專利名稱：纖維強(qiáng)化金屬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及玻璃纖維強(qiáng)化金屬。
纖維強(qiáng)化金屬(FRM)由于在金屬中復(fù)合了纖維，因而能獲得金屬單獨(dú)不能達(dá)到的物性。這種纖維強(qiáng)化金屬(FRM)，有代表性的可舉出以前用碳素纖維、陶瓷纖維(Sic，Si-Ti-C-O(チラノ纖維)，氧化鋁，硼)、玻璃纖維等強(qiáng)化鋁合金，使基質(zhì)金屬具有高拉伸強(qiáng)度和剛性以及低的熱膨脹系數(shù)。
但是，以前的纖維強(qiáng)化金屬，例如用碳素纖維作強(qiáng)化纖維時(shí)，熔融鋁和強(qiáng)化纖維反應(yīng)而形成碳化鋁AlC，以致纖維強(qiáng)化金屬的強(qiáng)度不夠高。陶瓷纖維中，采用SiC，Si-Ti-C-O(チラノ)纖維時(shí)，和鋁的潤(rùn)濕性差，得不到具有足夠強(qiáng)度的纖維強(qiáng)化金屬。在氧化鋁纖維中，Al2O3中含SiO2的纖維與熔融鋁反應(yīng);而不含SiO2的氧化鋁纖維，雖然無(wú)反應(yīng)性而且潤(rùn)濕性也行但強(qiáng)度卻低(1.38GPa)。硼纖維的問題是纖維直徑大而不能形成復(fù)雜形狀，因此作為FRM用的強(qiáng)化纖維不能揮發(fā)充分機(jī)能等。此外，這些陶瓷纖維價(jià)格極貴，成本高也是很大問題。作為高強(qiáng)度的有機(jī)纖維纜繩(ヶブラ-)，其耐熱性低，而一般的玻璃纖維與熔融合金之間有反應(yīng)性，彈性模量和強(qiáng)度也很低。
于是，將以前的強(qiáng)化纖維和金屬組合起來(lái)形成的FRM，其強(qiáng)化纖維與熔融的基質(zhì)金屬在界面上發(fā)生反應(yīng)，或者存在纖維對(duì)熔融金屬的潤(rùn)濕性差等問題。也就是說(shuō)，在FRM制造時(shí)，一旦金屬基質(zhì)和強(qiáng)化纖維在界面上發(fā)生反應(yīng)，則制得的FRM其強(qiáng)度很低。如果基質(zhì)和強(qiáng)化纖維的潤(rùn)濕性差，則兩者之間的粘結(jié)不充分，這樣得到的FRM的強(qiáng)度和彈性模量低，其復(fù)合法則也不成立，不能得到足夠好的物性。
因此，制造以前的FRM時(shí)，采用的方法是在強(qiáng)化纖維表面上鍍鎳等金屬，或用等離子鍍敷SiC等無(wú)機(jī)化合物的方法進(jìn)行表面處理后，再浸漬基質(zhì)金屬。這種方法需要很高的費(fèi)用，工程也很繁雜。
本發(fā)明者們鑒于以上問題，對(duì)于采用高彈性纖維的氧氮化物玻璃作為FRM的強(qiáng)化纖維進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)含氮在規(guī)定量以上的氧氮化物(オキシナイトライト)玻璃纖維即使不進(jìn)行鍍敷等前處理也不會(huì)與熔融金屬發(fā)生反應(yīng)，而且潤(rùn)濕性優(yōu)良，制得的FRM其復(fù)合法則也大致成立，基于這種發(fā)現(xiàn)，完成了本發(fā)明。
本發(fā)明提供一種纖維強(qiáng)化金屬，其特征在于，它是由含氮量為8原子%以上的玻璃纖維，以及含浸在該玻璃纖維中的基質(zhì)金屬構(gòu)成。
本發(fā)明中是使用含氮量為8原子%以上的氧氮化物玻璃纖維作為強(qiáng)化用纖維。特別是，含氮量在12原子%以上時(shí)，纖維對(duì)金屬的潤(rùn)濕性良好，F(xiàn)RM的強(qiáng)度高。此外，作為原料的Si3N4價(jià)格較貴，而且如果含氮量多則會(huì)降低其拉絲性，因此，出于這種觀點(diǎn)，采用含氮量為8原子%以上的玻璃纖維。
用于本發(fā)明FRM的玻璃纖維，特別是具有Si-M -M -O -N系的氧氮化物玻璃纖維，SiO2、Si3N4及M1O的含量最好滿足下式(按摩爾%)
(式中，M1是Ca或Ca+Mg;M2是選自于Al，Sr，La，Ba，Y，Ti，Zr，Ce，Na，K，Sb，B，Cr，Pb，V及Sn中的一種或兩種以上的金屬)。
因此，本發(fā)明中用的氧氮化物玻璃具有Si-Ca-M2-O-N或Si-Ca-Mg-M2-O-N玻璃系。金屬M(fèi)可以是單獨(dú)的，也可以是兩種以上組合使用。
該玻璃最好是含SiO20-40摩爾%，CaO 26-70摩爾%，MgO 0-20摩爾%以及M2在22原子%以下。
因此，本發(fā)明中使用的強(qiáng)化纖維即氧氮化物玻璃的最佳組成應(yīng)滿足下式(按摩爾%)。
式中，CaO是添加的CaO，或能變換成CaO的化合物的摩爾%，而MgO是添加的MgO，或能變換成MgO的化合物的摩爾%。
這種玻璃纖維的纖維直經(jīng)為3-50μm，而且，可以是連續(xù)纖維，也可以是0.5～100mm的短纖維。
作為基質(zhì)金屬，可采用鋁、鈦、鎂、鎳、銅以及這些金屬的合金。
使基質(zhì)金屬含浸在強(qiáng)化纖維中的方法有多種，但較好的方法是將氧氮化物玻璃纖維放入金屬模，將熔融的基質(zhì)金屬注入其中，加壓后使之凝固。具體說(shuō)，將強(qiáng)化纖維放入加熱至500～600℃的金屬模中，并將加熱至800℃左右的熔融鋁合金等注入其中，然后以1-數(shù)百M(fèi)Pa左右的壓力加壓，使之冷卻凝固從而得到FRM。若按這種方法，則可以在高達(dá)約900℃的高溫下在空氣中制造。
制造本發(fā)明之FRM的方法，除上述鑄造法外，還可以采用公知的FRM制造方法，例如粉末冶金法，雙金屬絲法，等離子噴射法，噴鍍法，蒸鍍法，陰模鑄造法，熱壓法等任何一種方法，制造合適形狀的FRM。
按照本發(fā)明，則強(qiáng)化纖維和基質(zhì)金屬不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，且強(qiáng)化纖維能均勻地被基質(zhì)金屬潤(rùn)濕。
以下根據(jù)實(shí)施例進(jìn)一步具體地說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例中，%是指摩爾%。
實(shí)施例1(強(qiáng)化纖維的制備)混合玻璃原料粉(SiO28.6%，Si3N419.4%，CaO59.8%，MgO6.9%，Al2O35.2%;含氮量23.4原子%，式(a)＝96.2，式(b)＝1.00)，然后裝入鉬制坩堝中，用石墨制加熱器加熱，并從坩堝下部拉出玻璃纖維并拉絲。所謂拉絲，是在1780℃下經(jīng)過1小時(shí)將玻璃熔融后，保持在1570℃，從設(shè)在坩堝底的噴咀中使玻璃下落并纖維化，以1000m/分的繞卷速度，繞在繞卷器上。得到的纖維，其拉伸彈性模量為205GPa，拉伸強(qiáng)度3.62GPa、纖維直徑12μm，密度2.89g/cm3。
(FRM的制造)將金屬模(5mm×5mm×20mm)保持在550℃，將理順成一個(gè)方向的上述玻璃纖維束0.72g放入其中，保持10分鐘。向該模內(nèi)注入在800℃中熔融的鋁合金6061(Al-Mg-Si系的樣板材料)，以23MPa加壓，在加壓下冷卻使之凝固。

圖1是制得的FRM之剖面組織顯微鏡照片，可以清楚地看到纖維和金屬的界面上不發(fā)生反應(yīng)，而纖維之間均勻地浸漬著金屬且潤(rùn)濕性良好。進(jìn)而用EPMA測(cè)定，測(cè)定結(jié)果表明沒有元素的移動(dòng)，沒發(fā)現(xiàn)纖維和基質(zhì)金屬反應(yīng)，纖維上也不見損壞。
所得之FRM含氧氮化物纖維50(體積)%，其彎曲彈性模量為137GPa，彎曲強(qiáng)度為1.76GPa。作為基質(zhì)金屬的鋁合金6061本身的拉伸彈性模量為68.6GPa，拉伸強(qiáng)度為309MPa。
實(shí)施例2使用的玻璃原料為SiO230.5，Si3N49.5%，CaO49.4%，MgO6.0%，Al2O34.6%(含氮量12.6原子%，式(a)＝96.1，式(b)＝1.06)，采用同于實(shí)施例1的方法制備玻璃纖維。但是，熔融溫度為1700℃，拉絲溫度為1510℃。制得之玻璃纖維，其拉伸彈性模量為113GPa，拉伸強(qiáng)度3.43GPa，纖維直徑12μm，密度2.85g/cm3。
使用0.71g這種纖維，用實(shí)施例1同樣的方法制造FRM。制得之FRM的剖面組織顯微鏡照片示于圖2。與圖1相同，確認(rèn)纖維和鋁合金的界面上無(wú)反應(yīng)層，纖維之間均勻地浸漬著金屬且潤(rùn)濕性也很好。FRM中強(qiáng)化纖維的含量為50(體積)%。制得之FRM，其彎曲彈性模量為88.2GPa，彎曲強(qiáng)度1.67GPa，復(fù)合法則也成立。
比較例1使用的玻璃原料為SiO239.3%，Si3N44.0%，CaO46.0%，MgO5.0%，Al2O35.0%(含氮量為5.6原子%，式(a)＝95.4，式(b)＝0.99)，用實(shí)施例1同樣的方法制造玻璃纖維。但是，熔融溫度為1600℃，拉絲溫度1430℃。所得玻璃纖維的物性是拉伸彈性模量100GPa，拉伸強(qiáng)度3.43GPa，纖維直徑12μm，密度2.82g/cm3。
將0.70g這種纖維，用實(shí)施例同樣方法制造FRM。FRM中強(qiáng)化纖維的含量是50(體積)%，制得的FRM，其彎曲彈性模量66.6GPa，彎曲強(qiáng)度392MPa，鋁合金幾乎不被強(qiáng)化。
實(shí)施例3(強(qiáng)化纖維的制備)將玻璃原料粉末(SiO235.29%，Si3N410.38%，CaO36.23%，MgO6.04%，Al2O312.08%;含氮量8.1原子%，式(a)＝90，式(b)＝0.83)混合，放入鉬制坩堝并用石墨制加熱器加熱，從噴嘴下部拉出玻璃纖維并紡出絲。紡絲是在1670℃經(jīng)過2小時(shí)將玻璃熔融后，保持在1500℃，從設(shè)在坩堝底部的噴嘴將玻璃落下并纖維化，以1000m/分的繞卷速度繞在卷繞器上。所得之纖維其拉伸彈性模量為103GPa，拉伸強(qiáng)度3.43MPa，纖維直徑12μm。
(FRM的制造)用鎳制網(wǎng)格箍(35mm×20mm×5mm)將理順成一個(gè)方向的上述玻璃纖維(約5g)包裹起來(lái)，連同這種箍放入金屬模內(nèi)，在500℃中保持10分鐘，將800℃中熔融的1000系鋁熔料注入其中并用6.86GPa加壓，在加壓下冷卻使之凝固。
圖3是所得之FRM的剖面組織顯微鏡照相，可清楚地看出纖維和金屬的界面上沒有反應(yīng)，在纖維間均勻地浸漬著金屬且潤(rùn)濕性良好。
所得之FRM含有30(體積)%氧氮化物玻璃纖維，其彎曲彈性模量為63.7GPa，彎曲強(qiáng)度為833MPa。作為基質(zhì)金屬的鋁(1000系)的彎曲彈性模量為49GPa，彎曲強(qiáng)度為49MPa。
本發(fā)明之FRM不必在強(qiáng)化纖維上進(jìn)行表面處理等特別的前處理，而能得到高拉伸強(qiáng)度和彈性模量。
圖1、圖2和圖3是表示FRM剖面的纖維形狀的顯微鏡照相(1000倍)。
權(quán)利要求
1.一種纖維強(qiáng)化金屬，其特征在于，它是由含氮量為8原子%以上的玻璃纖維，以及含浸在該玻璃纖維中的基質(zhì)金屬所構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使纖維復(fù)合在金屬中從而能獲得金屬單獨(dú)不能達(dá)到之物性的纖維強(qiáng)化金屬。以前的纖維強(qiáng)化金屬使用碳素纖維，Si-Ti-C-O纖維作為復(fù)合纖維，但對(duì)金屬的潤(rùn)濕性不好，因而不能得到高彈性纖維強(qiáng)化金屬，而本發(fā)明是使用含氮量為8原子％以上的氧氮化物玻璃纖維作為復(fù)合纖維，因而解決了以前的問題。即本發(fā)明之纖維強(qiáng)化金屬與原來(lái)的相比較，具有更高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量。
文檔編號(hào)C03C13/00GK1048413SQ9010321
公開日1991年1月9日 申請(qǐng)日期1990年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1989年6月27日
發(fā)明者菅沼克昭, 藤井浩之, 水口博義, 加田勝?gòu)? 長(zhǎng)船晴夫, 金丸訓(xùn)明 申請(qǐng)人:株式會(huì)社島津制作所