JPH0448544B2

JPH0448544B2 -

Info

Publication number: JPH0448544B2
Application number: JP57104730A
Authority: JP
Inventors: Seiji Funatani; Tadashi Donomoto; Atsuo Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1982-06-18
Filing date: 1982-06-18
Publication date: 1992-08-07
Also published as: JPS58221244A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、繊維、細線材、粉末材、ホイスカ等
の強化材とマトリツクス金属とよりなる複合材料
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、シリカ、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、アルミニウムやマグ
ネシウムの如き金属またはそれらの合金をマトリ
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、鋳型内に繊維強化材を充填した後、該
鋳型内に更に溶融マトリツクス金属を導入し、該
鋳型に係合するプランジヤによつて溶融マトリツ
クス金属を鋳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、溶融マトリツクス金
属はプランジヤにより加圧され、加圧された溶融
マトリツクス金属は鋳造前より強化材の各繊維間
に存在していた空気を排斥しつつ各繊維間に浸透
する。そのため、鋳造前より強化材の各繊維間に
存在していた全ての空気が鋳造に際し各繊維間よ
り排斥される訳ではなく、鋳造後にも一部の空気
は各繊維間に残留し、その結果複合材料内に鋳込
み巣が形成されたり、強化材とマトリツクス金属
との結合が不充分となることがある。

また例えば特開昭50−144629号公報に記載され
ている如く、鋳型内を減圧した後高圧鋳造を行な
う方法が既に知られている。この方法によれば、
鋳型内が減圧されない単純な高圧鋳造法の場合に
比して高性能の複合材料を製造することができ
る。

しかしこの方法に於ては、最初に鋳型内が減圧
され、しかる後鋳型内にマトリツクス金属の溶湯
が鋳込まれるので、この方法を実施するためには
鋳型とマトリツクス金属の溶湯を貯容する溶解炉
と鋳型及び溶解炉を接続する導管と導管の連通制
御する開閉弁とが必須であり、また鋳型や導管及
びそれらの連結部は気密性の高いものでなければ
ならず、従つて設備が複雑で高価なものにならざ
るを得ないという問題がある。

また上記公報に記載された方法に於ては、鋳型
内のみならず鋳型と溶解炉とを接続する導管内も
減圧されなければならないため、減圧工程に比較
的長い時間を要し、また一つの複合材料の製造が
完了するたび毎にマトリツクス金属が導管及び開
閉弁内に於て凝固してしまうので、次の複合材料
の製造に際し鋳型内を減圧した後マトリツクス金
属の溶湯の鋳込みを行なうためには、導管を開閉
弁ごと新しい導管に交換したり、鋳型内を減圧し
た後導管内のマトリツクス金属をヒータ等によつ
て溶解しなければならず、そのため複合材料を能
率良く低廉に製造することができないという問題
がある。

更に強化材の各繊維などの間に溶融マトリツク
ス金属の溶湯がより確実に侵入するようにするた
めには、本願出願人と同一の出願人の出願に係る
特願昭55−107040号（特開昭57−31467号）に於
て提案されている如く、鋳造に先立つて強化材を
マトリツクス金属の融点以上の温度に予熱するこ
とが好ましいが、上述の如く減圧工程に比較的長
い時間を要するため、せつかく予熱された強化材
が鋳型によつて吸熱されることにより冷却されて
しまい、そのため強化材を予熱することによる所
期の効果を十分に達成することができないという
問題がある。

本発明は、従来の高圧鋳造法に於ける上述の如
き不具合に鑑み、強化材の各繊維間に存在する空
気を確実に排除し、各繊維間に溶融マトリツクス
金属を確実に侵入させることにより、強化材とマ
トリツクス金属との密着性に優れた高品質の複合
材料を能率良く低廉に製造することのできる方法
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、マトリツクス
金属と強化材とよりなる複合材料を鋳造するため
の成形室と、前記成形室と直接連通する加圧室
と、前記加圧室内に導入された溶融マトリツクス
金属を加圧する加圧手段とを有する鋳造装置を用
い、前記成形室内に強化材を充填した状態にて前
記加圧室内に溶融マトリツクス金属を注湯し、前
記加圧室と連通する部位とは反対側の部位より前
記成形室内を減圧し、しかる後前記溶融マトリツ
クス金属を前記加圧手段にて加圧しつつ凝固させ
る複合材料を製造方法によつて達成される。

本発明の方法によれば、成形室と直接連通する
加圧室内に溶融マトリツクス金属が注湯されるこ
とにより、成形室は溶融マトリツクス金属によつ
て加圧室との連通が遮断された状態にて減圧さ
れ、従つて成形室内に充填された強化材の各繊維
などの間より空気が効率的に且確実に排除される
ので、強化材の各繊維などの間に空気が残留する
ことなく溶融マトリツクス金属が強化材の各繊維
などの間に良好に浸透し、これにより強化材とマ
トリツクス金属との密着性に優れた高品質の複合
材料を製造することができ、また強化材の体積率
が高い場合にも加圧手段により溶融マトリツクス
金属に対し与えられる加圧力を高く設定しなくて
も良好に複合材料を製造することができる。

また本発明の方法によれば、使用される鋳造装
置の加圧室及び成形室は互いに直接連通してお
り、加圧室内に溶融マトリツクス金属が注湯され
た後に成形室内が減圧されるので、減圧し空気を
排除すべき空間は強化材が充填された比較的狭い
成形室だけであり、またマトリツクス金属は鋳造
装置の加圧室及び成形室内に於てのみ凝固し、鋳
造後に凝固体を鋳造装置より容易に取出すことが
でき、また同じ鋳造装置を何度も再使用すること
ができる。従つて特開昭50−144629号公報に記載
された方法の場合に比して、成形室内を減圧する
に要する時間は短時間であり、それに要するエネ
ルギも少なくてよく、導管や開閉弁は不要であ
り、従つて導管の交換や導管内のマトリツクス金
属の再溶解を行う必要がないので、上述の如き高
品質の複合材料を能率良く低廉に製造することが
できる。

また本発明の方法に於ても鋳造に先立つて強化
材を例えばマトリツクス金属の融点以上の温度に
予熱することが好ましく、本発明の方法によれば
成形室内に強化材が充填され加圧室内に溶融マト
リツクス金属が注湯された後に成形室内が減圧さ
れ、従つて減圧工程中強化材の少なくとも一部は
高温の溶融マトリツクス金属と接触した状態に維
持され、また減圧に要する時間は短時間であるの
で、上述の特開昭50−144629号公報に記載された
方法の場合に比して、強化材の温度低下は小さ
く、これにより個々の強化材の間へのマトリツク
ス金属の浸透性及び強化材とマトリツクス金属と
の密着性が更に一層優れた複合材料を製造するこ
とができる。

更に強化材を成形室内に充填することや加圧室
及び成形室内にて形成された凝固体を鋳造装置よ
り取出すことを容易に行い得るよう、鋳造装置は
一般に見切り面にて互いに当接する複数個の型に
て構成される。本発明の方法によれば、成形室内
が減圧される前に加圧室内に溶融マトリツクス金
属が注湯されるので、見切り面の間の空間を経て
加圧室内へ成形装置外の空気が流入することを防
止し、これにより成形室内が十分に低い圧力に減
圧されなくなることを防止することができ、また
加圧室内に注湯された溶融マトリツクス金属の一
部が見切り面の間の空間へ侵入して凝固するの
で、これらの見切り面の間をシールする手段は不
要又は簡便なものであつてよく、従つて本発明の
方法を実施するための鋳造装置は上記公報に記載
された方法を実施するための鋳造装置の場合に比
して簡便なものであつてよい。

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。

第１図及び第２図は本発明による複合材料の製
造方法の実施に使用されてよい製造装置の第一の
実施例をそれぞれ成形室内の減圧工程及び複合材
料鋳造工程にて示す解図的縦断面図である。これ
らの図に於て、１は複合材料製造装置を示してお
り、この複合材料製造装置１はマトリツクス金属
と強化材２とよりなる複合材料を鋳造するための
成形室３と、成形室３と連通する加圧室４とを有
する鋳型５と、加圧室４と液密的に嵌合し成形室
３及び加圧室４内に導入された溶融マトリツクス
金属６を加圧するプランジヤ７と、鋳型５に形成
されたボア８内に往復動可能に受けられ成形室３
及び加圧室４内にて凝固した凝固体を鋳型５より
取出すためのノツクアウトピン９と、成形室３内
を減圧する減圧装置１０とよりなつている。減圧
装置１０は、ボア８の周りに互いに隔置してその
長手方向に沿つて設けられ、成形室３の加圧室４
と連通する側とは反対の側の端部（図にて下端）
を鋳型５の外部と連通接続する複数個の通路１１
と、ボア８の開口部の周りに設けられ鋳型５及び
ノツクアウトピン９とそれぞれシール１２及び１
３を介して気密的に当接するプレナム１４と、該
プレナム１４と導管１５を介して連通接続された
真空ポンプ１６とよりなつている。ノツクアウト
ピン９の上端部１７は逆円錐状に形成され、ボア
８の円錐状内周面１８に受けられており、このプ
ランジヤ９の上端部１７によつて通路１１による
成形室３とプレナム１４との連通が開閉制御され
るようになつている。

以上の如く構成された複合材料製造装置を用い
て行なわれる本発明による複合材料の製造方法は
以下の如く実施される。まず第１図に示されてい
る如く、ノツクアウトピン９を僅かに持ち上げて
その上端部１７とボア８の円錐状内周面１８との
間に僅かな間隙を設け、成形室３内に強化材２を
充填し、その状態にて加圧室４内に溶融マトリツ
クス金属を注湯する。次いで真空ポンプ１６を作
動させてプレナム１４及び成形室３内を所定の圧
力に減圧する。かかる状態にて数秒程度経過した
後、加圧室４にプランジヤ７を嵌込んでゆつくり
と下降させ、プランジヤ７の下端が溶融マトリツ
クス金属６に接触する直前に於てノツクアウトピ
ン９を下降させて通路１１の連通を遮断し、これ
と同時に真空ポンプ１６の作動を停止させる。次
いでプランジヤ７によつて加圧室４内の溶融マト
リツクス金属６を所定の圧力に加圧し、加圧室４
及び成形室３内の溶融マトリツクス金属が完全に
凝固するまでその加圧状態を保持し、鋳型５内の
溶融マトリツクス金属６が完全に凝固した後、そ
の凝固体をノツクアウトピン９によつて鋳型５よ
り取出し、その凝固体より加圧室４内にて凝固し
たマトリツクス金属のみよりなる凝固体を切断な
どによつて除去することにより、成形室３内にて
形成された複合材料を得る。

上述の如く構成された複合材料製造装置を用い
て、以下の如く強化材としてのアルミニウム繊維
とマトリツクス金属としてのアルミニウム合金溶
湯とよりなる複合材料を製造した。まず長さ80mm
のアルミナ繊維（繊維径20μ、デユポン社製FPフ
アイバ）を一方向に配向して体積率が55％になる
ように束ね、これを無機バインダーによつて固定
することにより、強化材成形体２を形成した。次
いでこの強化材成形体２を空気中にて800℃に加
熱した。

次いで第１図に示されている如く、ノツクアウ
トピン９を僅かに上昇させてノツクアウトピン９
の上端部１７とボア８の円錐状内周面１８との間
に約0.5mm程度の間隙を設けた状態にて、鋳型５
の成形室３内に強化材成形体２を充填した。次い
で鋳型５の加圧室４内にアルミニウム合金（JIS
規格AC4C）の溶湯を注湯し、これと同時に真空
ポンプ１６を作動させることによつてプレナム１
４及び成形室３内を0.01Kg／cm²程度に減圧した。
次いで加圧室４にプランジヤ７を嵌込んでゆつく
りと下降させ、プランジヤの下端がアルミニウム
合金溶湯６に接触する直前に於てノツクアウトピ
ン９を下降させて通路１１の連通を遮断し、これ
と同時に真空ポンプ１６の作動を停止させた。次
いでプランジヤ７によつて加圧室４内のアルミニ
ウム合金溶湯６を1300Kg／cm²の圧力に加圧し、加
圧室４及び成形室３内のアルミニウム合金溶湯６
が完全に凝固するまでその加圧状態を保持し、鋳
型５内のアルミニウム合金溶湯６が完全に凝固し
た後、その凝固体をノツクアウトピン９によつて
鋳型５より取出し、その凝固体より加圧室４内に
て凝固したアルミニウム合金のみよりなる凝固体
を切断によつて除去することにより、成形室３内
にて形成された複合材料を得た。

かくして製造された複合材料の縦断面及び横断
面を電子顕微鏡にて観察したところ、FPフアイ
バの間に捕捉された空気は殆ど存在しておらず、
複合材料全体に亙つてFPフアイバの間にアルミ
ニウム合金が良好に浸透していることが認められ
た。またこの複合材料より引張り試験片を作成
し、引張り強度を測定したところ、この複合材料
は65Kg／mm²と高い引張り強度を示した。

第３図及び第４図は本発明による複合材料の製
造方法の実施に使用されてよい製造装置の第二の
実施例をそれぞれ成形室内の減圧工程及び複合材
料鋳造工程にて示す解図的縦断面図である。尚こ
れらの図に於て、第１図及び第２図に示された部
材と実質的に同様の部材には同一の符号が付され
ている。

この実施例の複合材料製造装置に於ては、鋳型
５にはその成形室３の下方部と鋳型５の外部とを
連通接続する楔状の通路１８が設けられており、
この楔状の通路１８内には通路１８による成形室
３とプレナム１４との連通を開閉制御する楔状の
弁要素１９が挿入されている。この弁要素１９は
その外周面に形成された溝２０と通路１８の内壁
に形成された溝２１とに嵌合するピン２２によ
り、第４図に示されている如き閉弁位置に保持さ
れて通路１８の連通を遮断し、また第３図に示さ
れている如く、ピン２２が溝２０及び２１より抜
取られることにより図にて左方へ移動し、これに
より成形室３とプレナム１４内との連通を達成す
るようになつている。また鋳型５とノツクアウト
ピン９との間にはシール装置２３が設けられてお
り、このシール装置２３は真空ポンプ１６によつ
て成形室３内が減圧される場合に、ノツクアウト
ピン９とボア８との間を経て鋳型５の外部より成
形室３内へ空気が流入することを防止するように
なつている。

以上の如く構成された複合材料製造装置を用い
て行なわれる本発明による複合材料の製造方法は
以下の如く実施される。まず鋳型５の成形室３内
に強化材２を充填し、その状態にて加圧室４内に
溶融マトリツクス金属を注湯する。次いで第３図
に示されている如く、ピン２２を除去して成形室
３とプレナム１４とを連通させ、これと同時に真
空ポンプ１６を作動させて、プレナム１４及び成
形室３内を所定の圧力に減圧する。かかる状態に
て数秒程度経過した後、加圧室４にプランジヤ７
を嵌込んでゆつくりと下降させ、プランジヤ７の
下端が溶融マトリツクス金属６に接触する直前に
於てピン２２を溝２０及び２１に嵌入し、これに
より成形室３とプレナム１４との間の連通を遮断
し、これと同時に真空ポンプ１６の作動を停止さ
せる。次いでプランジヤ７によつて加圧室４内の
溶融マトリツクス金属６を所定の圧力に加圧し、
加圧室４及び成形室３内の溶融マトリツクス金属
が完全に凝固するまでその加圧状態を保持し、鋳
型５内の溶融マトリツクス金属６が完全に凝固し
た後、その凝固体をノツクアウトピン９によつて
鋳型５より取出し、その凝固体より加圧室４内に
て凝固したマトリツクス金属のみよりなる凝固体
を切断などによつて除去することにより、成形室
３内にて形成された複合材料を得る。

第５図は本発明による複合材料の製造方法の実
施に使用されてよい製造装置の第三の実施例を成
形室内の減圧工程にて示す第１図及び第３図と同
様の解図的縦断面図、第６図は第５図の線−
による平断面図である。尚これらの図に於て、第
１図乃至第４図に示された部材と実質的に同一の
部材には同一の符号が付されている。

この実施例の複合材料製造装置に於ては、鋳型
５は下部鋳型部材２４と、プランジヤ７及びノツ
クアウトピン９と共働してそれぞれ加圧室４及び
成形室３を郭定する上部鋳型部材２５とよりなつ
ており、図には示されていないラム装置の如き加
圧保持手段により、第５図に示されている如く互
いに当接した状態に保持されるようになつてい
る。下部鋳型部材２４の上面２６にはボア８の周
りに車輪形の溝２７が設けられており、該溝２７
は溝２８によつてプレナム１４が取付けられた下
部鋳型部材２４の外周面まで連通されている。こ
れらの溝２７及び２８は下部鋳型部材２４上に上
部鋳型部材２５がその下面２９と下部鋳型部材２
４の上面２６とが当接した状態にて配置される
と、下面２９と共働して成形室３をプレナム１４
と連通接続する通路を郭定するようになつてい
る。

以上の如く構成された複合材料製造装置を用い
て行なわれる本発明による複合材料の製造方法は
以下の如く実施される。まず鋳型５の上部鋳型部
材２５と下部鋳型部材２４とを第５図に示されて
いる如く互いに当接した状態に保持し、鋳型５の
成形室３内に強化材２を充填し、その状態にて加
圧室４内に溶融マトリツクス金属を注湯する。次
いで真空ポンプ１６を作動させてプレナム１４及
び成形室３内を所定の圧力に減圧する。かかる状
態にて数秒程度経過した後、加圧室４にプランジ
ヤを嵌込んでゆつくりと下降させ、加圧室４内の
溶融マトリツクス金属６が強化材２を経て溝２７
内に浸出した時点に於て、真空ポンプ１６の作動
を停止させる。次いでプランジヤ７によつて加圧
室４内の溶融マトリツクス金属６を所定の圧力に
加圧し、加圧室４及び成形室３内の溶融マトリツ
クス金属が完全に凝固するまでその加圧状態を保
持し、鋳型５内の溶融マトリツクス金属が完全に
凝固した後、その凝固体をノツクアウトピン９に
よつて鋳型５より取出し、その凝固体より加圧室
４内にて凝固したマトリツクス金属のみよりなる
凝固体を切断などによつて除去することにより、
成形室３内にて形成された複合材料を得る。尚こ
の実施例に於ける成形室３の下端のシールは、溝
２７内に浸出した溶融マトリツクス金属６が上部
鋳型部材２５及び下部鋳型部材２４により冷却さ
れ、溝２７内にて凝固することにより自動的に達
成される。

第７図及び第８図は本発明による複合材料の製
造方法の実施に使用されてよい製造装置の第四の
実施例をそれぞれ成形室内の減圧開始工程及び複
合材料製造工程にて示す解図的縦断面図である。
尚これらの図に於て、第１図及び第２図に示され
た部分と実質的に同一の部分には第１図及び第２
図に付された符号と同一の符号が付されている。

この実施例の複合材料製造装置に於ては、鋳型
は上型５ａと下型５ｂとよりなつており、これら
の上型及び下型は図には示されていないラム装置
の如き加圧保持手段により、第７図及び第８図に
示されている如く互いに組付けられた型締め状態
に維持されるようになつている。上型５ａには加
圧室４内へ溶融マトリツクス金属６を注湯するた
めの湯道３０が形成されている。また下型５ｂに
は加圧室４と連通するシリンダボア３１が形成さ
れており、このシリンダボアにはそれに沿つて往
復動するノツクアウトピン３２が挿通されてい
る。ノツクアウトピン３２の上端面は加圧室４の
底面を郭定している。また下型５ｂの成形室３と
連通するボア３３及び３４内には、成形室３内に
於て凝固した凝固体を下型５ｂより取出すための
ノツクアウトピン３５及び３６が挿通されてい
る。

以上の如く構成された複合材料製造装置を用い
て行なわれる本発明による複合材料の製造方法は
以下の如く実施される。まず成形室３内に強化材
２を充填し、ノツクアウトピン３２により成形室
３と加圧室４との連通を遮断した状態にて真空ポ
ンプ１６を作動させ、第７図に示されている如
く、湯道３０を経て加圧室４内へ溶融マトリツク
ス金属６を注湯する。次いでノツクアウトピン３
２及びプランジヤ７を下降させて溶融マトリツク
ス金属６を成形室３内へ導入しつつ、プレナム１
４及び成形室３内を所定の圧力に減圧する。かか
る状態にて数秒程度経過した後、真空ポンプ１６
の作動を停止させ、プランジヤ７をゆつくりと下
降させることにより加圧室４内の溶融マトリツク
ス金属６を所定の圧力に加圧し、加圧室４及び成
形室３内の溶融マトリツクス金属６が完全に凝固
するまでその加圧状態を保持し、加圧室４及び成
形室３内の溶融マトリツクス金属６が完全に凝固
した後、上型５ａと下型５ｂとを離型し、その凝
固体をノツクアウトピン３２及びノツクアウトピ
ン３５，３６により下型３５ｂより取出し、その
凝固体より加圧室４内にて凝固したマトリツクス
金属のみよりなる凝固体を切断などによつて除去
することにより、成形室３内にて形成された複合
材料を得る。

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。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明による複合材料の製
造方法の実施に使用されてよい製造装置の第一の
実施例をそれぞれ成形室内の減圧工程及び複合材
料鋳造工程にて示す解図的縦断面図、第３図及び
第４図は本発明による複合材料の製造方法の実施
に使用されてよい製造装置の第二の実施例をそれ
ぞれ成形室内の減圧工程及び複合材料鋳造工程に
て示す解図的縦断面図、第５図は本発明による複
合材料の製造方法の実施に使用されてよい製造装
置の第三の実施例を成形室内の減圧工程にて示す
第１図及び第３図と同様の解図的縦断面図、第６
図は第５図の線−による平断面図、第７図及
び第８図は本発明による複合材料の製造方法の実
施に使用されてよい製造装置の第四の実施例をそ
れぞれ成形室内の減圧開始工程及び複合材料鋳造
工程にて示す解図的縦断面図である。１……複合材料製造装置、２……強化材、３…
…成形室、４……加圧室、５……鋳型、５ａ……
上型、５ｂ……下型、６……溶融マトリツクス金
属、７……プランジヤ、８……ボア、９……ノツ
クアウトピン、１０……減圧装置、１１……通
路、１２，１３……シール、１４……プレナム、
１５……導管、１６……真空ポンプ、１７……上
端、１８……円錐状内周面、１９……弁要素、２
０，２１……溝、２２……ピン、２３……シール
装置、２４……下部鋳型部材、２５……上部鋳型
部材、２６……上面、２７，２８……溝、２９…
…下面、３０……湯道、３１……シリンダボア、
３２……ノツクアウトピン、３３，３４……ボ
ア、３５，３６……ノツクアウトピン。

Claims

【特許請求の範囲】

１マトリツクス金属と強化材とよりなる複合材
料を鋳造するための成形室と、前記成形室と直接
連通する加圧室と、前記加圧室内に導入された溶
融マトリツクス金属を加圧する加圧手段とを有す
る鋳造装置を用い、前記成形室内に強化材を充填
した状態にて前記加圧室内に溶融マトリツクス金
属を注湯し、前記加圧室と連通する部位とは反対
側の部位より前記成形室内を減圧し、しかる後前
記溶融マトリツクス金属を前記加圧手段にて加圧
しつつ凝固させる複合材料の製造方法。