JPH06264170A - 高強度耐摩耗性アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 材料自体の耐摩耗性、摺動相手材の耐摩耗性
および製造時に使用する型の耐損耗性あるいは被削加工
性などに卓越した特徴を有するアルミニウム−シリコン
焼結合金を提供することである。 【構成】 シリコン ８〜３０重量％ 銅、マグネシウム、ニッケ
ル、鉄、マンガンのうちの少なくとも１種以上 ０．１
〜１０重量％（たゞしＮｉ＋Ｆｅ＋Ｍｎ＜１．６重量
％） アルミニウム 残部よりなる合金粉末を焼結して
なるアルミニウム焼結合金において、焼結を固相で行な
い、かつ押出又は鍛造により塑性変形を加えて緻密化す
ることにより該合金が真密度に対して９５％以上の密度
を有し、かつ引張強度が３０kg／mm² 以上であり、シリ
コンの最大粒子径が１０μｍ以下であることを特徴とす
る高強度耐摩耗性アルミニウム合金。例えばＳｉ１７．
１％、Ｃｕ３．１％、Ｍｇ０．３０％、Ｎｉ０．１０
％、Ａｌ残部からなるアトマイズ合金を用いて引張り強
さ３８kg／mm² の押出品を得た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、材料自体の耐摩耗性な
らびに摺動相手材の耐摩耗性および製造時に使用する型
の耐損耗性あるいは材料の被削加工性などに卓越したア
ルミニウム−シリコン焼結合金材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、摺動部品の軽量化、熱伝導性、耐
蝕性、非磁性、コストなどの理由により、各種アルミニ
ウム合金中、耐摩耗性にすぐれた鋳造アルミニウム−シ
リコン系合金が用いられている。シリコン含有量の少な
い亜共晶あるいは共晶アルミニウム−シリコン合金で
は、アルミニウムの初晶及び共晶状のαを析出し、シリ
コンの分散状態が劣るため耐摩耗性が十分でなく、苛酷
な摺動条件下の部品には利用しえない欠点を有する。他
方シリコン含有量の多い過共晶アルミニウム−シリコン
合金は、高い硬度を有するシリコンを初晶として析出
し、優れた耐摩耗性を有する。摩擦摺動相手材を著しく
損耗せしめること、および摺動条件によってはマトリッ
クスより脱落した粗大なシリコン粒子が、砥粒研摩作用
によって材料自体の摩耗も増大せしめること、ならびに
被削加工性に乏しく精密な加工が困難であることなどの
欠点を有している。このため初晶シリコン結晶粒子を微
細化せしめる種々の試みがなされているが、鋳造合金で
はまだ満足すべき材料を得るに至っていない。

【０００３】一方、粉末冶金法は各種の分散粒子を微細
均一分散せしめるのに有効な手段として周知であるが、
本発明材料は通常の粉末冶金法により製造することは困
難である。すなわち、アルミニウム、シリコンとも非常
に酸化されやすく、その粉末の表面は強固な酸化被膜で
覆われており、焼結性を著しく阻害するため、アルミニ
ウム−シリコン合金を焼結させるためには酸化被膜の破
壊を生じる。少なくとも一部液相の生成を伴う焼結温度
を選択する必要があり、このような液相生成温度条件下
では、アルミニウム−シリコンの混合粉末あるいは合金
粉末とをとわずシリコン粒子が焼結中に成長粗大化する
傾向を有している。この傾向は微細なシリコン粒子を含
有するものほど顕著であり、本発明範囲の材料をつくる
ことは困難である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述のよう
な欠点を改善し、材料自体の耐摩耗性、摺動相手材の耐
摩耗性および製造時に使用する型の耐損耗性あるいは被
削加工性などに卓越した特徴を有するアルミニウム−シ
リコン焼結合金を提供せんとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のアルミニウム合
金の基本的な特徴は、 シリコン ８〜３０重量％ 銅、マグネシウム、ニッケル、鉄、マンガン のうちの少なくとも１種以上 ０．１〜１０重量％ （たゞしＮｉ＋Ｆｅ＋Ｍｎ＜１．６重量％） アルミニウム 残 部 よりなる合金粉末を焼結してなるアルミニウム焼結合金
において、該合金において、焼結を固相で行ない、かつ
押出又は鍛造により塑性変形を加えて緻密化することに
より該合金が真密度に対して９５％以上の密度を有し、
かつ引張強度が３０kg／mm² 以上であり、シリコンの最
大粒子径が１０μｍ以下であることを特徴とする高強度
耐摩耗性アルミニウム合金にある。

【０００６】本発明の合金は一般に次のようにして製造
される。最大粒子径１０μ以下のシリコンを重量％（以
下同じ）で８〜３０％含有するアルミニウムとシリコン
を主成分として通常含有する銅、マグネシウム、ニッケ
ル、マンガンおよび鉄、などの諸成分の一部または全部
を含有し、好ましくは、−３０メッシュ＋３５０メッシ
ュ（４４〜５８０μｍ、平均１００〜２００μｍ）のア
トマイズ合金粉末をプレス成形した圧粉成形体、または
該圧粉成形体を前記合金粉末の固相焼結温度領域内、す
なわち、３００℃以上液相生成温度以下において非酸化
性雰囲気中で焼結してなる焼結体を前記固相焼結温度領
域内で押出し鍛造などの塑性変形を伴う外部応力を加え
て緻密化することによって得られる。本発明ではこのよ
うに比較的吸着ガスの少ない粗い粉末を用い、しかも特
定密度（後述するように真密度の６５〜８５％）の圧粉
成形体を経て緻密化するのでブリスターや微小空隙の発
生が抑えられる。本材料はこのまゝでもすぐれた耐摩耗
性を有するものであるが、更に本材料に潤滑性を有する
黒鉛５〜３０重量％、ＷＳ₂ あるいはＭｏＳ₂ 等の硫化
物を一種以上合計で５〜３０重量％ＣａＦ₂ あるいはＢ
ａＦ₂ 等の弗化物を一種以上合計で５〜３０重量％を夫
々単独で含有せしめたもの、あるいは黒鉛、硫化物、弗
化物の二種以上含有し、その合計量が５〜３０重量％以
下含有せしめ潤滑性を賦与することにより潤滑油膜の形
成が不十分な摺動条件あるいは潤滑油が使用できないよ
うな、いわゆる乾式摺動条件下で優れた摺動性能を有
し、被削加工性も改善せしめる。

【０００７】以下、本発明の組成範囲等の選定理由を述
べる。シリコンが８％以下では、耐摩耗性改善効果が少
なく３０％以上含有せしめても摺動性能向上効果はほと
んど増加せず、かえって強度が低下することおよびアト
マイズ粉末を得るのに溶湯温度を高くする必要が生ずる
等の理由により好ましい範囲を８〜３０％とした。

【０００８】本発明合金の金属組織はアルミニウムを主
成分とするマトリックス中に硬い硬度を有するシリコン
が微細でかつ均一に分散していることに特徴がある。こ
のことが本発明合金の優れた特性を発揮する主因をなし
ているものであってシリコンの最大粒子径が少なくとも
１０μ以下、好ましくは５μ以下であることが必要であ
る（図１〜２参照）。

【０００９】本発明合金の微細組織を得るためには、シ
リコンの最大粒子径が１０μ以下好ましくは５μ以下の
シリコンを所定量含有するアルミニウムとシリコンを主
成分とするアトマイズ合金粉末を原料粉末として、その
後の焼結工程あるいは緻密化工程における加熱温度を液
相の生成が伴わない固相焼結温度領域内に保持すること
が必要である。

【００１０】アトマイズ合金粉末中のシリコン粒子径は
合金組成、溶湯温度、粉末粒度など各種要因に影響を受
けるが、アトマイズ粉の冷却凝固速度に主として依在し
ており、本発明所期のシリコン粒子径を有するアトマイ
ズ粉末を得るには、冷却凝固速度が少なくとも１０℃／
ｓｅｃ以上、好ましくは５０℃／ｓｅｃ以上であること
が必要である。この条件は通常のアトマイズ法で、比較
的容易に選択しうるものである。微細なシリコン粒子を
含有するアトマイズ合金粉末の粒度は−３０メッシュ＋
３５０メッシュの粒度範囲のものが最適である。粉末粒
度が３０メッシュ以上では含有するシリコン粒の粗大化
の傾向が認められることおよびプレス成型した圧粉成形
体の強度が低下することなどの理由により好ましくな
い。アトマイズ合金粉末の表面に必然的に存在する酸化
物は本発明合金の場合、合金内に細かく分散して高温強
度、ならびに耐摩耗性を向上せしめる効果を有するが、
粉末粒度が３５０メッシュ以下の微粉末では酸化物の含
有量が飛躍的に増大し、プレス成形型や緻密化工程に用
いる型やダイを損耗せしめること、ならびに塑性変形態
が悪く緻密化を阻害することなど製造上の問題、あるい
はアルミナやシリカは非常に硬質な酸化物で、摩擦摺動
相手材の損耗を増大せしめることや被削加工性を阻害す
るなどの性能上の問題がある。また酸化物含有量の比較
的少ない３５０メッシュ以下の微粉末の製造は可能であ
るが、気中の取扱いは発火の危険性を伴いあまり実用的
でないので好ましい範囲は−３０＋３５０メッシュであ
る。圧粉成形体の焼結工程、あるいは緻密化工程におけ
る加熱温度は、３００℃以上好ましくは再結晶温度以上
で、液相生成温度以下での温度で焼結あるいは緻密化処
理を行うことが必要である。３００℃以下の加熱温度で
は緻密化に必要な加工性が得られず、液相の生成を伴う
ような加熱温度ではシリコン粒子の成長阻大化のため所
期の目的を達し得ない。本発明における焼結工程は、緻
密化工程前に中間的な加工を要する場合、あるいは最終
製品形状が複雑で素材強度が必要な場合などに実施し、
通常は圧粉成形体のまゝ緻密化工程を実施しうるもので
ある。緻密化工程は、酸化の抑制とガス抜けを良好とす
るため真密度の６５〜８５％の密度とした多孔質な圧粉
成形体あるいは該圧粉成形体を固相焼結してなる多孔質
焼結体を押出し、鍛造などの塑性変形を伴う外部応力を
加えて少なくとも理論密度比９５％以上の密度まで緻密
化することが必要である。当然のことではあるが、外部
応力と、理論密度比および強度の間には密接な関連があ
る。例えば、押出しの場合、押出し比と強度の間には、
図４に示すような関係がある。実施例１のＡに示す成分
の焼結アルミニウム合金を焼結後、各種の押出比で押し
出し引張強度さとの関係を示したものである。緻密化が
９５％以下では、残存空孔率が多いことならびに粒子間
の酸化被膜の破断が不十分なため粒子間の結合性が弱い
ため、所期の目的を達し得ない。本発明合金は引張強度
が３０kg／mm² 以上という高強度を有する。

【００１１】本発明では多孔質な圧粉成形体を用いるた
めプレス形時の成形圧力は１〜２ｔ／cm² でよく、成形
型の損耗が少なく、また多孔質体を緻密化せしめるため
緻密化の際の変形抵抗が小さいために緻密化用の工具寿
命も非常に長い特徴を有する。

【００１２】上述アトマイズ合金粉末に通常の合金成分
として、銅、マグネシウム、マンガン、鉄、ニッケルの
少なくとも１種を０．１〜１０重量％含有せしめること
によって、強度、耐熱性の向上の効果がある。１０重量
％以上となるとかえって脆化したり、製造時緻密化が困
難となる。また、０．１重量％以上ではその効果がな
い。この中で、ニッケル、マンガン、鉄は通常の鋳造ア
ルミ合金では粗大な偏析物を生成し、強度を著しく低下
させる為、ごく微量の添加に限られていた。しかし、本
発明によれば、アルミニウム焼結合金に偏析が生じず、
微細均一な分散強化粒子を生成し、強度の向上を帰与す
るため、積極的に加えることが可能である。たゞしその
範囲はＮｉ＋Ｆｅ＋Ｍｎ＜１．６重量％という関係を満
足させることが重要でこれにより強度、耐熱性をバラン
スよく保持することができる。

【００１３】本発明材の摺動特性改善を目的として黒鉛
５〜３０％、ＷＳ₂ 、あるいはＭｏＳ₂ 等の硫化物を一
種以上合計で５〜３０％、ＣａＦ₂ あるいはＢａＦ₂ 等
の弗化物を一種以上合計で５〜３０％の固体潤滑成分を
夫々単独で含有せしめたもの、あるいは黒鉛硫化物、弗
化物を二種以上含有し、その合計量が５〜３０％含有せ
しめることができる。

【００１４】これらの固体潤滑成分の添加は摩擦抵抗を
減少せしめ、材料自体の耐摩耗性および相手材の損耗を
改善する効果を有し、特に潤滑油膜の形成が不十分な摺
動条件な潤滑油が使用できないような乾式摺動条件下で
優れた摺動性能を発揮するものである。しかしその添加
含有量がそれぞれの規定量以下では添加の効果が少な
く、それぞれの規定量以上に添加含有せしめても、性能
向上効果はほとんど増加せず、材質強度が低下するので
好ましくない。なおこれら固体潤滑成分を含有するもの
は含有する潤滑成分により、耐焼付性、耐摩耗性などの
摺動特性がやゝ異なり、例えば潤滑油中で苛酷な摺動条
件下で用いられるものには、黒鉛の如き自己潤滑性と保
油性を有するものが適当であり、低温度から高温度まで
の温度変化の大きい条件下で用いられる場合には黒鉛あ
るいはＷＳ₂ 等の硫化物と高温特性にすぐれたＣａＦ₂
等の弗化物の二種含有したものが特にすぐれた効果を発
揮する等が認められた。

【００１５】

【実施例】以上のような本発明の構成、効果を具体的に
例示するために本発明の実施例を以下説明する。 実施例１ 表１に示す組成を有する合金をそれぞれ溶解し冷却凝固
速度が５０℃／ｓｅｃ以上になる条件で作製したアトマ
イズ合金粉を−３０メッシュ＋３５０メッシュおよび−
３５０メッシュに粒度調整した粉末を用い、１．５〜２
ｔｏｎ／cm² の圧力での圧粉成形体および該圧粉成形体
を５００℃×３０分間水素雰囲気中で焼結せしめた焼結
体を４５０℃に窒素雰囲気中で加熱したものを押出比
１：１３のダイを用い押出し又は圧力８ｔｏｎ／cm² で
鍛造を行い表２に示す合金を得た。また比較材を得るた
め表１に示す組成の合金を溶解し、金型鋳造してシリコ
ン最大粒子径４０〜５０μを有する鋳造材（試料 No.１
０）および表１に示す組成に−６０メッシュのＡｌ粉末
−２５０メッシュのＳｉ粉末−３５０メッシュ以下のＣ
ｕ、Ｍｇ、Ｎｉの粉末を均一混合した粉末を前記と同条
件で圧縮成型焼結、押出しを行って得た合金の特性を表
２（試料 No.９）に示す。

【表１】

【表２】

【００１６】表２に記載の試料を表４、表５に示す摩擦
摩耗試験、表６に示す被削加工試験を行い、その結果を
おのおの表８、表９に示した。また表２に記載のＮｏ．
１およびＮｏ．７の粉末を用いて、圧粉成形時に用いる
金型の摩耗の度合を調べた。この方法はあくまでもモデ
ル的な試験であるが、この結果によれば表１０に示すよ
うに、試料Ｎｏ．１の方が金型の摩耗が少ないものと推
定される。

【００１７】実施例２ １７．１％Ｓｉ、３．１％Ｃｕ、０．３０％Ｍｇ、０．
１０％Ｎｉ残部が実質的にＡｌからなる合金を溶解し、
冷却凝固速度が５０℃／ｓｅｃ以上になる条件で作製し
た−３０＋３５０メッシュのアトマイズ合金粉末と平均
粒径１０μの黒鉛粉末、最大粒子径１０μ以下のＷ
Ｓ₂ 、およびＣａＦ₂ の粉末を表３に示す組成に均一混
合した粉末を２ｔｏｎ／cm² の圧力でプレス成型した圧
縮成形体を５２０℃×１０分間加熱したものを理論密度
比で９５％以上の密度になるように型鍛造を行って表３
に示す合金を得た。これらの試料を実施例１と同様に表
４、表５に示す摩擦摩耗試験、表６に示す被削加工試験
を行い、その結果をまとめて表８、表９に示した。

【表３】

【表４】

【表５】

【表６】

【表７】

【表８】

【表９】

【表１０】

【００１８】

【発明の効果】本発明の合金は機械的強度にすぐれ、材
料自体の耐摩耗性、摺動相手材の耐損耗性および製造時
の使用型の耐損耗性、あるいは被削加工性などに卓越し
た特性を有するものである。なお本発明の合金は機械的
強度の向上等を目的としてアルミニウム合金に通常実施
される熱処理が可能なことはいうまでもない。特に、引
張強度が２５kg／mm² 以上でかつ、摩耗量が８×１０^-7
mm³ ／kg以下のような合金であれば、従来は使えなかっ
た、コンプレッサーベーン、コンロッド、ピストン、シ
リンダー等の分野へも使用が可能となる。このような分
野では、部品の軽量化に努力がなされており、本発明に
よる合金は、上記のような分野へ使用できるようになっ
た。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明材（試料Ｎｏ．２）の組織を示す顕微鏡写
真、図２は比較のための金型鋳造材（試料Ｎｏ．１０）
の組織を示す顕微鏡写真である。図３は表７に示す型摩
耗試験に用いた装置の概要を示す説明図、図４は、塑性
加工の量と強度の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…相手材 ２…攪拌手（両側） ３…合金粉スラリー ４…試験片（ＳＫＤ鋼） ５…重錘

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【手続補正書】

【提出日】平成５年１月２５日

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】は本発明材（試料Ｎｏ．２）の金属組織を示す
顕微鏡写真である。

【図２】は比較のための金属鋳造材（試料Ｎｏ．１０）
の金属組織を示す顕微鏡写真である。

【図３】は表７に示す型摩耗試験に用いた装置の概要を
示す説明図である。

【図４】は、塑性加工の量と強度の関係を示すグラフで
ある。

【符号の説明】 １・・・相手材 ２・・・攪拌手（両側） ３・・・合金粉スラリー ４・・・試験片（ＳＫＤ） ５・・・重錘

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン ８〜３０重量％ 銅、マグネシウム、ニッケル、鉄、マンガン のうちの少なくとも１種以上 ０．１〜１０重量％ （たゞしＮｉ＋Ｆｅ＋Ｍｎ＜１．６重量％） アルミニウム 残 部 よりなる合金粉末を焼結してなるアルミニウム焼結合金
   において、焼結を固相で行ない、かつ押出又は鍛造によ
   り塑性変形を加えて緻密化することにより該合金が真密
   度に対して９５％以上の密度を有し、かつ引張強度が３
   ０kg／mm² 以上であり、シリコンの最大粒子径が１０μ
   ｍ以下であることを特徴とする高強度耐摩耗性アルミニ
   ウム合金。
2. 【請求項２】 シリコン ８〜３０重量％ 銅、マグネシウム、ニッケル、鉄、マンガン のうちの少なくとも１種以上 ０．１〜１０重量％ （たゞしＮｉ＋Ｆｅ＋Ｍｎ＜１．６重量％） アルミニウム 残 部 よりなる合金粉末と固体潤滑成分５〜３０重量％とを、
   混合、焼結してなるアルミニウム合金において、焼結を
   固相で行ない、かつ押出又は鍛造により塑性変形を加え
   て緻密化することにより該合金が真密度に対して９５％
   以上の密度を有し、かつ引張強度が２２kg／mm² 以上で
   あり、シリコンの最大粒子径が１０μｍ以下であること
   を特徴とする高強度耐摩耗性アルミニウム合金。
3. 【請求項３】 固体潤滑成分が、黒鉛、ＷＳ₂ 、ＭｏＳ
   ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＢａＦ₂ の１種以上よりなることを特徴
   とする請求項２に記載の高強度耐摩耗性アルミニウム焼
   結合金。