JPS6237103B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、自動車用、宇宙航空機器、産業機
械用等々の構造部品として好適に使用される複合
金属に関するものである。 （従来技術） 従来の複合金属としては、例えば第１図ないし
第３図に示すようなものがある。第１図は一般に
繊維強化金属と呼ばれるものであつて、金属基地
１中に例えばセラミツクス質繊維２が複合されて
いるものである（特開昭58−93837号公報参照）。
また、第２図は一般に粒子分散金属と呼ばれるも
のであつて、例えばSAPのように、金属基地１と
してのAl中に、粒子３としてAl₂O₃が分散してい
るものである。さらに、第３図は前記材料の組合
わせとして、例えばセラミツクス質繊維２に付着
した状態、あるいは前記繊維２の間隙に分散した
状態で、減摩物質（例えばＣ、Pb、Zn等）粒子
４が金属基地１中に複合されているものである
（特開昭58−93843〜７号公報参照）。前記した各
複合金属のうち、第１図および第２図に示すもの
は、硬質の繊維２または粒子３を複合させること
による耐摩耗性の向上をねらつたものであり、第
３図に示すものは減摩物質粒子４を複合化させる
ことによつて、摺動する相手材の摩耗の低減をね
らつたものである。 しかしながら、このような従来の複合金属にあ
つては、繊維２または粒子３，４が互いに接触し
ている箇所はあるもののこれらが結合せずに基地
１中に分散した形態となつていたため、例えば第
４図に示すようなカム５とカムフオロア６の如き
厳しい摺動条件下では、長時間の使用中に第５図
に示すようにカム５の金属基地がしだいに塑性変
形し、金属基地に含まれる繊維や粒子を伴なつて
破壊し、この破壊片が研摩物質として作用して、
複合金属および相手材を摩耗させるという問題点
があつた。 （発明の目的） この発明は、このような従来の問題点に着目し
てなされたもので、例えば厳しい摺動条件下で使
用されたときでも金属基地に塑性変形が生じるの
を防止し、複合金属の破壊を阻止すると共に、著
しく優れた耐摩耗性を有し、負荷の厳しい環境下
で長期にわたつて使用することが可能である複合
金属素材を提供することを目的としている。 （発明の構成） この発明はよる複合金属は、セラミツクスの繊
維とセラミツクスの粒子とが互いに焼結して結合
した骨格成形体を金属基地中に複合化してなるこ
とを特徴としている。 この発明において使用されるセラミツクス繊維
およびセラミツクス粒子を構成するセラミツクス
としては、SiC等の炭化物系、Si₃N₄等の窒化物
系、Al₂O₃やZrO₂等の酸化物系などのものがあ
り、適宜選択して使用される。 また、金属基地を構成する金属としては、
Al、Zn、Mg、Fe等々の単体あるいは合金などが
使用される。 （実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明
する。 第６図ないし第９図は、この発明の一実施例を
示す図である。 第６図において、１１は撹拌容器、１２は撹拌
具、１３は繊維と粒子の懸濁液である。また、１
４はカムプロフイルに合わせた形状の懸濁液容器
であり、この容器１４は、中心部分にコア１５を
備えていると共に、底部分に濾過用フイルタ１６
を備えている。さらに、１７は前記容器１４の下
部に設けた減圧箱であり、この減圧箱１７は減圧
孔１８を備えている。この場合、前記容器１４は
シール１９を介して前記減圧箱１７上に設置して
ある。他方、第７図において、２１はカムプロフ
イール形状の空間を有する外型、２２は真円形状
の内型、２３は前記外型２１と内型２２とによつ
て形成された空間内に嵌入しうる形状のパンチで
ある。この場合、前記内型２２はその底面に排水
孔２４を備えており、また前記パンチ２３は、ス
トツパ用段付部２５を備えている。さらにまた、
第８図および第９図は、カムシヤフト鋳造金型を
構成する下型２６および上型２７のそれぞれ一部
を示している。 次に、上記した第６図ないし第９図に示す装置
を使用してこの発明による複合金属を製造する手
順について説明する。 実施例 １ まず、繊維材料としてアルミナ質繊維
（Al₂O₃：96重量％、SiO₂：４重量％、繊維径：
２〜３μｍ、繊維長：200〜400μｍ、密度：3.5
ｇ／cm³）を準備し、粒子材料としてアルミナ粒子
（Al₂O₃：99.9重量％、粒子径：0.08μｍ、密度：
3.9ｇ／cm³）を準備した。次に、製造しようとす
るカム形状の繊維・粒子成形体の体積が９cm³であ
り、これに対して繊維が20体積％、粒子が20体積
％となるようにするために、前記アルミナ質繊維
を6.3ｇ（９cm³×0.2×3.5ｇ／cm³）、前記アルミナ
粒子を７ｇ（９cm³×0.2×3.9ｇ／cm³）を計量し、
第６図に示す懸濁液容器１１内の水500c.c.中に、
無機バインダ（コロイダルシリカ）を繊維・粒子
総重量に対し２重量％（0.2ｇ）、有機バインダ
（スターチ）を前記総重量に対し１重量％（0.1
ｇ）と共に撹拌具１２により撹拌しつつ順次投入
して、繊維と粒子の懸濁液１３を作製した。次
に、前記懸濁液１３を容器１４内に移し、減圧孔
１８に連結した図示しない真空ポンプにて減圧箱
１７内を0.1Torrに減圧した。この間、前記懸濁
液１３中の水分は、濾過用フイルタ２４を通過
し、この濾過用フイルタ２４上には前記繊維と粒
子が前記バインダを伴なつて堆積し、繊維・粒子
予備成形体３０が得られた。続いて、前記予備成
形体３０を第７図に示す外型２１と内型２２との
間に配設したのち、パンチ２３を降下させてスト
ツパ用段付部２５が外型２１の上端に当たるまで
前記予備成形体３０を圧縮し、前記予備成形体３
０中に残留していた水分を排水孔２４より排出
し、カム形状をした繊維・粒子成形体３１を得
た。次いで、前記成形体３１を110℃×10時間の
条件で乾燥したのち、100℃／１時間の割合で昇
温し、続いて1500℃×１時間焼成したのち、炉冷
して前記繊維と粒子を焼結し、これによつて繊
維・粒子骨格成形体３２を得た。次に、得られた
骨格成形体３２を第８図に示すようにカムシヤフ
ト鋳造金型２６，２７内に配設したのち、当該金
型内２６，２７にJIS−AC4B合金溶湯３５を注
入し、図示しないプランジヤにより750Kg／cm²の
圧力で前記合金溶湯３５を加圧しつつ凝固させて
カムシヤフトを得た。 この製造過程において、上記した条件で製作し
た骨格成形体３２と、比較のために、前記実施例
と同様の方法で作成した繊維・粒子成形体３１を
従来の焼成温度（800℃〜1200℃）として1200℃
×１時間焼成して製作した骨格成形体３２とにつ
いてそれぞれの組織を走査電子顕微鏡により観察
したところ、従来の骨格成形体３２は粒子が繊維
表面に付着あるいは繊維間隙に分散しているだけ
で、無機バインダによる結合しかないのに対し
て、この発明の実施例により製作した骨格成形体
３２は、粒子が繊維表面あるいは繊維間隙で焼結
しており、この粒子が繊維と繊維の接触部におい
て強固な架橋を形成し、全体として繊維と粒子の
骨格構造が形成されていることが確認された。ま
た、第９図は前記各骨格成形体の圧縮荷重を調べ
た結果を示す図であつて、この第９図からも明ら
かなように、本発明品は従来品よりも高い圧縮強
度を有している。また、前述した工程により製造
されたカムシヤフトの断面を観察したところ、カ
ムシヤフトのカム部に前記骨格成形体３２が完全
に鋳包まれており、鋳包み境界部分に遊離したと
ころなどは全くみられなかつた。 第１０図は本発明により得られたカムシヤフト
のカム部のミクロ組織を示し、第１１図は従来の
カムシヤフトのカム部のミクロ組織を示すもので
あつて、第１０図に示す本発明品では繊維と粒子
が緻密な骨格構造を成し、その間隙にアルミニウ
ム合金が十分に浸透しているのに対して、第１１
図に示す従来品では繊維に粒子が付着しあるいは
繊維間隙に粒子がばらばらに分散した形態であつ
て、好ましくないことが認められた。 次に、本発明の効果を評価すべく、前記カムシ
ヤフトを４気筒ガソリンエンジンに組み込み、モ
ータリングにより耐久試験を行なつた。このとき
の耐久試験条件は、動弁系摩耗が最も生じ易いア
イドリング回転（650r.p.m.）において200時間と
し、オイル温度は50℃にコントロールした。評価
については、前記骨格成形体３２中の繊維と粒子
の体積率（Vf）を変化させることによつて行つ
たが、その製造に関しては前記実施例と同様であ
る。そして、評価に際しては、ロツカーアームチ
ツプ摩耗減量、カム最大摩耗深さ、かえり高さを
測定し、現行チル鋳鉄製カムと比較した。なお、
ロツカーアームチツプ材は、現行の鉄焼結材（三
菱金属(株)製商品名MX300）とした。評価に供し
たチル鋳鉄とロツカーアームチツプ材の成分を以
下に示す。

【表】 また、第１２図に示すように、ロツカーアーム
チツプ３６とカム３７との位置関係において、最
大摩耗深さＤおよびかえり高さＨを測定した。 第１３図に示すように、ロツカーアームチツプ
摩耗量（第１３図ａ参照）、カム最大摩耗深さ
（第１３図ｂ参照）およびカムかえり高さ（第１
３図ｃ参照）とも、本発明品（実施例１）は従来
品（実施例１）よりもすぐれており、重量が大で
ある現行のチル鋳鉄と同等以上の良好なる結果が
得られたことが明らかである。 実施例 ２ 次に他の実施例を示すが、この実施例では窒化
珪素（Si₃N₄）の繊維と粒子を用いた。これらのう
ち、繊維としては、窒化珪素繊維（Si₃N₄：99.9
重量％、繊維径0.02μｍ、繊維長20μｍ、GTE
シルバニア製）を用い、粒子としては、窒化珪素
粒子（粒径0.2μｍ）88重量％、焼結助材として
Y₂O₃（0.2μｍ）８重量％とAl₂O₃（0.3μｍ）４
重量％との混合粉末を用いた。 そこで、上記した繊維と粒子を用い、前記実施
例と同様の方法で繊維・粒子成形体３１を作製
し、焼成により繊維・粒子骨格成形体３２とし
た。このときの焼成条件は、10^-3Torrの真空中
で200℃／時間で昇温→1000℃でN₂ガスで置換
し、更に昇温→1700℃×２時間で焼成後炉冷、で
ある。一方、比較のために、前記繊維・粒子成形
体３１に対し、10^-3Torrの真空中で200℃／時間
で昇温→1000℃でN₂ガスに置換し、更に昇温→
1200℃×１時間で焼成後炉冷、の条件で焼成を行
つた。続いて、前記本発明および比較の骨格成形
体を前記実施例と同様の方法でカム部に複合し、
その後前記実施例と同様にしてロツカーアームチ
ツプ摩耗量、カム最大摩耗深さ、カムかえり高さ
を評価した。その結果を同じく第１３図に合わせ
て記す。 第１３図に示すように、ロツカーアームチツプ
摩耗量（第１３図ａ参照）、カム最大摩耗深さ
（第１３図ｂ参照）およびカムかえり高さ（第１
３図ｃ参照）とも、本発明品（実施例２）は従来
品（実施例２）よりもすぐれており、重量が大で
ある現行のチル鋳鉄と同等以上の良好なる結果が
得られたことが明らかである。 したがつて、上記各実施例からも明らかなよう
に、この発明による複合金属を例えば内燃機関用
カムシヤフトのカムまたはロツカーアームチツプ
等の動弁系部品に適用した場合に、現行品（チル
鋳鉄）と同等以上の耐摩耗性を有し、さらには現
行の重量2.5Kgに対して1.1〜1.5Kg（シヤフト部は
AC4Bアルミニウム合金製）と大巾な軽量化が成
され、動力性能の著しい向上ならびに低騒音化の
実現に貢献するという非常にすぐれた利点が得ら
れる。さらにまた、この発明による複合金属は軸
受部等の他の摺動部分にも使用可能であり、繊
維、粒子としては他のセラミツクス（例えばSiC
やZrO₂等）も使用することができる。 （発明の効果） 以上説明してきたように、この発明による複合
金属は、セラミツクスの繊維とセラミツクスの粒
子とが互いに焼結して結合した骨格成形体を金属
基地中に複合化したものであるから、厳しい使用
条件下、たとえば厳しい摺動条件下でも前記骨格
が面圧を受けもつため、金属基地に塑性変形が生
ずるのを有効に阻止することが可能であり、複合
金属の破壊を防止すると共に、著しく優れた耐摩
耗性を発揮し、条件の厳しい使用状況のもとで長
期の使用に耐えることができるという著大なる効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は従来の複合金属
を示す模式的説明図、第４図ａ，ｂは複合金属を
過酷な使用環境下で使用する例を示す説明図、第
５図は過酷な使用環境下で生じる塑性変形を伴な
つた摩耗のようすを示す説明図、第６図ａ，ｂは
繊維・粒子予備成形体を製作する装置の各々縦断
面説明図および平面説明図、第７図ａ，ｂは繊
維・粒子成形体を製作する装置の各々縦断面説明
図および底面説明図、第８図は繊維・粒子骨格成
形体を合金溶湯で鋳ぐるむカムシヤフト鋳造型の
カム軸方向縦断面説明図、第９図は圧縮荷重試験
結果を示すグラフ、第１０図および第１１図は
各々本発明品および従来品のカムシヤフトのカム
部の金属組織顕微鏡写真（400倍）、第１２図はカ
ム最大摩耗深さおよびカムかえり高さの測定要領
を示す説明図、第１３図ａ，ｂ，ｃは従来品およ
び本発明品について各々ロツカーアームチツプ摩
耗減量、カム最大摩耗深さ、カムかえり高さを調
べた結果を示すグラフである。 １……金属基地、２……セラミツクス繊維、
３，４……セラミツクス粒子、３２……繊維・粒
子骨格成形体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ セラミツクスの繊維とセラミツクスの粒子と
   が互いに焼結して結合した骨格成形体を金属基地
   中に複合化したことを特徴とする複合金属。