JPH0713272B2 - 繊維強化金属製造用プリフオ−ムおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は繊維成形体からなる繊維強化金属製造用プリ
フォーム、特に高圧鋳造法などによる繊維強化金属の製
造における中間素材として利用されるプリフォームおよ
びその製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、繊維強化金属を製造するための中間素材として繊
維成形体が用いられることがあり、これをウィスカーな
どの短繊維より製造する方法には、抄紙法などが知られ
ている。第４図は例えば特開昭61−3855号に示された従
来の繊維成形体の製造方法を示す断面図であり、図にお
いて、（１）は成形容器で、上部に形成された成形室
（1a）の下部にフィルター（２）および連通孔（３）を
介して減圧室（４）が連通している。減圧室（４）には
吸引口（５）が設けられ、減圧するための真空ポンプ
（図示せず）などに接続している。（６）は強撹拌によ
りウィスカーなどの短繊維を十分にほぐして分散させた
繊維分散液体、（７）は繊維分散液体（６）をいれた容
器である。成形容器（１）の成形室（1a）は一般に所望
の繊維成形体と同一の形状とされている。

上記の構成において、まずウィスカーなどの短繊維を容
器（７）において水、アルコール、アセトンなどの液体
に分散させる。このとき毛玉を作らないように、ミキサ
ーなどにより強くかくはんすることが従来行われてい
る。また繊維成形体の強度を高めたり、繊維の体積分率
を調整する手段としてバインダーを混入する場合もあ
る。そして繊維分散液体（６）を容器（７）より成形容
器（１）の成形室（1a）に注入し、この状態で吸引口
（５）からポンプにより吸引して減圧室（４）を減圧
し、繊維分散液体（６）をフィルター（２）および連通
孔（３）を介して吸引する。フィルター（２）は繊維を
全くまたは殆ど通さず、液体のみを通すフィルターであ
るため、液体のみが減圧室（４）へ流下し、繊維はフィ
ルター（２）の表面に集積して繊維成形体が形成され
る。繊維成形体はこの後成形容器（１）より取出され、
繊維強化金属製造用プリフォームとして供される。

このような繊維成形体を用いて繊維強化金属を製造する
方法としては、高圧鋳造法などが知られている。この方
法は鋳造型内に繊維成形体を充填した後、上記鋳造型に
溶融マトリックス金属を注入し、直ちに溶融マトリック
ス金属をプランジャーなどにより加圧して、繊維成形体
の繊維間間隙へ溶融マトリックス金属を浸透させ、その
後マトリックス金属を冷却凝固させることによって繊維
強化金属を製造する方法である。さらに高圧鋳造法など
の改良法として、繊維成形体を容器に入れて容器と一体
のまま高圧鋳造法などの鋳造型にいれて鋳造する方法が
提案されている（例えば特開昭60−210351号）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の繊維成形体を用いて高圧鋳造法などにより繊維強
化金属を製造する場合には、繊維成形体を高圧鋳造法な
どの型に直接入れる場合に生じる問題点として、以下の
問題点があった。

（１）繊維成形体の強度があまり大きくない場合には高
圧鋳造時に受ける力などにより繊維成形体が変形または
破壊を生じ、健全な繊維強化金属が得られないことがし
ばしば生じる。

（２）繊維成形体は一般にマトリックス金属の融点近く
または以上の温度に予備加熱された後鋳造型内に設置さ
れ、繊維成形体への溶融マトリックスの浸透を容易とす
ることが行われる。しかし繊維成形体と型とのクリアラ
ンスが小さい場合には、型に接した箇所の繊維成形体が
型によって急速に冷却される場合が生じ、その部分に溶
融マトリックス金属の浸透不良が生じることがある。

（３）繊維成形体と型とのクリアラナスが大きい場合に
は、溶融マトリックス金属が繊維成形体内部に浸透する
前に繊維成形体の全周を包み、繊維成形体内のガスが流
出できず、残留して鋳造欠陥の原因と成り易い。

以上の問題点を解決するための改良法、すなわち繊維成
形体を容器に入れ、容器とともに高圧鋳造などにより鋳
造する方法は、単に容器に入れただけであるため、以下
の問題点があった。

（１）ガスの流出口がないため、容器底部においてマト
リックス金属の浸透不良が生じ易い。

（２）容器に繊維成形体を詰める工程が新たに増す。

発明者らは上記のような従来の問題点を解消するため
に、開口部と流出口を持つ容器を提案したが（未公
開）、この発明はこれをさらに改良したもので、特にウ
ィスカーなどの短繊維から繊維成形体を成形するにあた
り、高圧鋳造法などにおける繊維成形体の変形ないし破
壊を防止し、かつ溶融マトリックス金属の浸透を確実に
して、浸透不良や鋳造欠陥のない健全な繊維強化金属を
低コストで安定して製造できる繊維強化金属製造用プリ
フォームおよびその製造方法を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係わる繊維強化金属製造用プリフォームは、
金属容器と繊維成形体とからなり、前記金属容器は繊維
成形体の外形に対応する形状のキャビティおよび開口部
を有するとともに、底部または側面に１個以上の貫通孔
を有し、前記繊維成形体は短繊維が金属容器の内壁に密
着するとともに、前記貫通孔に充填されるように、抄紙
法によりキャビティに直接成形一体化されたものであ
る。

この発明に係わる繊維強化金属製造用プリフォームの製
造方法は、連通孔により連通した成形室と減圧室を有す
る成形容器の成形室内に、繊維成形体の外形に対応する
形状のキャビティおよび開口部を有するとともに、底部
または側面に１個以上の貫通孔を有する金属容器を、前
記連通孔と貫通孔間にフィルターが介在するように設置
する工程と、前記金属容器のキャビティに繊維分散液体
を注入する工程と、前記繊維分散液体を貫通孔、フィル
ターおよび連通孔を通して減圧室側に吸引し、繊維を金
属容器の内壁に密着させるとともに、貫通孔に充填し
て、キャビティ内に繊維成形体を一体成形する工程とを
含むものである。

〔作用〕

この発明においては、金属容器を従来のものと同様の繊
維成形体製造装置における成形容器の成形室内に、フィ
ルタを介して設置後、繊維分散液体を金属容器のキャビ
ティに注入し、ポンプなどにより減圧室を減圧してフィ
ルターを通して吸引すると、繊維はフィルター面上に蓄
積し、金属容器を埋めて内壁に密着するとともに、貫通
孔に充填されて、繊維成形体が金属容器と一体に成形さ
れ、繊維強化金属製造用プリフォームが得られる。

こうして製造された繊維強化金属製造用プリフォーム
は、予備加熱後、型内に設置して溶融マトリックス金属
を注入し、高圧鋳造法などにより、繊維強化金属を製造
する。この場合、繊維成形体は金属容器と一体に直接成
形され、高圧鋳造法などの際ともに型内に設置されるの
で、金属容器の耐力によって繊維成形体の変形ないし破
壊が防止されるとともに、予備加熱後の繊維成形体のハ
ンドリングが容易となる。一方開口部およびそれとは別
に１個以上の貫通孔を設けることにより、溶融マトリッ
クス金属は開口部より流入するとともに、繊維成形体内
のガスは貫通孔から流出するので、溶融マトリックス金
属の浸透不良が抑制される。また金属容器は繊維成形体
の温度保持にも効果を有し、溶融マトリックス金属の浸
透不良が抑制される。

また金属容器に開口部と底部または側面に１個以上の貫
通孔とを設けることにより、繊維成形体を抄紙法により
金属容器のキャビティへ直接成形することが可能にな
る。そして繊維成形体が金属容器へ直接成形一体化され
ることにより、繊維成形体を容器に詰める工数が低減さ
れる。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図であり、図に
おいて、第４図と同一符号は同一または相当部分を示
す。成形容器（１）は、従来のものと同様に構成されて
いて、成形室（1a）はフィルター（２）および連通孔
（３）を通じて減圧室（４）と連通している。減圧室
（４）には吸引口（５）があり、吸引するポンプ（図示
せず）などと接続している。ポンプは真空ポンプなど通
常吸引に用いられる装置であればよい。（８）は金属容
器で、実施例では上方が開口部となったキャビティ（8
a）を有し、底部および／または側面に１個以上の貫通
孔（９）を有する。金属容器（８）はマトリックス金属
と同じまたは同系統の金属、あるいはマトリックス金属
より融点の高い金属で、マトリックス金属と反応を生じ
にくい金属でつくることが好ましい。成形容器（１）の
成形室（1a）は金属容器（８）の外形と等しく成形され
ている。フィルター（２）は繊維を全くまたは殆ど通さ
ず、一方液体を容易に通過させるものであり、ろ紙、メ
ッシュ、不織布などを用いることができ、繊維および抄
紙速度に応じて目の粗さを変えることができる。繊維分
散液体（６）の繊維は液体に分散させ得る長さの短繊維
で、ウィスカーあるいは連続繊維をチョップした短繊
維、切削その他の製法によって得られた繊維などを用い
ることができる。一般に径が0.1〜50μｍ程度であり、
アスペクト比が５〜10000程度のものが好ましい。繊維
としては炭素、シリコンカーバイド、シリコンナイトラ
イド、アルミナ、チタン酸カリウム、金属などからなる
ものを用いることができ、１種単独または２種以上の繊
維を混合して用いることができる。

上記の構成において、繊維はまえもって液体中の分散さ
せて繊維分散液体（６）とする。分散に用いる液体は繊
維を分散できるものであればよく、一般に水あるいはア
ルコール、アセトンなどの有機溶剤が用いられる。分散
をよくするために界面活性剤を少量添加してもよく、ま
た繊維の体積分率を制御するために無機または有機のバ
インダーを混合してもよい。バインダーとしてはエポキ
シ樹脂、ポリビニールアルコール、セルローズ、フェノ
ール樹脂、アルギン酸塩、水ガラス、リン酸塩などを用
いることができる。繊維分散液体はミキサー、高速かく
はん機、ホモジナイザーなどであらかじめ強かくはんし
て毛玉などを十分にほぐし、単繊維の状態にしておくと
よい。

第１図の実施例では、金属容器（８）は成形容器（１）
の成形室（1a）内に、連通孔（３）と貫通孔（９）間に
フィルター（２）が介在するように設置される。金属容
器（８）と成形容器（１）のすき間は金属容器（８）の
設置および取出しに差支えがない範囲で、液体の吸引を
妨げないクリアランスがあることが望ましいが、上記範
囲内では一般にクリアランスは小さい方が繊維の無駄を
少なくすることができる。

繊維強化金属製造用プリフォームの製造方法は、まず成
形容器（１）の上方より金属容器（８）のキャビティ
（8a）内に繊維分散液体（６）を注入し、同時にポンプ
などを働かせ、吸引口（５）より減圧室（４）を減圧す
ると、繊維分散液体（６）は金属容器（８）の貫通孔
（９）、フィルター（２）および成形容器（１）の連通
孔（３）を通して吸引される。フィルター（２）は繊維
を全くまたは殆ど通さないため、液体（11）のみが吸引
されて減圧室（４）に流下し、繊維はフィルター（２）
の上部に金属容器（８）のキャビティ（8a）を埋めなが
ら堆積して、内壁に密着するとともに、貫通孔（９）に
充填され、繊維成形体（10）が形成される。形成された
繊維成形体（10）は加圧してさらに密度を高めてもよ
い。

上記のように金属容器（８）と一体に直接繊維成形体
（10）を形成した後、金属容器（８）を成形容器（１）
から取出し、繊維強化金属製造用プリフォームとして高
圧鋳造法などの中間素材に供される。第２図は上記によ
り製造された繊維強化金属製造用プリフォームの断面図
であり、プリフォームは金属容器（８）およびそれと密
着しかつ貫通孔（９）に充填されて一体になった繊維成
形体（10）からなる。

高圧鋳造法としては、通常行われている溶湯鍛造法、ダ
イキャスト、真空含浸などの方法が用いられる。これら
の方法では、成形容器（１）から取出された繊維強化金
属製造用プリフォームは一般に予備加熱される。予備加
熱前に液体分を除くため80〜120℃程度の温度で乾燥し
ておいてもよい。予備加熱温度は高圧鋳造法などの条件
によって異なるが、金属容器（８）にマトリックス金属
と同じか同系統の金属を用いた場合にはマトリックス金
属の融点直下の温度に、またマトリックス金属より融点
の高い金属を用いた場合にはマトリックス金属の融点以
上の温度とすることが好ましい。予備加熱された繊維強
化金属製造用プリフォームは高圧鋳造法などの鋳造型内
に設置して、溶融マトリックス金属を型内に注入し、直
ちにプランジャーで加圧し、溶融マトリックス金属をプ
リフォーム内に浸透させる。溶融マトリックス金属が冷
却凝固するまで加圧を続けた後、成形品を型から取出し
て冷却し、繊維強化金属を得る。

上記の製造方法において、繊維分散液体（６）、金属容
器（８）などを変化させた実施例の結果を第１表に示
す。

第３図はこの発明の他の実施例を示す断面図であり、こ
の実施例では成形容器（１）の成形室（1a）は回転軸
（12）により軸受（13）を介して回転するようになって
いる。製造方法はまず成形容器（１）の成形室（1a）に
金属容器（８）を設置した後成形容器（１）の成形室
（1a）を回転させ、金属容器（８）のキャビティに繊維
分散液体（６）を注入し、同時に吸引口（５）から減圧
室（４）を減圧し、繊維分散液体（６）を吸引する。繊
維分散液体（６）は遠心力によって成形容器（１）の成
形室（1a）内において開閉リング（1c）に上部が保持さ
れた状態で側壁（1b）に押しつけられ、金属容器（８）
の貫通孔（９）、フィルター（２）、および連通孔
（３）を通って液体のみが吸引され、繊維はフィルター
（２）より内部に堆積して行き、金属容器（８）および
それと一体になった円筒状の繊維成形体（10）からなる
繊維強化金属製造用プリフォームが製造される。この場
合、回転速度をあげれば遠心力のみにより液体をフィル
ター（２）を通して分離することができる。また成形容
器（１）の成形室（1a）中の繊維分散液体（６）の液面
は回転軸（12）に平行に近づき、均一な厚さの円筒上繊
維成形体（10）を得ることができる。

なお、以上の説明において、金属容器（８）の外形を同
一にして、キャビティのみを変化させれば、同一の繊維
成形体成形装置および同一の高圧鋳造法などの鋳造型を
用いて、異なる形状の繊維強化金属を得ることができ
る。これは高価な鋳造型を節約できるので、特に少量多
形状の繊維強化金属を高圧鋳造法などにより安価に製造
するのに適している。また貫通孔（９）を大きくするこ
とにより、繊維成形体（10）は第２図のように貫通孔
（９）へ入りこみ、繊維成形体（10）と金属容器（８）
の接合をピン止め効果により強固にすることが可能であ
る。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、繊維成形体を金属容器
と一体化させたので、高圧鋳造法などの際、繊維成形体
が変形あるいは破壊されることを防止する効果がある。
また金属容器には開口部と１個以上の貫通孔を設けたの
で、溶融マトリックス金属の開口部からの流入、および
繊維成形体内のガスの貫通孔からの流出が起こり、これ
により溶融マトリックス金属の含浸不良が生じにくく、
健全な繊維強化金属を得ることができる。この場合繊維
は金属容器の内壁に密着し、貫通孔にも充填されている
ため、溶融マトリックス金属が金属容器と繊維成形体の
間隙を通って含浸不良となるのを防止するとともに、溶
融マトリックスが貫通孔を塞いでガスの流出を妨げるの
を防止することができる。さらに金属容器は繊維成形体
の温度低下を防ぎ、繊維成形体の予備加熱を確実にし、
健全な繊維強化金属の製造に寄与する。また金属容器に
は開口部と１個以上の貫通孔を設けたので、従来と同様
の抄紙法による繊維成形体成形装置によって、直接金属
容器のキャビティに繊維成形体を一体化成形することが
でき、金属容器へ繊維成形体を挿入する工数を削減する
ことができる。そして繊維成形体をマットより切り出し
容器へ詰める工程と比べると、高価な繊維の無駄を省く
ことができる。このため、特に少量多形状の繊維強化金
属を高圧鋳造法などで製造するにあたり、生産性および
歩留の高い繊維強化金属製造用プリフォームが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図は製
造された繊維強化金属製造用プリフォームの一部の断面
図、第３図はこの発明の他の実施例を示す断面図、第４
図は従来例を示す断面図である。 各図中、同一符号は同一または相当部分を示し、（１）
は成形容器、（２）はフィルター、（３）は連通孔、
（４）は減圧室、（５）は吸引口、（６）は繊維分散液
体、（８）は金属容器、（９）は貫通孔、（10）は繊維
成形体である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 光弘 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三 菱電機株式会社材料研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−177336（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属容器と繊維成形体とからなり、 前記金属容器は繊維成形体の外形に対応する形状のキャ
   ビティおよび開口部を有するとともに、底部または側面
   に１個以上の貫通孔を有し、 前記繊維成形体は短繊維が金属容器の内壁に密着すると
   ともに、前記貫通孔に充填されるように、抄紙法により
   キャビティに直接成形一体化されたものである ことを特徴とする繊維強化金属製造用プリフォーム。
2. 【請求項２】短繊維が炭素、シリコンカーバイド、シリ
   コンナイトライト、アルミナ、チタン酸カリウムおよび
   金属から選ばれる１種または２種以上のものからなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の繊維強化金
   属製造用プリフォーム。
3. 【請求項３】短繊維がウィスカーまたは長繊維をチョッ
   プした繊維であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の繊維強化金属製造用プリフォー
   ム。
4. 【請求項４】繊維成形体がバインダーを混入したもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３
   項のいずれかに記載の繊維強化金属製造用プリフォー
   ム。
5. 【請求項５】連通孔により連通した成形室と減圧室を有
   する成形容器の成形室内に、繊維成形体の外形に対応す
   る形状のキャビティおよび開口部を有するとともに、底
   部または側面に１個以上の貫通孔を有する金属容器を、 前記連通孔と貫通孔間にフィルターが介在するように設
   置する工程と、 前記金属容器のキャビティに繊維分散液体を注入する工
   程と、 前記繊維分散液体を貫通孔、フィルターおよび連通孔を
   通して減圧室側に吸引し、繊維を金属容器の内壁に密着
   させるとともに、貫通孔に充填して、キャビティ内に繊
   維成形体を一体成形する工程と を含むことを特徴とする繊維強化金属製造用プリフォー
   ムの製造方法。