JPS6150132B2 - - Google Patents

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Ａ−Si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品の
材料として使用されているが、本来鋳造用合金で
あつて、固液共存温度範囲が広いために健全な鋳
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つては厚肉の素材か
ら削り出さねばならず、その上被削性が悪いため
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Ａ−Si合金の問題点を解消
する手段として、アトマイズ法によつて製造され
た過共晶Ａ−Si合金粉を原料として押出加工に
よつ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）。 この方法によつて得られる成形体は過共晶Ａ
−Si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、熱膨張係数が大きいという問
題点を有している。例えばロータリコンプレツサ
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。 然しながらロータリコンプレツサのシリンダは
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Ａ合金を使用
すると、Ａ合金は鋳鉄に比べて熱膨張係数が可
成り大きいために、室温でのベーンとサイドプレ
ートとの間隙を大きくとつ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ツ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Ａ
−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Ａ−Siアトマイズ合金粉及びこれより粗粒
で、過共晶Ａ−Si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
間押出加工によつて、従来の過共晶Ａ−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−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Ａ−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
Si12〜35％、Cu10％以下、Mg3％以下、残部実
質的にＡからなり、きわめて微細な初晶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Si₃N₄粉の１種または２種３〜25
％と、Si12〜35％、Cu10％以下、Mg3％以下、
残部実質的にＡ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Si12〜35％、Cu10％以下、
Mg3％以下、残部実質的にＡ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Si粉子およびSi₃N₄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・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Ａ−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、Siが35％を越えると
初晶Siが多量になり、また粗大になつて押出加工
を困難にし、押出成形体に亀裂を生じ易くなる。
従つて基地中のSi含有量は12〜35％とする。特に
好ましい範囲は16〜25％である。 Cu及びMgは時効硬化によつて基地を強化する
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
料粉は後述するようにアトマイズ法によつて急冷
凝固しているために粗大なCu₂A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つて基地を
強化するが、含有量が多く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てMg
は３％以下とするのが良い。 次に、過共晶Ａ−Siアトマイズ合金粉に配合
する金属Si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Ａ−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
よつ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、Ａ₂O₃等の酸化物、SiC、TiC
等の炭化物、TiSi₂、MoSi₂等の金属間化合物、
硼化物等のセラミツクスやフエロモリブデン、フ
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SiおよびSi₃N₄は比重がＡ−
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Ａ−Si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Ａ−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３〜60μｍ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10〜40μｍ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Ａ−Si合金粉によつ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％未満では前記の
効果が不充分であり、25％を越えると押出加工が
困難となつて押出成形体に亀裂が生じ易くなるの
で、３〜25％の範囲とする。 上記のように金属Si粉、Si₃N₄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％Si、0.75〜9.7％Cu、
Mg0.29％以下、残部実質的にＡ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Ａ−Si合金粉はアトマイズ法
によつ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
Si12〜35％、望ましくはSi16〜25％、Cu10％以
下、Mg3％以下、残部実質的にＡとする。この
粉末75〜97部と平均粒径３〜60μｍの金属Si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形成する。原料粉
の表面に不可避的に生成された薄いＡ₂O₃皮膜
は押出加工による塑性流動によつて超微細に分断
され、Ａ₂O₃皮膜の介在によつて粉末粒子間の
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つて得
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Ａ−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、押出加工に先立つて通例の粉末冶金
法によつ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ける歩留を極めて高
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Ａ−Si合金溶湯を空気アトマイズ法に
よつて粉末とし、100メツシユの篩を通して第１
表に示す化学組成のアトマイズ粉を得た。

【表】 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90mmのビレツトとした。

【表】 次に430℃に加熱保持された内径50mmのコンテ
ナ中に予め窒素ガス中で450℃に２時間加熱した
前記ビレツトを挿入し、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
行つた。第１図には押出材No.1の、第２図には
No.2の顕微鏡組織（×400）を示す。図中１及び
２は白色を呈する微細な初晶Siの晶出した過共晶
Ａ−Si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つた試験に
ついて述べる。 (1) 摩耗試験 試験は第３図に示す方法で行つた。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
ら潤滑油を供給しながら摺動させる。試験片は５
×５×20mm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FCD50に焼入、
焼戻が施されＨ_RC50の硬さを有し、外径44.2mm
で、摺動外周面は表面粗さを0.6〜1.5μｍに研磨
仕上げが施してある。 このような装置によつて相手円板７を１，３，
5m／秒の周速で回転させ、80±１℃に加熱され
たコンプレツサオイル（スニソ5GS）を300ml／
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３Kg／mm²の押圧力で押付
け、摩擦距離を150Kmとして試験片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、No.5のほかに
T7熱処理を施した20％Si、3.4Cu、0.9Mg、残部
実質的にＡの鋳造材No.6についても同様の試
験を行つた。 試験片の硬さ（Ｈ_RＢ）はNo.1〜３が87、No.4
が82、No.5が85、鋳造材No.6が88であつた。 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5m／秒の場合につ
いて示してある。 本発明材No.1、No.2、No.3はいずれの比較材
に比べても摩耗量が少なく、比較材No.4及び
No.5は摩耗量が比較材の鋳造材No.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
3m／秒に比べてその傾向が大きい。この現象は
比較材No.4及びNo.5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Ａ−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つて油溜りが形成され
るようになつ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 前記ビレツトから直径５mm、長さ20mmの丸棒試
験片を採取し、室温から200℃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1.5〜1.6×10^-6／℃低く、8.2〜8.7％も
小さくなつている。

【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メツシユのアトマイズ合金粉を
得た。

【表】 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Si₃N₄粉を全体の０，５，10，15，
20％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Si₃N₄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Si₃N₄粉を配合するこ
とによつて耐摩耗性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％を越えると改善の
効果の増加は顕著ではなくなる。また、Ａ−Si
合金粉中のSi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
１０図にSi₃N₄粉を配合した場合の結果を示す。 両図からＡ−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Si₃N₄粉の配
合量の増加によつ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Ａ−Siアトマイズ合
金粉Ｄに平均粒径の異なる金属Si粉またはSi₃N₄
粉を全体の10％になるよう配合して混合し、前記
実施例２に於けると同様にして試験片を製作し、
摩耗試験片を行つ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Si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
に転ずるが、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いる金属Si粒子
またはSi₃N₄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
が相手摺動材によつ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以上の山に乗るよう
になつ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Ａ−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
ズ法によつて急冷凝固した過共晶Ａ−Si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サ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（×400）、第２図は他の押出成形体の
同様な写真、第３図は摩耗試験装置の概要を示す
立面図、第４図は摩耗試験結果（周速1m／秒）
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Si₃N₄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
図は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Si粉、Si₃N₄粉の粒
径と摩耗量との関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Si12〜35％、Cu10％以下、Mg3％以下、残
   部実質的にAl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
   膨脹係数の小さい硬質材料の平均粒径３〜60μｍ
   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。 ２ 基地中に分散する硬質粒子が金属Si粒子およ
   びSi₃N₄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。 ３ 平均粒径３〜60μｍの金属Si粉およびSi₃N₄
   粉の１種または２種３〜25％と、Si12〜35％、
   Cu10％以下、Mg3％以下、残部実質的にAl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
   Si12〜35％、Cu10％以下、Mg3％以下、残部実
   質的にAl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Si粒子
   およびSi₃N₄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・珪素押出成形体の製造方法。