JPH01230737A

JPH01230737A - 複合材料製部材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH01230737A
Application number: JP5587188A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Tanaka; 淳夫田中; Kaneo Hamashima; 浜島　兼男; Takashi Morikawa; 隆森川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-03-09
Filing date: 1988-03-09
Publication date: 1989-09-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、複合材料に係り、更に詳細には複合材料製部
材及びその製造方法に係る。

従来の技術従来より鋼の如き金属材料にて形成されている部材の軽
量化を図る目的で、軽合金をマトリックスとしセラミッ
ク繊維等を強化材とする複合材料にてそれらの部材を形
成する試みが精力的に行われている。例えば特開昭５９
−２２６１４０号公報や特開昭６１−１４３５３５号公
報には、かかる複合材料にて形成された内燃機関用バル
ブが記載されている。

発明が解決しようとする課題かかる複合材料にて部材を形成すれば、それらが鋼にて
形成される場合に比してそれらの軽量化を図ることがで
きるが、使用条件によってはそれらの部材又は相手材に
過大な摩耗が生じたり、それらの十分な耐久性を確保す
ることができないことがある。例えば内燃機関用のバル
ブは高温且無潤滑という極めて厳しい条件下にて使用さ
れるため、強化材の体積率が低い場合にはバルブフェー
ス面が凝着摩耗を生じ、逆に強化材の体積率が高い場合
にはバルブシートにアブレーシブ摩耗が生じる。

また一般に軽合金をマトリックスとする複合材料の耐熱
性は鋼等に比して低いため、高温且高応力の悪条件に曝
されるバルブの傘部に於て折損が生じ易い。かかる折損
を回避すべく強化材の体積率を高く設定すると、被削性
や塑性変形能が著しく低下し、生産性が悪化するばかり
でなく、バルブの靭性が低下してしまうため、バルブは
その着座時の衝撃的応力に耐えられなくなる。

本発明は、軽合金をマトリックスとし、セラミック繊維
等を強化材とする従来の複合材料製部材に於ける上述の
如き問題に鑑み、特定の部分に於て厳しい使用条件に曝
される場合にも十分な耐久性が確保されるよう改良され
、また生産性にも優れた複合材料製部材を提供すること
を目的としており、またかかる部材を能率よく低置に製
造することのできる製造方法を提供することを目的とし
ている。

課題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、軽合金をマトリッ
クスとしセラミック繊維若しくはセラミック粒子を強化
材とする複合材料製部材にして、特定の部分の前記マト
リックス中に前記マトリックスの主成分金属元素と他の
金属元素との金属間化合物が微細に分散された複合材料
製部材、及び軽合金をマトリックスとしセラミック繊維
若しくはセラミック粒子を強化材とする複合材料製部材
の製造方法にして、前記マトリックスの主成分金属元素
と反応して金属間化合物を形成する金属元素を含む粒子
が特定の部分に分散されたセラミック繊維若しくはセラ
ミック粒子よりなる強化材成形体を形成し、該強化材成
形体中に前記マトリックスの溶湯を浸透させることを含
む複合材料製部材の製造方法によって達成される。

発明の作用及び効果本発明の複合材料製部材によれば、特定の部分のマトリ
ックス中に該マトリックスの主成分金属元素と他の金属
元素との金属間化合物が微細に分散されている。本願出
願人と同一の出願人により本願と同日付にて出願された
特願昭６３−号明細書に詳細に記載されている如く、金
属間化合物によって複合材料の耐摩耗性や耐熱性が向上
されるので、内燃機関用バルブの如く非常に厳しい条件
下にて使用される部材についてもその耐久性を大幅に向
上させることができる。また強化材の体積率を高く設定
する必要がないので、相手材に過剰の摩耗を惹起したり
、被削性や塑性変形能が著しく低下することもなく、従
って強化材の体積率が高く設定される場合に比して部材
の生産性を向上させることができ、更には特定の部分の
靭性が低下することを回避し得るので、このことによっ
ても部材の耐久性を向上させることができる。

また本発明の製造方法によれば、マトリックスの主成分
金属元素と反応して金属間化合物を形成する金属元素を
含む粒子が特定の部分に分散されたセラミック繊維若し
くはセラミック粒子よりなる強化材成形体が形成され、
該強化材成形体中にマトリックスの溶湯が浸透せしめら
れる。従ってマトリックスの溶湯が成形体中に浸透する
ことによって複合材料が形成されると同時に、成形体中
の粒子がマトリックスの主成分金属元素と反応してマト
リックス中に微細に分散された金属間化合物が形成され
る。従って部材の実質的に特定の部分のマトリックス中
にのみ金属間化合物が微細に分散された複合材料製部材
を容易に且装置に製造することができ、金属間化合物が
その周囲のマトリックスと良好に密着した高性能の複合
材料製部材を製造することができる。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、本発明の複合材料
製部材は内燃機関用バルブであり、特定の部分は傘部の
バルブフェース面を郭定する部分及びバルブシート当り
面を郭定する部分である。

かくして本発明による部材が内燃機関用バルブに適用さ
れる場合に於ては、強化材の体積率が１０％未満である
場合にはバルブの強度及びステム部の耐摩耗性を十分に
向上させることができず、逆に強化材の体積率が３０％
を越えるとバルブステムガイドにアブレーシブ摩耗が発
生し易くなる。

また金属間化合物のビッカース硬さが３００未満の場合
には傘部のバルブシート当り面の凝着摩耗を有効に防止
することが困難であり、逆にビッカース硬さが９５０を
越えるとバルブシートにアブレーシブ摩耗が生じ易くな
る。同様に金属間化合物の体積率が１５％未満の場合に
はバルブシート当り面に於ける凝着摩耗を有効に防止す
ることが困難であり、また傘部の強度を十分に向上させ
ることができず、逆に金属間化合物の体積率が５０％を
越えると傘部の耐ヒートチエツク性が悪化し、傘部に熱
間亀裂が生じ易くなる。

従って本発明の一つの詳細な特徴によれば、強化材の体
積率は１０〜３０％に設定され、金属間化合物のビッカ
ース硬さ及び体積率はそれぞれ３００〜９５０．１５〜
５０％に設定される。

尚金属間化合物の粒径及び本発明の製造方法に使用され
る粒子の粒径はそれぞれ５〜４０μｍ１２〜１５μｍ程
度であることが好ましい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例１第１図は内燃機関用バルブとして構成された本発明によ
る複合材料製部材の一つの実施例を一部破断して示す射
口、第２図乃至第６図は本発明の方法に従って第１図に
示されたバルブを製造する一連の製造工程を示す射口的
工程図である。

第１図に於て、符号１０はバルブを示しており、ステム
部１２と該ステム部と一体に形成された傘　　７部１４
とを有している。傘部１４は図には示されていない内燃
機関のシリンダヘッドのバルブシートに繰返し係合し、
これにより給気ポート又は排気ボートを選択的に開閉す
るバルブシート当り面１６と、内燃機関の燃焼室の一部
を郭定するバルブフェース面１８とを有している。図示
の如く、バルブフェース面は炭化ケイ素ウィスカ２０に
て複合強化されたアルミニウム合金２２（ＪＩＳ規格Ａ
ＣＩＡ）よりなっており、特に傘部１４のバルブシート
当り面１６及びバルブフェース面１８を郭定する部分の
マトリックス中にはマトリックスの主成分であるＡ１と
他の金属元素としてのＮｌとの金属間化合物（Ｎｉ　Ａ
ｌ　３　、Ｎｌ　３　ＡＩ　）が微細に分散されている
。

第１図に示されたバルブは本発明の方法に従って以下の
如く製造された。

先ず炭化ケイ素ウィスカ（平均繊維径０．２μｍ５平均
繊維長５０μｆｆ１）を湿式解繊し、これに平均粒径５
μｍのＮｉ粉末をウィスカに対し２５ｖｏ１％混合した
。次いでかくして形成された炭化ケイ素ウィスカ２０と
Ｎｌ粉末２８とよりなる混合物を第２図に示されている
如く、底壁２６に脱水用の小孔３０を有する圧縮成形型
３２の直径３０　ｆｆ１１１％深さ５０ｍｍのキャビテ
ィ３４内に厚さ１０ｍｍになるよう注ぎ、更にその上に
炭化ケイ素ウィスカ２６のみを湿式解繊したものを厚さ
３０ｍｍになるよう注いだ。次いで型３２に係合する上
型３６により炭化ケイ素ウィスカ等を圧縮すると共に脱
水し、これにより第３図に示されている如く、直径３５
ａｎ、高さ１５＋＋＋ｍの寸法を有し体積率２０％の炭
化ケイ素ウィスカ２０よりなる繊維成形体３８を形成し
た。尚この成形体の下端より５ｍｍの範囲の部分にはＮ
１粉末２８が体積率約５％にて実質的に均一に分散され
ていた。

次いで繊維成形体３８を４００℃に予熱し、加圧鋳造装
置４０の下型４２のモールドキャビティ４４内に配置し
、該モールドキャビティ内にアルミニウム合金（ＪＩＳ
規格ＡＣＩＡ）の溶湯４６を注湯し、該溶湯をプランジ
ャ４８により約１０００ｋｇ／ｃ−の圧力に加圧し、こ
れによりアルミニウム合金の溶湯を繊維成形体中に充填
すると共に溶湯中のＡ１と成形体中のＮ１粉末とを化合
させ、これによりＮｉ−Ａｌ金属間化合物を微細に形成
させた。

次いで得られた鋳物より複合材料のみのビレットを切出
し、該ビレット４９を５０５℃に予熱し、第５図に示さ
れている如く押出装置５０のキャビティ５２内に配置し
、ビレットに対しダイス５４を押付けてその孔よりビレ
ットの一部を押出すことにより、第６図に示されている
如きバルブ粗材を形成した。次いでバルブ粗材に対し研
削等の機械加工を施し、これにより第１図に示されてい
る如きバルブを形成した。尚バルブフェース面を郭定す
る部分及びバルブシート当り面を郭定する部分のＮ　ｌ
−Ａ　Ｉ金属間化合物（Ｎｉ　Ａｔ　３　、Ｎｉ　３Ａ
＋）の体積率は約３１％であった。

かくして得られたバルブを４気筒２０００ｃｃのガソリ
ン機関に組込み、全負荷、６０００　ｒｐｍにて耐久試
験を行ったところ、このバルブは良好な耐久性を有して
いることが認められた。

また比較の目的で、Ｎｌ粉末が使用されなかった点を除
き上述の実施例の場合と同一の要領及び条件にてバルブ
を形成し、そのバルブについて同一の要領及び条件にて
耐久試験を行ったところ、試験開始後３０時間経過した
時点に於てバルブのバルブシート当り面に過大な摩耗が
生じ、吹き抜けが発生した。

実施例２上述の実施例１の場合と同様の要領にて下記の表１に示
された仕様の内燃機関用バルブを形成し、実施例１の場
合と同一の要領及び条件にて耐久試験を行った。尚使用
された強化材は実施例１の場合と同一の炭化ケイ素ウィ
スカであった。

その結果バルブＡに於てはステム部に比較的大きい摩耗
が生じ、バルブＤに於ては傘部に亀裂が生シ、バルブＥ
に於てはバルブシート当り面に比較的大きい摩耗が生じ
、バルブＧ及びＪに於ては相手材であるバルブシートに
比較的大きい摩耗が生じ、バルブＫに於てはバルブシー
ト当り面に比較的大きい摩耗が生じた。これに対しバル
ブＢ、ＣＳＦ、Ｈ，Ｉに於てはかかる不具合は発生せず
、従ってこれらのバルブは良好な耐久性を有しているこ
とが認められた。

実施例３アルミナ短繊維（平均繊維径２μ慣、平均繊維長２００
μｍ）を湿式解繊し、これに平均粒径５μｍのＦｅ粉末
を繊維に対し２５ｖｏ１％混合し、その混合物を撹拌し
た後成形型内に流し込んで静置した。次いで成形型の底
壁より水分を吸引脱水し、更に成形型に嵌合する上型に
て混合物を加圧して脱水し、乾燥させることにより、直
径３０１１１１１゜高さ３０Ｉｌｆｆｌの寸法を有し、
アルミナ短繊維の体積率が約２０％である繊維成形体を
形成した。尚この繊維成形体の下端より約５ｆｆｉＩ１
１の範囲の部分にはＦｅ粒子が約５　　ｖｏ１％の比較
的高い含有率にて分散されており、それよりも上の領域
に於てはＦｅ粒子の含有率は実質的に０（平均で約０．
　５　ｖｏ１％）であった。

次いでかくして形成された繊維成形体が使用され、マト
リックスがアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ２Ｂ）に
置換えられた点を除き、上述の実施例１の場合と同一の
要領及び条件にて内燃機関用バルブを形成し、そのバル
ブについて実施例１の場合と同一の条件にて耐久試験を
行った。その結果この実施例のバルブも良好な耐久性を
有していることが認められた。

以上に於ては本発明を幾つかの実施例について詳細に説
明したが、本発明はこれらの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。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関用バルブとして構成された本発明によ
る複合材料製部材の一つの実施例を一部破断して示す射
口、第２図乃至第６図は第１図に示された内燃機関用バ
ルブを本発明の方法に従って製造する一連の製造工程を
示す射口的工程図である。１０・・・内燃機関用バルブ、１２・・・ステム部、１
４・・・傘部、１６・・・バルブシート当り面、］８・
・・バルブフェース面、２０・・・炭化ケイ素ウィスカ
、２２・・・アルミニウム合金、２４・・・金属間化合
物、２６・・・底壁、２８・・・Ｎ１粉末、３０・・・
小孔、３２・・・圧縮成形型、３４・・・キャビティ、
３６・・・上型、３８・・・繊維成形体、４０・・・加
圧鋳造装置、４２・・・鋳型、４４・・・モールドキャ
ビティ、４６・・・アルミニウム合金の溶湯、４８・・
・プランジャ、４９・・・ビレット、５０・・・押出し
装置、５２・・・ビレット、５４・・・ダイス、５６・
・・バルブ粗材。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１図１０・・バルブ１４・・全部１６・・バルブシート当り面１８・・バルブフェース面２０・・炭化ケイ素ウィスカ２２・・アルミニウム合金２４・・金属間化合物第２図　　　　第、６第４図　　　第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）軽合金をマトリックスとしセラミック繊維若しく
はセラミック粒子を強化材とする複合材料製部材にして
、特定の部分の前記マトリックス中に前記マトリックス
の主成分金属元素と他の金属元素との金属間化合物が微
細に分散された複合材料製部材。
（２）軽合金をマトリックスとしセラミック繊維若しく
はセラミック粒子を強化材とする複合材料製部材の製造
方法にして、前記マトリックスの主成分金属元素と反応
して金属間化合物を形成する金属元素を含む粒子が特定
の部分に分散されたセラミック繊維若しくはセラミック
粒子よりなる強化材成形体を形成し、該強化材成形体中
に前記マトリックスの溶湯を浸透させることを含む複合
材料製部材の製造方法。