JPH0734986B2 - 軽合金製のマトリックスと繊維質のインサートとからなる複合製品の成形装置 - Google Patents

軽合金製のマトリックスと繊維質のインサートとからなる複合製品の成形装置

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JPH0734986B2
JPH0734986B2 JP63139788A JP13978888A JPH0734986B2 JP H0734986 B2 JPH0734986 B2 JP H0734986B2 JP 63139788 A JP63139788 A JP 63139788A JP 13978888 A JP13978888 A JP 13978888A JP H0734986 B2 JPH0734986 B2 JP H0734986B2
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/08—Controlling, supervising, e.g. for safety reasons

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、軽合金製のマトリックスと繊維質のインサー
トとからなる複合製品の成形装置に係る。
アルミニウム又はマグネシウムのごとき軽金属ベースの
合金は、例えば陸路及び空路の輪送手段に配備される製
品を製造するために使用されるとこれらの輸送手段の駆
動に要するエネルギ消費量が少ないので、この用途での
これらの合金の需要が次第に増加している。しかしなが
らこれらの合金は以下のごときいくつかの欠点をもつ。
耐高温性がよくない。
耐疲労性がよくない。
耐摩耗性がよくない。
弾性率が低い。
従って、金属マトリックスを含む複合製品を製造するた
めの合金をセラミック繊維又は粒子で強化することによ
ってこれらの製品の特性を顕著に改良することが当業者
の目標になってきた。このような製品はいくつかの方法
で得ることができ、特に、液相中の形成を用いる３種類
の方法、即ち 成形−鍛造又はスクィーズ鋳造、 圧縮鋳造（コンポキャスティング）、及び、 ガス圧下の浸透 がある。
上述の第一の方法ではすぐれた特性をもつ高度に強化さ
れた製品が得られるが、製品の形状及び寸法が限定され
ている。第二の方法は製品内部の材料全体に分散した粒
子又は単繊維によって強化された複合材料が得られるよ
うに設計されている。第三の方法は形状が複雑で寸法が
大きく局部的に強化された製品を製造できる唯一の方法
であるが、使用可能な圧力に限界がある。
従来の砂型を用いガス浸透原理を使用することによって
長繊維で強化された複合製品の製造を開発するに当って
次の２つの技術的課題を解決する必要がある。
第一の課題は、鋳造中に溶融金属が作用させる推進力の
影響によって鋳型内部でインサートが移動することを阻
止する必要がある。このために、製品の内部空洞を形成
するために設計された従来の中子同様に鋳型キャビティ
の壁に複数箇所で固定された剛性プレーフォームを使用
する。
第二の課題は、溶融金属が繊維のタフトに浸透するよう
に溶融金属に作用させる圧力を調節する必要がある。繊
維の直径が小さいほど、また強化率が高いほど、また金
属と繊維との間の界面張力が高いほど、高い圧力を作用
させる必要が生じる。望ましい解決方法では、射出成形
圧力を増加することによって製品を低圧下で鋳造する。
しかしながらこれらの解決方法にも２つの重大な欠点が
ある。
第一に、金属はプレフォーム内部に浸透する前にまずプ
レフォームを完全に包囲する。このためプレフォームの
内部に空気が閉じ込められるので、閉じ込められた空気
の圧力が溶融金属に作用する圧力と等しい値になると金
属の浸透が停止する。従って繊維の完全な含浸が達成さ
れない。
第二に、鋳型と中子とが砂から製造され多孔性であるた
め、鋳型と中子とがある種の皮膜の存在でも金属を含浸
するおそれがあり、その結果、得られる製品の表面状態
が悪くなる。従って余りに高い圧力を使用することはで
きない。
本発明の目的は、軽合金とインサートとが良好に結合し
ており良好な強度を有する複合製品を成形し得る成形装
置を提供することにある。
本発明によれば、前述の目的は、密閉可能な室と、溶融
軽合金を収容すると共に当該収容された溶融軽合金を電
気的に加熱すべく前述の室内に設けられた炉と、前述の
密閉可能な室内に設けられていると共に炉の上方に配置
された密封チャンバと、内部に空洞を有しており、密封
チャンバ内に設けられた砂型と、一端が空洞と連通する
ように砂型に取り付けられており、他端が前述の収容さ
れた軽合金中に浸漬された管と、繊維質のインサートを
支持すべく、空洞内に設けられ、前述のインサートの全
表面が、前述の砂型の壁から離間するように前述インサ
ートを前述の空洞内に維持すべく構成された支持手段
と、前述の室の内部の第１の圧力を増減すべく、前述の
室に連結された第１の圧力増減手段と、密封チャンバの
内部の第２の圧力を増減すべく、密封チャンバに連結さ
れた第２の圧力増減手段と、第１の圧力増減手段と第２
の圧力増減手段を制御して差圧△Ｐを調整する制御手段
とを備える、軽合金製のマトリックスと繊維質のインサ
ートとからなる複合製品の成形装置により達成される。
本発明の成形装置は、インサートの全表面が砂型の壁か
ら離間するようにインサートを砂型の空洞内に維持すべ
く構成された支持手段を有するが故に、溶融軽合金が砂
型の空洞内に導入された際に、繊維質のインサートが導
入された溶融軽合金によって完全に包囲され、空洞内に
残留していた気体が繊維質のインサート内に侵入して溶
融軽合金の浸透を妨害するのを未然に防止し、インサー
ト内に侵入する溶融軽合金とインサートとの良好な結合
性が確保され、良好な強度を有する複合製品を製造し得
る。
本発明の装置においては、砂型内の空洞の壁から離間し
た繊維質のインサート（プレフォーム）が収容し、炉に
収容された溶融金属浴に浸漬した管から金属が供給され
る砂型が設けられる。本発明の装置は、砂型の内部及び
金属浴の上方を減圧し、次に、金属浴上方の圧力が砂型
に対して正の差圧△Ｐをもち金属が砂型内に押し出され
るように金属浴上方の圧力を上昇させ、次に、砂型内部
の圧力と金属浴上方の圧力との双方を同時に大気圧より
高圧に上昇させ製品が凝固するまで同一差圧△Ｐを維持
するように構成される。
従って本発明装置の操作に当って、まず、砂型内部の圧
力及び金属浴上方の圧力を大気圧より低い値に低下させ
る。砂が透過性であるから空洞の内部及び勿論ガス透過
性のインサート（プレフォーム）の内部でこの結果を得
るためには、砂型の外部を減圧すればよい。残留圧力を
３×103Pa以下にするのが好ましい。
次に、例えば炉に空気を導入することによって金属浴上
方の残留圧力を上昇させる。その結果、金属浴の上方の
圧力は砂型に対して正の差圧△Ｐを生じ、金属は管内を
上昇して砂型の空洞に侵入する。インサート（プレフォ
ーム）は空洞の壁と全く接触していないので溶融金属に
よって完全に包囲され、この包囲した金属が気体の通過
を完全に遮断する。
△Ｐの値は５×103Pa〜1.5×105Paの範囲であるのが好
ましい。次に差圧△Ｐを維持しつつ金属浴上方の圧力と
砂型周囲の圧力とを同時に上昇させる。好ましくは大気
圧の３〜20倍になるまで圧力を上昇させる。これらの条
件下にガスは砂型の透過性壁を通過し、溶融金属が砂型
に作用させる浸透圧力は△Ｐの値を維持する。また、イ
ンサート（プレフォーム）の内部は常に減圧下に維持さ
れ、外部と連通していないので、インサート（プレフォ
ーム）への浸透圧力は△Ｐよりはるかに高い値Ｐを維持
する。従って所望の結果、即ち、 溶融金属がインサート（プレフォーム）の中心部に浸透
し、従ってインサートとマトリックスとの結合性がよく
なる。
砂型への浸透圧力が低いので砂型と中子とに対する溶融
金属の浸透が阻止され従って製品の表面状態が改良され
る。
製品が均等（isostatique）圧力下で凝固するのでより
均質な構造が得られる。
本発明の装置は、シリカ、アルミナ、ジルコン、オリビ
ン等のごとき常用の材料から成り分割状態の該材料が例
えば有機樹脂又はケイ酸ナトリウム、コロイドシリカ、
ケイ酸エチルもしくはリン酸エチルのごとき無機結合剤
を介して互いに結合されて形成された砂型を含む。
黒鉛、炭化ケイ素、アルミナ等の種類の好ましくは長繊
維状のセラミック繊維材料を砂型の空洞に配置し、製品
を強化すべく適当な形状を与える。このインサート（プ
レフォーム）を空洞の内部に配置し、任意の適当な手段
によって砂型の壁から離間させて維持する。このように
すると、製品の鋳造中に砂型の壁が金属で完全に被覆さ
れ、砂型に対する不透過性が維持され得る。これは本発
明装置を構成するに当っての必須の条件である。
例えば真空ポンプ又は圧縮機とに接続されたパイプを備
えた密封チャンバに前述の砂型を収容する。密封チャン
バから管が延びており、当該管は砂型に固定的に接続さ
れている。この管は空洞と成形すべき金属浴とを接続し
て、空洞に金属を供給する。砂型が、金属を導入する前
の予備加熱を行なうように設計された加熱手段を備えて
もよい。これにより製品の凝固を減速させる。従ってイ
ンサート（プレフォーム）の含浸と薄壁の形成とが容易
に行なわれる。
本発明装置はまた、砂型の下方に配置され成形すべき金
属を収容した電気加熱炉を含む。この炉もまた砂型用の
密封チャンバと同様のチャンバに配置され得る。しかし
ながら、チャンバに密封された砂型と共に電気加熱炉を
そのままで密閉可能な室に配置してもよい。
密閉可能な室から２つのパイプが突出する。これらのパ
イプは調整弁を介して加圧又は減圧を与える手段と連通
する。第１パイプは砂型を収容する密封チャンバと連通
し、第２パイプは炉の雰囲気と連通する。これらの２つ
のパイプは差動マノメータを介して互いに接続されてい
る。
作動中、インサート（プレフォーム）を空洞に配置し、
砂型を閉鎖し、炉を加熱し、炉に金属を充填した後に、
密閉可能な室を蓋で閉鎖し、２つのパイプを減圧手段と
連通させる。差動マノメータは０に維持される。ここで
密閉可能な室のパイプを減圧手段から分離し、差動マノ
メータが△Ｐに等しい圧力を示すまで雰囲気と連通させ
る。この時間中、金属は炉から砂型に押し出される。雰
囲気との連通を遮断し密封チャンバのパイプを減圧手段
から分離する。２つのパイプは加圧手段と連通し調整弁
によって差動マノメータの値を△Ｐに維持する。
砂型内の製品が凝固すると、２つのパイプを加圧手段か
ら分離し外気と連通させる。密閉可能な室と砂型とを順
次開いて製品を取り出す。
金属を介してインサート（プレフォーム）と砂型との間
の不透過性を確保する特定の手段は、空洞に受座を設け
ることによって得られる。当該受座の表面は並列配置さ
れ空洞の内部に延びた金属シートを備える。インサート
（プレフォーム）の末端は前述の受座と接触する。従っ
て金属が砂型に充填されると、充填された金属は金属シ
ートを互いに封止して受座が気密性になる。インサート
（プレフォーム）は、加圧下ではガスの侵入を許容する
砂型の壁と全く接触していない。
本発明を添付図面に基づいて以下に説明する。
より詳細に説明すると、第１図は空洞に作用する絶対圧
力Paを実線グラフＡで示し、４つの処理段階、即ち、I.
炉と砂型の減圧、II.砂型内部への金属の吸引、III.イ
ンサートへの金属の浸透及びIV.製品の凝固の４つの処
理段階中に金属浴の上方に作用する絶対圧力Paを点線グ
ラフＢで示す。
最終段階中にグラフＢの最大値に実質的に等しい圧力イ
ンサート（プレフォーム）に作用しておりこの圧力は砂
型の壁に作用する△Ｐに等しい圧力よりはるかに高い。
第２図は溶融軽合金浴３を収容する炉２を内蔵する密閉
可能な室１を示す。密封チャンバ７に閉じ込められた砂
型６の空洞５に接続された管４が溶融軽合金の浴３に浸
漬している。パイプ８が密封チャンバ７から延びパイプ
９が室１から延びる。これらのパイプ8,9は差動マノメ
ータ10を介して互いに接続され、遮断弁13,14を夫々介
して圧力増減手段としての加圧減圧手段11,12に接続さ
れ、弁15,16を夫々介して大気圧に接続されている。
空洞内部に繊維質のインサートとしてのプレフォーム17
が配置され、プレフォーム17の末端が受座に当接する。
受座は空洞内で19に沿って延びる金属シート18から形成
される。
炉３は、溶融軽合金を収容すると共に当該収容された溶
融軽合金を電気的に加熱すべく密閉可能な室１内に設け
られている。密封チャンバ７は、密閉可能な室１内に設
けられていると共に炉３の上方に配置されている。村密
封チャンバ７内に設けられた砂型６は内部に空洞５を有
し、管４の一端がこの空洞５と連通するように砂型６に
取り付けられ、管４の他端が炉３に収容された軽合金中
に浸漬される。金属シート18から形成された受座は、プ
レフォーム17を支持すべく空洞５内に設けられた支持手
段を構成する。
加圧減圧手段11は、密封チャンバ７の内部の圧力を増減
すべく、密封チャンバ７に連結され、加圧減圧手段12
は、密閉可能な室１の内部の圧力を増減すべく密閉可能
な室１に連結される。
パイプ8,9、弁15,16、遮断弁13,14、及び差動マノメー
タ10は、加圧減圧手段11,12を制御するための制御手段
を構成する。
前述の制御手段は、炉３内に収容された軽合金を空洞５
内に導入する際、炉３内に収容された軽合金上の圧力が
空洞５内の大気圧以下の圧力に対して正の差圧△Ｐを生
じさせ、室１の内部の圧力と密封チャンバ７の内部の圧
力とを同時に上昇させることにより空洞５に導入された
軽合金をプレフォーム17内に浸透させる際に前述の差圧
△Ｐが維持され、室１の内部の圧力と密封チャンバ７の
内部の圧力とを大気圧より高い圧力に保持しながら、空
洞５に導入された軽合金を凝固させる際に、前述の差圧
△Ｐが維持されるように加圧減圧手段11及び12を制御す
る。
前述の支持手段は、プレフォーム17の全表面が砂型６の
壁から離間するようにプレフォーム17を空洞５内に維持
すべく構成されている。
本発明の成形装置は、製品間の鋳肌のバラツキをなく
し、品質の均一な製品を効率良く製造し得、又、軽合金
とインサートとが良好に結合して良好な強度を有する複
合製品を製造し得る。
【図面の簡単な説明】
第１図は成形作業中の圧力対時間の変化を示すグラフ、
第２図は本発明の成形装置の鉛直断面図である。 １……密閉可能な室、２……炉、３……溶融軽合金浴、
４……管、 ５……空洞、６……砂型、７……密封チャンバ、8,9…
…パイプ 10……差動マノメータ、13,14……遮断弁、15,16……
弁、 17……プレフォーム、18……金属シート。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−84661（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−37559（ＪＰ，Ｕ) 特表 昭59−500135（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】密閉可能な室と、溶融軽合金を収容すると
    共に当該収容された溶融軽合金を電気的に加熱すべく前
    記室内に設けられた炉と、前記密閉可能な室内に設けら
    れていると共に前記炉の上方に配置された密封チャンバ
    と、内部に空洞を有しており、前記密封チャンバ内に設
    けられた砂型と、一端が前記空洞と連通するように前記
    砂型に取り付けられており、他端が前記収容された軽合
    金中に浸漬された管と、繊維質のインサートを支持すべ
    く、前記空洞内に設けられ、前記インサートの全表面
    が、前記砂型の壁から離問するように前記インサートを
    前記空洞内に維持すべく構成された支持手段と、前記室
    の内部の第１の圧力を増減すべく、前記室に連結された
    第１の圧力増減手段と、前記密封チャンバの内部の第２
    の圧力を増減すべく、前記密封チャンバに連結された第
    ２の圧力増減手段と、前記第１の圧力増減手段と前記第
    ２の圧力増減手段を制御して差圧△Ｐを調整する制御手
    段とを備える、軽合金製のマトリックスと繊維質のイン
    サートとからなる複合製品の成形装置。
  2. 【請求項２】前記制御手段が、前記第１の圧力増減手段
    と前記第２の圧力増減手段との間に連結された差動マノ
    メータを備える請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記第１の圧力増減手段及び前記第２の圧
    力増減手段のそれぞれが、前記第１の圧力と前記第２の
    圧力のそれぞれ３×103Pa以下の値にまで低下させ得る
    能力を有している請求項１又は２に記載の装置。
  4. 【請求項４】前記制御手段が、前記差圧△Ｐを５×103P
    aから1.5×105Paの範囲内に維持するように構成されて
    いる請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記第１の圧力増減手段と前記第２の圧力
    増減手段のそれぞれが、前記第１の圧力及び前記第２の
    圧力のそれぞれを大気圧の３倍から20倍の値に保持する
    ように構成されている請求項１から４のいずれか一項に
    記載の装置。
JP63139788A 1987-06-11 1988-06-07 軽合金製のマトリックスと繊維質のインサートとからなる複合製品の成形装置 Expired - Lifetime JPH0734986B2 (ja)

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FR8708749 1987-06-11

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