JPS6358900B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はAl―Si―Ｃ系の高耐摩摺動性合金材
料の製造法に関するものである。 従来、耐摩摺動材料には鋳鉄をはじめ銅合金や
Al―Si合金などがその負荷荷重や摺動条件に応
じて用いられてきたが、部品の軽量化や高寿命化
の要求が年々高まり、より高度な耐摩摺動特性を
有する材料の開発が望まれている。 このような目的に適した材料の一つとしてAl
―Si―Ｃ系合金材料が注目されるようになつた。 このAl―Si―Ｃ系合金材料はAlの良好な熱伝
導性とSiの析出による高耐摩耗性、さらにＣによ
る摺動特性を組合わせた優れた複合機能材料であ
る。 しかしながら、この合金はAlとＣとの溶解度
がなく、またAl溶湯とＣとの濡れがなく、さら
にAlとＣとの比重の違いがあることなどから、
溶解法で製造するのが著しく困難であり、実験室
的製法の域をでなかつた。 一方粉末冶金法の特徴を活かして粉末を混合、
型押、焼結することによつて製造される試みもな
された。 しかし、Alの粉末は強固なAl₂O₃の酸化被膜に
覆われており、焼結に必要なAl原子の自己拡散
が著しく阻害されるため、Al―Si合金の共晶温
度以下の固相焼結温度域では全く焼結することが
できなかつた。 このためAlの融点以上の750℃もの高温で焼結
するなどの方法も試みられたが、成形体の形崩れ
や変形が著しく、正常な形状を保つのが難しいう
えにSiの析出粒子が粗大化し、溶解法と同じ粗大
組織となるために耐摩摺動特性が劣る欠点があつ
た。 またホツトプレスを用いて固相焼結温度域で焼
結させる試みもなされたが、やはりAl₂O₃の強固
な酸化皮膜によつて焼結は進行せず、得られた焼
結体は充分な強度を有しておらず使用に耐えなか
つた。 本発明者らは、このような難焼結性複合材を得
る方法として、粉末混合成形体を所定の減面率で
熱間押出しすることが極めて有効であることを見
出した。 さらに摺動成分として炭素を黒鉛粉末ではなく
炭素質または黒鉛質の短繊維で添加することによ
つてAl合金マトリツクスを繊維強化し、極めて
高性能なAl―Si―Ｃ系合金材料を製造すること
を見出したのである。 本発明の方法において、アトマイズAl―Si合
金粉末を用いるのは、Al粉末とSi粉末を混合す
る方法では充分微細なSi粒子の分散をはかること
が困難なうえに、Al粉末とSi粉末との焼結合金
化が共晶温度以下では著しく緩慢なため、焼結強
度が劣るのに対し、アトマイズ合金粉末ではアト
マイズ時の急冷凝固によつてSiが微細に析出した
合金粉末が容易に得られるため、SiとAlとの結
合強度は溶解合金と全く同じものが得られるから
である。 さらにアトマイズ法はAl合金組成成分を任意
に変えることが容易でAlマトリツクスの強化に
有効なCu，Mg，Feなどの元素も安全かつ確実に
偏析なく添加することができるメリツトを有して
いる。 黒鉛粉末の代りにカーボンフアイバーを用いる
理由は次の通りである。 従来の黒鉛粉末は凝集して２次粒子を作りやす
く均一に分散させるのが困難であり、また黒鉛粉
末の純度が悪く、灰分やガス発生など粒子界面の
結合強度を損ないやすい欠点があつた。 しかし炭素質または黒鉛質の繊維チヨツプは、
純度が高いうえ２次凝集を発生しにくく、また繊
維自身の引張り強さが100Kgｆ／mm²以上と著しく
優れているためにAl合金マトリツクスの繊維強
化をはかることができるからである。 原料のアトマイズAl―Si合金粉末の粒度を60
メツシユ以下と限定したのは、60メツシユ以上の
粒子では繊維の均一な分散を妨たげ、偏析の原因
となるためである。 この炭素質または黒鉛質繊維チヨツプの量を５
〜50重量％とするのは５重量％以下では使用の効
果が得られず、また50重量％以上ではAl―Si合
金のすぐれた特性を阻害して好ましくないためで
ある。 また炭素質または黒鉛質繊維チヨツプの線径を
５〜15μとしたのはこの範囲が工業的に最も製造
の容易な線径であること、および15μ以上の繊維
は内部欠陥が多く脆弱になりやすいために、繊維
強化剤として適さないこと、さらにAlとＣとの
単位重量当りの接触面積が15μ以上では少なくな
り、繊維強化の際のマトリツクスと繊維との結合
強度が低下するためである。 繊維長さは10mm以上になると均一に混合するの
が難しく、0.05mm以下では臨界繊維長さよりも小
さくなり繊維強化が実質的に期待できないために
0.05〜10mmの範囲で選ばれなければならない。 Al合金粉末の組成はSiが析出して耐摩性を発
揮するのに必要な最低量15％を下限値とし、Al
―Si合金としての靭性を保つためにSi30％を上限
値とするものである。 さらにAlマトリツクスを強化する目的で溶解
Al合金に広く使用されているMg，Cu，Feなど
の元素の１種またはそれ以上をAlマトリツクス
の靭性を損なわない10％以下と効果の認められる
0.1％以上の間で使用条件に合わせて選ぶことが
望ましい。 さて、本発明のAl―Si―Ｃ系合金材料の製造
法は、Al―Si合金粉末と炭素質または黒鉛質繊
維チヨツプを混合したのち、モールドを用いて成
形し、（金型で型押またはラバーモールドで冷間
静圧成形）アルミニウム合金の5052材または銅合
金で作られた容器に真空封入後、Al―Si合金の
共晶点以下のSi粒子の成長が顕著に起らない温度
以下即ち550℃以下で、かつ比較的低圧力で塑性
変形が可能な温度以上即ち450℃以上の温度範囲
内で熱間静圧成形処理を行なつて、ほぼ残留空孔
を潰した後さらに押出しを行なうことが必要であ
る。予め熱間静圧成形処理を行なうのは (1) 欠陥の少ない押出体を得るためには残留空孔
が少ない方が望ましいこと。 (2) 複雑形状の押出体を得るには押出中に割れな
どを生じにくい、即ち塑性変形能の高い押出素
材が必要で、マトリツクスの結合強度が高くな
ければならないこと。 (3) より低温、低圧で押出しするには高密度な押
出素材が必要であること。 などの理由からである。 そして熱間静圧成形のみではAlまたはAl合金
粒子間の結合力は表面に形成されたAl₂O₃の膜に
阻害されて充分でない。しかし、さらに押出処理
を行なうことによつて粒子は塑性変形を受け
Al₂O₃のない清浄な原子面同志で強力なマトリツ
クスの結合がはかられ、単に成形体を熱間押出し
したものや、単に成形体を熱間静圧成形した場合
と比較して著しく強力な製品が得られる。 押出しに必要な減面率は、30〜85％で比較的低
い減面率でも残留空孔が少ないことが特徴である
が、30％以下ではやはり欠陥の率が多くなつて望
ましくない。また85％以上では押出し中に変形熱
が発生し、過熱を起して却つて性能を劣化するこ
とがあるため好ましくない。 押出し温度は200℃以下では押出し圧力が必要
以上に高くなり、また450℃以上では酸化しやす
くなるために200〜450℃の範囲が好ましい。 押出しに先立つ熱間静圧成形はAl―Si合金の
共晶温度以下のSi粒子の成長が顕著にならない温
度即ち550℃以下で且つ塑性変形が容易になる温
度即ち450℃以上であることが必要である。 そして圧力媒体ガスとしては容器のアルミニウ
ム合金の酸化を防止するために不活性ガスでなけ
ればならないが、その中でも特に経済性の点から
アルゴンガスが最適である。 以下実施例により本発明を説明する。 実施例 Al―17Si―4Cu―0.1Mg―0.1Feアトマイズ合
金粉末に線径12.5μ、線長0.13mmの黒鉛質繊維チ
ヨツプを７重量％添加混合し、ラバーモールドを
用いて冷間静圧成形したのち、アルミニウム合金
の5052材で作られた容器に真空封入後、475℃で
アルゴンガスを用いて1500atmで熱間静圧成形
し、さらに減面率65％で熱間押出しを行つた。 得られた丸棒から直径８mmφの試験片を削り出
し、引張り試験を行なつた。 なお同じAl―Si合金粉末に黒鉛粉末を用いて
750℃、窒素ガス中で焼結した試料をも作成し、
引張り試験を行なつた。 両者の結果は第１表に示した。 また大越式試験機を用いてＶ＝0.51ｍ／sec、
Ｐ＝2.1Kgで摩耗試験を行なつた結果についても
第１表に示した。 何れの結果も本発明の方法により得られたAl
―Si―Ｃ系合金材料が従来品よりもはるかに優れ
た特性を有することが確認された。 このように本発明の方法は、軽量で且つ耐摩摺
動特性に優れたAl―Si―Ｃ系合金材料の実用的
な製造法を提供せんとするものであり、その工業
的価値は非常に大であるということができる。 【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Si15〜30重量％およびMg，Cu，Feのうちか
   ら選ばれた１種またはそれ以上の元素0.1〜10重
   量％を含有する60メツシユ以下のアトマイズAl
   ―Si合金粉末と線径５〜15μ、線長0.05〜10mmの
   炭素質または黒鉛質繊維チヨツプ５〜50重量％を
   混合し、モールドを用いて成形したのち、これを
   密封容器に入れて、不活性ガス中で450〜550℃に
   て熱間静圧成形し、さらに200〜450℃において減
   面率30〜85％で押出すことを特徴とするAl―Si
   ―Ｃ系合金材料の製造法。 ２ 不活性ガスとしてアルゴンガスを用いる特許
   請求の範囲第１項記載のAl―Si―Ｃ系合金材料
   の製造法。