JPS5893842A - 繊維強化金属複合部材 - 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】 本発明は少なくとも他の部材との震動面が強化繊維にて
複合強化された繊維強化金属複合部材に係る。− 各種機械の構成要素や部材に於ては、部分的に特別な機
械的特性を要求されることが多い。例えば、自動車用エ
ンジンに於ては、エンジンの性能に対する要求が高くな
るにつれて、ピストンの如き部材はその比強度や剛性が
優れていることに加えて、その摺動面が耐摩耗性に優れ
ていることが強く要請されるようになってきた。かかる
部材の比強度や耐摩耗性等を向上させる一つの手段とし
て、それらの部材を各種の無機質繊維等を強化材としア
ルミニウム合金の如き軽金属をマトリックスとする複合
材料にて構成することが試られている。かかる繊維強化
金属複合部材の一つとして、アルミナ質繊維を強化材と
し、アルミニウム、マグネシウム、又はそれらの合金を
マトリックスとする繊維強化金属複合部材は既に知られ
ており、かかる繊維強化金属複合部材によれば、それら
の部材の比強度や耐摩耗性等を向上させることができる
。

しかしかかる繊維強化金属複合部材に於ては、その強化
繊維の配向如何によっては、その部材に当接して相対的
に摺動する他の部材の摩耗量が著しく増大するという問
題がある。また特に強化繊維が一方向に配向された繊維
強化金属複合部材に於ては、その部材の摩擦摩耗特性に
異方性があるものと考えられるが、未だこのことは明ら
かにされていない。

本願発明者等は、Ｉ１１強化金属金属部材に関する上述
の如き不具合及び研究の現状に鑑み、強化繊維の配向と
繊維強化金属複合部材及びその相手部材の摩耗量との関
係を求める種々の実験的研究を行なった結果、繊維強化
金属複合部材自身の摩耗量のみならずその相手部材の摩
耗量をも低い値に維持するためには、繊維強化金属複合
部材の少なくとも他の部材との摺動面に於ける強化繊維
が成る特定の配向状態になければならないことを見出し
た。　　　　　一 本発明は、本願発明者等が行なった上述の如き実験的研
究の結果得られた知見に基き、繊維強化金属複合部材自
身の耐摩耗性のみならず、その相手部材に対する摩擦摩
耗特性にも優れた繊維強化金属複合部材を提供すること
を目的としている。

かかる目的は、本発明によれば、少なくとも他の部材と
の摺動面が強化繊維にて複合強化された部材に於て、摺
動面部に於ける前記強化繊維は該強化繊維の軸線と前記
摺動面とのなす角が２０度以上となるよう配向されてい
ることを特徴とする部材によって達成される。

かかる本発明による繊維強化金属複合部材によれば、少
なくとも他の部材との摺動面が強化繊維にて複合強化さ
れるので、その繊維強化金属複合部材の当該摺動面の耐
摩耗性を向上させることができ、またその摺動面部に於
ける強化繊維はその軸線と摺動面とのなす角が２０度以
上とされるので、相手部材の摩耗量をも低い値に抑える
ことができる。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、強化繊維は少なく
とも摺動面部に於て一方向に配向されていることが好ま
しい。かかる強化繊維の配向によれば、繊維強化金属複
合部・材の摺動面に於ける耐摩耗性及び相手部材に対す
る摩擦摩耗特性のばらつきを回避することができる。

また本発明の他の一つの特徴によれば、特に強化繊維の
軸線と摺動面とのなす角が２０〜４５度である場合には
、強化繊維は少なくとも摺動面部に於て相手部材との１
簡に関し順方向に配向されていることが好ましい、かか
る強化繊維の配向によれば、繊維強化金属複合部材に当
接してそれに対し相対的に摺動する相手部材は、繊維強
化金属複合部材の強化繊維の誕びる方向に沿って摺動す
ることとなるので、当談相手部材の摩耗量を更に一層低
減させることができる。

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。

東１１」− 先ず、一方向に配向されたアルミナ繊維を強化材としア
ルミニウム合金をマトリックスとする複合材料について
、アルミナ繊維の配向及び摩擦方向とその複合材料の摩
耗量及び相手材の摩耗量との関係を求めるべく・本願発
明者等が□行なった摩耗試験について説明する。

―線径２０μのアルミナ繊維（１０’Ｏｗｔ％Ａ１１Ｏ
−）を体積率５０％にて一方向に配向した細線成形体を
強化材とし、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）
をマトリックスとする複合材料を製造し、その複合材料
より大きさが１６Ｘ６Ｘ１０−であり、その一つの面（
１６ｓｓｘ１’Ｏｍｍ）を試験面とするブロック試験片
を作成した。この場合第１図乃至第３図に示されている
如く、試験１１をその試験面に於けるアルミナ繊維２に
対し垂直な方向Ｔに摩擦するプロッタ試−片へと、試験
１１をその試験面に於けるアルミナ繊維２に平行な方向
しに摩擦するブロック試験片Ｂと、試験１ｉ１をその試
験面に於けるアルミナ繊維２の軸線３に垂直な方向Ｎに
摩擦するプロッ多試験片Ｃとを作成した。また比較用と
して、図には示されていないが、アルミナ繊維にて複合
強化されていないアルミニウム合金（ＪＩＳＩＩ格ＡＣ
８Ａ）のみよりなる同一寸法のブロック試験片りも作成
した。

これらの１０ツク試験片Ａ〜Ｄを順次摩擦摩耗試験機に
セットし、相手部材である外１！３５ｓｉ、内！！３’
Ｏｓ＋ｓ、幅１’Ｏ１ｌの浸炭層入れされた′クロム鋼
（ＪＩＳＪＩ格ＳＣｒ　２２Ｈ１硬基ＨＶ　（１”０ｋ
Ｏ）−７’ＯＯ）製の円筒試験片の外周面と接触′させ
、それら試験片の接触部に常温の調渭油（キャッスルモ
ータオイル１’０Ｗ−３０）を供給しつつ、押圧力、２
００ｋａ、回転数１６０　ｒｐｍにて円筒試験片を１時
間回転させる摩耗試験を行なうた。

この摩耗試験の結果を第４図に示す。尚第４図に於て上
半分はブロック試験片の摩耗量（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■３）を表わしており、記号Ａ−Ｄはそれぞ
れ上述の試験片Ａ−Ｄに対応している。

この第４図より、ブロック試験片の摩耗量はアルミナ繊
維にて複合強化することによりかなり大幅に低減される
ことが解る。また複合材料よりなるブロック試験片Ａ〜
Ｄのなかでも、アルミナ織Ｌ２の軸線３に対し垂直に摩
擦されたブロック試験片Ｃの摩耗量は他のブロック試験
片Ａ及び８の摩耗量の約１７２程麹であることが解る。

また相手部材として９円筒試験片の摩耗量も、アルミナ
繊１１２の軸線３に対し垂直に摩擦する場合（Ｃ）の方
が他の場合（Ａ、Ｂ）の場合よりも少なく、アルミニウ
ム合金のみよりなるブロック試験片りを摩擦する場合と
実質的に同等の摩耗量であることが解る。

またこの実施例に於て各ブロック試験片Ａ−Ｃの摩擦係
数を測定したところ、ブロック試験片Ａ及びＢのそれぞ
れＴ方向及びＬ方向の摩擦係数がμｍ０．１２であった
のに対し、ブロック試験片ＣのＮ方向の摩擦係数はμｍ
０．０８と低い値であることが確認された。

良Ｉ乱り 繊維径３．０μのアルミナ−シリカ繊維（５５ｗｔ％Ａ
　’　ｔ　Ｏｓ　ｓ　４５　ｗｔ％８１０ｘ　）を体積
串１０％にて一方向に配向した繊維成形体を強化材とし
、アルミニウム合金（Ｊ　Ｉｓ規格ＡＣ８Ａ）をマトリ
ックスとする複合材料を一造し、以下実施例１と同様の
要領にてブロック試験片Ａ′〜Ｃ′を作成し、押圧力を
６’Ｏｋｏとした点を除き上述の実施例１に於けると同
様の摩耗試験を行なった。

その結果プロッ蚕試験片Ａ゛及びＢ′の摩耗量は３０μ
であったのに対し、ブロック試験片Ｃ′の摩耗量は２０
μと低い値であった。尚円筒試験片の摩耗量は伺れの場
合も３ｓｏであった。

この実施例２に於ける摩耗試験の結果より、強化繊維に
て複合強化された複合材料の摩耗量及び相手部材の摩耗
量は、強化繊維やマトリックスの種類及び強化繊維の体
積串には関係なく、他の部材が強化繊維の軸線に対し垂
直な方向に摺動するよう強化繊維が配向されている場合
に、最も低い値となることが解る。

１１Ｌ 上述の実施例１に於けるブロック試験片Ａ−Ｄと同様の
ブロック試験片Ａ’−Ｄ″を作成し、ステンレス鋼（Ｊ
ＩＳＩＩ格５ＵＳ４２０Ｊ２）よりなり硬さＨｖ（１０
ｋＯ＞がそれぞれ７００．５００．４’Ｏ’０．３５’
０１３００である５種類の円筒試験片を作成し、それぞ
れのブロック試験片及び円筒試験片について上述の実施
例１に於ける摩耗試験と同様の摩耗試験を行なった。

この摩耗試験の結果ブロック試験片Ａ”〜Ｃ”の摩耗量
は強化繊維にて複合強化されてないブロック試験片Ｄ′
の摩耗量よりも少ないが、ブロック試験片Ｃ′の摩耗量
が他のブロック試験片Ａ”及びＢ”の摩耗量よりも少な
く゛なるのは円筒試論片の硬さ）ｌｖが４０　’Ｏ以上
の場合であり、円筒試験片の硬さ）（Ｖが３５０．３０
０の場合には、ブロック試験片Ｃ″の摩耗量は他のブロ
ック試験片Ａ１及び８”の摩耗量と実質的に同等である
ことが認められた。また同様に円筒試験片の摩耗量につ
いても、その硬さＨｖが４００以上の場合にブロック試
験片ＣＩ′との摩擦の場合の方がブロック試験片Ａ″及
びＢ”との摩擦の場合よりも少ないのに対し、硬さ）ｌ
ｖが３５０．３００の場合には摩擦方向による摩耗量の
差異は認められなかった。

この摩耗試験の結果より、相手部材の硬さには関係なく
、他の部材が強化繊維の軸線に対し垂直な方向に摺動す
るよう強化繊維が配向された場合に、その複合材料の摩
耗量及び相手部材の摩耗量が低い値となり、またかかる
配向は特に相手部材の硬さが比較的硬い（Ｈｖ　（１’
０ｋｏ）−＝４’ｏ’ｏ以上）の場合に適していること
が解る。

１１Ｌ 上述の実施例１と同様の要領にてアルミナ繊維とアルミ
ニウム合金とよりなる複合材料を製造し、その複合材料
より第５図乃至第８！１１に示されている如く、試験面
１とアルミナ繊１１２とのなす角θがそれぞれ１０度、
２０度、４５度、９０度であるブロック試験片Ｅ−Ｈを
切出し、上述の実施例１の場合と同一の試験条件にて摩
耗試験を行なった。この場合、各試験片Ｅ−Ｈについて
、第９図に示されている如く、アルミナ繊維２の試験面
１への投影線Ｘと試験面１に於ける＊＊方向Ｙとのなす
角φが０度、１０度、２０度、４５度、９０度である順
方向の摩擦と、角度φが１３５度、１６０度、１７０度
、１８０度である逆方向の摩擦を行なった。

この摩耗試験の結果、角度φが０度から９０度の範囲で
同一である場合には、ブロック′試験片の摩耗量はθが
１０度の場合には上述の実施例１に於けるブロック試験
片Ｂとほぼ同等の摩耗量であるのに対し、角度θが２０
度、４５度、９０度の場合には、上述の実施例１に於け
るブロック試験片Ｃと実質的に同等の摩耗量であること
が解った。

また角度θが同一である場合には、角度φが０度〜９０
度である順方向の摩耗の場合には、ブロック試験片の摩
耗量は実質的に同一であるが、角度φが１００度〜１８
０度である逆方向の摩耗の場合には、角度φの増大につ
れてブロック試験片の摩耗量は角度θが１０度、２０度
の場合僅かに増大することが認められた。

この摩耗試験の結果より、複合材料の表面に於ける強化
繊維の軸線とその表面とのなす角度θが２０度以上であ
れば、その複合材料及び相手部材　　、の摩耗量を低い
値に抑えることができ、特に角度θが２０〜４５度であ
る場合には、強化繊維はその軸線の複合材料表面への投
影線Ｘと該複合材料に当接して相対的に摺動する他の部
材の摺動方向Ｙとのなす角φが０度〜９０度となるよう
、他の部材との摺動に関し順方向に配向されることが好
ましいことが解る。

尚、少なくとも他の部材との摺動面が強化繊維にて複合
強化されておれば、上述の各実施例の場合と同様の効果
を得ることができるので、本発明による繊維強化金属複
合部材はその全ての領域が強化繊維に工複合強化されて
いる必要はなく、少なくとも他の部材との摺動面が強化
繊維にて複合強化されていればよい、更に、本発明によ
る繊維強化金属複合部材に於ては、少なくとも他の部材
との摺動面に於ける強化繊維が上述の如き特定の配向状
態にあればよく、その部材の他の領域に於てはその部材
の形状等に応じて任意の配向状態にあってよい。

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図り至第３図は実施例１に於て使用されたブロック
試験片Ａ−Ｃ及びその摩擦方向を示す解重的斜視図、第
４図は実施例１に於ける摩耗試験の結果を示すグラフ、
第５図乃至第８図は実施例４に於て使゛用されたブロッ
ク試験片Ｅ−Ｈを示す縦断面図、第９図は強化繊維の配
向一方向と摩擦方向との関係を示す解重である。 １・・・試験面、２・・・アルミナ繊維、３・・・軸線
特　許　出　願　人　トヨタ自動車工業株式会社代　　
　　　理　　　　　人　　弁理士　　　明　　石　　昌
　　毅第１図　　　　第２図 第３図 第４図 第５図　　　第６図 第７図　　　第８図 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも他の部材との震動面が強化繊維にて複
   合強化された部材に於て、−動面部に於ける前記強化繊
   維は咳強化繊維の軸線と前記摺動面とのなす角が２０度
   以上となるよう配向されていることを特徴とする部材。 （２、特許請求の範囲第１項の部材に於て、前記強化繊
   維は少なくとも前記摺動面部に於て一方向に配向されて
   いることを特徴とする部材。