JPH0146569B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、複合材料及びその製造方法に係り、
更に詳細にはアルミナ−シリカ系繊維を強化材と
する繊維強化軽合金複合材料及びその製造方法に
係る。 自動車や航空機等に於ては、燃料消費量の低減
などによる省エネルギ化や運転速度の高速化など
を図るべく、それらの構成部材を軽量化する各種
の試みがなされている。かかる構成部材の軽量化
を達成する一つの手段として、それらの部材をア
ルミニウム合金やマグネシウム合金の如き軽合金
材料にて構成することが考えられるが、これらの
軽合金材料のみよりなる部材に於ては充分な強
度、耐摩耗性、耐焼付性等を得ることは困難であ
る。そこでアルミナ−シリカ系繊維、結晶化ガラ
ス繊維、ステンレス繊維等を強化材としアルミニ
ウム、マグネシウム、及びそれらの合金等をマト
リツクスとする複合材料にて各種の部材を構成す
る試みがなされている。 しかし、上述の如き無機質繊維はマトリツクス
としてのアルミナ合金等に比べはるかに硬いた
め、それらを強化材とする複合材料に於ては、切
削等の加工が非常に困難であり、またそれに当接
して相対的に摺動する他の部材の摩耗量を増大さ
せるなどの種々の問題がある。これらの問題は、
皮肉にもアルミニウム合金等との両立性が高く耐
熱性等にも優れたアルミナ−シリカ系繊維を強化
材とする複合材料に於て特に顕著である。即ち、
アルミナ−シリカ系繊維の集合体は一般に種々の
大きさの非繊維化粒子（シヨツト）を50wt％程
度含んでおり、それらの非繊維化粒子は繊維の直
径に比して著しく大きい粒径を有し且非常に硬い
ものであるため、かかるアルミナ−シリカ系繊維
を強化材とする複合材料に於ては、加工が非常に
困難であり、また相手材に異常摩耗を発生させた
りするという種々の問題がある。 本願発明者等は、無機質繊維を強化材とし、ア
ルミニウム合金等をマトリツクスとする従来の複
合材料に於ける上述の如き不具合に鑑み、種々の
アルミナ−シリカ系繊維を強化材としてアルミニ
ウム合金等をマトリツクスとする複合材料を製造
し、それらの複合材料について種々の実験的研究
を行なつた結果、強化材としてのアルミナ−シリ
カ系繊維集合体に含まれる非繊維化粒子の総量や
カサ密度などがある特定の範囲に維持される必要
のあることを見出した。また本願発明者等は上述
の如き特定の特徴を有するアルミナ−シリカ系繊
維集合体を強化材とし、アルミニウム合金等をマ
トリツクスとする複合材料を能率良く製造するた
めには、アルミナ−シリカ系繊維集合体の圧縮強
度などがある特定の範囲に維持される必要があ
り、また所要の圧縮強度を得るために使用される
無機質バインダーの量がある特定の範囲に維持さ
れる必要のあることを見出した。 本発明は、本願発明者等が行なつた上述の如き
種々の実験的研究の結果得られた知見に基き、加
工性及び耐摩耗性の如き機械的性質や耐熱疲労性
及び熱伝導性の如き熱的性質に優れ、しかも相手
材に対する摩擦摩耗特性にも優れた複合材料を提
供することを主要な目的としている。 本発明の他の一つの目的は、上述の如き優れた
種々の性質を有する複合材料を能率良く製造する
ことのできる製造方法を提供することである。 これらの目的は、本発明によれば、アルミナ含
有率が40wt％以上であるアルミナ−シリカ系繊
維よりなる繊維集合体であつて、含有する非繊維
化粒子の総量が17wt％以下であり、粒径150μ以
上の非繊維化粒子含有率が7wt％以下であり、繊
維集合体のカサ密度が0.08〜0.3ｇ/cm³である繊維
集合体を強化材とし、アルミニウム、マグネシウ
ム、それらの合金よりなる群より選択された金属
をマトリツクスとする複合材料、及びアルミナ含
有率が40wt％以上であるアルミナ−シリカ系繊
維よりなる繊維集合体であつて、含有する非繊維
化粒子の総量が17wt％以下であり、粒径150μ以
上の非繊維化粒子含有率が7wt％以下であり、カ
サ密度が0.08〜0.3ｇ/cm³である繊維集合体を用意
し、該繊維集合体の圧縮強度が0.2Kg/cm²以上とな
るよう個々のアルミナ−シリカ系繊維が無機質バ
インダーにて結合し、かくして処理された繊維集
合体を鋳型内に配置し、該鋳型内にアルミニウ
ム、マグネシウム、それらの合金よりなる群より
選択された金属の溶湯を注湯し、該溶湯を前記鋳
型内にて加圧しつつ凝固させる複合材料の製造方
法によつて達成される。 かかる本発明による複合材料及びその製造方法
によれば、アルミニウム合金等が耐摩耗性に優れ
たアルミナ−シリカ系繊維集合体にて強化される
ので、耐摩耗性に優れた複合材料を得ることがで
き、またアルミナ−シリカ系繊維に含まれる非常
に硬い非繊維化粒子の総量が17wt％以下に維持
され、また粒径150μ以上の比較的大きな非繊維
化粒子の含有率が7wt％以下に維持されるので、
従来の同種の複合材料に比して加工性に優れた複
合材料を得ることができる。また本発明によれ
ば、アルミナ−シリカ系繊維集合体のカサ密度は
0.08〜0.3ｇ/cm³に維持されるので、耐摩耗性に優
れており、しかも冷熱サイクルを受ける部分強化
複合材料の場合にもその複合部と非複合部との間
などに亀裂を生じることがなく、またアルミニウ
ム合金と実質的に同等の熱伝導性を有する複合材
料を得ることができる。 また本発明による複合材料の製造方法によれ
ば、上述の如く優れた機械的性質及び熱的性質を
有する複合材料を、アルミナ−シリカ系繊維集合
体の圧縮変形等を生じることなく能率良く製造す
ることができる。 アルミナ−シリカ系繊維は一般にガラス繊維、
シリカ−アルミナ繊維、アルミナ繊維に大別され
る。これらの繊維のうちアルミナの含有率が
40wt％以下であるガラス繊維は耐熱温度が低く、
複合に際しアルミニウムやマグネシウムの溶湯と
反応することにより劣化するので、複合材料の強
化材としては好ましくない。これに対しアルミナ
の含有量が40wt％以上である所謂シリカ−アル
ミナ繊維やアルミナ繊維は耐熱温度も高く、繊維
の劣化も生じにくいものである。従つて本発明に
於て使用されるアルミナ−シリカ系繊維はアルミ
ナの含有率が40wt％以上のアルミナ−シリカ系
繊維、即ちシリカ−アルミナ繊維及びアルミナ繊
維である。 しかし、これらの繊維の集合体中には、その製
法上大なり小ない非繊維化粒子が含まれている。
これらの非繊維化粒子はその硬さがHv＝500以上
であり、またその大きさも直径μの繊維に比べ数
十〜数百μと非常に大きなものである。このため
かかる非繊維化粒子を含有する繊維集合体を強化
材とする複合材料は加工性が非常に悪く、それに
当接して相対的に摺動する相手部材を過剰に摩耗
したり、更には非繊維化粒子がマトリツクスより
脱落することにより相手部材にスカツフイング等
の弊害を発生させることがある。従つてこれらの
問題を解消するためには、シリカ−アルミナ繊維
又はアルミナ繊維よりなる繊維集合体中に含まれ
る非繊維化粒子の総量は17wt％以下、好ましく
は10wt％以下に抑えられなければならず、また
粒径150μ以上の非繊維化粒子の含有率は7wt％以
下、好ましくは2wt％以下に抑えられらければな
らない。 また上述の如く種々の優れた特徴を有するシリ
カ−アルミナ繊維やアルミナ繊維の特徴を活か
し、これにより耐摩耗性等に優れた複合材料を製
造するためには、それらの繊維よりなる繊維集合
体のカサ密度は0.08ｇ/cm³以上であることが必要
である。しかし繊維集合体のカサ密度が0.3ｇ/cm³
を越える場合には、相手部材の摩耗が著しく増大
し、また特に冷熱サイクルを受ける局部複合材料
の場合には、マトリツクスと強化繊維との熱膨張
係数の相違により、複合部と非複合部との境界部
などに熱疲労亀裂が発生するなどの不具合を生じ
る。従つて繊維集合体のカサ密度は0.3ｇ/cm³以
下、好ましくは0.25ｇ/cm³以下に制限されなけれ
ばならない。 上述の如きアルミナ−シリカ系繊維集合体を強
化材としアルミニウム合金等をマトリツクスとす
る複合材料を製造する方法としては、アルミナ−
シリカ系繊維が均一に充填された複合材料を能率
良く製造することができ、また必要に応じて所定
部位のみを局部的に複合化し得るという点から、
高圧鋳造法又は溶湯鍛造法が優れている。これら
の方法に於てはマトリツクス金属の溶湯が200〜
1000Kg/cm²程度の圧力にて加圧されることにより
繊維集合体の個々の繊維間に浸透せしめられるの
で、繊維集合体はマトリツクス金属溶湯より受け
る圧縮力に耐え得る強度を有していなければなら
ない。さもなくば繊維集合体が圧縮変形し、所定
部位に所定密度にて繊維を充填することができな
くなる。従つて繊維集合体は、マトリツクス金属
溶湯より受ける圧縮力に耐え得るよう、その圧縮
強さが0.2Kg/cm²以上、好ましくは0.5Kg/cm²以上で
ある必要がある。 かくして繊維集合体の圧縮強度を向上させる一
つの手段として、個々の強化繊維の繊維径を大き
くすることも考えられるが、繊維径の大きい強化
繊維にて繊維集合体を形成する場合には密度むら
が生じ易く、また所定形状の繊維集合体に形成す
ることが困難であるという問題がある。従つて繊
維集合体は、比較的高温のマトリツクス金属溶湯
に曝されてもその結合力を失うことのない無機質
バインダーによつて個々の繊維が結合されること
により、その圧縮強度が上述の好ましい値とされ
ることが好ましい。かかる無機質バインダーとし
ては乾燥により固化するコロイダルシリカ、コロ
イダルアルミナ、水ガラス、セメント、リン酸ア
ルミナ溶液などが好ましく、これらの無機質バイ
ンダーはそれらの無機質バインダー中に強化繊維
を分散させ、その混合液を撹拌し、その混合液中
の強化繊維を真空成形法などによつて繊維集合体
とし、更にそれを乾燥又は焼成することにより、
強化繊維に適用されてよい。 但し、無機質バインダーとしてのシリカはアル
ミナ−シリカ系繊維又はアルミナ繊維中に含まれ
るシリカと異なり、マトリツクスとしてのアルミ
ニウム合金等を反応し、その結果複合材料の種々
の性質に悪影響を及ぼすことがあるので、繊維集
合体中に含まれる無機質バインダー又はその成分
としてのシリカの量は20wt％以下、好ましくは
15wt％以下に制限される必要がある。 尚、繊維集合体の個々の繊維の配向は三次元的
に全くランダムであることが望ましいが、かくし
て強化繊維を配向する方法は未だ開発されていな
い。現状ではｘ−ｙ−ｚ直交座標に於て強化繊維
がｘ−ｙ平面内に於いてランダムに配向されてｚ
軸方向に積み重ねられた状態の配向が一般的に採
用されている。かくして強化繊維が配向された複
合材料に於ては、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面の耐
摩耗性はｘ−ｙ平面の耐摩耗性よりも僅かに優れ
ているが、耐摩耗性以外の機械的性質や熱的性質
についてはｘ方向及びｙ方向との間には実質的な
差異は生じない。従つて本発明による複合材料及
びその製造方法に於ては、特に耐摩耗性に優れて
いることを要する面が上述のｙ−ｚ平面又はｘ−
ｚ平面に相当する面となるよう、アルミナ−シリ
カ系繊維が配向されることが好ましい。 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 下記の表１に示す種々の強化繊維を用いて複合
材料を製造した。尚表１に於てA₁〜A₅はイソラ
イト・バブコツク耐火株式会社製シリカ−アルミ
ナ繊維（商品名「カオウール」）であり、B₁及び
B₂は電気化学工業社製のアルミナ繊維（商品名
「アルセン」）であり、ＣはICI社製アルミナ繊維
（商品名「サフイル」）である。

【表】 まず上述の各強化材をそれぞれコロイダルシリ
カ中に分散させ、そのコロイダルシリカを撹拌
し、かくして強化繊維が均一に分散されたコロイ
ダルシリカより真空成形法により第１図に示され
ている如く80×80×20mmの繊維集合体１を形成
し、更にそれを600℃にて焼成することにより
個々の強化繊維２をシリカにて結合させた。この
場合、第１図に示されている如く、個々の強化繊
維２は、ｘ−ｙ平面内に於てはランダムに配向さ
れ、ｚ方向に積重ねられた状態に配向された。 次いで第２図に示されている如く、繊維集合体
２を鋳型３のモールドキヤビテイ４内に配置し、
該モールドキヤビテイ内にアルミニウム合金
（JIS規格AC8A）の溶湯５を注湯し、該溶湯を鋳
型３に嵌合するプランジヤ６により1000Kg/cm²の
圧力に加圧し、その加圧状態を溶湯５が完全に凝
固するまで保持し、かくして外径110mm高さ50mm
の円柱状の凝固体を鋳造し、更に該凝固体に対し
熱処理T₇を施して、第３図に示されている如く、
局部的に強化繊維にて複合強化された複合材料７
を製造した。 上述の複合材料７より強化繊維にて強化された
部分のみよりなる摩耗試験片、回転曲げ疲労試験
片、熱伝導試験片を機械加工によつて作成した。 かくして複合材料７より各試験片を切り出す
際、超硬バイトを用いて切削速度150m/min、送
り0.03mm／回転、クーラント水にて一定量の切削
を行ない、その場合の超硬バイトの摩耗量を測定
した。その測定結果を第４図に示す。この第４図
より、非繊維化粒子の総量が比較的多くまた粒径
150μ以上の非繊維化粒子も比較的多量に含まれ
ている繊維A₁及びB₁を強化材とする複合材料は、
他の複合材料に比して被削性が悪く、従つて被削
性に優れた複合材料とするためには、非繊維化粒
子の総量が17wt％以下、好ましくは10wt％程度
以下に抑制され、また150μ以上の非繊維化粒子
の含有率は7wt％以下、好ましくは2wt％以下に
抑制される必要のあることが解る。 次に繊維A₃，B₂，Ｃにて強化された複合材料
よりなる摩耗試験片を順次摩擦摩耗試験機にセツ
トし、相手部材である球状黒鉛鋳鉄（JIS規格
FCD70）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
（キヤツスルモータオイル5W−30）を供給しつ
つ、接触面圧20Kg/mm²、滑り速度0.3m/sec．にて
１時間円筒試験片を回転させる摩耗試験を行なつ
た。尚比較のためアルミニウム合金（JIS規格
AC8A）のみよりなり熱処理T₇を施された摩耗
試験片A₀についても同様の摩耗試験を行なつた。
この摩耗試験の結果を第５図に示す。尚第５図に
於て、上半分は摩耗試験片の摩耗量（摩耗痕深さ
μ）を表わしており、下半分は相手部材である円
筒試験片の摩耗量（摩耗減量mg）を表わしてい
る。 この第５図より、アルミナ−シリカ系繊維にて
複合強化された複合材料はアルミニウム合金のみ
よりなる試験片よりもその摩耗量が大きく低減さ
れており、従つて耐摩耗性に優れていることが解
る。またこの場合複合材料の耐摩耗性はアルミナ
の含有量が高くなればなるほど向上するが、それ
に伴つて相手部材の摩耗量も増大することが解
る。 また繊維A₁，A₃，B₁，B₂，Ｃにて強化された
複合材料よりなる疲労試験片、及びアルミニウム
合金のみよりなり熱処理T₇を施された試験片A₀
について、各試験片をその軸線の周りに回転させ
つつそれに垂直な方向に荷重をかけ、破断に至る
までの荷重と回転数との関係を求める回転曲げ疲
労試験を行なつた。第６図はこの回転曲げ疲労試
験の結果得られたＳ−Ｎ曲線より10⁷回転に耐え
る疲労強度を室温（20℃）及び250℃について示
すグラフである。 この第６図より、繊維A₁，B₁にて強化された
複合材料よりなる試験片は室温及び250℃何れの
温度に於ても、他の複合材料よりなる試験片に比
べ疲労強度が著しく低いことが解る。 更に繊維A₃，B₂，Ｃにて複合強化された複合
材料よりなる熱伝導試験片についてそれぞれの熱
伝導率を測定した。また比較の目的でアルミニウ
ム合金のみよりなり熱処理T₇を施された試験片
A₀、及びニレジスト鋳鉄よりなる試験片Ｎにつ
いても同様に熱伝導率を測定した。その測定結果
を第７図に示す。 この第７図により、強化繊維にて複合強化され
た複合材料よりなる試験片は何れもアルミニウム
合金のみよりなる試験片に比べ熱伝導率が僅かに
小さいが、ニレジスト鋳鉄に比べはるかに優れて
いることが解る。また同じ複合材料の中でも強化
繊維のアルミナ含有率が高いものほど熱伝導率に
優れていることが解る。 実施例 ２ 平均繊維径3.4μのアルミナ繊維（94.8wt％
Al₂O₃、5.2wt％SiO₂）を用い、無機質バインダ
ーとしてのシリカの含有量を変化させることによ
り、下記の表２に示されている如く圧縮強度が
種々の値に設定された繊維集合体（カサ密度0.15
ｇ／cm³）を製作した。尚ここに繊維集合体の圧縮
強度とは第１図のｘ方向又はｙ方向の圧縮強度
（Kg/cm²）をいう。

【表】 これらの繊維集合体を強化材として上述の実施
例１と同様の要領にて複合材料を製造し、それら
の複合材料を破断して繊維集合体の圧縮変形度合
を測定した。この結果繊維集合体の圧縮強度が
1.9Kg/cm²以上の繊維集合体は圧縮変形を全く生じ
ていないが、圧縮強度が0.6Kg/cm²の繊維集合体C₅
は５％以内の圧縮変形を生じており、圧縮強度が
0.2Kg/cm²の繊維集合体C₆は10％以内の圧縮変形を
生じており、圧縮強度が0.1Kg/cm²である繊維集合
体C₇は20〜50％の圧縮変形を生じていることが
認められた。また上述の如く製造された複合材料
の断面を光学顕微鏡にて観察したところ、それぞ
れ第８図及び第９図に示す如く、無機質バインダ
ーとしてのシリカの含有量が15wt％以下では空
洞等のない正常な組織であるが、シリカの含有量
が20wt％以上、特に30wt％以上の場合には複合
材料内にマトリツクスの溶湯が浸透していない空
洞部を含む異常組織が存在していることが認めら
れた。 尚、無機質バインダーとして水ガラス、セメン
トを用いて上述の試験と同様の試験を行なつたと
ころ、上述の試験結果と同様の試験結果が得られ
た。 実施例 ３ 下記の表３に示されている如く、平均繊維径
2.8μのシリカ−アルミナ繊維（47.3wt％Al₂O₃、
52.6wt％SiO₂）を種々のカサ密度にて80×80×
20mmの繊維集合体（非繊維化粒子の総量6.3wt％、
無機質バインダーとしてのシリカ含有量10wt％）
に形成し、上述の実施例２の場合と同様の要領に
て外径110mm、高さ50mmの複合材料を製造し、そ
の複合材料に対し熱処理T₇を施した。この複合
材料よりシリカ−アルミナ繊維にて強化された部
分のみよりなる摩耗試験片を切り出し、上述の実
施例１の場合と同様の要領及び試験条件にて摩耗
試験を行なつた。尚比較のためアルミニウム合金
のみよりなり熱処理T₇を施された試験片A₀につ
いても同様の摩耗試験を行なつた。この摩耗試験
の結果を第１０図に示す。尚第１０図に於て、上
半分は摩耗試験片の摩耗量（摩耗痕深さμ）を表
わしており、下半分は相手部材である円筒試験片
の摩耗量（摩耗減量mg）を表わしている。

【表】 この第１０図より、カサ密度が0.05ｇ/cm³の場
合には複合材料の耐摩耗性は非常に小さく、また
カサ密度の増大につれて複合材料の耐摩耗性も増
大するが、カサ密度が0.34ｇ/cm³の場合には相手
部材の摩耗量が著しく増大し、またカサ密度の減
少と共に相手部材の摩耗量も減少し、従つて強化
繊維としてのシリカ−アルミナ繊維集合体のカサ
密度は0.08〜0.3ｇ/cm³、好ましくは0.08〜0.25ｇ/
cm³であることが好ましいことが解る。 また上述の表３に示されたカサ密度にて外径95
mm、内径75mm、高さ10mmのシリカ−アルミナ繊維
集合体を形成し、上述の実施例２の場合と同様の
要領にて直径110mm、高さ50mmの複合材料を製造
し、その複合材料に対し熱処理T₇を施した。次
いで第１１図に示されている如く、この複合材料
より複合部８と非複合部９とよりなる直径92mm厚
さ５mmの円板状の試験片を切り出し、この試験片
に対し炉中にて10分間350℃に保持した後直ちに
５分間水冷する冷熱サイクルを繰返す熱疲労試験
を行ない、熱疲労亀裂を生じるまでの冷熱サイク
ルの回数求めた。その結果を第１２図に示す。 この第１２図より、繊維集合体のカサ密度が
0.34ｇ/cm³である複合材料A₁₁は熱疲労亀裂を生じ
るまでの冷熱サイクルの回数が著しく小さく、従
つて耐熱疲労性が小さいのに対し、繊維集合体の
カサ密度が比較的小さい複合材料A₁₂，A₁₁₈，
A₁₅は耐熱疲労性に優れていることが解る。尚複
合材料A₁₈及びA₁₅は350回の冷熱サイクルを経た
時点に於ても熱疲労亀裂は発生しなかつた。 第１３図は複合材料A₁₁の複合部８と非複合部
９との間に発生した熱疲労亀裂１０を３倍にて示
す拡大写真である。 実施例 ４ 上掲の表１に示された種々のアルミナ−シリカ
系繊維を用いて、第１４図に示されている如く外
径95mm、内径75mm、高さ25mmのリング状の繊維集
合体を形成した。尚各繊維集合体は10〜12wt％
のシリカによりその圧縮強度が2.0〜3.5Kg/cm²と
なるよう強化された。 次いで第１５図に示されている如く、かくして
形成された繊維集合体１１を鋳型１２の下型１３
の底壁１４上に載置し、その鋳型内にアルミニウ
ム合金（JIS規格AC8A）の溶湯１５を注湯し、
その溶湯を上型１６により1000Kg/cm²の圧力に加
圧することにより、繊維集合体１１をアルミニウ
ム合金溶湯１５にて含浸させ、その加圧状態をア
ルミニウム合金溶湯が完全に凝固するまで保持し
た。次いでかくして製造された図には示されてい
ないピストン粗形材に対し熱処理T₇を施し、研
削等の機械加工を施して、第１６図に示されてい
る如く外径が90mmであり、軸線１７の方向を見て
ピストンヘツド１８よりトツプリング溝１９の底
壁２０を下方２mmまで、半径方向に見てトツプラ
ンド２１及びセカンドランド２２の外周面より半
径方向内方7.5mmまでの範囲がアルミナ−シリカ
系繊維にて部分的に複合強化された最終製品とし
てのピストンとした。 上述の如く製造された各ピストンについて球状
黒鉛鋳鉄（JIS規格FCD70）製のシリンダライナ
及びトツプリングとの相生を確かめるべく、各ピ
ストンを４気筒４サイクルデイーゼルエンジン
（圧縮比：21.5、排気量：2198c.c.）に組込み、下
記の表４に示す試験条件にて試験運転を行なつ
た。 表 ４ 使用燃料： 軽油 エンジン回転数：4800回転 （20％オーバーラン） エンジン負荷： フルロード 冷却水温： 120℃ 試験時間： １時間 この試験運転の結果、繊維A₁にて部分的に複
合強化されたピストンに於ては、第１７図に示さ
れている如く、ピストンのスカート部２３の表面
に軸線１７に沿つて延びる多数の縦キズが発生し
ており、これらの縦キズ内にはその随所に繊維
A₁の非繊維化粒子と化学成分と同じくする多数
の粒子が埋め込まれた状態となつていることが認
められた。また繊維B₁にて部分的に複合強化さ
れたピストンの場合には、シランダライナの表面
に、ピストンが上死点にある場合に於けるピスト
ンヘツド１８の高さに相当する位置に、第１８図
に示されている如きスカツフイングが生じている
ことが認められた。 各強化繊維にて部分的に複合強化されたピスト
ンについてのピストンスカート部２３の縦キズ及
びシリンダライナのスカツフイングの発生状況
を、下記の表５に示す。

【表】 この表５より、非繊維化粒子含有量及び粒径
150μ以上の非繊維化粒子の含有量が少ない強化
繊維にて部分的に強化されたピストンの場合に
は、そのスカート部に縦キズが発生したり、相手
部材としてのシリンダライナにスカツフイングが
発生したりすることがないことが解る。 次に上述の試験運転に使用されたピストンと同
様、上掲の表１に示された繊維A₁，A₂，A₃，
A₅，B₂，Ｃにて部分的に複合強化されたピスト
ンを製造し、それらのピストンのトツプリング溝
上下面の耐摩耗性及び耐ヘタリ性を調べるべく、
それらのピストンのトツプリング溝に球状黒鉛鋳
鉄（JIS規格FCD70）製のピストンリングを装着
して、上述の試験運転に使用されたデイーゼルエ
ンジンと同一型式の４気筒４サイクルデイーゼル
エンジンに組込み、下記の試験条件にて試験運転
を行なつた。尚比較のためアルミニウム合金
（JIS規格AC8A）にて構成された熱処理T₆を施
されたピストン、及びトツプリング溝部にニレジ
スト鋳鉄製の耐摩環を鋳ぐるみされたピストンに
ついても同様の試験を行なつた。 表 ６ 使用燃料： 軽油 エンジン回転数： 4400回転 エンジン負荷： フルロード 冷却水温： 90〜100℃ 試験時間： 300時間 この試験運転を終えた後各ピストンのトツプリ
ング溝部を観察したところ、繊維A₅，B₂，Ｃに
て部分的に複合強化されたピストンの場合には、
アルミニウム合金のみよりなるピストンに比べ、
リング溝上下壁面の耐摩耗性が著しく改善されて
おり、またトツプリング溝部の耐ヘタリ性にも問
題がないことが認められた。また繊維A₂にて部
分的に複合強化されたピストンの場合には、その
スカート部に極く軽微なキズが発生していること
が認められたが、トツプリング溝部の耐摩耗性及
び耐ヘタリ性は、繊維A₅等にて部分的に複合さ
れたピストンの場合と実質的に同等であることが
認められた。 しかし繊維A₁にて部分的に複合強化されたピ
ストンの場合には、そのスカート部に多数の縦キ
ズが発生しており、またトツプリング溝の底部に
第１９図に示されている如き亀裂が発生してお
り、更にピストンリングの下面には、第２０図に
示されている如く、非繊維化粒子の脱落とこれに
伴うキズが発生していることが認められた。 またニレジスト鋳鉄製の耐摩環を鋳ぐるみされ
たピストンの場合には、試験運転開始後68時間経
過後にピストンのトツプランドとシリンダライナ
とが焼付き、それ以上試験を続行することができ
なかつた。これは上述の実施例１の熱伝導性を求
める試験の結果からも解る如く、ニレジスト鋳鉄
の熱伝導率はアルミニウム合金や本発明による複
合材料の熱伝導率よりもはるから小さく、従つて
上述の強化繊維にて部分的に複合強化されたピス
トンの場合に比してトツプランド部の温度が高く
なつたことなどが原因と考えられる。これに対し
上述の繊維にて部分的に複合強化された各ピスト
ンのトツプリング溝部近傍の硬さを測定すること
により、試験運転時に於けるトツプリング溝部の
温度を推定したところ、その温度は200〜250℃で
あり、従つてこれらのピストンはニレジスト鋳鉄
製の耐摩環を鋳ぐるみされたピストンよりもはる
かに放熱性に優れていることが認められた。 この実施例４の各試験結果の結果より、ピスト
ンのトツプランド部及びトツプリング溝部を本発
明による複合材料にて構成すれば、トツプランド
部の耐焼付性が優れており、トツプリング溝部の
耐摩耗性や耐ヘタリ性が優れており、またピスト
ンリングの摩耗量を最小限に抑えることのできる
ピストンを得ることができることが解る。 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種々
の実施例が可能であることや当業者にとつて明ら
かであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は繊維集合体の繊維配向状態を示す解
図、第２図は本発明による複合材料の製造方法の
鋳造工程を示す解図、第３図は繊維集合体にて部
分的に強化された複合材料を示す解図的斜視図、
第４図は各複合材料を一定量切削した場合に於け
るバイトの摩耗量を示すグラフ、第５図は各複合
材料の摩耗量及び相手材の摩耗量を示すグラフ、
第６図は室温及び250℃の温度に於ける各複合材
料の10⁷回の回転曲げ疲労強度を示すグラフ、第
７図は各複合材料等の熱伝導率を示すグラフ、第
８図は複合材料の空洞等のない正常な組織を200
倍にて示す顕微鏡写真、第９図は複合材料内に生
じた空洞部を含む異常組織を200倍にて示す顕微
鏡写真、第１０図はカサ密度の異なる種々の複合
材料についての摩耗試験に於ける複合材料の摩耗
量と相手材の摩耗量を示す第５図と同様のグラ
フ、第１１図は熱疲労試験に使用された試験片を
示す解図的正面図、第１２図は熱疲労試験の結果
を示すグラフ、第１３図は熱疲労試験に於て生じ
た熱疲労亀裂を３倍にて示す拡大写真、第１４図
は実施例４に於ける繊維集合体を示す解図的斜視
図、第１５図は繊維集合体にて部分的に強化され
たピストンを製造する方法の鋳造工程を示す第２
図と同様の解図的縦断面図、第１６図は繊維集合
体にて部分的に強化されたピストンを示す解図的
縦断面図、第１７図は第１６図に示されたピスト
ンを用いて行なわれた試験運転に於てピストンの
スカート部に生じた縦キズを100倍にて示す顕微
鏡写真、第１８図は第１６図に示されたピストン
を用いて行なわれた試験運転に於てシリンダライ
ナに生じたスカツフイングを200倍にて示す顕微
鏡写真、第１９図はピストンのトツプリング溝底
部に発生した亀裂を100倍にて示す顕微鏡写真、
第２０図はピストンリングの下面に非繊維化粒子
の脱落によつて発生したキズを100倍にて示す顕
微鏡写真である。 １…繊維集合体、２…強化繊維、３…鋳型、４
…モールドキヤビテイ、５…溶湯、６…プランジ
ヤ、７…複合材料、８…複合部、９…非複合部、
１０…亀裂、１１…繊維集合体、１２…鋳型、１
３…下型、１４…底壁、１５…溶湯、１６…上
型、１７…軸線、１８…ピストンヘツド、１９…
トツプリング溝、２０…トツプリング溝の底壁、
２１…トツプランド、２２…セカンドランド、２
３…スカート部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アルミナ含有率が40wt％以上であるアルミ
   ナ−シリカ系繊維よりなる繊維集合体であつて、
   含有する非繊維化粒子の総量が10wt％以下であ
   り、粒径150μ以上の非繊維化粒子含有率が2wt％
   以下であり、繊維集合体のカサ密度が0.08〜0.3
   ｇ／cm³である繊維集合体を強化材とし、アルミニ
   ウム、マグネシウム、それらの合金よりなる群よ
   り選択された金属をマトリツクスとする複合材
   料。 ２ アルミナ含有率が40wt％以上であるアルミ
   ナ−シリカ系繊維よりなる繊維集合体であつて、
   含有する非繊維化粒子の総量が10wt％以下であ
   り、粒径150μ以上の非繊維化粒子含有率が2wt％
   以下であり、カサ密度が0.08〜0.3ｇ/cm³である繊
   維集合体を用意し、該繊維集合体の圧縮強度が
   0.2Kg/cm³以上となるよう個々のアルミナ−シリカ
   系繊維を無機質バインダーにて結合し、かくして
   処理された繊維集合体を鋳型内に配置し、該鋳型
   内にアルミニウム、マグネシウム、それらの合金
   よりなる群より選択された金属の溶湯を注湯し、
   該溶湯を前記鋳型内にて加圧しつつ凝固させる複
   合材料の製造方法。 ３ 特許請求の範囲第２項の複合材料の製造方法
   に於て、前記繊維集合体中の前記無機質バインダ
   ーの量は20wt％以下であることを特徴とする複
   合材料の製造方法。