JP3467495B2 - Method for producing metal-based gradient composite material - Google Patents

Method for producing metal-based gradient composite material

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義則 西田
利夫 山内
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Suzuki Motor Co Ltd
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Suzuki Motor Co Ltd
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  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、Al合金,Mg合金な
どの金属に、セラミックスの繊維又はウィスカーを強化
材として用いた金属基複合材料であって、特に傾斜した
特性を有する金属基傾斜複合材料の製造方法に関する。 【0002】 【従来の技術】セラミックスで強化した金属基複合材料
の製造方法として、粉末冶金法,溶湯法,コンポキャス
ト法などがあるが、工業生産性に優れている加圧含浸法
(高圧凝固法,スクイズキャスト法)が多く用いられて
いる。この加圧含浸法は予めセラミックスの成形体(プ
リフォーム)をつくり、これに金属溶湯を含浸させる方
法である。また、この方法において、製造した複合材料
に、強度,ヤング率,熱膨張率,熱伝導率,耐摩耗性等
々の機械的特性を傾斜せしめた複合材料の製造方法が知
られている。たとえば、セラミックスの成形体を、その
体積率が順次変化するように成形し、これにマトリック
スとなる金属溶湯を加圧浸透させる方法がある(特開平
2−197537号公報参照)。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】傾斜特性を有する複合
材料を製作する場合に前記粉末冶金法などの方法は、技
術的にむずかしく生産性が悪いため、前記のようにプリ
フォームに溶湯を浸透させる加圧含浸法が利用されてい
る。ところが、この加圧含浸法については次のような問
題点がある。たとえば、図3に示すようにそれぞれ体積
率がVfA <VfB <VfC <Vf D のように異なるプ
リフォームA,B,C,Dをそれぞれ別々に成形したあ
と、これらを積重ねる。そしてこれを図4に示すように
金型50内に収容し、上方から溶湯51を注湯のうえ、
パンチ52によって加圧し、プリフォーム内に溶湯を含
浸させるものであるが、それには体積率の異なるこのよ
うなプリフォームを多数製作しなければならないこと、
同時に重ねた各プリフォームA,B,C,Dの間に隙間
がないようにするための精密な作業工程が必要となる。
一方、このようにして製造した複合材料は、図5に示す
ように体積率の変化は不連続となる。従って、これを用
いて製造した複合材料においては、たとえば熱伝導を含
む材料特性が不連続となり、徐々に傾斜した性能が要求
される傾斜複合材料としては好ましくない。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
た金属基傾斜複合材料を提供することを目的とする。 【0004】 【課題を解決するための手段】前記目的に添い本発明
は、セラミックス繊維又はセラミックスウィスカーの
リフォームに溶湯金属を加圧含浸させる方法において、
加圧速度と温度と加圧力を制御してプリフォームの体積
率を変えながら複合材料としての特性を特定の傾斜割合
とするための制御データーを後に示す,,式によ
って求める金属基傾斜複合材料の製造方法である。 【0005】本発明者等は、加圧含浸法を利用しての金
属基複合材料の製造過程において、金属溶湯の圧力によ
り、プリフォームが圧縮変形を起す点に着目し、多くの
実験と計算を行なって、このプリフォームの変形メカニ
ズムが解明できる理論式を導出した。そして、プリフォ
ームに加わる溶湯圧力がプリフォームの変形原因である
こと、また、この圧力は適用するプリフォームと金属の
特性を因子として、金属溶湯のプリフォームへの浸入
速度、プリフォームと金属の温度、とによって複合化
条件が決定されることを明らかにした。よって、この理
論式を用いることにより、今まで不可能であった加圧含
浸法による連続傾斜複合材料について、プリフォームが
任意の体積率となるように制御しながら製造できるよう
になった。 【0006】1) 理論式の導出 一般的なセラミックス繊維(ウィスカーを含む)のプリ
フォームにAl溶湯が浸入する場合、レイノルズ数は小
さいためダルシーの法則を適用することができる。ま
た、Al溶湯は非圧縮性流体とし、浸透現象は圧力差に
よる力と粘性抵抗が支配的であり、運動量保存における
慣性力は無視できるものと考え、ダルシーの法則と連続
の式が成り立つものとする。ここで、ダルシーの式は、
次の式で表わされる。 【0007】 【数2】 【0008】これを応用してプリフォームに加わる表面
圧力Ps と溶湯先端位置Xf を導出した。 【0009】 【数3】【0010】また、前記固相率Fは次の式で表わされ
る。 【0011】 【数4】 【0012】以上のように、プリフォームは表面圧力P
s によって圧縮変形の程度、即ち体積率の傾斜量を決め
ることができる。 【0013】2) 実施要領 まず、1種類又は2種類以上の素材からなるプリフォー
ムを湿式又は乾式法により成形する。このプリフォーム
は内部は均一であることが好ましい。次に図1に示すよ
うに、このプリフォーム21を常温で、又は予熱し、予
熱した金型22内にセットする。そして上部から金属溶
湯23を注入し、これを加圧シリンダー25を作動させ
てパンチ24によって加圧する。この場合、金型内温度
を温度制御手段28により、またパンチ24の加圧速度
を速度制御手段29により、また加圧力を圧力制御手段
30により、前記理論式にもとづいて設定したデーター
によって、それぞれ制御しながらおこなう。これによっ
て、製造される複合材料の傾斜態様として、体積率が
一定なもの、途中から体積率が変化するもの、最初
から体積率が変化するもの、最初から体積率は変化す
るが後半で変化しないもの、最終で体積率が変化する
もの等々の多様な体積率からなる傾斜複合材料が得られ
る。 【0014】 【実施例】炭化ケイ素(SiC)ウィスカーを80×8
0mm、高さ40mmで体積率15%に成形したプリフォー
ムと、純アルミニウム(99.99 %)とを加圧含浸法を用
いて傾斜複合材料を製造した。炭化ケイ素ウィスカーの
特性を表1に、800℃に溶融している時の純アルミニ
ウムの特性を表2に示す。 【0015】 【表1】 【0016】 【表2】 【0017】750℃に予熱したプリフォームを、25
0℃に加熱した80×80mmの金型内にセットし、上部
より800℃で溶解した純アルミニウムを注湯し、加圧
を行なった。加圧する時の速度ヲ10,20,40mm/
S に設定した。その結果、複合化後のプリフォーム高さ
は、各々33,29,23mmに圧縮されていた。 【0018】さらに、この内部の体積率を測定した結
果、図2に示すように、始め体積率が変化しない部分が
あり、ある位置から体積率は徐々に増加する傾斜状態に
成形されている。そしてこの傾斜状態は加圧速度によっ
て変化し、加圧速度が大きい程、傾斜角度が大きくなっ
ている。 【0019】また、炭化ケイ素ウィスカーを金型内にセ
ットし、パンチで加圧した時の圧力と体積率も測定し
た。そして、前記理論式で得られた圧力変化と、この測
定値を利用することで、プリフォームの傾斜量を計算し
た結果は、実測結果と一致した。以上の結果から、加圧
速度の制御により、複合材料の傾斜量を変えることがで
きる。さらに、任意の連続傾斜複合材料の製造条件は、
前記理論式で計算することも可能である。 【0020】 【発明の効果】本発明によれば、加圧含浸法を用いて金
属基傾斜複合材料を製造する場合、次のような効果が得
られる。 1) プリフォームに用いる素材を、従来のように複数
種類用いたり、体積率の異なるプリフォームを組合せる
必要がない。 2) 従って、プリフォームの成形工程が大幅に縮小で
き、低コストの傾斜複合材料の製造が可能となる。 3) 体積率に不連続部分がなく連続的に変化した傾斜
複合材料が得られる。 4) 複合化条件を任意に選定することで、1種類のプ
リフォームから多種類の傾斜複合材料の製造が可能とな
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an Al alloy, a Mg alloy, and the like.
Which metal, ceramicsFiber or whiskerStrengthen
Metal-based composite material used as a material, especially inclined
The present invention relates to a method for producing a metal-based gradient composite material having characteristics. [0002] 2. Description of the Related Art Metal matrix composites reinforced with ceramics
Powder metallurgy method, molten metal method, compocas
Pressure impregnation method, which has excellent industrial productivity
(High pressure solidification method, squeeze cast method)
I have. In this pressure impregnation method, a ceramic compact (preform
Reform) and impregnate it with molten metal
Is the law. Further, in this method, the manufactured composite material
In addition, strength, Young's modulus, coefficient of thermal expansion, thermal conductivity, wear resistance, etc.
It is known how to manufacture composite materials with various mechanical properties.
Have been. For example, a ceramic compact
Molded so that the volume ratio changes sequentially,
There is a method of infiltrating a molten metal which is
2-197375). [0003] SUMMARY OF THE INVENTION Composites with tilt characteristics
When manufacturing materials, methods such as the powder metallurgy method
Due to technical difficulty and low productivity, pre-
A pressure impregnation method is used to infiltrate the molten metal into the foam.
You. However, there are the following questions about this pressure impregnation method.
There is a point. For example, as shown in FIG.
Rate is VfA<VfB<VfC<Vf DDifferent
Reforms A, B, C and D were separately molded
And stack them. And as shown in FIG.
It is housed in the mold 50, and after pouring the molten metal 51 from above,
Pressure is applied by the punch 52, and the molten metal is contained in the preform.
It has a different volume fraction.
That many preforms must be made,
A gap between the preforms A, B, C, and D that are simultaneously stacked
Precise work steps are required to eliminate these.
On the other hand, the composite material thus manufactured is shown in FIG.
Thus, the change in the volume ratio is discontinuous. Therefore, use this
The composite material manufactured in
Material characteristics become discontinuous and gradually inclined performance is required
It is not preferable as a gradient composite material to be used. The present invention
It was made in view of the above circumstances,
It is an object of the present invention to provide a metal-based gradient composite material. [0004] According to the present invention, there is provided the present invention.
IsCeramic fiber or ceramic whiskerStep
In the method of impregnating the molten metal with pressure in the reform,
Preform volume by controlling pressing speed, temperature and pressure
The characteristics of the composite material can be changed by changing the ratio
The control data to make
Ask forThis is a method for producing a metal-based gradient composite material. [0005] The inventors of the present invention have proposed the use of pressure impregnation for gold.
During the production process of the matrix composite material, the pressure of the molten metal
Focusing on the point that the preform causes compression deformation, many
Perform experiments and calculations to determine the deformation mechanism of this preform.
A theoretical formula that can elucidate the mechanism was derived. And pre-
Melt pressure applied to the preform is the cause of deformation of the preform
That this pressure is applied to the preform and metal
Infiltration of molten metal into preform due to its characteristics
Compounded by speed, preform and metal temperature,
Clarified that the conditions will be determined. Therefore, this reason
By using the theoretical formula, the pressure
For continuous gradient composites by immersion, preforms
It can be manufactured while controlling to an arbitrary volume ratio
Became. 1) Derivation of theoretical formula General ceramic fiber (including whisker) pre
When molten aluminum infiltrates the foam, the Reynolds number is small.
For that reason, Darcy's law can be applied. Ma
In addition, the molten aluminum is used as an incompressible fluid,
Force and viscous drag are dominant,
Considering inertia to be negligible, Darcy's law and continuity
It is assumed that the following expression holds. Where Darcy's formula is
It is expressed by the following equation. [0007] (Equation 2) Applying this to the surface added to the preform
The pressure Ps and the molten metal tip position Xf were derived. [0009] (Equation 3)Further, the solid fraction F is expressed by the following equation.
You. [0011] (Equation 4) As described above, the preform has a surface pressure P
s determines the degree of compressive deformation, that is, the slope of the volume fraction.
Can be 2) Implementation procedure First, a preform consisting of one or more materials
Is formed by a wet or dry method. This preform
Is preferably uniform inside. Next, as shown in FIG.
Thus, the preform 21 is pre-heated at room temperature or
It is set in the heated mold 22. And melt the metal from the top
Hot water 23 is poured, and the pressurized cylinder 25 is actuated.
And pressurized by a punch 24. In this case, the mold temperature
By the temperature control means 28 and the pressing speed of the punch 24
Is controlled by the speed control means 29, and the pressing force is controlled by the pressure control means.
30 and the data set based on the theoretical formula
Is performed while controlling each. By this
Therefore, as a tilt aspect of the composite material to be produced, the volume ratio is
Constant, volume ratio changes in the middle, first
The volume ratio changes from the beginning, the volume ratio changes from the beginning
But does not change in the latter half, the volume ratio changes at the end
Graded composites with various volume fractions
You. [0014] EXAMPLE A silicon carbide (SiC) whisker was 80 × 8
Preform molded to 0%, height 40mm and volume ratio 15%
And pure aluminum (99.99%) by pressure impregnation
To produce a graded composite material. Silicon carbide whiskers
Table 1 shows the characteristics of pure aluminum when melted at 800 ° C.
Table 2 shows the characteristics of um. [0015] [Table 1] [0016] [Table 2] The preform preheated to 750 ° C.
Set in a 80x80mm mold heated to 0 ° C,
Pour pure aluminum dissolved at 800 ° C and pressurize
Was performed. Speed at pressurization: 10, 20, 40 mm /
Set to S. As a result, the height of the preform after compounding
Were compressed to 33, 29, and 23 mm, respectively. Further, the volume ratio of the inside was measured.
As a result, as shown in FIG.
Yes, from a certain position, the volume ratio gradually increases
Is molded. And this inclination state depends on the pressing speed.
The inclination angle increases as the pressing speed increases.
ing. Further, a silicon carbide whisker is set in a mold.
And the pressure and volume ratio when pressing with a punch are also measured.
Was. Then, the pressure change obtained by the above-mentioned theoretical formula and this measurement
By using the fixed value, the preform inclination amount is calculated.
The results were in agreement with the measured results. From the above results, pressurization
By controlling the speed, the amount of inclination of the composite material can be changed.
Wear. In addition, the manufacturing conditions for any continuous gradient composite are:
It is also possible to calculate using the above theoretical formula. [0020] According to the present invention, gold is impregnated using a pressure impregnation method.
The following effects can be obtained when manufacturing a metal-graded composite material.
Can be 1) Use multiple materials for the preform
Use different types or combine preforms with different volume ratios
No need. 2) Therefore, the preform molding process can be greatly reduced
Therefore, it is possible to manufacture a low-cost gradient composite material. 3) Slope that changes continuously without any discontinuity in the volume ratio
A composite material is obtained. 4) By arbitrarily selecting the compounding conditions, one type of
Many types of graded composite materials can be manufactured from renovation
You.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の製造方法に用いる装置の概念的な説明
図である。 【図2】本発明に係る実施例において加圧速度に対応す
るプリフォームの体積率の変化を示すグラフである。 【図3】従来の方法によるプリフォームの態様を説明す
る図である。 【図4】図3のプリフォームを用いた製造方法を説明す
る図である。 【図5】従来の方法によるプリフォームの体積率の不連
続な変化を説明する図である。 【符号の説明】 21 プリフォーム 22 金型 23 溶湯 24 パンチ 25 加圧シリンダー 28 温度制御手段 29 速度制御手段 30 圧力制御手段
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual explanatory view of an apparatus used for a manufacturing method of the present invention. FIG. 2 is a graph showing a change in a volume ratio of a preform corresponding to a pressing speed in an example according to the present invention. FIG. 3 is a diagram illustrating an embodiment of a preform according to a conventional method. FIG. 4 is a view for explaining a manufacturing method using the preform of FIG. 3; FIG. 5 is a diagram illustrating a discontinuous change in volume ratio of a preform according to a conventional method. [Description of Signs] 21 Preform 22 Mold 23 Melt 24 Punch 25 Pressurizing cylinder 28 Temperature control means 29 Speed control means 30 Pressure control means

───────────────────────────────────────────────────── 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 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C22C 47/00-49/14

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 セラミックス繊維又はセラミックスウィ
スカーのプリフォームに溶湯金属を加圧含浸させる方法
において、加圧速度と温度と加圧力を制御してプリフォ
ームの体積率を変えながら複合材料としての特性を特定
の傾斜割合とするための制御データーを次式,,
によって求めることを特徴とする金属基傾斜複合材料の
製造方法。 【数1】
(57) [Claims] [Claim 1] Ceramic fiber or ceramic screen
A method for the molten metal into a preform of Scar pressurized圧含immersed, pressurization rate and the temperature control for the a specific slope ratio characteristics of a composite material while changing the volume fraction of the pressurized preform to control the pressure The data is expressed by the following formula,
A method for producing a metal-based gradient composite material, characterized in that: (Equation 1)
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