JPS5871347A - 複合材料部材の製造方法 - 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】 本発明はｌｌＡｌ１．ｌｌ皺材、ボイス力等の強化材を
マトリックス金属中に含んでいる複合材料部材の製造方
法に係る。

複合材料の一つとして、ボロン、炭素、アルミナ、炭化
ケイ索よりなり高強度、高弾性を有する繊維を強化材と
し、純アルミニウムの如き金属または合金をマトリック
スとする繊維強化金属材料（ＦＲＭ）は知られており、
かが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ｍＩ強化金属材料の製造方法の一つとして
、鋳型内に纏雑強化材を充填した後、該鋳型内に更にＷ
ｉｍマトリックス金属を導入し、該鋳型に係合するプラ
ンジャＩＪｌｌＨ：よって溶融マトリックス金属を鋳型
内にて加圧し９つ凝固させる所Ｉｌｓ圧鋳造沫が知られ
ている。かがる高圧鋳造法によれば、−々の強化材間に
溶融マトリックス金属が良好に浸透した複合材料部材を
製造することができる。

しかしかかる高圧鋳造法に於ては、鋳型のモールドキャ
ピテイの形状やＩＦＩｌｉ及びそれに導入される溶−マ
トリックス金属の農の如き鋳造条件にょつては、鋳造工
程の途中に於てｌｌｌ１！Ｉｌ化材が座−変形し、従っ
て一部される複合材料内の繊維強化材の形状や配向状態
が乱れてしまうことがある。

特に、所要の製品形状に成形されたステンレス鋼製のケ
ースなどに繊維強化材を充填し、そのケースごと繊維強
化材を鋳型内に配置して行われる＾圧鋳造に於ては、上
述の如き座屈変形が生じると、繊維強化材の形状や配向
状態が乱れるだけでなく、所要の形状の一品を得ること
ができなくなってしまう。

本論発明者等は、従来の＾圧鋳造法に於ける上述の如き
不具合に鑑み種々の実験的研究を行った結果、上述の如
き繊維強化材の座屈変形は、鋳型内に導入された溶融マ
トリックス金属がプランジャ要素によって加圧されつつ
凝ｍ′する過程に於て、鋳壁に対し実質的に垂直に凝固
し成長した同相の先端部がプランジ？要素によって繊維
強化材に対し押付けられることにより発生するものであ
り、従ってかかる繊維強化材の座屈変形を回避するため
には、鋳型内に導入された溶融マトリックス金材よりも
離れた部分に於て生じるよう、鋳型のモールドキャビテ
ィを加圧室と成形室とにて構成し且溶融マトリックス金
属の導入量の如き鋳造条件を適宜に設定する必要がある
ことを見出した。

本発明は、本願発明者等が行った上述の実験的研究の結
果得られた知見に基き、繊維強化材の座屈変形を生じる
ことなく複合材料部材を製造することのできる複合材料
部材の＠過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、溶融マトリックス金属
のみを受入れる加圧室と核加圧室と連通し強化材及び溶
融マトリックス金属を受入れる成形室とを有する鋳型と
、前記加圧室及び前記成形室内に導入された溶融マトリ
ッ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、強化材をマトリックス金属の融点以上に加熱した゛
後咳強化材を前記鋳造装置の前記成形室内に配置し、前
記成形室の容積に対する前記加圧室内の溶融マトリック
ス金属の体積の比が実質的に０．６ＬＡ上となるよう前
記加圧室及び１記成形室内に溶融７１−リックス金属を
導入し、前記溶融マトリックス金属を前記加圧室及び前
記成形室内にて加圧しつつ凝固させることを特徴とする
複合材料部材の智造り法によって達成される。

かかる本発叫による複合材料部１ｏ製造方法にまれば、
鋳型内に導入された溶融マトリックス金属の最終凝固は
必ず加圧室内に於て生じるので、ｓｌＩ強化材の配向の
乱れや一品形状の変形などのない複合材料部材を一部す
ることができる。

尚、本発明による複合材料部材の顎造方払に於ては、鋳
型内に導入された溶融マトリックス金属の半分以上が加
圧室内に於てｌ１ｌ−！ｊることとなるが、この場合加
圧室内に於て凝固しｌこマトリックス金属を再溶融する
ことにより、次の鋳造工程に於て溶融マトリックス金属
の一部として使用し得るので、それらのマトリックス金
属が無駄になることはない。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を寅１に例につい
て詳報に説明Ｊる。

本願発明者等は、従来の＾圧鋳ｉ法及び鋳造装置に於け
る上述の如き不具合に鑑み、繊維強化材のＪ！！屈麦形
を回避するためには、モールドキャピテイが成形室と加
圧室とにて構成された鋳造装置を用いて如何なる鋳造条
件にて鋳造すべきであるかについての実験を行った。

第１図は上述の鋳造実験に使用された鋳造＠置をその鋳
造工程にて示す解図的縦断面図、第２図は織報成形体を
示す解図的縦断面図である。第１図に於て、１は鋳造装
Ｗであり、この鋳造１ｌｉＩｌは溶融マトリックス金属
２のみを受入れる加圧室３と該加圧室と連通し繊維成形
体４及び溶融マトリックス金１１２ｆ受入れる成形室５
とを有する鋳型６と、加圧室３と液密的に嵌合し加圧室
３及び成形室５内に導入された溶融マトリックス金属２
を加圧するプランジャ７とを有し、更に加圧室３及び成
形室５内にて凝固した凝固体を鋳型６より取出すための
ノッアウトビン８を有している。ノックアウトビン８の
上端部は成形室５の底！Ｉ！９の一部を郭定するように
なっている。尚、成形室５は底壁９の直径が３５鵬■で
あり、側壁上端部の繊径が４０ｍ−であり、長さ９０１
１である逆円錐台状をなしており、−５加圧室３は直径
が５０−一の円柱状をなしている。

繊維成形体４は長さ８０ａ−のアルミナ繊ａｌｌ（ｌｋ
ｌ！２０μ、デュポン社製ＦＰファイバ）１０８一方向
に配向し、これを体積率が５０％となるよう成形し、こ
れを底板１１にて一端を閉じられた円筒形のステンレス
鋼（ＪＪＳＭ格Ｓ　Ｕ　Ｓ　３１０　Ｓ　）製のケース
１２内に装填したものである。尚、ケース１２の高さは
９０ｉ＋−であり、外径は１６ａｓ−（−あり、板厚は
１．０−一である。更に本願出鵬人と同一の出願人の出
餉にかかる特願昭５６−３２２８９号及び特願昭５５−
５５−１Ｏ７０４０８Ｇ＝：ｅれぞれ提案されている如
く、個々のアルミ太繊維１０の間に溶融マトリックス金
属が良好に浸透づるよう、ケース１２の底壁１１とアル
ミナ繊維１０との闇にはその長手方向の良さが１０−一
である空気室１３が形成され、また繊維成形体全体が８
００℃の８ｉ１度に予熱された。

上述の如き鋳造装置及び繊維成形体を用いて以下の如き
］！＠にて鋳造実験を行った。先ず繊維成形体４を鋳型
６の成形室５内に配瞳し、次いで加圧室３及び成形室５
内に溶融マトリックス金属２を素早く注湯し、プランジ
ャ７より所定の圧力に加圧し、その加圧状態を溶融マト
リックス金属２が完全に凝固するまで保持し、鋳型６内
の１融マトリツクス金属が完全に凝固した後、その凝固
体を鋳型６より取出し、ケース１２の周りにて凝固した
マトリックス金属を除去することにより、鋳造後の繊維
成形体４を取出した。

この場合、加圧室３及び成形室５内に導入される溶融マ
トリックス金属の曇を変化させることにより、加圧室３
のａｔｎｉ３とプランジ１７７の下端１４との閑の距離
りを種々に変化させ、その場合に於ける距離しと繊維成
形体４の変形１１４４及び変形位置りとの関係を求めた
。尚、第３図に示されてい◆如く、変形量４は鋳造後に
於ける繊維成形体４のケース１２が最大の変形を生じて
いる部分に於けるその元の位置と変形後の位置との閑の
長さくｓｎ）であり、変形位置りはケース１２の底壁１
１の下面より最大変形を生じた部分までの長さ（ｌ−）
である。

上述の鋳造実験の鋳造条件及び結果をそれぞれ下記の表
１及び表２に示す。

表　　　　１ マトリックス金属：　／ルミニウム合金〈ＪＩＳＡＩＩ
＠ＡＣ４Ｃ） 溶　　ｍ　　　温　　度　　：　　７２０ｍ鋳　　型　
　＃Ａ　　度　　＝　　２５０℃プランジャ温度　：　
２００℃ 溶湯加圧力　　　：　　１５００ｋＭノ表　　　２ 第４図は表２に示された実験結果に基き、成形室の容積
ｖ２に対する加圧室内の溶嬌体ｆ＃ｌｖＩの比ｖｔ　／
Ｖｉと変形量４との関係を示すグラフである。この第４
図のグラフより、成形室の容積に対する加圧室内の溶湯
体積の比Ｖｌ／Ｖ！が０゜６以上である場合には、繊維
成形体２の座屈変形は生じないことが解る。

また、上述の鋳造実験に於て得られた凝固体各部の結晶
組織を顕微鏡にて観察したところ、成形室の容積に対す
る加圧室内のＳＳ体積の比Ｖｔ／ｖ２が０．６以下にて
鋳造された凝固体につい（は、ケース１２の座屈変形を
生じた部分近傍に結晶成長方向の乱れた組織が１察され
、従ってこの部分に於て溶融マトリックス金属が最終的
に凝固したものと推測されるのに対し、成形室の容積に
対する加圧室内の１湯体積の比Ｖｔ／Ｖｔが０６以上の
ものについては、結晶成長方向の乱れｌご組織はケース
１２の近傍には観察されず、加圧室３内にて凝固した部
分に存在していることが認められた。

以上の鋳造実験の結果より、＾圧鋳造法に於ｉＪる繊維
強化材の座屈変形を回避するためには鋳型内に導入され
た溶融マトリックス金属の最ＩＩｉ凝固部が繊維強化材
よりも離れた部分に於て生じるよう、鋳型のモールドキ
トビティを成形室と加圧室とにて構成し、成形室の容積
に対する加仕室内の溶湯体積の比が実質的に０．６以上
となる鏝の溶融マトリックス金属を用いて鋳造を行うこ
とが好ましいことが解る。

第５図は本発明による複合材料部材の製造方法に於て使
用されてよい他の一つの鋳造装置を示す解図的縦断面図
である。この鋳造装置２１の鋳型は上型２２と下型２３
とよりなっている。これら上型及び下型は、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５
図に示されている如く互いに組付けられた状態に維持さ
れるようになっている。またこれらの上型及び下型は互
に共働して加圧室２４と通路２５により加圧室２４と連
通接続された成形室２６とを郭定するようになっている
。

加圧室２４は、それに液密的に嵌合するプランジャ２７
を受入れており、このプランジャにより加圧室２４内に
導入された溶融マトリックス金属２８が加圧され、これ
により成形室２６内に装入された繊維成形体２９の個々
の繊維間に溶融マトリックス金属が浸透せしめられるよ
うになっている。

更に下型２３には加圧室２４と連通するシリンダボア３
０が形成されており、このシリンダボアにはそれに沿っ
て往復動するノックアウトビン３１が挿通されている。

ノックアウトビン３１の上端面は加圧室２４の底面の一
部を郭定している。

また下型２３には成形室２６と連通ずるシリンダボア３
２が形成されており、このシリンダボアにはノックアウ
トビン３１と同期して上下動され成形室２６内に於て凝
固した凝固体を下型２３より取出すためのノックアウト
ビン３３が挿通されている。

この第５図に図示された鋳造装置によれば、これにより
鋳造される複合材料部材の実質的に全ての外周面が上型
２２及び下型２３により郭定される成形室２６によって
形成されるので、第１図に図示された鋳造装置の場合の
如く、所定形状の複合材料部材を製′ｉｈ′するのにケ
ースなどを用いる必要がなく、また加圧￥２４内にて凝
固した部分を除去することを容易に行うことができる。

以上の説明より、本発明による複合材料の製造方法によ
れば、鋳型内に導入された溶融７トリツクス金属の最Ｉ
Ｆｉｌ向は必ず加圧室内に於て生じるので、繊維強化材
の配向の乱れや製品形状の変形などのない複合材料部材
を製造することができることが理解されよう。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる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
は当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による複合材料の製造方法に於て使用さ
れてよい一つの鋳造装置を示す解図的縦断面図、第２図
はｍ雑成形体を示す解図的縦断面図、第３図は鋳造後に
於ける繊維成形体を示す解図的正面図、第４図は成形室
の容積に対する加圧室内の溶嬌体積の比Ｖ＋／Ｖｔと繊
維成形体の変形量４との関係を示すグラフ、第５図は本
発明による複合材料の製造方法に於て使用されてよい他
の一つの鋳造装置を示す解図的縦断面図である。 １・・・鋳造装置、２・・・１ｍｌマトリックス金属、
３・・・加圧室、４・・−ｓｔｍ＊形体、５・・・成形
室、６・・・鋳型、７・・・プランジャ、８・・・ノッ
クアウトビン、９・・・底壁、１０・・・アルミナ繊維
、１２・・・ケース、１３・・・加圧室の底壁、１４・
・・プランジャの下端、２１・・・鋳造装習、２２・・
・上型、２３・・・下型、２４・・・加圧室、２５・・
・通路、２６・・・成形室、２７・・・プランジャ、２
８・・・溶融マトリックス金職、２９・・・軸線成形体
、３０・・・シリンダボア、３１・・・ノックアウトビ
ン、３２・・・シリンダボア、３３・・・ノック７ウト
ビン 特許出願人　　　　　トヨタ自動傘１栗株式会ｄ代　　
理　　人　　　　　　　　弁理士　　　明　　石　　８
　　輪第２図　　　第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 溶融マトリックス金属のみを受入れる加圧室と該加圧室
   と連通し強化材及び溶融マトリックス金属を受入れる成
   形室とを有する鋳型と、前記加圧室及び前記成形室内に
   導入された溶融マトリックス金属を加圧する加圧手段と
   を有する鋳造＠−を用い、強化材をマトリックス金属の
   融点以上に加熱した債該強化材を舶紀鋳造装ぼの前記成
   形室内に配置し、前記成形室の容Ｉｎ対する前記加圧室
   内の溶融マトリックス金属の体積の比が実質的に０．６
   以上となるよう前記加５圧室及び前記成形室内に溶融マ
   トリックス金属を導入し、前記溶融マトリックス金属を
   前記加圧室及び前記ｍ形室内にて加圧しつつ凝固させる
   ことを特徴とする複合材料部材の一造方払。