JPS634033A - 繊維強化金属製造用プリフオ−ム - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は繊維強化金属を高圧鋳造法等により製造する
際に用いる繊維のプリフォームの改良に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

繊維強化金属の製造法の一つとして高圧鋳造法が知られ
ている。これは型内に繊維をあらかじめ所定の形状に成
形したプリフォームを置いた後、型内に溶融マトリック
ス金属を流し込み、型に罰わるプランジャーによってマ
トリックス金属を加圧してプリフォームの繊維間空隙に
マトリックス金属を含浸させ、冷却凝固して繊維強化金
属を得るものである。この高圧鋳造法においては、鋳造
中プリフォームが溶融マトリックス金属より力を受ける
ため、プリフォームに変形あるいは破壊が生じ易く、プ
リフォームを所定の形状に保持しつつ繊維とマトリック
ス金属を一体化することが、目的とする健全な繊維強化
金属を得る上で重要である。そのため従来の高圧鋳造法
においては、■あらかじめ強固なプリフォームのマット
またはブロックを成形し、高圧鋳造時に受ける力により
破壊しないようにする方法、■型によってプリフォーム
を拘束保持し形状を保持する方法、■容器を用い、容器
内にプリフォームを充填して容器とともに型内に挿入し
、容器の耐力により形状を保持する方法がとられている
。■の方法はたとえば特開昭５７−１５８３４４号、あ
るいはＲＥＰＯＲＴ　ＯＦ　ＴＩＩＥＣＡＳＴＩＮＧ　
ＲＥＳＥＡＲＣ）ｌ　ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ、　ＷＡＳ
ＥＤＡＵＮＩＶＥＲ５ＩＴＹ　Ｎｏ、３４．　ｐｐ、２
７〜３６　（１９８３）に開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに■の方法においては、プリフォームを強固に成
形するために必要な制限が生じ、繊維の種類、形状、プ
リフォーム嵩密度などが自由に選べない欠点があった。

また、プリフォームは一般に嵩密度がマトリックス金属
より軽いため、高圧鋳造時に浮上がる可能性があり、型
内で位置を保持する工夫が必要である。■の方法におい
ては上述した■の欠点はないが、プリフォームが型と直
接接するため、予熱されたプリフォームが急速に冷却さ
れる欠点がある。マトリックス金属の含浸を確実に行う
には、プリフォームを予熱することが効果的であること
は周知であり、プリフォームの型と接触して温度が低く
なった箇所には含浸不良の欠陥が生じ易い、型温度を上
げる方法によりこの欠点は改善されるが、この場合には
一体化された後の繊維とマトリックス金属の冷却速度が
遅く、繊維がマトリックス金属と反応して劣化するよう
な他の欠点を生じる。■の方法は、■および■の欠点を
改良したもので、少量多種の形状の繊維強化金属を製造
するのに好適であるが、上記文献によるプリフォームの
構成では容器底部に近い箇所にマトリックス金属の含浸
不良が生じ易い欠点があった。特開昭５７−１５８３４
４号では容器内に空気室を設けることが述べられている
が、この方法では含浸不良を低減することは可能である
が、底部に空間を一般けることは繊維の容器内の保持を
困難にし、繊維配列の乱れを生じ易い、　ＲＥＰＯＲＴ
　０ＦＴＨＥ　ＣＡＳＴＩＮＧ　ＲＥＳＥＡＲＣ）ｌ　
ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ、　ＷＡＳＥＤＡＵＮＩＶＥＲ３
ＩＴＹ　Ｎｏ、３４．　ｐｐ、２７〜３６（１９８３）
ではマトリックス金属と同じ金属性で肉厚の容器を用い
ることが開示されているが、空気室については触れられ
ていない。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、特に上記■の方法の容器を改良して、鋳造時
にプリフォームの形状を容易に保持し、かつマトリック
ス金属の含浸が確実に行われる繊維強化全屈製造用プリ
フォームを提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る繊維強化金属製造用プリフォームは、繊
維強化金属を製造する除用いるプリフォームにおいて、
所定の形状に成形された繊維成形体、およびこの繊維成
形体の形状と等しいキャビティを持つ金属容器からなり
、上記金属容器は高圧鋳造の際溶湯が流入する開口部お
よび開口部より離れた箇所に少なくとも１個以上の直径
０．１〜１０■φの貫通穴を有するものである。

〔作　用〕

この発明による繊維強化金属製造用プリフォームにおい
ては、高圧鋳造時に金属容器によってプリフォームの形
状を容易に保持することができ、容器を型内壁と接して
配置すれば、プリフォームの位置の保持も容易に行われ
る。また金属容器を含むためみかけ比重が増し、プリフ
ォームが浮上がることを阻止できる。高圧鋳造時に溶融
マトリックス金属は、容器の開口部より流入して繊維成
形体の繊維間空隙へ含浸する。空気は配置された穴より
押し出されまたは穴内に圧縮されて、マトリックス金属
の含浸が確実に行われ、健全な繊維強化金属が得られる
。貫通穴の数は１個以上あることが必要で、その直径が
０．１１φ未満ではマトリックス金属溶湯が目詰まりを
生じ、１０！＋１１１φを越えると繊維成形体の保持効
果が損なわれ、穴の位置で変形あるいは乱れを生じ易い
。金属容器があるとプリフォームの熱容量が増大し、か
つ型への熱伝導が悪くなるので、プリフォームの冷却が
遅くなり、プリフォーム温度の低下に起因する溶浸不良
の減少に寄与する。金属容器の肉厚は薄すぎると予熱時
あるいは高圧錫造時に変形し、繊維成形体をその変形よ
り保護しない。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の実施例について説明する。

実施例１ 第１図はこの実施例における繊維強化金属製造用プリフ
ォームを示す平面図、第２図はその断面図であり、図に
おいて、（１）は繊維成形体、（２）は金属容器で、上
部が開口部（３）となっており、開口部（３）と反対側
の底面および底面近傍の側面に貫通穴（４）が配置され
ている。この実施例１では、金属容器（２）としてアル
ミニウム（ＪＩＳ　）Ｉ　４０００ＡＩ１００）製で、
外寸法１２０＋＋＋ｍ　Ｘ　６０ｏ＋ｍ　Ｘ　２０ＩＩ
１ｍ、キャビティ寸法１００ｍｍ　Ｘ　４０ｍａ＋　Ｘ
　１０！Ｉ１１、貫通穴（４）の直径は２ＩＩＩｌｌφ
のものを使用し、繊維成形体（１）として炭素の長繊維
からなる織布をキャビティ寸法に切って金属容器（２）
のキャビティ内に入れ、所定の繊維体積率となるよう積
み重ねて配置されている。金属容器（２）の上部の開口
部（３）は繊維成形体（１）が金属容器（２）より出る
ことのないように、開口部（３）をマトリックス金属溶
湯に対して実質的にふさがない粗い金網（５）でふたを
し、繊維成形体（１）が固定されている。

この繊維強化金属製造用プリフォームを金属容器（２）
の固相線温度より低くその温度近傍の５００℃に予熱し
、あらかじめ３００℃に予熱しである金型の中に挿入し
た。このとき金型と繊維強化金属製造用プリフォームの
クリアランスは０．５＋ａｍ程度であり、実質的に金型
内で繊維強化金属製造用プリフォームは動かない。繊維
強化金属製造用プリンオームを金型の中に挿入した後、
素早＜８００℃の純アルミニウムの溶湯を金型内に注入
し、プランジャーによって１０００ｋｇ／ｃ♂に加圧し
た。加圧はアルミニウム溶湯が完全に凝固するまで保持
し、凝固が完了した後、金型よりその凝固体を取出した
。

凝固体の断面を＆５！察したところ、繊維強化金属製造
用プリフォームのキャビティに相当する箇所は繊維とマ
トリックス金属が一体化されて繊維強化金属となってお
り、他は純アルミニウムからなるマクロ的複合体となっ
ていた。凝固体のカーボン繊維の織布の乱れはなく、繊
維体積率も高圧鋳造前と同じ値に維持されており、繊維
成形体の変形は認められなかった。またマトリックス金
属は十分に含浸しており、貫通穴（４）の中にも侵入し
て貫通穴（４）を埋めており、含浸不良は認められなか
った。金属容器（２）の肉厚は５ＩＩＩ１１以上あるこ
とが好ましく、薄すぎると金属容器（２）の変形が生じ
易い。

実施例２ 炭素繊維をチョップした短繊維をバルク状に成形したも
のからキャビティ寸法になるように直方体を切り出して
繊維成形体（１）とし、実施例１と同じ金属容器（２）
につめた。繊維成形体（１）は高温でも形状を保つため
、実施例１で用いた金網（５）のふたは用いなかった。

この繊維強化金属製造用プリフォームを用い、プリフォ
ームおよび金型の予熱温度、加圧力、アルミニウム溶湯
を実施例１と同じ条件にして高圧鋳造を行った。凝固が
完了した後、金型よりその凝固体を取出し、実施例１と
同じく凝固体の断面を観察したところ、繊維強化金属製
造用プリフォームのキャビティに相当する箇所が繊維と
マトリックス金属が一体化されて繊維強化金属となって
おり、他は純アルミニウムからなるマクロ的複合体とな
っていた。第３図は実施例２で製造した繊維強化金属の
断面組織写真を示し、繊維強化金属部に繊維成形体（１
）の割れに起因するような欠陥はなく、繊維成形体（１
）へのマトリックス金属の含浸不良も認められない。

実施例３ 金属容器（２）としてステンレス鋼製で、外寸法１００
ｍ＋ｏ　Ｘ　１００ａ＋ｍ　Ｘ　５０ｍｍの上部が開口
した容器を作成した。底部はパンチングメタルを用い、
２枚重ねて肉厚を持たせるとともに、貫通穴（４）を形
成させた。シリコンカーバイドのウィスカーをバルク状
に成形したものから１００ｍｍ　Ｘ　１００ｍｍ　Ｘ　
５０ｍｍの板を切り出して繊維成形体（１）とし、金属
容器（２）内に収めた。そしてマトリックス金属をＡ６
０６１アルミニウム合金に変え、他は実施例１と同じ高
圧鋳造条件で高圧鋳造を行った。凝固が完了した後、実
施例１および２と同様に断面を観察したが、欠陥は認め
られなかった。ステンレス鋼の厚さは、０．５ｍｍ以上
あることが望ましく、薄すぎると高圧鋳造時に変形する
ことがある。

なお、繊維としては上記実施例で述べたものに限定され
ることなく、シリコンナイトライド繊維、アルミナ繊維
、ボロン繊維、その他の繊維でも良く、１種単独または
２種以上の繊維を混合して用いてもよい、マトリックス
金属は高圧鋳造可能な金属でよく、アルミニウムおよび
その合金には限定されない。また金属容器（２）はマト
リックス金属と同じ材質のものを用いれば、余分の金属
を削りとり所望の複合材料を得ることが容易であるとと
もに、金属容器（２）の−部または全部を残して部分強
化の繊維強化金属として用いることもできる。金属容器
（２）にマトリックス金属と同じ金属または融点の近い
金属を用いる場合には、金属容器（２）の肉厚を５＋ａ
ｍ以上にすることが望ましい。

この場合には金属容器（２）の変形が防がれるとともに
、金属容器（２）の熱容量により繊維成形体（１）が予
熱温度より冷却されていく速度を遅くすることができる
。金属容器（２）にマトリックス金属と異なる材質のも
のを用いれば、繊維強化金属であるマトリックス金属と
異なる金属とのハイブリット複合材料を得ることができ
る。

上記説明では、高圧鋳造により繊維強化金属を製造する
方法について説明したが、この発明の繊維強化金属製造
用プリフォームは高圧鋳造法と同一原理で繊維強化金属
を製造するダイキャスト法、真空含浸法などにも適用で
きる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、金属容器に鋳造時に
マトリックス金属溶湯が侵入する開口部および開口部か
ら離れる箇所に１個以上の貫通穴を設けたので、マトリ
ックス金属溶湯が繊維成形体へ容易に含浸するとともに
、空気の逃げ道があるため含浸不良が生じにくい、また
金属容器により鋳造時に受ける力から繊維成形体は保護
されているので、繊維成形体の変形あるいは破壊が生じ
にくいとともに、金属容器と一体で予熱することにより
繊維成形体の温度低下を防ぐことができ、マトリックス
金属の含浸不良を減少することができる。またプリフォ
ームの見掛は比重が増し、型内で鋳造時にプリフォーム
が浮上がることを防ぐことができる。このため比較的少
量で多種の繊維強化金属を欠陥なしに安価に製造できる
とともに、金属容器のキャビティのみを変化させれば形
状が変化でき、高価な型を造る必要がなく、得られた繊
維強化金属は欠陥が少ないので優れた特性を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す平面図、第２図はそ
の断面図、第３図はこの発明の他の実施例により製造し
た繊維強化金属の金属組成を示す写真である。 各図中、同一符号は同一または相当部分を示し、（１）
は繊維成形体、（２）は金属容器、（３）は開口部、（
４）は貫通穴、（５）は金網である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）繊維強化金属を製造する際用いるプリフォームに
   おいて、所定の形状に成形された繊維成形体、およびこ
   の繊維成形体の形状と等しいキャビティを持つ金属容器
   からなり、上記金属容器は高圧鋳造の際溶湯が流入する
   開口部および開口部より離れた箇所に少なくとも１個以
   上の直径０．１〜１０ｍｍψの貫通穴を有することを特
   徴とする繊維強化金属製造用プリフォーム。
2. （２）金属容器がマトリックス金属に対して実質的にふ
   さがない金網または大きな孔を有する金属板で開口部に
   ふたをし、繊維成形体を金属容器に拘束固定したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の繊維強化金属製
   造用プリフォーム。
3. （３）金属容器が繊維強化金属のマトリックスと同じ金
   属で形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の繊維強化金属製造用プリフォーム。
4. （４）金属容器の肉厚が５ｍｍ以上であることを特徴と
   する特許請求の範囲第３項記載の繊維強化金属製造用プ
   リフォーム。
5. （５）繊維成形体が炭素繊維、シリコンカーバイド繊維
   、シリコンナイトライド繊維、アルミナ繊維およびボロ
   ン繊維から選ばれる１種以上のものであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
   載の繊維強化金属製造用プリフォーム。