JPS60190546A - 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接合部材に係り、とくに軽合金を
加圧ｔＲ造して成る部材であって、少なくとも一部を無
（幾繊維で複合強化するようにした無機繊維強化接合部
材に関する。

従来技術 レラミックλ０繊１１ｆあるいはセラミックウィスカで
アルミニウム合金等の軽合金から成る部材を複合強化リ
−ること、および複合材の製造に加圧鋳造を利用Ｊるこ
とは従来より広く行なわれており、公知の技術である。

アルミニウム合金等の軽合金の材料を強化する場合に、
アルミナ繊維を用いると、この繊維１とアルミニウム合
金との間の反応がなく、鋳造によって容易に製造するこ
とができるために、アルミナｌｌｉ雑を補強材として利
用した繊維強化内燃機関用ピストンも実用化されている
。

しかしながらアルミナ繊維により強度特性をも向上させ
るためには、このアルミナ繊維を少なくとも体積比で１
０％以上加えて複合強化覆る必要があり、さらに常温特
性のみならず、高温時の特性をも向上させるためには、
アルミナ繊維を体積比で少なくとも１５％以上複合する
心数がある。

このＪ：うな目的のために多ｆｉｌのアルミナ繊！４１
（を複合しＪ：うとすると、通常行なわれている減圧濾
過法で無機繊１１［成形体を製造ザる際の能率が著しく
低下し、また複合材の切削性が悪化する。ざらに一部分
のみ無機繊維によって複合強化するようにした場合には
、その後に機械加工、例えば切削加工で仕上げを行なう
際に、複合部と非複合部との間の境界部に段差ができて
しまい、機械加工の精度がでないという問題を発生させ
ることになる。

一方セラミックウィスカ、例えば炭化珪素ウィスカの繊
維強化部材は、強度特性が母材金属より格段に向上する
利点があるが、その繊維成形体の強度が低く、取扱いが
面倒になる。また複合１時の成形体の割れや変形が大き
いというような欠点があり、加圧鋳造によって健全な複
合材を製造することは容易でない。

そこで本願発明者は、アルミニウム合金等の軽合金材Ｈ
に複合される無機ｍｍについて種々比較検討を加えた結
果、ある特定の１１組径とアスペクト比の繊維を組合せ
、複合繊維成形体を作った接に、この成形体を加圧鋳造
によって母材金属に複合させることにより、必要な個所
のみを容易に繊維強化できることを見い出した。

発明の目的 本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、
軽合金良材の特性を複合される無機繊維にＪ、って改善
し、その特性を所期の値とするとともに、無機繊維によ
る複合強化の際のとくに無機繊組成形体の取扱いが容易
になり２．また複合部と非複合部との間の境界部にお（
プる亀裂の発生を防止ツることができるようにした無機
繊維強化接合部材を提供することを目的とするものであ
る。

発明の４ｉ４成と作用 本ブを明は、軽合金を加圧ｖＩ造して成る部材であって
、少なくとも一部を無機繊維で複合強化するようにした
部材において、セラミック短繊維とセラミックウィスカ
とを混合して複合繊維成形体を作成し、この成形体を鋳
型内に配して加圧鋳造により複合させるようにしたこと
を特徴とげる＃！Ｉ［＋Ｅｉ繊維強化複合部材に関する
ものである。

本発明においては、とくにセラミック短繊維とセラミッ
クウィスカとを組合せ、雨音を混合して軽合金から成る
部材を複合強化するようにしている。このように２種類
の無機繊維を組合せるのは、これら２種類の繊維から成
る複合繊維成形体の強度が向上するために、鋳造時の取
扱いが容易になり、まｌＣ紡造の自動化をし易くなるか
らである。

またこのような構成とすることによって、複合強化材料
の特性も単独の場合より向上し、これによって母材の特
性の改善を行なつ′Ｃ所明の値とすることができる。

そしてこのような無機繊維強化複合部材において、複合
されるセラミック短繊維として、引張り強さが８０ｋｇ
ｆ／ｓｄ以上のものが、また複合されるセラミックウィ
スカとして、引張り強さが３゜Ｏｋｇ［／■イ以上の６
のがそれぞれ用いられるように４−ると、複合材の強度
特性を一段と改善することが可能になる。とくにこの場
合において、無機知繊絹の強度特性は重要であり、８０
ｋｇ［／−以下である場合には、投合材の強度が単独の
繊維を使用して強化する場合よりも低下する。またヒラ
ミック短繊紹としては、アルミナ成分が４０％以上のア
ルミナ繊キ１１が、アルミニウム合金から成る母材との
親和性もよく、極めて適切である。この場合におりるア
ルミナ繊維の結晶形態は、α型がγ型が望ましく、とく
にγ型の場合には複合材の強度を改善するのに好都合で
ある。またセラミックウィスカとしては、炭化珪素や窒
化珪素が好ましい。

また複合されるセラミックの短繊維として、その繊維径
が１〜１５μ、繊維長が５　ｃｍ以下のものが、またセ
ラミックウィスカとして、繊維径が０゜０２〜１，０μ
、繊維長が３００μ以下のものがそれぞれ用いられるよ
うにすることが好ましい。

このような繊維の直径と長さとの組合せによって、繊維
の絡み合いを適切にし、複合１１糾成形体の強度を向上
させ、その取扱いを容晃にすることができる。また複合
時の亀裂や変形を無くすことが可能となる。とくに１１
雑の径が上記の範囲より小さい場合には、複合繊維成形
体の強度が低くなる。

また繊維の直径が上記の範囲より大きい場合には、とく
にセラミック短繊維の直径が大きい場合【こ、複合強化
部材の強度が低下づることになる。また繊維の長さがあ
まり長すぎると、所要の体積充填率Ｖｆの成形体を作る
のがむずかしくなる。

一般に複合繊維成形体の体積充填率Ｖ［は、３〜３０％
の範囲とするのが好ましい。この範囲よりもＶ［が小さ
い場合には、セラミックウィスカの配合量を増加させて
も、投合材の強度を改善覆ることができない。一方Ｖ［
の上限が３０％を超えて大きくなると、機械加工、例え
ば切削加二［による仕上げを行なう場合に、その精度が
所要の飴となり難くなり、切削性が落ちることになる。

一般に複合される繊維の体積充填率Ｖ［を上げていくと
、繊維が部分的に部材を複合強化づる場合にはその複合
部と非複合部との間の境界部で、ｌｓｌ材と複合部との
（幾械的特性や熱膨張特性が急激に変化することになる
。従ってこのような複合強化部材を熱衝撃が加わるよう
な条件下で使用覆ると、その境界部で亀裂が発生する問
題がある。とくにセラミックウィスカにＪ：る複合部材
の場合にその傾向が著しい。この問題に対しては複合材
の母材と複合部との間の境界部の密度を低下づ゛ればよ
いが、前述のように、セラミックウィスカの密度の低い
成形体は、その強度特性が悪く、鋳造の際の複合時の取
扱いが良好でない。これを解決するためには、例えば体
積充填率Ｖｆを低くしたセラミック繊維をセラミック成
形体の周囲に接合さけることが考察される。しかしこの
ような対策によっても充分な効果は得られない。ざらに
セラミック繊維とセラミックウィスカの界面の強度があ
まり改善されないという問題があることが判明した。

このような問題を解決するためには、本発明のように２
種類の無１１１ｉ１ｆｔを用いて複合強化する場合に、
そ−の混合割合あるいは組成を母材と複合部との境界部
で変えるようにすればよい。Ｊなわら境界部でセラミッ
ク繊維の割合を多くし、強度特性を要求される複合部の
中央部においてセラミックウィスカの割合を多くするよ
うにすればよい。

このようにして特性の改善と境界面における亀裂の防止
とを同時に達成することができる。またこのような構成
によって、組成の異なる境界部においても、強度特性の
変化が少なく、熱ｔｌ＋撃によっても亀裂の発生を防止
することが可能になる。

以下本発明を実施例につき説明する。

実施例１ この実施例は第１図に示すような、高負荷のディーゼル
機関用ピストン１に関するものである。

このピストン１はアルミニウム合金（ＪＩＳ　ＡＣ８Ａ
）によって加圧鋳造されたものであって、とくにそのト
ップリング溝２の部分が態様繊維成形体３によって複合
強化されており、これによって耐摩耗性を改善するよう
にしている。

無機繊組成形体３はアルミナ繊維と炭化珪素ウィスカと
の混合体から構成されており、しかもアルミナ繊維はα
型のアルミナ９５に対して酸化珪素５の割合になってい
る。またアルミナ繊維は、その直径が２〜５μであって
、ｕ＆紺長が２　ｓｗｒ以下のものが用いられている。

これに対して炭化珪素ウィスカの直径は０．１〜０．５
μの範囲にあり、またその繊維長は１８μ以下のものが
用いられている。

そして上記２秒類の無ｍ繊維の比率は、アルミナ繊維が
２０％で炭化珪素ウィスカが８０％となるように混合し
、この混合体を、コロイダルシリカ３％をバインダとし
て添加し、減圧濾過法によって、Ｖｆ１５％の複合繊維
成形体を作成した。

そしてこの成形体を加圧鋳造用の金型内に配し、加圧ｖ
ｉ造によって第１図に示すようなピストン１を）ｆｌ　
＋Ｑｊするとともに、そのトップリング溝２の部分に無
機繊維成形体３を複合して補強した。

このようなピストン１の１−ツブリング溝２の部分から
デスＩ〜ピースを切出し、摩耗試験を行なつた結果を第
２図に示り。なお比較例として、アルミナ繊維のみ、炭
化珪素ウィスカのみ、およびニレジスト鋳鉄によってそ
れぞれ複合されたピストンについても作成し、同様にテ
ストピースを切出し、比較のために試験を行なった。こ
の第２図の結果から明らかなにうに、本実施例に係るピ
ストン１においては、そのトップリング溝２の部分が常
温および２３０℃の高温において、ともに高い耐摩耗性
を承り−ことが判明した。

高負荷のディーゼル機関用ピストンのトップリング溝は
、容易に２００〜２５０℃になるために、この温度に長
時間さらされても耐摩耗性を有することが、どくに大型
エンジンにおいては必要とされる。公知のアルミナ繊維
を７％配合したものは、従来使用されていたニレジスト
鋳鉄に比較し、常温での耐摩耗性が改善されるが、２３
０℃Ｘ１００時間の加熱後の耐摩耗性は、むしろこのニ
レジスト鋳鉄より悪化する。これに比較し、本実施例に
係る複合繊維強化による材料では、高温加熱後の摩耗試
験にＪ５いても、ニレ、シスト鋳鉄と同程瓜、あるいは
それ以上まで改善されている。さらに単一種の繊維だ【
）による補強の場合よりも耐摩耗性が改善されており、
この特性を生かしてピストンの１−ツブリングｒ：Ｉｆ
ｆを補強することは非常に有効である。

実施例２ この実施例は、ディーゼル機関用ピストン１の燃焼室４
の開口縁部を無機繊維成形体５によって補強したもので
ある。この無機繊維成形体５の第３図Ｊ５よび第４図に
おける内側の部分６は、繊維径が２〜５μであって繊維
長が２顛以下のアルミナ繊組（と、繊肩口￥が０．１〜
０．５μであって、繊維長が１８０μ以下の炭化珪素ウ
ィスカとの混合体から構成されている。なお第１のアル
ミナ繊維は、そのアルミナと酸化珪素の比率が９５対５
の割合になっており、アルミノ−としてはγ型のものが
用いられている。そしてアルミナ繊維と炭化珪素ウィス
カとは、その混合割合がアルミナ繊維が１８％となるよ
うに配合されており、このような混合体を、体積充Ｉａ
率Ｖｆが２２％となるように、減圧濾過法で円筒型に成
形した。これによって第３図にお【）る内側部分６を形
成した。ざら【ここの上に、アルミナ繊維と炭化珪素ウ
ィスカの２１Ｒ合比率が４０対６０でウィスカが６０％
になるＪ、うに配合した混合繊維を■ｆが１５％となる
ように成形した外側部分７を形成した。

このような無機繊維成形体５を、第３図にＪ３０て鎖線
８で示ず部分で輪切り状に切断し、ピストン１を成形す
るための金型内に配し、この金へ？によってピストン１
を第４図に示すように＋）１１５生成ＪＩ５づるとと−
ｂに、その燃焼室４の開口縁部に成１５（木５を複合し
て強化するようにした。

そしてこのピストン１から、熱衝撃試験用テストピース
を切出して作成した。これを高周波ににす４００℃まで
加熱し、１５０℃まで空冷づ−る２０秒の熱ザイクルを
加え、熱衝撃試験を行なった。

そしてこの試験の比較例として、アルミナ繊維〔単独に
よって補強されたもの、炭化珪素ウイスノＪによって補
強されたもの、およびアルミニウム台金のみから成る材
料について、同様の熱試験をイテなった。なお炭化珪素
ウィスカで第４図に示すように燃焼至４の開口縁部のみ
を強化すると、その強化部分の外周面とピストン１を構
成するアルミニウム合金のは材との境界部で１０００ザ
イクル以内の熱ザイクルで亀裂が生ずることになる。従
ってこの炭化珪素ウィスカ成形体９によって補強したも
のについては、第５図に示すように、成形体９をピスト
ン１の頂面の外周部まで補強したデストピースを作成し
、その熱衝撃試験を行なうようにしている。

このような耐熱衝撃試験の結果は第６図に示されており
、本実施例に係る複合繊維で強化されたピストン１から
切出されたテストピースは、６０００サイクルまで加熱
冷Ｎ１を繰返したが、全く亀裂が発生けず、耐熱衝撃特
性はアルミナ繊維単独より大幅に改善された。従ってこ
のような特性は、高い熱負荷を受ける内燃機関用ピスト
ンのような部品に対して非常に有用であることが理解さ
れる。

実施例３ つぎに本発明の第３の実施例を第７゛図および第８図に
つき説明する。この実施例は、ディーゼル機関用ビス］
・ン１のピン穴１０の部分を無機繊維成形体１１ぐ補強
１゛るようにしたちのＣある。すなわちこの実施例は、
とくにピストン１のピン穴１０の部分の強度特性を改善
するようにした例Ｃある。そして無機繊維成形体１１は
、繊維径が０゜１〜０．５μでＩｉ維組長１８０μ以下
の炭化珪素ウィスカと、繊維径が２〜５μであって繊維
長か２顛以下のδ型アルミナ繊維から構成されている。

なお第２のアルミナ繊維はそのアルミナ成分が９５％の
ものを用いている。

そして上記２種類の繊維を、アルミナ短繊紹の混合割合
が２０％となるように混合し、コロイダルシリカ３０％
、水溶性フェノール樹脂５％の水溶液中で攪拌油含し、
減圧濾過法によって成形体を製造した。この成形体を５
００℃に加熱し、有機樹脂を焼却後、鋳型内に配し、加
圧圧ノＪ　７５０ｋｇ　／　ｃＴｌの圧力を加え、ピス
トン１をアルミニウム合金によって鋳造するとともに、
そのピン穴１０の部分にこの成形体１１を複合した。な
おこのときの複合繊維成形体１１の体積充填率Ｖｆは２
０％である。またこのとぎのアルミナ繊維単独でのＶｆ
は４％であり、炭化珪素ウィスカ単独ではＶ［が１６％
となっている。

以上のようなピストン１のピン穴１ｏの部分からテスト
ピースを切出し、その強度特性を測定したれ一果を第８
図に示ず。なお比較のために、アルミナ繊維単独、炭化
珪素ウィスカ単独、およびアルミニウム合金のみから成
るテストピースについての結果も小り。この結果から明
らかなように、２種類の繊維の混合体によってアルミニ
ウム合金を複合りることにより、単独の繊維で複合した
場合よりも強度が向上覆ることが確認された。さらに炭
化珪素ウィスカ単独で、体積充＠率Ｖ「が１６％となる
ように成形しても、複合過程で繊維が圧縮されたり変形
されたりするが、本実施例に係る複合繊維の場合にはこ
のことがなく、従って複合を容易に行なうことができる
ようになった。

発明の効果 以上のように本発明は、セラミック短繊維とセラミック
ウィスカとを混合して複合！１　Ｉｆｆ成形体を作成し
、この成形体を鋳型内に配して加圧鋳造により複合させ
るにうにしたものである。従って本発明によれば、上記
２種類の無機繊維によって軽合金から成る部材の特性を
改善し、所期の値とリ−ることができるばかりでなく、
２種類の繊維の混合体を用いることによって、その成形
体の取扱いを容易にづることができ、複合の能率を向上
さけることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る内燃機関用ピスト
ンの縦断面図、第２図はこのピストンのトップリング溝
の部分の耐摩耗性の試験結果を小ずグラフ、第３図は本
発明の第２の実施例に係るピストンに用いられる無＋ｊ
Ｉ　Ｉ４１ｉ維成形体の縦断面図、第４図はこの成形体
によって補強されたピストンの縦断面図、第５図は比較
例のピストンのｌｊ　ＶＪｉ面図、第６図はこの実施例
のピストンの耐熱８ｉ撃試験の結果を示すグラフ、第７
図は本発明の第３の実施例に係るピストンの縦断面図、
第８図はこのピストンの複合強化部分の強度特性の試験
結果を示すグラフである。 １・・・ディーピル機関用ピストン、２・・・トップリ
ングＩＭ、３・・・無機繊維成形体、４・・・燃焼室、
５・・・無機繊維成形体、１０・・・ビン穴、１１・・
・無機繊維成形体。 代理人　松　村　修 第２図 ［４ｊｔｆ　（ｘ＋（１−”ｍｍ／に９・ｒｎｒｎ）−
こ ご１ 一賀前（す）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軽合金を加圧鋳造して成る部材であって、少なくと
   も一部を無機繊維で複合強化するようにした部材におい
   て、セラミック短繊維とセラミックウィスカとを混合し
   て複合繊維成形体を作成し、この成形体を鋳型内に配し
   て加圧鋳造により複合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。 ２．７９合されるセラミック短繊維として、４１１ｔＩ
   １１径が１〜１５μ、繊維長が５　ｃｍ以下のものが、
   また複合されるセラミックウィスカどして、［［を径が
   ０．０２〜１．０μ、ｍ組長が３００μ以下のものがそ
   れぞれ用いられるとともに、２種の無機繊維の混合体中
   におけるセラミック短繊維の混合割合が体積比で７〜６
   ０％の範囲内である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。 ３、複合されるセラミック短繊維として、引張り強さが
   ８０ｋｇｆ／ｉ（以上のものが、また複合されるセラミ
   ックウィスカとして引張り強さが３００ｋｇ［／−以上
   のものがそれぞれ用いられることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項に記載の無機繊維強化複合部
   材。 ４、混合されて軽合金に複合される無ＭＩ　Ｉｉ　ＩＥ
   の割合を体積比で３〜３０％としたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項〜第３項の何れかに記載の無機繊維
   強化複合部材。 ５、軽合金の金属母材と無機繊維によって複合された部
   品との境界部におけるセラミック短繊維の混合割合を体
   積比で最大１００％迄増加し、前記セラミック短繊維の
   混合割合を複合部の中央部より前記境界部において多く
   するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   〜第４項の何れかに記載の無機繊維強化複合部材。 ６、この強化複合部材が内燃機関用ピストンであって、
   そのリング溝、燃焼苗の開口縁部、およびビン穴の内の
   少なくとも１ケ所が前記２種類の無（幾Ｉｌｉ組の混合
   体によって複合強化されていることを特徴とする特ム′
   ［請求の範囲第１項〜第５項の何れかに記載の１ＩＩ（
   機繊維強化複合部材。