JPH0543962A

JPH0543962A - アルミニウム複合材料

Info

Publication number: JPH0543962A
Application number: JP20053191A
Authority: JP
Inventors: Teiichi Usami; 禎一宇佐見; Shigeru Mikubo; 滋三久保
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1993-02-23

Abstract

(57)【要約】【目的】現行鋳鉄やハイス鋼レベルの低い熱膨張係数
を有し、しかも高い摩擦摩耗特性を示す軽量の摺動部材
用アルミニウム複合材料を提供する。【構成】例えば体積率２０％以上のＡl₂Ｏ₃又はＡl₂
Ｏ₃・ＳiＯ₂短繊維に対して体積率１０〜２０％のＳi粒
子を加えて形成した繊維成形体に、Ｓi含有量が所定重
量比のＡl基合金溶湯を含浸させ複合化することによ
り、上記目的を達成し得る摺動部材用アルミニウム複合
材料を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、例えばロータリーコ
ンプレッサ用のベーン(ブレード)部材やロータ部材など
の摺動部材に適したアルミニウム複合材料の組成構造に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば空気調和機に使用されるロータリ
ーコンプレッサは、ロータリーシリンダ、該ロータリー
シリンダ内に偏心回転可能に支持されたロータ、上記ロ
ータリーシリンダの内周面側のベーン溝内に摺動可能に
嵌挿されているとともに常時上記ロータ面に摺接するベ
ーン、上記シリンダ両側のフロントヘッド及びリアヘッ
ド等により構成されている。そして、駆動用モータが回
転すると、カムシャフト部のカムの回転により上記ロー
タは上記シリンダ内を偏心回転し、それによって冷媒ガ
スが吸入口より上記シリンダ内に流入し圧縮されて吐出
口より吐出される。この時、上記ベーンは、上記ロータ
の偏心回転に応じて当該ロータの半径方向に相当な速度
で往復摺動(出没)運動を行う。ところで、上記のロータやベーンのような摺動部材は、
従来一般には耐摩耗性や熱膨張係数の点から鋼や鋳鉄に
よって形成されていた。しかし、最近では上記のような
空気調和機用のロータリーコンプレッサにおいてはイン
バータ方式の位相制御が主流化して来たために高速回転
化が不可避の要求となっている。

【０００３】ところが、上記鋼や鋳鉄は当然ながら比重
が高く質量が大である。そのために、ロータ軸受部の負
荷も大きく、またクランク軸の振れ幅も大きい。従っ
て、上記モータ部に於ける回転子と固定子の接触等の問
題も生じるようになり、一定レベル以上の高速回転には
対応することができない欠点がある。

【０００４】また、ベーンに関しても、所定値以上の高
速回転になると慣性力が増大して往復動がロータの回転
に追従できなくなり、シール性が損なわれてガス漏れを
招く問題がある。

【０００５】このような事情から、上記ロータやベーン
等の摺動部材を軽量で比較的耐摩耗性も高いアルミニウ
ム合金で製作することが検討されている。

【０００６】しかし、アルミニウム合金単体の場合に
は、熱膨張係数が鉄の約２倍であり、従って他の鉄製部
品とのクリアランスの変動が大きくなりすぎることや耐
摩耗性が十分でないなどの点で問題があり、そのままで
は実用化することができない。

【０００７】そこで、新たに耐摩耗性の向上、熱膨張係
数の低減を目的として種々の強化材料とマトリクスした
アルミニウム複合材料が考え出されている。例えばＳi
Ｃウィスカーとアルミニウム合金による複合材料(特開
昭６３ー２３０９８３号公報参照)がそれである。

【０００８】しかし、上記ＳiＣウィスカーとアルミニウ
ム合金による複合材料では、熱膨張係数は十分に低減さ
れるが、耐摩耗性の点では以下のような問題がある。すなわち、上記ＳiＣウィスカーは、アルミニウム合金
等の金属と複合化とすると、強度や硬度を著しく向上さ
せる特徴を有しているが、他面Ａl₂Ｏ₃(アルミナ)短繊
維等のセラミック系繊維と比較すると粒子構造が微細で
あるため、その摺動面に現れているＳiＣウィスカーが
マトリックスから脱落しやすい傾向がある。そしてＳi
Ｃウィスカーが脱落すると、その摺動面で逆に研磨材の
ような作用をするために当該摺動部の摩耗量が増大する
傾向を示すようになる。

【０００９】一方、例えば特開昭６２ー３０８３８号公
報に示されているように、Ａl₂Ｏ₃、Ｓi₃Ｎ₄、ＳiＣ、
ＢＮ等のセラミック系粒子を強化材として混入したアル
ミニウム複合材料も提案されているが、上記の場合と同
様に摺動面からのセラミック粒子の脱落の欠点があり、
耐摩耗性の確保という点ではやはり問題がある。

【００１０】そこで、最近では更に上記の問題を解決す
るものとして、例えば体積率２０％以上のＡl₂Ｏ₃又は
Ａl₂Ｏ₃ーＳiＯ₂短繊維成形体を強化材とし、これに耐
摩耗性に優れたＳi含有量が重量比２０％以上のＡl基合
金溶湯よりなるマトリックス素材を所定の加圧状態下に
おいて含浸凝固させて形成したアルミニウム複合材料が
ある。

【００１１】セラミック繊維の一種であるＡl₂Ｏ₃(アル
ミナ)やＡl₂Ｏ₃ーＳiＯ₂(アルミナ・シリカ)短繊維は、
マトリックス素材の硬度を高め同素材構成粒子の脱落を
効果的に防止する機能を有しており、後に詳述するよう
に本来的に体積率２０％以上の場合が同機能を最も有効
に発揮する。またマトリックス素材は、Ｓi含有量が例
えば２０％以上の場合が最も耐摩耗度が高い。

【００１２】従って、上記範囲のＡl₂Ｏ₃又はＡl₂Ｏ₃ー
ＳiＯ₂短繊維成形体に上記耐摩耗性に優れた例えばＳi
含有量が重量比２０％以上のＡl基合金溶湯を含浸させ
て凝固させた摺動部材では、低い熱膨張係数と極めて高
い耐摩耗性とを共に呈示するようになる。

【００１３】また中でも、特にセラミック系短繊維とし
てＡl₂Ｏ₃ーＳiＯ₂(アルミナ・シリカ)短繊維成形体を
選択して構成されたものでは、ＳiＯ₂(シリカ)の付加に
よってＡl₂Ｏ₃(アルミナ)の場合よりも更に熱膨張係数
を低くすることが可能となる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技
術の構成において、アルミナ短繊維又はアルミナ・シリ
カ短繊維の体積率を高くすればするほど熱膨張係数は低
下する。

【００１５】しかし、アルミナ短繊維又はアルミナ・シ
リカ短繊維の体積率が３０％を超えるようになると、製
造技術上の理由から成形体内へのアルミニウム合金の加
圧含浸が困難となる。そのために、熱膨張係数の低減に
も限界があり、上記従来技術によるアルミニウム複合材
料では摺動部材としては未だ熱膨張係数が若干高すぎる
問題がある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１および２
記載の各発明は、共に上記従来技術上の問題を解決する
ことを共通の目的としてなされたものであり、各々次の
ような技術的課題解決手段を備えて構成されている。

【００１７】(１) 請求項１記載の発明のアルミニウム
複合材料該請求項１記載のアルミニウム複合材料は、体積率２０
％以上のＡl₂Ｏ₃短繊維に対して体積率１０〜２０％の
Ｓi粒子を加えて形成した繊維成形体に、Ｓi含有量が所
定重量比のＡl基合金溶湯を含浸させて形成されてい
る。

【００１８】(２) 請求項２記載の発明のアルミニウム
複合材料該請求項２記載の発明のアルミニウム複合材料は、体積
率２０％以上のＡl₂Ｏ₃−ＳiＯ₂短繊維に対して体積率
１０〜２０％のＳi粒子を加えて形成した繊維成形体
に、Ｓi含有量が所定重量比のＡl基合金溶湯を含浸させ
て構成されている。

【００１９】

【作用】本願の請求項１および２記載の発明のアルミニ
ウム複合材料は、各々以上のように構成されている結
果、当該各構成に対応して次のような作用を奏する。

【００２０】(１) 請求項１記載の発明のアルミニウム
複合材料の作用上記請求項１記載の発明のアルミニウム複合材料では、
体積率２０％以上のＡl₂Ｏ₃短繊維に対し体積率１０〜
２０％の耐摩耗性に優れたＳi粒子を混合して繊維成形
体を形成し、該成形体にＳi含有量が所定重量比のＡl基
合金溶湯よりなるマトリックス素材を例えば所定の加圧
状態下において含浸させた上で凝固させることにより構
成されている。

【００２１】セラミック系繊維の一種であるＡl₂Ｏ₃(ア
ルミナ)短繊維は、マトリックス素材の硬度を高め同素
材構成粒子の脱落を効果的に防止する機能を有してお
り、本来的に体積率２０％以上の場合が同機能を最も有
効に発揮する。またマトリックス素材は、Ｓi含有量が
高いものの場合の方が耐摩耗度が高い。

【００２２】従って、上記構成のＳi粒子を混合したＡl
₂Ｏ₃短繊維成形体に更に耐摩耗性に優れたＳiを所定量
含有したＡl基合金溶湯を含浸凝固させて形成したアル
ミニウム複合材料の摺動部材では、十分に低い熱膨張係
数と極めて高い耐摩耗性を呈示するようになる。

【００２３】(２) 請求項２記載の発明のアルミニウム
複合材料の作用上記請求項２記載の発明のアルミニウム複合材料では、
体積率２０％以上のＡl₂Ｏ₃ーＳiＯ₂短繊維に対し体積
率１０〜２０％の耐摩耗性に優れたＳi粒子を混合して
繊維成形体を形成し、該成形体にＳi含有量が所定重量
比のＡl基合金溶湯よりなるマトリックス素材を例えば
所定の加圧状態下において含浸させた上で凝固させるこ
とにより構成されている。

【００２４】セラミック系繊維の一種であるＡl₂Ｏ₃ー
ＳiＯ₂(アルミナ・シリカ)短繊維は、マトリックス素材
の硬度を高め同素材構成粒子の脱落を効果的に防止する
機能を有しており、本来的に体積率２０％以上の場合が
同機能を最も有効に発揮する。またマトリックス素材
は、Ｓi含有量が高いものの場合の方が耐摩耗度が高
い。

【００２５】従って、上記構成のＳi粒子を混合したＡl
₂Ｏ₃ーＳiＯ₂短繊維成形体に更に耐摩耗性に優れたＳi
を所定量含有したＡl基合金溶湯を含浸凝固させて形成
したアルミニウム複合材料の摺動部材では、十分に低い
熱膨張係数と極めて高い耐摩耗性を呈示するようにな
る。

【００２６】また該請求項２記載の発明のアルミニウム
複合材料では、セラミック系繊維として特にＡl₂Ｏ₃ー
ＳiＯ₂(アルミナ・シリカ)短繊維を選択して構成してお
り、ＳiＯ₂(シリカ)粒子の付加によって更に熱膨張係数
を低くすることが可能となっている。

【００２７】

【発明の効果】従って、本願発明のアルミニウム複合材
料によると、軽量で熱膨張係数が低くしかも耐摩耗性の
高いロータリコンプレッサ用等高速回転に適した摺動部
材を提供することができるようになる。

【００２８】従って、仮に空気調和機用のロータリコン
プレッサのロータ部材やベーン部材等の摺動部材に適用
したとしても高速回転が可能で安定したクリアランスを
維持することができるようになり、従来の欠点を確実に
解消することができる。

【００２９】

【実施例】以下、本願発明の実施例について詳細に説明
する。

【００３０】(１) 第１実施例(請求項２記載の発明に
対応) 本実施例においては、母材として例えば体積率２０％以
上の範囲内にある同体積率が２０％のセラミック系Ａl₂
Ｏ₃(アルミナ)短繊維を採用し、該Ａl₂Ｏ₃短繊維に対し
体積率１５％と２０％のＳi粒子を混合してＳi粒子の混
合量を異にする２組の繊維成形体を形成する。そして、
該２組の成形体を各々所定の金型内にセットして予熱し
た後、それぞれに下記(表１),(表２)に示すＳi含有量を
異にする２種類のマトリクス素材である第１、第２のア
ルミ基合金ＡlーＳi−Ｃu−Ｍg−Ｎi溶湯を注入し、例
えばプランジャによる１t／cm²程度の加圧状態下におい
て十分に含浸させた上で凝固させることによって合計４
種(Ｂ,Ｃ,Ｅ,Ｆ・・・・下記の表３参照)のロータ又は
ベーン等のロータリコンプレッサ用の摺動部材を製造
(鋳造)した。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】そして、このようにして製造した４組の摺
動部材のテストピース(サンプル)を「ＪＩＳ．Ｔ６」に基
く加熱冷却処理(５００℃で４時間加熱した後水で急冷
却し、再び２００℃で４時間加熱)して元素成分を折出
固溶させ、適度な粒子構造とした後に例えば図４に示す
ピンオンディスク式摩擦摩耗試験機にかけて各々摩耗テ
ストを行った。なお、図４において、符号１は固定側の
第１ディスク、同２は回転駆動側の第２ディスク、同３
a,３b,３c(３cは見えないため図示省略)は第１ディスク
１側に固定された３本のテストピースを各々示してい
る。そして、上記テストピース３a,３b,３cと第２ディ
スク２とが相対的に摺動して、当該テストピース３a,３
b,３cの第２ディスク２素材に対する摩耗量が測定され
る。該摩耗テストは、下記の(表３)に示す如く本願発明
実施例の上記４種の材料(テストピース材料)を(Ｂ),
(Ｃ),(Ｅ),(Ｅ)とし、一方その比較材料として、同じく
下記の(表３)に示すようなロータリコンプレッサのベー
ンに一般的に使用されているハードナブル鋳鉄Ｂ₂(Ｇ)
や上記表(１)の組成のＪＩＳーＣ９Ａ高ケイ素アルミニ
ウム合金にＣuを混入したもの(Ｈ)、ＪＩＳーＣ８Ａア
ルミニウム合金単体(Ｉ)、さらに本件出願人によって既
に開発されているＪＩＳ−Ｃ９Ａのアルミニウム合金に
Ｃuを混入したものとアルミナ・シリカ短繊維(体積率３
０％)とを複合化した第１のアルミ複合材(Ａ)、上記(表
２)のＪＩＳ−Ｃ８Ａアルミニウム合金とアルミナ・シ
リカ短繊維(体積率３０％)とを複合化した第２のアルミ
ニウム合金(Ｄ)の５種を選んだ。

【００３４】

【表３】

【００３５】また、相手方(第２ディスク２)の材料とし
ては、ロータ材として一般的なＭo−Ｎi−Ｃr鋳鉄を使
用した。

【００３６】そしてテストは、すべり速度１m／sec、面
圧荷重Ｆ＝６４５Ｋg／cm²、雰囲気:スニソ４ＧＳ油中
７０℃、摺動距離:3.6,14.4,25,2(km)の条件で行った。

【００３７】その結果は、例えば図１に示されているよ
うに、先ず本発明実施例の複合材料(Ｂ),(Ｃ)は上記い
ずれの比較材料(Ａ),(Ｄ),(Ｇ),(Ｈ),(Ｉ)よりも優れた
耐摩耗性を示している。

【００３８】一方、本発明実施例の複合材料の中でもマ
トリクス材としてＳi含有量の少ないＪＩＳ−Ｃ８Ａア
ルミニウム合金(表２のもの)単体を使用したもの(Ｅ),
(Ｆ)では、例えＡl₂Ｏ₃ーＳiＯ₂短繊維で強化されてい
てもマトリックス素材であるアルミニウム合金中のＳi
量が11.6％程度(２０％未満)であれば十分な耐摩耗性が
得られないことがわかる。従って、少なくとも上記アル
ミ合金マトリックス中のＳi量は、少なくとも２０％〜
２５％は必要である。

【００３９】今、例えば該アルミニウム合金中のＳi含
有量と摩耗体積量との関係を、上記強化材Ａl₂Ｏ₃−Ｓi
Ｏ₂の体積率Ｖfが２０％と２７％の２つの場合を例にと
って上記の実験結果に基いてグラフ化して見ると図２の
ようになる。

【００４０】つまり、この図２の実験データから明らか
なように上記体積率２７％のアルミナ・シリカ強化材Ｖ
Ｆ２７の場合でもマトリックス合金中のＳi量が２０％
〜２５％でないと目標とする現行材料(鋳鉄)レベルの耐
摩耗性(摩耗体積１〜５)は得られない。

【００４１】次に、(表４)に上記各材料(Ａ)〜(Ｉ)の５
０℃〜２００℃の温度範囲における熱膨張係数の測定結
果を示す。

【００４２】

【表４】

【００４３】また、同熱膨張係数と強化材であるＡl₂Ｏ
₃−ＳiＯ₂短繊維成形体中のＳi粒子体積率(Ｗt％)との
関係を図３に示す。

【００４４】この場合、目標とする熱膨張係数の基準値
は、例えば現行鋳鉄レベルの10.8／10⁶・℃〜13.8／10⁶
・℃の範囲である。

【００４５】そこで、上記(表４)の測定結果を見ると、
ＪＩＳーＣ８Ａアルミニウム合金(Ｉ)やＪＩＳ−Ｃ９Ａ
＋Ｃuのアルミニウム合金(Ｈ)では熱膨張係数は20.3／1
0⁶・℃、18.0／10⁶・℃と現行鋳鉄レベル(Ｇ)に比べて
かなり大きい値であるが、本発明実施例のアルミニウム
複合材料(Ｂ),(Ｃ),(Ｅ),(Ｆ)では何れも現行鋳鉄材料
(Ｇ)と略同等の値を示していることが明らかである。これは、上述のように体積率２０％のＡl₂Ｏ₃・ＳiＯ₂
短繊維に更に体積率１０％〜２０％のＳi粒子が均一に
混合される結果、強化材自体が高Ｓi状態のものにな
り、実質的にマトリクス材側のＳi含有量を増加させた
のと同様に作用するものと考えられる。

【００４６】(２) 第２実施例(請求項１記載の発明に
対応) 本実施例では、例えば上記第１実施例のＡl₂Ｏ₃ーＳiＯ
₂(アルミナ・シリカ)と同じく体積率２０％以上の範囲
内である体積率２０％のＡl₂Ｏ₂(アルミナ)短繊維に体
積率１０％〜２０％のＳi粒子を加えて繊維成形体を形
成し、該繊維成形体を所定の鋳造用金型内にセットして
予熱した後、上記第１実施例と同じ上記の(表１),(表
２)に示す組成の２種のアルミニウム合金溶湯を注入
し、プランジャーにより約１t／cm²の圧力を加えてロー
タリコンプレッサ用のロータ又はベーン等の摺動部材を
製造(鋳造)した。

【００４７】そして、このサンプルを第１実施例同様
「ＪＩＳ・Ｔ６」に基いて加熱・冷却処理(５００℃×４
時間→水冷→２００℃×４時間)した後、上記第１実施
例同様の摺動部材を得た。

【００４８】Ａl₂Ｏ₃(アルミナ)は、セラミック系繊維
として上記Ａl₂Ｏ₃ーＳiＯ₂(アルミナ・シリカ)に比較
して熱膨張係数低減の点で若干劣る以外は殆んど同様の
性質を有している。従って、該第２実施例のものでも上
記第１実施例の摺動部材とほぼ等しい耐摩耗性を実現す
ることができる。

【００４９】一般に、マトリックス素材中の繊維や粒子
はサイズが大きいほど脱落するために必要な塑性変形量
が大きくなり、そのために脱落しにくいと考えられる。
上記本発明のようにセラミック系の繊維としてＡl₂Ｏ
₃(アルミナ)又はＡl₂Ｏ₃ーＳiＯ₂(アルミナーシリカ)短
繊維を用いると、これらの繊維がマトリックス素材その
ものの硬度を向上させ、また上述の如く構成粒子を脱落
させにくくすることから耐摩耗性が著しく向上するよう
になる。そしてＡl₂Ｏ₃又はＡl₂Ｏ₃ーＳiＯ₂短繊維成形
体の体積率は、上記実験結果からも明らかな通り２０〜
３０％の範囲が望ましい。これは例えば仮に上記耐摩耗
性にとっては十分なＳi量２０％以上のマトリックス合
金を含浸させた場合であっても、セラミック系繊維の体
積率が２０％以下では耐摩耗性の向上、熱膨張係数の低
減が不十分であり、一方３０％以上になると製造上の理
由から成形体への加圧含浸が困難となることによる。

【００５０】つまり、マトリックス素材であるアルミニ
ウム系合金としては上述の如く低熱膨張係数、耐摩耗性
の点からＳi;２０〜２５％であることが望ましく、また
他の成分としてはＣu;2.0〜5.0％、Ｍg;0.5〜2.0％、Ｎ
i;0.1〜1.5％の組成であることが望ましい。Ｓiが２０
％以下になるとＡl₂Ｏ₃又はＡl₂Ｏ₃ーＳiＯ₂短繊維の成
形体と複合化しても要求される耐摩耗性や低熱膨張係数
を得ることが難しくなる。また、Ｓiが２５％を越える
と(例えば３０％になると)ＡlーＳi合金の融点が高くな
るために一般に製造条件、金型寿命、炉寿命等に問題が
生じ易くなり、特種な装置が必要となる。

【００５１】ただし、この場合における上記融点限界
(Ｓi＝２５％)および含浸限界(Ｖf＝３０％)は、共に汎
用的な製造工程下に於けるものとして表しており、特種
な製造装置を構成したり、例えば加圧度を高めるなどの
特別な製造方法を採用すると上記各限界値が或る程度上
昇することはもちろんである。さらに上記マトリックス成分中のＣu及びＭgはマトリッ
クスの強度向上を目的としており、マトリックスの強度
を向上させることにより繊維の脱落を減少させることが
出来るメリットがある。

【００５２】またＣuは２〜５％が望ましく、２％以下
では効果が少なく、一方５％を越えても、その結果に大
きな変化が見られない。ＭgもＣuと同様の理由により0.
5〜２％が望ましい。Ｎiはマトリックスの結晶粒の微細
化による強度向上を目的としており、例えば0.1〜1.5％
が適当である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、図４に示す摩擦摩耗試験機の下におけ
る各材料の摩耗量測定値を対比して示すグラフである。

【図２】図２は、本願発明の第１実施例におけるアルミ
ニウム複合材料のマトリクス成分中のＳi量が耐摩耗性
に与える影響度を表した実験データグラフである。

【図３】図３は、同実施例におけるＳi粒子の体積率と
熱膨張係数との関係を示した実験データグラフである。

【図４】図４は、同実施例において使用される摩擦摩耗
試験機の構成を示す斜視図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】体積率２０％以上のＡl₂Ｏ₃短繊維に対
して体積率１０〜２０％のＳi粒子を加えて形成した繊
維成形体に、Ｓi含有量が所定重量比のＡl基合金溶湯を
含浸させてなるアルミニウム複合材料。
【請求項２】体積率２０％以上のＡl₂Ｏ₃−ＳiＯ₂短
繊維に対して体積率１０〜２０％のＳi粒子を加えて形
成した繊維成形体に、Ｓi含有量が所定重量比のＡl基合
金溶湯を含浸させてなるアルミニウム複合材料。