JPH108163A - 軽合金複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属マトリックス複合体を製造するに際して
強化材の体積含有率を任意に調整できるようにする。 【解決手段】 セラミックス材からなる強化材およびそ
のバインダに発泡スチロール等の高温焼失材を混合分散
させて押し固めることによりプリフォームを成形する。
前記高温焼失材の焼失温度以上の温度にてプリフォーム
中から高温焼失材を焼失させることにより、当該プリフ
ォーム内に軽合金溶湯を含浸空隙の形成させる。この場
合、前記高温焼失材の添加量を調整することにより、任
意の強化材体積含有率に調整できる。また、前記高温焼
失材の粒子径は強化材の粒子径と同等若しくはそれ以下
とすればよい。このプリフォームに軽金属溶湯を含浸さ
せて製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は軽合金複合材の製造
方法に係り、特にアルミニウム等の軽合金を主体として
セラミックス強化材を複合させた軽合金複合材を任意の
強化材体積含有率で製造することができるようにした製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に各種機械部品には所望の剛性が要
求されると同時に、軽量化も要求されることが多い。こ
のような要求から例えば車両用のブレーキ部品としてア
ルミニウム若しくはその合金が用いられるようになって
いる。また、最近では軽合金にセラミックスからなる強
化材を複合した部品も見られ、特に耐摩耗性や耐熱性に
有効であることから有望視されている。

【０００３】このような強化材複合材料として、例えば
特開平６−３３５７８６号公報に見られるように、ブレ
ーキロータ等に適用したものがある。これは強化材粉末
とアルミニウム粉末を熱間塑性加工により接合一体化
し、この一体品をロータ面に摩擦圧接させるようにして
いる。しかし、このような接合型の複合材料は接合面で
の結合強度を確保することが難しい。

【０００４】したがって、従来では、アルミニウムイン
ゴットの中に強化粒子を分散させたものを用いて成形す
る方法が提案されている。また最近では、強化材をプリ
フォーム（予備成形体）として成形し、その中にアルミ
ニウム溶湯を含浸させる方法も提示されており、これに
よって得られた金属複合材は金属マトリックス複合体
（Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ：
ＭＭＣ）として知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
インゴット中に強化材粒子を分散させたものでは、イン
ゴット中の強化材粒子の量が増加すると、すなわち強化
材の体積含有率が高くなると、湯流れ性が悪くなり、鋳
造が不能となるため、最大体積含有量は１〜３０％であ
った。また、鋳造に際して強化材分散の溶湯を鋳込む
が、強化材と基体金属の比重さにより強度分布を均等に
することが困難となっていた。

【０００６】一方、後者のプリフォームに金属を含浸す
る構成のものでは、プリフォームの形状を保持するため
には、強化材の体積含有率が低いとフォームが崩壊して
しまうので、その体積含有率は２０％以下のものとする
ことができなかった。これは体積含有率を低くしようと
すると強化材粒子径を大きくせざるを得ず、フォーム成
形上、粒子径が大きいと成形ができなくなるからであ
る。

【０００７】本発明は、上記従来の問題点に着目し、金
属マトリックス複合体を製造するに際して強化材の体積
含有率を任意に調整することができる軽合金複合材の製
造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る軽合金複合材の製造方法は、セラミッ
クス材からなる強化材およびそのバインダに発泡スチロ
ール等の高温焼失材を混合分散させて押し固めることに
よりプリフォームを成形し、これを前記高温焼失材の焼
失温度以上の温度にておいてプリフォーム中から高温焼
失材を焼失させることにより、当該プリフォーム内に軽
合金溶湯の含浸空隙を形成させて軽合金複合材を製造す
ることを特徴とするものである。

【０００９】この場合において、前記高温焼失材の添加
量を調整することにより、任意の強化材体積含有率に調
整可能としている。更に、前記高温焼失材の粒子径は強
化材の粒子径と同等若しくはそれ以下とすればよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係る軽合金複合材
の製造方法の具体的実施の形態を図面を参照して詳細に
説明する。

【００１１】本発明は種々の製品に応用可能であるが、
適用効果が高いブレーキロータを製造する場合について
説明する。アルミニウム複合材ロータ（以下、アルミロ
ータという）は、自動車の足廻りに組み込まれてディス
クブレーキ装置を構成するが、ブレーキパッドにより頻
繁に挟圧されるため、そのパッド摺動面部には耐摩耗
性、耐熱性が要求される一方、車輪への取り付け部とな
っているハット部は取り付けのための加工性および割れ
耐久性や疲労強度が高いことが要求される。したがっ
て、パッド摺動面部ではセラミックス粒子の体積含有量
が高くする一方で、ハット部はセラミックス粒子の体積
含有量を低くして伸び特性を優先させることが望まし
い。

【００１２】このような観点から、ブレーキロータのパ
ッド摺動面部では強化材としてのセラミックス粒子の体
積含有量が２０〜４０％のＭＭＣとし、それ以外のハッ
ト部を主体とする部分はセラミックス粒子の体積含有量
が５〜１０％のＭＭＣとして形成する。このため図２に
示すように、ブレーキロータ１０をパッド摺動面となる
部分に相当する摺動リング部１２（１２Ｓ、１２Ｒ）
と、当該摺動リング部１２に挟まれるロータ面板１４を
ハット部１６の外周部に一体的に形成したロータ本体１
８とに分離し、それぞれのプリフォーム２０、２２を別
途に作製し、これを接合して一体化したロータプリフォ
ームを作製するようにしている。

【００１３】すなわち、摺動リング部１２に対応する金
型を準備しておき、これにセラミックス粒子にバインダ
等を添加し、ブローイングマシンで金型に吹き込むこと
により摺動リング部プリフォーム２０を成形する。これ
は５０〜７００メッシュのセラミックス粒子を用いて押
し固めすればよい。例えば６０メッシュの粒子を用いる
ことにより体積含有率を３５％に設定することができ
る。

【００１４】また、ロータ本体１８に対応する金型を準
備しておき、これには、上記と同様の相当直径を有する
セラミックス粒子（およびバインダ）に加えて、同等の
相当直径の高温焼失材を添加混合して分散させたフォー
ム素材をブローイングマシンで前記金型に吹き込んでロ
ータ本体プリフォーム２２を成形するようにしている。
高温焼失材としては発泡スチロールやワックスを用いれ
ばよく、これを混合対象のセラミックス粒子径と同等若
しくはそれ以下の相当直径となるまで細粒化したものを
用いればよい。このような高温焼失材の添加量は、製作
すべきロータ本体１８におけるセラミックスの体積含有
率の調整に用いられ、この添加量が増大することにより
セラミックス体積含有量を減少させ、添加量が減少され
ればセラミックス単体による体積含有率に近づく。した
がって、ロータ本体１８が所望のセラミックス体積含有
量となるように、高温焼失材の添加量を調整することに
より、例えば５〜１０％のセラミックス体積含有量、換
言すれば９０〜９５％の金属基からなるロータ本体１８
の構造とすることができるのである。

【００１５】このようにして作製されたプリフォーム２
０、２２をロータ形状となるように接着して、図３に示
すような一体のロータプリフォーム２４を作製する。ロ
ータプリフォーム２４はバインダおよび高温焼失材を含
んでいるので、これをバインダ及び高温焼失材の焼失温
度まで加熱することにより、セラミックス単体からなる
フォーム２４が成形される。したがって、特に高温焼失
材の焼失温度以上、発泡スチロールでは１５０℃程度の
温度に設定された炉にロータプリフォーム２４を導入す
ることにより、摺動リング部プリフォーム２０が２０〜
４０％のセラミックス体積含有量、ロータ本体プリフォ
ーム２２が５〜１０％のセラミックス体積含有量にな
る。これにより、摺動リング部プリフォーム２０の空隙
率は６０〜８０％、ロータ本体プリフォーム２２の空隙
率は９０〜９５％となり、この空隙部に金属を溶浸させ
ることにより、ロータの構成部位単位で補強材の含浸率
の異なる金属基複合ロータとすることができる。

【００１６】このようなロータフォーム２４にアルミニ
ウムやその合金を金属マトリックスが形成されるように
溶浸させるのであるが、セラミックスフォームの空隙へ
の金属含浸に際して、金属表面張力が含浸阻害の要因と
なるため、遠心または加圧押込みをなすようにしてもよ
いが、セラミックスフォームを窒化マグネシウムでコー
ティングして表面張力緩和をなすようにすることが望ま
しい。このため、フォーム成形前に、セラミックスフォ
ームの素材中にマグネシウム金属を１重量％程度混合
し、アルミニウム溶融金属含浸に際して窒素雰囲気中で
作業を行わせるようにすればよい。もちろん、セラミッ
クスフォームを構成しているセラミックス粒子や繊維等
の表面に窒化マグネシウムをＣＶＤコーティングする等
の手法を採用することもできる。

【００１７】以下、本発明をブレーキロータの具体的製
法に基づいて図１のフローチャートを参照して詳細に説
明する。

【００１８】（Ａ）摺動リング部プリフォーム成形工程
（ステップ１００） 摺動リング部１２に相当するフォームは各々セラミック
ス材料を用いて作成される。セラミックス材料としては
アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の周知の
材料を１種若しくは２種以上用いればよい。このセラミ
ックス材料は繊維、ウィスカ、粒子等のいずれの形態で
もよいが、成形性の観点からは粒子を用いることが望ま
しい。したがって、例えば平均粒子径が３０μｍのアル
ミナ粉末を用い、これを混合機にバインダを混合して分
散させ、これを摺動リング部形状となるように、成形機
の金型にブローイングマシンで吹き込んでプリフォーム
２０成形する。

【００１９】バインダとしてはケイ酸ソーダ、リン酸ア
ルミ、コロイダルシリカ等を用いればよい。このとき、
セラミックス材料の粒子径を適宜選定することにより、
任意に空孔率を調整することができ、セラミック材料の
体積含有率を調整することができる。摺動リング部１２
に要求される耐摩耗性と耐熱性の観点から、この摺動リ
ング部プリフォーム２０はセラミックス体積含有率が１
０〜６０％の範囲、望ましくは２０〜４０％であること
が有効である。フォーム成形に際しては、後工程での供
給される溶融アルミニウムがセラミックスフォームの内
部に含浸することができるように、すなわちセラミック
スへの金属濡れ性を改善するために、フォーム成形前に
セラミックス材料中にマグネシウム金属を０．５〜１．
０重量％程度混合させる。

【００２０】（Ｂ）ロータ本体プリフォーム形成工程
（ステップ１１０） ロータ本体１８に相当するフォーム２２は上記摺動リン
グ部プリフォーム２０に用いるセラミックス材料をその
まま利用する。したがって、例えば平均粒子径が３０μ
ｍのアルミナ粉末を用いるため、混合機からの出口部か
ら分岐路を介して第２の混合機にて導入される発泡スチ
ロールと混合分散させ、これをロータ本体形状となるよ
うに、第２成形機の金型にブローイングマシンで吹き込
んでプリフォーム成形するのである。

【００２１】ここで、ロータ本体１８は摺動リング部１
２に比較して強度、耐熱性よりは加工性、靱性が重視さ
れるため、セラミックスの体積含有率は低くてよく、５
〜１０％であることが望ましい。この体積含有率を調整
するため、プリフォーム材に発泡スチロールを混合分散
するようにしている。すなわち、図４（１）に示してい
るように、使用するセラミックス粒子Ｃと相当直径がほ
ぼ等しい平均相当直径を有する発泡スチロール粒子Ｓを
用い、これをセラミックス粒子Ｃ中に混合分散し、発泡
スチロール粒子Ｓが焼失した場合のセラミックス体積含
有率が所望の５〜１０％となるように調整するのであ
る。フォーム成形は常温下で行うため、成形後のフォー
ムには発泡スチロール粒子が残留しているが、図４
（２）に示すように後の工程でこれが焼失され、焼失空
隙Ａは金属溶浸空隙となる。このロータ本体プリフォー
ム２２の成形に際しても、後工程での供給される溶融ア
ルミニウムがセラミックスフォームの内部に含浸するこ
とができるように、すなわちセラミックスへの金属濡れ
性を改善するために、フォーム成形前にセラミックス材
料中にマグネシウム金属を０．５〜１．０重量％程度混
合させる。

【００２２】（Ｃ）金属遮蔽材の塗布工程（ステップ１
２０） 個々に作製された摺動リング部プリフォーム２０とロー
タ本体プリフォーム２２とを接合一体化し、ロータプリ
フォーム２４とする（図３参照）。接合面には接着剤塗
布により結合すればよい。

【００２３】このようにして形成されたロータプリフォ
ーム２４の外周部に塗布装置により金属遮蔽材を塗布し
てコーティング層を形成する。

【００２４】（Ｄ）乾燥工程（ステップ１３０） 分割セラミックスフォームを組合わせたロータプリフォ
ーム２４を炉にて昇温し、バインダとロータ本体部に相
当するプリフォーム２２内の発泡スチロール２８を焼失
させる。これは上記金属遮蔽材を塗布後、常温下にある
ロータプリフォーム２４を乾燥炉に投入し、当該乾燥炉
にて徐々に昇温させることにより行われるが、およそ１
５０℃にて焼失させることができる。この焼失した状態
は図４（２）のようになる。ただ、後段の含浸工程での
温度に急激に昇温させることによってプリフォームにク
ラックが入ることを防止すべく、この乾燥炉では４００
℃まで加熱するようにしている。すなわち、この乾燥炉
の移動中にセラミックスフォーム内バインダおよび発泡
スチロールを焼失させるようにしている。形成されたロ
ータプリフォーム２４はロータと同等寸法とされ、フォ
ーム内部にはセラミックスの含有率に対比される空隙Ａ
が形成され（図４（２））、金属マトリックス充填空間
となる。

【００２５】（Ｅ）金属含浸工程（ステップ１４０） その後、このロータプリフォーム２４を型保持部材に載
置固定し、これを窒素ガス雰囲気で満たされているとと
もに、基材金属としてのアルミニウム溶融温度である約
７５０〜８５０℃に昇温されている含浸炉に投入する
が、セラミックスフォームでの熱衝撃によるクラックの
発生を防止するために、最初に予熱炉を通すようにして
いる。したがって、予熱炉では先の乾燥炉にて４００℃
程度まで昇温させているので、４００℃から徐々に加熱
するようにしている。その間に窒素雰囲気中に晒され
る。予熱炉を経て含浸炉内に導入されたセラミックスフ
ォーム２４には、窒素ガスが金属遮蔽材を通気してセラ
ミックスフォーム内に侵入し、フォーム内マグネシウム
金属と化学結合して窒化マグネシウムが生成され、これ
がセラミックス材料に対するアルミ合金の濡れ性を改善
する。この結果、含浸炉にてセラミックスフォームに対
しアルミ合金溶湯が毛細管現象によりフォーム内空隙Ａ
に侵入し、図４（３）に示しているように、いわゆるマ
トリックス金属を形成する。セラミックスフォーム内へ
のアルミ合金が含浸して外表面の金属遮蔽材との境界面
に達するまで含浸炉内で処理される。

【００２６】（Ｆ）冷却仕上げ工程（ステップ１５０） 含浸炉から排出される成形品は次いで金属基材が固化す
るまで冷却処理するため冷却装置に供給される。ここで
金属は常温まで冷却され、ロータはセラミックスフォー
ムを内在した状態の金属基セラミックス組織となる。セ
ラミックス間空隙に侵入した金属はいわゆる網目状金属
配置のマトリックス金属基であり、セラミックスの体積
含有率の異なるフォーム同志の境界面で融和結合した構
造をなしている。

【００２７】このようにセラミックス粒子にバインダ等
を添加しブローイングマシンで金型に吹き込んで摺動リ
ング部プリフォーム２０が形成される。一方、ハット部
１６及びロータ面板１４を有するロータ本体プリフォー
ム２２は、セラミックス粒子に焼失する材料として発泡
スチロールおよびバインダを添加し、発泡スチロールの
添加量によりセラミックス体積含有量を大きく低減させ
ている。これにより体積含有量は従来不可能であった２
０％以下にも設定することができ、特にブレーキ部品と
して、加工性および耐割れ性が要求される部位と、これ
と相反する耐摩耗性および耐熱性が要求される部位とを
同時に要求されるブレーキロータ等に対して有効とな
る。したがって、上記方法により作製されたブレーキロ
ータは、パッド摺動面は耐摩耗性が格段に向上し、ハッ
ト部１６は伸び特性を有するため割れや疲労に対する強
度が向上したものとなる。また、切削加工においても刃
具寿命が伸び生産性、コスト低減が図れる利点が得られ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る軽合
金複合材の製造方法によれば、セラミックスプリフォー
ムを成形するに際して、発泡スチロールやワックス等の
高温焼失材を混合分散させるようにし、この高温焼失材
の添加量の調整によってセラミックス等強化材の体積含
有率を調整してプリフォームを作製し、これに金属を溶
浸させるようにしているため、プリフォームの強化材体
積含有率を２０％以下に設定しつつ、強化材が均等に分
散された構造の金属基複合材を得ることが可能となる。
同時に、機械部品の部位単位で要求される機能に応じた
強化材含有率を高温焼失材の添加量調整という簡単な操
作で調整することができ、アルミニウムやマグネシウム
の軽合金を金属基とした多種多様な複合材の製造が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の製造方法のフローチャートである。

【図２】ブレーキロータの分解斜視図である。

【図３】ロータプリフォームの断面図である。

【図４】ロータ本体プリフォームのアルミ含浸工程の説
明模式図である。

【符号の説明】

１０ ブレーキロータ １２ 摺動リング部 １４ ロータ面板 １６ ハット部 １８ ロータ本体 ２０ 摺動リング部プリフォーム ２２ ロータ本体プリフォーム ２４ ロータプリフォーム Ｃ セラミックス粒子 Ｓ 発泡スチロール粒子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス材からなる強化材およびそ
   のバインダに発泡スチロール等の高温焼失材を混合分散
   させて押し固めることによりプリフォームを成形し、こ
   れを前記高温焼失材の焼失温度以上の温度にておいてプ
   リフォーム中から高温焼失材を焼失させることにより、
   当該プリフォーム内に軽合金溶湯の含浸空隙を形成させ
   て軽合金複合材を製造することを特徴とする軽合金複合
   材の製造方法。
2. 【請求項２】 前記高温焼失材の添加量を調整すること
   により、任意の強化材体積含有率に調整可能とした請求
   項１に記載の軽合金複合材の製造方法。
3. 【請求項３】 前記高温焼失材の粒子径は強化材の粒子
   径と同等若しくはそれ以下とされていることを特徴とす
   る請求項１または２に記載の軽合金複合材の製造方法。