JPS62244565A - 閉ル−プ状炭素繊維強化部分を含む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 本発明は、繊維強化金属複合材料の製造方法に係り、更
に詳細には閉ループ状に配向された炭素繊維にて複合強
化された部分を含む金属部材の製造方法に係る。

従来の技術 ａＪＡＨ強化金強化金属複合材料化繊維の一つとして炭
素繊維はよく知られている。炭素繊維は軽醋ｌ高剛性で
熱膨張率が小さいので、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６０−５９４１４号、同６０−
５９４１５号、同６〇−５９４１６号明細書や特開昭６
０−２４３２３９号公報に記載されている如く、内燃機
関用のピストンの熱膨張抑制や軸受の剛性向上及び熱膨
張抑制を図るべく、これらの部材を円環状や円筒状の如
き閉ループ状に配向された炭素繊維にて複合強化するこ
とが既に検討されている。

また炭素繊維の特性はその内部構造に於ける炭素原子の
配列（黒鉛化度、結晶化喰）により大きく左右される。

即ち一般に黒鉛化度が＾い程ヤング率が高く、マトリッ
クス金属との濡れ性が悪く、マトリックス金属との反応
性が低くなることが知られている。従ってマトリックス
金属としてアルミニウム合金やマグネシウム合金の如き
比較的反応性の高い金属が使用される場合には、マトリ
ックス金属との反応を低減すべく、黒鉛化度の高い、即
ちヤング率が４　Ｑ　　ｔｏｎ／ｍｍ２程度の高い値の
炭素繊維が一般に使用されている。

発明が解決しようとする問題点 しかし黒鉛化度の高い炭素繊維が閉ループ状に配向され
た繊維成形体を用いて、閉ループ状に配向された炭素ｕ
＆Ｍにて複合強化された部分を含む金属部材を加圧鋳造
法により製造する場合には、部材の炭素繊維強化部に亀
裂等の欠陥が生じることがある。

本願発明者等は、かかる欠陥の原因を究明すべく種々の
実験的研究を行った結果、上述の如き欠陥は＆８造時の
応力に対する炭素繊維強化部の変形能が不十分であるこ
とに起因して生じることを見出した。即らアルミニウム
合金の如ぎマトリックス金属は、一般ＩＪ’を炭素繊維
よりも熱膨張率が高いので、７トリツクス金属の溶湯が
凝固し温度低下する過程に於てマトリックス金属が炭素
繊維よりも大きく収縮し、そのため炭素繊維はマトリッ
クス金属による過酷な圧縮条件に曝され、圧縮剪断に起
因して亀裂等の欠陥が生じるものであり、従来にり使用
されている炭素繊維のヤング率よりも小さい所定の範囲
のヤング率を有する炭素繊維を使用すれば、かかる欠陥
の発生を回避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、閉ループ状に配向された炭素
繊維にて複合強化された部分を含む金属部材を亀裂等の
欠陥が生じることなく良好に製造することのできる方法
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、閉ループ状に配向
された炭素繊維にて複合強化された部分を含む金属部材
の製造方法にして、ヤング率が２　。

３〜３５　　ｔｏｎ／ｍｍ２テある炭素ｒａ紺を閉ルー
フ状に配向して繊維成形体を形成し、前記繊維成形体を
鋳型内の所定の位置に配置し、前記鋳型内に前記部材を
構成する金属の溶湯を注湯し、前記溶湯を加圧しつつ凝
固させることを含む金属部材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、ヤング率が２３〜３５ｔｏｎ／＋ｎｍ
２であり、従って繊維強化複合材料の製造に従来より使
用されている炭素繊維に比して弾性変形し易い炭素繊Ｉ
！１１が使用されるので、後に説明する本願発明者等が
行った実験的研究の結果より明らかである如く、炭素繊
維はマトリックス金属の凝固収縮に起因して比較的大き
い圧縮応力を受けても、該圧縮応力に応答して比較的容
易に弾性変形により収縮し、これににり圧縮剪断に起因
して炭素繊維強化部に＃Ａ裂等の欠陥が生じることを回
避することができる。

また本発明によれば、ヤング率が上述の範囲の炭素繊維
が使用されるので、黒鉛化度の高い炭素繊維に化して７
トリツクス金属との濡れ性が改善され、またマトリック
ス金属との間に於て適度の一５＝ 反応が生じ、これにより炭素繊維とマトリックス金属と
の密着性が向上するので、従来に比して高強度の炭素繊
維強化部を含む金属部材を製造することができる。

本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、ヤン
グ率が２３〜３５　　ｔＯｎ／ＩＩＩＩＩＱである炭素
繊維を使用すれば、炭素繊維強化部に亀裂等の欠陥が生
じることを実質的に回避し得るが、炭素繊維のヤング率
は特に２３〜３０　ｔｏｎ／＋＋１１１’であることが
好ましい。従って本発明の一つの詳細な特徴によれば、
ヤング率が２３〜３０　ｔｏｎ／　ｍｍ２である炭素ｖ
ａｎが使用される。　　□ 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 第１図に示されている如く、体積率８％のアルミナ−シ
リカ短繊維１（イソライト・パブコック耐火株式会社製
「カオウール」）よりなり、実質的に円筒状をなし、外
周面側に環状溝２を有する知識１Ｉｌｔ成形体３を形成
した。この場合個々の短繊維１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
に積み重ねられていた。

次いで第２図に示されている如く、環状溝２内にて短繊
維成形体３の周りに炭素繊維５を周方向に巻き付けるこ
とにより、実質的に円周状に配向された炭素繊Ｍ５より
なる体積率６０〜７０％の円筒状の炭素繊維成形体６を
形成し、これにより炭素繊維成形体６と、該炭素ｍＭ成
形体を支持する支持体としての知ｍｔｔｔｔ成形体３と
よりなる複合繊維成形体７を形成した。

この場合炭素繊維として下記の表１に示されている如く
種々のヤング率及び引張り強度を有する炭素繊維が使用
された。同表１に於て記号Ａ２及びＡ６にて示された炭
素繊維は、記号Ａ＋にて示された炭素繊維に対し熱処理
を施すことによりヤング率がそれぞれの値に調整された
ものであり、記号Ａ＋、Ａ８、Ａ４、Ａｅ、Ａｔにて示
された炭素繊維は東し株式会社よりそれぞれ表１に示さ
れた名称にて販売されている炭素繊維であり、Ｂ＋−Ｂ
ａにて示された炭素繊維は東邦レーヨン株式会社よりそ
れぞれ表１に示された名称にて販売されている炭素繊維
であり、Ｃ１及びＣ２にて示された炭素繊維は住化バー
キュレス株式会社よりそれぞれ表１に示された名称にて
販売されている炭素繊維であり、ＤＩ及びＤ！！にて示
された炭素＄１１ｆｆはユニオン・カーバイド社よりそ
れぞれ表１に示された名称にて販売されている炭素＃Ａ
緒である。また表１に於てヤング率及び引張り強度の単
位はそれぞれｔｏｎ　／ｍ１ｌ１２）ｋｇ／ｍｍ２であ
る。

表　　　　１ 名称　　　乳ｌ　　ヤング率　　　北１以ｌ【Ｔ３００
　　　Ａ＋　　　　２３　　　　　３６０□　　　Ａｅ
　　　　　　　２６　　　　　　　　３００Ｔ８００　
　　Ａａ　　　　３０　　　　　５７０Ｍ３０　　　　
Ａ４　　　３０　　　　　４００Ａａ　　　　３２　　
　　　３５０ Ｍ４０　　　　Ａ６　　４０　　　　　２８０Ｍ　５０
　　　　Ａ　ｒ　　　　５０　　　　　２５０ＳＴ３　
　　　Ｂ＋　　　　　２４　　　　　４４０１−（Ｍ　
３５　　　Ｂ　２　　　３５　　　　　２５０ＨＭ４５
　　　ａｓ　　　　４５　　　　　２２０Ｉ　Ｍ　６　
　　　Ｃ＋　　　　３０　　　　　４７０ＨＭＬＪ　　
　　Ｃｐ　　　　３８．５　　　２８０Ｐ５５　　　　
Ｂ＋　　　　３８．５　　　．２１０Ｐ７５　　　　Ｄ
Ｉ！　　　５２．５　　　２１０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、該本体に嵌合しピストンの内部形状を郭定する下型
９と、本体８に嵌合しビス１〜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
。

次いで複合繊維成形体７を４５０℃に予熱した後、該複
合繊維成形体をその一端１２にて下型１０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、該溶湯を約ｉ　ｏｏ。

ｋｇ／ｃｍ２の圧力にて加任し、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、該粗材を炭素繊維強
化部を通る横断面にて切断し、これにより炭素繊維強化
部の品質を拡大鏡を用いて検査した。

この検査結果をヤング率と共に下記の表２に示す。尚下
記の表２に於て、Ｏは炭素ＩＩＭ強化部に亀裂等の欠陥
が全く発生していないことを、Ｏは亀裂等の欠陥が殆ど
発生していないことを、×は亀裂等の欠陥が許容し得な
いほど発生していることを示している。

表　　　２ １生　　ヤング率りＯｎ／１ｌ１１１ＬＬＡ重２３Ｑ Ａｐ　　　２６　　　（ＯＩ Ａａ　　　３０　　　◎ Ａ４３０　　　◎ Ａ３３２　　０ Ａｅ　　　４０　　　Ｘ Ａ７　　５０　　　Ｘ Ｂ＋　　　２４　　　＠ Ｂ２３５　　０ Ｂａ　　　４５　　　Ｘ Ｃ＋　　　３０　　　◎ Ｃ２３８，５ｘ Ｄ＋　　　３８．５　　ｘ Ｂ９　　５２．５　　Ｘ 表２より、炭′ｌＡ繊維の種類や強度に拘らず、ヤング
率が２３〜３５　　ｔｏｎ／ａｍ２）好ましくは２３〜
３０　　ｔｏｎ／ｍｍ’の炭素繊維が使用される場合に
、亀裂等の欠陥の４Ｔい良好（，７品質の炭素繊維強化
部を含む金属部材を製造し得ることが解る。

また上述の如き結果が得られた原因につき更に詳細な検
討を行うべく、上掲の表１に於て記号Ａ電、Ａ８、Ａ４
、八〇、１〕虻、Ｂ２）Ｃ１１０２）Ｄｌにて示されノ
ζ種々の炭素繊維が体積率６５〜７０％にて長手方向に
一方向に配向されたアルミニウム合金（ＪｒＳＡｌ格Ａ
Ｃ８Ａ）よりなる板状の炭素繊維強化アルミニウム合金
の複合＠利を形成し、各複合材料より炭素繊維の配向方
向に沿って長さ６０ＩＩＩＩ１１幅１０ｎ＋ｍ、厚さ２
Ｉｌｌｌｌｌの圧縮試験片を形成した。

次いで各試験片をその長手方向に圧縮し、圧縮破断歪（
％）、即ち圧縮破断が生じる際の歪量を測定する圧縮試
験を行った。この圧縮試験の結果を第５図に示す。尚第
５図に於てクロスハツチングが施された領域は鋳７１ｉ
詩に於ける炭素細紐強化１２一 部の収縮歪量（推定値）を示してしている。

第５図より、炭素繊維にて複合強化されたアルミニウム
合金よりなる複合材料の圧縮変形能は以外にも炭素繊維
の強度に拘らず、ヤング率にほぼ反比例しており、鋳造
時のマトリックス金属の収縮歪に耐え得るだけの圧縮破
断歪を有しない炭素５Ｉ１１、即ちヤング率が３５　　
ｔｏｎ／ｍｍ”を越える炭素ＩＩ雑が使用される場合に
は、実質的に必ず亀裂等の欠陥が生じることが解る。従
ってこの圧縮試験の結果より、炭素繊維のヤング率は３
５ｔｏｎ、、’ｌｌ１Ｎ２以下であることが好ましいこ
とが解る。

実施例２ マトリックス金属としてマグネシウム合金（ＪＩｓ規格
ＭＣ２）が使用され、その溶湯の温度が７００℃に設定
された点を除き、上掲の表１に示された種々の炭素繊維
を使用して実施例１の場合と同一の要領及び条件にて複
合材料の品質検査試験を行った。

その結果炭素繊維のヤング率が３５　ｔｏｎ／ｍ１Ｉｌ
ｌ！を越える場合には、炭素繊維強化部に亀裂等の欠陥
が発生しているのに対し、炭素繊維のヤング率が３０　
ｔｏｎ／　ｍｍ２を越え３５　　ｔｏｎ／ｍｍ２以下の
場合には亀裂等の欠陥は殆ど発生しておらず、特に炭素
繊維の１ンング率が２３〜３０　　ｔｏｎ／ｍｍ２の場
合には亀裂等の欠陥は全く発生していないことが認めら
れた。従って金属部材を構成する金属がマグネシウム合
金である場合にも、炭素繊維のヤング率は２３〜３５　
　ｔｏｎ／ｍｍ２）特に２３〜３０　　ｔｏｎ／　ｍｎ
＋２であることが好ましいことが解る。

実施例３ 第６図に示されている如く、上掲の表１に示されたそれ
ぞれの炭素繊維について、長手方向に一方向に配向され
た炭素ｍ維１７と、周方向に円周状に配向された炭素繊
維１８とよりなる円筒状の炭素繊維成形体１９を形成し
た。次いで炭素繊維成形体１９を／１００℃に矛熱した
後、該炭素繊維成形体を第７図に示されて゛いる如きダ
イカスト鋳造装Ｍ２０の固定ダイス２１と可動ダイス２
２どにより郭定され／、：’Ｅ−ルドキャごティ２３内
に、炭素繊維成形体１９を可動ダイス２２に設けられた
円柱状の突起２４に圧入式に固定することにより配置し
、注入口２５を経て鋳込みスリーブ２６内に導入された
アルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣＩＡ）の溶湯２７を
プランジャ２８によって約５００　ｋｑ／　ａｍ２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
で保持することにより自動車用トランスミッションケー
スの粗材を製造した。尚炭素繊維にて強化された円筒状
の部分の繊維体積率は５０％であった。

それぞれの炭素繊維について得られた各素材を炭素繊維
強化部の軸線に垂直な平面にて切断してその断面を拡大
鏡にて品質検査したところ、繊維体積率が低いこの実施
例の場合にも、炭素繊維のヤング率が３５　　ｔｏｎ／
ｍｍ２を越える場合には、炭素繊維強化部に亀裂等の欠
陥が発生しているのに対し、炭素繊維のＶレグ率が３０
　　ｔｏｎ／ｍｎ＋２を越え３５ｔＯｎ／ＩＩＩＩＩ１
２以下の場合には亀裂等の欠陥は殆ど発生しておらず、
特に炭素繊維のヤング率が２３〜３０　　ｔｏｎ、’ｍ
ｍ２の場合には亀裂等の欠陥は全く発生していないこと
が認められた。

以上に於ては本発明を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図はアルミナ−シリカ短ＩＩ紺よりなるＩＩＡ維成
形成形体部破断して示す正面図、第２図は第１図に示さ
れた短繊維成形体及び該短繊維成形体により担持された
炭素繊維成形体よりなる複合繊維成形体を一部破断して
示す斜視図、第３図は第２図に示された複合＃ＪＡＭ成
形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図に示された複合ｍＮ成形体を用
いて行われる鋳造工程を示す断面図、第５図は一方向に
配向された炭素繊維にて複合強化されたアルミニウム合
金よりなる複合材料の繊Ｍ１配向方向の圧縮破断歪と炭
素繊維のヤング率との関係を示すグラフ、第６図は長手
方向に配向された炭素繊維と周方向に円周状に配向され
た炭素繊維とにりなる円筒状の炭素繊維成形体を示す斜
視図、第７図は第６図に示された炭素ｌＩ維成形体及び
ダイカスト鋳造装置を用いで行われる自動車用トランス
ミッションケースの鋳造工程を示す解図である。 １・・・アルミナ−シリカ短繊維、２・・・環状溝、３
・・・短１雑成形体、４・・・軸線、５・・・炭素繊維
、６・・・炭素繊維成形体、７・・・複合繊維成形体、
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。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）閉ループ状に配向された炭素繊維にて複合強化さ
   れた部分を含む金属部材の製造方法にして、ヤング率が
   ２３〜３５ｔｏｎ／ｍｍ＾２である炭素繊維を閉ループ
   状に配向して繊維成形体を形成し、前記繊維成形体を鋳
   型内の所定の位置に配置し、前記鋳型内に前記部材を構
   成する金属の溶湯を注湯し、前記溶湯を加圧しつつ凝固
   させることを含む金属部材の製造方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項の金属部材の製造方法に於
   て、前記炭素繊維のヤング率は２３〜３０ｔｏｎ／ｍｍ
   ＾２であることを特徴とする金属部材の製造方法。