JPS5834150A - 複合材料の製造方法 - 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、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製造方法に係る。

複合材料の一つとして、ポーロン、炭素、アルミナ、炭
化ケイ素よりなり＾強度、高弾性を有するｌｌｌ１ｌｌ
を強化材とし、純アルミニウムの如き金属または合金を
マトリックスとするＩａｌ１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
、鋳造型内に繊維強化材を充填した後、譲鋳造型内に更
に溶融マトリックス金属を導入し、該鋳造型に係合する
プランジャ！素によって溶融マトリックス金属を鋳造型
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、個々の強化材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濃度に予熱し鋳造中もその温度
に維持するのが望ましく、また複合材料よりなる製品に
所望の性能を与えるためには、鋳造中強化材を所定の形
状、密痕、配向状態に保持して強化材とマトリックス金
属とを複合化する必要がある。

そのため従来の高圧鋳造法に於ては、（１）強化材を予
めマット状又はフェルト状の強化材成形体を作成し、こ
れにより強化材をその所要の形状、密度、配向状態に雑
持する、（２）鋳造型によって強化材を拘束し保持する
、（３）鋳造中も強化材を保持し得るよう鋳造時（も溶
融マトリックス金属に溶は込まない容器内に強化材を収
納することにより強化材を保持する等の方法が採用され
てきた。

しかし、（１）の方法に於ては、強化材を予めマット状
又はフェルト状に門形する必要があるのみならず、かく
して強化材をマット状又はフェルト状に成形する関係上
強化材の１１密度、配向状態等が限定されるという欠点
があり、特に高性能の複合材料に必要とされる高密度で
任意の方内に連続的に強化材が配向された強化材成形体
を作成することは不可能である。また（２）の方法に於
ては、強化材が直接鋳造型と接し、せっかく予熱された
強化材が鋳造型によって冷却されるので、強化材とマト
リックス金属とを良好な状態にて複合化することが困難
であるという欠点がある。また鋳造型のモールドキャピ
テイがＩＩｓな形状をなしている場合には、強化材を任
意の密度及び配向状態にて鋳造型内に挿入することは非
常に困難である。更に（３）の方法に於ては、＾価な容
器を使用しなければならないため、複合材料の製造コス
トが高くなり、また鋳造優も複合材料中に残存する容器
により容器の内外が組成的に分離されるので、部分的に
のみ強化材にて強化されしかも全体として優れた性能を
有する複合材料を製造することは不可能である。

本発明は、ＩＩＩ強化金属材料の如き複合材料を製造す
る従来の高圧鋳造法に於番する上述の如き欠点に鑑み、
良好な性能を有する金属基複合材料を比較的低コストに
て能率よく製造することができる複合材料の製造方法を
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、強化材を所定の形状、
密度、配向状態にて強化材成形体に形成し、該強化材Ｊ
１！形体の少なくとも外周部に乾燥されることにより固
化する無機質バインダーを含浸させた後乾燥し、これを
マトリックス金属の融虜以上に加熱して鋳造型内に配置
し、前記鋳造型内に溶融マトリックス金属を導入し、前
記鋳造型に係合するプランジャ要素によって前記溶融マ
トリックス金属を前・記鋳造、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、強化材は無
機質バインダーによって鋳造中も複合材製品に必要とさ
れる所定の形状、密度、配向状態に保持されるので、特
殊な容器等を使用しなくても優れた性能を有する複合材
料を低コストにて製造することができる。

また強化材を予熱する場合、無機質バインダーによって
強化材成形体の内部へ空気が流通することが防止される
ので、強化材の酸化劣化を防、止することができ、また
無機質バインダーによって予熱された強化材成形体が保
温されるので、マトリックス金属が個々の強化材間に良
好に浸透した優れた複合材料を得ることができる。

更に本発明による複合材料の報道方法によれば、最も強
度が必要とされる部分の如く複合材製品の一部のみが強
化材にて強化されしかも金・体として優れた性能を有す
る部分強化複合材料を容易に製造することができる。

尚、本発明による複合材料に於て使用される無機質バイ
ンダーは、鋳造中も強化材を所定の形状、密度、配向状
態に雑持し得る能力を有し、また製造される複合材料の
性能に悪影響を及ぼさない物質であるのが好ましい。例
えば乾燥によってシリカ（無水ケイ酸、）［８ｉ　０２
　］として固化するケイ酸ソーダ（水ガラス）［Ｎａ　
ｔ　Ｏ・Ｓｉ　Ｏｘ、Ｎａ　！　０−８Ｉ　Ｏ！　　・
９８ｚ　０３　、ｍ１ロイダルシリカ（コロイドケイ酸
）、エチルシリケート（ケイ酸エチル）［（Ｃ！　Ｈｓ
　）４８１０４　］等が特に好ましい。

また、本発明による複合材料の製造方法に於ては、必ず
しも強化材成形体の全体が無機質バインダーにて含浸さ
れる・必要はなく、強化材成形体の外周部のみ１．−無
機質バインダーにて含浸されて７もよい。更に後者の場
合には、無機質バインダーにより強化材が固定された部
分を切削などにより除去し、強化材とマトリックス金属
とが直接複合化された部分のみを複合材−品として用い
てもよい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの実施例
について詳細に説明する。

え１１１ 第１図に示されている如く、アルミナ繊維１（ＩＩ！２
０μ、１１−　フルミｔ　）　ｔｉＩＱ！　１６ｓａ（
Ｆ）ステンレス鋼ＬＪＩＳｊｌ格５ＬＩＳ３０４）Ｎの
ｚ＜イブ２を芯としてコイル状に幾重にも巻付けること
により、外１２４ｍ−１内径１６−１長さ９０＋ｅ−の
円筒状の強化繊維成形体３を形成した。次いでこの強化
繊維成形体３をケイ酸ソーダ１部対し水９部の割合にて
混合されたケイ酸ソーダ水溶液中に浸漬したのち、１０
０℃に加熱された乾燥炉内に於て水分を蒸発させること
により、シ、リカにより強化繊維成形体のアルミナ繊維
１を固定した。この場合、ケイ酸ソーダは乾燥炉内に於
て乾燥される際その溶媒である水により強化ＩＩｌ帷成
形成形体外ＩＩ部に運ばれ、水が蒸発することにより強
化繊維成形体の外縁部に於てのみシリカとなって固化す
るため、強化繊維成形体の外１１部の強化繊維のみがシ
リカにより固定された状態にて、強化繊維成形体全体の
強化繊維を所定の形状、密度、配向状態に固定的に維持
することができる。

上述の如く形成され且強化ｌｌ１ｌを固定された強化繊
維成形体３より芯としてのバイブ２を引抜き、強化１１
１Ｈ成形体３を９００℃に加熱した。次いで第２図に示
されている如く、この加熱された強化繊維成形体を２５
０℃の鋳造用金型４０強化繊繊維形体受容室５内に配置
した。次いで強゛化繊維成形体受容室５と連通する加圧
室６内に８００℃の純アルミニウム溶Ｉ７を素早く注湯
し、２００℃の加圧用プランジャ要素８により純アルミ
ニウム！１１７を１０００ｋａ／♂の圧力に加圧した。

そしてこの加圧状態を純アルミニウムＩＩＩが完全に凝
固するまで保持した。

かくして鋳造用金型４内の純アルミニウムＩＩ７が完全
に凝固したのち、その凝固体を鋳造用金型より取出し、
更に加圧室６内に於て凝固した純アルミニウムを切削に
より除去することにより、アルミナ＊ａと純アルミニウ
ムとよりなる複合材料を取出した。

上述の如き要領にて報造された複合材料のアルミナ繊維
に沿う方向及びそれに垂直な方向の断面をｍ１ｓｔ、た
ところ、強化材としてのアルミナ繊維の配向状層の乱れ
等は認められず、また体積率も鋳造前の体積率である５
０％の値と実質的に同一の値に維持されている、ことが
ｉｌｌξれた。

第３ＷＪは上述の如き要領にて報道された複合材料の断
面を１００倍にて示す光学顕微鏡写真であり、特にアル
ミナ繊維がシリカにて固定された部分をアルミナ繊維の
接線方向に切断した場合の切断面を示している。図に於
てａはアルミナ繊維であり、Ｓはシリカである。この第
３図よ、す、アルミナ繊維報がシリカにより適宜に固定
されている様子が判る。

第４図は上述の複合材料のアルミナ繊維に垂幽な方向の
強制破ａｌｉｂｉを５００倍にて示す走査型電子顕微鏡
写実である。図に於てａは強化材としてのアルミナＩＩ
Ｉ雑であり、Ｓはバインダーとしてのシリカであり、―
はマトリックスとしての純アルミニウムである。この第
４ＦＩＪより、アルミナ繊維がシリカにて固定された部
分Ｐ＋は脆性的に破断しているが、アルミナ繊維がシリ
カによっては固定されず純アルミニウムが浸透した部分
Ｐ！は脆性的には破断しておらず、シリカがこれらの部
分には悪影響を及ぼしていないことが判る。

第５ＷＪに示されている如く、長さ８０Ｉｌのアルミナ
織１１９（直＠！２０μ、α−アルミナ）を一方向に配
向し、これを体積率が５０％となるよう、直径０．３１
−のステンレス鋼（ＪＩＳ規格５ＵＳ３１０　Ｓ、、）
製ワイヤ１０にて束ねることにより、円柱状の強化繊維
成形体１１を形成した。次いでこの強化繊維成形体１１
のアルミナ繊維を実施例１の場合と同様にケイ酸ソーダ
にて同定し、更に実施例１の場合と同様の要領にてアル
ミナ繊維と純アルミニウム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よりシリカにてアルミナ繊維
が固定された部分を取り除いて引張り試験片を作成し、
その試験片について繊維配向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６０に９／−霞２の引張
り強さを有しており、ケイ酸ソーダの如き無機質バイン
ダーを用いずに高価な容器等により強化繊維を保持して
製造された複合材料と同等の引張り強さを有しているこ
とが確認された。

また、上述の複合材料よりシリカにてアルミナ繊維が固
定された部分を含む引張り試験片を作成し、その試験片
について繊維配向ｏ１１［方向の引張り試験を行なった
ところ、この複合材料は５２ｋ。

／１Ｒ８度の引張り強さを有しており、バインダーとし
てのシリカが複合材料内に残存することによる引張り強
さの低下は極く僅かであることが確認された。

哀ｍ 無機質バインダーとしてコロイダルシリカを原液のまま
用いた点を除き、実施例１と全く同様の要領にて、アル
ミナ繊維と純アルミニウムとよりなる複合材料を製造し
た。

第６図はかくして得られた複合材料のアルミナ繊維に垂
直な断面を１００倍にて示す光学顕微鏡写真である。図
に於て、ａは強化材としてのアルミナ繊維であり、Ｓは
バインダーとしてのシリカでゝあり、−はマトリックス
金属としての純アルミニウムである。この第６図より、
個々のアルミナ繊維がバインダーとしてのシリカにより
適宜に固定され、しかも個々のアルミナ繊維間にマトリ
ックス金属としての純アルミニウムが良く浸透している
ことが判る。

哀１」」− 無機質バインダーとしてコロイダルシリカを原液のまま
用いた点を除き、実施例３の場合と同様の要領にてアル
ミナｍ雑と純アルミニウム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よりシリカにてアルミナＳ＋
＊が固定された部分を含む引張り試験片を作成し、その
試験片について繊維配向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５５　ｋｏ／　ｍｓ２程度の
引張り強さを有しており、ケイ酸ソーダの如き無機質バ
インダーを用いずに高価な容器等により強化繊維を保持
して製造された複合材料と同等の引張り強さを有してい
ることが確認された。

また、バインダーとしてのシリカが複合材料内に残存す
ることによる引張り強さの低下は、・ケイ酸ソーダの場
合よりも僅少であることが確認された。かかる結果を得
たのは、コロイダルシリカはケイ酸ソーダの如く完全な
皮膜を形成するわけではないので、強化材の保持能力や
保温能力の点ではケイ酸ソーダよりも劣るが、鋳造に際
しアルミナ繊維を固定しているシリカ粒子がある程度互
いに分離し、これにより個々のアルミナ繊維がある程度
互いに離れることにより、それらの藺に純アルミニウム
溶湯が良好に浸透し轡たことによるものと考えられる。

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。例えば強化材は
炭素繊維やボロン繊維などであってもよく、またマトリ
ックス金属はアルミニウム合金、その他の合金または金
属であってもよく、更に強化材の形状、密度、配向状態
は任意のものであってよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による複合材料の製造方法の第一の実施
例に於ける・強化繊維成形体を示す解図的斜視図、第２
図は第一の実施例による複合材料の製造方法に於ける鋳
造工程を示す解図、第３図は第−実施例による複合材料
の製造方法により得られた複合材料のシリカにてアルミ
ナｓＩｌが固定された部分を１００倍にて示す光学顕微
鏡写真、第４図は実施例１に於て製造された複合材料の
強制破ｌｌｉ面を５００倍にて示す走査型電子顕微鏡写
真、第５図は本発明による複合材料の製造方法の第二の
実施例に於ける強化繊維成形体を示す第１図と同様の解
図的斜視図、第６図は本発明による複合材料の製造方法
の第三の実施例に於て製造された複合材料の断面を１０
０倍にて示す光学顕微鏡写真である。 １・・・アルミナ繊維、２・・・パイプ、３・・・強化
繊維成形体、４・・・鋳造用金型、５・・・強化ｌｌＡ
ｌ１成形体受容室、６・・・加圧室、７・・・純アルミ
ニウム１ｍｌ、　８・・・加圧用プランジャ、９・・・
アルミナ繊維、１０・・・ステンレス鋼製ワイヤ、１１
・・・強化繊維成形体特　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　　酸第２　図 第　５　図 雉

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 強化材を所定の形状、密度、配向状態にて強化材成形体
   に形成し、咳強化材成形体の少なくとも外周部に乾燥さ
   れることにより固化する無機質バインダーを含浸させた
   後乾燥し、これをマトリックス金属の融点以上に加熱し
   て鋳造型内に配鐙し、前記鋳造型内に溶融マトリックス
   金属を導入し、前記鋳造型に係合するプランジャ！！素
   によって前記溶融マトリックス金属を前記鋳造型内にて
   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。