JPS63290251A - 金属基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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は炭化ケイ素（Ｓ　ｉ　Ｃ）のｉａｍまたは１ク
イスカ（以下、ＳＩＣ繊維という）からなる強化材で予
備成形体（プリフォーム）を形成し、これにマトリック
ス金属とじてのアルミニウム（Ａオ）合金溶湯を加圧溶
浸させて５ｉＣ１！帷Ａ１合全Ａ１合材料を製造する金
属Ｊ３１４合材料の製ｉ４方法に係り、特にＳｉＣ繊維
への５ｔＯ２の発生防止を図った金属基複合材料の′！
ＥＪ造方法に関する。

（従来の技術） 近年、例えばカーボン（Ｃ）、アルミナ（Ａｚ２ｏ３＞
あるいは炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミックス繊維や
ウィスカで強化された金属基複合材料が新素材の１つと
して注目されている。中でもＡｌ合金基複合材料は軽量
、高強度、高剛性のみならず、耐熱性、耐摩耗性にも優
れているため、宇宙機器、ロボット部品、自動車部品等
の幅広い分野での応用が期待されている。

このような金属基毅合材ｖ１の製造り法としては溶浸法
、粉末法、拡散接合法が知られているが、特に溶浸法は
一度に多数の複雑形状部品を生産できるので、大ｆｉｌ
生産に適したＩｌｌｌｌ法と言われている。

溶浸法による金属基複合材料の製造方法は、まず強化材
で所定の形状および体積率を右する予備成形体を作成し
、この予備成形体を金型内で予熱した後、溶融金属を加
圧溶浸させる方法である。

ところで、溶浸法により、例えばＳ　ｉ　ＣｍＭ強化Ａ
１合金基複合材料を製造する場合、その３ｉＣＩＩ維表
面に数重量パーセントの二酸化ケイ素（Ｓｉｎ、、）を
有していると、複合材料としての機械的特性が大きく損
われてしまう。特に、引張強さ、耐力、硬さ、ヤング率
において数十パーセントの低下を示す場合がある。この
理由としては、ＳｉＣ繊維自身の一部が酸化し、その生
成物としてのＳｉＯ２が活性な溶融ＡＪ合金と反応する
ため、間接的に５ｉＣＩｉｌ雑がＡ７合金によって損傷
を受けるためと考えられる。また、５ｉ０２の存在によ
ってＳｉＣ繊維とマトリックス金属との結合力が弱めら
れたり、マトリックス金属成分元素がＳｉｏ２と反応す
るため、マトリックス金属の強度自身が損われるという
場合もある。

このように溶浸法によるＳ　ｉ　Ｃ１ｌ！維強化金属基
複合材料において繊維表面の５ｉ０２は有害である。こ
れに対して、Ｓ　ｉ　ＣｍＨの製造方法によっては表面
のＳｉＯ２の生成ｍをかなり低くすることも可能である
。しかしながら、前記のような溶浸法による金属基複合
材料の製造工程上、繊維予備成形体を５００〜７００℃
に予熱する必要がある。この予熱時にＳｉＣは酸化し多
量のＳ　ｉ　Ｏ２を生成してしまう。

なお、予熱工程を真空中もしくは不活性ガス雰囲気中で
行なうことら考えられるが、Ｆｌｌ素分圧を充分低く抑
制し、かつ溶浸を満足に実施するにはかなり大掛りな設
備と製造コストを必要とし、この解決方法は余り望まし
くない。

（発明が解決しようとする問題点） 予備成形体に溶融金属を加圧含浸せしめる溶浸法ににっ
て、Ｓ　ｉ　ＣＩＪＡＨ強化Ａｌ強化Ａ１白金基複合材
料る場合、予備成形体の予熱時等に３ｉＣ１１維表面に
Ｓ　＋　０２を生成し易い。そのため、複合材料の諸特
性が損われるという問題があった。

本発明は、このような重粘に鑑みてなされたもので、ｓ
　ｒ　ｃｍｒａが製造途中で酸化することを防止し、５
１０２の含有ωの少ないＳｉＣ［雑強化ＡＪ！合金複合
材料を製造できる金属基複合林料の製造方法を提供する
ことを目的とする。

（ｆｅ明の構成） （ｖ！Ｂ題点を解決するための手段） 本発明は、ＳｉＣの！１ｔＩｉまたはウィスカからなる
強化材で予備成形体を作成し、この予備成形体を予熱し
た状態でＡ７合金溶湯の加圧溶浸を行なうことによりＳ
　ｉ　Ｃｌ１ｌｉ強化Ａオ合金基複合材料を製造する金
属基複合材料の製造方法において、表面のＳ　ｉ　Ｏ２
が１重間パーセント以下のＳｉＣの強化材にａｔ解メッ
キ法により重金属のコーティングを行ない、これを用い
て予備成形体を作成することを特徴とする。

（作用） 上記方法によると、Ｓ　ｉ　Ｃｈｉｌｌｉやウィスカは
表層部が重金属層に被覆されため大気中で高温で加熱し
ても酸化が防止され、Ｓ　＋　０２は生成されない。特
に、無電解メッキによる膜厚は小ざいことから、メッキ
膜は溶浸時に溶融金属と接触して容易に消失する。した
がって、複合材料としては強化材とマトリックス金属と
が直接的に接触するようになり、各特性、特に機械的性
質が向上する。

また、無電解メッキによる重金属の被覆は溶潟との濡れ
性も向上させるため、溶浸几を低くすることが可能とな
り、予備成形体の溶浸時の変形防止効宋−ｂ得られる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例としてＳｉＣウィスカ強化Ａｌ
！合金す複合材を製造する方法について第１図〜第３図
を参照して説明する。

まず、第１図によってＳｉＣウィスカ表面のＳｉＯ２を
除去する方法を説明する。ＳｉＣウィスカ１を、５〜１
０％に希釈したフッ化水素酸液２に混入しく第１図（ａ
））、撹拌機３を用いて、例えば１０〜３０分間撹拌す
る（同図（ｂ））。

次に、ろ紙を用いてろ過し、ウィスカとフッ化水素酸液
を分離した後、水洗を行なう（同図（Ｃ））。

即ち、ろ紙４を孔のあいた一対の押え板５で両側から挟
み、これにより水だけが通過できるフィルタ６を形成し
、このフィルタ６を容′Ｊｓ７の上下に一対装着し、そ
の間にＳｉＣウィスカ混入フッ化水素ＭＭ１ａを収容し
ておき、下側のフィルタ６の下方から上方へ水８を流す
。この方法で約３０分間水洗いした後、ろ紙９を有する
ろ過容器１０上で水分を除去する（同図（ｄ））。

以上の方法によりＳｉＣウィスカの表面の３ｉ０２吊は
約０．０１〜０．２％程度に減することができる。なお
、５ｉ０２ｆｆｉの低減は先に述べた複合材料の強度へ
の悪影響の低減に加えて、原材料としてのウィスカの中
に混在しているウィスカ塊を分解することの効果がある
。即ち、ＳｉＣウィスカ塊は表面のＳｉＯ２をバインダ
としてウィスカが集結しており、それによりウィスカの
分散が不均質となったり、予備成形体の１ｊ８１　造Ｉ
程においてウィスカの体積率の抑制が困難となることが
あるが、前記のフッ化水素酸洗浄はウィスカ均質分散や
体積率制御にも有効である。

次に、無電解メッキエ稈について説明する。

下記の第１表はＳｉＣウィスカにＮｉメッキする場合に
使用する前処理液を例示している。

〔以下余白〕

第１表 第１表に示寸前処理液へ液あるいはＢ液中に、先の工程
で５ｉ０２を低減したウィスカを涙金する。この前処理
の目的は、ウィスカ表面を化学腐食して無電解メッキ液
に対する感受性化や反応活性化を促進させるためである
。

次に、ニッケル（Ｎｉ）無電解メッキ処理液中に前処理
したウィスカを添加する。

下記の第２表はメッキ処理液を示したものである。

〔以下余白〕

第２表 ＰＨを１０、液温を約９５℃に保持し、軽くガラス棒で
かきまぜていくと、約３０分程で反応は飽和する。その
時のメッキ層厚としては約０．０５〜０．２μｍが得ら
れる。無電解メッキの利点は■ＳｉＣウィスカのように
良電導体でなく、また粉体である場合は電流を流すこと
が困難であるが、それでもメッキができること、■複雑
な凹凸の表面に均質なメッキ層ができること、■非常に
薄いメッキ層厚ができること等である。特に、本実施例
のヒドラジン化合物を還元剤とするＮｉ無電界メッキに
よれば、得られるＮｉメッキ層に不純物が少な（、膜厚
を低く制御できる。

以上のＮｉ無電解メッキにより、Ｎｉで表面被覆された
ＳｉＣウィスカを大気中で約５００〜８００℃に加熱し
ても、ＳｉＯ２は生成されない。

これを第３図を用いて説明する。第３図は、未処理Ｓｉ
Ｃウィスカと、フッ化水素酸洗浄したＳｉＣウィスカと
、フッ化水素酸洗浄後Ｎｉ無電解メッキ処理したＳｉＣ
ウィスカとについて、加熱温度とＳ　＋　０２生成吊と
の関係を示したものである。

図において、未処理ＳｉＣウィスカは約４．５％の５ｈ
ｏ２を含有していたが、これを人気中で１０００℃まで
加熱すると、８００℃で約７％、１０００℃で約１７．
５％の８１０２の増量がある。

一方、フッ化水素酸液で洗浄したものでは、ＳｉＯ２の
量が０．２％程麿に低減される。しかし、これを大気中
で加熱すると８００℃で３．８％、１０００℃で１１．
３％の５ｔＯ２を再び生成する。これに対し、本実施例
に係る方法、つまり、フッ化水素酸洗浄後、Ｎｉ無電解
メッキ処理したウィスカは大気中で約８００℃まで加熱
してもＳ＋０２ｍの増大はほとんどない。

次に、このようなウィスカを用いた予備成形体を用いた
溶浸法による金属基複合材料の製造工程を第２図（ａ）
〜（ｄ）を用いて説明する。

まず、所定の形状および繊維体積率を有する予備成形体
１１を作成する。この予備成形体１１は、前記のＮｉメ
ッキ処理後のウィスカ溶液を型内に入れ、水抜ぎ後、乾
燥することにより作成する。

この予備成形体１１を金型１２の中にセットし、ヒータ
１３で５００〜７００℃に加熱する（第１図（ａ））。

その後、マトリックス金属としてのＮｉ溶騙１４をピス
トン１５で直接加圧することにより予備成形体１１に含
浸させ、複合部１６を得る（同図（ｂ））。さらに、ピ
ストン１５を押し下げ、予備成形体１２の中に完全に溶
融金属１４を充填しく同図（Ｃ））、凝固後、金型１２
から取り出し、金属基複合材１’ｌ１７を得る（同図（
ｄ））。

なお、強化材をＳｉＣウィスカとしたが、ＳｉＣ短繊維
を使用してもよく、また洗浄液として、フッ化水素酸を
使用したが、メッキ前の酸化防止手段としてはこれに限
らず、ＳｉＯ２の除去が可能な試薬であれば他の液を用
いてもよい。

また、前記実施例では、Ｎｉ無電解メッキ法としてヒド
ラジン化合物還元法を用いたが、これに限らず、イ■の
ニッケル無電解メッキ法により、その施工条件を制御し
て適正膜厚を得ることも可能である。

さらに、無電解メッキ材としては、前述したＮｉやその
合金、さらにこれら以外の各種の重金属、例えばＣＵ、
Ｃｏ、Ａ＜ＩＪ、ＡＵ、Ｐｔ％Ｃｒまたはこれらの合金
等の使用ら可能である。

以上の方法によれば、ＳｉＣウィスカを用いて予備成形
体をつくり、大気中で予熱した状態で溶融金属を溶浸し
ても、５１０２はほとんど無いため、複合材料としての
引張強ざ、耐力、硬さ、ヤング率において、５ｉ０２の
悪影響は生じない。

下記の第３表に、従来の未処理ＳｉＣウィスカを用いた
場合および他の比較例とともに、本発明による処理を行
なったＳｉＣウィスカを用いた場合の６０６１Ａｉ１合
金基複合材料の機械的性質を示す。

〈実施例１〉 Ｓ　ｉ　０２　ｆｆｔカ約４．５ｆ４ｆｆ１％（７）Ｓ
　ｉ　Ｃウィスカを、濃度１０％のフッ化水素酸液で３
０分間撹拌し、その後水洗した。これにより、ＳｉＣウ
ィスカの５ｉ０２ｆｌｌは約０．３重量％に減少した。

このＳｉＣウィスカに、塩化第２スズ１０ｇ、塩酸４０
ａ：、水１０００ａ：の混合成分からむる前処理液に１
０分間浸し、その後前記第２表のメッキ処理液でＮ１無
電界メッキ処理したところ、０．１μｍ厚のＮｉメッキ
層が得られた。

このようにして得たＳｉＣウィスカを用いて予備成形体
をつくり、これを７００℃に予熱した状ｓｒ、８００℃
の６０６１Ａ７合金１１を加圧力５０ＯＮｇｆ／−の圧
力で加圧溶浸させた。この場合のＳｉＣウィスカの体積
率は１２％に設定した。

そして、Ｔ６ＬｊｌＳ）の熱処理条件（溶体化処理５３
５℃、水冷焼入れ、時効硬化処理１８０℃、約７時間）
で熱処理することにより、ＳｉＣ「クィスカ強化ＡＪ合
金複合合材料を製造した。

このようにして製造した複合材料の機械的性質を調べた
ところ、下記の第３Ｓに示１ように、引張強ざは３６．
０に９ｆ／ｍｔＡ、耐力は２５　、０に９ｆ／１ｎｔｉ
、硬さ１６０（Ｈｖ）、ヤング率は９　Ｘ　１０３Ｋｙ
ｆ／−であった。

〈実施例２〉 前記の実施例１と同一のＳｉＣウィスカを同様の方法で
５ｉ０２除去、Ｎｉ無電界メッキ処理し、それにより得
たＳｉＣウィスカで予備成形品をつくり、これを７００
℃に予熱し、体積率を２５％に設定して、実施例１と同
様に６０６１Δオ合金の加圧溶浸、Ｔ６熱処理を行なっ
た。

このようにして製造した複合材料の機械的性質を調べた
ところ、第３表に示すように、引張強さは４８．５に９
ｆ／１ｎｔｉ、耐力は４１　、　ＯＫ’ｊｆ／−１硬さ
４Ｊ２００（ＨＶ）、ヤング率は１２Ｘ　１０３に９ｒ
／−であった。

〈従来例１〉 ５ｉ０２ｆｆｌが約４．５重量％のＳｉＣウィスカをそ
のまま使用して予備成形品をつくり、これを７００℃に
予熱し、実施例１と同一条件、即ち、体積率を１２％に
設定して、６０６１Ａオ合金の加圧溶浸、熱処理を行な
いＳｉＣウィスカ強化Ａ（白金基複合材料を製造した。

この複合材料は、第３表に示すように、引張強さが２０
．０Ｋｙｆ／１ｕｔＡ１耐力が１０．５に９ｆ／ｒｎｔ
Ａ、砂さが６０（Ｈｖ）、ヤング率が７．５ｘ１０　　
Ｋｇｆ／−であり、実施例１と比べて機械的特性、特に
引張強さ、耐力の点で劣ることが認められる。

〈従来例２〉 前記従来例１の場合と同一のＳｉＣウィスカを用い、同
一の条件下で、体積率２５％の複合材料を製造した。

この複合材料は、第３表に示すように、引張強さが３５
．０／ｌ／ａｄ、耐力が１７　、０Ｋｇｆ／１ｒｒｔＡ
、硬さが１００　（Ｈｖ）　、ヤング率が１０×１０３
Ｋｇｆ／−であり、実施例２と比べて機械的特性が劣る
ことが認められる。

このように、未処理のＳｉＣウィスカを用いた従来例１
．２の場合の各特性値はそれぞれ大幅な低下が認められ
る。この低下はウィスカ表面の５ｉ０２生成によるもの
と考えられる。

く比較例１〉 ５ｉ０２ｆｆｌが約４．５重量％のＳｉＣウィスカを、
フッ化水素酸洗浄を行なわずに、Ｎｉ無電界メッキのみ
施した。フッ化水素酸洗浄以外の条件は全て実施例１と
同一として複合材料を製造した。

この複合材料は、第３表に示すように、引張強さが２１
　、０＊ｆｆ／ａｊ、耐力が１１　、　ＯＫ！Ｉｆ／ｄ
、硬さが７５（ＨＶＩ、ｒレグ率が８．ＯｘＯｘ１０３
Ｎ／−であり、複合材としての特性は未処理ウィスカを
用いた従来例１の場合とほぼ同等の値を示している。こ
れはメッキ膜が０．１μｍ以下のためＡｊ！溶湯中で容
易にＮｉとＡｌとが瞬時に相互拡散して溶融し、消失す
ることにより、メッキ層下の５１０２の悪影響が表面化
したものと考えられる。

〈比較例２〉 Ｓ　＋　０２　ｆｆｊｒが約４．５重量％のＳｉＣウィ
スカを、フッ化水素酸洗浄を行なわずに、Ｎｉ無電界メ
ッキのみ施し、他は、実施例２と同一条件で複合材料を
製造した。

この複合材料は、第３表に示すように、引張強さが３５
．０＊ｆｆ／ａｊ、耐力が１７．０Ｋｙｒ／ｒｔ４、硬
さが１１０（１−１ｖ）、ヤング率が１０．５Ｘ１０３
に９ｆ／−であり、従来例２の場合とほぼ同様の特性し
か得られない。

〈比較例３〉 Ｓｉｎ、、吊が５重量％のフッ化水素酸洗浄したＳｉＣ
ウィスカを用い、それを粉末焼結法により複合材料を製
造した。この粉末焼結法においては、予熱は”ＩＱ−’
ａｔ−の高真空中で行なうため、ウィスカの５ｉ０２生
成はほとんど無いと言える。

本実施例のウィスカを用いＷＪ浸法による複合材の特性
値は、粉末焼結法の場合とほぼ同等のものが得られるこ
とがわかる。

〔以下余白〕

なお、Ｎｉメッキ膜層を厚くし、溶浸時のメッキ膜溶失
を防止することも考えられるが、膜厚を１μｍ以上にす
ることはウィスカの径が０．５〜２μｍであることを考
慮すると、ニッケルメッキ層の体積率は８Ｍ体積率の５
〜１０倍に達し、Ａ１合金やＭｇ合金の軽量性を利用す
る複合材料にとって大ぎな価値低下を意味する。それ故
、メッキ膜厚はできるだけ薄いことが望ましい。

第４図はＳｉＣウィスカの５ｉ０２ｆｆｉを種々の値に
調整し、それを用いて本発明に暴づく方法で複合材料を
製造した場合の機械的特性、特に引張強さと耐力とを調
べた結果を示している。第４図から明らかなように、５
ｉ０２ｆｆｉが１％を超えたＳｉＣウィスカを用いて製
造した複合Ｉ４ｎは引張強さおよび耐力とも大幅に低下
する。この低下した引張強さおよび耐力は純へｌのそれ
と略同等のらのである。

以上のように、前記実施例によれば、用いるＳｉＣウィ
スカのＳｉＯ，ｌを１重量％以下とし、そのウィスカを
０．２μｍ以下のＮｉλＩＧで表面コーティングするこ
とにより、機械内路特性の良好な金属基複合材料が得ら
れた。

（発明の効果） 以上のように、本発明の方法によれば、予備成形体を大
気中で加熱しても５１０２をほとノυど含有しない状態
で溶融金属を溶浸することができ、機械内路特性の良好
な金属基複合材料を！ｌ造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る金ＩＩｍ基複合材
料の製造方法の一実施例を説明するためのもので、Ｓｉ
ＣウィスカからＳｉＯ２を除去する工程を示す図、第２
図（ａ）〜（ｄ）は溶浸コニ稈を示す図、第３図はＳｉ
Ｃウィスカにおける大気中の加熱温度とＳｉＯ２生成吊
との関係を示すグラフ、第４図はＳｉＣウィスカ中のＳ
＋Ｏ２＋ａと、得られる複合材料の引張強さ等との関係
を示ずグラフである。　　　　− １・・・５ｉＣ１クイスカ、１１・・・予備成形体、１
４・・・Ａノ合金溶楊。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久（ａ）　　　　
　　　　　　（ｂ） 第　１　図 第２図 刀０　奔へ　５３１虻　　　（＃Ｃ） 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＳｉＣの繊維またはウィスカからなる強化材で予備
   成形体を作成し、この予備成形体を予熱した状態でＡｌ
   合金溶湯の加圧溶浸を行なうことによりＳｉＣ繊維強化
   Ａｌ合金基複合材料を製造する金属基複合材料の製造方
   法において、表面のＳｉＯ＿２が１重量パーセント以下
   のＳｉＣの強化材に無電解メッキ法により重金属のコー
   ティングを行ない、これを用いて予備成形体を作成する
   ことを特徴とする金属基複合材料の製造方法。 ２、ＳｉＯ＿２が１重量パーセント以上のＳｉＣの強化
   材を、ＳｉＯ＿２を除去することが可能な試薬によりＳ
   ｉＯ＿２含有量が１重量パーセント以下となるよう調整
   し、その試薬洗浄後に強化材に無電界メッキ法による重
   金属のコーティングを行なう特許請求の範囲１項記載の
   金属基複合材料の製造方法。 ３、ＳｉＣの強化材のＳｉＯ＿２量を調整する試薬はフ
   ッ化水素酸液である特許請求の範囲第１項記載の金属基
   複合材料の製造方法。 ４、無電解メッキ法によるコーティング用の重金属とし
   て、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒまたは
   これらの合金を使用する特許請求の範囲第１項記載の金
   属基複合材料の製造方法。