JP3082952B2 - 複合材料用プリフォームの製造方法 - Google Patents
複合材料用プリフォームの製造方法Info
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- Porous Artificial Stone Or Porous Ceramic Products (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、金属基複合材料用プリ
フォームの製造方法に関する。
フォームの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】アルミニウム，マグネシウムなどの軽合
金材料に、炭化珪素，窒化珪素，チタン酸カリウムなど
のセラミックスウィスカー又は繊維で成形したプリフォ
ームを用い、溶湯鍛造法によって前記軽合金材料を複合
化して、高温強度，耐熱性を向上させることがおこなわ
れている。
金材料に、炭化珪素，窒化珪素，チタン酸カリウムなど
のセラミックスウィスカー又は繊維で成形したプリフォ
ームを用い、溶湯鍛造法によって前記軽合金材料を複合
化して、高温強度，耐熱性を向上させることがおこなわ
れている。
【０００３】このような複合材料に用いられるプリフォ
ームは、まず、ウィスカー等を、水または有機溶剤に入
れて攪拌分散しスラリー状とする。次に、このスラリー
をフィルターを底部に備えた容器に入れ、これを吸引濾
過または加圧脱水してプリフォームを作る。次に、この
脱水したプリフォームを更に６０〜１００℃に加熱して
完全に乾燥させて完成している。なお、このプリフォー
ムはマトリックス合金と複合化する際に生ずる変形を小
さくするため、無機バインダーを添加してプリフォーム
を製作する場合がある。また、プリフォームの体積率
（Ｖｆ）を調整するために、予めウィスカーを圧縮処理
する場合もある。
ームは、まず、ウィスカー等を、水または有機溶剤に入
れて攪拌分散しスラリー状とする。次に、このスラリー
をフィルターを底部に備えた容器に入れ、これを吸引濾
過または加圧脱水してプリフォームを作る。次に、この
脱水したプリフォームを更に６０〜１００℃に加熱して
完全に乾燥させて完成している。なお、このプリフォー
ムはマトリックス合金と複合化する際に生ずる変形を小
さくするため、無機バインダーを添加してプリフォーム
を製作する場合がある。また、プリフォームの体積率
（Ｖｆ）を調整するために、予めウィスカーを圧縮処理
する場合もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記のような方法で、
プリフォームを製作する場合、スラリー状としたウィス
カーまたは繊維を容器に収容して吸引濾過または加圧脱
水する工程は、ウィスカーまたは繊維を通過させないよ
うなフィルターが必要なため、非常に時間がかかるとい
う欠点があり、特に体積率を大きくする程、時間がかか
るという問題点がある。また、脱水したプリフォームを
加熱しておこなう乾燥工程は、その大きさや体積率によ
って差があるが、数時間から十数時間という長い乾燥時
間が必要であるとともに、プリフォームが収縮、変形
し、好ましい寸法精度がえられないという欠点がある。
さらに吸引濾過または加圧脱水でプリフォームが収縮し
て、濾過面などに付着する場合がある。
プリフォームを製作する場合、スラリー状としたウィス
カーまたは繊維を容器に収容して吸引濾過または加圧脱
水する工程は、ウィスカーまたは繊維を通過させないよ
うなフィルターが必要なため、非常に時間がかかるとい
う欠点があり、特に体積率を大きくする程、時間がかか
るという問題点がある。また、脱水したプリフォームを
加熱しておこなう乾燥工程は、その大きさや体積率によ
って差があるが、数時間から十数時間という長い乾燥時
間が必要であるとともに、プリフォームが収縮、変形
し、好ましい寸法精度がえられないという欠点がある。
さらに吸引濾過または加圧脱水でプリフォームが収縮し
て、濾過面などに付着する場合がある。
【０００５】本発明は、前記事情に鑑みてなされたもの
で、前記問題点を解消してなる金属基に用いる複合材料
用プリフォームの製造方法を提供することを目的とす
る。
で、前記問題点を解消してなる金属基に用いる複合材料
用プリフォームの製造方法を提供することを目的とす
る。
【０００６】前記目的に添い、本発明は、水又は有機溶
媒を使用せず乾式法により、セラミックスのウィスカー
または繊維と粉末状の無機バインダーとを混合して混合
物を得て、この混合物を充分に撹拌した後、所定形状に
加圧成形し、これを加熱炉にて無機バインダーを硬化す
る温度まで加熱することによって、前記課題を解消し
た。
媒を使用せず乾式法により、セラミックスのウィスカー
または繊維と粉末状の無機バインダーとを混合して混合
物を得て、この混合物を充分に撹拌した後、所定形状に
加圧成形し、これを加熱炉にて無機バインダーを硬化す
る温度まで加熱することによって、前記課題を解消し
た。
【０００７】以下、本発明について図面を参照しながら
詳細に説明する。まず成形に使用するセラミックスウィ
スカーまたは繊維の材料として、炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ），窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ），アルミナ（Ａｌ2 Ｏ
3 ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），チタン酸カリウム（Ｋ2Ｏ
・ｎＴｉＯ2 ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），ホウ酸
アルミニウム（９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 ）等々があ
る。また、これらウィスカーまたは繊維を２種類以上混
合して使用してもよい。
詳細に説明する。まず成形に使用するセラミックスウィ
スカーまたは繊維の材料として、炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ），窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ），アルミナ（Ａｌ2 Ｏ
3 ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），チタン酸カリウム（Ｋ2Ｏ
・ｎＴｉＯ2 ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），ホウ酸
アルミニウム（９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 ）等々があ
る。また、これらウィスカーまたは繊維を２種類以上混
合して使用してもよい。
【０００８】添加する無機バインダーとしては、加熱に
より硬化する性質をもち、加熱中でも硬化作用が保持さ
れる性質のものであって、複合化された母材と反応しな
い材料が好ましい。たとえば、ケイ酸塩（ケイ酸ナトリ
ウム，ケイ酸カリウム，ケイ酸リチウム），アルミン酸
塩（アルミン酸ナトリウム，アルミン酸カリウム，アル
ミン酸カルシウム），リン酸塩（リン酸ナトリウム，リ
ン酸カリウム，リン酸カルシウム，リン酸マグネシウ
ム，リン酸アルミニウム），ホウ酸塩（ホウ酸ナトリウ
ム）等々があり、これらはセラミックスの材質、複合化
される母材の成分によって適切なものを選択する。
より硬化する性質をもち、加熱中でも硬化作用が保持さ
れる性質のものであって、複合化された母材と反応しな
い材料が好ましい。たとえば、ケイ酸塩（ケイ酸ナトリ
ウム，ケイ酸カリウム，ケイ酸リチウム），アルミン酸
塩（アルミン酸ナトリウム，アルミン酸カリウム，アル
ミン酸カルシウム），リン酸塩（リン酸ナトリウム，リ
ン酸カリウム，リン酸カルシウム，リン酸マグネシウ
ム，リン酸アルミニウム），ホウ酸塩（ホウ酸ナトリウ
ム）等々があり、これらはセラミックスの材質、複合化
される母材の成分によって適切なものを選択する。
【０００９】前記セラミックスのウィスカー又は繊維に
対し、０．１〜５ｗｔ％の前記無機バインダーを添加す
る。ここで無機バインダーの添加量が０．１ｗｔ％未満
の場合は、次工程における混合粉の均一撹拌に時間を要
し、また５ｗｔ％を越えると、母材と複合化した時に、
材料強度の低下を招くおそれがある。また、この無機バ
インダーは１００μｍ以下の微細なものであって、使用
する前記ウィスカー又は繊維径よりも小さい方が好まし
い。なお、この無機バインダーは、その添加率によって
プリフォーム強度の調整が可能であり、また、複合化し
た時のプリフォーム変形率のコントロールが可能であ
る。
対し、０．１〜５ｗｔ％の前記無機バインダーを添加す
る。ここで無機バインダーの添加量が０．１ｗｔ％未満
の場合は、次工程における混合粉の均一撹拌に時間を要
し、また５ｗｔ％を越えると、母材と複合化した時に、
材料強度の低下を招くおそれがある。また、この無機バ
インダーは１００μｍ以下の微細なものであって、使用
する前記ウィスカー又は繊維径よりも小さい方が好まし
い。なお、この無機バインダーは、その添加率によって
プリフォーム強度の調整が可能であり、また、複合化し
た時のプリフォーム変形率のコントロールが可能であ
る。
【００１０】前記ウィスカー又は繊維と無機バインダー
との前記割合の混合粉をまず均一に攪拌する。この場
合、ウィスカーや繊維はかさ密度が小さく、通常の単純
な羽根攪拌や容器回転攪拌では、均一に混合できないた
め図１に示すように攪拌用の容器１内に前記混合粉２と
ともにセラミックスまたは鋼製のボール３を収容して容
器１を回転し、効果的な攪拌をおこなう。このボール３
の大きさ、量、攪拌時間をコントロールすることによ
り、ウィスカー又は繊維のアスペクト比（長さ／径）を
調整することができるので、したがって、プリフォーム
の体積率（Ｖｆ）をコントロールすることも可能とな
る。なお、前記攪拌が不充分な場合は、バインダーの加
熱工程で硬化不足やバインダーの凝集物が生じ、問題が
生ずる。
との前記割合の混合粉をまず均一に攪拌する。この場
合、ウィスカーや繊維はかさ密度が小さく、通常の単純
な羽根攪拌や容器回転攪拌では、均一に混合できないた
め図１に示すように攪拌用の容器１内に前記混合粉２と
ともにセラミックスまたは鋼製のボール３を収容して容
器１を回転し、効果的な攪拌をおこなう。このボール３
の大きさ、量、攪拌時間をコントロールすることによ
り、ウィスカー又は繊維のアスペクト比（長さ／径）を
調整することができるので、したがって、プリフォーム
の体積率（Ｖｆ）をコントロールすることも可能とな
る。なお、前記攪拌が不充分な場合は、バインダーの加
熱工程で硬化不足やバインダーの凝集物が生じ、問題が
生ずる。
【００１１】次に、均一な攪拌済の混合粉を、所定の金
型内に分取し、１０〜１０００kgf/ｃｍ2 の圧力で加圧
成形する。この加圧力を調整することによってプリフォ
ームの体積率をコントロールすることができる。
型内に分取し、１０〜１０００kgf/ｃｍ2 の圧力で加圧
成形する。この加圧力を調整することによってプリフォ
ームの体積率をコントロールすることができる。
【００１２】次に、成形した前記プリフォームは、加熱
炉に入れ、無機バインダーが硬化する温度まで上昇させ
てプリフォームを硬化させる。なお、加熱温度は、言う
までないが加熱炉内でセラミックスが反応又は酸化する
温度以下であることが必要である。硬化後は加熱炉から
取り外せば、所定のプリフォームが得られる。
炉に入れ、無機バインダーが硬化する温度まで上昇させ
てプリフォームを硬化させる。なお、加熱温度は、言う
までないが加熱炉内でセラミックスが反応又は酸化する
温度以下であることが必要である。硬化後は加熱炉から
取り外せば、所定のプリフォームが得られる。
【００１３】
【実施例】長さ５〜２０μｍ，径０．３〜１．０μｍ，
比重３．２ｇ／ｃｍ3 の炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウィスカ
ー５００ｇと、無機バインダーとしてウィスカーより径
の小さい１μｍ以下に粉砕したケイ酸ナトリウム（Ｎａ
2 Ｏ・ｎＳｉＯ2 ）５．０ｇとを、図１に示す混合装置
の容器１内に収容し、さらに直径１０，１５，２０ｍｍ
のＳｉＣセラミックスボールを適量挿入して攪拌した。
約１０分間の攪拌によってほぼ均一な混合粉がえられ
た。
比重３．２ｇ／ｃｍ3 の炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウィスカ
ー５００ｇと、無機バインダーとしてウィスカーより径
の小さい１μｍ以下に粉砕したケイ酸ナトリウム（Ｎａ
2 Ｏ・ｎＳｉＯ2 ）５．０ｇとを、図１に示す混合装置
の容器１内に収容し、さらに直径１０，１５，２０ｍｍ
のＳｉＣセラミックスボールを適量挿入して攪拌した。
約１０分間の攪拌によってほぼ均一な混合粉がえられ
た。
【００１４】この実施例では、プリフォーム成形後の体
積率（Ｖｆ）を調整するために、さらに２０分間攪拌を
続行した。図２は、１００kgf/ｃｍ2 で加圧した時の体
積率と攪拌時間との関係を示す。すなわち、攪拌時間に
よって体積率（Ｖｆ）の調整ができることが判った。
積率（Ｖｆ）を調整するために、さらに２０分間攪拌を
続行した。図２は、１００kgf/ｃｍ2 で加圧した時の体
積率と攪拌時間との関係を示す。すなわち、攪拌時間に
よって体積率（Ｖｆ）の調整ができることが判った。
【００１５】次に、均一に攪拌した前記混合粉を、２３
ｇ採取し、これを６０×６０ｍｍの金型に入れ、１００
kgf/ｃｍ2 の加圧力で１０ｍｍの厚さに成形した。この
加圧力と体積率との関係が図３のように得られた。
ｇ採取し、これを６０×６０ｍｍの金型に入れ、１００
kgf/ｃｍ2 の加圧力で１０ｍｍの厚さに成形した。この
加圧力と体積率との関係が図３のように得られた。
【００１６】次に加圧したプリフォームを７００℃の加
熱炉に入れ、３０分間加熱し硬化させた。このようにし
て得られてプリフォームの外径寸法は６０±０．１，厚
さ１０±０．１の範囲であった。また、体積率（Ｖｆ）
は２０％であった。
熱炉に入れ、３０分間加熱し硬化させた。このようにし
て得られてプリフォームの外径寸法は６０±０．１，厚
さ１０±０．１の範囲であった。また、体積率（Ｖｆ）
は２０％であった。
【００１７】次に、このプリフォームを、図４に示すよ
うな３点曲げ試験により強度を測定した結果、プリフォ
ーム強度は５．０kgf/ｃｍ2 であった。このプリフォー
ム強度は、金属と複合化した時のプリフォーム変形率と
関係があり、強度のあるプリフォームは変形も小さい。
この６０ｍｍ平方、厚さ１０ｍｍの炭化ケイ素ウィスカ
ー製プリフォームを用いてＡｌ合金によって複合化した
時のプリフォーム強度と変形率との関係を図５に示す。
うな３点曲げ試験により強度を測定した結果、プリフォ
ーム強度は５．０kgf/ｃｍ2 であった。このプリフォー
ム強度は、金属と複合化した時のプリフォーム変形率と
関係があり、強度のあるプリフォームは変形も小さい。
この６０ｍｍ平方、厚さ１０ｍｍの炭化ケイ素ウィスカ
ー製プリフォームを用いてＡｌ合金によって複合化した
時のプリフォーム強度と変形率との関係を図５に示す。
【００１８】以上の結果、無機バインダーの添加率によ
って、プリフォームの強度が変わることが判る。すなわ
ち、無機バインダーの添加率によって複合化時の変形率
を制御することが可能である。また、無機バインダーの
添加量が０．１〜５．０ｗｔ％の範囲ではこの無機バイ
ンダーとプリフォーム強度との関係は、直線的な関係と
なるが、この添加量の範囲外では、このような関係がく
ずれることが判った。
って、プリフォームの強度が変わることが判る。すなわ
ち、無機バインダーの添加率によって複合化時の変形率
を制御することが可能である。また、無機バインダーの
添加量が０．１〜５．０ｗｔ％の範囲ではこの無機バイ
ンダーとプリフォーム強度との関係は、直線的な関係と
なるが、この添加量の範囲外では、このような関係がく
ずれることが判った。
【００１９】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来の
方法で必要としていた脱水工程、乾燥工程を省略し、し
たがってプリフォームの成形時間を短縮することができ
る。また、成形したプリフォームの変形も少なく、寸法
精度が非常に向上した。さらに複雑形状のプリフォーム
の成形が可能となった。また、混合の条件、加圧成形時
の圧力によって体積率（Ｖｆ）の調整が可能であり、さ
らに無機バインダーの添加率により、プリフォーム強度
を調整し、それによって金属基と複合化した時の変形率
もコントロールできるようになった。また金属基と複合
化した時に精度の向上により切削加工が困難な複合部の
加工も省略できるようになった。
方法で必要としていた脱水工程、乾燥工程を省略し、し
たがってプリフォームの成形時間を短縮することができ
る。また、成形したプリフォームの変形も少なく、寸法
精度が非常に向上した。さらに複雑形状のプリフォーム
の成形が可能となった。また、混合の条件、加圧成形時
の圧力によって体積率（Ｖｆ）の調整が可能であり、さ
らに無機バインダーの添加率により、プリフォーム強度
を調整し、それによって金属基と複合化した時の変形率
もコントロールできるようになった。また金属基と複合
化した時に精度の向上により切削加工が困難な複合部の
加工も省略できるようになった。
【図１】本発明に係る方法の工程の一部を説明する図で
ある。
ある。
【図２】本発明に係る方法における体積率と攪拌時間と
の関係を示す図である。
の関係を示す図である。
【図３】本発明に係る方法における体積率と加圧力との
関係を示す図である。
関係を示す図である。
【図４】本発明に係る方法で成形したプリフォームの強
度試験の要領を説明する図である。
度試験の要領を説明する図である。
【図５】本発明に係る方法における変形率とプリフォー
ム強度との関係を示す図である。
ム強度との関係を示す図である。
１ 攪拌用の容器 ２ 混合粉 ３ ボール。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 47/00 - 49/14 C04B 38/00 303
Claims (2)
- 【請求項１】 水又は有機溶媒を使用せず乾式法によ
り、セラミックスのウィスカーまたは繊維と粉末状の無
機バインダーとを混合して混合物を得て、この混合物を
充分に撹拌した後、所定形状に加圧成形し、これを更に
加熱炉にて無機バインダーを硬化する温度まで加熱する
ことを特徴とする複合材料用プリフォームの製造方法。 - 【請求項２】 前記撹拌が、前記混合物とともに鋼製の
ボールを収容した撹拌用の容器内で行われることを特徴
とする請求項１記載の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03043044A JP3082952B2 (ja) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | 複合材料用プリフォームの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03043044A JP3082952B2 (ja) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | 複合材料用プリフォームの製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0517835A JPH0517835A (ja) | 1993-01-26 |
| JP3082952B2 true JP3082952B2 (ja) | 2000-09-04 |
Family
ID=12652899
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03043044A Expired - Lifetime JP3082952B2 (ja) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | 複合材料用プリフォームの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3082952B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH089744B2 (ja) * | 1991-05-27 | 1996-01-31 | 日産自動車株式会社 | 繊維強化金属用繊維質成形体 |
-
1991
- 1991-02-15 JP JP03043044A patent/JP3082952B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0517835A (ja) | 1993-01-26 |
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