JPS60190545A - 無機繊維強化複合部材 - 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】 産業上の利用分野 本発明は無機繊維強化複合部材に係り、とくに局部的に
無ｒｓｍ帷を複合して強化するようにした無機繊維強化
複合部材に関する。

従来技術 機械部品等の部材のある特定の箇所に、その母材構成材
料では得られないある特定の機械的あるいは物理的な特
性を付与することを目的として、無機繊維をその特定の
箇所に複合させる試みがなされている。例えば高耐熱性
、高剛性、高強度等の優れた特性を有する無機繊維の成
形体の空隙部に溶融金属を強制的に加圧充填し、加圧下
で凝固させた無機繊維強化複合材（以下１”　ＲＭと称
する。

）をエンジン等の部品として用いるようにする試みがな
されている。

このようなＦｌでＭにおいて、無＋ｉ繊帷の体積充填割
合（以下■［と称する。）は、その値が高い方が複合部
の特性を向上させることができるようになる。しかし同
時にこの場合には、Ｆ尺Ｍの複合部と非複合部での剛性
、強度、熱膨張係数等の機械的あるいは物理的特性に大
きな差が生ずるのが普通である。従来よりこのようなＦ
ＲＭに、加熱と冷却の繰返しから成る熱応力等が負荷さ
れると、複合部と非複合部との境界部分において、とく
に非複合部側において、亀裂がしばしば発生ずるという
不具合があった。最悪の場合には、ＦＲＭのＶ「を比較
的高くした状態において、複合部材の母材の強化を目的
として、焼入れの熱処理を施した時点で、早くも前述の
境界部において亀裂の発生が見られた。これは複合部と
非複合部との間での熱膨服係数の差が原因どなり、熱応
力が発生して境界部が耐えられなくなるからであると考
えられる。さらに無機繊維の複合部と非複合部との境界
部分のところで、機械加工の際に段差ができ、機械加工
に必要な加工精度が得られなくなるという不都合があっ
た。

発明の目的 本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであっ
て、局部的に無機繊維を複合して強化するようにした無
機繊維強化複合部材において、無機ｕ＆紺の複合部と非
複合部との境界部における亀裂の発生を防止するととも
に、境界部のところでの機械加工の際における段差の発
生を防止し、心数な加工精度が得られるようにした無機
繊維強化複合部材を提供することを目的とするものであ
る。

とくに本発明は、溶融金属を加圧下で複合される無機繊
維成形体の空隙部に充填して結合させるようにした無機
繊維強化複合部材に用いて好適なものである。

発明の構成と作用 本発明は、局部的に無ｍＭ＆紺を複合して強化づ゛るよ
うにした無機繊維強化複合部材にＪ３いて、前記無機＄
１紺が複合された部分と前記無機繊維が複合されていな
い部分との間の少なくとも一部の境界部で、この無機繊
維の体積充填率を前記前（幾繊維が複合された部分の中
心よりも小さな値とするとともに、この境界部から遠く
なるに従って前記体積充填率を漸次増加させるようにし
たことを特徴とする無機繊維強化複合部材に関するもの
である。

とくに本発明の主たる特徴は、無１１１１１ｉ維強化複
合部材（ＦＲＭ）における繊維の体積充填率Ｖ「を、無
機繊維が複合された部分と複合されていない部分との境
界部において最少にし、境界部より遠ざかるに従って漸
増するようにすることである。

すなわち境界部におけるＶ［を小さくすることによって
、境界部での熱膨服挙動等の急激な変化を避りようとす
るものである。このような構成によって、境界部での熱
応力の集中的な発生が抑制される結果、境界部における
亀裂の発生が防止されることを見いだした。ＦＲＭ中の
繊維のＶｆを境界部から離れるに従って漸増させる具体
的な構成としては、複合される無ｍ繊維の成形体の密度
を、境界部から速ざかるにつれて漸増させればよく、あ
るいはまた境界部側の密度の小さいＩＩ維成形体から中
心側の密度の大きい成形体に段階的に組合せ−Ｃ用いる
ようにすればよい。

一般に無（幾Ｎｊ＆維成形体の空隙部に溶融金属が加圧
下で充填されて複合される場合には、繊維が複合されて
いる部分とｍ維が繊維が複合されていない部分との境界
部における繊維の体積充填率Ｖｆ【ま、２〜５％である
が、■［が５％を超えると、どうしても加熱、冷却等の
熱応力負荷により境界部での亀裂の発生が不可避になり
勝ちである。−万Ｖｆを２％以下にすることは実用的で
ない。何故ならば、繊維成形体の空隙部には溶融金属が
加圧下で充填されるために、このような低いＶｆにする
と、繊維成形体が圧縮され、所期の低い■ｒが得られな
いのが実状だからである。かくして境界部における体積
充填率Ｖ［は望ましくは２〜３％であってよい。これに
対して境界部から充分に遠い位置における体積充填率は
、その部材の用いられる用途等に応じて任意に高くする
ことが可能であって、必要であれば数十パーセントの値
としてよい。

実施例 以下本発明を図示の一実施例につき説明する。

本実施例はこの発明を直径が１２０ｍのディーゼル機関
用ピストンに適用したものである。ディーゼル機関用ピ
ストンは、一般にその頂部において厳しい熱的あるいは
機械的な応力を受けるエンジン部品であるために、この
ようなピストンのとくに頂部に無機繊維を複合して強化
することは、その信頼性を向上させる上で意義が大きい
。

まずこのピストンの頂部に複合される無機繊維成形体の
構成について述べると、ここでは無機繊維として炭化珪
素ウィスカ（例えば東海カーボン（株）製「１〜−カマ
ックス」）が用いられた。その直径は約１μｍ以下であ
り、弾性率はほぼ５００００　ｋｇ／　ｄ、またその熱
膨張係数は、常温においてほぼ４Ｘ１０−６／’Ｃのも
のを用いた。このような無機繊維を用いて第１図および
第２図に示すような成形体を用意した。すなわち無機繊
維成形体１は第１図Ｊ３よび第２図に示すように、３つ
のリング状部２．３．４から構成されており、中心側の
リング状をなす無機繊維成形体２は１５％のＶ［を６ｆ
５えている。これに対して第２の成形体３は８％のＶｆ
になっており、また一番外側のリング状の成形体４は３
％のＶｆを有している。

このような無機繊維成形体１は、第３図に示す円筒型５
と下型６とから成る金型内に装着された。

下型６の上面には、ピストンの燃焼室を形成するための
突部７が設【プられており、この突部７の周囲に上記無
機繊維成形体１が取付けられた。そしてこの金型５．６
のキャビティ内に、アルミニウム合金（ＪＩＳ　ＡＣ８
Ａ）の７５０℃の溶湯８を所定量注入した後、パンチ型
９によってこの溶湯８に直接１５００ｋｇ／ｃｄの圧力
を加え、この溶湯８を加圧下で凝固さゼた。なおこのア
ルミニウム合金の熱膨張係数は、常温でほぼ２１　Ｘ　
１０−’／℃である。

このようにして第４図に示すようなピストン１０を得た
。このピストン１０はその頂面に四部から成る燃焼室１
１が形成されるとともに、この燃焼室１１の開口縁部が
、無機繊維成形体１によって複合強化されている。そし
てこの無機ＮＩＡ紺成形成形体空隙部には、上記アルミ
ニウム合金の溶湯８が注入されて強固に結合されている
。そしてこの無機繊維成形体１のＶ［が１５％のリング
状部２が燃焼室１１の開口縁部に位置するとともに、ピ
ストン１０の金属母材との境界部にはＶｆが３％のリン
グ状部４が位置し、２つのリング状部２．４の間に、中
間のＶｆ、ずなわちＶ［が８％のリング状部３が位置す
るようになっている。従って最も高いＶ［を有するリン
グ状部２が、ピストン１０の頂面の厳しい熱的あるいは
機械的な応力条イ′１の下にさらされ、このピストン１
０のとくに燃焼３ご１１の開口縁部を補強する。これに
対して外側の２つのリング状部３．４は、このピストン
１０の成形体１によっ−Ｃ補強された部分と補強されＣ
いない非複合部との境界部にお（〕る熱熱膨張係や強度
の急激な変化を防止するようにしている。

本実施例に係るピストン１０の、無機ＩＪｌｉ紺１によ
って複合された部分と非複合部との境界部での熱応力に
よる亀裂の発生を、従来の綴紐強化ピストンと比較して
みた。なお従来の繊維強化ピストンとして、同一性状の
炭化珪素ウィスカによる均一密度の繊維成形体、すなわ
ちＶｆが１５％の均一４１成形体にＪ、って強化された
ピストンを用いた。

そして本実施例に係るピストン１０と、従来の均−密度
の無機繊維によって複合されたピストンとを、第４図に
小づように高周波加熱装置１２によつで加熱するととも
に、圧縮空気ににって冷却するという加熱、冷却のサイ
クルを加えた。この熱サイクルは第５図に示すグラフの
ようになっており、加熱時における燃焼室１１の開口縁
部の温度は４００℃に達し、この後席Ｍｊによって１り
Ｏ℃に冷却１されるような加熱冷却のサイクルがピスト
ン１０および従来のピストンに負萄された。この耐熱試
験の結果、本実施例に係る総ての、すなわち５個のピス
トンは、５０００リイクルの熱ＩＱ　前によっても、繊
維成形体１とピストン１０の金ｋＪ曵母材との間の」３
）異部において亀裂が全く認められなかった。これに対
して従来の方法によって強化された５つのピストンの総
てには、４０００　」ノイクルで境界部に亀裂が発生し
ていた。

−力木実施例に係るピストン１０を用いて、５００℃か
ら焼入れし、２００℃で人工時硬の熱処理を施して母材
を強化したが、複合部と非複合部との間の境界部におけ
る亀裂の発生等の不具合は何ら見られなかった。これに
対して従来の繊組強化ビストンでは、既に焼入れの峙点
て境界部の約１／３の部分に亙り亀裂が発生していた。

このように本実施例に係るピストン１０・が、とくに無
＋１１１ｉ維成形体１の複合部と非複合部との境界にお
いて、亀裂が発生しないのは、主として熱膨張係数の急
激な変化が存在しないからであると考察される。ちなみ
に本実施例に係るピストン１０の常温から４００℃の間
の熱膨張係数を測定してみたところ、非複合のアルミニ
ウム合金の母材で約２５×１０−６／℃、■「が３％の
複合部でほぼ２３Ｘ１０−６／℃、■［が１５％の複合
部で約２０Ｘ１０−６／℃という結果が得られ、無機繊
維の複合部と非複合部との境界領域における急激な熱膨
張係数の変化が避けられたことが明らかになっている。

以上本発明を図示の一実施例につき述べたが、本発明は
上記実施例によって限定されることなく、本発明の技術
的思想に基づいて各種の変更が可能である。例えば上記
実施例は本発明をディーゼル（幾関用のピストンに適用
したものであるが、本発明はその他各種の無機繊維強化
複合部材に適用可能である。またピストンに適用する場
合においても、繊維によって強化される部分は、頂面の
燃焼室の開口縁部に限定されることなく、トップランド
や、ピストンリング満を含む部分であってもＪ：い。ま
た無機繊維は耐熱性ばかりでなく、耐摩耗性を向上させ
るために用いられるものであってもよく、炭素珪素ウィ
スカのほか炭素繊組、アルミナ繊維、窒化珪素ウィスカ
、炭化硼素ウィスカ、アルミナウィスカなど各種の長１
１ｉ　１１４あるいはウィスカが有効に適用される。

Ｒ」Ｊと亙茸− 以上のように本発明は、無ＩＨＭ組が複合された部分と
無機繊維が複合されていない部分との間の少なくとも一
部の境界部で、この無機ｌＢ紺の体積充填率を無機繊維
が複合された部分の中心よりも小さな値とするとともに
、この境界部から遠くなるに従って体積充填率を漸次増
加させるようにしたものである。従って本発明によれば
、境界部における物理的あるいは機械的な性質が急激に
変化することを防止することができ、どくに熱膨ＩＩＩ
Ｍ係数の急激な変化を防止することにより、母材強化の
ための熱処理が可能になり、あるいはまた複合強化した
い部分の無［１１１１の体積充填率を充分に高くするこ
とが可能になり、さらには機械加工■テの段差の発生を
防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るピストンの燃焼室の開
口縁部を複合強化するための無機繊岸１成形体の分解斜
視図、第２図は同縦断面図１、第３図はこの無機繊組成
形体を複合して鋳造するｌこめのピストンの鋳造装置の
縦断面図、第４図【まこの鋳造装置によって鋳造された
ピストンの断面図、第５図はこのピストンの耐熱試験の
熱サイクルの状態を承りグラフである。 １・・・無機繊組成形体、２．３．４・・・リング状部
、１０・・・ビス］〜ン、１１・・・燃焼室。 代理人　松　村　修 第５図 −間

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、局部的に無機繊維を複合して強化するようにした無
   機ｐＡｍ強化複合部材において、前記無機繊維が複合さ
   れた部分と前記無機繊維が複合されていない部分との間
   の少なくとも一部の境界部で、この無機ＩＩ　ｌｌｆの
   体積充填率を前記無機繊維が複合された部分の中心より
   も小さな値とするとともに、この境界部から遠くなるに
   従って前記体積充填率を漸次増加させるようにしたこと
   を特徴とする無機繊維強化複合部材。 ２、面記境界部から遠くなるに従って前記体積充填率を
   段階的に増加させるようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の無機繊維強化複合部材。