JPH0539507A

JPH0539507A - アルミニウム合金製オイルポンプ用ロータ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0539507A
Application number: JP19658291A
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: 1991-08-06
Filing date: 1991-08-06
Publication date: 1993-02-19

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】急冷凝固アルミニウム合金粉末で作られた高強
度、高耐摩耗性、高寸法精度のオイルポンプ用ロータと
そ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７５〜９３％に予備成形し、次いで、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２
〜５％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反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内に２〜５％の空孔が残存するの
で、その後サイジングを行って、寸法精度を高めること
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
（Ａｌ）合金粉末で作られた高強度、高耐摩耗性、高寸
法精度のオイルポンプ用ロータとその製造方法に関す
る。なお、本発明のロータは、高温強度にも優れてお
り、自動車の自動変速機（以下Ａ／Ｔと云う）用オイル
ポンプに使用するのに好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車の燃費向上策の一貫として
自動車部品の軽量化が盛んに進められている。自動車用
のオイルポンプもその例にもれないが、従来のオイルポ
ンプは鉄製（ポンプケースは主として鋳物もしくはダイ
カスト）であり、そのため、Ａ／Ｔ用オイルポンプはそ
の重量が５kgを越えている。これをＡｌ合金化すると重
量は２kg以下となり、約６０％の軽量化が図れる。ま
た、これによる周辺部品の軽量化によりポンプ性能の向
上等も期待できるようになる。

【０００３】ところが、これまでに実用化されている種
々のＡｌ合金はオイルポンプ用ロータ材としての適正に
欠ける。

【０００４】例えば、ピストンや軸受などに使用されて
いるＡＣ８ＢやＡ３９０等に代表されるＡｌ溶製合金
（Ｉ／Ｍ合金）をロータに採用すると、Ａｌ合金同志の
摺動摩耗や面圧疲労に対する強度不足のため、歯面にお
いてはピッチング摩耗を出発点とする著しい摩耗損傷が
生じ、また、端面や外周部ではポンプケースとの焼付き
から生じる著しい摩耗が発生する。さらに、高速回転下
においてはシャフト接合部での強度不足による疲労破壊
を生じる。また、精密・複雑な形状創成に対しては冷間
鍛造加工等では不十分であるため切削加工が必要となる
が、耐摩耗性を高めるためにＳｉ含有量を増やすと高Ｓ
ｉ化に伴って初晶Ｓｉが粗大化するため切削性が悪化
し、強度の低下をも生じる。さらに、高温強度を向上さ
せるために必要なＦｅの含有量は３〜１０％であるが、
５％を越えて添加すると粗大な針状組織となるため合金
の靱性が低下し、従って、高温強度も満足に確保できな
い。

【０００５】また、急冷凝固粉末治金法で得られるＡｌ
−高Ｓｉ系の粉末合金（Ｐ／Ｍ合金）をロータに用いる
と、高Ｓｉ含有のため熱膨張率が低く、ポンプケースと
の熱膨張率差が大きくなるので１５０℃付近まで温度が
上昇したときケースとの間のクリアランスが大きくなっ
てポンプ性能が低下する。また、この系の合金は高温強
度に問題があることから高温環境下で使用するロータへ
の適用は難しい。

【０００６】さらに、同じ急冷凝固粉末治金法で得られ
るＡｌ−高Ｚｎ系のＰ／Ｍ合金も、製造時の著しい時効
硬化により高温強度は有するものの、耐熱性、耐摩耗性
に問題があるため、やはり高温環境下で使用するロータ
には適していない。

【０００７】このほか、急冷凝固のＰ／Ｍ合金にＳｉ
Ｃ、ＴｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃の粒子等の硬質粒子を添加し、
耐摩耗性を向上させることが行われているが、この種の
合金もＡｌ−高Ｓｉ系Ｐ／Ｍ合金と同様高温強度に問題
がある。

【０００８】そこで、急冷凝固Ａｌ合金粉末の組成を工
夫して上記の不具合を解消することを考えた。しかしな
がら、材料粉末の特性がいかに優れていても、材料の準
安定状態の合金相を保ち、かつ、微細組織を保って合金
粉末の完全結合を行わしめなければ要求特性を満たすロ
ータは得られない。

【０００９】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。

【００１０】このため、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。

【００１１】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
間鍛造を実施する。

【００１２】

【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。

【００１３】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
て粉末の結晶を害する酸化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。

【００１４】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。

【００１５】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い。

【００１６】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。

【００１７】内接歯車型ポンプのロータは、インナーロ
ータ、アウターロータのいずれか一方にトロコイド曲
線、インボリュート曲線又はこれ等と同等の性能を有す
る歯面形状を採用しており、この面を高精度に作らない
と歯と歯の噛み合いがしっくりいかず、ポンプ性能に影
響が出るが、鍛造仕上げではどうしても寸法精度が悪く
なる。

【００１８】本発明は、これ等の課題を解決するのに有
効なＡｌ合金製のオイルポンプ用ロータとその製造方法
を提供しようとするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、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７５〜９３％に予備成形し、次いで、
この予備成形体を不活性ガス雰囲気中３００℃以上、５
６０℃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２〜５％の固化体となし、その後、この固化体をサ
イジング処理してポンプ用ロータに仕上げる方法を採
る。

【００２０】また、本発明のロータは、上述した方法で
作って粉末の密着性や寸法精度を高めるが、これ以外に
も高温での強度、耐摩耗摺動特性が要求され、さらに、
熱膨張系数がポンプケースのそれに近似していることが
要求されるので、原料粉末として次のもの、即ち、Ｆ
ｅ、Ｎｉ、Ｃｕ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％、Ｍｎ：０．２〜１％を
含有する溶体化時効硬化性アルミニウム合金から成る多
重強化アルミニウム合金であって、前記分散強化粒子を
形成する遷移元素を少なくとも一種含むと共にその遷移
元素の添加量は重量比でＦｅ：３〜１０％、Ｎｉ：３〜
１０％、Ｃｒ：２〜８％、合計で１５％を越えない範囲
にあり、さらに、分散強化粒子構成元素としてＭｏ、
Ｖ、Ｚｒ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％を越えない範囲含有
し、なおかつ、Ｓｉ：５〜１７％を含有する急冷凝固ア
ルミニウム合金粉末を用いる。なお、かかる本発明のロ
ータは、表面に電解Ｎｉ−Ｐ−ＢＮメッキ処理、無電解
Ｎｉ−Ｐメッキ処理、或いは硬質アルマイト処理を施し
たり、レーザ、電子ビーム等の高密度熱処理で表層部を
硬化させたりして摺動部の耐摩耗性を更に高めることが
可能である。

【００２１】

【作用】先ず、材料合金中の各成分の作用とその含有量
について述べる。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃：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
が悪くなり、ポンプケースとの熱膨張率にも開きがでて
くる。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】次に、本発明方法の作用や限定条件等につ
いて述べる。

【００３２】（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。

【００３３】（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７５〜９３％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。

【００３４】（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アルゴン、窒素等の不活性ガ
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、粉末どうしが結合し易い状態に保たれる。

【００３５】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。

【００３６】（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。

【００３７】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実質的な鍛造は１回で済み、ロータ
の製造は比較的簡単である。

【００３８】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。

【００３９】熱間コイニング時の加圧力は、固化体内の
空孔率が２〜５％となる値に制御する必要がある。空孔
率が５％以上ではＡ／Ｔ用オイルポンプロータの場合強
度不足となる。また、空孔率が２％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。

【００４０】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サイジング能、固化体強度と空
孔率の関係を示している。これから判るように、空孔率
を２〜５％にすればＡ／Ｔ用オイルポンプの内接歯車式
ロータに要求される高強度と高精度を併せて得ることが
できる。

【００４１】

【表１】

【００４２】（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、製造するロータの形
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、ロータの寸法精度は、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。

【００４３】このように、本発明の方法では、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
精度が高いＡｌ合金製オイルポンプ用ロータを１回の熱
間鍛造で比較的簡単に経済的に製造することができる。

【００４４】

【実施例】表２に示す配合組成のＡ〜Ｏの急冷凝固Ａｌ
合金粉末を用いて表３に示す条件で外径８０mm×内径６
０mm×厚さ１０mmのリングを作った。表２のＡ〜Ｊの材
料は本発明のロータ材、Ｋ〜Ｏは比較合金である。ま
た、表３のＮｏ１〜Ｎｏ１５の試料は本発明の方法で、
Ｎｏ１６〜Ｎｏ２０の試料は比較製造で各々作った。そ
して、これ等の各試料についてサイジング後の特性（引
張強度及び伸び）と寸法精度（内・外径の真円度と厚さ
バラツキ）を調べた。その結果を表３に併せて示す。

【００４５】

【表２】

【００４６】

【表３】

【００４７】この結果から、温度、時間を特定した不活
性ガス雰囲気下での加熱脱ガス処理が強度の向上（粉末
の結合）に有効なことが、また、サイジング処理が寸法
精度の向上に有効なことが良く判る。

【００４８】次に、図２に示すようなオイルポンプ用ア
ウターロータ１、インナーロータ２を表２のＡ〜Ｏの粉
末材料を用いて本発明の方法で製造し、表４の組合わせ
にしてポンプケース３内に組込み、回転数：７０００ｒ
ｐｍ、温度：１５０℃、油圧：２０kg／cm²、運転時
間：５０時間の摺動条件での運転によるポンプ性能の評
価試験を行った。その結果を表４に併せて示す。

【００４９】

【表４】

【００５０】これから判るように、本発明のロータは高
温下での使用でも優れた性能を発揮する。

【００５１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の方法によれ
ば、急冷凝固Ａｌ合金粉末を材料合金の特性を維持しな
がら１回の熱間鍛造で強固に結合させ、その後のサイジ
ング処理で高精度に仕上げることができる。

【００５２】また、この方法で得られる本発明のオイル
ポンプ用ロータは粉末の結合が強固になり、かつ寸法精
度が高まると云う製造方法の効果と材料組成の改善によ
る効果（摩耗摺動特性並びに高温強度が高まり、熱膨張
率はポンプケース用Ａｌ合金に近づく）の双方が生かさ
れ、高温下で使用しても信頼性が低下しない。従って、
本発明によればＡｌ合金化を図った軽量のＡ／Ｔ用オイ
ルポンプを提供することが可能となり、自動車の燃費改
善や周辺部品の軽量化によるポンプ性能の更なる向上等
につながる。

【図面の簡単な説明】

【図１】表１の組成の合金のサイジング能及び固化体強
度と残存空孔率の関係を示すグラフ

【図２】本発明のポンプロータの一例を示す端面図

【符号の説明】

１アウターロータ２インナーロータ３ポンプケース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０４Ｃ 29/00 Ｄ 8608−3ＨＵ 8608−3Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【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７５〜９３％に予備成形し、次いで、
この予備成形体を不活性ガス雰囲気中３００℃以上、５
６０℃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２〜５％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アルミニウム合金製オイ
ルポンプ用ロータの製造方法。
【請求項２】Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ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％、Ｍ
ｎ：０．２〜１％を含有する溶体化時効硬化性アルミニ
ウム合金から成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を少なくとも一種
含むと共にその遷移元素の添加量は重量比でＦｅ：３〜
１０％、Ｎｉ：３〜１０％、Ｃｒ：２〜８％、合計で１
５％を越えない範囲にあり、さらに、分散強化粒子構成
元素としてＭｏ、Ｖ、Ｚｒ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
えない範囲含有し、なおかつ、Ｓｉ：５〜１７％を含有
する急冷凝固アルミニウム合金粉末を原料としてインナ
ー、アウターの両ロータを請求項１記載の方法で作って
ある内接歯車型のアルミニウム合金製オイルポンプ用ロ
ータ。