JP2013199011A - Wear resistant and heat resistant fiber-reinforced composite material and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般に、炭素繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック等の繊維強化複合材に関し、特に、表面にセラミックス、サーメット、金属等が溶射された耐摩耗性に優れたロール材、板材などの構造体として使用される耐摩耗性、耐熱性を有し、更には、表面平滑性を有した繊維強化複合材及びその製造方法に関するものである。 The present invention generally relates to fiber reinforced composite materials such as carbon fiber reinforced plastics and aramid fiber reinforced plastics, and in particular, structures such as roll materials and plate materials having excellent wear resistance in which ceramics, cermets, metals, etc. are sprayed on the surface. The present invention relates to a fiber-reinforced composite material having wear resistance and heat resistance used as a body, and further having surface smoothness, and a method for producing the same.
従来、炭素繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック等の繊維強化複合材にてロール材、板材などの構造体を作製することが行われているが、特に、これら繊維強化複合材で作製された構造体の表面の耐摩耗性、耐熱性を向上させるために、表面にセラミックス、サーメット、金属等を溶射することが提案されている。 Conventionally, a structure such as a roll material or a plate material has been manufactured using a fiber reinforced composite material such as carbon fiber reinforced plastic or aramid fiber reinforced plastic, and in particular, a structure manufactured using these fiber reinforced composite materials. In order to improve the wear resistance and heat resistance of the body surface, it has been proposed to thermally spray ceramics, cermet, metal, etc. on the surface.
特許文献1は、プラスチックや繊維強化プラスチックのロール表面に有機高分子材料と無機質材料とから成るアンダーコート層を設け、その上にセラミックスを溶射してセラミックス皮膜を形成した耐摩耗性、表面平滑性に優れたローラーを記載している。 Patent Document 1 discloses wear resistance and surface smoothness in which an undercoat layer made of an organic polymer material and an inorganic material is provided on the surface of a roll of plastic or fiber reinforced plastic, and a ceramic film is formed thereon by spraying ceramics. Describes an excellent roller.
また、特許文献2は、繊維強化プラスチック基材の表面に、基材の樹脂と同種の樹脂とセラミックス粒子の混合物を中間層として設け、トップコートとして炭化物サーメットから成る溶射皮膜層を設けた構成の耐摩耗性等の表面特性に優れたプラスチック基複合材料を記載している。
Further,
しかしながら、上記特許文献に記載されるローラー、プラスチック基複合材料は、その製造に際して、繊維強化プラスチックを成型するのに加熱(焼付け)が必要なのに加えて、アンダーコート層(特許文献1)或いは中間層(特許文献2)を形成するのに再度加熱(焼付け)することが必要であり、溶射に至るまでに複数の工程が必要とされる。また、少なくとも二度の加熱(焼付け)が必須であり、エネルギーコストがかかり、コスト高となっている。 However, the rollers and plastic matrix composite materials described in the above-mentioned patent documents require heating (baking) to mold the fiber reinforced plastic in the production thereof, and in addition, an undercoat layer (Patent Document 1) or an intermediate layer In order to form (patent document 2), it is necessary to heat (baking) again, and a plurality of steps are required until thermal spraying is performed. In addition, at least twice heating (baking) is essential, which requires high energy costs and high costs.
そこで、本件特許出願人は、特許文献3に記載するように、繊維強化プラスチックロール、板材などとして使用し得る耐摩耗性の繊維強化複合材を提案した。本願添付の図2(a)、(b)、(c)を参照して説明すると、耐摩耗性の繊維強化複合材1は、繊維強化プラスチック基材層2と、繊維強化プラスチック基材層2の表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層3と、ガラス繊維強化プラスチック層3の表層に溶射により被覆された溶射皮膜層4とを有する構成とされる。
Accordingly, as described in
特許文献3に記載する繊維強化複合材1は、繊維強化プラスチック基材2の表層にガラス繊維強化プラスチック層3を積層し、基材となる繊維強化プラスチックの成形時に同時に加熱硬化させ、表層にガラス繊維強化プラスチック層3を形成し、その後、ブラスト処理してから溶射を行うことで、上記特許文献1、2に記載するようなアンダーコート層、或いは、セラミックス粒子が食い込んだトップコート層を設けることなく、良好な接着強度を有する溶射皮膜層4を形成することができる。
A fiber reinforced composite material 1 described in
上記特許文献3に記載する繊維強化複合材1は、表面層として良好な接着強度を有する溶射皮膜層4が形成された耐摩耗性、耐熱性に優れたものである。
The fiber reinforced composite material 1 described in
本発明者らは、上記繊維強化複合材1の耐摩耗性、耐熱性、更には、表面平滑性を改良するべく多くの研究実験を行った結果、繊維強化複合材1のこれら特性は、溶射皮膜層4の「気孔率」と大きく関係していることを見出した。 As a result of conducting many research experiments to improve the wear resistance, heat resistance, and surface smoothness of the fiber reinforced composite material 1, these properties of the fiber reinforced composite material 1 are It has been found that this is largely related to the “porosity” of the coating layer 4.
本願明細書、特許請求の範囲にて「気孔率」とは、「溶射工学便覧」(日本溶射協会2010年1月出版第600頁)に記載の画像処理による気孔率の測定に基づいて行い気孔率を算出した。即ち、鏡面研磨した試料断面を光学顕微鏡により観察し、画像を2値化処理し、黒色領域の全体に占める面積の割合から気孔率を算出した。 In the present specification and claims, “porosity” refers to pores measured based on the measurement of porosity by image processing described in “Thermal Spray Engineering Handbook” (page 600, published in January 2010). The rate was calculated. That is, the mirror-polished sample cross section was observed with an optical microscope, the image was binarized, and the porosity was calculated from the ratio of the area in the entire black region.
つまり、繊維強化複合材1の溶射皮膜層の気孔率を制御することにより、繊維強化複合材1の耐摩耗性、耐熱性、更には、スーパーフィニッシュ研磨(以下、「SF研磨」という。)仕上げ加工により表面平滑性が飛躍的に増大し、安定した品質の繊維強化複合材を提供し得ることを見出した。 That is, by controlling the porosity of the sprayed coating layer of the fiber reinforced composite material 1, the abrasion resistance and heat resistance of the fiber reinforced composite material 1, and also superfinish polishing (hereinafter referred to as “SF polishing”) finish. It has been found that surface smoothness can be dramatically increased by processing, and a fiber-reinforced composite material with stable quality can be provided.
本発明は、斯かる本発明者らの新規な知見に基づくものである。 The present invention is based on such novel findings of the present inventors.
本発明の目的は、アンダーコート層、或いは、セラミックス粒子が食い込んだトップコート層を設けることなく、良好な接着強度を有する溶射皮膜が形成された耐摩耗性、耐熱性、更には、表面平滑性に優れた繊維強化複合材及びその製造方法を提供することである。 The object of the present invention is to provide a wear resistance, a heat resistance, and a surface smoothness in which a thermal spray coating having a good adhesive strength is formed without providing an undercoat layer or a topcoat layer in which ceramic particles are eroded. It is providing the fiber reinforced composite material excellent in the, and its manufacturing method.
本発明の他の目的は、特に、溶射皮膜が形成された耐摩耗性、耐熱性、更には表面平滑性に優れたロール状の炭素繊維強化複合材及びその製造方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a roll-shaped carbon fiber reinforced composite material having a particularly excellent abrasion resistance, heat resistance and surface smoothness on which a sprayed coating is formed, and a method for producing the same.
上記目的は本発明に係る溶射皮膜を有する耐摩耗性、耐熱性の繊維強化複合材及びその製造方法にて達成される。要約すれば、第1の本発明は、最外層に溶射皮膜層を有する耐摩耗性、耐熱性の繊維強化複合材であって、
繊維強化プラスチック基材層と、前記繊維強化プラスチック基材層の表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層と、前記ガラス繊維強化プラスチック層の表層に溶射により被覆された溶射皮膜層とを有し、
前記溶射皮膜層は、前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に溶射により被覆された下部溶射皮膜層と、前記下部溶射皮膜層の表面に溶射により被覆され、前記繊維強化複合材の表面層を形成する上部溶射皮膜層とを有し、前記下部溶射皮膜層の気孔率は、前記上部溶射皮膜層の気孔率より大とされる、
ことを特徴とする耐摩耗性、耐熱性の繊維強化複合材である。
The above object is achieved by the wear-resistant and heat-resistant fiber-reinforced composite material having the thermal spray coating according to the present invention and the method for producing the same. In summary, the first aspect of the present invention is a wear-resistant, heat-resistant fiber-reinforced composite material having a thermal spray coating layer as an outermost layer,
A fiber reinforced plastic base layer, a glass fiber reinforced plastic layer laminated on the surface of the fiber reinforced plastic base layer, and a thermal spray coating layer coated on the surface of the glass fiber reinforced plastic layer by thermal spraying,
The thermal spray coating layer is formed by coating the surface of the glass fiber reinforced plastic layer by thermal spraying and the surface of the lower thermal spray coating layer by thermal spraying to form a surface layer of the fiber reinforced composite material. An upper thermal spray coating layer, and the porosity of the lower thermal spray coating layer is greater than the porosity of the upper thermal spray coating layer,
This is a wear-resistant and heat-resistant fiber-reinforced composite material.
第1の本発明にて、一実施態様によれば、前記下部溶射皮膜層の気孔率は10%以上、30%以下であり、前記上部溶射皮膜層の気孔率は1%以上、10%未満とされる。 In the first aspect of the present invention, according to one embodiment, the porosity of the lower spray coating layer is 10% or more and 30% or less, and the porosity of the upper spray coating layer is 1% or more and less than 10%. It is said.
第1の本発明にて、他の実施態様によれば、前記下部溶射皮膜層を形成するための溶射材料は、線膨張係数が3×10-6〜12×10-6(1/℃)である。 In the first aspect of the present invention, according to another embodiment, the thermal spray material for forming the lower thermal spray coating layer has a linear expansion coefficient of 3 × 10 −6 to 12 × 10 −6 (1 / ° C.). It is.
第1の本発明にて、他の実施態様によれば、前記下部溶射皮膜層は、皮膜厚さが0.02〜1.0mmである。 In the first aspect of the present invention, according to another embodiment, the lower sprayed coating layer has a coating thickness of 0.02 to 1.0 mm.
第1の本発明にて、他の実施態様によれば、前記上部溶射皮膜層は、皮膜厚さが0.03〜1.0mmであり、ビッカース硬度HVが400〜1200、表面の平均粗さRaが0.05〜1.0μmである。 In the first aspect of the present invention, according to another embodiment, the upper sprayed coating layer has a coating thickness of 0.03 to 1.0 mm, a Vickers hardness HV of 400 to 1200, and an average surface roughness. Ra is 0.05-1.0 micrometer.
第1の本発明にて、他の実施態様によれば、前記下部溶射皮膜層及び上部溶射皮膜層を形成する溶射材料は、粒状のセラミックス、サーメット又は金属、又はこれらの混合物である。 In the first aspect of the present invention, according to another embodiment, the thermal spray material forming the lower thermal spray coating layer and the upper thermal spray coating layer is granular ceramics, cermet or metal, or a mixture thereof.
第1の本発明にて、他の実施態様によれば、前記繊維強化複合材は、ロール状とされる。また、他の実施態様によれば、前記繊維強化複合材は、平板状とされる。 In the first aspect of the present invention, according to another embodiment, the fiber reinforced composite material is formed in a roll shape. According to another embodiment, the fiber reinforced composite material has a flat plate shape.
第1の本発明にて、他の実施態様によれば、前記繊維強化プラスチック基材層の強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維;ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維;アラミド、PBO(ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール)、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維;が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用され、
前記繊維強化プラスチック基材層及び前記ガラス繊維強化プラスチック層の樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、MMA樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、若しくは、フェノール樹脂、又は、ナイロン若しくはビニロンが使用される。
In the first aspect of the present invention, according to another embodiment, the reinforcing fiber of the fiber-reinforced plastic base layer is an inorganic fiber such as carbon fiber, glass fiber, or basalt fiber; boron fiber, titanium fiber, steel fiber, or the like. Metal fibers; organic fibers such as aramid, PBO (polyparaphenylene benzbisoxazole), polyamide, polyarylate, polyester, etc .;
As the resin of the fiber reinforced plastic base layer and the glass fiber reinforced plastic layer, a room temperature curing or thermosetting epoxy resin, vinyl ester resin, MMA resin, acrylic resin, unsaturated polyester resin, or phenol resin Or nylon or vinylon is used.
第2の本発明は、耐摩耗性、耐熱性のロール状繊維強化複合材の製造方法であって、
(a)マンドレルに、ロール基材となる前記繊維強化プラスチック基材層を形成するために所定の強化繊維を所定の樹脂を用いて巻き付けて基材となる強化繊維層を形成し、引き続いて、前記基材となる強化繊維層の上に、前記ガラス繊維強化プラスチック層を形成するために所定の樹脂を用いてガラス繊維を巻き付けてガラス繊維層を積層する工程、
(b)前記基材となる強化繊維層及び前記ガラス繊維層の樹脂を同時に加熱硬化させる工程、
(c)前記ガラス繊維層の樹脂が硬化して形成された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面を粗面化処理する工程、
(d)前記粗面化処理された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に所定の溶射材料を溶射して下部溶射皮膜層を形成する工程、
(e)前記下部溶射皮膜層の表面に所定の溶射材料を溶射して、気孔率が、前記下部溶射皮膜層の気孔率より小さくなるようにして上部溶射皮膜層を形成する工程、
を有することを特徴とする耐摩耗性、耐熱性のロール状繊維強化複合材の製造方法である。
The second aspect of the present invention is a method for producing a wear-resistant, heat-resistant roll-shaped fiber reinforced composite material,
(A) In order to form the fiber reinforced plastic base material layer to be a roll base material on a mandrel, a predetermined reinforcing fiber is wound using a predetermined resin to form a reinforcing fiber layer to be a base material, and subsequently, A step of laminating a glass fiber layer by winding a glass fiber using a predetermined resin to form the glass fiber reinforced plastic layer on the reinforcing fiber layer to be the base material,
(B) a step of simultaneously heat-curing the resin of the reinforcing fiber layer and the glass fiber layer as the base material,
(C) a step of roughening the surface of the glass fiber reinforced plastic layer formed by curing the resin of the glass fiber layer;
(D) a step of spraying a predetermined thermal spray material on the surface of the roughened glass fiber reinforced plastic layer to form a lower thermal spray coating layer;
(E) a step of spraying a predetermined thermal spray material on the surface of the lower thermal spray coating layer to form an upper thermal spray coating layer so that the porosity is smaller than the porosity of the lower thermal spray coating layer;
A method for producing a wear-resistant, heat-resistant roll-shaped fiber reinforced composite material characterized by comprising:
第2の本発明にて、一実施態様によれば、前記基材となる強化繊維層の強化繊維は、炭素繊維である。 In the second aspect of the present invention, according to one embodiment, the reinforcing fibers of the reinforcing fiber layer serving as the base material are carbon fibers.
第2の本発明にて、他の実施態様によれば、前記工程(a)にて、前記ガラス繊維は、前記マンドレルに同一の角度方向で巻き付ける。 In the second aspect of the present invention, according to another embodiment, in the step (a), the glass fiber is wound around the mandrel in the same angular direction.
第3の本発明は、耐摩耗性、耐熱性のロール状繊維強化複合材の製造方法であって、
(a)マンドレルに、ロール基材となる前記繊維強化プラスチック基材層を形成するための所定の強化繊維を使用した基材となるプリプレグを巻き付け、引き続いて、前記基材となるプリプレグの上に、前記ガラス繊維強化プラスチック層を形成するためのガラス繊維プリプレグを巻き付けて積層する工程、
(b)前記基材となるプリプレグ及び前記ガラス繊維プリプレグの樹脂を同時に加熱硬化させる工程、
(c)前記ガラス繊維プリプレグが硬化して形成された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面を粗面化処理する工程、
(d)前記粗面化処理された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に所定の溶射材料を溶射して下部溶射皮膜層を形成する工程、
(e)前記下部溶射皮膜層の表面に所定の溶射材料を溶射して、気孔率が、前記下部溶射皮膜層の気孔率より小さくなるようにして上部溶射皮膜層を形成する工程、
を有することを特徴とする耐摩耗性、耐熱性のロール状繊維強化複合材の製造方法である。
The third aspect of the present invention is a method for producing a wear-resistant, heat-resistant roll-shaped fiber reinforced composite material,
(A) A prepreg to be a base material using a predetermined reinforcing fiber for forming the fiber reinforced plastic base material layer to be a roll base material is wound around a mandrel, and subsequently, on the prepreg to be the base material A step of winding and laminating a glass fiber prepreg for forming the glass fiber reinforced plastic layer,
(B) a step of simultaneously heat-curing the resin of the prepreg serving as the substrate and the glass fiber prepreg,
(C) a step of roughening the surface of the glass fiber reinforced plastic layer formed by curing the glass fiber prepreg;
(D) a step of spraying a predetermined thermal spray material on the surface of the roughened glass fiber reinforced plastic layer to form a lower thermal spray coating layer;
(E) a step of spraying a predetermined thermal spray material on the surface of the lower thermal spray coating layer to form an upper thermal spray coating layer so that the porosity is smaller than the porosity of the lower thermal spray coating layer;
A method for producing a wear-resistant, heat-resistant roll-shaped fiber reinforced composite material characterized by comprising:
第3の本発明にて、一実施態様によれば、前記基材となるプリプレグの強化繊維は、炭素繊維である。 In the third aspect of the present invention, according to one embodiment, the reinforcing fiber of the prepreg serving as the base material is a carbon fiber.
第3の本発明にて、他の実施態様によれば、前記ガラス繊維プリプレグは、ガラス繊維が一方向に引き揃えて形成されたUD形状プリプレグであるか、又は、ガラス繊維織物を使用して形成されたガラスクロスプリプレグである。 In the third aspect of the present invention, according to another embodiment, the glass fiber prepreg is a UD-shaped prepreg formed by aligning glass fibers in one direction, or using a glass fiber woven fabric. It is the formed glass cloth prepreg.
第2及び第3の本発明にて、一実施態様によれば、前記工程(c)にて、前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面は、ブラスト処理により平均粗さRaが2〜10μmに粗面化処理される。 In the second and third aspects of the present invention, according to one embodiment, in the step (c), the surface of the glass fiber reinforced plastic layer is roughened to an average roughness Ra of 2 to 10 μm by blasting. Is processed.
第2及び第3の本発明にて、他の実施態様によれば、前記下部溶射皮膜層の気孔率は10%以上、30%以下であり、前記上部溶射皮膜層の気孔率は1%以上、10%未満とされる。 In the second and third aspects of the present invention, according to another embodiment, the porosity of the lower sprayed coating layer is 10% or more and 30% or less, and the porosity of the upper sprayed coating layer is 1% or more. Less than 10%.
第2及び第3の本発明にて、他の実施態様によれば、前記下部溶射皮膜層を形成するための溶射材料は、線膨張係数が3×10-6〜12×10-6(1/℃)である。 In the second and third aspects of the present invention, according to another embodiment, the thermal spray material for forming the lower thermal spray coating layer has a linear expansion coefficient of 3 × 10 −6 to 12 × 10 −6 (1 / ° C).
第2及び第3の本発明にて、他の実施態様によれば、前記下部溶射皮膜層は、皮膜厚さが0.02〜1.0mmである。 In the second and third aspects of the present invention, according to another embodiment, the lower sprayed coating layer has a coating thickness of 0.02 to 1.0 mm.
第2及び第3の本発明にて、他の実施態様によれば、前記上部溶射皮膜層は、皮膜厚さが0.03〜1.0mmであり、ビッカース硬度HVが400〜1200、表面の平均粗さRaが0.05〜1.0μmである。 In the second and third aspects of the present invention, according to another embodiment, the upper sprayed coating layer has a coating thickness of 0.03 to 1.0 mm, a Vickers hardness HV of 400 to 1200, Average roughness Ra is 0.05-1.0 micrometer.
第2及び第3の本発明にて、他の実施態様によれば、前記下部溶射皮膜層及び上部溶射皮膜層を形成する溶射材料は、粒状のセラミックス、サーメット、金属、又はこれらの混合物である。 In the second and third aspects of the present invention, according to another embodiment, the thermal spray material forming the lower thermal spray coating layer and the upper thermal spray coating layer is granular ceramic, cermet, metal, or a mixture thereof. .
本発明によれば、アンダーコート層、或いは、セラミックス粒子が食い込んだトップコート層を設けることなく、良好な接着強度を有する溶射皮膜が形成された耐摩耗性、耐熱性、更には、表面平滑性に優れた繊維強化複合材を得ることができる。特に、本発明によれば、溶射皮膜が形成された耐摩耗性、耐熱性、更には、表面平滑性に優れたロール状の炭素繊維強化複合材及びその製造方法が得られる。 According to the present invention, without providing an undercoat layer or a topcoat layer in which ceramic particles are eroded, a thermal spray coating having a good adhesive strength is formed. Abrasion resistance, heat resistance, and surface smoothness Can be obtained. In particular, according to the present invention, a roll-shaped carbon fiber reinforced composite material having excellent abrasion resistance, heat resistance, and surface smoothness on which a sprayed coating is formed, and a method for producing the same are obtained.
以下、本発明に係る溶射皮膜を有する耐摩耗性、耐熱性及び表面平滑性に優れた繊維強化複合材及びその製造方法を図面に則して更に詳しく説明する。 Hereinafter, the fiber reinforced composite material having the thermal spray coating according to the present invention and excellent in abrasion resistance, heat resistance and surface smoothness and the production method thereof will be described in more detail with reference to the drawings.
実施例1
図1に、本発明に係る溶射皮膜層4を有する耐摩耗性、耐熱性、更には、SF研磨を施すことによりすぐれた表面平滑性をも有することができる繊維強化複合材1の概略断面構成を示す。本発明の繊維強化複合材1は、繊維強化プラスチック基材層2と、この繊維強化プラスチック基材層2の表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層3と、このガラス繊維強化プラスチック層3の表層に溶射により被覆された溶射皮膜層4とを有している。本発明の特徴ある構成によれば、溶射皮膜層4は、下部溶射皮膜層5と上部溶射皮膜層6とにて構成される。
Example 1
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional configuration of a fiber-reinforced composite material 1 having a thermal spray coating layer 4 according to the present invention, which has abrasion resistance, heat resistance, and excellent surface smoothness by performing SF polishing. Indicates. The fiber reinforced composite material 1 of the present invention includes a fiber reinforced
次に、各層について更に詳しく説明する。 Next, each layer will be described in more detail.
繊維強化プラスチック基材層2となる繊維強化プラスチックの強化繊維としては、炭素繊維が最も好ましいが、その他、種々の繊維を使用し得る。例えば、強化繊維としては、炭素繊維の他に、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維;ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維;更には、アラミド、PBO(ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール)、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維;が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することができる。
As the reinforcing fiber of the fiber reinforced plastic to be the fiber reinforced
また、繊維強化プラスチック基材層2及びガラス繊維強化プラスチック層3にて強化繊維に含浸されるマトリクス樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、MMA樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、樹脂含浸量は、30〜70重量%、好ましくは、40〜60重量%とされる。
In addition, as the matrix resin impregnated in the reinforcing fiber in the fiber reinforced
繊維強化プラスチック基材層2は、通常、層厚さt2が1〜30mm、ガラス繊維強化プラスチック層3は、通常、層厚さt3が0.5〜5mmとされ、用途に応じて適宜選定される。
The fiber reinforced
溶射皮膜層4は、ガラス繊維強化プラスチック層3の表層に溶射により被覆された下部溶射皮膜層5と、この下部溶射皮膜層5の表層に溶射された上部溶射皮膜層6とにて構成される。
The thermal spray coating layer 4 is composed of a lower thermal spray coating layer 5 coated on the surface of the glass fiber reinforced
ここで、本発明によれば、下部溶射皮膜層5の気孔率は、上部溶射皮膜層6の気孔率より大とされる。次に、下部溶射皮膜層5と上部溶射皮膜層6とについて更に詳しく説明する。 Here, according to the present invention, the porosity of the lower sprayed coating layer 5 is made larger than the porosity of the upper sprayed coating layer 6. Next, the lower sprayed coating layer 5 and the upper sprayed coating layer 6 will be described in more detail.
(下部溶射皮膜層)
本実施例によれば、下部溶射皮膜層5は、皮膜厚さt5が0.02〜1.0mmとされ、下部溶射皮膜層5の気孔率は、上部溶射皮膜層6より大とされ、10%以上、30%以下とされる。皮膜厚さt5が0.02mm未満では、ガラス繊維強化プラスチック層3の凹部が埋まりきらず、ガラス繊維強化プラスチック層3が露出してしまう個所ができて十分な密着力を得ることができず、耐熱200℃を達成することができない。また、1.0mmを超えるとコスト高の問題がある。更に、気孔率が10%未満の場合は、溶射皮膜の残留応力が大きくなり、使用温度が200℃では皮膜の割れといった問題がある。気孔率が30%を超えると、下部溶射皮膜層5内の密着力が低下し、研磨時に皮膜割れという問題がある。下部溶射皮膜層5の最適な仕様は、皮膜厚さt5が0.05〜0.1mmとされ、気孔率が15〜20%とされる。
(Lower spray coating layer)
According to the present embodiment, the lower sprayed coating layer 5 has a coating thickness t5 of 0.02 to 1.0 mm, and the porosity of the lower sprayed coating layer 5 is larger than that of the upper sprayed coating layer 6. % Or more and 30% or less. When the film thickness t5 is less than 0.02 mm, the concave portion of the glass fiber reinforced
また、下部溶射皮膜層5を形成する溶射材料としては、粒状のセラミックス、サーメット、金属、又はこれらの混合物等を使用し得る。詳しくは、セラミックスとしては、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、クロミア、サーメットとしては、タングステンカーバイド+コバルト、タングステンカーバイド+ニッケルクロム、クロムカーバイド+ニッケルクロムなどがあり、金属としては、コバルト化合物、モリブデン、ニッケル、ニッケルクロムなどを単体又はこれらの混合物を使用し得る。溶射材料の粒径としては、平均粒径で5〜100μmが好適に使用可能である。 Further, as the thermal spray material for forming the lower thermal spray coating layer 5, granular ceramics, cermet, metal, or a mixture thereof can be used. Specifically, as ceramics, alumina, titania, zirconia, magnesia, chromia, cermets include tungsten carbide + cobalt, tungsten carbide + nickel chrome, chromium carbide + nickel chrome, etc., and metals include cobalt compounds, molybdenum, Nickel, nickel chromium, or the like may be used alone or as a mixture thereof. As the particle size of the thermal spray material, an average particle size of 5 to 100 μm can be suitably used.
また、下部溶射皮膜層5を形成する溶射材料は、線膨張係数が3×10-6〜12×10-6(1/℃)の範囲内にある材料特性を示すものとされる。線膨張係数が3×10-6(1/℃)未満又は12×10-6(1/℃)を超えれば、ガラス繊維強化プラスチック層3との線膨張差が大きく、使用温度200℃では、皮膜の割れや剥離といった問題がある。最適な使用としては、下部溶射皮膜層5の材料は、線膨張係数が7×10-6〜10×10-6(1/℃)とされる。
Further, the spray material to form a lower sprayed coating layer 5, the linear expansion coefficient is as indicating material properties within the scope of 3 × 10 -6 ~12 × 10 -6 (1 / ℃). If the linear expansion coefficient is less than 3 × 10 −6 (1 / ° C.) or exceeds 12 × 10 −6 (1 / ° C.), the difference in linear expansion from the glass fiber reinforced
(上部溶射皮膜層)
本実施例によれば、上部溶射皮膜層6は、皮膜厚さt6が0.03〜1.0mmとされ、上部溶射皮膜層6の気孔率は、下部溶射皮膜層5よりも小さくされ、1%以上、10%未満とされる。更に、表面粗さが平均粗さRaで0.05〜1.0μm、表面硬度がビッカース硬度HVで400〜1200、とされる。
(Top sprayed coating layer)
According to the present embodiment, the upper sprayed coating layer 6 has a coating thickness t6 of 0.03 to 1.0 mm, and the porosity of the upper sprayed coating layer 6 is smaller than that of the lower sprayed coating layer 5. % Or more and less than 10%. Furthermore, the surface roughness is 0.05 to 1.0 μm in terms of average roughness Ra, and the surface hardness is 400 to 1200 in terms of Vickers hardness HV.
皮膜厚さt6が0.03mm未満では、研磨代が少なく十分な表面平滑性が得られないといった問題があり、また、1.0mmを超えると皮膜の割れ、コスト高になるといった問題がある。更に、気孔率が1%未満の場合は、上部溶射皮膜の残留応力が大きくなり、使用温度200℃では下部溶射皮膜層5と上部溶射皮膜層6との界面で割れるという問題がある。気孔率が10%を超えると、表面粗さRaを1.0μm以下にするためには、SF研磨すなわちスーパーフィニッシュ研磨に時間がかかりコスト高になるという問題がある。 When the film thickness t6 is less than 0.03 mm, there is a problem that the polishing margin is small and sufficient surface smoothness cannot be obtained, and when it exceeds 1.0 mm, there are problems that the film is cracked and the cost is increased. Furthermore, when the porosity is less than 1%, the residual stress of the upper thermal spray coating becomes large, and there is a problem that it breaks at the interface between the lower thermal spray coating layer 5 and the upper thermal spray coating layer 6 at a use temperature of 200 ° C. When the porosity exceeds 10%, in order to make the surface roughness Ra 1.0 μm or less, there is a problem that it takes time for SF polishing, that is, super-finish polishing, resulting in high cost.
表面粗さについていえば、平均粗さRaが0.05μm未満では、SF研磨すなわちスーパーフィニッシュ研磨に時間がかかりコスト高となるといった問題があり、また、1.0μmを超えると表面の凹凸が大き過ぎて、十分な表面平滑性を得ることができず、フィルム搬送用ロール等に使用する場合、フィルムに傷が入り、実使用に耐えないといった問題がある。 Regarding the surface roughness, if the average roughness Ra is less than 0.05 μm, there is a problem that it takes time for SF polishing, that is, super-finish polishing, resulting in high costs, and if it exceeds 1.0 μm, the surface irregularities are large. Thus, sufficient surface smoothness cannot be obtained, and when used for a film transporting roll or the like, there is a problem that the film is damaged and cannot be actually used.
更に、表面硬度についていえば、ビッカース硬度HVが400未満では、十分な耐摩耗性が得られないといった問題があり、また、1200を超える仕様にするには高価な溶射材料を用いることとなりコスト高になるといった問題がある。 Further, regarding the surface hardness, there is a problem that sufficient wear resistance cannot be obtained when the Vickers hardness HV is less than 400, and an expensive thermal spray material is used for the specification exceeding 1200, and the cost is high. There is a problem of becoming.
最適な仕様としては、皮膜厚さt6が0.1〜0.3mm、気孔率が1〜3%、表面粗さRaが0.05〜0.15μm、表面硬度HVが600〜1000、とされる。 As the optimum specifications, the film thickness t6 is 0.1 to 0.3 mm, the porosity is 1 to 3%, the surface roughness Ra is 0.05 to 0.15 μm, and the surface hardness HV is 600 to 1000. The
また、上部溶射皮膜層6を形成する溶射材料としては、上記下部溶射皮膜層5の溶射材料と同様のものを使用することができる。即ち、粒状のセラミックス、サーメット、金属、又はこれらの混合物等を使用し得る。詳しくは、セラミックスとしては、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、クロミア、サーメットとしては、タングステンカーバイド+コバルト、タングステンカーバイド+ニッケルクロム、クロムカーバイド+ニッケルクロムなどがあり、金属としては、コバルト化合物、モリブデン、ニッケル、ニッケルクロムなどを単体又はこれらを混合して使用し得る。溶射材料の粒径としては、平均粒径で5〜100μmが好適に使用可能である。 Further, as the thermal spray material for forming the upper thermal spray coating layer 6, the same thermal spray material as that for the lower thermal spray coating layer 5 can be used. That is, granular ceramics, cermet, metal, or a mixture thereof can be used. Specifically, as ceramics, alumina, titania, zirconia, magnesia, chromia, cermets include tungsten carbide + cobalt, tungsten carbide + nickel chrome, chromium carbide + nickel chrome, etc., and metals include cobalt compounds, molybdenum, Nickel, nickel chrome, etc. may be used alone or in combination. As the particle size of the thermal spray material, an average particle size of 5 to 100 μm can be suitably used.
また、上部溶射皮膜層6を形成する溶射材料は、下部溶射皮膜層5の溶射材料と同様に、線膨張係数が3×10-6〜12×10-6(1/℃)の範囲内にある材料特性を示すものとされる。上部溶射皮膜層6と下部溶射皮膜層5の溶射材料として、同様の線膨張係数を有した材料を使用することにより、使用温度200℃といった高温環境下での皮膜の割れや剥離といった問題を回避することができる。最適な使用としては、上部溶射皮膜層6の材料は、下部溶射皮膜層5の材料と同様に、線膨張係数が7×10-6〜10×10-6(1/℃)とされる。 The thermal spray material for forming the upper thermal spray coating layer 6 has a linear expansion coefficient in the range of 3 × 10 −6 to 12 × 10 −6 (1 / ° C.), like the thermal spray material of the lower thermal spray coating layer 5. It is supposed to exhibit certain material properties. By using a material having the same linear expansion coefficient as the thermal spray material for the upper thermal spray coating layer 6 and the lower thermal spray coating layer 5, problems such as cracking and peeling of the coating under a high temperature environment of 200 ° C. are avoided. can do. As the optimum use, the material of the upper thermal spray coating layer 6 is set to have a linear expansion coefficient of 7 × 10 −6 to 10 × 10 −6 (1 / ° C.), like the material of the lower thermal spray coating layer 5.
上記構成から成る繊維強化複合材1は、繊維強化プラスチック基材層2と、その表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層3とは、基材層2となる繊維強化プラスチックの成形時に同時に加熱して(焼付けて)硬化させる。その後、ガラス繊維強化プラスチック層3の表面をブラスト処理し、次いで、溶射材料が所定厚さで溶射され、下部溶射皮膜層5及び上部溶射皮膜層6とにて構成される溶射皮膜層4が形成される。
The fiber reinforced composite material 1 having the above-described configuration is heated at the same time as the fiber reinforced
本発明に係る繊維強化複合材1は、ロール状或いは板状に成形され、例えば、耐摩耗性のロール状繊維強化複合材は、例えば、150〜200℃といった高温の環境下にて使用されるフィルム搬送用ロール等のような種々の産業機械装置におけるロールとして、或いは、耐摩耗性の板状繊維強化複合材は、フィルム、シート製造時の板状ガイド部材などとして有効に使用される。 The fiber-reinforced composite material 1 according to the present invention is formed into a roll shape or a plate shape. For example, the wear-resistant roll-shaped fiber reinforced composite material is used in a high-temperature environment such as 150 to 200 ° C. The wear-resistant plate-like fiber reinforced composite material is effectively used as a plate-like guide member at the time of manufacturing a film or a sheet, as a roll in various industrial machine devices such as a roll for film conveyance.
次に、本発明の繊維強化複合材の製造方法についてさらに詳しく説明する。 Next, the manufacturing method of the fiber reinforced composite material of the present invention will be described in more detail.
(繊維強化プラスチック基材及びガラス繊維強化プラスチック層の成形)
本発明の繊維強化複合材の一実施例である繊維強化複合材ロールの場合について説明する。また、基材となる繊維強化プラスチック層2の強化繊維としては、炭素繊維を使用するものとして説明する。
(Molding of fiber reinforced plastic substrate and glass fiber reinforced plastic layer)
The case of the fiber reinforced composite material roll which is one Example of the fiber reinforced composite material of this invention is demonstrated. Moreover, as a reinforced fiber of the fiber reinforced
本実施例の炭素繊維強化複合材ロール(以下、「CFRPロール」という。)は、従来当業者には周知のフィラメントワインディング法或いはシートワインディング法を用いて好適に作製することができる。 The carbon fiber reinforced composite roll (hereinafter referred to as “CFRP roll”) of the present embodiment can be suitably produced by using a filament winding method or a sheet winding method well known to those skilled in the art.
(フィラメントワインディング法)
CFRPロールをフィラメントワインディング法にて作製する場合を、図2(b)を参照して説明する。本実施例では、先ず、マンドレル100に炭素繊維を所定の樹脂を用いて巻き付け、ロール基材となる繊維強化プラスチック基材層2のための基材となる強化繊維層2A、即ち、本実施例では、炭素繊維強化プラスチック基材層2のための炭素繊維層(基材となる炭素繊維層)2Aを形成する。
(Filament winding method)
A case where a CFRP roll is produced by a filament winding method will be described with reference to FIG. In this embodiment, first, carbon fibers are wound around the
引き続いて、基材となる炭素繊維層2Aの上に、所定の樹脂を用いてガラス繊維を巻き付けてガラス繊維強化プラスチック層3のためのガラス繊維層3Aを積層する。この時、ガラス繊維を直接に基材となる炭素繊維層2Aの上に巻き付けることもできるが、ガラス繊維にて作製されたガラス繊維織物であるガラスクロスを所定幅に切断して作製したガラスクロステープを巻き付ける方法でも良い。
Subsequently, the
ガラス繊維巻き付け時に使用する樹脂は、炭素繊維巻き付け時に使用した樹脂と同じか或いは同系統の樹脂が好ましい。また、樹脂にアルミナ等の溶射に用いる無機粉末を樹脂に添加することも有効である。添加量としては、樹脂量に対して30〜70重量%とされる。 The resin used at the time of winding the glass fiber is preferably the same or the same resin as that used at the time of winding the carbon fiber. It is also effective to add inorganic powder used for thermal spraying such as alumina to the resin. The addition amount is 30 to 70% by weight based on the resin amount.
なお、フィラメントワインディング法にて基材となる炭素繊維層2Aの最外層にガラス繊維を巻付ける場合に、プラスマイナスのヘリカル巻を行った場合には、繊維の交差部で樹脂だけの部分ができてしまい、溶射材料を溶射した場合に充分な付着強度が得られない部分が発生するために、プラス方向のみ、或いは、マイナス方向のみの同一角度方向に巻き付けるのが望ましい。
In addition, when glass fiber is wound around the outermost layer of the
次いで、ガラス繊維層3Aの上からテーピングを行い、基材となる炭素繊維層2A及びガラス繊維層3Aを巻き締めた後、マンドレル100ごと硬化炉に装入し、基材となる炭素繊維層2A及びガラス繊維層3Aの樹脂を硬化させる。これにより、炭素繊維プラスチック基材層2及びガラス繊維強化プラスチック層3の積層体から成るロール素管1Aが成形される。
Next, taping is performed from the top of the
その後、テープを除去後、ガラス繊維強化プラスチック層3の表面を研削し、ロール径を所定寸法に合わせる。所定径とされたロール表面、即ち、ガラス繊維強化プラスチック層3の表面をブラスト処理し、所定の粗さとする。この時のガラス繊維強化プラスチック層3の表面粗さは、平均粗さRaで2〜10μm、最適には4〜8μm、とされる。2μm未満だと密着力が弱く、10μmを越えると基材にダメージを与える。
Then, after removing the tape, the surface of the glass fiber reinforced
このように、溶射前に、ロール表面を研磨し、また、ブラスト処理してロール表面を所定の粗面とすることにより、ロール表層にガラス繊維のガラス部分30(図1(a)参照)が露出して、溶射皮膜層4(即ち、下部溶射皮膜層5)のセラミックス、サーメット、金属、又はこれらの混合物がガラス部分30に付着して十分な接着性(接着強度)を示すためであると推定される。
Thus, before spraying, the roll surface is polished and blasted to make the roll surface a predetermined rough surface, whereby the glass portion 30 (see FIG. 1A) of the glass fiber is formed on the roll surface layer. This is because the exposed ceramic film, cermet, metal, or mixture thereof of the sprayed coating layer 4 (that is, the lower sprayed coating layer 5) adheres to the
次いで、この粗面とされた表面に対して所定の溶射材料を使用して溶射し、ロール表面に下部溶射皮膜層5を形成する。 Next, a sprayed material is sprayed on the roughened surface to form a lower sprayed coating layer 5 on the roll surface.
(シートワインディング法)
シートワインディング法は、シート状のプリプレグ繊維シートを使用する点を除けば、上記フィラメントワインディング法と同様にして実施される。
(Sheet winding method)
The sheet winding method is carried out in the same manner as the filament winding method except that a sheet-like prepreg fiber sheet is used.
つまり、CFRPロールをシートワインディング法にて作製する場合には、図2(b)を参照して説明すると、先ず、マンドレル100に所定の積層構成で、炭素繊維強化プラスチック基材層2を形成するための炭素繊維プリプレグ2Aを巻き付けた後、ガラス繊維強化プラスチック層3を形成するためのガラス繊維プリプレグ3Aを炭素繊維プリプレグ2Aの最外層に巻き付ける。ガラス繊維プリプレグ3Aは、ガラスクロスのプリプレグでも、ガラス繊維を一方向に引き揃えたUD形状プリプレグでも良い。ガラス繊維プリプレグ3Aの樹脂は、炭素繊維プリプレグ2Aに使用した樹脂と同じか或いは同系統の樹脂が好ましい。
That is, when the CFRP roll is manufactured by the sheet winding method, the carbon fiber reinforced plastic
次いで、テーピングを行い、炭素繊維プリプレグ2A及びガラス繊維プリプレグ3Aを巻き締めた後、マンドレルごと硬化炉に装入し、炭素繊維プリプレグ2A及びガラス繊維プリプレグ3Aの樹脂を硬化させ、炭素繊維強化プラスチック基材層2及びガラス繊維強化プラスチック層3から成るロール素管1Aを作製する。その後、上記フィラメントワインディング法と同様に、テープを除去後、ガラス繊維強化プラスチック層3の表面を研磨し、ロール径を所定寸法に合わせる。所定径とされたロール表面、即ち、ガラス繊維強化プラスチック層3の表面をブラスト処理し、所定の粗さとする。
Next, taping is performed, and after the
次いで、この表面に対して所定の溶射材料を使用して溶射し、ロール表面に溶射皮膜層4(即ち、下部溶射皮膜層5)を形成する。 Next, the surface is sprayed using a predetermined spraying material to form the sprayed coating layer 4 (that is, the lower sprayed coating layer 5) on the roll surface.
本発明の繊維強化複合材1は、上記ロール形状の構造体に限定されず、図2(c)に図示するように、平板状或いは複雑な形状をした構造体の繊維強化複合材とすることもできる。 The fiber-reinforced composite material 1 of the present invention is not limited to the above-described roll-shaped structure, and is a fiber-reinforced composite material having a flat or complex structure as illustrated in FIG. You can also.
この場合にも、構造体基材となるプリプレグ2Aの最外層にガラス繊維プリプレグ3Aを積層し、樹脂を硬化させて、繊維強化プラスチック層2とガラス繊維強化プラスチック層3から成る板状の素材1Aを作製する。その後、硬化したガラス繊維強化プラスチック層3の表面を研削し、ガラス繊維強化プラスチック層3の表面をブラスト処理し、所定の粗さとする。
Also in this case, a
次いで、この表面に対して所定の溶射材料を使用して溶射し、ロール表面に溶射皮膜層4を形成する。 Next, the surface is sprayed using a predetermined spraying material to form the sprayed coating layer 4 on the roll surface.
(溶射皮膜層の形成)
(A)下部溶射皮膜層の形成
上記粗面化されたガラス繊維強化プラスチック層3の表面は、プラズマ溶射装置を用いて所定の溶射材料を厚さt5が0.02〜1.0mmとなるように溶射して下部溶射皮膜層5が形成(被覆)される。この時、下部溶射皮膜層5の気孔率が10%以上、30%以下となるようにする。方法は特に限定しないが、例えば溶射距離を適正に調節することにより達成することができる。
(B)上部溶射皮膜層の形成
上述の下部溶射皮膜層5の表面には、プラズマ溶射装置を用いて所定の溶射材料を厚さt6が0.03〜1.0mmとなるように溶射して上部溶射皮膜層6が形成(被覆)される。この時、上部溶射皮膜層6の気孔率が1%以上、10%未満となるようにする。方法は特に限定しないが、例えば溶射距離を適正に調節することにより達成することができる。
(Formation of sprayed coating layer)
(A) Formation of lower sprayed coating layer The surface of the roughened glass fiber reinforced
(B) Formation of upper thermal spray coating layer A predetermined thermal spray material is sprayed on the surface of the lower thermal spray coating layer 5 using a plasma spraying apparatus so that the thickness t6 becomes 0.03 to 1.0 mm. Upper sprayed coating layer 6 is formed (coated). At this time, the porosity of the upper sprayed coating layer 6 is set to be 1% or more and less than 10%. The method is not particularly limited, but can be achieved, for example, by appropriately adjusting the spraying distance.
溶射被覆処理後には、必要に応じて溶射皮膜の研磨処理、その後、溶射皮膜の封孔処理工程を設けることができる。 After the thermal spray coating treatment, if necessary, a thermal spray coating polishing treatment and then a thermal spray coating sealing treatment step can be provided.
なお、本実施例では、上記溶射被覆処理後に研磨処理し、その後、封孔処理を実施した。封孔剤としては、シラン系封孔処理剤(例えば、株式会社ディ・アンド・ディ製のパーミエイト(商品名))などがあり、この封孔剤を溶射皮膜上に10〜30g/m2で塗布した後に、硬化を促進するために高温炉内(50〜100℃)にて30分〜3時間程度硬化させる。 In this example, polishing treatment was performed after the thermal spray coating treatment, and then sealing treatment was performed. Examples of the sealing agent include a silane-based sealing agent (for example, Permeate (trade name) manufactured by D & D Co., Ltd.), and the sealing agent is applied to the sprayed coating at 10 to 30 g / m 2 . After application, in order to accelerate the curing, it is cured for about 30 minutes to 3 hours in a high temperature furnace (50 to 100 ° C.).
封孔処理後に、溶射皮膜表面をSF研磨する。これにより、溶射皮膜表面の表面粗さ(平均粗さ)Raは0.05〜1.0μmとされる、厚さ0.03〜1.0mmの上部溶射皮膜層6を形成する。 After the sealing treatment, the surface of the sprayed coating is subjected to SF polishing. As a result, the upper sprayed coating layer 6 having a thickness of 0.03 to 1.0 mm is formed with a surface roughness (average roughness) Ra of 0.05 to 1.0 μm.
次に、本発明の繊維強化複合材の性能を立証するために、本発明に従った構成の繊維強化複合材ロールを作製し、比較例と比較した実験例について説明する。 Next, in order to prove the performance of the fiber reinforced composite material of the present invention, a fiber reinforced composite material roll having a configuration according to the present invention is produced, and an experimental example compared with a comparative example is described.
実験例1
フィラメントワインディング法により、本発明に従った構成とされるCFRPロールを作製した。
Experimental example 1
A CFRP roll having a configuration according to the present invention was produced by a filament winding method.
炭素繊維として、モノフィラメント平均径7μm、収束本数12000本の繊維束、即ち、PAN系炭素繊維ストランド(三菱レイヨン株式会社製「TR50」(商品名))を用い、樹脂としてはエポキシ樹脂(新日鉄マテリアルズ株式会社製「HP100」)を用いて、外径88mm、長さ2mのマンドレルに90°(周方向)、±45°、±15°の角度にて、基材となる炭素繊維層2Aが5mm厚み(繊維体積含有率Vf=57%)となるように巻き付けた。
As the carbon fiber, a monofilament average diameter of 7 μm and a bundle of 12,000 fibers, that is, a PAN-based carbon fiber strand (“TR50” (trade name) manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) is used, and the resin is an epoxy resin (Nippon Steel Materials). "HP100" manufactured by Co., Ltd.), a
引き続いて、上記基材となる炭素繊維層2Aの上に、同一の樹脂を用い、ガラス繊維としては、TEX1174g/km、即ち、Eガラス繊維ストランド(日東紡績株式会社製「RS110QL」(商品名))を用いて、ガラス繊維を+60°の同一の角度で2mm厚み(Vf=57%)になるように巻き付けた。樹脂含浸量で言えば、基材となる炭素繊維層2Aは、32重量%であり、ガラス繊維層3Aは、21重量%であった。
Subsequently, the same resin is used on the
その後、幅25mm、厚さ0.1mmのPETテープを用いてテーピングを行った後、樹脂が含浸された基材となる炭素繊維層2A及びガラス繊維層3Aを巻き付けたマンドレル100を加熱硬化炉に装入し、2℃/分の昇温速度で180℃まで昇温し、3時間ホールドした後に降温し、硬化した強化繊維プラスチック成形物(素管)1Aをマンドレル100より脱型した。これにより、ガラス繊維強化プラスチック層3が表層に形成された内径88mm、炭素繊維強化プラスチック基材層2の厚さ(t2)が5mm、ガラス繊維強化プラスチック層3の厚さ(t3)が2mm、長さ1800mmの炭素繊維強化プラスチック管(素管)1Aを得た。
Thereafter, taping was performed using a PET tape having a width of 25 mm and a thickness of 0.1 mm, and then the
このロール素管1Aに軸付けを行い、ロール直径が100mmになるように研磨し、ガラス繊維強化プラスチック層3の研削された面を露出させた。
The
次に、ブラスト処理によりガラス繊維強化プラスチック層3の表面の粗面化を行った。表面粗さRaは、7.6μmであった。
Next, the surface of the glass fiber reinforced
この粗面化されたガラス繊維強化プラスチック層3に対して、下部溶射皮膜層5を形成するために、溶射材料としてセラミックス粒子であるアルミナ・チタニアを用い、プラズマ溶射を行った。溶射材料であるアルミナ・チタニアの線膨張係数は、8.5×10-6(1/℃)であった。
In order to form the lower spray coating layer 5 on the roughened glass fiber reinforced
このようにして形成した下部溶射皮膜層5の厚さ(t5)は、0.1mmであった。また、下部溶射皮膜層5の気孔率が15%となるように、溶射距離を150mmに設定して溶射を行なった。 The thickness (t5) of the lower sprayed coating layer 5 thus formed was 0.1 mm. Further, the thermal spraying was performed with the spraying distance set to 150 mm so that the porosity of the lower sprayed coating layer 5 was 15%.
更に、このようにして形成された下部溶射皮膜層5に対して、上部溶射皮膜層6を形成するために、溶射材料としてセラミックス粒子であるアルミナ・40%チタニアを用い、プラズマ溶射を行った。溶射材料であるアルミナ・40%チタニアの線膨張係数は、8.7×10-6(1/℃)であった。 Further, in order to form the upper sprayed coating layer 6 on the lower sprayed coating layer 5 thus formed, plasma spraying was performed using alumina / 40% titania which is ceramic particles as a spraying material. The linear expansion coefficient of alumina and 40% titania as the thermal spray material was 8.7 × 10 −6 (1 / ° C.).
このようにして形成した上部溶射皮膜層6の厚さ(t6)は、0.2mmであった。また、上部溶射皮膜層6の気孔率が5%となるように、溶射距離を70mmに設定して溶射を行なった。 The thickness (t6) of the upper sprayed coating layer 6 thus formed was 0.2 mm. Further, the thermal spraying was performed with the spraying distance set to 70 mm so that the porosity of the upper sprayed coating layer 6 was 5%.
上記溶射により、下部溶射皮膜層5と上部溶射皮膜層6との合計膜厚(t5+t6)は、0.3mmであった。 The total film thickness (t5 + t6) of the lower sprayed coating layer 5 and the upper sprayed coating layer 6 was 0.3 mm by the said thermal spraying.
上記下部溶射皮膜層5及び上部溶射皮膜層6を形成するための溶射において用いた溶射材料であるアルミナ・チタニア粒子及びアルミナ・40%チタニアは、それぞれ、昭和電工株式会社製の「K−13」(商品名)及び「K−40M」(商品名)であり、プラズマ溶射装置は、SULZER METCO株式会社製の「9MBプラズマ溶射」(商品名)であった。溶射条件は、使用ガス:N2/H2、流量N2:35〜40L/min、H2:10〜15L/min、使用ガス比率:N2:H2=3:1、電圧:70〜76V、粉末供給量:5〜10g/minであった。 Alumina / titania particles and alumina / 40% titania, which are the thermal spraying materials used in the thermal spraying to form the lower thermal spray coating layer 5 and the upper thermal spray coating layer 6, are “K-13” manufactured by Showa Denko K.K. (Trade name) and “K-40M” (trade name), and the plasma spraying apparatus was “9MB plasma spraying” (trade name) manufactured by SULZER METCO Corporation. The spraying conditions are: Gas used: N 2 / H 2 , Flow rate N 2 : 35 to 40 L / min, H 2 : 10 to 15 L / min, Gas ratio used: N 2 : H 2 = 3: 1, Voltage: 70 to It was 76V, powder supply amount: 5-10 g / min.
溶射後に研磨処理し、その後封孔処理を実施した。封孔剤は、株式会社ディ・アンド・ディ製のパーミエイト(商品名)であり、溶射皮膜上に30g/m2で塗布した後に、80℃、30分硬化させた。 Polishing treatment was performed after thermal spraying, and then sealing treatment was performed. The sealant was Permite (trade name) manufactured by D & D Co., Ltd., which was applied at 30 g / m 2 on the sprayed coating and then cured at 80 ° C. for 30 minutes.
封孔処理後に、溶射皮膜表面をSF研磨した。 After the sealing treatment, the surface of the sprayed coating was subjected to SF polishing.
溶射皮膜表面に対して、SF研磨後に接触式の表面粗度計で粗度測定を実施した。結果は、表面粗さ(平均粗さ)Raが0.1μmであった。また、ビッカース硬度計にて表面硬度を測定した。ビッカース硬度HVは、630であった。 The surface roughness of the thermal spray coating was measured with a contact-type surface roughness meter after SF polishing. As a result, the surface roughness (average roughness) Ra was 0.1 μm. The surface hardness was measured with a Vickers hardness tester. The Vickers hardness HV was 630.
更に、耐熱試験を実施した。試験条件は、180℃の炉中に2時間保持し、その後、炉より取り出し、溶射皮膜の割れ、剥離を目視で確認した。皮膜の割れ、剥離等の問題は発生せず、良好な皮膜を得ることができた。耐熱試験後にロールを切断して気孔率を測定すると、下部溶射皮膜層5における気孔率は19%であり、上部溶射皮膜層6の気孔率は3%であった。 Furthermore, a heat resistance test was performed. The test conditions were kept in a furnace at 180 ° C. for 2 hours, and then taken out from the furnace, and the cracking and peeling of the sprayed coating were visually confirmed. There were no problems such as cracking or peeling of the film, and a good film could be obtained. When the roll was cut after the heat resistance test and the porosity was measured, the porosity of the lower sprayed coating layer 5 was 19%, and the porosity of the upper sprayed coating layer 6 was 3%.
比較例1
比較のために、上記実験例1の場合と同じ材料及び製造条件により、ブラスト処理によりガラス繊維強化プラスチック層3の表面の粗面化を行ったロール素管1Aを得た。表面粗さRaは、7.6μmであった。
Comparative Example 1
For comparison, a
次に、この粗面化されたガラス繊維強化プラスチック層3に対して、下部溶射皮膜層5を形成するために、溶射材料として、線膨張係数が17.3×10-6(1/℃)の80Ni−20Crを用い、実験例1と同様の溶射条件にてプラズマ溶射を行った。
Next, in order to form the lower sprayed coating layer 5 on the roughened glass fiber reinforced
その結果、溶射によって吹き付けた80Ni−20Cr粒子がガラス繊維強化プラスチック層3から弾けてしまい、充分な皮膜厚みが得られなかった。
As a result, 80Ni-20Cr particles sprayed by thermal spraying bounced from the glass fiber reinforced
比較例2
比較のために、上記実験例1の場合と同じ材料及び製造条件により、ブラスト処理によりガラス繊維強化プラスチック層3の表面の粗面化を行ったロール素管1Aを得た。表面粗さRaは、7.6μmであった。
Comparative Example 2
For comparison, a
次に、この粗面化されたガラス繊維強化プラスチック層3に対して、下部溶射皮膜層5を形成するために、溶射材料として、線膨張係数が8.5×10-6(1/℃)のアルミナ・チタニアを用い、気孔率が5%となるように溶射距離70mmとして、その他は、実験例1と同様の溶射条件にてプラズマ溶射を行った。
Next, in order to form the lower sprayed coating layer 5 on the roughened glass fiber reinforced
その後、実験例1と同様に、下部溶射皮膜層5に対して、上部溶射皮膜層6を形成するために、溶射材料としてセラミックス粒子であるアルミナ・40%チタニアを用い、プラズマ溶射を行った。溶射材料であるアルミナ・40%チタニアの線膨張係数は、8.7×10-6(1/℃)であった。 Thereafter, in the same manner as in Experimental Example 1, in order to form the upper sprayed coating layer 6 on the lower sprayed coating layer 5, plasma spraying was performed using alumina / 40% titania which is ceramic particles as a spraying material. The linear expansion coefficient of alumina and 40% titania as the thermal spray material was 8.7 × 10 −6 (1 / ° C.).
このようにして形成した上部溶射皮膜層6の厚さ(t5)は、0.2mmであった。また、上部溶射皮膜層6の気孔率が5%となるように、溶射距離を70mmに設定して溶射を行なった。 The thickness (t5) of the upper sprayed coating layer 6 thus formed was 0.2 mm. Further, the thermal spraying was performed with the spraying distance set to 70 mm so that the porosity of the upper sprayed coating layer 6 was 5%.
上記溶射により、下部溶射皮膜層5と上部溶射皮膜層6との合計膜厚は、0.3mmであった。 Due to the above thermal spraying, the total film thickness of the lower thermal spray coating layer 5 and the upper thermal spray coating layer 6 was 0.3 mm.
この皮膜を実験例1と同様に研磨処理し、その後封孔処理、SF研磨を実施した。このロールを実験例1と同様に、耐熱試験を実施し、皮膜の割れ、剥離を確認した。その結果、ロール全面に、皮膜の割れ、剥離が確認された。耐熱試験後にロールを切断して気孔率を測定すると、下部溶射皮膜層5における気孔率は6%であり、上部溶射皮膜層6の気孔率は3%であった。 This film was polished in the same manner as in Experimental Example 1, and then sealed and SF polished. The roll was subjected to a heat resistance test in the same manner as in Experimental Example 1 to confirm cracking and peeling of the film. As a result, cracking and peeling of the film were confirmed on the entire roll surface. When the roll was cut after the heat resistance test and the porosity was measured, the porosity of the lower sprayed coating layer 5 was 6%, and the porosity of the upper sprayed coating layer 6 was 3%.
表1に、実験例1、比較例1、2の試験結果を纏めて示す。 Table 1 summarizes the test results of Experimental Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
上述にて理解されるように、本発明によれば、アンダーコート層、或いは、セラミックス粒子が食い込んだトップコート層を設けることなく、良好な接着強度を有する溶射皮膜が形成された耐摩耗性、耐熱性、及び、表面平滑性に優れた繊維強化複合材を得ることができる。特に、本発明によれば、溶射皮膜が形成された耐摩耗性、耐熱性及び表面平滑性に優れたロール状の炭素繊維強化複合材を得ることができる。 As will be understood from the above, according to the present invention, without providing an undercoat layer or a topcoat layer into which ceramic particles have been eroded, wear resistance in which a sprayed coating having good adhesive strength is formed, A fiber-reinforced composite material excellent in heat resistance and surface smoothness can be obtained. In particular, according to the present invention, it is possible to obtain a roll-shaped carbon fiber reinforced composite material having a thermal spray coating and excellent wear resistance, heat resistance and surface smoothness.
1 繊維強化複合材
1A ロール状素管、板状素材
2 繊維強化プラスチック基材層
2A 基材となる強化繊維層、基材となるプリプレグ
3 ガラス繊維強化プラスチック層
3A ガラス繊維層、ガラス繊維プリプレグ
4 溶射皮膜層
5 下部溶射皮膜層
6 上部溶射皮膜層
30 ガラス部分
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fiber reinforced
Claims (21)
繊維強化プラスチック基材層と、前記繊維強化プラスチック基材層の表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層と、前記ガラス繊維強化プラスチック層の表層に溶射により被覆された溶射皮膜層とを有し、
前記溶射皮膜層は、前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に溶射により被覆された下部溶射皮膜層と、前記下部溶射皮膜層の表面に溶射により被覆され、前記繊維強化複合材の表面層を形成する上部溶射皮膜層とを有し、前記下部溶射皮膜層の気孔率は、前記上部溶射皮膜層の気孔率より大とされる、
ことを特徴とする耐摩耗性、耐熱性の繊維強化複合材。 A wear-resistant, heat-resistant fiber-reinforced composite material with a thermal spray coating layer on the outermost layer,
A fiber reinforced plastic base layer, a glass fiber reinforced plastic layer laminated on the surface of the fiber reinforced plastic base layer, and a thermal spray coating layer coated on the surface of the glass fiber reinforced plastic layer by thermal spraying,
The thermal spray coating layer is formed by coating the surface of the glass fiber reinforced plastic layer by thermal spraying and the surface of the lower thermal spray coating layer by thermal spraying to form a surface layer of the fiber reinforced composite material. An upper thermal spray coating layer, and the porosity of the lower thermal spray coating layer is greater than the porosity of the upper thermal spray coating layer,
A wear- and heat-resistant fiber-reinforced composite material.
前記繊維強化プラスチック基材層及び前記ガラス繊維強化プラスチック層の樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、MMA樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、若しくは、フェノール樹脂、又は、ナイロン若しくはビニロンが使用されることを特徴とする請求項1〜8のいずれかの項に記載の耐摩耗性、耐熱性の繊維強化複合材。 Reinforcing fibers of the fiber-reinforced plastic base layer are inorganic fibers such as carbon fibers, glass fibers, and basalt fibers; metal fibers such as boron fibers, titanium fibers, and steel fibers; aramid, PBO (polyparaphenylene benzbisoxazole), Organic fibers such as polyamide, polyarylate, and polyester; are used alone or in a hybrid mixed with multiple types,
As the resin of the fiber reinforced plastic base layer and the glass fiber reinforced plastic layer, a room temperature curing or thermosetting epoxy resin, vinyl ester resin, MMA resin, acrylic resin, unsaturated polyester resin, or phenol resin Or nylon or vinylon is used, The abrasion-proof and heat-resistant fiber-reinforced composite material of any one of Claims 1-8 characterized by the above-mentioned.
(a)マンドレルに、ロール基材となる前記繊維強化プラスチック基材層を形成するために所定の強化繊維を所定の樹脂を用いて巻き付けて基材となる強化繊維層を形成し、引き続いて、前記基材となる強化繊維層の上に、前記ガラス繊維強化プラスチック層を形成するために所定の樹脂を用いてガラス繊維を巻き付けてガラス繊維層を積層する工程、
(b)前記基材となる強化繊維層及び前記ガラス繊維層の樹脂を同時に加熱硬化させる工程、
(c)前記ガラス繊維層の樹脂が硬化して形成された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面を粗面化処理する工程、
(d)前記粗面化処理された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に所定の溶射材料を溶射して下部溶射皮膜層を形成する工程、
(e)前記下部溶射皮膜層の表面に所定の溶射材料を溶射して、気孔率が、前記下部溶射皮膜層の気孔率より小さくなるようにして上部溶射皮膜層を形成する工程、
を有することを特徴とする耐摩耗性、耐熱性のロール状繊維強化複合材の製造方法。 A method for producing a wear-resistant, heat-resistant roll-shaped fiber reinforced composite material,
(A) In order to form the fiber reinforced plastic base material layer to be a roll base material on a mandrel, a predetermined reinforcing fiber is wound using a predetermined resin to form a reinforcing fiber layer to be a base material, and subsequently, A step of laminating a glass fiber layer by winding a glass fiber using a predetermined resin to form the glass fiber reinforced plastic layer on the reinforcing fiber layer to be the base material,
(B) a step of simultaneously heat-curing the resin of the reinforcing fiber layer and the glass fiber layer as the base material,
(C) a step of roughening the surface of the glass fiber reinforced plastic layer formed by curing the resin of the glass fiber layer;
(D) a step of spraying a predetermined thermal spray material on the surface of the roughened glass fiber reinforced plastic layer to form a lower thermal spray coating layer;
(E) a step of spraying a predetermined thermal spray material on the surface of the lower thermal spray coating layer to form an upper thermal spray coating layer so that the porosity is smaller than the porosity of the lower thermal spray coating layer;
A process for producing a wear-resistant, heat-resistant roll-shaped fiber-reinforced composite material comprising:
(a)マンドレルに、ロール基材となる前記繊維強化プラスチック基材層を形成するための所定の強化繊維を使用した基材となるプリプレグを巻き付け、引き続いて、前記基材となるプリプレグの上に、前記ガラス繊維強化プラスチック層を形成するためのガラス繊維プリプレグを巻き付けて積層する工程、
(b)前記基材となるプリプレグ及び前記ガラス繊維プリプレグの樹脂を同時に加熱硬化させる工程、
(c)前記ガラス繊維プリプレグが硬化して形成された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面を粗面化処理する工程、
(d)前記粗面化処理された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に所定の溶射材料を溶射して下部溶射皮膜層を形成する工程、
(e)前記下部溶射皮膜層の表面に所定の溶射材料を溶射して、気孔率が、前記下部溶射皮膜層の気孔率より小さくなるようにして上部溶射皮膜層を形成する工程、
を有することを特徴とする耐摩耗性、耐熱性のロール状繊維強化複合材の製造方法。 A method for producing a wear-resistant, heat-resistant roll-shaped fiber reinforced composite material,
(A) A prepreg to be a base material using a predetermined reinforcing fiber for forming the fiber reinforced plastic base material layer to be a roll base material is wound around a mandrel, and subsequently, on the prepreg to be the base material A step of winding and laminating a glass fiber prepreg for forming the glass fiber reinforced plastic layer,
(B) a step of simultaneously heat-curing the resin of the prepreg serving as the substrate and the glass fiber prepreg,
(C) a step of roughening the surface of the glass fiber reinforced plastic layer formed by curing the glass fiber prepreg;
(D) a step of spraying a predetermined thermal spray material on the surface of the roughened glass fiber reinforced plastic layer to form a lower thermal spray coating layer;
(E) a step of spraying a predetermined thermal spray material on the surface of the lower thermal spray coating layer to form an upper thermal spray coating layer so that the porosity is smaller than the porosity of the lower thermal spray coating layer;
A process for producing a wear-resistant, heat-resistant roll-shaped fiber-reinforced composite material comprising:
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