JP3547077B2

JP3547077B2 - 金属基複合材用プリフォームの製造方法

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Publication number: JP3547077B2
Application number: JP16511699A
Authority: JP
Inventors: 康一木村; 三志和田迫; 耕治岩田; 和巳金田; 強小林; 隆弘飯田; 敏郎島本; 進河本; 俊介藪内
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp; Nichias Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp; Nichias Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: JP2000355744A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無機粒子や無機繊維等の無機材料からなる金属基複合材用プリフォームに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素やアルミナ等のセラミック繊維又はセラミック粒子を補強材としてマトリックス金属を強化した繊維強化金属材が知られている。この繊維強化金属材は、例えば、炭化珪素やアルミナ等のセラミック繊維又はセラミック粒子及び結合材からなる多孔質構造を有する金属基複合材用プリフォーム（以下、単に「プリフォーム」とも言う。）を作製し、その空隙部に金属マトリックスの溶湯を流し込み、加圧により含浸させることにより得られる。
【０００３】
従来、自動車用エンジンのシリンダブロックとして、鋳鉄製のシリンダライナをアルミニウム合金等の金属マトリックスで鋳ぐるんだ構造のものが知られている。このシリンダブロックは、鋳鉄製のシリンダライナを含むことから重く、また鋳鉄とアルミニウム合金という熱膨張率の違う金属を使用することに伴う、密着性と放熱性の低下が問題となる。このため、シリンダライナをアルミニウム合金にしたシリンダブロックが数多く提案されている（特公平４−１１６１２号公報、特公平５−３３２９５号公報、特公平８−９０９３号公報参照）。
【０００４】
すなわち、このシリンダブロックは、まず、アルミナ繊維や炭素繊維等の無機繊維の多孔質構造体で所定の形状にした金属基複合材用プリフォームを作製し、このプリフォームを上記のようにシリンダブロックの鋳型に配置し、その鋳型にアルミニウム合金の溶湯を流し込み、プリフォーム中の空隙にアルミニウム合金の溶湯を含浸させてシリンダブロックを得るものである。冷却後、鋳型から取り出されたシリンダブロックは、シリンダライナ部分がプリフォームを骨組みとした繊維強化複合材料で構成され、全体がアルミニウム合金で一体的に鋳ぐまれたものとなっている。
【０００５】
また、多孔質構造体であるプリフォームを製造する際、無機繊維以外にセラミック等の粒子も添加したものとして、特開昭６３−１４９３４２号公報、特開平２−１９４１３２号公報、特開平３−４４４３２号公報、特開平９−１４０４５号公報等が知られている。これらのうち、特開平９−１４０４５号公報には、セラミック粒子とアルミナ短繊維とからなるものが、シリンダライナのプリフォームを製造する際の変形、割れ、撓み、金属マトリックスの浸透不良を起こすことがなく、繊維強化金属材料として適していることが記載されている。
【０００６】
また、特開平３−４４４３２号公報には、平均繊維径１μｍ以下の短繊維と、平均粒径１０〜５０μｍの無機粒子と、これらのバインダーとを混合したものを吸引脱水成形して得られた多孔質成形体は収縮や割れを生じることがなく、良質な繊維強化金属材料が得られることが記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例のように、プリフォームを得る際、その構成材料として耐熱性の繊維材料、例えば、無機繊維を用いることは、プリフォーム内に適度の空隙が形成され、その空隙に金属マトリックスを浸透させ易く、更に無機繊維同士がランダムに絡み合いプリフォームの強度を確保出来て、都合がよい。しかしながら、繊維材料は二次加工品であるため一般的に高価であり、例えば、同じ無機性の繊維状のものと粒子状のものとを比較すると、繊維状のものは粒子状のものの１０倍以上の価格である。従って、プリフォームの構成材料として繊維材料のみに頼ることは、その最終製品である、例えば、シリンダブロックの価格を押し上げることになる。
【０００８】
従って、繊維材料の一部をセラミック、金属、金属間化合物、炭素等の粒子に置き換えた従来例は、プリフォームとして繊維材料の果たす高い性能と価格面とを両立させる点で、極めて都合がよいものである。しかしながら、従来例を検証すると、かかる方法はプリフォームの作製工程中、吸引脱水成形時の脱水性が悪く生産性を低下させる。すなわち、プリフォームは、繊維材料とセラミック等の粒子とを含んだスラリーを所定の形状の型に入れ、フィルタを介して吸引脱水成形され、その後、乾燥と焼成を行うことで作製されるが、この吸引脱水成形時にセラミック等の粒子の割合が高くなるとフィルタの目詰りを起こし、脱水性が著しく低下し、プリフォームの生産性を低下させるという問題がある。
【０００９】
更に、従来例の検証では、耐熱性の繊維材料間の空隙にセラミック等の無機粒子が密に充填され易く、そのようなプリフォームでは金属マトリックスの溶湯を含浸させ難くなる。この場合、無理に含浸させるために溶湯の圧力を高めると、プリフォームに過大な圧力がかかり、プリフォームに割れや変形が生じる結果となる。更に、このプリフォームから得られる金属基複合材をシリンダブロックのシリンダライナに適用した場合は、シリンダライナの破損、変形が起きるという問題がある。
【００１０】
従って、本発明の目的は、耐熱性の繊維材料の一部をセラミック等の無機粒子にて置き換えたものでありながら、プリフォームを容易に作製でき、プリフォームへの金属マトリックスの溶湯を容易に行うことができ、更に、コストパフォーマンスに優れた多孔質構造を有する金属基複合材用プリフォームの製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、耐熱性の繊維材料を、平均繊維径が２〜５μｍで平均繊維長が１０〜２００μｍである小径無機繊維と、平均繊維径が４〜２０μｍで平均繊維長が１０〜２００μｍである大径無機繊維とに分け、これらに平均粒径が１〜５０μｍの無機粒子をバインダーと共に水に分散させ、シリンダライナ等の目的形状の型に入れフィルタを介して吸引脱水成形すると、小径無機繊維は無機粒子を主に捕捉し、プリフォーム中に無機粒子を分散させて、大径無機繊維の空隙に無機粒子が密に充填するのを防いで吸引脱水成形性を高め、更にこの小径無機繊維が無機粒子を捕捉する作用は最終的に得られる金属基複合材の耐摩耗性を向上させることに寄与すること、一方、大径無機繊維はプリフォーム中に適度のサイズの空隙を作り出し、吸引脱水成形性を高めると共に、金属マトリックスの溶湯がプリフォーム中に含浸し易い状況を作り出すこと等を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、請求項１の発明は、平均粒径が１〜５０μｍの無機粒子と、平均繊維径（ｄ _１）が２〜５μｍで平均繊維長が１０〜２００μｍの小径無機繊維と、平均繊維径（ｄ _２）が４〜２０μｍであり且つ、前記（ｄ _１）と前記（ｄ _２）が、２ｄ _１＜ｄ _２の関係であり平均繊維長が１０〜２００μｍの大径無機繊維を、水に分散し更に結合材を入れてスラリーを得る際、プリフォーム形成後の前記小径無機繊維及び大径無機繊維が占める体積（Ｖ ₂ ）中、前記小径無機繊維が占める体積（Ｖ _s ）の比率（１００×Ｖ _s ／Ｖ ₂ ）が２０〜８０％となるような割合で配合し、該スラリーを所定形状の型に入れ吸引脱水成形し、乾燥し、焼成することを特徴とする金属基複合材用プリフォームの製造方法を提供するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明で用いられる無機粒子としては、平均粒径が１〜５０μｍの範囲であり、金属マトリックスの溶湯を多孔質構造体に含浸させる際の温度に耐え得るものあれば特に制限されず、例えば、アルミニウム、シリコン、チタン、ジルコニウム、マグネシウム、ボロン、鉄等の金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物が挙げられる。これらは、１種あるいは２種以上を組み合わせて使用される。具体的には、アルミナ粉末、ムライト粉末、コージェライト粉末、シリカ粉末等である。但し、多孔質構造体であるプリフォームがシリンダライナのように耐摩耗性を要求される場合には、それに耐えうる無機粒子を選択することが好ましい。
【００１４】
本発明で用いられる小径無機繊維としては、平均繊維径が２〜５μｍの範囲であり、平均繊維長が１０〜２００μｍの範囲であって、金属マトリックスの溶湯を多孔質構造体に含浸させる際の温度に耐え得るものであれば特に制限されず、例えば、アルミナ繊維、アルミナシリか繊維、ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維、ムライト繊維、石綿、ロックウールが挙げられる。これらは、１種あるいは２種以上を組み合わせて使用される。
【００１５】
本発明で用いられる大径無機繊維としては、平均繊維径が４〜２０μｍの範囲であり、平均繊維長が１０〜２００μｍの範囲であり、金属マトリックスの溶湯を多孔質構造体に含浸させる際の温度に耐え得るものであれば良く、上記小径無機繊維と同じものが使用される。
なお、小径無機繊維及び大径無機繊維は、無機繊維であるが、耐熱性があれば良く、将来的には有機繊維であることを妨げない。
【００１６】
前記無機粒子並びに小径及び大径無機繊維を結合する結合材としては、熱処理によりこれらを結合し、プリフォームとして必要な強度を得ることができるものであれば特に制限されないが、例えば、フリット等の粉末状結合材、コロイダルシリカ、アルミナゾル等が挙げられる。これらは、１種あるいは２種以上を組み合わせて使用される。
【００１７】
本発明において、前記小径無機繊維の平均繊維径（ｄ_１）と前記大径無機繊維の平均繊維径（ｄ_２）は、２ｄ_１＜ｄ_２の関係、好ましくは３ｄ_１＜ｄ_２の関係があることが好ましい。当該ｄ_１とｄ_２がこの範囲外であると、無機繊維を小径無機繊維と大径無機繊維に分けたことにより得られる上述の作用、効果が小さくなり好ましくない。
【００１８】
本発明の金属基複合材用プリフォームにおける空隙率は、５０〜９０％（多孔質構造体の体積分率は１０〜５０％となる）の範囲が好ましい。５０％未満ではプリフォームの多孔質構造体に金属マトリックスを含浸させることが困難になり、９０％を越えるとプリフォームの多孔質構造体自体の強度が不足する。
【００１９】
本発明の金属基複合材用プリフォームにおいて、前記無機粒子の体積Ｖ_１と前記小径無機繊維及び大径無機繊維の体積Ｖ_２が、Ｖ_１／Ｖ_２＝０．５〜２であることが好ましい。Ｖ_１／Ｖ_２が０．５未満であると、最終的に得られる金属基複合材である強化金属材の耐摩耗性が低下する傾向にある。無機粒子は主に小径無機繊維により捕捉され、それにより耐摩耗性を向上させるため、Ｖ_１が小さくなることは耐摩耗性も低下することになる。逆に、Ｖ_１／Ｖ_２が２を越えると、無機粒子が多過ぎてプリフォームを形成する際の吸引脱水成形性が低下し、生産性が低下する。
【００２０】
本発明の金属基複合材用プリフォームにおいて、前記小径繊維及び大径無機繊維の合計体積量Ｖ_２中、前記小径無機繊維が占める体積Ｖ_ｓの比率１００ ×Ｖ_ｓ／Ｖ_２は、２０〜８０％が好ましく、特に５０〜７０％が好ましい。この比率が２０％未満であると、大径無機繊維による繊維間空隙の存在が顕著になり、小径無機繊維が少なくなって、プリフォームの形成時に無機粒子を充分捕捉できなくなり、フィルタの目を詰め吸引脱水成形性を低下させ、かつこの大径繊維間空隙に無機粒子が密に充填されることになって金属マトリックスを含浸させることを困難にする。逆に、この比率が８０％を越えると、小径無機繊維が多くなり、小径繊維間空隙（小さな空隙）が多くなって吸引脱水成形性を低下させ、かつ大径繊維間空隙による金属マトリックスの溶湯のし易さの効果が得られない。
【００２１】
このような傾向から、プリフォームの吸引脱水成形性と金属マトリックス溶湯の含浸性は相関性を有する。いずれにしても、比率１００×Ｖ_ｓ／Ｖ_２が２０〜８０％の範囲から外れると、プリフォームの形成時の吸引脱水成形性が低下し、かつプリフォームの多孔質構造体に金属マトリックスの溶湯がしずらくなり、繊維強化金属材の鋳造時におけるプリフォームの圧縮変形率（Ａ）を増大させる結果となる。ここで、圧縮変形率Ａは、鋳造前の多孔質構造体の厚み（Ｔ）と、鋳造後における多孔質構造体の厚み（Ｔ_ａ）の差（Ｔ−Ｔ_ａ＝ΔＴ）との百分率（％）で定義される（Ａ＝１００ ×ΔＴ／Ｔ）。
【００２２】
また、本発明の金属基複合材用プリフォームの好ましい例としては、アルミナ粒子を金属基複合材用プリフォーム中、体積率で７〜１１％含有し、且つカーボン繊維及びカーボン粒子の双方又は一方を含有するものである。この場合、カーボン繊維は、小径繊維であっても、大径繊維であっても、また双方に使用するものであってもよい。これにより、シリンダライナとした場合、必要とされる滑り性及び耐スカッフィング性能を共に満足する。
【００２３】
本発明において、繊維強化金属材は上記プリフォームの多孔質構造体を骨構造とし、その多孔質構造体に金属マトリックスを含浸させることで作製される。該金属マトリックスとしては、アルミニウム、チタン、マグネシウム、ニッケル、銅及びこれら各金属の合金が挙げられ、このうち、アルミニウム合金が最も多く使用される。すなわち、繊維強化金属材は、目的とする特定形状に形成されたプリフォームにアルミニウム合金等の金属マトリックスを含浸させて得られる。
【００２４】
本発明の金属基複合材用プリフォーム及び繊維強化金属材は、以下のようにして作製される。先ず、上記に記載の条件を満たすサイズの無機粒子、小径無機繊維及び大径無機繊維を用意し、小径無機繊維と大径無機繊維とはそれらの繊維径の間に２ｄ_１＜ｄ_２の条件を満たすものとする。且つ、これら無機粒子、小径無機繊維及び大径無機繊維の配合は、５０〜９０％の空隙率を有し、無機粒子の体積Ｖ_１と小径無機繊維及び大径無機繊維の合計体積Ｖ_２はＶ_１／Ｖ_２＝０．５〜２であり、上記Ｖ_２中、小径無機繊維が占める体積Ｖ_ｓの比率１００×Ｖ_ｓ／Ｖ_２が２０〜８０％である多孔質構造体のプリフォームが得られる配合とする。
【００２５】
次に、これら配合物を水に分散し更に結合材を入れてスラリーを得る。このスラリーを目的とする所定形状の型に入れ吸引脱水成形法により脱水し、更に乾燥して所定形状の成形体を得、この成形体を焼成して多孔質構造体である金属基複合材用プリフォームを得る。また、繊維強化金属材をシリンダブロックのシリンダライナに適用する場合、このプリフォームをシリンダブロックの鋳型内に配置して金属マトリックスであるアルミニウム合金の溶湯を流し込み、プリフォーム中にアルミニウム合金の溶湯を含浸させる。含浸が終了したら、冷却し鋳型から外せばシリンダブロックが得られる。このシリンダブロックは、シリンダライナ部分が多孔質構造体であるプリフォームにより強化された繊維強化金属材であり、しかも一体化されている。
【００２６】
【実施例】
次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。
【００２７】
実施例１
下記出発原料を下記の配合に従い水に分散し、スラリーを得た。
（出発原料）
・無機粒子；平均粒径２０μｍのアルミナ粒子
・小径無機繊維；平均繊維径３μｍ、平均繊維長１００ μｍのアルミナシリカ繊維
・大径無機繊維；平均繊維径１０μｍ、平均繊維長１５０ μｍのガラス繊維
・結合材；ガラスフリット及びアルミナゾル
（配合）
表１に示す配合割合（表中の数値は配合比率を示す）で行い、プリフォームの体積分率は３０％、無機粒子体積（Ｖ_１）／小径無機繊維及び大径無機繊維の合計体積（Ｖ_２）＝１．０、固形分比５％とし、１００（％）×小径無機繊維体積（Ｖ_ｓ）／小径及び大径無機繊維体積（Ｖ_２）は１０％、２０％、５０％、７０％、８０％、９０％の６種類の配合とした。
【００２８】
【表１】

【００２９】
次に、各配合のスラリーを円盤形状の型に流し込み脱水して、１０５℃で乾燥して各配合の成形体（直径１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）を得、この成形体を６００℃の温度で１時間焼成し、各配合の多孔質構造体のプリフォームを得た。この多孔質構造体について、下記の濾水性試験を行った。その結果を図１に示す。次に、この多孔質構造体を円盤形状の鋳型内に配置して８００℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＤＣ１２）の溶湯を流し込み、１０００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で加圧して多孔質構造体中にアルミニウム合金の溶湯を含浸させ多孔質構造体により強化された各配合の繊維強化金属材を得た。この繊維強化金属材について、鋳造前の多孔質構造体の厚み（Ｔ）と、鋳造後における多孔質構造体の厚み（Ｔ_ａ）とを測定し、前記定義の圧縮変形率Ａ＝１００（Ｔ−Ｔ_ａ）／Ｔを算定した。その結果を図２に示す。
【００３０】
（濾水性試験）
水分量９０％のスラリー１Ｌを減圧度−６００ｍｍＨｇ下、細孔径３００μｍのフィルターを通して吸引脱水する際、水分量１０％にまで脱水するまでの濾水時間（秒）で表す。従って、濾水時間が長いものは濾水性が悪いことを意味する。
【００３１】
図１から、１００ ×（Ｖ_ｓ／Ｖ_２）が５０％、７０％の場合、最も濾水時間が短く、１０％、９０％になると急激に濾水時間が長くなる。このことから、濾水性に関し、１００ ×（Ｖ_ｓ／Ｖ_２）値は２０〜８０％が最適の範囲であることが判る。また、図２から、１００ ×（Ｖ_ｓ／Ｖ_２）が５０％、７０％のものが最も圧縮変形率が少なく、１０％、２０％、９０％のものは圧縮変形率が大きい。このことから、圧縮変形率に関しても、１００ ×（Ｖ_ｓ／Ｖ_２）値は２０〜８０％が最適の範囲であることが判る。
【００３２】
実施例２
小径無機繊維体積（Ｖ_ｓ） ×１００（％）／小径無機繊維及び大径無機繊維体積（Ｖ_２）値は５０％とし、無機粒子体積（Ｖ_１）／小径無機繊維及び大径無機繊維体積（Ｖ_２）の比率は、０．３、０．５、１．０、１．５及び２．０の５種類の配合とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。得られた繊維強化金属材について、以下に示す摩耗性試験を行った。その結果を図３に示す。また、配合表（表中の数値は配合比率を示す）は表２に示す。
【００３３】
【表２】

【００３４】
（摩耗性試験）
繊維強化金属材（ＭＭＣ）の表面にピン状の相手材を荷重５０ｋｇｆで圧接させ、接触部に潤滑油を１ｍｌ／分で供給しながら、ストローク５０ｍｍ、速度２００サイクル／分の条件で２時間往復動させ、その時のＭＭＣの摩耗量を測定する。
【００３５】
図３から、Ｖ_１／Ｖ_２の比率が１．５の場合、最も摩耗量が少なく、次いで、２．０、１．０のものが少なく、０．３の場合、急激に摩耗量が増える。これから、Ｖ_１／Ｖ_２値は０．５〜２が最適の範囲であることが判る。
【００３６】
実施例３
下記出発原料を下記の配合に従い水に分散し、スラリーを得た。

【００３７】
このスラリーを円盤形状の型に入れ吸引脱水成形法により脱水してプリフォームを得、次いで繊維強化金属材とする方法は実施例１と同様の方法で行った。
また、実施例２と同様の摩耗試験を行った。なお、摩耗試験ではピン状の相手材がクロムメッキリング材の場合と窒化リング材の場合のそれぞれについて摩耗量を測定した。その結果、クロムメッキリング材及び窒化リング材の双方共に、ＭＭＣの摩耗量は約１μｍと少なかった。
【００３８】
実施例４
下記出発原料及び配合に従って水に分散させスラリーを作製する以外は、実施例３と同様の方法で繊維強化金属材を得た。また、同様に摩耗試験を行った。その結果、クロムメッキリング材及び窒化リング材の双方共に、ＭＭＣの摩耗量は約１μｍと少なかった。
【００３９】
アルミナ粒子（平均粒径２０μｍ）４５重量部
アルミナシリカ繊維（平均繊維径３μｍ、平均繊維長１００μｍ）１０重量部
ガラス繊維（平均繊維径１０μｍ、平均繊維長１５０μｍ）１０重量部
カーボン繊維（平均繊維径１０μｍ、平均繊維長６０μｍ）１０重量部
ガラスフリット（結合材）２０重量部
アルミナゾル（結合材）５重量部
【００４０】
実施例５
下記出発原料及び配合に従って水に分散させスラリーを作製する以外は、実施例３と同様の方法でシリンダブロックを得た。また、同様に摩耗試験を行った。その結果、クロムメッキリング材及び窒化リング材の双方共に、ＭＭＣの摩耗量は約１μｍと少なかった。
【００４１】
アルミナ粒子（平均粒径２０μｍ）３５重量部
アルミナシリカ繊維（平均繊維径３μｍ、平均繊維長１００μｍ）１０重量部
ガラス繊維（平均繊維径１０μｍ、平均繊維長１５０μｍ）２０重量部
黒鉛粉（平均粒径３０μｍ）１０重量部
ガラスフリット（結合材）２０重量部
アルミナゾル（結合材）５重量部
【００４２】
【発明の効果】
本発明の多孔質構造体は、耐熱性の繊維材料の一部を無機粒子で置き換えたものでありながら、プリフォームを容易に作製でき、また、プリフォームへの金属マトリックスの溶湯を容易に行うことができ、コストパフォーマンスに優れたものとすることができる。また、この多孔質構造体を使用して作製された繊維強化金属材は、当該多孔質構造体を使用するため、鋳造中の不都合がなく鋳造し易さからコストパフォーマンスに優れ、しかも無機粒子の関与により耐摩耗性にも優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である多孔質構造体における１００（％）×Ｖ _ｓ／Ｖ_２の比率と濾水時間との関係を示す特性図である。
【図２】本発明の実施形態である多孔質構造体における１００（％）×Ｖ _ｓ／Ｖ_２の比率と鋳造時の多孔質構造体の圧縮変形率との関係を示す特性図である。
【図３】本発明の実施形態である多孔質構造体におけるＶ_１／Ｖ_２の比率と各比率の多孔質構造体から得られた強化金属材の磨耗量との関係を示す特性図である。

Claims

平均粒径が１〜５０μｍの無機粒子と、平均繊維径（ｄ_１）が２〜５μｍで平均繊維長が１０〜２００μｍの小径無機繊維と、平均繊維径（ｄ_２）が４〜２０μｍであり且つ、前記（ｄ_１）と前記（ｄ_２）が、２ｄ_１＜ｄ_２の関係であり平均繊維長が１０〜２００μｍの大径無機繊維を、水に分散し更に結合材を入れてスラリーを得る際、プリフォーム形成後の前記小径無機繊維及び大径無機繊維が占める体積（Ｖ₂）中、前記小径無機繊維が占める体積（Ｖ_s）の比率（１００×Ｖ_s／Ｖ₂）が２０〜８０％となるような割合で配合し、該スラリーを所定形状の型に入れ吸引脱水成形し、乾燥し、焼成することを特徴とする金属基複合材用プリフォームの製造方法。