(57)【要約】      （修正有）【課題】  Ａｌ合金中に黒鉛粒子をより多く含有させることができると共に、Ａｌ合金の鋳造においては、重力鋳造法及びダイカスト鋳造法を可能とした黒鉛含有Ａｌ合金の製造方法及び摺動部材を提供すること。【解決手段】  アルミニウム合金の溶湯中に、表面にナトリウム化合物の被膜が形成された黒鉛粒子を該黒鉛粒子の重量で３重量％以上２２重量％以下となるように投入し、この黒鉛粒子が投入されたアルミニウム合金の溶湯を鋳造して黒鉛含有アルミニウム合金を製造することを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金の溶湯中に、表面にナトリウム化合物の被膜が形成された黒鉛粒子を該黒鉛粒子の重量で３重量％以上２２重量％以下となるように投入し、この黒鉛粒子が投入されたアルミニウム合金の溶湯を鋳造してアルミニウム合金中に黒鉛粒子を分散含有させることを特徴とする黒鉛含有アルミニム合金の製造方法。
【請求項２】
ナトリウム化合物は、リン酸三ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム及びリン酸二水素ナトリウムのうちの少なくとも一つが選択される請求項１に記載の黒鉛含有アルミニウム合金の製造方法。
【請求項３】
アルミニウム合金の溶湯は、１０重量％以上４５重量％以下のＳｉと、１重量％以上１５重量％以下のＣｕと、０．５重量％以上５重量％以下のＭｇと、０．１重量％以上２重量％以下のＦｅと、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなる請求項１又は２に記載の黒鉛含有アルミニウム合金の製造方法。
【請求項４】
黒鉛粒子が投入されたアルミニウム合金の溶湯は、重力鋳造法又はダイカスト鋳造法によって鋳造される請求項１から３のいずれか一項に記載の黒鉛含有アルミニウム合金の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の黒鉛含有アルミニウム合金の製造方法によって製造された黒鉛含有アルミニウム合金から作製されたことを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、黒鉛粒子を分散含有したアルミニウム合金の製造方法及び摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特公昭４４−１０４２号公報
【特許文献２】特公昭４５−１３２２４号公報
【特許文献３】特開２００３−１３８３２８号公報
【０００３】
アルミニウム（Ａｌ）は軽量で機械的性質や加工性に優れていることから工業材料として広く使用されており、Ａｌ合金の中でもＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系合金は耐摩耗性が優れていることが知られている。とくにＡｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系合金は流体潤滑条件下での耐摩耗性が優れているため、軸受などの摺動部材用途として工業的に使用されている。しかしながら、このＡｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系合金は境界潤滑条件下での使用においては耐凝着性に劣ることから流体潤滑条件下での使用に限られるという問題がある。
【０００４】
Ａｌ合金を境界潤滑条件下で使用可能にする技術として、（１）Ａｌ合金の摺動面に固体潤滑剤としての黒鉛を埋設固定する方法、（２）Ａｌ合金中に固体潤滑剤としての黒鉛粒子を分散含有させる方法、などによりＡｌ合金に自己潤滑性を付与する技術が知られている。
【０００５】
上記した（１）の技術は、Ａｌ合金から板状あるいは円筒状部材を作製し、これら部材の摺動面となる平面あるいは円筒面に複数個の孔を明け、これら孔に固体潤滑剤を接着剤によって埋設固定することにより、Ａｌ合金に自己潤滑性を付与するものである。しかし、この技術では、円筒状部材が小径のときは、孔明け作業やその後の固体潤滑剤の埋設作業が煩雑となるという欠点がある。
【０００６】
また、上記した（２）の技術としては、特許文献１あるいは特許文献２に開示された技術が知られている。特許文献１には、流下しつつある金属溶融物に黒鉛粉末を懸濁させた中性ガスを吹付けてＡｌ合金を飛沫粒状化させるとともに、その粒状化金属表面に黒鉛粉末を付着させ、これを鋳型に導入して黒鉛が付着した金属粒子を互いに融着させ、粒界に黒鉛が保持された一体金属として凝固させる技術が開示されている。
【０００７】
特許文献２には、金属の溶融物中に、分散剤としてガスを用いて、金属被覆した黒鉛粒子を分散させ、その後、溶融物を冷却して固化させる技術が開示されている。
【０００８】
上述した特許文献１の技術では、黒鉛及び黒鉛を含有する母体金属の歩留まりが非常に悪く、また多くの巣が発生したりガス中の不純物を巻き込んだりして、健全な鋳塊が得られにくいという欠点がある。また特許文献２に開示された技術では、黒鉛粒子を母材金属の溶融物中へ注入するのに長時間を要し、しかも、多くの黒鉛粒子が浮上するので黒鉛が均一に分散され難いという欠点がある。
【０００９】
本発明者らは、前記特許文献２に開示された技術の欠点であるＡｌ合金の溶湯から黒鉛粒子が浮上分離する要因を考察し、その要因として黒鉛粒子の表面の性質を挙げた。黒鉛粒子と溶湯合金とが接触するとき、溶融合金の粘性挙動に対する黒鉛粒子の表面の見掛けの粘性が黒鉛粒子の分散性に影響を与えると考えた。換言すれば、黒鉛粒子の表面にＡｌ合金の溶湯と粘性挙動が近似した見掛けの表面を形成することにより、黒鉛粒子がＡｌ合金中に良好に分散すると考えた。この考えに基づき、黒鉛粒子の表面の改質について種々の実験を試み、黒鉛粒子の表面に無水硼酸及び硼砂から選択される硼素化合物の被膜を形成し、この被膜が形成された黒鉛粒子をＡｌ合金の溶湯中に投入したのち、短時間で凝固させることにより、Ａｌ合金中に黒鉛粒子を均一に分散できることを見出した（特許文献３）。
【００１０】
この特許文献３に開示された技術は、前記特許文献１又は特許文献２に開示された技術よりもＡｌ合金中への黒鉛粒子の分散含有を容易に行なうことができるという利点を有する反面、黒鉛粒子のＡｌ合金中への含有量が１５重量％が限度であることと、鋳造法がダイカスト鋳造法に限られるという製法上の問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、Ａｌ合金中に黒鉛粒子をより多く含有させることができると共に、Ａｌ合金の鋳造においては、重力鋳造法及びダイカスト鋳造法を可能とした黒鉛含有Ａｌ合金の製造方法及び摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記目的を達成するべく種々検討を重ねた結果、黒鉛粒子の表面にナトリウム化合物の被膜を形成し、この被膜が形成された黒鉛粒子をＡｌ合金の溶湯に投入すると、該黒鉛粒子は浮上分離することなく溶湯中に分散されることを見出し、これを鋳造して得たＡｌ合金中には該黒鉛粒子が分散含有されていることを確認した。また、このナトリウム化合物の被膜が形成された黒鉛粒子を含有するＡｌ合金の溶湯は、ダイカスト鋳造法ばかりでなく重力鋳造法による鋳造をも可能とすることを見出した。
【００１３】
本発明は、上記知見に基づき完成されたものであり、その第一の要旨は、アルミニウム合金の溶湯中に、表面にナトリウム化合物の被膜が形成された黒鉛粒子を該黒鉛粒子の重量で３重量％以上２２重量％以下となるように投入し、この黒鉛粒子が投入されたアルミニウム合金の溶湯を鋳造してアルミニウム合金中に黒鉛粒子を分散含有させることを特徴とする黒鉛含有Ａｌ合金の製造方法に存する。
【００１４】
また、第二の要旨は、上記黒鉛含有アルミニウム合金の製造方法によって製造された黒鉛含有アルミニウム合金から作製された摺動部材に存する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ナトリウム化合物の被膜が形成された黒鉛粒子は、Ａｌ合金溶湯に投入された際、Ａｌ合金溶湯との濡れ性が良好であることから比較的多量の黒鉛粒子がＡｌ合金溶湯中に分散含有される。このナトリウム化合物の被膜が形成された黒鉛粒子を含有するＡｌ合金溶湯の鋳造にあたっては、重力鋳造法及びダイカスト鋳造法のいずれの方法も採用することができ、これらの鋳造法によって鋳造されたＡｌ合金中には黒鉛粒子が分散含有されて該Ａｌ合金には自己潤滑性が付与されるので、とくに境界潤滑条件下の使用において優れた摩擦摩耗特性を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を説明する。先ず、本発明の黒鉛含有Ａｌ合金の製造方法は、アルミニウム合金の溶湯中に、表面にナトリウム化合物の被膜が形成された黒鉛粒子を該黒鉛粒子の重量で３重量％以上２２重量％以下となるように投入し、この黒鉛粒子が投入されたアルミニウム合金の溶湯を鋳造してアルミニウム合金中に黒鉛粒子を分散含有させることからなる。
【００１７】
黒鉛粒子の表面に被膜として形成されるナトリウム化合物は、リン酸三ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム及びリン酸二水素ナトリウムのうちの少なくとも一つが選択される。ナトリウム化合物を黒鉛粒子の表面に被膜として形成する方法としては、水又はアルコールからなる溶媒に該ナトリウム化合物を溶解させて飽和溶液を作製し、この飽和溶液に黒鉛粒子を投入して該黒鉛粒子の表面に該飽和溶液を付着させ、該飽和溶液が付着した黒鉛粒子を加熱して乾燥させることにより、該黒鉛粒子の表面にナトリウム化合物の被膜を形成する方法が採られる。
【００１８】
黒鉛粒子としては、天然黒鉛又は人造黒鉛から作製された黒鉛粒子が使用される。黒鉛粒子の大きさは分散性にある程度影響を及ぼす。黒鉛粒子の大きさが３０００μｍ以下であれば良好に分散させることができる。黒鉛粒子の大きさに下限はないが、摺動部材においては自己潤滑性及び強度の観点からある程度の粒度に調整される。具体的には、１４メッシュ（１１９０μｍ）を通過し１００メッシュ（１５０μｍ）を通過しない粒度、好ましくは１６メッシュ（１０００μｍ）を通過し５５メッシュ（２５０μｍ）を通過しない粒度に調整した黒鉛粒子が使用される。
【００１９】
アルミニウム合金の溶湯は、１０重量％以上４５重量％以下のＳｉと、１重量％以上１５重量％以下のＣｕと、０．５重量％以上５重量％以下のＭｇと、０．１重量％以上２重量％以下のＦｅと、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなる。
【００２０】
上記したアルミニウム合金の各成分元素について説明する。
【００２１】
（１）Ｓｉについて
Ｓｉを含有したＡｌ合金の溶湯を冷却していくと、Ｓｉの一部はＡｌ固溶体を形成してＡｌ合金のマトリックスの強度と硬さを増加させる。また、Ａｌに固溶できない一部のＳｉが初晶Ｓｉとなって小さな多角形状の微細結晶として合金中に分散して析出する。この初晶Ｓｉは、Ａｌ合金中に均一に分散含有された黒鉛粒子の被膜形成に寄与し、摺動部材としての摩耗特性を向上させる。Ａｌ合金溶湯中のＳｉの含有量が１０重量％未満では、上記の効果が充分発揮されず、またＳｉの含有量が４５重量％を超えた場合は、Ａｌ合金の靭性を著しく低下させる。したがって、Ｓｉの含有量としては、１０重量％以上４５重量％以下の範囲が適当である。
【００２２】
（２）Ｃｕについて
ＣｕはＡｌに固溶し、Ａｌ合金の結晶粒を微細化してＡｌ合金マトリックスを強化させる。また、Ｃｕの一部は、ＡｌやＳｉと化合物を形成して時効硬化するので、Ａｌ合金の高温強度と硬さを向上させる。Ｃｕの含有量が１重量％未満ではＡｌ合金マトリックスの強化に寄与せず、また、Ｃｕの含有量が１５重量％を超えたときはＡｌ合金を脆くする。したがって、Ｃｕの含有量としては、１重量％以上１５重量％以下の範囲が適当である。
【００２３】
（３）Ｍｇについて
ＭｇはＡｌに固溶して固溶体を形成することによりＡｌ合金の靭性を向上させる。また、ＭｇがＳｉと共存した場合、Ｍｇ２Ｓｉ化合物を生成して時効硬化性を発揮し、Ａｌ合金マトリックスの硬度を高め、耐摩耗性を向上させる。Ｍｇの含有量が０．５重量％未満では時効硬化性に起因する耐摩耗性の向上に効果がなく、また、Ｍｇの含有量が５重量％を超えたときは時効硬化性を却って弱める。したがって、Ｍｇの含有量としては、０．５重量％以上５重量％以下の範囲が適当である。
【００２４】
（４）Ｆｅについて
Ｆｅは、その一部がＡｌと相互に固溶体を形成して結晶粒を微細化する効果と、鋳造時の金型からの型離れを良好にする効果を有する。Ｆｅの含有量が０．１重量％未満では結晶粒を微細化する効果及び型離れの効果が発揮されず、また、Ｆｅの含有量が２重量％を超えたときはＡｌの強度を低下させる。したがって、Ｆｅの含有量としては、０．１重量％以上２重量％以下の範囲が適当である。
【００２５】
上記したＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｆｅ合金の溶湯中に、前記表面にナトリウム化合物の被膜が形成された黒鉛粒子を投入し、撹拌混合して該黒鉛粒子を含有したＡｌ合金の溶湯を重力鋳造法又はダイカスト鋳造法により所望の形状に鋳造する。そして、鋳造後の黒鉛粒子を分散含有したＡｌ合金を所望の形状、例えば板状、円筒状などに加工し、摺動面に黒鉛粒子が分散含有した摺動部材が形成される。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２７】
実施例１：
２５重量％のＳｉを含むＡｌ−Ｓｉ母合金と、５０重量％のＣｕを含むＡｌ−Ｃｕ母合金と、２５重量％のＦｅを含むＡｌ−Ｆｅ母合金と、Ｍｇインゴットとを準備し、Ｓｉが２３重量％、Ｃｕが６重量％、Ｆｅが０．１重量％、Ｍｇが１重量％、残部がＡｌとなるようにＡｌインゴットで調整し、これらを電気炉にて７８０℃の温度で溶解してＡｌ合金の溶湯を得た。
【００２８】
黒鉛粒子として、２０メッシュ（８４０μｍ）を通過し２８メッシュ（５９０μｍ）を通過しない粒度に調整した人造黒鉛を準備した。
【００２９】
ナトリウム化合物としてリン酸二水素ナトリウムを準備し、１００℃の熱水中に、予め黒鉛に対し１０重量％となるように計量したリン酸二水素ナトリウムを溶解させておき、この溶液中に上記粒度調整された黒鉛粒子を投入する。ついで、溶液中の水分を蒸発逸散せしめ、黒鉛粒子の表面にリン酸二水素ナトリウムの被膜を形成した。
【００３０】
表面にリン酸二水素ナトリウムの被膜が形成された黒鉛粒子を前記Ａｌ合金の溶湯中に投入した。この場合、最終的に製造される黒鉛含有Ａｌ合金に対する黒鉛粒子の重量％として８．９重量％（２２体積％）の割合の黒鉛粒子をＡｌ合金の溶湯中に投入した。
【００３１】
Ａｌ合金の溶湯中に該黒鉛粒子を投入した後、黒鉛製の翼を有する撹拌羽根を使用して該黒鉛粒子がＡｌ合金の溶湯中に沈み込むまで混合した。該黒鉛粒子を含有した溶湯を１２５トンのコールドチャンバ式横型ダイカスト鋳造機にて１５０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力をかけてダイカスト鋳造した。このようにして得たＡｌ合金鋳物に機械加工を施し、一辺が３０ｍｍ、厚さが５ｍｍの板状試験片（板状摺動部材）を作製した。このようにして作製した板状試験片の写真を図１に示す。
【００３２】
実施例２：
上記実施例１と同様の黒鉛粒子を含有したＡｌ合金の溶湯を準備した。この溶湯を金型鋳型に鋳込み（重力鋳造）、冷却して方形状のＡｌ合金鋳物を作製した。このＡｌ合金鋳物に機械加工を施し、一辺が３０ｍｍ、厚さが５ｍｍの板状試験片（板状摺動部材）を作製した。
【００３３】
実施例３：
前記実施例１と同様、Ｓｉが２３重量％、Ｃｕが６重量％、Ｆｅが０．１重量％、Ｍｇが１重量％、残部がＡｌからなるＡｌ合金の溶湯を準備した。黒鉛粒子として、前記実施例１と同様、表面にリン酸二水素ナトリウムの被膜が形成された黒鉛粒子を準備し、これをＡｌ合金の溶湯中に投入した。この場合、最終的に製造される黒鉛含有Ａｌ合金に対する黒鉛粒子の重量％として１４．４重量％（３２．７体積％）の割合の黒鉛粒子をＡｌ合金の溶湯中に投入した。以下、前記実施例１と同様の方法で、一辺が３０ｍｍ、厚さが５ｍｍの板状試験片（板状摺動部材）を作製した。
【００３４】
実施例４：
前記実施例１と同様、Ｓｉが２３重量％、Ｃｕが６重量％、Ｆｅが０．１重量％、Ｍｇが１重量％、残部がＡｌからなるＡｌ合金の溶湯を準備した。黒鉛粒子として、前記実施例１と同様、表面にリン酸二水素ナトリウムの被膜が形成された黒鉛粒子を準備し、これをＡｌ合金の溶湯中に投入した。この場合、最終的に製造される黒鉛含有Ａｌ合金に対する黒鉛粒子の重量％として１９重量％（４０体積％）の割合の黒鉛粒子をＡｌ合金の溶湯中に投入した。以下、前記実施例１と同様の方法で、一辺が３０ｍｍ、厚さが５ｍｍの板状試験片（板状摺動部材）を作製した。このようにして作製した板状試験片の写真を図２に示す。
【００３５】
実施例５：
前記実施例１と同様、Ｓｉが２３重量％、Ｃｕが６重量％、Ｆｅが０．１重量％、Ｍｇが１重量％、残部がＡｌからなるＡｌ合金の溶湯を準備した。黒鉛粒子として、前記実施例１と同様、表面にリン酸二水素ナトリウムの被膜が形成された黒鉛粒子を準備し、これをＡｌ合金の溶湯中に投入した。この場合、最終的に製造される黒鉛含有Ａｌ合金に対する黒鉛粒子の重量％として２２重量％（４５体積％）の割合の黒鉛粒子をＡｌ合金の溶湯中に投入した。以下、前記実施例１と同様の方法で、一辺が３０ｍｍ、厚さが５ｍｍの板状試験片（板状摺動部材）を作製した。
【００３６】
比較例１：
２５重量％のＳｉを含むＡｌ−Ｓｉ母合金と、５０重量％のＣｕを含むＡｌ−Ｃｕ母合金とを準備し、Ｓｉが２３重量％、Ｃｕが６重量％、残部がＡｌとなるようにＡｌインゴットで調整し、これらを電気炉にで７８０℃の温度で溶解した。この溶解によって得られた溶融Ａｌ合金をダイカスト鋳造法により鋳造し、Ａｌ合金鋳物を作製した。このＡｌ合金鋳物に機械加工を施して、一辺が３０ｍｍ、厚さが５ｍｍの板状試験片を作製した。
【００３７】
比較例２：
前記比較例１と同様の方法で、Ｓｉが２３重量％、Ｃｕが６重量％、残部がＡｌからなるＡｌ合金を得、これに機械加工を施して、一辺が３０ｍｍ、厚さが５ｍｍの板状試験片を作製した。この板状試験片に直径５．４ｍｍの円孔を１０個形成したのち、該円孔に直径５．４ｍｍの円柱状人造黒鉛をエポキシ樹脂製接着剤を介して埋設固定した。この円柱状人造黒鉛の板状試験片の表面に露出する割合は約２５％である。円柱状人造黒鉛を埋設固定した板状試験片を板状摺動部材とした。
【００３８】
次に、上述した実施例１乃至実施例５で得た板状摺動部材、及び比較例１及び比較例２で得た板状摺動部材について、以下の条件で摩擦特性を試験した。摩擦係数が０．５を超えた時点を耐久時間とし、摩擦係数については、試験開始直後から耐久時間前摩擦係数が上昇し始めるまでの摩擦係数の変動値を示し、また、摩耗量については、試験終了後の寸法変化量で示した。
【００３９】
＜試験条件＞
荷重：１０ｋｇｆ／ｃｍ２
速度：５ｍ／ｍｉｎ
相手材：機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）
潤滑：試験開始前に摺動面にリチウム系グリースを塗布
試験方法：板状試験片（板状摺動部材）を固定しておき、相手材となる円筒体を板状試
験片に所定の荷重で押し付けながら、該円筒体を回転させるスラスト試験。
【００４０】
上記の試験結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
2005334952.tif 000002
【００４２】
試験結果から、実施例１乃至実施例５の板状摺動部材では、比較例２の固体潤滑剤を埋設固定した板状摺動部材と同等もしくはそれ以上の耐久性を示しており、とくに黒鉛粒子の含有量が多い実施例４及び実施例５の摺動部材では摩擦係数が低く、摩耗量が極めて低い値を示し、９０時間を超える耐久性を示した。耐久性において比較例２の摺動部材の性能をはるかに凌ぐ性能を示したことは、自己潤滑性を有するＡｌ合金の製造面において優位性を有するものである。また、実施例からなるＡｌ合金の溶湯は重力鋳造法及びダイカスト鋳造法のいずれの方法でもＡｌ合金中に黒鉛粒子が分散されており、実施例１と実施例２との比較においても鋳造方法の相違による摩擦摩耗特性に差が生じていないことから、鋳造方法に制約されずに黒鉛含有Ａｌ合金の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の製造方法によって得られたＡｌ合金中に黒鉛粒子が８．９重量％の割合で均一に分散含有された板状摺動部材を示す写真である。
【図２】本発明の製造方法によって得られたＡｌ合金中に黒鉛粒子が１９重量％の割合で均一に分散含有された板状摺動部材を示す写真である。
【図１】
2005334952.tif 000003
【図２】
2005334952.tif 000004