JPS6124458B2

JPS6124458B2 -

Info

Publication number: JPS6124458B2
Application number: JP17807780A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Ebisu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1986-06-11
Also published as: JPS57101626A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は円筒、角筒あるいは歯車形状等任意の
断面形状を有する中空複合金属材料の製造方法に
関するものである。

本願発明者は、昭和55年５月16日付の特願昭55
−064956号において複合金属材料の製造方法を開
示した。

この方法においては、鋳造合金（第１金属と呼
ぶ）を固相と液相とが共存する温度範囲に保持
し、一方の面に第２の金属を配置し、該第２金属
は上記温度において溶融状態となり、該溶融金属
を加圧することにより、樹枝状晶ネツトワークを
形成する第１金属の固相の他方の面から液相を排
出し同時に第２金属を圧入することによつて第１
金属の液相部を第２金属で置換した複合金属材料
を得る方法を示した。しかしながらこの方法によ
つて円筒状、板状等一般的な形状を有する複合金
属材料を得るには必ずしも充分でないことがその
後の研究により判明した。すなわち第２金属溶湯
を加圧する方法によつては第１金属材料内に引張
力を生じ、ある程度の機械的強度を有していると
考えられる樹枝状晶ネツトワークを形成している
にもかかわらず極めて小さい力で破断し、複合化
できないことを見出した。すなわち後述するう
に、Ａ円筒形合金試料の内側に溶融Pbを配置
し、内圧によつてPbを複合化する実験を行つた
ところ、圧がほとんどかからぬうちに円周方向引
張力によつて縦割れが生じ、割れ目からPbが流
出し複合化できなかつた。

以上の如く、固液共存状態においては圧縮に対
してある程度の機械的強度を有するものの、引張
に対しては複合に必要な圧力を付与したとき生ず
る力よりもずつと小さい力で破断する。しかも延
性はなく極めてブリツトルである。これら合金の
固液共存温度における引張特性に関するデータは
見当たらず、さらに共存する液相が第２金属溶湯
による圧力によつて固相から排出されるという特
殊な状況下において、固相がどのような引張特性
を有するかについて公表された資料は見当たらな
い。

本発明者は、この方法をさらに改良し、複合を
行う際、第１金属材料内に準静水圧状態すなわち
引張力が生ぜず静水圧に近い応力状態になるよう
に第２金属溶湯を加圧することによつて、第１金
属材料の固相を破壊することなく第２金属を複合
化し、円筒形等一般の中空複合金属材料を製造す
る方法を開発した。

第１図〜第４図に本発明によるこれらの製造方
法を概念的に示した。以後説明の簡単のため第１
図〜第４図の方法をそれぞれプロセス〜プロセ
スと呼ぶことにする。第１図（プロセス）に
おいては、固液共存状態を有する中空の第１金属
材料１の外側に第２金属を配置し、該第２金属は
複合温度すなわち第１金属の固液共存温度におい
て溶融状態となるため外筒３によつて保持されて
いる。外筒３には耐火物セラミツクス、耐熱金属
材料あるいはこれらの多孔質材料（ただし第２金
属溶融とぬれ合わず、第２金属溶湯を通さない多
孔質材料）等を用いる。所定の複合率（複合後の
複合材料に対する第２金属の重量％と定義する）
が得られるようあらかじめ定められた複合温度に
保持した後、第２金属溶湯を加圧すると第１金属
材料内には引張力は生ぜず静水圧に近い状態とな
り固相を破断することなく液相を排出し同時に液
相部を第２金属で置換した中空複合材料を得るこ
とができる。中空金属材料の軸線を水平に保持す
る理由は、軸線を垂直にした場合、第２金属溶湯
の上部と下部では水頭差（ヘツド差）による圧力
差を生じ複合率が不均一になる（上部の複合率が
小さい）あるいは上部が複合されないという問題
を防止するためである。例えば、後述の実施例で
詳細に述べるような実験方法でＡ−5wt％Si鋳
造合金（15mm外径×６mm内径×30mm高さ）を用い
第２金属としてPbを用い595℃（固相率0.5）にて
Pbを複合化させる実験を行つたところ、複合化
に必要な外圧は約0.1atmであり、複合円筒試料
の縦断面顕微鏡組織を調べたところ上部ほどPb
含有量が少なくなつていた。しかるにこの原因は
上端で0.1atmであるに対し下端では0.1Kg／cm²＋
11.34gr／cm³（Pbの比重）×３cm（ヘツドの高さ）
＝0.134atmとなり34％の圧力差があることに求
めることができる。この程度の試料の高さではそ
れ程大きい不均一は生じないが実操業レベルの長
さの複合材が要求されるとき垂直型では軸方向に
均一に複合化された材料を製造できないことは明
白である。

この困難を克服するため、中空金属材料の内面
に、下端における複合圧よりも大きい抵抗（液相
がフイルターに侵入するときの抵抗）を有し、ヘ
ツド差にもとづく圧力差を相殺するため上部に行
く程抵抗の少ないフイルターを段階的に設ける、
あるいは第２金属を複合させる部分と中空金属材
料を相対的に移動させいわゆる連続的に複合させ
る方法等が考えられるが、水平方式に比べ煩雑と
なり得策ではない。

次に回転させる理由は、第１金属と第２金属の
比重の比および第１金属材料の形状比（肉厚と外
径の比）等によつて生ずる円周方向における複合
率の不均一性を避けるためである。

さらに、水平回転方式を採用するもう一つの重
要な理由は、製造上の重要な制御条件の一つであ
る試料全体にわたつて均一な温度分布を得ること
および外筒等の耐熱冶具の長寿命化という観点か
らも不可欠である。すなわち電気炉等通常の加熱
方法においては加熱体の円周方向の不均一な温度
分布は避けられず、これら冶具には熱応力歪が生
じ、クリープ変形に相まつて、冶具の寿命を短く
するとともに複合が困難となる。このような傾向
は製品の直径あるいは長さが大なる程あるいは高
温になる程厳しくなる。

次に本発明によるプロセス（第２図）におい
ては第１の中空金属材料１の内側に第２金属２を
配置し、該第２金属溶湯を加圧することによつて
複合化する。このとき、すでに述べた如くフイル
ター４による接触支持がなければ、複合の際第１
中空金属内に生ずる引張力（通常きわめて小さ
い）によつて中空金属１が破断し、そこから第２
金属溶湯が流出して複合できなくなる。すなわち
フイルター４は液相及び第２金属溶湯を排出する
とともに破断を防ぐ役割をも果すものである。第
２金属の内側に設けた中空部材３はプロセスの
３と同様のものであるが、１及び２の寸法と関連
して必ずしも必要ではない。

水平回転方式を採用する理由および複合方法は
すでに述べた如くプロセスと同様である。

第３図（プロセス）においては、中空金属材
料１と第２金属２の間にフイルター４を設ける以
外はプロセス（第１図）と同様である。フイル
ター４を設け中空金属材料１を接触支持させる理
由は、中空金属材料１が細長くなり固液共存温度
において引張に対する抵抗がほとんどない状態で
曲げによつて破断するのを防ぐためである。複合
温度において第２金属溶湯が第１金属表面に接し
ていてもよいが、複合の効率を上げるためにはこ
の接触面積をできるだけ大きくとれるようなフイ
ルターを選ぶことが望ましい。このようなフイル
ターの１例としてパイプ材に多数の穴加工を処し
接触面積を大としたもの、あるいはもつと極端な
例をあげれば、１の下部のみを剛性の高い細長い
ハリで支えてもよい。要するに破断を防止するも
のであれば何でもよい。フイルター４を設けるも
う一つの理由は、第２金属溶湯による第１金属の
エロージヨンを防止するためである。例えば、後
述の如き実験方法によりＡ−10wt％Cu合金
（15mm外径×９mm内径×30mm高さ）の外側にPbを
配し、588℃（固相率0.6）にて約20mm保持したと
ころ加圧する前に円筒試料の下部にかなり大きな
穴があきPbが流出して複合できなかつた。この
原因は、Pb溶湯中へのCuの溶解度が約1wt％で
あること（又、Ａは約0.1wt％）に基因するエ
ロージヨンによるものと考えられる。このように
第１金属と第２金属の組合せによつてはエロージ
ヨンを防止する必要があり、したがつてこの場合
フイルターは充分目が細かく加圧前までは第２金
属溶湯の侵入を防ぎ第１金属と接触させないもの
でなければならない。このようなフイルターとし
て多孔質セラミツクあるいは多孔質金属フイルタ
ーがある。エロージヨンを防止する他の方法とし
て、第２金属溶湯を第１金属元素であらかじめ溶
解飽和させておくのも一方法である。

最後のプロセス（第４図）は、上述の如きフ
イルター５を第１金属と第２金属の間に設ける以
外はプロセス（第２図）と同様である。

次に本発明によるこれらの方法の実施例を詳細
に説明する。

第５図は本発明の方法に使用した実験装置の概
略断面図である。本装は内圧及び外圧によつて複
合実験を行える様製作したものであり、ステンレ
ス製の外筒２及び試料をそう入、支持するステン
レス製内筒３から成る２重管回転方式とし、上下
に割型になつたニクロムヒーター電気炉１、アル
ゴンガス配管系（ガス源図示せず）及び測温系か
ら成る。さらに外圧によつて複合化する場合（プ
ロセス、第１図）を例として詳しく説明する
と、内筒５の破線で示した部分は大きな窓が３面
開いており３本の支柱によつて先端内径ネジ部と
連結している。４は内筒３内部に設けた試料支持
部、５は円筒形第１金属試料８、同じく円筒形第
２金属７及びフイルター６を支持するリングであ
り、一方のリングには圧もれを防ぐためエツジが
ついている。９はネジ、１０は複合後、試料８の
液相部及び第２金属溶湯７を試料外部に取り出す
ためのパイであり温度降下をさけるため加熱され
ている。１１は内外筒連結用フランジ、１２は回
転２重管に対して固定したキヤツプ１３及び１４
を連結するための運動用Ｏリングシール連結部で
あり完全な気密は保てないが充分圧もれを防ぐこ
とができ、実験上支障はない。１５はステンレス
パイプ、１６はターニングローラー、１７及び１
８は試料温度測定用熱電対２５を外部の温度記録
計２６に取り出すための、又ステンレスパイプ１
０に巻きつけたシースヒーター３４を外部電源３
５に取り出すための黄銅スリツプリング及びカー
ボンブラツシユ、１９，２０，２１，２２は配管
系バルブ、２３及び２４は10Kg／cm²圧力計、２
７，２８，及び３０は配管、２９はパイプ１５に
巻きつけた銅パイプ、３１，３２及び３３は水を
入れたビーカーである。次に実験方法について述
べる。試料１組（すなわち６，７及び８）を所定
の位置にセツトしネジ９によりしめつける。バル
ブ１９〜２２を開き内部の部屋４０及び５０の空
気をアルゴンガスに置換する。置換後バルブ２２
を閉じ、バルブを調節して試料内部４０及び５０
に極く微量のアルゴンを流しておく（試料の酸化
防止のためアルゴンを用いた）。昇温を開始し、
モーター（図示せず）を駆動させて２重管を回転
させる（約0.5r.p.m）。昇温速度は約15℃／min
であつた。所定の固液共存温度に達した後10〜15
分保持し充分均熱させた後回転を早め（約0.2r.
p.s）、バルブ２０及び２３を調節して加圧する。
ある圧力に達したとき第１円筒試料の液相が分
離、排出されると同時に第２金属が複合化され
る。このとき試料内部のアルゴンガスはバイブ１
０の出口（開放）に向つて流れるようにしてお
き、パイプ１０は充分予熱されているので、第１
金属の液相及び第２金属溶湯はパイプの途中で凝
固することなくビーカ３３へ排出される。排出を
容易にするため若干傾斜をつけるのも効果的であ
る。圧力を微増させ、排出が止まると複合が完了
したことを確認することができ、減圧して元通り
極微量のアルゴンを流しながら電源を切り、炉を
開いて常温まで冷却し、試料を取り出す。複合が
完了した時点で試料１の外部にあつた第２金属溶
湯は試料１の内側あるいは外側に残らず、又、試
料１の樹枝状晶間に侵入した第２金属液相をさら
にアルゴンガスによつて分離排出するためには複
合に必要とされる圧力の数倍あるいはそれ以上の
圧力を必要とするので複合化された第２金属が再
び分離される心配はない。

尚、複合時に回転を早くする理由は円周方向の
均一な複合を促進するためであり、“複合速度”
に比べて充分早いことが必要である。

内圧によつて複合化する場合（プロセス及び
）は排出パイプ１０は不要であり、第２図ある
いは第４図の如く試料を所定の位置にセツトし内
圧がかかるようにすればよい。

以下に実施例により詳細に説明する。

これらの実施例においては第１円筒試料として
砂型（CO₂プロセス鋳型）普通鋳造したＡ−
5wt％Si及びＡ−15wt％Cu鋳造合金を用い、所
定の寸法に加工し供試材とした。

又、第２金属としてPbを用いた。すでに述べ
た如くＡ−Cu合金は溶融Pbに対してエロージ
ヨンが大きいのに比べ、Ａ−Si合金はエロージ
ヨンの影響はかなり小さく本実施例における加熱
保持期間中問題はなかつた。これはSiがPbと合
金化しないことによると考えられる。

又、これらの実施例において用いたフイルター
は本発明者による特願昭55−128874，中空多孔質
金属材料の製造方法によつて製作した10〜15vol
％の多孔度を有するＡ−3wt％Si材を所定の寸
法に加工し、水酸化ナトリウム溶液にて加工によ
る“目づまり”をエツチング除去したものを用い
た。

実施例１（プロセス）Ａ−5wt％Si試料（外径15×内径６mm×長さ
30mm）Pb（外径24.9mm×内径15.1mm×長さ30
mm）、Ａ−3wt％Si多孔質フイルター（外径32
mm×内径25mm×長さ30mm）を第６図（試料保持部
の拡大図）の如くセツトした（それぞれ６，７，
８）。３は圧もれ等防止のためにクツシヨンとし
てそう入した耐火物フアイバーフレツクス、２は
すでに説明したエツジ付き試料支持リングであり
エツジと支持部１の間にアルミハクのリングをそ
う入し圧もれを防止している。非平衡凝固の
Scheilの式に基づいて計算した固相率60％となる
温度すなわち583℃に加熱、約15分保持しした
後、加圧し複合した。約0.1atmの外圧にて複合
を開始し最終的に約0.15atmとした。得られた試
料のPb含有率は47wt％であつた。もし完全に液
相部がPbで置換されるとPb74wt％となるが、実
際にはこれの63％が置換されており、存在する液
相が完全にPbで置換されるわけではない。

尚、加熱保持中Ａ−３％Siフイルターを通し
て溶融Pbがもれることはなかつた。

実施例２（プロセス）内側から順に、Ａ−3wt％Siフイルター（外
径７mm×内径４mm×長さ30mm）、Pb（外径14.9mm
×内径7.1mm×長さ30mm）、Ａ−5wt％Si試料
（外径23mm×内径15mm×長さ30mm）及び３mmφキ
リ穴を多数設けたステンレス支持用フイルター
（外径25mm×内径23.05mm×長さ30mm）を第２図の
要領にて所定の位置にセツトした。ステンレスフ
イルターの有効面積（全内表面積に対する穴部全
面積の比）は0.45である。固相率60％すなわち
583℃、約0.1atm内圧にて複合化した。試料のPb
含有率は28wt％であつた。実施例１に比べて複
合率が低いのは内圧と外圧の違い、外側支持フイ
ルターの有効面積の影響等によるものと思われ
る。

実施例３（プロセス）本実施例においては試料としてＡ−15wt％
Cu（外径15mm×内径６mm×長さ30mm）を用い、
第２金属としてのPb（外径24.9mm×内径20.1mm×
長さ30mm）と試料の間にＡ−3wt％多孔フイル
ター（外径20mm×内径15.1mm×長さ30mm）をそう
入し、外側を同じくＡ−3wt％Si多孔質フイル
ター（外径32mm×内径25mm×長さ30mm）を用い、
第３図の要領で所定の位置にセツトした。固相率
約0.6に相当する温度550℃に約15分保持した後、
約0.4atmにて複合化した。複合試料のPb含有量
は25wt％であつた。実施例１に比べてPb量がか
なり少ないがこの原因はフイルターのそう入によ
つて複合時の溶融Pbと試料表面の接触面積が減
るためと思われる。

実施例４（プロセス）試料としてＡ−15wt％Cuを用い、試料とPb
との間にＡ−３％Si多孔質フイルター（外径
15.9mm×内径12.1mm×長さ30mm）をそう入する以
外（これり準じて、試料の内径及びPbの外径は
それぞれ16.0mm及び12.0mmとなる）、実施例２と
同様であり、第４図に要領に従つて所定の位置に
セツトした。固相率0.6、温度550℃に約10分保持
し加圧複合化した。約0.4atmにて加圧した。複
合試料のPb含有量は17wt％であつた。Pb含有率
がかなり低いが、すでに述べた如く外筒ステンレ
ス支持フイルター及びＡ／Si多孔質フイルター
および内圧方向の複合化等の影響と考えられる。

これらの実施例で得られた複合試料の横断面顕
微鏡組織を観察したところ、いずれも均一にPb
が複合化されていた。第７図に、１例として実施
例１におけるＡ−5wt％Siに47wt％pbを複合化
させた複合試料の断面顕微鏡組織を示す。暗黒色
部がPbであり、樹枝状晶間の最終凝固部に（Ａ
）＋Si共晶が晶出した素地中にPbが均一に複合
化した組織を呈している。本実施例で述べた中空
の複合金属材料は無給油の軸受等いわゆる摩擦材
料として有用なものであるが、本実施例に限らず
凝固温度区間を有するすべての合金系について本
発明による方法によつて工業的に有用な種々の断
面形状を有する中空複合金属材料が製造できるこ
とは原理的に又本実施例からも明らかである。
又、ガス加圧複合の際、圧力を徐々に上げること
によつてゆつくりと複合を進行させることができ
るので（あるいは機械的な方法で加圧し複合速度
をコントロールすることは容易にできるので）、
肉厚方向に部分的に複合化させた材料も容易に製
造できる。すなわち摩擦材料等用途によつては内
面側あるいは外面側に部分的に第２金属を複合化
させた中空複合金属材料を得ることができる。さ
らに本発明による方法によつて得られた中空複合
金属材料においては、複合化された第２金属は互
いに連結していることを特徴としており、中空鋳
造合金の凝固組織をコントロールすることによつ
て（例えば、一方向凝固）、種々の形態を有する
複合材料を得ることができる。

以上の如く、本願発明による中空複合金属材料
の製造方法は従来の冶金的方法では得られないと
ころのあるいは技術的に煩雑な粉末冶金技術に比
べてより簡単にしかもこれらとは異なる特徴を有
する中空複合金属材料を提供するものであり、今
後の用途開発が期待されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明による中空複合金属材
料の製造方法であり、１……中空第１金属、２…
…第２金属、３……外筒である。第２図は内圧に
よつて複合化する方法であり、１……中空第１金
属、２……第２金属、３……内筒、４……フイル
ターである。第３図は外圧によつて複合化する方
法であり、１……中空第１金属、２……第２金
属、３……外筒、４……フイルター。第４図は内
圧によつて複合する方法であり、１……中空第１
金属、２……第２金属、３……内筒、４及び５…
…フイルターである。第５図は本発明の方法に使
用した装置の概略断面図である。１……割り型電
気炉、２……ステンレス外筒、３……ステンレス
内筒、４……試料支持部、５……試料支持リン
グ、６……フイルター、７……円筒形Pb、８…
…円筒形試料、９……しめつけネジ、１０……排
出パイプ、１１……外筒、内筒連結フランジ、１
２……回転筒２と固定キヤツプ１３及び１４とを
連結シールする運動用Ｏリングシールを用いた連
結部、１３及び１４……固定キヤツプ、１５……
ステンレス支持パイプ、１６……ターニングロー
ラー、１７……黄銅スリツプリング、１８……カ
ーボンブラツシユ、１９，２０，２１及び２２…
…バルブ、２３及び２４……圧力計、２５……試
料測温用熱電対、２６………温度記録計、２７，
２８，２９及び３０……配管パイプ、３１，３２
及び３３……水を入れたビーカー、３４……パイ
プ１０の加熱用シースヒーター、３５……外部電
源、４０及５０……それぞれ試料の内外の部屋。
第６図は実施例で使用した装置（第５図）におけ
る主要部の部分的断面図の１例であり、１……試
料支持部、２……エツジを付けた試料支持リン
グ、３……耐火物フアイバーフレツクス、４……
試料支持リング、５……アルメル−クロメル熱電
対、６……円筒形Ａ合金試料、７……円筒形
Pb、８……Ａ−３％Si多孔質フイルターであ
る。第７図は実施例１におけるＡ−５％Si＋
Pb複合円筒試料の断面の顕微鏡写真（18.7倍）で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】１あらかじめ定められた温度で固相と液相とが
共存する状態を有する合金から成り且つ円筒、角
筒あるいは歯車形状等任意の断面形状を有する中
空の第１の金属材料を設け、該金属材料の軸線を
実質的に水平に保持し該金属材料を回転させなが
ら金属材料の上記固液共存温度に保持する段階
と、該第１の金属材料の外側に第２の金属材料を
接触配置し、該第２の金属は上記温度において溶
融状態となり、該溶融金属を加圧することによつ
て上記第１金属を準静水圧状態に保ちながら該第
１金属の液相部分を排出し同時に上記第１金属の
液相部分を第２金属で置換した複合材料を得る段
階とを有する、上記任意の断面形状を有する中空
複合金属材料の製造方法。２特許請求の範囲第１項における中空複合金属
材料の製造方法において、第１の中空金属材料と
第２の金属の間にフイルターを配置することを特
徴とする。３あらかじめ定められた温度で固相と液相とが
共存する状態を有する合金から成り且つ円筒、角
筒あるいは歯車形状等任意の断面形状を有する中
空の第１の金属材料を設け、該第１金属の外側に
フイルターを接触配置することによつて該第１金
属を支持し、該第１金属の軸線を実質的に水平に
保持し該第１金属を回転させながら上記固液共存
温度に保持する段階と、該第１金属の内側に第２
の金属材料を配置し、該第２金属は上記温度にお
いて溶融状態となり、該溶融した第２金属を加圧
することによつて該第１金属を準静水圧状態に保
ちながら上記フイルターを通して上記第１金属を
液相部分を排出し同時に第１金属の液相部分を第
２金属で置換しした複合材料を得る段階、とを有
する上記任意の断面形状を有する中空複合金属材
料の製造方法。４特許請求の範囲第３項における中空複合金属
材料の製造方法において、第１の中空金属材料と
第２の金属の間にフイルターを配置することを特
徴とする。