JPS61245959A - 繊維強化金属複合材料の製造方法 - 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 本発明は、ｍｓ強化金属複合材料に係り、更に詳細には
加圧鋳造による繊維強化金属複合材料の製造方法に係る
。

従来の技術 繊維強化金属複合材料の製造方法の一つとして、強化繊
維よりなる繊維成形体を形成し、該繊維成形体を鋳型内
に配置し、該鋳型内にマトリックス金属の溶湯を注湯し
、該溶湯を加圧しつつ凝固させる加圧鋳造法が従来より
知られている。かかる加圧鋳造法によるＩｌｌ！！強化
金属複合材料の製造方法に於ては、特に高かさ密度の繊
維成形体が鋳型の内壁面に当接した状態にて鋳型内に配
置される場合には、マトリックス金属の溶湯等により予
熱された強化ＩＩＩｍが鋳型により冷却され、鋳型の内
壁面に近接した部位に於て強化ｍＷ１とマトリックス金
属の溶湯との濡れ性が低下し、溶湯が個々の強化繊維間
に良好に浸入しないことに起因して、製造された複合材
料中にマトリックス金属が充填されていない部分が発生
することがある。

かかる不具合を解消する方法の一つとして、特公昭５６
−２１５０５号公報に記載されている如く、繊維成形体
の鋳型に近接する部分の全部又は一部が低かさ密度にて
形成された繊維成形体を用いることが既に知られている
。

発明が解決しようとする問題点 しかし上述の如き方法に於ては、繊維成形体の低かさ密
度の部分の強度が低いため、該部分は繊維成形体の高か
さ密度の部分を鋳型内の所望の位置に良好に保持するこ
とができず、鋳型内にマトリックス金属の溶湯が注湯さ
れる場合の溶湯の動圧等により、繊維成形体の＾かさ密
度の部分が鋳型内の所望の位置より変位され、従って所
望の部位が正確に高体積率の強化繊維にて複合強化され
た複合材料を製造することが困難である。

また上述の方法に於て低かさ密度の部分の強度が不十分
であることに起因する問題を解消すべく、低かさ密度の
部分のかさ密度を高くしたり、繊維成形体の製造に際し
個々の強化繊維を互に結合させる無機質バインダを使用
し、その目付量を高くすると、前者の方法に於ては、低
かさ密度の部分の熱伝導性が高くなることに起因して該
部分の保温性が低下し、後音の方法に於ては、製造され
た複合材料中に比較的多量の無機質バインダが残存する
ので、複合材料の強度等の性質を良好に向上させること
が困難である。

本発明は、従来の加圧鋳造による繊維強化金属複合材料
の製造方法に於＃する上述の如き問題に鑑み、かかる問
題が生じることがないよう改善された繊維強化金属複合
材料の製造方法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、強化繊維よりなるｇＡ
Ｎ成形体を形成し、前記繊維成形体と鋳型の内壁面との
間に前記繊維成形体よりも有孔度の高い多孔質のセラミ
ック焼結体が介装された状態にて前記繊維成形体を前記
鋳型内に配置し、前記鋳型内にマトリックス金属の溶湯
を注湯し、前記ＷＩＷＡを加圧しつつ凝固させるＩＩＭ
強化金属複合材料の製造方法によって達成される。

発明の作用及び効果 本発明によれば、繊維成形体と鋳型の内壁面との間に繊
維成形体よりも有孔度の高い多孔質のセラミック焼結体
が介装された状態にて繊維成形体が鋳型内に配置され、
多孔質のセラミック焼結体はその体積率が低い値であう
でも単なる低体積率の繊維成形体に比して高い強度を有
するので、鋳型内にマトリックス金属の溶湯が注湯され
る際の動圧等により繊維成形体が鋳型内の所望の位置よ
り変位せしめられることはなく、これにより所望の正確
な位置に強化Ｎ雑が充填された複合材料を製造すること
ができ、また繊維成形体よりも有孔度の高い多孔質のセ
ラミック焼結体により繊維成形体の加熱された強化繊維
が鋳型によって冷却されることが回避されるので、個々
の強化繊維の間に十分にマトリックス金属が充填された
複合材料を製造することができる。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、セラミック焼結体
はセラミック繊維の焼結体である。かかる方法によれば
、セラミック焼結体のかさ密度を繊維成形体のかさ密度
よりも遥かに小さくすることができ、しかもセラミック
焼結体の強度として繊維成形体を良好に保持するに足る
強度を確保することができる。またかかる方法によれば
、セラミック焼結体は弾性を有しているので、セラミッ
ク焼結体をＩＩＮ成形体と共に鋳型に圧入することが可
能であり、またセラミック焼結体の窪み等に繊維成形体
を圧入することが可能である。尚この場合、セラミック
焼結体の強化繊維は繊維成形体の強化５ｓｅｉと同一の
繊維であってもよく、また異なるＩＩＭであってもよい
。

本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、セラミック焼
結体はセラミック粉末の焼結体である。

かかる方法によれば、セラミック焼結体がセラミック繊
維の焼結体である場合に比して、セラミック焼結体の強
度を高くすることができる。

本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、繊維成形
体はセラミック焼結体により保持された状態にて鋳型内
に配置される。かかる方法によれば、繊維成形体の形状
や繊維成形体を構成する強化繊維の配向、体積率等がセ
ラミック焼結体によりそれぞれ所望の形状及び値に維持
されるので、従来に比して繊維成形体に使用される無機
質バインダの目付量を低減し又はその使用を省略するこ
とができ、これにより製造される複合材料中に多量の無
機質バインダが残存することに起因する複合材料の強度
低下の如き不具合の発生を確実に回避することができる
。

尚本願発明者らが行った実験的研究の結果によれば、セ
ラミック焼結体の構成材料が従来より繊維強化金属複合
材料の製造に使用されているセラミック繊維である場合
や、従来より市販されているセラミック粉末である場合
には、それらの材質拘らず、繊維成形体を構成する強化
繊維が鋳型により冷却されることを良好に回避し、また
セラミック焼結体中にマトリックス金属の溶湯が良好に
浸入することを確保するためには、セラミック焼結体の
体積率は３０％以下、特に２５％以下であることが好ま
しく、セラミック焼結体の強度を十分な値に確保するた
めには、セラミック焼結体の体積率は５％以上、特に９
％以上であることが好ましい。

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。

えＬｆＬ上 アルミナ−シリカ知識ｌ１ｌ（イソライト・バブコック
耐火株式会社製「カオウール」）をリング状に成形し１
、該繊維成形体を約１１５０℃にて焼結処理することに
より、第１図に示されている如く、実質的に円筒状をな
し外周面に環状溝２を有し、かさ密度が０．２３ｇ／ｃ
ｃ（体積率９％）であるスケルトン構造のセラミック焼
結体３を形成した。この場合個々の知識ｌ１１１は軸線
４に整合する仮想円筒面内に於ては二次元ランダムに配
向され、半径方向に積み重ねられ、互に焼結により部分
的に結合されていた。

次いで第２図に示されている如く、環状１ｔ２内にてセ
ラミック焼結体３の周りに炭素繊［５（東し株式会社製
［トレカ（登録商標）Ｍ４０Ｊ）のストランド（１スト
ランド−６０００フイラメント）を巻き付けることによ
り、実質的に周方向に配向された炭素繊維５よりなる体
積率７０％の円筒状の繊維成形体６を形成し、これによ
りセラミック焼結体３と該セラミック焼結体によりその
環状溝２内に一体的に保持された繊維成形体６とよりな
るピストン用ストラット成形体７を作成した。

次いで第３図に示されている如く、ピストンの円筒状外
周面を郭定する本体８と、該本体に良合しピストンの内
部形状を郭定する下型９と、本体８に嵌合しピストンの
ヘッドを郭定する上型１０とよりなるピストン鋳造用の
鋳型１１を用意した。

次いでストラット成形体７を７５０℃に予熱した後、該
ストラット成形体をその一端１２にて下型９の肩部１３
に当接し、その円筒状内周面１４にて下型の円筒面１５
に当接した状態にて下型に圧入式に固定した。

次いで第４図に示されている如く、鋳型１１内に７４０
℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ＞の溶湯１
６を注湯し、該溶湯を１５００ｋ。

／ｉの圧力にて加圧し、その加圧状態を溶湯が完全に凝
固するまで保持した。溶湯が完全に凝固した後鋳型内よ
りピストン粗材を取出し、該粗材に対しＴｒ熱処理及び
機械加工を施して内燃機関用のピストンを形成した。

かくして形成されたピストンの断面を観察したところ、
個々の炭素繊維及びアルミナ−シリカ短繊維の間にアル
ミニウム合金が良好に浸透しており、また炭素ｌｌ維は
ピストン内の所定の位置に位置しており、その配向状態
及び体積率も適正であることが認められた。

比較の目的で、無機質バインダとしてシリカバインダを
使用し、アルミナ−シリカ短繊維のかざ密度が０．１８
（１／ＣＣ（体積率７％）に設定され、焼結処理が行わ
れなかった点を除き、上述の実施例１の場合と同一の要
領にてセラミック焼結体３と同一の形状の繊維成形体を
形成し、該繊維成形体の環状溝内に炭素繊維をかさ密度
０．２３Ｑ／ＣＣ（体積率７０％）にて巻き付けること
によりピストン用ストラット成形体の形成を試みたとこ
ろ、得られたストラット成形体のうちの約６割のストラ
ット成形体に於ては、アルミナ−シリカ短繊維よりなる
繊維成形体が破損しており、従って破損等の不良部のな
いストラット成形体を製造することは困難であった。

また上述の如き不良の発生を防止すべく、シリカバイン
ダの目付量を高くしたところ、製造されたピストンの元
のセラミック焼結体の部分に比較的多量のシリカが残存
しており、従って該部分の強度が著しく低いことが認め
られた。

更にセラミック焼結体のアルミナ−シリカ短繊維のかさ
密度（体積率）の適正値を求めるべく、アルミナ−シリ
カ短繊維のかさ密度を１゜００／ｃｃ、　Ｑ、８（１７
Ｇｏ、　０．５ｇ／ｃｃ、　０６３Ｇ／ｃｃ（体積率は
それぞれ３８％、３１％、１９％、１２％）であるセラ
ミック焼結体を形成し、それらのセラミック焼結体を用
いて上述の実施例１の場合と同様の要領にてピストンを
製造したところ、かさ密度が１．００／ＣＯ（体積率が
３８％）であるセラミック焼結体が使用されたピストン
に於ては、セラミック焼結体が下型に当接した部位の全
体に、またかさ密度が０．８（１／ｃｃ（体積率が３１
％）であるセラミック焼結体が使用されたピストンに於
ては下型に接触した部位の一部に、それぞれアルミニウ
ム合金が良好に充填されてはいない部分が発生している
ことが認められた。

１１九Ｌ アルミナ−シリカ系の多孔質セラミック（かさ密度０．
４５０／ｃｃ（体積率２５％）、フィルトン株式会社製
「フィルトン」）に対し機械加工を行うことにより、上
述の実施例１に於けるセラミック焼結体と同一形状のセ
ラミック焼結体を形成した。次いでセラミック焼結体の
環状溝内にアルミナ繊維雑（デュポン社製［ファイバー
ＦＰＪ　）を巻き付けることにより、実質的に周方向に
配向されたアルミナ繊維よりなる体積率４５％の円筒状
のＩＢＭ成形体を環状溝内に形成し、これによりセラミ
ック焼結体と該セラミック焼結体によりその環状溝内に
一体的に保持された繊維成形体とよりなるピストン用ス
トラット成形体を作成した。

次いでストラット成形体を７００℃に予熱し、該ストラ
ット成形体を用いて上述の実施例１の場合と同一の要領
及び同一の条件にて内燃機関用のピストンを製造した。

かくして製造されたピストンの断面を観察したところ、
セラミック焼結体の内部及びアルミナ繊維の間にアルミ
ニウム合金が良好に浸透しており、アルミナ繊維はピス
トンの所定の位置に充填されており、その配向状態及び
体積率も適正であることが認められた。

以上に於ては本発明を二つ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他の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図は内燃機関用ピストンの製造に適用された本発明
による繊維強化金属複合材料の製造方法の一つの実施例
に於けるセラミック焼結体を一部破断して示す正面図、
第２図は第１図に示されたセラミック焼結体を用いて製
造されたストラット成形体を一部破断して示す斜視図、
第３図は第２図に示されたセラミック焼結体がピストン
鋳造用の鋳型内に配置された状態を示す断面図、第４図
は第２図に示されたストラット成形体を用いて行われる
鋳造工程を示す断面図である。 １・・・アルミナ−シリカ短繊維、２・・・環状溝、３
・・・セラミック焼結体、４・・・軸線、５・・・炭素
繊維。 ６・・・繊維成形体、７・・・ストラット成形体、８・
・・本体、９・・・下型、１０・・・上型、１１・・・
鋳型、１２・・・一端、１３・・・肩部、１４・・・円
筒状内周面、１５・・・円筒面、１６・・・アルミニウ
ム合金の溶湯特許出願人　　　　トヨタ自動車株式会社
代　理　人　　　　弁理士　明石　昌毅第　１　図 第　２　図 つ炭素繊維 第３図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）強化繊維よりなる繊維成形体を形成し、前記繊維
   成形体と鋳型の内壁面との間に前記繊維成形体よりも有
   孔度の高い多孔質のセラミック焼結体が介装された状態
   にて前記繊維成形体を前記鋳型内に配置し、前記鋳型内
   にマトリックス金属の溶湯を注湯し、前記溶湯を加圧し
   つつ凝固させる繊維強化金属複合材料の製造方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項の繊維強化金属複合材料の
   製造方法に於て、前記セラミック焼結体はセラミック繊
   維の焼結体であることを特徴とする繊維強化金属複合材
   料の製造方法。
3. （３）特許請求の範囲第１項の繊維強化金属複合材料の
   製造方法に於て、前記セラミック焼結体はセラミック粉
   末の焼結体であることを特徴とする繊維強化金属複合材
   料の製造方法。
4. （４）特許請求の範囲第１項乃至第３項の繊維強化金属
   複合材料の製造方法に於て、前記繊維成形体は前記セラ
   ミック焼結体により保持された状態にて前記鋳型内に配
   置されることを特徴とする繊維強化金属複合材料の製造
   方法。