(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均繊維径が３〜２０μｍ、平均繊維長が５０〜３００μｍのガラス繊維と、アルミナ繊維、アルミナシリカ繊維、ムライト繊維、ロックウール及び炭素繊維から選ばれる１種又は２種以上の平均繊維径が１〜５μｍ、平均繊維長が５０〜２００μｍのセラミック繊維とから構成される３次元骨格構造を有し、少なくとも該ガラス繊維同士の交絡点の一部又は全部がリン酸塩ガラスフリットで結合されている金属基複合材料用プリフォームであって、該ガラス繊維の平均繊維径より該セラミック繊維の平均繊維径が小さく、該リン酸塩ガラスフリットの軟化点が、該ガラス繊維の軟化点より低く、該リン酸塩ガラスフリットの配合量がガラス繊維１００重量部に対して１０〜６０重量部であることを特徴とする金属基複合材料用プリフォーム。
【請求項２】
平均繊維径が３〜２０μｍ、平均繊維長が５０〜３００μｍのガラス繊維１００重量部に対して、アルミナ繊維、アルミナシリカ繊維、ムライト繊維、ロックウール及び炭素繊維から選ばれる１種又は２種以上の平均繊維径が１〜５μｍ、平均繊維長が５０〜２００μｍのセラミック繊維であって、該ガラス繊維より平均繊維径が小さいセラミック繊維１〜１００重量部及び軟化点が該ガラス繊維の軟化点より低いリン酸塩ガラスフリット１０〜６０重量部とを含むスラリーを脱水成形し、乾燥し、次いで前記ガラス繊維の軟化点と前記リン酸塩ガラスフリットの軟化点との間の温度で焼成することを特徴とする金属基複合材用プリフォームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属をマトリックスとし、ガラス繊維と、セラミック繊維又はセラミック粒子等で強化された金属基複合材用プリフォーム及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼やアルミニウム合金等の素材金属に炭素繊維、アルミナ繊維等のセラミック繊維、炭化ケイ素等のセラミックウイスカ耐熱性繊維又はウイスカ、アルミナ及びムライト等のセラミック粒子を埋設して補強すると、その素材金属が通常有する機械的強度や耐摩耗性等の物性をはるかに上回る高物性を有する材料となる。このような無機繊維、ウイスカ及びセラミック粒子等で補強された金属基複合材（Ｍｅｔａｌ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｏｓｉｔｅ：以下「ＭＭＣ」とも言う）は、航空機、自動車等の軽量で高物性の素材を求める分野で注目されている。
【０００３】
該金属基複合材は、予め、無機繊維、ウイスカ及びセラミック粒子等で構成される所定の形状を有する多孔質構造の成型体（以下、プリフォームという。）をスクイズキャストあるいはダイカスト鋳造機等の金型に配置し、前記プリフォーム内にマトリックス金属の溶湯を流し込み含浸させる方法により得られる。そして、近年においては、生産性向上のため、より高速で高圧な鋳造条件で金属基複合材を得ることが求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高速・高圧条件で鋳造すると、金型内にセットされたプリフォームにマトリックス金属の溶湯が流し込まれる際、鋳造負荷が大きく掛かり、プリフォームが圧力変形したり、割れが生じることがある。このような圧力変形や割れのあるプリフォームにマトリックス金属が含浸されても、プリフォームが金属基複合材中で偏在したり破断したりしているため、成形される金属基複合材は、本来期待される耐熱性、機械的強度、耐磨耗性が発現されないという問題がある。
【０００５】
このため、プリフォームには、高速・高圧で鋳造されてもその負荷で圧力変形や割れが生じたりすることのない機械的強度が要求されると共に、マトリックス金属の溶湯が流し込まれる際の抵抗が小さい構造を有することも要求される。さらに、生産効率や省エネルギー等の観点から、プリフォームの焼成温度は低いことが好ましい。
【０００６】
従って、本発明の目的は、プリフォーム自体の機械的強度が高く、溶湯が流し込まれる際の抵抗が小さく、しかも、焼成温度が低い低コスト性金属基複合材用プリフォーム及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者は鋭意検討を行った結果、ガラス繊維とセラミック繊維又は粒子を、軟化点が前記ガラス繊維の軟化点より低いガラスバインダと共に水に分散させ、所定の形状の型に入れ脱水成形し、乾燥し、次いで前記ガラス繊維の軟化点と前記ガラスバインダの軟化点との間の温度で焼成すると、ガラスバインダが少なくともガラス繊維同士の一部又は全部の交絡点を結合して、適度な空隙を有する強固な３次元骨格構造を形成すると共に、高速、高圧下の鋳造条件においても圧縮変形が少なく優れた鋳造性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、平均繊維径が３〜２０μｍ、平均繊維長が５０〜３００μｍのガラス繊維と、アルミナ繊維、アルミナシリカ繊維、ムライト繊維、ロックウール及び炭素繊維から選ばれる１種又は２種以上の平均繊維径が１〜５μｍ、平均繊維長が５０〜２００μｍのセラミック繊維とから構成される３次元骨格構造を有し、少なくとも該ガラス繊維同士の交絡点の一部又は全部がリン酸塩ガラスフリットで結合されている金属基複合材料用プリフォームであって、該ガラス繊維の平均繊維径より該セラミック繊維の平均繊維径が小さく、該リン酸塩ガラスフリットの軟化点が、該ガラス繊維の軟化点より低く、該リン酸塩ガラスフリットの配合量がガラス繊維１００重量部に対して１０〜６０重量部であることを特徴とする金属基複合材料用プリフォームを提供するものである。
【０００９】
また、本発明は、平均繊維径が３〜２０μｍ、平均繊維長が５０〜３００μｍのガラス繊維１００重量部に対して、アルミナ繊維、アルミナシリカ繊維、ムライト繊維、ロックウール及び炭素繊維から選ばれる１種又は２種以上の平均繊維径が１〜５μｍ、平均繊維長が５０〜２００μｍのセラミック繊維であって、該ガラス繊維より平均繊維径が小さいセラミック繊維１〜１００重量部及び軟化点が該ガラス繊維の軟化点より低いリン酸塩ガラスフリット１０〜６０重量部とを含むスラリーを脱水成形し、乾燥し、次いで前記ガラス繊維の軟化点と前記リン酸塩ガラスフリットの軟化点との間の温度で焼成することを特徴とする金属基複合材用プリフォームの製造方法を提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の金属基複合材用プリフォームにおいて、ガラス繊維はセラミック繊維又はセラミック粒子と、後述するガラスバインダと共働して３次元骨格構造を形成する。ガラス繊維としては、その軟化点がガラスバインダの軟化点よりも高いものであれば特に制限されないが、例えば、Ｅガラス、Ｃガラス、Ｔガラス及びＡＲガラス等が挙げられる。このようなガラス繊維は、これらの１種又は２種以上を組み合わせて使用することができる。ガラス繊維の軟化点は、具体的には、プリフォームの焼成温度よりも１００℃以上高いことが好ましく、１５０℃以上高いことがより好ましい。これにより、プリフォームの焼成の際、ガラス繊維が軟化することなく、他の繊維と共働して強固な３次元構造を保つことができる。また、ガラス繊維は、ガラスバインダとの軟化点の差が大きいほど、バインダーの選択範囲が広くなり、また焼成条件等の設定も容易になることから好ましい。従って、特に好ましいガラス繊維は、軟化点が８４０℃と高いＥガラスである。
【００１１】
ガラス繊維の平均繊維径は、通常３〜２０μｍであり、好ましくは５〜１５μｍである。平均繊維径が２０μｍを越えると、スラリーの均一性を確保できなかったり、繊維の交絡点が少なくなるので強度が弱くなり好ましくなく、３μｍ未満であるとプリフォームの気孔径が小さくなりマトリックス合金の浸透が悪くなり、圧縮変形率が大きくなるため好ましくない。また、ガラス繊維には連続繊維と短繊維があり、本発明においてはミルド処理品で平均繊維長が５０〜３００μｍ  、好ましくは７０〜２００μｍものが使用できる。平均繊維長が３００μｍを越えるとスラリーの均一性を確保できないため好ましくなく、５０μｍ未満であるとプリフォームが高密度化し、マトリックス合金の浸透性が悪くなり、圧縮変形率が大きくなるため好ましくない。
【００１２】
本発明の金属基複合材用プリフォームにおいて、セラミック繊維又はセラミック粒子は、ガラス繊維と、後述するガラスバインダと共働して３次元骨格構造を形成するものであり、当該セラミック繊維は、前記ガラス繊維以外のセラミック繊維である。このようなセラミック繊維としては、例えば、アルミナ繊維、アルミナシリカ繊維、ムライト繊維、石綿、ロックウール、炭素繊維等の天然又は合成の無機繊維；炭化ケイ素ウィスカ、窒化ケイ素ウィスカ、硼酸アルミウィスカ、チタン酸カリウィスカ等のウィスカ繊維等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を組み合わせて使用することができる。これらのうち、特に、アルミナ繊維及びアルミナシリカ繊維が好ましい。
【００１３】
セラミック繊維の平均繊維径は、通常１〜５μｍであり、好ましくは２〜４μｍである。平均繊維径が５μｍを越えると、ガラス繊維同士の交絡点を阻害し、３次元骨格が得られ難くなるため好ましくなく、１μｍ未満であるとガラスバインダに混ざりやすくなりバインド効果を低下させる。セラミック繊維は平均繊維長が、通常５０〜２００μｍのミルドファイバーが用いられ、好ましくは７０〜１５０μｍである。平均繊維長が２００μｍを越えるとガラス繊維同士の交絡点を阻害し、３次元骨格が得られ難くなるため好ましくなく、５０μｍ未満であるとガラスバインダに混ざりやすくなりバインド効果を低下させる。このように、セラミック繊維は、ガラス繊維より平均繊維径が小さいため、プリフォームの空隙にマトリックス金属の溶湯を流し込む際の圧力が小さくて済む一方、プリフォーム成形体中において、ガラスバインダを捕捉して、これをプリフォーム中に均一に分散させる。
【００１４】
また、本発明で用いられるセラミック粒子としては、例えば、炭素、黒鉛粉、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｂ、Ｆｅ等の金属酸化物、炭化物、窒化物等が挙げられ、具体的には、アルミナ粉末、ムライト粉末、コージェライト粉末、シリカアルミナ粉末、シリカ粉末等であり、これらの１種又は２種以上を組み合わせて使用することができる。セラミック粒子の粒子径は、通常１〜５０μｍである。
【００１５】
本発明において、前記セラミック繊維又はセラミック粒子の配合割合は、ガラス繊維１００重量部に対して、１〜１００重量部の範囲とすることが好ましい。配合量が１００重量部を越えると、プリフォームの３次元骨格構造中、同質のガラスバインダにより結合されるガラス繊維の割合が少なくなり、プリフォーム全体としての強度が低下する。また、１重量部未満ではプリフォーム成形中、ガラスバインダが十分捕捉されず、その結果高い強度を有するプリフォームは得られない。
【００１６】
本発明の金属基複合材用プリフォームにおいて、ガラスバインダは、前記ガラス繊維と、前記セラミック繊維又はセラミック粒子とから構成される３次元骨格構造における少なくとも該ガラス繊維同士の交絡点の一部又は全部を結合する。また、該ガラスバインダはガラス繊維と同質であるため両者は馴染みがよく、特に、ガラス繊維同士を強固に結合するのに寄与するが、ガラス繊維とセラミック繊維の異質繊維同士の交絡点又はセラミック繊維同士の交絡点を結合することもできる。当該ガラスバインダは、ガラス繊維の軟化点よりも低い軟化点を有するものであり、さらに、ガラス繊維とガラスバインダの軟化点の差は大きいほど好ましい。これにより、焼成時においては、ガラス繊維はそれ自体強度が充分であるため３次元構造を保つことができ、一方ガラスバインダは溶融してガラス繊維を結合するのに必要な流動状態となり易い。従って、ガラス繊維及びガラスバインダの選択範囲が広くなり、また焼成条件等の設定も容易になる。
【００１７】
ガラスバインダの軟化点としては、具体的には、プリフォームの焼成温度よりも通常１００℃以上、さらに１５０℃以上低いことが好ましい。低い軟化点を有することにより、焼成温度が低くできるためエネルギーコストを低減できると共に、ガラス繊維の軟化を抑制できるため強固な３次元構造を保つことができる。
【００１８】
上述のように、前記ガラス繊維の軟化点はプリフォームの焼成温度よりも通常１００℃以上、さらに１５０℃以上高いことが好ましく、一方、ガラスバインダの軟化点はプリフォームの焼成温度よりも通常１００℃以上、さらに１５０℃以上低いことが好ましいから、結果としてガラス繊維の軟化点とガラスバインダの軟化点との差は、通常２００℃以上、さらには３００℃以上あることが好ましい。
【００１９】
このようなガラスバインダとしては、例えば、ガラスフリットが挙げられる。ガラスフリットとしては、例えば、リン酸塩フリット、ホウケイ酸塩フリット、鉛カリフリット、ホウケイ酸鉛フリット、チタンフリット、ジルコンフリット等が挙げられ、特に、リン酸塩フリットが軟化点４００℃程度と低いため好ましい。このようなガラスバインダは、これらの１種又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００２０】
ガラスバインダの配合量としては、ガラス繊維１００重量部に対して、５〜１００重量部、好ましくは１０〜６０重量部である。ガラスバインダの配合量が１００重量部を越えるとプリフォームの焼成時に溶融したガラスバインダがガラス繊維で構成される３次元骨格構造の隙間を埋めてしまい、溶湯の浸漬抵抗が大きくなり、鋳造時にプリフォームの割れや潰れ、変形が発生する。また、ガラスバインダの配合量が５重量部未満ではガラス繊維やセラミック繊維等を十分結合させることができず、強固な骨格構造を得ることができない。
【００２１】
本発明の金属基複合材用プリフォームは、成形助材として、上記のガラスバインダ以外に、シリカゾル、アルミナゾゾル又は有機バインダーを配合してもよい。有機バインダーとしては、例えば、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、メチルセルロース等が挙げられる。以上のような構造を有するプリフォームは、密度が通常０．３〜１．０ｇ／ｃｍ３  である。
【００２２】
本発明の金属基複合材用プリフォームの構造を示すＳＥＭ写真の例を図１に示す。図１に示されるように、本発明のプリフォームは、ガラス繊維１とアルミナ繊維２とから構成される３次元骨格構造を有しており、また、ガラス繊維１同士の交絡点には、ガラスフリット３が溶着してガラス繊維同士を結合している。このようなプリフォームは、充分な空隙を有する３次元骨格構造となっている。
【００２３】
本発明の金属基複合材用プリフォームは、次の製造方法により得ることができる。すなわち、前記ガラス繊維１００重量部に対して、前記セラミック繊維又はセラミック粒子１〜１００重量部と、前記ガラスバインダ５〜１００重量部を配合した出発原料に、成形助剤として水を加えて混合し、均一な可塑性混合物（スラリー）とする。この際、必要により有機バインダーを加えてもよい。有機バインダーを加えると、ガラスフリット等のガラスバインダがガラス繊維あるいはセラミック繊維又は粒子等に均一に分布するようになる。このようにして得られたスラリーは、金型に流し込まれ、棒状、円筒状、リング状、円盤状等製品の用途に応じた所定の形状に脱水成形される。かかる脱水成形法としては、特に制限されず、製品の形状に応じて選択すればよく、押出し成形法、射出成形法、プレス成形法等が挙げられる。得られた成形体は常温又は加熱下に乾燥して有機バインダを硬化させると共に水分を除きプリフォームの原型となる成形体を得る。次いで、この成形体を焼成してプリフォームを得る。
【００２４】
焼成温度は、ガラス繊維の軟化点とガラス材料の軟化点との間の温度であり、好ましくは、ガラス繊維の軟化点とガラス材料の軟化点との中間位の温度である。この際、前述のように、焼成の温度は、ガラス繊維の軟化点よりも通常１００℃以上、さらに１５０℃以上低いことが好ましく、一方、ガラス材料の軟化点よりも通常１００℃以上、さらに１５０℃以上低いことが好ましい。具体的には４００〜８００℃、好ましくは５００〜７００℃である。このような焼成温度に設定することにより、焼成時、ガラス繊維自体の強度が充分であるために３次元構造を保つことができると共に、ガラス繊維及びバインダーの選択範囲が広くなり、また焼成条件等の設定も容易にすることができる。
【００２５】
以上のようにして得られた金属基複合材用プリフォームを、スクイズキャスト、ダイキャスト等の鋳造機の金型内に配置し、該プリフォーム内にアルミニウム合金等のマトリックス金属の溶湯を流し込みこれを加圧・浸透させる方法によりＭＭＣを得ればよい。また、ＭＭＣ中、プリフォームの体積分率は、１０〜５０％の範囲となることが好ましい。なお、ダイキャストによる鋳造条件は、特に制限されないが、プリフォーム予熱温度が１５０〜４００℃、溶湯温度が６００〜８００℃、金型温度が１５０〜３００℃、鋳造圧力が２５０〜１０００ｋｇ／ｃｍ２とすることが好ましい。このような方法により製造されたＭＭＣは軽量で耐熱性、機械的強度、耐磨耗性に優れるため、その用途として、例えば、ピストンの耐磨環やレシプロエンジンのシリンダブロック等に代表される自動車あるいは航空産業の部品等に使用される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミック繊維や粒子と絡み合って均一に分散されたガラスバインダが、主にガラス繊維同士の交絡点を強固に結合して機械的強度に優れた金属基複合材用プリフォームを得ることができる。また、ガラス繊維とガラスバインダとの配合量比を特定範囲とすることにより、プリフォームの３次元骨格構造の空隙容積が充分に確保されて、高圧、高速鋳造においてもプリフォームが変形したり破壊されることがない。そのため、機械的強度に優れ、且つ鋳造性に優れた金属基複合材用プリフォームを得ることができる。さらに、ガラス繊維と同質のガラスバインダを使用するため、ガラス繊維同士の交絡点が強固に結合できるため、バインダーとして軟化点の低いガラス材料を使用することが可能になり、プリフォームの焼成温度を低くすることができる。以上から、本発明の金属基複合材用プリフォームは、高い生産性と低コスト性を有する。
【００２７】
【実施例】
実施例１
ガラス繊維（Ｅガラス：軟化点８４０℃、平均繊維径１０μｍ、平均繊維長１５０μｍ）１００重量部と、アルミナ繊維（平均繊維径３μｍ、平均繊維長１００μｍ）２０重量部と、ガラスバインダ（リン酸塩フリット：軟化点約４００℃）と、水とを配合してスラリーを形成した。ここで、ガラスフリットの配合量は、ガラス繊維１００重量部に対して、１．５〜１２０重量部の間で１．５重量部、５重量部、１０重量部、３０重量部、５０重量部、７０重量部、１００重量部、１２０重量部と変化させて各スラリーを作製した。次いで、各スラリーを金型に流し込み、吸引脱水成形した後１０５℃で乾燥させ、プリフォームの原型となる成形体を得た。次いで、この成形体を６００℃、１時間の条件で焼成し、金属基複合材用プリフォームを得た。また、上記方法によって得られたプリフォームを４００℃の温度に予熱した後、金型にセットし、これに７５０℃の温度、１０００ｋｇ／ｃｍ２の圧力でアルミニウム合金（ＪＩＳ  規格ＡＣ８Ａ）  の溶湯を流し込み、溶湯が完全に凝縮するまで保持して金属基複合材（ＭＭＣ）を得た。なお、用いたＥガラスの組成成分を表１に示す。
【００２８】
【表１】
0003628198.tif 000002
【００２９】
こうして得られた金属基複合材用プリフォームの曲げ強度及び圧縮変形率を測定した。曲げ強度の結果を図１に示し、圧縮変形率の結果を図２に示す。曲げ強度はプリフォーム自体の強度の指標である。また、圧縮変形率はプリフォームに対するマトリックス金属の溶湯含浸のし易さの指標である。圧縮変形率（％）は、以下に示す式によって算出され、その値が小さいほど、マトリックス金属の溶湯が含浸し易いことを表す。従って、圧縮変形率（％）の値は小さいほど好ましい。
【００３０】
圧縮変形率（％）＝１００  ×（鋳造前のプリフォームの厚さ−ＭＭＣ層の厚さ）／（鋳造前のプリフォームの厚さ）
（式中、ＭＭＣ層の厚さは鋳造により得られた金属基複合材料（ＭＭＣ）を切断して測定される。）
【００３１】
得られたプリフォームの曲げ強度の測定結果を図２に示し、圧縮変形率の測定結果を図３に示す。図２から、ガラス繊維１００重量部に対して、ガラスフリットの配合量が１０重量部以上であると、プリフォームは２０ｋｇｆ／ｃｍ２  以上の曲げ強度を有しているので好ましいことがわかる。図３から、ガラス繊維１００重量部に対して、ガラスフリットの配合量が５〜１００重量部であると、プリフォームは圧縮変形率が充分に低いことがわかる。さらに、ガラスフリットの配合量が１０〜６０重量部であると、圧縮変形率が非常に低いことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における金属基複合材用プリフォームのＳＥＭ写真（倍率５００倍）の一例である。
【図２】実施例１で得られた金属基複合材用プリフォームにおけるガラスフリットの配合量と曲げ強度の関係を示すグラフである。
【図３】実施例１で得られた金属基複合材用プリフォームにおけるガラスフリットの配合量と圧縮変形率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１      ガラス繊維
２      アルミナ繊維
３      ガラスフリット（ガラスバインダ）
【図１】
0003628198.tif 000003
【図２】
0003628198.tif 000004
【図３】
0003628198.tif 000005