溶湯５を素早く注渇し、溶湯５を２００℃
に維持された１ランジヤ６により１５００ｋｇ／ｉの圧
力に加圧した。そしてその加圧状態をマグネシウム合金
の溶湯５が完全に凝固するまで保持した。溶ｉ１５が完
全に′ＷＩ囚した後、その凝固体をノックアウトビン７
により鋳型３より取出し、ケース２０周りにあるマグネ
シウム合金を切削により除去してケース２を取出し、更
にケースより炭素［１１とマグネシウム合金とよりなる
炭素繊維強化マグネシウム合金を取出した。
以上の如く製造された各炭素繊維強化マグネシウム合金
より、炭素１７ｍ１の配向方向に沿って長さ１００＋＋
ｗ＋、厚さ２１ＩＩＩ１１１幅１０１１１１１１の曲げ
試験片を切出し、それぞれの曲げ試験片について支点間
距離８０１１ｍにて繊維配向Ｏ°方向の三点曲げ試験を
行った。尚この曲げ試［１於ては、破断時に於ける表面
応力Ｍ／Ｚ　（Ｍ−破断時に於ける曲げモメント、Ｚ＝
曲げ試験片の断面係数）を炭素繊維強化マグネシウム合
金の曲げ強さとして測定した。この曲げ試験の結果を第
１図乃至第３図示す。尚これらの図に於て第１図乃至第
３図はそれぞれ炭素繊維強化マグネシウム合金の曲げ強
さに与える亜鉛、ジルコニウム、アルミニウム含有量の
影響を示しており、各図に於ける番号はそれぞれ１掲の
表１の合金番号に対応している。
第１図より、炭素１ｉＭ強化マグネシウム合金の　　　
□曲げ強さは亜鉛含有量が２〜８ｗｔ％の場合に、特に
３〜７．５ｗｔ％、更には４４５〜７ｗｔ％の場合に高
くなり、畦鉛含有量が約６１１ｔ％の場合に最高の強痕
となることがわかる。また第２図より、炭素繊維強化マ
グネシウム合金の曲げ強さはジルコニウム含有量がＱ、
２ｗｔ％以上になると急激に低下することがわかる。従
ってジルコニウム含有間はＱ、２ｗｔ％以下、特にｏ、
１５ｗｔ％以下に抑えられることが好ましいことがわか
る。更に第３図より、炭素繊維強化マグネシウム合金の
曲げ強さはアルミニウム含有量が１ｗｔ％以上になると
急激に低下することがわかる。従ってアルミニウム含有
量は１ｗｔ％以下、特にＱ、５ｗｔ％以下に抑さえられ
ることが好ましいことがわかる。
また上述の如く製造された本発明による炭素繊維強化マ
グネシウム合金についてＥＰＭＡ及びＥＳＣＡにて分析
を行ったところ、炭素繊維の表面に炭化物が発生するこ
とによる炭素繊維の劣化は殆ど発生しておらず、炭素繊
維の表面には炭素繊維とマグネシウム合金との間の応力
伝達を良好にするマグネシウムと亜鉛との晶出物が発生
しており、この晶出物は炭素ｍＨ強化マグネシウム合金
の延性を向上させる作用をなすものと推測される。
また上述の如く製造された本発明による炭素繊維強化マ
グネシウム合金について繊維配向９０゛方向の曲げ強さ
及び繊維配向Ｏ°の引張り強さを測定した所、これらの
履素繊維強化マグネシウム合金はいずれも前述の如き従
来の方法により製造された炭素５ｉｅｉ強化マグネシウ
ム合金よりも高い曲げ強き及び引張り強さを有すること
が確認された。
以上に於ては本発明を本願発明者らが行った実験的研究
との関連に於て特定の実施例について詳細に説明したが
、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、本
発明の範囲内にて種々の実施例が可能であることは当業
者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図乃至第３図はそれぞれ亜鉛、ジルコニウム、アル
ミニウムの含有量を種々の値に設定して製造された炭素
繊維強化マグネシウム合金についての繊維配向Ｏ″方向
曲げ強さを示すグラフ、第４図及び第５図は本発明によ
る炭素繊維強化マグネシウム合金の高圧鋳造法による製
造工程を示す解図である。 １・・・炭素繊維、２・・・ケース、３・・・鋳型、４
・・・モールドキャビティ、５・・・マグネシウム合金
の溶湯。 ６・・・プランジャ、７・・・ノックアウトビン特　許
　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社代　　　理　　
　人　　弁理士　　明石　昌毅第１図 亜鉛含有量　　ｗｔ％ 第　２１￥１　　　　　　　　第　３ 二五 第４図 第　５　図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）炭素繊維を強化繊維とし、２〜８ｗｔ％Ｚｎ、０
    〜０．２ｗｔ％Ｚｒ、０〜１ｗｔ％Ａｌ、残部実質的に
    Ｍｇなる組成を有するマグネシウム合金をマトリックス
    金属とする炭素繊維強化マグネシウム合金。
  2. （２）特許請求の範囲第１項の炭素繊維強化マグネシウ
    ム合金に於て、前記マグネシウム合金のＺｎ含有量は４
    ．５〜７ｗｔ％であることを特徴とする炭素繊維強化マ
    グネシウム合金。
  3. （３）特許請求の範囲第１項又は第２項の炭素繊維強化
    マグネシウム合金に於て、前記炭素繊維は高強度系炭素
    繊維であることを特徴とする炭素繊維強化マグネシウム
    合金。
JP59123392A 1984-06-15 1984-06-15 炭素繊維強化マグネシウム合金 Granted JPS613864A (ja)

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