JP4212256B2 - 複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、素材金属を金属系結合材とセラミック系材料で強化された複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からアルミニウム合金等の素材金属に炭素系やセラミック系の繊維やセラミック粒子等を埋設して補強すると、強度や耐磨耗性等が向上することは知られている。
このような金属基複合材料は、図３に示したようなダイキャスト鋳造機１００によって製造することができる。すなわち、予め無機繊維、セラミック粒子等を水中で攪拌してから脱水及び乾燥させて、その後焼結することで所定の形状に成形した成形体（プリフォーム）１０３を作る。そして、この成形体を金型１０１内に配置するとともに、金属系結合材としての金属マトリックス１０４の溶湯をプランジャ１０２内に充填する。
【０００３】
そして、図４に示したようにピストン１０５で金属マトリックス１０４を金型１０１内の成形体に押し込むことで金属マトリックス１０４が成形体内に含浸された金属基複合材料１０６を得ることができる。
すなわち、この金属基複合材料１０６は、無機繊維やセラミック粒子等を１０〜５０％添加されることで軽量で高強度の複合材料であって、航空機や自動車等の様々な箇所に使用可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の金属基複合材料の製造方法においては、以下のような２つの問題があった。
１．金属基複合材料は、ダイキャスト鋳造機による含浸であるため、密閉されてなく、含浸時に複合材料内の金属が、分解、沈殿及び酸化等の化学反応によって強度劣化を招く。
２．金属基複合材料は、ダイキャスト鋳造機による含浸であるため、金属含浸時に中空粒子が比重分離を起こし、中空粒子の充填率が高い複合材料を製造できない。
【０００５】
本発明に係わる課題は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、中空粒子の高充填が可能で、軽量かつ高強度な複合材料の製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる上記課題は、平均粒径１０〜１００μｍの中空粒子と金属系結合材とを有する複合材料の製造方法において、充填室を有し、該充填室の外側に加熱用ヒーターと冷却用水冷管を配置した容器本体と、該容器本体の開口部分を密閉する蓋部とからなる圧力容器内に前記中空粒子を挿入し、該中空粒子上に耐熱フィルタを固定して、該フィルタ上に前記金属系結合材を配置して、前記蓋部を被せてから前記充填室を真空引きして不要な空気を排除し、前記ヒーターにより前記金属系結合材が溶融するまで加熱してから、不活性ガスにより前記金属系結合材を加圧することで、該金属系結合材が前記フィルタを通過して前記中空粒子間に含浸され、その後前記水冷管により急冷することを特徴とする複合材料の製造方法によって解決することができる。
【０００７】
また、前記複合材料の製造方法において、好ましくは前記中空粒子が、セラミック系中空粒子であって、具体的にはシラスバルーン、ガラスバルーンまたはアルミナバルーンの少なくともいずれかである。
また、前記複合材料の製造方法において、好ましくは前記中空粒子が、カーボンバルーンである。
また、上記複合材料の製造方法において、好ましくは前記金属系結合材が、金、銀、銅、錫、鉄、コバルト、ニッケル、鉛、アルミニウムまたはその合金である。
また、上記複合材料の製造方法において、好ましくは前記耐熱フィルタが、セラミック系フィルタであって、具体的にはムライト系材料から形成されている。
【０００８】
上記複合材料の製造方法は以下の手順で行われる。
▲１▼圧力容器内に平均粒径１０〜１００μｍのガラスバルーン等のセラミック系中空粒子またはカーボンバルーン等の炭素系中空粒子を所定量挿入する。
▲２▼前記圧力容器内の前記中空粒子上にセラミック系耐熱フィルタを固定する。
▲３▼前記セラミック系耐熱フィルタ上にアルミニウム等の金属系結合材を配置する。
▲４▼前記圧力容器内を真空引きするとともに前記金属系結合材が溶融するまで加熱する。
▲５▼前記圧力容器の上方から所定圧力の不活性ガスによって所定時間加圧する。
▲６▼前記圧力容器内を所定温度まで急冷する。金属系結合材が中空粒子間に含浸された状態では複合材料は高温であり、これを急激に冷却することで金属系結合材が細密化され、強度がさらに向上する。
従って、上記▲１▼〜▲６▼工程を順次行うことによって、前記中空粒子が前記金属系結合材中に５０体積％以上の高い充填率で充填され、軽量かつ高強度な金属基複合材料を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複合材料の製造方法の一実施形態を図１、２に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の複合材料の製造方法の一実施形態を示す断面図、図２は図１における複合材料の製造完了状態を示す断面図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態の複合材料の製造方法は、図示したような圧力容器１によって製造する。すなわち、圧力容器１は、上方に開口した円筒状の容器本体３と、該容器本体の開口部分を密閉する蓋部２とから構成されている。この蓋部２の中央には操作孔５が設けられており、後述する真空引きや加圧時に使用する。また、容器本体３は、充填室４の外周壁及び底壁の外側に加熱用のヒーター９と冷却用の水冷管１０が交互に配置されている。
【００１１】
上記構成の圧力容器１による複合材料の製造方法によれば、先ず容器本体３の上方から充填室４内に平均粒径０．１〜３００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍのガラスバルーンであるセラミック系中空粒子６が所定量挿入される。
次に、挿入したセラミック系中空粒子６の上にセラミック系耐熱フィルタ７が固定される。なお、この耐熱フィルタ７は、酸化アルミニウムと二酸化ケイ素からなる多孔質のムライト系材料から形成されている。
【００１２】
次に、固定した耐熱フィルタ７の上にアルミニウム等の金属系結合材である金属マトリックス８（図中では、溶融状態が示されているが、充填室４内に入ってから溶融する。）を挿入する。
次に、蓋部２を被せてから、操作孔５から真空ポンプ等によって、充填室４を真空引きして不要な空気を排除するとともに、ヒーター９によって前記金属マトリックス８のみが溶融する６００℃〜６４０℃まで加熱する。
【００１３】
次に、図２に示すように、操作孔５からアルゴンガス等の不活性ガスによって溶融した金属マトリックス８上面を所定圧力（５〜１０kgf/cm2）で所定時間加圧する。これにより、金属マトリックス８が耐熱フィルタ７を通過してセラミック系中空粒子６間に含浸されて、セラミック系中空粒子６が金属マトリックス８中に高い充填率で充填された金属基複合材料１１が製造される。なお、この状態では複合材料中の金属マトリックス８は高温であり、拡散した状態にある。
【００１４】
次に、水冷管１０によって充填室４内を所定温度（１００℃以下）まで急激に冷却する。これにより、拡散状態にあった金属マトリックス８が細密化され、軽量でさらに高強度の金属基複合材料１１となる。この金属基複合材料１１の金属マトリックス８に対するセラミック系中空粒子６の充填率は５０〜７４体積％が可能である。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の複合材料の製造方法によれば、充填室を有し、該充填室の外側に加熱用ヒーターと冷却用水冷管を配置した容器本体と、該容器本体の開口部分を密閉する蓋部とからなる圧力容器内に中空粒子を挿入し、該中空粒子上に耐熱フィルタを固定して、該フィルタ上に金属系結合材を配置して、蓋部を被せてから充填室を真空引きして不要な空気を排除し、ヒーターにより金属系結合材が溶融するまで加熱してから、不活性ガスにより金属系結合材を加圧することで、該金属系結合材がフィルタを通過して中空粒子間に含浸され、その後水冷管により急冷する。従って、中空粒子が金属系結合材中に５０％以上の高い充填率で充填され、無機繊維等を添加することなく軽量かつ高強度な金属基複合材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合材料の製造方法の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１における複合材料の製造完了状態を示す断面図である。
【図３】従来の複合材料の製造方法を示す断面図である。
【図４】図３における複合材料の製造完了状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 圧力容器
２ 蓋部
３ 容器本体
４ 充填室
５ 操作孔
６ セラミック系中空粒子
７ セラミック系耐熱フィルタ
８ 金属マトリックス（金属系結合材）
９ ヒーター
１０ 水冷管
１１ 金属基複合材料
【発明の属する技術分野】
本発明は、素材金属を金属系結合材とセラミック系材料で強化された複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からアルミニウム合金等の素材金属に炭素系やセラミック系の繊維やセラミック粒子等を埋設して補強すると、強度や耐磨耗性等が向上することは知られている。
このような金属基複合材料は、図３に示したようなダイキャスト鋳造機１００によって製造することができる。すなわち、予め無機繊維、セラミック粒子等を水中で攪拌してから脱水及び乾燥させて、その後焼結することで所定の形状に成形した成形体（プリフォーム）１０３を作る。そして、この成形体を金型１０１内に配置するとともに、金属系結合材としての金属マトリックス１０４の溶湯をプランジャ１０２内に充填する。
【０００３】
そして、図４に示したようにピストン１０５で金属マトリックス１０４を金型１０１内の成形体に押し込むことで金属マトリックス１０４が成形体内に含浸された金属基複合材料１０６を得ることができる。
すなわち、この金属基複合材料１０６は、無機繊維やセラミック粒子等を１０〜５０％添加されることで軽量で高強度の複合材料であって、航空機や自動車等の様々な箇所に使用可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の金属基複合材料の製造方法においては、以下のような２つの問題があった。
１．金属基複合材料は、ダイキャスト鋳造機による含浸であるため、密閉されてなく、含浸時に複合材料内の金属が、分解、沈殿及び酸化等の化学反応によって強度劣化を招く。
２．金属基複合材料は、ダイキャスト鋳造機による含浸であるため、金属含浸時に中空粒子が比重分離を起こし、中空粒子の充填率が高い複合材料を製造できない。
【０００５】
本発明に係わる課題は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、中空粒子の高充填が可能で、軽量かつ高強度な複合材料の製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる上記課題は、平均粒径１０〜１００μｍの中空粒子と金属系結合材とを有する複合材料の製造方法において、充填室を有し、該充填室の外側に加熱用ヒーターと冷却用水冷管を配置した容器本体と、該容器本体の開口部分を密閉する蓋部とからなる圧力容器内に前記中空粒子を挿入し、該中空粒子上に耐熱フィルタを固定して、該フィルタ上に前記金属系結合材を配置して、前記蓋部を被せてから前記充填室を真空引きして不要な空気を排除し、前記ヒーターにより前記金属系結合材が溶融するまで加熱してから、不活性ガスにより前記金属系結合材を加圧することで、該金属系結合材が前記フィルタを通過して前記中空粒子間に含浸され、その後前記水冷管により急冷することを特徴とする複合材料の製造方法によって解決することができる。
【０００７】
また、前記複合材料の製造方法において、好ましくは前記中空粒子が、セラミック系中空粒子であって、具体的にはシラスバルーン、ガラスバルーンまたはアルミナバルーンの少なくともいずれかである。
また、前記複合材料の製造方法において、好ましくは前記中空粒子が、カーボンバルーンである。
また、上記複合材料の製造方法において、好ましくは前記金属系結合材が、金、銀、銅、錫、鉄、コバルト、ニッケル、鉛、アルミニウムまたはその合金である。
また、上記複合材料の製造方法において、好ましくは前記耐熱フィルタが、セラミック系フィルタであって、具体的にはムライト系材料から形成されている。
【０００８】
上記複合材料の製造方法は以下の手順で行われる。
▲１▼圧力容器内に平均粒径１０〜１００μｍのガラスバルーン等のセラミック系中空粒子またはカーボンバルーン等の炭素系中空粒子を所定量挿入する。
▲２▼前記圧力容器内の前記中空粒子上にセラミック系耐熱フィルタを固定する。
▲３▼前記セラミック系耐熱フィルタ上にアルミニウム等の金属系結合材を配置する。
▲４▼前記圧力容器内を真空引きするとともに前記金属系結合材が溶融するまで加熱する。
▲５▼前記圧力容器の上方から所定圧力の不活性ガスによって所定時間加圧する。
▲６▼前記圧力容器内を所定温度まで急冷する。金属系結合材が中空粒子間に含浸された状態では複合材料は高温であり、これを急激に冷却することで金属系結合材が細密化され、強度がさらに向上する。
従って、上記▲１▼〜▲６▼工程を順次行うことによって、前記中空粒子が前記金属系結合材中に５０体積％以上の高い充填率で充填され、軽量かつ高強度な金属基複合材料を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複合材料の製造方法の一実施形態を図１、２に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の複合材料の製造方法の一実施形態を示す断面図、図２は図１における複合材料の製造完了状態を示す断面図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態の複合材料の製造方法は、図示したような圧力容器１によって製造する。すなわち、圧力容器１は、上方に開口した円筒状の容器本体３と、該容器本体の開口部分を密閉する蓋部２とから構成されている。この蓋部２の中央には操作孔５が設けられており、後述する真空引きや加圧時に使用する。また、容器本体３は、充填室４の外周壁及び底壁の外側に加熱用のヒーター９と冷却用の水冷管１０が交互に配置されている。
【００１１】
上記構成の圧力容器１による複合材料の製造方法によれば、先ず容器本体３の上方から充填室４内に平均粒径０．１〜３００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍのガラスバルーンであるセラミック系中空粒子６が所定量挿入される。
次に、挿入したセラミック系中空粒子６の上にセラミック系耐熱フィルタ７が固定される。なお、この耐熱フィルタ７は、酸化アルミニウムと二酸化ケイ素からなる多孔質のムライト系材料から形成されている。
【００１２】
次に、固定した耐熱フィルタ７の上にアルミニウム等の金属系結合材である金属マトリックス８（図中では、溶融状態が示されているが、充填室４内に入ってから溶融する。）を挿入する。
次に、蓋部２を被せてから、操作孔５から真空ポンプ等によって、充填室４を真空引きして不要な空気を排除するとともに、ヒーター９によって前記金属マトリックス８のみが溶融する６００℃〜６４０℃まで加熱する。
【００１３】
次に、図２に示すように、操作孔５からアルゴンガス等の不活性ガスによって溶融した金属マトリックス８上面を所定圧力（５〜１０kgf/cm2）で所定時間加圧する。これにより、金属マトリックス８が耐熱フィルタ７を通過してセラミック系中空粒子６間に含浸されて、セラミック系中空粒子６が金属マトリックス８中に高い充填率で充填された金属基複合材料１１が製造される。なお、この状態では複合材料中の金属マトリックス８は高温であり、拡散した状態にある。
【００１４】
次に、水冷管１０によって充填室４内を所定温度（１００℃以下）まで急激に冷却する。これにより、拡散状態にあった金属マトリックス８が細密化され、軽量でさらに高強度の金属基複合材料１１となる。この金属基複合材料１１の金属マトリックス８に対するセラミック系中空粒子６の充填率は５０〜７４体積％が可能である。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の複合材料の製造方法によれば、充填室を有し、該充填室の外側に加熱用ヒーターと冷却用水冷管を配置した容器本体と、該容器本体の開口部分を密閉する蓋部とからなる圧力容器内に中空粒子を挿入し、該中空粒子上に耐熱フィルタを固定して、該フィルタ上に金属系結合材を配置して、蓋部を被せてから充填室を真空引きして不要な空気を排除し、ヒーターにより金属系結合材が溶融するまで加熱してから、不活性ガスにより金属系結合材を加圧することで、該金属系結合材がフィルタを通過して中空粒子間に含浸され、その後水冷管により急冷する。従って、中空粒子が金属系結合材中に５０％以上の高い充填率で充填され、無機繊維等を添加することなく軽量かつ高強度な金属基複合材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合材料の製造方法の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１における複合材料の製造完了状態を示す断面図である。
【図３】従来の複合材料の製造方法を示す断面図である。
【図４】図３における複合材料の製造完了状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 圧力容器
２ 蓋部
３ 容器本体
４ 充填室
５ 操作孔
６ セラミック系中空粒子
７ セラミック系耐熱フィルタ
８ 金属マトリックス（金属系結合材）
９ ヒーター
１０ 水冷管
１１ 金属基複合材料
Claims (5)
- 平均粒径１０〜１００μｍの中空粒子と金属系結合材とを有する複合材料の製造方法において、
充填室を有し、該充填室の外側に加熱用ヒーターと冷却用水冷管を配置した容器本体と、該容器本体の開口部分を密閉する蓋部とからなる圧力容器内に前記中空粒子を挿入し、該中空粒子上に耐熱フィルタを固定して、該フィルタ上に前記金属系結合材を配置して、前記蓋部を被せてから前記充填室を真空引きして不要な空気を排除し、前記ヒーターにより前記金属系結合材が溶融するまで加熱してから、不活性ガスにより前記金属系結合材を加圧することで、該金属系結合材が前記フィルタを通過して前記中空粒子間に含浸され、その後前記水冷管により急冷することを特徴とする複合材料の製造方法。 - 前記中空粒子が、シラスバルーン、ガラスバルーンまたはアルミナバルーンの少なくともいずれかであるセラミック系中空粒子であることを特徴とする請求項１記載の複合材料の製造方法。
- 前記中空粒子が、カーボンバルーンであることを特徴とする請求項１記載の複合材料の製造方法。
- 前記金属系結合材が、金、銀、銅、錫、鉄、コバルト、ニッケル、鉛、アルミニウムまたはその合金であることを特徴とする請求項１記載の複合材料の製造方法。
- 前記耐熱フィルタが、ムライト系材料から形成されたセラミック系フィルタであることを特徴とする請求項１記載の複合材料の製造方法。
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