JPS58221244A - 複合材料の製造方法及び製造装置 - 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】 本発明は、ＩＩ、細線材、粉末材、ボイス力等の強化材
とマトリックス金属とよりなる複合材料の製造方法に係
る。

複合材料の一つとして、ボロン、炭素、アルミナ、シリ
カ、炭化ケイ素よりなり＾強度、高弾性を有する繊維を
強化材とし、アルミニウムやマグネシウムの如き金属ま
たはそれらの合金をマトリックスとする繊維強化金属材
料（ＦＲＭ）は知られており、かかる繊維強化金属材料
の製造方法は従来より種々提案されている。

これら従来の繊維強化金属材料の製造方法の一つとして
、鋳型内に繊維強化材を充填した後、該鋳型内に更に溶
融マトリックス金属を導入し、該鋳型に係合するプラン
ジャによって溶融マトリックス金属を鋳型内にて加圧し
つつ凝固させる所謂高圧鋳造法が知られている。

この高圧紡造法に於ては、溶融マトリックス金属はプラ
ンジャにより加圧され、加圧された溶融マトリックス金
属は鋳造前より強化材の各繊維間に存在していた空気を
排斥しつつ各繊維間に浸透４る。そのため、鋳造前より
強化材の各１１１間に存在していた全ての空気が鋳造に
際し各繊維間より排斥される訳ではなく、鋳造後にも一
部の空気は各ｓｉｎ門に残留し、その結果複合材料内に
鋳込み巣が形成されたり、強化材とマトリックス金属と
の結合が不充分となることがある。

本発明は、従来の高圧鋳造法に於ける上述の如き不具合
に鑑み、強化材の各＃ＡＭ間に存在する空気を確実に排
除し、各繊維間に溶融マトリックス金属を確実に侵入さ
せることにより、強化材とマトリックス金属との密着性
に優れた高品質の複合材料を能率良く製造することので
きる複合材料の製造方法及び製造装置を提供することを
目的としている。

かかる目的は、本発明によれば、マトリックス金属と強
化材とよりなる複合材料を鋳造するための成形室と、前
記成形室と連通ずる加圧室と、前記成形室及び前記加圧
室内に導入された溶融マトリックス金属を加圧する加圧
□手段とを有するに造装置を用い、前記成形室内に強化
材を充填しｌ、：状態にて前記加圧室内に溶融マトリッ
クス金属を注湯し、前記成形室内を減圧し、しかる後前
記溶融マトリックス金属を加圧しつつ凝固させる複合材
料の製造方法、及び強化材を受入れる成形室と、前記成
形室と連通ずる加圧室と、前記成形室及び前記加圧室内
に導入された溶融マトリックス金属を加圧する加圧手段
と、前記成形室内を減圧する減圧手段とを有する複合材
料の製造装置によって達成される。

本発明による複合材料の製造方法によれば、強化材を充
填された成形室が減圧されるので、強化材の各繊維など
の間より空気が排除され、また成形室内の負圧によって
加圧室内に注湯された溶融マトリックス金属が強化材の
各ＩＩＪＡ維などの間に吸引されるので、強化材の各繊
維などの間に空気が残留しておらず溶融マトリックス金
属が強化材の各繊維などの間に良好に浸透し、これによ
り強化材とマトリックス金属との密着性に優れた高品質
の複合材料を製造することができる。また本発明による
複合材料の製造方法によれば、減圧し空気を排除すべき
空間は強化材を充填された成形室だけであるので、従来
の拡散接合法の場合の如き大掛りな真空創成装置は不要
であり、また成形室内を減圧するに要する時間も短時間
であるので、上述の如き高品質の複合材料を能率良く製
造することができる。更に、本発明による複合材料の製
造装置によれば、上述の如き本発明による複合材料の製
造方法を能率良〈実施することができる。

尚本発明による複合材料の製造方法に於ても、強化材の
各繊維などの間に溶融マトリックス金属がより確実に侵
入するようにするためには、本願出願人と同一の出願人
の出願に係る特願昭５５−１０７０４０号に於て提案さ
れている如く、鋳造に先立って強化材をマトリックス金
属の融点以上の温度に予熱することが好ましい。

また本発明による複合材料の製造方法に於ては、加圧室
内に導入された溶融マトリックス金属が成形室内の負圧
によって強化材の各繊維などの間に効率良く吸引される
ようにするためには、成形室内を減圧することは、成形
室の加圧室と連通ずる側とは反対の側より行なわれるこ
とが好ましく、５− 同様に本発明による複合材料の製造装置に於ては、成形
室内を減圧する減圧手段は成形室の加圧室と連通する側
とは反対の側にて成形室と連通接続されることが好まし
い。

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。

第１図及び第２図は本発明による複合材料製造装置の第
一の実施例をそれぞれ成形室内の減圧工程及び複合材料
鋳造工程にて示す解図的縦断面図である。これらの図に
於て、１は複合材料製造装置を示しており、この複合材
料製造装置１はマトリックス金属と強化材２とよりなる
複合材料を鋳造するための成形室３と、成形室３と連通
ずる加圧室４とを有する鋳型５と、加圧室４と液密的に
嵌合し成形室３及び加圧室４内に導入された溶融マトリ
ックス金１Ｉ１６を加圧するプランジャ７と、鋳型５に
形成されたボア８内に往復動可能に受けられ成形室３及
び加圧室４内にて凝固した凝固体を鋳型５より取出すた
めのノックアウトビン９と、成形室３内を減圧する減圧
装置１０とよりなって６− いる。減圧装置１０は、ボア８の周りに互いに隔置して
その長手方向に沿って設けられ、成形室３の加圧室４と
連通する側とは反対の側の端部（図にて下端）を鋳型５
の外部と連通接続する複数個の通路１１と、ボア８の開
口部の周りに設けられ鋳型５及びノックアウトビン９と
それぞれシール１２及び１３を介して気密的に当接する
ブレナム１４と、該ブレナム１４と導管１５を介して連
通接続された真空ポンプ１６とよりなっている。ノック
アウトビン９の−［端部１７は逆円錐状に形成され、ボ
ア８の円錐状内周面１８に受けられており、このプラン
ジャ９の上端部１７によって通路１１による成形室３と
ブレナム１４との連通が開閉刺部されるようになってい
る。

以上の如く構成された複合材料製造装置を用いて行なわ
れる本発明による複合材料の製造方法は以下の如〈実施
される。まず第１図に示されＣいる如く、プランジャ９
を僅かに持ち−Ｌげてイの上端部１７とボア８の円錐状
内周面１８との間に僅かな間隙を設け、成形室３内に強
化材２を充填し、その状態にて加圧室４内に溶融マトリ
ックス金属を注湯する。次いで真空ポンプ１６を作動さ
せてブレナム１４及び成形室３内を所定の圧力に減圧す
る。かかる状態にて数秒程度経過した後、加圧室４にプ
ランジャ７を嵌込んでゆっくりと下降させ、プランジャ
７の下端が溶融マトリックス金属６に接触する直前に於
てプランジャ９を下降させて通路１１の連通を遮断し、
これと同時に真空ポンプ１６の作動を停止させる。次い
でプランジャ７によって加圧室４内の溶融マトリックス
金属６を所定の圧力に加圧し、加圧室４及び成形室３内
の溶融マトリックス金属が完全に凝固するまでその加圧
状態を保持し、鋳型５内の溶融マトリックス金属６が完
全に凝固した後、その凝固体をノックアウトビン９によ
って鋳型５より取出し、その凝固体より加圧室４内にて
凝固したマトリックス金属のみよりなる凝固体を切断な
どによって除去することにより、成形室３内にて形成さ
れた複合材料を得る。

上述の如く構成された複合材料製造装置を用いて、以下
の如く強化材としてのアルミニウム合金溶湯とマトリッ
クス金属としてのアルミニウム合金溶湯とよりなる複合
材料を製造した。まず長さ８０■−のアルミナ繊維（繊
維径２０μ、デュポン社製ＦＰファイバ）を一方向に配
向して体積率が５５％になるように束ね、これを無機バ
インダーによって固定することにより、強化材成形体２
を形成した。次いでこの強化材成形体２を空気中にて８
００℃に加熱した。

次いで第１図に示されている如く、ノックアウトビン９
を僅かに上昇させてノックアウトビン９の上端部１７と
ボア８の円錐状内周面１８との間に約０．５１１程度の
間隙を設けた状態にて、鋳型５の成形室３内に強化材成
形体２を充填した。次いで鋳型５の加圧室４内にアルミ
ニウム合金（Ｊ■Ｓ規格ＡＣ４Ｃ）の溶湯を注湯し、こ
れと同時に真空ポンプ１６を作動させることによってブ
レナム１４及び成形室３内をＯ、’０１　ｋｏ／＋”程
度に減圧した。次いで加圧室４にプランジャ７を嵌込ん
でゆっくりと下降させ、プランジャの下端がア９− ルミニウム合金溶１６に接触する直前に於てプランジャ
９を下降させて通路１１の連通を遮断し、これと同時に
真空ポンプ１６の作動を停止させた。

次いでプランジャ７によって加圧室４内のアルミニウム
合金溶湯６を１３０　’Ｏｋｏ／　０１９の圧力に加圧
し、加圧室４及び成形室３内のアルミニウム合金溶１ｉ
１６が完全に凝固するまでその加圧状態を保持し、鋳型
５内のアルミニウム合金溶１ｉ１６が完全に凝固した後
、その凝固体をノックアウトビン９によって鋳型５より
取出し、その凝固体より加圧室４内にて凝固したアルミ
ニウム合金のみよりなる凝固体を切断によって除去する
ことにより、成形室３内にて形成された複合材料を得た
。

か（して製造された複合材料の縦断面及び横断面を電子
顕微鏡にて観察したところ、ＦＰファイバの間に捕捉さ
れた空気は殆ど存在しておらず、複合材料全体に亙って
ＦＰファイバの間にアルミニウム合金が良好に浸透して
いることが認められた。またこの複合材料より引張り試
験片を作成し、引張り強度を測定したところ、この複合
材料は６１０− ５ｋｇ／ＩＩ１ｍＱと高い引張り強度を示した。

第３図及び第４図は本発明による複合材料製造装置の第
二の実施例をそれぞれ成形室内の減圧工程及び複合材料
鋳造工程にて示す解図的縦断面図である。尚これらの図
に於て、第１図及び第２図に示された部材と実質的に同
様の部材には同一の符号が付されている。

この実施例による複合材料製造＠置に於ては、鋳型５に
はその成形室３の下方部と鋳型５の外部とを連通接続す
る横状の通路１８が設けられており、この横状の通路１
８内には通路１８による成形室３とプレナム１４との連
通を開閉ｌｂｌ制御する横状の弁要素１９が挿入されて
いる。この弁要素１９はその外周面に形成された溝２０
と通路１８の内壁に形成された溝２１とに嵌合するピン
２２により、第４図に示されている如き閉弁位置に保持
されて通路１８の連通を遮断し、また第３図に示されて
いる如く、ピン２２が遣２０及び２１より抜取られるこ
とにより図にて左方へ移動し、これにより成形室３とプ
レナム１４内との連通を達成するようになっている。ま
た鋳型５とノックアウトビン９どの間にはシール装置２
３が設けられており、このシール装置２３は真空ポンプ
１６によって成形室３内が減圧される場合に、ノックア
ウトビン９とボア８との間を経て鋳型５の外部より成形
室３内へ空気が流入することを防止するようになってい
る。

以−りの如く構成された複合材料製造装置を用いて行な
われる本発明による複合材料の製造方法は以下の如〈実
施される。まず鋳型５の成形室３内に強化相２を充填し
、その状態にて加圧室４内に溶融７１〜リツクス金属を
注ｍする。次いで第３図に示されている如く、ビン２２
を除去して成形室３とプレナム１４とを連通させ、これ
と同時に真空ポンプ１６を作動させて、プレナム１４及
び成形室３内を所定の圧力に減圧する。かかる状態にて
数秒程度経過した後、加圧室４にプランジャ７を嵌込ん
でゆっくりと下降させ、プランジャ７の下端が溶融マト
リックス金Ｒ６に接触する直前に於てビン２２を溝２０
及び２１に嵌入し、これにより成形室３とプレナム１４
との間の連通を遮断し、これと同時に真空ポンプ１６の
作動を停止させる。次いでプランジャ７によって加圧室
４内の溶融マトリックス金属６を所定の圧力に加圧し、
加圧室４及び成形室３内の溶融マトリックス金属が完全
に凝固するまでその加圧状態を保持し、鋳型５内の溶融
マトリックス金属６が完全に凝固した後、その凝固体を
ノックアウトビン９によって鋳型５より取出し、その凝
固体より加圧室４内にて凝固したマトリックス金属のみ
よりなる凝固体を切断などによって除去することにより
、成形室３内にて形成された複合材料を得る。

第５図は本発明による複合材料製造装置の第三の実施例
を成形室内の減圧工程にて示す第１図及び第３図と同様
の解図的縦断面図、第６図は第５図の線ｖｒ−ｖｒによ
る平断面図である。尚これらの図に於て、第１図乃至第
４図に示された部材と実質的に同一の部材には同一の符
号が付されている。

この実施例による複合材料製造装置に於ては、１３− 鋳型５は下部鋳型部材２４と、プランジャ７及びノック
アウトビン９と共働してそれぞれ加圧室４及び成形室３
を郭定する上部鋳型部材２５とよりなっており、図には
示されていないラム装置の如き加圧保持手段により、第
５図に示されている如く互いに当接した状態に保持され
るようになっている。下部鋳型部材２４の上面２６には
ボア８の周りに車輪形の溝２７が設けられており、該溝
２７は溝２８によってプレナム１４が取付けられた下部
鋳型部材２４の外周面まで連通されている。

これらの溝２７及び２８は下部鋳型部材２４上に上部鋳
型部材２５がその下面２９と下部鋳型部材２４の上面２
６とが当接した状態にて配置されると、下面２９と共働
して成形室３をプレナム１４と連通接続する通路を郭定
するようになっている。

以上の如く構成された複合材料製造装置を用いて行なわ
れる本発明による複合材料の製造方法は以下の如〈実施
される。まず鋳型５の上部鋳型部材２５と下部鋳型部材
２４とを第５図に示されている如く互いに当接した状態
に保持し、鋳型５の１４− 成形室３内に強化材２を充填し、その状態にて加圧室４
内に溶融マトリックス金属を注湯する。次いで真空ポン
プ１６を作動させてプレナム１４及び成形室３内を所定
の圧力に減圧する。かかる状態にて数秒程度経過した後
、加圧室４にプランジャを嵌込んでゆっくりと下降させ
、加圧室４内の溶融マトリックス金属６が強化材２を経
て溝２７内に浸出した時点に於て、真空ポンプ１６の作
動を停止させる。次いでプランジャ７によって加圧室４
内の溶融マトリックス金属６を所定の圧力に加圧し、加
圧室４及び成形室３内の溶融マトリックス金属が完全に
凝固するまでその加圧状態を保持し、鋳型５内の溶融マ
トリックス金属が完全に凝固した後、その凝固体をノッ
クアウトビン９によって鋳型５より取出し、その凝固体
より加圧室４内にて凝固したマトリックス金属のみより
なる凝固体を切断などによって除去することにより、成
形室３内にて形成された複合材料を得る。尚この実施例
に於ける成形室３の下端のシールは、溝２７内に浸出し
た溶融マトリックス金属６が上部鋳型部材２５及び下部
鋳型部材２４により冷却され、満２７内にて凝固するこ
とにより自動的に達成される。

第７図及び第８図は本発明による複合材料製造装置の第
四の実施例をそれぞれ成形室内の減圧開始工程及び複合
材料鋳造工程にて示す解図的縦断面図である。尚これら
の図に於て、第１図及び第２図に示された部分と実質的
に同一の部分には第１図及び第２図に付された符号と同
一の符号が付されている。

この実施例による複合材料製造装置に於ては、鋳型は上
型５ａと下型５ｂとよりなっており、これらの上型及び
下型は図には示されていないラム装置の如き加圧保持手
段により、第７図及び第８図に示されている如く互いに
組付けられた型締め状態に維持されるようになっている
。上型５ａには加圧室４内へ溶融マトリックス金属６を
注湯するための湯道３０が形成されている。また下型５
ｂには加圧室４と連通するシリンダボア３１が形成され
ており、このシリンダボアにはそれに沿つて往復動する
ノックアウトビン３２が挿通されている。ノックアウト
ビン３２の１一端面ば加Ｆ１室４の底面を郭定している
。また下型５ｂの成形室３と連通するボア３３及び３４
内には、成形室３内に於て凝固した凝固体を下型５ｂよ
り取出すためのノックアウトビン３５及び３６が挿通さ
れている。

以上の如く構成された複合材料製造装置を用いて行なわ
れる本発明による複合材料の製造方法は以下の如〈実施
される。まず成形室３内に強化材２を充填し、ノックア
ウトビン１２により成形室３と加圧室４との連通を遮断
した状態にて真空ポンプ１６を作動させ、第７図に示さ
れている如く、濃過３０を経て加圧室４内へ溶融マトリ
ックス金属６を注湯する。次いでノックアウトビン１２
及びプランジャ７を下降させて溶融マトリックス金属６
を成形室３内へ導入しつつ、プレナム１４及び成形室３
内を所定の圧力に減圧する。かかる状態にて数秒程度経
過した後、真空ポンプ１６の作動を停止させ、プランジ
ャ７をゆっくりと下降さ１７− せることにより加圧室４内の溶融マトリックス金属６を
所定の圧ノ〕に加圧し、加圧室４及び成形室３内の溶融
マトリックス金属６が完全に凝固するまでその加圧状態
を保持し、加圧室４及び成形室３内の溶融７１−リツク
ス金属６が完全に凝固した後、上型５ａど下型５ｂとを
離型し、その凝固体をノックアウトビン３２及びノック
アウトビン３５．３６により下型３５ｂより取出し、そ
の凝固体より加圧室４内にて凝固したマトリックス金属
のみよりなる凝固体を切断などによって除去することに
より、成形室３内にて形成された複合材料を得る。

尚この実施例による複合材料製造装置に於ては、通路１
１を廃止し、プレナム１４をシリンダボア３１の間口端
の周りに取付け、ノックアウトビン３２を第７図の位置
よりも僅かに上方の位置まで上昇させることにより、成
形室３とシリンダボア３１とを連通させ、シリンダボア
３１を経て成形室３内を所定の圧ノコに減圧した後、プ
ランジャ７及びノック／ウドビン３２を第８図の位置ま
で下１８− 降させ、しかる後プランジ１ア７によって溶融マトリッ
クス金属６を所定の圧力に加圧することにより、成形室
３内にて複合材料を製造】るよう構成されてもよい。

以上に於ては本発明を幾つか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。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明による複合材料製造装置の第
一の実施例をそれぞれ成形室内の減圧工程及び複合材料
鋳造工程にて示ず解図的縦断面図、第３図及び第４図は
本発明による複合材料製造装置の第二の実施例をそれぞ
れ成形室内の減圧］」♀及び複合材料鋳造工程にて示す
解図的縦断面図、第５図は本発明による複合材料製造装
置の第三の実施例を成形室内の減圧工程にて示す第１図
及び第３図と同様の解図的縦断面図、第６図は第５図の
線ｖｒ−ｖｒによる平断面図、第゛１図及び第８図は本
発明にＪ：る複合材料製造装置の第四の実施例をそれぞ
れ成形室内の減圧開始工程及び複合材料＃ＩＩ造工程に
て示す解図的縦断面図である。 １・・・複合材料製造装置、２・・・強化材、３・・・
成形室、４・・・加圧室、５・・・鋳型、５ａ・・・上
型、５ｂ・・・下型、６・・・溶融マトリックス金属、
７・・・プランジャ、８・・・ボア、９・・・ノックア
ウ］−ピン、１０・・・減圧装置、１１・・・通路、１
２．１３・・・シール、１４・・・ブレナム、１５・・
・導管、１６・・・真空ポンプ、１７・・・上端、１８
・・・円錐状内周面、１９・・・弁要素。 ２０．２１・・・溝、２２・・・ピン、２３・・・シー
ル装置。 ２４・・・上部鋳型部材、２５・・・上部鋳型部材、２
６・・・上面、２７．２８・・・溝、２９・・・下面、
３０・・・湯道、３１・・・シリンダボア、３２・・・
ノックアウトピン、３３．３４・・・ボア、３５．３６
・・・ノックアウトピン 特　許　出　願　人　トヨタ自動車工業株式会社代　　
　　　理　　　　　人　　弁理士　　　明　　石　　昌
　　毅第１図 第２図 第　３　図 第４図 第５図 第６図 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マトリックス金属と強化材とよりなる複合材料を
   鋳造するための成形室と、前記成形室と連通する加圧室
   と、前記成形室及び前記加圧室内に導入された溶融マト
   リックス金属を加圧する加圧手段とを有する鋳造装置を
   用い、前記成形室内に強化材を充填した状態にて前記加
   圧室内に溶融マトリックス金属を注湯し、前記成形室内
   を減圧し、しかる後前記溶融マトリックス金属を加圧し
   つつ凝固させる複合材料の製造方法。
2. （２）強化材を受入れる成形室と、前記成形室と連通ず
   る加圧室と、前記成形室及び前記加圧室内に導入された
   溶融マトリックス金属を加圧する加圧手段と、前記成形
   室内を減圧する減圧手段とを有する複合材料製造装置。