JPH0474402B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、超耐熱耐摩耗Al合金に係り、苛酷
な条件下での使用可能なアルミニウム合金および
その合金製造用複合粉末に関するものである。 近年、自動車用エンジンおよび航空機等の材料
は、省エネルギー・高性能化の必要から小型軽量
化、高出力化が図られ、それに伴つてピストン等
に使用される材料は、従来よりも高荷重・高温度
の厳しい条件下での使用に耐えることが要求され
ている。 自動車用ピストンを例にとれば、従来のピスト
ン用Al合金は、AC8BといつたAl−Si系の鋳造材
が用いられている。しかし鋳造法では、20％以上
の高Si量にすることは、偏析や初晶の粗大化の問
題もあつて、上記要求を満たすことは困難であ
る。従つて近年、急冷高Si含有アルミニウム合金
粉を出発原料として用い熱間押出法等によつて無
気孔の均一微細結晶粒の耐熱耐摩耗アルミニウム
合金材料の開発が開始されている。 しかしながら、急冷粉末を用いる場合には、緻
密化のための成形時の加熱による粒成長等の問題
もあり、おのずと製造方法に限界がある。又急冷
粉末中への分散粒子添加は技術的に困難である。
つまり急冷法だけにもとずく分散粒子添加による
強化によつてより一層耐熱耐摩耗性を向上させる
ことは、今まで実現していなかつた。 本発明は係る従来技術の問題点を解決するため
になされたものであり、メカニカルアロイングと
いう新手法によつて、過飽和固溶体・均一微細結
晶粒を有する急冷粉末の長所を保存し（ないし急
冷粉末と同様の効果を混合粉のメカニカルアロイ
ング処理それ自身によつて得）つつ、分散粒子添
加による分散強化効果の重複による二重の効果に
よつて、従来の鋳造材や溶製材ならびに最近開発
途上の急冷粉末による材料よりも優れた耐熱・耐
摩耗性を有するアルミニウム合金およびその合金
製造用複合粉末を提供することを目的とする。 係る目的は、本発明によれば、急冷Al合金粉
99.5〜90容積％と炭素粉（黒鉛粉）0.5〜10容積
％とをメカニカルアロイングして粉末を得、その
粉末を型押・焼結法、ホツトプレス、焼結鍛造、
粉末圧延、熱間静水圧、熱間押出の各種成形処理
を行うことによつて得られる。また急冷アルミニ
ウム合金粉と同様な性質を、それと同組成配合し
た混合粉と炭素粉（黒鉛粉）のメカニカルアロイ
ングによつて得られる。メカニカルアロイング処
理とその後の成形前の加熱中、成形体の熱処理中
に、当初の炭素（黒鉛）は炭化物Al₄C₃になり、
これが細かく均一に分散して合金の強化に寄与す
る。 以下、本発明のアルミニウム合金およびその合
金製造用複合粉末について説明する。 本発明は、急冷粉末の微細結晶粒等の効果によ
るマトリツクスの強化とメカニカルアロイングに
よる分散粒子（Al₄C₃）強化の相乗効果によつ
て、耐摩耗性を維持したまま著しく耐熱性を向上
させることができるとの知見に基づきなされたも
のである。 本発明において、メカニカルアロイング処理前
の素材粉として用いるAl−Si系急冷粉あるいは
混合粉においてSi量を重量比５〜30％と限定した
理由は、重量比５％Si以下では、鋳造法で容易に
製造できるししかも耐摩耗性が低いためであり、
重量比30％Siを越えると耐摩耗性は高くなるが粉
末の熱間成形およびその後の塑性加工が困難にな
るためである。 Cuは合金の熱処理による析出強化のために、
Mgは固溶強化のために、目的に応じて添加す
る。室温強度が重要でない場合には、無添加でさ
しつかえない。 後のメカニカルアロイング処理や熱間加工によ
つてAl₄C₄という炭化物粒子となる炭素粉（黒鉛
粉）の容積比を0.5〜10％と限定した理由は、容
積比0.5％以下では分散強化の効果がなく、容積
比10％以上ではかえつて脆くなり、メカニカルア
ロイング粉末の熱間成形加工および合金の塑性加
工が困難となるためである。 Al−Fe系急冷粉あるいは混合粉においてFe量
を重量比２〜12％と限定した理由は、重量比２％
Fe以下では耐熱耐摩耗の効果が少ないためであ
り、重量比12％Fe以上では、メカニカルアロイ
ング処理後の粉末の熱間加工性および合金の塑性
加工性が悪くなるためである。Co、Ni、Cr、
Mn、Ce、Ti、Zr、Mo等の遷移金属の添加は、
合金特性の一層の向上と粉末の成形加工性の向上
のために添加することが望ましいが、添加しなく
ても差しつかえはない。重量比７％以上添加し
Fe量よりも多量になるような場合でも全く問題
はないけれども、その場合には高価につくので、
重量比７％以下と限定した。 Al−Si−Fe系急冷粉あるいは混合粉と炭素粉
（黒鉛粉）をメカニカルアロイングすることは、
Al−Si系とAl−Fe系の両者の優れた性質を合せ
もたせる効果が得られるという知見にもとずいて
いる。特に組成が重量比10〜14％Si、重量比４〜
６％Feとなるメカニカルアロイング粉は、熱間
加工性に優れ、しかもAl合金の一般的弱点であ
る高熱膨張率を克服する効果があり、超耐熱耐摩
耗という特性に加えて低熱膨張という性質を加味
する。 アルミニウム粉のメカニカルアロイングは、ア
ルミニウム合金組成に依存して、十分に均一にメ
カニカルアロイングする以前に造粒して塊状にな
る場合が生じる。通常、高硬度の急冷粉末の場合
には上記現象は生じにくいが、純アルミニウム粉
や他の純金属粉との混合粉のメカニカルアロイン
グの場合に生じやすい。そのような場合には、
水、油、有機溶剤を適量（容積比0.05〜３％）添
加することによつて造粒を防止し、十分なメカニ
カルアロイングが確保されるようにしなけらばな
らない。添加した水、油、有機溶剤は、熱間加工
前のメカニカルアロイング粉末ないしその成形体
の加熱あるいは脱気処理によつて抜けるか、炭化
物Al₄C₃として分散する。 実施例 １ ガスアトマイズ法で製造された100メツシユ以
下の急冷アルミニウム合金粉末（組成Al−12Si
−5Fe−4.5Cu−1Mg）と炭化粉（カーボンブラ
ツク）とを、容積比で97：３に混合し、乾式アト
ライターにて５時間処理した。粉末は、メカニカ
ルアロイングによつて造粒粗大化し、平均粒径約
１mmとなり、組織はメカニカルアロイング特有の
波状になつている（第１図参照）。Siの初晶は全
く見られない。粉末のマイクロビツカース硬さ
は、250を越える。 上記粉末をAl製シースに入れ、450℃で２時間
加熱後、押出比10：１で熱間押出成形を行つた。
押出した本合金の諸性質を第１表に示す。1000倍
程度の光学顕微鏡では確認できないほど微細な組
織を有し300℃で30Kg／mm²を超える引張強さを有
している。又低熱膨張係数である。

【表】 実施例 ２ 第２表記載の各種組成の急冷粉、混合粉と炭素
粉（カーボンブラツク）或は黒鉛粉を乾式のボー
ルミルにて10日間メカニカルアロイング処理し、
その粉末を冷間静水圧プレス4t／cm²で成形後、
450℃で２時間加熱し熱間押出成形加工を行つた。
得られた合金の密度、ロツクウエル硬さ（Ｂスケ
ール）、室温及び300℃での引張強さを第３表に示
す。いずれも高温での強さに優れており、単なる
急冷粉のみからなる合金よりも、炭素粉（或は黒
鉛粉）とのメカニカルアロイング処理によつて
300℃で10Kg／mm²以上も高い引張強さを有してい
ることが確認できる。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例１のメカニカルアロイン
グして得られた粉末の400倍拡大の顕微鏡写真を
示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 急冷アルミニウム合金粉または混合粉（純金
   属粉ないし母合金粉末かならる）99.5〜90容積
   ％、炭素粉（又は黒鉛粉）0.5〜10容積％および
   以上の合計量に対しさらに潤滑剤として水、油、
   有機溶剤等を0.05〜３容積％添加して混合し、更
   にメカニカルアロイングして上記成分を均一微細
   に分散させたことを特徴とする超耐熱耐摩耗アル
   ミニウム合金製造用複合粉末。 ２ 急冷アルミニウム合金粉または混合粉が重量
   比でSi5〜30％、Cu5％以下、Mg2％以下、Al残
   部の組成あるいは重量比でFe2〜12％、Co・
   Ni・Cr・Mn・Ce・Ti・Zr・Moよりなる群より
   選ばれた１種又は２種以上を７％以下、Al残部
   の組成よりなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の超耐熱耐摩耗アルミニウム合金製造
   用複合粉末。 ３ 急冷アルミニウム合金粉または混合粉が重量
   比でSi5〜15％、Fe2〜12％、Cu5％以下、Mg2％
   以下、Co・Ni・Cr・Mn・Ce・Ti・Zr・Moよ
   りなる群より選ばれた１種又は２種以上を７％以
   下、Al残部よりなることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の超耐熱耐熱摩耗アルミニウム
   合金製造用複合粉末。 ４ 特許請求の範囲第１項〜第３項記載の粉末を
   用いて、熱間加工によつて固化され、炭素（又は
   黒鉛）の全量とAlで形成されたAl₄C₃及びSi、Fe
   等アルミニウム以外の成分がアルミニウムマトリ
   ツクス中に均一微細に分散されており、ロツクウ
   エルＢスケール硬度75以上、300℃での引張強さ
   26Kg／mm²以上の超耐熱耐摩耗アルミニウム合金。