(57)【要約】【課題】  短繊維金属複合材料内で短繊維材料が均等に分散され、材料特性の安定した、信頼性の高い短繊維金属複合材料の製造方法を提供することを目的としている。【解決手段】  鋳型１に可動可能な下型２が取り付けられ、この鋳型１には、金属材料３と炭素繊維からなる短繊維材料４が入れられ、鋳型１の上部には、金属材料３と短繊維材料４を加圧するためのプランジャ５が取り付けられている。金属材料３を溶融、加圧し、短繊維材料４と混合して、凝固するものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
短繊維材料と金属材料とを分離した状態で鋳型に充填する工程と、
前記鋳型に充填された前記短繊維材料と前記金属材料とを第一の圧力で加圧した状態で、前記金属材料を加熱溶融する工程と、
前記鋳型内で前記短繊維材料と前記溶融された金属材料とを第二の圧力で加圧し、混合する工程と、
前記鋳型内で前記混合された短繊維材料と金属材料とを第二の圧力で加圧した状態で冷却する工程と、
を有する短繊維金属複合材料の製造方法。
【請求項２】
鋳型を振動させ、短繊維材料を整える工程を付加したことを特徴とする請求項１に記載の短繊維金属複合材料の製造方法。
【請求項３】
短繊維材料と金属材料との間に、前記溶融した金属材料のみが透過可能なフィルタを設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の短繊維金属複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短繊維で補強した金属複合材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の短繊維金属複合材料の製造方法にあっては、鋳型のモールドキャビティ内へ短繊維材料をキャリアガスと共に送給し、キャリアガスのみを鋳型外へ流出させることによりキャビティ内に短繊維材料を充填する。そして、キャビティ内に金属の溶湯を注湯し、溶湯を加圧しつつ凝固させている（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１６９２３４号公報（第２−３頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の短繊維金属複合材料の製造方法にあっては、キャリアガスにより短繊維材料を供給しているため、短繊維材料を鋳型内に均等に充填することが難しく、また、モールドキャビティに溶湯を流入させる時の衝撃により、充填されていた短繊維材料が乱れやすく、その結果、できあがった短繊維金属複合材料における短繊維材料の含有比率が部位によって異なり、材質を均質にすることが難しいといった問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、できあがった短繊維金属複合材料内で短繊維材料が均等に分散され、材料特性の安定した、信頼性の高い短繊維金属複合材料の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る短繊維金属複合材料の製造方法においては、短繊維材料を鋳型内で均等になるように調整し、金属材料を溶融、加圧し、短繊維材料と混合して、凝固するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、短繊維材料を鋳型内で均等に配置し、その状態で金属材料を溶融、加圧し、短繊維材料と混合して、凝固することにより、短繊維材料が金属材料内で均等分散された短繊維金属複合材料を製造することができ、材料特性の安定したものが得られる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態１における短繊維金属複合材料の製造方法を示す鋳型部の構成断面図である。図２は、実施の形態１における短繊維金属複合材料の製造方法を示す工程図である。
図１において、鋳型１に可動可能な下型２が取り付けられ、この鋳型１には、金属材料３と炭素繊維からなる短繊維材料４とが入れられ、鋳型１の上部には、金属材料３と短繊維材料４を加圧するためのプランジャ５が取り付けられている。
【０００９】
次に、図２の工程図を用いて、短繊維金属複合材料の製造方法について述べる。
まず、下型２と組み合わせた鋳型１のキャビティ内に金属材料３を入れる（図２（ａ））。次に、下型２を押し上げて、所定重量の短繊維材料４が充填される容積になるように調整し、鋳型１内に短繊維材料４を入れる。そして、鋳型１の上端部からはみ出た短繊維材料４は、鋳型１の上端面で平らになるようにすりきり、混合される金属材料３と短繊維材料４を鋳型１内に準備する（図２（ｂ））。この際、短繊維材料４同士の絡みや空隙をなくすため、鋳型１を振動装置９に載せ、加振して、短繊維材料４が均等に分散するよう、調整する（図２（ｃ））。
【００１０】
次に、金属材料３と短繊維材料４が入れられた鋳型１を加熱と加圧が可能な装置に設置する（加熱炉は図示せず）。そして、鋳型１の上方からプランジャ５を押し下げて鋳型１内の金属材料３と短繊維材料４を所定の圧力で１次加圧する（図２（ｄ））。さらに、１次加圧を加えながら鋳型１を加熱し、鋳型１内の金属材料３が溶融する温度まで昇温する。金属材料３が溶融したら１次加圧よりも高い圧力で２次加圧し、溶融した金属材料６を短繊維材料４の隙間に含浸させ、混合部分７を形成させながら、短繊維材料４を圧縮していく（図２（ｅ））。そして、所望の短繊維金属複合材料８となる厚さの位置までプランジャ５を到達させたら、そのまま冷却し凝固させる（図２（ｆ））。溶融した金属材料６が凝固したら、プランジャ５を引き上げ、鋳型１から形成された短繊維金属複合材料８を取り出す。
【００１１】
このように本実施の形態１による製造方法によれば、溶融した金属材料を直接流入しないので、短繊維材料の配向や体積率の乱れが抑制された短繊維金属複合材料を得ることができる。さらに、本実施の形態１による製造方法では、鋳造に先立ってプリフォームを成形する必要がなく、プロセスが簡素化される。また、通常のプリフォームを使用する場合には、その形状を維持するために使用されるバインダが短繊維金属複合材料内に残存する影響により、機械的特性の低下や熱的特性の変動が懸念されるが、本実施の形態１による製造方法では、プリフォームを使用しないため、バインダが残存せず、機械的特性が安定した短繊維金属複合材料を得ることができる。
なお、本発明で用いる短繊維材料４のアスペクト比（繊維長さ÷繊維直径）は、１〜１０００の範囲が好ましい。
【００１２】
次に、具体的な実施例について述べる。
ここでは、金属材料３としては、Ａｌ（アルミニウム）を用い、また、短繊維材料４としては、アスペクト比２０（繊維直径１０μｍ、繊維平均長さ２００μｍ）のピッチ系炭素繊維を用いた。鋳型１は内径３０ｍｍ、高さ１５０ｍｍのカーボン製のものを準備した。
先ず、鋳型１のキャビティ内に直径２９．５ｍｍ、重量４０ｇのＡｌを入れる。そして、下型２を押し上げて所定重量の短繊維材料４が充填される容積に調整し、鋳型１内に短繊維材料４を入れる。鋳型１の上端部からはみ出した短繊維材料４は鋳型１の上端面ですりきりを行い、鋳型１内に１３ｇの短繊維材料４を入れる。そして、鋳型１を振動装置９に載せて周波数１０Ｈｚで振動を与え、短繊維材料４を均等に分散させる。次に、鋳型１をホットプレス装置（図示せず）の中に設置し、上方からプランジャ５を押し下げて４０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１次加圧を行う。この際、充填された短繊維材料４の隙間に存在していた空気は、鋳型１と下型２の隙間や鋳型１とプランジャ５の隙間から排出される。
ここで、１次加圧の圧力の圧力は、空気を排出し、短繊維材料４を押し固める圧力であればよく、短繊維材料４のアスペクト比や材料によって変るが、概ね１〜５０ｋｇ／ｃｍ２の範囲である。
【００１３】
次に、ホットプレス装置の炉内をアルゴン雰囲気にし、鋳型１を７５０℃まで昇温させて鋳型１内のＡｌを溶融し、Ａｌが溶融した時点で２００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で２次加圧を行い、Ａｌを短繊維材料４に含浸させる。そして、プランジャ５が所定の位置に到達したら冷却を開始し、凝固が完了したら短繊維金属複合材料８を鋳型１から取り出す。これにより、繊維体積率３０ｖｏｌ％の短繊維金属複合材料８を得ることができる。ここで、繊維体積率は、（繊維の体積／（金属の体積＋繊維の体積））×１００、で表されるものである。
【００１４】
実施の形態１においては、金属材料３の上に短繊維材料４が堆積されるように充填配置したが、逆に短繊維材料４の上に金属材料４を配置する構成にしてもよい。
上記実施例では、金属材料３としてＡｌを使用する場合について述べたが、他の金属Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ及びそれらの合金等の高い融点を持つ金属を適用することも可能である。
また、上記実施例は、Ａｌを使用する短繊維金属複合材料８の製造条件の一例を示したが、製造条件は金属の融点、短繊維材料の種類やアスペクト比、繊維体積率によって決まる。ＡｌやＭｇでは、概ね温度７００〜１０００℃、２次加圧圧力１００〜３００ｋｇ／ｃｍ２、Ｃｕでは、概ね温度１１００〜１２００℃、２次加圧圧力１００〜５００ｋｇ／ｃｍ２である。ここで、金属材料の形状としては、棒状体のみならず、粒状、粉末、ペレット状やその成型したものでもよい。
なお、金属材料を溶融する際に、空気中の酸素との反応で、酸化物が生成され特性に影響を与えるため、炉内雰囲気はアルゴン、窒素、真空などの非酸化雰囲気に保つことが好ましい。特に、Ｍｇ及びその合金は非常に活性な金属であるため、溶融状態では、空気中の酸素と激しく反応するため、溶融は不活性ガス中で行う必要がある。
【００１５】
また、短繊維材料４として、上記実施例では、ピッチ系炭素繊維を使用する場合について述べたが、他に適用できる材料として、アルミナ繊維、ＳｉＣ繊維、金属繊維（Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、ステンレス、鋼）等があり、さらに炭素繊維やボロン繊維は、ＳｉＣ等をコーティングしたものが挙げられる。
【００１６】
上記実施の形態では、短繊維材料４が充填された鋳型１全体を振動装置９により振動を与えているが、このように、短繊維材料４を鋳型１に充填した後に振動を与えることで短繊維材料同士の絡みや固まり、ブリッジ、空洞を崩壊し短繊維材料４を均等に分散させるよう、調整することができる。これにより、短繊維金属複合材料８内の繊維体積率のバラツキを小さくすることができ、機械的特性、熱的特性のバラツキを少なくし、品質を安定化させることができる。
振動の条件は、短繊維材料４のアスペクト比や充填量、さらに鋳型１の寸法、形状により異なるが、鋳型１に充填し堆積された短繊維材料４の上面が鋳型１の上端部と平行で平らになる条件であればよく、例えば、鋳型１を上下、左右、回転する方向又はそれらの組み合わせで行ってもよい。また、短繊維材料４を少量づつ鋳型１に充填し、振動を与える工程を繰り返し行ってもよい。振動により堆積した短繊維材料４の上面が平らとなる場合は、すりきりの工程を省略してもよい。
【００１７】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２における短繊維金属複合材料の製造方法を示す鋳型部の構成断面図である。
図３に示すように、実施の形態１において、短繊維材料４と金属材料３との間にフィルタとしての金網１０を設けたものである。投入された短繊維材料４の上に金網１０を置き、その上に所定重量の金属材料３を載せる。ここで、金属材料３よりも比重の小さい短繊維材料４を下に配置した場合は、溶融した金属材料３が、短繊維材料４に浸透する際に、短繊維材料４が浮力で浮き上り、短繊維材料を均等に分散させることが困難になる。例えば、Ａｌの比重が２．７ｇ／ｃｍ３で、短繊維材料に比重が２．１ｇ／ｃｍ３の炭素繊維を使用した場合がそれである。ただし、短繊維材料に、金属材料よりも比重の大きいステンレス繊維（比重７．８ｇ／ｃｍ３）等を使用する場合には、金網は不要である。
次に、動作について説明する。溶融した金属材料３が加圧され、短繊維材料４内に含浸するとき、比重が小さい短繊維材料４が、溶融した金属材料３の上部に移動し集まろうとするが、金網１０が短繊維材料４の透過を阻止し、溶融した金属材料３が徐々に短繊維材料４に含浸し、短繊維材料４は動かずに均等に金属材料３と混合される。これを冷却し凝固させ、短繊維金属複合材料８を製造する。他の工程は、実施の形態１と同様であるので、ここでは省略する。
本実施の形態２により、短繊維材料の比重が小さく金属材料内に均等に分散させることが困難な場合においても、均質な組成構造を持つ短繊維金属複合材料を得ることができる。
【００１８】
なお、ここでは、フィルタとしては、金網１０を用いる例を示したが、短繊維材料４の透過を阻止でき、溶融した金属材料３のみを透過させ、加熱温度に耐える材質であればよく、必ずしも金属製の網である必要はなく、微小孔を持つセラミック製や炭素繊維製であっても同様の効果を奏する。
上記実施例では、鋳型１としては、カーボン製を用いた例について説明したが、金属製であってもよく、加圧、加熱に耐えるものであればよい。
【００１９】
図４は、本発明の実施の形態３における短繊維金属複合材料の製造方法を示す鋳型部の構成断面図である。
実施の形態１、２では、金属材料３と短繊維材料４をそれぞれ一固まりで配置する場合を示したが、実施の形態３では、図４に示すように、金属材料３を二つに分け、短繊維材料４の上下に所定重量の金属材料３を充填配置したものである。
この実施の形態３の動作について説明する。
まず、下型２に金属材料３の所定の一部を充填、次に所定重量の短繊維材料４を充填し、その上に金網１０を配設する。さらに、この上に残りの金属材料３を載せる。そして、鋳型１の上方からプランジャ５を押し下げて鋳型１内の金属材料３と短繊維材料４を所定の圧力で１次加圧し、鋳型１を加熱して、金属材料３を溶融させる。さらに、１次加圧よりも高い圧力で２次加圧し、溶融した金属材料を上下から短繊維材料４の隙間に含浸させ、混合部分を形成させながら、短繊維材料４を圧縮していく。そして、所望の短繊維金属複合材料となる厚さの位置までプランジャ５を到達させたら、冷却し凝固させる。
他の工程、詳細は実施の形態１、２と同様であるので、ここでは省略する。
上記実施の形態３により、短繊維金属複合材料が厚い場合は、一方向から溶融した金属を含浸すると上下（板厚方向）での金属材料と短繊維材料の比率が変化し易くなるのに対し、短繊維材料を挟み込むように上下に金属材料を配置することで、金属材料と短繊維材料の比率が変化を抑制し、均質な組成構造を持つ短繊維金属複合材料が得られる効果がある。
【００２０】
前記各実施の形態では、金属材料に短繊維材料を混合、凝固する場合について述べたが、金属材料の替わりに熱可塑性樹脂材料（ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ナイロン、ポリカーボネイト、アクリル等）であっても、同じ製造方法が適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態１における短繊維金属複合材料の製造方法を示す鋳型部の構成断面図である。
【図２】実施の形態１における短繊維金属複合材料の製造方法を示す工程図である。
【図３】実施の形態２における短繊維金属複合材料の製造方法を示す鋳型部の構成断面図である。
【図４】実施の形態３における短繊維金属複合材料の製造方法を示す鋳型部の構成断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  鋳型
２  下型
３  金属材料
４  短繊維材料
５  プランジャ
６  溶融した金属材料
７  短繊維材料と金属材料の混合部分
８  短繊維金属複合材料
９  振動装置
１０  金網
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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