JPH06108178A - 複合材料製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、径が５μｍより小さい粒子
や短繊維などの分散複合が可能であるとともに、径が５
μｍより大きい粒子を効率良くかつ迅速に分散複合し得
る複合材料製造装置を提供することにある。 【構成】 本発明に係る複合材料製造装置１は、加熱炉
３内の溶解ルツボ４中に金属材料を供給して溶解すると
ともに、この溶解した金属溶湯に添加材料を添加して攪
拌翼１４で回転攪拌することにより複合材料を製造する
装置であって、加熱炉３および攪拌翼１４に関連して上
下左右、回転等の動作が可能な補助アーム１８を配設し
ており、この補助アーム１８によってさらに溶解ルツボ
４中の添加材料を金属溶湯中に分散複合するように構成
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属をマトリックスと
して、金属やセラミックスの粒子、短繊維などを分散複
合して複合材料を製造する複合材料製造装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、一部または完全溶融した金属
に、金属やセラミックスの粒子や短繊維等の添加材料を
投与し、これらに機械式回転攪拌を与えることによって
当該添加材料をマトリックス金属中に分散複合する方法
が提案されている。その代表例としては、図４に示すよ
うな製造装置を使用するコンポキャスティング法があ
る。このコンポキャスティング法においては、まず合金
５１の全部あるいは一部分が溶融状態になる温度まで、
電気炉５２により加熱する。その後、逆回転羽根５３
ａ，５３ｂが溶湯５１中へ導入され、モータ５４によっ
て３００〜５００ｒ．ｐ．ｍ．の速度で回転させ溶湯５
１を強攪拌する。またルツボ５５は、モータ５６によっ
て５〜１０ｒ．ｐ．ｍ．の低速度で回転させる。電気炉
５２の温度制御は熱電対５７を設けた炉温制御装置５８
で行い、溶湯温度を低下させて一部分凝固させるか、あ
るいはすでに固相が存在する場合にはさらに凝固させ
る。

【０００３】温度降下と強攪拌は同時に行う必要はな
く、まず最初に溶湯を冷却し少量の固相を晶出させ、そ
れからさらに冷却を行いながら、または冷却を行わない
で攪拌することにより球状晶を形成させることができ
る。その後、マトリックスと異なる組成をもち、かつま
たマトリックスが液体の場合、マトリックスと濡れない
表面組成をもち第３相を形成する、分散すべき粒子を固
液混合物中へ添加し、その混合物を攪拌することによっ
て添加した第３相粒子を液相中に比較的均一に分散させ
る。そして、粒子と液相との間に充分な相互作用が生じ
る時間まで攪拌混合することにより、複合材料を製造し
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た複合材料の製造装置にあっては、図５に示す如く、ル
ツボ５５中の溶融金属に短繊維や粒子状の強化材などを
添加し、それらに攪拌翼５３で機械式回転攪拌を与えて
いるので、添加材料の径が５μｍより小さい粒子やウィ
スカー等の短繊維である場合、図５に示す如く、攪拌中
に添加材料５９がマトリックス金属溶湯５１の上面また
は下面で塊状や層状に凝集して集合体を形成し、したが
って添加材料５９は十分に金属溶湯５１中に分散でき
ず、回転攪拌を継続しても複合されなくなってしまうと
いう不具合を有している。

【０００５】一般に、粒子分散複合材料では、複合する
粒子の径が小さいほど引張強さや疲労限等が優れたもの
となる。また、小径粒子の方が添加量を増やすことがで
き、それに従って引張強さ、疲労限、耐熱性、耐摩耗
性、剛性等が改善されていく。そしてまた、ウィスカー
等の短繊維を複合した複合材料では、引張強さや疲労限
等の物性をさらに改善させることが可能となる。そのた
め、複合材料はできるだけ小径粒子や短繊維を複合した
ものが有利である。ところが、コンポキャスティング法
では、一般的に上述した理由で径が５μｍ未満の粒子や
ウィスカー等の短繊維の複合は難しい。なお、図５にお
いて６０は材料添加装置、６１はルツボ５５の周囲に配
置されたヒータである。

【０００６】本発明はこのような実状に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、径が５μｍより小さい粒子
や短繊維などの分散複合が可能であるとともに、径が５
μｍより大きい粒子を効率良くかつ迅速に分散複合し得
る複合材料製造装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の有する課
題を解決するために、本発明においては、加熱炉内の容
器中に金属材料を供給して溶解するとともに、この溶解
した金属溶湯に添加材料を添加して攪拌翼で回転攪拌す
ることにより複合材料を製造する複合材料製造装置にお
いて、前記加熱炉および攪拌翼に関連して上下左右、回
転等の動作が可能な補助アームを配設し、該補助アーム
によってさらに前記容器中の添加材料を前記金属溶湯中
に分散複合するように構成している。

【０００８】

【作用】本発明に係る複合材料製造装置では、上下左
右、回転等の動作が可能な補助アームを配設しているた
め、機械式回転攪拌を与えて添加材料を複合する際に、
容器内に挿入した補助アームを動かせば、当該補助アー
ムが塊状になった添加材料を壊したり、あるいは金属溶
湯の上面の添加材料を強制的に溶湯中に押し込んだり、
金属溶湯の下面に溜まった添加材料の塊状集合体を上方
に浮上させたりして、分散複合を補助することが可能に
なる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細
に説明する。

【００１０】図１および図２は本発明に係る複合材料製
造装置の一実施例を示している。図において、１はマト
リックス金属溶湯中に金属やセラミックスの粒子、短繊
維などを分散複合して複合材料を製造する複合材料製造
装置であり、この製造装置１は、内部を真空状態にする
装置本体２、該装置本体２内に配置される加熱炉３、該
加熱炉３内に配置される溶解ルツボ４、装置本体２の下
部に設けられる真空容器５等をそれぞれ備えている。

【００１１】上記加熱炉３は断面コ字状の断熱壁３ａに
て形成され、内部には溶解ルツボ４を加熱するためのヒ
ータ６が配設されている。また、加熱炉３の上部には水
平方向へ移動可能なシャッタ７が設けられており、該シ
ャッタ７によって加熱炉３の上部開口が開閉されるよう
に構成されている。さらに、加熱炉３の内部には、当該
加熱炉３内の温度制御を行うための熱電対８の先端部が
貫通配置されており、この熱電対８の基端部側は装置本
体２に取付けられている。一方、溶解ルツボ４の周囲は
ヒータ６にて覆われ、その下部には開閉栓９によって開
閉される給湯口１０が設けられている。しかして開閉栓
９は、連結機構１１を介して昇降モータ１２に連結さ
れ、該昇降モータ１２の駆動力によって昇降するように
構成されている。なお、開閉栓９の内部には熱電対１３
が配設されており、この熱電対１３の先端部は開閉栓９
の下端付近まで延び、また熱電対１３の基端部側は装置
本体２に取付けられている。

【００１２】上記溶解ルツボ４の内部には、金属溶湯お
よび添加材料の回転攪拌を行う攪拌翼１４が配設されて
おり、当該攪拌翼１４は回転シャフト１５を介して駆動
モータ１６に連結されている。このため、回転シャフト
１５は攪拌翼１４の上部から装置本体２の外部にかけて
延設され、装置本体２の上部に設けた軸受部１７によっ
て回転可能に保持されている。しかして攪拌翼１４は、
回転シャフト１５を介し駆動モータ１６の駆動力によっ
て回転するように構成されている。

【００１３】また、上記回転シャフト１５の付近には、
加熱炉３および攪拌翼１４と関連してコンポキャスティ
ング法による添加材料の分散複合を補助する補助アーム
１８が配設されている。この補助アーム１８は、装置本
体２内の真空または雰囲気を壊すことなく上下左右，回
転等の動作が可能なように、アーム取付部１９に摺動自
在に取付けられ、手動にて動かすように構成されてい
る。そのため、補助アーム１８の基端部側には、これを
操作するハンドル２０が設けられている。しかも、補助
アーム１８は、作動時に先端部が溶解ルツボ４の内部ま
でとどく長さに形成されているとともに、その先端部は
後述する添加材料の塊状集合体を壊したり、十分に攪拌
できるようにブロック形状に形成されている。なお、上
記アーム取付部１９は、密封状態で装置本体２の上部外
側寄りに配置されており、補助アーム１８が回転シャフ
ト１５に接触しないように斜め上方から溶解ルツボ４内
に挿入し得る位置に設けられている。

【００１４】一方、上記真空容器５内の底部には、製造
した複合材料を回収する鋳型２１が配置されている。こ
のため、装置本体２の底部には連通口２２が給湯口１０
と対応する位置に設けられており、当該連通口２２を介
して装置本体２と真空容器５とが連通するように構成さ
れている。しかして、鋳型２１は給湯口１０および連通
口２２の真下に配置されている。

【００１５】このように構成された複合材料製造装置１
を使用して複合材料を製造するには、まず、装置本体２
内を約１×１０^-4ｔｏｒｒに真空排気し、加熱炉３内の
溶解ルツボ４中にマトリックス金属材料となるＡＳＴＭ
Ａ３９０ アルミニウム合金を供給して収容する。次
いで、溶解ルツボ４に収容したアルミニウム合金をヒー
タ６によって１０２３Ｋに加熱溶解し、当該アルミニウ
ム合金が全溶解または部分溶解したことを開閉栓９内の
熱電対１３などによって確認した後、平均径３．２μｍ
の添加材料たるＳｉＣ粒子を複合率１０ｍａｓｓ％とな
るように添加する。この状態で、攪拌翼１４を５００
ｒ．ｐ．ｍ．の回転数にて回転させ、これらアルミニウ
ム合金溶湯およびＳｉＣ粒子の両者を攪拌翼１４で１２
００秒間攪拌する。

【００１６】また、補助アーム１８の先端部を溶解ルツ
ボ４内に挿入し、当該補助アーム１８を手動で上下左右
方向に動かすとともに正逆方向に回転させて、その先端
部により溶湯上面の添加材料の粒子塊状集合体を壊し、
かつ強制的に溶湯中に押し込み、さらに全体をゆっくり
攪拌して溶湯下面に溜まっている塊状集合体を上方に浮
上させる。その後、再び攪拌翼１４による回転攪拌と補
助アーム１８による同様の操作を数回繰り返し行うと、
これによって上記ＳｉＣ粒子がアルミニウム合金中に均
一に分散して取り込まれ、複合材料が製造される。この
複合材料は、開閉栓９を上昇させて溶解ルツボ４の底部
に開口する給湯口１０を開くことにより、該給湯口１０
および連通口２２を通って鋳型２１中に導かれ、冷却さ
れて凝固回収されることになる。

【００１７】本実施例の複合材料製造装置１において
は、アルミニウム合金溶湯と添加材料のＳｉＣ粒子とを
攪拌翼１４で回転攪拌するとともに、添加材料の塊状集
合体を補助アーム１８で崩壊させたり、あるいは強制的
に溶湯中に押し込んだりしているため、従来のコンポキ
ャスティング法では複合が困難であった径が５μｍより
小さい粒子やウィスカー等の短繊維の分散複合が可能と
なる。しかも、従来のコンポキャスティング法でも複合
できた径が５μｍ以上の粒子については、複合に要する
時間を短縮させることが可能になる。

【００１８】以上、本発明の一実施例につき述べたが、
本発明は既述の実施例に限定されるものではなく、本発
明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能
である。

【００１９】例えば、既述の実施例における補助アーム
１８は、その中間部が図１に示す如く真っ直ぐな形状に
形成されているが、この補助アーム１８の代わりに、図
３に示す如く先端部寄りの中間部がクランク状に折曲げ
られたタイプの補助アーム２８を使用することもでき
る。このタイプの補助アーム２８を使用すると、溶解ル
ツボ４中への挿入操作が容易となる。

【００２０】

【発明の効果】上述の如く、本発明に係る複合材料製造
装置は、加熱炉内の容器中に金属材料を供給して溶解す
るとともに、この溶解した金属溶湯に添加材料を添加し
て攪拌翼で回転攪拌することにより複合材料を製造する
装置であって、前記加熱炉および攪拌翼に関連して上下
左右、回転等の動作が可能な補助アームを配設し、該補
助アームによって前記容器中の添加材料を前記金属溶湯
中に分散複合するように構成したので、前記攪拌翼によ
る機械式回転攪拌を与えて添加材料を複合する際、補助
アームによって添加材料の塊状集合体を壊したり、強制
的に金属溶湯中に押し込んだりすることができ、したが
って径が５μｍより小さい粒子や短繊維を金属溶湯中に
均一に取り込むことが可能となり、引張強さや疲労限等
が優れた種々の複合材料を製造することができる。しか
も、本発明の製造装置によれば、補助アームの作用で径
が５μｍより大きい添加材料の粒子を効率良く、迅速か
つ確実に分散複合することができ、製造コストの低減を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る複合材料製造装置を断
面で示す正面図である。

【図２】上記複合材料製造装置を断面で示す側面図であ
る。

【図３】変形例に係る複合材料製造装置を断面で示す正
面図である。

【図４】従来のコンポキャスティング法で使用される製
造装置を概念的に示す断面図である。

【図５】従来の複合材料製造装置の攪拌翼で回転攪拌さ
れている状態の金属溶湯と添加材料を概念的に示す断面
図である。

【符号の説明】

１ 複合材料製造装置 ２ 装置本体 ３ 加熱炉 ４ 溶解ルツボ ６ ヒータ ９ 開閉栓 １０ 給湯口 １４ 攪拌翼 １５ 回転シャフト １６ 駆動モータ １７ 軸受部 １８，２８ 補助アーム １９ アーム取付部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱炉内の容器中に金属材料を供給して
   溶解するとともに、この溶解した金属溶湯に添加材料を
   添加して攪拌翼で回転攪拌することにより複合材料を製
   造する複合材料製造装置において、前記加熱炉および攪
   拌翼に関連して上下左右、回転等の動作が可能な補助ア
   ームを配設し、該補助アームによってさらに前記容器中
   の添加材料を前記金属溶湯中に分散複合するように構成
   したことを特徴とする複合材料製造装置。