JPH0129842B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は金属短繊維主として複合材の基材とし
て用いるのに好適な超微細金属短繊維の製造法に
関するものである。 〔従来の技術とその問題点〕 金属繊維は、高弾性、可撓性、耐摩耗性、導電
性、伝熱性、ぬれ性、焼結性などの面で非金属繊
維に較べ優れた性質があるため、異種材料との複
合基材として利用されている。 この金属繊維には長繊維と短繊維があり、長繊
維は主として強度向上を目的とした繊維強化複合
材料の基材に使用され、短繊維は繊維強化と粒子
強化の中間の性質をねらつた粒子分散強化複合材
料の基材として利用されている。 このような金属短繊維は、その複合目的から、
できるだけ粉末に近い微少は断面寸法を有しつつ
適正な長さ（アスペクト比）を有し、しかも大量
に使用されることから安価に量産できることが望
まれる。しかし、従来では、この目的を達成しう
る実用的な超微細金属短繊維の製造方法がなかつ
た。 すなわち、微細な金属短繊維やその製造法とし
て、ウイスカーが知られているが、生産が技術的
に難しく、生産性も悪く、アスペクト比が大きす
ぎて分散性が悪いなどの理由から、現実にはほと
んど利用されていない。他の方法としては、溶湯
から押し出す方法、線材を引き抜きする方法によ
り長繊維を作り、次いでこの長繊維を切断する方
法がある。しかし、この方法では繊維寸法や物性
が不均一となつたり、切損しやすいなどの欠点が
あり、複合基材として適当と言えなかつた。 〔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、微細な異種粒子を大量にかつ均一に細かく
分散して含有でき、成形性も良好で、結合力もす
ぐれ、そして焼結性もよく、粒子分散強化複合材
の基材として好適な超微細金属短繊維を、工業的
に安価に量産できる方法を提供することにある。 また、本発明の目的は、上記金属短繊維を簡単
な装置で安定して量産できる方法を提供すること
にある。 上記目的を達成するため本発明者は、まず、円
柱状ブロツクを高い固有振動数を持つ弾性バイト
で旋削し、弾性バイトの自励振動による柱状ブロ
ツクとの接離を利用して柱状ブロツクの表面を分
断し、直線状の短繊維を創生させる方法を考え
た。 この方法は、上記各方法に較べ、比較的容易に
かなり寸法の小さい金属短繊維を製造することが
できる。しかし、この方法は、本質的に「びび
り」という不安定現象を利用する点から、製造装
置の精度、剛性の制約がある。この理由から、こ
の方法で工業的に安定して製造できる最少の短繊
維は、換算直径で約30μｍ、長さ約１mmであり、
これよりも微細な短繊維を量産することが難しか
つた。なお、この種の繊維の太さは換算直径で表
されるのが一般であり、換算直径とは、通常、次
式から求められる。 さらに、振動数がほぼ一定のため、製造する繊
維直径を小さくするに従つて生産速度が加速度的
に低下し、繊維価格が極めて高価なものになる。 そして、この自励振動により得られた短繊維を
マトリツクスとして異種粒子と複合させた場合
に、次のような問題があつた。 繊維の寸法（長さ、直径）が大きいため、分
散性ないしミキシング性が良くなく、混入異種
粒子の限界値（量、粒径）がかなり劣るものと
なる。 混入する異種粒子の分布を細かく均一化し得
ず、ことに異種粒子の粒径が小さい場合、マト
リツクスの格子状空間の大きさが大となるの
で、異種粒子がまとまつて充填され、保持力が
低下する。 繊維が直線的な針状で、その寸法が大きいた
め成形時の圧力で切損や屈曲が生じやすく、ま
た成形した製品の表面に繊維が突出し、外観や
商品価値を低下させやすい。 このようなことから、本発明は発想を転換し、
砥石を回転させながらこれの外周部と原料ブロツ
クとを一定速度または一定圧力で押しつけ、各砥
粒と原料ブロツク表面との接触切り込みにより換
算直径で15μｍ以下、長さ400μｍ以下の短繊維を
創生させるようにしたものである。 原料ブロツクと砥石外周部との押付け方向は、
法線方向かまたは線接触に到らぬ限度でのオフセ
ツト量を持つ方向を採用することが望ましい。 本発明による金属短繊維は、上記のような極め
て微細な寸法諸元に加え、形状が非直線状でかつ
長手方向と直角な断面寸法が一様でなく、表面に
微細なしわを有している。 〔実施例〕 以下本発明の実施例を添付図面に基いて説明す
る。 第１図ないし第４図は本発明による超微細金属
短繊維の製造法を示すもので、１は砥石であり、
円、コーンなど任意の断面形状をなし、フランジ
１０を介して主軸（またはアーバ）１２に取付け
られ、図示しない駆動機により回転されるように
なつている。 砥石１の砥石部１１は第３図のように砥粒１１
０をマトリツクス（母体）１１１で保持固定して
なる。砥粒１１０としては製造する短繊維の材質
に応じ、アルミナ質砥粒（Ａ―グレイン）、ホワ
イトアランダム（WA）、炭化珪素質砥粒（Ｃ―
グレイン）、緑化炭化珪素（GC―グレイン）、ダ
イヤモンド、立方晶窒化ほう素（CBN）などが
適宜選択される。鉄系の短繊維を製造する場合に
はアルミナ（WA）や立方晶窒化ほう素（CBN）
が好適であり、非鉄系の短繊維の場合にはダイヤ
モンド砥粒が好適である。砥粒１１０の粒度は製
造される短繊維の寸法に影響を与え、粒度が細か
いほど繊維を微細な寸法にすることができる。 一方、マトリツクス１１１はレジン質を含まな
いもの（非レジノイドボンド砥石）を用いるべき
である。その理由は、第１に、レジノイドボンド
砥石の場合、砥粒保持力が弱いうえに、繊維製造
時にマトリツクスが摩耗してプラスチツク粉とな
り、これが製造された微細短繊維に混じり、複合
のための異種材料粒子と混合、圧縮成形したとき
に弾性変形で成形体の形状や寸法を悪化させるこ
と、第２に、焼結あるいは焼成時に燃焼して、気
孔率の不必要な増加や強度低下などの問題を引き
起し、これを避けるには繊維製造後レジン分を除
去しなければならないが、この作業がきわめて困
難であることなどが挙げられる。 これらの点から、砥石部１１のマトリツクスと
しては、金属、セラミツクス質が適当であり、前
者による例としては、ニツケルメツキで砥粒を固
着した電着砥石、鋳鉄、銅系合金などを用いたメ
タルボンド砥石があり、後者による例としてはビ
トリフアイド砥石がある。さらに、本発明により
製造した短繊維をボンドとして作製した砥石部も
効果的である。これは、後述のように砥粒を細か
く均一に分布でき、保持力も良いからである。 ２は金属短繊維製造用の所望の材質からなる原
料ブロツクであり、棒状材、柱状材、盤状材など
任意であるが、砥石部幅よりも狭い幅寸法（第２
図参照）で、砥石直径より小さな厚さ（第１図参
照）とすることが望ましい。 ３は原料ブロツク２を回転砥石１の外周部に押
し付けるための送り送置である。図示するもので
は、下側に複数の受けローラ３０，３１を配し、
その一方をモータ３５に接続して駆動ローラとす
るとともに、上側にスプリングなどの押え手段３
４を介して押えローラ３３を設けている。これに
限らず、シリンダなどにより原料ブロツク３の後
端から軸線方向の移動力を加える方式としてもよ
い。 ４はクーラントノズルである。 本発明は以上のような装置を用いて超微細金属
短繊維を製造するもので、主軸１２により砥石１
を高速回転させ、この状態で送り送置３を作動し
て原料ブロツク２を回転砥石１に一定速度または
一定圧力で送り、原料ブロツク２の端面２０を砥
石部１１に押し付けつつ、クーラントノズル４か
ら加工液を供給し、この押し付けが持続されるよ
う一定の送り速度もしくは一定の圧力を与えるも
のである。 このように原料ブロツク２の端面２０が砥石部
１１に押し付けられることにより砥石部１１の表
面から突出している各砥粒刃先１１２が端面２０
と接触してこれの表層を切り込み始め、切り込ま
れた表層部分は、砥石部曲率に応じた軌跡長さと
砥粒刃先１１２だけ、回転砥石の移動方向と平行
状に筋状に削り取られつつ剪断塑性変形を受け、
各砥粒刃先ごとに微細な短繊維５となつて、砥石
回転方向の空間に放出される。 上記の砥石外周部と原料ブロツク２の押し付け
方向は、第１ａ図のように原料ブロツク２の厚さ
中心と砥石１の中心線とが整合した法線方向が好
ましいが、場合によつては、第１ｂ図のように、
原料ブロツク２の中心が砥石中心からｈだけオフ
セツトしている方向としてもよい。ただし、オフ
セツト量は砥石半径より小さく、線接触に到らぬ
限度つまり原料ブロツク端面を少なくとも一部に
含む接触領域とするとが望ましい。 また、図示するものでは原料ブロツクを砥石１
に押し付けているが、場合によつては、原料ブロ
ツク２に砥石１を移動してこれの外周部を原料ブ
ロツク２の端面またはこれを一部に含む面に押し
付ける方法としてもよい。ただし、この場合も押
し付け関係は第１ａ図または第１ｂ図と同じよう
にすべきである。 なお、超微細短繊維を製造する方法として、板
状の原料ブロツクをテーブル上に取付け、この原
料ブロツクの上で砥石を高速回転させ、一定の切
り込み深さを設定して、原料ブロツクと相対送り
する研削的手法も考えられる。 しかし、この方法は、原料ブロツクを固定する
テーブル機構を必要とする上に、テーブルをＸ方
向とＹ方向に動かす２軸機構が必要となるため、
装置として複雑、高価なものを要する点、また、
原料ブロツクに掴み代が必要なため、原料歩留が
悪くなる点に問題がある。さらに、繊維製造上
も、砥粒の粒度、砥石の周速、送り速度に加え、
切り込み深さというパラメータが加わるため、製
造する短繊維の寸法制御が煩雑化し、製造繊維の
バラツキが多くなるなどの問題がある。 第５ａ図と第５ｂ図は本発明により得られた短
繊維５の代表的な形状を約100倍に拡大して例示
したもので、繊維長手方向に曲率を有し、しかも
長手方向両端に向かうほど薄く、繊維長手方向と
直角の断面の厚さが薄く三カ月状をなし、表面に
無数の微細なしわのある形状であり、一般的に、
寸法は、長さ50〜400μｍ、幅20〜80μｍ、厚さ２
〜10μｍ、換算直径では３〜15μｍの範囲である。 本発明の短繊維は、第５ｃ図に同倍率で示す自
励振動切削方式の短繊維が、形状的に繊維長手方
向で直線状で、長手方向と直角の断面が三角状を
なすのと著しく相違する。また、寸法的にも、長
さ500〜2500μｍ、換算直径30〜500μｍで、上記
本発明とは著しい差異がある。 本発明において、上記した短繊維の寸法（長
さ、幅、厚さ、曲率半径）を制御するには、砥粒
の粒度と、回転砥石１の周速（または回転数）
と、原料ブロツク２の送り速度（または押圧力）
の全部またはひとつを調整すればよい。 たとえば砥粒に粒度の細かいものは採用すれ
ば、下限寸法に近い短繊維が得られる。回転砥石
１の周速ないし回転数を増加すればより細い繊維
となる。また、送り速度又は押圧力を増せばより
太い繊維となる。上記範囲の寸法の短繊維を製造
する具体的な条件は、実験によれば、砥粒粒度
＃40より細かいもの、周速500〜2500m／min、
送り速度１mm〜30mmの中で適宜選択すればよいこ
とがわかつた。 また、本発明で生産能率を高めるには、砥石部
１１の幅を大きくし、それに対応して幅の大きな
原料ブロツク２を用いる方法のほか、第４図のよ
うに、回転砥石１を複数個同軸上に配列して、そ
れぞれ前記第１ａ図や第１ｂ図の方向から一定速
度または一定圧で原料ブロツク２と相対的に押し
付ける方法、あるいは、それら方法において、仮
想線で示すように、複数の原料ブロツク２，２を
回転砥石の対称位置等に配して、同時に回転砥石
１と相対的に押し付ける方法などがある。 いずれにしても、本発明による金属短繊維は、
換算直径で15μｍ以下、長さ400μｍ以下というき
わめて微細な寸法で、しかも形状も非直線状で表
面積も大きい。そのため、これを異種材料（一種
または複数種の粒子）との複合基材として使用し
た場合、あるいは異種金属短繊維との複合材料と
して使用した場合、次のような効果を発揮する。 分散性、流動性がよく、異種粒子や繊維との
混合時や金型類への充填時に偏析が生じず、異
種粒子や繊維を大量に混入することができ、し
かもそれを細かく均一に分布させることができ
る。 分散性、流動性がよいことと形状の特徴から
成形性に優れ、比較的低い圧力で成形を行え、
成形高さを高くすることができるとともに、複
雑形状の成形も容易である。 成形時の繊維同志のからみがよく、良好な分
散性、流動性とあいまち、微細な空孔を有する
細かい網状骨格組織となるため、空孔が多いに
もかかわらず高い強度を備え、圧粉体にラミネ
ーシヨンクラツクが入り難く、欠けも生じにく
い。 繊維間の結合力がよく、加熱により前記の細
かい網状骨格組織が焼結固定するので、極めて
微小な異種粒子を均一に分散させた状態で強固
に保持させることができる。 寸法が微細で形状的に直線針のようにとがつ
ていないため、複合製品の外面に繊維が表出し
にくく、外観も良好となる。 この特徴から、本発明の短繊維は各種の粒子分
散強化複合材の基材として用いることができる。
すなわち、金属系複合材料として、メタルボンド
砥石で代表される各種研摩材、軸受で代表される
自己潤滑性摺動材などの基材に好適である。ポラ
スチツク系複合材料としては、デイスクブレーキ
パツド、耐熱性・耐摩耗性プラスチツク部品、電
磁波シールド材、静電気防止床材、電波吸収体な
どに好適である。また、セラミツク系複合材料と
しては、通気性を有するセラミツク型、高強度耐
火物、導電性セラミツクスなどに好適である。さ
らに、繊維のみの成形体または焼結体は、多孔質
体、反応用触媒にも利用できる。 本発明の好適な適用例を説明すると以下のとお
りである。 〔メタルボンド砥石について〕 超硬合金さらには近年利用が高まつているセラ
ミツクス材料の加工高能率化を達成するには、加
工手段としての砥石の性能が優れていることが前
提である。この砥石性能は、具体的には、砥粒保
持力が良く、これに起因して研削比が高くとれる
こと、切刃の数が多く（集中度が高い）それでい
て砥石強度が高く、研削効率が良好であることで
ある。これらの性能は特にマシニングセンタなど
によるクリープフイード研削でセラミツクス類を
重研削するような場合に重要である。 かかる砥石性能は一般にメタルボルド砥石が条
件を満たしやすいが、そのためには、砥石マトリ
ツクス中に砥粒が大量に、しかもきめこまかく均
一に分散されること、そして成形性、焼結性が良
好であることが不可欠とされる。 マトリツクスとして金属粉末（たとえば鋳鉄
粉）を使用した場合には、上記条件を満足しえな
い。また、自励振動による短繊維も既述の理由に
より十分な成果が得られない。 本発明で製造した超微細金属短繊維を砥石のマ
トリツクスとすれば、前記〜の特性により上
記条件をすべて満足させ、セラミツクス類の高能
率、高効率の研削が行える。 この砥石は、前述した本発明方法で製造した超
微細金属短繊維を、砥粒と混合、成形、焼結し、
上記超微細金属短繊維の焼結による極めて網目の
細かい多孔骨格に砥粒を包埋することで得られ
る。 超微細金属短繊維としては、鋳鉄で代表される
鉄系金属が好適なほか、銅合金も使用でき、混合
に先立ち焼鈍などの前処理を行つてもよい。砥粒
は通常ダイヤモンド、CBNなどが使用される。
そのほかフイラーとしてガラスフリツトまた、鋳
鉄ボンド砥石であればカーボニル鉄粉などを添加
してもよい。成形は金型成形、ローラ圧延など限
定がない。焼結も慣用の条件で実施すればよく、
焼結時または焼結後に再プレスするなどの方法を
採用してもよい。 上述した本発明繊維は、研削砥石のほか、ラツ
プ工具、ホーニングなど研削、研摩手段全般に適
用される。 〔焼結型自己潤滑性摺動材について〕 滑り軸受等で代表される摺動材に関し、マトリ
ツクス中に炭素や二硫化モリブデンなどの固体潤
滑剤を分散させた焼結型の自己潤滑性摺動材があ
る。この摺動材の性能を向上するには、固体潤滑
剤の含有量を高めしかもこれを均一に分布させ、
かつまた機械的強度を高くすることが必要であ
る。 本発明で製造した超微細金属短繊維をマトリツ
クス材として、これに固体潤滑剤を混合、成形、
焼結することで上記超微細金属短繊維の焼結によ
る極めて網目の細かい多孔骨格に大量の固体潤滑
剤を均一に分散包埋した摺動材が得られる。 超微細金属短繊維は鋳鉄で代表される鉄系金
属、青銅、黄銅などの銅合金、あるいはジユラル
ミンなどのアルミニウム合金も利用される。固体
潤滑剤には黒鉛粉、二硫化モリブデンなどが使用
される。そのほかの製造条件は前記砥石と同様で
ある。 次に本発明の具体例を示す。 実施例 １ 繊維製造用砥石として、立方晶窒化ほう素を
ニツケルメツキで固着した外径150mm、幅30mm
の砥石(A)と、外径150mm、幅20mmのホワイトア
ランダム系ビトリフアイド砥石(B)の２種を用い
た。各砥石の砥粒は＃80、＃54の２種である。 原料ブロツクはダクタイル鋳鉄（FCD−
50）、厚さ24mm、幅18mm、長さ1000mmの角棒材
を使用した。加工液は水溶性研削液を使用し
た。 回転砥石を主軸により回転させ、第１ａ図の
送り装置により、原料ブロツクを法線方向から
砥石外周部に押し付けた。 製造条件とこれにより得られた金属短繊維の
幾つかを下記に例示する。 ａ 砥石(A)、粒度＃80、周速750ｍ／min、送
り速度2.8mm／minにおいて、長さ150μｍ、
換算直径8μｍ ｂ 砥石(A)粒度＃80周速750ｍ／min、送り速
度12mm／minにおいて、長さ200μｍ、換算直
径11μｍ ｃ 砥石(B)粒度＃54、周速750ｍ／min、送り
速度２mm／minにおいて、長さ300μｍ、換算
直径13μｍ ｄ 砥石(B)粒度＃80、周速750ｍ／min、送り
速度15mm／minにおいて、長さ200μｍ、換算
直径11μｍ ｅ 砥石(B)粒度＃80、周速1500ｍ／min、送り
速度５mm／minにおいて、長さ300μｍ、換算
直径8μｍ 得られた超微細短繊維の特性を上記サンプル
ａを用いて調べた。実験は上記短繊維に下記の
粒子を混入し、面圧8ton／cm²で金型成形し、外
径30mmφ、内径15mmφ、厚さ10mmの円筒体を作
り、水素雰囲気中で1140℃／30minで焼結し、
各特性を検討することで行つた。 粒子：カーボニル鉄粉（母地の23wt％） 砥粒：WA（＃120、400、800） 集中度：100（15wt％、25vol％） 200（34.7wt％、50vol％） 300（61.5wt％、75vol％） 比較のため、マトリツクスとして、びびり振
動切削による短繊維（自励振動数5000Hz、切削
速度100ｍ／min、送り3.1μｍ／rev）長さ1.2
mm、換算直径32μｍと、鋳鉄砕粉（FC20、
＃120）を用い、上記と同じ条件で実験を行つ
た。 ＃400における各集中度の空孔率、圧環強度
は下記第１表の通りである。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によるときには、微細な異
種粒子を大量にかつ均一に細かく分散して含有で
き、成形性も良好で、結合力もすぐれ、粒子分散
強化複合材の基材として好適な超微細金属短繊維
を、簡単な装置で工業的に安価に量産できるとい
うすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図と第１ｂ図は本発明による超微細金属
短繊維の製造法を原理的に示す側面図、第２図は
同じくその平面図、第３図は第１図の一部拡大
図、第４図は本発明の他の実施例を示す平面図、
第５ａ図は本発明により得られた超微細金属短繊
維の一例を約75倍に拡大して示す斜視図、第５ｂ
図は同じくその長手方向と直角の断面図、第５ｃ
図は自励振動切削法により得られた金属短繊維を
同じ倍率に拡大して示す斜視図、第６ａ図は本発
明による超微細金属短繊維をマトリツクスとした
粒子複合焼結体の断面組織写真、第６ｂ図は自励
振動切削による短繊維をマトリツクスとした粒子
複合焼結体の断面組織写真、第６ｃ図は鋳鉄粉を
マトリツクスとした粒子複合焼結体の断面組織写
真、第７図は本発明による超微細金属短繊維を用
いた複合材の模式的拡大図、第８図自励振動切削
法により得られた金属短繊維を用いた複合材の模
式的拡大図である。 １……回転砥石、２……原料ブロツク、３……
送り装置、５……超微細金属短繊維。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 砥石を回転させながらこれの外周部と原料ブ
   ロツクとを一定速度または一定圧で押しつけ、各
   砥粒と原料ブロツク表面との接触切り込みにより
   換算直径で15μｍ以下、長さ400μｍ以下の非直線
   状短繊維を創生することを特徴とする超微細金属
   短繊維の製造法。 ２ 砥石外周部と原料ブロツクの押付け方向が法
   線方向である特許請求の範囲第１項記載の超微細
   金属短繊維の製造法。 ３ 砥石外周部と原料ブロツクの押付け方向が砥
   石線接触に到らぬ限度のオフセツト量を持つ方向
   である特許請求の範囲第１項記載の超微細金属短
   繊維の製造法。 ４ 砥石として非レジノイド物質をマトリツクス
   とする砥石を用いる特許請求の範囲第１項記載の
   超微細金属短繊維の製造法。 ５ 砥石が同軸上に複数配列され、各砥石と原料
   ブロツクとを一定速度又は一定圧で押付ける方法
   を含む特許請求の範囲第１項記載の超微細金属短
   繊維の製造法。 ６ 原料ブロツクと砥石が複数個同時に押付けら
   れる方法を含む特許請求の範囲第１項記載の超微
   細金属短繊維の製造法。