JPH0429724B2

JPH0429724B2 -

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Publication number: JPH0429724B2
Application number: JP20978884A
Authority: JP
Priority date: 1984-10-08
Filing date: 1984-10-08
Publication date: 1992-05-19
Also published as: JPS6187835A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、繊維強化金属材料の製造方法に係
り、特に二種類の無機繊維によつて強化した金属
材料の製造方法に関するものである。

従来技術繊維強化金属材料とは、金属マトリツクス中に
繊維を介在させたものであるが、繊維としては、
金属、金属間化合物、酸化物、炭化物、その他の
非金属材が使用される。非金属材系繊維は、強さ
および弾性係数が密度に対して大きいことが特徴
であり、マトリツクス金属との反応や溶解が少な
く、高温において強さの低下割合が少ない等の理
由で金属材系繊維よりも優れている。使用する繊
維の種類は、繊維強化金属材料の要求特性によつ
て決定され、曲げ強さ、剪断強化を向上させるた
めには、長繊維ないし連続繊維を使用する。材料
の要求特性に応じて、二種類以上の繊維を使用す
るのは有効であるが、製造上の制約から単一繊維
を使用するのが一般的である。

発明が解決しようとする問題点二種類以上の繊維を使用する場合の繊維予備成
形体の製造方法としては、第一に、真空濾過成形
法（通気性型の一方の表面を減圧下に置き、他方
表面に繊維を吸引、堆積させる方法）によつて、
単一繊維より成る一時成形体を形成した後、その
表面に異種繊維を分散させた溶液を、刷毛等を用
いて、あるいは吹き付けにより塗布し、もつて異
種繊維で形成された二層の繊維予備成形体を得る
方法が考えられる。

ところが、この方法では、第二層の嵩密度が小
さい上に全体として均一な嵩密度が得られず、か
つ製造工程が複雑化して製造品質が安定しない不
具合がある。

問題点を解決するための手段および作用本発明は、かかる技術的背景の下に創案された
ものであり、その狙いは、異種繊維で形成された
二層の繊維集合体の新規な製造方法を提供し、も
つて繊維強化金属材料としての要求特性に応じた
強化繊維層を得る点にある。

本発明による繊維強化金属材料の製造方法は、
直径２〜20μmの第一の無機繊維と結合剤を分散
媒中に分散せしめてなるスラリー状液と、直径
0.1〜2μm未満の第二の無機繊維と結合剤を分散
媒中に分散せしめてなる他のスラリー状液とを用
い、通気性型の一方の表面にスラリー状液を接触
させた状態で、通気性型の他方の表面側を減圧状
態に置き、前記一方の表面に第一の無機繊維を積
層させて第一繊維層となし、その上に第二の無機
繊維を積層させて第二繊維層となし、それ等を乾
燥させて得た繊維集合体に、加圧下にて溶融金属
を浸透させ、これを凝固せしめることを特徴とし
ている。

無機繊維と結合剤を分散媒中に分散せしめてな
るスラリー状液を、通気性型の一方の表面に接触
させた状態で、他方の表面側を減圧下に置いて前
記一方の表面に無機繊維を吸引、堆積させ、もつ
て繊維成形体を成形する方法は、前述の様に真空
濾過成形法と呼称されている。

大径の繊維を用い、該空濾過成形法によつて繊
維成形体を形成した場合には、大きな嵩密度が得
られない反面、必要な体積（層厚）を確保するこ
とができる。一方、小径の繊維を用いて、同様に
繊維成形体を形成した場合には、大きな嵩密度が
得られる反面、必要な体積（層厚）を確保し難い
ため、十分強化された金属材料を得ることができ
ず、かつ薄肉な繊維成形体の取扱いが難しく、量
産性が著しく劣る。

本発明では、大径繊維と小径繊維を用い、両者
の有する長所を共に利用している。すなわち、通
気性型の表面に、真空濾過成形法によつて大径繊
維を吸引、堆積させて第一繊維層を形成し、該一
繊維層の表面に、小径繊維を吸引、堆積させて第
二繊維層を形成してなる本発明による繊維集合体
では、その第一繊維層の層厚が大なるが故に、必
要な体積が確保され、高嵩密度の第二繊維層を形
成させる際の目詰まり効果により第一繊維層が圧
縮されて従来よりも大きな嵩密度が得られる。そ
れ故、第一繊維層による目的金属材料の強化性能
の向上を期待し得るのみならず、高嵩密度の第二
繊維層による目的金属材料の局所的な高性能強化
を期待することができ、耐摩耗性、耐高温割れ性
に優れ、熱膨張の少ない繊維強化金属材料を得る
ことができる。

本発明では、大径繊維として２〜20μmのもの
を用い、小径繊維として0.10〜2μm未満のものを
用いるが、大径繊維で形成する第一繊維層の嵩密
度を0.10〜0.35ｇ／cm³、小径繊維で形成する第二
繊維層の嵩密度を0.20〜0.70ｇ／cm³にするのが好
ましい。

第一繊維層を形成するために直径２〜20μmの
大径繊維を用いる理由は、直径が2μm未満では、
真空吸引成形を行う際に、目詰まり効果が大きく
なつて、第一繊維層としての比較的小さな嵩密度
および所望の体積（層厚）が得られず、直径が
20μmを越えると、繊維の腰が強くなり（曲げ強
度大）、必要な程度まで圧縮成形された第一繊維
層が得られず、繊維予備成形体としての強度が不
十分で取扱い性が悪くなるからである。

また、第一繊維層の嵩密度を0.10〜0.35ｇ／cm³
にする理由、0.10ｇ／cm³未満では、その表面に、
第二繊維層を形成する際の目詰まり効果による圧
縮力で第一繊維層の形状が損なわれ易く、必要な
体積（層厚）が確保できなからであり、かつ、
0.35ｇ／cm³を越えると、第一繊維層自体の目詰ま
り効果により、第二繊維層形成時に十分な吸引力
が作用せず、第二繊維層の必要な体積（層厚）を
確保できなくなるからである。

一方、第二繊維層を形成するために直径0.10〜
2μm未満の小径繊維を用いる理由は、第一繊維層
に比し、原則として高嵩密度であることが必要で
あつて、0.1μ未満の場合、第一繊維層の嵩密度を
向上させる圧縮効果は得られるものの、第二繊維
層の目詰まり効果が大き過ぎ、第二繊維層の体積
（層厚）が確保できなくなるからであり、2μm以
上では第一繊維層の嵩密度を向上させる圧縮効果
が得られず、第二繊維層を積層させる意味がなく
なるからである。

また、第二繊維層の嵩密度を0.20〜0.70ｇ／cm³
にする理由は、0.20ｇ／cm³未満では、真空吸引成
形時の目詰まり効果が少なく、第一繊維層に十分
な圧縮力が作用せず、0.70ｇ／cm³を越えると、第
二繊維層の必要な体積（層厚）が得られないのみ
ならず、第一繊維層に大きな圧縮力が作用してそ
の形状が損なわれるからである。

以下、本発明方法を具体的実施例により説明す
る。

実施例第一工程：直径２〜3μmのアルミナ（Al₂O₃95％
以上）繊維を、微粉末シリカ（SiO₂）10％の
デンプン水溶液中に加え、撹拌混合した後、そ
のスラリー状混合液を、減圧用容器内に挿入し
た内径71mmの円筒状通気性型（例、金属網製、
樹脂網製）１内に導き、円筒状通気性型１の外
径側を減圧雰囲気下に置いて、真空濾過成形法
を実施し、内径50mm、外径71mm、長さ310mm、
嵩密度0.2ｇ／cm³の円筒状アルミナ繊維成形体
（第一繊維層）を得た。

第二工程：直径0.1〜1μmの炭化水素（SiC）ウイ
スカーを、微粉末シリカ10％のデンプン水溶液
中に加えて撹拌混合して成るスラリー状混合液
を、前記成形に引き続いて、円筒状通気性型１
内に導き、前記と同様に真空濾過形成法を実施
して、アルミナ繊維成形体の内側に、層厚３mm
の炭化珪素ウイスカー層（第二繊維層）を形成
した。得られた円筒状積層繊維成形体は、外層
（第一維層）２が嵩密度0.26ｇ／cm³のアルミナ
繊維層であり、内層（第二繊維層）３が嵩密度
0.35ｇ／cm³の炭化珪素ウイスカー層であつて、
その内径は50mm、外径は71mmであつた（以上第
１図参照）。外層２の嵩密度が、当初のそれ0.2
ｇ／cm³よりも大きく、0.26ｇ／cm³になつている
のは、内層３を成形する際の目詰まり効果によ
つて圧縮されたためである。

第三工程：前記円筒状繊維体を、110〜150℃で約
２時間焼成して、円筒状繊維集合体を得た。

第四工程：前記円筒状繊維集合体を適当長さに切
断し（第２図参照）、該切断ピース４を金型内
に配置し、AC8A（Cu＝0.8〜1.3重量％、Si＝
11.0〜13.0、Mg＝0.7〜1.3、Ni＝1.0〜2.5、Fe
＜0.8、残＝Al）材を用いて高圧凝固鋳造法
（注湯圧力1000Kg／mm²、注湯温度760℃）にて鋳
造を行ない、第３図、第４図（第４図は、ピス
トン５の頂面図である）に示す構造の直接噴射
式デイーゼル・エンジン用ピストン５を形成し
た。ピストン５の燃焼室６は、その内周部が、
アルミナ繊維で強化された第一層７、炭化珪素
繊維で強化された第二層８にて形成されてい
る。

以上の四工程で得たピストン５につき加熱
（380℃）←→水冷の1000回ヒート・チエツク・テ
ストを行なつた結果、アルミナ繊維強化層である
第一層７の耐熱性と膨張抑制効果により、靭性が
著しく向上し、かつ熱負荷の集中する燃焼室６の
開口端縁部（第二層８）が、小径で嵩密度の大な
る炭化珪素繊維で強化されていることにより、靭
性が著しく向上して割れが生じ難いことが確認さ
れた。

実施例第一工程：直径２〜3μmのアルミナ（Al₂O₃95％
以上）繊維を、微粉末シリカ（SiO₂）10％の
デンプン水溶液中に加え、撹拌混合した後、そ
のスラリー状混合液を、減圧用容器内に挿入し
た外径64mmの円筒状通気性型（例、金属網製、
樹脂網製）９の外側に導き、円筒状通気性型９
の内径側を減圧雰囲気下に置いて、真空濾過成
形法を実施して、内径64mm、長さ160mm、嵩密
度0.18ｇ／cm³の円筒状アルミナ繊維成形体（第
一繊維層）を得た。

第二工程：直径0.1〜1μmの炭化珪素（SiC）ウイ
スカーを、微粉末シリカ10％のデンプン水溶液
中に加えて撹拌混合して成るスラリー状混合液
を、前記成形に引き続いて、円筒状通気性型９
の外側に導き、前記と同様に真空濾過成形を実
施して、アルミナ繊維成形体の外側に層厚３mm
の炭化珪素ウイスカー層（第二繊維層）を形成
した。得られた円筒状繊維成形体は、内層（第
一繊維層）１０が、嵩密度0.25ｇ／cm³のアルミ
ナ繊維層であり、外層（第二繊維層）１１が、
嵩密度0.50ｇ／cm³の炭化珪素ウイスカー層であ
つて、その内径は64mm、外径は75mmであつた
（以上、第５図参照）。内層１０の嵩密度が、当
初のそれ0.18ｇ／cm³よりも大きく、0.25ｇ／cm³
になつているのは、外層１１を成形する際の目
詰り効果によつて圧縮されたためである。

第三工程：前記円筒状繊維成形体を、110〜150℃
で約２時間焼成して、円筒状繊維集合体を得
た。

第四工程：前記円筒状繊維集合体を適当長さに切
断し（第６図参照）、該切断ピース１２を金型
内に配置し、AC8A（Cu＝0.8〜1.3重量％、Si
＝11.0〜13.0、Mg＝0.7〜1.3、Ni＝1.0〜2.5、
Fe＜0.8、残＝Al）材を用いて高圧凝固鋳造法
（注湯圧力1000Kg／mm²、注湯温度760℃）にて鋳
造を行ない、第７図、第８図に示す構造のガソ
リン・エンジン用ピストン１３を形成した。ピ
ストン１３のリング溝部１４は、アルミナ繊維
で強化された第一層１５、炭化珪素繊維で強化
された第二層１６にて形成されている。

以上の四工程で得たピストン１３につき、実機
における耐久テストを行なつた結果、アルミナ繊
維強化層である第一層１５の耐熱性、耐摩耗性の
良好なること、膨張抑制効果による靭性向上が確
認され、かつ摩耗が集中するリング溝縁部（第二
層１６）が、小径で嵩密度の大なる炭化珪素繊維
で強化されていることにより、同部分の耐摩耗性
が優れ、“へたり”が生じ難く、靭性が著しく向
上して割れが生じ難いことが確認された。

発明の効果以上の説明から明らかなように、本発明による
前記繊維強化金属材料の製造方法は、通気性型の
表面に真空濾過成形法によつて大径繊維を吸引、
堆積させて第一繊維層を形成し、その表面に、小
径繊維を吸引、堆積させて第二繊維層を形成して
得た繊維集合体に加圧下にて溶融金属を浸透させ
て繊維強化金属材料を得るものであり、二段階の
真空濾過成形法により異種繊維の積層体を得るこ
とが可能になり、しかも第一繊維層を大径繊維で
形成することにより、その必要な体積（層厚）が
確保されるとともに第二繊維層を重ねるための低
い嵩密度を保証され、また第二繊維層を小径繊維
で形成することにより、第一繊維層自体が高嵩密
度になるため、目的金属材料の局所的な高性能化
を期待することができ、耐摩耗性、耐高温割れ性
に優れ、熱膨張の少ない繊維強化金属材料を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で得た積層繊維成形
体と成形用通気性型を示す斜視図、第２図は該積
層繊維成形体を切断して得た部片の斜視図、第３
図は該部片を用いて形成したデイーゼル・エンジ
ン用ピストンの縦断図、第４図はその頂端面図、
第５図は他の実施方法で得た積層繊維成形体と成
形用通気性型を示す斜視図、第６図は該積層繊維
成形体を切断して得た部片の斜視図、第７図は該
部片を用いて成形したガソリン・エンジン用ピス
トンの縦断面図、第８図はその頂端面図である。１…円筒状通気性型、２…外層、３…内層、４
…切断ピース、５…デイーゼル・エンジン用ピス
トン、６…燃焼室、７…第一層、８…第二層、９
…円筒状通気性型、１０…内層、１１…外層、１
２…切断ピース、１３…ガソリン・エンジン用ピ
ストン、１４…リング溝部、１５…第一層、１６
…第二層。

Claims

【特許請求の範囲】１直径２〜20μmの第一の無機繊維と結合剤を
分散媒中に分散せしめてなるスラリー状液を、通
気性型の一方の表面に接触させた状態で、他方の
表面側を減圧下に置いて、前記一方の表面に第一
の無機繊維を吸引、堆積せしめ、もつて第一繊維
層を形成する第一工程、直径0.1〜2μm未満の第二の無機繊維と結合剤
を分散媒中に分散せしめてなるスラリー状液を、
前記第一繊維層の表面に接触させた状態で、他方
の表面側を減圧下において、前記第一繊維層の表
面に第二の無機繊維を吸引、堆積せしめ、もつて
第二繊維層を形成する第二工程、前記第一および第二繊維層を乾燥させて繊維集
合体を得る第三工程、該繊維集合体に、加圧下にて溶融金属を浸透さ
せ、これを凝固せしめる第四工程、以上、四工程よりなる繊維強化金属材料の製造
方法。