Composite material and method of manufacturing the same

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、金属をマトリックスとし、無機繊維のクロスまたはフェルトと、無機中空粒子とを含む複合材に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来より、材料の機械的強度の向上や軽量化などを目的として、金属マトリックスに無機繊維や無機中空粒子などの無機充填材を分散させた複合材が使用されている。 例えば、特開昭４８−２２３２７号公報や特公昭５５−２２１８２号公報には、中空ガラス質のシラスバルーンをアルミニウムなどの金属マトリックスに分散させた複合材が記載されている。 また、特開平１
１−２９８３１号公報には、セラミック中空粒子と無機繊維とセラミック粒子とを金属マトリックスに分散させた複合材が記載されている。 【０００３】これらの複合材は、鋳型中に無機充填材を配置した後、金属融液を加圧しながら鋳型中に注入して製造するのが一般的であるが、このとき無機充填材と金属との比重差が大きいことから、無機充填材が金属融液中で浮き上がり、一方の面側に無機充填材が偏在した複合材となりすい。 また、無機充填材として無機中空粒子及び無機繊維の両方を含む複合材では、これらの間にも比重差があるために分散状態は更に悪くなる。 このような無機充填材の偏在により、複合材の部位によって機械的強度にバラツキが生じ、目的とする機械的強度を得る上での大きな障害となっている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、無機充填材の分散状態に起因する機械的強度のバラツキがなく、従来に比べて格段に高い機械的強度を有する複合材、並びにその製造方法を提供することを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、本発明は、金属マトリックス中に、無機繊維のクロス及びフェルトの少なくとも一方を含む第１の複合材層と、無機中空粒子を含む第２の複合材層とが連続して存在し、全体として単一体を構成していることを特徴とする複合材を提供する。 【０００６】同様の目的を達成するために、本発明は、
上記において、更に、前記金属マトリックスを形成する金属からなる層が、前記第１の複合材層または第２の複合材層に連続して存在していることを特徴とする複合材を提供する。 【０００７】また、同様の目的を達成するために、本発明は、鋳型内に、、無機中空粒子と、無機繊維のクロス及びフェルトの少なくとも一方とをそれぞれ層状に積層して収容し、前記鋳型中に金属融液を加圧しながら注入した後、冷却することを特徴とする複合材の製造方法を提供する。 【０００８】更に、同様の目的を達成するために、本発明は、鋳型内に、所定深さとなるように金属融液を注入した後、前記金属融液の液面上に、無機中空粒子と、無機繊維のクロス及びフェルトの少なくとも一方とをそれぞれ層状に積層して収容し、次いで前記鋳型中に前記金属融液と同一の金属融液を加圧しながら注入した後、冷却することを特徴とする複合材の製造方法を提供する。 【０００９】 【発明の実施の形態】以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。 【００１０】（第１の実施形態）本発明の複合材は、図１に断面図で示すように、金属マトリックス中に、無機繊維のクロス及びフェルトの少なくとも一方を含む第１
の複合材層１と、無機中空粒子を含む第２の複合材層２
とが連続して存在し、全体として単一の複合材を構成している。 また、第１の複合材層１と第２の複合材層２との境界（図中、点線で示す）は、明確に区画されているわけではなく、無機繊維のクロス（又はフェルト）、無機中空粒子及び金属が混在している。 【００１１】無機繊維の種類は特に制限されるものではなく、従来より金属との複合化に使用されているものを使用することができる。 例えば、アルミナ繊維、アルミナシリカ繊維、ムライト繊維、炭化ケイ素繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ酸アルミニウム繊維、チタン酸カリウム繊維などの各種セラミック繊維、炭素繊維、ロックウールなどを目的や用途に応じて使用することができる。 また、これらの繊維からなるクロス、フェルトは、それぞれ単独で使用してもよいし、併用してもよい。 【００１２】無機中空粒子の種類も特に制限されるものではなく、従来より金属との複合化に使用されているものを使用することができる。 例えば、アルミナやシリカ、ムライトなどからなる中空粒子、シラスバルーンなどを目的や用途に応じて使用することができる。 【００１３】また、金属の種類も特に制限されるものではなく、アルミニウム、アルミニウム系合金、銅、銅系合金などを目的や用途に応じて適宜選択して使用することができる。 【００１４】上記第１の複合材を製造するには、例えば図２に示す鋳造装置１０を用いる。 この鋳造装置１０
は、鋳型１１と、溶融坩堝１２と、前記鋳型１１及び溶融坩堝１２を加熱するヒータ１３とを主要部材として構成されている。 製造にあたり、先ず鋳型１１の内部に無機中空粒子２０を所定量充填し、その上に無機繊維クロス（又はフェルト）３０を所定の厚さで載置する。 尚、
無機繊維クロス（又はフェルト）３０の厚さ及び無機中空粒子２０の量は、複合材の軽量化の程度や機械的強度などを考慮して金属融液４０の量との間で相対的に選択される。 【００１５】次いで、鋳型１１の上に溶融坩堝１２を装着し、溶融坩堝１２にマトリックスとなる金属塊を投入した後、ヒータ１３で加熱して金属融液４０とする。 その後、符号Ｆで示すように、金属融液４０の液面を適当な加圧手段、例えば窒素ガスやアルゴンガスによるガス圧、あるいは油圧により押圧しながら金属融液４０を鋳型１１の内部に流し込む。 これにより、金属融液４０は無機繊維クロス（又はフェルト）３０及び無機中空粒子２０の隙間に浸透して鋳型１１の内部を満たす。 このとき、従来では、比重差から無機中空粒子２０が金属融液４０の中で浮き上がり、金属マトリックス中に均一に分散しないという問題があったが、本発明の複合材では無機繊維クロス（又はフェルト）３０が無機中空粒子２０
の浮き上がりを抑えるため、得られる複合材の第２の複合材層２は、無機中空粒子２０が均一に分散したものとなる。 その後、ヒータ１３による加熱を停止して鋳型１
１を冷却することにより、複合材が得られる。 【００１６】（第２の実施形態）上記第１の実施形態において、第１の複合材層１及び第２の複合材層２は、それぞれ一層ずつである必要はなく、例えば図３に示すように、第１の複合材層１を２層とし、第２の複合材層２
を挟んだ三層構造の複合材とすることもできる。 【００１７】図３に示される複合材を製造するには、図２に示した鋳造装置１０を用いて、鋳型１１に無機繊維クロス（又はフェルト）３０を敷き詰め、その上に無機中空粒子２０を充填し、更にその上に無機繊維クロス（又はフェルト）３０を載置して三層構造とし、鋳型１
１に金属融液４０を流し込めばよい。 【００１８】（第３の実施形態）また、上記第１の実施形態において、更にマトリックスを形成する金属からなる層を設けることもできる。 即ち、例えば図４に示すように、第１の複合材層１及び第２の複合材層２に加えて、第２の複合材層２に連続して金属層３を設けた三層構造の複合材とすることもできる。 【００１９】図４に示される複合材を製造するには、図２に示した鋳造装置１０を用いて、鋳型１１に金属融液４０を所定の深さとなるように注入しておき、この金属融液４０の液面上に無機中空粒子２０を充填し、更にその上に無機繊維クロス（又はフェルト）３０を載置して三層構造とし、鋳型１１に金属融液４０を流し込めばよい。 【００２０】 【実施例】（実施例１及び比較例１）図２に示した鋳造装置を用い、鋳型中にムライトからなる中空粒子を充填し、その上にアルミナからなるクロスを載置し、アルミニウム合金融液を注入した後冷却して複合材Ａを作製した。 また、比較のために、鋳型中に前記ムライトからなる中空粒子を同量充填し、アルミニウム合金融液を注入した後、冷却して複合材Ｂを作製した。 【００２１】そして、得られた複合材Ａ，Ｂについてその断面を観察したところ、複合材Ａではほぼ図１に示したようなクロスを含む第１の複合材層と、中空粒子を含む第２の複合材層とが連続して存在しており、しかも第２の複合材層において、中空粒子が金属マトリクッス中にほぼ均一に分散していた。 これに対して複合材Ｂでは、中空粒子が一方の面側に偏在していた。 【００２２】以上本発明に関して詳細に説明してきたが、本発明は上記に挙げた各実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。 例えば、図３に示したような三層構造において、第１の複合材層１及び第２の複合材層をそれぞれ複数層とし、交互に積層してより多層の複合材とすることもできる。 同様に、図４に示したような金属層を含む複合材においても、より多層の構成とすることもできる。 【００２３】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
無機充填材の分散状態に起因する機械的強度のバラツキがなく、従来に比べて格段に高い機械的強度を有する複合材を簡便な方法により製造することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係る複合材の第１の実施形態を示す断面図である。 【図２】本発明に係る複合材の製造に適した鋳造装置の一実施形態を示す概略断面図である。 【図３】本発明に係る複合材の第２の実施形態を示す断面図である。 【図４】本発明に係る複合材の第３の実施形態を示す断面図である。 【符号の説明】 １ 第１の複合材層２ 第２の複合材層３ 金属層１０ 鋳造装置１１ 鋳型１２ 溶融坩堝１３ ヒータ２０ 無機中空粒子３０ 無機繊維クロス（又はフェルト） ４０ 金属融液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 達也 静岡県裾野市御宿1500 矢崎部品株式会社 内