JPS60115361A - 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と溶湯との間の比重
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づることができなく
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、多孔質体の全周に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ｍ進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、かか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、開口
部を有する容器内に前記強化材の集合体を充填し、前記
容器を鋳型内に配置すると共に前記容器を前記鋳型の内
壁面に係止し、前記鋳型内に前記マトリックス金属の溶
湯を注湯し、前記溶湯を加圧しつつ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 本発明によれば、容器内に充填された微細な強化材の集
合体は容器が鋳型の内壁面に係止されることにより鋳型
に対し相対的に変位することが防止されるので、集合体
のみかけの比重とマトリックス金属の溶湯の比重とが大
きく相違する場合にも、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集合体
が鋳型内にて変位せしめられることが回避され、またか
くして集合体が鋳型内の所定の位置に保持された状態に
てマトリックス金属の溶湯が集合体内に浸透し、これに
より集合体の欠損等の不具合を生じることなく鋳型内の
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
。

本発明による複合材料の製造方法に於ては、微細な強化
材の集合体は、該集合体中にマトリックス金属の溶湯が
良好に浸透し得るよう、室温以上の温度、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
ましく、集合体が鋳型外にて予熱される場合には、集合
体が予熱されてから鋳型内にマトリックス金属の溶湯が
注湯されるまでの過程に於ける温度低下を抑制すべく、
容器として断熱材製の容器や断熱材のマットなどにて被
包された金属製の容器などが使用されることが好ましく
、集合体が鋳型内にて予熱される場合には、金属製の容
器の如く熱伝導性に優れた容器が使用されることが好ま
しい。また金属製の容器が使用される場合には、その容
器を構成する金属はマトリックス金属よりもはるかに融
点の高い金属、又はマトリックス金属と同−若しくはこ
れと実質的に同一の金属であることが好ましく、特に第
二の金属又はこれと実質的に同一の金属にて形成された
容器を用いれば、製造されるべき複合材料のマトリック
ス金属の組成に悪影響が及ぶことを確実に回避すること
ができるだけでなく、その容器は鋳型内にマトリックス
金属の溶湯が注湯された段階に於て溶融して消失するの
で、所定の部位のみが所望の複合材料よりなる金属部材
を製５− 造する場合にも、後工程に於て容器を除去することを要
しない。

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」は、粒子、不連続繊維、切粉、箔片又はこれら
の混合物であってよ（、強化材の集合体を容器内に充填
する過程に於ては、集合体を容器内にて圧縮成形又は吸
引成形することにより所定の形状の多孔質体が形成され
該多孔質体が容器に固定されることが好ましく、容器を
鋳型の内壁面に係止することは容器を直接又は断熱材を
介して鋳型のモールドキャビティに圧入することにより
行われることが好ましい。

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、実質的に円筒形をなし
下端に放射状に延在する３２個の舌状部１を有する外径
３９１１長さ４０１ＩＩＩ１１板厚０．５ＩＩＩｌｌの
ステンレス鋼（ＪＩＳ規４＠５ｔＪＳ３０４）！Ｊの容
器２を用意した。次いで第２図に示されてい６一 る如く、容器２内に平均粒径が５μｍである２９゜４ｇ
のアルミナ粒子の集合体を充填し、該集合体をパンチ３
にて圧縮づることにより、アルミナ粒子のかさ密度が０
．７８９／ＣＣである直径３８ＩＩＩＩＩ１１長さ３０
ｍｍの圧縮成形体４を容器２内にて形成した。

次いで図には示されていないが大気中にて圧縮成形体４
を容器ごと６００℃に予熱し、しかる後第３図に示され
ている如く圧縮成形体４を容器ごと３００℃の鋳型５の
モールドキャビティ６内に配置した。この場合モールド
キャピテイ６は第３図に示されている如く抜き勾配を有
する実質的に円筒形をなしており、容器２はその舌状部
１がモールドキャごティ６の側壁面に圧入されることに
よりモールドキャビティ６内の所定の位置に固定された
。

次いで第４図に示されている如く、鋳型５のモールドキ
ャビティ６内に５００ｃｃ、、湯温７００℃の純マグネ
シウム（純度９９．３％）の溶湯７を注湯した。次いで
純マグネシウムの溶湯７をプランジャ８により５００　
ｋａ／。２の圧力に工加圧し、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９によって鋳型５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マグネシウムよりなる所
望の粒子分散金属複合材料がモールドキャビティ内の所
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。また上述の複合材料の断面を
電子顕微鏡にて観察したところ、複合材料全体に亙りア
ルミナ粒子が均一に分散しており、アルミナ粒子と純マ
グネシウムとの密着も良好であ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
体積率は２０％であった。

実施例２ 容器として実質的に円筒形をなし下端に放射状に延在す
る３２個の舌状部を一体に有する外径３９　ｍｍ、長さ
４０Ｉｌｌ１１１板厚１１ＩＩＩｎの炭素鋼（ＪＩＳ規
格８１５Ｃ）製の容器が使用され、強化材の集合体とし
て平均Ｓ維径が０．３μｍであり平均繊維長が１２５μ
ｍであり実質的に三次元ランダムにて配向された２５．
５（ｌの炭化ケイ素ボイス力（東海カーボン株式会社製
［トーカマックス］（登録商標））が使用され、該炭化
ケイ素ホイスカにてかさ密度が０．７９（＋／ＣＣであ
る直径３７１１長さ３０ＩＩＩＩＩｌの円柱状の圧縮成
形体が容器内にて形成され、該圧縮成形体が容器ごと７
００℃に予熱され、マトリックス金属の溶湯としてアル
ミニウム合金（ＪＩＳＩＩＡＣ８Ａ）の溶湯が使用され
、鋳型の温度、湯温及び溶湯に対する加圧力がそれぞれ
２５０℃、７５０℃、１０００ｋｏ／−に設定された点
を除き、上述の実施例１の場合と同一の要領により炭化
ケイ素ボイス力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を製造した。

この実施例に於ても所望の複合材料がモールドキャビテ
ィ内の所定の位置にて形成されており、圧縮成形体の欠
損等の不具合は認められなかった１また上述の複合材料
の断面を電子顕微鏡にて観察９− したところ、複合材料全体に屋り炭化ケイ素ボイス力が
均一に分散しており、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。尚この
実施例に於て製造された複合材料に於ける炭化ケイ素ボ
イス力の体積率は２５％であった。

実施例３ 容器として実質的に円筒形をなし下端に放射状に延在す
る３４個の舌状部を有する外径４２ＩＩｌｌＩ１１高さ
４０ｍｍ、板厚０．５ｍｍの純アルミニウム（純度９９
．７％）製の容器が使用され、強化材の集合体として平
均繊維径が０．３μ鞘であり平均繊維長が２５μｍであ
り実質的に三次元ランダムにて配向された２６ｏのチタ
ン酸カリウム（Ｋ２Ｏ・６Ｔｉ　０２　）ホイスカ（大
塚化学株式会社製［ティスモＤＪ）の集合体が使用され
、該集合体にてかさ密度が０．６６ｇ／ｃｃである直径
４１１ＩＩ１１１長さ３０μｍ１ｗｌの円柱状の圧縮成
形体が容器内にて形成され、該圧縮成形体が容器ごと４
００℃に予熱され、マトリックス金属の溶湯としてアル
ミニウム１０− 合金（Ｊ■Ｓ規格ＡＣ４Ｃ）の溶湯が使用され、湯温が
７８０℃に設定された点を除き、上述の実施例１の場合
と同一の要領によりチタン酸カリウムボイス力にて複合
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
材料を製造した。

この実施例に於ても所望の複杏材料がモールドキャピテ
イ内の所定の位置にて形成されており、純アルミニウム
製の容器は溶融により消失しており、圧縮成形体の欠損
等の不具合は認められなかった。また上述の複合材料の
断面を電子顕微鏡にて観察したところ、複合材料全体に
亙すチタン酸カリウムボイスカが均一に分散しており、
チタン酸カリウム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。尚この実施例に於て製
造された複合材料に於けるチタン酸カリウムボイス力の
体積率は２０％であった。

実施例４ それぞれ第１図及び第２図に対応する第５図及び第６図
にボされている如く、容器として円筒状外周面全体が厚
さ５１１１Ｒ＋のアルミナ−シリカ繊維よりなる断熱マ
ット（イソライト・バブコック耐火株式会社製「カオウ
ール」）１０にて巻かれた外径３８ＩＩＩ１１長さ４０
ｍｍ、板厚０．５＋ｎｎ＋のステンレス鋼（Ｊ■Ｓ規格
５ＵＳ３０４）製の円筒形の容器１１が使用され、強化
材の集合体として平均繊維径が０．３μｍであり平均繊
維長が１２５μｍであり実質的に三次元ランダムにて配
向された２０．５ｇの炭化ケイ素ボイス力の集合体が使
用され、該集合体にてかさ密度が０．６３ｇ／ｃｃであ
る直径３７ｍｍ、長さ３０１ＩＩＩ１１の円柱状の圧縮
成形体１２が形成され、該圧縮成形体が容器ごと７００
℃に予熱され、容器１１が断熱マット１０を介して鋳型
３のモールドキャビティ６に圧入によって固定され、マ
トリックス金属の溶湯として純アルミニウム（純度９９
．７％）の溶湯が使用され、鋳型の温度、湯温、及び溶
湯に対する加圧力がそれぞれ２５０℃、７８０℃、７５
０　ｋＱ／　ａｍＱに設定された点を除き、上述の実施
例１の場合と同一の要領により炭化ケイ素ボイス力にて
複合強化された純アルミニウムよりなるＩＮ強化金金属
台材料を製造した。

この実施例に於ても所望の複合材料がモールドキャビテ
ィ内の所定の位置にて形成されており、圧縮成形体の欠
損等の不具合は認められなかった。

また上述の複合材料の断面を電子顕微鏡にて観察したと
ころ、複合材料全体に亙り炭化ケイ素ボイス力が均一に
分散しており、炭化ケイ素ボイス力と純アルミニウムと
の密着も良好であることが認められた。尚この実施例に
於て製造された複合材料に於ける炭化ケイ素ボイス力の
体積率は２０％であった。

実施例５ 第１図に示された容器と実質的に同一の形態を有する直
径４２Ｉ！１ＩＩ１１長さ４０ＩＩＩＩｌ１１板厚０．
５ｍｍのステンレス鋼ＬＪＩＳ規格５ＬＩＳ３０４）製
の容器１３を用意し、第７図に示されている如く舌状部
１４にて鋳型５のモールドキャビティ６に圧入すること
により容器１３を３５０℃の鋳型内に固定した。次いで
第８図に示されている如（、容器１３内に平均粒径が１
５μｍであり８００℃に予１３− 熱された６０．２０のシリカ粒子の集合体を充填し、該
集合体をパンチ１５により２０００　ｋｏ／♂の圧力に
て圧縮することにより、シリカ粒子のがさ密度が１．５
２ｏ／ｃｃである直径４１ｕ＋、、長さ３０ＩＩｌｎ＋
の円柱状の圧縮成形体１６を容器１３内にて形成した。

次いで第９図に示されている如く、鋳型５のモールドキ
ャビティ６内に５００ｃｃ、、ｆ８１８００℃の純アル
ミニウム（純度９９．７％）の溶湯１７を江湖し、該溶
湯をプランジャ８により１０００ｋＯ／♂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９によ
って鋳型５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、シリカ粒子にて複合強化され
た純アルミニウムよりなる粒子分散金属複合材料がモー
ルドキャビティ内の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。また上
述の複合材料の断面を電子顕微鏡にて観察したところ、
複合材料全体に亙リシリ１４− 力粒子が均一に分散しており、シリカ粒子と純アルミニ
ウムとの密着も良好であ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シリカ粒子の体積率は
４５％であった。

実施例６ 先ずアルミナ短繊維（ＩＣＩ株式会社製「サフィール］
）と無機質バインダとしてのコロイダルシリカとの混合
物を成形して乾燥させることにより、第１０図に示され
ている如く、実質的に三次元ランダムにて配向された体
積率１０％のアルミナ短繊維よりなり３　Ｑｘ　３０ｘ
　３０１１１１１１（７）窪ミ′１８を有する壁厚１２
１１１Ｉ１１の弁状の容器１９を形成した。

次いで容器１９の窪み１８内に平均粒径が５μ…である
２１！＋のアルミナ粒子の集合体を圧縮しつつ充填する
ことにより、アルミナ粒子のかさ密度が０．７８ｇ／ｃ
ｃである３　０ｘ　３０ｘ　３０ｍｍ（７）立方体状の
圧縮成形体２０を容器１９内にて形成した。次いで図に
は示されていないが大気中にて圧縮成形体２０を容器ご
と６００℃に予熱し、しかる後第１１図に示されている
如く圧縮成形体２゜を容器ごと２５０℃の鋳型５のモー
ルドキャビティ６内に配置した。

次いで図には示されていないが鋳型５のモールドキャビ
ティ６内に５０（ＭＣ）湯温７００℃の純マグネシウム
（純ＩＪｔ９９．３％）の溶湯を注渇し、純マグネシウ
ムの溶湯をプランジャにより１０００ｋ（１／ａａ’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
ビンによって鋳型５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
合強化された純マグネシウムよりなる所望の複合材料が
モールドキャビティ内の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。ま
た上述の複合材料の断面を電子顕微鏡にて観察したとこ
ろ、複合材料全体に亙りアルミナ粒子が純マグネシウム
中に均一に分散しており、アルミナ粒子と純マグネシウ
ムとの密着も良好であ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体積率は
２０％であった。

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】

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、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
の製造工程の一部を示す解図、第７図乃至第９図は本発
明による複合材料の製造方法の更に他の一つの実施例の
製造工程を示す解図、第１０図及び第１１図は本発明に
よる複合材料の製造方法の更に他の一つの実施例の製造
工程の一部を示す解図である。 １・・・舌状部、２・・・容器、３・・・パンチ、４・
・・圧縮成形体、５・・・鋳型、６・・・モールドキャ
ビティ、７・・・純マグネシウムの溶湯、８・・・プラ
ンジャ、９・・・ノックアウトビン、１０・・・断熱マ
ット、１１・・・容１７− 器、１２・・・圧縮成形体、１３・・・容器、１４・・
・舌状部、１５・・・パンチ、１６・・・圧縮成形体、
１７・・・純アルミニウムの溶湯、１８・・・窪み、１
９・・・容器。 ２０・・・圧縮成形体 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 １８− 第１図 第？！　図 第　３　図 第４図 口２Ｚ乙ト８ 第７図 靜８図 第　９　図 −ｆ７よ二

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、開口部を有する容器内に前記強化材の
   集合体を充填し、前記容器を鋳型内に配置すると共に前
   記容器を前記鋳型の内壁面に係馬し、前記鋳型内に前記
   マトリックス金属の溶湯を注湯し、前記溶湯を加圧しつ
   つ凝固させる複合材料の製造方法。