JP3045889B2 - 炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの製造方法 - Google Patents
炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの製造方法Info
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Description
く新規な炭素繊維炭素複合材料(以下、「C/Cコンポ
ジット」と称す)製コイルばねの製造方法に関する。
機械、装置或いは機構に用いられており、今日において
は、日常家庭用品や工業用品、更にはその他の分野にお
いて、必要不可欠の重要な部品となっている。
製造されているものであり、更に近年、耐熱性、耐摩耗
性及び耐腐食性に優れたセラミックス材料を用いたコイ
ルばねを製造することが考えられている。
は、主として燃料消費効率の向上を目的として軽量化が
図られており、その一手段としてばね材の軽量化が求め
られている。また、各種の産業機械においても、種々の
目的から軽いばね材が求められている。
イルばねは、耐熱性に劣り、高温の使用環境下において
充分なばね特性を発揮し得ず、従って使用が不可能又は
長期的な使用が不可能である。例えば、金属製ばねとし
ては、ステンレス鋼、低合金鋼、工具鋼などが主に使わ
れるが、耐熱性合金と称されるものであっても 400℃を
越える温度では、強度低下及び変形が著しく急激なヘタ
リが起こるので、このような環境下ではばねとして使用
できないという問題があった。またインコネル、ハステ
ロイなどの超耐熱性合金でも、700 ℃を越える温度で
は、強度低下及び変形が著しく、急激なヘタリが起こる
ので、このような環境下ではばねとして使用できないと
いう問題があった。
よっては錆が発生しやすく、耐摩耗性も劣り、更には磁
場の影響を受けた場合には磁化され易いので、磁場の影
響を受け易い環境下における使用に制限を受ける等とい
う問題があった。
製コイルばねは、繰り返し高温で使用すると破壊する可
能性が高く、従って熱衝撃に弱く、500 〜1000℃を越え
る温度で急激に強度低下及び変形または破損する。また
靭性がないため壊れやすく破損しないように取り扱いが
極めて困難性を伴う等という問題があった。
である特徴を有するC/Cコンポジットを用いて、高温
においても優れたばね特性を有し、高硬度、耐摩耗性、
耐触性、靱性が高く、熱衝撃に強く、密度が高い従来に
存在しない全く新規なC/Cコンポジット製コイルバネ
の製造方法を提供することである。
の問題点を解決すべく、高強度、高弾性率、軽量等の特
徴を有するC/Cコンポジットに着目して鋭意研究の結
果、従来のコイルバネでは得られない高温における優れ
たばね特性、高硬度、耐摩耗性、耐蝕性、高靱性、強い
熱衝撃性、高密度のコイルばねを得ることを知見し、本
発明の完成するに至ったのである。
/Cコンポジット製コイルばねは、螺旋状本体の一端と
他端を支持部材により支持して用いるコイルばねであっ
て、ばね材料としてC/Cコンポジットが用いられてい
る。
ルばねの製造方法は、原料プリフォームドヤーンをヤー
ン状またはテープ状またはシート状として、芯棒に間隙
保持用コイル材(中子)とともに巻き付け、原料プリフ
ォームドヤーンとコイル材(中子)を交互に配置した
後、ホットプレスで約 300〜900 ℃,常圧もしくは加圧
下で成形し、成形品からコイル材(中子)を取外し、次
いで必要に応じて 700〜1200℃で炭化、1500〜3000℃で
黒鉛化することによりC/Cコンポジット製コイルばね
を得ることを特徴とするものである。
イルばねの製造方法は、原料プリフォームドヤーンをシ
ート状として、積層し、ホットプレスで 300〜2000℃で
加圧下でブロック状に成形し、この成形品を必要に応じ
て 700〜1200℃で炭化した後、1500〜3000℃で黒鉛化す
ることにより炭素繊維炭素複合材料製ブロックを得、こ
のブロックを機械的研削加工によりコイルばね状に成形
して炭素繊維炭素複合材料製コイルばねを得ることを特
徴とするものである。
得られた炭素繊維炭素複合材料製コイルばねを好適な実
施例に基づいて説明する。
ルばね1は、螺旋状の本体2の一端3と他端4とを図示
してないばね支持部材により支持する構成としている。
図1の実施例は、断面形状が矩形のものであり、図2の
実施例は断面形状を円形にしたものであり、図3は矩形
断面の断面積を本体2の中央部5の部分において比較的
広くし、両端部3,4に向う周辺部6において比較的狭
くなるようにしたものである。
には、圧縮のストロークに応じて多段階にばね定数を変
化させることができるという利点がある。
部を狭くしたもの、図5はコイルばね1の本体2の中央
部を広くしたもの、図6はコイルばね1の本体2に2箇
所広幅の部分を設けたものである。
したが、引張りばねにも本発明を適用し得ることはもち
ろんであり、円形、矩形以外にも種々の断面形状を用い
ることができる。
ばねは、素材の処理温度である3000℃程度のものまで使
用可能であり、また、ばね特性の範囲は、一例として密
度1.5 〜2.2g/cm3のものに対し、ばね定数0.1 〜10程度
が得られる。
ばねは、極めて耐熱性が高いので、熱負荷の大きな部
分、例えば自動車のディスクブレーキ用ばねとして用い
ることができる。
用いるC/Cコンポジットには、含浸法、CVD法等の
従来の方法により製造したC/Cコンポジットの他、好
ましくは、プリフォームドヤーン法によるC/Cコンポ
ジットを用いることができる。
性率が大きく、熱衝撃に強く、温度変化を繰り返しても
変形しないなどの利点から高温焼成用のマッフル、治
具、ボックス、トレーなどに効果的である。
トは、炭素繊維を予め簡単に成形し、炉に入れて高温下
で加熱し、次いで炭化水素系ガスを炉内に通して分解炭
化させ、炭素を表面に沈着固化させるものである。
を得る方法として、炭素繊維の束、織布、不織布など
を、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に
より所望の形状に成形した後、不活性ガス雰囲気で熱処
理を行って樹脂を炭化させる方法もある。
炭化し、更に樹脂が炭化する際に分解物が抜けてできた
気孔に樹脂を含浸して炭化する操作を繰り返すことによ
り、本発明に用いるC/Cコンポジットを得る方法もあ
る。
いる炭素繊維としては、石油ピッチ若しくはコールター
ルピッチを原料とし、紡糸用ピッチの調整、溶融紡糸、
不融化及び炭素化して得られるピッチ系炭素繊維並びに
アクリロニトリル(共)重合体繊維を耐炎化及び炭素化
して得られるPAN系炭素繊維の何れのものでもよい。
/Cコンポジットが特に好ましく、当該プリフォームド
ヤーンは本件出願人による特願昭61−182483号に記載さ
れた方法により製造するものである。
維束の周囲に熱可塑性樹脂からなる柔軟な被覆(即ちス
リーブ)が設けられている。
は、フィラメントのデニール数が約0.05〜約600 の範囲
内で、フィラメント数が約50〜300000のもの、特にフィ
ラメントのデニール数が約0.25〜約16で、フィラメント
数が約100 〜約48000 のものが好ましく、該スリーブの
肉厚は一般的には、均一なスリーブ形成及びプリフォー
ムドヤーンの柔軟性のため約5〜約1000μm とするのが
良く、特に約10〜約300 μm とするのが好ましい。
炭素繊維束に含有される最終的にマトリックスとなる粉
末状のピッチ、コークス類の粉末類も含めて、直径約0.
1 〜約10mmの範囲のものが適切であり、約0.5 〜約5mm
のものが好ましい。前記繊維束の周囲に上記スリーブを
設けることによって、プリフォームドヤーンの補強用繊
維含有量は、補強効果及び高品質で均一な成形品を得る
ため約5〜約70容量%の範囲で任意に選択される。
リーブ形成材として用いる熱可塑性樹脂は、後加工にお
ける成形温度で完全に溶解する樹脂であり、例えばポリ
アミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリスチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド
イミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテ
ルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニ
レンサルファイド等のポリマーが挙げられる。更に具体
的にはポリアミドとしては、ナイロン66、ナイロン12、
ナイロン6/66/12 ターポリマーのようなホモ又はコポリ
マーが用いられる。またポリエステルとしては、ポリエ
チレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、
ポリエチレン−2,6−ナフタレート、ポリオキシエト
キシベンゾエート、全芳香族ポリエステル等のホモポリ
マー又はこれらコポリマーが用いられる。
で被覆してなる比較的太い柔軟性プリフォームドヤーン
と、比較的細い熱可塑性樹脂繊維糸又は比較的細い炭素
繊維束を、その何れか一方を経糸とし、他方を緯糸とし
て製織して一方向プリフォームドシートを製造する。
による特願昭63−231791号公報に開示されている。当該
プリフォームドシートの経糸若しくは緯糸として用いら
れる熱可塑性樹脂繊維糸は、後加工における成形温度で
完全に溶融する樹脂繊維糸であり、例えばポリアミド、
ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリス
チレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミドイミド、ポ
リイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホ
ン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサル
ファイド等のポリマーの繊維が挙げられる。更に具体的
には、ポリアミド繊維としては、ナイロン66、ナイロン
6、ナイロン12、ナイロン6/66/12 ターポリマーのよう
なホモ又はコポリマーから得られる繊維が用いられ、ま
たポリエステル繊維としては、ポリエチレンテレフタレ
ート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン−
2,6−ナフタレート、ポリオキシエトキシベンゾエー
ト、全芳香族ポリエステル等のホモポリマー又はこれら
のコポリマーから得られる繊維が用いられ、この熱可塑
性樹脂繊維糸としてはできるだけ細い糸を使用するのが
良く、前記プリフォームドヤーンに対して、直径が1/5
以下のものを使用するのが、プリフォームドヤーンの直
線性を保持して通常織物にしたことによる後加工時の強
度低下を殆どなくすため好ましい。
脂繊維との交織割合は、プリフォームドヤーン中の補強
用繊維と熱可塑性樹脂との割合によって変わり、また成
形後の複合材料の用途によっても変わるが、通常プリフ
ォームドシート全体での補強用繊維の割合が約3〜約70
容量%程度になるようにするのが好ましい。
ばねの製造方法を、本発明の一実施例に基づいて説明す
る。
ームドヤーンを、ヤーン状またはテープ状またはシート
状として、芯棒に間隙保持用コイル材(中子)とともに
巻き付けて、原料プリフォームドヤーンとコイル材(中
子)を交互に配置するようにする。これをホットプレス
で約 300〜2000℃,常圧〜500kg/cm2 で成形する。成形
品からコイル材(中子)を取外し、次いで必要に応じ 7
00〜1200℃で炭化、1500〜3000℃で黒鉛化して本発明の
C/Cコンポジット製コイルばねを得る。
が十分に行なわれず、また成形品が十分に作製されない
ため好ましくない。500kg/cm2 以上の圧力だと装置的に
も大規模なものが必要となり好ましくない。特に、 300
℃以上、好ましくは 500℃以上でホットプレス処理をお
こなった際には成形体中に揮発分が殆ど残存せず、従っ
て、次いで、黒鉛化処理してもガスの発生がないため、
気孔が殆どなく、再含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理を
繰り返すことなしに、充分な機械的強度を有する複合材
料を得ることができる。
型品を約 700〜約1200℃の温度で炭化、次いで約1500℃
〜約3000℃の温度で黒鉛化してC/Cコンポジットを得
る。
止、浸炭防止、表面の平滑化等のため、C/Cコンポジ
ット基材の表面に各種のコーティングを施したものも使
用することができる。
TiN, ZrN, AlN, BN, Si3N4, Al2O3, TiO2,Cr2O3, SiO
2 等のセラミックス類、Cr, Zr, Ti, Si, B 等の金属
類、ガラス類、グラッシーカーボン等を用いることがで
きる。
法、PVD法、イオンプレーティング、スパッタリン
グ、溶射、水性ガラスコーティング、レーザー蒸着法、
プラズマ溶射、メッキライニング、塗装等の従来の方法
を用いることができ、コーティングは、最終製品である
コイルばねに直接、又はC/Cコンポジット基材に施し
てもよい。
ばねの製造方法の他の実施例を説明する上述のようにし
て得られた原料プリフォームドヤーンをシート状とし
て、積層し、ホットプレスで 300〜2000℃で加圧下でブ
ロック状に成形し、この成形品を必要に応じて 700〜12
00℃で炭化した後、1500〜3000℃で黒鉛化することによ
り炭素繊維炭素複合材料製ブロックを得、このブロック
を機械的研削加工によりコイルばね状に成形して炭素繊
維炭素複合材料製コイルばねを得る。上記ブロックには
四角形断面のもの円筒状のもの等種々の形状のものを用
いることができる。また、研削加工としては、例えばコ
イルばねの円筒状の外径、内径をせん盤により加工した
後、せん盤またはグラインダにより、ばねの螺旋状部分
を削り出すようにする。なお、C/Cコンポジットの製
法自体はCVD法、含浸法によるものを用いた場合も同
様のばねを製造することができる。
説明し、炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの性能比較
実験の結果を以下に示す。
料プリフォームドヤーンをヤーン状として、芯棒に間隙
保持用コイル材(中子)とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材(中子)を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃,100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材(中子)を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してC/Cコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたC/Cコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.6g/cm3 外径 50mm 内径 20mm 自由長 40mm 最大荷重 15kg 最大変位量 6mm ばね定数 2.5 であった。
し、次いで含浸、炭化を繰り返し、C/Cコンポジット
製コイルばねを得た。炭素繊維含有率は40 vol%とし、
2000℃で黒鉛化した。得られたC/Cコンポジット製ば
ねは、 密度 1.5g/cm3 外径 20mm 内径 10mm 自由長 20mm 最大荷重 2kg 最大変位量 8mm ばね定数 0.25 であった。
料プリフォームドヤーンをヤーン状として、芯棒に間隙
保持用コイル材(中子)とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材(中子)を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃,100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材(中子)を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してC/Cコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたC/Cコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.8g/cm3 外径 15mm 内径 5mm 自由長 20mm 最大荷重 1kg 最大変位量 10mm ばね定数 0.1 であった。
料プリフォームドヤーンをヤーン状として、芯棒に間隙
保持用コイル材(中子)とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材(中子)を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃,100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材(中子)を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してC/Cコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたC/Cコンポジッ
ト製ばねは、 密度 2.2g/cm3 外径 45mm 内径 10mm 自由長 24mm 最大荷重 20kg 最大変位量 2mm ばね定数 10 であった。
料プリフォームドヤーンをテープ状として、芯棒に間隙
保持用コイル材(中子)とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材(中子)を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 800℃,100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材(中子)を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してC/Cコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたC/Cコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.6g/cm3 外径 37mm 内径 27mm 自由長 60mm 最大荷重 14kg 最大変位量 7mm ばね定数 2 であった。
料プリフォームドヤーンをシート状として、芯棒に間隙
保持用コイル材(中子)とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材(中子)を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃,150 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材(中子)を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してC/Cコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたC/Cコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.7g/cm3 外径 300mm 内径 200mm 自由長 150mm 最大荷重 500kg 最大変位量 50mm ばね定数 7 であった。
ホットプレスで約600℃, 100kg/cm2 でブロック状に成
形し、この成形品を 800℃で炭化した後、2000℃で黒鉛
化することにより得た炭素繊維炭素複合材料製ブロック
を機械的研削加工によりコイルばね状に成形して以下の
C/Cコンポジット製ばねを得た。 密度 1.7g/cm3 外径 30mm 内径 15mm 自由長 30mm 最大荷重 5kg 最大変位量 5mm ばね定数 1 であった。
荷重をかけたまま、1200℃に昇温する試験を繰り返し行
ったのち、その特性を測定したところ 密度 1.6g/cm3 外径 50mm 内径 20mm 自由長 40mm 最大荷重 15kg 最大変位量 6mm ばね定数 2.5 であり、表1のとおりであった。
ところ昇温前は、ばね定数1.5 のものが昇温後変形し、
ばねとして使用できなくなった。
験を繰り返し行った。ばね定数の変化は表1の通りであ
った。
り得られた炭素繊維炭素複合材料製コイルばねは、C/
Cコンポジット材の性質により金属製コイルばねに比し
て軽量であり、耐摩耗性、耐蝕性、耐薬品性が良く、ま
た靱性が高いのでセラミックス製コイルばねに比して機
械的衝撃に強く、耐熱性が高く、熱衝撃にも強いという
多大な利点を有するコイルばねを安価に得ることができ
るという効果が得られる。
合材料製コイルばねの一実施例の斜視図である。
れた炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの他の実施例の
斜視図である。
合材料製コイルばねの他の実施例の斜視図である。
合材料製コイルばねの他の実施例の斜視図である。
合材料製コイルばねの他の実施例の斜視図である。
合材料製コイルばねの他の実施例の斜視図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 原料プリフォームドヤーンをヤーン状ま
たはテープ状またはシート状として、芯棒に間隙保持用
コイル材(中子)とともに巻き付け、原料プリフォーム
ドヤーンとコイル材(中子)を交互に配置した後、ホッ
トプレスで約300〜2000℃,常圧もしくは加圧下で成形
し、成形品からコイル材(中子)を取外し、次いで必要
に応じて 700〜1200℃で炭化した後、1500〜3000℃で黒
鉛化することにより炭素繊維炭素複合材料製コイルばね
を得ることを特徴とする炭素繊維炭素複合材料製コイル
ばねの製造方法。 - 【請求項2】 原料プリフォームドヤーンをシート状と
して、積層し、ホットプレスで 300〜2000℃で加圧下で
ブロック状に成形し、この成形品を必要に応じて700〜1
200℃で炭化した後、1500〜3000℃で黒鉛化することに
より炭素繊維炭素複合材料製ブロックを得、このブロッ
クを機械的研削加工によりコイルばね状に成形して炭素
繊維炭素複合材料製コイルばねを得ることを特徴とする
炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの製造方法。
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