JPH0288730A - セラミックウイスカー強化軽合金複合材とその製造方法 - Google Patents

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、例えば内燃機関用のピストンヘッドのような
過酷な熱負荷を受ける部分をセラミックウィスカーによ
り局部的に強化する形態の改良された複合材に関する。

〔従来の技術〕

セラミックウィスカーは卓越した強度ならびに熱的、化
学的安定性を備えていることから、とくに過酷な使用環
境に曝されるエンジン部材などの強化物質として注目さ
れている。

例えば、ピストンの頂縁部分は繰り返しの過酷な熱負荷
を受けて溶損や亀裂の発生が生じるため、この部位をセ
ラミックウィスカーで複合強化すれば、使用寿命の著し
い延長化を図ることができる。

このような試みは既に実施されており、英国公開特許第
２１０６４３３号には、ＡＩ！、合金のような軽合金ピ
ストンにおいても最もクラックが発生しやすい頂縁部分
を局部的にセラミック系のウィスカーまたは繊維で複合
強化する構造が示されている。ところが、この種の局部
的な複合形態においては、使用中に、複合部と非複合部
との境界部位に亀裂やマトリックス部の盛り上がり変形
などの現象を生じ、これが破損の基点となる問題点があ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の不都合な現象は、複合部と非複合部との熱膨張係
数の差に原因があり、これらの境界部分に繰り返しの熱
負荷に伴う熱応力が集中することによって発生すること
が解明されている。

特開昭６０−１９０５４５号の発明では、この複合部と
非複合部との境界部分における熱膨張挙動等の象、激な
変化を避けるために、強化無機繊維の体積充填率（Ｖｆ
％）を複合部分の中心よりも小さな値とするとともに境
界部から遠くなるに従って体積充填率を漸次増加させる
ようにした無機繊維強化複合部材が提案されている。

しかしながら、上記の複合形態を構成するためには、複
合される同一種類の無機繊維成形体（プリフォーム）の
密度を境界部から遠ざかるにつれて漸増するか、境界部
側の密度の小さいプリフォームから中心側の密度の大き
いプリフォームまでのものを複数個作成して段階的に組
合わせるといった極めて煩雑かつ困難性の高い工程が必
要となり、製造手段として実用的ではない。

本発明は、このような問題点を解消し、複合部と非複合
部との熱膨張差を連続的に緩和する形態の改良されたセ
ラミックウィスカー強化軽合金複合材とその製造方法を
提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明により提供されるセラミックウィスカ
ー強化軽合金複合材は、軽合金母材の所定部位をセラミ
ックウィスカーによって局部的に複合強化する形態にお
いて、複合部と非複合部の間にセラミックファイバーの
緩衝複合部を連続的に介在させてなることを構成上の特
徴とするものである。

本発明に適用されるセラミックウィスカーとしては、炭
化けい素、窒化けい素、ジルコニア、チタン酸カリウム
等の非酸化物系あるいは酸化物系に属する針状単結晶で
ある。

また、セラミックファイバーは通常、連続繊維および結
晶質または非晶質の短繊維に大別されるが、本発明の目
的には後者の結晶質または非晶質の短繊維が好適に使用
される。結晶質短繊維は、セラミックの溶融体をブロー
イングあるいはスピニング等の方法によって繊維化し熱
処理を施して繊維化されるもので、多くは５０ｆｆｌＩ
Ｉ＋以下の長さとして得られる。一方、非晶質短繊維も
同様にセラミック溶融体をブローイング、スピニング等
の方法で繊維化した結晶化前のもので、直径１〜２０−
１長さは最大２５０ＩＩＩＩ１１程度の性状を有する。

これらの短繊維系のセラミックファイバーとしては、ア
ルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、ガラス繊維、ジル
コニア繊維等が挙げられる。

複合部と非複合部の間にセラミックファイバーの緩衝複
合部を介在させる具体的な形態は．セラミックウイスカ
ーの複合部とセラミックファイバーの緩衝複合部とがそ
の境界部分において少くとも０．５ｍｍの深さまで相互
に混在するように形成することが望ましい。相互の混在
深度が０．５ｍｍを下廻ると．セラミックウイスカー複
合部とセラミックファイバー緩衝複合部間における物理
的な特性変動が急激すぎて熱衝撃が加わった際の界面亀
裂を完全に防止することが困難となる。

上記構成のセラミックウィスカー強化軽合金複合材は、
２〜１５μｍのセラミックファイバーにより形成したＶ
ｆ２〜８％のプリフォームを炉材とし、その片面から直
径２−以下のセラミックウィスカー分散液を炉過処理し
て一部がセラミックファイバーのプリフォーム組織内に
浸透混在して連続するＶｆ１０〜３５％のセラミックウ
ィスカーのプリフォームを形成し、得られた複合状プリ
フォームのセラミックファイバー面が軽金属母材と接す
る状態に金型内にセットしたのち軽合金母材の溶湯を加
圧下に溶浸させて一体に複合化する方法によって製造す
ることができる。

まず、予めセラミックファイバーのプリフォームを形成
す伜。このプリフォーム化は、例えばセラミックファイ
バーを水のような液媒に分散させて濾過成形する方法に
よっておこなわれる。用いるセラミックファイバーの繊
維径は２〜１５ＩＭとすることが好適で、２１１ｍより
細径となると成形組織の空隙が減少してセラミックウィ
スカーを浸透混在させることが困難となり、１５４を越
えると前記空隙の分布が不均一となるためセラミックウ
ィスカーの浸透むらが生じ、複合界面の物理的変化が増
大する。また、セラミックファイバーの繊維長は全体の
８０％以上を１５０　ｍｍ以下とすることが望ましく、
余り長い繊維を用いると成形体密度のむらが大きくなっ
てセラミックウィスカーの混在が不均一となる。

セラミックファイバーのプリフォームは体積率（以下ｒ
ＶｆＪという。）２〜８％になるように形成する。この
理由は、Ｖｆが２％未満であると取扱いに耐える程の十
分な強度が付与されず、他方、８％を土建るとセラミッ
クウィスカーの浸透混在が困難となるうえに複合材とし
た際に母材との熱膨張差が大きくなりすぎて界面亀裂を
招く因となるからである。

ついで、セラミックファイバーのプリフォームを炉材と
して、その片面からセラミックウィスカーを水あるいは
適宜な有機溶媒に均一懸濁させた分散液を炉過処理する
。

セラミックウィスカーの直径は、余り太くなるとセラミ
ックファイバーのプリフォーム組織内への浸透が困難と
なるため、２ＩＩｍ以下のものを用いることが好ましい
。長さは、一般には１０〜５００ｐｍのものが使用され
るがこれを外れた長さであっても支障はない。形成する
セラミックウィスカープリフォームのＶｆは１０〜３５
％の範囲に設定する。この理由は、Ｖｆ１０％未満では
セラミックウィスカーによる強化作用が十分に進まず、
ｖｒが３５％を越すと軽合金との複合化が円滑に進行し
なくなるためである。

炉過処理の過程で．セラミックウイスカーの一部はセラ
ミックファイバーのプリフォーム組織内に浸透混在する
。セラミックウィスカーがある深さまで浸透するとその
後の浸透が妨げられる結果、セラミックファイバー層−
セラミックファイバーとセラミックウィスカーの混在層
−セラミックウィスカー層が連続的に一体成形される。

この際、上記混在層はセラミックファイバー層とセラミ
ックウィスカー層との境界部分において少くとも０．５
ａｏの深さまで形成する必要がある。

このようにして成形されたプリフォームは、そのままも
しくは所定密度に圧縮したのち乾燥することによって複
合状プリフォームを得る。

得られた複合状プリフォームは、そのセラミックファイ
バー面が軽合金母材と接する状態に金型内にセットし、
常法により軽合金母材の溶湯を加圧下に溶浸する加圧鋳
造法もしくは溶湯鍛造法を用いて複合化する。

かくして製造されたセラミックウィスカー強化軽合金複
合材は．セラミックウイスカーの複合部と非複合部（母
材層）の間にセラミックファイバーの緩衝複合部が連続
的に介在する複合組織形態を呈する。

〔作　用〕

軽合金母材の所定部位をセラミックウィスカーによって
局部的に複合強化する形態において、複合部と非複合部
との界面で亀裂が発生する原因は、複合部の熱膨張率が
母材に比べて著しく低いためにこの界面部分に高い応力
がかかることによるが、上記の形態を有する本発明のセ
ラミックウィスカー強化軽合金複合材は複合部と非複合
部の間に連続的に介在するセラミックファイバーの緩衝
複合部が前記熱膨張差を巧みに緩和する作用を営む。

とくに、母材に接するセラミックファイバー複合部のＶ
ｆを２〜８％．セラミックウイスカー複合部のＶｆを１
０〜３５％とし、これら複合部の境界部分に少くとも０
．５ｍｍの深さまでセラミックファイバーとセラミック
ウィスカーとが相互に混在する複合部分を形成すること
により非複合部から複合部にかけて物理的性質（熱膨張
率）が連続的に変化させることができ、この作用を介し
て境界部位に発生する亀裂、変形などの現象は完全に消
去される。

〔実施例〕

以下、本発明をピストンヘッドの局部強化に適用した実
施例に基づいて説明する。ただし、本発明の適用はピス
トン部材に限定されるものではなく、例えばシリンダー
ヘッドの弁間部のような高い熱負荷が加わる各種部材に
応用できることはいうまでもない。

繊維径３〜５−１繊維長１０ｍｍ以下の９５％アルミナ
繊維（ＩＣＩ社製、“サフィル”）を用い濾過成形法に
よりＶｆ４％の円筒形プリフォーム（外径６０圓、内径
５０＋ｎｍ、高さ３０薗）を成形した。このアルミナ繊
維プリフォームをゴム底板を有する多孔側面の蓋付円筒
枠内にセットし、内部に直径０．５〜１．５ｔｌｒｎ、
長さ１０〜３００−のβ型ＳｊＣウィスカー〔東海カー
ボン■製、“′トーカウィスカー”〕の純水分散液を注
入して吸引炉遇（減圧度７３０＋ｎ＋ｎＨｇ）　シた。

次いで、内側に積層した湿潤ウィスカー層を内部から加
圧してＶｆ１５％になるように圧縮したのち乾燥して、
内側がＳｉＣウィスカー層、外側がアルミナ繊維層、そ
して境界部分がＳｉＣウィスカーとアルミナ繊維との連
続的な混在層を形成してなる複合状プリフォーム（内径
４０ｍｍ）を得た。

この複合状プリフォームをアルミナ繊維面（外周面）が
母材と接する状態に金型にセットし、ＡＣ８Ａ−Ａ１合
金母材の溶湯（７４０°Ｃ）を注湯後、８００　ｋｇ／
ａｆｌの圧力を付加して直接噴射式ディーゼル機関用ピ
ストンを鋳造成形した。得られたピストンは図に示すよ
うに燃焼室壁構成部１がＳｉＣウィスカー複合複合色２
複合部（母材）３との間にアルミナ繊維の緩衝複合部４
が連続的に介在する局部複合形態を呈するものであった
。

比較のために、前記と同一のＳｉＣウィスカー単体のプ
リフォーム（外径５０ＩＩＩＲ１、内径４０ｍ＋ｎ、高
さ２５醜、Ｖｆ１５％）を用いて同様にピストン燃焼室
壁部を局部的に複合化した（比較例）。

これら両ピストンを燃焼室口元部分の温度を１サイクル
１５秒で４００°Ｃと１００°Ｃの間を加熱冷却する熱
衝撃試験を実施した。

その結果、実施例によるピストンの場合には、５０００
サイクル後に燃焼室口元部分に１ケの亀裂が発生したが
、複合部外周側すなわちアルミナ繊維複合部とＳｉＣウ
ィスカー複合部の界面およびアルミナ繊維複合部と母材
との界面部位には全く亀裂の発生は認められなかった。

これに対し、比較例の場合には１０００サイクル後にＳ
ｉＣウィスカー複合部と母材との界面に深さ５閣の亀裂
が発生した。

また、本発明によるピストンから複合部分の試片を切り
出して研磨しミクロ組織を観察した結果、ＳｉＣウィス
カーはアルミナ繊維側の最外周近傍まで浸透混在してお
り、ＳｉＣウィスカー層との境界部分に連続組織層を呈
していることが確認された。比較例ピストンでは母材と
の界面部分に亀裂が入り、実施例では亀裂の発生が抑制
されるのは前記のように本発明における複合部の特性変
化が緩やかになっているためである。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明によれば、セラミックファイバー
による緩衝複合部の介在によりセラミックウィスカー複
合部と非複合部間の物理的性質を連続的に変化させるこ
とができるから、応力の偏りを巧みに緩和して、亀裂の
発生は効果的に阻止される。また、従来のセラミックウ
ィスカーが単味による複合強化法では、母材との界面亀
裂を防止するためにピストン燃焼室から複合部と母材と
の境界を可及的に遠ざけることによってこの部位の温度
を低水準に保持するような配慮をする必要があり、この
ためセラミックウィスカー複合部の外径を必要以上に大
きくしなければならなかったが、本発明の場合にはセラ
ミックウィスカー層の外径は最小限で済む。したがって
、製造コストの低減化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明の実施例としてピストンヘッド部位を局部
強化した状態を示した部分拡大断面図である。 ｌ・・・燃焼室壁構成部、 ２・・・ＳｉＣウィスカー複合部、 ３・・・非複合部（母材）、 ４・・・アルミナ繊維の緩衝複合部。 特許出願人　　イズミ工業株式会社 東海カーボン株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．軽合金母材の所定部位をセラミックウイスカーによ
   って局部的に複合強化する形態において、複合部と非複
   合部の間にセラミックファイバーの緩衝複合部を連続的
   に介在させてなるセラミックウイスカー強化軽合金複合
   材。
2. ２．セラミックウイスカーの複合部とセラミックファイ
   バーの緩衝複合部とが、その境界部分において少くとも
   ０．５ｍｍの深さまで相互に混在する形態からなる請求
   項１記載のセラミックウイスカー強化軽合金複合材。
3. ３．繊維径２〜１５μｍのセラミックファイバーにより
   形成したＶｆ２〜８％のプリフォームを炉材とし、その
   片面から直径２μｍ以下のセラミックウイスカー分散液
   を炉過処理して一部がセラミックファイバーのプリフォ
   ーム組織内に浸透混在して連続するＶｆ１０〜３５％の
   セラミックウイスカーのプリフォームを形成し、得られ
   た複合状プリフォームのセラミックファイバー面が軽合
   金母材と接する状態に金型内にセットしたのち軽合金母
   材の溶湯を加圧下に溶浸させて一体に複合化することを
   特徴とするセラミックウイスカー強化軽合金複合材の製
   造方法。
4. ４．全体の８０％以上が繊維長１５０ｍｍ以下のセラミ
   ックファイバーを用いてプリフォームを形成する請求項
   ３記載のセラミックウイスカー強化軽合金複合材の製造
   方法。