JPS6396229A

JPS6396229A - 繊維強化アルミニウム合金部材

Info

Publication number: JPS6396229A
Application number: JP24097986A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Ushio; 牛尾　英明; Naoyoshi Hayashi; 林　直義
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1986-10-09
Filing date: 1986-10-09
Publication date: 1988-04-27
Also published as: JPH0364576B2

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】Ａ６発明の目的（１１産業上の利用分野本発明は、強化繊維およびアルミニウム合金マトリック
スより構成される繊維強化部と、該繊維強化部に一体化
され、前記アルミニウム合金より構成される単体部とを
備えた繊維強化アルミニウム合金部材に関する。

（２）従来の技術従来、前記アルミニウム合金として、過共晶＆Ｕ成の合
金が用いられている（特公昭６１−１６９１５４号公報
参照）。

（３）発明が解決しようとする問題点しかしながら、前記過共晶組成のアルミニウム合金は板
状の大きな初晶Ｓｉと共晶（α＋Ｓｔ）を有するので、
繊維強化部の強度が向上する反面、単体部の硬さが高く
なり、その部分の切削加工性が悪化するという問題があ
る。

本発明は前記に潅み、繊維強化部の強度を向上させると
共に単体部の切削性を良好にした前記部材を提供するこ
とを目的とする。

Ｂ０発明の構成（１１問題点を解決するための手段本発明は、前記繊維強化アルミニウム合金部材において
、単体部の初晶Ｓｉ量（重量％）に設定したことを特徴とする。

（２）作　用繊維強化部および単体部の初晶５ｉ（ｉを前記のように
特定すると、繊維強化部においては初晶ＳＩ量が多いの
でその部分の強度が向上し、また単体部においては初晶
Ｓｉ量が少ないのでその部分の硬さの上昇が抑制され、
これにより切削性が良好になる。

なお、両部の初晶Ｓｉｌの比が１以下になると、アルミ
ニウム合金として低Ｓｉ量のものを用いた場合、繊維強
化部における強度の向上が十分に達成されなくなる。一
方、前記比が４を上回ると、アルミニウム合金として低
Ｓｉ量のものを用いた場合、単体部の強度低下の原因と
なる。またアルミニウム合金として高Ｓｉ量のものを用
いた場合、前記比が４を上回るように制？ＩＩＩすると
鋳造時湯温の低下を来たすため繊維強化部におけるアル
ミニウム合金の充填性が悪くなる。

（３）実施例第１〜第３図は繊維強化アルミニウム合金部材としての
サイアミーズ型シリンダブロックｌを示し、そのシリン
ダブロックｌの各シリンダポア２回りが、強化繊維およ
びアルミニウム合金マトリックスより構成される繊維強
化部１ａであり、各繊維強化部１ａはそれを囲繞する、
アルミニウム合金より構成される単体部１ｂと一体化さ
れる。

強化繊維としては、アルミナ系繊維華独、またはその繊
維と炭素繊維との混合繊維が用いられ、またアルミニウ
ム合金としては、１．６５〜１４．０重量％のＳｉを含
有する亜共晶組成のアルミニウム合金が用いられる。

前記シリンダブロック１の製造は、例えば前記混合繊維
を用いて、アルミナ系繊維の繊維体積率（ｖｒ）が１２
％、炭素繊維のそれが９％の円筒状成形体を作製する工
程、鋳造用金型を２００〜３００℃に予熱する工程、前
記成形体を１００〜４００℃に予熱して前記金型に設置
する工程、前記アルミニウム合金の溶湯を、第４図に示
す時間ｔ１内において、前記金型に注入する工程、溶湯
の注入終了後、第４図に示す時間Ｌ２、例えば２〜１０
秒間溶湯を注入状態のまま放置する工程、および溶湯に
ｌＯ〜３００　ｋｇ／ａＪの圧力ｐを加えてそれを成形
体に充填複合する工程を用いて行われる。

前記のように溶湯の加圧前に、それを所定時間放置する
と、その放置時間の間に単体部１ｂにおいてＳｉ含有量
の少ないα初晶が析出し、その後溶湯を加圧すると、相
対的にＳｉ含有量が多くなった？８湯分が成形体に充填
されることになるので、繊維強化部１ａでは初晶Ｓｉ量
（重量％）が単体部１ｂの初晶ＳｉＭ（重量％）よりも
多くなり、両部１ａ、ｌｂにおける初晶Ｓｉ量の比Ｒは
、ｌくＲ≦４（好ましくは１．２〜２．０）の範囲に制
御される。

第５図は繊維強化部１ａと単体部１ｂの金属組織を示す
顕微鏡写真（２００倍）であり、図中、Ａはアルミナ系
繊維を、Ｃは炭素繊維を、Ｓは初晶Ｓｉを、Ｍはアルミ
ニウム合金マトリックスをそれぞれ示す。

第５図から明らかなように、繊維強化部ｌａでは初晶Ｓ
ｉ量が多く、その含有量は、アルミナ系繊維および炭素
繊維を除く繊維強化部１ａにおいて１２重量％であり、
一方、単体部１ｂでは初晶５ｉｆｌが少なく、その含有
量は単体部１ｂにおいて８．５重量％である。したがっ
て前記初晶Ｓｉ量の比Ｒは、Ｒ＝　１．４である。

このように繊維強化部１ａでは初晶Ｓｉ量が多くなるの
で、その強度が増し、また摺動特性も良好となり、一方
、単体部１ｂでは初晶ｓｉｎが少なくなるので、その硬
さの上昇が抑制されて切削性が良好になる。

この場合、繊維強化部１ａにおける初晶Ｓｉの平均粒径
はアルミナ系繊維の平均直径以下に設定される。このよ
うな制御は、単に成形体の予熱温度を調節して成形体中
およびその周囲における溶湯の凝固速度および時間を調
節することによって達成される。

上記のように初晶Ｓｉの平均粒径を特定すると、その初
晶３ｉが微細化され、これにより繊維強化部１ａの強度
を向上させ、また初晶Ｓｔの脱落を極力抑制して摺動特
性の向上を図ることができる。

初晶Ｓｔの平均粒径が前記平均直径を上回ると、初晶Ｓ
ｔの脱落量が多くなり、その脱落した初晶Ｓｉにより相
手材であるピストンの摩耗が促進される。

前記鋳造法により両部１ａ、ｌｂにおける初晶Ｓｉｌの
調節を行うには、前記のように１．６５〜１４．０重量
％のＳｔを含有する亜共晶組成のアルミニウム合金が最
適である。この場合、Ｓｉの含有量が１．６５重量％を
下回ると、繊維強化部１ａにおいて初晶Ｓｔの強度向上
効果を期待することができず、一方、Ｓｉの含有量が１
４．０重量％を上回ると単体部ｌｂが過共晶組成傾向と
なり、粗大な初晶Ｓｉが晶出し易くなって強度低下の原
因となり、また単体部１ｂの切削性が悪化する。

アルミナ系繊維には、その製造上、繊維化されていない
粒状物、即ちショットが必然的に含まれているもので、
そのショットの粒径および含有量によって繊維強化部１
ａの強度、摺動特性等が左右される。

本発明者等は種々検討を加えた結果、粒径１５０μｍ以
上のショットのみならず、粒径１５０μｍ以下のショッ
トが繊維強化部１ａの強度に与える影響および強度に影
響を与えるショットの平均粒径と平均繊維直径との関係
について究明している。

第６図は、平均直径３．０μｍのアルミナ系繊維におい
て、ショットの平均粒径を１５０μｍ以下に設定した繊
維強化部１ａの、無潤滑条件下における焼付限界特性を
示す。線ａが前記混合繊維を用いた場合に、′１５ｂが
繊維体積率１２％のアルミナ系繊維を単独で用いた場合
にそれぞれ該当する。

線ａ、ｂのように、アルミナ系繊維（ショット含有）に
対する平均粒径１５０μｍ以下のショットの含有量が４
．０重量％以下であれば、焼付限界面圧が高く、摺動部
材として十分な実用性を有する。

また線ａの場合は、線すに比べて、潤滑能を有する炭素
繊維の併用に伴い焼付限界特性が向上していることが明
らかである。

またショットの平均粒径とアルミナ系繊維の平均直径と
の関係においては、前記平均粒径が前記平均直径の５０
倍以上のショットが、その含有量いかんによって繊維強
化部１ａの強度等に影♂を与えるもので、この場合にも
前記ショットの含有量を４．０重量％以下に設定するこ
とによって前記同様の摺！Ｐｌ＋特性を得ることができ
る。

第７図は、アルミナ系繊維に含有される全ショットの含
有量と繊維強化部１ａの引張強さとの関係を示し、全シ
ョットの含有量がアルミナ系繊維（ショット含有）に対
して１０．０重世％を上回ると、繊維強化部１ａの引張
強さが急激に低下することが明らかである。

したがって、全ショットの含有量は１０．０重量％以下
が好ましい。

アルミナ繊維、アルミナ・シリカ繊維等のアルミナ系繊
維には、その繊維化を安易にするためシリカが含有され
ている。

この場合、シリカの含有量が多過ぎると、アルミナ系繊
維とアルミニウム合金との濡れ性が悪化し、部材の強度
の向上が妨げられ、一方、少な過ぎるとシリカ含有の効
果が得られない。またアルミナのα化率が高過ぎると、
アルミナ系繊維が、その硬さが増すため脆くなり、その
繊維を用いて成形体を得る場合に成形性が悪化し、さら
に引掻き硬さが増加して相手材の摩耗を促進し、その上
アルミニウム合金マトリックスからのアルミナ系繊維の
脱落量が多くなる傾向にあり、その脱落した繊維が同様
に相手材の摩耗を促進する。一方、α化率が低過ぎると
耐摩耗性が劣化する。

したがって、部材の繊維強化を十分に達成するためには
シリカの含有量およびα化率の範囲を特定する必要があ
る。

このような観点より、シリカの含有量はアルミナ系繊維
に対して２重１％以上、２５重量％以下、好ましくは２
〜５重景重量、またアルミナのα化率は２％以上、６０
％以下、好ましくは４５％以下にそれぞれ設定される。

第８図は、アルミナ系繊維のみを用いて強化したアルミ
ニウム合金部材におけるシリカの含有量と引張強さとの
関係を示し、線Ｃはアルミナのα化率が５％の場合、線
ｄはアルミナのα化率が５０％の場合、線ｅはアルミナ
のα化率が８５％の場合にそれぞれ該当する。

線ｃ、ｄに示すようにシリカの含有量が２５重量％以下
で、且つアルミナのα化率が６０％以下であれば、実用
上十分な強度を有する部材を提供することができる。

第９図はシリカの含有量が５重量％の前記アルミニウム
合金部材におけるアルミナのα化率と引張強さとの関係
を示し、アルミナのα化率が６０％以下であれば実用上
十分な強度を有する部材を提供することができる。

シリカの含有量およびアルミナのα化率をそれぞれ前記
のように特定することにより、部材の強度を、従来のも
のに比べて、繊維体積率１２％にて８〜２０％向上させ
ることができる。

第１０図は、種々の直径を持つアルミナ系繊維の繊維体
積率を１０．０％に設定した繊維強化アルミニウム合金
と相手材である球状黒鉛鋳鉄（ＪＩＳ　　ＦＣＤ７５）
とのチップオンディスク式摺動試験結果を示す。線ｆは
焼付限界特性に、また線ｇはスクラッチ限界特性にそれ
ぞれ該当する。

前記合金は繊維強化部１ａの構成材料に相当し、この材
料によりチップを形成する。また前記鋳鉄は図示しない
ピストンに装着される圧縮リングの構成材料に相当し、
この材料によりディスクを形成する。これらチップおよ
びディスクの摺動面に、それらが１．０μｍ以上の種々
の面粗度をもつように研磨加工を施す。この場合、面粗
度を１．０μｍ以上に設定した理由は、それを下回る面
粗度を研出加工により得るには非常に手数を要するから
である。

テスト方法はディスクを９．５　ｍ　／　ｓｅｃの速度
で回転させ、そのディスクの摺動面にチップの摺動面を
無潤滑下にて所定の押圧力を以て押付け、各チップの面
粗度と、焼付限界およびスクラッチ限界においてチップ
に作用する面圧との関係を求めたものである。

第１０図から明らかなように、チップの面粗度が１．０
〜３．０μｍの範囲にあれば、スクラッチ限界の面圧が
約２５〜約３５ｋｇ／ｃ＋Ｊで、また焼付限界の面圧が
６６〜８２ｋｇ／ｃｎｌと高く、実用上十分な摺動特性
を得ることができる。

このような繊維強化アルミニウム合金製チップと鋳鉄製
ディスク間の摺動試験において、スクラッチおよび焼付
現象は、摺動試験中にチップのアルミニウム合金マトリ
ックスから脱落したアルミナ系繊維により促進される。

したがってアルミナ系繊維をマトリ７クスに強固に保持
させておくことが必要であり、これを満足させるために
はチップの面粗度をアルミナ系繊維の平均直径の２分の
１以下に設定するのが良い。このように設定すると、チ
ップの摺動面において、軸線を前記摺動面と略平行に配
列して分散しているアルミナ系繊維は、その略半分をマ
トリックス中に埋込まれてマトリックスに保持されるこ
とになり、これによりアルミナ系繊維の脱落が抑制され
る。一方、軸線を前記摺動面に略直交するように配列し
て分散しているアルミナ系繊維はマトリックス中への埋
込み量が多いので面粗度との関係は僅少である。

上記の点を考慮すると、アルミナ系繊維の平均直径を２
．０〜６．０μｍに設定した場合には、千ノブの面粗度
は１．０〜３．０μｍに設定される。最良の摺動特性を
得るためには、アルミナ系繊維の平均直径は２．０〜４
．０μｍに設定され、それに伴い摺動面の面粗度が設定
される。

第１１図は、平均直径３μｍを持つアルミナ系繊維の繊
維体積率を種々変えた繊維強化アルミニウム合金と相手
材である球状黒鉛鋳鉄（ＪＩＳＦＣＤ７５）とのチップ
オンディスク式摺動試験結果を示す。線りは焼付限界特
性に、また線ｉはスクラッチ限界特性にそれぞれ該当す
る。

前記合金は繊維強化部１ａの構成材料に相当し、この材
料によりチップを形成する。また前記鋳鉄は前記圧縮リ
ングの構成材料に相当し、この材料によりディスクを形
成する。チップおよびディスクの面粗度は１μｍに設定
される。

テスト方法はディスクを９．５ｍ／ｓｅｃの速度で回転
させ、そのディスクの摺動面にチップの摺動面を無潤滑
下にて所定の押圧力をもって押付け、各チップのアルミ
ナ系繊維の繊維体積率と、焼付限界およびスクラッチ限
界においてチップに作用する面圧との関係を求めたもの
である。

第１１図から明らかなように、アルミナ系繊維の繊維体
積率を８．０〜２０．０％に設定すると、線１の如（チ
ップにおけるスクラッチ限界の面圧が約３０〜約９５ｋ
ｇ／ｃｊで、また線りの如く焼付限界の面圧が約７０〜
約１７０ｋｇ／ｃａｔと高い。その上、チップの繊維強
化が十分に行われ、また耐摩耗性も優れており、さらに
相手材の摩耗量も低減することができる。ただし、繊維
体積率が８．０％を下回ると、繊維強化能が小さく、ま
た耐摩耗性および耐焼付性が低下する。一方、繊維体積
率が２０．０％を上回ると、マトリックスであるアルミ
ニウム合金の充填性が悪化して繊維強化を十分に行うこ
とができず、また摺動部の硬度が増して相手材の摩耗量
が増加し、その上熱伝導率も低下する。

第１１図中、線ｊＳｋは、アルミナ系繊維と炭素繊維と
の混合繊維を用いたハイブリッド型繊維強化アルミニウ
ム合金製チップの焼付限界特性およびスクラッチ限界特
性にそれぞれ該当する。この場合炭素繊維の繊維体積率
は０．３％に設定されている。

このようにハイブリッド型のチップにおいては、その焼
付限界特性およびスクラッチ限界特性が、線り、ｉの場
合に比べて向上することが明らかである。

ただし、炭素繊維の繊維体積率が０．３％を下回ると、
炭素繊維の潤滑能に基づく前記効果が得られず、一方、
繊維体積率が２０．０％を上回ると、アルミナ系繊維量
との関係で総繊維体積率が高くなり、その混合繊維を用
いて成形体を得る場合成形性が悪化する。したがって炭
素繊維の繊維体積率は０．３〜２０．０％、好ましくは
１５％以下が適当である。′なお、炭素繊維は潤滑能を
有するので、それがマトリックスより脱落してもスクラ
ッチ限界特性等を損なうことはない。

また前記混合繊維において、炭素繊維が耐摩耗性、耐焼
付性等を向上する効果を有するのでアルミナ系繊維の繊
維体積率を、そのアルミナ系繊維単独使用の場合に比べ
て低くし得るが、その繊維体積率が５．０％を下回ると
アルミナ系繊維の特性が発揮されなくなり、一方５０．
０％を上回ると、炭素繊維量との関係で総繊維体積率が
高くなり、マトリックスの充填性が悪化する。したがっ
てアルミナ系繊維の繊維体積率は５．０〜５０．０％、
好ましくは１０．０〜５０．０％である。

第１２図は、平均直径３μｍを持つアルミナ系繊維の繊
維体積率を種々変えた繊維強化アルミニウム合金と相手
材である球状黒鉛鋳鉄（ＪＩＳＦＣＤ７５）とのチップ
オンディスク式摩耗試験結果を示す。線ｍは前記合金の
摩耗量に、また線ｎは前記鋳鉄の摩耗量にそれぞれ該当
する。

テスト方法は、ディスクを２．５ｍ／ＳｅＣの速度で回
転させ、そのディスクの摺動面にチップの摺動面を潤滑
下にて押圧力２０に＋ｒを以て押付け、その状態を摺動
距離が２０００　ｍに達するまで維持したものである。

潤滑油の供給量は２〜３ｍ＃／ｍｉｎである。

第１２図から明らかなように、アルミナ系繊維の繊維体
積率を８．０〜２０．０％にそれぞれ設定すると、線ｍ
の如くチップの摩耗量が約０．５〜約０゜８５μｍと少
なく、また線ｎの如くディスクの摩耗量が約２．８５〜
約５μｍと少なくなる。

チップおよびディスクの摩耗量を極力少なくするために
は、それらの面粗度を１μｍ以下に、またアルミナ系繊
維の繊維体積率を１２．０〜１４．０％にそれぞれ設定
するのが良い。

本発明は摺動部材としての、クランクビン孔口りを繊維
強化したコンロッド、スリッパ面およびその近傍を繊維
強化したロッカアーム、弁座を繊維強化したシリンダヘ
ッド、ジャーナルを繊維強化したカムシャフト、各種軸
受部材等に適用される。

Ｃ８発明の効果本発明によれば、繊維強化部および単体部の初晶Ｓｉｌ
を前記のように特定することにより、繊維強化部の強度
を向上し、また単体部の切削性を良好にした前記アルミ
ニウム合金部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜第３図はシリンダブロックを示し、第１図は斜視
図、第２図は平面図、第３図は第２図■−■線断面図、
第４図は鋳造法における溶湯に対する加圧力と時間との
関係を示すグラフ、第５図は繊維強化部と単体部との金
属組織を示す顕微鏡写真、第６図は平均粒径１５０μｍ
以下のショットの含有量と焼付限界面圧との関係を示す
グラフ、第７図は全ショットの含有量と引張強さとの関
係を示すグラフ、第８図はシリカの含有量と引張強さと
の関係を示すグラフ、第９図はアルミナのα化率と引張
強さとの関係を示すグラフ、第１Ｏ図はチップおよびデ
ィスクの面粗度とチップに作用する面圧との関係を示す
グラフ、第１１図はアルミナ系繊維の繊維体積率とチッ
プに作用する血圧との関係を示すグラフ、第１２図はア
ルミナ系繊維の繊維体積率とチップおよびディスクの摩
耗量との関係を示すグラフである。Ａ・・・アルミナ系繊維、Ｃ・・・炭素繊維、Ｍ・・・
アルミニウム合金マトリックス、Ｓ・・・初晶ＳＩ、１
ａ・・・繊維強化部、１ｂ・・・単体部特　許　出　願
　人　　本田技研工業株式会社代理人　　　弁理士　　
落　　合　　　　　健第４図奸開第６図シ、ットの合宥量（重量０１０）全ショットのを上置（重量０１０）第８図第９図アルミナのα化中（’／、） −第１０図十〇７７″あ゛よびディスクの面粗度（）Ｊｍ）第１２
図アルミナ系ｍ雉の繊維体積中（’／、）第１１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）強化繊維およびアルミニウム合金マトリックスよ
り構成される繊維強化部と、該繊維強化部に一体化され
、前記アルミニウム合金より構成される単体部とを備え
た繊維強化アルミニウム合金部材において、１＜繊維強化部の初晶Ｓｉ量（重量％）／単体部の初晶
Ｓｉ量（重量％）≦４に設定したことを特徴とする繊維
強化アルミニウム合金部材。
（２）前記繊維強化部における初晶Ｓｉの平均粒径は、
前記強化繊維の平均直径以下に設定される、特許請求の
範囲第（１）項記載の繊維強化アルミニウム合金部材。
（３）前記アルミニウム合金は、Ｓｉを１．６５〜１４
．０重量％含有する、特許請求の範囲第（１）または第
（２）項記載の繊維強化アルミニウム合金部材。