JPS63186838A - 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く、■セラミッ
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複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、及びかかる複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、金属浸透により表
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金属
浸透し、金属浸透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、強化繊維は金属浸透により
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
を金属浸透することにより表面層が硬化され、その金属
浸透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、金属浸透によりその硬度が増大する
任意の金属であってよい。また金属繊維の表面層を硬化
するための金属浸透法は、ポロナイジング法（Ｂ浸透）
、クロマイジング法（Ｃｒ浸透）、シリコナイジング法
（Ｓｉ浸透）、力ロライジング法（ＡＩ浸透）や、Ｂｅ
　ＳＴｉ％Ｗ等の浸透法であってよい。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金属浸透により硬
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３１ｎｆｆｌの鋼（
ＪＩＳ規格５４５Ｃ）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、５０Ｘ５０
Ｘ１０ｍｍの寸法を有し、個々の鋼繊維２が５０Ｘ５０
ｍｍ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１．０９６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をフェ
ロボロン粉末と２．５％ＮＨ４Ｃ１との混合粉末中に埋
設し、これを水素ガス中にて約９００℃に３０分間加熱
することにより、個々の鋼繊維の表面層をボロナイジン
グした。この場合ポロナイジング層の深さは繊維の表面
より約１０μであり、ポロナイジング層の硬さはビッカ
ース硬さで約１６００であった。

次いで第２図に示されている如く、ポロナイジング処理
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℃のアルミニウム合金（Ｊ
ＩＳ規格ＡＣ８Ａ）の溶湯５を注湯し、該溶湯を鋳型３
に嵌合するプランジャ６により約１０００ｋｇ／ｅ−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約１０％の複合材料１′
を切出した。次いでその複合材料（Ａ）より大きさが１
６Ｘ６Ｘ１０ｍｍであり、１６Ｘ６［１１１１１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１６Ｘ１０ｍｍ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２０１
ｍのアルミナ−シリカ繊維（５０％Ａｌ　２０３．５０
％Ｓｉ　ｏ２）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複合材料Ｂよりなるブロッ
ク試験片Ｂを形成し、ポロナイジング処理されていない
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３００１１
１％幅１０ＩＩＩＩ１１の軸受ｐＡ（ＪＩＳ規格５ＵＪ
２）製の円筒試験片の外周面と接触させ、それらの試験
片の接触部に常温（２０℃）の潤滑油（キャッスルモー
タオイル５Ｗ−３０）を供給しつつ、抑圧荷重６０　ｋ
ｇ、回転数１６Ｏｒｐｍ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４Ａ図に示す。尚第４Ａ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（摩耗域ｆｆｉ
ｍｇ）を表している（後述の第４Ｂ図に於ても同じ）。

第４Ａ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
表面層がボロナイジング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Ｃよりもかなり少なく、またブロック
試験片Ｂ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、表面層がボロナ
イジングされた鋼繊維にて複合強化されたアルミニウム
合金よりなる複合材料はアルミナ−シリカ繊維又はボロ
ナイジングされていない鋼繊維を強化繊維とする複合材
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の繊維成形体１と同一の繊維成形体を形成し、
これを５５％のフェロクロム粉末と４５９６のアルミナ
粉末との混合粉末中に埋設し、これを水素ガス中にて約
１０００℃に３０分間加熱することにより、個々の鋼繊
維の表面層をクロマイジングした。この場合クロマイジ
ング層の深さは繊維の表面より約１０μであり、クロマ
イジング層の硬さはビッカース硬さで約１２００であっ
た。

次いでこの繊維成形体が使用された点を除き、実施例１
の場合と同一の条件及び要領にてブロック試験片Ａ′を
形成した。

次いでこのブロック試験片について実施例１の場合と同
一の要領及び条件にて摩耗試験を行った。

この摩耗試験の結果を実施例１のブロック試験片Ｂ−Ｄ
の結果と共に第４Ｂ図に示す。

第４Ｂ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’　５ＢＳＣ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、特に表面層がクロマイジング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Ａ
′の摩耗量はブロック試験片Ｃよりもかなり少なく、ま
たブロック試験片Ｂ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
面層がクロマイジング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複合材料もアルミナ−シリカ
繊維又はクロマイジングされていない鋼繊維を強化繊維
とする複合材料よりも耐摩耗性に優れていることが解る
。

実施例３ 実施例１に於て使用された鋼繊維と同一の鋼繊維を実施
例１の場合と同一のポロナイジング法により３時間に亙
すボロナイジングすることにより、鋼繊維の内部まで完
全にボロナイジングさせた。

次いでこの完全にボロナイジングされた鋼繊維を用いて
実施例１の複合材料Ａ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
た複合材料ＡＳＢ、及び上述の複合材料Ｅより長手方向
力（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Ａ、ＢＳＥを形成した。またアルミニウム合金（Ｊ
ＩＳ規格ＡＣ８Ａ）のみよりなり熱処理Ｔ５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
１５　ｋｇ／　ａｕｎ２であり、引張り試験片Ｂ及びＤ
の引張り強さはそれぞれ１４ｋｇ／ｍｍ”　、１３ｋｇ
／ｍｍ２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られなかったが、第５Ａ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ボロナイジングされた鋼繊維
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４ 実施例１に於て使用された鋼繊維と同一のｆ！ｉＩ繊維
を実施例２の場合と同一のクロマイジング法により３時
間に亙すクロマイジングすることにより、鋼繊維の内部
まで完全にクロマイジングさせた。

次いでこの完全にクロマイジングされた鋼繊維を用いて
実施例１の複合材料Ａ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。次いて実施例２に於て製造さ
れた複合材料Ａ′及び上述の複合材料Ｅ′よりそれぞれ
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Ａ′、Ｅ′を形成し、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１５　ｋｇ／　ｍｍ２であり、上述の実施例３の
引張り試験片Ｂ及びＤの引張り強さはそれぞれ１４　ｋ
ｇ／　ｍｍ”　、１３　ｋｇ／　ｍｍ２であるので、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
認められなかったが、第５Ｂ図に示されている如く、引
張り試験片Ａ′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クロマイジングされた
鋼繊維を強化繊維とする複合材料も強度及び靭性の両方
に優れていることが解る。

実施例５ まず吸引成形により、平均繊維径２０μ、平均繊維長２
ｍｍのＮ１繊維よりなり、外径９５１１１１１１％内径
７５１１１１１％長さ７ａｏｎ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４％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
ポロナイジング（温度９５０’Ｃ。

時間２０分）を行うことにより個々の鋼繊維の表面層の
みをボロナイジングした。この場合ポロナイジング層の
深さは繊維の表面より約７μであり、ポロナイジング層
のビッカース硬さは約８００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ボロナイ
ジングされたＮ１繊維にて複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９１ｍ＋ｎ、高さ９５１１
ｆｆｉ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
面層のみがボロナイジングされたＮｉ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１
１により郭定されている。第７図に示されている如く、
Ｎｉ繊維１０はボロナイジングされた表面層１２とボロ
ナイジングされていないＮｉのままの中心部１３とより
なっており、Ｎｉ繊維の一部はトップリング溝の壁面１
４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２２００ｃｃ
、４気筒のディーゼルエンジンに組込み、エンジン回転
数５２００ｒｐｍ、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３μ、２，５μ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６ まず吸引成形により、平均繊維径２０μ、平均繊維長２
■の鋼（ＪＩＳ規格５３５Ｃ）繊維よりなり、外径９５
＋ｎｍ、内径７５ａｕｎ、長さ７＋＋＋ｍ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４％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
形体をフェロシリコン粉末と炭化ケイ素粉末との混合粉
末中に埋設し、これを塩素ガス中にて９５０℃に１５分
間加熱することにより、個々の鋼繊維の表面層のみをシ
リコナイジングした。この場合シリコナイジング層の深
さは繊維の表面より約７μであり、シリコナイジング層
のロックウェルＣ硬さは約８０であった。

次いでこの繊維成形体が使用された点を除き、上述の実
施例５の場合と同一の要領及び条件にてディーゼルエン
ジン用のピストンを形成し、耐久試験を行った。

そ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３μ、２．５μ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
の壁面も良好な耐摩耗性を有していることが認められた
。

実施例７ まず圧縮成形により、平均繊維径６０μ、平均繊維長５
＋ｎｍのＡ＋青銅（Ｃｕ−１０％ＡＩ）繊維よりなる８
Ｘ５Ｘ１５ｍｍ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５Ｘ１５ｍｍの平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フェロボ
ロン粉末と２％ＮＨ４Ｃ１との混合粉末中に埋設し、こ
れを約９５０℃に１時間加熱することによりポロナイジ
ングを行った。これにより個々のＡＩ青銅繊維の表面層
がボロナイジングされ、ポロナイジング層の深さは繊維
の表面より約１２μであり、ポロナイジング層のビッカ
ース硬さは約９５０であった。

次いでこの繊維成形体の温度が約３００℃になった時点
に於てガソリンエンジンのシフトフォーク鋳造用の鋳型
内に配置し、該鋳型内に約６７０℃のアルミニウム合金
（ＪＩＳ規格ＡＤＣ１２）の溶湯を注湯し、該溶湯を約
８００ｋｇ／ｅｒａ’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き
シフトフォークを形成した。尚第８図に於て、１５はシ
フトフォークを示しており、このシフトフォークのうち
シンクロナイザのハブスリーブのフォーク溝に係合する
係合面１６ａ、１６ｂ及びその近傍の部分は、表面層の
みがボロナイジングされたＡＩ青銅繊維にて複合強化さ
れたアルミニウム合金よりなる複合材料１７により構成
されている。

耐久試験の結果、上述の如（形成されたシフトフォーク
は従来の高ケイ素アルミニウム合金製のシフトフォーク
に比して係合面１６ａ、１６ｂに於ける耐摩耗性が遥か
に優れていることが認められた。

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ポロナイジング
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
Ａ図及び第４Ｂ図はそれぞれ実施例１及び実施例２に於
て行われた摩耗試験の結果を示すグラフ、第５Ａ図及び
第５Ｂ図はそれぞれ実施例３及び実施例４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シフトフォークをその一部を
破断して示す正面図である。 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２７・・・凝固体、８・・・ピストン、９・
・・トップリング溝。 １０・・・Ｎｌ繊維、１１・・・複合材料の部分、１２
・・・表面層、１３・・・中心部、１４・・・壁面、１
５・・・シフトフォーク、１６　ａ　％　１６　ｂ・・
・係合面、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４Ａ図 第４Ｂ図 Ｄ 第５Ａ図 第５Ｂ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属浸透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金属浸透し、金属浸透に
   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。