JPH0364576B2 - - Google Patents
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- JPH0364576B2 JPH0364576B2 JP61240979A JP24097986A JPH0364576B2 JP H0364576 B2 JPH0364576 B2 JP H0364576B2 JP 61240979 A JP61240979 A JP 61240979A JP 24097986 A JP24097986 A JP 24097986A JP H0364576 B2 JPH0364576 B2 JP H0364576B2
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- fibers
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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- F02B75/18—Multi-cylinder engines
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
- F02B75/18—Multi-cylinder engines
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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- F05C2201/02—Light metals
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- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
Ａ 発明の目的
(1) 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
トリツクスより構成される繊維強化部と、その繊
維強化部と一体化され、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、過共晶組
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＋Si）を有
するので、繊維強化部におけるアルミニウム合金
マトリツクスの強度が向上する反面、単体部の硬
さが高くなるためその切削加工性が悪化するとい
う問題がある。 本発明は前記に鑑み、繊維強化部におけるアル
ミニウム合金マトリツクス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。 Ｂ 発明の構成 (1) 問題点を解決するための手段 本発明は、強化繊維およびアルミニウム合金マ
トリツクスより構成される繊維強化部と、その繊
維強化部と一体化され、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、前記アルミニウム合金マ
トリツクスの初晶Si量をＡ重量％とし、前記単体
部の初晶Si量をＢ重量％としたとき、ＡとＢの比
Ａ／Ｂを、1.1≦Ａ／Ｂ≦４に設定したことを特
徴とする。 (2) 作用 繊維強化部のアルミニウム合金マトリツクスお
よび単体部において、それらの初晶Si量の比Ａ／
Ｂを前記のように特定すると、繊維強化部におい
てはアルミニウム合金マトリツクスの初晶Si量が
多いのでそのマトリツクスの強度が向上する。ア
ルミニウム合金マトリツクスは強化繊維による切
欠き効果を受けるため、その切欠き効果に対抗し
得る強度が要求されるが、このような構成のアル
ミニウム合金マトリツクスは前記要求を満たし、
繊維強化部の強度向上に寄与するものである。一
方、単体部においては初晶Si量が少ないのでその
硬さの上昇が抑制されて切削性が良好になる。 なお、初晶Si量の比Ａ／Ｂが1.1未満になると、
アルミニウム合金として低Si量のものを用いた場
合、アルミニウム合金マトリツクスの強度の向上
が十分に達成されなくなる。一方、前記比Ａ／Ｂ
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Ａ／Ｂが４を上回るように
制御すると、鋳造時湯温の低下を来たすため強化
繊維に対するアルミニウム合金の充填性が悪くな
り、鋳造欠陥を生じる。 (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ツク１を示
し、そのシリンダブロツク１の各シリンダボア２
回りが、強化繊維およびアルミニウム合金マトリ
ツクスよりなる繊維強化部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製
単体部１ｂと一体化されている。 強化繊維としては、アルミナ系繊維単独、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。 前記シリンダブロツク１の製造に当つては、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（Vf）が12％、炭素繊維のそれが９％
の円筒状成形体を製作する工程、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t2、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10〜300Kg／cm2の圧力ｐを加えてそれを成形
体に充填複合する工程が順次実施される。 前記のように加圧前に、溶湯を所定時間放置す
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含有量が多くなつた溶湯分
が成形体に充填されることになるので、繊維強化
部１ａのアルミニウム合金マトリツクスでは初晶
Si量Ａ（重量％）が単体部１ｂの初晶Si量Ｂ（重量
％）よりも多くなり、両部１ａ，１ｂにおける初
晶Si量の比Ａ／Ｂは、1.1≦Ａ／Ｂ≦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をそれぞれ示す。 第５図から明らかなように、繊維強化部１ａで
は初晶Si量が多く、その量Ａは、アルミナ系繊維
および炭素繊維を除くアルミニウム合金マトリツ
クスにおいて12重量％であり、一方、単体部１ｂ
では初晶Si量が少なく、その量Ｂは単体部１ｂに
おいて8.5重量％である。したがつて前記初晶Si
量の比Ａ／Ｂは、Ａ／Ｂ＝1.4である。 このように繊維強化部１ａのアルミニウム合金
マトリツクスでは初晶Si量が多くなるので、その
マトリツクスの強度が増し、また摺動特性も良好
となり、一方、単体部１ｂでは初晶Si量が少なく
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。 下表は、各種シリンダブロツクにおいて、繊維
強化部１ａおよび単体部１ｂの初晶Si量、強度等
を比較したものである。シリンダブロツクNo.２〜
No.４が本発明に該当し、シリンダブロツクNo.１、
No.５は比較例である。なお、シリンダブロツクNo.
３は第５図例に該当する。 表において、繊維強化部の方がアルミニウム合
金マトリツクスに比べて強度が低いのは、そのマ
トリツクスが強化繊維による切欠き効果を受ける
からである。
トリツクスより構成される繊維強化部と、その繊
維強化部と一体化され、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、過共晶組
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＋Si）を有
するので、繊維強化部におけるアルミニウム合金
マトリツクスの強度が向上する反面、単体部の硬
さが高くなるためその切削加工性が悪化するとい
う問題がある。 本発明は前記に鑑み、繊維強化部におけるアル
ミニウム合金マトリツクス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。 Ｂ 発明の構成 (1) 問題点を解決するための手段 本発明は、強化繊維およびアルミニウム合金マ
トリツクスより構成される繊維強化部と、その繊
維強化部と一体化され、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、前記アルミニウム合金マ
トリツクスの初晶Si量をＡ重量％とし、前記単体
部の初晶Si量をＢ重量％としたとき、ＡとＢの比
Ａ／Ｂを、1.1≦Ａ／Ｂ≦４に設定したことを特
徴とする。 (2) 作用 繊維強化部のアルミニウム合金マトリツクスお
よび単体部において、それらの初晶Si量の比Ａ／
Ｂを前記のように特定すると、繊維強化部におい
てはアルミニウム合金マトリツクスの初晶Si量が
多いのでそのマトリツクスの強度が向上する。ア
ルミニウム合金マトリツクスは強化繊維による切
欠き効果を受けるため、その切欠き効果に対抗し
得る強度が要求されるが、このような構成のアル
ミニウム合金マトリツクスは前記要求を満たし、
繊維強化部の強度向上に寄与するものである。一
方、単体部においては初晶Si量が少ないのでその
硬さの上昇が抑制されて切削性が良好になる。 なお、初晶Si量の比Ａ／Ｂが1.1未満になると、
アルミニウム合金として低Si量のものを用いた場
合、アルミニウム合金マトリツクスの強度の向上
が十分に達成されなくなる。一方、前記比Ａ／Ｂ
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Ａ／Ｂが４を上回るように
制御すると、鋳造時湯温の低下を来たすため強化
繊維に対するアルミニウム合金の充填性が悪くな
り、鋳造欠陥を生じる。 (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ツク１を示
し、そのシリンダブロツク１の各シリンダボア２
回りが、強化繊維およびアルミニウム合金マトリ
ツクスよりなる繊維強化部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製
単体部１ｂと一体化されている。 強化繊維としては、アルミナ系繊維単独、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。 前記シリンダブロツク１の製造に当つては、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（Vf）が12％、炭素繊維のそれが９％
の円筒状成形体を製作する工程、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t2、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10〜300Kg／cm2の圧力ｐを加えてそれを成形
体に充填複合する工程が順次実施される。 前記のように加圧前に、溶湯を所定時間放置す
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含有量が多くなつた溶湯分
が成形体に充填されることになるので、繊維強化
部１ａのアルミニウム合金マトリツクスでは初晶
Si量Ａ（重量％）が単体部１ｂの初晶Si量Ｂ（重量
％）よりも多くなり、両部１ａ，１ｂにおける初
晶Si量の比Ａ／Ｂは、1.1≦Ａ／Ｂ≦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をそれぞれ示す。 第５図から明らかなように、繊維強化部１ａで
は初晶Si量が多く、その量Ａは、アルミナ系繊維
および炭素繊維を除くアルミニウム合金マトリツ
クスにおいて12重量％であり、一方、単体部１ｂ
では初晶Si量が少なく、その量Ｂは単体部１ｂに
おいて8.5重量％である。したがつて前記初晶Si
量の比Ａ／Ｂは、Ａ／Ｂ＝1.4である。 このように繊維強化部１ａのアルミニウム合金
マトリツクスでは初晶Si量が多くなるので、その
マトリツクスの強度が増し、また摺動特性も良好
となり、一方、単体部１ｂでは初晶Si量が少なく
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。 下表は、各種シリンダブロツクにおいて、繊維
強化部１ａおよび単体部１ｂの初晶Si量、強度等
を比較したものである。シリンダブロツクNo.２〜
No.４が本発明に該当し、シリンダブロツクNo.１、
No.５は比較例である。なお、シリンダブロツクNo.
３は第５図例に該当する。 表において、繊維強化部の方がアルミニウム合
金マトリツクスに比べて強度が低いのは、そのマ
トリツクスが強化繊維による切欠き効果を受ける
からである。
【表】
繊維強化部１ａのアルミニウム合金マトリツク
スにおける初晶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、
単に成形体に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
節することによつて達成される。 上記のように初晶Siの平均粒径を特定すると、
その初晶Siが微細化され、これにより繊維強化部
１ａにおけるアルミニウム合金マトリツクスの強
度を向上させ、また初晶Si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Siの平
均粒径が前記平均直径を上回ると、初晶Si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，１ｂにおける初晶
Siの調節を行うには、前記のように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Si
によるアルミニウム合金マトリツクスの強度向上
効果を期待することができず、一方、Siの含有量
が14.0重量％を上回ると単体部１ｂが過共晶組成
傾向となり、粗大な初晶Siが晶出し易くなつて強
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、即ちシヨツトが必然的に含まれ
ているもので、そのシヨツトの粒径および含有量
によつて繊維強化部１ａ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以上のシヨツトのみならず、粒径150μｍ
以下のシヨツトが繊維強化部１ａの、強度に与え
る影響および強度に影響を与えるシヨツトの平均
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、シヨツトの平均粒径を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、線ｂ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（シヨツト
含有）に対する平均粒径150μｍ以下のシヨツト
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ｂ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。 またシヨツ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倍以上のシヨツトが、その含有量い
かんによつて繊維強化部１ａの強度等に影響を与
えるもので、この場合にも前記シヨツトの含有量
を4.0重量％以下に設定することによつて前記同
様の摺動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ヨ
ツトの含有量と繊維強化部１ａの引張強さとの関
係を示し、全シヨツトの含有量がアルミナ系繊維
（シヨツト含有）に対して10.0重量％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。 したがつて、全シヨツトの含有量は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ツ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に摩耗を促進する。一方、
α化率が低過ぎると耐摩耗性が劣化する。 したがつて、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重量％以上、25重量％以下、
好ましくは２〜５重量％に、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）とのチツプオンデイスク式摺動試験結
果を示す。線ｆは焼付限界特性に、また線ｇはス
クラツ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、この材料によりチツプを形成する。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、この材料によりデイスク
を形成する。これらチツプおよびデイスクの摺動
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1.0μ
ｍ以上に設定した理由は、それを下回る面粗度を
研磨加工により得るには非常に手数を要するから
である。 テスト方法はデイスクを9.5ｍ／secの速度で回
転させ、そのデイスクの摺動面にチツプの摺動面
を無潤滑下にて所定の押圧力を以て押付け、各チ
ツプの面粗度と、焼付限界およびスクラツチ限界
においてチツ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、チツプの面粗度
が1.0〜3.0μｍの範囲にあれば、スクラツチ限界
の面圧が約25〜約35Kg／cm2で、また焼付限界の面
圧が66〜82Kg／cm2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ツプ
と鋳鉄製デイスク間の摺動試験において、スクラ
ツチおよび焼付現象は、摺動試験中にチツプのア
ルミニウム合金マトリツクスから脱落したアルミ
ナ系繊維により促進される。したがつてアルミナ
系繊維をマトリツ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ツ
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、チツ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ツクス中に埋込まれてマ
トリツ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ツクス中への埋込
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、チツ
プの面粗度は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（JIS
FCD75）とのチツプオンデイスク式摺動試験結
果を示す。線ｈは焼付限界特性に、また線ｉはス
クラツ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、この材料によりチツプを形成する。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
材料によりデイスクを形成する。チツプおよびデ
イスクの面粗度は1μｍに設定される。 テスト方法はデイスクを9.5ｍ／secの速度で回
転させ、そのデイスクの摺動面にチツプの摺動面
を無潤滑下にて所定の押圧力をもつて押付け、各
チツプのアルミナ系繊維の繊維体積率と、焼付限
界およびスクラツチ限界においてチツプに作用す
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ｉ
の如くチツプにおけるスクラツチ限界の面圧が約
30〜約95Kg／cm2で、また線ｈの如く焼付限界の面
圧が約70〜約170Kg／cm2と高い。その上、チツプ
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、マトリツ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ｊ、ｋ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ツド型繊維
強化アルミニウム合金製チツプの焼付限界特性お
よびスクラツ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ツド型のチツプにおいて
は、その焼付限界特性およびスクラツチ限界特性
が、線ｈ、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。したがつて炭素繊維は繊維体積率
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
がマトリツクスより脱落してもスクラツチ限界特
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
トリツクスの充填性が悪化する。したがつてアル
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（JIS
FCD75）とのチツプオンデイスク式摩耗試験結
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。 前記合金は繊維強化部１ａの構成材料に相当
し、この材料によりチツプを形成する。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
材料によりデイスクを形成する。チツプおよびデ
イスクの面粗度は1μｍに設定される。 テスト方法は、デイスクを2.5ｍ／secの速度で
回転させ、そのデイスクの摺動面にチツプの摺動
面を潤滑下にて押圧力20Kgを以て押付け、その状
態を摺動距離が2000ｍに達するまで維持したもの
である。潤滑油の供給量は２〜３ml／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の如くチツプの摩耗量が約0.5〜0.85μｍ
と少なく、また線ｎの如くデイスクの摩耗量が約
2.85〜約5μｍと少なくなる。 チツプおよびデイ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、クランクピン孔回
りを繊維強化したコンロツド、スリツパ面および
その近傍を繊維強化したロツカアーム、弁座を繊
維強化したシリンダヘツド、ジヤーナルを繊維強
化したカムシヤフト、各種軸受部材料等に適用さ
れる。 Ｃ 発明の効果 本発明によれば、繊維強化部におけるアルミニ
ウム合金マトリツクスの初晶Si量および単体部の
初晶Si量の関係を前記のように特定することによ
り、強化繊維による切欠き効果を受けるアルミニ
ウム合金マトリツクスの強度、延いては繊維強化
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。
スにおける初晶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、
単に成形体に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
節することによつて達成される。 上記のように初晶Siの平均粒径を特定すると、
その初晶Siが微細化され、これにより繊維強化部
１ａにおけるアルミニウム合金マトリツクスの強
度を向上させ、また初晶Si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Siの平
均粒径が前記平均直径を上回ると、初晶Si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，１ｂにおける初晶
Siの調節を行うには、前記のように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Si
によるアルミニウム合金マトリツクスの強度向上
効果を期待することができず、一方、Siの含有量
が14.0重量％を上回ると単体部１ｂが過共晶組成
傾向となり、粗大な初晶Siが晶出し易くなつて強
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、即ちシヨツトが必然的に含まれ
ているもので、そのシヨツトの粒径および含有量
によつて繊維強化部１ａ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以上のシヨツトのみならず、粒径150μｍ
以下のシヨツトが繊維強化部１ａの、強度に与え
る影響および強度に影響を与えるシヨツトの平均
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、シヨツトの平均粒径を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、線ｂ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（シヨツト
含有）に対する平均粒径150μｍ以下のシヨツト
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ｂ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。 またシヨツ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倍以上のシヨツトが、その含有量い
かんによつて繊維強化部１ａの強度等に影響を与
えるもので、この場合にも前記シヨツトの含有量
を4.0重量％以下に設定することによつて前記同
様の摺動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ヨ
ツトの含有量と繊維強化部１ａの引張強さとの関
係を示し、全シヨツトの含有量がアルミナ系繊維
（シヨツト含有）に対して10.0重量％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。 したがつて、全シヨツトの含有量は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ツ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に摩耗を促進する。一方、
α化率が低過ぎると耐摩耗性が劣化する。 したがつて、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重量％以上、25重量％以下、
好ましくは２〜５重量％に、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）とのチツプオンデイスク式摺動試験結
果を示す。線ｆは焼付限界特性に、また線ｇはス
クラツ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、この材料によりチツプを形成する。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、この材料によりデイスク
を形成する。これらチツプおよびデイスクの摺動
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1.0μ
ｍ以上に設定した理由は、それを下回る面粗度を
研磨加工により得るには非常に手数を要するから
である。 テスト方法はデイスクを9.5ｍ／secの速度で回
転させ、そのデイスクの摺動面にチツプの摺動面
を無潤滑下にて所定の押圧力を以て押付け、各チ
ツプの面粗度と、焼付限界およびスクラツチ限界
においてチツ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、チツプの面粗度
が1.0〜3.0μｍの範囲にあれば、スクラツチ限界
の面圧が約25〜約35Kg／cm2で、また焼付限界の面
圧が66〜82Kg／cm2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ツプ
と鋳鉄製デイスク間の摺動試験において、スクラ
ツチおよび焼付現象は、摺動試験中にチツプのア
ルミニウム合金マトリツクスから脱落したアルミ
ナ系繊維により促進される。したがつてアルミナ
系繊維をマトリツ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ツ
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、チツ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ツクス中に埋込まれてマ
トリツ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ツクス中への埋込
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、チツ
プの面粗度は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（JIS
FCD75）とのチツプオンデイスク式摺動試験結
果を示す。線ｈは焼付限界特性に、また線ｉはス
クラツ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、この材料によりチツプを形成する。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
材料によりデイスクを形成する。チツプおよびデ
イスクの面粗度は1μｍに設定される。 テスト方法はデイスクを9.5ｍ／secの速度で回
転させ、そのデイスクの摺動面にチツプの摺動面
を無潤滑下にて所定の押圧力をもつて押付け、各
チツプのアルミナ系繊維の繊維体積率と、焼付限
界およびスクラツチ限界においてチツプに作用す
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ｉ
の如くチツプにおけるスクラツチ限界の面圧が約
30〜約95Kg／cm2で、また線ｈの如く焼付限界の面
圧が約70〜約170Kg／cm2と高い。その上、チツプ
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、マトリツ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ｊ、ｋ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ツド型繊維
強化アルミニウム合金製チツプの焼付限界特性お
よびスクラツ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ツド型のチツプにおいて
は、その焼付限界特性およびスクラツチ限界特性
が、線ｈ、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。したがつて炭素繊維は繊維体積率
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
がマトリツクスより脱落してもスクラツチ限界特
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
トリツクスの充填性が悪化する。したがつてアル
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（JIS
FCD75）とのチツプオンデイスク式摩耗試験結
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。 前記合金は繊維強化部１ａの構成材料に相当
し、この材料によりチツプを形成する。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
材料によりデイスクを形成する。チツプおよびデ
イスクの面粗度は1μｍに設定される。 テスト方法は、デイスクを2.5ｍ／secの速度で
回転させ、そのデイスクの摺動面にチツプの摺動
面を潤滑下にて押圧力20Kgを以て押付け、その状
態を摺動距離が2000ｍに達するまで維持したもの
である。潤滑油の供給量は２〜３ml／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の如くチツプの摩耗量が約0.5〜0.85μｍ
と少なく、また線ｎの如くデイスクの摩耗量が約
2.85〜約5μｍと少なくなる。 チツプおよびデイ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、クランクピン孔回
りを繊維強化したコンロツド、スリツパ面および
その近傍を繊維強化したロツカアーム、弁座を繊
維強化したシリンダヘツド、ジヤーナルを繊維強
化したカムシヤフト、各種軸受部材料等に適用さ
れる。 Ｃ 発明の効果 本発明によれば、繊維強化部におけるアルミニ
ウム合金マトリツクスの初晶Si量および単体部の
初晶Si量の関係を前記のように特定することによ
り、強化繊維による切欠き効果を受けるアルミニ
ウム合金マトリツクスの強度、延いては繊維強化
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。
第１〜第３図はシリンダブロツクを示し、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以下のシヨツト
の含有量と焼付限界面圧との関係を示すグラフ、
第７図は全シヨツ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１０図
はチツプおよびデイスクの面粗度とチツプに作用
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ツプに作用する面圧
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ツプおよびデイスクの摩耗量
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、Ｓ……初晶Si、１ａ，……
繊維強化部、１ｂ……単体部。
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以下のシヨツト
の含有量と焼付限界面圧との関係を示すグラフ、
第７図は全シヨツ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１０図
はチツプおよびデイスクの面粗度とチツプに作用
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ツプに作用する面圧
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ツプおよびデイスクの摩耗量
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、Ｓ……初晶Si、１ａ，……
繊維強化部、１ｂ……単体部。
Claims (1)
- 【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ツク
スより構成される繊維強化部と、その繊維強化部
と一体化され、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、前記アルミニウム合金マトリツク
スの初晶Si量をＡ重量％とし、前記単体部の初晶
Si量をＢ重量％としたとき、ＡとＢとの比Ａ／Ｂ
を、1.1≦Ａ／Ｂ≦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 前記アルミニウム合金マトリツクスにおける
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。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24097986A JPS6396229A (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 繊維強化アルミニウム合金部材 |
| FR878710905A FR2602272B1 (fr) | 1986-07-31 | 1987-07-31 | Moteur a combustion interne comprenant un bloc-cylindres a zone renforcee par des fibres, et des pistons a segments coulissants dans les alesages des cylindres |
| US07/080,495 US4817578A (en) | 1986-07-31 | 1987-07-31 | Internal combustion engine |
| GB8718149A GB2193786B (en) | 1986-07-31 | 1987-07-31 | Internal combustion engine |
| CA000543531A CA1328385C (en) | 1986-07-31 | 1987-07-31 | Internal combustion engine |
| DE3725495A DE3725495A1 (de) | 1986-07-31 | 1987-07-31 | Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24097986A JPS6396229A (ja) | 1986-10-09 | 1986-10-09 | 繊維強化アルミニウム合金部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6396229A JPS6396229A (ja) | 1988-04-27 |
| JPH0364576B2 true JPH0364576B2 (ja) | 1991-10-07 |
Family
ID=17067509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24097986A Granted JPS6396229A (ja) | 1986-07-31 | 1986-10-09 | 繊維強化アルミニウム合金部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6396229A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5106702A (en) * | 1988-08-04 | 1992-04-21 | Advanced Composite Materials Corporation | Reinforced aluminum matrix composite |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS591652A (ja) * | 1982-06-25 | 1984-01-07 | Toray Ind Inc | 複合構造材料 |
-
1986
- 1986-10-09 JP JP24097986A patent/JPS6396229A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6396229A (ja) | 1988-04-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |