JPH01165796A - Fiber reinforced metallic composite material - Google Patents
Fiber reinforced metallic composite materialInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、繊維強化金属複合材料に係り、更に詳細には
特に耐摩耗性や耐焼付性に優れた繊維強化金属複合材料
に係る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to a fiber-reinforced metal composite material, and more particularly to a fiber-reinforced metal composite material particularly excellent in wear resistance and seizure resistance.
従来の技術
アルミニウム合金の如き金属材料の耐摩耗性や耐焼付性
を改善すべく、金属をアルミナ−シリカ系繊維等にて複
合強化して繊維強化金属複合材料とすることが既に行わ
れており、また特公昭５７−３３０８９号公報に記載さ
れている如く、繊維強化金属複合材料の耐摩耗性や耐焼
付性を更に改善すべく、複合材料の表面に陽極酸化被膜
処理を施すことが既に提案されている。Conventional Technology In order to improve the wear resistance and seizure resistance of metal materials such as aluminum alloys, metals have already been reinforced with alumina-silica fibers to create fiber-reinforced metal composite materials. In addition, as described in Japanese Patent Publication No. 57-33089, it has already been proposed to apply anodic oxide coating to the surface of fiber-reinforced metal composite materials in order to further improve their wear resistance and seizure resistance. has been done.
発明が解決しようとする問題点
表面に陽極酸化被膜を有する繊維強化金属複合材料は陽
極酸化被膜を有しない複合材料よりも耐摩耗性や耐焼付
性に優れているが、複合材料が非常に苛酷な条件下にて
使用される場合には、必ずしも十分な耐摩耗性や耐焼付
性を確保することができない。Problems to be Solved by the Invention Fiber-reinforced metal composite materials with an anodized coating on their surfaces have better wear resistance and seizure resistance than composite materials without an anodized coating. When used under such conditions, sufficient wear resistance and seizure resistance cannot necessarily be ensured.
例えば自動車等の車輌に搭載される内燃機関に於ては、
ターボチャージャの装着等による内燃機関の高出力化に
伴ない、特にピストンのトップリング溝部に於ける熱負
荷が益々厳しくなってきており、かかる部分が陽極酸化
被膜を有する繊維強化金属複合材料にて構成される場合
にも、トップリング溝にスカッフィング等の異常摩耗を
生ずることがある。For example, in internal combustion engines installed in vehicles such as automobiles,
As the output of internal combustion engines increases due to the installation of turbochargers, etc., the heat load on the top ring groove of the piston is becoming increasingly severe. Even in such a case, abnormal wear such as scuffing may occur in the top ring groove.
本発明は、従来の繊維強化金属複合材料に於ける上述の
如き問題に鑑み、非常に苛酷な条件下にて使用される場
合にも十分な耐摩耗性や耐焼付性を確保することができ
るよう改良された繊維強化金属複合材料を提供すること
を目的としている。In view of the above-mentioned problems with conventional fiber-reinforced metal composite materials, the present invention can ensure sufficient wear resistance and seizure resistance even when used under extremely harsh conditions. The purpose of the present invention is to provide an improved fiber reinforced metal composite material.
問題点を解決するための手段
上述の如き目的は、本発明によれば、少なくとも表面部
が４０ｖｔ％以上のアルミナと残部としてのシリカとよ
りなるアルミナ−シリカ系繊維にて複合強化され、該複
合強化部の表面が陽極酸化被膜にて被覆され、前記陽極
酸化被膜はテフロン層にて被覆され、前記テフロン層の
一部は前記陽極酸化被膜表面の微小孔に含浸されている
繊維強化金属複合材料によって達成される。Means for Solving the Problems According to the present invention, at least the surface portion is composite reinforced with alumina-silica fiber consisting of 40vt% or more alumina and the balance silica, and the composite A fiber-reinforced metal composite material in which the surface of the reinforcing portion is coated with an anodic oxide film, the anodic oxide film is covered with a Teflon layer, and a portion of the Teflon layer is impregnated into micropores on the surface of the anodic oxide film. achieved by
発明の作用及び効果
本発明によれば、表面部がアルミナ−シリカ系繊維にて
複合強化され、該複合強化部の表面が陽極酸化被膜にて
被覆され、陽極酸化被膜はテフロン層にて被覆され、テ
フロン層の一部は陽極酸化被膜表面の微小孔に含浸され
ている。かかる構成によれば、陽極酸化被膜は複合材料
に密着しており、テフロン層は陽極酸化被膜表面の微小
孔に含浸されていることによってこれと一体に結合した
状態に維持されるので、非常に苛酷な条件下に於ても長
時間に亙り十分な耐摩耗性や耐焼付性を確保することが
できる。Effects and Effects of the Invention According to the present invention, the surface portion is compositely reinforced with alumina-silica fibers, the surface of the composite reinforced portion is covered with an anodic oxide film, and the anodic oxide film is covered with a Teflon layer. , a part of the Teflon layer is impregnated into the micropores on the surface of the anodized coating. According to this configuration, the anodic oxide film is in close contact with the composite material, and the Teflon layer is impregnated into the micropores on the surface of the anodic oxide film, so that it is maintained in a state of being integrally bonded to the composite material. Sufficient wear resistance and seizure resistance can be ensured for a long time even under severe conditions.
本願発明者らが行った実験的研究の結果によれば、アル
ミナ−シリカ系繊維の体積率が３％未満である場合には
複合材料それ自身の十分な強度や耐摩耗性を確保するこ
とができず、逆に体積率が３０９６を越えると複合材料
に当接して摺動する相手材の摩耗量を増大させたり、ま
た複合材料が高コストになるという問題がある。従って
本発明の一つの詳細な特徴によれば、アルミナ−シリカ
系繊維の体積率は３〜３０％に設定される。According to the results of experimental research conducted by the inventors of the present application, it is possible to ensure sufficient strength and wear resistance of the composite material itself when the volume fraction of alumina-silica fibers is less than 3%. On the other hand, if the volume fraction exceeds 3096, there is a problem that the amount of wear of the mating material that slides in contact with the composite material increases, and the cost of the composite material increases. Therefore, according to one detailed feature of the invention, the volume fraction of alumina-silica fibers is set at 3-30%.
また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
アルミナ−シリカ系繊維の一部が陽極酸化被膜まで突出
している場合には、陽極酸化被膜と複合材料との間の一
体性が向上し、更に複合材料の耐久性が向上することが
認められた。従って本発明の更に他の一つの詳細な特徴
によれば、アルミナ−シリカ系繊維の一部が陽極酸化被
膜まで突出延在している。Also, according to the results of experimental research conducted by the inventors of the present application,
It was observed that when some of the alumina-silica fibers protruded to the anodic oxide coating, the integrity between the anodic oxide coating and the composite material was improved, and the durability of the composite material was also improved. . According to yet another detailed feature of the invention, therefore, some of the alumina-silica fibers extend protrudingly into the anodized coating.
更に使用されるアルミナ−シリカ系繊維のアルミナ含有
率が４０ｖｔ％未満の場合には必ずしも十分な耐摩耗性
や耐焼付性を確保することができない。従って本発明に
於ては、アルミナ−シリカ系繊維のアルミナ含有率は４
０ｖｔ％以上に設定される。Furthermore, if the alumina content of the alumina-silica fiber used is less than 40% by weight, sufficient wear resistance and seizure resistance cannot necessarily be ensured. Therefore, in the present invention, the alumina content of the alumina-silica fiber is 4.
It is set to 0vt% or more.
尚複合材料の十分な耐摩耗性及び耐焼付性を確保するた
めには、陽極酸化被膜及びテフロン層の厚さはそれぞれ
５〜２５μｍ、１０〜３５μｍであることが好ましい。In order to ensure sufficient wear resistance and seizure resistance of the composite material, the thicknesses of the anodic oxide film and the Teflon layer are preferably 5 to 25 μm and 10 to 35 μm, respectively.
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例に′）い
て詳細に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below by way of embodiments with reference to the accompanying drawings.
実施例
第１図は本発明による繊維強化金属複合材料の一つの実
施例が組込まれた内燃機関用ピストンを示す断面図、第
２図は第１図に示されたピストンの要部を示す拡大部分
断面図、第３図はトップリング溝近傍の領域を示す拡大
部分断面図、第４図は第３図に示されたトップリング溝
の下面を拡大して示す断面図である。Embodiment FIG. 1 is a sectional view showing a piston for an internal combustion engine incorporating an embodiment of the fiber-reinforced metal composite material according to the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view showing the main parts of the piston shown in FIG. 1. FIG. 3 is an enlarged partial sectional view showing a region near the top ring groove, and FIG. 4 is an enlarged sectional view showing the lower surface of the top ring groove shown in FIG. 3.
これらの図に於て、１はピストンであり、アルミニウム
合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）にて構成されている。ピス
トン１の側部外周面２には、燃焼ガスがピストン１とシ
リンダブロック３のシリンダ壁面との間を経てエンジン
の燃焼室より漏洩するのを防止するコンプレッションリ
ング４及び５を受入れる二つのリング溝６及び７と、余
分のオイルを掻落すオイルリング８を受入れるリング溝
９とが形成されている。図示の実施例に於ては、ピスト
ン１の側部外周面２に沿うピストンヘッド１０よりトッ
プリング溝６の下面１１の下方までの部分は、繊維径２
．８μのアルミナ−シリカ繊維１２’ （５５ｖｔ％
Ａｌ ２０３．４５ｖｔ％ＳｉＯ２）をカサ密度０．
１８ ｇ／ｃＩ１１３にて無作為に配向してなる繊維成
形体を強化材とし、ピストン１の他の部分を構成するア
ルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）をマトリックス
とする複合材料１２にて構成されている。この複合材料
１２はトップリング４を受入れるトップリング溝６の壁
面を郭定しており、またピストンの側部外周面２に露出
する部分にてトップランド１３及びセカンドランド１４
の一部を郭定している。In these figures, 1 is a piston, which is made of aluminum alloy (JIS standard AC8A). The side outer peripheral surface 2 of the piston 1 is provided with two ring grooves for receiving compression rings 4 and 5 that prevent combustion gas from leaking from the combustion chamber of the engine through the space between the piston 1 and the cylinder wall surface of the cylinder block 3. 6 and 7, and a ring groove 9 for receiving an oil ring 8 for scraping off excess oil. In the illustrated embodiment, the portion from the piston head 10 along the side outer circumferential surface 2 of the piston 1 to below the lower surface 11 of the top ring groove 6 has a fiber diameter of 2
．． 8μ alumina-silica fiber 12' (55vt%
Al 203.45vt%SiO2) with a bulk density of 0.
It is composed of a composite material 12 in which a fiber molded body randomly oriented at 18 g/cI113 is used as a reinforcing material, and an aluminum alloy (JIS standard AC8A), which constitutes the other parts of the piston 1, is used as a matrix. . This composite material 12 defines the wall surface of the top ring groove 6 that receives the top ring 4, and also forms a top land 13 and a second land 14 in the portion exposed to the side outer peripheral surface 2 of the piston.
A part of it has been defined.
第３図に示されている如く、複合材料１２のトップリン
グ溝６の上面１５及び下面１１を郭定する部分にはそれ
ぞれ陽極酸化被膜１６及び１７が形成されており、陽極
酸化被膜はそれぞれテフロン層１８及び１９にて被覆さ
れている。第４図に詳細に示されている如く、アルミナ
シリカ繊維１２′の一部は陽極酸化被膜中へ突出延在し
ており、テフロン層の一部は陽極酸化被膜の微小孔２０
に含浸されており、これにより複合材料１２と陽極酸化
被膜１６及び１７とテフロン層１８及び１９とが相互に
強固に結合している。図示の実施例に於ては、陽極酸化
被膜の平均厚ざは２０μであり、硬さはＨｖ４００であ
り、テフロン層の平均厚さは約３０μｍであり、小孔２
０の平均深さは１０μｍである。尚陽極酸化処理の都合
上、トップランド１３及びセカンドランド１４の一部に
も陽極酸化被膜が形成されてもよい。As shown in FIG. 3, anodic oxide films 16 and 17 are formed on the parts defining the upper surface 15 and lower surface 11 of the top ring groove 6 of the composite material 12, respectively, and the anodic oxide films are made of Teflon. Covered with layers 18 and 19. As shown in detail in FIG. 4, a portion of the alumina-silica fiber 12' extends into the anodized coating, and a portion of the Teflon layer extends into the micropores 20 of the anodized coating.
The composite material 12, the anodic oxide coatings 16 and 17, and the Teflon layers 18 and 19 are thereby firmly bonded to each other. In the illustrated embodiment, the average thickness of the anodized coating is 20 μm, the hardness is Hv 400, the average thickness of the Teflon layer is about 30 μm, and the small holes are 2
The average depth of 0 is 10 μm. For convenience of anodizing treatment, an anodic oxide film may also be formed on a portion of the top land 13 and second land 14.
尚かかるピストンは、それを鋳造するための鋳型のモー
ルドキャビティの底壁上にＩｎ維成形体を載置し、その
鋳型内に溶融アルミニウム合金を注湯し、その鋳型に液
密的に嵌合するプランジャによりアルミニウム合金を加
圧しつつ凝固させてピストン予成形体とし、それを熱処
理（Ｔ６処理）した後所定の寸法に加工し、更にリング
溝６．７．９を形成し、しかる後電解浴として硫酸浴、
シュウ酸浴等を用いてトップリング溝６の上面及び下面
を陽極酸化処理し、更にかくして形成された陽極酸化被
膜に対しテフロンをコーティングしこれを融管させるこ
とによって製造されてよい。In addition, such a piston is produced by placing an In fiber molded body on the bottom wall of a mold cavity of a mold for casting the piston, pouring molten aluminum alloy into the mold, and fitting the piston into the mold in a liquid-tight manner. The aluminum alloy is solidified while being pressurized by a plunger to form a piston preform, which is then heat treated (T6 treatment) and processed to a predetermined size. Furthermore, a ring groove 6.7.9 is formed, and then it is heated in an electrolytic bath. as sulfuric acid bath,
The top ring groove 6 may be manufactured by anodizing the top and bottom surfaces of the top ring groove 6 using an oxalic acid bath or the like, coating the thus formed anodized film with Teflon, and melting it into a tube.
上述の如く構成されたピストンを４気筒４サイクルデイ
ーゼルエンジンに組込み、下記の表１に示す試験条件に
て摩耗試験を行なった。尚使用されたピストンリングは
ステンレス鋼（ＪＩＳ規格５ＵＳ４２０Ｊ２）硬さＨｖ
４２０）にて構成されていた。The piston constructed as described above was installed in a 4-cylinder 4-cycle diesel engine, and a wear test was conducted under the test conditions shown in Table 1 below. The piston ring used is stainless steel (JIS standard 5US420J2) with hardness Hv.
420).
また比較の目的で、陽極酸化処理及びテフロン層の被覆
が施されなかった点を除き、実施例と同様に形成された
ピストン（比較例１）及びテフロン層にて被覆されなか
った点を除き実施例と同様に構成されたピストン（比較
例２）についても同様の摩耗試験を行った。For comparison purposes, a piston (comparative example 1) was formed in the same manner as in the example, except that it was not anodized and was not coated with a Teflon layer, and a piston that was not coated with a Teflon layer was used. A similar wear test was also conducted on a piston (Comparative Example 2) configured similarly to the example.
表り＝試験条件
使用エンジン： ターボ付４気筒４サイクルデイーゼ
ルエンジン
シリンダボア径： ９０ｎ＋ｍ
ストローク： ８６ｍｍ
圧縮比： ２１．５
排気量： ２１８８ｃｃ
使用燃料： 軽油
エンジン回転数： ５４００ ｒｐｍエンジン負荷：
フルロード
試験時間二 ３００時間
これらの摩耗試験の結果を第５図及び第６図に示す。尚
第５図は摩耗試験終了後のピストンのトップリング溝の
下面１１に於けるアルミ凝着発生割合（下面の摺動面の
面積に対するアルミ凝着発生部の面積の割合）を示して
おり、第６図の上半分はトップリング溝の下面の最大摩
耗深さを表わしており、第６図の下半分は相手材である
ピストンリングの下面の摩耗深さを表わしている。、第
５図より、本発明による繊維強化金属複合材料が組込ま
れた゛ピストンのトップリング溝の下面のアルミ凝着発
生割合は実質的に零であり、従ってこのピストンは比較
例に比して遥かに耐アルミ凝着性に優れていることが解
る。また第６図より、本発明による繊維強化金属複合材
料か組込まれたピストンが使用される場合には、トップ
リング溝の下面及び相手材であるピストンリングの下面
の両方の摩耗量が非常に小さい値になり、耐久性が大巾
に改善されることが解る。Table = Test conditions Engine used: 4-cylinder 4-cycle diesel engine with turbo Cylinder bore diameter: 90n+m Stroke: 86mm Compression ratio: 21.5 Displacement: 2188cc Fuel used: Light oil Engine speed: 5400 rpm Engine load:
Full load test time: 2 300 hours The results of these wear tests are shown in FIGS. 5 and 6. FIG. 5 shows the rate of aluminum adhesion on the bottom surface 11 of the top ring groove of the piston after the wear test (the ratio of the area of the aluminum adhesion area to the area of the sliding surface on the bottom surface). The upper half of FIG. 6 represents the maximum wear depth on the lower surface of the top ring groove, and the lower half of FIG. 6 represents the wear depth on the lower surface of the mating piston ring. , Figure 5 shows that the rate of aluminum adhesion on the bottom surface of the top ring groove of the piston in which the fiber-reinforced metal composite material of the present invention is incorporated is substantially zero, and therefore, this piston has a much higher rate of adhesion than the comparative example. It can be seen that it has excellent aluminum adhesion resistance. Furthermore, from FIG. 6, when a piston incorporating the fiber-reinforced metal composite material according to the present invention is used, the amount of wear on both the lower surface of the top ring groove and the lower surface of the mating piston ring is extremely small. It can be seen that the durability is greatly improved.
・以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説
明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であ
ることは当業者にとって明らかであろう。例えばトップ
リング溝の上面に於ける陽極酸化被膜及びテフロン層は
省略されてもよい。- Although the present invention has been described in detail with respect to specific embodiments above, the present invention is not limited to such embodiments, and various other embodiments are possible within the scope of the present invention. This will be obvious to those skilled in the art. For example, the anodized coating and Teflon layer on the top surface of the top ring groove may be omitted.
第１図は本発明による繊維強化金属複合材料の一つの実
施例が組込まれた内燃機関用ピストンを示す断面図、第
２図は第１図に示されたピストンの要部を示す拡大部分
断面図、第３図はトップリング溝近傍の領域を示す拡大
部分断面図、第４図は第３図に示されたトップリング溝
の下面を拡大して示す断面図であり、第５図及び第６図
はそれぞれ本発明の繊維強化金属複合材料が組込まれた
ピストン及び比較例のピストンについて行われた摩耗試
験の結果をそれぞれトップリング溝下面のアルミ凝着発
生割合、トップリング溝下面の最大摩耗深さ及びピスト
ンリング下面の摩耗深さについて示すグラフである。
１・・・ピストン、２・・・側部外周面、３・・・シリ
ンダブロック、４・・・トップリング、５・・・セカン
ドリング、６・・・トップリング溝、７・・・セカンド
リング溝。
８・・・オイルリング、９・・・リング溝、１０・・・
ピストンヘッド、１１・・・トップリング溝の下面、１
２・・・複合材料、１２゛・・・アルミナ−シリカ繊維
、１３・・・トップランド、１４・・・セカンドランド
、１５・・・トップリング溝の上面、１６．１７・・・
陽極酸化被膜、１８．１９・・・テフロン層、２０・・
・微小孔特 許 出 願 人 トヨタ自動車株式会社代
理 人 弁理士 明 石
昌 毅第３図
１２１・・アルミナ−シリカ環１ ２０・・微小孔第
４図
第５図
第 ６ 図
（方 式）（自 発）
手続補正書
１、事件の表示
昭和６２年特許願第３２３３１９号
２）発明の名称
繊維強化金属複合材料
３、補正をする者
事件との関係 特許出願人
住 所 愛知県豊田型トヨタ町１番地６、補正の内容
別紙の通り
（内容に変更はありません）FIG. 1 is a sectional view showing a piston for an internal combustion engine incorporating one embodiment of the fiber-reinforced metal composite material according to the present invention, and FIG. 2 is an enlarged partial sectional view showing the main parts of the piston shown in FIG. 1. 3 is an enlarged partial sectional view showing the area near the top ring groove, FIG. 4 is an enlarged sectional view showing the lower surface of the top ring groove shown in FIG. 3, and FIGS. Figure 6 shows the results of wear tests conducted on a piston incorporating the fiber-reinforced metal composite material of the present invention and a piston of a comparative example. It is a graph showing the depth and the wear depth of the lower surface of the piston ring. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Piston, 2... Side outer peripheral surface, 3... Cylinder block, 4... Top ring, 5... Second ring, 6... Top ring groove, 7... Second ring groove. 8...Oil ring, 9...Ring groove, 10...
Piston head, 11... Bottom surface of top ring groove, 1
2... Composite material, 12゛... Alumina-silica fiber, 13... Top land, 14... Second land, 15... Top surface of top ring groove, 16.17...
Anodic oxide film, 18.19... Teflon layer, 20...
・Microhole patent applicant: Toyota Motor Corporation Representative Patent attorney: Akashi
Takeshi Masaaki Fig. 3 121... Alumina-Silica Ring 1 20... Micropores Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6 (Method) (Voluntary) Procedural Amendment 1, Indication of Case 1988 Patent Application No. 323319 No. 2) Name of the invention Fiber-reinforced metal composite material 3. Relationship with the person making the amendment Patent applicant address 1-6 Toyota-kata Toyota-cho, Aichi Prefecture Contents of the amendment As shown in the attached sheet (there is no change in the content)
Claims (2)
残部としてのシリカとよりなるアルミナ−シリカ系繊維
にて複合強化され、該複合強化部の表面が陽極酸化被膜
にて被覆され、前記陽極酸化被膜はテフロン層にて被覆
され、前記テフロン層の一部は前記陽極酸化被膜表面の
微小孔に含浸されている繊維強化金属複合材料。(1) At least the surface portion is composite reinforced with alumina-silica fibers consisting of 40 wt% or more alumina and the remainder silica, the surface of the composite reinforced portion is coated with an anodized film, and the anodic oxide film is is a fiber-reinforced metal composite material coated with a Teflon layer, and a portion of the Teflon layer is impregnated into micropores on the surface of the anodic oxide film.
於て、前記アルミナ−シリカ系繊維の体積率は３〜３０
％であることを特徴とする繊維強化金属複合材料。(2) In the fiber-reinforced metal composite material according to claim 1, the volume percentage of the alumina-silica fiber is 3 to 30.
% fiber-reinforced metal composite material.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32331987A JPH01165796A (en) | 1987-12-21 | 1987-12-21 | Fiber reinforced metallic composite material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32331987A JPH01165796A (en) | 1987-12-21 | 1987-12-21 | Fiber reinforced metallic composite material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01165796A true JPH01165796A (en) | 1989-06-29 |
Family
ID=18153463
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32331987A Pending JPH01165796A (en) | 1987-12-21 | 1987-12-21 | Fiber reinforced metallic composite material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01165796A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010107460A (en) * | 2000-05-24 | 2001-12-07 | 장만수 | Processing method the surface of aluminum or alloyed aluminum ware and its products |
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-
1987
- 1987-12-21 JP JP32331987A patent/JPH01165796A/en active Pending
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