JP6004314B2 - 金属基複合体の製造方法 - Google Patents
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ことができる。
また、前記媒質体を所要形状に成形する工程において、小孔が形成された成形型と、該成形型の小孔へと繋がれたポンプを用い、前記分散液が収容された容器内に前記成形型を入れ、分散媒を前記ポンプにより吸引して除去してもよい。
また、前記プリフォームを、金属基複合体用の成形型内に配置して、前記プリフォームに溶融した金属を含浸させ、前記金属基複合体用の成形型内に溶融した金属を満たしてもよい。
また、前記プリフォームを、前記金属基複合体用の成形型内の所要位置に配置して、部分的に前記プリフォームと前記金属とを複合化させてもよい。
また、前記金属基複合体がピストンもしくはシリンダライナーであってもよい。
本実施形態の特徴は、カーボンナノ材料の造粒体を用い、プリフォームに金属を含浸させて金属基複合体を得る点である。図1は、本発明の実施形態に用いるカーボンナノ材料、セラミックス繊維材ならびにカーボンナノ材料の造粒体、プリフォーム、金属基複合体を模式的に示した説明図である。ここで、1はカーボンナノ材料、2はカーボンナノ材料の造粒体、3はセラミックス繊維材を示し、4はプリフォームの形態を示し、5は金属基複合体の形態を示している。プリフォーム4は、粒状に形成したカーボンナノ材料の造粒体2とセラミックス繊維材3との混合物を焼成して製造される。金属基複合体5はプリフォーム4中に溶融した金属を含浸して製造される。
カーボンナノ材料の造粒体は、カーボンナノ材料を含むスラリーを作製し、スプレードライヤを用いてスラリーを乾燥させることで得られる。
カーボンナノ材料を含むスラリーには、カーボンナノ材料を分散媒に分散させる界面活性剤と、造粒した時にカーボンナノ材料を互いに絡み合わせて接着させるバインダーとが含まれる。界面活性剤とバインダーを用いることで、カーボンナノ材料が凝集することなく、分散状態を維持しながら接着した造粒体が得られる。また、スプレードライヤを用いることで瞬時に分散媒を乾燥できるので、複数本のカーボンナノ材料を絡み合わせて間隙を有しながら粒状に形成できる。また、スラリーを微細な霧状にして噴霧しているので、液体の表面張力により球状の造粒体になる。
なお、「粒子径」は、カーボンナノ材料の造粒体を顕微鏡で観察して測定した値であり、SEM等の電子顕微鏡やレーザー顕微鏡等の光学顕微鏡を用いて求めた値である。
カーボンナノ材料の造粒体およびセラミックス繊維材を分散させた分散液は、カーボンナノ材料の造粒体、セラミックス繊維材およびバインダーを水系の分散媒中に入れ、カーボンナノ材料の造粒体およびセラミックス繊維材を分散させることで得られる。媒質体はこの分散液を成形型に入れ、分散液中に含まれる水系分散媒を除去することで得られる。
セラミックス繊維材が三次元空間内で絡まった状態で成形されるには、複数本のセラミックス繊維材が分散した状態の時の分散液中から分散媒を除去することである。また、分散媒が除去されると媒質体中にあるカーボンナノ材料の造粒体は、セラミックス繊維材が絡まって囲まれた空間内に捕捉された状態になる。
図6は、本発明の実施形態に係るプリフォームの一例を示し、リング状のプリフォームの外観写真である。図7は、本発明の実施形態に係るプリフォームの一例を示す電子顕微鏡写真である。図7において、形態の異なる繊維状の物質があり、より太く長い繊維状のものがセラミックス繊維材であり、細く短くて粒状に形成しているものがカーボンナノ材料の造粒体である。このように、プリフォームは、セラミックス繊維材が三次元空間内で絡まって囲まれた空間内に、複数本のカーボンナノ材料が絡まって形成されたカーボンナノ材料の造粒体が捕捉された状態のものである。
図4に示すように、本実施形態の金属基複合体はプリフォームに溶融した金属を含浸させて固化させることで製造できる。カーボンナノ材料の造粒体は、溶融した金属に触れた後にバインダーが揮発してなくなるために分散する。ほぐれた造粒体はプリフォーム内で分散し、プリフォーム外へ拡散することはない。
カーボンナノ材料として、カーボンナノチューブ(CNT)を用い、CNTは多層構造のカーボンナノチューブ(昭和電工社製、VGCF)を使用した。界面活性剤は、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムを18%含む水溶液を使用した。バインダーは、ポリビニルメチルエーテル(PVME)を使用した。セラミックス繊維材として、アルミナ繊維材(直径2〜8μm、長さ300〜1500μm)を使用し、バインダーは、シリカゾル、アルミナゾル、カチオン系高分子凝集剤(荒川化学社製、ポリストロン705)を使用した。更に、アルミナ繊維材用の分散剤として、ポリアクリル系の樹脂を用いた。金属はアルミニウム合金(AC8A)を用いた。
セラミックス繊維材のみを水に添加して媒質体を作製し、アルミナ繊維材のみでプリフォームを作製した。媒質体、プリフォームを作製する上で、CNTを添加しないこと以外の工程はすべて同じ条件である。
プリフォームを用いず、アルミニウム合金(AC8A)のみでピストンを作製し、ビッカース硬さ、ロックウェル硬さ、耐凝着性を測定した。
プリフォームを用いず、アルミニウム合金(AC8A)のみでピストンを作製し、陽極酸化皮膜処理をしてピストンで一般的に用いられている、膜厚15μmのアルマイト(硬質陽極酸化皮膜)をピストン表面に施した。耐凝着性を測定した。
図10の摩擦試験結果より、カーボンナノチューブを添加していない比較例1に比べ、CNTが添加されると摩擦係数は低くなった。実施例2と3では、CNT添加量の違いによる摩擦係数に及ぼす差異は見られなかった。表3に示すように、たたかれ摩耗試験により耐凝着性を評価したところ、比較例1、2ではアルマイト処理材の42分より短い時間で凝着、すなわち焼付きが発生したが、CNTが添加された金属基複合体である実施例1ではアルマイト処理材より凝着が発生する時間が遅れ、更にCNTの添加量を増やした実施例2および3では、アルマイト処理材の3倍である126分より長い時間でも凝着が発生しなかった。
2 カーボンナノ材料の造粒体
3 セラミックス繊維材
4 プリフォーム
5 金属基複合体
6 リング溝
7 スカート
8 ピン穴
10 容器
12 成形型
14 サクションポンプ
Claims (8)
- 金属中にカーボンナノ材料とセラミックス繊維材とが混入された金属基複合体の製造方法において、
カーボンナノ材料と界面活性剤とバインダーとを含むスラリーを、スプレードライヤを用いてカーボンナノ材料が互いに絡まって粒状に形成させる、カーボンナノ材料の造粒体を製造する工程と、
分散媒中に前記カーボンナノ材料の造粒体とセラミックス繊維材とバインダーとを入れて分散液を得る工程と、
前記分散液を成形型に入れ、分散液中に含まれる分散媒を除去して、媒質体を所要形状に成形する工程と、
前記所要形状に成形された媒質体を乾燥し、非酸化雰囲気で焼成して、プリフォームを製造する工程と、
前記プリフォームに溶融した金属を含浸させると共に、前記カーボンナノ材料の造粒体をほぐして溶融した金属中に分散させ、溶融した金属を固化させる工程とを含むことを特徴とする金属基複合体の製造方法。 - 前記プリフォームを製造する工程において、前記セラミックス繊維材が三次元空間内で絡まって囲まれる空間内に前記カーボンナノ材料の造粒体が捕捉された状態のプリフォームを形成することを特徴とする請求項1に記載の金属基複合体の製造方法。
- 前記プリフォームに溶融した金属を高圧鋳造法によって含浸することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の金属基複合体の製造方法。
- 前記金属に、アルミニウムもしくはその合金、またはマグネシウムもしくはその合金を用いることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の金属基複合体の製造方法。
- 前記媒質体を所要形状に成形する工程において、小孔が形成された成形型と、該成形型の小孔へと繋がれたポンプを用い、前記分散液が収容された容器内に前記成形型を入れ、分散媒を前記ポンプにより吸引して除去することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の金属基複合体の製造方法。
- 前記プリフォームを、金属基複合体用の成形型内に配置して、前記プリフォームに溶融した金属を含浸させ、前記金属基複合体用の成形型内に溶融した金属を満たすことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の金属基複合体の製造方法。
- 前記プリフォームを、前記金属基複合体用の成形型内の所要位置に配置して、部分的に前記プリフォームと前記金属とを複合化させることを特徴とする請求項6に記載の金属基複合体の製造方法。
- 前記金属基複合体がピストンもしくはシリンダライナーであることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の金属基複合体の製造方法。
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