JPS61253334A

JPS61253334A - アルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合材料

Info

Publication number: JPS61253334A
Application number: JP60040908A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Donomoto; 堂ノ本　忠; Masahiro Kubo; 雅洋久保
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-03-01
Filing date: 1985-03-01
Publication date: 1986-11-11
Also published as: EP0192804A2; DE3574737D1; EP0192804A3; US4595638A; EP0192804B1

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、繊維強化金属複合材料に係り、更に詳細には
アルミナ繊維と鉱物繊維とよりなるハイブリッド繊維を
強化繊維とし、アルミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛
、鉛、スズ及びこれらを主成分とする合金をマトリック
ス金属とする複合材料に係る。

従来の技術アルミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛、鉛、スズ及び
これらを主成分とする合金の如く比較的低融点の金属は
、相手材料との馴染みの良さから摺動材料として多用さ
れている。しかし高性能化に対する要求からこれらの材
料の使用条件が益々厳しくなって来ており、摩耗や焼付
きの如き所謂トライポロジー的問題がしばしば発生して
いる。

例えばディーゼルエンジンのアルミニウム合金製ピスト
ンに於ては、エンジンが過酷な条件にて運転されると、
そのリング溝の異常摩耗やピストンとシリンダとの焼付
きの如き問題が生じることがある。かかるトライポロジ
ー的問題を解決する一つの有効な手段として、本願出願
人と同一の出願人の出願に係る特開昭５８−９３９４８
号、特開昭５８−９３９４８号、特開昭５８−９３８３
７号、特開昭５８−９３８４１号、特開昭５９−７０７
３６号の各公報に開示されている如く、アルミニウム合
金の如き金属を高硬度で強靭な強化繊維にて強化する技
術が知られている。

発明が解決しようとする問題点かかる複合材料用の強化ＩＩＩＩｆ１としては炭化ケイ
素繊維、窒化ケイ素繊維、アルミナ繊維、アルミナ−シ
リカ繊維、炭素繊維、チタン酸カリウム繊維、鉱物繊維
等があるが、これらの強化繊維の大多数は非常に高価で
あり、このことが上述の如き複合材料を実際の部材に適
用する上で一つの最大の阻害要因となっている。上述の
強化繊維のうち、耐摩耗性向上効果に優れ且比較的低廉
である点に於てアルミナ−シリカ系繊維、即ちアルミナ
繊維及びアルミナ−シリカ繊維（特開昭５８−９３８３
７号、特開昭５８−９３８４１号参照）が好ましく、非
常に低廉である点に於て鉱物繊維（本願出願人と同一の
出願人の出願にかかる特願昭５９−２１９０９１号参照
）が好ましい。

しかしアルミナＩＩＨを強化繊維とする複合材料に於て
は、優れた耐摩耗性が得られるが、アルミナ繊維が高価
なものであるため、複合材料も高価なものになるという
問題がある。またアルミナ−シリカ繊維は従来より断熱
材料として多量に使用されており、特にハンドリング性
を考慮して一般に非晶質状態にて使用されている。この
非晶質のアルミナ−シリカ繊維を強化繊維とする複合材
料に於ては、アルミナ繊維を強化繊維とする場合に比し
て複合材料のコストを低減することができるが、アルミ
ナ−シリカ繊維はアルミナ繊維に比して硬さが低いため
、複合材料の耐摩耗性が不十分になり易いという問題が
あり、また非晶質のアルミナ−シリカ繊維は構造的に不
安定であるため、マグネシウム合金の如き酸化物形成傾
向の高いマトリックス金属の溶湯との間に於て反応を生
じて劣化し、これにより繊維自体の強度が低下し、従っ
てアルミナ−シリカ繊維を強化繊維とする複合材料に於
ては強度が不十分なものになり易いという問題がある。

また前述の金属に於ては、繊維強化による高強度化の要
請も大きい。アルミナには種々の結晶構造のものがあり
、高強度の結晶構造としてはδ相、γ相、α相などがあ
り、これらの結晶構造を含むアルミナ繊維としてはそれ
ぞれＩＣＩ株式会社製の「サフイル（登録商標）ＲＦ」
、住友化学工業株式会社製の「住化アルミナ繊維」、デ
ュポン社製の［ファイバーＦＰ（登録商標）Ｊ（１００
％αアルミナ）がある。これらのアルミナ繊維によれば
マトリックス金属の強度を大幅に向上させることができ
るが、これらの繊維は硬質であるためかかる複合材料が
摺動材料として使用される場合には相手材料の摩耗量が
増大するという問題がある。これに対しαアルミナ含有
率が５〜６０ｗｔ％であるアルミナｍ５ｉｔを強化繊維
とする複合材料（特開昭５８−９３８４１号）は、それ
自身の耐摩耗性及び相手材に対する摩擦摩耗特性に優れ
ているが、前述の各結晶構造のアルミナ繊維を強化繊維
とする複合材料の場合と同様に、アルミナ−シリカ繊維
を強化繊維とする複合材料に比して高価である。

こｔＬｋ一対ＬＳｉ　Ｏｔ　、　Ｃａ　ｏ、Ａｔ　ｔ　
Ｏｓを主成分とする鉱物繊維は上述の無機質繊維に比し
て遥かに低廉であり、従って鉱物繊維を強化繊維として
使用すれば複合材料のコストを大幅に低減することがで
き、また鉱物繊維はマトリックス金属の溶湯との濡れ性
がよく、また溶湯との反応による劣化が少いため、溶湯
との濡れ性が悪いか又は溶湯との反応による劣化が生じ
る繊維を強化繊維とする場合に比して強度の如き機械的
性質に優れた複合材料を得ることができる。しかし鉱物
繊維は上述の他の無機質繊維に比して強度及び硬度の点
で劣っているため、鉱物繊維を強化繊維とする複合材料
に於ては上述の他の無機質繊維が使用される場合に比し
て強度や耐摩耗性に優れた複合材料を製造することが困
難であるという問題がある。

本願発明者等は、従来の繊維強化金属複合材料、特にア
ルミナ−シリカ系繊維又は鉱物繊維を強化繊維とする複
合材料に於ける上述の如き問題に鑑み、種々の実験的研
究を行った結果、アルミナ繊維と鉱物繊維とを組合せて
強化繊維として使用すれば、上述の如き種々の問題を解
決することができ、しかもアルミナ繊維のみを強化繊維
とする複合材料及び鉱物繊維のみを強化繊維とする複合
材料より推論される耐摩耗性よりも通かに優れた耐摩耗
性を有する複合材料を製造し得ることを見出した。

本発明は、本願発明者等が行った種々の実験的研究の結
果得られた知見に基づき、強度、耐摩耗性の如き機械的
性質に優れ、しかも相手材に対する摩擦摩耗特性にも優
れた非常に低廉な複合材料を提供することを目的として
いる。

問題点を解決するための手段上述の如き目的は、本発明によれば、３Ｑｗｔ％以上の
ＡＩ　！！０３、残部実質的にＳｉＯ２なる組成を有す
るアルミナ繊維と、５ｉ０２）ＣａＯ１Ａ１２ｏ３を主
成分としＭｇＯ含有量カ１０ｗｔ％以下でありＦｅｔＯ
３含有量が５ｗｔ％以下でありその他の無機物含有量が
１０ｗｔ％以下である鉱物繊維であって、その集合体中
に含まれる非繊維化粒子の総量及び粒径１５０μ以上の
非繊維化粒子含有量がそれぞれ２０ｗｔ％以下、７ｗｔ
％以下である鉱物繊維とよりなるハイブリッド繊維を強
化繊維とし、アルミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛、
鉛、スズ及びこれらを主成分とする合金よりなる群より
選択された金属をマトリックス金属とし、前記ハイブリ
ッドＩＩｔａの体積率が１％以上であるアルミナ繊維及
び鉱物繊維強化金属複合材料によって達成される。

発明の作用及び効果上述の如き本発明による複合材料によれば、強度及び硬
度に優れ炭化ケイ素繊維等に比して低廉であるアルミナ
繊維と、アルミナｔｌＡＨよりも更に一層低廉でありマ
トリックス金属の溶湯との濡れ性がよく溶湯との反応に
よる劣化が少ない鉱物繊維とよりなるハイブリッド繊維
により体積率１％以上にてマトリックス金属が強化され
、また後に詳細に説明する如く強化繊維をハイブリッド
化することにより耐摩耗性が著しく向上されるので、耐
摩耗性や強度の如き機械的性質に優れた極めて低廉な複
合材料が得られる。また鉱物繊維の集合体中に含まれる
非繊維化粒子の総量及び粒径１５０μ以上の非繊維化粒
子含有量がそれぞれ２０ｗｔ％以下、７ｗｔ％以下に維
持されるので、強度及び機械加工性にも優れ粒子の脱落
に起因する相手材の異常摩耗を惹起こすことのない優れ
た複合材料が得られる。

一般にアルミナ−シリカ系繊維はその組成及び製法の点
からアルミナ繊維とアルミナ−シリカ繊維に大別される
。Ａ１２０ａ含有量が７０ｗｔ％以上でありＳｉ０ｇ含
有量が３Ｑｗｔ％以下の所謂アルミナ繊維は、有機の粘
調な溶液とアルミニウムの無機塩との混合物にてｓｅｗ
化し、これを高温にて酸化焙焼することにより製造され
ている。かかるアルミナ繊維は特にＡｌ　ｔ　Ｏａ含有
量が８Ｑｗｔ％以上の場合に安定であり、マトリックス
金属の溶湯との反応やそれに伴う繊維の劣化が少ない。

従って本発明の複合材料に於ては、８０ｗｔ％以上のＡ
ｌｌ！０３、残部実質的にＳｉｎ！なる組成を有するア
ルミナ繊維が使用される。

また前述の如くアルミナには種々の結晶構造のものがあ
り、これらのうちαアルミナが最も安定な構造であり、
硬さや弾性率も高いことが知られている。例えば耐熱材
として市販されているアルミナ繊維は、耐熱性や寸法安
定性等の点から、αアルミナ含有率（アルミナ繊維中の
全アルミナの１１に対するαアルミナの重量の割合）が
５Ｑｗｔ％以上であるものが多い。かかるαアルミナ及
びαアルミナを含有するアルミナ繊維の性質から判断す
ると、αアルミナを含有するアルミナＩＩＭを強化繊維
とアルミニウム合金等をマトリックス金属とする複合材
料に於ては、αアルミナ含有率が高くなればなるほどそ
の複合材料自身の機械的強度、剛性、耐摩耗性等は向上
するが、相手部材の摩耗量が増大し、また加工性が低下
するものと推測される。

しかるに本願発明者等が行った実験的研究の結果によれ
ば、上述の如き予想に反し、アルミナ繊維のαアルミナ
含有率が５〜６０ｗｔ％、特に１０〜５Ｑｗｔ％の範囲
にある場合に複合材料の耐摩耗性や加工性を向上させる
ことができ、しかも相手部材の摩耗量を低減することが
でき、更に上述の範囲は疲労強度の如き機械的性質にと
っても好ましいという特−すべき事実が認められた。従
って本発明の一つの詳細な特徴によれば、アルミナ繊維
のαアルミナ含有率は５〜６Ｑｗｔ％、好ましくは１０
〜５０ｗｔ％とされる。

一方鉱物繊維は岩石を溶融して繊維化することにより形
成されるロックウール（ロックファイバ）、製鉄スラブ
を繊維化することにより形成されるスラグウール（スラ
グファイバ）、岩石とスラグとの混合物を溶融して繊維
化することにより形成されるミネラルウール（ミネラル
ファイバ）などの人工繊維を総称したものであり、一般
に３５〜５０ｗｔ％Ｓｉ　Ｏｒ　、２０〜４０ｗｔ％Ｃ
ａ　０，１０〜２０ｗｔ％Ａｌ　２０ｇ　、３〜７ｗｔ
％ＭａＯ１１〜５ｗｔ％Ｆｅ！０３．０〜１０ｗｔ％ソ
ノ他ノ無機物なる組成を有している。

かかる鉱物繊維は一般にスピニング法の如き方法にて製
造されており、従って鉱物繊維の製造に於ては繊維と共
に不可避的に非繊維化粒子が生成する。かかる非繊維化
粒子は非常に硬く且繊帷径に比して遥かに大きく、その
ため複合材料の加工性を悪化し、複合材料の機械的性質
を低下させ、複合材料に当接して相対的に摺動する相手
部材を過剰に摩耗したり、更には非繊維化粒子がマトリ
ックス金属より脱落することにより相手部材にスカッフ
ィング等の弊害を発生させる原因となる。

本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、上述
の如き弊害は非繊維化粒子の粒径が１５０μ以上の場合
に特に顕著である。従って本発明の複合材料に於ては、
鉱物繊維の集合体中に含まれる非繊維化粒子の総量は２
０ｗｔ％以下、好ましくは１０ｗｔ％以下に抑えられ、
また粒径１５０μ以上の非繊維化粒子の含有量は７Ｖｔ
％以下、好ましくは２ｗｔ％以下に抑えられる。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
アルミナ繊維と鉱物５ｉｖｔとよりなるハイブリッド繊
維を強化繊維とし、アルミニウム、マグネシウム、銅、
亜鉛、鉛、スズ及びこれらを主成分とする合金をマトリ
ックス金属とする複合材料に於ては、ハイブリッド繊維
の体積率が１％程度であっても複合材料の耐摩耗性が著
しく向上し、これ以上ハイブリッド繊維の体積率が高く
されても相手材の摩耗量はそれ程増大しない。従って本
発明の複合材料に於ては、ハイブリッド繊維の体積率は
１％以上、特に２％以上、更には４％以上とされる。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
アルミナ繊維と鉱物繊維とを組合せてハイブリッド化す
ることによる複合材料の耐摩耗性向上効果は、後に詳細
に説明する如く、ハイブリッド繊維中のアルミナ繊維の
体積比が５〜８０％の場合に、特に１０〜６５％の場合
に顕著であり、従って本発明の他の一つの詳細な特徴に
よれば、ハイブリッド繊維中のアルミナ繊維の体積比は
５〜８０％、好ましくは１０〜６５％とされる。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
ハイブリッド繊維中のアルミナ繊維の体積比が比較的小
さく鉱物繊維の体積比が比較的高い場合、例えばハイブ
リッド繊維中のアルミナ繊維の体積比が５〜４０％であ
る場合には、ハイブリッド繊維の体積率が２％、特に４
％以上でなければ複合材料の十分な耐摩耗性を確保する
ことが困難であり、ハイブリッド繊維の体積率が３５％
、特に４０％を越えると複合材料の強度及び耐摩耗性が
逆に低下する。従って本発明の更に他の一つの詳細な特
徴によれば、ハイブリッド繊維中のアルミナ繊維の体積
比は５〜４０％、特に１０〜４０％であり、ハイブリッ
ド繊維の体積率は２〜４０％、好ましくは４〜３５％と
される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
ハイブリッド繊維中のアルミナ繊維の体積比の如何に拘
らず、鉱物繊維の体積率が２０％、特に２５％を越える
と複合材料の強度及び耐摩耗性が低下する。従って本発
明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、ハイブリッド
繊維中のアルミナ繊維の体積比の如何に拘らず、鉱物繊
維の体積率は２５％以下、好ましくは２０％以下とされ
る。

更にアルミナ繊維及び鉱物繊維相互の混合状態が不均一
である場合には、複合材料の強度や耐摩耗性が不均一に
なり易い。従って本発明の更に他の詳細な特徴によれば
、ハイブリッド繊維中のアルミ繊維及び鉱物繊維は互い
に実質的に均一に混合された状態にされる。

尚強度、耐摩耗性の如き機械的性質に優れ、しかも相手
材に対する摩擦摩耗特性に優れた複合材料を得るために
は、アルミナ繊維は、本願発明者等が行った実験的研究
の結果によれば、短繊維の場合には１．５〜５．０μの
平均繊維径及び２０μ〜３＋ｎｍの平均繊維長を有し、
長繊維の場合には３〜３０μの繊維径を有することが好
ましい。一方鉱物繊維はその構成材料たる鉱物の溶融状
態に於ける粘性が比較的小さく、また鉱物繊維がアルミ
ナ繊維等に比して比較的脆弱であることから、鉱物繊維
は繊維径１〜１０μ、繊維長１０μ〜約１０ＣＩ１１程
度の短繊維（不連続繊維）の形態にて製造されている。

従って低廉な鉱物繊維の入手性を考慮すれば、本発明の
複合材料に於て使用される鉱物繊維の平均繊維径は２〜
８μ程度であり、平均繊維長は２０μ〜５ｃｍ程度であ
ることが好ましい。また複合材料の製造方法を考慮する
と、鉱物繊維の平均繊維長は加圧鋳造法の場合には１０
０μ〜５ＣＩ１１程度、粉末冶金法の場合には２０μ〜
２１１Ｉ１１程度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。

実施例１電気化学工業株式会社製のアルミナ繊維（商品名［電化
７）Ｌｔセ＞Ｊ　、８０ｗｔ％Ａｌ　２０ａ　、２０ｗ
ｔ％５ｉＯ２）に対し脱粒処理を行い、！ｌ帷集合体中
に含まれる粒径１５０μ以上の粒子含有量を０．０５ｗ
ｔ％とすることにより、下記の表１に示されたアルミナ
繊維を用意した。

また下記の表２に示されたＪｉｎ＋　　Ｗａｌｔｅｒ　
　Ｒｅ５ｏｕｒｃｅｓ社製の鉱物繊維（商品名ＰＭＦｒ
Ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　　Ｍｉｎｅｒａｌ　　ｌ”１ｂｅ
ｒＪ　）に対し脱粒処理を行うことにより、繊維集合体
中に含まれる非繊維化粒子の総量及び粒径１５０μ以上
の粒子含有量をそれぞれ２，５ｗｔ％、０，１ｗｔ％と
した。

表　　　　１次いで上述のアルミナ繊維及び鉱物繊維を種々の体積比
にてコロイダルシリカ中に分散させ、そのコロイダルシ
リカを攪拌することによりアルミナ繊維及び鉱物１維を
均一に混合し、かくしてアルミナ繊維及び鉱物繊維が均
一に分散されたコロイダルシリカより真空成形法により
第１図に示されている如＜８０Ｘ８０Ｘ２０！１ｍの繊
維形成体１を形成し、更にそれを６００℃にて焼成する
ことにより個々のアルミナ繊維２及び鉱物繊維２ａをシ
リカにて結合させた。この場合、第１図に示されている
如く、個々のアルミナ繊維２及び鉱物繊Ｈ２ａはｘ−ｙ
平面内に於てはランダムに配向され、２方向に積重ねら
れた状態に配向された。

次いで第２図に示されている如く、繊維成形体１を鋳型
３のモールドキャビティ４内に配置し、該モールドキャ
ピテイ内に７３０℃のアルミニウム合金（Ｊ　Ｉｓ規格
ＡＣ８Ａ）の溶湯５を注湯し、該浴温を鋳型３に嵌合す
るプランジｖ６により１５００に！Ｊ／ａＩの圧力に加
圧し、その加圧状態を浴温５が完全に凝固するまで保持
し、かくして第３図に示されている如く外径１１０１１
１１１．高さ５０Ｒ１１１１の円柱状の凝固体７を鋳造
し、更に該凝固体に対し熱処理Ｔｙを施し、各凝固体よ
りアルミナ繊維及び鉱物繊維を強化繊維としアルミニウ
ム合金をマトリックスとする複合材料１′を切出し、そ
れらの複合材料より摩耗試験用のブロック試験片を機械
加工によって作成した。尚上述の各複合材料Ａｏ〜Ａ１
ｏａのアルミナ繊維及び鉱物繊維の体積率、強化繊維の
総体積率はそれぞれ下記の表３に示されている通りであ
った。

次いで各ブロック試験片を順次摩擦摩耗試験機にセット
し、相手部材である軸受鋼（ＪＩＳ規格５ＵＪ２＞の焼
入れ焼戻し材（硬さＨｖ８１０）製の円筒試験片の外周
面と接触させ、それらの試験片の接触部に常温（２０℃
）の潤滑油（キャッスルモータオイル５Ｗ−３０＞を供
給しつつ、接触面圧２０　ｋＭｉｎｉｊ’　、滑り速度
０．３　ｓ／　ｓｅｃにて１時間円筒試験片を回転させ
る摩耗試験を行なった。尚この摩耗試験に於けるブロッ
ク試験片の被試験面は第１図に示されたｘ−ｙ平面に垂
直な平面であった。この摩耗試験の結果を第４図に示す
。第４図に於て、上半分はブロック試験片の摩耗ＩＩ（
摩耗痕深さμ）を表わしており、下半分は相手部材であ
る円筒試験片の摩耗間（摩耗域１ｍｑ）を表わしており
、横軸は強化繊維の総量に対するアルミナ繊維の体積比
（％）を表わしている。

第４図より、ブロック試験片の摩耗量はアルミナ繊維の
体積比の増大につれて低下し、特にアルミナ繊維の体積
比が０〜２０％の範囲に於て著しく低下し、アルミナ繊
維の体積比が２０％以上の領域に於ては実質的に一定の
値になることがわかる。また円筒試験片の摩耗量はアル
ミナ繊維の体積比が２０％以下の範囲に於ては、アルミ
ナ繊維の体積比の増大と共に僅かに増大するが、アルミ
ナ繊維の体積比が２０％以上の範囲に於ては、アルミナ
繊維の体積比の如何に拘らず比較的小さい実質的に一定
の値であることが解る。

複合材料は一般に設計可能な材料といわれており、複合
則が成立すると考えられている。今強化繊維の総量に対
するアルミナ繊維の体積比をＸ％とすれば、Ｘ＝０％の
場合のブロック試験片の摩耗量は９８μであり、Ｘ−１
００％である場合のブロック試験片の摩耗量は５μであ
るので、複合材料の摩耗量について複合則が成立すると
すれば、Ｘ−０〜１００％の範囲に於けるブロック試験
片の摩耗ｊｌＹはＹ−（９８−５）Ｘ／１００＋５であるもの推測される。第４図に於ける仮想線はかかる
複合則に基くブロック試験片の摩耗量の推測値を表わし
ている。また第５図はかかる複合則に基くブロック試験
片の摩耗量の推測値と実測値との差ΔＹを強化繊維の総
量に対するアルミナ繊維の体積比Ｘを横軸にとって示し
ている。この第５図より、体積比Ｘが５〜８０％の範囲
に於て、特に１０〜６５％の範囲に於てブロック試験片
の摩耗量が推測値より著しく低減されることが認められ
、このことが複合材料の摩耗量に関しアルミナ繊維と鉱
物繊維とをハイブリッド化することによる効果と考えら
れる。

実施例２上掲の表１に示された電気化学工業株式会社製のアルミ
ナ繊維を用意し、また下記の表４に示された日東紡績株
式会社製の鉱物繊維（商品名「ミクロファイバ」）に対
し脱粒処理を行うことにより、繊維集合体中に含まれる
非繊維化粒子の総量及び粒径１５０μ以上の非繊維化粒
子の含有量をそれぞれ１．Ｑｗｔ％、０．１ｗｔ％とじ
た。次いで上述の実施例１の場合と同様の要領の真空成
形法により、互いに均一に混合された種々の体積比のア
ルミナ繊維と鉱物繊維とよりなり繊維の総体積率が約３
．５％の繊維成形体＜８０Ｘ８０Ｘ２０■）を形成した
。次いで上述の各繊維成形体を用いて、上述の実施例１
と同様の要領にて高圧鋳造法（溶湯温度７３０℃、溶湯
に対する加圧力１５００ｋｏ／ｃｍ’）にて、アルミラ
ム合金（ＪＩＳ規格八ＣへＡ＞をマトリックス金属とす
る下記の表５に示された複合材料Ｂ　Ｏ”　Ｂｎ。を製
造し、それらの複合材料に対しＴＩ熱処理を施した。こ
れらの複合材料より摩耗試験用のブロック試験片を切出
し、各ブロック試験片について実施例１の場合と同一の
条件にて摩耗試験を行った。

上述の摩耗試験の結果を第６図に示す。尚第６図に於て
、上半分はブロック試験片の摩耗量〈摩耗痕深さμ）を
表わしており、下半分は相手部材である円筒試験片の摩
耗量（摩耗域１ｋｍｇ＞を表わしており、横軸は強化繊
維の総量に対するアルミナ繊維の体積比（％）を表わし
ており、仮想線は複合則に基くブロック試験片の摩耗量
の推測値を表わしている。また第７図は複合則に基くブ
ロック試験片の摩耗量の推測値と実測値との差ΔＹを強
化ｌ！雑の総量に対するアルミナ繊維の体積比Ｘを横軸
にとって示す第５図と同様のグラフである。

第６図より、ブロック試験片の摩耗量はアルミナ繊維の
体積比の増大につれて低下し、特にアルミナ繊維の体積
比が０〜６０％の範囲に於て著しく低下し、アルミナ繊
維の体積比が８０％以上の領域に於ては実質的に一定の
値になることが解る。

また円筒試験片の摩耗量はアルミナ繊維の体積比の増大
につれて比較的小さい値の範囲内にて線形的に僅かに増
大することが解る。また第７図よりアルミナ繊維の体積
比が１０〜８０％の範囲に於てブロック試験片の摩耗量
が推測値より著しく低減されることが解る。

実施例３下記の表６に示されたＩＣ１株式会社製のアルミナ繊維
（商品名「サフィル」）と上掲の表４に示された鉱物繊
維とを使用して、上述の実施例１の場合と同一の要領の
真空成形法により、互いに均一に混合された種々の体積
比のアルミナ繊維と鉱物繊維とよりなる８　０　Ｘ　８
０　Ｘ　２０　ｕ＋の繊維形成体を形成した。次いで上
述の実施例１の場合と同様の要領の高圧鋳造法（溶湯温
度６９０℃、浴温に対する加圧力１５００ｋＬ’＠ｇ）
にてマグネシウム合金（ＡＳＴＭ規格ＡＺ９１）をマト
リックス金属とする下記の表７に示された複合材料Ｇ。

〜Ｃ４，を製造した。

表　　　　６かくして得られた複合材料より摩擦摩耗試験用のブロッ
ク試験片を形成し、上述の実施例１の場合と同一の条件
にて軸受鋼（ＪＩｓ規格ＳＵＪ　２）硬さＨｖ８１０）
製の円筒試験片を相手部材とする摩耗試験を行った。こ
の摩耗試験の結果を第８図に示す。第８図に於て、上半
分はブロック駒片の摩耗量（摩耗痕深さμ）を表してお
り、下半分は相手部材である円筒試験片の摩耗量（摩耗
減量−９）を表しており、横軸は強化繊維の総量に対す
るアルミナｗ４ＩＩの体積比（％）を表わしており、仮
想線は複合則に基くブロック試験片の摩耗量の推測値を
表わしている。この第８図より、この実施例に於てもブ
ロック試験片の摩耗量はアルミナ繊維の体積比の増大に
つれて低下し、特にアルミナ繊維の体積比が０〜４０％
の範囲に於て著しく低下し、アルミナ繊維の体積比が６
０％以上の領域に於ては実質的に一定の値になることが
解る。

また円筒試験片の摩耗量はアルミナ繊維の体積比の如何
に拘らず比較的小さい実質的に一定の値であることが解
る。

また第９図は複合則に基くブロック試験片の摩耗量の推
測値と実測値ΔＹを強化繊維の総量に対するアルミナ繊
維の体積比Ｘを横軸にとって示している。この第９図よ
り、アルミナ繊維の体積比Ｘが５〜８０％の範囲、特に
１０〜７０％の範囲に於てブロック試験片の摩耗量が推
測値より著しく低減されることが解る。

１ｉ１上下記の表８に示されたＩＣ１株式会社製のアルミナ繊維
（商品名［サフィルＲＦＪ）と１掲の表４に示された鉱
物繊維とが使用された点を除き、上述の実施例３の場合
と同様の要領にて互いに均一に混合された種々の体積比
のアルミナ繊維及び鉱物繊維を強化繊維とし、マグネシ
ウム合金（ＡＳＴＭ規格ＡＺ９１）をマトリックス金属
とする下記の表９に示された複合材料Ｄ　ｏ　＝　Ｄ＋
ｏｏを製造した。

次いで各複合材料より摩擦摩耗試験用のブロック試験片
を形成し、上述の実施例１の場合と同一の条件にて軸受
鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ　２）硬さＨｖ８１０）製の円筒
試験片を相手部材とする摩耗試験を行った。

表　　　　８上述の摩耗試験の結果を第１０図に示す。第１０図に於
て、上半分はブロック試験片の摩耗量（摩耗痕深さμ）
を表しており、下半分は相手部材である円筒試験片の摩
耗ｆｆ１（摩耗減量ｌ１ｇ）を表しており、横軸は強化
繊維の総量に対するアルミナ繊維の体積比（％）を表し
ており、仮想線は複合則に暴くブロック試験片の摩耗量
の推測値を表している。この第１０図より、この実施例
に於てもブロック試験片の摩耗量はアルミナ繊維の体積
比の増大につれて低下し、特にアルミナ繊維の体積比が
０〜４０％の範囲に於て著しく低下し、アルミナ繊維の
体積比が６０％以上の領域に於ては実質的に一定の値に
なることが解る。また円筒試験片の摩耗量も上述の実施
例３の場合と同様、アルミナ繊維の体積比の如何にかか
わらず比較的小さい実質的に一定の値であることが解る
。

また第１１図は複合則に暴くブロック試験片の摩耗量の
推測値と実測値ΔＹを強化繊維の総量に対するアルミナ
繊維の体積比Ｘを横軸にとって示している。この第１１
図よりアルミナ繊維の体積比Ｘが５〜８０％の範囲、特
に１０〜７０％の範囲に於てブロック試験片の摩耗量が
推測値より著しく低減されることが解る。

実施例５上述の実施例４に於て使用されたアルミナ繊維及び鉱物
繊維を使用し、上述の実施例１の場合と同様の真空成形
法により互いに均一に混合された種々の体積比のアルミ
ナ繊維及び鉱物繊維よりなり繊維の総体積率が約８％で
ある繊維成形体（８０Ｘ８０Ｘ２０＋１１１１１＞を形
成した。次いでその繊維成形体を用いて上述の実施例１
の場合と同様の要領の高圧鋳造法（溶湯温度７３０℃、
溶湯に対する加圧力１５００ｋｏ／Ｊ）にてアルミナ繊
維及び鉱物繊維を強化繊維としアルミニウム合金〈Ｊｒ
Ｓｇｌ格ＡＣ８Ａ＞をマトリックス金属とする下記の表
１０に示された複合材料Ｅｏ＝Ｅ１．。を製造し、各複
合材料に対し熱処理Ｔｒを行った。

上述の如く製造された各複合材料より曲げ試験片（５０
Ｘ１０ｘ２ＩＩ＋ｍ＞を切出し、３５０℃ニ於て支点間
距離３９ＩＩｌｌｌｌにて三点曲げ試験を行った。

また比較例として、マトリックス金属としてのアルミニ
ウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）のみよりなり熱処理Ｔ
７を施された曲げ試験片についても同様の試験を行った
。尚試験片の５０Ｘ１０１１１の平面が第１図のｘ−ｙ
平面に平行であり、試験片の破断時に於ける表面応力Ｍ
／Ｚ　（Ｍ−破断時に於ける曲げモーメント、Ｚ−曲げ
試験片の断面係数）を曲げ強さとして測定した。この曲
げ試験の結果を第１２図に示す。

第１２図より、強化繊維の総体積率が８％程度であって
もアルミナ繊維及び鉱物繊維にて複合強化すれば、アル
ミナ繊維の体積比の如何に拘らず、複合材料の強度をア
ルミニウム合金よりも遥かに高い値にすることができる
ことが解る。またアルミナ繊維及び鉱物繊維にて複合強
化された複合材料の強度は、アルミナ繊維の体積比の増
大につれて線形的に増大することが解る。

文１」１Ｌ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
、強化繊維の総体積率が１５％であり、強化繊維の総量
に対するアルミナＩＩＮの体積比が２０％であるアルミ
ナ繊維と鉱物繊維とよりなる繊維成形体（８０Ｘ８０Ｘ
２０ｍ＋）を形成し、これらの繊維成形体を用いて上述
の実施例１の場合と同様の要領の高圧鋳造法（溶湯に対
する加圧力５００ｋ（＋／ａ＋１りにて亜鉛合金（ＪＩ
Ｓ規格ＺＤＣ１）、純鉛（純度９９．８％）、スズ合金
（ＪＩＳ規格ＷＪ２＞をマトリックス金属とする複合材
料を製造した。尚亜鉛合金、純鉛、スズ合金の各溶湯の
温度はそれぞれ５００℃、４１０℃、３３０℃であった
。

かくして製造された複合材料より摩耗試験用のブロック
試験片を切出し、それらのブロック試験片について上述
の実施例１の場合と同一の条件（但し接触面圧５ｋＱ／
ｍｎｌ！　）にて軸受鋼（Ｊ■Ｓ規格５ＵＪ２）硬さＨ
ｖ８１０）＠の円筒試験片を相手部材とする摩耗試験を
３０分間行ったところ、各複合材料の摩耗量はそれぞれ
マトリックス金属としての亜鉛合金、純鉛、スズ合金の
みよりなるブロック試験片の摩耗量に比してそれぞれ４
％、１％、２％であり、従って亜鉛合金、純鉛、スズ合
金をマトリックス金属とする場合にもアルミナ繊維及び
鉱物繊維を強化繊維とすれば複合材料の耐摩耗性が著し
く改善されることが認められた。

以上に於ては本発明を本願発明者等が行った実験的研究
の一部との関連に於て幾つか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図は繊維成形体の繊維配向状態を示す解図、第２図
は高圧鋳造法による複合材料の製造工程を示す解図、第
３図は第２図の高圧鋳造法により形成された凝固体を示
す斜視図、第４図はアルミナ繊維及び鉱物繊維を強化繊
維としアルミニウム合金をマトリックス金属とする複合
材料と軸受鋼との間にて行われた摩耗試験の結果を、強
化繊維の総量に対するアルミナ繊維の体積比を横軸にと
って示すグラフ、第５図は第４図に示されたデータに基
ぎ複合材料の摩耗量の複合則に基く推測値と実測値との
差を強化繊維の総量に対するアルミナＩＩＨの体積比を
横軸にとって示すグラフ、第６図はアルミナ繊維及び鉱
物繊維を強化ｌ１ｔ１１としアルミニウム合金をマトリ
ックス金属とする複合材料と軸受鋼との間にて行われた
摩耗試験の結果を、強化ｉａａの総量に対するアルミナ
繊維の体積比を横軸にとって示すグラフ、第７は第６図
に示されたデータに基ぎ複合材料の摩耗量の複合則に暴
く推測値と実測値との差を強化繊維の総量に対するアル
ミナ繊維の体積比を横軸にとって示すグラフ、第８図は
アルミナ繊維及び鉱物繊維を強化繊維としマグネシウム
合金をマトリックス金属とする複合材料と軸受鋼との間
にて行われた摩耗試験の結果を、強化繊維の総量に対す
るアルミナ繊維の体積比を横軸にとって示すグラフ、第
９図は第８図に示されたデータに基き複合材料の摩耗量
の複合則に基く推測値と実測値との差を強化繊維の総量
に対するアルミナ繊維の体積比を横軸にとって示すグラ
フ、第１０図はアルミナ繊維及び鉱物繊維を強化しマグ
ネシウム合金をマトリックス金属とする複合材料と軸受
鋼との間にて行われた摩耗試験の結果を強化繊維の総量
に対するアルミナ繊維の体積比を横軸にとって示すグラ
フ、第１１図は第１０図に示されたデータに基き複合材
料の摩耗量の複合則に暴く推測値と実測値との差を強化
繊維の総量に対するアルミナ繊維の体積比を横軸にとっ
て示すグラフ、第１２図はアルミナ繊維及び鉱物繊維を
強化繊維としアルミニウム合金をマトリックス金属とす
る複合材料及びアルミニウム合金について行われた曲げ
試験の結果を示すグラフである。１・・・繊維成形体、１′・・・複合材料、２・・・ア
ルミナ１！帷、２ａ・・・鉱物繊維、３・・・鋳型、４
・・・モールドキャビティ、５・・・溶湯、６・・・プ
ランジャ、７・・・凝固体第１図　　　第３図第２図第４図第　５　図アルミナ繊維の体積比×　（％）第６図第７図アルミナ繊維の体積比×　（％）第８図第　９　図アルミナ繊維の体積比×（％）第１０図第１１図アルミナ繊維の体積比×（％）第１２図曲げ強（ｈｇ／ｒｒ＋ｍ２）さく自　発）手続補正層昭和昭和６１年５月２９日１、事件の表示　昭和６０年特許願第０４０９０８号２
）発明の名称　アルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合
材料３、補正をする者事件との関係　　特許出願人住　所　　愛知県豊田布トヨタ町１１地名　称　　（３
２０）　ｔ−ヨタ自動車株式会社４、代理人居　所　　・１０４東京都中央区新川１丁目５番１９号
６、補正により増加する発明の数　　　０７、補正の対
象　　明細書

Claims

【特許請求の範囲】

（１）８０ｗｔ％以上のＡｌ＿２Ｏ＿３、残部実質的に
ＳｉＯ＿２なる組成を有するアルミナ繊維と、ＳｉＯ＿
２、ＣａＯ、Ａｌ＿２Ｏ＿３を主成分としＭｇＯ含有量
が１０ｗｔ％以下でありＦｅ＿２Ｏ＿３含有量が５ｗｔ
％以下でありその他の無機物含有量が１０ｗｔ％以下で
ある鉱物繊維であって、その集合体中に含まれる非繊維
化粒子の総量及び粒径１５０μ以上の非繊維化粒子含有
量がそれぞれ２０ｗｔ％以下、７ｗｔ％以下である鉱物
繊維とよりなるハイブリッド繊維を強化繊維とし、アル
ミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛、鉛、スズ及びこれ
らを主成分とする合金よりなる群より選択された金属を
マトリックス金属とし、前記ハイブリッド繊維の体積率
が１％以上であるアルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複
合材料。
（２）特許請求の範囲第１項のアルミナ繊維及び鉱物繊
維強化金属複合材料に於て、前記アルミナ繊維のαアル
ミナ含有率は５〜６０ｗｔ％であることを特徴とするア
ルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合材料。
（３）特許請求の範囲第１項又は第２項のアルミナ繊維
及び鉱物繊維強化金属複合材料に於て、前記ハイブリッ
ド繊維中の前記アルミナ繊維の体積比は５〜８０％であ
ることを特徴とするアルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属
複合材料。
（４）特許請求の範囲第３項のアルミナ繊維及び鉱物繊
維強化金属複合材料に於て、前記ハイブリッド繊維中の
前記アルミナ繊維の体積比は５〜４０％であり、前記ハ
イブリッド繊維の体積率は２〜４０％であることを特徴
とするアルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合材料。
（５）特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかのア
ルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合材料に於て、前記
鉱物繊維の体積率は２５％以下であることを特徴とする
アルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合材料。
（６）特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれかのア
ルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合材料に於て、前記
鉱物繊維の前記集合体中に含まれる非繊維化粒子の総量
及び粒径１５０μ以上の非繊維化粒子含有量はそれぞれ
１０ｗｔ％以下、２ｗｔ％以下であることを特徴とする
アルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合材料。
（７）特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれかのア
ルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合材料に於て、前記
アルミナ繊維のαアルミナ含有率は１０〜５０ｗｔ％で
あることを特徴とするアルミナ繊維及び鉱物繊維強化金
属複合材料。
（８）特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれかのア
ルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合材料に於て、前記
ハイブリッド繊維中の前記アルミナ繊維及び前記鉱物繊
維は互いに実質的に均一に混合された状態にあることを
特徴とするアルミナ繊維及び鉱物繊維強化金属複合材料
。