(57)【要約】【課題】  耐磨耗特性および耐スカッフ特性に優れるとともに、優れた押出し特性を示すアルミニウム複合材料、機械構造部品およびアルミニウム合金製押出し材の成形方法を提供する。【解決手段】  アルミニウム複合材料は、アルミニウム合金１０と、硬質粒子２０とを備える。アルミニウム合金１０は、アルミニウム合金１０に対して、３質量％以上９．５質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、１質量％以上６質量％以下の銅（Ｃｕ）と、０．３質量％以上３質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、０を超え１質量％未満のシリコン（Ｓｉ）とを含む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金と、硬質粒子とを備え、
前記アルミニウム合金は、前記アルミニウム合金に対して、３質量％以上９．５質量％以下の鉄と、１質量％以上６質量％以下の銅と、０．３質量％以上３質量％以下のマグネシウムと、０を超え１質量％未満のシリコンとを含む、アルミニウム複合材料。
【請求項２】
アルミニウム複合材料に対する前記硬質粒子の割合は、単位面積当たり５面積％以上３０面積％以下である、請求項１に記載のアルミニウム複合材料。
【請求項３】
前記アルミニウム合金は、０．３質量％以上４質量％以下のマンガンをさらに含む、請求項１または２に記載のアルミニウム複合材料。
【請求項４】
前記硬質粒子は、ムライト、ＦｅＭｏおよび多孔質アモルファスカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載のアルミニウム複合材料。
【請求項５】
前記硬質粒子の粒径は、２μｍ以上１５０μｍ以下である、請求項１から４のいずれか１項に記載のアルミニウム複合材料。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のアルミニウム複合材料を用いて形成された、機械構造部品。
【請求項７】
３質量％以上９．５質量％以下の鉄、１質量％以上６質量％以下の銅、０．３質量％以上３質量％以下のマグネシウム、および０を超え１質量％未満のシリコンを含むアルミニウム合金と、硬質粒子との混合体を成形して成形体を形成する工程と、
前記成形体を温度４００℃以上で押出し成形することによって、アルミニウム合金製押出し材を形成する工程とを備える、アルミニウム合金製押出し材の成形方法。
【請求項８】
前記成形体を形成する工程は、前記アルミニウム合金製押出し材に対する前記硬質粒子の割合が、単位面積当たり５面積％以上３０面積％以下となるように、前記アルミニウム合金と前記硬質粒子とを混合する工程を含む、請求項７に記載のアルミニウム合金製押出し材の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、アルミニウム複合材料、機械構造部品およびアルミニウム合金製押出し材の成形方法に関する。より特定的には、大きい割合で硬質粒子を含むアルミニウム複合材料、機械構造部品およびアルミニウム合金製押出し材の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄を多量に含む急冷凝固粉末Ａｌ−Ｆｅ系アルミニウム合金は、高温において優れた強度特性を示し、８質量％の割合で鉄を含むＡｌ−８Ｆｅ合金などが知られている。このようなアルミニウム合金は、たとえば、特開平３−２５３５３６号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
また別に、アルミニウム合金にアルミナやシリコンなどの硬質粒子を添加し、熱間押出し法によってそのアルミニウム合金からスリーブやシリンダーライナーなどが成形されることが知られている。スリーブやシリンダーライナーは、エンジンに組み込まれてピストンリングと摺動する。アルミニウム合金に硬質粒子を添加することによって、スリーブやシリンダーライナーの摺動面から突出した状態の硬質粒子が、摺動するピストンリングに接触する。このため、スリーブやシリンダーライナーの耐磨耗特性および耐スカッフ特性を向上させることができる。
【特許文献１】特開平３−２５３５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
Ａｌ−Ｆｅ系アルミニウム合金は、２００℃を超える温度では優れた強度を示すものの、１５０℃以下の温度では他の合金に比較して強度が低下する。また、熱間押出し法によってアルミニウム合金からスリーブやシリンダーライナーを成形する際、アルミニウム合金は４００℃から５００℃程度の温度下に置かれる。しかし、高温時の高強度ゆえに、Ａｌ−８Ｆｅ合金等の耐熱性アルミニウム合金は、その温度下で２０％以下程度の伸びしか示さない。
【０００５】
このようにアルミニウム合金の伸びが低いことから、硬質粒子の添加量を多くすると、押出し成形時にアルミニウム合金にひび割れが発生するという問題が生じる。硬質粒子の添加量を多くすると、アルミニウム合金中で硬質粒子が凝集しやすくなり、硬質粒子の凝集した部分を起点にひび割れが発生するからである。しかし、ひび割れの発生するおそれがない範囲で硬質粒子を添加しただけでは、スリーブやシリンダーライナーの耐磨耗特性および耐スカッフ特性を十分に向上させることができない。
【０００６】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、耐磨耗特性および耐スカッフ特性に優れるとともに、優れた押出し特性を示すアルミニウム複合材料、機械構造部品およびアルミニウム合金製押出し材の成形方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に従ったアルミニウム複合材料は、アルミニウム合金と、硬質粒子とを備える。アルミニウム合金は、アルミニウム合金に対して、３質量％以上９．５質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、１質量％以上６質量％以下の銅（Ｃｕ）と、０．３質量％以上３質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、０を超え１質量％未満のシリコン（Ｓｉ）とを含む。ここでいう硬質粒子は、アルミニウム合金のマトリクスに対してビッカース硬さＨｖ１００以上のものをいう。好ましくは、アルミニウム複合材料に対する硬質粒子の割合は、単位面積当たり５面積％以上３０面積％以下である。
【０００８】
発明者等は、このような金属組成を備えるアルミニウム合金が、室温から２００℃程度までの温度において高い強度を示し、４００℃以上の温度で高い伸びを示すことを知見した。また、このアルミニウム合金によれば、時効処理のための熱処理を行なうことなく、上述の特性が得られることを知見した。
【０００９】
このような知見から、このアルミニウム合金と硬質粒子とから形成されたアルミニウム複合材料は、４００℃以上の温度で高い伸びを示す。このため、アルミニウム複合材料に硬質粒子を含む場合であっても、アルミニウム複合材料の押出し成形時にひび割れが生じるおそれがない。一方、そのアルミニウム複合材料は、室温から２００℃程度までの温度において高い強度を示す。
【００１０】
硬質粒子は、アルミニウム複合材料の表面から突出し、アルミニウム複合材料の表面と、その表面に対して摺動する部材とが直接接触することを抑制する。硬質粒子の割合が５面積％以上である場合、このような効果を十分に得ることができる。また、硬質粒子の割合が３０面積％以下である場合、アルミニウム複合材料の被削性が良好であり、硬質粒子の割合が大きすぎることによるアルミニウム複合材料の押出し特性の低下を招くことがない。
【００１１】
以上に説明した理由から、本発明によれば、耐磨耗特性および耐スカッフ特性に優れるとともに、優れた押出し特性を示すアルミニウム複合材料を実現することができる。
【００１２】
なお、上述の金属組成からなるアルミニウム合金は、アルミニウムを主成分とし、マグネシウムが固溶されたマトリクスと、マトリクス中に析出した金属間化合物とから形成されている。マトリクス中に析出した金属間化合物は、高い強度を有するとともに、高温下においても安定して存在する。このため、アルミニウム合金の強度は、高い温度条件下にあっても維持されるものと考えられる。
【００１３】
また、マグネシウムは、マトリクスの転位のひずみ場に沿った濃度分布となるようにアルミニウムを主成分とするマトリクスに固溶している。このマグネシウムは、高温においてマトリクス中で拡散しやすい。このため、高温下においてアルミニウム合金を塑性変形させると、マトリクスの転位の移動とともにマグネシウムも移動する。
【００１４】
このとき、アルミニウム合金の塑性変形の速度が小さい場合は、マトリクスの転位とマグネシウムとは同じ速度で移動することが可能である。しかし、アルミニウム合金の塑性変形の速度を徐々に上げていくと、マグネシウムが移動できる速度がマトリクスの転位が移動する速度よりも遅くなる。このため、アルミニウム合金を高速で塑性変形させた場合に、塑性変形速度に応じてマグネシウムに起因した抵抗が発生し、アルミニウム合金の伸びを向上させることができる。つまり、マグネシウムがマトリクスに固溶していることによってひずみ速度感受性が向上し、これによりアルミニウム合金の伸びを向上させることができるものと考えられる。
【００１５】
より好ましくは、アルミニウム合金は、６質量％以上８．５質量％以下の鉄と、３．５質量％以上４．５質量％以下の銅と、１質量％以上２質量％以下のマグネシウムと、０を超え１質量％未満のシリコンとを含む。
【００１６】
また好ましくは、アルミニウム合金は、０．３質量％以上４質量％以下のマンガン（Ｍｎ）をさらに含む。このように構成されたアルミニウム複合材料によれば、アルミニウム合金の硬度を向上させることができる。これにより、外部から硬質粒子に荷重が加わった場合に、硬質粒子がアルミニウム合金に沈み込む量を少なくすることができる。マンガンの割合が０．３質量％以上である場合、アルミニウム合金の硬度を十分に向上させることができる。また、マンガンの割合が４質量％以下である場合、アルミニウム合金の硬度が高くなりすぎず、アルミニウム複合材料の被削性が著しく低下することがない。より好ましくは、アルミニウム合金は、２質量％以上３質量％以下のマンガンをさらに含む。
【００１７】
また好ましくは、硬質粒子は、ムライト、ＦｅＭｏおよび多孔質アモルファスカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種を含む。これらの材料の硬度は、ビッカース硬さＨｖ５００から１２００程度の範囲内にある。硬質粒子の硬度がＨｖ１２００以下である場合、アルミニウム複合材料の被削性が低下せず、硬質粒子と接触する外部部材に対しての相手攻撃性を低くできる。また、硬質粒子の硬度がＨｖ５００以上ある場合、外部部材と硬質粒子とが接触することによる硬質粒子の自己磨耗を抑制できる。
【００１８】
なお、多孔質アモルファスカーボンとは、各種セルロース系材料に樹脂を含浸させ、これを圧縮した成形品を炭化焼成することによって得られるものをいう。このような多孔質アモルファスカーボンとしては、セルロース系材料として木材または木質材料を用いたウッドセラミックや、セルロース系材料として米糠を用いた米糠セラミックなどが挙げられる。
【００１９】
また好ましくは、硬質粒子の粒径は、２μｍ以上１５０μｍ以下である。硬質粒子の粒径が２μｍ以上である場合、アルミニウム合金に対する硬質粒子の埋め込み効果が十分得られる。また、硬質粒子が凝集しにくく、アルミニウム合金中に均一に分散する。これらの理由により、硬質粒子の磨耗にともなって、硬質粒子がアルミニウム合金から欠落することを抑えられる。硬質粒子の粒径が１５０μｍ以下である場合、アルミニウム複合材料の被削性を大幅に低下させない。また、外部からの衝撃に対して硬質粒子が割れにくくなり、割れることによって硬質粒子がアルミニウム合金から欠落する問題を抑えられる。
【００２０】
この発明に従った機械構造部品は、上述のいずれかに記載のアルミニウム複合材料を用いて形成されている。所定の割合で硬質粒子を含む機械構造部品は、既に説明した理由から耐磨耗特性および耐スカッフ特性に優れている。加えて、室温から２００℃程度までの温度において、特に高い機械的強度を示す。このような機械構造部品としては、たとえば、内燃機関に用いられるスリーブやシリンダーライナー、その他ポンプ用ロータなどが挙げられる。このアルミニウム複合材料は、４００℃以上で高い伸びを有し、スリーブやシリンダーライナーなどを押出し材で成形する場合に適している。
【００２１】
この発明に従ったアルミニウム合金製押出し材の成形方法は、３質量％以上９．５質量％以下の鉄、１質量％以上６質量％以下の銅、０．３質量％以上３質量％以下のマグネシウム、および０を超え１質量％未満のシリコンを含むアルミニウム合金と、硬質粒子との混合体を成形して成形体を形成する工程と、成形体を温度４００℃以上で押出し成形することによって、アルミニウム合金製押出し材を形成する工程とを備える。
【００２２】
このように構成されたアルミニウム合金製押出し材の成形方法によれば、アルミニウム合金は、温度４００℃以上において高い伸びを示すため、この温度条件下で行なわれる押出し成形時、形成されるアルミニウム合金製押出し材にひび割れが生じることがない。このため、成形体に含まれる硬質粒子の割合を大きくして、耐磨耗特性および耐スカッフ特性に優れたアルミニウム合金製押出し材を得ることができる。加えて、成形体を押出し成形する工程において、押出し速度を向上させることができる。これにより、アルミニウム合金製押出し材の生産効率を向上させることができる。また好ましくは、成形体を形成する工程は、アルミニウム合金製押出し材に対する硬質粒子の割合が、単位面積当たり５面積％以上３０面積％以下となるように、アルミニウム合金と硬質粒子とを混合する工程を含む。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、この発明に従えば、耐磨耗特性および耐スカッフ特性に優れるとともに、優れた押出し特性を示すアルミニウム複合材料、機械構造部品およびアルミニウム合金製押出し材の成形方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
この発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２５】
図１および図２は、この発明の実施の形態におけるアルミニウム合金製押出し材の表面を示す顕微鏡写真である。図１に示す顕微鏡写真の倍率は５０倍であり、図２に示す顕微鏡写真の倍率は４００倍である。図１および図２に示すアルミニウム合金製押出し材に旋盤加工などが施されることによって、エンジンに組み込まれてピストンリングと摺動するシリンダーライナーやスリーブが製造される。
【００２６】
図１および図２を参照して、アルミニウム合金製押出し材は、アルミニウム合金１０と、アルミニウム合金１０中に分散して分布する硬質粒子２０とから形成されている。硬質粒子２０は、米糠セラミックから形成されている。硬質粒子２０が含まれる割合は、アルミニウム合金製押出し材に対して５面積％以上３０面積％以下である。図中の上縁から下縁に向けた微細な線状は、アルミニウム合金製押出し材の押出し成形時に形成されたものである。
【００２７】
アルミニウム合金１０は、アルミニウム合金１０に対して、３質量％以上９．５質量％以下の鉄と、１質量％以上６質量％以下の銅と、０．３質量％以上３質量％以下のマグネシウムと、０を超え１質量％未満のシリコンとを含み、残部はアルミニウムおよび不可避不純物である。
【００２８】
図３は、図１中のアルミニウム合金の引張り強さと温度との関係を示すグラフである。図３には、図１中のアルミニウム合金としての、８質量％の鉄と、４質量％の銅と、１．５質量％のマグネシウムと、不可避的に存在する微量のシリコンとを含み、残部がアルミニウムと不可避不純物であるアルミニウム合金Ａ、および４質量％の鉄と、４質量％の銅と、１．５質量％のマグネシウムと、不可避的に存在する微量のシリコンとを含み、残部がアルミニウムと不可避不純物であるアルミニウム合金Ｂの引張り強さと温度との関係が示されている。
【００２９】
また、比較のため、１７質量％のシリコンと、５質量％の鉄と、３質量％の銅と、１．５質量％のマグネシウムとを含み、残部がアルミニウムと不可避不純物からなる♯２１７合金、および８質量％の鉄を含み、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるＡｌ８Ｆｅ合金の引張り強さと温度との関係も示されている。
【００３０】
図３を参照して、アルミニウム合金ＡおよびＢは、室温から３００℃程度の温度範囲で♯２１７合金およびＡｌ８Ｆｅ合金と同等以上の高い引張り強さを有し、特に、温度２５０℃程度においても３５０ＭＰａ以上の引張り強さを維持している。このため、このアルミニウム合金１０から形成されたアルミニウム合金製押出し材は、シリンダーライナーやスリーブが置かれる２００℃程度の温度下においても優れた強度特性を示す。
【００３１】
図４は、図１中のアルミニウム合金の破断伸びと温度との関係を示すグラフである。図４には、図１中のアルミニウム合金としてのアルミニウム合金ＡおよびＢの他、比較のための♯２１７合金およびＡｌ８Ｆｅ合金の破断伸びと温度との関係も示されている。
【００３２】
図４を参照して、♯２１７合金およびＡｌ８Ｆｅ合金の破断伸びが、温度変化にかかわらず２０％以下の値を推移しているのに対して、アルミニウム合金ＡおよびＢの破断伸びは、２００℃を超える温度下で急激に増加している。結果、４００℃の温度では、破断伸びが５０％を超える値となっている。このため、このアルミニウム合金１０から形成されたアルミニウム合金製押出し材が多量の硬質粒子２０を含む場合であっても、４００℃以上の温度下で行なわれる押出し成形時に優れた押出し特性を示す。
【００３３】
図５は、各種材料からなる硬質粒子の硬度を示すグラフである。図５を参照して、ムライトのビッカース硬さは１１５０程度、ＦｅＭｏのビッカース硬さは１１００程度、米糠セラミックのビッカース硬さは６００程度である。ここで、硬質粒子２０のビッカース硬さは、５００以上１２００以下であることが好ましい。
【００３４】
このように構成されたアルミニウム合金製押出し材は、優れた押出し特性を有するため、５面積％以上の割合で硬質粒子２０を含むことができる。このため、このアルミニウム合金製押出し材でシリンダーライナーやスリーブを製造した場合に、より優れた耐磨耗特性および耐スカッフ特性を得ることができる。また、硬質粒子２０が含まれる割合は３０面積％以下であるため、アルミニウム合金製押出し材の被削性や押出し特性が低下することを防止できる。
【実施例】
【００３５】
本発明によるアルミニウム複合材料を評価するために、焼付き性評価試験および耐磨耗性評価試験を以下に説明する手順に従って行なった。
【００３６】
まず、８質量％の鉄と、４質量％の銅と、１．５質量％のマグネシウムと、不可避的に存在する微量のシリコンとを含み、残部がアルミニウムと不可避不純物であるサンプル１のアルミニウム合金粉末と、８質量％の鉄と、４質量％の銅と、１．５質量％のマグネシウムと、２質量％のマンガンと、不可避的に存在する微量のシリコンとを含み、残部がアルミニウムと不可避不純物であるサンプル２のアルミニウム合金粉末と、８質量％の鉄と、４質量％の銅と、１．５質量％のマグネシウムと、３質量％のマンガンと、不可避的に存在する微量のシリコンとを含み、残部がアルミニウムと不可避不純物であるサンプル３のアルミニウム合金粉末と、４質量％の鉄と、４質量％の銅と、１．５質量％のマグネシウムと、不可避的に存在する微量のシリコンとを含み、残部がアルミニウムと不可避不純物であるサンプル４のアルミニウム合金粉末とを準備した。また別に、ムライト（平均粒径１２μｍ）、ウッドセラミック（平均粒径２０μｍ）およびＦｅＭｏ（平均粒径３０μｍ）の３種類の硬質粒子を準備した。
【００３７】
サンプル１から４のアルミニウム合金粉末と３種類の硬質粒子とを適当に組み合わせ、Ｖ型ブレンターにより１５分間混合した。この際、組み合わせる硬質粒子の割合を、単位面積当たり１０面積％から２０面積％まで変化させた。混合によって得られた粉末を５×１０３（ｋｇｆ／ｃｍ２）の成形圧力で成形することによって成形体を形成した。その成形体を温度４６０℃まで加熱した後、φ２２ｍｍの丸棒に押出し成形した。この際、いずれの丸棒においても、ひび割れが観察されなかった。
【００３８】
図６は、テストピースの形状を示す側面図である。図６を参照して、丸棒から５ｍｍ×１０ｍｍ×７ｍｍの大きさを有し、摺動面にＣ０．５ｍｍの面取りがされたテストピース３１を切り出した。これにより、アルミニウム合金粉末と硬質粒子との組み合わせ、硬質粒子の割合が異なる実施例１から１３のテストピース３１を作製した。また別に、本発明による効果を確認するために、硬質粒子が混合されないアルミニウム合金から形成された比較例１から３のテストピースを作製した。これらのテストピースの組成を表１に示した。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
図７は、チップオンディスク試験装置を示す側面図である。図７に示す装置を用いて、テストピースの焼付き性評価試験を行なった。図７を参照して、テストピース３１を押し付ける相手材３２には、表面を窒化した窒化鋼（φ６０ｍｍ×７ｍｍ）を用いた。試験は、相手材３２の表面に直接テストピース３１を押し付ける乾式と、相手材３２の表面に油を０．０５ｍｇ滴下してテストピース３１を押し付ける湿式との２種類を行なった。
【００４１】
相手材３２を回転部材３４に固定し、テストピース３１を固定部材３３に固定した。そして、テストピース３１を相手材３２に対して０．０４ＭＰａの荷重で押し付けた。その状態で０．２５ｍ／ｓの速度で回転部材３４を固定部材３３に対して回転させて試験をスタートさせた。
【００４２】
テストピース３１と相手材３２との摩擦抵抗が変化するまでの時間を測定し、その時間をスカッフ発生時間とした（初期スカッフの評価）。なお、スカッフとは、摺動面が互いに溶着を起こしている現象をいう。また別に、テストピース３１を押し付ける荷重をステップ式に上げていき、焼付きが発生した時点での荷重を焼付き荷重とした。測定されたスカッフ発生時間および焼付き荷重を表１に示した。
【００４３】
次に、図７に示す装置を用いて、テストピースの耐磨耗性評価試験を行なった。この試験では、テストピース３１と相手材３２との接触部分を油中に浸し、テストピース３１を相手材３２に対して１００ＭＰａの荷重で押し付けた。その状態で０．２５ｍ／ｓの速度で回転部材３４を固定部材３３に対して回転させて試験をスタートさせた。スタートから１時間後のテストピース３１の磨耗量を測定し、これを自己磨耗量として表１に示した。同時に相手材３２の磨耗量を測定し、これを相手磨耗量として表１に示した。
【００４４】
表１を参照して、比較例１のテストピースと実施例１から７、１２および１３のテストピースとを比較した場合に、実施例１から７、１２および１３のテストピースではスカッフ発生時間が比較的長い時間になることを確認できた。また、比較例１から３のテストピースと実施例１から１３のテストピースとを比較した場合に、実施例１から１３のテストピースでは焼付き荷重が比較的大きい値となることを確認できた。さらに、比較例１から３のテストピースと実施例１から１３のテストピースとを比較した場合に、実施例１から１３のテストピースではテストピース３１の自己磨耗量が比較的小さい値となることを確認できた。
【００４５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の実施の形態におけるアルミニウム合金製押出し材の表面を示す顕微鏡写真である。
【図２】この発明の実施の形態におけるアルミニウム合金製押出し材の表面を示す別の顕微鏡写真である。
【図３】図１中のアルミニウム合金の引張り強さと温度との関係を示すグラフである。
【図４】図１中のアルミニウム合金の破断伸びと温度との関係を示すグラフである。
【図５】各種材料からなる硬質粒子の硬度を示すグラフである。
【図６】テストピースの形状を示す側面図である。
【図７】チップオンディスク試験装置を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  アルミニウム合金、２０  硬質粒子。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１】
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【図２】
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