JPH0364424A - アルミニウム―シリコン―黒鉛合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、金属シリコン粒子および黒鉛粒子をアルミ
ニウム合金マトリックスに分散させたアルミニウム−シ
リコン−黒鉛合金を製造する方法に関するものである。

［従来の技術］ 黒鉛粒子などの固体粒子をアルミ合金中に分散させる方
法としては、溶融したアルミ合金中に固体粒子を添加し
分散させる溶方ｉｌ鋳逍法や、固体粒子とアルミニウム
合金７トリツクス粒子と粉末成形して加工する粉末冶企
法などがある。

［発明が解決しようとする課題」 しかしながら、溶解鋳造法では、融液中に比重の異なる
固体粒子を添加するものであるので、比重差により偏仮
し、固体粒子を均一に分散することができないという問
題点があった。このような問題を解決するため、たとえ
ば黒鉛粒子の表面をニッケルなどでめっきし、これを混
合する方法が提案されているか、黒鉛粒子にめっきを施
すと非常に高価なものとなり、経済性の面から問題かあ
った。また凝固速度が遅いことから、マトリックス強度
が低いという問題ちあった。さらに、黒鉛粒子を用いた
場合、アルミニウム合金マトリックスとの界面に、ＡＱ
３Ｃ４が生成し、靭性か低下するという問題もあった。

また、粉末冶金法では、黒鉛粒子とアルミニウム合金粒
子とを混合して粉末成形し、これを加工するものである
ため、黒鉛粒子と７トリツクスとの間の接着強度が不十
分となり、強度や靭性が代いという問題かあった。

さらに、粉末成形における塑性加工中に、黒鉛粒子が層
間はく離変形されてアルミニウム合金粉末同士の接着強
度が低下するという問題もあった。

この発明の目的は、このような従来の問題点を解消し、
黒鉛粒子を均一に分散させるとともに、黒鉛粒子とアル
ミニウム合金マトリックスとの反応を抑制し、かつ黒鉛
粒子とアルミニウム合金マトリックスの接着強度の改善
を図ることのできるアルミニウム−シリコン−黒鉛合金
の製造方法を堤供することにある。

［課題を解決するための丁段］ この発明の製造方法は、アルミニウム合金７トノツクス
となるアルミニウム合金を溶融し、溶融したアルミニウ
ム合金を金属シリコン粒子および黒鉛粒子とともに噴射
し、噴射したアルミニウム合金の溶融粒子を金属粒子お
よび黒鉛粒子とともに堆積して冷却する各ステップを備
えている。

さらに、この発明では、金属シリコン粒子および黒鉛粒
子を加熱した状態で噴射することが好ましい。

［作用］ この発明の製造方法では溶融したアルミニウム合金を金
属シリコン粒子および黒鉛粒子とともに噴射して堆積さ
せるものであり、堆積の際にはアルミニウム合金が半凝
固状態となっており、従来の溶解鋳造法のように比重差
により固体粒子である金属シリコン粒子および黒鉛粒子
が偏析することはない。

また、噴射されたアルミニウム合金は１０３に／　ｓ　
ｅ　ｃ以上の凝固速度で急速に凝固するものであるため
、黒鉛粒子とアルミニウム合金とか高温の状態で接する
時間は１００／１０００秒以下である。このため、アル
ミニウム合金と黒鉛粒子との界面における反応を抑制す
ることができる。

また、従来の粉末冶金法とは穴なり完全に溶融したアル
ミニウム合金の粒子を噴射し金属シリコン粒子および黒
鉛粒子と複合化させているので、マトリックスと固体粒
子との間では高い接着強度を得ることができる。

また、上述のように急速に凝固させるので、マトリック
ス合金の高強度化を図ることができる。

また、雰囲気中の微量の酸素との接触時間が短いので、
アルミニウム合金中に含まれる含有酸素量を１１００ｐ
ｐ以下に抑制することができる。

この発明の特徴の１つは、アルミニウム合金中で溶融し
得ない黒鉛粒子のみならず、アルミニウム合金中で溶融
することのできるシリコンを、固相の金属シリコン粒子
の状態で噴射して、アルミニウ１３合金中に分散させる
ことにある。このため耐摩耗性を向上させたり、あるい
は熱膨張係数を低減させるなどの目的でシリコンを含有
させたい場合に、アルミニウム合金中にシリコンを溶融
させることなくアルミニウム合金中にシリコンを含も″
させることができる。このため、ＪＩＳ規格のアルミニ
ウム合金である２０２４や６０６１を用いた場合にも、
これらの合金の本来の特性を維持しつつ、シリコンの複
合化によるヤング率や熱膨張係数の改善などを図ること
ができる。

また、シリコンを約１２％含有させたアルミニウム合金
が最も低い溶融温度を示すことが知られており、シリコ
ンを多量に含有させる場合には、溶融するアルミニウム
合金中にシリコンを１２％含有させて低い溶融温度の合
金とし、残りの量のシリコンを固相の金属シリコン粒子
の状態としてアルミニウム金とともに噴射し含有させる
ことができる。このように溶融するアルミニウム合金の
溶融温度をシリコン含Ｈによって低下させることにより
、噴射するノズルの１」詰まり等を抑制し、さらに温度
を低くすることによって含ワ゛する黒鉛粒子との界面に
おける反応も抑制することができまた、この方法によれ
ば、厚み方向に順次月（積して冷却し製造していく方法
であるため、噴Ｊ］＝１する黒鉛粒子や金属シリコン粒
子の添加割合等を連続的にあるいは段階的に変化させる
ことによって、厚み方向に含有量の異なる素利を製造す
ることかできる。

また、従来の溶解鋳造法や粉末冶金法では、含有される
シリコン粒子の大きさか冷却速度などの製造条件によっ
て決定され、アルミニウム合金中に存在する粒子径をコ
ントロールすることか困難であるが、この発明の製造方
法によれば、供給する金属シリコン粒子の粒径を適宜コ
ントロールすることかできる。たとえば高い摩耗性が必
要な場合、大きな粒径の金属シリコン粒子を少量混合し
添加することが可能となる。

また、この発明においては金属シリコン粒子および黒鉛
粒子を加熱した状態で、アルミニウム合金溶融粒子とと
もに噴射することか好ましいか、このように金属シリコ
ン粒子および黒鉛粒子を加熱することにより、これらの
粒子の表面に吸着している水分等のガス成分を除失する
ことができ、より清浄な界面にすることによってアルミ
ニウム合金との強固な結合を持たせることができる。

この発明の製造方法によれば、黒鉛粒子を均一に分散さ
せるなどによって、高強度高剛性で、熱膨張率が低く、
かつ耐焼付および摺動性ならびに耐摩耗性に優れたアル
ミニウム−シリコン−黒鉛合金を製造することができる
。したかって、自動車用エンジン部品およびミッション
部品ならびに家電部品、ＯＡ機器、産業用機器およびロ
ボットなどで用いられるアルミニウム合金として有効に
利用されるものである。

［実施例］ 第１図は、この発明の製造方法の一例を説明するための
装置を示す概略構成図である。第１図を参照して、噴射
室６の上方にはアルミニウム合金溶融噴射装置１が設け
られており、このアルミニウム合金溶融噴射装置１−か
らは噴１１室７の内部に向かってアルミニウム合金の溶
融粒子を噴射するための噴射ノズル２が設けられている
。また噴射室７の上方にはシリコン粒子および黒鉛粒子
を噴射するｎｌ’ｒ射装置３か設けられており、この噴
射装置３からは噴射室７の内部に向かってシリコン粒子
および黒鉛粒子を噴射するための噴射ノズル４が設けら
れている。噴射室７の下方には支持台６が設けられてお
り、この支持台６の上に、噴射ノズル２からのアルミ合
金溶融粒子、ならびに噴射ノズル４からのシリコン粒子
および黒鉛粒子か堆積されて、堆積ビレット５となる。

支持台６は、堆積ビレット５の上で堆積される部分の位
置が常に同じ位置となるように、堆積して厚みが増すに
つれて、下方に移動する。また、堆積する面内において
均一に堆積するように、支持台６は第１図の図面左右方
向に揺動したり、あるいは回転する。

第２図は、この発明の製造方法における堆積状態を示す
断面図である。第２図を参照して、アルミニウム合金溶
融粒子１１は、シリコン粒子１２および黒鉛粒子１３と
ともに噴射される。アルミニウム合金溶融粒子］］は、
シリコン粒子１２および黒鉛粒子１３とともに堆積され
、急速に凝固して、まず半凝固相１４を形成する。この
場合、シリコン粒子１２の表面はごくわずかアルミニウ
ム合金中に溶融する。また、黒鉛粒子１３はアルミニウ
ム合金溶融粒子１］と接触するが、アルミニウム合金溶
融漁師１］か急速に凝固するので、黒鉛粒子１３とアル
ミニウム合金７トリツクスとの間の反応はほとんど生じ
ない。そして、さらにその上に堆積が進行するとともに
冷却されて、完全凝固相１５を形成する。

第１図に示すような装置を用いて、この発明に従いアル
ミニウム−シリコン−黒鉛合金を製造した。

実施例Ｉ ＪＩＳＩ格のアルミニウムを１２％含んだアルミニウム
合金ＡＣ−８Ａを溶融し、平均粒径３μｍの金属のシリ
コン粉末と、平均粒径６μｍの黒鉛粒子とを、このアル
ミニウム合金粒子とともに噴射し、最終組成比でＡＱ、
−２０％５ｉ−５％Ｇ］０ ｒ（％は重量％である。以下同じ）のアルミニウム合金
を製造した。

実施例２ アルミニウム合金として、ＪＩＳ規格のアルミニウム合
金２０２４を溶融し、平均粒径３μｍの金属のシリコン
粉末、および平均粒径６μｍの黒鉛粒子とともに、最終
組成比がＡＭ−２５％Ｓｉ］％Ｇｒとなるように製造し
た。

実施例３ アルミニウム合金として、ＪＩＳ規格のアルミニウム合
金６０６１を用いてこれを溶融し、平均粒径３μｍの金
属のシリコン粒子、および平均粒径６μｍの黒鉛粒子と
ともに噴則して堆積させ、最終組成比としてＡｆＬ−３
５％５ｌ−２％Ｇｒのアルミニウム合金を製造した。

実施例４ アルミニウム合金として、ＡＳＴＭ規格のアルミニウム
合金Ａ−３９０の合金を用い、平均粒径３μｍの金属の
シリコン粒子、および平均粒径６μｍの黒鉛粒子ととも
に、噴霧して堆積させ、最］１ 終組成比として、１−２２％５１−５％Ｇｒのアルミニ
ウム合金を製造した。

比較例１ アルミニウム合金として、ＡＳＴＭ規格のＡ３９０合金
をアトマイズ粉にしたものを用い、これに平均粒径５μ
ｍの黒鉛粒子を混合して、押出比１０．］で押出し、Ａ
３９０組成＋５％Ｇｒのアルミニウム合金を製造した。

比較例２ Ａｕ−３５％５ｉ−３％Ｃｕ−０，５％Ｍｇの合金粉を
、ＪＩＩ＋出比１０：１で押出して、アルミニウム合金
を製造した。

以上のようにして得られた実施例１〜４ならびに比較例
１および２のアルミニウム合金について、引張強さ、熱
膨張係数、ヤング率、比摩耗量、耐焼付性荷重、破壊靭
性（Ｋ＋ｃ）を測定し、表１に示した。

比摩耗量については大越式により２ｍ／ｓの条件で測定
した。比較例１および２の試料については押出しによる
ものであるので、長平方向につい２ て測定した。

耐焼付性荷重については、第３図のｉＥ面図および第４
図の側面図に示すような円筒状の試料を作製して測定し
た。第３図および第４図に示すように、試料２０の一方
側には溝部２１が形成されている。この円筒状の試料２
０の外径は２５．’６ｍｍであり内径は２０．０ｍｍで
ある。また、溝部２］の長さは６．Ｏｍｍであり深さは
３ｍｍである。また円筒の高さは１５ｍｍである。

このような試料を用いて、第５図に示すような装置で耐
焼（−Ｊ性荷重を測定する。試料２０および試料２２の
溝部を形成していない而を互いに向き合わせて第５図の
ように取（＝１ける。試料２２は試料２０と同様の寸法
形状を有したものである。試料２２は回転ＩＦｌｌ１３
６の上に取（＝Ｉけられる。このとき試料２２の溝部に
回転軸３６の凸部が嵌め合わされる。回転軸３６にはプ
ーリ３６ａか嵌められている。ＤＣモータ３８の回転軸
３８ｂにもプリ３８ａが嵌められており、このプーリ３
８ａと、回転軸３６のプーリ３６ａとの間にＶベルト３
７］３ が取付けられている。ＤＣモータ３８はＳＣＲユニット
３９によりその回転数を連続的に設定可変される。

試料２２の上に摺動面を合イフされる試料２０には、ト
ルクパー３３が嵌められている。トルツバ３３の一端に
は摩擦力測定用のロードセル３４が取付けられており、
この摩擦力測定用ロードセル３４で検出された信号は記
録計３１によって指示記録される。トルクパー３３には
加圧用スプリング３５を介して加江力ｉ（１す定ロード
セル３２か取（すけられている。この加圧カフ１１１１
定用ロードセル３２で検出された加圧力も記録計３１に
指示記録される。加圧スプリング３５は、試料２０およ
び２２が摩耗した際にお互いに加わる加圧荷重が変化し
ないように安定して加圧するために設けられている。

以上のように構成された装置を用い、回転軸３６の回転
数を試料面の周速が２００ｍ／ｓｅｅになるように設定
し、試料２０および試料２２の間に加圧する加圧荷重を
段階的に変化させる。この］４ 加圧６：１重の変化により、試料２０および２２の間に
働く滑り摩擦力が変化する。この変化した滑り摩擦力は
摩擦力測定用ロードセル３４によって検出される。試料
２０および２２の間に働く加圧イ：：Ｓ重を段階的に変
化させて、この滑り摩擦力か急激に上昇したときの値を
嗣焼ｆ−ｊ性７１：Ｉ重とする。

（以下余白） ］　５ 表１から明らかなように、この発明に従い製造された実
施例１〜４のアルミニウム合金は、比較例］および２の
アルミニウム合金に比べ、比摩耗量、耐焼イ・ｊ性荷重
および破壊靭性の点において著しく優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の製造方法の一例を説明するための
装置を示す概略１１Ｘ１成図である。 第２図は、この発明の製造方法における堆積状態を示す
１ｔｌｉ面図である。 第３図は、この発明の実施例において耐焼付性荷重の測
定に用いられる試料の形状を示す正面図である。 媚４図は、同しくこの発明の実施例において耐焼付性６
：エ重の測定に用いられる試料の形状を示す側面図であ
る。 第５図は、この発明の実施例において耐焼付性荷重の４
１す定に用いられる装置を示す概略構成図である。 図において、１はアルミニウム合金溶融噴射装置、２は
１す１射ノズル、３はシリコン粒子および黒鉛粒子噴射
装置、４は噴射ノズル、５は堆積ビレット、６は支持台
、７は噴射室、１］はアルミニウム合金溶融粒子、］２
はシリコン粒子、］３は黒鉛粒子、１４は半凝固用、１
５は完全凝固相を示す。 　７ ］　８

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属シリコン粒子および黒鉛粒子をアルミニウム
   合金マトリックスに分散させたアルミニウム−シリコン
   −黒鉛合金を製造する方法であって、 前記アルミニウム合金マトリックスとなるアルミニウム
   合金を溶融し、 前記溶融したアルミニウム合金を前記金属シリコン粒子
   および黒鉛粒子とともに噴射し、噴射したアルミニウム
   合金の溶融粒子を前記金属シリコン粒子および黒鉛粒子
   とともに堆積して冷却する各ステップを備える、アルミ
   ニウム−シリコン−黒鉛合金の製造方法。
2. （２）前記金属シリコン粒子および黒鉛粒子を加熱した
   状態で噴射する、請求項１記載のアルミニウム−シリコ
   ン−黒鉛合金の製造方法。