JP2000087161A

JP2000087161A - 焼結複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000087161A
Application number: JP10254070A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Watanabe; 和人渡辺
Original assignee: Zexel Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1998-09-08
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 2000-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】グラファイト粉末表面に金属コーティングを施
さずともグラファイトが凝集することなく均一分散し、
かつ、耐摩耗性、潤滑性に優れるアルミニウム又はアル
ミニウム合金からなる焼結複合材料及びその製造方法を
提供すること。【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金の連続
相にグラファイト粒子が分散している焼結複合材料。ア
ルミニウム基金属粉末と形状が塊状であるグラファイト
粉末の粒径比(グラファイト粉末径／金属粉末径)が、
０．２以上である混合粉末を圧粉成形し、圧粉成形して
得られた圧粉体を焼結する焼結複合材料の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼結複合材料及び
その製造方法に関し、特に、耐摩耗性に優れたＡｌ基焼
結複合材料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】耐摩耗
性を有するアルミニウム系合金に対する需要は、例え
ば、シリンダライナー、軸受、オイルポンプサイドブレ
ード、コンプレッサー等の摺動部材の分野においてかな
り多い。従来から耐摩耗性アルミニウム基合金である共
晶または過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金は、Ａｌマトリックス中
に初晶及び共晶のＳｉを分散した組織を有することか
ら、優れた耐摩耗性を示すことが知られている。

【０００３】また、アルミニウム系合金の耐摩耗性をさ
らに向上させるために、粉末材料にセラミックスや金属
間化合物等の硬質粒子及び／又は固体潤滑剤等の潤滑粒
子を添加して成形した焼結複合材料も知られている。硬
質粒子としては、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｔ
ｉＣ、Ｔｉ_３Ａｌ、ほう酸Ａｌ等が知られている。潤滑
粒子としては、二硫化モリブデン(ＭｏＳ_２)、グラファ
イト等が知られている。

【０００４】ところが、粉末材料にセラミックスや金属
間化合物等の硬質粒子を添加した場合、焼結複合材料自
体の耐摩耗性は向上するが、当該焼結複合材料が、例え
ば摺動部材の一方として用いられると、相手方金属への
激しい攻撃、大きな摩擦を生ぜしめる。その結果、部品
を構成する相手方金属の寿命を著しく低下させるため、
焼結複合材料の摩擦係数はできるだけ低くするのが望ま
しい。

【０００５】また、粉末材料に潤滑粒子としてＭｏＳ_２
を添加した場合、Ａｌとの反応により潤滑効果が発揮さ
れないことや、大気との酸化が問題となり特殊な焼結手
法を用いなくてはいけない。また、粉末材料に潤滑粒子
としてグラファイトを用いた場合、グラファイトが層状
の結晶構造を有していて、これが外力で壊れ(劈開)やす
いものであるため、焼結複合材料の焼結性を妨げる要因
となる。すなわち、Ａｌ粉末との混合プロセス中にグラ
ファイトが破壊され、これにより生成された微細なグラ
ファイト粉末がＡｌ粉末表面に付着し、焼結複合材料の
焼結性を妨げる。また、微細なグラファイトの凝集のた
めグラファイトの均一分散が不可能となる。このような
問題点を改善するために、グラファイト粉末に予め金属
をコーティングさせる方法(特開昭５７−８９４０４号
公報、特開昭５９−１１０７０２号公報)が知られてい
る。しかし、グラファイト粉末に金属を均一にコーティ
ングすることや、コーティング量を最適化することは困
難である。また、金属コーティングはコスト高にもつな
がる。

【０００６】そこで、本発明の目的は、金属コーティン
グを行わずとも、上記問題点を改善し、耐摩耗性、潤滑
性に優れるアルミニウム又はアルミニウム合金からなる
焼結複合材料及びその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の焼結複合材料
は、アルミニウム又はアルミニウム合金の連続相にグラ
ファイト粒子が分散していることを特徴とする。

【０００８】また、本発明の焼結複合材料の製造方法
は、アルミニウム基の金属粉末とグラファイト粉末の粒
径比(グラファイト粉末径／金属粉末径)が、０．２以上
である混合粉末を圧粉成形し、圧粉成形して得た圧粉体
を焼結することを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の焼結複合材料に用いられ
るアルミニウム合金は、アルミニウムの材料としての性
質を改善等するため、マンガン、ケイ素、マグネシウ
ム、銅又は亜鉛などを含む合金であることができる。具
体的には、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ
系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系からなる
群から選択される少なくとも１種の合金を挙げることが
できる。

【００１０】本発明の焼結複合材料は、このようなアル
ミニウム又はアルミニウム合金の連続相にグラファイト
粒子が点在する組織を有する。アルミニウム又はアルミ
ニウム合金が連続相となることにより、焼結複合材料の
潤滑性を保持しつつ、強度及び耐摩耗性も向上させるこ
とができる。グラファイト粒子の分散状態は、好ましく
は、グラファイト粒子が均一に分散するのが良い。

【００１１】また、本発明の焼結複合材料は、５０％以
上のグラファイト粒子の縦横比が５以下であることがで
きる。好ましくは、７０％以上、より好ましくは８０％
以上のグラファイト粒子の縦横比が５以下である。縦横
比は、好ましくは、３以下である。具体的には、グラフ
ァイト粒子の粒径は、２０〜１８０μｍである。このグ
ラファイト粒子の粒径は、好ましくは、５０〜１２０μ
ｍであり、より好ましくは、７０〜１００μｍである。
また、立体的に見た場合、本発明の焼結複合材料は、５
０％以上のグラファイト粒子の高さ/縦比が5以下である
ことができる。好ましくは、７０％以上、より好ましく
は８０％以上のグラファイト粒子の高さ/縦比が５以下
であることができる。

【００１２】グラファイトは、黒鉛、石墨などとも呼ば
れ、炭素の同素体の一つである。本発明の複合材料で用
いるグラファイトには、天然に産出されるものや、人工
的に作られるものの両方が含まれる。

【００１３】グラファイト粒子の含有量は、複合材料の
耐摩耗性及び潤滑性を向上させるという観点を考慮して
適宜決定することができ、例えば２vol％以上とするこ
とできる。前記含有量は、好ましくは、５〜１０vol％
である。

【００１４】また、本発明の焼結複合材料の粉末は、マ
トリックス粉末とグラファイト粉末の混合粉末を用い
る。但し、グラファイト粉末粒径は、マトリックス粉末
との粒径比(グラファイト粉末径／金属粉末径)が、０．
２以上となるものを選ぶ。マトリックス粉末には上述の
アルミニウム又はアルミニウム合金とすることができ
る。本発明の焼結複合材料におけるアルミニウムは、高
純度のアルミニウムのみならずＦｅ、Ｓｉのなどの不純
物を多少含むものも含まれる。さらに、アルミニウム合
金の金属粉末には、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ
−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系か
らなる群から選択される少なくとも１種を挙げることが
できる。

【００１５】アルミニウムを含有する金属粉末とグラフ
ァイト粉末との粒径比(グラファイト粉末径／金属粉末
径)は、０．２以上であり、好ましくは、０．２〜１．
８であり、より好ましくは、０．５〜１．２であり、さ
らに好ましくは、０．７〜１．０である。粒径比を０．
２以上としたのは、既存の複合材料と比較して耐摩耗性
向上を図るためである。粒径比を０．２〜１．８とした
のは、グラファイト粉末がアルミニウムを含有する金属
粉末に付着し、複合材料の焼結性を妨げるのを回避する
ためである。下限を０．２としたのは、これ以下のグラ
ファイト粉末では、従来と同様にグラファイト粉末が金
属粉末に付着し、焼結複合材料の焼結性を妨げるからで
ある。上限を１．８としたのは、グラファイト粉末粒径
が大きすぎると、焼結複合材料の強度低下につながるた
めである。但し、複合材料の用途が主として耐摩耗性を
目的とするものである場合には、粒径比の上限は特に限
定されない。尚、ここで粒径比とは、平均粒子径の比を
意味する。

【００１６】グラファイト粉末は、金属粉末との粒径比
が０．２以上であれば、その形状は特に限定されない。
例えば、形状としては、球状、片状、塊状などを挙げる
ことができる。好ましくは、塊状のものを用いることが
できる。塊状のグラファイト粉末を用いることにより、
さらに粉末混合時の粒径破壊が低減し、微細なグラファ
イトのＡｌ粉末表面への付着が少ないという利点があ
る。

【００１７】アルミニウムの平均粒径を一般的な粉末製
造法により得られる約１００μｍとすると、平均粒径２
０〜１８０μｍのグラファイト粉末を使用できる。使用
するグラファイト粉末の平均粒径の範囲は、母材となる
アルミニウム又はアルミニウム合金粉末の粒径にも応じ
て適宜変化させることができる。母材であるアルミニウ
ム粉末等として、例えば、急冷凝固法などにより得られ
た小さいものを使用する場合、その分だけ平均粒径の小
さいグラファイトを使用することができる。母材のアル
ミニウム粉末も小さくなり微細になれば、微細なグラフ
ァイトが付着しにくくなり、その結果、焼結複合材料の
焼結性を妨げにくくなる。

【００１８】グラファイト粒子の含有量は、焼結複合材
料の耐摩耗性及び潤滑性を向上させるという観点を考慮
して適宜決定することができ、例えば２vol％以上の範
囲とすることできる。前記含有量は、好ましくは、５〜
１０vol％である。

【００１９】マトリックス粉末中にグラファイト(粒径
比０．２以上)を均一に分散させるために混合し、その
後冷間プレス等により圧粉成形する。

【００２０】そして、０．２以上の粒径比をもつマトリ
ックス粉末とグラファイトとの混合粉末を、圧粉成形す
る。圧粉成形は、一般に、成形用金型に混合粉末を充填
した後、圧縮機(プレス)によって加圧する。より高密
度、高強度の製品を得るためには、成形圧を高めるか又
は再加圧を行ってもよい。

【００２１】その後、圧粉成形して得られた圧粉体に必
要に応じて脱ガス処理を施す。この脱ガス処理は、主に
圧粉体の水分を除去するために行う。

【００２２】このようにして得られた圧粉体を焼結し
て、焼結複合材料を製造することができる。焼結の方法
は、ホットプレス法、粉末押し出し、粉末鍛造法、粉末
圧延法又は、等方圧成形法等を挙げることができる。

【００２３】ホットプレス法は、混合粉末を圧縮成形若
しくは封缶等に充填し、必要に応じて脱ガスを行い、加
熱中に圧縮して焼結を行う方法である。粉末押し出し
は、押し出し機で混合粉末を押し出して成形固化する方
法である。粉末鍛造法は、熱関で鍛造して行う方法であ
る。粉末圧延法は、混合粉末を直接圧延して薄板に成形
する粉末圧延法をいう。等方圧成形法は、混合粉末を封
缶等の容器に充填し、かかる容器に液体媒体などを通じ
て圧力を等方に加えて成形する方法で、熱間で行うＨＩ
Ｐと冷間で行うＣＩＰがある。

【００２４】一般には、上述の焼結を行うことにより、
焼結複合材料を得ることができるが、製品によっては、
焼結後に熱処理などの二次加工を施してもよい。例え
ば、製品の強度を増加させたい場合には、均質化処理、
時効処理などを施してもよい。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに説明す
る。実施例１ホットプレス法の焼結金属作成プロセスにより本発明の
焼結複合材料を作成した。作成プロセスは、既存のもの
と同様であり、(１)原料粉末を用意し、(２)粉末を混合
し、(３)圧粉体を作製し、(４)脱ガスし、(５)熱間プレ
ス(ホットプレス)を行って、(６)焼結複合材料が形成さ
れる。

【００２６】本発明に係る焼結複合材料として、前記
(１)のマトリックスには、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を用い
た。平均粒径は、約１００μｍである。これに粒径比
(グラファイト粉末径／金属粉末径)が０．１、０．５及
び１．０になるようなグラファイト粉末を１０体積％添
加した。これらをブレンダー(混合機)で前記(２)の粉末
混合を行い、前記(３)の圧粉体は冷間プレスにより形成
した。得た圧粉体に前記(４)の脱ガス処理として、真空
加熱脱ガス処理を行った。そして、前記(５)のホットプ
レスを、５００℃、４ton/ｃｍ^２で５分間行い、前記
(６)の焼結複合材料を得た。

【００２７】図１は、前述したホットプレス法により得
られた焼結複合材料のうち、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金に粒
径比(グラファイト粉末径／金属粉末径)０．１(図１
(ａ)参照)、０．５(図１(ｂ)参照)及び１．０(図１(ｃ)
参照)となる前記グラファイト粉末を添加して得た焼結
複合材料の組織写真を示す。図１中黒く写っているのが
グラファイトであり、それ以外の部分が母材の過共晶Ａ
ｌ−Ｓｉ合金である。粒径比０．１の焼結複合材料につ
いては、図１(ａ)の組織状態から明らかなように、アル
ミニウムのみが連続相を形成しておらず、母材であるア
ルミニウム合金粒子の界面に存在するグラファイトも部
分的に連続相を形成している。それに対して粒径比０．
５及び１．０の焼結複合材料ではアルミニウム合金のみ
が連続相を形成しその中にグラファイト粒子が均一分散
している。粒径比０．５の焼結複合材料については、グ
ラファイト粒子の平均粒径は、５０μｍであり、粒径比
１．０の焼結複合材料については、グラファイト粒子の
平均粒径は、１００μｍであった。

【００２８】これらの焼結複合材料に関して、摩耗特性
評価の試験を行った。試験装置としては、図２に示すボ
ールオンディスク摩耗試験機を用いた。この摩耗特性評
価は、ボールオンディスク摩耗試験機で、ディスク形状
の焼結複合材料に、一定荷重でボールを押しつけなが
ら、焼結複合材料を回転させる方式である。試験条件
は、以下の通りである。ボール：軸受鋼（ＳＵＪ−２、直径６ｍｍ）荷重：１．０Ｎ周速：６０ｍｍ/秒摺動距離：２００×１０^３ｍｍ試験雰囲気：無潤滑大気中

【００２９】試験の結果を、図３に示す。図３の横軸
は、グラファイト粒子の粒径を、縦軸は、摩耗体積を示
す。なお、マトリックス粉末の平均粒子径は、１００μ
ｍである。

【００３０】図３から明らかなように、マトリックス粉
末とグラファイト粉末の粒径比が０．２〜１．８の場
合、摩耗体積が小さいことから、本発明の焼結複合材料
は優れた摩耗特性を示すことが分る。

【００３１】実施例２次に、実施例１と同様に、ホットプレス法により作成し
た焼結複合材料と、粉末押出し法により作成した焼結複
合材料を準備した。粉末押出し法の作成プロセスは、既
存のものと同様であり、(１)原料粉末を用意し、(２)粉
末を混合し、(３)圧粉体を作製し、(４)脱ガスし、(５)
押出しを行って、(６)焼結複合材料が形成される。

【００３２】図４は、ホットプレス法及び粉末押出し法
により得られた焼結複合材料のうち、過共晶Ａｌ−Ｓｉ
合金に粒径比(グラファイト粉末径／金属粉末径)０．５
となるように、グラファイト粉末を添加して得た焼結複
合材料の組織写真を示す。但し、押し出し品は押出方向
に垂直な縦断面写真である。図４中黒く写っているのが
グラファイトであり、それ以外の部分が母材の過共晶Ａ
ｌ−Ｓｉ合金である。ホットプレス品には、若干マトリ
ックス粉末表面にグラファイトが付着している。それに
対して、押し出し品は、押し出すことにより付着してい
るグラファイトが破壊され、そのことが焼結性の向上に
つながる。

【００３３】次に、粒径比を０．５とした場合のホット
プレス法及び粉末押出し法により得られた焼結複合材料
の機械的特性(ロックウエル硬さ)を評価した。硬さは、
ロックウエル硬度計を用いて測定した。結果を図5に示
す。図５中「Ｆ」は、ホットプレス又は押出ししたまま
の状態のものを、図５中「Ｔ６」は、ホットプレス又
は、押出しした後、溶体化処理後、時効処理を行ったも
のである。図５から明らかなように、粉末押出し法によ
る焼結複合材料は、ホットプレス法のものと比較して、
焼結複合材料の硬さを向上させることができた。

【００３４】実施例３本発明に係る焼結複合材料と、従来技術による焼結複合
材料との間で、摩擦摩耗特性評価を行った。試験装置
は、実施例１で説明したものと同様のものを用いた。試
験条件も実施例1と同様の条件とした。

【００３５】本発明に係る焼結複合材料としては、金属
粉末とグラファイトの粒径比が、０．５で製造した焼結
複合材料で、グラファイトの平均粒径が、５０μｍのも
のを用意した。摩耗特性の比較材として、既存のＡ３
９０(鋳造材)、Ａｌ−１６Ｓｉ押し出し材を準備した。
試験の結果を図６に示す。図６(ａ)は、各材料に対する
摩耗体積を、図６(ｂ)は、各材料に対する摩耗係数をそ
れぞれ示す。この結果から明らかなように、摩耗量、摩
耗係数ともに、比較材と比べて本発明の焼結複合材料の
特性が良好な結果を示した。すなわち、本発明の焼結複
合材料の潤滑性が極めて優れていることが分る。

【００３６】また、比較材として、金属粉末とグラファ
イト粉末の粒径比が０．１で製造した焼結複合材料を用
意した。さらに、金属粉末とグラファイト粉末表面に予
め銅を被覆した粉末の粒径比が０．１で製造した焼結複
合材料を用意した。試験の結果を図7に示す。図７(ａ)
は、各材料に対する摩耗体積を、図７(ｂ)は、各材料に
対する摩擦係数をそれぞれ示す。図7から明らかなよう
に、本発明の焼結複合材料は、Ｃｕコーティングしなく
てもＣｕコーティングした材料と同等の性能が得られ
た。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、柔らかくて摩擦係数が
高く、摩耗し易い材料であるアルミニウム又はアルミニ
ウム合金において、粒径比が０．２以上となるようなグ
ラファイト粉末を添加することにより、グラファイトに
金属をコーティングする事なく、アルミニウム又はアル
ミニウム合金の連続相にグラファイト粒子を点在させる
ことができ、耐摩耗性を向上した焼結複合材料を得るこ
とができる。Ａｌ基金属は、軽量化に適合する利点を有
する反面、柔らかくて摩擦係数が高く、摩耗し易い材料
であるため、従来は表面処理を施して耐摩耗性を付与し
てきたが、本発明の耐摩耗性焼結複合材料は、別途に表
面処理を行う必要がなく高度な耐摩耗性を有する。

【００３８】また、本発明によれば、本発明の焼結複合
材料を摺動部材の一方として用いた場合でも、相手方金
属への攻撃性を低減化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金にグラファイトを含有す
る組織状態を示す図である。

【図２】ボールオンディスク摩耗試験機を示す図であ
る。

【図３】本発明の焼結複合材料の摩耗量を示す図であ
る。

【図４】ホットプレス法及び粉末押出し法による本発明
の焼結複合材料の組織状態を示す図である。

【図５】ホットプレス法及び粉末押出し法による本発明
の焼結複合材料の硬度を示す図である。

【図６】本発明の焼結複合材料及び比較材の摩耗量、摩
耗係数を示す図である。

【図７】本発明の焼結複合材料及び比較材の摩耗量、摩
耗係数を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム又はアルミニウム合金の連
続相にグラファイト粒子が分散していることを特徴とす
る焼結複合材料。
【請求項２】５０％以上のグラファイト粒子の縦横比
が５以下である請求項１に記載の焼結複合材料。
【請求項３】アルミニウム合金が、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａ
ｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系、Ａｌ
−Ｓｉ−Ｍｇ系からなる群から選択される少なくとも１
種の合金である請求項１又は２に記載の焼結複合材料。
【請求項４】アルミニウムを含有する金属粉末とグラ
ファイト粉末の粒径比(グラファイト粉末径／金属粉末
径)が、０．２以上である混合粉末を圧粉成形し、圧粉
成形して得られた圧粉体を焼結することを特徴とする焼
結複合材料の製造方法。
【請求項５】アルミニウムを含有する金属粉末とグラ
ファイト粉末の粒径比(グラファイト粉末径／金属粉末
径)が、１．８以下である混合粉末を圧粉成形し、圧粉
成形して得られた圧粉体を焼結する請求項4記載の方
法。
【請求項６】前記グラファイト粉末の形状が、塊状で
ある請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】前記焼結を、ホットプレス法、粉末押し
出し法、粉末鍛造法、粉末圧延法又は等方圧成形法によ
り行う請求項４〜６のいずれか１項に記載の方法。