JPS62112705A - アルミニウム粉末冶金製摺動部材及びその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアルミニウム粉末冶金製摺動部材及びその製造
方法に関し、特に自動車のピストン、バルブリフタ、シ
リンダライナ、シフトフォーク等に好適なアルミニウム
粉末冶金製摺動部材及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

自動車のバルブリフタやピストン等のような摺動部材の
材料として、一般に軽量で比較的強度の高いアルミニウ
ム合金が用いられている。そして、この摺動部材の耐摩
耗性を向上させるために、アルミニウム合金のうち特に
耐摩耗性に優れた過共晶５ｉ−Ａｌ合金を用いることが
提案され、更には、シリンダライナ等を過共晶５ｉ−Ａ
ｌ合金で鋳造し、摺動面のみＥＣＭ処理（ｅｌｅｃｔｒ
ｏ　ｃｈｅｗｉｃａｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）によりア
ルミニウム母材を除去し、初晶シリコンを突出させたの
ち、研磨して仕上げることにより耐摩耗性を更に向上さ
せる方法が提案されている（米国特許第３３３３５７９
号）。

ところで、上記米国特許第３３３３５７９号に係るシリ
ンダライナ等の摺動部材は、全体が過共晶Ｓｉ−Ａ２合
金を用いて鋳造されているため、強度、靭性の点で十分
とは言えないところがあり、高強度や高靭性が要求され
る部品への適用が制限されるという問題がある。

また、長期間の使用によりアルミニウム母材が摩耗し、
初晶シリコンが脱落して異常摩耗を生じる場合がある。

そこで、鋳造アルミニウム合金に比べ、高強度、高靭性
、高耐熱性という長所を有する粉末冶金アルミニウム合
金を用いることが考えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、熱間押出成形等の熱間加工（粉末加工の
一種）で成形した過共晶５ｉ−Ａ４２合金製摺動部材は
組織が緻密であり、鋳造材より強度、靭性、耐熱性で勝
るものの、初晶シリコンの粒径が、鋳造材の場合の数十
μｍ程度に比べ、一般に１０μｍ以下と小さいため、耐
摩耗性に劣るという問題がある。

また、粉末冶金で成形した過共晶５ｉ−Ａｌ１合金製摺
動部材は、油溜まりがないため、同種材料を組合せて用
いる場合とか、高い血圧が掛かる等の厳しい使用条件下
では、焼付が生じ易いという問題がある。

そこで、過共晶５ｉ−Ａ、１合金粉末冶金製摺動部材の
強度、靭性、耐熱性に優れた点を活かしつつ、耐摩耗性
、耐焼付性を向上させる工夫が求められていた。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題は、次に述べる本発明のアルミニウム粉末冶金
製摺動部材及びその製造方法によって解決される。

即ち、本発明のアルミニウム粉末冶金製摺動部材は、粉
末冶金により所定形状に成形された過共晶Ｓ　ｉ　−Ａ
　１合金粉末冶金製摺動部材であって、この摺動部材の
少なくとも摺動面には、表面からＯ，ｌ　ｔｍ以上の深
さにわたって、初晶シリコンの粒径が２５μｍ〜１００
μｍで、気孔率が２％〜３０％の摺動層が形成されてい
ることを特徴としている。・・・−・・−第１の発明 また、本発明のアルミニウム粉末冶金製摺動部材の製造
方法は、過共晶５ｉ−Ａｌ合金粉末から粗形材を成形し
、この粗形材から部分的な脱ガスを行うか、あるいは全
く脱ガス処理を行わないで、熱間加工により所定形状の
摺動部材を成形した後、少なくとも摺動面に高密度エネ
ルギを照射して再溶融させ、０．１℃／秒〜７．０℃／
秒の降温速度で冷却させることを特徴としている。−・
・−第２の発明 以下に、本発明を更に詳細に説明する。

本発明において、粉末冶金を用いた過共晶５ｉ−Ａｌ合
金粉末の成形法としては、熱間押出、熱間引抜き、焼結
鍛造等の熱間成形を用いることができる。これらの方法
により、過共晶Ｓｔ−Δ！合金粉末は、シリンダライナ
、バルブリフタ、ピストン等の所定形状に成形される。

第１の発明において、摺動部材の少なくとも摺動面には
、０．１ｍｍ以上の深さにわたって摺動層が形成される
。ここで、摺動層は０．１　＋ｎ以上ないと十分な耐摩
耗性、耐焼付性を得ることができない。

この摺動層には、粒径が２５μｍ〜１００メ！ｍの初晶
シリコンと２％〜３０％の気孔が設けられている。ここ
で、初晶シリコンの粒径の範囲を２５μｍ〜１００μｍ
としたのは、２５μｍより小さいと十分な耐摩耗性が得
られないためであり、１００μｍより大きくなると相手
部材を傷付けるおそれがあるためである。また、気孔率
を２％〜３０％としたのは、２％より少ないと油溜め効
果が少なく、十分な耐焼付性が得られないためであり、
３０％を超えると強度が不十分となり、ｉｉ′！傷が生
じるおそれがあるためである。

第２の発明において、過共晶５ｉ−Ａ７！７合扮末を棒
状あるいは矩形状等に成形してｔｆｌ形材とする。従来
は、この粗形材から脱ガス処理を行っているが、本発明
の場合には、脱ガス処理を全く行わないか、部分的な脱
ガス処理を行った後、熱間加工を行う。次いで、所定形
状に成形した（Ｓ動部材の少なくとも摺り３面に高密度
エネルギを照射して再溶融した摺動層を形成する。この
とき、高富度エネルギ源としてＴＩＧアーク、レーザ、
プラズマアーク等を用いることができる。なお、再溶融
した後の摺動部材の冷却速度は、初晶シリコンの粒径を
２５μｍ〜１００．ｃｒｍに制御するために、０．１℃
／秒〜７℃／秒程度とすることが必要である。従って、
例えば摺動部材としてバルブリフタを製造する場合には
、再溶融処理はバルブリフタを２００℃程度に加熱して
から行う。

〔作用〕

本発明のアルミニウム粉末冶金製摺動部材は、従来の粉
末冶金製摺動部材に比べ、摺動層の初晶シリコンの粒径
が２５μｍ−１００μｍと約３倍〜１００倍となってい
るため、耐摩耗性が大幅に向上する。

また、摺動層には気孔が形成されているため、この気孔
が油溜まりとなる。従って、耐焼付性が大幅に向上する
。なお、米国特許第３３３３５７９号の鋳造アルミニウ
ム合金を用いる場合にも、油溜まりが形成され、耐焼付
性が向上するが、米国特許第３３３３５７９号の場合に
は、表面の初晶シリコンが摩耗すれば油溜まりはなくな
るのに対し、本発明の場合には、表面が摩耗して油溜ま
りとしての気孔が消失しても、また新たな気孔が摺動層
の表面に現れるため、長期間にわたって良好な耐焼付性
を維持できる。

更に、上記粒径の初晶シリコンや気孔が形成されるのは
摺動層のみであり、他の部分は過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金粉
末を熱間成形したままの状態であるため、鋳造アルミニ
ウムを用いる場合に比べ、強度、靭性、耐熱性が優れて
いるという利点をそのまま活かすことができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面を参考にして説明する。

（第１実施例） ここで、第１図は本発明の第１実施例で得られた試料の
摺動層近傍を模式的に示す概略構成図である。

重量％で２５％Ｓｉ−３％Ｃｕ　−０，５％Ｍｇ−残部
Ａｌからなる過共晶５ｉ−ＡＮ合金のガスアトマイズ粉
末を予備成形して粗形材を形成する。

次いで、この粗形材を脱ガス処理を施すことなく、熱間
押出し加工により直径４０日の棒状部材に成形した。こ
の棒状部材の密度比は９９．８％、初晶シリコンの粒径
は１μｍ〜８μｍ、引張り強さは３５ｋｇｆ／鶴２であ
った。

この棒状部材を１０鶴の厚さに輪切りして複数の試料片
を作製し、この試料片の片方の端面にφ２３ｔｍを同基
準とし、幅ｔｏｗｓの環状部に、高密度エネルギ源とし
てＴＩＧアークを用いて再溶融処理を行った。このとき
、ＴＴＧ再溶融処理は、試料片を２００℃に加熱したの
ち、φ３．２鶴のタングステン電極を用い、平均電流：
１５０Ａ、送り速度：１．５ｆｌ／秒で行った。

この結果、φ２３ｔｍを中心に幅ＩＱｗ、深さ３゜８ｎ
にわたって環状の摺動層（処理Ｎ）を有する試料片Ａが
得られた。この試料片への断面を示す第１図において、
１は初晶シリコン、２は気孔、３は母材であり、ａ　６
Ｊｒ域は再溶融部で液相線具−ヒの温度になった部分、
ｂｆｉＩ域は共晶〜液相線間の温度になった部分、Ｃ領
域は過共晶５ｉ−Ａｌ合金粉末冶金の母材である。この
試料片Ａの摺動層の初晶シリコンの粒径は２５μｍ〜７
０１１ｍ、気孔率は２７％であった。

（第２実施例） ここで、第２図は本発明の第２実施例で得られた試料の
摺動層表面の金属組織を示す顕微鏡写真（Ｘ　１００）
である。

第２実施例において、第１実施例と異なる点は、粗形材
に対し脱ガスを完全脱ガスに対し約１／２行ったことに
あり、他は実質的に第１実施例と同様にして再溶融処理
を施した試料片Ｂを製造した。

この結果得られた試料片Ｂの摺動層の初晶シリコンの粒
径は第１実施例と同じであり、気孔率は７％であった。

なお、第２図において、黒丸状のものが気孔である。

（第３実施例） 第３実施例において、第１実施例と異なる点は、粗形材
に対し脱ガスを完全脱ガスに対し約３／４行ったことに
あり、他は実質的に第１実施例と同様にして再溶融処理
を施した試料片Ｃを製造した。

この結果得られた試料片Ｃの摺動層の初晶シリコンの粒
径は第１実施例と同じであり、気孔率は３％であった。

（第１比較例） ここで、第３図は第１比較例で得られた試料の摺動層近
傍を模式的に示す概略構成図、第４図は第１比較例で得
られた試料の摺動層表面の金属組織を示す顕微鏡写真（
ｘｌＯＯ）である。

第１比較例において、第１実施例と異なる点は、粗形材
に対し完全脱ガスを行ったことおよび摺動面の再溶融処
理をしなかったことにあり、他は実質的に第１実施例と
同様にして試料片りを製造した。

この結果得られた試料片りの初晶シリコンの粒径は、第
３図、第４図に示すように、全てが１０μｍ以下であり
、気孔率は略０％であった。

（第２比較例） ここで、第５図は第２比較例で得られた試料の摺動層近
傍を模式的に示す概略構成図である。

第２比較例において、第１実施例と異なる点は、粉末冶
金である熱間押出しではなく鋳造により棒状部材を製造
したことにあり、他は実質的に第１実施例と同様にして
第５図に示す試料片Ｅを製造した。

この結果得られた試料片Ｅの初晶シリコンの粒径は第１
実施例と同じであり、気孔率は略０％であった。

（第３比較例） ここで、第６図は第３比較例で得られた試料の摺動層近
傍を模式的に示す概略構成図である。

第３比較例において、第２比較例と異なる点は、鋳造し
た棒状部材を所定の厚さに輪切りした後、第１実施例で
再溶融した環状部に該当する部分にＥＣＭ処理を施した
点にあり、他は実質的に第２比較例と同様にして第６図
に示す試料片Ｆを製造した。

この結果得られた試料片Ｆの初晶シリコンの粒径は第２
比較例と同じであり、気孔率は略０％であった。

（第４比較例） ここで、第７図は第４比較例で得られた試料の摺動層近
傍を模式的に示す概略構成図、第８図は第４比較例で得
られた試料の摺動層表面の金属組織を示す顕微鏡写真（
Ｘ１００）である。

第４比較例において、第１実施例と異なる点は、粗形材
に対し完全脱ガスを行ったことにあり、他は実質的に第
１実施例と同様にして試料片Ｇを製造した。

この結果得られた試料片Ｇの初晶シリコンの粒径は、第
７図、第８図に示すように、第１実施例と略同じであり
、気孔率は略０％であった。

（評価試験） 上記実施例および比較例で得られた試料片Ａ〜Ｇを、そ
れぞれ３０ｆｌＸ　３０ｍｍｘ　５層重の大きざに切り
出して摩耗試験片を製作した。そして、これらの摩耗試
験片を用いて、焼付き限度試験を行った。このとき、相
手側試験片としてＳＣｒ　４２０（ＪＩＳ　　Ｇ４１０
４）を浸炭焼入れした円筒試験片およびアルミニウム合
金（ＪＩＳ　　ＡＣ２Ｂ）製内筒試験片（大きさは共に
内径２Ｑｉｎ、外径２５．６　ａｍ、長さ１６ｆｉ）を
用い、機械試験所式摩擦摩耗試験機により、試験条件を
次のように設定して行った。

すべり速度：２．４ｍ／秒 潤滑油：低粘度オイル 油温：６０℃ この焼付き限度試験は、面圧を２分毎に１２．５ｋｇ　
／　ａｄずつ最大２５０ｋｇ／ｃｆｆｌまで上昇させ、
焼付き時の面圧を測定することにより行った。

この焼付き限度試験の結果を第１表に示す。

（以下、余白） 第１表 但し、焼付面圧の単位はｋｇ／−である。

第１表より、本実施例の試験片は、母材を強度、靭性面
で有利な微細なシリコン組織のままで表面層のみ耐摩耗
性に優れるシリコン粒子径となっており、第１比較例、
第２比較例、第４比較例のものに比べ、耐焼付性が大幅
に向上していることが判る。なお、耐焼付性が向上して
いることは、耐摩耗性も向上していると言える。また、
第３比較例に対しては、シリコン粒子の脱落のおそれが
ない状態で、第３比較例と同等以上の耐焼付性が得られ
ていることが判る。更に、気孔による油溜まり効果は、
相手部材が同種のアルミニウム合金の場合に顕著に表れ
ていることが判る。

以上、本発明の特定の実施例について説明したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の
範囲内において種々の実施態様を包含するものである。

〔発明の効果〕

以上より、本発明のアルミニウム粉末冶金製摺動部材及
びその製造方法によれば、以下の効果を奏する。

（イ）初晶シリコンの粒径が大きくなるため、耐摩耗性
が向上する。

（ロ）気孔が油溜まりとして機能するため、耐焼付性が
向上する。

（ハ）従来の粉末冶金製摺動部材の製造方法を大きく変
えることなく、アルミニウム粉末冶金製摺動部材を製造
することができる。従って、製造が比較的簡便に行なえ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例で得られた試料の摺動層近
傍を模式的に示す概略構成図、第２図は本発明の第２実
施例で得られた試料の摺動層表面の金属組織を示す顕微
鏡写真（Ｘ１００）、 第３図は第１比較例で得られた試料の摺動層近傍を模式
的に示す概略構成図、 第４図は第１比較例で得られた試料の摺動層表面の金属
組織を示す顕微鏡写真（Ｘ　１００）、第５図は第２比
較例で得られた試料の摺動層近傍を模式的に示す概略構
成図、 第６図は第３比較例で得られた試料の摺動層近傍を模式
的に示す概略構成図、 第７図は第４比較例で得られた試料の摺動層近傍を模式
的に示す概略構成図、 第８図は第４比較例で得られた試料の摺動層表面の金属
組織を示す顕微鏡写真（Ｘ１００）である。 ｌ・−・−・・・初晶シリコン ２−・・−・気孔 ３−・・−・・・母材 出願人　　トヨタ自動車株式会社 第１図 第２図 第３図 第４図 第７図 第８図 ｉ×１ＱＱ’）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）粉末冶金により所定形状に成形された過共晶Ｓｉ
   −Ａｌ合金粉末冶金製摺動部材であって、この摺動部材
   の少なくとも摺動面には、表面から０．１ｍｍ以上の深
   さにわたって、初晶シリコンの粒径が２５μｍ〜１００
   μｍで、気孔率が２％〜３０％の摺動層が形成されてい
   ることを特徴とするアルミニウム粉末冶金製摺動部材。
2. （２）過共晶Ｓｉ−Ａｌ合金粉末から粗形材を成形し、
   この粗形材から部分的な脱ガスを行うか、あるいは全く
   脱ガス処理を行わないで、熱間加工により所定形状の摺
   動部材を成形した後、少なくとも摺動面に高密度エネル
   ギを照射して再溶融させ、０．１℃／秒〜７．０℃／秒
   の降温速度で冷却させることを特徴とするアルミニウム
   粉末冶金製摺動部材の製造方法。