JP2952361B2 - ホウ酸マグネシウム繊維強化金属基複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はホウ酸マグネシウム繊維を強化材とした金属
基複合材料に関するものである。

（従来の技術） 近年、航空宇宙産業を始めとする多くの産業分野にお
ける技術的発展に伴ない、従来の金属材料に比較してよ
り高温に耐え、より高強度、高弾性率、高硬度の新素材
が要求されるようになつた。

金属材料の中でアルミニウム及びその合金は比重が軽
く、易加工性、低価格のため航空機、自動車、建材をは
じめとして化学機械においても多用されている材料であ
る。

そして更に機械的特性を向上させる目的で高強度、高
弾性を有する炭化珪素、窒化珪素、炭素、アルミナ等の
ウイスカや繊維を強化材としてアルミニウム系の金属と
の複合化を図る開発が盛んに進められている。複合化の
方法としては、ホツトプレス法、HIP法、溶浸法、粉末
治金法、高圧凝固鋳造法及び熱間押出法等が挙げられ
る。

アルミニウム金属基複合材料を作るための強化用ウイ
スカ又は繊維は、炭化珪素ウイスカ、窒化珪素ウイスカ
やアルミナ繊維が有望な素材であるが高価なために航空
宇宙はともかく自動車、建材等の汎用分野への適用をは
かる際の障壁となつている。又、炭化珪素ウイスカ、炭
素繊維やアルミナ繊維等は、熱膨張率がアルミニウムに
比べ極めて小さいため、複合則に則つてこれらの繊維や
ウイスカを用いる複合材料の熱膨張率を制御することが
可能である利点を持つている。しかし、その反面、熱膨
張率が母相と大きく違うため、急熱急冷の熱サイクルに
よる熱歪のため材料が劣化しやすいという本質的な問題
を持つている。ホウ酸マグネシウム繊維の熱膨張係数は
繊維軸方向で20×10^-6であり、アルミニウムの熱膨張係
数と極めて近いため、この繊維によるアルミニウム系の
強化材料は、非常に高い耐熱衝撃性に特徴を見い出すこ
とができる。又、ホウ酸マグネシウム繊維は、これらの
高価な繊維の1/10ないし1/20の価格で生産できるため、
この繊維により強化したアルミニウム金属基複合材料は
汎用性の材料として産業に与える影響は大きい。しか
し、この材料はチタン酸カリウム繊維と同様、溶融金属
アルミニウムにより還元される成分を持つため、通常の
複合材料調製法であるホツトプレスやHIP更には高圧凝
固鋳造法などの高温高圧により複合させる方法を単純に
適用するだけでは、十分な性能を持つた複合材料を調製
することはできない。このため、金属と繊維ができるだ
け反応しないような熱処理方法が必要となる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、補強素材としてホウ酸マグネシウム
繊維を用いることにより、引張強度及び耐熱衝撃性に優
れたアルミニウム金属基複合材料を廉価に提供すること
にある。

（課題を解決するための手段） 本発明はホウ酸マグネシウム繊維をアルミニウム又は
アルミニウム合金と複合させて得られる金属基複合材料
に係る。

本発明によれば粉末アルミニウム又は粉末アルミニウ
ム合金（以下、単にアルミニウム粉末ということがあ
る）に、ホウ酸マグネシウム繊維を５〜40％分散させた
混合物を常温で加圧成型したのち、これを不活性又は還
元雰囲気中で、常圧580〜630℃の温度で焼成することに
より、目的とするアルミニウム金属基複合材料を得るこ
とが可能である。又、高圧凝固鋳造法においては、流動
性の良い鋳造用アルミニウム合金を用い、600〜700℃の
比較的低温の溶湯を圧入することにより、ホウ酸マグネ
シウム繊維のダメージを最低限に抑え、高強度の複合材
料を得ることが可能である。

本発明に用いたホウ酸マグネシウム繊維は、本発明者
等が発明し、特許第1540126号で明らかになつている化
学式Mg₂B₂O₅のものである。

このホウ酸マグネシウム繊維は高強度、高弾性、高融
点を有しており、各種マトリツクスの強化材として有用
な素材である。この繊維は溶融金属と高温で反応する問
題点を持つている反面、反応性があることは化学的親和
性を持つことを示しており、この性質を巧みに利用する
ことにより、アルミニウムとの複合が可能である。即
ち、予め加圧成型したアルミニウム粉末とホウ酸マグネ
シウム繊維の混合物をアルミニウムの融点よりやや低い
約600℃で常圧焼成するだけで複合による強度発現が可
能である。

又、加圧凝固鋳造においては、鋳造性の良い鋳造用合
金の溶湯を用い、溶湯温度を600〜700℃に抑えることに
より、アルミニウム合金との反応による繊維の劣化を最
小限に止めることが可能である。

本発明のマトリツクス材として用いるアルミニウム又
はアルミニウム合金は、粒径が44μｍ以下、好ましくは
20μｍ以下のもので、表面の酸化程度が極力少ないもの
が焼結性の点で適している。

又、ホウ酸マグネシウム繊維は化学式Mg₂B₂O₅であ
り、その大きさは繊維径0.2〜５μｍ、長さ５〜100μｍ
であり、好ましくは繊維径0.5〜２μｍ、長さ10〜50μ
ｍのものであり、毛玉等凝集が無く十分繊維がほぐれて
いるものが分散性の点で適している。添加量は繊維含有
量５〜40体積％が好ましい。この量よりも少なすぎると
十分な補強効果が得られず、多すぎても繊維とアルミニ
ウム金属の界面が十分なじまないためやはり補強効果は
得られない。

ホウ酸マグネシウム繊維とアルミニウム又はアルミニ
ウム合金粉末の均一な混合は乾式混合では不十分であ
り、溶媒を用いた湿式混合が適している。用いる溶媒
は、ホウ酸マグネシウム繊維及びアルミニウム粉に対す
る親和性の点で極性溶媒が望ましく、具体的にはアルコ
ール類が最適である。これにアルミニウム又はアルミニ
ウム合金粉末とホウ酸マグネシウム繊維を所定量添加
し、機械的に好ましくは超音波を照射して均一に分散さ
せる。この時の溶媒に対する固形分の割合は、３〜30体
積％に調製する。このように調製されたスラリーから溶
媒を除去して乾燥した混合物を得る方法としては、素早
く吸引過して得たものを乾燥させるか、分散状態を保
ちながら蒸発乾固させるかの方法をとる。

原料混合物の加圧成型体は金型を用いた通常の方法に
従つて作製すれば良い。成型圧力は１〜10tonf/cm²で加
圧中は金型内部を真空状態にしておくことが必要であ
る。

このようにして得られた原料成型物の焼成は金型が酸
化されないよう窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中、若
しくは水素等の還元雰囲気中で行われなければならな
い。本発明での最適焼成温度は、アルミニウムとホウ酸
マグネシウム繊維の親和性を達成しながらも顕著な反応
を妨げる580〜630℃である。焼成時間は５分〜２時間が
好適である。

高圧凝固鋳造のためのプリフオーム成型は、ホウ酸マ
グネシウム繊維を少量の界面活性剤を加えて超音波照射
しながら分散させ、これを型の中で脱水成型することに
より行えるが、望ましくは常温領域での賦形性を高める
ため、0.05〜0.5％の溶液状のPVAを加え、また高温領域
での賦形性のために溶液状のコロイドシリカなどの無機
バインダー0.05〜0.5％を添加し、繊維をよく分散させ
たのち、水分の大半をロータリーエバポレータで蒸発さ
せ、これをプリフオーム金型に移し入れ、望みの繊維体
積率になるまで加圧脱水する。高圧鋳造においては、繊
維とアルミニウムとの反応を防ぐため、通常の溶湯温度
800℃よりかなり低い600〜700℃を用いる。溶湯温度が
低い状態で圧入を行うため、鋳造性の良い鋳造用合金を
用いるのが望ましい。又、溶湯の温度が低いため、金型
内で圧入前に凝固ないし流動性を失うのを防ぐため、金
型及びフリフオームの温度は可能な限り高い方が望まし
く、通常の200〜400℃よりかなり高い450〜550℃を用い
るのが望ましい。

（発明の効果） 前述のようにして得られたホウ酸マグネシウム繊維強
化アルミニウム金属基複合体を、エメリーカツター及び
旋盤により試験片を切り出し、その引張強度及び曲げ強
度を測定した結果、ホウ酸マグネシウム繊維を添加する
ことにより機械的強度が向上することが確認でき、本発
明の複合方法及び条件が適切なものであることが立証さ
れた。

本発明によれば、このようにアルミニウム金属との親
和性に優れた廉価なホウ酸マグネシウム繊維を用い、ア
ルミニウムとの反応による劣化を防ぎながら簡単な処理
工程で安価に金属基複合材料を得ることができ、汎用材
料としての使用が可能である。

（実 施 例） 以下本発明を実施例によつて具体的に説明する。

実施例１ 200ccのビーカーに100ccのエチルアルコールを入れ、
これに径が約１μｍ、長さが約20〜50μｍのMg₂B₂O₅繊
維3.1gと粒子径20μｍ以下の純アルミニウム粉12.2g
（ウイスカの体積含有量：約20％）を入れ５分間超音波
を照射し、素早く吸引過したのち、固形分を乾燥して
加圧成型用試料とする。次にこの試料を直径30mmの金型
に入れ、内部を真空に引きながら全圧５トンの力でプレ
スして高さ約3mmの成型体を作製する。この成型体を磁
性ボートに入れ窒素雰囲気中620℃で20分間保持したの
ち、約１時間かけて室温まで冷却する。このようにして
得られた焼成複合体を旋盤及びエメリーカツターにて切
削加工して、曲げ試験片を作製した。この結果、曲げ強
度は22kgf/mm²あつた。

比較例１ 実施例１において、ホウ酸マグネシウム繊維を添加せ
ずに他は同様にして製作した焼成物は、曲げ強度が15kg
f/mm²であつた。以上の結果から、ホウ酸マグネシウム
繊維によるアルミニウム金属への補強効果は十分発揮で
きたと考えられる。

実施例２ 300ccのビーカーにホウ酸マグネシウム繊維40gをと
り、これに0.2％のPVAと0.1％の界面活性剤（Triton X
−100）を含有する水溶液150mlを加え、超音波照射を約
５分行つて分散させる。これに10％濃度に希釈したコロ
イドシリカ溶液20mlを加える。再度超音波照射したの
ち、ロータリー式エバポレーターで水分の大半を除去し
た。これを内径53mmφの円筒形金型に入れ、約50kgfで
加圧しながら脱水し、離型してプリフオームを得た。こ
のプリフオームを電気炉内で700℃に加熱した後、予め4
50℃に加熱した金型に設置する。この上から予め700℃
に加熱溶融した鋳造用のアルミニウム合金ADC12を注ぎ
込み、直ちに900kgf/cm²の圧力で加圧鋳造する。鋳造
後、冷却固化まで約３分間加熱鋳造したのち離型し、ホ
ウ酸マグネシウム強化アルミニウム合金を得た。用いた
プリフオームの重量と、鋳造後の複合体の直径と高さか
ら算出した繊維体積率は23％であつた。円柱状の複合体
の直径方向に、小型のダンベルを切り出し、引張試験を
行つた。その結果、引張強度は31kgf/mm²であつた。
尚、この複合体は通常の金属用切削工具で容易に切り出
せ、工具の損耗が極めて少なく、加工コストの点で良好
な特性を持つことが判明した。

比較例２ 実施例２において、プリフオームを用いることなくAD
C12合金を同じ条件で加圧鋳造した。こうして得た合金
試料について実施例２と同じ引張試験を行つた結果、引
張強度25kgf/mm²を得た。

実施例３ 実施例２と同様にしてプリフオームを成型し、このプ
リフオームを700℃で仮焼したのち、650℃の電気炉で加
熱し、予め500℃に加熱した金型に設置する。この上か
ら予め加熱溶融し、650℃に達したADC12合金を注ぎ込
み、直ちに1100kgf/cm²の圧力で加圧鋳造する。冷却
後、実施例２と同様にして引張強度を測定した。その結
果、引張強度34kgf/mm²を得た。

比較例３ 実施例３と同様にして調製したプリフオームを400℃
の金型に設置し、850℃のADC12合金の溶湯を圧入し複合
化を行つた。こうして得た試験片の引張強度は24kgf/mm
²であつた。この結果は、溶湯温度が高すぎる場合、繊
維の劣化のために十分な強化効果が得られないことを示
している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴江 正義 徳島県徳島市川内町加賀須野463番地 大塚化学株式会社徳島研究所内 (72)発明者 晴山 幸哉 徳島県徳島市川内町加賀須野463番地 大塚化学株式会社徳島研究所内 審査官 井上 猛 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 1/09

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ホウ酸マグネシウム繊維をアルミニウム又
   はアルミニウム合金と複合させて得られる金属基複合材
   料。
2. 【請求項２】化学式Mg₂B₂O₅のホウ酸マグネシウム繊維
   を用いる請求項１記載の金属基複合材料。
3. 【請求項３】粉末アルミニウム又は粉末アルミニウム合
   金とホウ酸マグネシウム繊維をホウ酸マグネシウム繊維
   体積含量５〜40％の割合で混合し、これを常温で加圧成
   型したのち、580〜630℃の温度で不活性或いは還元雰囲
   気中で常圧焼成することを特徴とする請求項１記載の金
   属基複合材料の製造方法。
4. 【請求項４】ホウ酸マグネシウム繊維を主成分とするプ
   リフオームを形成し、このプリフオームに400〜550℃に
   加熱した金型内で600〜700℃のアルミニウム合金の溶湯
   を加圧鋳造することを特徴とする請求項１記載の金属基
   複合材料の製造方法。