JPS6341966B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、複合材料の製造方法に係り、更に詳
細には炭化ケイ素ホイスカを強化材とする繊維強
化金属複合材料の製造方法に係る。 自動車や航空機などに於ては、燃料消費量の低
減などによる省エネルギ化や運転速度の高速化な
どを図るべく、それらの構成部材を軽量化する各
種の試みがなされている。かかる構成部材の軽量
化を達成する一つの手段として、それらの部材を
アルミニウム合金やマグネシウム合金の如き軽合
金材料にて構成することが考えられるが、これら
の軽合金材料のみよりなる部材に於ては十分な強
度、耐摩耗性などを得ることは困難である。そこ
でアルミナ繊維、炭化ケイ素ホイスカなどの強化
繊維を強化材としアルミニウム合金などをマトリ
ツクスとする複合材料にて各種の部材を構成する
試みがなされている。 しかし上述の如き強化繊維はマトリツクスとし
てのアルミニウム合金などに比べはるかに硬いた
め、それらの強化材とする複合材料に於ては、切
削などの加工が非常に困難であり、またそれに当
接して相対的に摺動する他の部材の摩耗量を増大
させるなどの種々の問題がある。これらの問題
は、皮肉にもアルミニウム合金などとの両立性が
高く強度及び剛性などにも優れた炭化ケイ素ホイ
スカを強化材とする複合材料に於て特に顕著であ
る。即ち炭化ケイ素ホイスカの集合体は一般に
種々の大きさの非繊維化粒子（シヨツト）を５〜
50wt％程度含んでおり、それらの非繊維化粒子
は炭化ケイ素ホイスカの直径に比して著しく大き
い粒径を有し且ダイヤモンドに次ぐ硬度を有する
ものであるため、かかる炭化ケイ素ホイスカを強
化材とする複合材料に於ては、加工が非常に困難
であり、また相手材に異常摩耗を発生させたりす
るという種々の問題がある。 本願発明者等は、強化材を炭化ケイ素ホイスカ
とし、アルミニウム合金などをマトリツクスとす
る複合材料に於ける上述の如き不具合に鑑み、か
かる複合材料について種々の実験的研究を行なつ
た結果、強化材としての炭化ケイ素ホイスカ集合
体に含まれる非繊維化粒子の量やカサ密度などが
或る特定の範囲に維持される必要のあることを見
出した。また本願発明者等は、上述の如き優れた
特徴を有する炭化ケイ素ホイスカ集合体を強化材
とし、アルミニウム合金などをマトリツクスとす
る複合材料を能率良く製造するためには、炭化ケ
イ素ホイスカ集合体の圧縮強度強度が或る特定の
範囲に維持される必要があり、また所望の圧縮強
度を得るために使用される無機質バインダーの量
が或る特定の範囲に維持される必要のあることを
見出した。 本発明は、本願発明者等が行なつた上述の如き
種々の実験的研究の結果得られた知見に基き、加
工性及び引張り強さ、耐摩耗性の如き機械的性質
に優れ、しかも相手材に対する摩擦摩耗特性にも
優れた複合材料を能率よく製造することのできる
製造方法を提供することを目的としている。 かかる目的は、本発明によれば、炭化ケイ素ホ
イスカの集合体であつて、150μ以上の非繊維化
粒子含有量が5wt％以下であり、炭化ケイ素ホイ
スカのカサ密度が0.07ｇ／c.c.以上である炭化ケイ
素ホイスカの集合体を用意し、前記集合体の個々
の炭化ケイ素ホイスカを無機質バインダーにて互
いに結合させることにより前記集合体をその圧縮
強度が0.5Kg／cm²以上となるよう処理し、これを
鋳型内に配置し、該鋳型内にアルミニウム、マグ
ネシウム、スズ、銅、鉛、亜鉛、及びそれらの合
金よりなる群より選択された金属の溶湯を注湯
し、該溶湯を前記鋳型内にて加圧しつつ凝固させ
る複合材料の製造方法によつて達成される。 かかる本発明による複合材料の製造方法によれ
ば、アルミニウム合金などが強度や耐摩耗性など
に優れた炭化ケイ素ホイスカの集合体にて強化さ
れるので、引張り強さや耐摩耗性などの機械的性
質に優れた複合材料を得ることができる。 本発明の複合材料の製造方法に於て使用される
強化材は強度及び剛性などに優れた炭化ケイ素ホ
イスカの集合体である。しかし炭化ケイ素ホイス
カの集合体中にはその製法上大なり小なり非繊維
化粒子が含まれており、これらの非繊維化粒子は
その硬さHv（50ｇ）が1000以上であり、またその
大きさも直径数μの炭化ケイ素ホイスカに比べ数
十〜数百μと非常に大きいものである。このため
かかる非繊維化粒子を含有する炭化ケイ素ホイス
カの集合体を強化材とする複合材料は加工性が非
常に悪く、それに当接して相対的に摺動する相手
部材を過剰に摩耗したり、更には非繊維化粒子が
マトリツクスより脱落することにより相手部材に
スカツフイングなどの弊害を発生させることがあ
る。 従つて本発明の一つの詳細な特徴によれば、こ
れらの問題を解決すべく、炭化ケイ素ホイスカ集
合体中に含まれる直径150μ以上の比較的大きい
非繊維化粒子の含有率は5wt％以下、好ましくは
3wt％以下、更に好ましくは1wt％以下に維持さ
れ、従つて本発明によれば、従来の同種の複合材
料に比して加工性及び相手材に対する摩擦摩耗特
性に優れた複合材料を得ることができる。尚炭化
ケイ素ホイスカ集合体中に含まれる非繊維化粒子
の総量も10wt％以下、好ましくは5wt％以下に抑
えられることが望ましい。 本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、上述
の如く種々の優れた特徴を有する炭化ケイ素ホイ
スカの特徴を活かし、これにより引張り強さや耐
摩耗性などに優れた複合材料を製造すべく、炭化
ケイ素ホイスカのカサ密度は0.07ｇ／c.c.以上、好
ましくは0.1ｇ／c.c.以上とされる。 また炭化ケイ素ホイスカ集合体を強化材としア
ルミニウム合金などをマトリツクスとする複合材
料を製造する方法としては、炭化ケイ素ホイスカ
が均一に充填された複合材料を能率良く製造する
ことができ、また必要に応じて所定の部位のみを
局部的に複合化し得るという点から高圧鋳造法の
如き加圧鋳造法が優れている。かかる加圧鋳造法
に於てはマトリツクス金属の溶湯が高圧にて加圧
されることにより強化繊維集合体の個々の繊維間
に浸透せしめられるので、強化繊維集合体はマト
リツクス金属溶湯より受ける圧縮力に耐え得る圧
縮強度を有していなければならない。さもなくば
強繊維集合体が圧縮変形し、所定部位に所定密度
にて強化繊維を充填することができなくなる。 従つて本発明の更に他の一つの詳細な特徴によ
れば、炭化ケイ素ホイスカ集合体はマトリツクス
金属溶湯より受ける圧縮力に耐え得るよう、その
圧縮強さが0.5Kg／cm²以上、好ましくは0.8Kg／cm²
以上とされる。 かくして炭化ケイ素ホイスカ集合体の圧縮強度
を向上させる一つの手段として、炭化ケイ素ホイ
スカのカサ密度を高くし、炭化ケイ素ホイスカ自
身の剛性によりその集合体の圧縮強度を向上させ
ることも考えられるが、比較的高温のマトリツク
ス金属溶湯に曝されてもその結合力を失うことの
ない無機質バインダーにより炭化ケイ素ホイスカ
の個々の繊維を結合させることにより、その集合
体の圧縮強度を上述の好ましい値にすることが好
ましい。 かかる無機質バインダーとしては乾燥により固
化するコロイダルシリカ、コロイダルアルミナ、
水ガラス、セメント、リン酸アルミナ水溶液など
が好ましく、これらの無機質バインダーはそれら
の無機質バインダー中に炭化ケイ素ホイスカの集
合体を分散させ、その混合液を撹拌し、その混合
液中の炭化ケイ素ホイスカを真空成形法、圧縮成
形法、押出し成形法などによつて炭化ケイ素ホイ
スカ集合体とし、更にそれを乾燥又は焼成するこ
とにより炭化ケイ素ホイスカに適用されてよい。 但し無機質バインダーが炭化ケイ素ホイスカ集
合体中に多量に含まれている場合には、マトリツ
クス金属と炭化ケイ素ホイスカとの密着性を阻害
するので、乾燥又は焼成された炭化ケイ素ホイス
カ集合体中に含まれる無機質バインダーの量は
25vol％以下、好ましくは20vol％以下に制限され
ることが望ましい。 尚、炭化ケイ素ホイスカ集合体を個々の炭化ケ
イ素ホイスカの配向は三次元的に全くランダムで
あることが望ましいが、かくして強化繊維を配向
する方法は未だ開発されていない。現状ではｘ―
ｙ―ｚ直交座標に於て強化繊維がｘ―ｙ平面内に
於てはランダムに配向され、ｚ軸方向に積み重ね
られた状態の配向が一般的に採用されている。か
くして強化繊維が配向された複合材料に於ては、
ｘ―ｚ平面及びｙ―ｚ平面の耐摩耗性はｘ―ｙの
耐摩耗性よりも僅かに優れているが、耐摩耗性以
外の機械的性質についてはｘ方向及びｙ方向とｚ
方向との間には実質的な差異は生じない。従つて
本発明による複合材料の製造方法に於ては、特に
耐摩耗性に優れていることを要する面が上述のｙ
―ｚ平面又はｘ―ｚ平面に相当する面となるよう
炭化ケイ素ホイスカが配向されることが好まし
い。 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 （粒子量と被削性との関係） 東海カーボン株式会社製炭化ケイ素ホイスカ
（平均繊維径0.4μ、平均繊維長100μ）を水中に分
散させ、その分散液を100メツシユのステンレス
鋼製の網にて濾過することにより、直径150μ以
上の非繊維化粒子を除去し、かくして処理された
炭化ケイ素ホイスカと、未処理の炭化ケイ素ホイ
スカとそれらの混合物を用いて、下記の表１に示
す炭化ケイ素ホイスカの集合体A₁〜A₆を作成し
た。

【表】 粒子の総量
尚この場合、炭化ケイ素ホイスカの集合体をそ
れぞれコロイダルシリカ中に分散させ、そのコロ
イダルシリカを撹拌し、かくして炭化ケイ素ホイ
スカが均一に分散されたコロイダルシリカより真
空成形法により第１図に示されている如く80×80
×20mmの炭化ケイ素ホイスカの集合体１を形成
し、更にそれを600℃にて焼成することにより
個々の炭化ケイ素ホイスカ２をシリカにて結合さ
せ、これにより炭化ケイ素ホイスカの集合体１の
圧縮強度を1.8Kg／cm²とした。この場合、第１図
に示されている如く、個々の炭化ケイ素ホイスカ
２はｘ―ｙ平面内に於てはランダムに配向され、
ｚ方向に積み重ねられた状態に配向された。 次いで第２図に示されている如く、炭化ケイ素
ホイスカの集合体１を鋳型３のモールドキヤビテ
イ４内に配置し、該モールドキヤビテイ内に740
℃のアルミニウム合金（JIS規格AC8A）の溶湯
５を注湯し、該溶湯を鋳型３に嵌合するプランジ
ヤ６により1400Kg／cm²の圧力に加圧し、その加圧
状態を溶湯５が完全に凝固するまで保持し、かく
して外径110mm、高さ50mmの円柱状の凝固体を鋳
造し、更に該凝固体に対し熱処理T₇を施して、
第３図に示されている如く局部的に炭化ケイ素ホ
イスカの集合体１にて複合強化された複合材料７
を製造した。 この複合材料７より炭化ケイ素ホイスカの集合
体にて強化された部分よりなる80×80×20mmの切
削試験片を作成した。かくして作成された各切削
試験片を超硬バイトを用いて切削速度150ｍ／
min、送り速度0.03mm／回転、クーラント水にて
一定量の切削を行ない、その場合の超硬バイトの
逃げ面の摩耗量（mm）を測定した。その測定結果
を第４図に示す。尚第４図に於て、切削試験片
A₁〜A₆はそれぞれ上掲の表１の繊維集合体A₁〜
A₆に対応している。 この第４図より、直径150μ以上の非繊維化粒
子が比較的多量に含まれている炭化ケイ素ホイス
カ集合体A₁及びA₂を強化材とする複合材料は、
他の複合材料に比して被削性が著しく悪く、従つ
て被削性に優れた複合材料とするためには、直径
150μ以上の非繊維化粒子の量が5wt％以下、好ま
しくは3wt％以下、更に好ましくは1wt％以下に
抑制される必要のあることが解る。 実施例２ （粒子量と引張り強さの関係） 上述の実施例１の場合と同様の要領にて下記の
表２に示す炭化ケイ素ホイスカの集合体B₁〜B₆
を作成し、これらの炭化ケイ素ホイスカ集合体を
強化材としアルミニウム合金（JIS規格AC4C）
及びマグネシウム合金（JIS規格MC7）をマトリ
ツクス金属とする複合材料を高圧鋳造法（溶湯温
度760℃、加圧力1000Kg／cm²）にて製造した。次
いでこれらの複合材料より長さ100mm、幅10mm、
厚さ２mmの板状の引張り試験片を切出し、それぞ
れの引張り試験片について引張り試験を行なつ
た。 また比較の目的でアルミニウム合金（JIS規格
AC4C）及びマグネシウム合金（JIS規格MC7）
のみよりなる同一寸法の二つの引張り試験片B₀
を作成し、同様に引張り試験を行なつた。

【表】 粒子の総量
この引張り試験の結果を第５図に示す。尚第５
図に於て、引張り試験片B₁〜B₆はそれぞれ上掲
の表２の繊維集合体B₁〜B₆に対応しており、ま
た実線はアルミニウム合金をマトリツクス金属と
する複合材料より形成された引張り試験片の結果
を示しており、破線はマグネシウム合金をマトリ
ツクス金属とする複合材料にて形成された引張り
試験片の結果を示している。 この第５図より、直径150μ以上の非繊維化粒
子が比較的多量に含まれている炭化ケイ素ホイス
カ集合体B₁及びB₂を強化材とする複合材料は、
他の複合材料に比して引張り強さがかなり低く、
従つて引張り強さに優れた複合材料とするために
は、直径150μ以上の非繊維化粒子の量が5wt％以
下、好ましくは3wt％以下、更に好ましくは1wt
％以下に抑制される必要のあることが解る。 実施例３ （カサ密度と摩耗量との関係） 上述の実施例１と同様の要領にて下記の表３に
示す炭化ケイ素ホイスカの集合体C₁〜C₆を作成
し、それらの炭化ケイ素ホイスカ集合体を強化材
としアルミニウム合金（JIS規格AC8A）をマト
リツクス金属とする複合材料を高圧鋳造法（溶湯
温度740℃、加圧力1000Kg／cm²）にて製造した。

【表】

【表】 粒子の総量
次いでかくして製造された各複合材料より大き
さが16×６×10mmであり、その一つの面（16×10
mm）を試験面とするブロツク試験片C₁〜C₆を作
成した。また比較の目的でアルミニウム合金
（JIS規格AC8A）のみよりなる同一寸法のブロツ
ク試験片C₀を作成した。 これらのブロツク試験片を順次LFK摩擦摩耗
試験機にセツトし、相手部材である外径35mm、内
径30mm、幅10mmの球状黒鉛鋳鉄（JIS規格
FCD70）製の円筒試験片の外周面と接触させ、
それらの試験片の接触部に常温（25℃）の潤滑油
（キヤツスルモーターオイル5W―30）を供給しつ
つ、面圧20Kg／mm²、滑り速度0.3ｍ／secにて円筒
試験片を１時間回転させる摩耗試験を行なつた。 この摩耗試験の結果を第６図に示す。尚第６図
に於て、上半分はブロツク試験片の摩耗量（摩耗
痕深さμ）を表しており、下半分は相手部材であ
る円筒試験片の摩耗量（摩耗減量mg）を表してお
り、横軸は炭化ケイ素ホイスカのカサ密度（ｇ／
c.c.）を表している。 この第６図より、炭化ケイ素ホイスカのカサ密
度が０〜約0.16ｇ／c.c.の範囲に於ては、炭化ケイ
素ホイスカのカサ密度の増大と共にブロツク試験
片及び円筒試験片の摩耗量が低下し、炭化ケイ素
ホイスカのカサ密度が約0.2ｇ／c.c.以上に於ては
ブロツク試験片及び円筒試験片の摩耗量は炭化ケ
イ素ホイスカのカサ密度の値に拘らず実質的に一
定であることが解る。このことから炭化ケイ素ホ
イスカのカサ密度は0.07ｇ／c.c.以上、好ましくは
0.10ｇ／c.c.以上、更に好ましくは0.15ｇ／c.c.以上
であることが望ましいことが解る。 尚この実施例の摩耗試験と同様の摩耗試験をス
テンレス鋼（JIS規格SUS420J2、硬度Hv（10Kg）
＝500）よりなる円筒試験片を相手部材として、
またマトリツクスが銅合金、スズ合金、鉛合金、
亜鉛合金である点を除き上述の実施例と同様に形
成された複合材料より切出されたブロツク試験
片、及び強化材がタテホ化学工業株式会社製の炭
化ケイ素ホイスカ（平均繊維径0.2μ、平均繊維長
30μ）である点を除き上述の実施例と同様に形成
された複合材料より切出されたブロツク試験片に
ついても行なつたところ、第６図に示す結果と実
質的に同様の傾向を示す結果を得た。 実施例４ （繊維集合体の圧縮強度と繊維集合体
の変形量との関係） 前述の実施例１に於て使用された炭化ケイ素ホ
イスカと同一の炭化ケイ素ホイスカを水中に分散
させ、その分散液を100メツシユのステンレス鋼
製の網にて濾過することにより、直径150μ以上
の非繊維化粒子を1.0wt％以下に低減した。 かくして処理された炭化ケイ素ホイスカの集合
体をそれぞれ濃度の異なるコロイダルシリカ中に
分散させ、そのコロイダルシリカを撹拌し、かく
して炭化ケイ素ホイスカが均一に分散されたコロ
イダルシリカより真空成形法により80×80×20mm
の繊維集合体を二つずつ形成し、更にそれらを
600℃にて焼成することにより個々の炭化ケイ素
ホイスカをシリカにて結合させ、これにより下記
の表４に示されている如き炭化ケイ素ホイスカ集
合体D₁〜D₅を作成した。

【表】 の総量
次いでこれらの炭化ケイ素ホイスカ集合体につ
いて第１図のｘ方向又はｙ方向の圧縮強度（Kg／
cm²）を測定した。尚この場合の圧縮強度とは炭化
ケイ素ホイスカ集合体にプラテンにより圧縮荷重
を加え、炭化ケイ素ホイスカ集合体が破壊（座
屈）を生じるか又は10％以上の変形を生じる時の
荷重をいう。この圧縮強度の測定の結果を上掲の
表４に示す。 更に上述の圧縮強度測定に供された炭化ケイ素
ホイスカ集合体とそれぞれ同一の圧縮強度を有す
る他方の炭化ケイ素ホイスカ集合体D₁〜D₅を強
化材とし、アルミニウム合金（JIS規格AC8A）
をマトリツクス金属とする複合材料を高圧鋳造法
（溶湯温度760℃、加圧力1600Kg／cm²）にて製造
し、しかる後各複合材料を破断して炭化ケイ素ホ
イスカ集合体の圧縮変形度を測定した。この圧縮
変形度の測定結果を下記の表５に示す。 表 ５ 複合材料 鋳造後の繊維集合体の圧縮変形度 D₁ 50％の変形 D₂ 10％の変形 D₃ 変形せず D₄ 変形せず D₅ 変形せず この表５より、加圧鋳造により炭化ケイ素ホイ
スカの集合体を強化材とする複合材料を製造する
場合に於て、炭化ケイ素ホイスカ集合体の圧縮変
形を回避するためには、炭化ケイ素ホイスカ集合
体の圧縮強度を0.5Kg／cm²以上、好ましくは0.8
Kg／cm²程度以上とすることが望ましいことが解
る。 実施例５ （バインダー量と鋳造欠陥との関係） 上述の実施例４の場合と同様の要領にて無機質
バインダーとしてのシリカの含有量を種々の値に
設定して下記の表６に示されている如き炭化ケイ
素ホイスカ集合体E₁〜E₈を作成した。

【表】 次いでこれらの炭化ケイ素ホイスカ集合体を強
化材としアルミニウム合金（JIS規格AC8A）を
マトリツクス金属とする複合材料を高圧鋳造法
（溶湯温度760℃、加圧力1000Kg／cm²）にて製造
し、各複合材料の断面を観察することにより、炭
化ケイ素ホイスカとアルミニウム合金との密着不
良部や鋳巣の如き鋳造欠陥が存在するか否かを観
察した。この観察結果を上掲の表６に示す。 この鋳造欠陥観察結果より、炭化ケイ素ホイス
カ集合体の形状を所定の形状に維持するために使
用される無機質バインダーとしてのシリカの含有
量は、複合材料中に鋳造欠陥が生じることを回避
するためには、25vol％以下とされることが好ま
しく、強化繊維のカサ密度が高い場合には20vol
％以下とされることが好ましいことが解る。 尚無機質バインダーとしてコロイダルアルミナ
を用いて上述の試験と同様の試験を行なつたとこ
ろ、無機質バインダーの種類に拘らず、無機質バ
インダーの量は25vol％以下とされることが好ま
し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種々
の実施例が可能であることは当業者にとつて明ら
かであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明による複合材料の製
造方法の実施例１に於ける複合材料の製造工程を
示す解図、第４図は実施例１に於て行なわれた切
削試験の結果を示グラフ、第５図は実施例２に於
て行なわれた引張り試験の結果を示すグラフ、第
６図は実施例３に於て行なわれた摩耗試験の結果
を示すグラフである。 １…炭化ケイ素ホイスカの集合体、２…炭化ケ
イ素ホイスカ、３…鋳型、４…モールドキヤビテ
イ、５…溶湯、６…プランジヤ、７…複合材料。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化ケイ素ホイスカの集合体であつて、直径
   150μ以上の非繊維化粒子含有量が5wt％以下であ
   り、炭化ケイ素ホイスカのカサ密度が0.07ｇ／c.c.
   以上である炭化ケイ素ホイスカの集合体を用意
   し、前記集合体の個々の炭化ケイ素ホイスカを無
   機質バインダーにて互いに結合させることにより
   前記集合体をその圧縮強度が0.5Kg／cm²以上とな
   るよう処理し、これを鋳型内に配置し、該鋳型内
   にアルミニウム、マグネシウム、スズ、銅、鉛、
   亜鉛、及びそれらの合金よりなる群より選択され
   た金属の溶湯を注湯し、該溶湯を前記鋳型内にて
   加圧しつつ凝固させる複合材料の製造方法。 ２ 特許請求の範囲第１項の複合材料の製造方法
   に於て、前記炭化ケイ素ホイスカの集合体中の前
   記無機質バインダーの量は25vol％以下であるこ
   とを特徴とする複合材料の製造方法。