JP3314141B2 - 複合化用予備成形体並びにこれが複合化された複合アルミニウム系金属部品及びこれらの製造方法 - Google Patents

複合化用予備成形体並びにこれが複合化された複合アルミニウム系金属部品及びこれらの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム系金
属母材に複合化材料が複合化された複合アルミニウム系
金属部品の複合化用予備成形体並びにこれが複合化され
た複合アルミニウム系金属部品及びこれらの製造方法に
関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えば、エンジンに組み込まれる
ピストンのリング溝部、車両制動系のブレーキディスク
ロータやエンジン動弁系のバルブリフタ等、他の部材と
の摺動部分に耐摩耗性が要求される部品をアルミニウム
系金属で製造する場合、アルミニウム系金属を母材とし
て耐摩耗性を有する複合化材料（強化材）をいわゆる溶
湯攪拌法によって複合化する方法が知られている。
【０００３】しかし、この方法では、耐摩耗性が要求さ
れる特定の部分だけでなく部品全体が複合化材料で複合
化されるため、複合化材料の使用量が非常に多く、コス
トが高くなってしまう。また、複合化材料が溶湯中で浮
遊等して遍在しないように溶湯粘度等を設定する必要が
あり、工程が複雑化してしまう。
【０００４】そこで、例えば特開平３−１５１１５８号
公報に示されているように、ＳｉＣウィスカとアルミニ
ウム合金粉末との混合物を所定の形状に焼結して予備成
形体を作製し、この予備成形体を鋳型の所定箇所にセッ
トした後、その鋳型内に高圧でアルミニウムの溶湯を注
入し、この溶湯で上記予備成形体を複合化することによ
り、複合化材料を部品の所定箇所に形成する方法が提案
されている。
【０００５】この提案方法によると、複合化材料を部品
の一部分に複合化することはできる。ところが、その反
面、ＳｉＣウィスカの含有量が過多となる傾向にあり、
複合化に際して、アルミニウム溶湯の圧力を高くする必
要があり、さらに、実用上必要とされている低体積率の
ものを製造することが困難である。よって、コストが高
くなると共に、摺動する相手部材を損傷させる虞れもあ
る。
【０００６】一方、例えば特公昭６３−５４０５７号公
報に示されているように、第１の金属と酸素との化合物
の固体微細片より多孔質体（予備成形体）を形成し、こ
の多孔質体を第２の金属を含む溶融金属内に浸漬し、こ
の溶融金属に圧力を加えて上記多孔質体の孔中に浸透さ
せることによって上記第１の金属の酸化物を還元すると
同時に第２の金属を酸化させ、溶融金属の一部と多孔質
体とで合金を形成すると共に、他の一部で酸化物を形成
させて金属酸化物が合金中に微細に分散された任意の組
成の合金を能率よく安価に製造する方法が知られてい
る。
【０００７】また、複合化材料を少ない含有量で金属中
に均一に分散させるために、例えば特開昭６３−２９５
０５０号公報に示されているように、セルロース等を含
む織物材料やプラスチック繊維で所望のパターンつまり
骨格を形成しておき、このパターンに従って複合化材料
の繊維や粒子を拡散させた後、金属溶湯で複合化する際
にその溶湯でパターンを消散或いは分解させて複合金属
部品を製造するようにすることが提案されている。さら
に、上記パターンとしてアルミナ繊維等を用いて複合化
材料の分散を確実にさせることも提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、複合化材料
としては、ウィスカや短繊維等よりもコストが低くかつ
耐摩耗性も優れている二酸化チタンやＳｉＣ等のセラミ
ック粒子を使用することが望ましい。このような複合化
材料で予備成形体を作製して、上記第１の提案例（特開
平３−１５１１５８号公報）のように高圧アルミニウム
鋳造を行なう場合、セラミック粒子を圧粉焼結によって
予備成形体を作製すると、セラミック粒子であるために
その体積率が高くなり、ウィスカの場合と同様にその体
積率の制御が困難であり、体積率を低くするには限界が
あった。このため、高圧アルミニウム鋳造を行なう際、
アルミニウム溶湯を予備成形体内に含浸させることがで
きず、その高圧力によって予備成形体が割れてしまうと
いう問題がある。
【０００９】また、第２の従来例（特公昭６３−５４０
５７号公報）の方法では、セラミック粒子として二酸化
チタン等の酸化物を使用する場合にはよいが、酸化物で
ないものには適用することができない。さらに、例えば
二酸化チタンを使用してこの方法を適用したとしても、
酸化還元反応の際に高圧力によって予備成形体が割れ易
いことに変わりはない。しかも、汎用的なアルミニウム
合金にはケイ素が含有されているため、二酸化チタンの
還元反応によって生じたチタンが上記ケイ素及びアルミ
ニウムと結合してＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ化合物が生じる。こ
の化合物は硬さや耐摩耗性を向上させるが、脆く、予備
成形体が一層割れ易くなるという欠点がある。
【００１０】さらに、第３の提案例（特開昭６３−２９
５０５０号公報）の方法では、複合化材料の含有量を少
なくすることができるものの、複合化材料の均一性がパ
ターンの近い箇所と遠い箇所とで異なるため、完全に均
一化することはできず、耐摩耗性が低下する。そして、
パターンをアルミニウム溶湯で消失させる場合、アルミ
ニウムの炭化物が生じて予備成形体が脆くなる。また、
パターンとしてアルミナ繊維等を用いる場合、アルミナ
繊維等の含有量を多くする必要があり、そのようにする
と予備成形体の強度が低下すると共に、通気性が悪化し
てアルミニウム溶湯が含浸し難くなるという問題があ
る。
【００１１】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、安価で耐摩耗性の優
れたセラミック粒子で複合化された複合アルミニウム金
属部品を鋳造によって製造する場合に、その予備成形体
の製造方法を改良することによって、セラミック粒子を
均一化させた状態でその体積率を制御可能とし、体積率
をできる限り小さくしてアルミニウム溶湯を含浸させ易
くすると共に、鋳造時に割れることのない強度の強い予
備成形体を製造できるようにすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、アルミニウム系金属母材に
複合化材料が複合化された複合アルミニウム系金属部品
を形成するための複合化用予備成形体の製造方法とし
て、セラミック粒子と第１のウィスカと該第１のウィス
カよりも焼結性が高くかつ繊維径及び繊維長が小さい第
２のウィスカとを含む複合化材料と、無機バインダー
と、焼失性粉末と、液体とを混合してスラリー（懸濁
液）を調製するスラリー調製工程と、このスラリー中の
液体成分を濾過することにより得られた脱液体部材より
焼失性粉末を焼失させて、上記セラミック粒子と第１の
ウィスカと第２のウィスカと無機バインダーとを焼結す
る焼結工程とを備えるようにした。
【００１３】このことにより、セラミック粒子、第１の
ウィスカ及び第２のウィスカを含む複合化材料と無機バ
インダーと焼失性粉末と液体とを混合してスラリーを調
製することで、セラミック粒子、第１のウィスカ、第２
のウィスカ、無機バインダー及び焼失性粉末が液体内で
均一に混ぜられる。この液体成分を濾過することによ
り、セラミック粒子、第１のウィスカ、第２のウィス
カ、無機バインダー及び焼失性粉末が完全に均一に混ざ
り合った状態で固められた脱液体部材からなる固体物が
得られる。そして、この固体物が焼結工程にて所定の温
度以上とされると、焼失性粉末のみが焼失されてなくな
る。また、セラミック粒子同士が焼結されると共に第１
のウィスカによっても互いに結合され、セラミック粒子
が第１のウィスカ表面に付着された状態で焼結された予
備成形体が得られる。すなわち、焼失性粉末の存在して
いた箇所は空洞となり、セラミック粒子及び第１のウィ
スカとの複合化材料の予備成形体全体に対する体積率を
焼失性粉末の分だけ小さくすることができる。よって、
焼失性粉末の混合量を変化させることにより、複合化材
料の体積率を制御することができ、その体積率を小さく
することができる。
【００１４】しかも、上記セラミック粒子同士及びセラ
ミック粒子と第１のウィスカとの結合は、無機バインダ
ーによりさらに強固にされ、この結果、焼結温度が低く
ても予備成形体の強度を維持することができ、無機バイ
ンダーを混合しないときと同じ焼結温度であれば、強度
をさらに向上させることができる。また、セラミック粒
子同士が第１のウィスカによっても結び付けられている
ので、セラミック粒子のみの結合よりも強固になり、複
合化材料の体積率が小さくなっても、予備成形体の強度
は保証される。
【００１５】さらに、第２のウィスカは、その大きさが
セラミック粒子と略同じであり、焼結性も高いので、第
１のウィスカ及びセラミック粒子と結び付き易く、セラ
ミック粒子が第１のウィスカ近傍により多く焼結される
ようになる。しかも、第１のウィスカよりも繊維径及び
繊維長が大きい短繊維部材を少量混入する場合、第２の
ウィスカはその短繊維部材にも付着するので、セラミッ
ク粒子が短繊維部材近傍に多く焼結され、短繊維部材間
の通気性がさらに向上する。この場合、短繊維部材の混
入量が少なければセラミック粒子の均一性は維持され
る。このことで、短繊維部材を混入する場合、短繊維部
材による通気性の悪化を防止することができる。この結
果、予備成形体の強度を維持しつつ、通気性をより一層
向上させることができる。
【００１６】したがって、予備成形体の強度低下を防止
しつつ、複合化材料を均一化させた状態でその体積率を
低下させることができ、この予備成形体に対して鋳造を
行なう際に、その予備成形体が割れるのを防止すること
ができる。
【００１７】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、セラミック粒子に対する第１のウィスカの体積率
を１０〜４０％とする。
【００１８】すなわち、セラミック粒子に対する第１の
ウィスカの体積率が１０％よりも小さいと、予備成形体
の通気性つまり溶湯の浸透性の改善効果が得られ難いと
共に、予備成形体の強度がセラミック粒子のみの場合と
変わらず、強度の向上を図ることができない一方、４０
％よりも大きいと、通気性は良好であるが、セラミック
粒子よりも第１のウィスカ主体の予備成形体となり、予
備成形体自体の剛性が低下し、溶湯の複合化時に収縮、
破損し易くなると共に、第１のウィスカによるコストア
ップを招き、さらに、空洞部分が減少し、同じ加圧力の
場合ではアルミニウム溶湯の浸透性が低下するので、１
０〜４０％の範囲としている。よって、この発明によ
り、溶湯の浸透性、コスト上昇及び耐摩耗性の低下を抑
えつつ、予備成形体の強度、剛性の向上化を図ることが
できる。
【００１９】請求項３の発明では、請求項１又は２の発
明において、スラリー調製工程にてさらに第１のウィス
カよりも繊維径及び繊維長が大きい短繊維部材を混合し
てスラリーを調製し、焼結工程で上記短繊維部材とセラ
ミック粒子と第１のウィスカと第２のウィスカと無機バ
インダーとを焼結させるようにする。
【００２０】このことで、セラミック粒子が表面に付着
した第１のウィスカはそれよりも繊維径及び繊維長が大
きい短繊維部材に付着するので、耐摩耗性等をさらに向
上させるために短繊維部材を混入しても、セラミック粒
子の強度低下を防止することができる。よって、予備成
形体の強度を維持しつつ、耐摩耗性等をより一層向上さ
せることができる。
【００２１】請求項４の発明では、請求項３の発明にお
いて、短繊維部材の体積率を複合化用予備成形体全体の
５％以下とする。
【００２２】すなわち、短繊維部材の体積率が複合化用
予備成形体全体の５％よりも大きくなると、予備成形体
の強度及び通気性が低下すると共に、セラミック粒子の
均一性が悪化するので、５％以下としている。また、短
繊維部材の体積率が５％以下であっても、十分に耐摩耗
性等を向上させることができる。よって、予備成形体の
強度及び通気性を維持しつつ、耐摩耗性等のさらなる向
上化を図ることができる。
【００２３】請求項５の発明では、請求項１〜４のいず
れか１つの発明において、第２のウィスカの体積率を複
合化用予備成形体全体の５％以下とする。
【００２４】すなわち、第２のウィスカの体積率が複合
化用予備成形体全体の５％よりも大きくなると、予備成
形体が柔らかくなり、アルミニウム溶湯の複合化時に収
縮、破損し易くなるので、５％以下としている。よっ
て、複合化時の予備成形体の破損を防止しつつ、通気性
のさらなる向上化を図ることができる。
【００２５】請求項６の発明では、請求項１〜５のいず
れか１つの発明において、セラミック粒子に対する第１
のウィスカの体積率を１０〜３０％とする。
【００２６】すなわち、請求項２の発明と同様に、セラ
ミック粒子に対する第１のウィスカの体積率が１０％よ
りも小さいと、予備成形体の通気性及び強度の向上を図
ることができない一方、３０％よりも大きいと、短繊維
部材を混入する場合により一層予備成形体の剛性の低下
を招き、複合化時に破損し易くなるので、１０〜３０％
の範囲としている。よって、請求項２の発明と同様の作
用効果を得ることができる。
【００２７】請求項７の発明では、セラミック粒子及び
第１のウィスカを含む複合化材料がアルミニウム系金属
母材に複合化された複合アルミニウム系金属部品を形成
するための複合化用予備成形体として、上記セラミック
粒子が第１のウィスカ表面に付着した状態で焼結されて
なり、上記セラミック粒子にさらに無機バインダーが焼
結され、上記セラミック粒子及び第１のウィスカにさら
に該第１のウィスカよりも焼結性が高くかつ繊維径及び
繊維長が小さい第２のウィスカが焼結されているものと
する。このことにより、請求項１の発明と同様の作用効
果が得られる。
【００２８】請求項８の発明では、請求項７の発明にお
いて、セラミック粒子に対する第１のウィスカの体積率
が１０〜４０％とされているものする。この発明によ
り、請求項２の発明と同様の作用効果を得ることができ
る。
【００２９】請求項９の発明では、請求項７又は８の発
明において、セラミック粒子は二酸化チタンであり、第
１のウィスカはホウ酸アルミニウムウィスカであるもの
とする。
【００３０】このことで、二酸化チタン（ＴｉＯ2 ）は
耐摩耗性が特に優れているので、耐摩耗性の極めて良好
な予備成形体とすることができる。また、ホウ酸アルミ
ニウムウィスカは強度が高く、ＴｉＯ2 との結び付きを
強固にすることができるので、この予備成形体の強度は
十分に保証され、高圧アルミニウム鋳造を行っても予備
成形体が割れたり、圧縮変形したりすることはない。よ
って、耐摩耗性が極めて良好でかつ強度が高い優れた予
備成形体とすることができる。
【００３１】請求項１０の発明では、請求項７〜９のい
ずれか１つの発明において、第１のウィスカは、さらに
該第１のウィスカよりも繊維径及び繊維長が大きい短繊
維部材に焼結されているものとする。このことにより、
請求項３の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３２】請求項１１の発明では、請求項１０の発明
において、短繊維部材の体積率が全体の５％以下とされ
ているものとする。このようにすることで、請求項４の
発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００３３】請求項１２の発明では、請求項１０又は１
１の発明において、短繊維部材はアルミナ短繊維である
ものとする。
【００３４】この発明により、アルミナ（酸化アルミニ
ウム）短繊維は、コストが比較的低く、しかも、耐摩耗
性向上効果が極めて優れているので、その短繊維を少量
混入するだけで耐摩耗性を著しく向上させることができ
る。よって、コストアップを抑えつつ、耐摩耗性がより
一層優れた予備成形体を得ることができる。
【００３５】請求項１３の発明では、請求項７〜１２の
いずれか１つの発明において、第２のウィスカの体積率
が全体の５％以下とされているものとする。このことに
より、請求項５の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３６】請求項１４の発明では、請求項７〜１３の
いずれか１つの発明において、第２のウィスカはチタン
酸カリウムウィスカであるものとする。
【００３７】このようにすることで、チタン酸カリウム
ウィスカは、コストが比較的低く、焼結性が優れている
ので、第２のウィスカとして最適なウィスカとなる。よ
って、コストの低い第２のウィスカの具体的材料を得る
ことができる。
【００３８】請求項１５の発明では、請求項７〜１４の
いずれか１つの発明において、セラミック粒子に対する
第１のウィスカの体積率が１０〜３０％とされているも
のとする。このことで、請求項６の発明と同様の作用効
果が得られる。
【００３９】請求項１６の発明では、請求項７〜１５の
いずれか１つの発明において、複合化材料の体積率が全
体の３０％以下とされているものする。
【００４０】すなわち、耐摩耗性の観点から複合化材料
の体積率は３０％以下が望ましい。また、通常、複合化
時には１００MPa 程度でアルミニウム溶湯を予備成形体
に含浸させる。このとき、複合化材料の体積率が全体の
３０％以下では、溶湯の圧力により予備成形体が割れた
り圧縮変形したりする可能性はあるが、この発明では、
予備成形体が１００MPa 以上の圧力に耐えることができ
るように強度が保持されているので、予備成形体の割れ
や圧縮変形を確実に防止して、アルミニウム鋳造による
複合化を行うことができる。勿論、１００MPa 以下でも
十分な複合化は可能であり、例えば本発明の場合、複合
化材料の体積率が１０％程度では１MPa程度で複合化が
十分可能である。よって、耐摩耗性を良好に維持しつ
つ、アルミニウム鋳造による複合化を確実に行うことが
できる。
【００４１】請求項１７の発明では、請求項７〜１６の
いずれか１つの発明において、エンジンのピストンにお
けるピストンリング溝部に設けられている複合化用予備
成形体とする。
【００４２】このことで、耐摩耗性が特に要求されるエ
ンジンのピストンリング溝部に最適な予備成形体とする
ことができる。よって、この発明の予備成形体の有効な
利用を図ることができる。
【００４３】請求項１８の発明では、アルミニウム系金
属母材に複合化材料が複合化された複合アルミニウム系
金属部品の製造方法として、請求項１〜６のいずれか１
つに記載の複合化用予備成形体の製造方法により得られ
た予備成形体にアルミニウム系金属の溶湯を注入し、上
記溶湯と複合化用予備成形体とを複合化する複合化工程
を備えるようにする。
【００４４】このことにより、予備成形体内にアルミニ
ウム系金属溶湯が含浸されて予備成形体とアルミニウム
系金属とが複合化されると共に、予備成形体以外の箇所
はアルミニウム系金属のみで鋳造される。よって、セラ
ミック粒子の複合化材料で部品の一部が複合化されたア
ルミニウム系金属部品を容易に得ることができる。
【００４５】請求項１９の発明では、請求項１８の発明
において、複合化工程終了後に、セラミック粒子及びア
ルミニウム金属の金属間化合物を形成するための熱処理
を施すようにする。
【００４６】この発明により、熱処理することでセラミ
ック粒子及びアルミニウム金属の金属間化合物が形成さ
れて複合化材料の硬さを向上させることができる。しか
も、複合化材料の硬さが向上すると、通常脆くなる傾向
にあるが、複合化材料中に第１のウィスカが均一に分散
されているので、強度の低下を防止することができる。
よって、複合化材料の強度低下を抑えつつ、耐摩耗性の
より一層の向上を図ることができる。
【００４７】請求項２０の発明では、アルミニウム系金
属母材に複合化材料が複合化された複合アルミニウム系
金属部品として、アルミニウム系金属と請求項７〜１６
のいずれか１つに記載の複合化用予備成形体とが複合化
されてなるものとする。このことで、請求項１８の発明
と同様の作用効果が得られる。
【００４８】請求項２１の発明では、請求項２０の発明
において、複合アルミニウム系金属部品は、エンジンの
ピストンであるものとする。
【００４９】この発明により、例えばピストン溝部のみ
が二酸化チタン及びホウ酸アルミニウムウィスカ等で複
合化されたアルミニウム系金属製のピストン部品を得る
ことができるので、ピストン部品のコストアップを抑え
つつ、その耐摩耗性や強度を向上させることができる。
よって、この発明のアルミニウム系金属部品の最適な利
用を図ることができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。但し、先ず最初に、ピストンリング
溝部において複合化材料として第２のウィスカを含有し
ていない形態を説明し、その後に、本発明である、第２
のウィスカを含有する形態を、上記含有していない形態
と異なる部分に関して説明する。
【００５１】図１は、本発明の実施形態に係る自動車エ
ンジン用ピストン部品Ａの要部を示す。このピストン部
品Ａは、アルミニウム系金属を母材とし、そのピストン
リング溝部１，１のみが部分的に複合化材料（強化材）
で複合化された複合アルミニウム系金属で構成されてい
る。
【００５２】上記母材としては、ＪＩＳ規格Ｈ５２０２
に規定されているＡＣ８Ａが使用されている。そして、
複合化材料はセラミック粒子とウィスカとを含むものか
らなり、そのセラミック粒子には二酸化チタン（ＴｉＯ
2 ）が、またウィスカにはホウ酸アルミニウムウィスカ
がそれぞれ使用されている。尚、セラミック粒子は酸化
アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）やＳｉＣ等でもよい。ま
た、ウィスカは、短繊維とは異なり、針状に成長した結
晶を意味し、金属等が自然に結晶成長してなる真性ウィ
スカの他、液相や気相から成長したものや化学反応の結
果として成長した非真性ウィスカであってもよく、ホウ
酸アルミニウムウィスカ以外では例えばＳｉＣウィスカ
等でもよい。
【００５３】上記ピストンリング溝部１，１は、セラミ
ック粒子であるＴｉＯ2 粒子間に母材のアルミニウム系
金属のＡＣ８Ａが含浸された状態となっており、さら
に、上記ホウ酸アルミニウムウィスカがＴｉＯ2 粒子間
に均一に分散されてＴｉＯ2 粒子同士の結合が強められ
ている。
【００５４】上記ピストンリング溝部１，１において、
ＡＣ８Ａが含浸される前は、リング形状をなし、その周
囲の上下方向略中央部に溝部が形成された２つの複合化
用予備成形体５，５とされており、この各予備成形体５
は、ＴｉＯ2 粒子がホウ酸アルミニウムウィスカ表面に
付着した状態で焼結されてなるもので、各予備成形体５
のＴｉＯ2 粒子間には空洞が存在しており、この空洞に
ＡＣ８Ａの溶湯が高圧鋳造により含浸されるようになっ
ている。尚、ＴｉＯ2 粒子にさらに無機バインダーが焼
結されている。
【００５５】各予備成形体５の複合化材料の体積率は、
耐摩耗性の観点から各予備成形体５全体の３０％以下と
されている。
【００５６】また、上記複合化材料中のＴｉＯ2 粒子に
対するホウ酸アルミニウムウィスカの体積率は１０〜４
０％となるようにされている。すなわち、ＴｉＯ2 粒子
に対するホウ酸アルミニウムウィスカの体積率が１０％
よりも小さいと、溶湯の浸透性が不十分になると共に、
各予備成形体５の強度がＴｉＯ2 粒子のみの場合と変わ
らず、強度を向上させることができない反面、４０％よ
りも大きいと、通気性は良好であるが、セラミック粒子
よりもウィスカ主体の予備成形体となり、予備成形体自
体の剛性が低下し、溶湯の複合化時に収縮、破損し易く
なると共に、ホウ酸アルミニウムウィスカによるコスト
アップを招き、空洞率も低下するので、１０〜４０％の
範囲としている。
【００５７】以上の構成からなる複合化用予備成形体５
及びその予備成形体５に対してアルミニウム系金属のＡ
Ｃ８Ａが複合化されて得られるピストン部品Ａを製造す
る方法を説明する。尚、以下に説明する製造方法では、
理解し易くするために、ピストン部品Ａ及び複合化用予
備成形体５を図２に示すように模式的にして説明する。
【００５８】最初に、複合化用予備成形体５を製造する
には、先ず、スラリーを調製する。すなわち、図３に示
すように、有底状の容器１１内に、ＴｉＯ2 粒子及びホ
ウ酸アルミニウムウィスカを含む複合化材料と焼失性粉
末と水等の液体とを投入して攪拌翼１２で攪拌混合して
スラリー１３を調製する。尚、このとき、さらに無機バ
インダーを複合化材料に対して３容積％程度混合するの
が好ましい。また、添加剤として、高分子の凝集材と酢
酸水とを適量添加する。
【００５９】上記焼失性粉末としては、黒鉛粉や樹脂粉
等が、また無機バインダーとしては、シリカゾルやアル
ミナゾル等がそれぞれ適している。
【００６０】次に、図４に示すように、濾過装置１４で
上記スラリー１３中の水等の液体成分を濾過（吸引脱
水）する。この濾過装置１４は、有底状の容器１５の底
部に吸引口１６を連通形成すると共に、多数の脱水用ス
リット１７，１７，…が形成された台部材１８を容器１
５内の上下方向略中央部に水平状に張架し、この台部材
１８の上面に濾紙１９を配設したもので、上記スラリー
１３を容器１５内の濾紙１９上に投入した後、吸引口１
６に負圧吸引力を作用させることにより、スラリー１３
中の水等の液体を濾紙１９及び台部材１８の各スリット
１７より濾過することができるようになっている。
【００６１】そして、図５に示すように、スラリー１３
中の液体成分を濾過することにより得られた脱液体部材
２１を圧縮する。すなわち、上記濾過装置１４を脱液体
部材２１を入れたままその底部を固定台２０上に載せ、
脱液体部材２１をその上方からパンチ２２により加圧し
て予備成形体５の形状となるように圧縮成形する。尚、
上述の如く濾過する際にその負圧吸引力を調整し、焼失
性粉末を含んだ脱液体部材２１の体積率が１０％以上と
なるようにすれば、実質的に脱液体部材２１に対して圧
縮を行ったのと同様の効果が得られ、後述の如く焼結を
有効に行うことができるので、そのようにする場合に
は、この圧縮工程を省略してもよい。
【００６２】その後、上記脱液体部材２１を乾燥させて
から焼結する。このとき、焼結を２段階の工程に分けて
行う。すなわち、最初の工程で、上記焼失性粉末を焼失
させることができる温度に設定して焼失性粉末を脱液体
部材２１より完全に焼失させる。次の工程で、温度をさ
らに上げて、脱液体部材２１に残されているＴｉＯ2粒
子及びホウ酸アルミニウムウィスカを含む複合化材料又
は無機バインダーを焼結する。このことにより、ＴｉＯ
2 粒子がホウ酸アルミニウムウィスカ表面に付着した状
態で焼結された複合化用予備成形体５が得られる。
【００６３】したがって、このようにして得られた予備
成形体５の焼失性粉末の存在していた箇所は空洞となっ
ているので、その焼失性粉末分だけ複合化材料の予備成
形体５全体に対する体積率が小さくなっている。よっ
て、焼失性粉末の混合量を変えることにより、複合化材
料の体積率を制御することができ、その体積率を小さく
することができる。しかも、ＴｉＯ2 粒子同士が均一に
分散されたホウ酸アルミニウムウィスカによっても結び
付けられているので、ＴｉＯ2 粒子のみの結合よりも強
固になり、複合化材料の体積率が小さくなっても、予備
成形体５の強度は維持される。その結果、予備成形体５
の強度を低下させることなく、複合化材料の体積率を低
下させることができ、この予備成形体５に対して鋳造を
行なう際に、溶湯が含浸し易くなり、予備成形体５が割
れるのを防ぐことができる。
【００６４】さらに、無機バインダーを混合することに
よって、それが脱液体部材２１の焼結時にＴｉＯ2 粒子
及びホウ酸アルミニウムウィスカと共に焼結され、Ｔｉ
Ｏ2粒子同士及びＴｉＯ2 粒子とホウ酸アルミニウムウ
ィスカとの結合をより一層強固にする。よって、焼結温
度が低くても予備成形体５の強度を維持することがで
き、無機バインダーを混合しないときと同じ焼結温度で
あれば、強度をさらに向上させることができる。
【００６５】次に、上記予備成形体５を用いてピストン
部品Ａを製造する方法を説明する。先ず、図６に示すよ
うに、底部に金型２６を、側部に金型２７をそれぞれ備
え、該金型２７の周囲に加熱用ヒータ２８が配置されて
いるアルミニウム鋳造装置２４内の所定部に上記予備成
形体５を配置し、金型２６，２７及び予備成形体５をヒ
ータ２８により所定温度に加熱保持しておく。そして、
金型２６，２７で囲まれた内部に、アルミニウム系金属
溶湯２５を注入し、この溶湯２５の上方からパンチ２９
により溶湯２５を加圧する。この鋳造圧力は１００MPa
程度となるようにする。このとき、複合化材料の体積率
が全体の３０％以下とされているので、その圧力により
予備成形体５が割れたり、圧縮変形したりする虞れがあ
る。しかし、各予備成形体５が１００MPa 程度の圧力に
十分耐えることができる強度とされているので、各予備
成形体５の割れや圧縮変形を防いで、鋳造を行うことが
できる。尚、この強度は、上記ＴｉＯ2 粒子間に均一に
分散されたホウ酸アルミニウムウィスカによって十分に
保証されている。
【００６６】上記溶湯２５を加圧することにより、予備
成形体５内の空洞に溶湯２５が含浸され、溶湯２５と予
備成形体５とが複合化される。そして、溶湯２５が凝固
すると、部分的にＴｉＯ2 粒子で複合化されたピストン
部品Ａが得られる。
【００６７】尚、上記鋳造圧力が１００MPa 以下であっ
ても、溶湯２５と予備成形体５との複合化は十分可能で
あり、１MPa 程度でも複合化を行うことができる。
【００６８】よって、上記方法によると、予備成形体５
内にはアルミニウム系金属溶湯２５が容易に含浸し得る
ような空洞が形成されかつその強度がホウ酸アルミニウ
ムウィスカにより維持されているので、予備成形体５の
割れや圧縮変形を確実に防止しつつ、ＴｉＯ2 粒子の複
合化材料で部品の一部が複合化されたピストン部品Ａを
鋳造により容易に得ることができる。
【００６９】したがって、上記形態では、ＴｉＯ2 粒子
及びホウ酸アルミニウムウィスカからなる各予備成形体
５で各ピストンリング溝部１を構成したことにより、Ｔ
ｉＯ2 粒子は耐摩耗性が特に優れかつコストが低く、ホ
ウ酸アルミニウムウィスカは強度が高くかつＴｉＯ2 と
の結び付きを強固にすることができるので、ピストン部
品Ａのコストを上昇させることなく、その耐摩耗性や強
度を向上させることができる。また、上記各ピストンリ
ング溝部１内にはＣ字状のピストンリングがそれぞれ嵌
められ、ピストン部品Ａがシリンダー内で上下移動する
ときにピストンリングと各溝部１の上下面が激しく擦ら
れるが、耐摩耗性が向上されているので、ピストン部品
Ａの耐久性を向上させることができる。
【００７０】さらに、上記複合化後のピストン部品Ａに
例えばＴ６熱処理等の熱処理を施すことが望ましい。す
なわち、複合化終了後に熱処理を施さなければ、ＴｉＯ
2 の体積率が小さいので、チタンが、アルミニウム系金
属中に含有されているケイ素及びアルミニウムと結合し
て生じる脆い金属間化合物であるＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ化合
物は生成されない。ところが、複合化終了後にＴ６熱処
理等の熱処理を施すと、チタンがケイ素及びアルミニウ
ムと結合し易くなり、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ化合物が発生す
る。しかし、複合化材料中にホウ酸アルミニウムウィス
カが均一に分散されているので、ウィスカがその化合物
の脆さを補強して強度の低下を防止することができ、し
かも、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ化合物が硬さを向上させるの
で、耐摩耗性の一層優れたピストン部品Ａを得ることが
できる。
【００７１】次に、第２のウィスカを含有する形態を説
明する。すなわち、上記形態では、複合化材料として、
ＴｉＯ2 粒子とホウ酸アルミニウムウィスカのみを含む
ものとしたが、これらにさらにホウ酸アルミニウムウィ
スカよりも繊維径及び繊維長が大きい短繊維部材として
のアルミナ（酸化アルミニウム）短繊維と、ホウ酸アル
ミニウムウィスカ（第１のウィスカ）よりも焼結性が高
くかつ繊維径及び繊維長が小さい第２のウィスカとして
のチタン酸カリウムウィスカとを混入させる。この場
合、アルミナ短繊維の体積率及びチタン酸カリウムウィ
スカの体積率を、共に全体の５％以下とし、ＴｉＯ2 粒
子に対するホウ酸アルミニウムウィスカの体積率を１０
〜３０％となるようにすればよい。
【００７２】このようにアルミナ短繊維を少量混入する
だけで、耐摩耗性を著しく向上させることができる。さ
らに、チタン酸カリウムウィスカをも混入すると、その
ウィスカは、大きさがＴｉＯ2 粒子と略同じであり、焼
結性も高いので、ホウ酸アルミニウムウィスカ、ＴｉＯ
2 粒子及びアルミナ短繊維と付着し易く、ＴｉＯ2 粒子
がホウ酸アルミニウムウィスカやアルミナ短繊維近傍に
多く焼結され、アルミナ短繊維間の通気性がより一層向
上する。この場合、アルミナ短繊維の混入量を全体の５
％よりも大きくすると、予備成形体５の強度及び通気性
が低下すると共に、ＴｉＯ2 粒子の均一性が悪化するの
で、５％以下としている。また、チタン酸カリウムウィ
スカの体積率を全体の５％よりも大きくすると、予備成
形体が柔らかくなり、アルミニウム溶湯の複合化時に収
縮、破損し易くなるので、５％以下としている。さら
に、ＴｉＯ2 粒子及びホウ酸アルミニウムウィスカのみ
を含む複合化材料の場合と同様に、ＴｉＯ2 粒子に対す
るホウ酸アルミニウムウィスカの体積率が１０％よりも
小さいと、予備成形体５の通気性及び強度の向上を図る
ことができない一方、３０％よりも大きいと、アルミナ
短繊維やチタン酸カリウムウィスカを混入する分だけよ
り一層予備成形体５の剛性の低下を招き、複合化時に破
損し易くなるので、１０〜３０％の範囲としている。よ
って、予備成形体５の強度を維持しつつ、通気性をより
一層向上させることができる。
【００７３】尚、上記実施形態では、ピストン部品Ａに
おけるピストンリング溝部１，１に予備成形体５を設け
て母材と複合化させたが、本発明は、車両制動系のブレ
ーキディスクロータやエンジン動弁系のバルブリフタ
等、他の部材との摺動部分に耐摩耗性が要求される部品
にも適用することができる。
【００７４】さらに、ピストン部品Ａにおけるピストン
リング溝部１，１のように、部品の一部分のみが複合化
された複合アルミニウム系金属としたが、本発明は、部
品全体が複合化されたものにも適用することができる。
【００７５】
【実施例】次に、具体的に実施した実施例について説明
する。先ず、上記実施形態と同様にして、複合化用予備
成形体を作製した。このとき、セラミック粒子として、
平均粒径０．３μｍの微粉状のＴｉＯ2 粒子（和光純薬
工業（株）製）を、またウィスカとして、繊維径０．５
〜１．０μｍ及び繊維長１０〜３０μｍのホウ酸アルミ
ニウムウィスカ（商品名「アルボレックスＭ１２」四国
化成工業（株）製）を、さらに焼失性粉末として、平均
粒径４５μｍの黒鉛粉（西村黒鉛（株）製）をそれぞれ
使用し、これらを５００ccの水と混合した。そして、ホ
ウ酸アルミニウムウィスカはＴｉＯ2 粒子に対して体積
比で２５％となるようにした。また、無機バインダーと
して、シリカゾルをＴｉＯ2 粒子とホウ酸アルミニウム
ウィスカとの合計に対して体積比で３％となるように添
加した。また、焼結温度を８００℃〜１２００℃の範囲
で変化させ、焼結時間を２時間とした。尚、得られた予
備成形体の大きさは、６２×３６×１５mmであり、複合
化材料（強化材）の全体に対する体積率（Ｖｆ）が８
％、１３％及び２４％となる３種類の予備成形体を作製
した。
【００７６】ここで、Ｖｆを所定値とするには、黒鉛粉
を焼結させる前の空洞率が６５％程度つまり複合化材料
＋黒鉛粉の体積率が約３５％となることを考慮してＴｉ
Ｏ2粒子、ホウ酸アルミニウムウィスカ及び黒鉛粉の配
合割合を決定する。すなわち、Ｖｆを例えば１３％とす
るには、ＴｉＯ2 粒子＋ホウ酸アルミニウムウィスカ
（複合化材料）の黒鉛粉に対する体積比を１：２として
水に混合すると、ＴｉＯ2 粒子＋ホウ酸アルミニウムウ
ィスカの体積比は３５％×１／３より約１３％となる。
このことより、黒鉛粉の量は、複合化材料の体積率に応
じて変えればよい。
【００７７】そして、上記各予備成形体の圧縮強度を測
定した。この結果を図７に示す。尚、比較のために、複
合化材料としてウィスカのないＴｉＯ2 粒子のみの場合
も示す。図において一点鎖線で示した強度は、アルミニ
ウム鋳造を行うことができる最低必要な強度である。し
たがって、Ｖｆが小さくなると強度も低下するが、Ｖｆ
＝８％であっても、１２００℃の焼結温度であれば十分
にアルミニウム鋳造を行うことができ、Ｖｆが大きけれ
ば、低い焼結温度であってもウィスカによって強度が十
分に確保されていることが判る。
【００７８】また、上記予備成形体のうち、Ｖｆ＝１３
％の予備成形体内部の組織状態を図８に示す。比較例と
して、ウィスカのないＴｉＯ2 粒子のみからなるＶｆ＝
１３％の予備成形体内部の組織状態を図９に示す。尚、
倍率は共に３０００倍である。この結果、本実施例のも
のは、ウィスカが骨材となってＴｉＯ2 粒子同士が結合
され、強度が強められていることが判る。
【００７９】続いて、上記実施形態と同様にして、上記
３種類の各予備成形体に対してアルミニウム鋳造を行う
ことにより各予備成形体をアルミニウム系金属と複合化
して各予備成形体内にアルミニウム系金属が含浸された
３種類の複合材を得た。このとき使用したアルミニウム
系金属は上記ＡＣ８Ａであり、溶湯温度７６０℃、金型
温度２６０℃、予備成形体温度３００℃、加圧力１００
MPa の条件下で鋳造を行った。さらに、複合化後、Ｔ６
熱処理を行った。すなわち、５１０℃の温度下で約４時
間保持した後、水冷し、１７０℃の温度下で約１０時間
保持し、その後、空冷した。
【００８０】上記複合化された３種類の各複合材より、
平行部の直径が５mmの丸棒試験片を採取し、クロスヘッ
ド速度を０．０１７mm/sとして室温下と高温（２６０
℃）下とで引張試験を行った。尚、高温下での試験で
は、２６０℃で２０時間予備加熱後、測定を行った。
【００８１】次に、摩耗試験を行った。すなわち、図１
２に示すように、上記各複合材より円板状のディスク４
０をそれぞれ採取し、その各ディスク４０上にＳＣｒ４
２０（ＨＲｃ４５）からなるリング４１を載せ、ディス
ク４０を固定してリング４０を面圧１０MPa 、周動速度
０．５m/s、潤滑油温度１００℃の条件でその中心軸回
りに回転させた。そして、周動距離が５０００ｍとなっ
たときのディスク４０及びリング４１の摩耗減量を測定
した。
【００８２】上記室温下と高温下との引張試験の結果を
それぞれ図１０と図１１に示す。比較のために、複合化
材料としてウィスカのないＴｉＯ2 粒子のみの場合の引
張強度を示す（室温下のみ）。これより、室温での引張
強度は、母材のＡＣ８ＡのＴ６熱処理を行ったものより
も若干低下するものの、ＴｉＯ2 粒子のみの場合よりも
増加しており、高温での引張強度は、母材のＡＣ８Ａの
Ｔ６熱処理を行ったものよりも高くなっている。したが
って、ホウ酸アルミニウムウィスカによってＴｉＯ2 粒
子の凝集が改善されて強度は高くなり、特に高温強度が
優れていることが判る。
【００８３】上記摩耗試験の結果を図１３に示す。比較
のために、ディスク４０の材料として、母材のＡＣ８Ａ
と従来よりピストン部品のピストンリング溝部によく使
用されているニレジスト鋳鉄との結果を併せて示す。こ
の結果、ニレジスト鋳鉄よりも耐摩耗性がさらに向上し
ており、特にＶｆ＝１３％以上で極めて優れている。し
たがって、本実施例の複合材がピストンリング溝の耐摩
耗性向上のための補強用としてニレジスト鋳鉄よりも適
していることが判る。
【００８４】また、各複合材（Ｖｆ＝８％，１３％，２
４％）の組織状態（倍率４００倍）を図１４〜図１６に
それぞれ示す。比較のために、ＴｉＯ2 粒子のみの場合
（倍率１００倍）を図１７に示す。これらの図におい
て、黒い部分はＴｉＯ2 粒子の集まった部分であり、白
い部分は複合化されたアルミニウム合金である。そし
て、ＴｉＯ2 粒子が分散している方が複合化時の加圧力
を低下させることができる。これより、本実施例のもの
はＴｉＯ2 粒子及びホウ酸アルミニウムウィスカが均一
に分散されていることが判る。すなわち、どの部分でも
強度が均等に維持されている。さらに、Ｖｆ＝２４％の
ものでは、Ｔ６熱処理によって脆いＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ化
合物が形成されていることがＸ線分析で観察された。こ
の化合物は硬さを向上させるので、摩耗試験にて耐摩耗
性が優れていたことを説明することができる。一方、通
常、脆くなることによって強度は低下するが、均一に分
散されたホウ酸アルミニウムウィスカによって強度が維
持されていることも判る。
【００８５】さらに、ＴｉＯ2 粒子及びホウ酸アルミニ
ウムウィスカに繊維径５〜１０μｍ及び繊維長２００〜
５００μｍのアルミナ短繊維を混入して、上記と同様に
複合材を作製した。このとき、それぞれの体積比は、６
％、４％、１％とした。この複合材に対して、上記と同
じ摩耗試験を行い、摩耗減量を調べた。この結果を図１
８に示す。このことより、アルミナ短繊維を１％程度混
入するだけで、ＴｉＯ2 粒子及びホウ酸アルミニウムウ
ィスカからなる複合化材料よりも耐摩耗性が著しく向上
することが判る。
【００８６】次に、複合化材料がＴｉＯ2 粒子、ホウ酸
アルミニウムウィスカ及びアルミナ短繊維からなる第１
の予備成形体と、その複合化材料にさらに第２のウィス
カとして繊維径約０．３μｍ及び繊維長約１０μｍのチ
タン酸カリウムウィスカを混入したものからなる第２の
予備成形体とを作製した。このとき、焼結温度を１１０
０℃とし、焼結時間を２時間とした。また、ＴｉＯ2 粒
子、ホウ酸アルミニウムウィスカ及びアルミナ短繊維の
各体積率を、第１及び第２の予備成形体共にそれぞれ７
％、２％及び１．５％とし、第２の予備成形体のチタン
酸カリウムウィスカの体積率を１％とした。このこと
で、複合化材料の全体に対する体積率Ｖｆは、第１の予
備成形体では１０．５％となり、第２の予備成形体では
１１．５％となってチタン酸カリウムウィスカの体積率
の分大きくなる。尚、得られた各予備成形体の大きさ
は、５８×３６×１５mmである。
【００８７】そして、上記第１及び第２の予備成形体の
圧縮強度を測定した。この結果を図１９に示す。このこ
とより、上記の如く耐摩耗性を向上させるアルミナ短繊
維を混入しても、予備成形体の強度を維持し得ると共
に、さらにチタン酸カリウムウィスカを混入すること
で、第１の予備成形体よりも強度が格段に向上すること
が判る。
【００８８】また、上記第１及び第２の予備成形体内部
の組織状態（倍率３０００倍）をそれぞれ図２０及び図
２１に示す。図２０において太く長いものがアルミナ短
繊維であり、短く細いものがホウ酸アルミニウムウィス
カであり、白い粒状のものがＴｉＯ2 粒子である。この
結果、第２の予備成形体では、ＴｉＯ2 粒子がチタン酸
カリウムウィスカと共にホウ酸アルミニウムウィスカ及
びアルミナ短繊維により一層多く付着し、アルミナ短繊
維間の通気性がさらに向上していることが判る。
【００８９】続いて、上記第１及び第２の予備成形体に
対してそれぞれアルミニウム鋳造を行うことにより各予
備成形体をアルミニウム系金属と複合化して各予備成形
体内にアルミニウム系金属が含浸された第１及び第２の
複合材を得た。このとき使用したアルミニウム系金属は
ＡＣ８Ａであり、溶湯温度７６０℃、金型温度２６０
℃、加圧力１５０MPa の条件下で鋳造を行った。
【００９０】上記第１及び第２の複合材について硬さ及
び引張強度を測定した。また、比較のためにＡＣ８Ａの
硬さ及び引張強度を測定した。この結果、第１の複合材
の硬さ及び引張強度はそれぞれＨｖ１１０〜１１５及び
２２０〜２３０Ｍｐａであり、第２の複合材の硬さ及び
引張強度はそれぞれＨｖ１１５〜１２０及び２２０〜２
４０Ｍｐａであったのに対し、ＡＣ８Ａの硬さ及び引張
強度はそれぞれＨｖ８０及び１７０Ｍｐａであった。し
たがって、両複合材の硬さ及び引張強度は殆ど同じであ
り、母材であるＡＣ８Ａよりもかなり向上していること
が判る。
【００９１】さらに、上記第２の予備成形体と形状のみ
が異なる第３の予備成形体を作製し、その第３の予備成
形体を気体加圧鋳造法によりＡＣ８Ａと複合化して第３
の複合材を作製した。すなわち、図２２に示すように、
上型５１ａと下型５１ｂとからなる金型５１内の底面
に、直径及び厚さがそれぞれ９５mm及び１５mmである円
板状の第３の予備成形体５０を置き、その予備成形体５
０の上にＡＣ８Ａの溶湯５２を注ぎ、その溶湯５２上に
空気又は窒素等の気体を吹き込んで溶湯５２を０．５MP
a で加圧することにより複合化した。このとき、溶湯５
２の温度、金型５１の温度及び予備成形体５０の予熱温
度をそれぞれ７７０℃、１１０℃及び７００℃とした。
【００９２】上記気体加圧鋳造法で得られた第３の複合
材の硬さを測定したところ、その硬さは、上記の如く通
常の加圧鋳造で得られた第２の複合材と同じＨｖ１１０
〜１１５であった。このことより、０．５MPa で複合化
した場合でも、高圧で鋳造したものと殆ど同じ複合材が
得られ、第３の予備成形体５０の通気性が極めて良好で
あることが判る。また、０．５MPa という圧力は、工場
等で一般に使用されている圧力であるので、新たなコン
プレッサを用いることなく簡単に予備成形体を複合化す
ることができる。
【００９３】尚、チタン酸カリウムウィスカが混入され
ていない上記第１の予備成形体に対して気体加圧鋳造法
により複合化する場合は、気体の圧力が１MPa よりも小
さくなると複合化が困難となる。
【００９４】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１又は７の
発明によると、アルミニウム系金属母材に複合化材料が
複合化された複合アルミニウム系金属部品の複合化用予
備成形体として、セラミック粒子と第１のウィスカと該
第１のウィスカよりも焼結性が高くかつ繊維径及び繊維
長が小さい第２のウィスカとを含む複合化材料と、無機
バインダーと、焼失性粉末と、液体とを混合してスラリ
ーを調製し、上記スラリー中の液体成分を濾過すること
により得られた脱液体部材より焼失性粉末を焼失させ
て、上記セラミック粒子と第１のウィスカと第２のウィ
スカと無機バインダ ーとを焼結するようにしたことによ
り、予備成形体の強度を維持しつつ、複合化材料の体積
率を低下させることができ、この予備成形体に対してア
ルミニウム鋳造を行なう際に、その予備成形体の割れの
防止を図ることができる。
【００９５】請求項２又は８の発明によると、セラミッ
ク粒子に対する第１のウィスカの体積率を１０〜４０％
としたことにより、溶湯の浸透性、コスト上昇及び耐摩
耗性の低下を防ぎつつ、予備成形体の強度、剛性を向上
させることができる。
【００９６】請求項３又は１０の発明によると、スラリ
ー調製工程にてさらに第１のウィスカよりも繊維径及び
繊維長が大きい短繊維部材を混合してスラリーを調製
し、焼結工程で上記短繊維部材とセラミック粒子と第１
のウィスカと第２のウィスカと無機バインダーとを焼結
させるようにしたことにより、予備成形体の強度を維持
しつつ、耐摩耗性等のさらなる向上化を図ることができ
る。
【００９７】請求項４又は１１の発明によると、短繊維
部材の体積率を複合化用予備成形体全体の５％以下とし
たことにより、予備成形体の強度及び通気性を維持しつ
つ、耐摩耗性等の向上化をより一層図ることができる。
【００９８】請求項５又は１３の発明によると、第２の
ウィスカの体積率を複合化用予備成形体全体の５％以下
としたことにより、複合化時の予備成形体の破損を防止
しつつ、通気性のさらなる向上化を図ることができる。
【００９９】請求項６又は１５の発明によると、セラミ
ック粒子に対する第１のウィスカの体積率を１０〜３０
％としたことにより、請求項２の発明と同様の作用効果
を得ることができる。
【０１００】請求項９の発明によると、セラミック粒子
を二酸化チタンとし、第１のウィスカをホウ酸アルミニ
ウムウィスカとしたことにより、耐摩耗性が極めて良好
でかつ強度の高い予備成形体とすることができる。
【０１０１】請求項１２の発明によると、短繊維部材を
アルミナ短繊維としたことにより、コストの低減化を図
りつつ、予備成形体の耐摩耗性をさらに優れたものとす
ることができる。
【０１０２】請求項１４の発明によると、第２のウィス
カをチタン酸カリウムウィスカとしたことにより、低コ
ストの第２のウィスカの具体的材料を得ることができ
る。
【０１０３】請求項１６の発明によると、複合化材料の
体積率を全体の３０％以下としたことにより、耐摩耗性
を良好に維持しつつ、アルミニウム鋳造による確実な複
合化を図ることができる。
【０１０４】請求項１７の発明によると、エンジンのピ
ストンにおけるピストンリング溝部に予備成形体を設け
たことにより、この発明の予備成形体の有効な利用を図
ることができる。
【０１０５】請求項１８の発明では、アルミニウム系金
属母材に複合化材料が複合化された複合アルミニウム系
金属部品の製造方法として、請求項１〜６のいずれか１
つに記載の複合化用予備成形体の製造方法により得られ
た予備成形体にアルミニウム系金属の溶湯を注入し、上
記溶湯と複合化用予備成形体とを複合化するようにし
た。また、請求項２０の発明では、複合アルミニウム系
金属部品として、アルミニウム系金属と請求項７〜１６
のいずれか１つに記載の複合化用予備成形体とが複合化
されてなるものとした。したがって、これらの発明によ
ると、セラミック粒子の複合化材料で部品の一部が複合
化されたアルミニウム系金属部品の製造を容易に行うこ
とができる。
【０１０６】請求項１９の発明によると、複合化工程終
了後に、セラミック粒子及びアルミニウム金属の金属間
化合物を形成するための熱処理を施したことにより、複
合化材料の強度低下を抑えつつ、耐摩耗性のより一層の
向上を図ることができる。
【０１０７】請求項２１の発明によると、複合アルミニ
ウム系金属部品をエンジンのピストンとしたことによ
り、この発明のアルミニウム系金属部品の最適な利用を
図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る自動車エンジン用のピ
ストン部品の要部を示す断面図である。
【図２】ピストン部品を模式的に示す断面図である。
【図３】複合化用予備成形体を製造するために容器内で
スラリー調製を行っている状態を示す断面図である。
【図４】スラリー中の液体を濾過している状態を示す断
面図である。
【図５】スラリー中の液体を濾過することにより得られ
た脱液体部材を圧縮している状態を示す図３相当図であ
る。
【図６】複合化用予備成形体に対してアルミニウム鋳造
を行ってその予備成形体とアルミニウム系金属とを複合
化している状態を示す断面図である。
【図７】複合化材料の体積率と予備成形体の強度との関
係を示すグラフである。
【図８】複合化材料の体積率が１３％の予備成形体内部
の組織状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図９】ウィスカのないＴｉＯ2 粒子のみからなる複合
化材料の体積率が１３％の予備成形体内部の組織状態を
示す電子顕微鏡写真である。
【図１０】室温下における複合化材料の体積率と複合材
の引張強度との関係を示すグラフである。
【図１１】高温下における図１０相当のグラフである。
【図１２】摩耗試験を行っている状態を示すディスク及
びリングの斜視図でる。
【図１３】ディスク材料とそのディスク及びリングの摩
耗減量との関係を示すグラフである。
【図１４】複合化材料の体積率が８％の複合材内部の組
織状態を示す光学顕微鏡写真である。
【図１５】複合化材料の体積率が１３％の複合材内部の
組織状態を示す光学顕微鏡写真である。
【図１６】複合化材料の体積率が２４％の複合材内部の
組織状態を示す光学顕微鏡写真である。
【図１７】ウィスカのないＴｉＯ2 粒子のみからなる複
合材内部の組織状態を示す光学顕微鏡写真である。
【図１８】ディスク材料とそのディスク及びリングの摩
耗減量との関係を示すグラフである。
【図１９】第１及び第２の予備成形体における複合化材
料の体積率と強度との関係を示すグラフである。
【図２０】第１の予備成形体内部の組織状態を示す電子
顕微鏡写真である。
【図２１】第２の予備成形体内部の組織状態を示す電子
顕微鏡写真である。
【図２２】気体加圧鋳造法により第３の予備成形体とア
ルミニウム系金属とを複合化している状態を示す断面図
である。
【符号の説明】
Ａ 自動車エンジン用ピストン部品 １ ピストンリング溝部 ５ 複合化用予備成形体 １３ スラリー １４ 濾過装置 ２１ 脱液体部材 ２４ アルミニウム鋳造装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 47/12 Ｆ０２Ｆ 3/00 Ｇ Ｆ０２Ｆ 3/00 Ｎ Ｃ０４Ｂ 35/80 Ｋ (72)発明者 杉本 幸弘 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (72)発明者 山本 幸男 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−227702（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−216969（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−216970（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−230680（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−295059（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−240229（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−138327（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−12678（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−87669（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−223876（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−215935（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−143990（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−214827（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−49560（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−18352（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−45833（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平７−100834（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平５−504659（ＪＰ，Ａ) 米国特許4840763（ＵＳ，Ａ) 米国特許5679041（ＵＳ，Ａ) 米国特許5371050（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 47/00 - 49/14 C22C 1/10 B22D 19/00 B22D 19/08 C04B 35/80 F02F 3/00

Claims (21)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アルミニウム系金属母材に複合化材料が
    複合化された複合アルミニウム系金属部品を形成するた
    めの複合化用予備成形体の製造方法であって、 セラミック粒子と第１のウィスカと該第１のウィスカよ
    りも焼結性が高くかつ繊維径及び繊維長が小さい第２の
    ウィスカとを含む複合化材料と、無機バインダーと、焼
    失性粉末と、液体とを混合してスラリーを調製するスラ
    リー調製工程と、 上記スラリー中の液体成分を濾過することにより得られ
    た脱液体部材より焼失性粉末を焼失させて、上記セラミ
    ック粒子と第１のウィスカと第２のウィスカと無機バイ
    ンダーとを焼結する焼結工程とを備えたことを特徴とす
    る複合化用予備成形体の製造方法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の複合化用予備成形体の製
    造方法において、 セラミック粒子に対する第１のウィスカの体積率を１０
    〜４０％とすることを特徴とする複合化用予備成形体の
    製造方法。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の複合化用予備成形
    体の製造方法において、 スラリー調製工程にてさらに第１のウィスカよりも繊維
    径及び繊維長が大きい短繊維部材を混合してスラリーを
    調製し、 焼結工程で上記短繊維部材とセラミック粒子と第１のウ
    ィスカと第２のウィスカと無機バインダーとを焼結させ
    ることを特徴とする複合化用予備成形体の製造方法。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の複合化用予備成形体の製
    造方法において、 短繊維部材の体積率を複合化用予備成形体全体の５％以
    下とすることを特徴とする複合化用予備成形体の製造方
    法。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１つに記載の複
    合化用予備成形体の製造方法において、 第２のウィスカの体積率を複合化用予備成形体全体の５
    ％以下とすることを特徴とする複合化用予備成形体の製
    造方法。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１つに記載の複
    合化用予備成形体の製造方法において、 セラミック粒子に対する第１のウィスカの体積率を１０
    〜３０％とすることを特徴とする複合化用予備成形体の
    製造方法。
  7. 【請求項７】 セラミック粒子及び第１のウィスカを含
    む複合化材料がアルミニウム系金属母材に複合化された
    複合アルミニウム系金属部品を形成するための複合化用
    予備成形体であって、 上記セラミック粒子が第１のウィスカ表面に付着した状
    態で焼結されてなり、 上記セラミック粒子にさらに無機バインダーが焼結さ
    れ、 上記セラミック粒子及び第１のウィスカにさらに該第１
    のウィスカよりも焼結性が高くかつ繊維径及び繊維長が
    小さい第２のウィスカが焼結されている ことを特徴とす
    る複合化用予備成形体。
  8. 【請求項８】 請求項７記載の複合化用予備成形体にお
    いて、 セラミック粒子に対する第１のウィスカの体積率が１０
    〜４０％とされていることを特徴とする複合化用予備成
    形体。
  9. 【請求項９】 請求項７又は８記載の複合化用予備成形
    体において、 セラミック粒子は二酸化チタンであり、 第１のウィスカはホウ酸アルミニウムウィスカであるこ
    とを特徴とする複合化用予備成形体。
  10. 【請求項１０】 請求項７〜９のいずれか１つに記載の
    複合化用予備成形体において、 第１のウィスカは、さらに該第１のウィスカよりも繊維
    径及び繊維長が大きい短繊維部材に焼結されていること
    を特徴とする複合化用予備成形体。
  11. 【請求項１１】 請求項１０記載の複合化用予備成形体
    において、 短繊維部材の体積率が全体の５％以下とされていること
    を特徴とする複合化用予備成形体。
  12. 【請求項１２】 請求項１０又は１１記載の複合化用予
    備成形体において、短繊維部材はアルミナ短繊維である
    ことを特徴とする複合化用予備成形体。
  13. 【請求項１３】 請求項７〜１２のいずれか１つに記載
    の複合化用予備成形体において、 第２のウィスカの体積率が全体の５％以下とされている
    ことを特徴とする複合化用予備成形体。
  14. 【請求項１４】 請求項７〜１３のいずれか１つに記載
    の複合化用予備成形体において、 第２のウィスカはチタン酸カリウムウィスカであること
    を特徴とする複合化用予備成形体。
  15. 【請求項１５】 請求項７〜１４のいずれか１つに記載
    の複合化用予備成形体において、 セラミック粒子に対する第１のウィスカの体積率が１０
    〜３０％とされていることを特徴とする複合化用予備成
    形体。
  16. 【請求項１６】 請求項７〜１５のいずれか１つに記載
    の複合化用予備成形体において、 複合化材料の体積率が全体の３０％以下とされているこ
    とを特徴とする複合化用予備成形体。
  17. 【請求項１７】 請求項７〜１６のいずれか１つに記載
    の複合化用予備成形体において、 エンジンのピストンにおけるピストンリング溝部に設け
    られていることを特徴とする複合化用予備成形体。
  18. 【請求項１８】 アルミニウム系金属母材に複合化材料
    が複合化された複合アルミニウム系金属部品の製造方法
    であって、 請求項１〜６のいずれか１つに記載の複合化用予備成形
    体の製造方法により得られた予備成形体にアルミニウム
    系金属の溶湯を注入し、上記溶湯と複合化用予備成形体
    とを複合化する複合化工程を備えたことを特徴とする複
    合アルミニウム系金属部品の製造方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１８記載の複合アルミニウム系
    金属部品の製造方法において、 複合化工程終了後に、セラミック粒子及びアルミニウム
    金属の金属間化合物を形成するための熱処理を施すこと
    を特徴とする複合アルミニウム系金属部品の製造方法。
  20. 【請求項２０】 アルミニウム系金属母材に複合化材料
    が複合化された複合アルミニウム系金属部品であって、
    アルミニウム系金属と請求項７〜１６のいずれか１つに
    記載の複合化用予備成形体とが複合化されてなることを
    特徴とする複合アルミニウム系金属部品。
  21. 【請求項２１】 請求項２０記載の複合アルミニウム系
    金属部品において、エンジンのピストンであることを特
    徴とする複合アルミニウム系金属部品。
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