JPH05311299A

JPH05311299A - 耐摩耗性を有する複合材料

Info

Publication number: JPH05311299A
Application number: JP23572992A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kito; 哲鬼頭; Masahito Ito; 雅人伊藤; Eiki Takeshima; 鋭機竹島; Yasushi Tanaka; 康司田中; Takahiro Fujii; 孝浩藤井; Kenjiro Izumitani; 謙二郎泉谷
Original assignee: Toyota Motor Corp; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1993-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、簡易金型（プレス型や射出成形型）
などを製造する場合、製造に要する時間、製造コスト、
耐摩耗性などに優れた特性を得ることができる複合材料
を提供することを目的とする。【構成】本発明の耐摩耗性を有する複合材料は、Ｓｎ系
低融点合金をベースとしたマトリックスと、該マトリッ
クス中に１０〜５０容量％含有するＦｅ系分散粒子とよ
りなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性を有する複合
材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば、鋳造法を用いて製造され
る簡易金型（プレス型や射出成形型）などの材料として
は、加熱溶融時に流動性が良く、成形性に優れた低融点
合金が利用されている。前記低融点合金としては、例え
ばＢｉとＳｎとよりなる２元共晶合金、いわゆるＢｉー
Ｓｎ共晶低融点合金（以下、従来例１の合金と称す）
や、この従来例１の合金にＳｂを添加し固容析出を図っ
た低融点合金（以下、従来例２の合金と称す）が知られ
ている（特開平２−２５５３３号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来例１および２
の合金と、Ｚｎを主成分とする合金（三井金属鉱業製Ｚ
ＡＳ以下、従来例３と称す）とを、それぞれ用い鋳造法
により３種類のプレス型を製造し長所、短所を比較して
みた場合、従来例１および２の合金は、溶融温度が約１
３９℃および約２００℃と従来例３の合金の約３８０℃
に対して非常に低温であるため、プレス型の製造に要す
る時間が減少し、作業性、製造コストなどで非常に優れ
るが、耐摩耗性では大きく劣る。

【０００４】すなわち、従来例１および２の合金製プレ
ス型の耐摩耗性は、図１のａ１線およびａ２線で示され
るように、同ａ３線で示される従来例３の合金製プレス
型の場合よりも、著しく低い。〔なお、前記耐摩耗性
は、溶融亜鉛メッキ鋼板（厚さ１．６ｍｍ）をプレス加
工し、プレスショット数に対するプレス型の摩耗量（ｍ
ｍ²）によるものである。〕本発明は、簡易金型（プレ
ス型や射出成形型）などを製造する場合、製造に要する
時間が減少し、作業性、製造コスト、耐摩耗性などに優
れた特性を得ることができる複合材料を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の耐摩耗性を有す
る複合材料は、Ｓｎ系低融点合金をベースとしたマトリ
ックスと、該マトリックス中に１０〜５０容量％含有す
るＦｅ系分散粒子とよりなることを特徴とする。前記ベ
ースを構成するＳｎ系低融点合金は、ＢｉーＳｎ、Ｓｎ
ーＰｂ、ＳｎーＺｎ、ＳｎーＣｕ等の共晶低融点合金
や、ＢｉーＳｎ共晶低融点合金にＳｂを添加したもの等
があげられ、融点が低く成形性が優れることにより用い
られる。また、Ｓｎー８Ｚｎ共晶低融点合金や、Ｓｎー
０．７５Ｃｕ共晶低融点合金を用いれば、ＢｉーＳｎ低
融点合金を用いる場合よりも、ほぼ１／１０にコストを
低減することもできる。

【０００６】Ｓｎ系低融点合金としては、共晶合金を形
成する二つの金属の重量比率を共晶点とした上記のもの
以外に、共晶点に近い重量比率のものを用いることがで
きる。前記Ｆｅ系分散粒子は、Ｓｎ系低融点合金をベー
スとしたマトリックス中に分散し、前記マトリックスを
補強、強化するものである。

【０００７】Ｆｅ系分散粒子を用いた理由としては、耐
摩耗性に優れ、安価で製造コストが低いこと、および前
記マトリックスと比重差が少なく（例えば、マトリック
スの比重６．８〜８．７：Ｆｅ系分散粒子の比重７．８
〜８．８）、マトリックス中に均一に分散し、マトリッ
クス中で固溶拡散せずリサイクルができること、等を満
たすからである。

【０００８】前記マトリックス中に分散されるＦｅ系分
散粒子の含有量は、前記マトリックスの容量に対して１
０〜５０容量％である。Ｆｅ系分散粒子の含有量を前記
値に限定した理由は、例えば、鋳造法により複合材料を
用いてプレス型を製造する場合、前記値の範囲内（図３
実線および白丸印参照）であると、加熱溶融時に複合材
料が流動性を有し、かつ得られたプレス型が耐摩耗性に
優れるからである。すなわち、Ｆｅ系分散粒子の含有量
が１０容量％に満たない場合には、流動性がよい反面、
耐摩耗性に劣る。またＦｅ系分散粒子の含有量が５０容
量％を超過した場合には、耐摩耗性に優れる反面、流動
性が失われるからである。

【０００９】Ｆｅ系分散粒子としては、例えばＦｅのみ
よりなる分散粒子や、Ｆｅと他の金属とよりなる合金分
散粒子や、２．０ｍａｓｓ％以下のＣを含み残部がＦｅ
と不可避的不純物とからなるＦｅーＣ系合金分散粒子な
どを用いることができる。なお、Ｆｅとは、純Ｆｅや、
純Ｆｅに他の元素を含むものを称す。Ｆｅ系分散粒子の
形状としては、種々の形状のものを使用できる。Ｆｅ系
分散粒子は、表面が平滑なものや、表面が平滑でないも
の等を用いることができる。また、Ｆｅ系分散粒子の形
状を球形や、球形に近いものとすることにより、溶融時
の複合材料の流動性をさらに高めることができる。

【００１０】Ｆｅ系分散粒子の大きさとしては、複合材
料を用いてプレス型を製造する場合の流動性の確保や、
製造コストの低減や、製造されたプレス型の使用時の耐
摩耗性を保持するため、１０〜１０００μｍの範囲のも
のを用いることが好ましい。なお、Ｆｅ系分散粒子の粒
径の大きさが１０μｍ未満の場合には、製造しにくく、
製造に手間取るため、その製造コストが高くなる。そし
てＦｅ系分散粒子の大きさが１０００μｍを超過した場
合には、プレス加工時に、被プレス加工対象物との接触
摩擦する部分でプレス型を形成している複合材料中より
Ｆｅ系分散粒子が剥離する。また、前記Ｆｅ系分散粒子
が２００〜３００μｍの場合には、複合材料中より剥離
することが、ほとんどみられない。従って、Ｆｅ系分散
粒子の粒径の大きさは、１０〜１０００μｍの範囲のも
のを用いることが好ましい。

【００１１】

【作用】本発明の複合材料は、マトリックスとＦｅ系分
散粒子との比重差が少なく、Ｆｅ系分散粒子はマトリッ
クス中で偏析しない。つまり、強化分散粒子であるＦｅ
系分散粒子がマトリックス中にほぼ均一に分散している
ために耐摩耗性に優れた複合材料となる。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）実施例１の耐摩耗性を有する複合材料（以
下、複合材料と称す）は、ＢｉーＳｎ低融点合金をベー
スとしたマトリックスと、マトリックス中に４５容量％
含有するＦｅ分散粒子とよりなる。

【００１３】すなわち、前記マトリックスは、ＢｉとＳ
ｎとの重量比率が共晶点となる５８：４２と設定された
ＢｉーＳｎ低融点合金をベースとし、このベースに５ｗ
ｔ％のＳｂを添加したものである。また前記Ｆｅ分散粒
子としては、噴霧法によって得た球形状で平均粒径が２
００〜３００μｍのＦｅ粒子（Ｆｅアトマイズ粉末）で
ある。

【００１４】そしてこの複合材料を用いて、鋳造方法に
よって図６および７に示す立方体でその断面形状が正方
形（縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ）のテストサンプル１を製
造したときの複合材料の流動性を確認するとともに、製
造されたテストサンプル１をプレス装置のダイ２に取り
付けてプレス型となし、前記プレス型に接近移動するポ
ンチ３とを用いて溶融亜鉛メッキ鋼板（厚さ１．６ｍ
ｍ）４をプレス加工し、その結果としてプレスショット
数と型摩耗量（ｍｍ²）との関係を図１に示した。ま
た、図２にはプレス型面圧（Ｋｇｆ／ｃｍ²）と動摩擦
係数（μ）との関係を示した。

【００１５】耐摩耗性テストの結果、実施例１の複合材
料を用いて製造されたプレス型の摩耗量は、図１のＡ１
線の示すように、前記従来の技術の項で述べた従来例１
の合金製プレス型（ａ１線）および従来例２の合金製プ
レス型（ａ２線）に比べ大幅に減少し、従来例３のＺｎ
を主成分とする合金製プレス型（ａ３線）に近い耐摩耗
性をもつことが判明した。

【００１６】また図２のＢ１線（実線および白丸印参
照）の示すように、面圧（Ｋｇｆ／ｃｍ²）に対する動
摩擦係数（μ）もほぼ０．１２〜０．１３の範囲の低い
ものとなっている。この動摩擦係数は、従来例１の合金
製プレス型（ｂ１線）に比べほぼ４３％低減した。この
理由としては、プレス型を形成する前記複合材料のＢｉ
ーＳｎ低融点合金をベースとしたマトリックスと、この
マトリックス中に４５容量％含有するＦｅ粒子との比重
差が少ないため、前記マトリックス中でＦｅ粒子が偏析
せずにほぼ均一に分散し、プレス加工される溶融亜鉛メ
ッキ鋼板との相性がよいこと、およびプレス型と溶融亜
鉛メッキ鋼板との接触摩擦時に、前記Ｆｅ粒子よりも軟
らかいマトリックスが接触摩擦部分で潤滑剤の役目を果
たすものと推測される。

【００１７】従って、実施例１の複合材料を用いて製造
されたプレス型では、プレス時にオイル等の潤滑剤を塗
布せずに、プレス加工される溶融亜鉛メッキ鋼板４との
接触摩擦部分での摩耗量を低減できる。これによりプレ
ス加工後の製品品質を安定させ得る。さらに複合材料
は、マトリックス中に４５容量％含有しているＦｅ分散
粒子が安価であり、またＦｅ分散粒子がマトリックス中
で固溶拡散しないためリサイクル性もよく、コスト面か
らみて有利なものとなる。

【００１８】（実施例２）複合材料に含有されるＦｅ粒
子の含有量を種々の値に設定した点を除き、実施例１と
同様にしてプレス型を製造し、このプレス型を用いて１
００ショットプレス後の型摩耗量を測定した。この結果
を図３に示す。図３に示されるように、Ｆｅ粒子の含有
量が１０容量％未満の場合は耐摩耗性に劣ることがわか
る。そしてＦｅ粒子の含有量が多いほど耐摩耗性は高め
られるが、５０容量％を超えると複合材の流動性が無く
なってしまう。よって複合材中のＦｅ粒子の含有量が１
０容量％以上５０容量％以下の時に、耐摩耗性に優れた
複合材料が得られることがわかる。なお、Ｆｅ系分散粒
子を用いた場合も同様な結果が得られることが推測され
る。

【００１９】また、マトリックス中に上記範囲の固体状
態のＦｅ分散粒子を含有する複合材料は、流動性を備え
ているので鋳造方法によってプレス型を製造する場合、
加熱溶融されて鋳型に流し込まれるとき湯流れ性が良好
で作業し易い。そして溶融した液状の複合材料が鋳型に
流し込まれた後、液状より冷却硬化するときの凝固収縮
による歪みの影響は、液状の複合材料のマトリックス中
に含有されている固体状態のＦｅ分散粒子が凝固収縮し
ない分、少なくてすむため、得られたプレス型の精度が
高い。

【００２０】（実施例３）実施例３の耐摩耗性を有する
複合材料（以下、複合材料と称す）は、ＢｉーＳｎ低融
点合金をベースとしたマトリックスと、マトリックス中
に４０容量％含有するＦｅ系分散粒子とよりなる。すな
わち、前記マトリックスは、ＢｉとＳｎとの重量比率が
共晶点となる５８：４２と設定されたＢｉーＳｎ低融点
合金をベースとしたものである。また前記Ｆｅ系分散粒
子としては、噴霧法によって得た球形状で平均粒径が１
００〜１５０μｍのＦｅとＷの重量比率が７６：２４で
ある合金粒子（アトマイズ粉末）が用いられる。

【００２１】そして前記マトリックスと、Ｆｅー２４Ｗ
合金粒子とを複合化し得られた複合材料を用いて、前記
実施例１の場合と同様に鋳造方法によってプレス型を製
造したときの複合材料の流動性を確認するとともに、製
造されたプレス型の耐摩耗性テストを実施した。耐摩耗
性テストの結果、実施例３の複合材料を用いて製造され
たプレス型の摩耗量は、図１のＡ２線の示すように、前
記従来の技術の項で述べた従来例１の合金製プレス型
（ａ１線）および従来例２の合金製プレス型（ａ２線）
に比べ大幅に減少し、前記実施例１のＡ１線の場合より
も、さらに従来例３のＺｎを主成分とする合金製プレス
型（ａ３線）に近い耐摩耗性をもつことが判明した。

【００２２】（実施例４）実施例４の耐摩耗性を有する
複合材料（以下、複合材料と称す）は、Ｓｎー８Ｚｎ共
晶低融点合金（融点１９９℃）をベースに用いたマトリ
ックスとした以外は、実施例１の場合と同じである。な
お、前記マトリックスは、Ｓｎと、８Ｚｎとの重量比率
が共晶点となる１５：８５と設定されたＳｎー８Ｚｎ共
晶低融点合金をベースとしたものである。

【００２３】そしてこの複合材料を用いて、実施例１の
場合と同じようにして製造されたテストサンプル１の耐
摩耗性テストの結果、プレス型の摩耗量は、図４のＡ３
線（実線および白丸印参照）の示すように、前記実施例
１の場合（図１のＡ１線）とほぼ同じものであることが
判明した。すなわち、前記従来の技術の項で述べた従来
例１の合金製プレス型（ａ１線）および従来例２の合金
製プレス型（ａ２線）に比べ大幅に減少し、従来例３の
Ｚｎを主成分とする合金製プレス型（ａ３線）に近い耐
摩耗性をもつことが判明した。

【００２４】また図５のＢ２線（実線および白丸印参
照）の示すように、面圧（Ｋｇｆ／ｃｍ²）に対する動
摩擦係数（μ）も０．１２の低いものとなっている。こ
の動摩擦係数は、従来例１の合金製プレス型（ｂ１線）
に比べほぼ４３％低減した。さらに前記マトリックスの
ベースとしてＳｎー８Ｚｎ共晶低融点合金を用いること
により、ベースとしてＢｉーＳｎ共晶低融点合金を用い
る場合よりも、ほぼ１／１０にコストを低下できる。

【００２５】（実施例５）この実施例５の場合には、耐
摩耗性を有する複合材料としてＳｎー８Ｚｎ共晶低融点
合金（融点１９９℃）をベースにしたマトリックスを用
いた以外は、実施例２の場合と同様である。この複合材
料により製造されたテストサンプル１を用いたプレス型
により１００ショットプレス後の型摩耗量を測定した。
この結果は、図３に示す実施例２の結果と同様であっ
た。

【００２６】（実施例６）実施例６の耐摩耗性を有する
複合材料（以下、複合材料と称す）は、Ｓｎー０．７５
Ｃｕ共晶低融点合金（融点２２７℃）をベースに用いた
マトリックスとした以外は、実施例３の場合と同じであ
る。なお、前記マトリックスは、Ｓｎと、０．７５Ｃｕ
との重量比率が共晶点となる２：９８と設定されたＳｎ
ー０．７５Ｃｕ共晶低融点合金をベースとしたものであ
る。

【００２７】そしてこの複合材料を用いて、実施例３の
場合と同じようにして製造されたテストサンプル１の耐
摩耗性テストの結果、プレス型の摩耗量は、図４のＡ４
線（実線および白四角印参照）の示すように、実施例４
のＡ３線に近い耐摩耗性をもつことが判明した。さらに
前記マトリックスのベースとしてＳｎー０．７５Ｃｕ共
晶低融点合金を用いることにより、ベースとしてＢｉー
Ｓｎ低融点合金を用いる場合よりも、ほぼ１／１０にコ
ストを低下できる。

【００２８】マトリックスのベースとなるＳｕ系低融点
合金については、実施例に用いた共晶合金に限られず、
共晶合金に近い重量比率の合金を用いても本発明の目的
とする耐摩耗性に優れた複合材料が得られることが確認
されている。特に、簡易金型用として本発明の材料を用
いる場合はマトリックスのベースとなるＳｕ系低融点合
金の融点は２３０℃以下とすることが望ましい。簡易金
型を鋳造する場合、鋳造に用いるモデル材等が２３０℃
を超える温度範囲では耐熱性を有しないからである。

【００２９】

【発明の効果】本発明の耐摩耗性を有する複合材料（以
下、複合材料と称す）を用いて、例えば、鋳造方法でプ
レス型を製造し、このプレス型により溶融亜鉛メッキ鋼
板をプレス加工した場合、実測されたプレス型の動摩擦
係数は、従来例１および従来例２の場合と較べほぼ４３
％減少でき、かつこの分、耐摩耗性を増すことができ
る。

【００３０】この理由としては、プレス型を形成する前
記複合材料のＳｎ系低融点合金をベースとしたマトリッ
クスと、このマトリックス中に１０〜５０容量％含有す
るＦｅ系分散粒子との比重差が少ないため、前記マトリ
ックス中でＦｅ系分散粒子が偏析せずにほぼ均一に分散
し、プレス加工される溶融亜鉛メッキ鋼板との相性がよ
いこと、およびプレス型と溶融亜鉛メッキ鋼板との接触
摩擦時に、前記Ｆｅ系分散粒子よりも軟らかいマトリッ
クスが接触摩擦部分で潤滑剤の役目を果たすものと推測
される。

【００３１】従って、本発明の複合材料を用いて製造さ
れたプレス型では、プレス時にオイル等の潤滑剤を塗布
せずに、プレス加工される溶融亜鉛メッキ鋼板との接触
摩擦部分での摩耗量を低減できる。これによりプレス加
工後の製品品質を安定させ得る。また、前記複合材料
は、マトリックス中に、固体状態のＦｅ系分散粒子を１
０〜５０容量％含有し流動性を備えているので、鋳造方
法によって簡易プレス型を製造する場合、加熱溶融され
て鋳型に流し込まれるときの湯流れ性が良好で作業し易
い。そして溶融した液状の複合材料が鋳型に流し込まれ
た後、液状より冷却硬化するときの凝固収縮による歪み
の影響は、液状の複合材料のマトリックス中に含有され
ている固体状態のＦｅ粒子が凝固収縮しない分、少なく
て済むため、得られたプレス型の精度が高い。

【００３２】さらに複合材料は、マトリックス中に１０
〜５０容量％含有しているＦｅ系分散粒子が安価であ
り、またＦｅ系分散粒子がマトリックス中で固溶拡散し
ないためリサイクル性もよく、コスト面からみて有利な
ものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１および実施例３の耐摩耗性を有する複
合材料を用いて製造されたプレス型と、比較のための従
来例１および従来例２、従来例３の合金を用いて製造さ
れたプレス型による溶融亜鉛メッキ鋼板のプレス加工時
において、横軸にプレスのショット数を示し、縦軸にプ
レス型の摩耗量を示す比較説明図。

【図２】実施例１の耐摩耗性を有する複合材料と、比較
のための従来例１および従来例２、従来例３の合金を用
いて製造されたプレス型による溶融亜鉛メッキ鋼板のプ
レス加工時において、横軸に面圧（Ｋｇｆ／ｃｍ²）を
示し、縦軸にプレス型の動摩擦係数（μ）を示す比較説
明図。

【図３】実施例２および５の耐摩耗性を有する複合材料
を用いて製造されたプレス型による溶融亜鉛メッキ鋼板
のプレス加工時において、横軸にマトリックス中に含有
されるＦｅ分散粒子の容量％および流動性を示し、縦軸
にプレス型の１００ショットプレス後の摩耗量を示す説
明図。

【図４】実施例４および実施例６の耐摩耗性を有する複
合材料を用いて製造されたプレス型と、比較のための従
来例１および従来例２、従来例３の合金を用いて製造さ
れたプレス型による溶融亜鉛メッキ鋼板のプレス加工時
において、横軸にプレスのショット数を示し、縦軸にプ
レス型の摩耗量を示す比較説明図。

【図５】実施例４の耐摩耗性を有する複合材料と、比較
のための従来例１および従来例２、従来例３の合金を用
いて製造されたプレス型による溶融亜鉛メッキ鋼板のプ
レス加工時において、横軸に面圧（Ｋｇｆ／ｃｍ²）を
示し、縦軸にプレス型の動摩擦係数（μ）を示す比較説
明図。

【図６】実施例４および実施例６で得られた耐摩耗性を
有する複合材料を用いて製造されたテストサンプルをプ
レス装置のダイに取り付けプレス型を形成し、プレス装
置のポンチにより耐摩耗テストを行う状態を示す断面
図。

【図７】実施例４および実施例６で得られた耐摩耗性を
有する複合材料を用いて製造されたテストサンプルの耐
摩耗性テスト終了後の摩耗領域を示す断面図。

【符号の説明】

Ａ１、Ｂ１・・・実施例１の複合材料製プレス型Ａ２・・・実施例３の複合材料製プレス型Ａ３、Ｂ２・・・実施例４の複合材料製プレス型Ａ４・・・実施例６の複合材料製プレス型ａ１、ｂ１・・・従来例１の合金製プレス型ａ２、ｂ２・・・従来例２の合金製プレス型ａ３、ｂ３・・・従来例３の合金製プレス型

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹島鋭機千葉県市川市高谷新町７番地の１日新製鋼株式会社新材料研究所内 (72)発明者田中康司千葉県市川市高谷新町７番地の１日新製鋼株式会社新材料研究所内 (72)発明者藤井孝浩千葉県市川市高谷新町７番地の１日新製鋼株式会社新材料研究所内 (72)発明者泉谷謙二郎千葉県市川市高谷新町７番地の１日新製鋼株式会社新材料研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｎ系低融点合金をベースとしたマトリッ
クスと、該マトリックス中に１０〜５０容量％含有する
Ｆｅ系分散粒子とよりなることを特徴とする耐摩耗性を
有する複合材料。