JPH0686871B2

JPH0686871B2 - 摺動部材の組合せ

Info

Publication number: JPH0686871B2
Application number: JP9957386A
Authority: JP
Inventors: 文夫清田; 達生藤田; 修史横関; 洋市山下
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1986-04-30
Filing date: 1986-04-30
Publication date: 1994-11-02
Anticipated expiration: 2009-11-02
Also published as: JPS62255591A

Description

【発明の詳細な説明】イ．産業上の利用分野本発明は摺動部材の組合せに関する。

ロ．従来技術例えば、ロータリーコンプレッサのベーンとハウジン
グ、或いはベーンとロータのような耐摩耗性と耐焼付性
とが要求される摺動部材にあっては、慣性が重要視され
るベーンの材料には比重が小さくて耐摩耗性に優れる過
共晶アルミニウム−珪素合金を用い、慣性が問題になら
ないハウジングやロータの材料には鋳鉄や鉄基焼結合金
を用いた組合せが採用されている。

ボッシュ式及びヨーク式ロータリーコンプレッサでは、
ロータの複数のベン溝に嵌入された複数のベーンが、ロ
ータの回転によって遠心力を受けながらハウジングに対
して摺動する。

ロタスコ式ロータリーコンプレッサでは、ハウジングの
ベーン溝に嵌入され、背後からスプリングによってロー
タに圧接する１個のベーンが、ハウジングに対して偏心
位置して回転するロータに摺接する。

前者の方式のロータリーコンプレッサでは、ハウジング
とベーンとではハウジングの摺動面積が相対的に大き
く、ベーンの摺動面積が相対的に小さい。後者の方式の
ロータリーコンプレッサでは、ロータとハウジングとで
はロータの摺動面積が相対的に大きく、ベーンの摺動面
積が相対的に小さい。

最近、軽量化の要請から、従来鋳鉄や鉄基焼結合金を用
いていた摺動部材（ハウジングやロータ）にも軽量なア
ルミニウム合金を使用したいという要望が高まってきて
いる。ところが、アルミニウム合金同士の組合せでは、
耐摩耗性、耐焼付性が共に悪く、アルミニウム合金中で
も特に耐摩耗性、耐焼付性に優れる過共晶アルミニウム
−珪素合金同士を組合せてもその摺動特性は十分ではな
く、上記の要望に応えるアルミニウム合金摺動部材同士
の組合せは実現されていない。

ハ．発明の目的本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、
互いに摺動する両摺動部材のいずれもが軽量なアルミニ
ウム基材料であって、かつ、耐摩耗性、耐焼付性に優れ
る摺動部材の組合せを提供することを目的としている。

ニ．発明の構成即ち、本発明は、接触面積が相対的に大きい第一の摺動
部材と、摺動面積が相対的に小さい第二の摺動部材とが
互いに摺動する摺動部材の組合せであって、前記第一の摺動部材が、珪素12〜30重量％、銅２〜８重
量％、マグネシウム0.2〜2.0重量％、鉛0.5〜５重量
％、残部が実質的にアルミニウムからなるアルミニウム
合金であって、前記第二の摺動部材が、珪素10〜30重量％、遷移金属の
１種又は２種以上が合計で３〜10重量％、銅２〜８重量
％、マグネシウム0.2〜3.0重量％、残部が実質的にアル
ミニウムからなり、極めて微細な初晶珪素及び／又は極
めて微細な共晶珪素が分散したアルミニウム合金素地中
に、平均粒径３〜60μｍの硬質粒子が３〜10容積％分散
した組織を有する複合材料である、摺動部材の組合せに係る。

ホ．発明の作用効果接触面積が相対的に大きい第一の摺動部材では、過共晶
アルミニウム−珪素合金の初晶珪素が硬度H_MV700〜1000
で共晶部分よりも硬く、摺動中に初晶珪素が共晶部分に
対して相対的に凸部なり、共晶部分は相対的に凹部を形
成する。凸部は硬質であるので耐摩耗性に寄与し、凹部
となった共晶部分は第二の摺動部材と接触する機会が少
なくなり、また潤滑油の油溜りとなって油膜を保持し易
く、油切れを起こし難くする。

接触面積が相対的に小さい第二の摺動部材では、第一の
摺動部材の初晶珪素よりも一層硬い硬質粒子を分散させ
ることによって、摺動中硬質粒子が他の部分に対して相
対的に凸部を形成して自身の摩耗を低減すると共に、他
のアルミニウム−珪素合金素地は相対的に凹部を形成し
て油溜りとなり、油膜の保持を容易にして焼付を防止す
る。

接触面積が相対的に小さい第二の摺動部材は、運動中常
に摺動するので摩耗が進行し易く、また、表面温度が上
昇することによって変形抵抗が低下して第一の摺動部材
に凝着し易い。これら防止するために第二の摺動部材の
側に硬度H_MV1000〜3500の硬質粒子を分散させる。

次に、第一の摺動部材を構成する各成分について説明す
る。

第一の摺動部材は過共晶アルミニウム−珪素合金とす
る。過共晶アルミニウム−珪素合金は、鋳造用合金であ
って、前述したように耐摩耗性、耐焼付性に優れてい
る。Al−Si系の共晶組成は珪素11.3重量％（以下、特に
説明なき場合、「％」は「重量％」を表す。）であっ
て、珪素が12％未満では初晶珪素が前述した効果を奏す
るに至らず、これが30％を越えると効果の増大が顕著で
はない上に、固液共存温度範囲が広くなって鋳造性が甚
だ悪くなり、靭性、被削性も悪くなる。

銅及びマグネシウムは時効硬化によって素地を強化する
作用を有する。また、銅含有量が増加する程熱膨張係数
が低下するので好都合である。しかしながら、銅含有量
が８％を越えるとCu₂Alの粗大な金属間化合物が晶出し
て素地を脆化させるようになり、耐蝕性も低下するよう
になるので８％以下とし、下限は時効硬化の顕れる２％
とするのが望ましい。特に好ましい範囲は３〜６％であ
る。

マグネシウムは銅と同様時効硬化の作用によって素地を
強化するが、含有量が多くなる程熱膨張係数を上昇さ
せ、脆化作用も見られるので好ましくなく、銅のみでも
上記時効硬化の効果は奏せられることを考慮して、マグ
ネシウムは0.2〜2.0％の範囲とする。特に好ましい範囲
は0.3〜1.5％である。

鉛は、油切れを起こし易くなるような苛酷な摺動条件下
にあって、摺動面の潤滑性を補充する。接触面積の大き
い第一の摺動部材の側に鉛を含有させるのが、鉛の量が
多くなって効果的である。また、鉛を含有させることに
より、被削性が良好ではない過共晶アルミニウム−珪素
合金の被削性が改善される。鉛含有量が0.5％未満では
上記の効果が顕著ではなく、これが５％を越えると機械
的強度を低下させるので、0.5〜５％の範囲とするのが
良い。

第二の摺動部材は、極めて微細な初晶及び／又は共晶珪
素が晶出した略共晶乃至過共晶アルミニウム−珪素合金
素地中に硬質粒子が均一に分散した複合材料からなって
いる。第二の摺動部材では、上記の硬質粒子がハードス
ポットを形成して耐摩耗性、耐焼付性を改善する。

上記のような微細な初晶及び／又は共晶珪素が均一に晶
出したアルミニウム−珪素合金は、アトマイズ法によっ
て急速凝固させた合金粉を押出し加工によって成形して
得ることができる。アトマイズ法によれば、凝固が鋳造
の場合に較べて遥かに急速であるため、初晶及び／又は
共晶珪素は極めて微細になり、このような合金粉を原料
とする第二の摺動部材の素地は、この微細な珪素粒子に
よって機械的強度と耐摩耗性とが改善される。即ち、第
二の摺動部材では、微細な珪素粒子では素地強化に寄与
し、ハードスポットとして作用するのは寧ろ後述する硬
質粒子である。

押出し加工は、押出し比10以上で熱間押出しによるのが
良く、特に粒子の流動が略一様で抵抗の小さい間接押出
し法によるのが好適である。この押出し加工には、上述
のアルミニウム−珪素アトマイズ合金粉に硬質粒子を配
合した混合粉又はこの混合粉を成形した圧粉体或いはこ
の圧粉体を通例の粉末冶金法によって焼結した焼結体を
被加工材として使用する。焼結体を被加工材とすると、
被加工材の取扱いが容易となる。

熱間押出し加工によって、アルミニウム−珪素アトマイ
ズ合金粉の表面に不可避的に生成された薄いアルミナ
（Al₂O₃）皮膜は押出し加工による塑性流動によって超
微細に分断され、Al₂O₃皮膜の介在によって粉末粒子間
の拡散が阻止され、その結果成形性が阻害されるという
問題が解消される。そのためには押出し比は10以上であ
ることを要し、加工温度は400〜500℃が適当である。ま
たこのようにすることによって得られる押出し成形体中
に分散する硬質粒子は周囲のアルミニウム−珪素合金か
ら強い圧縮力を受けるので、摺動中にこれら粒子が脱落
することが防止される。

このようにして得られる押出し成形体は目的の部品の寸
法に近い寸法のものとすることが容易であるので、後の
仕上げ加工に於ける歩留を極めて高くすることができ
る。

以下、第二の摺動部材を構成する各成分について説明す
る。

珪素は10％未満では素地の耐摩耗性改善の効果が十分で
はない。珪素含有量が高い程硬度、耐摩耗性が向上する
上に熱膨張係数が低下するが、30％を越えると上記効果
の増大は顕著ではなく、素地を脆化させ、また、押出し
加工に際して非常に大きな荷重を必要とするようになっ
て好ましくない。従って素地中の珪素含有量は10〜30％
とする。特に好ましい範囲は16〜25％である。

遷移金属（周期表第IIIB族〜VII族及びVIII族の金属
で、特に鉄、ニッケル、マンガン、クロム等が好ましく
使用できる。）は、高温で安定な金属間化合物を微細に
成形し、素地の機械的強度改善に寄与する。これら１種
又は２種以上を使用してよいが、その合計が３％未満で
は上記の効果が顕著ではなく、10％を越えると却って機
械的強度を低下させ、押出し加工性、被削性を害するよ
うになる。

銅及びマグネシウムについては、前述した第一の摺動部
材に於けると同様である。但し、マグネシウムについて
は、素地は急速凝固したアトマイズ合金粉を原料として
いるので、第一の摺動部材よりも多量に過飽和に固溶で
き、その上限は3.0％迄許容される。

上記合金素地中に分散させる硬質粒子としては、初晶珪
素の硬度よりも高いもの（硬度H_MV700〜1000以上）とす
る。硬質粒子としては、金属珪素と、窒化珪素（Si
₃N₄）、炭化珪素（SiC）、窒化チタン（TiN）、窒化チ
タン（TiC）、炭化タングステン（WC）、アルミナ（Al₂
O₃）、酸化クロム（Cr₂O₃）、硼化チタン（TiB）、硼化
クロム（CrB₂）、硼化モリブデン（MoB）等のセラミッ
クス、TiSi₂、WSi、MoSi₂等の金属間化合物や、フェロ
モリブデン、フェロタングステン等の硬質合金の粉末が
使用できる。特に、金属珪素、Si₃N₄、SiC、TiC、Al
₂O₃、TiNは、比重が約6g/ccで、アルミニウム−珪素合
金のそれに近いので、アルミニウム−珪素合金粉中に偏
在することなく均一に混合し易いので好都合である。中
でも、金属珪素、Si₃N₄及びSiCは、アルミニウム−珪素
合金との密着性が良い上に廉価であるので有利である。

硬質粒子の粒径は、低速摺動条件下での耐摩耗性改善の
ためには、素地を形成するアルミニウム−珪素アトマイ
ズ合金粉の粒径よりも大きくする必要があり、平均粒径
で少なくとも３μｍを必要とする、これが60μｍを越え
ると押出し加工が困難になるので３〜60μｍとする。但
し、最大粒径は80μｍ以下に止めるのが良い。特に好ま
しい平均粒径の範囲は10〜40μｍである。

硬質粒子の分散量は、前述の効果を奏せしめるためには
少なくとも３容積％を必要とする。これが10容積％を越
えると押出し加工が困難となり、また第一の摺動部材を
摩耗させるようになる。

ヘ．実施例以下に実施例を挙げて本発明を説明する。

第一の摺動部材として、珪素16％、銅３％、マグネシウ
ム１％、鉛1.5％、残部が実質的にアルミニウムからな
る金型鋳造材を作り、これにT6を施して、これから試験
片を採取した。

第二の摺動部材として、下記表に示すような過共晶アル
ミニウム−珪素アトマイズ合金粉（100メッシュ篩下）
に硬質粒子を配合、混合し、この混合粉を成形ゴム型中
に充填して4ton/cm²の加圧力で冷間静水圧プレスを用い
て成形し、ピレットとした。得られたピレットは、外形
49.5mm、長さ90mmであり、その真密度比は70％である。
次に、450℃に加熱保持された内径50mmのコンテナ中に
予め450℃に加熱保持された前記ピレットを挿入し、間
接押出し法によって直径12mmの押出し棒を得た。このと
きの押出し比は17.4である。この押出し棒にT6処理を施
してから試験片を採取した。なお、硬質粒子の粒径は、
金属珪素が５〜50μｍで平均粒径30μｍ、Si₃N₄が１〜5
0μｍで平均粒径30μｍ、SiCが５〜15μｍで平均粒径が
10μｍである。

比較のために、硬質粒子を含有せず、その他は上記と同
様にして製作した第二の摺動部材（比較例１、２）及び
遷移金属を含有せず、その他は上記と同様にして製作し
た第二の摺動部材（比較例３、４）の試験片を用意し
た。

第１図は第一の摺動部材の組織を示す倍率100倍の顕微
鏡写真、第２図は第二の摺動部材（記号Ｃ）の組織を示
す倍率400倍の顕微鏡写真である。

第１図の第一の摺動部材の組織では、白く見えるアルミ
ニウムと細長くねずみ色に見える共晶珪素とからなる素
地中に、ねずみ色の塊状の初晶珪素が晶出している。初
晶珪素中には、黒点状に鉛相が観察できる。

第２図の第二の摺動部材の組織では、薄ねずみ色の初晶
珪素が白く見えるアルミニウム−珪素共晶組織中に晶出
した素地中に、ねずみ色の角張った炭化珪素（SiC）粒
子が分散しているのが観察される。第二の摺動部材はア
トマイズ合金粉を使用しているので、その素地の組織は
第１図の組織に較べて遥かに微細であり、そのため、初
晶珪素は観察できない。

前記第一の摺動部材の試験片と表に示した第二の摺動部
材の試験片とを組合せて、摩耗試験及び焼付試験を行っ
た。

なお、他の比較例として、前記第一の摺動部材試験片用
供試材から第一の摺動部材の試験片及び第二の摺動部材
の試験片を採取し、同じ材料同士の組合せで試験を行っ
た（比較例５）。そのほか、従来からロータリーコンプ
レッサのロータやハウジングに使用されている鋳鉄FC25
を第一の摺動部材と試験片とし、同じくベーンに使用さ
れている過共晶アルミニウム−珪素鋳造合金の試験片と
して前記第一の摺動部材試験片用供試材から第二の摺動
部材の試験片を採取し、同様の試験を行った（比較例
６）。

（１）焼付試験試験装置は第３図及び第３図のIV−IV線に沿う矢視側面
図である第４図に概要を図解的に示すものであって、ス
テータホルダ１に取外し可能に取付けられた直径80mm、
厚さ10mmの研磨仕上げを施した円板２の中央には裏側か
ら注油孔３を通じて潤滑油が注油される。ステータホル
ダ１には図示しない油圧装置によって図に於いて右方へ
向けて所定圧力で押圧力Ｐが作用するようにしてある。
円板２に相対向してロータ４があり、図示しない駆動装
置によって所定速度で回転するようにしてある。ロータ
４の円板２に対する端面に取付けられた試験片保持具4a
には正方形端面を摺動面として第二の摺動部材の試験片
５が同心円上に等間隔に４個取外し可能に、かつ円板２
に対して摺動自在に取付けてある。

このような装置において、ステータ１に所定の押圧力Ｐ
をかけ、所定の面圧で円板（相手材）２と試験片５とが
接触するようにしておいて、注油孔３から摺動面に所定
給油速度で給油しながらロータ４を回転させる。一定時
間毎にステータ１に作用する圧力を段階的に増加してゆ
き、ロータ４の回転によって試験片５と相手の円板２と
の摩擦によってステータ１に生ずるトルク（摩擦力によ
って生ずるトルク）Ｔをスピンドル６を介してロードセ
ル７に作用せしめ、その変化を動歪計８で読取り、記録
計９に記憶させる。トルクＴが急激に上昇するときに焼
付が生じたものとし、その大小を以て耐焼付性の良否を
判断する。

試験条件は次に示す通りである。

摩擦速度:5m/sec 潤滑油：油温90℃のコンプレッサオイル（スニソ5GS）
を350ml/min給油接触圧力：試験開始時20kg/cm²、その後３分間経過毎に
10kg/cm²ずつ上昇相手円板：前記第一の摺動部材の試験片試験結果は第５図に示す通りである。試験は同じ材料の
第二の摺動部材の試験について５回ずつ行った。

試験結果は第５図に示す通りである。同図には、同じ材
料の試験片について行った試験結果の範囲を示してあ
る。

第５図から、図のことが判る。

実施例の組合せでは、耐焼付性は従来の組合せである比
較例６と略同程度か又はそれ以上に改善されている。

遷移金属を含有しない比較例３、４の組合せでは、耐ス
カップ性はＡの組合せと略同程度で、耐焼付性に対して
は遷移金属の効果は明らかには認められない。

硬質粒子を含有しない比較例１、２では耐焼付性が実施
例に較べて明らかに劣っており、硬質粒子の耐焼付性改
善の効果は顕著である。

比較例５の組合せも耐付性は良好ではない。

（２）摩耗試験試験は第６図に示す方法で行った。試験片15を試験片保
持具16で保持し、相手方回転円板17の外周面に一定圧力
で圧接させ、潤滑油供給管18から潤滑油を供給しながら
摺動させる。試験片は５×５×20mmの角柱状を呈し、先
端摺動面には半径6mmの丸みが付せられ、研摩仕上げが
施されている。相手円板17は外径44.2mmで、摺動外周面
は表面粗さを0.6〜1.5μｍに研摩仕上げが施してある。

このような試験装置によって、円板17を前記第一の摺動
部材の試験片とし、試験片15を前記第二の摺動部材の試
験片として、円板17を１、３、５、10m/秒の周速で回転
させ、80±１℃に加熱されたコンプレッサオイル（スニ
ソ5GS）を300ml/分の割合で供給管18から給油しながら
試験片15を相手円板17の外周面に3kg/mm²の押圧力で押
付け、摩擦距離を150kmとして試験片15と相手円板17と
を摺動させた。

試験前の相手円板17の外周面の表面粗さは表面粗さ計の
触針を軸方向に走査させて測定した。

試験後試験片15の摺動面の摩耗幅を工具顕微鏡で測定し
た。

この試験では、前記焼付試験に於ける実施例及び比較例
の結果から、代表的な組合せを選択して試験している。

試験結果は第７図に示す通りである。

第７図から、次のことが判る。

実施例の組合せでは、いずれも各摺動速度について従来
の組合せである比較例６に較べて耐摩耗性は略同程度又
はそれ以上に改善されている。

実施例の組合せでは、硬質粒子を含有しない比較例１の
組合せに較べて摩耗が少なく、硬質粒子の耐摩耗性改善
の効果が明らかに認められる。特に、硬質粒子にSiCを
使用した場合に耐摩耗性が改善される傾向が見られる。

遷移金属を含有しない比較例３の組合せでは、各摺動速
度について摩耗が多く、遷移金属は、前述したように耐
焼付性改善には明らかな効果が認められないが、耐摩耗
性改善に寄与することが明らかである。

比較例５の過共晶アルミニウム−珪素合金同士の組合せ
では、他の組合せに較べて摩耗量が甚だ大きくなってい
る。

上記各試験の結果から、本発明に基づく摺動部材の組合
せは、第一、第二の双方の摺動部材共にアルミニウム基
材料であるので、第一の摺動部材が鋳鉄である従来の組
合せに較べて軽量になり、而も、耐焼付性、耐摩耗性共
に、上記従来の組合せと同等又はそれ以上に改善されて
いることが理解できる。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の実施例を示すものであって、第１図は第一の摺動部材の金属組織を示す顕微鏡写真、第２図は第二の摺動部材の金属組織を示す顕微鏡写真、第３図は焼付試験装置の概要を示す部分破砕正面図、第４図は第３図のIV−IV線矢視側面図、第５図は焼付試験の結果を示すグラフ、第６図は摩耗試験装置の概略正面図、第７図は摩耗試験の結果を示すグラフである。なお、図面に示された符号において、１……ステータ２、17……第一の摺動部材の試験片３、18……注油孔４……ロータ 4a、16……試験片保持具５、15……第二の摺動部材の試験片である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接触面積が相対的に大きい第一の摺動部材
と、接触面積が相対的に小さい第二の摺動部材とが互い
に摺動する摺動部材の組合せであって、前記第一の摺動部材が、珪素12〜30重量％、銅２〜８重
量％、マグネシウム0.2〜2.0重量％、鉛0.5〜５重量
％、残部が実質的にアルミニウムからなるアルミニウム
合金であって、前記第二の摺動部材が、珪素10〜30重量％、遷移金属の
１種又は２種以上が合計で３〜10重量％、銅２〜８重量
％、マグネシウム0.2〜3.0重量％、残部が実質的にアル
ミニウムからなり、極めて微細な初晶珪素及び／又は極
めて微細な共晶珪素が分散したアルミニウム合金素地中
に、平均粒径３〜60μｍの硬質粒子が３〜10容積％分散
した組織を有する複合材料である、摺動部材の組合せ。