JPH06264947A - 炭素繊維炭素複合材料製コイルばね及びその製造方法 - Google Patents
炭素繊維炭素複合材料製コイルばね及びその製造方法Info
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- JPH06264947A JPH06264947A JP5054306A JP5430693A JPH06264947A JP H06264947 A JPH06264947 A JP H06264947A JP 5054306 A JP5054306 A JP 5054306A JP 5430693 A JP5430693 A JP 5430693A JP H06264947 A JPH06264947 A JP H06264947A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 軽量で、高強度、耐熱性、耐熱衝撃性に優れ
る炭素繊維炭素複合材料製コイルばね及びその製造方法
を提供することを目的とする。 【構成】 螺旋状本体の一端と他端を支持部材により支
持して用いるコイルばねにおいて、ばね材料として炭素
繊維炭素複合材料を用いたことを特徴とする炭素繊維炭
素複合材料製コイルばね及び原料プリフォームドヤーン
をヤーン状またはテープ状またはシート状として、芯棒
に間隙保持用コイル材（中子）とともに巻き付け、原料
プリフォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置
した後、ホットプレスで約 300〜2000℃，常圧もしくは
加圧下で成形し、成形品からコイル材（中子）を取外
し、必要に応じて 700〜1200℃で炭化、1500〜3000℃で
黒鉛化することにより炭素繊維炭素複合材料製コイルば
ねを得ることを特徴とする。
る炭素繊維炭素複合材料製コイルばね及びその製造方法
を提供することを目的とする。 【構成】 螺旋状本体の一端と他端を支持部材により支
持して用いるコイルばねにおいて、ばね材料として炭素
繊維炭素複合材料を用いたことを特徴とする炭素繊維炭
素複合材料製コイルばね及び原料プリフォームドヤーン
をヤーン状またはテープ状またはシート状として、芯棒
に間隙保持用コイル材（中子）とともに巻き付け、原料
プリフォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置
した後、ホットプレスで約 300〜2000℃，常圧もしくは
加圧下で成形し、成形品からコイル材（中子）を取外
し、必要に応じて 700〜1200℃で炭化、1500〜3000℃で
黒鉛化することにより炭素繊維炭素複合材料製コイルば
ねを得ることを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、従来には存在しない全
く新規な炭素繊維炭素複合材料（以下、「Ｃ／Ｃコンポ
ジット」と称す）製コイルばね及びその製造方法に関す
る。
く新規な炭素繊維炭素複合材料（以下、「Ｃ／Ｃコンポ
ジット」と称す）製コイルばね及びその製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】コイルばねは、機械要素として、各種の
機械、装置或いは機構に用いられており、今日において
は、日常家庭用品や工業用品、更にはその他の分野にお
いて、必要不可欠の重要な部品となっている。
機械、装置或いは機構に用いられており、今日において
は、日常家庭用品や工業用品、更にはその他の分野にお
いて、必要不可欠の重要な部品となっている。
【０００３】従来のコイルばねは、一般に金属材料にて
製造されているものであり、更に近年、耐熱性、耐摩耗
性及び耐腐食性に優れたセラミックス材料を用いたコイ
ルばねを製造することが考えられている。
製造されているものであり、更に近年、耐熱性、耐摩耗
性及び耐腐食性に優れたセラミックス材料を用いたコイ
ルばねを製造することが考えられている。
【０００４】また、最近の自動車等の車両や航空機で
は、主として燃料消費効率の向上を目的として軽量化が
図られており、その一手段としてばね材の軽量化が求め
られている。また、各種の産業機械においても、種々の
目的から軽いばね材が求められている。
は、主として燃料消費効率の向上を目的として軽量化が
図られており、その一手段としてばね材の軽量化が求め
られている。また、各種の産業機械においても、種々の
目的から軽いばね材が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、金属材料製コ
イルばねは、耐熱性に劣り、高温の使用環境下において
充分なばね特性を発揮し得ず、従って使用が不可能又は
長期的な使用が不可能である。例えば、金属製ばねとし
ては、ステンレス鋼、低合金鋼、工具鋼などが主に使わ
れるが、耐熱性合金と称されるものであっても 400℃を
越える温度では、強度低下及び変形が著しく急激なヘタ
リが起こるので、このような環境下ではばねとして使用
できないという問題があった。またインコネル、ハステ
ロイなどの超耐熱性合金でも、700 ℃を越える温度で
は、強度低下及び変形が著しく、急激なヘタリが起こる
ので、このような環境下ではばねとして使用できないと
いう問題があった。
イルばねは、耐熱性に劣り、高温の使用環境下において
充分なばね特性を発揮し得ず、従って使用が不可能又は
長期的な使用が不可能である。例えば、金属製ばねとし
ては、ステンレス鋼、低合金鋼、工具鋼などが主に使わ
れるが、耐熱性合金と称されるものであっても 400℃を
越える温度では、強度低下及び変形が著しく急激なヘタ
リが起こるので、このような環境下ではばねとして使用
できないという問題があった。またインコネル、ハステ
ロイなどの超耐熱性合金でも、700 ℃を越える温度で
は、強度低下及び変形が著しく、急激なヘタリが起こる
ので、このような環境下ではばねとして使用できないと
いう問題があった。
【０００６】また、一般に金属製のコイルばねは種類に
よっては錆が発生しやすく、耐摩耗性も劣り、更には磁
場の影響を受けた場合には磁化され易いので、磁場の影
響を受け易い環境下における使用に制限を受ける等とい
う問題があった。
よっては錆が発生しやすく、耐摩耗性も劣り、更には磁
場の影響を受けた場合には磁化され易いので、磁場の影
響を受け易い環境下における使用に制限を受ける等とい
う問題があった。
【０００７】窒化珪素、ジルコニアなどのセラミックス
製コイルばねは、繰り返し高温で使用すると破壊する可
能性が高く、従って熱衝撃に弱く、500 〜1000℃を越え
る温度で急激に強度低下及び変形または破損する。また
靭性がないため壊れやすく破損しないように取り扱いが
極めて困難性を伴う等という問題があった。
製コイルばねは、繰り返し高温で使用すると破壊する可
能性が高く、従って熱衝撃に弱く、500 〜1000℃を越え
る温度で急激に強度低下及び変形または破損する。また
靭性がないため壊れやすく破損しないように取り扱いが
極めて困難性を伴う等という問題があった。
【０００８】本発明の目的は、高強度、高弾性率、軽量
である特徴を有するＣ／Ｃコンポジットを用いて、高温
においても優れたばね特性を有し、高硬度、耐摩耗性、
耐触性、靱性が高く、熱衝撃に強く、密度が高い従来に
存在しない全く新規なＣ／Ｃコンポジット製コイルバネ
及びその製造方法を提供することである。
である特徴を有するＣ／Ｃコンポジットを用いて、高温
においても優れたばね特性を有し、高硬度、耐摩耗性、
耐触性、靱性が高く、熱衝撃に強く、密度が高い従来に
存在しない全く新規なＣ／Ｃコンポジット製コイルバネ
及びその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記従来
の問題点を解決すべく、高強度、高弾性率、軽量等の特
徴を有するＣ／Ｃコンポジットに着目して鋭意研究の結
果、従来のコイルバネでは得られない高温における優れ
たばね特性、高硬度、耐摩耗性、耐蝕性、高靱性、強い
熱衝撃性、高密度のコイルばねを得ることを知見し、本
発明の完成するに至ったのである。
の問題点を解決すべく、高強度、高弾性率、軽量等の特
徴を有するＣ／Ｃコンポジットに着目して鋭意研究の結
果、従来のコイルバネでは得られない高温における優れ
たばね特性、高硬度、耐摩耗性、耐蝕性、高靱性、強い
熱衝撃性、高密度のコイルばねを得ることを知見し、本
発明の完成するに至ったのである。
【００１０】すなわち、本発明のＣ／Ｃコンポジット製
コイルばねは螺旋状本体の一端と他端を支持部材により
支持して用いるコイルばねにおいて、ばね材料としてＣ
／Ｃコンポジットを用いたことを特徴とするものであ
る。
コイルばねは螺旋状本体の一端と他端を支持部材により
支持して用いるコイルばねにおいて、ばね材料としてＣ
／Ｃコンポジットを用いたことを特徴とするものであ
る。
【００１１】また、本発明のＣ／Ｃコンポジット製コイ
ルばねの製造方法は、原料プリフォームドヤーンをヤー
ン状またはテープ状またはシート状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付け、原料プリフ
ォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置した
後、ホットプレスで約 300〜900 ℃，常圧もしくは加圧
下で成形し、成形品からコイル材（中子）を取外し、次
いで必要に応じて 700〜1200℃で炭化、1500〜3000℃で
黒鉛化することによりＣ／Ｃコンポジット製コイルばね
を得ることを特徴とするものである。
ルばねの製造方法は、原料プリフォームドヤーンをヤー
ン状またはテープ状またはシート状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付け、原料プリフ
ォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置した
後、ホットプレスで約 300〜900 ℃，常圧もしくは加圧
下で成形し、成形品からコイル材（中子）を取外し、次
いで必要に応じて 700〜1200℃で炭化、1500〜3000℃で
黒鉛化することによりＣ／Ｃコンポジット製コイルばね
を得ることを特徴とするものである。
【００１２】さらに、本発明のＣ／Ｃコンポジット製コ
イルばねの製造方法は、原料プリフォームドヤーンをシ
ート状として、積層し、ホットプレスで 300〜2000℃で
加圧下でブロック状に成形し、この成形品を必要に応じ
て 700〜1200℃で炭化した後、1500〜3000℃で黒鉛化す
ることにより炭素繊維炭素複合材料製ブロックを得、こ
のブロックを機械的研削加工によりコイルばね状に成形
して炭素繊維炭素複合材料製コイルばねを得ることを特
徴とするものである。
イルばねの製造方法は、原料プリフォームドヤーンをシ
ート状として、積層し、ホットプレスで 300〜2000℃で
加圧下でブロック状に成形し、この成形品を必要に応じ
て 700〜1200℃で炭化した後、1500〜3000℃で黒鉛化す
ることにより炭素繊維炭素複合材料製ブロックを得、こ
のブロックを機械的研削加工によりコイルばね状に成形
して炭素繊維炭素複合材料製コイルばねを得ることを特
徴とするものである。
【００１３】以下に図面を参照して本発明の炭素繊維炭
素複合材料製コイルばねを好適な実施例に基づいて説明
する。
素複合材料製コイルばねを好適な実施例に基づいて説明
する。
【００１４】図１，２，３，４，５，６において、コイ
ルばね１は、螺旋状の本体２の一端３と他端４とを図示
してないばね支持部材により支持する構成としている。
図１の実施例は、断面形状が矩形のものであり、図２の
実施例は断面形状を円形にしたものであり、図３は矩形
断面の断面積を本体２の中央部５の部分において比較的
広くし、両端部３，４に向う周辺部６において比較的狭
くなるようにしたものである。
ルばね１は、螺旋状の本体２の一端３と他端４とを図示
してないばね支持部材により支持する構成としている。
図１の実施例は、断面形状が矩形のものであり、図２の
実施例は断面形状を円形にしたものであり、図３は矩形
断面の断面積を本体２の中央部５の部分において比較的
広くし、両端部３，４に向う周辺部６において比較的狭
くなるようにしたものである。
【００１５】このようにばねの断面積を変化させた場合
には、圧縮のストロークに応じて多段階にばね定数を変
化させることができるという利点がある。
には、圧縮のストロークに応じて多段階にばね定数を変
化させることができるという利点がある。
【００１６】また、図４はコイルばね１の本体２の中央
部を狭くしたもの、図５はコイルばね１の本体２の中央
部を広くしたもの、図６はコイルばね１の本体２に２箇
所広幅の部分を設けたものである。
部を狭くしたもの、図５はコイルばね１の本体２の中央
部を広くしたもの、図６はコイルばね１の本体２に２箇
所広幅の部分を設けたものである。
【００１７】なお、図示例では圧縮ばねに本発明を適用
したが、引張りばねにも本発明を適用し得ることはもち
ろんであり、円形、矩形以外にも種々の断面形状を用い
ることができる。
したが、引張りばねにも本発明を適用し得ることはもち
ろんであり、円形、矩形以外にも種々の断面形状を用い
ることができる。
【００１８】なお、本発明のコイルばねは、素材の処理
温度である3000℃程度のものまで使用可能であり、ま
た、ばね特性の範囲は、一例として密度1.5 〜2.2g/cm3
のものに対し、ばね定数0.1 〜10程度が得られる。
温度である3000℃程度のものまで使用可能であり、ま
た、ばね特性の範囲は、一例として密度1.5 〜2.2g/cm3
のものに対し、ばね定数0.1 〜10程度が得られる。
【００１９】また、本発明のコイルばねは、極めて耐熱
性が高いので、熱負荷の大きな部分、例えば自動車のデ
ィスクブレーキ用ばねとして用いることができる。
性が高いので、熱負荷の大きな部分、例えば自動車のデ
ィスクブレーキ用ばねとして用いることができる。
【００２０】本発明のコイルばねに用いるＣ／Ｃコンポ
ジットには、含浸法、ＣＶＤ法等の従来の方法により製
造したＣ／Ｃコンポジットの他、好ましくは、プリフォ
ームドヤーン法によるＣ／Ｃコンポジットを用いること
ができる。
ジットには、含浸法、ＣＶＤ法等の従来の方法により製
造したＣ／Ｃコンポジットの他、好ましくは、プリフォ
ームドヤーン法によるＣ／Ｃコンポジットを用いること
ができる。
【００２１】Ｃ／Ｃコンポジットは、軽量で、強度、弾
性率が大きく、熱衝撃に強く、温度変化を繰り返しても
変形しないなどの利点から高温焼成用のマッフル、治
具、ボックス、トレーなどに効果的である。
性率が大きく、熱衝撃に強く、温度変化を繰り返しても
変形しないなどの利点から高温焼成用のマッフル、治
具、ボックス、トレーなどに効果的である。
【００２２】ＣＶＤ法により得られるＣ／Ｃコンポジッ
トは、炭素繊維を予め簡単に成形し、炉に入れて高温下
で加熱し、次いで炭化水素系ガスを炉内に通して分解炭
化させ、炭素を表面に沈着固化させるものである。
トは、炭素繊維を予め簡単に成形し、炉に入れて高温下
で加熱し、次いで炭化水素系ガスを炉内に通して分解炭
化させ、炭素を表面に沈着固化させるものである。
【００２３】他に、本発明に用いるＣ／Ｃコンポジット
を得る方法として、炭素繊維の束、織布、不織布など
を、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に
より所望の形状に成形した後、不活性ガス雰囲気で熱処
理を行って樹脂を炭化させる方法もある。
を得る方法として、炭素繊維の束、織布、不織布など
を、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に
より所望の形状に成形した後、不活性ガス雰囲気で熱処
理を行って樹脂を炭化させる方法もある。
【００２４】また炭素繊維で強化した樹脂成形体を焼成
炭化し、更に樹脂が炭化する際に分解物が抜けてできた
気孔に樹脂を含浸して炭化する操作を繰り返すことによ
り、本発明に用いるＣ／Ｃコンポジットを得る方法もあ
る。
炭化し、更に樹脂が炭化する際に分解物が抜けてできた
気孔に樹脂を含浸して炭化する操作を繰り返すことによ
り、本発明に用いるＣ／Ｃコンポジットを得る方法もあ
る。
【００２５】本発明に使用するＣ／Ｃコンポジットに用
いる炭素繊維としては、石油ピッチ若しくはコールター
ルピッチを原料とし、紡糸用ピッチの調整、溶融紡糸、
不融化及び炭素化して得られるピッチ系炭素繊維並びに
アクリロニトリル（共）重合体繊維を耐炎化及び炭素化
して得られるＰＡＮ系炭素繊維の何れのものでもよい。
いる炭素繊維としては、石油ピッチ若しくはコールター
ルピッチを原料とし、紡糸用ピッチの調整、溶融紡糸、
不融化及び炭素化して得られるピッチ系炭素繊維並びに
アクリロニトリル（共）重合体繊維を耐炎化及び炭素化
して得られるＰＡＮ系炭素繊維の何れのものでもよい。
【００２６】プリフォームドヤーン法により得られるＣ
／Ｃコンポジットが特に好ましく、当該プリフォームド
ヤーンは本件出願人による特願昭61−182483号に記載さ
れた方法により製造するものである。
／Ｃコンポジットが特に好ましく、当該プリフォームド
ヤーンは本件出願人による特願昭61−182483号に記載さ
れた方法により製造するものである。
【００２７】プリフォームドヤーンにおいては、炭素繊
維束の周囲に熱可塑性樹脂からなる柔軟な被覆（即ちス
リーブ）が設けられている。
維束の周囲に熱可塑性樹脂からなる柔軟な被覆（即ちス
リーブ）が設けられている。
【００２８】プリフォームドヤーンで用いる炭素繊維束
は、フィラメントのデニール数が約0.05〜約600 の範囲
内で、フィラメント数が約50〜300000のもの、特にフィ
ラメントのデニール数が約0.25〜約16で、フィラメント
数が約100 〜約48000 のものが好ましく、該スリーブの
肉厚は一般的には、均一なスリーブ形成及びプリフォー
ムドヤーンの柔軟性のため約５〜約1000μm とするのが
良く、特に約10〜約300 μm とするのが好ましい。
は、フィラメントのデニール数が約0.05〜約600 の範囲
内で、フィラメント数が約50〜300000のもの、特にフィ
ラメントのデニール数が約0.25〜約16で、フィラメント
数が約100 〜約48000 のものが好ましく、該スリーブの
肉厚は一般的には、均一なスリーブ形成及びプリフォー
ムドヤーンの柔軟性のため約５〜約1000μm とするのが
良く、特に約10〜約300 μm とするのが好ましい。
【００２９】従って、プリフォームドヤーンとしては、
炭素繊維束に含有される最終的にマトリックスとなる粉
末状のピッチ、コークス類の粉末類も含めて、直径約0.
1 〜約10mmの範囲のものが適切であり、約0.5 〜約５mm
のものが好ましい。前記繊維束の周囲に上記スリーブを
設けることによって、プリフォームドヤーンの補強用繊
維含有量は、補強効果及び高品質で均一な成形品を得る
ため約５〜約70容量％の範囲で任意に選択される。
炭素繊維束に含有される最終的にマトリックスとなる粉
末状のピッチ、コークス類の粉末類も含めて、直径約0.
1 〜約10mmの範囲のものが適切であり、約0.5 〜約５mm
のものが好ましい。前記繊維束の周囲に上記スリーブを
設けることによって、プリフォームドヤーンの補強用繊
維含有量は、補強効果及び高品質で均一な成形品を得る
ため約５〜約70容量％の範囲で任意に選択される。
【００３０】プリフォームドヤーンにおいて、柔軟なス
リーブ形成材として用いる熱可塑性樹脂は、後加工にお
ける成形温度で完全に溶解する樹脂であり、例えばポリ
アミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリスチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド
イミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテ
ルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニ
レンサルファイド等のポリマーが挙げられる。更に具体
的にはポリアミドとしては、ナイロン66、ナイロン12、
ナイロン6/66/12 ターポリマーのようなホモ又はコポリ
マーが用いられる。またポリエステルとしては、ポリエ
チレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、
ポリエチレン−２，６−ナフタレート、ポリオキシエト
キシベンゾエート、全芳香族ポリエステル等のホモポリ
マー又はこれらコポリマーが用いられる。
リーブ形成材として用いる熱可塑性樹脂は、後加工にお
ける成形温度で完全に溶解する樹脂であり、例えばポリ
アミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリスチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド
イミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテ
ルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニ
レンサルファイド等のポリマーが挙げられる。更に具体
的にはポリアミドとしては、ナイロン66、ナイロン12、
ナイロン6/66/12 ターポリマーのようなホモ又はコポリ
マーが用いられる。またポリエステルとしては、ポリエ
チレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、
ポリエチレン−２，６−ナフタレート、ポリオキシエト
キシベンゾエート、全芳香族ポリエステル等のホモポリ
マー又はこれらコポリマーが用いられる。
【００３１】次いで得られた炭素繊維束を熱可塑性樹脂
で被覆してなる比較的太い柔軟性プリフォームドヤーン
と、比較的細い熱可塑性樹脂繊維糸又は比較的細い炭素
繊維束を、その何れか一方を経糸とし、他方を緯糸とし
て製織して一方向プリフォームドシートを製造する。
で被覆してなる比較的太い柔軟性プリフォームドヤーン
と、比較的細い熱可塑性樹脂繊維糸又は比較的細い炭素
繊維束を、その何れか一方を経糸とし、他方を緯糸とし
て製織して一方向プリフォームドシートを製造する。
【００３２】当該プリフォームドシートは、本件出願人
による特願昭63−231791号公報に開示されている。当該
プリフォームドシートの経糸若しくは緯糸として用いら
れる熱可塑性樹脂繊維糸は、後加工における成形温度で
完全に溶融する樹脂繊維糸であり、例えばポリアミド、
ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリス
チレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミドイミド、ポ
リイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホ
ン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサル
ファイド等のポリマーの繊維が挙げられる。更に具体的
には、ポリアミド繊維としては、ナイロン66、ナイロン
６、ナイロン12、ナイロン6/66/12 ターポリマーのよう
なホモ又はコポリマーから得られる繊維が用いられ、ま
たポリエステル繊維としては、ポリエチレンテレフタレ
ート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン−
２，６−ナフタレート、ポリオキシエトキシベンゾエー
ト、全芳香族ポリエステル等のホモポリマー又はこれら
のコポリマーから得られる繊維が用いられ、この熱可塑
性樹脂繊維糸としてはできるだけ細い糸を使用するのが
良く、前記プリフォームドヤーンに対して、直径が1/5
以下のものを使用するのが、プリフォームドヤーンの直
線性を保持して通常織物にしたことによる後加工時の強
度低下を殆どなくすため好ましい。
による特願昭63−231791号公報に開示されている。当該
プリフォームドシートの経糸若しくは緯糸として用いら
れる熱可塑性樹脂繊維糸は、後加工における成形温度で
完全に溶融する樹脂繊維糸であり、例えばポリアミド、
ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリス
チレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミドイミド、ポ
リイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホ
ン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサル
ファイド等のポリマーの繊維が挙げられる。更に具体的
には、ポリアミド繊維としては、ナイロン66、ナイロン
６、ナイロン12、ナイロン6/66/12 ターポリマーのよう
なホモ又はコポリマーから得られる繊維が用いられ、ま
たポリエステル繊維としては、ポリエチレンテレフタレ
ート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン−
２，６−ナフタレート、ポリオキシエトキシベンゾエー
ト、全芳香族ポリエステル等のホモポリマー又はこれら
のコポリマーから得られる繊維が用いられ、この熱可塑
性樹脂繊維糸としてはできるだけ細い糸を使用するのが
良く、前記プリフォームドヤーンに対して、直径が1/5
以下のものを使用するのが、プリフォームドヤーンの直
線性を保持して通常織物にしたことによる後加工時の強
度低下を殆どなくすため好ましい。
【００３３】更に、プリフォームドヤーンと熱可塑性樹
脂繊維との交織割合は、プリフォームドヤーン中の補強
用繊維と熱可塑性樹脂との割合によって変わり、また成
形後の複合材料の用途によっても変わるが、通常プリフ
ォームドシート全体での補強用繊維の割合が約３〜約70
容量％程度になるようにするのが好ましい。
脂繊維との交織割合は、プリフォームドヤーン中の補強
用繊維と熱可塑性樹脂との割合によって変わり、また成
形後の複合材料の用途によっても変わるが、通常プリフ
ォームドシート全体での補強用繊維の割合が約３〜約70
容量％程度になるようにするのが好ましい。
【００３４】次に本発明のＣ／Ｃコンポジット製コイル
ばねの製造方法を、本発明の一実施例に基づいて説明す
る。
ばねの製造方法を、本発明の一実施例に基づいて説明す
る。
【００３５】上記したようにして得られた原料プリフォ
ームドヤーンを、ヤーン状またはテープ状またはシート
状として、芯棒に間隙保持用コイル材（中子）とともに
巻き付けて、原料プリフォームドヤーンとコイル材（中
子）を交互に配置するようにする。これをホットプレス
で約 300〜2000℃，常圧〜500kg/cm2 で成形する。成形
品からコイル材（中子）を取外し、次いで必要に応じ 7
00〜1200℃で炭化、1500〜3000℃で黒鉛化して本発明の
Ｃ／Ｃコンポジット製コイルばねを得る。
ームドヤーンを、ヤーン状またはテープ状またはシート
状として、芯棒に間隙保持用コイル材（中子）とともに
巻き付けて、原料プリフォームドヤーンとコイル材（中
子）を交互に配置するようにする。これをホットプレス
で約 300〜2000℃，常圧〜500kg/cm2 で成形する。成形
品からコイル材（中子）を取外し、次いで必要に応じ 7
00〜1200℃で炭化、1500〜3000℃で黒鉛化して本発明の
Ｃ／Ｃコンポジット製コイルばねを得る。
【００３６】温度が 300℃以下だとマトリックスの炭化
が十分に行なわれず、また成形品が十分に作製されない
ため好ましくない。500kg/cm2 以上の圧力だと装置的に
も大規模なものが必要となり好ましくない。特に、 300
℃以上、好ましくは 500℃以上でホットプレス処理をお
こなった際には成形体中に揮発分が殆ど残存せず、従っ
て、次いで、黒鉛化処理してもガスの発生がないため、
気孔が殆どなく、再含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理を
繰り返すことなしに、充分な機械的強度を有する複合材
料を得ることができる。
が十分に行なわれず、また成形品が十分に作製されない
ため好ましくない。500kg/cm2 以上の圧力だと装置的に
も大規模なものが必要となり好ましくない。特に、 300
℃以上、好ましくは 500℃以上でホットプレス処理をお
こなった際には成形体中に揮発分が殆ど残存せず、従っ
て、次いで、黒鉛化処理してもガスの発生がないため、
気孔が殆どなく、再含浸処理、炭化処理、黒鉛化処理を
繰り返すことなしに、充分な機械的強度を有する複合材
料を得ることができる。
【００３７】次いで、ホットプレス法により得られた成
型品を約 700〜約1200℃の温度で炭化、次いで約1500℃
〜約3000℃の温度で黒鉛化してＣ／Ｃコンポジットを得
る。
型品を約 700〜約1200℃の温度で炭化、次いで約1500℃
〜約3000℃の温度で黒鉛化してＣ／Ｃコンポジットを得
る。
【００３８】更に、Ｃ／Ｃコンポジットの他に、酸化防
止、浸炭防止、表面の平滑化等のため、Ｃ／Ｃコンポジ
ット基材の表面に各種のコーティングを施したものも使
用することができる。
止、浸炭防止、表面の平滑化等のため、Ｃ／Ｃコンポジ
ット基材の表面に各種のコーティングを施したものも使
用することができる。
【００３９】該コーティングには、SiC, TiC, ZrC, WC,
TiN, ZrN, AlN, BN, Si3N4, Al2O3, TiO2，Cr2O3, SiO
2 等のセラミックス類、Cr, Zr, Ti, Si, B 等の金属
類、ガラス類、グラッシーカーボン等を用いることがで
きる。
TiN, ZrN, AlN, BN, Si3N4, Al2O3, TiO2，Cr2O3, SiO
2 等のセラミックス類、Cr, Zr, Ti, Si, B 等の金属
類、ガラス類、グラッシーカーボン等を用いることがで
きる。
【００４０】またコーティングする方法としてはＣＶＤ
法、ＰＶＤ法、イオンプレーティング、スパッタリン
グ、溶射、水性ガラスコーティング、レーザー蒸着法、
プラズマ溶射、メッキライニング、塗装等の従来の方法
を用いることができ、コーティングは、最終製品である
コイルばねに直接、又はＣ／Ｃコンポジット基材に施し
てもよい。
法、ＰＶＤ法、イオンプレーティング、スパッタリン
グ、溶射、水性ガラスコーティング、レーザー蒸着法、
プラズマ溶射、メッキライニング、塗装等の従来の方法
を用いることができ、コーティングは、最終製品である
コイルばねに直接、又はＣ／Ｃコンポジット基材に施し
てもよい。
【００４１】次に本発明のＣ／Ｃコンポジット製コイル
ばねの製造方法の他の実施例を説明する上述のようにし
て得られた原料プリフォームドヤーンをシート状とし
て、積層し、ホットプレスで 300〜2000℃で加圧下でブ
ロック状に成形し、この成形品を必要に応じて 700〜12
00℃で炭化した後、1500〜3000℃で黒鉛化することによ
り炭素繊維炭素複合材料製ブロックを得、このブロック
を機械的研削加工によりコイルばね状に成形して炭素繊
維炭素複合材料製コイルばねを得る。上記ブロックには
四角形断面のもの円筒状のもの等種々の形状のものを用
いることができる。また、研削加工としては、例えばコ
イルばねの円筒状の外径、内径をせん盤により加工した
後、せん盤またはグラインダにより、ばねの螺旋状部分
を削り出すようにする。なお、Ｃ／Ｃコンポジットの製
法自体はＣＶＤ法、含浸法によるものを用いた場合も同
様のばねを製造することができる。
ばねの製造方法の他の実施例を説明する上述のようにし
て得られた原料プリフォームドヤーンをシート状とし
て、積層し、ホットプレスで 300〜2000℃で加圧下でブ
ロック状に成形し、この成形品を必要に応じて 700〜12
00℃で炭化した後、1500〜3000℃で黒鉛化することによ
り炭素繊維炭素複合材料製ブロックを得、このブロック
を機械的研削加工によりコイルばね状に成形して炭素繊
維炭素複合材料製コイルばねを得る。上記ブロックには
四角形断面のもの円筒状のもの等種々の形状のものを用
いることができる。また、研削加工としては、例えばコ
イルばねの円筒状の外径、内径をせん盤により加工した
後、せん盤またはグラインダにより、ばねの螺旋状部分
を削り出すようにする。なお、Ｃ／Ｃコンポジットの製
法自体はＣＶＤ法、含浸法によるものを用いた場合も同
様のばねを製造することができる。
【００４２】
【実施例】次に本発明の炭素繊維炭素複合材料製コイル
ばねの性能比較実験の結果を以下に示す。
ばねの性能比較実験の結果を以下に示す。
【００４３】実施例１ 炭素繊維含有率（Ｖｆ）が40％となるように調製した原
料プリフォームドヤーンをヤーン状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃，100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材（中子）を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してＣ／Ｃコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたＣ／Ｃコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.6g/cm3 外径 50mm 内径 20mm 自由長 40mm 最大荷重 15kg 最大変位量 ６mm ばね定数 2.5 であった。
料プリフォームドヤーンをヤーン状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃，100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材（中子）を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してＣ／Ｃコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたＣ／Ｃコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.6g/cm3 外径 50mm 内径 20mm 自由長 40mm 最大荷重 15kg 最大変位量 ６mm ばね定数 2.5 であった。
【００４４】実施例２ 炭素繊維で強化したコイル状の樹脂成形体を焼成炭化
し、次いで含浸、炭化を繰り返し、Ｃ／Ｃコンポジット
製コイルばねを得た。炭素繊維含有率は40 vol％とし、
2000℃で黒鉛化した。得られたＣ／Ｃコンポジット製ば
ねは、 密度 1.5g/cm3 外径 20mm 内径 10mm 自由長 20mm 最大荷重 ２kg 最大変位量 ８mm ばね定数 0.25 であった。
し、次いで含浸、炭化を繰り返し、Ｃ／Ｃコンポジット
製コイルばねを得た。炭素繊維含有率は40 vol％とし、
2000℃で黒鉛化した。得られたＣ／Ｃコンポジット製ば
ねは、 密度 1.5g/cm3 外径 20mm 内径 10mm 自由長 20mm 最大荷重 ２kg 最大変位量 ８mm ばね定数 0.25 であった。
【００４５】実施例３ 炭素繊維含有率（Ｖｆ）が30％となるように調製した原
料プリフォームドヤーンをヤーン状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃，100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材（中子）を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してＣ／Ｃコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたＣ／Ｃコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.8g/cm3 外径 15mm 内径 ５mm 自由長 20mm 最大荷重 １kg 最大変位量 10mm ばね定数 0.1 であった。
料プリフォームドヤーンをヤーン状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃，100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材（中子）を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してＣ／Ｃコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたＣ／Ｃコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.8g/cm3 外径 15mm 内径 ５mm 自由長 20mm 最大荷重 １kg 最大変位量 10mm ばね定数 0.1 であった。
【００４６】実施例４ 炭素繊維含有率（Ｖｆ）が50％となるように調製した原
料プリフォームドヤーンをヤーン状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃，100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材（中子）を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してＣ／Ｃコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたＣ／Ｃコンポジッ
ト製ばねは、 密度 2.2g/cm3 外径 45mm 内径 10mm 自由長 24mm 最大荷重 20kg 最大変位量 ２mm ばね定数 10 であった。
料プリフォームドヤーンをヤーン状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃，100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材（中子）を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してＣ／Ｃコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたＣ／Ｃコンポジッ
ト製ばねは、 密度 2.2g/cm3 外径 45mm 内径 10mm 自由長 24mm 最大荷重 20kg 最大変位量 ２mm ばね定数 10 であった。
【００４７】実施例５ 炭素繊維含有率（Ｖｆ）が40％となるように調製した原
料プリフォームドヤーンをテープ状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 800℃，100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材（中子）を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してＣ／Ｃコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたＣ／Ｃコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.6g/cm3 外径 37mm 内径 27mm 自由長 60mm 最大荷重 14kg 最大変位量 ７mm ばね定数 ２ であった。
料プリフォームドヤーンをテープ状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 800℃，100 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材（中子）を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してＣ／Ｃコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたＣ／Ｃコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.6g/cm3 外径 37mm 内径 27mm 自由長 60mm 最大荷重 14kg 最大変位量 ７mm ばね定数 ２ であった。
【００４８】実施例６ 炭素繊維含有率（Ｖｆ）が40％となるように調製した原
料プリフォームドヤーンをシート状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃，150 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材（中子）を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してＣ／Ｃコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたＣ／Ｃコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.7g/cm3 外径 300mm 内径 200mm 自由長 150mm 最大荷重 500kg 最大変位量 50mm ばね定数 ７ であった。
料プリフォームドヤーンをシート状として、芯棒に間隙
保持用コイル材（中子）とともに巻き付けて、原料プリ
フォームドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置する
ようにする。これをホットプレスで約 600℃，150 kg/c
m2で成形した。成形品からコイル材（中子）を取外し、
次いで 800℃で炭化、2000℃で黒鉛化してＣ／Ｃコンポ
ジット製コイルばねを得た。得られたＣ／Ｃコンポジッ
ト製ばねは、 密度 1.7g/cm3 外径 300mm 内径 200mm 自由長 150mm 最大荷重 500kg 最大変位量 50mm ばね定数 ７ であった。
【００４９】実施例７ 原料プリフォームドヤーンをシート状として、積層し、
ホットプレスで約600℃, 100kg/cm2 でブロック状に成
形し、この成形品を 800℃で炭化した後、2000℃で黒鉛
化することにより得た炭素繊維炭素複合材料製ブロック
を機械的研削加工によりコイルばね状に成形して以下の
Ｃ／Ｃコンポジット製ばねを得た。 密度 1.7g/cm3 外径 30mm 内径 15mm 自由長 30mm 最大荷重 ５kg 最大変位量 ５mm ばね定数 １ であった。
ホットプレスで約600℃, 100kg/cm2 でブロック状に成
形し、この成形品を 800℃で炭化した後、2000℃で黒鉛
化することにより得た炭素繊維炭素複合材料製ブロック
を機械的研削加工によりコイルばね状に成形して以下の
Ｃ／Ｃコンポジット製ばねを得た。 密度 1.7g/cm3 外径 30mm 内径 15mm 自由長 30mm 最大荷重 ５kg 最大変位量 ５mm ばね定数 １ であった。
【００５０】実施例８ 実施例１のＣ／Ｃコンポジット製コイルばねに、15kgの
荷重をかけたまま、1200℃に昇温する試験を繰り返し行
ったのち、その特性を測定したところ 密度 1.6g/cm3 外径 50mm 内径 20mm 自由長 40mm 最大荷重 15kg 最大変位量 ６mm ばね定数 2.5 であり、表１のとおりであった。
荷重をかけたまま、1200℃に昇温する試験を繰り返し行
ったのち、その特性を測定したところ 密度 1.6g/cm3 外径 50mm 内径 20mm 自由長 40mm 最大荷重 15kg 最大変位量 ６mm ばね定数 2.5 であり、表１のとおりであった。
【００５１】比較例１ インコネル製のばねに荷重をかけたまま、1200℃にした
ところ昇温前は、ばね定数1.5 のものが昇温後変形し、
ばねとして使用できなくなった。
ところ昇温前は、ばね定数1.5 のものが昇温後変形し、
ばねとして使用できなくなった。
【００５２】比較例２ 窒化珪素製のばねに荷重をかけたまま、1200℃にする試
験を繰り返し行った。ばね定数の変化は表１の通りであ
った。
験を繰り返し行った。ばね定数の変化は表１の通りであ
った。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の炭素繊維
炭素複合材料製コイルばねは、Ｃ／Ｃコンポジット材の
性質により金属製コイルばねに比して軽量であり、耐摩
耗性、耐蝕性、耐薬品性が良く、また靱性が高いのでセ
ラミックス製コイルばねに比して機械的衝撃に強く、耐
熱性が高く、熱衝撃にも強いという多大な利点を有する
コイルばねを安価に得ることができるという効果が得ら
れる。
炭素複合材料製コイルばねは、Ｃ／Ｃコンポジット材の
性質により金属製コイルばねに比して軽量であり、耐摩
耗性、耐蝕性、耐薬品性が良く、また靱性が高いのでセ
ラミックス製コイルばねに比して機械的衝撃に強く、耐
熱性が高く、熱衝撃にも強いという多大な利点を有する
コイルばねを安価に得ることができるという効果が得ら
れる。
【図１】本発明の炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの
一実施例の斜視図である。
一実施例の斜視図である。
【図２】本発明の炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの
他の実施例の斜視図である。
他の実施例の斜視図である。
【図３】本発明の炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの
他の実施例の斜視図である。
他の実施例の斜視図である。
【図４】本発明の炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの
他の実施例の斜視図である。
他の実施例の斜視図である。
【図５】本発明の炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの
他の実施例の斜視図である。
他の実施例の斜視図である。
【図６】本発明の炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの
他の実施例の斜視図である。
他の実施例の斜視図である。
１ コイルばね ２ 本体 ３，４ 端部 ５ 中央部 ６ 周辺部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 美穂子 埼玉県川口市末広１丁目17番３号 第２川 口ハイツ１Ｆ 株式会社アクロス内 (72)発明者 野▲崎▼ 泰夫 埼玉県川口市末広１丁目17番３号 第２川 口ハイツ１Ｆ 株式会社アクロス内 (72)発明者 佐藤 利弘 埼玉県川口市末広１丁目17番３号 第２川 口ハイツ１Ｆ 株式会社アクロス内
Claims (3)
- 【請求項１】 螺旋状本体の一端と他端を支持部材によ
り支持して用いるコイルばねにおいて、ばね材料として
炭素繊維炭素複合材料を用いたことを特徴とする炭素繊
維炭素複合材料製コイルばね。 - 【請求項２】 原料プリフォームドヤーンをヤーン状ま
たはテープ状またはシート状として、芯棒に間隙保持用
コイル材（中子）とともに巻き付け、原料プリフォーム
ドヤーンとコイル材（中子）を交互に配置した後、ホッ
トプレスで約300 〜2000℃，常圧もしくは加圧下で成形
し、成形品からコイル材（中子）を取外し、次いで必要
に応じて 700〜1200℃で炭化した後、1500〜3000℃で黒
鉛化することにより炭素繊維炭素複合材料製コイルばね
を得ることを特徴とする炭素繊維炭素複合材料製コイル
ばねの製造方法。 - 【請求項３】 原料プリフォームドヤーンをシート状と
して、積層し、ホットプレスで 300〜2000℃で加圧下で
ブロック状に成形し、この成形品を必要に応じて 700〜
1200℃で炭化した後、1500〜3000℃で黒鉛化することに
より炭素繊維炭素複合材料製ブロックを得、このブロッ
クを機械的研削加工によりコイルばね状に成形して炭素
繊維炭素複合材料製コイルばねを得ることを特徴とする
炭素繊維炭素複合材料製コイルばねの製造方法。
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