JP4909239B2 - 複合材の鋳造方法及びその鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属製基材にプリフォームを一体形成してなる複合材の鋳造技術に関する。

車両に装備される制動装置として、例えばディスクロータにブレーキパッドを押し付ける形式のディスクブレーキがある。
ディスクロータの軽量化を図るために母材を、アルミニウム合金などの軽合金で構成することがある。軽合金では耐摩耗性が低下するために、ディスクロータの要部にプリフォームと称する耐摩耗部材を一体形成することが望まれる。

従来、プリフォームを一体鋳造する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−１８５５５０号公報（図１、図２）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図７は従来の技術の基本原理を説明する図であり、（ａ）において、下型１０１に第１の複合材１０２を配置し、上型１０３に第２の複合材１０４を配置する。第１の複合材１０２及び第２の複合材１０４は、予めセラミックスにアルミニウム合金を含浸させた材料である。そして、下型１０１にアルミニウムの溶湯１０５を入れ、上型１０３を下げて加圧する。いわゆる、溶湯鍛造法を実施する。この結果、（ｂ）に示すようなディスクロータ１０６を得ることができる。１０７は凝固したアルミニウム合金である。

このようにして製造したディスクロータ１０６に、次に述べる課題があることが判明した。
（ｃ）は（ｂ）のｃ部拡大図であり、第１の複合材１０２とアルミニウム合金１０７との境界１０８の接合強度が、期待値より低いことが分かった。本発明者らが、詳細に検討したところ、境界１０８に酸化物が介在していた。酸化物系セラミックスと溶融アルミニウムとの濡れ性が悪いことは周知の通りであり、酸化物が介在したことによって、濡れ性が低下し、接合強度が低下したと考えられる。

さらに、酸化は、複合材１０２を大気に晒すと進行する。また、下型１０１に溶湯１０５を供給した後、上型１０３を被せる前に、不可避的に溶湯１０５が酸化される。したがって、従来の技術では、酸化は避けられない。
しかし、ディスクロータ１０６の強度向上には、酸化を回避する技術が必要となる。

本発明は、プリフォームを溶湯で鋳ぐるむに際して、酸化を有効に解消することができる鋳造技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、金属製基材にプリフォームを一体成形してなる複合材の鋳造方法において、
下位の固定型と上位の可動型とで構成される成形型のキャビティ内に前記プリフォームを載置するプリフォーム載置工程と、
前記キャビティに臨ませたシリンダへ前記金属製基材の溶湯を供給する溶湯供給工程と、
前記成形型に貫通して設けられた第１の連通路を介して前記キャビティ内及びシリンダ内に存在する空気を排出させる真空引き工程と、
前記第１の連通路は下降移動する前記可動型で閉じ、前記成形型に貫通して設けられた第２の連通路を介して真空状態になったキャビティ内及びシリンダ内に還元ガスを発生させ、前記溶湯上に生成している酸化被膜を還元する還元工程と、
前記第２の連通路は下降移動する前記可動型で閉じ、前記シリンダに進入させたプランジャを加圧方向へ移動させることにより前記キャビティを加圧状態の溶湯で満たし、さらに前記プリフォームに含浸させる溶湯含浸工程と、からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、金属製基材にプリフォームを一体成形してなる複合材の鋳造方法において、
固定型と水平に移動する可動型とで構成される成形型のキャビティ内にプリフォームを載置するプリフォーム載置工程と、
キャビティに臨ませたシリンダへ金属製基材の溶湯を供給する溶湯供給工程と、
シリンダに貫通して設けられた第１の連通路を介してキャビティ内及びシリンダ内に存在する空気を排出させる真空引き工程と、
シリンダに貫通して設けられた第２の連通路を介して真空状態になったキャビティ内及びシリンダ内に還元ガスを発生させ、溶湯上に生成している酸化被膜を還元する還元工程と、
第２の連通路はシリンダに進入させたプランジャを加圧方向へ移動させることで閉じ、シリンダに進入させたプランジャを加圧方向へ移動させることによりキャビティを加圧状態の溶湯で満たし、さらにプリフォームに含浸させる溶湯含浸工程と、からなることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、金属製基材にプリフォームを一体成形してなる複合材の鋳造装置において、
この鋳造装置は、プリフォームを載置するプリフォーム載置面を有する成形型と、この成形型のキャビティ内に臨ませたシリンダと、このシリンダ又は成形型に貫通して設けられた第１の連通路及び第２の連通路と、第１の連通路を介してキャビティ内及びシリンダ内の空気を排出する真空引き機構と、第２の連通路を介してキャビティ内及びシリンダ内へ還元ガスを供給する還元ガス供給機構と、シリンダに進入させたプランジャを加圧方向へ移動させることによりキャビティを加圧状態の溶湯で満たし、さらにプリフォームに含浸させるプランジャ移動機構とを備えており、
成形型は下位の固定型と上位の可動型とで構成され、第１の連通路及び第２の連通路は下降移動する可動型で順に閉じることができる位置に設けられていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、金属製基材にプリフォームを一体成形してなる複合材の鋳造装置において、
この鋳造装置は、プリフォームを載置するプリフォーム載置面を有する成形型と、この成形型のキャビティ内に臨ませたシリンダと、このシリンダ又は成形型に貫通して設けられた第１の連通路及び第２の連通路と、第１の連通路を介してキャビティ内及びシリンダ内の空気を排出する真空引き機構と、第２の連通路を介してキャビティ内及びシリンダ内へ還元ガスを供給する還元ガス供給機構と、シリンダに進入させたプランジャを加圧方向へ移動させることによりキャビティを加圧状態の溶湯で満たし、さらにプリフォームに含浸させるプランジャ移動機構とを備えており、
成形型は固定型と水平に移動する可動型とで構成され、第２の連通路はシリンダに設けられ、且つ加圧方向へ移動するプランジャで閉じることができる位置に設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、キャビティ内及びシリンダ内に還元ガスを発生させることによりプリフォームと溶湯の複合化に悪影響を及ぼす酸化被膜が還元される。酸化被膜がなくなることにより溶湯の濡れ性が向上するため、溶湯とプリフォームとの接合部となる境界面における接合強度が向上する。この結果、プリフォームと母材となる金属の接合強度が大きい良好な鋳造品を得ることができる。

請求項２に係る発明では、複雑な弁開閉機構を用いることなく、プランジャで弁を閉じることができる。
請求項３、４に係る発明では、成形型又はシリンダにキャビティ内及びシリンダ内を真空状態にする真空引き機構と、還元ガス供給機構を設けることにより、プリフォームに含浸する直前の溶湯上の酸化被膜を効率的に還元することができる。この結果、プリフォームと母材となる金属の接合強度が大きい良好な鋳造品を得ることができる。

請求項３に係る発明では、下降移動する可動型により、固定型に設けた第１の連通路と第２の連通路を順に閉じる。この結果、第１の連通路及び第２の連通路を開閉する動作を、複雑な機構を用いることなく動作させることができ、鋳造装置の簡略化を図ることができる。

請求項４に係る発明では、加圧方向に移動するプランジャにより、シリンダに設けた第２の連通路を閉じる。この結果、第２の連通路を開閉する動作を、複雑な機構を用いることなく動作させることができ、鋳造装置の簡略化を図ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、複合材はディスクロータを例に説明する。
図１は本発明に係るディスクロータの断面図であり、複合材としてのディスクロータ１０は、アルミニウム製基材１１の一方の面にプリフォーム１２を一体的に備え、このプリフォーム１２にスペーサ１６を介してアルミニウム製基材１１の他方の面にプリフォーム１３を一体的に備えてなり、中央のボルト穴１４、１４を用いて車両の回転部材に取付けることができる。

プリフォーム１２は、セラミックス粒子をバインダで一体化した成形品又は、セラミックス繊維を圧縮してなる成形品である。プリフォーム１３も同様である。
このような形態のディスクロータ１０を製造する鋳造装置の構成を次に説明する。

図２は本発明に係る複合材の鋳造装置の原理図であり、複合材の鋳造装置１５は、プレス機構２０と、下位の固定型３５と、上位の可動型４０と、プランジャ移動機構５０と、真空引き機構６０と、還元ガス供給機構６５とで構成される。

プレス機構２０は、例えば、基礎２１に固定されている下部フレーム２２と、この下部フレーム２２の両端から立ち上げた支柱２３、２３と、これらの支柱２３、２３の中程に水平に渡した中間フレーム２４と、支柱２３、２３の上部に水平に渡した上部移動フレーム２６と、支柱２３、２３の上端に水平に渡したトップフレーム２７と、このトップフレーム２７の中央に設けられ、ロッド２８が下方へ延びて上部移動フレーム２６を上下移動させる上部シリンダ２９と、前記下部フレーム２２の中央に設けられ、ロッド３１が上方へ延びているプランジャ移動機構３２と、前記下部フレーム２２から延びて下部移動フレーム３３及びシリンダ５１を上下移動させるシリンダ昇降機構３４、３４とからなる。

下位の固定型３５は、中間フレーム２４に取付けられており、プリフォーム（図１、符号１２）を載せるプリフォーム載置面３６を有し、第１の連通路となる横に穿った真空路６１と、第２の連通路となる横に穿った還元ガス導入路６６とが設けられている。

真空引き機構６０は、前記真空路６１と、この真空路６１の外側開口部に接続され、吸い出された空気を外部へ通す真空ホース６２と、この真空ホース６２の他端に接続され、空気の流れの開閉を行う弁６３と、この弁６３に接続され、前記真空ホース６２を介して前記真空路６１内を低圧にする真空ポンプ６４と、からなる。

還元ガス供給機構６５は、前記還元ガス導入路６６と、この還元ガス導入路６６の外側開口部に接続され、還元ガスを内部へ通す導入ホース６７と、この導入ホース６７の他端に接続され、還元ガスの流れの開閉を行う弁６８と、この弁６８に接続され、前記導入ホース６７を介して前記還元ガス導入路６６へ還元ガスを送り出す還元ガス発生装置６９とからなる。

上位の可動型４０は、上部移動フレーム２６に吊り下げられ、段付きの円柱形状部を有する。

以上の述べた鋳造装置を例に、本発明に係る鋳造方法を次に述べる。
図３は本発明に係るプリフォーム載置工程から溶湯供給工程までを説明する図であり、（ａ）に示すように、固定型３５にプリフォーム１２とスペーサ１６を介してプリフォーム１３を載せる。次に、シリンダ５１へ所定量のアルミニウム溶湯５９を注湯する。

続いて（ｂ）に示すように、可動型４０を所定の位置まで下げる。並行して、シリンダ５１とプランジャ５２を一括して上げて、シリンダ５１の上端を固定型３５の下面に当てる。これで、可動型４０と固定型３５の間にキャビティが形成され、シリンダ５１内が密封される。

図４は真空引き工程から溶湯含浸工程までを説明する図であり、（ａ）に示すように、真空ポンプ６４を運転し、真空ホース６２と真空路６１とを介して前記キャビティ内及びシリンダ５１内の空気を矢印（１）の向きに吸引して真空状態にした後、弁６３を閉じる。

次に、（ｂ）に示すように、可動型４０を所定の位置まで下げ、第１の連通路（真空路６１）を可動型４０で塞ぐ。次に、還元ガス発生装置６９に接続されている弁６８を開ける。すると、導入ホース６７と還元ガス導入路６６を介して矢印（２）の向きに前記キャビティ内及びシリンダ５１内へ還元ガスが導入される。
以降の反応を化学反応式に基づいて説明する。

還元ガスとしてのＭｇガスと窒素ガスとがキャビティ内及びシリンダ５１内で反応して、窒化マグネシウム（Ｍｇ_３Ｎ_２）が生成される。

この窒化マグネシウム（Ｍｇ_３Ｎ_２）が溶湯５９上の酸化被膜（Ａｌ_２Ｏ_３）と反応する。

これにより、溶湯５９上に生成されている酸化被膜が還元され、溶湯５９の濡れ性が向上する。
さらに、（ｃ）に示すように、可動型４０を下げて、還元ガス導入路６６を可動型４０で塞ぐ。

次に、（ｄ）に示すように、プランジャ５２を上昇させる。これにより溶湯５９が圧縮され、圧力が上昇する。圧力上昇により、プリフォーム１２及びプリフォーム１３へ溶湯５９を強制的に含浸させる。可動型４０により第１の連通路及び第２の連通路が塞がれているため、溶湯５９が第１の連通路及び第２の連通路へ侵入する心配はない。

複雑な弁開閉機構を用いることなく、可動型４０で弁を閉じることができ、鋳造装置の簡略化を図ることができる。
さらに、溶湯５９上は還元され濡れ性が向上しているため、含浸後のプリフォーム１２及びプリフォーム１３とアルミニウム製基材１１との接合強度が強固な複合材を得ることができる。

以上の説明に述べた通り、複合材の鋳造方法は、次のようにまとめることができる。
本発明に係る複合材の鋳造方法は、図３及び図４に示すとおり、金属製基材にプリフォーム１２、１３を一体成形してなる複合材の鋳造方法において、
成形型のキャビティ内に前記プリフォーム１２、１３を載置するプリフォーム載置工程と（図３、（ａ））、
前記キャビティに臨ませたシリンダ５１へ前記金属製基材の溶湯５９を供給する溶湯供給工程と（図３、（ａ））、
前記キャビティ内及びシリンダ５１内に存在する空気を排出させる真空引き工程と（図４、（ａ））、
真空状態になったキャビティ内及びシリンダ５１内に還元ガスを発生させ、前記溶湯５９上の酸化被膜を還元する還元工程と（図４、（ｂ））、
前記シリンダ５１に進入させたプランジャ５２を加圧方向へ移動させることにより前記キャビティを加圧状態の溶湯で満たし、さらに前記プリフォーム１２、１３に含浸させる溶湯含浸工程と（図４、（ｄ））、からなる。

次に、別実施例について述べる。
図５は別実施例に係るプリフォーム載置工程から真空引き工程までを説明する図であり、（ａ）に示すように、横向きに配置された固定型７５にプリフォーム７６とスペーサ７８を介してプリフォーム７７とを設置した後、水平に移動する可動型８０を型締め方向へ移動させる。次に、シリンダ８１へ所定量のアルミニウム溶湯５９を注湯する。

次に、（ｂ）に示すように、プランジャ８２を所定の位置まで移動させて、可動型８０と固定型７５の間に形成されるキャビティ内及びシリンダ８１内を密封する。

（ｃ）に示すように、真空ポンプ８３を運転し、第１の連通路となる真空路８４を介して前記キャビティ内及びシリンダ８１内の空気を矢印（１）の向きに吸引して真空状態にした後、弁８５を閉じる。

図６は別実施例に係る還元工程から溶湯含浸工程までを説明する図であり、（ａ）に示すように、第２の連通路に接続されている弁を開ける。すなわち、還元ガス発生装置８６に接続されている弁８８を開ける。すると、還元ガス導入路８７を介して矢印（２）の向きに前記キャビティ内及びシリンダ８１内へ還元ガスが導入される。
以降の反応を示す化学反応式は、前述と同様である。

還元ガスとしてのＭｇガスと窒素ガスとがキャビティ内及びシリンダ８１内で反応して、窒化マグネシウム（Ｍｇ_３Ｎ_２）が生成される。

この窒化マグネシウム（Ｍｇ_３Ｎ_２）が溶湯５９上の酸化被膜（Ａｌ_２Ｏ_３）と反応する。

これにより、溶湯５９上の酸化被膜が還元され、溶湯５９の濡れ性が向上する。
次に、（ｂ）に示すように、プランジャ８２を加圧方向に押込み、還元ガス導入路８７をプランジャ８２で塞ぐ。

さらに、プランジャ８２を押込むことより溶湯５９が圧縮され、圧力が上昇する。圧力上昇により、プリフォーム７６及びプリフォーム７７へ溶湯５９を強制的に含浸させる。プランジャ８２により第１の連通路及び第２の連通路が塞がれているため、溶湯５９が第１の連通路及び第２の連通路へ侵入する心配はない。

複雑な弁開閉機構を用いることなく、プランジャ８２で弁を閉じることができ、鋳造装置の簡略化を図ることができる。
さらに、溶湯５９上は還元され濡れ性が向上しているため、含浸後のプリフォーム７６及びプリフォーム７７とアルミニウム製基材１１との接合強度が強固な複合材を得ることができる。

尚、基材１１を構成する金属材料は、アルミニウム合金の他、マグネシウム合金、チタン合金等、用途に応じた他の金属材料であってもよい。
また、プレス機構２０や真空引き機構６０の一例を示したものであって、適宜、構成を変更することは差し支えない。

さらには、本発明の複合材は、車両用ディスクロータに限定するものではなく、他の機械部品であってもよい。

本発明は、車両用ディスクロータの鋳造に好適である。

本発明に係るディスクロータの断面図である。 本発明に係る複合材の鋳造装置の原理図である。 本発明に係るプリフォーム載置工程から溶湯供給工程までを説明する図である。 真空引き工程から溶湯含浸工程までを説明する図である。 別実施例に係るプリフォーム載置工程から真空引き工程までを説明する図である。 別実施例に係る還元工程から溶湯含浸工程までを説明する図である。 従来の技術の基本原理を説明する図である。

符号の説明

１０…複合材（ディスクロータ）、１１…金属製基材（アルミニウム製基材）、１２、１３…プリフォーム、１５…複合材の鋳造装置、２０…プレス機構、３２…プランジャ移動機構、３５…固定型、３６…プリフォーム載置面、４０…可動型、５１…シリンダ、５２…プランジャ、５９…溶湯（アルミニウム溶湯）、６０…真空引き機構、６１…第１の連通路（真空路）、６５…還元ガス供給機構、６６…第２の連通路（還元ガス導入路）。

Claims (4)

1. 金属製基材にプリフォームを一体成形してなる複合材の鋳造方法において、
   下位の固定型と上位の可動型とで構成される成形型のキャビティ内に前記プリフォームを載置するプリフォーム載置工程と、
   前記キャビティに臨ませたシリンダへ前記金属製基材の溶湯を供給する溶湯供給工程と、
   前記成形型に貫通して設けられた第１の連通路を介して前記キャビティ内及びシリンダ内に存在する空気を排出させる真空引き工程と、
   前記第１の連通路は下降移動する前記可動型で閉じ、前記成形型に貫通して設けられた第２の連通路を介して真空状態になったキャビティ内及びシリンダ内に還元ガスを発生させ、前記溶湯上に生成している酸化被膜を還元する還元工程と、
   前記第２の連通路は下降移動する前記可動型で閉じ、前記シリンダに進入させたプランジャを加圧方向へ移動させることにより前記キャビティを加圧状態の溶湯で満たし、さらに前記プリフォームに含浸させる溶湯含浸工程と、からなることを特徴とする複合材の鋳造方法。
2. 金属製基材にプリフォームを一体成形してなる複合材の鋳造方法において、
   固定型と水平に移動する可動型とで構成される成形型のキャビティ内に前記プリフォームを載置するプリフォーム載置工程と、
   前記キャビティに臨ませたシリンダへ前記金属製基材の溶湯を供給する溶湯供給工程と、
   前記シリンダに貫通して設けられた第１の連通路を介して前記キャビティ内及びシリンダ内に存在する空気を排出させる真空引き工程と、
   前記シリンダに貫通して設けられた第２の連通路を介して真空状態になったキャビティ内及びシリンダ内に還元ガスを発生させ、前記溶湯上に生成している酸化被膜を還元する還元工程と、
   前記第２の連通路は前記シリンダに進入させたプランジャを加圧方向へ移動させることで閉じ、前記シリンダに進入させたプランジャを加圧方向へ移動させることにより前記キャビティを加圧状態の溶湯で満たし、さらに前記プリフォームに含浸させる溶湯含浸工程と、からなることを特徴とする複合材の鋳造方法。
3. 金属製基材にプリフォームを一体成形してなる複合材の鋳造装置において、
   この鋳造装置は、前記プリフォームを載置するプリフォーム載置面を有する成形型と、この成形型のキャビティ内に臨ませたシリンダと、このシリンダ又は前記成形型に貫通して設けられた第１の連通路及び第２の連通路と、前記第１の連通路を介して前記キャビティ内及び前記シリンダ内の空気を排出する真空引き機構と、前記第２の連通路を介して前記キャビティ内及び前記シリンダ内へ還元ガスを供給する還元ガス供給機構と、前記シリンダに進入させたプランジャを加圧方向へ移動させることにより前記キャビティを加圧状態の溶湯で満たし、さらに前記プリフォームに含浸させるプランジャ移動機構とを備えており、
   前記成形型は下位の固定型と上位の可動型とで構成され、前記第１の連通路及び第２の連通路は下降移動する前記可動型で順に閉じることができる位置に設けられていることを特徴とする複合材の鋳造装置。
4. 金属製基材にプリフォームを一体成形してなる複合材の鋳造装置において、
   この鋳造装置は、前記プリフォームを載置するプリフォーム載置面を有する成形型と、この成形型のキャビティ内に臨ませたシリンダと、このシリンダ又は前記成形型に貫通して設けられた第１の連通路及び第２の連通路と、前記第１の連通路を介して前記キャビティ内及び前記シリンダ内の空気を排出する真空引き機構と、前記第２の連通路を介して前記キャビティ内及び前記シリンダ内へ還元ガスを供給する還元ガス供給機構と、前記シリンダに進入させたプランジャを加圧方向へ移動させることにより前記キャビティを加圧状態の溶湯で満たし、さらに前記プリフォームに含浸させるプランジャ移動機構とを備えており、
   前記成形型は固定型と水平に移動する可動型とで構成され、前記第２の連通路は前記シリンダに設けられ、且つ加圧方向へ移動するプランジャで閉じることができる位置に設けられていることを特徴とする複合材の鋳造装置。

Images