JPH038552A - 繊維強化金属複合材料の製造方法 - 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） この発明は、高圧鋳造法によって、中実棒状や管状等、
特に薄肉管状の、繊維強化金属複合材料（ＦＲＭ）を製
造する方法に関する。

（従来の技術） 中実棒状や管状等のＦＲＭを製造する方法はいろいろあ
るが、その一つに高圧鋳造法がある。

この方法は、たとえば特開昭６３−１６５０４２号公報
ほかに記載されているように、補強繊維の集合体が入っ
た金属製の管体を金型に入れ、管体内にマトリクスとな
る金属の溶湯を注ぎ込み、その溶湯を加圧して上記集合
体に含浸し、凝固せしめた後、脱型し、管体を切削して
除去するものである。管体を使用する理由は、主として
集合体の形態保持にある。しかしながら、この従来の方
法には、以下において説明するような問題がある。

すなわち、管体を切削によって除去するのが大変やっか
いである。また、得られるＦＲＭには歪があるので、切
削時に、表面の補強繊維を切断してしまったり、傷付け
てしまうこともある。補強繊維が切断されたり損傷され
たりすると、所望の特性をもつＦＲＭが得られなくなる
し、製品間の特性のばらつきも太き（なる。

また、特に、引張破断伸びの小さな補強繊維や、引張弾
性率の大きな補強繊維を使用する場合、溶湯の凝固に伴
う、管体の、特に長手方向における大きな収縮による圧
縮応力のために、補強繊維が座屈したり、ＦＲＭが補強
繊維間で割れたりすることがある。この問題は、管体の
肉厚を薄くしたり、管体に代えて、集合体に金属製の箔
をら旋状に巻き付けることによって防止することが可能
であるけれども、そうすると、溶湯を加圧、含浸する際
に管体や箔が破れて、あるいは、ら旋状に巻いた箔の間
から、溶湯が漏れ出したりすることがある。

（発明が解決しようとする課題） この発明の目的は、従来の方法の上述した問題点を解決
し、管体の除去が極めて容易であるばかりか、除去時に
おける補強繊維の切断や損傷を防止することができ、ま
た、溶湯凝固時の管体の収縮に伴う補強繊維の座屈やＦ
ＲＭの割れ等を防止することができて、強度等の特性に
優れたＦＲＭを得ることができる方法を提供するにある
。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この発明は、補強繊維の集
合体が入った、外周面において長手方向にら旋状に延び
る溝を有する管体を型に入れ、上記管体内にマトリクス
となる金属の溶湯を注ぎ込み、その溶湯を加圧して上記
集合体に含浸し、凝固せしめた後、脱型し、上記管体を
上記溝に沿って剥ぎ取ることを特徴とする、ＦＲＭの製
造方法を提供する。

この発明の方法は、中実棒状のＦＲＭを製造する場合で
も、管状のＦＲＭを製造する場合でも、いずれでも適用
できるが、薄肉管状のＦＲＭを製造する場合に特に有効
である。管状のＦＲＭを製造する場合には、芯金（中子
）を使用する。

型としては、通常、金型を使用するが、黒鉛型等の使用
も可能である。

補強繊維としては、炭素繊維、アルミナ繊維、アルミナ
−シリカ繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維等の高強度
、高弾性率繊維を使用することができる。これら補強繊
維は、マルチフィラメント、短繊維、織物、マット等、
どのような形態であってもよい。なお、ＦＲＭの用途等
に応じて、一つの集合体について、種類の異なる補強繊
維を併用したり、形態の異なるものを併用することもで
きる。

上述した補強繊維からなる集合体は、たとえば、マルチ
フィラメントを一方向に引き揃えたようなものや、短繊
維を塊状にしたようなものや、織物やマット等を積層し
たり巻いたりしたようなものである。管状のＦＲＭを得
る場合には、芯金の周りに集合体を形成する。なお、集
合体を形成するとき、ＦＲＭの製造において極く普通に
採られているように、用途等に応じて、補強繊維の方向
が所望の方向になるように配慮することはもちろんであ
る。

集合体の形成に際して、その形態を維持するために必要
であれば、結着剤を使用してもよい。結着剤としては、
溶湯を注ぎ込んだときに熱分解して飛散するものが好ま
しく、でんぷんや、ポリビニルアルコール、ポリメチル
メタクリレート、ポリエステル等の樹脂を使用すること
ができる。

上述した集合体は、外周面において長手方向にら旋状に
延びる溝を有する管体に入れられる。管体は、その中に
注ぎ込まれる溶湯の熱で溶けたりしない材料で構成され
ているが、そのような材料は、引張弾性率や熱膨脹係数
の低いものであるのが好ましく、特に、熱膨脹係数が製
造するＦＲＭのそれとよく似ているものが好ましい。通
常、肉厚が数ｍｍ以下の鉄管、ステンレス管、チタン管
、銅管等の金属管を使用するが、石英管、セラミックス
管等を使用することもできる。

管体には、前に述べたように、外周面において、長手方
向にら旋状に延びる、Ｕ字形や７字形の溝が加工されて
いる。この溝は、ＦＲＭの製造後における管体の剥ぎ取
りを容易にするとともに、管体の横断面積を部分的に小
さくして、上述した収縮時の圧縮応力を緩和させるため
のもので、少なくとも集合体が位置する部分に形成され
ている。

ら旋のピッチは、管体の材質、長さ、肉厚や、溶湯の温
度や、溶湯を集合体に含浸するときの加圧力等によって
異なるものの、１０〜４０ｍｍ程度の範囲である。また
、溝深さは、管体の肉厚の１０〜８０％程度、通常、６
０％前後にする。溝は、浅くても剥ぎ取りは可能なこと
が多いが、極端に浅いと、圧縮応力の緩和効果が得られ
なくなる。

なお、ら旋状の溝を設けることに代えて、適当なピッチ
で円周溝を形成しておくことも考えられないではない。

しかしながら、そのような円周溝は、圧縮応力の緩和効
果は発現し得ても、剥ぎ取りを容易にするということに
はならない。

ＦＲＭのマトリクスとなる金属は、極く普通に使用され
ている、アルミニウム、マグネシウム、銅、錫、亜鉛等
の単体金属や、これら単体金属の少なくとも一種を主成
分とする合金のようなものである。

この発明においては、製造後の脱型を容易にする目的で
、型と、その型内に入れた管体との間に粉粒体を充填し
ておいてもよい。そのような粉粒体は、集合体に溶湯を
含浸する時の温度、すなわち、複合化時の温度では焼結
されない、アルミナ、ジルコニア、ムライト、窒化ケイ
素、炭化ケイ素等のセラミックスや、黒鉛や、鋳物砂や
、山砂等からなっている。タングステンやモリブデン、
鉄、ニッケル、チタンやそれらの合金等の金属材料の使
用も可能である。

第１図は、この発明の方法によって管状のＦＲＭを製造
している様子を示すもので、芯金８の周りに補強繊維の
集合体２を形成したものを、第２図に示すように、外周
面において長手方向にら旋状に延びる溝９を有する管体
４に入れ、金型１内に入れる。金型１と管体４との間に
は、粉粒体３を充填してお（。

ＦＲＭの製造は、管体４内にマトリクスとなる金属の溶
湯５を注ぎ込み、プランジャ６で加圧して集合体２に含
浸し、凝固させることによって行う。溶湯５が凝固した
後、すなわち、ＦＲＭが得られた後は、金型１とその台
座７とを分離し、粉粒体３を排出し、金型１から管体４
ごとＦＲＭを取り出した後、第３図に示すように、管体
４を溝９に沿ってめくるようにして剥ぎ取り、ＦＲＭｌ
ｏを得る。

（実　施　例） 第１図に示した方法によって、ＦＲＭを製造した。

すなわち、直径２５ｍｍ、長さ１０００ｍｍの鉄製芯金
に、東し株式会社製炭素繊維平織物Ｒ８１１２（厚み：
０，２ｍｍ、目付９９ｇ／ｍ２）を、その経糸が芯金の
長手方向になるように、かつ、厚みが０．４ｍｍになる
ように巻き、その上に、東し株式会社製炭素繊維“トレ
カ”Ｍ２Ｏ（単糸径：６μｍ、引張弾性率：４０トン／
　ｍ　ｍ　２、引張破断伸び：０．６％）を、繊維軸の
方向が芯金の長手方向になるように、かつ、厚みが０．
６ｍｍになるように巻き、さらに、その上に上記平織物
を厚みが１．５ｍｍになるように巻いて炭素繊維の集合
体を形成した。

次に、上記集合体を、芯金ごと、外周面において２５ｍ
ｍピッチで長手方向にら旋状に延びるＵ字形の溝を有す
る５ＵＳ３０４製管体（内径＝３０ｍｍ、肉厚：１ｍｍ
、溝深さ：０．６ｍｍ）に入れ、金型に入れた。金型と
管体との間には、直径が０゜５ｍｍのアルミナ粒体を充
填した。

次に、金型を５５０°Ｃに予熱した後、管体内にアルミ
ニウムとケイ素の合金（ＪＩＳ　　ＡＣ４Ｃ）の溶湯（
温度ニア５０℃）を注ぎ込み、プランジャで１０００　
ｋｇ／　ｃｍ２の圧力を加えて集合体に含浸した。

溶湯が凝固した後、金型と台座とを分離し、ハンマーで
金型を軽く叩いてアルミナ粒体を排出し、芯金ごとＦＲ
Ｍを取り出し、芯金を引き抜いた後、管体を端部からめ
くるように剥ぎ取って除去し、管状ＦＲＭ（外径：３０
ｍｍ、内径：２５ｍｍ）を取り出した。取り出しは、極
めて容易であった。また、得られたＦＲＭには、炭素繊
維の損傷等は見られなかった。引張強度は、７０　ｋｇ
ｌ　７ｍｍ２であった。

（比　較　例） 溝を有しない管体を使用したほかは実施例と同様にして
、ＦＲＭを製造した。管体の除去は、切削によった。切
削に際して、表面の一部の炭素繊維が削り取られた。ま
た、得られたＦＲＭの引張強度は、わずかに２３　ｋｇ
ｆ　７ｍｍ２にすぎなかった。

（発明の効果） この発明は、補強繊維の集合体を収容する管体として、
外周面において長手方向にら旋状に延びる溝を有する管
体を使用するから、ＦＲＭの製造後における管体の除去
が極めて容易であるばかりか、切削によって除去すると
きのように補強繊維を切断したり傷付けたりする心配が
ない。また、ら旋状の溝によって、溶湯凝固時の、長手
方向における圧縮応力が緩和されるので、補強繊維の座
屈やＦＲＭの割れ等を防止することができる。そのため
、強度等の特性に優れたＦＲＭを製造することができる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を実施している様子を示す、型の概
略縦断面図、第２図は、管体を示す概略正面図、第３図
は、管体を剥ぎ取って除去している様子を示す、管体の
概略正面図である。 １：型 ２：補強繊維の集合体 ３：粉粒体 ４：管体 ５：溶湯 ６：プランジャ 二金属 ：芯金 ：溝 ：ＦＲＭ（繊維強化金属複合材料）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　補強繊維の集合体が入った、外周面において長手方向
   にら旋状に延びる溝を有する管体を型に入れ、上記管体
   内にマトリクスとなる金属の溶湯を注ぎ込み、その溶湯
   を加圧して上記集合体に含浸し、凝固せしめた後、脱型
   し、上記管体を上記溝に沿って剥ぎ取ることを特徴とす
   る、繊維強化金属複合材料の製造方法。