JPS62188740A - 高強度焼結ａｌ合金製摺動部材の製造方法 - 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】 Ｌｌ＝Ｌ立五工尖１ 本発明は、例えば内燃機関の１月初部分に使用されるに
高強度焼結Ａｌ合金製！！動部材に関するものである。

′−゛よびそのａＸＪＩＡ 従来より使用されている高Ｓλ含有ＡＩ合金は、優れた
耐摩耗性を有しているが、潤滑油の濡れ竹が悪く、苛酷
な摺動条件の下で該Δｊ合金製部祠と他部材との間の摺
動を開始させると、油１模が切れ、耐焼付き性が低下す
る不具合があった。この問題を解決づ−る手法として、
例えば、■アルミ火粉等を用いて摺動面のラッピング（
仕上げ餌料）を行う、■摺動面に特殊なエツチングを施
す等により、初晶８２粒子を周囲の７トリツクス層から
）１き上がらせ、該初品Ｓλ粒子間に形成された凹陥部
を油溜りにする方法があるが、最適表面状態を与えるそ
の表面処理（’ｌ業が難しく、Ｒ１産品の処理法として
は不適当であった。

また、７．’＋　Ｓ尤含右Ａ、Ｑ合金は本来鋳造用合金
−Ｃあって、ｖｊ造法によれば、用人な初晶Ｓλが晶出
して必要な強度が１９られないため、改良処理（例、溶
湯中にＮａを添加する）を行って初晶Ｓ尤の微細化を晶
１っているが、その効果には限界があった。

それに対して、高ＳＬ含有過共晶Ａｌ合金粉末をアトマ
イジング法で製造することにより初晶ＳＬの粒径を数μ
ｍ程度に抑え、その圧粉成形体を熱がｒ衾路になってい
る。その解決策として、圧粉成形体中に二硫化モリブデ
ン、黒鉛等の潤滑性粉末を混合させる手法もあるが、焼
結晶製造過程で割れが生じ易く、耐焼付き性を向上させ
ることは極めて困難である。しかも、／１合金粉末の表
面には、室温においてＡｆＩ２０３　・３Ｈ２０の被膜
が生じており、粉末を加圧するとその吸着水が分解して
水素が発生することから、焼結品中に水素が残留すると
いう問題があり、構造用品材を得るには、不活ｔ！１刀
ス雰囲気中で圧粉体を加熱ザることにより残留水′Ａ１
呈を制御、抑制する心理が生じ、製造条件を複雑化する
不利がある。

「１１　を　Ｌするための　・Ｊ３よび″本発明の目的
は、含有水素足を制御、抑制することなく、耐焼イ４き
性の良好な高強度焼結へ、Ｑ合金製摺動部材を得る点に
ある。

この目的は、その組成が、１０．０≦Ｓｉ≦３００％。

２．０≦Ｆｅ≦１０．０％、０．５≦Ｃｕ≦７５％、０
５≦Ｍｎ≦５．０％、０．３≦ＭｆｌＪ≦３．５％、残
部−Ａｊおよび不可避不純物くいずれも小量％）である
Ａ」合金粉末を圧粉成形し、得られた圧粉体を温度範囲
３００〜４５０　′Ｃで押出した後、非酸化雰囲気、温
度範囲４５０〜５２０℃にて０．５−７１５間保持し、
もって組織中に初晶Ｓλが均一微細に分布し、少なくと
も表面層の空孔率が０．５〜５０（Ａ積％である高強度
焼結Ａｌ合金製摺動部材を１ｑることによって達成され
る。

本発明で使用するへ１合金粉末は、！Ｉ造経費の低ｌな
る空気ア１〜マイジング法でこれを製造するのが有効で
ある。そして、その際の粉末冷却速度を１０２℃／秒以
上にすることにより、粗大な金属間化合物の析出を抑え
、焼結晶の伸び率、衝撃値の低下を防ぐことが可能であ
る。

今仮に、装造されたＡＩ合金粉末を圧粉成形した後、圧
粉体を不活性ガス雰囲気中で予熱し、熱間押出し加工を
行うならば、押出し成形品である焼結晶の含右水索峻を
２〜１３ＣＣ／　１００ＳＪ　（Ａ　Ｎ合金）にするこ
とが可能であり、焼結晶の熱処理を行う際のブリスター
（表面膨れ）発生を効果的に防ぐことができる。

しかるに、本発明では、斯かるＡｌ合金粉末のガス処理
を行うことなく圧粉体の熱間押出し加工（温度３００〜
４５０℃）を行い、押出し成形品である焼結品中に、比
較的多量（１３・−２５ｃｃ／１００ｇ（△」合金））
の水素を残留さｌることとした。

この焼結晶を、真空中（気圧１０’　〜１０’　ｔｏｒ
ｒ）で、温度４５０〜５２０℃に０．５〜７時間保持す
るならば、残留水素が膨張し、初晶Ｓλが均一に分布し
た７１へリックス層に大きさ数μｍ程度の空孔が生じ、
この空孔が、製造摺動部材における潤滑油溜りとして機
能することになる。斯くして、残留水素が除かれた焼結
晶に熱処理を施しても、ブリスター。

割れ等の欠陥が生ずる心配はなく、健全な摺動部材を得
ることができる。

また、本発明では、その組成が、１０．０≦Ｓ＝≦３０
．０％、２．０≦Ｆｅ≦１０．０％、０，５≦Ｃｕ≦７
．５％、０．５≦Ｍｎ≦５．０％、０．３≦ＭＣ）≦３
．５％、残部＝Ａｌおよび不可避不純物（いずれも手間
％）であるＡｌ！合金粉末を用いることとしたが、各合
金元素は下記の理由で添加される。

■ＳＬについて（１００≦Ｓ尤≦３０．０手ｍ％）：Ｓ
尤は、耐摩耗性およびＶレグ率の向上に寄与し、熱膨張
率を低く抑えるとともに熱伝導零を向上さＵる。１０．
０重ｔ％未満では耐摩耗性が不足し、１）に空孔率０．
５体積％以上の空孔を有する部材においは強度低下要因
となる。また、３０千帛％を越えると、熱間押出し加工
を行う際の加工性が悪化し、歩留の低減化と量産性の低
下をｌｌ’ｌ　３Ｋ　する。

■Ｆｅについて（２，０≦［ｅ≦１０．０Ｉｕｉ１％）
：Ｆｅは、高温強度と、ヤング率を向上させるために必
要である。ただし、２．０ｆｉｆｉ％未満では、高温強
度の向上が期待できず、１０．Ｏ重量％を越えると、成
形性が悪化し、熱間押出し加工が事実上不可能である。

■ＣＩＪについて（０，５≦Ｃｕ≦　７．５重■％）：
Ｃｕは、熱処理によるＡ１マトリックスの強化に有効で
ある。ただし０．５ｆｆｌ　ｆｆｉ％未満では、添加効
果がなく、７．５重量％を上回ると、耐応力腐蝕割れ特
性が悪化するｌこめ好ましくない。

■１ｙｌｎについて（０，５重Ｍｎ≦５．０１１％）：
Ｍｎは、重要成分であり、高温強度の改善、熱間押出し
加工性の向上および耐応力腐蝕割れ特性の改善に寄与す
る。ただし０．５重量％未満では、添加効果がなく、５
．０重要％を超えると却って熱間押出し加工性が悪化す
るとともに、切欠き性が悪化し、強度低下要因となる。

０１Ｖ１１．ニー）いＴ　（０，３重Ｍ（Ｊ≦３．５ｍ
ｆｆ１％）：Ｍｇは、ＣＵと同じく、熱処理によるＡＩ
マトリックスの強化に有効である。ただし、０．３重が
％未満では、添加効果がなく、３．５重ω％を超えると
、耐応力腐蝕割れ特性が悪化し、熱間押出し加工性が低
］・する。

次に、本発明による高強度焼結Ａ１合金製摺動部材の製
造工程について具体的に説明する。

先ず、￥ＪＴｉ経費が＠価であるが改に推奨される空気
アトマイジング法によって製造した前記組成のＡ１合金
粉末を用い、これを、冷間静水圧プレス成形法（ＣＩＰ
法）、あるいは金型圧縮成形法により、密度比７５％程
度に圧粉成形して圧粉体を得る。

この圧粉体を、人気中で温度３００〜４５０℃に加熱し
、該温度範囲で押出し加工を行う。その際、押出し加工
温度が３００℃未満であると、押出し素材の変形抵抗が
大ぎく、成形性が悪化し、／１５０℃を越えると、組織
の粗大化（特にＳ尤粒の粗大化）が生じ、強度が低Ｆす
るため、避けるべきである。

得られた押出し成形品、寸なりも焼結晶の含有水素賞は
、１３〜２５ｃｃ／　１００び（Ａ１合金）であり、該
焼結晶を非酸化雰囲気の下、温度４５０〜５２０℃で０
．５〜７時間保持して、焼結晶に水氷ガスによる空孔率
０．５〜５．０体積％の空孔を生ぜしめる。

この保持温度が４５０℃未満であると、狙いとする空孔
が発生し難く、耐焼付き性の向上を企図し得ず、５２０
℃を越えると、液相が生じ易く、空孔径が粗大化するこ
とも相俟って、製品強度の低下を招く。また、温度４５
０〜５２０’Ｃでの保持時間が０．５時間未満では、空
孔が発生し難く、７時間を越えると、組織が粗大化（特
に、Ｓ＝粒の粗大化）して、製品強度が低下する。さら
にまた、焼結晶の空孔率が０．５体積％未満では、製品
強度はある程度確保されるものの、潤滑油溜りとしての
空孔容積が不足して耐焼付ぎ性が劣り、５．０体積％を
越えると、製品強度が低下して耐久性が損なわれる。

なお、初晶Ｓ＝は組織中にほぼ均一に分散して存在する
が、その粒径が５μｍ未満であると、耐Ｉ？耗性が劣り
、２０ｕｍを越えると、製品強度が低下するため、粒径
５〜２０μｍを目標とするのが好ましい。

試−荻一剖 ０表１に実施例試料１．ｆｆとして示す組成のＡ」合金
粉末を、冷却速度１０２〜ｂ 空気７１−マイジング法により装造し、該粉末を用いて
冷間静水圧プレス成形法（ＣＩＰ法）により、密度比１
５％の押出し用素材を圧粉成形した。この冷開静水圧プ
レス成形法では、ゴム製チューブ内に合金粉末を入れ、
１．５〜３．０ｔｏｎ／ｃＪｉ稈度の静水圧下で成形を
行なった。

表　　１ ■前段階で１！７た圧粉体を、押出し用素材として大気
中、Ｈａ度３８０℃、押出し比２０以上なる条件で、熱
間押出しを１１なった。この時、押出し比が５未満であ
ると、強度、がばらつくため、実用上は好ましくない。

また、押出し比が３５を越えると、変形低抗が増大して
成形性が悪化しくｍ産性に欠（）ることになる。

■得られた押出し成形品、すなわち焼結晶の含有水累塁
を分析して、その結果を表２に示した。

なお、表２には、表１に従来例試料ａとして示す組成の
高Ｓλ合金鋳造品の含有水累積をも示している。

表　　２ ■次に、項目■で（ｑだ複数の焼結晶を１０−２〜＋ｏ
’　ｔｏｒｒの真空炉内に各別に装入し、表３に示す各
条ｆｌ（温度、加熱時間）で保持した復、炉内で放冷し
た。そして、処理された焼結晶の空孔率を調べ、その結
果を表３に示した。なお、空孔径は数μｍであった。

表　３（空孔率） ■さらに、項目■で処理した各試料につき溶体化処理後
人工時効硬化処理（Ｔｓ処理）を行なったが、割れは生
じなかった。

■前記項目■で処理した各試料および従来例試料ａにつ
いて、表４に示ず強度試験を行った（常温にて実施）。

表　　４ ■同じく項目■で処理した各試料および従来例試料ａに
ついて耐焼付き性試験を行い、その結果を表５に示した
。

耐焼付き性試験は、直径７０．の円板状体として形成し
た試験片を、Ｃｕメッキ処理した５×５×１０Ｍの球状
黒鉛鋳鉄製相手材に接触させ、摺動面に対して潤滑油（
エンジンオイル）を滴下させつつ（５００ｍ／分、温度
９０℃）、相手材を速度５ｍ／秒で回転せしめ、接触圧
力を１００Ｋｇ／ｃＩｉから増分５　ＫＢ　／　ｃｉで
段階的に増加させて、焼付きが発生した時点にお【プる
接触圧力を測定することにより、これを実施した。

く試験結果の評価〉 ０表２より、押出し成形品（焼結晶）である実滴例試制
御、［の会右水氷岳が、従来例試料ａに比して極めて大
ぎいことが判る。

■押出し成形品（焼結晶）である実施例試料■。

■を真空中で加熱処理した結果（表３）から、試料に含
まれる水素ガスの膨張により空孔が生じ、その空孔率は
、時間が長いほど、また温度が高いほど増大することが
判る。

■空孔を有する実施例試料Ｉ、ＩＩは、従来例試料ａに
比して十分大きな引張り強度を有しており（表４）、こ
の事は、形成された空孔が有害でないことを示している
。

■空孔を有する実施例試ＦＩＩ、ＩＩと従来試料ａとの
耐焼付き性の比較（表５）から、空孔の存在が耐焼付き
性の向上に貢献することが明らかである。

凡１２ｊ匪」 以上の説明から明らかな様に、その組成が、１０．０≦
Ｓｉ≦３０．０％、２０≦Ｆｅ≦１０．０％、０．５≦
Ｃｕ≦７．５％、０．５≦Ｍｎ≦５．０％、０．３≦Ｍ
ｑ≦３．５％、残部−Ａｌおよび不可避不純物（いずれ
も重量％）であるへｊ合金粉末を圧粉。

焼結して成り、１］織中に初晶Ｓ＝が均一微細に分布し
、少なくとも表面層の空孔率が０．５〜５．０体積％で
ある高強度焼結△Ａ１合金製店動部材およびその製造方
法が提案された。

本発明による高強度焼結ＡｌＩ合金合金製部動部材優れ
た機械的強度を有しており、また少なくともその表面層
に空孔率０５〜５０体積％で空孔が存在しているため、
該空孔が潤滑油溜りとなって優れた耐焼付き性を発揮す
る。さらに、該高強度焼結、１合金製１と動部材を製造
するに当り、Ａｌ合金粉末表面における吸着水の分解に
よって生ずる右古な水素ガスを焼結前に予め除去するこ
となく、これを積極的に利用したため、熱間叩出し加工
を行うに先立って圧粉体を加熱する際の雰囲気調整（不
活性ガス等によるその調整は面倒である）を行う必要が
なく、生産性の低下を防ぐことができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）その組成が、１０．０≦Ｓｉ≦３０．０％，２．
   ０≦Ｆｅ≦１０．０％，０．５≦Ｃｕ≦７．５％，０．
   ５≦Ｍｎ≦５．０％，０．３≦Ｍｇ≦３．５％、残部＝
   Ａｌおよび不可避不純物（いずれも重量％）であるＡｌ
   合金粉末を圧粉，焼結して成り、組織中に初晶Ｓｉが均
   一微細に分布し、少なくとも表面層の空孔率が０．５〜
   ５．０体積％である耐焼付き性に優れた高強度焼結Ａｌ
   合金製摺動部材。
2. （２）その組成が、１０．０≦Ｓｉ≦３０．０％，２．
   ０≦Ｆｅ≦１０．０％，０．５≦Ｃｕ≦７．５％，０．
   ５≦Ｍｎ≦５．０％，０．３≦Ｍｇ≦３．５％、残部＝
   Ａｌおよび不可避不純物（いずれも重量％）であるＡｌ
   合金粉末を圧粉成形し、得られた圧粉体を温度範囲３０
   ０〜４５０℃で押出した後、非酸化雰囲気、温度範囲４
   ５０〜５２０℃にて０．５〜７時間保持することを特徴
   とする高強度焼結Ａｌ合金製摺動部材の製造方法。