JPS6233730A - 耐摩耗性複合材料 - 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】 り発明の目的」 （産業上の利用分野） この発明は、例えば＃摩耗性が要求される機械ｇｉ造用
部品（製品）として利用される＃摩耗性複合材料に関す
るものである。

（従来の技１１町） 従来、＃摩耗性に潰れた材料としては１表面にチル処理
を施した鋳鉄や、表面に浸炭、浸炭窒化、窒化処理を施
したはだ焼鋼などがある。

しかしながら、このような鉄系材料はたしかに表面の耐
摩耗性には浚れているものの、比重が大きいために重量
が大であるという問題点がある。

また、金型鋳造によるｆｆｉ産品の製造は、金型の寿命
が短いことなどによって特殊な場合に限られているのが
現状である。

このような鉄系材料のもつ問題点を解消するために、近
年では基体材料として比較的比重の小さい軽量なアルミ
ニウム、亜鉛、マグネシウムなどの非鉄金属を用い、こ
の非鉄金属からなる基体の耐摩耗性が要求される表面の
みもしくは内部までの全体を強化することも考えられて
いる。

従来、このような非鉄金属からなる基体（以下１代表的
にアルミニウム合金について述べる。）を強化する手段
としては１例えば、■アルミニウム合金の表面のみもし
くは表面および内部の全体に強化用セラミックス繊維を
複合化させる強化手段、 ■アルミニウム合金の表面に各種めっき処理。

硬質アルマイト処理などの表面処理を施す強化手段、 ■アルミニウム合金の組成を耐摩耗性に優れたものとす
る強化手段、 などが考えられ、また実用化されていた。

（発明が解決しようとする問題点） このような従来の強化手段のうち、■のセラミックス繊
維を非鉄金属中に複合化させる強化手段は、例えば、特
開昭５８−９３８３５〜６号、特開昭５８−９３８３８
号、特開昭５８−９３８４０−１号、特開昭５８−９３
９４８号。

特開昭５９−７０７３４〜６号などにおいて開示されて
おり、このような強化手段においては、強化用セラミッ
クス繊維として、耐摩耗性のあるセラミックス繊維、例
えば、アルミナｍ維、アルミナーシリカｆｉｌ雄、Ｓｉ
Ｃウィスカなどを用いている。

しかしながら、このような強化用セラミックスｉａ雄は
一般に高価なものであり、また、繊維そのものがもろい
ため、これを摺動用耐摩耗部材の強化材として用いた場
合には、ｍ維を複合化しないアルミニウム合金よりも耐
摩耗性はたしかに向上するが、繊維そのものが庁耗粉と
して欠は落ちやすく、さらにはいったん欠は落ちた庁Ｊ
［粉が研摩材として作用するため相手部材を攻撃し、相
手部材を早期摩耗させることがあるという問題点があっ
た。加えて、セラミックス繊維とアルミニウム金との間
でのぬれ性が悪いため、セラミックス繊維および粒子が
表面で脱落しやすいという問題点もあった。

次に、前記■の各種めっき処理、硬質アルマイト処理な
どの表面処理を施す強化手段のうち、クロム等のめっき
処理は、アルミニウム合金の表面に酸化膜ができやすい
ため、通常の場合に亜鉛置換法で前処理をした後めっき
を行うが、めっきのｉｑｉ強度が低く、とくに０〜２０
０　”Ｃの温度範囲で繰り返し使用する場合にはめっき
の２１］＃が生しやすくなるという問題点があった。ま
た、硬質アルマイト処理は、窒化処理に比べて処理費が
高いこと、高面圧がかかる場合には表面層の１００ｇｍ
位に硬さＨｖ４００〜６００程度のアルマイト？、ｆｆ
を付与したときでも、基地のアルミニウム合金が軟らか
いために耐摩耗性がさほど向上しないこと、などの問題
点があった。

このような各種めっきや硬質アルマイト処理のほかに、
アルミニウム合金の＃摩耗性を向上させる表面処理技術
の開発が続けられているが、これといった効果的な技術
は開発されていない。

本発明者らも過去においてアルミニウム合金の表面に種
々の窒化処理を施すことについて検討したが、比較的窒
化しやすいと考えられるイオン窒化法を用いたときでも
表面の硬質化は不可能であった。また、その他の熱処理
として考えられるポロン、シリコン、カーボン等の拡散
処理も、アルミニウム合金の融点が合金組成によっても
多少異なるが６００〜６６０℃前後であり、通常の熱処
理温度からすれば不可能である。

さらに、前記■のアルミニウム合金の組成を最適にして
その耐摩耗性を向上させる代表的な例としては、Ｓｉ含
有量を１６〜１８ｆｆｉ量％とした過共晶シリコンアル
ミニウム合金がある。この過共晶シリコンアルミニウム
合金の＃摩ＪＬ性は比較的優れているが、製品全体をそ
の合金組成で作るため機械加工性が悪く、機械加工を多
く必要とする？１！雑形状部品には適さないという問題
点があった。

この発明は、上述したような従来の技術における種々の
問題点に着目してなされたもので、強化材としてセラミ
ックス繊維を用いた場合のようなコスト上の問題、基地
とのぬれ性（ｔ’若性）の問題、欠落による相手部材へ
の攻撃の問題などがなく、まためっきやアルマイト処理
を施した場合のような処理層の剥離の問題、処理コスト
の問題などがなく、さらには全体の組成を＃摩耗性の憬
れたものとした場合のような加工性の問題などもなく、
表面の耐摩耗性に著しく潰れていると同時に摺動材であ
る場合の相手部材への攻撃性が著しく小さく、軽量であ
ってしかもコスト上においても有利である耐ｆｆ　）［
性複合材料を提供することを目的としている。

Ｌ発明の構成」 （問題点を解決するための手段） この発明による耐￥Ｉ耗性複合材料は、例えば、アルミ
ニウム、マグネシウム、錫、銅、鉛、亜鉛の単体もしく
はこれらの合金などより遭ばれる非鉄金属からなる基体
（マトリックス）の少なくとも表面の一部もしくは表面
の全体あるいは表面を含む内部の全体に、鉄ｎ４繊維、
鉄鋼粉、鉄ｗ４粒などからなる鉄鋼質補強材を分散させ
、前記鉄鋼質補強材を・分散させた表面の少なくとも一
部もしくは全体に窒化処理（基地の融点が高い場合は浸
炭窒化処理も可能）を施してなることを特徴としている
。

この発明による耐庁耗性複合材料において使用される鉄
鋼粒、鉄鋼粉、鉄鋼繊維などからなる鉄鋼質補強材は、
その材料組成として、鉄、鋼あるいは鋳鉄中に窒化しや
すい成分が添加されていることがより好ましい。すなわ
ち、窒素との親和力の強い元素とし、て、Ａｎ、Ｃｒを
添加するのが良い。この場合の材料組成は通常の窒化鋼
組成で十分であるが、例えば、基体としてアルミニウム
合金を用いた場合には、複合材料製造過程で、あるいは
窒化処理中にアルミニウム合金からなるマトリックス中
よりＡ文の拡散が進むため、通常の成分範囲（０，６５
〜１．２０重量％）より少なくてもかまわない。

また、Ｌ記した鉄鋼粒、鉄鋼粉、鉄鋼ｍ維などの製造方
法は特に限定されず、種々の製造方法によることが可能
であるが、いずれにしても安価な製造方法であることが
好ましいことはいうまでもないところである。

次に、複合材料の製造方法であるが、鋳造法を用いて製
造するのがもっとも生産性が良い、しかし、この製造方
法についてもこの発明ではとくに限定されない０例えば
、アルミニウム合金を基体としかつ鋼繊維を複合化した
複合材料を高圧凝固鋳造法で製造する場合について以下
に説明すると、まず、鋳造用金型内への鋼繊維のセット
方法としては、金型内における製造しようとする複合材
料の＃摩耗性が要求される部分に相当する部分に鋼繊維
を置く第１図（ａ）（ｂ）に開示する方法や、金型内に
おける製造しようとする複合材料の耐摩耗性が要求され
る部分に相当する部分に、あらかじめ成形したのち焼結
したｍ形成形体を置く第２図（ａ）　　（ｂ）に開示す
る方法がある。これらのうち、第１図（ａ）（ｂ）に示
す方法は、ます、第１図（ａ）に示すように、金型１内
に鋼繊維２を入れたのち、プランジャチップ３により７
ｆｒＪ１図（ｂ）に示すように圧縮して成形するもので
あり、その後の注湯時において溶湯へのｍ維のａき込み
を防止するために金型１内で圧縮成形する方法である。

また、第２図（ａ）（ｂ）に示す方法は、ます１図示し
ないプレス装置によって繊維成形体を製作したのち、第
２図（ａ）に示すように、前記ＦＪ＆維成形成形体高周
波誘導カロ熱コイル６により加熱して焼成し、この焼結
Ｆａｍ成形体５を第２図（ｂ）に示すように金型１内に
セットする方法である。

次に、第１図（Ｃ）および第２図（Ｃ）に示すように、
例えば７００℃〜８００℃に力ロ熟したアルミニウム合
金溶湯７を容器８に入れたのち、このアルミニウム合金
溶湯７を金型１内に注湯し、続いてプランジャチップ３
を下降させて例えば射出速度（湯道がある場合はゲート
速度）１０ｍｍ／ｓｅｃ−１０００ｍｍ／ｓｅｅでｇ湯
７を金型１内に加圧充填する。このとき、射出速度が小
さいと溶湯７に力ロ圧がかかるまでに凝固してしまい、
ｆａｍ間に溶湯７が十分浸透しないので好ましくなく、
反対に大きすぎると、繊維層がつぶれて同様に繊維間に
溶湯７が十分に浸透しないので好ましくなく、またｍｗ
Ｌ体積率（Ｖｆ）のコントロールも困難となるので好ま
しくない、したがって、図示例の場合は単純な形状で説
明しているが、鋳造品の形状や鋼Ｆａｍを複合化させる
部位などによって射出速度を最適に選定することが望ま
しい０次に、鋳型１内での溶湯７のカロ圧充填に引続い
て例えば６００ｋｇｆ／ｃｍ２〜１２００ｋｇｆ／ｃｍ
’程度の範囲で、前記溶湯７が完全に凝固するまでプラ
ンジャチップ３による加圧力を維持させる。このとき、
加圧力が例えば６００ｋｇｆ／ｃｍ’よりも小さいと０
ｍ維間に溶湯７が十分に浸透せす、反対に１２００ｋｇ
ｆ／Ｃｍ２よりも大きいと金型の合わせ目（図示例では
金型１を単純化しているが、実際には金型の合わせ目が
存在する〕より八・りが多量に発生し、生産性が落ちる
ので好ましくない。

このようにして耐摩耗性が必要な摺動面の部分に＃Ａｍ
ｍを複合化した鋳造品において、当該摺動面における鉄
鋼ｍ’ｓ　＜鉄鋼粉、鉄鋼粒子）の面積率は５％〜５０
％程度の範囲とするのが良い、すなわち、５％よりも少
ないとＩＩＶ１摩耗性に対して効果が少なく、５０％よ
りも大きいと溶湯７がｆａｍ間に１分に浸透しないので
好ましくない、また、凛雌の面積率を大きくしたときに
は、ｆａ維成形体２．５の予熱温度を異常に高くすれば
（例えばアルミニウム合金の融点以上）溶湯７は浸透す
るが、予熱時にｍ雄表面にスケールが発生し、繊維２粒
子とアルミニウム合金界面との密着性を悪化させるため
、摺動時および機械加工時にａｍ。

粒子が脱落して耐摩耗性が悪化する。ざらに、繊維径お
よび粒子径についても０．５ｍｍ以下の径のものとする
のがより望ましい、すなわち０．５ｍｍよりも大きい繊
維および粒子を分散させた場合には、ｍｍ、ｒｔ子とア
ルミニウム合金との接触面積が少なくなり、Ｆｅ−Ａｎ
系の金属間化合物の生成量も少なく、表面全体としての
硬さが上昇しにくいためである。また、表面の硬さ分布
がマクロ的分布となり、耐摩耗性に悪影響をおよぼすた
めである。加えて、実際の摩耗摺動面での摩耗も段付摩
耗となり、摩耗量が増大するので好ましくない。

次に、窒化方法であるが、通常の窒化方法を採用すれば
良く１例えばガス窒化、イオン窒化等が用いられる。こ
の場合の窒化処理条件であるが、処理温度は基体が゛ア
ルミニウム合金である場合に５００°Ｃ〜５５０℃の範
囲とするのが良い。すなわち、５５０℃よりも高いと製
品の変形が発生し、５００℃よりも低いと繊維１粒子と
アルミニウム合金との界面で生成するＦｅ−ＡｆＬ系の
金属間化合物が少なくなり、また、必要な表面硬化層深
さを得るために長時間の処理を必要とするので実用的で
ない。

例えば、５００°Ｃで通常のガス窒化を行ったとして、
鋼臓維、鋼粒子が実用窒化鋼の組成範囲であれば、表面
に露出した最大０．５ｍｍ径の繊維９粒子は１００ｈｒ
以内で全量窒化される。なお、付言すれば、ｍｒａと粒
子とでは繊維の方がその表面積が大きく、複合材料の摺
動する面より抜は落ちにくいため、　ｆａｍを分散した
刀がより好ましいといえる。

なお、以上の説明では基体（マトリックス）がアルミニ
ウム合金である場合について示したが、他の非鉄金属で
ある場合にはそれぞれに適した条件を採用することが望
ましいことは当然である。

（実施例） この実施例において、鋼ｍ維はビビリ振動切削法により
製作した太さ５０７ｚｍ、ｉさ２ｍｍのものを用いた。

また、ｍ都組成（重量％）は、Ｃｒ１．６％、Ａ文１．
０％、　Ｍ　ｏ　０　、３％、Ｃ０９２％、残Ｆｅであ
る。これを第１図に示した製造方法を用いて複合材料の
製造を行った。

すなわち、第１図（ａ）に示すように内径１００ｍｍφ
、高さ１６０ｍｍの金型１を用い。

この金型１を３００℃に加熱して、同じく３００°Ｃに
加熱した鋼ｍ！［２を入れ、第１図（ｂ）に示すように
プランジャチップ３によってｍｉｚを上方から加圧し、
スプリングバックも考慮に入れて高さ５ｍｍに圧縮した
。このとき、最初に入れる１１１！２の量を調整し、高
さ５ｍｍでａｍ体ｖＩ率が１０％となるようにした。

次に、プランジャチップ３を上昇させ、鋳造用アルミニ
ウム合金ＣＡＤＣ１２）の溶湯７を金型１内に７５０℃
で注湯し、第１図（Ｃ）に示すようにプランジャチップ
３によって加圧力８００ｋｇｆ／ｃｍｌで３分間力■圧
した。

冷却後、鋳造品を金型１から取り出してその下面を機械
加工した０次いで、鋼ｌａ維を複合化した鋳造品の下面
のａｍ面積率を画像処理装置により測定したところ、下
面で多少の圧縮があり、１４．５％であった。

次に、この鋳造品をアンモニアガスを使用した通常のカ
ス窒化法により、５１０℃で２０ｈｒの窒化処理を打な
った。

次に、この鋳造品より、第３図に示すビン・ディスク型
Ｆｉ擦・摩耗試験機用の試験片（ディスク）を切り出し
た。このが擦φ斤耗試験機は、回転軸１１にプレート１
２を固定して、このプレート１２にビン１３を取り付け
、抑圧ロッド１４にディスクホルタ１５を球面座等を介
して固定して、このディスクホルタ１５にディスク１６
を取り付け、ディスクホルダ１５内に潤滑油通路１７を
設けると共に、ディスクホルタ１５側にロードセル１８
を設けた構造をなすものである。

この摩擦・摩耗試験に際し、試験片（ディスク）の窒化
面はその表面から０．０５ｍｍ研暦し１摩耗相手材（ビ
ン１３）として普通鋳鉄（Ｆｅ１２）を用いた。摩耗条
件として、すべり速度１．５ｍ／ｓｅｃ、加圧力８０ｋ
ｇｆ／Ｃｍ′　ｌｌｌ滑油８０℃のエンジンオイルを採
用し、この潤滑油を毎分３００ｃｃで潤滑油通路１７よ
り流した。そして、すべり距ｆｉ１００ｋｍでディスク
溝の摩耗深さおよびビンの摩耗高さを測定した。

なお、比較例として、試験片（ディスク）に鋳造用アル
ミニウム合金（ＡＤＣｌ　２）のみからなるものと、参
考例として、アルミナ系短繊維（ＩＣＩ社製社製サルイ
ル第２図に示した製造法で鋳造用アルミニウム合金（Ａ
ＤＣ１２）中に複合化したものとを用いた。このとき、
試験片〔ディスク〕の摺動面における臓維面積率は１５
．２％であった。この結果を第４図に示す。

第４図に示すように、比較例のアルミニウム合金（ＡＤ
Ｃ１２）のみからなるディスクではｌｌｌ１厚耗性が著
しく劣り、参考例のアルミナ短繊維を複合化した繊維強
化金属からなるディスクでは自己の耐摩耗性は比較的良
好であるものの相手材であるビンの摩耗量が多い、これ
に対してこの発明の芙施例によるディスクでは、それ自
体の摩耗量が著しく少ないと同時に、相手材であるビン
の摩耗量も著しく少ないという非常に潰れた結果が得ら
れたことが明らかである。

［発明の効果」 以上説明してきたように、この発明による複合材料は、
非鉄金属からなる基体の少なくとも表面の一部に鉄鋼臓
雄、鉄鋼粉、鉄鋼粒などからなる鉄鋼質補強材を分散さ
せ、前記鉄鋼質補強材を分散させた表面の少なくとも一
部に窒化処理を施してなるものであるから、従来のアル
ミニウム合金のみからなる材料に比べて大巾に＋ｆＦＩ
摩耗性が向上しており、特に摺動面からある一定深さま
で剛性の高い鋼繊維等の鉄鋼質複合材が埋設しているの
に加えてその表面はＦｅ−ＡＬ；Ｌ系の金属間化合物お
よび窒化層が大きな面積を占めていることから、特に高
血圧が加わる摺動部材への適用が可能であ°す、自己の
耐摩耗性に優れているだけでなく相手材への攻撃性が著
しく小さいという非常に優れた特性を有しており、例え
ば１目動軍部品への適用例としては、エンジンシリンダ
ブロック、ライナ摺動面、ピストントップランド部など
があり、また高面圧部材としては、カムシャフトカム部
、ロッカーアームチップ部、ピストンリングなどがある
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）（ｌはこの発明の一実施態様による
Ｉｆ１摩耗性複合材料の製造過程を順次示す説明図、第
２図（ａ）（ｂ）（ｃ）はこの発明の他の実施態様によ
る耐摩耗性複合材料の製造過程を順次示す説明図、第３
図（Ｌ）　　（ｂ）はビン・ディスク型摩擦・摩耗試験
機の断面説明図および正面説明図、第４図は摩擦・摩耗
試験結果を示す説明図である。 特許出願人　　　日産自動車株式会社 代理人弁理士　　小　　塩　　　豐 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）非鉄金属からなる基体の少なくとも表面の一部に
   鉄鋼繊維，鉄鋼粉，鉄鋼粒などからなる鉄鋼質補強材を
   分散させ、前記鉄鋼質補強材を分散させた表面の少なく
   とも一部に窒化処理を施してなることを特徴とする耐摩
   耗性複合材料。