JPH0261022A - 耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は耐熱性と耐摩耗性に優れるアルミニウム合金材
およびその製造方法に関するものである。

（従来の技術） 内燃機関のシリンダーブロック、シリンダーライナー、
ピストン、ロッカーアームおよびコンプレッサーのベー
ン、ＶＴＲ用シリンダー等では摺動部において耐摩耗性
、耐熱性、低熱膨張率などの特性が特に必要とされてい
る。

一方、これらの部材の材料をアルミニウム合金とできれ
ば、軽量化に伴なう多くの利点が得られることは明白で
ある。耐摩耗性の良好なアルミニウム合金としては、Ａ
ｌ１−３ｉ系合金のＡＣ３Ａ、ＡＣ４Ａ、ＡＣ８Ａ等の
鋳物用合金や、ＡＤＣｌ、ＡＤＣ３、ＡＤＣｌｏ、ＡＤ
Ｃｌ２等のダイカスト合金（以上、合金記号はＪＩＳ規
格による。）がある。またＳｉ以外の第三元素（例えば
Ｃｕ、Ｍｇ等）を添加したＡ３９０（Ａｉｃｏａ規格）
等の合金か知られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、これらの従来のアルミニウム合金材は、
上記の内燃機関におけるシリンダーブロック、シリンダ
ーライナーなどの部材とするにはまた満足できるもので
はなかった。

すなわち、前記従来のアルミニウム合金は鋳造用合金で
あって、耐摩耗性についてはある程度満足したものが得
られているが、耐熱性、加工性の良好なものは得られて
いない。そこて特に重要とされる耐熱性および耐摩耗性
をともに改善するために、多量のＳｉやＦｅ、Ｎｉ等を
添加することが試みられたが、鋳造時に添加元素の偏析
や初晶の粗大化等が発生してしまい、本来の強度、伸び
靭性等の特性をかえって著しく低下させる結果となって
しまった。

したがって、本発明は強度、伸びおよび靭性等を改善し
た耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材を提供することを
目的とする。

また本発明は、強度、伸びおよび靭性等を改善した耐熱
、耐摩耗性アルミニウム合金材の製造方法を提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは上記課題を解決するため鋭意研究を行った
結果、特定の高ケイ素アルミニウム合金組成の溶湯な急
冷凝固させたものを圧縮成形加工することにより上記目
的を達成しうろことを見出しこの知見に基づき本発明を
完成するにいたった。

すなわち、本発明は（１）Ｓｉ５〜３５重量％（以下単
に％と記す）、Ｆｅ　１〜１５％、Ｖｏ、３〜５％を含
み、かツＭｎ　Ｏ，：１〜１０％、Ｚｎ０．１〜５％、
Ｗ０．１〜５％のうち１種または２種以上を含み、Ｓｉ
を除いた添加元素の総量が２５％を越えない量であり残
部か人文と不可避的不純物を有してなり、初晶Ｓｉ粒子
の平均粒径か２０μｍ以下であり、Ｆｅを含む金属間化
合物の平均サイズか２ルｍ以下であることを特徴とする
耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材及び（２）Ｓｉ５〜
３５重量％、Ｆｅｌ〜１５％、Ｖｏ、３〜５％を含み、
かッＭｎＯ，３〜ｔｏ％、Ｚｎ０．１〜５％、Ｗｏ、１
〜５％のうち１種または２種以上を含み、Ｓｉを除いた
添加元素の総量が２５％を越えない量であり残部がＡＭ
と不可避的不純物を有してなるＡ文合金溶湯を急冷凝固
法により凝固させて粉末状、リボン状薄帯、フレーク状
または線状物を形成し、これを圧縮成形加工することを
特徴とする耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材の製造方
法を提供するものである。

本発明のアルミニウム合金材において各成分範囲を限定
した理由は以下の通りである。

Ｓｉ含有量は、５〜３５％とする。すなわち、Ｓｉは急
冷凝固中に初晶または共晶Ｓｉ粒子として微細に分散し
、＃摩耗性を向上させる作用かあり、初晶Ｓｉ粒子の大
きさおよび量は、合金の凝固速度、Ｓｉ含有量に依存し
、凝固速度か大きいほど初晶Ｓｉ粒子は小さくなるが、
Ｓｉ含有量か多くなるにつれて粗大となる。したかって
Ｓｉの含有量は３５％を限界とする。Ｓｉ含有量が３５
％を越えると初晶Ｓｉが粗大となり、強度、靭性１機械
加工性か劣化する。また５′Ｘ未満では、１酎痒耗性の
改善効果か小さすぎて、耐摩耗性材料として利用できな
い。

Ｆｅ含有量は、１〜１５％とする。すなわちＦｅは急冷
凝固中に金属間化合物として微細に分散して高温強度を
高める作用をするか、Ｆｅ含有量か１％よりも少ない場
合はその作用か十分てなく、他方１５％を越えて含有さ
れてもその作用の向上がないばかりでなく、金属間化合
物か粗大となって高温強度か低下する。

■含有量は、０．３〜５％とする。すなわち■はＦｅを
含む金属間化合物の熱的安定性を高める作用と、その化
合物を微細化する作用かある。これら作用によって高温
強度を高める。この作用はＶ含有量が０．３％よりも少
ない場合は十分てなく、他方５％を越えてもその作用は
向上しないばかりかコストの上昇をもたらす。

Ｍｎ、Ｚｎ、Ｗは１種または２種以上を含有するものと
する。

Ｍｎ含有量は０．３〜１０％およびＺｎ含有量は０．１
〜５％とする。すなわちＭｎおよびＺｎは、それぞれ微
細な析出物を形成し、またその−部がＡｌ中に固溶する
ことによって強度を高める作用をする。この作用はＭｎ
含有量が０．３％、Ｚｎ含有量が０．１％よりも少ない
場合は十分でなく、他方Ｍｎ含有量が１０％、Ｚｎ含有
量が５％を越えてもその作用は向上しないばかりでなく
、靭性が低下する。

Ｗの含有量はＯ，１〜５％とする。すなわち、ＷはＶと
同様に、Ｆｅを含む金属間化合物の熱的安定性を高める
作用と、その化合物を微細化する作用がある。これら作
用によって高温強度を高める。この作用はＷ含有量が０
．１％よりも少ない場合は十分でなく、他方５％を越え
てもその作用は向上しないばかりかコストの上昇をもた
らす。

またＳｔを除いた含有元素の総量は２５％を越えない量
とする。すなわちＳｔを除いた含有元素の総量が２５％
を越えてもその作用の向上がないばかりでなく、コスト
の上昇をもたらす。

以上の各元素の残部はＡｌと不可避的不純物とからなり
、その不可避的不純物としてＢｅ、Ｂ。

Ｎａ、Ｃａ等が０．５〜５００ｐｐｍの範囲であれば、
本発明の合金材特性に影響をあたえるものてはない。

さらに本発明においては、初晶Ｓｉ粒子の平均粒径を２
０ＪＬｍ以下としており、これは、初晶Ｓｉ粒子の平均
粒径が２０μｍより大きくなると強度、靭性１機械加工
性が劣化するからである。

また本発明では、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サイズ
を２ＪＬｍ以下としている。これは金属間化合物の平均
サイズが２μｍより大きくなると、高温強度すなわち耐
熱性が劣化するからである。

次に本発明のＡｌ合金材は、前記組成の人文合金溶湯を
急冷凝固法により凝固させて粉末状、リボン状薄帯、フ
レーク状または細線状物を形成したものを圧縮成形加工
して製造したものである。

Ａｌ合金溶湯の冷却速度は、大きいほど初晶Ｓｉおよび
Ｆｅを含む金属間化合物は微細となり、通常１０２°Ｃ
／ｓｅｃ以上の冷却速度であれば初晶Ｓｉ粒子の平均粒
径が２０ｐｍ以下で、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サ
イズを２ＪＬｍ以下とすることがてきる。ｌＯ２°Ｃ／
ｓｅｃ以上の冷却速度か得られる急冷凝固法には１例え
ばアトマイズ法、回転円板法、ドラムスプラット法、急
冷ロール法等があり本発明ではいずれの方法を用いても
よい。

急冷凝固して得られた粉末状、リボン状薄帯、フレーク
状または細線状物をこのまま、または必要に応じて細片
化し、冷間予備成形→アルミニウム缶對入→加熱真空脱
ガス→熱間プレス成形→外削、脱臼→押出の工程で圧縮
成形加工する。この際、脱ガスの良好さ、加工性の良さ
から見ると加熱真空脱ガス、熱間ブレスおよび押出時の
温度は高いほど良いが、高温すぎるとＦｅを含む金属間
化合物が粗大化し、耐熱性が低下するので４００℃以下
とするのが望ましい。

なお、本発明においては上記製造工程によらなくても一
般のアルミニウム粉末冶金法ならいずれの方法を用いて
もよい。

（実施例） 次に本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明する。

第１表に掲げるＮｏ、１〜Ｎｏ、１２の合金溶湯から、
Ａｒガスアトマイズ法によって平均粒径７０ＪＬｍの粉
末を製造した。アトマイズにおける冷却速度は１０３〜
ｂ 次いで得られた各合金粉末を用いてそれぞれ冷間予備成
形（真密度の８０％まで圧縮、直径１００ｍｍ、長さ２
００ｍｍ）＋アルミニウム缶封入→高温真空脱ガス（３
００℃にて）→熱間プレス成形（真密度まで）→外削・
脱臼の工程により、直径８０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのビ
レットを作製し、これを３５０℃にて押出し、直径３０
ｍｍの押出棒とした。また第１表のＮｏ、１３〜Ｎｏ、
１５の合金については冷却速度２０°Ｃ／ｓｅｃの金型
鋳造を行い切削加工して直径８０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ
の押出ビレットを作製し、これを３５０℃て押出し、直
径３０ｍｍの押出棒とした。これら押出材の組織観察、
室温および２５０°Ｃ（保持時間１００ｈｒ）での引張
試験、大越式摩耗試験機による摩耗試験（乾式、摩耗速
度２．９１ｍ／ｓｅｃ、摩耗距離２００ｍ）を行って、
初晶Ｓｉ粒子の平均粒径、Ｆｅを含む金属間化合物の平
均サイズ、室温および高温強度、比摩耗量を測定した。

その結果を第２表に示す。

なお、初晶Ｓｉ粒子の平均粒径は次のようにして求めた
。すなわち、各押出組織を光学顕微鏡を用いて観察し、
その組織写真から初晶Ｓｉの大きさを画像解析装置を用
いて測定する。多数（１０００個以上）の初品について
測定を行い、その大きさを平均して初晶Ｓｉの平均サイ
ズとする。

また、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サイズは次のよう
にして求めた。すなわち、各押出材組織を透過型電子顕
微鏡を用いて観察し、その組織写真から化合物の大きさ
を画像解析を用いて測定する。多数（１０００個以上）
の化合物について測定を行い、その大きさを平均して化
合物の平均サイズとする。

第２表の結果か示すように、本発明合金材は比摩耗量か
小さく、室温および高温で高い強度を示しており耐摩耗
性、＃熱性に優れている。

すなわち、第２表の結果を具体的に説明するとＮｏ、　
ｌ　ｚＮｏ、　１０の実施例は、室温および２５０°Ｃ
での引張強さがそれぞれ良好な値を示しており比摩耗量
も小さい。

他方、Ｎｏ、　１１〜Ｎｏ、　ｌ　５の比較例において
、Ｎｏ、１１は室温および２５０°Ｃでの引張強さが実
施例に比較して極端に低く、また比摩耗量もかなり大き
くなっている。Ｎｏ、１２は室温での引張強さは良好で
あるか、２５０℃での引張強さが極端に低下しており、
比摩耗量もかなり大きくなっている。また、Ｎｏ、１３
、Ｎｏ、１４は室温および２５０°Ｃでの引張強さが実
施例に比較して極端に低く、また比摩耗量も極端に大き
くなっている。

さらにＮｏ、１５においては２５０℃での引張強さが極
端に低下しており、比摩耗量もかなり大きくなっている
。

（発明の効果） 本発明のアルミニウム合金材は、内燃機関のシリンダー
ブロック、シリンダーライナー、ピストン、ロッカーア
ーム、およびコンプレッサーのベーン、ＶＴＲ用シリン
ダー等に好適な、改善された強度、伸び、靭性等を有し
優れた耐熱耐摩耗性を有する。またこのアルミニウム合
金材はアルミニウム合金溶湯な急冷凝固法により凝固さ
せたのち、これを圧縮成形加工して製造されるから。

元素の偏析や初晶の粗大化が抑制され強度、伸び、靭性
等の特性の低下がない。また本発明の製造方法はアルミ
ニウム合金溶湯な急冷凝固させたものを圧縮成形するだ
けであるから、量産及びコスト低下に優れた効果を奏す
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　Ｓｉ５〜３５重量％、Ｆｅ１〜１５％、Ｖ０．
   ３〜５％を含み、かつＭｎ０．３〜１０％、Ｚｎ０．１
   〜５％、Ｗ０．１〜５％のうち１種または２種以上を含
   み、Ｓｉを除いた添加元素の総量が２５％を越えない量
   （以上、％は重量％を示す。）であり残部がＡｌと不可
   避的不純物を有してなり、初晶Ｓｉ粒子の平均粒径が２
   ０μｍ以下であり、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サイ
   ズが２μｍ以下であることを特徴とする耐熱、耐摩耗性
   アルミニウム合金材。
2. （２）　Ｓｉ５〜３５重量％、Ｆｅ１〜１５％、Ｖ０．
   ３〜５％を含み、かつＭｎ０．３〜１０％、Ｚｎ０．１
   〜５％、Ｗ０．１〜５％のうち１種または２種以上を含
   み、Ｓｉを除いた添加元素の総量が２５％を越えない量
   （以上、％は重量％を示す。）であり残部がＡｌと不可
   避的不純物を有してなるＡｌ合金溶湯を急冷凝固法によ
   り凝固させて粉末状、リボン状薄帯、フレーク状または
   線状物を形成し、これを圧縮成形加工することを特徴と
   する耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材の製造方法。