JP4413748B2 - Boron fiber reinforced metal matrix composite and method for producing the same - Google Patents
Boron fiber reinforced metal matrix composite and method for producing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP4413748B2 JP4413748B2 JP2004320376A JP2004320376A JP4413748B2 JP 4413748 B2 JP4413748 B2 JP 4413748B2 JP 2004320376 A JP2004320376 A JP 2004320376A JP 2004320376 A JP2004320376 A JP 2004320376A JP 4413748 B2 JP4413748 B2 JP 4413748B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- matrix composite
- boron fiber
- fiber reinforced
- metal matrix
- composite material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims description 109
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 title claims description 103
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 100
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 title claims description 43
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 33
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 62
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 49
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 49
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 48
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 25
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 56
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 27
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 18
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 18
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 17
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 15
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 15
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 8
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 8
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 7
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 7
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 6
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 4
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 4
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 4
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 238000000748 compression moulding Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000010406 interfacial reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
本発明は、ボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法及びその方法により製造された複合材料に関する。 The present invention relates to a method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite material and a composite material produced by the method.
ボロン（Ｂ）繊維は低比重（２．５７Ｍｇ／ｍ３）及び高い引張強度を有し、耐熱性にも優れ、更に圧縮強度（６．９ＧＰａ）が引張強度の２倍程度を有することから、金属基複合材料の強化繊維として従来から注目されてきた。しかしながら、ボロン繊維を強化繊維とする金属基複合材料については、これまで、成形済みのものが板やロッドの形状で市販されているものの、その成形方法については明らかにされていなかった。また、市販のボロン繊維強化チタン基複合材料に対して、組織観察や機械的性質の評価を行った例は、少ないながらいくつか報告されているが、それらの組織観察の結果によれば、成形方法は従来から行われている拡散接合法によるものと推測されているものの（その理由は、チタン（Ｔｉ）とボロン（Ｂ）及びチタン同士を隙間なく密着させるためには、それらの金属の原子を相互拡散で接合させる必要があり、それらの金属原子が相互拡散を起こす１２７３Ｋ（１０００℃）付近の温度で数時間（２〜３時間）程度の加熱圧縮成形が必要と考えられるからである。）、成形条件は明らかになっていない。また、機械的性質の評価結果によれば、耐力（降伏応力とも言う）の実測値は複合則による計算値の４５％程度しか満足していないことが判明した。ここで、複合則による計算値とは、次式
σｃｙ = σｆｙ×Ｖｆ + σｍｙ×Ｖｍ
（但し、σｃｙは複合材料の耐力、σｆｙは繊維（この場合ボロン）の耐力、Ｖｆは繊維の体積分率（Ｖｏｌ．％）、σｍｙはマトリックス金属（この場合Ｔｉ）の耐力、Ｖｍはマトリックス金属の体積分率（Ｖｏｌ．％）である。）
により計算して得られた値である。
The boron (B) fiber has a low specific gravity (2.57 Mg / m 3 ) and high tensile strength, is excellent in heat resistance, and further has a compressive strength (6.9 GPa) about twice the tensile strength. Conventionally, it has been attracting attention as a reinforcing fiber for metal matrix composites. However, as for metal matrix composite materials using boron fibers as reinforcing fibers, molded materials have been commercially available in the form of plates and rods, but the molding method has not been clarified. In addition, few examples of microstructure observation and mechanical property evaluation of commercially available boron fiber reinforced titanium matrix composites have been reported, but according to the results of these microstructure observations, molding Although the method is presumed to be based on the conventional diffusion bonding method (the reason is that in order to make titanium (Ti) and boron (B) and titanium adhere to each other without gaps, atoms of those metals are used. This is because it is considered that heat compression molding is required for several hours (2 to 3 hours) at a temperature in the vicinity of 1273 K (1000 ° C.) where these metal atoms cause mutual diffusion. ), Molding conditions are not clear. Further, according to the evaluation result of the mechanical properties, it was found that the measured value of the proof stress (also referred to as the yield stress) is only about 45% of the value calculated by the compound law. Here, the calculated value by the compound rule is the following formula: σ cy = σ fy × V f + σ my × V m
(Where σ cy is the yield strength of the composite material, σ fy is the yield strength of the fiber (in this case boron), V f is the volume fraction of the fiber (Vol.%), Σ my is the yield strength of the matrix metal (in this case Ti), V m is the volume fraction of the matrix metal (Vol.%).)
This is the value obtained by calculation.
上記のように計算値の４５％程度しか満足していない理由は、従来の拡散接合のプロセッシング技術に起因するものと思われるためである。すなわち、従来の拡散接合法では、チタン箔とボロン繊維の組合せ体（複数のチタン箔の間に複数のボロン繊維を所定の間隔で配列したチタン（以下Ｔｉ）箔とボロン繊維の組合せ体で、以下プレフォーム体と呼ぶ）が高温で長時間加熱保持されるため、第１にはボロン繊維とＴｉマトリックス（ここで、Ｔｉマトリックスとは拡散接合で成形された複合材のＴｉにより構成される部分を言う）との界面に、脆弱なＴｉＢ２が形成され、界面での応力伝達効率が低下するためであり、第２には高温にさらされたボロンの結晶化により繊維そのものの強度が低下するためである。 The reason why only about 45% of the calculated value is satisfied as described above is because it seems to be caused by the conventional diffusion bonding processing technology. That is, in the conventional diffusion bonding method, a combination of titanium foil and boron fiber (a combination of titanium (hereinafter Ti) foil and boron fiber in which a plurality of boron fibers are arranged at a predetermined interval between a plurality of titanium foils, Since the preform body is heated and held at a high temperature for a long time, the first part is composed of boron fibers and a Ti matrix (here, the Ti matrix is a composite Ti formed by diffusion bonding). Fragile TiB 2 is formed at the interface between the two and the stress transmission efficiency at the interface decreases, and second, the strength of the fiber itself decreases due to crystallization of boron exposed to high temperatures. Because.
そもそも、複合材料の発想は、あまり強くない（耐力が１０〜５０ｋｇ／ｍｍ2）が、軽い金属（Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ等）中に、そのマトリックス金属の強さを遥かに凌ぐとてつもなく強い繊維（耐力が、３００〜４００ｋｇ／ｍｍ2）を埋め込んで、軽くて強い材料を作ろうとするのが目的である。しかしながら、強化繊維は、値段の高いものが多いので、繊維体積分率（複合材料中で繊維がしめる体積の割合）は低い値の方が良いということになる。それ以外にも、強化繊維というのは、強いが脆い物が多い。従って、入れすぎると、たとえ、ＡｌやＴｉのように粘りのある材料をマトリックス金属として選んだ場合でも、複合化したとき脆くなる。出来れば、強さと粘りを両立したい。そのためにも、少ない繊維体積分率で強度を確保したい。 ところが、従来の拡散接合法のように、複合化処理中に繊維が高温に長時間さらされるとダメージを受けて劣化するため、複合材料の強度確保のため、粘りをやや犠牲にしてでも多くの繊維を埋め込まねばならない。そのことが、複合材料のコスト高や脆化を招くことになる。 In the first place, the idea of the composite material is not very strong (with a yield strength of 10 to 50 kg / mm 2 ), but in a light metal (Al, Mg, Ti, etc.), a fiber (much stronger than the strength of the matrix metal) The purpose is to make a light and strong material by embedding 300 to 400 kg / mm 2 ). However, since many of the reinforcing fibers are expensive, it is better that the fiber volume fraction (ratio of the volume of the fibers in the composite material) is low. In addition, many reinforcing fibers are strong but brittle. Therefore, if too much is added, even if a sticky material such as Al or Ti is selected as the matrix metal, it becomes brittle when compounded. If possible, I want to balance strength and stickiness. For this reason, it is desired to secure strength with a small fiber volume fraction. However, as in the conventional diffusion bonding method, if the fiber is exposed to a high temperature for a long time during the compounding process, it will be damaged and deteriorated. The fiber must be embedded. This leads to high cost and embrittlement of the composite material.
本発明は、かかる従来の拡散接合法により形成されたボロン繊維強化チタン基複合材料の上記のような問題点に鑑み成されたものであって、その目的とするところは、パルス通電加圧焼結法の原理を利用したパルス通電圧接法を利用することによって、製造過程での強化繊維のダメージを少なくし、品質の優れたボロン繊維強化金属基複合材料を製造する方法を提供することである。
本発明の他の目的は、パルス通電圧接法を利用すると共に接合時の条件、特に、恒温保持温度を制御することにより品質の優れたボロン繊維強化金属基複合材料を製造する方法を提供することである。
本発明の別の目的は、上記方法により製造されたボロン繊維強化金属基複合材料を提供することである。
The present invention has been made in view of the above-described problems of the boron fiber reinforced titanium matrix composite material formed by such a conventional diffusion bonding method. By using the pulsed voltage contact method that utilizes the principle of sintering, we provide a method for producing high-quality boron fiber reinforced metal matrix composites that reduce the damage of reinforcing fibers during the manufacturing process. is there.
Another object of the present invention is to provide a method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite material having excellent quality by utilizing a pulsed voltage welding method and controlling the bonding conditions, particularly the constant temperature holding temperature. That is.
Another object of the present invention is to provide a boron fiber reinforced metal matrix composite produced by the above method.
請求項１の発明によれば、ボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法であって、
所定の厚さの複数のチタン箔の間に、所定の直径を有する複数のボロン繊維を並べてチタン箔とボロン繊維とを組み合せてプリフォーム体を作成し、
前記プリフォーム体を、所定の圧力を加えた状態で、所定の真空雰囲気下で、所定の昇温速度で昇温して３４３℃ないし１５０１℃の範囲で恒温保持するように所定の時間の間、所定の電圧及び電流の直流パルス電流（又は直流パルス電流と直流電流の重畳電流）を流して接合することを特徴とするボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法が提供される。
この発明によれば、短時間で低い繊維体積分率でも強度の強いボロン繊維強化金属基複合材料を製造できる。
According to invention of
A plurality of boron fibers having a predetermined diameter are arranged between a plurality of titanium foils having a predetermined thickness, and a preform body is created by combining titanium foil and boron fibers,
The preform body is heated at a predetermined heating rate in a predetermined vacuum atmosphere with a predetermined pressure applied, and kept at a constant temperature in a range of 343 ° C. to 1501 ° C. for a predetermined time. The present invention provides a method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite material, wherein a direct current pulse current (or a superimposed current of a direct current pulse current and a direct current) having a predetermined voltage and current is supplied and bonded.
According to the present invention, a boron fiber reinforced metal matrix composite having high strength can be produced in a short time even with a low fiber volume fraction.
上記発明において、前記チタン箔の厚さは、好ましくは、１μｍないし２０００μｍであってもよく、より好ましくは、１０μｍないし１０００μｍであってもよい。
また、上記発明において、前記ボロン繊維の直径は、好ましくは、５μｍないし１０００μｍであってもよく、より好ましくは、１５μｍないし５００μｍであってもよい。
更に、上記発明において、前記恒温保持する時間は、好ましくは、５秒ないし７２００秒（１２０分）であってもよく、より好ましくは、１０秒ないし３６００秒（６０分）であってもよい。
更にまた、上記発明において、前記所定の真空雰囲気は、好ましくは、１００Ｐａ以下であってもよく、より好ましくは、１０Ｐａであってもよい。
また、前記昇温速度は、好ましくは、０．１℃／ｓ（０．１Ｋ／ｓ）ないし８．３℃／ｓ（８．３Ｋ／ｓ）であってもよく、より好ましくは、０．５℃／ｓ（０．５Ｋ／ｓ）ないし２．５℃／ｓ（２．５Ｋ／ｓ）であってもよい。
上記発明において、前記金属箔がチタン箔である場合、前記所定の圧力が、好ましくは１ｋＰａないし７００ＭＰａであり、より好ましくは、２．５ｋＰａないし１００ＭＰａであってもよい。
上記発明において、前記金属箔がアルミニュウム箔である場合、前記所定の圧力が、１ｋＰａないし４００ＭＰａであり、より好ましくは２．５ｋＰａないし１００ＭＰａであってもよい。
また、上記発明において、前記金属箔がチタン箔である場合、前記恒温保持する温度が、好ましくは４９０℃ないし１５０１℃であり、より好ましくは、４９０℃ないし８４１℃であってもよい。
また、上記発明において、前記金属箔がアルミニュウム箔である場合、前記恒温保持する温度が、好ましくは、３４３℃ないし６６０℃であり、より好ましくは、３４３℃ないし５９４℃であってもよい。
請求項１３に記載の発明によれば、上記方法で製造されたボロン繊維強化金属基複合材料が提供される。
In the above invention, the thickness of the titanium foil may be preferably 1 μm to 2000 μm, more preferably 10 μm to 1000 μm.
In the above invention, the boron fiber may preferably have a diameter of 5 μm to 1000 μm, more preferably 15 μm to 500 μm.
Furthermore, in the above-mentioned invention, the time for holding the constant temperature may be preferably 5 seconds to 7200 seconds (120 minutes), more preferably 10 seconds to 3600 seconds (60 minutes).
Furthermore, in the above invention, the predetermined vacuum atmosphere may be preferably 100 Pa or less, more preferably 10 Pa.
The rate of temperature rise may be preferably 0.1 ° C./s (0.1 K / s) to 8.3 ° C./s (8.3 K / s), more preferably 0.8 ° C. It may be 5 ° C./s (0.5 K / s) to 2.5 ° C./s (2.5 K / s).
In the above invention, when the metal foil is a titanium foil, the predetermined pressure is preferably 1 kPa to 700 MPa, and more preferably 2.5 kPa to 100 MPa.
In the above invention, when the metal foil is an aluminum foil, the predetermined pressure may be 1 kPa to 400 MPa, more preferably 2.5 kPa to 100 MPa.
In the above invention, when the metal foil is a titanium foil, the temperature at which the constant temperature is maintained is preferably 490 ° C. to 1501 ° C., more preferably 490 ° C. to 841 ° C.
In the above invention, when the metal foil is an aluminum foil, the temperature at which the constant temperature is maintained is preferably 343 ° C. to 660 ° C., more preferably 343 ° C. to 594 ° C.
According to the thirteenth aspect of the present invention, there is provided a boron fiber reinforced metal matrix composite produced by the above method.
以下図面を参照して本発明によるボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法について説明する。
まず、所望の大きさ及び厚さの金属箔を複数枚（本実施形態では２枚）と、所望の太さのボロン繊維を複数本用意する。用意された金属箔及びボロン繊維は、図１［Ａ］に示されるように、２枚の金属箔１の間に複数のボロン繊維２が所定の間隔でかつ互いに略平行になるようにして、互いに重ね合わせて金属箔とボロン繊維の組合せ体（以下、プレフォーム体と呼ぶ）３をつくる。ここで、金属箔の大きさは、製造する複合材の大きさに合わせた大きさでよいが、現時点では、パルス通電圧接法で処理可能な５ｍｍ×１５ｍｍないし５０ｍｍ×１２０ｍｍの範囲の大きさが好ましい。しかし、将来的により大きなサイズのものでもパルス通電圧接法が適用可能になった場合にそのようなサイズのものでもよい。また金属箔の厚さは、金属の種類或いは用いるボロン繊維の直径により異なるが、好ましくは１μｍないし２０００μｍであり、より好ましくは、１０μｍないし１０００μｍであり、チタン箔及びアルミニュウム箔でも同じである。その理由は、厚さが上記範囲より薄いと、成形中にチタン箔にきれつが生じボロン繊維同士の接触を招くからであり、また厚すぎると、成形中にチタンがボロン繊維の周囲に十分回り込めず、材料中に未接合部分を残存することとなる為である。チタン箔の最も好ましい厚さは２０μｍないし５００μｍである。その理由は、この範囲内であれば、薄すぎるときに生ずると考えられる、プリフォーム作成時のＴｉ箔のしわの発生による繊維平行配列の乱れや、等間隔で平行配列した繊維の、成形中での間隔のみだれをふせぐことができるからである。また、厚すぎるときに生ずると考えられる、昇温中に低温域で荷重を負荷した場合に発生し易い繊維そのものの破損も防げるからである。さらに、市場で容易に用意に入手可能だからである。アルミニュウム箔の最も好ましい厚さは２０μｍないし５００μｍである。
ボロン繊維の直径は、用いるチタン箔の厚さにより異なるが、好ましくは５μｍないし１０００μｍであり、より好ましくは、１５μｍないし５００μｍである。その理由は、繊維直径が上記範囲よりも小さいと、成形中の繊維の破断を招くからであり、また大きすぎると、材料中でのボロン繊維同士の接触や、成形中のチタンの塑性変形による繊維周囲への回り込み不足により、材料中への未接合部分の残存を来すこととなるからである。更に、ボロン繊維の直径の最も好まし範囲は、７５μｍないし１５０μｍである。その理由は、これより細すぎると、高温域で短時間で劣化し易いからであり、これより太すぎると、室温においてプリフォーム作成時に破損し易いからである。さらに、市場で容易に用意に入手可能なことも理由である。
Hereinafter, a method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite according to the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a plurality of metal foils having a desired size and thickness (two in this embodiment) and a plurality of boron fibers having a desired thickness are prepared. As shown in FIG. 1 [A], the prepared metal foil and boron fiber have a plurality of
The diameter of the boron fiber varies depending on the thickness of the titanium foil used, but is preferably 5 μm to 1000 μm, more preferably 15 μm to 500 μm. The reason for this is that if the fiber diameter is smaller than the above range, it will cause breakage of the fiber during molding, and if it is too large, contact between boron fibers in the material or plastic deformation of titanium during molding. This is because the unbonded portion remains in the material due to insufficient wraparound around the fiber. Furthermore, the most preferred range of boron fiber diameter is 75 μm to 150 μm. The reason is that if it is too thin, it is likely to deteriorate in a short time in a high temperature range, and if it is too thick, it is likely to be damaged at the time of forming a preform at room temperature. Another reason is that it is readily available in the market.
このように形成されたプリフォーム体３を、図２［Ｂ］及び［Ｃ］に示される円筒状のグラファイト（又は導電性セラミック）製のダイ５内で上下のパンチ６及び７の間に装入する。この場合、ダイが円筒状で内面形状が円形であるのに対してプリフォーム体の平面形状が四角形であるので、公知の分割式のジグ８をダイ５内に装着してダイ内の空間の平面形状をプリフォーム体の形状に合わせてある。このようにしてプリフォーム体３が装入されたダイ５及びパンチ６，７を、図２［Ａ］に示されるように、パルス通電加圧接合装置１０の真空チャンバ１１内で一対の通電加圧電極１２及び１３の間に、パンチ６及び７の外端が通電加圧電極１２及び１３の対応する端部にそれぞれ接触するように、セットする。このパルス通電加圧接合装置１０は、放電プラズマ焼結法又はパルス通電加圧焼結法（プラズマ活性化焼結法又は放電焼結法とも呼ばれる）の原理を応用した加圧接合装置であるが、市販の放電プラズマ焼結装置（例えば住友石炭鉱業（株）製、Ｄｒ．Ｓｉｎｔｅｒ）を使用してもよい。セットした後、真空チャンバ１１内を所定の真空度の雰囲気に保ち、パルス通電加圧接合装置１０の加圧装置１５により一対の通電加圧電極１２、１３を介してプリフォーム体３を所定の範囲の圧力を加えた状態の下で、電源装置１６から通電電極に所定の電圧、電流の直流パルス電流（直流電流と直流パルス電流との重畳電流でもよい）を流す。
The
上記所定の真空状態とは、好ましくは、１００Ｐａ以下の真空度、より好ましくは、１０Ｐａ以下の真空度を言う。その理由は、真空状態が１００Ｐａを超えると、マトリックス金属及びボロンの成形中における急速酸化が起こり、マトリックス金属及びボロン共に大きな損傷を受ける虞があるからである。また１０Ｐａ以下の真空度を保つことにより、金属箔としてのＴｉ箔の酸素吸収による脆化をほとんど防止でき、また金属箔としてのＡｌ箔表面の酸化によるＡｌ／Ｂ接合強度の低下を避ける事が出来るからである。
所定の圧力とは、マトリックスとして用いる金属の種類によっても異なるが、Ｔｉを用いた場合、好ましくは、１ｋＰａないし７００ＭＰａ、より好ましくは、２．５ｋＰａないし１００ＭＰａであり、Ａｌを用いた場合、好ましくは、１ｋＰａないし４００ＭＰａ、より好ましくは、２．５ｋＰａないし１００ＭＰａである。その理由は、いずれも、圧力が上記範囲より低いと成形後の複合材料中に未接合部分が残存することとなるからであり、また高すぎるとカーボン（グラファイト）又は導電性セラミックのダイの破損、もしくは、材料のパンチとダイとの間の隙間への侵入が起こるからである。Ａｌの好ましい上限値がＴｉの好ましい上限値より小さいのは、Ａｌは加工硬化したときの耐力がＴｉよりも小さいためである。
更に、直流電圧は、好ましくは０．１Ｖないし１０．０Ｖであり、直流パルス電流は、マトリックス金属の種類及びプリフォーム体の厚さ並びにプリフォーム体の圧接に必要な昇温速度によって異なるが、Ｔｉ或いはＡｌの場合、好ましくは、１Ａないし３００００Ａ、より好ましくは５０Ａないし２５０００Ａである。その理由は、その電流値が上記範囲より低すぎると、放電不十分による材料中の未接合部分の残存が発生することとなるからであり、高すぎると材料製造中の部分的溶融によるポアの材料中への残存を来すこととなるからである。
The predetermined vacuum state preferably means a degree of vacuum of 100 Pa or less, more preferably a degree of vacuum of 10 Pa or less. The reason is that when the vacuum state exceeds 100 Pa, rapid oxidation occurs during the molding of the matrix metal and boron, and both the matrix metal and boron may be seriously damaged. Moreover, by maintaining a vacuum of 10 Pa or less, it is possible to prevent almost all embrittlement due to oxygen absorption of Ti foil as a metal foil, and to avoid a decrease in Al / B bonding strength due to oxidation of the Al foil surface as a metal foil. Because you can.
The predetermined pressure varies depending on the type of metal used as the matrix, but when Ti is used, it is preferably 1 kPa to 700 MPa, more preferably 2.5 kPa to 100 MPa, and when Al is used, preferably 1 kPa to 400 MPa, more preferably 2.5 kPa to 100 MPa. The reason for this is that if the pressure is lower than the above range, an unjoined part will remain in the composite material after molding, and if it is too high, the carbon (graphite) or conductive ceramic die will be damaged. Alternatively, the material enters the gap between the punch and the die. The reason why the preferable upper limit value of Al is smaller than the preferable upper limit value of Ti is that Al has a lower yield strength than Ti when it is work-hardened.
Furthermore, the DC voltage is preferably 0.1 V to 10.0 V, and the DC pulse current varies depending on the type of matrix metal and the thickness of the preform body, and the heating rate required for the pressure contact of the preform body, In the case of Ti or Al, it is preferably 1A to 30000A, more preferably 50A to 25000A. The reason is that if the current value is too lower than the above range, unbonded parts remain in the material due to insufficient discharge, and if it is too high, pores due to partial melting during material production will be generated. This is because it will remain in the material.
上記のように直流パルス電流を流すと、プリフォーム体は昇温し始める。温度が所定の値になったら、その温度(恒温保持温度)を所定の時間(恒温保持時間)保持するように、通電加圧電極を通して流すパルス電流を調節する。プリフォーム体の温度はプリフォーム体に近接して設けた温度センサによって測定しても、公知の間接的に測定する温度センサでもよい。
昇温速度は、マトリックス金属の種類によって異なるが、Ｔｉ或いはＡｌを用いた場合、好ましくは、０．１Ｋ／ｓないし８．３Ｋ／ｓ、より好ましくは、０．５Ｋ／ｓないし２．５Ｋ／ｓである。その理由は、その昇温速度が上記範囲より低すぎると、放電不十分により材料表面が十分活性化されず、接合強度の低下や材料中の未接合部分の残存が発生することとなるからであり、高すぎると材料製造中の部分的溶融によるポアの材料中への残存を来すこととなるからである。
When a DC pulse current is applied as described above, the preform body starts to rise in temperature. When the temperature reaches a predetermined value, the pulse current flowing through the energizing pressure electrode is adjusted so that the temperature (constant temperature holding temperature) is maintained for a predetermined time (constant temperature holding time). The temperature of the preform body may be measured by a temperature sensor provided close to the preform body, or a known temperature sensor that is indirectly measured.
The heating rate varies depending on the type of matrix metal, but when Ti or Al is used, it is preferably 0.1 K / s to 8.3 K / s, more preferably 0.5 K / s to 2.5 K / s. s. The reason for this is that if the rate of temperature rise is lower than the above range, the surface of the material will not be sufficiently activated due to insufficient discharge, resulting in a decrease in bonding strength and remaining unbonded parts in the material. If it is too high, pores remain in the material due to partial melting during material production.
また上記恒温保持温度は、マトリックス金属の種類によって異なるが、好ましくは、マトリックス金属の融点の９０％の温度よりも低く、８０％の冷間加工を受けたマトリックス金属の再結晶温度より高い温度範囲、より好ましくは、ボロン繊維/マトリックス界面反応層形成に必要な最低温度と、W芯線近傍のボロンが結晶化し始める最低温度の両方の温度よりも低く、８０％の冷間加工を受けたマトリックス金属の再結晶温度より高い温度範囲である。その理由は、温度がこの範囲より低いと、成形中のマトリックス金属の軟化不足により、材料中の未接合部分の残存が発生することとなるからである。また、温度がこの範囲より高いと、高温で極端に軟化したマトリックス金属の塑性流動によるパンチとダイとの間の隙間への侵入、繊維/マトリックス界面における脆弱な反応層の形成による複合材料の強度低下、ボロンの結晶化による繊維そのものの強度低下、等が起こるからである。
また、マトリックス金属がチタンであり、強化繊維がタングステン（W）芯線を有するボロンである場合には、真空度、圧力、昇温速度は前記の範囲でよいが、恒温保持温度範囲は、好ましくは４９０℃ないし１５０１℃であり、より好ましくは、４９０℃ないし８４１℃であり、最も好ましくは、４９０℃ないし８１４℃である。ここで、最低温度に変化がないのは、荷重を７０ｋｇ／ｍｍ２（７００ＭＰａ）に設定すれば、８０％の冷間加工を受けたＴｉ箔の場合でも密着成形は可能だからである。
一方、マトリックス金属がAlであり、強化繊維がＷ芯線を有するボロンである場合には、真空度、圧力、昇温速度は前記の範囲でよいが、恒温保持温度範囲は、好ましくは３４３℃ないし６６０℃であり、より好ましくは、３４３℃ないし５９４℃である。
接合が完了した後、通電を停止し、加圧装置による加圧を解除する。
The isothermal holding temperature varies depending on the type of the matrix metal, but is preferably lower than 90% of the melting point of the matrix metal and higher than the recrystallization temperature of the matrix metal subjected to 80% cold working. More preferably, the matrix metal that has undergone 80% cold working is lower than both the minimum temperature required for forming the boron fiber / matrix interface reaction layer and the minimum temperature at which boron near the W core wire begins to crystallize. The temperature range is higher than the recrystallization temperature. The reason is that if the temperature is lower than this range, the unbonded portion remains in the material due to insufficient softening of the matrix metal during molding. Also, if the temperature is higher than this range, the strength of the composite material due to penetration of the gap between the punch and die due to plastic flow of the matrix metal extremely softened at high temperature, and formation of a fragile reaction layer at the fiber / matrix interface This is because a decrease, a decrease in strength of the fiber itself due to crystallization of boron, and the like occur.
When the matrix metal is titanium and the reinforcing fiber is boron having a tungsten (W) core wire, the degree of vacuum, pressure, and heating rate may be in the above ranges, but the constant temperature holding temperature range is preferably It is 490 to 1501 ° C, more preferably 490 to 841 ° C, and most preferably 490 to 814 ° C. Here, there is no change in the minimum temperature because, if the load is set to 70 kg / mm 2 (700 MPa), close contact molding is possible even in the case of Ti foil subjected to 80% cold working.
On the other hand, when the matrix metal is Al and the reinforcing fiber is boron having a W core wire, the degree of vacuum, pressure, and rate of temperature increase may be in the above ranges, but the constant temperature holding temperature range is preferably 343 ° C to It is 660 ° C, more preferably 343 ° C to 594 ° C.
After the joining is completed, the energization is stopped and the pressurization by the pressurizer is released.
マトリックス金属としてＴｉを用いた上記恒温保持温度の範囲を限定したより詳細な理由は以下の通りである。
タングステンの融点は３４１０℃、ボロンの融点は２３００℃程度であるが、純Ｔｉの融点が１６６８℃である。但し、融点ギリギリでは使用できないので、ダイとパンチの間に侵入しないギリギリの強度を保つ温度ということで、最高温度は、Ｔｉの融点の９０％を採用して１５０１℃となる。次に最低温度は次のようにして決まる。すなわち、Ｔｉの耐力は、加工されることにより上昇する。加工なしで２０ｋｇ／ｍｍ２（２００ＭＰａ）、冷間加工率２０％で４０ｋｇ／ｍｍ２（４００ＭＰａ）の耐力、４０％で５３ｋｇ／ｍｍ２（５３０ＭＰａ）、６０％で６５ｋｇ／ｍｍ２（６５０ＭＰａ）、８０％で７０ｋｇ／ｍｍ２（７００ＭＰａ）、という風に冷間加工率の上昇で耐力は、大きく向上する。さて、パルス通電圧接法による成形中には、Ｔｉ箔の塑性変形をともないながらボロン繊維とＴｉ箔の複合化が進行する。従って、あまり低温で成形すると、Ｔｉ箔がボロン繊維及びＴｉ箔と完全に密着しないうちにＴｉ箔が硬化して途中でＴｉ箔の変形が止まってしまう恐れがある。それを避けるには、Ｔｉの再結晶温度以上で成形する必要がある。冷間加工により加工硬化した金属材料はその材料の有する再結晶温度以上に加熱されることにより加工前に近い硬さに戻すことが出来る。Ｔｉの再結晶温度は、冷間加工率２５％で６００℃（８７３Ｋ）、５０％で５４０℃（８１３Ｋ）、８０％で４９０℃（７６３Ｋ）である。以上から、最低温度は、４９０℃（７６３Ｋ）となる。
次に好ましい温度範囲であるが、これは、ＴｉとＢの界面反応層の厚さ、および、ボロン繊維のＷ芯線近傍の結晶化によるクラック発生部分の厚さの２点から考察する必要がある。
まず、Ｔｉ／Ｂ界面反応層であるＴｉＢ２層の厚さは、９００℃（１１７３Ｋ）で成形した場合、２．４μｍ、１０００℃(１２７３Ｋ)で成形した場合、５．２μｍである。形成される界面反応層の厚さは、成形温度の上昇と共に直線的に増大すると考えられるので、Ｔｉ／Ｂ界面反応層であるＴｉＢ２の層の厚さΔＴｉＢ２は次式（1）で表すことが出来る。
ΔＴｉＢ２＝０．０２８Ｔ−２２．８（μｍ） ------------（１）
ここで、Ｔは成形温度（℃）
ΔＴｉＢ２＞０という境界条件の上で、（１）式より、脆弱なＴｉＢ２層を形成しない臨界温度は８１４℃と計算できる。
次に、Ｗ芯線周りの結晶化部分の厚さであるが、これも写真より、９００℃（１１７３Ｋ）で成形した場合、３．７μｍ、１０００℃（１２７３Ｋ）で成形した場合、１０μｍである。この場合も前述と同様の直線関係が成立するため、結晶化部分の厚さΔCは次式（２）であらわされる。
ΔＣ＝０．０６３Ｔ−５３（μｍ） ----------（２）
ここで、Ｔは成形温度（℃）
ΔＣ＞０という境界条件の上で、（２）式より、ボロン層の結晶化を引き起こさない臨界温度は、８４１℃と計算できる。
また、マトリックス金属としてＡｌを用いた上記恒温保持温度の範囲を限定したより詳細な理由は以下の通りである。
ボロン繊維において、タングステンの融点は３４１０℃、ボロンの融点は２３００℃程度であるが、純Ａｌの融点は６６０℃である。但し、融点ギリギリでは使えないので、ダイとパンチの間に侵入しないギリギリの強度を保つ温度ということで、最高温度は、Ａｌの融点の９０％である５９４℃である。次に最低温度は、次のようにして決まる。すなわち、Ａｌの耐力もＴｉ同様加工されることにより上昇する。加工なしでは２０ＭＰａ程度であるが、冷間加工率８０％で４００ＭＰａ程度に上昇する。さて、パルス通電圧接法による成形中には、Ａｌ箔の塑性変形をともないながらボロン繊維とＡｌ箔の複合化が進行する。従って、あまり低温で成形すると、ＡＬ箔がボロン繊維及びＡｌ箔と完全に密着しないうちにＡｌ箔が硬化して途中でＡｌ箔の変形が止まってしまう恐れがある。それを避けるには、Ａｌの再結晶温度以上で成形する必要がある。冷間加工により加工硬化した金属材料はその材料の有する再結晶温度以上に加熱されることにより加工前に近い硬さに戻すことが出来ます。Ａｌの再結晶温度は、冷間加工率８０％で３４３℃である。以上から、最低温度は、３４３℃となる。
次に好ましい温度範囲であるが、これは、ＡｌとＢの界面反応層形成温度、および、Ｗ芯線近傍の結晶化によるクラック発生部分の厚さの２点から考察する必要がある。まず、ＡｌとＢの界面反応層形成温度は６５９℃でほぼＡｌの融点に等しくなります。また、Ｗ芯線近傍の結晶化温度は、Ｔｉマトリックスの場合に述べたとおり、８４１℃である。したがって、恒温保持温度の範囲は、好ましくは、３４３℃〜６５９℃（Ａｌが溶けず、ボロンの結晶化が起こらず、Ａｌ／Ｂ界面反応層を形成しない。）より好ましくは、３４３℃〜５９４℃（Ａｌlが溶けず、ボロンの結晶化が起こらず、Ａｌ／Ｂ界面反応層を形成せず、ダイとパンチの隙間にＡｌが侵入しない。）
なお、最低温度に変化がないのは、荷重を４００ＭＰａに設定すれば、８０％の冷間加工を受けたＡｌ箔の場合でも密着成形は可能だからである。
The more detailed reason for limiting the range of the constant temperature holding temperature using Ti as the matrix metal is as follows.
Tungsten has a melting point of 3410 ° C. and boron has a melting point of about 2300 ° C., whereas pure Ti has a melting point of 1668 ° C. However, since it cannot be used with the last melting point, the maximum temperature is 1501 ° C. by adopting 90% of the melting point of Ti. Next, the minimum temperature is determined as follows. That is, the yield strength of Ti increases as it is processed. Without working 20kg / mm 2 (200MPa), yield strength of 40 kg / mm 2 at 20% cold working ratio (400MPa), 53kg /
Next, although it is a preferable temperature range, it is necessary to consider this from two points of the thickness of the interface reaction layer of Ti and B, and the thickness of the crack generation | occurrence | production part by the crystallization of the W core wire vicinity of a boron fiber. .
First, the thickness of the TiB 2 layer that is the Ti / B interface reaction layer is 2.4 μm when molded at 900 ° C. (1173 K) and 5.2 μm when molded at 1000 ° C. (1273 K). Since the thickness of the formed interface reaction layer is considered to increase linearly with an increase in molding temperature, the thickness ΔTiB 2 of TiB 2 which is the Ti / B interface reaction layer is expressed by the following equation (1). I can do it.
ΔTiB 2 = 0.028T-22.8 (μm) ------------ (1)
Where T is the molding temperature (° C)
On the boundary condition of ΔTiB 2 > 0, the critical temperature at which a fragile TiB 2 layer is not formed can be calculated as 814 ° C. from the equation (1).
Next, the thickness of the crystallized portion around the W core wire is also 3.7 μm when molded at 900 ° C. (1173 K) and 10 μm when molded at 1000 ° C. (1273 K). Also in this case, since the linear relationship similar to the above is established, the thickness ΔC of the crystallized portion is expressed by the following equation (2).
ΔC = 0.063T-53 (μm) ---------- (2)
Where T is the molding temperature (° C)
Under the boundary condition of ΔC> 0, the critical temperature that does not cause crystallization of the boron layer can be calculated as 841 ° C. from the equation (2).
The more detailed reason for limiting the range of the constant temperature holding temperature using Al as the matrix metal is as follows.
In the boron fiber, the melting point of tungsten is 3410 ° C. and the melting point of boron is about 2300 ° C., but the melting point of pure Al is 660 ° C. However, since it cannot be used at the limit of the melting point, the maximum temperature is 594 ° C., which is 90% of the melting point of Al. Next, the minimum temperature is determined as follows. That is, the yield strength of Al is increased by being processed similarly to Ti. Although it is about 20 MPa without processing, it increases to about 400 MPa at a cold working rate of 80%. Now, during forming by the pulse voltage contact method, the composite of boron fiber and Al foil proceeds with plastic deformation of the Al foil. Accordingly, if the molding is performed at a very low temperature, the Al foil may be cured before the AL foil is completely adhered to the boron fiber and the Al foil, and the deformation of the Al foil may be stopped midway. In order to avoid this, it is necessary to mold at a temperature higher than the recrystallization temperature of Al. A metal material that has been work-hardened by cold working can be returned to a hardness close to that before processing by being heated above the recrystallization temperature of the material. The recrystallization temperature of Al is 343 ° C. with a cold working rate of 80%. From the above, the minimum temperature is 343 ° C.
Next, it is a preferable temperature range, but it is necessary to consider from the two points of the interface reaction layer forming temperature of Al and B and the thickness of the cracked portion due to crystallization near the W core wire. First, the interfacial reaction layer formation temperature between Al and B is 659 ° C, which is almost equal to the melting point of Al. Further, the crystallization temperature in the vicinity of the W core wire is 841 ° C. as described in the case of the Ti matrix. Therefore, the range of the constant temperature holding temperature is preferably 343 ° C. to 659 ° C. (Al does not dissolve, boron does not crystallize, and an Al / B interface reaction layer is not formed), more preferably 343 ° C. to 594 ° C. ° C (Alll does not melt, boron does not crystallize, an Al / B interface reaction layer does not form, and Al does not penetrate into the gap between the die and the punch.)
The reason why the minimum temperature does not change is that, if the load is set to 400 MPa, adhesion molding is possible even in the case of an Al foil subjected to 80% cold working.
上記パルス通電圧接は次のような過程を経て進行し、最終製品であるボロン繊維強化金属基複合材料が得られる。すなわち、図１［Ｂ］に示されるように、所定の圧力を加えた状態で直流パルス電流を流すと、ボロンと金属箔（本実施形態の場合Ｔｉ箔又はＡｌ箔）及び金属箔同士の隙間で火花放電しながら接合が進行する。火花放電の生じた場所は、局所的な高温状態となるため、ボロン繊維及びマトリックス金属（Ｔｉ又はＡｌ）の表面部分で、局所的な、溶融、蒸発、凝縮が繰り返し起こり、接合部分の塑性変形とあいまって、急速に接合が進行する。すなわち、パルス通電圧接法の場合、ボロン繊維内部、及び、Ｔｉ箔内部は、さほど加熱されないのに、火花の飛んでいる表面付近だけが極端に加熱されるという、試料内部での温度分布が生じる。そのために、ボロン繊維や金属箔そのものにダメージを与えずに成形することが可能となる。そして、最終的には図１［Ｃ］に示されるようなボロン繊維強化金属基複合材料４が得られる。
The pulsed voltage contact proceeds through the following process, and the final product, boron fiber reinforced metal matrix composite, is obtained. That is, as shown in FIG. 1B, when a DC pulse current is applied with a predetermined pressure applied, a gap between boron and the metal foil (Ti foil or Al foil in this embodiment) and the metal foil is provided. The joining proceeds with spark discharge. Since the place where the spark discharge occurred is in a local high temperature state, local melting, evaporation, and condensation occur repeatedly on the surface portion of the boron fiber and the matrix metal (Ti or Al), and the plastic deformation of the joint portion With this, joining proceeds rapidly. That is, in the case of pulsed voltage contact method, the temperature distribution inside the sample is such that the inside of the boron fiber and the inside of the Ti foil are not heated so much, but only the vicinity of the surface where the sparks are flying is extremely heated. Arise. Therefore, it becomes possible to mold without damaging the boron fiber or the metal foil itself. Finally, a boron fiber reinforced metal
長さ（又は縦）６５ｍｍ、幅（又は横）２０ｍｍ、厚さ４０μｍのチタン（Ｔｉ）（９９．５ａｔ％）箔１１枚と、直径１００μｍのボロン繊維４００本とを用意し、Ｔｉ箔とボロン繊維複数本（４０本）ずつとを交互に積み重ねた。Ｔｉ箔同士の隙間にはボロン繊維複数本（４０本）をを図１［Ａ］に示されるように互いに略平行になるように並べ、プリフォーム体を形成した。なお、プリフォーム体とは、この明細書の説明においては、単に積み重ねた或いは重ね合わせただけの状態を言う。このプリフォーム体の寸法は、長さが６５ｍｍ、幅が２０ｍｍ、厚さが１．４４ｍｍであった。このプリフォーム体を汎用型グラファイトダイ中にセットし、放電プラズマ焼結装置（住友石炭鉱業（株）製ＳＰＳ １０２０）を用いて、昇温速度１．７Ｋ／ｓ、恒温保持時間６００秒（ｓ）、真空度２Ｐａの条件でパルス通電圧接を行った。この場合、恒温保持温度は８００℃（１０７３Ｋ）の条件で行った。測温はＫ型熱電対をグラファイトダイ内に挿入し、試料体側面から５ｍｍの位置のダイ温度を測定することによって行った。加圧力は３２ＭＰａとした。また、パルス通電の電圧は２．５Ｖで、昇温時における直流パルス電流は２０００Ａ、恒温保持中の電流は１４００Ａであった。
Prepare 11 pieces of titanium (Ti) (99.5 at%) foil having a length (or length) of 65 mm, a width (or width) of 20 mm, and a thickness of 40 μm, and 400 boron fibers having a diameter of 100 μm, and Ti foil and boron Multiple fibers (40 fibers) were alternately stacked. In the gap between the Ti foils, a plurality of boron fibers (40 fibers) were arranged so as to be substantially parallel to each other as shown in FIG. 1A to form a preform body. In the description of this specification, the preform body refers to a state where the preform body is simply stacked or overlapped. The dimensions of this preform were 65 mm in length, 20 mm in width, and 1.44 mm in thickness. This preform was set in a general-purpose graphite die, and using a discharge plasma sintering apparatus (SPS 1020 manufactured by Sumitomo Coal Mining Co., Ltd.), the temperature rising rate was 1.7 K / s and the constant temperature holding time was 600 seconds (s ), And pulsed voltage contact was performed under the condition of a vacuum degree of 2 Pa. In this case, the constant temperature holding temperature was 800 ° C. (1073 K). Temperature measurement was performed by inserting a K-type thermocouple into the graphite die and measuring the die temperature at a
長さ（又は縦）６５ｍｍ、幅、（又は横）２０ｍｍ、厚さ４０μｍのチタン（Ｔｉ）（９９．５ａｔ％)箔１１枚と直径１００μｍのボロン繊維８００本とを用意し、Ｔｉ箔とボロン繊維複数本（８０本）ずつを交互に積み重ねた。Ｔｉ箔の箔同士の隙間には、ボロン繊維複数本（８０本）を図１［Ａ］に示されるように互いに平行になるように並べ、プリフォーム体を形成した。なお、プリフォーム体とは、実施例１と同じ意義である。このプリフォーム体の寸法は、長さが６５ｍｍ、幅が２０ｍｍ、厚さが１．４４ｍｍであった。このプリフォーム体を汎用型グラファイトダイ中にセットし、放電プラズマ焼結装置（住友石炭鉱業（株）製ＳＰＳ １０２０）を用いて、昇温速度１．７Ｋ／ｓ、恒温保持時間６００秒（ｓ）、真空度２Ｐａの条件でパルス通電圧接を行った。この場合、恒温保持温度は８００℃（１０７３Ｋ）の条件で行った。測温はＫ型熱電対をグラファイトダイ内に挿入し、試料体側面から５ｍｍの位置のダイ温度を測定することによって行った。加圧力は３２ＭＰａとした。また、パルス通電の電圧は２．５Ｖで、昇温時における直流パルス電流は２０００Ａ、恒温保持中の電流は１４００Ａであった。
Prepare 11 sheets of titanium (Ti) (99.5 at%) foil of length (or length) 65 mm, width (or width) 20 mm, thickness 40 μm and 800 boron fibers of diameter 100 μm, Ti foil and boron A plurality of fibers (80 fibers) were alternately stacked. In the gap between the Ti foils, a plurality of boron fibers (80) were arranged so as to be parallel to each other as shown in FIG. 1A to form a preform body. The preform body has the same meaning as in Example 1. The dimensions of this preform were 65 mm in length, 20 mm in width, and 1.44 mm in thickness. This preform was set in a general-purpose graphite die, and using a discharge plasma sintering apparatus (SPS 1020 manufactured by Sumitomo Coal Mining Co., Ltd.), the temperature rising rate was 1.7 K / s and the constant temperature holding time was 600 seconds (s ), And pulsed voltage contact was performed under the condition of a vacuum degree of 2 Pa. In this case, the constant temperature holding temperature was 800 ° C. (1073 K). Temperature measurement was performed by inserting a K-type thermocouple into the graphite die and measuring the die temperature at a
長さ（又は縦）６５ｍｍ、幅（又は横）２０ｍｍ、厚さ４０μｍの純アルミニュウム（Ａｌ）（９９．７ａｔ％）箔１１枚と、直径１００μｍのボロン繊維４００本とを用意し、Ｔｉ箔とボロン繊維複数本（４０本）ずつとを交互に積み重ねた。Ａｌ箔同士の隙間にはボロン繊維複数本（４０本）を図１［Ａ］に示されるように互いに略平行になるように並べ、プリフォーム体を形成した。なお、プリフォーム体とは実施例１と同じ意義である。このプリフォーム体の寸法は、長さが６５ｍｍ、幅が２０ｍｍ、厚さが１．４４ｍｍであった。このプリフォーム体を汎用型グラファイトダイ中にセットし、放電プラズマ焼結装置（住友石炭鉱業（株）製ＳＰＳ １０２０）を用いて、昇温速度１．７℃／ｓ（１．７Ｋ／ｓ）、恒温保持時間６００秒（ｓ）、真空度２Ｐａの条件でパルス通電圧接を行った。この場合、恒温保持温度は５００℃（７７３Ｋ）の条件で行った。測温はＫ型熱電対をグラファイトダイ内に挿入し、試料体側面から５ｍｍの位置のダイ温度を測定することによって行った。加圧力は３２ＭＰａとした。また、パルス通電の電圧は２．５Ｖで、昇温時における直流パルス電流は２０００Ａ、恒温保持中の電流は９００Ａであった。
11 sheets of pure aluminum (Al) (99.7 at%) foil having a length (or length) of 65 mm, a width (or width) of 20 mm, and a thickness of 40 μm, and 400 boron fibers having a diameter of 100 μm were prepared. A plurality of boron fibers (40 fibers) were alternately stacked. In the gap between the Al foils, a plurality of boron fibers (40 fibers) were arranged so as to be substantially parallel to each other as shown in FIG. 1A to form a preform body. The preform body has the same meaning as in Example 1. The dimensions of this preform were 65 mm in length, 20 mm in width, and 1.44 mm in thickness. This preform was set in a general-purpose graphite die and heated at a rate of 1.7 ° C./s (1.7 K / s) using a discharge plasma sintering apparatus (SPS 1020 manufactured by Sumitomo Coal Mining Co., Ltd.). Further, pulse voltage contact was performed under the conditions of a constant temperature holding time of 600 seconds (s) and a degree of vacuum of 2 Pa. In this case, the constant temperature holding temperature was 500 ° C. (773 K). Temperature measurement was performed by inserting a K-type thermocouple into the graphite die and measuring the die temperature at a
上記Ｔｉを使用した実施例１で製造したボロン繊維強化金属基複合材料の繊維体積分率は１７ｖｏｌ％であり、実施例２で製造したボロン繊維強化金属基複合材料の繊維体積分率は３２ｖｏｌ％であった。これらの複合材料の室温強度を測定した結果、前者の耐力は７００ＭＰａであり、後者の耐力は１０９０ＭＰａであった。一方、市販のＢ／Ｔｉ複合材料では繊維体積分率が５５ｖｏｌ％で耐力が１０７０ＰＭａである。したがって、実施例２で製造された複合材料の方が市販のものより小さい繊維体積分率で大きな耐力を有し、ボロン繊維強化金属基複合材料としては優れていることがわかる。また、Ａｌを使用した実施例３によれば複合則による計算値の９０％以上の耐力を有する複合材得ることができる。
このように、本発明によれば安価で品質の優れたボロン繊維強化金属基複合材料を製造することができる。また、耐摩耗性の優れた複合材料を安価に製造できる。
The fiber volume fraction of the boron fiber reinforced metal matrix composite material produced in Example 1 using Ti is 17 vol%, and the fiber volume fraction of the boron fiber reinforced metal matrix composite material produced in Example 2 is 32 vol%. Met. As a result of measuring the room temperature strength of these composite materials, the former yield strength was 700 MPa, and the latter yield strength was 1090 MPa. On the other hand, a commercially available B / Ti composite material has a fiber volume fraction of 55 vol% and a proof stress of 1070 PMa. Therefore, it can be seen that the composite material produced in Example 2 has a higher yield strength with a fiber volume fraction smaller than that of a commercially available product, and is superior as a boron fiber reinforced metal matrix composite material. Moreover, according to Example 3 using Al, a composite material having a yield strength of 90% or more of the calculated value according to the composite rule can be obtained.
Thus, according to the present invention, it is possible to produce a boron fiber reinforced metal matrix composite material that is inexpensive and excellent in quality. In addition, a composite material having excellent wear resistance can be manufactured at low cost.
本発明の産業上の利用可能な分野としては、例えば下記のものが挙げられる。
・ エンジンのシリンダーブロック、シリンダーヘッド（特に高温にさらされる部分への適用）
・ オルタネーター（発電機）用ハウジング、ローター
・ ベーン式コンプレッサー用部品（ハウジング、ローター、ベーン：高温にさらされると共に、耐摩耗性が要求される部品）
Examples of industrially applicable fields of the present invention include the following.
・ Engine cylinder blocks and cylinder heads (particularly for parts exposed to high temperatures)
・ Alternator (generator) housing, rotor ・ Vane compressor parts (housing, rotor, vane: parts that are exposed to high temperatures and require wear resistance)
１ 金属箔 ２ ボロン繊維
３ プリフォーム体
1
Claims (12)
所定の厚さの複数の金属箔の間に、所定の直径を有する複数のボロン繊維を並べて前記金属箔とボロン繊維とを組み合せてプリフォーム体を作成し、
前記プリフォーム体を、所定の圧力を加えた状態で、所定の真空雰囲気下で、所定の昇温速度で昇温して３４３℃ないし１５０１℃の範囲で恒温保持するように所定の時間の間、所定の電圧及び電流の直流パルス電流（又は直流パルス電流と直流電流の重畳電流）を流して接合し、
前記金属箔がチタン箔であり、前記所定の圧力が、１ｋＰａないし７００ＭＰａであることを特徴とするボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite material,
A plurality of boron fibers having a predetermined diameter are arranged between a plurality of metal foils of a predetermined thickness, and a preform body is created by combining the metal foil and the boron fibers,
The preform body is heated at a predetermined heating rate in a predetermined vacuum atmosphere with a predetermined pressure applied, and kept at a constant temperature in a range of 343 ° C. to 1501 ° C. for a predetermined time. , A DC pulse current of a predetermined voltage and current (or a superimposed current of DC pulse current and DC current) is flowed and joined ,
The method for producing a boron fiber-reinforced metal matrix composite material, wherein the metal foil is a titanium foil, and the predetermined pressure is 1 kPa to 700 MPa .
前記金属箔がチタン箔であり、前記恒温保持する温度が、４９０℃ないし１５０１℃であるボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the boron fiber reinforced metal matrix composite material according to claim 1 ,
A method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite material, wherein the metal foil is a titanium foil, and the temperature at which the constant temperature is maintained is 490 ° C to 1501 ° C.
前記恒温保持する温度が、４９０℃ないし８４１℃であるボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the boron fiber reinforced metal matrix composite material according to claim 2 ,
A method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite, wherein the temperature maintained at a constant temperature is 490 ° C to 841 ° C.
所定の厚さの複数の金属箔の間に、所定の直径を有する複数のボロン繊維を並べて前記金属箔とボロン繊維とを組み合せてプリフォーム体を作成し、
前記プリフォーム体を、所定の圧力を加えた状態で、所定の真空雰囲気下で、所定の昇温速度で昇温して３４３℃ないし１５０１℃の範囲で恒温保持するように所定の時間の間、所定の電圧及び電流の直流パルス電流（又は直流パルス電流と直流電流の重畳電流）を流して接合し、
前記金属箔がアルミニュウム箔であり、前記所定の圧力が、１ｋＰａないし４００ＭＰａであることを特徴とするボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite material,
A plurality of boron fibers having a predetermined diameter are arranged between a plurality of metal foils of a predetermined thickness, and a preform body is created by combining the metal foil and the boron fibers,
The preform body is heated at a predetermined heating rate in a predetermined vacuum atmosphere with a predetermined pressure applied, and kept at a constant temperature in a range of 343 ° C. to 1501 ° C. for a predetermined time. , A DC pulse current of a predetermined voltage and current (or a superimposed current of DC pulse current and DC current) is flowed and joined ,
The method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite material, wherein the metal foil is an aluminum foil, and the predetermined pressure is 1 kPa to 400 MPa .
前記金属箔がアルミニュウム箔であり、前記恒温保持する温度が、３４３℃ないし６６０℃であるボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the boron fiber reinforced metal matrix composite material according to claim 4 ,
A method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite, wherein the metal foil is an aluminum foil, and the temperature at which the constant temperature is maintained is 343 ° C to 660 ° C.
前記恒温保持する温度が、３４３℃ないし５９４℃であるボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the boron fiber reinforced metal matrix composite material according to claim 5 ,
A method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite, wherein the temperature maintained at a constant temperature is 343 ° C to 594 ° C.
前記金属箔の厚さが、１μｍないし２０００μｍであるボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the boron fiber reinforced metal matrix composite material according to any one of claims 1 to 6 ,
A method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite material, wherein the metal foil has a thickness of 1 μm to 2000 μm.
前記ボロン繊維の直径が、５μｍないし１０００μｍであるボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the boron fiber reinforced metal matrix composite material according to any one of claims 1 to 7 ,
A method for producing a boron fiber-reinforced metal matrix composite material, wherein the boron fiber has a diameter of 5 μm to 1000 μm.
前記恒温保持する時間が、１０秒ないし３６００秒（６０分）であるボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the boron fiber reinforced metal matrix composite material according to any one of claims 1 to 8 ,
A method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite material, wherein the constant temperature holding time is 10 seconds to 3600 seconds (60 minutes).
前記所定の真空雰囲気が、１００Ｐａ以下であるボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the boron fiber reinforced metal matrix composite material according to any one of claims 1 to 9 ,
A method for producing a boron fiber-reinforced metal matrix composite material, wherein the predetermined vacuum atmosphere is 100 Pa or less.
前記昇温速度が、０．１℃／ｓ（０．１Ｋ／ｓ）ないし８．３℃／ｓ（８．３Ｋ／ｓ）であるボロン繊維強化金属基複合材料の製造方法。 In the manufacturing method of the boron fiber reinforced metal matrix composite material according to any one of claims 1 to 10 ,
A method for producing a boron fiber reinforced metal matrix composite material, wherein the temperature rising rate is 0.1 ° C./s (0.1 K / s) to 8.3 ° C./s (8.3 K / s).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004320376A JP4413748B2 (en) | 2004-11-04 | 2004-11-04 | Boron fiber reinforced metal matrix composite and method for producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004320376A JP4413748B2 (en) | 2004-11-04 | 2004-11-04 | Boron fiber reinforced metal matrix composite and method for producing the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006131933A JP2006131933A (en) | 2006-05-25 |
| JP4413748B2 true JP4413748B2 (en) | 2010-02-10 |
Family
ID=36725743
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004320376A Expired - Fee Related JP4413748B2 (en) | 2004-11-04 | 2004-11-04 | Boron fiber reinforced metal matrix composite and method for producing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4413748B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101787505B (en) * | 2010-02-12 | 2011-12-21 | 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 | Preparation method of continuous fiber reinforcing titanium matrix composite |
| CN114921734B (en) * | 2022-05-12 | 2023-04-18 | 厦门大学 | Preparation method of continuous ceramic fiber reinforced aluminum matrix composite |
| CN116117144B (en) * | 2022-12-19 | 2025-10-17 | 北京理工大学 | Preparation method of two-stage layered titanium-based composite material |
-
2004
- 2004-11-04 JP JP2004320376A patent/JP4413748B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2006131933A (en) | 2006-05-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9815134B2 (en) | Impeller brazing method | |
| WO1996009266A1 (en) | Bonded body of aluminum and silicon nitride and production method thereof | |
| JP5669451B2 (en) | Method for producing forged pieces from γ titanium-aluminum-mother alloy | |
| KR101659199B1 (en) | Magnesium alloy member and method for manufacturing same | |
| JP7116131B2 (en) | coating source | |
| JP5764506B2 (en) | Ceramic porous body-metal heat insulating material and manufacturing method thereof | |
| CN105149769A (en) | Method for introducing design of laminated compound interlayers to enable magnesium alloy and aluminium alloy to be connected | |
| CN108947558A (en) | A kind of metal and Ti3SiC2The connection method of ceramics | |
| KR100681534B1 (en) | Jig for diffusion bonding of multi-metal sheets, structure manufacturing method using the same and structure manufactured by the same | |
| JP4413748B2 (en) | Boron fiber reinforced metal matrix composite and method for producing the same | |
| JP5574322B2 (en) | Laminated composite material | |
| JP4383837B2 (en) | Method for producing metal matrix composite material and composite material produced by the method | |
| EP3043371B1 (en) | X-ray tube anode arrangement and method of manufacturing | |
| CN104725066A (en) | Hot pressing reaction sintering connection method for ceramic material titanium silicon carbide | |
| JP4431703B2 (en) | Fiber-reinforced composite material comprising metal-reinforced fiber and titanium or titanium-based alloy and method for producing the same by spark plasma sintering (SPS method) | |
| CN1723095A (en) | Composite material member and method for producing the same | |
| JP5473711B2 (en) | Laminated mold for resin molding and method for producing the same | |
| US20120135268A1 (en) | Process for joining stainless steel part and silicon nitride ceramic part and composite articles made by same | |
| JP6333268B2 (en) | Layer composite | |
| JP2997697B2 (en) | High melting point metal joined body, ion gun component for ion implantation apparatus, and method of manufacturing these | |
| JP6756283B2 (en) | Cylindrical sputtering target | |
| JP2006307269A (en) | Manufacturing method of composite material | |
| JP2003046149A (en) | Thermoelectric conversion material manufacturing equipment | |
| CN111032904A (en) | Cylindrical sputtering target | |
| US20160023956A1 (en) | Ceramic-ceramic welds |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Effective date: 20070320 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 |
|
| A521 | Written amendment |
Effective date: 20070320 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Effective date: 20070607 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Effective date: 20070718 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20071031 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080908 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Effective date: 20080930 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20081001 |
|
| A521 | Written amendment |
Effective date: 20081104 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20081110 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090907 |
|
| A521 | Written amendment |
Effective date: 20090929 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Effective date: 20091020 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Effective date: 20091118 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121127 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121127 Year of fee payment: 3 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121127 Year of fee payment: 3 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |