JPH03234355A

JPH03234355A - 繊維強化複合部材の製造方法

Info

Publication number: JPH03234355A
Application number: JP3031690A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Kubota; 隆一窪田; Takeyoshi Nakamura; 武義中村; Haruo Iwano; 治雄岩野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1991-10-18

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】Ａ０発明の目的（１）　　産業上の利用分野本発明は繊維強化複合部材の製造方法、特に、金型内に
繊維成形体を設置し、次いで前記繊維成形体に溶湯を含
浸させて繊維強化複合部材を製造する方法の改良に関す
る。

（２）従来の技術従来、この種製造方法では、溶湯を加圧パンチにより加
圧して繊維成形体に含浸させる溶湯鍛造技術が採用され
ている（例えば、特公昭５５−４２９０６号公報参照）
。

（３）発明が解決しようとする課題しかしながら、前記従来法においては、溶湯に対する繊
維成形体の含浸抵抗のばらつきに起因して溶湯の含浸過
程初期（例えば、加圧パンチのストロークが１０閣から
２０＋ｍｓ間にあるとき）に繊Ｉｉ成形体に対する溶湯
の含浸が不均一になるため、繊維成形体に不均一な潰れ
が発生し、その結果、複合部材における強化用繊維の体
積分率Ｖｆが部分的に異なったり、また繊維成形体に割
れが発生して品質の良い複合部材を得ることが難しい、
といった問題がある。

本発明は前記に鑑み、溶湯の含浸過程初期において繊維
成形体に溶湯を一様に含浸させると共に一様な潰れを発
生させて品質の良い複合部材を得ることができるように
した前記製造方法を提供することを目的とする。

Ｂ０発明の構成（１）　　課題を解決するための手段本発明は、金型内に繊維成形体を設置し、次いで前記繊
維成形体に溶湯を含浸させて繊維強化複合部材を製造す
るに当り、前記繊維成形体の溶湯含浸側の端面に、溶湯
透過性を有し、且つ溶湯に対する含浸抵抗が前記繊維成
形体とは異なる多孔質層を形成して、溶湯の含浸過程初
期において前記繊維成形体に溶湯を一様に含浸させると
共に一様な潰れを発生させることを特徴とする。

（２）作　用前記手法を採用すると、溶湯の含浸過程初期において、
溶湯に対する繊維成形体の含浸抵抗が多孔質層により高
められ、また多孔質層には略均−に溶湯の圧力が作用す
る。

その結果、繊維成形体には一様な潰れが発生し、これに
より溶湯に対する繊維成形体の含浸抵抗が、その全体に
亘り均一化されるので、繊維成形体には溶湯が一様に含
浸する。

この含浸時には、前記潰れに起因して繊維成形体におけ
る強化用繊維の体積分率Ｖｆが高くなるため、その含浸
抵抗が増すが、溶湯は多孔質層を流通する際に整流作用
を受け、また流れの勢いを和らげられるので、繊維成形
体にスムーズに含浸する。

このようにして、強化用繊維の体積分率Ｖｆが高く、し
かもその体積分率Ｖｆが全体に亘り略角−な複合部材を
得ることができる。

（３）実施例第１図は、溶湯鍛造法を適用して製造された繊維強化複
合部材としての内燃機関用コンロッド素材ｌを示し、そ
のコンロッド素材１は、大端部に対応する第１構威部２
．と、それに連設されて環部および小端部に対応する第
２構威部２□とを備え、強化用繊維よりなる繊維成形体
と、それに含浸されたアルミニウム合金等の軽合金マト
リックスとより構成される。

第２．第３図に示すように、繊維成形体３はコンロッド
素材１と路間−の形状を有し、第１構戒部２Ｉに対応す
る第１強化部４．と、それに連設されて第２構戒部２□
に対応する第２強化部４８とより構成される。

繊維成形体３を構成する強化用繊維としては、ＳｉＣウ
ィスカ、Ａｌｔｏｓウィスカ、５ｉｚＮ４ウイスカ、Ｋ
、０−ｎＴｉｏｘ　　（チタン酸カリウム）ウィスカ、
グラファイトウィスカ等が用いられる。

溶湯に対する繊維成形体３の含浸抵抗を低くし、またコ
ンロッド素材の引張強さおよび疲労強度を向上させるた
めには、セラミックウィスカとして、直径ｄが０．６μ
ｍ以上、長さｉが４０μｍ以上で、アスペクト比ｆ／ｄ
が４０以上のものを用いるのが望ましい。この場合、直
径ｄの上限は、含浸抵抗と溶湯の加圧速度との関係より
２〜３μｍに規定される。

繊維成形体３は溶湯鍛造時においてクランクピン軸線Ｙ
−Ｙ方向と直交する両端面５＋、５ｇの一方、例えば端
面５Ｉを上向きにして金型内に設置されるもので、した
がってその端面５．が溶湯含浸側となる。

端面５．には、多孔質層６が形成され、その多孔質層６
は溶湯透過性を有し、且つ溶湯に対して繊維成形体３と
は異なる含浸抵抗を有する。この場合、多孔質層６にお
ける含浸抵抗は、繊維成形体３のそれよりも高く設定さ
れるか、または低く設定される。

このような多孔質層６を用いると、溶湯の含浸過程初期
において、溶湯に対する繊維成形体３の含浸抵抗が多孔
質層６により高められ、また多孔質層６には略角−に溶
湯の圧力が作用する。

その結果、繊維成形体３には一様な潰れが発生し、これ
により溶湯に対する繊維成形体３の含浸抵抗が、その全
体に亘り均一化されるので、繊維成形体３には溶湯が一
様に含浸する。

この含浸時には、前記潰れに起因して繊維成形体３にお
ける強化用繊維の体積分率Ｖｆが高くなるため、その含
浸抵抗が増すが、溶湯は多孔質層６を流通する際に整流
作用を受け、また流れの勢いを和らげられるので、繊維
成形体３にスムーズに含浸する。

このようにして、強化用繊維の体積分率Ｖｆが高く、し
かもその体積分率Ｖｆが全体に亘り略角−なコンロッド
素材１を得ることができる。

多孔質層６の構成材料は、マトリックスの溶融温度およ
び繊維成形体３の予熱温度にて熱的に安定しており、ま
たマトリックスおよび繊維成形体３と反応しないことを
条件として選定され、例えば前記各種セラ果ツタウィス
カの外に、ＢＮ、ムライト、Ａｌｚ　Ｏｘ　、Ｓ　ｉｓ
　Ｎａ　、Ｓ　ｉ　Ｏｘ−グラファイト等の各種セラ壽
ツク微粒子およびＭＯ微粉末等の金属微粉が用いられる
。

セラＱツタウィスカを用いる場合は、繊維成形体３を槽
底するものよりも直径の小さなものが用いられる。その
理由は、同一の体積分率Ｖｆにおいて、直径の大きなセ
ラくツクウィスカよりも直径の小さなセラミックウィス
カの方が溶湯透過性が低く、したがって溶湯に対する含
浸抵抗が高いからである。

第４図は、アルミニウム合金よりなる溶湯を用いたとき
の繊維成形体３におけるＳｉＣウィスカの体積分率Ｖｆ
と溶湯透過率との関係を示す、線ａが直径１．１μｍの
ＳｉＣウィスカを用いた場合に、また線すが直径０．４
μｍのＳｉＣウィスカを用いた場合にそれぞれ該当する
。この場合、溶湯透過率が高いということは、溶湯透過
性が良いことを意味する。

こ＼で、溶湯透過率ＫＡＬは次式のように定義される。

た！′シ、ＶｆはＳｉＣウィスカの体積分率、ｄはＳｉ
Ｃウィスカの直径をそれぞれ示す。

第４図線ａ、ｂおよび前記式より明らかなように、例え
ばＶｆ＝２０％において、直径１．１ｔ１ｍのＳｉＣウ
ィスカを用いた場合のＫＡＡよ０．４８であるが、直径
０．４μｍのＳｉＣウィスカを用いた場合のＫＡＬは０
．０６であり、したがって直径０．４μｍのＳｉＣウィ
スカを用いた方が溶湯透過率が低くなる。

セラミック微粒子としては、前記含浸抵抗の観点より直
径１〜５μｍのものが用いられる。この場合、セラミッ
ク微粒子の使用量が増せば、それに応して多孔質層６０
含浸抵抗が高くなるので、繊維成形体３の潰れも多くな
り、その結果、コンロッド素材１における強化用繊維の
体積分率が上昇する。

そこで、ＳｉＣウィスカよりなる繊維成形体３に、ＢＮ
微粒子よりなる多孔質層６を形成してＢＮ微粒子量とコ
ンロッド素材ｌにおけるＳｉＣウィスカの平均体積分率
Ｖｆとの関係を求めたところ、第５図の結果が得られた
。ＢＮ微粒子量は、繊ｍ成形体３における端面５．の面
積Ａ（第３図）が約７２Ｃ４であるから、その端面５．
当りの重さで表しである。

第５図よりＢＮ微粒子量とＳｉＣウィスカの平均体積分
率Ｖｆとは略比例関係にあることが判る。

多孔質層６の形成には、はけ塗り、スプレー等の塗布法
、ディッピング等が適用される。

第６図はコンロッド素材ｌを製造するための溶湯鍛造装
置を示す、金型Ｍは上型７と、中間型８と、下型９とよ
りなり、それらによりコンロンド素材底形用キャビティ
１０が画成される。上型７はキャビティ１０の第１構戒
部戒形領域１１に開口する給湯スリーブ１２を備え、そ
のスリーブ１２の上端部周壁に給湯ホッパ１３が取付け
られる。

給湯スリーブ１２には加圧パンチ１４が摺動し得るよう
になっている。また下型９に加圧パンチ１４に対向する
ようにノックアウトピン１５が備えられている。

次に、コンロッド素材ｌの製造例について説明する。

第２．第３図において、繊維成形体３は長さＬが１７０
園、厚さＴが３０■、端面５１の面積Ａが約７２ｃｉｉ
であり、直径１．１μｍ、平均長さ５０μｍのＳｉＣウ
ィスカより底形され、そのＳｉＣウィスカの体積分率Ｖ
ｆは約１５％に設定された。

端面５１上には、直径１〜５μｍのＢＮ微粒子よりなる
多孔質層６が塗布形成され、その塗布量は２．８ｇ／７
２ｃｊで、厚さは１ｍ以下に設定された。

第６図に示すように、７００℃にて１時間の予熱処理を
施された繊維成形体３を、その多孔質層６を上向きにし
て３００℃に予熱された金型ＭのキャビティｌＯに設置
した。この場合、多孔質層６とキャビティ１０の天井面
１６との間には溶湯を入れるための空間Ｓが形成される
。

マトリックスであるアルミニウム合金として下表に示す
組成を有するものを用意し、その合金を用いて７６０℃
の溶湯を調製した。

前記溶湯を給湯ホッパ１３を介してキャビティ１０およ
び給湯シリンダ１２に供給し、次いで加圧バンチ１４を
給湯スリーブ１２に摺動させて加圧速度２０　ｍ　／ｓ
ｅｃの条件下で溶湯を加圧した。

最終加圧力は７００　ｋｇ／ｅｌｌ、加圧保持時間は１
００秒間に設定された。

第７図は、加圧速度２０閣／ｓｅｃにおける加圧バンチ
１４のストロークと溶湯の圧力との関係を示し、＃ＩＡ
Ｃが前記多孔質層６を用いた本発明の場合に、また線ｆ
が前記ＳｉＣウィスカ（直径１．１μｍ、平均長さ５０
μｍ）のみからなる体積分率約１５％の繊１１１戒形体
を用いた比較例の場合にそれぞれ該当する。

こＮで、溶湯の含浸過程初期、したがって加圧バンチ１
４のストロークが１０■から２０閣間にあるときの圧力
上昇分をΔＰ、ストローク分をΔＳとして、含浸抵抗値
１．をＩＲ＝ΔＰ／ΔＳと定義すると、線Ｃの本発明の
場合の方が線ｆの比較例の場合よりも含浸抵抗値が増し
ていることが判る。

第８図は本発明および比較例により製造されたコンロッ
ド素材１におけるＳｉＣウィスカの体積分率Ｖｆの分布
を示す、この分布測定に用いられた各テストピースｔは
第９図（ａ）、（ｂ）に示す位置より切出された。即ち
、溶湯鍛造終了時におけるコンロッド素材１の上端面ｔ
７．上に、第１構戒部２Ｉ端より長手方向に６．２６，
５６，８６，１１６．１４６園宛離れた６ケ所の左右方
向位置を定め、また各左右方向位置において、コンロッ
ド素材１の下端面１７ｚから３．５．２０．５　ｗｓ宛
離れた２ケ所の上、下方向位置を定め、それら上、下方
同位Ｉよりテストピースを切出したものである。

第８図において、１ＩＡｈ１．ｈｔは本発明の場合を示
し、線ｈ１が上部側（２０，５１離れている）に、また
線ｈｔが下部側（３，５閣離れている）にそれぞれ該当
する−　１１１に＋　、ｋｔは比較例の場合を示し、線
に、が上部側に、また線に２が下部側にそれぞれ該当す
る。

線ｈ＋、ｈオと線ｋｔ、ｋｇとを比較すると、本発明の
場合は比較例に比べて上部側および下部側間における体
積分率Ｖｆのばらつきが小さく、しかも体積分率Ｖｆが
高くなっていることが判る。

第１０図は、溶湯鍛造後、熱処理としてＴ６処理を施さ
れたコンロッド素材１におけるＳｉＣウィスカの体積分
率Ｖｆと引張強さσ、との関係を示す、Ｄｌが本発明に
おける体積分率Ｖｆのばらつき（四周囲）を、Ｄ８が比
較例における体積分率Ｖｆのばらつき（丸印）をそれぞ
れ示す。

第１０図から明らかなように、本発明によれば、体積分
率ＶｆのばらつきＤＩを比較例の場合Ｄ２のＡ以下にす
ることができ、また強度も向上させることができる。

第７図における線ｍは、繊維成形体として前記と同しも
のを用い、多孔質層６を直径０．４μｍ、平均長さ３０
μｍのＳｉＣウィスカを用いて厚さ５〜６ｍに形成した
場合を示す、この場合の含浸抵抗値ＩっはＢＮ微粒子を
用いたときよりも低くなる。

第１０図のり、は前記ＳｉＣウィスカ（直径０゜４μｍ
、平均長さ３０μｍ〉よりなる多孔質層６を用いた場合
の体積分率Ｖｆのばらつき（三角印）を示し、そのばら
つきＤ３はＢＮ微粒子を用いたときよりも大きいが、比
較例のばらつきり。

よりも大幅に小さくなっていることが判る。

なお、多孔質層６により底形された複合部は機械加工に
より除去されるが、この複合部は製品部分と給湯スリー
ブ１２例のマトリックス単体部分との分離部として機能
するので、製品部分からのマトリックス単体部分の分離
を容易に行うことができる。

第１１図は多孔質層６の変形例を示す。この多孔質層６
は、繊維成形体３の第１強化部４．に対応する第１領域
６．と、第１領域６Ｉに連設されて第２強化部４．に対
応する第２８域６□とを備えている。

第１領域ｇは、高密度に形成され、したがって高含浸抵
抗を有し、一方、第２領域６ｔは第１領域ｇよりも低密
度に形成され、したがって低含浸抵抗を有する。

溶湯鍛造用金型Ｍにおける加圧パンチ１４は第１強化部
４．の上方に在り、且つ加圧パンチ１４の断面積は第１
強化部４．の表面積に略等しい。

したがって加圧パンチ１４による溶湯の加圧下では第１
強化部４．の方が第２強化部４．よりも溶湯が含浸し易
くなる。

そこで、多孔質層６を前記のように第１および第２８域
６＋、６ｇより槽底すると、繊維成形体３に溶湯を一様
に含浸させると共に一様な潰れを発生させることができ
る。

第１２図は繊維強化複合部材としての内燃機関用ピスト
ン素材の溶湯鍛造装置を示す。

金型Ｍ、のキャビティ１８に中子１９が配置され、その
中子１９にＳｉＣウィスカ等よりなる円筒状繊維成形体
２０が被着される。繊維成形体２０の上端面２１上方に
おいて、金型Ｍ、に加圧パンチ２２が摺動自在に設けら
れる。この場合、溶湯は、主として繊維成形体２０の上
端面２１側からその成形棒２０に含浸される。繊維成形
体２０の上端面２１および外周面２３には前記同様にＢ
Ｎ微粒子等よりなる多孔質層２４が形成されているが、
この場合、外周面２３側の多孔質層２４は、主としてマ
トリックス単体部分との分離を目的として設けられてい
る。

中子１９は、ムライトとレジンよりなるコーテツドサン
ドを用いて形成された溶湯透過性を有する多孔質体より
権威される。その中子１９の繊維成形体２０との対向面
には、溶湯透過性を有する離型層２５が形成される。そ
の離型層２５は前記多孔質層２４と同様の組成を有する
が、その構戒材料としてはセラミック微粒子または金属
微粉の方が良い。

前記のように繊維成形体２０に多孔質層２４を形成する
と、前記同様に繊維成形体２０に溶湯を一様に含浸させ
ると共に一様な潰れを発生させることができる。

また溶湯が繊維成形体２０に含浸する際、繊維成形体２
０中に存する空気等のガスは離型層２５を介して中子１
９の無数の気孔に流通し、また溶湯も同様に中子１９の
気孔に流込むので、溶湯に対する繊維成形体２０の含浸
抵抗が和らげられ、これにより繊維成形体２０の必要以
上の潰れを回避してＳ′ｉＣウィスカ等の体積分率Ｖｆ
を全体に亘り略角−にすることができ、また繊維成形体
２０の割れを防止することができる。その上、繊維成形
体２０中へのガスの残留を回避して気孔の無い健全なピ
ストン素材を得ることができる。

さらに、ピストン素材とマトリックス単体部分との分離
を多孔質層２４により、またピストン素材と中子１９と
の分離を離型層２５により容易に行うことができる。

Ｃ０発明の効果本発明によれば、繊維成形体に前記のような多孔質層を
形成することによって、強化用繊維の体積分率が高く、
しかもその体積分率が全体に亘り略角−な繊維強化複合
部材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はコンロッド素材の斜視図、第２図は多孔質層を
有する繊維成形体の斜視図、第３図は第２図１−１１１
線断面図、第４図はＳｉＣウィスカの体積分率と溶湯透
過率との関係を示すグラフ、第５図はＢＮ微粒子量とＳ
ｉＣウィスカの平均体積分率との関係を示すグラフ、第
６図は溶湯鍛造装置の一例を示す断面図、第７図は加圧
パンチのストロークと溶湯の圧力との関係を示すグラフ
、第８図は第１構成部からの距離とＳｉＣウィスカの体
積分率との関係を示すグラフ、第９図（ａ）、　（ｂ）
はテストピースの切出し方を示し、同図（旬は平面図、
同図（ロ）は側面図、第１０図はＳｉＣウィスカの体積
分率とコンロッド素材の引張強さとの関係を示すグラフ
、第１１図は多孔質層の変形例を示す平面図、第１２図
は溶湯鍛造装置の他の例を示す断面図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金型内に繊維成形体を設置し、次いで前記繊維成
形体に溶湯を含浸させて繊維強化複合部材を製造するに
当り、前記繊維成形体の溶湯含浸側の端面に、溶湯透過
性を有し、且つ溶湯に対する含浸抵抗が前記繊維成形体
とは異なる多孔質層を形成して、溶湯の含浸過程初期に
おいて前記繊維成形体に溶湯を一様に含浸させると共に
一様な潰れを発生させることを特徴とする繊維強化複合
部材の製造方法。
（２）前記多孔質層は、強化用繊維より構成される、第
（１）項記載の繊維強化複合部材の製造方法。
（３）前記多孔質層はセラミック微粒子および金属微粉
の少なくとも一方より構成される、第（１）項記載の繊
維強化複合部材の製造方法。
（４）前記多孔質層は高含浸抵抗を有する第１領域と、
その第１領域に連設された低含浸抵抗を有する第２領域
とを備え、前記高含浸抵抗を有する第１領域は前記繊維
成形体における溶湯が含浸し易い部分に配置され、また
前記低含浸抵抗を有する第２ｇ域は前記繊維成形体にお
ける溶湯が含浸し難い部分に配置される、第（１）、第
（２）または第（３）項記載の繊維強化複合部材の製造
方法。
（５）金型内に中子と、その中子に被着された繊維成形
体とを設置し、次いで前記繊維成形体に溶湯を含浸させ
て繊維強化複合部材を製造するに当り、前記中子を溶湯
透過性を有する多孔質体より構成すると共にその中子の
前記繊維成形体との対向面に溶湯透過性を有する離型層
を形成し、また溶湯の含浸過程初期において前記繊維成
形体に溶湯を一様に含浸させると共に一様な潰れを発生
させるべく、前記繊維成形体の溶湯含浸側の端面に、溶
湯透過性を有し、且つ溶湯に対する含浸抵抗が前記繊維
成形体とは異なる多孔質層を形成することを特徴とする
繊維強化複合部材の製造方法。
（６）前記多孔質層は、強化用繊維より構成される、第
（５）項記載の繊維強化複合部材の製造方法。
（７）前記多孔質層はセラミック微粒子および金属微粉
の少なくとも一方より構成される、第（５）項記載の繊
維強化複合部材の製造方法。
（８）前記離型層はセラミック微粒子および金属微粉の
少なくとも一方より構成される、第（５）、第（６）ま
たは第（７）項記載の繊維強化複合部材の製造方法。