JPH0949042A

JPH0949042A - 耐摩耗性複合材料

Info

Publication number: JPH0949042A
Application number: JP7203380A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Hagiwara; 一正萩原; Kazuto Watanabe; 和人渡辺
Original assignee: Zexel Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1995-08-09
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 1997-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】粉末冶金法により形成される焼結金属の耐摩
耗性向上を図ることの可能な耐摩耗性複合材料をを提供
すること。【構成】粉末冶金法により形成される焼結金属におい
て、Ａｌ基の金属粉末に、添加材として、平均粒径５〜
３０μｍの非晶質カーボンを用いた耐摩耗性複合材料で
ある。また、前記非晶質カーボンが球状粒子であるこ
と。原料の金属粉末に、Ａｌ−Ｓｉ合金を用いたこと。
更に、非晶質カーボン表面に金属元素をコーティングし
たこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉末冶金法により
形成される焼結金属に関するもので、より詳しくは、焼
結金属の耐摩耗性を向上させた複合材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】粉末冶金法により得られる焼結金属は、
高融点合金のように他の加工法では製造が困難なもの
や、超硬合金、複合合金等のように溶解法ではその特性
が得られないもの、また、多孔質を利用した軸受合金
や、一定の形状が焼結により形成されて機械加工を省略
できる構造用機械部品等に利用されている。

【０００３】粉末冶金法は、その目的に応じて加工法は
異なるが、基本的な工程は、一般に原料の金属粉末の混
合、成形、及び焼結であり、その間又はその後において
目的に応じて追加加工や他の処理が介在する。

【０００４】更に、焼結方法は、金属粉末を圧縮成形も
しくは封缶等に充填し、必要に応じて脱ガスを行い、加
熱中に圧縮して焼結を行うホットプレス法や、粉末に通
電して加熱する通電焼結法、押出し機で押出して固化成
形する粉末押出し法、熱間で鍛造して行う粉末鍛造法、
金属粉末を直接圧延して薄板に成形する粉末圧延法、そ
の他、ＨＩＰ（ＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓ
ｓ）法、スプレーフォーミング等が知られている。

【０００５】また、一般的なＦｅ母材のほかに、機械部
品等で軽量化が求められているものについては、Ａｌ合
金を母材とする所謂Ａｌ基焼結金属が多く利用されてい
る。そして、Ａｌ基焼結金属において、耐摩耗性を向上
させるために、粉末材料にセラミックスや金属間化合物
等の硬質粒子を添加したり、固体潤滑剤等の潤滑粒子を
添加して焼結することもなされている。尚、硬質粒子と
しては、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＣ、Ｔｉ₃
Ａｌ、チタン酸カリウム、ほう酸Ａｌ等が、また、潤滑
粒子としては、ＭｏＳ₂、グラファイト等が、用いられ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】Ａｌ基焼結金属の前述
した耐摩耗性向上の手法において、硬質粒子を添加する
場合は、原料粉末により形成される焼結金属自身の耐摩
耗性は向上するが、当該焼結金属が例えば摺動部材の一
方として用いられると、相手方金属への激しい攻撃及び
大きな摩擦を生ぜしめる原因となる。

【０００７】他方、潤滑粒子としてＭｏＳ₂を用いる場
合は、Ａｌとの反応により潤滑効果が発揮されないこと
や、大気による酸化が問題となり、そのため特殊な焼結
手法を用いたり、焼結雰囲気を真空乃至不活性ガス等の
下で行う必要がある。また、潤滑粒子としてグラファイ
トを用いる場合は、グラファイトが層状の粒子配列を有
していて、これが外力で壊れ（劈開）やすいものである
ため、Ａｌ粉末との混合プロセス中にグラファイトが破
壊され、これにより生成された微細なグラファイト粉末
がＡｌ粉末表面に付着し、これにより焼結性を妨げると
いう不都合を生じる。

【０００８】本発明は、前記事情に鑑みてなされたもの
で、粉末冶金法により形成される焼結金属の耐摩耗性向
上を図ることの可能なＡｌ基耐摩耗性複合材料を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願第１請求項に記載し
た発明は、粉末冶金法により形成される焼結金属におい
て、Ａｌ基の金属粉末に、添加材として、平均粒径５〜
３０μｍの非晶質カーボンを用いた構成の耐摩耗性複合
材料である。

【００１０】このように、所定範囲内の粒径を備えた非
晶質カーボン（以下において「グラッシーカーボン」と
もいう。）を添加材として焼結すると、潤滑性に優れる
非晶質カーボンが、当該非晶質カーボンの粒径と相俟っ
て、耐摩耗性の向上がもたらされ、他方、相手材攻撃性
と摩擦係数の低減化が図られる。

【００１１】この非晶質カーボンは、従来添加材として
用いられているＭｏＳ₂やグラファイトに比べて強度が
高いので、複合材たる焼結金属自体の強度の点からも有
利である。尚、グラファイトのような粉末混合時の粒子
破壊を生じない。

【００１２】また、非晶質カーボンの平均粒径が５μｍ
未満の場合は、所期の目的である潤滑性の向上が得られ
なかったり、ベース金属の粒子間に凝集を生じてしまっ
て一様に分散しないので、焼結性が十分に得られないと
いう不都合を生じる。とりわけ凝集は、焼結後に当該凝
集部分のカーボンが離脱することと、強度が不足する点
で問題となる。

【００１３】他方、非晶質カーボンの平均粒径が３０μ
ｍを超えるような大きなものになると、加工性の点で不
都合を生じる。すなわち、非晶質カーボンの粒径が大型
化すると、バイト等による研削時に、刃が非晶質カーボ
ンに引掛って、当該非晶質カーボンが離脱する不都合を
生じる。非晶質カーボンの粒径が大型化すれば、これに
伴って脱落するものが多くなり、その結果、摺動面にお
ける非晶質カーボンの含有量が少なくなって、所期の目
的である潤滑性の向上が得られなくなる。

【００１４】非晶質カーボンの離脱は、適宜であれば、
その離脱部位にオイルが溜まって所謂オイルポットが形
成されるので、潤滑性向上の観点から好ましい。そこ
で、本願第２請求項においては、非晶質カーボンが球状
粒子であることが記載されている。つまり、球状の場合
は、非球状のものに比べて脱落しやすいが、一方で、前
述したように、大型粒径の場合は脱落傾向が大きいもの
であるのに対し、平均粒径が５〜３０μｍであるから、
脱落傾向もそれほど大きくはない。従って、適宜の離脱
を生じる。また、他方で、非晶質カーボンの平均粒径が
５〜３０μｍであるから、オイルポットとしての大きさ
が適当である。そして、これら両者（適宜の離脱と適当
な大きさ）が相俟って、より一層の潤滑性の向上がもた
らされる。

【００１５】更に、本願第３請求項に記載したように、
ベース金属に、Ａｌ−Ｓｉ合金を用いた場合は、特に優
れた耐摩耗性を示すことが確認されている。

【００１６】また、本願第４請求項に記載した発明は、
前記請求項１において、前記非晶質カーボン表面に金属
元素をコーティングした耐摩耗性複合材料である。前述
したように、非晶質カーボンの脱落はオイルポットを形
成するが、他方で、摺動環境がドライの場合はオイルポ
ットの効果は期待できない。また、摺動相手材の種類に
よっては脱落のない方が摩擦特性が向上する場合もあ
る。このような場合に、非晶質カーボン表面に金属元素
をコーティングすることにより、非晶質カーボンの密着
性を改善し、脱落を減少させることが有効である。密着
性を改善すると、強度特性も上昇する。尚、金属元素と
しては、基材たるＡｌと反応して脆い化合物を生成しな
いもの、例えば、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌ等が用
いられる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１８】ホットプレス法の焼結金属作成プロセスに
より、焼結金属を形成した。作成プロセスは、既存のも
のと同様であり、ベース金属がＡｌ基の場合は、（１）
原料粉末を用意し、（２）粉末を混合し、（３）圧粉体
を作製し、（４）脱ガスし、（５）熱間プレス（ホット
プレス）を行って、（６）焼結金属が形成される。

【００１９】本発明に係る耐摩耗性複合材料として、前
記（１）の母材は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金（Ａｌ−１７
％Ｓｉ−１％Ｍｇ）、及び、７０９１Ａｌ合金を用い
た。粉末粒径は−＃２００（７８μｍ以下）である。こ
れに、粒径１０μｍの非晶質カーボン（グラッシーカー
ボン）を１０体積％添加した。それぞれの場合、ブレン
ダー（混合機）で前記（２）の粉末混合を行い、前記
（３）の圧粉体は冷間プレスにより形成し、前記（４）
の脱ガスでは、真空加熱脱ガスを行い、前記（５）のホ
ットプレスは、５００℃、４ｔ／ｃｍ²で５分、行っ
て、前記（６）の焼結金属を形成した。

【００２０】図１は、前述したホットプレス法の焼結金
属作成プロセスにより形成した焼結金属のうち、過共晶
Ａｌ−Ｓｉ合金に前記球状グラッシーカーボン（平均粒
径１０μｍ）を添加した組織状態を示すもので、母材の
過共晶Ａｌ−Ｓｉマトリックス中に黒丸状の球状グラッ
シーカーボンが点在している。図中、球状グラッシーカ
ーボンの中に白丸状のものが見えるが、これは脱落した
球状グラッシーカーボンの跡を示すもので、これらが所
謂オイルポットを形成している。

【００２１】次に、本発明に係る原料粉末を用いて形成
される焼結金属（以下において、複合材料ともいう。）
と、従来の原料粉末を用いて形成される焼結金属（以下
において、比較材ともいう。）との間で、摩耗特性評
価、及び、相手材攻撃性、の試験を行った。

【００２２】比較材は、前記ホットプレス法の焼結金属
作成プロセスにより形成したものであり、以下のもので
ある。

【００２３】（ａ）７０９１合金＋ホウ酸Ａｌ（３０体積％）、（ｂ）Ａｌ−Ｓｉ合金＋ホウ酸Ａｌ（５体積％）、（ｃ）Ａｌ−Ｓｉ合金＋ホウ酸Ａｌ（１０体積％）、（ｄ）Ａｌ−Ｓｉ合金＋ホウ酸Ａｌ（２０体積％）、（ｅ）Ａｌ−Ｓｉ合金＋ホウ酸Ａｌ（３０体積％）、（ｆ）Ａ３９０（Ａｌ−Ｓｉ鋳造材）、（Ｇ）Ａｌ−１６％Ｓｉ−３．５％Ｃｕ−７．５％Ｆｅ
−１％Ｍｇ（市販Ｐ／Ｍ材）試験装置は、図２に示すボールオンディスク摩耗試験機
で、複合材料を回転させ、これに所定の荷重でボールを
摺接させるものである。試験条件は下記の通りである。

【００２４】ボール：軸受鋼（ＳＵＪ−２，直径６ｍｍ）荷重：１．０ニュートン周速：６０ｍｍ／秒摺動距離：２００×１０³ 試験雰囲気：無潤滑大気中摩耗特性評価のうち、摩擦係数は、図３に示すように、
本願の複合材料がいずれの比較材よりも低い摩擦係数を
備えている。すなわち、潤滑性に優れている。

【００２５】摩耗量は、図４に示すように、本願の複合
材料が、Ａｌ−Ｓｉ合金を母材とした場合、特に優れた
耐摩耗性を示す。７０９１合金を母材とした場合は、前
記（ｅ）Ａｌ−Ｓｉ合金＋ホウ酸Ａｌ（３０体積％）に
は耐摩耗性が劣るが、他の比較材に対しては同等もしく
はそれ以上の耐摩耗性を示している。

【００２６】尚、図５に示すように、粒径５，１０，３
０μｍに比例して耐摩耗性が良好になることを確認して
いる。

【００２７】相手材攻撃性は、図６にボール側の摩耗痕
を示すように、前記（ｃ）Ａｌ−Ｓｉ合金＋ホウ酸Ａｌ
（１０体積％）及び、前記（ｆ）の耐摩耗性あるＡｌ合
金たるＡ３９０と比較した結果、本願の複合材料は非常
に小さい摩耗痕を示しており、相手材攻撃性の点も優れ
ていることが判明した。

【００２８】以上説明した本例によれば、柔らかくて摩
擦係数が高く、摩耗しやすい材料であるＡｌ基焼結金属
において、添加材として、所定粒径の非晶質カーボンを
用いることにより、他の処理を行うことなく、粉末冶金
法により形成される焼結金属の耐摩耗性向上を図ること
が可能となる。すなわち、Ａｌ基焼結金属は、軽量化に
適合する利点を有する反面、柔らかくて摩擦係数が高
く、摩耗しやすい材料であるため、従来は表面処理を施
して耐摩耗性を付与してきたが、本例の耐摩耗性複合材
料を用いることにより、別途に表面処理を行うことな
く、従来の粉末冶金法のプロセスを行うだけで耐摩耗性
の向上する焼結金属を得ることができるものである。

【００２９】尚、前述したＡｌ基焼結金属のように、ア
ルミをベース金属に用いている場合は、一般的にはアル
ミが柔らかいので圧粉体を形成しやすいが、これに対し
過共晶Ａｌ−Ｓｉ粉末は成形性が劣る。この過共晶Ａｌ
−Ｓｉ粉末を用いた場合の非晶質カーボンの添加量は、
１５体積％が一応の圧粉体形成の限界である。それ以上
に非晶質カーボンの添加量を増加する場合は、マトリッ
クスに純Ａｌのような成形性の良い粉末を混合するとよ
い。

【００３０】

【発明の効果】本願第１請求項の発明は、粉末冶金法に
より形成される焼結金属において、原料の金属粉末に、
添加材として、平均粒径５〜３０μｍの非晶質カーボン
を用いた構成の耐摩耗性複合材料であり、従って、前記
非晶質カーボンを添加材に用いて焼結すると、潤滑性に
優れる非晶質カーボンが、当該非晶質カーボンの粒径と
相俟って、耐摩耗性の向上がもたらされ、他方、相手材
攻撃性と摩擦係数の低減化が図られるものである。

【００３１】本願第２請求項の発明は、前記非晶質カー
ボンが球状粒子であり、従って適宜の離脱を促進する。
そして、前述したように平均粒径が５〜３０μｍである
から、脱落傾向もそれほど大きくなくて適宜の離脱を生
じ、他方で、非晶質カーボンの平均粒径が５〜３０μｍ
であるから、オイルポットとしての大きさが適当であ
る。このように、適宜の離脱と適当な大きさが相俟っ
て、より一層の潤滑性の向上がもたらされるものであ
る。

【００３２】本願第３請求項の発明は、原料の金属粉末
に、Ａｌ−Ｓｉ合金を用いているので、特に優れた耐摩
耗性を示すものである。

【００３３】また、本願第４請求項の発明は、前記非晶
質カーボン表面に金属元素をコーティングした耐摩耗性
複合材料である。一方で、非晶質カーボンの脱落はオイ
ルポットを形成するが、他方で、摺動環境がドライの場
合はオイルポットの効果は期待できない。また、摺動相
手材の種類によっては脱落のない方が摩擦特性が向上す
る場合もある。このような場合に、非晶質カーボン表面
に金属元素をコーティングすることにより、非晶質カー
ボンの密着性を改善し、脱落を減少させることが有効で
ある。密着性を改善すると、強度特性も上昇するもので
ある。

【００３４】このように、本発明によれば、粉末冶金法
により形成される焼結金属の耐摩耗性向上を図ることの
可能な耐摩耗性複合材料を得ることができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金に球状グラッシーカーボ
ン（１０体積％）を添加した組織状態を示す図である。

【図２】ボールオンディスク摩耗試験機を示す図であ
る。

【図３】本願の複合材料及び比較材の摩擦係数を示す図
である。

【図４】本願の複合材料及び比較材の摩耗量を示す図で
ある。

【図５】非晶質カーボン粒径と摩耗体積との関係を示す
図である。

【図６】ボールオンディスク摩耗試験機によるボール側
摩耗痕を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粉末冶金法により形成される焼結金属に
おいて、Ａｌ基の金属粉末に、添加材として、平均粒径５〜３０
μｍの非晶質カーボンを用いたことを特徴とする耐摩耗
性複合材料。
【請求項２】前記非晶質カーボンが球状粒子であるこ
とを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性複合材料。
【請求項３】原料の金属粉末に、Ａｌ−Ｓｉ合金を用
いたことを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性複合材
料。
【請求項４】前記非晶質カーボン表面に金属元素をコ
ーティングしたことを特徴とする請求項１記載の耐摩耗
性複合材料。