JP4909240B2 - 複合材の鋳造方法及びその鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属製基材の両面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（第３頁、図２）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図８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。なお、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には、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。

なお、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、金属製基材の一方の面に第１のプリフォームを一体形成し、前記金属製基材の他方の面に第２のプリフォームを一体形成してなる複合材の鋳造方法において、
下型のキャビティの底に設けられているプリフォーム載置面に、前記第１のプリフォームを載置する第１のプリフォーム載置工程と、
上型のプリフォーム保持面に前記第２のプリフォームを吸着する第２のプリフォーム吸着工程と、
前記キャビティへ所定量の溶湯を注ぐ注湯工程と、
次に、前記上型を所定の位置まで移動させて前記キャビティを密封し、前記キャビティの空気を吸引して真空状態にする真空引き工程と、
この真空状態となった前記キャビティに還元ガスを導入し、前記溶湯上の酸化被膜を還元する還元工程と、
前記上型を用いて前記溶湯を加圧し、前記溶湯を前記第１のプリフォーム及び前記第２のプリフォームに含浸する溶湯含浸工程と、からなることを特徴とする

請求項２に係る発明では、金属製基材の一方の面に第１のプリフォームを一体形成し、前記金属製基材の他方の面に第２のプリフォームを一体形成してなる複合材の鋳造装置であって、
この鋳造装置は、前記第１のプリフォームを載せるプリフォーム載置面を有する下型と、この下型に対して移動可能に設けられ、吸引機構により吸引された前記第２のプリフォームを保持するプリフォーム保持面を有する上型と、
この上型と前記下型とで形成されるキャビティ内を真空状態にする真空引き機構と、
前記キャビティ内へ還元ガスを導入する還元ガス導入機構と、
前記上型を前記下型へ相対的に移動させることで、キャビティ内の溶湯を加圧するプレス機構からなることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、上型は、第２のプリフォーム保持面を有する上型本体部と、この上型本体部に対して前後進可能とされた部分型部とから構成され、前記上型本体部に吸引路及び吸引孔が設けられ、この吸引路又は吸引孔は遮断部材を備え、前記部分型部の移動により前記遮断部材が前記吸引路又は吸引孔を遮断するようにしたことを特徴とする。

請求項４に係る発明では、遮断部材は、吸引路に介設され、部分型部の移動により閉じられる弁であることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、遮断部材は、部分型部が兼ね、該部分型部の側面にて吸引孔を閉じることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、キャビティ内に還元ガスを吹込む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溶湯上の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。そして、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鋳造品を得ることができる。

請求項２に係る発明では、下型にキャビティ内を真空状態にする真空引き機構と、還元ガス導入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鋳造品を得ることができる。

請求項３に係る発明では、上型本体部に設けた吸引路又は吸引孔に遮断部材を備え、部分型の前進により遮断部材が吸引路又は吸引孔を遮断するようにした。本発明によれば、溶湯加圧の前に吸引路又は吸引孔を閉じる動作を、複雑な弁開閉機構を用いることなく行う事ができ、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、吸引路に弁が介設され、この弁の閉じ操作は、部分型部の前進により行わせるようにした。本発明によれば、溶湯加圧の前に弁を閉じる動作を、複雑な弁開閉機構を用いることなく行うことができ、鋳造装置の簡略化を図ることができる。

請求項５に係る発明では、吸引孔は、部分型部の側面により閉じるようにした。本発明によれば、複雑な弁開閉機構を用いることなく、吸引孔を閉じることができ、鋳造装置の一層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の一方の面に第１のプリフォーム１２を一体的に備え、アルミニウム製基材１１の他方の面に第２のプリフォーム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。

第１のプリフォーム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。第２のプリフォーム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、下型３５と、上型４０と、吸引機構４５と、真空引き機構６０と、還元ガス導入機構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の下部に水平に渡した下部固定フレーム２４と、この下部固定フレーム２４を上下に貫通した可動部３２と、この可動部３２を上下動させる下部シリンダ２５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が下方へ延びているセンターシリンダ２９と、トップフレーム２７から延びて上部移動フレーム２６を上下動させるサイドシリンダ３１、３１とからなる。

下型３５は、下部固定フレーム２４に取付けられており、第１のプリフォーム（図１、符号１２）を載せるプリフォーム載置面３６を有し、横に穿った真空路６１と、これとは別に横に穿った還元ガス導入路６６とを有している。

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。

上型４０は、上部移動フレーム２６に吊り下げられ、下面に第２のプリフォーム（図１、符号１３）を保持するプリフォーム保持面４１を有し、筒形を呈する上型本体部４２と、センターシリンダ２９のロッド２８で吊り下げられ、円柱形を呈する部分型部４３とからなる。
上型本体部４２には、縦に穿った吸引路４６と、この吸引路４６の途中に介設された弁５０と、吸引路４６の下端に接続する環状の吸引孔４７とが設けられている。

吸引路４６の上部開口には真空ホース４８が接続され、この真空ホース４８の他端に真空ポンプ４９に接続されている。真空ポンプ４９を運転すると、真空ホース４８を介して吸引路４６内を大気圧より十分に低圧にすることができ、吸引孔４７で物を吸着することができる。
すなわち、吸引機構４５は、真空ポンプ４９、真空ホース４８、吸引路４６及び吸引孔４７で構成される。

図３は図２の３矢視図であり、上型本体部４２の先端に形成されているプリフォーム保持面４１の中央に、環状溝形状の吸引孔４７が設けられている。

図４は図２の４部拡大図であり、弁５０は、上型本体部４２にピン５１で揺動自在に設けられているＬ字金具５２と、このＬ字金具５２の下部に設けられている錘５３と、Ｌ字金具５２の先端に設けられている弁体５４と、Ｌ字金具５２を収納するために上型本体部４２に設けられているポケット部５５を塞ぐシール板５６とからなる。
シール板５６は、ばね鋼で構成され、外力が加わらないときには、くの字に変形している。

図では、シール板５６はくの字に弾性変形し、Ｌ字金具５２は錘５３の作用で弁体５４が吸引路４６から外れているため、弁開状態となる。シール板５６があるために、吸引路４６に外気が矢印（４）のように、侵入する心配はない。

図５は図４の作用説明図であり、白抜き矢印のように押されるとシール板５６は弾性変形して真っすぐになる。このシール板５６で押されてＬ字金具５２は図反時計回りに回転する。すると、弁体５４が吸引路４６を塞ぐ。なお、ピン５１に嵌合するＬ字金具５２側のピン穴５７を縦長の長孔にしておくと、Ｌ字金具５２が全体的に矢印（５）の通りに移動する。この結果、弁体５４で完全に吸引路４６を塞ぐことができる。

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６は本発明に係る第１のプリフォーム載置工程から還元工程までを説明する図であり、（ａ）に示すように、下型３５に第１のプリフォーム１２を載せる。また、上型本体部４２に第２のプリフォーム１３を吸着保持させる。そのためには、部分型部４３を相対的に上昇させ、弁５０を開いておく。次に、下型３５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、上型４０を一括して所定の位置まで下げて、上型４０と下型３５の間に形成されるキャビティを密封する。次に、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、（ｃ）に示すように、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。
さらに、（ｄ）に示すように、上型４０を一括して下げて、真空路６１と還元ガス導入路６６とを上型本体部４２で塞ぐ。

図７は溶湯含浸工程を説明する図であり、（ａ）に示すように、部分型部４３を降下させて、弁５０を閉じる。上型本体部４２と部分型部４３とを揃えた状態で、（ｂ）に示すように下降させる。この下降により溶湯５９が圧縮され、圧力が上昇する。圧力上昇により、第１のプリフォーム１２及び第２のプリフォーム１３へ溶湯５９を強制的に含浸させる。弁５０が閉じているため、溶湯５９が吸引路４６へ侵入する心配はない。

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６及び図７に示すとおり、金属製基材の一方の面に第１のプリフォーム１２を一体形成し、前記金属製基材の他方の面に第２のプリフォーム１３を一体形成してなる複合材の鋳造方法において、
下型３５のキャビティの底に設けられているプリフォーム載置面３６に、前記第１のプリフォーム１２を載置する第１のプリフォーム載置工程と（図６（ａ））、
上型４０のプリフォーム保持面４１に前記第２のプリフォーム１３を吸着する第２のプリフォーム吸着工程と（図６（ａ））、
前記キャビティへ所定量の溶湯５９を注ぐ注湯工程と（図６（ａ））、
次に、前記上型４０を所定の位置まで移動させて前記キャビティを密封し、前記キャビティの空気を吸引して真空状態にする真空引き工程と（図６（ｂ））、
この真空状態となった前記キャビティへ還元ガスを導入し、前記溶湯上の酸化被膜を還元する還元工程と（図６（ｃ））、
前記下型３５へ進入する上型４０を用いて前記溶湯５９を加圧し、溶湯を第１のプリフォーム１２及び第２のプリフォーム１３に含浸する溶湯含浸工程と（図７）、からなる。

キャビティ内に還元ガスを吹込む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溶湯上の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。そして、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鋳造品を得ることができる。

次に、本発明の別実施例を説明する。
図９は図１の別実施例図であり、ディスクロータ１０Ｂは、アルミニウム製基材１１の一方の面に第１のプリフォーム１２を一体的に備え、アルミニウム製基材１１の他方の面に第２のプリフォーム１３を一体的に備えてなり、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。

図１０は複合材の鋳造装置の原理図であり、複合材の鋳造装置１５Ｂは、プリフォーム載置面３６を有する下型３５と、プリフォーム保持面４１を有する上型４０と、吸引機構４５（吸引機構４５は、真空ポンプ４９、真空ホース４８、吸引路４６及び吸引孔４７Ｂからなる。）と、センターシリンダ２９及びサイドシリンダ３１、３１で代表されるプレス機構２０とからなる。
上型４０、上型本体部４２と、部分型部４３とからなり、上型本体部４２に吸引路４６及び吸引孔４７Ｂを有するが、部分型部４３の側面と吸引孔４７Ｂとで吸入弁を成している。

図１１は図１０の作用説明図であり、（ａ）に示すように、下型３５に第１のプリフォーム１２を載置する。また、上型本体部４２に第２のプリフォーム１３を吸着保持させる。このときには、部分型部４３は、吸引孔４７Ｂを塞がないように上方に後進させておく。そして、下型３５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、上型４０を一括して下げる。

さらに、（ｃ）に示すように、上型４０を下げるが、途中で部分型部４３を下方に前進させて吸引孔４７Ｂを閉じる。上型本体部４２に部分型部４３が揃ったら、一括して下方に前進させて、溶湯５９を加圧する。

この発明では、上型４０は、プリフォーム保持面を有する上型本体部４２と、この上型本体部４２に対して前後進可能とされた部分型部４３とから構成され、上型本体部４２に吸引路４６及び吸引孔４７Ｂが設けられ、この吸引孔４７は、部分型部４３の側面により閉じるようにしたことを特徴とする。

また、複雑な弁開閉機構を用いることなく、部分型部４３の側面で吸引孔を閉じることができ、鋳造装置の一層の簡略化を図ることができる。

尚、基材１１を構成する金属材料は、アルミニウム又はアルミニウム合金が好ましいが、他の金属をマトリックスとする合金であってもよい。
また、プレス機構２０や弁５０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、車両用ブレーキドラムや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。 図２の３矢視図である。 図２の４部拡大図である。 図４の作用説明図である。 本発明に係る第１のプリフォーム載置工程から還元工程までを説明する図である。 溶湯含浸工程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。 図１の別実施例図である。 鋳造装置の原理図である。 図１０の作用説明図である。

符号の説明

１０、１０Ｂ…複合材としてのディスクロータ、１１…金属製基材（アルミニウム製基材）、１２…第１のプリフォーム、１３…第２のプリフォーム、１５、１５Ｂ…複合材の鋳造装置、２０…プレス機構、３５…下型、３６…プリフォーム載置面、４０…上型、４１…プリフォーム保持面、４５…吸引機構、５９…溶湯（アルミニウム溶湯）、６０…真空引き機構、６５…還元ガス導入機構。

Claims (5)

1. 金属製基材の一方の面に第１のプリフォームを一体形成し、前記金属製基材の他方の面に第２のプリフォームを一体形成してなる複合材の鋳造方法において、
   下型のキャビティの底に設けられているプリフォーム載置面に、前記第１のプリフォームを載置する第１のプリフォーム載置工程と、
   上型のプリフォーム保持面に前記第２のプリフォームを吸着する第２のプリフォーム吸着工程と、
   前記キャビティへ所定量の溶湯を注ぐ注湯工程と、
   次に、前記上型を所定の位置まで移動させて前記キャビティを密封し、前記キャビティの空気を吸引して真空状態にする真空引き工程と、
   この真空状態となった前記キャビティに還元ガスを導入し、前記溶湯上の酸化被膜を還元する還元工程と、
   前記上型を用いて前記溶湯を加圧し、前記溶湯を前記第１のプリフォーム及び前記第２のプリフォームに含浸する溶湯含浸工程と、からなることを特徴とする複合材の鋳造方法。
2. 金属製基材の一方の面に第１のプリフォームを一体形成し、前記金属製基材の他方の面に第２のプリフォームを一体形成してなる複合材の鋳造装置であって、
   この鋳造装置は、前記第１のプリフォームを載せるプリフォーム載置面を有する下型と、この下型に対して移動可能に設けられ、吸引機構により吸引された前記第２のプリフォームを保持するプリフォーム保持面を有する上型と、
   この上型と前記下型とで形成されるキャビティ内を真空状態にする真空引き機構と、
   前記キャビティ内へ還元ガスを導入する還元ガス導入機構と、
   前記上型を前記下型へ相対的に移動させることで、キャビティ内の溶湯を加圧するプレス機構からなることを特徴とする複合材の鋳造装置。
3. 前記上型は、前記第２のプリフォーム保持面を有する上型本体部と、この上型本体部に対して前後進可能とされた部分型部とから構成され、前記上型本体部に吸引路及び吸引孔が設けられ、この吸引路又は吸引孔は遮断部材を備え、前記部分型部の移動により前記遮断部材が前記吸引路又は吸引孔を遮断するようにしたことを特徴とする請求項２記載の複合材の鋳造装置。
4. 前記遮断部材は、前記吸引路に介設され、前記部分型部の移動により閉じられる弁であることを特徴とする請求項３記載の複合材の鋳造装置。
5. 前記遮断部材は、前記部分型部が兼ね、該部分型部の側面にて吸引孔を閉じることを特徴とする請求項３記載の複合材の鋳造装置。

Images