JPS63312929A - 繊維複合材料の製造方法 - 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］ 本発明は繊維複合材料の製造方法に関し、一層詳細には
、セラミック繊維と無機バインダと前記無機バインダの
結合力発揮温度より低い温度で結合力を発揮し且つ酸に
より溶出可能な補助無機バインダとから繊維成形体を成
形し、前記繊維成形体に焼成処理を施して後、前記補助
無機バインダを溶出除去し、さらに前記繊維成形体に溶
融金属を所定の圧力で充填して耐摩耗性および耐熱性等
に優れた複合材料を製造することを可能にした繊維複合
材料の製造方法に関する。

［発明の背景］ 物理的、化学的に異なる２種類以上の材料を混合あるい
は結合して得られる複合材料が一般に知られている。こ
の種の複合材料として、セラミック繊維ど金属とを用い
た繊維複合材料が広汎に使用されている。前記繊維複合
材料では、耐熱性、耐摩耗性並びに強度等に優れるため
、例えば、シリンダヘッドのバルブシート部分、ピスト
ンおよびロッカーアーム等のように他の部材と常時摺接
する部分に効果的に採用されるに至っている。

ところで、前述した繊維複合材料を製造するために、一
般的には、以下に示す方法が用いられている。

すなわち、先ず、有機樹脂を用いてセラミック繊維同士
を固着させて所定形状の繊維成形体を得、次いで、前記
繊維成形体を乾燥固化して後、焼成処理を施す。さらに
、この繊維成形体にマトリックス金属からなる溶湯を含
浸、あるいは、所定圧力で充填して繊維複合材料を製造
している。

この場合、前記の従来方法によれば、有機樹脂の固着力
を介して繊維成形体を所定の形状に成形しているが、前
記有機樹脂の固着力は相当に弱い、このため、特に、前
述したようにして得られる繊維成形体に溶融金属を加圧
充填する際、この加圧力により前記繊維成形体が変形し
、不均一な繊維分布を有する複合材料が製造されるとい
う問題が露呈する。

そこで、有機樹脂と無機バインダとを用いて繊維成形体
を成形し、前記無機バインダの結合力発揮温度で焼成作
業を行う方法が採用されている。然しなから、有機樹脂
が結合力を保持する温度範囲としては常温から２００°
Ｃ程度であり、一方、無機バインダがその結合力を発揮
する温度としては、通常、１０００°Ｃ前後である。こ
のため、繊維成形体を焼成すべく加温する際、前記繊維
成形体の温度が２００℃から工０００°Ｃの温度範囲内
にあればこの繊維成形体の強度は相当低いものとなって
しまう、結果的に、セラミック繊維の熱膨張等により繊
維成形体が変形し、所定の形状を有する繊維成形体を得
ることが困難となる不都合が指摘される。

また、従来方法により得られる繊維成形体を用いて製造
され゛る複合材料では、高い繊維体積率を確保すること
が出来ない。結局、十分な耐摩耗性、耐熱強度および耐
圧強度等を有する複合材料を製造することが不可能とな
る欠点が露呈する。

［発明の目的コ 本発明は前記の不都合を克服するためになされたもので
あって、強化繊維と無機バインダと−この無機バインダ
の結合力発揮温度より低温でも結合力を発揮すると共に
酸により溶出し得る補助無機バインダとを用いて繊維成
形体を成形し、次いで、前記繊維成形体に焼成処理を施
して後、溶出処理により前記補助無機バインダを溶出除
去し、さらに、前記繊維成形体に溶融金属を加圧充填し
て複合材料を製造することにより、焼成処理工程で繊維
成形体を加温する際に補助無機バインダの結合力を介し
て強化繊維同士を強固に結合し、前記強化繊維の熱膨張
等に起因して繊維成形体が変形することを阻止すること
が出来、しかも複合材料の繊維体積率を高く確保し、こ
れによって所望の耐摩耗性や耐熱強度等を有し且つ品質
に優れた複合材料を得ることを可能とする繊維複合材料
の製造方法を提供することを目的とする。

［目的を達成するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明は強化繊維と、無
機バインダと、少なくとも前記無機バインダの結合力発
揮温度よりも低温で結合力を発揮し且つ酸により溶出さ
れる補助無機バインダとにより１次繊維成形体を成形す
る第１の工程と、前記１次繊維成形体を前記無機バイン
ダの結合力発揮温度で焼成して２次繊維成形体を得る第
２の工程と、前記２次繊維成形体に溶出処理を施して前
記補助無機バインダを溶出除去する第３の工程と、前記
溶出処理終了後の２次繊維成形体に溶融金属を加圧充填
して複合材料を得る第４の工程とからなることを特徴と
する。

［実施態様］ 次に、本発明に係る繊維複合材料の製造方法について好
適な゛実施態様を挙げ、添付の図面を参照しながら以下
詳細に説明する。

この場合、強化繊維（セラミック繊維）としては、炭素
繊維、アルミナ繊維、シリカ・アルミナ繊維、窒素ケイ
素繊維、炭化ケイ素繊維等およびこれらのウィスカが用
いられる。

また、無機バインダとしては、シリカゾル、アルミナゾ
ルおよびこれらの混合ゾル等が使用され、この無機バイ
ンダの結合力発揮温度は８００°Ｃ以上である。

一方、補助無機バインダは無機バインダの結合力発揮温
度よりも低温（約２００°Ｃ〜約８００°Ｃ）で結合力
を発揮すると共に、前記無機バインダの結合力発揮温度
でもこの結合力を維持し得るものであり、以下に示す２
種のものがある。

すなわち、Ｎ　ａ　ｚ　Ｏ（８〜４０重量％）、Ａｌ１
．Ｏ。

（２０重重量以下）　、Ｂ！０３　（３０〜６５重量％
）およびＳｉＯ□（４゛０重量％以下）の混合粉末にＣ
ａＯＳＭｇＯの少なくとも１種を添加して溶融、粉砕の
各工程を経て得られたガラス質のＡ／！、０．−Ｎａ、
Ｏ−Ｂ、０．−５．Ｏ，系粉末が第１の補助無機バイン
ダである。また、Ａｎ！ｇｏｓ（２０重量％以下）　、
８．０３（３０〜６５重量％）、Ｓ＋０ｔ（４０重量％
以下）およびに、０　（４０重量％以下）の混合粉末に
ＣａＯｌＭｇＯの少なくとも１種を添加して、前記と同
様に溶融、粉砕の各工程を経て得られたガラス質のＡ２
□Ｏｗｌ　　Ｂ２Ｏ２Ｓｔｏｗ　　ＫｚＯ系粉末が第２
の補助無機バインダである。そして、前記強化繊維、無
機バインダおよび補助無機バインダを水に分散させて液
状乃至泥状等に調整しておく。この場合、各成分の配合
量は繊維体積率等によって異なり、例えば、繊維体積率
が４０％〜５０％の複合材料を得るためには強化繊維を
５５重量％〜６５重量％、無機バインダを１重量％〜４
重世％および補助無機バインダを３１重量％〜３４重量
％の配合量に選択すればよい。

また、補助無機バインダは溶出除去されるものであり、
この補助無機バインダの配合量により複合材料の繊維体
積率が変化する。従って、前記補助無機バインダの配合
量を種々選択すれば、繊維体積率を、例えば、８％〜５
０％という広範囲に亘って調整することが出来る。

次いで、前記各成分の混合物を用いて、例えば、スリッ
プキャスティング法または加圧成形法等の各種成形法に
より所望の形状を呈する中間体を成形する。

さらに、前記中間体を８００°Ｃ〜１２００℃で０．５
時間〜２時間焼結して後、この中間体をＨＣＩ、あるい
はＨＮＯ，の単−酸、またはこれらの混酸（王水等）よ
りなる酸溶液中に所定時間浸漬して補助無機バインダを
溶出除去する。

このようにして得られる中間体と複合化される金属材料
としては、ＡＮ、Ｍｇ、Ｚ、１、Ｃ，。

Ｐ、およびＳ７等の金属、またはこれらの金属の合金が
使用される。

そして、中間体を溶融金属が含浸し易いように、予め、
１００°Ｃ〜１０００℃の温度に加温しておき、この中
間体に前記溶融金属を５０ｋｇ／ｃｍ〜１５００ｋｇ／
ｃｄの加圧力で充填する。これによって、所定時間冷却
後、所望の繊維複合材料が製造されるに至る。この場合
、溶融金属とのぬれ性や密着性を向上させるべく中間体
に金属、合金またはセラミック材等を蒸着等により被覆
しておくと好適である。

そこで、本実施態様では、複合材料の一例であるシリン
ダヘッドの製造方法について詳細に説明する。

すなわち、第１図において、参照符号１０は本発明に係
る方法を用いて製造されるシリンダヘッドを示す、この
場合、前記シリンダへラド１０はアルミニウム合金で鋳
造成形されており、シリンダ室１２と吸気路１４並びに
前記シリンダ室１２と排気路１６との間にはバルブガイ
ド孔１８ａ、１８ｂと同軸的にバルブシー）２０ａ、２
０ｂが設けられる。前記バルブシー）２０ａ、２０ｂは
実質的には、第２図に示すように、リング状の中間体２
２を成形して後、この中間体２２に後述するようにアル
ミニウム合金を加圧充填してシリンダヘッド１゜と一体
的に鋳造される。

このように構゛成されるシリンダヘッド１０ニおいて、
先ず、前記中間体２２を成形する。

この場合、実質的には強化繊維としてＳ　ｉ　３Ｎ　−
繊維、無機バインダとしてアルミナゾル、補助無機バイ
ンダとしてガラス質のＡｆｆｉ、Ｏ，−Ｎ　ａ　ｇｏ　
　ＢｚＯｓ　　Ｓ　ｔ　Ｏｘ系粉末を使用する。

そして、前記夫々の成分を所定の配合量で混合すると共
に、ステアリン酸アンモニウム（潤滑剤）と水溶性フェ
ノール（バインダ）と水とを加えて泥状の成形材料を調
整し、この成形材料を用いて加圧成形法により第２図に
示す中間体２２に対応するリング状の中間体を成形する
。

次いで、この中間体を１１０°Ｃにて１２時間乾燥させ
て水分を除去する。その際、有機系添加剤（水溶性フェ
ノール）のバインダ機能により中間体が変形することを
阻止することが出来る。

さらに、前記乾燥終了後の中間体を焼成炉に設置し、無
機バインダの結合力発揮温度である１２００°Ｃにて０
．５時間焼成して中間体２２を得る。

前記焼成工程において、炉内温度が約１００°Ｃに昇温
すると補助無機バインダが結合力を発揮して強化繊維同
士が結合され、熱膨張等により中間体が変形することを
回避することが可能となる。そして、炉内温度が８００
’Ｃに達すると、無機バインダが結合力を発揮し、強化
繊維相互間がこの無機バインダにより強固に結合される
に至る。

前記焼成工程により得られた中間体２２を４ＮのＨＮＯ
３中に浸漬し、このＨＮＯ，に超音波振動を付与した状
態で３０分間保持すれば、前記中間体２２から補助無機
バインダが溶出除去される。なお、中間体２２を構成す
る強化繊維は無機バインダにより強固に結合されており
、補助無機バインダが溶出除去されてもこの中間体２２
が変形等を惹起することがない。

さらに、図示しない高圧鋳造用金型において、バルブシ
ート２０ａ、２０ｂに対応する位置に中間体２２を配置
し、この中間体２２を予め、略３００℃の温度に加温し
ておく。次に、図示しない金型内に略７３０°Ｃの温度
で溶融しているアルミニウム合金（ＡＣ２”Ｂ）の溶湯
を充填し、略２５０ｋｇ／Ｃ１１”の加圧力で所定時間
保持する。このため、前記アルミニウム合金の一部は中
間体２２内に充填され、バルブシート２０ａ、２０ｂが
シリンダヘッド１０と一体的に鋳造成形されるに至る。

この場合、本実施態様によれば、無機バインダの結合力
発揮温度（８００’Ｃ以上）よりも低い温度（略２００
°Ｃ〜略８００°Ｃ）で結合力を発揮する補助無機バイ
ンダを用いている。このため、焼成工程において中間体
を昇温させる際、補助無機バインダが結合力を発揮して
熱膨張等により前記中間体に変形等が生起することがな
い。

従って、所望の形状を有する中間体２２を容易に成形す
ることが出来る。

しかも、補助無機バインダが酸により溶出される際、強
化繊維同士が無機バインダにより強固に結合されるため
、前記補助無機バインダが溶出除去されても中間体２２
が変形等を惹起することがない、さらに、中間体２２が
無機バインダにより強固に結合されるため、この中間体
２２にアルミニウム合金の溶湯を加圧充填する際、この
加圧力（略２５０ｋｇ／ｃｍ”　）により前記中間体２
２が変形することを阻止することが可能となる。

また、補助無機バインダの配合量を選択することにより
中間体２２の繊維体積率を広範囲に亘って調節すること
が出来、前記繊維体積率を相当に高く確保することも可
能になる。

結果的に、このような中間体２２を介して鋳造成形され
るバルブシー）２０ａ、２０ｂは均一な繊維分布を有し
、且つ耐摩耗性、耐熱強度および耐圧強度等に優れると
いう効果が得られる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、強化繊維と、無機バイ
ンダと、この無機バインダの結合力発揮温度より低温で
結合力を発揮すると共に、酸により溶出し得る補助無機
バインダとを用いて繊維成形体を成形し、この繊維成形
体に焼成処理並びに溶出処理を施して後、さらにこの繊
維成形体に溶融金属を加圧充填して繊維複合材料を製造
している。このため、焼成工程において繊維成形体を加
温する際、補助無機バインダの結合力を介して強化繊維
同士を強固に結合し、熱膨張等により前記繊維成形体が
変形することを阻止することが可能となる。しかも、補
助無機バインダの配合量を選択することにより複合材料
の繊維体積率を広範囲に調節することが出来、比較的高
い繊維体積率を容易に確保し得るという利点が挙げられ
る。結局、耐摩耗性並びに耐熱性等に優れた繊維複合材
料を確実に且つ効果的に製造することが可能となるとい
う効果が得られる。

以上、本発明について好適な実施態様を挙げて説明した
が、本発明はこの実施態様に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並び
に設計の変更が可能なことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る繊維複合材料の製造方法により鋳
造成形されるシリンダヘッドの概略構成を示す縦断面図
、 第２図は第１図に示すシリンダヘッドに組み込まれる中
間体の斜視図である。 １０・・・シリンダヘッド ２０ａ、２０ｂ・・・バルブシート　　２２・・・中間
体ＦＩＧ、１ ｎ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）強化繊維と、無機バインダと、少なくとも前記無
   機バインダの結合力発揮温度よりも低温で結合力を発揮
   し且つ酸により溶出される補助無機バインダとにより１
   次繊維成形体を成形する第１の工程と、前記１次繊維成
   形体を前記無機バインダの結合力発揮温度で焼成して２
   次繊維成形体を得る第２の工程と、前記２次繊維成形体
   に溶出処理を施して前記補助無機バインダを溶出除去す
   る第３の工程と、前記溶出処理終了後の２次繊維成形体
   に溶融金属を加圧充填して複合材料を得る第４の工程と
   からなることを特徴とする繊維複合材料の製造方法。