JPS62218532A - 摺動用繊維強化金属複合材料 - 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、繊維強化金属接合材料に係り、更に詳細には
耐摩耗性に優れた摺動用繊雑強化金属複合材料に係る。

従来の技術 アルミニウム合金やマグネシウム合金の如きマトリック
スがアルミナ繊維の如き無機質繊維にて強化された繊維
強化金属複合材料は、マトリックスのみの金属材料に比
して耐摩耗性に優れているので、例えば本願出願人と同
一の出願人の出願にかかる特願昭５９−２４７２５９号
、同５９−２４８９１９＠等の明細書や、特開昭５６−
１８０７９４号、実開昭５６−１７７９２１号等の公報
に記載されている如く、過酷な摺動条件に曝される内燃
機関のシリンダライナやピストンの如き摺動用部材に繊
維強化金属複合材料を適用することが既に提案されてい
る。

発明が解決しようとする問題点 しかし摺動用部材に繊維強化金属複合材料が適用される
場合であっても、複合材料がホーニング加工の如き通常
の機械加工のみによって表面仕上げされる場合には、摺
動用部材の耐摩耗性や耐焼付き性を必ずしも十分に向、
トさせることができない。例えばホーニング加工により
表面仕上げされた繊維強化金属複合材料製のシリンダラ
イナが組込まれた内燃機関に於ては、特に内燃機関が過
酷な条件にて連続運転される場合には、ピストンやシリ
ンダライナにスカッフィングや過大な摩耗が生じ、更に
はピストンやピストンリングとシリンダライナとの間に
於て焼付き現象が生じることがある。かかる問題はａｍ
強化金属複合材料の表面が通常の機械加工により仕上げ
られる場合には、複合材料の表面に強化繊維が十分に露
出せず、また複合材料の表面に油溜りとなるべき十分な
凹部が存在しないことに起因して生じるものと推測され
る。

本願発明者等は、繊維強化金属複合材料を摺動用部材に
適用する場合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、繊維強化金属複合材料の表面を
電解エツチングすることによって複合材料の表面に強化
ａｍを露出させると共に所定の大きさ及び量の凹部を形
成することにより、上述の如き問題を解消し得ることを
見出した。

本発明は、本願発明者等が行った実験的研究の結果得ら
れた知見に基づき、通常の繊維強化金属複合材料に比し
て遥かに耐摩耗性に優れた摺動用繊雑強化金属複合材料
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、無機質繊維を強化
繊維としアルミニウム合金若しくはマグネシウム合金を
マトリックスとする繊維強化金属複合材料の特定の表面
が電解エツチングされることにより形成され、前記強化
繊維の一部が前記特定の表面に露出しており、前記特定
の表面に露出する前記強化繊維の間の前記マトリックス
の表面に凹部を有し、前記凹部の平均深さが１．５μ以
上であり、前記四部の開口径に対する深さの比の平均値
が０．０１以上である摺動用１１ＡＭ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 本発明によれば、繊維強化金属複合材料の特定の表面が
電解エツチングされることにより、強化ＩＩＨの一部が
特定の表面に露出せしめられ、特定の表面に露出する強
化繊維の間のマトリックスの表面に平均深さが１．５μ
以上であり開口径に対する深さの比の平均値が０．０１
以上である凹部が形成され、これにより特定の表面に露
出する強化繊維によりマトリックスが直接相手材に接触
する度合が低減され、また四部が油溜りとして作用する
ことにより複合材料の保油性が確保されるので、通常の
繊維強化金属複合材料に比して遥かに耐摩耗性に優れた
繊維強化金属複合材料を得ることができる。

また本発明によれば、強化繊維の露出及び凹部の形成は
複合材料の表面を電解エツチングすることにより行われ
、形成される凹部の深さ方向の断面形状は楔形若しくは
これに近い形状になり、従って酸エツチングやマトリッ
クスを加熱溶融することにより強化繊維の露出や四部の
形成が行われる場合に比して、複合材料の保油性を向上
させることができ、また強化繊維に実質的に悪影響を及
ぼすことな（迅速に強化繊維の露出及び凹部の形成を行
うことかできる。

本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、複合
材料の特定の表面に於ける強化ｌ１ｓＩＩＩの露出＾さ
の平均値が１μを越えると、複合材料の表面より露出す
る強化１８８により相手材が過剰に擦過されることによ
り却って摩耗量が増大し、また強化繊維の脱落に起因す
る異常摩耗が発生し易くなる。従って本発明の一つの詳
細な特徴によれば、複合材料の特定の表面に於ける強化
繊維の露出高さの平均値は１μ以下に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
凹部の面積率、即ち複合材料の特定の表面の全面積に対
する凹部の開口面積の合計の比が５％未満の場合には複
合材料の表面に十分な量の潤滑油を保持させることがで
きず、凹部の面積率が４０％を越えると凹部に保有され
る潤滑油の蟻が却って少なくなり、また複合材料の表面
に露出する強化繊維を保持するマトリックスの強度が低
下し、そのため強化繊維が脱落し易くなって複合材料の
摩耗量が増大する。従って本発明の他の一つの詳細な特
徴によれば、四部の面積率は５〜４０％に設定される。

尚本発明の繊維強化金属複合材料に於ける強化繊維は、
アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維の如きセラミック
繊維、炭ｊＫ繊維、種々の金属繊維の如く任意の無機質
繊維であってよく、長繊緒又は短繊維の何れであっても
よい。また強化繊維の平均繊ＩＸＩ径は１００μ以下、
特に１〜４０μ程度であることが好ましく、強化繊維の
体積率は３０％以下、特に３〜１５％程度であることが
好ましい。更に強化繊維の配向は一方向配向、二次元ラ
ンダム配向、三次元ランダム配向等任意の配向であって
よいが、特に一方向配向及び二次元ランダム配向の場合
には、摺動面が一方向配向の方向又は二次元ランダム配
向平面に対しできるだけ垂直又はこれに近い角度をなす
よう設定されることが好ましい。

またアルミニウム合金及びマグネシウム合金は電解エツ
チング可能なものであれば任意の組成のものであってよ
いが、特にケイ素を含有するアルミニウム合金の如く、
それ自身耐摩耗性に優れたアルミニウム合金やマグネシ
ウム合金であることが好ましい。

更に本発明に於ける電解エツチングの電解液は硝酸水溶
液又は塩化ナトリウム水溶液であってよく、硝酸水溶液
が使用される場合にはその濃度、電位差、通電量がそれ
ぞれ８０〜１６０ｍ＋／ｌ、４．５〜６．０Ｖ、２００
〜４５０クーロン／ｄａ２に設定されることが好ましく
、塩化ナトリウム水溶液が使用される場合にはその濃度
、電位差、通電量が８０〜１６０ｕ／ｌ　、３．０〜４
．０Ｖ。

１００〜４００クーロン／　ｄ＋＋＋”に設定されるこ
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。

大、ＬＬＬ 複合材料の四部の深さが如何なる範囲であることが適切
であるかの検討を行った。

まず平均繊維径２．８μ、平均繊維長６！ｉｌのアルミ
ナ−シリカ繊維（５５ｗｔ％ＡｌｔＯｓ１残部実質的に
Ｓｉ　０２　）が実質的に三次元ランダムにて配向され
た繊維成形体を形成し、該ＩＩａ維成形成形体いて行わ
れる高圧鋳造により、体積率８％のアルミナ−シリカ繊
維を強化繊維としアルミニウム合金ＬＪ　ＩＳＭＡ＠Ａ
Ｃ８Ａ）をマトリックスとする複合材料を製造した。次
いでこの複合材料より外径２５．６１１１％内径２０．
Ｑｍｓ、長さ１６＋ｕの寸法を有し一方の端面を被試験
面とする円筒状の回転摩耗試験片を多数作成し、各試験
片の被試験面の面粗さを研削により０．６μＲｚに仕上
げた。

次いで硝酸水溶液を用いて行われる電解エツチングによ
り被試験面のマトリックスの表面に凹部を形成した。こ
の場合電解エツチングの条件を変化させることにより、
下記の表１に示されている如き５個の回転摩耗試験片へ
１〜Ａ５を形成した。

第１図はかくして形成された試験片の断面を示す模式図
であり、図に於て１は強化繊維としてのアルミナ−シリ
カ繊維を示しており、２はマトリックスとしてのアルミ
ニウム合金を示しており、３は凹部を示している。また
表１に於てＤｉは複合材料の任意の断面に現われる凹部
３の深さＤｌの平均値（μ）であり、［）ｉ／Ｗｉは凹
部３の開口径に対する深さの比の平均値、即ち複合材料
の任意の断面に現われる凹部３の開口部長さＷｌに対す
る深さＤｌの比の平均値であり、１−１ｉは複合材料の
表面４よりのアルミナ−シリカ繊維の露出高さＨｌの平
均値であり、四部の面積率とは複合材料の任意の断面の
成る基準長さしに対する凹部３の開口部長さＷ＋の合計
の比の百分率である（後述の他の表に於ても同じ）。

表　　　　１ Ａ＋　０．８０，０２　０，２　２０ ＡＩ！１，３０，０２　０，４　２５ Ａｓ　１．６０．０２　０，４　２５ Ａ４２．５０．０２　０．４　２５ Ａｅ　４．００．０２　０，４　４５ 次いで各回転摩耗試験片を相手材である外径２５．６ｔ
ｓ、内径２０．０１ｍ、長さ１６ＩＩｌの炭素鋼（ＪＩ
Ｓ規格５４５Ｃ）製の円筒状の静止摩耗試験片の端面と
接するように設置し、それらの接触面に潤滑油としての
キャッスルモータオイル５ＡＥ３０を供給し、回転摩耗
試験片を回転数１００Ｑ　ｒｐｍにて回転させつつ、静
止摩耗試験片に対する回転摩耗試験片の押圧荷重をｉｏ
ｌ＜ａより６００ｋ（ｌまで増加させ、これにより焼付
き限度荷重を測定する焼付き試験を行った。この焼付き
試験の結果を第２図に示す。

第２図より、凹部の平均深さが１．５μ以上の場合に焼
付き限度荷重が＾くなり、焼付きが生じ難くなることが
解る。尚凹部の平均深さが４．０μである試験片Ａ５の
焼付き限度荷重は比較的低い値になっているが、これは
後に説明する如く、凹部の面積率が４５％と高い値であ
ることに起因しているものと推測される。

また上述の各試験片Ａｌ−Ａ３について、荷重を２００
　ｋｇ（一定）に設定して上述の焼付き試験と同様の要
領の摩耗試験を１時間に亙り行った。

この摩耗試験の結果を第３図に示す。第３図より、凹部
の深さの平均値が１．５μ以上である試験片Ａ３及びＡ
４の摩耗量は試験片Ａ１及び試験片Ａ２よりも低い値で
あることが解る。またこの摩耗試験に於ても試験片Ａ５
の摩耗量は比較的高い値になっており、これも四部の面
積率が高い値であることに起因するものと推測される。

これらの焼付き試験及び摩耗試験の結果より、凹部の平
均深さは１．５μ以上であることが好ましいことが解る
。

実施例２ 複合材料の凹部の開口径に対する深さの平均値が如何な
る範囲であることが適切であるかの検討を行った。

上述の実施例１に於て作成された５個の回転摩耗試験片
の被試験面を種々の条件にて電解エツチングすることに
より、下記の表２に示されている如き回転摩耗試験片８
ｌ−Ｂ１１を形成した。次いで各回転摩耗試験片につい
て実施例１の場合と同一の要領及び条件にて焼付き試験
及び摩耗試験を行った。これらの試験の結果をそれぞれ
第４図及び第５図に示す。

表　　　２ Ｂ１１．６０，００４０，５　２０ Ｂ！！１．６０．００８０．５　２０ ８ｇ　１．８０，０１００．５　２０ Ｂ４２．００．０１５０，５　２０ Ｂｓ　２，００，０３００，５　２０ 第４図より、凹部の開口径に対する深さの平均−１３＝ 値が０．０１以上の場合に焼付き限度荷重が高くなり、
焼付きが生じ難くなることが解る。また第５図より、凹
部の開口径に対する深さの比の平均値が０．０１以上の
場合に複合材料の摩耗量が低い値になることが解る。

これらの焼付き試験及び摩耗試験の結果より、凹部の開
口径に対する深さの比の平均値は０．０１以上であるこ
とが好ましいことが解る。

実施例３ 複合材料の表面よりの強化繊維の露出高さが如何なる範
囲であることが適切であるかの検討を行った。

上述の実施例１に於て作成された６個の回転摩耗試験片
の端面を種々の条件にて電解エツチングすることにより
、下記の表３に示されている如き回転摩耗試験片Ｃ＋〜
Ｃ６を形成し、各回転摩耗試験片について実施例１の場
合と同一の要領及び゛条件にて焼付き試験を及び摩耗試
験を行った。これらの試験の結果をそれぞれ第６図及び
第７図に示す。尚表３、第６図及び第７図に於て、試験
片Ｃ＋　は電解エツチングが行われなかった試験片であ
る。

表　　　３ Ｃ重　　　　　０　　　　　　　　□　　　　　　０　
　　　　　　　　０Ｃ，１，６０，０１５０，１２５ Ｃ，１，７０，０１５０，５２５ Ｃ４１，８０，０１５０，９２５ Ｃ，２，００，０１５［２２５ Ｃｏ　２，００．０１６１，８　２５ 第６図より、強化繊維の露出高さが０．１〜１μの場合
に焼付き限度荷重が高くなり、焼付きが生じ難くなるこ
とが解る。また第７図より、強化繊維の露出高さが０．
１〜・１μの場合に複合材料の摩耗量が低い値になるこ
とが解る。

尚研削のみしか行われず電解エツチングによる凹部の形
成が行われなかった試験片ＣＩの焼付き限度荷重は比較
的低い値であるが、電解エツチングにより凹部が形成さ
れる限り、強化繊維の露出高さがＯに近い値であっても
、凹部が油溜りとして作用し、また複合材料が使用され
る過程に於てそのマトリックスが僅かに摩耗して強化Ｉ
ＢＭが複合材料の表面に露出するようになるので１電解
エツチングが行われる限り強化繊維の露出高さは初期的
には０．１μ以下であってもよいものと推測される。

従ってこれらの焼付き試験及び摩耗試験の結果より、強
化繊維の露出高さの平均値は１μ以下であることが好ま
しいことが解る。

実施例４ 凹部の面積率が如何なる範囲であることが適切であるか
の検討を行った。

上述の実施例１に於て作成された６個の回転摩耗試験片
の被試験面を種々の条件にて電解エツチングすることに
より、下記の表４に示されている如き回転摩耗試験片Ｄ
＋−Ｄ１１を形成し、各試験片について実施例１の場合
と同一の要領及び条件にて焼付き試験及び摩耗試験を行
った。これらの試験の結果をそれぞれ第８図及び第９図
に示す。

表　　　４ Ｄ＋　０．８０．０２　０．５　０ Ｄ２１，６０，０２　０．５　２ Ｄａ　１，６０，０２　０，５　４ Ｄ４２，００，０２　０．５　６ Ｄａ　２，５０，０２　０，５　３５ ＤＩ、４，００，０２　０，５　４５ 第８図より、凹部の面積率が５〜４０％程度の場合に焼
付き限度荷重が高くなり、焼き付きが生じ難くなること
が解る。また第９図より、凹部の面積率が５〜４０％稈
度の場合に複合材料の摩耗量が低い値になることが解る
。

これらの焼付き試験及び摩耗試験の結果より、四部の面
積率は５〜４０％であることが好ましいことが解る。

友ｌ九［ 炭素鋼以外の材料を相手材とする焼付き試験及び摩耗試
験を行った。

上述の実施例１に於て作成された３個の回転摩耗試験片
の被試験面を電解エツチングすることにより、凹部の平
均深さＤｌが２．０μであり、凹部の開口径に対する深
さの比の平均値Ｏ＋／Ｗ＋が０．０１５であり、強化繊
維の露出高さの平均値１−１ｉが０６５μであり、四部
の面積率が２０％である回転摩耗試験片Ｅ−Ｇを形成し
た。

次いでこれらの回転摩耗試験片について、ステンレス鋼
（ＪＩＳ規格５ＵＳ４２０Ｊ２）、軸受鋼（ＪＩＳ規格
５ＵＪ２）、Ｆｅ−Ｐめっき（Ｐ含有量０．８ｗｔ％）
された軸受＃　（Ｊ　Ｊ　ＳＭ格５ＵＪ２）よりなる静
止摩耗試験片をそれぞれ相手材として、上述の実施例１
の場合と同一の要領及び条件にて焼付き試験及び摩耗試
験を行った。これらの摩耗試験の結果を第１０図及び第
１１図に示す。

第１０図及び第１１図より、凹部の深さ等が上述の範囲
にある場合には、炭素鋼以外の鋼を相手材とする場合に
も焼付き限度荷重が高く、複合材料の摩耗量が低い値に
なることが解る。また図には示されていないが相手材の
摩耗量は何れの場合も電解エツチングが行われない複合
材料の場合に比して遥かに低い値であることが認められ
た。

尚強化繊維がアルミナ繊＃（９５ｗｔ％△ｌｔ。

８残部実質的にＳ　ｔ　Ｏ２）平均繊維径３．２μ、平
均繊維長８１１１）、炭化ケイ素ボイス力（平均繊維径
０．５μ、平均繊維長１００μ）、窒化ケイ素ボイス力
（平均繊維径０．５μ、平均繊維長２５０μ）である複
合材料及びマトリックスがマグネシウム合金（ＪＩＳ規
格ＭＤＣ１Ａ）である複合材料についても上述の実施例
１〜５ど同様の焼付き試験及び摩耗試験を行ったところ
、複合材料の凹部の深さ等が上述の範囲にあることが好
ましいことが認められた。

衷１」１Ｌ 上述の実施例１に於て使用されたアルミナ−シリカ繊維
及びアルミニウム合金を用いて、実質的に三次元ランダ
ムにて配向された体積率１２％のアルミナ−シリカ繊維
にて強化されたアルミニウム合金よりなるシリンダスリ
ーブを高圧鋳造により製造し、該スリーブをグラビテイ
鋳造により鋳ぐるむことにより、シリンダボア径８０ｍ
１ｌｌの４気筒４サイクル内燃機関用シリンダブロック
を２個形成した。次いで一方のシリンダブロックのシリ
ンダボアをホーニング加工によって表面粗さ０゜６μＲ
ｚに仕上げることによりシリンダブロックＨ（強化繊維
の露出高さＯμ、凹部の面積率Ｏ％）を形成した。また
他方のシリンダブロックのシリンダボアをホーニング加
工によって表面粗さ０゜６μＲｚに仕上げた後、硝酸水
溶液による電解エツチングにより、凹部の平均深さ１．
９μ、凹部の開口径に対する深さの比の平均値０．０１
８、強化ｔｍ雑の露出高さの平均値０．３μ、凹部の面
積率６％のシリンダブロックＩを形成した。

次いでこれらのシリンダブロックが組込まれた内燃機関
を６００　Ｏｒｐｍにて２００時間に厘る高速耐久試験
に供したところ、シリンダブロックＨのシリンダボアに
はスカッフィングが発生していることが認められたのに
対し、シリンダブロック■のシリンダボアにはスカッフ
ィングの発生は全く認められなかった。またシリンダブ
ロックＨのシリンダボアの平均摩耗量は２１μであるの
に対し、シリンダブロック■のシリンダボアの平均摩耗
量は約１０μであり、従ってシリンダブロック■はシリ
ンダブロックＨよりも遥かに耐摩耗性に優れていること
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
の結果との関連に於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図は本発明による繊維強化金属複合材料の表面部の
断面を示す模式図、第２図及び第３図はそれぞれ複合材
料の凹部の深さをパラメータとして行われた焼付き試験
及び摩耗試験の結果を示すグラフ、第４図及び第５図は
それぞれ凹部の開口径に対する深さの比の平均値をパラ
メータとして行われた焼付き試験及び摩耗試験の結果を
示すグラフ、第６図及び第７図はそれぞれ強化繊維の露
出高さをパラメータとして行われた焼付き試験及び摩耗
試験の結果を示すグラフ、第８図及び第９図はそれぞれ
凹部の面積率をパラメータとして行われた焼付き試験及
び摩耗試験の結果を示すグラフ、第１０図及び第１１図
はそれぞれ種々の鋼を相手材とする焼付き試験及び摩耗
試験の結果を示すグラフである。 １・・・アルミナ−シリカ繊維、２・・・アルミニウム
合金、３・・・凹部、４・・・表面 部　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　２　図 第　３　図 襞　博　艶　捌　に　−？ 吐　霞　ｌ１ｌＩ　　ミ 第　６　囲 第　７　図 第　８７ 第　９　図 餌　ｔ　艶　酩　ン　輌　？ 凹部の面積率（％ン 叶電＠失

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）無機質繊維を強化繊維としアルミニウム合金若し
   くはマグネシウム合金をマトリックスとする繊維強化金
   属複合材料の特定の表面が電解エツチングされることに
   より形成され、前記強化繊維の一部が前記特定の表面に
   露出しており、前記特定の表面に露出する前記強化繊維
   の間の前記マトリツクスの表面に凹部を有し、前記凹部
   の平均深さが１．５μ以上であり、前記凹部の開口径に
   対する深さの比の平均値が０．０１以上である摺動用繊
   維強化金属複合材料。
2. （２）特許請求の範囲第１項の摺動用繊維強化金属複合
   材料に於て、前記特定の表面に於ける前記強化繊維の露
   出高さの平均値は１μ以下であることを特徴とする摺動
   用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項の摺動用繊維強化金属複合材料に於て、前記
   凹部の面積率は５〜４０％であることを特徴とする摺動
   用繊雑強化金属複合材料。