JP5965074B2 - 加圧含浸用金型 - Google Patents

Description

本発明は、加圧含浸用金型に係り、特に、被含浸体に溶融含浸剤を加圧含浸させて被含浸体基材の複合材料を製造するとき、被含浸体の位置や姿勢が変動されることを極力抑えることのできる加圧含浸用金型に関する。

半導体をはじめとする様々な分野において熱伝導率、熱膨張係数および強度などを相手部品と合わせて製品全体の性能と耐久性を向上させる目的で、金属−セラミック、金属−炭素、樹脂−樹脂、ピッチ−繊維などの複合素材が開発されている。このような複合素材を製造する方法のうち、被含浸体に溶融含浸剤を加圧含浸させて複合素材を製造する加圧含浸法がある。

半導体素子やＬＥＤの放熱のために、炭素基材アルミニウム複合材料が用いられる場合があるが、このような炭素基材アルミニウム複合材料が加圧含浸法により製造可能である。もちろん、これに加えて、炭素基材アルミニウム複合材料は、様々な用途に用いられる。

図１は、炭素基材アルミニウム複合材料の製造に用いられる従来の加圧含浸用金型を説明するための図である。図１を参照して炭素基材アルミニウム複合材料の製造方法を説明すると、金型１０内に被含浸体３０として所定の空隙率を有する炭素成形体または炭素焼成体を装入した後、溶融含浸剤４０として溶融アルミニウム合金を金型１０内に注入する。また、金型１０の入口を加圧パンチ２０で押すと、加圧パンチ２０による加圧力によって被含浸体３０の空隙内に溶融含浸剤４０が含浸されて被含浸体３０基材の複合材料である炭素基材アルミニウム複合材料が得られる。

このとき、加圧含浸を行う過程において、図２に示すように、いくつかの問題が発生する。

まず、第一に、図２（ａ）に示すように、溶融含浸剤４０を金型１０に注入する過程において被含浸体３０に側圧が発生して被含浸体３０が不意に横に押される現象が発生する。このような側圧は、溶融含浸剤４０が金型１０に注入されるとき、溶融含浸剤４０の落下衝撃によって発生する場合もあり、溶融含浸剤４０が注入される個所とそうではない個所との間における溶湯の液面の高さ差により発生する場合もある。

第二に、図２（ｂ）に示すように、被含浸体３０と溶融含浸剤４０との間の比重差により発生する浮力により被含浸体３０が不意に浮き上がる現象が発生する。溶融含浸剤４０として用いられる溶融アルミニウム合金が被含浸体３０である炭素成形体または炭素焼成体よりも大きい比重を有するためこのような現象が発生するのである。

特に、図２（ｃ）に示すように、被含浸体３０を保護するために被含浸体３０を保護膜５０で取り囲む場合にこのような浮力の影響が顕著に目立つ。

加圧含浸を行う前に被含浸体３０である炭素成形体を約３００〜９５０℃の範囲において予熱する過程を経るが、このように予熱が行われた炭素成形体を金型１０内に移動させる過程において炭素成形体に酸素が当たると、炭素成形体が不意に酸化されてしまう問題が発生し、しかも、金型１０内に移動させる過程において熱が炭素成形体から抜け出てしまう問題も発生するため、このような問題を解決するために、被含浸体３０を保護膜５０で取り囲むのである。保護膜５０は、当然のことながら、溶融含浸剤４０が通過可能なように微細貫通孔を有する材質により形成される。

上述したように、従来の場合には、加圧含浸に際して被含浸体３０に側圧および浮力が複合的に働いて被含浸体３０の位置および姿勢が変動されるという問題が発生する。特に、浮力により被含浸体３０が浮き上がっている状態であるため、被含浸体３０の移動方向および姿勢の変動が予測できないほどに不規則的であるという点で問題が一層深刻である。金型１０は、金属など不透明な材質により形成されるため、被含浸体３０のこのような位置および姿勢の変動に作業者は気づき難い。

通常、加圧含浸が終わると、被含浸体３０を金型１０から取り出して不要な部分を切り出す過程を経るが、上述したように、加圧含浸中に被含浸体３０の位置および姿勢が変動されれば、加圧含浸過程後にどのような部位を不要な部分として切り出さなければならないかが判断し難くなる。実際に用いられるべき部分が切り出されてしまう場合には生産歩留まりが低下され、むしろ切り出されるべき部分が複合材料として用いられる場合には製品の品質に対する信頼性が低下してしまう。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、加圧含浸の過程において被含浸体が側圧または浮力により移動されることを防ぐことにより、生産歩留まりの向上および複合材料の精度よい製造を図ることのできる加圧含浸用金型を提供することである。

前記課題を解決するための本発明に係る加圧含浸用金型は、被含浸体および溶融含浸剤を収容するように内部が中空であり、入口を有する金型と、前記入口に嵌め込まれて前記金型の内部に加圧力を与えるように設けられる加圧パンチと、前記被含浸体の移動が制限されるように前記金型内に設けられ、前記被含浸体が内部に収容され、前記溶融含浸剤が前記被含浸体に向かって流れ込むように箱の面に複数の貫通孔が形成された空き箱状の、移動制限手段と、前記移動制限手段の移動が制限されるように前記金型の内側壁に内方へ突出するように変動抑制手段と、を備えることを特徴とする。

前記金型の底面に貫通孔が形成され、前記貫通孔を閉塞するように前記金型の底面に下部ブロックが挿脱自在に設けられ、前記金型の入口は前記金型の天面に設けられ、前記移動制限手段は前記下部ブロックに固設されることがより好ましい。

前記移動制限手段を取り囲むように保護膜が設けられ、前記溶融含浸剤が前記保護膜を通過して前記移動制限手段に向かって流れ込むように、前記保護膜は、前記溶融含浸剤が通過可能な貫通孔を有することがより好ましい。

前記移動制限手段が前記溶融含浸剤よりも大きな比重を有する材質により形成されることがより好ましい。

前記変動抑制手段が前記加圧パンチから下に突出するようにさらに設けられることがより好ましい。

前記被含浸体が前記移動制限手段内において動かないように前記移動制限手段と前記被含浸体との間の隙間に固定片が嵌め込まれることがより好ましい。

本発明によれば、被含浸体に溶融含浸剤を加圧含浸させる過程において被含浸体が側圧および浮力の影響を受けて位置や姿勢が変動されることが極力抑えられるので生産歩留まりが向上し、且つ、複合材料の精度よい製造を図ることが可能になる。

図１は、炭素基材アルミニウム複合材料の製造に用いられる従来の加圧含浸用金型を説明するための図である。 図２ａは、従来の加圧含浸用金型の問題を説明するための図である。 図２ｂは、従来の加圧含浸用金型の問題を説明するための図である。 図２ｃは、従来の加圧含浸用金型の問題を説明するための図である。 図３は、本発明に係る加圧含浸用金型を説明するための図である。 図４は、被含浸体1３０に移動制限手段１６０および保護膜１５０が設けられる過程を説明するための図である。 図５は、被含浸体１３０が移動制限手段１６０に収納された状態を上から見下ろした図である。

１０、１１０：金型
２０、１２０：加圧パンチ
１１５、１２５：変動抑制手段
３０、１３０：被含浸体
４０、１４０：溶融含浸剤
５０、１５０：保護膜
１６０：移動制限手段
１６５：固定片
１７０：下部ブロック

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。下記の実施形態は、本発明の内容を理解するために提示されたものに過ぎず、当分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内において多くの変形が可能であるということは理解できるであろう。よって、本発明の権利範囲がこのような実施形態に限定されるものと解釈されてはならない。

図３は、本発明に係る加圧含浸用金型を説明するための図である。図３を参照すると、金型１１０は、被含浸体１３０および溶融含浸剤１４０が収容されるように内部が中空であり、入口には加圧パンチ１２０が嵌め込まれる。金型１１０に被含浸体１３０を装入し、溶融含浸剤１４０を注入した後に、加圧パンチ１２０で押すと、その加圧力により溶融含浸剤１４０が被含浸体１３０の空隙に浸透する。

被含浸体１３０としては、炭素粉末および炭素ブロックなどが使用可能であり、このとき、炭素ブロックとは、空隙を有するように炭素粉末を用いてバルク状に製造された炭素成形体または炭素焼成体をいう。溶融含浸剤１４０としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などが溶融されたものが使用可能である。

このような加圧含浸過程において、上述したように、溶融含浸剤１４０により被含浸体１３０に側圧および浮力が発生して被含浸体１３０の位置や姿勢が変動され易い。これを防ぐために、ボックス状の移動制限手段１６０を設けてその内部空間に被含浸体１３０を収容するのである。

すると、被含浸体１３０が金型１１０よりも小さい移動制限手段１６０の内部においてしか移動できないため、被含浸体１３０の位置変動量がかなり減り、被含浸体１３０の姿勢はほとんど変化しなくなる。被含浸体１３０が移動制限手段１６０内においても動かないように、図５に示すように、被含浸体１３０と移動制限手段１６０と被含浸体１３０との間の隙間に固定片１６５を嵌め込むことが好ましい。

図５は、被含浸体１３０が移動制限手段１６０に収納された状態を上から見下ろした図である。固定片１６５としては、被含浸体１３０が炭素ブロックである場合、被含浸体１３０に汚染が発生しないように黒鉛プレートを用いることが好ましい。図５の場合、移動制限手段１６０が六面体である場合を想定して示すものであるが、移動制限手段１６０はこれに何ら限定されるものではなく、筒状やその他の様々な形状であってもよい。

移動制限手段１６０を設けると、移動制限手段１６０が被含浸体１３０よりも大きいため、被含浸体１３０が金型１１０内において移動する従来の場合に比べて移動制限手段１６０が金型１１０内において移動する場合の方が空間的にさらに大きな制約を受けて移動制限手段１６０の位置や姿勢の変動が激しく起こらない。

このため、移動制限手段１６０を設けることにより、従来の問題点である被含浸体１３０の位置および姿勢の変動を大幅に低減することが可能になる。もちろん、溶融含浸剤１４０が被含浸体１３０に流れ込むように移動制限手段１６０をなす前記ボックスの面に複数の貫通孔が形成されることが好ましい。

移動制限手段１６０が側圧および浮力により動かないように、移動制限手段１６０は、重い材質、特に、溶融含浸剤１４０よりも大きい比重を有する材質により形成されることが好ましい。

保護膜１５０は移動制限手段１６０を取り囲むように設けられ、溶融含浸剤１４０が保護膜１５０を通過して移動制限手段１６０に流れ込むように溶融含浸剤が通過可能な微細貫通孔が保護膜１５０に形成される。図４は、被含浸体１３０に移動制限手段１６０および保護膜１５０が設けられる過程を示すものである。

加圧含浸を行う前に被含浸体１３０を予熱する過程を経る。例えば、被含浸体１３０が炭素成形体である場合、３００〜９５０℃の温度範囲において予熱する過程を経る。このとき、予熱が行われた被含浸体１３０を金型１１０内に移動させる過程において、被含浸体１３０が酸素に露出されれば、被含浸体１３０が不意に酸化されてしまうという問題が発生し、且つ、被含浸体１３０を金型１１０内に移動させる過程において熱が被含浸体１３０から抜け出てしまう問題が発生するため、これを防ぐために保護膜１５０を設けるのである。

このように保護膜１５０を設けると、浮力による影響が低減されて移動制限手段１６０が重い場合であっても側圧および浮力により移動制限手段１６０の位置および姿勢が変動される虞があるため、これを防ぐために、移動制限手段１６０は金型１１０に固設されることが好ましい。このとき、移動制限手段１６０は、下部ブロック１７０に溶接などにより固設されることが好ましい。

下部ブロック１７０は、金型１１０の入口に対向するように、金型１１０の底面に形成された貫通孔に挿脱自在に設けられる。下部ブロック１７０は、加圧含浸過程が終わった後に移動制限手段１６０を押し上げるためのものであり、このような動作により移動制限手段１６０が金型１１０の外部に搬出される。

移動制限手段１６０の位置や姿勢の変動をさらに防ぐために、金型１１０の内壁および上壁に内方へ突出する変動抑制手段１１５、１２５を設けることが好ましい。ここで、金型１１０の上壁とは、加圧パンチ１２０の底面を意味する。

上述したように、本発明によれば、被含浸体１３０に溶融含浸剤１４０を加圧含浸させる過程において被含浸体１３０が側圧および浮力の影響を受けて位置や姿勢が変動されることが極力抑えられるので生産歩留まりが向上し、且つ、複合材料の精度よい製造を図ることが可能になる。

本発明の加圧含浸用金型は、半導体をはじめとする様々な分野において、金属−セラミック、金属−炭素、樹脂−樹脂、ピッチ−繊維などの複合素材を製造するときに好適に使用可能であり、これにより、複合素材の生産歩留まりを画期的に向上させることが期待される。

Claims (6)

1. 被含浸体および溶融含浸剤を収容するように内部が中空であり、入口を有する金型と、
   前記入口に嵌め込まれて前記金型の内部に加圧力を与えるように設けられる加圧パンチと、
   前記被含浸体の移動が制限されるように前記金型内に設けられ、前記被含浸体が内部に収容され、前記溶融含浸剤が前記被含浸体に向かって流れ込むように箱の面に複数の貫通孔が形成された空き箱状の、移動制限手段と、
   前記移動制限手段の移動が制限されるように前記金型の内側壁に内方へ突出するように変動抑制手段と、
   を備えることを特徴とする加圧含浸用金型。
2. 前記金型の底面に貫通孔が形成され、前記貫通孔を閉塞するように前記金型の底面に下部ブロックが挿脱自在に設けられ、前記金型の入口は前記金型の天面に設けられ、前記移動制限手段は前記下部ブロックに固設されることを特徴とする請求項１に記載の加圧含浸用金型。
3. 前記移動制限手段を取り囲むように保護膜が設けられ、前記溶融含浸剤が前記保護膜を通過して前記移動制限手段に向かって流れ込むように、前記保護膜は、前記溶融含浸剤が通過可能な貫通孔を有することを特徴とする請求項1に記載の加圧含浸用金型。
4. 前記移動制限手段が前記溶融含浸剤よりも大きな比重を有する材質により形成されることを特徴とする請求項１に記載の加圧含浸用金型。
5. 前記変動抑制手段が前記加圧パンチから下に突出するようにさらに設けられることを特徴とする請求項1に記載の加圧含浸用金型。
6. 前記被含浸体が前記移動制限手段内において動かないように前記移動制限手段と前記被含浸体との間の隙間に固定片が嵌め込まれることを特徴とする請求項1に記載の加圧含浸用金型。

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