JP2004250756A - 複合材用プリフォームの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複合材に巣が生じることを防止できる優れた通気性と、高強度とを有する複合材用プリフォームの製造方法を提案する。
【解決手段】アルミナ繊維２又は／及びカーボン繊維と二酸化チタン粒子４とアルミニウム粉３とを混合して略均質な予備混合体９を形成し、該予備混合体９を焼結することにより、二酸化チタン粒子４とアルミニウム粉３とが酸化還元反応して生成されるアルミナ（酸化アルミニウム）及びチタン−窒素化合物を、アルミナ繊維２又は／及びカーボン繊維の表面に被覆状に結合させ、複合材用プリフォーム１を製造するようにした。この製造方法により製造された複合材用プリフォーム１は優れた強度と通気性とを有するものとなり、アルミニウム合金等の溶湯１３を含浸して成形された複合材に巣（空隙）が生じることを防ぎえ、該複合材は高い強度を発揮できる。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽金属の溶湯を含浸することにより複合材を成形できる、複合材用プリフォームの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車にあって、燃費や走安性等を向上させるために、軽量化、高耐久性、低熱膨張性等に優れるアルミニウム等の軽金属により製造される部品が増加する傾向にある。この自動車を構成する部品には、エンジン部品等のように使用環境が厳しいものもあり、このような部品には、軽金属をセラミックス等の強化材と複合して成る複合材が用いられ、さらなる軽量化と高耐久性等が発揮できるようになっている。ここで、複合材は、予め強化材により複合材用プリフォームを形成した後、該複合材用プリフォームに軽金属の溶湯を含浸して成形されるものが良く知られている。このような成形方法によれば、例えば、部品の特定部位のみを強化する場合に、所定形状の金型に、特定部位を形成する複合材用プリフォームを配置した後、軽金属の溶湯を該金型に流し込むことにより、当該構成部品を一体成形することも可能である。
【０００３】
このような複合材用のプリフォームの製造方法にあっては、短繊維、ウィスカ、セラミックス粒子、金属粒子等の強化材を水中で攪拌し、この混合液をフィルタにより水分を吸引した後、所定温度で焼結させて製造する方法が一般的である。さらに、このような強化材同士が焼結しやすいように、無機バインダーを混入させ、該無機バインダーがゲル化し結晶化することにより結合させるようにしているものも多い。このように製造された複合材用プリフォームｘとしては、図９のように、セラミックス粒子ｗや金属粒子ｓが分散して短繊維ｒやウィスカｔの周囲に結合しており、該短繊維ｒやウィスカｔが折り重なってできた略格子状の間隙を狭めるような状態となっているため、いわゆる通気性が低い形態となっていた。このような複合材用プリフォームに、アルミニウム合金等の軽金属の溶湯を含浸させても、複合材用プリフォーム内の間隙に該溶湯が侵入し難く、軽金属が未含浸となった巣（空隙）が形成されることとなり、この複合材は充分な強度を発揮できなかった。また、かかる巣の形成を防ぐために、軽金属の溶湯を含浸する圧力を高くすることも行われているが、その効果に限界があると共に、製造費用が増大することともなっていた。
【０００４】
そのため、アルミナ短繊維等のセラミックス短繊維と、二酸化チタン粒子やシリカ粒子等のセラミックス粒子と、酸化アルミニウム等の金属酸化物とを混合した後、約１１００度で焼結させることにより、セラミックス粒子と金属酸化物とを反応させ、各強化材を結合させるようにした複合材用プリフォームの製造方法が提案されている（例えば、特許文献１）。かかる製造方法により成形された複合材用プリフォームは、セラミックス粒子と金属酸化物とが反応してアルミナ短繊維の表面にセラミックスの塊状体が結合されるため、上述の場合に比して間隙を広くでき、比較的通気性の良いものとなる。そのため、アルミニウム合金などの軽金属の溶湯を比較的低圧力で含浸でき、巣の発生を低減することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２２６７１８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したセラミックス粒子と金属酸化物とを混合し焼結させる製造方法にあっては、焼結温度を約１１００℃としてセラミックス粒子と金属酸化物との反応を促進させるようにしているが、この反応は充分に進行せず、セラミックス塊状体がアルミナ短繊維の表面に結合することとなっていた。また、この反応では、セラミックス塊状体とアルミナ短繊維とを充分に結合できないため、複合材用プリフォームの製造過程で無機バインダーを混入させ、該無機バインダーによってこれらを結合させるようにしていた。このような複合材用プリフォームは、アルミナ短繊維の表面からセラミックス塊状体が突成した形態となっており、アルミナ短繊維による間隙が充分に確保されず、通気性が充分に改善されていない。そのため、この複合材用プリフォームにアルミニウム合金等の溶湯を充填しても巣が形成され易く、複合材が発揮し得る強度に限界が生じていた。特に、複合材の強度向上のため、複合材用プリフォームが高強度となるように高密度化した場合には、間隙が著しく減少することとなり多くの巣が形成され易くなり、溶湯の含浸圧を高圧とする必要が生じていた。
【０００７】
一方、この無機バインダーによって焼結された複合材用プリフォームは、該無機バインダーの結合力が比較的低いことから、複合材用プリフォーム自体の強度にも限界があった。そのため、溶湯の含浸速度を高速化すると、溶湯の浸透による衝撃で該複合材用プリフォームが変形したり破壊されることとなり、溶湯の含浸速度を高めて生産性を向上させることが困難であった。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決し、複合材の生産性を高め、かつ、該複合材が優れた強度を発揮し得る複合材用プリフォームの製造方法を提案することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複合材用プリフォームの製造方法にあって、セラミックス粒子に二酸化チタン粒子を用い、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維と該二酸化チタン粒子とを混合すると共に、アルミニウム粉を添加して略均質な予備混合体を形成し、該予備混合体を所定温度で焼結させることにより、二酸化チタン粒子とアルミニウム粉とが酸化還元反応して生成されるアルミナ（酸化アルミニウム）とチタン−窒素化合物とを、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維の表面に被覆状に結合させるようにしたことを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
かかる製造方法にあっては、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）とアルミニウム粉（Ａｌ）とが比較的低温で酸化還元反応することを利用し、この反応により生成されたアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と、該反応により解離したチタン（Ｔｉ）が空気中の窒素（Ｎ）と反応して生成されたチタン−窒素化合物（Ｔｉ−Ｎ）とを、該酸化還元反応により生じた反応熱によって、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維の表面に被覆状に結合させるようにしたものである。ここで、この酸化還元反応の反応式は次の通りである。
３ＴｉＯ_２＋４Ａｌ→３Ｔｉ＋２Ａｌ_２Ｏ_３＋ΔＨ （１）
Ｔｉ＋Ｎ→Ｔｉ−Ｎ （２）
【００１１】
上記の反応式（１）のように、所定の温度が加わると、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）とアルミニウム粉（Ａｌ）とが反応し、該二酸化チタンが還元されて解離したチタン（Ｔｉ）と、該アルミニウム粉が酸化されたアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ_２Ｏ_３ ）とを生成すると共に、比較的大きな反応熱（ΔＨ）を生じる。この反応熱により、さらにこの反応が促進されると共に、反応式（２）のように、チタン（Ｔｉ）が空気中の窒素（Ｎ_２）と反応し、チタン−窒素化合物（Ｔｉ−Ｎ）を生成する。ここで、チタン−窒素化合物（Ｔｉ−Ｎ）は、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維の表面に溶けた状態で生成される。そして、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３ ）とチタン−窒素化合物（Ｔｉ−Ｎ）とが、この酸化還元反応により生じた反応熱によって、繊維表面に被覆状に結合されることとなる。このように繊維表面に被覆状に結合されたアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３ ）とチタン−窒素化合物（Ｔｉ−Ｎ）とは、その表面形態が比較的滑らかに形成される。さらに、このアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３ ）とチタン−窒素化合物（Ｔｉ−Ｎ）とにより、隣接する繊維同士も結合されることとなる。
【００１２】
このように、予備混合体を焼結させることにより製造された複合材用プリフォームにあっては、上記のように、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３ ）とチタン−窒素化合物（Ｔｉ−Ｎ）とが滑らかな表面形態で、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維に被覆していることから、該繊維により形成された間隙を充分に確保することができ、優れた通気性を有する。そのため、アルミニウム合金等の溶湯が含浸し易く、かかる複合材に巣が発生することを防止できる。また、溶湯の含浸圧を比較的低圧とした場合や、複合材用プリフォームを高密度化した場合にあっても、該溶湯を適正に含浸させることが可能である。而して、この複合材用プリフォームから成形された複合材は、高い強度を発揮することができ、上述した自動車のエンジン部品等のように、高耐久性が厳しく求められるものにも好適に用い得る。
【００１３】
さらに、かかる製造方法にあっては、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維と、アルミナ及びチタン−窒素化合物とを酸化還元反応により焼結させるものであるから、上述した無機バインダーにより各強化材を結合させる従来の製造方法に比して、強固な結合力を有することとなる。そのため、この複合材用プリフォームは高い強度となり、アルミニウム合金等の溶湯を比較的高速で含浸しても、該複合材用プリフォームが変形したり破壊することなく、上記した優れた強度を有する複合材を成形することが可能である。
【００１４】
このような二酸化チタンとアルミニウム粉との酸化還元反応では、比較的低温で反応して大きな反応熱を生じる。この反応熱により当該反応が一層促進されることとなるから、上述した従来の製造方法に比して焼結温度を低くすることができる。これにより、複合材用プリフォームの製造工程にかかる加工費を低減することが可能である。さらに、アルミニウム合金等の溶湯を含浸する工程で、溶湯を充分に含浸させるために行われる複合材用プリフォームの予熱や溶湯の温度を、従前より低く設定することもできるという優れた利点があり、加工費のさらなる低減を可能とし得る。
【００１５】
このような複合材用プリフォームの製造方法にあって、予備混合体が、セラミックスウィスカをほぼ均質に混合することにより形成され、該予備混合体を焼結することにより、該セラミックスウィスカの表面にアルミナ（酸化アルミニウム）とチタン−窒素化合物とを被覆状に結合させるようにした製造方法（請求項２）が提案される。かかる方法にあっては、セラミックスウィスカを混合して焼結させることにより、複合材用プリフォームを高密度化させて該複合材用プリフォーム自体の強度を向上させるようにしたものである。ここで、セラミックスウィスカは、焼結時に、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維と同様に、酸化還元反応により生成されたアルミナとチタン−窒素化合物とによって、その表面が該化合物に被覆されて強固に結合されると共に、隣接する繊維やウィスカと結合されることともなる。そのため、かかる製造方法により高密度化した場合にあっても、複合材用プリフォーム内の間隙が充分確保されることとなりえ、優れた通気性を発揮する複合材用プリフォームを製造することができる。
【００１６】
ここで、セラミックスウィスカがホウ酸アルミニウムウィスカであるとした製造方法（請求項３）が提案される。かかる製造方法にあって、ホウ酸アルミウィスカは、上記のように高密度化に作用すると共に、上述した酸化還元反応によって解離したチタン（反応式（１）参照）と反応させるようにするものである。すなわち、上述の反応式（１）の酸化還元反応により生じた反応熱（ΔＨ）によって、該酸化還元反応により解離したチタン（Ｔｉ）を、ホウ酸アルミニウムウィスカ（９Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３）中の成分であるホウ素（Ｂ）と反応させ、チタン−ボロン化合物（Ｔｉ−Ｂ）を生成する。そして、このチタン−ボロン化合物は、同時に生じた反応熱により、上述したアルミナ（酸化アルミニウム）及びチタン−窒素化合物と共に、繊維表面に被覆状に結合されることとなる。ここで、チタン−ボロン化合物は、耐摩耗性に優れ、かつ、熱膨張率も低いこと等の特性を有するものであるから、当該複合材用プリフォームにアルミニウム合金を充填してなる複合材は、高温下での摺動性や耐久性等が要求される自動車のエンジン部品等に好適に用いることができる。
【００１７】
一方、上述した二酸化チタン粒子が、粒径０．１μｍ〜１０μｍのものであるとした製造方法（請求項４）が提案される。上述した酸化還元反応は、高温下で溶解しているアルミニウム粉に、二酸化チタン粒子が接触しているところから進行するため、該二酸化チタンを粒径１０μｍ以下の微細粒とすることにより、比較的多くの粒子をアルミニウム粉と接触させることができ、反応を容易に進行させることができる。また、この二酸化チタン粒子の粒径が０．１μｍより小さいと取り扱い性が悪いこと、及び入手が困難であることから、粒径０．１μｍ〜１０μｍの二酸化チタン粒子を使用する。尚、一般的に、比較的入手し易い微細粒子径として、０．２μｍ〜１．０μｍが好適に用い得る。ここで、二酸化チタン粒子の粒径は、上述の範囲を超えるものがわずかに混在した場合であっても、目的とする複合材用プリフォームを製造することが可能であり、本発明の主旨に含まれるものとする。
【００１８】
また、上述したアルミニウム粉が、粒径２００μｍ以下のものであるとした製造方法（請求項５）が提案される。上述したように、複合材用プリフォームを成形する予備混合体は、一般的に水中で各強化材を攪拌した後乾燥して形成される。この過程にあって、アルミニウム粉が粒径２００μｍより大きいものを使用すると、水中で攪拌しても分散し難く、また、乾燥に至る間に沈下し易いため、乾燥して得られた予備混合体はアルミニウム粉が偏在するものとなってしまう。このような予備混合体を焼結しても、上述した酸化還元反応が複合材用プリフォームの全領域で起こらないため、通気性の良い部分と悪い部分とが形成されることとなる。これにより、アルミニウム粉をほぼ均質に混合した状態の予備混合体を形成するに、粒径２００μｍより小さいものを使用する。一方、このアルミニウム粉にあっては、粒径１０μｍより小さいものは取り扱い性が良くないこと、また、上記のように二酸化チタンとの接触量を充分に確保するために、１０μｍ以上のものが好適である。さらに、粒径３０μｍ〜８０μｍのものが、予備混合体内でほぼ均一に分散し易く、かつ、比較的取り扱い性にも優れることから、より好ましく使用できる。ここで、アルミニウム粉の粒径は、上述の範囲を超えるものがわずかに混在した場合であっても、目的とする複合材用プリフォームを製造することが可能であり、本発明の主旨に含まれるものとする。
【００１９】
さらにまた、アルミナ繊維及びカーボン繊維が、平均径１μｍ〜５０μｍであり、かつ平均長０．１ｍｍ〜５ｍｍの短繊維であるとした製造方法（請求項６）が提案される。ここで、平均径及び平均長は、利用する各繊維の繊維径及び繊維長の平均値であり、ほぼこの平均値に近い範囲でバラツキを有するものである。したがって、繊維径及び繊維長が、この平均値の範囲を越えるものを含む場合もある。このような強化繊維は、上記のアルミニウム粉と同様に、予備混合体内でほぼ均一に分散状態を形成するように、平均径が５０μｍより小さく、かつ、平均長が５ｍｍより短いものとする。一方、この強化繊維は、複合材用プリフォームの骨格を成すものであるから、平均長が５ｍｍより長いと、強化繊維が屈曲したり、複雑に絡み合った状態に成り易く、複合材用プリフォームが充分な強度を発揮できないことともなり得る。また、平均径が１μｍより細い場合、又は平均長が０．１ｍｍより短い場合には、上述した酸化還元反応により生成したアルミナ（酸化アルミニウム）及びチタン−窒素化合物との結合領域が少なくなるため、充分に強い複合材用プリフォームを形成できない。さらに、この平均径や平均長がこのような範囲より大きい場合には、焼結後の複合材用プリフォームの嵩が大きくなるため、複合材用プリフォームの強度が低下することともなり得る。而して、平均径と平均長とを前記範囲としたアルミナ繊維又は／及びカーボン繊維を用いることにより、強度と通気性に優れた複合材用プリフォームを適切に製造できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態例を添付図面に従って説明する。
図１は、複合材用プリフォーム１を製造する工程図である。図１（イ）は混合過程であって、所定の容器２１内で、各強化材を水中で攪拌棒３１により攪拌してほぼ均質に混合させて混合水溶液８をつくる。そして、この混合水溶液８を、容器２１から、真空ポンプ２３と接続された吸引成形器２２に移す。図１（ロ）は脱水過程であって、吸引成形器２２内の混合水溶液８から、フィルター２４を介して真空ポンプ２３によって水分を吸引し、予備混合体９を得る。そして、この予備混合体９を、吸引成形器２２から取り出して充分に乾燥させる（図示省略）。図１（ハ）は焼結過程であって、この予備混合体９を加熱炉２５内のテーブル３３に設置した後、加熱して焼結させることにより、所望の複合材用プリフォーム１を得る。すなわち、この混合過程、脱水過程、焼結過程を順に行う複合材用プリフォーム製造工程により複合材用プリフォーム１が製造される。
【００２１】
このような複合材用プリフォーム１の製造工程を各過程毎に詳説する。
上述の混合過程（図１（イ））にあって、容器２１内の水中に以下の強化材を入れる。
（ｉ）アルミナ短繊維２（図２（イ） 平均径５μｍ、平均長５００μｍ）
（ｉｉ）アルミニウム粉３（図２（ロ） 純度９９．９％、粒径５０μｍ）
（ｉｉｉ）二酸化チタン粒子４（図２（ハ） 純度９９．５％、粒径０．３μｍ）
（ｉｖ）ホウ酸アルミニウムウィスカ５（図２（ヘ） 平均径１μｍ、平均長２０μｍ）
ここで、アルミナ短繊維２が複合材用プリフォーム１の主骨格を成す強化材として用いられ、ホウ酸アルミニウムウィスカ５は該複合材用プリフォーム１を高密度化することに用いる。そして、このような強化材を入れた水溶液を攪拌棒３１で攪拌することにより、ほぼ均質に各強化材が混在する混合水溶液８を得る。
【００２２】
次に、この混合水溶液８を吸引成形器２２に移し、上述の脱水過程（図１（ロ））に移行する。ここで、吸引成形器２２には混合水溶液８を流入する円筒状の水溶液滞留領域２６と、該水溶液滞留領域２６の下面を形成するフィルター２４と、該フィルター２４により区画され吸引した水分を滞留させる水滞留領域２７とが設けられており、該水滞留領域２７に真空ポンプ２３が接続されている。さらに、吸引成形器２２の水溶液滞留領域２６には、その中央部に円柱部２８が配設されており、吸引後の予備混合体９が円環形状に形成されるようにしている。そして、真空ポンプ２３を作動させることにより、水溶液滞留領域２６の混合水溶液８から水分をフィルター２４を介して吸引する。これによって、円環形状の、上記した各強化材が混在してなる予備混合体９を得る。さらに、この予備混合体９を吸引成形器２２から取り出し、約１２０℃の乾燥炉等で充分に水分を除去させる（図示省略）。尚、この予備混合体９では、上記の各強化材は反応しておらず、個々の状態で混在している。また、予備混合体９における各強化材の体積含有率は、アルミナ短繊維２が約７．６％、アルミニウム粉３が約５．６％、二酸化チタン粒子４が約２．８％、ホウ酸アルミニウムウィスカ５が約８．３％であり、残りの領域は空隙である。
【００２３】
次に、上述した焼結過程（図１（ハ））に移行する。上記の予備混合体９を、加熱炉２５内に設置されたテーブル３３上に置く。その後、この炉内を約８８０℃まで加熱して、１時間保持する。そして、室温まで炉冷し（図示省略）、円環形状の複合材用プリフォーム１を得る。このような焼結過程にあって、炉内温度が上昇していくにつれ、アルミニウム粉３が溶融してその表面に二酸化チタン粒子４が接触することとなる。そして、約８８０℃の温度雰囲気中では、二酸化チタン粒子４に比してアルミニウム粉３が酸化されやすいことから、該二酸化チタン粒子４が還元されてチタンが解離し、アルミニウム粉３が酸化されてアルミナ（酸化アルミニウム）が生成される酸化還元反応がおこる（上述の反応式（１）参照）。この酸化還元反応は、いわゆるテルミット反応と言われるものに属し、比較的大きな反応熱を発生させる。この反応熱によって、当該酸化還元反応が一層進行することとなる。さらに、生成されたチタンが空気中の窒素と反応して、チタン−窒素化合物が生成される（上述の反応式（２）参照）。そして、アルミナとチタン−窒素化合物とが混在してなる生成混在物１０が、図３のように、反応熱によりアルミナ短繊維２に沿って、該アルミナ短繊維２の表面に被覆状に結合されることとなる。これにより、アルミナ短繊維２が生成混在物（アルミナ及びチタン−窒素化合物）１０により被覆されることによって強化され、かつ、隣接する各アルミナ短繊維同士が結合され、強固な骨格１２が形成される。さらに、この結合は酸化還元反応による結合であるから、上述した従来の無機バインダーによる結合よりも強いものとなる。ここで、アルミナ（酸化アルミニウム）の生成過程で発生した比較的大きな反応熱（反応式（１）参照）により、この反応が促進されることから、比較的低温の約８８０℃で焼結することができ、製造工程にかかる加工費を低減することが可能となる。
【００２４】
また、上記の酸化還元反応によって生成されたチタンは、ホウ酸アルミニウムウィスカ５とも反応し、チタン−ボロン化合物１１を生成する。そして、このチタン−ボロン化合物１１も、上記の生成混在物（アルミナ及びチタン−窒素化合物）１０に取り込まれて、アルミナ短繊維２と結合して骨格１２を形成することとなる（図３参照）。尚、このようにチタン−ボロン化合物１１を生成する反応にあっても、比較的大きな反応熱が発生し、このような反応を促進させる作用を生じる。
【００２５】
このようにして製造された複合材用プリフォーム１は、図４（イ）に示す拡大写真のように、各強化材が強固に焼結されてなる骨格１２が形成されており、さらにその一部を拡大した図４（ロ）のように、表面が比較的滑らかな形態となっている。このような骨格１２により、この複合材用プリフォーム１内の間隙が比較的広く確保されていることから、充分な通気性を有するものとなっている。また、この骨格１２には、上記したチタン−ボロン化合物１１も含まれていることから、該チタン−ボロン化合物１１の有する特性により、耐摩耗性が向上すると共に、熱膨張率を低減できる。
【００２６】
このような複合材用プリフォーム１に、図５の鋳造工程により、アルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ）の溶湯１３を含浸させる。この鋳造工程にあっては、図５（イ）のように、所定形状のキャビティ３５を形成する金型３４と、該キャビティ３５内に射出する溶湯１３を一旦滞留させ、進退駆動制御されたプランジャーチップ３８によって該溶湯１３を射出するスリーブ３７とが設けられている。そして、金型３４のキャビティ３５内の所定位置に円環形状の複合材用プリフォーム１を配置する。また、該キャビティ３５内に射出する溶湯１３を、プランジャーチップ３８を退出位置としたスリーブ３７に注入する。ここで、溶湯１３の温度は７６０℃とし、複合材用プリフォーム１が約４７０℃に予熱され、金型３４の温度も２００〜２５０℃に保持されている。その後、図５（ロ）のように、金型３４の湯口３６にスリーブ３７を接続し、プランジャーチップ３８を進出駆動することにより、該スリーブ３７内の溶湯１３をキャビティ３５内に射出する。ここで、プランジャーチップ３８を進出させる射出速度は約４０ｍｍ／ｓｅｃとし、射出圧力は約３００ａｔｍとするように制御している。尚、この射出速度は複合材用プリフォーム１に溶湯１３が含浸する含浸速度とほぼ等しく、射出圧力は含浸圧とほぼ等しい。このような射出速度（含浸速度）、射出圧力（含浸圧）、溶湯１３の温度、複合材用プリフォーム１の予熱温度、金型温度等を、本実施形態例における鋳造工程の成形条件として設定している。
【００２７】
そして、図５（ハ）のように、キャビティ３５内に溶湯１３が充満されると、プランジャーチップ３８が停止して該溶湯１３の注入が止まり、冷却後にスリーブ３７を金型３４から取り外して、金型３４からアルミニウム複合材１５を取り出す（図５（ニ））。尚、湯口３６により形成された部位は除去される（図示省略）。このアルミニウム複合材１５は、複合材用プリフォーム１とアルミニウム合金１４とが複合化されている複合領域１５ａと、アルミニウム合金１４から形成されているアルミ領域１５ｂとから構成されている。この複合領域１５ａを断面観察した結果、図６のように、複合材用プリフォーム１の間隙にアルミニウム合金１４が充分に含浸しており、巣（空隙）が生じていないことを確認できた。また、かかる鋳造工程にあっては、含浸条件として、含浸圧を比較的低圧の約３００ａｔｍとしたものであるが、複合材用プリフォーム１内に溶湯１３を充分に含浸させることが可能であった。
【００２８】
このように成形されたアルミニウム複合材１５は、上記の複合領域１５ａにあって、アルミニウム合金１４と複合材用プリフォーム１との複合化によって優れた強度と通気性とを有するものであると共に、チタン−ボロン化合物を含有していることにより高温下における高い耐久性と摺動特性を有している。さらに、焼結温度を低減できると共に、鋳造工程における予熱温度や含浸圧力等の低減と含浸速度の高速化とを行うことができることから、加工時間や加工費を低減することも可能となり、優れた市場競争力を発揮し得る。而して、本発明の複合材用プリフォーム製造方法によって製造された複合材用プリフォーム１は、上述したような自動車のエンジン部品等の要求性能が厳しく求められるものにも好適に用いることが可能である。
【００２９】
このような実施形態例と比較するため、比較例１として焼結温度を８４０℃として成形する複合材用プリフォーム４０と、比較例２としてアルミニウム粉３を入れずに成形する複合材用プリフォームとを製造した。以下詳細に説明する。
【００３０】
（比較例１）
比較例１は、複合材用プリフォーム成形工程にあって、上記実施例１と同様に成形した予備混合体９を充分に乾燥させた後、加熱炉２５のテーブル３３上に配置し、約８４０℃まで加熱して約１時間保持する。その後、炉冷して複合材用プリフォーム４０を製造した。この複合材用プリフォーム４０は、図７（イ）に示す拡大写真のように、アルミニウム粉３と二酸化チタン粒子４とが酸化還元反応せず、アルミナ短繊維２及びホウ酸アルミニウムウィスカ５と、夫々に分散して存在している形態が確認できる。また、上述の実施形態例（図４）に比して、比較的大きな間隙が少なく、密な形態として形成されており、通気性が低いことがわかる。さらに、この一部分を拡大した図７（ロ）のように、アルミニウム粉３が一旦溶融した後固まってなる表面上に二酸化チタン粒子４が結合しており、両者を明確に区別でき、反応していないことがわかる。また、ホウ酸アルミニウムウィスカ５も確認できる。そして、かかる複合材用プリフォーム４０を用いて、上述した実施形態例と同じ成形条件により鋳造工程を行って、アルミニウム複合材を成形した。このアルミニウム複合材の、複合材用プリフォーム４０とアルミニウム合金１４とからなる複合領域を断面観察した結果、図８のように、溶湯１３が充分に含浸できずに形成されたと思われる巣（空隙）４２が確認できた。このように比較例１の製造方法では、焼結温度を低く設定したことによって、酸化還元反応が進行しないため、通気性と、強固な結合とを有する上述の複合材用プリフォーム１を製造することができない。尚、この比較例１は、焼結温度を約８４０℃とした以外、上述の実施形態例と同じ材料、同じ機器、同じ方法を用いており、説明は省略する。
【００３１】
（比較例２）
一方、比較例２にあっては、上述の混合過程（図１（イ））にあって、容器２１内の水中に、実施形態例のアルミナ短繊維２、二酸化チタン粒子４、ホウ酸アルミニウムウィスカ５を入れ、さらに無機バインダーとしてアルミナゾルを添加した。この水溶液を攪拌した混合水溶液を、脱水過程（図１（ロ））により、予備混合体を得る。この予備混合体の体積含有率は、アルミナ短繊維２（図２（イ）参照）が約７％、二酸化チタン粒子４（図２（ハ）参照）が約１２％、ホウ酸アルミニウムウィスカ５（図２（ニ）参照）が約８％であり、残りの領域は空隙である。さらに、この予備混合体を乾燥させた後、加熱炉２５内に配置して、約１１５０℃で約２時間保持する。その後、炉冷して複合材用プリフォーム（図示省略）を製造する。かかる複合材用プリフォームは、アルミナ短繊維２の表面に二酸化チタン粒子４が結合されてなり（図示省略）、上述の実施形態例に比して通気性が低くなっている。さらに、二酸化チタン粒子４とアルミナ短繊維２とは、アルミナゾル（無機バインダー）により結合していることから、上述した実施形態例に比して結合力が低くなっている。そのため、アルミニウム合金の溶湯を高速充填する場合には、この複合材用プリフォームは変形したり破壊し易く、射出速度を高速化することができない。かかる複合材用プリフォームを用いて、鋳造工程によりアルミニウム複合材を成形した。この鋳造工程では、射出圧力を約１０００ａｔｍとし、その他の成形条件は上述の実施形態例と同じとした。かかるアルミニウム複合材の複合材用プリフォームとアルミニウム合金とからなる複合領域では、上述の比較例１と同様に、巣が確認された（図示省略）。尚、比較例２にあっては、アルミニウム粉３を用いず、無機バインダーとしてアルミナゾルを使用し、かつ、鋳造工程の射出圧力を変更した以外、上述の実施形態例と同じ材料、同じ機器、同じ方法を用いており、説明は省略する。
【００３２】
このような実施形態例の複合材用プリフォーム１と、比較例１の複合材用プリフォーム４０と、比較例２の複合材用プリフォームとを圧縮試験に供した。かかる圧縮試験にあっては、外径２０ｍｍ、板厚３０ｍｍの円柱状に成形した各複合材用プリフォームを、板厚方向に圧縮し、塑性変形が生じる耐力を圧縮強度とした。このような圧縮試験を行った結果、複合材用プリフォーム１の圧縮強度は１５．０ＭＰａ、比較例１の複合材用プリフォーム４０は３．０ＭＰａ、比較例２の複合材用プリフォームは２．５ＭＰａであった。これにより、本発明の複合材用プリフォーム製造方法により成形した複合材用プリフォーム１は、比較例１及び比較例２に比して高強度であることが確認できた。すなわち、上述したように、本発明にかかる複合材用プリフォームの製造工程により、アルミニウム粉３と二酸化チタン４とにより酸化還元反応によって強固に結合された複合材用プリフォーム１が形成されることとなった。而して、例えばダイカストのように、射出速度を上述の４０ｍｍ／ｓｅｃより高速化してアルミニウム合金の溶湯を注入する場合にあっても、本複合材用プリフォーム１は変形したり破壊することなく、適切なアルミニウム複合材１５を成形することが可能となる。尚、比較例２では、鋳造工程にあって、射出圧力（含浸圧力）を１０００ａｔｍとしても巣の発生を防止できないことからも、本実施形態例の複合材用プリフォーム１の通気性が優れていることを確認できる。
【００３３】
上述した実施形態例にあっては、アルミナ短繊維２、アルミニウム粉３、二酸化チタン粒子４、ホウ酸アルミニウムウィスカ５の予備混合体における体積含有率を、上記のように設定したものであるが、この体積含有率を異なるものとして成形することも可能であり、各体積率の割合を変えることで酸化還元反応が促進される焼結温度をさらに低減させることも可能である。例えば、二酸化チタン粒子の体積含有率を約１２％とすることにより、焼結温度を約８５０℃に低下しても、酸化還元反応が促進され、上述のような優れた強度と通気性を有する複合材用プリフォームを成形することが可能である。
【００３４】
上述の実施形態例にあっては、アルミナ繊維を使用したが、該アルミナ繊維に代わって、カーボン短繊維を使用することもできる。このカーボン短繊維を使用した場合にあっても、上述のアルミナ繊維を用いた実施形態例と同様に、通気性に優れ、かつ、高強度の複合材用プリフォームを製造することができる。そのため、アルミニウム合金の溶湯を含浸させる鋳造工程にあって、比較的低い含浸圧（射出圧力）や比較的高速の含浸速度（射出速度）を設定することも可能となり、巣の無い優れた強度を有するアルミニウム複合材を成形することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は、上述したように、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維と、二酸化チタン粒子とアルミニウム粉とを混合して略均質な予備混合体を形成し、該予備混合体を所定温度で焼結させることにより、二酸化チタン粒子とアルミニウム粉とが酸化還元反応して生成されるアルミナ（酸化アルミニウム）とチタン−窒素化合物とを、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維の表面に被覆状に結合させるようにした複合材用プリフォームの製造方法であるから（請求項１）、この製造方法により製造した複合材用プリフォームは、酸化還元反応によって生成したアルミナと、解離したチタンが空気中の窒素と反応してなるチタン−窒素化合物とが、同時に生じた反応熱によってアルミナ繊維又は／及びカーボン繊維と強固に結合され、かつ、その内部に充分な間隙が確保されることとなるため、優れた強度と通気性とを有するものとなる。これにより、アルミニウム合金等の溶湯を含浸して成形される複合材に巣（空隙）が発生することを防止でき、該複合材は高い強度を発揮することが可能となる。また、このように溶湯を含浸する工程にあって、含浸圧を比較的低圧とした場合、複合材用プリフォームを高密度化した場合、含浸速度を比較的高速とした場合にあっても、適正に複合材を成形することが可能である。さらに、前記の酸化還元反応にあっては、比較的低温で反応が進行し、大きな反応熱を生じるため、従来の焼結温度よりも低い温度で複合材用プリフォームを製造することが可能であり、加工費を低減することができるという優れた利点もある。
【００３６】
上述の予備混合体が、セラミックスウィスカをほぼ均質に混合することにより形成され、該予備混合体を焼結することにより、該セラミックスウィスカの表面にアルミナ（酸化アルミニウム）とチタン−窒素化合物とを被覆状に結合させるようにした製造方法（請求項２）にあっては、セラミックスウィスカが、焼結時に、アルミナ及びチタン−窒素化合物により取り込まれて強固に結合されることとなるから、かかるセラミックスウィスカを添加することによって高密度化させる場合にあっても、内部の間隙を充分確保でき、優れた通気性を有する複合材用プリフォームを製造できる。
【００３７】
ここで、セラミックスウィスカがホウ酸アルミニウムウィスカであるとした製造方法（請求項３）にあっては、上述した酸化還元反応によって、チタン−ボロン化合物を生成し、同時に生じた反応熱により、該チタン−ボロン化合物を上述したアルミナ（酸化アルミニウム）とチタン−窒素化合物と共に、繊維表面に被覆状に結合させてなる複合材用プリフォームを製造できる。かかる複合材用プリフォームは、チタン−ボロン化合物の有する耐摩耗性と低熱膨張率によって、高温下での摺動性や耐久性等に優れた複合材を成形することが可能となる。
【００３８】
一方、上述した二酸化チタン粒子が、粒径０．１μｍ〜１０μｍのものであるとした製造方法（請求項４）にあっては、焼結時に、比較的多くの二酸化チタン粒子をアルミニウム粉と接触させることができ、酸化還元反応を比較的容易に進行させることが可能である。
【００３９】
また、上述したアルミニウム粉が、粒径２００μｍ以下のものであるとした製造方法（請求項５）にあっては、アルミニウム粉が偏在することなく、ほぼ均質に混在する予備混合体を成形することができる。
【００４０】
さらにまた、アルミナ繊維及びカーボン繊維が、平均径１μｍ〜５０μｍであり、かつ平均長０．１ｍｍ〜５ｍｍの短繊維であるとした製造方法（請求項６）にあっては、このような強化繊維が予備混合体内でほぼ均質な分散状態を形成できると共に、強化繊維が屈曲したり、複合材用プリフォームが嵩高となること等を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる、複合材用プリフォーム１の製造工程を表す説明図である。
【図２】本実施形態例に供したアルミナ短繊維２、アルミニウム粉３、二酸化チタン粒子４、ホウ酸アルミニウムウィスカ５を表す拡大写真である。
【図３】本実施形態例の複合材用プリフォーム１を表す説明図である。
【図４】本実施形態例の複合材用プリフォーム１を表す拡大写真である。
【図５】本実施形態例における鋳造工程を表す説明図である。
【図６】本実施形態例における、アルミニウム複合材１５の複合領域１５ａを表す拡大写真である。
【図７】比較例１の複合材用プリフォーム４０を表す拡大写真である。
【図８】比較例１における、アルミニウム複合材の複合領域を表す拡大写真である。
【図９】従来の製造方法により製造した複合材用プリフォームｘを表す説明図である。
【符号の説明】
１ 複合材用プリフォーム
２ アルミナ短繊維
３ アルミニウム粉
４ 二酸化チタン
５ ホウ酸アルミニウムウィスカ
９ 予備混合体
１０ 生成混在物（アルミナ及びチタン−窒素化合物）
１５ アルミニウム複合材

Claims (6)

1. アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維とセラミックス粒子とが焼結されてなり、該焼結後に軽金属の溶湯を含浸させて複合材を成形する複合材用プリフォームの製造方法において、
   セラミックス粒子に二酸化チタン粒子を用い、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維と該二酸化チタン粒子とを混合すると共に、アルミニウム粉を添加して略均質な予備混合体を形成し、該予備混合体を所定温度で焼結させることにより、二酸化チタン粒子とアルミニウム粉とが酸化還元反応して生成されるアルミナ（酸化アルミニウム）とチタン−窒素化合物とを、アルミナ繊維又は／及びカーボン繊維の表面に被覆状に結合させるようにしたことを特徴とする複合材用プリフォームの製造方法。
2. 予備混合体が、セラミックスウィスカをほぼ均質に混合することにより形成され、該予備混合体を焼結することにより、該セラミックスウィスカの表面にアルミナ（酸化アルミニウム）とチタン−窒素化合物とを被覆状に結合させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の複合材用プリフォームの製造方法。
3. セラミックスウィスカがホウ酸アルミニウムウィスカである請求項２記載の複合材用プリフォームの製造方法。
4. 二酸化チタン粒子が、粒径０．１μｍ〜１０μｍのものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の複合材用プリフォームの製造方法。
5. アルミニウム粉が、粒径２００μｍ以下のものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の複合材用プリフォームの製造方法。
6. アルミナ繊維及びカーボン繊維が、平均径１μｍ〜５０μｍであり、かつ平均長０．１ｍｍ〜５ｍｍの短繊維である請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の複合材用プリフォームの製造方法。

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