JPH02197537A - 傾斜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】 産業上の利用分野 本発明は、金属基複合材料の製造方法に係り、更に詳細
には長繊維を強化繊維とする傾斜複合材料、即ち長繊維
の体積率が順次変化する複合材料の製造方法に係る。

従来の技術 長繊維を強化繊維とする傾斜金属基複合材料を製造する
ことが可能な方法として、昭和５８年に出版された「工
業材料」の第３１巻第１３号の第２１頁乃至第２６頁に
記載されている如く、粉末冶金法、ホットプレス法、高
圧鋳造法がある。粉末冶金法に於ては、長繊維と金属粉
末とよりなりそれらの間の比率が順次変化された成形体
を焼結することにより傾斜複合材料が製造され、ホット
プレス法に於ては、長繊維及び金属箔をそれらの間の比
率を順次変化させつつ積層し、その積層体をホットプレ
スすることにより傾斜複合材料が製造され、高圧鋳造法
に於ては、長繊維よりなる繊維成形体に対する加圧力を
変化させて長繊維の体積率が異なる数種類の繊維成形体
を形成し、それらの繊維成形体を組合せて高圧鋳造を行
うことにより傾斜複合材料が製造される。

発明が解決しようとする課題 粉末冶金法による場合には、長繊維の配向を所望の配向
状態に維持しつつ長繊維と金属粉末との比率を順次変化
させることが困難であり、またＨＩＰを採用しないと高
品質のものを製造することができないため、傾斜複合材
料を能率よく製造することかできず、またマトリックス
金属中に空孔等の欠陥が生じ易いという問題がある。ま
たホットプレス法に於ては、長繊維を所定の配向状態に
配置しつつ長繊維と金属箔とを交互に配列したり積層し
たりすることが必要であるため、この方法に於ても傾斜
複合材料を容易に且能率よく製造することが困難である
。更に高圧鋳造法に於ては、繊維成形体に対する加圧力
を調整することにより長繊維の体積率が調整されるため
、長繊維の体積率の変化範囲を５５〜７０％程度の比較
的高く且狭い範囲に於てしか設定することができないと
いう問題がある。

本発明は、従来より周知の方法にて傾斜金属基複合材料
を製造する場合に於ける上述の如き問題に鑑み、長繊維
の体積率が１０〜７０％程度の広範囲にて任意に変化す
る傾斜複合材料を良好な品質にて容易に且能率よく製造
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
。

課題を解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、無機物質の微細片
が付着した長繊維よりなるハイブリッド繊維であって長
繊維に対する無機物質の微細片の比が異なる複数種類の
ハイブリッド繊維を形成し、それらのハイブリッド繊維
を組合せて長繊維の体積率が順次変化する繊維成形体を
形成し、前記繊維成形体中に溶融マトリックス金属を浸
透させる傾斜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 本発明によれば、長繊維の表面に付着した微細片は個々
の長繊維の間の距離を調整する機能を果し、長繊維に対
する微細片の比が高い稈長繊維の間の距離が大きくなり
、その結果長繊維の体積率が低くなる。従って長繊維に
対する微細片の比を適宜に設定して数種類のハイブリッ
ド繊維を形成し、それらのハイブリッド繊維を組合せて
繊維成形体を形成することにより、長繊維の体積率が順
次変化する繊維成形体を容易に且能率よく形成すること
ができ、これにより長繊維の体積率が順次変化する傾斜
金属基複合材料を従来の方法による場合に比して良好な
品質にて容易に且能率よく製造することができる。

また本発明によれば、従来に比して遥かに広い１０〜７
０％程度の範囲にて長繊維の体積率を任意に順次変化さ
せることができ、従って従来の高圧鋳造法等による場合
に比して、複合材料の部分とマトリックス金属のみの部
分との間及び長繊維の体積率が互いに異なる各複合材料
層間の界面の接合強度を向上させることができる。

尚本発明の方法に於ける無機物質の微細片の形状は粒子
、短繊維、小板状の如き任意の形状のものであってよく
、その大きさは短繊維である場合には平均繊維径が０．
１μ〜３００μ程度であり、平均繊維長が１μ〜１０ａ
＋ｍ程度であってよく、短繊維以外の場合にはその最大
寸法が０．０１μ〜ｌｌｌｌ１１程度であってよい。ま
た微細片を構成する無機物質は炭化ケイ素、アルミナ、
シリカ、マグネシアの如きセラミックであってもよく、
またステンレス鋼、チタン、ニッケルの如き純金属又は
それらの合金であってもよい。特に前者の場合にはセラ
ミック粒子等によってもマトリックス金属が強化される
。また後者の場合であって特に無機物質がマトリックス
金属とは全く組成の異なる金属である場合には、微細片
の少なくとも一部がマトリックス金属との間に微細な金
属間化合物を形成し、それらの金属間化合物によっても
マトリックス金属が強化され、或いはマトリックス金属
の組成を変化させることによりマトリックス金属に所望
の性質を付与するこができ、無機物質がマトリックス金
属と類似の組成の金属である場合には、マトリックス金
属の組成が大きく変化することを回避することができ、
特にこの場合には無機物質はマトリックス金属の融点よ
りも高い融点を有することが好ましい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例１ 先ず第１図に示されている如く、平均粒径１μの炭化ケ
イ素粒子１０がアルコール中に懸濁された懸濁液１２を
形成し、該懸濁液に対し超音波振動を与えつつ、平均繊
維径７μの炭素繊維（東し株式会社製「トレカＭ３０Ｊ
）のヤーン１４（フィラメント数６０００本）を連続的
に通し、これにより第２図に示されている如く、炭化ケ
イ素粒子１０が付着された炭素繊維１６よりなるハイブ
リッド繊維１８を形成した。この場合懸濁液１２中の炭
化ケイ素粒子の濃度を変化させることにより、下記の表
１に示されている如く、炭化ケイ素粒子の付着量の異な
る４ＦＩｆ類のハイブリッド繊維を形成した。画表１は
炭素繊維のヤーン１ｍ当りの炭化ケイ素粒子の付着量を
示している。

表　　　　１ ハイブリッド繊維Ｎｏ、ＳｉＣ粒子付若量（ｇ）１　　
　　　　　　０、　２７ ２　　　　　　　　０．１４ ３　　　　　　　　０．０７ ４　　　　　　　　０．０３ 次いで巻取部の寸法が長さ１２０■、幅２０ｍｍ、厚さ
２μｍに設定されたステンレス鋼製の四つの巻取枠を用
意し、上述の如く形成された４種類のハイブリッド繊維
を各巻取枠にフィラメントワインディング装置にてそれ
ぞれ３０回、３９回、４３回、５６回巻取った。次いで
それらのハイブリッド繊維に水分を含ませ、しかる後そ
れらのハイブリッド繊維を巻取枠ごと順番に積層し、そ
の積層体を圧縮治具にて全体の厚さが８１１１Ｉ！にな
るまで加圧成形した。次いでかくして加圧成形された積
層体を長さが１００１になるようその両端を切断して巻
取枠を取外し、しかる後積層体をそのまま冷凍機にて冷
却することにより積層体中に含まれる水分を凝固させた
。次いで積層体を圧縮治具より取出し、内法寸法が８Ｘ
２０Ｘ１００ａ＋ｍのステンレス鋼製のケース内に充填
し、積層体をケースごと約９０℃の温度に乾燥機にて乾
燥することにより、第３図に示されている如く、長手方
向に沿って一方向に配向されたハイブリッド繊維１８よ
りなり、８Ｘ２０Ｘ１０Ｃ）■の寸法を有し、ステンレ
ス鋼製のケース２０内に充填された繊維成形体２２を形
成した。

次いで繊維成形体をステンレスケースごと約６００℃に
予熱した後、第４図に示されている如く繊維成形体２２
をケース２０ごと高圧鋳造装置２４の鋳型２６内に配置
し、鋳型内に約７４０℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規
洛ＡＣ８Ａ）の溶湯２８を注湯し、該溶湯を鋳型２６に
嵌合するプランジャ３０により約１１００Ｊ／ｃ−の圧
力にて約９０秒加圧保持した。溶湯が完全に凝固した後
、鋳型２６より凝固体を取出し、該凝固体に対し機械加
工を施すことにより凝固体より複合材料を切出した。

次いで第５図に示されている如く、かくして得られた複
合材料３２をその長手方向に垂直に切断し、その断面を
観察することにより炭素繊維１６及び炭化ケイ素粒子１
０の体積率を調査した。その結果下記の表２に示されて
いる如く、複合材料３２は炭素繊維及び炭化ケイ素粒子
の体積率が互いに異なる第−層３４〜第四層４０の四つ
の層よりなっており、第−層より第四層へ向かうにつれ
て炭素繊維の体積率が順次増大する傾斜複合材料が良好
に形成されていることが認められた。

表　　　２ 炭素繊維体積率　ＳｉＣ粒子体積率 第−層　　　　　３５　　　　　　１２第三層　　　　
　４５　　　　　　１０第三層　　　　　５５　　　　
　　　６第四層　　　　　６５　　　　　　　３尚炭素
繊維及び炭化ケイ素粒子の体積率の関係から、第−層乃
至第四層の熱膨張率はそれぞれ理論値で５．　９　Ｘ　
１０−８／”Ｃ１４，１ｘ　１０−８／”ｃ、２．７Ｘ
　１０−６／’Ｃ１１，４Ｘ　１０−６／’Ｃであり、
熱膨張率についても第−層より第四層まで順次変化する
状態にあるものと考えられる。

実施例２ 図には示されていないが、平均粒径０．６μの炭化ケイ
素粒子及び平均繊維径０．５μ、平均繊維長１５０μの
炭化ケイ素ウィスカが懸濁されたアルコールよりなる懸
濁液中に平均繊維径１５μの炭化ケイ素繊ＩＩ（日本カ
ーボン株式会社製「ニカロン」）のヤーン（フィラメン
ト数５００本）を実施例１の場合と同一の要領にて連続
的に通し、これにより炭化ケイ素粒子及び炭化ケイ素ウ
ィスカが付着した炭化ケイ素繊維よりなるハイブリッド
繊維を形成した。この場合炭化ケイ素粒子及び炭化ケイ
素ウィスカの付着量は炭化ケイ素繊維のヤーン１ｍ当り
それぞれ０．２５ｇであった。

次いで第６図に示されている如く、径方向外方へ向けて
開いたコの字形の断面形状を有し、窪み４２の幅、内径
、外径がそれぞれ４１１１％　６１１１％６５ａ＋＋Ｉ
！であるステンレス鋼製のリング状のホルダ４４を用意
した。次いで第７図に示されている如く、ホルダ４４の
窪み４２内にハイブリッド処理されていない炭化ケイ素
繊維のヤーン４６を４１回巻取り、しかる後上述の如（
形成されたハイブリッド繊維４８を５回巻取ることによ
り環状に配向された炭化ケイ素繊維４６及びハイブリッ
ド繊維４８よりなるリング状の繊維成形体５０を形成し
た。

次いで図には示されていないが繊維成形体５０をホルダ
ごと約６００℃に加熱した後、高圧鋳造装置の鋳型内の
所定の位置に配置し、鋳型内に約７５０℃のアルミニウ
ム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｃ）の溶湯を注渇し、該溶湯
を約１２００　ｋｇ／ｃｄの圧力に８０秒間加圧保持し
た。次いでかくして得られた凝固体に対し機械加工を施
すことにより、第８図に示されている如く、内径２９　
ａｒｍ、幅９ＩＩＩ１１１径方向厚さ４６５■の寸法を
有し、その断面中央部に鋳ぐるまれたホルダ４４の窪み
内に、環状に配向された体積率６０％の炭化ケイ素繊維
４６にて複合強化されたアルミニウム合金よりなる複合
材料５２と、同じく環状に配向され体積率２０％のハイ
ブリッド繊維４８にて複合強化されたアルミニウム合金
よりなる複合材料５４とを含むリング状の試験片５６を
形成した。

次いでこの試験片について一３０℃に３０分間維持した
後２００℃に３０分間加熱することを繰返し行う冷熱試
験を３０サイクルに亙り行ったところ、複合材料５４及
び５２の間の界面及び複合材料５４とアルミニウム合金
のみよりなる部分５８との界面には熱膨張差に伴なう亀
裂等の欠陥は全く認められなかった。これは熱膨張率が
５．４ＸＩＯ”−６（理論値）である複合材料５２と熱
膨張率が２１　Ｘ　１０−６／”Ｃである部分５８との
間に熱膨張率が１３．　１　ｘ　１０−６／”Ｃである
複合材料５４が存在し、この複合材料によって冷熱サイ
クルに伴なう熱応力が緩和されたことによるものと考え
られる。

以上に於ては本発明を二つ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図は炭素繊維のヤーンが炭化ケイ素粒子の分散液中
に通される要領を示す射口、第２図は炭化ケイ素粒子が
付着された炭素繊維よりなるハイブリッド繊維を示す射
口、第３図はステンレス鋼製のケース内に充填されたハ
イブリッド繊維よりなる繊維成形体を示す斜視図、第４
図は第３図に示された繊維成形体を用いて行われる高圧
鋳造工程を示す断面図、第５図は第４図の高圧鋳造によ
り形成された複合材料の横断面を示す射口、第６図はホ
ールダを示す射口、第７図は第６図のホールダに炭化ケ
イ素繊維及びハイブリッド繊維が巻付けられることによ
り形成された繊維成形体を示す断面図、第８図は第７図
に示された繊維成形体を用いて形成された複合材料を含
む試験片の径方向の部分断面図である。 １０・・・炭化ケイ素粒子、１２・・・懸濁液、１４・
・・炭素繊維のヤーン、１６・・・炭素繊維、１８・・
・ハイブリッド繊維、２０・・・ケース、２２・・・繊
維成形体。 ２４・・・高圧鋳造装置、２６・・・鋳型、２８・・・
アルミニウム合金の溶湯、３０・・・プランジャ、３２
・・・複合材料、４２・・・窪み、４４・・・ホルダ、
４６・・・炭化ケイ素繊維、４８・・・ハイブリッド繊
維、５０・・・繊維成形体、５２．５４・・・複合材料
、５６・・・試験片。 ５８・・・アルミニウム合金のみよりなる部分時　許　
出　願　人　　トヨタ自動車株式会社代　　　　　理　
　　　　人　　　弁理士　　明　　石　　昌　　毅第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 無機物質の微細片が付着した長繊維よりなるハイブリッ
   ド繊維であって長繊維に対する無機物質の微細片の比が
   異なる複数種類のハイブリッド繊維を形成し、それらの
   ハイブリッド繊維を組合せて長繊維の体積率が順次変化
   する繊維成形体を形成し、前記繊維成形体中に溶融マト
   リックス金属を浸透させる傾斜金属基複合材料の製造方
   法。