JPH02169171A - 繊維強化金属体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、棒状または中空形状の繊維強化金属体を製造
する方法に関し、更に詳しくは、座屈やひずみ等の発生
がなく、薄肉であっても割れなどがない繊維強化金属体
の製造方法に関するものである。

〔従来技術およびその問題点〕

繊維強化金属（ＦＲＭ）は、近年軽量・高強度材料とし
て様々な分野で注目されている材料である。このうち、
棒状ＦＲＭまたは中空形状ＦＲＭは、構造材料の基礎資
材として大変有用である。

この繊維強化金属体の製造方法の一つに、大量生産に適
した高圧凝固鋳造法がある。この高圧凝固鋳造法による
繊維強化金属体の製造は、通常金型内に繊維、あるいは
該繊維を成形したものを設置して、金型内に溶融金属（
溶湯）を注ぎ、その後プレス機により加圧して複合化す
るという手順で行われている（Ｈ，Ｐｕｋｕｎａｇａ、
　Ｔ、０ｈｄｅ　’Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎ　５ｃｉｅ＋
ｉｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｏ
ｍｐｏｓｉｔｅｓ（１９８２）　、　１４４３）。

しかしながら、この方法で、軸方向に連続繊維を整列さ
せて強化または円周方向に連続繊維を巻き付けて強化し
た棒状または中空形状のＦＲＭを製造した場合、繊維の
熱膨張係数が母相金属すなわち溶湯金属のそれよりも著
しく小さいので、鋳塊の凝固収縮または熱収縮により、
鋳塊内部のＦＲＭに座屈が生じたり、鋳塊よりＦＲＭを
取り出した時に残留応力の緩和によってＦＲＭが破壊す
るなどの問題があった。従って、棒状または中空形状の
ＦＲＭ、その中でも特に薄肉中空形状のＦＲＭの製造は
困難であった。

そこで発明者らは、上述の如き従来技術の問題点を解決
すべく鋭意研究し、各種の系統的実験を重ねた結果、本
発明を成すに至ったものである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、座屈やひずみ等の発生がなく、薄肉で
あっても割れなどのない棒状または中空形状の繊維強化
金属体を製造する方法を提供するにある。

本発明者らは、上述の従来技術の問題点に対し、以下の
ことに着目した。

すなわち、高圧凝固鋳造法により棒状または中空形状の
繊維強化金属体を製造する際、繊維の熱膨張係数は溶湯
金属のそれに比べて著しく小さいため、鋳塊の凝固収縮
および熱収縮により繊維強化金属体内部に大きな応力が
発生する。そこで、この様な熱応力を発生しないような
高圧凝固鋳造法として、繊維強化金属体およびその周囲
の溶湯が凝固収縮または熱収縮する際に繊維強化金属に
熱応力が蓄積するのを防止することに着眼し、熱応力緩
衝体を鋳造鋳型内に配設することにより上記目的を達成
することに成功した。

〔第１発明の説明〕 ＾肌旦盪底 本第１゛発明の繊維強化金属体の製造方法は、繊維成形
体を配置した金型内に溶融金属を注湯し加圧して棒状ま
たは中空形状の繊維強化金属を製造する方法において、
セラミックス繊維が軸方向または円周方向に連続的に整
列した棒状または中空形状の予備成形体を得る予備成形
体準備工程と、鋳造金型内に、該予備成形体の外周に、
前記棒状または中空形状の繊維強化金属体の外形状を郭
定するための外枠と、該鋳造金型内における予備成形体
配設部近傍の金型内部を仕切るための溶融金属よりも高
融点の熱応力緩衝体とが一体となる状態を準備する工程
と、該鋳造金型内に溶融金属を注湯し、加圧して棒状ま
たは中空形状の繊維強化金属を得る工程とからなり、溶
融金属の凝固収縮または熱収縮による残留応力が繊維強
化金属内部に発生することを防止したことを特徴とする
。

全日の　　および効果 本第１発明の繊維強化金属体の製造方法により、座屈や
ひずみ等の発生がなく、薄肉であっても割れなどのない
棒状または中空形状の繊維強化金属体を製造することが
できる。

また、良質のＦＲＭを大量に効率よく製造することがで
きる。

本第１発明の繊維強化金属体の製造方法が上記の如き効
果を発揮するメカニズムについては、未だ十分に明らか
ではないが、大路次のように考えられる。

まず、予備成形体準備工程において、セラミックス繊維
が軸方向または円周方向に連続的に整列した棒状または
中空形状の予備成形体を準備する。

次に、この予備成形体の外周に外枠と熱応力緩衝体とが
一体となる状態を鋳造金型内に準備する。

次に、鋳造金型内に溶融金属を注湯し、該鋳造金型内の
空間部に溶融金属を所望量充填する。そして、この鋳造
金型内部を加圧することにより、外枠の間隙部または外
枠に設けられた溶融金属浸入口などから前記溶融金属が
予備成形体部に侵入し、予備成形体部または／該予備成
形体部と外枠内の空間部に該溶融金属が充填される。そ
して、この加圧状態で溶融金属の融点以下の所定の温度
に低下するまで冷却する。その後、前記鋳造金型の中か
ら鋳塊を取り出し、必要に応じて冷却し、余分な部分を
切断・切削などして除去し、繊維強化金属体を得る。

この際、母相金属が凝固するときなどに鋳塊に凝固収縮
および／または熱収縮が生じたとしても、前記熱応力緩
衝体が前記鋳塊を分割することにより、この凝固収縮お
よび／または熱収縮を緩和して繊維強化金属体内部に熱
応力が蓄積するのを防止する。従って、繊維強化金属体
に圧縮応力を発生させることなく冷却ができるので、座
屈やひずみ等の発生がなく、薄肉であっても割れなどの
ない健全な繊維強化金属体を得ることができる。

〔その他の発明の説明〕

第１発明のその他の発明について、以下に述べる。

この発明の繊維強化金属体の製造方法は、繊維成形体を
配置した金型内に溶融金属を注湯し加圧して棒状または
中空形状の繊維強化金属を製造する方法において、先ず
セラミックス繊維が軸方向または円周方向に連続的に整
列した棒状または中空形状の予備成形体を得る（予備成
形体準備工程）。

ここで用いるセラミックス繊維としては、例えば、炭化
珪素繊維、炭素繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維などで
、いかなるセラミックスの繊維であっでもよい。

セラミックス繊維を軸方向または円周方向に連続的に整
列した棒状または中空形状の予備成形体を得る方法とし
ては、例えば、第１図に示すように、先ずセラミックス
繊維２より熱膨張係数の大きい金属や無機質の棒状また
は中空形状の芯材７を用意し、次に該芯材７の周りにセ
ラミックス繊維２を所定角度に巻き付けることにより行
う方法、上記セラミックス繊維を所定方向に連続的に整
列させて所望の形状に成形する方法など、どの様な方法
を用いてもよい。

なお、この場合芯材を用いずに、セラミックス繊維２の
みで前記予備成形体３を構成してもよい。

次いで、鋳造金型６内において、第２図に示すように、
該予備成形体３の外周に、前記棒状または中空形状の繊
維強化金属体の外形状を郭定するための外枠４と、該鋳
造金型６内における予備成形体配役部近傍の金型内部を
仕切るための溶融金属よりも高融点の熱応力緩衝体５と
が一体となる状態を準備する（鋳造準備工程）。

ここで用いる外枠４は、繊維強化金属体の外形状を郭定
するためのもので、母相金属よりも融点の高い金属また
はセラミックスである。

また熱応力緩衝体５は、母相金属よりも融点の高い金属
またはセラミックスからなり、鋳造金型内における予備
成形体配設部近傍の金型内部を仕切るためのものである
。

この外枠４および熱応力緩衝体５と前記予備成形体３が
一体となる状態を準備する方法としては、余肉部の金属
の凝固収縮および熱収縮による圧縮応力が繊維強化金属
体に発生しない配置構造であればどのような構造でもよ
く、以下のような構造および方法が考えられる。

第１の方法としては、第３図に示すように、熱応力緩衝
体５を前記予備成形体３に直接接合した構造とする。

第２の方法としては、第４図に示すように、熱応力緩衝
体５を前記外枠４と直接接合した構造とする。この場合
、繊維強化金属体を鋳塊から取り出すとき両端を切断ま
たは切削して簡単に取り出すことができる。

第３の方法としては、第５図および第６図に示すように
、熱応力緩衝体５を軸と垂直方向に配設した構造とする
。この構造は、炭素繊維などの軸方向の熱膨張係数が母
材金属よりも著しく小さいセラミックス繊維を軸方向に
整列した場合、特に好ましい構造である。

第４の方法としては、第７図および第８図に示すように
、熱応力緩衝体５を軸と垂直方向、および軸と平行かつ
外枠と垂直に配設した構造とする。

この構造は、軸方向および径方向の熱膨張係数が母材金
属よりも著しく小さいセラミックス繊維を軸方向に整列
した場合、特に好ましい構造である。

また、この構造は、軸方向および径方向の熱膨張係数が
母材金属よりも著しく小さいセラミックス繊維を円周方
向に整列した場合、特に好ましい構造である。

第５の方法としては、第９図に示すように、熱応力緩衝
体５を軸と平行かつ外枠と垂直に配設した構造とする。

この構造は、炭素繊維などの軸方向の熱膨張係数が母材
金属よりも著しく小さいセラミックス繊維を円周方向に
整列した場合、特に好ましい構造である。

上記何れの場合においても、熱応力緩衝体は母相金属が
凝固するときなどに生じる鋳塊の凝固収縮および／また
は熱収縮などの影響が予備成形体に均一におよぶように
配設することが好ましい。

また、前記熱応力緩衝体５は、予備成形体３の形状や構
造、溶融金属の種類や加熱温度、鋳造金型６の形状や大
きさ等により、必要に応じて複数枚用いてもよい。

また、前記外枠４および／または熱応力緩衝体５の配設
時期は、鋳造金型６内に溶融金属を注湯する前であって
も、該溶融金属を注湯する途中であってもよい。

次いで、該鋳造金型６内に溶融金属を注湯し、加圧して
棒状または中空形状の繊維強化金属体を得る（加圧鋳造
工程）。

ここで、溶融金属としては、アルミニウム合金、マグネ
シウム合金、亜鉛合金などがあり、繊維強化金属の母相
金属として通常用いられているものを用いる。

また、溶融金属の注湯および加圧の方法としては、通常
の高圧凝固鋳造法により行う。

なお、前記金型内に先に溶融金属を注湯し、その中に予
め準備した外枠および熱応力緩衝体と前記予備成形体と
が一体となったものを配設し、加圧して棒状または中空
形状の繊維強化金属体を得てもよい。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

匿１叉施猶 先ず、黒鉛を塗布した直径１５ｍｍＸ長さ１５０ｍｍの
ステンレス製の棒芯材の長手方向に対して、炭素繊維を
直角に厚さ１ｍｍに巻き付けて、予備成形体を得た。

次に、この予備成形体の外側に、内径１７．５　ｍｍ。

肉厚２ｎ＋ｍのステンレス鋼製のパイプを長手方向に対
して半割りにしたものを外枠として固定し、この外枠に
肉厚２ｍｍ炭素鋼製の熱応力緩衝体を固定した。

つぎに、これを電気炉により６００℃で２０分加熱し、
２５０℃に加熱した鋳造金型内に設置して７５０℃のＡ
、　１−５％Ｍｇ合金を注湯したのちに、パンチにて１
ｏｏｏ気圧まで加圧し、６０秒保持して凝固させた。次
いで鋳塊より、本実施例にかかる棒状の繊維強化金属体
を取り出した。

得られた金属体は、内面および外面ともに割れのない良
質のものであった。

比較のために、熱応力緩衝体を設けないほかは上述と同
様の方法により比較用繊維強化金属体を製造したが、こ
の比較例の場合、繊維強化金属の内面に多数の割れが認
められた。これは、鋳塊より繊維強化金属体を取り出す
際に熱的圧縮応力が開放されて、内面に引張応力が発生
して繊維の破断により割れが生じたものと考えられる。

！主大施ガ 黒鉛を塗布した直径４０ｍｍ、肉厚３ｍｍの軟鋼製パイ
プの芯材に、炭化珪素繊維を芯材の長手方向に対して＋
４５°および一４５°に交差するように、厚さ３ｍｍに
巻きつけて予備成形体を作成し、該予備成形体の芯材に
肉厚さ１ｍｍの窒化珪素製の熱応力緩衝体を固定した。

これを、前記第１実施例と同様にして鋳造・加圧して凝
固させた後、鋳塊より取出して本実施例にかかるＦＲＭ
パイプを作製した。得られたＦＲＭパイプは、内面およ
び外面ともに割れのない良質のものであった。

比較のために、熱応力緩衝体を設けないほかは上述と同
様の方法により比較用繊維強化金属体を製造して比較用
金属体を得た。この比較用金属体は、内面に法線方向に
割れが生じていた。これは、鋳塊より繊維強化金属体を
取り出す際に熱的圧縮応力が開放されて、繊維強化金属
体内面に引張応力が発生して繊維の破断により割れが生
じたものと考えられる。

工主実鬼ガ 炭素繊維を一方向に整列させて厚さ３ｍｍ、幅４０ｍｍ
、長さ１００ｍｍの板状に成形して予備成形体を得、そ
れを直径５ｍｍの溶湯侵入口を約６０個設けた寸法縦４
６ｍａ＋、よこ９ｍｍ、肉厚３ｍｍの炭素鋼製パイプに
挿入した。次いで、この炭素鋼製パイプの端面に炭素鋼
製肉厚１ｍｍの熱応力緩衝体を工程した。

次に、第１実施例と同様にして鋳造・加圧して凝固させ
た後、鋳塊より取出して本実施例にがかるＦＲＭ丸棒を
作製した。得られた棒状ＦＲＭは、割れのない良質のも
のであった。

比較のために、熱応力緩衝体を設けないほかは上述と同
様の方法により比較用繊維強化金属体を製造して比較用
棒状金属体を得た。この比較用棒状金属体の内部には、
多（の座屈が生じていた。

これは、鋳塊の凝固および熱的収縮時に繊維強化金属体
の繊維方向に圧縮応力を生じて繊維強化金属体に座屈を
生じたものと考えられる。

築↓衷犯則 炭化珪素繊維を一方向に整列させて厚さ３ｍｒｎ、長さ
１００ｍｍの板状に成形し、直径２０ｍｔｎ、長さ１０
２ｍｍのアルミニウム合金製丸棒に、該丸棒の軸と繊維
軸が同一方向となるように一層巻き付けて予備成形体を
得た。

次に、内径２８＋ｎ＋ｎ、肉厚２ｍｍのステンレス鋼製
パイプの軸方向全長（１０２＋ｎｍ）にわたって幅０゜
５ｍｍのスリットを、さらに外周面および側面に熱応力
緩衝体を設けた。

次に、前記予備成形体を該パイプ中に挿入し、電気炉中
にて５５０℃で１５分の加熱処理を行った他は上記第１
実施例と同様の方法でＦＲＭを作製した。得られたＦＲ
Ｍは、軸方向に炭化珪素繊維で強化されたパイプ形状複
合体であり、割れや変形のない良質のものであった。

比較のために、熱応力緩衝体を設けないほかは上述と同
様の方法により比較用繊維強化金属体を製造したが、こ
の比較例の場合、内面、外面に多数の割れが認められた
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の予備成形体の一例を示す斜視図、第２
図は本発明の予備成形体を鋳造金型に配設した状態の一
例を示す概略断面図、第３図は本発明の予備成形体と熱
応力緩衝体との関係の一例を示す斜視図、第４図ないし
第８図は本発明の外枠と熱応力緩衝体との関係の一例を
示す図で、第４図はその概略断面図、第５図ないし第９
図はその斜視図である。 １　・・・ ２・・・ ３・・・ ４・・・ ５・・・ ６・・・ ７・・・ 繊維強化金属体、 セラミックス繊維、 予備成形体、 外枠、 熱応力緩衝体、 鋳造用金型 芯材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）繊維成形体を配置した金型内に溶融金属を注湯し
   加圧して棒状または中空形状の繊維強化金属を製造する
   方法において、 セラミックス繊維が軸方向または円周方向に連続的に整
   列した棒状または中空形状の予備成形体を得る予備成形
   体準備工程と、 鋳造金型内に、該予備成形体の外周に、前記棒状または
   中空形状の繊維強化金属体の外形状を郭定するための外
   枠と、該鋳造金型内における予備成形体配設部近傍の金
   型内部を仕切るための溶融金属よりも高融点の熱応力緩
   衝体とが一体となる状態を準備する工程と、 該鋳造金型内に溶融金属を注湯し、加圧して棒状または
   中空形状の繊維強化金属を得る工程とからなり、溶融金
   属の凝固収縮または熱収縮による残留応力が繊維強化金
   属内部に発生することを防止したことを特徴とする繊維
   強化金属体の製造方法。
2. （２）熱応力緩衝体が、前記予備成形体に直接接合した
   構造であることを特徴とする請求項（１）記載の繊維強
   化金属体の製造方法。
3. （３）熱応力緩衝体が、前記外枠と直接接合した構造で
   あることを特徴とする請求項（１）記載の繊維強化金属
   体の製造方法。
4. （４）予備成形体の外周に、前記棒状または中空形状の
   繊維強化金属体の外形状を郭定するための外枠と、該鋳
   造金型内における予備成形体配設部近傍の金型内部を仕
   切るための溶融金属よりも高融点の熱応力緩衝体とを配
   置して鋳造予備構造体を構成し、該鋳造予備構造体を鋳
   造金型内に配置した後に溶融金属を注湯し加圧すること
   を特徴とする請求項（１）記載の繊維強化金属体の製造
   方法。