JP3237778B2 - 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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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
金材料をマトリックスとし、これに、セラミックス（た
とえばＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｋ2 Ｏ・６Ｔ
ｉ2 ，９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 等々）のウィスカーや
短繊維で成形したプリフォームを、溶湯鍛造法（高圧凝
固法）によって複合化して、製品の恒温強度、耐熱性な
どを向上させることがおこなわれている。
金材料をマトリックスとし、これに、セラミックス（た
とえばＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｋ2 Ｏ・６Ｔ
ｉ2 ，９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 等々）のウィスカーや
短繊維で成形したプリフォームを、溶湯鍛造法（高圧凝
固法）によって複合化して、製品の恒温強度、耐熱性な
どを向上させることがおこなわれている。
【０００３】この複合化処理においては、複合材料（プ
リフォーム）の部分と、マトリックス部分との間に熱膨
張率の差があるので、これを小さくするため、図５及び
図６に示すように体積率の異なるプリフォームａ，ｂま
たは、これにプリフォームｃを層状に重ねて一体のプリ
フォームにしたものを用いている。このプリフォームは
最初にプリフォームａを成形し、次にこのプリフォーム
ａをフィルターとして、その上にプリフォームｂを成形
している。また、プリフォームｃを設けた場合も同じ要
領で成形している。なお、プリフォームの成形に関して
は、例えば特開昭５９−２２０２７３号、特開昭６０−
２４０８５４号などがある。
リフォーム）の部分と、マトリックス部分との間に熱膨
張率の差があるので、これを小さくするため、図５及び
図６に示すように体積率の異なるプリフォームａ，ｂま
たは、これにプリフォームｃを層状に重ねて一体のプリ
フォームにしたものを用いている。このプリフォームは
最初にプリフォームａを成形し、次にこのプリフォーム
ａをフィルターとして、その上にプリフォームｂを成形
している。また、プリフォームｃを設けた場合も同じ要
領で成形している。なお、プリフォームの成形に関して
は、例えば特開昭５９−２２０２７３号、特開昭６０−
２４０８５４号などがある。
【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した場合、得られるプリフォームは
単に重ね合わせた状態となっているため、体積率の変化
は不連続になっている。そのため、溶湯鍛造法による複
合化作業において、図７に示すように、金型ｄに設置し
たプリフォームに対し、溶湯ｅを注湯してピストンｆに
よって圧力をかけた場合、プリフォームａとプリフォー
ムｂとの間の境界に溶湯が浸入し、亀裂部ｇが形成され
る場合がある。また、製品完成後、ヒートショックを与
えた場合に、プリフォームａとプリフォームｂとの境界
で剥離する場合があった。本発明は、前記問題点を解消
した金属基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。
プリフォームを製作した場合、得られるプリフォームは
単に重ね合わせた状態となっているため、体積率の変化
は不連続になっている。そのため、溶湯鍛造法による複
合化作業において、図７に示すように、金型ｄに設置し
たプリフォームに対し、溶湯ｅを注湯してピストンｆに
よって圧力をかけた場合、プリフォームａとプリフォー
ムｂとの間の境界に溶湯が浸入し、亀裂部ｇが形成され
る場合がある。また、製品完成後、ヒートショックを与
えた場合に、プリフォームａとプリフォームｂとの境界
で剥離する場合があった。本発明は、前記問題点を解消
した金属基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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、成形型内に収
容したスラリーを、吸引または加圧することによって脱
水してプリフォームを製作する場合において、脱水量
と、脱水時間を制御することにより、形成するプリフォ
ームの体積率を変化させて、前記課題を解消した。
容したスラリーを、吸引または加圧することによって脱
水してプリフォームを製作する場合において、脱水量
と、脱水時間を制御することにより、形成するプリフォ
ームの体積率を変化させて、前記課題を解消した。
【０００６】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、セラミックス・ウィスカー及
び短繊維は、製造上の問題から長さや直径が同一ではな
く、ある範囲でバラツキがある。つまり、長いもの、短
いもの、大きいセラミックス粒子、小さいセラミックス
粒子が存在することになる。いま、このような状態のセ
ラミックス粒子を沈澱させた場合、粒子の比重が同じで
あっても、粒子の大きさが違えば沈降速度も異なる。即
ち、大きいもの、つまりウィスカーの長くて、太いもの
ほど速く沈降する。このようにウィスカーを自然沈降さ
せると、プリフォームの下方は、長くて太いウィスカー
が多く存在するために体積率（Ｖｆ）が低くなる。反対
にプリフォームの上方は、短くて細いウィスカーが多く
存在するために、体積率が高くなる。すなわち、プリフ
ォームの上下で体積率を変化させる最大の条件は、自然
沈降のようにゆっくりとウィスカーを堆積させることに
ある。つまり、脱水量を少なく（即ち脱水時間を長く）
することにある。一方、プリフォームの上下で体積率の
差を最も小さくするためには、ウィスカーが沈降する間
もなく、急速に脱水すればよい。つまり短時間内で脱水
量を多くすればよい。よって体積率に除々に差をつけな
がら、生産性も考慮した場合、最初は脱水量を少なく
し、徐々に脱水量を多くすることが好ましいことにな
る。図２は、上記の脱水量とプリフォームの体積率（Ｖ
ｆ）の差の関係を示す。図中Ａは脱水量少（脱水時間長
い）場合、Ｂは脱水量大（脱水時間短い）の場合で、ハ
ッチングはＡ，Ｂ両者の体積率の変化の範囲を示す。
ら詳細に説明する。まず、セラミックス・ウィスカー及
び短繊維は、製造上の問題から長さや直径が同一ではな
く、ある範囲でバラツキがある。つまり、長いもの、短
いもの、大きいセラミックス粒子、小さいセラミックス
粒子が存在することになる。いま、このような状態のセ
ラミックス粒子を沈澱させた場合、粒子の比重が同じで
あっても、粒子の大きさが違えば沈降速度も異なる。即
ち、大きいもの、つまりウィスカーの長くて、太いもの
ほど速く沈降する。このようにウィスカーを自然沈降さ
せると、プリフォームの下方は、長くて太いウィスカー
が多く存在するために体積率（Ｖｆ）が低くなる。反対
にプリフォームの上方は、短くて細いウィスカーが多く
存在するために、体積率が高くなる。すなわち、プリフ
ォームの上下で体積率を変化させる最大の条件は、自然
沈降のようにゆっくりとウィスカーを堆積させることに
ある。つまり、脱水量を少なく（即ち脱水時間を長く）
することにある。一方、プリフォームの上下で体積率の
差を最も小さくするためには、ウィスカーが沈降する間
もなく、急速に脱水すればよい。つまり短時間内で脱水
量を多くすればよい。よって体積率に除々に差をつけな
がら、生産性も考慮した場合、最初は脱水量を少なく
し、徐々に脱水量を多くすることが好ましいことにな
る。図２は、上記の脱水量とプリフォームの体積率（Ｖ
ｆ）の差の関係を示す。図中Ａは脱水量少（脱水時間長
い）場合、Ｂは脱水量大（脱水時間短い）の場合で、ハ
ッチングはＡ，Ｂ両者の体積率の変化の範囲を示す。
【０００７】図１はプリフォームの成形装置を概念的に
示すもので、１は成形型、２は液槽、３はコントロー
ラ、４は真空ポンプで、該真空ポンプ４はコントローラ
３を介して液槽２に連絡している。また成形型１は底部
にフィルター５を設けてある。まず、ウィスカー又は短
繊維のセラミックスを水（又は有機溶剤）に入れて攪拌
分散し、スラリーを作る。次に、このスラリー１０を前
記成形型１に所定量を流し込み、真空ポンプ４を駆動し
て成形型１内のスラリー１０中の水分をフィルター５を
通して吸引する。吸引された水は液槽２に溜り、フィル
ター５上でプリフォームが形成される。この時、真空ポ
ンプ４からの吸引力をコントローラ３によって制御し
て、成形型１内に成形されるプリフォームの体積率を任
意に変える。たとえば、体積率が下面が低く、上面にお
いて高くなるように変化するプリフォームを、生産性を
考慮しながら成形するためには、最初は脱水量を少なく
し、徐々に脱水量を多くするようにすればよい。これに
よって低い体積率の部分から徐々に高い体積率の部分に
変化するプリフォームが形成され、しかも体積率の変化
の割合が任意に制御できる。すなわち、圧力をコントロ
ーラ３によって適宜変えることによって、その脱水量と
脱水時間を制御し、任意の位置で、任意の体積率のプリ
フォームがえられる。
示すもので、１は成形型、２は液槽、３はコントロー
ラ、４は真空ポンプで、該真空ポンプ４はコントローラ
３を介して液槽２に連絡している。また成形型１は底部
にフィルター５を設けてある。まず、ウィスカー又は短
繊維のセラミックスを水（又は有機溶剤）に入れて攪拌
分散し、スラリーを作る。次に、このスラリー１０を前
記成形型１に所定量を流し込み、真空ポンプ４を駆動し
て成形型１内のスラリー１０中の水分をフィルター５を
通して吸引する。吸引された水は液槽２に溜り、フィル
ター５上でプリフォームが形成される。この時、真空ポ
ンプ４からの吸引力をコントローラ３によって制御し
て、成形型１内に成形されるプリフォームの体積率を任
意に変える。たとえば、体積率が下面が低く、上面にお
いて高くなるように変化するプリフォームを、生産性を
考慮しながら成形するためには、最初は脱水量を少なく
し、徐々に脱水量を多くするようにすればよい。これに
よって低い体積率の部分から徐々に高い体積率の部分に
変化するプリフォームが形成され、しかも体積率の変化
の割合が任意に制御できる。すなわち、圧力をコントロ
ーラ３によって適宜変えることによって、その脱水量と
脱水時間を制御し、任意の位置で、任意の体積率のプリ
フォームがえられる。
【０００８】図３は他の方法による製造方法を示し、真
空ポンプの代わりに加圧シリンダを用いた場合を示す。
即ち１１は成形型、１２は液槽、１３はコントローラ、
１４は加圧シリンダー、１５はフィルター、１６は加圧
シリンダー１４によって作動されるピストンである。こ
のピストン１６でスラリー２０を加圧し、加圧シリンダ
ー１４による加圧力をコントローラ１３で制御しなが
ら、成形型１１内で形成されるプリフォームの体積率を
変えてゆく。
空ポンプの代わりに加圧シリンダを用いた場合を示す。
即ち１１は成形型、１２は液槽、１３はコントローラ、
１４は加圧シリンダー、１５はフィルター、１６は加圧
シリンダー１４によって作動されるピストンである。こ
のピストン１６でスラリー２０を加圧し、加圧シリンダ
ー１４による加圧力をコントローラ１３で制御しなが
ら、成形型１１内で形成されるプリフォームの体積率を
変えてゆく。
【０００９】
【実施例】図１に示す方法を用い次の要領で実施した。
まず、長さ１０〜３０μｍ、直径０．５〜１．０μｍ、
真比重２．９３ｇ／ｃｍ3 のホウ酸アルミニウムウィス
カー（９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 ）を、１２０ｃｃの水
に均一に分散させてスラリーを作成した。次に内径φ６
０のプリフォーム成形型に、このスラリーを所定量流し
込み、最初５ｍｌ／ｓｅｃの脱水量で３秒間脱水したあ
と、徐々に脱水量を多くして、２０ｍｌ／ｓｅｃまで上
げた。このようにして直径６０、厚さ１０ｍｍのプリフ
ォームを得た。このプリフォームは、成形型のフィルタ
付近の底面では体積率１３％であり、上面では体積率１
６％であった。
まず、長さ１０〜３０μｍ、直径０．５〜１．０μｍ、
真比重２．９３ｇ／ｃｍ3 のホウ酸アルミニウムウィス
カー（９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 ）を、１２０ｃｃの水
に均一に分散させてスラリーを作成した。次に内径φ６
０のプリフォーム成形型に、このスラリーを所定量流し
込み、最初５ｍｌ／ｓｅｃの脱水量で３秒間脱水したあ
と、徐々に脱水量を多くして、２０ｍｌ／ｓｅｃまで上
げた。このようにして直径６０、厚さ１０ｍｍのプリフ
ォームを得た。このプリフォームは、成形型のフィルタ
付近の底面では体積率１３％であり、上面では体積率１
６％であった。
【００１０】次にこのプリフォームを用いて、ＪＩＳ−
ＡＣ８Ａ合金を７５０℃で溶解した溶湯をマトリックス
として５０ＭＰａの圧力にて複合化をおこない、図４に
示すようなピストン２０を製造した。このピストンヘッ
ドの複合部２１は、複合部２１内で連続的に体積率が低
下しており、加熱、冷却のヒートショック試験をおこな
ったが、複合部の途中で剥離するものはなかった。
ＡＣ８Ａ合金を７５０℃で溶解した溶湯をマトリックス
として５０ＭＰａの圧力にて複合化をおこない、図４に
示すようなピストン２０を製造した。このピストンヘッ
ドの複合部２１は、複合部２１内で連続的に体積率が低
下しており、加熱、冷却のヒートショック試験をおこな
ったが、複合部の途中で剥離するものはなかった。
【００１１】
【発明の効果】本発明によれば、体積率を任意に制御し
てなるプリフォームがえられる。したがってプリフォー
ム中に従来のように体積率の異なる境界面がなく、溶湯
鍛造時に、金属溶湯がプリフォームを割って浸入するこ
とがない。また、このプリフォームを用いて複合部材を
製作してもヒートショックによる割れは発生しない。
てなるプリフォームがえられる。したがってプリフォー
ム中に従来のように体積率の異なる境界面がなく、溶湯
鍛造時に、金属溶湯がプリフォームを割って浸入するこ
とがない。また、このプリフォームを用いて複合部材を
製作してもヒートショックによる割れは発生しない。
【図１】本発明に係る方法の実施要領を説明する図であ
る。
る。
【図２】本発明に係る方法における脱水量とプリフォー
ムの体積率との関係を示す図である。
ムの体積率との関係を示す図である。
【図３】本発明に係る方法の他の実施要領を説明する図
である。
である。
【図４】本発明に係る方法で製作したプリフォームを用
いたピストンの複合化の状態を説明する図である。
いたピストンの複合化の状態を説明する図である。
【図５】従来の方法で製作したプリフォームの斜視説明
図である。
図である。
【図６】従来の方法で製作した他のプリフォームの斜視
説明図である。
説明図である。
【図７】従来の方法で製作したプリフォームを用いてお
こなう溶湯鍛造法の説明図である。
こなう溶湯鍛造法の説明図である。
１，１１ 成形型 ３，１３ コントローラ ４ 真空ポンプ ５，１５ フィルター １０，２０ スラリー １４ 加圧シリンダー １６ ピストン
Claims (1)
- 【請求項１】 成形型内に収容したスラリーを、吸引ま
たは加圧することによって脱水してプリフォームを製造
するさいに、脱水量と、脱水時間を制御して、１つのプ
リフォーム中の体積率を変化させ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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12822592A JP3237778B2 (ja) | 1992-04-21 | 1992-04-21 | 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 |
|---|---|---|---|
| JP12822592A JP3237778B2 (ja) | 1992-04-21 | 1992-04-21 | 複合材料用プリフォームの製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05295471A JPH05295471A (ja) | 1993-11-09 |
| JP3237778B2 true JP3237778B2 (ja) | 2001-12-10 |
Family
ID=14979593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12822592A Expired - Fee Related JP3237778B2 (ja) | 1992-04-21 | 1992-04-21 | 複合材料用プリフォームの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3237778B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113942139B (zh) * | 2021-10-18 | 2023-09-29 | 西北工业大学 | 一种搅滤一体直接制备短纤维预制体的装置及方法 |
-
1992
- 1992-04-21 JP JP12822592A patent/JP3237778B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05295471A (ja) | 1993-11-09 |
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