JPH0780625A - 中空部を有する金属基複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 中空部を有し、該中空部を形成する壁面が補
強繊維や補強粉末で複合、強化された金属基複合材料で
あって、中空部を形成する壁面が確実に高強度化された
金属基複合材料を提供する。 【構成】中空部に対応する形状を有する可溶性の塩中子
２の周囲に、補強繊維及び補強粉末の少なくとも一種か
らなる補強材が分散されたスラリーを被覆し乾燥するこ
とで補強材層３を一体的に形成する工程と、該塩中子２
より融点の低い金属の溶湯６を少なくとも補強材層３に
含浸して固化する工程と、塩中子２を溶解して除去する
工程とからなる。補強材層３と塩中子２との間に隙間が
ないため、金属溶湯６を含浸する際に溶湯圧力により補
強材層３に亀裂が入ったりすることがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、中空部を有し、該中空
部を形成する壁面が補強繊維や補強粉末で複合、強化さ
れた金属基複合材料の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車のエンジン部品などにおい
ては、軽量化等の要請のため、例えばピストンやピスト
ンピンに中空部を形成することがなされている（特開昭
６１−６７５６０号公報、特開昭６１−１７２６６６号
公報等）。このような中空部を有するピストンやピスト
ンピンにおいては、中空部を形成することによる強度低
下を補うために、中空部を形成する壁面を補強繊維や補
強粉末で複合、強化する必要がある。

【０００３】このように中空部を有し、該中空部を形成
する壁面が補強繊維や補強粉末で複合、強化された金属
基複合材料を製造するに当たっては、中空部に対応する
形状に加圧成形された可溶性の塩中子の周囲に、吸引成
形等により所定形状に成形された繊維成形体を該塩中子
を取り囲むように配して組み合わせ、この塩中子と繊維
成形体との組合せ体を鋳型内に配し、加圧鋳造にて金属
溶湯を繊維成形体の空隙部に充填してこれを固化するこ
とにより該繊維成形体を金属で複合化した後、必要に応
じて穿設した連通孔を介して、塩中子に溶媒を侵入させ
て塩中子を溶解、除去することにより、中空部を形成す
ることにしている。

【０００４】具体的に説明すると、例えばピストンのヘ
ッド部にリング状の中空部を形成する場合、図１０に示
すように、塩化ナトリウムよりなるリング状の塩中子８
１の外側にリング状の外枠繊維成形体８２ａを嵌め込む
とともに、塩中子８２の内側及び上、下側を取り囲むよ
うに、リング状で断面Ｌ字形状の一対の内枠繊維成形体
８２ｂ、８２ｃを外枠繊維成形体８２ａの内側に嵌め込
んで、塩中子８１の周囲を繊維成形体８２ａ，８２ｂ，
８２ｃで取り囲んだ組合せ体を準備する。この組合せ体
を所定のピストン形状のキャビティを有する鋳型に配
し、加圧鋳造にて金属溶湯を繊維成形体８２ａ，８２
ｂ，８２ｃに含浸させるとともに他のキャビティ内に充
填した後、固化することにより、繊維成形体８２ａ，８
２ｂ，８２ｃを複合化するとともにピストンの粗形材８
３を得る。そして、外部と塩中子８１とを連通する連通
孔８４を穿設し、この連通孔８４を介して塩中子８１に
水を侵入させて塩中子８１を溶解、除去する。これによ
り、ピストンのヘッド部に中空部を有し、該中空部を形
成する壁面及び先端外周面が補強繊維により複合、強化
されたピストンを製造することができる。

【０００５】なお、上記したように塩中子８１の周囲全
体を繊維成形体８２ａ，８２ｂ，８２ｃで取り囲むこと
により、加圧鋳造時に、金属溶湯の加圧力により塩中子
８１が破損されることを防止できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
製造方法においては、塩中子８１と繊維成形体８２ａ，
８２ｂ，８２ｃとを嵌合等により組み合わせるため、塩
中子８１と繊維成形体８２ａ，８２ｂ，８２ｃとの間に
不可避的に微小隙間が形成される。そして、塩中子８１
と繊維成形体８２ａ，８２ｂ，８２ｃとを組み合わせた
ものを鋳型内に配して加圧鋳造する際に、金属溶湯に圧
力がかかると、先ず繊維成形体８２ａ，８２ｂ，８２ｃ
全体に圧力が伝わり、繊維成形体８２ａ，８２ｂ，８２
ｃに金属溶湯が含浸可能となるある圧力に達した時に金
属溶湯が繊維成形体８２ａ，８２ｂ，８２ｃに含浸す
る。このため、繊維成形体８２ａ，８２ｂ，８２ｃに圧
力が伝わった時に、塩中子８１と繊維成形体８２ａ，８
２ｂ，８２ｃとの間に隙間が存在すると、繊維成形体８
２ａ，８２ｂ，８２ｃがその圧力によって変形したり、
隙間が大きい場合には繊維成形体８２ａ，８２ｂ，８２
ｃの塩中子８１との境界部に亀裂が入ったりすることが
ある。そして、繊維成形体８２ａ，８２ｂ，８２ｃに発
生した亀裂部分に金属溶湯が侵入すると、最終的な製品
となったときに、繊維強化複合部に金属マトリックス層
が形成されることとなり、この部分から亀裂が発生する
おそれがある。

【０００７】とくに複雑形状の中空部を形成しようとす
ると、複雑形状の塩中子を取り囲む繊維成形体を、機械
加工等により該塩中子に合わせた形状にするにすること
が実質的に困難であるため、繊維成形体と塩中子との間
に大きな隙間が生じる結果となり、上記繊維成形体の変
形や亀裂の問題が顕著となる。本発明は上記実情に鑑み
てなされたものであり、中空部を有し、該中空部を形成
する壁面が補強繊維や補強粉末で複合、強化された金属
基複合材料であって、上記中空部を形成する壁面が確実
に高強度化された金属基複合材料を製造することを解決
すべき技術課題とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の中空部を有する金属基複合材料の製造方法は、中空
部を有し、該中空部を形成する壁面が補強繊維及び補強
粉末の少なくとも一種からなる補強材により複合、強化
された金属基複合材料の製造方法であって、上記中空部
に対応する形状を有する可溶性の塩中子の周囲に上記補
強材が分散されたスラリーを被覆し乾燥することで補強
材層を一体的に形成する工程と、該塩中子より融点の低
い金属の溶湯を少なくとも該補強材層に含浸して固化す
る工程と、該塩中子を溶解して除去する工程とからなる
ことを特徴とするものである。

【０００９】塩中子の周囲に補強材が分散されたスラリ
ーを被覆するには、補強材のスラリー中に塩中子を浸漬
するか、補強材のスラリーをスプレー、ハケ塗り等によ
り塩中子の表面に塗布するか、あるいは塩中子を成形型
に配して補強材のスラリーを流し込んで型成形する等の
方法を採用することができる。

【００１０】

【作用】本発明の中空部を有する金属基複合材料の製造
方法では、塩中子の周囲に補強材が分散されたスラリー
を被覆し乾燥することで補強材層を一体的に形成した
後、少なくとも補強材層に金属溶湯を含浸して固化させ
るもので、金属溶湯を含浸する際に溶湯圧力が補強材層
に伝わった時に、塩中子と補強材層との間に隙間がない
ので、補強材層がその圧力によって変形したり、補強材
層に亀裂が入ったりすることがなく、ひいてはこのよう
な亀裂に金属溶湯が侵入することがない。このため、本
発明により製造された金属基複合材料は、中空部を形成
する壁面で補強材により複合、強化された部分におい
て、金属マトリックス層（上記金属溶湯が亀裂に侵入す
ることにより形成されるもの）が形成されてこの部分か
ら亀裂が発生するおそれがない。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を説明す
る。 （実施例１）本実施例１は、図１〜図４に示すように、
ヘッド部先端にオイルギャラリー用のリング状の中空部
を有し、該中空部を形成する壁面がＳｉＣ粒子で複合、
強化されるとともに、該中空部の外周側のヘッド部先端
外周面がアルミナ繊維で複合強化された、アルミニウム
合金製のディーゼルエンジン用ピストンを製造する方法
に係る。

【００１２】平均粒径：２７μｍのＳｉＣ粒子を、無機
バインダとしてのコロイダルシリカを１０ｗｔ％及び有
機バインダとしてのＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を
１０ｗｔ％含む水溶液に添加して、スラリー１を製造し
た。また、粉末状の塩化ナトリウムを、圧縮圧力：２０
０ｋｇ／ｃｍ² で金型成形して、断面略正方形状でリン
グ状の塩中子（外径７２ｍｍ、内径５８ｍｍ、高さ７ｍ
ｍ）２を製造した。

【００１３】図１に示すように、塩中子２を上記スラリ
ー１中に１分間浸漬後、取り出した。続いて、室温にて
５時間自然乾燥した後、約６００℃で３０分間焼成し
て、有機バインダとしてのＰＶＡを消失させた。これに
より、塩中子２の周囲の表面全体に、無機バインダとし
てのコロイダルシリカで固定されたＳｉＣ粒子よりなる
厚さ約１ｍｍの補強材層３がコーティングされた（図２
参照）。なお、この補強材層３中におけるＳｉＣ粒子の
体積率は１８％であった。

【００１４】次に、平均繊維径：３μｍ、平均繊維長：
７０μｍのアルミナ繊維（ＩＣＩ社製、商品名：サフィ
ル）を用いて、吸引成形法により、断面略長方形状でリ
ング状の繊維成形体（外径９４ｍｍ、内径７４ｍｍ、高
さ９ｍｍ）４を製造した。この繊維成形体４の内側に、
上記補強材層３を表面に一体的に形成した塩中子２を嵌
合させた後、約４００℃にて約３０分間予熱した。そし
て、これを鋳型５の所定のピストン形状のキャビティ内
にセットした後、直ちに約７５０℃のアルミニウム合金
溶湯（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ）６を注湯し、約１２００ｋｇ
／ｃｍ² の圧力で加圧鋳造した（図３参照）。

【００１５】得られたピストン鋳造品７の裏側から、塩
中子２に達するようにドリルで２個の連通孔８を穿設
し、この連通孔８から水を通すことにより、塩中子２を
溶解、除去して、リング状の中空部９を形成した（図４
参照）。これにより、ピストンヘッド部にピストン冷却
用のオイルギャラリーとしての中空部９を形成すること
ができた。また、中空部９を形成する壁面部はＳｉＣ粒
子により複合強化されるとともに、中空部９の外周側の
ヘッド部先端外周面がアルミナ繊維で複合強化されたピ
ストンを製造することができた。

【００１６】（実施例２）本実施例２は、図５〜図７に
示すように、ヘッド部先端にオイルギャラリー用のリン
グ状の中空部を有し、該中空部を形成する壁面及び該中
空部の外周側のヘッド部先端外周面がアルミナ繊維で複
合強化された、アルミニウム合金製のディーゼルエンジ
ン用ピストンを製造する方法に係る。

【００１７】平均繊維径：３μｍ、平均繊維長：８０μ
ｍのアルミナ繊維（ＩＣＩ社製、商品名：サフィル）
を、実施例１と同様の無機バインダとしてのコロイダル
シリカを１０ｗｔ％及び有機バインダとしてのＰＶＡ
（ポリビニルアルコール）を１０ｗｔ％含む水溶液に添
加して、スラリーを製造した。外径９５ｍｍ、内径５６
ｍｍの２重円筒状で下部がスレンレス製金網１０となっ
ている繊維成形装置１１に上記スラリーを注入した後、
下部のステンレス金網１０を通して水分を吸引した。こ
のとき、スラリー量の調整により、ステンレス金網１０
の上にアルミナ繊維１２を２ｍｍ堆積した。堆積された
アルミナ繊維１２の上に実施例１と同様の塩中子２を配
し（図５参照）、再び上記スラリーを注入し、アルミナ
繊維１２を全体で１１ｍｍ堆積した。このようにして得
た塩中子２を内包したアルミナ繊維成形体を約１２０℃
で約３０分間乾燥後、外径が９４ｍｍとなるように機械
加工にて仕上げた。その後、約６００℃で３０分間焼成
して、有機バインダとしてのＰＶＡを消失させた。これ
により、塩中子２の表面全体に、無機バインダとしての
コロイダルシリカで固定されたアルミナ繊維よりなる補
強材層１３が形成された（図６参照）。なお、この補強
材層１３中におけるアルミナ繊維の体積率は５％であっ
た。

【００１８】次に、上記補強材層１３を表面に一体的に
形成した塩中子２を約４００℃にて約３０分間予熱し
た。そして、実施例１と同様に鋳型５の所定のピストン
形状のキャビティ内にセットした後、直ちに約７５０℃
のアルミニウム合金溶湯（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ）６を注湯
し、約１２００ｋｇ／ｃｍ² の圧力で加圧鋳造した。得
られたピストン鋳造品１４の裏側から、塩中子２に達す
るようにドリルで２個の連通孔８を穿設し、この連通孔
８から水を通すことにより、塩中子２を溶解、除去し
て、リング状の中空部９を形成した（図７参照）。

【００１９】これにより、ピストンヘッド部にピストン
冷却用のオイルギャラリーとしての中空部９を形成する
ことができた。また、中空部９を形成する壁面部及び中
空部９の外周側のヘッド部先端外周面がアルミナ繊維で
複合強化されたピストンを製造することができた。 （実施例３）本実施例３は、図８、図９に示すように、
棹部に中空部を有し、該中空部を形成する壁面がＳｉＣ
ウイスカで複合強化された、アルミニウム合金製のコン
ロッドを製造する方法に係る。

【００２０】平均径：０．５μｍ、平均長：４０μｍの
ＳｉＣウイスカ（東海カーボン社製）を、無機バインダ
としてのコロイダルシリカを３０ｗｔ％含む水溶液に添
加して、スラリーを製造した。また、粉末状の塩化ナト
リウムを、圧縮圧力：２００ｋｇ／ｃｍ² で金型成形し
て、断面略正方形状で柱状の塩中子（９５ｍｍ×１０ｍ
ｍ×１０ｍｍ）２を製造した。

【００２１】この塩中子２の表面全体に、上記スラリー
をスプレー塗布した。続いて、金型にて圧力：０．５ｋ
ｇ／ｃｍ² で圧縮することにより、付着したＳｉＣウイ
スカの形状を整えた後、約１２０℃で２０分間乾燥し
た。これにより、塩中子２の表面全体に、無機バインダ
としてのコロイダルシリカで固定されたＳｉＣ粒子より
なる厚さ約１．５ｍｍの補強材層３がコーティングされ
た（図８参照）。なお、この補強材層３中におけるＳｉ
Ｃ粒子の体積率は１２％であった。

【００２２】次に、上記補強材層３を表面に一体的に形
成した塩中子２を約３００℃にて約３０分間予熱した。
そして、鋳型の所定のコンロッド形状のキャビティ内に
セットした後、直ちに約７６０℃のアルミニウム合金溶
湯（ＪＩＳ ＡＣ４Ｃ）を注湯し、約１２００ｋｇ／ｃ
ｍ² の圧力で加圧鋳造した。得られたコンロッド鋳造品
１５の両側から、塩中子２に達するようにドリルで２個
の連通孔８を穿設し、この連通孔８から水を通すことに
より、塩中子２を溶解、除去して、柱状の中空部９を形
成した（図９参照）。

【００２３】これにより、棹部に中空部９が形成されて
軽量化され、該中空部９を形成したことによる強度低下
を、中空部９を形成する壁面部がＳｉＣウイスカで複合
強化されたことにより補うことのできるアルミニウム合
金製のコンロッドを製造することができた。なお、補強
繊維及び補強粉末については、前記実施例で用いたもの
の他の無機質繊維、無機質粉末や、金属質繊維、金属質
粉末を用いることが可能であり、またこれらの混合物を
用いることも可能である。

【００２４】また、マトリックス金属としても、前記実
施例で用いたアルミニウム合金の他に、塩中子よりも融
点の低い他のマグネシウム、亜鉛、鉛等の純金属や合金
を用いることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の金属基複合
材料の製造方法は、塩中子の周囲に補強材層を一体的に
形成した後、補強材層に金属溶湯を含浸して固化させる
ものであるから、塩中子の補強材層との間に隙間がな
く、金属溶湯を含浸する際に溶湯圧力により補強材層に
亀裂が入ることを極力防止できる。このため、このよう
な亀裂に金属溶湯が侵入することにより、中空部を形成
する壁面で補強材により複合、強化された部分に金属マ
トリックス層が形成されることがなく、該金属マトリッ
クス層に起因する亀裂の発生を極力防止することが可能
となる。したがって、本発明によれば、中空部を有し、
該中空部を形成する壁面が確実に高強度化された金属基
複合材料を製造することができる。

【００２６】また、前述した塩中子と繊維成形体とを組
み合わせる従来の方法では、繊維成形体を塩中子の形状
に合わせて機械加工などにより加工したり、成形したり
しなければならず、コストが高くなる。これに対して、
本発明方法によれば、塩中子の周囲に補強材が分散され
たスラリーを被覆し乾燥することで強化材層を一体的に
形成することから、低コスト化を図ることが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る製造方法において、塩
中子の表面に強化材層を一体的に形成する方法を概略的
に示す説明図である。

【図２】上記実施例１に係り、塩中子の表面に強化材層
を一体的に形成した状態を示す断面図である。

【図３】上記実施例１に係り、加圧鋳造の様子を示す断
面図である。

【図４】上記実施例１の製造方法により製造したピスト
ンの断面図である。

【図５】本発明の実施例２に係る製造方法において、塩
中子の表面に強化材層を一体的に形成する方法を概略的
に示す説明図である。

【図６】上記実施例２に係り、塩中子の表面に強化材層
を一体的に形成した状態を示す断面図である。

【図７】上記実施例２の製造方法により製造したピスト
ンの断面図である。

【図８】本発明の実施例３の製造方法に係り、塩中子の
表面に強化材層を一体的に形成した状態を示す断面図で
ある。

【図９】上記実施例３の製造方法により製造したコンロ
ッドの斜視図である。

【図１０】従来の製造方法に係るピストンの断面図であ
る。

【符号の説明】

２…塩中子 ３、１３…強化材層 ４…
繊維成形体 ５…鋳型 ６…金属溶湯 ８…
連通孔 ９…中空部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空部を有し、該中空部を形成する壁面
   が補強繊維及び補強粉末の少なくとも一種からなる補強
   材により複合、強化された金属基複合材料の製造方法で
   あって、 上記中空部に対応する形状を有する可溶性の塩中子の周
   囲に上記補強材が分散されたスラリーを被覆し乾燥する
   ことで補強材層を一体的に形成する工程と、 該塩中子より融点の低い金属の溶湯を少なくとも該補強
   材層に含浸して固化する工程と、 該塩中子を溶解して除去する工程とからなることを特徴
   とする中空部を有する金属基複合材料の製造方法。