JPS61132262A - 複合部材の製造方法 - 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） この発明は、例えば自動車部品、すなわち内燃機関用コ
ネクティングロッド、ロー２カーアームなど、およびそ
の他品種の機械構造部品として好適に使用される複合部
材の製造方法に関するものである。

（従来技術） 従来、高強度・高弾性を有する補強用ｍ維を軽金属中に
複合化させた複合部材（素材および部品、製品）として
は１種々のものが考えられてい例えば、第７図に示すよ
うな形状のコネクティングロッド１は、小径端部２と半
円形大径端部５とを＠部４で連結し、大径端部３には半
円形のキャップ部５を連結固定し、それらの内部に無機
質線、［６を複合分散させて補強したものであるが、こ
のようなコネクティングロッド１を製造する１つの方法
としては、前記コネクティングロ−。

ド１の形状に対応した鋳造空間を有する鋳造型内の所定
位置に、高強度・高弾性を有する無機質繊維から形成し
た繊維成形体を配置し、次いで前記鋳造型内に軽金属溶
湯を加圧供給する高圧凝固鋳造法により充填して前記ｍ
！成形体の間隙部分に軽金属溶湯を浸透させるようにし
たのち凝固させることにより上記形状のコネクティング
ロッド１を製造する方法がある。

また、このような構造のコネクティングロッド１を製造
するための他の方法としては、セラミックス等の短繊維
を軽金属溶湯中に分散させ、この軽金属溶湯を鋳造型内
に加圧供給して凝固させることにより、コネクティング
ロッド１を製造する方法がある。

しかしながら、上記の方法により製造したコネクティン
グロッド１では、無機質繊維が無秩序（３次元ランダム
あるいは２次元ランダム）に分散・配向しており、機関
運転中にコネクティングロッド１に負荷される応力の方
向に配向している繊維が著しく少ないために、当該繊維
による有効な強化がなされないという問題点があった。

そこで、このような補強用繊維の方向が特定されていな
いことによる問題をなくすための方法として、例えば、
内部に長繊維束を収納した下端開口の筒状金型を軽金属
溶湯中に一部浸漬したのち、前記筒状金型の上端より減
圧吸引して前記軽金属溶湯を長繊維束の間隙部分に浸透
させるようにした吸引鋳造による方法（特開昭４９−４
２．５０４号公報）や、また別の方法として、例えば、
一方向に高弾性および高強度を有する無機質ａｍ束を線
状物や網状物等で被覆して繊維体を形成し、この繊維体
を鋳造型内に設置して高圧凝固させるようにした方法（
特開昭５４−７５４０５号公報）がある。

しかしながら、このような方法により製造したコネクテ
ィングロッド等の複合部材では、補強用繊維の配向状態
は良好であるものの、鋳造時において繊維間隙に浸透し
ようとする軽金属溶湯が。

前記繊維によってその流れを抑制されやすく、また流れ
の途中で凝固してしまうことがあり、軽金属溶湯を繊維
間隙に十分に浸透させることが困難であり、加えて、繊
維間隙に浸透した軽金属溶湯は凝固する際に収縮を生ず
るため、微視的な鋳巣が形成されやすいという問題点が
あった。

そのため、複合部材の疲労強度は期待するほど向上せず
、また、強度のばらつきも大きなものとなり、コネクテ
ィングロッド等の複合部材の軽量化が十分に達成されな
いという問題点があった。

（発明の目的） この発明は、上記した従来の問題点に着目してなされた
もので、補強用繊維が複合部材の輪郭線とほぼ平行な方
向に配向しており、かつまた、繊維間隙に金属が十分に
浸透していてしかも繊維間隙には微視的な鋳巣が形成さ
れておらず、それゆえ特定の負荷方向に対する強度とく
に疲労強度に著しく優れていると同時に強度のばらつき
も非常に小さい複合部材を得ることが可能である複合部
材の製造方法を提供することを目的としている。

（発明の構成） この発明による複合部材の製造方法は、補強用繊維を金
属マトリックス中に分散させた複合体を製作したのち、
前記複合体を押出成形することにより、押出成形体の輪
郭線とほぼ平行な方向に前記補強用ｍ雌が配向した複合
部材を得るようにしたことを特徴としており、必要に応
じて前記押出成形体を閉塞的に鍛造成形することにより
複合部材を得るようにしたことを特徴としている。′こ
の発明において適用される補強用繊維は。

高強度・高弾性を有するものが望ましく、このような補
強用繊維としてはＣ，Ｂ等の元素系。

ＳｉＣ等の炭化物系、Ｓ　ｉ３　Ｎ４等の窒化物系。

Ａ　１２０３　、Ｓ　ｉ０２　　、Ｚ　ｒ０２等の酸化
物系、Ｓ　ｉ３　Ｎ４−Ａ見２０３（Ｓ　Ｉ　Ａ　ＬＯ
Ｎ）やＢ、Ｃ／Ｂ等の複合系あるいは高分子系などのも
のを使用することができる。

また、金属マトリックスを構成する金属としては、人文
系（Ａ文単体および合金）、Ｍｇ系（Ｍｇ１体および合
金）その他Ｚａ系などを使用することができる。

さらに、補強用繊維を金属マトリックス中に分散させた
複合体を製作する方法としては、例えば、繊維成形体を
鋳造型の所定位置に装着して金属溶湯を加圧供給する高
圧凝固鋳造法によるものや、補強用ｍｍを分散させた金
属溶湯を鋳＠型内に加圧供給して凝固させる方法や、あ
るいは吸引鋳造法によるものなどが採用される。

そして、このようにして製作した複合体を押出成形する
ことによって、押出成形体の輪郭線とほぼ平行な方向に
前記補強用繊維が配向した複合部材を得る。

（実施例１） 第１図ないし第５図は、この実施例１に関連する説明図
である。これらのうち、第１図ないし第３図は補強用繊
ｍ８を金属マトリックス９中に分散させた複合体１０の
押出成形装置をその動作順に示すものであって、この押
出成形装置１１は、上型１２と下型１３を備え、上型１
２および下型１３にそれぞれ形成したｙｔ部１２ａ。

１３ａにはしごき具１４が装着してあり、このしごきＡ
１４はグイ部分１４ａを有していてロッド１５ａ、１５
ｂを介して図示しない駆動シリンダにより進退可能とな
っており、円型１２．１３の間で形成された押出空間１
６内には前記複合体１０が装入可能になっていると共に
、押出用パンチ１８がロッド１９を介して押込み可崗に
なっており、さらに両型１２，１３の間で形成された成
形空間２０内には背圧負荷用パンチ２１が設けてあり、
さらに下型１３には第３図（ｂ）に示すようにノックア
ウトピン２２を設けた構造をなすものである。

上記押出空間１６に装入された複合体１０は、高強度・
高弾性を有する補強用繊維８を金属マトリックスタ中に
複合分散させたもので、この場合において補強用繊＃１
８は無秩序な三次元ランダムにもしくは紙面に平行な面
上に二次元ランダムに配向しているものである。

また、第４図は前記複合体１０を前記押出成形装置１１
により押出成形して製作した押出成形体を閉塞的に鍛造
成形するための閉塞鍛造装置を示すものであって、この
閉塞鍛造装置３１は、上パンチ３２と、下パンチ３３と
、フローティングタイ３４とを備え、上パンチ３２およ
び下パンチ３３にはコネクティングロッドの形状に相当
する鍛造空間３５を形成するための窪部３２ａ、３３ａ
がそれぞれ設けである。

さらに、第５図は高強度・高弾性を有する補強用繊＃に
８を金属マトリックス中に複合分散させた複合体を押出
成形することにより製作した押出成形体を素材とし、こ
の押出成形体を閉塞的に鍛造成形することによりコネク
ティングロッドのキャップ部を製作するのに使用する閉
塞鍛造装置を示すものであって、第５図（ａ）（ｂ）に
示す荒加工用閉塞鍛造装置４１は、荒加工用上パンチ４
ｚと、荒加工用下パンチ４３を備え、下パンチ４３には
ノックアウトピン４４を備えた構造を有し。

第５図（ｃ）に示す仕１加工用閉塞鍛造装置５１は、仕
上加工用上パンチ５２と、仕上加工用下パンチ５３と、
仕上加工用ダイ５４を備え、丁パンチ５３にはノックア
ウトピン５５を備えた構造を有するものである。

また、第５図に示す押出成形体４５は、高強度・高弾性
を有する補強用繊維８を金属マトリンラス中に分散させ
た複合体を棒状に熱間押出しをして、前記補強用繊維８
を軸方向とほぼ平行な一方向に配列させたものである。

次に、このような装２を用いて内燃ＲｒＡ用コネクティ
ングロッドを製造した一例にろいて説明すまず、第１図
に示す複合体１０を製造するに際して、ＪＩＳ　　Ａ６
０６１合金（Ｃｕ：０．３ｇ（量％、Ｓｉ：０．５重量
％、Ｍｇ：１．０重量％、Ｚｎ：０．２重量％、残Ａ文
および不純物）中に鋳造法によってＳＩＣウィスカ（東
海カーボン製商品名トーカマックス；直径０．４＋ｍ、
平均長１５０ｐｍ）を体積率で約２０％複合させて、金
属マトリックス２中に前記ＳｉＣウィスカよりなる補強
用ｊＭ！８を分散させたビ、レット状の複合体１０を用
意した。そして、この複合体１０を５００℃に加熱した
のち、第１図に示す押出成形装Ｗ１１１の押出空間１６
内に装入した０次いで、直ちに第１図（ａ）に示すよう
に背圧付加用パンチ２１をその前進限位置にして押出用
パンチ１８を８ｍ／分の速度で前進させて複合体１０を
加圧した。このとき、第２図に示すように複合体１０の
押出先端がしごき具１４を通過するまでは押出用パンチ
１８に２０ｔｏｎｆの加圧力を加え、背圧付加用パンチ
２１には３Ｌｏｎｆの荷重を負荷させた。

次いで、ｉ＠２図に示す状態となったあとは図示しない
リミットスイッチ等の動作により、押出用パンチ１８に
負荷させた加圧力を２５　ｔｏｎｆに上昇させ、背圧付
加用パンチ２１を後退させつつ複合体１０を加工しつづ
けた。その後、第３図（ａ）に示す位置において図示し
ないリミットスイッチ等を動作させることにより押出用
パンチ１８の前進限位置として規制し、押出用パンチ１
８および背圧付加用パンチ２１に加えたＲ重を零にした
。続いて、上型１２を上昇させて段付部１２ｂにおける
しごき具１４との保合を解いたのち当該しごき具１４を
後退させ、次いでノックアウトビン２２を上昇させるこ
とによってこの発明にいう複合部材としてのコネクティ
ングロッド本体用押出成形体４８を取り出した。

ここで取り出した複合部材としての押出成形体４８を観
察した結果、大径端部のクランクピン当接部４８ａ（第
３図（ａ）参照）は、押出用パンチ１８による加工によ
って、また、大径端部のアール部４８ｂはしごさ具１４
による加工によって、ざらにまた、軸部４８ｃはしごき
具１４を通過した際の押出加工によって、それぞれ押出
成形体４８の輪郭線にほぼ平行な流線方向に前記ＳｉＣ
ウィスカよりなる補強用［Ｉ８が整然として配向してい
た。なお、この芙施例１では、コネクティングロッドを
製作する場合を示し、以下に説明するように上記押出成
形体４８をさらに閉塞的に鍛造成形するが、以上の工程
により製作した押出成形体４８そのものが複合部材とし
て使用されることは当然ありうるものであり、このよう
な複合部材は、その輪郭線にほぼ平行な方向に補強用繊
維８が配向したものとなっており、また、金属溶湯の凝
固収縮によって前記複合体１０中に微視的な鋳巣が生じ
ていたとしも、押出成形によって前記鋳巣はなくなって
おり、したがって、後述の評価例１の■に示すように、
特定の方向における強度とくに疲労強度に著しく優れて
いると同時に強度のばらつきがほとんどない複合部材が
得られる。

次に、前記押出成形体４８を第４図に示す閉塞鍛造装置
５１の鍛造空間３５内に装入し、上バンチ３２と下パン
チ３３との間で８　ｔｏｎｆ／ｃｍ２）圧力を前記押出
成形体４８に加えることにより閉塞鍛造してコネクティ
ングａ　＋７ド本体部４２を製作した。この閉塞鍛造で
は、当該軸部４２ａ（第４図（ａ）参照）におけるＳｉ
Ｃウィスカよりなる補強用＃ａ維８の配向が前記押出成
形体４８の軸部における配向と基本的に変化することな
く当該軸部４９ａにおける断面係数を増大させると同時
に、小径端部４９ｂを前記押出成形体４８の端部から張
り出させることによってその輪郭線にほぼ平行な流線方
向にＳｉＣウィスカよりなる補強用繊維８を配向させる
ことができた。

なお、ｗＩＪ１図ないし第３図に示す押出成形工程と、
第４図に示す閉塞鍛造工程とを連続して行うことによっ
て、閉塞鍛造装置３１に装入する押出成形体４８への予
熱は不要であり、押出成形工程における加工熱をそのま
ま利用することができる。しかし、押出成形工程と閉塞
１造工程との間に時間があるときは、必要に応じて、閉
塞鍛造装置１３１に装入する予備成形体４８を押出成形
加工時と同様に５００℃程度に予熱しておくことが必要
である。

一方、上記と同様にＪＩＳ　　Ａ　　６０８１合金中に
鋳造法によってＳＬＣウィスカよりなる補強用＃Ｉ維８
を体積率で約２０％複合分散させたビレット状の複合体
を用意し、この複合体を５００℃に加熱したのち前記と
同様にして押出成形装置により棒状に押出成形して第５
図（ａ）に示すようなこの発明でいう複合部材としての
押出成形体４５を製作した。ここで製作した押出成形体
４５においては、ＳｉＣウィスカよりなる補強用繊維８
が棒状体の軸方向に整然と配向したものであった。

次に、前記押出成形体４５を５００’０８度に加熱して
荒加工用閉塞鍛造装置４１の荒加工用下パンチ４３上に
装入し、次いで荒加工用上パンチ４２を降下させて前記
押出成形体４５を加工することにより荒加工成形体５８
を製作し、ノックアウドビン４４により前記荒加工成形
体５８を取り出した。続いて、前記荒加工成形体５８を
必要に応じて５００℃程度に加熱したのち仕上加工用閉
塞鍛造装置５１の仕上加工用下パンチ５３上に装入し、
次いで仕上加工用上パンチ５２を降下させて前記荒加工
成形体５８を加圧して閉塞鍛造することによりコネクテ
ィングロッド用キャップ部５９を製作した。この閉塞鍛
造後のキャップ部５９では、このキャップ部５９の輪郭
線にほぼ平行な流線方向に前記ＳｉＣウィスカよりなる
補強用繊ｍ８が整然と配向していた。

次に、上記により製作したコネクティングロ。

ド本体部４９とキャブ部５９とに対してそれぞれＴ６熟
処理（５４０℃×３時間→水冷→ｉａｏ℃ｘ７時間）を
行い、機械加工を施してコネクティングロッドに仕上げ
た。

（実施例２） 第１図ないし第５図に示した装置を用いて内燃機関用コ
ネクティングロッドを製造した他の例について説明する
。

まず、第１図に示す複合体１０を製造するに際して、Ｊ
ＩＳ　　Ａ　　７０７５合金（Ｃｕ：１．５重量％、Ｓ
ｉ：０．２重量％、Ｍｇ　：　２．５ｔｔ％、Ｚｎ：５
．８重量％、残部Ａ交およびその他不純物）中に鋳造法
によってＡ見２０３短繊維（ＩＣＩ社製サフすルＲＦ繊
維；直径３ル膳、平均長４００ｐｍ）を体積率で約２５
％複合させて、金属マトリックス２中に前記Ａ見２０３
短繊維よりなる補強用ｍ＃ｉｓを分散させたビレット状
の複合体１０を用意した。そして、この複合体１０を４
６０℃に加熱したのち第１図に示す押出成形装Ｍ１１の
押出空間１６内に装入し、第１図（ａ）に示すように背
圧付加用パンチ２１をその前進限位置にして押出用パン
チ１８を５１１分の速度で前進させて複合体１０加圧し
、以後は前記実施例１と同様にして複合部材としての押
出成形体４８を成形した。ここで得られた押出成形体４
８では、その輪郭線にほぼ平行な流線方向に前記Ａ見２
０３短繊維よりなる補強用繊！１８が整然と配向してい
た０次に、前記実施例１と同様にして押出成形体４８を
閉塞的に鍛造成形することによりコネクティングロッド
本体部４．９を製作した。このコネクティングロッド本
体部４９においても、前記ＡＭ２０３短繊＃１８の配向
は前記押出成形体４８におけるそれと基本的に変化して
いなかった。

一方、上記と同様にＪＩＳ　　Ａ　　７０７５合金中に
鋳造法によって人文２０３短＃ａ雄よりなる補強用ｍ８
Ｂを体ｊ！ｉ率で約２５％複合分散させたビレット状の
複合体を用意し、この複合体を４６０°Ｃに加熱したの
ち前記実施例１と同様にして第５図（ａ）に示すように
複合部材としての押出成形体４５を製作した。ここで製
作した押出成形体４５においては、Ａ９．２０３短繊維
よりなる補強用繊維８が棒状体の軸方向に整然と配向し
ていた０次に前記押出成形体４５を４６０℃に加熱して
前記実施例１と同様に荒加工および仕上加工閉塞鍛造を
行ってコネクティングロッドキャップ部５９を製作した
。このキャップ部５９においてもＡｌ２Ｏ２短Ｍ＆維よ
りなる補強用ｍ維８は当該キャップ部５２の輪郭線にほ
ぼ平行な流線方向に整然と配向していた。

次に、上記により製作したコネクティングロッド本体部
４２とキャップ部５２とに対してそれぞれＴ６熱処理（
４５０℃×３時間→水冷呻１２０”０Ｘ２４時間）を行
い、機械加工を施してコネクティングロッドに仕上げた
。

（比較例１） 実施例１において使用したＪＩＳ　　Ａ６０６１合金の
溶湯中に、同じ〈実施例１において使用したＳｉＣウィ
スカを体積率で約２０％複合させ、この出錐複合金属溶
湯を用いて図示しない溶湯鍛造装Ｃによりコネクティン
グロッドの形状に成形した。

（比較例２） 実施例２において使用したＪＩＳ　　Ａ７０７５合金の
溶湯中に、同しく実施例２において使用したＡ文、０３
短繊維を体積率で約２５％複合させ、このＮｈ維複合金
属溶湯を用いて図示しない溶湯鍛造装置によりコネクテ
ィングロッドの形状に成形した。

（比較例３） 実施例１において使用したＪＩＳ　　Ａ６０６１合金を
素材とし、鍛造によってコネクティングロッドの形状に
成形した。

（評価例１） 前記実施例１．２および比較例１，２．３により各々製
作したコネクティングロッドの軸部から３ＸＩＯＸ６０
＋ｎ（標点距離３０＋ｗ■）の試験片を切出し、１５０
℃において、３０Ｈｚの引張・圧縮疲労試験（平均応力
Ｏｋｇｆ／ｍａ２）を行なった。その結果を第６図に示
す、なお、第６図において。

実施例１ではＡがコネクテインクロッド最終製品（閉塞
鍛造済）の評価結果であり、またＢがこの発明でいう複
合部材としての押出成形体（押出後）の評価結果である
。また、実施例２では、コネクティングロッド最終製故
閉塞鍛造済）の評価結果である。

＠６図に示すように、補強用繊維を複合しない比較例３
の場合には疲労強度がかなり低く、補強用ｍ維を複合さ
せかつ溶湯鍛造した比較例１．２の場合には、比較例３
よりもかなり疲労強度が上昇しているが、補強用Ｍ＆維
の配向が三次元的にランダムであり、かつ溶ｆｌｔｔｎ
造後の金属の凝固収縮に伴って微視的な鋳巣が多数形成
されており、疲労強度はまずまずの値であった。

これに対して１本発明による複合部材は、補強用Ｆａ雄
を金属マトリックス中に分散させた複合体を製作したの
ち、この複合体を押出成形するようにしているため、得
られた押出成形体の輪郭線とほぼ平行な方向に前記補強
用繊維が配向しており、かつまた複合体中に金属の凝固
収縮により微視的な鋳巣が形成されていたとしても、そ
の後の押出成形によってこれが完全になくなるため、第
６図に示すように疲労強度がかなり高いものとなってお
り（実施例１の場合の■の偏入また強度のばらつきも著
しく小さいものであることが確かめられた。そして、前
記押出成形体に対してさらに閉塞的な鍛造成形を行うこ
とによって疲労強度をさらに高めることができた（実施
例１の場合の■の値）。

（評価例２） 次に、前記データに基づいて従来のものと同一強度を有
するコネクティングロッドの形状を決定してその重量を
測定した結果を表１に示す、なお、比較例４として、炭
素鋼（５４０Ｃ）を素材として鍛造により成形したコネ
クティングロッドについても調べた。

表　　　１ 表１に示すように、本発明による場合にはコネクティン
グロッドの軽量化に著しく貢献することが確かめられた
。

次いで、前記実施例１．２により製造したコネクティン
グロッドを４気筒ガソリンエンジン（排気量１８００ｃ
ｃ）に組込み、　　６０００　ｒ、ｐ、ｍ、フルロード
４００時間の耐久試験を行なった結果、エンジン性能の
顕著な向上が確認され、使用上の問題点は何んら生じな
かった。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明による複合部材の製
造方法では、補強用繊維を金属マトリックス中に分散さ
せた複合体を製作したのち、前記複合体を押出成形する
ことにより、押出成形体の輪郭線とほぼ平行な方向に前
記補強用繊維が配向した複合部材を得るようにしたから
、たとえ複合体中において金属の凝固収縮に伴う微視的
な鋳巣が形成されていたとしても、上記の押出成形によ
ってそれらの鋳巣がなくなっており、押出成形後には、
補強用繊維が押出成形体の輪郭線とほぼ平行な方向に配
向したものとなっているため、強度とくに疲労強度に著
しく優れていると同時に、強度のばらつきも非常に小さ
い複合部材を得ることができるという著大なる効果がも
たらされる。。

４Ｊ面の簡単な説明 第１図（ａ）はこの発明の一実施例において用いたビレ
ット状複合体の押出成形装置の水平断面説明図、第１図
（ｂ）は第１図（ａ）のＡ　＋　Ｏｒ　０２Ａ２線にお
ける垂直断面説明図、ｐｊ４２図は第１ｒｆ４に示した
押出成形装置の押出成形途中の状態を示す水平断面説明
図、第３図（ａ）は第１図に示した押出成形装置の押出
成形後の状態を示す水平断面説明図、第３図（ｂ）は第
３図（ａ）のＢ−Ｂ線垂直断面説明図、第４図（ａ）（
ｂ）は第１図ないし第３図に示した押出成形装置により
製作した押出成形体を閉塞的に鍛造成形するために用い
た閉塞鍛造装置の各々水平断面説明図および垂直断面説
明図、第５図（ａ）（ｂ）は複合体を押出成形した押出
成形体を荒加工する荒加工用閉塞鍛造装置の各々荒加工
前後の状態を示す垂直断面説明図、第５図ＣＣ）（ｄ）
は同じく仕上加工用閉塞鍛造装置の仕上加工後の状態を
示す垂直断面説明図および加工品の踵断面説明図、第６
図はこの発明の実施例１．２および比較例１，２．３に
より製作したコネクティングロッドの疲労強度を調べた
結果を示すグラフ、第７図はコネクティングロッドの代
表的な形状例を示す説明図である。

８・・・補強用繊維、 ２・・・金属マトリックス。

１０・・・複合体。

１１・・・押出成形装置。

３１．４１．５１・・・閉塞鍛造装置、４５．４８・・
・押出成形体（＃Ｉ合部材）。

特許出願人　　　日産自動車株式会社 代理人弁理士　　小　　塩　　　　豊 第３図 （ａ） 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）補強用繊維を金属マトリックス中に分散させた複
   合体を製作したのち、前記複合体を押出成形することに
   より、押出成形体の輪郭線とほぼ平行な方向に前記補強
   用繊維が配向した複合部材を得ることを特徴とする複合
   部材の製造方法。