JP3577748B2

JP3577748B2 - 金属基複合体およびその製造方法

Info

Publication number: JP3577748B2
Application number: JP18360194A
Authority: JP
Inventors: 克己高木; 修次井上
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1993-08-06
Filing date: 1994-08-04
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: JPH0797644A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、耐摩耗性に優れかつ相手部材の摩耗量を低減させるアルミニウムを主体とする金属基複合体に関するものである。この金属基複合体はシリンダブロック、ピストンなどに利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
金属基複合体に関する従来技術としては、アルミニウム系の金属基材にＳｉＯガスで処理した炭素繊維を複合したものが知られている（特公平５−２４２１２号公報）。この金属基複合体は、炭素繊維をＳｉＣで処理することにより炭素とＡｌとが反応してＡｌ_４Ｃ_３の反応を抑え、高強度の金属基複合体を得ている。しかし、この金属基複合体の摺動特性に関しては何も説明していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
セラミック粒子とか短繊維を配合して金属基複合体を調製し、この金属基複合体を摺動部材として使用する場合、相手部材への攻撃性が強く、相手部材の摩耗量が増大するという問題がある。
本発明は上記の事情に鑑み、金属基複合体に配合する固体潤滑剤を検討することで、耐摩耗性に優れかつ相手部材の摩耗量を低減した金属基複合体とすることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属基複合体は、アルミニウムを主体とする金属基材と、該金属基材中に埋設されたアルミナ短繊維と、ムライト粒子および表面にニッケル層が形成されたグラファイト粒子である固体潤滑剤粒子とからなることを特徴とする。本発明の金属基複合体を構成する金属基材はアルミニウムあるいはアルミニウム合金である。アルミニウム合金としては耐磨耗性等の摺動特性に優れた高シリコンのＡｌ−Ｓｉ合金が好ましい。この金属基材中にはアルミナ短繊維、ムライト粒子および固体潤滑剤粒子が埋設される。アルミナ短繊維はアルミナウイスカでも多結晶のアルミナ繊維でもよい。アルミナ短繊維の長さは２０〜４５０μｍ、平均８０μｍ、直径は１〜１２μｍ、平均３μｍ程度が好ましい。ムライト粒子としては直径１０〜１５０μｍ、平均３０μｍ程度のものが良い。
【０００５】
固体潤滑剤粒子としては表面にニッケル層が形成されたグラファイト粒子を使用する。グラファイト粒子の粒径は３０〜１００μｍ、平均５０μｍ程度が良い。また、ニッケル層の厚さは１０〜２０μｍ、平均１５μｍ程度か良い。
【０００６】
金属基複合体への配合割合は、アルミナ短繊維が５〜１０体積％、平均７体積％、ムライト粒子が５〜１５体積％、平均１０体積％、固体潤滑剤が１〜８体積％、平均２体積％程度か好ましい。本発明の金属基複合体の製造方法は、アルミナ短繊維、ムライト粒子および表面にニッケル層が形成されたグラファイト粒子である固体潤滑剤粒子とからなる混合物を所定形状に成形し成形混合物とする工程、該成形混合物を所定温度に加熱し、この加熱された成形混合物を予備加熱された鋳型のキャビティ内に配置する工程、該キャビティ内にアルミニウムを主体とする溶湯を注入し、該成形混合物の間隙を該溶湯で埋め、該溶湯を凝結させて複合体とする工程とよりなることを特徴とする。
【０００７】
アルミナ短繊維、ムライト粒子および固体潤滑剤粒子とからなる混合物を所定形状に成形し成形混合物とする工程は、アルミナ短繊維、ムライト粒子、固体潤滑剤粒子および必要に応じて無機バインダーを水に混合し、十分に攪拌分散させ、これを脱水して所定形状に成形し、その後焼成することにより達成できる。なお、この方法に限定されず、その他公知の他の方法を採用できる。
【０００８】
鋳型としてはアルミニウム鋳造に使用できる型、特に加圧鋳造用の金型が好ましい。成形混合物の予熱はアルミニウム溶湯が冷却されて凝固するのを防ぐもので、アルミニウム溶湯が成形混合物の間隙に充分に浸透し、成形混合物を完全にアルミニウム溶湯で覆うまで、アルミニウムを液状に保つものである。鋳型の予熱もアルミニウム溶湯の急激な冷却を避けるためになされる。
【０００９】
なお、アルミニウム溶湯は加圧下に注湯するのが好ましい。これにより、アルミニウム溶湯が撚り確実に成形混合物の間隙に浸透する。アルミニウム溶湯が成形混合物の間隙に十分に浸透した後、アルミニウム溶湯は凝結する。これにより本発明の金属基複合体が得られる。
【００１０】
【作用】
本発明の金属基複合体は、アルミナ短繊維と、ムライト粒子を含むアルミニウムを主体とする金属基材に、ニッケルで被覆したグラファイトが固体潤滑剤として添加されている。このため金属基複合体は、耐摩耗性が向上すると共に、摩擦係数の増加ないし変動が抑制でき、摩擦係数値自体も小さくなる。
【００１１】
したがって、本発明の金属基複合体は、従来のアルミニウムを主体とする金属基複合体に比べ、凝着が著しく少なくなり、耐摩耗性が良い。このため本発明の金属基複合体は内燃機関のシリンダ材料、ピストン材料として最適である。
なお、固体潤滑剤粒子となるグラファイト粒子はその表面にニッケル層が形成されている。このニッケル層の存在により成形混合物の予熱時にグラファイト粒子の酸化による焼失が無く、所定のグラファイト粒子を確実に配合できる。
【００１２】
【実施例】
（金属基複合体の製造）
本実施例では、長さ８０μｍ、直径３μｍのδ質のアルミナ短繊維、粒径１０〜１５０μｍ（平均粒径３０μｍ）のムライト粒子、ニッケル層の厚さが約１５μｍで、直径が１０〜６０μｍの表面にニッケル層が形成されたグラファイト粒子を用いた。また、アルミニウム基金属としてはＡＤＣ１２の組成のアルミニウム合金を用いた。
【００１３】
まず、第１金属基複合体用の成形混合物を次のようにして調製した。まず、アルミナ短繊維７容量部に対してムライト粒子１０容量部、ニッケルメッキしたグラファイト粒子５容量部を水に混合しほぼ均一に混合した。次にこの混合物を吸引脱水して成形し、成形混合物とした。
【００１４】
第２金属基複合体用の成形混合物は、７容量部のアルミナ短繊維と１０容量部のムライト粒子とからなるものである。混合成形方法は前記の成形混合物と同じ方法で実施した。次に、この２種類の成形混合物を、図２に模式的に示すように、２００℃に予熱した鉄鋼製高圧鋳造型のシリンダ状下型２１内に大気雰囲気下で７００℃に予熱した成形混合物１６を配置し、前記した７５０℃のアルミニウム溶湯１７を注入し、その後、同じ鉄鋼製高圧鋳造型のピストン状上型２２を油圧で下降させ、略５００ｋｇ／ｃｍ² の圧力で加圧してアルミニウム溶湯１７を成形混合物１６の間隙に浸透させた。この加圧下に保った状態で、金型２１を空気で冷却することによりアルミニウム溶湯１７を凝固させ、上型２２を引き上げ、得られた金属基複合体を取り出した。このようにしてＮｏ．１およびＮｏ．２の２種類の金属基複合体を得た。
【００１５】
Ｎｏ．１金属基複合体は、アルミナ短繊維７容量％、ムライト粒子１０容量％、ニッケルメッキしたグラファイト粒子５容量％、残部アルミニウム合金の組成であった。このＮｏ．１金属基複合体の組織の概要を図１に示す。図１において符号１０はＮｏ．１金属基複合体を、１１はマトリックスとなるアルミニウム合金を、１２はアルミナ短繊維を、１３はムライト粒子を、１４はグラファイト粒子を、１５はニッケル層をそれぞれ示す。
【００１６】
また、Ｎｏ．２金属基複合体は、アルミナ短繊維７容量％、ムライト粒子１０容量％、残部アルミニウム合金の組成であった。
（得られた金属基複合体の摺動試験）
通常、金属基複合体の摺動特性の評価はＬＦＷ式摩耗試験によっておこなわれてきた。しかし、ＬＦＷ式摩耗試験は、実際のエンジンと摺動状態が異なるため、ＬＦＷ式摩耗試験結果を実機の摺動特性と同一と考えることは難しい。そこで、本実施例では実機に近い摺動条件の得られると考えられる竪型往復摺動試験機で評価をおこない、金属基複合体の摺動特性（耐摩耗性、摩擦係数、凝着防止性）を評価した。また、金属基複合体の見掛けの硬度Ｈｖを測定した。
【００１７】
この竪型往復摺動試験機の要部を図３に示す。この竪型往復摺動試験機５０は、図４にその斜視図を示すシリンダの内壁面に倣った試験片５１を使用している。試験片５１は高さ６１ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ５ｍｍで横方向は曲率半径４２ｍｍの湾曲面となり、半径４２ｍｍのシリンダ内周面の一部を切り出した形状となっている。
【００１８】
この竪型往復摺動試験機５０はこの試験片５１を上下方向に平行移動可能な試験台５２に取りつけ、試験台５２に作用する上方向および下方向の押圧力をそれぞれロードセル５３、５４で検出するとともに、試験片５１の裏側に設けられたヒータ５５で試験片５１を所定温度に加熱できるようになっている。
摺動試験の相手材としては、通常のピストンに使用するピストンリング５６をそのまま使用している。具体的には、ピストンリング５６は鉄鋼製（ＳＲ１０）でその表面に硬質クロムメッキが施されている。
【００１９】
このピストンリング５６はホルダー５７に固定され、ホルダー５７に２ｋｇｆの押圧力を作用させてピストンリング５６を試験片５１の湾曲面に垂直に当接させ、ホルダー５７を上下方向にストローク４０ｍｍ、１分間２００往復で７０分摺動させる試験を行うものである。したがって、試験片５１およびピストンリング５６の両者の関係はエンジンのシリンダとピストンとの摺動を再現する構成となっている。なお、試験片５１の温度を１００°Ｃに設定し、無潤滑の条件で実施した。
【００２０】
試験項目は、試験片およびピストンリングの磨耗量および摩擦係数とした。磨耗量は磨耗厚さで測定した。摩擦係数は、２個のロードセルに作用する応力から求めた。なお、摩擦係数は往復摺動試験のため、摩擦係数が一定せず、一往復毎に最低値と最高値がでる。ここではその最低値および最高値の値をそのまま摩擦係数として示した。結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】

Ｎｏ．１金属基複合体は、その硬度がＨｖ１５５で、磨耗量が３６．２〜１２．６１ｍｇ／ｍｍ² 程度と比較的高いが、相手材磨耗量が０．１ｍｇ／ｍｍ² と低い。特に摩擦係数が０．００〜０．１０と極めて低い値を示した。また、摩擦試験中に摩擦係数の大きな変化は認められなかった。
【００２２】
比較材として試験したＮｏ．２金属基複合体は、その硬度がＨｖ１４５で、磨耗量が１４．７〜５．２５ｍｇ／ｍｍ²程度と比較的低い。一方、相手材磨耗量は０．１ｍｇ／ｍｍ²と低い。摩擦係数は０．１２〜０．２５と普通の値を示した。また、摩擦試験中に摩擦係数の大きな変化は認められなかった。
【００２３】
Ｎｏ．１金属基複合体が、極めて摩擦係数が低いのが注目される。これは複合体に配合されたニッケルメッキしたグラファイト粒子の作用と判断される。ニッケルとアルミニウムとは親和性が高い。このためニッケル層とアルミニウム溶湯との間で金属間化合物（Ｎｉ−Ａｌ）が形成される。この金属間化合物は強度が大きいので、Ｎｏ．１金属基複合体の強度の向上にも寄与しているものと判断される。Ｎｏ．１金属基複合体は極めて低い摩擦係数をもつ。この点に着目し、Ｎｏ．１金属基複合体は、摺動条件の比較的穏やかな高性能の内燃機関用の材料として最適だと考えられる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の金属基複合体は、固体潤滑剤粒子を添加したことにより、相手部材の摩耗量を低減させ、また摩擦係数の変動を少なくすることが可能である。この結果、アルミニウム系の内燃機関用材料として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例のＮｏ．１金属基複合体の模式的断面図である。
【図２】本実施例の金属基複合体の製造に使用した鋳造装置の概略断面図である。
【図３】本実施例の金属基複合体の評価に用いた竪型摺動摩耗試験機の模式図である。
【図４】図３の竪型摺動摩耗試験機に使用した試験片の斜視図である。
【符号の説明】
１０金属基複合体１１アルミニウム基材（金属基材）
１２アルミナ繊維１３ムライト粒子
１４固体潤滑剤１６成形混合物
１７アルミニウム溶湯２０成形型
５０竪型摺動摩耗試験機５１試験片
５６ピストンリング

Claims

アルミニウムを主体とする金属基材と、該金属基材中に埋設されたアルミナ短繊維と、ムライト粒子および表面にニッケル層が形成されたグラファイト粒子である固体潤滑剤粒子とからなることを特徴とする金属基複合体。
アルミナ短繊維、ムライト粒子および表面にニッケル層が形成されたグラファイト粒子である固体潤滑剤粒子とからなる混合物を所定形状に成形し成形混合物とする工程、該成形混合物を所定温度に加熱し、この加熱された成形混合物を予備加熱された鋳型のキャビティ内に配置する工程、該キャビティ内にアルミニウムを主体とする溶湯を注入し、該成形混合物の間隙を該溶湯で埋め、該溶湯を凝結させて複合体とする工程とよりなることを特徴とする金属基複合体の製造方法。