JPS5845348A - アルミニウム合金製摺動部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明社シリンダライナ・パルプガイド等の内燃機関部
品、ロータリフンプレ・ンサのベーン、アキシャルフン
プレツサのシューデスク等のように苛酷な摺動条件下で
使用するに適するアルｌニウム合金摺動部材及びその製
造方法に関する。

アルミニウム合金は軽量で熱伝導性が高いという長所を
有しているが、摺動部材として使用すると焼付を起し易
いという欠点を有している。

アル１ニウム合金の中では過共晶組成の高珪素アルミニ
ウム合金は耐摩耗性に優れているが油の濡れ性が悪いの
で摺動面の油膜が逮切れ易く、苛酷な摺動条件で始動す
ると焼付を起すという難点を有している。

上記のような難点を解消する方法として、高珪素アルミ
ニウム合金の摺動面にラツヒ゛ングや特殊な電解研摩を
施してＨＭｖ７．２０θ〜／　４ｔ００の高硬度を有す
る初晶シリコン粒子を周囲の基地から浮上らせて初晶シ
リコン粒子間に凹部を防止する方法や、マグネシウムを
多量含有させて基地中ＫＭｇ、Ｅｌｌを晶出させこれを
化学的或は電気化学的に溶解除去して凹部を形成させて
油溜やとする方法が提案されている。

これらの方法によって得られた摺動面は不可避的な初期
馴染みによる摩耗やその後の定常摩耗によって油溜りと
なっている四部が消失すると焼付を起し易くなり、本質
的な解決手段とはならない。また、高珪素アルミニウム
合金は本来鋳造用合金であり、鋳造法では高硬度の初晶
シリコンが粗大であって微細化処理を施してもなお限界
があるので機械的性質が脆弱であると共に被削性が劣る
。

その上、固液共存範囲が広いので健全な鋳造品を得るた
めに社大・きな押湯を必要とし、重量歩留りが低いとい
う問題点は未解決のま−である。

窒素等の不活性ガス或は空気を噴霧気体をして溶融金属
を噴霧して水中で凝固させて微粉末とするアトマイズ法
によると、溶融金属をＩＯ２〜１０４°０／ａａｏの急
速な冷却速度で凝固させることができることから、アト
マイズ法で過共晶高珪素アルミニウム合金粉末を製造す
ることによって初晶シリコンを数μ〜２０μ程度の粒径
にすることが可能である。近年このようにして製造され
た過共晶高珪素アルミニウム合金粉末全熱間押出し法に
よってビレ゛ントとする方法が提案されているＯ この方法によれば、高珪素アルミニウム合金の機械的性
質や被削性に関する問題点は解決されるが、油の濡れ性
が悪ψことに起因する耐焼付性に関する問題点は解決さ
れない。この問題点を解決するためには黒鉛・鉛・錨・
二硫イしモリブデン等の固体潤滑剤粉末を原料粉に混合
する方法が考えられるが、ダイスと被加工材との間の摩
擦によって生ずる引張力のために、得られるビレットの
表面に亀裂力く生じ易い。また鉛や錫のような高比重の
金属粉末をアル４ニウム合金粉末に配合すると、混合時
や混合粉の取扱い中に比重差による偏析を起し易い。更
にこれら低融点金属粉は熱間押出し時に溶融して、アル
１ニウム合金粒子の間隙を通って下方に偏析したや、ま
た優先的に押出され、即ち搾や出されるようにしてこれ
ら低融点金属は押出し材の先端に多く、後方では少なく
なるようになる。

このような現象は、被加工材が混合粉のままである場合
のみならず、混合粉を圧縮成形して圧粉体としたもので
ある場合にも、圧粉体中の気孔社互に連絡してお９、ま
たその気孔率は通常ｌＱ〜３０容積襲であるので、同様
に起る。

本発明は上記のような問題点を解消し、充分な機械的強
度と優れた耐焼付性とを有するアルｌニウム合金製摺動
部材及びその製造方法を提供することを目的としてお９
、その第７の発明は３０重量％（以下、％は特に説明な
い場合は重量％を表わす。）以下のシリコン、並びに銅
、マグネシウム、亜鉛、ニッケル及びマンガンの２種以
上を合計で７〜７０％含有し、残部が実質的にアル１ニ
ウムからなる過共晶組成を有し、初晶シリコンが微細か
つ均一に分布した組織を有する基地中に、７〜７０％の
鉛を分散させた耐焼付性に優れる強力なアルミニウム合
金製摺動部材に係り、その第２の発明は３０％以下のシ
リコン、並びに銅、マグネシウム、亜鉛、ニッケル及び
マンガンの２種以上を合計で７〜７０％含有し、残部が
実質的にアルミニウムからなる過共晶組成を有し、初晶
シリコンが微細かつ均一に分布している組織を有する粒
径０．３ｍ！１１以下のアルミニウム合金粉末に酸化鉛
粉末を鉛量として７〜／θ％になるように配合し、混合
した混合粉をコンテナ中に充填し、３３０〜μｓ　ｏ　
”ａで熱間押出しを行って押出し材とし、次にこの押出
し材を押出し温度以上、液相生成開始温度以下の湿度に
加熱して酸化鉛を鉛に還元してから急冷し、次いで時効
処理を施すことを特徴とする前記第１の発明に係るアル
ミニウム合金製摺動部材の製造方法に係る。

ｔｓ／の発明は耐摩耗性に優れる過共晶高珪素アルミニ
ウム合金の組成に更に機械的強度を改善する目的で銅・
マグネシウム・亜鉛・ニッケルｔニウＡに固溶せず、固
体潤滑剤としての作用を有し、或いＩｆ１摺動中に摩耗
して油溜りとなる凹部を形成する鉛を含有させることに
よって優れた耐焼付性を付与した強力な摺動部材に係抄
１原料合金粉末からの押出し加工及びその後の熱処理に
よって製造される。

その組織中に存在する初晶シリコンは前述のように硬度
高く八−ドスポットを形成して耐摩耗性に寄与するが、
機械的強度と被削性を改善するために初晶シリコンが微
細にかつ均一に分布している組織とする。

基地中のシリコン含有量については、初晶シリコンを晶
出させるためには、過共晶組成でなければならな−こと
は言う迄もなく、共晶組成のシリスン量はアルミニウム
及びシリコン以外の成分元素の種類及び含有量によって
変動する。

シリコン含有量が３０％を越えると初晶シリ′コンが粗
大化し、強靭性と被削性を害すると共に、押出し加工に
際して変形抵抗の増加とダイスの摩耗をきたすので、シ
リコン含有量は共晶シリコン量を越え、３０％以下の範
囲とする。

基地中の銅・マグネシウム・亜鉛・ニッケル及びマンガ
ンはアルミニウム合金に時効性を付与する作用を有して
おり、本発明はこれらの内２種以上を含有させることに
よる相乗作用によって効果的に時効性を付与し、時効硬
化による機械的強度の改善を図ったものである。上記成
分元素の基地中の量が合計で７％未満では機械的強度改
善の効果が顕著ではなく、これが１０％を越えると押出
し加工が困難になるので、その合計量を７〜１０％の範
囲とする。

鉛は前述のようにアルミニウムに固溶せず、基地中に分
散し、而も固体潤滑剤としての作用を有し、耐焼付性を
付与し、また軟かいので摺動中に選択摩耗して摺動面に
四部を形成させ、これが油溜りとなって耐焼付性を付与
するが、その量が７％未満では上記の効果が顕著ではな
く、また７０％を越えると機械的強度の低下をきたすと
共に、押出し加工性が損なわれて横割れが発生するよう
になるので、その含有量は７〜７０％の範囲とするＯ 第２の発明は前記第１の発明に係る摺動部材の製造方法
に係る。

先ず原料混合粉末をコンテナ中に充填して押出し加工に
よってビレットとする。或いは原料合金粉末を圧縮成形
して圧粉体とし、この圧粉体をコンテナ中に装入して押
出し加工によってビレットとする０押出し加工は３３０
−≠ｓｏ”ａの熱間で行うが１後者の方法によればコン
テナ中に装入する被加工材を加熱するのが容易であるの
τ有利である。

本発明の方法では鉛の供給源として酸化鉛粉末を原料粉
に配合す為。酸化鉛は加工温度で溶けることはなく、押
出し加工時にアルミニウム合金粒子の塑性流動によって
アルミニウム合金粒子表面の拳化皮膜が破断してアル１
ニウム合金が直接酸化鉛粉末と摺り合わされ、而も前記
温度に加熱されているので酸化鉛の一部は還元されて備
か乍ら金属鉛が生成される。従って押出し加工は塑性流
動がダイス近傍でのみ起る間接押出し法によるのが良い
。直接押出し法ではコンテナ中の被加工材の広い範囲で
塑性流前を起すので、前述したような鉛粉末を配合した
場合に於ける不都合を生ずることになる。

次に押出し加工温度以上、原料の高珪素アルミニウム合
金粉末の液相生成開始温度以下の温度に加熱して酸化鉛
を金属鉛に還元する。この還元はアルミニウムの存在下
で次式の反応によるものと考えられる。

ｊＰｂｏ＋、２ａ７−−鴫３　Ｐｂ−）−Ａｊ＋ｏ３か
くして基地中に鉛相が分散した組織を有するビレットが
得られる。この加熱に次いで急冷することによって、こ
の還元熱処理は溶体化処理をも併せて行ったことになる
。

次に時効処理を施して機械的強度を改善する。

１、・− 原料粉の高珪素アル４ニウム合金粉末の組成は前記の第
１発明の基地のそれと当然同様でなければならない。ま
た、その組織中に含まれる初晶シリコンの粒径は、２３
μを越えると得られる摺動部材の初晶シリコンが大吉〈
なり過ぎて機械的強度と被剛性を害するようＫなるのと
、押出し加工に際して変形抵抗が大きくなってダイスの
摩耗が増大するので１．２Ｊ−μ以下とするのが良い。

このような微細組織を有する合金粉末はアトマイズ法に
よって得られる。

またその原料粉の粒径ｈＯ，３ｒｎｒｎを越えると鉛相
の分布が不均一となるので、０．３ｍｍ以下とするのが
望ましい。鉛相の分布を均一にするためには原料粉の粒
度は細かい程良いが、細か過ぎると燈ｉｏ危験ｔ−生じ
、取扱いが面倒になるので／θ０メツシュ（／ま０μ）
以上のものを使用するのがより望ましい。

市販の拳化船は粒径数μの微細な粉末であるので１一般
に数十μの粒径を有する鉛粉末に比べて均一に原料粉中
に混合でき、ｔな前記還元反応が”。

効果的に遂行される。その配合量は鉛分として前記第１
の発明の鉛含有量となるようにしなければならないこと
社言う迄もない。

圧粉体の製造に関しては、通例の粉末冶金に於ける成形
と特に異なるところ社ない。

加工温度は３ＫＯ’０よりも低温では被加工材の変形抵
抗が大きくなって工具類の破損の虞れがあり、原料粉末
間の拡散が不充分で得られるビレットの機械的強度が不
足し、ａＳＯｏＯを越える高温では押出し材とダイとの
間に働く引張力によってビレット表面に亀裂を生じ易く
なるので、３３０〜≠ｒｏ”ａの範囲とする。ソリッド
ダイを使用する場合はｉｗｔｏｏＮ≠２！；”Ｏで、ホ
ローダイを使用する場合ＩＩｉ≠２５−≠！θ″０で加
工するのが特に好ましい。また、間接押出し法ではメタ
ルフローの小さい領域で加工されるので、押出し比は１
０以上であることが望ましい０ 酸化鉛還元の熱処理の温度は高い程還元反応が連〈進行
し、また溶体化処理としての効果も増大するので高い程
良く、少なくとも押出し加工温度以上とする必要がある
。他方、高珪素アルｚ　Ｗラム合金の液相生成開始温度
を越えて高くすると、初晶シリコンを粗大化させるので
、該液相生成開始温度以下とすることが望ましい。アル
ミニウム硼素系合金の共晶温度は５７７°Ｃであるが、
この共晶温度は銅、マグネシウム、亜鉛、ニッケル及び
マンガンによって低温側−＼移動するので、これらの種
類及び含有量に応じた濃度とする必要がある＠加熱時間
は３０分〜ｊ時間程度で良ψ。

時効処理は大約／３０−２００”ｏ　、３〜７０時間が
適当である。

次に実施例について説明する。

実施例／ 窒素アトマイズ法によって製造され、初晶シリコンノ粒
径がｒ△未溝の微細組織を有し、シリコン２０％、銅３
％、マグネシウム１％、残部が実質的にアルミニウムか
らなる組成を有する−１００メツシユの合金粉末に、平
均粒径３μの一酸化鉛（ｐｂ　Ｏ）　粉末ｔ／、！、　
ｊｌｋヒ／　０％　（鉛量として夫々／、！、ｌ夕及び
り３％）になるように配合シ、混合して３種類の混合粉
とし、これらの混合粉を金型中で圧縮成形して直径４’
９．ｊｍＪ長さ１２０ｍｍ、気孔率２０容積％の圧粉体
とし、との圧粉体を≠ｚｏ”ａに加熱して内径、ｔ　Ｏ
ｍ　ｍのコンテナ中に装入し、その温度で間接押出しに
よって直径／ｊＩ！Ｉｍの丸棒とし、これら丸棒を弘り
Ｑ”０に３時間加熱してから水冷し、次いで／７ｊ″Ｏ
に１０時間加熱の時効処理を施し、３種類の供試材を得
た。

これらの供試材について、−酸化鉛粉末１０％配合のも
のを例に挙げてその組織を第１図及び第２図に示す。第
１図は押出し加工のｔまの状態に於ける組織を示す倍率
≠ＯＯ倍の顕微鏡写真、第２図は熱処理を施した供試材
Ｑ組織を示す倍率μＯＯ倍の顕微鏡写真である。矢印は
押出し方向を示す。

第１図及び第２図中の黒色に見える相は、ｘｔａ回折試
験の結果、前者では一酸化船及び鉛、後者では鉛である
ことが確認された。

即ち、押出し加工のままの状態ではｐｂｏとＰｂが検出
され、熱処理後ではＴｂＯは検出されず、Ｐｂが多量に
検出された。このことから、配合された一酸化鉛は押出
し加工温度で一部が還元されて鉛になり、次の弘φＱ’
０の加熱で一酸化船は還元しる。

また当然の事乍ら、両者共ＡＪと８１が多量に検出され
た。

基地組織は両者共初晶シリコンが極めて微細に、かつ均
一に分布した微細組織となっている。

これら供試材について機械試験を行った結果は以下の通
りである。なお、比較のために、−酸化鉛粉末を配合せ
ず、その他は前記と同様にして製作した比較材及びこれ
と同じ組成を有する鋳造比較材についても同様の試験を
行った。

（１）引張試験及び硬さ試験 各供試材から試験片を採取し、引張試験及び硬さ試験を
行った結果は第１表に示す通りである。

同表には各成分元素の分析値が併記しである。

第　　／　　表 同表から、本発明に係る摺動部材の機械的性質は、同様
の組成の鋳造材に比べて可成り優れていることが判る。

（２）焼付試験 試験装置は第３図及び第弘図に概要を図解的に示すもの
であって、ステータ（力に取外し可能に取付けられた直
径Ｊ’Ｏｒａｍの円板（相手材）■の中央には裏側から
注油孔■を通じて潤滑油が注油される。ステータ（１）
には油圧装置（図示せず）によって右方へ向けて所定圧
力で押圧力Ｐが作用するようにしである。円板＠に相対
向してロータに）があり、駆動装置（ｖ４示せず）によ
って所定速度で回転するようにしである。ｐ−夕例の円
板ｃ２）Ｋ対する端面に取付けられた試料保持具（μ＆
）にはｊｍｍＸｊｍｍＸ／　Ｏｍｍの角柱状試験片（イ
）が同心円上に等間隔に弘個取外し可能にかつ正方形端
面が円板Ｑに対して摺動自在に取付けである。このよう
な装置に於いてステータＶ）に所定の押圧力Ｐをかけ、
所定の面圧で円板（相手材）■と試験片（支）とが接触
するようにしておいて、注油孔■から摺動面に所宏給油
速度で給油しながらロータ（ロ）を回転させる。一定時
間毎にステータＱ）に作用する圧力を階段的に増加して
行き、ロータ（ロ）の回転によって試験片（２）と相手
の円板■との摩擦によってステータＶ）に生ずるトルク
（＊振力によって生ずるトルク）Ｔをスピンドル（θを
介してロード七ル（′７）に作用せしめ、その変化を動
歪１鎖で読み、記録計（力に記録させる。トルクＴが急
激に上昇するときに焼付が生じたものとして、その時の
接触面圧をもって焼付面圧とし、この大小をもって耐焼
付性の良否を判断する。

試験に供した試験片は前記引張試験に供したと同一供試
材から採取したものを使用し、予め試料保持具（４’　
＆）に取付けておいて摺動面に研磨仕上げを施しておい
である。試験条件は次に示す通りである。速度は♂ｍ／
ｓｅａ、潤滑油及び給油条件はコンプレッサオイル（ス
ニソ、ｔＧ８）にて温度ｇｏ″０，３０Ｑｍｌ／ｍ１ｎ
、接触圧力は２０ｋｇ／ｃｊで２０分間馴らし運転後３
０ｈ／Ｃ♂で３分間、その後３分間経過毎に／　Ｑ１ｑ
／　ａ　ｌｌＩ４づつ上昇、相手材は焼入を施した球状
黒鉛鋳鉄。

試験は同一供試材について各々２回づつ行い、その結果
は第２表に示す通りである。

第　　２　　表 同表から、潤滑油の供給が充分である理想的な摺動条件
下にあっては、鉛相分散の効果は明らかではな―が、本
発明材は鋳造材に比べては耐焼付理性に優れていること
が判る。

実施例コ 前記実施例／に使用した原料粉のうち、−酸化鉛粉末を
ｊ％配合したもの（本発明材）及び−酸化鉛粉末を配合
しな−もの（比較材）を圧縮成形して圧粉体とし、これ
ら圧粉体をμｊＯ’０に加熱し、押出し比／／で間接押
出し加工を行って外径３７ｍｍ、内径ＩＡＪｍｍの円筒
体とし、ｅｔｔｙｔ径方向に切断して環状試料とした。

第３図及び第弘図に示した鋳鉄製円板■の一方の端面に
円環状の溝を削設し、この溝に上記環状試料を嵌着し、
これをμりｏ’ａＫｒ時間加熱して水冷し、次いで／７
！”Ｏに７０時間加熱の時効処理を施してから試料、の
嵌着された端面を研磨仕上げした。

これら試料について前記実施例／で使用した試験機を使
用して次のような焼付試験を行った。

第３図及び第≠図に示した円板■に上記試料の嵌着され
た円板を使用し、回転するμ個の試験片（イ）には前記
実施例／に於けると同一形状寸法を有する油焼入したク
ロムモリブデン鋼ＳＯＭ≠／ｊを使用し、潤滑油として
温度ｓｏ”ａのコンプレッサオイル（スニソｊＧ８）を
３００ｍＪ／ｒｎＬｒｋ供給しながら接触圧力／　０呻
／　Ｏｍ”、速度を、２ｍ／ｓｅａとして７０分間上記
試料とＳＣｊＭＩＩ／ｊ試験片とを摺動させる馴らし運
転を行ってから、引続きそのｔｔ１１１１滑油の供給を
７０秒間停止し、次いで潤滑油を上記と同様に３分間供
給する運転を繰返し、焼付が発生する迄の繰返し回数を
求めたＯ その結果、比較材は２回の繰返し運転で焼付が発生した
のに対し、本発明材では３０回の繰返し運転でなお焼付
が発生しなかった。

この結果から、基地中に鉛が分散した組織を有する本発
明材は、油膜切れが発生するような苛酷な摺動条件下で
も焼付を起し難く、耐焼付性が著しく改善されているこ
とが判る。

本実施例では時効性を付与する合金元素として銅とマグ
ネシウムとを含有させたが、これらのほか亜鉛・ニッケ
ル及びマンガンも同様な効果を欝することは一般の時効
性アルミニウム合金に於けると同様である。

また本発明摺動部材はアルミニウム合金にとって一般に
極めて有害な不純物とされている鉄が、溶製材のように
板状に晶出せず、粒状に晶出するので、その含有量は２
％程度迄許容できる。

また原料粉を窒素ガスアトマイズ法で製作することによ
って、酸素の含有量をＯ０７％程度以下に抑えることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明アル１ニウム合金製摺動部材の製造過程
中、押出し加工を施した状態に於ける組織を示す顕微鏡
写真、第２図は本発明アル１＝ウム合金製摺動部材の組
織を示す顕微鏡写真、第３図は焼付試験装置の■−冒線
に沿う断面図、第グ図は同上装置の？／−１’線に沿う
断面図である。 Ｃ／）、−ｍ−ステータ Ω−−−０円板（相手材） （ロ）−一一一ロータ （イ）−ｍ−試験片 ｗＡ３図 ■ 箪４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／、３０重量％以下のシリコン、並びに銅、ヂグネシウ
   ム、亜鉛、ニッケル及びマンガンの２種以上を合計で７
   〜ＩＯ重景％含有し、残部が実質的にアルミニウムから
   なる過共晶組成を有し、初晶シリコンが微細かつ均一に
   分布した組織を有する基地中に、７〜７０重量％の船を
   分散させた耐焼付性に優れる強力なアルミニウム合金製
   摺動部材。 ２．３０重量％以下のシリコン、並びに＠、マグネシウ
   ム、亜鉛、ニッケル及びマンガンの２種以上を合計で７
   〜１０重量％含有し、残部が実質的にアルミニウムから
   なる過共晶組成を有し、初晶シリコンが微細かつ均一に
   分布している組織を有する粒径Ｑ、３ｍｍ以下のアルミ
   ニウム合金粉末に酸化鉛粉末を鉛量として７〜１０重量
   ％になるように配合し、混合した混合粉をコンテナ中に
   充填し、３３０−≠ｚｏ”ｏで熱間押出しを行って押出
   し材とし、次にこの押出し材を押出し温度以上、液相生
   成開始温度以下の温度に加熱して酸化鉛を鉛に還元して
   から急冷し、次いで時効処理を施すことを特徴とする３
   ０重量％以下のシリコン、並びに銅、マグネシウム、亜
   鉛、ニッケル及びマンガンの２種以上を合計で７〜１０
   重量％含有し、残部が実質的にアルミニウムからなる過
   共晶組成を有し、初晶シリコンが微細かつ均一に分布し
   た組織を有する基地中に、７〜ＩＯ重量％の船を分散さ
   せた耐焼付性に優れる強力なアル１ニウム合金製摺動部
   材の製造方法。 ３、　コンテナ中に充填される被加工材が、混合粉を圧
   縮成形して得られた圧粉体である特許請求の範囲第２項
   記載のアルミニウム合金製摺動部材の製造方法。