JPS63137139A

JPS63137139A - 金属短繊維−黒鉛系複合材

Info

Publication number: JPS63137139A
Application number: JP28068186A
Authority: JP
Inventors: Takeo Nakagawa; 威雄中川; Kiyoshi Suzuki; 清鈴木; Toushiyun Ri; 東春李
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1986-11-27
Filing date: 1986-11-27
Publication date: 1988-06-09

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〕本発明は複合材とりわけ金属短繊維−黒鉛系複合材に関
するものである。

〔従来の技術とその問題点〕

黒鉛は熱伝導性、耐熱性、潤滑性並びに耐食性に優れ、
溶融金属やスラグに対する濡れない性質備えているため
、この性質を利用した金属複合材の出現が期待されてい
る。すなわち、そのひとつとして自己潤滑性を備えた軸
受などの摺動材があるほか、Ｕ型への適用が考えられる
。

たとえばアルミニウム等の鋳造においては、湯の型面へ
の差し込みによる鋳肌の悪化や離型性の低下を防止する
ため、型面に塗型剤を塗布することが不可欠とされてい
るが、塗布−乾燥の作業が極めて煩雑であるばかりが、
塗型剤が型面の隅角部に少しづつ蓄積されることにより
製品欠陥を生じさせる。この対策として、塗型を要しな
いで多数回の鋳造を行えるいわゆる塗型レス鋳型が要望
されており、この塗型レス鋳型として金属短繊維−黒鉛
複合材を利用できれば好都合である。

このための金属短繊維−黒鉛複合材は、黒鉛を多量に含
有することができ、しがもそれでいて圧環強度が良く、
耐久性に優れ、さらに製造コストが安価であることが必
要であり、そのためには母地となるべきマトリックス材
が１寸法が微細であるだけでは足らず、成形性、焼結性
に優れ、それ自体の強度が高いとともに繊維組織の強度
も良好で、なおかつ安価に入手できることが必要である
。

本出願人は、複合用短繊維として、鋳鉄ブロックを弾性
工具の自励振動により分断創生した短繊維（びびり短繊
維）や、鋳鉄ブロックを回転砥石により研削することで
分断創生じた短繊維（研削短繊維）を提案した。これら
はいずれも極く微細な寸法で、これをマトリックスとす
ることにより細かい空孔組織を形成できる点では優れて
いる。しかしながら１反面において、成形性、焼結性の
点、圧粉体の耐摩耗性と先端安定性の面１強度の面およ
び価格の面でなお問題があり、そのためこの金属短繊維
をマトリックス材として使用した場合に実用的な金属短
繊維−黒鉛系複合材とすることが難しかった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は前記のような問題点を解決するために研究して
創案されたもので、その目的とするとこ゛　　ろは、黒
鉛を多量に含有し、しかも圧環強度などの強度や、耐摩
耗性および先端安定性に優れ、そのうえ低コストで製造
することができ、摺動材や塗型レス鋳型などに適した実
用性の高い金属短繊維−黒鉛系複合材を提供することに
ある。

この目的を達成するため本発明者らは研究を重ね、せい
ぜいブレーキ等の摩擦材料の摩擦係数調整用添加材程度
と考えられていた長繊維の切断繊維でも、特にワイヤシ
ェービング法でウール状に作られる鋼糸の長繊維を寸断
した短繊維は黒鉛複合焼結用の基材として非常に友好で
あることを見出した。

そこで本発明は、ワイヤシェービング法でウール状に作
られる鋼糸の長繊維を寸断した短繊維をマトリックス材
として利用し、これに黒鉛粉を添加し、その混合物を圧
粉成形、焼結した金属短繊維−黒鉛系複合材としたもの
である。

以下本発明を添付図面に基づき具体的に説明する。

本発明は、金属短繊維−黒鉛系複合材のマトリックスと
して、鋼糸の短繊維を使用する。その代表例は化学成分
が、ｃ：０．１〜０．１５％、　Ｓｉ：０．０５〜０．
１０％、Ｍｎ：０．９〜１．３％の低Ｍ　ｎ　ｆＲがあ
る。この線材をワイヤシェービング法で削ることにより
目的径たとえば２０〜３０μＩ径の長繊維を作り、この
長繊維をカッタミル等で所定のアスペクト比（１２／ｄ
）となるように寸断するか、もしくは寸断後ふるいで選
別して目的の短繊維を得る。

この短繊維の外観を鋳鉄びびり短繊維および鋳鉄研削短
繊維と比較して示すと第１図のとおりである０図中（ａ
）は本発明に使用する短繊維、（ｂ）はびびり短繊維、
（Ｃ）は研削短繊維である６本発明における短繊維は繊
維軸線が切削方向と平行であるためカール気味で、繊維
軸線と直角の断面が割円状もしくは偏平矩形状であり、
全体として帯状を呈している。これはびびり短繊維が断
面３角状の針状をなし、表面にギザギザのエツジや粗面
を有しているのと対照的である。また、研削短繊維があ
たかも綿くずのように軟らかい不定形をなしているのと
も著しく異なる。

本発明はこの短繊維をマトリックス材として使用し、黒
鉛粉を添加して混合する。これはボールミル等により行
えば良い０次いでこの混合物を金型に充填し、圧力を加
えて圧粉体を作る。

この場合、マトリックス材がびびり短繊維のように剛直
でなく、また、逆に研削短繊維のようにふわふわしても
おらず、はどよい柔軟性と腰がある。しかも偏平カール
状であるため、繊維同志の絡み性が良く、これらの相乗
効果により層状に配向するとともに繊維の折れ等も生じ
に＜＜、低い成形圧力で多層の網状骨格組織と、この組
織の空孔に黒鉛粉が閉じ込められた圧粉体となる。また
、この圧粉体はびびり短繊維の場合のような剛直性がな
いため、圧粉体の表面粗度も良好である。

ついで、この圧粉体を還元性雰囲気にて所要時間、所要
温度で加熱焼結する。これにより目的金属短繊維−黒鉛
系複合材となる。

なお、本発明は焼結後、熱処理を行うことも推奨される
。これによりさらに一段と強度を向上することができる
。また、必要に応じ、各種金属粉を添加して合金化した
り、冷間や熱間の鍛造−再焼結により密度を向上させる
などの方法を併用してもよい。

〔実　施　例〕

まず、本発明の成形性、焼結性について実験を行った。

短繊維としては、化学成分がＣ：０．１３％、Ｓｉ：ｏ
、０８％、　Ｍｎ：１．１３％の低Ｍ　ｎ　ｎ１線材３
−５ｍｍφをワイヤシェービング法により切削して換算
直径２５〜３０μｍの長繊維を作り、これをミルで切断
して長さ３１としたものを使用した。

成形性について限界成形高さとラトラ試験で評価した。

限界成形高さは、３０φ−２０φ　（製品肉厚５　ｎｕ
ｎ）の金型を使用し、充填高さ９５ｍｍとし、成形圧０
．８，３．３゜６　、６ｔｏｎ／　ｃｉで成形すること
で判定した。これによれば、０．８ｔｏｎ／ｃｄでも十
分に成形でき、圧粉体の状態でラミネーション、加圧力
不足部もなく、ハンドリング可能な良好な圧粉体が得ら
れたゆラトラ試験は、短繊維に１５０メツシユの黒鉛粉
を０．２，５，１０，１５．２０讐ｔ％添加して２５φ
（２０ｇ）の試験片を作り、加圧力１，２，４，７ｔｏ
ｎ／ａｄ、　７０ｒｐｍＸ１５ｍｉｎの条件で実施した
。この結果を示すと第２図のとおりである。

比較のため、他の短繊維についても繊維単体でのラトラ
試験を行った。びびり短繊維は、鋳鉄製（ＦＣＤ５０）
で長さ１　、２ｍｍ、繊維太さ３０μｍ、研削短繊維は
鋳鉄製（ＦＣＤ５０）で長さ０．１−０．３ｍｍ、繊維
太さ１０〜１００μｍ、鋳鉄粉は粒度１＃１２０を使用
した。

この結果を示すと第３図（本発明繊維は第１図の黒鉛添
加Ｏ％をプロットした）のとおりである。

この第３図から１本発明の短繊維は、圧粉体における耐
摩耗性と先端安定性が非常に優れていることがわかる。

また、黒鉛含有量２０ｗｔ％においてもなお、研削短繊
維１００％のものより優れている。

〔焼結性について〕

本発明のマトリックス材に黒鉛粉を０ないし２０ｗｔ％
含有させ、成形圧を４．６，８ｔｏｎ／ａＪ、焼結温度
１４５０℃、焼結時間３０ｍ１ｎとした場合の密度を黒
鉛量と成形圧の関係で示すと第４図のとおりであり、圧
環強さと焼結温度との関係を示すと第５図のとおりであ
り、圧環強さと焼結時間の関係を示すと第６図のとおり
である。それら図面から本発明のマトリックスは優れた
焼結性を備え、前記成形性とあわせ強度が良好で、黒鉛
添加量を多くすることができるため、耐摩耗性に関して
も良好な複合材を構成できることがわかる。

なお、上記実験では短繊維のアスペクト比が１００〜１
５０と大きいが、これを４０〜６０程度とすることによ
り黒鉛との混合時のファイバーボールや黒鉛粉の分布ム
ラを解消することができることが確認された。

次に、上記結果から黒鉛複合材を実際に作り、鋳造用鋳
型材を例として性能を検討した。

マトリックス材として、下記第１表に示すびびり鋳鉄短
繊維、研削鋳鉄短繊維、および低Ｍｎ鋼短繊維の３種を
使用し、夫々の複合材をＡ、Ｂ。

Ｃとした。黒鉛粉は１５０，２５０メツシユアンダー、
平均粒径４０μｍを使用した。また、複合材との比較の
ため、鋳鉄ＣＤ）の溶製材から切削した試料も使用した
。

崖ｍΔ月１し１作いずれのものについても、短繊維と黒鉛粉を混合し、面
圧８ｔｏｎ／ａＪで金型成形したものをアンモニア分解
ガス中で、１１４０℃、６０分焼結した。

黒鉛含有量は、耐溶着性実験試料について５，７゜５．
１０，１５，２０νｔ％とし、鋳造用鋳型材は１０ｗｔ
％とした。

なお、焼結ままのほか、複合材としたのちに熱処理も行
ってみた。これらを−Ｈとして示す。熱処理条件は複合
材Ａついて、９５０℃、３０分保持の油焼き入れ、複合
材Ｃについては、８５０℃、３０分保持、空冷とした。

複合材の１′着性と強度各複合材とて溶製材りについてアルミ溶湯（７００℃）
に１回当たり１０秒間浸漬して溶着状況を調べた。

その結果を下記第２表に、また、黒鉛含有量と耐溶着性
の関係を第７図に示す。

第２表溶着性が良好であること、そして黒鉛含有量が多いほど
耐溶着性が向上することがわかる。しかし問題は強度で
ある。鋳型（摺動材も勿論である）においては、使用に
際して繰返し大きな荷重が加えられ、これに耐えられる
強度を有することが絶対条件である。そこで各複合材に
ついて、黒鉛含有量と圧環強度の関係を検討した。その
結果を第８図に示す。

この第８図から、本発明による複合材は極めて強度が良
好で１強度が同等なら、本発明は多量の黒鉛粉を含有さ
せることができ、これにより耐溶着性（摺動材における
潤滑性に相当）を高めうろことがわかる。

このような相違が生じたのは、マトリックスの上記した
特性の相違と組織の相違によると考えられる。第１０図
（ａ）は複合材Ａ（圧環強度３２．４ｋｇｆ／ｍｎ＋”
）の焼結まま組織で、フェライト＋微量パーライト土黒
鉛の組織である。同図（ｂ）は熱処理組織である。

これに対し本発明複合材Ｃは第９図（ａ）のように焼結
ままでも微細なパーライト＋黒鉛の組織である。そのた
め４０．５ｋｇ　ｆ　／ｍｍ”の高い強度を偉え（前者
では熱処理を実施しても３８．５ｋｇ　ｆ　／ｌｌｌｍ
２と若干上昇するだけ）、これを熱処理することにより
第９図（ｂ）のような微細パーライト＋セメンタイト＋
黒鉛の組織と成り、実に４７ｋｇ　ｆ　／ｍａｄ”の高
強度が得られている。

聾盗Ｘ暮藍来次に実際に塗型レス鋳型を作り、各種複合材と溶製材り
を用いてアルミ（ＡＣ４Ｃ）の鋳造実験を行った。特進
条件と特進結果を下記第３表に示す。離型時間は１０〜
２０ｓｅｃとした。

Ｃ−Ｈは紡遺品の粗さを含め、最も優れた性能を示し、
前記した強度の面からも実用性の高い黒鉛含有複合材で
あることがわかる。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によるときには、黒鉛を多量に含有
し、しかも圧環強度などの強度や耐摩耗性および先端安
定性などの機械的特性が優れ、そのうえ低コストで製造
することができ、摺動材や塗型レス鋳型などに適した実
用性の高い金属短繊維−黒鉛系複合材を提供できるとい
う優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明で使用するマトリックス用短繊維
の拡大外観図、第１図（ｂ）はびびり短繊維、（ｃ）は
研削短繊維の拡大外観図、第２図は本発明による圧粉体
のラトラ試験結果を示すグラフ、第３図は各種材料との
ラトラ試験結果を比較して示すグラフ、第４図は本発明
の複合材の密度と炭素量の関係を示すグラフ、第５図は
圧環強さと焼結温度の関係を示すグラフ、第６図は圧環
強さと使用入時間の関係を示すグラフ、第７図は耐溶着
性と黒鉛含有量の関係を示すグラフ、第８図は本発明に
よる複合材の圧環強度と黒鉛添加量の関係を他の短繊維
複合材のそれと比較して示すグラフ、第９図（ａ）は本
発明複合材の焼結ままの顕微鏡組織写真、（ｂ）は同じ
くその熱処理後の顕微鏡組織写真、第１θ図（ａ）はび
びり短繊維をマトリックスとした場合の焼結ままの顕微
鏡組織写真、（ｂ）は同じくその熱処理後の顕微鏡組織
写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ワイヤシェービング法で作成した鋼系長繊維を寸
断した短繊維をマトリックスとしてこれに黒鉛粉を添加
し、圧粉成形、焼結してなる金属短繊維−黒鉛系複合材
。
（２）焼結後熱処理を行ったものを含む特許請求の範囲
第１項記載の金属短繊維−黒鉛系複合材。