JPS5893837A - 複合材料及びその製造方法 - Google Patents

複合材料及びその製造方法

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JPS5893837A
JPS5893837A JP56191919A JP19191981A JPS5893837A JP S5893837 A JPS5893837 A JP S5893837A JP 56191919 A JP56191919 A JP 56191919A JP 19191981 A JP19191981 A JP 19191981A JP S5893837 A JPS5893837 A JP S5893837A
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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、複合材料及びその製造方法に係り、更に詳細
にはアルミナ−シリカ系繊維を強化材とする繊維強化軽
合金複合材料及びその製造方法に係る。
自動車や航空機等に於ては、燃料消費量の低減などによ
る省エネルギ化や運転速度の高速化などを図るべく、そ
れらの−成部材を軽量化する各種の試みがなされている
。かかる構成部材の軽量化を連成する一つの手段として
、それらの部材をアルミニウム合金やマグネシウム合金
の如き軽合金材料にて構成することが考えられるが、こ
れらの軽合金材料のみよりなる部材に於ては充分な強度
、耐摩耗性、耐焼付性等を得ることは困難である。
そこでアルミナ−シリカ系繊維、結晶化ガラス繊維、ス
テンレス繊維等を強化材としアルミニウム、マグネシウ
ム、及びそれらの合金等をマトリックスとする複合材料
にて各種の部材を構成する試みがなされている。
しかし、上述の如き無機質繊維はマトリックスとしての
アルミニウム合金等に比べはるかに硬い。
ため、それらを強化材とする複合材料に於ては、切削等
の加工が非常に困難であり、またそれに当接して相対的
に摺動する他の部材の摩耗量を増大させるなどの種々の
問題がある。これらの問題は、皮肉にもアルミニウム合
金等との両立性が^く耐熱性等にも優れたアルミナ−シ
リカ系繊維を強化材とする複合材料に於て特に顕著であ
る。即ち、アルミナ−シリカ系繊維の集合体は一般に種
々の大きさの非−線化粒子(ショット)を5’Qwt%
程度含んでおり、それらの非繊維化粒子は繊維の直径に
比して著しく大きい粒径な有し且非常に硬いものである
ため、かかるアルミナ−シリカ系繊維を強化材とする複
合材料に於ては、加工が非常に困難であり、また相手材
に異常摩耗を発生させたりするという穫々の問題がある
本願発明者等は、無機質繊維を強化材とし、アルミニウ
ム合金等をマトリックスとする従来の複合材料に於ける
上述の如き不具合に鑑み、種々のアルミナ−シリカ系繊
維を強化材としアルミニウム合金等をマトリックスとす
る複合材料を製造し、それらの複合材料について種々の
実験的研究を行なった結果、強化材としてのアルミナ−
シリカ系繊維集合体に含まれる非繊維化粒子の総量やカ
サ密度などがある特定の範囲に維持される必要のあるこ
とを見出した。また本願発明者等は上述の如き特定の特
徴を有するアルミナ−シリカ系繊維集合体を強化材とし
、アルミニウム合金等をマトリックスとする複合材料を
能率良く製造するためには、アルミナ−シリカ系繊維集
合体の圧縮強度などがある特定の範囲に維持される必要
があり、また所要の圧縮強吹を得るために使用される無
機質バインダーの量がある特定の範囲に維持される必要
のあることを見出した。
本発明は、本願発明者等が行なった上述の如き種々の実
験的研究の結果得られた知見に基き、加工性及び耐摩耗
性の如き機械的性質や耐熱疲労性及び熱伝導性の如き熱
的性質に優れ、しかも相手材に対する摩擦摩耗特性にも
優れた複合材料を提供することを主要な目的としている
本発明の他の一つの目的は、上述の如き優れた種々の性
質を有する複合材料を債串良く製造することのできる製
造方法を提供することである。
これらの目的は、本発明によれば、アルミナ含有率が4
’Qwt%以上であるアルミナ−シリカ系繊維よりなる
繊維集合体であって、含有する非繊維化粒子の総量が1
7wt%以下であり、粒径150μ以上の非繊維化粒子
含有率が7wt%以下であり、繊維集合体のカサ密度が
0.08〜0.3Ω/C■3であるsin集合体を強化
材とし、アルミニウム、マグネシウム、それらの合金よ
りなる群より選択された金属をマトリックスとする複合
材料、及びアルミナ含有率が4’Qwt%以上であるア
ルミナ−シリカ系繊維よりなる繊維集合体であって、含
有する非繊維化粒子の総量が17wt%以下であり、粒
径150μ以上の非繊維化粒子含有率が7111t%以
下であり、カサ密度が0.08〜0.3 MO−3であ
る繊維集合体を用意し、談議維集合体の圧縮強度が0.
2ko/i以上となるよう個々のアルミナ−シリカ系繊
維を無機質バインダーにて結合し、かくして処理された
繊維集合体を鋳型内に配電し、該鋳型内にアルミニウム
、マグネシウム、それらの合金よりなる群より選択され
た金属の溶湯を注湯し、該Imを前記鋳型内にて加圧し
つつIIIさせる複合材料の製造方法によって達成され
る。
かかる本発明による複合材料及びその製造方法によれば
、アルミニウム合金等が耐摩耗性に優れたアルミナ−シ
リカ系繊維集合体にて強化されるので、耐摩耗性に優れ
た複合材料を得ることができ、またアルミナ−シリカ系
繊維に含まれる非常に硬い非繊維化粒子の総量が17w
t%以下に維持され、また粒径15’Oμ以上の比較的
大きな非繊維化粒子の含有率が7wt%以下に維持され
るので、従′来の同種の複合材料に比して加工性に優れ
た複合材料を得ることができる。また本発明によれば、
アルミナ−シリカ系繊維集合体のカサ密度は0゜08〜
0.3 Maw”に維持されるので、耐摩耗性に優れて
おり、しかも冷熱サイクルを受ける部分強化複合材料の
場合にもその複合部と非複合部との圀などに亀裂を生じ
ることがなく、またアルミニウム合金等と実質的に同等
の熱伝導性を有する複合材料を得ることができる。
また本発明による複合材料の製造方法によれば、上述の
如く優れた機械的性質及び熱的性質を有する複合材料を
、アルミナ−シリカ系繊維集合体の圧縮変形等を生じる
ことなく能率良く製造することができる。
アルミナ−シリカ系繊維は一般にガラス繊維、シリカ−
アルミナ繊維、アルミナ繊維に大別される。これらの繊
維のうちアルミナの含有量が40wt%以下であるガラ
ス繊維は耐熱温度が低く、複合に際しアルミニウムやマ
グネシウムの1mlと反応することにより劣化するので
、複合材料の強化材としては好ましくない。これに対し
アルミナの含有量が4’Owt%以上である所謂シリカ
−アルミナ繊維やアルミナ繊維は耐熱m度も高り、ll
l1の劣化も生Cにくいものである。従って本発明に於
て使用されるアルミナ−シリカ系繊維はアルミナの含有
率が4’Owt%以上のアルミナ−シリカ系繊維、即ち
シリカ−アルミナ繊維及びアルミナ繊維である。
しかし、これらの繊維の集合体中には、その製法上人な
り小なり非繊維化粒子が含まれている。
これらの非繊維化粒子はその硬さがHv −5’O’0
以上であり、またその大きさも直径数μの繊維に比べ数
十〜数百μと非常に大きなものである。このためかかる
非繊N4b粒子を含有する繊維集合体を強化材とする複
合材料は加工性が非常に悪く、それに当接して相対的に
摺動する′相手部材を過剰に摩耗したり、更には非繊維
化粒子がマトリックスより脱落することにより相手部材
にスカッフィング等の弊害を発生させることがある。従
ってこれらの問題を解消するためには、シリカ−アルミ
ナ繊維又はアルミナ繊維よりなる繊維集合体中に含まれ
る非繊維化粒子の總−は17wt%以下、好ましくは1
’Owt%以下に抑えられなければならず、また粒径1
50μ以上の非繊維化粒子の含有率は7wt%以下、好
ましくは211Ft%以下に抑えられなければならない
また上述の如く種々の優れた特徴を有するシリカ−アル
ミナ繊維やアルミナ繊維の特徴を活かし、これにより耐
摩耗性等に優れた複合材料を製造するためには、それら
の繊維よりなる繊維集合体のカサ密度は’O、’08 
Q101k”以上であることが必要である。しかし繊維
集合体のカサ密度が0.397C1”を越える場合には
、相手部材の摩耗が著しく増大し、また特に冷熱サイク
ルを受ける局部複合部材の場合には、マトリックスと強
化繊維との熱膨張係数の相違により、複合部と非複合部
との境界部などに熱疲労亀裂が発生するなどの不具合を
生じる。従って繊維集合体のカサ密度は0゜3 MO1
3以下、好ましくは0.25 Mol”以下に制限され
なければならない。
上述の如きアルミナ−シリカ系繊維集合体を強化材とし
アルミニウム合金等をマトリックスとする複合材料を製
造する方法としては、アルミナ−シリカ系繊維が均一に
充填された複合材料を能率良く製造することができ、ま
た必要に応じて所定部位のみを局部的に複合化し得ると
いう点から、高圧鋳造法又は溶湯鍛造法が優れている。
これらの方法に於てはマトリックス金属のmlが200
〜1 ’O’O’OkQ/ cm”程度の圧力にて加圧
されることにより繊維集合体の個々の繊維間に浸透せし
められるので、繊維集合体はマトリックス金属WImよ
り受ける圧縮力に耐え得る強度を有していなければなら
ない。さもなくば繊維集合体が圧縮変形し、所定部位に
所定密度にて繊維を充填することができなくなる。従っ
て繊維集合体は、マトリックス金属5yniより受ける
圧縮力に耐え得るよう、その圧輸強さが0.2kM−以
上、好ましくは0.5kQ/a1以上である必要がある
かくして繊維集合体の圧縮強度を向上させる一つの手段
として、個々の強化繊維の繊維径を大きくすることり考
えられるが、繊維径の大きい強化繊維にて繊維集合体を
形成する場合には密度むらが生じ易く、また所定形状の
繊維集合体に形成することが困難であるという問題があ
る。従って繊1111合体は、比較的高温のマトリック
ス金属溶湯に曝されてもその結合力を失うことのない無
機質バインダーによって個々の繊維が結合されることに
より、その圧縮強度が上述の好ましい値とされることが
好ましい。かかる無機質バインダーとしては乾燥により
固化するコロイダルシリカ、コロイダルアルミナ、水ガ
ラス、セメント、リン酸アルミナ溶液などが好ましく、
これらの無機質バインダーはそれらの無機質バインダー
中に強化繊維を分散させ、その混合液を攪拌し、その混
合液中の強化繊維を真空成形法などによって繊維集合体
とし、更にそれを乾燥又は焼成することにより、強化繊
維に適用されてよい。
但し、無機質バインダーとしてのシリカはアルミナ−シ
リカ系繊維又はアルミナ繊維中に含まれるシリカと興な
り、マトリックスとしてのアルミニウム合金等と反応し
、その結果複合材料の種々の性質に悪影響を及ぼすこと
があるので、繊維集合体中に含まれる無機質バインダー
又はその成分としてのシリカの量は20wt%以下、好
ましくは15wt%以下に制限される必要がある。
尚、繊維集合体の個々の繊l砺配向は三次元的に全くラ
ンダムであることが望ましいが、かくして強化繊維を配
向する方法は未だ開発されていない。現状ではx −y
−z直交座標に於て強化繊維がx−y平面内に於てはラ
ンダムに配向され2軸方向に積み重ねられた状態の配向
が一般的に採用されている。かくして強化繊維が配向さ
れた複合材料に於ては、X−Z平面及びy−z平面の耐
摩耗性はX−y平面の耐摩耗性よりも僅かに優れている
が、耐摩耗性以外の機械的性質や熱的性質についてはX
方向及びy方向と2方向との間には実質的な差異は生じ
ない、従うて本発明による複合材料及びその製造方法に
於ては、特に耐摩耗性に優れていることを要する面が上
述のy−z平面又はX−Z平面に相当する面となるよう
、アルミナ−シリカ系繊維が配向されることが好ましい
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。
111 下記の表1に示す種々の強化繊維を用いて複合材料を製
造した。尚表1に於てA1−Asはイソ−ライト・バブ
コック耐火株式会社製シリカ−アルミナ繊維(商品名「
カオウール」)であり、BI及びB!は電気化学工業社
製のアルミナ繊維(商品名「アルセン」)であり、Cは
IC1社観アルミナ繊維(商品名「サフィル」)である
まず上述の各強化繊維をそれぞれコロイダルシリカ中に
分散させ、そのコロイダルシリカを攪拌し、かくして強
化繊維が均一に分散されたコロイダルシリカより真空成
形法により第1図に示されている如< 80 x 8 
’Ox 20■lの繊維集合体1を形成し、更にそれを
600℃にて焼成することにより個々の強化繊維2をシ
リカにて結合させた。
この場合、第1図に示されている如く、個々の強化繊維
2はx−y平面内に於てはランダムに配向され、2方向
に積腫ねられた状態に配向された。
次いで第2図に示されている如く、繊維集合体2を鋳型
3のモールドキャピテイ4内に配置し、該モールドキャ
ピテイ内にアルミニウム合金(J■SII格AC8A)
(F)溶s5を注湯し、該smを鋳gI3に嵌合するプ
ランジャ6により10’O’Okり/c/の圧力に加圧
し、その加圧状態を溶ll15が完全に凝固するまで保
持し、かくして外径11’Omg+高さ5〇−霞の°円
柱状の凝固体を鋳造し、更に該凝固体に対し熱処理下T
を施して、第3図に示されている如く、局部的に強化繊
維にて複合強化された複合材料7を製造した。
上述の複合材料7より強化繊維にて強化された部分のみ
よりなる摩耗試験片、回転曲げ疲労試験片、熱伝導試験
片を機械加工によって作成した。
かくして複合材料7より各試験片を切り出す際、超硬バ
イトを用いて切削速度15’OI/−In 、送り0.
03■−7回転、クーラント水にて一定量の切削を行な
い、その場合の超硬バイトの摩耗lを測定した。その測
定結果を第4図に示す。この第4図より、非繊維化粒子
の総量が比較的多くまた粒径150μ以上の非繊維化粒
子も比較的多量に含まれている繊維A+及びBlを強化
材とする複合材料は、他の複合材料に比して被剛性が悪
く、従って被剛性に優れた複合材料とするためには、非
繊維化粒子の総量が1フwt%以下、好ましくは1<)
wt%程度以下に抑制され、また150μ以上の非繊維
化粒子の含有量は7wt%以下、好ましくは2wt%程
度以下−−制される必要のあることが解る。
次に繊維As18m、Cにて強化された複合材料よりな
る摩耗試験片を順次摩擦摩耗試験機にセットし、相手部
材である球状黒鉛鋳鉄(JIS規格F CD 70’)
製の円筒試験片の外周面と接触させ、それらの試論片の
接触部に常易(20℃)のms油(キャッスルモータオ
イル5W−30)を供給しつつ、接触面圧20kg/1
m1%滑り速度0゜3 s/ sec、にτ1詩開目筒
試験片を回転させる摩耗試験を行なった。尚比較のため
アルミニウム合金(JISII格AC8A>のみよりな
り熱処理TTを施された摩耗試験片(八〇)についても
同様の摩耗試験を行なった。この摩耗試論の結果を第5
図に示す。尚第5図に於て、上半分は摩耗試験片の摩耗
量(摩耗**さμ)を表わしており、下半分は相手部材
である円筒試験片の摩耗量(摩耗減量1(1)を表わし
ている。
この第511より、アルミナ−シリカ系繊維にて複合強
化された複合材料はアルミニウム合金のみよりなる試験
片よりもその摩耗量が大きく低減されており、従って耐
摩耗性に優れていることが解る。またこの場合複合材調
の耐摩耗性、竺アルミナの含有量が高くなればなるほど
向上するが、それに伴って相手部材の摩耗量も増大する
ことが解る。
また繊維As 、As 1B重、am 、Gにて強化さ
れた複合材料よりなる疲労試験片、及びアルミニウム合
金のみよりなり熱処1! T rを施された試験片(八
〇)について、各試験片をその軸線の周りに回転させつ
つそれに垂直な方向に荷重をかけ、破断に至るまでの荷
重と回転数との関係を求める回転曲げ疲労試論を行なっ
た。第6図はこの回転曲げ疲労試験の結果得られたS−
N曲線より101回転に耐える疲労強度を室II(20
℃)及び250℃にpいて示すグラフである。
この第6図より、繊維AI、BIにて強化された複合材
料よりなる試験片は室温及び250℃何れの濃度に於て
も、他の複合材料よりなる試験片に比べ疲労強度が著し
く低いことが解る。
更に繊維As 、Bi、Cにて複合強化された複合材料
よりなる熱伝導試験片についてそれぞれの熱伝導率をa
wit、た、また比較の目的でアルミニウム合金のみよ
りなり熱処I T rを施された試麟片(A・)、及び
ニレジスト鋳鉄よりなる試験片(N>についても同様に
熱伝導率を測定した。その測定結果を第7図に示す。
この第7図より、強化繊維にて複合強化された複合材料
よりなる試験片は何れもアルミニウム合金のみよりなる
試験片に比べ熱伝導率が僅かに小さいが、ニレジスト鋳
鉄に比べはるかに優れていることが解る。*た同じ複合
材料の中でも強化繊維のアルミナ含有率が高いものほど
熱伝導率に優れていることが解る。
東1」Lし 平均繊維径3.4μのアルミナ繊維(94,8wt%A
 l t Os s 5 、2wt%810t )を用
い、無機質バインダーとしてのシリカの含有量を変化さ
せることにより、下記の表2に示されている如く圧縮強
度が種々の値に設定された繊維集合体(カサ密度0.1
50 /am’ )を製作′した。尚ここに繊維集合体
の圧縮強度とは第1図のX方向又はy方向の圧縮強度(
klJ/a/)をいう。
創−り これらの繊維集合体を強化材として上述の実施例1と同
様の要領にて複合材料を製造し、それらの複合材料を破
断して繊維集合体の圧縮変形度合を測定した。その結果
繊維集合体の圧縮強度が1゜9 ko/−以上の繊維集
合体は圧縮変形を全く生じていないが、圧縮強度が0.
6kO/c/の繊維集合体Csは5%以内の圧縮変形を
生じており、圧縮強度が0.2ko/1mlの繊維集合
体C6は10%以内の圧縮変形を生じており、圧縮強度
が0.1ka/♂であ番繊維集合体C7は20〜50%
の圧縮変形を生じていることが認められた。また上述の
如く製造された複合材料の断面を光学顕微鏡にて観察し
たところ、それぞれ第8図及び第9図に示す如く、無機
質バインダーとしてのシリカの含有量が15wt%以下
では空洞等のない正常な組織であるが、シリカの含有量
が2’Qwt%以上、特に30wt%以上の場合には複
合材料内にマトリックスの溶湯が浸透していない空洞部
を含む異常組織が存在していることが認められた。
尚、無機質バインダーとして水ガラス、セメントを用い
て上述の試験と同様の試験を行なったところ、上述の試
験結果と同様の試験結果が得られた。
! 下記の表3に示されている如く、平均繊維径2゜8μの
シリカ−アルミナ繊維(47,3wt%A1t Os 
、 52.6wt%810! )を種々の力を密度にて
80 X 8 ’OX 2 ’O■lの繊維集合体(非
繊維化粒子の輪量6,3vt%、無機質バインダーとし
てのシリカ含有量i’ovt%)に形成し、上述の実施
例2の場合と同様の要領にて外1!110+■、高さ5
0−の複合材料を製造し、手の複合材料に対し熟処II
 T rを施した。この複合材料よりシリカ−アルミナ
繊維にて強化された部分のみよりなる摩耗試験片を切り
出し、上述の実施例1の場合と同様の要領及び試験条件
にて摩耗試験を行なった。
尚比較のためアルミニウム合金のみよりなり熱処理Tr
を施された試験片(A・)についても同様の摩耗試験を
行なった。この摩耗試験の結果を第10図に示す。尚第
10図に於て、上半分は摩耗試験片の摩耗量(摩耗痕深
さμ)を表わしており、下半分は相手部材である円筒試
験片の摩耗量(摩耗減量U)を表わしている。
この第10図より、カサ密度が’O、’05 Mcmコ
の場合には複合材料の耐摩耗性は非常に小さく、またカ
サ密度の増大につれて複合材料の耐−純性も増大するが
、カサ密度$0.34 cl/am’の場合には相手部
材の摩耗量が著しく増大し、また力サ密度の減少と共に
相手部材の摩耗量も減少し、従って強化細線としてのシ
リカ−アルミナ繊維業合体のカサ密度は0.08〜0.
3g/cI2、好ましくはO,’08〜0.250/a
m3であることが好ましいことが解る。
また上述の表3に示されたカサ密度にて外径95會−1
内!!75−1高さ10−のシリカ−アルミナ繊維集合
体を形成し、上述の実施例2の場合と同様の要領にて直
径110+n、高さ5’Osv+の複合材料を製造し、
その複合材料に対し熱処理T7を施した。次いで第11
図に示されている如く、この複合材料より複合部8と非
複合部9とよりなる直径92−m厚さ5■の円板状の試
験片を切り出し、この試験片に対し炉中にて10分閤3
50℃に保持した後直ちに5分間水冷する冷熱サイクル
を繰返す熱疲労試験を行ない、熱疲労亀裂を生じるまで
の冷熱サイクルの回数・求めた。その結果を第12図に
示す。
この第12図より、繊維集合体のカサ密度が0゜349
101’である複合材料(Au)は熱疲労亀裂を生じる
までの冷熱サイクルの回数が著しく小さく、従って耐熱
疲労性が小さいのに対し、繊維集合体のカサ密度が比較
的小さい複合材料(Am、As5qA+s)は耐熱疲労
性に優れていることが解る。尚複合材料A II及びA
u+は350回の冷熱サイクルを経た時点に於ても熱疲
労亀裂は発生しなかった。
第13図は複合材料(An)の複合部8と非複合部9と
の間に発生した熱疲労亀裂10を3倍にて示す拡大写真
である。
上掲の表1に示された種々のアルミナ−シリカ系繊維を
用いて、第14図に示されている如く外1195g+s
、内径75■−1高さ25−のリング状の繊維集合体を
形成した。尚多繊維集合体は10〜12wt%のシリカ
によりその圧縮強度が2.0〜3.5ko/aIとなる
よう強化された。
次いで第15図に示されている如く、かくして形成され
た繊**合体11を鋳型12の下型13の底W14上に
載習し、その鋳型内にアルミニウム合金(JISjl格
AC8A)(F)11s15を注湯し、その溶湯を上型
16により1000ka/alの圧力に加圧することに
より、繊維集合体11をアルミニウム合金溶湯15にて
含浸させ、その加圧状態をアルミニウム合金溶湯が完全
に凝固するまで保持した。次いでかくして製造された図
には示されていないピストン粗形材に対し熱処理T7を
施し、研削等の機械加工を施して、第16図に示されて
いる如く外径が90−であり、軸線17の方向に見てピ
ストンヘッド18よりトップリング溝1−9の底!!2
0の下方2−一まで、半径方向に見てトップランド21
及びセカンドランド22の外周面より半径方向内方7.
5g+nまでの範囲がアルミナ−シリカ系繊維にて部分
的に複合強化された最終−品としてのピ′ストンとした
上述の如く製造された各ピストンについて球状黒鉛鋳鉄
(JIS規格F CD 70)製のシリンダライナ及び
トップリングとの相性を確かめるべく、各ピストンを4
気筒4サイクルデイーゼルエンジン(圧縮比:21.5
、排気量:2198cc)に組込み、下記の表4に示す
試験条件にて試験運転を行なった。
使用燃料:       軽油 エンジン回転数:   48’OO回転(20%オーバ
ーラン) エンジン負荷:   フルロード 冷却水11 :       12 ’O℃試験時間=
       1時間 この試験運転の結果、繊維A+にて部分的に複合強化さ
れたピストンに於ては、第17図に示されている如く、
ピストンのスカート部23の表面に軸線17に沿って延
びる多数の縦キズが発生しており、これらの縦キス内に
はその随所に繊維へ電の非織輔化粒子と化学成分を同じ
くする多数の粒子が埋め込まれた状態となっていること
が認められた。゛また一I B +にて部分的に複合強
化されたeストンの場合には、シリンダライナの表面に
、ピストンが上死点にある場合に於けるピストンヘッド
18の高さに相当する位1に、第18図に示されている
如きスカッフィングが生じていることが認められた。
各強化繊維にて部分的に複合強化されたピストンについ
てのピストンスカート部23の縦キズ及びシリンダライ
ナのスカッフィングの発生状況を、下記の表5に示す。
この表5より、非繊維化粒子含有量及び粒1!150μ
以上の非繊維化粒子の含有量が少ない強化繊維にて部分
的に強化されたピストンの場合には、そのスカート部に
縦キズが発生したり、相手部材としてのシリンダライナ
にスカッフィングが発生したりすることがないことが解
る。
次に上述の試験運転に使用されたピストンと同様、玉揚
の表1に示された繊If A s 、A t 、Δ■、
As 、Bg 、Cにて部分的に複合強化されたビス 
トンを製造し、それらのピストンのトップリング溝上下
面の耐摩耗性及び耐ヘタリ性を調べるべく、それらのピ
ストンのトップリング溝に球状黒鉛鋳鉄(Jlll格F
 CD 7 ’O)製のピストンリングを装着して、上
述の試験運転に使用されたディーゼルエンジンと同一型
式の4気筒4サイクルデイーゼルエンジンに組込み、下
記の試験条件にて試験運転を行なった。尚比較のためア
ルミニウム合金(JISII格AC8A)にて構成され
熱処理T3を施されたピストン、及びトップリング溝部
にニレジスト鋳鉄製の耐摩環を鋳ぐるみされたピストン
についても同様の試験を行なった。
−i 使用燃料:       軽油 エンジン回転数:   44’O’O回転エンジン負荷
=    フルロード 冷却水II:      90〜100℃試験時間: 
     300時間 この試験運転を終えた後各ピストンのトップリング溝部
を観察したところ、l1llAa s Bg 、Cにて
部分的に複合強化されたピストンの場合には、アルミニ
ウム合金のみよりなるピストンに比べ、リング溝上下壁
面の耐摩耗性が1しく改善されており、またトップリン
グ溝部の耐ヘタリ性にも同一がないことが認められた。
また繊維ARにて部分的に複合強化されたピストンの場
合には、そのスカート部に極く軽微なキズが発、生して
いることが認められたが、トップリング溝部の耐摩耗性
及び耐ヘタリ性は、繊維As等にて部分的に複合された
ピストンの場合と実質的に同等であることが認められた
しかし繊維AIにて部分的に複合強化されたピストンの
場合には、そのスカート部に多数の縦キズが発生してお
り、またトップリング溝の底部に第19WJに示されて
いる如き亀裂が発生しており、更にピストンリングの下
面には、第20図に示されている如く、非繊維化粒子の
脱落とこれに伴うキズが発生していることが認められた
またニレジスト鋳鉄製の耐摩環を鋳ぐるみされたピスト
ンの場合には、試験運転開始優68時開経過後にピスト
ンのトップランドとシリンダライナとが焼付き、それ以
上試験を続行することができなかった。これは上述の実
施例1の熱伝導性を求める試験の結果からも解る如く、
ニレジスト鋳鉄の熱伝導率はアルミニウム合金や本発明
による複合材料の熱伝導率よりもはるかに小さく、従っ
て上述の強化繊維にて部分的に複合強化されたピストン
の場合に比してトップランド部の温度が^くなりたこと
などが原因と考えられる。これに対し上述の細線にて部
分的に複合強化された各ピストンのトップリング溝部近
傍の硬さを測定することにより、試験運転時に於けるト
ップリング溝部の濃度を推定したところ、その温度は2
00〜250℃であり、従ってこれらのピストンはニレ
ジスト鋳鉄製の耐摩環を鋳ぐるみされたピストンよりも
はるかに放熱性に優れていることが認められた。
この実施例4の各試験結果の結果より、ピストンのトッ
プランド部及びトップリング溝部を本発明による複合材
料にて構成すれば、トップランド部の耐焼付性が優れて
おり、トップリング溝部の耐摩耗性や耐ヘタリ性が優れ
ており、またピストンリングの摩耗量を最小限に抑える
ことのできるピストンを得ることができることが解る。
以上に於ては本発明を幾つかの実施例について詳細に説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図は繊維集合体の繊維配向状態を示す解団、第2図
は本発明による複合材料の製造方法の鋳造工程を示す解
団、第3図は繊維集合体にて部分的に強化された複合材
料を示す解団的斜視図、第4図は各複合材料を一定量切
削した場合に於けるバイトの摩耗量を示すグラフ、第5
図は各複合材料の摩耗量及び相手材の摩耗量を示すグラ
フ、第6図は室温及び250℃の濃度に於ける各複合材
料の10’回の回転曲げ疲労強度を示すグラフ、第7図
は各複合材料等の熱伝導率を示すグラフ、第8図は複合
材料の空洞等のない正常な組織を200倍にて示す顕微
鏡写真、第9図は複合材料内に生じた空洞部を含む異常
組織を200倍にて示す顕微鏡写真、第10図はカサ密
度の興なる種々の複合材料についての摩耗試験に於ける
複合材料の摩耗量と相手材の摩耗量を示す第5図と同様
のグラフ、第11図は熱疲労試験に使用された試験片を
示す解団的正面図、第12図は熱疲労試験の結果を示す
グラフ、第13図は熱疲労試験に於て生じた熱疲労電調
を3倍にて示す拡大写真、第14図は実施例4に於ける
繊**合体を示す解団的斜視図、第15図は繊維集合体
にて部分的に強化されたピストンを製造する方法の鋳造
工程を示す第2図と同様の解団的縦断面図、第16図は
繊維集合体にて部分的に強化されたピストンを示す解団
装置断面図、第17m!Iは第16図に示されたピスト
ンを用いて行なわれた試験運転に於てピストンのスカー
ト部に生じた縦キズを100倍にて示す顕微鏡写真、第
18図は第16図に示されたピストンを用いて行なわれ
た試験運転に於てシリンダライチに生じたスカッフィン
グを200倍にて示す顕微鏡写真、第19図はピストン
のトップリング溝底部に発生した亀裂を100倍にて示
す顕微鏡写真、第20図はピストンリングの下面に非繊
維化粒子の脱落によって発生したキズな100倍にて示
す顕微鏡写真である。 1・・・繊維集合体、2・・・強化繊維、3・・・鋳型
、4・・・モールドキャピテイ、5・・・溶湯、6・・
・プランジャ、7・・・複合材料、8・・・複合部、9
・・・非複合部。 10・・・亀裂、11・・・繊維集合体、12・・・鋳
型、13・・・下型、14・・・底!、15−・・11
1.16・・・上型。 17・・・軸線、18・・・ピストンヘッド、19・・
・トップリング溝、20・・・トップリング溝の底壁、
21・・・トップランド、22・・・セカンドランド、
23・・・スカート部 特 許 出 願 人 トヨタ自動車工業株式会社同  
   アート金属工業株式会社 代     理     人  弁理士   明  石
  昌  毅第6図 試験片 第7図 試験片 第縛釦′1図 第9図 第13図 第10  図 第 I+  図 第12図 第14図 第15図 第17図 第18図 8策]p、(図 1酋壜 第1頁の続き ■出 願 人 アート金属工業株式会社東京都中央区銀
座6丁目14番5 号

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)アルミナ含有率が40wt%以上であるアルミナ
    −シリカ系繊維よりなる繊**合体であって、含有する
    非繊維化粒子の総量が171Ft%以下であり、粒径1
    50μ以上の非繊維化粒子含有率が7wt%以下であり
    、繊維集合体のカサ密度が0.08〜0.3 o/am
    ”である繊維集合体を強化材とし、アルミニウム、マグ
    ネシウム、それらの合金よりなる群より選択された金属
    をマトリックスとする複合材料。
  2. (2)アルミナ含有率が4Qwt%以上であるアルミナ
    −シリカ系繊維よりなる繊me合体であって、含有する
    非繊維化粒子の総量が17wt%以下であり、粒1!1
    50μ以上の非繊維化粒子含有率が7wt%以下であり
    、カサ密度が0.08〜0.3g10−1である繊**
    合体を用意し、談議m*合体の圧線強度が0.2ko/
    −以上となるよう個々のアルミナ−シリカ系繊維を無機
    質バインダーにて結合し、かくして処理された繊維集合
    体を鋳型内に配置し、該鋳型内にアルミニウム、マグネ
    シウム、それらの合金よりなる群より選択された金属の
    溶湯を注湯し、該溶湯を前記鋳型内にて加圧しつつ凝固
    させる複合材料の製造方法。
  3. (3)特許請求の範囲第2項の複合材料の製造方法に於
    て、前記繊II集合体中の前記無機質バインダーの量は
    2’Owt%以下であることを特徴とする複合材料の製
    造方法。
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