JPH0790421A - 繊維強化複合金属材料とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 配向非金属強化繊維を高密度で含む繊維強化
複合金属材料の提供。 【構成】 磁性金属で被覆した非金属強化繊維を、気体
中において、磁場内で、振動を与えて配向集合させてか
ら、該繊維集合塊に溶融マトリックス金属を溶浸する。 【効果】 高密度 (高容積率) で強化繊維をマトリック
ス金属中に含む軽量の複合材料を提供することがができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、繊維強化複合金属材料
とその製造方法に関する。より特定して言えば、磁性金
属で被覆した非金属質繊維で強化された金属基複合材料
及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】高強度物質の繊維で強化さ
れた金属基複合材料、特に軽金属基複合材料はよく知ら
れている。その強化用繊維としては、タングステン繊維
にホウ素または炭化ホウ素の被覆を施したもの、炭素繊
維、炭素繊維にホウ素、炭化ホウ素、ホウ化チタニウム
の被覆を施したもの、アルミナ繊維、炭化ケイ素ホイス
カー等の非金属質繊維、タングステン繊維、鋼繊維等の
金属繊維がある。中でも、非金属質繊維は軽量で、比強
度、比剛性が高く、高温でも強度をよく維持することか
ら好ましい材料である。

【０００３】繊維強化複合材料の強度は、強化繊維の配
向と全容積によって大きく支配される。強度は強化繊維
の配向方向に発揮されるので、配向は特に重要で、負荷
応力に対する配向繊維の傾き角、すなわち配向角が大に
なれば、複合材料の引っ張り強度は低下する。繊維の長
さについてはいわゆる連続繊維あるいは長繊維が望まし
いが、生産性において短繊維の方が一般に有利である。
そこで、短繊維を用いて高容積率にするには、マット状
の繊維塊を押し固めることが行われているが、この方法
では、繊維は破断し、また無方向の繊維塊であれば、押
し付けても圧縮方向に直角には配向するものの、押し付
け面ないしそれに平行な平面内では繊維は不定方向をと
る。また繊維塊は押し付け圧に反発して必ずしも高密度
にはならない。

【０００４】強化繊維を無配向のままマトリックス金属
中に分散させた複合体を押し出し処理により、押し出し
方向に配向させることが知られている。この方法では、
強化繊維が破断し、期待されたほど強度を上げることが
できない。

【０００５】長い細線状の強化繊維を束線状に束ね、該
束線を順次に連続してマトリックス金属が溶融し得る温
度に保たれている加熱部分、さらに前記マトリックス金
属が凝固し得る温度に保たれている成形部分を通過させ
ることからなる複合線材の製造方法は知られている (特
開昭５２−８５９６１号) 。この方法は比較的細い部材
の製造にしか適用できない。

【０００６】磁場内に置かれた強化金属繊維を含む溶融
マトリックス金属相に水平方向に電流を流して、電磁力
によって強化金属繊維を沈ませないようにした状態で凝
固させて複合金属材料を製造する方法が知られている
（特開昭５３−６３２２１号）。この方法は比較的大き
い部材中で強化繊維を配向させ均一に分散させるには有
効であるが、強化繊維を密集させることはできない。

【０００７】磁性を有する強化繊維を含む溶融マトリッ
クス金属の溶湯に磁界を作用させて強化組織を配向させ
て凝固させることからなる複合材料の製造方法が知られ
ている (特開昭５８−１２７２２号) 。この方法も強化
繊維を配向させることができるが、密集させることはで
きない。

【０００８】特開昭６３−２９０２２９号には磁性を有
する強化金属繊維を気体中において磁場内で振動させら
れる型内に落下させることによって配向集合塊となし、
該集合塊に溶融マトリックス金属を溶浸することからな
る繊維強化複合金属材料の製造方法が開示されている。
この方法は上述の従来法の欠点はかなり克服されている
がマトリックス金属が軽金属であって材料に軽量性が要
求されるような場合には不利である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は磁性金属で被
覆した非金属強化繊維を、気体中において、磁場内で、
振動を与えて配向集合させてから、該繊維集合塊に溶融
マトリックス金属を溶浸することによって前記先行技術
の欠点が克服されることを見出した。

【００１０】

【発明の構成】本発明は、金属のマトリックスとそのな
かに配向密集する磁性金属で被覆された非金属繊維から
なる繊維強化複合金属材料を提供する。

【００１１】本発明はまた、磁性を有する金属で被覆さ
れた非金属繊維を、気体中において、磁場内で振動させ
られる型内に落下させることによって配向集合塊とな
し、該集合塊に溶融マトリックス金属を溶浸することか
らる繊維強化複合金属材料の製造方法を提供する。

【００１２】本発明において、使用される非金属繊維
は、アルミナおよびアルミナ系繊維、炭素繊維、、炭化
ケイ素繊維、シリカ繊維、ホウ素繊維等の無機繊維を包
含する。強化繊維の寸法に本質的な制限はないが、直径
(四角形断面の場合は一辺の幅) が１５〜１００μｍで
あることが好ましい。繊維の長さにも特に制限はない
が、製品の形状大きさに対応して、長すぎるものは配向
が困難となるので、例えば自動車部品のような形状大き
さの場合は、繊維のアスペクト比をも考慮に入れて、１
〜５０ｍｍが好ましい。

【００１３】本発明において、磁性金属とは、鉄、ニッ
ケル、コバルトおよびそれらの合金を意味する。これら
の金属による非金属繊維の被覆は既知の如何なる方法に
よってもよいが、通常は無電解めっき法による。非金属
材料の無電解めっき法に関しては例えば、最新表面処理
技術編集委員会篇「最新表面処理技術総覧」（産業技術
サービスセンター発行（昭和６２年１２月２１日））に
詳細に説明されている。本発明において、気体中とは、
通常は大気中を意味するが、特に必要があれば、不活性
気体中でもよい。実用上そのようなことが実施されるこ
とは無さそうであるが、真空中であってもよい。すなわ
ち、本発明において、気体中なる語は真空中をも含む。

【００１４】本発明において、マトリックス金属とは、
前記の繊維自身および磁性を有する被覆金属と反応（合
金）して、強化繊維の特性の劣化を生ぜず、また、これ
らとの接触よって自身が劣化しない金属であれば何であ
ってもよいが、実際に使用されるものは、いわゆる軽金
属、すなわち、アルミニウム、マグネシウム、およびそ
れらの合金である。

【００１５】本発明において、磁場とは、定磁極の直流
磁場であってもよいし、また交番磁極の交流磁場であっ
てもよい。交番磁場の方が配向と集密化のためには好都
合であることが判明している。さらに交流磁場と直流磁
場の重畳する複合磁場は一層強化繊維の配向と集密化に
効果がある。

【００１６】本発明において、型とは、強化繊維を配向
集合させるための容器であるが、後に溶融マトリックス
金属を溶浸する鋳型自体であってもよいし、鋳型とは別
のマトリックス金属の溶融温度において消失する材料、
例えば、紙、ワックス、マトリックス金属自身で造られ
た独自の容器であってもよい。このような型を使用すれ
ば、複合材料部品中に強化繊維を局部的に存在させるこ
とができる。

【００１７】鋳型は溶融マトリックス金属に耐える材料
ならば、どのような材料で造られてもよい。もちろん、
離型できる鋳型も使用できるが、型自身を複合部材の１
部として外殻を構成し、離型することを意図しない型で
あってもよい。そのような目的にはステンレス鋼は最も
好ましい。

【００１８】鋳型は既知のどのような方法によって振動
させられてもよい。すなわち、電磁的または機械的のい
ずれの方法によってもよい。または、超音波などのエネ
ルギーを付加的に加えた振動によってもよい。

【００１９】溶融マトリックス金属の溶浸の方法は、ど
のような方法であってもよい。代表的な方法の幾つか
は、例えば、カ・イ・ポルトノイ、エス・イェ・サリベ
コフ、イ・エリ・スヴェトロフ、ヴェ・エム・チュバロ
フ共著、青山忠明訳、「複合材料の構造と性質」( 和歌
山市吹屋町２丁目１８番地、日・ソ連通信社発行) の第
III 章「液相結合法による複合材料の製造」に詳細に説
明されている。

【００２０】本発明の方法によって型の中で配向集合さ
せられた強化繊維の配向集合塊は、底がなくても落下し
ない。それゆえ、実験室的には、離型することを意図し
ない例えばステンレス鋼製の筒状の鋳型の上端に吸引手
段を装着して溶融マトリックス金属を鋳型内に導入し、
溶湯をゆっくり引き上げればよい。底がなければ落下す
る程度に疎に充填された場合に、金属、アスベスト等の
フィルターを底に当てることによって落下を防止するこ
とができる。このような反重力鋳造法 (counter gravit
y casting process)はそれ自身既知である。

【００２１】本発明の方法では、磁場を均一にかけるこ
とができるならば、どのような形状の強化繊維の配向集
合塊をも形成することができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、強化繊維を３５〜４５
％の高容積率でマトリックス中に含み、しかも低密度軽
量の複合材料を提供することができる。それによって、
例えば、強化繊維としニッケル被覆を施したアルミナ繊
維を使用するマグネシウム基複合材料の場合、前記特開
昭６３−２９０２２９号の記載の金属繊維を強化繊維と
する場合よりも低密度でしかも比強度において遜色のな
い材料が得られ、機械部品の軽量化に貢献できる。

【００２３】

【発明の具体的記載】次に図面を参照して本発明を具体
的に説明する。

【００２４】図１は本発明の方法において磁性を付与し
た強化繊維を、気体中において、磁場内で、振動させて
型内に落下させることによって、配向集合塊にするため
の装置の一例を示す断面図である。装置は、上部に交番
磁極の交流磁場、下部に鉄芯を有する直流磁場にコイル
が配置される。基台ｉ、交流電磁コイルｄ、直流電磁コ
イルｈ、鉄芯ｇ、鉄芯上下用装置ｊ、交流電源ｋ、直流
電源ｌよりなり、鉄芯ｇの上部に型ｅ (この場合は後に
溶融マトリックス金属を鋳込む鋳型) が鋳型保持具ｆに
より支持され、鋳型ｅに臨んだ漏斗ｃが設けられ、漏斗
ｃに臨んで配置され適当な軽い振動を与えられる篩ａか
ら磁性を付与された強化繊維ｂが鋳型内に落下させられ
る。強化繊維は磁場内を落下中にコイルに付与される交
番電流により発生する交番磁場の作用で振動、磁力線方
向に配向し、鉄芯の上部の鋳型保持器に伝えられる振動
と直流磁場の重畳磁場の効果により密に集められ配向繊
維集合体ｍを形成する。

【００２５】図２は配向繊維集合体ｍを入れた鋳型ｅに
溶融マトリックス金属ｐを溶浸するための実験室的装置
の一例を示す断面図である。るつぼｎは必要に応じて適
当なライニングを施したものでよく、例えば、溶融アル
ミニウム、またはマグネシウムまたはそれらの合金を保
持する。強化繊維の配向集合塊ｍが充填された、例え
ば、ステンレス鋼の鋳型ｅにアダプターｒを介して吸気
管ｑが装着されて溶融マトリックス金属ｐ中に沈めら
れ、吸気管ｑを適当な吸引手段に連結して吸引すること
により、配向繊維集合体を収容した鋳型内に溶融マトリ
ックス金属を導入する。

【００２６】本発明は次の実施例によってより具体的に
例示される。

【００２７】

【実施例１】実質的に図１と図２に示される構造の、繊
維充填装置とマトリックス金属溶浸装置を使用して、ニ
ッケル被覆アルミナ繊維で強化したマグネシウム基の複
合金属棒を製作した。

【００２８】使用した非金属繊維はデュポン社製の直径
１８μｍ、長さ３ｍｍの、表面に厚さ１μｍの無電解ニ
ッケルめっきを施したアルミナ繊維で、めっき後１００
℃に加熱し、強磁性化したものである。強化繊維を配向
集合させるための型は鋳型と共通で、１８−８ステンレ
ス鋼製で、内径１０ｍｍ、高さ１００ｍｍであった。使
用したマトリックス金属はマグネシウム合金ＭＣ２であ
った。

【００２９】前記ニッケル被覆繊維を繊維充填装置によ
って鋳型内に充填した後に、鋳型の上部にアダプターを
装着して吸気管を結合し、溶融マグネシウム合金中に沈
め該合金を吸引導入し、マグネシウム合金が鋳型内に充
填されるのを待って、浴より引き上げ、冷却固化させた
後、鋳型を取除いた。このようにして得られた複合金属
棒は、繊維の容積率約４０％、密度３．３ｇ／ｃｍ³ 、
曲げ強度７５０ＭＰａであった。

【００３０】単なるアルミナ繊維をハンドプレスにより
型枠内で加圧圧縮した後同じマグネシウム合金を溶浸
し、このビレットを熱間で押し出しすることにより造ら
れた同様の複合金属棒の繊維容積率が約１８％、曲げ強
度が４５０ＭＰａであるのに比して容積率では２倍を超
える増加であり、曲げ強度で１．６倍の増加となった。

【００３１】また前記特開昭６３−２９０２２９号に記
載のステンレス鋼繊維を強化繊維とする製品は、繊維の
容積率約４０％、密度４．１％ｇ／ｃｍ³ 、曲げ強度８
５１ＭＰａであるから、これに比すれば、本発明の製品
は密度はその約８０％で、曲げ強度は低いが、比曲げ強
度では、該製品の２０７に対して２２７であり、本発明
製品の方が高い。

【００３２】

【実施例２】実施例１で使用したものと同じニッケル被
覆アルミナ繊維を用いて、同じ装置により、マトリック
ス金属としてアルミニウムを使用して繊維強化複合金属
棒を製作した。この材料の容積率は約４０％、密度は
３．７ｇ／ｃｍ³ 、曲げ強度は８７２ＭＰａであった。
従って、比曲げ強度は２３５であり、マグネシウ基複合
材料に比し、軽量化効果においてやや劣るものの、比曲
げ強度において有利である。

【００３３】

【実施例３】直径１５μｍ、長さ２ｍｍの市販のピッチ
系炭素繊維に慣用の無電解めっき法によって厚さ１μｍ
のニッケル被覆を施した。この被覆炭素繊維とマグネシ
ウム合金ＭＣ２を用いて実施例１と同様に操作して、繊
維強化複合金属棒を製造した。炭素繊維は軽いので、こ
れを円滑に型内に落下させるには困難があったが、繊維
束を形成することができた。

【００３４】得られた複合材料は繊維容積率４３％、密
度約２．８、曲げ強度７６１ＭＰａであった。曲げ強度
はアルミナ繊維使用の場合と同程度であるが、この材料
の軽量化効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁性を付与した強化繊維を鋳型内で配向集合塊
とするための装置の概念を示す断面図である。

【図２】強化繊維の配向集合塊を収容した鋳型に溶融マ
トリックス金属を導入する装置の概念を示す断面図であ
る。

【符号の説明】 ｄ：交流電磁コイル、ｈ：直流電磁コイル、ｊ：振動
台、ｅ：型、ｇ：鉄芯、ｂ：強化繊維、ｎ：鋳型、ｐ：
溶融マトリックス金属、ｍ :磁性を付与した強化繊維の
配向集合塊

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属のマトリックスとそのなかに配向密
   集する磁性金属で被覆された非金属繊維からなる繊維強
   化複合金属材料。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の繊維強化複合金属材料
   であって、非金属強化繊維がアルミナおよびアルミナ系
   繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、シリカ繊維、ホウ素
   繊維のいずれかである材料。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の繊維強化複合金属材料
   であって、マトリックス金属がアルミニウム、マグネシ
   ウムおよびそれらの合金から選ばれるものである材料。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の繊維強化複合金属材料
   であって、繊維を被覆する金属が、鉄、ニッケル、コバ
   ルトおよびそれらの合金のいずれかである材料。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の繊維強化複合金属材料
   であって、金属の外殻を有する材料。
6. 【請求項６】 磁性金属で被覆された非金属繊維を気体
   雰囲気中において、磁場内で振動させられる型内に落下
   させることによって配向集合塊となし、該集合塊に溶融
   マトリックス金属を溶浸することからなる繊維強化複合
   金属材料の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の繊維強化複合金属材料
   の製造方法であって、強化繊維がアルミナおよびアルミ
   ナ系繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、シリカ繊維、ホ
   ウ素繊維のいずれかである方法。
8. 【請求項８】 請求項６に記載の繊維強化複合金属材料
   の製造方法であって、繊維を被覆する磁性金属が、鉄、
   ニッケル、コバルトまたはこれらの合金である方法。
9. 【請求項９】 請求項６に記載の繊維強化複合金属材料
   の製造方法であって、マトリックス金属がアルミニウ
   ム、マグネシウムおよびこれらの合金がら選ばれるもの
   である方法。
10. 【請求項１０】 請求項６に記載の繊維強化複合金属材
    料の製造方法であって、該型が熔融マトリックス金属を
    溶浸する鋳型である方法。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載の繊維強化複合金属材
    料の製造方法であって、該鋳型がステンレス鋼であり、
    複合金属材料の構成要素をなす方法。
12. 【請求項１２】 請求項６記載の繊維強化複合金属材料
    の製造方法であって、該型が熔融マトリックス金属の溶
    浸温度において消失する材料でできており、別に鋳型を
    用いる方法。
13. 【請求項１３】 請求項６に記載の繊維強化複合金属材
    料の製造方法であって、磁場が交番磁場である方法。
14. 【請求項１４】 請求項６に記載の繊維強化複合金属材
    料の製造方法であって、定磁極磁場と交番磁場の複合磁
    場である方法。