JPS5871346A - 複合材料部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、複合材料部材の製造方法に係り、更に詳細に
は容易に機械加工し得る部分を含む複合材料部材の製造
方法に係る。

複合材料の一つとして、ポロン、炭素、アルミナ、炭化
ケイ素よりなり高強直、高弾性を有する繊維を強化材と
し、純アルミニウムの如き金属又は合金をマトリックス
金属とする繊維強化金属材料（ＦＲＭ）は知られており
、例えば拡散接合法、浸透含浸法、高圧鋳造法の如く、
繊維強化金属材料よりなる複合材料部材の製造方法が従
来より種々提案されている。これらの複合材料部材の製
造方法によれば、比強度の＾い複合材料部材を製造する
ことができる。

しかし、上述の如き従来の製造方法により製造された複
合材料部材に対し穿孔等の機械加工を行うことは一般に
非常に困難である。即ち、上述の如き従来の製造方法に
より製造された複合材料部材に於ては、その内部の実質
的に全域に亙り強化材が充填されており、それらの強化
材は高強度、高弾性を有し且マトリックス金属よりも硬
度の＾い材料よりなっているため、それらの強化材を横
切って孔を穿孔したり切削等の加工を行うことは困難で
ある。またその場合被加工部の表面粗さが著しく、更に
は加エエ興の摩耗が非常に大きいという同一がある。か
かる同一は、比較的切削等の加工が容易である純アルミ
ニウム又はアルミニウム合金をマトリックス金属とし、
比較的切断等の加工が困難であるアルミナ繊維を強化材
とする複合材料部材の場合に特にＩＩＩである。

本発明は、従来の複合材料部材の製造方法により製造さ
れた複合材料部材に於ける上述の如き不具合に１み、機
械加工することを要する部位を容易に機械加工すること
のできる複合材料部材を比較的低コストにて能率良く製
造することができる複合材料部材の製造方法を提供する
ことを目的としている。

かかる目的は、本発明によれば、容易に機械加工し轡る
部分を含む複合材料部材を製造する方法に於て、機械加
工容易な金属片の少なくとも一部が強化材に係止された
状態（て前記強化材を所定形状の強化材成形体に形成し
、前記強化材成形体を鋳型内に配置し、前記鋳型内に溶
融マトリックス金属を導入し、前記溶融マトリックス金
属を前記鋳型内にて加圧しつつ凝固させることを特徴と
する方法によって達成される。

かかる本発明による複合材料部材の製造方法によれば、
機械加工することを要する部位に機械加工容易な金属片
を選択的に埋設し、その部位に強化材が充填されること
を回避することができるので、埋設された機械加工容易
な金属片の部分を加工することにより、機械加工を要す
る部位を容易に加工することのできる複合材料部材を比
較的低コストにて能率良く製造することができる。また
本発明によれば、被加工部の表面粗さを大幅に低減し、
また加工工具の過剰庫耗や損傷を回避することのできる
複合材料部材を製造することができる。

尚、本発明による複合材料部材の製造方法に於て使用さ
れる機械加工容易な金属片は、博−マトリックス金属中
には溜込まず且強化材及びマトリックス金属との両立性
の高い材料よりなるものであるのが好ましい、また本発
明による複合材料部材の製造方法に於ては、個々の強化
材間及び強化材と機械加工容易な金属片との閤に溶融マ
トリックス金属が良好に浸透し、これにより強化材及び
金属片とマトリックス金属との接着性が向上するよう、
鋳型内に溶−マトリックス金属を導入するに先立って、
強化材及び金属片をマトリックス金属の一点以上に加熱
するのが好ましい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を好ましい実施例
について詳細に説明する。

添付の第１図乃至第６図は、自動車用エンジンに組込ま
れるコネクティングロッド及びコネクティングロッドキ
ャップの製造に対し適用された本発明による複合材料部
材の製造方法の一つの実施例の製造工程を示す解図であ
り、特に第１図及び第２図はそれぞれ強化材成形体を示
す正面図及び左側面図、第３図は鋳造装置を複合＠料部
材の鋳造工程にて示す解図的縦断面図、第４図及び第５
１はそれぞれ第３図に示された鋳１１装醒により鋳造さ
れ余剰凝固部を除去することにより形成された複合材料
部材の予１！形体を示す正面図及び左側面図、第６図は
完成されたコネクティングロッド及びコネクテイング０
ツド￥ヤツプを一部破断して示す正面図である。

本発明の製造方法に従って複合材料部材であるコネクテ
ィングロッド及びコネクティングロッドキャップを製造
するには、第１図及び第２図に図示されている如く、先
ずコネクティングロッド及びコネクティングロッドキャ
ップの比強度を向上し得る密度及び配向状態にて、それ
らの外形に沿う所定形状の強化材成形体１を形成する。

この場合強化材成形体１は、図には示されていないが製
造されるべき部材と実質的に同一の形状のケース内に強
化繊維２を配列することにより、又はケイ酸ソーダの如
き無機質のバインダ又はワイヤなどにより複数の強化繊
維２を繊維束３及び４として固定することによって形成
されてよい。

かくして強化材成形体を形成する際、オイル孔及びボル
ト孔の如く、製造される部材にドリル穿孔の如き機械加
工を要する部位に対応する部位にステンレス鋼の如き材
料よりなる機械加工容易な棒状体又はパイプを配置する
。図示の実施例に於ては、オイル孔を穿孔される必要の
ある部位にオイル孔穿孔用パイプ５が配置されており、
またボルト孔を穿孔する必要のある部位にボルト孔穿孔
用ロッド６及び７が配電されている。これらのバイブ５
及び０ツド６．７は繊帷束３及び４の強化繊維２の藺に
その一部を埋設することにより機械的に固定されてもよ
く、またバインダやワイヤなどによって固定されてもよ
い。

かくして強化材成形体１を形成した後、その強化材成形
体を第３図に示されている如き鋳造装置により複合材料
部材の予成形体を鋳造する。第３図に示された鋳造装置
は、成形室８と加圧室９とを有する鋳型１０と、加圧室
９に液密的に嵌合するプランジャ１１とよりなっており
、鋳型１０にはその成形室８及び加圧室９内にて凝固し
た凝固体を鋳型１０より取出すためのノックアウトビン
１２〜１４が設けられている。特に図示の実施例に於て
は、鋳型１０の成形室８は製造されるべきコネクティン
グロッド及びコネクティングロッドキャップと実質的に
同一の形状をなしており、ピストンピンを挿通するため
の孔を郭定する突起１５と、クランクシャフトを受ける
ための孔を郭定する突起１６とを有している。

鋳造に際しては、第１図及び第２図に図示されし、次い
で加圧室９内に溶融マトリックス金属１７を素早く注湯
し、プランジャ１１により溶融マトリックス金属を１０
００ｋｏ／ａＩＰ程度の圧力に加圧し、その加圧状態を
溶−マトリックス金属が完全に凝固するまで保持する。

そして鋳型１ｏ内の溶−マトリックス金属が完全に凝固
した後、その凝固体を鋳型１０より取出し、加圧室９内
に於て凝固した部分をノコ切断などによって除去し、更
にその切断部を所定の外形に成形することにより、第４
図及び第５図に示されている如く、コネクティングロッ
ド１８とコネクティングロッドキャップ１９とが一体的
に形成された予成形体２ｏに形成する。この場合、個々
の強化繊１１２の開及び強化繊維とパイプ５及びロッド
６．７との闇に溶融マトリックス金属１７が良好に浸透
するよう、鋳ＩｊＩＯの加圧室９内に溶−マトリックス
金属を導入するに先立って、強化材成型体１をマトリッ
クス金属の融点以上の８１度に加熱するのが好ましい。

次いで予成形体２０のコネクティングロッド１゛８とコ
ネクティングロッドキャップ１９とを切断線２１及び２
２に沿って切断することにより分離し、その切断面を研
削などによって仕上げる。またコネクティングロッド１
８のスモールエンドに設けられたピストンピン挿通孔２
３、コネクティングロッド１８のラージエンド及びコネ
クティングロッドキャップ１９に設けられたクランクシ
ャフト受は満２４及び２５を７ライス加工などによって
仕上げる。次いでコネクティングロッド１８に埋設され
たオイル孔穿孔用パイプ５をその軸線に沿ってきりもみ
することにより、オイル孔２６を形成する。またコネク
ティングロッド１８及びコネクティングロッドキャップ
１９に埋設されたボルト孔穿孔用０ツド７をドリルなど
によって穿孔し、それぞれにボルト孔２７及び２８．２
９及び３０を穿孔する。更にボルト孔穿孔用ロッド６及
び７の図にて上端面を座ぐり加工することにより、第６
図に示されている如き最終製品としてのコネクティング
ロッド１８及びコネクティングロッドキャップ１９とす
る。尚この場合オイル孔２６のきりもみは省略されても
よい。

第７図は上述の如き本発明による複合材料部材の製造方
法に於て使用されてよい他の一つの鋳造装置を示す解図
的縦断面図、第８図は第７ａｌｌの纏Ｖｌ−Ｖｌによる
解図的平断面図である。

この鋳造装置３１は上型３２と下型３３とよりなってい
る。これら上型及び下型は、図には示されていないラム
装置の如き加圧保持手段により第７図に示されている如
く互に組付けられた状態に雑持されるようｋなっている
。またこれらの上型及び下型は、互に共働して成形室３
４と加圧室３５とを郭定するようになっている。上型３
２には加圧室３５内へ溶融マトリックス金属を注入する
ための湯道３６が形成されている。

加圧室３５は、上型３２に形成されたシリンダボア３７
内を往復動するプランジャ３８を受入れており、このプ
ランジャにより加圧室３５内に導入された溶融マトリッ
クス金属３９が加圧され、これにより成形室３４内に挿
入された強化材成形体１の個々の強化繊維などの閤にＷ
Ｉ−マトリックス金属が浸透せしめられるようになって
いる。

更に下型３３には加圧室３５と連通するシリンダボア４
１が形成されており、このシリンダボアにはそれに沿っ
て往惺動するノックアウトビン４２が挿通されている。

ノックアウトビン４２の上端面は加圧室３５の底面を郭
定している。また下型３３にはノックアウトビン４２と
同期して上下動され成形室３４内に於て凝固した凝同体
を下型３３より取出すためのノックアウトビン４３〜４
５が挿通されている。

この第７図及び第８図に図示された鋳造装置によれば、
これにより鋳造される予成形体の実質的に全ての外周面
が上Ｗ３２及び下型３３により郭定される成形室３４に
よって形成されるので、第３図に図示された鋳造＠置に
よる場合よりも、成形室３４内にて凝固した予成形体よ
り加圧室３５内にて凝固した部分を切断によって除去し
、またその切断部を成形することを容易に行うことがで
きる。

次に本発明による複合材料部材のＩＩ造方法に於て使用
される容易に機械加工容易な金属片の材料としては如何
なる材質のものが適切であるかにつき説明する。

第９図はマトリックス金属として使用されるアルミニウ
ム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｇ）５０内にステンレス線（
ＪＩＳＩ格５ＵＳ３１０Ｓ＞５１を鋳込んだ場合の咳ス
テンレス纏に垂直な断面を１０＠にて示す一微鏡写真、
第１０図は第９図に示されたアルミニウム合金とステン
レス線との界面を１００倍にて示す顕微鏡写真である。

これら第９図及−び第１０図より、ステンレス線とアル
ミニウム合金との界面には明確な境界があることが認め
られる。

第１１図は鉄輪（Ｊ　ＩＳＩＩＩＳＷＭ−８＞５２及Ｕ
スｒンレス輪（Ｊ　Ｉ　５ＪＪｉ格ＳＵＳ　３１０Ｓ　
）５３をアルミナｌｌｌ１（デュポン社＠ＦＰファイバ
）５４内にそのアルミナ繊維の方向に配向して埋設し、
それらをアルミニウム合金（ＪＩＳ規格Ａ０４Ｃ）の融
点以上に加熱した後、該アルミニウム合金をマトリック
ス金属として複合化することにより製造された複合材料
の鉄線などの長手方向に垂直な断面を１０倍にて示す顕
微鏡写真、第１２図は第１１図の鉄線５２と複合材＄１
５６との界面を１００倍にて示す顕微鏡写真である。こ
れら第１１図及び第１２図、特に第１２図より、鉄線５
２と複合材料５６との閣の界面には明確な境界はなく、
鉄線５２の表面がマトリックス金属としてのアルミニウ
ム合金５５中に固溶した部分が存在し、従って鉄線５２
と複合材料５６とが良好に密着していることが解る。

第１３図ハステンレス線ＣＪＩＳｍ格５ＵＳ３１０８）
５７を炭素繊維（東し社顎トレカＭ４０）５８内に咳炭
素繊維の方向に配向して埋設し、それらをアルミニウム
合金（Ｊ　ＩＢＭｍＡＣ４Ｃ，）の融点以上に加熱した
後、咳アルミニウム合金をマトリックス金属として複合
化することにより製造された複合材料６０のステンレス
線５７の長手方向に垂直な１ｉｉｉｉを１０倍にて示す
顕微鏡写真、第１４図は第１３図のステンレス線５７と
複合材料６０との界面を４００倍にて示す顕微鏡写真で
ある。これら第１３図及び第１４図、特に第１４図より
、上述の複合材料５６の場合と同様、ステンレス線５７
の表面がマトリックス金属としてのアルミニウム合金５
９中に固溶した部分が存在し、従りてステンレス線５７
と複合材料６ｏとが良好に密着していることが解る。

第１５図は鉄ＩＩ）６１及びステンレス線６２がアルミ
ナ１１１８６３に対し垂直な方向に配向された点を除き
複合材料５６と同様に製造された複合材料６４の鉄線及
びステンレス線に垂直な断簡を１０倍にて示す顕微鏡写
真、＃１１６図は第１５図のステンレス＄１６２と複合
材料６４との界面を１００倍にて示す顕微鏡写真である
。これら１１５図及び＄１１６ＷＪより、複合材料６４
内にはアルミナ繊Ｈ６３の配向が乱れた領域６５が存在
するが、ステンレス線６２と複合材料６４との界面には
明確な境界がなく、全体としてステンレス線６２と複合
材料６４とが良好に密着していることが解る。

尚、図には示されていないが、ボロン、シリカ、炭化ケ
イ素よりなる強化ｌ１ＩＩＩＩを強化材とし、純アルミ
ニウム、マグネシウム、マグネシウム合金をマトリック
ス金属とする複合材料について上述の実験と同様の実験
を行ったところ、それらについても第９図乃至第１６図
とほぼｗ４４１１の結果が得られた。

以上の各実験結果より、本発明による複合材料部材の製
造方法に於て使用される機械加工容易な金属片の材料と
しては各種炭素鋼やステンレス鋼が適当であり、また鋳
造に先立って機械加工容易な金属片を強化材と共にマト
リックス金属の融点以上の８１度に加熱するのが好まし
いことが解る。

以上に於ては本発明を自動重用エンジンに組込まれるコ
ネクティングロッド及びコネクティングロッドキャップ
をＩＩ造することに対し適用された実施例について詳細
に説明したが、本発明は比強度が高いことを要求される
各種のアームやレバーの如き他の部材の製造（も適用可
能であることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は、自動車用エンジンのコネップの製
造に対し適用された本発明による複合材料部材の製造方
法の一つの実施例の製造工程を示す解図、第７図は上述
の如き本発明による複合材料部材の製造方法に於て使用
されるに好適な一つの鋳造装置を示す解図的ｌ１ｌｉ面
図、第８１！Ｉは第７図の練ｖｍ−ｖｍによる解図的平
断面図、第９図はアルミニウム合金内にステンレス−を
鋳込んだ場合の咳ステンレス線に垂直な断面を１０倍に
て示す顕微鏡写真、第１０ｔ！！ｌは第９Ｆ！Ｊに示さ
れたアルミニウム合金とステンレス線との界面を１００
倍にて示す顕微鏡写真、第１１図は鉄線及びステンレス
線をアルミナ１ＩＩｌｌｌＩ内にそのアルミナ繊維の方
向に配向して埋設し、それらをアルミニウム合金の融点
以上に加熱した後談アルミニウム合金をマトリックス金
属として複合化することにより製造された複合材料の鉄
線などに垂直な断面を１０倍にて示す顕微鏡写真、第１
２図は第１１図の鉄線と複合材料との界面を１００倍に
て示す顕微鏡写真、第１３図はステンレス線を決素繊維
内に咳炭素繊維の方向に配向して埋設し、それらをアル
ミニウム合金の融点以上に加熱した後該アルミニウム合
金をマトリックス金属として複合化することにより製造
された複合材料のステンレス線に垂直なＩＩＩを１０＠
にて示す顕微鏡写真、′第１４図は第１３８のステンレ
ス線と複合材料との界面を４００倍にて示す顕微鏡写真
、第１５図は鉄棒及びステンレス線がアルミナ繊維に対
し垂直な方向に配向された点を除き第１１図及び第１２
図の複合材料と同様に製造された複合材料のステンレス
線などに垂直なｌＩｉ面を１０倍にて示す顕微鏡写真、
第１６図は第１５図のステンレス線と複合材料との界面
を１００倍にて示す顕微鏡写真である。 １・・・強化材成形体、２・・・強化＄１１１１．３．
４・・・騙雑束、５・・・オイル孔穿孔用パイプ、６．
７・・・ボルト孔穿孔用ロッド、８・・・成形室、９・
・・加圧室、１０・・・鋳型＃１１・・・プランジャ、
１２〜１４・・・ノックアウトビン、１５．１６・・・
突起、１７・・・溶融マトリックス金属、１８・・・コ
ネクティングロッド。 １９・・・コネクティングロッドキャップ、２０・・・
予成形体、２１．２２・・・切断線、２３・・・ピスト
ンピン挿通孔、２４．２５・・・溝、２６・・・オイル
孔、２７．２８．２９．３０・・・ボルト孔、３１・・
・鋳造装置、３２・・・上型、３３・・・下型、３４・
・・成形室、３５・・・加圧室、３６・・１道、３７・
・・シリンダボア。 ３８・・・プランジャ、３９・・・溶融マトリックス金
属。 ４１・・・シリンダボア、４２〜４５・・・ノックアウ
トビン、５０・・・アルミニウム合金、５１・・・ステ
ンレス線、５２・・・鉄線、５３・・・ステンレス線、
５４・・・アルミナ繊維、５５・・・マトリックス金属
、５６・・・複合材料、５７・・・ステンレス線、５８
・・・炭素繊維。 ５９・・・マトリックス金属、６０・・・複合材料、６
１・・・鉄棒、６２・・・ステンレス線、６３・・・ア
ルミナ繊維、６４・・・複合材料、６５・・・アルミナ
繊維の配向の乱れた領域 特許出願人　　　　　トヨタ自動串工業株式会社代　　
理　　人　　　　　　　　弁理士　　　明　　石　　呂
　　毅第７図 ３Ｂ →を 第８図 ３ 第　９　図 第１０図 第１２図 第１３図 第１５ ６５　ｓｒ、ｅｓ ｉ− 第１６ 武ス １ｌ− （Ｘ０層　・ に 。 ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 容易に機械加工し得る部分を含む複合材料部材を製造す
   る方法に於て、機械加工容易な金属片の少なくとも一部
   が強化材に係止された状態にて前記強化材を所定形状の
   強化材成形体に形成し、前記強化ＩＩ４成形体を鋳型内
   に配置し、前記鋳型内に溶融マトリックス金属を導入し
   、前記溶融マトリックス金属を前記鋳型内にて加圧しつ
   つ凝固させることを特許とする方法。