JPH08333645A

JPH08333645A - 耐凝着性に優れたＡｌ基複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH08333645A
Application number: JP13974095A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Nukami; 哲也額見; Tetsuya Suganuma; 徹哉菅沼; Yukio Okochi; 幸男大河内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1995-06-06
Publication date: 1996-12-17
Also published as: EP0747494A1; DE69619731T3; EP0747494B2; DE69619731D1; DE69619731T2; EP0747494B1

Abstract

(57)【要約】【目的】耐凝着性に優れたＡｌ基複合材料及びその製造
方法を提供する。【構成】アルミ系のピストン５は、ピストン本体５０
と、リング溝５２を形成する強化部５１とからなる。強
化部５１はＡｌ基複合材料で構成されている。つまり強
化部５１は、平均粒径１０μｍの初晶のＳｉ粒子をもつ
アトマイズ粉末を圧縮して形成した非焼結体である粉末
成形体に、ピストン本体５０を形成するＡｌ系溶湯（Ａ
Ｃ８Ａ）を含浸して凝固させて形成されている。粉末成
形体にＦｅ−Ｃｒ粉末粒子を添加することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐凝着性に優れたＡｌ基
複合材料及びその製造方法に関する。本発明は、Ａｌ基
複合材料で形成した強化部を少なくとも一部に備えたＡ
ｌ基部材に利用できる。本発明は、例えば摺動材料、具
体的にはエンジンに使用されるピストンのうち摺動条件
が厳しいピストンリング溝を備えた耐摩環部分に利用で
きる。

【０００２】

【従来の技術】エンジンに使用されるピストンを例にと
って、Ａｌ基複合材料の従来技術について説明する。近
年、エンジンは高性能化しており、ピストン温度の上昇
は不可避である。そのためピストンにＡｌ基複合材料を
利用する技術の開発が進められている。

【０００３】刊行物『鉄と鋼』（鉄鋼協会１９８９年
第９月号３７６頁）には、ピストンのうちピストン
リングを保持するリング溝を形成する耐摩環部分をＡｌ
基複合材料で作製する技術が開示されている。この技術
によれば、強化材としてチタン酸ウィスカ、炭素繊維、
アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、ＮｉＡｌ₃粒子
を用い、この強化材に高圧鋳造でＡｌ系合金（ＪＩＳ
ＡＣ８Ａ）を含浸させ、耐摩環部分を形成することにし
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したＡｌ基複合材
料で形成した耐摩環部分によれば、従来から使用されて
いるニレジスト鋳鉄製の耐摩環部分よりも軽量でかつ耐
凝着性を向上できる。しかし近年のエンジンの高性能化
に伴い、更なる耐凝着性の向上が期待されている。

【０００５】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、Ａｌ系マトリックスの分断性を高め、耐凝着性
を一層向上させることができ、これにより耐凝着性に優
れ、摺動条件が厳しい摺動部材などに用いるのに適する
Ａｌ基複合材料、及びその製造方法を提供することを課
題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者はＡｌ基複合材
料について鋭意開発を進めた。そして、Ａｌ系マトリッ
クスの連続性をＳｉ粒子等によって細かく分断すれば、
Ａｌ系マトリックスの連続性が抑えられ、Ａｌ成分が相
手側に移着することを効果的に抑制でき、Ａｌ基複合材
料における耐凝着性が向上することを見出し、この点に
着目して本発明を完成したものである。

【０００７】即ち、請求項１に係る耐凝着性に優れたＡ
ｌ基複合材料は、平均粒径２０μｍ以下の初晶のＳｉ粒
子と共晶のＳｉ粒子とを含むＡｌ系マトリックスを備
え、Ｓｉ粒子は２０〜３６体積％であることを特徴とす
るものである。請求項２に係る耐凝着性に優れたＡｌ基
複合材料は、平均粒径３〜１０μｍの第１のＳｉ粒子と
１μｍ以下の共晶Ｓｉからなる第２のＳｉ粒子と平均粒
径２０〜６０μｍの第３のＳｉ粒子とを含むＡｌ系マト
リックスを備え、第１と第２のＳｉ粒子は合計で２０〜
４０体積％、第３のＳｉ粒子は１〜６体積％であること
を特徴とするものである。

【０００８】請求項３に係る耐凝着性に優れたＡｌ基複
合材料は、初晶のＳｉ粒子と共晶のＳｉ粒子とを含むＡ
ｌ系マトリックスと、Ａｌ系マトリックスに分散したＦ
ｅ系合金微細片とを備え、Ｓｉ粒子及びＦｅ系合金微細
片は合計で２０〜７４体積％であることを特徴とするも
のである。

【０００９】請求項４に係る耐凝着性に優れたＡｌ基複
合材料は、初晶のＳｉ粒子と共晶のＳｉ粒子とを含むＡ
ｌ系マトリックスと、Ａｌ系マトリックスに分散したＦ
ｅ系合金微細片及びセラミックス粒子とを備え、Ｓｉ粒
子、Ｆｅ系合金微細片及びセラミックス粒子が合計で２
５〜７３体積％であり、且つ、セラミックス粒子が２〜
１０体積％であることを特徴とするものである。

【００１０】請求項５に係る耐凝着性に優れたＡｌ基複
合材料は、請求項３または４において、Ｆｅ系合金微細
片は硬度がＨｖ２５０以上であることを特徴とするもの
である。請求項６に係る耐凝着性に優れたＡｌ基複合材
料は、請求項１、３または４ににおいて、初晶のＳｉ粒
子は平均粒径３〜１０μｍであることを特徴とするもの
である。

【００１１】請求項７に係る耐凝着性に優れたＡｌ基複
合材料の製造方法は、Ｓｉ粒子を含むＡｌ系粉末粒子の
集合体で成形した気孔をもつ粉末成形体を用い、粉末成
形体を成形型のキャビティに配置し、成形型のキャビテ
ィにＡｌ系溶湯を供給して、粉末成形体の気孔にＡｌ系
溶湯を高圧鋳造で含浸して凝固させる様にしたことを特
徴とするものである。

【００１２】

【作用】請求項１によれば、Ａｌ系マトリックス中に含
まれている初晶のＳｉ粒子は、平均粒径２０μｍ以下と
微小であり、且つＳｉ粒子は２０〜３６体積％と多量に
含まれているため、Ａｌ系マトリックスの連続性をＳｉ
粒子によって分断する分断性が向上する。従って、摺動
条件が厳しい場合であっても、Ａｌ系マトリックスのＡ
ｌ成分が相手側に移着することが効果的に抑制され、耐
凝着性が向上する。

【００１３】更にＳｉ粒子はＡｌマトリックスにおける
敷石作用も奏するため、耐摩耗性も確保される。Ｓｉ粒
子は、一般的にはＡｌ−Ｓｉ系溶湯が凝固する際に晶出
した初晶のＳｉ粒子および共晶のＳｉ粒子である。請求
項２によれば、粒径が異なる微小の第１のＳｉ粒子、第
２のＳｉ粒子及び第３のＳｉ粒子が含まれているため、
Ｓｉ粒子によるＡｌ系マトリックスの分断性が一層向上
する。従ってＡｌ系マトリックスのＡｌ成分が相手部材
に移着することが効果的に抑制され、耐凝着性が向上す
る。一般的には、粒径が微小の第１のＳｉ粒子および粒
径が極く微小の第２のＳｉ粒子は、粉末成形体を構成す
る粉末粒子における晶出現象から供給できる。第１のＳ
ｉ粒子よりも粒径が大きな第３のＳｉ粒子は、粉末成形
体に含浸するＡｌ系溶湯における晶出現象から供給でき
る。

【００１４】請求項２によればそれぞれのＳｉ粒子の割
合はＡｌ基複合材料の種類に応じて変更でき、例えば、
第１のＳｉ粒子と第２のＳｉ粒子は上限値が３５体積
％、３０体積％にでき、下限値が２３体積％、２７体積
％にできる。第３のＳｉ粒子は上限値が１８体積％、１
５体積％にでき、下限値が７体積％、１０体積％にでき
る。

【００１５】請求項３によれば、Ｓｉ粒子のみでなくＦ
ｅ系合金微細片を加えたので、Ｓｉ粒子によるＡｌ系マ
トリックスの分断性が一層確保され、耐凝着性が向上す
る。Ｓｉ粒子のみでなくＦｅ系合金微細片についても、
Ａｌマトリックスにおける敷石作用を期待でき、耐摩耗
性が向上する。Ｆｅ系合金微細片としては粒子や繊維等
の形態がある。Ｆｅ系合金微細片が粒子形態の場合に
は、平均粒径は１０〜８０μｍにできる。Ｆｅ系合金微
細片の組成としては、後述する実施例で例示する様に、
Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｍｏ系、ステンレス鋼（ＳＵＳ）
系等を採用できる。Ｆｅ系合金微細片には、炭化物生成
元素としての炭素が含まれていても良い。

【００１６】請求項４によれば、Ｓｉ粒子のみでなくＦ
ｅ系合金微細片やセラミックス粒子を加えたので、Ａｌ
系マトリックスの分断性が一層確保され、凝着性が向上
する。Ｆｅ系合金微細片やセラミックス粒子の硬度もＡ
ｌ系マトリックスに比較して高いので、敷石作用を期待
でき耐摩耗性を確保できる。セラミックス粒子としては
酸化物系、窒化物系、炭化物系等を採用できる。なおセ
ラミックス粒子の平均粒径は１〜８０μｍ、特に３〜５
０μｍにできる。

【００１７】請求項５によれば、Ｈｖ２５０以上のＦｅ
系合金微細片を用いるので、耐摩耗性の確保に有利であ
る。Ａｌ基複合材料の使用条件等に応じて、Ｆｅ系合金
微細片としてはＨｖ３００以上、Ｈｖ４００以上、Ｈｖ
５００以上、Ｈｖ６００以上、Ｈｖ７００以上のものを
採用できる。請求項６によれば、平均粒径３〜１０μｍ
の微小な初晶のＳｉ粒子を用いるので、Ｓｉ粒子による
Ａｌ系マトリックスの分断性が確保され易く、耐凝着性
が向上する。

【００１８】ところでＡｌ系粉末粒子は表面に酸化膜が
存在し易い。Ａｌ系粉末粒子同士を一体的に結合する場
合には、Ａｌ系粉末粒子の表面に存在する酸化膜が悪影
響を与える。この点請求項７によれば、粉末成形体を構
成するＡｌ系粉末粒子の表面に酸化膜が存在する場合で
あっても、粒子表面における酸化膜の残留を軽減、回避
し易い。酸化膜が高圧鋳造時の圧力により破壊されるも
のと推察される。故に、高圧鋳造で粉末成形体に含浸さ
れたＡｌ系溶湯の凝固部分と、粉末成形体を構成するＡ
ｌ系粉末粒子との境界に酸化膜が存在することは抑制ま
たは回避される。故に高圧鋳造した後には、後述する図
２に例示した様に、境界がないか或いは少ないマトリッ
クス組織が得られる。高圧鋳造の際の圧力としては５０
０気圧〜１５００気圧程度にできる。なお請求項７の方
法により、請求項１〜６のＡｌ基複合材料を形成でき
る。

【００１９】

【実施例】

（実施例１）実施例１では、Ａｌ−３８ｗｔ％Ｓｉの組
成をもつＡｌ−Ｓｉ粉末（アトマイズ粉末、東洋アルミ
製、平均粒径５０μｍ）とＦｅ−６３ｗｔ％Ｃｒの組成
をもつＦｅ−Ｃｒ粉末（破砕粉末、福田金属製、平均粒
径６０μｍ、７．４ｗｔ％Ｃ含有）とを用いる。前者の
Ａｌ−Ｓｉ粉末には初晶のＳｉ粒子（平均粒径１０μ
ｍ）およびサブミクロン径以下（つまり１μｍ以下）の
共晶Ｓｉ粒子が生成している。

【００２０】そして双方の粉末を混合した混合粉末を圧
粉体成形用の金型のキャビティに装填した後圧縮する金
型圧縮法にて、所定の気孔率をもつ圧粉体つまり粉末成
形体（大きさ：φ１００ｍｍ×１０ｍｍ）を製造した。
更に浮き防止用おもりを付したカオウール成形体（イソ
ライト工業製、Ｖｆ７％、大きさ：１００ｍｍ×１００
ｍｍ×５ｍｍ）でその粉末成形体を挟み、更に粉末成形
体を３５０℃で３０分予熱して高圧鋳造用の金型のキャ
ビティ（φ１１０ｍｍ×２００ｍｍ）の一部に配置し
た。

【００２１】その後、７５０℃のＡｌ系溶湯（ＪＩＳ−
ＡＣ８Ａ）を高圧鋳造用の金型のキャビティに注ぎ、プ
ランジャーで加圧し粉末成形体の内部の気孔にＡｌ系溶
湯を含浸し、つまり高圧鋳造法にてＡｌ合金を複合化
し、鋳物を形成した。高圧鋳造法における加圧力は１２
００〜１３００気圧程度である。ＪＩＳ規格におけるＡ
Ｃ８Ａの目標組成は、Ｓｉが１１〜１３ｗｔ％、Ｃｕが
０．８〜１．３ｗｔ％、Ｍｇが０．７〜１．３ｗｔ％で
ある。本実施例において実際に含浸したＡｌ系溶湯のＳ
ｉ量は１２ｗｔ％である。

【００２２】そして上記した鋳物から、Ａｌ基複合材料
からなる試験片（ＮＯ．１）を取出してＴ７熱処理（温
度４９０℃で３時間保持、その後温水焼入）を施した。
同様にして試験片ＮＯ．２〜ＮＯ．１９を得、同様にＴ
７熱処理を施した。ＮＯ．１〜ＮＯ．１９に関するデー
タを表１に示す。表１において、Ｖｆ（Ａｌ−Ｓｉ）は
Ａｌ基複合材料を１００％としたとき、Ａｌ−Ｓｉ粉末
粒子で形成した粉末成形体が占める体積％である。Ｖｆ
（Ｆｅ−Ｃｒ）はＡｌ基複合材料を１００％としたと
き、Ｆｅ−Ｃｒ粒子が占める体積％である。Ｖｆ（Ｓ
ｉ）はＡｌ基複合材料を１００％としたとき、粉末成形
体中の初晶のＳｉ粒子および共晶のＳｉ粒子が占める体
積％である。

【００２３】Ｖｆ（Ｔｏｔａｌ）は、Ｖｆ（Ｆｅ−Ｃ
ｒ）とＶｆ（Ｓｉ）との和を意味し、Ａｌ基複合材料を
１００％としたとき、粉末成形体中の初晶のＳｉ粒子と
Ｆｅ−Ｃｒ粒子との合計が占める体積％である。従って
Ｆｅ−Ｃｒ粒子を含まない試験片（ＮＯ．２、ＮＯ．４
等）では、Ｖｆ（Ｔｏｔａｌ）はＡｌ基複合材料を１０
０％としたときのＳｉ粒子の体積％を意味する。

【００２４】またＶｆ（ＭＭＣ）は、Ａｌ基複合材料を
１００％としたとき、粉末成形体中のＳｉ粒子とＦｅ−
Ｃｒ粒子、含浸凝固させたＡｌ系溶湯であるＡＣ８Ａ合
金中のＳｉとの合計が占める体積％である。例えば表１
の試験片ＮＯ．２によれば、粉末成形体の割合を意味す
るＶｆ（Ａｌ−Ｓｉ）は５０体積％であり、初晶および
共晶のＳｉ粒子の割合を意味するＶｆ（Ｓｉ）は２１体
積％であり、Ｖｆ（Ｔｏｔａｌ）は２１体積％であり、
含浸されたＡｌ系溶湯のＳｉも含めたＶｆ（ＭＭＣ）は
２８体積％である。

【００２５】上記した各試験片（ＮＯ．１〜ＮＯ．１
９）について耐凝着特性を評価した。即ち、図１に模式
的に示すごとく、ヒータ１０を備えた互いに対向する台
１１、１２からなる試験機を用いた。そして、エンジン
で使用するピストンリングを考慮して、１７ｗｔ％を含
むＣｒステンレス鋼製の窒化リング１３を相手材として
台１２に装備し、更に台１１に試験片Ｗ（φ９０ｍｍ、
厚み１０ｍｍ）を保持する。その状態で、台１２を矢印
Ｙ１方向に往復移動させ、２８０℃にて面圧０．１ＭＰ
ａで１０分間窒化リング１３を試験片Ｗに叩き付けて行
ない、叩き付け後における試験片Ｗにおける凝着面積を
測定し、耐凝着特性を評価した。

【００２６】その結果を表１の『凝着』の欄に示す。表
１に示す様に、試験片ＮＯ．１はＳｉ粒子の量（Ｖｆ
（Ｓｉ）＝１７体積％）が少なく、比較例を示すもので
ある。この様な試験片ＮＯ．１では凝着は『有』であっ
た。試験片ＮＯ．２（Ｖｆ（Ｓｉ）：２１体積％）、試
験片ＮＯ．４（Ｖｆ（Ｓｉ）：２５体積％）、試験片Ｎ
Ｏ．９（Ｖｆ（Ｓｉ）：３５体積％）は、Ｆｅ−Ｃｒ粒
子を含まないものの、Ｓｉ粒子の量が多いものである。
Ｓｉ粒子は前述の様にアトマイズ粉末から供給されてい
るものであり、平均粒径１０μｍの初晶のＳｉ粒子とサ
ブミクロン径以下の共晶のＳｉ粒子からなる。

【００２７】この様に微小のＳｉ粒子を多量に含む試験
片ＮＯ．２、試験片ＮＯ．４、試験片ＮＯ．９によれ
ば、表１に示す様に凝着は『ほぼ無』であった。この結
果から理解できる様に、微小のＳｉ粒子を多量に含む場
合には、Ｓｉ粒子によるＡｌ系マトリックスの分断性が
確保され、耐凝着性は良好となることがわかる。また表
１から理解できる様に、残りの他の試験片は微小のＳｉ
粒子とＦｅ−Ｃｒ粒子との双方を含むものであり、凝着
は『無』であった。

【００２８】Ｓｉ粒子とＦｅ−Ｃｒ粒子との双方を含む
試験片を見ると、表１に示す様に試験片ＮＯ．３ではＦ
ｅ−Ｃｒ粒子の含有量を意味するＶｆ（Ｆｅ−Ｃｒ）が
４体積％であり、Ｓｉ粒子の含有量を意味するＶｆ（Ｓ
ｉ）が１７体積％含まれ、結果として、試験片ＮＯ．３
では、Ｓｉ粒子とＦｅ−Ｃｒ粒子との体積率和を意味す
るＶｆ（Ｔｏｔａｌ）が２１体積％である。この様にＳ
ｉ粒子（平均粒径１０μｍ）とＦｅ−Ｃｒ粒子（平均粒
径６０μｍ）との双方を含む試験片ＮＯ．３では、凝着
は『無』であった。

【００２９】また試験片ＮＯ．３と試験片ＮＯ．２と
は、表１に示す様に、Ｖｆ（Ｔｏｔａｌ）が共に２１体
積％である。しかし、Ｓｉ粒子とＦｅ−Ｃｒ粒子との双
方が含まれている試験片ＮＯ．３の方が、Ｓｉ粒子を含
むもののＦｅ−Ｃｒ粒子を含まない試験片ＮＯ．２の場
合よりも、耐凝着性は良好であった。また試験片ＮＯ．
４と試験片ＮＯ．５とは、表１に示す様に、共にＶｆ
（Ｔｏｔａｌ）が２５体積％である。しかし、Ｓｉ粒子
とＦｅ−Ｃｒ粒子との双方が含まれている試験片ＮＯ．
５の方が、Ｓｉ粒子を含むもののＦｅ−Ｃｒ粒子を含ま
ない試験片ＮＯ．４の場合よりも、耐凝着性は良好であ
った。

【００３０】このことはＳｉ粒子とＦｅ−Ｃｒ粒子との
双方を含むことが、耐凝着性の向上において特に有効で
あることを示す。

【００３１】

【表１】図２は金属組織写真を示す。これは、上記した様に、Ａ
ｌ−３８ｗｔ％Ｓｉの組成をもつＡｌ−Ｓｉ粉末とＦｅ
−６３ｗｔ％Ｃｒの組成をもつＦｅ−Ｃｒ粉末とで形成
した粉末成形体に、ＡＣ８Ａの溶湯を含浸して凝固させ
た試験片をＴ７処理後した後の金属組織（ノーエッチ）
を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したものであり、具体的
には試験片ＮＯ．１４に係る金属組織を示す。写真の右
下に基準長さ（１０μｍ）を示す。

【００３２】この金属組織において白っぽい角ばった大
きな粒子がＦｅ−Ｃｒ粒子であり、黒味がかったマトリ
ックスがＡｌ系マトリックスであり、Ａｌ系マトリック
スに含まれる黒味がかった微小な粒子が初晶のＳｉ粒子
であると考えられる。写真に示す基準長さ（１０μｍ）
から、初晶のＳｉ粒子の平均粒径は１０μｍ以下である
ことがわかる。一般的には、Ａｌ系マトリックスの硬度
はＡｌ部分がＨｖ１１０〜１５０程度、Ｓｉ粒子を含め
ばＨｖ２００程度であり、初晶のＳｉ粒子の硬度はＨｖ
８００〜１０００である。Ｆｅ−Ｃｒ粒子は粉末の状態
ではＨｖ１６００程度である。

【００３３】ところで、Ｓｉ含有量の高いＡｌ系合金を
ダイカスト金型鋳造法で形成した場合には、初晶のＳｉ
粒子の平均粒径は５０μｍを越える様に大きくなるのが
一般的である。即ち、ダイカスト金型鋳造法では凝固速
度がアトマイズ方式に比較して遅いため、初晶のＳｉ粒
子の平均粒径は小さくてもせいぜい４０〜５０μｍとな
り、２０μｍ以下のものは得られない。この場合にはＳ
ｉ粒子の平均粒径が大きいため、Ｓｉ粒子とＳｉ粒子と
の距離が離れる。つまりＳｉ粒子によるＡｌ系マトリッ
クスの分断性が充分ではなく、Ａｌ成分が相手材側に移
着し易くなり、満足する凝着性が得られない。

【００３４】この点本実施例によれば、粉末成形体を構
成するアトマイズ粉末には平均粒径が１０μｍと微小な
初晶のＳｉ粒子と、サブミクロン径以下（＝１μｍ以
下）の共晶のＳｉ粒子が生成しているため、ダイカスト
法等の鋳造法で形成したＡｌ合金と仮にＳｉ含有量が同
一であるとしても、本実施例によればＳｉ粒子が微小な
ぶん、Ｓｉ粒子によってＡｌ系マトリックスの連続性が
細かく分断され、Ａｌ系マトリックスの分断性が高ま
る。そのためＡｌ成分が相手側に移着することを低減す
るのに有利であり、耐凝着性の向上に貢献できる。

【００３５】分断性の定義としては下記の様に行い得
る。Ａｌ系マトリックスのある点に着目し、その点の回
りに存在する複数個のＳｉ粒子を直線で結んで図形を形
成し、その図形間の最長距離を分断性と把握できる。例
えば、図３に示す様にＡｌ系マトリックスの任意の点Ｍ
に着目し、Ｍ点の回りの例えば６個のＳｉ粒子を直線で
結んで多角形状の図形を仮想的に描き、その図形内の最
長距離Ｌ１の平均値を分断係数と定義できる。

【００３６】本実施例によれば、この分断係数を１０μ
ｍ以下にできる。しかしＡｌ系溶湯から初晶のＳｉ粒子
を晶出させるダイカスト金型鋳造方式を採用している場
合には、分断係数は一般的には小さい場合でも３０μｍ
程度であり、満足する分断性は期待できない。また本実
施例によれば、粉末成形体を構成するアトマイズ粉末粒
子の表面に酸化膜が存在する場合であっても、酸化膜は
高圧鋳造時の圧力により破壊され易い。この結果、高圧
鋳造で粉末成形体に含浸されるＡｌ系溶湯の凝固部分
と、粉末成形体を構成するアトマイズ粉末粒子との境界
に酸化膜が存在することは、抑制または回避される。故
に図２に係る金属組織に示す様に、境界がないか、或い
は極めて少ないＡｌ系マトリックスの組織が得られ、Ａ
ｌ基複合材料の強度が向上する。

【００３７】（実施例２）実施例２では、実施例１と同
様に、Ａｌ−３８ｗｔ％Ｓｉの組成をもつ粉末（東洋ア
ルミ製、アトマイズ粉末、平均粒径５０μｍ、初晶のＳ
ｉ粒子の平均粒径１０μｍ）を用いる。そして金型圧縮
法にて粉末成形体（大きさ：φ１００ｍｍ×１０ｍｍ）
を製造した。更に実施例１と同様に、浮き防止用おもり
を付したカオウール成形体で粉末成形体を挟み、３５０
℃で３０分予熱して金型のキャビティに配置した。

【００３８】その後、実施例１で用いたＡＣ８ＡのＡｌ
系溶湯に代えて、ＡＣ８ＡよりもＳｉが多いＡｌ系溶
湯、つまりＡｌ−２５ｗｔ％Ｓｉの組成をもつＡｌ系溶
湯を用い、このＡｌ系溶湯（８５０℃）を金型のキャビ
ティに注ぎ、高圧鋳造法にて粉末成形体の気孔に含浸凝
固させ、これによりＡｌ合金を複合化し、鋳物を形成し
た。高圧鋳造法における加圧力は１２００〜１３００気
圧程度である。

【００３９】そして上記した鋳物から試験片（ＮＯ．２
０）を取出した。この試験片の形態を表２に示す。この
例の場合には、粒径が小さな初晶の第１のＳｉ粒子と、
サブミクロン径以下の共晶のＳｉ粒子、粒径が大きな初
晶の第３のＳｉ粒子が分散している。即ち、粉末成形体
を構成するアトマイズ粉末には、アトマイズ処理の際に
平均粒径が１０μｍと小さな初晶のＳｉ粒子（＝第１の
Ｓｉ粒子）と、サブミクロン径以下つまり１μｍ以下の
共晶のＳｉ粒子（＝第２のＳｉ粒子）が生成している。
更に粉末成形体に含浸したＡｌ系溶湯が凝固する際に平
均粒径が２０〜６０μｍの初晶のＳｉ粒子（＝第３のＳ
ｉ粒子）が晶出している。

【００４０】この例では、Ａｌ基複合材料を１００％と
したとき、平均粒径が１０μｍの第１のＳｉ粒子とサブ
ミクロン径以下の第２のＳｉ粒子は、約２５体積％であ
り、平均粒径が２０〜６０μｍの第３のＳｉ粒子は２〜
３体積％であった。試験片（ＮＯ．２０）についてＴ７
熱処理を施し、実施例１と同様に耐凝着性を評価した。
試験結果を表２に示す。表２の『凝着』の欄に示す様に
凝着は発生しないことが分かった。

【００４１】

【表２】なお粉末成形体は内部に多数の気孔を含み三次元格子構
造をもつものである。この様な粉末成形体にＡｌ系溶湯
を強制的に含浸させれば、Ａｌ系溶湯が粉末成形体の三
次元格子構造の格子面に強制的に接触する。更に粉末成
形体の内部でＡｌ系溶湯は三次元的に接触するので、粉
末成形体とＡｌ系溶湯との間の伝熱面積が増加する。よ
って、Ａｌ系溶湯の凝固速度は速くなり、Ａｌ系溶湯か
ら初晶のＳｉ粒子が晶出する際に、初晶のＳｉ粒子の粗
大化を回避するのに有利である。従って粉末成形体に含
浸するＡｌ系溶湯から晶出する第３のＳｉ粒子の平均粒
径も２０〜６０μｍと小さめに抑え得る。この意味にお
いてもＳｉ粒子によるＡｌ系マトリックスの分断性が確
保される。

【００４２】（実施例３）実施例３では、実施例１で用
いたＦｅ−６３ｗｔ％Ｃｒの組成をもつＦｅ−Ｃｒ粉末
に代えて、Ｆｅ−６３ｗｔ％Ｍｏの組成をもつ粉末（福
田金属製、破砕粉末、平均粒径６０μｍ）を用いた以外
は、実施例１に係る表１と同様の形態で試験した。この
場合も耐凝着性は同様の傾向が得られた。Ｆｅ−Ｍｏ粒
子はＨｖ１０００程度であるものの、高圧鋳造及びＴ７
処理を経た後にはＨｖ６００〜７５０程度となることが
確認された。

【００４３】また実施例１で用いたＦｅ−Ｃｒ粉末に代
えてＦｅ系合金微細片としてのＳＵＳ３１６短繊維（ア
イシン精機製、平均長：７００μｍ、平均径：１００μ
ｍ）を用いた以外は、実施例１に係る表１と同様の形態
で試験した。この場合も耐凝着性は同様の傾向が得られ
た。尚、ＳＵＳ３１６短繊維を用いた場合、成形限界は
７５体積％であった。

【００４４】また実施例１で用いたＦｅ−Ｃｒ粉末に代
えて上記したＦｅ−Ｍｏ粉末とＳＫＤ６１粉末（三菱製
鋼製、平均粒径６０μｍ）との混合粉末（混合比は体積
比で２：１）を用いた以外は、実施例１に係る表１と同
様の形態で試験した。この場合も耐凝着性は同様の傾向
が得られた。また実施例１で用いたＦｅ−Ｃｒ粉末に代
えて、Ｆｅ−Ｃｒ粉末と上記したＦｅ−Ｍｏ粉末との混
合粉末（混合比は体積比で１：１）を用いた以外は、実
施例１に係る表１と同様の形態で試験した。この場合も
耐凝着性は同様の傾向が得られた。

【００４５】尚、比較例として、ＳＫＤ６１粉末（三菱
製鋼製、平均粒径６０μｍ、Ｈｖ５００〜６００）を単
独で用いた以外は、実施例１と同様の形態で試験片を形
成した。この比較例に係る試験片についても同様に試験
した。そして高圧鋳造及びＴ７処理した後において、試
験片中のＳＫＤ６１粉末粒子の硬度を測定したところ、
Ｈｖ５００〜６００であったものが約２００Ｈｖと大幅
に低下しており、前記した他種粉末粒子の硬度（Ｈｖ４
００以上）に比べて軟らかい事が分かった。このことか
ら、高圧鋳造及びＴ７処理後の状態のＡｌ基複合材料に
分散されているＦｅ系粉末粒子は、硬度Ｈｖ２５０以上
が好ましいといえる。

【００４６】（実施例４）実施例４では、Ａｌ−３８ｗ
ｔ％Ｓｉの組成をもつＡｌ−Ｓｉ粉末を体積比で８０％
用いた。更に、実施例１で用いたＦｅ−Ｃｒ粉末の代わ
りにセラミックス粒子としてＡｌ₂Ｏ₃粒子（昭和電工
製、平均粒径１０μｍ）を５体積％だけ用いた以外は、
実施例１と同様の形態で試験を行って耐凝着性を評価し
た。この場合にも、凝着は全く発生しないことが分かっ
た。

【００４７】実施例１で用いたＦｅ−Ｃｒ粉末の代わり
に、セラミックス粒子としてムライト粒子（昭和電工
製、平均粒径１０μｍ）を５体積％だけ用いた以外は、
実施例１と同様の形態で試験を行って耐凝着性を評価し
た。この場合にも、凝着は全く発生しないことが分かっ
た。実施例１で用いたＦｅ−Ｃｒ粉末の代わりに、セラ
ミックス粒子としてＳｉＣ粒子（昭和電工製、平均粒径
１０μｍ）を５体積％だけ用いた以外は、実施例１と同
様な形態で試験を行って耐凝着性を評価した。この場合
にも、凝着は全く発生しないことが分かった。

【００４８】実施例１で用いたＦｅ−Ｃｒ粉末の代わり
に、セラミックス粒子としてＳｉ₃Ｎ₄粒子（電気化学
製、平均粒径１５μｍ）を５体積％だけ用いた以外は、
実施例１と同様な形態で試験を行って耐凝着性を評価し
た。この場合にも、凝着は全く発生しないことが分かっ
た。更に実施例１で用いたＦｅ−Ｃｒ粉末の代わりに、
セラミックス粒子として９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃粒子
（四国化成工業製、平均粒径１０μｍ）を５体積％用い
た以外は、実施例１と同様な形態で試験を行って耐凝着
性を評価した。この場合にも、凝着は全く発生しないこ
とが分かった。

【００４９】更にＴｉＣ粒子（共立窯業製、平均粒径１
０μｍ）を５体積％用いた以外は、実施例１と同様な形
態で試験を行って耐凝着性を評価した。この場合にも、
凝着は全く発生しないことが分かった。上記したセラミ
ックス粒子は上記した割合に限定されず、Ａｌ基複合材
料の種類に応じて２〜１０体積％の範囲で適宜調整でき
る。Ｓｉ粒子、セラミックス粒子、Ｆｅ系合金微細片の
合計は２５〜７３体積％の範囲で調整すれば、耐凝着性
が確保できる。

【００５０】なお文献によれば、一般的には、Ａｌ₂Ｏ
₃粒子はＨｖ１８００程度、ムライト粒子はＨｖ１００
０程度、ＳｉＣ粒子はＨｖ２９００程度、Ｓｉ₃Ｎ₄粒
子はＨｖ２３００程度、ＴｉＣ粒子はＨｖ１８００程度
とされている。（実施例５）実施例５では、初晶のＳｉ粒子の平均粒径
を３μｍ、１０μｍ、１５μｍと変えたＡｌ−３８ｗｔ
％Ｓｉの組成をもつＡｌ−Ｓｉ粉末を用いた。そしてＳ
ｉが３０体積％だけ含まれるようにした以外は、実施例
１におけるＮＯ．４と同様の条件で試験片を作製し、そ
の試験片について耐凝着性を調べる試験を行った。試験
結果を図４に示す。図４の特性線Ｘから理解できる様
に、初晶のＳｉ粒子の平均粒径が１５μｍでは凝着面積
は９．５ｍｍ²以下であり、初晶のＳｉ粒子の平均粒径
が１０μｍでは凝着面積は７．５ｍｍ²以下であること
が分かった。

【００５１】なお初晶のＳｉ粒子の平均粒径が２５μｍ
と比較的大きな場合には、一般的には凝着面積は２５ｍ
ｍ²を越える。従って初晶のＳｉ粒子の平均粒径を２０
μｍ以下にすれば、Ａｌ基複合材料における耐凝着性が
向上する。図４の特性線Ｘによれば、初晶のＳｉ粒子の
平均粒径が１０μｍ以下であれば、耐凝着性の向上に特
に好ましいことがわかる。

【００５２】（適用例）図５は適用例を示す。この例は
ディーゼルエンジンに用いられるピストン５に適用して
いる。このピストン５は、ピストンヘッド５０ａ及び空
洞５０ｂをもつピストン本体５０と、ピストン本体５０
のうちピストンヘッド５０ａ側に連設されたリング状を
なす強化部５１とを備えている。この強化部５１は、上
記したＡｌ基複合材料で構成されている。即ち、強化部
５１を構成するＡｌ基複合材料は、請求項１〜７に係る
Ａｌ基複合材料とされている。

【００５３】一例として挙げれば、強化部５１を構成す
るＡｌ基複合材料は、平均粒径２０μｍ以下の初晶のＳ
ｉ粒子および共晶のＳｉ粒子を含むＡｌ系マトリックス
を備えており、強化部５１を構成するＡｌ基複合材料を
１００％としたとき、Ｓｉ粒子は２０〜３６体積％であ
る。刃具による切削加工でこの強化部５１の外周部にト
ップリング溝５２を形成した。トップリング溝５２には
トップリングが装備され、ディーゼルエンジンの駆動時
に、つまり高温状態で、トップリング溝５２の溝形成面
とトップリングとが摺動する。この適用例においてもＡ
ｌ基複合材料からなる強化部５１における耐凝着性は良
好であった。

【００５４】（付記）上記した実施例から次の技術的思
想も把握できる。 ○初晶Ｓｉ粒子を含むＡｌ−Ｓｉ系粉末で成形した非焼
結体である粉末成形体にＡｌ系溶湯を高圧鋳造で含浸し
て凝固させて形成した摺動材料。 ○Ａｌ基複合材料で構成した強化部を少なくとも一部に
備えたＡｌ基部材であって、強化部を構成するＡｌ基複
合材料は、平均粒径２０μｍ以下の初晶のＳｉ粒子およ
び共晶のＳｉ粒子を含むＡｌ系マトリックスを備え、Ａ
ｌ基複合材料を１００％としたとき、Ｓｉ粒子は２０〜
３６体積％であることを特徴とするＡｌ基部材。 ○Ａｌ基複合材料で構成した強化部を少なくとも一部に
備えたＡｌ基部材であって、強化部を構成するＡｌ基複
合材料は、請求項２〜７に係るＡｌ基複合材料で形成さ
れていることを特徴とする。

【００５５】

【発明の効果】請求項１によれば、微小なＳｉ粒子が多
量に含まれているため、Ｓｉ粒子がＡｌ系マトリックス
の連続性を分断する分断性が向上する。従って、Ａｌ系
マトリックスが相手部材に移着することが効果的に抑制
され、耐凝着性が向上する。請求項２によれば、微小で
あり且つ粒径が異なる第１のＳｉ粒子、第２のＳｉ粒子
及び第３のＳｉ粒子が多量に含まれているため、Ｓｉ粒
子によるＡｌ系マトリックスの分断性が一層向上する。
従って耐凝着性が向上する。

【００５６】請求項３によれば、Ｓｉ粒子のみでなくＦ
ｅ系合金微細片を加えたので、Ａｌ系マトリックスの分
断性が一層確保され、耐凝着性が向上する。Ｆｅ系合金
微細片は硬度がＡｌ系マトリックスに比較して高いの
で、耐摩耗性も確保できる。請求項４によれば、Ｓｉ粒
子のみでなくＦｅ系合金微細片やセラミックス粒子を加
えたので、Ａｌ系マトリックスの分断性が一層確保さ
れ、凝着性が向上する。Ｆｅ系合金微細片やセラミック
ス粒子は硬度がＡｌ系マトリックスに比較して高いの
で、耐摩耗性も確保できる。

【００５７】請求項５によれば、Ｈｖ２５０以上のＦｅ
系合金微細片を用いるので、上記した効果に加えて、耐
摩耗性の確保に有利である。請求項６によれば、平均粒
径３〜１０μｍと微小な初晶のＳｉ粒子を用いるので、
初晶のＳｉ粒子によるＡｌ系マトリックスの分断性が確
保され、耐凝着性が向上する。

【００５８】請求項７によれば、Ａｌ系粉末粒子の表面
に酸化膜が存在する場合であっても、酸化膜は高圧鋳造
時の圧力により破壊され易い。この結果、高圧鋳造で含
浸されるＡｌ系溶湯の凝固部分と、粉末成形体を構成す
るＡｌ系粉末部子との境界に酸化膜が存在することは、
抑制または回避される。故に、境界がないか、或いは少
ないＡｌ系マトリックス組織が得られ、Ａｌ基複合材料
の耐凝着性ばかりか、強度も向上する上記の様な請求項１〜請求項７によれば、摺動条件が厳
しい摺動材料、例えばデーィゼルエンジンエンジンやガ
ソリンエンジンのピストンリング（トップリング）溝形
成領域に適用するのに有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】耐凝着性を調べている状態を模式的に示す構成
図である。

【図２】Ａｌ基複合材料における金属組織を示す電子顕
微鏡写真である。

【図３】分断係数を規定する形態を示す構成図である。

【図４】初晶のＳｉ粒子の平均粒径と凝着面積との関係
を示すグラフである。

【図５】ピストンに適用した適用例を模式的に示す要部
の断面図である。

【符号の説明】

図中、１１、１２は台、１３は窒化リング、５はピスト
ン、５０はピストン本体、５１は強化部を示す。

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【手続補正書】

【提出日】平成７年６月１５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均粒径２０μｍ以下の初晶のＳｉ粒子と
共晶のＳｉ粒子とを含むＡｌ系マトリックスを備え、該
Ｓｉ粒子は２０〜３６体積％であることを特徴とする耐
凝着性に優れたＡｌ基複合材料。
【請求項２】平均粒径３〜１０μｍの第１のＳｉ粒子と
１μｍ以下の共晶Ｓｉからなる第２のＳｉ粒子と平均粒
径２０〜６０μｍの第３のＳｉ粒子とを含むＡｌ系マト
リックスを備え、該第１と第２のＳｉ粒子は合計で２０〜４０体積％、該
第３のＳｉ粒子は１〜６体積％であることを特徴とする
耐凝着性に優れたＡｌ基複合材料。
【請求項３】初晶のＳｉ粒子と共晶のＳｉ粒子とを含む
Ａｌ系マトリックスと、該Ａｌ系マトリックスに分散し
たＦｅ系合金微細片とを備え、該Ｓｉ粒子及び該Ｆｅ系合金微細片は合計で２０〜７４
体積％であることを特徴とする耐凝着性に優れたＡｌ基
複合材料。
【請求項４】初晶のＳｉ粒子と共晶のＳｉ粒子とを含む
Ａｌ系マトリックスと、Ａｌ系マトリックスに分散した
Ｆｅ系合金微細片及びセラミックス粒子とを備え、該Ｓｉ粒子、該Ｆｅ系合金微細片及び該セラミックス粒
子が合計で２５〜７３体積％であり、且つ、セラミック
ス粒子が２〜１０体積％であることを特徴とする耐凝着
性に優れたＡｌ基複合材料。
【請求項５】Ｆｅ系合金微細片は硬度がＨｖ２５０以上
であることを特徴とする請求項３または４に記載の耐凝
着性に優れたＡｌ基複合材料。
【請求項６】初晶のＳｉ粒子は平均粒径３〜１０μｍで
あることを特徴とする請求項１、３または４に記載の耐
凝着性に優れたＡｌ基複合材料。
【請求項７】Ｓｉ粒子を含むＡｌ系粉末粒子の集合体で
成形した気孔をもつ粉末成形体を用い、該粉末成形体を
成形型のキャビティに配置し、該成形型のキャビティにＡｌ系溶湯を供給して、該粉末
成形体の気孔に該Ａｌ系溶湯を高圧鋳造で含浸して凝固
させる様にしたことを特徴とする耐凝着性に優れたＡｌ
基複合材料の製造方法。