JP2009532208A - 多層複合材物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単一物品の製造に異なる特性をもつ２種類の材料を用いることは、成形、溶接および／または機械加工の点で困難であるが、この問題を解決できる多層複合材コンポーネンツの製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明の製造方法は、非鋳造材料から第一層を形成しかつ鋳造材料から第二層を形成する段階を有し、第二層は、第一層より低い融点を有する材料から作られる。一実施形態では、第一層は鍛造合金であり、第二層は第一層上に鋳造される。
【選択図】図２

Description

本発明は、広くは物品の製造方法に関し、より詳しくは、少なくとも１つの層が鋳造される多層複合材物品の製造方法に関する。

関連出願の相互参照
本願は、２００６年３月３０日付米国仮特許出願第６０／７８７，４１９号の優先権を主張する。尚、この米国仮特許出願は本願に援用する。

金属、プラスチック、セラミック等から作られるコンポーネンツおよび／または物品は、種々の工業的方法を用いて製造される。例えば、鍛造合金から作られるコンポーネンツは、熱間圧延、冷間圧延、スタンピング、スピニング、引抜き加工、穿孔加工等を用いて製造されまたは組立てられる。これに対し、キャビティ内に溶融金属を注ぐことによって鋳造材物品を作ることができる。一般に、鋳造物品は、鍛造材から製造された物品とは異なり、技術者およびデザイナは、所望のデザインおよび／または性能条件に基いて、物品を作る材料および物品の製造に使用する方法を選択できる。

物品において異なる特性または特性の組合せが必要とされおよび／または有効である場合には、２種類以上の材料を用いて物品を製造することが望まれる。しかしながら、異なる材料から物品を製造することは複雑でありかつ費用が嵩む。例えば、単一物品の製造に異なる特性をもつ２種類の材料を用いることは、成形、溶接および／または機械加工の点で困難が生じる。このため、多層複合材コンポーネンツを製造する方法が要望されている。

本願は、多層複合材物品の製造方法を開示する。本発明は、非鋳造材料から第一層を形成しかつ鋳造材料から第二層を形成する段階を有し、第二層は、第一層より低い融点を有する材料からなる。一実施形態では、第一層は鍛造合金でありかつ第二層は第一層上に鋳造される。第一層は、例えばスタンピング、引抜き加工、圧延、スピン成形等の鍛造合金成形方法により形成される。
他の実施形態では、第一層は鋼から作られ、かつ第二層を第一層に接合する補助をする孔を有している。第二層は、第一層より２０％以上異なる物理的特性、化学的特性および機械的特性のうちの少なくとも１つの特性を有している。第二層は、物品に、スペーサ、ソケットおよび／または他の機能的コンポーネントを形成できる。また、第二層は、第一層と比較して優れた表面仕上げがなされた表面および／または第三層との優れた接合性を有する表面を形成できる。また第二層は、第一層と比較して、優れた溶接性および／または機械加工性を有する材料を形成できる。

本発明は、多層複合材物品を製造する方法に関し、従って本発明は、種々の材料の特性および特徴を呈する物品、および／または特性および特徴の組合せを呈する物品の製造方法として有用である。本発明の方法は、第一層（スケルトン層としても知られている）が鍛造合金または燒結セラミック等の非鋳造材料から作られる製造方法である。ひとたび第一層が所望形状に成形されたならば、第二層が第一層上におよび／または第一層の全体に亘って鋳造される。このようにして、非鋳造層および第二鋳造層から得られる特性を有する単一物品が形成される。

ここで図１を参照すると、本発明の方法に使用される第一層１００の一例が示されている。第一層１００は、第一表面１１０および第二表面１２０を有している。任意であるが、第一層１００には、第一表面１１０および第二表面１２０に隣接する少なくとも１つの孔１３０を設けることができる。一実施形態では、第一層１００は、鋼、ステンレス鋼、ニッケルベース合金、コバルトベース合金および／または他の金属材料等の鍛造合金から作られる。本発明の目的から、「鍛造合金（wrought alloy）」とは、材料の再結晶が生じるように機械的、熱的および／または熱−機械的に加工された合金として定義される。或いは、第一層１００は、セラミック材料および／または耐火材料から製造できる。

図２には、本発明の方法を用いて製造された第一実施形態の物品１０の断面が示されている。鋳造された第二層２００が、第一層１００上および孔１３０の少なくとも一部を通って設けられている。用語「鋳造」、「鋳造材料」、「鋳造層」および／または「キャスティング」とは、液体の凝固により形成されかつ再結晶が生じる態様で加工されていない固体の材料、層、物品等として定義される。第二層２００は、第一層１００の孔１３０を少なくとも部分的に充満する領域２１０を有している。また、第一層１００の外面から突出して延びる第二層２００の領域２２０を設けることができる。図３には、第一実施形態１０の斜視図が示されている。第二層２００は鋳造層でありかつ第一層１００の融点より低い融点を有する材料からなる。本発明の目的から、「融点」とは熱特性として定義され、かつ材料の融点より低い温度から加熱したときに、材料が固体状態から液体状態への変態を開始する温度を表す。

一実施形態では、第二層２００は、第一層１００より低い融点であることに加え、第一層の同じ特性より２０％以上小さいかまたは大きい物理的特性、化学的特性および／または機械的特性のうちの少なくとも１つを有する。異なる実施形態では、第二層は、第一層の同じ特性より４０％以上小さいかまたは大きい物理的特性、化学的特性および／または機械的特性のうちの少なくとも１つを有する。また、異なる実施形態では、第二層は、第一層の同じ特性より５０％以上小さいかまたは大きい物理的特性、化学的特性および／または機械的特性のうちの少なくとも１つを有する。

第一層１００が鍛造材料から作られる場合には、第一層１００は、鍛造合金を成形するための当業者に知られた任意の方法、例えば熱間圧延、冷間圧延、スタンピング、引抜き加工、スピン成形、ピルガーリング（pilgering）、スウェージング加工、シヤーリング、押出し加工およびこれらの組合せを含む方法を用いて所望の形状に成形される。図１に示された第一層１００はチューブの形状を有するが、これは本発明の方法を実施する上で必須の形状ではない。例えば、第一層１００はプレート、シート、ロッドおよび／またはワイヤおよびこれらから作られる任意のコンポーネントの形状にすることができる。

図１〜図３に示す第一実施形態１０は、図２に仮想線で示すように、ボールジョイントのソケットＡがコンポーネント内に圧嵌めされるように構成されている。第二層２００は、所望の物理的、化学的および／または機械的特性に適合できる材料で形成される。いかなる意味においても本発明の範囲を制限することなく、例えば第一層１００は、所望の強度が得られるがアルミニウム、マグネシウムおよび／または亜鉛合金と比較して機械加工が困難な鋼合金から作ることができる。しかしながら、アルミニウム、マグネシウムまたは亜鉛合金は、物品がボールジョイントのソケットＡとして機能するのに望まれる強度を有していない。従って、鋼から作られた第一層１００を設けかつ該第一層１００上にアルミニウム、マグネシウムおよび／または亜鉛合金から作られた第二層２００を鋳造することにより、鋼の特性と、アルミニウム、マグネシウムおよび／または亜鉛合金の特性との組合せが余裕を与える。この態様では、多層複合材から作られた物品に優れた特性が付与される。このような物品は製造コストを低減させることもできる。

図４には、本発明の方法の異なる実施形態から作られた物品２０が示されている。この実施形態では、第二層２００が第一層１００上に鋳造されるが、外面１２０を越えて延びている領域２２０が領域２２２により置換されている。領域２２０および／または領域２２２は、コンポーネント１０および／またはコンポーネント２０に対するスペーサの機能を与える。また、第一実施形態１０および第二実施形態２０は、第一層１００の内面１１０上への第二層２００の鋳造を示しているが、第二層２００は、外面１２０上、または内面１１０および外面１２０の両面上に鋳造することもできる。
図５には、異なる形状をもつ第一層１００が示されている。第一層１００は孔１３０を有していないが、１つ以上の上記鍛造合金成形方法を用いて形成される領域１４０を有している。孔１３０と同様に、領域１４０は、第一層１００と第二層２００との間に優れた接合力を付与できる。

図７〜図１０には、本発明の方法の異なる実施形態を用いて製造された物品４０がる示されている。図７は、コンポーネンツ１５２、１５４、１５６から作られた、組立てられていない第一層１５０を示す分解図である。これらのコンポーネンツは、例えば図に位置１５３で示すような溶接を含む、当業者に知られた任意の方法で、および／または接着剤、ファスナ等を用いて組立てられる。コンポーネンツ１５４には孔１５５が示されているが、これらの孔１５５は必須のものではない。

図９には、射出キャスティングダイＡ内に配置された、組立てられた第一層１５０が示されている。第一層１５０がダイＡ内に置かれた後に、第一層１５０上にかつ第一層１５０の全体に亘って第二層を射出鋳造できる。第二層２３０は、コンポーネント１５６の外面、およびコンポーネント１５２の少なくとも一部および外面を覆っているところが示されている。図１０には、物品４０の斜視図が示されている。孔１５５は第二層２３０により充満され、第一層１５０の外面は第二層２３０により覆われている。任意であるが、第二層２３０の一部としてフランジ２３４、２３６を形成できる。第二層２３０を備えたコンポーネント１５２は、図示のようにボールジョイントのとしてソケットとして使用でき、第二層２３０を備えたコンポーネンツ１５６は、例えばサスペンションシステムに取付けるのに使用できる。この実施形態は、比較的複雑な形状の物品を製造する本発明の方法の多用性を示すものである。

図１１には、ブラケット１６２等の機能的コンポーネントを備えた第一層１６０が示されている。本発明の方法の一実施形態は、図１２に示すように、第一層上に第二層２４０を設けるのに使用できる。第二層２４０は、コンポーネント１６０の内面１６４および外面１６６の少なくとも一部に設けられかつ孔１６８を少なくとも部分的に充満している。第二層２４０により孔１６８を充満することにより、第一層１００を形成する材料とは異なる特性を有する材料で孔１６８を埋めることができる。例えば例示のみを目的とするが、第二層２４０の材料はねじ山付ねじでセルフタッピングするか、ねじ山のような改善された機械特性を低コストで得ることができる。

図１３〜図１５には、本発明の一実施形態を用いて作られた物品の一例が示されている。この実施形態では、第一層１７０が使用され、該第一層１７０上に第二層２５０、２５２が鋳造される。第一層１７０から形成ブラケットのような機能的コンポーネントとは異なり、ブラケット２５２は第二層２５０を用いて形成される。
これらの図面および実施形態に示されているように、本発明の方法は、種々の多層複合材物品を提供すなわち製造するのに使用される。第二層は金属材料にする必要はなく、プラスチック材料にすることができることに留意することは重要である。

上記図面、ディスカッションおよび説明は、本発明の特定実施形態の例示であり、本発明の実施時の制限を意味するものではない。本明細書で説明した教示から、当業者には本発明の方法を種々変更することは容易に明らかであろう。本発明の範囲は、全ての均等物を含む特許請求の範囲の記載により定められる。

本発明の方法の一実施形態に使用される第一層の一例を示す斜視図である。 本発明の方法の一実施形態を用いて製造された物品を示す断面図である。 本発明の方法の一実施形態を用いて物品された物品を示す斜視図である。 本発明の方法の一実施形態を用いて物品された物品を示す斜視図である。 本発明の方法の一実施形態に使用される第一層の一例を示す斜視図である。 本発明の方法の一実施形態を用いて物品された物品を示す断面図である。 本発明の方法の一実施形態に使用される、未だ組立てられていない第一層の一例を示す分解斜視図である。 本発明の方法の一実施形態に使用される、組立てられた第一層の一例を示す斜視図である。 本発明の方法の一実施形態を用いて作られたダイキャストモールド内の物品を示す断面図である。 本発明の方法の一実施形態を用いて作られた物品を示す斜視図である。 本発明の方法に使用される第一層の一例を示す斜視図である。 本発明の方法の一実施形態を用いて作られた物品を示す断面図である。 本発明の方法の一実施形態に使用される第一層の一例を示す斜視図である。 本発明の方法の一実施形態を用いて作られた物品を示す斜視図である。 本発明の方法の一実施形態を用いて作られた物品を示す断面図である。

符号の説明

１０ 物品
１００ 第一層
１３０ 孔
２００ 第二層
２１０ 孔を充満する領域
２２０ 第一層から突出した第二層の領域
２３４、２３６ フランジ
２５２ ブラケット

Claims (19)

1. 非鋳造材料から第一層を形成する段階と、
   第一層上に第二層を鋳造する段階とを有し、第二層は、多層複合材物品を製造する目的から、第一層より低い融点を有する材料からなることを特徴とする多層複合材物品の製造方法。
2. 第一層は鍛造合金であることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
3. 第一層は鋼から作られることを特徴とする請求項２記載の製造方法。
4. 第一層と第二層との接合を改善する目的から、第一層は孔を有していることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
5. 第二層は、第一層の同じ特性より２０％以上小さいかまたは大きい少なくとも１つの特性を有し、特性は、物理的特性、化学的特性および機械的特性からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
6. 第二層は、第一層の同じ特性より４０％以上小さいかまたは大きい少なくとも１つの特性を有し、特性は、物理的特性、化学的特性および機械的特性からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
7. 第二層は、第一層の同じ特性より５０％以上小さいかまたは大きい少なくとも１つの特性を有し、特性は、物理的特性、化学的特性および機械的特性からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
8. 第二層は物品のスペーサを形成することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
9. 第二層は物品のソケットを形成することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
10. 第二層は、第一層とは異なる表面外観を物品に付与することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
11. 第二層は第三層に接合する表面を物品に付与することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
12. 第二層は溶接のための材料を形成することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
13. 第二層は機械加工のための材料を形成することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
14. 第二層は第一層から延びているブラケットを形成することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
15. 第二層はサンドキャスティングにより形成されることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
16. 第二層は射出ダイキャスティングにより形成されることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
17. 第二層は合金であることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
18. 第二層はプラスチックであることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
19. 鍛造鋼合金から第一層を形成する段階と、
    第一層上に第二層を射出ダイキャスティングする段階とを有し、第二層は、第一層より低い融点を有する材料から作られかつ第一層の同じ特性より２０％以上小さいか、または大きい少なくとも１つの特性を有し、
    第二層の材料は、多層複合材物品を製造する目的から、合金およびプラスチックからなる群から選択されることを特徴とする多層複合材物品の製造方法。

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