JPS63297534A - 耐摩耗性アルミニウム・珪素合金成形材 - 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） この発明は耐摩耗性アルミニウム・珪素合金の改良に係
り、更に詳しく言えば熱膨張係数が小さな耐摩耗性アル
ミニウム・珪素合金成形材に係る。

なお本明細書においては圧粉体を押出しまたは鍛造によ
って成形したものを成形材という。

（従来技術） 硬質の初晶Ｓｉが共晶組織の基地組織中に分布している
過共晶Ａｌ−３ｔ合金は耐摩耗性に優れ、かつ軽量であ
ることから種々の摺動部品材料として使用されているが
、反面Ｆｅ材料に比べて熱膨張係数が大きいことが問題
である。

例エハロータリコンプレソサのベーンはシリンダ内壁に
押しつけられ摺動回転するので、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
ましく、この点で軽量なアルミニウム合金が使用できれ
ば好都合である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながらベーンは運転中に摂氏百数十度に温度が上
昇する。これに対して従来のアルミニウム合金は鋳鉄に
比べて熱膨張係数がかなりに大きいため、ベーン材料に
アルミニウム合金を使用した場合運転温度において鋳鉄
製と同様な気密性或いは運転効率を保持するためにはベ
ーンとサイドプレート及びロータとの常温における間隙
を鋳鉄の場合に比して大きくしなければならない。その
結果運転初期のベーン温度が充分に上昇しない間は、コ
ンプレッサの圧縮効率が低く成らざるを得ない。

また業務用のロータリコンプレッサのように長時間運転
されるものでは、通例使用される高珪素アルミニウム合
金ではベーンが摩耗し易い等の問題がある。

これに対し、過共晶Ａｌ−３ｉ合金は初晶Ｓｉの分散析
出により高Ｓ　ｉ−Ａ　１合金よりも耐摩耗性が良好で
あるが、従来の如く過共晶Ａ１・Ｓｉ合金を鋳造品とし
たのでは初晶Ｓｉを細かに析出させることは困難である
。

本発明は上記の事情に鑑み、熱膨張係数が小さく、かつ
耐摩耗性の大きな過共晶アルミニウム・珪素合金成形材
を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） この発明は、 ５ｉ２５〜４０％、Ｃｕ３〜１０％、 Ｍｇ０．１〜２％、　Ｎｉ　　４〜１０％、残部実質的
にＡｌからなり、 微細な初晶Ｓｉが分布している基地中に平均粒径１〜３
０ｔｔｍのアルミナ粒子が体積割合で３〜１５％分散し
ている金属組織を有し、熱膨張係数の小さな耐摩耗性ア
ルミニウム・珪素合金成形材に係る。なお本発明におい
ては合金の化学成分組成は通例の通り重量％で示しであ
る。

本発明のＡｌ−３ｔ合金の成分組成について説明すれば
次の通りである。

本合金の耐摩耗性を高めるためには過共晶組成　５で初
晶Ｓｉが微細に析出したＭｉ織とすることが必要である
。この点で粉末冶金は有利であり、粉末粒子中に微細に
初晶Ｓｉを析出させておいて、この粉末を原料粉として
圧粉体、成形材を作れば粉末粒子中の初晶Ｓｉが微細に
成形材中に分布することになり、微細に初晶Ｓｉが分布
した金属組織の成形材を容易に得ることができる。Ｓｉ
含有量が２５％以下では耐摩耗性が良く、かつ熱膨張係
数の小さいものは得られない。一方Ｓｉ量が多いほど熱
膨張係数が小さくなるが、Ｆｅ系材料の熱膨張係数に近
づけるためには２５％以上が必要である。しかしながら
４０％を越えるようになると成形材中の初晶Ｓｉが多量
になり、かつ粗大になって押出し加工性が悪くなってく
る。従ってＳｉ含有量は２５〜４０％とする。

ＣｕとＭｇは時効硬化によって基地を強化する作用があ
る。またＣｕ含有量が増加するほど熱膨張係数が小さく
なる。Ｃｕを多量に固溶させるためには基地用原料粉は
アトマイズ法によって製造したものを使用するのが適当
である。アトマイズ法によれば粉末は急冷凝固している
ため粗大なＣｕ　ｔ　Ａ　Ｉ　　相を晶出しておらず、
その結果この粉末を使用することによってＣｕを多量に
固溶することができる。しかしながらＣｕを１０％を越
えて含有させると基地が脆化し、更に押出し加工性が著
しく低下するため１０％以下とすることが好ましく、下
限は時効硬化作用の点から３％以上とするのが良い。

ＭｇはＣｕと同様に時効硬化作用によって基地を強化す
るが、その量が多くなるほど熱膨張係数が増大するので
好ましくなく、Ｃｕのみによっても時効硬化による基地
の強化が達せられるので、Ｃｕとの関係で添加するとし
ても２％以下とするのがよく、２％以上になると基地を
脆化する傾向も大きくなる。

Ｎｉは基地中に固溶し、または安定な金属間化合物とし
て基地中に分散析出して材料を強化する性質がある。そ
の結果高温強度、硬度が高くなり、摺動によって表面温
度が上昇しても硬質粒子を保持する力が強く、また表面
の望性流動を起こし難く、相手側に凝着しにくくなる。

アトマイズ法等によって製造した急冷凝固合金粉末を使
用すればＮｉは基地中に過飽和に固溶し、或いは微細な
化合物として析出するのでこれらの作用は一層助長され
る。更に、Ｎｉは熱膨張係数を小さくする。

その量が４％以下ではこれらの効果は小さく、また１０
％を越えると強度及び切削性が損なわれるので４〜１０
％とするのがよい。

基地用の過共晶Ａ１・Ｓｉ合金粉末に混合するアルミナ
は初晶Ｓｔより硬いので１．アルミナ粒子が基地面から
突出し、自身の摩耗を低減すると共に、基地面が凹とな
るので油膜切れを起こし難くなる。

発明者の研究によればアルミナは硬質粒子の中でも熱膨
張係数の低下に対する効果が大きく、かつ比重差が比較
的小さいので混合の際偏析することが少ない。第１図は
アルミナ混合量と熱膨張係数の変化の関係の１例を示す
グラフで、図中に示す化学組成の合金を基本にしてアル
ミナの量を変化させて試験をした結果を示してあり、ア
ルミナ配合量が増加するに従って熱膨張係数が小さくな
って行くのが判る。

耐摩耗性改善のためには使用するアルミナ粒子の大きさ
は平均粒径で１〜３０−のものが良く、これを体積割合
で３〜１５％配合することが必要である。アルミナ粒子
の大きさはｌｐｎ以下では摺動中に比較的軟質の基地中
に埋没して耐摩耗性改善の効果が低下し、また油膜切れ
を起し易い。他方、平均粒径が３０鶴１ｍを越えるよう
になると材料の切削性や研削性が低下するばかりでなく
、良好な加工面を得ることが困難になる。

またアルミナ粒子の量が３％未満では耐摩耗性や耐焼着
性が不充分であり、他方１５％を越えてもこれらの性質
の向上の割合が小さく、かえって材料加工性が著しく低
下するようになる。

基地用原料粉のＡｌ−３ｔ合金粉はアトマイズ法の如（
におよそ１０３（’に／秒）以上の冷却速度で急冷凝固
させて製造した粉末を使用する。このように急冷凝固す
ればＳｉを１５〜４０％まで含有させることが可能にな
るほか、初晶Ｓｉがきわめて微細に析出し、更にＣｕｔ
Ａｌ　　相が細かに析出し、かつＣｕ、Ｎｉを過飽和に
固溶できるようになる。アトマイズ原料粉の大きさは１
００メツシユ篩下の大きさとするのがよく、成形材基地
中に分布する初晶Ｓｔの大きさは原料粉のサイズによっ
て影響されるからである。

これに上記のアルミナ粉を所要量配合し、爆発を防止す
るため不活性雰囲気中で充分混合したものを金型に充填
して圧縮して圧粉体とし、これを熱間押出しまたは熱間
鍛造して、所要の熱処理を施し、成形材としたのち必要
に応じて機械加工して所要形状に仕上げる。

（実施例） 次に本発明の実施例について説明する。第１表に示す成
分組成のＡｌ−Ｓｉ合金溶湯を空気アトマイズ法によっ
て粉末とし、１００メツシユの篩を通して篩下を原料粉
として用い、これに平均粒径１５−のアルミナ粉を体積
で５％配合し、Ｖ型コーンで混合した。これらの混合粉
を成形を容易にするため２５０℃に１時間前゛熱し、同
温度に加熱保持された内径４９．５　ｍｍ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の圧粉体とした。

この圧粉体を窒素ガス中で４５０℃に２時間加熱してお
いて、４３０℃に加熱保持された内径５Ｑ　ｍｍのコン
テナ中に挿入し、内径１２鶴のダイスを用いて間接押出
し法により丸棒成形材とした。

押出し比は１７．４である。

次いでこれら押出し成形材にＴ６熱処理を施してから試
験片に加工して、熱膨張試験及び摩耗試験を行った。

第１表（ｗｔχ） なお第１表の対比材はアルミナを配合しないものであり
、供試材Ａは発明材と同様に粉末としたのち圧縮、押出
して丸棒成形材とし、供試材Ｂ。

Ｃは従来品と同様鋳造材としＴ６処理を施して供試材と
した。

（１）熱膨張試験 前記供試材から直径５鶴、長さ２０鶴の丸棒試験片を加
工し、常温から２００℃の間の熱膨張係数を測定した。

その結果を第２図に対比材の結果と共に示しである。試
験は各供試材について５個の試験片を用いて行い、図に
はその最大値、最小値が示しである。第２図から本発明
に係る押出し材１．２．３は対比材の鋳造材Ｂ、Ｃに比
して顕著に熱膨張係数が小さく、常温〜２００℃間でお
よそ　１４ｘ１０′−ｂ／℃であることが判る。対比材
の押出し材Ａとの比較では第１図に示すアルミナの量の
差異に相当して熱膨張係数が小さくなっており、鋳造材
との熱膨張係数の大きな差はＳｉ及びＮｉ含有量の差並
びにアルミナ含有量の差に基づくものであろうと考えら
れる。

（２）焼肴試験 第５〜６図に示すスラスト型摩擦試験機を用い、回転円
板１に３個の試験片２を取付は回転させ、試験片２に対
してステータ円板３を図示しない油圧装置で押付け、こ
の時の摩擦力Ｆをロードセル６で測定して記録計７に記
録させる。ステータ４の背後から給油管５を通してステ
ータ円板摺動面に潤滑油を供給する。押付は圧力は２０
ｋｇ／ｃＪから３分毎に１０ｋｇ／ＣＩＡづつ上昇させ
、ロードセルで測定された摩擦力の大きさが急激に上昇
したときの圧力を焼着荷重とした。

試験条件は摺動速度５ｍ／秒、潤滑油スニソ５ＧＳ、油
温９０℃、油量３５０ｍｌ／分とした。第３図にはステ
ータ円板３に可鍛鋳鉄を用い、第１表に示す本発明材及
び対比材について試験した結果を、各試験片５個の最大
、最小値及び平均値で示しである。

図から明らかなようにアルミナを含む本発明材はアルミ
ナを含まない対比材（押出材）Ａに比較して焼着荷重が
約３０％高く、同じく鋳造材に比較すれば約４０％も高
いことが判る。

（３）摩耗試験 第７図に示すピンドラム式摩耗試験機を用い、試験片１
１をホルダー１２で保持し、相手方の回転円板１３の外
周面に一定圧力で圧接させ、潤滑油供給管１４から潤滑
油を供給しながら回転円板１３の周面上を摺動させる。

試験片は５ｘ５ｘ２０ｆｌの角柱状を呈し、先端摺動面
には半径６　ｕ＋の丸みがつけられて研磨仕上げされて
おり、相手材円板１３には可鍛鋳鉄を用いた。

試験は相手円板１３を周速度１．３．５および１０ｍ／
秒で回転させ、８０℃に加熱されたコンプレッサオイル
（スニソ５ＧＳ）を３００ｍ１／分の割合で供給管１４
から給油しながら、１５ｋｇの押圧荷重Ｐをかけて試験
片１１を相手円板１３の外周面に押付け、摺動距離を１
５０　ｋｍとして摺動させた。試験後試験片１１の摺動
面の摩耗幅を工具顕微鏡で測定した。その結果を第４図
に示しである。

図によれば本発明に係る材料はアルミナを含有しない対
比材（押出材）Ａに比べて摩耗量が顕著に減少し、また
アルミナを含有しない鋳造材Ｂ。

Ｃに比して優れた耐摩耗性を示すことが判る。

（４）寸法安定性試験 前記第１表の発明材について１０ｘ１０＋ｎ角、６０ｍ
長の試験片を製作し、２８０℃に３００時間保持後常温
まで冷却する処理を施したのち寸法変化を調査した。そ
の結果によればいずれの場合にも６０鶴の長さに対して
残留した寸法変化は３Ｊｌｌ１１以下であり、きわめて
安定していた。

なお上記各種試験は熱間押出し材について述べであるが
、熱間鍛造材の場合にも同様な結果が得られた。

（効果） 以上説明したように本発明に係る合金成形材は粉末冶金
に於けると同様にしてアトマイズ法等によって急冷凝固
させて製造した合金粉末にアルミナ粉を配合して圧粉体
とし、これを熱間押出しまたは熱間鍛造して成形しであ
るので、初晶Ｓｉや（Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｔ）化合物等が微
細に分布している基地中にアルミナ粒子が分散している
金属組織を有し、耐摩耗性、耐焼着性に優れていると共
に、熱膨張係数が従来合金に比して著しく小さく、かつ
加熱冷却を繰り返し受けても寸法安定性がきわめて良好
である。

従って例えばロークリコンプレッサのベーンのように運
転効率上、常温と運転時の上昇温度との間において一様
な密封性が要求される摺動部品材料として好適である。

また原料粉としてアトマイズ粉の如く急冷凝固した粉末
を使用すれば粗大なＣｕｔＡｌ　　相を晶出することな
く、初晶Ｓｉが微細に晶出しているので成形材において
も初晶Ｓｔが微細に分布している基地とすることが容易
である等、実用上の効果がきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る合金のアルミナ添加量と熱膨張係
数との関係を示すグラフ、第２図は熱膨張試験結果を示
すグラフ、第３図は焼着試験結果を示すグラフ、第４図
は摺動速度と摩耗痕幅との関係で表した摩耗試験結果を
示すグラフ、第５図は焼着試験装置の概要を示す一部破
砕側面図、第６図は同じく第５図Ｖｌ−ＶＩ断面図、第
７図は摩耗試験装置の概要を示す正面図である。 １・・・回転円板、２・・・試験片、３・・・ステータ
円板、４・・・ステータ、５・・・給油管、６・・・ロ
ードセル、７・・・記録計、１１・・・試験片、１２・
・・ホルダー、１３・・・回転円板、１４・・・潤滑油
供給管出願人代理人　弁理士　鴨志１）次男 アルミナ浮力ロ量（（ｔｏｌ、幻 ′＄／図 第１図 第２図 ′ｙｆ−Ｊ３　　図 第７０ 手続補正書 昭和６２年　６月２５日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｓｉ２５〜４０％、Ｃｕ３〜１０％、 Ｍｇ０．１〜２％、Ｎｉ４〜１０％、 残部実質的にＡｌからなり、 微細な初晶Ｓｉが分布している基地中に平均粒径１〜３
   ０μｍのアルミナ粒子が体積割合で３〜１５％分散して
   いる金属組織を有し、熱膨張係数の小さな耐摩耗性アル
   ミニウム・珪素合金成形材。