JPS59500135A - 繊維強化金属に於ける又は関する改良 - 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】 繊維強化金属に於（プる又は関する改良本発明は、強化材特に耐火材の細長い単 結晶繊維を組込んだ金属マトリックスを含む複合Ｕ”ｌの製ｊ＆に係る。

英国特許第１３３４３５８号は、モールド内の溶融金属と粒状強化材どの混合物 に所定圧力プログラムを作用させる工程を含む方法を用いた金Ｒ複合材料の製造 を開示している。次いて複合材料の鋳造ごレットを押出して強化用繊維のある程 咳を押出方向に整列させ、これにより、非強化金属に比較して複合材料の強度と 剛性とを改良することが可能である。しかし乍ら、繊維のｅｔ　ａを高くするこ と・が難しくまた押出工程で繊維の破断が生じるため、複合材料の強度と剛性と は、予想し得るによりもがなり低かった。

英国特許第Ｇ５！１１５５４号は、複合材料の強度と珊、１ｉとを改良プるため に、モールド内に所定パターンの強化用繊維を供給し、次に、装入量の溶融金属 にｑ力を作用させて強制的に織雄中に押し進め複合材料を得る方法を開示してい る。実際には、織市のＴｆｉ断を生じること無く溶融金属を強制的に具ｔａに浸 透さビるのが括めて難しいことが知見された。ぞの発明の目的（、：、１、金（ ト）の流れ特性にｙ〕合った最大の；２２　Ｈ内浸透距麺が今在りるμ、うに謀 維間のｌｉ、’ｌ隔を開けることによって前記の如き欠点を除去することであっ た。

上記の従来技術の方法はいずれも、９２　ｅｌｆｌレアレイ中金属の浸透を促進 するために装入された溶融金属に対し顆械的圧力をピストンで直接作用させＣい る。しかし乍ら、システム内で損失か生しるので、加えられた公海圧力鑓モール ドキャビティ内の液体金属に作用する圧力よりも大きいことか知見された。

本発明の目的は、溶Ｍ１！金属の繊維浸ｊ力性を改良し且つ液体金属加圧の際に 生じる圧力損を低減することである。これにより、金Ｒ複合材利鋳造物の特性が 改良され、より薄いダイ部材の使用か可能であろう。

本発明は、非金属繊維性強化材を組込んだ金属マトリックスを含む複合材料の形 成方法を提供する。本発明方法は、繊維強化金属 ンバからガスを除去すべくダイを排気し、グイ内の部分真空の作用下てダイに金 属を吸引してタイを充がし、溶融金属１ｊ”　健の綴紐の実質的に全部今２囲す るようにタイの内容物：こ圧、盲カスを作用させるステップを含む。

好ましくは溶融金属は、１２維間ｌ＼の金属の（迄Σ；ｅ茫を淀ｊで寸ｌ＼く金 属液相線より高温の一定温葭に誰持されている。溶、β１１金属の温度は、ダイ を包囲づ−る加熱シャケラ１〜の配置により調整され得る。タイに溶融金属を装 入するための好ましい方法に於いては、モールドチャンバ内のカス圧を但’Ｊ４ 　ｉｌ＼くモールドチャンバを導管によって排気タンクに接読し、次にルツボが ら導管を介して溶融金属をタイに吸引Ｍへく溶融金属ルツボをタイに接Ｖ、する 別の導管内の弁を開くステップが更に含まれているフルツボとタイとの双方か加 熱ジャケットて包囲されるのが右（１」である。使用金属かアルミニウム合金の 場合、シイと溶融金泥との温喰は、タイの充填ステップ及び溶融金属の力１ｊ圧 ステップの間を通じてアルミニウム合金液相線温度より高温に維持される。タイ ー′ｉ−溶融金属で充填する前に金属をガス抜きするのが望ましい。

液体金属用の弁が不要な別の方法に於いては、モールドキャビティと気密炉との 間、実質的に該気密炉の下部との間に液体金属導管を接続し、導管と炉とを介し てモー／Ｌトニ″：Ｎ・〔ティを排気する。炉は次に低圧例えば大気圧のガスに 接続され、該カスは溶融金鉱を強５Ｉ・１的にｅ　−／ｌ、　ｌ’キャヒテｒに 流入１！シめろ。

箔１衰（こ、強１ヒ用ツ雉アしイ内へのン容茜上金属の汗びｊ〕ｉ牛を良くｖ（ 。

ために）Ｊスか１ｉｉｌ圧される。Ｊｊスは空気でも上＜Ｖｔよ余１；１１金： 邑、Ｎ再利用したいとこは不活性カスでちよい。

複合金属管の製造に適した１つの実施態様に於いては、強化材は、円筒状繊維屑 を形成すへ゛く円筒状巻型（ｆｏｒｍａｒ）に巻回された繊維を含む。層中のｍ 　マｆｔの周囲ての溶融金属の流動を促進するためには、好ましくは巻型の外面 に長手方向の溝を配設し、溶融金属が溝内を流れて繊維層の内面とクト面どの双 方から半径方向で繊維層に浸透できるように構成する。

溶融金属の方向性凝固を確保９るように調整された速度でダイを冷却するのが有 利である。好ましくは巻型の中心軸から冷却液を導入して冷却を行なうｇ好まし い構成に於いては巻型が少なくとも部分的に中空であり、巻型内に冷却用スプル ー＜５ｔａｌｋ　）を挿入し得る。冷却用スプルーは、溶融金属の温度を維持す べく溶融金属導入以前にダイ温度を上昇せしめる加熱素子と交換され得る。

巻型の冷却中に生じる熱応力を最小にするために、ダイか巻型とダイとの間の相 対停動を可能にする少なくとも１つのシールを含むように構成するのが好ましい 。前記シールがダイの上端に股（つられ、溶融金属が前記シールと接触しイｇい ように溶融金層の装入１が制限されるのが有利である。好ましくば、金属と接触 するガスは不活性である。

前記の特徴及び別の特徴を理解するために、添Ａ・１口１面に塁き本発明の具１ ホ１ンリについて非限定的に以下に説明する。

第１図は、複合金属円筒を製造するためのダイの断面図、第２図は、ダイを包囲 する加熱ジャケットと金属を溶融するルツボとの断面図、 第３図は、第１図に示した巻型の表面の部分断面図、第４図は、第１図及び第２ 図の装置の変形例の部分断面図、第５図は第４図の別の変形例の断面図である。

第１図は、繊維強化金属管を製造すべく設計されたダイ　１を示す。選択された 管材料は、ホウ素とケイ素と炭素とから成るボーシックファイバ（３ｏｒｓｉｃ 　ｆｉｂｅｒ　）及びアルミニウム合金である。

ボーシックファイバは、円筒状３１１アレイ　３を形成すべく鋼鉄巻型２に巻回 される。巻型は次にダイ　１に挿入される。ダイ１は円筒状中空ボディ　４から 形成されており、端部プレート　５゜６がボディにボルト止めされている。溶融 アルミニウム合金；よ。

円筒状ボディ　４の下部の開孔７を介してダイ　１に２ぷ入どれ、う維アレイが 溶融金属で完全に破口されるまで巻型２と’Ａ維デアレイ３とを包囲する円筒状 スペース８内に吸引される。この工程に於いて溶融金属が自白に流れるようにダ イの温度・を維持する必要がある。所要装入こ３の溶融金属がダイ内に導入され てから。

溶融金属を圧縮不活性ガスで加圧して溶融金属を強制的に繊維アレイ　３中に流 入させ該アレイと結合した均質金属マトリックスを形成する。

更に第２図で示すようにダイが溶融金属で充填己れる。アルミニウム合金を先ず 溶融し、次にカス抜きする。次に、溶融金属をルツボ９にＢす。）谷融金属を夕 ′イに導入するための管１０をルツボに挿入し、弁１１を介してダイ　１の開孔 ７に接続する。ダイ　１とルツボ９とは、アルミニウム合金を温度６５０℃乃至 ７００℃に維持すべく加熱ジャケット１２．１３によって包囲されている。

ダイ内部で温度の均一性を維持すべく加熱素子１４か加熱ジャクツ１−１２と上 端プレート　６とを通って巻型２の内部空洞１５に挿入される。タイ　１の内部 のスペース８は、弁１１を閉位置に維持し、ダイ上端プレートを通る導管１６を 真空ポンプに接続されたタンクに接続することによって排気される。ダイの充填 を行なうには、弁１１を開き、モールドチャンバ内の圧力とルツボ内の金萬に作 用・びる大気圧との間の差を利用してタイに金属を吸引する。

弁１１は２つの流量調整値を有する。金属が謀力仔アレイを丁度被覆するまで（ よ弁か全開でタイの充填が行なわれ、双唆、企鴛１．−ヘルかダイの上端グレー １へ６と巻型２及Ｕホテイ　４の各々とのＩ！１１のシール１７及し１８の真Ｆ の位置に到ｊ１するＪｔで（ユ（７（ゝ力の、ゐＷに調整される。Ｒ柊しベルま での充填に遅い方の調整値で使用されるので、溶融金属がダイシール１７．・１ ８と接触しないことが確保される。９００℃まで安定な特殊シールを装着したＦ ｌｅｘｉｔａｌｌｉｃ　（商標）製の弁が使用さ蛛る。

金属の初流嶺から柊流二・′＼の切替及びブ？の閉よを夫々決定するために、タ イのボディの壁の通光な高さに（図示しない）２つのプローブが扁えられている 。

導管１６は、金属管１９と（図示しない）可撓性ホースと（図示しない）三方弁 とを介して真空タンクに接続されている。溶融金属てダイを充填後、アルゴンの 如き不活性カスを圧力１５Ｎ／ｎ１ｍ”で収容したガスボンベをダイに接続する ように三方弁をリセットする。繊維巻線間への金属の浸透性を良くしボーシック ファイバか溶融金属内に完全に埋め込まれるように、溶融金層にガス圧を作用さ せる。繊維アレイ内への金属の浸透性を更に改良するためには、第３図に示１如 く巻型２の外表面に長手方向溝２０を設りる。ダイの充填中の部分真空の作用下 で溶融金属は、繊維アレイ内部の：肯２０及び機雉アレイ周囲の環；、゛＼スペ ース８に流入する。次にダイを加圧すると）δ融金属は　−；′ｌＨ１ｆＥアし ｒの内測及Ｇ・外貨；から半径す向て識雉アレ□′に；侵速し得る。

タイ千ｉこティの加圧後、力り熱素子１４を蚕梨２イ乃内部：　５　／Ｅ・、ら 取外し、冷却用スプルーを挿入する。ダイの温度をモニターし乍ら冷却用スプル ーに空気を通す。冷却用ガスの流速及び／″又は温度を変化させることにより、 溶融金属を調整速度で冷却し、巻型の軸方向冷却を利用して方向性凝固を確保す る。金属の１ｆｌｃ固後、ガス圧が除去され、加熱ジャケット、が除去されて鋳 造物とダイとが放冷される。

又は、冷却用スプルーに水を通して巻型の冷却を行なってもよい。ダイ内の応力 は主として、巻型の強制冷却中の差熱数箱ｉの結果として生じる。この応力は、 巻型とダイの上端プレー１−６との間のシール１７の領域に熱運動を集中させる 第１図の設計によって最小にされる。従って巻型２の上端と上端プレート６との 間に膨張スペース２１が設けられている。従ってシール１７は、巻型の膨張及び 収縮中に一体性を維持することができ、高温て有効でなければならない。金属レ ベルがシールのレベルより下方に維持されるのてこの条件は余りｊ進しく要求は されない。

１−１ｅｌｉｃＯＮｅｘとして知られるシールが使用される。該シールは、強制 冷加による逆型の長手ノフ向及び径方向収縮中にタイ内部のノＪス圧を維持し得 るべく金属仕上面を嘉え７−バネを使用して（・る。ダイの下部のシール２２は 、従来のらせん巻きスデンレヌスチールーアスヘス１〜ス型のシール、１シリえ ＋−＞　Ｆ　１ｅｘｉｊａｌｉｉｃシールから成る。前記の如く、巻型とタイと の間に有効なシール、を配置し、シールが巻型のいかなる熱膨張運動をも受容し 得るように構成することによって、圧力；員か最小にされ、溶融金属に作用した 圧力と加えられた公称圧力とが実質的に等しく　％る。

本発明方法を実施するための前記の装置では、；ρ（ホ金属導管内で弁が使用さ れている。第４図及び第５図は、液体金属用の弁が不要となり、従ってシールの 問題が住じない別の構成を示す。

第４図ば、第１図に示す如き強化用機紐のための円筒状巻型を組込んだダイを示 す。しかし乍ら、この具体例では、モールドキャビティの排気及び加圧のための 貫通孔が一ト端プレート６に設（プられていない。更、に、第２図に示した液体 金属用の弁１１も不要である。ダイの外壁２３に炉２４が直結してあり、該炉の 内部は、液体金属導管即ち開孔７を介してモールドキャビティに接続されている 。パイプ２５が炉内に隔えられており、該パイプの１つの開口端は炉の底部近傍 に位置しており、該パイプの（亡罵は液体金属導管即ち開孔７に；フｉＬご＊） Ｃいる。［ｊｊＪの導鋲２６が、炉２４の壁の上端近隣の開孔２７に接続されて いる。

院；１具イホ例の場合と同じく、ボーシック強（ヒ田乃９（（が円筒状巻型に巻 回され、巻型（Ｊ、外側ダイボディ内部に取１ｋｊ（プられてタイボディと巻型 との門にモール１〜キヤビテイを形成する。炉２Ｉｌとモールドキャビティとは 導管２６を介して排気される。炉２４は（図示の如く）装入量の溶融金属２８を 収容する保温調整炉てもよく、又は固体金属を収容する溶融炉でもよい。いずれ の場合にも、モールドキャビティからの空気はパイプ２５を介して排田され、前 者の場合、溶融金属２８に吸込まれる。タイと液体金言との温度が金属液相線温 度より高いとき、導管２６が大気圧の木活性ガスに接続され、これにより液体金 属を押し進めてタイキャビティを実質的に充填する７次に不活性ガスか加圧され て液体金属を押し進め、ボーシック繊維アレイ内部への液（主金属の浸透を良く する。

第５図は、液体金属用の弁が不要な装置の別の変形側である。

判り易いようにこの図では、加熱素子３０とダイ３１と炉３２とを包囲する絶縁 材２９の一部が省略されている。、巻型３３は円筒状上部３４を有しており、連 続ボーシック繊維３５はこの部分に巻（寸（づられる。上部３４は、この部分の ほぼ真中まで伸びており、孟内端に絶縁材３７か充填された中空ホ７３６を有す る。上部３４と一体的に形成されｌ二円形フランジ３８は、巻型か円筒状シＬ　 ｊ％ター′小ティ３Ｃに挿入されたときタイのクロージヤ一部材を形成する。］ しシクシ３の上面に対τるシールとしで、タイボディ、４０の下端に逐状封止ガ スケット４０が配設されている。巻型の上部３４の円筒状外面に対するシールと して、ダイボディ３９の内面の上端に設ｉブられた階段状凹部内にシール４１が 配設されている。

円形フランジ３８から下方にスプルー４０が沖びている。スプルー４０を貫通す る軸方向ボア４１は、巻型の上部３４に直径方向に開設された金居供給孔４２に 接続している。前記同様シこ保温調整炉又は溶融炉のいずれてもよい炉３２の上 端ば、フランジ３８の下面に対するシールとして、環状ガスケツ１へ４３を備え る。４ｉ□４４は炉の上部壁を貫通して配設されている。

第４図の装置同様、ボーシック繊維は巻型３３の上部３４に巻付けられる。次に 巻型か外側ダイボディ３９の内部に取付けられてタイキャビティ４４を形成する 。次に炉３２とダイとを組立てる。

スプルー４０は、開口端が炉の底部近例に達する程度の長さをＨする。次に、導 管４４とボア４１と金属供給孔４２とをｆｊ゛シて炉とタイキャビティとを排気 ザる。排気後、液体金属とタイとの温壊を金属液相線温度より高温に維持し、導 管４４を先ず１１人人工不活カスに接続してタイキャビティ４５を液体金黛て実 質的に充瑣し、次に不活性ガスを加圧して強化用繊維アレイ内への、衣体金届の 浸透を良くする３タイチャンバ内部の残留ガスは全て上部タイシール４１の周囲 の領域に圧縮される。ダイの加圧１升、上部、浜縁林を取外し、ダイの上表面と 巻型３３の内部中空ボア３６とに冷却用空気４６を吹込む。絶縁材３７は、金属 供給孔４２内の液体金属の凝固を生起する恐れのある巻型の軸方向冷却を阻止し つつ、中空ボア３６の円筒状壁を介した冷却を確１呆する。このように、ダイに 装入された溶融金属は上方から冷却され、更に加圧液体金属がダイに浸入し、冷 却及び凝固の際の差収縮により生じ得るいかなる空隙をも充填し得る。

ダイボディと端プレートとの製造材料として軟鋼、１８／８タイプクロムニツケ ルステンレス鋼及びニッケルベース超合金をテストした。軟鋼は、６５０℃での 特性が適当でなかったため不合格にした。ニッケルヘ−ス超合金は、降伏強さと 設計強さとを５０％乃至１００％改良したが、鋳造物の価格が１０倍以上になっ た。選択０１は１８％Ｃｒ−９％Ｎｉ−２２％ＭＯ（Ａｓ丁！ｖｉ　Ａ３５１Ｃ Ｆ８〜１）であった。好ましくはダイボディと端プレー１へとを遠心鋳造する。

テストによれば、種／７の熱処理簡にもｉパー９フク繊維の引張特性は損われな い。繊維の曲げ適性は事実上改良されたことが知見された。従って、時に＋　（ （−関する重大な制約か無く、繊維アレイを含むダイを処理温度に加熱し、排気 及び溶融金属充填まで処理温度に雑持し得る。

小型ダイカスト鋳造物の＠合、ダイ部材から鋳造′ｌｖＪを力ａ　Ｌ易いように スプリットダイの使用が有利であることが証明されよう。このような鋳造物の場 合、軸方向冷却手段を削除してダイ構造を簡単にしてもよい。

添附図面に基いて本発明を説明してぎたが、別の変形が可能であることは当業者 に明らかであろう。従って、溶融金ａがアレイの片側のみから浸透して謀雑を完 全に包囲し得べく繊維アレイの繊維密度が十分に低くカス圧が十分に高いことを 確保てきれば、巻型に長手方向溝を設けなくてもよい。更に、複合材料形成のた めに作用させるガス圧が、記載の管以外の形状の鋳造を行なうために使用されて もよい。巻型への単繊維巻付けに要する時間を短縮するために巻型に配置し得る ファイバテープ。

ファイバ織物又はファイバ束を使用することによって複合今庄笛の製造を更に改 良することも可能であろう。シールからモールドキャビティへの好ましくない空 気漏れを最小にするために、これらのシール眉間に不活性カス雰囲気を設（プて もよい。

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Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　繊維性強化材の少なくとも１つの層をダイ内に配喝するステップを含む非 金属性繊維性強化材を組込んだ金属７１−リックスを含む複合材料の形成方法で あり、モールドチャンバ（８）真空（１６，１９＞の作用下でダイを充填すべく 溶融金属をダイ（７）内に吸引し、溶融金属を押圧して層の１９ｆｔ（３）の実 質的に全部を包囲せしむべく圧縮カスによってダイの内容物に圧力（１６，１９ ）を作用させるステップを更に含むことを特徴とする複合材料の形成方法。 ２、　ダイに溶融金属を装入する方法が、モールドチャンバ（８）内のガス圧を 低減すべくモールドチャンバを導ｙ（１６゜１９）によって排気タンクに接続し 、次に、溶融金属がルツボから導管を介してタイに吸引されるように溶融金属ル ツボ（９）をダイに接続する別の導管（７，１０）内の弁（１１）を開くステッ プを更に含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。 ３、　ルツボとダイとが加熱ジャケット（１２＋　１３＞によって包囲されてい ることを特徴とする請求の範囲２に記載の方法。 ４、　液体金属ｓ＝　管（２５，４０）がモールドチャンバ（４，５）と気密Ｘ ｐ　＜２４．３２）の実質的に底部との間に接、涜されており、炉を排気しこれ により金属導管を介してモールドチャンバを°排気１−るステップと、炉を低圧 ガス源に接続し、これにより溶融金属でモールドキャビティを実質的に充填せし めるステップと、最後にガスを加圧しこれによりモールドチャンバ内の溶融金属 を加圧するステップとを含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。 ５、　溶融金属に圧力を作用させ乍らダイを冷Ｍｌ　７ｉるステップを含んでお り、冷却は、溶融金属の方向性凝固を確保するように調整されることを特徴とす る請求の範囲３または４に記載の方法。 ６、　金属がアルミニウム合金であることを特徴とする請求の範囲５に記載の方 法。 ７、　繊維がホウ素、炭素及びケイ素から成ることを特徴とする請求の範囲６に 記載の方法。 ８、　金属と接融するガスが不活性であることを特徴とする請求の範囲７に記載 の方法。 ９、　タイとタイに溶融金属を導入する手りとタイ内の溶融金属に圧力を作用さ せる手段とを含む金属ｔ２合管製造装置であり、外１ｉｉ１ｊタイｉｊ＜ティ（ ４）と、外側ダイボディ（′１）とのｌｊｎに円筒状グイキャビティ（８）Δ形 １戊η・°＼くタイの不一端・つ）ら上“’ｌ、’Ａ　ｋｌ　ｆ白びる軸を有す るようにダイボディ（４）の内部に取付けられてダイのクロージヤ一部材を形成 する円筒状巻型（２）と、溶融金属タンクをダイに接続すべくダイの実質的に底 部に配設された手段（７）と、ダイを排気し１ｑべくダイに接続されており、圧 縮ガス源をダイに接続ずべくダイの実質的に上端に配設された手段（４６，１９ ）とを具備しており、溶融金属を浸）８ざぜる円・筒状繊維Ｈ（３）を形成する ために強化材繊維が巻型に巻付けられるように構成されていることを特徴とする 金Ｒ複合管の製造装置。 １０、巻型（２）が環状断面を有しており、グイ充１「中の溶融金属の温度を維 持するために溶融金属導入以前にダイの温度を上昇せしむべく加熱部材を受容し 得る軸方向スペース（１５）が形成されることを特徴とする請求の範囲８に記載 の装置。 １１、タイが巻型（２）とダイ（４）とを互いに相対移動させ得る少なくとも１ つのシール（１７，１８）を含むことを特徴とする請求の範囲９に記載の装置。 ・ １２、溶融金属が前記シールに接触しないように溶融金属の装入量制限ザる手段 が含まれていることを特徴とする請求の範囲１０に記載の装置。