JPH10265870A - アルミニウム基複合材料およびその製造方法 - Google Patents

アルミニウム基複合材料およびその製造方法

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JPH10265870A
JPH10265870A JP10093973A JP9397398A JPH10265870A JP H10265870 A JPH10265870 A JP H10265870A JP 10093973 A JP10093973 A JP 10093973A JP 9397398 A JP9397398 A JP 9397398A JP H10265870 A JPH10265870 A JP H10265870A
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ファイクス ヨーゼフ
Achim Sach
ザッハ アヒム
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 繊維プリフォームを溶湯含浸してなるアルミ
ニウム基複合材料であって、繊維プリフォームの溶湯に
対する濡れ性が優れ、アルミニウム材料との間の温度に
よる材料特性の差異が小さいアルミニウム基複合材料お
よびその製造方法を提供する。 【解決手段】 金属および／または金属間化合物からな
る繊維成形体から構成された繊維プリフォームに、好ま
しくは５〜１４％のＳｉを含有するアルミニウム合金溶
湯を含浸する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム基複
合材料、詳しくは、アルミニウムマトリックスと比べて
高い強度と改善された耐摩耗性を有し、アルミニウム合
金に鋳込まれた多孔質繊維プリフォームからなるアルミ
ニウム基複合材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】このようなアルミニウム基複合材料は、
例えばアルミニウム合金からなるシングルあるいはマル
チシリンダブロックの型に形成される。該シリンダにお
いては、Ｓｉメンバーを有するセラミック繊維からな
り、シリンダの摺動面を形成し、亜共晶アルミニウム合
金により含浸される中空シリンダ型の繊維プリフォーム
がシリンダ内に鋳込まれている。この措置によって、シ
リンダ摺動面のトライボロジー特性が改善される。
【０００３】上記の複合材料が機械的負荷を受ける際の
問題点は、Ｓｉ含有量が高いため、シリンダーブロック
を機械加工する場合に工具の摩耗させ、作動時にピスト
ンを摩耗させることである。このような問題は、シリン
ダのアルミニウム合金マトリックスと工具またはピスト
ンとの間の大きな接触面が避けられるように、繊維の割
合およびＳｉ粒子の量を計算することにより低減するこ
とができる。しかしながら、ピストンスカートの摩耗を
許容限界に保つためには、ピストンスカートに鉄の層が
設けられなければならない。
【０００４】従来の複合材料における別の問題点は、材
料の再利用が、繊維の付加的な除去工程を含むコストの
高い再生方法によってのみ可能であるということであ
る。この方法によっても、金属材料と非金属材料の完全
な分離ができず、引き続いて別の処理を行わなければな
らない。
【０００５】さらに、セラミック繊維は、溶融金属に対
して濡れ特性がきわめてわるく、従って、これまで、ア
ルミニウム合金溶湯を凝固点まで３０００バールまでの
高圧下に置く必要があると考えられていた。このこと
は、アルミニウム基複合材料の製造コストを高いものと
する。
【０００６】ヨーロッパ特許公開Ｎｏ．０２７１２２２
号公報に従って製造される、複数の耐火物層からなる射
出成形材においても同様で、炭化ケイ素、窒化ケイ素な
どからなる繊維材料と溶湯とが反応する危険性があるた
め、金属炭化物や金属窒化物が形成されないように、溶
湯の含浸時間を短くしなければならない。
【０００７】セラミックと金属材料の温度特性の差異の
結果として、内燃機関用エンジンのいろいろな運転条件
の下で、ピストンとシリンダ摺動面との間にきわめて不
都合な許容範囲が現れることが、多くの試験により確認
されている。極端な条件下では、ピストンスカートとシ
リンダ摺動面との間に溝条が形成され、別の極端な条件
下では、ブローバイ効果により高いオイル損失を招く。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、アルミニウ
ム基複合材料における上記従来の問題点を解消するため
になされたものであり、その目的は、特にエンジンブロ
ックのシリンダライナーとして用いる場合、従来のアル
ミニウム基複合材料のトライボロジー特性を改善し、温
度による材料特性の差異を互いに調整することにより許
容範囲を狭めることにあり、また従来のアルミニウム基
複合材料の難点を、溶湯含浸時の濡れ特性を改善するこ
とにより除くことにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、請求項に
記載された特徴により達成され、本発明に従って製造さ
れたアルミニウム基複合材料の摩耗特性は、つぎのよう
な効果を与えることができる。
【００１０】（１）第１に、繊維強化材料の摩擦の相手
に対して、温度による強度特性が改善された同じタイプ
の金属材料でペアを組むことが可能となる。 （２）孔の大きさを制御することにより、マトリックス
および繊維部分の容積の配分を変えることが可能とな
り、強度および摩擦ペアが局所的に調整できる。 （３） 極端な場合、摩擦面は完全に繊維材料から製造
され、可視面は完全に金属マトリックスから製造するこ
とができる。
【００１１】上記の極端な場合は、以下の例で説明でき
る。シングルまたはマルチシリンダエンジンの摺動面に
使用される場合、本発明のアルミニウム基複合材料は、
許容差や公差が補整されなければならない時、とくに有
利な特性を備えている。シリンダライナーおよびピスト
ンスカートに同質の材料（含浸材料）を使用することに
より、エンジンのコールドスタート時でも、連続運転中
でも、また加速サイクル中でも、フルスロットル中で
も、使用される材料間に寸法の狂いは確認されなかっ
た。
【００１２】このことは、本発明に従うシングルまたは
マルチシリンダエンジンの摺動面の排気ガス特性がま
た、セラミック繊維のみで強化された従来の複合材料に
比べ、運転域全体にわたってきわめて優れているという
ことである。
【００１３】さらなる長所は、溶湯含浸中の間の優れた
濡れ特性である。金属および／または金属間化合物の繊
維は、とくにアルミニウム鋳造合金による濡れ特性に優
れ、例えば無圧で含浸することができる。このことは、
タイダスト法のような自動化された方法との関連におい
て、とくに重要である。個々のプロセス段階は比較的短
時間で行われることができ、それにもかかわらず、繊維
プリフォームの繊維を完全に濡らすことができる。
【００１４】満足すべき濡れ性は、ダイが完全に充填さ
れ、繊維プリフォームがマトリックス中に十分に固定さ
れることを意味し、従って、本発明による複合材料は、
酸化物繊維を含む従来のダイカストアルミニウム基材料
と比べて少なくとも２倍の寸法安定性を有している。
【００１５】繊維プリフォームの改善された寸法安定性
の結果として、最新の製造プロセスが適用された場合、
高い製造速度を達成することが可能となる。例えば、ダ
イカストプロセスの間に射出圧を同時に高めることによ
り射出速度を大きくすることが可能となり、従って不良
品率が減少し、時間当たりの製造数量は、セラミック繊
維を含む複合材料の３倍以上となる。
【００１６】本発明のアルミニウム基複合材料の繊維の
割合は、各適用分野において負荷される応力に応じて調
整される。傾斜構造（例えば板材の場合、表から裏にか
けて材質が徐々に変化し、表と裏で性質が異なる材料の
構造）や特殊な強度／伸び特性を有する新しい複合材料
を製造することも可能であり、これによって、複雑な形
の部材を製造する場合のコストが低減される。
【００１７】部品が適切に構成されていれば、改善され
た流体特性を有する作動面の機械加工を避けることがで
きる。本発明による方法は、例えばシリンダヘッドにお
いて、高負荷のかかるすべり面も、温度負荷のかかるす
べり面も提供することを可能とする。改善された伸び特
性を有するテンション部品も低コストで製造することが
できる。
【００１８】この場合、重要な要素は、繊維プリフォー
ムの構造、構成および組成であり、繊維プリフォーム
は、孔の大きさが１μｍ〜３ｍｍで、３０〜９７％の範
囲の多孔率をもつ開放孔金属構造からなることができ
る。さらに、多孔質構造の表面粗さを変えることがで
き、これは、多孔質構造に対する溶湯の含浸能力に影響
を与える。粗い構造の場合には、繊維のきわめて良好な
機械的固着が達成され、平滑な繊維表面の場合には、よ
り容易に含浸されることができる。
【００１９】本発明のアルミニウム基複合材料は同種の
成分からなるので、均質な強度構造を有し、きわめて良
好な熱衝撃特性をそなえたものとなる。さらに、金属基
のため、熱伝導度はきわめて高く、とくに内燃機関エン
ジンに好適に使用できる。また、傾斜構造材料におい
て、これまで材料構造が異なることに起因して問題とな
っていた、純金属とアルミニウム基複合材料の間の移行
部分を切削加工および非切削成形する場合に好適であ
る。
【００２０】複合材料からつくられたシリンダライナー
を使用するためには、繊維プリフォームの膨張係数を、
マトリックス金属および基合金に適合させることが必要
であるが、これは、本発明に従うアルミニウム基複合材
料により初めて達成される。本発明においては、金属お
よび／または金属間化合物からなる繊維プリフォーム
が、その組成を変えることにより周囲の金属と適合させ
ることができるからである。他方、多孔質セラミック構
造では、きわめて限定された特性範囲しか有しない。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態を列挙
すると以下のとおりである。 （１）請求項１に記載のアルミニウム基複合材料におい
て、繊維成形体の繊維が交差点で焼結により固定されて
いる。
【００２２】（２）請求項１または上記（１）記載のア
ルミニウム基複合材料において、複合材料が、改良され
た耐摩耗特性を有する少なくとも１つの作動面からな
り、鋳込まれた繊維プリフォームは、作動面に向く側の
多孔率が、作動面から離れた複合材料の側の多孔率より
低くなっている。
【００２３】（３）請求項１、上記（１）〜（２）のい
ずれかに記載のアルミニウム基複合材料において、作動
面が複合材料の繊維プリフォーム構造によって形成され
ている。
【００２４】（４）請求項１、上記（１）〜（３）のい
ずれかに記載のアルミニウム基複合材料において、繊維
プリフォームが、断面からみて、多孔率２０％から９８
％の間の傾斜構造からなる。本発明においては、繊維構
造に傾斜構造を形成することができる。断面からみて、
多孔率が次第に大きくなりまたは小さくなる傾斜構造を
形成することもでき、孔の大きさが次第に大きくなりま
たは小さくなる傾斜構造を形成することもできる。従っ
て、負荷に応じて必要な特性をそなえた複合材料を得る
ことが可能となる。
【００２５】（５）請求項１、上記（１）〜（４）のい
ずれかに記載のアルミニウム基複合材料において、繊維
プリフォームが２０％と９８％の間の多孔率をもつ均質
な領域を含む。
【００２６】（６）請求項１、上記（１）〜（５）のい
ずれかに記載のアルミニウム基複合材料において、繊維
プリフォームが層構造を有し、粗い孔をもつ繊維プリフ
ォーム構造の支持層と細かい孔をもつ繊維プリフォーム
構造の外層を備え、これらの層が互いに焼結により結合
されている。
【００２７】（７）請求項１、上記（１）〜（６）のい
ずれかに記載のアルミニウム基複合材料において、各層
が、異なる化学的および物理的特性を有する繊維から構
成されている。
【００２８】（８）請求項１、上記（１）〜（７）のい
ずれかに記載のアルミニウム基複合材料において、繊維
プリフォームが、酸化し難く、例えばＦｅ：５０〜８５
重量％、Ｃｒ：１０〜３０重量％、Ａｌ：５〜２０重量
％からなるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金の繊維からなり、当該
合金から溶融抽出により長さＬ：０．５〜５ｍｍ、直径
が１〜５０μｍの繊維体を得る。
【００２９】（９）請求項１、上記（１）〜（８）のい
ずれかに記載のアルミニウム基複合材料において、溶融
抽出繊維の製造のために、Ａｌ：７〜４０％を含有する
Ａｌ−Ｎｉ合金が使用される。
【００３０】（１０）請求項１、上記（１）〜（９）の
いずれかに記載のアルミニウム基複合材料において、繊
維の製造のために、Ｆｅ−Ｎｉ−Ａｌ合金が使用され
る。
【００３１】（１１）請求項１、上記（１）〜（１０）
のいずれかに記載のアルミニウム基複合材料において、
繊維成形体の繊維が、ＡｌＦｅ、ＡｌＴｉ、ＡｌＮｉ系
のアルミニウム金属間化合物からなる。繊維を形成する
Ｆｅ基およびＮｉ基材料、あるいはＦｅ、Ｎｉ、Ｔｉと
Ａｌのアルミニウム金属間化合物、Ｗ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍ
ｇの金属間化合物は、摩耗特性を改善するために使用さ
れる。最適の組合わせを選択することによって、低比
重、良好な熱伝導度、優れた耐食性、良好な切削性など
特定の特性を効果的に組合わせることが可能である。
【００３２】（１２）請求項２に記載のアルミニウム基
複合材料の製造方法において、繊維プリフォームは、金
属繊維の方向を適切に配向した繊維成形体から構成さ
れ、繊維の交差点が焼結されている。
【００３３】（１３）請求項２または上記（１２）に記
載のアルミニウム基複合材料の製造方法において、溶湯
含浸が重力鋳造により行われる。
【００３４】（１４）請求項２、上記（１２）〜（１
３）のいずれかに記載のアルミニウム基複合材料の製造
方法において、溶湯含浸が、湯口速度が５ｍ／秒を越え
るダイカスト法により行われる。
【００３５】（１５）請求項２、上記（１２）〜（１
４）のいずれかに記載のアルミニウム基複合材料の製造
方法において、ダイカスト合金がダイカスト鋳型内の繊
維プリフォームに最低８０バールの圧力で含浸される。
【００３６】（１６）請求項２、上記（１２）〜（１
５）のいずれかに記載のアルミニウム基複合材料の製造
方法において、繊維プリフォームが２０〜９８％の開放
孔の多孔率を備え、層形成時の繊維形状および繊維方位
により孔の制御が行われる。
【００３７】（１７）請求項２、上記（１２）〜（１
６）のいずれかに記載のアルミニウム基複合材料の製造
方法において、繊維プリフォームの孔の大きさが、繊維
プリフォームの単位容積当たりの繊維含有量により、２
０〜１０００μｍの範囲に調整される。
【００３８】（１８）請求項２、上記（１２）〜（１
７）のいずれかに記載のアルミニウム基複合材料の製造
方法において、溶湯含浸が圧力鋳造法で行われ、圧力
が、繊維材料とマトリックスの間に拡散層が形成される
まで維持される。
【００３９】（１９）請求項２、上記（１２）〜（１
８）のいずれかに記載のアルミニウム基複合材料の製造
方法において、アルミニウム溶湯が含浸される間または
アルミニウム溶湯が含浸された後、下記のグループの１
または２以上の金属から選ばれたマトリックス材料が繊
維プリフォームの周りに鋳造される。Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ
のアルミナイド（ＡｌＦｅ、ＡｌＮｉ、ＡｌＴｉ系金属
間化合物）、Ｗ、Ｃｕ、Ｃｏおよび／またはＭｇの金属
間化合物と組合わせたＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｚｎ合金（鋳
造材料）
【００４０】
【実施例】以下に、発明の技術思想、有用性を示すため
に、本発明のアルミニウム基複合材料の製造例およびい
くつかの特定の適用例について説明する。とくに、適用
例として、本発明の複合材料を軸受材料として適用した
場合（図２）、シリンダ摺動面として適用した場合（図
３）、バルブシートとして適用した場合（図４）を示
す。
【００４１】図１にみられるように、プロセス段階Ａで
は、繊維成形体９が、加熱炉１０内で焼結されることに
より結合され固定された構造とされる。繊維成形体９は
冷却され、繊維プリフォーム１１となる。
【００４２】プロセス段階Ｂにおいて、マトリックス材
料１２を形成するアルミニウム合金は、繊維プリフォー
ム１１の周りに鋳造され、製造されたアルミニウム基複
合材料１３は、軸受材料として使用され、シリンダ摺動
面あるいはバルブガイドに適用される。
【００４３】実施例１ アルミニウム基複合材料１３が軸受材料として使用され
る場合は、つぎのような構成が提案される。すなわち、
図２に示すように、シャフト１および軸受けブッシュ
（軸套）２がアルミニウム合金からなり、具体的には、
シャフト１は展伸用アルミニウム合金、軸受けブッシュ
２は、溶湯含浸された繊維プリフォームの形での鋳造用
アルミニウム合金からなる。この組合わせは同種の材料
がペアとなることを意味する。外側カバー３は、例え
ば、溶接の容易なＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｚｎ
−Ｍｇ系合金にような純マトリックス金属から構成する
ことができる。
【００４４】実施例２ 本発明の材料がシリンダ摺動面に適用される場合は、図
３に示すピストン４とライナー５の材料ペアに改善され
た摺動特性を実現することができる。例えば、ピストン
４はアルミニウムからなり、シリンダ摺動面（ライナー
５）は、溶湯含浸されたアルミニウム基傾斜材料からな
る。溶湯含浸された繊維プリフォームの外層はピストン
の外層とほとんど同じ熱膨張特性を有するため、クリア
ランスの調整は必要がない。
【００４５】実施例３ 第３の適用例においては、図４に示すように、バルブシ
ートおよびバルブ６は異なる材料から製造される。バル
ブ材料は、良好な強度特性と高い耐熱性が要求されるた
め、例えば鋼からなり、バルブガイド７は、アルミニウ
ム基合金で含浸された傾斜材料から製造される。後者の
摩耗特性は、傾斜構造により、バルブ軸８の摩耗特性に
適合させることができる。
【００４６】
【発明の効果】上記の実施例に示されるように、エンジ
ン固有の運動特性およびエンジン特有の摩耗特性は、実
施例に記載される材料をペアで使用することにより著し
く改善される。運動能力が一定の摩耗特性と安定した許
容差により大いに改善されることが期待できる。
【００４７】さらに、オイル消費と排気ガス特性が、本
発明の複合材料が使用される領域において改善される。
この成果は、使用される材料のトライボロジー特性と排
気ガス特性が相互に密接に関係しているという認識に起
因している。オイルの粘着性は、本発明の複合材料の特
殊な表面の結果として改善される。
【００４８】本発明の複合材料の摩耗特性は、摩耗特性
がきわめて良好なニッケル・カルシウム・シリケート層
の摩耗特性に匹敵する。膨張特性はセラミック複合材料
にほど等しい。耐酸化性合金を用いることにより、繊維
プリフォームの溶湯含浸はきわめて有利であり、複合材
料の完全な濡れが得られる。
【００４９】本発明の複合材料の特定の構造を達成する
ために、指向性のある繊維構造を用いることが可能であ
る。例えば、繊維を磁気的に予め決められた形に指向す
る。この方法で、個々の繊維が荷重が負荷される方向に
並ぶよう、非対称性の繊維プリフォームを製造すること
が可能である。
【００５０】溶湯含浸される繊維プリフォームおよびマ
トリックスには多くの適用と異なる合金組成があるにも
かかわらず、本発明の複合材料は、容易にリサイクルす
ることができ、これまで要求された複雑な精錬法や非セ
ラミック繊維の分離工程はもはや不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】繊維成形体から繊維プリフォームをつくり、さ
らにアルミニウム基複合材料を製造する工程を示す説明
図である。
【図２】本発明の複合材料を軸受に適用する場合を示す
一部断面図である。
【図３】本発明の複合材料をシリンダ摺動面に適用する
場合を示す一部断面図である。
【図４】本発明の複合材料をバルブシートに適用する場
合を示す一部断面図である。
【符号の説明】
１ シャフト ２ 軸受けブッシュ（軸套） ３ 外側カバー ４ ピストン ５ ライナー（シリンダ摺動面） ６ バルブ ７ バルブガイド ８ バルブシャフト ９ 繊維成形体 10 加熱炉 11 繊維プリフォーム 12 マトリックス材料 13 アルミニウム基複合材料

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アルミニウム合金内に鋳込まれた多孔質
    繊維プリフォームからなり、アルミニウムマトリックス
    より高い強度と改善された耐摩耗性を有するアルミニウ
    ム基複合材料において、繊維プリフォームが金属構造お
    よび／または金属間化合物構造からなる繊維成形体から
    構成され、該繊維プリフォームに、５〜１４重量％Ｓｉ
    を含有するアルミニウム合金の溶湯が含浸されているこ
    とを特徴とするアルミニウム基複合材料。
  2. 【請求項２】 アルミニウム合金が含浸された多孔質繊
    維プリフォームからなるアルミニウム基複合材料の製造
    方法において、金属および／または金属間化合物の繊維
    成形体から構成される繊維プリフォームの繊維を予め均
    一構造または傾斜構造が得られるよう配列して、強固な
    多孔質繊維プリフォームを形成するよう焼結によって結
    合し、形成された繊維プリフォームを２００℃を越える
    温度に加熱した後、該繊維プリフォームにＳｉを含有す
    るアルミニウム合金の溶湯を含浸することを特徴とする
    アルミニウム基複合材料の製造方法。
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