(57)【要約】      （修正有）【課題】軽量高強度で成形し易い材料を適用することによって、高強度化および軽量化を図り得るコンロッドおよびその製造方法を提供する。【解決手段】コンロッド１０は、大端部１１と、小端部１２と、大端部と小端部とを連接する棹状をなすアイセクション部１３とを有し、少なくともアイセクション部がカーボンナノチューブを含む軽合金複合材から形成されている。また、カーボンナノチューブと軽合金マトリックスとを含む１次素材を、圧延または押出しにより成形してカーボンナノチューブを１方向に配向させた２次素材を形成し、前記２次素材から、前記カーボンナノチューブを前記アイセクション部が伸びる軸方向に沿って配向させて形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大端部と、小端部と、前記大端部と前記小端部とを連接する棹状をなすアイセクション部とを有するコンロッドであって、
少なくとも前記アイセクション部がカーボンナノチューブを含む軽合金複合材から形成されてなるコンロッド。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブは前記アイセクション部の中心部より表面側の方が高濃度であり、かつ、表面から少なくとも３ｍｍの表層部における前記カーボンナノチューブの含有率が１０〜３０体積％であることを特徴とする請求項１に記載のコンロッド。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブは、前記アイセクション部が伸びる軸方向に沿って配向していることを特徴とする請求項１または２に記載のコンロッド。
【請求項４】
大端部と、小端部と、前記大端部と前記小端部とを連接する棹状をなすアイセクション部とを有するコンロッドの製造方法であって、
カーボンナノチューブと軽合金マトリックスとを含む１次素材を、圧延または押出しにより成形してカーボンナノチューブを１方向に配向させた２次素材を形成し、
前記２次素材から、前記カーボンナノチューブを前記アイセクション部が伸びる軸方向に沿って配向させた前記アイセクション部を少なくとも形成するコンロッドの製造方法。
【請求項５】
前記１次素材は、軽合金粉末とカーボンナノチューブとを分散・混合させ、焼結により固化せしめたものであることを特徴とする請求項４に記載のコンロッドの製造方法。
【請求項６】
前記１次素材は、カーボンナノチューブをバインダで固定してなるプリフォームの間隙に、溶融したマトリックス金属を含浸させ、冷却により固化せしめたものであることを特徴とする請求項４に記載のコンロッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽合金複合材からなるコンロッドおよびその製造方法に関する。より詳しくは、強化材としてカーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」とも記す）、マトリックスとして代表的にはアルミニウム（以下、「Ａｌ」とも記す）合金を含む複合材からなる軽量コンロッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジンの運動部品を軽量化することは、燃費を向上させる効果が大きい。ピストンと並んで代表的な運動部品であるコンロッドにあっても、重量低減のために、材質を鉄鋼から軽量Ａｌ合金への置換が求められている。コンロッドには、シリンダ内でのピストンの往復動によって、質量による慣性力、爆発力、鞭打ち力などの複雑な応力が繰り返し作用する。したがって、従来のＡｌ合金では強度が不足し、従来材に置換することは困難である。
【０００３】
そこで、金属繊維や炭素繊維の高強度連続繊維、炭化珪素のようなセラミック短繊維を含む複合材からなる合金が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【特許文献１】特開昭５７−１５５３３６号公報
【特許文献２】特公平４−７０３７７号公報
【特許文献３】特開昭６２−５００６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、高強度金属繊維は通常は鉄系であるため、軽量化効果は小さい。また、炭素繊維はそのままでは成形時に高温に曝された際にマトリックスのＡｌと反応するため、何らかの処理が必要である。
【０００５】
連続繊維は成形のための予備成形体（プリフォーム）を製作するのに特別な装置が必要である。また、セラミック短繊維系の複合材は長繊維系のそれに比べて成形性はよいが、逆に強度的には十分とはいえないという問題がある。
【０００６】
近年自動車は安全対策で車重が増加する傾向にあり、燃費向上のためその構成部品である車体部品やエンジン部品のさらなる軽量化が望まれている。エンジン部品の中でも主要運動部品であるコンロッドもより軽量高強度で成形し易い材料の適用による軽量化が望まれている。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、軽量高強度で成形し易い材料を適用することによって、高強度化および軽量化を図り得るコンロッドおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、大端部と、小端部と、前記大端部と前記小端部とを連接する棹状をなすアイセクション部とを有するコンロッドであって、
少なくとも前記アイセクション部がカーボンナノチューブを含む軽合金複合材から形成されてなるコンロッドである。
【０００９】
また、本発明は、大端部と、小端部と、前記大端部と前記小端部とを連接する棹状をなすアイセクション部とを有するコンロッドの製造方法であって、
カーボンナノチューブと軽合金マトリックスとを含む１次素材を、圧延または押出しにより成形してカーボンナノチューブを１方向に配向させた２次素材を形成し、
前記２次素材から、前記カーボンナノチューブを前記アイセクション部が伸びる軸方向に沿って配向させた前記アイセクション部を少なくとも形成するコンロッドの製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、軽量高強度で成形し易い材料を適用することによって、高強度化および軽量化を図ったコンロッドを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１（Ａ）は、本発明の実施の形態に係るコンロッド１０を示す概観図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）における１Ｂ−１Ｂ線に沿って示すアイセクション部１３の断面図である。図２は、ＣＮＴ２３と軽合金マトリックス２４とを含む焼結１次素材２１を、塑性加工により成形してＣＮＴ２３を１方向に配向させた２次素材２２を得た状態を示す概念図である。
【００１３】
周知のように、コンロッド１０は、レシプロエンジンのピストンをクランクシャフトに連結するために使用されている。コンロッド１０は、図１（Ａ）に示すように、大端部１１と、小端部１２と、大端部１１と小端部１２とを連接する棹状をなすアイセクション部１３（以下、「Ｉセクション部１３」とも記す）とを有している。
【００１４】
コンロッド１０のＩセクション部１３には、慣性力、爆発力、鞭打ち力などの複雑な組み合わせ応力が繰り返し作用する。このため、Ｉセクション部１３は、対座屈強度とともに高い疲労強度が必要である。マトリックスを軽量Ａｌ合金とし、強化材として軽量で高強度材を添加した複合材を適用し、さらに断面形状を最適化することによって、薄肉化してコンロッド１０の軽量化を図ることが可能となる。
【００１５】
本実施形態のコンロッド１０は、強化材としてこれまでの繊維材に代えてＣＮＴ２３を用い、少なくともＩセクション部１３が強化材としてＣＮＴ２３を含む軽合金複合材から形成されている。
【００１６】
ＣＮＴ２３はその構造から熱的性質あるいは電気的性質だけでなく、機械的性質も従来の材料を凌ぐ性質を有している。また、熱膨張率がほとんどゼロという特異な性質もあり、鉄鋼に比べて熱膨張率が大きいＡｌ合金に複合化されると、その熱膨張を抑えるという作用もある。
【００１７】
したがって、Ｉセクション部１３をＣＮＴ２３を強化材とした軽合金複合材とすることによって、コンロッドの高強度化および軽量化が可能となる。
【００１８】
ＣＮＴ２３としては多層型ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）や単層型ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）などが存在するが、いずれも強化効果が大きい。本発明においてはＣＮＴ２３の種類を特に限定するものではないが、複合材製造工程において高温に曝されることを考慮すれば、耐熱性を有するＣＮＴ２３を用いることが望ましい。
【００１９】
Ｉセクション部１３が伸びる軸方向（図１（Ａ）において上下方向）に対して直交する断面でみた応力分布は、中心部より表面側の方が高い。このため、ＣＮＴ２３はＩセクション部１３の中心部より表面側の方が高濃度であることが望ましい。ＣＮＴ２３を表面付近に高濃度で分散させることによって、表面付近の強度を高めて、Ｉセクション部１３ひいてはコンロッド１０の高強度化を図る上で有効だからである。図１（Ｂ）において、符号１３ａはＣＮＴ２３を高濃度とする表層部ないし高濃度ＣＮＴ部を示し、符号１３ｂは低濃度ＣＮＴ部を示している。
【００２０】
このような濃度に段差のあるＩセクション部１３は、例えば次のようにして製造できる。まず、ＣＮＴ含有率が異なる複合材を２種類、つまり、低含有率の１次素材と、高含有率の１次素材とを予め作製する。内部側に低含有率の１次素材を、外周部側に高含有率の１次素材を配して押し出すことによって、濃度に段差のある素材を得る。この後、得られた素材に塑性加工を施して最終形状に成形することにより、濃度に段差のあるＩセクション部１３が製造される。また、最終形状に合わせて押し出すことにより、そのままＩセクション部１３とすることもできる。
【００２１】
ＣＮＴ２３を高濃度とする表層部１３ａの厚みは厚いにこしたことはないが、疲労亀裂に対する十分な効果を得るためには、表面から少なくとも３ｍｍあればよい。その表層部１３ａのＣＮＴ２３の含有量は少ないと強化効果が小さく、また逆に、多く添加しても均一な分散状態を確保することが難しく、靭性の低下をかえって招く。したがって、表面から少なくとも３ｍｍの表層部１３ａにおけるＣＮＴ２３の含有率は、２〜５０体積％、より好ましくは、１０〜３０％である。
【００２２】
ＣＮＴ２３は、Ｉセクション部１３が伸びる軸方向に沿って配向していることが望ましい。Ｉセクション部１３には主に座屈および引張り応力が軸方向に沿って作用するので、Ｉセクション部１３の軸方向に沿う強度を高める上で効率的だからである。もちろん、ＣＮＴ２３が軸方向に沿って配向していなくても、ＣＮＴ含有率が高ければ等方的に高強度になることから、Ｉセクション部１３の高強度化を図る上で支障は生じない。Ｉセクション部１３の製造に際しては、１次素材を塑性加工してもよいし、あるいは最初から最終形状に１次素材を成形すればよい。応力が作用する方向に沿ってＣＮＴ２３を配向させれば、より少ない含有率で高強度化を達成できることから、材料コストや成形コストを比較した上で、有利な方の製造方法を選択すればよい。
【００２３】
また、ＣＮＴ２３の配向は、複合材の成形の仕方によっても制御できる。具体的には、図２を参照して、まず、ＣＮＴ２３と軽合金マトリックス（例えばＡｌ合金粉）２４とを含む１次素材２１を、圧延または押出しといった塑性加工を加えることによって成形し、ＣＮＴ２３をほぼ１方向に配向させた２次素材２２を形成する。この２次素材２２は、ＣＮＴ２３の配向方向に沿う機械的性質が、ＣＮＴ２３の配向方向に対して直交する方向に沿う機械的性質よりも高いという異方性を持つ。次いで、得られた２次素材２２から、ＣＮＴ２３をＩセクション部１３が伸びる軸方向に沿って配向させたＩセクション部１３を少なくとも形成する。２次素材２２からＩセクション部１３の形成に際しては、２次素材２２をさらに塑性加工して所望のコンロッド１０形状を成形したり、Ｉセクション部１３相当の断面を持つ形状に直接成形したりすることができる。
【００２４】
１次素材２１は、軽合金粉末とＣＮＴ２３とを分散・混合させ、焼結により固化せしめたものである（図２参照）。あるいは、１次素材は、ＣＮＴをバインダで固定してなるプリフォームの間隙に、溶融したマトリックス金属を含浸させ、冷却により固化せしめたものでもよい。前者の１次複合素材の作り方は粉末法によるものであり、粉末のマトリックス金属２４とＣＮＴ２３とを混合し、圧粉成形後に焼結固化させる。後者の１次複合素材の作り方は溶融法によるものであり、予め所定量のＣＮＴを溶媒中でバインダとともに分散させ、脱水・乾燥した後焼成してできたプリフォームの間隙に溶融マトリックス金属を含浸させ冷却固化させる。
【００２５】
以上述べたように、本実施形態によれば、ＣＮＴ２３を強化材とするＡｌ合金基複合材コンロッド１０はＩセクション部１３が高強度化され、コンロッド１０の大幅な軽量化が可能となる。
【００２６】
なお、Ｉセクション部１３だけでなく大端部１１および小端部１２もＣＮＴ２３を含む軽合金複合材から形成すれば、これらの部分の高強度化および軽量化を図り得ることは言うまでもない。さらに熱膨張も抑えられるので、ピストンピンやクランクシャフトとの締結状態も好適に保たれる。
【００２７】
また、マトリックスとなる軽合金は純Ａｌでも構わない。ただし、成形時の焼結性あるいは鋳造性、またより強度を向上させるためには、珪素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などを単独または複数で含む通常の合金のほうがより好ましい。また、マトリックスとなる軽合金は、Ａｌ合金以外にもＴｉ合金でもよい。さらには、Ｍｇ合金をマトリックスとすれば、より軽量化を図ることができる。
【００２８】
以下、実施例を記す。
【００２９】
実施例１
強化材として、直径が２０〜５０ｎｍのマルチウォールＣＮＴを用い、マトリックスとして、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末を用いた。実施例１では、マルチウォールＣＮＴが２０体積％になるように、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末と混合・撹拌した後、型内で成形した。その後、真空炉中で加熱し、円筒状の焼結体を得た。その焼結体の内部をくり抜き、このくり抜いた部分に、ＣＮＴを含まないＡｌ―Ｓｉ粉末を同様に焼結した素材を圧入した。これを１次素材とした。次いで、１次素材を熱間押出しし、相対密度９９％でＣＮＴがほぼ１方向に配向した２次素材を得た。この２次素材をＩセクション部の形状に成形した。このときのＣＮＴ複合層の厚さは２．５ｍｍであった。
【００３０】
実施例２
実施例１と同じＣＮＴを水中に無機バインダとともに添加、混合撹拌して混合スラリーを作製し、このスラリーを型中でフィルターを介して脱水し得られたグリーン体を焼成してプリフォームを作製した。このプリフォームを金型中に置き、溶解したＡＤＣ１２相当合金（ＪＩＳ―Ｈ５２０２）を注湯・含浸しそのまま冷却・凝固して１次素材を得た。ＣＮＴの含有率は２５体積％であり、配向は３次元ランダムに近いものであった。この素材を角柱に切り出し実施例１と同様にＩセクション部の形状に成形した。
【００３１】
これらを試験片とし、荷重２．５〜３ｔｏｎで軸方向の引っ張り圧縮疲労試験を行った。比較のため、ＣＮＴを含有しない同形状の試験片についても疲労試験した。
【００３２】
その結果、実施例１、２ともに、荷重３ｔｏｎでも１０７回まで破断しなかった。一方、比較例の試験片は、荷重２．６ｔｏｎで６ｘ１０５回で、端部で破断した。これにより、本発明によるＩセクション部の高強度化効果を確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施の形態に係るコンロッドを示す概観図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）における１Ｂ−１Ｂ線に沿って示すアイセクション部の断面図である。
【図２】カーボンナノチューブと軽合金マトリックスとを含む焼結１次素材を、塑性加工により成形してカーボンナノチューブを１方向に配向させた２次素材を得た状態を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０    コンロッド、
１１    大端部、
１２    小端部、
１３    Ｉセクション部（アイセクション部）、
１３ａ  表層部、高濃度ＣＮＴ部、
１３ｂ  低濃度ＣＮＴ部、
２１    １次素材、
２２    ２次素材、
２３    ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、
２４    軽合金マトリックス。
【図１】
2006266448.tif 000003
【図２】
2006266448.tif 000004