JP4655884B2

JP4655884B2 - 複合部材

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Publication number: JP4655884B2
Application number: JP2005313501A
Authority: JP
Inventors: 尚杉江; 恭一木下; 元治谷澤; 崇行加藤; 史修榎島; 学杉浦
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP2007118036A

Description

本発明は、強化された非鉄金属をマトリクスとする複合部材に関する。

近年、軽量化などを目的として、アルミニウム、マグネシウムなどの軽金属・軽合金を採用することが行われる。ここで、軽金属などに対して強度向上を目的とした技術としてはセラミクス繊維を強化材として採用したＭＭＣがある。金属マトリクス中に分散する強化材としてはアルミナ繊維やシリカ繊維の窒化材が挙げられる（特許文献１）が更なる強度向上が望まれる。

更なる強度向上が実現できる強化材としては炭化ケイ素ウィスカーが挙げられる。しかしながら炭化ケイ素ウィスカーは強化材として魅力的ではあるが、高価であると共に加工も困難であり、廉価に強度向上が実現できる手法の提供が望まれる。

また、従来技術として、通孔を有する網状体を重ねたものを鋳込んだシリンダブロックが開示されているが、重ね合わせる網状体の間における通孔の配向方向を考慮していない（特許文献２）。
特開平９−２７９２６７号公報特開平１０−３１８０３８号公報（図５）

本発明は上記実情に鑑み為されたものであり、簡便・廉価な手法にてアルミニウムなどの部材を強化した複合部材を提供することを解決すべき課題とする。

本発明者らは上記課題を解決する目的で鋭意検討を行った結果、エキスパンドメタルなどの表裏面を貫通する多数の通孔をもつ板状部材を強化材として採用すると、マトリクス部を構成する材料が通孔部分に嵌入することで、マトリクス部と板状部材との間を強固に密着・結合でき、形成された複合部材の強度も高くできることに想到した。

ここで、板状部材に形成されている通孔の並び方が規則的である（配向している）と、板状部材が埋設された複合部材の強度にその配向に応じた異方性が生じる。通常、通孔の並び方は配向していることが多い。例えば、板状部材としてエキスパンドメタルや網状体を採用する場合には、その製造方法から通孔の並びは一定方向に配向するので、その配向の影響を制御することが望まれる。

また、パンチングメタルを採用する場合でも規則性が表れることが多い。通孔の量（数、大きさ、面積など）は、求められる強度や質量などにより制限されるので、通孔の並び方にある程度の配向（すなわち、強度の異方性）が生じる。更に、形成する複合部材において、求められる強度は方向によって異なることが多く、その場合には限られた量の通孔にて所望の強度を実現するために、通孔の配置を積極的に配向させることが考えられる。

このように、通孔が配向した板状体を用いても、最終的に得られる複合部材は要求された強度が得られることが求められる。そのためには、板状部材に形成された多数の通孔の配置を最適化することが求められる。

しかしながら、要求される性能に応じた板状部材を提供することはコストなどの観点からは好ましくないこと、更には、後述するように板状部材に浸炭処理・窒化処理などを施す場合に板状部材の厚みが薄い方が望ましいなどの理由から、複数の板状部材を通孔の配向がずれるように積層することに想到し、以下の発明を完成したのである。

すなわち、上記課題を解決する本発明の複合部材は、鉄系金属から構成され表裏面を貫通する多数の通孔をもつ板状部材を二重以上に積層してなる強化部材と、
該強化部材を埋設し、非鉄金属から構成されるマトリクス部と、を有し、
前記強化部材を構成し積層方向に隣接する２つの前記板状部材のうちの一方に設けられている前記通孔と、他方に設けられている前記通孔と、は互いに交差し且つずれたする方向に配向し、
前記板状部材の開口率は２８％未満であることを特徴とする。

例えば、一定方向に通孔が配向している板状部材に対し通孔の配向方向を調節することで、強度の異方性を緩和することも（配向方向をずらす：９０°ずらした場合に最も異方性が緩和すると考えられる）、強化することも（配向方向を揃える：０°の場合に最も異方性が強化されると考えられる）、中間で調節することも可能である。

以下に、本発明の複合部材を実施形態に基づき説明する。本実施形態の複合部材はマトリクス部と強化部材とを有する。

マトリクス部は非鉄金属から構成される。非鉄金属としては本複合部材の製造時・使用状態・保存状態において強化部材を許容できる以上に浸食等することがないものであればその種類は特に限定しない。例えば、強化部材を構成する鉄系金属よりも融点が低い金属であれば鋳造により製造しやすい。特に、非鉄金属は、軽金属であることが好ましい。非鉄金属が軽金属であれば、軽量かつ高強度な複合部材となる。

具体的に非鉄金属としては、純アルミニウムやＭｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｍｎ等を含むアルミニウム合金などのアルミニウム系金属や、純マグネシウムやＺｎ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｔｈ、希土類元素等を含むマグネシウム合金などのマグネシウム系金属のほか、チタン系金属、リチウム系金属が挙げられる。

強化部材はマトリクス部内に埋設されることでマトリクス部を強化する部材である。強化部材は板状部材から構成される。板状部材は鉄を主成分とする鉄系金属から構成されれば特に限定はないが、加工性に優れた各種圧延鋼板（ＳＰＣＣ、ＳＰＨＣ等）を用いることが好ましい。

板状部材は表裏面を貫通する多数の通孔をもつ。通孔を有することにより、板状部材がマトリクス部内に埋設された際に、両者の密着性が確保できる。更に、板状部材の開口率が、２８％未満、より好ましくは１８％以下であれば、複合部材の強度を良好に向上できる。この際、１つの通孔の面積は３００μｍ²以上であることが好ましい。１つの通孔の面積を上記範囲にすることで、板状部材とマトリクス部との密着性をさらに良好にできる。

板状部材としては、板に多数のスリットを入れ、どの板が延びる方向に引っ張ることによりスリットを拡張し通孔を形成することによって得られるエキスパンドメタル、多数の通孔を板に穿つことで形成するパンチングメタルなどが好ましい。これらの部材は、簡単に作製でき、入手が容易であり、加工性にも優れる。この際、鉄系部材の厚さが０．５〜２ｍｍであることが好ましい。鉄系部材の厚さが上記範囲であれば、金属複合材の強度を良好に向上させることができる。

更に、これら板状部材としては、その表面を粗面化したものが密着性向上の観点からは望ましい。粗面化は、少なくとも非鉄金属と接触する鉄系部材の界面に施されていればよい。粗面の形成は、ショットブラストやショットピーニング等のブラスト加工による物理的な方法や、薬品による化学的な方法で粗面を形成すればよい。

また、板状部材は、浸炭処理が施されていることが望ましい。浸炭処理は、炭素鋼の表面から炭素を浸入させることにより表面部の炭素量を増加させ、表面部のみを硬化する処理法である。板状部材として用いられるエキスパンドメタル等で用いられる鋼板は、比較的軟らかく、加工性に優れているため、浸炭処理などを施すことにより、硬化させることが望ましい。

そして、上述したように、本実施形態の複合部材において、板状部材の板厚は、好ましくは０．５〜２ｍｍであるため、このような板状部材に浸炭処理を施すと、厚さ方向のすべてにおいて炭素が浸入し硬化された部材が得られる。浸炭処理は、固体浸炭処理、液体浸炭処理、ガス浸炭処理、真空浸炭処理のうちどの浸炭法を用いてもよいが、板状部材は、浸炭窒化処理により厚さ方向の全ての部分において炭素と窒素が浸入したものが望ましい。

ここで、「板状部材」は、平面的に広がりをもつ連続した部材及びその部材に通孔を形成した部材のほか、金網などのように複数本の線材からなる網状体などような、概ね平面内に収まるような部材であっても良い。

強化部材はこれら板状部材を二重以上に積層した部材である。積層する２以上の板状部材間の距離は特に限定しないが、強度向上の観点からは概ね密着することが望ましい。概ね密着している場合について具体的に説明すると、積層された板状部材の間がすべて密着している場合はもちろん、板状部材の間が略平行で、且つ、互いの板状部材の間が１点以上で接している状態も含んでいる。板状部材の積層は、積層によって互いに近接する通孔が配向する方向をずらすように設定する。二重以上に積層する場合に別個の部材である板状部材を重ね合わせる場合の他、連続した部材を丸めたり折り曲げたりすることで積層することもできる。

ここで、通孔が「配向」しているとは、通孔の形状が円形以外で所定の規則（例えば、すべて同じ方向、交互に反対向きなど）で並んでいる場合や、通孔の形状が円形でも並び方が規則的で有る場合などである。その場合に、通孔以外の部分が大きく連続する方向を配向する方向と定める。具体的には、単独の板状部材において強度が一番高い方向が「配向する方向」であると定める。例えば、エキスパンドメタルは所定の切り込みを形成した板材をその切り込みと垂直な方向に引っ張ることで作成するが、図１に示すように、切り込みを入れた方向ＬＷと引っ張った方向ＳＷとでは強度が大きく異なり（製造条件にもよるが数倍異なる場合もある）、通孔が配向する方向は方向ＬＷである。

強化部材は、マトリクス部内に埋設されている状態であれば、その位置に特に限定はない。例えば、複合部材において強度が必要な部分に、強度が必要な方向に向けて（その方向に板状部材の広がり方向を向けて）、強化部材を配設する。強度が必要な方向が湾曲する場合にはその曲面に応じて強化部材を湾曲させることが望ましい。更に、強化部材の一部が表面に露出するように配設しても良い。

複合部材は、鋳造により製造されることが望ましい。鋳造方法としては、鋳型内に強化部材を任意の位置に配置したあと、その鋳型内にマトリクス部を構成する非鉄金属の溶湯を注入する、といった一般的な方法（いわゆるインサート成形方法）が採用できる。鋳造方法も、重力鋳造法、低圧鋳造法、溶湯鍛造法、ダイカスト法など、どのような手法であっても採用できる。更に、鋳造後、必要に応じて熱処理を行うことで、マトリクス部を構成する非鉄金属の力学的性質を調整する調質処理を行えば、さらに高強度な複合部材が得られる。

上記のような構成を有する複合部材は、高強度、且つ、マトリクス部を構成する非鉄金属によっては軽量にもできるので、エンジンブロック、油圧ポンプ、コンプレッサといった耐圧部品等に好適に使用できる。

［試験試料の作成］
板状で厚さ方向に貫通する複数の通孔を有するエキスパンドメタル（ＳＰＣＣ、厚さ：１０００μｍ、１つの通孔の面積：約３００μｍ²）を準備した。図１に示すように、エキスパンドメタル１は、多数の通孔１２が規則的に形成された板状体である。エキスパンドメタル１の方向による強度変化を評価するために、通孔１２の配向に対して平行な方向ＬＷ、４５°又は１３５°ずれた方向ＭＷ、９０°ずれた方向ＳＷの４種類の方向を規定した。開口率は８％、１８％、２８％の３種類を用意した。それぞれの開口率のエキスパンドメタルに対して、浸炭窒化処理を施したものも用意した。浸炭窒化処理は、ＮＨ₃を含む浸炭性ガスにより、６５０〜９００℃に加熱し、Ｃ並びにＮを同時に鋼材に反応させ拡散層を生成した後、油焼入れすることで行った。浸炭窒化処理の後、５５０℃にて焼き戻しを６０分間、ショットブラスト処理を２分間行った。

以上説明したエキスパンドメタルを用いて試験試料（複合部材）を作製した。試験試料の作製には、所定形状の凹部を有する下型と、凹部の壁面と摺接して嵌り込む形状の上型とからなる金型装置を用いた。

試料を作製する際には、金型装置の金型温度を２００〜３５０℃とし、エキスパンドメタルを下型の凹部の底面部に載置し３００℃に予熱した後、その状態で、凹部にアルミニウム合金溶湯（ＡＤＣ１２、溶湯温度６５０〜８００℃）を注湯した。その後、下型内に上型を挿入・加圧（７０〜１００ＭＰａ）して鋳造を行った。

実施例の試験試料では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、開口率１８％のエキスパンドメタル１、１’は、９０°ずらした状態で２枚重ね合わせて金型内に挿入した。つまり、エキスパンドメタル１の方向ＬＷ及び方向ＳＷがそれぞれエキスパンドメタル１’の方向ＳＷ及び方向ＬＷにそれぞれ重なり、エキスパンドメタル１の方向ＭＷ（４５°及び１３５°）がそれぞれエキスパンドメタル１’の方向ＭＷ（１３５°及び４５°）に重なった試験試料となった。試験例１及び２、並びに比較例として開口率８％、２８％及び１８％のエキスパンドメタル１を一枚だけ用いた試験試料も上述した方法にて複合材料化した。

また、開口率８％、１８％及び２８％のエキスパンドメタルについて浸炭窒化処理前後でそれぞれ１枚ずつ、そのまま引張試験に供した（試験例３〜８）。

［評価］
各実施例、各比較例及び各試験例の試験試料の強度を引張試験にて評価した。

それぞれの試験試料を所定の形状に加工して、ＪＩＳ平板試験片を作製した。この際、引張試験の引張方向がエキスパンドメタル１に対して方向ＬＷになるように加工した。また、浸炭窒化処理を行った実施例及び比較例の試験試料（開口率１８％）についてはエキスパンドメタル１の方向ＳＷ及び方向ＭＷ（４５°）が引張方向になるように加工した試験片もそれぞれ作成した。

引張試験は、５ｔオートグラフ（島津製作所製、AG-5000A）により、引張速度０．５ｍｍ／分で行った。試験片はエキスパンドメタル１の方向ＬＷが引っ張り方向になるように加工したものを採用した。引張試験を行った（試験１）。また、開口率１８％の試験試料から作成した試験片は５００℃で１０時間保持し、１８０℃で４時間保持後、１８０℃にて、エキスパンドメタル１の方向がＭＷ（４５°）のものも含めて更に試験を行った（試験２）。

各試験試料に対して行った引張試験の試験結果（破断応力）を表１及び図３（試験１）並びに表２及び図４（試験２）にそれぞれ示す。試験１（図３）については計算によって求めた予測値（最大：直列足し合わせ、最小：並列足し合わせ）も併せて示した。

試験１：表１及び図３から明らかなように、開口率が２８％の試験試料から作成した試験片の引張強さは開口率１８％の試験試料から作成した試験片よりも低いこと、及び、複合材料化による強度上昇が小さいことが判り開口率は２８％未満（更には１８％以下）が好ましいことが判った。

開口率８％の試験試料から作成した試験片は開口率１８％の試験試料から作成した試験片よりも引張強さが高かった。また、比較例の試験結果から、開口率８％及び１８％の場合、開口率２８％の場合よりも浸炭窒化処理による強度上昇が大きく、より強度が高くできることが判った。但し、板状部材に設けられた通孔部分によるアンカー効果を考慮すると、開口率が８％よりも１８％の方が強度が高くなる可能性もある。

試験２：表２及び図４から明らかなように、引張方向がエキスパンドメタル１の方向ＳＷ及び方向ＭＷ（４５°）の場合で、１枚の比較例よりも２枚積層した実施例の方がより高い引張応力を示した。いずれもエキスパンドメタルが１枚で引っ張り方向が方向ＬＷの場合よりは引張強さは低いものの、引張方向による強度の変化を小さく抑えることができた。

エキスパンドメタルを模式的に示す平面図である。エキスパンドメタルを模式的に示す平面図（ａ），（ｂ）、並びに実施例における本発明の複合部材内に埋設される強化部材を模式的に示す平面図（ｃ）である。実施例及び比較例の試験試料から作成した試験片の引張試験の結果を示すグラフである。実施例及び比較例の試験試料から作成した試験片の引張試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１、１’…エキスパンドメタル
１２、１２’…通孔ＬＷ…通孔が配向する方向と平行な方向ＳＷ…通孔が配向する方向と直交する方向ＭＷ…通孔が配向する方向と４５°又は１３５°ずれた方向

Claims

鉄系金属から構成され表裏面を貫通する多数の通孔をもつ板状部材を二重以上に積層してなる強化部材と、
該強化部材を埋設し、非鉄金属から構成されるマトリクス部と、を有し、
前記強化部材を構成し積層方向に隣接する２つの前記板状部材のうちの一方に設けられている前記通孔と、他方に設けられている前記通孔と、は互いに交差し且つずれた方向に配向し、
前記板状部材の開口率は２８％未満であることを特徴とする複合部材。
各々の前記板状部材は、前記多数の通孔が所定方向に配向している請求項１に記載の複合部材。
積層された前記板状部材のうちの、ある２つにおいて、近接する前記多数の通孔の配向する方向が互いに略直交する方向である請求項１又は２に記載の複合部材。
前記板状部材の開口率は１８％以下である請求項１〜３のいずれかに記載の複合部材。
前記強化部材を構成する前記板状部材は互いに密着している請求項１〜４のいずれかに記載の複合部材。
前記板状部材は、パンチングメタル又はエキスパンドメタルである請求項１〜５のいずれかに記載の複合部材。
前記板状部材の表面が粗面となっている請求項１〜６のいずれかに記載の複合部材。
前記板状部材は、厚さが０．５ｍｍ以上、２ｍｍ以下である請求項１〜７のいずれかに記載の複合部材。
前記板状部材は、浸炭窒化処理されている請求項１〜８のいずれかに記載の複合部材。