JPH0118983B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、内燃機関のシリンダーライナーや、
ピストンの耐摩環のような部品に適する固体潤滑
剤分散耐熱型高Siアルミニウム合金粉末成形体及
びその製造法に関するものである。 自動車用エンジンのシリンダーブロツクを鋳鉄
からアルミニウム合金鋳物に置換すると軽量化の
効果は大きいが、その場合でもピストンリングや
ピストンと摺動する内周側はアルミニウム合金鋳
物では耐摩耗性が不充分なために、片状黒鉛鋳鉄
材から成るシリンダーライナーを鋳ぐるんで使用
している。このシリンダーライナーをアルミニウ
ム合金にすると一段と軽量化の効果があがる他
に、熱伝導率が鋳鉄よりも良いことと、鋳鉄より
も熱膨張係数が大きく、シリンダーブロツクのア
ルミ合金鋳物の熱膨張係数に近いので、運転時の
昇温した状態でもライナーとブロツクの密着性が
良いことから放熱性の良いエンジンとなり、ライ
ナーの内壁温度が低下することから潤滑油の寿命
を長くすることが出来たり、低粘度の潤滑油の使
用が可能となり燃費の向上も可能になる等の効果
が期待されている。 又、高Siアルミニウム合金は鋳鉄に比べて熱膨
張係数が大きいのでアルミニウム合金のピストン
との間のクリアランスを小さく設定出来る可能性
があり、ピストンとの間のクリアランスを小さく
すると、燃費の向上の他に潤滑油の消費量を押え
ることが出来る。又、高Siアルミニウム合金は、
摩擦係数が低いために、ピストンリングとの間の
フリクシヨンロスが低減されることからも燃費の
向上が期待される。 又、ピストンの耐摩環はアルミニウム合金製ピ
ストンの頭部に近い圧縮リングのセツトされる部
分の摩耗対策として熱膨張係数がピストンのアル
ミニウム合金の熱膨張係数に近いニレジスト鋳鉄
と鋳ぐるまれて使用されている。ピストンの耐摩
環も軽量化出来れば燃費は一層向上することが期
待される。 このようにシリンダーライナーや耐摩環にアル
ミニウム合金を使用することの長所は多いが、従
来の公知のアルミニウム合金では高温における強
度が充分でなくこのような鋳ぐるみ用部材として
は不充分である。 すなわち20.0Si−4.0Cu−0.8Mg−0.5Ni−Al残
の組成を有するアルミニウム合金粉末押出し材を
シリンダーライナー（外径73mm内径65mm高さ105
mm）としてADC−12合金のシリンダーブロツク
（重量3.4Kg）に溶湯温度675℃で、ダイキヤスト
法で鋳ぐるむテストを行つた結果、鋳ぐるみ前に
T₆処理によつて硬度がH_RB80であつたものがH_RB
40程度に軟化してしまつた。従つて、このアルミ
ニウム合金粉末成形体は鋳ぐるみ用シリンダーラ
イナーとしては使用出来ないと判断される。鋳ぐ
るみはダイキヤスト法や低圧鋳造法によるが、ラ
イナーはコスト面からもできるだけ薄肉とするこ
とが望ましい。しかしながら薄肉化していくと鋳
ぐるみ時のライナー搬送工程や、位置決め時に加
わる機械的応力により変形しやすくなるので、高
温度においても高剛性（高硬度）であることが必
要である。 また、シリンダーライナーや耐摩環のような摺
動部材では、摺動する相手面を傷つけないこと、
相手面を摩耗させないことも重要である。これら
の目的を達成するため、Al−Si系合金粉末と炭
素粉末とを混合し、熱間押出成形する方法（特公
昭48−9686）や、Al−Si系合金粉末に黒鉛、
SiC、Sn等を添加して熱間押出し中空物体を得る
方法（特開昭52−109415）などが提案されてお
り、自己潤滑性を備えたアルミニウム合金材料が
知られている。しかしながら従来知られているこ
れら材料では高温特性に優れたものは見当らず、
鋳ぐるみ用シリンダーライナー材としては使用不
可能である。 本発明はこれらの難点を解消するためなされた
ものであり、高温における強度、耐摩耗性、耐焼
付性に優れ、かつ高温における自己潤滑性をも兼
ね備えたアルミニウム合金粉末成形体を提供する
ことを目的としている。 本発明者らはすでに鋳ぐるみ時の熱負荷に対し
ても軟化することがなく、更に使用時に負荷され
る温度に於ても軟化せず、耐摩耗性、耐焼付性に
すぐれたアルミニウム合金粉末成形体として、高
Siアルミニウム合金にNiを多量に添加した合金
粉末の成形体を提案している（特願昭57−
119901）。本発明はその改良になり、先願のもの
に高温でも安定な固体潤滑剤を0.2〜5.0％含有さ
せて摺動特性を更に高めたものである。 本発明のアルミニウム合金粉末成形体は重量比
でSi10.0〜30.0％と、Ni5.0〜15.0％と固体潤滑剤
0.2〜5.0％と、さらにCu0.5〜5.0％およびMg0.2
〜3.0％を含み、残部がAlから成る組成を有し、
Si結晶粒の大きさが15μｍ以下、金属間化合物の
大きさが20μｍ以下に微細化分散していることを
特徴とする。 さらに第二の発明はSi10.0〜30.0％、Ni5.0〜
15.0％、Cu0.5〜5.0％およびMg0.2〜3.0％を含む
アルミニウム合金溶湯を分散急冷凝固させ、得ら
れた合金粉末に固体潤滑剤を添加混合したのち熱
間押出することを要旨とする、Si結晶粒および金
属間化合物が微細に分散した組織を有する合金粉
末成形体を得るものである。 以下本発明をさらに詳細に説明する。 まず、本発明による合金成形体の各成分の限定
理由について説明する。 Siは10％以下では分散量が少く、耐熱性耐摩耗
性におよぼす効果が不充分である。Si10％近傍の
亜共晶域では初晶Siは晶出せず、微細な共晶組織
を有するものとなる。Siの添加量が増すとともに
Siが初晶として晶出するようになり、耐熱性、耐
摩耗性も向上してくる。しかしながらSiが30％を
越えると後述する本発明の製造方法の骨子である
分散急冷凝固法によつて粉末にしても、粗大な初
晶Siが消失しなくなる。 粗大な初晶Si組織を有するアルミニウム合金粉
末は押出成形加工して使用するに際しては、粉体
の圧縮性を著しく悪化させ圧粉体を造りにくくす
るほか、熱間押出においても変形抵抗が大きくな
り、大きな押出力を必要とし、押出ダイスを摩耗
させて寿命を著しく短縮させる難点がある。この
ような製造上の問題の他に、材質特性においても
鋳造材の場合と同様な難点があり、シリンダーラ
イナー材としては不適当なものとなるので、粗大
な初晶Siの晶出は避けなければならない。またア
ルミニウム合金製シリンダーブロツクに鋳ぐるま
れてシリンダーライナーとして使用する場合、Si
の添加量と共に熱膨張係数が小さくなり、Siが30
％を越えるとシリンダーブロツク材との密着性が
悪くなつたり、ピストンとのクリアランスを大き
くする必要性が生じてくる。 従つてSiの添加量は10.0〜30.0％、好ましくは
15.0〜25.0％とするのが良い。 Niは本発明合金粉末成形体においては重要な
成分である。Ni添加の効果は高温強度と耐摩耗
性の改善にある。過共晶合金中にNiを添加する
とNi−Al金属間化合物が析出し、本発明の製造
法の骨子である分散急冷凝固法による合金粉末に
おいては棒状の組織として存在して、後の熱間押
出工程によつて分断され微細にマトリツクス中に
分散する。この化合物は高温においても安定でか
つ成長し難く、長時間高温保持しても強度の低下
は起こさない。従つて鋳ぐるみ用シリンダーライ
ナーのように高温にさらされた後も硬度の低下が
少なく、耐摩耗性を保持することが可能となる。 Ni添加量は５％以下では顕著な効果が認めら
れず、15％以上になるとマトリツクス中のSiの溶
解度が低くなり、過剰のSiが初晶となつて多量に
晶出する。また、合金の溶解温度が高くなり溶湯
の酸化が進むので特別の酸化防止策を必要とし経
済的でない。また析出する金属間化合物が粗大と
なり、後の熱間押出加工によつても分断されにく
くなるばかりでなく、押出性をも阻害する結果と
なる。Ni添加量は5.0〜15.0％の範囲において従
来にない効果を発揮することが認められた。この
ようにNiを多量に添加して析出するNiを含む金
属間化合物を利用して合金の強度、特に高温にお
ける強度を改善し、この金属間化合物を分断微細
化して耐摩耗性を向上させるという新規な効果を
もたらすものである。 さらに本発明においては黒鉛、二硫化モリブデ
ン、窒化硼素から選ばれた固体潤滑剤を0.2〜5.0
％添加することを特徴としている。上記の固体潤
滑剤は自己潤滑性を付与する役割を有し、高温に
おいても安定で潤滑性を保持しているので、シリ
ンダーライナーやピストンの耐摩環のような部材
に適している。これらの固体潤滑剤はアルミニウ
ム合金成形体の基材中に分散して存在することに
より、油溜りとしての作用効果のほかに、油膜切
れを起こすような厳しい摺動条件において、固体
潤滑剤として作用し焼付を防ぐ効果を有する。 しかし、基材強度が弱い場合には摺動による発
熱とそれに伴う材料強度の低下のために、摺動面
の基材が塑性流動を起こして、摺動面に開口する
形で存在している固体潤滑剤の部分をおおつてし
まう。したがつて高温強度が硬度の高い基材との
組合せによりすぐれた効果を発揮するものとな
る。 固体潤滑剤の添加量は0.2％以下では摺動特性
に与える効果が認められず、他方5.0％を越える
と熱間押出時に押出材にクラツクが生じて健全な
材料が得られない。上記３種類の固体潤滑剤の作
用効果は、ほゞ同等であるが、シリンダーライナ
ーの使用温度によつて種類を選択する。すなわち
上記３種類の固体潤滑剤の熱的安定性は二硫化モ
リブデンが最も低く、窒化硼素が最も高温まで安
定である。 本発明による合金粉末成形体はさらに0.5〜5.0
％のCuおよび0.2〜3.0％のMgを添加したもので
ある。CuやMgはアルミニウム合金に時効硬化性
を付与して材質を強化する成分として知られてい
る。本発明においても溶体化処理温度での固溶限
度内の前記範囲内でCuおよびMgを添加すること
とし、材質強化に有効ならしめる。 また、本発明合金粉末成形体においてはさらに
Fe、Mn、Ti、Cr、Ｖ、Zr、Mo、Co等を合金粉
末を得る過程で添加して高温強度を改善すること
も可能である。 Si結晶粒の大きさを15μｍ以下としたのは、従
来の成形品よりも延性が良くなり、被削性も改善
されるので機械加工が容易となり、加工中にビビ
リやムシレが発生しにくくするためである。ま
た、Siの微細結晶により耐摩耗性が向上し、摩耗
係数が低下するのでシリンダーライナー等に適し
たものとなるためである。 Al₃Ni等のNiを含む金属間化合物の大きさを実
質的に5μｍ以下で、大きなものでも20μｍ以下に
微細かつ均一に分散させることにより、高温強度
と耐摩耗性が著しく改善されたものとなる。 本発明によるアルミニウム合金粉末成形体は従
来品に比較して高温強度が著しく改善されてお
り、耐摩耗性、耐焼付性にも優れたものである。
さらに、本発明品は摩擦係数が小さく自己潤滑性
にも優れているので、特に内燃機関のシリンダー
ライナーのような高温で使用され、かつ耐摩耗
性、耐焼付性、自己潤滑性が要求される部材とし
て最適なものである。 本発明によるアルミニウム合金粉末成形体は次
に述べる方法によつて得られるものである。 本発明の第二は、第一発明のアルミニウム合金
粉末成形体の製造方法に関するものであり、その
要旨とするところはNiを含む高Siアルミニウム
合金溶湯を分散急冷凝固させ得られた合金粉末に
固体潤滑剤を添加混合したのち、熱間押出成形す
ることにある。 合金溶湯を分散急冷凝固させるのは、Si、Ni、
Cu、Mg等の合金元素を過飽和に固定させるとと
もに、初晶Siや金属間化合物相を微細化するため
である。分散急冷凝固させる方法としては、アト
マイズ法、遠心微粉化法等既知の金属粉末製造方
法が利用できる。これらの方法により粉末粒径を
0.5mm以下に微細化し急冷凝固させれば満足する
組織の合金粉末が得られる。 次に前記合金粉末に黒鉛、二硫化モリブデン、
窒化硼素のうちから選ばれた固体潤滑剤を重量比
で0.2〜5.0％添加し混合する。前記固体潤滑剤は
アルミニウム合金に対して溶解度がなく、またア
ルミニウム合金との濡れ性が悪いので溶湯段階で
均一に分布させるのは著しく困難である。したが
つて粉末段階で固体潤滑剤を添加混合し、さらに
後続の熱間押出工程を利用して均一に分散させる
のがきわめて有効である。固体潤滑剤は50μｍ以
下の微粉末にして添加するのが良い。混合はアル
ミニウム合金粉末の酸化を防止するため、不活性
雰囲気中で撹拌混合する。 次に該混合粉末を利用して熱間押出により成形
体に加工する。熱間押出はアルミニウム合金粒子
を強固な結合体に仕上げるばかりでなく、アルミ
ニウム合金粒子と固体潤滑剤粒子とを圧着して強
固に結合させ、さらには合金粉末中に晶出してい
る初晶Si、共晶、金属間化合物の結晶粒を微細化
し、材料の機械的特性を改善するための必須要件
である。 熱間押出に先だつて圧粉体を準備すると作業上
都合が良い。圧粉体の製造は合金粉末を温度200
〜350℃程度の温度域でおこなう。350℃を越える
と酸化が著しくなるので窒素ガスやアルゴンのよ
うな非酸化性雰囲気中でおこなうのが望ましい。
成形圧力は0.5〜3ton／cm²程度でおこない、圧粉
体密度は真密度比70％以上とするのが圧粉体のハ
ンドリング上望ましい。 熱間押出は350℃以上の温度、好ましくは400〜
740℃の温度領域でおこなう。これは圧粉体の加
工を容易にすると同時に粒子間の結合を促進させ
て強固な成形体とするためである。さらには過飽
和固溶分の元素を微細分散させるとともに、初晶
Siや金属間化合物の棒状組織を分断して微細化
し、成形体の強度と摩擦特性を改善するためであ
る。熱間押出は圧粉体を大気中または非酸化性雰
囲気中で予熱し、ほゞ同温度のコンテナー中に挿
入しておこなう。押出比は10以上が好ましい。押
出比が10未満だと押出材中に空隙が残存し、また
粉末相互間の拡散接合や棒状金属間化合の分断効
果が不充分なために、強度や靭性の込い材料が得
られないためである。 本発明の方法によればSi初晶、共晶、金属間化
合物、固体潤滑剤のいずれをもきわめて微細に均
一分散させることが可能となり、特に材料の耐熱
性、耐摩耗性と潤滑特性に優れた部材を容易に得
ることが可能となる。また、本発明により得られ
た合金粉末成形型体に安定化熱処理をほどこし、
材料特性をさらに改善することも何らさしつかえ
ない。 次に実施例をあげて、本発明を説明する。 実施例 表−１に示す各種合金組成を有する高Siアルミ
ニウム合金溶湯をガスアトマイズし、−48meshの
原料合金粉末を得た。 次いでNo.２以外は表−１に示すように固体潤滑
剤粉末を添加し、Ｖ型コーンミキサーにて窒素ガ
ス封入下で均一に混合した。使用した固体潤滑剤
粉末については、黒鉛は15μｍ以下の人造黒鉛粉
末（LONZA社、KS−15）を、窒化硼素は44μｍ
以下の粉末（昭和電工UHP）を、二硫化モリブ
デンは44μｍ以下の粉末（日本モリブデン）を使
用した。 次にこれらの混合粉末を250℃の温度に予熱し
同じ温度に加熱保持された金型中に充填し、
1.5ton／cm²の圧力で圧縮成形して直径90mm、長さ
200mmの圧粉体を得た。 次にこれらの圧粉体を外径100mm、内径90mm、
長さ205mmの5051合金製円筒内に挿入し、直径90
mm、厚さ５mmのフタをしたのち、移動防止のため
接合部をカシメて第１図に示すようなビレツトを
作つた。 次に各ビレツトを450℃の温度に加熱し、ほゞ
同温度に保持された内径104mmのコンテナ中にフ
タ３がダイス側となるようにして挿入し、内径30
mmのダイスで間接押出（押出比12）を行い、丸棒
成形体を得た。 得られた成形体を切削し、粉末押出材の部分だ
けから成る標点間距離50mm平行部直径６mmの引張
試験片に加工し、300℃で100Hr保持後更に各引
張試験温度に100Hr保持した後、引張試験を行つ
た。又、室温で引張テスト後のテストピース端部
チヤツキング部について硬度を測定した。又この
チヤツキング部について組織観察を行い得られた
成形体の結晶粒の大きさを測定した。 これらの結果を表−２に示す。

【表】

【表】 結果から明らかなように本発明合金は高温に保
持後の強度及び硬度が高い。又固体潤滑材添加に
よつても強度、硬度の低下は少い。 表−２のNo.３〜No.５のテストピースの顕微鏡組
織写真を第４図〜第９図に示す。組織観察は押出
方向に対し直角な面と押出方向に対し平行な面に
ついて実施した。図において強い黒色を呈してい
るのが固体潤滑材であり、やゝ濃度の濃い部分が
Niを含む金属間化合物相である。第４図、第５
図は実施例中のNo.３に対応する窒化硼素４％を添
加したもの、第６図、第７図はNo.４に対応する黒
鉛３％を添加したもの、第８図、第９図はNo.５に
対応する二硫化モリブデン５％を添加したもので
ある。第４図、第６図、第８図は押出方向に対し
て直角な面、第５図、第７図、第９図は押出方向
に対して平行な面について観察したものである。 組織写真から明らかなとおり、本発明の合金粉
末成形体においては共晶相と金属間化合物がきわ
めて微細かつ均一に分布しており、固体潤滑剤は
押出方向に直角な面においては均一に分散してお
り、かつ押出方向に平行する方向に引伸ばされて
分散しているのがわかる。 次に、前記熱間押出成形体を切断し、熱間鍛造
により直径70mm、厚さ10mmの素材を作り、300℃
で100Hr保持機械加工により、摺動面が、粉末押
出材のみから成る円板状の試験片とした後耐焼付
性試験を行つた。 Γ耐焼付性試験 試験装置は、第２図及び第３図に概要を図解的
に示すものであつて、ステータ４に取外し可能に
取付けられた直径70mmの試料円板５の中央には、
裏側から注油孔６を通じて潤滑油が注油される。
ステータ４には油圧装置（図示せず）によつて右
方へ向けて所定圧力で押圧力Ｐが作用するように
してある。円板５に相対向してロータ７があり、
駆動装置（図示せず）によつて所定速度で回転す
るようにしてある。ロータ７の試験円板５に対す
る端面に取付けられた試料保持具７には、５mm×
５mm×10mmの角柱状相手試験片８が、同心円上に
等間隔に４個取外し可能にかつ正方形端面が試料
円板５に対して摺動自在に取付けてある。この様
な装置に於いてステータ４に所定の押圧力Ｐをか
け所定の面圧で試料円板５と相手材試験片８とが
接触するようにしておいて、注油孔６から摺動面
に所定給油速度で給油しながらロータ７を回転さ
せる。 一定時間毎にステータ４に作用する圧力を段階
的に増加していき、ロータ７の回転によつて相手
材の試験片８と、試料円板５との摩擦によつて、
ステータ４に生ずるトルク（摩擦力によつて生ず
るトルク）Ｔをスピンドル９を介してロードセル
１０に作用せしめ、その変化を動歪計１１で読
み、記録計１２に記録させる。トルクＴが急激に
上昇するときに焼付が生じたものとして、その時
の接触面圧をもつて焼付面圧とし、その大小をも
つて耐焼付性の良否を判断する。 試験に供した試料円板５は、300℃×100Hrの
熱処理後研摩仕上げしたものを使用し相手材試験
片８は、球状黒鉛鋳鉄で摺動面に硬質クロムメツ
キを施したものと、平均粒径0.8μのSiCを面積率
で15〜20％基材中に分散させた鉄メツキの２種類
として研摩仕上げを行つた。また、比較材として
A390.0金型鋳造材（T₆処理品）、シリンダーライ
ナー用として使用されている片状黒鉛鋳鉄につい
ても行つた。試験条件は、速度８ｍ／sec、潤滑
油はベースオイル＃20で温度90℃、油量300ml／
minとし、接触圧力は20Kg／cm²で20分間の馴らし
運転後30Kg／cm²で３分間、その後３分経過毎に10
Kg／cm²づつ上昇させていく。結果を表−３に示
す。 結果から明らかなように、現在多くのガソリン
エンジンでの組合せに見られる片状黒鉛鋳鉄（シ
リンダーライナー材）とクロムメツキ（ピストン
リング表面）の組合せよりも、本発明によるNo.３
〜No.６のものはすぐれた耐焼付性を示している。
又、比較材（A390金型鋳造材）に見られるよう
にSiC分散鉄メツキに比べ、硬質クロムメツキと
の組合せの場合は、焼付発生面圧が大巾に低くな
つているが、本発明によるNo.３〜No.６については
相手表面処理の違いによる差が小さくなる結果と
なつている点が注目される。 更に比較材（A390金型鋳造材）やNo.２に比べ
てNo.３〜No.６の成形体の焼付発生面圧が高いが、
これはAl基材中に分散するSi粒や金属間化合物
から成る硬質相の量が多く、微小な凹凸となつて
油膜の保持作用として働く他に、固体潤滑剤の分
散による潤滑効果や油溜りとしての作用と基材の
金属間化合物による分散強度の相剰効果による。 即ち、高温強度や硬度の低い基材中に固体潤滑
剤が分散された材料では、摺動による発熱で表面
温度が上昇し、摺動による応力によつて表面部が
塑性流動を起こして固体潤滑剤の部分をおおい固
体潤滑作用や油溜りとしての作用を失つて早期に
焼付発生に到るが、基材の高温強度や硬度が高い
と表面部の塑性流動が起こりにくく、固体潤滑剤
部分をより高面圧まで維持出来るためと考えられ
る。

【表】 以上のように本発明合金はAl合金に鋳ぐるま
れ、且つ使用時に比較的高い温度域で使用される
シリンダーライナーやピストン耐摩環のような用
途に適するものであり、固体潤滑剤の分散と高温
強度、硬度の高い分散強化された基材との相剰効
果によりすぐれた耐焼付性を発揮する。又、固体
潤滑剤の分散は摺動面への油の保持作用があるた
め、冷間始動時にも焼付を発生しにくい効果をも
有するほか、切粉を細く分断するため切削加工や
研削加工をも容易とする効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、中間ビレツトの構造を示す図で、１
は圧粉体、２は円筒、３はフタである。第２図お
よび第３図は耐焼付性試験装置の概要を示す図
で、５は試料円板、８は相手材試験片、９はスピ
ンドル、１０はロードセル、１１は動歪計、１２
は記録計である。 第４図〜第９図は本発明による合金粉末成型体
断面の顕微鏡組織写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比でSi10.0〜30.0％とNi5.0〜15.0％と、
   Cu0.5％〜5.0％およびMg0.2〜3.0％を含み、黒
   鉛、二硫化モリブデン、窒化硼素のうちから選ば
   れた固体潤滑剤0.2〜5.0％を必須成分とし、残部
   が不可避的不純物を含むAlからなり、Si結晶粒
   の大きさが15μｍ以下であり、かつNiを含む金属
   間化合物の大きさが20μｍ以下に微細化分散して
   なることを特徴とする潤滑性に優れた耐熱耐摩耗
   性高力アルミニユウム合金粉末成形体。 ２ 重量比でSi10.0〜30.0％とNi5.0〜15.0％と、
   Cu0.5〜5.0％およびMg0.2〜3.0％とを含み、残部
   が不可避的不純物を含むAl合金の溶湯を分散急
   冷凝固させて粉末となし、次いで得られた合金粉
   末に黒鉛、２硫化モリブデン、窒化硼素のうちか
   ら選ばれた固体潤滑剤を添加混合したのち、熱間
   押出成形することを特徴とする、Si結晶粒の大き
   さが15μｍ以下で、かつNiを含む金属間化合物の
   大きさが20μｍ以下に微細化分散した組織を有す
   る潤滑性に優れた耐熱耐摩耗性高力アルミニユウ
   ム合金粉末成形体の製造方法。