JPH04304334A - 耐摩耗性アルミニウム合金複合材 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、自動車用エ
ンジンの摺動部材などに利用される耐荷重耐摩耗性材料
に係わり、特にセラミックス粒子を分散させることによ
って、アルミニウム鋳造合金の耐荷重性，耐摩耗性を改
善した耐摩耗性アルミニウム合金複合材に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車用エンジンは著しい速度で
軽量化が進み、半割りベアリングなどの摺動部材に耐荷
重性アルミニウム鋳造合金が利用されることが多い。　
　このような耐荷重性アルミニウム鋳造合金においては
、例えば特開昭５８−１３６７３７号、あるいは特開昭
６１−２９１９４１号公報などに提案されているように
、アルミニウム合金にＳｎ，Ｐｂなどの軟質金属を含有
させることによって耐焼付性を改善すると共に、Ｓｉ粒
を添加することによって耐荷重性および耐摩耗性の向上
を図っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した耐
荷重性アルミニウム鋳造合金においては、耐焼付性向上
を目的とする軟質金属の添加が反面、耐荷重性，耐摩耗
性を阻害するばかりでなく、Ｓｉ粒の大きさを熱処理に
よってコントロールしているので、前記添加成分量のバ
ランスや熱処理条件の設定が難しく、品質が不安定で製
品のばらつきが大きくなって信頼性に欠けるために、過
酷な条件下で使用される部材には適用できないことがあ
るという問題点があり、品質が安定で、過酷な条件下で
も使用可能な軽量耐荷重耐摩耗性材料の開発が、エンジ
ンの軽量化を図る上での課題となっていた。

【０００４】

【発明の目的】本発明は、従来の耐荷重性アルミニウム
鋳造合金における上記課題に着目してなされたものであ
って、耐摩耗性，耐荷重性，共に優れ、且つこれら性能
を安定して得ることができ、より過酷な条件下での使用
に耐え得る耐摩耗性アルミニウム合金複合材を提供する
ことを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる耐摩耗性
アルミニウム合金複合材は、重量パーセントで、５〜１
２％のＳｎおよび０．５〜２．０％のＰｂを含有するア
ルミニウム合金中に平均粒径１０μ以下の球状セラミッ
クス粒子を重量パーセントで０．１〜５％の範囲で分散
させてなる構成としたものであって、耐摩耗性アルミニ
ウム合金複合材における上記構成を前述した従来の課題
を解決するための手段としたことを特徴としている。

【０００６】また、本発明に係わる耐摩耗性アルミニウ
ム合金複合材は、セラミックス粒子はＡｌ２　Ｏ３　，
ＳｉＯ２　，ＺｒＯ２　のうちの１種または２種以上か
らなるものであることが望ましく、さらに、前記セラミ
ックス粒子が断面方向に傾斜分散され、相手部材との摺
接面側において密であって、反対面側において粗である
ようにしてもよく、また、前記セラミックス粒子を相手
部材との摺接面側に集中させることも可能である。

【０００７】次に、本発明の構成について、作用，数値
限定理由などと共に説明する。

【０００８】まず、マトリックスとなるアルミニウム合
金において、ＳｎおよびＰｂは軟質物質としてアルミニ
ウム合金中に添加され、摩耗によって発生する相手部材
や当該耐摩耗性アルミニウム合金複合材の破片、あるい
は前記複合材から脱落したセラミックス粒子をマトリッ
クス合金中に収容し易くすることによって、相手部材の
表面が粗くなって潤滑性が損なわれるのを防止し、良好
な摺動面を維持する働きを有する。

【０００９】前記軟質物質としてのＳｎおよびＰｂを上
記範囲に限定したのは、Ｓｎについては５％未満、Ｐｂ
については０．５％未満ではこのような効果が発揮され
ず、逆にＳｎについては１２％、Ｐｂについては２．０
％を超えた場合には、高温の潤滑油やガソリン添加物に
対する耐食性が劣化すると共に、マトリックスアルミニ
ウム合金の強度を低下させ、耐荷重性を損なうことによ
る。

【００１０】前記アルミニウム合金中には、軟質物質と
しての前記Ｓｎ，Ｐｂの他に、重量パーセントで０．０
５〜１．０％のＣｕをマトリックス強化のために、同じ
く重量パーセントで０．５％以下のＳｂをその形状コン
トロールのために、同じく重量パーセントで０．３％以
下のＴｉを鋳造割れ防止のためにそれぞれ添加すること
ができる。

【００１１】セラミックス粒子は、マトリックスのアル
ミニウムやＳｎ，Ｐｂなどの軟質物質に脆化などの悪影
響を及ぼすことなく、安定にマトリックスを強化し耐荷
重性を改善する働きを有する。　　さらに、球状のセラ
ミックス粒子が相手部材との摺接面上に存在することに
よって、相手部材の表面を粗くすることなくなじみ性を
維持し、相手部材との焼付きを防止して耐摩耗性の向上
に寄与している。　　また、セラミックス粒子はマトリ
ックス合金に較べて硬度が高く、球形であるので、マト
リックス合金から脱落した場合でもマトリックス合金内
に容易に埋没し、相手部材の表面を荒らすことがない。

【００１２】前記セラミックス粒子の添加量については
、重量比で０．１〜５％の範囲とする。　　これは、０
．１％未満では必要とする耐荷重性および耐摩耗性が得
られず、逆に５％を超えた場合には、相手部材が傷つき
易くなることによって、相手部材表面の荒れがマトリッ
クス合金を傷つけ、当該アルミニウム合金複合材の耐荷
重性，耐磨耗性が劣化する結果になると共に、セラミッ
クス粒子がマトリックスのアルミニウム合金中に偏在し
やすくなることによる。

【００１３】また、セラミックス粒子の大きさについて
は、粒子径が大きいと荷重がかかったときに割れやすく
なり、その破片によって相手部材が傷つき易くなるので
、前記と同様な理由から、平均粒径で１０μｍ以下とす
る。　　なお、当該セラミックス粒子の最大粒径として
は、１５μｍ以下であることが望ましい。

【００１４】これら球状セラミックス粒子をアルミニウ
ム合金マトリックス中に分散させるには、アルミニウム
合金の溶解鋳造時に混入させても良いし、粒子分散型ア
ルミニウム基複合材の製造法のように、積層散布後、粉
末冶金の手法による焼結法，押出し法，熱間静水圧成形
法などによって成形しても良い。

【００１５】また、本発明に係わる耐摩耗性アルミニウ
ム合金複合材においては、これら球状セラミックス粒子
の添加をより有効ならしめるために、さらには、後述す
るように裏金鋼板との圧延クラッドを容易ならしめるた
めにセラミックス粒子を断面方向に傾斜分散させ、相手
部材との摺接面側において密とし反対面側において粗と
なるようにしたり、セラミックス粒子を相手部材との摺
接面側表層部に集中させたりすることも必要に応じて望
ましい。

【００１６】そしてこのように、セラミックス粒子をア
ルミニウム合金マトリックス中に傾斜分散させたり、摺
接面側に集中させるには、前記粒子分散型アルミニウム
基複合材の製造法に準じた手法でも可能であるが、溶解
鋳造時にセラミックス粒子を混入させ、連続鋳造法によ
って冷却速度を調整し、冷却過程でアルミニウム合金と
の比重差によって断面方向に傾斜させたり、一方側に集
中させたりすることが好ましい。

【００１７】すなわち、本発明に係わる耐摩耗性アルミ
ニウム合金複合材の製造方法についてその一例を述べる
と、まず、マトリックスとなる所定の成分組成を有する
アルミニウム合金を通常の溶解炉を用いて溶融状態とす
る。　　このとき、別途用意した球状セラミックス粒子
には予めその表面に活性化処理を施しておく。

【００１８】この溶融マトリックス合金を図１に示すよ
うな横形連続鋳造機１の高周波コイル２によって温度保
持される保持炉３に注湯すると同時に、活性化処理を施
したセラミックス粒子を投入し、鋳造型４から連続的に
引出すことによって板状の耐摩耗性アルミニウム合金複
合材５が得られる。　　このとき、アルミニウム合金複
合材５の引出し速度を調節することによって、アルミニ
ウム合金マトリックス６中のセラミックス粒子７（図２
参照）の分布状態に傾斜を設けることができる。すなわ
ち、アルミニウム合金複合材５を速く引出し、速やかに
凝固させることによって前記セラミックス粒子７を均一
に分散させることができ、前記アルミニウム合金複合材
５をゆっくりした速度で引出し、溶融状態に比較的長く
保持することによって比重の小さいセラミックス粒子７
が図中の上方側に多く分布するようになる。

【００１９】得られた板状の耐摩耗性アルミニウム合金
複合材５には、鋳造歪みを除去するための熱処理が施さ
れ、圧延と熱処理を繰返して適当な板厚に加工した後、
必要に応じて、図２に示すように、裏金鋼板８が圧延に
よってクラッドされ、スラストワッシャやブッシュなど
に加工され、摺動部品となる。

【００２０】なお、図２において、記号９はＳｎ，Ｐｂ
などの軟質物質を示す。また、前記クラッド圧延におい
て、純アルミニウムやニッケルなどの中間層１０を設け
ることによって耐荷重性を高めることができる。

【００２１】

【発明の作用】本発明に係わる耐摩耗性アルミニウム合
金複合材においては、球状セラミックス粒子がマトリッ
クスのアルミニウムやＳｎ，Ｐｂなどの軟質物質に悪影
響を与えることなく、安定にマトリックス合金を強化す
ると共に、前記軟質物質との共存により相手部材とのな
じみ性を維持し、耐焼付き性を改善することによって、
当該耐摩耗性アルミニウム合金複合材の耐荷重性，耐摩
耗性を良好なものにしている。

【００２２】

【実施例】表１に示す各成分組成のマトリックスアルミ
ニウム合金を常法により溶融し、図１に示した横形連続
鋳造機１の保持炉３に注湯すると同時に、表面活性化処
理を施した同じく表１に示す成分および平均粒径を有す
る表面活性化処理済みの球状セラミックスを投入した。 　　次いで、溶湯を凝固させながら鋳造型４からそれぞ
れの引出し速度で連続的に引出すことによって、６種類
の本発明耐摩耗性アルミニウム合金複合材と、同じく６
種類の比較用耐摩耗性アルミニウム合金複合材とを得た
。 　　そして、圧延と熱処理を繰り返し板厚７ｍｍにまで
圧延したのち、裏金鋼板を圧延クラッドして、各種形状
の試験片を切出し、耐荷重試験（試験機：アンダーウッ
ド試験機，回転数：３５００ｒ．ｐ．ｍ　，面圧：６０
０　ｋｇｆ／ｃｍ２　，相手材：ＦＣＤ７０），耐焼付
性試験（試験機：鈴木式摩擦摩耗試験機，速度：４ｍ／
秒，荷重：２０　ｋｇｆ〜焼付きまで１５分毎に２０ｋ
ｇｆ　累積，油温：１３０±５℃，油種：ＳＡＥ　　７
．５Ｗ−３０ＳＦ，相手材：Ｓ４５Ｃ　　ＨＲ　Ｃ＝５
５粗さ＝０．８ｓ），耐食性試験（１６０℃の有鉛廃油
中で２００時間浸漬），キャビテーション試験（周波数
：１９．５Ｈｚ，振幅：４５μｍ，クリアランス：０．
５ｍｍ，時間：３０分，媒体：水），ブッシュ形状試験
（試験機：３連ブッシュ試験機，周速：毎秒３ｍ，５ｍ
，７ｍ，荷重：静荷重２０　ｋｇｆ／ｃｍ２　〜５分毎
に２０　ｋｇｆ／ｃｍ２　累積，油温：８０℃，油種：
ＳＡＥ　　２０Ｗ−４０，相手材：Ｓ４５Ｃ　　ＨＲ　
Ｃ＝５０〜５５　　粗さＲａ０．２〜０．３，オイルク
リアランス：３０〜４０μｍ，相手材有効面積：３ｃｍ
２　）によって、得られた耐摩耗性アルミニウム合金複
合材の耐荷重性，耐焼付性，耐食性，耐剥離性，および
偏荷重耐焼付性を既存材料とそれぞれ比較調査した。

【００２３】なお表中において、比較材ＡはＳｎ基合金
，Ｂは鋳造アルミニウム合金である。　　また、耐食性
の評価記号◎は２００時間の浸漬後も金属光沢を失わず
試験片に何らの変化も認められないもの、記号○は試験
片の重量変化が１ｃｍ２　あたり０．１ｍｇ以下のもの
、記号△は前記重量変化が０．１ｍｇを超え０．２ｍｇ
未満のもの、記号×は前記重量変化が０．２ｍｇ以上の
ものをそれぞれ示している。この結果は、表２に示すと
おりで、本発明に係わる耐摩耗性アルミニウム合金複合
材は、いずれも良好な耐荷重性と耐摩耗性を有し、比較
例および従来材と較べ、軽量耐荷重耐摩耗性材料として
の総合的に優れた性能を備えていることが確認された。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる耐
摩耗性アルミニウム合金複合材は、重量パーセントで、
５〜１２％のＳｎおよび０．５〜２．０％のＰｂを含有
するアルミニウム合金中に平均粒径１０μ以下の球状セ
ラミックス粒子を重量パーセントで０．１〜５％の範囲
で分散させてなる構成としたものであるから、球状セラ
ミックス粒子がマトリックスのアルミニウムやＳｎ，Ｐ
ｂなどの軟質物質に脆化などの悪影響を与えることなく
、マトリックス合金を強化すると共に、前記軟質物質と
の共存により相手部材とのなじみ性や耐焼付き性を改善
しているので、良好な耐荷重性，耐摩耗性を安定して得
ることができるという優れた効果をもたらすものである
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる耐摩耗性アルミニウム合金複合
材の製造に用いる横形連続鋳造機の構造を示す概略図で
ある。

【図２】図１に示した横形連続鋳造機によって製造され
た耐摩耗性アルミニウム合金複合材の断面を示す模式図
である。

【符号の説明】

５　　耐摩耗性アルミニウム合金複合材６　　アルミニ
ウム合金 ７　　球状セラミックス粒子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量パーセントで、５〜１２％のＳｎ
   および０．５〜２．０％のＰｂを含有するアルミニウム
   合金中に平均粒径１０μ以下の球状セラミックス粒子を
   重量パーセントで０．１〜５％の範囲で分散させてなる
   ことを特徴とする耐摩耗性アルミニウム合金複合材。
2. 【請求項２】　　前記セラミックス粒子がＡｌ２　Ｏ３
   　，ＳｉＯ２　，ＺｒＯ２　のうちの１種または２種以
   上からなることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性ア
   ルミニウム合金複合材。
3. 【請求項３】　　前記セラミックス粒子を断面方向に傾
   斜分散させ、相手部材との摺接面側において密とし反対
   面側において粗としてなることを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２記載の耐摩耗性アルミニウム合金複合材。
4. 【請求項４】　　前記セラミックス粒子を相手部材との
   摺接面側表層部に集中させてなることを特徴とする請求
   項１または請求項２記載の耐摩耗性アルミニウム合金複
   合材。