JPS63153231A - 金属繊維強化金属複合材料及びその製造方法 - Google Patents

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】 産業上の利用分野 本発明は、複合材料に係り、更に詳細には金属繊維強化
金属複合材料及びその製造方法に係る。

従来の技術 例えば特開昭５８−９３８３７号、同５８−９３８４１
号、同５９−７０７３６号公報に記載されている如く、
アルミニウム合金やマグネシウム合金の如き金属の耐摩
耗性、強度等を向上させる目的で、これらの金属をセラ
ミック繊維や金属繊維にて複合強化することが従来より
試みられている。

発明が解決しようとする問題点 しかしセラミック繊維は硬度や耐熱性に優れてはいるが
、■殆ど延性を有していないため、セラミック繊維を強
化繊維とする複合材料は脆性的になり易（、■セラミツ
ク繊維は熱伝導性が悪いため、複合材料の熱伝導率も低
下し、■セラミックは繊維化が困難な材料であるため、
セラミック繊維の種類や形状が限定され、従って複合材
料に要求される特性に必ずしも適合することができず、
■セラミック繊維はマトリックス金属の溶湯との濡れ性
が悪いため、セラミック繊維とマトリックスとの密着性
に優れた複合材料を製造することが困難であるという問
題がある。

また金属繊維は延性及び熱伝導性に優れてはいるが、セ
ラミック繊維に比して硬度が低いため、セラミック繊維
を強化繊維とする場合に比して複合材料の耐摩耗性を良
好に向上させることが困難である。

本発明は、セラミック繊維や金属繊維を強化繊維とする
従来の繊維強化金属捏合材料に於ける上述の如き問題に
鑑み、耐摩耗性に優れ、十分な靭性及び熱伝導性を有し
、金属繊維とマトリックスとの密着性に優れた金属繊維
強化金属複合材料、及びかかる腹合材料を能率よく且低
廉に製造することのできる方法を提供することを目的と
している。

問題点を解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、窒化により表面層
のみが硬化された金属繊維を強化繊維とする金属繊維強
化金属複合材料、及び金属繊維の表面層のみを窒化し、
窒化により加熱された状態の前記金属繊維にてマトリッ
クス金属を複合化することを含む金属繊維強化金属複合
材料の製造方法によって達成される。

発明の作用及び効果 本発明の複合材料によれば、強化繊維は窒化により表面
層のみが硬化された金属繊維、即ち表面層はセラミック
繊維と同等の硬度を有し且セラミック繊維よりもマトリ
ックス金属の溶湯との濡れ性に優れた固溶体よりなり、
中心部はセラミック繊維よりも延性及び熱伝導性に優れ
た金属よりなっているので、耐摩耗性に優れ、十分な靭
性及び熱伝導性を有し、金属繊維とマトリックスとの密
着性にも優れた金属繊維強化金属複合材料を得ることが
できる。

また本発明の製造方法によれば、金属繊維の表面層のみ
を窒化することにより表面層が硬化され、その窒化によ
り加熱された状態の金属繊維にてマトリックス金属を複
合化することが行われるので、複合化が加圧浸透法によ
り行われる場合には、本願出願人と同一の出願人の出願
にかかる特開昭５７−３１４６７号公報に開示されてい
る如く、マトリックス金属の溶湯に対する金属繊維の濡
れ性を向上させ、個々の金属繊維の間に良好に溶湯を侵
入させる目的で、複合化に先立って金属繊維を別途予熱
する工程を省略することができ、また複合化がホットプ
レス等により行われる場合には、金属繊維及びマトリッ
クス金属を加熱する際の入熱量を低減することができ、
これにより上述の如く優れた性質を有する金属繊維強化
金属複合材料を能率よく且低廉に製造することができる
。

尚本発明の複合材料及びその製造方法に於ける金属繊維
を構成する金属は、窒化によりその硬度が増大する任意
の金属であってよく、例えばチタニウム、ジルコニウム
、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム
、モリブデンの如き高融点金属及びその合金や、鉄、コ
バルト、ニッケルをベースとする耐熱合金であってよい
。また金属繊維の表面層を窒化するための窒化法は、ガ
ス窒化、液体窒化（塩浴窒化）、軟窒化（タフトライデ
ィング）の何れであってもよい。更に本発明の複合材料
は、本発明の製造方法を利用しなくても製造され得るも
のであり、例えば表面層のみが窒化された金属繊維を用
意し、その金属繊維を予熱し又は予熱せずに例えば加圧
浸透法やホットプレス法によってマトリックス金属と複
合化することにより製造されてもよいものである。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例１ まず平均繊維径５０μ、平均繊維長５ｍｍの鋼（Ｊ　Ｉ
　Ｓ！ｒ６ＳＡＣＭ１）繊維の集合体に対し圧縮成形を
行うことにより、第１図に示されている如く、５０Ｘ５
０Ｘ１０ｍｍの寸法を有し、個々の鋼繊維２が５０Ｘ５
０ａｓの平面に平行な実質的に二次元ランダムにて配向
された繊維体積率的１０％の繊維成形体１を形成した。

次いで図には示されていないが、繊維成形体１をアンモ
ニア気流中にて５２５℃に３０分間加熱することにより
、個々の鋼繊維の表面層を窒化した。この場合窒化層の
深さは繊維の表面より約１２μであり、窒化層の硬さは
ビッカース硬さで約１０００であった。

次いで第２図に示されている如く、窒化処理された繊維
成形体１をその温度が実質的に低下しないうちに鋳型３
のモールドキャビティ４内に配置し、該モールドキャビ
ティ内に約７３０”Ｃのアルミニウム合金（ＪＩＳ規格
ＡＣ８Ａ）の溶湯５を注湯し、該溶湯を鋳型３に嵌合す
るブランジャ６により約１０００　ｋｇ／ｃｊの圧力に
加圧し、その加圧状態を溶湯が完全に凝固するまで保持
した。かくして第３図に示されている如く円柱状の凝固
体７を鋳造し、更に該凝固体に対し熱処理Ｔ６を施し、
該凝固体より繊維体積率的１０％の腹合材料１゛を切出
した。次いでその複合材料（Ａ）より大きさが１６Ｘ６
Ｘ１０ｍｓであり、１６Ｘ６ｍｓの面を試験面とするブ
ロック試験片Ａを鋼繊維の二次元ランダム平面が１６Ｘ
１０ａ＋ｍの平面に平行になるよう切出した。

また比較の目的で、平均繊維径３μ、平均繊維長２■の
アルミナ−シリカ繊維（５０％Ａｌ２Ｏ３，５０％５１
０２）が使用された点を除き、上述のブロック試験片Ａ
と同一の要領にて体積率的１０％のアルミナ−シリカ繊
維を強化繊維とする腹合材料Ｂよりなるブロック試験片
Ｂを形成し、窒化処理されていない鋼繊維が使用された
点を除き、上述のブロック試験片Ａと同一の要領にて体
積率的１０％の鋼繊維を強化繊維とする複合材料Ｃより
なるブロック試験片Ｃを形成し、更に熱処理Ｔ６が施さ
れたアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）のみより
なる同一寸法のブロック試験片りを形成した。

次いでこれらのブロック試験片を順次摩擦摩耗試験機に
セットし、相手材である外径３５ｍｍ、内径３０ｍｍ、
幅１０ｍｍの軸受鋼（ＪＩＳ規洛５ＵＪ２）製の円筒試
験片の外周面と接触させ、それらの試験片の接触部に常
ａ（２０℃）の潤滑油（キャッスルモータオイル５Ｗ−
３０）を供給しつつ、押圧荷重６０　ｋｇ、回転数１６
０ｒｐ−の条件にて円筒試験片を１時間に亙り回転させ
る摩耗試験を行った。この摩耗試験の結果を第４図に示
す。尚第４図に於て、上半分はブロック試験片の摩耗量
（摩耗痕深さμ）を表しており、下半分は相手材である
円筒試験片の摩耗量（摩耗減量Ｂ）を表している。

第４図より、繊維強化されたアルミニウム合金よりなる
ブロック試験片Ａ−Ｃはアルミニウム合金のみよりなる
ブロック試験片りよりも遥かに摩耗量が少なく、特に表
面層が窒化された鋼繊維にて複合強化されたアルミニウ
ム合金よりなるブロック試験片への摩耗量はブロック試
験片Ｂ及びＣよりも少ないことが解る。また円筒試験片
の摩耗量もブロック試験片Ａを相手材する場合に最も少
ないことが解る。この摩耗試験の結果より、表面層が窒
化された鋼繊維にて複合強化されたアルミニウム合金よ
りなる腹合材料はアルミナ−シリカ繊維又は窒化されて
いない鋼繊維を強化繊維とする謹白材料よりも耐摩耗性
に優れていることが解る。

実施例２ 実施例１に於て使用された鋼繊維と同一のＭ繊維を実施
例１の場合と同一の窒化法により１，５時間に亙り窒化
することにより、鋼繊維の内部まで完全に窒化させた。

次いでこの完全に窒化された鋼繊維を用いて実施例１の
複合材料への場合と同一の条件及び要領にて複合材料Ｅ
を製造した。

次いで実施例１に於て製造された腹合材料ＡＳＢ。

及び上述の複合材料Ｅより長手方向が強化繊維の二次元
ランダム平面に平行な引張り試験片をＡｌＢ、Ｅを形成
した。またアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）の
みよりなり熱処理Ｔ６が施された引張り試験片りを形成
した。次いでこれらの引張り試験片について２５０℃に
て引張り試験を行った。

この試験の結果、引張り試験片Ａ及びＥの引張り強さは
１５ｋｇ／■−２であり、引張り試験片Ｂ及びＤの引張
り・奄さはそれぞれ１４ｋｇ／ａｓ”　、１３ｋｇ／−
一２であり、各引張り試験片の間にそれほど大きい引張
り強さの差異は認めれなかったが、第５図に示されてい
る如く、引張り試験片Ａの伸び（引張り試験片の破断時
の伸び）は引張り試験片Ｂ及びＥよりも遥かに高く、従
って表面層のみが窒化された鋼繊維を強化繊維とする複
合材料は強度及び靭性の両方に優れていることが解る。

実施例３ まず吸引成形により、平均繊維径３０μ、平均繊維長３
■の鋼（ＪＩＳ規ｌ５１５Ｃ）繊維よりなり、外径９５
ｍ５．内径７５−１長さ７■の円筒状の繊維成形体を形
成した。尚この繊維成形体の繊維体積率は約５％であり
、個々の短繊維は円筒面に平行な実質的に二次元ランダ
ムにて配向されていた。次いでこの繊維成形体に対しタ
フトライド法（温度５７０℃、時間１５分）により個々
の鋼繊維の表面層のみを窒化した。この場合窒化層の深
さは繊維の表面より約１０μであり、窒化層のビッカー
ス硬さは４５０であった。

次いで繊維成形体をピストン鋳造用の鋳型のトップリン
グ溝に対応する位置に配置して高圧鋳造を行うことによ
り、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）よりなり
トップリング溝に対応する領域が表面層のみが窒化され
た鋼繊維にて腹合強化されたピストン粗材を形成した。

次いでピストン粗材に対し熱処理Ｔ６を施した後、機械
加工を行うことにより、外径９１１１高さ９５■膳のデ
ィーゼルエンジン用のピストンを形成した。

第６図はかくして形成されたピストンの要部を示す部分
縦断面図であり、第７図は第６図に示されたピストンの
トップリング溝部を拡大して示す拡大部分縦断面図であ
る。これらの図に於て、８はピストンを示しており、９
はトップリング溝を示しており、該トップリング溝は表
面層のみが窒化された鋼繊維１０にて複合強化されたア
ルミニウム合金よりなる複合材料の部分１１により郭定
されている。第７図に示されている如く、鋼繊維１０は
窒化された表面層１２と窒化されていない鋼のままの中
心部１３とよりなっており、鋼繊維の一部はトップリン
グ溝の壁面１４に露呈している。

上述の如く形成されたピストンを総排気量２２００　ｃ
ｃｓ　４気筒のディーゼルエンジンに組込み、エンジン
回転数５２００ｒｐ■、全負荷にて３００時間に亙る耐
久試験を行った。この結果トップリング溝の下面及びト
ップリングの下面の摩耗量はそれぞれ４μ、３μと小さ
い値であり、従って上述の如く形成されたピストンのト
ップリング溝の壁面は良好な耐摩耗性を有していること
が認められた。

実施例４ まず圧縮成形により、断面が約０．２Ｘ１＋ｇ＊であり
平均長さが５１■であるチタニウム繊維（純チタニウム
の切粉）よりなり、外径８４１．内径６４ｍ５、長さ３
０■ｌの円筒状の繊維成形体を形成した。尚この繊維成
形体の繊維体積率は約５％であり、個々の繊維は円筒の
端面に平行な実質的に二次元ランダムにて配向されてい
た。次いで繊維成形体を窒・素ガス中にて１時間に亙り
約９００℃に加熱することによりプラズマイオン窒化を
行った。

これにより個々のチタニウム繊維の表面層が窒化され、
窒化層の深さは繊維の表面より約２０μであり、窒化層
のビッカース硬さは約８５０であった。

次いでこの繊維成形体の温度が約２００℃になった時点
に於てタイミングブーり鋳造用の鋳型内に配置し、該鋳
型内に約７４０℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ
８Ａ）の溶湯を注湯し、該溶湯を約８００ｋｇ／ｃｌＩ
Ｉｌの圧力にて加圧し、該加圧状態を溶湯が完全に凝固
するまで保持した。溶湯が完全に凝固した後、その凝固
体を鋳型より取出し、該凝固体に対し機械加工を施すこ
とにより、第８図に示されている如く外径８０ｍ−１幅
３０ａ＋ａ、歯数２８、ピッチ円直径７７１８、全歯た
け２゜８■、円周ピッチ８．６４５ｍのタイミングブー
りを形成した。尚第８図に於て、１５はタイミングブー
りの歯を示しており、タイミングブーりの外周部及び歯
の部分は表面層のみが窒化されたチタニウム繊維１６に
て複合強化されたアルミニウム合金よりなる複合材料１
７により構成されている。

上述の如く形成されたタイミングブーりの性能を評価す
べく、それをエンジンのカムシャフト駆動系に組込んで
２００時間に亙る耐久試験を行ったところ、各歯のタイ
ミングベルトの摩擦による摩耗量は許容限度範囲内に収
まっており、また歯の強度も十分な値であることが確認
された。また上述の如く形成されたタイミングプーリの
重量は従来の鉄系焼結材料よりなる同一寸法のタイミン
グブーりの重量の約半分であった。

以上に於ては本発明を幾つかの実施例について詳細に説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋼繊維よりなる繊維成形体を示す斜視図、第２
図は第１図に示された繊維成形体に対し窒化処理を行い
その繊維成形体を用いて行われる高圧鋳造法による複合
材料の製造工程を示す解図、第３図は第２図の高圧鋳造
により形成された凝固体を示す斜視図、第４図は実施例
１に於て行われた摩耗試験の結果を示すグラフ、第５図
は実施例２に於て行われた引張り試験に於ける各引張り
試験片の伸びを示すグラフ、第６図は本発明に従って製
造されたディーゼルエンジン用ピストンの要部を示す部
分縦断面図、第７図は第６図に示された要部を示す拡大
部分縦断面図、第８図は本発明に従って製造されたタイ
ミングプーリを示す正面図である。 １・・・繊維成形体、２・・・鋼繊維、３・・・鋳型、
４・・・モールドキャビティ、５・・・溶湯、６・・・
プランジャ。 ７・・・凝固体、８・・・ピストン、９・・・トップリ
ング溝。 １０・・・鋼繊維、１１・・・複合材料の部分、１２・
・・表面層、１３・・・中心部、１４・・・壁面、１５
・・・歯、１６・・・チタニウム繊維、１７・・・複合
材料特　許　出　願　人　　　トヨタ自動車株式会社代
　　　理　　　人　　　弁理士　　明石　昌毅第１図　
　　第３図 第２図 第５図 Ａ　　　　　　　Ｂ　　　　　　　ＪＪ　　　　　　　
Ｅ第　６　図 第　８　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化により表面層のみが硬化された金属繊維を強
   化繊維とする金属繊維強化金属複合材料。
2. （２）金属繊維の表面層のみを窒化し、窒化により加熱
   された状態の前記金属繊維にてマトリックス金属を複合
   化することを含む金属繊維強化金属複合材料の製造方法
   。