JPS59162242A - 耐摩耗性アルミニウム・珪素押出成形体およびその製造方法 - 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】 本発明は耐摩耗性の優れたアルミニウム・珪素押出成形
体及びその製造方法に係る。

過共晶后−８ｉ　合金は硬質の初晶Ｓｉが共晶組織の基
地中に分布した組織を有しているために耐摩耗性に優れ
、軽量でもある故に種々の摺動部な鋳造品を得るために
は大きな押湯を必要とするので歩留が低く、また薄肉の
鋳造品を得ることが困難なため薄肉の部品の製造にあっ
ては厚肉の素材から削り出さねばならず、その上被剛性
が悪いために後加工のコストが嵩む等の問題点を有して
いる。

このような過共晶Ａｚ　−Ｓｉ　合金の問題点を解消す
る手段として、アトマイズ法によって製造された過共晶
Ａ１−８ｉ　合金粉を原料として押出加工によって成形
した摺動部品およびその製造方法が提示されている（特
開昭５２　−１０９４１５号あこの方法によって得られ
る成形体は過共晶」−８ｉ　　合金の有する良好な耐摩
耗性を保有する上に薄肉の成形体も得られるのであるが
、初晶Ｓｉの粒径が極めて小さいために油膜の形成が困
難な低速の摺動条件下では耐摩耗性が良好ではなく、ま
た相手摺動材の表面粗さが粗い場合には鋳造材に比べて
耐摩耗性が劣るという問題点を有している。

また、一般にＡ）合金は軽量であるという長所を有して
いる反面、熱膨張係数が太きいという問題点を有してい
る。例えばロータリコンプレッサのベーンはシリンダ内
壁に押付けられながら摺動するので、耐摩耗性に優れる
と共に押圧力が過大にならないように軽量であることが
望ましい。

然しなからロータリコンプレッサのシリンダは一般に鋳
鉄製であり、ベーンは運転中に百数十℃に加熱されるの
で、ベーン材料に后合金を使用すると、后合金は鋳鉄に
比べて熱膨張係数が可成り太きいために、室温でのベー
ンとザイドプレートとの間隙を大きくとっておかねばな
らない。

その結果運転初期のベーンが充分に昇温していない時期
にはコンプレッサの能力が低くならざるを得ない。前記
特開昭５２−　１０９４１５　　号に開示されたＡＵ　
−Ｓｉ　　合金材も同様にこの問題を解決できない。

発明者はこれまで種々研究の結果、微細な過共晶Ａｉ−
Ｓｉ　　アトマイズ合金粉及びこれより粗粒で、過共晶
Ｌ−８１合金よりも硬くかつ熱膨張係数の小さい粉末、
特に好ましくは金属Ｓｉおよび窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）
　　の一つまたは両方を原料として熱間押出加工によっ
て、従来の過共晶后−Ｓｉ　　合金より一層優れた耐摩
耗性を有し、かつ熱膨張係数の小さいＡノルＳｉ　成形
体を製造することに成功した。

本発明は前記のような過共晶ＡＵ　−Ｓｉ　　合金の問
題点を解消し、耐摩耗性の一層改善されたアルミニウム
・珪素押出成形体及びその製造方法を提供することを目
的としており、その第１の発明は５ｉ１２〜３５％、Ｃ
ｕｌＯ％以下、Ｍｇ３％以下、残部実質的に后からなり
、きわめて微細な初晶Ｓ１が分布している基地中に該基
地よりも硬く、かつ熱膨張係数の小さい材料の粒子が３
〜２５％分散している組織を有する耐摩耗性アルミニウ
ム・珪素押出成形体に係り、第２の発明は平均粒径３〜
６０μｍの金属Ｓｉ粉及びＳ　ｉ　３　Ｎ　４粉の１種
または２種３〜２５％と、Ｓｉ　　１２〜３５係、Ｃｕ
ｌＯ％以下、Ｍｇ　３％以下、残部実質的にｎからなる
アトマイズ合金粉を配合して混合し、押出比１０％以上
で熱間押出しをすることを特徴とするＳｉ　　１２〜３
５％、ＣｕｌＯ％以下、Ｍｇ　３％以下、残部実質的に
Ａノがらなり、極めて微細な初晶Ｓ！が分布している基
地中に平均粒径３〜６０μｍの金属Ｓｉ粒子およびＳｉ
３Ｎ４　粒子の１種または２種が合計で３〜２５％分散
している組織を有する耐摩耗性アルミニウム書珪素押出
成形体の製造方法に係る。

次に本発明押出成形体の化学組成について述べる。

基地は過共晶ｋｉｔ　−Ｓｉ　合金よりなるが、その中
のＳｉは１２％未満では初晶Ｓｉがほとんど晶出せず、
基地の耐摩耗性が不足するので１２％以上を必要とする
。Ｓｉが多いほど硬度、耐摩耗性が向上する上に熱膨張
係数が低下するが、Ｓｌが３５チを越えると初晶Ｓｉが
多量になり、また粗大になって押出加工を困難にし、押
出成形体に亀裂を生じ易くなる。従って基地中の８１含
有量は１２〜３５％とする。特に好ましい範囲は１６〜
２５ｑ６である。

Ｃｕ及びＭｇは時効硬化によって基地を強化する作用を
有する。またＣｕ含有量が増加するほど熱膨張係数が低
下する。本発明で使用する基地用原料粉は後述するよ５
にアトマイズ法によって急冷凝固しているために粗大な
Ｃｕ２ＡＪｌ　　相を晶出することなく、Ｃｕを多量に
過飽和に固溶することができる。

しかしながらＣｕ含有量が１０％を越えると基地を脆化
させるので１０％以下とし、下限は時効硬化の点から１
％以上とすることが望ましい。

ＭｇはＣｕと同様時効硬化の作用によって基地を強化す
るが、含有量が多（なるほど熱膨張係数を上昇させるの
で好ましくなく、Ｃｕのみでも上記時効硬化の効果は奏
せられることを考慮し７てＭｇは３％以下とするのが良
い。

次に、過共晶Ａｉ−Ｓｉ　　アトマイズ合金粉に配合す
る金属８ｉ及びＳｉ３Ｎ４　粒子の如き硬質粒子粉につ
いて述べると、これらの粒子は過共晶ＡＪ、　−Ｓｉ　
　合金基地中に分散して摺動中に摺動面に浮出すように
なり、低速摺動条件下でも油膜の形成を容易にして優れ
た耐摩耗性を付与する。またこれらは熱膨張係数が小さ
いので、これらを配合することによって押出成形体の熱
膨張係数を低下させることができる。

上記硬質粒子としては金属Ｓｉ、　　Ｓｉ３Ｎ４　　の
ほか、ＴｉＮ　等の窒化物、ＡＵ２０３　　等の酸化物
。

ＳｉＣ、ＴｉＣ等の炭化物、ＴｉＳｉ２．　ＭｏＳｉ２
等の金属間化合物、硼化物等のセラミックスやフェロモ
リブデン、７エロタングステンのような硬質合金の粉末
が使用できる。特に金属ＳＬおよび５ｉａＮ４　　は比
重がＡＵ　−Ｓｉ　　合金に近いので偏析することがな
く、均一に混合でき、また危−８ｉ　　合金基地との密
着性がよい上に、安価であるので有利である。

硬質粒子の粒径は低速摺動条件下での耐摩耗性改善のた
めには、基地を形成する過共晶Ｌ〜Ｓｉ　　アトマイズ
合金粉粒子よりも大きくする必要があり、平均粒径で少
なくとも３μｍを必要とする。然しこれが６０μｍより
も大きくなると押出し加工が困難になるので３〜６０μ
ｍとする。ただし、最大粒径は８０μｍ以下にとどめる
のがよい。特に好ましい平均粒径の範囲は１０〜４０μ
ｍである。これらの粒子は押出加工に際して基地を形成
する過共晶人ｇ−８ｉ　　合金粉によって周囲から大き
な圧縮力を受けているので、押出成形体から摺動中に剥
離するようなことはない。

これらの硬質粒子は基地中にそのいずれか一方を分散さ
せても良く、また双方を分散させても良い。これらの分
散量は合計で３チ未満では前記ので、３〜２５チの範囲
とする。

上記のように金属Ｓｉ粉、　５（３Ｎ４　　粉を使用し
て配合すると、得られる押出成形体は１３．４〜５１．
３％Ｓｉ　、好ましくは１７．３〜４３．８チＳｉ、０
、７５〜９．７　％　Ｃｕ　、　Ｍｇ　０．２９　％以
下・残部実質的に后からなる化学組成になる。

次に本発明押出成形体の製造方法について述べる。

原料粉の過共晶Ａ１−Ｓｉ合金粉はアトマイズ法によっ
て製造されたアトマイズ粉を使用するのが好適である。

アトマイズ法によれば溶湯を急冷凝固して粉末とするの
で、初晶Ｓｉが極めて微細に分布した組織の粉末が得ら
れる。その化学組成はＳｉ　　１２〜３５％、望ましく
は８ｉ　　１６〜２５チ、ＣｕｌＯ％以下、Ｍｇ　３％
以下、残部実質的にＬとする。この粉末７５〜９７部と
平均粒径３〜６０μｍの金属８ｉ粉及びＳｉ３Ｎ４　　
粉のいずれか一方または双方を合計で３〜２５部配合し
て混合する。

この混合粉を熱間押出しして成形する。原料粉の表面に
不可避的に生成された薄いＡＵ２０３　　皮膜は押出加
工による塑性流動によって超微細に分断され、Ａ７！２
０３　　皮膜の介在によって粉末粒子間の拡散が阻止さ
れ、その結果成形性が阻害されるという問題が解消され
る。そのためには押出比は１０以上であることを要し、
加工温度は　４００〜５００　℃が適当である。またこ
のようにすることによって得られる押出成形体中に分散
する硬質粒子は周囲の過共晶ＡＪ、　−Ｓｉ　　合金か
ら強い圧縮力を受けるので、摺動中にこれら粒子が脱落
することが防止される。なお、押出加工に先立って通例
の粉末冶金法によって焼結体としておいて押出加工にか
けると被加工材の取扱が容易となる。

このようにして得られる押出成形体は目的の部品の寸法
に近い寸法のものとすることが容易であるので、後の仕
上げ加工に於り“る歩留を極めて高くすることができる
。

次に実施例および試験結果について説明する。

実施例　１゜ 過共晶后−ｓｉ　　合金溶湯を空気アトマイズ法によっ
て粉末とし、１００　メツシュの篩を通して第１表に示
す化学組成のアトマイズ粉を得た。

これに純度９８．５％、平均粒径１５μｍの金属Ｓｉ粒
及び平均粒径１０μｍのＳｉ３Ｎ４　　粉を第２表に示
すように配合し、Ｖ型コーンで混合した。

これら混合粉を２５０℃に１時間加熱し、同温度に加熱
保持された内径４９．５ｍｍの３分割金型中に充填し、
上下パンチで圧縮、成形して真密度比７０％の長さ９Ｑ
ｍｍのビレットとした。

第２表（％） 次に４３０℃に加熱保持された内径５Ｑｍｒｒｌのコン
テナ中に予め窒素ガス中で４５ｏ℃に２時間加熱した前
記ビレットを挿入し、内径１２ｍｍのダイスを用いて間
接押出法により丸棒押出材とした。押出比は１７．４で
ある。

次にこれら押出材にＴ７熱処理を施してから試験片を採
取し、摩耗試験及び熱膨張係数の測定を行った。第１図
には押出材Ｎ［１１の、第２図にはＮｎ２のＲ微鏡組織
（Ｘ４００）を示す。　図中（１）及び（２）は白色を
呈する微細な初晶Ｓ１の晶出した過共晶危−８７合金か
らなる基地、（３）は金属Ｓｉ粒子、ねずみ色を呈する
粒子（４）はＳｉ３Ｎ４　　粒子である。

次にこれら押出成形体について行なった試験について述
べる。

α）摩耗試験 試験は第３図に示す方法で行った。試験片５を試験片ホ
ルダー６で保持し、相手方回転円板７の外周面に一定圧
力で圧接させ、潤滑油供給管８かも潤滑油を供給しなが
ら摺動させる。試験片は５Ｘ５Ｘ２０ｍｍの角柱状を呈
し、先端摺動面には半径６ｍｍの丸みが付せられ、研磨
仕上げが施されている。相手円板７は球状黒鉛鋳鉄ＰＣ
Ｉ）　５０に焼入、焼戻が施されｎａｃｓｏ　　の硬さ
を有し、外径４４．２ｍｍで、摺動外局面は表面粗さを
０．６〜１，５μｍに研磨仕上げが施しである。

このような装置によって相手円板７を１．３．５ｍ／秒
の周速で回転させ、８０±１　℃に加熱されたコンプレ
ッサオイル（スニソ５ＧＳ）を３ＱＱｍｉ／分　の割合
で供給管８から給油しながら試験片５を相手円板７の外
周面に３　ｋｇ　／　ｍｍ、２の押圧力で押付け、摩擦
距離を１５０１ａｎ　　とじて試験片５と相手円板７と
を摺動させた。

試験前の相手円板７の外周面の表面粗さは表面粗さ計の
触針を軸方向に走査させて測定した。

試験後試験片５の摺動面の摩耗幅を工具顕微鏡で測定し
て、これから摩耗体積を計算で求めた。

なお、比較材として前記Ｎｏ、４、Ｎｎ５のほかにＴ７
熱処理を施した２０％Ｓｉ、　３．４　％Ｃｕ　、　０
．９％Ｍｇ　、残部実質的に后の鋳造材Ｎ［１６につい
ても同様の試験を行った。

試験片の硬さく　ＨＲＢ　）はＮ［１１〜３が８７、Ｎ
ｎ４が８２　、Ｎｎ５が８５、鋳造材Ｎａ６が８８であ
った。

試験結果を第４図は周速１ｍ／秒の、第５図は周速３ｍ
／秒の、第６図は周速５　ｍ　７秒の場合について示し
である。

本発明材ＮＯ，１、Ｎ［１２、Ｎｌ１３はいずれの比較
材に比べても摩耗量が少なく、比較材Ｎ［１４及びＮｎ
５は摩耗量が比較材の鋳造拐Ｎｎ　６よりも大きく、特
に相手材の表面粗さが粗くなると摩耗量が著しく増大し
ている。また周速１ｍ／秒では周速３　ｍ　／秒に比べ
てその傾向が大きい。この現象は比較材Ｎα４及びＮ［
１５は硬質の初晶Ｓｉが極めて微細であり、他に粗い硬
質相が存在しないために、油膜の形成が困難であるため
と考えられ、更に低速になると摩耗量は一層大きくなる
ものと推測される。本発明の押出成形体は耐摩耗性の良
好な過共晶り−Ｓｉ　　合金を基地としており、更に硬
質の金属Ｓｉ粒子やＳｉ３Ｎ４　　粒子が分散している
ので、摺動中にこれら硬質粒子が浮上って油溜りが形成
されるようになって保油性が改善されるため、低速でも
優れた耐摩耗性を示すものと考えられる。

（２）熱膨張係数測定 前記ビレットから直径５　ｍｍ　、長さ２０ｍｍの丸棒
試験片を採取し、室温から２００’Ｃ迄の間の熱膨張係
数を測定した。結果は第３表に示す通りである。

同表から本発明押出成形体はいずれの比較材に比べても
熱膨張係数が低く、例えば比較材Ｎｏ、４に比べて１．
５〜１．６　Ｘ　１０＝／’Ｃ低く、８．２〜８．７チ
も小さくなっている。

第３表 実施例　２゜ 前記実施例１と同様にして第４表に示す化学組成を有す
る−１００　メツシュのアトマイズ合金粉を得た。

これら合金粉に前記実施例１で用いたと同じ金属Ｓｉ粉
または８ｉａＮ４　粉を全体の０．５．１０．１５．２
０　％になるように配合して混合し、前記実施例１に於
けると同様にして直径１５ｍｍの押出材とした。押出比
は１１．１である。これら押出材から試験片を採取し、
前記実施例１に於け“ると同様の方法で摩耗試験及び熱
膨張係数測定を行ない、硬質粒子の配合割合による影響
を調べた。

（１）摩耗試験 試験条件は相手円板の表面粗さを０．８〜１．０μｍに
、周速を１ｍ／秒とし、その他の各条件は前記実施例１
に於けると同様である。

第７図に金属Ｓｉ粉を配合した場合の結果を、第８図に
８ｉ３Ｎ４　　粉を配合した場合の結果を示す。

両図から金属Ｓｉ粉または　８５３Ｎ４粉を配合するこ
とによって耐摩耗−が著しく改善されることが判る。然
しこれらの配合量が５チを越えると改善の効果の増加は
顕著ではなくなる６また、ＡＪ　−Ｓｉ　合金粉中のＳ
ｉ含有量が多いほど耐摩耗性が良好であることが判る。

（２）熱膨張係数測定 第９図に金属Ｓｉ粉を配合した場合の結果を、第１θ図
に　Ｓ　ｉ　３　Ｎ　４　　粉を配合した場合の結果を
示す。

両図からＡＵ　−Ｓｉ　　合金粉のＳｉ含有量が多いほ
ど熱膨張係数が低く、金属Ｓｉ粉またはＳｉ　３Ｎ４　
　粉の配合量の増加によって熱膨張係数は直線的に低下
することが判る。また金属Ｓｉ粉配合による上記効果と
　Ｓｉ３Ｎ４　粉配合によるそれはほぼ同等である。

実施例　３゜ 前記実施例２で使用したＡｆｆｌ−８ｉ　　アトマイズ
合金粉りに平均粒径の異なる金属Ｓｉ粉またはＳｉ３Ｎ
４　粉を全体の１０％になるように配合して混合し、前
記実施例２に於けると同様にして試験片を製作し、摩耗
試験を行って粒径の大小による影響を調べた。相手材円
板の表面粗さは１．５μｍとし、その他の試験条件は前
記実施例２に於けると同様である。

試験結果は第１１図に示す通りである。

金属Ｓ１粉または　Ｓｉ３Ｎ４　粉の平均粒径が１μｍ
では摩耗量が大きく、これが５μｍになると摩耗量が著
しく減少し、５μｍを越えると再び増加傾向に転するが
、その変化は僅少である。このことから押出成形体の組
織中に分散してしている金属８１粒子または　Ｓｉ３Ｎ
４　　粒子の平均粒径が相手摺動材の表面粗さを示す数
値よりも小さいと、これら分散粒子が相手摺動材によっ
てむしり取られるようにして摩耗が進行し、分散粒子の
平均粒径が相手摺動材の表面粗さを示す数値より大きく
なると分散粒子が相手摺動材表面の凹凸の２以上る の山に乗をようになって良好な耐摩耗性を示すよう゛に
なるものと考えられる。然し分散粒子が余り大き過ぎる
とその間隔が大きくなるために摩耗量が漸増するように
なる。

なお、本発明複合材料のｋｉ　−Ｓｉ　合金基地中に、
耐熱性や高温強度を高めるために、また熱膨張係数を一
層低下させるためにＣｒ　、　Ｆｅ　、　Ｍｎ、Ｎｉ　
、　Ｔｉ　を単独または２種以上を合計で３〜１５％含
有させることができる。これらの元素はアトマイズ法に
よって急冷凝固した過共晶后−８ｉ　合金粉中に過飽和
に固溶または超微細な析出相として析出するので押出加
工性の低下は少ない。

以上説明したように、本発明の押出成形体は油膜の形成
の困難な低速摺動条件下でも優れた耐摩耗性を示し、そ
の上、熱膨張係数が小さいので、ロータリコンプレツザ
のベーンのほかレシプロエンジンのピストンのような部
品の材料として好適である。また、焼嵌めされて使用さ
れる摺動部品、例えばバルブガイドのような熱負荷のか
かる摺動部品の材料としても好適である。

またその製造方法は原料粉からの押出加工によるので所
望の断面形状のものが製造でき、中空材の製造も容易で
ある。その上、製品の形状寸法に極めて近い形状寸法の
ものが得られるので仕上げ加工の工程を大幅に省略する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る押出成形体の顕微鏡組織を示す写
真（Ｘ　４００　）、　第２図は他の押出成形体の同様
な写真、第３図は摩耗試駒装置の概要をを示すグラフ、
第５図は周速３ｍ／秒の、第６図は周速５ｍ／秒の場合
の第４図と同様なグラフ、第７図は金属Ｓｉ粉の配合割
合と摩耗量との関係を示すグラフ、第８図は　Ｓｉ３Ｎ
４　　の配合割合と摩耗量との関係を示すグラフ、第９
図は金属Ｓｉ粉の配合割合と熱膨張係数との関係を示す
グラフ、第１０図ば　Ｓｉ３Ｎ４　　粉の配合割合と熱
膨張係数との関係を示すグラフ、第１１図は金属Ｓ１粉
、Ｓｉ３Ｎ４　　粉の粒径と摩耗量との関係を示すグラ
フである。 出願人代理人　　弁理士　鴨志１）次　男第３図 第４図 第５図 弗乙図 第７図 第と図 第ｑ図 第１０図 第１１図 手続補正書 昭和５８年　９月７日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、事件の表示 昭和５８年特許願　第　３６１６６　　号２、発明の名
称 耐摩耗性アルミニウム・珪素押出成形体およびその製造
方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 居　所　東京都千代田区九段北−丁目１３番５号名　称
　株式会社　リ　ケ　ン ４、代理人■２３２ 住　所　神奈川県横浜市南区六ツ用−丁目１５４番地５
、補正命令の日付　　（自発） ６、補正により増加する発明の数　　なし７、補正の対
象　　明細書の特許請求の範囲の欄並びに８、補正の内
容 （１１明細書第１頁、２、特許請求の範囲の欄の記載を
別紙記載の通り訂正する。 （２）同、第５頁、第１６行目「押出比１０ｊの次の「
％」を削除する。 ２、特許請求の範囲の欄の記載を下記の通り訂正する。 Ｉｌ、　　５ｉ１２〜３５％、ＣｕｌＯ％以下、Ｍｇ３
％以下、残部実質的にＡＩからなり、極めて微細な初晶
Ｓｉが分布している基地中に、該基地よりも硬く、かつ
熱膨張係数の小さい硬質材料の平均粒径３〜６０μｍの
粒子が３〜２５％〜２５％いる組織を有する耐摩耗性ア
ルミニウム・珪素押出成形体。 ２、基地中に分散する硬質粒子が金属Ｓｉ粒子およびＳ
ｉ３Ｎ４粒子の１種または２種からなる粒子である特許
請求の範囲第１項記載の耐摩耗性アルミニウム・珪素押
出成形体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　　Ｓｉ　　１２〜３５　％、ＣｕｌＯ％以下、Ｍ
   ｇ　ａチ以下、残部実質的に后からなり、極めて微細な
   初晶Ｓｉが分布している基地中に、該基地よりも硬く、
   かつ熱膨張係数の小さい硬質材料の平均粒径３〜６０μ
   ｍの粒子が３〜２５チ分散している組織を有する耐摩耗
   性アルミニウム・珪素押出成形体。 ２、基地中に分散する硬質粒子が金属Ｓｉ粒子おルミニ
   ウム・珪素押出成形体。 ３、平均粒径３〜６０μｍの金属８ｉ粉および８　ｉ　
   ３　Ｎ　４　　粉の１種または２種３〜２５％と、５ｉ
   １２〜３５％、ＣｕｌＯ％以下、Ｍｇ３％以下、残部実
   質的に后からなるアトマイズ合金粉とを配合して混合し
   、押出比１０％以上で熱間押出しをすることを特徴とす
   るＳｉ　　１２〜３５チ、ＣｕｌＯ％以下、Ｍｇ３％以
   下、残部実質的に、口からなり、極めて微細な初晶Ｓｉ
   が分布している基地中に平均粒径３〜６０μｍの金属Ｓ
   ｉ　粒子およびＳｉ３Ｎ４　　粒子のＬ種または２種が
   合計で３〜２５％分散している組織を有する耐摩耗性ア
   ルミニウム・珪素押出成形体の製造方法。