JPS62127159A - 繊維強化金属部材の製造方法 - 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、強化繊維を用いて、この強化繊維と被強化
金属部材の一部の金属とを複合一体化することにより、
金属部材の強度や剛性を向上させる繊維強化金属部材の
製造方法に関するものでおる。

従来の技術 周知のように、繊維強化金属（ＦＲＭ）は金属材料を強
化繊維で補強することにより軽量で高強度、高剛性など
の特性が得られるので用途の拡大が望まれている。

ところで、自動車用エンジンなどの活動部や回転部では
、高温での強度やｉ４摩耗性の要求が厳しく、軽量で優
れた特性が得られる繊維強化により強化された金属部材
の利用が要望されている。

従来、繊維強化金属の製造方法としては、特開昭５７−
３１４６７号に示されるように、強化繊維とマトリック
ス金属とのシートを作り、そのシートを他数枚重ね合わ
せて高温でプレスして拡散接合するホットプレス法や特
開昭５１−８７４０７＠に示されるように、マトリック
ス金属中に強化、ｆｌ［を分散混合し、その混合物を焼
結させる粉末冶金法が知られており、ざらに、物品を鋳
造する鋳型内の所定の位置に強化繊維よりなる繊維成形
体を配置し、この鋳型内にマトリックス材料の）６揚を
注湯し、その）６揚を鋳型内で加圧しつつ凝固させる高
圧鋳造法が知られており、また本願出願人により強化繊
維とマトリックス材料とよりなる粉末を形成し、この粉
末を溶射により微小な液滴として物品の表面に付着させ
る金属溶射法が提案されている（特開昭６０−２６６０
号）。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、これらの従来方法のうちホットプレス法
や粉末冶金法によれば、金属部材の一部分のみを繊維強
化することは困難でおり、コストの高い強化繊維を使用
する繊維強化法では製造コストが高価になり、また生産
効率も良好ではないという問題点があり、工業的生産で
の応用は限られたものである。

また、高圧鋳造法によれば、全体の一部分を繊維強化す
ることが可能であるが、鋳造の際に個々の強化繊維間に
溶湯が充分に浸透充填される程度に全体を高い圧力で加
圧する必要がおり、加圧のためのエネルギーが多大とな
り製造コストが高価になるという問題点が必り、また鋳
造製品の表面形状により特定される鋳型形状により繊維
成形体の所定場所への配置が困難となり、鋳型形状の制
限を受けるという問題点がある。さらに、繊維成形体を
表面近傍に配＠するものでは、鋳造によってマトリック
ス金属が繊維成形体に充分に含浸されず、複合不良を生
じやすいため、表面近傍を繊維強化するものには不向き
である。また高圧鋳造法では採用できない砂型を用いた
中空中子に応用することは困難であり、鋳造品製品の形
状も限定される。

ざらに、金属溶射法では、強化すべき部材の一部分に粉
末を溶射することにより部材の一部を繊維強化できると
ともに、製造コストを低減できるという効果はめるが、
粉末を微小な液滴とし一〇洛射するので、粉末における
強化繊維としては短繊維ヤホイスカーなどの微細なもの
に限定される。

ところで、強化繊維として微細なものでは充分な強度や
剛性が得られず、部材の使用場所などによる材質要求に
対して、不十分となってしまう場合があるという問題点
がある。

この発明は上記問題点を解決することを基本的な目的と
し、部材の一部分を安価な製造コストで繊維強化でき、
しかもその強化すべき部分が強度および剛性の両面でも
優れている繊維強化金属部材の製造方法を提供するもの
である。

問題点を解決するための手段 すなわちこの発明の繊維強化金属部材の製造り法うち第
１の発明は、強化繊維とマトリックス金属とからなる複
合材料成形体を予め形成しておき、この複合材料成形体
をそのマトリックス金属を溶融させた状態で被強化金属
部材の強化すべき部分に当てて加圧しつつ凝固させるこ
とを特徴とするものである。

ざらに第２の発明は、第１の強化繊維とマトリックス金
属とからなる複合材料成形体を予め形成しておき、次い
で被強化金属部材の強化すべき部分に第２の強化繊維を
配置し、前記複合材料成形体をそのマトリックス金属を
溶融させた状態で第２の強化繊維を覆うようにして被強
化金属部材の強化すべき部分に当てて加圧しつつ凝固さ
せることを特徴とするものでおる。

作用 第１の発明によれば、強化繊維とマトリックス金属とか
らなり、予め形成された複合材料成形体は、被強化金属
部材への固着の際に、マトリックス金属のみが溶融され
るので強化繊維は溶融状態になく、複合材料成形体とし
ての形状が保持されるとともに被強化金属部材の強化す
べき部分への加圧の際に複合材料成形体のマトリックス
金属が絞り出されるとともに圧力が加えられた状態での
凝固により強化すべき部分とマトリックス金属とが強固
に接合され、金属部材の一部分すなわち強化すべき部分
が繊維強化される。

また、第２の発明によれば、＠１の発明と同様に複合材
料成形体の形状が保持され、加圧の際に複合材料成形体
のマトリックス金属が絞り出される。この複合材料は第
２の強化繊維を覆うようにして加圧されるので絞り出さ
れたマトリックス金属は第２の強化繊維に含浸されると
ともに凝固により強化すぺぎ部分とマトリックス金属と
が強固に接合される。

この発明におけるマトリックス金属と強化すべき部分と
の接合部分は、溶解したマトリックス金属が熱容量の大
きい被強化金属との接触により急冷されているとともに
加圧されており、その組織は均一かつ微細化されてあり
、より強度が向上する。

なお、この発明の複合材料成形体の形成は強化繊維から
なる繊維成形体にマトリックス金属を含浸させるもので
あってもよく、この場合に繊維成形体における強化繊維
は、繊維成形体全体に対してその体積率が４％以上３０
％以下でおるのが望ましい。

これは、４％未満であると複合材料成形体を溶解させた
状態で複合材料成形体としての形状の保持が困難となり
作業性が悪化するためであり、また３０％を越えると加
圧の際にマトリックス金、ルを絞り出すことが困難とな
るためである。

さらに、複合材料成形体の溶解は、複合材オ′３１成形
体のマトリックス金属と同種の溶解金属中に複合材料成
形体を浸漬させることにより１′：ｒなうのが望ましい
。

これは、この方法を用いることにより複合材料成形体表
面に酸化膜が形成されるのを防止でき、また複合材料成
形体まわりに金属が付着するのを防止して通常行なわれ
る機械加工による除去作業を省略できるからである。

ざらに、複合材料成形体の被強化金属の加圧の際に被強
化金属部材をその融点以下の温度に予熱しておけば凝固
の際に複合材料成形体と被強化金属部材との接合が速や
かに行なわれ、この際にも急冷による組織の微細化が得
られる。

寅施例 以下にこの発明のうち第２の発明の一実施例を図面に基
づいて説明する。

アルミナ−シリカ系短繊維（イソライト社製、商品名力
オール）に無殿質バインダーを混合し、外径φ１００ｍ
、内径φ８０ｍ、高さ１０Ｍの円形体を２分割した形状
で繊維体積率が１２％である繊維成形体１，１をそれぞ
れ形成する。

この繊維成形体１を型２内に設置し、これにマトリック
ス金属として７５０°Ｃの△Ｑ合金（ＪＩＳ　ＡＣ８Ａ
）の溶湯２ａ＠注入し、別体プランジャー要素で加圧力
１０００Ｋｇ／ｃＩｉにて加圧して複合材料成形体３゜
３を成形する。

ざらに、被繊維強化金属部材として重力鋳造法により材
質がＪＩＳ　ＡＣ８Ａで外径φ９０＃、高さ１００ｍの
ピストン粗材４を製作し、端面から３０ｍの距離の基本
径部に機械加工により強化すべき部分である幅１０．５
＃、深さ５Ｍの溝４ａを形成し、この溝４ａに１ヤーン
６０００フイラメントの炭素繊維５（東し社製、商品名
トレカＭ４０）を厚ざ２＃どなるように巻き付けて配置
する。

次に複合材料成形体３を電気炉（図示しない）中に保持
しかつ溶融させた△Ｑ合金（ＪＩＳＡＣ８Ａ　）中に浸
漬して複合材料成形体３のマトリックス金属を溶解させ
、＾Ｑが含浸し溶融金属中に浮上した状態の複合材料成
形体３を掬い上げる。この複合材料成形体３，３を直ち
にそれぞれプランジャー６ａ、　６ｂ上に載置し、まず
これをプランジャー６ａにより５００℃に予熱したピス
トン粗ｔＡ４の満４ａの片側に押し当てて、次いでピス
トン粗材４を反転させ、プランジャー６ｂにより溝４ａ
の残りの部分に押し当てて、それぞれプランジャー６ａ
、６ｂにより１００に！ｌＦ／ＣＩｉテ加圧Ｌ／　ｔ：
　し９　テコの複合材料成形体３，３が凝固するまで保
持して、繊維強化ピストン粗材を製造する。このように
裏金材料成形（Ｌ３をプランジャー５ａ、　６ｂ上に載
置してピストン粗材４の溝４ａに押し当てることにより
複合材料成形体３の形状の保持が確実となる。

このようにして製造された繊維強化ピストン粗材は加圧
により複合材料成形体３から絞り出されたマトリックス
金属で必るΔＱ合金が炭素繊維に含浸され、かつ急冷さ
れるので第５図の組織写真に示されるように強化繊維が
配分されているととも（こ微キ用な組織となる。

この繊維強化ピストン部材に熱処理（Ｔ７）および門械
加工を施し、６気筒２０００ＣＣのガソリンエンジン用
ピストンとする。

このピストンは基本爪部直下に埋め込まれた炭素繊維に
よって熱膨張が抑制されるので、シリンダーボアとのク
リアランスが詰められ、騒音が低減するという効果があ
るとともに、強度、剛性を向上ざゼる。しかも表層部に
露出する短繊維層により耐焼付性も向上し、ざらに複合
材料成形体３はそのマトリックス金属は前記のように急
冷により微細組織となるので強度特性がざらに優れてい
るとともにピストン粗材４との固定も強固になる。

このように本発明をピストンに応用し、第１の強化繊維
として短繊維やホイスカーを用い、第２の強化繊維とし
て長繊維を用いることにより強度、剛性、耐焼付性など
にすぐれたピストンを得ることができる。

なお、この実施例では複合材料成形体３のマトリックス
金属と被強化金属部材とは同種の金属を用いたが、これ
に限定されるものではなく異種の金属を使用することも
可能であり、また第１、第２の強化繊維の材質も所望に
より選択することができる。

また、この実施例で（よピストンの強化方法について説
明したがこの発明としてはこれに限定されるものではな
く、金属部材の繊維強化として幅広い用途に用いること
ができる。

なあ、本発明のうち第１の発明についてもピストン粗材
４の溝４ａに強化繊維を巻き付けることなく、複合材料
成形体を押し当てて加圧しつつ凝固させることにより同
様に実施することができる。

発明の効果 以上、説明したようにこの発明によれば、強化繊維とマ
トリックス金属からなる複合材料成形体をそのマトリッ
クス金属を溶融させた状態で被強化金属部材の強化すべ
き部分に当てて加圧しつつ凝固させるので被強化金属部
材の一部分を効率よく繊維強化することができ、しかも
その強化部分は強度、剛性が優れているとともに被強化
金属部材との固定も強固になるという効果がある。ざら
にこの発明によれば、被強化金属部材の製造方法や形状
には何ら制限を受けることはなく、被強化金属部材の表
面近傍や高圧鋳造法などでは繊維成形体の保持が困難で
ある複雑な形状の被強化金属部材の一部分でも容易に繊
維強化することができ、また砂中子を用いた中空部材の
強化などにも応用することができる。また、加圧は強化
すべき部分に限定されるので、圧力およびその加圧面積
を減少させることができるので設備の小型化を図ること
ができるとともに製造コストを低減することもできる。

また、この発明のうち第２の発明によれば、被強化金属
部材の強化すべき部分に第２の強化繊維を配置し、これ
に複合材料成形体をそのマトリックス金属が溶融した状
態で第２の強化繊維を覆うようにして被強化金属部材の
強化すべき部分に当てて加圧しつつ凝固させるものとし
たので、第２の強化繊維により強化部分の強度、剛性を
ざらに向上させることができ、被強化金属部材との固定
もより強固となる。

また、複合材料成形体の強化繊維と強化すべき部分に配
置される強化繊維とを異種のものとすることにより第１
の強化繊維による層と第２の強化繊維による層とで異な
る性質を与えることができ、高度な材質要求に応えるこ
とが可能であるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこれらの発明の一実施例の一製造過程を示す斜
視図、第２図は繊維成形体の斜視図、第３図は繊維成形
体へのマトリックス金属を含浸させる状態の断面図、第
４図は第２の強化繊維が巻き付けられたピストン粗材の
斜視図、第５図はこの実施例で得られた強化部分の金属
組織の顕＠鏡写真である。 １・・・繊維成形体、３・・・複合材料成形体、４・・
・被強化金属部材、４ａ・・・満、５・・・炭素繊維、
６ａ、６ｂ・・・プランジャー。 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）強化繊維とマトリックス金属とからなる複合材料
   成形体を予め形成しておき、この複合材料成形体をその
   マトリックス金属を溶融させた状態で被強化金属部材の
   強化すべき部分に当てて加圧しつつ凝固させることを特
   徴とする繊維強化金属部材の製造方法。
2. （２）第１の強化繊維とマトリックス金属とからなる複
   合材料成形体を予め形成しておき、次いで被強化金属部
   材の強化すべき部分に第２の強化繊維を配置し、前記複
   合材料成形体をそのマトリックス金属を溶融させた状態
   で第２の強化繊維を覆うようにして被強化金属部材の強
   化すべき部分に当てて加圧しつつ凝固させることを特徴
   とする繊維強化金属部材の製造方法。