JP2000104148A

JP2000104148A - 耐摩耗性金属複合体

Info

Publication number: JP2000104148A
Application number: JP10278391A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Takagi; 克己高木; Shuji Inoue; 修次井上
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2000-04-11

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた耐摩耗性を有し、かつ、安価に製造す
ることができる、耐摩耗性金属複合体を提供する。【解決手段】鋳物廃砂１１を所定形状に成形してなる
多孔質の鋳物廃砂成形体１と、鋳物廃砂成形体１の内部
の空隙内に含浸された金属２とよりなる。耐摩耗性金属
複合体７の表面には、鋳物廃砂が露出している。鋳物廃
砂成形体は、その内部に、アルミナ繊維等の無機繊維１
２を含浸していることが好ましい。金属２としては、例
えばアルミニウム等を用いる。した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のシリン
ダブロック、ピストンや、制動装置であるディスクブレ
ーキロータ等の耐摩耗性が必要とされる部材に用いられ
る耐摩耗性金属複合体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関のシリンダブロック、ピ
ストンや、ディスクブレーキロータ等の摺動部には、耐
摩耗性金属複合体が用いられている。かかる耐摩耗性金
属複合体としては、従来、例えば、特開平６−３２２４
５９号公報に開示されているごとく、アルミナ短繊維及
びムライト粒子からなる強化材をアルミニウムに添加し
て耐摩耗性を向上させた摺動部材がある。

【０００３】また、米国特許５２２８４９４号には、ア
ルミニウム溶湯にグラファイト、フライアッシュ、オイ
ルアッシュ等の強化粒子を混合して耐摩耗性を向上させ
た金属複合体が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の耐摩耗性金属複合体においては、以下の問題があ
る。即ち、前者の摺動部材においては、アルミナ短繊
維、ムライト粒子のコストが高い。そのため、低コスト
で耐摩耗性金属複合耐を製造することは困難である。

【０００５】また、後者の金属複合体は、鋳造時に強化
粒子が沈殿して強化粒子の濃度格差が生じないようにす
るため、強化粒子を含むアルミニウム溶湯を金型内に注
ぐとともにこれを攪拌しなければならない。そのため、
溶解時の操作が煩雑となる。

【０００６】更に、金属複合体の全体を米国特許５２２
８４９４号に開示されている方法により強化する方法も
あるが、この場合には、金属複合体の不必要な部分まで
加工しなければならず、難削性となる。

【０００７】本発明はかかる従来の問題点に鑑みなされ
たものであり、優れた耐摩耗性を有し、かつ、安価に製
造することができる、耐摩耗性金属複合体を提供するこ
とを技術的課題とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るためになされた請求項１の発明は、鋳物廃砂を所定形
状に成形してなる多孔質の鋳物廃砂成形体と、該鋳物廃
砂成形体の内部の空隙内に含浸された金属とよりなり、
かつ上記鋳物廃砂が表面に露出していることを特徴とす
る耐摩耗性金属複合体である。

【０００９】本発明の耐摩耗性金属複合体は、鋳物廃砂
を利用したものである。特に、産業廃棄物である鋳物廃
砂を利用することによりリサイクル又は省エネルギーに
貢献できる。

【００１０】即ち、上記耐摩耗性金属複合体は、鋳物廃
砂を成形してなる鋳物廃砂成形体の内部に金属を含浸さ
せたものである。また、鋳物廃砂は主にＳｉＯ_２からな
っており、一般的に硬質物の粒状体である。従って、鋳
物廃砂を所望の体積率に凝集して多孔質状の鋳物廃砂成
形体とし、この鋳物廃砂成形体の骨組みを維持しつつ内
部に溶融金属を含浸させることにより、鋳物廃砂を所望
の位置に配置することが可能となる。特に金属複合体の
摺動面に鋳物廃砂を露出させることにより、金属複合体
の耐摩耗性を著しく向上させることができる。

【００１１】そのため、上記金属複合体は、鋳物廃砂成
形体により強度が補強されるとともに、鋳物廃砂の持つ
硬質成分によって耐摩耗性も向上する。それ故、上記金
属複合体を摺動面に用いた場合には、優れた耐摩耗性を
発揮することができる。

【００１２】また、鋳物廃砂成形体は耐摩耗性金属複合
体と同一形状でもよく、また耐摩耗性金属複合耐よりも
小さい形状でもよい。後者の場合は耐摩耗性金属複合体
における鋳物廃砂成形体が埋設された部分だけについて
特に耐摩耗性及び強度を高めることができる。

【００１３】鋳物廃砂は、例えば、軽合金及び鋳鉄工場
等より出る産業廃棄物であり、非常に安価に入手でき
る。そのため、耐摩耗性金属複合体を安価に製造するこ
とができる。

【００１４】本発明における耐摩耗性金属複合体は、鋳
物廃砂に金属を含浸させるものであるから、一種の鋳造
品である。また、本発明で使用する鋳物廃砂は、鋳造工
程において砂中子として使用するものや砂型の廃棄分で
ある。従って、鋳物廃砂が発生する鋳造工場内に上記耐
摩耗性金属複合体を製造するラインを敷設することで、
本発明で使用する鋳物廃砂の製造費用及び運搬費用も節
減でき、よりコスト低減に寄与することができる。

【００１５】また、鋳物廃砂は、一般に１μｍ〜数百μ
ｍの粒径である。鋳物廃砂は、耐摩耗性金属複合体の均
一な特性を得るため、成形前に適当な大きさに分級して
用いることが好ましい。

【００１６】例えば、鋳物廃砂の粒径が１〜１００μｍ
である場合には、鋳物廃砂の凝集が少なくまた相手部材
に対する金属複合体の攻撃性が少ない摺動面が得られ
る。

【００１７】一方、鋳物廃砂の粒径が１μｍ以下である
場合には、鋳物廃砂成形体中に鋳物廃砂の凝集が発生
し、摺動面にムラが生じるおそれがある。また、鋳物廃
砂の粒径が１００μｍを越える場合には、相手部材に対
する金属複合体の攻撃性が増加して、相手部材の摩耗が
増加するおそれがある。

【００１８】また、請求項２の発明のように、上記鋳物
廃砂成形体は、その内部に無機繊維を含有していること
が好ましい。これにより、耐摩耗性金属複合体の耐摩耗
性を確保しつつ、鋳物廃砂成形体の成形性を向上させる
ことができる。

【００１９】この場合、請求項３の発明のように、上記
無機繊維は、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維のい
ずれかであることが好ましい。アルミナ繊維、アルミナ
−シリカ繊維は、他の無機繊維よりもアスペクト比が大
きく、比較的耐摩耗性が優れているので、耐摩耗性金属
複合体の強度及び耐摩耗性をより一層高くすることがで
きる。

【００２０】次に、請求項４の発明のように、上記金属
は、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及
び銅（Ｃｕ）のグループから選ばれる１種又は２種以上
であることが好ましい。鋳物廃砂成形体に含浸する金属
を上記金属とすることにより、安価で軽量な耐摩耗性金
属複合体を得ることができる。

【００２１】

【実施の形態】（実施形態例１）本発明の実施形態例に
かかる耐摩耗性金属複合体について、図１〜図４を用い
て説明する。

【００２２】本例の耐摩耗性金属複合体７は、図１に示
すごとく、鋳物廃砂１１を成形してなる多孔質の鋳物廃
砂成形体１と、鋳物廃砂成形体１の内部の空隙内に含浸
された金属２とよりなる。耐摩耗性金属複合体７の摺動
面７０には、鋳物廃砂１１が表面に露出する位置まで表
面切削を施してある。

【００２３】耐摩耗性金属複合体７は、２０重量％の鋳
物廃砂成形体１と、８０重量％の金属２とからなる。

【００２４】鋳物廃砂成形体１は、図２に示すように鋳
物廃砂１１と、無機繊維１２とからなる。鋳物廃砂の成
分は、Ａｌ_２Ｏ_３５重量％、ＳｉＯ_２９０重量％、Ｆｅ
_２Ｏ_３２重量％、ＣａＯ０．５重量％、その他（Ｍｇ
Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、ＴｉＯ_２等）である。無機繊維
１２としては、アルミナ繊維を用いる。また、金属２は
アルミ鋳物合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４ＣＨ）である。尚、
図中符号１３はバインダーである。

【００２５】次に、耐摩耗性金属複合体７の製造方法に
ついて説明する。

【００２６】まず、鋳物廃砂を集塵機等から採取し、粒
径１〜４０μｍに分級する。次いで、鋳物廃砂１１と無
機繊維１２とを同量ずつ混合し、この混合物を例えばス
ラリー法により円盤の形状に成形して、図２に示すよう
な鋳物廃砂成形体１を得た。

【００２７】次いで、図３に示すごとく、鋳物廃砂成形
体１を金型３のキャビティー３０内に配置した。そし
て、キャビティー３０内に溶融した金属２を注入し、キ
ャビティー３０の上方から上型３１により約６００ｋｇ
／ｃｍ^２の圧力で加圧した。これにより、鋳物廃砂１５
重量％とアルミナ繊維５重量％とからなる鋳物廃砂成形
体にアルミ鋳物合金を含浸させ、耐摩耗性金属複合体を
得た。

【００２８】次に、得られた耐摩耗性金属複合体におい
て、使用すべき摺動面に予め鋳物廃砂１１が露出してい
る場合はそのまま使用できるが、図４に示すように摺動
面が含浸金属で覆われているような場合には、この面を
切削して鋳物廃砂１１を露出させて摺動面となし、図１
に示すような耐摩耗性金属複合体７とする。

【００２９】（比較例）本例の耐摩耗性金属複合体は、
鋳物廃砂を用いることなくアルミナ−シリカ粒子１０重
量％と、アルミナ繊維５重量％にアルミダイカスト合金
（ＪＩＳ規格ＡＤＣ１２）８５重量％を含浸させたもの
である。

【００３０】（実験例）本例においては、上記実施形態
例１及び比較例にて製造した耐摩耗性金属複合体の耐摩
耗性評価及び相手攻撃性評価を行った。評価に当って
は、両耐摩耗性金属複合体の摺動面と相手材とを摺動さ
せ、耐摩耗性金属複合体の摩耗痕から測定される摩耗
量、及び、相手材の重量変化を測定し、摩耗量を耐摩耗
性の、相手材の重量変化を相手攻撃性の評価の指標とし
た。

【００３１】測定は図５に示すリング・オン・ブロック
摩耗試験機５を用いて行った。即ち、耐摩耗性金属複合
体７を固定具５１に固定し、２．５ｌｂの荷重を与え、
この荷重が付与された状態で、耐摩耗性金属複合体７の
摺動面７０に回転運動する相手部材５６を押し付けて摺
動させた。相手部材５６は、回転速度１１００ｒｐｍで
回転させた。相手部材５６としては、高クロム鋼にガス
窒化処理をしてなるピストンリングを想定した材料を用
いた。このようにして、耐摩耗性金属複合体７に発生し
た摩耗痕を工具顕微鏡により測定し、摩耗量を求めた。

【００３２】また、相手部材について上記摩耗試験を行
う前後の重量変化を測定し、その差（摩耗量）から摺動
による相手部材５６への相手攻撃性を求めた。耐摩耗性
金属複合体の摺動面に対して相手部材を摺動させる摺動
時間は６０分間とした。実施形態例１と比較例の耐摩耗
性金属複合体の組成及び、上記実験結果を、表１に示
す。

【００３３】表１より知られるように、実施形態例１の
耐摩耗性金属複合体７（実施形態例１）は、摩耗痕が
０．６５７（ｍｍ）と低かった。また、相手部材５６の
摩耗量は０．１ｍｇ以下と少なかった。これに対し、比
較例のものは、摩耗痕が０．８３３ｍｍ、相手部材５６
の摩耗量が０．９ｍｇと大きく、耐摩耗性において実施
形態例１のものよりも劣ることが明らかである。

【００３４】このように、実施形態例の耐摩耗性金属複
合体が上記のごとく優れた性質を有するのは、以下の理
由によるものと考えられる。即ち、図１に示すごとく、
耐摩耗性金属複合体７は、硬質物である鋳物廃砂１１及
び無機繊維１２の一部が摺動面７０に露出して分散して
いるため、耐摩耗性金属複合体自身の摩耗量が少なくな
る。また、鋳物廃砂はアルミナ−シリカ粒子に比べ硬さ
が低いため、相手攻撃性にも優れていると考えられる。

【００３５】

【表１】

【００３６】（実施形態例２）本例は、本発明にかかる
耐摩耗性金属複合体を、内燃機関のエンジンブロックの
一部に適用した応用例である。

【００３７】上記エンジンブロックの製造方法を説明す
ると、まず、図６に示すごとく、ダイカスト鋳造に使用
するエンジンブロック鋳造用の金型６を準備する。該金
型６は、固定型６２と可動型６１とからなり、これらの
内側にはキャビティ６１０が設けられている。また、固
定型６２と可動型６１とは、支持板６０２、６０１によ
り支持されている。

【００３８】キャビティ６１０には、シリンダ部及びロ
ア部を形成するための中子６１１、６１２が配置されて
いる。シリンダ部形成用の中子６１１は、可動型６１に
固定される。ロア部形成用の中子６１２は、固定型６２
に固定される。固定型６２には、溶融した金属２を注入
するための注入口６２７が開口している。

【００３９】一方、鋳物廃砂と短繊維とを、実施形態例
１と同様に混合し、成形して鋳物廃砂成形体１を得る。
鋳物廃砂成形体１は円筒形状であり、エンジンブロック
のシリンダ部の内径とほぼ同形状の内径を有する。

【００４０】次に、シリンダ部形成用の中子６１１に、
鋳物廃砂成形体１を装着する。

【００４１】次いで、固定型６２の注入口６２７から、
溶融した金属２を、押出管６２６に注入する。押出管６
２６の中の溶融した金属２を、加圧用のピストン６２８
によりゆっくり押圧して、キャビティ６１０内に注入す
る。キャビティ６１０内のほぼ全体に金属２が充填され
た後、更に加圧用ピストン６２８を押し入れて溶融した
金属２を加圧する（図示略）。

【００４２】この加圧により、キャビティ６１０内に充
填された金属２が、鋳物廃砂成形体１の空隙の内部に含
浸する。含浸が完了した後、金属２を凝固させる。これ
により、キャビティ６１０内に、耐摩耗性金属複合体か
らなるエンジンブロック鋳造体が形成される。

【００４３】金属が凝固した後、図７に示すごとく、エ
ンジンブロック鋳造体７１をキャビティから取出す。次
いで、シリンダ部７４の内径部分７４９を、図６に示す
Ｆ−Ｆ線に沿って切削するとともに、その切削部を機械
的又は化学的に研磨する。これにより、図８に示すごと
く、シリンダ部７４の摺動面７０に鋳物廃砂１１を露出
させてなるエンジンブロック７２を得る。

【００４４】エンジンブロック７２のシリンダ部７４内
においては、相手部材であるピストンリング７９１を付
けたピストン７９が往復運動する。ピストンリング７９
１は、シリンダ部７４の摺動面７０に対して摺動する。
ピストン７９の往復運動は、エンジンブロック７２のロ
ア部７５の内部に配置されたロッド（図示略）を通じ
て、各作動部に伝達される。

【００４５】本例のエンジンブロック７２は、摺動面７
０に鋳物廃砂１１が露出しているため、摩耗量が少な
い。また、摺動面７０に露出した鋳物廃砂１１が、シリ
ンダ部７４のアルミダイカスト合金とピストンリング７
９１とが直接接触することを防ぐため、摺動面７０での
焼き付けもなく、摺動面７０の摩擦係数も低く安定して
いる。

【００４６】また、図６に示すごとく、補強材である鋳
物廃砂成形体１は予め円筒形状に成形し、中子６１１に
装着し、ダイカストで加圧鋳造する。従って、エンジン
ブロックの鋳造が容易である。

【００４７】また、鋳物廃砂は軽量かつ安価であるた
め、エンジンブロックを軽量かつ安価に得ることができ
る。

【００４８】また、鋳物廃砂成形体を用いて溶融金属を
含浸させることにより、鋳物廃砂成形体が任意の形状及
び密度で耐摩耗性金属複合体の内部に配置されるので、
図８に示すごとく、エンジンブロック７２の中でも特に
ピストンリング７９１により摺動を受けるシリンダ部７
４の強度を向上させることができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、優れた耐摩耗性を有
し、かつ、安価に製造することできる、耐摩耗性金属複
合体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１及び実験例における、耐摩耗性金
属複合体の断面説明図。

【図２】実施形態例１における、鋳物廃砂成形体の製造
方法を示す説明図。

【図３】実施形態例１における、耐摩耗性金属複合体の
鋳造方法を示す説明図

【図４】実施形態例１における、摺動面が含浸金属で覆
われた耐摩耗性金属複合体の断面説明図。

【図５】実験例における、リング・オン・ブロック摩耗
試験機の説明図。

【図６】実施形態例２における、エンジンブロックの鋳
造方法を示す説明図。

【図７】実施形態例２における、エンジンブロック鋳造
体の説明図。

【図８】実施形態例２における、エンジンブロックの説
明図。

【符号の説明】

１・・・鋳物廃砂成形体１０・・・空隙１１・・・鋳物廃砂１２・・・無機繊維２・・・金属３・・・成形型７・・・耐摩耗性金属複合体７０・・・摺動面７２・・・エンジンブロック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｆ 1/00 Ｆ０２Ｆ 1/00 Ｅ 5/00 5/00 Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳物廃砂を所定形状に成形してなる多孔
質の鋳物廃砂成形体と、該鋳物廃砂成形体の内部の空隙
内に含浸された金属とよりなり、かつ上記鋳物廃砂が表
面に露出していることを特徴とする耐摩耗性金属複合
体。
【請求項２】請求項１において、上記鋳物廃砂成形体
は、その内部に無機繊維を含有していることを特徴とす
る耐摩耗性金属複合体。
【請求項３】請求項２において、上記無機繊維は、ア
ルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維のいずれかであるこ
とを特徴とする耐摩耗性金属複合体。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項において、
上記金属は、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍ
ｇ）、及び銅（Ｃｕ）のグループから選ばれる１種又は
２種以上であることを特徴とする耐摩耗性金属複合体。