JPH05169234A - 短繊維強化金属複合材料の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バインダを使用することなく比較的複雑な形
状の複合材料をも能率よく且低廉に製造する。 【構成】 鋳型１０のモールドキャビティ２４内へ短繊
維４４をキャリアガス４６と共に送給しキャリアガスの
みを鋳型外へ流出させることによりキャビティ内に短繊
維を充填し、しかる後キャビティ内にマトリックス金属
の溶湯５０を注湯し、溶湯を加圧しつつ凝固させる。製
造装置は固定型１４と可動型１６、１８とよりなり、こ
れらにより郭定されるモールドキャビティ内に配置され
キャリアガスの通過を許し短繊維の通過を阻止するフィ
ルタ２６を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、短繊維強化金属複合材
料に係り、更に詳細には短繊維強化金属複合材料の製造
方法及び装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】短繊維強化金属複合材料は、従来より一
般に、短繊維よりなる繊維成形体を形成し、繊維成形体
を鋳型内に配置し、鋳型内にマトリックス金属の溶湯を
注湯し、溶湯を加圧しつつ凝固させる加圧鋳造法により
製造されている。かかる方法によれば、繊維成形体の個
々の短繊維の間にマトリックス金属の溶湯が加圧浸透せ
しめられるので、他の方法に比して短繊維とマトリック
ス金属との密着性に優れた複合材料を製造することがで
きる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし上述の如き従来
の一般的な加圧鋳造法に於ては、鋳造に先立って短繊維
をバインダ溶液中にてほぐし、吸引成形法や圧縮成形法
によりバインダ溶液を除去すると共に短繊維を所定の形
状に成形して繊維成形体を形成し、更に繊維成形体を加
熱することによって繊維成形体を乾燥させなければなら
ず、従って繊維成形体を能率よく且低廉に形成すること
が困難であり、そのため複合材料を能率よく且低廉に製
造することが困難である。

【０００４】また上述の如き繊維成形体の形成方法によ
っては複雑な形状の繊維成形体を形成することが困難で
あるので、複雑な形状の複合材料を製造することが困難
であり、従って複雑な所望の形状の複合材料を製造する
ためには比較的単純な複合材料を製造した後その複合材
料を機械加工によって所望の形状に加工しなければなら
ないという問題がある。

【０００５】更に繊維成形体はその形状を保持し得るも
のでなければならないので、使用される短繊維の種類や
体積率などによっては比較的多量のバインダを使用しな
ければならず、そのため複合材料中に残存するバインダ
の影響により複合材料の強度の如き特性が損なわれ易い
という問題がある。

【０００６】本発明は、従来の一般的な加圧鋳造法に於
ける上述の如き問題に鑑み、バインダを使用することな
く比較的複雑な形状の複合材料をも能率よく且低廉に製
造することができるよう改善された短繊維強化金属複合
材料の製造方法及び装置を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の如き目的は、本発
明によれば、鋳型のモールドキャビティ内へ短繊維をキ
ャリアガスと共に送給し実質的にキャリアガスのみを前
記鋳型外へ流出させることにより前記キャビティ内に短
繊維を充填し、しかる後前記キャビティ内にマトリック
ス金属の溶湯を注湯し、前記溶湯を加圧しつつ凝固させ
る短繊維強化金属複合材料の製造方法、及び短繊維強化
金属複合材料を製造するための複合材料製造装置にし
て、互いに共働してモールドキャビティを郭定する固定
型及び可動型よりなる鋳型と、前記固定型若しくは前記
可動型と共働して製造されるべき複合材料の形状を郭定
するよう構成されたフィルタであってキャリアガス及び
短繊維導入口を有しキャリアガスの通過を許し短繊維の
通過を阻止するフイルタと、前記導入口を選択的に閉塞
する閉塞手段とを有し、前記可動型若しくは前記固定型
は前記モールドキャビティと連通する溶湯注湯口と前記
溶湯注湯口と共働して前記モールドキャビティ内に注湯
された溶湯を加圧する加圧手段とを有する複合材料製造
装置によって達成される。

【０００８】

【作用】上述の如き方法によれば、短繊維が鋳型のモー
ルドキャビティ内へキャリアガスと共に送給され実質的
にキャリアガスのみが鋳型外へ流出されることによって
キャビティ内に短繊維が充填され、しかる後キャビティ
内にマトリックス金属の溶湯が注湯され、溶湯が加圧さ
れた状態にて凝固される。従って本発明の方法によれ
ば、従来の一般的な加圧鋳造法に於て吸引成形法や圧縮
成形法により行われている繊維成形体形成工程を省略す
ることができ、また短繊維はモールドキャビティの形
状、即ち製造されるべき複合材料の形状に成形され鋳型
によりその形状に保持されるので、個々の短繊維を結合
して保形性を付与するバインダは不要であり、また複雑
な形状の複合材料をも能率よく且低廉に製造することが
可能である。

【０００９】また上述の如き装置によれば、固定型若し
くは可動型と共働して製造されるべき複合材料の形状を
郭定するよう構成されたフィルタであってキャリアガス
及び短繊維導入口を有しキャリアガスの通過を許し短繊
維を阻止するフィルタが設けられているので、キャリア
ガスが固定型と可動型との間又は各可動型の間を経て鋳
型外へ排出される場合に比して、鋳型のモールドキャビ
ティ内に短繊維を能率よく且好ましく充填することがで
き、これにより本発明の方法を容易に且能率よく実施す
ることが可能である。

【００１０】

【実施例】以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施
例について詳細に説明する。

【００１１】図１は内燃機関の複合材料製ピストンを製
造するための装置として構成された本発明による複合材
料製造装置の第一の実施例を分解状態にて示す縦断面図
である。

【００１２】図１に於て、１０は軸線１２を有する鋳型
を全体的に示している。図示の実施例に於ては、鋳型１
０は固定型としての下型１４と、該下型に対し相対的に
図にて水平方向に軸線１２に近づく方向及びこれより離
れる方向へ移動可能な複数個のスライド型１６と、スラ
イド型上にこれに対し上方より押付けられる状態にて配
置される上型１８とよりなっている。下型１４は軸線１
２に沿って上方へ突出しピストンの内面形状を形成する
外形を有する突起２０と、該突起の周りに形成された複
数個のガス抜き通路２２とを有している。各スライド型
１６は互いに共働してピストンの円筒形の外面形状を郭
定する内壁面１６ａを有している。スライド型１６及び
上型１８は図３に示されている如く下型１４に対し組付
けられると、下型と共働して実質的にピストンの形状を
有するモールドキャビティ２４を郭定するようになって
いる。

【００１３】下型１４上にはその突起２０に嵌合する状
態にてフィルタ２６が配置されている。フィルタ２６は
キャリアガスの通過を許し短繊維の通過を阻止する微小
孔を有し、図５に示されている如く突起２０の根元部に
嵌合する環状の底壁部２６ａとこれに連続し軸線１２に
沿って延在する円筒部２６ｂと該円筒部の上端を閉ざす
円板部２６ｃとよりなり、製造されるべきピストンの寸
法と実質的に同一の内法寸法を有している。円板部には
フィルタ内へキャリアガスと短繊維とよりなるスラリー
を導入するための導入口２６ｄが設けられている。また
フィルタ２６はスライド型１６及び上型１８が図３に示
されている如く下型１４に対し組付けられると、円筒部
にてスライド型の内壁面に密着し円板部にて下型の下面
に密着するようになっている。

【００１４】上型１８はそれが図３に示されている如く
下型１４に対し組付けられると導入口２６ｄと連通する
スラリー供給通路２８を有し、スラリー供給通路は閉塞
装置３０により選択的に閉塞されるようになっている。
図示の実施例に於ては、閉塞装置３０はスラリー供給通
路の上下方向に延在する部分に往復動可能に嵌合する弁
要素３２と、該弁要素を上下方向に駆動するアクチュエ
ータ３４とよりなり、アクチュエータは弁要素を図１及
び図２に示された後退位置と図３及び図４に示された閉
塞位置との間に駆動し位置決めするようになっている。

【００１５】上型１８は軸線１２に沿って延在し上型が
図３に示されている如く下型１４に対し組付けられると
モールドキャビティ２４と連通する溶湯加圧用ボア３６
を有し、該ボアには軸線１２に対し傾斜して延在する溶
湯注湯通路３８が連通している。ボア３６には軸線１２
に沿って往復動可能にプランジャ４０が嵌合しており、
プランジャ４０は図には示されていないアクチュエータ
によって往復動され位置決めされるようになっている。

【００１６】上述の如く構成された複合材料製造装置を
用いて内燃機関の複合材料製ピストンを製造する場合に
は、まず図１に示されている如くスライド型１６を互い
に離間させ、底壁部２６ａが突起２０の根元部に嵌合す
るようフィルタ２６を下型１４に組付ける。次いで図２
に示されている如く閉塞装置３０の弁要素３２がその後
退位置にある状態にてスライド型１６上に上型１８を配
置し、しかる後スラリー供給通路２８の上流側の端部に
図には示されていないスラリー供給装置を接続し、スラ
リー供給通路及び導入口２６ａを経てフィルタ２６内へ
キャリアガスと短繊維とよりなるスラリー４２を送給す
る。フィルタ内へ送給されたスラリー中の短繊維４４は
フィルタによって捕捉されることによりフィルタ内に漸
次蓄積し、キャリアガス４６はフィルタを通過し、図に
は示されていないスライド型１６の間の隙間及びガス抜
き通路２２を経て鋳型１０外へ流出する。

【００１７】次いで図３に示されている如く、フィルタ
２６内に所定量の短繊維が充填されることにより所定の
体積率の短繊維よりなる繊維成形体４８が形成され、ス
ラリー供給通路２８の一部にも短繊維が充填された段階
でスラリー供給装置による短繊維の供給を停止し、しか
る後しばらくしてキャリアガスの供給を停止する。次い
で閉塞装置３０の弁要素３２をアクチュエータ３４によ
って閉塞位置へ駆動することによりスラリー通路２８の
連通を遮断すると共にスラリー供給通路内の短繊維を軽
く押圧する。更にスライド型１６を軸線１２へ向けて移
動させることにより互いに見切り面にて当接させると共
に内壁面１６ａにてフィルタ２６の円筒部に当接させ、
これによりモールドキャビティ２４を形成する。

【００１８】次いで図４に示されている如く溶湯注湯通
路３８及びボア３６を経てモールドキャビティ２４内へ
マトリックス金属の溶湯５０を注湯し、該溶湯をプラン
ジャ４０により例えば５００ｋｇ／ｃｍ² の如き高圧に
加圧して溶湯を繊維成形体４８の個々の短繊維の間に加
圧浸透させ、その加圧状態を溶湯が完全に凝固するまで
保持する。溶湯が完全に凝固した後上型１８及びスライ
ド型１６を分解して鋳物を取出し、鋳物に対し必要な機
械加工を施してピストンとする。

【００１９】図６は内燃機関の複合材料製ピストンを製
造するための装置として構成された本発明による複合材
料製造装置の第二の実施例を分解状態にて示す縦断面図
である。図６に於て、図１に示された部分に対応する部
分には図１に於て付された符号と同一の符号が付されて
いる。

【００２０】この実施例に於ては、フィルタ２６は図１
に示された実施例に於ける円板部を有してはおらず、円
筒部の上端にて上型１８の下面に密着するようになって
いる。また上型１８にはスラリー供給通路２８及び閉塞
装置３０は設けられておらず、溶湯加圧用ボア３６及び
溶湯注湯通路３８は図１に示された実施例に於けるスラ
リー供給通路２８と同一の機能をも果し、プランジャ４
０は図１に示された実施例に於ける弁要素３２と同一の
機能をも果すようになっている。この実施例の他の点は
図１に示された実施例と同一に構成されている。

【００２１】この実施例によれば、第一の実施例に比し
て複合材料製造装置の構造を簡略化することができ、ま
たスラリー及びマトリックス金属の溶湯の何れをもモー
ルドキャビティの中央部へ供給することができるので、
第一の実施例の場合よりも更に一層良好に複合材料を製
造することができる。

【００２２】上述の如く構成された第二の実施例の複合
材料製造装置を用いて内燃機関の複合材料製ピストンを
製造する場合には、まず図６に示されている如くスライ
ド型１６を互いに離間させ、底壁部が突起２０の根元部
に嵌合するようフィルタ２６を下型１４に組付ける。次
いで図７に示されている如くプランジャ４０がその後退
位置にある状態にてスライド型１６上に上型１８を配置
し、しかる後溶湯注湯通路３８の上流側の端部に図には
示されていないスラリー供給装置を接続し、溶湯注湯通
路及びボア３６を経てフィルタ２６内へキャリアガスと
短繊維とよりなるスラリー４２を送給する。この場合に
もフィルタ内へ送給されたスラリー中の短繊維４４はフ
ィルタによって捕捉されることによりフィルタ内に漸次
蓄積し、キャリアガス４６はフィルタを通過し、図には
示されていないスライド型１６の間の隙間及びガス抜き
通路２２を経て鋳型１０外へ流出する。

【００２３】次いで図８に示されている如く、フィルタ
２６内に所定量の短繊維が充填されることにより所定の
体積率の短繊維よりなる繊維成形体４８が形成され、ボ
ア３６の一部にも短繊維が充填された段階でスラリー供
給装置による短繊維の供給を停止し、しかる後しばらく
してキャリアガスの供給を停止する。次いでスライド型
１６を軸線１２へ向けて移動させることにより互いに見
切り面にて当接させると共に内壁面１６ａにてフィルタ
２６の円筒部に当接させ、これによりモールドキャビテ
ィ２４を形成する。

【００２４】次いで図９に示されている如く溶湯注湯通
路３８及びボア３６を経てモールドキャビティ２４内へ
マトリックス金属の溶湯５０を注湯し、該溶湯をプラン
ジャ４０により例えば５００ｋｇ／ｃｍ² の如き高圧に
加圧して溶湯を繊維成形体４８の個々の短繊維の間に加
圧浸透させ、その加圧状態を溶湯が完全に凝固するまで
保持する。溶湯が完全に凝固した後上型１８及びスライ
ド型１６を分解して鋳物を取出し、鋳物に対し必要な機
械加工を施してピストンとする。

【００２５】上述の本発明の方法の二つの実施例の具体
例として、短繊維としてアルミナ短繊維（ＩＣＩ社製
「サフィール」）を使用しマトリックス金属としてマグ
ネシウム合金（ＪＩＳ規格ＡＺ９１）を使用して上述の
実施例に従ってアルミナ短繊維にて複合強化されたマグ
ネシウム合金よりなる内燃機関用複合材料製ピストンを
下記の条件にて製造した。

【００２６】フィルタ： 鋼製メッシュ フィルタの目開き： ２０μｍ キャリアガス： 空気 キャリアガス圧力： ４ｋｇ／ｃｍ² 鋳型の温度： ３００℃ 溶湯の温度： ７００℃ 溶湯に対する加圧力： ５００ｋｇ／ｃｍ² その結果アルミナ短繊維の平均体積率が約１５％であ
り、ピストン全体に亘りアルミナ短繊維が実質的に均一
に分散され、マグネシウム合金の充填不良部がなく、ア
ルミナ短繊維とマトリックス金属としてのマグネシウム
合金との密着性に優れた良好なピストンを製造すること
ができた。

【００２７】以上に於ては本発明を特定の実施例につい
て詳細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施
例が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

【００２８】例えば第一の実施例の複合材料製造装置に
於けるフィルタ２６は円板部を有しているが、図２に示
されている如く型締めされた段階でプランジャ４０をそ
の下端が上型１８の下面に整合する位置又はそれより僅
かに上方の位置まで下降させ、その状態にて上述の実施
例の場合と同一の要領にて短繊維の充填を行うことによ
り、フィルタの円板部が省略されてもよい。

【００２９】また図示の二つの実施例に於ては、下型１
４には複数個のガス抜き通路２２が設けられているが、
製造されるべき複合材料の形状や寸法によってはガス抜
き通路は省略されてもよく、キャリアガスは互いに隣接
するスライド型１６の間の空間のみを経て鋳型外へ排出
されてもよい。

【００３０】また図示の二つの実施例に於ては、スラリ
ーの供給及びマトリックス金属の溶湯の注湯は可動型
（上型）に設けられた通路を経て行われるようになって
いるが、これらの少くとも一方を供給するための通路は
固定型に設けられてもよい。

【００３１】更に上述の具体例に於けるフィルタは鋳型
内にマトリックス金属の溶湯が注湯されても溶融しない
材料にて形成されているが、本発明の装置に於けるフィ
ルタは例えばマトリックス金属と同一又は類似の組成を
有する金属の如く、鋳型内に注湯されたマトリックス金
属の溶湯により溶融される材料にて形成されてもよく、
その場合には鋳造完了後に鋳物よりフィルタを除去する
必要がなく、鋳物の表面に研削の如き機械加工を施すだ
けでよい。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明より明らかである如く、本発
明の方法によれば、従来の一般的な加圧鋳造法に於て吸
引成形法や圧縮成形法により行われている繊維成形体形
成工程を省略することができ、また短繊維はモールドキ
ャビティの形状、即ち製造されるべき複合材料の形状に
成形され鋳型によりその形状に保持されるので、個々の
短繊維を結合して保形性を付与するバインダは不要であ
り、また複雑な形状の複合材料をも能率よく且低廉に製
造することができる。

【００３３】また本発明の装置によれば、固定型若しく
は可動型と共働して製造されるべき複合材料の形状を郭
定するよう構成されキャリアガス及び短繊維導入口を有
しキャリアガスの通過を許し短繊維を阻止するフィルタ
が設けられているので、キャリアガスが固定型と可動型
との間又は各可動型の間を経て鋳型外へ排出される場合
に比して、鋳型のモールドキャビティ内に短繊維を能率
よく且好ましく充填することができ、これにより本発明
の方法を容易に且能率よく実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の複合材料製ピストンを製造するため
の装置として構成された本発明による複合材料製造装置
の第一の実施例を分解状態にて示す縦断面図である。

【図２】図１に示された複合材料製造装置を用いて行わ
れる本発明による複合材料製造方法の一つの実施例に於
ける短繊維充填工程を示す断面図である。

【図３】図１に示された複合材料製造装置を用いて行わ
れる本発明による複合材料製造方法の一つの実施例に於
ける短繊維充填完了後の状態を示す断面図である。

【図４】図１に示された複合材料製造装置を用いて行わ
れる本発明による複合材料製造方法の一つの実施例に於
ける鋳造工程を示す断面図である。

【図５】図１に示されたフィルタを示す解図的斜視図で
ある。

【図６】内燃機関の複合材料製ピストンを製造するため
の装置として構成された本発明による複合材料製造装置
の第二の実施例を分解状態にて示す縦断面図である。

【図７】図６に示された複合材料製造装置を用いて行わ
れる本発明による複合材料製造方法の一つの実施例に於
ける短繊維充填工程を示す縦断面図である。

【図８】図６に示された複合材料製造装置を用いて行わ
れる本発明による複合材料製造方法の一つの実施例に於
ける短繊維充填完了後の状態を示す縦断面図である。

【図９】図６に示された複合材料製造装置を用いて行わ
れる本発明による複合材料製造方法の一つの実施例に於
ける鋳造工程を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１０…鋳型 １４…下型 １６…スライド型 １８…上型 ２２…ガス抜き通路 ２４…モールドキャビティ ２６…フィルタ ２８…スラリー供給通路 ３０…閉塞装置 ３６…溶湯加圧用ボア ３８…溶湯注湯通路 ４０…プランジャ ４２…スラリー ４４…短繊維 ４６…キャリアガス ４８…繊維成形体 ５０…マトリックス金属の溶湯

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋳型のモールドキャビティ内へ短繊維をキ
   ャリアガスと共に送給し実質的にキャリアガスのみを前
   記鋳型外へ流出させることにより前記キャビティ内に短
   繊維を充填し、しかる後前記キャビティ内にマトリック
   ス金属の溶湯を注湯し、前記溶湯を加圧しつつ凝固させ
   る短繊維強化金属複合材料の製造方法。
2. 【請求項２】短繊維強化金属複合材料を製造するための
   複合材料製造装置にして、互いに共働してモールドキャ
   ビティを郭定する固定型及び可動型よりなる鋳型と、前
   記固定型若しくは前記可動型と共働して製造されるべき
   複合材料の形状を郭定するよう構成されたフィルタであ
   ってキャリアガス及び短繊維導入口を有しキャリアガス
   の通過を許し短繊維の通過を阻止するフイルタと、前記
   導入口を選択的に閉塞する閉塞手段とを有し、前記可動
   型若しくは前記固定型は前記モールドキャビティと連通
   する溶湯注湯口と前記溶湯注湯口と共働して前記モール
   ドキャビティ内に注湯された溶湯を加圧する加圧手段と
   を有する複合材料製造装置。