JP2007507617A - 被注入コンポジットの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、注入金属表面を備えたコンポジット体を製造する方法であって、溶射金属材料層１０が、剥離剤６で被覆されたパターン４、金型または成形面２に塗布８され、その後、コンポジットのバッキング構造１４がこれに続くコンポジット体の製造方法に関するものである。コンポジットのバッキング構造１４は、樹脂注入繊維または類似の充填材によって製造することができる。溶射材料１０およびコンポジットのバッキング構造１４は、パターン４、金型または成形面２から分離されたとき、結果として金属表面注入コンポジット体になる。

Description

本発明は、被注入金属表面（ｉｎｆｕｓｅｄ ｍｅｔａｌ ｓｕｒｆａｃｅ）を有するコンポジット体を製造する方法であって、溶射金属材料層が、剥離剤で被覆されたパターン面、金型面または成形面に塗布され、これにコンポジットのバッキング構造（ｂａｃｋｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が続く製造方法に関するものである。コンポジット支持構造は、樹脂注入繊維または類似の充填材によって製造することができる。この溶射材料およびコンポジット支持構造は、パターン面、金属面または成形面から分離されたとき、結果として金属面注入コンポジット体になる。

金属を噴霧するのに有用な溶射法の例には、アーク・ワイヤ噴霧、フレーム溶射、ＨＶＯＦ、プラズマ溶射、Ｄ−ガン、コールド・スプレー（ガス・ダイナミック）などがある。一般に、金属をコンポジット体に塗布するのに用いられる方法は、真空蒸着、メタルスリーブ、カバーまたは電気めっきを用いて金属（被膜）の層を表面に直接塗布することからなる。これらの方法はすべて局所的なものであり、コンポジット体の外表面に機械的に接着される。本発明は、コンポジット体の製造の際に、噴霧金属材料層が樹脂で含浸または注入される方法に関するものである。

本発明の目的は、金属材料をパターンに、それだけには限らないが好ましくは低耐熱性のパターンに噴霧し、次いで噴霧材料層を繊維で支持（バッキング）し、樹脂を注入し、それによってパターンから分離れたときに、金属表面が注入されたコンポジット体を製造する新規な方法を提供することである。

少なくとも１つの実施例において、本発明は、
所望の形状の輪郭を有するパターンを準備するステップと、
このパターンの少なくとも一部に剥離剤を塗布するステップと、
この剥離剤層の上に溶射材料を塗布するステップと、
この溶射材料層をバッキングすること、およびこの溶射材料層に樹脂を注入することによって、溶射材料層をコンポジット体に組み込むステップと、
剥離剤で被覆されたパターンからコンポジット体を分離して、溶射材料表面注入コンポジット体を製造するステップと
を含む、金属表面化されたコンポジット体を製造する方法に関するものである。

好ましいステップ（ｄ）、およびステップ（ｄ’）で置き換えられたものは、溶射材料層を繊維でバッキングすること、および樹脂を注入することによって、溶射材料層をコンポジット体に組み込むステップである。

剥離剤は、金属などの溶射材料と適合する温度特性および化学特性を有する材料であって、パターンの表面輪郭およびディテールを、特に低耐熱性の基体を変形させない材料とすべきである。適切な剥離剤は、エポキシ、アクリル、ウレタン、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）などを含む群から選択することができる。適切な溶媒が、粘着性の表面を生成するために使用され得る。好ましい剥離剤は、ポリウレタン、エポキシ類およびポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）である。ほとんどの用途では、剥離剤層の厚さを０．００２５４ｍｍから０．５０８ｍｍ（０．０００１インチから０．０２０インチ）まで、好ましくは０．０１２７ｍｍから０．１２７ｍｍ（０．０００５インチから０．００５インチ）までの間で変えることができる。水ベースの剥離剤を使用するときは、溶媒として水を用いることができる。他の剥離溶液は、剥離剤を弱め、それによってコンポジット体をパターンから分離しやすくする任意の適合化学溶液である。

溶射被覆材料は、ガン−基体間の高い線速度で塗布されることができ、それによって基体に対する熱入力がバランスされ得る。高い線速度によって薄い低応力層が生じる。一般に、線速度は０．５ｍ／秒より高く、あるいは入力率は０．５〜４５ワット／ｍｍ／秒である。基体の耐熱性が低いほど、溶射ガンの線速度が大きくなる。溶射被覆層の厚さは、０．００２５４ｍｍから７６．２ｍｍ（０．０００１インチから３．０インチ）まで、好ましくは０．１２７ｍｍから３．１８ｍｍ（０．００５インチから０．１２５インチ）までとすることができる。溶射層の材料は金属であることが好ましく、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、インバー、クロム、タングステン、アルミニウム、亜鉛、それらの合金および化合物を含む群から選択することができる。

好ましい用途では、剥離剤材料は、金属スプレーをパターンに十分接着させ且つ固定する良好な密着特性を有するが、剥離剤を分解する化学薬品によって、またはコンポジット注入溶射材料体からパターンを分離するのに適した力によって、剥離可能なものとすべきである。例えば、完成後の金属表面注入コンポジット体は、ツール、航空部品、自動車部品、電気部品、レクリエーション部品、家庭用品、または摩耗、浸食、腐食、電流、電磁場などにさらされる任意のコンポジット部品を含む群から選択される。

本質的には、粉末またはワイヤにされ得る任意の金属や合金のほとんどを溶射することができ、これには鋼、ステンレス鋼、ニッケル、インバー、クロム、タングステン、アルミニウム、亜鉛、それらの合金および化合物が含まれる。溶射材料は、好ましくは金属基セラミックコンポジット材料である。

溶射パラメータは、パターン面に高密度の溶射材料層を生成し、材料の厚さが増加するとより多孔性の高い層を生成するように、変えることが可能である。好ましくは、例えば層の厚さの約５％から約５０％までの外側材料層は、約５から約９５パーセントまで、好ましくは約２５から約７５パーセントまでの多孔性を有することができ、例えば層の厚さの約５％から約５０％までのパターン表面のところの内側層部分は、約９９．９〜約９５パーセントの理論密度を有することができる。いくつかの用途では、被着金属層全体を、高い多孔性のもの、または５％超、好ましくは約２５％から約７５％までの多孔性のものとすることができる。他の用途では、コンポジット注入体をパターンから分離するとき、初期緻密層が硬い外表面を生成するであろう。

被着外側金属表面の多孔部分に樹脂を注入または含浸させるためには、樹脂材料の一部が被着多孔質表面の孔に押し込まれるように、樹脂材料に圧力を加える力が必要である。含浸に必要な力は、真空式供給源、機械式供給源、液圧式供給源などからの圧力とすることができる。好ましくは、外側の多孔性溶射材料に接触する樹脂および繊維を真空にさらすことが可能であり、真空中では、少なくとも樹脂の一部が力によって多孔性の溶射材料表面の孔に注入され、それによって被着溶射金属層に樹脂を注入させる。このプロセスでは、樹脂、炭素繊維、ガラス繊維、ナイロン繊維、プレプレグ材料、および他の種類の繊維、織物および樹脂を用いることができる。

以下、添付図面を参照して本発明を説明する。

図に示すように、この方法の基本的なステップは、以下のステップを含む。

（１）パターン４の適切な金型表面、成形表面、またはパターン表面２を準備すること。そのために、金属表面注入コンポジット体の正確な複製品が必要とされる。パターン４は、木材などの低耐熱性材料とすることができる。表面上の欠陥が最終的なコンポジット体に再現されるため、必要な場合には、パターン表面２から、すべてのワックス、油、指紋および他の異物が完全に除去されなければならない。多くの場合、汚染は、噴霧金属がその噴霧の初期段階で接着することを妨げる。場合によっては、コンポジット体を剥離しやすいように、パターン表面２のシーリングが必要になることがある。

（２）パターン表面２に剥離剤６が塗布される。これは、噴霧金属の最初の被膜が密着することを保証するため、および完成後に金属表面注入コンポジット体を取り外しやすくするために必要である。この用途には、ポリ酢酸ビニルが最も満足のいくものであることが分かっている。剥離剤は、噴霧金属に適合した適当な温度特性および化学特性を有し、また表面の細部を劇的に変形させないものでなければならない。均一な薄膜を生成するために、ポリ酢酸ビニルを注意深く塗布すべきである。用途によっては、ポリ酢酸ビニルを暖めることによって表面ディテールを向上することができ、また微小規模で剥離剤を圧縮して表面ディテールの忠実な複製を保証することができる。

（３）ポリ酢酸ビニルを数分間乾燥させ、次いで、ステンレス鋼材料１０などの噴霧材料８の塗布を適用する。初期材料被着物は、緻密層を生成するために塗布されることができ、その後、次の材料被着物が、多孔性の外表面層を生成するために塗布されることができる。ワイヤ・アーク溶射プロセスのための溶射材料は通常、１２０アンペア（４．５ｋｇ／ｈｒ／ガン（１０ｌｂｓ／ｈｒ／ガン））のスプレー速度で達成されることができ、表面６の全体が被覆されることを保証するように注意が払われる。噴霧材料が適切な厚さに達しさえすれば、噴霧する表面のサイズ、噴霧材料の種類、および多孔性の範囲に応じて、スプレー速度を１３．６ｋｇ／時／ガン（３０ｌｂｓ／時／ガン）まで高めることができる。いかなる場合でも、溶射プロセス全体を通じて、表面が過熱しないことを保証するように注意しなければならない。小さいパターンでは過熱をなくすために、圧縮空気または他の気体をその部分に吹き付けて冷却を助ける。一般に、０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）の金属の厚さ、または他の所定の厚さが得られるまで、噴霧が継続される。場合によって、強度または切削代を増大するために、最大６．３５ｍｍ（０．２５インチ）の厚さまで諸成分が噴霧される。レイアップ・プロセスを用いて、繊維および樹脂１４を噴霧被着層に適用することができる。必要であれば、加熱用または冷却用の管、補強物などを繊維／樹脂に組み込むこともできる。図示していないが、２−６−１０−１４の組立体を真空にさらすことができ、それによって樹脂１４の一部を噴霧材料層１０の多孔部分に押し込むこともできる。機械的圧力または他の方法を用いて、樹脂材料１４を多孔金属層１０に注入することもできる。注入に真空プロセスを用いるときには、コンポジット体の外周部周辺にシール・デバイスまたはシール表面１２が必要である。次いで、樹脂１４を養生させること、および／または硬化させることができる。剥離剤６によって金属表面含浸コンポジット体２〜１０からパターンを分離すること、およびコンポジット体を取り外すことにより、自立構造の金属表面注入コンポジット体を生成する。用途によっては、コンポジット体の外表面を清浄化して、剥離剤および他の汚染物質を除去することができる。また、パターン表面を完全に清浄化し、次いで他の金属表面注入コンポジット体を製造するために再利用することができる。

開示した方法の他の変形形態も、添付する本発明の特許請求の範囲内である。先に述べたように、本明細書では本発明の詳細な実施例を開示しているが、この開示した実施例は、様々な形で具体化が可能な本発明を例示するものに過ぎないことを理解されたい。

金属表面含浸コンポジット体の製造方法を示す概略図である。 金属表面含浸コンポジット体の製造方法を示す概略図である。 金属表面含浸コンポジット体の製造方法を示す概略図である。 金属表面含浸コンポジット体の製造方法を示す概略図である。 金属表面含浸コンポジット体の製造方法を示す概略図である。 金属表面含浸コンポジット体の製造方法を示す概略図である。

Claims (10)

1. 金属表面が注入または含浸されたコンポジット体を製造する方法であって、
   （ａ）所望の形状の輪郭を有するパターンを準備するステップと、
   （ｂ）前記パターンの少なくとも一部に剥離剤を塗布するステップと、
   （ｃ）前記剥離剤層に溶射材料を塗布するステップと、
   （ｄ）前記溶射材料層をバッキングすること、および前記溶射材料層に樹脂を注入することによって、前記溶射材料層をコンポジット体に組み込むステップと、
   （ｅ）前記剥離剤で被覆されたパターンから、含浸コンポジット被覆溶射材料を分離して、溶射材料表面注入コンポジット体を製造するステップと
   を含む方法。
2. ステップ（ｄ）が、前記溶射材料層を繊維でバッキングすること、および樹脂を注入することによって、前記溶射材料層をコンポジット体に組み込むことを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記溶射材料が、金属、または金属基セラミックコンポジット材料である請求項１に記載の方法。
4. 前記金属が、鋼、ステンレス鋼、銅、スズ、ニッケル、インバー、クロム、タングステン、アルミニウム、亜鉛、それらの合金、およびそれらの化合物を含む群から選択され、前記剥離剤が、エポキシ、ウレタン、アクリル、およびポリ酢酸ビニルを含む群から選択され、前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、およびナイロン繊維を含む群から選択され、前記樹脂が、エポキシ材料またはプレプレグ材料を含む群から選択される請求項２および請求項３に記載の方法。
5. ステップ（ｃ）において、金属および擬合金を含む群から選択される前記溶射材料の層を少なくとも１つ、前記剥離層の上に塗布することを含む請求項１に記載の方法。
6. 前記溶射金属層の厚さが０．００２５４から約７６．２ｍｍ（０．０００１から約３インチ）であり、ステップ（ｂ）における前記剥離剤が約０．００２５４から約０．５０８ｍｍ（約０．０００１から約０．０２０インチ）の厚さまで被着される請求項１および請求項３に記載の方法。
7. ステップ（ｃ）における前記溶射材料の初期部分が、少なくとも９５％の理論密度である緻密内部層部分を生成するように塗布され、ステップ（ｃ）における前記溶射材料層全体が、約５％から約７５％までの多孔性を有している請求項１に記載の方法。
8. ステップ（ｃ）が、前記パターン周縁部をシールで囲むこと、ならびに繊維材料および樹脂材料を、前記周縁シール内および前記溶射材料層上に分散させることをさらに含む請求項１に記載の方法。
9. ステップ（ｄ）において、前記被着材料の少なくとも外側部分への前記樹脂の含浸または注入が、真空力、機械力または液圧力によって実施される請求項１に記載の方法。
10. ステップ（ｅ）が、汚染をパターンから除去すること、およびステップ（ａ）から、汚染をパターンから除去する前記ステップまでのすべてのステップを少なくとも１度繰り返すことをさらに含む請求項１に記載の方法。
    

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