JPH0763837B2 - 金属マトリックス複合材料およびその製造法 - Google Patents
金属マトリックス複合材料およびその製造法Info
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- JPH0763837B2 JPH0763837B2 JP4309624A JP30962492A JPH0763837B2 JP H0763837 B2 JPH0763837 B2 JP H0763837B2 JP 4309624 A JP4309624 A JP 4309624A JP 30962492 A JP30962492 A JP 30962492A JP H0763837 B2 JPH0763837 B2 JP H0763837B2
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- C22C49/14—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the fibres or filaments
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- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウムおよび亜
鉛の様な材料のための、軸受け表面の非潤滑磨耗におけ
る改良に関する。
鉛の様な材料のための、軸受け表面の非潤滑磨耗におけ
る改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】ニッケル被覆したグラファイト粒子の使
用は、バディアらにより米国特許第３，７５３，６９４
号および同第３，８８５，９５９号明細書に開示されて
いる。ニッケル被覆したグラファイト粒子は、アルミニ
ウム鋳造物の機械加工性および耐摩耗性を改善してい
る。しかし、バディアらの方法には、ニッケル被覆グラ
ファイトがアルミニウム鋳造物全体に分散するために生
じる問題点がある。グラファイト粒子は、アルミニウム
系鋳造物全体の強度および関連する特性を低下させる。
最も好ましいのは、グラファイトによる悪影響を最少に
抑えるために、摩耗および機械加工性の改良を必要とす
る表面にのみグラファイト粒子を配置することである。
用は、バディアらにより米国特許第３，７５３，６９４
号および同第３，８８５，９５９号明細書に開示されて
いる。ニッケル被覆したグラファイト粒子は、アルミニ
ウム鋳造物の機械加工性および耐摩耗性を改善してい
る。しかし、バディアらの方法には、ニッケル被覆グラ
ファイトがアルミニウム鋳造物全体に分散するために生
じる問題点がある。グラファイト粒子は、アルミニウム
系鋳造物全体の強度および関連する特性を低下させる。
最も好ましいのは、グラファイトによる悪影響を最少に
抑えるために、摩耗および機械加工性の改良を必要とす
る表面にのみグラファイト粒子を配置することである。
【０００３】アルミニウム合金の耐摩耗性を改善するた
めのもう一つの技術は、スキボらの米国特許第４，７５
９，９９５号明細書に記載されている。スキボらは、ア
ルミニウム鋳造物全体にＳｉＣを分散させることを開示
している。ＳｉＣ粒子はグラファイト程強度特性を損な
わない。しかし、スキボらの方法にも問題点がある。Ｓ
ｉＣ複合材料の極度に硬い表面は、潤滑剤を十分に保持
しない、つまり固有の潤滑特性を与えない。
めのもう一つの技術は、スキボらの米国特許第４，７５
９，９９５号明細書に記載されている。スキボらは、ア
ルミニウム鋳造物全体にＳｉＣを分散させることを開示
している。ＳｉＣ粒子はグラファイト程強度特性を損な
わない。しかし、スキボらの方法にも問題点がある。Ｓ
ｉＣ複合材料の極度に硬い表面は、潤滑剤を十分に保持
しない、つまり固有の潤滑特性を与えない。
【０００４】耐摩耗性を改良するための別の関連技術
は、炭素繊維およびアルミナ繊維の組合わせからなる半
製品を加圧射出成形またはスクイズ鋳造（squeeze-cas
t）することである。加圧射出成形法は、ホンダにより
米国特許第４，６３３，９３１号および同第４，８１
７，５７８号明細書に記載されている。ホンダにより開
示されている方法では、炭素およびアルミナの繊維の組
合わせを配量し、半製品に成形し、鋳造物の所望の区
域、すなわち内燃機関のシリンダー壁の内側に配置す
る。ホンダの方法の望ましい特徴は、摩耗特性を改良す
るための硬い相（Ａｌ2 Ｏ3 ）および潤滑摩耗特性を改
良するための炭素繊維の両方を与えることにある。さら
に、強度の劣化は、すべて繊維半製品を含む鋳造物の区
域に分離されている。しかし、ホンダにより開示されて
いる方法は、アルミナおよび炭素繊維の半製品に含浸さ
せるために溶融アルミニウム金属に約２０〜２５０MPa
の圧力を必要とすることである。高圧が必要なために、
半製品を射出成形するコストが非常に高くなる。
は、炭素繊維およびアルミナ繊維の組合わせからなる半
製品を加圧射出成形またはスクイズ鋳造（squeeze-cas
t）することである。加圧射出成形法は、ホンダにより
米国特許第４，６３３，９３１号および同第４，８１
７，５７８号明細書に記載されている。ホンダにより開
示されている方法では、炭素およびアルミナの繊維の組
合わせを配量し、半製品に成形し、鋳造物の所望の区
域、すなわち内燃機関のシリンダー壁の内側に配置す
る。ホンダの方法の望ましい特徴は、摩耗特性を改良す
るための硬い相（Ａｌ2 Ｏ3 ）および潤滑摩耗特性を改
良するための炭素繊維の両方を与えることにある。さら
に、強度の劣化は、すべて繊維半製品を含む鋳造物の区
域に分離されている。しかし、ホンダにより開示されて
いる方法は、アルミナおよび炭素繊維の半製品に含浸さ
せるために溶融アルミニウム金属に約２０〜２５０MPa
の圧力を必要とすることである。高圧が必要なために、
半製品を射出成形するコストが非常に高くなる。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】本発明の目的は、軽金属鋳造
物の摩耗表面における硬い耐摩耗性粒子および潤滑性炭
素相の局在混合物を製造するための低圧法を提供するこ
とである。
物の摩耗表面における硬い耐摩耗性粒子および潤滑性炭
素相の局在混合物を製造するための低圧法を提供するこ
とである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、鋳造物の一部
に、ニッケル含有金属間化合物相を備えたニッケル被覆
したグラファイトまたは炭素を有する軽金属合金複合材
料を製造する。軽金属を予め決められた形状に鋳造する
ための金型を用意する。ニッケル被覆した炭素構造を金
型の一部内に配置する。軽金属を金型内の炭素構造の回
りに注ぎ込み、軽金属とニッケル被覆した炭素構造との
間の界面を濡らす。ニッケル被覆した炭素に隣接する軽
金属中でニッケル含有金属間化合物相が形成され、耐摩
耗性が増加する。次いで、軽金属が凝固し、金属マトリ
ックス複合材料を形成する。
に、ニッケル含有金属間化合物相を備えたニッケル被覆
したグラファイトまたは炭素を有する軽金属合金複合材
料を製造する。軽金属を予め決められた形状に鋳造する
ための金型を用意する。ニッケル被覆した炭素構造を金
型の一部内に配置する。軽金属を金型内の炭素構造の回
りに注ぎ込み、軽金属とニッケル被覆した炭素構造との
間の界面を濡らす。ニッケル被覆した炭素に隣接する軽
金属中でニッケル含有金属間化合物相が形成され、耐摩
耗性が増加する。次いで、軽金属が凝固し、金属マトリ
ックス複合材料を形成する。
【０００７】本発明では、該鋳造部品の摩耗表面で、よ
り柔らかい射出金属相中に硬い相をその場で形成し、同
時に炭素の潤滑相も形成する。本発明は、製品、および
摩耗表面に硬い粒子および炭素の混合物を含む鋳造部品
の低圧製造方法を提供する。炭素は鋳造物の本体全体に
分散してはいない。
り柔らかい射出金属相中に硬い相をその場で形成し、同
時に炭素の潤滑相も形成する。本発明は、製品、および
摩耗表面に硬い粒子および炭素の混合物を含む鋳造部品
の低圧製造方法を提供する。炭素は鋳造物の本体全体に
分散してはいない。
【０００８】この製造方法では、炭素またはグラファイ
ト繊維、フェルトまたは紙の様な炭素構造上にニッケル
被覆すること、そのニッケル被覆した構造を半製品形状
に成形すること、その半製品を金型中の所望の場所に配
置すること、次いで軽金属の部品を鋳造することからな
る。本明細書では、炭素相とは炭素、グラファイトおよ
び炭素とグラファイトの混合物を指す。また、軽金属と
は、アルミニウム、アルミニウムの合金、亜鉛、または
亜鉛の合金を意味する。ニッケル被覆炭素と共に使用す
る最も有利なアルミニウム−ケイ素合金は、ＡＳＭメタ
ルズハンドブック、２巻、第１０版、１２５〜１２７お
よび１７１頁に記載されている３００シリーズである。
本発明の方法に使用するアルミニウム−ケイ素合金は、
硬度を改良するために約５〜１７重量％のケイ素を含む
のが最も有利である。本発明のニッケル被覆炭素と併用
できる亜鉛合金の例は、上記のメタルズハンドブックの
５２８〜２９頁に記載されている亜鉛ダイカスト合金で
ある。鋳造または射出成形の際、ニッケル被覆は、中ま
たは低圧、すなわち約０．７Mpa で半製品を十分に含浸
する濡れ易い表面を与える。溶融したＡｌまたはＺｎま
たはそれらの合金が半製品に含浸する際に、繊維状また
は粒状半製品からニッケルが溶解する。ニッケル金属
は、ＡｌまたはＺｎと反応し、繊維状半製品の内側で、
Ａｌ3 Ｎｉ、ＡｌＮｉ、Ｎｉ2 Ａｌ3 、またはＮｉ3 Ｚ
ｎ22の金属間化合物をその場で形成する。ニッケル被覆
は、耐酸化性を与え、ニッケル含有金属間化合物に相変
換する際に熱を発生する。得られた半製品は、最終的に
繊維状または粒状炭素相として、鋳造合金のマトリック
ス中で硬いニッケルアルミナイド相（またはＮｉ3 Ｚｎ
22）になる。ニッケル含有金属間化合物は、炭素構造の
１ミリメートル以内で形成されるのが有利である。最も
有利なのは、ニッケル含有金属間化合物が炭素構造の１
ミリメートル以内で形成されることである。
ト繊維、フェルトまたは紙の様な炭素構造上にニッケル
被覆すること、そのニッケル被覆した構造を半製品形状
に成形すること、その半製品を金型中の所望の場所に配
置すること、次いで軽金属の部品を鋳造することからな
る。本明細書では、炭素相とは炭素、グラファイトおよ
び炭素とグラファイトの混合物を指す。また、軽金属と
は、アルミニウム、アルミニウムの合金、亜鉛、または
亜鉛の合金を意味する。ニッケル被覆炭素と共に使用す
る最も有利なアルミニウム−ケイ素合金は、ＡＳＭメタ
ルズハンドブック、２巻、第１０版、１２５〜１２７お
よび１７１頁に記載されている３００シリーズである。
本発明の方法に使用するアルミニウム−ケイ素合金は、
硬度を改良するために約５〜１７重量％のケイ素を含む
のが最も有利である。本発明のニッケル被覆炭素と併用
できる亜鉛合金の例は、上記のメタルズハンドブックの
５２８〜２９頁に記載されている亜鉛ダイカスト合金で
ある。鋳造または射出成形の際、ニッケル被覆は、中ま
たは低圧、すなわち約０．７Mpa で半製品を十分に含浸
する濡れ易い表面を与える。溶融したＡｌまたはＺｎま
たはそれらの合金が半製品に含浸する際に、繊維状また
は粒状半製品からニッケルが溶解する。ニッケル金属
は、ＡｌまたはＺｎと反応し、繊維状半製品の内側で、
Ａｌ3 Ｎｉ、ＡｌＮｉ、Ｎｉ2 Ａｌ3 、またはＮｉ3 Ｚ
ｎ22の金属間化合物をその場で形成する。ニッケル被覆
は、耐酸化性を与え、ニッケル含有金属間化合物に相変
換する際に熱を発生する。得られた半製品は、最終的に
繊維状または粒状炭素相として、鋳造合金のマトリック
ス中で硬いニッケルアルミナイド相（またはＮｉ3 Ｚｎ
22）になる。ニッケル含有金属間化合物は、炭素構造の
１ミリメートル以内で形成されるのが有利である。最も
有利なのは、ニッケル含有金属間化合物が炭素構造の１
ミリメートル以内で形成されることである。
【０００９】上記の複合材料、またはその製造方法は、
エンジンライナーおよびエンジンライナー挿入物の製造
に特に有用である。エンジンライナーを製造するには、
半製品を金型中に置き、所望の形状に鋳造する。エンジ
ンライナー挿入物を製造するには、半製品を円筒状の金
型中に鋳造して中空の複合材料シリンダーを形成し、続
いてそれをエンジンブロックに鋳造する。濡れ性が良い
ので、低含浸圧で潤滑のための炭素相および耐摩耗性改
良のための硬質相が得られる。炭素相および硬質相は、
所望の場所にのみ与えられる。例えば、ピストンライナ
ーおよびピストンライナー挿入物の場合、炭素相および
金属間化合物相は、ピストンの軸受け表面に配置するの
が有利である。
エンジンライナーおよびエンジンライナー挿入物の製造
に特に有用である。エンジンライナーを製造するには、
半製品を金型中に置き、所望の形状に鋳造する。エンジ
ンライナー挿入物を製造するには、半製品を円筒状の金
型中に鋳造して中空の複合材料シリンダーを形成し、続
いてそれをエンジンブロックに鋳造する。濡れ性が良い
ので、低含浸圧で潤滑のための炭素相および耐摩耗性改
良のための硬質相が得られる。炭素相および硬質相は、
所望の場所にのみ与えられる。例えば、ピストンライナ
ーおよびピストンライナー挿入物の場合、炭素相および
金属間化合物相は、ピストンの軸受け表面に配置するの
が有利である。
【００１０】図１の加圧鋳造装置１０は、各種の複合材
料および複合材料の成形方法を評価するのに使用され
る。図１に関して、加圧鋳造装置１０を誘導コイル１２
で加熱し、不活性雰囲気１４中に保持する。最も有利な
のは、アルゴンの様な不活性ガスをガス入り口１６およ
びガス出口１８を通して流し、ハウジング２０内に、液
体金属の過剰酸化を防ぐための保護雰囲気を維持するこ
とである。ハウジング２０は、好ましくは石英管２２お
よび末端キャップ２４および２６からなる。ハウジング
２０内で、グラファイト金型２８は、複合材料形成用の
空間を与えるために、底部シール３０、ダイスキャップ
３２および冷却ブロック３４を有する。熱電対３６がグ
ラファイト金型２８の温度を測定する。押圧棒３８を使
用してプランジャー４０を駆動し、そのプランジャーが
液体の軽金属合金４２をグラファイトダイス４４中に押
し込む。軽金属はグラファイトダイス４４中の繊維４６
の中に押し込まれ、試料を形成する。試料は金属マトリ
ックス複合材料として凝固させる。
料および複合材料の成形方法を評価するのに使用され
る。図１に関して、加圧鋳造装置１０を誘導コイル１２
で加熱し、不活性雰囲気１４中に保持する。最も有利な
のは、アルゴンの様な不活性ガスをガス入り口１６およ
びガス出口１８を通して流し、ハウジング２０内に、液
体金属の過剰酸化を防ぐための保護雰囲気を維持するこ
とである。ハウジング２０は、好ましくは石英管２２お
よび末端キャップ２４および２６からなる。ハウジング
２０内で、グラファイト金型２８は、複合材料形成用の
空間を与えるために、底部シール３０、ダイスキャップ
３２および冷却ブロック３４を有する。熱電対３６がグ
ラファイト金型２８の温度を測定する。押圧棒３８を使
用してプランジャー４０を駆動し、そのプランジャーが
液体の軽金属合金４２をグラファイトダイス４４中に押
し込む。軽金属はグラファイトダイス４４中の繊維４６
の中に押し込まれ、試料を形成する。試料は金属マトリ
ックス複合材料として凝固させる。
【００１１】（実施例）以下に、本発明を実施例に基づ
いてさらに説明する。実施例１（Ａ） ハーキュリースＡＳ４炭素繊維の１２，０００フィラメ
ント束をグラファイトダイス４４の５mm穴に入れた。純
粋アルミニウム製の直径２．５cm、高さ２．５cmのシリ
ンダーをグラファイトダイス４４の上に載せ、図１のグ
ラファイト金型２８中に収容した。図１の装置をアルゴ
ンで掃気し、次いで誘導コイルで７０５℃に加熱した。
５分後、アルミニウムが融解し、プランジャーに４．５
MPa の圧力をかけた。鋳造物の断面を図２に示す。
いてさらに説明する。実施例１（Ａ） ハーキュリースＡＳ４炭素繊維の１２，０００フィラメ
ント束をグラファイトダイス４４の５mm穴に入れた。純
粋アルミニウム製の直径２．５cm、高さ２．５cmのシリ
ンダーをグラファイトダイス４４の上に載せ、図１のグ
ラファイト金型２８中に収容した。図１の装置をアルゴ
ンで掃気し、次いで誘導コイルで７０５℃に加熱した。
５分後、アルミニウムが融解し、プランジャーに４．５
MPa の圧力をかけた。鋳造物の断面を図２に示す。
【００１２】実施例１（Ｂ） ＡＳ４繊維を２０重量％のＮｉで被覆してからダイス中
に入れた。鋳造物の断面を図３に示す。図３は、ニッケ
ル被覆した炭素繊維が溶融アルミニウムにより適切に濡
らされていることを示しているのに対し、図２は、溶融
アルミニウムが半製品に浸透した時に、被覆していない
炭素繊維は濡れずに、かたまる傾向があることを示して
いる。実施例１（Ａ）および１（Ｂ）は、ニッケル被覆
はアルミニウムによる炭素繊維の濡れ性を改善するのに
効果的であることを示している。
に入れた。鋳造物の断面を図３に示す。図３は、ニッケ
ル被覆した炭素繊維が溶融アルミニウムにより適切に濡
らされていることを示しているのに対し、図２は、溶融
アルミニウムが半製品に浸透した時に、被覆していない
炭素繊維は濡れずに、かたまる傾向があることを示して
いる。実施例１（Ａ）および１（Ｂ）は、ニッケル被覆
はアルミニウムによる炭素繊維の濡れ性を改善するのに
効果的であることを示している。
【００１３】実施例２ ニッケル被覆した炭素半製品の低圧液体含浸により一連
の複合材料シリンダーを製造した。半製品製造に使用し
たニッケル被覆炭素紙またはフェルトは、試料技術会
議、レイク キアネスカ、ニューヨーク、１９９１年１
０月で発表されたベルおよびハンセンの報告に記載され
ている。
の複合材料シリンダーを製造した。半製品製造に使用し
たニッケル被覆炭素紙またはフェルトは、試料技術会
議、レイク キアネスカ、ニューヨーク、１９９１年１
０月で発表されたベルおよびハンセンの報告に記載され
ている。
【００１４】重量３４ g/m2 で、約９７％の空隙を有す
る炭素紙を３３重量％のＮｉで被覆した。厚さ０．３mm
のこの紙を裁断し、直径約１５mmの中空でないグラファ
イトシリンダーの周囲に巻き付け、壁厚３〜５mmで、長
さ７５mmの円筒状半製品を形成した。この中空でないグ
ラファイト棒の上に円筒状の半製品を載せた試料を内径
２３mmのステンレス鋼管の内側に入れた。
る炭素紙を３３重量％のＮｉで被覆した。厚さ０．３mm
のこの紙を裁断し、直径約１５mmの中空でないグラファ
イトシリンダーの周囲に巻き付け、壁厚３〜５mmで、長
さ７５mmの円筒状半製品を形成した。この中空でないグ
ラファイト棒の上に円筒状の半製品を載せた試料を内径
２３mmのステンレス鋼管の内側に入れた。
【００１５】この半製品を保持したステンレス鋼管をＰ
ｃａｓｔ８７５Ｌ加圧含浸鋳造機中に入れ、４００℃で
保持した。次いで、この装置の底部の中にある純粋アル
ミニウムを７００℃に加熱し、アルゴン圧０．７MPa
（１００psi)により半製品中に含浸させた。含浸時間は
数秒間だけであった。熱電対によりアルミニウムが固体
になったことが分かってから、その複合材料を装置から
取り出した。
ｃａｓｔ８７５Ｌ加圧含浸鋳造機中に入れ、４００℃で
保持した。次いで、この装置の底部の中にある純粋アル
ミニウムを７００℃に加熱し、アルゴン圧０．７MPa
（１００psi)により半製品中に含浸させた。含浸時間は
数秒間だけであった。熱電対によりアルミニウムが固体
になったことが分かってから、その複合材料を装置から
取り出した。
【００１６】その複合材料の断面の光学顕微鏡写真を図
４および５に示す。炭素繊維（黒色）の大部分が炭素紙
の面に対して平行に配向し、アルミニウムマトリックス
全体にわたって一様に分散しているのが分かる。高倍率
（図５）は、繊維表面に隣接する様々な量のＮｉx Ａｌ
y 金属間化合物を示している。これらの沈殿物は、半定
量Ｘ線分析により、Ｎｉ−Ａｌ二元状態図から予想され
る様に、主としてＮｉＡｌ3 と確認された。
４および５に示す。炭素繊維（黒色）の大部分が炭素紙
の面に対して平行に配向し、アルミニウムマトリックス
全体にわたって一様に分散しているのが分かる。高倍率
（図５）は、繊維表面に隣接する様々な量のＮｉx Ａｌ
y 金属間化合物を示している。これらの沈殿物は、半定
量Ｘ線分析により、Ｎｉ−Ａｌ二元状態図から予想され
る様に、主としてＮｉＡｌ3 と確認された。
【００１７】純粋アルミニウムの硬度は、ＨＲ−１５Ｔ
目盛りで１１．８±０．６であるのに対し、半製品の区
域の内側にある複合材料の硬度は、同じ目盛りで４５±
３であった。
目盛りで１１．８±０．６であるのに対し、半製品の区
域の内側にある複合材料の硬度は、同じ目盛りで４５±
３であった。
【００１８】この実施例は、本発明の主な特徴、つまり
ニッケル被覆が２つの重要な特性を与えること、すなわ
ち金属の含浸により炭素繊維が低圧で濡れる様になるこ
と、および、硬質の金属間化合物を形成するように炭素
繊維半製品の体積の内側にある合金を変性させることで
ある。
ニッケル被覆が２つの重要な特性を与えること、すなわ
ち金属の含浸により炭素繊維が低圧で濡れる様になるこ
と、および、硬質の金属間化合物を形成するように炭素
繊維半製品の体積の内側にある合金を変性させることで
ある。
【００１９】実施例３ この方法では、含浸に純粋アルミニウムは使用しない。
２．３mmの、９７％多孔質のニッケル被覆した炭素フェ
ルト（６２重量％Ｎｉ）を外径１３mmの石英管中に充填
し、次共融(hypoeutectic)Ａｌ−Ｓｉ鋳造合金Ａ３５６
（７％Ｓｉ、０．３％Ｍｇ）で含浸させた。実施例２の
装置をそれぞれ３５０℃および６５０℃の低い半製品お
よび溶融温度で使用した。
２．３mmの、９７％多孔質のニッケル被覆した炭素フェ
ルト（６２重量％Ｎｉ）を外径１３mmの石英管中に充填
し、次共融(hypoeutectic)Ａｌ−Ｓｉ鋳造合金Ａ３５６
（７％Ｓｉ、０．３％Ｍｇ）で含浸させた。実施例２の
装置をそれぞれ３５０℃および６５０℃の低い半製品お
よび溶融温度で使用した。
【００２０】含浸圧は、１．０５MPa 〜２．８MPa （４
００psi)（Ａｒ）に限定した。一般的に、これらの試料
は、含浸圧が僅かに高く、Ａｌ−Ｓｉ合金の流動度が増
加するために、実施例１（Ｂ）の純粋アルミニウムの試
料よりも多孔度が低かった。Ａ３５６合金の通常の鋳造
構造を図６に半製品から遠く離れた区域で示す。
００psi)（Ａｒ）に限定した。一般的に、これらの試料
は、含浸圧が僅かに高く、Ａｌ−Ｓｉ合金の流動度が増
加するために、実施例１（Ｂ）の純粋アルミニウムの試
料よりも多孔度が低かった。Ａ３５６合金の通常の鋳造
構造を図６に半製品から遠く離れた区域で示す。
【００２１】図７は、半製品内部のＡｌ−Ｓｉ共晶の、
グラファイト半製品からのＮｉの存在による歪みを示し
ている。ＮｉＡｌ3 相は、実施例２の純粋アルミニウム
マトリックスにおけるよりも粗いことが分かる。
グラファイト半製品からのＮｉの存在による歪みを示し
ている。ＮｉＡｌ3 相は、実施例２の純粋アルミニウム
マトリックスにおけるよりも粗いことが分かる。
【００２２】鋳造物の硬度は、ＨＲ−１５Ｔ目盛りで、
通常のＡ３５６合金と半製品の体積内部の変性合金の両
方で７０であり、実質的に同じであった。合金Ａ３５
６、Ａ３５６−２０体積％ＳｉＣ（アルカンにより製造
されたＦ３Ａ・２０Ｓ）およびＡ３５６ニッケル被覆炭
素紙を、「リング上ブロック摩耗試験を使用する、材料
の耐滑り摩耗性を評価するための標準方法」、Ｇ７７、
ＡＳＴＭ標準の年鑑、ＡＳＴＭ、フィラデルフィア、Ｐ
Ａ、１９８４、４４６〜４６２頁に準じて試験した。合
金Ａ３５６およびＡ３５６−２０体積％ＳｉＣはＴ−６
条件で焼きなましを行い、マトリックス強度を改良し
た。図８は、補強していないＡ３５６合金とＳｉＣ粒子
またはニッケル被覆炭素紙で補強したＡ３５６マトリッ
クスの耐摩耗性を比較している。補強した両合金は、内
燃機関における負荷を代表する負荷範囲で、補強してい
ないＡ３５６よりも優れた耐摩耗性を示した。Ａ３５６
ニッケル被覆炭素紙複合材料は、ＳｉＣ補強合金に十分
に匹敵し、高負荷（＞１８０Ｎ）では耐摩耗性が著しく
高い。これは、グラファイトの潤滑性によるものだけで
はなく、Ａｌ3 Ｎｉ金属間化合物相により耐摩耗性が増
加するためである。最も有利なことに、本発明の合金の
特徴は、リング上ブロック摩耗試験における摩耗率が２
００Ｎの負荷で１０マイクログラム／ｍ未満であること
である。
通常のＡ３５６合金と半製品の体積内部の変性合金の両
方で７０であり、実質的に同じであった。合金Ａ３５
６、Ａ３５６−２０体積％ＳｉＣ（アルカンにより製造
されたＦ３Ａ・２０Ｓ）およびＡ３５６ニッケル被覆炭
素紙を、「リング上ブロック摩耗試験を使用する、材料
の耐滑り摩耗性を評価するための標準方法」、Ｇ７７、
ＡＳＴＭ標準の年鑑、ＡＳＴＭ、フィラデルフィア、Ｐ
Ａ、１９８４、４４６〜４６２頁に準じて試験した。合
金Ａ３５６およびＡ３５６−２０体積％ＳｉＣはＴ−６
条件で焼きなましを行い、マトリックス強度を改良し
た。図８は、補強していないＡ３５６合金とＳｉＣ粒子
またはニッケル被覆炭素紙で補強したＡ３５６マトリッ
クスの耐摩耗性を比較している。補強した両合金は、内
燃機関における負荷を代表する負荷範囲で、補強してい
ないＡ３５６よりも優れた耐摩耗性を示した。Ａ３５６
ニッケル被覆炭素紙複合材料は、ＳｉＣ補強合金に十分
に匹敵し、高負荷（＞１８０Ｎ）では耐摩耗性が著しく
高い。これは、グラファイトの潤滑性によるものだけで
はなく、Ａｌ3 Ｎｉ金属間化合物相により耐摩耗性が増
加するためである。最も有利なことに、本発明の合金の
特徴は、リング上ブロック摩耗試験における摩耗率が２
００Ｎの負荷で１０マイクログラム／ｍ未満であること
である。
【００２３】この実施例は、純粋なアルミニウムに加え
て合金を使用しても、本方法を実施し、最終複合材料を
製造できることを示している。Ａ３５６の様な合金をそ
の低鋳造温度および／または低固体熱膨脹係数のために
選択すると、ニッケル被覆により炭素半製品を濡れ易く
し、その硬度を維持または改良しながら、半製品の内側
にある合金の微小構造を改良する。半製品から遠く離れ
た鋳造物の特性は変化しない。
て合金を使用しても、本方法を実施し、最終複合材料を
製造できることを示している。Ａ３５６の様な合金をそ
の低鋳造温度および／または低固体熱膨脹係数のために
選択すると、ニッケル被覆により炭素半製品を濡れ易く
し、その硬度を維持または改良しながら、半製品の内側
にある合金の微小構造を改良する。半製品から遠く離れ
た鋳造物の特性は変化しない。
【００２４】実施例４ 過共晶Ａｌ−１２Ｓｉ合金／ニッケル被覆グラファイト
複合材料シリンダーを８０４MPa （１２００psi)の中程
度の圧力でスクイズ鋳造（squeeze-cast) した。半製品
は実施例２と類似の方法により製造し、外径３２mmおよ
び壁厚３mmを得た。このニッケル被覆炭素半製品は、実
施例３と同じ材料から製造した。溶融温度は７３０℃で
あった。
複合材料シリンダーを８０４MPa （１２００psi)の中程
度の圧力でスクイズ鋳造（squeeze-cast) した。半製品
は実施例２と類似の方法により製造し、外径３２mmおよ
び壁厚３mmを得た。このニッケル被覆炭素半製品は、実
施例３と同じ材料から製造した。溶融温度は７３０℃で
あった。
【００２５】図９に示す微小構造は、実施例３にも存在
する針状のＮｉＡｌ3 析出物に加えて、大きなかたまり
状の金属間化合物相を含んでいた。これらのアルミナイ
ドはＮｉＡｌ化学量に相当し、歪んだＡｌ−Ｓｉマトリ
ックス中に不規則に分散している。通常の針状ケイ素相
は抑制され、図９で観察するには細かすぎる。やはり、
超共融Ａｌ−Ｓｉ合金中のケイ素相は硬いので、７５cm
の半製品区域の内側にある鋳造物の硬度は、ＨＲ−１５
Ｔ目盛りでその鋳造物の通常の部分と同じであった。し
かし、半製品の体積の内側にある鋳造物の微小構造は完
全に変っていた。
する針状のＮｉＡｌ3 析出物に加えて、大きなかたまり
状の金属間化合物相を含んでいた。これらのアルミナイ
ドはＮｉＡｌ化学量に相当し、歪んだＡｌ−Ｓｉマトリ
ックス中に不規則に分散している。通常の針状ケイ素相
は抑制され、図９で観察するには細かすぎる。やはり、
超共融Ａｌ−Ｓｉ合金中のケイ素相は硬いので、７５cm
の半製品区域の内側にある鋳造物の硬度は、ＨＲ−１５
Ｔ目盛りでその鋳造物の通常の部分と同じであった。し
かし、半製品の体積の内側にある鋳造物の微小構造は完
全に変っていた。
【００２６】ニッケル被覆した炭素構造を約３００℃を
超える温度で予備加熱する場合、ニッケル被覆した炭素
構造は、不活性雰囲気中で予備加熱するのが最も有利で
あることが分かった。ニッケルは約３００℃を超える温
度では空気中で酸化する。酸化ニッケルは濡れ性を低下
させ、アルミニウムおよびアルミニウム系合金と反応
し、有益なニッケル含有金属間化合物の形成を妨害する
と考えられる酸化アルミニウムスケールを形成する。
超える温度で予備加熱する場合、ニッケル被覆した炭素
構造は、不活性雰囲気中で予備加熱するのが最も有利で
あることが分かった。ニッケルは約３００℃を超える温
度では空気中で酸化する。酸化ニッケルは濡れ性を低下
させ、アルミニウムおよびアルミニウム系合金と反応
し、有益なニッケル含有金属間化合物の形成を妨害する
と考えられる酸化アルミニウムスケールを形成する。
【００２７】これらの実施例は、本発明の複合材料およ
び方法により幾つかの利点が得られることを示してい
る。第一に、ニッケル被覆は、濡れ性を改良し、炭素相
複合材料構造の含浸に必要な圧力を下げる。最も有利な
ことに、３５KPa 〜１０MPa の圧力で済むので装置のコ
ストが低下する。第二に、グラファイト相により潤滑性
が改良される。最も有利なことに、炭素相はピッチまた
はポリアクリロニトリル前駆物質から生じる。第三に、
本発明は、Ａｌ3 ＮｉまたはＮｉ3 Ｚｎ22の様な硬いニ
ッケル含有金属間化合物相を与え、ニッケル被覆したグ
ラファイトの近くの硬度を改良する。グラファイトを約
１５〜６０重量％のニッケルまたは約０．０６５〜０．
８５ミクロンのニッケルで被覆し、ニッケル含有金属間
化合物相の形成を促進するのが最も有利である。所望に
より、アルミナまたはニッケル被覆したアルミナをニッ
ケル被覆した炭素相に加え、耐摩耗性をさらに改良する
ことができる。第四に、炭素相およびニッケル相は複合
材料内の望ましい所にだけ配置する。鋳造物の複合材料
を含まない区域は、炭素の粒子により引き起こされる不
必要な、有害な強度低下を起こすことがない。第五に、
ニッケル含有金属間化合物相を形成するためのニッケル
被覆と軽金属合金との間の反応により、熱が発生する。
したがって、ダイスおよび半製品に必要とされる予備加
熱温度を下げることができる。最後に、ニッケル被覆が
炭素繊維の酸化を防止する。被覆していない繊維は空気
中で３５０℃を超える温度で燃焼し、気体状の炭素酸化
物として炭素が失われ、それに応じて繊維表面に穴が生
じるために強度が低下する。
び方法により幾つかの利点が得られることを示してい
る。第一に、ニッケル被覆は、濡れ性を改良し、炭素相
複合材料構造の含浸に必要な圧力を下げる。最も有利な
ことに、３５KPa 〜１０MPa の圧力で済むので装置のコ
ストが低下する。第二に、グラファイト相により潤滑性
が改良される。最も有利なことに、炭素相はピッチまた
はポリアクリロニトリル前駆物質から生じる。第三に、
本発明は、Ａｌ3 ＮｉまたはＮｉ3 Ｚｎ22の様な硬いニ
ッケル含有金属間化合物相を与え、ニッケル被覆したグ
ラファイトの近くの硬度を改良する。グラファイトを約
１５〜６０重量％のニッケルまたは約０．０６５〜０．
８５ミクロンのニッケルで被覆し、ニッケル含有金属間
化合物相の形成を促進するのが最も有利である。所望に
より、アルミナまたはニッケル被覆したアルミナをニッ
ケル被覆した炭素相に加え、耐摩耗性をさらに改良する
ことができる。第四に、炭素相およびニッケル相は複合
材料内の望ましい所にだけ配置する。鋳造物の複合材料
を含まない区域は、炭素の粒子により引き起こされる不
必要な、有害な強度低下を起こすことがない。第五に、
ニッケル含有金属間化合物相を形成するためのニッケル
被覆と軽金属合金との間の反応により、熱が発生する。
したがって、ダイスおよび半製品に必要とされる予備加
熱温度を下げることができる。最後に、ニッケル被覆が
炭素繊維の酸化を防止する。被覆していない繊維は空気
中で３５０℃を超える温度で燃焼し、気体状の炭素酸化
物として炭素が失われ、それに応じて繊維表面に穴が生
じるために強度が低下する。
【００２８】法律の規定により本発明の特定の実施形態
を説明したが、当業者には、請求項により限定される本
発明の形態内で変形が可能であり、本発明の特定の特徴
を他の特徴を使用せずに利用できることは明らかであ
る。
を説明したが、当業者には、請求項により限定される本
発明の形態内で変形が可能であり、本発明の特定の特徴
を他の特徴を使用せずに利用できることは明らかであ
る。
【図１】引っ張りおよび衝撃エネルギー試料を作製する
ための加圧含浸装置の説明図。
ための加圧含浸装置の説明図。
【図２】倍率１００Ｘにおける、被覆していない炭素繊
維により補強した炭素／アルミニウム複合材料の金属組
織の写真。
維により補強した炭素／アルミニウム複合材料の金属組
織の写真。
【図３】倍率２００Ｘにおける、ニッケル被覆した炭素
繊維により補強した炭素／アルミニウム複合材料の金属
組織の写真。
繊維により補強した炭素／アルミニウム複合材料の金属
組織の写真。
【図４】倍率２００Ｘにおける、ニッケル被覆した炭素
紙で形成した複合材料の金属組織の写真。
紙で形成した複合材料の金属組織の写真。
【図５】倍率５００Ｘにおける、ニッケル被覆した炭素
紙で形成した複合材料の金属組織の写真。
紙で形成した複合材料の金属組織の写真。
【図６】倍率２００Ｘにおける、次共融Ａｌ−Ｓｉ合金
Ａ３５６の金属組織の写真。
Ａ３５６の金属組織の写真。
【図７】倍率２００Ｘにおける、ニッケル被覆グラファ
イトで変性した次共融Ａｌ−Ｓｉ合金Ａ３５６の金属組
織の写真。
イトで変性した次共融Ａｌ−Ｓｉ合金Ａ３５６の金属組
織の写真。
【図８】合金Ａ３５６、ＳｉＣで強化した合金Ａ３５
６、およびニッケル被覆した炭素紙で強化した合金Ａ３
５６に対する、摩耗率と負荷の関係を表すグラフ。
６、およびニッケル被覆した炭素紙で強化した合金Ａ３
５６に対する、摩耗率と負荷の関係を表すグラフ。
【図９】倍率２００Ｘにおける、ニッケル被覆炭素繊維
を含む、超共融合金Ａｌ−１２Ｓｉの金属組織の写真。
を含む、超共融合金Ａｌ−１２Ｓｉの金属組織の写真。
１０ 加圧鋳造装置 １２ 誘導コイル １４ 不活性 １６ ガス入口 １８ ガス出口 ２０ ハウジング ２２ 石英管 ２４ 末端キャップ ２６ 末端キャップ ２８ グラファイト金型 ３０ 底部シール ３２ ダイスキャップ ３４ 冷却ブロック ３６ 熱電対 ３８ 押圧棒 ４０ プランジャー ４２ 軽金属合金 ４４ グラファイトダイス ４６ 繊維
Claims (2)
- 【請求項１】軽金属マトリックスを有する鋳造複合材料
製品であって、 前記軽金属マトリックスはアルミニウム、アルミニウム
系合金、亜鉛および亜鉛系合金からなる群から選択さ
れ、前記軽金属マトリックス内に複合材料区域を有し、
前記複合材料区域が、潤滑性を与えるための炭素相繊
維、および耐摩耗性を与えるための、前記炭素相繊維の
１ミリメートル以内の軽金属マトリックス中に析出する
ニッケル含有金属間化合物を有し、 前記ニッケル含有金属間化合物は前記軽金属マトリック
スおよび前記炭素相繊維を被覆している０．０６５〜
０．８５ミクロン厚のニッケル、ただしニッケルは全ニ
ッケルおよび炭素相繊維の１５〜６０重量％である、か
ら形成されることを特徴とする、金属マトリックス複合
材料。 - 【請求項２】軽金属マトリックスを有する鋳造複合材料
の製造方法であって、 （ａ） アルミニウム、アルミニウム系合金、亜鉛およ
び亜鉛系合金からなる群から選択された軽金属を、予め
決められた形状に鋳造するための金型を用意する工程、 （ｂ） ニッケル被覆した炭素相構造を金型の一部内に
導入する工程、ただし前記ニッケル被覆した炭素相構造
は０．０６５〜０．８５ミクロン厚のニッケルを被覆し
たものであり、前記ニッケルは前記ニッケル被覆した炭
素相構造の１５〜６０重量％である、 （ｃ） 軽金属を金型内のニッケル被覆炭素相構造の回
りに注ぎ込み、前記軽金属と前記ニッケル被覆炭素相構
造との間の界面を濡らす工程、 （ｄ） ニッケル被覆炭素相構造からのニッケルを軽金
属合金と反応させることにより、ニッケル被覆炭素相構
造の１ミリメートル以内の軽金属中でニッケル含有金属
間化合物相を形成し、炭素相に隣接する軽金属合金の硬
度を上げ、耐摩耗性を増加させる工程、および （ｅ） 軽金属鋳造物を凝固させ、金属マトリックス複
合材料を形成する工程、からなることを特徴とする、金
属マトリックス複合材料の製造方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US78175891A | 1991-10-23 | 1991-10-23 | |
| US89620792A | 1992-06-10 | 1992-06-10 | |
| US896207 | 1992-06-10 | ||
| US781758 | 1992-06-10 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06238421A JPH06238421A (ja) | 1994-08-30 |
| JPH0763837B2 true JPH0763837B2 (ja) | 1995-07-12 |
Family
ID=27119904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4309624A Expired - Lifetime JPH0763837B2 (ja) | 1991-10-23 | 1992-10-23 | 金属マトリックス複合材料およびその製造法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5385195A (ja) |
| EP (1) | EP0539011B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0763837B2 (ja) |
| CA (1) | CA2081048C (ja) |
| DE (1) | DE69219552T2 (ja) |
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| US5803153A (en) * | 1994-05-19 | 1998-09-08 | Rohatgi; Pradeep K. | Nonferrous cast metal matrix composites |
| US5601892A (en) * | 1995-07-19 | 1997-02-11 | Abu Ab | Hollow rods with nickel coated graphite fibers |
| US6053716A (en) * | 1997-01-14 | 2000-04-25 | Tecumseh Products Company | Vane for a rotary compressor |
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| US20100221526A1 (en) * | 2007-09-18 | 2010-09-02 | Shimane Prefectural Government | Metal-coated carbon material and carbon-metal composite material using the same |
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