JP4375293B2

JP4375293B2 - 複合材及びその製造方法

Info

Publication number: JP4375293B2
Application number: JP2005204346A
Authority: JP
Inventors: 元治谷澤; 恭一木下
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: JP2007023314A

Description

本発明は、表面に微細孔を有し、その微細孔が油溜まりを形成することによって、油の潤滑効果を最大限活用できる複合材に関するものである。

往復、回転運動等を行う各種機械には、一般的に摺動部材が不可欠である。例えば、エンジンやコンプレッサー等にも様々な摺動部材が使用されている。

一般的に、摺動面には、適正な潤滑剤を供給し、摩擦力や摩耗又は他の形の表面損傷を軽減させることが行われている。また十分な油膜厚さを確保するために、摺動面は潤滑剤を適正量保持する必要がある。潤滑剤を適正量保持するために、例えば摺動面にクロスハッチと呼ばれるバツ状の条痕を付け、条痕内に潤滑剤が保持されるようにする手法が古くから行われている。

また特許文献１には、５〜５０重量％のＴｉＣＮと、残りが鉄系合金からなる摺動面の表面から１ｍｍ深さまでの表面部における空孔率を７〜２０体積％とし、内部空孔率をこれより減少させた鉄系摺動材料について記載されている。特許文献１に記載の鉄系摺動材料は、潤滑油の存在する条件で用いると表面部の空孔に潤滑油が含浸されて、摩擦摩耗が大幅に改善できることが開示されている。

また特許文献２には、焼結合金中にＣａ、Ｓｒ、Ｂａの酸化物、炭化物、硫化物およびこれらの相互固溶体またはカーボンの中の少なくとも一種以上の分散相と、周期律表の４ａ、５ａ，６ａ属金属の炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の硬質相と、残りフェライト、オーステナイト、マルテンサイトまたはＦｅを主成分として含む合金でなる結合相とからなる鉄系焼結合金の表面部から該分散相が除去されて微細
孔が形成された鉄系焼結合金について記載されている。特許文献２に記載の鉄系焼結合金は、表面部に形成された微細孔の中に、潤滑物質を含浸でき、摩擦係数を低下させることが開示されている。
特公昭６３−１３８３号公報特開平６−２７９９５９号公報

しかしながら、上記摺動面に条痕を付ける方法は、使用時にだんだん条痕が摩耗し、潤滑剤の保持力が低下してくることは、よく知られている。また上記特許文献１の場合は、プレス成形や焼成工程で空孔の量や大きさを制御するのが困難であり、得られる空孔の大きさや空孔率のばらつきが大きいという製造管理上及び品質管理上の問題がある。また上記特許文献２の場合は、上記のような特殊な物質を含む合金を用いたものである。

したがって、上記問題点を解決する、潤滑剤を適正量保持できる表面を有する材料が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、表面に微細孔を有し、その微細孔が油溜まりを形成することによって、油の潤滑効果を活用できる複合材及びその製造方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明者等はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、鉄またはセラミックスの多孔質体をアルミニウム合金で含浸鋳造して、含有する金属間化合物を熱処理によって溶融することによって、表面に微細孔を形成できることを発見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の複合材は、鉄またはセラミックスの多孔質体と、該多孔質体に含浸されている、銅０．１〜６．０重量％とマグネシウム０．１〜３．０重量％とを含有し、残部のアルミニウムとその他の金属成分とで１００重量％となるアルミニウム合金であり、含浸凝固時に析出した少なくともＣｕＭｇＡｌ _２を含む金属間化合物を含むマトリックス金属と、を有する複合材であって、該複合材の表面に表出する該金属間化合物の少なくとも一部が除去され、除去された部分が微細孔となる、表面に該微細孔を有することを特徴とする。

また前記金属間化合物は、前記複合材を１００重量％としたときの含有量が、０．１〜９．０重量％であり、かつ該金属間化合物の平均直径が１μｍ以上１００μｍ以下であり、かつ前記微細孔の平均直径が直径１μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましい。

また本発明の複合材からなる摺動材は、鉄またはセラミックスの多孔質体と、該多孔質体に含浸されている、銅０．１〜６．０重量％とマグネシウム０．１〜３．０重量％とを含有し、残部のアルミニウムとその他の金属成分とで１００重量％となるアルミニウム合金であり、含浸凝固時に析出した少なくともＣｕＭｇＡｌ _２を含む金属間化合物を含むマトリックス金属と、を有する複合材であって、該複合材の表面に表出する該金属間化合物の少なくとも一部が除去され、除去された部分が微細孔となる、表面に該微細孔を有する複合材からなることを特徴とする。

また本発明の複合材の製造方法は、空隙率１０％以上８５％以下である鉄またはセラミックスの多孔質体を設置した金型に、銅０．１〜６．０重量％とマグネシウム０．１〜３．０重量％とを含有し、残部のアルミニウムとその他の金属成分とで１００重量％となるアルミニウム合金であるマトリックス金属を、圧力５０ＭＰａ以上１５０ＭＰａ以下、溶湯温度６５０℃以上８５０℃以下で含浸鋳造させ、含浸鋳造物を形成する含浸鋳造工程と、前記含浸鋳造物を冷却し、該冷却時に少なくともＣｕＭｇＡｌ _２を含む金属間化合物を析出させる冷却凝固工程と、前記冷却後の含浸鋳造物の表面を金属間化合物の融点以上で熱処理を行い、該冷却後の含浸鋳造物の表面に表出する前記金属間化合物の少なくとも一部を溶解除去し、除去された部分が微細孔を形成する微細孔形成工程とを有する。

また本発明の複合材の製造方法において、前記熱処理は、高周波加熱によって行ってもよい。

本発明の複合材は、鉄またはセラミックスの多孔質体がマトリックス金属に含浸された構成の複合材であるため、マトリックス金属単体よりも強度が高い。また鉄またはセラミックスの多孔質体は、多孔質であるため、マトリックス金属との密着性を確保できる。

また該マトリックス金属は、含浸凝固時に低融点の金属間化合物を析出する。

前記複合材の表面に表出した該金属間化合物を溶融除去することにより、その除去された部分が微細孔を形成する。そして前記微細孔は、量及び平均直径を制御されることにより、潤滑剤等を使用した場合、潤滑剤等の油溜まりとなることが出来る。

従って、本発明の複合材は、表面に微細孔を有するため、表面に新たな傷を付けずに、潤滑剤等の使用時に潤滑剤等を適正量保持でき、そのため低い摩擦係数を持つことが出来る。

また本発明の摺動材は、前記複合材からなることにより、良好な摺動特性を持つことが出来る。

なお本発明の製造方法を用いることによって、前記複合材を製造することが出来る。

本発明の複合材は、鉄またはセラミックスの多孔質体がマトリックス金属に含浸された構成の複合材である。

また前記複合材は、表面に微細孔を有する。該微細孔は、該複合材のマトリックス金属含浸凝固時に、低融点の金属間化合物が析出され、その表面に表出した金属間化合物を溶融除去することにより、形成される。

本発明における鉄またはセラミックスの多孔質体は、鉄系またはセラミックス系の多孔質体であれば、材質及び形状を問わない。また該多孔質体は、焼結して形成された多孔質体であることがより望ましい。

例えば、鉄系の多孔質体の材質には、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｖ、Ｗ、Ｃｕ、Ｃが用いられてもよい。セラミックス系の多孔質体の材質には、アルミナ、アルミナ・シリカ、窒化珪素、窒化硼素、炭化珪素が用いられてもよい。

また鉄またはセラミックスの多孔質体の形状は、例えば円筒状、リング状、板状、円板状でもよい。

鉄またはセラミックスの多孔質体の、空隙率６０％以上８５％以下が望ましい。この範囲の空隙率を持つ多孔質体であれば、マトリックス金属との密着性と強度とがともに良好な複合材となる。

また本発明におけるマトリックス金属は、金属間化合物を規定量析出できるアルミニウム合金であればよい。アルミニウム合金としては、銅０．１〜６．０重量％とマグネシウム０．１〜３．０重量％とを含有し、残部のアルミニウムとその他の金属成分とで１００重量％となるアルミニウム合金が望ましい。その他の金属成分は、特に限定されない。例えばマトリックス金属としてＪＩＳ規格のＡ２０００系及びＡＤＣ１２、ＡＣ８Ａ等が挙げられる。

金属間化合物は、溶融されたアルミニウム合金の冷却時に、複合材内に分散して析出する。また金属間化合物の融点は、他の構成材料の融点よりも低融点である。

金属間化合物としては、例えばＣｕＭｇＡｌ₂が挙げられる。例えばＣｕＭｇＡｌ₂は、融点が５０８℃であり、他の構成材料であるアルミニウム合金、鉄またはセラミックスの融点に比べ、１００℃以上低温である。そのため、ＣｕＭｇＡｌ₂のみを、温度制御によって選択的に溶融して除去することが出来る。そして表面に表出するＣｕＭｇＡｌ₂の少なくとも一部が除去されることによって、除去された部分が微細孔を形成することが出来る。

また前記ＣｕＭｇＡｌ₂は、前記複合材を１００重量％としたときの含有量が、５〜９重量％であり、かつ平均直径が１μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。

前記ＣｕＭｇＡｌ₂の含有量と平均直径を制御することにより、微細孔の量と平均直径が制御出来る。含有量の範囲は、基本的には金属間化合物の組成物である金属の添加量がすべて化合物（実際にはアルミニウム中に固溶した形態をとる）となる範囲である。従って含有量の制御は、マトリックス金属内における他の金属の添加量の制御によって行うことが出来る。

金属間化合物の平均直径の制御は、複合材の冷却速度を制御することによって、制御出来る。

潤滑剤等を本発明の複合材に使用した場合、表面の微細孔が潤滑剤等の油溜まりを形成することによって、前記複合材は、表面に新たに傷を付けずに、潤滑剤等を表面に保持できる。

また本発明の摺動材は、前記複合材からなる。

本発明の摺動材は、表面に新たな傷を付けずに、潤滑剤等の使用時に潤滑剤等を適正量保持できるため、低い摩擦係数を持つことが出来、良好な摺動特性を持つことが出来る。

また本発明の複合材の製造方法は、含浸鋳造工程と、冷却凝固工程と、微細孔形成工程とを有する。

含浸鋳造工程は、前記鉄またはセラミックスの多孔質体を金型に設置し、前記アルミニウム合金であるマトリックス金属を、圧力５０ＭＰａ以上１５０ＭＰａ以下、溶湯温度６５０℃以上８５０℃以下で含浸鋳造させ、含浸鋳造物を形成する工程である。

上記条件の圧力と溶湯温度を用いることにより、マトリックス金属は多孔質体を鋳ぐるみ、なおかつ多孔質体の孔内まで、マトリックス金属を含浸出来る。

冷却凝固工程は、例えば金属間化合物がＣｕＭｇＡｌ₂の場合、前記含浸鋳造物を冷却速度１０℃／ｈｒ以上１００℃／ｈｒ以下で２００℃まで冷却し、該冷却時に金属間化合物を析出させる工程である。

冷却速度（方法）を金属間化合物の性状に合わせて制御することによって、金属間化合物の析出量及び大きさを制御できる。

微細孔形成工程は、例えば金属間化合物がＣｕＭｇＡｌ₂の場合、前記冷却後の含浸鋳造物の表面を５０８℃以上５２５℃以下で熱処理を行い、該冷却後の含浸鋳造物の表面に表出する前記金属間化合物の少なくとも一部を溶解除去し、除去された部分が微細孔を形成する工程である。

上記したようにＣｕＭｇＡｌ₂は、融点が５０８℃であり、他の構成材料であるアルミニウム合金、鉄またはセラミックスの融点に比べ、１００℃以上低温である。そのため、冷却後の含浸鋳造物の表面を上記温度範囲で熱処理することにより、ＣｕＭｇＡｌ₂のみを、選択的に溶融して除去することが出来る。

この熱処理は、高周波加熱で行ってもよい。例えば鋳造物を使用する部材の形状に製造した後で、摺動面となる表面のみを高周波加熱して微細孔を形成させることが出来る。

以下に、図１、図２を用いて、本発明の複合材の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例の複合材の製造方法の一部の説明図を表す。

鉄の多孔質体である、空隙率２５％の円筒状の鉄基多孔質体１を用意した。鉄基多孔質体１は、合金鋼（川崎製鉄（現ＪＦＥスチール）のＫＩＰ−３０ＣＲＶ（商品名）、組成はクロム３％、バナジウム０．３％、モリブデン０．３％、硫黄０．０３％以下、マンガン０．３％以下、シリコン０．１％以下、カーボン０．１％以下）の粉末にステアリン酸とグラファイトとを入れ、１１５℃で焼結したものを用いた。

図１に示すように、上記鉄基多孔質体１を円筒状の金型２に設置した。この金型２にアルミニウム合金（ＪＩＳＡＤＣ１２）を、鉄基多孔質体１の外周面側から注湯した。このときの鋳造条件は、溶湯温度７５０℃、型温２００℃、鉄基多孔質体の予熱３００℃、溶湯圧力１００ＭＰａとした。

このようにして、アルミニウム合金溶湯を、鉄基多孔質体１の外周面側から内部へ含浸させた。この後、金型２を冷却速度８０℃／ｈｒで２００℃まで水冷し溶湯を凝固させ、円筒状の複合材を得た。

次にこの円筒状の複合材を熱処理炉に入れ、５１５℃で６ｈｒ熱処理を行い、熱処理炉より取り出して室温において水冷した。その後再度熱処理炉に入れ、１８０℃で４ｈｒ熱処理を行い、室温になるまで放置した。

得られた円筒状の複合材の内周面を、ホーニングマシンで鏡面加工した。鏡面加工された複合材の内周面を観察すると、直径２μｍ〜５μｍの微細孔があることが確認できた。

図２に、得られた複合材の内周面表面のＳＥＭ観察結果を表す。

図２には、比較例として、他の鉄基多孔質体を用いたアルミニウム合金（ＪＩＳＡＤＣ１２）の鋳造品表面を従来の油保持用のクロスハッチ溝加工（Ra数μｍ以下のクロスハッチをホーニングマシンで導入）を施したもののＳＥＭ観察結果を併記した。

図２において、比較例と実施例とを比較すると、実施例は、比較例に見られる油保持用のクロスハッチ溝に比較して、表面がなめらかでありながら、多数の微細孔が表面に形成されていることが観察できた。

また上記実施例は、熱処理炉を用いて行ったが、熱処理を必要な表面のみ高周波加熱で行うことも出来る。例えばエンジンブロックに上記複合材を用いた場合、先に上記円筒状の複合材をエンジンブロック等に圧入、焼嵌めた後、摺動面であるボア部内周面を高周波加熱により、局所的に熱処理することも出来る。

上記複合材は、摺動面において上記微細孔が油溜まりを形成することによって、潤滑剤等を適正量保持出来、表面を新たに油保持用の傷をつけることなく、低い摩擦係数を持ちながら、油の潤滑効果を活用できる複合材となることが出来る。

本発明の複合材の製造方法の実施例の含浸鋳造工程の説明図を表す。本発明の実施例の複合材の内周面表面のＳＥＭ観察結果を表す。

符号の説明

１、鉄基多孔質体、２、金型

Claims

鉄またはセラミックスの多孔質体と、
該多孔質体に含浸されている、銅０．１〜６．０重量％とマグネシウム０．１〜３．０重量％とを含有し、残部のアルミニウムとその他の金属成分とで１００重量％となるアルミニウム合金であり、含浸凝固時に析出した少なくともＣｕＭｇＡｌ _２を含む金属間化合物を含むマトリックス金属と、
を有する複合材であって、
該複合材の表面に表出する該金属間化合物の少なくとも一部が除去され、除去された部分が微細孔となる、表面に該微細孔を有することを特徴とする複合材。
前記金属間化合物は、前記複合材を１００重量％としたときの含有量が、０．１〜９．０重量％であり、かつ該金属間化合物の平均直径が１μｍ以上１００μｍ以下であり、かつ前記微細孔の平均直径が直径１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の複合材。
鉄またはセラミックスの多孔質体と、該多孔質体に含浸されている、銅０．１〜６．０重量％とマグネシウム０．１〜３．０重量％とを含有し、残部のアルミニウムとその他の金属成分とで１００重量％となるアルミニウム合金であり、含浸凝固時に析出した少なくともＣｕＭｇＡｌ _２を含む金属間化合物を含むマトリックス金属と、を有する複合材であって、該複合材の表面に表出する該金属間化合物の少なくとも一部が除去され、除去された部分が微細孔となる、表面に該微細孔を有する複合材からなる摺動材。
空隙率１０％以上８５％以下である鉄またはセラミックスの多孔質体を設置した金型に、
銅０．１〜６．０重量％とマグネシウム０．１〜３．０重量％とを含有し、残部のアルミニウムとその他の金属成分とで１００重量％となるアルミニウム合金であるマトリックス金属を、
圧力５０ＭＰａ以上１５０ＭＰａ以下、溶湯温度６５０℃以上８５０℃以下で含浸鋳造させ、含浸鋳造物を形成する含浸鋳造工程と、
前記含浸鋳造物を冷却し、該冷却時に少なくともＣｕＭｇＡｌ _２を含む金属間化合物を析出させる冷却凝固工程と、
前記冷却後の含浸鋳造物の表面を前記金属間化合物の融点以上で熱処理を行い、該冷却後の含浸鋳造物の表面に表出する前記金属間化合物の少なくとも一部を溶解除去し、除去された部分が微細孔を形成する微細孔形成工程と、
を有する複合材の製造方法。
前記熱処理は、高周波加熱によって行うことを特徴とする請求項４記載の複合材の製造方法。