JP2009262158A - Method for manufacturing metal composite material - Google Patents

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Makoto Fujita
誠 藤田
Masaoki Hashimoto
正興 橋本
Kunio Kumagai
邦夫 熊谷
Ikuo Suzuki
育夫 鈴木
Toshihiro Takami
俊裕 高見
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Central Motor Wheel Co Ltd
Toyota Motor Corp
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Central Motor Wheel Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a metal composite material having desirable strength, without lowering the strength caused by oxidation of metal staples and without generating the fall-down of the metal staples. <P>SOLUTION: A group of respective metal staples 12 in at least the metal surface layer of a preliminary forming body 2 formed by press-working is pre-combined with a combining agent 16 melted with high molecular polymer and glass particles 17, and a preform 1 is formed by heating to the sintering temperature of the softening point or higher of the glass particles 17 and combining the group of respective metal staples 12 with the glass particles 17 and molten metal 6 is press impregnated into this preform 1 to manufacture the metal composite material 10. Depending on this method, it can be prevented to fall down the respective metal staples 12 with the preliminary forming body 2 and the preform 1. Further, since the group of respective metal staples 12 can be combined with the glass staples 17 without heating to the high temperature, at which the metal staples 12 are sintered, the oxidation of the metal staples 12 can be restrained. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、金属短繊維とアルミニウム合金等の金属母材とを組み合わせて複合化してなる金属複合材の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a metal composite material obtained by combining a short metal fiber and a metal base material such as an aluminum alloy in combination.

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、セラミックス短繊維又は金属短繊維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を発揮できるようになっている。   For example, automobiles tend to have more parts manufactured from light metals such as aluminum, which are excellent in weight reduction, high durability, low thermal expansion, and the like, in order to improve fuel economy and driving performance. In particular, metal composites made by combining light metals and reinforcing materials such as short ceramic fibers or short metal fibers are applied to those with severe usage environments such as engine parts, which further reduces weight and increases durability. It has become possible to demonstrate sex.

上記した金属複合材にあって、軽金属などの金属母材と金属短繊維とを備えた金属複合材は、金属母材とセラミック短繊維とを複合化した構成に比して、弾力性に優れているため割れ難く、かつ高い強度を有している。特に、高温雰囲気での強度が高く、さらに疲労強度も高いことから、上記した自動車のエンジン部品などに適用されている。また、金属母材と金属短繊維とは、なじみ易い(ぬれ性に優れている)ことから、複合化による効果の発現性も高いという利点を有している。   In the above-mentioned metal composite material, a metal composite material including a metal base material such as a light metal and a short metal fiber is superior in elasticity to a configuration in which a metal base material and a ceramic short fiber are combined. Therefore, it is difficult to break and has high strength. In particular, since it has high strength in a high temperature atmosphere and high fatigue strength, it is applied to the engine parts of automobiles described above. In addition, since the metal base material and the metal short fiber are easy to fit (excellent wettability), they have an advantage that the effect of combining is high.

このような金属複合材としては、例えば特許文献1に、金属短繊維を不織布のようなシート状のウエブを複数枚積層してプレス加工し、焼結することによりプリフォームを成形し、該プリフォームに金属の溶湯を含浸して成形されるものが開示されている。ここで、金属短繊維としては、FeCrSi合金、ステンレス鋼、Ni−Cr合金が用いられている。   As such a metal composite material, for example, Patent Document 1 discloses that a preform is formed by laminating a plurality of sheet-like webs of short metal fibers, pressing them, and sintering them. An article is disclosed in which a reform is impregnated with a molten metal. Here, FeCrSi alloy, stainless steel, or Ni—Cr alloy is used as the short metal fiber.

尚、上記したセラミック短繊維からプリフォームを成形する際には、水中でセラミック短繊維を混合し、その水分を除去した後に、焼結する方法が一般的である。これに対して、金属短繊維を用いる場合には、該金属短繊維がセラミック短繊維に比して重く、水中で均一に分散できないこと、および金属短繊維が錆てしまうこと等から、金属短繊維を不織布状として、これを積層してプレス加工することによりプリフォームを成形する方法が一般的となっている。
特開2007−185705号公報
In addition, when forming a preform from the above-mentioned ceramic short fibers, a method is generally used in which the ceramic short fibers are mixed in water and the moisture is removed, followed by sintering. On the other hand, when using short metal fibers, the short metal fibers are heavier than the short ceramic fibers and cannot be uniformly dispersed in water, and the short metal fibers may rust. A method of forming a preform by forming fibers into a nonwoven fabric and laminating and pressing the fibers has become common.
JP 2007-185705 A

ところで、金属短繊維からなるプリフォームを焼結する場合、その焼結温度は、例えば上記したステンレス鋼などの鉄鋼の金属短繊維で一般的に1000℃〜1500℃である。このような高温で焼結する際には、真空中で実施し、金属短繊維の酸化を防止する必要がある。ここで、焼結の際の真空度としては、0.1Pa以下の高真空状態とする必要があり、これより真空度が低い状態では、金属短繊維の酸化を充分に抑制することができない。そして、焼結の際に金属短繊維が酸化してしまうと、プリフォームの強度が低下し、金属複合材として所望の強度を得られない。ところが、この高真空状態を生成するためには、専用の機器を必要とし、かつ生成までに比較的長い時間も要することから、製造にかかる時間とコストとが増大してしまい、上記したエンジン部品を製造する生産ラインに用いることには不向きである。   By the way, when sintering the preform which consists of a metal short fiber, the sintering temperature is 1000 to 1500 degreeC generally with the metal short fiber of steels, such as above-mentioned stainless steel, for example. When sintering at such a high temperature, it is necessary to carry out in vacuum to prevent oxidation of the short metal fibers. Here, the degree of vacuum at the time of sintering needs to be a high vacuum state of 0.1 Pa or less. If the degree of vacuum is lower than this, oxidation of the short metal fibers cannot be sufficiently suppressed. And if a metal short fiber will oxidize in the case of sintering, the intensity | strength of a preform will fall and desired intensity | strength will not be obtained as a metal composite material. However, in order to generate this high vacuum state, a dedicated device is required and a relatively long time is required until the generation, which increases the time and cost for manufacturing, and the engine parts described above. It is not suitable for use in a production line for manufacturing.

焼結温度を上記した1000℃より低い温度で行うと、金属短繊維同士の焼結が不充分であり、金属の溶湯を加圧含浸する際に、金属短繊維が脱落し易く、この脱落によって強度低下等の問題を生じることが懸念される。   When the sintering temperature is lower than the above-described 1000 ° C., the short metal fibers are not sufficiently sintered, and the short metal fibers are easily dropped when the molten metal is impregnated under pressure. There is concern about problems such as strength reduction.

また、プレス加工してから焼結する前の状態では、該プレス加工の加圧力によって所定形状に成形保持しているだけであることから、焼結するための加熱炉などへ移送する際に、金属短繊維が脱落してしまうこともある。同様に、上記した焼結温度が1000℃より低い場合にあっても、金属短繊維同士の焼結が不充分であるため、金属の溶湯を加圧含浸するための金型にセットするまでの間で、該金属短繊維が脱落してしまうこともある。このように金属短繊維が脱落した場合、例えば、脱落した金属短繊維が別の部品などに紛れて異物となるという不具合が生じることも懸念される。   In addition, in the state before being sintered after pressing, it is only shaped and held in a predetermined shape by the pressing force of the pressing, so when transferring to a heating furnace for sintering, Short metal fibers may fall off. Similarly, even when the above-mentioned sintering temperature is lower than 1000 ° C., the short metal fibers are not sufficiently sintered, so it is necessary to set the metal melt in a mold for pressure impregnation. In the meantime, the short metal fibers may fall off. When the short metal fibers fall off in this way, for example, there is a concern that the short metal fibers that have fallen out may be mixed with another part to become a foreign substance.

上述した従来の特許文献1にあっては、プリフォームの焼結に関して詳細に開示されておらず、上記した問題点が内在されたままである。   In the above-mentioned conventional Patent Document 1, it is not disclosed in detail regarding the sintering of the preform, and the above-mentioned problems remain inherent.

本発明は、金属短繊維の酸化による強度低下や該金属短繊維の脱落を生じず、所望の強度を有する金属複合材の製造方法を提案する。   The present invention proposes a method for producing a metal composite material having a desired strength without causing a decrease in strength due to oxidation of short metal fibers or dropping of the short metal fibers.

本発明は、プレス加工により、金属短繊維から構成される多孔質状の予備成形体を成形するプレス成形工程と、高分子ポリマーと所定のガラス粒子とを溶融してなる粘着性を有する結合剤により、前記予備成形体の少なくとも外表層の各金属短繊維同士を仮接着する仮止め工程と、前記結合剤により各金属短繊維同士を仮接着した予備成形体を、前記ガラス粒子の軟化点以上の所定焼結温度で加熱することにより、結合剤のガラス粒子により各金属短繊維同士を結合し、多孔質状のプリフォームを成形する焼成工程と、前記プリフォームに、金属の溶湯を加圧含浸する溶湯含浸工程とを備えていることを特徴とする金属複合材の製造方法である。   The present invention relates to a press forming step of forming a porous preform formed of short metal fibers by pressing, and a binder having adhesiveness obtained by melting a polymer and predetermined glass particles. From the temporary fixing step of temporarily bonding the short metal fibers of at least the outer surface layer of the preform, and the pre-molded body temporarily bonding the short metal fibers with the binder, the softening point of the glass particles or more By heating at a predetermined sintering temperature, the short metal fibers are bonded to each other by the glass particles of the binder and a porous preform is formed, and the molten metal is pressurized to the preform. And a molten metal impregnation step for impregnating the metal composite material.

ここで、金属短繊維としては、プレス加工により所定形状の予備成形体を成形できる繊維長のものであり、具体的には、繊維長10mm以下のものが好適である。また、高分子ポリマーは、その粘弾性により、結合剤の粘着性を生じさせるためのものであり、具体的には、粘度300〜1000cps(分子量500000〜700000)のものが好適に用い得る。そして、この高分子ポリマーは、有機物である合成樹脂のものが好適に用い得る。   Here, the short metal fibers are those having a fiber length capable of forming a preform with a predetermined shape by pressing, and specifically, those having a fiber length of 10 mm or less are suitable. Further, the high molecular polymer is for causing the adhesiveness of the binder due to its viscoelasticity, and specifically, a polymer having a viscosity of 300 to 1000 cps (molecular weight of 500,000 to 700,000) can be suitably used. And this polymeric polymer can use the thing of the synthetic resin which is organic substance suitably.

かかる方法にあっては、プレス加工により成形した予備成形体の少なくとも外表層の各金属短繊維を、結合剤の粘着性によって仮接着することにより、該予備成形体の形態を維持し、金属短繊維の脱落を防止する。さらに、予備成形体を焼結温度で加熱することによって、少なくとも外表層の各金属短繊維同士を結合剤のガラス粒子により、結合し、金属短繊維の脱落を防止する。このように、予備成形体およびプリフォームでの金属短繊維の脱落を防止できることから、溶湯を含浸するまでの間に、金属短繊維が脱落することがなく、脱落した金属短繊維が他の部品などに混入して異物となるという不具合の発生を防止でき得る。   In such a method, the metal short fibers of at least the outer surface layer of the preform formed by press working are temporarily bonded by the adhesiveness of the binder, so that the form of the preform is maintained. Prevents fibers from falling off. Furthermore, by heating the preform at the sintering temperature, at least the short metal fibers on the outer surface layer are bonded to each other with the glass particles of the binder, thereby preventing the short metal fibers from falling off. In this way, it is possible to prevent the short metal fibers from falling off in the preform and the preform, so that the short metal fibers are not dropped before the molten metal is impregnated. It is possible to prevent the occurrence of a problem that it becomes a foreign substance when mixed in.

尚、予備成形体にあって、その外表層の各金属短繊維同士が仮接着されていれば、外表層だけでなくその内部の金属短繊維が脱落することを防止できる。同様に、プリフォームにあっても、その外表層の各金属短繊維同士が結合していれば、内部の金属短繊維が脱落することも防止できる。本方法にあって、結合剤により仮接着する領域、およびガラス粒子により結合する領域は、できるだけ内部までの領域であることが好適である。そして、仮止め工程にあっては、結合剤を予備成形体の外表面に塗布したり、スプレーしたり、結合剤中に予備成形体を沈めるなどすることによって、少なくとも予備成形体の外表層の各金属短繊維同士を結合剤によって仮接着することができる。   In addition, if each short metal fiber of the outer surface layer is temporarily bonded to each other in the preform, it is possible to prevent not only the outer surface layer but also the internal metal short fibers from falling off. Similarly, even in the preform, if the short metal fibers on the outer surface layer are bonded to each other, the short metal fibers inside can be prevented from falling off. In this method, it is preferable that the region temporarily bonded by the binder and the region bonded by the glass particles are as far as possible to the inside. And in the temporary fixing step, at least the outer surface layer of the preform is applied by applying the binder to the outer surface of the preform, spraying it, submerging the preform in the binder, etc. Each short metal fiber can be temporarily bonded with a binder.

また、焼成工程にあっては、ガラス粒子を軟化して固化することにより、各金属短繊維同士を強固に結合することができる。すなわち、金属短繊維同士を直接焼結させなくとも、ガラス粒子により結合できるため、上記した1000℃以上の温度まで加熱する必要がない。そのため、焼結温度に加熱した際に、上述したように高真空状態を生成する必要もなく、金属短繊維の酸化を抑制することができるため、該酸化による強度低下を防ぎ得る。そして、本方法により製造した金属複合材は、高温雰囲気での高い強度と疲労強度とを発揮でき、上記したエンジン部品などに好適に用い得る。   Moreover, in a baking process, each metal short fiber can be firmly couple | bonded by softening and solidifying glass particles. That is, even if it does not sinter metal short fibers directly, since it can couple | bond with a glass particle, it is not necessary to heat to the above-mentioned temperature of 1000 degreeC or more. Therefore, when heated to the sintering temperature, it is not necessary to generate a high vacuum state as described above, and the oxidation of the short metal fibers can be suppressed, so that the strength reduction due to the oxidation can be prevented. And the metal composite material manufactured by this method can exhibit the high intensity | strength and fatigue strength in a high temperature atmosphere, and can be used suitably for an above-described engine component.

また、本方法にあって、予備成形体を成形するプレス成形工程としては、上述したように、金属短繊維からなる不織布を積層してプレス加工する工程、所定形状の金型内に金属短繊維を入れて直接プレス加工する工程のいずれであっても良い。いずれの方法にあっても、上述したように、結合剤により金属短繊維を仮止めし、該結合剤のガラス粒子により金属短繊維を結合できるため、上述した本発明の作用効果を発揮でき得る。   Further, in the present method, as described above, the press molding step for molding the preform includes a step of laminating a non-woven fabric made of metal short fibers and press working, and the metal short fibers in a mold having a predetermined shape. It may be any of the steps of direct press working. In any method, as described above, the short metal fibers can be temporarily fixed with the binder, and the short metal fibers can be bonded with the glass particles of the binder, so that the above-described effects of the present invention can be exhibited. .

ここで、上記した特許文献1と同様に、不織布(ウエブ)を積層してプレス加工する方法にあっては、プリフォーム(予備成形体)の形態によっては、金属短繊維を均一に分散した状態に成形することができない場合もあり得る。これは、プリフォームの形態が、例えば局部的に湾曲した形態であれば、不織布状のものを積層する際にシワなどが生じてしまい、局部的に金属短繊維の密度の異なる部位が生じ易いためである。すなわち、不織布を積層してプレス加工する方法は、成形の自由度に限界があり、強化した部位の形状に合わせた形態を安定して成形し難い。これに対して、金属短繊維をプレス加工用の金型に入れて直接プレス加工するようにした方法では、金型により所望の製品形状に直接的に成形できることから、様々な形態に容易に成形でき得る。すなわち、複雑な形状を有する製品を成形する場合にあっても、不織布により成形する際に生じ易いシワ等も生じず、金属短繊維が均一に分散してなる予備成形体およびプリフォームを成形できる。そのため、所望の力学的特性を確実かつ安定して発揮する金属複合材を、比較的容易かつ安定して製造することができ得る。   Here, as in the above-described Patent Document 1, in the method of laminating and pressing a nonwoven fabric (web), depending on the form of the preform (preliminary molded body), the metal short fibers are uniformly dispersed. In some cases, it cannot be molded. This is because, for example, if the form of the preform is a locally curved form, wrinkles and the like occur when laminating non-woven fabrics, and local portions with different density of short metal fibers are likely to occur locally. Because. That is, the method of laminating and pressing the nonwoven fabrics has a limit in the degree of freedom of molding, and it is difficult to stably mold the shape according to the shape of the strengthened portion. On the other hand, in the method in which short metal fibers are placed in a press mold and directly pressed, it can be directly molded into a desired product shape using the mold, so it can be easily molded into various forms. It can be done. That is, even when a product having a complicated shape is molded, a preform and a preform in which short metal fibers are uniformly dispersed can be molded without causing wrinkles or the like that are likely to occur when molding with a nonwoven fabric. . Therefore, a metal composite material that reliably and stably exhibits desired mechanical properties can be manufactured relatively easily and stably.

このような本方法にあって、プレス成形工程が、プレス加工用の金型を振動させることにより該金型内に入れた金属短繊維を攪拌して、プレス加工するようにした方法とすることもできる。これは、所定の金型内に金属短繊維を入れてプレス加工する方法であって、該金型を振動させることにより、金属短繊維を金型内で均一に分散するようにしている。このプレス成形工程で成形した予備成形体は、全体的に金属短繊維が均一に分散しており、当該予備成形体からプリフォームを介して製造した金属複合材は、金属短繊維が均一に分散してなり、所望の強度を一層安定して発揮することができ得る。   In such a method, the press molding step is a method in which the metal short fiber put in the mold is stirred and pressed by vibrating the mold for press working. You can also. This is a method in which short metal fibers are put into a predetermined mold and pressed, and the short metal fibers are uniformly dispersed in the mold by vibrating the mold. In the preform formed by this press molding process, the short metal fibers are uniformly dispersed as a whole, and the short metal fibers are uniformly dispersed in the metal composite produced from the preform through the preform. Thus, the desired strength can be exhibited more stably.

本方法にあって、ガラス粒子としては、ホウ酸ガラス粒子、ケイ酸塩ガラス粒子、ホウケイ酸ガラス粒子、アルカリガラス粒子等のものが好適に用い得る。   In the present method, borate glass particles, silicate glass particles, borosilicate glass particles, alkali glass particles and the like can be suitably used as the glass particles.

上述した金属複合材の製造方法にあって、仮止め工程で使用する結合剤の所定のガラス粒子が、粒径100μm以下のものである方法が提案される。   In the method for manufacturing a metal composite described above, a method is proposed in which the predetermined glass particles of the binder used in the temporary fixing step have a particle size of 100 μm or less.

かかる方法にあって、粒径100μm以下のガラス粒子を用いることにより、該ガラス粒子が各金属短繊維間に入り込み易いことから、分散し易く、結合剤により仮止めした各金属短繊維同士を安定して結合することができる。例えば、仮止め工程にあって、結合剤を予備成形体の外表面に塗布したり、スプレーしたりする場合に、結合剤が外表面から内部へ浸透するに伴ってガラス粒子も入り込んで容易に分散することができ得る。   In such a method, by using glass particles having a particle size of 100 μm or less, the glass particles easily enter between the respective short metal fibers, so that they are easy to disperse and stabilize each short metal fiber temporarily fixed with a binder. Can be combined. For example, in the temporary fixing process, when the binder is applied to the outer surface of the preform or sprayed, the glass particles also easily enter as the binder penetrates from the outer surface to the inside. Can be dispersed.

尚、ガラス粒子としては、上記の作用効果を一層容易かつ安定して発揮できるように、粒径80μm以下が好ましく、粒径50μm以下がさらに好ましい。また、粒径が小さすぎると、各金属短繊維同士を結合し難くなるため、粒径1μm以上のものが好適である。そして、ガラス粒子は、製造上、安定かつ比較的安価に入手できるものが好ましいことから、粒径0.3μm以上のものが好適に用い得る。   The glass particles preferably have a particle size of 80 μm or less, and more preferably have a particle size of 50 μm or less so that the above-described effects can be more easily and stably exhibited. Moreover, since it will become difficult to couple | bond each metal short fiber when a particle size is too small, a thing with a particle size of 1 micrometer or more is suitable. And since the glass particle | grains which can be obtained stably and comparatively cheaply on manufacture are preferable, a particle size of 0.3 micrometer or more can be used conveniently.

上述した金属複合材の製造方法にあって、焼成工程が、所定の焼結温度に加熱する前に、ガラス粒子の軟化点より低い所定温度に加熱することにより、結合剤の高分子ポリマーを焼失するようにしている方法が提案される。   In the metal composite manufacturing method described above, before the heating step is heated to a predetermined sintering temperature, the polymer polymer of the binder is burned out by heating to a predetermined temperature lower than the softening point of the glass particles. A method to do so is proposed.

かかる方法にあっては、焼結温度に加熱する前に、結合剤の高分子ポリマーを焼失するようにしていることから、金属短繊維間に残留するガラス粒子が焼結温度により安定して軟化し、各金属短繊維同士を結合することができる。そのため、ガラス粒子により結合した各金属短繊維同士が、一層強固かつ安定して結合する。これにより、溶湯含浸工程へ移送する間の、金属短繊維の脱落を防止する作用効果が一層向上すると共に、溶湯の加圧含浸する際の高圧力によっても、プリフォームの形態を維持できる効果が向上する。   In such a method, the high molecular weight polymer of the binder is burned out before heating to the sintering temperature, so that the glass particles remaining between the short metal fibers are stably softened at the sintering temperature. And each metal short fiber can be couple | bonded. Therefore, the metal short fibers bonded by the glass particles are bonded more firmly and stably. As a result, the effect of preventing the metal short fibers from dropping off during the transfer to the molten metal impregnation step is further improved, and the effect of maintaining the form of the preform can be maintained even by high pressure when the molten metal is pressure impregnated. improves.

上述した金属複合材の製造方法にあって、仮止め工程で使用する結合剤の高分子ポリマーが、ポリビニルアルコールである方法が提案される。   In the above-described method for producing a metal composite material, a method is proposed in which the polymer polymer of the binder used in the temporary fixing step is polyvinyl alcohol.

かかる方法にあっては、ポリビニルアルコールの有する粘弾性により、結合剤が所望の粘着性を発揮するようにしたものである。そして、結合剤の粘着性により、予備成形体の各金属短繊維同士を仮接着し、上述した本発明の作用効果を適正に発揮し得る。さらに、ポリビニルアルコールは、親水性が非常に高く、温水に溶け易いことから、所望の粘着性を有する結合剤を容易に得ることができるという優れた利点を有する。   In such a method, the binder exhibits desired tackiness due to the viscoelasticity of polyvinyl alcohol. And each metal short fiber of a preforming body is temporarily adhere | attached with the adhesiveness of a binder, and the effect of this invention mentioned above can be exhibited appropriately. Furthermore, since polyvinyl alcohol has a very high hydrophilicity and is easily dissolved in warm water, it has an excellent advantage that a binder having desired adhesiveness can be easily obtained.

上述した金属複合材の製造方法にあって、仮止め工程で使用する結合剤の所定のガラス粒子は、その軟化点が400℃以上かつ700℃以下のものである方法が提案される。   In the metal composite manufacturing method described above, a method is proposed in which the predetermined glass particles of the binder used in the temporary fixing step have a softening point of 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.

金属短繊維として、上述したステンレス鋼などの鉄鋼は、一般的に700℃を越えると酸化が促進すると共に、脆性も顕著に生じるようになることから、かかる方法にあっては、700℃以下の軟化点を有するガラス粒子を用いることにより、700℃を越えない焼結温度により焼成工程を行うことができるようにした方法である。本方法では、700℃を越えない焼結温度に加熱することにより、ガラス粒子により各金属短繊維同士を結合できると共に、各金属短繊維の酸化と脆化(脆性の発生)を充分に抑制できるため、所望の強度を発揮できる金属複合材を製造することができ得る。   As a short metal fiber, steels such as the above-described stainless steel generally promote oxidation when exceeding 700 ° C., and the brittleness also becomes prominent. By using glass particles having a softening point, the firing step can be performed at a sintering temperature not exceeding 700 ° C. In this method, by heating to a sintering temperature not exceeding 700 ° C., the short metal fibers can be bonded to each other by the glass particles, and oxidation and embrittlement (occurrence of brittleness) of the short metal fibers can be sufficiently suppressed. Therefore, a metal composite material that can exhibit a desired strength can be manufactured.

また、金属の溶湯の温度に比して軟化点が低く、かつこれらの温度差が大きい場合には、金属の溶湯を含浸する際に、該溶湯の熱により容易に軟化してしまい金属短繊維同士の結合が崩れ易くなる。そのため、軟化点を400℃以上のガラス粒子を用いることにより、溶湯の熱によって金属短繊維同士の結合が崩れることを抑制する。尚、ガラス粒子としては、軟化点が450℃以上かつ600℃以下のものが、金属短繊維の酸化と脆化との抑制作用が一層高く、さらに金属短繊維同士の結合が崩れることを抑制する作用が一層向上するため、好適に用い得る。   In addition, when the softening point is lower than the temperature of the molten metal and the temperature difference between them is large, the metal short fiber is easily softened by the heat of the molten metal when impregnated with the molten metal. Bonds between each other are easily broken. Therefore, by using glass particles having a softening point of 400 ° C. or higher, the bond between the short metal fibers is prevented from being broken by the heat of the molten metal. In addition, as glass particles, those having a softening point of 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower have a higher suppression effect on oxidation and embrittlement of short metal fibers, and further suppress the breakage of bonds between short metal fibers. Since the action is further improved, it can be suitably used.

上述した金属複合材の製造方法にあって、金属短繊維が、磁性を有するステンレス鋼である方法が提案される。ここで、ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼を好適に用い得る。   In the manufacturing method of the metal composite material described above, a method is proposed in which the short metal fibers are stainless steel having magnetism. Here, as stainless steel, ferritic stainless steel or martensitic stainless steel can be suitably used.

本方法にあっては、金属短繊維が磁性を有していることから、該金属短繊維から形成したプリフォームを磁石によって磁着して移送することができる。そのため、例えば、溶湯含浸工程で、その金型内にプリフォームを位置決めしてセットする際に、該金型内に配設した磁石に、プリフォームを磁着することによって、該プリフォームを精度良くかつ安定して位置決めすることができる。また、リサイクルする際に材料分別を行う場合にも、磁石を用いて容易に分別することができるため、リサイクル性にも優れるという利点を有している。尚、金属短繊維がステンレス鋼であることから、例えば、水溶性の結合剤を用いた場合にあっても、当該金属短繊維が錆びてしまうことを防止できるという優れた利点も有する。   In this method, since the short metal fibers have magnetism, a preform formed from the short metal fibers can be magnetized and transferred by a magnet. Therefore, for example, when the preform is positioned and set in the mold in the molten metal impregnation step, the preform is magnetically attached to the magnet disposed in the mold, thereby making the preform accurate. Good and stable positioning is possible. Further, even when material separation is performed at the time of recycling, since it can be easily separated using a magnet, it has an advantage of excellent recyclability. In addition, since the short metal fibers are stainless steel, for example, even when a water-soluble binder is used, there is an excellent advantage that the short metal fibers can be prevented from rusting.

本発明は、上述したように、プレス加工により成形した予備成形体の、その少なくとも外表層の各金属短繊維同士を、高分子ポリマーとガラス粒子とを溶融した結合剤により仮接着し、当該予備成形体をガラス粒子の軟化点以上の焼結温度で加熱することにより、該ガラス粒子により各金属短繊維同士を結合してプリフォームを成形し、該プリフォームに金属の溶湯を加圧含浸することにより、金属複合材を製造する方法である。この方法によれば、予備成形体およびプリフォームを構成する各金属短繊維が脱落することを防止できることから、上述した従来構成のように、脱落した金属短繊維が他の部品等に混入して異物となるという不具合を生じない。また、ガラス粒子により各金属短繊維同士を結合することから、上記した1000℃以上に加熱することを要せず、金属短繊維の酸化を抑制できるため、該酸化による強度低下を防止でき、高温雰囲気での高い強度と疲労強度とを発揮できる。   In the present invention, as described above, the short metal fibers of at least the outer surface layer of the preform formed by press working are temporarily bonded to each other with a binder in which a polymer polymer and glass particles are melted. By heating the molded body at a sintering temperature equal to or higher than the softening point of the glass particles, the metal short fibers are bonded to each other by the glass particles to form a preform, and the preform is pressure-impregnated with a molten metal. This is a method for producing a metal composite material. According to this method, since the short metal fibers constituting the preform and the preform can be prevented from falling off, the short metal fibers dropped off are mixed into other parts as in the conventional configuration described above. There is no problem of becoming a foreign object. In addition, since the short metal fibers are bonded to each other with the glass particles, it is not necessary to heat the above-described 1000 ° C. or more, and the oxidation of the short metal fibers can be suppressed. It can exhibit high strength and fatigue strength in the atmosphere.

上記した金属複合材の製造方法にあって、仮止め工程で使用する結合剤の所定のガラス粒子が、粒径100μm以下のものである方法とした場合には、該ガラス粒子が各金属短繊維間に入り込み易いことから、分散し易く、焼成工程で、各金属短繊維同士を安定して結合することができ得る。   In the method for producing a metal composite material described above, when the predetermined glass particles of the binder used in the temporary fixing step are those having a particle size of 100 μm or less, the glass particles are each short metal fiber. Since it is easy to enter, it is easy to disperse, and it is possible to stably bond the short metal fibers in the firing step.

上記した金属複合材の製造方法にあって、焼成工程が、所定の焼結温度に加熱する前に、ガラス粒子の軟化点より低い所定温度に加熱することにより、結合剤の高分子ポリマーを焼失するようにしている方法とした場合には、結合剤の高分子ポリマーを焼失した後に、焼結温度に加熱することから、ガラス粒子により各金属短繊維同士を一層強固かつ安定して結合できる。そのため、上述した本発明の作用効果を一層適正に発揮でき得る。   In the above-described method for producing a metal composite material, before the baking step is heated to a predetermined sintering temperature, the polymer polymer of the binder is burned down by heating to a predetermined temperature lower than the softening point of the glass particles. In the case of the method, the short polymer fibers are burned off and then heated to the sintering temperature, so that the short metal fibers can be bonded to each other more firmly and stably by the glass particles. Therefore, the above-described operational effects of the present invention can be more appropriately exhibited.

上記した金属複合材の製造方法にあって、仮止め工程で使用する結合剤の高分子ポリマーが、ポリビニルアルコールである方法とした場合には、該ポリビニルアルコールが、高い親水性と温水への可溶性とを有していることから、所望の結合剤を容易に得ることができ、該結合剤により、上述した本発明の作用効果を適正かつ容易に発揮することができ得る。   In the method for producing a metal composite material described above, when the polymer polymer of the binder used in the temporary fixing step is polyvinyl alcohol, the polyvinyl alcohol is highly hydrophilic and soluble in hot water. Therefore, a desired binder can be easily obtained, and the above-described effects of the present invention can be appropriately and easily exhibited by the binder.

上記した金属複合材の製造方法にあって、仮止め工程で使用する結合剤の所定のガラス粒子は、その軟化点が400℃以上かつ700℃以下のものである方法とした場合には、金属短繊維の酸化と脆化とを充分に抑制することができ、所望の強度を発揮できる金属複合材を製造することができ得る。   In the manufacturing method of the metal composite material described above, when the predetermined glass particles of the binder used in the temporary fixing step have a softening point of 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, It is possible to produce a metal composite material that can sufficiently suppress the oxidation and embrittlement of the short fibers and can exhibit a desired strength.

上記した金属複合材の製造方法にあって、金属短繊維が、磁性を有するステンレス鋼である方法とした場合には、金属短繊維からなるプリフォームを磁石によって磁着することにより、溶湯含浸工程でその金型内に精度良くかつ安定して位置決めすることが容易に行い得る。また、リサイクルする際に材料分別を行う場合にも、磁石を用いて容易に分別することができ、優れたリサイクル性を奏する。   In the above-described method for producing a metal composite material, when the metal short fiber is made of stainless steel having magnetism, a melt impregnation step is performed by magnetizing a preform made of the metal short fiber with a magnet. Therefore, accurate and stable positioning in the mold can be easily performed. Also, when material separation is performed at the time of recycling, it can be easily separated using a magnet, and excellent recyclability is achieved.

本発明の実施例を添付図面を用いて詳述する。
図1は、金属短繊維12からなる多孔質状のプリフォーム1を成形する工程を示し、図2は、前記プリフォーム1に、アルミニウム合金の溶湯6を含浸して金属複合材10を成形する工程を示している。このプリフォーム1を成形する工程と、金属複合材10を成形する工程とにより、本発明にかかる金属複合材の製造方法が構成されている。以下、各工程を順に詳説する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a process of forming a porous preform 1 made of short metal fibers 12, and FIG. 2 forms a metal composite 10 by impregnating the preform 1 with a molten aluminum alloy 6. The process is shown. The process for molding the preform 1 and the process for molding the metal composite material 10 constitute a method for producing a metal composite material according to the present invention. Hereinafter, each process will be described in detail.

図1(A)は、所定形状の予備成形体2を成形するプレス成形工程を示し、上側のパンチ22と下側のダイス23とからなる金型21により行う。ここで、ダイス23は、有底円柱形状の押圧穴24を備えてなり、パンチ22が前記押圧穴24に内嵌して該押圧穴24内に配した被押圧物をプレス加工する。すなわち、ダイス23の押圧穴24内に所定量の金属短繊維12を充填し、パンチ22により押圧することにより、押圧穴24内の金属短繊維12をプレス加工して、円柱状の予備成形体2を得る。この予備成形体2は、多量の金属短繊維12を押し固めたものであり、多孔質状を成している。   FIG. 1A shows a press molding process for molding a preform 2 having a predetermined shape, which is performed by a mold 21 including an upper punch 22 and a lower die 23. Here, the die 23 includes a bottomed cylindrical pressing hole 24, and the punch 22 is fitted into the pressing hole 24 to press the pressed object disposed in the pressing hole 24. That is, a predetermined amount of the short metal fibers 12 are filled in the pressing holes 24 of the die 23 and pressed by the punch 22, thereby pressing the short metal fibers 12 in the pressing holes 24 to form a cylindrical preform. Get 2. The preform 2 is formed by pressing a large amount of short metal fibers 12 and is porous.

さらに、本実施例にあっては、ダイス23の押圧穴24内に金属短繊維12を充填する際に、該ダイス23を上下方向や水平方向に振動させることにより、押圧穴24内の金属短繊維12を攪拌するようにしている。これにより、ダイス23の押圧穴24内で、金属短繊維12が均一に分散するようにしている。その後、上記したようにパンチ22により押圧してプレス加工することによって、体積率が均一な予備成形体2を成形する。   Furthermore, in this embodiment, when the metal short fiber 12 is filled in the pressing hole 24 of the die 23, the metal short fiber in the pressing hole 24 is vibrated by vibrating the die 23 in the vertical direction or the horizontal direction. The fibers 12 are stirred. As a result, the short metal fibers 12 are uniformly dispersed in the pressing hole 24 of the die 23. Then, as described above, the preform 22 having a uniform volume ratio is formed by pressing with the punch 22 and pressing.

尚、本実施例にあっては、金属短繊維12として、フェライト系ステンレス鋼であるSUS430を用いている。そして、この金属短繊維12は、平均繊維径60μm、平均繊維長6mmのものとしている。尚、平均繊維径、平均繊維長は、繊維径、繊維長の夫々の平均値であり、バラツキを有している。   In this embodiment, SUS430, which is a ferritic stainless steel, is used as the short metal fiber 12. The short metal fibers 12 have an average fiber diameter of 60 μm and an average fiber length of 6 mm. The average fiber diameter and the average fiber length are average values of the fiber diameter and the fiber length, respectively, and have variations.

次に、図1(B)のように、前記予備成形体2に結合剤16を塗布する仮止め工程を行う。ここで、結合剤16は、ポリビニルアルコールを温水で溶解し、ここにガラス粒子17(図4参照)を添加して均一に分散するように混合した、粘着性を有する水溶液である。ここで、ポリビニルアルコールの濃度は、1重量%〜10重量%となるように設定しており、本実施例にあっては約2重量%に設定している。一方、ガラス粒子17は、本実施例にあって、ホウケイ酸ガラス粒子を用いており、その平均粒径が30μm、軟化点が約480℃のものである。このホウケイ酸ガラス粒子17を、結合剤16中の含有量が5重量%〜20重量%となるように設定しており、本実施例にあっては、約9重量%に設定している。   Next, as shown in FIG. 1B, a temporary fixing step of applying the binder 16 to the preform 2 is performed. Here, the binder 16 is an aqueous solution having adhesiveness in which polyvinyl alcohol is dissolved with warm water, and glass particles 17 (see FIG. 4) are added thereto and mixed so as to be uniformly dispersed. Here, the density | concentration of polyvinyl alcohol is set so that it may become 1 weight%-10 weight%, and is set to about 2 weight% in a present Example. On the other hand, the glass particles 17 are borosilicate glass particles in this embodiment, and have an average particle size of 30 μm and a softening point of about 480 ° C. The borosilicate glass particles 17 are set so that the content in the binder 16 is 5 wt% to 20 wt%. In this embodiment, the borosilicate glass particles 17 are set to about 9 wt%.

本実施例の仮止め工程では、上記の結合剤16を、予備成形体2の外表面にスプレーしている。これにより、結合剤16が、多孔質状の予備成形体2の外表面から内部へ浸透し、少なくとも、該予備成形体2の外表層を構成する各金属短繊維12に付着する。ここで、結合剤16は、ポリビニルアルコールにより粘着性を有していることから、該結合剤16により、予備成形体2の外表層の、夫々隣り合う各金属短繊維12同士を仮接着する。さらに、結合剤16には、上記のようにホウケイ酸ガラス粒子17が均一に分散していることから、該結合剤16の付着した各金属短繊維12には、ホウケイ酸ガラス粒子17が付着する。   In the temporary fixing step of this embodiment, the binder 16 is sprayed on the outer surface of the preform 2. As a result, the binder 16 penetrates from the outer surface of the porous preform 2 to the inside and adheres to at least each metal short fiber 12 constituting the outer surface layer of the preform 2. Here, since the binder 16 has adhesiveness with polyvinyl alcohol, the adjacent metal short fibers 12 on the outer surface layer of the preform 2 are temporarily bonded to each other by the binder 16. Furthermore, since the borosilicate glass particles 17 are uniformly dispersed in the binder 16 as described above, the borosilicate glass particles 17 are attached to each short metal fiber 12 to which the binder 16 is attached. .

このように、仮止め工程によって、予備成形体2の外表層を構成する各金属短繊維12同士を仮接着する。これにより、当該予備成形体2を移送する過程で、金属短繊維12が脱落することを防ぐことができる。そのため、脱落した金属短繊維が、別の成形品に混在したり、後述する溶湯含浸工程にあって、その金型内に予備成形体2を配置しない部位に混在してしまうなどによって、異物となって混在することを防ぐことができ得る。   As described above, the short metal fibers 12 constituting the outer surface layer of the preform 2 are temporarily bonded to each other by the temporary fixing step. Thereby, it is possible to prevent the short metal fibers 12 from falling off in the process of transferring the preform 2. Therefore, the metal short fibers that have fallen are mixed in another molded product, or in a molten metal impregnation process that will be described later, and mixed in a portion where the preform 2 is not placed in the mold. Can be prevented from becoming mixed.

次に、結合剤16で仮接着した予備成形体2を結合する焼成工程を行う。この焼成工程では、先ず、図1(C)のように、加熱炉30に入れて約250℃に加熱して乾燥させる。これにより、予備成形体2に付着している結合剤16の水分を除去すると共に、ポリビニルアルコール成分を焼失する。この加熱処理によって、ポリビニルアルコール成分を完全に焼失することができるため、焼失により不純物が残留することを防止でき得る。ここで、予備成形体2の外表層を構成する各金属短繊維12には、上記したようにホウケイ酸ガラス粒子17が分散して付着していることから、ポリビニルアルコールを焼失することによってホウケイ酸ガラス粒子17が各金属短繊維12間に配された状態とする。   Next, the baking process which couple | bonds the preforming body 2 temporarily adhere | attached with the binder 16 is performed. In this firing step, first, as shown in FIG. 1 (C), it is placed in a heating furnace 30 and heated to about 250 ° C. to be dried. Thereby, while removing the water | moisture content of the binder 16 adhering to the preform 2, the polyvinyl alcohol component is burned out. By this heat treatment, the polyvinyl alcohol component can be completely burned out, so that impurities can be prevented from remaining due to burning. Here, since the borosilicate glass particles 17 are dispersed and adhered to the short metal fibers 12 constituting the outer surface layer of the preform 2 as described above, the borosilicate is obtained by burning off polyvinyl alcohol. The glass particles 17 are arranged between the short metal fibers 12.

その後、焼結温度600℃に加熱して30分保持し、冷却する。これにより、ホウケイ酸ガラス粒子17を軟化して固化し、該ホウケイ酸ガラス粒子17が付着している金属短繊維12の、隣り合うもの同士を結合する。これにより、予備成形体2の外表層の各金属短繊維12同士をホウケイ酸ガラス粒子17によって結合し、プリフォーム1を成形する。このプリフォーム1は、ホウケイ酸ガラス粒子17により結合されていることから、その外表層の各金属短繊維12同士が比較的強固に結合されており、移送中などで金属短繊維12が脱落してしまうことを防止でき得る。   Then, it heats to sintering temperature 600 degreeC, hold | maintains for 30 minutes, and cools. Thereby, the borosilicate glass particles 17 are softened and solidified, and adjacent metal short fibers 12 to which the borosilicate glass particles 17 are attached are bonded to each other. Thus, the short metal fibers 12 on the outer surface layer of the preform 2 are bonded together by the borosilicate glass particles 17 to form the preform 1. Since the preform 1 is bonded by the borosilicate glass particles 17, the metal short fibers 12 on the outer surface layer are bonded relatively firmly, and the metal short fibers 12 fall off during transfer or the like. Can be prevented.

さらに、上記したプリフォーム1は、600℃に加熱することにより成形していることから、金属短繊維12の酸化を充分に抑制できると共に、該金属短繊維12の脆性が生じて顕著に進行することも抑制でき得る。そのため、プリフォーム1の金属短繊維12は、酸化や脆化などによる強度低下を生じず、本来の強度を発揮できることから、当該プリフォーム1も充分な強度を有するものとなる。すなわち、本実施例にあっては、1000℃以上に加熱することなく、ホウケイ酸ガラス粒子17により金属短繊維12同士を結合するようにしていることから、金属短繊維12の酸化および脆化を生じることなく、各金属短繊維12同士を比較的強固に結合することができる。   Furthermore, since the preform 1 described above is molded by heating to 600 ° C., the oxidation of the short metal fibers 12 can be sufficiently suppressed and the brittleness of the short metal fibers 12 is generated and proceeds remarkably. This can also be suppressed. Therefore, the metal short fiber 12 of the preform 1 does not cause a decrease in strength due to oxidation or embrittlement, and can exhibit its original strength. Therefore, the preform 1 also has sufficient strength. That is, in this example, the short metal fibers 12 are bonded to each other by the borosilicate glass particles 17 without being heated to 1000 ° C. or higher, so that the short metal fibers 12 are oxidized and embrittled. The short metal fibers 12 can be bonded relatively firmly without being generated.

尚、本実施例にあっては、その焼成工程を、上記のように、250℃に加熱した後に、焼結温度600℃で結合(焼結)することにより行っている。これにより、ホウケイ酸ガラス粒子17を軟化する前に、結合剤16のポリビニルアルコール成分を完全に焼失できるため、焼結温度に加熱した際に、ホウケイ酸ガラス粒子17を確実かつ安定して軟化でき、該ホウケイ酸ガラス粒子17による結合を安定して生じ得る。   In the present embodiment, the firing step is performed by bonding (sintering) at a sintering temperature of 600 ° C. after heating to 250 ° C. as described above. Thus, the polyvinyl alcohol component of the binder 16 can be completely burned out before the borosilicate glass particles 17 are softened, so that the borosilicate glass particles 17 can be softened reliably and stably when heated to the sintering temperature. , The binding by the borosilicate glass particles 17 can be generated stably.

次に、上記したプリフォーム1を、図2,3のダイカスト成形装置33により、アルミニウム合金と複合化させる溶湯含浸工程を行い、金属複合材10を成形する。このダイカスト成形装置33は、図2のように、固定型34aと可動型34bとから構成される金型34を備え、可動型34bを開放位置(図2(A)参照)と閉鎖位置(図2(B)参照)とに移動制御し、該閉鎖位置で円柱状のキャビティ35を形成する。ここで、固定型34aには、その下部にスリーブ37が連結されており、該スリーブ37の先端側に湯口36が形成されている。そして、このスリーブ37には、その内部で進退作動するプランジャーチップ38が配されている。さらに、スリーブ37の後部には、該スリーブ37内へ溶湯6を注入するための注入口39が設けられている。   Next, the metal composite material 10 is formed by performing a molten metal impregnation step in which the above-described preform 1 is combined with an aluminum alloy by the die casting forming apparatus 33 shown in FIGS. As shown in FIG. 2, the die casting apparatus 33 includes a mold 34 composed of a fixed mold 34a and a movable mold 34b. The movable mold 34b is opened (see FIG. 2A) and closed (see FIG. 2). 2 (see (B)), and a cylindrical cavity 35 is formed at the closed position. Here, a sleeve 37 is connected to the lower portion of the fixed die 34 a, and a gate 36 is formed on the tip side of the sleeve 37. The sleeve 37 is provided with a plunger tip 38 that moves forward and backward. Further, an inlet 39 for injecting the molten metal 6 into the sleeve 37 is provided at the rear portion of the sleeve 37.

上記した固定型34aと可動型34bとを閉鎖した状態で、キャビティ35と湯口36とを連通する湯路40が形成される(図2(B)参照)。すなわち、可動型34bを閉鎖位置で保持した状態で、プランジャーチップ38を進出作動することにより、スリーブ37内に入れた溶湯6を、湯口36から湯路40を通じてキャビティ35内へ流入する(図3(A)参照)。尚、湯路40は、上記したスリーブ37や湯口36の各断面積より小さい断面積として形成されており、プランジャーチップ38の作動速度に比して溶湯6の射出速度が速くなるようにしている。   In a state where the fixed mold 34a and the movable mold 34b are closed, a hot water passage 40 that connects the cavity 35 and the gate 36 is formed (see FIG. 2B). That is, when the plunger tip 38 is advanced while the movable die 34b is held in the closed position, the molten metal 6 put in the sleeve 37 flows into the cavity 35 from the gate 36 through the hot water passage 40 (FIG. 3 (A)). The runner 40 is formed with a cross-sectional area smaller than the respective cross-sectional areas of the sleeve 37 and the gate 36, and the injection speed of the molten metal 6 is made faster than the operating speed of the plunger tip 38. Yes.

上記の可動型34bには、キャビティ35を構成する内面と整一な保持位置(図2参照)と、キャビティ35内へ突出する突出位置(図3(B)参照)とに変換される押出ピン41が設けられている。尚、この押出ピン41の位置変換する作動、可動型34bの開閉作動、プランジャーチップ38の進退作動は、図示しない制御装置により夫々に作動制御するようになっている。さらに、このダイカスト成形装置33には、スリーブ37内へ所定量の溶湯6を流入するための柄杓42(図2(B)参照)を備えており、この柄杓42も、図示しない制御装置により作動制御するようにしている。   The movable die 34b includes an extrusion pin that is converted into a holding position (see FIG. 2) that is uniform with the inner surface of the cavity 35 and a protruding position (see FIG. 3B) that protrudes into the cavity 35. 41 is provided. The operation of changing the position of the push pin 41, the opening / closing operation of the movable die 34b, and the advance / retreat operation of the plunger tip 38 are controlled by a control device (not shown). Further, the die casting apparatus 33 is provided with a handle rod 42 (see FIG. 2B) for flowing a predetermined amount of the molten metal 6 into the sleeve 37. The handle rod 42 is also operated by a control device (not shown). I try to control it.

ここで、本実施例にあっては、アルミニウム合金として、ADC12(JIS規格)のものを用いており、上記したダイカスト成形装置33により、当該アルミニウム合金の溶湯6をプリフォーム1に含浸するようにしている。   Here, in the present embodiment, an aluminum alloy of ADC 12 (JIS standard) is used, and the preform 1 is impregnated with the molten aluminum alloy 6 by the die casting apparatus 33 described above. ing.

このダイカスト成形装置33による溶湯含浸工程は、以下の順序で実行される。
先ず、上記したプリフォーム1を約500℃で予熱すると共に、金型34を約100℃に保持しておく。そして、図2(A)のように、開放位置とした可動型34bのキャビティ35内の所定位置に予熱したプリフォーム1を配置した後、図2(B)のように、可動型34bを閉鎖位置へ移動して、キャビティ35を閉鎖する。これにより、キャビティ35内にプリフォーム1が収容される。
The melt impregnation step by the die casting apparatus 33 is performed in the following order.
First, the preform 1 is preheated at about 500 ° C., and the mold 34 is held at about 100 ° C. As shown in FIG. 2 (A), after the preheated preform 1 is disposed at a predetermined position in the cavity 35 of the movable mold 34b in the open position, the movable mold 34b is closed as shown in FIG. 2 (B). Move to position and close cavity 35. Thereby, the preform 1 is accommodated in the cavity 35.

ここで、プリフォーム1をキャビティ35にセットする際には、可動型34bのキャビティ35内に埋め込まれた磁石(図示省略)に、プリフォーム1を磁着することによって、該プリフォーム1を精度良くかつ安定して位置決めすることができるようになっている。また、プリフォーム1は、その外表層の金属短繊維12がホウケイ酸ガラス粒子17により結合していることから、金属短繊維12が脱落することがない。そのため、プリフォーム1をキャビティ35内に配置するまでの移送中に金属短繊維12が脱落しないと共に、該キャビティ35内では、プリフォーム1にのみ、金属短繊維12が存在している。   Here, when the preform 1 is set in the cavity 35, the preform 1 is accurately attached by magnetizing the preform 1 on a magnet (not shown) embedded in the cavity 35 of the movable die 34b. Good and stable positioning can be achieved. Moreover, since the metal short fiber 12 of the outer surface layer is couple | bonded by the borosilicate glass particle 17, the metal short fiber 12 does not drop out of the preform 1. Therefore, the short metal fibers 12 do not fall off during the transfer until the preform 1 is placed in the cavity 35, and the short metal fibers 12 exist only in the preform 1 in the cavity 35.

図2では、プランジャーチップ38を退避位置として、スリーブ37内で注入口39より後方で待機させている。上記のように可動型34bを閉鎖位置とした後に、図2(B)のように、柄杓42により、約680℃に保持されたアルミニウム合金の溶湯6を所定量注入する。そして、図3(A)のように、プランジャーチップ38を退避位置から所定の駆動速度で進出駆動して、スリーブ37内の溶湯6をキャビティ35内へ射出する。ここで、上記したように、湯路40の断面積を比較的小さく設定していることから、プランジャーチップ38の駆動速度に比して、キャビティ35内へ射出される溶湯6の射出速度が高速化する。本実施例にあっては、プランジャーチップ38の駆動速度を2m/sとすることにより、射出速度が30m/sとなる。   In FIG. 2, the plunger tip 38 is set at the retracted position and is kept waiting behind the inlet 39 in the sleeve 37. After the movable die 34b is in the closed position as described above, a predetermined amount of the molten aluminum alloy 6 maintained at about 680 ° C. is injected by the handle rod 42 as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 3A, the plunger tip 38 is driven to advance from the retracted position at a predetermined driving speed, and the molten metal 6 in the sleeve 37 is injected into the cavity 35. Here, since the cross-sectional area of the hot water passage 40 is set to be relatively small as described above, the injection speed of the molten metal 6 injected into the cavity 35 is higher than the driving speed of the plunger tip 38. Speed up. In this embodiment, when the driving speed of the plunger tip 38 is 2 m / s, the injection speed is 30 m / s.

そして、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、図3(B)のように、可動型34bを開放位置とし、該可動型34bの押出ピン41を保持位置(図2参照)から突出位置へ移動することにより、可動型34bから金属複合材10を取り出す。その後、この金属複合材10は、湯口36および湯路40により形成された部位(アルミニウム合金6’)を切削除去することにより、所定の円柱形状に成形している(図示省略)。   When the molten metal 6 is filled in the cavity 35, the plunger tip 38 stops and the injection of the molten metal 6 stops, and after cooling, the movable die 34b is set to the open position as shown in FIG. The metal composite material 10 is taken out of the movable die 34b by moving the push pin 41 of the movable die 34b from the holding position (see FIG. 2) to the protruding position. Thereafter, the metal composite material 10 is formed into a predetermined cylindrical shape by cutting and removing a portion (aluminum alloy 6 ') formed by the gate 36 and the water passage 40 (not shown).

このように成形した金属複合材10の外表層部位を断面観察した結果、図4のように、アルミニウム合金6’(金属母材)内に金属短繊維12が分散しており、各金属短繊維12同士がホウケイ酸ガラス粒子17により結合していることが確認できる。これにより、金属短繊維12がホウケイ酸ガラス粒子17により比較的強固に結合しており、アルミニウム合金の溶湯6を比較的高速で含浸しても、結合状態を維持して、金属母材内に分散した状態で複合化されていることがわかる。さらに、プリフォーム1は、上述のように、その外表層の金属短繊維12を強固に結合したものであり、その形態がしっかりとしていることから、ダイカスト成形装置33による比較的高速含浸を行っても、該プリフォーム1に変形などを生じず、アルミニウム合金6’の母材内に金属短繊維12が分散した金属複合材10を得ることができる。   As a result of cross-sectional observation of the outer surface layer portion of the metal composite material 10 thus formed, the metal short fibers 12 are dispersed in the aluminum alloy 6 ′ (metal base material) as shown in FIG. It can be confirmed that 12 are bonded together by the borosilicate glass particles 17. As a result, the short metal fibers 12 are relatively strongly bonded to each other by the borosilicate glass particles 17, and even when the molten aluminum alloy 6 is impregnated at a relatively high speed, the bonded state is maintained and the metal base material 12 is maintained. It turns out that it is compounded in a dispersed state. Further, as described above, the preform 1 is obtained by firmly bonding the short metal fibers 12 on the outer surface layer, and since the form is firm, the preform 1 is impregnated at a relatively high speed. However, the preform 1 is not deformed, and the metal composite material 10 in which the short metal fibers 12 are dispersed in the base material of the aluminum alloy 6 ′ can be obtained.

尚、本実施例では、金属短繊維12がフェライト系ステンレス鋼のSUS430であることから、上記したように、ダイカスト成形装置33のキャビティ35内に精度良くかつ安定して位置決めすることができる。さらに、近年強く求められている耐環境性に対しても、本製造方法により成形した金属複合材10は、前記のように金属短繊維12が磁性を有していることから、材料分別を容易に行うことができるため、優れたリサイクル性も有している。   In this embodiment, since the short metal fiber 12 is SUS430 of ferritic stainless steel, it can be accurately and stably positioned in the cavity 35 of the die casting apparatus 33 as described above. Furthermore, the metal composite material 10 molded by the present manufacturing method is also easily demanded for the environmental resistance, which has been strongly demanded in recent years, because the short metal fibers 12 have magnetism as described above. Therefore, it has excellent recyclability.

次に、上述した本実施例の金属複合材10の強度を測定する試験を実施した結果について説明する。
ここで、本実施例にあっては、引張試験を行い、引張強度を測定している。引張試験は、JIS Z2241に従って行っている。この引張試験の試験片には、上記した円柱形状の金属複合材10から所定寸法の丸棒状の試験片を切り出して用いている。
Next, the result of having conducted the test which measures the intensity | strength of the metal composite material 10 of a present Example mentioned above is demonstrated.
Here, in the present Example, the tensile test is performed and the tensile strength is measured. The tensile test is performed according to JIS Z2241. As a test piece for the tensile test, a round bar-shaped test piece having a predetermined size is cut out from the cylindrical metal composite material 10 described above.

また、本実施例の金属複合材10の比較例として、1000℃以上の高温で焼結したプリフォームにアルミニウム合金を含浸した構成と、アルミニウム合金だけのものとを準備し、同様の引張試験により引張強度を測定した。ここで、前者の比較例の構成は、上述した実施例と同様に、予備成形体2をプレス成形工程により成形した後、該予備成形体2を加熱炉25内に入れて、真空ポンプ(図示省略)を作動して、加熱炉25内を約0.4Paの真空状態とする。そして、この真空状態を維持し、1150℃に加熱して60分間保持する。これにより、予備成形体2を焼結して、プリフォームを成形する。このプリフォームに、上述した実施例と同様に、ダイカスト成形装置33によりアルミニウム合金の溶湯6を含浸し、比較例の金属複合材を得る。尚、この比較例は、結合剤を使用せず、真空中で1000℃以上の高温により焼結した以外は、実施例と同様に製造している。   In addition, as a comparative example of the metal composite material 10 of the present example, a structure in which a preform sintered at a high temperature of 1000 ° C. or higher was impregnated with an aluminum alloy and only an aluminum alloy were prepared, and a similar tensile test was performed. Tensile strength was measured. Here, the configuration of the former comparative example is the same as in the above-described embodiment. After the preform 2 is molded by the press molding process, the preform 2 is placed in the heating furnace 25 and a vacuum pump (shown in the figure). (Omitted) is operated to bring the inside of the heating furnace 25 into a vacuum state of about 0.4 Pa. And this vacuum state is maintained, it heats to 1150 degreeC and hold | maintains for 60 minutes. As a result, the preform 2 is sintered to form a preform. This preform is impregnated with the molten aluminum alloy 6 by the die casting apparatus 33 in the same manner as in the above-described embodiment to obtain a metal composite material of a comparative example. This comparative example is manufactured in the same manner as in the example except that no binder is used and sintering is performed at a high temperature of 1000 ° C. or higher in a vacuum.

引張試験の結果を図5に示す。本実施例の金属複合材10は、その引張強度が、上記した比較例の構成に比して高くなっている。特に、アルミニウム合金のみからなる金属材の引張強度よりも、本実施例の金属複合材10は高い引張強度を発揮し、複合化による高強度化が達成できていることを確認できる。これに比して、1000℃以上の高温で焼結した比較例は、アルミニウム合金のみの金属材よりも、引張強度が著しく低下している。これは、1000℃以上の高温で焼結する際に、金属短繊維が酸化および脆化したために、該金属短繊維が本来有する強度を発揮できなくなったことが原因と考えられる。そして、1000℃以上の高温で焼結する際には、約0.4Paの真空中で焼結しても、金属短繊維の酸化や脆化を抑えることができない。このことから、仮に1000℃以上で焼結する場合には、さらに高真空状態を必要とするため、専用の機械を要し、製造時間の長時間化や製造コストが増大することとなってしまう。これでは、市場競争力が低下するという問題を生じる。   The result of the tensile test is shown in FIG. The metal composite material 10 of the present example has a higher tensile strength than the configuration of the comparative example described above. In particular, it can be confirmed that the metal composite material 10 of the present example exhibits higher tensile strength than the tensile strength of a metal material made of only an aluminum alloy, and high strength can be achieved by combining. In comparison, the comparative example sintered at a high temperature of 1000 ° C. or higher has a significantly lower tensile strength than a metal material made of only an aluminum alloy. This is presumably because the short metal fibers were not oxidized and embrittled when sintered at a high temperature of 1000 ° C. or higher, so that the inherent strength of the short metal fibers could not be exhibited. And when sintering at a high temperature of 1000 ° C. or higher, even if sintering is performed in a vacuum of about 0.4 Pa, oxidation and embrittlement of the short metal fibers cannot be suppressed. For this reason, if the sintering is performed at 1000 ° C. or higher, a higher vacuum state is required. Therefore, a dedicated machine is required, which increases the manufacturing time and the manufacturing cost. . This causes a problem that the market competitiveness decreases.

尚、上記した引張試験の結果からも、本実施例の金属複合材10は、そのプリフォーム1に比較的高速で溶湯を含浸するダイカスト成形方法により成形しても、該溶湯が充分に含浸すると共に、プリフォーム1の変形や破壊などを生じないことが明らかであり、ホウケイ酸ガラス粒子17により各金属短繊維12同士を強固に結合していることがわかる。   In addition, also from the result of the above-described tensile test, even if the metal composite material 10 of the present embodiment is molded by a die casting method in which the preform 1 is impregnated with the molten metal at a relatively high speed, the molten metal is sufficiently impregnated. In addition, it is clear that the preform 1 is not deformed or broken, and it can be seen that the short metal fibers 12 are firmly bonded to each other by the borosilicate glass particles 17.

上述した実施例の製造方法にあっては、金属短繊維12としてフェライト系ステンレス鋼のSUS430のものを使用しているが、その他、マルテンサイト系ステンレス鋼のSUS410を用いることもできる。このマルテンサイト系ステンレス鋼にあっても、フェライト系ステンレス鋼と同様に、磁性を有していることから、上記のように、ダイカスト成形装置33のキャビティ35内に精度良く位置決めすることができると共に、リサイクル性にも優れるという作用効果を奏する。また、金属短繊維12としては、その他のステンレス鋼や軟鋼などを用いることもでき、さらには、銅、真鍮、アルミニウム合金の短繊維を用いることもできる。そして、金属短繊維12としては、その繊維長をプレス加工に適用することを考慮すれば、10mm以下とすることが好ましい。この繊維長としては、3mm〜7mmのものが好適に用い得る。   In the manufacturing method of the above-described embodiment, ferritic stainless steel SUS430 is used as the short metal fiber 12, but martensitic stainless steel SUS410 can also be used. Even in this martensitic stainless steel, since it has magnetism like ferritic stainless steel, it can be accurately positioned in the cavity 35 of the die casting apparatus 33 as described above. It has the effect of being excellent in recyclability. In addition, as the short metal fibers 12, other stainless steel, mild steel, or the like can be used, and further, short fibers of copper, brass, or aluminum alloy can be used. And it is preferable to set it as 10 mm or less as the short metal fiber 12 if the fiber length considers applying to press work. A fiber length of 3 mm to 7 mm can be suitably used as the fiber length.

また、上述した実施例では、金属の溶湯として、アルミニウム合金の溶湯を用いているが、その他、マグネシウム合金などの軽金属の溶湯が好適に用い得る。   In the above-described embodiments, a molten aluminum alloy is used as the molten metal, but a molten metal such as a magnesium alloy can also be suitably used.

また、結合剤としては、ポリビニルアルコールの代わりに、ポリアクリルアミドなどの有機系の合成樹脂である高分子ポリマーを用いることもできる。また、結合剤のガラス粒子には、ホウケイ酸ガラス粒子の他に、ホウ酸ガラス粒子やケイ酸ガラス粒子を用いることもできる。   Further, as the binder, a high molecular polymer that is an organic synthetic resin such as polyacrylamide can be used instead of polyvinyl alcohol. In addition to borosilicate glass particles, borate glass particles or silicate glass particles can also be used as the glass particles of the binder.

上述した実施例にあっては、焼成工程を、250℃に加熱した後に焼結温度600℃に加熱するようにしているが、焼結温度600℃に加熱するだけとすることもできる。600℃に加熱することにより、結合剤の水分およびポリビニルアルコール成分を焼失することができるため、ホウケイ酸ガラス粒子17によって各金属短繊維12同士を結合することができ得る。   In the embodiment described above, the baking step is heated to 250 ° C. and then to a sintering temperature of 600 ° C. However, it is also possible to heat only to the sintering temperature of 600 ° C. By heating to 600 ° C., the moisture of the binder and the polyvinyl alcohol component can be burned out, so that the short metal fibers 12 can be bonded to each other by the borosilicate glass particles 17.

上述した実施例にあって、溶湯含浸工程で、プリフォームにより複合化する部位を局部的に備えてなる金属複合材を成形することもできる。この金属複合材にあっては、プリフォームと金属母材とが複合した複合化部位と、金属母材のみからなる金属部位とを一体的に鋳造成形してなるものである。このような金属複合材を成形する場合にあっても、上述した本発明にかかる作用効果を奏する。そして、溶湯含浸工程で、プリフォームを金型のキャビティ内の所定箇所に配置する際にも、該プリフォームの金属短繊維が脱落することがないため、上記した金属部位に金属短繊維が異物として混入してしまうこともない。   In the embodiment described above, a metal composite material that locally includes a portion to be combined by a preform can be formed in the molten metal impregnation step. In this metal composite material, a composite portion where the preform and the metal base material are combined and a metal portion made of only the metal base material are integrally cast. Even when such a metal composite material is formed, the above-described effects of the present invention are exhibited. In the molten metal impregnation step, even when the preform is disposed at a predetermined location in the cavity of the mold, the metal short fiber of the preform does not fall off. It will not be mixed as.

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。   In this invention, it is not limited to the Example mentioned above, About another structure, it can change suitably within the range of the meaning of this invention.

実施例のプリフォーム1を成形する工程を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the process of shape | molding the preform 1 of an Example. ダイカスト成形装置33による溶湯含浸工程を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the molten metal impregnation process by the die-casting apparatus 33. FIG. 図2から連続する溶湯含浸工程を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the molten metal impregnation process continuous from FIG. 本実施例の金属複合材10の断面拡大写真である。It is a cross-sectional enlarged photograph of the metal composite material 10 of a present Example. 本実施例の金属複合材10の、引張強度の測定結果を示す図表である。It is a graph which shows the measurement result of the tensile strength of the metal composite material 10 of a present Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 プリフォーム
2 予備成形体
6 アルミニウム合金の溶湯(金属の溶湯)
6’ アルミニウム合金(金属母材)
10 金属複合材
12 金属短繊維
16 結合剤
17 ガラス粒子(ホウケイ酸ガラス粒子)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Preform 2 Preformed object 6 Molten metal of aluminum alloy (molten metal)
6 'Aluminum alloy (metal base material)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Metal composite material 12 Short metal fiber 16 Binder 17 Glass particle (borosilicate glass particle)

Claims (6)

プレス加工により、金属短繊維から構成される多孔質状の予備成形体を成形するプレス成形工程と、
高分子ポリマーと所定のガラス粒子とを溶融してなる粘着性を有する結合剤により、前記予備成形体の少なくとも外表層の各金属短繊維同士を仮接着する仮止め工程と、
前記結合剤により各金属短繊維同士を仮接着した予備成形体を、前記ガラス粒子の軟化点以上の所定焼結温度で加熱することにより、結合剤のガラス粒子により各金属短繊維同士を結合し、多孔質状のプリフォームを成形する焼成工程と、
前記プリフォームに、金属の溶湯を加圧含浸する溶湯含浸工程と
を備えていることを特徴とする金属複合材の製造方法。
A press forming step of forming a porous preform formed of short metal fibers by pressing; and
A temporary fixing step of temporarily adhering the short metal fibers of at least the outer surface layer of the preform with a binder having adhesiveness obtained by melting a polymer and predetermined glass particles;
By heating the preform in which the short metal fibers are temporarily bonded with the binder at a predetermined sintering temperature equal to or higher than the softening point of the glass particles, the short metal fibers are bonded with the glass particles of the binder. A firing step of forming a porous preform;
A method for producing a metal composite material, comprising: a melt impregnation step in which the preform is impregnated with a molten metal under pressure.
仮止め工程で使用する結合剤の所定のガラス粒子が、粒径100μm以下のものであることを特徴とする請求項1に記載の金属複合材の製造方法。   The method for producing a metal composite according to claim 1, wherein the predetermined glass particles of the binder used in the temporary fixing step have a particle size of 100 µm or less. 焼成工程が、所定の焼結温度に加熱する前に、ガラス粒子の軟化点より低い所定温度に加熱することにより、結合剤の高分子ポリマーを焼失するようにしていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の金属複合材の製造方法。   The high molecular polymer of the binder is burned down by heating to a predetermined temperature lower than the softening point of the glass particles before the baking step is heated to a predetermined sintering temperature. The manufacturing method of the metal composite material of Claim 1 or Claim 2. 仮止め工程で使用する結合剤の高分子ポリマーが、ポリビニルアルコール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1項に記載の金属複合材の製造方法。   The method for producing a metal composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer polymer of the binder used in the temporary fixing step is polyvinyl alcohol. 仮止め工程で使用する結合剤の所定のガラス粒子は、その軟化点が400℃以上かつ700℃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1項に記載の金属複合材の製造方法。   The predetermined glass particles of the binder used in the temporary fixing step have a softening point of 400 ° C or higher and 700 ° C or lower, according to any one of claims 1 to 4. A method for producing a metal composite. 金属短繊維が、磁性を有するステンレス鋼であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の金属複合材の製造方法。   The method for producing a metal composite according to any one of claims 1 to 5, wherein the short metal fibers are stainless steel having magnetism.
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