JPH0636977B2 - 繊維強化金属複合材の製造方法 - Google Patents

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。

〔従来の技術〕

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。

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。

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。

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）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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。

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。

〔問題点を解決するための手段〕

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。

以下、本発明を第１図の説明図に基づいて詳述する。

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。

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。

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。

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。

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。

〔作 用〕

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。

〔実施例〕

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。

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。

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。

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。

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。

〔発明の効果〕

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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。