JPH08209274A - 耐摩耗性アルミニウム系焼結合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 軽量で摺動特性に優れ、かつ耐摩耗性で、摩
擦係数の低いＡｌ−Ｓｉ系焼結合金を提供する。 【構成】 全体組成が重量比でＳｉ：１.３〜２３.３
％、Ｃｕ：１.１〜５％、Ｍｇ：０.１〜１.５％、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＺｒおよびＮ
ｂから選ばれる１種もしくは２種以上の遷移金属：０.
００５〜１％、固体潤滑材：１〜４５％、残部のＡｌお
よび不可避不純物からなり、Ａｌ合金部分は初晶Ｓｉが
分散しているＡｌ−Ｓｉ系合金相とＡｌ固溶体相との斑
組織を呈し、斑組織面積に占めるＡｌ固溶体相の面積が
２０〜８０％であり、前記Ａｌ合金部分の粒界に固体潤
滑材が分散していることを特徴とする耐摩耗性アルミニ
ウム系焼結合金、および上記と同一組成の焼結合金であ
って、Ａｌ−Ｓｉ系合金相の少なくとも摩擦予定部の初
晶Ｓｉの最大粒径は５〜６０μｍであり、他の部分の初
晶 Ｓｉの粒径は５μｍ以下である耐摩耗性アルミニウ
ム系焼結合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歯車、プーリー、コン
プレッサー用ベーン、コンロッド、ピストンなどの、軽
量で強度が高く、かつ耐摩耗性であることを要求される
部品の材料として好適なアルミニウム系焼結合金に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】機械効率の向上や省エネルギーの要求か
ら、機械要素は軽量化材料への置換が進んでいる。中で
もアルミニウム系焼結合金は、鋳造合金に比べて、初晶
Ｓｉを微細化でき、Ｓｉ含有量を多くできることなどの
理由から、比強度と耐摩耗性に優れた材料として期待さ
れている。

【０００３】従来の焼結Ａｌ−Ｓｉ系合金としては、例
えば特開昭５３−１２８５１２号公報に開示されている
ように、組成を構成する元素またはその母合金の粉末を
混合し、圧粉焼結して製造する方法がある。このように
して作られる合金は、液相焼結により微細化した初晶Ｓ
ｉを均一に分散させることにより、引張り強さが比較的
高い材料を得ることができる。また、軟質な金属粉末を
用いることができるため、粉末成形性がよく、金型成形
によるニアネットシェープ化ができるという特長を有す
る。

【０００４】また、特開昭６２−１０２３７号公報に記
載されているように、Ｓｉ以外の元素も含む急冷凝固ア
ルミニウム合金粉を用いる方法がある。同公報によれ
ば、圧粉体を熱間鍛造することにより、Ａｌ−Ｓｉ系合
金素地中に初晶Ｓｉが均一に分散した組織が得られ、引
張り強さが更に向上する。この合金は、強度は比較的高
いが、粉末が硬いために金型成形によるニアネットシェ
ープ化が困難であること、焼結時に液相が発生しないこ
となどのために、焼結のみでは粉末相互の十分な結合を
達成することができず、ビレット形状からの押出しや鍛
造など、数回の圧縮工程を必要とする点に問題がある。

【０００５】また、このような課題を解決するために、
特開平５−１５６３９９号公報に提案されている焼結合
金は、急冷凝固Ａｌ−Ｓｉ系合金粉に、所定量の純Ａｌ
粉を混合した粉末の圧粉体を熱間鍛造して製造され、微
細な初晶Ｓｉが分散した共晶Ａｌ−Ｓｉ素地中に、熱間
鍛造で変形したＡｌ固溶体粒が５〜２０容量％分散した
組織を有するものである。この合金はＡｌ固溶体粒が接
着剤として作用し、硬質な粒界の相互の密着性を向上さ
せ、耐摩耗性および靭性を向上させたものである。

【０００６】一方、本出願人による特願平６−３７６０
６号において提案したアルミニウム系焼結合金は、全体
組成が重量比でＳｉ：２.４〜２３.５％、Ｃｕ：２〜５
％、Ｍｇ：０.２〜１.５％、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆ
ｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＺｒおよびＮｂから選ばれる１種もし
くは２種以上の遷移金属：０.０１〜１％、残部のＡｌ
および不可避不純物からなり、最大粒径が５〜６０μｍ
の初晶Ｓｉが分散したＡｌ−Ｓｉ系合金相とＡｌ固溶体
相との斑組織を呈し、かつ斑組織面に占めるＡｌ固溶体
相の面積が２０〜８０％である。この焼結合金は、遷移
金属を含有させることにより粒界のＣｕ合金相を減少さ
せ、延性に優れ、かつ強度と耐摩耗性とを兼ね備えたも
のである。

【０００７】さらに、前記焼結合金の改良として、特願
平６−３３５７１２号において提案したアルミニウム系
焼結合金は、前記焼結合金の焼結方法を変更して、先ず
Ａｌ−Ｓｉ系合金相中の初晶Ｓｉの粒径が５μｍ以下の
焼結体を製作した後、合金表面部を加熱して表面部のＡ
ｌ−Ｓｉ系合金相中の初晶Ｓｉの最大粒径が５〜６０μ
ｍになるようにしたものであり、表面部は前記焼結合金
と同様の性質を有し、焼結合金内部は微細な初晶Ｓｉに
より強度を向上させたものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本出願人が提案した前
記の焼結合金は、強度と耐摩耗性とを兼ね備えた優れた
合金であるが、この合金の強度と耐摩耗性を低下させる
ことなく、更に摩擦係数を低くすることができれば、摺
動部を有する機械要素への適用範囲を拡大することがで
きる。本発明の目的は、このような観点から、摩擦係数
の低いＡｌ−Ｓｉ系焼結合金を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記のよ
うな目的を達成するために鋭意検討を行った結果、本発
明に到達した。すなわち、本発明の焼結合金は、アルミ
ニウム合金中に固体潤滑材を含有させたものであって、
全体組成が重量比でＳｉ：１.３〜２３.３％、Ｃｕ：
１.１〜５％、Ｍｇ：０.１〜１.５％、Ｔｉ、Ｖ、Ｃ
ｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＺｒおよびＮｂから選ば
れる１種もしくは２種以上の遷移金属：０.００５〜１
％、黒鉛、ＭｏＳ₂、ＢＮ、ＷＳ₂、雲母、タルクおよび
亜鉛華などの１種もしくは２種以上の固体潤滑材：１〜
４５％、および残部のＡｌおよび不可避不純物からな
り、 Ａｌ合金部分は最大粒径が５〜６０μｍの初晶Ｓ
ｉが分散しているＡｌ−Ｓｉ系合金相とＡｌ固溶体相と
の斑組織を呈し、斑組織面に占めるＡｌ固溶体相の面積
が２０〜８０％であり、かつ前記Ａｌ合金部分の粒界に
固体潤滑材が分散していること特徴とするものである。
また、他の第二の発明は、全体組成は前記と同一であっ
て、合金の表面部または少なくとも摺動予定面部のＡｌ
−Ｓｉ系合金相中の初晶Ｓｉの最大粒径が５〜６０μｍ
であり、その他の部分のＡｌ−Ｓｉ系合金相中の初晶Ｓ
ｉの粒径が５μｍ以下であることを特徴とするものであ
る。

【００１０】これらの焼結合金中の固体潤滑材は、気孔
を除く合金の体積比で１〜２０％に相当する含有量であ
る。なお、この焼結合金は、焼結体のままでも使用でき
るが、高密度化および高強度化を目的として、焼結体を
常温または熱間で押出、鍛造、圧延等により塑性加工を
施したり、またはこの合金系で通常行なわれる溶体化処
理および時効処理などを施すこともできる。

【００１１】

【作用】次に、本発明の各構成要件について説明する。 （１）斑組織と初晶Ｓｉの粒径 斑組織は、初晶Ｓｉが分散したＡｌ−Ｓｉ系合金相とＡ
ｌ固溶体相とで構成される。初晶Ｓｉが分散したＡｌ−
Ｓｉ系合金相は、相中にＭｇ、Ｃｕおよび遷移金属元素
が拡散した固溶体であって、この素地中に初晶Ｓｉが分
散しており、比較的硬質な相であって、主として材料強
度および耐摩耗性に寄与する。

【００１２】Ａｌ固溶体相は、純アルミニウム粉の形態
で添加されたＡｌ中に、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕおよび遷移金
属が拡散した固溶体であって、比較的軟質であり、合金
の靭性に寄与するとともに、初期摩耗を受けてＡｌ−Ｓ
ｉ系合金間に油溜まりを形成し、潤滑性および摩擦中の
相手材とのなじみ性に寄与する。また、塑性変形し易い
ので、摺動面近傍の硬質な初晶Ｓｉ粒子が摩耗粉として
脱落しそうになったり、脱落した場合に、それらを埋没
させ、Ｓｉ粒子が研摩粒子として作用することを防ぐ効
果がある。

【００１３】前述の初晶Ｓｉ粒子が分散したＡｌ−Ｓｉ
系合金相と軟質なＡｌ固溶体相の２つの相は、Ａｌ−Ｓ
ｉ系合金相が合金断面の面積比で２０％未満のときは、
初晶Ｓｉの量が少ないために耐摩耗性は著しく低くな
る。また、Ａｌ−Ｓｉ系合金相が８０％を越える場合に
は、摩擦摺動により脱落したＳｉ粒子を埋没させるＡｌ
固溶体相の量が少ないために、耐摩耗性はやはり低くな
る。したがって、２つの相が、合金断面の面積比で２０
〜８０：８０〜２０の割合で斑状に混在した複合組織で
あるときに、両相の相互作用によって強度および耐摩耗
性が良好になる。

【００１４】初晶Ｓｉの粒径が大きくなると粒子のエッ
ジは鋭角になり、硬質な初晶Ｓｉ粒子が突起物の状態を
呈して、相手材を引かき摩耗させる。一方、初晶Ｓｉの
量が少ないかまたは初晶Ｓｉの粒径が小さいと、摩擦摺
動時に素地から脱落し、脱落した初晶Ｓｉが研摩粒子と
して作用するために摩耗が進行する。したがって、耐摩
耗性の点から、初晶Ｓｉの粒径は適度の大きさであるこ
とが必要であり、最大粒径は５〜６０μｍのものが好ま
しい。一方、強度の点から考えると、初晶Ｓｉが大きい
ほど強度が低い。すなわち、初晶Ｓｉの粒径が小さいほ
ど強度が高くなるので好ましく、粒径５μｍ以下が好適
である。そこで、摩擦部材の表面あるいは少なくとも摺
動する部位に存在する初晶Ｓｉは、耐摩耗性を考慮し
て、最大粒径を５〜６０μｍにするとともに、内部の初
晶Ｓｉは、合金全体の強度を考慮して粒径を５μｍ以下
にすることによって、耐摩耗性と強度をともに向上させ
ることが可能となる。

【００１５】（２）Ｓｉ アルミニウム合金中のＳｉは、一般的に熱膨張係数を低
下させ、耐摩耗性を向上させる等の効果を有する。全体
組成からみたＳｉの量は、後述の初晶Ｓｉが分散したＡ
ｌ−Ｓｉ系合金とＡｌ固溶体相とが斑組織を呈するよう
な範囲で決定され、１.３〜２３.５重量％の範囲が適当
である。全体組成中のＳｉ量が少な過ぎると、初晶Ｓｉ
が分散したＡｌ−Ｓｉ系合金中のＳｉ量が少ないか、あ
るいはＡｌ固溶体相の占める割合が多いことを意味し、
その場合には、耐摩耗性に寄与する初晶Ｓｉの量が少な
いため耐摩耗性が不十分となる。一方、Ｓｉ量が多過ぎ
ると、上記と反対に初晶Ｓｉが分散したＡｌ−Ｓｉ系合
金中のＳｉ量が多過ぎるか、あるいはＡｌ固溶体相の占
める割合が少なくなり、やはり耐摩耗性が低下する。

【００１６】Ｓｉは、Ａｌ−Ｓｉ合金粉の形態で添加さ
れる。Ａｌ−Ｓｉ合金の粉末製造の際の急冷凝固により
初晶Ｓｉが晶出するためには、Ｓｉ含有量が１３重量％
以上であることが必要である。一方、Ｓｉ含有量が３０
重量％を越えると粉末製造時の溶湯温度が高くなるた
め、Ｓｉ含有量は１３〜３０％が適当である。焼結した
後のＡｌ−Ｓｉ合金粉の部分は、後述のようにＣｕ、Ｎ
ｉ、Ｍｇの一部が固溶し、初晶Ｓｉが分散したＡｌ−Ｓ
ｉ系合金となって、焼結合金の斑組織の片方の合金相を
構成する。

【００１７】（３）Ｍｇ Ｍｇは焼結中に液相を生じて素地中に固溶する。その効
果としては、焼結の促進および時効析出するＭｇ₂Ｓｉ
による基地の強化および耐摩耗性の向上が挙げられる。
Ｍｇの量は、全体組成で０.１重量％未満では効果が不
十分であり、一方１.５重量％を越えて添加してもそれ
以上の添加効果を示さないため、０.１〜１.５重量％の
範囲としたが、好ましい範囲は０.３〜０.７重量％であ
る。

【００１８】また、添加手段としては、Ｍｇ含有量が３
５重量％以上のＡｌ−Ｍｇ合金粉またはＭｇ粉の形態で
行う。これは、Ａｌ−Ｍｇ二元系合金の融点が、Ｍｇ含
有量３３〜７０％の間において４６０℃程度の低い値を
示すためである。すなわち、純粋なＭｇ粉の場合には、
焼結の過程でＡｌ素地と固相拡散してＭｇ濃度が低下す
ることにより液相が発生する。一方、Ａｌ−Ｍｇ合金粉
を用いる場合には、Ｍｇ含有量を例えば３３％とする
と、前記と同様にＡｌとの拡散でＭｇ濃度が低下するこ
とにより融点が上昇して、有効に液相を利用することが
できないので、Ｍｇ含有量は３５重量％以上とすること
が望ましい。

【００１９】（４）Ｃｕおよび遷移金属 ＣｕはＡｌ合金素地を強化する元素であり、時効処理に
より一層大きな効果を示す。Ｃｕの含有量は全体組成で
１.１重量％〜５重量％であり、Ｃｕ含有量が１.１重量
％未満では所望の強度の向上が認められず、反対に５重
量％を越えると、粉末粒界近傍においてＣｕを主成分と
する金属間化合物が多量に析出して靭性が低下するので
好ましくない。なお、好適なＣｕ含有量は３.５〜４.５
重量％である。ＣｕをＣｕ粉の形態で添加した場合に、
Ｃｕを素地に固溶させるために必要な加熱を行うと、溶
製材料のように初晶Ｓｉが粗大化し、反対に加熱の温度
を下げ時間を短縮すると、素地の粒界にＣｕの金属間化
合物、例えばＡｌ₂ＣｕＭｇ、Ａｌ₆ＣｕＭｇ₄等が残存
して強度の低下を招く。そこで、適量のＴｉ、Ｖ、Ｃ
ｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂなどの遷移金
属を共存させると、溶体化および時効処理により金属間
化合物を消失させることができる。この現象は、素地中
に過飽和に固溶したＣｕが時効処理により安定した化合
物として析出する際に、遷移金属とＣｕおよびＳｉが結
合し、素地中のＣｕおよびＳｉの量を部分的に減少させ
ると共に、金属間化合物のＣｕが素地中に拡散するため
であると考えられる。

【００２０】全体組成における遷移金属の量は、前記の
Ｃｕ含有量の範囲において、０.００５重量％未満では
その効果が認められず、一方、１重量％を越えると遷移
金属を主成分とする金属間化合物が析出して靭性が低下
するので０.００５〜１重量％とした。また、好ましく
は０.１〜０.５％の範囲である。遷移金属は単体で添加
すると拡散し難いため、Ｃｕ−遷移金属合金粉の形態で
添加する。Ｃｕ−遷移金属合金の融点は高いが、焼結過
程でＡｌ、Ｍｇ等の元素が固相拡散することにより融点
が低下して液相を生じる。合金粉中の遷移金属の量は、
全体組成として必要なＣｕ量および遷移金属量を考慮し
て、０.２重量％以上が必要であるが、３０重量％を越
えると合金粉末の融点が高くなり過ぎ、焼結中に液相を
発生しなくなるため０.２〜３０重量％の範囲でなけれ
ばならない。また、好ましくは２〜１０重量％の範囲で
ある。

【００２１】（５）固体潤滑材 金属接触下における摩擦係数は、材料の硬さ、強度、粗
さ等の接触面の状態によって決定される。一般に、硬さ
が高くなるほど摩擦係数は低下する。初晶Ｓｉはその役
割を果たすものである。また、耐焼付性を向上させるた
めには、アルミニウム合金と相手材との接触面積を小さ
くすることが有効である。黒鉛、ＭｏＳ₂、ＢＮ、Ｗ
Ｓ₂、雲母、タルク、亜鉛華等の固体潤滑材を添加する
と、これらが摩擦面に被着して固体潤滑被膜を形成す
る。この固体潤滑被膜が介在することにより、相手材と
の焼付きが抑制され、また、金属接触部の摩擦係数は層
状構造を有する固体潤滑材の摩擦係数に近くなる。固体
潤滑材としては、焼結合金を真空中で使用する場合はＭ
ｏＳ₂を、高温下で使用する場合にはＢＮを、また高荷
重下で使用する場合にはＷＳ₂を用いることが好適であ
り、焼結合金の使用雰囲気や使用温度、荷重などに応じ
て適宜に選択することができる。固体潤滑材の添加量
は、１体積％以下では添加効果が得られず、一方２０体
積％以上では合金の強度が低下し、コストの面からも好
ましくない。体積％を重量％に換算すると、１体積％は
真比重が２.２の黒鉛の場合は約１重量％であり、２０
体積％は真比重が７.４のＷＳ₂の場合に４５重量％に相
当する。ＷＳ₂は比重が高いので、添加量を少なくする
ことが好ましい。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに説明す
る。配合割合および組成は重量％である。原料粉とし
て、Ａｌ−２０％Ｓｉ合金粉、純Ａｌ粉、Ｃｕ−４％Ｎ
ｉ合金粉、Ａｌ−５０％Ｍｇ合金粉を用いた。これらの
うちＣｕ−４％Ｎｉ合金粉３.１３重量％およびＡｌ−
５０％Ｍｇ合金粉１重量％を配合して母材とした。この
母材に、固体潤滑材の種類および添加量を変えて配合し
た試料番号１〜９の混合粉を所定形状に圧粉成形した。
圧粉体を４００℃で脱ろうし、５４０℃で６０分間の焼
結を行った後、熱間鍛造によって密度比１００％とし、
４９０℃で溶体化処理および２４０℃で時効処理を行っ
た。各試料について、引張り強さおよびピンオンディス
ク摩擦摩耗試験による摩耗量を測定して比較した。ピン
オンディスク摩擦摩耗試験は、試料をピンとし、相手材
のディスクとしてＳ４８Ｃ材（機械構造用炭素鋼）の熱
処理品を用い、滑り速度５ｍ／秒、面圧４９ＭＰａの条
件で間欠鉱油潤滑下に行った。試験の結果を表１に示
す。

【００２３】

【表１】

【００２４】固体潤滑材を含有するアルミニウム焼結合
金の試料は、摩擦係数および摩耗量が少ないが、一方、
固体潤滑材の含有量が多くなると引張り強さが低下す
る。高い強度が要求されない部材としては、固体潤滑材
の含有量が３０体積％のものも使用可能であると考えら
れるが、２０体積％を越えるものは強度の低下が大きい
ので、１〜２０体積％が望ましい。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、斑組織からなる特
定組成のアルミニウム系合金マトリックス中に、固体潤
滑材を１〜４５重量％含有する本発明の合金は、強度は
従来材と比べて遜色なく、摩擦係数が低く、耐摩耗性も
高いものであるから、軽量で摺動特性に優れ、かつ耐摩
耗性であることを要求される各種の機械要素への適用範
囲を拡大することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 四方 英雄 千葉県松戸市大金平１−48−１ (72)発明者 浦田 秀夫 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 川瀬 祥司 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 上田 順一 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 全体組成が重量比でＳｉ：１.３〜２３.
   ３％、Ｃｕ：１.１〜５％、Ｍｇ：０.１〜１.５％、Ｔ
   ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＺｒおよびＮ
   ｂから選ばれる１種もしくは２種以上の遷移金属：０.
   ００５〜１％、固体潤滑材：１〜４５％、残部のＡｌお
   よび不可避不純物からなり、Ａｌ合金部分は最大粒径が
   ５〜６０μｍの初晶Ｓｉが分散しているＡｌ−Ｓｉ系合
   金相とＡｌ固溶体相との斑組織を呈し、斑組織面に占め
   るＡｌ固溶体相の面積が２０〜８０％であり、前記Ａｌ
   合金部分の粒界に固体潤滑材が分散していることを特徴
   とする耐摩耗性アルミニウム系焼結合金。
2. 【請求項２】 全体組成が重量比でＳｉ：１.３〜２３.
   ３％、Ｃｕ：１.１〜５％、Ｍｇ：０.１〜１.５％、Ｔ
   ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＺｒおよびＮ
   ｂから選ばれる１種もしくは２種以上の遷移金属：０.
   ００５〜１％、固体潤滑材：１〜４５％、残部のＡｌお
   よび不可避不純物からなり、Ａｌ合金部分は初晶Ｓｉが
   分散しているＡｌ−Ｓｉ系合金相とＡｌ固溶体相との斑
   組織を呈し、斑組織面に占めるＡｌ固溶体相の面積が２
   ０〜８０％であり、前記Ａｌ合金部分の粒界に固体潤滑
   材が分散しているアルミニウム系焼結合金であって、合
   金表面部または少なくとも摺動予定面部のＡｌ−Ｓｉ系
   合金相中の初晶Ｓｉの最大粒径が５〜６０μｍであり、
   その他の部分のＡｌ−Ｓｉ系合金相中の初晶Ｓｉの粒径
   が５μｍ以下であることを特徴とする耐摩耗性アルミニ
   ウム系焼結合金。