JPH0533002A - 高靭性高強度コンロツド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表面に酸化物層がない金属粉末を用いて高靭
性高強度のコンロッドを得る。 【構成】 減圧雰囲気または不活性ガス雰囲気の容器内
の金属粉末に対して振動等の機械的エネルギを与え，粉
末同志の接触により粉末表面を改質し，その後，熱間成
形加工を行って高靭性高強度のコンロッドを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高強度高靭性に優れた急
冷凝固アルミニウム粉末製コンロッドに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年，自動車等の分野における構成部材
の軽量化，高性能化，高負荷化が活発に検討されてい
る。従来の製造技術たとえばダイキャスト，低圧鋳造，
高圧鋳造，あるいは連鋳ビレットの押出，圧延で合金の
成分，熱処理を組み合わせた方法では耐熱性，耐摩耗
性，強度などの特性を向上させることが難しいため，急
冷凝固粉を用いた研究がさかんに行われている。自動車
の重要保安部品であるコンロッドについても，重量を鋼
製の場合の１／３程度にすることが出来れば回転数を高
くすることが可能であり，極めて軽量化の期待が持たれ
ている。

【０００３】しかしながら，図６に示すように，粉末表
面２０には，含水酸化物２１，吸着水を伴う酸化物２２
が存在しており，これらは粉末成形材の諸物性に悪影響
を及ぼす。すなわち，酸化物は粉末同志の圧着を妨げる
ために，粉末界面の接合が不十分で機械的性質に異方性
をもたらす。また，水素ガス量が高いために，粉末界面
にブリスタが発生し，同様に粉末界面の接合を妨げ，機
械的性質の低下をもたらす。このために，粉末成形材を
コンロッドに用いた場合，品質が不安定であり，製品の
設計上，予測もできないところから破断することもたび
たびあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は成形材の成
形方向に関係なく高い強度と靭性を有するコンロッドを
提供しようとするものであり，従来，次のような問題が
あった。 脱気処理中の熱影響により過剰焼鈍を受け軟化する
ため，急冷凝固粉末としての性質が失われる。このた
め，脱気温度を十分に高くすることができず，その結
果，粉末表面の水分を十分に除去することができないた
め成形材中の水素ガス量が高くなる。このために，多数
のポアがあったり，熱処理後ブリスタが多発して強度，
靭性が低かった。 熱間成形たとえば粉末に大きな剪断力がかかる押出
成形でも粉末表面の酸化物の破砕が十分でないために，
粉末界面の接合が不十分であることから，成形材の機械
的性質に異方性が生じる。 粉末成形材を鍛造した場合，粉末界面から破断した
りするため，最終製品を作るのが難しかった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに，本発明者らは種々検討した結果，粉末にステンレ
スボールなどの媒体を用いることなく，振動，粉砕，摩
砕，圧延，衝撃，撹拌および混合の１種以上の手段によ
り機械的エネルギを減圧雰囲気あるいは不活性ガス雰囲
気で与え，粉末同志の接触により表面が改質された急冷
凝固アルミ合金粉末を熱間成形することにより，あるい
は改質処理，加熱脱気処理後熱間成形することにより，
高靭性，高強度のコンロッドが得られることを見い出し
この発明を完成した。

【０００６】ここで，本発明の対象となるアルミ合金粉
末とは，純アルミニウム粉末あるいはアルミニウム合金
粉末を含む全ての粉末を意味し，これらの粉末に他の金
属や合金もしくは非金属の粉末またはセラミック，耐摩
耗金属，炭素などの強化繊維を総合した粉末であっても
よい。この場合，アルミ合金粉末として利用できる粉末
の凝固時の冷却速度は，合金系によって異なるが，５０
〜１０^６℃／ｓｅｃが好ましい。なぜなら，冷却速度が
５０℃／ｓｅｃ未満であると，アルミニウム合金中に含
まれるＳｉ，Ｆｅ等の金属間化合物が粗大に晶出し，得
られる部材の機械的性質が低下する。このため冷却速度
は５０℃／ｓｅｃ以上とする。一方，冷却速度が過度に
高くても効果に差異はなく，冷却技術が困難になり，コ
ストアップを招くこととなる。このため，冷却速度は５
０〜１０^６℃／ｓｅｃの範囲とするのが好ましい。

【０００７】本発明において，合金粉末に機械的エネル
ギを付与するために振動を利用する場合は，例えば，急
冷凝固して得られた合金粉末を充填した容器を振動装置
上に載置し，容器内を大気に晒すことなく減圧雰囲気ま
たは不活性ガス雰囲気下で，例えば０．５〜２時間程度
振動させる。また，混合を利用して合金粉末に機械的エ
ネルギを与える場合には，例えば合金粉末を充填した円
筒型容器あるいはＶ字型容器を大気に晒すことなく減圧
雰囲気または不活性ガス雰囲気下で混合する。衝撃を利
用して合金粉末に機械的エネルギを与える場合は，例え
ば不活性ガス雰囲気の容器内において不活性ガス高速ジ
ェットにより合金粉末を衝突板に衝突させる。撹拌を利
用して合金粉末に機械的エネルギを与える場合は，合金
粉末を充填した容器内を減圧雰囲気または不活性ガス雰
囲気下で回転翼を用いて撹拌する。本発明における熱間
成形加工としては，押出成形，ないしは，鍛造，ＨＩ
Ｐ，ホットプレス，圧延等の加工を行う。

【０００８】

【作用】本発明によるコンロッドでは，脱ガス処理前，
あるいは熱間成形前に粉末表面が改質されていることか
ら，以下に示すような特長をそのコンロッドは有する。 脱気処理において容易に水素ガス量が低下すること
から，その粉末は過剰の焼鈍を避けることが可能であ
る。加えて，成形材中の水素ガス量が低いため，粉末旧
界面において発生するポアがほとんどなく，熱処理後も
ブリスタが発生することがない。このために強度，靭性
が高い。 粉末表面の酸化物層が破砕され活性な面が出るため
に，熱間成形時に粉末同志の接合が効果的に進む。この
ため熱間成形した材料の機械的性質の異方性が小さい。 ，に示したように，水素ガス量が低い，粉末同
志の接合が良好という特長を有するために，限界鍛造率
が高く，成形されたコンロッドには割れ等の鍛造欠陥が
認められない。

【０００９】ところで，本発明における前処理方法は，
あくまでも粒子同志の接触による粒子表面層の破壊ない
し剥離を行うものであり，改質媒体（例えば金属やセラ
ミックボール）を用いたアトリッションミル，ボールミ
ルによる撹拌，メカニカルアロイング等とは異なる。す
なわち，アトリッションミル，ボールミル等によっても
粉末の表面の改質はある程度可能であるが，改質媒体が
粉末の表面に衝突したときの衝撃により，粉末表面の結
晶水等の水分や，酸化物，水酸化物，あるいは改質媒体
の微小破片，容器に付着していた水分や不純物などが合
金粒子の内部に取り込まれる可能性がある。これに対
し，本発明においては，粒子同志の接触のみにより表面
層を破壊ないし剥離するので，水酸化物や水分等が合金
粒子の内部に取り込まれることがない。

【００１０】さらに，機械的エネルギを与えるに当り，
予備加熱や加熱処理を組み合わせれば，粉末表面，容器
の吸着水分の影響の除去，粉末表面の改質促進が期待さ
れる。なお，上記の機械的エネルギ付与処理を行った
後，できるだけ早くそのまま成形すれば，一時的に大気
中に晒しても，良い効果が得られる。なお，乾燥状態を
そのまま持続して成形すれば，水分は０に保てる。

【００１１】

【実施例】以下，本発明の実施例を示す。

【００１２】

【表１】

【００１３】表１に示す組成のアルミニウム合金のガス
アトマイズ粉末を１４９μｍ以下に分級した。こうして
得た粉末の平均粒径は約６０μｍであり，この粉末の平
均冷却速度は１０^３〜１０^４℃／ｓｅｃである。これら
の粉末に図１〜図５に示すような装置を用いてその表面
を改質した。これらの粉末に真空脱気処理（３８０℃×
２ｈ，１０^−５ｔｏｒｒ）を施し，その後，ホットプレ
ス後脱缶し，４４０℃，押出比１０，押出速度３ｍｍ／
ｓで押出した。また，押出成形棒の鍛造性を明らかにす
るために，４５０℃に該成形体の据込み圧縮を行い，限
界鍛造率を調べた。

【００１４】まず，図１〜図５の設備概要を説明する。
図１および図２は本発明を実施するために好適な振動装
置を示し，図１は真空脱気完了まで大気に全く触れるこ
とがないように密閉容器の中で金属粉末に振動を与え粉
末改質を行うための振動処理装置の一部縦断面図，図２
は脱気処理用の容器にアルミニウム合金粉末を移し替え
る時に一度は大気に触れることがあるようにした振動処
理装置の一部縦断面図をそれぞれ示す。また，図３，図
４は本発明を実施するために好適な混合，撹拌装置を，
図５は衝撃を利用する装置を示し，不活性ガス雰囲気あ
るいは真空雰囲気において粉末改質処理をする装置の一
部縦断面図を示す。なお，いずれの場合も脱気処理用の
容器にアルミニウム合金粉末を移し替える時には，アル
ミニウム合金粉末は大気に触れる。

【００１５】図１において，アルミニウム合金粉末４の
入ったアルミニウム缶密閉容器２を，振動モータ５を有
した振動装置６上に載置して固定治具３によって移動不
可能に固定し，さらに，アルミニウム缶密閉容器２上部
にコック７を設け，コック７から真空ポンプ１に至る配
管を配設してあり，また図示しない不活性ガス導入用配
管がアルミニウム缶密閉容器２に接続してある。このよ
うに構成された装置において，振動装置６と真空ポンプ
１を起動し，コック７を開いて減圧雰囲気下または不活
性ガス雰囲気下で，アルミニウム缶密閉容器２に装填さ
れた金属粉末４に，例えば０．２〜２０時間，好ましく
は０．５〜５時間，特に好ましくは１〜２時間程度振動
を加える。

【００１６】図２において，アルミニウム合金粉末４の
入った上部開放型容器１１を，振動モータ５を内蔵した
振動装置６上に載置して移動不可能に固定した後，これ
ら全体を蓋１２を有した密閉箱８に入れ，さらに，蓋１
２に挿通されて接続された配管が２本配設されている。
２本の配管のうち，一方はバルブ１０に接続されてお
り，密閉箱８内に導入された不活性ガスを放出して大気
圧に戻す役目を有している。また，他方の配管は，三方
バルブ９を介して，一方を不活性ガス供給源７と接続さ
れ，不活性ガスを導入しないときは，他方を真空ポンプ
１にそれぞれ接続されるようになっている。こうして構
成された装置において，振動装置６と真空ポンプ１を起
動し，三方バルブ９を切換えて密閉箱８内を減圧雰囲気
下または不活性ガス雰囲気下にし，上部開放型容器１１
内に装填されたアルミニウム合金粉末４に振動を与え
る。この場合，図１および図２において，振動の強さの
程度は，振動数や振幅が小さ過ぎると十分な効果が得ら
れないから，粉末の種類や粒度等に応じて適切に選定す
る。

【００１７】図３において，所定の量の金属粉末３１を
２本の配管３２，３３のついた蓋３４を有するＶ字型容
器３５に挿入する。Ｖ字型容器３５はシャフト３６，３
７を介して架台３８，３９に支持されており，架台３８
内のモータ４０により回転される。なお，配管３２はシ
ャフト３６内を引き通され，ロータリジョイント４１に
連通し，配管３３はシャフト３７内を引き通され，ロー
タリジョイント４２に連通されている。これらロータリ
ジョイント４１，４２にそれぞれ別の配管４３，４４が
接続されている。配管４３は三方バルブ４５を介して配
管４６，４７に接続されている。一方の配管４６は不活
性ガス供給源４８に接続され，もう一方の配管４７は真
空ポンプ４９と接続されている。配管３３，４４は大気
圧に戻す役目を有する。

【００１８】図４において，所定の量の金属粉末５１を
２本の配管５２，５３および挿入口５５のついた蓋５４
を有する円筒容器５６に挿入する。配管５３は三方バル
ブを介し，一方は不活性ガス供給源と，もう一方は真空
ポンプと接続されている。配管５２は大気圧に戻す役目
を有する。回転翼５７は粉末を均一に混合する働きを有
する。このように構成された装置において，図３におい
てはＶ字型容器３５を，図４においては回転翼５７をそ
れぞれ回転させ，減圧雰囲気または不活性ガス雰囲気下
で粉末同志の接触を生じせしめる。

【００１９】図５において，所定の量のアルミニウム合
金粉末６１を容器６２より不活性ガス雰囲気の容器６３
の中に落下させ，その側面部より不活性ガス流６４を高
速で流し，衝突板６５および粉末同志の衝突を生じせし
める。その後，粉末は取出口６６から取り出される。

【００２０】ただし，図１の方法によれば，真空脱気完
了まで大気に全く触れることがないが，図２〜図５の方
法によれば，脱気処理用の容器に粉末を移し替える時に
一度大気に触れるため，速やかに処理する必要がある。
なお，粉末表面の水分の除去を目的とした脱気処理は１
００ｔｏｒｒ以下の高真空で行うことが望ましいが，Ａ
ｒ，Ｎ_２のような不活性雰囲気あるいは大気中でも可能
である。また本発明においては，機械的エネルギを粉末
に付与する工程においてＡｌ_{２ Ｏ３}，Ｓｉ_３Ｎ_４，Ｓｉ
Ｃ等の補強繊維を混合して複合材を得ることもできる。

【００２１】以下に実施例と比較例を挙げて本発明をよ
り具体的に説明する。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２より次のことが明らかである。表面改
質処理を施した実施例１〜６においては，無処理のもの
（比較例７〜８）に比べて下記のとおり機械的性質等の
特性が優れる。 （１）異方性が小さい。例えば，Ｔ引張／Ｌ引張は実施
例Ｎｏ１，Ｎｏ６でそれぞれ０．８８，０．９８である
のに対し，比較例Ｎｏ７，Ｎｏ８で０．５１，０．７７
である。 （２）高温伸びが高い。２００℃，４００℃のいずれに
おいても，実施例Ｎｏ１〜Ｎｏ６は，比較例Ｎｏ７，Ｎ
ｏ８に比べて２倍以上の高い伸びを示している。例え
ば，実施例Ｎｏ１は，２００℃，４００℃で５．０％，
１７％である。これに対して比較例Ｎｏ７は，２００
℃，４００℃で１．５％，５％である。 （３）破壊靭性が高い。例えば，実施例Ｎｏ１は比較例
Ｎｏ７に比べて約１．５倍，実施例Ｎｏ６は比較例Ｎｏ
８に比べて約１．４倍である。 （４）鍛造性が良い。実施例Ｎｏ１〜Ｎｏ６では７５％
以上の高い限界鍛造率を示す。これに対して比較例Ｎｏ
７，Ｎｏ８では７０％以下である。 （５）水素ガス量が低い。実施例Ｎｏ１〜Ｎｏ６におい
ては３．５ｃｃ／１００ｇＡｌ以下の水素ガス量を示す
のに対して，比較例Ｎｏ７，Ｎｏ８においてはその２倍
程の高いガス量を示す。

【００２４】

【発明の効果】以上詳述したとおり，本発明の表面改質
処理した急冷凝固アルミニウム合金粉を利用した成形材
はコンロッドとしての具備すべき条件を以下のとおり満
足している。 （１）粉末表面の酸化物が改質処理によりあらかじめ除
かれているため，熱間成形時の粉末界面の接合が進行し
やすい。その結果，コンロッド成形時の鍛造性に優れ，
かつ，その成形材は強度，靭性に優れる。とりわけ，成
形方向と直角方向（Ｔ方向）の性質に優れる。また合金
を選択すれば，コンロッドの使用環境である２００℃以
下の温度でＬ，Ｔに関係なく３０ｋｇ／ｍｍ^２以上の高
い値を示す。 （２）水素ガス量が低減しやすく，かつ，ブリスタの発
生も少ないために，高温，長時間の脱気処理を施す必要
がなく，過剰の焼鈍を避けることができる。この結果，
急冷凝固で得られた金属組織の粗大化が抑えられ，高い
破壊靭性を示す。したがって，この発明のコンロッド
は，従来粉末から製造されたものに比べて，品質上極め
て優れており，工業上優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を製造するために金属粉末を処理する装
置の第１実施例を示す縦断面図である。

【図２】同上第２実施例を示す縦断面図である。

【図３】同上第３実施例を示す縦断面図である。

【図４】同上第４実施例を示す縦断面図である。

【図５】同上第５実施例を示す縦断面図である。

【図６】アルミニウム合金粒子部の模式断面図である。

【符号の説明】

１ 真空ポンプ ２ 缶密封容器 ４ 合金粉末 ６ 振動装置 ８ 密封箱 １１ 上部開放型容器 ３１ 金属粉末 ３５ Ｖ字型容器 ４８ 不活性ガス供給源 ４９ 真空ポンプ ５６ 円筒容器 ５７ 回転翼 ６４ 不活性ガス流 ６５ 衝突板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 寛人 山口県宇部市大字小串字沖の山1980番地 宇部興産株式会社宇部機械製作所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 内部が減圧雰囲気または不活性ガス雰囲
   気に保持された容器内において，媒体を用いることなく
   急冷凝固粉末に振動，粉砕，摩砕，圧延，衝撃，撹拌お
   よび混合の１種以上の手段により機械的エネルギを与
   え，粉末同志の接触により表面が改質された急冷凝固ア
   ルミニウム合金粉末の熱間成形材よりなることを特徴と
   する高靭性高強度コンロッド。