(57)【要約】【課題】優れた耐摩耗性と高い強度とを発揮し得る複合材を成形できる、複合材用プリフォームと該複合材用プリフォームから成形してなるアルミニウム複合材、及びこれらの製造方法を提案する。【解決手段】ホウ酸アルミニウムウィスカ３と、５％より多く２０％以下の体積含有率とするチタン酸カリウムウィスカ４とが含有された予備混合体９を、所定温度で焼結することにより、これらウィスカの反応によって生成される二酸化チタン１１がホウ酸アルミニウムウィスカ３の表面に結合し、高い強度を発揮できる複合材用プリフォーム１を得る。そして、この複合材用プリフォーム１にアルミニウム合金６を含浸させることにより、優れた耐摩耗性と高い強度を発揮できるアルミニウム複合材１０を得る。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとをほぼ均質に混在し、かつ、該チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で５％より多く２０％以下の範囲で含有する予備混合体を、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応によって生成される二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合するように、所定温度で焼結してなるものであることを特徴とする複合材用プリフォーム。
【請求項２】
予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で１０％〜２０％の範囲で含有してなるものである請求項１記載の複合材用プリフォーム。
【請求項３】
ホウ酸アルミニウムウィスカが、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものである請求項１又は請求項２記載の複合材用プリフォーム。
【請求項４】
ホウ酸アルミニウムウィスカが、平均繊維径０．５μｍ〜５μｍであり、かつ平均繊維長１０μｍ〜５０μｍの短繊維形状である請求項３に記載の複合材用プリフォーム。
【請求項５】
チタン酸カリウムウィスカが、平均繊維径０．１μｍ〜１μｍであり、かつ平均繊維長５μｍ〜２０μｍの短繊維形状である請求項３に記載の複合材用プリフォーム。
【請求項６】
予備混合体が、アルミナ短繊維を含有しているものである請求項１乃至請求項５のいずれか記載の複合材用プリフォーム。
【請求項７】
予備混合体が黒鉛又は／及び活性炭を含有しているものであって、該予備混合体を、該黒鉛又は／及び活性炭がホウ酸アルミニウムウィスカと結合状態を形成するように、所定温度により焼結してなるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか記載の複合材用プリフォーム。
【請求項８】
少なくともホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを水中で混ぜて混合水溶液を調合する混合工程と、
該混合水溶液から水分を除去し、チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で５％より多く２０％以下の範囲で含有する予備混合体を形成する脱水工程と、
該予備混合体を所定温度で焼結させることにより、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを反応させて二酸化チタンを生成し、該二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合されるようにした焼結工程とを備えていることを特徴とする複合材用プリフォームの製造方法。
【請求項９】
脱水工程で形成された予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で１０％〜２０％の範囲で含有するものである請求項８記載の複合材用プリフォームの製造方法
【請求項１０】
ホウ酸アルミニウムウィスカは、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものである請求項８又は請求項９記載の複合材用プリフォームの製造方法。
【請求項１１】
ホウ酸アルミニウムウィスカが、平均繊維径０．５μｍ〜５μｍであり、かつ平均繊維長１０μｍ〜５０μｍの短繊維形状である請求項１０に記載の複合材用プリフォームの製造方法。
【請求項１２】
チタン酸カリウムウィスカが、平均繊維径０．１μｍ〜１μｍであり、かつ平均繊維長５μｍ〜２０μｍの短繊維形状である請求項１０に記載の複合材用プリフォームの製造方法。
【請求項１３】
混合工程で、アルミナ短繊維を添加して混合水溶液を調合するようにしたことを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の複合材用プリフォームの製造方法。
【請求項１４】
混合工程で、黒鉛又は／及び活性炭を添加して混合水溶液を調合すると共に、焼結工程にあって、該黒鉛又は／及び活性炭が焼失せずにホウ酸アルミニウムウィスカと結合するようにしたことを特徴とする請求項８乃至請求項１３のいずれかに記載の複合材用プリフォームの製造方法。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項７のいずれか記載の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯を加圧鋳造により含浸させる溶湯含浸工程を備えていることを特徴とするアルミニウム複合材の製造方法。
【請求項１６】
溶湯含浸工程が、所定の金型に形成されたキャビティの特定部位に複合材用プリフォームを配置した後、該キャビティに溶湯を流入することにより、該溶湯が複合材用プリフォームに含浸してなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とを一体的に成形するようにしていることを特徴とする請求項１５に記載のアルミニウム複合材の製造方法。
【請求項１７】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯が加圧鋳造により含浸されてなるものであることを特徴とするアルミニウム複合材。
【請求項１８】
複合材用プリフォームにアルミニウム合金が含浸されてなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とが一体的に成形されてなるものであることを特徴とする請求項１７記載のアルミニウム複合材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金等の軽金属と複合化することにより複合材を成形する複合材用プリフォーム並びに、該複合材用プリフォームにアルミニウム合金の溶湯を含浸してなるアルミニウム複合材、及びこれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車にあっては、燃費や走安性等を向上させるため、軽量化、高耐久性、低熱膨張性等に優れるアルミニウム合金によって製造される部品が増加する傾向にある。この自動車を構成する部品には、エンジンのピストン部品等のように、燃焼効率の改善や排気ガス中の有害成分低減のために圧力や温度等の使用条件が厳しくなってきているものもある。例えば、エンジンのピストンに形成されるピストンリング溝部は、前記使用条件が厳しい部分であるため、高い耐摩耗性や強度が要求されている。そのため、このような部分には、アルミニウム合金をセラミックス等の強化材で強化してなるアルミニウム複合材の適用が進んでいる。
【０００３】
このようなアルミニウム複合材は、予め粒子、短繊維、ウィスカ等の強化材からなる複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯を含浸して成形されてなるものが良く知られている。そして、例えば、部品の特定部分のみを強化する場合にあっては、所定形状の金型の、この特定部分を形成する位置に複合材用プリフォームを配置した後、アルミニウム合金の溶湯を該金型に流し込む鋳造成形によって、当該構成部品を一体成形するようにしている。例えば、上述したピストンリング溝部を強化してなるピストンを成形する場合にあっては、強化材としてホウ酸アルミニウムウィスカを用いてなる複合材用プリフォームを、ピストンの鋳造用金型のピストンリング溝部形成位置に配置した後、アルミニウム合金の溶湯を高圧鋳造することにより、前記溝部が強化されたピストンが一体成形される。ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカは、耐摩耗性や強度に優れ、かつ、比較的安価であるため、ピストンのピストンリング溝部等の強化材に好適に用いられている。
【０００４】
ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカからなる複合材用プリフォームは、例えば、該ホウ酸アルミニウムウィスカと無機バインダーのアルミナゾルとを水中で攪拌し、所定のフィルタを用いてこの混合水溶液の水分を吸引した後、約１２００℃で焼結させて成形する、一般的な複合材用プリフォームの製造方法により得ることができる。この複合材用プリフォームにあっては、隣接するホウ酸アルミニウムウィスカ同士が、アルミナゾルのゲル化及び結晶化によって相互に結合して形成されてなる。
【０００５】
一方、このホウ酸アルミニウムウィスカからなる複合材用プリフォームとしては、例えば特許文献１のように、セラミックス粒子（二酸化チタンなど）、ホウ酸アルミニウムウィスカ、チタン酸カリウムウィスカ、短繊維（アルミナ繊維）、及び焼結性粉末（黒鉛など）を混合した水溶液に、さらに無機バインダー（アルミナゾルなど）を添加し、水分を吸引した後所定温度で焼結することにより成形されるものも提案されている。かかる複合材用プリフォームは、ホウ酸アルミニウムウィスカの表面にセラミックス粒子が付着した構成となっている。ここで、チタン酸カリウムウィスカは焼結性に優れるものであり、セラミックス粒子やホウ酸アルミニウムウィスカと焼結してこれらを間接的又は直接的に結合させ易くしている。また、このセラミックス粒子とホウ酸アルミニウムウィスカとの焼結に無機バインダーが作用して、これらの結合状態を維持し得る結合力を発揮している。そして、この複合材用プリフォームにアルミニウム合金の溶湯を含浸させることにより、耐摩耗性に優れたアルミニウム複合材を成形している。また、ここでチタン酸カリウムウィスカは、複合材用プリフォームを柔らかくしたり、強度低下に作用することから、含有量を体積含有率で５％以下となるように調整している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３１６５６６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したホウ酸アルミニウムウィスカと無機バインダーとから成形した複合材用プリフォームにあっては、無機バインダーを添加し、かつ焼結温度を比較的高温の約１２００℃としても、該ウィスカ同士の結合力が弱く、充分な強度を発揮できない。そのため、アルミニウム合金の溶湯を含浸する鋳造成形を、該溶湯の含浸性を向上させるように比較的高圧により行うと、変形や割れを生じ易いという問題があった。そして、このように強度が不充分な複合材用プリフォームから成形されたアルミニウム複合材では、エンジンのピストンに要求される性能を満足することができなかった。
【０００８】
一方、上述の特許文献１に従って成形される、ホウ酸アルミニウムウィスカを含有してなる複合材用プリフォームにあって、該ホウ酸アルミウィスカとセラミックス粒子、及びチタン酸カリウムウィスカを焼結している結合力は主に無機バインダーの結晶化によるものであるから、複合材用プリフォームの発揮できる強度に限界があった。そのため、鋳造成形における、含浸圧の高圧化や含浸速度の高速化を進めることが難しく、生産性を向上させることにも限界が生じていた。また、上述のように、チタン酸カリウムウィスカは比較的柔らかいものであるため、ホウ酸アルミニウムウィスカを添加することによって向上させた耐摩耗性が低下することにもなり得た。さらにまた、かかる複合材用プリフォームは、溶湯の含浸性を向上させるため焼失性粉末を添加し、焼結時にこの焼失性粉末を焼失させて通気性を向上させるようしたものであり、この焼失性粉末として一般的に黒鉛や活性炭が使用されている。ところが、この黒鉛や活性炭はアルミニウム複合材の摺動特性や振動減衰能を向上させる作用があるため、該黒鉛や活性炭を焼失させるようにしたアルミニウム複合材では、発揮できる摺動特性や振動減衰能に限界があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点を解決し、優れた耐摩耗性と高強度を発揮し得る複合材を成形できる複合材用プリフォームと該複合材用プリフォームとアルミニウム合金とを複合化してなるアルミニウム複合材、及びこれらの製造方法を提案することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくともホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとをほぼ均質に混在し、かつ、該チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で５％より多く２０％以下の範囲で含有する予備混合体を、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応によって生成される二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合するように、所定温度で焼結してなるものであることを特徴とする複合材用プリフォーム（請求項１）である。ここで、所定温度としては、一般的にプリフォームを焼結するために用いられる、約８００℃〜１３００℃とすることが好適である。
【００１１】
かかる構成にあっては、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとをほぼ均質に混在してなる予備混合体を、所定温度で焼結させることにより、このホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを反応させ、この反応により生成された二酸化チタンが、ホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合されてなるようにしたものである。ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応は、両者を結合させると共に、二酸化チタンを生成し、かつ、該二酸化チタンをホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合させるから、これら結合の結合力が、上述した従来の無機バインダーによる結合力に比して、強固なものとなり、この複合材用プリフォームは高い強度を発揮することができる。また、二酸化チタンは優れた耐摩耗性を有することから、該二酸化チタンと耐摩耗性に優れたホウ酸アルミニウムウィスカとが結合してなる複合材用プリフォームは、アルミニウム合金が含浸されてなるアルミニウム複合材の耐摩耗性を一層向上させ得る。このように本発明は、一般的に多量に添加すると耐摩耗性の低下が懸念されるチタン酸カリウムウィスカを、ホウ酸アルミニウムウィスカと反応させて二酸化チタンを分離生成させるようにしたものであり、充分な反応量を確保することで、強度と耐摩耗性とを向上させることが可能となる。
【００１２】
ここで、かかる複合材用プリフォームは、チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で５％より多く２０％以下の範囲で含有する予備混合体を焼結してなるものである。かかる体積含有率とすることにより、チタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとの反応を促進させ、かつ、充分な反応量を確保することができるから、この複合材用プリフォームはほぼ均一に、かつ強固に結合された状態となると共に、複合材の耐摩耗性を向上させるに適切な量の二酸化チタンを生成することができる。このチタン酸カリウムウィスカの体積含有率が５％以下であると、この反応を充分に生じさせ難く、複合材用プリフォームは充分な強度を発揮できない。さらに、複合材の耐摩耗性が該チタン酸カリウムウィスカの存在によって低下することともなり得る。また、この体積含有率が２０％を越えると、複合材用プリフォーム自体の嵩が高くなり強度が低下してしまう。
【００１３】
さらにまた、このようにチタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとの反応により生成される二酸化チタンは、ほぼ同量の、比較的安定状態のルチル型と、不安定状態のアナターゼ型とからなり、かかる複合材用プリフォームはこれら両型の二酸化チタンがそれぞれホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合された構成となる。ここで、このアナターゼ型の二酸化チタンは、アルミニウム合金と反応し易く、硬質のチタン−アルミニウム化合物を形成することができるから、この複合材用プリフォームから成形されたアルミニウム複合材は高い強度と硬さを発揮できる。尚、このアナターゼ型の二酸化チタンは、一般的な焼結温度（約１０００℃以上）ではルチル型に変化してしまう。そのため、予めアナターゼ型の二酸化チタン粒子を予備混合体に添加しても、ルチル型の二酸化チタンを有する複合材用プリフォームとなる。従って、かかる本発明の複合材用プリフォームは、上述した従来の、二酸化チタン粒子を添加して焼結してなる複合材用プリフォームに比して、高い強度を発揮するアルミニウム複合材を成形できる。
【００１４】
このように、本発明の複合材用プリフォームは、高い強度を有するものであるから、アルミニウム合金等の溶湯を含浸させる鋳造成形時に変形したり破壊することもなく、該アルミニウム合金と複合化してなるアルミニウム複合材を適正に成形できる。また、鋳造成形時における含浸圧及び含浸速度をさらに高めることも可能となるから、生産性を向上できるという優れた利点もある。而して、この複合材用プリフォームにより、優れた耐摩耗性と高い強度を発揮する複合材を成形することが可能である。
【００１５】
また、上述した予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で１０％〜２０％の範囲で含有してなるものである構成（請求項２）が提案される。かかる構成の複合材用プリフォームにあっては、優れた耐摩耗性を有するホウ酸アルミニウムウィスカを含有することにより、アルミニウム合金等と複合化してなる複合材の耐摩耗性を向上させることができる。ここで、このホウ酸アルミニウムウィスカの体積含有率が１０％より低いと、耐摩耗性を充分に発揮し得る複合材を成形できない。また、チタン酸カリウムウィスカとの反応量が少なくなるため、充分な量の二酸化チタンを生成できない。一方、体積含有率が２０％を越えると、複合材用プリフォームの嵩が高くなるため、この複合材用プリフォームの強度が低下することとなり得る。
【００１６】
このようなホウ酸アルミニウムウィスカが、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものであるとした構成（請求項３）が提案される。これにより、ホウ酸アルミニウムウィスカに比して焼結し易いチタン酸カリウムウィスカが、予備混合体にあって、ほぼ全体で均質に分散してホウ酸アルミニウムウィスカと接触した状態となるから、焼結時に、相互に近接するホウ酸アルミニウムウィスカと比較的容易に反応することとなる。而して、上述したホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応が全体的にほぼ均一に生じ、当該複合材用プリフォームは、二酸化チタンがほぼ均質に結合してなる状態となり、全体的に高い強度を発揮できる。尚、平均繊維径及び平均繊維長としては、利用する各繊維の繊維径及び繊維長の平均値であり、これらは、ほぼこの平均値に近い範囲でバラツキを有するものである。
【００１７】
ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカが、平均繊維径０．５μｍ〜５μｍであり、かつ平均繊維長１０μｍ〜５０μｍの短繊維形状であるとした構成（請求項４）が提案される。ホウ酸アルミニウムウィスカの平均繊維径又は平均繊維長がかかる範囲よりも大きいと、屈曲したり、複雑に絡み合った状態に成り易く、複合材用プリフォームは充分な強度を発揮できない。また、かかる平均繊維径又は平均繊維長がかかる範囲より小さくても、複合材用プリフォームは強度を充分に発揮できない。
【００１８】
また、ここで、チタン酸カリウムウィスカが、平均繊維径０．１μｍ〜１μｍであり、かつ平均繊維長５μｍ〜２０μｍの短繊維形状であるとした構成（請求項５）が提案される。かかる構成により、予備混合体は、比較的多くのチタン酸カリウムウィスカがホウ酸アルミニウムウィスカと接触した状態となり得るから、焼結時に両者が比較的容易に反応できる。平均繊維径又は平均繊維長がかかる範囲よりも大きいと、ホウ酸アルミニウムウィスカとの接触量が減少し、反応の進行が遅くなる。一方、平均繊維径又は平均繊維長がかかる範囲よりも小さいものは、取り扱い性が悪く、また、入手も困難である。
【００１９】
上述した予備混合体が、アルミナ短繊維を含有しているものであるとした構成（請求項６）が提案される。かかる構成にあっては、比較的平均繊維径の太いアルミナ短繊維を含有することによって、複合材用プリフォームの強度が向上する。
【００２０】
また、予備混合体が黒鉛又は／及び活性炭を含有しているものであって、該予備混合体を、該黒鉛又は／及び活性炭がホウ酸アルミニウムウィスカと結合状態を形成するように、所定温度により焼結してなるものであるとした構成（請求項７）が提案される。かかる構成にあっては、潤滑性と振動特性に優れる黒鉛や活性炭を含有するものであるから、当該複合材用プリフォームにより成形した複合材は、優れた摺動特性及び振動減衰能を発揮するものとなりえ、これら性能を厳しく要求される製品及びその特定部分に適用可能である。
【００２１】
一方、本発明は、少なくともホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを水中で混ぜて混合水溶液を調合する混合工程と、該混合水溶液から水分を除去し、チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で５％より多く２０％以下の範囲で含有する予備混合体を形成する脱水工程と、該予備混合体を所定温度で焼結させることにより、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを反応させて二酸化チタンを生成し、該二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合されるようにした焼結工程とを備えていることを特徴とする複合材用プリフォームの製造方法（請求項８）である。かかる製造方法にあっては、混合工程と脱水工程により、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとがほぼ均質に混在する予備混合体を形成する。そして、焼結工程により、この予備混合体に混在するホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを反応させて、これらを結合させると共に、二酸化チタンを分離生成し、かつ、該二酸化チタンをホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合させる。こうして複合材用プリフォームを成形するようにしている。ここで、混合工程にあって、チタン酸カリウムウィスカの添加量を予め調整することにより、体積含有率で５％より多く２０％以下の範囲で含有する予備混合体を形成する。この製造方法により、上述した請求項１に記載の複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【００２２】
このような複合材用プリフォームの製造方法にあって、脱水工程で形成された予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で１０％〜２０％の範囲で含有するものであるとした製造方法（請求項９）が提案される。ここで、かかる体積含有率の予備混合体は、混合工程で、ホウ酸アルミニウムウィスカの添加量を調整することにより形成することができる。この製造方法により、上述した請求項２に記載の複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【００２３】
また、上述の複合材用プリフォームの製造方法にあって、ホウ酸アルミニウムウィスカは、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものであるとした製造方法（請求項１０）が提案される。かかる製造方法にあっては、混合工程により、ホウ酸アルミニウムウィスカに比して焼結し易いチタン酸カリウムウィスカがほぼ均質に混合された混合水溶液を比較的容易に形成でき、脱水工程により全体的に均質化された予備混合体が形成される。これにより、焼結工程で、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応を全体的にほぼ均一に生じさせ得るから、各ウィスカ及び二酸化チタンがほぼ均質に結合してなる複合材用プリフォームを比較的容易に成形することができる。この製造方法により、上述した請求項３に記載の複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【００２４】
ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカが、平均繊維径０．５μｍ〜５μｍであり、かつ平均繊維長１０μｍ〜５０μｍの短繊維形状であるとした製造方法（請求項１１）が提案される。かかる製造方法にあっては、混合工程により、ホウ酸アルミニウムウィスカがほぼ均質に分散された状態の混合水溶液を比較的容易に形成することができる。この製造方法により、上述した請求項４に記載の複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【００２５】
また、チタン酸カリウムウィスカが、平均繊維径０．１μｍ〜１μｍであり、かつ平均繊維長５μｍ〜２０μｍの短繊維形状であるとした製造方法（請求項１２）が提案される。かかる製造方法にあっては、混合工程により、チタン酸カリウムウィスカがほぼ均質に分散された状態の混合水溶液を比較的容易に形成することができる。これにより、焼結工程にあって、予備混合体のほぼ全域で、チタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとが反応することとなり、全体的に均質な複合材用プリフォームを比較的容易に成形できる。この製造方法により、上述した請求項５に記載の複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【００２６】
上述の複合材用プリフォームの製造方法にあって、混合工程で、アルミナ短繊維を添加して混合水溶液を調合するようにした製造方法（請求項１３）が提案される。この製造方法により、上述した請求項６に記載の複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【００２７】
また、複合材用プリフォームの製造方法にあって、混合工程で、黒鉛又は／及び活性炭を添加して混合水溶液を調合すると共に、焼結工程にあって、該黒鉛又は／及び活性炭が焼失せずにホウ酸アルミニウムウィスカと結合するようにした製造方法（請求項１４）が提案される。ここで、黒鉛や活性炭は高温で酸化焼失し易いことから、焼成工程にあっては、予備混合体を真空状態や不活性ガス雰囲気中等で焼結させることが必要となる。この製造方法により、上述した請求項７に記載の複合材用プリフォームを好適に製造することができる。
【００２８】
一方、本発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯を加圧鋳造により含浸させる溶湯含浸工程を備えていることを特徴とするアルミニウム複合材の製造方法（請求項１５）である。かかる溶湯含浸工程により、上述した請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯を容易かつ充分に含浸させることが可能である。これにより、上述した複合材用プリフォームの有する、優れた耐摩耗性と高強度、及び黒鉛や活性炭を含有する場合の優れた摺動特性及び振動減衰能、を充分に発揮し得るアルミニウム複合材を成形することが可能である。また、上述したように、この複合材用プリフォームにあっては、ホウ酸アルミニウムウィスカの表面にアナターゼ型の二酸化チタンが結合していることから、当該溶湯含浸工程により含浸したアルミニウム合金とアナターゼ型の二酸化チタンが反応し易く、硬質のチタン−アルミニウム化合物を形成できるため、高い強度と硬さを発揮するアルミニウム複合材を成形できる。
【００２９】
ここで、溶湯含浸工程が、所定の金型に形成されたキャビティの特定部位に複合材用プリフォームを配置した後、該キャビティに溶湯を流入することにより、該溶湯が複合材用プリフォームに含浸してなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とを一体的に成形するようにした製造方法（請求項１６）が提案される。かかる製造方法にあっては、溶湯含浸工程により、特定部分が複合材用プリフォームにより強化されてなるアルミニウム合金製品を一体的に鋳造成形するようにしたものである。これにより、金属部と複合部との境界面の強度が充分に確保されるため、応力集中によって割れ等が生じることを適切に防止できる。この製造方法により、例えば、ピストンリング溝部が部分的に強化されてなる、エンジンのピストンを比較的容易に成形することができる。
【００３０】
一方、本発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯が加圧鋳造により含浸されてなるものであることを特徴とするアルミニウム複合材（請求項１７）である。かかるアルミニウム複合材は、上述した請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の複合材用プリフォームの有する、優れた耐摩耗性と高強度、及び黒鉛や活性炭を含有する場合の優れた摺動特性及び振動減衰能、を充分に発揮することができる。また、この複合材用プリフォームの、ホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合したアナターゼ型の二酸化チタンとアルミニウム合金とが反応し易く、硬質のチタン−アルミニウム化合物が形成されることから、本アルミニウム複合材は高い強度と硬さを発揮できる。尚、かかるアルミニウム複合材は、上述した請求項１５に記載した製造方法によって好適に製造することができる。
【００３１】
上記のアルミニウム複合材にあって、複合材用プリフォームにアルミニウム合金が含浸されてなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とが一体的に成形されてなるものであるとした構成（請求項１８）が提案される。かかる構成にあっては、耐摩耗性や強度等を特に必要とする特定部分のみが強化されてなるものである。また、金属部と複合部との境界面が強固となるから、応力集中により割れ等が発生することを防止でき、本アルミニウム複合材は高い耐久性能を発揮できる。かかるアルミニウム複合材は、例えば、ピストンリング溝部を複合部とする、エンジンのピストンに好適に用いることができる。尚、かかるアルミニウム複合材は、上述した請求項１５に記載した製造方法によって好適に製造することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態例を添付図面に従って説明する。
図１は、複合材用プリフォーム１を製造する工程図である。図１（イ）は混合工程であって、所定の容器２１内で、各強化材を水中で攪拌棒３１により攪拌してほぼ均質に混合させて混合水溶液８をつくる。そして、この混合水溶液８を、容器２１から、真空ポンプ２３と接続された吸引成形器２２に移す。図１（ロ）は脱水工程であって、混合水溶液８から、フィルター２４を介して真空ポンプ２３によって水分を吸引し、予備混合体９を得る。そして、この予備混合体９を、吸引成形器２２から取り出して充分に乾燥させる（図示省略）。図１（ハ）は焼結工程であって、この予備混合体９を加熱炉２５内のテーブル３３に設置し、該加熱炉２５に接続された真空ポンプ２９によって加熱炉２５の内部を真空状態とした後、アルゴンガス雰囲気で加熱して焼結させることにより、所望の複合材用プリフォーム１を得る。
【００３３】
次に、この複合材用プリフォーム１にアルミニウム合金６の溶湯を含浸させる溶湯含浸工程（図２）により、アルミニウム複合材１０を成形する。ここで、本実施形態例にあって、アルミニウム複合材１０は、複合材用プリフォーム１にアルミニウム合金６を含浸してなるアルミニウム複合部１０ａと、アルミニウム合金６からなるアルミニウム合金部１０ｂとが一体的に成形されてなるものとする。このアルミニウム複合材１０を成形する工程は、図２（イ）のように、高圧鋳造用の油圧プレス機４０に配置した金型３４内に、複合材用プリフォーム１を配した後、所定量のアルミニウム合金６の溶湯を流入する。そして、図２（ロ）から図２（ハ）のように、油圧プレス機４０の加圧パンチ４１によって溶湯を直接加圧して、該溶湯を複合材用プリフォーム１に含浸させる。そして、図２（ニ）のように除圧した後、金型３４を取り外して、アルミニウム複合部１０ａとアルミニウム合金部１０ｂとが積層形態で一体化されてなるアルミニウム複合材１０を得る。このようにアルミニウム複合材１０を鋳造する鋳造成形工程が、複合材用プリフォーム１にアルミニウム合金６の溶湯を含浸する溶湯含浸工程となる。
【００３４】
上述の複合材用プリフォーム１の製造工程及び該複合材用プリフォーム１にアルミニウム合金６を含浸させる溶湯含浸工程と、各工程により夫々に成形される複合材用プリフォーム１及びアルミニウム複合材１０を、以下の具体例に従って詳説する。
【００３５】
（実施例１）
複合材用プリフォーム１を製造する各工程を順に説明する。
上述の混合工程（図１（イ））にあって、容器２１内の水中に以下の強化材を入れる。
（ｉ）アルミナ短繊維２（図３（イ）  平均繊維径５μｍ、平均繊維長５００μｍ）
（ｉｉ）ホウ酸アルミニウムウィスカ３（図３（ロ）  平均繊維径１μｍ、平均繊維長３０μｍ）
（ｉｉｉ）チタン酸カリウムウィスカ４（図３（ハ）  平均繊維径０．５μｍ、平均繊維長１０μｍ）
さらに、無機バインダーとしてアルミナゾル７（Ａｌ２Ｏ３（約１１％））を添加した。そして、このような強化材を入れた水溶液を攪拌棒３１で攪拌することにより、ほぼ均質に各強化材が混在する混合水溶液８を得る。ここで、本実施例１（及び、後述の実施例２）にあって、無機バインダーは主に、後述する脱水工程後の予備混合体９を焼結工程に移動させる場合（図１（ロ）から図１（ニ）への移動）に、該予備混合体９が変形したり破壊しないように、上記の各強化材同士を結合させるものとして作用する。すなわち、予備混合体９は、無機バインダーの結合力によりその形態が維持される。尚、ここで、平均繊維径及び平均繊維長は、短繊維及びウィスカの繊維径及び繊維長の平均値であり、これらは、ほぼこの平均値に近い範囲でバラツキを有するものである。
【００３６】
次に、この混合水溶液８を吸引成形器２２に移し、上述の脱水工程（図１（ロ））に移行する。ここで、吸引成形器２２には混合水溶液８を流入する円筒状の水溶液滞留領域２６と、該水溶液滞留領域２６の下面を形成するフィルター２４と、該フィルター２４により区画され吸引した水分を滞留させる水滞留領域２７とが設けられており、該水滞留領域２７に真空ポンプ２３が接続されている。この脱水工程にあっては、吸引成形器２２の水溶液滞留領域２６に、上述の混合水溶液８を流入した後、真空ポンプ２３を作動させることにより、該混合水溶液８の水分をフィルター２４を介して吸引する。これによって、円柱形状の、上記した各強化材が混在してなる予備混合体９を得る。さらに、この予備混合体９を吸引成形器２２から取り出し、約１２０℃の乾燥炉等に入れ、充分に水分を除去する（図示省略）。ここで、この予備混合体９では、上記の各強化材は反応しておらず、また、各強化材はアルミナゾル７により結び付いており、この予備混合体９の形態が維持されている。これにより、次の加熱炉２５への搬送時に、予備混合体９が変形したり壊れたりすることを防止できる。また、予備混合体９における各強化材の体積含有率は、アルミナ短繊維２が約３％、ホウ酸アルミニウムウィスカ３が約１５％、チタン酸カリウムウィスカ４が約６％であり、残りの領域は空隙である。そして、このような体積含有率となるように、上述の混合工程で各強化材がそれぞれ所定量調合されている。
【００３７】
次に、上述した焼結工程（図１（ハ））に移行する。上記の予備混合体９を、加熱炉２５内に設置されたテーブル３３上に置く。そして、真空ポンプ２９を作動させ、加熱炉２５の内部を１０Ｐａの真空状態とする。その後、この炉内にアルゴンガスを５Ｌ／ｍｉｎの一定流量で流しつつ、約１１５０℃まで加熱して、１時間保持した。そして、室温まで炉冷し（図示省略）、円柱形状の複合材用プリフォーム１を得る。この複合材用プリフォーム１は、図４（イ）に示す拡大写真のように、隣接するホウ酸アルミニウムウィスカ３が互いに結合しており、該ホウ酸アルミニウムウィスカ３の表面に二酸化チタン１１が被覆するように結合している。
【００３８】
すなわち、この焼結工程にあって、予備混合体９では、チタン酸カリウムウィスカ４が、隣接するホウ酸アルミニウムウィスカ３と反応して、ルチル型とアナターゼ型の二酸化チタン１１をほぼ同量づつ分離生成する。そして、この反応により、チタン酸カリウムウィスカ４とホウ酸アルミニウムウィスカ３とが強固に結合すると共に、該反応により生じた二酸化チタン１１が、ルチル型及びアナターゼ型を保った状態でホウ酸アルミニウムウィスカ３の表面に結合する。このように、チタン酸カリウムウィスカ４とホウ酸アルミニウムウィスカ３との反応によって、各強化材が相互に強固な結合状態を形成することとなり、高い強度を有する、本発明の複合材用プリフォーム１が成形される。ここで、実施例１の複合材用プリフォームは、後述する実施例２及び比較例１〜３と混同しないように、複合材用プリフォームＡとする。
【００３９】
次に、上述のように成形した複合材用プリフォーム（複合材用プリフォームＡ）１によりアルミニウム複合材１０を、上述した図２の溶湯含浸工程（鋳造成形工程）により鋳造成形する。この溶湯含浸工程には、油圧により上下方向に駆動制御される加圧パンチ４１を上部に備えた油圧プレス機４０と、円柱形状の成形領域を形成する入れ子３５を内側に嵌入する金型３４とを用いる。この油圧プレス機４０の下部には、鋳造テーブル４３が設けられており、該鋳造テーブル４３の中央に、加圧パンチ４１の移動軸に沿って上下方向に駆動する押出部４２が配設されている。そして、入れ子３５の下部が押出部４２上に配置されるように、金型３４が鋳造テーブル４３上に置かれる。すなわち、この押出部４２を上方向に動かすことにより、金型３４に嵌入している入れ子３５を、該金型３４から取り外し可能としている。この金型３４及び入れ子３５は、溶湯含浸工程にあって約２００〜２５０℃に保持される。
【００４０】
そして、溶湯含浸工程（鋳造成形工程）にあっては、図２（イ）のように、油圧プレス機４０に配置された金型３４の入れ子３５内に、予め約４７０℃に予熱された複合材用プリフォーム（複合材用プリフォームＡ）１を配置する。その後、約７６０℃のアルミニウム合金６（ＪＩＳ  ＡＣ８Ａ）の溶湯を、複合材用プリフォーム１が配された入れ子３５内に所定量流し込む。そして、図２（ロ）のように、加圧パンチ４１を降下させて、入れ子３５内に滞留するアルミニウム合金６の溶湯を上から直接加圧していく。ここで、加圧パンチ４１は約３００ａｔｍの圧力で溶湯を加圧するように制御される。この加圧パンチ４１の加圧により、図２（ハ）のように、溶湯が複合材用プリフォーム１に含浸する。これにより、溶湯が複合材用プリフォーム１に含浸したアルミニウム複合部１０ａと、アルミニウム合金部１０ｂとが一体的な積層構成として形成されてなるアルミニウム複合材１０が成形される。その後、図２（ニ）のように、除圧して加圧パンチ４１を上昇させた後、押出部４２を上方へ駆動させることにより、金型３４から入れ子３５を取り外す。そして、この入れ子３５から、本実施例のアルミニウム複合材１０を取り出す。このアルミニウム複合材１０のアルミニウム複合部１０ａは、図４（ロ）に示す拡大写真のように、巣（空隙）がなく、かつ、各強化材とアルミニウム合金６とが強固に結合している。また、上述した複合材用プリフォームＡが含有するアナターゼ型の二酸化チタン１１と、アルミニウム合金６とが反応することにより生成されたチタン−アルミニウム化合物１４も確認できる。ここで、この実施例１のアルミニウム複合材１０にあっても、上述した複合材用プリフォームの場合と同様に、アルミニウム複合材Ａとする。
【００４１】
（実施例２）
この実施例２は、上述した実施例１の混合工程（図１（イ）参照）にあって、平均粒径が約９０μｍ、化学成分がＣ（９７％）／Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２（約３％）の活性炭５（図３（ニ））を追加して、ほぼ均質な混合水溶液を調合するようにした。ここで、活性炭５は多孔質のものを使用した。この混合水溶液を脱水工程（図１（ロ）参照）及び焼結工程（図１（ハ）参照）により、実施例２の複合材用プリフォームＢを成形した。この複合材用プリフォームＢは、図５（イ）のように、活性炭５が焼成工程により酸化焼失せず、アルミナ短繊維２やホウ酸アルミニウムウィスカ３等に焼結して存在している。また、本複合材用プリフォームＢにあっても、上述した実施例１の複合材用プリフォームＡと同様に、ホウ酸アルミニウムウィスカ３とチタン酸カリウムウィスカ４とが反応して二酸化チタン１１を分離生成し、該二酸化チタン１１がホウ酸アルミニウムウィスカ３の表面を被覆するように結合している。尚、ここで、平均粒径は、上述の平均繊維径及び平均繊維長と同様に、利用する粒子の粒子径の平均値であり、これらは、ほぼこの平均値に近い範囲でバラツキを有するものである。
【００４２】
この複合材用プリフォームＢを、上述した実施例の溶湯含浸工程（図２参照）により、アルミニウム合金６の溶湯を含浸してなる、アルミニウム複合材Ｂを成形した。このアルミニウム複合材Ｂにあっても、実施例１のアルミニウム複合材Ａと同様に、アルミニウム複合部とアルミニウム合金部とが積層形態で一体的に形成されてなる。このアルミニウム複合材Ｂも、実施例１のアルミニウム複合材Ａと同様に、アルミニウム複合部では巣（空隙）がなく、かつ、ホウ酸アルミニウムウィスカ３等の各強化材とアルミニウム合金６とが強固に結合している（図５（ロ））。また、上述の実施例１のアルミニウム複合材Ａと同様、複合材用プリフォームＢが含有するアナターゼ型の二酸化チタン１１と、アルミニウム合金６とが反応することにより生成されたチタン−アルミニウム化合物１４が確認できる。さらに、活性炭５も確認できる。
【００４３】
この実施例２は、上述のように、混合工程にあって活性炭５を追加して混合水溶液を調合した以外は、上述の実施例１と同じ材料、同じ機器、同じ方法を用いており、説明は省略する。
【００４４】
次に、上述した、本発明にかかる実施例１及び実施例２と比較検討するための比較例を以下に説明する。
【００４５】
（比較例１）
この比較例１にあっては、混合工程（図１（イ）参照）で、上述した実施例１に使用した、アルミナ短繊維２（図３（イ）参照）、ホウ酸アルミニウムウィスカ３（図３（ロ）参照）、チタン酸カリウムウィスカ４（図３（ハ）参照）の強化材と、二酸化チタン１１の粒子（図３（ホ）  平均粒径約０．５μｍ）とを水中で攪拌し、さらにアルミナゾル７を添加して、ほぼ均質な混合水溶液を得た。ここで、この比較例１では、各強化材の投入量が上述の実施例１と異なり、この混合水溶液から脱水工程により形成した予備混合体が、体積含有率で、アルミナ短繊維２が約４％、ホウ酸アルミニウムウィスカ３が約８％、チタン酸カリウムウィスカ４が約２％、二酸化チタン粒子が約９％となる構成で成形されている。すなわち、上述の実施例１に比して、チタン酸カリウムウィスカの混合割合が少くなっている。
【００４６】
そして、この予備混合体を、上述の実施例と同様の焼結工程により焼結させ、比較例１の複合材用プリフォームＣを成形した。この複合材用プリフォームＣは、図６（イ）に示す拡大写真のように、ホウ酸アルミニウムウィスカ３の表面に二酸化チタン１１が塊状形態で焼結している。また、この比較例１では、チタン酸カリウムウィスカ４が少量であることから、焼結工程によりホウ酸アルミニウムウィスカ３とほとんど反応せず、隣接する各強化材同士の焼結を補助するように用いられている。そのため、ホウ酸アルミニウムウィスカ３、二酸化チタン１１、チタン酸カリウムウィスカ４、アルミナ短繊維２の焼結は、アルミナゾル７の結晶化による結合力によって結び付いていると思われる。また、この複合材用プリフォームＣを構成する二酸化チタン１１は、焼結温度１１５０℃としていることからルチル型で存在している。
【００４７】
次に、この複合材用プリフォームＣを用い、上述の実施例と同様の溶湯含浸工程（鋳造成形工程）により、該複合材用プリフォームＣにアルミニウム合金６の溶湯を含浸し、アルミニウム複合部とアルミニウム合金部とを一体の積層形態としてなるアルミニウム複合材Ｃを成形した。このアルミニウム複合材Ｃのアルミニウム複合部は、図６（ロ）に示す拡大写真のように、巣（空隙）がなく複合材用プリフォームＣとアルミニウム合金６とが結合している。ここで、このアルミニウム複合材Ｃでは、チタン酸カリウムウィスカ４をウィスカ形態で確認できる。これからも、比較例１では、ホウ酸アルミニウムウィスカ３とチタン酸カリウムウィスカ４との反応がほとんど生じていないことを確認できる。
【００４８】
この比較例１は、上述のように、混合工程にあって、実施例１で混入した強化材に加えて二酸化チタン１１の粒子も添加し、かつ、各強化材の混合割合を変更した以外は、上述の実施例１と同じ材料、同じ機器、同じ方法を用いており、説明は省略する。
【００４９】
（比較例２）
この比較例２では、上述の混合工程にあって、強化材をホウ酸アルミニウムウィスカ３（図３（ロ））のみとし、アルミナゾルを添加して混合水溶液を調合した。ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカは、この混合水溶液から脱水工程により形成された予備混合体が体積含有率で約２４％となるように混入している。そして、この脱水工程により形成した予備混合体を、上述の焼結工程により焼結することによって、複合材用プリフォームＤを成形した。この複合材用プリフォームＤは、図７（イ）に示す拡大写真のように、隣接するホウ酸アルミニウムウィスカ３同士が結合している。ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカ３は、比較的焼結性が低いため、この結合は主にアルミナゾルの結合力によるものであると思われる。そして、この複合材用プリフォームＤを用い、上述の実施例と同様の溶湯含浸工程により、該複合材用プリフォームＤにアルミニウム合金６の溶湯を含浸し、アルミニウム複合部とアルミニウム合金部とを一体の積層形態としてなるアルミニウム複合材Ｄを成形した（図示省略）。
【００５０】
この比較例２は、上記のように、混合工程にあって、ホウ酸アルミニウムウィスカ３とアルミナゾルとを添加し、かつ、該ホウ酸アルミニウムウィスカ３の混入量を変更した以外は、上述の実施例１と同じ材料、同じ機器、同じ方法を用いており、説明は省略する。
【００５１】
（比較例３）
この比較例３では、上述の混合工程にあって、強化材としてアルミナ短繊維２（図３（イ））とチタン酸カリウムウィスカ４（図３（ハ））とを混入し、アルミナゾルを添加して、ほぼ均質な混合水溶液を調合した。ここで、この混合水溶液には、脱水工程により形成される予備混合体がアルミナ短繊維２を約６％、チタン酸カリウムウィスカ４を約１３％の体積含有率となるように、各強化材が夫々に混入されている。そして、この脱水工程によって形成した予備混合体を焼結工程により焼結させ、複合材用プリフォームＥを成形した。この複合材用プリフォームＥは、図７（ロ）に示す拡大写真のように、アルミナ短繊維２の表面にチタン酸カリウムウィスカ４が突出するように焼結した構成となっている。ここで、チタン酸カリウムウィスカ４は比較的焼結し易いことから、溶融した形態となっているが、アルミナ短繊維２とは反応しておらず、アルミナゾルの結晶化による結合力により焼結している。そして、この複合材用プリフォームＥを用い、上述の実施例と同様の溶湯含浸工程により、該複合材用プリフォームＥにアルミニウム合金６の溶湯を含浸し、アルミニウム複合部とアルミニウム合金部とを一体の積層形態としてなるアルミニウム複合材Ｅを成形した（図示せず）。
【００５２】
この比較例３は、上述のように、混合工程にあって、アルミナ短繊維２とチタン酸カリウムウィスカ４とアルミナゾルとを添加し、かつ、各強化材の混入量を変更した以外は、上述の実施例１と同じ材料、同じ機器、同じ方法を用いており、説明は省略する。
【００５３】
（比較例４）
この比較例４にあっては、上述の溶湯含浸工程にあって、複合材用プリフォーム１を使用せず、アルミニウム合金６のみで鋳造してなるアルミニウム合金母材Ｆを成形した。このアルミニウム合金６の単体であるアルミニウム合金母材Ｆにより、複合材用プリフォーム１とアルミニウム合金６との複合化による効果を、以下の各実験により確認するようにした。
【００５４】
次に、上述の各実施例及び比較例により成形した各複合材用プリフォームＡ〜Ｅを圧縮試験し、各複合材用プリフォームの圧縮強度を調べた。さらに、各アルミニウム複合材Ａ〜Ｅ及びアルミニウム合金母材Ｆを、引張試験、耐摩耗性試験、ビッカース硬さ試験により、それぞれの引張強度、耐摩耗性、硬さを調べた。
【００５５】
複合材用プリフォームの圧縮試験にあっては、外径２０ｍｍ、板厚３０ｍｍの円柱状に成形した各複合材用プリフォームＡ〜Ｅを板厚方向に圧縮し、塑性変形が生じた耐力を複合材用プリフォームの圧縮強度とした。
【００５６】
一方、アルミニウム複合材Ａ〜Ｅにあって、引張試験は、ＪＩＳ  Ｚ２２０１に従って行った。ここで、アルミニウム複合材Ａ〜Ｅでは、それぞれのアルミニウム複合部から、標点間距離を約２５ｍｍとし、ここの形状を約５ｍｍφの円柱状とする試験片を成形し、この引張試験に供した。そして、引張強度は、いわゆる公称応力とし、試験片が破断する最大荷重により求めた。また、比較例４のアルミニウム合金母材Ｆにあっても、同形状の試験片を作成し、同様に引張試験を行った。
【００５７】
また、耐摩耗性試験は、所定の円板形状に成形した各アルミニウム複合材Ａ〜Ｅの試験片を用い、自動車用エンジンオイル１０Ｗ−３０内で、所定の円筒形状のクロム鋼鋼材ＳＣｒ４２０（ＪＩＳ  Ｇ  ４１０４）に、各アルミニウム複合材Ａ〜Ｅのアルミニウム複合部の表面を押し付ける。ここで、アルミニウム複合部を押し付ける面圧負荷は１５ＭＰａ／ｍｉｎとし、１分毎に１５ＭＰａずつ圧力を高くしていく。そして、この面圧負荷によりアルミニウム複合材Ａ〜Ｅの試験片を押し付けると同時に、該試験片を周速１ｍ／ｓｅｃで回転させ、この回転によって計測される摺動距離が２４００ｍｍに達した場合の、各アルミニウム複合材Ａ〜Ｅの体積減少量（ｍｍ３）を測定する。この体積減少量が摩耗量であり、この摩耗量を各複合材の耐摩耗性の指標とした。すなわち、摩耗量（体積減少量）が少ないほど、耐摩耗性に優れていることとなる。同様に、比較例４のアルミニウム合金母材Ｆにあってもこの耐摩耗性を調べた。
【００５８】
また、ビッカース硬さ試験は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に従って行った。試験では、所定の四角錐の圧子を、各アルミニウム複合材Ａ〜Ｅのアルミニウム複合部の表面に、９８Ｎの加重で押しつけ、その硬さを測定した。かかる硬さ試験にあっても、比較例４のアルミニウム合金母材Ｆの硬さを同様に測定した。
【００５９】
このような各試験による測定結果を、複合材用プリフォームＡ〜Ｅの圧縮試験については図８に示し、アルミニウム複合材Ａ〜Ｅ及びアルミニウム合金母材Ｆの各試験については図９に示した。
【００６０】
図８の複合材用プリフォームＡ〜Ｅの圧縮試験結果により、本発明にかかる実施例１の複合材用プリフォームＡ及び実施例２の複合材用プリフォームＢの圧縮強度は、比較例１〜３の各複合材用プリフォームＣ〜Ｅに比して、高強度であることが確認できた。すなわち、実施例の複合材用プリフォームＡ，Ｂは、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応によって、二酸化チタンが生成され、かつ、各強化材が強固に結合されているから、主にアルミナゾル（無機バインダー）により結合している各比較例の複合材用プリフォームＣ〜Ｅに比して、各強化材同士の結合力が強固であることを表している。ここで、比較例１の複合材用プリフォームＣにあっては、実施例１及び２と同様にホウ酸アルミニウムウィスカ及びチタン酸カリウムウィスカを混合したものであるが、該チタン酸カリウムウィスカの添加量が少なく、実施例のようにホウ酸アルミニウムウィスカと充分に反応していないことが表われている。このように、本実施例１及び２の複合材用プリフォームＡ、Ｂは、高い圧縮強度を有することから、アルミニウム合金の溶湯を含浸させる溶湯含浸工程にあっても、変形や破壊を生じることなく、適正にアルミニウム複合材を成形できる。これにより、比較的高密度の複合材用プリフォームを成形する場合にあっても、溶湯含浸工程における含浸圧を高めることができるから、巣（空隙）の発生を防止できるという優れた利点もある。
【００６１】
次に、図９に表す、アルミニウム複合材Ａ〜Ｅ及びアルミニウム合金母材Ｆの試験結果にあって、実施例１のアルミニウム複合材Ａは、引張試験で、各比較例１〜３のアルミニウム複合材Ｃ〜Ｅに比して高い強度を発揮した。また、ビッカース硬さ試験にあっても、アルミニウム複合材Ａは、アルミニウム複合材Ｃ〜Ｅに比して優れた硬さを発揮した。ここで、本実施例１のアルミニウム複合材Ａは、ほぼ同様の強化材を調合してなる比較例１のアルミニウム複合材Ｃに比しても高い引張強度と硬さを発揮している。これは、本実施例１では、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応によって生成されたアナターゼ型の二酸化チタンがアルミニウム合金と反応し、硬質のチタン−アルミニウム化合物が生成されたことによるものと思われる。
【００６２】
一方、実施例２のアルミニウム複合材Ｂは、ビッカース硬さ試験で、アルミニウム複合材Ｃ〜Ｅに比して優れた硬さを発揮したが、引張試験にあって、比較例１のアルミニウム複合材Ｃに比して引張強度が低くなった。これは、アルミニウム複合材Ｂが、強度的に不利に作用する活性炭５を含有しているためと思われる。ところで、このアルミニウム複合材Ｂは、アルミニウム複合材Ｄ及びＥに比して高い引張強度を発揮している。したがって、例え、強度的に不利に働く活性炭を含有した場合にあっても、上記のように、アナターゼ型の二酸化チタンとアルミニウム合金との反応によってチタン−アルミニウム化合物が生成されることから、比較的高い強度を発揮することが可能となる。また、本実施例のアルミニウム複合材Ａ及びＢは、アルミニウム合金母材Ｆに比しても高い強度と硬さを発揮しており、複合化によって優れた性能を発揮できることも確認できた。
【００６３】
また、アルミニウム複合材Ａ〜Ｅ及びアルミニウム合金母材Ｆの耐摩耗性試験結果にあっては、図９のように、本実施例のアルミニウム複合材Ａ，Ｂが、比較例のアルミニウム複合材Ｃ〜Ｅに比して、優れた耐摩耗性を有していることを確認できた。特に、アルミニウム複合材Ｅ及びアルミニウム合金母材Ｆに比べ、極めて高い耐摩耗性を発揮している。また、比較例１のアルミニウム複合材Ｃに比しても、耐摩耗性が向上している。これにより、本実施例のように、一般的に耐摩耗性に不利とされているチタン酸カリウムウィスカを比較的多量に添加しても、ホウ酸アルミニウムウィスカとの反応によって二酸化チタンを生成させることで、耐摩耗性を向上できることが確認された。一方、本実施例２のアルミニウム複合材Ｂは、本試験条件ではほとんど摩耗せず、一層高い耐摩耗性を発揮している。これは、摺動特性に優れた活性炭を含有しているためであり、上述した従来の活性炭（又は黒鉛）を焼失性粉末として添加する製造方法に比して、一層優れた耐摩耗性を有するアルミニウム複合材の成形が可能となる。而して、このアルミニウム複合材Ｂは、強度に比して、耐摩耗性を重要視される製品又はその特定部位に用いることが好適である。
【００６４】
尚、比較例２のアルミニウム複合材Ｄにあっては、ホウ酸アルミニウムウィスカを比較的多量に添加しているため、アルミニウム合金母材Ｆに比して優れた耐摩耗性を発揮した。これにより、ホウ酸アルミニウムウィスカの有用性が確認できる。また、比較例３のプリフォームＥ及びアルミニウム複合材Ｅにあっては、本実施例１，２に比して強度及び硬さが低く、チタン酸カリウムウィスカとアルミナ短繊維とでは反応を生じないこともわかる。
【００６５】
このように、本発明にかかる実施例１及び実施例２は、高い強度及び硬さと優れた耐摩耗性とを発揮するアルミニウム複合材Ａ，Ｂと、該複合材を成形する複合材用プリフォームＡ，Ｂとであるから、自動車のエンジンのピストンのような、要求性能の厳しいものにも好適に用いることができる。例えば、ヘッド周縁部５１を複合材用プリフォームＡにより強化してなるエンジンのピストン５０（図１０（ニ））が、図１０に示す鋳造成形工程（溶湯含浸工程）によって成形できる。この鋳造成形工程にあって、図１０（イ）のように、所定の金型５４により形成されたキャビティ５５内の、ヘッド周縁部５１の成形位置に、円環形状に成形された複合材用プリフォーム１（複合材用プリフォームＡ）を配置し、該金型５４の湯口５６に接続されるスリーブ５７内にアルミニウム合金６の溶湯を所定量流入する。その後、図１０（ロ）のように、このスリーブ５７を、金型５４の湯口５６に接続し、該スリーブ５７内に滞留する溶湯を、キャビティ５５内に所定の射出速度及び射出圧力により射出する。そして、図１０（ハ）のように、キャビティ５５内に溶湯が充満されると、射出を止めて冷却する。その後、金型５４から取り出して、湯口５６により形成される部位を除去する（図示省略）。これにより、図１０（ニ）のように、複合材用プリフォーム１（複合材用プリフォームＡ）により強化されたアルミニウム複合部１０ａからなるヘッド周縁部５１と、アルミニウム合金部１０ｂとにより一体的に成形されたピストン５０を得ることができる。
【００６６】
また、上述した実施例２にあっては、活性炭５を含有してなる複合材用プリフォームＢであるが、該活性炭５の代わりに、黒鉛を含有する構成としても、同等の圧縮強度を発揮できると共に、同等の引張強度、耐摩耗性、硬さを発揮し得るアルミニウム複合材１０を成形することが可能である。
【００６７】
【発明の効果】
本発明は、上述したように、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとをほぼ均質に混在し、かつ、該チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で５％より多く２０％以下の範囲で含有する予備混合体を、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応によって生成される二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合するように、所定温度で焼結してなる複合材用プリフォームであるから（請求項１）、前記チタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとが充分に反応することにより、各強化材が高い結合力で強固に結合されるため、従来の、無機バインダーの結合力により結合されてなる複合材用プリフォームに比して、高い強度を発揮できる。また、これにより、アルミニウム合金の溶湯を含浸する鋳造成形時に、変形や割れ等が発生することなく、適正な複合材を成形できる。一方、チタン酸カリウムウィスカの体積含有率を前記範囲とすることで、ホウ酸アルミニウムウィスカとの反応量が充分に確保され、優れた耐摩耗性を有する二酸化チタンを適量生成できる。これにより、かかる複合材用プリフォームを用いて成形されるアルミニウム複合材は優れた耐摩耗性を発揮するものとなり得る。さらに、前記反応によって生成された二酸化チタンは、アルミニウム合金と反応して硬質のチタン−アルミニウム化合物を生成し易いアナターゼ型をも含むため、アルミニウム合金を含浸してなるアルミニウム複合材が高い強度と硬さとを発揮できるものとなり得る。
【００６８】
かかる複合材用プリフォーム（請求項１）にあっては、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを水中で混ぜて混合水溶液を調合する混合工程と、該混合水溶液から水分を除去し、チタン酸カリウムウィスカを体積含有率で５％より多く２０％以下の範囲で含有する予備混合体を形成する脱水工程と、該予備混合体を所定温度で焼結させることにより、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとを反応させて二酸化チタンを生成し、該二酸化チタンがホウ酸アルミニウムウィスカの表面に結合されるようにした焼結工程とを備えている複合材用プリフォームの製造方法（請求項８）によって、好適に成形することができる。
【００６９】
上述した予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で１０％〜２０％の範囲で含有してなるものである構成の複合材用プリフォーム（請求項２）にあっては、該ホウ酸アルミニウムウィスカを含有することにより、優れた耐摩耗性を発揮できる複合材を成形することが可能となる。かかる複合材用プリフォームにあっては、脱水工程で形成された予備混合体が、ホウ酸アルミニウムウィスカを体積含有率で１０％〜２０％の範囲で含有するものであるとした製造方法（請求項９）によって、好適に製造することができる。
【００７０】
一方、このようなホウ酸アルミニウムウィスカが、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものであるとした構成の複合材用プリフォーム（請求項３）にあっては、チタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとの反応が全体的にほぼ均一に、かつ容易に生じることとなるため、二酸化チタンがほぼ均質に結合してなる状態を形成でき、全体的に高い強度を発揮できる。かかる複合材用プリフォームにあっては、ホウ酸アルミニウムウィスカは、チタン酸カリウムウィスカに比して、平均繊維径が太く、かつ、平均繊維長が長いものであるとした製造方法（請求項１０）によって、好適に製造することができる。この製造方法にあっては、混合工程により、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとがほぼ均質に混合する混合水溶液を比較的容易に形成でき、焼結工程により、ホウ酸アルミニウムウィスカとチタン酸カリウムウィスカとの反応を全体的にほぼ均一に生じさせ得る。
【００７１】
ここで、ホウ酸アルミニウムウィスカが、平均繊維径０．５μｍ〜５μｍであり、かつ平均繊維長１０μｍ〜５０μｍの短繊維形状であるとした構成の複合材用プリフォーム（請求項４）にあっては、該ホウ酸アルミニウムウィスカが屈曲したり折れ曲がって存在することを防止でき、充分に高い強度を発揮することが可能である。また、かかるホウ酸アルミニウムウィスカを用いた製造方法（請求項１１）によって、該ホウ酸アルミニウムウィスカがほぼ均質に分散された状態の混合水溶液を比較的容易に形成することができ、かかる複合材用プリフォームを好適に製造できる。
【００７２】
また、ここで、チタン酸カリウムウィスカが、平均繊維径０．１μｍ〜１μｍであり、かつ平均繊維長５μｍ〜２０μｍの短繊維形状であるとした構成の複合材用プリフォーム（請求項５）にあっては、比較的多くのチタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとが反応して焼結されてなる。この複合材用プリフォームは、かかるチタン酸カリウムウィスカを用いた製造方法（請求項１２）によって好適に製造できる。かかる製造方法にあっては、混合工程により、チタン酸カリウムウィスカがほぼ均質に分散された状態の混合水溶液を容易に形成でき、焼結工程により、チタン酸カリウムウィスカとホウ酸アルミニウムウィスカとの反応を一層促進させ得る。
【００７３】
上述した予備混合体が、アルミナ短繊維を含有しているものであるとした構成の複合材用プリフォーム（請求項６）にあっては、強度をさらに向上させることが可能である。かかる複合材用プリフォームは、混合工程でアルミナ短繊維を添加して混合水溶液を調合するようにした製造方法（請求項１３）によって好適に製造することができる。
【００７４】
また、上述した予備混合体が黒鉛又は／及び活性炭を含有しているものであって、該予備混合体を、該黒鉛又は／及び活性炭がホウ酸アルミニウムウィスカと結合状態を形成するように、所定温度により焼結してなるものであるとした構成の複合材用プリフォーム（請求項７）にあっては、潤滑性と振動特性に優れる黒鉛や活性炭を含有することにより、当該複合材用プリフォームからなる複合材は、優れた摺動特性及び振動減衰能を発揮するものとなる。かかる複合材用プリフォームにあっては、混合工程で、黒鉛又は／及び活性炭を添加して混合水溶液を調合すると共に、焼結工程にあって、該黒鉛又は／及び活性炭が焼失せずにホウ酸アルミニウムウィスカと結合するようにした製造方法（請求項１４）により好適に製造することができる。
【００７５】
一方、上述した請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯を加圧鋳造により含浸させる溶湯含浸工程を備えていることを特徴とするアルミニウム複合材の製造方法（請求項１５）にあっては、前記複合材用プリフォームの有する、優れた耐摩耗性と高強度、及び黒鉛や活性炭を含有する場合の優れた摺動特性及び振動減衰能、を充分に発揮し得るアルミニウム複合材を成形することが可能である。また、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の複合材用プリフォームに、アルミニウム合金の溶湯が加圧鋳造により含浸されてなる構成のアルミニウム複合材（請求項１７）にあっては、かかる製造方法により好適に製造することができる。
【００７６】
ここで、溶湯含浸工程が、所定の金型に形成されたキャビティの特定部位に複合材用プリフォームを配置した後、該キャビティに溶湯を流入することにより、該溶湯が複合材用プリフォームに含浸してなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とを一体的に成形するようにした製造方法（請求項１６）にあっては、耐摩耗性や強度等を特に必要とする特定部分のみを強化でき、かつ、金属部と複合部との境界面の強度を充分に確保できる。かかる製造方法にあっては、複合材用プリフォームにアルミニウム合金が含浸されてなる複合部と、アルミニウム合金からなる金属部とが一体的に成形されてなるものであるとした構成のアルミニウム複合材（請求項１８）を、好適に製造できる。かかるアルミニウム複合材は、金属部と複合部との境界面で応力集中による割れ等の発生が防止され、高い耐久性能を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態例の複合材用プリフォーム１を成形する製造工程を表す説明図である。
【図２】本実施形態例のアルミニウム複合材１０を成形する溶湯含浸工程を表す説明図である。
【図３】本実施形態例に供したアルミナ短繊維２、ホウ酸アルミニウムウィスカ３、チタン酸カリウムウィスカ４、活性炭５、二酸化チタン１１を表す拡大写真である。
【図４】本実施例１の複合材用プリフォームＡ（複合材用プリフォーム１）及び、アルミニウム複合材Ａ（アルミニウム複合材１０）を表す拡大写真である。
【図５】本実施例２の複合材用プリフォームＢ及び、アルミニウム複合材Ｂを表す拡大写真である。
【図６】比較例１の複合材用プリフォームＣ及び、アルミニウム複合材Ｃを表す拡大写真である。
【図７】比較例２の複合材用プリフォームＤ及び、比較例３の複合材用プリフォームＥを表す拡大写真である。
【図８】実施例１、２及び比較例１〜３の各複合材用プリフォームＡ〜Ｅの、圧縮強度の評価結果を示す図表である。
【図９】実施例１、２及び比較例１〜３の各アルミニウム複合材Ａ〜Ｅと、比較例４のアルミニウム合金母材Ｆとの、引張強度、耐摩耗性、硬さの評価結果を示す図表である。
【図１０】本実施例１の複合材用プリフォームＡにより強化される、エンジンのピストン５０を鋳造成形する工程を表す説明図である。
【符号の説明】
１  複合材用プリフォーム
２  アルミナ短繊維
３  ホウ酸アルミニウムウィスカ
４  チタン酸カリウムウィスカ
５  活性炭
６  アルミニウム合金
８  混合水溶液
９  予備混合体
１０  アルミニウム複合材
１１  二酸化チタン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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