JPS60115360A - 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】 産業上の利用分野 本発明は、複合材料に係り、更に詳細には加圧鋳造法に
よる複合材料の製造方法に係る。

従来技術 アルミニウム合金の如きマトリックス金属が各種の無機
質繊維やセラミック粒子の如き強化材にて複合強化され
た複合材料の製造方法の一つとして、強化材よりなる多
孔質体を形成し、該多孔質体を鋳型内に配置し、該鋳型
内にマトリックス金属の溶湯を注湯し、該溶湯を加圧し
つつ凝固させる所謂加圧鋳造法が知られている。

かかる加圧鋳造法による複合材料の製造方法に於ては、
多孔質体のみかけの比重がマトリックス金属の溶湯の比
重に比してはるかに小さいため、鋳型内に多孔質体を配
置ししかる後鋳型内にマトリックス金属の溶湯を注湯す
ると、溶湯の流動作用及び多孔質体ど溶湯との間の比重
差に起因して、多孔質体が浮上ったり傾いたりして鋳型
内の所定の位置にて複合材料を形成することができな（
なったり、多孔質体が鋳型の内壁面やプランジャの表面
に衝当し、多孔質体が強化材粒子の圧縮成形体である場
合には該圧縮成形体が欠損し、多孔質体が強化繊維の成
形体である場合には強化繊維の配向状態が損われたりす
る等の不具合が生じることがある。かかる問題は、所定
の部位のみが強化材にて複合強化された複合材料部材を
製造する場合や、多孔質体の全周よりその内部にマトリ
ックス金属の溶湯が良好に浸透し得るよう、多孔質体の
体積よりもはるかに大きい容積を有する鋳型内に多孔質
体が配置される場合に特に顕著である。

またかかる問題の発生を回避すべく、強化材よりなる多
孔質体を直接鋳型の内壁面に圧入等によって係止すると
、マトリックス金属の溶湯の浸透性が悪化するだけでな
く、多孔質体の鋳型に接触する部分が圧壊したり、多孔
質体に割れが発生したりするという問題が生じる。

発明の目的 本発明は、加圧鋳造法による複合材料の製造方法に於け
る上述の如き問題に鑑み、かがる問題が生じることがな
いよう改善された複合材料の製造方法を提供することを
目的としている。

発明の構成 かかる目的は、本発明によれば、微細な強化材とマトリ
ックス金属とよりなる複合材料の製造方法にして、前記
強化材よりなり前記マトリックス金属の溶湯の比重より
もみかけの比重が小さい多孔質体を形成し、鋳型内に前
記マトリックス金属の溶湯を注湯し、前記鋳型内に前記
溶湯に浮かせて前記多孔質体を配置し、前記鋳型に嵌合
するプランジャによって前記多孔質体を前記溶湯中に浸
漬させつつ前記溶湯を加圧し、その状態にて前記溶湯を
凝固させる複合材料の製造方法、及び微細な強化材と該
強化材よりも比重が大きいマトリックス金属とよりなる
複合材料の製造方法にして、鋳型内に前記マトリックス
金属の溶湯を注湯し、前記鋳型内に前記溶湯に浮かせて
前記強化材の集合体を配置し、前記鋳型に嵌合するプラ
ンジャによって前記集合体を前記溶湯中に浸漬させつつ
前記溶湯を加圧し、その状態にて前記溶湯を凝固させる
複合材料の製造方法によって達成される。

発明の作用及び効果 本発明の前者の製造方法によれば、強化材よりなる多孔
質体とマトリックス金属の溶湯との間の比重差により多
孔質体が鋳型内に溶湯に浮かんだ状態にて配置され、鋳
型に嵌合するプランジャによって多孔質体が溶湯中に浸
漬せしめられっつ溶湯の加圧が行われることにより溶湯
が多孔質体内に浸透せしめられる。この場合プランジャ
の下端がマトリックス金属の溶湯に当接すると、溶湯の
プランジャに当接した部分が層状に迅速に凝固し、該凝
固層により多孔質体がプランジャの底面に固定されるこ
とにより鋳型及びプランジャに対し多孔質体が相対的に
変位することが防止されるので、鋳型内にマトリックス
金属の溶湯が注湯される段階に於て溶湯の流動作用によ
り多孔質体が鋳型内にて変位せしめられることが回避さ
れるだけでなく、多孔質体の欠損などを生じることなく
鋳型内５− の所定の領域にて所望の複合材料を製造することができ
る。

また本発明の後者の製造方法によ、れば、先ず鋳型内に
マトリックス金属の溶湯が注湯され、該鋳型内に比重差
により溶湯に浮かんだ状態にて微細な強化材の集合体が
配置され、鋳型に嵌合するプランジャによって集合体が
溶湯中に浸漬せしめられつつ溶湯の加圧が行われるので
、鋳型内にマトリックス金属の溶湯が注湯される段階に
於て溶湯の流動作用により強化材の集合体が鋳型内にて
変位せしめられることが回避され、これにより鋳型内の
所定の領域にて所望の複合材料を製造することができる
。

また本発明によれば、プランジャの底面に近接した領域
にて所望の複合材料が形成されるので、鋳型内にて形成
された凝固体より所望の複合材料を機械加工等によって
取出すことを容易に行うことができるだけでなく、特定
の部位（プランジャの底面により郭定される表面及びそ
の近傍の部分）のみが特定の複合材料よりなる金属部材
を容易に６− 且確実に製造することができる。

本発明による複合材料の製造方法に於ては、マトリック
ス金属の溶湯が多孔質体内に良好に浸透し、また個々の
微細な強化材とマトリックス金属との密着性が向上する
よう、多孔質体又は微細な強化材の集合体が鋳型内に配
置されるに先立ち、多孔質体又は集合体が室温以上、望
ましくはマトリックス金属の融点以上の温度に予熱され
ることが好ましい。

尚本発明による複合材料の製造方法に於ては、微細な強
化材よりなる「多孔質体」は、粒子、不連続繊維、切粉
、箔片又はこれらの混合物の圧縮成形体又は吸引成形体
であってよい。

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。

実施例１ 先ず第１図に示されている如く、円筒状の孔１を有する
型本体２と、孔１に嵌合するアッパパンチ３及びロアパ
ンチ４とよりなる圧縮成形型を用意した。次いで第１図
に示されている如く型本体２とロアパンチ４とにより郭
定される住み内に平均［１径が２．８μｍであり、平均
繊＠を長が２１１１ｍであり、実質的に三次元ランダム
にて配向された２６．６ｏのアルミナ−シリカ繊Ｈ（イ
ソライト・バブコック耐火株式会社製「カオウール」）
の集合体を充填し、孔１にアッパパンチ３を嵌合させ、
図には示されていないプレス装置によりアッパバンチ３
とロアパンチ４とを互に近付く方向へ押圧することによ
り、かさ密度が０．８ｇ／ｃｃである直径４（３ｎｕ＋
＋、、長さ２０ｎｕｌの円柱状の圧縮成形体５を形成し
た。

次いで図には示されていないが大気中にて圧縮成形体５
を７００℃に予熱し、しかる後第２図に示されている如
く３００℃の鋳型６のモールドキャビティ７内に６００
ｃｃ、ｍ温７５０℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格Ａ
Ｃ８Ａ＞の溶湯８を注渇し、更に第３図に示されている
如く、モールドキャビティ７内に溶湯８に浮かせて圧縮
成形体５を配置した。

次いで第４図に示されている如く、鋳型のモールドキャ
ピテイ７に嵌合するプランジャ９により、圧縮成形体５
を下方へ駆動させて溶湯８内に浸漬させつつ溶湯８を１
５００ｋＭ〕の圧力にて加圧し、その加圧状態を溶湯が
完全に凝固するまで保持した。溶湯が完全に凝固した後
、ノックアウトピン１０によって鋳型６内より凝固体を
取出した。

その凝固体を軸線に沿って切断したところ、アルミナ−
シリカ短繊維にて複合強化されたアルミニウム合金より
なる繊維強化金属複合材料がプランジャに近接した所定
の位置にて形成されており、圧縮成形体の欠損等の不具
合も認められなかった。

尚上述の如く形成された複合材料に於けるアルミナ−シ
リカ短繊維の体積率は２５．６％であった。

実施例２ 先ず平均粒径が５μ輪である６、５ｇのアルミナ粒子の
集合体を用意した。次いで第５図に示されている如く、
鋳型６のモールドキャビティ７内に５００　ｃｃ、湯温
５００℃の純亜鉛（純度９９゜２％）の溶１ｆ１１１を
注渇し、モールドキャビティ７内に溶湯１１に浮かせて
アルミナ粒子１２の集９− 合体を均一に配置した。次いで第６図に示されている如
く、モールドキャビティ７に嵌合するプランジャ９によ
りアルミナ粒子１２を溶湯１１内に浸漬させつつ溶湯１
１を１１０００ｋノの圧力にて加圧し、その加圧状態を
溶湯が完全に凝固するまで保持した。溶湯が完全に凝固
した後、ノックアウトビン１０によって鋳型６内より凝
固体を取出した。その凝固体を軸線に沿って切断したと
ころ、アルミナ粒子にて複合強化された純亜鉛よりなる
粒子分散金属複合材料がプランジャに近接した所定の位
置にて形成されていることが認められた。尚上述の如く
形成された複合材料に於けるアルミナ粒子の平均の体積
率は１０％であり、プランジャの下端面により形成され
た表面からそれより軸線に沿って１８．５１１１１１１
の部分までアルミナ粒子の体積率が１７．２％から実質
的に零にまで漸次変化していることが認められた。

実施例３ 第１図に示された圧縮成形型と同様の圧縮成形型を用い
て、実質的に三次元ランダムにて配向さ１０− れた１１３．２（ｌの炭化ケイ素ホイスカ（東海カーボ
ン株式会社製「トーカマックス」　（登録商標））より
なりかさ密疾が０．７９ｇ／ｃｃである直径９５．５ｍ
ｍ、厚さ２０Ｉｌ！Ｉｌの円柱状の圧縮成形体１３を形
成した。次いで図には示されていないが大気中にて圧縮
成形体１３を７００℃に予熱した後、第８図に示されて
いる如く、ピストン鋳造用の３００℃の鋳型１４のモー
ルドキャビティ１５内に５００００．１温７５０℃のア
ルミニウム合金（Ｊｒｓ規格ＡＣ８Ａ＞の溶湯１６を注
渇し、モールドキャビティ１５内に溶湯１６に浮かせて
圧縮成形体１３を配置した。

次いで第９図に示されている如く、ピストンの内形状を
郭定する外形を有する上型１７をモールドキャビティ１
５に嵌合させ、上型１７により圧縮成形体１３を下方へ
駆動させて溶湯１６内に浸漬させつつ溶湯１６を１５０
０ｋｏ／−の圧力にて加圧し、その加圧状態を溶湯が完
全に凝固するまで保持した。溶湯が完全に凝固した後ノ
ックアウトビン１８によって鋳型１４内より凝固体を取
出し、該凝固体に対し切削及び研削等の機械加工を施す
ことにより、直径８９ＩｌｌＩｌ１１長さ６０１Ｉｌｌ
の第１０図に示されている如き４気筒２０００００のガ
ソリン機関用ピストンとした。かくして形成されたピス
トンをその軸線に沿って切断したところ、燃焼室窪み１
９を右するヘッド部２０、トップランド２１、トップリ
ング溝２２の壁面及びセカンドランド２３が体積率２５
％の炭化クイ素ホイスカにて均一に複合強化されており
、アルミニウム合金の浸透不良部は存在しておらず、炭
化ケイ素ボイス力とアルミニウム合金との密着も良好で
あることが認められた。尚第１０図に於て、複合部が符
号２４にて示されている。

また比較例として、上述の実施例の場合と同一の条件に
て形成された圧縮成形体１３を大気中にて７００℃に予
熱した後、第１１図に示されている如（鋳型１４のモー
ルドキャビティ１５の底面上に圧縮成形体１３を圧入に
より固定配置し、モールドキャビティ１５内に５００ｃ
ｃ、、湯温７５０℃のアルミニウム合金の溶湯を注渇し
、該溶湯を上型１７にて１５００ｋｏ／ａＩの圧力にて
加圧された点を除き上述の実施例の場合と同一の要領に
てピストンを形成した。第１２図は上述の如く製造され
た比較例のピストンをその軸線に沿って切断した場合の
断面を示しており、この第１２図より解る如く、ヘッド
部２０の背面２５より厚さ方向３１の範囲の部分２６に
は炭化ケイ素ボイス力が充填されておらず、背面２５よ
り厚さ方向３１ＩＩｍ乃至５ＩＩＩＩＩｌの範囲の部分
２７に於ては炭化ケイ素ホイスカの配向状態が押し潰さ
れたように乱れており、その部分の体積率は複合部２４
の他の部分の炭化ケイ素ホイスカの体積率が２５％であ
るのに対し３５％と局部的に高くなっていることが認め
られた。

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】

１３− 第１図乃至第４図は本発明による複合材料の製造方法の
一つの実施例の製造工程を示す解図的断面図、第５図及
び第６図は本発明による複合材料の製造方法の他の一つ
の実施例のＩ！Ｊ造工程の一部を示す解図的断面図、第
７図乃至第１０図は複合材料製のピストンの製造に対し
適用された本発明による複合材料の製造方法の一つの実
施例の製造工程を示す解図、第１１図及び第１２図は従
来の方法による複合材料製のピストンの製造工程の一部
を示す解図的断面図である。 １・・・孔、２・・・型本体、３・・・アッパパンチ、
４・・・ロアパンチ、５・・・圧縮成形体、６・・・鋳
型、７・・・モールドキャビティ、８・・・アルミニウ
ム合金の溶湯。 ９・・・プランジャ、１．０・・・ノックアウトピン、
１１・・・純亜鉛の溶湯、１２・・・アルミナ粒子、１
３・・・圧縮成形体、１４・・・鋳型、１５・・・モー
ルドキャビティ、１６・・・アルミニウム合金の溶湯、
１７・・・上型。 １８・・・ピストン、１９・・・燃焼室窪み、２０・・
・ヘッド部、２１・・・トップランド、２２・・・トッ
プリング溝、２３・・・セカンドランド、２４・・・複
合部、２５１４− ・・・背面 特許出願人　トヨタ自動車株式会社 代　理　人　弁理士　明　石　昌　毅 １５− 第１図 第　２　図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）微細な強化材、とマトリックス金属とよりなる複
   合材料の製造方法にして、前記強化材よりなり前記マト
   リックス金属の溶湯の比重よりもみかけの比重が小さい
   多孔質体を形成し、鋳型内に前記マトリックス金属の溶
   湯を注湯し、前記鋳型内に前記溶湯に浮かせて前記多孔
   質体を配置し、前記鋳型に嵌合するプランジャによって
   前記多孔質体を前記溶湯中に浸漬させつつ前記溶湯を加
   圧し、その状態にて前記溶湯を凝固させる複合材料の製
   造方法。
2. （２）微細な強化材と該強化材よりも比重が大きいマト
   リックス金属とよりなる複合材料の製造方法にして、鋳
   型内に前記マトリックス金属の溶湯を注湯し、前記鋳型
   内に前記溶湯に浮かせて前記強化材の集合体を配置し、
   前記鋳型に嵌合するプランジャによって前記集合体を前
   記溶湯中に浸漬させつつ前記溶湯を加圧し、その状態に
   て前記溶湯を凝固させる複合材料の製造方法。