JPS6245460A

JPS6245460A - 複合部材の製造方法

Info

Publication number: JPS6245460A
Application number: JP18622485A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Noguchi; 野口　啓一郎
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1985-08-23
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1987-02-27
Anticipated expiration: 2009-05-18
Also published as: JPH0636978B2

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〕本発明はセラミック成形体を鋳ぐるむ複合部材の製造法
に係り、詳しくは、多孔質の金属繊維成形体で保形した
セラミックの強化材成形体を鋳ぐるむようにした高圧鋳
造法に関するものである。

これは、例えば自動車エンジンのピストンやバルブなど
を製造する分野で利用される。

〔従来技術〕

近年、金属を強化するために異種の繊維や粒子などを複
合させた複合強化金属の開発が、盛んに行われている。

このような技術分野においては、その製造方法が原因と
なってしばしば問題点を残しており、実用的に完成され
たものは少ない。複合材料による部材表面強化に関する
ものとして、例えば、特開昭５４−１５１７１５号公報
、特開昭５８−１００６４２号公報、特開昭５８−１７
３０７３号公報など多数提案されているが、以下のよう
な問題がある。

（１）溶鍛（高圧鋳造法）により形成することができな
い。したがって、母材と異材との複合化という点におい
て難点がある。　（２）溶射やメッキなどによるため強
化層の厚みは１１程度が限度であり、これ以上の厚みを
望むことはできない。　（３）熱疲労特性に関係する強
化材と母材との高温における密着性が十分でない。　（
４）強化層は硬くて加工性がよ（ない。したがって、複
合化された伏態において完成品に近い形状に成形してお
かなければならない。　（５）複雑な表面形状を強化す
るのが難しい。

最近は、特にエンジンの高回転高出力化に伴って、部材
に要求される負荷条件が益々厳しくなっており、上記の
ようなメッキ、アルマイト、溶射、浸炭、窒化などの表
面処理による複合方法では、所望の品質が得られな（な
っている。例えば、高度の耐熱性が要求される直噴式デ
ィーゼルエンジンのピストンヘッドに、耐熱性および断
熱性に優れたセラミックの強化材を複合化させる場合が
ある。セラミックはピストンヘッドを形成するアルミ合
金と熱膨張係数が異なり、またセラミックの単体は割れ
易いという特性があるので、セラミックをそのままアル
ミ合金に被着させることはできない。そこで、高圧鋳造
法によりセラミック短繊維材を鋳くるんで部分的に物性
を変える場合には、セラミ、り短繊維を予め圧縮成形し
た成形体を作り、これを金型にセノｌ−して溶湯を含浸
させる方法が採用される。ところが、そのよ・うなセラ
ミックの短繊維あるいは粒子などの成形体は、一般金属
のように加圧により塑性変形させることは難しい。たと
え、所定の形状に形成して成形型にセントしても、／８
湯を注入すると溶湯の流動圧により、セラミックの短繊
維あるいは粒子が流動を始め、強化材が所定の部分乙コ
鋳くるまれないとい・う厄介な問題がある。

〔発明の目的］本発明は上述の問題点に鑑みなされたもので、母材と異
材との複舎一体化という点で優れている高圧鋳造法にあ
って、セラミック成形体のほくれや変形ならびに流動な
どを極めて少なくして、金属材料の表面をセラミックの
短繊維や粒子で密着性よく被覆することができ、高度の
耐熱性、断熱性、耐摩耗性または耐蝕性を有し、熱膨張
によるクラックの母材への進行を阻止することができる
複合材を形成する方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

本発明の複合部材の製造方法の特徴は、以下の通りであ
る。

セラミック短繊維またはセラミック粒子を部分的に鋳く
るむ複合部材の製造法において、セラミック短繊維また
はセラミック粒子などのセラミック成形体を、この成形
体のキャビティに面する側が金属繊維成形体で覆われた
状態で、成形型に保持し、その後、金属溶湯を前記キャ
ビティに加圧充填して、上記セラミック成形体および金
属繊維成形体内に金属溶湯を充填することである。

〔実　施　例〕

以下、本発明をその実施例に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）これは、高度の耐熱性が要求される直噴式ディーゼルエ
ンジンのピストンヘッドに、耐熱性オよび断熱性に優れ
たセラミックの強化材を複合化させる場合の適用例であ
る。この方法は、セラミックの短繊維あるいは粒子の成
形体を、成形型に確実な方法で定着させることにより、
溶湯を注入した後においても、セラミックの短繊維ある
いは粒子が勝手に流動するようなことなく、母材と安定
に一体化されるようにしたものである。

すなわち、第１図に示すように、強化材としてのセラミ
ックの短繊維あるいは粒子などのセラミック成形体１を
、その成形体のキャビティ２に面する側が、多孔質の金
属繊維成形体３で覆われた状態で、成形型４八〜４Ｃに
定着保持されている。

なお、本例ではピストンヘッドが逆テーバ状の燃焼室を
形成するために塩中子４ａも使用されている。このよう
な状態で、金属ン容場５をキャヒ゛ティ２に注入加圧す
ることにより鋳物母材を成形すると共に、金泥繊維成形
体３およびセラミック成形体１内に金属熔／ＡＩ５を含
浸させ、セラミック成形体１が母材に安定に鋳ぐるまれ
るようにするものである。

このようなセラミック成形体１の鋳ぐるみ方法は、以下
のような工程で行われる。

（１）　　第２図に示すように、塩中子４ａを食塩を用
いて図示しない金型により、成形圧力３〜４ｋｇｆ／Ｃ
績にて加圧成形する。

（２）第３図に示すように、成形された塩中子４ａをさ
らに別の金型６などを用いてセラミ’７り成形体１　（
ジルコニヤパウダー＃２００、強化層の１７さ＝５〜８
１１）を被覆させた状態で、成形圧力２〜３．５ｋｇｆ
／ｃｆにて加圧成形し、塩中子４ａにセラミック成形体
１を密着させる。

（３）別途、第４図に示すようなセラミック成形体１を
覆うような形状をした多孔質の金属繊維成形体３　（ス
テンレスファイバーの焼結体、空孔率５０〜８０％、焼
結温度１２００〜１３００℃）、および食塩と上記ジル
コニヤパウダーにてリング状の蓋体７　（７ａ、７ｂ）
を、図示しない装置を用いて成形する。

（４）上記のセラミ’７り成形体１と金属繊維成形体３
および蓋体７を、第１図に示すように重合させてピスト
ンヘッドの強化層を構成し、金属繊維成形体３を鋳造用
金型４Ａ〜４Ｃ内のキャビティ２に対向させてセットし
、高圧鋳造法（溶鍛法ともいう、加圧カニ　８００〜１
０００ｋｇ　ｆ　／　ｃｎｔ、溶湯ニアルミ合金、湯温
：６８０〜７４０℃）により鋳ぐるむ。

（５）最後に、塩中子４ａおよび塩蓋７ａを溶出する。

このような複合法においては、溶湯を注入する時には、
セラミック成形体１の表面を覆っている金属繊維成形体
３は溶湯５を通さず、セラミック成形体１を塩中子３に
押え付けこれを保形する。

’Ｇ’／ＪＡがキャビティ２に注入されて後加圧される
と、金属繊維成形体３に溶湯５が含浸して母材と複合化
されると共に、セラミック成形体１の方にも溶湯５が含
浸し、セラミック成形体１を構成する粒子は流動するこ
となく、安定に母材に鋳ぐるまれることになる。セラミ
ック成形体１がアルミ合金の母材に鋳ぐるまれた状態で
ば接合性がよく、セラミックが微細な粒子の状態で母材
と一体化しているので、熱膨張差が生じ難くなる。また
、熱疲労強度に難点のあるセラミック成形体１に発生す
るクラックは、上記の金属繊維成形体３によって母材へ
の進行が阻止される。このように構成されるピストンベ
ッドは耐熱性が高（耐久性に優れたものとなる。

上記のような製造方法による複合材の熱疲労試験結果を
以下に示す。試験の方法は、試験片をガスバーナにより
３０秒間加熱した後、水冷却を３０秒間行い、これを１
サイクルとし、１０〜１００００サイクル試験を行う。

途中の段階で異常がなければ○印を、ワレが発生すれば
Ｘ印を表示した。同様に、本発明の複合材との比較に供
するための試験片として、Ａ：εＡの表面にジルコニヤ
を２００μｍ溶射したもの、Ｂ：アルミナ焼結体をＡ！
！合金で鋳ぐるんだもの、Ｃ；円筒状の鋼とジルコニヤ
の焼きばめによるものを使用した。

表−１熱疲労試験結果この試験結果から、本発明による複合材が従来の各種複
合材に比べて熱疲労強度が優れていることが判る。

また、断熱特性についての試験結果を第５図に示す。こ
れは、試験片の強化材側をバーナで加熱し、加熱時間の
経過に伴う母材部（鋼の場合：断熱層より２０ｍｍ、ア
ルミの場合：　４０ｍｍ離れた個所）の温度の変化を測
定したものである。なお、図中、◎印：本発明による試
験片、○印：鋼の上にジルコニヤを２００μｍ溶射した
もの、△印：アルミナ焼結体をＡＩ！合金で鋳ぐるんだ
もの、ロ印：鋼のみを示す。同図から明らかなように、
本発明による複合材は、鋼やアルミナ焼結体をアルミ合
金で鋳くるんだものより良好な断熱効果を得ることがで
き、鋼の上にジルコニヤを溶射したものに近似した断熱
特性を有することが判る。

（実施例２）内燃機関のカムピースの摺動部にセラミックの強化材を
複合させた適用例である。実施例１と同様に強化材を安
定に保形し、かつ、これを母材と一体化させるための媒
体として金属繊維成形体よりなる多孔質体を用いたもの
である。カムピースの摺動部はカムノーズとも呼ばれ、
高度の耐摩耗性が要求される個所であるが、セラミ、７
りは周知の如く耐摩耗性にも優れており、この部分をセ
ラミック強化材で複合化することにより、耐摩耗性に優
れたカムピースを得ようとするものである。

この複合方法は、以下の工程により行われる。

（１）第６図および第７図に示すカムピースの鋳造用金
型８の成形面８ａのカムノーズ９に当たる個所に、炭化
けい素ウィスカ成形体（Ｖｆ＝２０％、厚さｔ＝２ｍｍ
）からなるセラミック成形体１ｏを、その他の周部分に
ニッケル発泡成形体１１（Ｖｆ＝１０％、厚さｔ　＝　
２ｍｍ　）をそれぞれ配置し、各成形体の内面にこれら
を安定に成形面８ａに保持するための多孔質のスティー
ルファイバー焼結成形体くシｒ−６０〜７０％、厚さｔ
、＝２ｍｍ）である金属繊維成形体１２が配置される。

（２）セラミック成形体１を金型８の成形面８ａに固定
させておくために、そのセラミック成形体１０、ニッケ
ル発泡成形体１工および金属繊維成形体１２を成形面８
ａに配置したまま、金型８を第８図に示すような冶具１
３に水平に固定し、キャビティ部１４にゴム製の円筒袋
１５を挿入し、その上部からパンチ１６によりこれを加
圧する。上部から加圧された円筒袋１５は周側部に拡が
ろうとし、金属繊維成形体１２を成形面８ａに押しつけ
るので、セラミック成形体１ｏはその間に挟まれて金型
８の成形面８ａに定着固定される。

（３）　　このようにしてでラミンク成形体１０を定着
させた金型８を、第９図に示す主金型１７にセットし、
キャビティ１８に金属溶湯１９を注入し、加圧プランジ
ャ２０でもって加圧（加圧力８００〜１０００ｋｇ　ｆ
　／　ｃｌＩ！　、溶湯ニアルミ合金、湯温ニア００〜
７５０°Ｃ）することにより鋳ぐるむ。

このような方法によれば、前実施例と同様に、セラミッ
クの強化材成形体１はカムノーズ１ｏの所定位置に金属
繊維成形体２により安定に固定されたままの状態で母材
に一体化される。

上述した２つの実施例の複合方法によれば、中子または
成形金型に直接、金属の多孔質体で安定に保形したセラ
ミックの短繊維や粒子の成形体を取り付け、これを母材
で鋳ぐるむようにしたので、以下のような利点がある。

（１］鋳造と同時に母材の表面が強化される。

〔２〕セラミツクの短繊維や粒子あるいはウィスカーな
どの成形し難い強化材を容易に複合化することができる
。

〔３〕複雑な形状の強化層を機械加工することなく造り
だせる。

〔４〕通常、金型鋳造による鋳ぐるみを行う場合はガス
抜けが問題となるが、中子に直接強化材が接触するよう
にでき、中子の持つ空孔にガスが逃げることにより、い
わゆる湯廻り不足が解消される。

なお、本発明による複合部材は前述したように熱疲労強
度、断熱効果および耐摩耗性に優れているが、セラミッ
クはよく知られるように耐腐蝕性にも優れており、した
がって、その適用範囲は広く、上記の実施例の他に、例
えば、バルブ、バルブシート、エキゾーストマニホルド
、エキゾーストボート、タービンケース、シリンダーラ
イナーなど多岐にわたる。

〔発明の効果〕

本発明は以上の実施例の説明から判るように、セラミッ
ク繊維の成形体またはセラミック粒子の成形体を、成形
体のキャビティに面する側が金属繊維成形体で覆われた
状態で成形型に保持し、金属溶湯を成形型内に加圧売場
して、セラミック成形体および金属繊維成形体内に金属
溶湯を含浸するようにしたので、セラミック成形体が溶
湯の流動圧によってほぐれたり変形したりすることを防
止することができ、鋳くるみが良好に行え、母材との密
着性が良くなる。また、セラミック成形体を断熱効果を
得るために用いる場合、上記金属繊維成形体によってセ
ラミック成形体に発生するヒートクラックが母材へ進行
するのを阻止する効果も発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合部材の製造方法が適用された第１
実施例における高圧鋳造中の断面図、第２図〜第４図は
その実施例における塩中子、金属繊維成形体およびセラ
ミック成形体の成形工程などの断面図、第５図は本発明
による複音材と他の複合材に８ける断熱特性についての
試験結果を示すグラフ、第６図〜第９図は第２実施例に
おける成形工程などの斜視図および断面図である。１．１．０−セラミック成形体、２．１８−　キャビテ
ィ、３．１２−金属繊維成形体、４Ａ〜４Ｃ。１７−・−成形型、５１９−金属溶湯。特許出願人　　　マ　ツ　ダ　株式会社代理人　弁理士
　吉村　勝俊（ほか１名）第８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セラミック短繊維またはセラミック粒子を部分的
に鋳ぐるむ複合部材の製造法において、セラミック短繊
維またはセラミック粒子などのセラミック成形体を、こ
の成形体のキャビティに面する側が金属繊維成形体で覆
われた状態で、成形型に保持し、その後、金属溶湯を前記キャビティに加圧充填して、上
記セラミック成形体および金属繊維成形体内に金属溶湯
を充填することを特徴とする複合部材の製造方法。