JPS6050863B2 - 耐摩耗性焼結アルミニウム合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、耐摩耗性焼結アルミニウム合金に関し、シ
リンダライナを始め、軸受、オイルポンプサイドプレー
ト、ピン、集電子などの摺動材料として広く適用するこ
とができる耐摩耗性の優れた焼結アルミニウム合金に関
するものである。

例えば、従来の一般的なエンジンにおいて使用されるシ
リンダライナは多くの場合鋳鉄製のものであるが、最近
ではエンジンの軽量化という要請からアルミニウム合金
製とすることが考えられてきており、一部すでに実用化
されている。従来、シリンダライナをアルミニウム合金
製とする方法には、１高けい素アルミニウム合金でシリ
ンダライナを製作し、その摺動面に電解エッチングを施
して物品けい素を浮き出させることにより表面の耐摩耗
性を向上させる方法や、２アルミニウム合金製のシリン
ダライナの摺動面に硬質クロムめつき、プラズマ溶射、
線爆被覆等の表面被覆を施すことにより当該摺動面の耐
摩耗性を向上させる方法や、３過共晶ケイ素アルミニウ
ム合金にＰｂを添加して耐摩耗性を改善する方法や、４
アルミニウム合金にグラファイトや活性炭とセラミック
粉末とを添加して耐摩耗性を改善する方法や、５Ａ３９
給金（Ａ１−１６〜１８％５ｉ−４．０〜５．０％Ｃｕ
−０．６〜１．１５％Ｆｅ−０．４５〜０．６５％Ｍｇ
−Ｏ、１％以下Ｍｎ−Ｏ、１％以下Ｚｎ−Ｏ、２％以下
Ｔｉ−Ｏ、Ｏ２％以下Ｐ）を用いる方法などがある。

しかしながら、１の場合には、エンジン作動中のオイル
消費量が多く、また耐摩耗係数が高いため、十分な機能
を有しているとはいえず、２の場合には、表面被覆工程
が増大するばかりでなく、被覆層の剥離という問題を有
しているため、十分な機能を有しているとはいえず、３
の場合には摩耗減量が多く、次第にオイル消費量とブロ
ーバイガス量が増大するため、十分な機能を有している
とはいえず、４の場合には、焼結によるものと固液共存
温度範囲を利用した鋳造によるものとがあ・るが、焼結
によるものでは摩擦係数が高く十分な機能を有しておら
ず、また鋳造によるものでは生産性が悪く実際の生産に
用いるには解決すべき問題が残つているなどの欠点を有
し、５の場合には、Ａ３９給金の鋳造性が悪く、摩擦係
数が高いフために十分な機能を有しているとはいいがた
いなど、いずれも何んらかの問題点を有していた。

この発明は、上記した従来の問題点を解消するためにな
されたもので、軽量であり、低摩擦係数であつて摩擦損
失が少ないと共に、耐焼付特性に５優れ、強度の低下を
招くことなく焼結のまま使用することが可能であり、押
出しや鍛造などの後加工を特に必要とせず、生産性に優
れ、とくに摺動用部材として適した特性の材料を得るこ
とを目的としている。この発明による耐摩耗性焼結アル
ミニウム合金は、重量％で、Ｓｉ：６〜２０％、Ｃｕ：
２〜８％、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｐｂ：３〜２５％
、セラミック粉末３〜１５％を含有し、残部Ｎよりなる
ことを特徴としている。

次に、この発明による耐摩耗性焼結アルミニウム合金の
成分範囲（重量％）の限定理由について説明する。

Ｓｉ：６〜２０％ ＳｊはＮと反応し、Ａ１マトリックスを強化するほか、
添加セラミック粉末と共にアルミニウム焼結合金の耐摩
耗性を改善する働きをもつ元素であるが、６％未満では
その効果が小さく、また２０％を超えると強度の低下が
著しくなるので好ま−しくない。

この場合、Ｓｉは組織内において単独で存在させること
がより望ましい。Ｓｉを単独て存在させるには、Ｓｉを
に一過共晶Ｓｉ合金粉として添加する方法があり、これ
によつて多量のＳｉを強度の低下をきたすことなく添加
することができ、強度がすぐれているため、押出しや鍛
造などの後加工を行なうことなく焼結のままで使用に供
することができる。なお、Ｓｉ単体で添加すると焼結体
の強度が低下しやすいので、上記のようにＮ一過共晶Ｓ
ｉ合金粉として添加することが望ましい。Ｃｕ：２〜８
％ ＣｕはＡ１と相互拡散し、共晶温度（５４８℃）以上で
液相を生成する。

この液相は焼結を進行させるばかりでなく、Ａ１−Ｃｕ
系の固溶体を作り、Ｎマトリックスを強化して機械的性
質を向上させると．共に耐摩耗性を向上させる。しかし
、添加量が少いと添加の効果が小さく、多いと液相量が
多くなりすぎ、焼結時に圧粉体が変化したり、強度が低
下したりする。したがつて、Ｃｕ添加量は２〜８％とす
るのが良い。Ｍｇ：０．２〜１．５％ ＭｇはＣｕと同様に液相を生成して焼結を進行させるほ
か、耐摩耗性のあるＭｇ２Ｓｉを析出して、耐摩耗性な
らびに機械的性質を向上させる。

しかし、添加量が０．２％未満であると添加の効果がな
りく、１．５％を超えて添加しても効果の向上は期待で
きない。Ｐｂ：３〜２５％ ＰｂはＡ１と反応せず、Ａ１基地を強化することはない
が、Ｐｂは低融点金属であるため、摺動面での摩擦熱に
よる温度上昇に伴つて溶融して摺動面を避覆するため、
良好な潤滑性を示すことにより摩擦係数および焼付特性
とも向上させる。

しかし、添加量が３％未満では添加の効果が見られず、
２５％を超えると摩耗量が多くなるのて好ましくない。
なお、添加する際のＰｂの粒度は細かい方がより望まし
い。セラミック粉末：３〜１５％ セラミック粉末は、Ｐｂと同様にＮ基地を強化すること
はないが、摺動面において相手材との接触点を低減する
ことにより摩擦係数を下げ、耐焼付荷重を上げるのに有
効である。

しかし、添加量が少いと添加の効果がなく、多すぎると
強度の低・下が著しいので、３〜１５％の範囲とするの
が良い。このセラミック粉末の粒径については、これが
大きすぎると相手材とし接触しやすくなり、焼付を生じ
やすくなるので５μ以下とすることがより・望ましい。

反対に、セラミック粉末の粒径が小さすぎると機械的強
度が低下するおそれがあり、場合によつては焼結後に鍛
造や押出しなどの後加工が必要となる。そのため、粒径
は０．０１μ以上とすることがより望ましい。また、セ
ラミック粉末としては、酸化物系、窒化物系、炭化物系
等のものの中から適宜選んで１種または２種以上使用す
ることができるが、セラミック粉末としてアルミナ粉末
を用いる場合にはαアルミナ粉末を使用することがより
望ましい。実施例１ 第１表に示す各粉末を使用し、第２表に示した成分割合
となるように（Ｓｉ粉の添加方法は第２表参照）バイン
ダーと共に混合したのち、各々■型ブレンダにより２紛
間混合した。

次いで、この粉末を引張試験用金型に入れ、圧力３．５
ｔ０ｎ／Ｃイで成形した。成形後、窒素ガス雰囲気中で
４００′Ｃｌｌ時間保持し、混粉時に添加したワックス
を除去した。その後、露点−４０℃以下の窒素ガス雰囲
気中で５００℃、１時間の条件で焼結した。焼結後、Ｔ
６処理として、４９０℃、１時間保持後８０℃温水焼入
れし、その後１６０℃、１満間の時効を行つた。なお、
比較合金としてのＡ３９ＯおよびＦＣ２５については、
鋳造により引張試片を製作した。このようにして得られ
た各引張試験片に対して従来既知のインストロン引張試
験機により引張試験を行つた。

また、上記と同じ製造工程により、第１図に示すピン・
ディスク型摩耗試験機用の摩耗試験片（第２図参照）に
対応させた金型を用いて摩耗試験片を作成した。

なお、第１図に示す摩耗試験機において、１は回転軸、
２はプレート、３はピンホルダ、４は試験片（ピン）、
５は押圧ロッド、６は球面座６ａを介して押圧ロッド５
と連結したディスクホルダ、７はディスク（相手材）、
８は潤滑油供給孔であり、試験片４を４本組としてピン
ホルダ３に固定すると共に、試験片４に押圧ロッド５を
介してディスク７を押し付けることによつて面圧を加え
、摩耗試験片４の摩耗量や焼付荷重を調べる。また、試
験片４は、第２図に示すように、一辺ａ＝５Ｔ！Ｒｌｎ
ｌ長さｂ＝１０ＴＷＬのピン形をなすものである。また
、第３表に焼付荷重測定試験Ｏ摩耗量の結果を第５表に
示す。このようにして測定した引張試験、焼付荷重、条
件第４表に摩耗試験条件を示す。第５表に示すように、
ＮＯ．２９（鋳鉄）はいずれもすぐれた値を示している
が、重量が大であるので摺動用材料の軽量化の点で好ま
しくない。

またＮＯ．２８（Ａ３９Ｏ）では鋳造性が悪いと同時に
、摩擦係数が大であり、摩耗量が多い。さらに、Ｓｉを
純Ｓｉ粉末で添加したＮＯ．２ｌ，Ｓｉ量の少ないＮＯ
．２２、Ｓｉ量の多いＮＯ．２３ｓＣＵ量の少ないＮＯ
．２４、Ｃｕ量の多いＮＯ．２＼Ｍｇ量の少ないＮＯ．
２阪Ｍ婦の多いＮＯ，２７ではいずれも良好な結果が得
られなかつた。これに対し！て本発明合金であるＮＯ．
ｌ〜７ではいずれも鋳鉄（ＮＯ．２９）に比べて大きな
そんな色のない良好な結果を得た。
＊実施例２第１表に示す各粉末を使
用し、第６表に示した成分割合となるようにバインダー
と共に混合したのち、実施例１と同様にして引張試験片
、摩耗試験片を作成し、実施例１と同じ試験条件で引張
試験、摩耗試験を行つた。

その結果を第７表に実す。第７表に示すように、Ｐｂを
含まないＮＯ．３へセラミック粉末を含まないＮＯ．３
２、セラミック粉末の多いＮＯ．３３，ＮＯ．３４では
焼付荷重が低く、Ｐｂ量の多いＮＯ．３ｌでは摩耗量が
著しく多く、いずれも良好な結果が得られなかつた。

これに対して本発明合金であるＮＯ，８〜１１ではいず
れも良好な結果を得た。そして、セラミック粉末とＰｂ
粉末の混合比には適切な値があり、それぞれ３〜１５％
、３〜２５％の添加が望ましいことが明らかとなつた。
また、種々の実験の結果、セラミック粉末とＰｂ粉末の
添加割合が、５％Ａｌ。Ｏ３−５％および５％Ａｌ２Ｏ
３゛−２０％Ｐｂ（ＮＯ．Ｕ）である場合により優れた
結果が得られた。実施例３ 第１表に示す各粉末を使用し、第８表に示した成分割合
となるようにバインダーと共に混合したのち、実施例１
と同様にして引張試験片、摩耗試験片を作成し、実施例
１と同じ試験条件で引張試験、摩耗試験を行なつた。

その結果を第９表に示＊す。なお、Ｓｉの添加にはＮ−
２０％Ｓｉ合金粉末を使用し、セラミック粉末の粒度を
変えて添加した。第９表に示すように、Ａｌ２Ｏ３の粒
径が小さいＮＯ．ｌ４では引張強さの低下が見られ、鍛
造や押出しなどの後加工が必要となるので好ましくない
ことが明らかとなつたが、上記の後加工を行う場合には
．粒径の小さいＡｌ２Ｏ３粉末を使用しても問題はない
。他方、．Ａｌ２Ｏ３の粒径が大きいと摩擦係数が大と
なるので、より望ましくは０．０１〜５μの範囲とする
のが良いことが明らかとなつた。また、セラミック粉末
としてＡｌ２Ｏ３粉末を用いる場合にはαｉ※−Ａ］２
０３の方がγ−Ａｌ２Ｏ３の方がγ−ＡＩ２Ｏ３、０一
．Ａｌ２Ｏ３に比べてより良好な特性が得られた。実施
例４第１表に示す金属粉末および第１咳に示すセラミッ
ク粉末を使用し、同じく第１咳に示す成分割合となるよ
うに混合したのち、実施例１と同様にして引張試験片、
摩耗試験片を作成し、実施例１と同じ試験条件で引張試
験、摩耗試験を行つた。

その結果を第１１表に示す。第１１表に示すように、セ
ラミック粉末としてＳｊ３Ｎ４やＳ】０２を使用したと
きにも良好な結果を得ることができた。

以上説明してきたように、この発明の焼結アルミニウム
合金によれば、その成分割合を重量％で、Ｓｊ：６〜２
０％、ＣＵ：２〜８％、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｐｂ
：３〜２５％、セラミック粉末：３〜１５％、残部Ａ１
となるようにしたから、軽量であつても従来の鋳鉄に匹
敵する耐摩耗性ならびに耐焼付性を有し、低摩擦係数で
あつて摩擦損失が少なく、とくにエンジンのシリンダラ
イナに使用した場合にその軽量化に大きく貢献し、焼結
のままでの強度が高いため押出しや鋳造などの後加工を
必ずしも施さなくとも使用可能であり、必要に応じて後
加工を施したり、含油させたりすればよく、軸受などに
使用する場合にはバックアップメタルを用いることなく
使用することも可能であり、従来と同じ焼結設備によつ
て製造することができるため生産性に優れているなどの
著大なる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例において使用したピン・ディ
スク型摩耗試験機の断面説明図、第２図Ａ，ｂは摩耗試
験片の正面図および側面図であノ る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量％で、Ｓｉ：６〜２０％、Ｃｕ：２〜８％、Ｍ
   ｇ：０．２〜１．５％、Ｐｂ：３〜２５％、セラミック
   粉末：３〜１５％を含有し、残部Ａｌよりなることを特
   徴とする耐摩耗性焼結アルミニウム合金。