JPH08120367A - 耐摩耗性アルミニウム合金系複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】非焼付性、耐摩耗性などの摺動特性に優れた摺
動材料として強化繊維を加えたアルミニウム合金系複合
材料を提供する。 【構成】直径０．２〜１．２μｍ、長さ１０〜３０μｍ
の無機系ウイスカーを重量％で８５〜９５％と、長さ１
００〜３００μｍのアルミナファイバーを重量％で５〜
１５％からなるハイブリッド成形体を体積率で１０〜４
０％含み、マトリックスが重量％でＳｉ４〜１２％、残
部Ａｌからなり、前記Ｓｉの平均粒子径を５μｍ以下と
している。特に無機系ウイスカーをチタン酸カリウム及
び／又はほう酸アルミニウムとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は耐摩耗性に優れたアル
ミニウム合金系複合材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロータリーコンプレッサのロータやベー
ンなどはロータリシリンダ内を摺動回転運動を行なう。
このような摺動部材はこれらの高速化に伴って、軽量化
とともに摺動特性を高める必要がある。このような事情
から、Ａｌ系合金に強化繊維を強化材料として加えた複
合材料が種々開発され、この例として、下記の従来技術
１及び従来技術２などが知られている。

【０００３】従来技術１：特開平４ー３５０１３５号公
報に開示された発明は、ロータリーコンプレッサ用のベ
ーン部材とロータ部材などの摺動部材同士の組成の組合
せ構造に関する発明であって、第一の部材がほう酸アル
ミニウムウイスカとアルミナファイバのハイブリッド成
形体にアルミニウム合金を含浸したアルミニウム合金複
合材からなる摺動材料とされている。また、第二の部材
として穴あけ加工により軽量化された鋳鉄系材としてい
る。そして、この第一の部材では、ほう酸アルミニウム
ウイスカとアルミナファイバとの配合比を０．５〜２．
０とするとともに、含浸するアルミナ合金にはＳｉが２
０〜３０％含有されている。この構成によって、相手部
材の鋳鉄系材に対する攻撃性を緩和することができると
している。

【０００４】従来技術２：特開平４ー３５０１３６号公
報に開示された発明は、ほう酸アルミニウムウイスカと
アルミナファイバの割合が体積百分率で２０〜８０％か
らなる強化繊維にアルミニウム合金を含浸した摺動材料
の例が示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術１において
は、第一の部材がほう酸アルミニウムウイスカとアルミ
ナファイバからなるハイブリッド成形体からなり、アル
ミナファイバが３３〜６７％配合することによって、ハ
イブリッド成形体の成形性を確保している。しかし、ア
ルミナファイバは硬度が高いために、このハイブリット
成形体にアルミニウム系合金を含浸した摺動材料は、相
手材に対する攻撃性が高くなるという課題がある。ま
た、含浸するアルミニウム系合金にはＳｉを２０〜３０
％含有することによって、耐摩耗性及び低熱膨張性を確
保しているが、硬くて脆い粗大な初晶シリコン粒子が析
出して、靱性に欠けたものとなるという課題がある。ま
た、従来技術２においても、ハイブリッド成形体の中に
アルミナファイバが２０〜８０％含まれているために相
手材に対する攻撃性が高くなるという課題がある。

【０００６】このように従来のハイブリッド成形体で
は、その保形性を確保するためにアルミナファイバの配
合割合を高くしているために、このハイブリッド成形体
を使用した摺動材料では、非焼付性、耐摩耗性などの摺
動特性が未だ十分な性能を発揮するに至っていなかっ
た。そこで、この発明では、摺動材料として要求される
非焼付性、耐摩耗性などの摺動特性に優れたアルミニウ
ム合金系複合材料を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１の発明では、直径０．２〜１．２μ
ｍ、長さ１０〜３０μｍの無機系ウイスカーを重量％で
８５〜９５％と、長さ１００〜３００μｍのアルミナフ
ァイバーを重量％で５〜１５％からなるハイブリッド成
形体を体積率で１０〜４０％含み、マトリックスが重量
％でＳｉ４〜１２％、残部Ａｌからなり、前記Ｓｉの平
均粒子径が５μｍ以下としている。

【０００８】請求項２の発明では、請求項１において、
無機系ウイスカーがチタン酸カリウム及び／又はほう酸
アルミニウムとしている。請求項３の発明では、Ｃｕ
４．５％以下、Ｍｇ３％以下、Ｎｉ３％以下を含むこと
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の耐摩耗性アル
ミニウム合金系複合材料。

【０００９】

【作用】次にこの発明の構成を定めた理由について説明
する。 （１）マトリックス Ｓｉは耐摩耗性、耐クリープ性を向上させるとともに、
熱膨張率を低くする。８％未満では、特に耐摩耗性が十
分ではない。１４％を越えると脆い初晶シリコンが析出
して衝撃に対して弱くなる。このため、Ｓｉを４〜１２
％とする。Ｓｉの結晶粒子は５μｍ以上となるとマトリ
ックスが脆化するため、５μｍ以下とする。特に２〜４
μｍが望ましい。

【００１０】また、特にＣｕ、Ｍｇ、Ｎｉを添加するこ
とによってマトリックスを強化し、さらにＳｉの結晶粒
子が微細化されるために、これらを添加することが望ま
しい。添加量はＣｕ４．５％以下、Ｍｇ３％以下、Ｎｉ
３％以下とする。この理由として、Ｃｕはマトリックス
中に固溶し、マトリックスの強度を向上させる。また結
晶を微細化して、硬さ、引張り強度などの機械的強度、
耐摩耗性を高める。５％を越えると脆くなるばかりか、
鋳造性も悪くなるため、４．５％以下とする。Ｍｇはマ
トリックス中に固溶または金属間化合物（Ｍｇ₂Ｓｉ）
を析出する。これによって引張り強さ、硬度及び耐摩耗
性を向上する。０．１％未満ではこの効果が期待できな
い。また、３％を越えると鋳造性が悪くなるため、３％
以下とする。Ｎｉはマトリックスを強化し、耐摩耗性も
向上させる。これによって引張り強さ、硬度及び耐摩耗
性を向上する。また、３％を越えると鋳造性が悪くなる
ため、３％以下とする。

【００１１】（２）ハイブリッド成形体 無機系ウイスカーは、ほう酸アルミニウムウイスカー及
び／又はチタン酸カリウムウイスカーからなる。このほ
う酸アルミニウムウイスカー及び／又はチタン酸カリウ
ムウイスカーは、潤滑特性に優れており、特に相手材の
攻撃性が少ない。無機系ウイスカーは、直径１．２μｍ
以下、長さ３０μｍ以下とする。また、アルミナファイ
バーは、長さ１００〜３００μｍとして、このアルミナ
ファイバーの長い繊維と無機ウイスカーの短い繊維を混
合することによって、これらが絡み合って、保形性のあ
るハイブリッド成形体が形成される。このハイブリッド
成形体には無機系ウイスカーが８５〜９５％、アルミナ
ファイバーが５〜１５％の混合割合とする。アルミナフ
ァイバーが１５％を越えると、耐焼付性が劣化するとと
もに相手材へ攻撃性が高くなる。また、５％未満では、
ハイブリッド成形体の保形性が維持できなくなって、ア
ルミニウム溶湯を注ぎ込む際に、このハイブリッド成形
体がへたって、二層の材料となってしまい、アルミニウ
ム合金が含浸した複合材料が得られ難くなる。このハイ
ブリッド成形体を体積比で１０〜４０％とし、アルミニ
ウム系合金を６０〜９０％とした複合材料とする。ハイ
ブリッド成形体が１０％未満では、耐摩耗性及び保形性
が悪くなり、９０％を越えるともろくなる。特に１５〜
３０％が望ましい。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように、この請求項１の発
明では、直径０．２〜１．２μｍ、長さ１０〜３０μｍ
の無機系ウイスカーを重量％で８５〜９５％と、長さ１
００〜３００μｍのアルミナファイバーを重量％で５〜
１５％からなるハイブリッド成形体を体積率で１０〜４
０％含み、マトリックスが重量％でＳｉ４〜１２％、残
部Ａｌからなり、前記Ｓｉの平均粒子径が５μｍ以下と
することにより、耐焼付性及び耐摩耗性に優れるととも
に、特に相手材の攻撃性の少ないアルミニウム合金系複
合材料とすることができる。

【００１３】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、無機系ウイスカーとして特に優れるチタン酸カリ
ウム及び／又はほう酸アルミニウムとして、請求項１の
発明の効果を高めることができる。

【００１４】請求項３の発明では、請求項１又は請求項
２の発明において、マトリックス中にＣｕ４．５％以
下、Ｍｇ３％以下、Ｎｉ３％以下を含むことによって、
更に請求項１又は請求項２の発明の効果を高めることが
できる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。
この実施例及び比較例の試験材を得るために、まずハイ
ブリッド成形体を製作した。無機系ウイスカーとして
は、ほう酸アルミニウムウイスカとチタン酸カリウムウ
イスカーを選んだ。ほう酸アルミニウムウイスカ及びチ
タン酸カリウムウイスカーは、平均繊維径０．５μｍ、
平均繊維長さ２０μｍのものを使用した。また、アルミ
ナファイバーとしては、平均繊維径３μｍ、平均繊維長
さ２００μｍのものを使用した。また、バインダーとし
てアルミナゾル又はシリカゾルを用いた。これらを表１
に示す所定の配合割合になるように水溶液中に投入、攪
拌し、無機ウイスカーとアルミナファイバーを分散、混
合した。その後所定の体積率になるようサンクションポ
ンプにより金型内に吸引凝集し、さらにプレスにより体
積率を整えながら脱水した。これにより保形性が確保さ
れ、乾燥後に１１００゜Ｃで焼成して、ハイブリッド成
形体を作成した。

【００１６】このようにして作成したハイブリッド成形
体を２５０℃に予熱された金型内にセットした上で、表
１に示す成分からなるアルミニウム合金の溶湯をそれぞ
れ注入し、直ちに約１０００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で加
圧して円板状の鋳造体を得た。この鋳造体をＴ６処理
（溶体化５２０℃、人工時効１７０℃×７時間）して、
図１、図２に示す形状に機械加工によって成形し、両リ
ング溝間をリング形状の摺動面とする実施例１〜９及び
比較例１０〜１５の試験片１を得た。

【００１７】

【表１】

【００１８】次に、この実施例１〜９及び比較例１０〜
１５について、焼付試験を行った。焼付試験は、特開平
２ー８０８１３号公報にも記載されている鈴木式摩擦試
験機を使用し、焼付試験を表３及び表４に示す試験条件
で行なった。馴染み運転の後に静荷重を順次増加して、
この試料の背面温度が２００℃を越えるか又は摩擦力が
５０ｋｇｆ・ｃｍに達した時の荷重を焼付面圧とした。
この結果を表２に示す。

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】

【表４】

【００２２】この表２に示されるように、無機系ウイス
カーとしてほう酸アルミニウムウイスカーを用いて、こ
れを重量％で７５，７０％のハイブリッド成形体を用い
た比較例１１及び比較例１５では、６ＭＰａの焼付面圧
となって低い非焼付性を示した。一方実施例１〜実施例
９では、９ＭＰａ以上の焼付面圧となって高い耐焼付性
を示した。特に、実施例１及び実施例２では、１５ＭＰ
ａの焼付面圧と高い耐焼付性を示した。

【００２３】次に摩耗試験を表５に示す試験条件で行っ
た。

【００２４】

【表５】

【００２５】この結果を表２に示す。試験材及び相手材
摩耗量は、試験前と試験後の板厚の差により求めた。こ
の表２に示されるように、チタン酸カリウムウイスカー
を１００％とし、アルミナファイバーを混合していない
比較例１２では、試験材摩耗量が大きかった。また、マ
トリックス金属にＳｉが２％と低い比較例１４において
も試験材摩耗量が大きかった。

【００２６】相手材摩耗量としては、アルミナ短繊維が
２０％以上含まれているハイブリッド成形体の比較例１
０、比較例１１及び比較例１５では、硬いアルミナファ
イバーの混合％が高いために、その摩耗量が大きくなっ
たものと思われる。また、マトリックス金属中にＳｉが
１７％含まれている比較例１３では、初晶シリコンによ
って平均Ｓｉ粒子径が８μｍと粗大化しており、この粗
大なＳｉ粒子によって相手材摩耗量が大きくなったもの
と思われる。この表２に示される焼付試験、及び摩耗試
験の結果から、実施例１〜実施例９のいずれにおいて
も、耐焼付性・耐摩耗性のいずれも良好であることが示
された。

【図面の簡単な説明】

【図１】試験片の平面図である。

【図２】Ａ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１…試験片

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 善昭 名古屋市北区猿投町２番地 大同メタル工 業株式会社内 (72)発明者 加藤 鋭次 名古屋市名東区猪高町大字高針字原10ー36

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直径０．２〜１．２μｍ、長さ１０〜３
   ０μｍの無機系ウイスカーを重量％で８５〜９５％と、
   長さ１００〜３００μｍのアルミナファイバーを重量％
   で５〜１５％からなるハイブリッド成形体を体積率で１
   ０〜４０％含み、マトリックスが重量％でＳｉ４〜１２
   ％、残部Ａｌからなり、前記Ｓｉの平均粒子径が５μｍ
   以下である耐摩耗性アルミニウム合金系複合材料。
2. 【請求項２】 無機系ウイスカーが、チタン酸カリウム
   及び／又はほう酸アルミニウムであ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系複合材料。
3. 【請求項３】 Ｃｕ４．５％以下、Ｍｇ３％以下、Ｎｉ
   ３％以下を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２
   記載の耐摩耗性アルミニウム合金系複合材料。