JP2015531688A - 加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係る加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法は、予備成形体ケース５０の空間ポケット５３に空間ポケット５３よりも小さい多孔性予備成形体３０を収納して予備成形体アセンブリ６０を準備するステップと、予備成形体アセンブリ６０および溶融含浸剤４０を金型１０内に収容し、金型１０の入口を加圧パンチ２０で閉塞して押して溶融含浸剤４０が湯口５３を介して多孔性予備成形体４０の空隙内に加圧含浸されるようにする加圧含浸ステップと、を含むが、多孔性予備成形体４０の底面と金型１０の底面との間の間隔をＡ１とし、多孔性予備成形体４０の側面と金型１０の側面との間の間隔をＡ２とし、溶融含浸剤４０が満たされた高さをＣ３とし、金型１０の底面から多孔性予備成形体３０の天面までの高さをＡ３とし、金型１０の底面から予備成形体ケース５０の天面までの高さをＢ３としたとき、前記加圧含浸ステップが、５ｍｍ≰Ａ１≰１１０ｍｍ、５ｍｍ≰Ａ２≰１１０ｍｍ、Ａ３＋５０ｍｍ≰Ｃ３≰Ｂ３?３の条件下で行われることを特徴とする。

Description

本発明は、加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法に係り、特に、多孔性予備成形体（ｐｒｅｆｏｒｍ）が装入されている金型内において前記多孔性予備成形体に溶融含浸剤を加圧含浸させて金属基材複合材料（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ＭＭＣ）を得ようとするとき、前記溶融含浸剤の早期固化が前記金型内において不意に行われる場合であっても、前記溶融含浸剤が前記多孔性予備成形体に均一に加圧含浸されるようにするとともに、前記多孔性予備成形体が側圧および浮力により移動されることを防ぐことのできる加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法に関する。

電力絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｍｏｄｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、パワーコントロールチップ（ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ）、照明用高出力ＬＥＤなど様々な電子部品における放熱問題が非常に重要な点として取り上げられている。このような放熱問題を解決するために、多孔性予備成形体に溶融金属が含浸されてなる金属基材複合材料（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ＭＭＣ）が基板として用いられている。金属基材複合材料は、予備成形体の空隙が占める割合などを通じて金属基材の相対的な占有率を制御することにより、様々な製品の特性に合うように必要な熱伝導率、熱膨張係数および強度などが得られるというメリットがある。

金属基材複合材料としては、炭素成形体やセラミック成形体の空隙内にアルミニウム溶融合金が加圧含浸されてなるアルミニウム基材炭素複合材料またはアルミニウム基材セラミック複合材料などが挙げられる。

図１および図２は、従来の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法を説明するための図であり、図１は、早期固化の問題点を説明するためのものであり、図２は、側圧および浮力による問題点を説明するためのものである。

［早期固化］
まず、図１ａに示すように、金型１０内にセラミックや炭素粉末などを主原料とする多孔性予備成形体（ｐｒｅｆｏｒｍ）３０を装入し、溶融含浸剤４０、例えば、アルミニウム溶湯やアルミニウム合金溶湯を注入した後に、図１ｂに示すように、金型１０の入口を加圧パンチ２０で押すと、その加圧力により溶融含浸剤４０が多孔性予備成形体３０の空隙に浸透して金属基材複合材料、すなわち、アルミニウム基材炭素複合材料またはアルミニウム基材セラミック複合材料が得られる。

しかしながら、上述した従来の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法は、金型１０および加圧パンチ２０が溶融含浸剤４０に比べて冷たいため、この部分から熱が急激に外部に抜け出て他の個所に比べて温度が下がるため、溶融金属含浸剤４０が金型１０および加圧パンチ２０に当たる個所の近傍Ｓにおいて不意に早期に固化してしまうという問題が発生する。

このように部分的に早期固化が起こると、この部分において溶融含浸剤４０の流動が円滑に行われないため、溶融含浸剤４０が多孔性予備成形体３０の内部に均一に浸透することができず、その結果、金属基材複合材料が熱的および構造的に欠陥を有してしまう。

多孔性予備成形体３０は自重により金型１０の底面に当たるように装入されるが、この場合、金型１０の底部において早期固化が起きて多孔性予備成形体３０の下部には加圧含浸が行われないことがその代表例である。

［側圧および浮力］
側圧は、図２ａに示すように、金型１０内に多孔性予備成形体３０を装入し、溶融含浸剤４０を金型１０内に注入する過程において溶融含浸剤４０の落下衝撃により、または、溶融含浸剤４０が注入される個所とそうではない個所との間における溶湯の液面の高さ差により発生し、浮力は、図２ｂに示すように、多孔性予備成形体３０と溶融含浸剤４０との間の比重差により発生する。

このように側圧および浮力が複合的に働いて多孔性予備成形体３０の位置および姿勢が変動され、特に、浮力により多孔性予備成形体３０が浮き上がっている状態でこのような状況が発生するため、その移動方向および姿勢変動が予測できないほどに不規則的になる。金型１０は、金属など不透明な材質により形成されるため、多孔性予備成形体３０のこのような位置および姿勢の変動に作業者は気づき難いため問題は一層深刻になる。

加圧含浸が終わると、多孔性予備成形体３０を金型１０から取り出して不要な部分を切り出す過程を経るが、このように、加圧含浸中に多孔性予備成形体３０の位置および姿勢が変動されれば、加圧含浸過程後にどのような部位を不要な部分として切り出さなければならないかが判断し難くなる。実際に用いられるべき部分が切り出されてしまう場合には生産歩留まりが低下され、むしろ切り出されるべき部分が複合材料として用いられる場合には製品の品質に対する信頼性が低下してしまう。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、金型内において溶融含浸剤の部分的な早期固化が発生した場合であっても、溶融含浸剤が多孔性予備成形体に均一に加圧含浸されるようにするとともに、多孔性予備成形体が側圧および浮力により移動されることを防ぐことにより、生産歩留まりの向上および複合材料の精度よい製造を図ることのできる加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明に係る加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法は、湯口により外部と連通される空間ポケットが内部に設けられた予備成形体ケースの前記空間ポケットに前記空間ポケットよりも小さい多孔性予備成形体を収納して予備成形体アセンブリを準備する予備成形体アセンブリ準備ステップと、前記予備成形体アセンブリおよび溶融含浸剤を前記金型内に収容し、前記金型の入口を加圧パンチで閉塞して押して前記溶融含浸剤が前記湯口を介して前記多孔性予備成形体の空隙内に加圧含浸されるようにする加圧含浸ステップと、を含むが、前記多孔性予備成形体の底面と前記金型の底面との間の間隔をＡ１とし、前記多孔性予備成形体の側面と前記金型の側面との間の間隔をＡ２とし、前記溶融含浸剤が満たされた高さをＣ３とし、前記金型の底面から前記多孔性予備成形体の天面までの高さをＡ３とし、前記金型の底面から前記予備成形体ケースの天面までの高さをＢ３としたとき、前記加圧含浸ステップが、５ｍｍ≦Ａ１≦１１０ｍｍ、５ｍｍ≦Ａ２≦１１０ｍｍ、Ａ３＋５０ｍｍ≦Ｃ３≦Ｂ３×３の条件下で行われることを特徴とする。

前記加圧含浸ステップは、Ａ３×１．５≦Ｃ３の条件下で行われることがさらに好ましい。

前記加圧含浸ステップは、前記予備成形体ケースの底面と前記金型の底面との間の間隔をＢ１とし、前記予備成形体ケースの側面と前記金型の側面との間の間隔をＢ２としたとき、０ｍｍ≦Ｂ１≦１００ｍｍ、３ｍｍ≦Ｂ２≦１００ｍｍの条件下で行われることがさらに好ましい。

前記湯口が前記予備成形体ケースの天面または側面に形成されてもよい。
前記加圧含浸ステップ前に、前記金型および前記加圧パンチを１００〜３５０℃に予熱するステップを含むことが好ましい。

前記加圧含浸ステップ前に、前記予備成形体アセンブリを５５０〜９５０℃に予熱するステップを含むことが好ましい。

本発明によれば、金型や加圧パンチに当たる部分において溶融含浸剤の早期固化が発生するとはいえ、実際に加圧含浸が行われる空間ポケットにおいては熱が外部に流出されることが予備成形体ケースによりかなり遮断され、且つ、多孔性予備成形体が予備成形体ケースにより金型や加圧パンチからある程度離隔した状態を維持する。このため、加圧含浸が行われる個所においては溶融含浸剤の流動性が依然として円滑に行われる。

また、予備成形体アセンブリが浮力の影響を克服する程度に十分な重量を有するように設計されれば、多孔性予備成形体が側圧および浮力により移動されることがなくなる。

図１ａ、従来の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法を説明するための図である。 図１ｂ、従来の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法を説明するための図である。 図２ａは、従来の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法を説明するための図である。 図２ｂは、従来の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法を説明するための図である。 図３ａは、本発明に係る加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法を説明するための図である。 図３ｂは、本発明に係る加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法を説明するための図である。 図４は、図３の予備成形体アセンブリ６０を説明するための図である。

１０：金型
２０：加圧パンチ
３０：多孔性予備成形体
４０：溶融含浸剤
５０、５１、５２：予備成形体ケース
５３：空間ポケット
５４：湯口
５５：受け台
５６：ボルト
６０：予備成形体アセンブリ

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。下記の実施形態は、本発明の内容を理解するために提示されたものに過ぎず、当分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内において多くの変形が可能であるということは理解できるであろう。よって、本発明の権利範囲がこのような実施形態に限定されるものと解釈されてはならない。

図３は、本発明に係る加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法を説明するための図であり、図４は、図３の予備成形体アセンブリ６０を説明するための図である。

［予備成形体アセンブリ６０の準備ステップ］
多孔性予備成形体３０を直接的に金型１０に装入すると、側圧および浮力により多孔性予備成形体３０の位置および姿勢が変動される問題が発生し、また、このような位置および姿勢の変動などに起因して溶融含浸剤４０が早期固化される個所に多孔性予備成形体３０が移動して位置して不均一な含浸が行われる虞があるため、本発明は。図４に示すように、予備成形体ケース５０内に多孔性予備成形体（ｐｅｒｆｏｒａｔｅ ｐｒｅｆｏｒｍ）３０が収納されてなる予備成形体アセンブリ（ｐｒｅｆｏｒｍ ａｓｓｅｍｂｌｙ）６０を金型１０に装入することを一つの特徴とする。

予備成形体ケース５０には、湯口５４により外部と連通される空間ポケット５３が内部に設けられ、多孔性予備成形体３０は、空間ポケット５３内に収納される。空間ポケット５３は１つであってもよく、同図に示すように、複数であってもよい。空間ポケット５３を複数設けると、従来とは異なり、一回の加圧含浸工程により複数の金属基材複合材料を製造することができるというメリットがある。

空間ポケット５３内において多孔性予備成形体３０への加圧含浸が行われることが予想されるため、空間ポケット５３と多孔性予備成形体３０との間には溶融含浸剤が流れ込むように隙間が存在することが好ましく、このため、空間ポケット５３は、多孔性予備成形体３０よりも僅かに大きく形成されることが好ましい。

溶融含浸剤４０は、空間ポケット５３の上部若しくは側面に流れ込む虞があるため、湯口５４は、製品の品質および生産性を考慮して、予備成形体ケース５０の天面や側面などに形成されてもよい。図面には、天面に形成される場合が示されている。

空間ポケット５３に多孔性予備成形体３０を容易に収納するように、予備成形体ケース５０には、複数のケース５１、５２がボルト５６や溶接などにより組み付けられることが好ましい。

予備成形体ケース５０の底面の全体が金型１０の底面に当たると、予備成形体アセンブリ６０の熱が金型１０の底面を介して外部に早く放出されてしまうため好ましくない。このため、これを念頭に置いて、予備成形体ケース５０の底面の下に受け台５５を設けて予備成形体ケース５０が受け台５５により支持されながら金型１０の底面から僅かに浮き上がるように設けることが好ましい。

しかしながら、場合によっては、予備成形体ケース５０の下に溶融含浸剤４０が流れ込む場合、予備成形体ケース５０と金型１０の底面との間において溶融含浸剤４０が早期に固化されて溶融含浸剤４０の流動が妨げられる虞があり、これは、溶融含浸剤４０の無駄使いの原因になるため、受け台５５を設けない方がよい。この場合、多孔性予備成形体３０の底面と金型１０の底面との間の間隔（図３のＡ１）が特に十分に確保されなければならない。

［予熱ステップ］
加圧含浸に用いられる構成要素としては、金型１０と、加圧パンチ２０および予備成形体アセンブリ６０が挙げられるが、これらは、溶湯、すなわち、溶融含浸剤４０よりも冷たいため、この近傍において溶融含浸剤４０の早期固化が起こる虞がある。このため、このような早期固化を防ぐために、加圧含浸前に金型１０と、加圧パンチ２０および予備成形体アセンブリ６０を予熱する過程を経ることが好ましい。

金型１０及び加圧パンチ２０はその素材が鋼材であるため、予熱はこのような鋼材の剛性が保たれる範囲内において行われざるを得ず、具体的に、１００〜３５０℃で行われることが好ましい。

予備成形体アセンブリ６０の場合には、予備成形体アセンブリ６０内において加圧含浸が行われることが予想されるため、金型１０や加圧パンチ２０よりも高い温度に予熱されることが好ましく、その温度は、溶融含浸剤４０の溶融温度辺りやそれよりも高い５５０〜９５０℃であることが好ましい。例えば、溶融含浸剤４０としてアルミニウム溶湯が用いられ、予備成形体３０として炭素成形体が用いられる場合、予備成形体アセンブリ６０は約５５０℃を上回って予熱されなければならない。

［加圧含浸ステップ］
前記予熱過程が終わると、図３ａに示すように、予備成形体アセンブリ６０を金型１０内に装入し、溶融含浸剤４０を注入する。すると、まだ加圧含浸が行われていない状況ではあるが、溶融含浸剤４０が湯口５４を介して空間ポケット５３に染み込んで位置する。次いで、図３ｂに示すように、金型１０の入口を加圧パンチ２０で閉塞して押すと、その加圧力により溶融含浸剤４０が空間ポケット５３内において多孔性予備成形体３０の空隙内に加圧含浸される。

予備成形体ケース５０としては、溶融含浸剤４０よりも大きい比重を有するものが用いられることが予想されるため、加圧含浸過程において溶融含浸剤４０の側圧や浮力により予備成形体ケース５０の位置や姿勢が変動されることは発生しない。また、空間ポケット５３は、溶融含浸剤４０が流動可能なように多孔性予備成形体３０よりは大きいとはいえ、多孔性予備成形体３０の姿勢が回転などにより変動される程度に大きくはないため、多孔性予備成形体３０の姿勢が空間ポケット５３内において変動されることもなくなる。

このように、本発明においては、多孔性予備成形体３０を直接的に金型１０に装入するわけではなく、予備成形体アセンブリ６０を金型１０に装入するため、側圧や浮力などにより発生する溶融含浸剤４０の揺動により多孔性予備成形体３０の位置や姿勢が不意に変動されることが防がれる。

一方、上記のように予熱過程を経るとしても、金型１０および加圧パンチ２０は依然として溶融含浸剤４０の温度よりは遥かに低いため、依然として、従来と同様に、この部分において熱が急速に外部に抜け出て溶融金属含浸剤４０が金型１０および加圧パンチ２０に当たる個所の近傍において早期固化が起こる。このような早期固化は、図３ａに示すように、加圧含浸がまだ行われていない溶融含浸剤４０の注入後から直ちに発生する。

このため、金型１０内に溶融含浸剤４０を注入してから含浸を始めるまでの時間を最大限に短縮することが重要であり、また、多孔性予備成形体３０を金型１０および加圧パンチ２０からある程度離隔させて設けることが重要である。

具体的に、多孔性予備成形体３０の底面と金型１０の底面との間の間隔をＡ１とし、多孔性予備成形体３０の側面と金型１０の側面との間の間隔をＡ２としたとき、５ｍｍ≦Ａ１≦１１０ｍｍ、５ｍｍ≦Ａ２≦１１０ｍｍの条件下で加圧含浸が行われることが好ましい。

前記Ａ１およびＡ２の値が小さ過ぎると、金型１０の低い温度が予備成形体アセンブリ６０に影響を及ぼして空間ポケット５３において溶融含浸剤４０が早期に固化されて加圧含浸の過程において溶湯の流れが悪化してしまうという問題が発生する。

また、前記Ａ１およびＡ２の値が大き過ぎると、金型１０が大型化されなければならないため、溶融含浸剤４０の投入量が増えて溶融含浸剤４０の注入時間が長引いてしまう結果、加圧含浸を行おうとするときに既に全体の溶湯の温度が低下してしまうという問題が発生する。このため、上述したように適当に多孔性予備成形体３０を金型１０から離隔させることが好ましい。

このとき、予備成形体ケース５０も金型１０から適当に離隔しなければならないが、予備成形体ケース５０の底面と金型１０の底面との間の間隔をＢ１とし、予備成形体ケース５０の側面と金型１０の側面との間の間隔をＢ２としたとき、予備成形体ケース５０は、０ｍｍ≦Ｂ１≦１００ｍｍ、３ｍｍ≦Ｂ２≦１００ｍｍの条件下で前記加圧含浸が行われることが好ましい。前記Ｂ１が０である場合には、予備成形体ケース５０が受け台５５なしにそのまま金型１０の底面に当たる。

一方、溶融含浸剤４０が満たされた高さをＣ３とし、金型１０の底面から多孔性予備成形体３０の天面までの高さをＡ３としたとき、前記Ｃ３とＡ３との間の差分が小さ過ぎると、予備成形体アセンブリ６０の上部にある溶融含浸剤４０が薄過ぎて問題となる。

具体的に、予備成形体アセンブリ６０の上部にある溶融含浸剤４０が薄過ぎると、加圧パンチ２０により溶融含浸剤４０に働く力のうち下向きの力のベクトル成分が溶融含浸剤４０に働き難いため、溶融含浸剤４０が湯口５４に正常に流れ込まない結果、全体的な加圧含浸速度が非常に遅く、このとき、加圧パンチ２０に当たる個所の近傍において溶融含浸剤４０の早期固化が起きて溶融含浸剤４０の流動性が低下する現象も発生するため、前記加圧含浸速度の低下がこのような早期固化の度合いを倍加させ、その結果、これらの複合的な作用により湯口５４への溶融含浸剤４０の流れ込みが非常に困難になるという問題が発生する。

空間ポケット５３が複数設けられる場合、各空間ポケット５３ごとにこのような現象の度合いが相違するため、前記Ｃ３とＡ３との間の差分が小さ過ぎると、完成製品の信頼性の側面からみて好ましくない。

また、予備成形体アセンブリ６０の上部にある溶融含浸剤４０が薄過ぎると、加圧パンチ２０と予備成形体アセンブリ６０との間の距離が短過ぎて加圧パンチ２０による加圧力が溶融含浸剤４０により打ち消されずに実質的に直接的に予備成形体アセンブリ６０に働いてしまい、これは、予備成形体ケース５０や多孔性予備成形体３０の形状の変形または崩壊につながるという問題も発生する。

逆に、前記Ｃ３とＡ３との間の差分が大き過ぎると、必要以上に多量の溶融含浸剤４０を注入する結果となり、この場合、溶融含浸剤４０の注入時間が長引いて全体の溶湯の温度が低下し、これは、溶融含浸剤４０の無駄遣いによる生産コストの増加につながる。

このような点を考慮して、前記Ｃ３は、Ａ３＋５０ｍｍ≦Ｃ３、Ａ３×１．５≦Ｃ３、Ｃ３≦Ｂ３×３の条件を満たす範囲にあることが好ましい。ここで、Ｂ３は、金型１０の底面から予備成形体ケース５０の天面までの高さである。

上述したように、本発明によれば、金型１０や加圧パンチ２０に当たる個所において溶融含浸剤４０の早期固化が起きるとはいえ、実際に加圧含浸が行われる空間ポケット５３においては熱が外部に流出されることが予備成形体ケース５０によりかなり遮断され、且つ、多孔性予備成形体３０が予備成形体ケース５０により金型１０や加圧パンチ２０からある程度離隔した状態を維持する。このため、加圧含浸が行われる個所においては溶融含浸剤４０の流動性が依然として円滑に行われる。

また、予備成形体アセンブリ６０が浮力の影響を克服する程度に十分な重量を有するように設計されれば、多孔性予備成形体３０が側圧および浮力により移動されることがなくなる。

本発明の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法は、様々な電子部品の放熱問題を解消するための金属基材複合材料の製造に好適に使用可能であり、これにより、金属基材複合材料の生産効率がかなり改善されることが期待される。

Claims (6)

1. 湯口により外部と連通される空間ポケットが内部に設けられた予備成形体ケースの前記空間ポケットに前記空間ポケットよりも小さい多孔性予備成形体を収納して予備成形体アセンブリを準備する予備成形体アセンブリ準備ステップと、
   前記予備成形体アセンブリおよび溶融含浸剤を前記金型内に収容し、前記金型の入口を加圧パンチで閉塞して押して前記溶融含浸剤が前記湯口を介して前記多孔性予備成形体の空隙内に加圧含浸されるようにする加圧含浸ステップと、
   を含むが、
   前記多孔性予備成形体の底面と前記金型の底面との間の間隔をＡ１とし、前記多孔性予備成形体の側面と前記金型の側面との間の間隔をＡ２とし、前記溶融含浸剤が満たされた高さをＣ３とし、前記金型の底面から前記多孔性予備成形体の天面までの高さをＡ３とし、前記金型の底面から前記予備成形体ケースの天面までの高さをＢ３としたとき、前記加圧含浸ステップが、
   ５ｍｍ≦Ａ１≦１１０ｍｍ、
   ５ｍｍ≦Ａ２≦１１０ｍｍ、
   Ａ３＋５０ｍｍ≦Ｃ３≦Ｂ３×３
   の条件下で行われることを特徴とする加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法
2. 前記加圧含浸ステップが、Ａ３×１．５≦Ｃ３の条件下で行われることを特徴とする請求項１に記載の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法。
3. 前記加圧含浸ステップが、前記予備成形体ケースの底面と前記金型の底面との間の間隔をＢ１とし、前記予備成形体ケースの側面と前記金型の側面との間の間隔をＢ２としたとき、０ｍｍ≦Ｂ１≦１００ｍｍ、３ｍｍ≦Ｂ２≦１００ｍｍの条件下で行われることを特徴とする請求項１に記載の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法。
4. 前記湯口が前記予備成形体ケースの天面または側面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法。
5. 前記加圧含浸ステップ前に、前記金型および前記加圧パンチを１００〜３５０℃に予熱するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法。
6. 前記加圧含浸ステップ前に、前記予備成形体アセンブリを５５０〜９５０℃に予熱するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の加圧含浸型金属基材複合材料の製造方法。

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