JPH0470373B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ピストン、ピストンピン、コンロ
ツド等の内燃機関用部品、電気接点等の電子部
品、軸受等の摺動部品、ゴルフクラブシヤフト、
ゴルフクラブヘツド等の各種スポーツ・レジヤー
用品等の構成材料として好適な複合金属材料およ
びそれを製造する方法に関する。

従来の技術 繊維強化金属複合材料（FRM）は、金属のみ
からなる材料にくらべて比強度、比弾性率が高い
ことから、いろいろな分野で注目されている。

ところで、そのようなFRMを実際に使用する
場合、FRM同士を溶接によつて接合したり、
FRMからなる部材を溶接によつて装置等に取り
付けたりしたい場合が多々ある。しかしながら、
そのような溶接による接合や取り付けは、FRM
が、補強繊維の含有率が非常に低いものであると
き、すなわち、実質的に金属材料であるといつて
も差し支えないほどのものであるときはともか
く、補強繊維が邪魔するために極めて難しい。溶
接によらない、たとえばボルトによる結合も考え
られるが、FRMにボルト孔を加工すると、補強
繊維が切断されて強度が大きく低下する。そのた
め、FRMと、金属の、たとえば板との間に金属
粉や金網等を挾み、加圧、加熱して両者を接合す
るか、金属の、たとえば板の上にFRMのマトリ
クスとなる金属をメツキした補強繊維を並べ、加
圧、加熱してFRMの成形と同時に接合を行い、
板の部分で溶接したり、その部分にボルト孔を加
工したりすることが行われている。しかしなが
ら、これらの方法では、高い接合強度が得られな
いし、FRMの全表面を金属で覆いたいような場
合には製造が極めて難しくなる。

発明が解決しようとする課題 この発明の目的は、FRMの全表面が金属で覆
われていて、どの部分においても、FRM同士を
溶接によつて接合したり、FRMからなる部材を
溶接によつて装置等に取り付けたりするのを、一
般の金属材料と全く同様に、溶接により、また、
補強繊維を切断することなくボルト締めによつて
容易に行うことができるばかりか、FRMとそれ
を覆つている金属との接合強度が高い複合金属材
料およびそれを製造する方法を提供するにある。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために、この発明は、補強
繊維とマトリクス金属とを複合してなる繊維強化
金属複合材料の表面が金属で覆われており、か
つ、上記複合材料は、その表面の一部が上記マト
リクス金属で覆われ、残りの全表面が上記マトリ
クス金属と同系であるがそのマトリクス金属より
も融点の高い金属で覆われていることを特徴とす
る複合金属材料を提供する。

また、この発明は、そのような複合材料を製造
する方法として、補強繊維の集合体の一部を除く
表面に、その補強繊維と複合されて繊維強化金属
複合材料を形成するマトリクス金属と同系である
がそのマトリクス金属よりも融点の高い金属から
なる板体を重ね合わせ、その重ね合せ体を上記マ
トリクス金属の融点以上であるが上記板体の融点
未満の温度に予熱した後に型に入れ、その型に上
記マトリクス金属の溶湯を注ぎ込んで上記集合体
に含浸し、上記補強繊維と複合するとともに、上
記集合体の、上記板体を重ね合わせなかつた表面
に上記マトリクス金属を残存させることを特徴と
する、複合金属材料の製造方法を提供する。

この発明において、補強繊維は、FRMにおい
て普通に使用されている、炭素繊維、アルミナ繊
維、アルミナ−シリカ繊維、炭化ケイ素繊維、ボ
ロン繊維等の高強度、高弾性率繊維である。これ
らの補強繊維は、連続繊維の形態でも短繊維の形
態でもよいし、織物やマツト等のシート形態でも
よい。

また、そのような補強繊維と複合されてFRM
を形成するマトリクス金属は、アルミニウム、マ
グネシウム、銅、錫、鉛等の金属や、これら金属
の少なくとも１種を主成分とする合金のようなも
のである。

この発明において板体とは、平板体はもちろ
ん、円筒体や角筒体等の筒体をも含むものと定義
する。

そのような板体も、また、上述したマトリクス
金属と同様の金属からなつている。しかしなが
ら、マトリクス金属との組み合わせにおいて、そ
れと同系の金属で、しかも、マトリクス金属より
も融点の高いものを選択して使用する。

ここで、同系の金属とは、ある金属または合金
に対して、他の金属または合金の主成分が同じで
あるものをいう。たとえば、アルミニウムとアル
ミニウム合金は互いに同系の金属であり、マグネ
シウムとマグネシウム合金、銅と銅合金、錫と錫
合金、鉛と鉛合金も互いに同系の金属である。ま
た、同じ、たとえばアルミニウム合金同士であつ
ても、その主成分たるアルミニウムの量が異なつ
ていたり、添加成分が異つておれば、互いに同系
の金属といえる場合がある。

補強繊維の集合体は、補強繊維を、金属の円筒
体に巻き付けたり詰め込んだりして形成する。形
状は任意でよい。

この発明は、高圧鋳造法を利用する。この方法
は、補強繊維の集合体を型に入れ、その型にマト
リクス金属の溶湯を注ぎ込み、プランジヤ等で加
圧して集合体に含浸し、補強繊維と複合する方法
である。このとき、集合体の一部を除く表面に、
マトリクス金属と同系であるがそのマトリクス金
属よりも融点の高い金属の板体を重ね合わせ、そ
の重ね合せ体をマトリクス金属の融点以上である
が板体の融点未満の温度に予熱して型に入れる。
重ね合せ体をマトリクス金属の融点以上であるが
板体の融点未満の温度に予熱して型に入れるの
は、そうすることで、補強繊維とマトリクス金属
との複合がより迅速かつ一様に行われるようにな
るからである。マトリクス金属は、集合体の、板
体を重ね合わせなかつた表面からその集合体に含
浸されるが、プランジヤのストロークを調整する
などしてその表面にマトリクス金属を残存させて
おく。この残存させたマトリクス金属が、FRM
の表面の一部、すなわち、集合体の、板体を重ね
合わせなかつた表面に対応するFRMの表面を覆
うことになる。

実施態様 第１図において、まず、金属の円筒体１に補強
繊維を巻き付け、補強繊維の集合体２を形成す
る。

次に、この集合体２の外側に、同様に金属から
なる別の円筒体３を被せ、さらに、この円筒体３
に、底板体として、同様に金属からなる円板体４
をはめ込み、これら円筒体１，３および円板体４
と補強繊維の集合体２との重ね合せ体を得る。上
部は、後述する鋳造工程においてマトリクス金属
の溶湯を集合体２に含浸し、補強繊維と複合する
ときの溶湯入口として開放しておく。

上記において、円筒体１，３および円板体４
は、マトリクス金属と同系であるがそれよりも融
点の高い金属からなつている。

次に、第２図において、上記重ね合せ体を、マ
トリクス金属の融点以上であるが、円筒体１，３
および円板体４の融点未満の温度に予熱し、加熱
した型５に入れ、その型５にマトリクス金属の溶
湯６を注ぎ込み、プランジヤ７で加圧して溶湯６
を集合体２に含浸し、補強繊維と複合するととも
に、その集合体２を鋳込む。

これによつて、第３図に示すような鋳造体８が
得られる。補強繊維は、型に注ぎ込んだマトリク
ス金属と複合され、FRM９が形成されている。
円筒体１，３および円板体４は、注ぎ込んだマト
リクス金属よりも融点が高いから、溶融すること
なくそのまま残つている。

次に、型５から取り出した鋳造体８を、第３図
に示すように、Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線の
部分で切断する。すると、FRM９の全表面が金
属１０で覆われた複合金属材料の円筒体が得られ
る。すなわち、FRM９の上面が、型に注ぎ込ん
だマトリクス金属で覆われ、この上面を除く残り
の面（内側面、外側面および底面）が円筒体また
は円板体を構成していた金属で覆われている複合
金属材料が得られる。

この例では、円筒体を製造しているが、形状は
任意でよい。金属の筒体や板体の形状は、補強繊
維の集合体の形状や、製造したい複合金属材料の
形状に合わせて選択すればよい。また、鋳造後の
切断操作は、たとえば、第５図に示すように、プ
ランジヤ７の形状やそのストロークを選択すれば
不要になる。

実施例 板体たる、外径が60mm、内径が50mm、高さが
105mm、深さが100mmの、AA規格1050アルミニウ
ム合金（融点：約660℃）からなる容器に、東レ
株式会社製炭素繊維“トレカ”M40を、得られる
FRMにおける含有率が60体積％になるように充
填して集合体となし、この集合体と板体との重ね
合せ体を600℃に予熱した後、300℃に加熱した型
に入れ、その型に、マトリクス金属となるアルミ
ニウム合金（JIS規格AC4C、融点：約557℃）の
溶湯（温度：650℃）を注ぎ込み、プランジヤ500
Kgｆ／cm²の圧力を加えて集合体に含浸し、炭素繊
維と複合するとともに集合体を鋳込んだ。

溶湯が凝固するのを待つて鋳造体を型から取り
出し、その上部を切断、除去して、円柱状の
FRMの上面が、厚み５mmの、型に注ぎ込んだ
AC4Cアルミニウム合金で覆われ、側面および底
面がそれぞれ厚み５mmの1050アルミニウム合金で
覆われた、外径60mm、高さ110mmの円柱状の複合
金属材料を得た。同様のものを３個製造した。

次に、外径60mm、高さ50mmの、AA規格6061ア
ルミニウム合金からなる円柱体を２個用意し、そ
のうちの１個の上面に、上記複合金属材料のうち
の１個をその上面（AC4Cアルミニウム合金で覆
われている面）において溶接し、試験片Ａを得
た。同様に、残りの１個の上面に、もう１個の複
合金属材料をその下面（1050アルミニウム合金で
覆われている面）において溶接し、試験片Ｂを得
た。

これら２個の試験片Ａ，Ｂについて、引張試験
をしたところ、接合強度は、試験片Ａは26.5Kg
ｆ／mm²、試験片Ｂは25.9Kgｆ／mm²で、ほとんど変
わらなかつた。

次に、もう１個の複合金属材料を、その高さ方
向において中央部30mmの部分を切り出し、試験片
Ｃを得た。すなわち、この試験片Ｃは、外径50mm
の円柱状FRMの側面が厚み５mmの1050アルミニ
ウム合金で覆われており、上面と下面にFRMが
露出しているものである。

次に、この試験片Ｃを、直径50mmの穴を有する
基板上に、1050アルミニウム合金で覆われている
部分において載置し、その上方から、外径50mmの
プランジヤでFRM部分に荷重を加え、FRM部分
と1050アルミニウム合金で覆われている部分との
接合強度を試験した。試験の結果、剪段応力が25
Kgｆ／mm²になつても何らの異常も認められなかつ
た。

比較例 比較例 １ 容器をSUS304（融点：約1400℃）からなるも
のに変えたほかは実施例と同様にして、２個の複
合金属材料を得た。

次に、うち１個について、表面を覆つている金
属をすべて取り除いてFRMのみとし、実施例と
同様に6061アルミニウム合金製円柱体との溶接を
試みたが、できなかつた。

また、残りの１個について実施例と同様に試験
片Ｃを作り、FRM部分とSUS304で覆われている
部分との接合強度を試験したところ、剪段応力が
４Kgｆ／mm²で両者の界面が剥離した。

比較例 ２ 重ね合せ体の予熱温度を450℃としたほかは実
施例と同様にして得た複合金属材料について、実
施例と同様に試験片Ｃを作り、FRM部分と1050
アルミニウム合金で覆われている部分との接合強
度を試験した。試験の結果、剪段応力が９Kgｆ／
mm²で両者の界面が剥離した。

発明の効果 この発明の複合金属材料は、FRMの全表面が
金属で覆われているから、一般の金属材料と同
様、どの部分においても溶接を施すことができ
る。また、どの部分においても、金属の部分にボ
ルト孔を加工することで補強繊維を切断すること
なくボルト締めによる他部材との結合を行うこと
ができる。しかも、金属がFRMのマトリクスを
形成している金属およびその金属と同系の金属で
あるとともに、製造上は補強繊維の集合体と金属
の板体との重ね合せ体をマトリクス金属の融点以
上であるが板体の融点未満の温度に予熱して高圧
鋳造するから、実施例と比較例との対比からも明
らかなように、FRM部分とそれを覆う金属の部
分との接合が大変強固になる。また、高圧鋳造法
によるので、複雑な形状のものでも容易に製造す
ることができるし、得られた複合金属材料をもう
一度鋳込めば、所望の部位にFRMが配置されて
いるような構造体を得ることもできる。この場
合、FRMの全表面が金属で覆われていて、接合
を妨げる補強繊維が表面に露出していないので、
鋳込み時の条件等をそれほど厳格に設定しなくて
も鋳込んだ金属との接合が強固に行われ、強度に
優れた構造体が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、補強繊維の集合体と、金属の、板体
たる円筒体および円板体との重ね合せ体を示す概
略縦断面図、第２図は、第１図に示した重ね合せ
体を使用してこの発明の複合金属材料を製造して
いる様子を示す、型の概略縦断面図、第３図は、
第２図に示した方法によつて得られた鋳造体を示
す概略縦断面図、第４図は、上記第２図および第
３図に示した方法によつて得られた複合金属材料
を示す概略縦断面図、第５図は、上記第２図とは
異なる方法を実施している様子を示す、型の概略
縦断面図である。 １……金属の円筒体（板体）、２……補強繊維
の集合体、３……金属の円筒体（板体）、４……
金属の円板体（板体）、５……型、６……マトリ
クス金属の溶湯、７……プランジヤ、８……鋳造
体、９……FRM、１０……FRMを覆つている金
属。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 補強繊維とマトリクス金属とを複合してなる
   繊維強化金属複合材料の表面が金属で覆われてお
   り、かつ、上記繊維強化金属複合材料は、その表
   面の一部が上記マトリクス金属で覆われ、残りの
   全表面が上記マトリクス金属と同系であるがその
   マトリクス金属よりも融点の高い金属で覆われて
   いることを特徴とする複合金属材料。 ２ 補強繊維の集合体の一部を除く表面に、その
   補強繊維と複合されて繊維強化金属複合材料を形
   成するマトリクス金属と同系であるがそのマトリ
   クス金属よりも融点の高い金属からなる板体を重
   ね合わせ、その重ね合せ体を上記マトリクス金属
   の融点以上であるが上記板体の融点未満の温度に
   予熱した後に型に入れ、その型に上記マトリクス
   金属の溶湯を注ぎ込んで上記集合体に含浸し、上
   記補強繊維と複合するとともに、上記集合体の、
   上記板体を重ね合わせなかつた表面に上記マトリ
   クス金属を残存させることを特徴とする、複合金
   属材料の製造方法。