JP2007204350A - 複合材用プリフォーム及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速ダイカスト成形法に適用可能な、高い強度と優れた通気性とを有し、該高速ダイカスト成形法によって、優れた力学的特性を発揮し得る金属複合材を成形することができる複合材用プリフォーム及びその製造方法を提案する。
【解決手段】セラミックス繊維２又は／及びセラミックス粒子３，５とシリカゾル７と炭酸カルシウム４とを混合して、所定温度で焼結することによって、該シリカゾル７と炭酸カルシウム４とからカルシウム−ケイ素焼結体１１が生成し、このカルシウム−ケイ素焼結体１１によりセラミックス繊維２又は／及びセラミックス粒子３，５を被覆して、繊維２又は／及び粒子３，５を相互に結合した複合材用プリフォーム１を得る。この複合材プリフォーム１は、高い強度と優れた通気性とを有し、高い生産性を発揮し得る高速ダイカスト成形法に適用可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、アルミニウム合金等の軽金属と複合化して金属複合材を成形するための複合材用プリフォーム、及びこの複合材用プリフォームの製造方法に関するものである。

例えば、自動車には、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から製造された部品が増加する傾向にある。特に、エンジン部品等のように使用環境が厳しいものには、軽金属とセラミックス等の強化材とを複合化した金属複合材が適用されており、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。

この金属複合材は、予めセラミック繊維やセラミック粒子等の強化材により所定形状の複合材用プリフォームを成形した後、該複合材用プリフォームにダイカスト成形法等により軽金属の溶湯を含浸することにより形成される。ここで、複合材用プリフォームは、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を、所定温度で焼結させることにより形成される。尚、このセラミック繊維又は／及びセラミック粒子には、焼結前に、該繊維又は／及び粒子の結合を促進するために、アルミナゾルやシリカゾル等の無機バインダーを混入することが一般的である。この無機バインダーは、焼結時に、ゲル化して結晶化することによって、セラミック繊維やセラミック粒子等の強化材同士を結合するものである。

ところで、上記した自動車のエンジン部品にあっては、耐摩耗性や振動減衰能の向上が求められていることから、潤滑性や減衰性に優れる黒鉛や活性炭等を混合して複合材用プリフォームを成形し、当該複合材用プリフォームにアルミニウム合金等の軽金属を含浸してなる金属複合材が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００４−３５９１０号公報

上記した金属複合材は、軽金属の溶湯が複合材用プリフォーム内に行き渡り、充分に含浸されていることによって、耐久性や強度等の力学的特性を高く発揮し得るものとなる。ところが、複合材用プリフォームへの溶湯の含浸が不充分であると、金属複合材内に比較的大きな巣（未含浸部位）が生成されてしまうため、当該金属複合材はその力学的特性を充分に発揮できないものとなる。このため、複合材用プリフォームは、その内部に軽金属の溶湯が流れ易く充分に含浸可能となるように、所謂通気性に優れたものであることを求められている。特に、高い生産性を発揮し得るように比較的高速で溶湯を充填する高速ダイカスト成形法にあっては、高い通気性を有する複合材用プリフォームが必須となっている。

ところで、上記した従来構成の、アルミナゾルやシリカゾル等の無機バインダーを混合して焼結してなる複合材用プリフォームにあっては、８００℃〜１５００℃で行う焼結時に、アルミナゾルやシリカゾルが粒状に結晶化してセラミック繊維やセラミック粒子などの強化材の表面に付着したり、この粒状のものが密集して固まった塊状のものが該強化材の表面や強化材間に付着する等となっている。このため、この複合材用プリフォームは、その各強化材間の隙間が狭くなっており、総じて通気性が妨げられたものとなっていた。そして、この従来構成の複合材用プリフォームに軽金属の溶湯を含浸させると、該溶湯が充分に含浸できず、金属複合材には上記した巣が生成されることとなってしまう。さらに、上記した高速ダイカスト成形法により軽金属の溶湯を含浸させると、複合材用プリフォームが変形したり、成形した金属複合材に割れ等の亀裂が発生するという問題も生じていた。このような変形や亀裂の発生は、複合材用プリフォームの強度不足が原因と考えられ、上記した従来構成のように無機バインダーによる強化材同士の結合では高速ダイカスト成形法に不適であった。

尚、複合材用プリフォームにあっては、一般的に、セラミック繊維やセラミック粒子の含有率を高めるに従って、該複合材用プリフォームの強度が向上するが、通気性は逆に低下する傾向にある。同様に、この含有率を低くするに従って、通気性は向上するが、強度は低下してしまう。このように複合材用プリフォームは、その強度と通気性との両方を向上させることが容易にできないものであった。

本発明は、高い強度と優れた通気性とを有し、高速ダイカスト成形法に適用されて、優れた力学的特性を発揮し得る金属複合材を成形可能な複合材用プリフォーム及びその製造方法を提案する。

本発明は、セラミック繊維又は／及びセラミックス粒子を焼結してなるものであって、軽金属の溶湯が含浸されることにより金属複合材を成形するための複合材用プリフォームにおいて、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に、シリカゾル及び炭酸カルシウムを混合して、所定温度で焼結したものであり、該焼結によりシリカゾルと炭酸カルシウムから分解された一酸化カルシウムとが反応して生成されるカルシウム−ケイ素焼結体によって、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子が相互に結合され、かつ該繊維又は／及び粒子間に空隙が形成されていることを特徴とするものである。ここで、カルシウム−ケイ素焼結体は、結晶化された化合物として生成される場合と、非結晶状の所謂ガラス状態として生成される場合とのいずれであっても良い。

かかる構成の、カルシウム−ケイ素焼結体によってセラミック繊維又は／及びセラミック粒子を相互に結合してなる複合材用プリフォームは、上述した従来構成の、無機バインダーが粒状や塊状に結晶化することによりセラミック繊維又は／及びセラミック粒子を結合してなるプリフォームに比して、高い強度を発揮することができる。これは、シリカゾル（ＳｉＯ_２）と、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）から分解された一酸化カルシウム（ＣａＯ）とが反応して生成されたカルシウム−ケイ素焼結体が、従来構成の無機バインダーに比して、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を強固に結合できるからである。

さらに、本発明の複合材用プリフォームでは、カルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）によって、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子が相互に結合されていると共に、該繊維又は粒子間に空隙が形成されている。ここで、カルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）は、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に膜状に付着するように生成されることから、この空隙は比較的広く形成されることとなる。これに対して、上述した従来の、無機バインダーが結晶化してなる構成では、この粒状や塊状の結晶体がセラミック繊維又は／及びセラミック粒子の表面に付着したり、該繊維又は／及び粒子間に付着する。このことから、本発明の複合材用プリフォームに形成される空隙は、この従来構成のプリフォームに存在する隙間に比して、広く確保され得る。したがって、本発明の複合材用プリフォームは優れた通気性を発揮し得るものである。

このように本発明の複合材用プリフォームは、高い強度と優れた通気性との両者を発揮できることから、高速ダイカスト成形法により軽金属の溶湯を含浸しても、該溶湯を充分に含浸することができると共に、変形や亀裂等を生じない。而して、本発明の複合材用プリフォームは、高い生産性を発揮し得る高速ダイカスト成形に適用可能であり、優れた力学的特性を有する金属複合材を得ることができるものである。

また、上述した複合材用プリフォームにあって、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に混合するシリカゾルが、その含有するシリカの重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．０１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものであると共に、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に混合する炭酸カルシウムが、その重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．００１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものである構成が提案される。ここで、セラミック粒子を混合しない場合には、セラミック繊維の重量がこの合計重量となり、セラミック繊維を混合しない場合には、セラミック粒子の重量が合計重量となる。

かかる構成にあっては、シリカゾル（ＳｉＯ_２）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）から分解された一酸化カルシウム（ＣａＯ）とから生成されるカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）によって、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子が相互に充分強固に結合され、かつ該繊維又は／及び粒子間に充分な広さの空隙が形成され得る。ここで、セラミック繊維及びセラミック粒子に対するカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）の生成量が多くなるに従って、該繊維又は／及び粒子への付着量も増加することとなるから、繊維又は／及び粒子間に生成する空隙が狭くなり、総じて通気性が低減する傾向を示す。一方、カルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）の生成量が少なくなるに従って、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を相互に結合する力も低下し、複合材用プリフォームの強度が低減する傾向を示す。したがって、かかる構成のように、シリカゾルと炭酸カルシウムとを混合する夫々の重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対する各重量比となるようにすることによって、焼結時にカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）が適量生成され、この複合材用プリフォームは、高い強度と優れた通気性をバランス良くかつ安定的に発揮し得るものとなる。

尚、シリカゾルにあっては、その含有するシリカの重量が、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．０４以上かつ０．１０以下の重量比となるようにしたものが好適である。同様に、炭酸カルシウムにあっては、その重量が、この合計重量に対して０．０４以上かつ０．１０以下の重量比となるようにしたものが好適である。このような各重量比の炭酸カルシウムとシリカゾルとから生成されたカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）により、複合材用プリフォームは、強度と通気性とのバランスに一層優れたものとなり得る。

上述した複合材用プリフォームにあって、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に、シリカゾルと共に混合する炭酸カルシウムが、粒径１０μｍ以下のものであるとした構成が提案される。ここで、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）は、比較的容易に取り扱うことができ、かつ一般的に生成可能である、粒径０．１μｍ以上のものが好適に用い得る。

焼結によってシリカゾル（ＳｉＯ_２）と反応する一酸化カルシウムは、その形状が大きくなるに従って該シリカゾルとの反応性が低くなる傾向にある。そして、粒径１０μｍ以下の炭酸カルシウムを混合することにより、一酸化カルシウムとシリカゾルとが充分かつ容易に反応し、カルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）がセラミック繊維又は／及びセラミック粒子に滑らかな膜状に生成され易くなる。これにより、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子間の空隙が充分かつ適正に確保されることとなり、この複合材用プリフォームは一層優れた通気性を発揮し得る。さらに、一酸化カルシウムとシリカゾルとが充分に反応して生成されるカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）は、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を相互に一層強固に結合することとなり、この複合材用プリフォームが一層高い強度を発揮し得る。尚、この炭酸カルシウムとしては、粒径０．１μｍ以上かつ５μｍ以下のものが一層高い反応性を発揮することから、好適に用い得る。

また、上述した複合材用プリフォームにあって、焼結前のセラミック粒子として、粒径１０μｍ以下のホウ酸アルミニウム粒子を用いてなる構成が提案される。ここで、ホウ酸アルミニウム粒子は、比較的容易に取り扱うことができ、かつ一般的に生成可能である、粒径０．１μｍ以上のものが好適に用い得る。

ここで、粒径１０μｍ以下のホウ酸アルミニウム粒子（９Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３）を混合すると、焼結により、該ホウ酸アルミニウム粒子と、シリカゾル（ＳｉＯ_２）と、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）から分解した一酸化カルシウム（ＣａＯ）とが反応してカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｂ−Ｓｉ焼結体）を生成する。そして、このカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｂ−Ｓｉ焼結体）によって、セラミック繊維又は／及び他のセラミック粒子が相互に結合された構成の複合材用プリフォームとなる。このカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｂ−Ｓｉ焼結体）は、上述したカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）と同様に、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を強固に結合すると共に、該繊維又は／及び粒子に膜状に付着して比較的広い空隙を形成する。したがって、この本構成の複合材用プリフォームは、上述した従来構成のプリフォームに比して、高い強度を発揮し、かつ優れた通気性を有するものとなっている。そして、本構成の複合材用プリフォームは高速ダイカスト成形法に適用でき、優れた力学的特性を発揮し得る金属複合材を成形でき得る。

ここで、ホウ酸アルミニウム粒子は、その粒径が大きくなるに従って、シリカゾル（ＳｉＯ_２）及び一酸化カルシウム（ＣａＯ）の反応性が低下する傾向を示す。したがって、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を強固に結合でき得るカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｂ−Ｓｉ焼結体）を充分かつ容易に生成可能となるように、本構成では粒径１０μｍ以下のホウ酸アルミニウム粒子を混合している。尚、このホウ酸アルミニウム粒子にあっては、粒径１μｍ以上かつ５μｍ以下のものが、シリカゾル（ＳｉＯ_２）と一酸化カルシウム（ＣａＯ）との反応性に一層優れ、さらに好適に用い得る。

一方、上記した複合材用プリフォームを成形する製造方法として、本発明は、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に、シリカゾル及び炭酸カルシウムを水中で混ぜて混合水溶液を調合する混合工程と、該混合水溶液から水分を除去して、混合物を形成する脱水工程と、この混合物を所定温度で焼結することにより、シリカゾルと、炭酸カルシウムから分解された一酸化カルシウムとを反応させてカルシウム−ケイ素焼結体を生成し、該カルシウム−ケイ素焼結体によりセラミック繊維又は／及びセラミック粒子を相互に結合するようにした焼結工程とを備えていることを特徴とする製造方法である。

ここで、焼結工程では、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）から一酸化カルシウム（ＣａＯ）が分解され、この一酸化カルシウム（ＣａＯ）とシリカゾル（ＳｉＯ_２）とを反応させてカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）を生成する。そして、このカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）が、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を相互に結合にする。このように製造された複合材用プリフォームは、上述した従来構成の無機バインダーにより結合されてなるプリフォームに比して、高い強度を発揮し得るものとなる。上述したように、このカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）は、アルミナゾルやシリカゾル等の無機バインダーを結晶化して結合したものに比して、強固な結合力となっている。したがって、本方法により製造された複合材用プリフォームは、高い強度を有するものとなる。

さらに、カルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）は、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に膜状に付着して生成されることから、これら繊維又は／及び粒子間に比較的広い空隙が生成される。この空隙は、上述した従来構成の、無機バインダーを結晶化して焼結した繊維又は／粒子間の隙間に比して、充分に広く生成されることから、本方法により製造された複合材用プリフォームは、優れた通気性を有するものとなる。

また、混合工程では、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子、シリカゾル並びに炭酸カルシウムを水中で攪拌するようにしていることから、焼結工程前の混合物には、これら繊維又は／及び粒子とシリカゾルと炭酸カルシウムとが、その全体に亘ってほぼ均一に分散されている。これにより、焼結工程では、上述したカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）が全体に亘ってほぼ均一に生成され、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を全体的にほぼ均一に結合することとなる。したがって、本方法により製造された複合材用プリフォームには、強度や通気性の偏在化がほとんどなく、総じて高い強度と優れた通気性を発揮し得るものとなる。

本製造方法によれば、上述した強度と通気性とに優れる複合材用プリフォームを、比較的容易かつ安定的に製造することができ得る。そして、この複合材用プリフォームは、高速ダイカスト成形法に適用可能であり、高い力学的特性を発揮し得る金属複合材を成形可能である。

この複合材用プリフォームの製造方法として、混合工程で混合するシリカゾルが、その含有するシリカの重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．０１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものであると共に、混合工程で混合する炭酸カルシウムが、その重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．００１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものである方法が提案される。ここで、セラミック粒子を混合しない場合には、セラミック繊維の重量がこの合計重量となり、セラミック繊維を混合しない場合には、該セラミック粒子の重量が合計重量となる。

かかる混合工程で調合した混合水溶液が脱水工程を経て焼結工程で焼結されることにより、該焼結工程で生成されるカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）によってセラミック繊維又は／及びセラミック粒子を相互に充分強固に結合し、かつ該繊維又は／及び粒子間に充分な広さの空隙を形成でき得る。ここで、混合工程で混合するシリカゾル（ＳｉＯ_２）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）とが、上記したセラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対する重量比より多ければ、カルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）の生成量も多くなり、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子への付着量も増加する。そして、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子間に生成する空隙が狭くなり、複合材用プリフォームの通気性が低減する傾向を示す。一方、逆にシリカゾル（ＳｉＯ_２）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）とが、上記した合計重量に対する重量比より少なければ、カルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）の生成量も少なくなり、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を相互に結合する力も弱まり、複合材用プリフォームの強度が低下する傾向を示す。以上のことから、シリカゾル（ＳｉＯ_２）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）との混入量を、上記した重量比とすることにより、高い強度と優れた通気性とをバランス良く発揮し得る複合材用プリフォームを安定して製造できる。

尚、混合工程で混合するシリカゾルに含有するシリカの重量は、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．０４以上かつ０．１０以下の重量比とすることが好適である。また、炭酸カルシウムの重量は、この合計重量に対して０．０４以上かつ０．１０以下の重量比とすることが好適である。これにより、高い強度と優れた通気性とのバランスに一層優れた複合材用プリフォームを製造でき得る。

上述した複合材用プリフォームの製造方法にあって、混合工程で混合する炭酸カルシウムが、粒径１０μｍ以下のものであるとした方法が提案される。

焼結工程で、シリカゾル（ＳｉＯ_２）と反応する一酸化カルシウム（ＣａＯ）は、その形状が大きくなるに従って該シリカゾルとの反応性が低くなる傾向にある。このため、混合工程で、粒径１０μｍ以下の炭酸カルシウムを混合することにより、焼結工程で、一酸化カルシウムとシリカゾルとが充分かつ容易に反応して、カルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）が、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に滑らかな膜状に付着した状態で生成されることとなり得る。これにより、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子間の空隙が充分かつ適正に確保されることとなり、一層優れた通気性を発揮する複合材用プリフォームを製造できる。また、粒径１０μｍ以下の比較的小さな炭酸カルシウムは、混合工程で分散し易く、混合水溶液内に一層均一に存在することとなる。このため、焼成工程で生成されるカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）は、セラミック繊維やセラミック粒子のほぼ全体に亘って、一層均一に付着することとなる。

而して、本方法により製造された複合材用プリフォームは、高い強度と優れた通気性とを、その全体で一層等しく発揮し得るものとなり、安定性とバランスとにより優れたものとなり得る。

尚、炭酸カルシウムにあっては、取り扱いの容易さ及び比較的容易に生成可能であることから、粒径０．１μｍ以上のもの用い得る。そして、シリカゾルとの反応性を一層良くするために、粒径０．１μｍ以上かつ５μｍ以下のものが好適に用い得る。

また、上述した複合材用プリフォームにあって、混合工程で、セラミック粒子として、粒径１０μｍ以下のホウ酸アルミ粒子を混入して混合水溶液を調合するようにした方法が提案される。

混合工程で、粒径１０μｍ以下のホウ酸アルミニウム粒子（９Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３）を混合することにより、焼結工程で、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）から分離した一酸化カルシウム（ＣａＯ）がシリカゾル（ＳｉＯ_２）及びこのホウ酸アルミニウム粒子と反応して、カルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｂ−Ｓｉ焼結体）を生成する。そして、このカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｂ−Ｓｉ焼結体）は、セラミック繊維又は／及び他のセラミック粒子を相互に強固に結合すると共に、該繊維又は／及び粒子間に充分な広さの空隙を形成する。ここで、ホウ酸アルミニウム粒子（９Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３）は、その粒径が小さくなるに従って、一酸化カルシウム（ＣａＯ）とシリカゾル（ＳｉＯ_２）との反応性が良くなる傾向を示す。このため、粒径１０μｍ以下のホウ酸アルミニウム粒子を用いることにより、焼結工程で、セラミック繊維やセラミック粒子を強固に結合でき得るカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｂ−Ｓｉ焼結体）を充分かつ容易に生成可能となる。

したがって、本方法によれば、高い強度と優れた通気性とを発揮し得る複合材用プリフォームを製造することができる。そして、本方法により製造された複合材用プリフォームを高速ダイカスト成形法に適用することにより、優れた力学的特性を発揮し得る金属複合材を成形可能となる。

尚、混合工程で混合するホウ酸アルミニウム粒子（９Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３）は、粒径１μｍ以上かつ５μｍ以下のものが、一酸化カルシウム（ＣａＯ）とシリカゾル（ＳｉＯ_２）との反応性に一層優れ、好適に用い得る。

本発明は、上述したように、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に、シリカゾル及び炭酸カルシウムとを混合して、所定温度で焼結してなり、該焼結によってシリカゾルと炭酸カルシウムから分解された一酸化カルシウムとが反応して生成されたカルシウム−ケイ素焼結体により、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子が相互に結合され、かつ該繊維又は／及び粒子間に空隙が形成されてなる複合材用プリフォームであるから、上述した従来構成の無機バインダーの結晶化により結合されたプリフォームに比して、高い強度と優れた通気性とを発揮することができ得る。そして、この複合材用プリフォームは、高い生産性を発揮し得る高速ダイカスト成形法に適用可能であり、優れた力学的特性を有する金属複合材を成形できるものである。

ここで、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に混合するシリカゾルが、その含有するシリカの重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．０１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものである共に、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に混合する炭酸カルシウムが、その重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．００１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものである構成にあっては、高い強度と優れた通気性をバランス良くかつ安定的に発揮し得る。

また、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に混合する炭酸カルシウムが、粒径１０μｍ以下のものである構成にあっては、該炭酸カルシウムから分解した一酸化カルシウムがシリカゾルと反応し易く、カルシウム−ケイ素焼結体が繊維又は／及び粒子に滑らかな膜状に付着することとなるため、一層高い強度と優れた通気性とを発揮し得る。

また、焼結前のセラミック粒子として、粒径１０μｍ以下のホウ酸アルミニウム粒子を用いてなるものである構成とした場合にあっては、このホウ酸アルミニウム粒子と、シリカゾルと、炭酸カルシウムから分解した一酸化カルシウムとが反応して生成されたカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体によって、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を結合したものとなる。この複合材用プリフォームにあっても、上述した従来構成のプリフォームに比して、高い強度と優れた通気性とを発揮し得る。

一方、上記した複合材用プリフォームの製造方法として、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に、シリカゾル及び炭酸カルシウムを水中で混ぜて混合水溶液を調合する混合工程と、該混合水溶液から水分を除去して混合物を形成する脱水工程と、この混合物を所定温度で焼結することによって、シリカゾルと、炭酸カルシウムから分解した一酸化カルシウムとを反応させて生成したカルシウム−ケイ素焼結体により、各セラミック繊維又は／及びセラミック粒子を相互に結合するようにした焼結工程とを備えた方法としたから、上述した高い強度と優れた通気性とを有する複合材用プリフォームを比較的容易かつ安定的に製造することができ得る。さらに、この製造方法により製造された複合材用プリフォームは、高速ダイカスト成形法に適用可能であり、高い生産性を発揮すると共に、優れた力学的特性を有する金属複合材を得ることができる。

ここで、混合工程で混合するシリカゾルが、その含有するシリカの重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．０１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものであると共に、混合工程で混合する炭酸カルシウムが、その重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．００１以上かつ０．１５以下となるようにしたものである方法にあっては、高い強度と優れた通気性をバランス良くかつ安定的に発揮し得る複合材用プリフォームを製造できる。

また、混合工程で混合する炭酸カルシウムが、粒径１０μｍ以下のものであるとした方法にあっては、炭酸カルシウムから分解した一酸化カルシウムがシリカゾルと反応し易く、カルシウム−ケイ素焼結体が、繊維又は／及び粒子に滑らかに付着する。而して、この方法で製造された複合材用プリフォームは、高い強度と優れた通気性とを、一層バランス良くかつ安定して発揮できるものとなる。

また、混合工程で、セラミック粒子として、粒径１０μｍ以下のホウ酸アルミ粒子を混入して混合水溶液を調合するようにした方法にあっては、焼結工程で、このホウ酸アルミニウム粒子がシリカゾルと炭酸カルシウムから分解した一酸化カルシウムと反応してカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体を生成する。このカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体により繊維又は／粒子を結合した複合材用プリフォームは、上述した従来構成のプリフォームに比して、高い強度と優れた通気性とを発揮し得る。

本発明の実施例を添付図面を用いて詳述する。
図１は、複合材用プリフォーム１を製造する工程を表した図であり、このプリフォーム製造工程は、混合工程、脱水工程、乾燥工程、焼結工程から構成されている。図１（Ａ）は混合工程であって、所定の容器２１内で、各材料を水中で攪拌棒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から吸引成形器２２に移す。図１（Ｂ）は脱水工程であって、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、混合物９を得る。そして、この混合物９を、吸引成形器２２から取り出して充分に乾燥させる乾燥工程を行う（図示省略）。図１（Ｃ）は焼結工程であって、この混合物９を加熱炉２５内のテーブル３２に設置し、該加熱炉２５に接続された真空ポンプ２９によって加熱炉２５の内部を真空状態とした後、所定雰囲気中で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。

次に、図２に示すようなダイカスト成形工程によって、上記の複合材用プリフォーム１にアルミニウム合金の溶湯６を含浸させることにより金属複合材１０を成形する。このダイカスト成形工程を行うダイカスト成形装置３３にあっては、図２（Ａ）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６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６を射出するスリーブ３７とを備えている。そして、金型３４のキャビティ３５内に複合材用プリフォーム１を配置し、また、該キャビティ３５内に射出する溶湯６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。そして、図２（Ｂ）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６をキャビティ３５内に射出する。このようにして、金属複合材１０を得る。尚、このダイカスト成型装置３３は、プランジャーチップ３８を進出駆動する駆動速度を変更することが可能であり、該駆動速度を比較的高速とすることにより所謂高速ダイカスト成形を行うことができる。

上述の複合材用プリフォーム１の製造工程及び該複合材用プリフォーム１にアルミニウム合金の溶湯６を含浸させるダイカスト成形工程と、各工程により夫々に成形される複合材用プリフォーム１及び金属複合材１０を、以下の具体例に従って説明する。

上述した混合工程（図１（Ａ））で、容器２１内の水中に下記（ｉ）〜（ｖ）以下の材料を入れる。
（ｉ）アルミナ短繊維２（平均繊維径５μｍ、平均嵩比２０ｃｃ／５ｇｆ）
（ii）ホウ酸アルミニウム粒子３（９Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３、平均粒径３０μｍ）
（iii）炭酸カルシウム粒子４（ＣａＣＯ_３、平均粒子径０．３μｍ）
（iv）黒鉛粒子５（平均粒径２０μｍ）
（ｖ）シリカゾル７（ＳｉＯ_２、濃度約４０％のコロイド状水溶液）
ここで、平均繊維径、平均嵩比、平均粒径は、それぞれ繊維径、嵩比、粒径の平均値であり、バラツキを有している。尚、アルミナ短繊維２が、本発明にかかるセラミック繊維であり、ホウ酸アルミニウム粒子３及び黒鉛粒子５が、本発明にかかるセラミック粒子である。そして、これらセラミック繊維やセラミック粒子が、所謂強化材である。

ここで、上記したアルミナ短繊維２は約１０体積％、ホウ酸アルミニウム粒子３は約８体積％、黒鉛粒子５は約６体積％となるようにして調整した。さらに、炭酸カルシウム粒子４は、その重量が、アルミニウム短繊維２とホウ酸アルミニウム粒子３と黒鉛粒子５の合計重量に対して約０．０５の重量比となるようにして加え、同様に、シリカゾル７は、この水溶液中のシリカの重量が、この合計重量に対して約０．０６の重量比となるようにして加えた。

そして、上記（ｉ）〜（ｖ）の各材料を入れた水溶液を攪拌棒３１で攪拌することにより、各材料がほぼ均一に混在した混合水溶液８を得る。尚、粒子径の小さい炭酸カルシウム４の分散性は良く、混合水溶液８のほぼ全域に亘って存在する。

次に、この混合水溶液８を吸引成形器２２に移し、上述の脱水工程（図１（Ｂ））に移行する。この吸引成形器２２には、内部をフィルター２４により上下に区画され、その上部領域２６ａに混合水溶液８が流入される円筒形状の水溶液滞留部２６と、この水溶液滞留部２６の下方に設けられ、該水溶液滞留部２６の下部領域２６ｂと連通する水滞留部２７と、この水滞留部２７に接続され、該水滞留部２７を経て、水溶液滞留部２６から水分を吸引する真空ポンプ２３とを備えている。

脱水工程にあっては、吸引成形器２２の水溶液滞留部２６の上部領域２６ａに、上述の混合水溶液８を流入した後、真空ポンプ２３を作動させることにより、該混合水溶液８の水分を、水滞留部２７から水溶液滞留部２６の下部領域２６ｂを経て吸引する。これにより、混合水溶液８の水分がフィルター２４を通過して流下し、上記した各材料が混合してなる円筒形状の混合物９を得る。さらに、この混合物９を吸引成形器２２から取り出し、約１２０℃の乾燥炉等に入れ、充分に水分を除去する乾燥工程を行う（図示省略）。

ここで、上記した脱水工程後の混合物９は、混合工程で各材料がほぼ均一に分散されて存在する混合水溶液８から成るものであるから、同様に各材料がほぼ均一に分散された状態となっている。この混合物９は、シリカゾル７がアルミナ短繊維２やホウ酸アルミニウム粒子３や黒鉛粒子５の各表面上に膜状に付着しており、炭酸カルシウム粒子４がこのシリカゾル７の全域に亘ってほぼ均一に付着した状態となっている（図示省略）。そして、夫々隣接するアルミナ短繊維２やホウ酸アルミニウム粒子３や黒鉛粒子５がシリカゾル７の付着力により接着されたような状態となっている（図示省略）。これにより、次の加熱炉２５への搬送時に、混合物９が変形したり壊れたりすることを防止し、該混合物９の形態が維持され得る。尚、この各強化材同士がシリカゾル７の付着力により結び付いている状態は、後述する焼結工程後の結合に比して弱く、比較的丁寧な搬送に耐え得るものである。

次に、上述した焼結工程（図１（Ｃ））に移行する。上記の混合物９を、加熱炉２５内に設置されたテーブル３２上に置く。そして、真空ポンプ２９を作動させ、加熱炉２５の内部を１０Ｐａの真空状態とする。その後、この炉内に窒素ガスを５Ｌ／ｍｉｎの一定流量で流しつつ加熱し、約１１５０℃で保持する。そして、室温まで炉冷し（図示省略）、円柱形状の複合材用プリフォーム１Ａ（図３参照）を得る。ここで、本実施例１は、黒鉛粒子５を混合していることから、該黒鉛粒子５が酸化消失しないように、窒素ガス雰囲気中で焼成工程を行うようにしている。

この焼成工程では、シリカゾル７に付着している炭酸カルシウム粒子（ＣａＣＯ_３）４が高温下で一酸化カルシウム（ＣａＯ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）に分解して、この一酸化カルシウム（ＣａＯ）がシリカゾル（ＳｉＯ_２）７と反応することにより（図示省略）、ガラス状態のカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）１１を生成する（図３，４参照）。ここで、シリカゾル７は、混合物９の状態で、上述したように、アルミナ短繊維２やホウ酸アルミニウム粒子３や黒鉛粒子５の各表面上に膜状に付着しており、かつ炭酸カルシウム粒子４がほぼ均一に分散して該シリカゾル７に付着している。これにより、アルミナ短繊維２やホウ酸アルミニウム粒子３や黒鉛粒子５には、膜状のカルシウム−ケイ素焼結体１１がほぼ均一に生成されることとなり得る（図４参照）。そして、このように生成されたカルシウム−ケイ素焼結体は、アルミナ短繊維２、ホウ酸アルミニウム粒子３、黒鉛粒子５の強化材同士を強固に結合する。これにより、この焼結工程で成形された複合材用プリフォーム１Ａは、高い強度を発揮し得るものとなっている。

上記複合材用プリフォーム１Ａでは、図３の拡大写真から、カルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）１１が、アルミナ短繊維２、ホウ酸アルミニウム粒子３、黒鉛粒子５を被覆するように、滑らかな膜状に付着しており、このカルシウム−ケイ素焼結体１１によって隣り合う強化材同士が結合されていることが確認できる（図４参照）。また、このカルシウム−ケイ素焼結体１１は、アルミナ短繊維２、ホウ酸アルミニウム粒子３、黒鉛粒子５を被覆するように膜状に付着していることから、これら各強化材間に比較的広い空隙１４が形成されている。これにより、この複合材用プリフォーム１Ａが優れた通気性を発揮し得るものとなっている。

このように複合材用プリフォーム１Ａは、そのほぼ全体に亘ってほぼ均一に、アルミナ短繊維２、ホウ酸アルミニウム粒子３、黒鉛粒子５を膜状に被覆するようにカルシウム−ケイ素焼結体１１が付着されてなるものとなっている。したがって、上記した強度及び通気性をその全域でほぼ均等に発揮でき、総じて高い強度と優れた通気性とが安定して発揮され得る。

尚、このように複合材用プリフォーム１を製造するプリフォーム製造工程は、本発明にかかる複合材用プリフォームの製造方法に従って構成されている。

次に、上述したプリフォーム製造工程で製造した複合材用プリフォーム１Ａを、ダイカスト成形装置３３（図２参照）によりアルミニウム合金と複合化し、所望の金属複合材１０Ａを成形する。このダイカスト成形装置３３は、複合材用プリフォーム１Ａに、アルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＤＣ１２）の溶湯６を含浸するようにしている。ここで、本実施例１にあっては、金型３４が、凸形状の上型３４ａと凹形状の下型３４ｂとを嵌め合わせることにより、円筒形状のキャビティ３５が形成されるものとしており、該キャビティ３５内に、円筒形状に形成された複合材用プリフォーム１Ａが嵌入可能となるようにしている。また、この金型３４の下型３４ｂには、スリープ３７が接続される接続部（図示省略）と、該スリープ３７が接続された場合に、スリープ３７内の溶湯６がキャビティ３５内に流入する湯口３６とが設けられている。尚、上型３４ａと下型３４ｂとが嵌め合わされた場合には、キャビティ３５と湯口３６とを連通する湯路３９も形成されるようになっており、湯口３６から流入した溶湯６は湯路３９を通じてキャビティ３５内へ流入する。

先ず、上記した複合材用プリフォーム１Ａを約６００℃で予熱し、金型３４を２００〜２５０℃に保持しておく。そして、図２（Ａ）のように、下型３４ｂに予熱した複合材用プリフォーム１Ａを配置して、上型３４ａを嵌め合わせる。これにより、金型３４の円筒形状のキャビティ３５に複合材用プリフォーム１Ａが収容される。一方、約６８０℃に保持したアルミニウム合金の溶湯６を、金型３４の下方位置に在って、プランジャーチップ３８を退出位置（図示省略）としたスリーブ３７に注入する。この後、図２（Ｂ）のように、スリープ３７を昇動して、金型３４の湯口３６に該スリーブ３７の上端部を接続する。そして、プランジャーチップ３８を退避位置から所定駆動速度で進出駆動して、スリープ３７内の溶湯６をキャビティ３５内へ射出する。ここで、湯口３６から流入する溶湯６の射出速度が、比較的高速の約２．０ｍ／ｓとなるように、プランジャーチップ３８の駆動速度を調整している。

そして、図２（Ｃ）のように、キャビティ３５内に溶湯６が充填されると、プランジャーチップ３８が停止して該溶湯６の注入が止まり、冷却後にスリーブ３７を降動して金型３４から取り外す。そして、金型３４の上型３４ａと下型３４ｂとを分離して、該金型３４から金属複合材１０Ａ（図５参照）を取り出す（図２（Ｄ））。尚、この金属複合材１０Ａは、金型３４から取り外した後、湯口３６及び湯路３９により形成された部位は除去して、円筒形状としている（図示省略）。この金属複合材１０Ａは、複合材用プリフォーム１Ａにアルミニウム合金６’（図５参照）が含浸されて複合化されてなるものであり、本実施例にあっては円筒形状に形成されている。この金属複合材１０Ａを断面観察した結果、図５のように、アルミナ短繊維２やホウ酸アルミニウム粒子３や黒鉛粒子５の間にアルミニウム合金６’が充分に含浸されており、巣（未含浸部位）が生じていないことを確認した。

また、上記したようにアルミニウム合金の溶湯６を比較的高速で射出するようにしても、複合材用プリフォーム１Ａは変形や破壊せず、成形後の金属複合材１０Ａに亀裂や割れ等も生じない。このことからも、本実施例１の複合材用プリフォーム１は、高い強度と優れた通気性とを有していることがわかる。

一方、実施例２は、プリフォーム製造工程の混合工程（図１（Ａ））で、容器２１内の水中に下記（ｉ）〜（ｖ）以下の各材料を入れる。
（ｉ）アルミナ短繊維２（平均繊維径５μｍ、平均嵩比２０ｃｃ／５ｇｆ）
（ii）ホウ酸アルミニウム粒子３（９Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３、平均粒径３μｍ）
（iii）炭酸カルシウム粒子４（ＣａＣＯ_３、平均粒子径０．３μｍ）
（iv）黒鉛粒子５（平均粒径２０μｍ）
（ｖ）シリカゾル７（ＳｉＯ_２、濃度約４０％のコロイド状水溶液）
ここで、ホウ酸アルミニウム粒子をその平均粒子径が３μｍであるものとした以外は、実施例１と同じとしている。尚、このホウ酸アルミニウム粒子の混合量は、実施例１のホウ酸アルミニウム粒子３と同じ混合量としている。以下、実施例１と同じ工程及び構成の説明は適宜省略し、同じ構成には同じ符号を記している。

この混合工程から得た混合水溶液８を、脱水工程（図１（Ｂ））で吸引成形器２２により水分を除去して混合物９を得る。この混合物９を乾燥工程（図示省略）で乾燥した後、焼結工程へ移行する。焼結工程（図１（Ｃ））では、窒素ガス雰囲気中で加熱して約１１５０℃に保持した後、炉冷して複合材用プリフォーム１Ｂ（図６参照）を得る。

本実施例２の焼結工程にあっては、炭酸カルシウム粒子（ＣａＣＯ_３）４が高温下で一酸化カルシウム（ＣａＯ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）に分解し、この一酸化カルシウム（ＣａＯ）とシリカゾル（ＳｉＯ_２）７とホウ酸アルミニウム粒子（９Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３）とが反応することによって、ガラス状態のカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｂ−Ｓｉ焼結体）１２を生成する（図６参照）。このカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体１２は、アルミナ短繊維２や黒鉛粒子５の表面を被覆するように、そのほぼ全域に亘って滑らかな膜状に付着しており、これら強化材を互いに夫々強固に結合する。これは、図６に示す複合材用プリフォーム１Ｂの拡大写真からも明らかである。さらに、この複合材用プリフォーム１Ｂも、上述した実施例１と同様に、カルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体１２が強化材の表面を被覆するように滑らかに付着していることから、各強化材間に比較的広い空隙１４が形成されており、優れた通気性を有するものとなっている。

次に、この複合材用プリフォーム１Ｂを上記したダイカスト成形装置３３で、図２のように、アルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＤＣ１２）の溶湯６を含浸して、金属複合材１０Ｂ（図７参照）を成形する。このダイカスト成形装置３３によるダイカスト成形工程にあっても、上述した実施例１と同様に実行して所望の金属複合材１０Ｂを得る。そして、本実施例２の複合材用プリフォーム１Ｂにあっても、上述した実施例１と同様、比較的高速の射出速度（約２．０ｍ／ｓ）により溶湯６を含浸しても、変形や破壊、亀裂や割れ等を生じず、所望の金属複合材１０Ｂを得た。このことから、複合材用プリフォーム１Ｂは、高い強度と優れた通気性を有していることが明らかである。また、この金属複合材１０Ｂを断面観察した結果、図６のように、アルミナ短繊維２や黒鉛粒子５の間にアルミニウム合金６’が充分に含浸されており、巣（未含浸部位）が生じていないことを確認した。

＜比較例１＞
また、比較例１として、炭酸カルシウム粒子４を混合せずに、シリカゾル７を無機バインダーとして混合した、従来構成の複合材用プリフォーム６１を製造した。
この複合材用プリフォーム６１は、上述した実施例１と同様のプリフォーム製造工程で製造する。混合工程（図１（Ａ）参照）で、下記（ｉ）〜（iv）以下の各材料等を容器２１の水中で攪拌して混合水溶液（図示省略）を得る。
（i）アルミナ短繊維２（平均繊維径５μｍ、平均嵩比２０ｃｃ／５ｇｆ）
（ii）ホウ酸アルミニウム粒子３（９Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３、平均粒径３０μｍ）
（iii）黒鉛粒子５（平均粒径２０μｍ）
（iv）シリカゾル７（ＳｉＯ_２、濃度約４０％のコロイド状水溶液）
ここで、比較例１は、炭酸カルシウム粒子４を混合しないこと以外は実施例１と同じとしている。したがって、以下、実施例１と同じ工程及び構成の説明は適宜省略し、同じ構成には同じ符号を記している。

上記した混合工程後には、実施例１と同様に、脱水工程、乾燥工程、焼結工程を順次実行して（図１参照）、複合材用プリフォーム６１（図８参照）を得る。この複合材用プリフォーム６１は、図８の拡大写真のように、焼結工程の高温下でシリカゲル７が結晶化した粒状物６２が、アルミナ短繊維２、ホウ酸アルミニウム粒子３、黒鉛粒子５の表面に、外方へ突出するように付着している（図９参照）。また、部分的には、このシリカゾル７の結晶化した粒状物６２が固まって塊状となって存在している。そして、このように結晶化したシリカゾル７が隣接する強化材同士を結合している。

上記した複合材用プリフォーム６１の拡大写真（図８）から、上述した実施例１及び実施例２に比して、強化材間の隙間が狭くなっていることが容易に推察できる。

このような複合材用プリフォーム６１を、上述したダイカスト成形装置３３（図２参照）によって、アルミニウム合金の溶湯６を含浸して、金属複合材６０（図１０参照）を得る。ここで、実施例１と同様の射出速度（約２．０ｍ／ｓ）となるように、プランジャーチップ３８を進出駆動すると、複合材用プリフォーム６１が変形してしまい、適正な成形を行うことができなかった。このため、溶湯６の射出速度を徐々に低下させ、複合材用プリフォーム６１が変形したり、成形後に亀裂や割れ等を生じない射出速度で成形を行った。この射出速度は、約１．０ｍ／ｓであった。したがって、比較例１の複合材用プリフォーム６１は、溶湯６を比較的低速で含浸させねばならず、その強度や通気性が、上述した実施例１，２の複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂに比して、低いことが推察される。

そして、上記のようにして成形した金属複合材６０を断面観察した結果、図１０のように、巣（未含浸部位）Ｘが存在していることを確認した。したがって、この金属複合材６０は、上述した実施例１，２の金属複合材１０Ａ，１０Ｂに比して、力学的物性を充分に発揮できないことが推察される。

次に、上述した実施例１及び実施例２の各複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂと、比較例１の複合材用プリフォーム６１との、強度と通気性とを評価する試験を行った。さらに、実施例１及び実施例２の金属複合材１０Ａ，１０Ｂと、比較例１の金属複合材６０との、力学的特性を評価する試験を行った。尚、力学的特性としては、代表的に硬度を評価することにより行っている。

ここで、上述した実施例１，２及び比較例１では、各複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂ、６１を、外径１００ｍｍ、内径９０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒形状に製造している。そして、各金属複合材１０Ａ，１０Ｂ，６０は、この複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂ、６１に従って、ほぼ等しい寸法形状に形成している。

複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂ、６１の強度評価試験としては、その円筒形状を径方向に圧縮する圧縮試験を行い、それぞれの最大荷重を求め、これを強度として評価した。この結果は、図１１のように、比較例１の複合材用プリフォーム６１が約１０Ｎであったのに対して、本実施例１，２の複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂはいずれも約２０Ｎであった。これにより、複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂは、高い強度を有するものであることが証明された。

また、複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂ、６１の通気性評価試験としては、その円筒形状の一方の端面から所定圧力の空気を吹き付け、他方の端面から噴き出る空気の圧力を測定し、この圧力損失を求めて、これを通気性として評価した。すなわち、この圧力損失が小さくなるに従って通気性が向上することとなっている。尚、この通気性評価試験は、ＪＩＳ Ｒ２１１５の「耐火レンガの通気性試験方法」に準拠して行っている。この結果は、図１１のように、比較例１の複合材用プリフォーム６１の圧力損失が約７．０ＫＰａで在ったのに対して、本実施例１の複合材用プリフォーム１Ａの圧力損失は約５．０ＫＰａであり、実施例２の複合材用プリフォーム１Ｂの圧力損失は約５．５ＫＰａであった。これにより、複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂは、優れた通気性を有するものであることが証明された。

さらに、金属複合材１０Ａ，１０Ｂ，６０の各硬度を評価する硬さ評価試験として、ビッカース硬さ試験を行った。このビッカース硬さ試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠し、所定の四角錐の圧子を、各複合材のアルミニウム複合層１２の表面に、９８Ｎの加重で押しつけ、その硬さを測定した。この結果、比較例１の金属複合材６１の硬さは１１０Ｈｖであったのに対して、実施例１の金属複合材１０Ａは１２５Ｈｖであり、実施例２の金属複合材１０Ｂは１３５Ｈｖであった。これにより、金属複合材１０Ａ，１０Ｂは高い硬度を有するものであることが証明された。

さらに、これら各金属複合材１０Ａ，１０Ｂ，６０の耐久性を評価する試験を行ったところ、実施例１及び実施例２の金属複合材１０Ａ，１０Ｂが、比較例１の金属複合材６０に比して高い耐久性を示した。このような耐久性の評価結果と、上記した硬度の評価結果とは、金属複合材１０Ａ，１０Ｂがアルミニウム合金６’を充分に含浸しており、巣をほとんど生じていないことからも明らかである（図４，６参照）。したがって、本発明にかかる金属複合材１０Ａ，１０Ｂは、従来構成の金属複合材６０に比して、この耐久性と上記した硬度とに優れた、高い力学的物性を有するものである。

このような各評価結果から、本発明にあっては、従来構成のプリフォーム６１に比して、高い強度と優れた通気性との両者を有する複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂを得ることができる。さらに、本発明にかかる複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂは、比較的高速でアルミニウム合金の溶湯６を充填する高速ダイカスト成形法に適用でき、成形された金属複合材１０Ａ，１０Ｂには巣（未含浸部位）がほとんど生成されない。そして、この金属複合材１０Ａ，１０Ｂは、優れた力学的物性（硬さ及び耐久性）を有するものである。而して、本発明の複合材用プリフォーム及びその製造方法によれば、例えば自動車のエンジン部品のように要求性能の厳しい部品に用いることができる。さらに、高速ダイカスト成形法に適用できることから、このような複合化した部品の生産性も向上し、高い市場競争力も発揮できる。

上述した実施例１，２にあっては、セラミック繊維としてアルミナ短繊維２を用い、セラミック粒子として黒鉛粒子５やホウ酸アルミニウム粒子３を用いた構成であるが、その他の種類として、例えば、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカ等を用いた構成とすることも可能である。また、セラミック繊維、セラミック粒子のいずれか一方のみを混合する構成としても良く、かかる構成にあっても、上述した実施例１，２と同様の作用効果を発揮することが可能である。さらにまた、黒鉛粒子５を混合しなくても良いし、黒鉛粒子５の代わりに活性炭を混合するようにしても良い。この黒鉛粒子や活性炭を混合すると、耐摩耗性や振動減衰性能が向上することから、エンジン部品等に好適である。また、黒鉛粒子や活性炭を用いない場合には、これらの酸化消失を防止する必要がないため、焼結工程を空気中で行っても良い。

また、アルミナ短繊維２、ホウ酸アルミニウム粒子３、黒鉛粒子５等の強化材の形状寸法としては、例えば、アルミナ短繊維２は、平均径が１μｍ〜１０μｍ、平均嵩比が１０ｃｃ／５ｇｆ〜５０ｃｃ／５ｇｆのものを用いても、上述と同様の作用効果を発揮し得る複合材用プリフォーム１を製造可能である。同様に、ホウ酸アルミニウム粒子３は平均粒径が１μｍ〜１００μｍのもの、黒鉛粒子５は平均粒径が１μｍ〜１０００μｍのものを用いることができる。尚、これら各強化材と異なる種類のセラミック繊維やセラミック粒子を用いた場合には、ほぼ同様な形状寸法のものが好適に用い得る。

また、上述した複合材用プリフォーム１の製造工程にあって、焼結工程を行う温度としては、諸処の条件により、８００℃〜１５００℃で行うことも可能である。例えば、焼結する反応を促進する促進剤を新たに混合して比較的低温で行うこともできる。尚、上記した本実施例１，２にあっては、１０００℃〜１２００℃で行うことが好適である。

尚、上述した実施例１の複合材用プリフォーム１の製造工程では、非結晶状となるガラス状態のカルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）１１が生成され、実施例２では、ガラス状態のカルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｂ−Ｓｉ焼結体）１２が生成されるものとしているが、混合工程における混合量や焼成工程の焼成条件によって、これら焼結体は結晶状を成す化合物として生成されることもある。そして、これら焼結体が化合物として生成された場合にあっても、上述と同様の作用効果を適正に発揮することができ得る。

本発明にあっては、上述した実施例に限定されるものではなく、その他の構成についても、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更可能である。

本発明にかかる、複合材用プリフォーム１を製造するプリフォーム製造工程を表す説明図である。 同上のプリフォーム製造工程で製造した複合材用プリフォーム１から金属複合材１０を成形するダイカスト成形工程を表す説明図である。 実施例１の複合材用プリフォーム１Ａの、（Ａ）拡大写真と（Ｂ）さらに部分的に拡大した拡大写真である。 同上の複合材用プリフォーム１Ａを拡大した模式図である。 同上の複合材用プリフォーム１Ａから成形した金属複合材１０Ａの断面拡大写真である。 実施例５の複合材用プリフォーム１Ｂの、（Ａ）拡大写真と（Ｂ）さらに部分的に拡大した拡大写真である。 同上の複合材用プリフォーム１Ｂから成形した金属複合材１０Ｂの断面拡大写真である。 比較例１の複合材用プリフォーム６１の、（Ａ）拡大写真と（Ｂ）さらに部分的に拡大した拡大写真である。 同上の複合材用プリフォーム６１を拡大した模式図である。 同上の複合材用プリフォーム６１から成形した金属複合材６０の断面拡大写真である。 実施例１，２及び比較例１の各複合材用プリフォーム１Ａ，１Ｂ，６１の、その強度と通気性とを評価した結果を表す評価結果図である。

符号の説明

１、１Ａ，１Ｂ 複合材用プリフォーム
２ アルミナ短繊維（セラミック繊維）
３ ホウ酸アルミニウム粒子（セラミック粒子）
４ 炭酸カルシウム粒子
６ アルミニウム合金の溶湯
７ シリカゾル
８ 混合水溶液
９ 混合物
１０，１０Ａ，１０Ｂ 金属複合材
１１ カルシウム−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｓｉ焼結体）
１２ カルシウム−ホウ素−ケイ素焼結体（Ｃａ−Ｂ−Ｓｉ焼結体）
１４ 空隙

Claims (8)

1. セラミック繊維又は／及びセラミックス粒子を焼結してなるものであって、軽金属の溶湯が含浸されることにより金属複合材を成形するための複合材用プリフォームにおいて、
   セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に、シリカゾル及び炭酸カルシウムを混合して、所定温度で焼結したものであり、該焼結によりシリカゾルと炭酸カルシウムから分解された一酸化カルシウムとが反応して生成されるカルシウム−ケイ素焼結体によって、セラミック繊維又は／及びセラミック粒子が相互に結合され、かつ該繊維又は／及び粒子間に空隙が形成されていることを特徴とする複合材用プリフォーム。
2. セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に混合するシリカゾルが、その含有するシリカの重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．０１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものであると共に、
   セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に混合する炭酸カルシウムが、その重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．００１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものである請求項１に記載の複合材用プリフォーム。
3. セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に、シリカゾルと共に混合する炭酸カルシウムが、粒径１０μｍ以下のものである請求項１又は請求項２に記載の複合材用プリフォーム。
4. 焼結前のセラミック粒子として、粒径１０μｍ以下のホウ酸アルミニウム粒子を用いてなる請求項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。
5. セラミック繊維又は／及びセラミックス粒子を焼結してなり、該焼結後に軽金属の溶湯を含浸して金属複合材を成形するための複合材用プリフォームの製造方法において、
   セラミック繊維又は／及びセラミック粒子に、シリカゾル及び炭酸カルシウムを水中で混ぜて混合水溶液を調合する混合工程と、
   該混合水溶液から水分を除去して、混合物を形成する脱水工程と、
   この混合物を所定温度で焼結することにより、シリカゾルと、炭酸カルシウムから分解された一酸化カルシウムとを反応させてカルシウム−ケイ素焼結体を生成し、該カルシウム−ケイ素焼結体によりセラミック繊維又は／及びセラミック粒子を相互に結合するようにした焼結工程と
   を備えていることを特徴とする複合材用プリフォームの製造方法。
6. 混合工程で混合するシリカゾルが、その含有するシリカの重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．０１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものであると共に、混合工程で混合する炭酸カルシウムが、その重量を、セラミック繊維及びセラミック粒子の合計重量に対して０．００１以上かつ０．１５以下の重量比となるようにしたものである請求項５に記載の複合材用プリフォームの製造方法。
7. 混合工程で混合する炭酸カルシウムが、粒径１０μｍ以下のものである請求項５又は請求項６に記載の複合材用プリフォームの製造方法。
8. 混合工程で、セラミック粒子として、粒径１０μｍ以下のホウ酸アルミ粒子を混入して混合水溶液を調合するようにした請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の複合材用プリフォームの製造方法。