(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Siを12〜60重量％、Snを0.1〜30重量％含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる、アトマイズによって製造したアルミニウム合金あって、一部に７５〜２００μmの粗粒を含み、平均粒径が７５μm以上のアルミニウム合金粉末を高速ガス火炎溶射し、その後400 〜650℃に熱処理することにより、アルミニウム合金マトリックスの平均表面硬さ(Hv)を50≦Hv≦(5／2)Si(wt%)+75に調整し、Si粒子を分散させた、摺動特性に優れたアルミニウム合金溶射層。
【請求項２】
前記Ｓｉ粒子が粒状である請求項１記載の摺動特性に優れたアルミニウム合金溶射層。
【請求項３】
前記アルミニウム合金と、残部がグラファイト型もしくは無定形炭素あるいは結晶化した程度が両者の中間にある炭素及びＭｏＳ２からなる群の少なくとも１種の分散相とからなる請求項１又は２記載の摺動特性に優れたアルミニウム合金溶射層。
【請求項４】
請求項１から３までの何れか１項記載の溶射層に、ＳｎもしくはＰｂ−Ｓｎ系金属皮膜、あるいはＭｏＳ２，グラファイトもしくはＭｏＳ２とグラファイトを樹脂と混合した固体潤滑剤皮膜を固着させた摺動材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動特性に優れた高Si−Al合金溶射層及び摺動材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、耐摩耗性アルミニウム合金の従来技術を説明する。
鋳造もしくは鍛造により製造される共晶もしくは過共晶Al−Si系アルミニウム合金は耐摩耗性が良好であるが、Si含有量が15％を超えると製造が困難になるので、耐摩耗性もこのSi量で制約されることになる。
近年、急冷凝固アルミニウム合金粉末を使用した粉末冶金製品が多数提案されており（例えば特許第2535789号公報）、Si含有量が例えば14〜30％と非常に高いために耐摩耗性の向上は著しい。しかしながら、この合金はホットプレスに続いて熱間押出などの加工を行う必要があるから、大型部品を製造するためには非常に大容量のプレスや押出機の設備投資をしなければならないので、コスト面の競争力が著しく低いと言わざるをえない。
【０００３】
優れた耐摩耗性を発揮できる35〜45重量％もの高いSi含有量をもつAl合金を溶射する方法として、初晶Siを晶出しないSi含有量のAl−Si合金とSi粒子を別々に用意して、同時に溶射することにより初晶Siが晶出しない高Si−Al合金を製造することが公知である（特許第2792130号公報）。この公報には溶射の具体的方法と溶射ガンは示されていないので、一般的火炎溶射法であると考えられる。これは、一般的溶射法で1種の粉末を使用すると初晶Siの晶出が避けられないので、上述のように二種の粉末を使用することが必要になっていると理解される。
さらに、アルミニウム合金に固体潤滑剤として黒鉛を添加することは公知である（特許第2584488号公報）。ただし、この公報の方法では真空又は不活性雰囲気中での焼結法が採用されており、黒鉛は粉末形態でアルミニウム合金粉と混合されている。
【０００４】
トライボロジストVol．41，No．11の第19〜24頁に解説されているように、溶射技術は摺動層形成技衝として広く採用されている。ここで列挙されている溶射材料はZ n，Al，白溶性合金、耐熱合金、酸化物セラミックス、サーメットなどである。なお、黒鉛（グラファイト）、MoS2などの周知のトライボマテリアルを溶射することには言及されていない。
【０００５】
本出願人は特願平10−68951号にてSi含有アルミニウム合金を溶射することによりSiの形態を粒状にする方法を提案した。
その後の研究によると溶射Si−Al合金のマトリックスにはSiが固溶しているために脆くなっており摺動特性上改良の余地があることが分かった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアルミニウム系溶射材料の開発は、初晶Siの微細化もしくは生成抑制、 Si含有量の増大や添加金属成分種類の工夫などの方向に向かっている。しかしながらこの方向の開発による摺動特性向上は限界がある。さらに、Al−Si合金を溶射すると脆化が招かれる。
本発明はこれら従来技術の抱える問題を解決するアルミニウム合金溶射層を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは通常のAl-Siアトマイズ粉末を溶射する通常の溶射法によると、Al-Si合金のマトリックスはSiの固溶により硬化することは避けられないので、溶射層を400 〜650℃の温度に保って、マトリックス中の固溶Siを析出させる；HVOF溶射法を採用する；アトマイズ粉末の一部に75〜200μmの粗粒を含み、平均粒径が75μm以上の粉末を使用する方法により、マトリックスの適切な硬さ範囲を見出して本発明を完成した。粗粒粉末はアトマイズ粉製造時の冷却速度が遅いため固溶Si量が少ないことを利用する。
すなわち、本発明は、Siを12〜60重量％、Snを0.1〜30重量％含有し、Si粒子を分散させたアルミニウム合金を含んでおり、アルミニウム合金マトリックスの平均表面硬さ(Hv)が50≦Hv≦(5/2)Si(wt%)+75であることを特徴とする摺動特性に優れたアルミニウム合金溶射層を提供するものである。
以下、本発明を詳しく説明する。なお百分率は特に断らない限り重量％である。
【０００８】
本発明の溶射Al−Si系合金において、Siはアルミニウムマトリックス中に微細かつ多量に分散して合金の硬さを高めて耐摩耗性を向上させる。さらに、微細かつ多量に分散した粒状Siはアルミニウムマトリックスが相手材と凝着することによる焼付を起こり難くしている。Siの含有量が12％未満ではこの効果が少なく、一方60％を越えると合金が脆くなり好ましくない。なお、好ましいSi含有量は15〜60％であり、より好ましくは20〜45％である。
本発明において、Si粒子は、粒状、即ち圧延合金のSi粒子で見られるような、材料内の一つの方向が明らかに長い方向性がある粒子形状ではなく、どの方向でもほとんど同じ寸法の球状、塊状、多角状、凹凸輪郭を有する島状、その他これらに分類されない不定型形状で分散することが好ましい。より限定するならば最大径と最小径の比が平均で3倍以下である。
【０００９】
続いてアルミニウム合金のマトリックスの硬さ（Hv）の範囲は図1に示すとおりである。ここで、硬さがHv50未満であると、耐焼付性が不良であり好ましくない。ちなみにHv50はA2024合金のT6調質状態にほぼ該当する。次に、Hv＞（5／2）Si（wt％）＋75であるとマトリックスが硬くかつ脆化しているので、耐摩耗性が不良となる。ここで一次式の勾配（5／2）はSi量が増加すると、許容マトリックス硬さの上限が増加すること意味している。これは、さらに分散Si粒子の量がSi量増大に対応して多くなると、マトリックスがある程度硬くともSi粒子の耐摩耗性作用により焼付を防止できることを意味する。この勾配が（5／2）より大きいと、高Si組成のAl合金でアブレーシブ摩耗が激しくなり、摩耗量が増大しかつ焼付き易くなり、一方（5／2）より小さくなると、耐焼付性が良好な組成が高Si域で本発明から除かれてしまう。同様に、一次式の75は上記の勾配とともに許容マトリックス硬さの上限を定める。
上記一次式は通常の溶射アトマイズ粉よりなる摺動層よりも低い表面硬さ（Hv）を定めており、このように硬さを定めることにより、マトリックスのアブレーシブな摩耗が起こって耐摩耗性が不良になることを防止している。
【００１０】
アルミニウム合金のマトリックスの硬さはマイクロビッカース硬度計（荷重＝25〜300g）で、研磨試料の組織をエッチングで表した試料を測定することにより行う。硬さの平均値は相手材と接触する面積全体の硬度を代表する値が得られるように行う。
【００１１】
なお、アトマイズ粉末の全量もしくは一部を４００〜６５０℃に熱処理することにより、マトリックス中の固溶Ｓｉを析出させることができる。析出により合金全体の硬度は上昇してもマトリックスの硬度が低下すればよい。
【００１２】
本発明においてはSnを添加し、優れた耐摩耗性と耐焼付性をもつAl−Si−Sn系合金をマトリックスとして使用する。Snは、均一にアルミニウム中に分散して潤滑性やなじみ性を付与する成分であり、また、相手材に優先的に付着して、相手材に凝着したAlと軸受のAlの同種材料どうしの摺動が起こるのを妨げて、耐焼付性を高める。
Sn含有量が0．1％未満では潤滑性などの向上の効果が少なく、30％を超えると合金の強度が低下する。好ましいSn含有量は5〜25％である。Sn相は層内で片状を呈し、この形状は潤滑性の面で好ましいと考えられる。
【００１４】
さらに、本発明者らは、共晶及び過共晶領域のＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金摺動材料を簡単な方法で斜板の表面に摺動層として成膜し、かつ従来の各種摺動層よりも優れた摺動特性を発揮させるための研究を行った。
従来、グラファイトやＭｏＳ２などのトライボ材料と溶射技術を結び付ける検討は行われていなかった。ところで、アルミニウム合金の溶射温度は７００℃以上が必要であり、一方グラファイトと酸素の反応は５００℃以上で活発に起こるので、溶射火炎中に少量でも酸素が存在しているとグラファイトは溶射層中に取り込まれないおそれがある。したがって、本発明者らは、グラファイトは溶射雰囲気中に存在する酸素により燃焼し消失するのではないか、またＭｏＳ２も同様に分解消失するのではないかとの懸念を抱いたが、予想外にこれらトライボ材料がＡｌ材料中に分散できることを見出した。
即ち、本発明は、Ｓｉを１２〜６０重量％、Ｓｎを０．１〜３０重量％含有し、粒状Ｓｉを分散させたアルミニウム合金と、該アルミニウム合金からなるマトリックスに分散したグラファイト型もしくは無定形炭素あるいは結晶化した程度の両者の中間にある炭素及びＭｏＳ２からなる群の少なくとも１種の分散相とからなることを特徴とする摺動特性に優れた溶射層を提供するものである。
【００１５】
本発明においては、アルミニウム合金の溶射法としてトライボロジストＶｏｌ．４１，Ｎｏ．１１、第２０頁、図２に掲載されている高速ガス火炎溶射法（ＨＶＯＦ、ｈｉｇｈ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｏｘｙｆｕｅｌ）を採用する。この方法は同誌第２０頁右欄第４〜１３行に記載された特長を有しているので、特長あるＳｉ相形態が得られると考えられる。
溶射粉末としてはＡｌ−Ｓｉ合金，Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｎ合金などのアトマイズ粉末を使用することができる。これらのアトマイズ粉末は完全に基板上で溶融しその後凝固してもよく、あるいは一部が未溶融状態で基板上に被着され粉末の組織が残るようにしてもよい。
溶射条件としては、酸素圧力０．９〜１．２ＭＰａ，燃料圧力０．６〜０．９ＭＰａ，溶射距離５０〜２５０ｍｍが好ましい。
溶射層の厚さは１０〜５００μｍ，特に１０〜３００μｍが好ましい。
溶射後のアルミニウム合金の硬度はＨｖ１００〜４００の範囲にある。従来の１２％Ｓｉ含有アルミニウム合金の硬度はＨｖ５０〜１００の範囲にあるので、本発明の溶射層は非常に硬質であると言える。
【００１６】
続いて、アルミニウム合金マトリックスに溶射により分散させる相について説明する。この分散相の材料はアルミニウム合金もしくはその原料粉末とともに溶射される。これらのトライボ材料は上記した高速ガス火炎溶射法によると溶射中に燃焼分解などを受けることが比較的少なく溶射層中に取り込まれる。
炭素質物質としては、無定形炭素、グラファイト、結晶化の程度が両者の中間にある炭素などを使用する。グラファイトは天然黒鉛及び人造黒鉛の何れでもよい。黒鉛は強い劈開性をもつので、この性質を利用して摺動特性を高めることができる。炭素質物質はグラファイト構造が顕著ものは劈開性性による効果を発揮し、一方二次元構造が不明瞭になるにしたがい、耐磨耗性を発揮して、摺動特性を高める。またこれらの炭素質物質は、溶射中に溶融しないために溶射層中に原料粉末形状を比較的に保ってそのままの状態で分散している。
他の分散相であるＭｏＳ２は周知のトライボマテリアルであるが、過酷な条件下での溶射層の摺動特性改良の効果は少なく、穏やかな条件したではグラファイトほどではないが摺動特性を改良する効果はある。
上記トライボ材料の量は溶射層に対して２〜４０重量％であることが好ましく、より好ましくは５〜２５重量％である。また、トライボ材料の溶射前平均粒径は１０〜５０μｍであることが好ましく、より好ましくは２０〜４０μｍである。
【００１７】
上記したアルミニウム合金と炭素質物質及び／又はMoS2以外には、FeB，Fe3P，A12O3，SiO2，SiC，Si3N4などの硬質物を耐摩耗性向上のために添加することもできる。これらの物質は溶射中に溶解せず合金中に分散される。これらの硬質物は溶射層全体に対して20重量％以下とすることが好ましい。
【００１８】
溶射層を形成する基板としては、鉄、銅、アルミニウムなどの各種金属基板を使用することができる。基板の表面はショットブラストなどにより、好ましくはＲｚ１０〜６０μｍの表面粗さに粗面化しておくと、膜の密着強度が高くなる。具体的には剪断破壊試験法により密着強度を測定したところ、鋼基板（ショッドブラスト）に対する溶射Ｎｉ皮膜の密着強度が３０〜５０ＭＰａであったのに対し、本発明皮膜の密着強度は４０〜６０ＭＰａであった。したがって従来密着性が良いと言われているＮｉ溶射皮膜と同等密着性が得られる。
【００１９】
溶射層をオーバレイなしで使用する場合は、溶射層表面をR z3.2μm以下に仕上げることが好ましい。
オーバレイを使用した摺動材料として本発明を実施する場合はSn系、Pb−Snなどの軟質金属や,MoS2、グラファイト、MoS2＋グラファイトなどの固体潤滑剤やこれらの樹脂を樹脂と混合したなじみ性にすぐれた各種軟質皮膜を溶射層に固着して使用することができる。上記の軟質皮膜と溶射層を組み合わせると耐焼付性が飛躍的に高められ、青銅系摺動材料を凌駕する性能が得られる。
上述のように、溶射層中に存在するMoS2は冷凍機油がないような過酷な条件下での摺動特性の改善効果は少ないが、オーバレイとしてのMoS2は抜群の効果を発揮する。
【００２０】
【作用】
一般に、アルミウム合金のマトリックスを硬化・強化することは、摺動特性に有効であるが、溶射アルミニウム合金の場合は硬化が過度になってアブレーシブな摩耗を招き逆効果となるので、本発明においては、マトリックスから固溶元素を析出させることを提案している。一方、本発明のようにマトリックス中の溶質元素がほぼ枯渇するようなAl合金は、通常は相手材との凝着による摩耗が起こり易くなるが、溶射材料の場合は多量のSiが、しかも好ましくは粒状形態で含有しているために、弊害を招くことはない。
【００２１】
【実施例】
実施例1
以下の表1に組成及び調製法を示すアルミニウム合金アトマイズ粉末（平均粒径−75μm）を調製し、市販の純アルミ圧延板にスチールグリッド（寸法0．7mm）によるショットブラストを施し、表面を粗さR z45μmに粗面化したものを基板として溶射を行った。
溶射はHVOF型溶射機（スルザーメテコ社製DJ）を使用し、下記条件で溶射を行った。
酸素圧力：１．０Ｍｐａ
燃料圧力：０．７ＭＰa
溶射距離：１８０ｍｍ
溶射層厚さ：２００μｍ
【００２２】
溶射層の耐摩耗性試験を下記条件で行ない、その結果を組成とともに表１に示す。
試験機：3ピン/ディスク摩擦摩耗試験機
荷重：４０ｋｇｆ/ｃｍ2
回転数：７００ｒｐｍ
時間：２Ｈｒ
【００２３】
【表１】
0003753981.tif 000002
【００２４】
この表に見られるように、本発明法によりマトリックスの硬さを所定値以下にすることにより耐摩耗性が著しく向上する。
実施例3の粉末及び溶射層の金属顕微鏡組織をそれぞれ図2、3に示す。比較例3の粉末及び溶射層の金属顕微鏡組織をそれぞれ図4、5に示す。図2、3を図4、5と比較すると熱処理により粉末中のSi粒子層は粗大化し、またこれと対応して溶射層中のSi粒子も粗大化していることが分かる。
【００２５】
次に、溶射層の耐焼付試験を下記条件で行い、その結果を組成とともに図6（表2）に示す。
試験機：3ピン／ディスク摩擦摩耗試験機
荷重：40kgf／cm2より20kgf／cm2づつ漸増（最大150kgf／cm2）
回転数：7200rpm
時間：15分ずつステップアップ（計150分）
表2より、本発明の溶射層及び軟質皮膜を固着した溶射摺動材料はマトリックスが硬い比較例よりも耐焼付性が優れていることが分かる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると従来本出願人が提案した溶射Al合金よりも一層良好な耐摩耗性及び耐焼付性を達成することができる。
このために、本発明の溶射層は各種摺動材料として好ましく使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のアルミニウム合金マトリックス表面硬さとSi量の関係を示すグラフである。
【図２】  実施例3のアトマイズ粉末の組織を示す金属顕微鏡写真である。
【図３】  実施例3の溶射層の組織を示す金属顕微鏡写真である。
【図４】  比較例3のアトマイズ粉末の組織を示す金属顕微鏡写真である。
【図５】  比較例3の溶射層の組織を示す金属顆微鏡写真である。
【図６】  焼付試験に供した供試材の性状と試験結果を示す図表（表2）である。
【図１】
0003753981.tif 000003
【図２】
0003753981.tif 000004
【図３】
0003753981.tif 000005
【図４】
0003753981.tif 000006
【図５】
0003753981.tif 000007
【図６】
0003753981.tif 000008