JPS6121295B2

JPS6121295B2 -

Info

Publication number: JPS6121295B2
Application number: JP8220681A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Fujita; Fumio Kyota
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1981-05-29
Publication date: 1986-05-26
Also published as: JPS57198237A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はシリンダライナ・バルブガイド等の内
燃機関部品、ロータリコンプレツサのベーン、ア
キシヤルコンプレツサのシユ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ミニウ
ム合金製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
ミ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途切れ易く、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ピングや特殊
な電解研摩を施してＨ_MV1200〜1400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形成させて油溜り
とすることにより油膜切れを防止する方法や、マ
グネシウムを多量含有させて基地中にMg₂Si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りとする方法が提案され
ている。これらの方法によつ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
よつて油溜りとなつている凹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
粗大であつ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
品を得るためには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ゝである。窒素等の不活性ガス或は空気を噴霧気体として
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10²〜10⁴
℃／sec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つて初晶シ
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を熱間押出し法によつ
てビレツトとする方法が提案されている。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、油の濡れ性が悪いことに起因す耐焼付性に関
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・錫・二硫化モリブデン等の
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つて
生ずる引張力のため得られるビレツトの表面に亀
裂が生じ易い。また、低い押し出し比で加工する
とか、低温で加工とるとかして粉末粒子間の空気
をビレツト中に残存させて空孔とするような押出
し加工法も考えられるが、低い押出し比では得ら
れるビレツトの機械的強度が低く、低温での押出
しは変形抵抗が大きく、押出しに大きな荷重を必
要とし、ダイネやコンテナの破損やステムの座屈
が起るようになる。また、前記の過共晶高珪素アルミニウム合金粉
末を原料粉として通例の粉末治金法によつて焼結
合金とする方法も考えられるが、この方法では引
張強さ２Kg／mm²程度の機械的強度の極めて低い材
料しか得られない。その理由は原料粉粒子の表面
に生成されているAl₂O₃の被膜が焼結に際して粒
子間の成分元素の拡散を妨げるからである。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ミニ
ウム合金摺動部材及びその製造方法を提供するこ
とを目的としており、その第１の発明は30重量％
以下のシリコン、並びに銅・マグネシウム・亜
鉛・ニツケル及びマンガンの２種以上を合計で１
〜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し、かつ少なく
とも摺動表面層が0.5〜10容積％以下の空孔を有
する強力で耐焼付性に優れた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重量％以下
のシリコン、並びに銅・マグネシウム・亜鉛・ニ
ツケル及びマンガンの２種以上を合計で１〜10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0.3mm以下の
アルミニウム合金粉末を圧縮成形して圧粉体と
し、該圧粉体に350〜475℃の温度で間接押出し加
工を施して後、少なくとも摺動表面層部分を液相
生成開始温度と液相生成開始温度より50℃高い温
度との間の範囲内の温度に加熱して少なくとも該
摺動表面層部分に空孔を形成させ、次いで溶体化
処理・時効処理を施すことを特徴とする上記第１
の発明の係るアルミニウム合金製摺動部材の製造
方法に係る。第１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機械的強度を改善する目
的で銅・マグネシウム・亜鉛・ニツケル及びマン
ガンの２種以上を含有させて組成を有し、少なく
とも摺動表面層に油溜りとなる空孔を分散させる
ことによつて優れた耐焼付性を付与した強力な摺
動部材に係り、原料合金粉末からの押出し加工及
びその後熱処理によつて製造される。その組織中に存在する初晶シリコンは前述のよ
うに硬度高くハードスポツ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。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
いことは言う迄もなく、共晶組成のシリコン量は
アルミニウム及びシリコン以外の成分元素の種類
及び含有量によつて変動する。シリコン含有量が
30重量％を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
重量％以下の範囲とする。銅・マグネシウム・亜鉛・ニツケル及びマンガ
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つて効果的に時効
性を付与し、時効硬化による機械的強度の改善を
図つたものである。上記成分元素の量が合計で１
重量％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重量％を越えると押出し加工が困
難になるので、その合計量を１〜10重量％の範囲
とする。摺動表面層の空孔は摺動面に於いて油溜りとな
る凹部を形成して耐焼付性を付与するが、その量
が0.5容積％未満では上記の効果が顕著ではな
く、またこれが10容積％を越えるように多くなる
と空孔形成に際して膨張による寸法変化が大きく
なるので、その量を0.5〜10容積％とする。特に
好ましい範囲は0.5〜５容積％である。この空孔
は摺動部材全体に亘つて分散させても良いし、摺
動表面層にのみ分散させるようにしても良い。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。先ず原料合金粉末を圧縮成形して圧粉体とし、
この圧粉体を押出し加工によつてビレツトとす
る。通例の粉末治金法で得られる焼結合金空孔を
内在しているが、本発明の方法では圧粉体に内在
する空孔は押出し加工の際に圧潰されて実質的に
消失し、空孔中のガスは可成りの部分が外部に排
出され、残部はビレツト中に残存する。次に得ら
れたビレツトを固液共存温度に加熱し、固相が部
分的に溶融すると、ビレツト中の残存ガスがその
溶融部分に噴出して空孔が形成される。かくして
形成された空孔は摺動面で凹部を形成し、これが
油溜りとなつて耐焼付性が付与されるのである。
次に溶体化処理・時効処理を施して機械的強度を
改善する。原料粉の高珪素アルミニウム合金粉末の組成は
前記の第１発明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、25μを越えると得られる摺動部材の初
晶シリコンが大きくなり過ぎて機械的強度と被削
性を害するようになるのと、押出し加工に際して
変形抵抗が大きくなつてダイスの摩耗が増大する
ので、25μ以下とする。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つて得られる。原料粉の粒径は0.3mmを越えると形成される空
孔の分布が不均一となるので、0.3mm以下とす
る。空孔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、細か過ぎると爆発の危険を
生じ、取扱いが面倒になるので100メツシユ（150
μ）以上のものを使用するのがより望ましい。圧粉体の製造に関しては通例の粉末治金に於け
る成形と特に異なるところはない。押出し加工は間接押出し法による。直接押出し
法ではコンテナ内面と被加工材との間の摩擦のた
めに大きな荷重が必要となることと、一定条件下
での押出しが困難であることのほか、被加工材中
の空孔内のガスが排出されず、ビレツトの表面に
ブリスタと呼ばれる膨れが発生し、後の空孔形成
処理に際して470℃附近から異状な膨張を起すの
が不適当である。加工温度は350℃よりも低温では被加工材の変
形抵抗が大きくなつ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ツ
トの機械的強度が不足し、475℃を越える高温で
は押出し材とダイその間に働く引張力によつてビ
レツト表面に亀裂を生じ易くなるので、350〜475
℃の範囲とする。ソリツドダイを使用する場合は
400〜425℃で、ホローダイを使用する場合は425
〜450℃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10％以上であることが望
ましい。空孔形成の熱処理温度は液相が生成される温度
でなければ空孔が形成されないので、少なくとも
液相生成開始温度でなければならず、また、液相
生成開始温度より50℃高い温度を越えると初晶シ
リコンが著しく粗大化するようになるので、加熱
温度は液相生成開始温度とこの温度より50℃高い
温度の範囲内の温度とする。空孔形成の熱処理温
度は銅・マグネシウム・亜鉛・ニツケル及びマン
ガンによつて共晶温度が可成り低温側へ移動する
ので、これらの種類及び含有量に応じた温度とす
る必要がある。また、共晶温度は加熱速度が速い
程過熱されて高温へ移動することも考慮する必要
がある。この熱処理はビレツト全体を加熱してビ
レツト全体に亘つて空孔を形成させても良いし、
空孔を必要とする摺動表面層部分を局部的に加熱
してこの部分に空孔を形成させても良い。空孔形成後に前記合金元素による時効硬化を起
させて機械的強度を改善するために溶体化処理及
び時効処理を施す。溶体化処理は液相が生成され
ない範囲で成可く高い温度に加熱するのが効果的
でり、共晶温度より60℃低い温度以上、共晶温度
以下で行うのが望ましい。時効処理は大約150〜
200℃、５〜10時間が適当である。本発明方法は、以上説明した方法によつてお
り、原料粉粒子の表面に生成されているAl₂O₃の
被膜は押出し加工によつて超微細に砕かれるの
で、粉末粒子間の成分元素の拡散が充分に進行
し、前述したような通例の粉末治金法によつて得
られる焼結体に見れる拡散不充分による強度の不
足をきたすことがなく、機械的強度が高くしかも
空孔による優れた耐焼付性を有するアルミニウム
合金製摺動部材が得られる。次に実施例について説明する。窒素ガスアトマイズ法によつて製造され、第１
表に示す化劾学組成と粉末特性を有する高珪素ア
ルミニウム合金粉末を原料粉とし、第１図に要部
を図解的に示すようにバツクアツプダイ１で外周
円錐面を保持された内径49mmの三分割ダイ２の中
に原料粉５を充填し、それを圧縮板３とパンチ４
の間で室温で2ton／cm²の圧縮圧で圧縮成形し、パ
ンチ４を上昇させてからダイ２を上方へ抜き出
し、圧粉体をスプリングバツクによる圧縮力から
解放し、内径49mm、高さ70mmの圧粉体を取出し
た。ダイ２の内周面には毎回潤滑剤として黒鉛を
薄くコーテイングした。

【表】

【表】次に圧粉体を425℃に加熱し、第２図に要部を
図解的に示すように発熱体７によつて同温度に加
熱保持されたコンテナ６の内径50mmのキヤビテイ
中に圧粉体１４を３個重ねて挿入し、ステム１３
の先端に設けられ300℃に加熱されたダイ１２を
油圧装置（図示せず）によつて押圧力50Kg／mm²で
圧粉体１４を押出し、間接押出しを行つた。図中
８は断熱材、９はダミーブロツク、１０は圧縮板
である。圧粉体１４は加工を受けて径15mmの丸棒
ビレツト１５となつてステム１３の中空部に送ら
れる。このときの押出し比は11％である。かくして得られた丸棒ビレツト480℃、510℃ま
たは520℃に30分間加熱し、水冷して気孔率を測
定した結果は第２表に示す通りである。表中記号
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，E.F，Ｇ，Ｈは、それぞれ、前
記原料粉ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈから製
作された試料を表わす。

【表】

【表】単位は容積％
予備実験によつてこれらの組成のビレツトの液
相生成開始温度はいずれも490℃であることが確
認されており、同表から、加熱温度が液相生成開
始温度以上でなければ空孔が形成されないことが
判る。なお、これらビレツトの化学組成は分析の
結果、第１表に示した原料粉の化学組成と同一で
あつた。空孔形成処理前後の顕微鏡組織（アルミナ研
摩、腐蝕せず）を試料Ｅを例にとつて第３〜５図
に示す。空孔形成加熱温度は510℃、加熱時間は
30分間である。第３図は空孔形成処理前の組織
を、第４図、第５図は空孔形成処理後組織を示す
顕微鏡写真である。倍率は第４図が50倍、第３図
及び第５図が400倍である。顕微鏡写真におい
て、黒色に見えるのが空孔、灰色を呈する大きい
塊が初晶シリコン、白い部扮分はアルミニウムで
ある。次に510℃に30分間加熱の空孔形成処理を施し
たビレツトを470℃に３時間加熱、水冷の溶体化
処理を施し、次いで175℃に10時間加熱の時効処
理を施して試料材とし、以以下の試験を行つた。 (1) 引張試験前記ビレツトから引張試験片を採取し、引張試
験を行つた結果は第３表に示す通りである。

【表】本発明に係る摺動部材の機械的性質は、第３表
から、同様の組成の通例の粉末治金法による焼結
合金に比べては勿論、鋳造材に比べても可成り優
れていることが判る。ちなみにJIS 5205「アルミニウム合金鋳造」に
規定されている本発明材と類似の化学組成を有す
るAC8AはT6処理を施したものであつてもその
規格値は引張強さ28Kg／mm²である。 (2) 焼付試験試験装置は第６図及び第７図は概用を図解的に
示すものであつて、ステータ２１に取外し可能に
取付けられた直径80mmの円板（相手材）２２の中
央には裏側から注油孔２３を通じて潤滑油が注油
される。ステータ２１には油圧装置（図示せず）
によつて右方へ向けて所定圧力で押圧力Ｐが作用
するようにしてある。円板２２に相対向してロー
タ２４があり、駆動装置（図示せず）によつて所
定速度で回転するようにしてある。ロータ２４の
円板２２に対する端面に取付けられた試料保持具
２４ａには直径6.5mm、高さ10mmの試験片２５が
同心円上に等間隔に３個取外し可能にかつ円板２
２に対して摺動自在に取付けてある。このような
装置に於いてステータ２１に所定の押圧力Ｐをか
け、所定の面圧で円板（相手材）２２と試験片２
５とが接触するようにしておいて、注油孔２３か
ら摺動面に所定給油速度で給油しながらロータ２
４を回転させる。一定時間毎にステータ２１に作
用する圧力を階段的に増加して行き、ロータ２４
の回転によつてて試験片２５と相手の円板２２と
の摩擦によつてステータ２１に生ずるトルク（摩
擦力によつて生ずるトルク）Ｔをスピンドル２６
を介してロードセル２７に作用せしめ、その変化
を動歪計２８で読み、記録計２９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つて焼付面圧と
し、この大小をもつ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、試験条件
は次に示す通りである。速度は８ｍ／sec、潤滑
油及び給油条件はコンプレツサオイル（スニソ
5GS）にて温度80℃、300ml／min、接触圧力は
20Kg／cm²で20分間ならし運転後30Kg／cm²で３分
間、その後３分間経過毎に10Kg／cm²づつ上昇、相
手材は焼入焼戻を施したパーライト可鍛鋳鉄。試験結果は第４表に示す通りである。同表には
比較のためにほぼ同一組成を有し、微細化処理を
行つた金型鋳造による鋳造材に同様の溶体化処理
及び時効処理を施した試験片について同様の試験
を行つた結果が併記してある。

【表】付面圧を測定できなかつた。
本発明摺動部材は、第４表から、比較材のいず
れよりも焼付面圧が高く、同一組成・同一熱処理
の鋳造材に比べて大幅に耐焼付性が改善されてい
ることが判る。また、シリコン含有量の増加に伴
つて耐焼付性が向上するが、シリコン含有量が30
重量％になると却つて13重量％Siと同程度に低下
することが判る。 (3) バルブガイによる実体試験前記供試材Ｂ及びＣ、並びに比較材として空孔
形成試験を施さずその余は前記供試材Ｂ及びＣと
同一方法で製作した供試材から外径12mm・内径
7.8mm・長さ49mmの内燃機関の吸気側バルブガイ
ドを製作し、アルミニウム合金製シリンダヘツド
に焼嵌めして装着し、内径を８mmに仕上げてモー
タリング試験に供した。相手バルブステムにはク
ロムめつきを施したものを、潤滑油にはモータオ
イル（＃20）を使用し、室温で1000rpmで１分
間、3000rpmで５分間、停止５時間のサイクルを
50回モータリングによつて運転した後、エンジン
を分解して目視でバルブガイドの焼付の有無を観
察した。試験結果は第５表に示す通りである。

【表】本発明摺動部材は、第５表から、冷間での始動
時にも空孔の存在によつて焼付を起こさないこと
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・ニツケル及びマンガンも同様な効果を奏
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つ
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
ことによつて、酸素の含有量を0.1％程度以下に
抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアルミニウム合金製摺動部材
を製造するための圧粉体を成形する装置の断面
図、第２図は前記圧粉体から丸棒ビレツトを間接
押出加工する装置の断面図、第３図は空孔形成処
理前の組織を示す顕微鏡写真、第４図は空孔形成
処理後の組織を示す顕微鏡写真、第５図は第４図
を部分的にさらに拡大した顕微鏡写真、第６図は
焼付試験装置の−線に沿う断面図、第７図は
同上装置の−に沿う断面図である。１……バツクアツプダイ、２……三分割ダイ、
４……パンチ、５……原料粉、６……コンテナ、
７……発熱体、１２……ダイ、１４……圧粉体、
１５……丸棒ビレツト、２１……ステータ、２２
……円板（相手材）、２４……ロータ、２５……
試験片。

Claims

【特許請求の範囲】１ 30重量％以下のシリコン、並びに銅・マグネ
シウム・亜鉛・ニツケル及びマンガンの２種以上
を合計で１〜10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し、
かつ少なくとも摺動表面層部分に気孔率が0.5〜
10容積％の空孔を形成し、耐焼付性に優れた強力
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、並びに銅・マグネ
シウム・亜鉛・ニツケル及びマンガンの２種以上
を合計で１〜10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0.3mm以下のアルミニウム合金粉末を圧縮形
成して圧粉体とし、該圧粉体に350〜475℃の温度
で間接押出し加工を施して後、少なくとも摺動表
面層部分を液相生成開始温度と液相生成開始温度
より50℃高い温度との間の範囲内の温度に加熱し
て少なくとも該摺動表面層部分に気孔率が0.5〜
10容積％の空孔を形成させ、次いで溶体化処理・
時効処理を施すことを特徴とする耐焼付性に優れ
た強力なアルミニウム合金製摺動部材の製造方
法。