JPS6238412B2

JPS6238412B2 -

Info

Publication number: JPS6238412B2
Application number: JP13253881A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Donomoto; Atsuo Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1981-08-24
Filing date: 1981-08-24
Publication date: 1987-08-18
Also published as: JPS5834150A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、繊維、細線材、ホイスカ等の強化材
をマトリツ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、ボロン、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
繊維を強化材とし、純アルミニウムの如き金属ま
たは合金をマトリツクスとする繊維強化金属材料
（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、
該鋳造型内に更に溶融マトリツクス金属を導入
し、該鋳造型に係合するプランジヤ要素によつて
溶融マトリツ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
リツクス金属が確実に侵入するようにするために
は、強化材をマトリツクス金属の融点以上の温度
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
度、配向状態に保持して強化材とマトリツクス金
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
を予めマツト状又はフエ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、配向状態に維持する、(2)鋳造型によつて強化
材を拘束し保持する、(3)鋳造中も強化材を保持し
得るよう鋳造時にも溶融マトリツクス金属に溶け
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、強化材を予めマツ
ト状又はフエルト状に成形する必要があるのみな
らず、かくして強化材をマツト状又はフエルト状
に成形する関係上強化材の種類、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向に連
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、せつかく予熱された
強化材が鋳造型によつて冷却されるので、強化材
とマトリツ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
型のモールドキヤビテイが複雑な形状をなしてい
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、高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、また鋳造後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、繊維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ける上述の如き欠
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、これをマトリツクス金属の融点
以上に加熱して鋳造型内に配置し、前記鋳造型内
に溶融マトリツクス金属を導入し、前記鋳造型に
係合するプランジヤ要素によつて前記溶融マトリ
ツ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つ
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つて鋳造中も複合材
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
によつ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つて予
熱された強化材成形体が保温されるので、マトリ
ツ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製造方法によれ
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全体と
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、配向状態に維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。例えば乾燥によつて
シリカ（無水ケイ酸）［SiO₂］として固化するケ
イ酸ソーダ（水ガラス）［Na₂O・SiO₂、Na₂O・
SiO₂・9H₂O］、コロイダルシリカ（コロイドケイ
酸）、エチルシリケート（ケイ酸エチル）
［（C₂H₅）₄SiO₄］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
外周部のみが無機質バインダーにて含浸されても
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、強化材とマトリツクス金属とが直接複合化
された部分のみを複合材製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。

実施例１第１図に示されている如く、アルミナ繊維１
（直径20μ、α―アルミナ）を直径16mmのステン
レス鋼（JIS規格SUS304）製のパイプ２を芯とし
てコイル状に幾重にも巻付けることにより、外径
24mm、内径16mm、長さ90mm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、100
℃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
により強化繊維成形体３の外縁部に運ばれ、水が
蒸発することにより強化繊維成形体の外縁部に於
てのみシリカとなつて固化するため、強化繊維成
形体の外縁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繊維を固定された強
化繊維成形体３より芯としてのパイプ２を引抜
き、強化繊維成形体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250℃の鋳造用金型４の強化繊維
成形体受容室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
アルミニウム溶湯７を素早く注湯し、200℃の加
圧用プランジヤ要素８により純アルミニウム溶湯
７を1000Kg／cm²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溶湯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溶湯
７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、
アルミナ繊維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製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
を観察したところ、強化材としてのアルミナ繊維
の配向状態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50％の値と実質的に同一の
値に維持されていることが確認された。

第３図は上述の如き要領にて製造された複合材
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図より、アル
ミナ繊維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直
な方向の強制破断面を500倍にて示す走査型電子
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
リカであり、ｍはマトリツクスとしての純アルミ
ニウムである。この第４図より、アルミナ繊維が
シリカにて固定された部分P₁は脆性的に破断して
いるが、アルミナ繊維がシリカによつては固定さ
れず純アルミニウムが浸透した部分P₂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。

実施例２第５図に示されている如く、長さ80mmのアルミ
ナ繊維９（直径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
0.3mmのステンレス鋼（JIS規格SUS310S）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
ケイ酸ソーダにて固定し、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つたところ、この複合材料
は60Kg／mm²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０度方向の引張
り試験を行なつたところ、この複合材料は52Kg／
mm²程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。

実施例３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
あり、ｍはマトリツ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ツク
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。

実施例４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
引張り試験を行なつたところ、この複合材料は55
Kg／mm²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、それらの間に純ア
ルミニウム溶湯がが良好に浸透し得たことによる
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つて明ら
かであろう。例えば強化材は炭素繊維やボロン繊
維などであつてもよく、またマトリツクス金属は
アルミニウム合金、その他の合金または金属であ
つてもよく、更に強化材の形状、密度、配向状態
は任意のものであつてよい。

【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
第一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繊維が固定さ
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
断面を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100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……強化繊
維成形体受容室、６……加圧室、７……純アルミ
ニウム溶湯、８……加圧用プランジヤ、９……ア
ルミナ繊維、１０……ステンレス鋼製ワイヤ、１
１……強化繊維成形体。

Claims

【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、該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
ツクス金属の融点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ツクス金属を導入
し、前記鋳造型に係合するプランジヤ要素によつ
て前記溶融マトリツ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。