JPS61132260A - 耐摩耗性強化複合材 - Google Patents

耐摩耗性強化複合材

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JPS61132260A
JPS61132260A JP25370084A JP25370084A JPS61132260A JP S61132260 A JPS61132260 A JP S61132260A JP 25370084 A JP25370084 A JP 25370084A JP 25370084 A JP25370084 A JP 25370084A JP S61132260 A JPS61132260 A JP S61132260A
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JP
Japan
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cast iron
piston
matrix
fiber
fibers
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Application number
JP25370084A
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English (en)
Inventor
Masami Ishii
石井 正巳
Hiroshi Motoyama
本山 浩
Ryohei Yabuno
良平 藪野
Wataru Yagi
渉 八木
Junji Sugishita
杉下 潤二
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Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/02Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2203/00Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/08Ceramics; Oxides
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    • F05C2203/0808Carbon, e.g. graphite

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

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】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は高圧凝固鋳造法を用いて、マトリックスとして
、アルミニウム又はそれらの合金に鋳鉄繊維を充填複合
させた耐摩耗性強化複合材に関するもので、エンジン用
ピストンのヘッド部の摺動特性の改良、エンジン用シリ
ンダスリーブの耐摩耗性の向上およびバックメタル付軸
受などに利用されるものである。
(従来の技術) 本発明に係る従来技術としては特公昭53−12446
号「繊維強化複合材の製造方法」があり、このものは、
無機質繊維を集めてリング状等の形状を作製し、マトリ
ックスとして、鋳鉄、銅、アルミニウム、マグネシウム
又はそれらの合金を高圧凝固鋳造法により充填複合する
もので、溶湯に加える静圧力を加圧初期には緩やかに上
昇させて溶湯が完全な溶融状態のままで繊維成形体に充
填し、凝固させる無機質繊維による強化複合体の製造方
法である。
(発明が解決しようとする問題点) 然し、前記製法による無機質繊維強化複合体、すなわち
アルミナ繊維およびセラミックフイラーを複合化させた
場合には、無機質繊維により耐摩耗性は向上するが、シ
リンダピストン等に応用した場合に、 (1)硬度が高いために相手材のピストンリングを攻撃
、摩耗することになり゛、 (2)前記無機質繊維は濡れ性が悪いために、鋳造時に
溶湯に相当の静水的高圧力を加えないと、セラミックフ
ィラー成形体などの無機質繊維に十分に充填されない場
合があり、(3)又、前記製法の場合に、特にセラミッ
クフィラーの体積率が高くなり、従ってフィラー量か多
くなりコスト高と共に、熱膨張収縮に対して弱くなる、 という問題点がある。
そこで、本発明は前記問題点を解決するために、濡れ性
の良い、摺動摩耗に優れ、かつ、相手材を攻撃しないよ
うな樺維強化複合材を提供することを、その技術的課題
とするものである。
〔発明の構成〕
(問題点を解決するための手段) 上記技術的課題を解決するために講じた手段は、20〜
100μmの鋳鉄繊維又は前記鋳鉄繊維を主体としてそ
の他の金属繊維により任意形状の鋳鉄繊維形成体を作り
、マトリックスとしてアルミニウム又はそれらの合金を
高圧凝固鋳造法により充填複合させる際に、溶湯の温度
を制御して、かつ静圧力を徐々に上げその溶湯を完全な
溶融状態で゛前記鋳鉄繊維成形体に充填し、次に適切な
圧力に速やかに上昇させ、その加圧状態と加熱温度を一
定時間保持する間に鋳鉄繊維の表面部分に金属間化合物
を生成させて溶湯をスクイズ凝固させる方法である。
フィラーとしては鋳鉄繊維を主体とするが、他のフィラ
ーとしてNi繊維、Ti粉末等を混入しても良く、また
高圧凝固鋳造法において、高圧を作用させるために、溶
湯鍛造法、圧縮鋳造法、および遠心鋳造法などの外部圧
力下で凝固させる方法である。
(作用) 上記技術的手段は次のように作用する。すなわち、太さ
20〜100μで長さ10順以下の鋳鉄繊維にて、カサ
密度0.5〜1.0 g / ctAのリング状を形成
して金型に入れ、A1合金よりなる溶湯にて100〜2
000 kg/cnlの高圧を維持し強化複合体を製造
するものである。鋳鉄繊維が20μm以下はコストが高
く、鋳造中に大部分が金属間化合物となり、又、100
μm以上では金属間化合物の生成量が少な(、必要量生
成するのに保持時間が長時間かかる。次に、ピストン先
端側部のリング状である鋳鉄繊維成形体にピストンリン
グ挿入溝を複数設けるもので、ピストンリング用溝の表
面には黒鉛と金属間化合物に覆われた鋳鉄繊維がマトリ
ックスであるアルミ合金の中に充填されるもので、硬度
の高い金属間化合物と、摺動性の良い黒鉛があるために
、ピストンリングとピストンリング溝表面とは相互に攻
撃性がなく、耐摩耗にすぐれたピストンリング用溝がで
きるものである。
(実施例) 本発明に係る具体的な手段の実施例について説明する。
実施例−1 直接押込み加圧法を用いて、4サイクルエンジンピスト
ンの作成法。
la、lb、  ・・・で表す繊維直径20〜90μm
、繊維の長さ最大9鶴、カサ密度0.5〜1.0g /
 a+Iよりなる成形体を第1図の1に示すようにリン
グ状に成形し、第2図に示す成形装置2の母型3の下方
に入れる。4は加圧パンチ、5はデスク、6は抵抗発熱
体、7は支柱、8は分離ガイド、9は下部プランジャー
、9aは石綿である。マトリックス10としては、AC
8A、AC8B。
AC3A、A2017等のAN合金を直接押込み加圧法
で鋳造温度750〜850℃、加圧圧力100〜200
0 kg/cnl型に加熱装置を付けることにより、(
保持時間を)3〜30分の条件で金属間化合物を適量形
成させた後に凝固させてピストンを鋳造し、第3図のピ
ストン11のヘッド部12に鋳鉄繊維を主体にした繊維
成形体13を充填率2〜12重量%で複合化させ、ピス
トンリング用の溝14,15を加工するものである。
これにより、従来の無機質繊維で複合化したピストンで
見られた、ピストンとピストンリングとの攻撃性が黒鉛
の潤滑性により柔らかとなり、かつ金属間化合物すなわ
ち、FeAj2s 、FeAj2、などの生成によりピ
ストン表面部に硬い層を作り、摺動摩擦特性を向上させ
るもので、第4図の16a、16b、  ・・・は鋳鉄
繊維で、これを第5図に拡大すれば、18は前記金属間
化合物で、17は黒鉛、19は金属繊維の母材のFCD
を示す。
また、ヘッド頂部にTi粉末、Ni繊維等の成形体を入
れて同時に鋳造すれば、Ni3A/!。
TiAAなどの金属間化合物を形成させ、耐熱特性を向
上させることもできる。
実施例−2 遠心分散鋳造法を用いて4サイクルエンジン用ピストン
、エンジン用シリンダースリーブの作成法。
実施例1で述べた鋳鉄繊維成形体を、第6図に示す遠心
鋳造式4サイクルエンジン用ピストンの成形型20に装
填し、21は外型、22は加熱装置、23は遠心同転装
置、25は中子で、マトリックスとして、AC8A、A
C8B、AC3A。
AC2024等のA1合金24の溶湯を鋳込み温度70
0〜850℃で型内へ注湯し、中子25とフタ25aを
型にセットし、遠心力による加圧力100〜100OG
で溶湯の保持時間3〜30分の条件で金属間化合物を繊
維表面部に適量形成させ、かつ遠心力によりフィラーを
型表面部分に集中させた後にピストンを鋳造し、上記繊
維成形体を充填率2〜12重量%で複合化される。
試験結果 このように、複合化させた材料27の耐摩耗試験を第7
図に示す装置にて実施した。27aは金属間化合物が適
量形成された繊維が分散された分散部、27bはA20
17.A2024等のアルミ合金母材で、27cは回転
軸で、一方向に回転させ、複合表面部27aにSUJ鋼
球28を押しつける方法で、試験片は複合表面の一分を
旋盤で加工し、1200番の研摩紙で粗さを均一とした
ものである。27cは回転軸で、中空円筒状27bに固
定し、相手材は直径15龍の5UJi球(HV870)
である。試験は無潤滑下で、すべり速度は0.128m
/s、総すべり距離は163.2m。
押しつけ荷重は12.7 Nである。摩耗量は摩耗幅お
よび摩耗深さを測定して摩耗面積を求め、そこから比摩
耗量を導き試験結果とした。この各種表面複合材と軸受
用鋼球の摩耗の試験結果を第8図に示す。この結果から
、セラミックス(SiC−ウィスカー/Alz03)を
複合化させたものに比べて、金属繊維を複合化させたも
のは、相対摩耗度(A2017母材のみとSUJ鋼球と
の比摩耗量の値を1とする)が全体的に低い値を示した
。′特にFCD6(l維を複合化させた材料の試験結果
は鋼球もほぼ同じ値を示し、母材A2017のみで行っ
た場合の4/100てあり、耐摩耗性及び攻撃性も改善
されている。そこでFCD60繊維に注目して本発明の
特徴である鋳鉄繊維複合材の金属間化合物による耐摩耗
性にどの様な影響を与えるものかを第9図に示す。試験
方法は上記のものと同じで、試験条件としてはすべり速
度0゜126m/s、総すべり距離151.2m、押し
つけ荷重12.7 Nである。又、複合材は組成比(重
量比)でA2024/FCD60繊維=10:1で、加
熱温度は700℃、付加する遠心力は1048Gで金属
間化合物生成ファクターである加熱保持時間を変化させ
ることで金属間化合物の生成量を変化させた。この結果
、保持時間が長くなり、金属間化合物量が多くなる程複
合材の摩耗量は減少するが、鋼球の比摩耗量は増加する
。これは、金属間化合物量が増加した為、硬度が上がり
耐摩耗性が向上してきたが、鋳鉄繊維中の黒鉛が劣化し
たので摺動摩耗性が減少し、鋼球を傷めたためである。
この試験結果から鋳鉄繊維自体の強度および延性を保持
し、更に相手攻撃性を押えるため保持時間はある程度(
第8図のFCD60のみに対する鋼球の値から25分程
度)に押えると良いことがわかる。
(効果) 本発明は、次のような効果がある。すなわち、(1)複
合化した鋳鉄繊維がFeΔj2.、FeAff。
等の比較的硬い(母材/lより相当高い硬度で〜550
Hv)金属間化合物を表面部分に生成することにより、
耐摩耗性が向上する。
(2)セラミックスフィラーに比較して、鋳鉄繊維の熱
膨張係数がマトリックスの合金等のそれに近いので、冷
熱サイクルによる熱膨張係数の差により割れの発生を押
えることができる。
(3)鋳鉄繊維にNi繊維やTi粉末を混合して複合化
することにより、高温強度のあるNi。
AN、TiA7i等の金属間化合物を生成させ高温特性
を付与させることができる。
(4)金属間化合物は、一般に硬くてもろいが、繊維表
面の薄い部分しか化合物が生成しないように制御するこ
とにより、靭性等も失われない。
(5)凝着摩耗は異種金属の組合せにより減少すると考
えられており、鋳鉄繊維およびNi繊維等をA1合金中
へ複合化したことにより、FeとAAとの化合物等によ
って凝着摩耗も減少するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は鋳鉄繊維成形体の外観斜視図であり、第2図は
金型成型装置の断面図であり、第3図は複合材の断面図
で、第4図は複合材の拡大断面図であり、第5図は金属
間化合物を生成した金属繊維の拡大図である。第6図は
遠心鋳造装置による工程図で、(イ)は鋳造前、(ロ)
は溶湯注入工程、(ハ)は鋳造工程を示す。第7図は試
験装置の簡略図で、第8図は各種表面複合材と軸受用鋼
球の摩耗試験結果のグラフであり、第9図は鋳鉄繊維複
合材の金属間化合物による摩耗性に与える影響を示した
グラフである。 11・・・耐摩耗性強化複合材、13・・・鋳鉄繊維成
形体、13a・・・マトリックス、16a、16b、L
6c・・・鋳鉄繊維、17・・・黒鉛、18・・・金属
間化合物

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 金属よりなるマトリックスの表面に金属繊維を複合化し
    た強化複合材において、太さ100μm以下、長さ10
    mm以下の鋳鉄繊維、又は前記鋳鉄繊維を主として他の
    金属繊維を混合して任意の形状の鋳鉄繊維成形体とし、
    マトリックスとしてアルミニウム又はその合金を高圧鋳
    造法などの外部圧力により前記鋳鉄繊維成形体と共に充
    填複合させて強化複合材を鋳造し、鋳造中に一定温度に
    て一定時間、金型内にて保持して、前記鋳鉄繊維の表面
    層に、マトリックスとの金属間化合物を生成させてなる
    繊維形成体を有する耐摩耗性強化複合体。
JP25370084A 1984-11-29 1984-11-29 耐摩耗性強化複合材 Pending JPS61132260A (ja)

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