JPS63243237A - グラフアイト質カ−ボンフアイバ−を含んだｆｒｍ耐摩耗部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はＦＲＭｔｌ摩耗部品に係り、特に相手材の摩耗
を減少でき、エンジン、モーターその他機械用摺動部品
に好適なＦＲＭ耐摩耗部品に関する。

（従来の技術） 近年、複合材料の研究開発は盛んであり、就中、ＦＲＭ
と略称される繊維強化型の金属基複合材料はエンジン、
モーターその他の機械用摺動部品に利用するべく研究が
精力的に行われている。

このＦＲＭ部品は、一般的には、マトリックスとしてア
ルミニウム、マグネシウム、銅等々の非鉄金属又はそれ
らの合金、或いは鋳鉄などの鉄材料が用いら九、また繊
維強化材料としてはＳｉＣ。

Ａｘ　ｚ　Ｏ３、Ｂなどの無機質繊維、Ｎｉ、Ｗ、Ｃｕ
、Ｆｅ、ステンレス鋼などの金属繊維、或いは５ｉＣ１
Ｓｉ、Ｎ、などのウィスカー等々が用いられている。

これらのマトリックスと繊維強化材料とからＦＲＭ部品
を製造するには、ダイカスト法、高圧鋳造法などの方法
で加圧成形して複合化させる方法が一般的であるが、焼
結法、オートクレーブ法、ホットプレス法などの方法も
用いられている。

例えば、特開昭５９−２０４４３号公報に提案されてい
るように、マトリックスとしてアルミニウム又はアルミ
ニウム合金を用いるのが一般的であるが、特開昭５５−
４１９７９号公報に提案されているように、アルミニウ
ム又はその合金のほか、鋳鉄や銅、マグネシウム又はそ
れらの合金をマトリックスとする場合もあり、用途に要
求される特性に応じた複合材料組合せが研究されている
。

この点、エンジン、モーターなどの機械用摺動部材をＦ
ＲＭ部品とする場合には、通常、実用化する上でアルミ
ニウム合金、鋳鉄などをマトリックスとし、これにＳｉ
Ｃ，ＡＱ２０．などの無機質繊維を複合させたものをＦ
ＲＭ部品とするが、相手材としてはＳｉＣなどのセラミ
ックスを用いる必要があると云われている。

（発明が解決しようとする問題点） これは、相手材として鉄鋼材料を使用した場合には、鉄
鋼材料の摩耗が激しくなるためであり、そのため、摺動
面をチル化、高周波焼入或いは浸炭などの処理を施した
安価な鉄鋼材料が使用できない。したがって、耐摩耗性
の特に優れたセラミックスを相手材として使用せざるを
得ない。

しかし、その場合、セラミックスは鉄鋼材料に比べて高
価であるばかりでなく、加工が困難であり、更には信頼
性の点でも問題があるので、ＦＲＭ部品の特性を向上し
得ても、相手材との組合せの点で通常の摺動部材である
鉄鋼材料を用いることができないという問題があり、実
用化が困難であるのが現状である。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになさ
れたものであって、自身の耐摩耗性を向上でき、しかも
相手材として通常の安価な鉄鋼材料を適用できるエンジ
ン用等のＦＲＭ耐摩耗部品を提供することを目的とする
ものである。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明者は、従来のＦＲＭ部
品が特に相手材として鉄鋼材料を使用できない原因につ
いて検討したところ、ＦＲＭ部品自身の耐摩耗性を向上
させる研究はされているものの、相手材の摩耗との関連
でＦＲＭ部品の耐摩耗性向上の基本特性が明らかにされ
ていなかったことが判明した。

そこで、ＦＲＭ部品の耐摩耗性と相手材の摩耗との関連
で両者ともに満足し得る材料、特に強化繊維材料につい
て種々の材質を検討した結果、従来あまり顧みられてい
なかったグラファイト質のカーボンファイバーが適切で
あることを見い出すことができ、ここに本発明をなした
ものである。

すなわち、本発明は、無機質繊維、金属繊維、ウィスカ
ーなどの繊維強化材料とマトリックスとしてのＡＱ合金
、Ｍｇ合金その他の金属材料とをダイカスト法、高圧鋳
造法などの加圧成形法により得られたエンジン用等の部
品において、前記繊維強化材料として少なくとも１〜Ｓ
ｖｏΩ％のグラファイト質カーボンファイバーを含むも
のを複合せしめたことを特徴とするグラファイト質カー
ボンファイバーを含んだＦＲＭ耐摩耗部品、を要旨とす
るものである。

以下に本発明の詳細な説明する。

まず、本発明者は、基本試験としてカム・タペットを想
定したＦＲＭ部品の摩耗試験を行った。

通常のカム・タペット材としての材料組合せはＦｅ１２
をチル化したもの（タペット）と８４８Ｃを高周波焼入
れしたもの（カム）との組合せであるが、これに対して
、タペット材として、Ａ９合金（成分（ｗｔ％）：Ｃｕ
２〜４％、Ｓｉ７．５〜９．５％、残ＡＭ、スクイズキ
ャスト品）を用いた場合、このＡＱ合金をマトリックス
としＡＱ２０．ｌＪｉ維を１０ｖｏＱ％複合させた場合
についてそれぞれ摩耗試験を行った。その結果を第１図
に示す。

なお、摩耗試験は、第２図に示すとおり、カムに相当す
る円板（相手材）１を速度３　、５　＋１／ｓで回転さ
せ、これにタペットに相当する部材２を面圧４０　ｋｇ
／ａｍ”で押し当て、接触面にオイルを添加しつつ２０
０時間後の摩耗量を両者について測定した。

また両者の摩耗量を合計したトータル摩耗量でも評価し
た。

第１図から明らかなとおり、タペット材としてＡＱ合金
を使用した場合は、相手材の摩耗量は６μｍと少ないが
、自身の摩耗量が２２０μｍと多く、これらのトータル
摩耗量は２２６μｍで、通常のタペット材であるＦｅ１
２を使用した場合（トータル摩耗量１９μｍ）の約１２
倍にも達する。

一方、上記Ａｆ１合金を７トリツクスとしＡＱ２Ｏ１繊
維を１０ｖｏＱ％複合させたＦＲＭをタペットに使用す
ると、トータル摩耗量は２９μｍとなり、この１０合金
のみをタペツ１へに使用した場合に比べてトータル摩耗
量が１／７．８に減少する。

しかし、相手材の摩耗量は６μｍ→１３μｍに増大して
おり、このようなＦＲＭを使用すると相手材への攻撃性
が増すことがわかる。

これに対し、上記１０合金をマトリックスとし、ＡＱ２
０，１ｍ維とグラファイト質のカーボンファイバー（チ
ョツプドファイバー）を５　ｖｏ　Ｑ％混合して作成し
たタペットでテストすると、相手材に対する攻撃性がカ
ーボンファイバーを混合しない場合に比べて１／６．５
に著減し、またトータルの摩耗量も１９μｍで、通常材
料の組合せと同レベルとなった。自身の摩耗量もカーボ
ンファイバーを混合しない場合とほぼ同等であった。こ
のようにＦＲＭ化することにより、密度が約２　、８　
ｇ／ｃｃで軽量化できる利点に加え、自身の耐摩耗を維
持しつつ相手材の摩耗量を著減できるので、相手材とし
て敢えてセラミックを使用せずとも通常の鉄鋼材料を使
用できるので、実用化が可能となることが判明した。

上記試験結果は、次のような材料特性によるものと考え
られる６ すなわち、通常のタペット材（Ｆｅ１２）を使用したと
きのトータル摩耗量が１９μｍであるのに対し、１０合
金を使用したときはトータル摩耗量が極めて多いのは、
タペット材の硬さが主原因である。因みに、チル化した
Ｆｅ１２は硬度■］シー３゜が６５０であるのに対し、
上記１０合金は９０〜１１０にすぎない。

もつとも、１０合金をマトリックスとし、これにＡＱ２
０３繊維を複合させたＦＲＭや、Ａｆ１２０３繊維と上
記カーボンファイバーを複合させたＦＲＭの硬度は、前
者は１３０で後者は１２５であり、Ａｆ１合金のみの場
合の硬度よりもそれほど多くないにもかかわらず摩耗が
少ないのは、これらのＦＲＭに含まれるＡＱ２０３繊維
がＨｖ２０００と非常に硬度があり、一様に分散してい
るため、Ｐａ耗に対して優れている。

更に、ＡＱ２０３繊維とグラファイト質のカーボンファ
イバーを複合させたＦＲＭがＡＱ２０．＆ｌｌ維のみを
複合させたＦＲＭよりもトータル摩耗量が少なく、しか
も相手材への攻撃性が小さいのは、ＡＱ２０．繊維はそ
れ自身非常に硬く、接触面に露見した繊維端が切削バイ
トと同じ働きをして相手材をきずつけるのに対し、グラ
ファイト質カーボンファイバーはＣ軸方向の結合力が弱
く、それ自体潤滑性（自己潤滑性）に優れているため、
これを複合させると攻撃性が著減するのであり、特に面
圧が大きくなるほどこの効果が大きい。実際の一般的な
カム軸・タペット間の面圧約７０　ｋｇ／ｍｕ”では、
従来の材料は更に摩耗が激しくなるが、グラファイト質
カーボンファイバーを複合させると殆ど変化がなく、摩
耗が極めて少なくてすむ。

以上の基礎試験結果に基づき、更に種々の材料組合せ並
びに繊維強化材料、グラファイト質カーボンファイバー
の混合量等々について実験を重ね。

ここに本発明をなしたものである。

すなわち、本発明は、無機質繊維、金ａ繊維、ウィスカ
ーなどの繊維強化材料とマトリックスとしてのへ〇合金
、Ｍｇ合金その他の金属材料とをダイカスト法、高圧鋳
造法などの加圧成形法により得られたエンジン用等の部
品において、前記繊維強化材料として少なくとも１〜５
　ｖｏ　Ｑ％のグラファイト質カーボンファイバーを含
むものを複合せしめたことを特徴とするグラファイト質
カーボンファイバーを含んだＦＲＭ耐摩耗部品、を要旨
とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

本発明において、マトリックス材料としては、エンジン
、モーターその他の機械用摺動部材として適用されてい
る材料でよく、特にそれらの軽量化をもたらす１０合金
、Ｍｇ合金その他の軽金属材料が望ましい。

また、繊維強化材料としては、通常、ＦＲＭ用に試みら
れているものでよく、例えば、ＳｉＣ。

ＡＱ、０３、Ｂなどの無機質繊維、Ｎｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｆ
ｅ、ステンレス鋼などの金属繊維、ＳｉＣ，Ｓｉ。

Ｎ４などのウィスカー等々が挙げられる。

但し、複合させる繊維強化材料として、少なくともグラ
ファイト質カーボンファイバーを１〜５ｖｏｌ％（全体
に対する割合）の範囲で複合させる必要がある。１　ｖ
ｏ　２％未満では効果がなく、５ｖｏ１２％を超えて多
く添加してもそれ以上の潤滑効果が得られず、かえって
自身の耐摩耗性を損なうことになるので好ましくない。

このようなＦＲＭ部品は、常法によりダイカスト法、高
圧鋳造法等々の加圧成形法で作成すればよい。適用部品
としては、例えば、タペット、ブツシュロッド、ロッカ
ーアームスリッパ、バルブキャップなどがあり、これら
の全体又は一部をＦＲＭ化する。

（実施例） マトリックスとして前記Ａｊｌ１合金を使用し、これに
ＡＱ２０．繊維１０ｖｏＩ１％とグラファイト質カーボ
ンファイバー５ｖｏｌ％を複合させた各種部品を高圧鋳
造法で作成した。

具体的には、上記ＦＲＭ材料のプリフォームを作成し、
これをＡＱが加圧浸入できる温度（約８ＯＯ℃）まで予
熱した後、２５０〜３００℃に予熱した金型内にセット
し、ＡΩ合金溶湯を圧力４０〜２００ＭＰａで高圧鋳造
した。

なお、本実施例では、このようなＦＲＭ部材を耐摩耗用
として使用するため、ブツシュロッドの場合はＡＱ合金
からなる本体の両端にのみ使用しく第３図）、タペット
の場合はＡＱ合金からなる本体の下部にのみ使用しく第
４図）、ロッカーアームの場合はＡＱ合金からなる本体
の一端にのみ使用しく第５図）、バルブキャップの場合
は全体に使用した（第６図）。

これらの部品について実機摩耗テストを実施したところ
、いずれもＦＲＭ部材自身の摩耗が少なく、シかも相手
材（鉄鋼材料）の摩耗も少ない結果が得られた。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、従来のＦＲＭ部
品において繊維強化材料に少なくとも適量のグラファイ
ト質カーボンファイバーを混合して複合させるので、Ｆ
ＲＭ部品自身の耐摩耗性を維持しつつ相手材の摩耗を著
減でき、相手材として通常の鉄鋼材料を使用可能となる
ため、特にエンジン、モーターなどをＦＲＭ化して軽量
化、長寿命化が実現可能となり、その効果は非常に大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種材料からなるＦＲＭ部品と相手材の摩耗量
を対比して示す図、 第２図は摩耗試験の要領を示す説明図。 第３図乃至第６図は本発明の実施例で得られたＦＲＭ部
材（各図中、斜線部）を各種部品の全体又は一部に適用
した例を示す断面図であって、第３図はブツシュロッド
の両端に適用した場合を示し、第４図はタペットの下部
に適用した場合を示し。 第５図はロッカーアームの一端に適用した場合を示し、
第６図はバルブキャップ全体に適用した場合を示してい
る。 特許出願人　　ヤンマーディーゼル株式会社代理人弁理
士　中　　村　　　　　尚 第１図 第３図 第５図 ＲＭ 第４図 旺ｉＦＲＭ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　無機質繊維、金属繊維、ウィスカーなどの繊維強化材
   料とマトリックスとしてのＡｌ合金、Ｍｇ合金その他の
   金属材料とをダイカスト法、高圧鋳造法などの加圧成形
   法により得られたエンジン用等の部品において、前記繊
   維強化材料として少なくとも１〜５ｖｏｌ％のグラファ
   イト質カーボンファイバーを含むものを複合せしめたこ
   とを特徴とするグラファイト質カーボンファイバーを含
   んだＦＲＭ酎摩耗部品。