JPH0570688B2

JPH0570688B2 -

Info

Publication number: JPH0570688B2
Application number: JP60018352A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Ooshima; Harumichi Hino; Toshihiro Minaki; Kenichi Shibata
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nichias Corp
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nichias Corp
Priority date: 1985-01-31
Filing date: 1985-01-31
Publication date: 1993-10-05
Also published as: JPS61177353A

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、繊維強化金属型複合材料に関し、
とくに摺動特性に優れ、例えば自動車用摺動部材
として好適に利用することができる耐摩耗性繊維
強化金属型複合摺動部材に関するものである。（従来の技術）従来の繊維強化金属型複合材料としては、例え
ば、炭素、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、窒化
ケイ素、ガラス、アラミドなどの高分子繊維等の
高強度、高弾性を有する繊維あるいはウイスカを
補強材とし、この補強材をアルミニウムやマグネ
シウム等の軽金属マトリツクス中に複合分散させ
たものがある。そして、このような繊維強化金属
型複合材料に関しては、例えば、特開昭58−
93835〜６号、特開昭58−93838号、特開昭58−
93840〜１号、特開昭58−93948号、特開昭59−
70734〜６号等がある。（発明が解決しようとする問題点）例えば、従来のアルミナーシリカ系の繊維で
は、マトリツクスとしてのアルミニウム合金等に
比べてはるかに硬く、また製法上から由来する未
繊維化部分としての球状の粒子が繊維間に混入し
ているため、このようなアルミナーシリカ系の繊
維を強化材とする複合材料は、この複合材料と接
触して相対的に揺動する他の相手部材への摩耗量
を増大させるという問題点があつた。そして、特
に前記繊維で強化した複合材料において、その摺
動面における前記繊維の面平行配向率が低ければ
低いほど相手材に対する摩耗の傾向が顕著である
という問題点があつた。さらに詳しく説明すれ
ば、従来用いられているアルミナーシリカ系の繊
維においては、Al₂O₃／SiO₂の組成比（重量％）
がほぼ１であり、常態ではガラス質であつて、約
1000℃で結晶化が始まり、ムライト（3Al₂O₃・
2SiO₂）が晶出し、さらに高温においてはクリス
トバライト（SiO₂）が析出する。また、市販さ
れている従来の多結晶質アルミナ繊維は、Al₂O₃
含有量が70〜95重量％程度の範囲にあり、Al₂O₃
含有量の低い繊維の鉱物組成はムライトが主体で
あり、高アルミナ質の繊維においてもα−Al₂O₃
の含有率が低く、γ、δ、θ−Al₂O₃等の中間ア
ルミナ結晶が主体である。したがつて、これらの
多結晶質アルミナ繊維が使用されている従来の繊
維強化金属型複合材料にあつては、それ自体のみ
ならずとくに相手材に対する耐摩耗特性がよくな
いという問題点があつた。この発明は、上記したような従来の問題点に着
目してなされたもので、一般的な繊維強化金属型
複合材料としての特性、例えば、強度、靭性等に
優れているのはもちろんのこと、特に摺動部材と
して使用した場合において、自分自身の耐摩耗性
に優れているばかりでなく、とりわけ相手部材に
対する攻撃性が小さく、相手部材の摩耗量を著し
く少なくすることが可能である。繊維強化金属型
複合摺動の部材を提供することを目的とするもの
である。［発明の構成］（問題点を解決するための手段）この発明は、上記したような従来の問題点を解
決するものであつて、α−アルミナの含有率が60
重量％以上であるアルミナ繊維を強化材として使
用し、前記強化材がアルミニウムやマグネシウム
等の軽金属（合金を含む）マトリツクス中に複合
分散していると共に、摺動面を横切る前記アルミ
ナ繊維の楕円断面の短径に対する長径が３以上で
ある繊維の数をその面を横切る繊維の総数で除
し、その値を100倍して算出した数値、すなわち、
摺動面における前記強化材の面平行配向率＝｛摺動面を横切る繊維のうち（長径／
短径）の比が３以上の繊維の数｝／摺動面を横切る繊維
の総数×100 が70％以上となるように配向させたことを特徴と
するものである。この発明において使用される強化材としてのア
ルミナ繊維は、α−アルミナの含有率が60重量％
以上のものである。ここで、α−アルミナの含有
率を60重量％以上としたのは、アルミナにおける
種々の結晶構造のうちα−アルミナが最も安定な
構造を有しているとともに、硬さや弾性率が高
く、摺動部材として使用した場合に自分自身の耐
摩耗性が良好であると同時に、相手材への攻撃性
が小さく、相手部材の摩耗量を少なくするのに有
効であつて、このようなα−アルミナの効果を得
るために、α−アルミナの含有率を60重量％以上
としたものである。また、マトリツクスとしての金属には、アルミ
ニウムやマグネシウムなどの軽金属（合金を含
む）が使用されるが、特に細かくは限定されな
い。実施例１この実施例では、第１表に示すＡ〜Ｅの強化用
アルミナ繊維を用いて耐摩耗性繊維強化金属型複
合材料を製造した。なお、第１表において、Ａ、
ＢはICI社製のアルミナ繊維（商品名「サフイ
ル」）であり、また、Ｃ、Ｄ、Ｅはニチアス(株)製
のアルミナ繊維（商品名「ルビール」）である。
そして、Ａ〜Ｅの強化用アルミナ繊維のうちＤ、
Ｅが本発明実施例であり、Ａ〜Ｃは比較例であ
る。

【表】

【表】そこで、最終成形体のコロイダルシリカ（日産
化学(株)製）および有機バインダ（でんぷん）の含
有率がそれぞれ６％および１％となるように、ま
た、繊維かさを密度が0.20ｇ／cm³となるように、
上記のアルミナ繊維、コロイダルシリカおよび有
機バインダを水溶液中に分散させて均一なスラリ
ーを製造する。次いで、このスラリーを使用し、
真空成形法によつて、直径98mm×厚さ32mmの第１
図に示すような円盤状の繊維成形体１を作成し、
さらにこの繊維成形体１を1200℃×20minの条件
で焼成することによつて、無機バインダシリカに
より結合成形した。この場合、第１図に示すよう
に、繊維成形体１中における個々の強化繊維２
は、Ｘ−Ｙ平面内においてはランダムに配向され
ており、これがＺ方向に積重ねられた状態になつ
ているものである。次いで、第２図に示すように、前記繊維成形体
１を金型装置３のモールドキヤビテイ４内に配置
し、前記モールドキヤビテイ４内にアルミニウム
合金（JIS規格 AC8A合金）の溶湯（湯温800
℃）５を注湯し、次いで前記溶湯５をプランジヤ
６により800Kgｆ／cm²の圧力で加圧し、この加圧
状態を溶湯５が完全に凝固するまで保持した。こ
のようにして、外径100mm、高さ70mmの円柱状の
凝固体を加圧鋳造し、さらに前記凝固体に対して
熱処理（T6処理）を施して、第３図に示すよう
に、局部的にアルミナ繊維２よりなる強化材８を
金属マトリツクス９中に複合分散させた繊維強化
金属型複合材料１０を製造した。次いで、上記のようにして製造した複合材料１
０のうち、強化材８によつて強化された部分から
５×５×10mm（先端Ｒ；７mm）の第４図に示す形
状の摩耗試験片（繊維強化金属型複合摺動部材）
１１を作成した。このとき、摩耗試験片１１は第
１表に示す各試料毎に、摩耗面（摺動面）におけ
る強化用繊維の面平行配向率が90％以上となるよ
うに実施例試料を作成した。同時に、各試料毎
に、摩耗面（摺動面）における強化用繊維の面平
行配向率が10％以下となるように比較列試料を作
成した。なお、この明細書において述べる強化用繊維の
面平行配向率とは、前記強化用繊維によつて強化
された部分における摺動面を横切る前記無機質繊
維の楕円断面の短径に対する長径の比が３以上で
ある繊維の数をその摺動面を横切る繊維の総数に
て除し、その値を100倍したものである。すなわ
ち、面平行配向率＝｛摺動面を横切る繊維のうち（長径／
短径）の比が３以上の繊維の数｝／摺動面を横切る繊維
の総数×100 である。そして、この面平行配向率は、金属顕微
鏡を通して得られる像（倍率800倍）をコンピユ
ータにより処理して求めた。次に、上記のようにして作成した各摩耗試験片
１１をデイスク型摩擦摩耗試験機に３本１組で順
次セツトし、相手部材である片状黒鉛鋳鉄（JIS
規格 FC25相当材）製デイスク試験材の表面に
接触させ、各試験片の接触部に、80℃に温度調整
したモータオイル（日石モータオイルＣ）を供給
しつつ、押付力150Kg、すべり速度1.5ｍ／secで
10分間摩耗試験片１１を回転させる摩耗試験を行
つた。この摩耗試験の結果を第５図に示す。第５図において、右半分は３本の摩耗試験片１
１の先端Ｒ７の摩耗面積（mm²）を測定した結果の
平均値を示しており、左半分は相手部材であるデ
イスク試験材の６ケ所の摩耗断面積（×10^-3mm²）
を測定した結果の平均値を表わしている。この面
積測定は、試験片毎に求めた。なお、第５図にお
いて90％以上、10％以下はその面平行配向率を持
つ摩耗試験片を示す。第５図に示す結果から、アルミナ繊維によつて
強化された摩耗試験片の摩耗量は、アルミニウム
合金AC8Aのみより試験片の摩耗量よりもかなり
少なく、特にα−アルミナの含有率が60重量％以
上（供試材Ｄ、Ｅの場合）でかつ面平行配向率が
90％以上の場合は、相手材の摩耗が全くないこと
がわかる。以上の摩耗試験の結果より、複合摺動部材およ
びその相手部材双方の摩耗量を低い値に抑えるた
めには、その強化材としてのアルミナ繊維中のα
−アルミナの含有率が60重量％以上で、かつ摺動
面における面平行配向率が90％以上であることが
とくに好ましい。実施例２次に、強化繊維かさ密度を1.65ｇ／cm³に高めて
実施例１の場合と全く同様にして試験片A′〜
E′を製作し、摩耗試験を行つた。その結果を第６
図に示す。この場合、実施例１と同様に、試験片
D′およびE′の面平行配向率90％以上のものが実施
例であり、その他のものが比較例である。第６図に示す結果から、摩耗試験片中の強化繊
維の量を増やしたときにも、同様に、複合摺動部
材およびその相手部材双方の摩耗量を低い値に押
えるためには、上記の強化繊維を用いた複合摺動
部材が有効であることが解る。ただし、このよう
に強化繊維かさ密度を高めた場合には、自分自身
の摩耗量はより一層少なくなるが、相手部材の摩
耗量が若干増える傾向にある。したがつて、この
ような傾向を踏まえた使い方をすると有利であ
る。実施例３次に、実施例１と全く同様の製造方法によつて
第１表に示した強化繊維Ｄを使用した繊維強化金
属型複合材料１０を作成し、第２表に示すような
各種面平行配向率をもつ摩耗試験片（繊維強化金
属型複合摺動部材）１１を製作した。この場合(d)
および(e)が実施例で、(a)ないし(c)は比較例であ
る。そして摩耗試験片１１の３本の１組として順
次デイスク型摩耗試験機にセツトし、JIS FC25
相手材よりなるデイスク試験材を相手部材として
実施例１と同様の摩耗試験を行つた。この摩耗試
験の結果を第７図に示す。この第７図において、
縦軸は摩耗試験片１１の平均摩耗面積およびデイ
スク試験片の平均摩耗面積を示し、横軸は面平行
配向率を示す。第７図に示す結果より、相手部材であるデイス
ク試験片（FC25）の摩耗量は、繊維の面平行配
向率が50％を越えると急激に小さくなり、70％で
はほとんど摩耗せず、90％では全く摩耗しないこ
とが解る。また、複合摺動部材の摩耗は、繊維の
面平行配向率に依存せず、いずれも小さいことが
解る。以上の摩耗試験結果より、複合摺動部材および
相手部材の摩耗を小さくするためには、強化繊維
の面平行配向率が50％以上であることが必要であ
り、70％以上であれば著しく良好な結果が得られ
ることが解る。

【表】実施例４実施例１と全く同様の製造方法で、今度は金属
マトリツクス９となるアルミニウム合金JIS
AC8Aの代わりにJIS ADC12を使用し、第１表
に示した強化繊維Ａ〜Ｅを用いて複合強化した複
合材料１０を製造し、この複合材料１０からデイ
スク試験材（摩耗試験片（繊維強化金属型複合摺
動部材；外径80mm×厚さ10mm）を製作した。この
場合、実施例１と同様に、強化繊維Ｄ、Ｅを用
い、面平行配向率90％以上のものが実施例であ
り、他は比較例である。次に、前記のデイスク試
験材を同様に摩耗試験機にセツトし、相手部材と
して鉄系焼結材料（Ｃ：0.2重量％、Ni：２重量
％、Cu：0.5重量％、残部Fe、H_RＢ：70、密度：
6.8ｇ／cm³）製の第８図に示す形状の円盤１２を
接触させ、同様にして接触面圧を８Kgｆ／cm²、す
べり速度を第９図に示すパターンにして各々１時
間ずつ前記円盤１２を回転させて摩耗試験を行つ
た。この摩耗試験の結果を第１０図に示す。第１０図において、右半分は相手部材である円
盤１２の摩耗量（μｍ）を20ケ所測定した結果の
平均値を示しており、左半分は複合摺動部材であ
るデイスク試験材の摩耗断面積（×10^-3mm²）を６
ケ所測定した結果の平均値を示している。第１０図の結果より、アルミナ繊維にて強化さ
れたデイスク試験材は、JIS ADC12合金のみの
場合よりも摩耗量は著しく小さく、特にα−アル
ミナ含有率が60重量％以上（Ｄ、Ｅの場合）でか
つ繊維の面平行配向率が90％以上の場合は、相手
部材である円盤の摩耗も極めて少ないことが明ら
かであり、実施例１と同様の結果となつている。実施例５次に、前述の実施例１において使用した第１表
に示した強化繊維ＤおよびＥをそれぞれ強化材８
として用い、マグネシウム合金（JIS AZ91）を
金属マトリツクス９とする繊維強化金属型複合材
料１０を実施例１の場合と全く同様の要領にて作
成し、それらの複合材料より実施例１と同様の摩
耗試験片（繊維強化金属型複合摺動部材）を作成
した。次いで、これらの摩耗試験片について、片状黒
鉛鋳鉄（JIS FC25相当材）により製作したデイ
スク試験材を相手部材とする摩耗試験を同様にし
てデイスク型摩耗試験機により行つたところ、強
化繊維Ｄ、Ｅにより複合強化された摩耗試験片
は、マグネシウム合金のみよりなる摩耗試験片に
比べて、摩耗試験片およびデイスク試験材の双方
の摩耗量が著しく小さいことが認められた。また、面平行配向率の違いにより相手部材の摩
耗量が異なる原因を種々検討した結果、電子顕微
鏡等の観測手段によれば、おそらく繊維内部と表
面とで結晶形態が異なるためと推測された。［発明が効果］以上説明したきたように、この発明による耐摩
耗性繊維強化金属型複合材料は、α−アルミナの
含有率が60重量％以上であるアルミナ繊維を強化
材とし、前記強化材が軽金属マトリツクス中に複
合分散していると共に、摺動面における前記強化
材の面平行配向率＝｛摺動面を横切る繊維のうち（長径／短
径）の比が３以上の繊維の数｝／摺動面を横切る繊維の
総数×100 が70％以上であるものとしたから、一般的な繊維
強化金属型複合材料としての特性、例えば、強
度、靭性等に優れているものはもちろんのこと、
特に摺動部材として使用した場合において、自分
自身の耐摩耗性に優れているばかりでなく、とり
わけ相手部材に対する攻撃性が小さく、相手部材
の摩耗量を著しく少なくすることが可能であり、
機械構造用部品における摺動用材料としてとくに
優れた特性を示すものであるという非常に優れた
効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例において製作した繊
維成形体の斜面説明図、第２図は前記繊維成形体
を用いて繊維強化金属型複合材料を製造するのに
使用した金型装置の断面説明図、第３図は第１図
に示す繊維成形体により部分的に強化した繊維強
化金属型複合材料の斜面説明図、第４図は第３図
の複合材料から製作した摩耗試験片の説明図、第
５図および第６図は各々この発明の実施例１およ
び実施例２において相手部材を片状黒鉛鋳鉄とし
た場合における摩耗試験の結果を示すグラフ、第
７図はこの発明の実施例３において行つた摩耗試
験の結果を示すグラフ、第８図はこの発明の実施
例４において行つた摩耗試験の相手部材である円
盤の斜面説明図、第９図は同じく実施例４におい
て行つた摩耗試験のすべり速度パターンを示す説
明図、第１０図は同じく実施例４において相手部
材を鉄系焼結材とした時の摩耗試験結果を示すグ
ラフである。８……強化材、９……金属マトリツクス、１０
……繊維強化金属型複合材料、１１……摩耗試験
片（繊維強化金属型複合摺動部材）。

Claims

【特許請求の範囲】１ α−アルミナの含有率が60重量％以上である
アルミナ繊維を強化材とし、前記強化材が軽金属
マトリツクス中に複合分散していると共に、摺動
面を横切る前記アルミナ繊維の楕円断面の短径に
対する長径が３以上である繊維の数をその面を横
切る繊維の総数で除し、その値を100倍して算出
した数値、すなわち、摺動面における前記強化材
の面平行配向率＝｛摺動面を横切る繊維のうち（長径／
短径）の比が３以上の繊維の数｝／摺動面を横切る繊維
の総数×100 が70％以上であることを特徴とする耐摩耗性繊維
強化金属型複合摺動部材。