JPS5870963A - 溶接容易な複合材料部材及びその製造方法 - 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、複合材料部材及びその＠過方法に係り、更に
詳細には容易に溶接し得る部分を含む複合材料部材及び
その製造方法に係る。

複合材料の一つとして、ポロン、炭素、アルミナ、炭化
ケイ素よりなり高強度、高弾性を有するＩｌ＠を強化材
とし、純アルミニウムの如き金属又は合金をマトリック
ス金属とする繊維強化金属材料（ＦＲＭ）は知られてお
り、例えば拡散接合法、浸透含浸法、高圧鋳造法の如く
、繊維強化金属材料よりなる複合材料部材の製造方法が
従来より種々提嶌されている。これらの複合材料部材の
製造方法によれば、比強度の高い複合材料部材を製造す
ることができる。

しかし、上述の如き従来の製造方法により製造された複
合材料部材同士又はそれと他の金属部材とを溶接するこ
とは一般に不可能である。即ち、上述の如き従来の製造
方法により製造された複合材料部材に於ては、一般にそ
の外周部近傍にまで強化材が充填されており、それらの
強化材は一般に容易には溶融しない材料よりなっている
ため、溶接に際し強化材とマトリックス金属とを同時に
加熱しても、マトリックス金属のみが溶融し強化材は溶
融しないからである。

かかる複合材料部材に於ける溶接不能の内題を解消する
一つの方策として、複合材料部材の溶接を要する部位に
は強化材が充填されないようにすることが考えられる。

しかしかかる方法による場合には被溶接部及びその近傍
に強化材が存在しないこととなるため、その部分の強度
が他の部分に比して著しく低下してしまう。

本発明は、従来の複合材料部材の製造方法により製造さ
れた複合材料部材に於ける上述の如き不具合に鑑み、溶
接することを要する部位を容易に溶接することのできる
複合材料部材、及びかかる複合材料部材を比較的低コス
トにて製造することのできる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、容易に溶接し得る部分
を含む複合材料部材にして、溶゛接容易な金属片の少な
くとも一部が複合材料部外に露呈されており、前記金属
片の他の部分が前記複合材料部内に埋設されていること
を特徴とする複合材料部材、及び容易に溶接し得る部分
を含む複合材料部材を＠造する方法に於て、溶ＩＩ容易
な金属片の少なくとも一部が強化材外に露呈され且前記
金属片の他の部分の少なくとも一部が前記強化材に係止
された状態にて前記強化材を所定形状の強化材成形体に
形成し、前記強化材成形体を鋳型内に配置し、前記鋳型
内に溶融マトリックス金属を導入し、前記溶融マトリッ
クス金属を前記鋳型内にて加圧しうつ凝固させることを
特徴とする方法によって達成される。

かかる本発明による溶接容易な複合材料部材及びその−
進方法によれば、複合材料部材の溶接を要する部位に溶
接容易な金属片を選択的に設け、その金属片の部分にて
溶接することができるので、溶接容易な複合材料部材を
得ることができる。また、溶接容易な金属片を比較的強
度の高い材料にて構成することにより、溶接部に於ける
強度低下を１避することができる。

尚、本発明に於て使用されるＷＩ接容易な金属片は、溶
融マトリックス金属中には溶造まず且強化材及びマトリ
ックス金属との両立性の高い材料よりなるものであるの
が好ましい。また本発明に於ては、個々の強化材間及び
強化材と溶接容易な金属片との間に溶融マトリックス金
属が良好に浸透し、これにより強化材及び金属片とマト
リックス金属との接着性が自重するよう、鋳型内に溶−
マトリックス金属を導入するに先立って、強化材及び金
属片をマトリックス金属の融点以上に加熱するのが好ま
しい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を好ましい実施例
について詳細に説明する。

第１図は棒状体の複合材料部材として構成された本発明
による複合材料部材の一つの実施例を一部破断して示す
解図的正面図、第２図は第１図に示された複合材料部材
をそれと同様の複合材料部材と突合せ溶接された状態に
て示す解図的部分正面図である。

図に於て、１は複合材料部材であり、強化材２とマトリ
ックス金属３とよりなる複合材料部４と、核複合材料部
の溶接を貧する部分に設けられた溶接容易な金属片５と
よりなっている。溶接容易な金属片５は複合材料部４外
に露呈された露出部６と、談露出部と一体的に形成され
複合材料部４内に埋設された層設部７とよりなっている
。この溶接容易な金属片５はその埋設置１７の表面及び
露出部６の裏１ｉ８にて、複合材料部４のマトリックス
金属３と密着しており、これにより複合材料部４に対し
強固に固着している。更に溶接容易な金属片５の端面９
はこの実施例の場合平坦に構成されており、この端面９
にて複合材料部＠１と同様に構成された他の複合材料部
材又は金属部材との溶接を容易に行い得るようになって
いる。

次に上述の如き複合材料を製造するための方法の一つの
実施例について説明する。

第３図及び第４図はそれぞれ本発明による複合材料部材
の製造方法の一つの実施例の製造工程を示す解図であり
、特に第３図は強化材成形体を示す解図的１１ｉ面図、
第４図は鋳造装置を複合材料部材の鋳造工程にて示す解
図的１１１ｉｌＩｉ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一の部材
には同一の符号が付されている。

まず強化材２を一方向に配向して束ね、その一端に溶接
容易な金属片５をその埋設部７を差込むことによって固
定する。そしてそれらを一端のみ開口するステンレス鋼
−のケース１０内に充填し、これにより強化材成形体１
１を形成する。この場合、図には示されていないが強化
材２及び溶接容易な金属片５をケイ酸ソーダの如き無機
質のバインダ又はワイヤ等により固定することにより、
所定形状の強化材成形体を形成してもよい。

かくして形成した強化材成形体１１をそのケース１０と
共に第４図に示されている如き鋳造装置に装填すること
により、複合材料部材の予成形体を鋳造する。第４図に
示された鋳造装置は、成形室１２と加圧室１３とを有す
る鋳型１４と、加圧室１３に液密的に嵌合するプランジ
ャ１５とよりなっている。鋳型１４にはその成形室１２
及び加圧室１３内にて凝固した複合材料部材の予成形体
を鋳型１４より取出すためのノックアウトビン１６が設
けられており、該ノックアウトビンの上端面は成形室１
２の底面の一部を郭定している。

鋳造に際しては、第３図に示されている如く形成した強
化材成形体１１を鋳型１４の成形室１２内に配置し、次
いで加圧室１３内に溶融マトリックス金属１７を素早く
注湯し、プランジャ１５により溶融マトリックス金属を
１０００ｋｇ／Ｉｘｉ＠ｉ！度の圧力に加圧し、その加
圧状態を溶−マトリックス金属が完全に凝固するまで保
持する。そして鋳型１４内の溶−マトリックス金属が完
全に凝固した後、鋳型１４内より複合材料部材の予成形
体を取出し、加圧室１３内にて凝固した部分及びケース
１０を除去することにより、第１図に示されている如き
複合材料部材を取出す。尚この場合、個々の強化材２の
−及び強化材と溶接容易な金属片５との間に溶融マトリ
ックス金属１７が良好に浸透するよう、鋳型１４の加圧
室１３内に溶融マトリックス金属を導入するに先立って
、強化材成形体１１をマトリックス金属の融森以上の濃
度に加熱するのが好ましい。

第５図は本発明による溶接容易な複合材料部材の製造方
法に於て使用されてよい他の一つの鋳造装置を示す解図
的１Ｉｌｉ面図、第６図は第５図の糠Ｖｌ−Ｖｌによる
解図的平断面図である。

この鋳造装置２１は上型２２と下型２３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５図に示されている如
く互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、互に共働して成形室２
４と加圧室２５とを郭定するようになっている。上型２
２には加圧室２５内へ溶融マトリックス金属を注入する
ための湯道２６が形成されている。

加圧室２５は、上型２２に形成されたシリンダボア２７
内を往復動するプランジャ２８を受入れており、このプ
ランジャにより加圧室３５内に導入された溶融マトリッ
クス金属２９が加圧され、これにより成形室２４内に装
入された強化材成形体１１の個々の強化材などの圀に溶
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２３には加圧室２５と連通するシリンダボア３
１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の上端面は加圧室２５の底面を郭
定している。また下型２３にはノックアウトビン３２と
同期して上下動され成形室２４内に於て凝固した凝固体
を下型２３より取出すためのノックアウトビン３３及び
３４が挿通されている。

この第７図及び第８図に図示された鋳造装置によれば、
上型２２及び下型２３により郭定される成形室２４の内
面形状を一品としての複合材料部材の形状に対応したも
のとすることにより、ケース１０などを用いなくても、
所要形状の複合材料部材を容易に製造することができる
。

次に本発明による複合材料部材の製造方法に於て使用さ
れる溶接容易な金属片の材料としては如何なる材質のも
のが適切であるかにつき説明する。

第７図はマトリックス金属として使用されるアルミニウ
ム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｇ）４０内にステンレス線（
ＪＩＳ規格５ＵＳ３１０Ｓ）４１を鋳込んだ場合の、談
ステンレス線に垂直な断面を１０倍にて示す顕微鏡写真
、第８図は第７図に示されたアルミニウム合金とステン
レス線との界面を１００倍にて示す顕微鏡写真である。

これら第７図及び第８図より、ステンレス線とアルミニ
ウム合金との界面には明確な境界があることが認められ
る。

第９ＷＪは鉄１１　（ＪＩ８１１格ＳＷＭ−８）４２及
びステンレス線（Ｊ　ｌ５ｊｌ格５ＬＩＳ３１０Ｓ）４
３をアルミナ織ＩＩ（デュポン社１ｉ１ＦＰ７アイバ）
４４内にそのアルミナ繊維の方向に配向して埋設し、そ
れらをアルミニウム合金（Ｊ　Ｉｓ規格Ａ０４Ｃ）の融
点以上に加熱した後、該アルミニウム合金をマトリック
ス金属として複合化することにより製造された複合材料
の鉄線などの長手方向に垂直な断面を１０倍にて示す顕
微鏡写真、第１０図は第９図の鉄線４２と複合材料′４
６との界面を１００倍にて示す顕微鏡写真である。これ
ら第９図及び第１０図、特に１１０図より、畝線４２と
複合材料４６との藺の界面には明確な境界はなく、鉄線
４２の表向がマトリックス金属としてのアルミニウム合
金４５中に固溶した部分が存在し、従って鉄線４２と複
合材料４６とが良好に密着していることが解る。

第１１図はステンレス線（ＪＩＳ規格５ＬＪＳ３１０８
）４７を炭＊＊雑（東し社−トレカＭ４０）４８内に該
炭＊Ｓ＊の方向に配向して埋設し、それらをアルミニウ
ム合金（Ｊ　１８Ｊ１４！ＡＣ４Ｇ＞の融点以上に加熱
した後、該アルミニウム合金をマトリックス金属として
複合化することにより製造された複合材料５０のステン
レス線４７の長手方向に垂直な断面を１０＠にて示す顕
微鏡写真、第１２図は第１１図のステンレス線４７と複
合材料５０との界面を４００倍にて示す顕微鏡写真であ
る。これら第１１図及び第１２図、特に第１２図より、
上述の複合材料４６の場合と同様、ステンレス線４７の
表面がマトリックス金属としてのアルミニウム合金４９
中にｖＡ溶した部分が存在し、従ってステンレス線４７
と複合材料５０とが良好に密着していることが解る。

第１３図は鉄線５１及びステンレス＄５２がアルミナ繊
維５３に対し垂直な方向に配向された点を除き複合材料
４６と同様に製造された複合材料５４の鉄線及びステン
レス線に垂直な断面を１０倍にて示す顕微鏡写真、第１
４図は第１３図のステンレス線５２と複合材料５４との
界面を１００倍にて示す顕微鏡写真である。これら第１
３図及び第１４図より、複合材料５４内にはアルミナ繊
維５３の配向が乱れた領域５５が存在するが、ステンレ
ス線５２と複合材料５４との界面には明確な境界がなく
、全体としてステンレス線５２と複合材料５４とが良好
に密着していることが解る。

尚、図には示されていないが、ボロン、シリカ、炭化ケ
イ素よりなる強化繊維を強化材とし、純アルミニウム、
マグネシウム、マグネシウム合金をマトリックス金属と
する複合材料について上述の実験と同様の実験を行った
ところ、それらについても第７ｔ％ｉｌ乃至第１４ａｌ
ｌとほぼ同様の結果が得られた。

以上の各実験結果より、本発明による複合材料部材の報
道方法に於て使用される溶接容易な金属片の材料として
は各種炭素鋼・やステンレス鋼が適当であり、また鋳造
に先立って溶接容易な金属片を強化材と共にマトリック
ス金属の融点以上の濃度に加熱するのが好ましいことが
解る。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の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、溶接可
能な金属片５１の埋設部７を強化材２に対し垂直に配設
することにより、本発明による複合材料部材を伯の複合
材料部材又は金属部材と垂直に溶接し得るよう構成する
ことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１１は棒状体の複合材料部材として構成された本発明
による複合材料部材の一つの実施例を一部破断して示す
解図的正面図、第２ＷＪは第１因に示された複合材料部
材をそれと同様の複合材料部材と突合せ溶接された状態
にて示す解図的部分正面図、第３図及び第４図は本発明
による複合材料部材の製造方法の一つの実施例の報道工
程を示す解図、第５図は上述の如き本発明による複合材
料部材の製造方法に於て使用されるに好適な一つの鋳造
装置を示す解図的縦断面図、第６図は第５図の線ｖｔ−
ｖｔによる解図的平断面図、第７図はアルミニウム合金
内にステンレス線を鋳込んだ場合の咳ステンレス線に垂
直な断面を１０倍にて示す顕微鏡写真、第８図は第７図
に示されたアルミニウム合金とステンレス線との界面を
１００倍にて示す顕微鏡写真、第９図は鉄線及びステン
レス線をアルミナ繊維内にそのアルミナ繊維の方向に配
向して埋設し、それらをアルミニウム合金の融点以上に
加熱した後咳アルミニウム合金をマトリックス金属とし
て複合化することにより製造された複合材料の鉄線など
に垂直な断面を１０倍にて示す顕微鏡写真、第１０図は
第９ＷＪの鉄線と複合材料との界面を１００倍にて示す
顕微鏡写真、第１１図はステンレス線を炭素繊維内に該
炭素繊維の方向に配向して埋設し、それらをアルミニウ
ム合金の融点以上に加熱した後咳アルミニウム合金をマ
トリックス金属として複合化することにより製造された
複合材料のステンレス線に垂直な断面を１０倍にて示す
顕微鏡写真、第１２！Ｉｔは第１１図のステンレス線と
複合材料との界面を４００倍にて示す顕微鏡写真、第１
３図は鉄線及びステンレス線がアルミナ繊維に対し垂直
な方向に配向された点を除き第９ａｌｌ及び第１０６！
ＩＩの複合材料と同様に製造された複合材料のステンレ
ス線などに垂直な断面を１０＠にて示す顕微鏡写真、第
１４図は第１３図のステンレス線と複合材料との界面を
１００倍にて示す顕微鏡写真である。 １・・・複合材料部材、２・・・強化材、３・・・マト
リックス金属、４・・・複合材料部、５・・・溶接容易
な金属片、６・・・霞出部、７・・・埋設部、８・・・
裏面、９・・・表面、１０・・・ケース、１１・・・強
化材成形体、１２・・・成形室、１３・・・加圧室、１
４・・・鋳型、１５・・・プランジャ、１６・・・ノッ
クアウトピン、１７・・・溶融マトリックス金属、２２
・・・上型、２３・・・下型、２４・・・成形室、２５
・・・加圧室、２６・・・鴻道、２７・・・シリンダボ
ア、２８・・・プランジャ、２９・・・溶融マトリック
ス金属、３１・・・シリンダポア、３２．３４・・・ノ
ックアウトビン、４０・・・アルミニウム合金。 ４１・・・ステンレス線、４２・・・鉄線、４３・・・
ステンレス線、４４・・・アルミナ繊維、４５・・・マ
トリックス金属、４６・・・複合材料、４７・・・ステ
ンレス線。 ４８・・・炭素繊維、４９・・・マトリックス金属、５
０・・・複合材料、５１・・・鉄線、５２・・・ステン
レス線。 ５３・・・アルミナ繊維報、５４・・・複合材料、５５
・・・アルミナ繊維の配向の乱れた領域 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　　呂
　　輪第１図 第２図 第　３１！］ ７ 第４図 第５図 ２日 ５を 第　６　図 第７図 第　８　図 第９図 第１０図 ６ ＼　　＼　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＼第
１１図 第１２　　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）容易に溶接し得る部分を含む複合材料部材にして
   、溶接容易な金属片の少なくとも一部が複合材料部外に
   露呈されており、前記金属片の他の部分が前記複合材料
   部内に埋設されていることを特徴とする複合材料部材。
2. （２）容易に溶接し得る部分を含む複合材料部材を製造
   する方法に於て、溶接容易な金属片の少なくとも一部が
   強化材外に露呈され且前記金属片の他の部分の少なくと
   も一部が前記強化材に係止された状態にて前記強化材を
   所定形状の強化材成形体に形成し、前記強化材成形体を
   鋳型内に配置し、前記鋳型内に溶融マトリックス金属を
   導入し、前記溶融マトリックス金属を前記鋳型内にて加
   圧しつつ凝固させることを特徴とする方法。