JP4338413B2 - 複合材用プリフォーム並びに該複合材用プリフォームを複合化してなるアルミニウム複合材及びこれらの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金等の軽金属と複合化することにより複合材を成形する複合材用プリフォーム並びに、該複合材用プリフォームにアルミニウム合金の溶湯を含浸してなるアルミニウム複合材、及びこれらの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車にあっては、燃費や走安性等を向上させるため、軽量化、高耐久性、低熱膨張性等に優れるアルミニウム合金によって製造される部品が増加する傾向にある。この自動車を構成する部品には、エンジンのピストン部品等のように、燃焼効率の改善や排気ガス中の有害成分低減のために圧力や温度等の使用条件が厳しくなってきているものもある。例えば、エンジンのピストンに形成されるピストンリング溝部は、前記使用条件が厳しい部分であるため、高い耐摩耗性や強度が要求されている。そのため、このような部分には、アルミニウム合金をセラミックス等の強化材で強化してなるアルミニウム複合材の適用が進んでいる。
【0003】
このようなアルミニウム複合材は、予め粒子、短繊維、ウィスカ等の強化材からなる複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯を含浸して成形されてなるものが良く知られている。そして、例えば、部品の特定部分のみを強化する場合にあっては、所定形状の金型の、この特定部分を形成する位置に複合材用プリフォームを配置した後、アルミニウム合金の溶湯を該金型に流し込む鋳造成形によって、当該構成部品を一体成形するようにしている。例えば、上述したピストンリング溝部を強化してなるピストンを成形する場合にあっては、強化材としてホウ酸アルミニウムウィスカを用いてなる複合材用プリフォームを、ピストンの鋳造用金型のピストンリング溝部形成位置に配置した後、アルミニウム合金の溶湯を高圧鋳造することにより、前記溝部が強化されたピストンが一体成形される。ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカは、耐摩耗性や強度に優れ、かつ、比較的安価であるため、ピストンのピストンリング溝部等の強化材に好適に用いられている。
【0004】
ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカからなる複合材用プリフォームは、例えば、該ホウ酸アルミニウムウィスカと無機バインダーのアルミナゾルとを水中で攪拌し、所定のフィルタを用いてこの混合水溶液の水分を吸引した後、約1200℃で焼結させて成形する、一般的な複合材用プリフォームの製造方法により得ることができる。この複合材用プリフォームにあっては、隣接するホウ酸アルミニウムウィスカ同士が、アルミナゾルのゲル化及び結晶化によって相互に結合して形成されてなる。
【0005】
一方、このホウ酸アルミニウムウィスカからなる複合材用プリフォームとしては、例えば特許文献1のように、セラミックス粒子(二酸化チタンなど)、ホウ酸アルミニウムウィスカ、チタン酸カリウムウィスカ、短繊維(アルミナ繊維)、及び焼結性粉末(黒鉛など)を混合した水溶液に、さらに無機バインダー(アルミナゾルなど)を添加し、水分を吸引した後所定温度で焼結することにより成形されるものも提案されている。かかる複合材用プリフォームは、ホウ酸アルミニウムウィスカの表面にセラミックス粒子が付着した構成となっている。ここで、チタン酸カリウムウィスカは焼結性に優れるものであり、セラミックス粒子やホウ酸アルミニウムウィスカと焼結してこれらを間接的又は直接的に結合させ易くしている。また、このセラミックス粒子とホウ酸アルミニウムウィスカとの焼結に無機バインダーが作用して、これらの結合状態を維持し得る結合力を発揮している。そして、この複合材用プリフォームにアルミニウム合金の溶湯を含浸させることにより、耐摩耗性に優れたアルミニウム複合材を成形している。また、ここでチタン酸カリウムウィスカは、複合材用プリフォームを柔らかくしたり、強度低下に作用することから、含有量を体積含有率で5%以下となるように調整している。
【0006】
【特許文献1】
特開平9−316566号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したホウ酸アルミニウムウィスカと無機バインダーとから成形した複合材用プリフォームにあっては、無機バインダーを添加し、かつ焼結温度を比較的高温の約1200℃としても、該ウィスカ同士の結合力が弱く、充分な強度を発揮できない。そのため、アルミニウム合金の溶湯を含浸する鋳造成形を、該溶湯の含浸性を向上させるように比較的高圧により行うと、変形や割れを生じ易いという問題があった。そして、このように強度が不充分な複合材用プリフォームから成形されたアルミニウム複合材では、エンジンのピストンに要求される性能を満足することができなかった。
【0008】
一方、上述の特許文献1に従って成形される、ホウ酸アルミニウムウィスカを含有してなる複合材用プリフォームにあって、該ホウ酸アルミウィスカとセラミックス粒子、及びチタン酸カリウムウィスカを焼結している結合力は主に無機バインダーの結晶化によるものであるから、複合材用プリフォームの発揮できる強度に限界があった。そのため、鋳造成形における、含浸圧の高圧化や含浸速度の高速化を進めることが難しく、生産性を向上させることにも限界が生じていた。また、上述のように、チタン酸カリウムウィスカは比較的柔らかいものであるため、ホウ酸アルミニウムウィスカを添加することによって向上させた耐摩耗性が低下することにもなり得た。さらにまた、かかる複合材用プリフォームは、溶湯の含浸性を向上させるため焼失性粉末を添加し、焼結時にこの焼失性粉末を焼失させて通気性を向上させるようしたものであり、この焼失性粉末として一般的に黒鉛や活性炭が使用されている。ところが、この黒鉛や活性炭はアルミニウム複合材の摺動特性や振動減衰能を向上させる作用があるため、該黒鉛や活性炭を焼失させるようにしたアルミニウム複合材では、発揮できる摺動特性や振動減衰能に限界があった。
【0009】
本発明は、かかる問題点を解決し、優れた耐摩耗性と高強度を発揮し得る複合材を成形できる複合材用プリフォームと該複合材用プリフォームとアルミニウム合金とを複合化してなるアルミニウム複合材、及びこれらの製造方法を提案することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくともホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを水中で混ぜて脱水した程度に均質に混在し、かつ、該チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で5%より多く20%以下の範囲で含有する予備混合体を、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応によって生成される二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合するように、1000℃を越える所定温度で焼結してなるものであることを特徴とする複合材用プリフォームである。ここで、所定温度としては、一般的にプリフォームを焼結するために用いられる、約800℃〜1300℃とすることが好適である。
【0011】
かかる構成にあっては、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとをほぼ均質に混在してなる予備混合体を、所定温度で焼結させることにより、このホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを反応させ、この反応により生成された二酸化チタンが、ホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合されてなるようにしたものである。ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応は、両者を結合させると共に、二酸化チタンを生成し、かつ、該二酸化チタンをホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合させるから、これら結合の結合力が、上述した従来の無機バインダーによる結合力に比して、強固なものとなり、この複合材用プリフォームは高い強度を発揮することができる。また、二酸化チタンは優れた耐摩耗性を有することから、該二酸化チタンと耐摩耗性に優れたホウ酸アルミニウムウィスカとが結合してなる複合材用プリフォームは、アルミニウム合金が含浸されてなるアルミニウム複合材の耐摩耗性を一層向上させ得る。このように本発明は、一般的に多量に添加すると耐摩耗性の低下が懸念されるチタン酸カリウムウィスカを、ホウ酸アルミニウムウィスカと反応させて二酸化チタンを分離生成させるようにしたものであり、充分な反応量を確保することで、強度と耐摩耗性とを向上させることが可能となる。
【0012】
ここで、かかる複合材用プリフォームは、チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で5%より多く20%以下の範囲で含有する予備混合体を焼結してなるものである。かかる体積含有率とすることにより、チタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとの反応を促進させ、かつ、充分な反応量を確保することができるから、この複合材用プリフォームはほぼ均一に、かつ強固に結合された状態となると共に、複合材の耐摩耗性を向上させるに適切な量の二酸化チタンを生成することができる。このチタン酸カリウムウィスカの体積含有率が5%以下であると、この反応を充分に生じさせ難く、複合材用プリフォームは充分な強度を発揮できない。さらに、複合材の耐摩耗性が該チタン酸カリウムウィスカの存在によって低下することともなり得る。また、この体積含有率が20%を越えると、複合材用プリフォーム自体の嵩が高くなり強度が低下してしまう。
【0013】
さらにまた、このようにチタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとの反応により生成される二酸化チタンは、ほぼ同量の、比較的安定状態のルチル型と、不安定状態のアナターゼ型とからなり、かかる複合材用プリフォームはこれら両型の二酸化チタンがそれぞれホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合された構成となる。ここで、このアナターゼ型の二酸化チタンは、アルミニウム合金と反応し易く、硬質のチタン−アルミニウム化合物を形成することができるから、この複合材用プリフォームから成形されたアルミニウム複合材は高い強度と硬さを発揮できる。尚、このアナターゼ型の二酸化チタンは、一般的な焼結温度(約1000℃以上)ではルチル型に変化してしまう。そのため、予めアナターゼ型の二酸化チタン粒子を予備混合体に添加しても、ルチル型の二酸化チタンを有する複合材用プリフォームとなる。従って、かかる本発明の複合材用プリフォームは、上述した従来の、二酸化チタン粒子を添加して焼結してなる複合材用プリフォームに比して、高い強度を発揮するアルミニウム複合材を成形できる。
【0014】
このように、本発明の複合材用プリフォームは、高い強度を有するものであるから、アルミニウム合金等の溶湯を含浸させる鋳造成形時に変形したり破壊することもなく、該アルミニウム合金と複合化してなるアルミニウム複合材を適正に成形できる。また、鋳造成形時における含浸圧及び含浸速度をさらに高めることも可能となるから、生産性を向上できるという優れた利点もある。而して、この複合材用プリフォームにより、優れた耐摩耗性と高い強度を発揮する複合材を成形することが可能である。
【0015】
また、上述した予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で10%〜20%の範囲で含有してなるものである構成が提案される。かかる構成の複合材用プリフォームにあっては、優れた耐摩耗性を有するホウ酸アルミニウムウィスカを含有することにより、アルミニウム合金等と複合化してなる複合材の耐摩耗性を向上させることができる。ここで、このホウ酸アルミニウムウィスカの体積含有率が10%より低いと、耐摩耗性を充分に発揮し得る複合材を成形できない。また、チタン酸カリウムウィスカとの反応量が少なくなるため、充分な量の二酸化チタンを生成できない。一方、体積含有率が20%を越えると、複合材用プリフォームの嵩が高くなるため、この複合材用プリフォームの強度が低下することとなり得る。
【0016】
このようなホウ酸アルミニウムウィスカが、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものであるとした構成が提案される。これにより、ホウ酸アルミニウムウィスカに比して焼結し易いチタン酸カリウムウィスカが、予備混合体にあって、ほぼ全体で均質に分散してホウ酸アルミニウムウィスカと接触した状態となるから、焼結時に、相互に近接するホウ酸アルミニウムウィスカと比較的容易に反応することとなる。而して、上述したホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応が全体的にほぼ均一に生じ、当該複合材用プリフォームは、二酸化チタンがほぼ均質に結合してなる状態となり、全体的に高い強度を発揮できる。尚、平均繊維径及び平均繊維長としては、利用する各繊維の繊維径及び繊維長の平均値であり、これらは、ほぼこの平均値に近い範囲でバラツキを有するものである。
【0017】
ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカが、平均繊維径0.5μm〜5μmであり、かつ平均繊維長10μm〜50μmの短繊維形状であるとした構成が提案される。ホウ酸アルミニウムウィスカの平均繊維径又は平均繊維長がかかる範囲よりも大きいと、屈曲したり、複雑に絡み合った状態に成り易く、複合材用プリフォームは充分な強度を発揮できない。また、かかる平均繊維径又は平均繊維長がかかる範囲より小さくても、複合材用プリフォームは強度を充分に発揮できない。
【0018】
また、ここで、チタン酸カリウムウィスカが、平均繊維径0.1μm〜1μmであり、かつ平均繊維長5μm〜20μmの短繊維形状であるとした構成が提案される。かかる構成により、予備混合体は、比較的多くのチタン酸カリウムウィスカがホウ酸アルミニウムウィスカと接触した状態となり得るから、焼結時に両者が比較的容易に反応できる。平均繊維径又は平均繊維長がかかる範囲よりも大きいと、ホウ酸アルミニウムウィスカとの接触量が減少し、反応の進行が遅くなる。一方、平均繊維径又は平均繊維長がかかる範囲よりも小さいものは、取り扱い性が悪く、また、入手も困難である。
【0019】
上述した予備混合体が、アルミナ短繊維を含有しているものであるとした構成が提案される。かかる構成にあっては、比較的平均繊維径の太いアルミナ短繊維を含有することによって、複合材用プリフォームの強度が向上する。
【0020】
また、予備混合体が黒鉛又は/及び活性炭を含有しているものであって、該予備混合体を、該黒鉛又は/及び活性炭がホウ酸アルミニウムウィスカと結合状態を形成するように、真空状態や不活性ガス雰囲気中で、1000℃を越える所定温度により焼結してなる構成が提案される。かかる構成にあっては、潤滑性と振動特性に優れる黒鉛や活性炭を含有するものであるから、当該複合材用プリフォームにより成形した複合材は、優れた摺動特性及び振動減衰能を発揮するものとなりえ、これら性能を厳しく要求される製品及びその特定部分に適用可能である。
【0021】
一方、本発明は、少なくともホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを水中で混ぜて混合水溶液を調合する混合工程と、該混合水溶液から水分を除去し、チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で5%より多く20%以下の範囲で含有する予備混合体を形成する脱水工程と、該予備混合体を1000℃を越える所定温度で焼結させることにより、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを反応させて二酸化チタンを生成し、該二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合されるようにした焼結工程とを備えていることを特徴とする複合材用プリフォームの製造方法である。かかる製造方法にあっては、混合工程と脱水工程により、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとがほぼ均質に混在する予備混合体を形成する。そして、焼結工程により、この予備混合体に混在するホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを反応させて、これらを結合させると共に、二酸化チタンを分離生成し、かつ、該二酸化チタンをホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合させる。こうして複合材用プリフォームを成形するようにしている。ここで、混合工程にあって、チタン酸カリウムウィスカの添加量を予め調整することにより、体積含有率で5%より多く20%以下の範囲で含有する予備混合体を形成する。この製造方法により、上述した複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【0022】
このような複合材用プリフォームの製造方法にあって、脱水工程で形成された予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で10%〜20%の範囲で含有するものであるとした製造方法が提案される。ここで、かかる体積含有率の予備混合体は、混合工程で、ホウ酸アルミニウムウィスカの添加量を調整することにより形成することができる。この製造方法により、上述した複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【0023】
また、上述の複合材用プリフォームの製造方法にあって、ホウ酸アルミニウムウィスカは、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものであるとした製造方法が提案される。かかる製造方法にあっては、混合工程により、ホウ酸アルミニウムウィスカに比して焼結し易いチタン酸カリウムウィスカがほぼ均質に混合された混合水溶液を比較的容易に形成でき、脱水工程により全体的に均質化された予備混合体が形成される。これにより、焼結工程で、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応を全体的にほぼ均一に生じさせ得るから、各ウィスカ及び二酸化チタンがほぼ均質に結合してなる複合材用プリフォームを比較的容易に成形することができる。この製造方法により、上述した複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【0024】
ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカが、平均繊維径0.5μm〜5μmであり、かつ平均繊維長10μm〜50μmの短繊維形状であるとした製造方法が提案される。かかる製造方法にあっては、混合工程により、ホウ酸アルミニウムウィスカがほぼ均質に分散された状態の混合水溶液を比較的容易に形成することができる。この製造方法により、上述した複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【0025】
また、チタン酸カリウムウィスカが、平均繊維径0.1μm〜1μmであり、かつ平均繊維長5μm〜20μmの短繊維形状であるとした製造方法が提案される。かかる製造方法にあっては、混合工程により、チタン酸カリウムウィスカがほぼ均質に分散された状態の混合水溶液を比較的容易に形成することができる。これにより、焼結工程にあって、予備混合体のほぼ全域で、チタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとが反応することとなり、全体的に均質な複合材用プリフォームを比較的容易に成形できる。この製造方法により、上述した複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【0026】
上述の複合材用プリフォームの製造方法にあって、混合工程で、アルミナ短繊維を添加して混合水溶液を調合するようにした製造方法が提案される。この製造方法により、上述した複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【0027】
また、複合材用プリフォームの製造方法にあって、混合工程で、黒鉛又は/及び活性炭を添加して混合水溶液を調合すると共に、焼結工程にあって、真空状態や不活性ガス雰囲気中で焼結することにより、該黒鉛又は/及び活性炭が焼失せずにホウ酸アルミニウムウィスカと結合するようにした製造方法が提案される。ここで、黒鉛や活性炭は高温で酸化焼失し易いことから、焼成工程にあっては、予備混合体を真空状態や不活性ガス雰囲気中等で焼結させることが必要となる。この製造方法により、上述した複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【0028】
一方、本発明は、上述の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯を加圧鋳造により含浸させる溶湯含浸工程を備えていることを特徴とするアルミニウム複合材の製造方法である。かかる溶湯含浸工程により、上述した複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯を容易かつ充分に含浸させることが可能である。これにより、上述した複合材用プリフォームの有する、優れた耐摩耗性と高強度、及び黒鉛や活性炭を含有する場合の優れた摺動特性及び振動減衰能、を充分に発揮し得るアルミニウム複合材を成形することが可能である。また、上述したように、この複合材用プリフォームにあっては、ホウ酸アルミニウムウィスカの表面にアナターゼ型の二酸化チタンが結合していることから、当該溶湯含浸工程により含浸したアルミニウム合金とアナターゼ型の二酸化チタンが反応し易く、硬質のチタン−アルミニウム化合物を形成できるため、高い強度と硬さを発揮するアルミニウム複合材を成形できる。
【0029】
ここで、溶湯含浸工程が、所定の金型に形成されたキャビティの特定部位に複合材用プリフォームを配置した後、該キャビティに溶湯を流入することにより、該溶湯が複合材用プリフォームに含浸してなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とを一体的に成形するようにした製造方法が提案される。かかる製造方法にあっては、溶湯含浸工程により、特定部分が複合材用プリフォームにより強化されてなるアルミニウム合金製品を一体的に鋳造成形するようにしたものである。これにより、金属部と複合部との境界面の強度が充分に確保されるため、応力集中によって割れ等が生じることを適切に防止できる。この製造方法により、例えば、ピストンリング溝部が部分的に強化されてなる、エンジンのピストンを比較的容易に成形することができる。
【0030】
一方、本発明は、上述の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯が加圧鋳造により含浸されてなるものであることを特徴とするアルミニウム複合材である。かかるアルミニウム複合材は、上述した複合材用プリフォームの有する、優れた耐摩耗性と高強度、及び黒鉛や活性炭を含有する場合の優れた摺動特性及び振動減衰能、を充分に発揮することができる。また、この複合材用プリフォームの、ホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合したアナターゼ型の二酸化チタンとアルミニウム合金とが反応し易く、硬質のチタン−アルミニウム化合物が形成されることから、本アルミニウム複合材は高い強度と硬さを発揮できる。尚、かかるアルミニウム複合材は、上述した製造方法によって好適に製造することができる。
【0031】
上記のアルミニウム複合材にあって、複合材用プリフォームにアルミニウム合金が含浸されてなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とが一体的に成形されてなるものであるとした構成が提案される。かかる構成にあっては、耐摩耗性や強度等を特に必要とする特定部分のみが強化されてなるものである。また、金属部と複合部との境界面が強固となるから、応力集中により割れ等が発生することを防止でき、本アルミニウム複合材は高い耐久性能を発揮できる。かかるアルミニウム複合材は、例えば、ピストンリング溝部を複合部とする、エンジンのピストンに好適に用いることができる。尚、かかるアルミニウム複合材は、上述した製造方法によって好適に製造することができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態例を添付図面に従って説明する。
図1は、複合材用プリフォーム1を製造する工程図である。図1(イ)は混合工程であって、所定の容器21内で、各強化材を水中で攪拌棒31により攪拌してほぼ均質に混合させて混合水溶液8をつくる。そして、この混合水溶液8を、容器21から、真空ポンプ23と接続された吸引成形器22に移す。図1(ロ)は脱水工程であって、混合水溶液8から、フィルター24を介して真空ポンプ23によって水分を吸引し、予備混合体9を得る。そして、この予備混合体9を、吸引成形器22から取り出して充分に乾燥させる(図示省略)。図1(ハ)は焼結工程であって、この予備混合体9を加熱炉25内のテーブル33に設置し、該加熱炉25に接続された真空ポンプ29によって加熱炉25の内部を真空状態とした後、アルゴンガス雰囲気で加熱して焼結させることにより、所望の複合材用プリフォーム1を得る。
【0033】
次に、この複合材用プリフォーム1にアルミニウム合金6の溶湯を含浸させる溶湯含浸工程(図2)により、アルミニウム複合材10を成形する。ここで、本実施形態例にあって、アルミニウム複合材10は、複合材用プリフォーム1にアルミニウム合金6を含浸してなるアルミニウム複合部10aと、アルミニウム合金6からなるアルミニウム合金部10bとが一体的に成形されてなるものとする。このアルミニウム複合材10を成形する工程は、図2(イ)のように、高圧鋳造用の油圧プレス機40に配置した金型34内に、複合材用プリフォーム1を配した後、所定量のアルミニウム合金6の溶湯を流入する。そして、図2(ロ)から図2(ハ)のように、油圧プレス機40の加圧パンチ41によって溶湯を直接加圧して、該溶湯を複合材用プリフォーム1に含浸させる。そして、図2(ニ)のように除圧した後、金型34を取り外して、アルミニウム複合部10aとアルミニウム合金部10bとが積層形態で一体化されてなるアルミニウム複合材10を得る。このようにアルミニウム複合材10を鋳造する鋳造成形工程が、複合材用プリフォーム1にアルミニウム合金6の溶湯を含浸する溶湯含浸工程となる。
【0034】
上述の複合材用プリフォーム1の製造工程及び該複合材用プリフォーム1にアルミニウム合金6を含浸させる溶湯含浸工程と、各工程により夫々に成形される複合材用プリフォーム1及びアルミニウム複合材10を、以下の具体例に従って詳説する。
【0035】
(実施例1)
複合材用プリフォーム1を製造する各工程を順に説明する。
上述の混合工程(図1(イ))にあって、容器21内の水中に以下の強化材を入れる。
(i)アルミナ短繊維2(図3(イ) 平均繊維径5μm、平均繊維長500μm)
(ii)ホウ酸アルミニウムウィスカ3(図3(ロ) 平均繊維径1μm、平均繊維長30μm)
(iii)チタン酸カリウムウィスカ4(図3(ハ) 平均繊維径0.5μm、平均繊維長10μm)
さらに、無機バインダーとしてアルミナゾル7(Al2O3(約11%))を添加した。そして、このような強化材を入れた水溶液を攪拌棒31で攪拌することにより、ほぼ均質に各強化材が混在する混合水溶液8を得る。ここで、本実施例1(及び、後述の実施例2)にあって、無機バインダーは主に、後述する脱水工程後の予備混合体9を焼結工程に移動させる場合(図1(ロ)から図1(ニ)への移動)に、該予備混合体9が変形したり破壊しないように、上記の各強化材同士を結合させるものとして作用する。すなわち、予備混合体9は、無機バインダーの結合力によりその形態が維持される。尚、ここで、平均繊維径及び平均繊維長は、短繊維及びウィスカの繊維径及び繊維長の平均値であり、これらは、ほぼこの平均値に近い範囲でバラツキを有するものである。
【0036】
次に、この混合水溶液8を吸引成形器22に移し、上述の脱水工程(図1(ロ))に移行する。ここで、吸引成形器22には混合水溶液8を流入する円筒状の水溶液滞留領域26と、該水溶液滞留領域26の下面を形成するフィルター24と、該フィルター24により区画され吸引した水分を滞留させる水滞留領域27とが設けられており、該水滞留領域27に真空ポンプ23が接続されている。この脱水工程にあっては、吸引成形器22の水溶液滞留領域26に、上述の混合水溶液8を流入した後、真空ポンプ23を作動させることにより、該混合水溶液8の水分をフィルター24を介して吸引する。これによって、円柱形状の、上記した各強化材が混在してなる予備混合体9を得る。さらに、この予備混合体9を吸引成形器22から取り出し、約120℃の乾燥炉等に入れ、充分に水分を除去する(図示省略)。ここで、この予備混合体9では、上記の各強化材は反応しておらず、また、各強化材はアルミナゾル7により結び付いており、この予備混合体9の形態が維持されている。これにより、次の加熱炉25への搬送時に、予備混合体9が変形したり壊れたりすることを防止できる。また、予備混合体9における各強化材の体積含有率は、アルミナ短繊維2が約3%、ホウ酸アルミニウムウィスカ3が約15%、チタン酸カリウムウィスカ4が約6%であり、残りの領域は空隙である。そして、このような体積含有率となるように、上述の混合工程で各強化材がそれぞれ所定量調合されている。
【0037】
次に、上述した焼結工程(図1(ハ))に移行する。上記の予備混合体9を、加熱炉25内に設置されたテーブル33上に置く。そして、真空ポンプ29を作動させ、加熱炉25の内部を10Paの真空状態とする。その後、この炉内にアルゴンガスを5L/minの一定流量で流しつつ、約1150℃まで加熱して、1時間保持した。そして、室温まで炉冷し(図示省略)、円柱形状の複合材用プリフォーム1を得る。この複合材用プリフォーム1は、図4(イ)に示す拡大写真のように、隣接するホウ酸アルミニウムウィスカ3が互いに結合しており、該ホウ酸アルミニウムウィスカ3の表面に二酸化チタン11が被覆するように結合している。
【0038】
すなわち、この焼結工程にあって、予備混合体9では、チタン酸カリウムウィスカ4が、隣接するホウ酸アルミニウムウィスカ3と反応して、ルチル型とアナターゼ型の二酸化チタン11をほぼ同量づつ分離生成する。そして、この反応により、チタン酸カリウムウィスカ4とホウ酸アルミニウムウィスカ3とが強固に結合すると共に、該反応により生じた二酸化チタン11が、ルチル型及びアナターゼ型を保った状態でホウ酸アルミニウムウィスカ3の表面に結合する。このように、チタン酸カリウムウィスカ4とホウ酸アルミニウムウィスカ3との反応によって、各強化材が相互に強固な結合状態を形成することとなり、高い強度を有する、本発明の複合材用プリフォーム1が成形される。ここで、実施例1の複合材用プリフォームは、後述する実施例2及び比較例1〜3と混同しないように、複合材用プリフォームAとする。
【0039】
次に、上述のように成形した複合材用プリフォーム(複合材用プリフォームA)1によりアルミニウム複合材10を、上述した図2の溶湯含浸工程(鋳造成形工程)により鋳造成形する。この溶湯含浸工程には、油圧により上下方向に駆動制御される加圧パンチ41を上部に備えた油圧プレス機40と、円柱形状の成形領域を形成する入れ子35を内側に嵌入する金型34とを用いる。この油圧プレス機40の下部には、鋳造テーブル43が設けられており、該鋳造テーブル43の中央に、加圧パンチ41の移動軸に沿って上下方向に駆動する押出部42が配設されている。そして、入れ子35の下部が押出部42上に配置されるように、金型34が鋳造テーブル43上に置かれる。すなわち、この押出部42を上方向に動かすことにより、金型34に嵌入している入れ子35を、該金型34から取り外し可能としている。この金型34及び入れ子35は、溶湯含浸工程にあって約200〜250℃に保持される。
【0040】
そして、溶湯含浸工程(鋳造成形工程)にあっては、図2(イ)のように、油圧プレス機40に配置された金型34の入れ子35内に、予め約470℃に予熱された複合材用プリフォーム(複合材用プリフォームA)1を配置する。その後、約760℃のアルミニウム合金6(JIS AC8A)の溶湯を、複合材用プリフォーム1が配された入れ子35内に所定量流し込む。そして、図2(ロ)のように、加圧パンチ41を降下させて、入れ子35内に滞留するアルミニウム合金6の溶湯を上から直接加圧していく。ここで、加圧パンチ41は約300atmの圧力で溶湯を加圧するように制御される。この加圧パンチ41の加圧により、図2(ハ)のように、溶湯が複合材用プリフォーム1に含浸する。これにより、溶湯が複合材用プリフォーム1に含浸したアルミニウム複合部10aと、アルミニウム合金部10bとが一体的な積層構成として形成されてなるアルミニウム複合材10が成形される。その後、図2(ニ)のように、除圧して加圧パンチ41を上昇させた後、押出部42を上方へ駆動させることにより、金型34から入れ子35を取り外す。そして、この入れ子35から、本実施例のアルミニウム複合材10を取り出す。このアルミニウム複合材10のアルミニウム複合部10aは、図4(ロ)に示す拡大写真のように、巣(空隙)がなく、かつ、各強化材とアルミニウム合金6とが強固に結合している。また、上述した複合材用プリフォームAが含有するアナターゼ型の二酸化チタン11と、アルミニウム合金6とが反応することにより生成されたチタン−アルミニウム化合物14も確認できる。ここで、この実施例1のアルミニウム複合材10にあっても、上述した複合材用プリフォームの場合と同様に、アルミニウム複合材Aとする。
【0041】
(実施例2)
この実施例2は、上述した実施例1の混合工程(図1(イ)参照)にあって、平均粒径が約90μm、化学成分がC(97%)/Al2O3及びSiO2(約3%)の活性炭5(図3(ニ))を追加して、ほぼ均質な混合水溶液を調合するようにした。ここで、活性炭5は多孔質のものを使用した。この混合水溶液を脱水工程(図1(ロ)参照)及び焼結工程(図1(ハ)参照)により、実施例2の複合材用プリフォームBを成形した。この複合材用プリフォームBは、図5(イ)のように、活性炭5が焼成工程により酸化焼失せず、アルミナ短繊維2やホウ酸アルミニウムウィスカ3等に焼結して存在している。また、本複合材用プリフォームBにあっても、上述した実施例1の複合材用プリフォームAと同様に、ホウ酸アルミニウムウィスカ3とチタン酸カリウムウィスカ4とが反応して二酸化チタン11を分離生成し、該二酸化チタン11がホウ酸アルミニウムウィスカ3の表面を被覆するように結合している。尚、ここで、平均粒径は、上述の平均繊維径及び平均繊維長と同様に、利用する粒子の粒子径の平均値であり、これらは、ほぼこの平均値に近い範囲でバラツキを有するものである。
【0042】
この複合材用プリフォームBを、上述した実施例の溶湯含浸工程(図2参照)により、アルミニウム合金6の溶湯を含浸してなる、アルミニウム複合材Bを成形した。このアルミニウム複合材Bにあっても、実施例1のアルミニウム複合材Aと同様に、アルミニウム複合部とアルミニウム合金部とが積層形態で一体的に形成されてなる。このアルミニウム複合材Bも、実施例1のアルミニウム複合材Aと同様に、アルミニウム複合部では巣(空隙)がなく、かつ、ホウ酸アルミニウムウィスカ3等の各強化材とアルミニウム合金6とが強固に結合している(図5(ロ))。また、上述の実施例1のアルミニウム複合材Aと同様、複合材用プリフォームBが含有するアナターゼ型の二酸化チタン11と、アルミニウム合金6とが反応することにより生成されたチタン−アルミニウム化合物14が確認できる。さらに、活性炭5も確認できる。
【0043】
この実施例2は、上述のように、混合工程にあって活性炭5を追加して混合水溶液を調合した以外は、上述の実施例1と同じ材料、同じ機器、同じ方法を用いており、説明は省略する。
【0044】
次に、上述した、本発明にかかる実施例1及び実施例2と比較検討するための比較例を以下に説明する。
【0045】
(比較例1)
この比較例1にあっては、混合工程(図1(イ)参照)で、上述した実施例1に使用した、アルミナ短繊維2(図3(イ)参照)、ホウ酸アルミニウムウィスカ3(図3(ロ)参照)、チタン酸カリウムウィスカ4(図3(ハ)参照)の強化材と、二酸化チタン11の粒子(図3(ホ) 平均粒径約0.5μm)とを水中で攪拌し、さらにアルミナゾル7を添加して、ほぼ均質な混合水溶液を得た。ここで、この比較例1では、各強化材の投入量が上述の実施例1と異なり、この混合水溶液から脱水工程により形成した予備混合体が、体積含有率で、アルミナ短繊維2が約4%、ホウ酸アルミニウムウィスカ3が約8%、チタン酸カリウムウィスカ4が約2%、二酸化チタン粒子が約9%となる構成で成形されている。すなわち、上述の実施例1に比して、チタン酸カリウムウィスカの混合割合が少くなっている。
【0046】
そして、この予備混合体を、上述の実施例と同様の焼結工程により焼結させ、比較例1の複合材用プリフォームCを成形した。この複合材用プリフォームCは、図6(イ)に示す拡大写真のように、ホウ酸アルミニウムウィスカ3の表面に二酸化チタン11が塊状形態で焼結している。また、この比較例1では、チタン酸カリウムウィスカ4が少量であることから、焼結工程によりホウ酸アルミニウムウィスカ3とほとんど反応せず、隣接する各強化材同士の焼結を補助するように用いられている。そのため、ホウ酸アルミニウムウィスカ3、二酸化チタン11、チタン酸カリウムウィスカ4、アルミナ短繊維2の焼結は、アルミナゾル7の結晶化による結合力によって結び付いていると思われる。また、この複合材用プリフォームCを構成する二酸化チタン11は、焼結温度1150℃としていることからルチル型で存在している。
【0047】
次に、この複合材用プリフォームCを用い、上述の実施例と同様の溶湯含浸工程(鋳造成形工程)により、該複合材用プリフォームCにアルミニウム合金6の溶湯を含浸し、アルミニウム複合部とアルミニウム合金部とを一体の積層形態としてなるアルミニウム複合材Cを成形した。このアルミニウム複合材Cのアルミニウム複合部は、図6(ロ)に示す拡大写真のように、巣(空隙)がなく複合材用プリフォームCとアルミニウム合金6とが結合している。ここで、このアルミニウム複合材Cでは、チタン酸カリウムウィスカ4をウィスカ形態で確認できる。これからも、比較例1では、ホウ酸アルミニウムウィスカ3とチタン酸カリウムウィスカ4との反応がほとんど生じていないことを確認できる。
【0048】
この比較例1は、上述のように、混合工程にあって、実施例1で混入した強化材に加えて二酸化チタン11の粒子も添加し、かつ、各強化材の混合割合を変更した以外は、上述の実施例1と同じ材料、同じ機器、同じ方法を用いており、説明は省略する。
【0049】
(比較例2)
この比較例2では、上述の混合工程にあって、強化材をホウ酸アルミニウムウィスカ3(図3(ロ))のみとし、アルミナゾルを添加して混合水溶液を調合した。ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカは、この混合水溶液から脱水工程により形成された予備混合体が体積含有率で約24%となるように混入している。そして、この脱水工程により形成した予備混合体を、上述の焼結工程により焼結することによって、複合材用プリフォームDを成形した。この複合材用プリフォームDは、図7(イ)に示す拡大写真のように、隣接するホウ酸アルミニウムウィスカ3同士が結合している。ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカ3は、比較的焼結性が低いため、この結合は主にアルミナゾルの結合力によるものであると思われる。そして、この複合材用プリフォームDを用い、上述の実施例と同様の溶湯含浸工程により、該複合材用プリフォームDにアルミニウム合金6の溶湯を含浸し、アルミニウム複合部とアルミニウム合金部とを一体の積層形態としてなるアルミニウム複合材Dを成形した(図示省略)。
【0050】
この比較例2は、上記のように、混合工程にあって、ホウ酸アルミニウムウィスカ3とアルミナゾルとを添加し、かつ、該ホウ酸アルミニウムウィスカ3の混入量を変更した以外は、上述の実施例1と同じ材料、同じ機器、同じ方法を用いており、説明は省略する。
【0051】
(比較例3)
この比較例3では、上述の混合工程にあって、強化材としてアルミナ短繊維2(図3(イ))とチタン酸カリウムウィスカ4(図3(ハ))とを混入し、アルミナゾルを添加して、ほぼ均質な混合水溶液を調合した。ここで、この混合水溶液には、脱水工程により形成される予備混合体がアルミナ短繊維2を約6%、チタン酸カリウムウィスカ4を約13%の体積含有率となるように、各強化材が夫々に混入されている。そして、この脱水工程によって形成した予備混合体を焼結工程により焼結させ、複合材用プリフォームEを成形した。この複合材用プリフォームEは、図7(ロ)に示す拡大写真のように、アルミナ短繊維2の表面にチタン酸カリウムウィスカ4が突出するように焼結した構成となっている。ここで、チタン酸カリウムウィスカ4は比較的焼結し易いことから、溶融した形態となっているが、アルミナ短繊維2とは反応しておらず、アルミナゾルの結晶化による結合力により焼結している。そして、この複合材用プリフォームEを用い、上述の実施例と同様の溶湯含浸工程により、該複合材用プリフォームEにアルミニウム合金6の溶湯を含浸し、アルミニウム複合部とアルミニウム合金部とを一体の積層形態としてなるアルミニウム複合材Eを成形した(図示せず)。
【0052】
この比較例3は、上述のように、混合工程にあって、アルミナ短繊維2とチタン酸カリウムウィスカ4とアルミナゾルとを添加し、かつ、各強化材の混入量を変更した以外は、上述の実施例1と同じ材料、同じ機器、同じ方法を用いており、説明は省略する。
【0053】
(比較例4)
この比較例4にあっては、上述の溶湯含浸工程にあって、複合材用プリフォーム1を使用せず、アルミニウム合金6のみで鋳造してなるアルミニウム合金母材Fを成形した。このアルミニウム合金6の単体であるアルミニウム合金母材Fにより、複合材用プリフォーム1とアルミニウム合金6との複合化による効果を、以下の各実験により確認するようにした。
【0054】
次に、上述の各実施例及び比較例により成形した各複合材用プリフォームA〜Eを圧縮試験し、各複合材用プリフォームの圧縮強度を調べた。さらに、各アルミニウム複合材A〜E及びアルミニウム合金母材Fを、引張試験、耐摩耗性試験、ビッカース硬さ試験により、それぞれの引張強度、耐摩耗性、硬さを調べた。
【0055】
複合材用プリフォームの圧縮試験にあっては、外径20mm、板厚30mmの円柱状に成形した各複合材用プリフォームA〜Eを板厚方向に圧縮し、塑性変形が生じた耐力を複合材用プリフォームの圧縮強度とした。
【0056】
一方、アルミニウム複合材A〜Eにあって、引張試験は、JIS Z2201に従って行った。ここで、アルミニウム複合材A〜Eでは、それぞれのアルミニウム複合部から、標点間距離を約25mmとし、ここの形状を約5mmφの円柱状とする試験片を成形し、この引張試験に供した。そして、引張強度は、いわゆる公称応力とし、試験片が破断する最大荷重により求めた。また、比較例4のアルミニウム合金母材Fにあっても、同形状の試験片を作成し、同様に引張試験を行った。
【0057】
また、耐摩耗性試験は、所定の円板形状に成形した各アルミニウム複合材A〜Eの試験片を用い、自動車用エンジンオイル10W−30内で、所定の円筒形状のクロム鋼鋼材SCr420(JIS G 4104)に、各アルミニウム複合材A〜Eのアルミニウム複合部の表面を押し付ける。ここで、アルミニウム複合部を押し付ける面圧負荷は15MPa/minとし、1分毎に15MPaずつ圧力を高くしていく。そして、この面圧負荷によりアルミニウム複合材A〜Eの試験片を押し付けると同時に、該試験片を周速1m/secで回転させ、この回転によって計測される摺動距離が2400mmに達した場合の、各アルミニウム複合材A〜Eの体積減少量(mm3)を測定する。この体積減少量が摩耗量であり、この摩耗量を各複合材の耐摩耗性の指標とした。すなわち、摩耗量(体積減少量)が少ないほど、耐摩耗性に優れていることとなる。同様に、比較例4のアルミニウム合金母材Fにあってもこの耐摩耗性を調べた。
【0058】
また、ビッカース硬さ試験は、JIS Z 2244に従って行った。試験では、所定の四角錐の圧子を、各アルミニウム複合材A〜Eのアルミニウム複合部の表面に、98Nの加重で押しつけ、その硬さを測定した。かかる硬さ試験にあっても、比較例4のアルミニウム合金母材Fの硬さを同様に測定した。
【0059】
このような各試験による測定結果を、複合材用プリフォームA〜Eの圧縮試験については図8に示し、アルミニウム複合材A〜E及びアルミニウム合金母材Fの各試験については図9に示した。
【0060】
図8の複合材用プリフォームA〜Eの圧縮試験結果により、本発明にかかる実施例1の複合材用プリフォームA及び実施例2の複合材用プリフォームBの圧縮強度は、比較例1〜3の各複合材用プリフォームC〜Eに比して、高強度であることが確認できた。すなわち、実施例の複合材用プリフォームA,Bは、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応によって、二酸化チタンが生成され、かつ、各強化材が強固に結合されているから、主にアルミナゾル(無機バインダー)により結合している各比較例の複合材用プリフォームC〜Eに比して、各強化材同士の結合力が強固であることを表している。ここで、比較例1の複合材用プリフォームCにあっては、実施例1及び2と同様にホウ酸アルミニウムウィスカ及びチタン酸カリウムウィスカを混合したものであるが、該チタン酸カリウムウィスカの添加量が少なく、実施例のようにホウ酸アルミニウムウィスカと充分に反応していないことが表われている。このように、本実施例1及び2の複合材用プリフォームA、Bは、高い圧縮強度を有することから、アルミニウム合金の溶湯を含浸させる溶湯含浸工程にあっても、変形や破壊を生じることなく、適正にアルミニウム複合材を成形できる。これにより、比較的高密度の複合材用プリフォームを成形する場合にあっても、溶湯含浸工程における含浸圧を高めることができるから、巣(空隙)の発生を防止できるという優れた利点もある。
【0061】
次に、図9に表す、アルミニウム複合材A〜E及びアルミニウム合金母材Fの試験結果にあって、実施例1のアルミニウム複合材Aは、引張試験で、各比較例1〜3のアルミニウム複合材C〜Eに比して高い強度を発揮した。また、ビッカース硬さ試験にあっても、アルミニウム複合材Aは、アルミニウム複合材C〜Eに比して優れた硬さを発揮した。ここで、本実施例1のアルミニウム複合材Aは、ほぼ同様の強化材を調合してなる比較例1のアルミニウム複合材Cに比しても高い引張強度と硬さを発揮している。これは、本実施例1では、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応によって生成されたアナターゼ型の二酸化チタンがアルミニウム合金と反応し、硬質のチタン−アルミニウム化合物が生成されたことによるものと思われる。
【0062】
一方、実施例2のアルミニウム複合材Bは、ビッカース硬さ試験で、アルミニウム複合材C〜Eに比して優れた硬さを発揮したが、引張試験にあって、比較例1のアルミニウム複合材Cに比して引張強度が低くなった。これは、アルミニウム複合材Bが、強度的に不利に作用する活性炭5を含有しているためと思われる。ところで、このアルミニウム複合材Bは、アルミニウム複合材D及びEに比して高い引張強度を発揮している。したがって、例え、強度的に不利に働く活性炭を含有した場合にあっても、上記のように、アナターゼ型の二酸化チタンとアルミニウム合金との反応によってチタン−アルミニウム化合物が生成されることから、比較的高い強度を発揮することが可能となる。また、本実施例のアルミニウム複合材A及びBは、アルミニウム合金母材Fに比しても高い強度と硬さを発揮しており、複合化によって優れた性能を発揮できることも確認できた。
【0063】
また、アルミニウム複合材A〜E及びアルミニウム合金母材Fの耐摩耗性試験結果にあっては、図9のように、本実施例のアルミニウム複合材A,Bが、比較例のアルミニウム複合材C〜Eに比して、優れた耐摩耗性を有していることを確認できた。特に、アルミニウム複合材E及びアルミニウム合金母材Fに比べ、極めて高い耐摩耗性を発揮している。また、比較例1のアルミニウム複合材Cに比しても、耐摩耗性が向上している。これにより、本実施例のように、一般的に耐摩耗性に不利とされているチタン酸カリウムウィスカを比較的多量に添加しても、ホウ酸アルミニウムウィスカとの反応によって二酸化チタンを生成させることで、耐摩耗性を向上できることが確認された。一方、本実施例2のアルミニウム複合材Bは、本試験条件ではほとんど摩耗せず、一層高い耐摩耗性を発揮している。これは、摺動特性に優れた活性炭を含有しているためであり、上述した従来の活性炭(又は黒鉛)を焼失性粉末として添加する製造方法に比して、一層優れた耐摩耗性を有するアルミニウム複合材の成形が可能となる。而して、このアルミニウム複合材Bは、強度に比して、耐摩耗性を重要視される製品又はその特定部位に用いることが好適である。
【0064】
尚、比較例2のアルミニウム複合材Dにあっては、ホウ酸アルミニウムウィスカを比較的多量に添加しているため、アルミニウム合金母材Fに比して優れた耐摩耗性を発揮した。これにより、ホウ酸アルミニウムウィスカの有用性が確認できる。また、比較例3のプリフォームE及びアルミニウム複合材Eにあっては、本実施例1,2に比して強度及び硬さが低く、チタン酸カリウムウィスカとアルミナ短繊維とでは反応を生じないこともわかる。
【0065】
このように、本発明にかかる実施例1及び実施例2は、高い強度及び硬さと優れた耐摩耗性とを発揮するアルミニウム複合材A,Bと、該複合材を成形する複合材用プリフォームA,Bとであるから、自動車のエンジンのピストンのような、要求性能の厳しいものにも好適に用いることができる。例えば、ヘッド周縁部51を複合材用プリフォームAにより強化してなるエンジンのピストン50(図10(ニ))が、図10に示す鋳造成形工程(溶湯含浸工程)によって成形できる。この鋳造成形工程にあって、図10(イ)のように、所定の金型54により形成されたキャビティ55内の、ヘッド周縁部51の成形位置に、円環形状に成形された複合材用プリフォーム1(複合材用プリフォームA)を配置し、該金型54の湯口56に接続されるスリーブ57内にアルミニウム合金6の溶湯を所定量流入する。その後、図10(ロ)のように、このスリーブ57を、金型54の湯口56に接続し、該スリーブ57内に滞留する溶湯を、キャビティ55内に所定の射出速度及び射出圧力により射出する。そして、図10(ハ)のように、キャビティ55内に溶湯が充満されると、射出を止めて冷却する。その後、金型54から取り出して、湯口56により形成される部位を除去する(図示省略)。これにより、図10(ニ)のように、複合材用プリフォーム1(複合材用プリフォームA)により強化されたアルミニウム複合部10aからなるヘッド周縁部51と、アルミニウム合金部10bとにより一体的に成形されたピストン50を得ることができる。
【0066】
また、上述した実施例2にあっては、活性炭5を含有してなる複合材用プリフォームBであるが、該活性炭5の代わりに、黒鉛を含有する構成としても、同等の圧縮強度を発揮できると共に、同等の引張強度、耐摩耗性、硬さを発揮し得るアルミニウム複合材10を成形することが可能である。
【0067】
【発明の効果】
本発明は、上述したように、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとをほぼ均質に混在し、かつ、該チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で5%より多く20%以下の範囲で含有する予備混合体を、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応によって生成される二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合するように、所定温度で焼結してなる複合材用プリフォームであるから、前記チタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとが充分に反応することにより、各強化材が高い結合力で強固に結合されるため、従来の、無機バインダーの結合力により結合されてなる複合材用プリフォームに比して、高い強度を発揮できる。また、これにより、アルミニウム合金の溶湯を含浸する鋳造成形時に、変形や割れ等が発生することなく、適正な複合材を成形できる。一方、チタン酸カリウムウィスカの体積含有率を前記範囲とすることで、ホウ酸アルミニウムウィスカとの反応量が充分に確保され、優れた耐摩耗性を有する二酸化チタンを適量生成できる。これにより、かかる複合材用プリフォームを用いて成形されるアルミニウム複合材は優れた耐摩耗性を発揮するものとなり得る。さらに、前記反応によって生成された二酸化チタンは、アルミニウム合金と反応して硬質のチタン−アルミニウム化合物を生成し易いアナターゼ型をも含むため、アルミニウム合金を含浸してなるアルミニウム複合材が高い強度と硬さとを発揮できるものとなり得る。
【0068】
かかる複合材用プリフォームにあっては、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを水中で混ぜて混合水溶液を調合する混合工程と、該混合水溶液から水分を除去し、チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で5%より多く20%以下の範囲で含有する予備混合体を形成する脱水工程と、該予備混合体を所定温度で焼結させることにより、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを反応させて二酸化チタンを生成し、該二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合されるようにした焼結工程とを備えている複合材用プリフォームの製造方法によって、好適に成形することができる。
【0069】
上述した予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で10%〜20%の範囲で含有してなるものである構成の複合材用プリフォームにあっては、該ホウ酸アルミニウムウィスカを含有することにより、優れた耐摩耗性を発揮できる複合材を成形することが可能となる。かかる複合材用プリフォームにあっては、脱水工程で形成された予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で10%〜20%の範囲で含有するものであるとした製造方法によって、好適に製造することができる。
【0070】
一方、このようなホウ酸アルミニウムウィスカが、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものであるとした構成の複合材用プリフォームにあっては、チタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとの反応が全体的にほぼ均一に、かつ容易に生じることとなるため、二酸化チタンがほぼ均質に結合してなる状態を形成でき、全体的に高い強度を発揮できる。かかる複合材用プリフォームにあっては、ホウ酸アルミニウムウィスカは、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものであるとした製造方法によって、好適に製造することができる。この製造方法にあっては、混合工程により、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとがほぼ均質に混合する混合水溶液を比較的容易に形成でき、焼結工程により、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応を全体的にほぼ均一に生じさせ得る。
【0071】
ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカが、平均繊維径0.5μm〜5μmであり、かつ平均繊維長10μm〜50μmの短繊維形状であるとした構成の複合材用プリフォームにあっては、該ホウ酸アルミニウムウィスカが屈曲したり折れ曲がって存在することを防止でき、充分に高い強度を発揮することが可能である。また、かかるホウ酸アルミニウムウィスカを用いた製造方法によって、該ホウ酸アルミニウムウィスカがほぼ均質に分散された状態の混合水溶液を比較的容易に形成することができ、かかる複合材用プリフォームを好適に製造できる。
【0072】
また、ここで、チタン酸カリウムウィスカが、平均繊維径0.1μm〜1μmであり、かつ平均繊維長5μm〜20μmの短繊維形状であるとした構成の複合材用プリフォームにあっては、比較的多くのチタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとが反応して焼結されてなる。この複合材用プリフォームは、かかるチタン酸カリウムウィスカを用いた製造方法によって好適に製造できる。かかる製造方法にあっては、混合工程により、チタン酸カリウムウィスカがほぼ均質に分散された状態の混合水溶液を容易に形成でき、焼結工程により、チタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとの反応を一層促進させ得る。
【0073】
上述した予備混合体が、アルミナ短繊維を含有しているものであるとした構成の複合材用プリフォームにあっては、強度をさらに向上させることが可能である。かかる複合材用プリフォームは、混合工程でアルミナ短繊維を添加して混合水溶液を調合するようにした製造方法によって好適に製造することができる。
【0074】
また、上述した予備混合体が黒鉛又は/及び活性炭を含有しているものであって、該予備混合体を、該黒鉛又は/及び活性炭がホウ酸アルミニウムウィスカと結合状態を形成するように、所定温度により焼結してなるものであるとした構成の複合材用プリフォームにあっては、潤滑性と振動特性に優れる黒鉛や活性炭を含有することにより、当該複合材用プリフォームからなる複合材は、優れた摺動特性及び振動減衰能を発揮するものとなる。かかる複合材用プリフォームにあっては、混合工程で、黒鉛又は/及び活性炭を添加して混合水溶液を調合すると共に、焼結工程にあって、該黒鉛又は/及び活性炭が焼失せずにホウ酸アルミニウムウィスカと結合するようにした製造方法により好適に製造することができる。
【0075】
一方、上述した複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯を加圧鋳造により含浸させる溶湯含浸工程を備えていることを特徴とするアルミニウム複合材の製造方法にあっては、前記複合材用プリフォームの有する、優れた耐摩耗性と高強度、及び黒鉛や活性炭を含有する場合の優れた摺動特性及び振動減衰能、を充分に発揮し得るアルミニウム複合材を成形することが可能である。また、上述した複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯が加圧鋳造により含浸されてなる構成のアルミニウム複合材にあっては、かかる製造方法により好適に製造することができる。
【0076】
ここで、溶湯含浸工程が、所定の金型に形成されたキャビティの特定部位に複合材用プリフォームを配置した後、該キャビティに溶湯を流入することにより、該溶湯が複合材用プリフォームに含浸してなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とを一体的に成形するようにした製造方法にあっては、耐摩耗性や強度等を特に必要とする特定部分のみを強化でき、かつ、金属部と複合部との境界面の強度を充分に確保できる。かかる製造方法にあっては、複合材用プリフォームにアルミニウム合金が含浸されてなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とが一体的に成形されてなるものであるとした構成のアルミニウム複合材を、好適に製造できる。かかるアルミニウム複合材は、金属部と複合部との境界面で応力集中による割れ等の発生が防止され、高い耐久性能を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態例の複合材用プリフォーム1を成形する製造工程を表す説明図である。
【図2】本実施形態例のアルミニウム複合材10を成形する溶湯含浸工程を表す説明図である。
【図3】本実施形態例に供したアルミナ短繊維2、ホウ酸アルミニウムウィスカ3、チタン酸カリウムウィスカ4、活性炭5、二酸化チタン11を表す拡大写真である。
【図4】本実施例1の複合材用プリフォームA(複合材用プリフォーム1)及び、アルミニウム複合材A(アルミニウム複合材10)を表す拡大写真である。
【図5】本実施例2の複合材用プリフォームB及び、アルミニウム複合材Bを表す拡大写真である。
【図6】比較例1の複合材用プリフォームC及び、アルミニウム複合材Cを表す拡大写真である。
【図7】比較例2の複合材用プリフォームD及び、比較例3の複合材用プリフォームEを表す拡大写真である。
【図8】実施例1、2及び比較例1〜3の各複合材用プリフォームA〜Eの、圧縮強度の評価結果を示す図表である。
【図9】実施例1、2及び比較例1〜3の各アルミニウム複合材A〜Eと、比較例4のアルミニウム合金母材Fとの、引張強度、耐摩耗性、硬さの評価結果を示す図表である。
【図10】本実施例1の複合材用プリフォームAにより強化される、エンジンのピストン50を鋳造成形する工程を表す説明図である。
【符号の説明】
1 複合材用プリフォーム
2 アルミナ短繊維
3 ホウ酸アルミニウムウィスカ
4 チタン酸カリウムウィスカ
5 活性炭
6 アルミニウム合金
8 混合水溶液
9 予備混合体
10 アルミニウム複合材
11 二酸化チタン
Claims (17)
- 少なくともホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを水中で混ぜて脱水した程度に均質に混在し、かつ、該チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で5%より多く20%以下の範囲で含有する予備混合体を、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応によって生成される二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合するように、1000℃を越える所定温度で焼結してなるものであることを特徴とする複合材用プリフォーム。
- 予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で10%〜20%の範囲で含有してなるものである請求項1記載の複合材用プリフォーム。
- ホウ酸アルミニウムウィスカが、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものである請求項1又は請求項2記載の複合材用プリフォーム。
- ホウ酸アルミニウムウィスカが、平均繊維径0.5μm〜5μmであり、かつ平均繊維長10μm〜50μmの短繊維形状である請求項3に記載の複合材用プリフォーム。
- チタン酸カリウムウィスカが、平均繊維径0.1μm〜1μmであり、かつ平均繊維長5μm〜20μmの短繊維形状である請求項3に記載の複合材用プリフォーム。
- 予備混合体が黒鉛又は/及び活性炭を含有しているものであって、該予備混合体を、該黒鉛又は/及び活性炭がホウ酸アルミニウムウィスカと結合状態を形成するように、真空状態や不活性ガス雰囲気中で、1000℃を越える所定温度により焼結してなるものであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の複合材用プリフォーム。
- 少なくともホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを水中で混ぜて混合水溶液を調合する混合工程と、
該混合水溶液から水分を除去し、チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で5%より多く20%以下の範囲で含有する予備混合体を形成する脱水工程と、
該予備混合体を、1000℃を越える所定温度で焼結させることにより、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを反応させて二酸化チタンを生成し、該二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合されるようにした焼結工程とを備えていることを特徴とする複合材用プリフォームの製造方法。 - 脱水工程で形成された予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で10%〜20%の範囲で含有するものである請求項7記載の複合材用プリフォームの製造方法
- ホウ酸アルミニウムウィスカは、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものである請求項7又は請求項8記載の複合材用プリフォームの製造方法。
- ホウ酸アルミニウムウィスカが、平均繊維径0.5μm〜5μmであり、かつ平均繊維長10μm〜50μmの短繊維形状である請求項9に記載の複合材用プリフォームの製造方法。
- チタン酸カリウムウィスカが、平均繊維径0.1μm〜1μmであり、かつ平均繊維長5μm〜20μmの短繊維形状である請求項9に記載の複合材用プリフォームの製造方法。
- 混合工程で、アルミナ短繊維を添加して混合水溶液を調合するようにしたことを特徴とする請求項7乃至請求項11のいずれか1項に記載の複合材用プリフォームの製造方法。
- 混合工程で、黒鉛又は/及び活性炭を添加して混合水溶液を調合すると共に、焼結工程にあって、真空状態や不活性ガス雰囲気中で焼結することにより、該黒鉛又は/及び活性炭が焼失せずにホウ酸アルミニウムウィスカと結合するようにしたことを特徴とする請求項7乃至請求項12のいずれか1項に記載の複合材用プリフォームの製造方法。
- 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯を加圧鋳造により含浸させる溶湯含浸工程を備えていることを特徴とするアルミニウム複合材の製造方法。
- 溶湯含浸工程が、所定の金型に形成されたキャビティの特定部位に複合材用プリフォームを配置した後、該キャビティに溶湯を流入することにより、該溶湯が複合材用プリフォームに含浸してなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とを一体的に成形するようにしていることを特徴とする請求項14に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
- 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯が加圧鋳造により含浸されてなるものであることを特徴とするアルミニウム複合材。
- 複合材用プリフォームにアルミニウム合金が含浸されてなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とが一体的に成形されてなるものであることを特徴とする請求項16記載のアルミニウム複合材。
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