JPH0261014A

JPH0261014A - 酸化亜鉛ウィスカー強化金属

Info

Publication number: JPH0261014A
Application number: JP63214008A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yoshinaka; 芳中　實; Eizo Asakura; 朝倉　栄三; Mitsumasa Oku; 奥　光正; Takeshi Hamabe; 浜辺　猛; Motoi Kitano; 基北野; Hideyuki Yoshida; 吉田　英行
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-08-29
Filing date: 1988-08-29
Publication date: 1990-03-01

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、航空機、宇宙船、自動車、スポーツ用品等に
用いられる繊維強化金属（ＦＲＭ）に関する。

さらに詳しくは、高強度で加工性が良く、低コストの酸
化亜鉛ウィスカー強化金属（ＷＦｔＭ　）に関する。

従来の技術ウィスカーは一般に、転移の数が極端に少なく、強度が
その結晶の理想値に近い特長をもっているため金属と複
合化して、その強度や弾性率の向上が図られてきた。そ
の代表的なウィスカーとしては、β−８ｉＣ、α−８ｉ
Ｃ、α−８ｉＳＮ４．グラファイト（Ｃ）、チタン酸カ
リウム（Ｋ２Ｏ・６Ｔｉ０２　）。

Ａｌ２Ｏ５、Ｃｕ　、　Ｆｅ　、　Ｗなどがあった。

このようなウィスカー強化金属は、強度と弾性率の向上
が図れると同時に、高温強度の大幅な改善や耐摩耗性の
向上が達成でき、連続繊維を使ったＦＲＭとは異なり、
圧延、押出し、鍛造などの二次加工ができる利点があっ
た。

発明が解決しようとする課題しかるに従来のＷＲＭでは使用するウィスカーが単純な
針状の繊維であるため押し出し等の圧力を受けた時にウ
ィスカーが圧力方向の一方向に配向し、強度に異方性が
生じた。即ち、配向方向には、高強度が実現できたが、
それと角度がわずかにずれるだけで補強効果が失われる
のが一般的であった。

また、強度を得るため（（は１５〜３０Ｍｏ１％以上の
ウィスカーが配合されるのが一般的であったが、このウ
ィスカーの配合は複合物の切削加工や研削加工の点から
は堅くて、加工し難い材料となりマイナス要因であった
。

さらに従来のウィスカーは製造的に複雑で収率が悪く、
コストが高いため、安価で高機能なウィスカーが切望さ
れていた。

課題を解決するための手段本発明者らは、かかる課題を根本的に解決すべく、つぶ
さに研究した結果、次の手段を発明することにより問題
点がことごとく解決された。

すなわち、本発明は、酸化亜鉛ウィスカーが金属に配合
されており、かつ前記酸化亜鉛ウィスカーの基部の径が
０．７〜１４μｍであり、基部から先端までの長さが３
〜２００７１　ｍである酸化亜鉛ウィスカー強化金属で
ある。

さらに、酸化亜鉛ウィスカーが核部とこの核部から異な
る複数軸方向に伸びた針状結晶部からなる酸化亜鉛ウィ
スカーを含んだ上記酸化亜鉛ウィスカー強化金属である
。また上記複数軸方向の軸数−が４である酸化亜鉛ウィ
スカーを含んだ上記酸化亜鉛ウィスカー強化金属である
。さらには、金属カアルミニウム、マグネシウム、チタ
ン、銅の中の１つを主成分とした酸化亜鉛ウィスカー強
化金属である。

本発明で用いる酸化亜鉛ウィスカーは、原料段階では核
部とこの核部から異なる複数軸（主に４軸）方向に伸び
た針状結晶で、生としてテトラボット状ウィスカー（第
１図参照）であるが、各種処理や金属との配合の段階で
テトラボット状が折損して、３軸、２軸、１軸の針状結
晶にくずれるウィスカーが発生する場合がある。その程
度の程は、処理の仕方に依存し、はとんど完全にテトラ
ポア）形状が存在する場合から、はとんどすべて折損す
る場合まである。

このテトラポット形状のウィスカーは複合物として等方
向に配向するため、ＷＲＭの強度における一軸異方性を
解消する役目を果たす。

本発明に用いる酸ｒヒ亜鉛ウィスカーは、例えば表面に
酸化皮膜を有する金属亜鉛粉末を酸素を含む雰囲気下で
加熱処理して酸化亜鉛を生成させることにより得られる
。得られた酸化亜鉛ウィスカーは、みかけの嵩比重０−
０２〜Ｑ、１を有し、７゜ｗｔ％以上の高収率で極めて
量産的である。生成した酸化亜鉛ウィスカーは主として
４軸のテトラポット状であるが、なかには板状晶や池の
結晶系のものが混入する場合もある。このウィスカーの
Ｘ線回折図をとるとすべて酸化亜鉛のピークを示し、電
子線回折の結果では転移、格子欠陥の少ない単結晶性を
示した。また、不純物の含有１も少なく、原子吸光分析
の結果、酸化亜鉛が９９．９８％であった。

酸化亜鉛ウィスカーの形状に関しては、小さ過ぎると充
分なＷＲＭとしての強度が確保できなくなり、また、加
工容易性も低下する。一方、大き過ぎると分散の而で問
題が発生し、強度や加工容易性が低下する。

次に、金属に対する酸化亜鉛ウィスカーの配合割合は、
金属や目的によるため特に限定されないが、少な過ぎる
と強化の目的が連敗されず、一方、必要以上に第１に配
合すると金属本来の優れた特長を損い、一般的な加工性
が低下し、また、コスト高となるので好ましくない。従
って、本発明では一般に５〜５０　Ｖｏ１％で使用され
、特に８〜ａ　ｏ　Ｖｏ１％が有効である。

マトリックスとする金属素材としては、アルミニウム、
マグネシウム、チタンを主成分とした単体や、これら複
数元素を組み合わせた合金、あるいはさらに他の元素を
導入した合金などの軽金属群（例えば比重６以下の軽金
属群）から選ばれるか、あるいは、アルミニウム、銅、
鉛、マグネシウム、スズ、亜鉛、ベリリウム、カルシウ
ム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、ランタ
ン、マンガン、銀、金、カドミウム、水銀、ガリウム、
インジウム、タリウム、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモ
ン、ビスマス、セレン、テ１Ｖｆｉ／、ウラン、ネオジ
ウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、セ
リウムを主成分とした単体や、これら複数元素を組み合
わせた合金、あるいはさらに他の元素を導入した合金な
どの低融点金属群。

（例えば融点１４００Ｃ以下の低融点金属群）から選ば
れることができる。特に、アルミニウム。

マグネシウム、リチウム、ナトリウム、カリウム。

ルビジウム、セシウム、亜鉛、カドミウム、水銀。

ガリウム、インジウム、タリウム、スズ、鉛、アンチモ
ン、ビスマス、セレン、テｗｔｖｔ　主成分、！：した
単体や、これら複数元素を組み合わせた合金、あるいは
さらに他の元素を導入した合金などの極低融点金属群（
例えば融点７００℃以下の極低融点金属群）から選ばれ
るとさらに好ましい。

最も有効な金属素材としては、アルミニウム系とマグネ
シウム系であシ、次に銅系であり、その次にやや高融点
で扱い難いがチタン系がその次に位置する。

但し、上記の金属素材にはいずれも、イツトリウム、ジ
ルコニウム、ハフニウム、バナジウム。

ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン
、鉄、μテニウム、オスミウム、コバルト。

ロジウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム。

白金、テクネチウム、レニウムなどの高融点金属を少量
添加したシ、不純物として含めることができる。また、
炭素、ケイ素、リン、イオウやハロゲン元素を少量添加
したシ、不純物として含めることができる。特に、アル
ミニウム合金では７０７５．２０１４．２０２４．６０
６１　。

２０１２．７０９１．２６１８その他を用いることがで
きる。

目的によっては、酸化亜鉛ウィスカーと同時に、池の金
属や無機材質のウィスカー、粉体、フレーク、長繊維や
短繊維等と適当量配合して用いることが可能である。

さらに本発明の酸化亜鉛ウィスカー強化金属は、粉末冶
金法、高圧鋳造法（溶湯鍛造法）、溶浸法。

ホットプレス法、ホットロー）ｖ法、　ＨＩ　Ｐ　法＊
　高温押出し法、真空鍛造法、精密鍛造法、ダイキスト
法等の加工法により作られる。

作用本発明の酸化亜鉛ウィスカーは純粋な単結晶ウィスカー
で強度が特に強く、またテトラポット溝造で複合物は実
効的に等方向となるため強化における異方性を解消する
方向に働ちく。また、テトラポット形状品を原料にする
ことにより、万一テトラポット形状が壊れた場合でも、
マトリックス中への均一分散に寄与し、機械強度向上に
有効に働く。

一方では、本発明の酸化亜鉛ウィスカーは、純粋な単結
晶であり、結晶学的にはＣ軸方向に伸びた針状結晶で構
成されており、Ｃ軸方向に直角にへき開面を持つため、
へき開し易く、金属に配合した場合には、切削加工性や
研削加工性が著しく向上する。

実施例以下に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発
明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

実施例１主として、基部の径が０．９〜１．８μｍφ、基部から
先端までの長さが１０〜３Ｑ１ｔｍに分布するテトラポ
ット状酸化亜鉛ウィスカーに適当な前処理を施し、アル
ミ合金（２０１４）を用いて粉末冶金法で押し出しく７
００℃）、ウィスカー含有アルミ合金の平板試験片を得
た。

このアルミ合金の破面を反射型電子顕微鏡で観察したと
ころ、大部分のテトラポット状ウィスカーは完全なテト
フポット状のまま残存していた。

この試験片を用いて、引張強度試験と、加工性の評価を
行った。その結果を第１表に示す。

なお、加工性は、一定圧力のノー（ＳＡＷ）による試験
片の切断時間と切断面に発生するパリの最大長、それと
切断面の表面粗さ（Ｒａ　）により総合的に評価した。

また、引張強度は押出し方向と、それに直角な２方向か
ら評価した。

実施例２主として、基部の径が１．８〜３．２μｍφ、基部から
先端までの長さが２０〜５　Ｑ　Ｉｔ　ｍに分布するテ
トラポット状酸化亜鉛ウィスカーを用いて実施例１ど同
様にアルミ合金の平板試験片を得た。破面を同様に観察
すると、大体、半数のテトラポット状ウィスカーが折損
して、３軸や２軸あるいは１軸の針状に変化しており、
残りの半数は、テトラボット状であった。この試験片を
用いて同様に評価を行い、その結果を第１表に示した。

実施例３主として基部の径が４〜ＩＱμｍφ、基部から先端まで
の長さが５０〜１４０μｍに分布するテトラボット状酸
化亜鉛ウィスカーを用いて実施例７と同様にアルミ合金
の平板試験片を得た。破面観察では、大多数のテトラポ
ア）状ウィスカーが折損して、大多数が１軸の針状にな
っていた。この試験片を用いて同様に評価を行い、その
結果を第１表に示した。

比較例１〜９比較の為に、実施例１と同じアルミ合金（２０１４）を
用い、実施例１と全く同様に、フィラーを含まないブラ
ンク、フィラーとしてβ−３ｉＣウイスカ、チタン酸カ
リウムウィスカー、　ＡＪｈＯ５ウィスカー、Ｗウィス
カー、　ｋ１２０ｓ粉、亜鉛華１号（フランス法、無定
形９粒径：平均０．６２μｍ）　ｐ　嘆大酸化亜鉛ウィ
スカー（長さ２０ｏ〜３００７１Ｉｎ基部の径１４〜２
０１１ｍ　）　　、　１７７ｉ小酸化亜鉛ウイスカー（
長さＱ、５〜”μｍ＋基部の径：０．０５〜０．７μｍ
）を含有したアルミ合金の試験片を作成して同様の評価
をし、その結果を第１表に示した。

（以下余白）第１表発明の効果本発明により、従来、ＷＲＭの大々的な実用化を阻んで
きた２つの大きな要因、コストと強化の異方性をクリア
することとなり、しかも加工容易性のＷＲＭを全く新規
に提供することとなり、金属材料の高機能化が叫ばれて
いる現在、その波及効果は計り知れないものがあり、産
業性極めて大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸化亜鉛ウィスカーの結晶の構造を示す電子顕
微鏡写真である。代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　はが１名注１
）サンプル数　１０点平均値注２）すべて１５Ｖｏｌチ配合

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸化亜鉛ウィスカーが金属に配合されており、か
つ前記酸化亜鉛ウィスカーの基部の径が０．７〜１４μ
ｍであり、基部から先端までの長さが３〜２００μｍで
あることを特長とする酸化亜鉛ウィスカー強化金属。
（２）酸化亜鉛ウィスカーが、核部とこの核部から異な
る複数軸方向に伸びた針状結晶部からなる酸化亜鉛ウィ
スカーを含んだ特許請求の範囲第１項記載の酸化亜鉛ウ
ィスカー強化金属。
（３）複数軸方向の軸数が４である特許請求の範囲第２
項記載の酸化亜鉛ウィスカー強化金属。
（４）金属がアルミニウム系またはマグネシウム系であ
る特許請求の範囲第１項記載の酸化亜鉛ウィスカー強化
金属。
（５）金属が銅系である特許請求の範囲第１項記載の酸
化亜鉛ウィスカー強化金属。
（６）金属がチタン系である特許請求の範囲第１項記載
の酸化亜鉛ウィスカー強化金属。