JPS63306013A

JPS63306013A - 繊維強化複合材料の成形方法

Info

Publication number: JPS63306013A
Application number: JP14191587A
Authority: JP
Inventors: Tomiharu Matsushita; 富春松下; Shigeo Hattori; 重夫服部; Hiroshi Osuna; 大砂　寛; Shunichi Mizukami; 水上　俊一
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1987-06-06
Filing date: 1987-06-06
Publication date: 1988-12-14

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、ＳｉＣウィスカやＳｉＣ粒子等を用いて繊維
強化した金属系複合材料による成形品を得るに当り、そ
の原料素材の混合から最終製品の成形に至る一連の工程
を短縮するとともに、材料歩留りを向上させ、かつ安定
した高品質の成形品が容易に得られるようにしたものに
関する。

（従来の技術）ＳｉＣ％　Ｓｉ３　Ｎ　４等によるウィスカ　（直径０
．１〜１．０μ、長さ５０〜２００μ程度の針状微小繊
維体）あるいは粒子を均一に分散させたＡＩ！、同合金
等の軽金属材料（Ｔｉ、同合金、Ｍｇ、同合金）は、繊
維強化金属系複合材料として、高比強度、高比剛性を持
つとともに耐摩耗性において優れ、かつ従来の繊維強化
プラスチツク材料等に比し、優れた耐熱性を有する高弾
性率強靭材料として知られ、各種機器分野における成形
品の新素材として注目されているものであるが、同材料
を用いて各種成形品を製作するに当っては、第４図に示
すような一連の生産工程が必要とされる。即ち同図はア
ルミ合金粉末をマトリックス金属材料として用い、これ
にＳｉＣウィスカを強化繊維体として均一に分散させた
ものを用いて、熱間鍛造によって所要成形品を得るフロ
ーシート図であるが、先ずアルミ合金粉末とＳｉＣウィ
スカとの両者を、アルコール等の有機溶媒を媒体として
混合させることにより、スラリー状の混合体を調製し、
この混合体を脱液処理して乾燥させた後、粉砕してアル
ミ合金粉体中にＳｉＣウィスカが分散混合された粉状の
混合体を得るのである。上記のようにして得られた粉状
混合体は、これを固化付形することが必要であり、同混
合体を真空中でのホットプレス手段、あるいはケース内
に封入して熱間等方圧加圧手段（ＨＩＰ処理）により、
ビレット状に固化成形された複合材を原材料として得る
のであり、このビレット状複合材を直接機械加工して成
形品を得ることも可能であるが、−ｉ的にはこのビレッ
ト状複合材を外削して押出し用ビレットを作成し、同ビ
レットを例えば押出プレスを用いて約５００℃程度の温
度下における熱間押出しによって、棒状の複合材を得た
後、同棒状複合材を開閉可能な成形金型等を用いる熱間
鍛造処理して、所望形状の成形品（最終製品）を得るこ
とになる。またこの他に、前記複合材を得るに当り、ア
ルミ合金溶湯内にＳｉＣウィスカを直接散布して混合さ
せる手段も用いられている。

（発明が解決しようとする問題点）上記した従来の成形手段においては、原料粉末の混合か
ら始って、最終製品を得るに至るまでの生産全工程がき
わめて多岐に捗ると共に所要時間も長時間を要し、当然
コスト高を招来するのみでなく１．アルミ合金粉末とＳ
ｉＣウィスカとによる粉状混合体において大きな問題点
がある。即ちアルミ合金粉末とＳｉＣウィスカとの両者
を、アルコール等の有機溶媒を介してスラリー状混合体
とし、これを脱液処理して乾燥させた後、粉砕して得ら
れる粉状混合体において、得られた時点においてＳＬＣ
ウィスカがマトリックス金属材料内に均一に分散した混
合内容が可能であるとしても、その状態は固定されたも
のでなく、量的に多量を占めるアルミ合金粉体中に微小
なＳｉＣウィスカが単に分散しているのみであり、静止
的には安定しているとしても、工程間の移動、取扱いに
当り、若干の振動が加えられると偏析が生じ易く、これ
は材質の不均一につながると共に、またその粉末は微粉
状態であるため、粉塵爆発に対する危険性も大であうで
、ビレット状複合材を得るに当っての取扱いが困難であ
る点が、未解決の課題として残されている。更にこのよ
うな不安定な状態の粉状混合体を原料として、ビレット
状の複合材に成形してから熱間鍛造に至る加工工程が長
いため、各工程途上における材料歩留りが積み重なって
、全体の総合歩留りの低下率も増大する点も、無視でき
ない問題点である。また複合材を得るに当って、アルミ
合金溶湯中にＳｉＣウィスカを直接散布して混合させる
手段においては、高温下で両者の接触する時間が長（な
ると、ＳｉＣウィスカとアルミ合金との間に反応が起生
じ、脆化物が生成混在することになって、品質良好な複
合材が得られない欠点が存在する。

（問題点を解決するための手段）本発明は、上記の各問題点を解決し、粉末原料の混合か
ら成形品の熱間鍛造に至る一連の生産工程の可及的短縮
を可能とすると共に、特に混合体内容を改善し、更に成
形加工をほとんど一工程による射出成形手段を用いるこ
とにより、均一かつ安定した高品質の成形品量産が低コ
スト下に得られるようにしたものであり、具体的には、
ウィスカとマトリックス金属粉末とを有機溶媒を介して
混合したスラリー状混合体を脱液処理した後、バインダ
ーを添加して混練した同混合体をその径０゜５〜１・鶴
程度の顆粒状に造粒成形し、かつ乾燥処理して得られた
顆粒状混合体を、その供給部分を含めて真空雰囲気状態
下の射出成形機に供給し、同成形機における射出用シリ
ンダバレルおよびスクリュロータ間においてマトリック
ス金属を固相と液相の混在する温度もしくはそれ以上の
加熱を行ないつつ、同成形機の射出ノズルより成形金型
内に射出成形して所要形状の成形品を得ることにあり、
更には顆粒状混合体の乾燥に当り、マトリックス金属の
融点近傍の温度下における加熱乾燥処理を行ない、また
成形金型内に射出後、同金型加圧により成形品を得るこ
とにある。

（作　　用）本発明の前記した技術的手段によれば、ＳｉＣウィスカ
等のウィスカもしくは粒子と、アルミ合金粉末等による
マトリックス金属粉末との混合体として、繊維強化用素
材とマトリックス金属粉末とを、アルコール等の有機溶
媒を介して混合したスラリー状混合体を脱液処理して後
、バインダーを添加して混練した同混合体を造粒機等を
用いてその径０．５〜１鶴程度の顆粒状に造粒し、乾燥
処理して得られる無数の顆粒の集合した顆粒状混合体と
することにより、従来の粉状混合体における微粉状のア
ルミ合金等のマトリックス金属粉末中に、微小繊維状の
ウィスカもしくは粒子が分散しているのみに止まる不安
定なものにおける取扱いの困難、偏析の発生、粉塵爆発
の危険性−等による問題点を容易に解決され、個々の顆
粒は何れも安定であり、これら顆粒の集合による混合体
における材質の不均一や変動は全く生じることなく、安
定かつ均一な材質内容が確保されるのである。

更に本発明においては、この取扱い容易な顆粒状混合体
を、所要形状の成形品に加工するに当り、第１図に例示
するような真空雰囲気状態下の射出成形手段を用いるこ
とにより、その成形加工工程はほとんど一工程で完了す
ることになる。即ち同図において、ホッパ１内に収容し
た顆粒状混合体２を、開閉可能なゲート３．４を介して
それぞれ真空雰囲気状態可能とされたチャンバ５．６を
経由し、同じくチャンバ６によって真空雰囲気状態可能
とされた射出成形機２０のシリンダバレル１）およびス
クリュロータ１２から成る射出部２０ａに定量供給し、
スクリュロータ１２の回転および軸方向への加圧移動に
よって、混合体２のシリンダバレル１）における射出ノ
ズル２１側への圧送、更には前記射出ノズル２１を含む
シリンダバレル１）およびスクリュロータ１スを囲んで
配置されるヒータ等の加熱部１５によるマトリックス金
属のとけはじめる温度以上（固相と液相が共存しついに
は液相のみになる）の温度による加熱を介し、顆粒状混
合体２は加熱半溶融状態もしくは完全溶融状態の繊維強
化金属複合材料流となって、射出ノズル２１から、射出
成形機２０における成形部２０ｂの固定成形金型１６お
よび可動成形金型１７間に構成される成形キャビティ内
に、第２図に示すように射出成形されることによって、
キャビティ形状に即応した形状の成形品１９が得られる
のである。この成形工程によれば、従来の第４図におい
て説示した粉状混合体から熱間鍛造に至る一連の各工程
、ホットプレスやＨＩＰ処理手段による固化成形、ビレ
ット状複合材の熱間押出しによる棒材加工、同棒材の熱
間鍛造等の煩雑な反復工程は全く不要化され、工程の短
縮化、反復歩留りのロスもなく、低コスト量産が可能と
なり、高温下で繊維強化材とマトリックス金属の接触す
る時間も短縮され、有害化合物生成のおそれもな（、高
品質の成形品が容易に得られるのである。

（実施例）本発明成形方法の適切な実施例を、第１図乃至第３図に
亘って説示する。

第１図においてホッパ１内に収容された顆粒状混合体２
は、次のようにして調製される。実施例ではＳｉＣウィ
スカとアルミ合金粉末を用いる場合を示す。有機溶媒と
してエタノールを用い、ＳｉＣウィスカとエタノールと
を攪拌槽に供給して懸濁液を調製し、同懸濁液にアルミ
合金粉末を、ウィスカとアルミ合金粉末濃度が所定の値
を示すまで添加することによって、ウィスカとマトリッ
クス金属粉末とが適当な混合比にかつ均一に混合された
スラリー状混合体を得るのである。このようなスラリー
状混合体において、マトリックス金属粉末中にウィスカ
が均一に分散していることは重要であるが、必要に応じ
ては有機溶媒によるウィスカ懸濁液を得るに当り、特定
周波数による超音波振動を加えることによって、直径０
．１〜１．０μｍ１長さ５０〜２００μｍの針状であり
、かつその数十零乃至数千本が絡まり合った状態のウィ
スカを解きほぐして均一な分散が得られるようにし、更
には同懸濁液にアルミ合金粉末を混合するに当っても、
同様の超音波振動並びに攪拌を与えることによって、ウ
ィスカがアルミ合金粉末中に均一に分散された状態のス
ラリー状混合体を得るようにしてもよい。またウィスカ
とアルミ合金粉末の混合比としては、一般的にはアルミ
合金粉末量に対し、ウィスカを５〜３０％程度のボリウ
ム％とするものであり、また有機溶媒量は０．５ａ〜４
ａ　ｃｃ　（但しａはウィスカと金属粉末との混合物の
重量ｇ）とされることが適当である。有機溶媒はエチル
アルコール、ｎ−ブタノール、１−ペンタノール、イソ
プロピルアルコール、シクロヘキサン、トルエン、メチ
ルアルコール、ｎ−ヘキサン等を用いることができ、共
通の要件としては、乾燥後、不純物を残すことなく、沸
点が６０℃以上、２００　”Ｃ以下、マトリックス金属
と化合物を作らず、毒性が少ない等が挙げられ、ウィス
カとしては、ＳｉＣの他、Ｓｉ３Ｎ４、Ａρ！０！、Ｂ
４Ｃ等を挙げることができ、ウィスカ以外の粒状の強化
材であっても処理は同様で、繊維強化の効果かえられる
こ−とは云うまでもな（マトリックス金属粉末としては
、アルミおよび同合金の他、Ｔｉ、同合金、Ｍｇ、同合
金、Ｃｕ、同合金、Ｆｅｓ同合金合金挙げることができ
、またその粉末は粒度１００メツシユ以下が望ましい。

上記のようにして調製したスラリー状混合体は、ベルト
式あるいはドラム式の連続脱水機に供給し、同脱水機に
備えられた真空ポンプ等の吸引手段により、混合体中の
有機溶媒を吸引濾過させるのである。この脱液処理に当
っては尚若干の溶媒成分が混合体中に残留する程度とし
、混合体にエタノール可溶性の成形用バインダーを、混
合体の重量比１〜１０％程度添加し、混練機により混練
したものを押出成形方式の造粒機によって、その径０．
５〜１）程度の顆粒状に造粒するのである。これらの混
練機および造粒機は既知のものであるため、その図示は
省略するが、混線機と造粒機とが一体型とされたものを
用いることもできる。このさい顆粒の径を０．５〜１ｎ
程度とすることは、後の乾燥、脱バインダー性を考慮し
た場合、最適のものとされる。このようにして造粒され
た顆粒の集合体としての顆粒状混合体２は、造粒機より
直ちに乾燥機に送られて乾燥処理を受けることによって
最終的に調製される。この乾燥処理に当っては、使用し
た有機溶媒の沸点より高温の不活性ガス（例えば窒素ガ
ス等）によって加熱乾燥されるものであり、このさいそ
の加熱温度としてマトリックス金属の融点近傍の加熱温
度とすれば、結合力を強化する上において効果的である
。

、前記した各手段により得られた顆粒状混合体２を用い
ての、本発明による直接的な射出成形手段の実施例とし
ては、第１図乃至第３図に例示する通りであって、以下
これについて詳述する。顆粒状混合体２を収容する貯槽
としてのホッパ１における底部シュートの下端には開閉
可能なゲート３を介して密閉可能なチャンバ５が接続状
に設けられ、同チャンバ５の下端には同じく開閉可能な
ゲート４を介して密閉可能なチャンバ６が接続状に設け
られ、同チャンバ６の下端は射出成形機２０の射出部２
０ａにおけるシリンダバレル１）の周側に連結されると
ともに、同チャンバ６内にシリンダバレル１）の胴部周
側における材料供給口と連通ずる供給用ホッパ１０が配
設される。また上下の各チャンバ５，６には真空ポンプ
７と連結され、かつそれぞれバルブ８，９を具備した配
管８ａ、９ａが連通されることにより、チャンバ５の内
部、またチャンハロ側ではその内部およびこれと連通ず
るシリンダバレル１）の内部が真空雰囲気状態に維持可
能とされる。これは顆粒状混合体２は多量の空隙を含み
、相対密度は４０％程度であるため、°シリンダバレル
１）内に多量の空気が引き込まれることになって好まし
くなく、これを阻止するため真空化するのである。射出
成形機２０における射出部２０ａは、その前端に射出ノ
ズル２１を具備したシリンダバレル１）と、同バレル１
）内に可回動かつ軸方向に進退可能に装設されるスクリ
ュロータ１２とから成るとともに、スクリュロー′夕１
２のシリンダバレル１）後端から突出する軸端側には、
同ロータ１２に回転を与えるための駆動源であるモータ
１３が具備され、またシリンダバレル１）側に設けた油
圧その他による駆動シリンダ１４のピストンコツト１４
ａが、ロータ１２の軸端側に連結されることによって、
スクリュロータ１２に軸方向進退および射出のための押
出圧が与えられるようにしである。１４ｂは駆動シリン
ダ１４への圧力配管を示し、またシリンダバレル１）に
おける射出ノズル２１を含むバレル１）の前段外周を囲
繞して、マトリックス金属を加熱するヒータその他によ
る加熱部１５が設置される。射出成形機２０における成
形部２０ｂは、タイロッド２２によって連結固定された
固定プラテン２３．２４と、タイロッド２２にスライド
可能に架装された移動プラテン２５と、一方の固定プラ
テン２３に付設される固定の成形金型１６、移動プラテ
ン２５に付設される可動の成形金型１７とから成り、前
記固定プラテン２３および成形金型１６には、射出部２
０ａの射出ノズル２１と連通ずる材料射出口２６が設け
られるとともに、可動の成形金型１７の取付けられる移
動プラテン２５は固定プラテン２４に付設される加圧用
シリンダ２７の主ラム２８が連結される。従って圧力配
管２７ａによる主ラム２８の進退を介して、成形金型１
７は成形金型１６に向って進退開閉可能かつ加圧可能と
され、画成形金型１６．１７の相対応する成形型面によ
って射出成形用キャビティが構成され、かつ金型１７の
加圧によってキャビティ内に射出形成された成形品に対
して、熱間鍛造と同等の効果を付与することが可能であ
る。

更にこの実施例では、主ラム２８に設けた駆動シリンダ
２９のピストンロッドを延長して、移動プラテン２５お
よび成形金型１７を貫通するノックアウトピン１８とし
て、駆動シリンダ２９への圧力配管２９ａを介し、ノッ
クアウトピン１８を軸方向に進退可能として、成形品の
取出しを可能としている。

この実施例によれば、ホッパ１内に収容された顆粒状混
合体２は、射出成形機２０への定量供給に当っては、第
１図乃至第３図において示すように、ゲート３，４を閉
鎖した状態から、ゲート３を開いて定量の混合体２をホ
ッパ１から先ずチャンバ５内に排出させ、ゲート３を閉
じるとともにチャンバ５内を真空ポンプ７、配管８ａ、
パルプ８を介して脱気真空化し、次いでゲート３を閉鎖
した状態でゲート４を開くことにより、定量の混合体２
はチャンバ５内からチャンバ６内のホッパ１０をへて、
シリンダバレル１）内に導入供給されることになり、ゲ
ート４を閉じてチャンバ６およびシリンダバレル１）内
を、真空ポンプ７、配管７ａ、バルブ９を介して脱気真
空化することにより、真空雰囲気状態下での混合体２の
移動、供給および射出成形が容易に可能であり、これら
の取扱いに当って、混合体２は顆粒という固体物の集団
の移動である。ため、偏析や粉塵爆発等のおそれなく、
きわめて安定かつ安全である。かくしてシリンダバレル
１）内に供給された混合体２はロータ１２の回転によっ
て、シリンダバレル１）内を射出ノズル２１側に向って
粉砕、混線下に給送され、かつ加熱部１５の配置された
加熱ゾーンにおいて、約４８０〜７００℃程度の昇温加
熱を受けることにより、ＳｉＣウィスカが均一に分散す
るアルミ合金半溶融もしくは完全溶融流となって、第１
図に図示のように逐次射出ノズル２１側から固定の成形
金型１６に移動し、次いで第２図に示すように、成形金
型１７を成形金型１６に対して主ラム２８によって移動
閉合させるとともに、駆動シリンダ１４、ピストンロッ
ド１４ａを介してスクリュロータ１２を軸方向に直進移
動させることにより、所定量の半溶もしくは溶湯複合材
料が両金型１６，１７内に射出成形されることになる。

このさい金型１６、１７は適宜加熱手段により約５００
℃程度に保温された状態とする。これによって両金型１
６．１７を介し所要の成形品１９の形状、寸法が得られ
るが、射出後、更に移動の成形金型１７を固定の成形金
型１６に対し、主ラム２８を介して必要量押込むことに
より、熱間鍛造と同等の鍛圧加工が得られ、その形状、
寸法精度の良好な成形品１９を得ることも可能である。

かくして成形が完了すれば、第３図に示すように成形金
型１７を後退させ、成形品１９を同金型１７と同行移動
させ、ノックアウトピン１８を駆動シリンダ１７により
前進させることにより、成形品１９の取出しが得られる
。このさい第２図の状態において、チャンバ５内への新
しい混合体２の定量移送を行なうようにし、第３図の状
態において同チャンバ５内の混合体２のシリンダバレル
１）側への供給を行なうことができる。また上記した射
出成形工程において、射出ノズル２１の蓮傍ではシリン
ダバレル１）およびスクリュロータ１２０両者共、７０
０℃程度までの温度に高める必要もあり、また射出圧力
は２０００〜３０００ｋｇ　ｆ　／　ａａ程度になるの
で、シリンダバレル１）およびスクリュロータ１２は超
合金タイプのものとすることが適当である。実施例はも
とより１例に止まるので、細部構造は自由に設計可変で
ある。また顆粒状混合体の調製も同様である。さらに混
合体２を供給するに際し、マトリックス金属の溶けはじ
める温度以下の高温に予加熱しておくとシリンダバレル
での加熱時間が短縮される効果があるが、これも本質的
に上記方法で達成される。

（発明の効果）本発明の成形方法によれば、従来のこの種成形方法に対
し、次の点において優れた効果がある。

即ち本発明においては、従来の粉状混合体と相違し、ス
ラリー状混合体を脱液処理して後、その径０．５〜１）
ｍ程度の顆粒に造粒したものによる顆粒状混合体とする
ことにより、スラリー状混合体の状態において、均一に
分散させたウィスカの状態を変動させることなく、各顆
粒に細分することになるため、粉状混合体のために生じ
る偏析のおそれなく、また微粉状の粉末によって生じる
粉塵爆発等のおそれもなく、安定した品質の混合体調製
が容易に可能となるとともに、事後の混合体の取扱いも
安全かつ容易化されるのである。更に本発明においては
、所要形状の成形品を得るに当り、顆粒状混合体である
ため、射出成形手段によりほとんど一工程で成形品が得
られるのである。即ち顆粒状混合体における多量の空隙
による射出成形機への空気引込みの障害は、供給部分を
含めて射出成形機側を真空雰囲気状態とすることにより
解消でき・、かつ成形機側にマトリックス金属の加熱を
行なう加熱部を配設することにより、射出成形による成
形品形成がほとんど一行程下に可能となり、これによっ
て従来技術における成形工程の煩雑かつ多工程を省略し
、製造工程の著しい短縮化、また工程毎に生じる歩留り
の無駄をなくし、これらは生産コストの低下と量産の容
易化に大きく寄与することができる。更にまた高温下に
おいてウィスカ等繊維強化体とマトリックス金属の接触
する時間も短縮されるので、有害化合物の生成トラブル
を生じないのであり、射出成形のみに止まることなく、
その成形金型に対し射出後の加圧手段を付加すれば、鍛
造効果によって形状、精度のより向上された製品を得る
ことも可能であり、安定かつ高品質の繊維強化金属複合
材成形品を得るものとして利点大である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明方法における射出成形工程内
容を順列的に例示する各縦断正面図、第４図は従来の成
形手段を例示する工程フローシート図である。２・・・顆粒状混合体、１・・・貯蔵用ホッパ、３，４
・・・ゲート、５．６・・・チャンバ、７・・・真空ポ
ンプ、２０・・・射出成形機、２０ａ・・・射出部、２
０ｂ・・・成形部、１）・・・シリンダバレル、１２・
・・スクリュロータ、１５・・・加熱部、１６・・・固
定成形金型、１７・・・可動成形金型、１９・・・成形
品。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）繊維強化用素材とマトリックス金属粉末とを有機
溶媒を介して混合したスラリー状混合体を脱液処理した
後、バインダーを添加して混練した同混合体を顆粒状に
造粒成形し、かつ乾燥処理して得られた顆粒状混合体を
、真空雰囲気状態下の射出成形機に供給し、同成形機に
おける射出用シリンダバレルおよびスクリュロータ間に
おいてマトリックス金属の固液共存温度もしくはそれ以
上の温度に加熱しつつ、同成形機の射出ノズルより成形
金型内に射出成形して所要形状の成形品を得ることを特
徴とする繊維強化複合材料の成形方法。
（２）顆粒状混合体の乾燥に当り、マトリックス金属の
融点近傍の温度下における加熱乾燥処理を行なうことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の繊維強化複合材
料の成形方法。
（３）成形金型内に射出後、同金型加圧により成形品を
得ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の繊維
強化複合材料の成形方法。