JPH024935A - 金属基複合材料の製造方法 - Google Patents

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】 本発明は、金属基複合材料に係り、更に詳細にはマトリ
ックスが第一のマトリックス金属である第一の部分とマ
トリックスが第二のマトリックス金属である第二の部分
とを有する金属基複合材料の製造方法に係る。

従来の技術 異種金属をマトリックスとする複合材料、即ちマトリッ
クスが第一のマトリックス金属である第一の部分とマト
リックスが第二のマトリックス金属である第二の部分と
を有する金属基複合材料の製造方法の一つとして、例え
ば特公昭５７−５０５９５号に記載されている如く、「
鋳造金型内に繊維成形体を介し、マトリックス金属とな
る異種の溶融金属を分離注湯し、高圧凝固鋳造法により
各溶融金属を前記繊維成形体に充填複合させることを特
徴とする繊維強化複合部材の製造方法」が知られている
。

また他の一つの製造方法として、本願出願人と同一の出
願人の出願にかかる特開昭６２−１８４６５４号公報に
記載されている如く、「第一のマトリックス金属よりも
融点が高く溶媒中に溶解することにより消失する材料を
用意し強化繊維にて所定の形状の繊維成形体を形成し、
繊維成形体の一部の個々の強化繊維の間を前記材料の融
液にて充填し、これを冷却することにより前記融液を凝
固させ、前記繊維成形体の残りの部分の個々の強化繊維
間を前記第一の７トリソクス金属の融液にて充填し、前
記第一のマトリックス金属の融液を凝固させ、前記材料
の凝固体を溶媒中に溶解させることにより除去し、前記
繊維成形体の前記一部の個々の強化繊維間を前記第二の
マトリックス金属の融液にて充填し、前記第二のマトリ
ックス金属の融液を凝固させる複合材料の製造方法」が
知られている。

発明が解決しようとする課題 上述の前者の方法に於ては、高圧凝固鋳造法か使用され
るので、大川りなプレス設備や高圧に耐える金型が必要
であり、そのため複合材料の製造コストが非常に高いと
いう問題があり、また二種類のマトリックス金属の界面
を所定の位置に設定することが困難であるという問題が
ある。

また上述の後者の方法に於ては、製造工程が煩雑であり
、また第一のマトリックス金属よりも融点が高く溶媒中
に溶解することにより消失する材料が必須であるため、
複合材料の製造コストが高くなり易く、また前記消失性
の材料が完全に除去されなければ良好な複合材料を製造
することができないという問題がある。

本発明は、従来の異種金属をマトリックスとする複合材
料の製造方法に於ける上述の如き問題に鑑み、第−及び
第二のマトリックス金属が個々の強化材の間に良好に充
填した複合材料を能率よく且低廉に製造することのでき
る方法を提供することを目的としている。

課題を解決するだめの手段 上述の如き目的は、本発明によれば、無機質の強化材と
、金属と、金属フッ化物の微細片とを含む多孔質の成形
体を形成し前記成形体の一部をＡｌ５Ａ１合金、Ｍｇ、
及びＭｇ合金よりなる群より選択された第一のマトリッ
クス金属の溶湯に接触させ前記成形体の他の一部をＡＩ
、Ａ１合金、Ｍｇ、及びＭｇ合金よりなる群より選択さ
れた第二のマトリックス金属に接触させる金属基複合材
料の製造方法によって達成される。

発明の作用及び効果 本発明の方法によれば、無機質の強化材と金属と金属フ
ッ化物の微細片とを含む多孔質の成形体が形成され、該
成形体の一部が第一のマトリックス金属の溶湯に接触せ
しめられ成形体の他の一部が第二のマトリックス金属の
溶湯に接触せしめられる。

一般に金属はＡ１合金等の溶湯に対する濡れ性に優れて
いるので、溶湯は金属を伝って成形体中へ浸透する。ま
た金属フッ化物は溶湯及び金属の表面の酸化膜を除去し
て強化材に対する溶湯の濡れを改善する。また溶湯及び
金属は互いに反応することによって発熱し、その熱によ
って溶湯及び強化材が加熱され、これにより溶湯の成形
体中への浸透性及び強化材の濡れ性が向上され、これに
より溶湯が成形体中へ良好に浸透していき、マトリック
スが第一のマトリックス金属の部分とマトリックスが第
二のマトリックス金属の部分とよりなり、これらが一体
に互いに接合した複合材料が形成される。

従って本発明の方法によれば、金属の溶湯を加圧したり
強化材を高温に予熱する必要がなく、従って金属の溶湯
を加圧したり強化材を高温に予熱するための大川りな設
備を要しないので、異種金属をマトリックス金属とする
複合材料を高圧鋳造法の如き従来の方法に比して能率よ
く低廉に製造することができる。

また本発明の方法によれば、マトリックス金属の溶湯の
浸透を阻止する消失性の材料は不要であり、またそれを
成形体の一部に適用したり成形体の個々の強化材の間よ
り除去することは不要であるので、異種金属をマトリッ
クスとする複合材料を上述の先の提案にかかる従来の方
法に比して能率よく低廉に製造することができる。

また本発明の方法によれば、上述の如く金属の溶湯が良
好に成形体中へ浸透して行くので、強化材と金属と金属
フッ化物の微細片とを含む成形体を所定の形状及び寸法
にて形成し、その一部を第−及び第二のマトリックス金
属の溶湯に接触させれば、成形体全体に第−及び第二の
マトリックス金属の溶湯が過不足なく迅速に浸透し、こ
れにより実質的に所定の形状及び寸法の複合材料が形成
される。従って非常に高い歩留りにて実質的に所定の形
状及び寸法の複合材料を能率よく低度に製造することか
できる。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、金属は短繊維、ウ
ィスカ、粉末の如き微細片として使用され、従って強化
材と金属の微細片と金属フッ化物微細片とを混合するこ
とにより、或いは強化材の表面に金属の微細片及び金属
フッ化物の微細片を付着することにより、これらよりな
る成形体か形成される。

本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、金属は強化材
の表面に被覆される。従ってこの場合には金属にて被覆
された強化材と金属フッ化物とを混合することにより、
或いは金属にて被覆された強化材の表面に金属フッ化物
を付着させることにより、これらよりなる成形体が形成
される。

本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、強化材の表面
に金属が被覆され、その被覆層中に金属フッ化物の微細
片が分散され、かかる複合被覆層を有する強化材を用い
て成形体が形成される。

また本発明の方法に於ては、金属フッ化物は任意の金属
元素のフッ化物であってよいか、例えばに２　ＺｒＦ６
　、Ｋ４ｙ　ＴｉＦ６　、ＫＡｌＦ４　、Ｋ３ＡｌＦ６
、Ｋ２ＡｌＦ５　・Ｈ２Ｏ、Ｃｓ　Ａ　Ｉ　Ｆ　４、Ｃ
ｓ　Ａ　Ｉ　Ｆ　５　　・Ｈ２Ｏの如く、アルカリ金属
、アルカリ土類金属、希土類金属の如き電気的に正の元
素と結合したＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの如き
遷移金属又はＡＩを含むフッ化物であることか好ましい
。従って本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、金属
フッ化物は電気的に正の金属元素と結合した遷移金属又
はＡＩを含むフッ化物である。

また本発明の方法に於ては、成形体に含まれる金属はＡ
ｌ若しくはＭｇと反応して金属間化合物を形成する限り
任意の金属であってよいか、特にＮ　ｉＳＦ　ｅＳＣｏ
、Ｃｒ、Ｍｎ、ＣｕＸＡｇ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｚｎ、
５ＳｎＳＰｂ、Ｔｉ、Ｎｂ。

又はこれらの何れかを主成分とする合金であることが好
ましい。従って本発明の他の一つの詳細な特徴によれば
、金属はＮｉ、Ｆｅ５Ｃｏ、Ｃｒ。

Ｍｎ、ＣｕＸＡｇ、Ｓ　ｉ、Ｍｇ、Ｚ　ｒ、Ｚｎ、Ｓｎ
　−、Ｐ　ｔ）　ｓ　Ｔ　ｌ　％　Ｎ　ｂ　％及びこれ
らの何れかを主成分とする合金よりなる群より選択され
た金属細片である。

また本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、成形
体は所定の形状及び寸法を有し、その一部のみが金属の
溶湯に浸漬される。かかる方法によれば、金属の溶湯を
加圧したり所定の製品形状を郭定するための鋳型等を使
用することなく、所定の形状及び寸法の複合材料を非常
に高い歩留りにて能率よく且低廉に製造することができ
る。

尚本発明の方法に於ては、成形体の予熱は不要であるが
、金属の溶湯に対する強化材及び金属の濡れ性を向上さ
せるべく成形体を予熱する場合には、その温度は従来よ
り採用されている温度よりも低いことが好ましい。また
本発明に於ける金属フッ化物の微細片の形態は短繊維、
ウィスカ、粉末の如き任意の形態のものであってよい。

また本発明の方法に於ては、強化材の形態及び材質は任
意のものであってよく、例えば炭化ケイ素繊維、アルミ
ナ繊維の如きセラミック繊維、鉄繊維、タングステン繊
維の如き金属繊維、炭素繊維の如きセラミック及び金属
以外の無機質繊維、炭化ケイ素ウィスカの如きウィスカ
、炭化ケイ素粒子、炭化チタン粒子の如き粒子であって
よい。

以下に添付の図を参照して本発明を実施例について詳細
に説明する。

実施例１ 第１図に示されている如く、厚さ１μＭにてＮｌがめっ
きされた平均繊維径７μｍの炭素繊維のヤーン１０（東
し株式会社製「トレカＴ３００Ｊ、フィラメント数３０
００本）を用意し、またＫＡｌＦ４粉末が水に分散され
たスラリー１２を用意した。次いでスラリーに超音波振
動を加えつつ、該スラリー中にヤーン１０を連続的に通
し、しかる後ヤーンを乾燥炉１３に連続的に通して約１
５０℃に加熱することにより乾燥し、これにより個々の
炭素繊維の表面にＫＡ　Ｉ　Ｆ４を微細に付着させた。

次いで第２図に示されている如く、内径８ｎ＋ｍ、外径
１０ｍｍ、長さ１５０ｎ＋ｍの寸法を有し、直径２ｍｍ
の多数の孔］、　４　ａを有するステンレス鋼製のパイ
プ１４を用意し、上述の如く処理されたヤーンを１５０
＋ｎｍの長さに切断し、それらを一方向に配向して体積
率が約５０％になるようパイプ１４内に充填し、これに
よりパイプ内に炭素繊維よりなる円柱状の成形体１１を
形成した。

次いで成形体をパイプ毎電気炉により約３００℃に約１
５分間加熱し、しかる後第３図に示されている如く、セ
ラミック短繊維よりなる成形ボード１６をパイプの中央
に嵌合によって固定し、これらを金型１８内に配置し、
ボード１６により金型の内部を二つの部分に仕切った。

次いで金型内の二つの部分にそれぞれ７００℃のアルミ
ニウム合金Ｏｒｓ規格ＡＣ８Ａ）の溶湯２０及び７００
℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｃ）の溶湯２
２を同時に注湯し、約１０秒経過後（溶湯が凝固する前
）にパイプ及びボードを溶湯中より取り出した。

パイプ及びその内部が十分に冷却した後、第４図に示さ
れている如く、パイプ及びその内部に形成された複合材
料２４を実質的にその軸線に沿って長手方向に切断し、
複合材料の断面を調査したところ、複合材料はアルミニ
ウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）をマトリックス金属と
する部分２４ａとアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４
Ｃ）をマトリックス金属とする部分２４ｂとよりなり、
これらの部分は互いに良好に接合し、それらの界面２４
ｃは実質的に複合材料の長手方向中央に位置しているこ
とが認められた。また何れのアルミニウム合金も個々の
炭素繊維１０ａの間に良好に充填されており、炭素繊維
と良好に密着していることが認められた。

尚比較の目的で、Ｎｉにてめっきされていない炭素繊維
が使用された点を除き、上述の実施例と同一の要領及び
条件にて複合材料の製造を試みたところ、第５図に示さ
れている如く、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ
）をマトリックス金属とする部分２４ａ及びアルミニウ
ム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｃ）をマトリックス金属上す
る部分２４ｂの何れもパイプの端部より約１５ｍｍの範
囲にしか形成されなかった。

実施例２ 平均繊維径２０＋ｃｚｍｓ平均繊維長１．５１１１ｍの
６゜７ｇのＮｉ短繊維と、平均粒径４０μｍの４ｇのＡ
１合金粉末（ＡＩ−１２％Ｓｉ）と、０．００５ｇのに
２　Ｚ　ｒ　Ｆ　ａ粉末とを実質的に均一に混合し、そ
の混合物を金型にて圧縮成形することにより、第６図に
示されている如＜　５０Ｘ１０Ｘ１０ｍｍの寸法を有し
、Ｎｉ短繊維２６とＡ１合金粉末２８とに２ＺｒＦ６粉
末３０とよりなる成形体３２を形成した。

次いで成形体３２を約２００℃に予熱し、しかる後節７
図に示されている如く、成形体の一端よす１０１１１ｍ
の範囲の部分を約７２０℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ
規格ＡＣ８Ａ）の溶湯３４内に浸漬し、溶湯が成形体の
一端より２５ｍｍの位置まで浸透した時点に於て成形体
を溶湯より引上げ、しかる後直ちに成形体の他端より１
０ｍｍの範囲の部分を約７５０℃のアルミニウム合金（
Ａ　Ｓ　ＴＭ規格Ａ３９０）の溶湯３６に浸漬し、溶湯
が成形体に完全に浸透するまで維持し、しかる後溶湯よ
り成形体を引上げ、そのまま溶湯を凝固させた。この場
合溶湯はそれが凝固するまで表面張力により成形体に付
着した状態を維持し、実質的に成形体より滴り落ちるこ
とはなかった。

溶湯が完全に凝固した後、かくして得られた複合材料の
寸法を測定したところ、この複合材料は元の成形体と実
質的に同一の形状及び寸法を有していることが認められ
た。またこの複合材料を実質的に長手方向の軸線に沿っ
て切断し、その断面を研磨して光学顕微鏡にて観察した
ところ、この複合材料はアルミニウム合金（ＪＩＳ規格
ＡＣ８Ａ）をマトリックス金属とする部分とアルミニウ
ム合金（Ａ　Ｓ　ＴＭ規格Ａ３９０）をマトリックス金
属とする部分とよりなり、これらの部分は互いに良好に
接合し、それらの界面は実質的に複合材料の長手方向中
央に位置していることが認められた。また何れのアルミ
ニウム合金も個々のＮｉ短繊維の間に良好に充填されて
おり、Ｎｉ短繊維と良好に密着していることが認められ
た。

実施例３ 実施例２に於けるＮ１短繊維の代わりに平均繊維径２０
μＭ、平均繊維長１ｍｍの７．７ｇのステンレス鋼短繊
維（ＪＩＳ規格５ＵＳ４３０）を使用し、Ｋ２ＺｒＦ６
粉末を０．０００５ｇ使用し、約７２０℃のアルミニウ
ム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）の溶湯の代わりに約８０
０℃の純マグネシウムの溶湯を使用し、約７５０℃のア
ルミニウム合金（ＡＳＴＭ規格Ａ３９０）の溶湯の代わ
りに約８００°Ｃのマグネシウム合金（ＪＩＳ規格ＭＣ
２）の溶湯を使用した点を除き、実施例３の場合と同一
の要領及び条件にて複合材料を製造し、その断面を調査
した。

その結果この実施例の複合材料も純マグネシウムをマト
リックス金属とする部分とマグネシウム合金（ＪＩＳ規
格ＭＣ２）をマトリックス金属とする部分とよりなり、
これらの部分は互いに良好に接合し、それらの界面は実
質的に複合材料の長手方向中央に位置していることが認
められた。また何れのマトリックス金属も個々のステン
レス鋼短繊維の間に良好に充填されており、ステンレス
鋼短繊維と良好に密着していることか認められた。

実施例４ ０．３μｍにてＮ１がめっきされた平均繊維径０．５ｔ
ｔｍｓ平均繊維長１５０．ｃｚ川の１４ｇのＳｉＣウィ
スカ（東海カーボン株式会社製「トーカマックス」）と
０．６ｇのに２ＺｒＦ６粉末とを実質的に均一に混合し
、その混合物を金型にて圧縮成形することにより、第９
図に示されている如く、外径４０ｍｍ、内径２５ｍｍ、
高さ７ｍｍの寸法を有し、ＳｉＣウィスカ３８とに２Ｚ
ｒＦ６粉末４０とよりなる環状の成形体４２を形成した
。　次いで成形体４２を約１５０°Ｃに予熱し、しかる
後第１０図に示されている如く、成形体の一方の側面４
２ａを約７００℃のアルミニウム合金（ＡＳＴＭ規格Ａ
３９０）の溶湯４４に浸漬し、側面４２ａより約４ｍｍ
の位置まで溶湯が浸透した時点に於て成形体を溶湯より
引上げた。この場合溶湯はそれが凝固するまで表面張力
により成形体に付着した状態を維持し、実質的に成形体
より滴り落ちることはなかった。第１１図はかくして処
理された成形体４２を示しており、成形体の一端４２ａ
より４ｍｍの範囲の部分はアルミニウム合金（ＡＳＴＭ
規格Ａ３９０）をマトリックス金属とする複合材料４６
となっていた。

次いで図には示されていないが、かくして一部複合材料
とされた成形体４２をシリンダヘッドを鋳造するための
鋳型内のバルブシートの位置に配置し、該鋳型内に７４
０℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ２Ａ）を注湯
し、低圧鋳造によりシリンダヘッドを鋳造した。溶湯が
完全に凝固した後、得られたシリンダヘッドのバルブシ
ートの部分をその軸線に沿う平面に沿って切断し、その
断面を観察したところ、第１２図に示されている如く、
成形体４２のアルミニウム合金が浸透していなかった部
分にアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ２Ａ）が浸透し
ており、こりにより該アルミニウム合金をマトリックス
金属とする複合材料４８が形成されており、何れの複合
材料もシリンダヘッド５０に良好に鋳ぐるまれだ状態に
あることが認められた。尚第１２図に於て、仮想線は鋳
造後に機械加工によって形成されるべきバルブシート面
５２を示している。

以上に於ては本発明を幾つかの実施例について詳細に説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の方法の一つの実施例の工程
図、第４図は第１図乃至第３図に示された実施例により
製造された複合材料の軸線に沿う断面を示す断面図、第
５図は比較例の複合材料の断面を示す第４図と同様の断
面図、第６図乃至第８図は本発明の方法の他の一つの実
施例を示す工程図、第９図乃至第１１図は本発明の方法
の更に他の一つの実施例を示す工程図、第１２図は第９
図乃至第１１図に示された実施例により形成されたシリ
ンダヘッドのハルブンート部を示す部分断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 無機質の強化材と、金属と、金属フッ化物の微細片とを
   含む多孔質の成形体を形成し、前記成形体の一部をＡｌ
   、Ａｌ合金、Ｍｇ、及びＭｇ合金よりなる群より選択さ
   れた第一のマトリックス金属の溶湯に接触させ前記成形
   体の他の一部をＡｌ、Ａｌ合金、Ｍｇ、及びＭｇ合金よ
   りなる群より選択された第二のマトリックス金属に接触
   させる金属基複合材料の製造方法。