WO1992017302A1 - Rotor en alliage d'aluminium pour pompe a l'huile et procede de fabrication dudit rotor - Google Patents

Description

明 細 書

ァ ノレ ミ ニ ゥ ム 合金製 オ イ ル ポ ン プ用 ロ ー タ 及 び そ の 製造方法 技 分 野

本発 明 は オ イ ル ポ ン プ用 ロ ー タ 、 例 え ば A T ( Automa ti c Trans niss i on ) 用 オ イ ル ポ ン プ に 使用 さ れ る ロ ー タ に 関 す る 背 景 技 術

近年、 自 動車 の 燃費 向上が強 く 要求 さ れて い る 中 、 そ の 対策 の 一貫 で あ る 車両重量 の 軽減 の 効 果 は大 き く 、 各部品 の 軽量化 に つ い て 検討 · 実施 が な さ れて い る 。

そ の 中 で も オ イ ル ボ ン ブ に 閼 し て は① ボ ン ブ及 び そ の 周 辺部品 の 重量軽滅②摺動 · 回 転部品 の 軽 量化 に よ る ポ ン プ性能 の 向 上 な ど の 効果が期待 さ れ る こ と か ら オ イ ル ポ ン プ部品 の 軽 量化 は 重要 視 さ れ て い る 。 例 え ば 、 A / T 用 オ イ ル ポ ン プ に お い て は 、 従来、 オ イ ル ポ ン プ部品 （ ポ ン プ ケ ー ス ） は鉄製 （ 主 に 铸物 も し く は ダ イ カ ス ト ） で あ り 、 そ の 重量 は 5 k gを 越え る も の と な る が、 そ れを ァ ル ミ ニ ゥ ム 合金化す る こ と に よ り 2 k g以下 と な り 、 約 6 0 % の 軽量化 を 図 る こ と が 出 来 る と 共 に 前記

5 の 如 く 、 軽量化 に よ り オ イ ル ポ ン プ の 性能を 向上 さ せ る こ と が可能で あ る 。

ト ロ コ ィ ド 曲線 ま た は ィ ン ボ リ ユ ー ト 曲 線を有 す る 高精度 な 歯面形状 （ ギ ア ） 部品 を 創製す る 場 合、 従来 の 鉄系焼結部品 に お い て は焼結体内 に残

,。 存す る 1 0 〜 2 0 % の 空孔を利用 し 、 加圧 に よ り こ れを部分的 に 閉鎮 し て 全体 と し て は大 き な塑性 変形を 与え る こ と な く 局所的 に 金型に 沿 っ た 形状 に 変形す る こ と で 要求 さ れ る 高寸法精度を 確保す る 、 い わ ゆ る サ イ ジ ン グ法が行わ れて い る 。

5 一方、 ア ル ミ ニ ウ ム 粉末合金部品に 関 し て 、 上 記 の 鉄系粉末で 行 な っ て い る 焼結操作 は ア ル ミ 二 ゥ ム 合金粉末表面 に形成 さ れて い る 酸化皮膜が拡 散 · 焼結 を 胆害す る た め に ほ と ん ど 不可能で あ り 、 極 め て 高温 の 共晶液相 を 利用 す る 場合 に し か適用 で き な い 。 ま た 、 こ の よ う な 焼結操作 は急冷凝固 法 や メ カ ニ カ ル ァ ロ イ ン グ法 に よ り 得 ら れ た 微細 且つ 均一 な 準安定状態 の 合金相 を 著 し く 損 な う た め に 実質的 に 意味 が な い 。 さ ら に 、 上記 の 鉄系 焼 結体 の 如 く 1 0 〜 2 0 % の 空孔 が ア ル ミ ニ ウ ム 粉 末固化体 内 に 残存す る と 著 し い 強度 の 低下 を 招 く た め 、 措動部品 へ の 適用 は 極 め て 困難 で あ る 。

ま た 、 粉末 冶 金法 に よ り ア ル ミ ニ ウ ム 粉末合金 部材 を 創製 す る 場合 に お い て は 、 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金粉末を 冷間 で 成形固化 し た 後、 熱間鏺造す る た め 熱 に よ る 金型及 び成形固化体 の 膨脹 · 収縮 に 伴 う 粉末固化体 の 寸法変化が生 じ る た め 、 熱間鑀造 の み に よ り 鉄系焼結部品並 の 高 い 寸法精度が要求 さ れ る 部品 を 創製す る こ と は 困難 で あ っ た 。 さ ら に 、 真密度 の 粉末固化体で は サ イ ジ ン グ に な ら ず 再鍛造 に な る た め に 寸法精度 の 観点か ら 意味が な か っ た 。

ま た 、 原材料 に 閬 し て は 、 こ れ ま で に 実用 化 さ れて い る 種 々 の ア ル ミ ニ ゥ ム 合金 を オ イ ル ポ ン プ 用 ロ ー タ 材 と し て 使用 し た 場合 、 次 の よ う な 問題 力く考 え ら れ る 。 ( 1 ) 従来か ら ビ ス ト ン ゃ軸受 け等 の 摺動部品 と し て 使用 さ れて い る A C 8 B や A 3 9 0 等 を 代表 と す る ア ル ミ ニ ウ ム 溶製合金 （ I / M ： Ingot Me ta 11 ury ) を ロ ー タ に 適用 す る と A £ 合金同士 の 摺勖摩耗や面圧疲労 に 対 す る 強度不足 の た め 歯面 部 に お い て は ピ ッ チ ン グ摩耗を 起点 と す る 著 し い 摩耗損傷が生 じ 、 ま た 、 端面や外周 部で は ポ ン プ ケ ー ス と の焼付 き か ら 生 じ る 著 し い 凝着摩耗が発 生 す る 。 さ ら に、 高速回転下 に お い て は シ ャ フ ト 接合部で の強度不足 に よ る 疲労破壊を 生 じ た り 、 ま た 、 精密 · 複雑 な 形状 の 創製 に 対 し て は 冷間篛 造加工等で は不十分 で あ る た め 切削加工が必要 と な る が高 S i 化 に 伴 っ て 初晶 S i が粗大化 す る た め に 強度 * 靱性 の 低下を招 く 。 一方、 高温強度特 性を 向上 さ せ る た め に 必要な F e の 含有量 は 3 〜 1 0 %で あ る 力く I ノ M に お い て は 5 %を 越 え て 添 加す る と 粗大 な 針状組織 と な る た め 合金 の 靱性 が 低下す る 。

( 2 ) 急 冷凝固粉末 冶 金法 に よ り 得 ら れ た A £ — 高 S i 系粉末合金 を 口 ー タ に 適用 す る と 高 S i 舍 有 の た め に ポ ン プケ ー ス 材 に 比 べ て 熱膨脹率 が低 下 し 、 1 5 0 て 付近 で 摺動 し た 場合、 ケ ー ス と 口 — タ と の ク リ ア ラ ン ス が 大 き く な り ポ ン プ の 性能 が低下す る 。 ま た 、 こ の 合金系 は 高温強度特性 に

5 優れて い な い こ と か ら 本発 明 が対象 と す る よ う な 約 1 5 0 て 付近 の 環境下 で 使用 さ れ る ロ ー タ 材 へ の 適用 は困難 で あ る 。

( 3 ) 急 冷凝固粉末 冶 金法 に よ り 得 ら れ た A £ — 高 Z n 系粉末合金 を ロ ー タ に 通用 す る と 、 著 し い

_{1 0} 時効硬化特性 に よ り 高温強度 は有 す る も の の 、 耐 摩耗特性 に 擾れて い な い こ と か ら 本発明 が対象 と す る よ う な 耐摩耗摺動特性 が要求 さ れ る ロ ー タ 材 へ の 適用 は 困難 で あ る 。

そ こ で 、 急冷凝固法 や メ カ ニ カ ル ァ ロ イ ン グ 法

> s に よ り 得 ら れ る 高性能 ア ル ミ ニ ウ ム 合金粉未 を 用 い て 優れ た 固化体特性 を 確保 す る 場合 を 考 え る と 、 ま ず、 ア ル ミ ニ ウ ム 合金粉末 の 完全結 合 （ 密着 ） が必要条件 と な る が、 粉末 表面 に 形成 さ れ て い る 酸化 ア ル ミ ニ ウ ム 皮膜 が粉未 ど う し の 結合 を 阻止 す る た め 、 一般 に は 適 切 な 加熱 · 加圧条件 を 付 与 す る こ と に よ り 酸化皮膜を 十分 に 除去 も し く は分 断 · 破壌 し て粉末 ど う し を 圧着 さ せ て金属結合及 び固相拡散を 生 じ さ せ て 十分 な 強度を 有す る ア ル ミ ニ ゥ ム 合金部品 を 製造す る 方法が考え ら れ る 。

5 酸化 ア ル ミ ニ ゥ ム 皮膜 は主 に 粉末製造工程及び 粉末成形体 の 加熱工程 に て 生成 さ れ る 。 ア ル ミ 二 ゥ ム 粉末合金部材 の製造工程に お い て粉末成形体 を加熱処理す る 場合、 3 0 0 て 以上 に 加熱す る と ア ル ミ ニ ゥ ム 粉末粒子 に 吸着 し て い る 結晶水が蒸

,。 発 し 、 こ れ と ア ル ミ ニ ウ ム が反応 し て粉末表面に 強固 な酸化皮膜を生成す る た め 、 上記 の 如 く 粉末 ど う し の 結合が阻止 さ れて 十分 な 強度を 有す る ァ ル ミ ニ ゥ ム 粉末合金部材を 得 る こ と が困難 と な る 。

ま た 、 F e , N i , C r な ど の 遷移元素を 添加 5 し た ア ル ミ ニ ウ ム 急冷凝固粉末で は こ れ ら の遷移 元素 と ア ル ミ ニ ウ ム と の 金属間化合物 （ 例え ば、 F e A & ₃ , N i A £ 3 , C r A £ ₃ 等 ） が微細 に 折 出 し て い る 。 こ の よ う な ア ル ミ ニ ウ ム 合金粉 末 を 熱間鏺造す る 際、 粉末内 に 析 出 し て い る こ れ ら の 金属間化合物 は素地 の ア ル ミ ニ ゥ ム に 対 し て 拡散係数が極 め て 小 さ い の で 多 量 に 遷移元素 を 舍 有 す る よ う な 場合、 加熱処理 に よ り 粗大化 し た 金 属間化合物 は ア ル ミ ニ ウ ム 粉 末 ど う し の 拡散結合 を 阻止 す る た め に 十分 な 強度 · 靱性 を 有す る ア ル ミ ニ ゥ ム 粉末合金部材 を 得 る こ と が困難 と な る 。

こ の よ う な ア ル ミ 二 ゥ ム 粉末合金部材 の 製造方 法 を 例え ば、 特開昭 6 3 - 6 0 2 6 5 が提案 し て い る が、 こ こ で は ま ず、 粉末粒子表面 に 吸着 し て い る 水分 の 除去を 目 的 と し て 大気雰囲気中 で の 粉 末成形体 の 熱処理工程 を 導入 し て い る が、 前記 の 如 く 、 除去 さ れ た 水分が再度 ア ル ミ ニ ウ ム と 反 し て 粉末表面 に 強固 な 酸化 ア ル ミ ニ ゥ ム 皮膜を 生 成 し て 粉末 ど う し の 結合 を 阻止 す る こ と に な る 。 ま た 、 粉末表面 に 存在 す る 酸化皮膜を 十分 に 破壌 し て 粉末 ど う し を 結合 さ せ る た め に 粉末成形体 を 加熱処理 し た 後、 予備的 な 熱簡密閉型鍛造を 経 て か ら 合計 2 回 の 熱間鍛造 を 実施 し て い る こ と か ら こ の 製造 工程 に お い て は 経済的 な 問題 が あ る 。

ま た 、 従来 よ り ア ル ミ ニ ウ ム 合金摺動部材 に お い て は S i 晶ゃ S i C 、 T i C 及 び A £ ₂ 0 ₃ 粒 S

子等 の 硬質粒子を 添加 す る こ と に よ り 耐摩耗性 の 向上が試み ら れ て い る 。 し 力、 し な が ら 、 摺動 時 の 摩擦熱等 に よ り 雰囲気温度が 1 0 0 て を 越 え て 上 异 す る と 部材 の マ ト リ ッ ク ス で あ る ア ル ミ ニ ウ ム が軟化 し始め る た め に 部材 の 強度が低下 し 、 摺動

• 摩擦 に よ る 機械的明 な 損傷 を 受 け た り 、 ま た 、 摺 動時 に 働 く せ ん断力 に よ り S i 晶 ゃ硬質粒子 の 脱 落が生 じ 、 部材 の 耐摩耗特性が低下 す る 。

し 力、 し な 力く ら 、 前記 の サ イ ジ ン グ法 を 利 用 し て 急冷凝固粉未冶 金法 に よ り 鉄系焼結品並 の 高 い 寸 法精度及び耐摩耗摺動特性が要求 さ れ る オ イ ル ポ ン プ用 ロ ー タ を 創製す る 場合 を 考 え る と 、 耐摩耗 特性 の 向上 に 必要な 微細且 つ均一 な 準安定状態 の 合金相 を 保 ち な が ら サ イ ジ ン グ法 に 必要 な 粉末固 化体 内 の残存空孔量 の 適正化 と そ れ に よ る 固化体 o 強度特性 の 低 下 を 抑制 す る こ と が可能 な 轻 済 性 に 優れ た 製造方法 の 実現が課題 と な る 。 1

± 発明者等 は種 々 の 実験及 び検 を お こ 結果、 遷移元素添加 ア ル ミ ニ ウ ム 合金粉末 を 原料 と し た 、 高 い 寸法精度 を 有 し 、 且 つ耐摩耗摺動特 性 に 優れ た オ イ ル ポ ン プ用 ロ ー タ と そ れ を 創製す る に あ た り 比較的簡単 で か つ 経済性 に 優れ た 製造 方法を 確立す る に 至 っ た 。

本発 明 は、 内周 部 ま た は 外周部 の い ず れか一方 に ト ロ コ ィ ド 曲線 ま た は ィ ン ボ リ ュ ー ト 曲線 ま た は そ れ ら と 同等 の 性能 を 有す る ポ ン プ用 歯面形状 を 有す る ア ウ タ ー ロ ー タ も し く は ィ ン ナ ー ロ ー タ の い ずれか一方 も し く は 双方を 粉末 冶金法 に よ り 創製す る こ と を 特徴 と す る ア ル ミ ニ ゥ ム 粉末合金 製 オ イ ル ボ ン ブ用 ロ ー タ を 提供す る 。

ま た 本発 明 は ア ル ミ ニ ゥ ム 合金粉末 を 温間 ま た は 冷間 で 成形 し て 成形密度 7 5 〜 9 3 % の 成形体 を 得 る 第 1 工程、 こ の 成形体 を 窒素 も し く は ア ル ゴ ン な ど の 不 活 性 ガ ス 雰 囲 気 中 で 温度 ： 3 0 0 〜 5 6 0 て に て 0 . 2 5 〜 3 時間加熱 · 保持 す る 第 2 工程 、 そ の 粉末成形体 を 3 0 0 〜 5 6 0 て の 温度 で 押 出 比 が 3 以下 の 熱間押 出 加工 し た 後、 軸方向 圧縮 す る か、 ま た は 逆 に そ の 粉末成形体 を ま ず軸 方向 に 圧縮 し 空孔率を 3 — 5 % と し た後、 熱間押 出加工を 行 う こ と に よ り 、 軸方 向 に 並行 な 金型面 と 接触す る 固化体部分 の 表層 部 の 微小空孔 を 完全 に 除去 し且つ 中 央内部 に 独立空孔が残存 し て い る 状態の 空孔率 2 〜 5 % の 固化体 と な す第 3 工程、 第 3 工程で 得 ら れた 固化体を 冷間 も し く は温闞で サ イ ジ ン グ処理 し て 仕上 げ る 第 4 工程を 経 る こ と を特徴 と す る 従来 の ア ル ミ ニ ゥ ム 鍛造品 に 比 べ て 高い 寸法精度を有す る 高強度ア ル ミ ニ ゥ ム 粉末合 金製オ イ ル ボ ン プ用 ロ ー タ の製造方法を提供す る 。 図 面 の 簡 単 な 說 明

第 1 図 は表 1 の 組成 の 合金 の サ イ ジ ン グ能及び固 化体強度 と 残存空孔率 の 関係を 示す グ ラ フ 、 第 2 図 は本発明 の ポ ン プ ロ ー タ の 一例を示す端面図で あ る 発 明 を 実施す る た め の 最良 の 形態

ま ず、 上記合金 の 各成分の 作用 と そ の 含有量 に つ い て 說明 す る と 、 ぐ 第 1 合金元素 >

S i ： ア ル ミ ニ ウ ム 素地 中 に 微細 に 分散 し て 強 度 を 向 上 さ せ る 効果が あ る と 共 に 後述 の F e 、 N i 、 C r な ど の 遷移元素 と A £ と の 金属間化合物 の粗大化 を 抑制 す る 作用 が あ る 。 そ の 量 が 5 %未 満で は そ の 効果 が不十分 で あ り 、 ま た 1 7 %を 越 え て 添加す る と 初晶 S i 粒径が大 き な り 合金 の 強度 《 靱性が低下 し 、 かつ粉末 の 錢造性 が悪 く な る 。

< 第 2 合金元素 >

F e ： A £ と の 金厲藺化合物 （ 例 えば、 F e A £ 3 ) を生成 し て 高温強度特性 を 改善 さ せ る 効果 が あ る 。 そ の 量が 3 %未満 で は特性改善 に 対す る 効果が不十分で あ り 、 ま た 1 0 %を 越え て 添加す る と 金属間化合物が粗大化 す る た め 合金 の 強度 · 靱性が低下 す る 。

N i ： F e と 同 様 に A £ と の 金属 間化合物 （ 例 え ば、 N i A £ , N i A £ 3 ；) を 生成 し て 高温強 度特性 を 改善 さ せ る 効果 が あ る 。 そ の 量 が 3 %未 満 で は 特性改善 に 対す る 効果 が不十分 で あ り 、 ま た 1 0 % を越え て 添加 す る と 金属間化合物が粗大 化 す る た め 合金 の 強度 · 靱性が低下す る 。

C r ： 耐食性 を 向上 さ せ る と と も に 、 そ れ 自 身 がマ ト リ ッ ク ス 中 に 微細 に 分散す る こ と 及び A £ と の 微細 な金属化合物 （ 例え ば、 C Γ A £ ₃ ) を 生成 す る こ と に よ り 強度を 向上 さ せ る 効果が あ る 。

1 %未満で は そ の 効果 は不十分 で あ り 、 ま た 8 % を 越え て 添加 し て も そ の 効果 は 向上 し な い う え逆 に 晶出物が粗大化 す る た め 強度 · 靱性が低下す る 。

な お、 こ れ ら 遷移元素 の 各 々 の 添加量 に つ い て は前記の範囲に お い て そ の 効果が確認 さ れ る が、 こ れ ら の 遷移元素か ら 選 ばれ た 1 種 も し く は 1 種 以上を 合計添加量で 1 5 % を 越え て添加 し て も そ の 効果 は 向上 し な い う え 、 原料粉末を製造す る う え で 高融点元素を多量に添加す る の で そ の 均一溶 体化湿度が高温側 に 移行す る た め に 原料費が高価 と な る 。

ぐ 第 3 合金元素 〉

M o , V , Z r : こ れ ら の 元素 は ア ル ミ ニ ウ ム の 素地 に 対 し て 微細 かつ均一 に 分散す る こ と に よ り 素地 の 強度 を 向 上 さ せ る 効果 が あ る 。 そ れぞ れ 1 % 未満 で はそ の 効果 は 不十分 で あ り 、 ま た 合計 で 5 % を 越 え て 添加 し た 場合 に は 逆 に こ れ ら の 分 散粒子 に お け る 切欠 き 感受性 が大 き く な る た め に 強度が低下す る 。

ぐ 第 4 合金元素 >

C u 及び M g ： 両者 は固溶強化 に よ り 強度 · 硬 度等 の 機械的特性 を 向 上 さ せ る と 同時 に ア ル ミ 二 ゥ ム の 素地 に 折出 し て 前記 の F e , N i , C r な ど の 遷移元素 と A £ と の 金属間化合物 の粗大化を 抑制す る 作用 が あ る 。 C u に つ い て は 1 %未満で は そ の効果 は不十分 で あ り 、 ま た 5 %を 越 え て 添 加 し て も そ の 効果 は 向 上 し な い う え 耐食性が低下 す る 。 M g に つ い て は 0. 5 %未满 で は上記 の 効果 は 不十分 で あ り 、 1. 5 % を 越え て 添加 し て も そ の 効果 は 向 上 し な い う え 逆 に 晶 出 物 が粗大化 す る た め 強度 ♦ 靱性が低下す る 。

M n : A £ 合 金 を 固溶強化 す る と 共 に 、 繊維組 織化 す る こ と に よ り 強度 を 向 上 さ せ て 、 か つ 前記 の F e , N i , C r な ど の 遷移 元素 と A £ と の 金 属間化合物 の 粗大化 を 抑制す る 作用 が あ る 。 0 . 2 %未満で は そ の 効果 は不十分で あ り 、 ま た 1 % を 越え て 添加 し て も そ の 効果 は 向 上 し な い う え 粗大 な 晶出物が生 じ る た め 逆に 強度 · 靱性 は低下す る 。

5 但 し、 請求範囲内 の所定 の 成分を 有す る 急冷凝 固粉末 に つ い て 、 そ の 冷却速度が 1 0 ² て /秒 よ り も 小 さ い と 各種 の 金属間化合物や組織 の 粗大化 を 招 き 、 上記 の 優れ た 諸特性が得 ら れな く な る 。 ま た 、 1 0 ⁶ て Z秒 よ り も 大 き く て も 諸特性 は更

1 0 に 向上す る こ と は な く 、 逆 に 粉末 の コ ス ト が高 く な り 経済性 に 問題が生 じ る 。

一方、 P Z M 合金 に比べ て 同一組成を 有す る I ノ M 合金 に お い て は急冷凝固 の 効果が無 い た め に 上記 の 特性を 確保す る こ と が困難で あ る 。

t s し た が っ て 、 本発明 が対象 と す る 摺動部材 は請 求範囲内 の 所定 の 成分組成 を 有 し 、 且 つ 1 0 ² 〜 1 0 ⁶ 'C ノ秒 の 冷却速度を 有す る 急冷凝面 ア ル ミ ニ ゥ ム 合金粉末 を 原料 と す る 。

次 に 、 特許請求 の 範囲 に 記載 し た 成分組成 を 有 す る ア ル ミ ニ ゥ ム 合金粉末を 用 い て 高 い 寸法精度 を 有 す る 粉末固化体 を 比較的簡単 で 且 つ 経済的 に 創製 す る 方法 に つ い て 説 明 す る 。

上述 し た よ う に 粉末固化体 内 の空孔率 は 、 そ れ を 閉鎮 す る こ と に よ り 高寸法精度 を 確保 す る サ イ ジ ン グ能及び固化体 の 強度特性 と 密接 な 閼係 に あ る と 考 え ら れ る 。

そ こ で 、 本発明 に お い て は固化体内 の 空孔率 に 着 目 し 、 そ の 量 を 適正化す る こ と に よ り 高 い 寸法 精度 を 有 し 、 且つ耐摩耗摺動特性 に 優れ た オ イ ル ボ ン ブ用 ロ ー タ を 粉末冶金法 に 基づ い て 製造す る 方法を 確立す る に 至 っ た 。 そ の 具 体的 な 製造条件 は以下 の よ う で あ る 。

熱間押 出法や熱間鍛造法 な ど に お い て は熱 に よ る 金型や ダ イ ス 及び粉末成形体 の 蟛脹 · 収縮 に 伴 う 粉末固化休 の 寸法変化が生 じ る た め に 従来 の 粉 末 冶 金法 の み で は鉄系焼結部品並 の 高 い 寸法精度 を 確保 す る の は困難 で あ っ た 。

そ こ で 、 粉 末固化体 内 に 空孔 を 残存 さ せ 、 サ イ ジ ン グ法 を 用 い て 加圧 に よ り こ れ を 部分 的 に 潰 し て 全体 と し て は 大 き な 塑性変形 を 起 こ さ せ る こ と な く 、 金型 に 沿 っ た 形状 に 局所的な 変形を 与 え る こ と で 高い 寸法精度を 確保す る と と も に 残留空孔 に よ る 強度 の 低下を 誘発 し な い た め に 必要 な 残存 空孔量 の 適正化 を 試み た 。

5 残留空孔 に よ る 強度 の 低下 の 原因 は、 い わ ゆ る 連結空孔 の 形状に 起因す る 空孔 で の 応力集中 と 、 連結空孔を通 っ て進入す る 水分 を 舍む酸化性雰囲 気 に よ る 粒界 の 劣化が あ る 。 そ こ で 、 ま ず、 残留 空孔を で き る だ け球状化す る と と も に 連結空孔を

！。 な く し孤立空孔 の み に す る こ と で こ れ ら の 問題を 解決す る こ と を考案 し た 。

残留空孔 は、 通常 の 粉末冶金法 の 場合相対密度 約 9 4 %を境 と し て 、 連結空孔か ら 孤立空孔 に な り 、 連結空孔 の 場合に は周囲 の 雰囲気が内部 に ま

> 5 で 浸透 し 、 し ば し ば反応を 起 こ すが孤立空孔 に な る と 内部へ の 浸透 は表層 部か ら の 拡散が律速す る よ う に な り 反応 は き わ め て 緩慢 に な る 。 こ れ は も と の 粉末が変形 し 、 旧粉末粒界 ど う し が接触す る こ と で 空隙が小 さ く な つ て ゆ く が、 粒界 の 3 重点 の よ う な 箇所 に ど う し て も 空隙が残留す る 。 こ の 空隙が 3 次元的 に 連結 し て い る か ど う か は ほ と ん ど そ の 相 対密度 に よ っ て 決定 さ れ、 前記 の 如 く 相 対密度 で 約 9 4 % が境 と な る 。

—方、 粉末 冶 金法 に お い て は 、 加熱 さ れ た 粉末 成形体が金型 も し く は ダ イ ス と 接触す る 部分、 つ ま り 表層 部 に は空隙 を 代表 す る 表層 欠 1¾ と 粉末 の 未着部が発生す る た め 、 一般 に 黒皮 の 残存 し た 状 態 で の 強度 は低 く な る 。

こ の原因と し て ま ず、 加熱 さ れ た 粉末成形体が 金型 も し く は ダ イ ス と 接触す る た め に 粉末成形体 の 表層部の S度が低下 し 、 粉末が変形 し に く く な り 粉末表面 の 酸化皮膜が十分 に分断 · 破壌 さ れ な い た め に 粉末間で 金厲結合及 び拡散接合が抑制 さ れて 粒界 の 3 重点 の よ う な 箇所 に 空膝が残留す る 。 こ れ に 対 し て 金型温度 を 上 げ る こ と は有効で は あ る が金型 と 粉末成形体 と の 焼 き 付 き が生 じ や す い 傾 向 に な る た め 高寸法精度 を 確保 す る と い つ た 観 点 か ら は 不適 で あ る 。

ま た 、 加熱 さ れ た 粉末成形体 の 表面 は 大気 中 の 水分 を 吸着 す る た め 表層 部 は 酸化性雰囲気 に さ ら さ れ、 粉末表面 に 酸化皮膜が生成 し や す く 粉末 ど う し が圧着 · 結合 し に く い 状態 に な る と と も に 熱 間加工中 に粉末成形体内 に 残存 し て い る 水分及び そ の他 の 有機性成分 は蒸発 · 分解 さ れて 粒界を経 て大気 中 に 放散す る が温度 の 低下 し た 表層 部 に お い て は そ の 蒸発 · 分解が不十分 と な り 、 粉未 ど う し の結合性 が低下す る た め に十分 な 強度が得 ら れ な く な る 。

そ こ で 、 第 1 工程 と し て は粉末成形体 の 相対密 度を連結空孔 を有す る 範囲 （ 7 5 〜 9 3 % ) に と ど め 、 そ の成彤体を窒素 も し く は ア ル ゴ ン 等 の不 活性ガ ス雰囲気中 で加熱 （ 第 2 工程 ） し た 後、 第 3 工程 に て 材料の 降伏強度が低 い状態 と な る 熱間 で粉末粒子間 の結合を お こ な う と と も に 空孔 を 孤 立化す る 。 こ の と き 、 中央内部 に は孤立空孔を残 留 さ せ た 状態で 、 前記 の 表層 部欠陥 を 除ま す る 目 的で 表層 部 に せ ん断変形を 与 え て 塑性流動 を 生 じ さ せ 、 粉末表面 の 酸化皮膜を 十分 に 分断 · 破壌 し て 粉末 ど う し を 完全 に 圧着 · 結合 さ せ る こ と に よ り 表層部 の ち 密化 を 図 る 。 そ し て 続 く 第 4 工程で 中 央 内 部 に 残留 さ せ た 孤立空孔 を 利 用 し て サ イ ジ ン グ処理 を 行 う 。

な お 、 本工程 に お い て は 残留空孔 が不 可欠 で あ り 粉未固化体 の 強度 に お よ ぼ す 残留空孔量 の 影響 に つ い て 調査 し た 結果、 残留空孔 が存在 す る 状態 で 真密度 の 状態 と 比較 し て 十分 な 固化体強度 を 有 す る た め に は図 1 で 示 す よ う に 粉末固化体 内 の 空 孔率力く 2 〜 5 % と な る 変形 を 与 え る 必要 が あ る こ と が判 明 し た （ 使用 し た 粉末 の 成分組成 を 表 1 に 示す ） _β ま た 、 残留空孔 を 利 用 し た サ イ ジ ン グ処 理 に は適正量 の 空孔が必要で あ る が、 そ の 量 は ァ ル ミ ニ ゥ ム 粉末合金で 本工程 の 場合、 図 1 に 示す よ う に 2 %以上 あ れ ば可能 で あ る こ と が判明 し た も ち ろ ん 、 そ れ以上 の 空孔量が あ っ て も サ イ ジ ン グ処理 は 可能で あ る が前記 の 如 く 、 強度特性 の 劣 化 の 点で こ れ以上 の 空孔量 を 許容 す る こ と は実質 的 に 困難 で あ る 。 空孔量が 2 %以下 に な る と 逆 に サ イ ジ ン グ が限 り な く 鷇造 に 近づ き 変形抵抗 の 増 大 、 残留 歪 の 増 大、 焼 き 付 き の 発生 な ど の 問題が 発生 し て 寸法精度 を 劣化 さ せ る こ と が 明 ら か に な つ た 。

次 に 、 上記 の 第 1 〜第 4 工程 に つ い て 詳細 に 説 明 す る 。

[ 第 1 工程 ]

粉末固化体 の 中央内 部に 孤立空孔 を 残留 さ せ て 第 3 工程 の 熱間塑性加工に よ っ て 成形固化す る に は、 熱間加熱状態で粉末成形体 内部 に 存在す る 水 分や そ の 他 の 有機性成分を 十分 に 分解 し て 粒界を 経て 成形体外に放散 * 除去す る 必要があ り 、 そ の た め に は第 1 工程で の成形体 の 相対密度 は連結空 孔が存在す る 範囲 （ 7 5 〜 9 3 % ) で な け れ ばな ら な い 。

ま た 、 本発明 は高性能 な ア ル ミ ニ ウ ム 合金で高 寸法精度の 機械構造部品を 製造す る こ と が 目 的で あ る か ら 、 複雑形状が創製で き る こ と が重要な課 題で あ り 、 こ の 目 的 に は第 1 工程 に て粉末 を 冷間 で 圧縮成形す る こ と に よ り 複雑 な 粉未成形体を つ く る こ と も で き る が、 や や 単純 な 形状 の 場合 に は 温間て' 成形す る こ と で よ り 容易 に 粉末成形体 を つ く る こ と がで き る 。 本方法 の 実施 に は比較的粗 い 粉末 を 使用 す る こ と が望 ま し い 。 そ の 理 由 と し て は つ ま り 、 複雑 な 形状 を 有す る 高精度粉末固化体 を 創製す る 場合 に は 、 粉末成形体 の 各部位 で の 密 度 を 均一化 し て 熱間加工時 の 寸法変化 の バ ラ ツ キ ₅ を 抑制す る 必要 が あ る 。 そ の た め に は た だ で さ え 流動性 の 悪 い ア ル ミ 二 ゥ ム 微粉末 を 高速 で ハ ン ド リ ン グ し て 型 内 に 均一 に 充塡 す る こ と は極 め て 難 し い の で 粉末 の 流れ性 を 改善 す る た め に 粗粒粉末 の 使用 は有効 で あ る 。 ま た 、 微粉末 を ハ ン ド リ ン

I 0 グ す る 上 で重要 な こ と は金型 と の ク リ ア ラ ン ス へ の脱落粉末 に よ る 焼 き 付 き の 防止 で あ る 。 こ の 目 的 に も 粗粒粉末 は 望 ま し い 。

[ 第 2 工程 〗

加熱処理 は ア ル ミ ニ ゥ ム 合金粉末粒子 に 吸着 し _{l s} て い る 水分及 び そ の 他 の 有機成分を 蒸発 · 除去 し て 粉末 ど う し を 完全 に 結合 さ せ る の に 必要不可欠 な 工程 で あ り 、 そ の 適正 な 加熱処理条件 と し て 、 窒素 も し く は ア ル ゴ ン な ど の 不活性 ガ ス 雰囲気 中 に て 加熱温度 ： 3 0 0 〜 5 6 0 ΐ . 加熱保持時間 : 0 . 2 5 〜 3 時間 と 設定 し た 。 加熱温度が 3 0 0 'C 未満 ま た は加熱時間が 0 . 2 5 時間未満 の 場合 に は粉末粒子 に 吸着 し て い る 水 分及び そ の 他 の 有機成分を 十分 に 蒸発 · 除去す る こ と がで き な い 。 し か し な が ら 、 前記 の 如 く 3 0 0 ΐ 以上 に 粉末予備成形体を 加熱す る こ と に よ り ア ル ミ ニ ウ ム 合金粉末粒子に吸着 し て い る 結晶水 を蒸発 さ せて も 再度ア ル ミ 二 ゥ ム と 反応 し て酸化 ア ル ミ ニ ウ ム 皮膜を粉末表面に 生成 す る た め 粉末 ど う し の結合が阻害 さ れ る 。 そ こ で粉末予 铕成形 体を窒素 も し く は ア ル ゴ ン な ど の不活性ガ ス 雰囲 気中 に て加熱す る こ と に よ り 蒸発 し た結晶水 と ァ ル ミ ニ ゥ ム と の 再反応 に よ る 酸化 ア ル ミ ニ ウ ム 皮 膜の 生成を 抑制す る こ と がで き る 。 一方、 加熱温 度が 5 6 0 て を越え る か も し く は加熱時間が 3 時 間を越え る と 粉末内 の微細組織が損 な わ れて 急冷 凝固に よ り 得 ら れた 粉末 自 体の 特性を 失 う こ と に な る 。 し た が っ て 、 粉末予備成形体 の 適正 な 加熱 処理条件 と し て 窒素 も し く は ア ル ゴ ン な ど の 不活 性ガ ス 雰囲気 中 に て 加熱温度 ： 3 0 0 〜 5 6 0 て 、 加熱保持時間 ： 0 . 2 5 〜 3 時間 を 設定 し た 。 [ 第 3 工程 〗

熱間加工条件 に 関 し て は ま ず第 1 の 方法 と し て 、 温度範囲 ： 3 0 0 〜 5 6 0 て に て 軸方 向 圧縮 に よ り 熱間 コ イ ニ ン グ を 実施 し 、 引 続 き 、 押 出 比が 3

₅ 以下 の 熱間押出 工程 に よ り 粉末成形体 の 表層 部 に せ ん断変形 を 与 えて 塑性流動 を 生 じ さ せ 、 表層 部 の 微小空隙を 完全 に 除去 し て 且つ 中央 内部 に 孤立 空孔 を 残存 さ せ て 全体 と し て の 空孔率が 2 〜 5 % の 粉末固化体 と す る 方法が あ る 。 こ こ で 、 押 出比

,。 が 3 を 越え る と 押 出 し に よ る 塑性流動が 中央内部 に ま で 至 り 、 中央 内部 の粉末 ど う し が圧着 · 結合 し て ち 密化す る た め サ イ ジ ン グ処理 に 必要 な 空孔 が残存せ ず、 寸法修正 が不 可能 と な る 。

次 に 第 2 の 方法 と し て 、 加熱粉末成形体 を 熱藺

_{1 5} で 先ず熱間押出加工 を 実施す る 方法に よ っ て も 第

1 の 方法 と 同 じ 効果が得 ら れ る が、 そ の 場合 に は 、 加圧面 と 対 向 す る 面 に 背圧 を 付加 す る こ と に よ り 表層 部 の 割 れ発生 を 防止 し て 健全 な 粉末固化体 を 確保 す る 必要 が あ る 。

[ 第 4 工程 ] サ イ ジ ン グ処理 は 冷間即 ち 積極的 に 金型を加熱 し な い で常温 の ま ま で 使甩す る 方法 も し く は金型 を 温度制御 し て 温間状態即 ち 3 0 0 'C 以下で 使用 す る 方法 の い ずれ も 使用 す る こ と がで き る 。 こ の 条件 の 選択 は形状、 第 2 工程で の 寸法精度、 鏺造 す る 材質な ど に よ つ て最適 な条件 の 組合せ を 選ぶ こ と に な る 。 サ イ ジ ン グ時 に は一般 に 使用 さ れ る 油な ど の 液体 ま た は固体潤滑剤を 使用 す る こ と が 望 ま し い 。

な お、 こ の よ う に し て 得 ら れ る ア ル ミ ニ ウ ム 粉 末合金製 ロ ー タ 部材 の 強度を さ ら に 向上 さ せ る 場 合に は T 4 処理や T 6 処理 と い っ た 公知の熱処理 を実施す る こ と も 本発明 に お け る 遷移元素系 ア ル ミ ニ ゥ ム 粉末合金 に 対 し て は 可能で あ る 。

[ 実旌例 1 ]

表 2 に 示す配合組成 の A 〜 0 の 急冷凝固 ア ル ミ 合金粉末を 用 い て 表 3 に 示す製造条件 で外径 8 0 m m X 内径 6 O m m X 厚 さ 1 O m mの リ ン グ を 作 っ た 。 表 2 の A 〜 J の 材料 は本発明 の ロ ー タ 材、 K 〜 0 は比較合金で あ る 。 ま た 、 表 3 の Ν 0 1 〜 Ν 0 1 5 の 試 ^ は 本発明 の 方法 で N o l 6 〜 N o 2 0 の 試料 は 比較 の 製法 で 各 々 作 っ た 。 そ し て 、 れ 等 の 各 5 試料 に つ い て サ イ ジ ン グ 後 の 特性 （ 引 張強 度及び伸硬び ） と 寸法精度 （ 内 · 外径 の 真 円度 と 厚 さ バ ラ ツ キ ） を 調 べ た 。 そ の 結果 を 表 3 に 併せ て 子

示 す

V

表 3 に お い て

N 0. 1 〜 1 0 ： 本発 明 の Z 請求範囲 内 の 合金及 び 製法 に よ り 作製 し た 部材

N o. 1 1 〜 1 5 ： 比較用 の 合金 を 本発明 の 請求範 囲 内 の 製法 に よ り 作製 し た 部材 1 1 ； S i 添加量 0 ( →表 4 で の ポ ン プ性能試 験 に て 凝着摩耗 · 擦れ傷 が発生 ）

1 2 ； S i 添加量 が多 す ぎ る た め に 強度 * 靱性 低下

1 3 ; 遷移系 金属 元素 （ F e , N i , C r ) の 合計添加量が 1 5 % を 越 え て い る た め に 強度 · 靱性低下

1 4 ； 同 上

M o ) の 合計添加 量力 5 %を越え て添加 し て い る た め に 強 度 · 靱性低下

N 0 . 1 6 〜 2 0 ： 比較の 製法で 作製 し た 部材

1 6 ； 適正範囲以上 の 温度に て 加熱 し た た め に 組織が粗大化 し て靱性低下

1 7 ； 適正範囲 よ り も 長時間加熱 し た た め に 組 織が粗大化 し て強度 * 靱性低下

1 8 ； 大気中雰囲気 に て加熱 し た た め に 粉末表 面 に酸化皮膜を生成 し、 そ の結果、 粉末 同士 の 桔合が損 な われて強度 * 靱性が低 下

1 9 ； 熱閎錢造後 サ イ ジ ン グ処理を し な か っ た た め に 内 · 外径寸法精度が悪 く 、 ま た 厚 さ ば ら つ き も 大 き い

2 0 ； 同 上

[ 実旌例 2 ]

図 2 に 示す よ う な 歯面形状 を有す る オ イ ル ボ ン ブ用 ア ウ タ ー ロ ー タ 1 、 ィ ン ナ ー ロ ー タ 2 を 表 2 の A 〜 0 の 粉 末材料を 用 い て 本発明 の 方法で 製造

4 の 組合わせ に し て ポ ン プ ケ ー ス 3 内 に 組 込み、 回転数 ： 7 0 0 0 r p m 、 温度 ： 1 5 0 て 、 油圧 ： 2 0 kg / cm ² 、 運転時間 ： 5 0 時間 の 摺動 条件 で の 運転 に よ る ポ ン プ性能 の 評価試験 を 行 つ た 。 そ の 結果を 表 4 に 併せ て 示 す。

表 4 に 見 る よ う に 本発 明合金 同士 の 組 み合わせ で は摺劻時 に お け る ロ ー タ の 損傷 も 無 く 良好で あ る の に 対 し 、 比較合金 と 組み合わせ た 場合 も し く は比較合金同士で ロ ー タ を 作製 し 、 摺動 さ せ た 場 合に は凝着摩耗や擦れ傷 · ロ ー タ の 割れ等 の 問理 が発生 し た ，

以上述ベ た よ う に 、 本発明 の 方法 に よ れば、 急 冷凝面 A £ 合金粉末 を 材料合金 の 特性を 維持 し な が ら 1 面 の 熱藺鏟造で 強固 に 結合 さ せ 、 そ の 後 の サ イ ジ ン グ処理で 高精度 に 仕上 げ る こ と がで き る ， 産 業 上 の 利 用 可 能 性

ま た 、 こ の 方法で 得 ら れ る 本発明 の オ イ ル ボ ン ブ用 ロ ー タ は粉末 の 結合 が強固 に な り 、 かつ寸法 精度が高 ま る と 云 う 製造方法 の 効果 と 材料組成 の 改善 に よ る 効果 （ 摩耗摺動特性並び に 高温強度が 高 ま り 、 熱膨脹率 は ポ ン プ ケ ー ス 用 A £ 合金 に 近 づ く ） の 双方が生か さ れ、 高温下で 使用 し て も 信 頼性が低下 し な い。 従 っ て 、 本発明 に よ れ ば A £ 合金化を図 っ た 軽量 の A Z T 用 オ イ ル ボ ン プを提 供す る こ と が可能 と な り 、 自 動車の 燃費改善や周 辺部品 の軽量化 に よ る ボ ン ブ性能 の 更な る 向上等 に つ な が る 。

表 1

表 2

(A〜 J；本発明^^、 K〜0； ibR^kSKi) 表 3

(1〜1 5；賴明の繊による^ ¾ 1 6〜2 0；賺の纖による^ 表 4

◎： m ^mm^くボン

厶：アウターロータとポンブケース簡で^

V：ロータの ffiS^にて 2 ^^もしく れ X : 中にロータ割れ

Claims

請求 の 範囲

( 1 ) 内周 部ま た は外周部 の い ずれか一方 に ト ロ コ ィ ド 曲線 ま た は ィ ン ボ リ ュ ー ト 曲線 ま た は そ れ ら と 同等 の 性能 を 有 す る ボ ン プ用 歯面形状 を 有す る ア ウ タ ー ロ ー タ も し く は イ ン ナ ー ロ ー タ の い ず れか一方 も し く は 双方 を粉末冶金法 に よ り 創製す る こ と を 特徴 と す る ア ル ミ ニ ウ ム 粉末合金製オ イ ル ボ ン プ用 ロ ー タ 。

( 2 ) 重量基準 で

ぐ 第 1 合金元素 >

S i ： 5 〜 1 7 %

ぐ 第 2 合金元素 >

F e , N i , C r か ら 選 ばれ た 遷移金属元素を F e : 3 〜 ： L 0 % , N i : 3 〜 ： 1 0 % , C r ： 1 〜 8 % の 範囲内 に お い て 1 種 も し く は 1 種以上で 合計添加量が 1 5 % を 越え な い 。

く 第 3 合金元素 >

0 , V , Z r か ら 選 ばれ た 1 種 ま た は 1 種以 上 の 合 金元素 を そ れ ぞ れ 1 〜 5 %、 合計 て' 5 % を 越 え な い _c < 第 4 合 金 元素 >

C u ： 1 〜 5 % , g : 0. 2 〜： 1. 5 % , M n ： 0. 2 〜 1 % を 含 み 、

残都 ア ル ミ ニ ゥ ム お よ び 不 可避 的不純物 か ら な る 急冷凝固合金粉末 を 原料 と し た ア ル ミ ニ ゥ ム 合金 で あ り 、 常温 お よ び高温 に お い て 優 れ た 機械的特 性 を 有 す る こ と を 特徴 と す る 特許請求 の 範囲第 1 項記載 の ア ル ミ 二 ゥ ム 粉末合金製 ォ ィ ル ポ ン プ用 ロ ー タ -

( 3 ) 所定 の 組成 を 有 し 、 且つ 1 0 ² 〜 1 0 ⁶ て 秒 の 冷却速度を 有す る 急冷凝固 ア ル ミ 二 ゥ ム 合 金粉末 を 原料 と す る こ と を 特徴 と す る 特許請求 の 範囲第 1 、 2 項記載 の ア ル ミ ニ ウ ム 粉末合金製 ォ ィ ル ポ ン プ用 ロ ー タ 。

( 4 ) ア ル ミ ニ ウ ム 合金粉末 を 冷間 も し く は温間 成形 し て 成形密度 7 5 〜 9 3 % の 成形体 を 得 る 第 1 工程 、 上記成形体 を 窒素 も し く は ア ル ゴ ン 等 の 不 活 性 ガ ス 雰 囲 気 中 に て 温 度 ： 3 0 0 〜 5 6 0 て 保持時間 ： 0. 2 5 〜 3 時間 の 加熱処理 を 行 う 第 2 工程 、 そ の 粉 末 成 形体 を 3 0 0 〜 5 6 0 て の 温度 で 押出比が 3 以下 の 熱間押 出 加工 し た 後、 軸方向 圧縮す る か、 ま た は逆 に そ の 粉末成形体を ま ず軸 方 向 に 圧縮 し 空？し率を 3 〜 5 % と し た 後、 熱間押 出加工 を 行 う こ と に よ り 、 軸方向 に 並行 な 金型面 と 接触す る 固化体部分 の 表層 部 の 微小空孔を 完全 に 除去 し 且 つ 中央内部 に 独立空孔が残存 し て い る 状態 の 空孔率 2 〜 5 % の 固化体 と な す第 3 工程、 第 3 工程で 得 ら れた 固化体を 冷間 も し く は温間で サ イ ジ ン グ処理 し て 仕上 げ る 第 4 工程 を 経 る こ と を 特徴 と す る 従来 の ア ル ミ ニ ウ ム 鍛造品 に 比べ て 高 い寸法精度を 有す る 特許請求 の 範囲第 1 、 2 、 3 項に 記載 し た ア ル ミ ニ ウ ム 粉末合金製オ イ ル ポ ン プ用 ロ ー タ の 製造方法。

( 5 ) 上記第 3 工程 は、 成形体を 温度 3 0 0 〜 5 6 0 て 、 保持時間 1 5 分〜 3 時間 の 条件で 予備加 熱 し 、 さ ら に 金型温度を 3 0 0 〜 5 6 0 て に し て 行 う こ と を 特徴 と す る 特許請求 の 範囲第 4 項 に 記 載 し た ア ル ミ ニ ゥ ム 粉末合金製オ イ ル ボ ン ブ用 π ー タ の 製造方法。