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JPH0636977B2 - Method for producing fiber-reinforced metal composite material - Google Patents
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JPH0636977B2 - Method for producing fiber-reinforced metal composite material - Google Patents

Method for producing fiber-reinforced metal composite material

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JPH0636977B2
JPH0636977B2 JP8019086A JP8019086A JPH0636977B2 JP H0636977 B2 JPH0636977 B2 JP H0636977B2 JP 8019086 A JP8019086 A JP 8019086A JP 8019086 A JP8019086 A JP 8019086A JP H0636977 B2 JPH0636977 B2 JP H0636977B2
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JP
Japan
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preform
mold
molten metal
metal
whisker
Prior art date
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JP8019086A
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富弥 安仲
秀 竹中
穂高 柘植
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東海カ−ボン株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ウイスカーを強化物質として加圧鋳造法によ
り繊維強化金属複合材を製造するための改良された方法
に関する。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an improved method for producing fiber reinforced metal composites by pressure casting with whiskers as reinforcing material.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

SiC,Si3N4あるいは黒鉛などの針状単結晶で構成さ
れるウイスカーは、比強度、比弾性率、耐熱性、化学的
安定性などの面で卓越した物性を有する繊維状物で、と
くにAlに代表される軽金属類をマトリックスとする場
合の複合強化物質として有用されている。
Whiskers composed of acicular single crystals such as SiC, Si 3 N 4 or graphite are fibrous substances with outstanding physical properties in terms of specific strength, specific elastic modulus, heat resistance, chemical stability, etc. It is useful as a composite reinforcing material when a light metal represented by Al is used as a matrix.

従来、この種のウイスカーを用いて繊維強化金属複合材
を製造するための効果的な手段として、加圧鋳造法が知
られている。加圧鋳造法は、第2図に示すように予め形
成されたウイスカー集合プリフォーム1を繊維骨格とし
て鋳型2の内部に配置し、これにマトリックス金属の溶
湯3を注入したのちプランジャー4で加圧しながらプリ
フォーム組織内部に含浸・凝固させて複合化するもので
あるが、この方法を採る場合の最も重要な操作上の条件
は、含浸過程を通じてマトリックス金属の溶湯状態を正
常に保持することである。含浸過程で溶湯が冷めてマト
リックス金属の凝固が起きると、プリフォーム組織への
円滑な浸透が阻害されて複合部の割れ、複合体の極端な
収縮変形、複合組織の不均質などの性状欠陥を与えるこ
とになる。
Conventionally, a pressure casting method has been known as an effective means for producing a fiber-reinforced metal composite material using this type of whiskers. In the pressure casting method, as shown in FIG. 2, a preformed whisker aggregate preform 1 is placed inside a mold 2 as a fiber skeleton, and a molten metal 3 of a matrix metal is injected into this and then added by a plunger 4. It is impregnated and solidified inside the preform structure under pressure to form a composite, but the most important operational condition when adopting this method is to maintain the molten state of the matrix metal normally throughout the impregnation process. is there. When the molten metal cools during the impregnation process and solidification of the matrix metal occurs, smooth penetration into the preform structure is hindered and property defects such as cracking of the composite part, extreme shrinkage deformation of the composite, and heterogeneity of the composite structure occur. Will be given.

また、これまでは含浸の円滑性を図るため、第2図に示
すようにウイスカープリフォームの上面および全側面か
ら矢印方向に沿って溶湯を浸透する方法がとられている
が、この全面浸透はプリフォーム組織内部に吸蔵されて
いるガス成分あるいは溶湯含浸時に生ずるある種の反応
に基づく成分偏折を複合体の中心部分に封じ込めてしま
う現象を招き、寧ろ組織上の欠陥をもたらす原因とな
る。
Further, in order to ensure smooth impregnation, a method of permeating molten metal along the direction of the arrow from the top surface and all side surfaces of the whisker preform has been used so far as shown in FIG. This causes a phenomenon in which a gas component stored inside the preform structure or a component deviation due to a certain reaction that occurs when the molten metal is impregnated is contained in the central portion of the composite, which causes a defect in the structure.

出願人は、上記の事項を考慮して、ウイスカーのプリフ
ォームを予熱した内挿金型にセットして鋳型内に挿着す
ることを要旨とする複合化方法をすでに提案した(特願
昭60−281982号)。
In consideration of the above matters, the applicant has already proposed a compounding method that sets a preform of a whisker in a preheated insertion mold and inserts it in the mold (Japanese Patent Application No. 60 -281982).

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

上記先願の複合化方法によれば、ウイスカーのプリフォ
ームが予熱された内挿金型にセットされた状態で溶湯含
浸がおこなわれるため含浸過程を通じ系内の保温が十分
に保たれるうえに、マトリックス金属の溶湯がウイスカ
ープリフォームの上面から一方向的に浸透してプリフォ
ーム組織内部に存在する吸蔵ガス成分および成分偏折の
因となる反応異物を底部に押しやることができ、全体と
して組織異常の少ない複合が得られる効果がある。
According to the composite method of the above-mentioned prior application, since the molten metal impregnation is performed with the preform of the whisker set in the preheated insertion mold, the heat retention in the system can be sufficiently maintained throughout the impregnation process. The molten metal of the matrix metal unidirectionally permeates from the upper surface of the whisker preform and can push the stored gas components existing inside the preform structure and the reactive foreign substances that cause the component deviation into the bottom part, resulting in the structure as a whole. There is an effect that a composite with few abnormalities can be obtained.

ところが、この方法では底部に押しやった吸蔵ガス成分
および反応異物を完全に系外に排出することができず、
多くの場合層状に残留したまま底面で凝固する。したが
って、この異常組織部分の切除が必要となり、困難な加
工と寸法低下、形状変化などを伴なう問題点があった。
However, with this method, the stored gas component and reactive foreign matter pushed to the bottom cannot be completely discharged out of the system,
In many cases, it solidifies at the bottom while remaining in a layered form. Therefore, it is necessary to excise this abnormal tissue portion, which causes problems such as difficult processing, size reduction, and shape change.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は、上記先願技術の問題点を改良する目的でなさ
れたもので、提供される繊維強化金属複合材の製造方法
は、ウイスカーのプリフォームを繊維骨格として鋳型内
に配置し、これにマトリックス金属の溶湯を注入して加
圧鋳造法により複合化するにあたり、前記ウイスカーの
プリフォームを予熱した内挿金型にセットして鋳型内に
挿着することによりマトリックス金属の溶湯をプリフォ
ームの上面から一方向的に圧入し、かつプリフォームの
組織内に充填しながら流下する溶湯の一部を台座盤の細
孔を介して系外に圧出することを構成的特徴とする。
The present invention has been made for the purpose of improving the problems of the above-mentioned prior art, and the method for producing a fiber-reinforced metal composite material provided is to dispose whisker preforms in a mold as a fiber skeleton. When the molten metal of the matrix metal is injected and compounded by the pressure casting method, the molten metal of the matrix metal is preformed by setting the preform of the whisker in a preheated insertion mold and inserting it in the mold. It is structurally characterized in that it is unidirectionally press-fitted from the upper surface, and a part of the molten metal that flows down while being filled in the structure of the preform is forced out of the system through the pores of the pedestal board.

以下、本発明を第1図の説明図に基づいて詳述する。Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the explanatory view of FIG.

まず、繊維骨格となるウイスカーのプリフォーム1を予
熱した内挿金型5にセットする。ウイスカーのプリフォ
ームは、SiC,Si3N4あるいは黒鉛などの生成ウイス
カーを解体したのち乾式あるいは湿式法で賦形化した短
繊維集合体で、内挿金型5の内面形状に合った外形に形
成される。内挿金型5は、例えば工具鋼のような熱伝導
性に優れる硬質金属で構成し、内面は円筒、逆円錐ある
いは凹凸溝付など最終形状に沿うように形成され、外面
は挿着時に鋳型2の内壁に密着するよう一体あるいは割
り型構造に設計加工されている。
First, the whisker preform 1 that serves as the fiber skeleton is set in the preheated insertion mold 5. The whisker preform is a short fiber aggregate formed by dismantling the generated whiskers such as SiC, Si 3 N 4 or graphite, and then shaped by a dry or wet method, and has an outer shape that matches the inner surface shape of the insertion mold 5. It is formed. The inner insertion mold 5 is made of a hard metal having excellent thermal conductivity such as tool steel, the inner surface is formed to follow the final shape such as a cylinder, an inverted cone or a groove with concave and convex, and the outer surface is a mold at the time of insertion. It is designed and processed into an integral or split type structure so as to be in close contact with the inner wall of 2.

内挿金型5は鋳型2に入れる前に電気炉等をもちいて加
熱し、望ましくはマトリックス金属の融点以上に予熱さ
れる。セットするウイスカーのプリフォーム1も同時に
予熱することが効果的で、このためにはウイスカーのプ
リフォームを内挿金型にセットした状態で予熱する方法
をとることが操作的に便宜である。
The insertion mold 5 is heated by using an electric furnace or the like before being put into the mold 2, and is preferably preheated to the melting point of the matrix metal or higher. It is effective to preheat the preform 1 of the whisker to be set at the same time. For this purpose, it is operably convenient to preheat the preform of the whisker in a state of being set in the insertion mold.

この際、内挿金型およびプリフォームの予熱温度を調節
することにより複合材の上下方向の収縮度合を制御する
ことが可能となるから、予め検量しておくことによって
繊維体積率(Vf)を適宜に調節することができる。
At this time, it is possible to control the degree of shrinkage in the vertical direction of the composite material by adjusting the preheating temperature of the insertion mold and the preform, and thus the fiber volume ratio (Vf) can be determined by calibrating in advance. It can be adjusted appropriately.

ウイスカーのプリフォーム1をセットした内挿金型5
は、ついで鋳型2に配置した台座盤6の上部に挿着され
る。台座盤6は、上下に貫通する複数個の細孔7を備
え、プレス底盤との間に溶湯溜めの空所8を形成する構
造となっている。含浸過程を通じ鋳型は付属の加熱装置
により全体的に加熱される。
Insertion mold 5 with whisker preform 1 set
Is then attached to the upper part of the pedestal board 6 arranged in the mold 2. The pedestal board 6 is provided with a plurality of pores 7 penetrating vertically and has a structure in which a cavity 8 for the molten metal reservoir is formed between the pedestal board 6 and the press bottom board. Throughout the impregnation process, the mold is entirely heated by the attached heating device.

引続き鋳型内にマトリックス金属の溶湯3を注入し、上
部からプランジャー4で加圧する。加圧により溶湯3は
ウイスカープリフォーム1の上面のみから矢印方向に浸
透し、プリフォーム組織内を充填しながら流下して台座
盤6の細孔7から空所8に圧出される。溶湯3が空所8
を充満したのち、所定の圧力を保持したままマトリック
ス金属を凝固する。
Subsequently, the melt 3 of the matrix metal is poured into the mold, and the plunger 4 pressurizes the melt from above. By pressurization, the molten metal 3 permeates in the direction of the arrow only from the upper surface of the whisker preform 1, flows down while filling the inside of the preform structure, and is extruded from the pores 7 of the pedestal board 6 to the space 8. Molten metal 3 is empty 8
And then the matrix metal is solidified while maintaining a predetermined pressure.

〔作 用〕[Work]

上記した製造方法によれば、マトリックス金属の溶湯が
ウイスカープリフォームの上面から一方向的に浸透して
プリフォーム組織内部に存在する吸蔵ガス成分および反
応異物を底部に押し下げ、最終的に細孔7から系外の空
所8に圧出する。この作用と内挿金型による十分な保温
作用とが相俟って組織異常のない複合状態を形成するた
めに有効機能する。
According to the above-mentioned manufacturing method, the molten metal of the matrix metal unidirectionally permeates from the upper surface of the whisker preform to push down the stored gas components and reactive foreign matters existing inside the preform structure to the bottom, and finally the pores 7 Is squeezed out into the void 8 outside the system. This action and the sufficient heat retaining action by the insert mold work together to form a composite state without tissue abnormality.

〔実施例〕〔Example〕

直径0.5〜1.5μm、長さ60〜100μm、密度3.18g/
cm3、結晶形β型の性状を有するSiCウイスカーを良
く解してから純水に分散し、加圧過法により湿潤ウイ
スカーケーキを形成したのち加熱乾燥して直径80mm、
高さ140mm、繊維体積率(Vf)15%の円柱形プリフォ
ームを作成した。
Diameter 0.5-1.5μm, length 60-100μm, density 3.18g /
cm 3 , SiC whiskers having crystal form β type properties are well solved and then dispersed in pure water to form a wet whisker cake by a pressurizing method, followed by heat drying to a diameter of 80 mm,
A cylindrical preform having a height of 140 mm and a fiber volume ratio (Vf) of 15% was prepared.

上記のSiCウイスカーのプリフォームを内径80mm、
外径120mm、高さ140mmの工具鋼(SK材)製内挿
金型に挿入してセットし、これを電気炉に入れ730℃
に予熱した。ついで予熱した内挿金型を、300℃の温
度に保持されている鋳型(内径120mm)に設置した直
径3mmの貫通細孔5個を有する底部空洞形台座盤(高さ
10mm)の上部に挿着した。
The above SiC whisker preform has an inner diameter of 80 mm,
Insert and set in the tool steel (SK material) inner insertion mold with an outer diameter of 120 mm and a height of 140 mm, and put it in an electric furnace at 730 ° C.
Preheated to. Then insert the preheated insert mold into the upper part of the bottom cavity type pedestal (height 10 mm) having 5 through holes of 3 mm diameter installed in the mold (inner diameter 120 mm) maintained at the temperature of 300 ° C. I wore it.

鋳型に湯温850℃のマトリックスAl合金(JIS規
格6061)の溶湯を注入し、上部から2mm/秒の速度
でプランジァーを押し下げた。プランジァーの加圧は、
プリフォーム組織内を流下した溶湯が台座盤の細孔から
圧出して空所を充満した状態から凝固するまで1000
ks/cm2に保持した。
A molten metal of a matrix Al alloy (JIS standard 6061) having a hot water temperature of 850 ° C. was poured into the mold, and the plunger was pushed down from the top at a speed of 2 mm / sec. Pressurization of the plunger is
The molten metal that has flowed down in the preform structure is squeezed out from the pores of the pedestal board and solidified from the state of filling the void to 1000
It was kept at ks / cm 2 .

このようにして得られたSiCウイスカー強化Al複合
材は、組織の割れ、亀裂等の欠陥はなく、底面に至るま
で成分偏折による異常組織部分は全く認められなかっ
た。
The SiC whisker-reinforced Al composite material thus obtained had no defects such as cracks and cracks in the structure, and no abnormal structure portion due to component deviation was observed up to the bottom surface.

本複合材の含有ガス量をランズレー法で測定したところ
0.66cc/100gで著しく微量であり、また引張り強さ
は47.7kg/mm2と良好な複合化特性を示した。
Gas content of this composite was measured by Landsley method
The amount was 0.66 cc / 100 g, which was extremely small, and the tensile strength was 47.7 kg / mm 2, which was a good composite property.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、加圧鋳造時の含浸過程における正常な
溶湯状態の保持、プリフォーム上面からの一方向浸透お
よび吸蔵ガス成分と反応異物の系外圧出の作用が相乗的
に働いて、先願技術より一層優れた偏折異常のない均質
性状の複合組織を得ることができる。したがって、ウイ
スカーを強化材とする高性能の繊維強化金属複合材を製
造する量産技術としての価値が大である。
According to the present invention, the normal molten metal state is maintained in the impregnation process during pressure casting, the unidirectional permeation from the upper surface of the preform, and the action of the stored gas component and the reaction foreign matter to be extruded out of the system synergistically. It is possible to obtain a composite structure having a uniform property with no deviation abnormality, which is superior to the desired technique. Therefore, it is of great value as a mass production technology for producing a high-performance fiber-reinforced metal composite material using whiskers as a reinforcement material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明方法を説明するための装置断面図、第2
図は従来の加圧鋳造法を説明するための装置断面図であ
る。 1……ウイスカーのプリフォーム、2……鋳型、3……
マトリックス金属の溶湯、4……プランジァー、5……
内挿金型、6……台座盤、7……細孔、8……空所。
FIG. 1 is a sectional view of an apparatus for explaining the method of the present invention, FIG.
FIG. 1 is a sectional view of an apparatus for explaining a conventional pressure casting method. 1 ... Whisker preform, 2 ... Mold, 3 ...
Matrix metal melt, 4 …… plunger, 5 ……
Insertion mold, 6 ... Pedestal base, 7 ... Pores, 8 ... Vacancy.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ウイスカーのプリフォームを繊維骨格とし
て鋳型内に配置し、これにマトリックス金属の溶湯を注
入して加圧鋳造法により複合化するにあたり、前記ウイ
スカーのプリフォームを予熱した内挿金型にセットして
鋳型内に挿着することによりマトリックス金属の溶湯を
プリフォームの上面から一方向的に圧入し、かつプリフ
ォームの組織内を充填しながら流下する溶湯の一部を台
座盤の細孔を介して系外に圧出することを特徴とする繊
維強化金属複合材の製造方法。
1. A whisker preform is placed in a mold as a fiber skeleton, and a molten metal of a matrix metal is poured into this to form a composite by a pressure casting method. The molten metal of the matrix metal is unidirectionally pressed from the upper surface of the preform by setting it in the mold and inserting it into the mold, and part of the molten metal that flows down while filling the structure of the preform is placed on the base plate. A method for producing a fiber-reinforced metal composite material, which comprises pressurizing it out of the system through pores.
JP8019086A 1986-04-09 1986-04-09 Method for producing fiber-reinforced metal composite material Expired - Lifetime JPH0636977B2 (en)

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JPS62238062A JPS62238062A (en) 1987-10-19
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