JPH0218374B2 - - Google Patents

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とその製造方法、更に詳
しくは連続繊維で強化したアルミニウム合金とそ
の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

繊維強化金属（FRM）は強度や剛性が優れて
いるため、近年、各種機械部品や構造材として使
用されている。そのうちでもアルミニウム合金母
材をセラミツク又は炭素等の連続繊維で強化した
FRMは軽く、剛性も高く且つ強度特に高温（例
えば200〜400℃）での強度が高いため、これを用
いると軽量で高温での機械特性の優れたものが得
られる。

又、FRMの製造方法としては例えば高圧凝固
鋳造法などの鋳造法を用いると自動車用部品、精
密機械部品等の複雑な形状の部品が容易に製造で
きる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら連続繊維で強化したFRMを高圧
凝固鋳造法で製造する場合連続繊維が母材中に均
一に分散しにくい。このため重量比で40〜60％の
連続繊維を混入する必要があるが、多量に混入す
ると繊維同志の接触が生じ複合則（ROM）を満
足する強度が出にくい。

又、繊維と母材との適合性においては、合金母
材の組成が重要となり、連続繊維の性状に応じて
選択する必要がある。すなわち、鋳物に用いるア
ルミニウム合金母材はマグネシウム（Mg）、ケ
イ素（Si）、銅（Cu）等を含むが、例えば連続繊
維として炭化ケイ素繊維を用いた場合にはMgと
Siは繊維を劣化させ又脆いシリコン結晶が出やす
く、CuはFRM中の晶出物を大きくし多量の繊維
を含むFRMでは一層機械特性を悪くする。又、
アルミナ繊維を用いた場合にはSiは繊維を劣化さ
せ、MgとCuはFRM中の晶出物を大きくする。
更に炭素繊維を用いた場合にはMgは横方向の強
度を向上させる点では良いが、高温時には繊維を
劣化させ、CuとSiはFRM中の晶出物を粗大に
し、該FRMの横方向強度は低い。それ故、母材
としては晶出物を出さず、繊維を劣化させない純
アルミニウムが適しているといわれていたがしか
し、純アルミニウムを母材金属としたFRMは母
材自体の強度が小さいために連続繊維の長さ方向
と直交する方向すなわち横方向の強度が小さいと
いう問題点があつた。

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
FRM製造時に繊維の劣化を生じず、また母材中
に針状微細結晶を晶出させることによつて総合的
に優れた機械特性を有する繊維強化金属とその製
造方法を提供することにある。

すなわち本発明の繊維強化金属は炭化ケイ素、
アルミナ又は炭素の各連続繊維の一種又は二種以
上と重量比でニツケル0.5〜６％を含むアルミニ
ウム合金母材とよりなり、該アルミニウム合金母
材は、Al₃Niウイスカー状晶出物1.2〜14.3重量％
と、残部アルミニウム固溶体とからなることを特
徴とする。

従来技術における問題点を解決するためには晶
出物すなわち第２相の形状を制御することが重要
となる。この場合の方法としては例えばFRMの
製造工程において凝固時に制御する方法とFRM
の熱処理によつて制御する方法とがあるが、後者
の方法は高温で熱処理を行わなければならないた
め強化繊維の劣化が生ずる可能性がある。そこで
本発明においては凝固時に合金母材中の第２相の
制御を行うものである。

凝固速度や合金母材組成は適切に選択する必要
がある。本発明者らは種々検討の結果、AlにNi
を重量比で0.5〜６％含む２元合金か又は更にマ
ンガン（Mn）を重量比で0.1〜２％含む３元合金
であれば凝固の際に合金母材中に直径が0.5μ又は
それ以下の微細なウイスカー状の第２相が晶出
し、高圧凝固鋳造法によれば更に効果的であるこ
とが判つた。Al−Ni合金の状態図［例えばマツ
クスハンセン（Max Hansen）他著、二元合金
の状態（CONSTITUTION OF BINARY
ALLOYS）、 第２版、第119頁第６８図、マツクグロウ―ヒ
ル出版(株)（McGRAW−HILL BOOK
COMPANY INC.）、ニユーヨーク、トロント、
ロンドン、、1958年参照］に見られるように、室
温ではNi量が０〜42重量％の範囲におおいて、
NiはすべてAl₃Niとなつている。従つて、天びん
の法則［例えば須藤一他著“金属組織字”第38頁
図３・１１、丸善(株)参照］によりNi0.5〜６重量
％におけるAl₃Niの量は1.2〜14.3重量％である。
この場合、Al₃Niはウイスカー状の晶出物であ
り、残部はAl中に若干の元素が含まれたAl固溶
体となる。又、更に第３成分としてMnが0.1〜２
重量％含まれた合金では、上記と同様な量の
Al₃Niウイスカー状晶出物ができると共に、0.1〜
２重量％の少量のMnはAl中に固溶されている。

Niの添加量としては重量比で0.5〜６％程度が
有効であるが、望ましくは２〜５％が良い。又、
更に強度を向上させるために第３成分を添加する
が、この場合第３成分の選択には注意を要する。
例えば、Cuの添加は晶出物が粗大粒状になり易
く望ましくない。その点Mnの添加であれば重量
比で0.1〜２％添加することにより、微細なウイ
スカー状の晶出物が得られてよい。

本発明に使用し得る連続繊維としては、通常
FRM用として供給されるものであれば何でも用
いることができるが、例えば炭化ケイ素（SiC）、
アルミナ（Al₂O₃）又は炭素(C)よりなる連続繊維
が好ましい。これらの連続繊維は一種のみでも、
又は二種以上を組み合わせてもよい。連続繊維の
種類、長さ、太さ、断面形状等の性状は製造する
FRMに対する要求特性や製造の難易度等を考慮
して選択する。特に極細の繊維を用いた場合に好
ましい結果が得られる。

前記合金母材と連続繊維を組み合わせることに
より晶出物が微細針状（又はウイスカー状）に連
続繊維の間の合金母材中に晶出し、従つて連続繊
維同志の接触を少なくし、又、SiC、Al₂O₃及び
Ｃの各連続繊維を劣化させないため高強度の
FRMが得られる。

連続繊維と合金母材とを複合化させる方法とし
ては、鋳造方法が望ましく、特に高圧凝固鋳造法
を用いれば、短時間で凝固し、微細な針状晶出物
が生成するので効果的である。凝固時の圧力とし
ては数百Kg／cm²程度が使用し易い。又、凝固の際
連続繊維の配向方向と直交する方向から冷却する
ことにより微細針状（ウイスカー状）の晶出物が
連続繊維間に該連続繊維に対して垂直な方向に絡
まつて晶出し、これが連続繊維同志をつなぐ架橋
の役割を果すことによつて優れた層間剪断強度を
示す。

〔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 炭化ケイ素繊維（日本カーボン製“ニカロン”）
１を150mmに切断し、体積率で50％になるように
秤量して鋼製パイプに詰めた。この試料を720℃
のN₂雰囲気中で15分間予熱した後、250℃に加熱
した型内に設置し、720℃のAl―５％Ni合金溶湯
を注いで250℃のパンチにて500Kg／cm²に加圧し凝
固させた。これを試料Ａとする。同様の方法にて
Al―２％Cu−２％Ni合金マトリツクスと純Alの
FRMも作製した。これを試料Ｂ及びＣとする。

インゴツト中より採取したFRM試料Ａの顕微
鏡観察結果を第１図に示すが、炭化ケイ素繊維１
の間隙に微細なAl₃Niウイスカー状晶出物２が比
較的に均一に分布していた。又、それらの周囲に
はAl固溶体が存在していた。Al₃Niウイスカー状
晶出物とAl固溶体との割合は、上記晶出物が11.9
重量％、残部Al固溶体であつた、又、これらの
FRMを用いて３点曲げ試験とAE（アコーステイ
ツク エミツシヨン）測定を同時に行なつた。そ
の結果を第２図に示す。第２図中のアコーステイ
ツク エミツシヨンイベント数は、、曲げ試験に
おけるFRM試料の破壊に至るまでのAE信号を検
出するにあたつて、外部雑音を除去するために設
けたしきい値を越えたAE信号を包絡線検波して
求めたものであり、FRM試料内部の微視的破壊
の事象数に対応する。曲げ強度は純AlFRMの場
合120Kg／mm²を示すが、破壊に至るまでのAEイベ
ント数は著しく多かつた。又、Al−２％Cu−２
％Ni合金FRM試料ＢではAEイベント数は純
AlFRM試料Ｃに比べて減少するものの、曲げ強
度は著しく小さかつた。しかし、Al−５％
NiFRM試料Ａを用いた場合には曲げ強度は110
Kg／mm²を示し、純Alの場合に比べてそん色なく、
又、AEイベント数は著しく減少し、微視的な破
壊が減少したことを示している。

本繊維を用いたFRMについてはより多くのマ
トリツクス組成で実験を行ない第３図及び第４図
の結果を得た。第３図及び第４図から明らかなよ
うにAl−Ni合金及びAl−Ni−Mn合金であれば、
FRMの強度を減ずることなく、AEの発生を抑制
することが出来た。

実施例 ２ 炭素繊維（東レ製M40）３を150mmの長さに切
断して体積率で60％となるように秤量し鋼製パイ
プに詰めた。この試料を760℃のN₂雰囲気中で15
分間予熱を行ない、250゜に加熱した型内に設置
し、760℃のAl−５％Ni合金溶湯を注いで200℃
のパンチにて500Kg／cm²に加圧し、凝固させた。
これを試料Ｄとする。又、同様の方法でAl−３
％SiとAl−11％Si合金のFRMを作製した。これ
を各々試料Ｅ及びＦとする。

インゴツト中より採取したFRM試料Ｄの組織
を第５図に示す。繊維間隙には微細なAl₃Niウイ
スカー状晶出物２が多数観察された。又、それら
の周囲にはAl固溶体が存在していた。Al₃Niウイ
スカー状晶出物とAl固溶体との割合は、上記晶
出物が11.9重量％、残部Al固溶体であつた。又、
３点曲げ試験と同時にAEを測定したが、第６図
から明らかなようにAl−５％NiFRM試料Ｄの場
合にはAl−３％SiFRM試料ＥやAl−11％
SiFRM試料Ｆに比べて曲げ強度は大きく、しか
もAEリングダウン数は少なかつた。これは、
FRM内部での微視的な破壊の数、又は１つの微
視的な破壊の面積が小さくなつたためと考えられ
る。第６図中のアコーステイツク エミツシヨン
リングダウン数は、AE信号を検出するにあたつ
て、外部雑音を除去するために設けたしきい値を
越えた波の数であり、FRM試料内部の微視的破
壊１事象あたりのエネルギーの大きさに対応す
る。リングダウン数の多いものほど破壊の大きさ
が大きい。

〔発明の効果〕

上述のように本発明の繊維強化金属は炭化ケイ
素、アルミナ又は炭素の各連続繊維の一種又は二
種以上と所定量のニツケル、又はニツケルとマン
ガンとを添加したアルミニウム合金母材とよりな
るものであるため凝固時に連続繊維の間の合金母
材中に針状晶析物が生成し、母材として純アルミ
ニウムを使用した場合と同程度の強度を得ること
ができ、且つ応力が加わつた場合の微視的な破壊
が純アルミニウム母材を使用した場合に比べて著
しく減少し、総合的な特性の優れたものとなつ
た。

又、本発明の繊維強化金属の製造方法は連続繊
維と母材金属を高圧凝固鋳造法を用いて製造する
にあたり、該連続繊維の長さ方向と直交する方向
から低温状態のパンチにて加圧し、繊維の長さ方
向に対して直角方向に温度勾配を生ずる鋳造方案
を使用する。したがつて、該合金母材中に該合金
の針状相を該連続繊維の長さ方向と直交する方向
に晶出させるものであるため、簡便迅速に総合特
性の優れた繊維強化金属を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の繊維強化金属の一実施例の金
属組織の顕微鏡写真、第２図は各種繊維強化金属
のたわみとアコーステイツクエミツシヨンイベン
ト数との関係を表わすグラフ、第３図は本発明の
繊維強化金属のニツケル添加量と曲げ強度との関
係を表わすグラフ、第４図は本発明の繊維強化金
属のニツケル及びマンガン添加量と曲げ強度との
関係を表わすグラフ、第５図は本発明の繊維強化
金属の別の実施例の金属組織の顕微鏡写真、第６
図は各種繊維強化金属のたわみとアコーステイツ
クエミツシヨンリングダウン数との関係を表わす
グラフである。 図中、１……炭化ケイ素繊維、２……Al₃Niウ
イスカー状晶出物、３……炭素繊維。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化ケイ素、アルミナ又は炭素の各連続繊維
   の一種又は二種以上と、アルミニウム合金母材と
   よりなり、 該アルミニウム合金母材は、Al₃Niウイスカー
   ト状晶出物1.2〜14.3重量％と、残部アルミニウ
   ム固溶体とからなることを特徴とする繊維強化金
   属。 ２ アルミニウム合金母材が、ニツケル0.5〜６
   重量％と、マンガン0.1〜２重量％と、残部アル
   ミニウムとからなるもの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 連続繊維と合金母材とを複合化させるにあた
   り、高圧凝固鋳造法を用いたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の繊維強化金
   属。 ４ 炭化ケイ素、アルミナ又は炭素の各連続繊維
   の一種又は二種以上とアルミニウム合金母材とを
   高圧凝固鋳造法を用いて複合化させるにあたり、
   凝固させる際に該連続繊維の長さ方向と直交する
   方向から冷却して該合金母材中に1.2〜14.3重量
   ％のAl₃Niウイスカー状晶出物を該連続繊維の長
   さ方向と直交する方向に晶出させることを特徴と
   する繊維強化金属の製造方法。 ５ アルミニウム合金母材が、ニツケル0.5〜６
   重量％と、残部アルミニウムとからなるもの、あ
   るいはニツケル0.5〜６重量％と、マンガン0.1〜
   ２重量％と、、残部アルミニウムとからなるもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第４項記
   載の繊維強化金属の製造方法。