JP3946055B2 - 多孔質金属焼結体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金製部材の補強用として用いられる多孔質金属焼結体に係り、とくに、アルミニウム合金製内燃機関の軸受部に鋳包まれて軸受部を補強する内燃機関軸受部補強用多孔質金属焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関（エンジン）の軽量化および放熱性を高める目的から、軽合金の一種である、アルミニウム合金製のエンジンが一般化しつつある。しかし、アルミニウム合金は、従来の鋳鉄に比べて強度が低く、高温に晒される部材では、強度が不足するという問題が発生している。
【０００３】
例えば、エンジンのクランクシャフトは、シリンダブロックと一体に成形された部材（軸受ハウジング）およびその部材に複数の締め付けボルトで固定される部材（クランクシャフト保持部材）で構成される軸受部により軸受メタルを介して支持されている。この軸受部をいずれもアルミニウム合金製とした場合には、クランクジャーナルの直下でかつ燃焼ガスの爆発による大きな圧力を受ける部位で剛性が不足するという問題がある。また、軸受部をいずれもアルミニウム合金製とした場合には、アルミニウム合金の熱膨張係数が鉄系材料に比べ大きいため、軸受部が高温に晒されると、鉄系材料で構成されるクランクシャフトとの熱膨張差が大きくなり、軸受面とクランクジャーナルとのクリアランスが大きくなり騒音と振動が増大するという問題がある。
【０００４】
このような問題に対し、例えば、実開昭63-150115 号公報には、シリンダブロックに取り付けるためのボルト穴の中心線と彎曲したクランク・ジャーナル支持面とで画成される部分の内部を強化繊維で複合強化した内燃機関の軽合金製クランク軸支持部材が提案されている。実開昭63-150115 号公報に記載された技術では、強化繊維の体積率を20〜40％として、クランク軸の熱膨張率とほぼ一致させることが好ましいとしている。
【０００５】
また、特開昭60-219436 号公報には、アルミニウム合金製のシリンダブロック本体の下部に取り付けられるアルミニウム合金製ハウジングキャップの軸受部を、 鉄系材料を鋳包んで形成したエンジンブロックが提案されている。
実開昭63-150115 号公報、特開昭60-219436 号公報に記載された技術によれば、アルミニウム合金のみでは得られない強度増加があり、剛性が大幅に向上するとともに、クリアランスが適正に維持できるとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実開昭63-150115 号公報に記載された技術では、強化繊維で複合強化した部材が高温環境下では必ずしも満足できる特性が得られない場合があるという問題がある。また、特開昭60-219436 号公報に記載された技術では、軸受部を所望の熱膨張率に調整するための、鉄系材料の選択が難しいうえ、熱膨張率低下には限界がある。さらにアルミニウム合金との接合強度が不足するという問題があった。
【０００７】
また、特開2000-337348 号公報には、内燃機関のクランクシャフトを支持するための支持構造と、支持構造を保持するための保持部分とを有し、支持構造の材料がクランクシャフト材料と略等しい熱膨張率を有する高シリコンアルミニウムからなる多孔質材料であり、保持部分の材料が支持構造の孔内に流入しているクランクシャフト用軸受が提案されている。しかし、特開2000-337348 号公報に記載された技術では、クランクシャフトと支持構造との熱膨張差は少なくなるが、やはり限界があり、保持部分と支持構造との接合強度がばらつき、必ずしも安定して満足できる特性が得られない場合があった。
【０００８】
また、特開2001-276961 号公報には、鉄あるいは鉄系金属をベースとし、これにクロムが10〜40重量％含有されてなる金属多孔質予備成形体が記載されている。特開2001-276961 号公報に記載された金属多孔質成形体は、注湯完了から溶湯含浸までに所定のタイムラグが存在する鋳造法で金属複合部材とされる。しかしながら、特開2001-276961 号公報に記載された金属多孔質成形体を使用しアルミニウム合金を含浸させた複合部材でも熱膨張率低下には限界があり、接合強度がばらつき、接合面剥離が生じる場合があり、必ずしも安定して満足できる特性が得られない場合があるという問題があった。
【０００９】
また、金属多孔質成形体（多孔質金属焼結体）は、空孔を有するため断続切削となり切削抵抗が高く、切削工具（バイト）寿命が短いため、切削工具交換のために切削加工能率が低下し、製造コストの高騰を招くという問題もある。
本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、アルミニウム合金部材に鋳包まれて該部材を補強する多孔質金属焼結体およびその製造方法を提案することを目的とする。とくに、本発明は、アルミニウム合金製内燃機関の鉄系材料製クランクシャフトを支持するアルミニウム合金製軸受部に鋳包まれて軸受部を補強する軸受部補強用として好適な、多孔質金属焼結体を提案することを目的とする。本発明で目標とする多孔質金属焼結体は、所望の接合強度を安定して確保でき接合性に優れ、しかもアルミニウム合金に鋳包まれたのちに鉄系材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する、あるいはさらに被削性に優れた多孔質金属焼結体である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記した課題を達成するために、軽金属合金の１種である、アルミニウム合金製部材に多孔質金属焼結体を鋳包んだ際の、部材と多孔質金属焼結体との接合強度におよぼす要因および鋳込んだのちの熱膨張係数について鋭意検討した。
【００１１】
従来、アルミニウム合金製部材に多孔質金属焼結体を鋳包む際には、所望の接合強度を得るために、空孔率を一定範囲内に規制するのが、一般的であった。製品の空孔率を測定するには、製品を切断して、断面組織を撮像し、画像解析により算出するのが一般的であるが、しかし、このような方法では、製品を切断する必要があり工程生産に応用することは不可能であり、通常、空孔率の測定は、密度測定で代用している。
【００１２】
まず、本発明者らは、所定の形状とした、空孔を有する多孔質鉄基焼結体をアルミニウム合金製部材に鋳包んだのち、接合境界を含む引張試験片を採取した。これら引張試験片を用いて引張試験を行い接合強度を求めた。なお、各多孔質鉄基焼結体の空孔率は、密度測定により求めた。
接合強度と空孔率の関係を図３に示す。なお、接合強度（σ）は、所望の接合強度（σE ）に対する比、接合強度比σ／σE として表示した。接合強度比１以上で、接合強度σが所望の接合強度σE 以上の値となることを意味する。
【００１３】
図３から、同一空孔率でも接合強度比には大きなばらつきが見られる。これは、空孔率を密度測定で代用したためと考えられ、密度測定により得られる多孔質焼結体の空孔率の管理だけでは、部材との接合強度に影響する因子を代表していないことになる。
そこで、本発明者らは、図３の結果をさらに詳細に検討し、同一の空孔率でも、空孔の分布、 形態に大きな相違がある場合があり、それが、部材と多孔質金属焼結体との接合強度に大きく影響していることに想到した。空孔率が同一でも、空孔の大きさ、数が相違する、例えば、図２（ａ）、（ｂ）に模式的に示す、断面での空孔分布を有する多孔質金属焼結体では、（ｂ）の空孔分布を有する焼結体の方が、部材との接合強度が大きいことを見いだした。さらに、アルミニウム合金を鋳込む際、多孔質金属焼結体の空孔が微細な場合には、アルミニウム合金が空孔に含浸されにくく、とくに焼結時に発生した独立空孔にはアルミニウム合金が含浸せず、接合強度低下に顕著に影響することを見いだした。
【００１４】
そこで、本発明者らは、多孔質金属焼結体の微細空孔の生成原因についてさらに研究した。その結果、接合強度比は、多孔質金属焼結体中に存在する微細空孔、とくに直径５μm 以下の微細空孔の存在比率に大きく影響されることを見いだした。
多孔質金属焼結体中に存在する直径５μm 以下の微細空孔率と全空孔率との比、｛（直径５μm 以下の微細空孔率）／（全空孔率）｝×100 （％）、と接合強度比との関係を図１に示す。図１から、多孔質金属焼結体中に存在する直径５μm 以下の微細空孔を、全空孔率に対して、20％未満とすることにより、 接合強度比が１以上となる。なお、接合強度比は、ニレジスト鋳鉄製部材の場合の強度（接合強度σE ）を基準として示している。ここで、直径５μm 以下の微細空孔率、全空孔率は、多孔質金属焼結体の断面を研磨して、画像解析装置で断面における空孔の面積を測定し、それぞれの面積率を算出し、その値を空孔率とした。
【００１５】
また、多孔質金属焼結体中の微細空孔の形成には、使用する金属粉末の粒径分布が大きく影響し、とくに直径５μm 以下の微細空孔率を20％未満とするためには、使用する金属粉末に、＃350 の篩を通過する（−350 メッシュ）微細粉末の混合を防止する必要があることを知見した。
また、本発明者らは、アルミニウム合金製部材としてアルミニウム合金製内燃機関軸受部に着目し、多孔質金属焼結体を鋳包んだ、アルミニウム合金製内燃機関軸受部の特性改善について検討した。鉄系材料製のクランクシャフトを支持する、アルミニウム合金製内燃機関軸受部では、鉄系材料製のクランク・ジャーナルと軸受部とのクリアランスを、高温に晒される稼動時においても小さく保つことが必要とされている。そのため、本発明者らは、軸受部の熱膨張係数を鉄系材料のそれに略近いものとする手段について鋭意検討した。その結果、軸受部の熱膨張係数を鉄系材料のそれに略近いものとするためには、多孔質金属焼結体自体の熱膨張係数を低くし、アルミニウム合金を溶浸させたのちの熱膨張係数が14×10-6／Ｋ以下となるように、軸受部に鋳包む多孔質金属焼結体の組成と、空孔率とを適正範囲とする必要があることを知見した。そして、本発明者はアルミニウム合金の熱膨張係数が大きいため、多孔質金属焼結体の熱膨張係数を大きく下げる必要があるが、そのためには多孔質金属焼結体をFe系材料、ステンレス系材料、あるいはFe−Si系材料を用いたのでは限界があり、本発明者は高Cr系材料を用い、さらに低熱膨張係数の元素を添加することがよいことを知見した。
【００１６】
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
すなわち、 第１の本発明は、アルミニウム合金製部材に鋳包まれて該部材を補強する多孔質金属焼結体であって、該多孔質金属焼結体が、Ｃ：0.1 〜3.0 質量％、Cr：40〜65質量％、 Si ： 10 質量％以下を含み、あるいはさらにMo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下含有する多孔質金属焼結体であり、35〜50％の空孔率を有し、かつアルミニウム合金を溶浸させた後の熱膨張係数が14×10-6／Ｋ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体である。また、 第１の本発明では、前記多孔質金属焼結体が、粒径：150 μm 以下の、MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上からなる被削性改善用微細粒子を、0.1 〜５質量％含有することが好ましい。なお、第１の本発明では、空孔のうち直径５μm を超える空孔を、全空孔率に対し80％以上有することが好ましい。また、第１の本発明では、前記アルミニウム合金製部材をアルミニウム合金製内燃機関軸受部とすることが好ましい。
【００１７】
また、第２の本発明は、金属粉末に、黒鉛粉末と、潤滑剤粉末とを混合して混合粉としたのち、該混合粉を圧粉成形して圧粉体となし、ついで該圧粉体を焼結して多孔質金属焼結体とする多孔質金属焼結体の製造方法において、前記金属粉末を−60メッシュ〜＋350 メッシュの粒径分布を有する、混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe−Cr合金粉、または混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe−Cr合金粉および鉄粉、または鉄粉およびCr金属粉さらに Si 粉、または混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe−Cr合金粉およびステンレス合金粉とし、前記Fe−Cr合金粉、または前記Cr金属粉さらに Si 粉、または前記Fe−Cr合金粉およびステンレス合金粉を前記混合粉中のCr含有量が40〜65質量％、Si含有量が10質量％以下となるように配合し、前記焼結の焼結条件を調整して、前記多孔質金属焼結体の空孔率を35〜50％、アルミニウム合金を溶浸させた後の熱膨張係数を14×10-6／Ｋ以下とすることを特徴とするアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体の製造方法である。また、第２の本発明では、前記混合粉がさらに、粒径：150 μm 以下の、MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上からなる被削性改善用微細粒子粉末を、0.1 〜５質量％含有することが好ましく、また、第２の本発明では、前記Fe-Cr 合金粉が、さらに混合粉中の含有量で、Mo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下となるように含有することが好ましく、また第２の本発明では、前記鉄粉およびCr金属粉さらに Si 粉に加えて、さらに混合粉中の含有量で、Mo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれたMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の１種または２種以上を合計で20質量％以下となるように、Mo粉、Ｖ粉、Ｗ粉のうちから選ばれた１種または２種以上を配合することが好ましい。また第２の本発明では、前記Fe−Cr合金粉およびステンレス合金粉に加えてさらに、混合粉中の含有量でMo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下となるようにMo粉、Ｖ粉、Ｗ粉のうちから選ばれた１種または２種以上を配合することが好ましい。また、第２の本発明では、前記混合粉が、前記黒鉛粉を３質量％以下、前記潤滑剤粉末を0.5 〜1.5 質量％含有することが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明における多孔質金属焼結体は、アルミニウム合金製内燃機関軸受部等のアルミニウム合金製部材に鋳包まれて、該アルミニウム合金製部材を補強する。例えば、図４（ａ）に示すように、アルミニウム合金製内燃機関軸受部の上部、あるいは図４（ｂ）に示すように、軸受部の内部に鋳包んでもよい。
【００１９】
本発明のアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体は、Ｃ：0.1 〜3.0 質量％、Cr：40〜65質量％、 Si ： 10 質量％以下を含み、あるいはさらにMo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下含有する基地組成を有する多孔質金属焼結体とする。
本発明の多孔質金属焼結体の基地組成の限定理由について説明する。
【００２０】
Ｃ：0.1 〜3.0 ％
Ｃは、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、 本発明では強度確保のため0.1 ％以上の含有を必要とする。なお、3.0 ％を超えて含有すると炭化物が粗大化し被削性が低下する。このため、Ｃは0.1 〜3.0 ％に限定した。
Cr：40〜65％
Crは、熱膨張係数を低下させる作用を有する元素であり、本発明では、所望の低い熱膨張係数を確保するために40％以上の含有を必要とする。一方、65％を超えて含有すると、焼結が困難となり、強度が低下する。このため、Crは40〜65％の範囲に限定した。
Si ： 10 質量％以下
Si は、鉄（ Fe ）より熱膨張係数が低い元素であり、多孔質金属焼結体の熱膨張係数を低下させる作用を有する。本発明では所望の熱膨張係数となるように調整するために 10 質量％以下含有する。 10 質量％を超えて含有すると、焼結が困難となり強度が劣化する。このため、 Si は 10 質量％以下に限定した。
【００２１】
Mo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗ、 Si の合計で20質量％以下
Mo、Ｖ、Ｗは、いずれも鉄（Fe）より熱膨張係数が低い元素であり、多孔質金属焼結体の熱膨張係数を低下させる作用を有する。本発明では、所望の熱膨張係数となるように調整するために、 上記したCr、 Siに加えて選択して１種または２種以上含有できる。一方、Mo：10質量％、Ｖ：10質量％、Ｗ：10質量％をそれぞれ超えて含有すると、焼結が困難となり強度が劣化する。また、Mo、Ｖ、Ｗ、Siの含有量の合計量が20質量％を超えると、同様に合金元素の均一分布が困難となり、強度が低下するとともに、熱膨張係数にバラツキが生じる。
【００２２】
本発明の多孔質金属焼結体の基地組成では、上記した成分以外、残部はFeおよび不可避的不純物である。
また、本発明のアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体は、上記した基地組成を有するとともに、さらに面積率で35〜50％の空孔を有する。空孔率が35％未満では、多孔質金属焼結体をアルミニウム合金部材に鋳包むときに、アルミニウム合金溶湯が空孔内に溶浸しにくく、引張強さが低下する。一方、空孔率が50％を超えると、空孔が多すぎて強度が低下して、使用時に変形するとともに、所望の熱膨張係数（例えば、鉄系材料製のクランクシャフトの熱膨張係数と略等しく）なるように調整することが困難となる。このため、アルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体の空孔率は、35〜50％の範囲に限定した。
【００２３】
また、本発明のアルミニウム合金部材補強用多孔質金属焼結体は、空孔のうち直径５μm を超える空孔を、全空孔率に対して80％以上有することが、鋳包んだのちの接合強度のばらつきを少なくする観点から好ましい。直径５μm を超える空孔率が全空孔率に対し80％未満では、すなわち、直径５μm 以下の空孔率が全空孔率に対し20％を超えると微細空孔が増加し、図１に示すように、接合強度比が１未満と接合強度が低下する。このため、直径５μm を超える空孔を、全空孔率に対し80％以上に限定することが好ましい。
【００２４】
上記した組成、空孔率を有する多孔質金属焼結体は、アルミニウム合金を溶浸させた後の熱膨張係数が14×10-6／Ｋ以下と、例えば、内燃機関の鉄系材料製クランクシャフトの熱膨張係数（９×10 -6 〜12×10 -6 ／Ｋ程度）に近い値となり、内燃機関の軸受部に鋳包まれた場合、内燃機関稼動時の軸受部とジャーナルとのクリアランスを小さくできるという効果がある。
【００２５】
なお、本発明のアルミニウム合金部材補強用多孔質金属焼結体は、上記した組成の基地中に、被削性改善のため、被削性改善用微細粒子を分散させることが好ましい。分散させる被削性改善用微細粒子としては、MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトはいずれも、被削性を改善する粒子であり、必要に応じて選択して含有できる。
【００２６】
このような被削性改善用微細粒子を基地中に均一分散させることにより、切削中の切粉は, これらの微細粒子と微細粒子間の距離で決定される大きさに分断されるため、切削抵抗は低く維持される。
また、基地中に分散させる被削性改善用微細粒子は、粒径：150 μm 以下の微細粒子とすることが好ましい。微細粒子の粒径が150 μm を超えると、接合強度が低下する。なお、好ましくは５〜100 μｍである。
【００２７】
また、多孔質金属焼結体の基地中に分散させる被削性改善用微細粒子の含有量は、0.1 〜５質量％とすることが好ましい。被削性改善用微細粒子の含有量が、0.1 質量％未満では被削性改善の効果が認められない。一方、５質量％を越えて含有すると、基地との密着強度が低下する。このため、粒径：150 μm 以下の被削性改善用微細粒子は、0.1 〜５質量％の範囲で含有することが好ましい。
【００２８】
上記した多孔質金属焼結体のうちのいずれかを、内燃機関用アルミニウム合金製軸受部に鋳包み、内燃機関用アルミニウム合金製軸受部とすることが好ましい。
ついで、本発明のアルミニウム合金部材補強用多孔質金属焼結体の製造方法について、説明する。
【００２９】
原料とする金属粉末と、黒鉛粉末と、潤滑剤粉末とを混合して混合粉としたのち、これら混合粉を金型に装入して加圧成形し圧粉体とし、該圧粉体を焼結して多孔質金属焼結体とする。
原料粉として使用する金属粉末は、60メッシュの篩を通過し（以下、60メッシュアンダー、あるいは−60メッシュともいう）、350 メッシュの篩を通過しない（以下、350 メッシュオーバー、あるいは＋350 メッシュともいう）粒径分布に調整した金属粉とすることが好ましい。
【００３０】
＋100 メッシュ（＃100 メッシュの篩を通過しない）の粒子が存在すると、混合粉の圧粉性が低下し、所望の密度の圧粉体とすることが難しくなる場合があるが、−60〜＋100 メッシュの粒子が、全体の粉末の40％未満であれば、成形可能であり、所望の空孔率を有する圧粉体とするためには有利となる。一方、−350 メッシュ（＃350 メッシュの篩を通過する）の粒子が存在すると、直径５μm 未満の微細空孔の存在量が増加し、接合強度比が低下する傾向となる。
【００３１】
本発明で使用する金属粉末は、上記した粒径分布を有する、混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe-Cr 合金粉、または混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe-Cr 合金粉および鉄粉、または鉄粉およびCr金属粉さらに Si 粉、または混合粉中で Si を 10 質量％以下含有するFe−Cr合金粉およびステンレス合金粉とする。これらFe-Cr 合金粉、またはCr金属粉さらに Si 粉、またはFe−Cr合金粉およびステンレス合金粉は、混合粉中のCr含有量が40〜65質量％、 Si 含有量が 10 質量％以下となるように配合量を調整する。ステンレス合金粉としては、例えば SUS 410粉等が例示される。
なお、前記 Fe − Cr 合金粉は Cr 、 Si 以外にさらに混合粉中含有量が Mo ： 10 質量％以下、Ｖ： 10 質量％以下、Ｗ： 10 質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を Mo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で 20 質量％以下となるように含有してもよい。
また、前記鉄粉および金属粉さらに Si 粉に加えて、さらに混合粉中含有量で、 Mo ： 10 質量％以下、Ｖ： 10 質量％以下、Ｗ： 10 質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を Mo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で 20 質量％以下となるように Mo 粉、Ｖ粉、Ｗ粉のうちから選ばれた１種または２種以上を配合してもよい。
また、前記 Fe − Cr 合金粉およびステンレス合金粉に加えてさらに混合粉中含有量で Mo ： 10 質量％以下、Ｖ： 10 質量％以下、Ｗ： 10 質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を Mo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で 20 質量％以下となるように、 Mo 粉、Ｖ粉、Ｗ粉のうちの１種または２種以上を配合してもよい。
【００３２】
これら金属粉末に、黒鉛粉末と、ステアリン酸亜鉛等の潤滑剤粉末と、あるいはさらに被削性改善用微細粉末を混合し混合粉とする。
黒鉛粉は、多孔質焼結体の強度を増加させる合金元素として添加するが、混合粉中の含有量が３質量％を超えると、炭化物が増加し、焼結体の特性を阻害し、あるいは被削性を劣化させ、さらには焼結時に液相が生じ、独立空孔が多く発生して、接合強度が低下する。このため、黒鉛粉は３質量％以下に限定することが好ましい。なお、黒鉛粉の粒径は、0.1 〜10μm とすることが好ましい。0.1 μm 未満では取り扱いが困難となり、10μm を超えると、均一分散が困難となる。
【００３３】
本発明では、上記した金属粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末に加えてさらに、混合粉には、被削性改善のために、被削性改善用微細粒子粉末を含有することができる。被削性改善用微細粒子粉としては、MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトはいずれも、被削性を改善する粒子であり、必要に応じて選択して含有できる。また、混合粉に添加する被削性改善用微細粒子粉は、粒径：150 μm 以下の微細粒子粉とすることが好ましい。微細粒子粉の粒径が150 μm を超えると、接合強度が低下する。なお、好ましくは５〜100 μm である。
【００３４】
混合粉中に被削性改善用微細粒子粉を含有する場合には、被削性改善用微細粒子粉の含有量は混合粉全量に対し0.1 〜５質量％とすることが好ましい。0.1 質量％未満では、被削性改善効果が少なく、一方、５質量％を超えると接合強度が低下する。
なお、混合方法は、特に限定する必要はないが、Ｖミルを用いることが経済上から好ましい。
【００３５】
上記した混合粉を、金型に装入し加圧成形して所定形状の圧粉体とする。混合粉の成形方法は、特に限定されないが、プレス等を用いることが好ましい。
このようにして得られた所定形状の多孔質金属焼結体を、アルミニウム合金部材、例えば、 図４に示すような内燃機関の軸受部、を形成する鋳型の対応部位に装着し、その鋳型内にアルミニウム合金溶湯を注入し、高圧ダイキャストしてあるいは溶湯鍛造してアルミニウム合金製部材（内燃機関軸受部）を製造する。これにより、焼結体の空孔に溶湯が侵入し部材との接合が完了する。その後、部材は、所定の寸法に切削加工が施され製品とされる。
【００３６】
【実施例】
金属粉末としてのフェロクロム粉（Fe-Cr 合金粉；Cr：40〜70質量％）、あるいはFe-Cr 合金粉と鉄粉、あるいは鉄粉とCr粉と Si 粉、あるいはFe-Cr 合金粉とステンレス合金粉(SUS 410粉）とに、黒鉛粉、潤滑剤粉、あるいはさらに被削性改善用微細粒子として、MnS 粉を添加し混合して、 混練して混合粉としたのち、金型に充填し成形プレスにより加圧成形して、所定寸法の圧粉体とした。なお、Fe-Cr 合金粉、あるいは鉄粉およびCr粉、あるいはFe−Cr合金粉およびステンレス合金粉は、表１に示すように、予め分級し、粒径分布を調整したものを使用した。また、Fe-Cr 合金粉、鉄粉、Cr粉、ステンレス合金粉さらに Si 粉は焼結体のCr含有量、Si 含有量が表２に示す値となるように配合した。一部の試料にはさらに Mo 粉、Ｖ粉、Ｗ粉を表２に示す値となるように配合した。
【００３７】
ついで、これら圧粉体を1100〜1250℃で焼結し、表２に示す組成と空孔を含む多孔質金属焼結体とした。なお、表２に示す成分以外の残部はFeおよび不可避的不純物部である。また、全空孔率は、密度測定により空孔率を求めた。密度測定は、アルキメデス法によった。
また、全空孔に対する微細空孔の比率は、焼結体のプレス方向断面について、金属顕微鏡により組織を撮像し、画像解析により直径５μm 以下の微細空孔の全面積と全空孔の面積をもとめ、（直径５μm 以下の微細空孔の全面積）／（全空孔の面積）により求めた。なお、 測定個所は円周上３個所とした。
【００３８】
これら焼結体を、内燃機関軸受部相当材製造用鋳型の所定位置に装着した。ついで鋳型内に、アルミニウム合金溶湯（JIS ADC 12）を注入したのち、溶湯鍛造または高圧鋳造を施し所定の寸法の内燃機関軸受部相当材に仕上げた。
得られた内燃機関軸受部相当材から、焼結体との接合部を含む引張試験片を採取し、引張試験により接合部の接合強度を求めた。引張試験片の採取方向は、試験片の軸に対し垂直に接合面を含む方向とした。なお、接合強度σは、所望の接合強度σE に対する比、接合強度比σ/ σE で評価した。
【００３９】
また、内燃機関軸受部相当材から焼結体を含む試験片を採取し、引張試験により、引張強さを熱膨張測定装置により熱膨張係数（室温〜200 ℃間の平均）を測定した。
得られた結果を表２に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
本発明例は、いずれも1.0 以上の高い接合強度比を有し、しかもアルミニウム合金が含浸した状態での熱膨張係数は鉄系材料の熱膨張係数に近い、14×10-6以下の熱膨張係数を有している。
一方、本発明の範囲を外れる比較例は、接合強度比が低いか、あるいは熱膨張係数が大きく、内燃機関用軸受部とを補強した場合、内燃機関稼動時にクリアランスが大きくなりすぎて、騒音・振動を発生する危険性がある。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた接合性を有し、軽合金部材に鋳包み後に鉄系材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する軽合金製部材補強用多孔質金属焼結体を安定して製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明の多孔質金属焼結体は、被削性にも優れ、切削加工能率の向上が可能となるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋳包み後の多孔質金属焼結体と部材との接合強度比に及ぼす微細空孔比率の影響を示すグラフである。
【図２】焼結体中の空孔の分布状況の一例を模式的に示す説明図である。
【図３】従来の鋳包み後の多孔質金属焼結体と部材との接合強度比と空孔率との関係を示すグラフである。
【図４】多孔質金属焼結体を補強した内燃機関軸受部の例を模式的に示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ クランクシャフト
２ 軸受部
３ 多孔質金属焼結体
４ 軸受メタル
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金製部材の補強用として用いられる多孔質金属焼結体に係り、とくに、アルミニウム合金製内燃機関の軸受部に鋳包まれて軸受部を補強する内燃機関軸受部補強用多孔質金属焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関（エンジン）の軽量化および放熱性を高める目的から、軽合金の一種である、アルミニウム合金製のエンジンが一般化しつつある。しかし、アルミニウム合金は、従来の鋳鉄に比べて強度が低く、高温に晒される部材では、強度が不足するという問題が発生している。
【０００３】
例えば、エンジンのクランクシャフトは、シリンダブロックと一体に成形された部材（軸受ハウジング）およびその部材に複数の締め付けボルトで固定される部材（クランクシャフト保持部材）で構成される軸受部により軸受メタルを介して支持されている。この軸受部をいずれもアルミニウム合金製とした場合には、クランクジャーナルの直下でかつ燃焼ガスの爆発による大きな圧力を受ける部位で剛性が不足するという問題がある。また、軸受部をいずれもアルミニウム合金製とした場合には、アルミニウム合金の熱膨張係数が鉄系材料に比べ大きいため、軸受部が高温に晒されると、鉄系材料で構成されるクランクシャフトとの熱膨張差が大きくなり、軸受面とクランクジャーナルとのクリアランスが大きくなり騒音と振動が増大するという問題がある。
【０００４】
このような問題に対し、例えば、実開昭63-150115 号公報には、シリンダブロックに取り付けるためのボルト穴の中心線と彎曲したクランク・ジャーナル支持面とで画成される部分の内部を強化繊維で複合強化した内燃機関の軽合金製クランク軸支持部材が提案されている。実開昭63-150115 号公報に記載された技術では、強化繊維の体積率を20〜40％として、クランク軸の熱膨張率とほぼ一致させることが好ましいとしている。
【０００５】
また、特開昭60-219436 号公報には、アルミニウム合金製のシリンダブロック本体の下部に取り付けられるアルミニウム合金製ハウジングキャップの軸受部を、 鉄系材料を鋳包んで形成したエンジンブロックが提案されている。
実開昭63-150115 号公報、特開昭60-219436 号公報に記載された技術によれば、アルミニウム合金のみでは得られない強度増加があり、剛性が大幅に向上するとともに、クリアランスが適正に維持できるとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実開昭63-150115 号公報に記載された技術では、強化繊維で複合強化した部材が高温環境下では必ずしも満足できる特性が得られない場合があるという問題がある。また、特開昭60-219436 号公報に記載された技術では、軸受部を所望の熱膨張率に調整するための、鉄系材料の選択が難しいうえ、熱膨張率低下には限界がある。さらにアルミニウム合金との接合強度が不足するという問題があった。
【０００７】
また、特開2000-337348 号公報には、内燃機関のクランクシャフトを支持するための支持構造と、支持構造を保持するための保持部分とを有し、支持構造の材料がクランクシャフト材料と略等しい熱膨張率を有する高シリコンアルミニウムからなる多孔質材料であり、保持部分の材料が支持構造の孔内に流入しているクランクシャフト用軸受が提案されている。しかし、特開2000-337348 号公報に記載された技術では、クランクシャフトと支持構造との熱膨張差は少なくなるが、やはり限界があり、保持部分と支持構造との接合強度がばらつき、必ずしも安定して満足できる特性が得られない場合があった。
【０００８】
また、特開2001-276961 号公報には、鉄あるいは鉄系金属をベースとし、これにクロムが10〜40重量％含有されてなる金属多孔質予備成形体が記載されている。特開2001-276961 号公報に記載された金属多孔質成形体は、注湯完了から溶湯含浸までに所定のタイムラグが存在する鋳造法で金属複合部材とされる。しかしながら、特開2001-276961 号公報に記載された金属多孔質成形体を使用しアルミニウム合金を含浸させた複合部材でも熱膨張率低下には限界があり、接合強度がばらつき、接合面剥離が生じる場合があり、必ずしも安定して満足できる特性が得られない場合があるという問題があった。
【０００９】
また、金属多孔質成形体（多孔質金属焼結体）は、空孔を有するため断続切削となり切削抵抗が高く、切削工具（バイト）寿命が短いため、切削工具交換のために切削加工能率が低下し、製造コストの高騰を招くという問題もある。
本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、アルミニウム合金部材に鋳包まれて該部材を補強する多孔質金属焼結体およびその製造方法を提案することを目的とする。とくに、本発明は、アルミニウム合金製内燃機関の鉄系材料製クランクシャフトを支持するアルミニウム合金製軸受部に鋳包まれて軸受部を補強する軸受部補強用として好適な、多孔質金属焼結体を提案することを目的とする。本発明で目標とする多孔質金属焼結体は、所望の接合強度を安定して確保でき接合性に優れ、しかもアルミニウム合金に鋳包まれたのちに鉄系材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する、あるいはさらに被削性に優れた多孔質金属焼結体である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記した課題を達成するために、軽金属合金の１種である、アルミニウム合金製部材に多孔質金属焼結体を鋳包んだ際の、部材と多孔質金属焼結体との接合強度におよぼす要因および鋳込んだのちの熱膨張係数について鋭意検討した。
【００１１】
従来、アルミニウム合金製部材に多孔質金属焼結体を鋳包む際には、所望の接合強度を得るために、空孔率を一定範囲内に規制するのが、一般的であった。製品の空孔率を測定するには、製品を切断して、断面組織を撮像し、画像解析により算出するのが一般的であるが、しかし、このような方法では、製品を切断する必要があり工程生産に応用することは不可能であり、通常、空孔率の測定は、密度測定で代用している。
【００１２】
まず、本発明者らは、所定の形状とした、空孔を有する多孔質鉄基焼結体をアルミニウム合金製部材に鋳包んだのち、接合境界を含む引張試験片を採取した。これら引張試験片を用いて引張試験を行い接合強度を求めた。なお、各多孔質鉄基焼結体の空孔率は、密度測定により求めた。
接合強度と空孔率の関係を図３に示す。なお、接合強度（σ）は、所望の接合強度（σE ）に対する比、接合強度比σ／σE として表示した。接合強度比１以上で、接合強度σが所望の接合強度σE 以上の値となることを意味する。
【００１３】
図３から、同一空孔率でも接合強度比には大きなばらつきが見られる。これは、空孔率を密度測定で代用したためと考えられ、密度測定により得られる多孔質焼結体の空孔率の管理だけでは、部材との接合強度に影響する因子を代表していないことになる。
そこで、本発明者らは、図３の結果をさらに詳細に検討し、同一の空孔率でも、空孔の分布、 形態に大きな相違がある場合があり、それが、部材と多孔質金属焼結体との接合強度に大きく影響していることに想到した。空孔率が同一でも、空孔の大きさ、数が相違する、例えば、図２（ａ）、（ｂ）に模式的に示す、断面での空孔分布を有する多孔質金属焼結体では、（ｂ）の空孔分布を有する焼結体の方が、部材との接合強度が大きいことを見いだした。さらに、アルミニウム合金を鋳込む際、多孔質金属焼結体の空孔が微細な場合には、アルミニウム合金が空孔に含浸されにくく、とくに焼結時に発生した独立空孔にはアルミニウム合金が含浸せず、接合強度低下に顕著に影響することを見いだした。
【００１４】
そこで、本発明者らは、多孔質金属焼結体の微細空孔の生成原因についてさらに研究した。その結果、接合強度比は、多孔質金属焼結体中に存在する微細空孔、とくに直径５μm 以下の微細空孔の存在比率に大きく影響されることを見いだした。
多孔質金属焼結体中に存在する直径５μm 以下の微細空孔率と全空孔率との比、｛（直径５μm 以下の微細空孔率）／（全空孔率）｝×100 （％）、と接合強度比との関係を図１に示す。図１から、多孔質金属焼結体中に存在する直径５μm 以下の微細空孔を、全空孔率に対して、20％未満とすることにより、 接合強度比が１以上となる。なお、接合強度比は、ニレジスト鋳鉄製部材の場合の強度（接合強度σE ）を基準として示している。ここで、直径５μm 以下の微細空孔率、全空孔率は、多孔質金属焼結体の断面を研磨して、画像解析装置で断面における空孔の面積を測定し、それぞれの面積率を算出し、その値を空孔率とした。
【００１５】
また、多孔質金属焼結体中の微細空孔の形成には、使用する金属粉末の粒径分布が大きく影響し、とくに直径５μm 以下の微細空孔率を20％未満とするためには、使用する金属粉末に、＃350 の篩を通過する（−350 メッシュ）微細粉末の混合を防止する必要があることを知見した。
また、本発明者らは、アルミニウム合金製部材としてアルミニウム合金製内燃機関軸受部に着目し、多孔質金属焼結体を鋳包んだ、アルミニウム合金製内燃機関軸受部の特性改善について検討した。鉄系材料製のクランクシャフトを支持する、アルミニウム合金製内燃機関軸受部では、鉄系材料製のクランク・ジャーナルと軸受部とのクリアランスを、高温に晒される稼動時においても小さく保つことが必要とされている。そのため、本発明者らは、軸受部の熱膨張係数を鉄系材料のそれに略近いものとする手段について鋭意検討した。その結果、軸受部の熱膨張係数を鉄系材料のそれに略近いものとするためには、多孔質金属焼結体自体の熱膨張係数を低くし、アルミニウム合金を溶浸させたのちの熱膨張係数が14×10-6／Ｋ以下となるように、軸受部に鋳包む多孔質金属焼結体の組成と、空孔率とを適正範囲とする必要があることを知見した。そして、本発明者はアルミニウム合金の熱膨張係数が大きいため、多孔質金属焼結体の熱膨張係数を大きく下げる必要があるが、そのためには多孔質金属焼結体をFe系材料、ステンレス系材料、あるいはFe−Si系材料を用いたのでは限界があり、本発明者は高Cr系材料を用い、さらに低熱膨張係数の元素を添加することがよいことを知見した。
【００１６】
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
すなわち、 第１の本発明は、アルミニウム合金製部材に鋳包まれて該部材を補強する多孔質金属焼結体であって、該多孔質金属焼結体が、Ｃ：0.1 〜3.0 質量％、Cr：40〜65質量％、 Si ： 10 質量％以下を含み、あるいはさらにMo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下含有する多孔質金属焼結体であり、35〜50％の空孔率を有し、かつアルミニウム合金を溶浸させた後の熱膨張係数が14×10-6／Ｋ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体である。また、 第１の本発明では、前記多孔質金属焼結体が、粒径：150 μm 以下の、MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上からなる被削性改善用微細粒子を、0.1 〜５質量％含有することが好ましい。なお、第１の本発明では、空孔のうち直径５μm を超える空孔を、全空孔率に対し80％以上有することが好ましい。また、第１の本発明では、前記アルミニウム合金製部材をアルミニウム合金製内燃機関軸受部とすることが好ましい。
【００１７】
また、第２の本発明は、金属粉末に、黒鉛粉末と、潤滑剤粉末とを混合して混合粉としたのち、該混合粉を圧粉成形して圧粉体となし、ついで該圧粉体を焼結して多孔質金属焼結体とする多孔質金属焼結体の製造方法において、前記金属粉末を−60メッシュ〜＋350 メッシュの粒径分布を有する、混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe−Cr合金粉、または混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe−Cr合金粉および鉄粉、または鉄粉およびCr金属粉さらに Si 粉、または混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe−Cr合金粉およびステンレス合金粉とし、前記Fe−Cr合金粉、または前記Cr金属粉さらに Si 粉、または前記Fe−Cr合金粉およびステンレス合金粉を前記混合粉中のCr含有量が40〜65質量％、Si含有量が10質量％以下となるように配合し、前記焼結の焼結条件を調整して、前記多孔質金属焼結体の空孔率を35〜50％、アルミニウム合金を溶浸させた後の熱膨張係数を14×10-6／Ｋ以下とすることを特徴とするアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体の製造方法である。また、第２の本発明では、前記混合粉がさらに、粒径：150 μm 以下の、MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上からなる被削性改善用微細粒子粉末を、0.1 〜５質量％含有することが好ましく、また、第２の本発明では、前記Fe-Cr 合金粉が、さらに混合粉中の含有量で、Mo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下となるように含有することが好ましく、また第２の本発明では、前記鉄粉およびCr金属粉さらに Si 粉に加えて、さらに混合粉中の含有量で、Mo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれたMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の１種または２種以上を合計で20質量％以下となるように、Mo粉、Ｖ粉、Ｗ粉のうちから選ばれた１種または２種以上を配合することが好ましい。また第２の本発明では、前記Fe−Cr合金粉およびステンレス合金粉に加えてさらに、混合粉中の含有量でMo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下となるようにMo粉、Ｖ粉、Ｗ粉のうちから選ばれた１種または２種以上を配合することが好ましい。また、第２の本発明では、前記混合粉が、前記黒鉛粉を３質量％以下、前記潤滑剤粉末を0.5 〜1.5 質量％含有することが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明における多孔質金属焼結体は、アルミニウム合金製内燃機関軸受部等のアルミニウム合金製部材に鋳包まれて、該アルミニウム合金製部材を補強する。例えば、図４（ａ）に示すように、アルミニウム合金製内燃機関軸受部の上部、あるいは図４（ｂ）に示すように、軸受部の内部に鋳包んでもよい。
【００１９】
本発明のアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体は、Ｃ：0.1 〜3.0 質量％、Cr：40〜65質量％、 Si ： 10 質量％以下を含み、あるいはさらにMo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下含有する基地組成を有する多孔質金属焼結体とする。
本発明の多孔質金属焼結体の基地組成の限定理由について説明する。
【００２０】
Ｃ：0.1 〜3.0 ％
Ｃは、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、 本発明では強度確保のため0.1 ％以上の含有を必要とする。なお、3.0 ％を超えて含有すると炭化物が粗大化し被削性が低下する。このため、Ｃは0.1 〜3.0 ％に限定した。
Cr：40〜65％
Crは、熱膨張係数を低下させる作用を有する元素であり、本発明では、所望の低い熱膨張係数を確保するために40％以上の含有を必要とする。一方、65％を超えて含有すると、焼結が困難となり、強度が低下する。このため、Crは40〜65％の範囲に限定した。
Si ： 10 質量％以下
Si は、鉄（ Fe ）より熱膨張係数が低い元素であり、多孔質金属焼結体の熱膨張係数を低下させる作用を有する。本発明では所望の熱膨張係数となるように調整するために 10 質量％以下含有する。 10 質量％を超えて含有すると、焼結が困難となり強度が劣化する。このため、 Si は 10 質量％以下に限定した。
【００２１】
Mo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗ、 Si の合計で20質量％以下
Mo、Ｖ、Ｗは、いずれも鉄（Fe）より熱膨張係数が低い元素であり、多孔質金属焼結体の熱膨張係数を低下させる作用を有する。本発明では、所望の熱膨張係数となるように調整するために、 上記したCr、 Siに加えて選択して１種または２種以上含有できる。一方、Mo：10質量％、Ｖ：10質量％、Ｗ：10質量％をそれぞれ超えて含有すると、焼結が困難となり強度が劣化する。また、Mo、Ｖ、Ｗ、Siの含有量の合計量が20質量％を超えると、同様に合金元素の均一分布が困難となり、強度が低下するとともに、熱膨張係数にバラツキが生じる。
【００２２】
本発明の多孔質金属焼結体の基地組成では、上記した成分以外、残部はFeおよび不可避的不純物である。
また、本発明のアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体は、上記した基地組成を有するとともに、さらに面積率で35〜50％の空孔を有する。空孔率が35％未満では、多孔質金属焼結体をアルミニウム合金部材に鋳包むときに、アルミニウム合金溶湯が空孔内に溶浸しにくく、引張強さが低下する。一方、空孔率が50％を超えると、空孔が多すぎて強度が低下して、使用時に変形するとともに、所望の熱膨張係数（例えば、鉄系材料製のクランクシャフトの熱膨張係数と略等しく）なるように調整することが困難となる。このため、アルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体の空孔率は、35〜50％の範囲に限定した。
【００２３】
また、本発明のアルミニウム合金部材補強用多孔質金属焼結体は、空孔のうち直径５μm を超える空孔を、全空孔率に対して80％以上有することが、鋳包んだのちの接合強度のばらつきを少なくする観点から好ましい。直径５μm を超える空孔率が全空孔率に対し80％未満では、すなわち、直径５μm 以下の空孔率が全空孔率に対し20％を超えると微細空孔が増加し、図１に示すように、接合強度比が１未満と接合強度が低下する。このため、直径５μm を超える空孔を、全空孔率に対し80％以上に限定することが好ましい。
【００２４】
上記した組成、空孔率を有する多孔質金属焼結体は、アルミニウム合金を溶浸させた後の熱膨張係数が14×10-6／Ｋ以下と、例えば、内燃機関の鉄系材料製クランクシャフトの熱膨張係数（９×10 -6 〜12×10 -6 ／Ｋ程度）に近い値となり、内燃機関の軸受部に鋳包まれた場合、内燃機関稼動時の軸受部とジャーナルとのクリアランスを小さくできるという効果がある。
【００２５】
なお、本発明のアルミニウム合金部材補強用多孔質金属焼結体は、上記した組成の基地中に、被削性改善のため、被削性改善用微細粒子を分散させることが好ましい。分散させる被削性改善用微細粒子としては、MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトはいずれも、被削性を改善する粒子であり、必要に応じて選択して含有できる。
【００２６】
このような被削性改善用微細粒子を基地中に均一分散させることにより、切削中の切粉は, これらの微細粒子と微細粒子間の距離で決定される大きさに分断されるため、切削抵抗は低く維持される。
また、基地中に分散させる被削性改善用微細粒子は、粒径：150 μm 以下の微細粒子とすることが好ましい。微細粒子の粒径が150 μm を超えると、接合強度が低下する。なお、好ましくは５〜100 μｍである。
【００２７】
また、多孔質金属焼結体の基地中に分散させる被削性改善用微細粒子の含有量は、0.1 〜５質量％とすることが好ましい。被削性改善用微細粒子の含有量が、0.1 質量％未満では被削性改善の効果が認められない。一方、５質量％を越えて含有すると、基地との密着強度が低下する。このため、粒径：150 μm 以下の被削性改善用微細粒子は、0.1 〜５質量％の範囲で含有することが好ましい。
【００２８】
上記した多孔質金属焼結体のうちのいずれかを、内燃機関用アルミニウム合金製軸受部に鋳包み、内燃機関用アルミニウム合金製軸受部とすることが好ましい。
ついで、本発明のアルミニウム合金部材補強用多孔質金属焼結体の製造方法について、説明する。
【００２９】
原料とする金属粉末と、黒鉛粉末と、潤滑剤粉末とを混合して混合粉としたのち、これら混合粉を金型に装入して加圧成形し圧粉体とし、該圧粉体を焼結して多孔質金属焼結体とする。
原料粉として使用する金属粉末は、60メッシュの篩を通過し（以下、60メッシュアンダー、あるいは−60メッシュともいう）、350 メッシュの篩を通過しない（以下、350 メッシュオーバー、あるいは＋350 メッシュともいう）粒径分布に調整した金属粉とすることが好ましい。
【００３０】
＋100 メッシュ（＃100 メッシュの篩を通過しない）の粒子が存在すると、混合粉の圧粉性が低下し、所望の密度の圧粉体とすることが難しくなる場合があるが、−60〜＋100 メッシュの粒子が、全体の粉末の40％未満であれば、成形可能であり、所望の空孔率を有する圧粉体とするためには有利となる。一方、−350 メッシュ（＃350 メッシュの篩を通過する）の粒子が存在すると、直径５μm 未満の微細空孔の存在量が増加し、接合強度比が低下する傾向となる。
【００３１】
本発明で使用する金属粉末は、上記した粒径分布を有する、混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe-Cr 合金粉、または混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe-Cr 合金粉および鉄粉、または鉄粉およびCr金属粉さらに Si 粉、または混合粉中で Si を 10 質量％以下含有するFe−Cr合金粉およびステンレス合金粉とする。これらFe-Cr 合金粉、またはCr金属粉さらに Si 粉、またはFe−Cr合金粉およびステンレス合金粉は、混合粉中のCr含有量が40〜65質量％、 Si 含有量が 10 質量％以下となるように配合量を調整する。ステンレス合金粉としては、例えば SUS 410粉等が例示される。
なお、前記 Fe − Cr 合金粉は Cr 、 Si 以外にさらに混合粉中含有量が Mo ： 10 質量％以下、Ｖ： 10 質量％以下、Ｗ： 10 質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を Mo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で 20 質量％以下となるように含有してもよい。
また、前記鉄粉および金属粉さらに Si 粉に加えて、さらに混合粉中含有量で、 Mo ： 10 質量％以下、Ｖ： 10 質量％以下、Ｗ： 10 質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を Mo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で 20 質量％以下となるように Mo 粉、Ｖ粉、Ｗ粉のうちから選ばれた１種または２種以上を配合してもよい。
また、前記 Fe − Cr 合金粉およびステンレス合金粉に加えてさらに混合粉中含有量で Mo ： 10 質量％以下、Ｖ： 10 質量％以下、Ｗ： 10 質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を Mo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で 20 質量％以下となるように、 Mo 粉、Ｖ粉、Ｗ粉のうちの１種または２種以上を配合してもよい。
【００３２】
これら金属粉末に、黒鉛粉末と、ステアリン酸亜鉛等の潤滑剤粉末と、あるいはさらに被削性改善用微細粉末を混合し混合粉とする。
黒鉛粉は、多孔質焼結体の強度を増加させる合金元素として添加するが、混合粉中の含有量が３質量％を超えると、炭化物が増加し、焼結体の特性を阻害し、あるいは被削性を劣化させ、さらには焼結時に液相が生じ、独立空孔が多く発生して、接合強度が低下する。このため、黒鉛粉は３質量％以下に限定することが好ましい。なお、黒鉛粉の粒径は、0.1 〜10μm とすることが好ましい。0.1 μm 未満では取り扱いが困難となり、10μm を超えると、均一分散が困難となる。
【００３３】
本発明では、上記した金属粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末に加えてさらに、混合粉には、被削性改善のために、被削性改善用微細粒子粉末を含有することができる。被削性改善用微細粒子粉としては、MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトはいずれも、被削性を改善する粒子であり、必要に応じて選択して含有できる。また、混合粉に添加する被削性改善用微細粒子粉は、粒径：150 μm 以下の微細粒子粉とすることが好ましい。微細粒子粉の粒径が150 μm を超えると、接合強度が低下する。なお、好ましくは５〜100 μm である。
【００３４】
混合粉中に被削性改善用微細粒子粉を含有する場合には、被削性改善用微細粒子粉の含有量は混合粉全量に対し0.1 〜５質量％とすることが好ましい。0.1 質量％未満では、被削性改善効果が少なく、一方、５質量％を超えると接合強度が低下する。
なお、混合方法は、特に限定する必要はないが、Ｖミルを用いることが経済上から好ましい。
【００３５】
上記した混合粉を、金型に装入し加圧成形して所定形状の圧粉体とする。混合粉の成形方法は、特に限定されないが、プレス等を用いることが好ましい。
このようにして得られた所定形状の多孔質金属焼結体を、アルミニウム合金部材、例えば、 図４に示すような内燃機関の軸受部、を形成する鋳型の対応部位に装着し、その鋳型内にアルミニウム合金溶湯を注入し、高圧ダイキャストしてあるいは溶湯鍛造してアルミニウム合金製部材（内燃機関軸受部）を製造する。これにより、焼結体の空孔に溶湯が侵入し部材との接合が完了する。その後、部材は、所定の寸法に切削加工が施され製品とされる。
【００３６】
【実施例】
金属粉末としてのフェロクロム粉（Fe-Cr 合金粉；Cr：40〜70質量％）、あるいはFe-Cr 合金粉と鉄粉、あるいは鉄粉とCr粉と Si 粉、あるいはFe-Cr 合金粉とステンレス合金粉(SUS 410粉）とに、黒鉛粉、潤滑剤粉、あるいはさらに被削性改善用微細粒子として、MnS 粉を添加し混合して、 混練して混合粉としたのち、金型に充填し成形プレスにより加圧成形して、所定寸法の圧粉体とした。なお、Fe-Cr 合金粉、あるいは鉄粉およびCr粉、あるいはFe−Cr合金粉およびステンレス合金粉は、表１に示すように、予め分級し、粒径分布を調整したものを使用した。また、Fe-Cr 合金粉、鉄粉、Cr粉、ステンレス合金粉さらに Si 粉は焼結体のCr含有量、Si 含有量が表２に示す値となるように配合した。一部の試料にはさらに Mo 粉、Ｖ粉、Ｗ粉を表２に示す値となるように配合した。
【００３７】
ついで、これら圧粉体を1100〜1250℃で焼結し、表２に示す組成と空孔を含む多孔質金属焼結体とした。なお、表２に示す成分以外の残部はFeおよび不可避的不純物部である。また、全空孔率は、密度測定により空孔率を求めた。密度測定は、アルキメデス法によった。
また、全空孔に対する微細空孔の比率は、焼結体のプレス方向断面について、金属顕微鏡により組織を撮像し、画像解析により直径５μm 以下の微細空孔の全面積と全空孔の面積をもとめ、（直径５μm 以下の微細空孔の全面積）／（全空孔の面積）により求めた。なお、 測定個所は円周上３個所とした。
【００３８】
これら焼結体を、内燃機関軸受部相当材製造用鋳型の所定位置に装着した。ついで鋳型内に、アルミニウム合金溶湯（JIS ADC 12）を注入したのち、溶湯鍛造または高圧鋳造を施し所定の寸法の内燃機関軸受部相当材に仕上げた。
得られた内燃機関軸受部相当材から、焼結体との接合部を含む引張試験片を採取し、引張試験により接合部の接合強度を求めた。引張試験片の採取方向は、試験片の軸に対し垂直に接合面を含む方向とした。なお、接合強度σは、所望の接合強度σE に対する比、接合強度比σ/ σE で評価した。
【００３９】
また、内燃機関軸受部相当材から焼結体を含む試験片を採取し、引張試験により、引張強さを熱膨張測定装置により熱膨張係数（室温〜200 ℃間の平均）を測定した。
得られた結果を表２に示す。
【００４０】
【表１】
【表２】
本発明例は、いずれも1.0 以上の高い接合強度比を有し、しかもアルミニウム合金が含浸した状態での熱膨張係数は鉄系材料の熱膨張係数に近い、14×10-6以下の熱膨張係数を有している。
一方、本発明の範囲を外れる比較例は、接合強度比が低いか、あるいは熱膨張係数が大きく、内燃機関用軸受部とを補強した場合、内燃機関稼動時にクリアランスが大きくなりすぎて、騒音・振動を発生する危険性がある。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた接合性を有し、軽合金部材に鋳包み後に鉄系材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する軽合金製部材補強用多孔質金属焼結体を安定して製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明の多孔質金属焼結体は、被削性にも優れ、切削加工能率の向上が可能となるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋳包み後の多孔質金属焼結体と部材との接合強度比に及ぼす微細空孔比率の影響を示すグラフである。
【図２】焼結体中の空孔の分布状況の一例を模式的に示す説明図である。
【図３】従来の鋳包み後の多孔質金属焼結体と部材との接合強度比と空孔率との関係を示すグラフである。
【図４】多孔質金属焼結体を補強した内燃機関軸受部の例を模式的に示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ クランクシャフト
２ 軸受部
３ 多孔質金属焼結体
４ 軸受メタル
Claims (7)
- アルミニウム合金製部材に鋳包まれて該部材を補強する多孔質金属焼結体であって、該多孔質金属焼結体が、Ｃ：0.1 〜3.0 質量％、Cr：40〜65質量％、 Si ： 10 質量％以下を含み、あるいはさらにMo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる多孔質金属焼結体であり、35〜50％の空孔率を有し、かつアルミニウム合金を溶浸させた後の熱膨張係数が14×10-6／Ｋ以下であることを特徴とするアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体。
- 前記多孔質金属焼結体が、さらに粒径：150 μm 以下の、MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上からなる被削性改善用微細粒子を、0.1 〜５質量％含有することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体。
- 金属粉末に、黒鉛粉末と、潤滑剤粉末とを混合して混合粉としたのち、該混合粉を圧粉成形して圧粉体となし、ついで該圧粉体を焼結して多孔質金属焼結体とする多孔質金属焼結体の製造方法において、前記金属粉末を−60メッシュ〜＋350 メッシュの粒径分布を有する、混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe-Cr 合金粉、または混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe−Cr合金粉および鉄粉、または鉄粉およびCr金属粉さらに Si 粉、または混合粉中含有量で Si を 10 質量％以下含有するFe-Cr 合金粉およびステンレス合金粉とし、前記Fe-Cr 合金粉、または前記Cr金属粉さらに Si 粉、または前記Fe-Cr 合金粉およびステンレス合金粉を前記混合粉中のCr含有量が40〜65質量％、 Si 含有量が 10 質量％以下となるように配合し、前記焼結の焼結条件を調整して、前記多孔質金属焼結体の空孔率を35〜50％、アルミニウム合金を溶浸させた後の熱膨張係数を14×10-6／Ｋ以下とすることを特徴とするアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体の製造方法。
- 前記混合粉がさらに、粒径：150 μm 以下の、MnS 、CaF2、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上からなる被削性改善用微細粒子粉末を、0.1 〜５質量％含有することを特徴とする請求項３に記載のアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体の製造方法。
- 前記Fe-Cr 合金粉が、さらに混合粉中の含有量で、Mo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下となるように含有することを特徴とする請求項３または４に記載のアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体の製造方法。
- 前記鉄粉およびCr金属粉さらに Si 粉に加えて、さらに混合粉中の含有量で、Mo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下となるように、Mo粉、Ｖ粉、Ｗ粉のうちから選ばれた１種または２種以上を配合することを特徴とする請求項３または４に記載のアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体の製造方法。
- 前記Fe-Cr 合金粉およびステンレス合金粉に加えてさらに混合粉中の含有量でMo：10質量％以下、Ｖ：10質量％以下、Ｗ：10質量％以下のうちから選ばれた１種または２種以上をMo 、Ｖ、Ｗおよび Si の合計で20質量％以下となるように、Mo粉、Ｖ粉、Ｗ粉のうちから選ばれた１種または２種以上を配合することを特徴とする請求項３または４に記載のアルミニウム合金製部材補強用多孔質金属焼結体の製造方法。
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