JPH0873965A

JPH0873965A - 繊維強化金属基複合材料

Info

Publication number: JPH0873965A
Application number: JP21470594A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kajikawa; 義明梶川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-09-08
Filing date: 1994-09-08
Publication date: 1996-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】低い製品コストの下、高い耐摩耗性と低い相手
攻撃性とを安定して発揮できるＦＲＭを提供する。【構成】アルミナ繊維を含む繊維成形体と、この繊維成
形体を埋設するＡｌ合金の金属マトリックスとからなる
ＦＲＭにおいて、繊維成形体は、繊維成形体１００体積
％に対して５〜１５体積％のアルミナゾルを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は繊維強化金属基複合材料に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】繊維成形体と、この繊維成形体を埋設す
る金属からなるマトリックスとからなる繊維強化金属基
複合材料（ＦＲＭ）が知られている。繊維成形体は、主
としてアルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維等のセラミ
ックス繊維からなり、一般に吸引成形法によって所定形
状に成形される。この繊維成形体は、Ａｌ合金等の溶融
金属を用いて鋳造されることにより、ＦＲＭとされる。

【０００３】かかるＦＲＭでは、摺動材として用いられ
る場合の耐摩耗性を向上させるため、全体のうちのセラ
ミックス繊維の量を増加させたり、繊維成形体中にアル
ミナ粒子、ＳｉＣ粒子等のセラミックス粒子を添加させ
ることは通常なされている。また、繊維成形体の形状保
持のため、シリカゾル（コロイダルシリカ）からなるセ
ラミックスバインダが繊維成形体に添加されている（特
開平４３５０１３６号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、摺動材として
ＦＲＭを用いる場合の耐摩耗性を向上させるため、ＦＲ
Ｍ全体のうちのセラミックス繊維の量を増加させると、
セラミックス繊維自体の硬度が比較的高いため、相手材
の摩耗を増加させる場合がある。また、セラミックス繊
維は比較的高価であるため、セラミックス繊維の量の増
加は製品コストの増大を招いてしまう。

【０００５】一方、耐摩耗性を向上させるため、繊維成
形体中にセラミックス粒子を添加しても、同様にセラミ
ックス粒子自体の硬度が比較的高いため、直径が数十μ
ｍ程度のセラミックス粒子では、やはり相手材の摩耗を
増加させる場合がある。このため、直径が数μｍ程度の
セラミックス粒子を採用し、これにより耐摩耗性の向上
とともに相手攻撃性の低下を図ることも考えられるが、
こうすると一般的な吸引成形法によって繊維成形体を成
形する場合にセラミックス粒子が凝集しやすい。そし
て、こうして得られたＦＲＭでは、セラミックス粒子の
不均一な分散により、安定した摺動特性を発揮しにくい
という問題を生じてしまう。

【０００６】また、セラミックスバインダを多量に添加
すると、ＦＲＭの強度を低下させてしまう場合がある。
本発明は、上記した従来の実情に鑑みてなされたもので
あって、低い製品コストの下、高い耐摩耗性と低い相手
攻撃性とを安定して発揮できるＦＲＭを提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１のＦＲＭは、セ
ラミックス繊維を含む繊維成形体と、該繊維成形体を埋
設する金属マトリックスとからなるＦＲＭにおいて、前
記繊維成形体は、該繊維成形体１００体積％に対して５
〜１５体積％のセラミックスバインダを含むことを特徴
とする。

【０００８】請求項１のＦＲＭは、繊維成形体と金属マ
トリックスとからなる。繊維成形体は、セラミックス繊
維とセラミックスバインダとを有する。セラミックス繊
維としては、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、Ｓ
ｉＣ繊維、炭素繊維、ボロン繊維、アルミナウィスカ、
ＳｉＣウィスカ等を１種又は多種採用することができ
る。

【０００９】セラミックスバインダとしては、コロイダ
ルシリカ、アルミナゾル、ジルコニアゾル、クロミアゾ
ル等の酸化物系セラミックスバインダを１種又は多種採
用することができる。このセラミックスバインダは、
（１）吸引成形法によって繊維成形体を成形する場合に
は、スラリー中にセラミックス繊維とともに高濃度で添
加する方法、（２）成形された繊維成形体に含浸させる
方法により、繊維成形体中に取り込むことができる。

【００１０】セラミックスバインダが繊維成形体１００
体積％に対して５体積％未満であればＦＲＭの耐摩耗性
向上の効果が小さく、セラミックスバインダが繊維成形
体１００体積％に対して１５体積％を超えればＦＲＭの
相手攻撃性が高くなる。金属マトリックスとしては、Ａ
ｌ合金、Ｍｇ合金等を採用することができる。

【００１１】

【作用】繊維成形体中のセラミックスバインダは、繊維
成形体の製造工程の焼結時に結晶化するために硬度が上
がる。硬度が上がったセラミックスバインダとセラミッ
クス繊維とによって強化されたＦＲＭは高い耐摩耗性と
低い相手攻撃性とを有する。

【００１２】

【実施例】以下、請求項１の発明を具体化した実施例を
比較例とともに試験１、２において図面を参照しつつ説
明する。（試験１）平均繊維径３μｍ、平均繊維長５００μｍの
アルミナ繊維（α−Ａｌ₂Ｏ₃化率３６％、ＩＣＩ社製
「サフィル」）と、セラミックスバインダとしてのアル
ミナゾルと、有機バインダとしてのＰＶＤ（ポリ塩化ビ
ニリデン）とを水中に分散させ、スラリーを得る。

【００１３】このスラリーを用い、吸引圧縮成形法によ
り成形体を成形する。この成形体を約８００℃で焼成す
ることによりＰＶＤを除去し、６０×６０×２０（ｍ
ｍ）、アルミナ繊維の体積率５％の繊維成形体を得る。
このとき、スラリー中のアルミナゾルの濃度を９重量
％、１５重量％、２１重量％、２７重量％、３３重量
％、３９重量％、４５重量％、５１重量％の８種類と
し、繊維成形体１００体積％に対してアルミナゾルが
２．０体積％、３．１体積％、５．２体積％、７．２体
積％、９体積％、１１体積％、１２．９体積％、１４．
７体積％、１７体積％含まれるようにした。

【００１４】また、アルミナ繊維の体積率１０％、繊維
成形体１００体積％に対してアルミナゾルが２．２体積
％の繊維成形体と、アルミナ繊維の体積率１３％、繊維
成形体１００体積％に対してアルミナゾルが３．１体積
％の繊維成形体とを得た。これらの繊維成形体のアルミ
ナ繊維の体積率と、アルミナゾルの体積率とを表１に示
す。

【００１５】

【表１】これら各繊維成形体を約４００℃に予熱後、高圧鋳造型
の底にセットし、Ａｌ合金（ＪＩＳＡＣ８Ａ）の約７５
０℃の溶湯を注湯する。そして、約１０００気圧の圧力
で加圧鋳造し、それぞれＦＲＭを得る。この後、各ＦＲ
Ｍを熱処理（Ｔ６）する。各ＦＲＭからＬＦＷ摩耗試験
片を機械加工により切り出す。

【００１６】相手リング材がＳＵＪ２、接触面圧が２０
ｋｇ／ｍｍ²、滑り速度が０．３ｍ／秒、摺動時間が１
時間、エンジンオイル中の条件の下、ＬＦＷ摩耗試験を
行った。実施例１〜５及び比較例１〜５の各試験片の摩
耗量（μｍ）と、相手リング材の摩耗量（ｍｇ）との結
果を図１に示す。なお、各試験片の摩耗量及び相手リン
グ材の摩耗量の好ましい境界線を破線で示す。

【００１７】図１より、比較例１、２の試験片では、相
手攻撃性は低いが、耐摩耗性が低い。また、比較例３の
試験片では、耐摩耗性は高いが、相手攻撃性が高い。さ
らに、比較例４、５の試験片でも、耐摩耗性は高いが、
相手攻撃性が高い。これに対し、実施例１〜５の試験片
では、相手攻撃性が低いとともに、高い耐摩耗性が得ら
れる。

【００１８】したがって、繊維成形体１００体積％に対
して５〜１５体積％のアルミナゾルを含む繊維成形体で
あれば、高い耐摩耗性と低い相手攻撃性とを安定して発
揮できるＦＲＭが得られることがわかる。（試験２）平均繊維径３．２μｍ、平均繊維長６５０μ
ｍのアルミナ−シリカ繊維（イソライト工業社製「アル
シロン」）と、セラミックスバインダとしてのジルコニ
アゾルとを用い、試験１と同様に、アルミナ−シリカ繊
維の体積率７％の繊維成形体を得る。

【００１９】このとき、スラリー中のジルコニアゾルの
濃度を調整し、繊維成形体１００体積％に対してジルコ
ニアゾルが５．４体積％、７．２体積％、９．５体積
％、１２．８体積％含まれるようにした。また、平均粒
径２８μｍのアルミナ粒子（昭和電工社製）をスラリー
中に添加し、アルミナ−シリカ繊維の体積率７％、繊維
成形体１００体積％に対してアルミナ粒子が３体積％、
繊維成形体１００体積％に対してジルコニアゾルが２．
０体積％の繊維成形体を得た。

【００２０】これらの繊維成形体のアルミナ−シリカ繊
維の体積率と、アルミナ粒子の体積率と、ジルコニアゾ
ルの体積率とを表２に示す。

【００２１】

【表２】これら各繊維成形体を用い、試験１と同様に、ＬＦＷ摩
耗試験片を切り出す。そして、試験１と同一の条件の
下、ＬＦＷ摩耗試験を行った。実施例６〜９及び比較例
６の各試験片の摩耗量（μｍ）と、相手リング材の摩耗
量（ｍｇ）との結果を試験１と同様に図２に示す。

【００２２】図２より、比較例６の試験片では、耐摩耗
性は高いが、相手攻撃性が高い。これに対し、実施例６
〜９の試験片では、相手攻撃性が低いとともに、高い耐
摩耗性が得られる。したがって、セラミックス繊維とし
てアルミナ−シリカ繊維を用いた場合でも、繊維成形体
１００体積％に対して５〜１５体積％のジルコニアゾル
を含む繊維成形体であれば、高い耐摩耗性と低い相手攻
撃性とを安定して発揮できるＦＲＭが得られることがわ
かる。（試験３）試験１と同種のアルミナ繊維及びアルミナゾ
ルを用い、試験１と同様に、アルルミナ繊維の体積率８
％、繊維成形体１００体積％に対してアルミナゾルが１
２体積％の円筒状の繊維成形体を得る。

【００２３】この繊維成形体を約５００℃に予熱後、ガ
ソリンエンジンブロック用金型のボア部にセットする。
そして、高圧鋳造法により、ボア部が試験３のＦＲＭに
係る２０００ｃｃ、４気筒のシリンダブロックを製造す
る。ピストンスカートに鉄メッキを施したピストン本体
と、外周を窒化処理し、Ｃｒが１７重量％、残部Ｆｅの
ステンレス鋼からなるピストンリングとを用意する。そ
して、ピストン本体にピストンリングを装着し、ピスト
ンとする。試験３のシリンダブロックとこのピストンと
により、回転数が６０００ｒｐｍ、試験時間が２００時
間の条件の下、エンジンの耐久試験を行った。

【００２４】試験の結果、上死点でのトップリングに対
向するボア部の摩耗量は約４μｍであり、トップリング
外周面の摩耗量も問題となるレベルではなかった。した
がって、このシリンダブロックは十分耐久性があること
が確認できる。なお、セラミックスバインダの添加量が
一般と比べて多いため、ＦＲＭの強度低下を危惧するの
であれば、強度がさほど必要とされない試験３のシリン
ダブロックのボア部に本発明のＦＲＭを採用することが
好ましい。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１のＦＲＭ
では、繊維成形体が繊維成形体１００体積％に対して５
〜１５体積％のセラミックスバインダを含むため、低い
製品コストの下、高い耐摩耗性と低い相手攻撃性とを安
定して発揮できるものとなる。また、セラミックスバイ
ンダは非常に微小であるため、ＦＲＭを機械加工する場
合にも相手攻撃性が低く、優れた加工性に寄与する。

【００２６】さらに、セラミックスバインダは比較的安
価であるため、低い製品コストを実現できる。また、一
般的な吸引成形法によって繊維成形体を成形する場合に
も、安定した摺動特性を発揮できる。さらに、繊維成形
体を焼成する温度、時間又は２種以上のセラミックスバ
インダの混合等により、所望の摺動特性に対する高い自
由度を発揮することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１〜５及び比較例１〜５の各試験片につ
いての試験１に係り、各試験片の摩耗量と相手リング材
の摩耗量とを示すグラフである。

【図２】実施例６〜９及び比較例６の各試験片について
の試験２に係り、各試験片の摩耗量と相手リング材の摩
耗量とを示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス繊維を含む繊維成形体と、該
繊維成形体を埋設する金属マトリックスとからなる繊維
強化金属基複合材料において、前記繊維成形体は、該繊維成形体１００体積％に対して
５〜１５体積％のセラミックスバインダを含むことを特
徴とする繊維強化金属基複合材料。