JP4977507B2 - 複合材製品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合材製品の製造方法に関するものである。

複合材製品の製造方法は、各種の製法が提案されているが、そのなかの一つに押出し成形法がある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−３１６７４０公報（第６頁、図４）

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、アルミニウム合金とアルミナとからなる金属基複合材料２０１をコンテナ２０２に装入する。次に、プレス２０３で金属基複合材料２０１を押圧し、押出し成形品としての筒２０４を得る。この筒２０４は適当な長さに切断することで、例えば、プーリのハブの素材にすることができる。

特許文献１には、金属基複合材料２０１の製造方法が詳しく説明されており、アルミナの多孔質成形体にアルミニウム合金を浸透させることで、得ることができる。
一方、金属基複合材料２０１は、用途によりセラミックス（アルミナ）とアルミニウム合金との比率を種々に変える必要がある。特許文献１によれば、要求される比率毎に金属基複合材料２０１を製造し準備しておく必要がある。この結果、製造コストが嵩み、生産性の低下を招く。

金属基複合材料２０１におけるセラミックスとマトリックス金属との比率が後工程で制御できれば出発材料（金属基複合材料２０１）の種類を限定することができ、製造コストの低減並びに生産性の向上が期待できる。

本発明は、後工程でセラミックスとマトリックス金属との比率を調整することができる複合材製品の製造方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、金属基複合材料からなる製品の製造方法において、マトリックス金属材料と、このマトリックス金属材料よりも融点が高い補強部材を準備する工程と、補強部材に、マトリックス金属材料を浸透させることで金属基複合材料を製造する工程と、この金属基複合材料を無酸化加熱炉に入れ、マトリックス金属材料の融点以上で、補強部材の融点未満の温度で加熱し、この加熱温度と加熱時間を制御することで、マトリックス金属材料を溶解させて、金属基複合材料からマトリックス金属材料の一部を分離させて、金属基複合材料の補強部材の体積含有率より体積含有率が大きい調整済み複合材料を得る工程と、調整済み複合材料を、成形型で塑性加工することで製品を得る工程と、からなり、前記調整済み複合材を得る工程では、分離容器を用い、前記分離容器は、前記金属基複合材料を支持し、且つ、少なくとも１個の孔を有する支持部と、前記溶解したマトリックス金属材料を受ける受け部と、を備え、予め支持部に、前記分離したマトリックス金属材料との結合を防ぐために、前記溶解したマトリックス金属材料からの剥離を容易にするものを塗布もしくは一体的に結合させる結合防止処理を施すことを特徴とする。

請求項２に係る発明では、金属基複合材料を製造する工程の次に、金属基複合材料を所定の大きさに切断した後に、調整済み複合材料を得る工程に進めることを特徴とする。

請求項３に係る発明の製品を得る工程では、調整済み複合材料を得る工程での加熱残熱で高温状態にある調整済み複合材料を圧縮成形することで塑性加工することを特徴とする。

請求項４に係る発明では、マトリックス金属材料は、アルミニウム又はアルミニウム合金であり、補強部材は、アルミナであることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、金属基複合材料を無酸化加熱炉に入れ、マトリックス金属材料の融点以上で、補強部材の融点未満の温度で金属基複合材料を加熱し、この加熱温度と加熱時間を制御することで、マトリックス金属材料を溶解させて、金属基複合材料からマトリックス金属材料の一部を分離させて、金属基複合材料の補強部材の体積含有率より体積含有率が大きい調整済み複合材料を得るので、分離前に比べ、補強部材の割合を高めことができる。従って、補強部材の体積含有率の調整作業が容易であるという利点がある。
すなわち、途中工程でセラミックス（補強部材）とマトリックス金属との比率を調整することができるため、出発材料としての金属基複合材料の種類を少なくすることができ、製造コストの低減並びに生産性の向上を図ることができる。
また、補強部材の体積含有率の調整作業が容易になることで、結果的に、複合材製品の製造は容易になる。
さらに、請求項１に係る発明の調整済み複合材を得る工程では、加熱温度と加熱時間を制御することで、体積含有率を制御するので、体積含有率の調整は容易であるという利点がある。
請求項１に係る発明の調整済み複合材を得る工程では、金属基複合材料を支持し、孔を有する支持部と、溶解したマトリックス金属材料を受ける受け部とを用いるので、孔から溶解したマトリックス金属材料が排出され、マトリックス金属材料の分離は容易になるという利点がある。
また、予め支持部に、分離したマトリックス金属材料との結合を防ぐために、溶解したマトリックス金属材料からの剥離を容易にするものを塗布もしくは一体的に結合させる結合防止処理を施すので、分離したマトリックス金属材料が凝固しても、支持部から調整済み複合材料を分離する作業は容易である。

請求項２に係る発明では、金属基複合材料を製造する工程の次に、金属基複合材料を所定の大きさに切断した後に、調整済み複合材料を得る工程に進めるので、切断した金属基複合材料からマトリックス金属材料を所定の量だけ溶かし出すことができ、切断前の塊から分離させるのに比べ、補強部材の体積含有率のばらつきを小さくすることができるという利点がある。

請求項３に係る発明の製品を得る工程では、調整済み複合材料を得る工程での加熱残熱で高温状態にある調整済み複合材料を圧縮成形することで塑性加工するので、調整済み複合材料を得る工程での加熱を利用することができ、加熱の工程を省くことができる。従って、加熱を含めた塑性加工は容易になるという利点がある。

請求項４に係る発明では、マトリックス金属材料は、アルミニウム又はアルミニウム合金であり、補強部材は、アルミナであるから、塑性加工など加工性を向上させることができるという利点がある。

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。
図１は、複合材製品の製造方法の準備する工程及び金属基複合材製造装置の概要説明図である。
準備する工程では、マトリックス金属材料１１と、このマトリックス金属材料１１よりも融点が高い補強部材１２と、マグネシウム（Ｍｇ）１３と、を準備する。
マトリックス金属材料１１は、アルミニウム合金であり、例えば、Ａ６０６１である。
補強部材１２は、多孔質アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）である。
これらの準備したものを金属基複合材製造装置１５に入れる。

金属基複合材製造装置１５は、雰囲気炉１７と、雰囲気炉１７に連通して不活性ガスを供給するアルゴンガス（Ａｒ）２１の第１タンク２２と、第１圧力ゲージ（バルブを含む。）２３と、雰囲気炉１７に連通して窒素ガス（Ｎ_２）２６を供給する第２タンク２７と、第２圧力ゲージ（バルブを含む。）２８と、雰囲気炉１７に連通している真空ポンプ３１と、雰囲気炉１７に設けた加熱装置３２と、加熱装置３２に含まれているヒータ３４、温度センサ３５、制御装置３６と、を備えている。

このような雰囲気炉１７に、補強部材１２、すなわち酸化物系セラミックスである多孔質アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）１２の上にマトリックス金属材料１１であるところのアルミニウム合金を載せて入れ、雰囲気炉１７内にマグネシウム１３を納める。３７は第１坩堝、３８は第２坩堝である。

図２（ａ）〜（ｄ）は、金属基複合材料を製造する工程を説明する図である。
（ａ）に示すように、雰囲気炉１７内の酸素を除去するために、真空ポンプ３１より雰囲気炉１７内を真空引きし、一定の真空度に達したら、真空ポンプ３１を止め、雰囲気炉１７にアルゴンガス（Ａｒ）２１を矢印ａ１の如く供給し、ヒータ３４で矢印ａ２の如く多孔質アルミナ１２、アルミニウム合金１１及びマグネシウム１３の加熱を開始する。

雰囲気炉１７内の温度を温度センサ３５で検出しつつ昇温（自動）する。所定温度（例えば、約７５０℃〜約９００℃）に達する過程で、アルミニウム合金１１は溶解する。同時に、マグネシウム（Ｍｇ）１３は矢印ａ３の如く蒸発する。その際、雰囲気炉１７内はアルゴンガス（Ａｒ）２１の雰囲気下にあるので、アルミニウム合金１１及びマグネシウム（Ｍｇ）１３が酸化することはない。

（ｂ）に示すように、引き続き、雰囲気炉１７内を加圧し、窒化マグネシウム４１の作用でアルミナ１２を還元し、アルミナ１２の多孔質にアルミニウム合金１１の溶湯を浸透させて金属基複合材料４３を製造する。具体的には、雰囲気炉１７に窒素ガス２６を矢印ａ４の如く供給しつつ加圧（例えば、大気圧＋約０．５ｋｇ／ｃｍ^２）し、雰囲気炉１７内の雰囲気を窒素ガス２６に置換する。

雰囲気炉１７内が窒素ガス２６の雰囲気になると、窒素ガス２６は、マグネシウム（Ｍｇ）１３と反応して窒化マグネシウム（Ｍｇ_３Ｎ_２）４１を生成する。この窒化マグネシウム４１はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）１２を還元するので、アルミナ１２は濡れ性がよくなる。その結果、アルミナ１２の多孔質にアルミニウム合金１１の溶湯が浸透する。アルミニウム合金１１が凝固して金属基複合材料４３が完成する。浸透過程において、雰囲気炉１７内を加圧雰囲気下にすると、浸透が早くなり、短時間で金属基複合材料４３を製造することができる。

金属基複合材料４３の補強部材（アルミナ）の体積含有率はＶｆｂである。
ここで、補強部材の体積含有率をＶｆとしたときに、Ｖｆ（％）は、（補強部材の体積／（マトリックス金属材料の体積＋補強部材の体積））×１００とする。

金属基複合材料４３は、酸化物系セラミックスであるアルミナ１２にアルミニウム合金１１が浸透したもので、成形性に優れ、塑性変形がしやすい複合材料である。

（ｃ）に示すように、金属基複合材料４３をＮＣ（数値制御）旋盤４４で所定寸法に切削加工し、円柱素材４５を形成する。
（ｄ）に示すように、円柱素材４５を所定長さＬ１に切断し、金属基複合材料である調整前複合材料４７を形成する。次に、調整済み複合材料を得る工程に進む。

図３（ａ）〜（ｃ）は、調整済み複合材料を得る工程を説明する図である。（ａ）は分離容器５１の斜視図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は無酸化加熱炉５２の概要図である。
調整済み複合材料を得る工程では、（ａ），（ｂ）に示している分離容器５１と、（ｃ）に示している無酸化加熱炉５２を用いる。図２を併用して説明する。

分離容器５１は、金属基複合材料４３、つまり調整前複合材料４７を支持し、且つ、孔５４を複数開けた支持部５５と、溶解したマトリックス金属材料１１を受ける受け部５６と、を備えている。
孔５４は、円形に複数開けたが、形状や大きさは任意である。孔５４の数は、１個でも可能である。

支持部５５には、溶解して分離したマトリックス金属材料１１との結合を防ぎ、且つ支持部５５と調整済み複合材料５８（図４（ｂ）参照）との結合を防ぐ結合防止処理６１を施している。
結合防止処理６１は、剥離を容易にする既存のもので、塗布するものでもよく、母材の表面に一体的に結合させるものでもよい。結合防止処理６１の厚さは任意である。
受け部５６には、結合防止処理を施すのが望ましい。

（ｃ）に示している無酸化加熱炉５２は、炉本体６３と、第２ヒータ６４と、第２温度センサ６５、制御部６６と、を有する。
このような炉本体６３に受け部５６を置き、受け部５６に支持部５５を重ね、支持部５５に調整前複合材料４７を載せる。その次に、無酸化加熱炉５２のスイッチを「入」にすると、調整前複合材料４７の昇温が開始される。

図４（ａ），（ｂ）は、調整済み複合材料を得る工程の続きを説明する模式図である。
（ａ）に示している第２ヒータ６４で調整前複合材料４７を昇温すると、マトリックス金属材料１１が溶解し、分離する。その結果、マトリックス金属材料１１の量が減少して、補強部材１２（多孔質アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３））の体積含有率Ｖｆは大きくなる。

（ｂ）に示す体積含有率Ｖｆの大きい調整済み複合材料５８が完成する。
続けて、調整済み複合材料５８を分離容器５１とともに取出して、分離容器５１から調整済み複合材料５８を剥離装置６８で剥離させる。

調整済み複合材料を得る工程では、支持部５５には、調整済み複合材料５８との結合、詳しくは、凝固したアルミニウム合金（マトリックス金属材料）１１との結合を防ぐ結合防止処理６１を施しているので、支持部５５から調整済み複合材料５８を分離する作業は容易である。

また、分離容器５１を用いることで、凝固したアルミニウム合金（マトリックス金属材料）１１を調整前複合材料４７、つまり金属基複合材料４３から分離する作業は容易になる。

ここで、調整済み複合材料５８を製造する際の温度条件の一例を説明する。
図５（ａ），（ｂ）は、調整済み複合材料を製造するときの温度条件を説明するグラフである。図４を併用して説明する。

（ａ）に示しているグラフは、加熱時間と温度の関係を示したグラフであり、横軸を加熱時間とし、縦軸を温度としたものである。
調整済み複合材料５８を得る工程では、前述したように無酸化加熱炉５２に調整前複合材料４７を入れた後、予め制御部６６に設定した温度条件であるところの、調整前複合材料４７の昇温速度Ｈｖで調整前複合材料４７を昇温する。

昇温開始から所定の加熱時間ｔｘ（例えば、３５分）に達したら、無酸化加熱炉５２のスイッチを「切」操作し、除冷中に、連続して、高温状態にある調整済み複合材料５８を分離容器５１とともに取出す。
「高温状態」とは、例えば、調整済み複合材料５８の温度がＴｐであり、約６５０℃である。温度Ｔｐは、調整済み複合材料５８の取扱いが可能な状態で、高く設定（６５０℃超）するのが望ましい。

加熱時間ｔｘに達する過程で、温度Ｔｍ、加熱時間ｔｍでマトリックス金属材料１１が溶解し始め、マトリックス金属材料１１が分離し始める。
なお、加熱時間ｔｘは平均値であり、加熱時間は下限のｔ１でも可能であり、上限のｔ２でも可能である。加熱時間ｔ１で温度Ｔｋであり、加熱時間ｔ２で温度Ｔｚである。

（ｂ）に示しているグラフは、加熱時間とアルミニウム合金の分離量（補強部材の体積含有率）との関係を示したグラフであり、横軸を加熱時間とし、左の縦軸をアルミニウム合金の分離量とし、右の縦軸を補強部材の体積含有率としたものである。

調整前の金属基複合材料４３の補強部材の体積含有率はＶｆｂである。
加熱時間ｔｘのときのアルミニウム合金の分離量はＷ１であり、補強部材の体積含有率はＶｆ１（Ｖｆ１＞Ｖｆｂ）に調整される。
つまり、調整前複合材料４７（金属基複合材料４３）からアルミニウム合金が溶け出したので、補強部材の体積含有率が大きくなる。
このように、補強部材の体積含有率を高めた調整済み複合材料５８を次工程の成形型７１（図６参照）へ搬送する。

図６（ａ），（ｂ）は、塑性加工する工程を説明する図である。
成形型７１に調整済み複合材料５８をセットし、成形型７１を作動させることで、製品７２（図７（ｂ）参照）を得る。具体的に説明する。

（ａ）に示している成形型７１は、圧縮成形に用いる成形型であり、分割上型パンチ７４と、下型ダイ７５と、分割上型パンチ７４に配置しているパンチ温度調整手段７７と、下型ダイ７５に配置しているダイ温度調整手段７８と、を備えている。
図中、８１はパンチヒータ、８２はパンチ温度センサ、８３はダイヒータ、８４はダイ温度センサである。

パンチ温度調整手段７７は、予め分割上型パンチ７４を所定温度（例えば、３００℃）に加熱保持する。
ダイ温度調整手段７８は、予め下型ダイ７５を所定温度（例えば、３００℃）に加熱保持する。
このような成形型７１に二点鎖線で示すようにセットした温度Ｔｐの調整済み複合材料５８にインナーパンチ８５をプレス機８６の稼働によって押し込む。

（ｂ）に示しているインナーパンチ８５をストロークＳ１だけ調整済み複合材料５８に押し込む。

図７（ａ），（ｂ）は、塑性加工する工程の続きを説明する図である。
（ａ）に示すように、さらに分割上型パンチ７４の下降を続け、下限に達すると同時に、製品７２が完成する。
製品７２には、例えば、ドラムブレーキにおけるブレーキドラムである。

（ｂ）に示しているように最後に、成形型７１を開いて製品７２を取出す。この工程で複合材製品の製造方法による製品７２の製造は完了する。

尚、本発明の複合材製品の製造方法は、実施の形態では製品としてブレーキのブレーキドラムを製造したが、ブレーキドラム以外の複合材製品に採用してもよい。

本発明の複合材製品の製造方法は、例えば、ブレーキドラムの製造方法に好適である。

複合材製品の製造方法の準備する工程及び金属基複合材製造装置の概要説明図である。 金属基複合材料を製造する工程を説明する図である。 調整済み複合材料を得る工程を説明する図である。 調整済み複合材料を得る工程の続きを説明する模式図である。 調整済み複合材料を製造するときの温度条件を説明するグラフである。 塑性加工する工程を説明する図である。 塑性加工する工程の続き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

１１…マトリックス金属材料、１２…補強部材、４３…金属基複合材料、４７…調整前複合材料、５１…分離容器、５４…孔、５５…支持部、５６…受け部、５８…調整済み複合材料、６１…結合防止処理、７１…成形型、７２…製品。

Claims (4)

1. 金属基複合材料からなる製品の製造方法において、
   マトリックス金属材料と、このマトリックス金属材料よりも融点が高い補強部材を準備する工程と、
   前記補強部材に、前記マトリックス金属材料を浸透させることで金属基複合材料を製造する工程と、
   この金属基複合材料を無酸化加熱炉に入れ、前記マトリックス金属材料の融点以上で、前記補強部材の融点未満の温度で加熱し、この加熱温度と加熱時間を制御することで、前記マトリックス金属材料を溶解させて、前記金属基複合材料から前記マトリックス金属材料の一部を分離させて、前記金属基複合材料の前記補強部材の体積含有率より体積含有率が大きい調整済み複合材料を得る工程と、
   前記調整済み複合材料を、成形型で塑性加工することで製品を得る工程と、からなり、
   前記調整済み複合材を得る工程では、分離容器を用い、
   前記分離容器は、前記金属基複合材料を支持し、且つ、少なくとも１個の孔を有する支持部と、前記溶解したマトリックス金属材料を受ける受け部と、を備え、予め支持部に、前記分離したマトリックス金属材料との結合を防ぐために、前記溶解したマトリックス金属材料からの剥離を容易にするものを塗布もしくは一体的に結合させる結合防止処理を施すことを特徴とする複合材製品の製造方法。
2. 前記金属基複合材料を製造する工程の次に、前記金属基複合材料を所定の大きさに切断した後に、前記調整済み複合材料を得る工程に進めることを特徴とする請求項１記載の複合材製品の製造方法。
3. 前記製品を得る工程では、調整済み複合材料を得る工程での加熱残熱で高温状態にある調整済み複合材料を圧縮成形することで塑性加工することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の複合材製品の製造方法。
4. 前記マトリックス金属材料は、アルミニウム又はアルミニウム合金であり、
   前記補強部材は、アルミナであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の複合材製品の製造方法。

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