JPH0873972A - 強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料およびその製造方法 - Google Patents
強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料およびその製造方法Info
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- JPH0873972A JPH0873972A JP20570694A JP20570694A JPH0873972A JP H0873972 A JPH0873972 A JP H0873972A JP 20570694 A JP20570694 A JP 20570694A JP 20570694 A JP20570694 A JP 20570694A JP H0873972 A JPH0873972 A JP H0873972A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた軽量な複
合材料を提供する。 【構成】 アルミニウム合金４ａ中に、３５重量％以上
４５重量％以下の炭化ケイ素４ｂを含有し、熱伝導率が
１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、熱膨張率が１０×１０−６
／℃以上１２×１０−６／℃以下である強度，耐摩耗
性，熱伝導性に優れた複合材料（バルブシート４）。
合材料を提供する。 【構成】 アルミニウム合金４ａ中に、３５重量％以上
４５重量％以下の炭化ケイ素４ｂを含有し、熱伝導率が
１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、熱膨張率が１０×１０−６
／℃以上１２×１０−６／℃以下である強度，耐摩耗
性，熱伝導性に優れた複合材料（バルブシート４）。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、強度，耐摩耗性，熱伝
導性等に優れていることが要求されるエンジン部品など
の素材として好適に利用される強度，耐摩耗性，熱伝導
性に優れたアルミニウム・セラミックス系の複合材料お
よびその製造方法に関するものである。
導性等に優れていることが要求されるエンジン部品など
の素材として好適に利用される強度，耐摩耗性，熱伝導
性に優れたアルミニウム・セラミックス系の複合材料お
よびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、エンジンバルブの弁座となるバル
ブシートは、耐摩耗性に優れていることが要求されるた
め、下記に例示するごとき種々の対策が考えられてきて
いる。
ブシートは、耐摩耗性に優れていることが要求されるた
め、下記に例示するごとき種々の対策が考えられてきて
いる。
【０００３】（１）バルブと接触するテーパー部をセラ
ミックス（窒化ケイ素，炭化ケイ素，サイアロンなど）
とすると共にテーパー部を形成するセラミックスリング
の外周側に金属リングを設けた構成としたもの（特開昭
６２−１９１６０７号公報，特開昭６２−１０７２１６
号公報，特開昭６２−２３５１２号公報）。
ミックス（窒化ケイ素，炭化ケイ素，サイアロンなど）
とすると共にテーパー部を形成するセラミックスリング
の外周側に金属リングを設けた構成としたもの（特開昭
６２−１９１６０７号公報，特開昭６２−１０７２１６
号公報，特開昭６２−２３５１２号公報）。
【０００４】（２）バルブシートリングを用いず、バル
ブシート部をセラミックス繊維で強化すると共にセラミ
ックス繊維による繊維強化金属部分の表面を金属の被覆
層でコートしてバルブシート部の耐摩耗性を向上させる
構造としたもの（特開昭６１−７６７４２号公報，特開
昭６１−７６７４４号公報，特開昭６１−８７９４７号
公報，特開昭６１−８７９４８号公報）。
ブシート部をセラミックス繊維で強化すると共にセラミ
ックス繊維による繊維強化金属部分の表面を金属の被覆
層でコートしてバルブシート部の耐摩耗性を向上させる
構造としたもの（特開昭６１−７６７４２号公報，特開
昭６１−７６７４４号公報，特開昭６１−８７９４７号
公報，特開昭６１−８７９４８号公報）。
【０００５】（３）硬質セラミックス粒子に無電解Ｎｉ
めっきを施した複合粒子を鉄系焼結材に分散させたバル
ブシートの構造としたもの（特開昭６４−５６８５０号
公報）。
めっきを施した複合粒子を鉄系焼結材に分散させたバル
ブシートの構造としたもの（特開昭６４−５６８５０号
公報）。
【０００６】（４）Ｆｅ基焼結合金の素地中に微細な酸
化アルミニウム硬質相を分散させたバルブシートの構造
としたもの（特開平４−１２８３４８号公報）。
化アルミニウム硬質相を分散させたバルブシートの構造
としたもの（特開平４−１２８３４８号公報）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来のバルブシートの構造では、シート部の耐摩耗性向
上に目的がおかれており、熱伝導性に劣るセラミックス
を用いているため断熱作用が大きくなってエンジン気筒
内の温度が上昇し、エンジン出力の低下が生じてしまう
等の問題点があったことから、このような問題点を解消
することが課題としてあった。
従来のバルブシートの構造では、シート部の耐摩耗性向
上に目的がおかれており、熱伝導性に劣るセラミックス
を用いているため断熱作用が大きくなってエンジン気筒
内の温度が上昇し、エンジン出力の低下が生じてしまう
等の問題点があったことから、このような問題点を解消
することが課題としてあった。
【０００８】
【発明の目的】本発明は、このような従来の課題にかん
がみてなされたものであって、セラミックスと金属との
複合化により、例えばエンジンバルブシートやエンジン
シリンダライナー等において必要としている耐摩耗性と
強度を合わせ持ち、かつまた熱伝導性に優れた材料を提
供することによって、前述した従来の問題を生じるのを
防止してエンジン等の性能を向上させることが可能であ
る強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料を提供す
ることを目的としている。
がみてなされたものであって、セラミックスと金属との
複合化により、例えばエンジンバルブシートやエンジン
シリンダライナー等において必要としている耐摩耗性と
強度を合わせ持ち、かつまた熱伝導性に優れた材料を提
供することによって、前述した従来の問題を生じるのを
防止してエンジン等の性能を向上させることが可能であ
る強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料を提供す
ることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる強度，耐
摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料は、請求項１に記載
しているように、アルミニウム合金中に、３５重量％以
上４５重量％以下の炭化ケイ素を含有し、熱伝導率が１
５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、熱膨張率が１０×１０−６／
℃以上１２×１０−６／℃以下である構成としたことを
特徴としている。
摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料は、請求項１に記載
しているように、アルミニウム合金中に、３５重量％以
上４５重量％以下の炭化ケイ素を含有し、熱伝導率が１
５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、熱膨張率が１０×１０−６／
℃以上１２×１０−６／℃以下である構成としたことを
特徴としている。
【００１０】そして、本発明に係わる強度，耐摩耗性，
熱伝導性に優れた複合材料の実施態様においては、請求
項２に記載しているように、アルミニウム合金中に含有
する炭化ケイ素の粒子径が平均で１２μｍ以上１８μｍ
以下であるものとすることが可能であり、請求項３に記
載しているように、アルミニウム合金は鋳造用アルミニ
ウム合金とすることが可能であり、請求項４に記載して
いるように、アルミニウム合金は、Ｓｉ：８〜１１重量
％、Ｍｇ：４〜８重量％を基本成分として（その他例え
ばＣｕ：５．０重量％以下、Ｎｉ：２．３重量％以下な
ど）含有し、残部が実質的にＡｌからなる鋳造用アルミ
ニウム合金とすることが可能であり、請求項５に記載し
ているように、エンジンバルブシートの素材として使用
することが可能であり、請求項６に記載しているよう
に、エンジンシリンダライナーの素材として使用するこ
とが可能である。
熱伝導性に優れた複合材料の実施態様においては、請求
項２に記載しているように、アルミニウム合金中に含有
する炭化ケイ素の粒子径が平均で１２μｍ以上１８μｍ
以下であるものとすることが可能であり、請求項３に記
載しているように、アルミニウム合金は鋳造用アルミニ
ウム合金とすることが可能であり、請求項４に記載して
いるように、アルミニウム合金は、Ｓｉ：８〜１１重量
％、Ｍｇ：４〜８重量％を基本成分として（その他例え
ばＣｕ：５．０重量％以下、Ｎｉ：２．３重量％以下な
ど）含有し、残部が実質的にＡｌからなる鋳造用アルミ
ニウム合金とすることが可能であり、請求項５に記載し
ているように、エンジンバルブシートの素材として使用
することが可能であり、請求項６に記載しているよう
に、エンジンシリンダライナーの素材として使用するこ
とが可能である。
【００１１】また、本発明に係わる強度，耐摩耗性，熱
伝導性に優れた複合材料の製造方法は、請求項７に記載
しているように、５５重量％以上６５重量％以下のアル
ミニウム合金溶湯と３５重量％以上４５重量％以下の炭
化ケイ素粉末とを混合したのち鋳造成形する構成とした
ことを特徴としている。
伝導性に優れた複合材料の製造方法は、請求項７に記載
しているように、５５重量％以上６５重量％以下のアル
ミニウム合金溶湯と３５重量％以上４５重量％以下の炭
化ケイ素粉末とを混合したのち鋳造成形する構成とした
ことを特徴としている。
【００１２】本発明に係わる強度，耐摩耗性，熱伝導性
に優れた複合材料およびその製造方法は、上記した構成
を有するものであり、アルミニウム合金としては、ＪＩ
ＳＨ ５３０２に制定されたダイカスト用アルミニウム
合金（ＡＤＣ １，ＡＤＣ３，ＡＤＣ ５，ＡＤＣ
６，ＡＤＣ １０，ＡＤＣ １０Ｚ，ＡＤＣ １２，Ａ
ＤＣ １２Ｚ，ＡＤＣ １４等）が使用され、また、請
求項３に記載のように、ＪＩＳ Ｈ ５２０２に制定さ
れた鋳造用アルミニウム合金（ＡＣ １Ａ，１Ｂ，ＡＣ
２Ａ，２Ｂ，ＡＣ ３Ａ，ＡＣ ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，
４ＣＨ，４Ｄ，ＡＣ ５Ａ，ＡＣ ７Ａ，７Ｂ，ＡＣ
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，ＡＣ ９Ａ，９Ｂ等）が使用され
る。
に優れた複合材料およびその製造方法は、上記した構成
を有するものであり、アルミニウム合金としては、ＪＩ
ＳＨ ５３０２に制定されたダイカスト用アルミニウム
合金（ＡＤＣ １，ＡＤＣ３，ＡＤＣ ５，ＡＤＣ
６，ＡＤＣ １０，ＡＤＣ １０Ｚ，ＡＤＣ １２，Ａ
ＤＣ １２Ｚ，ＡＤＣ １４等）が使用され、また、請
求項３に記載のように、ＪＩＳ Ｈ ５２０２に制定さ
れた鋳造用アルミニウム合金（ＡＣ １Ａ，１Ｂ，ＡＣ
２Ａ，２Ｂ，ＡＣ ３Ａ，ＡＣ ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，
４ＣＨ，４Ｄ，ＡＣ ５Ａ，ＡＣ ７Ａ，７Ｂ，ＡＣ
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，ＡＣ ９Ａ，９Ｂ等）が使用され
る。
【００１３】そして、用途が請求項５に記載のようにエ
ンジンバルブシートや請求項６に記載のようにエンジン
シリンダライナーである場合には、請求項４に記載のよ
うに、Ｓｉ：８〜１１重量％、Ｍｇ：４〜８重量％を基
本成分として含有し、残部が実質的にＡｌからなる鋳造
用アルミニウム合金を使用することが望ましい。
ンジンバルブシートや請求項６に記載のようにエンジン
シリンダライナーである場合には、請求項４に記載のよ
うに、Ｓｉ：８〜１１重量％、Ｍｇ：４〜８重量％を基
本成分として含有し、残部が実質的にＡｌからなる鋳造
用アルミニウム合金を使用することが望ましい。
【００１４】この場合、Ｓｉ含有量が８重量％未満であ
ると炭化ケイ素粒子の表面の濡れ性が低下して炭化ケイ
素粒子の周囲に空気層が残留した構造となる傾向とな
り、１１重量％を超えると合金冷却時にＳｉ元素が析出
して硬さが増大し、バルブやピストンリングの損傷をも
たらす傾向となるので、エンジンバルブシートやエンジ
ンシリンダライナーの素材として使用する場合のアルミ
ニウム合金中のＳｉ含有量は８〜１１重量％の範囲とす
ることが望ましい。
ると炭化ケイ素粒子の表面の濡れ性が低下して炭化ケイ
素粒子の周囲に空気層が残留した構造となる傾向とな
り、１１重量％を超えると合金冷却時にＳｉ元素が析出
して硬さが増大し、バルブやピストンリングの損傷をも
たらす傾向となるので、エンジンバルブシートやエンジ
ンシリンダライナーの素材として使用する場合のアルミ
ニウム合金中のＳｉ含有量は８〜１１重量％の範囲とす
ることが望ましい。
【００１５】また、Ｍｇ含有量が４重量％未満であると
炭化ケイ素粒子成形体の微細ポアに合金が浸透できず凝
集体の周囲に微細ポア（空孔）が残留した構造となる傾
向となり、８重量％を超えると合金冷却時に金属間化合
物が析出して脆くなる傾向となるので、エンジンバルブ
シートやエンジンシリンダライナーの素材として使用す
る場合のアルミニウム合金中のＭｇ含有量は４〜８重量
％の範囲とすることが望ましい。
炭化ケイ素粒子成形体の微細ポアに合金が浸透できず凝
集体の周囲に微細ポア（空孔）が残留した構造となる傾
向となり、８重量％を超えると合金冷却時に金属間化合
物が析出して脆くなる傾向となるので、エンジンバルブ
シートやエンジンシリンダライナーの素材として使用す
る場合のアルミニウム合金中のＭｇ含有量は４〜８重量
％の範囲とすることが望ましい。
【００１６】このようなアルミニウム合金中に含有され
る炭化ケイ素（ＳｉＣ）の含有量は、３５重量％以上４
５重量％以下であるが、この場合、炭化ケイ素含有量が
３５重量％よりも少ないと、相対的にアルミニウム合金
の割合が増大することから、複合材料の強度および靭性
が向上すると共に熱伝導率は大きくなるものの、熱膨張
係数が大きくなり、また、硬さが低下して耐摩耗性が劣
化することとなるので好ましくなく、炭化ケイ素量が４
５重量％よりも多いと、相対的にアルミニウム合金の割
合が減少することから、複合材料の硬さが大きくなって
耐摩耗性は向上するものの、強度および靭性が低下する
と共に熱伝導率も低くなり、熱膨張係数も小さくなるの
で好ましくない。
る炭化ケイ素（ＳｉＣ）の含有量は、３５重量％以上４
５重量％以下であるが、この場合、炭化ケイ素含有量が
３５重量％よりも少ないと、相対的にアルミニウム合金
の割合が増大することから、複合材料の強度および靭性
が向上すると共に熱伝導率は大きくなるものの、熱膨張
係数が大きくなり、また、硬さが低下して耐摩耗性が劣
化することとなるので好ましくなく、炭化ケイ素量が４
５重量％よりも多いと、相対的にアルミニウム合金の割
合が減少することから、複合材料の硬さが大きくなって
耐摩耗性は向上するものの、強度および靭性が低下する
と共に熱伝導率も低くなり、熱膨張係数も小さくなるの
で好ましくない。
【００１７】そして、アルミニウム合金中の炭化ケイ素
含有量を３５重量％以上４５重量％以下とすることによ
って、熱膨張係数を１０×１０−６／℃以上１２×１０
−６／℃以下にできると共に、熱伝導率を１５０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）以上とすることができ、また、強度も高いも
のとすることが可能である。
含有量を３５重量％以上４５重量％以下とすることによ
って、熱膨張係数を１０×１０−６／℃以上１２×１０
−６／℃以下にできると共に、熱伝導率を１５０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）以上とすることができ、また、強度も高いも
のとすることが可能である。
【００１８】図１はエンジンのシリダンヘッド部分を示
す断面説明図であり、図２はシリンダヘッド部分に設け
られるバルブシートの断面説明図であって、エンジンの
シリンダヘッド１はアルミニウム合金よりなるものであ
って、その内部に冷却水通路２を形成していると共にシ
リンダ上部空間３を形成しており、バルブ座部にはバル
ブシート４が設けてあり、バルブ５のバルブフェース部
分が当接するようになっている。また、バルブ５はバル
ブガイド６に案内された状態で往復移動し、シリンダ上
部空間３とポート７とが開閉するものとなっている。
す断面説明図であり、図２はシリンダヘッド部分に設け
られるバルブシートの断面説明図であって、エンジンの
シリンダヘッド１はアルミニウム合金よりなるものであ
って、その内部に冷却水通路２を形成していると共にシ
リンダ上部空間３を形成しており、バルブ座部にはバル
ブシート４が設けてあり、バルブ５のバルブフェース部
分が当接するようになっている。また、バルブ５はバル
ブガイド６に案内された状態で往復移動し、シリンダ上
部空間３とポート７とが開閉するものとなっている。
【００１９】そして、本発明に係わる複合材料で形成し
たバルブシート４は、図２に示すように、アルミニウム
合金４ａ中に炭化ケイ素４ｂが粒子状に分散したものと
してリング形状に形成されたものとなっている。
たバルブシート４は、図２に示すように、アルミニウム
合金４ａ中に炭化ケイ素４ｂが粒子状に分散したものと
してリング形状に形成されたものとなっている。
【００２０】本発明に係わる複合材料は、上記したよう
に、アルミニウム合金（例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合
金）中に、炭化ケイ素セラミックス（例えば、１０００
番粉末）３５重量％以上４５重量％以下を含有したもの
であるが、このような複合材料の製造工程としては、例
えば、炭化ケイ素粉末を上記アルミニウム合金成分の粉
末や塊材に混合して溶融することで得ることができる。
この場合、例えば、好ましい溶融含浸温度は６７０℃か
ら７５０℃までの範囲であり、通常のアルミニウム合金
の溶解方法と同じであるものとすることができる。
に、アルミニウム合金（例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合
金）中に、炭化ケイ素セラミックス（例えば、１０００
番粉末）３５重量％以上４５重量％以下を含有したもの
であるが、このような複合材料の製造工程としては、例
えば、炭化ケイ素粉末を上記アルミニウム合金成分の粉
末や塊材に混合して溶融することで得ることができる。
この場合、例えば、好ましい溶融含浸温度は６７０℃か
ら７５０℃までの範囲であり、通常のアルミニウム合金
の溶解方法と同じであるものとすることができる。
【００２１】そして、バルブシートに形成するに際して
は、バルブシート形状に対応する鋳造空間およびこれに
連続する湯口を有する鉄製もしくは鋳物砂製の鋳型に湯
口より炭化ケイ素粒子を含むアルミニウム合金を注いで
鋳造する。その後、この複合材料よりなるリング状バル
ブシートをエンジンヘッドの鋳造工程でバルブシートに
相当する位置に固定してエンジン用シリンダヘッドを鋳
造で製造する。
は、バルブシート形状に対応する鋳造空間およびこれに
連続する湯口を有する鉄製もしくは鋳物砂製の鋳型に湯
口より炭化ケイ素粒子を含むアルミニウム合金を注いで
鋳造する。その後、この複合材料よりなるリング状バル
ブシートをエンジンヘッドの鋳造工程でバルブシートに
相当する位置に固定してエンジン用シリンダヘッドを鋳
造で製造する。
【００２２】
【発明の作用】本発明による炭化ケイ素−アルミニウム
合金複合材料では、請求項１に記載したように、アルミ
ニウム合金中に、３５重量％以上４５重量％以下の炭化
ケイ素を含有したものであり、アルミニウム合金相が連
続体を構成しているため、熱特性としては熱伝導率が１
５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と基材（例えば、ＡＣ ２Ａ）
の特性値にかなり近く、かつまた、熱膨張率も１０×１
０−６／℃以上１２×１０−６／℃以下であってアルミ
ニウム合金の１３．５×１０−６／℃に近い値である。
合金複合材料では、請求項１に記載したように、アルミ
ニウム合金中に、３５重量％以上４５重量％以下の炭化
ケイ素を含有したものであり、アルミニウム合金相が連
続体を構成しているため、熱特性としては熱伝導率が１
５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と基材（例えば、ＡＣ ２Ａ）
の特性値にかなり近く、かつまた、熱膨張率も１０×１
０−６／℃以上１２×１０−６／℃以下であってアルミ
ニウム合金の１３．５×１０−６／℃に近い値である。
【００２３】そのため、熱膨張差でシリンダヘッドのア
ルミニウム合金相との剥離が起きがたくなると共に、熱
伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるので、シリン
ダヘッド内部の熱を冷却水側に逃がすことが可能とな
る。
ルミニウム合金相との剥離が起きがたくなると共に、熱
伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるので、シリン
ダヘッド内部の熱を冷却水側に逃がすことが可能とな
る。
【００２４】本発明に係わる複合材料をバルブシートに
適用した場合に、従来はシリンダヘッドとバルブシート
との間での機械的な結合が必要であるため、外周部に金
属リングを設けたり、外周部に凹凸加工を施したりして
いたが、本発明の複合材料を用いればこのような構造な
いしは加工が不要となる。
適用した場合に、従来はシリンダヘッドとバルブシート
との間での機械的な結合が必要であるため、外周部に金
属リングを設けたり、外周部に凹凸加工を施したりして
いたが、本発明の複合材料を用いればこのような構造な
いしは加工が不要となる。
【００２５】また、請求項２に記載のように、炭化ケイ
素の粒子径が平均で１２μｍ以上１８μｍ以下であるも
のとすることによって、アルミニウム合金中の炭化ケイ
素セラミックスは緻密ではないが、荷重を受け持つた
め、アルミニウム−セラミックス複合材料としては最高
レベルの４５０〜５００ＭＰａの強度を持つものとな
る。また、残留金属が破壊時のクラック進展を防止する
ため、破壊靭性値も１１〜１３ＭＰａ√ｍと高い値を示
すものとなる。
素の粒子径が平均で１２μｍ以上１８μｍ以下であるも
のとすることによって、アルミニウム合金中の炭化ケイ
素セラミックスは緻密ではないが、荷重を受け持つた
め、アルミニウム−セラミックス複合材料としては最高
レベルの４５０〜５００ＭＰａの強度を持つものとな
る。また、残留金属が破壊時のクラック進展を防止する
ため、破壊靭性値も１１〜１３ＭＰａ√ｍと高い値を示
すものとなる。
【００２６】本発明に係わる複合材料をエンジンバルブ
シートに適用した場合において、機械的な特性のみなら
ずエンジンのシリンダヘッドとして用いるのに必要なバ
ルブとの摩耗特性については、バルブの打撃による摩耗
テストにより摩耗量測定を行った結果、極めて良好であ
ることがわかった。この摩耗試験では、バルブはステラ
イト（ＳＴＬ）＃３２を用いて行った。試験条件は、バ
ーナーで加熱して、バルブシート温度で１５０℃、バル
ブ温度で５５０℃、に設定し、耐久条件はカムの回転数
２０００ｒｐｍ、５時間の試験であり、バルブへの凝着
量とバルブシートの摩耗量を測定する試験である。
シートに適用した場合において、機械的な特性のみなら
ずエンジンのシリンダヘッドとして用いるのに必要なバ
ルブとの摩耗特性については、バルブの打撃による摩耗
テストにより摩耗量測定を行った結果、極めて良好であ
ることがわかった。この摩耗試験では、バルブはステラ
イト（ＳＴＬ）＃３２を用いて行った。試験条件は、バ
ーナーで加熱して、バルブシート温度で１５０℃、バル
ブ温度で５５０℃、に設定し、耐久条件はカムの回転数
２０００ｒｐｍ、５時間の試験であり、バルブへの凝着
量とバルブシートの摩耗量を測定する試験である。
【００２７】耐摩耗性が良好なものとなっている理由
は、表面がセラミックスだけでなくアルミニウム合金で
あるため、表面の摩擦係数が著しく低下することによる
ものであり、硬さ（ビッカース）が通常のセラミックス
よりも数ＧＰａ低いためである。この理由としては、炭
化ケイ素が粒子状態であるため動き易いこと、および残
留アルミニウムが変形し易いことが挙げられる。
は、表面がセラミックスだけでなくアルミニウム合金で
あるため、表面の摩擦係数が著しく低下することによる
ものであり、硬さ（ビッカース）が通常のセラミックス
よりも数ＧＰａ低いためである。この理由としては、炭
化ケイ素が粒子状態であるため動き易いこと、および残
留アルミニウムが変形し易いことが挙げられる。
【００２８】
【実施例】実施例１，２，比較例１，２ 金属溶解用坩堝に、それぞれ表１の成分欄に対応するよ
うに５０重量％，４５重量％，３５重量％，３０重量％
の炭化ケイ素粉末（平均粒径が１５μｍのもの）と、下
記のアルミニウム合金５０重量％，５５重量％，６５重
量％，７０重量％を秤量し、加熱溶解後に十分に攪拌
し、鋳物砂により作製した鋳型に鋳造してバルブシート
素材を製造した後バルブシート形状に仕上げ加工した。
ここで用いたアルミニウム合金は、ＪＩＳ−ＡＣ８Ａ材
料（Ｃｕ：０．８〜１．３重量％、Ｓｉ：１１〜１３重
量％、Ｍｇ：０．７〜１．３重量％、Ｎｉ：０．８〜
１．５重量％、残部ＡｌおよびＺｎ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ
等の不純物）に５重量％のマグネシウムを７００℃で溶
解して製造した合金（アルミニウム合金中のＳｉ含有量
を１０重量％、Ｍｇ含有量を４．５重量％、残部をアル
ミニウムおよび微量成分ならびに不純物としたアルミニ
ウム合金）である。このときの試験片形状は、表１に示
すそれぞれの試験方法による指定形状とし、複合材料の
熱伝導率，熱膨張係数，曲げ強度，破壊靭性値，硬さ
（ビッカース）を測定した。これらの結果を同じく表１
に示す。
うに５０重量％，４５重量％，３５重量％，３０重量％
の炭化ケイ素粉末（平均粒径が１５μｍのもの）と、下
記のアルミニウム合金５０重量％，５５重量％，６５重
量％，７０重量％を秤量し、加熱溶解後に十分に攪拌
し、鋳物砂により作製した鋳型に鋳造してバルブシート
素材を製造した後バルブシート形状に仕上げ加工した。
ここで用いたアルミニウム合金は、ＪＩＳ−ＡＣ８Ａ材
料（Ｃｕ：０．８〜１．３重量％、Ｓｉ：１１〜１３重
量％、Ｍｇ：０．７〜１．３重量％、Ｎｉ：０．８〜
１．５重量％、残部ＡｌおよびＺｎ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ
等の不純物）に５重量％のマグネシウムを７００℃で溶
解して製造した合金（アルミニウム合金中のＳｉ含有量
を１０重量％、Ｍｇ含有量を４．５重量％、残部をアル
ミニウムおよび微量成分ならびに不純物としたアルミニ
ウム合金）である。このときの試験片形状は、表１に示
すそれぞれの試験方法による指定形状とし、複合材料の
熱伝導率，熱膨張係数，曲げ強度，破壊靭性値，硬さ
（ビッカース）を測定した。これらの結果を同じく表１
に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】次に、表１に示した４種の複合材料をバル
ブシートとして利用した場合の単体評価試験（バルブシ
ート試験）機による耐久試験を行った。この結果を表２
に示す。この場合、バルブシートは、上記複合材料から
内径３０ｍｍ，外径３７ｍｍ，厚み１４ｍｍのバルブシ
ート形状に加工し、シートの摩耗量とバルブへの付着量
を評価した。また、バルブシート試験機は、エンジンの
バルブとバルブシートとの間での叩き状態を模擬試験す
る装置であり、バルブ温度をバーナーで７６０℃に加熱
し、シート温度を３００℃に保持し、回転数２０００回
転相当のたたきを与えて耐久試験（５時間）を行った。
このとき、バルブシート材料はステライト（ＳＴＬ）＃
３２を用いた。
ブシートとして利用した場合の単体評価試験（バルブシ
ート試験）機による耐久試験を行った。この結果を表２
に示す。この場合、バルブシートは、上記複合材料から
内径３０ｍｍ，外径３７ｍｍ，厚み１４ｍｍのバルブシ
ート形状に加工し、シートの摩耗量とバルブへの付着量
を評価した。また、バルブシート試験機は、エンジンの
バルブとバルブシートとの間での叩き状態を模擬試験す
る装置であり、バルブ温度をバーナーで７６０℃に加熱
し、シート温度を３００℃に保持し、回転数２０００回
転相当のたたきを与えて耐久試験（５時間）を行った。
このとき、バルブシート材料はステライト（ＳＴＬ）＃
３２を用いた。
【００３１】
【表２】
【００３２】表２に示した結果より明らかなように、ア
ルミニウム合金の割合が増大するにしたがってバルブシ
ートの損耗量が増加し、かつまたバルブへの付着量も増
加していた。そして表２の参考欄に示す銅合金バルブシ
ート材の基準値と比べて本発明のアルミニウム・炭化ケ
イ素複合材料では、アルミニウム合金が５５重量％以上
６５重量％以下のとき、すなわち、炭化ケイ素が３５重
量％以上４５重量％以下のときに、この基準値を満た
し、バルブへの付着量を少なくしそしてまたバルブシー
トの摩耗量を少なくすると共にシリンダヘッド周囲の冷
却水温度を下げることが可能であった。
ルミニウム合金の割合が増大するにしたがってバルブシ
ートの損耗量が増加し、かつまたバルブへの付着量も増
加していた。そして表２の参考欄に示す銅合金バルブシ
ート材の基準値と比べて本発明のアルミニウム・炭化ケ
イ素複合材料では、アルミニウム合金が５５重量％以上
６５重量％以下のとき、すなわち、炭化ケイ素が３５重
量％以上４５重量％以下のときに、この基準値を満た
し、バルブへの付着量を少なくしそしてまたバルブシー
トの摩耗量を少なくすると共にシリンダヘッド周囲の冷
却水温度を下げることが可能であった。
【００３３】実施例１，３，４，比較例３〜５ 実施例１で用いた４５重量％炭化ケイ素−５５重量％ア
ルミニウム合金複合材料において、炭化ケイ素原料粉末
の粒度を変更した場合の複合材料の耐久評価試験を前記
と同様にして実施したところ、表３に示す結果であっ
た。この場合、表３に示すように、炭化ケイ素は平均粒
子径で１０μｍから３５μｍまでとなる粉末を用いた。
また、各粒度のばらつきはそれぞれ平均径の上下２０％
の広がりを持っているものである。
ルミニウム合金複合材料において、炭化ケイ素原料粉末
の粒度を変更した場合の複合材料の耐久評価試験を前記
と同様にして実施したところ、表３に示す結果であっ
た。この場合、表３に示すように、炭化ケイ素は平均粒
子径で１０μｍから３５μｍまでとなる粉末を用いた。
また、各粒度のばらつきはそれぞれ平均径の上下２０％
の広がりを持っているものである。
【００３４】
【表３】
【００３５】表３に示した結果より明らかなように、炭
化ケイ素粒子径が増大するにしたがってバルブシートの
損耗量が増えることがわかり、また、炭化ケイ素の粒子
径が小さくなるとバルブへの付着量が増加してバルブの
摺動特性が低下することがわかり、粒子径の大きさに制
限が認められ、炭化ケイ素粒子径は平均で１２μｍ以上
１８μｍ以下とするのが望ましいことが認められた。
化ケイ素粒子径が増大するにしたがってバルブシートの
損耗量が増えることがわかり、また、炭化ケイ素の粒子
径が小さくなるとバルブへの付着量が増加してバルブの
摺動特性が低下することがわかり、粒子径の大きさに制
限が認められ、炭化ケイ素粒子径は平均で１２μｍ以上
１８μｍ以下とするのが望ましいことが認められた。
【００３６】このような実施結果より明らかなように、
本発明による複合材料は、焼結によるセラミックスを用
いるのではなく、炭化ケイ素−アルミニウム合金からな
るセラミックス−金属複合材料とすることにより、摩耗
損を著しく少なくし、例えば、エンジンの製造（シリン
ダヘッドへのバルブシートの圧入や鋳包みによる製造）
に十分耐え得る強度と靭性をもつバルブシート一体型の
シリンダヘッドを創り出すことができ、また、シリンダ
ライナーに適用した場合に熱によるピストンリングの焼
き付きを防止することが可能であるなどの優れた利点が
もたらされる。
本発明による複合材料は、焼結によるセラミックスを用
いるのではなく、炭化ケイ素−アルミニウム合金からな
るセラミックス−金属複合材料とすることにより、摩耗
損を著しく少なくし、例えば、エンジンの製造（シリン
ダヘッドへのバルブシートの圧入や鋳包みによる製造）
に十分耐え得る強度と靭性をもつバルブシート一体型の
シリンダヘッドを創り出すことができ、また、シリンダ
ライナーに適用した場合に熱によるピストンリングの焼
き付きを防止することが可能であるなどの優れた利点が
もたらされる。
【００３７】そして、本発明による複合材料を用いたシ
リンダライナーでは、耐摩耗性ばかりでなく、相手材を
損傷させない等のメリットがあり、エンジンのシリンダ
ライナーだけでなく他の油圧シリンダ等にも十分応用の
できるものである。さらに、比重は約２．８５ｇ／ｃｍ
３であり、鋳鉄（７．８ｇ／ｃｍ３）製のライナーと比
較して格段の軽量化が実現されるものである。
リンダライナーでは、耐摩耗性ばかりでなく、相手材を
損傷させない等のメリットがあり、エンジンのシリンダ
ライナーだけでなく他の油圧シリンダ等にも十分応用の
できるものである。さらに、比重は約２．８５ｇ／ｃｍ
３であり、鋳鉄（７．８ｇ／ｃｍ３）製のライナーと比
較して格段の軽量化が実現されるものである。
【００３８】
【発明の効果】本発明に係わる複合材料は、請求項１に
記載しているように、アルミニウム合金中に、３５重量
％以上４５重量％以下の炭化ケイ素を含有し、熱伝導率
が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、熱膨張率が１０×１０
−６／℃以上１２×１０−６／℃以下である構成とした
から、強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れたものであり、
例えば、エンジンのバルブシートやシリンダライナー等
において必要としている強度と耐摩耗性を合わせ持ち、
かつまた熱伝導性にも優れたものであって、複合材料を
使用した部品自体の耐摩耗性が良好であるだけでなく相
手材の摩耗量も少なくする相手材攻撃性の小さい軽量な
材料であるという著しく優れた効果がもたらされる。
記載しているように、アルミニウム合金中に、３５重量
％以上４５重量％以下の炭化ケイ素を含有し、熱伝導率
が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、熱膨張率が１０×１０
−６／℃以上１２×１０−６／℃以下である構成とした
から、強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れたものであり、
例えば、エンジンのバルブシートやシリンダライナー等
において必要としている強度と耐摩耗性を合わせ持ち、
かつまた熱伝導性にも優れたものであって、複合材料を
使用した部品自体の耐摩耗性が良好であるだけでなく相
手材の摩耗量も少なくする相手材攻撃性の小さい軽量な
材料であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３９】そして、本発明に係わる強度，耐摩耗性，
熱伝導性に優れた複合材料の実施態様においては、請求
項２に記載しているように、アルミニウム合金中に含有
する炭化ケイ素の粒子径が平均で１２μｍ以上１８μｍ
以下であるものとすることによって、自己の耐摩耗性を
より一層良好なものにできると共に相手材に対する損耗
を小さいものにできるという効果がもたらされ、請求項
３に記載しているように、アルミニウム合金は鋳造用ア
ルミニウム合金とすることによって製造性が良好なもの
にでき、とくに請求項４に記載しているように、アルミ
ニウム合金は、Ｓｉ：８〜１１重量％、Ｍｇ：４〜８重
量％を基本成分として含有し、残部が実質的にＡｌから
なる鋳造用アルミニウム合金とするによって鋳造性が良
好であると共に強度および耐摩耗性が良好であり、相手
材に対する攻撃性も小さなものにすることが可能であ
り、請求項５に記載しているように、エンジンバルブシ
ートの素材として使用することによって耐久性の優れた
熱伝導性のよいバルブシートを提供することが可能であ
り、請求項６に記載しているように、エンジンシリンダ
ライナーの素材として使用することによって耐久性の優
れた熱伝導性のよいシリンダライナーを提供することが
可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
熱伝導性に優れた複合材料の実施態様においては、請求
項２に記載しているように、アルミニウム合金中に含有
する炭化ケイ素の粒子径が平均で１２μｍ以上１８μｍ
以下であるものとすることによって、自己の耐摩耗性を
より一層良好なものにできると共に相手材に対する損耗
を小さいものにできるという効果がもたらされ、請求項
３に記載しているように、アルミニウム合金は鋳造用ア
ルミニウム合金とすることによって製造性が良好なもの
にでき、とくに請求項４に記載しているように、アルミ
ニウム合金は、Ｓｉ：８〜１１重量％、Ｍｇ：４〜８重
量％を基本成分として含有し、残部が実質的にＡｌから
なる鋳造用アルミニウム合金とするによって鋳造性が良
好であると共に強度および耐摩耗性が良好であり、相手
材に対する攻撃性も小さなものにすることが可能であ
り、請求項５に記載しているように、エンジンバルブシ
ートの素材として使用することによって耐久性の優れた
熱伝導性のよいバルブシートを提供することが可能であ
り、請求項６に記載しているように、エンジンシリンダ
ライナーの素材として使用することによって耐久性の優
れた熱伝導性のよいシリンダライナーを提供することが
可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【図１】エンジンのシリンダヘッド部分を示す断面説明
図である。
図である。
【図２】エンジンのシリンダヘッド部分に設けられるバ
ルブシートの断面説明図である。
ルブシートの断面説明図である。
４ バルブシート（複合材料） ４ａ アルミニウム合金 ４ｂ 炭化ケイ素
Claims (7)
- 【請求項１】 アルミニウム合金中に、３５重量％以上
４５重量％以下の炭化ケイ素を含有し、熱伝導率が１５
０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、熱膨張率が１０×１０−６／℃
以上１２×１０−６／℃以下であることを特徴とする強
度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料。 - 【請求項２】 アルミニウム合金中に含有する炭化ケイ
素の粒子径が平均で１２μｍ以上１８μｍ以下である請
求項１に記載の強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた複合
材料。 - 【請求項３】 アルミニウム合金は鋳造用アルミニウム
合金である請求項１または２に記載の強度，耐摩耗性，
熱伝導性に優れた複合材料。 - 【請求項４】 アルミニウム合金は、Ｓｉ：８〜１１重
量％、Ｍｇ：４〜８重量％を基本成分として含有し、残
部が実質的にＡｌからなる鋳造用アルミニウム合金であ
る請求項３に記載の強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた
複合材料。 - 【請求項５】 エンジンバルブシートの素材である請求
項１ないし４のいずれかに記載の強度，耐摩耗性，熱伝
導性に優れた複合材料。 - 【請求項６】 エンジンシリンダライナーの素材である
請求項１ないし４のいずれかに記載の強度，耐摩耗性，
熱伝導性に優れた複合材料。 - 【請求項７】 ５５重量％以上６５重量％以下のアルミ
ニウム合金溶湯と３５重量％以上４５重量％以下の炭化
ケイ素粉末とを混合したのち鋳造成形することを特徴と
する強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料の製造
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20570694A JPH0873972A (ja) | 1994-08-30 | 1994-08-30 | 強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20570694A JPH0873972A (ja) | 1994-08-30 | 1994-08-30 | 強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0873972A true JPH0873972A (ja) | 1996-03-19 |
Family
ID=16511358
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20570694A Pending JPH0873972A (ja) | 1994-08-30 | 1994-08-30 | 強度，耐摩耗性，熱伝導性に優れた複合材料およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0873972A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002339027A (ja) * | 2001-05-18 | 2002-11-27 | Honda Motor Co Ltd | アルミニウム基複合材を用いた部材及びその製造方法 |
| JP2009507220A (ja) * | 2005-09-05 | 2009-02-19 | スカニア シーブイ アクチボラグ（パブル） | 磁気バルクハウゼン・ノイズによる硬さ推定に基づいて鋳鉄製の構成部材を処理する方法 |
| CN104313385A (zh) * | 2014-11-21 | 2015-01-28 | 哈尔滨工业大学 | 超高导热金刚石/铝复合材料及其制备方法 |
| CN105734334A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-07-06 | 周凡 | 一种铝基复合材料的制备方法 |
-
1994
- 1994-08-30 JP JP20570694A patent/JPH0873972A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002339027A (ja) * | 2001-05-18 | 2002-11-27 | Honda Motor Co Ltd | アルミニウム基複合材を用いた部材及びその製造方法 |
| JP4550314B2 (ja) * | 2001-05-18 | 2010-09-22 | 本田技研工業株式会社 | アルミニウム基複合材を用いた部材及びその製造方法 |
| JP2009507220A (ja) * | 2005-09-05 | 2009-02-19 | スカニア シーブイ アクチボラグ（パブル） | 磁気バルクハウゼン・ノイズによる硬さ推定に基づいて鋳鉄製の構成部材を処理する方法 |
| CN104313385A (zh) * | 2014-11-21 | 2015-01-28 | 哈尔滨工业大学 | 超高导热金刚石/铝复合材料及其制备方法 |
| CN105734334A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-07-06 | 周凡 | 一种铝基复合材料的制备方法 |
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