JPS6367535B2 - - Google Patents
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Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
本発明は、繊維強化金属複合体(以下、FRM
と略称する。)の新規な製造方法に関するもので
あり、更に詳しくはFRMの機械的度を大巾に向
上させる製造方法に関するものである。 近年無機質繊維にアルミナ質繊維、炭素繊維、
シリカ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊
維などを用い、マトリツクスにアルミニウム、又
はアルミニウム合金(以下アルミニウム合金類と
呼ぶ)を用いた軽量複合材料が開発され、多くの
産業分野で使用され始めつつある。しかし現在開
発されつゝあるFRMには種々の欠点がある。即
ち拡散接合法などに代表される固相のアルミニウ
ム合金類と無機質繊維を複合化する方法では、一
部高強度を有するFRMを与えるものもあるが、
この方法は装置の繁雑さ、工程の複雑さなどのた
め製品価格(コスト)が非常に高くなり実用化し
ずらい、また溶融状態のアルミニウム合金類と無
機質繊維を複合化させる液相法により作られた
FRMは、工程の簡便さ等からコストを安く抑え
られる反面、液体状のアルミニウム合金類と無機
質繊維が界面で反応する事により、FRMの強度
が低くなり、実用に耐えない問題点があつた。 本発明者らは、FRMを高強度に保ち、かつ安
価に製造する方法を鋭意検討した結果本発明に至
つた。即ちアルミナを主成分とし、シリカを従成
分とする無機質繊維とアルミニウムを主成分と
し、第2成分が、Cu、Siまたはgである合金を
該合金が液相を示す温度以上で複合化した後、こ
の複合体を溶体化処理してから急冷する事によつ
てFRMの強度を高め、かつ安価に製造出来る事
を発明するに至つた。 以下に本発明を詳細に説明する。 本発明に用いられる無機質繊維はアルミナを主
成分としシリカを従成分とする無機質繊維(以下
アルミナ質繊維と称す)である。この繊維の特徴
とするところは、高強度である事はもとよりであ
るが、溶融アルミニウム合金類と接触した際に界
面で適度な反応が起こり、繊維の強度は殆んど低
下しないが、繊維とマトリツクス界面で応力の伝
達が達成され強化効果を十分発揮できる事があげ
られる。 また適度な弾性率を有するために、破断伸度が
大きく、このために他繊維と異なる働きを有す
る。 主成分であるアルミナの含有量は50重量%以上
99.5重量%以下が望ましい。50重量%未満の場
合、アルミナ質繊維の特質が損なわれると共に繊
維界面で溶融アルミニウム合金と過度の反応を起
こし、繊維が劣化し、複合体の強度が低くなる。
またアルミナ含量が99.5重量%より多い場合は、
繊維界面で溶融アルミニウム合金と反応が起こら
ず、応力の伝達がなし得ない。 これらの理由から本願発明に使用されるアルミ
ナ質繊維は望ましくはα−Al2O3を含まないアル
ミナ質繊維である。アルミナ質繊維中のアルミナ
成分にα−Al2O3を含んだ場合、弾性率は高いが
結晶粒界が脆く、低強度化し、破断伸度が小さく
なるという問題点があり、好ましくない。 さらに本発明の効果を最も顕著に示し得る繊維
は特公昭51−13768号に記載されているアルミナ
質繊維である。 即ち一般式 (式中Yは有機残基、ハロゲン、水酸基の一種ま
たは二種以上を示す。) で表わされる構造単位を有するポリアルミノキサ
ンを原料とし、これに得られるシリカアルミナ繊
維中のシリカ含有量が28%以下であるような量の
ケイ素を含む化合物を一種または二種以上混合
し、該混合物を紡糸して得られる前駆体繊維を焼
成してなるアルミナ質繊維であり、好ましくはシ
リカ(SiO2)含有量が2重量%以上、25重量%
以下のものであり、X線的構造においてα−
Al2O3の反射を実質的に示さないアルミナ繊維で
ある。このアルミナ質繊維は本発明の効果を損な
わない範囲でリチウム、ベリリウム、ホウ素、ナ
トリウム、マグネシウム、リン、カリウム、カル
シウム、タン、クロム、マンガン、イツトリウ
ム、ジルコニウム、ランタン、タングステン、バ
リウムなどの一種または二種以上の酸化物などの
ような耐火性化合物を含有する事ができる。 本発明FRMに用いられる無機質繊維の量は特
に限定されるものではなく強化効果の発現する範
囲であれば特に問題はない。加工方法によつては
繊維の密度に疎密をもたし、溶湯が含浸し易くす
る事も可能である。 本発明に用いられるアルミニウム合金として好
適なものはアルミニウムを第1成分とし、第2成
分として、銅、マグネシウム、またはケイ素、を
含む合金である。また合金の強度向上、流動性向
上、組織の微細化などの目的で第3成分以上の成
分としてケイ素、鉄、銅、マンガン、マグネシウ
ム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、バナジウム、
ナトリウム、リチウム、アンチモン、ストロンチ
ウム、又はクロムなどの一種以上を含む事ができ
る。本発明は本発明者らがFRMの機械強度を向
上させる目的で発明した(特願昭55−105729、特
願昭55−106154、特願昭56−52616、特願昭56−
52617、特願昭56−52618、特願昭56−52620、特
願昭56−52621、および特願昭56−52623)マトリ
ツクス中への上記以外の添加元素である、ビスマ
ス、カドミウム、インジウム、バリウム、ラジウ
ム、カリウム、セシウム、ルビジウムおよびフラ
ンシウムの一種以上をアルミニウムまたは該アル
ミニウム合金に含有させた場合にも、有効であ
る。 各種のアルミニウム合金類中でこれらのアルミ
ニウム合金類とアルミナを主成分とする無機繊維
の組合せが特に顕著に効果を示す理由は明らかで
はないが、FRM中でのアルミナ質繊維とマトリ
ツクス合金の濡れ性、繊維とマトリツクス合金の
界面付近の合金の組織の形状などが、以下に示す
溶体化処理による効果を顕著に示し得る状態とな
るためであり、また破断伸度が大きいことによ
り、一般のFRMで指摘されるFRM中での繊維の
破壊が先行し、マトリツクスに破壊の伝播が起こ
る場合と異なつた拳動が、本願発明に使用される
アルミナ質繊維には見られるものと想像される。 このアルミニウム合金は本発明の効果を損なわ
ない範囲で他元素を含有していてもさしつかえな
い。 溶体化処理温度条件は、選択されるマトリツク
ス合金によつて変化するが一般にその合金中に液
体状態が出現する温度より高くない温度範囲でか
つ偏析物が比較的早く拡散するのに十分な温度範
囲である。例えばアルミニウム合金がAl−5wt%
Cuの場合400℃から540℃程度までが最適であり、
Al−5wt%Mgの場合350℃から440℃程度までが
最適である。溶体化処理の時間は、溶体化処理温
度や製品の大きさによつて異なるが、一般には1
時間から30時間程度が最適である。溶体化処理後
の急冷条件はα相中に固溶した偏析物が再び粗大
に析出しない程度の速度であれば十分であり、具
体的には溶体化温度から200℃までを300℃/min
以上の早さで冷却すればよい。一般に取られてい
る方法としては、水や油による冷却方法があり、
その他液体窒素浸漬とか送風による冷却方法など
も取り得る。ひずみを取る目的などでこの溶体化
処理冷却後、焼もどし操作を加える事は本発明の
効果を損なわない範囲で行なつてよい。この様に
FRMに溶体化処理及び急冷操作を加える事によ
り、マトリツクス合金自体は一般の溶体化処理効
果に基づいた変化すなわち結晶粒界に存在した偏
析物のα相中への固溶及び析出により強化されて
いるのは当然の事ながら、この様な処理を受けた
FRMの機械強度は、マトリツクス合金の強度向
上分から推算される強度向上の数倍から数倍にま
で向上するのであり、これは溶体化処理及び急冷
によつてアルミナ質繊維とマトリツクス界面での
何らかの変化が大きくFRM機械強度向上に寄与
するためと推定される。 本発明のFRMは種々の方法によつて製造し得
るが、特に好ましい方法は溶融金属と無機質繊維
が直接接触する様な方法が好ましい。 すなわちこの主なものは、溶体金属含浸法、高
圧凝固鋳造法、ダイキヤスト法、低圧鋳造法、な
どである。 この様にして製造された複合材料は、熱処理を
行なわない場合と比較して大巾な機械強度の向上
が認められた。また加工法上も、既存のアルミニ
ウムの設備、方法を何ら変更する事なく本発明を
実行できることは実生産上からも非常に大きなメ
リツトである。以下本発明を実施例によりさらに
詳しく説明するが、本発明は、これによつて限定
されるものではない。尚、実施例中%は全て重量
%を表わすものとする。 実施例 1 平均繊維径14μm、引張り強度150Kg/mm2、弾
性率23500Kg/mm2のアルミナ質繊維(Al2O3含有
量85重量%、SiO2含有量15重量%)を内径10mm、
長さ100mmのステンレス製鋳型中に体積含有率
(Vf)で50%になるよう充填した。一方、2024ア
ルミニウム合金(Al−4.5%Cu−0.6%Mn−1.5%
Mg)、及び6061アルミニウム合金(Al−0.6%Si
−0.25%Cu−1.0%Mg−0.20%Cr)をそれぞれ別
に黒鉛製るつぼ中に取り、700℃まで加熱溶解し
た。溶湯中に、上記アルミナ繊維を装填したステ
ンレス製鋳型の一端を浸漬し、他端から真空に引
くと共に、溶湯表面に50Kg/cm2のガス圧をかけ溶
湯を繊維間に含浸させ複合化した。これらを室温
まで、ゆつくりと冷却し、ステンレス鋳型より
FRM成形体を取り出した(F材)。この成形体の
一部を515℃の加熱炉中で、10時間溶体化処理後、
水中に打入急冷した。これらの成形体の曲げ強度
を測定した結果を第1表に示すが、溶体化処理に
よつて大幅な曲げ強度の向上が認められた。
と略称する。)の新規な製造方法に関するもので
あり、更に詳しくはFRMの機械的度を大巾に向
上させる製造方法に関するものである。 近年無機質繊維にアルミナ質繊維、炭素繊維、
シリカ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊
維などを用い、マトリツクスにアルミニウム、又
はアルミニウム合金(以下アルミニウム合金類と
呼ぶ)を用いた軽量複合材料が開発され、多くの
産業分野で使用され始めつつある。しかし現在開
発されつゝあるFRMには種々の欠点がある。即
ち拡散接合法などに代表される固相のアルミニウ
ム合金類と無機質繊維を複合化する方法では、一
部高強度を有するFRMを与えるものもあるが、
この方法は装置の繁雑さ、工程の複雑さなどのた
め製品価格(コスト)が非常に高くなり実用化し
ずらい、また溶融状態のアルミニウム合金類と無
機質繊維を複合化させる液相法により作られた
FRMは、工程の簡便さ等からコストを安く抑え
られる反面、液体状のアルミニウム合金類と無機
質繊維が界面で反応する事により、FRMの強度
が低くなり、実用に耐えない問題点があつた。 本発明者らは、FRMを高強度に保ち、かつ安
価に製造する方法を鋭意検討した結果本発明に至
つた。即ちアルミナを主成分とし、シリカを従成
分とする無機質繊維とアルミニウムを主成分と
し、第2成分が、Cu、Siまたはgである合金を
該合金が液相を示す温度以上で複合化した後、こ
の複合体を溶体化処理してから急冷する事によつ
てFRMの強度を高め、かつ安価に製造出来る事
を発明するに至つた。 以下に本発明を詳細に説明する。 本発明に用いられる無機質繊維はアルミナを主
成分としシリカを従成分とする無機質繊維(以下
アルミナ質繊維と称す)である。この繊維の特徴
とするところは、高強度である事はもとよりであ
るが、溶融アルミニウム合金類と接触した際に界
面で適度な反応が起こり、繊維の強度は殆んど低
下しないが、繊維とマトリツクス界面で応力の伝
達が達成され強化効果を十分発揮できる事があげ
られる。 また適度な弾性率を有するために、破断伸度が
大きく、このために他繊維と異なる働きを有す
る。 主成分であるアルミナの含有量は50重量%以上
99.5重量%以下が望ましい。50重量%未満の場
合、アルミナ質繊維の特質が損なわれると共に繊
維界面で溶融アルミニウム合金と過度の反応を起
こし、繊維が劣化し、複合体の強度が低くなる。
またアルミナ含量が99.5重量%より多い場合は、
繊維界面で溶融アルミニウム合金と反応が起こら
ず、応力の伝達がなし得ない。 これらの理由から本願発明に使用されるアルミ
ナ質繊維は望ましくはα−Al2O3を含まないアル
ミナ質繊維である。アルミナ質繊維中のアルミナ
成分にα−Al2O3を含んだ場合、弾性率は高いが
結晶粒界が脆く、低強度化し、破断伸度が小さく
なるという問題点があり、好ましくない。 さらに本発明の効果を最も顕著に示し得る繊維
は特公昭51−13768号に記載されているアルミナ
質繊維である。 即ち一般式 (式中Yは有機残基、ハロゲン、水酸基の一種ま
たは二種以上を示す。) で表わされる構造単位を有するポリアルミノキサ
ンを原料とし、これに得られるシリカアルミナ繊
維中のシリカ含有量が28%以下であるような量の
ケイ素を含む化合物を一種または二種以上混合
し、該混合物を紡糸して得られる前駆体繊維を焼
成してなるアルミナ質繊維であり、好ましくはシ
リカ(SiO2)含有量が2重量%以上、25重量%
以下のものであり、X線的構造においてα−
Al2O3の反射を実質的に示さないアルミナ繊維で
ある。このアルミナ質繊維は本発明の効果を損な
わない範囲でリチウム、ベリリウム、ホウ素、ナ
トリウム、マグネシウム、リン、カリウム、カル
シウム、タン、クロム、マンガン、イツトリウ
ム、ジルコニウム、ランタン、タングステン、バ
リウムなどの一種または二種以上の酸化物などの
ような耐火性化合物を含有する事ができる。 本発明FRMに用いられる無機質繊維の量は特
に限定されるものではなく強化効果の発現する範
囲であれば特に問題はない。加工方法によつては
繊維の密度に疎密をもたし、溶湯が含浸し易くす
る事も可能である。 本発明に用いられるアルミニウム合金として好
適なものはアルミニウムを第1成分とし、第2成
分として、銅、マグネシウム、またはケイ素、を
含む合金である。また合金の強度向上、流動性向
上、組織の微細化などの目的で第3成分以上の成
分としてケイ素、鉄、銅、マンガン、マグネシウ
ム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、バナジウム、
ナトリウム、リチウム、アンチモン、ストロンチ
ウム、又はクロムなどの一種以上を含む事ができ
る。本発明は本発明者らがFRMの機械強度を向
上させる目的で発明した(特願昭55−105729、特
願昭55−106154、特願昭56−52616、特願昭56−
52617、特願昭56−52618、特願昭56−52620、特
願昭56−52621、および特願昭56−52623)マトリ
ツクス中への上記以外の添加元素である、ビスマ
ス、カドミウム、インジウム、バリウム、ラジウ
ム、カリウム、セシウム、ルビジウムおよびフラ
ンシウムの一種以上をアルミニウムまたは該アル
ミニウム合金に含有させた場合にも、有効であ
る。 各種のアルミニウム合金類中でこれらのアルミ
ニウム合金類とアルミナを主成分とする無機繊維
の組合せが特に顕著に効果を示す理由は明らかで
はないが、FRM中でのアルミナ質繊維とマトリ
ツクス合金の濡れ性、繊維とマトリツクス合金の
界面付近の合金の組織の形状などが、以下に示す
溶体化処理による効果を顕著に示し得る状態とな
るためであり、また破断伸度が大きいことによ
り、一般のFRMで指摘されるFRM中での繊維の
破壊が先行し、マトリツクスに破壊の伝播が起こ
る場合と異なつた拳動が、本願発明に使用される
アルミナ質繊維には見られるものと想像される。 このアルミニウム合金は本発明の効果を損なわ
ない範囲で他元素を含有していてもさしつかえな
い。 溶体化処理温度条件は、選択されるマトリツク
ス合金によつて変化するが一般にその合金中に液
体状態が出現する温度より高くない温度範囲でか
つ偏析物が比較的早く拡散するのに十分な温度範
囲である。例えばアルミニウム合金がAl−5wt%
Cuの場合400℃から540℃程度までが最適であり、
Al−5wt%Mgの場合350℃から440℃程度までが
最適である。溶体化処理の時間は、溶体化処理温
度や製品の大きさによつて異なるが、一般には1
時間から30時間程度が最適である。溶体化処理後
の急冷条件はα相中に固溶した偏析物が再び粗大
に析出しない程度の速度であれば十分であり、具
体的には溶体化温度から200℃までを300℃/min
以上の早さで冷却すればよい。一般に取られてい
る方法としては、水や油による冷却方法があり、
その他液体窒素浸漬とか送風による冷却方法など
も取り得る。ひずみを取る目的などでこの溶体化
処理冷却後、焼もどし操作を加える事は本発明の
効果を損なわない範囲で行なつてよい。この様に
FRMに溶体化処理及び急冷操作を加える事によ
り、マトリツクス合金自体は一般の溶体化処理効
果に基づいた変化すなわち結晶粒界に存在した偏
析物のα相中への固溶及び析出により強化されて
いるのは当然の事ながら、この様な処理を受けた
FRMの機械強度は、マトリツクス合金の強度向
上分から推算される強度向上の数倍から数倍にま
で向上するのであり、これは溶体化処理及び急冷
によつてアルミナ質繊維とマトリツクス界面での
何らかの変化が大きくFRM機械強度向上に寄与
するためと推定される。 本発明のFRMは種々の方法によつて製造し得
るが、特に好ましい方法は溶融金属と無機質繊維
が直接接触する様な方法が好ましい。 すなわちこの主なものは、溶体金属含浸法、高
圧凝固鋳造法、ダイキヤスト法、低圧鋳造法、な
どである。 この様にして製造された複合材料は、熱処理を
行なわない場合と比較して大巾な機械強度の向上
が認められた。また加工法上も、既存のアルミニ
ウムの設備、方法を何ら変更する事なく本発明を
実行できることは実生産上からも非常に大きなメ
リツトである。以下本発明を実施例によりさらに
詳しく説明するが、本発明は、これによつて限定
されるものではない。尚、実施例中%は全て重量
%を表わすものとする。 実施例 1 平均繊維径14μm、引張り強度150Kg/mm2、弾
性率23500Kg/mm2のアルミナ質繊維(Al2O3含有
量85重量%、SiO2含有量15重量%)を内径10mm、
長さ100mmのステンレス製鋳型中に体積含有率
(Vf)で50%になるよう充填した。一方、2024ア
ルミニウム合金(Al−4.5%Cu−0.6%Mn−1.5%
Mg)、及び6061アルミニウム合金(Al−0.6%Si
−0.25%Cu−1.0%Mg−0.20%Cr)をそれぞれ別
に黒鉛製るつぼ中に取り、700℃まで加熱溶解し
た。溶湯中に、上記アルミナ繊維を装填したステ
ンレス製鋳型の一端を浸漬し、他端から真空に引
くと共に、溶湯表面に50Kg/cm2のガス圧をかけ溶
湯を繊維間に含浸させ複合化した。これらを室温
まで、ゆつくりと冷却し、ステンレス鋳型より
FRM成形体を取り出した(F材)。この成形体の
一部を515℃の加熱炉中で、10時間溶体化処理後、
水中に打入急冷した。これらの成形体の曲げ強度
を測定した結果を第1表に示すが、溶体化処理に
よつて大幅な曲げ強度の向上が認められた。
【表】
実施例 2
実施例1で用いたアルミナ質繊維をサイズ剤を
用いてVf=35%、20mm×50mm×100mmの形状に賦
形した。この賦形体を溶湯鍛造機の入子中に装填
し、400℃まで金型を加熱してサイズ剤を除去し
た。800℃%に加熱されたアルミニウム合金ADC
−12の溶湯の一定量を金型中に取り、溶鍛圧力
1000Kg/cm2で加圧、含浸複合物した。この複合体
の半分を加熱炉中500℃で12時間溶体化処理後水
中に投入急冷した。 これらの複合体か2mm×10mm×100mmの試験を
削り出し曲げ強度を測定した結果を第2表に示
す。熱処理する事により強度、向上が認められ
た。
用いてVf=35%、20mm×50mm×100mmの形状に賦
形した。この賦形体を溶湯鍛造機の入子中に装填
し、400℃まで金型を加熱してサイズ剤を除去し
た。800℃%に加熱されたアルミニウム合金ADC
−12の溶湯の一定量を金型中に取り、溶鍛圧力
1000Kg/cm2で加圧、含浸複合物した。この複合体
の半分を加熱炉中500℃で12時間溶体化処理後水
中に投入急冷した。 これらの複合体か2mm×10mm×100mmの試験を
削り出し曲げ強度を測定した結果を第2表に示
す。熱処理する事により強度、向上が認められ
た。
Claims (1)
- 1 アルミナを主成分としシリカを従成分とする
無機質繊維とアルミニウムを主成分とし、第2成
分がCu、SiまたはMgである合金を該合金の融点
以上の温度で複合化して複合体を得た後、この複
合体を溶体化処理してから急冷する事を特徴とす
る繊維強化金属複合体の製造方法。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13804681A JPS5839757A (ja) | 1981-09-01 | 1981-09-01 | 複合体の製造方法 |
DE8282108013T DE3268826D1 (en) | 1981-09-01 | 1982-08-31 | Method for the preparation of fiber-reinforced metal composite material |
US06/413,253 US4444603A (en) | 1981-09-01 | 1982-08-31 | Aluminum alloy reinforced with silica alumina fiber |
CA000410521A CA1202553A (en) | 1981-09-01 | 1982-08-31 | Method for the preparation of fiber-reinforced metal composite material |
EP82108013A EP0074067B1 (en) | 1981-09-01 | 1982-08-31 | Method for the preparation of fiber-reinforced metal composite material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13804681A JPS5839757A (ja) | 1981-09-01 | 1981-09-01 | 複合体の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS5839757A JPS5839757A (ja) | 1983-03-08 |
JPS6367535B2 true JPS6367535B2 (ja) | 1988-12-26 |
Family
ID=15212734
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP13804681A Granted JPS5839757A (ja) | 1981-09-01 | 1981-09-01 | 複合体の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS5839757A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH041072U (ja) * | 1990-01-31 | 1992-01-07 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59118864A (ja) * | 1982-12-27 | 1984-07-09 | Mazda Motor Corp | 高強度Al系FRM |
JPH07268508A (ja) * | 1994-03-23 | 1995-10-17 | Seihin Rin | 超微細な補強材料およびそれの生成物によって補強された金属マトリックス組成物の製造方法および装置 |
-
1981
- 1981-09-01 JP JP13804681A patent/JPS5839757A/ja active Granted
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH041072U (ja) * | 1990-01-31 | 1992-01-07 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS5839757A (ja) | 1983-03-08 |
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