JPH0340095B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は無機繊維強化複合部材に係り、とくに
軽合金を加圧鋳造して成る部材であつて、少なく
とも一部を無機繊維で複合強化するようにした無
機繊維強化複合部材に関する。

従来技術 セラミツク短繊維あるいはセラミツクウイスカ
でアルミニウム合金等の軽合金から成る部材を複
合強化すること、および複合材の製造に加圧鋳造
を利用することは従来より広く行なわれており、
公知の技術である。アルミニウム合金等の軽合金
の材料を強化する場合に、アルミナ繊維を用いる
と、この繊維とアルミニウム合金との間の反応が
なく、鋳造によつて容易に製造することができる
ために、アルミナ繊維を補強材として利用した繊
維強化内燃機関用ピストンも実用化されている。
しかしながらアルミナ繊維により強度特性をも向
上させるためには、このアルミナ繊維を少なくと
も体積比で10％以上加えて複合強化する必要があ
り、さらに常温特性のみならず、高温時の特性を
も向上させるためには、アルミナ繊維を体積比で
少なくとも15％以上複合する必要がある。

このような目的のために多量のアルミナ繊維を
複合しようとすると、通常行なわれている減圧濾
過法で無機繊維成形体を製造する際の能率が著し
く低下し、また複合材の切削性が悪化する。さら
に一部分のみ無機繊維によつて複合強化するよう
にした場合には、その後に機械加工、例えば切削
加工で仕上げを行なう際に、複合部と非複合部と
の間の境界部に段差ができてしまい、機械加工の
精度がでないという問題を発生させることにな
る。

一方セラミツクウイスカ、例えば炭化珪素ウイ
スカの繊維強化部材は、強度特性が母材金属より
格段に向上する利点があるが、その繊維成形体の
強度が低く、取扱いが面倒になる。また複合時の
成形体の割れや変形が大きいというような欠点が
あり、加圧鋳造によつて健全な複合材を製造する
ことは容易でない。

そこで本願発明者は、アルミニウム合金等の軽
合金材料に複合される無機繊維について種々比較
検討を加えた結果、ある特定の繊維径とアスペク
ト比の繊維を組合せ、複合繊維成形体を作つた後
に、この成形体を加圧鋳造によつて母材金属に複
合させることにより、必要な個所のみを容易に繊
維強化できることを見い出した。

発明の目的 本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので
あつて、軽合金母材の特性を複合される無機繊維
によつて改善し、その特性を所期の値とするとと
もに、無機繊維による複合強化の際のとくに無機
繊維成形体の取扱いが容易になり、また複合部と
非複合部との間の境界部における亀裂の発生を防
止することができるようにした無機繊維強化複合
部材を提供することを目的とするものである。

発明の構成と作用 本発明は、軽合金を加圧鋳造して成る部材であ
つて、少なくとも一部を無機繊維で複合強化する
ようにした部材において、セラミツク短繊維とセ
ラミツクウイスカとを混合して複合繊維成形体を
作成し、その成形体を鋳型内に配して加圧鋳造に
より複合させるとともに、軽合金の金属母材と無
機繊維によつて複合された部分との境界部におけ
るセラミツク短繊維の混合割合を体積比で最大
100％迄増加し、セラミツク短繊維の混合割合を
複合部の中央部より境界部において多くするよう
にしたことを特徴とする無機繊維強化複合部材に
関するものである。

本発明においては、とくにセラミツク短繊維と
セラミツクウイスカとを組合せ、両者を混合して
軽合金から成る部材を複合強化するようにしてい
る。このように２種類の無機繊維を組合せるの
は、これら２種類の繊維から成る複合繊維成形体
の強度が向上するために、鋳造時の取扱いが容易
になり、また鋳造の自動化をし易くなるからであ
る。またこのような構成とすることによつて、複
合強化材料の特性も単独の場合より向上し、これ
によつて母材の特性の改善を行なつて所期の値と
することができる。

そしてこのような無機繊維強化複合部材におい
て、複合されるセラミツク短繊維として、引張り
強さが80Kgｆ／mm²以上のものが、また複合される
セラミツクウイスカとして、引張り強さが300Kg
ｆ／mm²以上のものがそれぞれ用いられるようにす
ると、複合材の強度特性を一段と改善することが
可能になる。とくにこの場合において、無機短繊
維の強度特性は重要であり、80Kgｆ／mm²以下であ
る場合には、複合材の強度が単独の繊維を使用し
て強化する場合よりも低下する。またセラミツク
短繊維としては、アルミナ成分が40％以上のアル
ミナ繊維が、アルミニウム合金から成る母材との
親和性もよく、極めて適切である。この場合にお
けるアルミナ繊維の結晶形態は、α型かγ型が望
ましく、とくにγ型の場合には複合材の強度を改
善するのに好都合である。またセラミツクウイス
カとしては、炭化珪素や窒化珪素が好ましい。

また複合されるセラミツクの短繊維として、そ
の繊維径が１〜15μ、繊維長が５cm以下のもの
が、またセラミツクウイスカとして、繊維径が
0.02〜1.0μ、繊維長が300μ以下のものがそれぞれ
用いられるようにすることが好ましい。このよう
な繊維の直径と長さとの組合せによつて、繊維の
絡み合いを適切にし、複合繊維成形体の強度を向
上させ、その取扱いを容易にすることができる。
また複合時の亀裂や変形を無くすことが可能とな
る。とくに繊維の径が上記の範囲より小さい場合
には、複合繊維成形体の強度が低くなる。また繊
維の直径が上記の範囲より大きい場合には、とく
にセラミツク短繊維の直径が大きい場合に、複合
強化部材の強度が低下することになる。また繊維
の長さがあまり長すぎると、所要の体積充填率
Vfの成形体を作るのがむずかしくなる。

一般に複合繊維成形体の体積充填率Vfは、３
〜30％の範囲とするのが好ましい。この範囲より
もVfが小さい場合には、セラミツクウイスカの
配合量を増加させても、複合材の強度を改善する
ことができない。一方Vfの上限が30％を超えて
大きくなると、機械加工、例えば切削加工による
仕上げを行なう場合に、その精度が所要の値とな
り難くなり、切削性が落ちることになる。

一般に複合される繊維の体積充填率Vfを上げ
ていくと、繊維が部分的に部材を複合強化する場
合にはその複合部と非複合部との間の境界部で、
母材と複合部との機械的特性や熱膨張特性が急激
に変化することになる。従つてこのような複合強
化部材を熱衝撃が加わるような条件下で使用する
と、その境界部で亀裂が発生する問題がある。と
くにセラミツクウイスカによる複合部材の場合に
その傾向が著しい。この問題に対しては複合材の
母材と複合部との間の境界部の密度を低下すれば
よいが、前述のように、セラミツクウイスカの密
度の低い成形体は、その強度特性が悪く、鋳造の
際の複合時の取扱いが良好でない。これを解決す
るためには、例えば体積充填率Vfを低くしたセ
ラミツク繊維をセラミツク成形体の周囲に接合さ
せることが考察される。しかしこのような対策に
よつても充分な効果は得られない。さらにセラミ
ツク繊維とセラミツクウイスカの界面の強度があ
まり改善されないという問題があることが判明し
た。

このような問題を解決するためには、本発明の
ように２種類の無機繊維を用いて複合強化する場
合に、その混合割合あるいは組成を母材と複合部
との境界部で変えるようにすればよい。すなわち
境界部でセラミツク繊維の割合を多くし、強度特
性を要求される複合部の中央部においてセラミツ
クウイスカの割合を多くするようにすればよい。
このようにして特性の改善と境界面における亀裂
の防止とを同時に達成することができる。またこ
のような構成によつて、組成の異なる境界部にお
いても、強度特性の変化が少なく、熱衝撃によつ
ても亀裂の発生を防止することが可能になる。

以下本発明を実施例につき説明する。

実施例 １ この実施例は第１図に示すような、高負荷のデ
イーゼル機関用ピストン１に関するものである。
このピストン１はアルミニウム合金（JIS
AC8A）によつて加圧鋳造されたものであつて、
とくにそのトツプリング溝２の部分が無機繊維成
形体３によつて複合強化されており、これによつ
て耐摩耗性を改善するようにしている。

無機繊維成形体３はアルミナ繊維と炭化珪素ウ
イスカとの混合体から構成されており、しかもア
ルミナ繊維はα型のアルミナ95に対して酸化珪素
５の割合になつている。またアルミナ繊維は、そ
の直径が２〜5μであつて、繊維長が２mm以下も
のもが用いられている。これに対して炭化珪素ウ
イスカの直径は0.1〜0.5μの範囲にあり、またそ
の繊維長は18μ以下のものが用いられている。

そして上記２種類の無機繊維のそれぞれの比率
は、アルミナ繊維が50％と20％で炭化珪素ウイス
カが50％と80％となるような混合体を２種類用意
し、これにコロイダルシリカ３％をバインダとし
た水溶液を添加したスラリを調整した。そしてま
ずアルミナ繊維が50％のスラリから減圧濾過法に
よつて、Vf15％の円筒状複合繊維成形体を作成
した。つぎにその外側にアルミナ繊維が20％のス
ラリを注入し、減圧濾過法により、Vf15％の複
合繊維成形体を作成した。すなわちこの成形体は
炭化珪素ウイスカの含有率が外周側で80％、内周
側で50％である。そしてこの成形体を加圧鋳造用
の金型内に配し、加圧鋳造によつて第１図に示す
ようなピストン１を鋳造するとともに、そのトツ
プリング溝２の部分に無機繊維成形体３を複合し
て補強した。

このようなピストン１のトツプリング溝２の部
分からテストピースを切出し、摩耗試験を行なつ
た結果を第２図に示す。なお比較例として、アル
ミナ繊維のみ、炭化珪素ウイスカのみ、およびニ
レジスト鋳鉄によつてそれぞれ複合されたピスト
ンについても作成し、同様にテストピースを切出
し、比較のために試験を行なつた。この第２図の
結果から明らかなように、本実施例に係るピスト
ン１においては、そのトツプリング溝２の部分が
常温および230℃の高温において、ともに高い耐
摩耗性を示すことが判明した。

高負荷のデイーゼル機関用ピストンのトツプリ
ング溝は、容易に200〜250℃になるために、この
温度に長時間されされても耐摩耗性を有すること
が、とくに大型エンジンにおいては必要とされ
る。公知のアルミナ繊維を７％配合したものは、
従来使用されていたニレジスタ鋳鉄に比較し、常
温での耐摩耗性が改善されるが、230℃×100時間
の加熱後に耐摩耗性は、むしろこのニレジスト鋳
鉄より悪化する。これに比較し、本実施例に係る
複合繊維強化による材料では、高温加熱後の摩耗
試験においても、ニレジスト鋳鉄と同程度、ある
いはそれ以上まで改善されている。さらに単一種
の繊維だけによる補強の場合よりも耐摩耗性が改
善されており、この特性を生かしてピストンのト
ツプリング溝を補強することは非常に有効であ
る。

実施例 ２ この実施例は、デイーゼル機関用ピストン１の
燃焼室４の開口縁部を無機繊維成形体５によつて
補強したものである。この無機繊維成形体５の第
３図および第４図における内側の部分６は、繊維
径が２〜5μであつて繊維長が２mm以下のアルミ
ナ繊維と、繊維径が0.1〜0.5μであつて、繊維長
が180μ以下の炭化珪素ウイスカとの混合体から
構成されている。なお第１のアルミナ繊維は、そ
のアルミナと酸化珪素の比率が95対５の割合にな
つており、アルミナとしてはγ型のものが用いら
れている。そしてアルミナ繊維と炭化珪素ウイス
カとは、その混合割合がアルミナ繊維が18％とな
るように配合されており、このような混合体を、
体積充填率Vfが22％となるように、減圧濾過法
で円筒型に成形した。これによつて第３図におけ
る内側部分６を形成した。さらにこの上に、アル
ミナ繊維と炭化珪素ウイスカの混合比率が40対60
でウイスカが60％になるように配合した混合繊維
をVfが15％となるように成形した外側部分７を
形成した。

このような無機繊維成形体５を、第３図におい
て鎖線８で示す部分で輪切り状に切断し、ピスト
ン１を成形するための金型内に配し、この金型に
よつてピストン１を第４図に示すように加圧成形
するとともに、その燃焼室４の開口縁部に成形体
５を複合して強化するようにした。

そしてこのピストン１から、熱衝撃試験用テス
トピースを切出して作成した。これを高周波によ
り400℃まで加熱し、150℃まで空冷する20秒の熱
サイクルを加え、熱衝撃試験を行なつた。そして
この試験の比較例として、アルミナ繊維単独によ
つて補強されたもの、炭化珪素ウイスカによつて
補強されたもの、およびアルミニウム合金のみか
ら成る材料について、同様の熱試験を行なつた。
なお炭化珪素ウイスカで第４図に示すように燃焼
室４の開口縁部のみを強化すると、その強化部分
の外周面とピストン１を構成するアルミニウム合
金の母材との境界部で1000サイクル以内の熱サイ
クルで亀裂が生ずることになる。従つてこの炭化
珪素ウイスカ成形体９によつて補強したものにつ
いては、第５図に示すように、成形体９をピスト
ン１の頂面の外周部まで補強したテストピースを
作成し、その熱衝撃試験を行なうようにしてい
る。

このような耐熱衝撃試験の結果は第６図に示さ
れており、本実施例に係る複合繊維で強化された
ピストン１から切出されたテストピースは、6000
サイクルまで加熱冷却を繰返したが、全く亀裂が
発生せず、耐熱衝撃特性はアルミナ繊維単独より
大幅に改善された。従つてこのような特性は、高
い熱負荷を受ける内燃機関用ピストンのような部
品に対して非常に有用であることが理解される。

実施例 ３ つぎに本発明の第３の実施例を第７図および第
８図につき説明する。この実施例は、デイーゼル
機関用ピストン１のピン穴１０の部分を無機繊維
成形体１１で補強するようにしたものである。す
なわちこの実施例は、とくにピストン１のピン穴
１０の部分の強度特性を改善するようにした例で
ある。そして無機繊維成形体１１は、繊維径が
0.1〜0.5μで繊維長が180μ以下の炭化珪素ウイス
カと、繊維径が２〜5μであつて繊維長が２mm以
下のδ型アルミナ繊維から構成されている。なお
第２のアルミナ成分が95％のものを用いている。

そして上記２種類の繊維を、アルミナ短繊維の
混合割合が成形体の外周で50％、内周で20％とな
るように２種類の混合体にコロイダルシリカ３
％、水溶性フエノール樹脂５％の水溶液中で撹拌
混合し、減圧濾過法によつて外周でアルミナ繊維
50％、内周で同20％の成形体を500℃に加熱し、
有機樹脂を焼却後、鋳型内に配し、加圧圧力750
Kg／cm²の圧力を加え、ピストン１をアルミニウム
合金によつて鋳造するとともに、そのピン穴１０
の部分にこの成形体１１を複合した。なおこのと
きの複合繊維成形体１１の体積充填率Vfは20％
である。またこのときの内周側のアルミナ繊維単
独でのVfは４％であり、炭化珪素ウイスカ単独
ではVfが16％となつている。

以上のようなピストン１のピン穴１０の内周部
分からテストピースを切出し、その強度特性を測
定した結果を第８図に示す。なお比較のために、
アルミナ繊維単独、炭化珪素ウイスカ単独、およ
びアルミニウム合金のみから成るテストピースに
ついての結果も示す。この結果から明らかなよう
に、２種類の繊維の混合体によつてアルミニウム
合金を複合することにより、単独の繊維で複合し
た場合よりも強度が向上することが確認された。
さらに炭化珪素ウイスカ単独で、体積充填率Vf
が16％となるように成形しても、複合過程で繊維
が圧縮されたり変形されたりするが、本実施例に
係る複合繊維の場合にはこのことがなく、従つて
複合を容易に行なうことができるようになつた。

発明の効果 以上のように本発明は、セラミツク短繊維とセ
ラミツクウイスカとを混合して複合繊維成形体を
作成し、この成形体を鋳型内に配して加圧鋳造に
より複合させるようにしたものである。従つて本
発明によれば、上記２種類の無機繊維によつて軽
合金から成る部材の特性を改善し、所期の値とす
ることができるばかりでなく、２種類の繊維の混
合体を用いることによつて、その成形体の取扱い
を容易にすることができ、複合の能率を向上させ
ることが可能となる。

また本発明によれば、軽合金の金属母材と無機
繊維によつて複合された部分との境界部における
セラミツク短繊維の混合割合を体積比で最大100
％迄増加し、セラミツク短繊維の混合割合を複合
部の中央部より境界部において多くするようにし
ている。従つて繊維による複合部と非複合部との
間の境界部で母材と複合部との機械的特性や熱膨
張特性が急激に変化することを防止することが可
能になり、このような複合強化部材を熱衝撃が加
わるような条件下で使用しても、その境界部で亀
裂が発生することが少なくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る内燃機関
用ピストンの縦断面図、第２図はこのピストンの
トツプリング溝の部分の耐摩耗性の試験結果を示
すグラフ、第３図は本発明の第２の実施例に係る
ピストンに用いられる無機繊維成形体の縦断面
図、第４図はこの成形体によつて補強されたピス
トンの縦断面図、第５図は比較例のピストンの縦
断面図、第６図はこの実施例のピストンの耐熱衝
撃試験の結果を示すグラフ、第７図は本発明の第
３の実施例に係るピストンの縦断面図、第８図は
このピストンの複合強化部分の強度特性の試験結
果を示すグラフである。 １……デイーゼル機関用ピストン、２……トツ
プリング溝、３……無機繊維成形体、４……燃焼
室、５……無機繊維成形体、１０……ピン穴、１
１……無機繊維成形体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軽合金を加圧鋳造して成る部材であつて、少
   なくとも一部を無機繊維で複合強化するようにし
   た部材において、セラミツク短繊維とセラミツク
   ウイスカとを混合して複合繊維成形体を作成し、
   この成形体を鋳型内に配して加圧鋳造により複合
   させるようにし、しかも前記軽合金の金属母材と
   前記無機繊維によつて複合された部分との境界部
   における前記セラミツク短繊維の混合割合を体積
   比で最大100％迄増加し、前記セラミツク短繊維
   の混合割合を複合部の中央部より前記境界部にお
   いて多くするようにしたことを特徴とする無機繊
   維強化複合部材。 ２ 複合されるセラミツク短繊維として、繊維径
   が１〜15μ、繊維長が５cm以下のものが、また複
   合されるセラミツクウイスカとして、繊維径が
   0.02〜1.0μ、繊維長が300μ以下のものがそれぞれ
   用いられるとともに、２種の無機繊維の混合体中
   におけるセラミツク短繊維の混合割合が体積比で
   ７〜60％の範囲内であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の無機繊維強化複合部材。 ３ 複合されるセラミツク短繊維として、引張り
   強さが80Kgｆ／mm²以上のものが、また複合される
   セラミツクウイスカとして引張り強さが300Kg
   ｆ／mm²以上のものがそれぞれ用いられることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記
   載の無機繊維強化複合部材。 ４ 混合されて軽合金に複合される無機繊維の割
   合を体積比で３〜30％としたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項〜第３項の何れかに記載の無
   機繊維強化複合部材。 ５ この強化複合部材が内燃機関用ピストンであ
   つて、そのリング溝、燃焼室の開口縁部、および
   ピン穴の内の少なくとも１ケ所が前記２種類の無
   機繊維の混合体によつて複合強化されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項〜第４項の何
   れかに記載の無機繊維強化複合部材。