JPS5827943A - 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、繊維、細線材、粉末材、ボイス力等の強化材
をマトリックス金属中に含んでいる複合材料の鞍造方法
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高側り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ジＩクムの如き金属ま
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
、型内に＃ＡＭ強化材を充填した後、ｌ！１１ｇ１内に
更に溶融マトリックス金属を導入し、類型に係合するプ
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。

この高圧鋳造法に於ては、本願出願人と同一の出願人の
出願にかかる特願昭５５−１０７０４０号に於て提案さ
れている如く、強化材の各繊維間に溶融マトリックス金
属が確実に侵入するようにするためには、強化材をマト
リックス金属の融点以上の温度に予熱し鋳造中もその温
度に維持することが望ましい。このため従来の複合材料
の製造方法に於ては、鋳造用の型外に於て強化材を充分
子熱し、それを素早く鋳造用の型内に充填することが行
なわれている。

しかしかかる従来の方法に於ては、予熱された強化材を
鋳造用の型内に充填する際その強化材が外気に嘩されて
冷却され、折角予熱された強化材の温度、特にその表面
温度が低下してしまうので、強化材とマトリックス金属
とを均−且良好に複合化することが困難であるという欠
点がある。

本発明は、繊維強化金属材料の如き複合材料を製造する
従来の強化材予熱式の高圧鋳造法に於ける上述の如き欠
点に鑑み、均−且良好に複合化され優れた性能を有する
金属１ｓ複合材料を比較的低コストにて能率良く製造す
ることが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、強化材を受入れる予熱
用型と、該予熱用型より前記強化材のみを受入れる成形
室と該成形室と連通し溶融マトリックス金属を加圧する
プランジャを嵌合状態にて受入れる加圧室とを有する鋳
造用型とを用い、前記予熱用型内に強化材を充填し、前
記予熱用型及び前記強化材をマトリックス金属の融点以
上に加熱し、前記強化材を前記予熱用型より前記鋳造用
型の前記成形室内へ移し、前記鋳造用型内に溶融マトリ
ックス金属を導入し、前記プランジャによって前記溶融
マトリックス金属を前記鋳造用型内にて加圧しつつ凝固
させることを特徴とする複合材料の製造方法、及び強化
材を受入れる予熱用型と、該予熱用型より強化材のみを
受入れる成形室と該成形室と連通し溶融マトリックス金
属を導入される溶融マトリックス金属貯容室とを有する
鋳造用型と、前記予熱用型より前記成形室へ強化材を押
込む第一のプランジャと、前記溶融マトリックス金属貯
容室内に導入された溶融マトリックス金属を加圧する第
二のプランジャとを有していることを特徴とする複合材
料製造装置によって達成される。

かかる複合材料の製造方法及び製造装置によれば、強化
材は鋳造用型内に充填される直前まで高温の予熱用型に
より保温されるので、強化材の温度低下が最小限に抑え
られ、これにより均−且良好に複合化された複合材料を
得ることができる。

また予熱用型を用いない従来の複合材料の製造方法の場
合に比べ、強化材の温度低下が低減されることに対応し
て強化材の予熱温度を低く設定することができる。

また予熱用型を用いることにより、上述の如く強化材の
予熱濃度を低く設定することができ、また強化材へ空気
が流通することが最小限に抑えられるので、炭素繊維の
如く高温空気中に於て酸化５− 劣化しやすい強化材についても、その劣化を最小限に抑
えることができる。

更に、強化材の予熱中及びそれを鋳造用型内に充填する
までは予熱用型により、また鋳造中は鋳造用型の成形室
により、強化材の形状、密度、配向状態等が適宜に維持
されるので、強化材の形状、密度、配向状態等の乱れが
少ない複合材料を得ることができ、また型などによって
保持しておかなければ形状、密度、配向状態等を適宜に
維持し得ないような材料についても、これらを強化材と
する複合材料を容易に製造することができる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明による複合材料の
製造方法及び製造装置をその好ましい幾つかの実施例に
ついて詳細に説明する。

第１図は本発明による複合材料製造装置の第一の実施例
を示す解図的縦断面図、第２図は第１図の線■−■によ
る解図的平断面図、第３ａ図は強化材を充填された予熱
用型を示す解図的側面図、第３ｂ図は第３ａ図の線■−
■による解図的縦断面図である。

６− これらの図に於て、１は鋳造用型を示しており、この鋳
造用型は上型２と下型３とよりなっている。

これら上型及び下型は、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１図に示されている如く
互いに組付けられた状態に維持されるようになっている
。またこれらの上型及び下型は、互いに共働して、予熱
用型４を受入れる予熱用型受容室５と、該予熱用型受容
室と連通し予熱用型４より強化材のみを受入れる成形室
６と、該成形室と連通し溶融マトリックス金属を導入さ
れる溶融マトリックス金属貯容室７とを郭定するように
なっている。上型２には溶融マトリックス金属貯容室７
へ溶融マトリックス金属を注入づるための湯道８が形成
されている。

予熱用型４は、この実施例の場合、強化材９を充填され
る円柱状の貫通孔１０を有する四角柱状の部材として構
成されている。この予熱用型４はその一方の端面１１に
円錐台状の突起１２を有している。この突起１２は予熱
用型受容室５の端壁１３に形成された円錐状の切欠き部
１４に係合するようになっており、これにより予熱用型
４が予熱用型受容全５内に装入されると、予熱用型４の
貫通孔１０の円筒状壁面と成形室６の円筒状壁面とが軸
線１５に沿って正確に整合されるようになっている。

またこの第一の実施例による複合材料製造装置は軸線１
５に沿って往復動する強化材押込み用プランジャ１６を
含んでおり、この強化材押込み用プランジャは予熱用型
受容室５内に装入された予熱用型４より成形室６内へ強
化材９のみを押込み得るようになっている。この強化材
押込み用プランジャ１６の先端部１７は予熱用型４及び
成形室６の円筒状壁面と液密的に係合するようになって
おり、また第１図に示されている如く、強化材９を成形
室６内へ押込み終わると同時に成形室６と予熱用型受容
室５との連通を遮断するようになっている。

溶融マトリックス金属貯容室７は、この実施例の場合、
上型２に形成されたシリンダボア１８内を往復動する加
圧用プランジャ１９を受入れており、この加圧用プラン
ジャによって、溶融マトリックス金属貯容苗７内に導入
された溶融マトリックス金属２０が加圧され、これによ
り成形室６内に装入された強化材９の個々の繊維などの
間に溶融マトリックス金属が浸透せしめられるようにな
っている。

更に下型３には溶融マトリックス金属貯容室７と連通ず
るシリンダボア２１が形成されており、このシリンダボ
アにはそれに沿って往復動する大径のノックアウトビン
２２が挿通されている。ノックアウトビン２２の上端面
は溶融マトリックス金属貯容室７の底面を構成している
。また下型３には、この実施例の場合、その外側から成
形室６まで延在する二つの貫通孔２３が設けられており
、これらの真通孔にはノックアウトビン２４が挿通され
ている。このノックアウトビンは第１図に示されている
如くその先端部が成形室６の一部を郭定する位置と、そ
の先端部が成形室６内へ突出する位置との間にて、ノッ
クアウトビン２２と同期して往復動し得るようになって
いる。

９− この第一の実施例による複合材料製造装置を用いて複合
材料を製造する場合には、第３ａ図及び第３ｂ図に図示
されている如く、予熱用型４内に強化材９を充填し、こ
れら予熱用型及び強化材をマトリックス金属の融点以上
に加熱し、それらを予熱用型受容室５内へ装入する。し
かる後強化材押込み用プランジャ１６によって強化材９
のみを成形室６内へ押込み、湯道８より溶融マトリック
ス金属貯容室７内へ溶融マトリックス金属２０を導入し
、加圧用プランジャ１９によって溶融マトリックス金属
を加圧し、その加圧状態を溶融マトリックス金属が完全
に凝固するまで保持する。かくして溶融マトリックス金
属が完全に凝固した後上型２を下型３より離型し、ノッ
クアウトビン２２及び２４によって凝固体を下型３より
取出し、その凝固体より形成された複合材料を切出す。

第４図及び第５図は本発明による複合材料製造装置の第
二の実施例を、それぞれ強化材押込み状態及び溶融マト
リックス金属加圧状態にて示す解図的縦断面図である。

尚、これらの図に於て第１１０− 図又は第２図に対応する部材は同一の符号またはダッシ
ュ付きの符号により示されている。

これらの図に於て、１′は鋳造用型であり、この鋳造用
型は予熱用型４より強化材のみを受入れる成形室６′と
、該成形室と連通し溶融マトリックス金属を加圧する加
圧用プランジャ１９′を嵌合状態にて受入れる加圧室２
５とを有している。

成形室６′の下底面は、軸線２６に整合して鋳造用型１
′に形成された貫通孔２７内を往復動するノックアウト
ビン２日の上端面によって郭定されている。尚、この実
施例の場合、成形室６′は強化材９の装入を容易に行な
い得るよう、上方に開いたテーバ状をなしている。

この第二の実施例による複合材料製造装置を用いて複合
材料を製造する場合には、上述の第一の実施例による複
合材料製造装置の場合と同様、予熱用型４内の貫通孔１
０内に強化材９を充填し、それらをマトリックス金属の
融点以上に加熱する。

次いで予熱用型４の突起１２が鋳造用型１′の切欠き部
１４に係合する状態にて、強化材を充填された予熱用型
を加圧室２５の底面上に配置し、強化材押込み用プラン
ジャ１６′を加圧用プランジャ１９′によって押し下げ
ることにより、予熱用型４より成形室６′内へ強化材９
のみを装入する。

次いで加圧室５内に溶融マトリックス金属２０を導入し
、その溶融マトリックス金属を加圧用プランジャ１９′
によって所定圧力に加圧し、その加圧状態を溶融マトリ
ックス金属が完全に凝固するまで保持する。溶融マトリ
ックス金属が完全に凝固した後、ノックアウトビン２８
によって凝固体を取出し、その凝固体より形成された複
合材料を切出す。

次に上述の第−及び第二の実施例による複合材料製造装
置を用いて行なわれた本発明による複合材料の製造方法
の三つの実施例について説明する。

１１１上 第１図乃至第３図に図示された第一の実施例による複合
材料製造装置を用いて炭素繊維とアルミニウム合金とよ
りなる複合材料を製造し、その複合材料と予熱用型を用
いない従来の複合材料の製造方法により得られた複合材
料との比較を行なった。

第３ａ図及び第３ｂ図に図示されている如く、炭素繊維
９（直径７μ、東し社製トレカＭ４０）をコイル状に幾
重にも巻付けることにより、外径２４１１１、内径１０
１ｍ、長さ８Ｃ）＋＋ｅの円筒状に成形し、これを外径
５０ＩＩＩ１１、内径２４ｍ５、有効長さ１００１１ｍ
のステンレス鋼（−Ｊ　ｌ５ＭＭ５ＵＳ３１０Ｓ）製の
予熱用型４内に充填した。次いでこの予熱用型４及びそ
れに充填された炭素繊維９を９００℃に加熱し、第１図
及び第２図に図示されている如く、これを２０’Ｏ℃に
加熱された鋳造用型１の予熱用型受容室５内に装入し、
強化材押込み用プランジャ１６により予熱用型４より鋳
造用型１の成形室６内へ炭素繊維９のみを押込んだ。次
いで鋳造用型１の溶融マトリックス金属針容室７内に７
５０℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｃ）の溶
湯２０を素早く注渇し、１５０℃に加熱された加圧用プ
ランジャ１９により１０００ｋ。

／♂に加圧した。そしてこの加圧状態をアルミニ１３− ラム合金の浴温が完全に凝固するまで保持した。

かくして鋳造用型１内のアルミニウム合金の溶湯が完全
に凝固した後鋳造用型１の上型２を下型３より離型し、
ノックアウトビン２２及び２４によりその凝固体を下型
３より取出した。次いでこの凝固体から炭素ＩＮとアル
ミニウム合金とよりなる複合材料を切出した。

第６図はかくして得られた複合材料（成形室６内に於て
凝固した部分）を示す解図的斜視図であり、第７図は第
６図の一点鎖線にて示された部分ＰＩを１００倍にて示
す光学顕微鏡写真であり、第８図はその炭素繊維に実質
的に垂直な強制破断面を１５００倍にて示す走査型電子
顕微鏡写真である。また第９図及び第１０図は、それぞ
れ、予熱用型を使用しない従来の複合材料の製造方法に
より、炭素繊維の成形体を直接鋳造用型１の成形室６内
に装入し、他の点については実施例１と全く同様の手順
にて製造した複合材料の第６図及び第７図に対応する解
図的斜視図及び光学顕微鏡写真である。

１４− 尚、これらの図に於て、ａ部は鋳造用型１の成形室６の
壁面と炭素繊維９の成形体の外周面との間にて凝固した
アルミニウム合金であり、ｂ部は炭素繊維であり、０部
は炭素繊維間にて凝固したアルミニウム合金であり、ｄ
部はアルミニウム合金が浸透していない部分である。

これらの図を比較することにより明らかである如く、本
発明による複合材料の製造方法及び製造装置により得ら
れる複合材料に於ては、炭素繊維間へのアルミニウム合
金の浸透が不充分な部分は存在せず、炭素繊維とアルミ
ニウム合金との密着も良好である。これに対し予熱用型
を使用しない従来の複合材料の製造方法により得られる
複合材料に於ては、炭素繊維の一部、特にその成形体の
外周部にアルミニウム合金の浸透が不充分な部分（ｄ部
）が存在することが認められる。

かくして本発明による複合材料の製造方法及び製造装置
によれば均−且良好に複合化された複合材料を得ること
ができるのは次の理由によるものと推測される。

第１１図は、上述の実施例１に於ける如き炭素繊維の成
形体を形成し、それを予熱用型内に充填したものと予熱
用型に充填しないものとをそれぞれ９００℃に加熱し、
それらを２０℃の大気中に放置した場合の炭素繊維成形
体の表面温度の変化を熱電対により測定した結果を示す
グラフである。

この第１１図より明らかである如く、予熱用型を用いな
い場合には予熱炉より取出して４０秒経過した後には、
アルミニウム合金の融点（５８０〜６００℃）以下の温
度に低下してしまうのに対し、予熱用型を用いた場合に
は１分経過した時点に於ても炭素繊維成形体の表面濃度
は殆ど低下しない。

従って予熱用型を用いた場合には炭素繊維が成形室６内
に装入される時点に於ても、マトリックス金属としての
アルミニウム合金の融点よりもはるかに高い温度に維持
され、従ってアルミニウム合金が炭素繊維により冷却さ
れてその粘性を増大することがないので、アルミニウム
合金は炭素繊維の周りに比較的自由に流入し、これによ
り一様且良好に複合化された複合材料を得ることができ
るものと考えられる。またこの１１図のグラフより、予
熱用型を用いれば強化材押込み用プランジャの温度低下
は最小限に抑えられるので、従来の複合材料の製造方法
に比べ、強化材の予熱温度を低く設定し得ることが判る
。

尚、この実施例に於て、成形室６の壁面に第１図及び第
２図に於て符号２９にて示されている如く、断熱性に優
れたセラミック（例えばＴｌＯ２、Ｚｒ　０２など）の
層を溶射やスリープをはめ込む等の方法によって設ける
ことにより、予熱された強化材が成形室の壁面により冷
却されることを防止することができ、これにより一層優
れた複合材料を製造し得ることが認められた。

友１九り 第１図及び第２図に図示された第一の実施例による複合
材料製造装置を用いて、本発明による複合材料の製造方
法に従って複合材料を製造し、その複合材料について引
張り試験を行なった。

第１２ａ図及び第１２ｂ図に示されている如く、アルミ
ナ繊維９（直径２０μ、デュポン社１１ＦＰ１７− ファイバ）を一方向に配向し、これを体積率が５０％と
なるよう直径２４１ｍ、長さ８０ｍ１Ｉｌの円筒状に束
ね、これを予熱用型４内に充填した。次いでこの予熱用
型４及びその内部に充填されたアルミナ繊維を９００℃
に加熱し、上述の実施例１と全く同様の要領にてアルミ
ナ繊維とアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＤＣ６＞とよ
りなる複合材料を製造した。

かくして得られた複合材料について繊維配向０度方向の
引張り試験を行なったところ、この複合材料は５８〜６
５　ｋｇ／ｓ１の充分な引張り強さを有していることが
確認された。

１ｉ九り 第４図及び第５図に図示された前述の第二の実施例によ
る複合材料製造装置を用いて、本発明による複合材料の
製造方法に従って複合材料を報道し、その複合材料につ
いて引張り試験を行なった。

第１２ａ図及び第１２ｂ図に示されている如く、アルミ
ナ繊維（直径２０μ、デュポン社＠ＦＰファイバ）を一
方向に配向し、これを体積率が５０１８− ％となるよう直径２４ｍ−１長さ８０１＊の円筒状に束
ね、予熱用型４内に充填した。次いでこの予熱用型及び
その内部に充填されたアルミナ繊維を９００℃に加熱し
、第４図に示されている如＜３００℃に加熱された鋳造
用型１１上の加圧室２５の底面上に配置し、３００℃に
加熱された強化材押込み用プランジｔ１６’により予熱
用型４より成形室６′内へアルミナ繊維９のみを押込ん
だ。次いで第５図に示されている如く、予熱用型４及び
強化材押込み用プランジャ１６′を取り除き、加圧室２
５内へ８００℃のアルミニウム合金（Ｊ■Ｓｍｔ１４Ａ
ＤＣ６）の溶湯２０を注渇し、２００℃に加熱された加
圧用プランジャ１９’により１０００ｋＯ／ＣＩＩに加
圧した。そしてこの加圧状態をアルミニウム合金の溶湯
が完全に凝固するまで保持した。

かくして鋳造用型１′内のアルミナ繊維の溶湯が完全に
凝固した後、ノックアウトビン２８によりその凝固体を
取出し、その凝固体よりアルミナ繊維とアルミニウム合
金とよりなる複合材料を切出した。

かくして得られた複合材料についてＩ！雑配向Ｏ度方向
の引張り試験を行なったところ、この複合材料は５８〜
６５　ｋ（＋／　ｃａ’の充分な引張り強さを有してい
ることが確認された。

尚、この実施例に於ても、成形室６′の壁面に第４図及
び第５図に於て符号２９′にて示されている如く、断熱
性に優れたセラミックの層を設けることにより、予熱さ
れた強化材が成形室の壁面により冷却されることを防止
づ−ることができ、これにより一層優れた複合材料を得
ることができることが認められた。また、この実施例に
於ては、強化材押込み用プランジャ１６′の先端部に、
第４図に於て符号３０にて示されている如く、断熱材（
例えばＺｒＯｘ等）をコーティングすることにより、そ
の強化材押込み用プランジャによる強化材の冷却を防止
することができ、これにより一層優れた複合材料を得る
ことができることが認められた。

複合材料の製造方法及び製造装置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図は本発明による複合材料製造装置の第一の実施例
を示す解図的縦断面図、第２図は第１図の線■−■によ
る解図的平断面図、第３ａ図は強化材を充填された予熱
用型を示す解図的側面図、第３ｂ図は第３ａ図の線■−
■による解図的縦断面図、第４図及び第５図は本発明に
よる複合材料製造装置の第二の実施例を、それぞれ強化
材押込み状態及び溶融マトリックス金属加圧状態にて示
す解図的縦断面図、第６図は第一の実施例による複合材
料製造装置により製造された複合材料を示す解図的斜視
図、第７図は第６図の一点鎖線にて示された部分を１０
０倍にて示す光学顕微鏡写真、第８図はその炭素繊維に
実質的に垂直な強Ｉｌｌ破断面を１５００倍にて示す走
査型電子顕微鏡写真、第９図及び第１０図は予熱用型を
使用しない従来２１− の複合材料の製造方法により製造された複合材料のそれ
ぞれ第６図及び第７図に対応する解図的斜視図及び光学
顕微鏡写真、第１１図は予熱用型を用いた場合と用いな
い場合とについて、炭素繊維成形体を９００℃に加熱し
それを放置した場合のその表面温度の変化を示すグラフ
、第１２ａ図及び第１２ｂ図は一方向に配向された強化
材を充填された予熱用型を示すそれぞれ第３ａ図及び第
３ｂ図に対応する解図的側面図及び解図的縦断面図であ
る。 １・・・鋳造用型、２・・・上型、３・・・下型、４・
・・予熱用型、５・・・予熱用型受容室、６・・・成形
室、７・・・溶融マトリックス金属貯容室、８・・・湯
道、９・・・強化材、１０・・・貫通孔、１１・・・端
面、１２・・・突起、１３・・・端壁、１４・・・切欠
き部、１５・・・軸線、１６・・・強化材押込み用プラ
ンジャ、１７・・・先端部、１８・・・シリンダボア、
１９・・・加圧用プランジャ、２０・・・溶融マトリッ
クス金属、２１・・・シリンダボア。 ２２・・・ノックアウトビン、２３・・・貫通孔、２４
・・・ノックアウトビン、２５・・・加圧室、２６・・
・軸線。 ２２− ２７・・・貫通孔、２８・・・ノックアウトビン、２９
・・・断熱材 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２３− 第１１図 第１２ａ図　　　　第１２ｂ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）強化材を受入れる予熱用型と、該予熱用型より前
   記強化材のみを受入れる成形室と該成形室と連通し溶融
   マトリックス金属を加圧するプランジャを嵌合状態にて
   受入れる加圧至とを有する鋳造用型とを用い、前記予熱
   用型内に強化材を充填し、前記予熱用型及び前記強化材
   をマトリックス金属の融点以上に加熱し、前記強化材を
   前記予熱用型より前記鋳造用型の前記成形室内へ移し、
   前記鋳造用型内に溶融マトリックス金属を導入し、前記
   プランジャによって前記溶融マトリックス金属を前記鋳
   造用型内にて加圧しつつ凝固させることを特徴とする複
   合材料の製造方法。
2. （２）強化材を受入れる予熱用型と、該予熱用型より強
   化材のみを受入れる成形室と該成形室と連通し溶融マト
   リックス金属を導入される溶融マトリックス金属貯容室
   とを有する鋳造用型と、前記予熱用型より前記成形室へ
   強化材を押込む第一のプランジャと、前記溶融マトリッ
   クス金属貯容室内に導入された溶融マトリックス金属を
   加圧する第二のプランジャとを有していることを特徴と
   する複合材料製造装置。