JPH02108449A - 繊維強化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） この発明は、各種金属に対し、ＳｉＣウィスカーなどの
繊維を強化材として用い、加圧鋳造法により製造する金
属系繊維強化複合材料の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 周知のように、金属をマトリックスとし、炭化珪素短繊
維や窒化珪素短繊維などの強化繊維を強化材とする金属
系繊維強化複合材料（例えばアルミニウム基繊維強化複
合材料）は、金属の性質に加え、繊維で強化された優れ
た機械的特性を有しているので、各種用途への応用が図
られている。

この繊維強化複合材料の製造方法として、強化繊維によ
り成形したプリフォーム体を鋳型内に配置し、金属溶湯
を加圧してこのプリフォーム体に金属溶湯を含浸させて
鋳造する加圧鋳造法が効果的な方法として知られている
。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の加圧鋳造法により複合材料を製造
すると、金属溶湯が含浸するにつれ、その金属の特定成
分がプリフォーム体の強化繊維と反応し、最終含浸部分
に偏析部が形成され、均一な複合組織を得ることができ
ず、複合材料の機械的特性を損なうという問題点がある
。

これをアルミニウム基複合材料で説明すると、アルミニ
ウム金属中のＭ（Ｉが強化繊維（例えば、５ｉＣ）と反
応して、最終含浸部分に成分偏析部としてＭ（ｌ欠乏層
が形成されてしまう。

この複合材料の一例を断面図として示したものが第４図
であり、この複合材料は、ＳｉＣウィスカーからなるプ
リフォーム体（Ｖｆ１７％）に、ＪＩＳ　　Ａ６０６１
アルミニウム合金溶湯を図示Ｐの３方向から加圧して含
浸させて鋳造し、その後１゛６熱処理を行なったもので
ある。図示１０はプリフォーム体にアルミニウム合金溶
湯が含浸して凝固した複合部分であり、１１はアルミニ
ウム合金が単体で凝固した非複合部分、１２はＭ（ｌ欠
乏層すなわち偏析部である。

この複合部材の各部位Ａ〜ＪのＭｇ含有率ならびに硬度
を測定したところ、第１表に示される結果が得られた。

（以下余白） 上記第１表に示されるように、偏析部１２におけるＭｇ
含有率は他部に比べて極めて低く、このＭ（］欠乏に起
因して偏析部１２の硬度が低いという結果が得られてお
り、複合化による強度向上効果が阻害されてしまう。

上記偏析部を除去なめに、ＳｉＣウィスカープリフォー
ム体への金属溶湯の含浸を一方的に、成形鋳型の含浸進
行側端部に多数の細孔を形成しておき、その細孔を介し
てプリフォーム体内の繊維との反応で組成変化した溶湯
の初期注入部分（偏析溶湯）を排出する複合化法が提案
されている（特開昭６２−２３８０６２号）。

しかし、この方法の利用はプリフォーム体の寸法が大に
なると現実には困難となる。なぜならば、プリフォーム
体が大きくなると含浸距龍が増大し、必要な加圧力が増
加するが、一方向含浸の場合、この加圧力により未含浸
部のプリフォーム体が一方向に圧縮され、破壊されるこ
とが多くなるからである。また、偏析溶湯の排出ととも
に、正常組織部も多く排出されて、歩留りが良好ではな
いという問題点もある。

この発明は上記問題点を解決することを基本的な目的と
し、プリフォーム体の寸法や、加圧方向に制約を受ける
ことなく、成分偏析のない複合材料を歩留りよく得られ
る繊維強化複合材料の製造方法を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するため、本願発明の繊維強化複合材料
の製造方法について第１の発明は、強化繊維からなるプ
リフォーム体を鋳型内に配置し、金属溶湯を加圧して前
記プリフォーム体内に金属溶湯を含浸させて鋳造する繊
維強化複合材料の製造方法において、前記鋳型内の一端
面の中心部に細孔を有し、また同細孔により連結され、
金属溶湯溜りとなる別室を有する鋳型を用い、前記プリ
フォーム体の一端を前記細孔を有する鋳型内の一端面に
接触させて配置し、一方、プリフォーム体の他の面と鋳
型内壁との間には金属溶湯の自由な流動が可能な空隙を
設けることにより、加圧した金属溶湯を前記の接触面を
除く他のすべての面よりプリフォーム体に含浸させ、前
記接触面の中心部を最終含浸部とし、引き続き前記最終
含浸部の金属溶湯を前記細孔を通して前記金属溶湯溜り
に導き、加圧下で凝固させることにより、溶湯に生じた
成分偏析部を複合材料部分から排出することを特徴とす
るものである。

また、第２の発明は強化繊維からなるプリフォーム体を
鋳型内に配置し、金属溶湯を加圧して前記プリフォーム
体内に金属溶湯を含浸させて鋳造する繊維強化複合材料
の製造方法において、鋳型の一部に外部に連通する細孔
を形成しておき、前記含浸に必要な圧力以上の低圧力で
加圧してプリフォーム体に金属溶湯を含浸させ、次いで
、前記プリフォーム体に過度の収縮または損傷を与えな
い中圧力で、前記鋳型に設けられた細孔を通して金属ｆ
ｆｉ湯を溶湯溜内に充満させ、その後、鋳造時の収縮孔
の発生を防止するべく高圧力で加圧保持して鋳造するこ
とを特徴とするものである。　前記における強化繊維と
しては、炭化珪素短繊維や窒化珪素短繊維が例示され、
特にウィスカー状のものが望ましい。この強化繊維は、
バインダーなどを用いて、プリフォーム体とするが、そ
の製法や形状は適宜選択することができる。

なお、プリフォーム体とする強化繊維は単独の他、二種
以上を用いることも可能である。

また、マトリックスとなる金属としては、アルミニウム
や銅、チタンなどを例示することができる。これら金属
種には、それぞれ各種合金を用いることができる他、純
金属を用いることも可能である。

次に、鋳型の一部に設ける細孔は、例えば、−部に集中
して数個を形成する。この細孔の径は、アルミニウム金
属を溶湯とする場合には、例えば１〜８Ｍとする。これ
は、１市未満では、細孔からの溶湯の排出が円滑に行わ
れないため、排出に必要以上の時間を要し、溶湯の凝固
が進行して成分偏析溶湯の排出が不完全となりやすく、
また、８ｍｍを越えると、偏析溶湯の排出とともにプリ
フォーム体の一部が押し出されたり、細孔付近のプリフ
ォーム体にクラックが発生するおそれなどがあるため前
記範囲内が望ましい。

°本願の第１の発明は、この細孔を有する鋳型内に、例
えば予備加熱した前記プリフォーム体を配置して、金属
溶湯に対し加圧を行なうものであるが、その際の加圧力
は３段階に変化させるのが好ましい。

以下に、アルミニウム金属溶湯をマトリックスとする場
合について説明する。

すなわち、第１の加圧段階では、細孔からの溶湯排出を
目的とせず、プリフォーム体への含浸を円滑に行なえる
ように低圧で加圧する。この低加圧では、細孔から偏析
溶湯から加圧排出されないのが望ましいが、加圧排出が
活発になされない漏出程度の圧力で行なうことは可能で
ある。

具体的には、５０ｋｇ／ｃＪ〜４００１ｑｒ／−の圧力
で行う。これは、５０ｋｇ／−未満の圧力ではプリフォ
ーム体への含浸が円滑に行われず、また、４００ｋｇ／
ａｊを越えると、細孔からの溶湯の排出が活発化される
ためである。

また、第一段階の加圧力が高すぎると、プリフォームの
収縮が大きくなりずぎ、所望のＶｆをもった複合材料を
製造することが困難となる。

この低圧での加圧は、プリフォーム体への含浸をある程
度進行もしくは完了させる程度に所定時間行なう。この
時間は、加圧力や、プリフォーム体の体積率などにもよ
るが、一般には１〜１０秒程度とする。

次に、第２段階の中圧加圧により、アルミニウム金属溶
湯中のＭｑ欠乏層（偏析溶湯）を細孔から押し出して排
出する。この加圧では、プリフォーム体に過度の収縮（
クラックの原因などになる）が生じない程度の圧力で、
偏析溶湯を効率よく円滑に排出できる中程度の圧力に設
定する。

具体的には、２００　ｋ＋ｒ／　ｃｘＲ〜５００１ｑｒ
／−の圧力で行う。これは、２００ｋｇ／ａ１１未満の
圧力では細孔からの金属溶湯（偏析部）の排出が円滑に
行われず、また５　００　ｍ／ａｉを越えると、プリフ
ォーム体が過度に収縮されて、プリフォーム体に損傷を
与えるため上記範囲とするのが望ましい。

この中圧加圧は、偏析溶湯が充分に排出されるまで継続
する。この時間は、プリフォーム体の容積などにより異
なるが、一般に４０〜６０秒間とする。

次に、上記中圧加圧を終了して偏析溶湯を排出した後、
鋳造時の収縮孔の発生を防止するように、高圧の圧力で
一定時間保持する。この状態では、アルミニウム金属溶
湯の凝固が相当程度進行しており、細孔からの溶湯排出
が停止し、または殆んどない状態で加圧保持される。

具体的には、５００ｋｇ／−以上の高圧力とする。

また、その保持は、凝固が進行して収縮孔の発生が生じ
ない状態となるまで行うのが望ましい。例えば、１０〜
２０分程度とする。

なお、上記溶湯の排出時には、細孔付近およびその周辺
部の鋳型の温度を制御するのが望ましい。

例えばアルミニウム金属溶湯の場合には、細孔付近の温
度を４００〜８００℃の範囲内とし、その周辺部の温度
を２００〜５００℃の範囲内とするとともに、細孔付近
温度を、その周辺部温度よりも高い温度とする。これは
、三方向からの加圧に際し、細孔の周辺部で早期に凝固
が進行して流動性が低下し、一方、細孔付近は高温に保
たれて流動性が高いので、溶湯内に擬似的に排出路が形
成され、正常Ｍ１織の金属溶湯が細孔から排出されるの
を可及的に防止して、１０折溶湯の排出を促進するため
である。すなわち、プリフォーム体の中心部に残存しゃ
ずい偏析溶湯を優先的に排出でき、歩留りが向上する。

前記細孔付近の鋳型温度は、４００℃未満では、加圧排
出される溶湯が細孔を通過するに従い凝固し、排出を阻
害する。また８００℃を越えると、溶湯の温度保持の効
果も飽和し、無駄な加熱エネルギを必要とするので前記
範囲内とするのが望ましい。

また、細孔周辺部の温度は、２００℃未満であると、こ
れに接する溶湯やプリフォーム体が冷却されてプリフォ
ーム体へのアルミニウム金属溶湯の含浸が阻害され、５
００℃を越えるとアルミニウム金属溶湯の凝固が遅れ、
強化繊維と溶湯との反応が促進されるので、上記範囲内
に定めるのが望ましい。

なお、偏析溶湯は、細孔から鋳型の情報に排出するのが
望ましい。この外部に排出されな溶湯を細孔に連通する
状態で貯溜することにより押湯効果が得られる。なお、
この押湯体積は、プリフォーム体積の１１５〜１／２程
度となるように設計するのが望ましい。これは、１１５
０未満であると、金属溶湯中の偏析溶湯が充分に排出さ
れず、金属溶湯中に残存して凝固ｔてしまい、また１／
２を越えると、押湯量が多ずぎて、正常組織も排出され
て歩留りが低下するので上記範囲内とするのが望ましい
。

（作　用） 上記第１の発明によれば、未含浸部のプリフォームは半
静水圧的圧縮を受けるので、プリフォーム体の損傷の危
険性が少ない。また第２の発明によれば、低圧加圧時に
、プリフォーム体に円滑に金属溶湯が含浸され、偏析溶
湯が分散ぜず一部に集中して存在する。また、細孔から
金属溶湯が活発に排出されることはなく、正常組織の金
属溶湯が排出されるのを防止する。

次に、プリフォーム体に十分に金属溶湯が含浸された状
態で中圧加圧を行うことにより、プリフォーム体の過度
の収縮および損傷は一層防止されるとともに、可及的に
正常組織の排出を防止し、細孔から偏析溶湯を効率よく
、かっ硲実に排出でき、成分偏析のない金属溶湯による
複合化が達成される。

その後は、高圧加圧により、凝固時の収縮孔の形成が防
止され、組織欠陥のない鋳造＃′１ｔａが得られる。

（実施例） 以下に、この発明の一実施例を添附図面に基づき説明す
る。

ＳｉＣウィスカーを用いて、常法により体積率２０％で
径２００ｍｍ、高さ２００ｍ＋ｎの円柱状プリフォーム
体１を形成する。

一方、マトリックスとしてＪＩＳ　　Ａ６０６１アルミ
ニウム合金を用いる。

次に、加圧鋳造に用いる鋳型を第１図に基づいて説明す
る。

円筒形の鋳型２の上部に、鋳型天板３が内挿されており
、この鋳型天板３の中央部には、階段状の段部３ａを有
する孔部が設けられている。この孔部には、前記段部３
ａに沿った外壁を有する細孔付蓋材４が嵌合され、その
上面は前記鋳型天板３と面一となっている。

前記細孔付蓋材４は上面に深底状の凹部４ａが形成され
ており、この四部４ａと連通して下面に達する細孔５（
径３　ｗｎ　）が、複数形成されている。

また、上記鋳型天板３および細孔付蓋材４の上部には、
上記凹部４ａよりも大径な貫通孔６ａが中央部に形成さ
れた押え材６が配置されている。

前記四部４ａならびに貫通孔６ａにより形成される空間
で湯溜り部８が構成されている。

この湯溜り部８は、プリフォーム体１の体積の約１／１
０である６５０Ｃ１′ｌ１３の容積を有している。

以下に、この鋳型を用いた加圧鋳造法を以下に説明する
。

前記細孔付蓋材４および鋳型天板３の下面に接した状態
で、７５０℃に予備加熱したプリフォーム体１を鋳型内
に配置し、７７０℃に加熱したアルミニウム合金溶湯９
を鋳型内に満たす。

なお、前述した鋳型天板３、細孔付蓋材４、押え材６は
、所定温度に加熱して配置する。

ここで、鋳型天板３は３００°Ｃ１細孔付蓋材４は７０
０℃、押え材７は２５０°Ｃに、予めそれぞれ加熱して
おく。これら部材を鋳型に組込んで鋳造鋳型が構成され
る。この組込みにより、鋳型天板３および細孔付蓋材４
は、第２図に示される温度分布を有することになる。

なお、上記ｆＡ型型板板、細孔付蓋材４、押え材６の温
度制御は予め加熱する手段の他、ヒータを埋設し、この
し−タへの通電により温度ｒｒｆｉ御を行うことも可能
である。

このヒータへの通電は、鋳造時に各部材が適当な温度と
なるように続行することも可能であるが、各部材が所定
温度に達した後、通電を停止して鋳造することもできる
。

また、その温度分布においては、細孔付近と、その周辺
部とが必ずしも温度傾斜を有する必要はなく、細孔付近
が所定領域内で高温となり、その周辺部が均一に低温と
なるように制御することも可能である（断熱材などの配
置による）。

なお、上記鋳型天板３、細孔付蓋材４、押え材６は一体
物で構成することも可能である。

但し、上記各部材で構成すれば、仕様の異なる部材をそ
れぞれ用意する（例えば湯溜り部容積の変更や、細孔の
径、数の変更など）ことにより、汎用性に富むという効
果がある。

この鋳型内で、第３図に示されるように、第１の低圧加
圧（２００ｋｇ／ａｉｔ）を行い、４秒間保持し、次い
で、中圧加圧（６ＱＯｋｇ／Ｊ）を行い、５０秒間保持
する。さらに、高圧＜１０００ｋｇ／ｊ）で加圧し、２
０分間保持して鋳造を終了する。

前記第１の低圧加圧では、図示Ｐ１の三方向から加圧さ
れ、アルミニウム合金溶湯９は、プリフォーム体１へ円
滑に含浸され、４秒間の続行により含浸は完成され、一
方、前記細孔５．からのアルミニウム合金溶湯９の排出
は抑止される。

含浸完了の状態ではアルミニウム台金溶湯９の初期注入
部分は、プリフォーム体１の中央部に集中し、偏析溶湯
９ａとなる。

次に、第２の中圧加圧では、プリフォーム体１内のアル
ミニウム金属溶湯が図示Ｐ２の方向に沿って、細孔５か
ら湯溜り部８へと排出される。

この排出に際してはプリフォーム体１の中央部に集中し
て含浸されている偏析溶湯９ａが整然と排出され、正常
組繊の溶湯９の取り込みは僅かである。

また、この排出に際しては、細孔付蓋材４と鋳型天板３
とは第２図に示す温度分布を有すので、比教的低温の鋳
型天板３付近のアルミニウム金属溶湯は９期に冷却され
て流動性が低下し、細孔５からの排出が制御される。一
方、比較的高温の細孔付蓋材４付近のアルミニウム金属
溶湯は高温に保持される。

すなわち、プリフォーム体１の中心部にある細孔５付近
は高温で、偏析溶湯９ａの流動性は高く、この偏析溶湯
９ａが細孔５から優先的に効率よく排出される。

排出された偏析溶湯９ａは湯溜り部８に滞留して、鋳型
内のアルミニウム金属溶湯９に対し、押湯効果を与える
。

この中加圧により偏析溶湯９ａ（約３００Ｃ１３）を排
出し、凝固進行により細孔５からのアルミニウム金属溶
湯の排出が停止する。

その後、高加圧で保持して鋳造時のアルミニウム金属溶
湯の凝固収縮により収縮孔が発生するのを防止する。

得られたビレットを鋳型内から取出し、プリフォーム体
とアルミニウム合金とによる複合化部分を縦中央に分断
して、その断面組織を観察した。

その結果、いずれの部位においてもＭ（ｌ欠乏層の存在
は認められず、組繊状態は良好で、硬度の低下は見られ
なかった。

また、排出された偏析溶湯への正常組織の溶湯の巻き込
みも少なく、歩留りも良好であった。

（発明の効果） 以上説明したように本願の第１の発明によれば、強化繊
維からなるプリフォーム体を鋳型内に配置し、金属溶湯
を加圧して前記プリフォーム体内に金属溶湯を含浸させ
て鋳造するｗ４紺強化複合材料の製造方法において、前
記鋳型内の一端面の中心部に細孔を有し、また同細孔に
より連結され、金属溶湯溜りとなる別室を有する鋳型を
用い、前記プリフォーム体の一端を前記細孔を有する鋳
型内の一端面に接触させて配置し、一方、プリフォーム
体の他の面と鋳型内壁との間には金属溶湯の自由な流動
が可能な空隙を設けることにより、加圧した金属溶湯を
前記の接触面を除く他のすべての面よりプリフォーム体
に含浸させ、前記接触面の中心部を最終含浸部とし、引
き続き前記最終含浸部の金属溶湯を前記細孔を通して前
記金属溶湯溜りに導き、加圧下で凝固させることにより
、溶湯に生じた成分偏析部を複合材料部分から排出する
ので、プリフォーム体の損傷を防止して、偏析溶湯で効
率よく排出できるという効果がある。

また、第２の発明によれば、鋳型の一部に外部に連通ず
る細孔を形成しておき、前記含浸に必要な圧力以上の低
圧力で加圧してプリフォーム体に金属溶湯を含浸させ、
次いで、前記プリフォーム体に過度の収縮または損傷を
与えない中圧力で、前記鋳型に設けられた細孔を通して
金属溶湯を溶湯溜内に充満させ、その後、鋳造時の収縮
孔の発生を防止するべく高圧力で加圧保持して鋳造する
ので、プリフォーム体の損傷防止が一層有効になるとと
もに、成分偏析溶湯を確実かつ効率よく取り除くことが
でき、組織が良好な複合材料を歩留りよく得ることがで
きるという効果がある。

また、複数方向からの加圧に対しても応用することがで
き、円滑な含浸状態や組織の均一性が得られるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す、加圧鋳造時の鋳型
内部の断面図、第２図は同じく鋳造時の付与、加圧力の
変化を示すグラフ、第３図は同じく鋳型天板および細孔
用部材の温度分布を示すグラフ、第４図は従来の加圧鋳
造法により得られる繊維強化複合材料の断面図である。 １・・・プリフォーム体　　　２・・・鋳型５・・・細
孔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　強化繊維からなるプリフォーム体を鋳型内に配置し
   、金属溶湯を加圧して前記プリフォーム体内に金属溶湯
   を含浸させて鋳造する繊維強化複合材料の製造方法にお
   いて、 前記鋳型内の一端面の中心部に細孔を有し、また同細孔
   により連結され、金属溶湯溜りとなる別室を有する鋳型
   を用い、前記プリフォーム体の一端を前記細孔を有する
   鋳型内の一端面に接触させて配置し、一方、プリフォー
   ム体の他の面と鋳型内壁との間には金属溶湯の自由な流
   動が可能な空隙を設けることにより、加圧した金属溶湯
   を前記の接触面を除く他のすべての面よりプリフォーム
   体に含浸させ、前記接触面の中心部を最終含浸部とし、
   引き続き前記最終含浸部の金属溶湯を前記細孔を通して
   前記金属溶湯溜りに導き、加圧下で凝固させることによ
   り、溶湯に生じた成分偏析部を複合材料部分から排出す
   ることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法 ２　強化繊維からなるプリフォーム体を鋳型内に配置し
   、金属溶湯を加圧しで前記プリフォーム体内に金属溶湯
   を含浸させて鋳造する繊維強化複合材料の製造方法にお
   いて、 鋳型の一部に外部に連通する細孔を形成しておき、前記
   含浸に必要な圧力以上の低圧力で加圧してプリフォーム
   体に金属溶湯を含浸させ、次いで、前記プリフォーム体
   に過度の収縮または損傷を与えない中圧力で、前記鋳型
   に設けられた細孔を通して金属溶湯を溶湯溜内に充満さ
   せ、その後、鋳造時の収縮孔の発生を防止するべく高圧
   力で加圧保持して鋳造する繊維強化複合材料の製造方法