JPH0533013A - 高精度アルミニウム合金摺動部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 遷移元素等の分散強化粒子形成元素、溶体化
時効硬化元素、硬質粒子などを含む高性能の急冷凝固ア
ルミニウム合金粉末を、１回の熱間鍛造工程を経て強固
に結合させ、その後、サイジング処理で含油性をもたせ
ながら高精度に仕上げることのできるアルミニウム合金
摺動部品の製造方法を提供する。 【構成】 急冷凝固アルミニウム合金粉末を冷間又は温
間で相対密度７５〜９０％に予備成形し、次に、この予
備成形体を不活性ガス雰囲気中３００℃以上５６０℃以
下で０．２５〜３時間加熱脱ガス処理した後、直ちに３
００〜５６０℃での熱間コイニングを行って空孔率５〜
８％の固化体となし、その後、この固化体をサイジング
処理する。予備成形体加熱時に不活性ガスによって蒸発
水とアルミニウムとの再発応が抑制されるので、固相拡
散の生じ易い状態で熱間コイニングが行われ、１回の鍛
造で粉末どうしが強固に結合する。また、熱間コイニン
グの終了段階で固化体に５〜８％の空孔が残存するの
で、その後サイジングを行って寸法精度を高め、含油の
ための空孔も残すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、急冷凝固アルミニウム
合金粉末を原料とて耐摩耗性に優れ、また、湿式潤滑環
境下での摺動特性に優れ、さらに、寸法精度にも優れる
アルミニウム合金摺動部品（例えばオイルポンプロータ
や含油軸受など）を経済的に製造するための方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】急冷凝固法やメカニカルアロイング法で
得られる粉末のアルミニウム合金（Ｐ／Ｍ合金）は、溶
製合金（Ｉ／Ｍ合金）と違ってＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の遷
移元素や溶体化時効硬化元素のＣｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、或い
はＳｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ等の分散強化粒子をアルミニウ
ム（以下元素記号で表示）中に多量に固溶させ、偏析す
ることなく均一かつ微細に分散させることができる。

【０００３】この高性能のＡｌ合金粉末を原料として用
いれば、強度、靭性、硬度、剛性等の機械的特性のほ
か、耐熱性や耐摩耗性に優れたＡｌ合金部品を作ること
ができる。しかし、そのためには、材料の準安定状態の
合金相を保ち、かつ、微細組織を保ちながら、合金粉末
の完全結合（密着）を行わしめることが必要不可欠の条
件となる。

【０００４】鉄系合金粉末の場合、圧粉成形後の焼結に
よって完全結合の目的を達成することができるが、Ａｌ
合金粉末は、表面に生じている酸化膜が拡散結合を阻害
するので、焼結操作は殆んど採用できない。極めて高温
の共晶液相を利用すれば焼結可能であるが、このような
焼結作用は材料の準安定状態の合金相を著しく損うため
部品の強度を維持できず、実質的に意味がない。

【０００５】そこで、一般的には熱間鍛造法を利用し、
適切な加熱、加圧を行うことで酸化皮膜を十分に除去も
しくは分断、破壊して粉末どうしを圧着させて金属結合
及び固相拡散を生じさせる方法が採られる。

【０００６】その具体例としては、例えば特開昭６３−
６０２６５号がある。これに示される製造方法は、大気
雰囲気中で粉末成形体を熱処理して粉末粒子表面に吸着
している水分を先ず除去する。また、粉末表面の酸化膜
を破壊して粉末どうしを結合させるために粉末成形体を
加熱した後、予備的な熱間密閉型鍛造を経てから再度熱
間鍛造を実施している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】Ａｌ合金粉末表面の酸
化膜は、粉末製造工程及び粉末成形体の加熱工程におい
て生成される。後者の工程では粉末成形体の加熱温度が
３００℃以上になるとＡｌ粉末粒子に吸着している結晶
水が蒸発し、これとＡｌが反応して粉末表面に強固な酸
化Ａｌ皮膜ができる。

【０００８】しかるに、上述した特開昭６３−６０６２
５号の方法では、先ず大気中で成形体を加熱して吸着水
分を除去するので、除去された水分が再度Ａｌと反応し
て粉末の結合を害する酸化Ａｌ皮膜が生じる。その皮膜
は、次工程の予備的熱間密閉鍛造によって破壊するが、
これでは、熱間鍛造工程が計２回となるので生産性や製
造コスト面で不利になる。

【０００９】また、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒなどの遷移元素を
添加した急冷凝固Ａｌ粉末の場合、遷移元素とＡｌとの
金属間化合物（例えばＦｅＡｌ₃ 、ＮｉＡｌ₃ 、ＣｒＡ
ｌ₃ 等）が組織中に微細に析出している。この金属間化
合物は素地のＡｌに対する拡散係数が極めて小さいので
遷移元素を多量に含有するような場合には、加熱処理に
より粗大化する金属間化合物がＡｌ粉末どうしの拡散結
合を阻害し、従って、鍛造を２回に増やしても十分な強
度、靭性を得難い。

【００１０】さらに、熱間鍛造法では、金属、及び粉末
成形体の熱膨脹、熱収縮を伴い、これによる固化体の寸
法変化が生じるため加工終了段階で鉄系焼結部品並の高
寸法精度を得るのが難しく、このことも製品コストに影
響する。高寸法精度を必要とする場合には機械加工仕上
げが必要になるからである。

【００１１】鉄系焼結部品は、成形、焼結後に内部に残
存する１０〜２０％の空孔を利用し、これを加圧により
部分的に潰して全体としては大きな塑性変形を生じさせ
ずに局所的に金型に沿った形状に変形することで寸法精
度を高めるいわゆるサイジングを行って高寸法精度を確
保している。ところが、このサイジングは、上述した通
り、残存空孔を利用した圧縮性材料の局所組成変形法で
あって、真密度の鍛造や伸線・スエージなどの非圧縮性
材料の組成変形とは変形のメカニズムが全く異なるの
で、対象物が十分な固化強度と適量の残存空孔を有して
いなければ利用することができない。アルミニウム合金
は、内部に１０〜２０％もの空孔が残存すると強度が著
しく低下するのでサイジング実施のための条件を見たし
得ない。一方、強度確保のために空孔をもたない真密度
の鍛造体にするとサイジングにならず、再鍛造となるた
め寸法精度は向上しない。

【００１２】また、鉄系焼結摺動部品のように、内部に
残存空孔を保有していると、含油効果が生じて湿式潤滑
環境下では相互摺接面間に油膜が形成され、耐摩耗、摺
動特性が著しく高まるが、真密度の鍛造体は含油用の空
孔をもたなので含油による耐摩耗、摺動特性の向上も期
待できない。

【００１３】本発明は、これ等の課題を解決するのに有
効なＡｌ合金摺動部品の製造方法を提供しようとするも
のである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するため、急冷凝固アルミニウム合金粉末を冷間
又は温間で相対密度７５〜９０％に予備成形し、次に、
この予備成形体を不活性ガス雰囲気中３００℃以上５６
０℃以下で０．２５〜３時間加熱脱ガス処理した後、直
ちに３００〜５６０℃での熱間コイニングを行って空孔
率５〜８％の固化体となし、その後、この固化体をサイ
ジング処理する方法を採る。

【００１５】なお、この方法において原料として用いる
急冷凝固Ａｌ合金粉末は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒから選ばれ
た遷移元素のアルミ化合物を分散強化粒子とし、マトリ
ックスが重量比でＣｕ：１〜５％，Ｍｇ：０．２〜１．
５％，Ｍｎ０．２〜１％を含有する溶体化時効硬化性ア
ルミニウム合金からなる多重強化アルミニウム合金であ
って、前記分散強化粒子を形成する遷移元素の添加量
が、いずれかの元素の単独添加時に重量比でＦｅ：３〜
１０％，Ｎｉ：３〜１０％，Ｃｒ：２〜８％、２種又は
３種の元素の混合添加時に各元素が単独添加時と同一範
囲にあり、かつ、合計で１５％を越えない範囲にあるも
のや上記の組成中に分散強化粒子形成元素としてさらに
Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒの中から選ばれた１種又は１種以上の元
素をそれぞれ重量比で１〜５％、合計で５％を越えない
範囲で含有し、かつ、Ｓｉ：５〜１７％を含有するも
の、或いは上記のＳｉに代えてＳｉＣ、ＴｉＣ、Ａｌ₂
Ｏ₃ 粒子から選ばれた１種又は１種以上の硬質粒子を体
積比で１０〜３０％含有させたものが望ましい。

【００１６】予備成形体の加熱脱ガス処理時に用いる不
活性ガスは窒素、アルゴン等の一般的なガスでよい。

【００１７】また、熱間コイニング（熱間型押鍛造）時
に目的とする摺動部品に突起等を生じさせる必要がある
場合には、熱間コイニングに引続いて同一金型臼内で杵
や中栓或いはその両者を作動させて先方及び／若しくは
後方押出鍛造処理を施すとよい。

【００１８】

【作用】（１）使用材料 Ｉ／Ｍ合金はＰ／Ｍ合金と違って急冷凝固の効果をもた
ないため組成が同じであってもＰ／Ｍ合金のように高強
度が得られない。従って、本発明では急冷凝固Ａｌ合金
粉末を原料として用いる。

【００１９】（２）粉末成形 残留空孔は、通常の粉末冶金法の場合、相対密度約９４
％を境として連結空孔から孤立空孔に変わっていくが、
粉末の予備成形体の段階で残留空孔が孤立していると、
次工程の加熱脱ガスがうまくいかない。この加熱脱ガス
処理のためには蒸発成分の通過に支障の無い大きさの連
結空孔を必要とし、この要求に応え得る範囲として予備
成形体の相対密度を７５〜９０％に定めた。この予備成
形体は最終製品に近い形に成形するほど後工程での成形
が容易になってコスト面で有利になる。

【００２０】（３）加熱処理 Ａｌ合金粉末粒子に吸着している水分及びその他の有機
成分を蒸発、除去して粉末どうしを完全結合させるのに
必要である。加熱温度が３００℃未満又は加熱時間が
０．２５時間未満では吸着成分の蒸発が十分に進まな
い。また、３００℃以上の加熱では蒸発した結晶水がＡ
ｌと再反応して酸化Ａｌ皮膜を生成する恐れがあるが、
この発明では予備成形体を不活性ガス雰囲気中に置いて
いるので蒸発水のＡｌとの再反応が抑えられ、粉末どし
が結合し易い状態に保たれる。

【００２１】なお、加熱温度が５６０℃を越えるか又は
加熱時間が３時間を越えると粉末内の微細組織が崩れて
急冷凝固による粉末の特性が失われる。従って、予備成
形体の加熱は不活性雰囲気下で行い、かつ、この際の条
件として加熱温度３００〜５６０℃、加熱保持時間０．
２５〜３時間を設定した。

【００２２】（４）熱間コイニング（熱間型押鍛造） 前工程で表面の水分及びその他の有機物が除去されたＡ
ｌ合金粉末を加熱、加圧して表面の酸化膜を十分に分
断、破壊した後、粉末どうしを圧着させ、これにより、
金属結合及び固相拡散を生じさせて粉末を完全に結合さ
せる。

【００２３】この工程において、熱間コイニングに引続
き同一金型臼内で杵や中栓を作動させて先方及び／若し
くは後方押出鍛造処理を行うと加圧方向と並行方向及び
／若しくは垂直方向の塑性流動で予備成形時には無かっ
た突起等を生じさせることができ、従って、部品形状が
多少複雑になっても製造は比較的簡単である。

【００２４】この熱間コイニングは、３００℃未満の温
度では粉末間での十分な金属結合及び固相拡散が生じ
ず、粉末どうしの完全結合の目的が達成されない。一
方、５６０℃を越えると金属間化合物やその他の微細分
散粒子が粗大化して急冷凝固による粉末の特性を失い、
かつ粉末成形体と金型との焼付き等も生じ易くなる。

【００２５】熱間コイニング時の加圧力は、固化体内の
空孔率が５〜８％となる値に制御する必要がある。空孔
率が８％以上では固化体の強度が著しく低下し、使用時
に圧力を受ける摺動部品の場合、破損し易くなる。ま
た、空孔率が５％以下では固化体の圧縮性が悪くなって
サイジングによる高精度の確保が困難になる。加えて含
油性の悪化による摺動特性の低下が生じる。図１は、表
１に示す成分組成の急冷凝固Ａｌ合金粉末を用いたとき
の摺動特性（焼付き性能）、サイジング能及び固化体強
度の各特性と空孔率の関係を示している、摺動特性は図
２に示す試験法を用いて評価した。これから判るよう
に、空孔率を５〜８％にすれば、高精度と強度と摺動特
性を併せて満足させることができる。

【００２６】

【表１】

【００２７】（５）サイジング処理 この処理は、金型を加熱せず常温のままで使用する冷間
サイジング、金型を３００℃以下の一定温度に加熱して
温度制御しながら使用する温間サイジングのどちらであ
ってもよい。この条件の選択は、製造する摺動部品の形
状、材質、仕上げ寸法精度などを考慮して最適な条件を
選ぶことになる。なお、摺動部品の寸法精度は、このサ
イジングによる固化体の局所変形によって高まるが、サ
イジング時に焼付き等が起こると高寸法精度を得難くな
るので、サイジング処理は一般に使用される油などの液
体又は固体潤滑剤を使用して行うのが望ましい。

【００２８】このほか、原料が遷移元素を含む急冷凝固
Ａｌ合金粉末の場合、上記の方法で得られたＡｌ合金摺
動部品にＴ４、Ｔ６等の熱処理を施して部品強度を更に
高めることが可能である。

【００２９】以下は、使用原料について、特定の組成の
Ａｌ合金粉末が好ましいとした理由である。

【００３０】先ず、材料合金中の各成分の作用とその含
有量について説明すると、 Ｆｅ：Ａｌとの金属間化合物を生成して高温強度を向上
させる。その量が３％未満では添加効果が充分でなく、
一方、１０％を越えると金属間化合物が粗大化して得ら
れる部品の強度が低下する。

【００３１】Ｎｉ：Ｆｅと同様、Ａｌとの金属間化合物
を生成して高温強度を高める。その量が３％未満又は１
０％超ではＦｅ過不足時と同様の問題を生じる。

【００３２】Ｃｒ：耐食性を向上させ、また、それ自身
がマトリックス中に微細に分散し、かつＡｌとの微細な
金属間化合物を生成して強度を向上させる。その添加量
が２％未満では効果が充分でなく、また、８％を越えて
も効果は特に伸びず、晶出物が粗大化して強度、靭性が
かえって低下する。

【００３３】なお、これ等の遷移元素は単独添加、混合
添加のいずれでも効果があるが、混合添加時の総量が１
５％を越えても効果は特に伸びない。逆に、原料粉末の
製造過程での高融点元素の添加量が増え、均一溶体化温
度を高温側に移行させることになるので原料費の面では
不利になる。

【００３４】Ｓｉ：Ａｌ素地中に微細に分散して強度を
向上させ、また、前述の遷移元素とＡｌとの化合物の粗
大化を抑制する。その量が５％未満では効果が薄く、ま
た、１７％を越すと初晶Ｓｉの粒径が大きくなり、合金
の強度、靭性が低下するほか、粉末の鍛造性も悪くな
る。

【００３５】ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：Ｓｉと同様
の働きをする。その量が１０％（この場合はｖｏ１比）
未満では効果が不足し、３０％を越えると粉末の鍛造性
と合金の靭性が悪くなる。

【００３６】Ｃｕ及びＭｇ：両者は固溶強化により強
度、硬度等の機械的特性を向上させ、同時にＡｌ素地中
に析出して上記遷移元素とＡｌとの化合物の粗大化を抑
制する。Ｃｕについてはその量が１％に満たないと効果
が不足し、また、５％を越えても効果の伸びがなく、逆
に耐食性の低下を招く。Ｍｇについては０．５％未満で
は効果が不足し、１．５％を越えると効果の伸びがない
だけでなく晶出物が粗大化してかえって強度、靭性が低
下する。

【００３７】Ｍｎ：Ａｌ合金を固溶強化し、また、繊維
組織化して強度を向上させ、かつ、遷移元素とＡｌとの
金属間化合物の粗大化を抑制する。その量が０．２％未
満では効果が不充分。また、１％を越えても効果は高ま
らず、粗大晶出物を生じるため強度、靭性がかえって低
下する。

【００３８】Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ：これ等はＡｌ素地中に微
細かつ均一に分散して素地の強度を高める。いずれの元
素も１％未満では効果が充分でなく、また、合計添加量
が５％を越えるとこれ等の分散粒子における切欠感受性
が大きくなって強度が低下する。

【００３９】以上の各元素や硬質粒子を添加した原料粉
末は、強度、耐摩耗性、耐熱性に優れているが、このよ
うな元素や硬質粒子を含むと従来法による場合、拡散結
合がより起こり難くなる。これに対し、本発明の方法
は、不活性雰囲気中での加熱により蒸発水分とＡｌとの
再反応を防止しながら粉末表面の結合阻害物を除去し、
酸化皮膜が再生成していない状態で予備成形体を熱間コ
イニングして粉末どうしを強固に結合させた後、残存空
孔を利用してサイジングを行うので、機械的特性に優
れ、しかも寸法精度が高く、含油による摺動特性にも優
れているＡｌ合金摺動部品を１回の熱間鍛造で簡単に経
済的に製造することが可能である。

【００４０】

【実施例】表２に示す配合組成のＡ〜Ｑの急冷凝固Ａｌ
合金粉末を用いて表３に示す条件で外径２５mm×内径２
０mm×長さ１５mmの焼付き性能評価試験用試料No１〜No
２１を作った。No１〜No１７の試料は本発明の製造方法
で作られ、一方、No１８〜２１は比較製造方法で作られ
ている。そして、これ等の各試料についてサイジング後
の特性（引張強度、伸び、図２の試験方法による焼付き
性能）を評価した。また、外径３０mmの固化体における
真円度も調べた。その結果を表３に併せて示す。

【００４１】これから判るように、本発明の製造方法に
よれば、引張強度、焼付き荷重が非常に大きく、かつ、
伸びも大きく、さらに、真円度の誤差が僅か２．０〜
３．５μｍの高精度Ａｌ合金摺動部品を１回の熱間鍛造
工程を経て経済的に作ることができる。

【００４２】

【表２】

【００４３】

【表３】

【００４４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の方法によれ
ば、分散強化粒子の形成元素、溶体化時効硬化元素、硬
質粒子などを含む高性能の急冷凝固Ａｌ合金粉末を、材
料合金の特性を維持しながら、かつ、サイジング処理が
可能で含油性も維持される空孔を残存させながら１回の
熱間鍛造工程を経て強固に結合させることができるの
で、強度、耐摩耗性、湿式潤滑環境下での摺動特性、及
び寸法精度に優れる高精度摺動部品を比較的簡単に経済
的に製造することができ、Ａｌ合金摺動部品の信頼性向
上、用途拡大、コストダウン等が図れると云う効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】表１の組成の合金の摺動特性、サイジング能、
固化体強度の各特性と残存空孔率の関係を示すグラフ

【図２】焼付き性能評価の試験法を示す図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 急冷凝固アルミニウム合金粉末を冷間又
   は温間で相対密度７５〜９０％に予備成形し、次に、こ
   の予備成形体を不活性ガス雰囲気中３００℃以上５６０
   ℃以下で０．２５〜３時間加熱脱ガス処理した後、直ち
   に３００〜５６０℃での熱間コイニングを行って空孔率
   ５〜８％の固化体となし、その後、この固化体をサイジ
   ング処理することから成る高精度アルミニウム合金摺動
   部品の製造方法。
2. 【請求項２】 前記急冷凝固アルミニウム合金粉末とし
   て、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒから選ばれた遷移元素のアルミ化
   合物を分散強化粒子とし、マトリックスが重量比でＣ
   ｕ：１〜５％，Ｍｇ：０．２〜１．５％，Ｍｎ０．２〜
   １％を含有する溶体化時効硬化性アルミニウム合金から
   なる多重強化アルミニウム合金であって、前記分散強化
   粒子を形成する遷移元素の添加量が、いずれかの元素の
   単独添加時に重量比でＦｅ：３〜１０％，Ｎｉ：３〜１
   ０％，Ｃｒ：２〜８％、２種又は３種の元素の混合添加
   時に各元素が単独添加時と同一範囲にあり、かつ、合計
   で１５％を越えない範囲にあるものを用いる請求項１記
   載の高精度アルミニウム合金摺動部品の製造方法。
3. 【請求項３】 前記急冷凝固アルミニウム合金粉末とし
   て、請求項２記載の合金中に分散強化粒子形成元素とし
   てさらにＭｏ、Ｖ、Ｚｒの中から選ばれた１種又は１種
   以上の元素をそれぞれ重量比で１〜５％、合計で５％を
   越えない範囲で含有し、かつ、Ｓｉ：５〜１７％を含有
   するものを用いる請求項１記載の高精度アルミニウム合
   金摺動部品の製造方法。
4. 【請求項４】 前記急冷凝固アルミニウム合金粉末とし
   て、請求項３記載の合金中のＳｉに代えてＳｉＣ、Ｔｉ
   Ｃ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 粒子から選ばれた１種又は１種以上の硬
   質粒子を体積比で１０〜３０％含有させたものを用いる
   請求項１記載の高精度アルミニウム合金摺動部品の製造
   方法。