JPH0310694B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 円筒形状の繊維強化金属により、圧力容器等を
形成する場合、円筒の円周方向にマトリクス金属
強化用繊維を埋設したものがよく使用される。

このとき、金属中の強化繊維は通常一層のみで
構成されている。圧力容器内に高圧力がかかる
と、容器内表面の円周方向には特に大きな引張応
力が作用する。この引張応力は、主として繊維に
よつて保持される。

そこで、このような従来の円筒形状の繊維強化
金属の破壊強度を高めるために、この金属の内面
に予め圧縮応力を保有せしめれば、この金属を圧
力容器あるいは高圧パイプとして使用する際に、
より高圧のもとで使用できる。

本願にかかる発明は、内表面に圧縮応力を保有
する円筒形状の繊維強化金属体およびその製造方
法を提供することを目的とするものである。

本願にかかる第１の発明（以下第１発明とい
う）は、マトリクスを形成する金属と、該金属中
に埋設した実質的に２層以上の繊維層とからなる
円筒状繊維強化金属体であり、上記繊維層のう
ち、内層を形成する繊維の線膨張係数が該内層の
外側に設けた外層を形成する繊維の線膨張係数に
比べて小さいとともに、該金属体の内表面附近に
圧縮応力を保有せしめて、高い内圧力に耐えうる
ようにしたことを特徴とする繊維強化金属体であ
る。

本発明にかかる繊維強化金属体は、内表面に圧
縮応力を保有せしめたため、これを圧力容器等に
用いた場合、従来の単繊維層により強化した同寸
法の金属体の場合に比べて、高い内圧力に耐える
という特徴を有する。

以下、本第１発明をより詳細に説明する。

本第１発明にかかる繊維強化金属体（以下、該
金属体という）のマトリクスを形成する金属とし
ては、アルミニウム（Al）を主体とするアルミ
ニウム合金、亜鉛（Zn）を主体とする亜鉛合金、
マグネシウム（Mg）を主体とするマグネシウム
合金が主として使用できる。マトリクス用金属
は、強化用繊維を劣化させない程度の融点を有す
ること、繊維との「ぬれ」がよいこと等の性質を
有する成分がよい。使用できる金属の成分として
はAl，あるいはCu，Si，Mg，Ni，Cr，Zn等の
元素を少なくとも一種以上含有するAl合金、Zn
あるいはAl，Mg，Ti等の元素を少なくとも一種
以上含有するZn合金、MgあるいはAl，Zn，Zr
等を少なくとも一種以上含有するMg合金等があ
る。

該金属体中に埋設されている繊維層は、互いに
材質の異なる繊維からなる少なくとも２つの層を
なるべく同心状に積層して構成したものであり、
しかもより外層を構成する繊維の線膨張係数を、
内層の繊維の係数よりも大きくしたものである。
このように各繊維を配置すると、該金属体の製造
時に、該金属体の内表面附近に所望の圧縮応力を
保有せしめることができる。該金属体に使用でき
る繊維は、炭素、黒鉛等の炭素系繊維、アルミ
ナ、炭化珪素、ボロン、珪酸ガラス、ソーダガラ
ス等からなる無機質繊維が使用できる。

これらの繊維は太さが５〜150μm程度で、高張
力、柔軟性を有するもの、さらに、マトリクス金
属との「ぬれ性」に優れているものが望ましい。
また、これらの繊維の線膨張係数は、炭素系繊維
では−1.0×10^-6／℃程度、セラミツク系繊維で
は５×10^-6／℃程度、ガラス繊維では5.0×
10^-6／℃程度であり、繊維の種類により、比較的
大きく異なつている。本第１発明における繊維層
は、前述のように内層に線膨張係数の小さな繊維
を、外層には、大きな繊維を組合せて、金属中に
埋設せしめたものである。繊維層を形成する繊維
の組合せとしては、内層に炭素系繊維、外層に
は、炭化珪素繊維、ボロン繊維の組合せ、あるい
は、内層に、炭化珪素繊維、外層にアルミナ繊維
の組合せ、また、内層に炭素繊維又は黒鉛繊維、
外層にガラス繊維の組合せがよい。

また、３層から形成する場合には、内層に炭素
繊維、中間層に炭化珪素繊維、外層にアルミナ繊
維の組合せ等が望ましい。

上記マトリクス金属中の繊維層は、第１図にそ
の繊維分布状態を概念図で示すように、内層１お
よび外層２の各層が明確に分離して埋設していて
もよいし、第２図に示すように、各層の一部が互
いに重なつて埋設されてもよい。繊維層の繊維分
布状態としては第２図に示したように、層の一部
を重なり合せた方が内外層境界部における破壊が
生じにくいという点からみてより望ましい。ま
た、各層の厚さの関係は、外層によつて内層部分
を締めつけて内層部分に圧縮応力を発生させるた
めに、内層の厚さよりも、外層の厚さを厚くする
のが望ましい。

マトリクス金属中の内、外層を形成する繊維の
体積割合は、繊維によりマトリクス金属を強化す
るために、内外層ともに10〜70体積％の範囲が望
ましい。該体積割合が10体積％以下では該金属体
の内面に圧縮応力が発生しにくく、70体積％以上
では該金属体の製作が困難となる。特に外層は該
金属体の内面に圧縮応力を生じせめる重要な役割
を果すため、外層における繊維の体積割合は30〜
70体積％が望ましい。

次に本願にかかる第２の発明（以下第２発明と
いう）はボビンの表面に、炭素系繊維を巻回して
繊維層の内層を形成する第１工程と、該内層ある
いはより内側の層を形成する繊維の線膨張係数よ
りも大きな線膨張係数を有する繊維を該内層の表
面に重ねて巻回し、少なくとも１層の外層を形成
する第２工程と、上記内層と外層からなる繊維層
に金属を含浸せしめることによつて実質的に２層
以上の繊維層からなり、内表面に圧縮応力を保有
する円筒状繊維強化金属体とする第３工程とから
なる繊維強化金属体の製造方法である。

以下、本第２発明を詳細に説明する。

まず、所望の直径を有する円柱状のボビンの表
面に、熱膨張係数の小さな繊維を周方向に巻回
し、内層に該当する層を形成する。さらに、該内
層の上に、熱膨張係数の大なる繊維を重ねて巻回
し、外層に該当する層を形成する。三つの層から
成る繊維層を形成する場合には、より大きな熱膨
張係数を有する繊維を最外層として重ねて巻いて
もよい。また、上記繊維の巻回は、繊維をボビン
の軸に対して種々の方向に巻回するのがよい。繊
維は互いに交差するようにするのが望ましい。こ
の場合、各層が互いに角度を持つようにしてもよ
いし各層の中で繊維が交差するように巻回しても
よい。たとえば、三つの層からなる繊維層の場合
には、中間層の繊維をボビン軸に対して斜めに交
わる方向に巻回してもよい。このようにすると、
該金属体の強さに異方性が少なくなるので、破壊
に対する抵抗力が高くなる。

さらに、第２図に示したように、内層と外層の
一部を互いに重ね合す場合には、内層用繊維の巻
回途中から外層用繊維の量を増加させるととも
に、内層用繊維の量を減少させて内層を形成し、
最後に外層用繊維のみからなる部分を作成して、
繊維層を形成するとよい。

このようにして、まずボビン上に繊維の層を形
成する。

次に、該ボビンを所望寸法の円筒形容器に挿入
したのち、溶融状態のマトリクス金属を円筒容器
に高圧注入して、上記ボビンに巻回した繊維のす
き間に浸透せしめる。該マトリクス金属の注入
は、いわゆる高圧鋳造法、ホツトプレス等により
行なうことが可能であるが、繊維中に溶融金属を
確実に浸透させうるものであれば、いずれの方法
でもよい。上記溶融金属の注入圧力は10〜1000気
圧程度がよい。10気圧以下の場合には、マトリク
ス金属が繊維間に確実に浸透しない場合があり、
欠陥となる。逆に1000気圧以上にしても、得られ
る該金属体の品質が飛躍的に向上することもない
とともに、、円筒状容器の肉厚なども厚くしなけ
ればならず不経済となる。

以上のようにして、マトリクス金属を繊維間に
浸透せしめてから凝固させる。上記金属の注入か
ら凝固するまでに、該金属体の内面に圧縮応力を
発生せしめうる。

この圧縮応力の発生メカニズムは、概ね次のよ
うに考えられる。

まず、溶融金属の注入に際して、繊維の温度が上
昇し、各繊維は、主としてその長さ方向に熱膨張
係数と温度上昇によつて決まる長さだけ膨張す
る。これとともに金属は繊維間に浸透する。浸透
が終了すると、該金属は繊維との結合力を増しな
がら凝固しはじめる。凝固にともなつて金属、繊
維とともに収縮する。ところが、繊維層の内層と
外層とにおいて、収縮量に差が生じる。すなわち
熱膨張係数の大きな外層繊維の収縮量の方が、内
層繊維のそれより大きい。それ故、外層に浸透し
た金属は内層に浸透した金属よりも強く圧縮され
るとともに、内層部分を締めつける状態となり、
内層部分に圧縮応力が発生する。外層部分は上記
圧縮応力と平衡を保つたために、引張応力状態に
なる。

マトリクス金属が完全に凝固して繊維層を埋設
した金属凝固体をボビンとともに円筒状容器から
取り出し、さらにボビンを抜き取つて本発明にか
かる繊維強化金属体を得ることができる。

以下、本願発明の実施例を説明する。

実施例 １ 直径30mm、長さ100mmの鋼棒の表面に黒鉛粉を
塗布し、直径７〜8μmの炭素繊維を約6000本束ね
たロービングをすき間なくほぼ一様に巻きつけ厚
さ10mmの内層を形成した。さらに、この上に直径
約15μmの炭化珪素繊維を約500本束ねたロービン
グをすき間なく一様に巻きつけ、厚さ20mmの外層
を形成した。こうして、内層と外層の２層からな
る繊維層を形成した。

次に、内径90mm、外径100mm、長さ100mmの鋼管
を用意し、内面に黒鉛粉を塗布し、上記繊維層を
形成したボビンを挿入した。この鋼管を窒素ガス
流中で750℃に加熱、30分間保持した。そして、
該鋼管を高圧鋳造機にセツトした。すなわち、内
径120mm，深さ140mmの金型中に上記鋼管を入れ、
該金型内に直ちに、750℃に加熱溶融した純アル
ミニウムを注ぎ、プランジヤーにて500Kg／cm²の
圧力をかけて繊維層に浸透せしめたのち、該アル
ミニウムを凝固させた。凝固後金型からインゴツ
トを取り出し、さらに鋼管、ボビンを取外して、
外径90mm、内径30mm、長さ約90mmの該金属体を得
た。

一方、同様の方法で繊維層が炭素繊維のみから
なる比較用金属管を製作した。

本実施例における該金属体の強度を調べるため
に耐圧試験を行なつた。該金属体および比較用金
属管をその両端面で２枚の耐圧板間に挾持して、
密閉空間を作り、その空間に油圧配管を接続して
油を該空間内に供給することにより該金属体およ
び比較用金属管に内圧を加え破壊させた。その結
果、該金属体と比較用金属管の破壊圧力を比較す
ると、該金属体の方が比較用金属管より1.5倍の
内圧に耐えることがわかつた。

実施例 ２ 外径80mm、内径60mm、長さ100mmの鋼管からな
るボビンの内外面に黒鉛粉を塗布して、その外面
上に実施例１と同様寸法の黒鉛繊維をボビン軸に
対して30゜で交差するように巻回し、黒鉛繊維の
厚さが３mmに達したところで直径が約15μmのＥ
ガラス繊維を混入せしめ、その分だけ黒鉛繊維を
減らすとともにＥガラス繊維の割合を増加せしめ
た。繊維層厚さが６mmとなつたところで繊維はＥ
ガラス繊維のみとし、さらにＥガラス繊維を厚さ
４mm巻回した。このようにして、個々の層が一部
重なり合う形式の繊維層をボビン外周に形成し
た。

このボビンを窒素雰囲気中で400℃、30分保持
の加熱処理を行なつて高圧鋳造機の金型（内径
120mm、深さ140mm）中に入れ、直ちに該金型中へ
460℃の溶融したZn−0.2％Ti−0.2％Mg合金を注
入し、プランジヤーにて250Kg／cm²に加圧して10
分間保持し凝固させて減圧した。

金型から取り出したインゴツトから内径80mm、
外径100mm、長さ90mmの該金属体を取り出した。
さらに、Ｅガラス繊維のみの繊維層を有する上記
と同寸法の比較用金属管を製作した。これら両者
から長さ10mmの環状体100を切り出し、該環状体
100の一部を切断したところ、第３図に示すよう
に、切断個所が開いた該金属体から切り出した環
状物の方が、比較用金属管のものより該切断部は
大きく開いた。

この結果から明らかな如く、該金属体は、その内
面により大きな圧縮応力を保有して おり、より
高内圧に耐えうるものであることがわかる。

実施例 ３ 外径80mm、内径60mm、高さ100mmの鋼管からな
るボビンに直径７〜8μmの黒鉛繊維を約6000本束
ねたロービングを厚さ２mmに巻回し、その上に平
均直径20μmのアルミナ繊維を約230本束ねたロー
ビングを厚さ３mm巻回した。該ボビンを外径110
mm、内径90mm、高さ100mmの鋼管内に挿入した。
さらに、該ボビンを入れた鋼管を窒素ガス中で
750℃、15分間保持の加熱を施したのち、実施例
１と同様、高圧鋳造機により750℃に加熱溶融し
たAl−５％Cuのアルミニウム合金を注入し、500
Kg／cm²に加圧して凝固せしめた。凝固したインゴ
ツトから外径が90mm、内径が80mm、長さ100mmの
該金属体を得た。

該金属体の繊維層の埋設状態を観察するため
に、金属体から長さ10mmの環状物１００を切断
し、さらに該環状物の一部を切断した。その結
果、該環状物は、第３図に示すように、切断個所
が大きく開いた。すなわち、該金属体は、その内
面に圧縮残留応力を保有していることが明らかで
ある。また、上記切断面をエメリーペーパーで研
摩し、該金属体の断面を観察した。断面の構造は
第４図に一部欠載図で示すように、内層が黒鉛繊
維であり、そのすき間にアルミニウム合金が浸透
した層１０、その外側にアルミナ繊維とそのすき
間にアルミニウム合金が浸透した層２０、最外層
はアルミニウム合金のみの層３０からなる構造で
ある。該金属体をガソリンエンジンのシリンダー
スリープとして使用した。その結果、黒鉛とアル
ミニウム合金とからなる該金属体の内表面は良好
な潤滑性を有し、優れた耐摩耗性を示した。

さらに、実施例１と同様の加圧試験を実施した
ところ、500Kg／cm²以上の内圧力をかけても該金
属体は破壊しなかつた。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、マトリクス金属中に埋
設した繊維層の繊維の分布状態を示す概念図であ
り、第１図は繊維層の各層が接して存在する場合
を示す図、第２図は各層がその一部を互いに重ね
合さつて存在する場合を示す図である。 第３図および第４図は実施例を示し、第３図は該
金属体から切り出した環状物の一部を切断したと
きの変形状態を示す図であり、図中の二点鎖線は
切断前、実線は切断後の形状である。第４図は上
記環状物の切断面を観察した結果を示す一部欠載
斜視図である。 １…内層の繊維密度、２…外層の繊維密度、１
０…黒鉛繊維とアルミニウム合金とからなる層、
２０…アルミナ繊維とアルミニウム合金とからな
る層、３０…アルミニウム合金層、１００…環状
物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マトリツクスを形成する金属と、該金属中に
   埋設した実質的に２層以上の繊維層とからなる円
   筒状繊維強化金属体であり、上記繊維層のうち、
   内層を形成する繊維の線膨張係数が該内層の外側
   に設けた外層を形成する繊維の線膨張係数に比べ
   て小さいとともに、該金属体の内表面附近に圧縮
   応力を保有せしめて高い内圧力に耐えるようにし
   たことを特徴とする繊維強化金属体。 ２ 金属は、アルミニウム、アルミニウムを主体
   とする合金、亜鉛、亜鉛を主体とする合金、ある
   いは、マグネシウムを主体とする合金のいずれか
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の繊維強化金属体。 ３ 繊維層は、内層が黒鉛繊維、外層が炭化珪素
   繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維のうち少なくと
   も一種であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の繊維強化金属体。 ４ ボビンの表面に、炭素系繊維を巻回して繊維
   層の内層を形成する第１工程と、該内層あるい
   は、より内側の層を形成する繊維の線膨張係数よ
   りも大きな線膨張係数を有する繊維を該内層の表
   面に重ねて巻回し、少なくとも１層の外層を形成
   する第２工程と、上記内層と外層からなる繊維層
   に金属を含浸せしめることによつて実質的に２層
   以上の繊維層からなり、内表面に圧縮応力を保有
   する円筒状繊維強化金属体とする第３工程とから
   なる繊維強化金属体の製造方法。 ５ 金属はアルミニウム、アルミニウムを主体と
   する合金、亜鉛、亜鉛を主体とする合金、あるい
   は、マグネシウムを主体とする合金のいずれかで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   の繊維強化金属体の製造方法。 ６ 繊維層は、内層が黒鉛繊維、外層が炭化珪素
   繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維のうち少なくと
   も一種であることを特徴とする特許請求の範囲第
   ４項記載の繊維強化金属体の製造方法。