JPH0533093A

JPH0533093A - 耐摩耗及び摺動特性に優れた高強度アルミニウム合金

Info

Publication number: JPH0533093A
Application number: JP18887391A
Authority: JP
Inventors: Katsuyoshi Kondo; 勝義近藤; Yoshinobu Takeda; 義信武田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-07-29
Filing date: 1991-07-29
Publication date: 1993-02-09

Abstract

(57)【要約】【目的】高強度で耐摩耗性、含油による摺動特性、耐
熱性に優れる摺動部品用のアルミニウム合金を提供す
る。【構成】重量基準でＳｉ：５〜３０％、Ｆｅ又はＮ
ｉ：３〜１０％もしくはこの両者を各々の量が３〜１０
％の範囲にあるようにして合計で１５％以下、Ｃｕ：１
〜５％、Ｍｇ：０.2〜1.５％、Ｍｎ：０.2〜１％を含
み、残部がＡｌ及び不可避不純物から成る急冷凝固アル
ミニウム合金粉末を、材料の準安定状態の合金相を損わ
ない温度で熱間鍛造して成形固化し、固化体中に１０μ
ｍ以下の独立空孔を２〜５％残存させる。この合金はＳ
ｉが耐摩耗性を高め、Ｆｅ、ＮｉがＡｌとの金属間化合
物を生成して高温強度を高め、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎが強
度、硬度等の機械的特性を向上させる。また、残存空孔
が湿式潤滑環境下で含油効果を生じさせ部品の焼付きを
防止する。また、残存空孔が微細な独立空孔であるので
応力に耐え易く、酸化雰囲気の浸透による粒界の劣化も
生じ難い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性に優れ、ま
た、含油効果をもつために湿式潤滑環境下での摺動特性
にも優れ、オイルポンプロータや含油軸受けなどの摺動
部品用材料としての適正に富む高強度アルミニウム合金
に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄系焼結材で作られたオイルポンプや含
油軸受けなどの摺動部品は、内部に１０〜２０％の残留
空孔を保有しているにもかかわらず、粉末間の金属結合
及び拡散結合により十分な強度を有し、また、残留空孔
内に潤滑油を保持する含油効果をもち、摺動時に相互摺
接面間に油膜を形成するため、湿式潤滑環境下で使用す
ると優れた耐摩耗性と摺動特性を発揮することが知られ
ている。しかし、これ等は重量が嵩むのが難点である。

【０００３】そこで、含油効果をもつ摺動部品を急冷凝
固法で得られる高強度のアルミニウム合金（Ａｌ合金と
記す）で作ることが検討されている。

【０００４】また、Ａｌ合金製の摺動部品においては、
Ｓｉ晶やＳｉＣ、ＴｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃粒子などの硬質粒
子を材料中に添加して耐摩耗性を向上させることが試み
られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】含油のための空孔を残
存させた摺動部品の製造方法としては、原料粉末を圧粉
後に焼結する方法と、熱間鍛造で成形固化する方法の２
つが考えられる。このうち、鉄系粉末で採用している前
者の焼結法は、Ａｌ合金粉末を用いる場合には、粉末の
表面に生じている酸化膜が拡散・焼結を阻害するのでほ
とんど利用できない。極めて高温の共晶液相を利用すれ
ば焼結可能であるが、このような焼結操作は急冷凝固法
で得られた準安定状態の合金相を著しく損なうため、部
品の強度を維持できず、実質的に意味がない。

【０００６】一方、比較的低温の熱間鍛造によれば、準
安定状態の合金相と微細組織を保って、Ａｌ合金粉末材
料を成形固化することができる。しかし、この熱間鍛造
法を用いてもＡｌ合金は鉄系焼結材のように１０〜２０
％もの空孔が残存すると著しい強度低下を招くため、強
度を必要とする摺動部品には利用できない。真密度の鍛
造体にすれば十分な強度が得られるが、この場合には、
残存空孔が無くなるため、耐摩耗及び摺動特性を高める
ための含油効果が全く得られない。

【０００７】また、先に述べたように、Ａｌ合金製の摺
動部品は、Ｓｉ晶等の硬質粒子を添加することによって
耐摩耗性を高めることができるが、従来の合金組成では
耐熱性が充分で無く、部品が熱をもつと強度が下がり、
硬質粒子の添加効果も薄れてしまう。即ち、摺動時の摩
擦熱等で部品温度が１００℃以上に上昇すると部材中の
マトリックスであるアルミニウムが軟化し始め、そのた
めに部材強度が低下し、また、摺動時に働く剪断力で添
加した硬質粒子が脱落して部品の損傷、耐摩耗性の低下
が起こる。

【０００８】そこで、本発明は、粉末鍛造で得られる固
化体に含油に必要な空孔を残存させると同時に真密度時
と比べて大差の無い固化体強度を確保し、さらに、耐熱
性も高めた摺動部品用の高強度Ａｌ合金を提供しようと
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する本
発明の高強度Ａｌ合金は、重量基準でＳｉ：５〜３０
％、Ｆｅ又はＮｉ：３〜１０％もしくはこの両者を各々
の量が３〜１０％の範囲にあるようにして合計で１５％
以下、Ｃｕ：１〜５％、Ｍｇ：０.2〜1.５％、Ｍｎ：
０.2〜１％を含み、残部がＡｌ及び不可避不純物から成
る急冷凝固アルミニウム合金粉末を、材料の準安定状態
の合金相を損わない温度で熱間鍛造して成形固化し、固
化体中に１０μｍ以下の独立空孔を２〜５％残存させて
成るものである。

【００１０】このＡｌ合金は、粉末材料の組成中のＳｉ
に代えて、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃粒子の中から選
ばれた１種又は複数種の硬質粒子を体積基準で１０〜３
０％含有させたものであってもよい。

【００１１】

【作用】粉末固化体の残存空孔による強度低下の原因
は、いわゆる連結空孔の形状に起因する空孔部での応力
集中と、水分を含む酸化性雰囲気が連結空孔を通って内
部に浸透することによる粒界の劣化である。そこで、発
明者等は、まず、残存空孔をできるだけ球状化して応力
に耐え易くすると共に、連結空孔を無くして孤立空孔の
みとなすことで残存空孔による強度低下を抑制すること
を考え出した。

【００１２】連結空孔の場合、周囲の雰囲気が内部にま
で浸透し、しばしば反応を起こすが、孤立空孔になると
内部への浸透は表層部からの拡散が律速するようになり
反応はきわめて緩慢になる。

【００１３】残存空孔は、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な
る。これは、もとの粉末が変形し、旧粉末粒界どうしが
接触することで空隙が小さくなっていくが、粒界の３重
点のような箇所にどうしても空隙が残留する。この空隙
が３次元的に連結しているかどうかはほとんどその相対
密度によって決まり、上記の如く相対密度で約９４％が
境となる。

【００１４】このようにして連結空孔を孤立空孔に変え
ると粒界の劣化による強度低下が起こり難くなるが、孤
立空孔になったとしても初期強度を満足するとは限らな
い。そこで、残存空孔が固化体の強度に及ぼす影響につ
いて調べたところ、空孔が残存した状態で真密度時と大
差の無い強度を得るには９５％以上（空孔量５％以下）
の相対密度に成形固化しなければならないことが判った
（表１参照）。

【００１５】また、含油性は残存空孔量が少なくなるほ
ど悪くなるので、図１に示すスラスト式焼き付き性能評
価試験機で残存空孔量と焼付き（焼付き荷重）の相関関
係も調査した。表２の組成の粉末を用いたときの結果を
表３に示す。この相関関係の調査から、本発明の組成の
Ａｌ合金においては残存空孔量の下限がほぼ２％である
ことを見い出し、強度と含油性の双方を満足させる範囲
として残存空孔量を２〜５％に定めた。

【００１６】図２に、本発明Ａｌ合金の組織の模式図を
示す。残存空孔量が５％以下での空孔の大きさは１０μ
ｍ以下であり、この微小な空孔が合金の表面にも無数に
点在している。この表面の空孔が油を吸入して保持す
る。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】

【表３】

【００２０】次に、マトリックスのアルミニウムが熱で
軟化すると、上述したように部材強度が低下し、Ｓｉ晶
等の硬質粒子の添加効果（耐摩耗性の向上）も薄れる。
そこで、本発明ではＦｅ、Ｎｉのいずれか又は両者を添
加し、これ等の元素とＡｌとの金属間化合物を組織中に
微細に分散させて高温強度を高めた。また、Ｃｕ、Ｍ
ｇ、Ｍｎを添加してＡｌ合金の固溶強化を図り、機械的
特性を向上させた。

【００２１】以下に添加成分の作用と含有量について説
明する。

【００２２】Ｓｉ：マトリックス中に分散して耐摩耗性
を向上させる。その量が５％未満では効果が不足し、逆
に３０％を越えると粉末の鍛造性が悪くなり、合金の靭
性も低下する。

【００２３】ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃：Ｓｉに代え
て用いるもので、Ｓｉと同様の働きをする。その量が１
０％（この場合はｖｏｌ比）未満では効果が不足し、３
０％を越えると粉末の鍛造性と合金の靭性が悪くなる。

【００２４】Ｆｅ及びＮｉ：両者は共にＡｌとの微細な
金属間化合物を生成して組織中に分散し、合金の高温度
強度を向上させる。それぞれの含有量が３％未満では耐
熱特性の改善効果が充分でなく、また１０％を越えると
生成される金属間化合物が粗大化して合金の靭性が低下
する。さらに、両者の合計添加量が１５％を越えると粉
末の鍛造性と合金の靭性が低下する。

【００２５】Ｃｕ及びＭｇ：両者は固溶強化により合金
の強度・硬度等の機械的特性を向上させる。Ｃｕについ
てはその添加量が１％未満では効果が不充分であり、ま
た５％を越えても効果の向上が無くかえって耐食性を低
下させる。Ｍｇについても０.2％未満では効果が不充分
であり、1.５％を越えても効果の向上がない。

【００２６】Ｍｎ：Ａｌ合金を固溶強化すると共に繊維
組織化して強度を向上させる。0.２％未満では添加効果
が充分でない。また、１％を越えても効果の伸びは少な
く、粗大な晶出物が生じるため逆に強度が低下する。

【００２７】なお、Ｉ／Ｍ（溶製）合金は、Ｐ／Ｍ（粉
末）合金と違って急冷凝固の効果が無いため、本発明合
金と同一組成にしても高温強度を確保できない。従っ
て、本発明で用いる原材料は、急冷凝固Ａｌ合金粉末で
なければならない。

【００２８】

【実施例】表５に示す組成の粉末材料を用いて図１に示
すスラスト式焼き付き性能評価試験片（円筒状の試料）
を作った。製造条件を表４に、また、Ｉ〜Ｘの各試料の
残存空孔量を表５に示す。

【００２９】次に、得られた各試料について図１の試験
条件による焼き付き性能の評価を行った。その結果を表
５に示す。また、各試料の引張強度についての測定結果
も表５に併せて示す。

【００３０】

【表４】

【００３１】

【表５】

【００３２】この試験結果から判るように、本発明の合
金は引張強度が大きく、また、焼付き荷重も比較合金に
比べて極端に大きく、摺動部品用材料として適性に富む
ものとなっている。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のＡｌ合金
は、原材料として用いる急冷凝固Ａｌ合金粉末の組成と
比較的低温での熱間鍛造後の固化体内残存空孔量を工夫
して強度・耐摩耗性、含油性を満足させ、耐熱性も向上
させたものであるから、使用条件の厳しい摺動部品であ
ってもＡｌ合金化が可能となり、この種部品の更なる軽
量化の促進に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スラスト式焼付き試験機による試験方法と試験
条件を示す図

【図２】本発明Ａｌ合金の組織の一例を示す模式図

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量基準でＳｉ：５〜３０％、Ｆｅ又は
Ｎｉ：３〜１０％もしくはこの両者を各々の量が３〜１
０％の範囲にあるようにして合計で１５％以下、Ｃｕ：
１〜５％、Ｍｇ：０.2〜1.５％、Ｍｎ：０.2〜１％を含
み、残部がＡｌ及び不可避不純物から成る急冷凝固アル
ミニウム合金粉末を、材料の準安定状態の合金相を損わ
ない温度で熱間鍛造して成形固化し、固化体中に１０μ
ｍ以下の独立空孔を２〜５％残存させて成る耐摩耗及び
摺動特性に優れた高強度アルミニウム合金。
【請求項２】請求項１記載の急冷凝固アルミニウム合
金粉末中のＳｉに代えて、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃
粒子の中から選ばれた１種又は複数種の硬質粒子を体積
基準で１０〜３０％含有させた合金粉末を原材料として
これを材料の準安定状態の合金相を損わない温度での熱
間鍛造により成形固化し、固化体中に１０μｍ以下の独
立空孔を残存させて成る耐摩耗及び摺動特性に優れた高
強度アルミニウム合金。