JPS5881948A - 耐摩耗性ならびに振動減衰能に優れたアルミニウム複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発、明は、軽量でかつ耐摩耗性ならびに振動減衰能
に優れたアルミニウム複合材料に関するものである。

本出願人は先に防振性および耐摩耗性を有する複合材料
として、アルミニウム基地合金中に活性炭を分散させた
アルミニウム系の防振耐摩耗複合材料を開発した。この
複合材料は、前記基地合金中に平均粒径１００〜５００
μｍの活性炭を５〜１５重ｊｔチ含有することを特徴と
し、固体潤滑材としての活性炭のもつ優れた耐摩耗性と
、活性炭と基地合金との広範囲の界面で生ずる粘性流動
に基づく高い振動減衰能とをもつこと１−特徴とした材
料であって、内燃機関のシリンダブロック、シリンダラ
イナー、ピストン等の機械構成要素に適していることを
確認した。しかしながら、前記アルミニウム複合材料を
大きな負荷のかかる例えば自動車用クランクシャフトを
締結するベアリングキャップ等の摺動部に使用し九場合
、基地合金であるアル電ニウム合金が軟質材料であり、
また活性炭自体も崩壊しゃすい九めに、耐かじり性中耐
焼付性（耐スカッフィング性）がやや不十分である。ま
た、活性炭を多く含むと機械的性質が劣化しやすいとい
う問題がある。

この発明は上記した問題点に着目してなされたもので、
アルミニウム合金素材中に活性炭のほかに粒状および（
ま九団蔵維状のＡｔ、Ｏ，、８ｉ０□。

ｚｒｏ、　ｔ　ＭｇＯｙ　ＳｉＣ、，８１，Ｎ、　、　
ＴｉＮ　、　ＡＭｔ　Ｔｉｃ　＊Ｗｃ、　Ｂ４ＣＩ　Ｂ
Ｎ等のセラミックス會１種あるいはそれ以上添加するこ
とにより、活性炭のもつ高い振動減衰能と潤滑性とを失
わせることなく、上記問題点を解決し、軽量で振動減衰
能が高くかつ耐摩耗性に優れ念新規なアルミニウム複合
材料を提供することを目的とするものである。

アルミニウム合金素材中に活性炭と粒状および（または
）繊維状のセラミックスを添加して分散させるに際して
は、活性炭については１〜１０重量％、セラミックスに
ついては０．５〜２０重量％の範囲とするのが良い。す
なわち、活性炭の添加量が１重量−よりも少ないと、゛
活性炭のもつ嵩い振動減衰能と潤滑性を発揮させること
ができず、また１０重量−よりも多いと機械的性質−６
を劣イヒしやすくなるためである。他方、セラミックス
の添加量が０．５重量％よりも少ないと、耐摩耗性や耐
スカッフィング性等を向上させることができず、ま九２
０重量％よりも多いと強度等の機械的性質が低下するた
めである。さらに、セラミックスの添加に際しては、粒
状および（または）繊維状のものとして用いるのが望ま
しく、粒状のものを用いる場合にはその平均粒径が０．
０５〜８００μ常の範囲とするのがより望ましい。これ
は、平均粒径が０．５μｍよりも小さいと基地合金素材
中への分散性が低下して凝集を生じやすくなるためであ
り、また、平均粒径が８００−を超えるとセラミックス
粒子の脱落を生じて摩耗が促進されるおそれがある九め
である。一方、繊維状のものを用いる場合にはその長さ
が３０００μｍ未満のものを用いるのがより望ましい。

これは、長さが３０００μｍ以上であると、耐スカッフ
ィング性カ孟低下した９、強度にばらつきを生じやすく
なるためである。

以下に実施例をもって本発明の詳細な説明する。

（実施例１） 本実施例では基地合金としてＣｕ　：　３．９８重量−
１Ｆｅ　：　０．５９重量％、８１　：　４．７０重量
％、ｚｎ：０．１８重量％、Ｍｇ　：　０．１９重量％
、Ｍｎ　：　０．１０重量％、残ＡＡの組成からなるＪ
ＩＳ　ＡＣ２Ａ合金を用い、このＡＣ２Ａ合金に、活性
炭として市販品で平均粒径１００μｍと５００ｐｎのも
のを添加分散させ、またセラミックスとして、平均粒径
３μｍのアルミナ（ＡＡ、Ｏ，）粒子を第１表に示すよ
うに割合を変えて添加分散して７種類の試料を作成し九
。また、比較のため、活性炭の添加量は５ｍとし、アル
ミナ粒子の添加量ｔ−０１，０，２％。

２２チとしたもの３種の試料を作成した。次いで、これ
らの合計１０種類の複合材料の損失係数、引張強さ、摩
耗減量、スカッフィング発生圧力を測定した。その結果
を同じく第１表に示す。

なお前記複合材料の試料を作成するに際しては、基地合
金であるＡＣ２Ａ合金を加熱し、固相率が約５ＯＩｓの
固液共存状態に保ち、機械的に強攪拌を加えながら上記
添加材を均一に分散させたものを半溶融状態にて１４０
０気圧で加圧成形して直径約１０−１高さ約５ｃｗｔの
複合材料を作成し、しかるのち前記複合材料から後記す
る所定寸法の試験片を切り出し、Ｔ６熱処理を施したの
ち、振動減衰能測定試験、摩耗試験および引張試験用の
試験片とした。そして、損失係数はインパルスノ・ンマ
ーキットを用いた振動解析装置を用いて試験片の共振曲
線から求めた。また、摩耗試験はチムケン式摩耗試験機
を用いて評価した。このときの摩耗試験条件は、潤滑油
（８０℃）供給下で、相手材（鋳鉄ＦＣ２５，Ｃｒメッ
キ材）に接触面圧１００　Ｋｆ／　ｃｍ”で押え、摩擦
速Ｅｉｊ　３　ｍ　／　ｓｅｃ　、−すべり距離１１０
０Ｋで評価し次。また、スカッフィング試験は上記の潤
滑条件の下で、摩擦速度ｔ−８＠　／　１ＩＩ６ｅとし
、接触面圧は３０　Ｋｇ　／　ｏｘ”より３分おきに１
０　ｈ　／　ａｍ”ずつ増圧する方法で行った。

また、引張試験はインストロン引張試験機により室温で
試験した。さらに、試験片は、損失係数は長さ９６−ｘ
幅１８ｍＸ厚さ５ｍの恒量状の試験片１個を用い、引張
り強さは標点距離５０■、厚さ８１１１１幅１２箇のＪ
ＩＳＴ号試験片２枚を用い、摩耗減量は５■×５■Ｘ１
０ｍの試験片８個用い、スカッフィング発生圧力は摩耗
減量を測定した後の試験片を用いた。なお、測定値は、
損失係数は５回測定した結果の平均値、引張り強さは２
枚の試験片のデータの平均値、摩耗減量およびスカッフ
ィング発生圧力は８個の試験片に対する測定値の平均値
とした。

第１表の結果から明らかなように、アルミナを添加する
ことによって、アルきす無添加の場合に比べて損失係数
、引張強さ、摩耗減量およびスカッフィング発生圧力が
改善される。特に、アルミナ粒子の添加による摩耗減量
とスカッフィング発生圧力の改善が著しい。しかしなが
ら、アルミナ粒子を２２２重量％添加たもの（試料Ａ７
）では、引張強さが低下する傾向が見られた。一方、ア
ルミナ粒子を０．２重量％添加した程度では耐スカッフ
ィング性に関して著しい効果は認められず、少なくとも
第１表の結果から０．５重量−以上の添加が必要である
。従って、本発明に使用すべきアルミナの重量％は０．
５〜２０嗟が好ましい。なお、試料Ｉ＆４と８とから明
らかなように、活性炭の粒径の違いによる上配諸特性へ
の影響はほとんどなく、後述のごとくその添加量の影響
が大であった。

なお、上記アルミニレム合金に添加するアルｉす粒子の
粒径ｔｏ、０２　ｐｍ　〜２４００　ｐｗ＋１で変化さ
せたところ、８００μｍを超えるアルミナ粒子を添加し
た場合には摩耗試験においてアルミナ粒子の脱落が起こ
り、摩耗が促進される現象が中には認められた。一方、
０．０５　ｐｍ未満のアルミナ粒子では、上記アルミニ
ウム合金中で均一に分散しに〈＜、基地合金中で凝集し
て塊状となりやすぐ、製造上あまり好ましくなかった。

以上のことから、アルミナが粒状の場合には、その平均
粒径は０．０５〜８００　ｐｇの範囲とするのがより好
ましいといえる。上記の範囲は、アルミナの脱落現象と
基地合金への分散性からその範囲を定めたのであるが、
ソノ他ノセラミックス例えばＳｉｎ、　ｌ　ＺｒＯ，ｔ
　ＭｇＯ＃ＳＩＣ、Ｔｉｃ　、　Ｗｃ、　ＴＩＮ　、　
ＡＭ　、　ＢＮ　、　８１．Ｎ４なども同様であった。

（実施例２） 実施例１のアルミニウム合金（ＡＣＺＡ材）中に、アル
ミナ粒子′ｆ：５重量−と一定量添加し、活性炭の添加
ｔを種々変えて試料をｖＩ４１１シ、この試料より作製
した試験片から求めた損失係数と引張強さとを図面に示
す。なお、試験片の作製方法と評価方法は実施例１の方
法と同じ方法によった。

図に示すように、活性炭が１重量％よりも少ない場合に
は高い引張強さを示すものの、損失係数が小さく、活性
炭による防振効果が顕著でない。一方、活性炭が１０重
量ｑｋを超すものは損失係数は大きいが引張強さが着る
しく低下する。以上の結果から、上記アルミニウム合金
にＡＡ、０．　？添加し、さらに活性炭を入れた複合材
料において、活性炭の添加敏は１〜１０重量％が好まし
い。この結果はＳｉＣ−？　Ｔｉｃ等のＡｊ、Ｏ，以外
のセラミックスを使用した場合も同様な傾向を示した。

（実施例３） 本実施例ではＣｕ　：　２．５６重量％、Ｆｅ　：　０
．４５重量％、Ｓｔ　：　９．４５重量％、Ｚｎ　：　
０．０８重量％、Ｍｎ：０．０７重量％、Ｍｇ　：　１
．２４重量％、Ｎｉ　：　０．６９重量％、Ｔｉ　：　
０．１２重量％、残λｔからなるＡＣ８Ｂ合金に、前記
活性炭２重量−と、長さ１１０μｍ、５００μｍおよび
比較のために３０００μｍとした３ｓ＠の繊維状のアル
ミナ５重量％とを添加した３種類の複合材料を実施例１
と同じ方法で調製した。これらの複合材料の評価に用い
九試験片の製作方法ならびに評価試験は、前記実施例１
と同様な方法によった。そして、第２表にその評価結果
を示す。

第２表より明らかなように、損失係数に関しては繊維長
さによる違いがほとんどないことが判かる。しかしなが
ら、３０００μ慣以上の繊維では耐スカッフィング性が
劣り、さらにその前段階である上記アルミニウム合金中
への添加に際して、繊維同士のもつれ合いによる分布の
不均一性が高まった。そのため、引張強さにおいてもば
らつきが多くなった。一方、１０μｍ以下でも上記した
不均一性は認められないことから、添加する繊維の長さ
を３０００μｍ未満とすることがより一層望ましいこと
がわかった。

（実施例４） 本実施例では、Ｃｕ　：　０．１９重量％、Ｆ＠　：　
０．３１重量％、８１　：　７．１０重量係、Ｚｎ　：
　０．０９重量−１Ｍｎ　：　０．２４重量％、Ｍｇ　
：　０．２７重量％、残ＡｔからなるＡＣ４Ｃ合金に、
上記活性炭ｔ−２重量−と、粒径３μｍのアルミナ粒子
４重量％と、繊維長さ５００　ｐｍのアルミナ繊維２重
量％とを添加した。

添加方法ならびに試験片製作方法は実施例１と同様であ
る。この場合、第１表に示す試料Ａ９と概ね同一の値を
示し、平均値として損失係数４．５×１０”ｌ引張強さ
２１．４初／ｗ２．摩耗減量０．８０Ｗ　／　Ｋｎ　ｔ
スカッフィング発生圧力１５０陶１５Ｉ３という値であ
り、粒状と繊維状のアルミナを添加することにより、活
性炭単独添加材よりも優れていることが明らかとなった
。

（実施例５） 本実施例では、前記アルミニウム合金（ＡＣ２Ａ）に、
上記活性炭５重量％と、ＡＡ、Ｏ，の代りに平均粒径１
０μｍの８１０粒子を５重量％添加した試料と、同じ＜
　Ａｔ、Ｏ，の代りに平均粒径１５μｍの８１、Ｎ４粒
子を２重量−添加した試料とを用いて評価したところ、
それぞれ平均値として、損失係数７、ＯＸ　１０　　と
４．９　Ｘ　１０−”　ｌ引張強さ１６．２と１７、Ｏ
Ｋｔ　／■３．摩耗減量０．３９と０．８２岬／−、ス
カッフィング発生圧力１６０−と１２０　Ｋｆ／　ｃｍ
”であり、上記ＡＡ、０３ｔ−添加した場合と同様に活
性炭の性質を失うことカ＜、摩耗特性を改善できること
が確認で１！念。

なお、上記ＡＡ、０．　ｔ　ＳｉＣ、Ｓｔ、Ｎ４以外に
もＴｉｃ　。

訳など、同様の性質を有するセラミックス粒子　　１あ
るいは繊維を用いることにより、上記各実施例に示され
るのと同様の特性を付与することができる。また、本発
明において、アルミニウム合金中に、活性炭および上記
セラミックスを均一に分散させるに際して、該合金の固
液共存状態で添加すると良いため、いわゆる液相と固相
が存在する合金であることが好ましい。しかし、活性炭
とセラミックスをある程度の量たとえば５重量−以上添
加する場合にはアルミニウム合金が完全な液相状態であ
っても粘度が高くなるので、活性炭が浮いたりセラミッ
クスが沈んだりして分離することがなく均一に分散でき
るので、必ずしも液相と固相が存在する合金組成でなく
ても良い。

以上説明したように、本発明によるアルミニウム複合材
料は、アルミニウム合金素材中に、活性炭１〜１０重量
％と粒状および（を食は）繊維状のｈｔ、Ｏ，ｐ　８１
Ｃ＃　８１８Ｎ４．　ＴｉＣ、ＢＮ等の１種以上のセラ
ミックスを０．５〜２０重量−とを添加してなるもので
あるため、アルミニウム合金およびセラミックスの軽比
重材料から構成されることにより軽量でかつ耐摩耗性お
よび振動減衰能に優れ、その工業的利用価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

図面はアルミニウム合金（ＡＣ２Ａ）に平均粒径３　ｐ
ｍのアルミナｔ−５重量％添加し、更に添加量を種々変
えた活性炭を添加した複合材料の損失係数と引張強さの
評価結果を示すグラフである。 特許出願人　　日産自動車株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　アルミニウム合金葉材中に、活性炭１〜１０
   重量−と、セラミックス０．５〜２０重量％とを分散さ
   せ九ことを特徴とする耐摩耗性ならびに振動減衰能に優
   れたアルミニウム複合材料。
2. （２）　　セラミックスが粒状をなし、該セラミックス
   の平均粒径が０．０５〜８００　ｐｔｍの範囲である特
   許請求範囲第（１）項記載の耐摩耗性ならびに振動減衰
   能に優れたアルミニウム複合材料。
3. （３）　　セラミックスが繊維状をなし、該セラミック
   ス繊維の長さがａ　ｏ　ｏ　ｏ　ｐｍ未満の範囲である
   特許請求範囲第（１）項記載の耐摩耗性ならびに振動減
   衰能に優れたアルミニウム複合材料。