放 電 焼 結 法 で作 製 した Al-Si 複相 合 金 の乾 式 摺 動 特 性 に及 ぼす
Si 粒 径 と体 積 率 の影 響
倉本英哲

隠岐貴史

松木一弘＊

柳沢平＊

Influence of Si-particle diameter and volume fraction on dry wear
properties of spark sintered Al-Si composite
Hideaki KURAMOTO, Takashi OKI, Kazuhiro MATSUGI and Osamu YANAGISAWA
In order to investigate the influence of Si-particle diameter and volume fraction of Al-Si
composite on dry wear properties, specific wear rate and friction coefficient, the composites
with various Si-particle diameters and volume fractions were made by spark sintering, anddry wear tests of the composites were performed. The results obtained were summarized asfollow：
It was confirmed that specific wear rate and friction coefficient decreased with increasing
Si- volume fraction and average particle diameter, and influence of Si- volume fraction
tends to become stronger, as Si-particle average diameter was smaller. However, in caseSi-particle diameter is too large, specific wear rate increases with increasing Si-volume
fraction under the influence of Si-particle’s crack.

Keywords ： Al-Si composite, spark sintering, specific wear rate, friction coefficient,
Al-Si 複 相 合 金 に お い て 、 乾 式 摺 動 特 性 (比 摩 耗 量 、 摩 擦 係 数 )に 与 え る Si 粒 径 お よ び 体 積 率の 影 響 を 明 ら か に す る た め に 、放 電 焼 結 法 に よ っ て Si 粒 径 お よ び 体 積 率 の 異 な る Al-Si 複 相 合金を作製し、乾式での摩耗試験を行った。得られた結果は以下のように要約される。
Si 粒 径 お よ び 体 積 率 は 大 き く な る ほ ど 、 摩 擦 係 数 お よ び 比 摩 耗 量 と も に 小 さ く な り 、 ま た 、Si 粒 径 が 小 さ い ほ ど Si 体 積 率 の 増 加 の 影 響 が 強 く な る こ と が 分 か っ た 。 た だ し 、 Si 粒 径 が 大
き す ぎ る 場 合 、 粒 子 の 割 れ 等 の 影 響 に よ り 比 摩 耗 量 は Si 体 積 率 の 増 加 に 伴 い 増 加 す る 。
キ ー ワ ー ド ： Al-Si 複 相 合 金 、 放 電 焼 結 、 比 摩 耗 量 、 摩 擦 係 数
1

緒言

需要が高まってきている。このように、アルミニウム

近年、自動車をはじめとする機械や装置では、省エ合金製の機械装置構成部品の多様化が求められる中で、ネルギーおよび高効率化を目指して、大幅な軽量化が耐摩耗性能が求められる部分も多い。しかし、摩耗に望まれている。このような情勢の中、非鉄金属、特に関して、アルミニウム合金は凝着を起こしやすく、そ代表的な軽金属として挙げられるアルミニウム合金のの耐摩耗特性は十分なものとはいえない。ここで、耐＊広島大学大学院工学研究科

摩耗用のアルミニウム合金の代表として Al-Si 複相合金が挙げられる。Al-Si 合金は鋳造性がよく、一般的(a)には鋳造によって作製される材料で、自動車エンジンなどの内燃機関のピストン、シリンダボア、軸受け用メタルなどに利用されている材料である(1)-(4)。
鋳造によって作製された Al-Si 合金の金属組織は、Al マトリックスと共晶および初晶 Si 粒子よりなる 2相材料である(過共晶)。2 相材料では、その第 2 相粒子の体積率(面積率)、粒径分布が機械的性質や熱的性質に大きく影響を及ぼすことが知られている(5)-(9)。鋳(b)造法によって作製した 2 相材料の第 2 相粒子の空間分布と粒径について、添加元素や冷却速度の制御によってある程度は制御することができる。しかし、任意にとは言えず、ある程度の自然現象の制約を受けることとなる。特に Al-Si 合金の凝固では、まず初晶の Si が析出し、その後、成長と微細な共晶 Si の析出が起こる。
このため、Si 粒子の粒径は大粒子と微細粒子から構成され、その粒径や体積率を自由に設計することは難し

Fig. 1 SEM images of as-received (a)aluminum powder andい。本研究では、Si 粒子の粒径と体積率の影響につい(b)silicon powder.ての調査を行うことから、これらを自由に設計することが望まれる。そこで、本研究での試料作製には、用SEM 像を Fig. 1 に示す。用いた純アルミニウム粉末

いる粉末の粒径や形状を制御することで比較的自由には、その平均粒径が約 23µm のアトマイズ粉末であり、第 2 相粒子の粒径や体積率を制御することが可能であ

また、シリコン粉末は、遊星型ボールミルで粉砕したる粉末冶金法を用いることとし、Si 粒子の粒径および粉砕粉で角ばった形状をしており、これを目開きが体積率を制御して、種々の粒径および体積率をもつ

25µm、53µm、90µm および 180µm の金属ふるいにAl-Si 複相合金を作製した。用いる粉末冶金法としてよって、25µm 以下、25〜53µm、53〜90µm およびは、低温、短時間での緻密化が可能である放電焼結法

90〜180µm の 4 種類の粒径に篩分けを行った。平均(10)を用いることとした。

粒径は、それぞれ 2.3µm、11µm、55µm および 110µm

前述のように、第 2 相粒子の体積率などが機械的性であった。この平均粒径は後述の組織観察結果より画質に与える影響についての報告は種々あるものの、摩像解析によって二次元における粒子面積から求めた平耗特性に与える影響、特に Al-Si 合金の場合について均粒径を測定した結果である。ここで、篩の目と粒径の詳細な研究は少ない。そこで、本研究では、種々のが一致していないのは、本研究で用いた Si 粒子が、Si 粒径および体積率をもつ Al-Si 合金を摩耗試験に供Fig.1 に示すような縦横の比率が大きく異なる粒子をし、摩耗特性に及ぼす Si 粒径および体積率の影響を明含んでいるためであろう。以後、試験片の分別はこのらかにすることを目的とした。

平均粒径(da)を以って行うこととした。
Si 粒子体積率(Vp)が 0.1、0.2 および 0.3 となるよう

2

実験方法

2.1 試料作製に秤量したアルミニウム粉末とシリコン粉末をV型混合機によって混合し、その後放電焼結法によって試験供試粉末は、㈱福田金属箔粉工業製の純アルミニウ片(縦×横×厚さ：32mm×32mm×6mm)を作製した。

ムおよび純シリコン粉末である。それぞれの粉末の用いた放電焼結機は計装化されたものであり、電源は

矩形波パルス通電を行うモード 1 および連続パルス通が凝集する部分において、空隙が確認された。
これは、電を行うモード 2 の 2 系統を有する。型およびパンチ

Vp が大きくなることで、筆者らが以前報告(13)したようはグラファイト(ISO63)製である。焼結は、粉末粒子に、Si 粒子同士の接触部が増加し、埋められることの間の酸化膜の絶縁破壊など(11),(12)による圧粉体比抵抗ない空隙の割合が増えたためであろうと考えられた。の減少を目的としたモード 1 の電源での on/off 比が2.2

試験方法

1：1、パルス幅が 100ms、電流値が 200A の矩形波パ

試験は硬さ試験および摩耗試験を行った。

ルス通電を 600s 行い、その後、圧密化を目的として、硬さ試験は JIS に規定するブリネル硬さ試験によっモード 2 による連続パルス通電を行った。このとき、て行った。試験条件としては圧子直径 10mm、試験荷温度によって制御を行い、その温度は Al-Si 合金の溶重 4.903kN を選択した。

融温度(約 850K)以下の 773〜820K となるように設定

本研究での摩耗試験方法としては、大越式摩耗試験

し、等温保持を 3000〜3600s 行い、相対密度(D)が 0.98選択した。
大越式摩耗試験は回転円盤(SUJ3 製)を平板以上となるようにした。加圧力は 28.6MPa で一定と試験片に押し付けて摩耗させるリング-オン-ディスクした。

タイプの摩耗試験であり、最大の特徴としては圧力をFig.2 に Vp=0.2 で da=2.3µm、11µm、55µm、110µm一定としての定圧摩耗試験を行うことができる点が挙および Vp=0.1 および 0.3 で da=11µm の試験片断面のげられる。この摩耗試験においては、試験終了後の摩顕微鏡観察結果を示す。図から、da=11µm、55µm、耗痕幅(b)の測定を行うことで、摩耗量(W)を幾何学的110µm の場合、Si 粒子はほぼ均一に分散しているこ近似によって算出することができ、さらに、比摩耗量とが確認される。しかし、母相の Al 粉末に比較して、(Ws)を以下の近似式によって算出することが可能であ極端に da が小さい試料、つまり、da=2.3µm の場合はる。このとき、摩耗速度(V)は一定である必要がある。

Si 粒子の分散はクラスタリング(凝集)の分布傾向を示すこととなった。また、Vp=0.3 のとき、特に Si 粒子
(a)

(b)

Ws =

Bb 3 1.5W=F0 l
8rF0 l(1)ここで、F0、ｌ、ｒおよび B は、それぞれ最終試験荷重(N)、摩耗距離(mm)、回転円盤の半径(mm)および回転円盤の厚さ(mm)である。本研究において、r=30、200µm

50µm
(d)

(c)

B=3.0 である。
次に、摩擦係数(µ)に関しては、回転円盤の軸トルク(T)が分かれば、一般的な摩擦係数を求める以下の式によって表すことができる。

400µm

400µm
(e)

(f)

µ=TFr(2)

ここで、F は定圧式摩耗試験においては刻々と変化する試験荷重である。
200µm

200µm

大越式摩耗試験では、Ws の算出のための理論展開において、多くの近似を行っており、これらの近似を最Fig. 2 Optical micrographs of Al-Si composite whichも満たす条件として、試験後の b は 1〜3mm 程度がSi-average particle diameter,da, and volume fraction,Vp, are適当であるとされている。そこで、本研究では上述の(a)da=2.3µm, Vp=0.2, (b)da=11µm, Vp=0.2, (c)da=55µm,条件を満たすような試験条件として、l=66.6m、Vp=0.2, (d)da=110µm, Vp=0.2, (e)da=11µm, Vp=0.1, (f)F0=22N、V=0.063m/s を設定した。なお、試験はすべda=11µm, Vp=0.3.て乾式で行うこととした。

33.1

実験結果および考察

ブリネル硬さ7Fig.3 に Vp とブリネル硬さ(HBW)の関係を示す。図

ど、HBW は大きくなることが分かる。また、Vp の増加に伴い直線的に HBW が増加していることが確認される。da が大きくなるほど HBW が小さくなる原因としては、Si 粒子が大きくなるほど、圧子を押し付けた場合の試料変形時の Si 粒子の破壊(割れ)が起こりやすくなり、割れを起点として材料強度の低下を引き起こしたためであろうと考えられえる。ただし、da が 55と 110µm の場合には、試験結果はほとんど変わらず、Specific wear rate, Ws/ 10 -7 mm3 N-1 mm-1

から、Vp は大きくなるほど、また、da は小さくなるほ

Si-average particle diameter:2.3µm
Si-average particle diameter:11µm
Si-average particle diameter:55µm
Si-average particle diameter:110µm

65432100.050.10.150.20.250.30.35

Volume fraction of Si particle, Vp

上述の割れの影響は da≒55µm が上限と考えられる。
da=約 55µm 以下の Si 粒径においては、da が小さくな

Fig. 4 Effect of volume fraction and particle diameter on

るほど Vp 増加の HBW 増加への影響が顕著になるこ

specific wear rate.とが確認された。以上の結果は、一般的なセラミック
ス系粒子添加型複合材料における、粒径、粒子体積率境界に位置し、本研究の条件においては、上記の両方と材料強度との関係と同じである。の摩耗形態で摩耗が進行しているものと考えられる。
また、凝着摩耗としては、シビア摩耗(Ws ＝10-7 〜10-8)(14)の形態であろうと推測され、試料にとって、厳Brinell hardness, HBW10/500

8070

しい摩耗条件下での試験であったものと考えられる。

Si-average particle diameter:2.3µm
Si-average particle diameter:11µm
Si-average particle diameter:55µm
Si-average particle diameter:110µm

da が 110µm の場合を除いて、Vp は大きくなるほど、また、da も大きくなるほど、Ws は小さくなる傾向を示すことが分かった。Vp が 0.3 の場合、Ws は da に関60

係なくほぼ一定の値を示した。ただし、da が 110µm50の場合、Vp の増加に伴い Ws は大きくなる傾向を示す。
これは、3.1 項で硬さが小さいことの理由を説明した

40と同様に、da が大きくなりすぎると、摩耗試験におい300.05てもその接触圧力による Si 粒子の割れが積極的に起
0.1

0.15

0.2

0.25

0.30.35

Volume fraction of Si particle, Vp

こるようになってしまい、これが元で摩耗形態において、アブレシブ摩耗が占める割合が増加するためでは

Fig. 3 Effect of volume fraction and particle diameter onないかと考えた。一般には、材料硬さの増加に伴い摩Brinell hardness.

耗量は減少することが予想されるが、本実験結果においては異なる結果を示した。つまり、本研究における

3.2

摩耗特性

摩耗試験において、硬さ以外の要因が働いていること

3.2.1 比摩耗量

特に Vp が小さい場合、が示唆される。
Ws に関しては、

Fig.4 に Vp と Ws の関係を示す。図から、Ws は 10-7

da は大きくなるほど有利であることが分かった。ただオーダーの値を示すことが分かる。これは、無潤滑下し、da 増加の Ws 減少への効果は da≒55µm が上限でにおいて、ちょうどアブレシブ摩耗(Ws=10-5〜10-7)(14)あり、これ以上大きくなると Ws は大きくなることがと凝着摩耗(Ws＝10-6〜10-10)(14)で得られる Ws の値の分かった。

3.2.2 摩擦係数率が大きいことが分かる。

Fig.5 に da が 11µm および 55µm での試験時間(t)とFig.6 に Vp とµの関係を示す。ここでのµの値は、µとの関係を示す。これは、時間軸に対して、実際にFig.5 で示したµの摩耗試験終了直前の値である。da

実験中に測定した T と最終荷重より算出した刻々の Fに関係なく、Vp の増加に伴いµは小さくなることが分の値を式(2)に代入することで求めた値である。図から、かった。da が 55µm、110µm の場合、Vp とµの関係は試験開始直後にµは大きな値を示し、その後は、ほぼほぼ同じであり、また、Vp が 0.3 の場合には、da に関一定の値を示すことが確認される。初期でµが高い値係なくµの値はほぼ同じ値を示した。da が 2.3µm、かを示す部分については、初期摩耗を示す部分で、そのら 55µm までは、da が小さいほど、Vp が小さくなると後、定常摩耗へと移行するものと思われる。図の比較

きのµの増加率は大きくなった。3.2 項の結果と合わせから、da は大きい方が、初期摩耗の状態において比較て、da が 55µm までは、µと Ws の間に密接な関係が成的小さい値を示すことが分かる。つまり、da が大きいり立っている。しかし、da が 110µm の場合には、両方が、短時間で安定した摩耗状態になるものと思われ者の関係は一致しておらず、この原因として、先にもる。また、da が 11µm と 55µm の場合を比較したとこ説明したように摩耗形態の違いが挙げられる。

ろ、da が 11µm の場合の方が Vp 増加に伴う、µの減少
0.6Si-average particle diameter:2.3 µm
Si-average particle diameter:11 µm
Si-average particle diameter:55 µm
Si-average particle diameter:110 µm0.7(a)Vp=0.10.65

0.55

Vp=0.2Friction coefficient, µVp=0.3

Friction coefficient, µ0.60.55
0.50.450.4

0.50.45

0.40.35

0.35
0.3
0.05

0.3
0102030

0.1

40

0.15

0.2

0.25

0.30.35

Volume fraction of Si particle, Vp

Wearing time, t /s0.7(b)Vp=0.10.65

Vp=0.2
Vp=0.3Fig. 6 Effect of volume fraction and particle diameter onfriction coefficient.

Friction coefficient, µ0.63.2.3 摩耗形態

0.550.5

これまでの結果から、da の大小でその摩擦の機構が0.45異なることが予想され、以下のように考えた。摩擦機0.4構の概略図を Fig.7 に示す。da が小さい場合、Fig.7(a)に示すように、主に母相の破壊と表面層での剥離が起0.35

こり、Si 粒子を含んだ母相が摩耗粉として輩出される

0.3010203040

Wearing time, t /s

事で摩耗が進行するものと考えた。一方、da が大きい
場合には、Fig.7(b)に示すように、主に硬い Si 粒子がFig. 5 Behavior of friction coefficient of Al-Si composite

摩耗を受け持つように作用するため、摩耗粉としては

which Si-average particle diameter are (a)11µm and (b)主に Si の微粉が排出されるような機構ではないかと

55µm during wear test.

考えた。このように考えた場合、da が大きいほどµはくなると、比摩耗量は大きくなった。これは、Si 粒径(a)が大きくなりすぎると、摩擦中に Si 粒子の割れが積極

Ring rotational direction
Ring

Wear dust(Al+Si)

ブ摩耗が摩耗形態として支配的になったためではない

Test piece

Si的に起こるようになり、割れた Si 粒子によるアブレシかと思われる。

(b)

Ring rotational direction
Wear dust(Si mainly)Ring

おわりに本研究を実施するに際して、摩耗リングの加工等に使用した NC 旋盤および試料調整に用いた遊Test piece
SiContact point

星型ボールミルは、日本自転車振興会競輪機械工業資-- before ---- after --金補助により整備したものであり、また、試料作製にFig. 7 Schematic drawing of wear form of spark sintered

用いた放電焼結機は、経済産業省地域産業集積活性化

Al-Si composite in case (a)Si-average particle diameter is

対策補助により整備したものであることを記し、関係

small and (b)large.

各位に深く感謝いたします。
参考文献

小さくなり、また、摩耗量も小さくなる。

(1)С.Л.Потанин、Б.Н.Брагин、А.В.
4

結言

放電焼結法によって、Si 粒子の粒径および体積率のГунин、Е.А.Лунев：Litejnoe Proizvodstvo(2002) p.18-20.

異なる Al-Si 複相合金を作製し、乾式での大越式摩耗(2)С.Л.Потанин、Л.С.Авлентов：試験およびブリネル硬さ試験を行い、以下の結果を得

Avtomob Prom-st’ 41(1975) p.34-36.

た。

(3)A Ge’rard：Rev. Alum. (1976) p.325-330.

(1) ブリネル硬度は、Si 体積率が大きくなるほど、ま(4)神谷荘司：トライボロジスト 46(2001) p.129.

た、Si の平均粒径が小さくなるほど、大きくなった。

(5)隠岐貴史、松木一弘、清水功史、柳沢 平：軽金属

このとき、Si 体積率増加に伴う硬度の増加率は Si の52(2002) p.243-249.

平均粒径が小さいほど大きくなることがわかった。

(6)野口 徹、宮城一裕、成田利勝、長岡金吾：鋳物(2) 摩擦係数は、粒径が大きくなるほど、また、Si56(1984) p.683-689.

粒子体積率が大きくなるほど、小さくなることが分か(7)炭本治喜、中村幸吉：鋳物 55(1983) p.609-614.

った。

(8)塩田俊雄、小松眞一郎：材料 30(1981) p.387-393.

(3)比摩耗量の値は 10-6〜10-7 の値を示し、これより(9)柳沢 平、諸隈真嗣、畑山東明、松木一弘：鋳造工

摩耗形態として、凝着摩耗とアブレシブ摩耗の組み合

学 73(2001) p.733-740.

わせによって摩耗が進行しているものと推測すること(10)T.Sakamoto and H.Miura：材料技術 15(1994)ができた。Si 粒径が 55µm までは、Si 体積率がおおき

p.19.

くなるほど、また、Si 粒径が大きくなるほど、比摩耗(11)松木一弘、畑山東明、柳沢 平：日本金属学会誌

量は小さくなった。これは、Si 体積率と Si 粒径の変59(1995) p.740-745.

化に対する摩擦係数の変化と同様であり、以上のこと(12)倉本英哲、松木一弘、畑山東明、柳沢 平：日本

から、Si 粒径が小さい場合、母相の破壊そして Si 粒

金属学会誌 65(2001) p.868-873.

子を含む表面層での剥離が起こる摩耗形態が考えられ、(13)倉本英哲、松木一弘、畑山東明、柳沢 平：日本

一方、Si 粒子が大きい場合、主として Si 粒子が摩耗

金属学会誌 67(2003) p.528-537.

を受け持つような摩耗形態になっているのではないか(14)山本雄二、兼田楨宏：トライボロジー、理工学社、と考えた。Si 粒径が 110µm の場合、Si 体積率が大き(1998) p.188-195.