JPH105978A - 軽合金複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無加圧浸透法による高強度複合材を製造する
に際して、プリフォームへの溶湯浸透時間を大幅に短縮
することができ、もって生産効率を向上させる。 【解決手段】 セラミックス材によりプリフォームを形
成し、このプリフォームを回転可能に支持しておき、前
記プリフォームの回転中心部に注湯筒を剥離材を介して
接続する。注湯筒との接続部を除くプリフォーム外周面
に金属遮蔽材の被膜層を形成し、当該プリフォームを回
転して注湯筒から軽金属溶湯を充填させ、プリフォーム
内に金属マトリックスを遠心力を利用して浸透促進して
形成する。また、プリフォームを回転枠内の回転円周上
に複数配置し、回転中心に鋳込み部を配置して、当該鋳
込み部から前記プリフォームに至るゲート部に高温焼失
材を形成し、前記プリフォームおよび高温焼失材の周囲
を囲むように回転枠内部にバックアップ材を充填して押
し固め、これらを高温雰囲気中において前記高温焼失材
を焼失させた後、前記回転枠を回転させて鋳込み部から
軽金属溶湯を充填させるようにしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は軽合金複合材の製造
方法に係り、特にアルミニウム等の軽合金を主体として
セラミックス強化材を複合させた軽合金複合材を短時間
で製造することができるようにした製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に各種機械部品には所望の剛性が要
求されると同時に、軽量化も要求されることが多い。こ
のような要求から例えば車両用のブレーキ部品としてア
ルミニウム若しくはその合金が用いられるようになって
いる。また、最近では軽合金にセラミックスからなる強
化材を複合した部品も見られ、特に耐摩耗性や耐熱性に
有効であることから有望視されている。

【０００３】このような軽合金複合材を製造するため
に、従来から各種方法が提案されている。主な製造方法
として３種提案されており、第１はプリフォームを作成
しておき、これを高圧下で軽合金溶湯を含浸させる方法
であり、第２は溶湯の中に強化材を添加して鋳造する方
法、第３はプリフォームに無加圧で溶湯を浸透させる方
法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第１の方法は
高圧力のためにプリフォームに変形を生じやすく、強化
材の体積含有率を高くすることが困難であるという問題
がある。第２の方法は強化材の体積含有率を３０％程度
以上に高くすると湯流れ性が極端に悪化し、鋳造が困難
となるため、高強度複合材を製造することが困難であ
る。第３の無加圧浸透法は、強化材の体積含有率には基
本的制限がなく、したがって高強度の複合材を製造する
ことができるが、プリフォームに溶湯が浸透するまでに
数時間を要して生産効率が悪いという問題がある。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点に着目し、特
に無加圧浸透法による高強度複合材を製造するに際し
て、プリフォームへの溶湯浸透時間を大幅に短縮するこ
とができ、もって生産効率を向上させることができるよ
うにした軽合金複合材の製造方法を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る軽合金複合材の製造方法は、第１にセ
ラミックス材によりプリフォームを形成し、プリフォー
ムの回転中心部に注湯筒を剥離材を介して接続するとと
もに、注湯筒との接続部を除くプリフォーム外周面に金
属遮蔽材の被膜層を形成し、当該プリフォームを回転さ
せて前記注湯筒から軽金属溶湯を充填させ、プリフォー
ム内に金属マトリックスを浸透形成することを特徴とす
るものである。

【０００７】また、第２に係る軽合金複合材の製造方法
は、セラミックス材によりプリフォームを形成し、この
プリフォームを回転枠内の回転円周上に複数配置し、回
転中心に鋳込み部を配置して、当該鋳込み部から前記プ
リフォームに至るゲート部に高温焼失材を形成し、前記
プリフォームおよび高温焼失材の周囲を囲むように回転
枠内部にバックアップ材を充填して押し固め、これらを
高温雰囲気中において前記高温焼失材を焼失させた後、
前記回転枠を回転させて鋳込み部から軽金属溶湯を充填
させ、プリフォーム内に金属マトリックスを浸透形成す
ることを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】上記第１の構成によれば、セラミックスプリフ
ォームを直接回転可能に支持しておき、プリフォームを
回転させつつプリフォームの回転中心部に立てた注湯筒
から溶湯が供給される。溶湯は回転遠心力によりプリフ
ォームとの接続面から溶浸され、プリフォーム前端に迅
速に含浸される。プリフォームは注湯筒の接続部以外は
金属遮蔽材により覆われており、一方注湯筒の立設接続
面は剥離材層が形成されているので、溶湯は剥離材を通
じてプリフォーム内に溶浸され、プリフォーム外周面を
区画している金属遮蔽材に達する全体に含浸されること
になる。これにより製品形状が複雑な場合でも金属マト
リックスは短時間で全体に均一に行き渡り、製造時間を
大幅に短縮することができる。

【０００９】また、第２の構成によれば、回転枠内の回
転円周上に複数配置されたプリフォームの外周囲をバッ
クアップ材で保持しつつ、回転中心部に開口され前記プ
リフォームに至る注湯路を通じて溶湯を供給し、回転枠
を回転駆動しつつ遠心力により溶浸させることができ
る。これにより多数個取りが可能となるとともに、プリ
フォームの遠心力による割れ防止を図りつつ、金属マト
リックスの形成時間すなわち溶浸完了までの製造時間を
大幅に短縮することができる。これは特に薄肉製品の製
造に好適なものとなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る軽合金複合
材の製造方法の具体的実施の形態を図面を参照して詳細
に説明する。

【００１１】本発明は種々の製品に応用可能であるが、
第１の実施形態としてディスクブレーキのロータを製造
する場合について図１を参照して説明する。アルミニウ
ム複合材ロータ（以下、アルミロータという）１０は、
自動車の足廻りに組み込まれてディスクブレーキ装置を
構成しており、図１（１）に示しているように、摺動摩
擦板部１２を有し、また車輪への取り付け部となるハッ
ト部１４が設けられている。摺動摩擦板部１２はブレー
キパッドにより頻繁に挟圧されるため、耐摩耗性、耐熱
性が要求される。このような観点から、ブレーキロータ
の実寸に相当するプリフォーム１６をセラミックス材料
により形成しておき、これにアルミ合金を含浸させた金
属基マトリックス複合体（Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ：ＭＭＣ）により製造する。

【００１２】プリフォーム１６はロータに対応する金型
を準備しておき、これにバインダ等を添加したセラミッ
クスをブローイングマシンで金型に吹き込むことにより
ロータ実寸でプリフォーム１６を成形する。このプリフ
ォーム１６におけるセラミックスの体積含有量は１０〜
６０％となるようにすればよい。セラミックスとして
は、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃等のセラミックスの粒子、ウィス
カ、短繊維からなり、バインダで固めてプリフォームと
して成形する。プリフォームの空隙への金属含浸に際し
て、金属表面張力が含浸侵害の要因となるため、ヨーク
部フォームを窒化マグネシウムでコーティングして金属
溶湯の表面張力緩和をなすようにすることが望ましい。
このため、プリフォームの素材中にマグネシウム金属を
１重量％程度混合し、金属基としてのアルミニウム溶融
金属含浸に際して窒素雰囲気中で作業を行わせるように
すればよい。もちろん、プリフォームのセラミックス粒
子や繊維等の表面に窒化マグネシウムをＣＶＤコーティ
ングする等の手法を採用することもできる。

【００１３】このようにして作製されたプリフォーム１
６へのアルミニウム溶湯の含浸のために、プリフォーム
１６を回転させ、遠心力により短時間で溶浸させるよう
にしている。このため、回転駆動装置１８が設けられて
おり、垂直回転軸２０の上端部に固定した回転台２２を
有し、この回転台２２をモータ２４により回転駆動可能
としている。前記プリフォーム１６を回転台２２の上面
部に載置固定するようにしており、特にハット部１４の
突出外面を載置し、ハット部開口が上方に向けられるよ
うにしている。このとき、ハット部１４の中心すなわち
ロータ中心部を回転駆動装置１８の回転中心に一致させ
ている。

【００１４】このように設置されるプリフォーム１６の
ハット部開口には、回転中心にハット部内面に接合され
る注湯筒２６が設けられている。この注湯筒２６はロー
タの金属基を構成するアルミニウム溶湯の鋳込み部を形
成するものであり、ハット部内径より充分小径に形成さ
れた筒であり、ハット部開口面より上方に立ち上げられ
ている。そして、注湯筒２６のプリフォーム１６への接
合面がゲート部を構成するようにしており、このため、
接合面には金型剥離材の塗布層２８を形成させている。
この剥離材からなるゲート部以外のプリフォーム１６の
外周面を金属遮蔽材３０で被って、いわゆる型を形成
し、内部にアルミニウム金属あるいはその合金を充填さ
せた場合にこの遮蔽材３０を到達最終障壁面となるよう
にしている。

【００１５】このような製造手段を用いてアルミロータ
１０を製造する方法を図２の製造工程フローチャートを
参照して具体的手順にしたがって説明する。

【００１６】（Ａ）プリフォーム成形工程（ステップ１
００） ロータ形状に相当するプリフォーム１６はセラミックス
材料を用いて作成される。セラミックス材料としてはア
ルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の周知の材
料を１種若しくは２種以上用いればよい。このセラミッ
クス材料は繊維、ウィスカ、粒子等のいずれの形態でも
よいが、成形性の観点からは粒子を用いることが望まし
い。したがって、例えばアルミナ粉末を用い、これにバ
インダを混合して混合機にて混合分散させ、これを成形
機にてロータ形状となるように実寸でフォーム成形す
る。

【００１７】バインダとしてはケイ酸ソーダ、リン酸ア
ルミ、コロイダルシリカ等を用いればよい。このとき、
セラミックス材料の粒子径を適宜選定することにより、
任意に空孔率を調整することができ、セラミック材料の
体積含有率を調整することができる。この体積含有率が
大きければ剛性や耐熱性は増すが、加工性も確保する必
要があるため靱性も必要である。このため、プリフォー
ム１６は体積含有率が１０〜６０％が有効である。

【００１８】フォーム成形に際しては、ロータ形状に相
当するキャビティが形成された型にバインダを分散させ
たセラミック材料をブローイングマシンにより金型に吹
き込むことにより充填して押し固める。そしてこれを型
に入れた状態で徐々に１００〜４００℃まで加熱し、プ
リフォーム１６として作成する。この加熱温度はバイン
ダが焼失する温度でよく、一般的には１５０℃程度が望
ましい。すなわち、セラミックス材料とバインダとの混
合体が粉末状態で結合接着される程度の温度まで加熱し
て成形し、フォーム形状を実寸に保持させるのである。
このとき、後工程での溶融アルミニウムがプリフォーム
の素材表面への濡れ性を改善するために、フォーム成形
前にセラミックス材料中にマグネシウム金属を０．５〜
１．０重量％程度混合させる。

【００１９】（Ｂ）金属遮蔽材の塗布工程（ステップ１
１０） 注湯筒２６の立設箇所を除き、プリフォーム１６の外周
部に金属遮蔽材３０を塗布してコーティング層を形成す
る。この金属遮蔽材３０は後工程のアルミニウム充填・
含浸に際して、溶融アルミニウムに対する不透過性と通
気性とが確保されればよく、微細な鱗片状黒鉛をスラリ
ー化剤を用いてスラリー状もしくはペースト状として外
表面に塗布し、これを乾燥して遮蔽被膜を形成すればよ
い。そして、同時にプリフォーム１６のハット部内面の
回転中心部に相当する箇所に剥離層２８を塗布してお
く。

【００２０】（Ｃ）注湯筒の接続工程（ステップ１２
０） プリフォーム１６のハット部内面に注湯筒２６を立設す
る。この注湯筒２６は鋳込み部としてプリフォーム１６
に接続されるが、接続部は金型剥離材の塗布層２８とす
るものである。そして、この注湯筒２６の内容積はプリ
フォーム１６への含浸量より多くなるように設定し、溶
浸不足となることがないようにしている。

【００２１】（Ｄ）乾燥工程（ステップ１３０） プリフォーム１６を炉にて昇温し、プリフォーム１６内
のバインダを焼失させる。これは上記金属遮蔽材を塗布
後、常温下にあるプリフォーム１６を乾燥炉に投入し、
当該乾燥炉にて徐々に昇温させることにより行われる
が、およそ１５０℃にて焼失させることができる。た
だ、後段の含浸工程での温度に急激に昇温させることに
よってプリフォーム１６にクラックが入ることを防止す
べく、この乾燥炉では４００℃まで徐々に加熱するよう
にしている。すなわち、この乾燥炉の移動中にセラミッ
クスフォーム内バインダを焼失させるようにしている。
形成されたプリフォーム１６はロータと同等寸法とさ
れ、フォーム内部にはセラミックスの含有率に対応する
空隙が形成され、金属マトリックス充填空間となる。

【００２２】（Ｅ）金属含浸工程（ステップ１４０） その後、このプリフォーム１６を回転台２２に載置固定
し、これを窒素ガス雰囲気で満たされているとともに、
基材金属としてのアルミニウム溶融温度である約７５０
〜８５０℃に昇温されている含浸炉に投入するが、セラ
ミックスフォームでの熱衝撃によるクラックの発生を防
止するために、最初に予熱炉を通すようにしている。し
たがって、予熱炉では先の乾燥炉にて４００℃程度まで
昇温させているので、４００℃から徐々に加熱するよう
にしている。その間に窒素雰囲気中に晒される。予熱炉
を経て含浸炉内に導入されたプリフォーム１６には、窒
素ガスが金属遮蔽材３０を通気してプリフォーム１６内
に侵入し、フォーム内マグネシウム金属と化学結合して
窒化マグネシウムが生成され、これがセラミックス材料
に対するアルミ合金の濡れ性を改善する。

【００２３】予熱炉から含浸炉に移行する段階で、プリ
フォーム１６に接続された注湯筒２６に対しアルミ合金
溶湯を充填しつつ、回転台２２を回転駆動する。これに
よりアルミ合金溶湯は遠心力作用によりプリフォーム１
６内空隙に侵入し、いわゆるマトリックス金属を形成す
る。プリフォーム１６は常に回転状態にあるので、内部
空隙へアルミ合金が迅速に含浸し、外表面の金属遮蔽材
との境界面に達して含浸が完了する。

【００２４】（Ｆ）冷却仕上げ工程（ステップ１５０） 含浸炉から排出される成形品は次いで金属基材が固化す
るまで冷却処理するため冷却装置に供給される。ここで
金属は常温まで冷却され、ロータはプリフォーム１６を
内在した状態の金属基セラミックス組織となる。セラミ
ックス間空隙に侵入した金属はいわゆる網目状金属配置
のマトリックス金属基の構造をなしている。冷却によっ
て注湯筒内に残留している固化金属はプリフォーム１６
との界面部に剥離層２８が塗布されているため、アルミ
の熱収縮と相俟って簡単に分離できる。

【００２５】このような製造方法によれば、セラミック
スプリフォームに無加圧で軽合金溶湯を溶浸させるに際
して、プリフォームを回転支持し、回転中心に剥離材を
介して接続された注湯筒から遠心力で溶浸させるため、
溶浸時間が大幅に短縮でき、これによりプリフォームへ
の溶湯重量による遠心荷重負荷によるフォーム破壊を防
止しつつ、生産時間の短縮によるコスト低減を実現する
ことができる。

【００２６】次に、軽合金複合材の多数個取りを本発明
により実現する方法を説明する。図３〜４はその説明図
である。

【００２７】（Ａ）プリフォーム成形工程 同一形状の部品に相当するプリフォーム４４はロータプ
リフォームと同様にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化珪素
（ＳｉＣ）等の周知の材料を１種若しくは２種以上のセ
ラミックス材料を用いて作成される。例えば、アルミナ
粉末を用い、これにケイ酸ソーダ、リン酸アルミ、コロ
イダルシリカ等のバインダを混合して分散させ、これを
製造部品形状となるように実寸で複数（実施例では４
個）のフォーム成形する。このとき、後工程での供給さ
れる溶融アルミニウムがセラミックスフォームの内部に
含浸することができるように、すなわちセラミックスへ
の金属濡れ性を改善するために、フォーム成形前にセラ
ミックス材料中にマグネシウム金属を０．５〜１．０重
量％程度混合させる。

【００２８】（Ｂ）鋳込み部およびゲート部フォーム形
成工程 複数作製されたプリフォームを同一円周上に位置するよ
うに配置し、配置円の中心部に鋳込み部が、またこの鋳
込み部から放射状に伸びて各プリフォームに接続される
ゲート部を発泡スチロールやワックス等の高温で揮発す
る材料で成形する。これは図３（１）に示すように、鋳
込み部発泡スチロール４６と、この下部にて放射上に伸
びる４本のゲート部発泡スチロール４８とを一体に形成
する。ゲート部発泡スチロール４８の先端部に製品プリ
フォーム４４とゲート部発泡スチロール４８をバインダ
で接合した後、外周部に浸透を止める金属遮蔽材５０の
コーティング材を塗布する。この金属遮蔽材５０は後工
程のアルミニウム充填・含浸に際して、溶融アルミニウ
ムに対する不透過性があるが通気性を確保すればよく、
微細な鱗片状黒鉛をスラリー化剤を用いてスラリー状も
しくはペースト状として外表面に塗布し、これを乾燥し
て遮蔽被膜型を形成すればよい。

【００２９】（Ｄ）回転枠への据付け工程 回転台２２に設置される回転枠５２の内部にてプリフォ
ームおよび高温焼失材からなる一体物を配置し、その周
囲をバックアップ材５４により保持する。バックアップ
材５４は通気性を考慮し、ケイ砂等１０００℃前後の温
度でも耐えられる材料を使用する。その粒径は０．５〜
３ｍｍ程度が良好である。

【００３０】（Ｅ）乾燥工程 次に、内部にセットされた回転枠５２を常温から４００
℃まで徐々に上昇させて、プリフォームを乾燥、すなわ
ち水分を除去するとともに、ゲート部及び鋳込み部を揮
発させる。すなわち、プリフォームと高温焼失材を組合
わせたフォームを炉にて昇温し、バインダを焼失させ
る。これは上記金属遮蔽材を塗布後、常温下にあるキャ
リパボディフォームを乾燥炉に投入し、当該乾燥炉にて
徐々に４００℃まで加熱し、これによってプリフォーム
内バインダを焼失させるようにしている。これによっ
て、図３（２）に示すように、鋳込み部５６とゲート部
５８が開口通路となり、バックアップ材５４の内部に配
置されたプリフォーム４４内部にはセラミックスの含有
率に対応する空隙が形成され、金属マトリックス充填空
間となる。

【００３１】（Ｅ）金属含浸工程 その後、図４（２）に示すように、このセラミックスプ
リフォームを内蔵した回転枠５２を回転台２２に載置固
定し、これを窒素ガス雰囲気で満たされているととも
に、基材金属としてのアルミニウム溶融温度である約７
００〜８００℃に昇温されている含浸炉に投入するが、
プリフォームでの熱衝撃によるクラックの発生を防止す
るために、最初に予熱炉を通すようにしている。したが
って、予熱炉では先の乾燥炉にて４００℃程度まで昇温
させているので、４００℃から徐々に加熱するようにし
ている。その間に窒素雰囲気中に晒される。

【００３２】予熱炉から含浸炉に移行する段階で、プリ
フォームに接続された鋳込み部５６に対しアルミ合金溶
湯を充填しつつ、回転台２２を回転駆動する。ここでの
加熱温度は鋳造合金によって異なるが、ＪＩＳ合金ＡＣ
４Ｃを鋳込む場合、鋳造温度は７００〜７３０℃であ
る。この時、回転枠２２の加熱温度は７５０〜７８０℃
が適当である。つまり回転枠の加熱温度は合金の鋳造温
度より２０℃〜８０℃高いことが好ましい。これにより
アルミ合金溶湯は遠心力作用によりフォーム内空隙に侵
入し、いわゆるマトリックス金属を形成する。プリフォ
ームは常に回転状態にあるので、内部空隙へアルミ合金
が迅速に含浸し、外表面の金属遮蔽材との境界面に達し
て含浸が完了する。回転鋳造する際、回転枠５２を最初
は５０ＲＰＭ程度で回転させ、徐々に回転数を上昇させ
る。最終回転数は製品の形状により異なるが、製品肉厚
３０ｍｍ、重量１ｋｇ程度の物で４個取りとした場合、
２５０ＲＰＭが適当であった。

【００３３】（Ｆ）冷却仕上げ工程 含浸炉から排出される成形品は次いで金属基材が固化す
るまで冷却処理するため冷却装置に供給される。ここで
金属は常温まで冷却され、製造された部品はプリフォー
ムを内在した状態の金属基セラミックス組織となる。セ
ラミックス間空隙に侵入した金属はいわゆる網目状金属
配置のマトリックス金属基である。

【００３４】このように、鋳造後遠心力を与えることに
より、浸透時間が短縮され、経済的にも有効であり、コ
ストダウンが図れる。なお、鋳造合金はアルミミウム、
マグネシウム、銅、チタン等の金属を対象とすることが
できる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る軽合
金複合材の製造方法によれば、セラミックスプリフォー
ムに軽金属を溶浸させてＭＭＣ製品を製造するに際し
て、直接プリフォームを回転させ、あるいはバックアッ
プ材を用いた回転枠に複数配置して回転させつつ、溶湯
を遠心溶浸させるようにしているため、浸透時間が大幅
に短縮され、製造コストの大幅低減を可能にできる効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ブレーキロータの斜視図と含浸工程を示す断面
図である。

【図２】製造工程のフローチャートである。

【図３】第２の実施形態における鋳込み部・ゲート部と
製品プリフォームの関係を示す斜視図、および回転枠へ
の装着状態の断面図である。

【図４】第２の実施形態の含浸工程を示す平面図と断面
図である。

【符号の説明】

１０ ロータ １２ 摺動摩擦板部 １４ ハット部 １６ プリフォーム １８ 回転駆動装置 ２０ 垂直回転軸 ２２ 回転台 ２４ モータ ２６ 注湯筒 ２８ 剥離材塗布層 ３０ 金属遮蔽材 ４４ 製品プリフォーム ４６ 鋳込み部発泡スチロール ４８ ゲート部発泡スチロール ５０ 金属遮蔽材 ５２ 回転枠 ５４ バックアップ材 ５６ 鋳込み部 ５８ ゲート部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス材によりプリフォームを形
   成し、プリフォームの回転中心部に注湯筒を剥離材を介
   して接続するとともに、注湯筒との接続部を除くプリフ
   ォーム外周面に金属遮蔽材の被膜層を形成し、当該プリ
   フォームを回転させて前記注湯筒から軽金属溶湯を充填
   させ、プリフォーム内に金属マトリックスを浸透形成す
   ることを特徴とする軽合金複合材の製造方法。
2. 【請求項２】 セラミックス材によりプリフォームを形
   成し、このプリフォームを回転枠内の回転円周上に複数
   配置し、回転中心に鋳込み部を配置して、当該鋳込み部
   から前記プリフォームに至るゲート部に高温焼失材を形
   成し、前記プリフォームおよび高温焼失材の周囲を囲む
   ように回転枠内部にバックアップ材を充填して押し固
   め、これらを高温雰囲気中において前記高温焼失材を焼
   失させた後、前記回転枠を回転させて鋳込み部から軽金
   属溶湯を充填させ、プリフォーム内に金属マトリックス
   を浸透形成することを特徴とする軽合金複合材の製造方
   法。