JP2011231374A - Method for manufacturing aluminum composite metallic material, and method for manufacturing aluminum composite metal product - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Al複合金属材料又はAl複合金属製品の製造技術に関する。 The present invention relates to a technique for manufacturing an Al composite metal material or an Al composite metal product.
半導体基板にヒートシンクが付設される。このヒートシンクは、文字通り、放熱部品であるため、高い熱伝導率が求められる。
金属より炭素の熱伝導率が高いため、ヒートシンクとして、金属材料と炭素繊維との複合成形品が推奨され、それの製造技術は各種提案されている(例えば、特許文献1(図2)参照。)。
A heat sink is attached to the semiconductor substrate. Since this heat sink is literally a heat radiating component, high heat conductivity is required.
Since carbon has a higher thermal conductivity than metal, a composite molded product of a metal material and carbon fiber is recommended as a heat sink, and various manufacturing techniques thereof have been proposed (see, for example, Patent Document 1 (FIG. 2)). ).
特許文献1を次図に基づいて説明する。
図5は従来の技術の基本原理を説明する図であり、ダイ101に、炭素繊維成形体102を置き、溶融金属103を流し込む。次に、パンチ104で溶融金属103を加圧する。すると、溶融金属103が炭素繊維成形体102に浸み込む。これで、金属と炭素繊維との複合成形品が得られる。
Patent document 1 is demonstrated based on the following figure.
FIG. 5 is a diagram for explaining the basic principle of the conventional technique. A carbon fiber molded
炭素繊維成形体102は、炭素繊維を型に入れ、圧縮することで得られる。すなわち、炭素繊維成形体を得るために、成形工程が必要となる。結果、複合成形品の製造コストが嵩む。
また、パンチ104で加圧する関係上、得られる複合成形品は、平板などの簡単な形状物に限定される。
The carbon fiber molded
In addition, because of the pressurization with the
炭素繊維の成形工程が不要であり、且つ複雑な形状の複合成形品を得ることができる製造技術が求められる。 There is a need for a manufacturing technique that does not require a carbon fiber molding step and that can obtain a complex molded article having a complicated shape.
本発明は、炭素繊維の成形工程が不要であり、且つ複雑な形状の複合成形品を得ることができる製造技術を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a manufacturing technique that does not require a carbon fiber molding step and can obtain a complex molded article having a complicated shape.
請求項1に係るAl複合金属材料の製造方法は、アルミニウムをマトリックスとする金属材料及び強化材としての炭素繊維を準備する工程と、
前記金属材料を容器に入れ、半溶融状態に加熱した状態で、前記炭素繊維を少量ずつ添加しながら、撹拌手段により、前記炭素繊維が飛散しないような第1の速度で撹拌する第1撹拌工程と、
前記炭素繊維の添加が完了したら、前記撹拌手段の速度を、前記第1の速度より高速の第2の速度に切り換えて、前記撹拌物の上層部分が前記炭素繊維を豊富に含む炭素繊維リッチの混合物と、前記撹拌物の下層部分が前記炭素繊維を殆ど含まない炭素繊維プアーの混合物とに分離するように、前記撹拌物を所定時間撹拌する第2撹拌工程と、
Al複合金属製品の素材を得るために、前記容器から前記炭素繊維リッチの混合物を取り出す工程と、からなることを特徴とする。
The method for producing an Al composite metal material according to claim 1 includes a step of preparing a metal material using aluminum as a matrix and a carbon fiber as a reinforcing material;
A first stirring step of stirring at a first speed such that the carbon fibers are not scattered by a stirring means while adding the carbon fibers little by little while the metal material is put in a container and heated to a semi-molten state. When,
When the addition of the carbon fibers is completed, the speed of the stirring means is switched to a second speed that is higher than the first speed, and the upper layer portion of the stirring material is rich in carbon fibers containing the carbon fibers. A second agitation step of agitating the agitation for a predetermined time such that the mixture and a lower layer portion of the agitation are separated into a mixture of carbon fiber poors containing almost no carbon fiber;
In order to obtain the material of the Al composite metal product, the step of taking out the carbon fiber rich mixture from the container.
請求項2に係るAl複合金属材料の製造方法では、Al複合金属材料は、15〜40質量%の炭素繊維と、残部の金属材料とからなることを特徴とする。
In the method for producing an Al composite metal material according to
請求項3に係るAl複合金属材料の製造方法では、第1撹拌工程で添加する炭素繊維は、質量比で金属材料の3〜5%であることを特徴とする。 The method for producing an Al composite metal material according to claim 3 is characterized in that the carbon fiber added in the first stirring step is 3 to 5% of the metal material by mass ratio.
請求項4に係るAl複合金属製品の製造方法は、請求項1、請求項2又は請求項3記載のAl複合金属材料の製造方法で得られた炭素繊維リッチの混合物を、直接金型成形機に供給し、金型のキャビティにより成形することでAl複合金属製品を得ることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for producing an Al composite metal product, wherein a carbon fiber rich mixture obtained by the method for producing an Al composite metal material according to the first, second, or third aspect is directly converted into a die molding machine. And an Al composite metal product is obtained by molding with a cavity of a mold.
請求項5に係るAl複合金属製品の製造方法は、請求項1、請求項2又は請求項3記載のAl複合金属材料の製造方法で得られた炭素繊維リッチの混合物を、冷却して固体状態にし、次に、この固体状態の混合物を、半溶融状態又は完全溶融状態に加熱して、金型のキャビティにより成形することでAl複合金属製品を得ることを特徴とする。
The method for producing an Al composite metal product according to
請求項1に係る発明では、成形処理を施していない炭素繊維を、半溶融状態の金属材料に添加する。炭素繊維を成形する必要がないので成形工程を省くことができ、Al複合金属材料の製造コストを下げることができる。
炭素繊維は飛散しやすいが、本発明では低速度で半溶融金属材料を撹拌しながら、少量ずつ炭素繊維を添加するようにしたため、炭素繊維が飛散する心配はない。
また、金属材料は完全溶融させずに半溶融状態とした。半溶融状態であれば添加した炭素繊維の自由流動が妨げられる。結果、炭素繊維が凝集する心配はなく、金属材料中に炭素繊維が均等に分散される。
In the invention which concerns on Claim 1, the carbon fiber which has not performed the shaping | molding process is added to the metal material of a semi-molten state. Since it is not necessary to mold carbon fiber, the molding process can be omitted, and the production cost of the Al composite metal material can be reduced.
Although the carbon fibers are likely to be scattered, in the present invention, the carbon fibers are added little by little while stirring the semi-molten metal material at a low speed, so there is no fear that the carbon fibers are scattered.
Further, the metal material was not melted completely, but was in a semi-molten state. If it is in a semi-molten state, the free flow of the added carbon fiber is hindered. As a result, there is no fear that the carbon fibers are aggregated, and the carbon fibers are evenly dispersed in the metal material.
請求項2に係る発明では、Al複合金属材料は、15〜40質量%の炭素繊維と、残部の金属材料とした。炭素繊維の添加割合が、15質量%を下回ると、Al複合金属材料は所望の熱伝導率が得られなくなる。また、炭素繊維の添加割合が、40質量%を越えると、Al複合金属材料は脆くなり、次に実施する成形及び製品化が困難になる。
In the invention according to
請求項3に係る発明では、第1撹拌工程で添加する炭素繊維は、質量比で金属材料の3〜5%とした。炭素繊維が金属材料の3%を下回ると、炭素繊維リッチの混合物と炭素繊維プアーの混合物との2つに分離させることが、困難になる。また、炭素繊維が金属材料の5%を超えると撹拌に要する時間が長くなり、生産性が低下する。 In the invention which concerns on Claim 3, the carbon fiber added at a 1st stirring process was 3-5% of metal materials by mass ratio. If the carbon fiber is less than 3% of the metal material, it becomes difficult to separate the carbon fiber into a carbon fiber rich mixture and a carbon fiber poor mixture. Moreover, when carbon fiber exceeds 5% of a metal material, the time which stirring requires will become long and productivity will fall.
請求項4に係る発明では、炭素繊維リッチの混合物を、直接金型成形機に供給し、金型のキャビティにより成形する。工程が連続しているため、Al複合金属製品の大量生産が可能となり、Al複合金属製品の製造コストを下げることができる。
金型のキャビティは複雑な形状にすることができ、複雑な形状のAl複合金属製品が容易に得られる。
In the invention according to claim 4, the carbon fiber rich mixture is directly supplied to the mold molding machine and molded by the mold cavity. Since the process is continuous, mass production of Al composite metal products becomes possible, and the manufacturing cost of Al composite metal products can be reduced.
The cavity of the mold can have a complicated shape, and an Al composite metal product having a complicated shape can be easily obtained.
請求項5に係る発明では、炭素繊維リッチの混合物を、冷却して固形物にする。後に、加熱半溶解又完全溶解して、金型のキャビティにより成形する。
炭素繊維リッチの混合物を固形物の形態で、保存することができると共に移動することができる。固形物を必要な時期又は必要な場所で、鋳造に供することができるため、Al複合金属製品の生産計画が立てやすくなる。
金型のキャビティは複雑な形状にすることができ、複雑な形状のAl複合金属製品が容易に得られる。
In the invention which concerns on
The carbon fiber rich mixture can be stored and moved in solid form. Since the solid material can be subjected to casting at a necessary time or a necessary place, it becomes easy to make a production plan for an Al composite metal product.
The cavity of the mold can have a complicated shape, and an Al composite metal product having a complicated shape can be easily obtained.
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1(a)に示すように、金属材料としてのAl合金インゴット11と、カーボンファイバーと呼ばれる炭素繊維12とを準備する(準備工程)。
炭素繊維12は、繊維径が0.15〜20μm、繊維長さが10〜500μm、アスペクト比が5〜500のカーボンファイバーである。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown to Fig.1 (a), the
The
一方、炭素繊維に類似した材料としてカーボンナノ材料がある。
このカーボンナノ材は、繊維径が1.0nm(ナノメートル)〜150nm、すなわち、0.001〜0.15μmであり、サイズ的に炭素繊維12と異なる。
そこで、本発明では、炭素繊維12に、カーボンナノ材料を含めないことにする。
On the other hand, there is a carbon nanomaterial as a material similar to carbon fiber.
The carbon nanomaterial has a fiber diameter of 1.0 nm (nanometer) to 150 nm, that is, 0.001 to 0.15 μm, and is different from the
Therefore, in the present invention, the carbon nanomaterial is not included in the
(b)に示すように、容器(坩堝)13を用いて、Al合金インゴット11を半溶融状態に加熱する。半溶融状態は、液相と固相が混合した状態を意味する。
(c)に示すように、撹拌機14で撹拌物15を第1の速度V1で撹拌しながら、少量ずつ炭素繊維12を添加する。第1の速度V1は炭素繊維12が飛散しない程度の低速とする。所定量の炭素繊維12の全量を添加するまで、作業を続ける(第1撹拌工程)。
As shown in (b), the
As shown in (c), the
金属材料は完全溶融させずに半溶融状態とした。半溶融状態であれば添加した炭素繊維12の自由流動が妨げられる。結果、炭素繊維12が凝集する心配はなく、金属材料中に炭素繊維12が均等に分散される。
The metal material was not melted completely but in a semi-molten state. If it is a semi-molten state, the free flow of the added
(d)に示すように、所定量の炭素繊維12が添加されたら、撹拌機14の速度を第1の速度V1より高速の第2の速度V2に切り換える。
数分間撹拌すると、(e)に示すように、撹拌物15の上層部分が炭素繊維を豊富に含む炭素繊維リッチの混合物16となり、残部(撹拌物15の下層部分)が炭素繊維を殆ど含まない炭素繊維プアーの混合物17となるように、撹拌物15は上下に分離する(第2撹拌工程)。
As shown in (d), when a predetermined amount of
When stirred for several minutes, as shown in (e), the upper layer portion of the stirring
Alの比重が約2.7、炭素の比重が約2.3である。マトリックスであるAl合金より、炭素繊維が軽いため、マトリックスの上部に炭素繊維が集まることから、混合物16と混合物17とに分離すると推定される。
The specific gravity of Al is about 2.7, and the specific gravity of carbon is about 2.3. Since the carbon fibers are lighter than the Al alloy that is the matrix, the carbon fibers gather at the upper part of the matrix, so that it is estimated that the mixture is separated into the
(f)に示すように、適当な容器(例えば柄杓(ひしゃく))18に炭素繊維リッチの混合物16を移す(取り出し工程)。これで、炭素繊維リッチの混合物16だけを取り出すことができた。
As shown in (f), the carbon fiber
取り出した炭素繊維リッチの混合物16の用途を、図2、図3に基づいて説明する。
図2(a)に示すように、混合物16を、直接金属成形機21へ供給する。金属成形機21で金型22、22のキャビティ23へ注湯する。金型22、22を開くことで、(b)に示すように、Al複合金属製品24を得ることができる。
さらには、Al複合金属製品24に、熱間圧延加工や熱間押出し加工を施すことで、金属組織の微細化を行い、機械的特性や熱的特性を向上させることができる。
The use of the extracted carbon fiber
As shown in FIG. 2A, the
Furthermore, by subjecting the Al
図1、図2の工程が連続しているため、Al複合金属製品の大量生産が可能となり、Al複合金属製品の製造コストを下げることができる。
金型22のキャビティ23は複雑な形状にすることができ、複雑な形状のAl複合金属製品24が容易に得られる。
Since the steps of FIGS. 1 and 2 are continuous, the mass production of the Al composite metal product becomes possible, and the manufacturing cost of the Al composite metal product can be reduced.
The
又は、図3(a)に示すように、鋳造型25に混合物16を鋳込み、(b)に示すような固形物(固体状態の混合物)26を得る。この固形物26であれば、保存することや遠隔地まで運搬することができる。
Alternatively, as shown in FIG. 3A, a
必要なとき又は必要な場所で、(c)に示すように、加熱容器27により固形物26を半溶融又は完全溶融状態の溶湯28にする。(d)に示すように、溶湯28を、金属成形機21へ供給する。金属成形機21で金型22、22のキャビティ23へ注湯する。金型22、22を開くことで、(e)に示すように、Al複合金属製品24を得ることができる。
さらには、Al複合金属製品24に、熱間圧延加工や熱間押出し加工を、施すことで、金属組織の微細化を行い、機械的特性や熱的特性を向上させることができる。
When necessary or at a necessary place, as shown in (c), the
Furthermore, by subjecting the Al
金属材料と炭素繊維の混合割合、撹拌に係る第1の速度及び第2の速度を検証するために、実験を行った。その実験の詳細を次に説明する。 Experiments were conducted to verify the mixing ratio of the metal material and carbon fiber, the first speed and the second speed related to stirring. Details of the experiment will be described next.
(実験例)
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
(Experimental example)
Experimental examples according to the present invention will be described below. Note that the present invention is not limited to experimental examples.
○準備工程:
1000gのアルミニウム合金(JIS AC2B)と、50g又は110gの炭素繊維(繊維径8μm、繊維長さ約200μm)と、参考までに50gのカーボンナノ材料(繊維径0.15μm、繊維長さ約15μm)とを準備した。
○ Preparation process:
1000g aluminum alloy (JIS AC2B), 50g or 110g carbon fiber (fiber diameter 8μm, fiber length about 200μm), and 50g carbon nanomaterial (fiber diameter 0.15μm, fiber length about 15μm) for reference And prepared.
○第1撹拌工程:
・1000gのアルミニウム合金を、750℃の黒鉛るつぼ中で溶解する。
・その後、溶湯を585℃まで下げて半溶融状態にする。
・毎分350回転(第1の速度)で回転する窒化珪素製撹拌羽根で、半溶融状態の溶湯を撹拌する。
・この撹拌中に、溶湯に少量(量は表1に示す。)の炭素繊維を添加する。
・所定量(量は表1に示す。)の添加が完了するまで続ける。
○ First stirring step:
• 1000 g of aluminum alloy is melted in a graphite crucible at 750 ° C.
-Thereafter, the molten metal is lowered to 585 ° C to be in a semi-molten state.
The semi-molten molten metal is stirred with a stirring blade made of silicon nitride that rotates at 350 rpm (first speed).
-During this stirring, a small amount (the amount is shown in Table 1) of carbon fiber is added to the molten metal.
Continue until the addition of the prescribed amount (amount shown in Table 1) is complete.
○第2撹拌工程:
・毎分500回転(第2の速度)で回転する窒化珪素製撹拌羽根で、半溶融状態の溶湯を所定時間(時間は表1に示す。)撹拌する。
・所定時間が経過すると、撹拌物の上部に炭素繊維リッチの混合部が分離形成される。
○ Second stirring step:
-The semi-molten molten metal is stirred for a predetermined time (time is shown in Table 1) with a silicon nitride stirring blade rotating at 500 revolutions per minute (second speed).
When a predetermined time has elapsed, a carbon fiber rich mixed portion is separated and formed on the top of the agitated material.
○取り出し工程:
・容器の温度を700℃に高める。
・炭素繊維リッチの混合物をすくい取る。
○ Extraction process:
Increase the container temperature to 700 ° C.
• Skim off the carbon fiber rich mixture.
○鋳造工程:
・炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造機に供給し、Al複合金属製品を得る。
○熱伝導率測定:
・得られたAl複合金属製品の熱伝導率を測定した。
・参照指標は、炭素繊維が含まれていないアルミニウム合金(JIS AC2B)の熱伝導率とする。この熱伝導率は、144W/mKである。
○ Casting process:
-Supply a carbon fiber rich mixture to a high pressure casting machine to obtain an Al composite metal product.
○ Thermal conductivity measurement:
-The thermal conductivity of the obtained Al composite metal product was measured.
The reference index is the thermal conductivity of an aluminum alloy (JIS AC2B) that does not contain carbon fiber. This thermal conductivity is 144 W / mK.
・試料1:1000gのアルミニウム合金に毎分1.8gの速度で110gの炭素繊維を添加した。全量添加に約61分を要した。第2撹拌は実施しなかった。第1撹拌のみで得た混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は10質量%で、熱伝導率は138W/mKであった。なお、炭素繊維有率は、(炭素繊維/(金属材料+炭素繊維))の百分率で算出される。 Sample 1: 110 g of carbon fiber was added to a 1000 g aluminum alloy at a rate of 1.8 g per minute. It took about 61 minutes to add the whole amount. The second stirring was not performed. A sample was prepared by high-pressure casting the mixture obtained only by the first stirring. The carbon fiber content of this sample was 10% by mass, and the thermal conductivity was 138 W / mK. The carbon fiber ratio is calculated as a percentage of (carbon fiber / (metal material + carbon fiber)).
・試料2:1000gのアルミニウム合金に毎分5gの速度で50gの炭素繊維を添加した。全量添加に10分を要した。500rpmでの第2撹拌は1分間実施した。第2撹拌で得た250gの炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は10質量%で、熱伝導率は144W/mKであった。 Sample 2: 50 g of carbon fiber was added to a 1000 g aluminum alloy at a rate of 5 g per minute. It took 10 minutes to add the whole amount. The second stirring at 500 rpm was performed for 1 minute. A sample was prepared by high-pressure casting 250 g of the carbon fiber-rich mixture obtained by the second stirring. The carbon fiber content of this sample was 10% by mass, and the thermal conductivity was 144 W / mK.
・試料3:1000gのアルミニウム合金に毎分5gの速度で50gの炭素繊維を添加した。全量添加に10分を要した。500rpmでの第2撹拌は2分間実施した。第2撹拌で得た炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は15質量%で、熱伝導率は155W/mKであった。 Sample 3: 50 g of carbon fiber was added to 1000 g of aluminum alloy at a rate of 5 g per minute. It took 10 minutes to add the whole amount. The second stirring at 500 rpm was performed for 2 minutes. A sample was prepared by high-pressure casting the carbon fiber-rich mixture obtained by the second stirring. This sample had a carbon fiber content of 15% by mass and a thermal conductivity of 155 W / mK.
・試料4:1000gのアルミニウム合金に毎分5gの速度で50gの炭素繊維を添加した。全量添加に10分を要した。500rpmでの第2撹拌は3分間実施した。第2撹拌で得た炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は20質量%で、熱伝導率は172W/mKであった。 Sample 4: 50 g of carbon fiber was added to 1000 g of aluminum alloy at a rate of 5 g per minute. It took 10 minutes to add the whole amount. The second stirring at 500 rpm was carried out for 3 minutes. A sample was prepared by high-pressure casting the carbon fiber-rich mixture obtained by the second stirring. The carbon fiber content of this sample was 20% by mass and the thermal conductivity was 172 W / mK.
・試料5:2000gのアルミニウム合金に毎分5gの速度で100gの炭素繊維を添加した。全量添加に20分を要した。500rpmでの第2撹拌は5分間実施した。第2撹拌で得た炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は40質量%で、熱伝導率は180W/mKであった。 Sample 5: 100 g of carbon fiber was added to 2000 g of aluminum alloy at a rate of 5 g per minute. It took 20 minutes to add the whole amount. The second stirring at 500 rpm was performed for 5 minutes. A sample was prepared by high-pressure casting the carbon fiber-rich mixture obtained by the second stirring. This sample had a carbon fiber content of 40% by mass and a thermal conductivity of 180 W / mK.
・試料6:2000gのアルミニウム合金に毎分2.1gの速度で150gの炭素繊維を添加した。全量添加に70分を要した。500rpmでの第2撹拌は5分間実施した。第2撹拌で得た炭素繊維リッチの混合物は、脆弱で、次の鋳造に移すことができなかった。そのため、熱伝導率の測定は実施しなかった。 Sample 6: 150 g of carbon fiber was added to a 2000 g aluminum alloy at a rate of 2.1 g per minute. It took 70 minutes to add the whole amount. The second stirring at 500 rpm was performed for 5 minutes. The carbon fiber rich mixture obtained by the second stirring was brittle and could not be transferred to the next casting. Therefore, measurement of thermal conductivity was not performed.
・試料7:1000gのアルミニウム合金に毎分2gの速度で50gのカーボンナノ材料を添加した。全量添加に25分を要した。500rpmでの第2撹拌は3分間実施した。第2撹拌で得た炭素繊維リッチの混合物を高圧鋳造することで、試料を作製した。この試料の炭素繊維含有率は20質量%で、熱伝導率は130W/mKであった。 Sample 7: 50 g of carbon nanomaterial was added to 1000 g of aluminum alloy at a rate of 2 g per minute. It took 25 minutes to add the whole amount. The second stirring at 500 rpm was carried out for 3 minutes. A sample was prepared by high-pressure casting the carbon fiber-rich mixture obtained by the second stirring. The carbon fiber content of this sample was 20% by mass, and the thermal conductivity was 130 W / mK.
表1に記載されている、炭素繊維含有率を横軸に取り、熱伝導率を縦軸に取ることで、炭素繊維含有率と熱伝導率との相関を調べた。
図4に示すように、右肩上がりの曲線を得ることができる。
炭素繊維を含めないアルミニウム合金(AC2B)の熱伝導率は、144W/mKである。すると、試料7(カーボンナノ材料使用)は、熱伝導率が低すぎて採用できない。また、試料2は、炭素繊維が含まれていないアルミニウム合金(AC2B)と同じ熱伝導率であるため、炭素繊維を添加した意味がない。
試料3、4、5は、高い熱伝導率が得られる。そこで、好適な炭素繊維含有率は、15質量%〜40質量%の範囲であることが確かめられた。
The correlation between the carbon fiber content and the thermal conductivity was examined by taking the carbon fiber content described in Table 1 on the horizontal axis and the thermal conductivity on the vertical axis.
As shown in FIG. 4, a curve that rises to the right can be obtained.
The thermal conductivity of the aluminum alloy (AC2B) not including carbon fiber is 144 W / mK. Then, sample 7 (using carbon nanomaterials) cannot be employed because its thermal conductivity is too low. Moreover, since the
ところで、表1では、第1撹拌での所要時間は、10分〜70分であった。この第1撹拌の時間は、長いほど生産時間が延びて生産性が低下する。
そこで、第1撹拌での所要時間に着目して、追加実験を実施することにした。この実験の内容と結果を表2で説明する。
By the way, in Table 1, the time required for the first stirring was 10 minutes to 70 minutes. The longer the first stirring time, the longer the production time and the lower the productivity.
Therefore, it was decided to carry out an additional experiment focusing on the time required for the first stirring. The contents and results of this experiment are described in Table 2.
・試料8:1000gのアルミニウム合金に毎分5gの速度で10gの炭素繊維を添加した。強化材/金属材料(百分率)は、1%となる。全量添加に2分を要し、第1撹拌での分散状態は良好であった。次に、500rpmで第2撹拌を3分間実施した。しかし、炭素繊維リッチの混合物が、炭素繊維プアーの混合物から分離しなかった。そのため、評価は×とした。 Sample 8: 10 g of carbon fiber was added to 1000 g of an aluminum alloy at a rate of 5 g per minute. The reinforcement / metal material (percentage) is 1%. It took 2 minutes to add the whole amount, and the dispersion state in the first stirring was good. Next, 2nd stirring was implemented for 3 minutes at 500 rpm. However, the carbon fiber rich mixture did not separate from the carbon fiber poor mixture. Therefore, the evaluation was x.
・試料9:試料8に対して炭素繊維を20gに増量した。強化材は金属部材の2%となる。しかし、炭素繊維リッチの混合物が、炭素繊維プアーの混合物から分離しなかった。そのため、評価は×とした。 Sample 9: Carbon fiber was increased to 20 g with respect to Sample 8. The reinforcing material is 2% of the metal member. However, the carbon fiber rich mixture did not separate from the carbon fiber poor mixture. Therefore, the evaluation was x.
・試料10:試料8に対して炭素繊維を30gに増量した。強化材は金属部材の3%となる。第1撹拌の所要時間は6分であり、目標時間(20分未満)より短い。第2撹拌により、炭素繊維リッチの混合物が炭素繊維プアーの混合物から良好に分離した。そのため、評価は○とした。
・試料11:試料8に対して炭素繊維を50gに増量した。強化材は金属部材の5%となる。第1撹拌の所要時間は10分であり、目標時間(20分未満)より短い。第2撹拌により、炭素繊維リッチの混合物と炭素繊維プアーの混合物とに分離した。そのため、評価は○とした。
Sample 10: Carbon fiber was increased to 30 g with respect to Sample 8. The reinforcing material is 3% of the metal member. The time required for the first stirring is 6 minutes, which is shorter than the target time (less than 20 minutes). The second agitation provided a good separation of the carbon fiber rich mixture from the carbon fiber poor mixture. Therefore, evaluation was set as (circle).
Sample 11: Carbon fiber was increased to 50 g with respect to Sample 8. The reinforcing material is 5% of the metal member. The time required for the first stirring is 10 minutes, which is shorter than the target time (less than 20 minutes). By the second stirring, the mixture was separated into a carbon fiber rich mixture and a carbon fiber poor mixture. Therefore, evaluation was set as (circle).
・試料12:試料8に対して炭素繊維を60gに増量し、添加速度は3g/分に変更した。強化材は金属部材の6%となる。第1撹拌の所要時間は20分であり、目標時間(20未満)をやや超えた。そのため、評価は△とした。 Sample 12: Carbon fiber was increased to 60 g with respect to Sample 8, and the addition rate was changed to 3 g / min. The reinforcing material is 6% of the metal member. The time required for the first stirring was 20 minutes, which slightly exceeded the target time (less than 20). Therefore, the evaluation was △.
・試料13:試料8に対して炭素繊維を100gに増量し、添加速度は1.7g/分に変更した。強化材は金属部材の10%となる。第1撹拌の所要時間は60分であり、目標時間(20未満)を遙かに超えた。そのため、評価は×とした。
・試料14:試料8に対して炭素繊維を110gに増量し、添加速度は1.6g/分に変更した。強化材は金属部材の11%となる。第1撹拌の所要時間は70分であり、目標時間(20未満)を遙かに超えた。そのため、評価は×とした。
Sample 13: Carbon fiber was increased to 100 g with respect to Sample 8, and the addition rate was changed to 1.7 g / min. The reinforcing material is 10% of the metal member. The time required for the first stirring was 60 minutes, far exceeding the target time (less than 20). Therefore, the evaluation was x.
Sample 14: Carbon fiber was increased to 110 g with respect to Sample 8, and the addition rate was changed to 1.6 g / min. The reinforcing material is 11% of the metal member. The time required for the first stirring was 70 minutes, far exceeding the target time (less than 20). Therefore, the evaluation was x.
・試料15:試料8に対して炭素繊維を120gに増量し、添加速度は1.5g/分に変更した。強化材は金属部材の12%となる。第1撹拌の所要時間は80分であり、目標時間(20未満)を遙かに超えた。加えて、炭素繊維過剰で分散しなかった。そのため、評価は×とした。 Sample 15: Carbon fiber was increased to 120 g with respect to Sample 8, and the addition rate was changed to 1.5 g / min. The reinforcing material is 12% of the metal member. The time required for the first stirring was 80 minutes, far exceeding the target time (less than 20). In addition, carbon fiber was excessive and did not disperse. Therefore, the evaluation was x.
第1撹拌での好ましい所要時間を、10分以内とすれば、試料10、11が該当し、強化材は、質量比で金属部材の3〜5%が好適範囲となる。すなわち、第1撹拌工程で添加する炭素繊維は、質量比で金属材料の3〜5%とした。炭素繊維が金属材料の3%を下回ると、炭素繊維リッチの混合物と炭素繊維プアーの混合物との2つに分離させることが、困難になり、また、炭素繊維が金属材料の5%を超えると撹拌に要する時間が長くなり、生産性が低下するが、これらの不具合は3〜5%の範囲にすることで解消される。
If the preferable time required for the first stirring is within 10 minutes, the
なお、第1撹拌での好ましい所要時間を、20分以内とすれば、試料10、11、12が該当し、強化材は、質量比で金属部材の3〜6%となる。
In addition, if the preferable required time in 1st stirring shall be less than 20 minutes, the
尚、金属材料としてのAlは、アルミニウム、アルミニウム合金であれば、種類は限定しない。また、Al複合金属製品の鋳造法は、ダイカスト、高圧鋳造、低圧鋳造、金型鋳造、砂型鋳造など各種の方法が適用できる。 In addition, if Al as a metal material is aluminum and an aluminum alloy, a kind will not be limited. Various methods such as die casting, high pressure casting, low pressure casting, die casting, and sand casting can be applied to the casting method of the Al composite metal product.
本発明は、アルミニウムと炭素繊維とからなるAl複合金属製品の製造に好適である。 The present invention is suitable for producing an Al composite metal product composed of aluminum and carbon fiber.
11…金属材料(Al合金インゴット)、12…炭素繊維、13…容器(るつぼ)、14…撹拌機、15…撹拌物、16…炭素繊維リッチの混合物(Al複合金属材料)、17…炭素繊維プアーの混合物、21…金属成形機、22…金型、23…キャビティ、24…Al複合金属製品。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記金属材料を容器に入れ、半溶融状態に加熱した状態で、前記炭素繊維を少量ずつ添加しながら、撹拌手段により、前記炭素繊維が飛散しないような第1の速度で撹拌する第1撹拌工程と、
前記炭素繊維の添加が完了したら、前記撹拌手段の速度を、前記第1の速度より高速の第2の速度に切り換えて、前記撹拌物の上層部分が前記炭素繊維を豊富に含む炭素繊維リッチの混合物と、前記撹拌物の下層部分が前記炭素繊維を殆ど含まない炭素繊維プアーの混合物とに分離するように、前記撹拌物を所定時間撹拌する第2撹拌工程と、
Al複合金属製品の素材を得るために、前記容器から前記炭素繊維リッチの混合物を取り出す工程と、からなることを特徴とするAl複合金属材料の製造方法。 Preparing a metal material containing aluminum as a matrix and carbon fiber as a reinforcing material;
A first stirring step of stirring at a first speed such that the carbon fibers are not scattered by a stirring means while adding the carbon fibers little by little while the metal material is put in a container and heated to a semi-molten state. When,
When the addition of the carbon fibers is completed, the speed of the stirring means is switched to a second speed that is higher than the first speed, and the upper layer portion of the stirring material is rich in carbon fibers containing the carbon fibers. A second agitation step of agitating the agitation for a predetermined time such that the mixture and a lower layer portion of the agitation are separated into a mixture of carbon fiber poors containing almost no carbon fiber;
A method for producing an Al composite metal material, comprising the step of taking out the carbon fiber-rich mixture from the container in order to obtain a material for the Al composite metal product.
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