JPH0732332A

JPH0732332A - 金属基複合材料の中空プリフォームの製造方法および製造用鋳型

Info

Publication number: JPH0732332A
Application number: JP19881893A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Yoda; 道広与田; Katsuhiko Mochizuki; 捷彦望月; Yoshihiro Sugai; 義裕菅井
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 1995-02-03

Abstract

(57)【要約】【目的】中空形状の金属基複合材料の製造において、
炭化けい素ウィスカ等のような約１μｍ以下の径を有
し、強度向上効果には優れているものの、プリフォーム
成形時に破損し易い強化繊維を用いた場合にも、プリフ
ォームに過大な応力を発生させたり、傷をつけたりする
ことなく中空のプリフォームを成形する。【構成】水抜き機構を有し、床型２０と、この床型上
に載置される筒状の外型２１と、この外型内に配設され
る筒状の内型２４とを有し、外型および内型が軸線方向
に分割された上下部外型２２，２３および上下部内型２
５，２６からなり、かつ分割された下部外型と下部内型
とが周方向に分割されている鋳型の上下部外型と上下部
内型との間に水とセラミック強化繊維とを含むスラリー
を注入し、スラリー内の水を抜いて下部外型２３と下部
内型２６との間に中空プリフォームを形成し、上下部外
型および上下部内型を取り除いて中空プリフォームを得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば衛星部品や飛
翔体部品のような中空形状の金属基複合材料の製造にお
いて、その強化機構となる中空プリフォームを製造する
ための方法および該製造方法に用いられる鋳型に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】金属基複合材料は、金属の性質を改善す
るために開発された材料であり、クラッド材、分散強化
金属、繊維強化複合材料等の種々の材料が知られてい
る。このうち、繊維強化複合材料である繊維強化金属
（ＦＲＭ）は、先ずセラミック繊維や金属繊維によって
補強機構となる予成形体（プリフォーム）を成形し、つ
いで得られたプリフォーム内に高圧鋳造等によりアルミ
ニウムやチタン等の金属マトリックスを鋳込んだもので
ある。このような繊維強化金属は、その強化機構が金属
等と異なり転位論によらないために高温での強度や弾性
係数等に優れており、特に強化繊維としてセラミックス
繊維を用いたものにあっては、比強度および比剛性に優
れていることが特徴であることから、航空機用ジェット
エンジンのタービンブレード等各種の用途に用いられつ
つある。

【０００３】このような炭化けい素（ＳｉＣ）ウィスカ
やアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）短繊維等のセラミックス繊維を
用いた繊維強化金属（ＦＲＭ）の製造において、上記プ
リフォームを成形する方法としては、大別して機械的成
形法および抄造法が知られている。ここで、上記機械的
成形法は、セラミック強化繊維を単にプレスで押圧して
所望のプリフォームを成形するものであり、成形は容易
であるが強化繊維が成形圧力により破壊されてアスペク
ト比（繊維長／繊維径）が小さくなるため、金属を鋳造
して得られたＦＲＭの強化効果が減少するという欠点が
ある。

【０００４】これに対して、抄造法は、図３に示すよう
に、床型１と筒状の外型２とが多孔質の材料により一体
に成形された鋳型３のキャビティ４内に、セラミック強
化繊維に一定割合の水および可溶性澱粉等のバインダー
等を調合したスラリーを注入し、水を抜いて乾燥が完了
した時点で、上記鋳型３を取外してプリフォームを得る
ものであり、得られたプリフォームは、アスペクト比が
ほとんど不変であるために、強化効果が大きいという利
点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記抄
造法にあっては、キャビティ４内での乾燥・収縮工程に
おいて、注入されたスラリー各部での乾燥速度が異なる
ため、プリフォーム自体の強度を越えた内部応力が発生
してプリフォームが割れ易く、よって従来その形状は、
もっぱら中実のプリフォームの成形に限定されていた。
すなわち、上記抄造法で外型と内型とを用いて、中空の
プリフォームを製造しようとすると、具体的に以下のよ
うな問題点があった。

【０００６】先ず、キャビティ内でスラリーが乾燥・収
縮する過程において、乾燥され易さが各部において異な
る為、マクロ的に不均一な乾燥・収縮となり、この結果
プリフォームには内部応力が発生する。この場合に、中
実のプリフォームはその形状において対称性や中心と外
周部とのバランスがとれているために内部応力がプリフ
ォーム強度を上回ることはないが、中空プリフォームは
薄肉であり、かつ中心部がなく外周部とのバランスもと
れないため、割れ易いという傾向が大である。ここで、
この種の割れは以下の３種類に大別される。内型隣接部割れスラリーは全体的に乾燥・収縮するので、プリフォーム
の内型と接する部分に強い内部応力が発生し、これに起
因して当該部分に割れが発生する。貫通割れ中空プリフォームは、前述したごとく乾燥・収縮時のバ
ランスが悪いため、中実のプリフォーム以上にマクロ的
な内部応力が強く発生しており、かつ強度も弱いことか
ら、各種の原因で内部に発生した割れが、互いに繋がっ
て貫通割れとなる。外型隣接部割れ鋳型の外型を取外す際に、プリフォームと外型との平行
度がずれ易いため、プリフォームの外周に、上記外型に
起因するキズ、割れが発生する。

【０００７】また、他の問題として、プリフォーム成形
後の鋳型における内型の取外しが困難であるという問題
点がある。すなわち、上述したように、スラリーの乾燥
・収縮後に、プリフォームの内型と接する部分には強い
内部応力が発生しているため、成形後にプリフォームか
ら内型を取外すことが困難となり、無理に強力な力で外
そうとすると、プリフォームに割れが発生してしまうと
いう問題である。このような種々の問題点により、従
来、抄造法等により所望の中空プリフォームを作る事は
不可能であり、その解決が望まれていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決すべくなされたもので、請求項１に記載の発明は、水
抜き機構を有する筒状の外型と内型とを、それぞれ軸線
方向に分割して上下部外型および上下部内型とするとと
もに、分割された下部外型と下部内型とをそれぞれ周方
向に分割し、ついで上下部外型と上下部内型とを床型上
に載置したのちに、これら上下部外型と上下部内型との
間に水とセラミック強化繊維とを含むスラリーを注入
し、次にスラリー内の水を抜いて下部外型と下部内型と
の間に中空プリフォームを形成して上部外型および上部
内型を取り除いた後に、下部外型および下部内型をそれ
ぞれの分割部分から分割して床型から取り除くことによ
り中空プリフォームを得るものである。

【０００９】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載のセラミック強化繊維が、炭化けい素のウィスカ
またはアルミナの短繊維であることを特徴とするもので
ある。

【００１０】さらに、請求項３に記載の発明は、上記請
求項１または２に記載の発明を実施するための製造用鋳
型に係るものであって、水抜き機構を有し、床型と、こ
の床型上に載置される筒状の外型と、この外型内に配設
されて外型との間に水とセラミック強化繊維とを含むス
ラリーが注入される筒状の内型とを有し、外型および内
型は、それぞれ軸線方向に分割された上下部外型および
上下部内型からなり、かつ分割された下部外型と下部内
型とは、それぞれ周方向に分割された構成としたもので
ある。

【００１１】

【作用】本発明によれば、外型および内型をそれぞれ軸
線方向に分割して上下部外型および上下部内型とし、ス
ラリー内の水を抜いて下部外型と下部内型との間に中空
プリフォームを形成しているため、上部外型と上部内型
との間にプリフォームが形成されておらず、よって従来
の半分以下の長さの上部外型および上部内型を、プリフ
ォームと干渉させることなく極めて容易に取外すことが
できる。また、この際に、下部外型と下部内型との間に
形成されたプリフォームに全く力が加わらないため、プ
リフォームの内型および外型隣接部割れを生じることが
ない。

【００１２】また、下部外型および下部内型にのみ、高
価な表面精度に優れ、かつ高真円度の高強度材質を使用
することによって、プリフォームの割れをより一層少な
くすることができるため、経済的である。

【００１３】さらに、下部外型および下部内型を周方向
に分割しているので、プリフォームから上記下部外型お
よび内型を取外す際に、プリフォームの直径方向に取外
すのみであるため、プリフォームの外周と直接摺動する
ことがなく、よってプリフォームに過大な応力を発生さ
せたり、傷をつけたりする虞がない。したがって、特に
炭化けい素ウィスカ等のような約１μｍ以下の径を有
し、強度向上効果には優れているものの、反面、プリフ
ォーム成形時に破損し易い強化繊維を用いた場合に好適
である。

【００１４】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例につ
いて説明する。図１および図２は、本発明の金属基複合
材料の中空プリフォーム製造用鋳型の一実施例を示すも
ので、図中符号２０は、床型である。この床型２０は、
外観略円盤状のもので、その中央に形成された円形の凹
部には、筒状の外型２１が載置されている。

【００１５】この外型２１は、図２に示すように、軸線
方向の略中央で２分割されてなる上部外型２２および下
部外型２３によって構成されており、さらに下部外型２
３は円周方向に２等分となるように分割されている。こ
こで、上部外型２２および下部外型２３の長さ寸法は、
セラミック強化繊維に水およびバインダー等を調合した
スラリーを注入した際に、その上面が上部外型２２の上
端部以下になるように、かつ水を乾燥させた後のプリフ
ォームの高さが、下部下型２３の上端部以下になるよう
にそれぞれ設定されている。そして、この外型２１の内
側には、内型２４が配設されている。

【００１６】この内型２４は、上記外型２１と同様に軸
線方向の略中央で２分割されてなる上部内型２５および
下部内型２６によって構成されており、さらに下部内型
２６は円周方向に２等分になるように分割されている。
ここで、上部外型２２および下部外型２３は、上記外型
２１と同様にそれぞれの長さ寸法が設定されており、そ
の分割位置は上部外型２２と下部外型２３との分割位置
と同様の位置になっている。そして、これら床型２０、
外型２１および内型２４は、それぞれ多孔質材料によっ
て形成されており、各孔部により水抜き機構が構成され
ている。

【００１７】次に、上記構成からなる中空プリフォーム
製造用鋳型を用いた、本発明の中空プリフォームの製造
方法の一実施例について説明する。先ず、下部内型２６
の分割部分および下部内型２６と上部内型２５との分割
部分に内側からテープ３０を貼って一体の内型２４を作
成する。次いで、この内型２４を床型２０上の中央部に
載置する。

【００１８】これと並行して、上部外型２２と下部外型
２３とを同様にテープ３１により一体化させて外型２１
を作成し、この外型２１を内型２５を囲繞するようにし
て上記床型２０上に載置する。

【００１９】次に、これら外型２１と内型２４との間
に、炭化けい素のウィスカに所定のバインダーおよび水
等を調合したスラリーを注入する。すると、上記スラリ
ー内で炭化けい素のウィスカが沈殿するとともに、沈殿
完了時に約７５％含まれている水は、外型２１および内
型２４の孔部を通して、あるいは外型２１の底部から、
さらには、スラリー上面から蒸発して排出され、この結
果下部外型２３と下部内型２６との間に中空プリフォー
ムＰが形成される。

【００２０】そこで、上記中空プリフォームＰが形成さ
れた後に、先ずテープ３０、３１を剥がして上部外型２
２および上部内型２５を取り除き、ついで上記下部外型
２３および下部内型２６をそれぞれの分割部分に貼った
テープ３０、３１を剥がすことにより分割して上記床型
２０から取り除く。これにより、中空プリフォームＰを
得る。

【００２１】このようにして、得られた中空プリフォー
ムＰは、予熱された後に金型内にセットされ、約１００
０ｋｇ／ｍｍ²の高圧凝固鍛造法により内部にアルミニ
ウム合金等の金属マトリックスが含浸されて、所望の繊
維強化金属製品とされる。

【００２２】このような、中空プリフォームの製造方法
によれば、外型２１および内型２４をそれぞれ軸線方向
に分割して上下部外型２２、２３および上下部内型２
５、２６としているため、中空プリフォームＰの成形後
に、従来の半分以下の長さの上部外型２２および上部内
型２５を、上記中空プリフォームＰと干渉させることな
く極めて容易に取外すことができる。この際に、下部外
型２３と下部内型２６との間に形成されたプリフォーム
Ｐに全く力が加わらないため、プリフォームＰの内型隣
接部割れおよび外型隣接部割れを生じることがない。

【００２３】また、一般にプリフォーム割れを少なくす
るためには、プリフォームと接する外型および内型の表
面精度を向上させて、プリフォームに発生するミクロ的
応力を低下させたり、あるいは高強度の型材質を選定し
て、より真円度の良い外型および内型を用いることによ
り、プリフォーム形状の対称性を向上させて、プリフォ
ームのマクロ的応力を低下させることが重要である。と
ころが、これらを満足させるような外型および内型を製
造しようとすると、鋳型全体のコストの増大を来してし
まう。しかるに、上記鋳型によれば、下部外型２３およ
び下部内型２６のみを、良好な表面精度を有し、かつ高
強度材質からなる高真円度のものとすればよく、さらに
上部外型２２および上部内型２５としては、上記性能に
劣る安価なものを使用することができるため経済的でも
ある。

【００２４】さらに、外型および内型が一体のもので
は、乾燥完了後にプリフォームを取り出そうとすると、
まずプリフォームを固定し、外型を軸線方向に移動させ
てプリフォームから取外す以外に方法がない。しかしな
がら、この方法では、プリフォームに不自然な外力がか
かるうえ、さらに取外しの実作業上、プリフォームと型
との互いの軸線の平行度が異なることが避けがたく、こ
の結果プリフォームに応力が加わって破損し易くなる。
この点、上記鋳型にあっては、下部外型２３および下部
内型２６を周方向に２分割しているので、プリフォーム
Ｐから下部外型２３および下部内型２６を取外す際に、
プリフォームＰの直径方向に取外すのみであるため、プ
リフォームＰの外周と直接摺動することがない。このた
め、プリフォームＰに過大な応力を発生させたり、傷を
つけたりする虞がない。したがって、特に炭化けい素ウ
ィスカ等のような約１μｍ以下の径を有し、強度向上効
果には優れているものの、反面、プリフォーム成形時に
破損し易い強化繊維を用いた場合に好適である。

【００２５】

【実験例】強化繊維として、炭化けい素（ＳｉＣ）ウィ
スカ（直径：０．５μｍ、長さ３０μｍ）を用い、これ
に所定のバインダー、水を調合し、スラリーを得た。次
に、本発明の実施例として、図２に示すような軸線方向
および周方向に分割したアクリル製の外型および内型を
有する鋳型を組合せて外型および内型の間にキャビティ
を作り、上記スラリーを注ぎ込んだ。ついで、ウィスカ
の沈殿が完了した時点で上部外型および上部内型を取外
し、さらに、乾燥が終了した後に下部外型、下部内型の
順で取外して中空プリフォームを得た。

【００２６】また、比較例として、外型および内型が１
体型のもの、および外型および内型を軸線方向にのみ分
割した鋳型を準備し、本発明の実施例と同様にスラリー
を注いだ。そして、スラリー乾燥後に、外型および内型
を取外してプリフォームを得た。これら試験の結果を表
１に示す。

【００２７】この表から明らかなように、比較例では、
プリフォームに割れが見られたが、本発明の実施例によ
る鋳型を用いたプリフォームには割れが皆無であった。

【００２８】 ○：プリフォームに割れなし ×：プリフォームに割れ発生、 ××：プリフォーム
に大きな割れ発生

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、外型および内型を
それぞれ軸線方向に分割して上下部外型および上下部内
型とし、かつ下部外型および下部内型を周方向に分割し
ているので、中空プリフォームから外型および内型を取
外す際に、先ず従来の半分以下の長さの上部外型および
上部内型を中空プリフォームと干渉させることなく極め
て容易に取外すことができ、しかも下部外型および内型
を取外す際に、プリフォームの直径方向に取外すのみで
あるため、プリフォームの外周と直接摺動することがな
い。このため、特に炭化けい素ウィスカ等のような約１
μm 以下の径を有し、強度向上効果には優れているもの
の、反面、プリフォーム成形時に破損し易い強化繊維を
用いた場合にも、プリフォームに過大な応力を発生させ
たり、傷をつけたりする虞がない。

【００３０】また、下部外型および下部内型にのみ、高
価な表面精度に優れ、かつ高真円度の高強度材質を使用
することによって、プリフォームの割れをより一層少な
くすることができるため、経済的である等の効果も得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の中空プリフォーム製造用鋳型の外型の
一実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明の中空プリフォーム製造用鋳型の一実施
例を示す縦断面図である。

【図３】従来のプリフォーム製造用鋳型を示す縦断面図
である。

【符号の説明】

２０床型２１外型２２上部外型２３下部外型２４内型２５上部内型２６下部内型

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水抜き機構を有する筒状の外型と内型と
を、それぞれ軸線方向に分割して上部外型および下部外
型並びに上部内型および下部内型とするとともに、分割
された上記下部外型と下部内型とをそれぞれ周方向に分
割し、ついで上記上下部外型と上下部内型とをそれぞれ
組立て外型および内型とした後に、これらを床型上に載
置し、ついでこれら上下部外型と上下部内型との間に水
とセラミック強化繊維とを含むスラリーを注入し、次に
上記スラリー内の水を抜いて上記下部外型と下部内型と
の間に中空プリフォームを形成し、ついで上記上部外型
および上部内型を取り除いた後に、上記下部外型および
下部内型をそれぞれの分割部分から分割して上記床型か
ら取り除くことにより中空プリフォームを得ることを特
徴とする金属基複合材料の中空プリフォームの製造方
法。
【請求項２】上記セラミック強化繊維は、炭化けい素
のウィスカまたはアルミナの短繊維であることを特徴と
する請求項１に記載の金属基複合材料の中空プリフォー
ムの製造方法。
【請求項３】水抜き機構を有し、床型と、この床型上
に載置される筒状の外型と、この外型内に配設されて上
記外型との間に水とセラミック強化繊維とを含むスラリ
ーが注入される筒状の内型とを有してなり、上記外型お
よび内型は、それぞれ軸線方向に分割された上下部外型
および上下部内型からなり、かつ分割された下部外型と
下部内型とは、それぞれ周方向に分割されていることを
特徴とする金属基複合材料の中空プリフォーム製造用鋳
型。