JPH06158207A - 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料 - Google Patents
高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料Info
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- JPH06158207A JPH06158207A JP4358904A JP35890492A JPH06158207A JP H06158207 A JPH06158207 A JP H06158207A JP 4358904 A JP4358904 A JP 4358904A JP 35890492 A JP35890492 A JP 35890492A JP H06158207 A JPH06158207 A JP H06158207A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 耐摩耗性、常温強度および高温強度に優れる
製品を製造する。 【構成・作用】マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｓｉ：８〜２５％を含
有し、実質的にＭｇを含まず、さらに少なくともＦｅ：
０．６〜８．０％およびＣｕ：０．６〜５．０％の少な
くとも１種を含み、該ＦｅおよびＣｕの合計量が１０％
以下であり、残部がＡｌからなる耐熱アルミニウム合金
をマトリックスとし、該マトリックスを含む複合材料全
体を１００重量％としたとき窒化物、硼化物の粒子の１
種または２種以上が合計で０．５〜１０重量％量該マト
リックスに分散し、粉末冶金法により製造されたもの。
製品を製造する。 【構成・作用】マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｓｉ：８〜２５％を含
有し、実質的にＭｇを含まず、さらに少なくともＦｅ：
０．６〜８．０％およびＣｕ：０．６〜５．０％の少な
くとも１種を含み、該ＦｅおよびＣｕの合計量が１０％
以下であり、残部がＡｌからなる耐熱アルミニウム合金
をマトリックスとし、該マトリックスを含む複合材料全
体を１００重量％としたとき窒化物、硼化物の粒子の１
種または２種以上が合計で０．５〜１０重量％量該マト
リックスに分散し、粉末冶金法により製造されたもの。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、バルブリフター、ピス
トン、バルブスプリングリテーナー等の自動車、航空機
等のエンジン部品に適用して有用な、鍛造性、耐摩耗性
とともに高温強度に優れる高耐熱・高耐摩耗性アルミニ
ウム基複合材料に関する。
トン、バルブスプリングリテーナー等の自動車、航空機
等のエンジン部品に適用して有用な、鍛造性、耐摩耗性
とともに高温強度に優れる高耐熱・高耐摩耗性アルミニ
ウム基複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】アルミニウム合金は、軽量で加工性に優
れているので、古くから航空機あるいは自動車の構造用
材料として用いられている。従来のアルミニウム合金の
うち、耐熱性に優れるものとしては、ＪＩＳ２０２４、
２０１８等のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金が知られている。
れているので、古くから航空機あるいは自動車の構造用
材料として用いられている。従来のアルミニウム合金の
うち、耐熱性に優れるものとしては、ＪＩＳ２０２４、
２０１８等のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金が知られている。
【０００３】また、Ｎｉを５重量％（以下、単に％とい
う。）以上含むＡｌ−Ｎｉ系合金（軽金属学会主催、Ａ
ｌ合金の粉末冶金技術シンポジウム（昭和６２年３月９
日開催）予稿集第５８頁、第７０頁）が提案されてい
る。同様に、特開平２−１４９６２９、特開平２−１４
９６３１、特開平２−１４９６３２、特開平２−１４９
６３３号公報には、Ｎｉを８％以上含み、鋳造法で製造
したＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金からなる「耐
摩耗性及び熱伝導性に優れた低熱膨張アルミニウム合
金」が開示されている。
う。）以上含むＡｌ−Ｎｉ系合金（軽金属学会主催、Ａ
ｌ合金の粉末冶金技術シンポジウム（昭和６２年３月９
日開催）予稿集第５８頁、第７０頁）が提案されてい
る。同様に、特開平２−１４９６２９、特開平２−１４
９６３１、特開平２−１４９６３２、特開平２−１４９
６３３号公報には、Ｎｉを８％以上含み、鋳造法で製造
したＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金からなる「耐
摩耗性及び熱伝導性に優れた低熱膨張アルミニウム合
金」が開示されている。
【０００４】さらに、特公平２−５６４０１号公報に
は、７．７〜１５％のＮｉと、１５〜２５％のＳｉとを
含み、Ｓｉ結晶粒の大きさを１５μｍ以下としたＡｌ−
Ｎｉ−Ｓｉ系合金粉末からなる「耐熱耐摩耗性高力アル
ミニウム合金粉末」が開示されている。
は、７．７〜１５％のＮｉと、１５〜２５％のＳｉとを
含み、Ｓｉ結晶粒の大きさを１５μｍ以下としたＡｌ−
Ｎｉ−Ｓｉ系合金粉末からなる「耐熱耐摩耗性高力アル
ミニウム合金粉末」が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】自動車用エンジンには
高出力化が要求され、このためバルブリフター、ピスト
ン、バルブスプリングリテーナー等のエンジン部品用の
材料は、３００℃で引張強度が２００ＭＰａ以上必要と
される。かかる観点からは、上記ＪＩＳ２０２４、２０
１８等のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金は、常温での引張強度
は優れるものの、２００℃の高温では引張強度が高々３
００ＭＰａ、３００℃の高温では引張強度が１５０ＭＰ
ａであり、近年の自動車等のエンジン部品にこれらＡｌ
−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を適用することはできない。また、
上記提案又は公報記載のＡｌ−Ｎｉ系合金及びＡｌ−Ｎ
ｉ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金では、組織中に生成された
ＮｉＡｌ3 金属間化合物により、耐熱性及び耐摩耗性が
改善されているものの、鋳造法により製品を製造するこ
ととなるため、製品におけるＮｉＡｌ3 金属間化合物の
粒径が１０μｍ程度と大きくなり、常温で高々３８０Ｍ
Ｐａ、３００℃の高温では引張強度が１６０ＭＰａに低
下することが明らかとなった。このため、かかるアルミ
ニウム合金でも、近年の自動車等のエンジン部品として
適用することが困難である。
高出力化が要求され、このためバルブリフター、ピスト
ン、バルブスプリングリテーナー等のエンジン部品用の
材料は、３００℃で引張強度が２００ＭＰａ以上必要と
される。かかる観点からは、上記ＪＩＳ２０２４、２０
１８等のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金は、常温での引張強度
は優れるものの、２００℃の高温では引張強度が高々３
００ＭＰａ、３００℃の高温では引張強度が１５０ＭＰ
ａであり、近年の自動車等のエンジン部品にこれらＡｌ
−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を適用することはできない。また、
上記提案又は公報記載のＡｌ−Ｎｉ系合金及びＡｌ−Ｎ
ｉ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金では、組織中に生成された
ＮｉＡｌ3 金属間化合物により、耐熱性及び耐摩耗性が
改善されているものの、鋳造法により製品を製造するこ
ととなるため、製品におけるＮｉＡｌ3 金属間化合物の
粒径が１０μｍ程度と大きくなり、常温で高々３８０Ｍ
Ｐａ、３００℃の高温では引張強度が１６０ＭＰａに低
下することが明らかとなった。このため、かかるアルミ
ニウム合金でも、近年の自動車等のエンジン部品として
適用することが困難である。
【０００６】一方、上記公報記載のＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ系
合金粉末では、焼結法により製品を製造することとな
る。すなわち、一定組成の合金原料を溶解、噴霧して上
記Ａｌ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金粉末とし、このＡｌ−Ｎｉ−
Ｓｉ系合金粉末を冷間予備成形、押出、鍛造することに
より製品が得られる。このため、このＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ
系合金粉末では、ＮｉＡｌ3 金属間化合物の粒径が４μ
ｍ以下であり、耐摩耗性に優れるとともに、引張強度も
常温で５１０ＭＰａ、２５０℃で３４５ＭＰａが得られ
る。しかし、一般に自動車等のエンジン部品では充分な
押出比（押出前後の断面積比）を取れない場合もある。
合金粉末では、焼結法により製品を製造することとな
る。すなわち、一定組成の合金原料を溶解、噴霧して上
記Ａｌ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金粉末とし、このＡｌ−Ｎｉ−
Ｓｉ系合金粉末を冷間予備成形、押出、鍛造することに
より製品が得られる。このため、このＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ
系合金粉末では、ＮｉＡｌ3 金属間化合物の粒径が４μ
ｍ以下であり、耐摩耗性に優れるとともに、引張強度も
常温で５１０ＭＰａ、２５０℃で３４５ＭＰａが得られ
る。しかし、一般に自動車等のエンジン部品では充分な
押出比（押出前後の断面積比）を取れない場合もある。
【０００７】セラミックス粒子や繊維を分散させたＭＭ
Ｃ（金属基複合材料）は、一般に高温強度が高いが、鍛
造性、伸びが低い。また鍛造性を良くしようとすると、
逆に高温強度が低下する。そこで高温強度と鍛造性を両
立させるには、適切なマトリックスを選定することが必
要である。本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされた
ものであって、安定した耐摩耗性および特に３００℃以
上の高温強度に優れる製品を製造できるアルミニウム基
複合材料を提供することを目的とする。
Ｃ（金属基複合材料）は、一般に高温強度が高いが、鍛
造性、伸びが低い。また鍛造性を良くしようとすると、
逆に高温強度が低下する。そこで高温強度と鍛造性を両
立させるには、適切なマトリックスを選定することが必
要である。本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされた
ものであって、安定した耐摩耗性および特に３００℃以
上の高温強度に優れる製品を製造できるアルミニウム基
複合材料を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は、高Ｎｉおよ
び高Ｓｉのアルミニウム合金にＦｅおよびＣｕの少なく
とも１種を配合することにより優れた耐熱アルミニウム
合金が得られることを知り、かかる合金について研究を
進めた。そしてＦｅおよびＣｕの少なくとも１種を含む
高Ｎｉおよび高Ｓｉのアルミニウム合金において常に配
合されているＭｇが常温強度および高温強度に好ましく
ない影響を与えていることを発見、確認し、耐熱アルミ
ニウム合金粉末および耐熱アルミニウム合金として先に
出願した。本願発明は上記のアルミニウム合金をマトリ
ックスとして、これに窒化物、硼化物の粒子を分散させ
た金属基複合材料が、高温度での強度および伸度が優
れ、鍛造性、耐摩耗性が向上することを発見・確認した
ものである。
び高Ｓｉのアルミニウム合金にＦｅおよびＣｕの少なく
とも１種を配合することにより優れた耐熱アルミニウム
合金が得られることを知り、かかる合金について研究を
進めた。そしてＦｅおよびＣｕの少なくとも１種を含む
高Ｎｉおよび高Ｓｉのアルミニウム合金において常に配
合されているＭｇが常温強度および高温強度に好ましく
ない影響を与えていることを発見、確認し、耐熱アルミ
ニウム合金粉末および耐熱アルミニウム合金として先に
出願した。本願発明は上記のアルミニウム合金をマトリ
ックスとして、これに窒化物、硼化物の粒子を分散させ
た金属基複合材料が、高温度での強度および伸度が優
れ、鍛造性、耐摩耗性が向上することを発見・確認した
ものである。
【０００９】本発明のアルミニウム基複合材料は、マト
リックスを１００重量％としたとき重量％で、Ｎｉ：１
０〜２０％、Ｓｉ：８〜２５％を含有し、実質的にＭｇ
を含まず、さらに少なくともＦｅ：０．６〜８．０％お
よびＣｕ：０．６〜５．０％の１種を含み、該Ｆｅおよ
び該Ｃｕとの合計量が１０％以下であり、残部がＡｌか
らなる耐熱アルミニウム合金をマトリックスとし、該マ
トリックスを含む複合材料全体を１００重量％としたと
き窒化物、硼化物の粒子の１種または２種以上が合計で
０．５〜１０重量％該マトリックスに分散し、粉末冶金
法により製造されていることを特徴とする。
リックスを１００重量％としたとき重量％で、Ｎｉ：１
０〜２０％、Ｓｉ：８〜２５％を含有し、実質的にＭｇ
を含まず、さらに少なくともＦｅ：０．６〜８．０％お
よびＣｕ：０．６〜５．０％の１種を含み、該Ｆｅおよ
び該Ｃｕとの合計量が１０％以下であり、残部がＡｌか
らなる耐熱アルミニウム合金をマトリックスとし、該マ
トリックスを含む複合材料全体を１００重量％としたと
き窒化物、硼化物の粒子の１種または２種以上が合計で
０．５〜１０重量％該マトリックスに分散し、粉末冶金
法により製造されていることを特徴とする。
【００１０】本発明のアルミニウム基複合材料を構成す
るマトリックスに重量％（以下、特にことわりのないか
ぎり％は重量％を意味する。）でさらにＺｒ：０．３〜
２．０％を含むことができる。またこのマトリックスは
実質的にＭｇを含まず、特定量のＮｉ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃ
ｕ、を含有する耐熱アルミニウム合金ので形成されい
る。
るマトリックスに重量％（以下、特にことわりのないか
ぎり％は重量％を意味する。）でさらにＺｒ：０．３〜
２．０％を含むことができる。またこのマトリックスは
実質的にＭｇを含まず、特定量のＮｉ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃ
ｕ、を含有する耐熱アルミニウム合金ので形成されい
る。
【００１１】このアルミニウム基複合材料は、上記の組
成のマトリックスを構成する耐熱アルミニウム合金を溶
解、噴霧して製造した微粉末に、窒化物、硼化物の微粉
末を均一に混合して混合粉末とし、この混合粉末を加圧
成形した後、焼結するという粉末冶金法により製造でき
る。通常この加圧成形混合粉末をケースに入れ、この状
態で冷間予備成形（ＣＩＰ）、熱間押出鍛造することで
なされる。
成のマトリックスを構成する耐熱アルミニウム合金を溶
解、噴霧して製造した微粉末に、窒化物、硼化物の微粉
末を均一に混合して混合粉末とし、この混合粉末を加圧
成形した後、焼結するという粉末冶金法により製造でき
る。通常この加圧成形混合粉末をケースに入れ、この状
態で冷間予備成形（ＣＩＰ）、熱間押出鍛造することで
なされる。
【００１２】本発明の耐熱アルミニウム合金のマトリッ
クスを構成するアルミニウム以外の元素の配合割合およ
び作用を以下に説明する。なお、％はマトリックスを１
００％としたものである。 〔Ｎｉ：１０〜２０％〕Ｎｉは、Ａｌとともに、ＮｉＡ
ｌ3 等の金属間化合物をつくる。これら金属間化合物は
高温でも安定であり、合金の耐摩耗性と高温強度に寄与
する。特にＮｉＡｌ3 金属間化合物は、他の金属間化合
物等と比較して、硬さもより低く、靱性により富む。
クスを構成するアルミニウム以外の元素の配合割合およ
び作用を以下に説明する。なお、％はマトリックスを１
００％としたものである。 〔Ｎｉ：１０〜２０％〕Ｎｉは、Ａｌとともに、ＮｉＡ
ｌ3 等の金属間化合物をつくる。これら金属間化合物は
高温でも安定であり、合金の耐摩耗性と高温強度に寄与
する。特にＮｉＡｌ3 金属間化合物は、他の金属間化合
物等と比較して、硬さもより低く、靱性により富む。
【００１３】Ｎｉを５．７％以上添加することにより、
得られる合金中にＮｉＡｌ3 金属間化合物の析出が見ら
れるが、Ｎｉが１０％未満の添加では、得られるマトリ
ックスの３００℃での引張強度が２００ＭＰａ以上にな
らず、高温強度が効果的に向上しない。逆に、Ｎｉが４
０％以下の添加であれば、得られる合金はＮｉＡｌ3 金
属間化合物を作るが、Ｎｉを２０％を超えて添加する
と、マトリックスが脆くなり、常温での伸び値が極めて
小さくなる。このため、Ｎｉを２０％を超えて添加する
と、製品の高温強度及び耐摩耗性は優れるものの、切削
性などが著しく劣り、実用上の利用が困難となる。 〔Ｓｉ：８〜２５％〕Ａｌ中に微細なＳｉを分散させた
合金は、高温強度、耐摩耗性に優れることは、Ａ３９０
合金等で知られている。
得られる合金中にＮｉＡｌ3 金属間化合物の析出が見ら
れるが、Ｎｉが１０％未満の添加では、得られるマトリ
ックスの３００℃での引張強度が２００ＭＰａ以上にな
らず、高温強度が効果的に向上しない。逆に、Ｎｉが４
０％以下の添加であれば、得られる合金はＮｉＡｌ3 金
属間化合物を作るが、Ｎｉを２０％を超えて添加する
と、マトリックスが脆くなり、常温での伸び値が極めて
小さくなる。このため、Ｎｉを２０％を超えて添加する
と、製品の高温強度及び耐摩耗性は優れるものの、切削
性などが著しく劣り、実用上の利用が困難となる。 〔Ｓｉ：８〜２５％〕Ａｌ中に微細なＳｉを分散させた
合金は、高温強度、耐摩耗性に優れることは、Ａ３９０
合金等で知られている。
【００１４】鋳造法により製品を製造した場合には、Ｓ
ｉを１１．３％以上含むアルミニウム合金には粗大Ｓｉ
初晶が晶出し、かかる合金は摺動部の相手材を攻撃した
り、また被削性が著しく悪くなるとともに、合金自体の
伸びが著しく低下し、生産技術面（例えば、部品加工時
のクラック等）で実用的でなく、また部品として使用時
に割れが生じたりして好ましくない。しかし、急冷凝固
粉末冶金法によりアルミニウム合金をマトリックスとす
る複合材料を製造する場合には、Ｓｉを２５％まで配合
しても微細Ｓｉの晶出したアルミニウム合金が得られ
る。Ｓｉを２５％を超えて配合すると、急冷凝固法で合
金粉末を製造した場合でも、製品に粗大Ｓｉが晶出して
好ましくない。
ｉを１１．３％以上含むアルミニウム合金には粗大Ｓｉ
初晶が晶出し、かかる合金は摺動部の相手材を攻撃した
り、また被削性が著しく悪くなるとともに、合金自体の
伸びが著しく低下し、生産技術面（例えば、部品加工時
のクラック等）で実用的でなく、また部品として使用時
に割れが生じたりして好ましくない。しかし、急冷凝固
粉末冶金法によりアルミニウム合金をマトリックスとす
る複合材料を製造する場合には、Ｓｉを２５％まで配合
しても微細Ｓｉの晶出したアルミニウム合金が得られ
る。Ｓｉを２５％を超えて配合すると、急冷凝固法で合
金粉末を製造した場合でも、製品に粗大Ｓｉが晶出して
好ましくない。
【００１５】逆に、Ｓｉが８％未満の配合では、得られ
るマトリックスの高温強度及び耐摩耗性が不十分であ
る。 〔Ｆｅ：０．６〜８．０％〕一般にはＦｅの添加は好ま
しくなく、含まれていても０．５％以下であることが望
ましいとされるが、発明者らの実験結果では、Ｆｅを配
合することにより、得られるマトリックスの常温強度及
び３００℃の高温強度が向上することが判明した。Ｆｅ
が０．６％未満の配合では、マトリックスの常温強度及
び３００℃の高温強度向上の効果が少なく、Ｆｅを８％
を超えて配合すると、マトリックスが脆くなる。但し、
Ｆｅと後述するＣｕとは、少なくとも１種が含有され、
Ｆｅ及びＣｕの合計量が１０％以下であれば、マトリッ
クスの常温強度が効果的に向上する。 〔Ｃｕ：０．６〜５．０％〕Ｃｕは、耐熱アルミニウム
合金に時効硬化を付与し、マトリックスを強化する。Ｃ
ｕが０．６％以上の配合でマトリックスの常温強度向上
の効果があり、Ｃｕを５％を超えて配合すると、粗大な
晶出物が生成し、マトリックスの３００℃での高温強度
を低下させる。但し、Ｃｕと上述のＦｅとは、少なくと
も１種が含有され、Ｆｅ及びＣｕの合計量が１０％以下
であれば、マトリックスの常温強度が効果的に向上す
る。 〔Ｍｇ：実質的に含まない〕一般にＭｇは、Ｃｕ同様、
Ａｌ合金を強化する成分として知られているが、発明者
らの実験結果では、Ｍｇを配合した合金は、Ｍｇを配合
しない合金と比較して、常温強度及び３００℃での高温
強度及び伸びがともに低下することが判明した。
るマトリックスの高温強度及び耐摩耗性が不十分であ
る。 〔Ｆｅ：０．６〜８．０％〕一般にはＦｅの添加は好ま
しくなく、含まれていても０．５％以下であることが望
ましいとされるが、発明者らの実験結果では、Ｆｅを配
合することにより、得られるマトリックスの常温強度及
び３００℃の高温強度が向上することが判明した。Ｆｅ
が０．６％未満の配合では、マトリックスの常温強度及
び３００℃の高温強度向上の効果が少なく、Ｆｅを８％
を超えて配合すると、マトリックスが脆くなる。但し、
Ｆｅと後述するＣｕとは、少なくとも１種が含有され、
Ｆｅ及びＣｕの合計量が１０％以下であれば、マトリッ
クスの常温強度が効果的に向上する。 〔Ｃｕ：０．６〜５．０％〕Ｃｕは、耐熱アルミニウム
合金に時効硬化を付与し、マトリックスを強化する。Ｃ
ｕが０．６％以上の配合でマトリックスの常温強度向上
の効果があり、Ｃｕを５％を超えて配合すると、粗大な
晶出物が生成し、マトリックスの３００℃での高温強度
を低下させる。但し、Ｃｕと上述のＦｅとは、少なくと
も１種が含有され、Ｆｅ及びＣｕの合計量が１０％以下
であれば、マトリックスの常温強度が効果的に向上す
る。 〔Ｍｇ：実質的に含まない〕一般にＭｇは、Ｃｕ同様、
Ａｌ合金を強化する成分として知られているが、発明者
らの実験結果では、Ｍｇを配合した合金は、Ｍｇを配合
しない合金と比較して、常温強度及び３００℃での高温
強度及び伸びがともに低下することが判明した。
【００１６】なお、特公昭６３−２０２９８号公報に
は、Ａｌ中にＮｉ、Ｓｉを含むとともに、Ｃｕ及びＭｇ
のうち少なくとも１種を含むアルミニウム合金との記述
があるが、この公報には、Ｍｇを含まず、Ｃｕを含むア
ルミニウム合金の実施例は無い。また、この公報はＭｇ
が常温強度及び高温強度に悪影響を及ぼすことを何ら示
唆する記述もない。 〔Ｚｒ：０．３〜２．０％〕Ｚｒは、高温強度を改善す
る添加元素として知られているが、発明者らの実験結果
では、むしろアルミニウム合金の常温及び３００℃での
伸び値を向上することが判明した。即ち、本発明のマト
リックスにＺｒ：０．３〜２．０％を配合すると、マト
リックスの靱性が効果的に向上する。Ｚｒが０．３％未
満の添加では靱性向上の効果が少なく、Ｚｒを２．０％
を超えて添加すると粗大な金属間化合物（ＺｒＡｌ3 ）
を晶出し、望ましくない。 〔Ｔｉ：１．０〜４．０％〕Ｔｉは、Ｚｒ同様、高温強
度を改善する添加元素として知られているが、発明者ら
の実験結果では、マトリックスの３００℃での降伏強度
を向上させることが判明した。Ｔｉの配合割合は１．０
〜４．０％である。Ｔｉの配合が１．０％未満では高温
における降伏強度の向上効果が少なく、Ｔｉの配合が
４．０％を超えて添加するとマトリックスの靱性を低下
させるので、望ましくない。 〔窒化物、硼化物：合計で０．５〜１０％〕窒化物、硼
化物の粒子を耐熱アルミニウム合金からなるマトリック
スに分散させことにより得られる、アルミニウム基複合
材料の耐摩耗性が向上する。この窒化物、硼化物の量が
０．５％未満の場合は、添加効果が認められない。また
添加量が１０％を超えると、アルミニウム基複合材料の
引張強度、伸び、機械加工性が著しく低下するので好ま
しくない。
は、Ａｌ中にＮｉ、Ｓｉを含むとともに、Ｃｕ及びＭｇ
のうち少なくとも１種を含むアルミニウム合金との記述
があるが、この公報には、Ｍｇを含まず、Ｃｕを含むア
ルミニウム合金の実施例は無い。また、この公報はＭｇ
が常温強度及び高温強度に悪影響を及ぼすことを何ら示
唆する記述もない。 〔Ｚｒ：０．３〜２．０％〕Ｚｒは、高温強度を改善す
る添加元素として知られているが、発明者らの実験結果
では、むしろアルミニウム合金の常温及び３００℃での
伸び値を向上することが判明した。即ち、本発明のマト
リックスにＺｒ：０．３〜２．０％を配合すると、マト
リックスの靱性が効果的に向上する。Ｚｒが０．３％未
満の添加では靱性向上の効果が少なく、Ｚｒを２．０％
を超えて添加すると粗大な金属間化合物（ＺｒＡｌ3 ）
を晶出し、望ましくない。 〔Ｔｉ：１．０〜４．０％〕Ｔｉは、Ｚｒ同様、高温強
度を改善する添加元素として知られているが、発明者ら
の実験結果では、マトリックスの３００℃での降伏強度
を向上させることが判明した。Ｔｉの配合割合は１．０
〜４．０％である。Ｔｉの配合が１．０％未満では高温
における降伏強度の向上効果が少なく、Ｔｉの配合が
４．０％を超えて添加するとマトリックスの靱性を低下
させるので、望ましくない。 〔窒化物、硼化物：合計で０．５〜１０％〕窒化物、硼
化物の粒子を耐熱アルミニウム合金からなるマトリック
スに分散させことにより得られる、アルミニウム基複合
材料の耐摩耗性が向上する。この窒化物、硼化物の量が
０．５％未満の場合は、添加効果が認められない。また
添加量が１０％を超えると、アルミニウム基複合材料の
引張強度、伸び、機械加工性が著しく低下するので好ま
しくない。
【００１７】窒化物としては、たとえば、ＡｌＮ、Ｔｉ
Ｎ、ＺｒＮ、ＢＮなどが挙げられる。硼化物としては、
たとえば、ＴｉＢ2 、ＮｉＢ、ＭｇＢ2 などが挙げられ
る。窒化物、硼化物は、微粉末で０．５〜２０μｍであ
ることが望ましい。０．５μｍより小さいと粉末同士が
凝集し機械的特性が劣化する。２０μｍより大きいと摺
動時に粒子が割れたり脱落したりして耐摩耗性向上の効
果が少なくなるからである。
Ｎ、ＺｒＮ、ＢＮなどが挙げられる。硼化物としては、
たとえば、ＴｉＢ2 、ＮｉＢ、ＭｇＢ2 などが挙げられ
る。窒化物、硼化物は、微粉末で０．５〜２０μｍであ
ることが望ましい。０．５μｍより小さいと粉末同士が
凝集し機械的特性が劣化する。２０μｍより大きいと摺
動時に粒子が割れたり脱落したりして耐摩耗性向上の効
果が少なくなるからである。
【００１８】この窒化物、硼化物は、１種または２種以
上が上記の組成の耐熱アルミニウム合金に混合され粉末
冶金法で処理されることで、アルミニウム基複合材料が
製造される。
上が上記の組成の耐熱アルミニウム合金に混合され粉末
冶金法で処理されることで、アルミニウム基複合材料が
製造される。
【００１９】
【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を比較例と
ともに表１、２を参照しつつ本発明をさらに詳細に説明
する。
ともに表１、２を参照しつつ本発明をさらに詳細に説明
する。
【００２０】
【表１】 表１に示す組成の元素の前の数字がマトリックス１００
％中に占める％量である。窒化物および硼化物の前に記
載された数字は、複合材料全体を１００％としたときの
％量を示す。
％中に占める％量である。窒化物および硼化物の前に記
載された数字は、複合材料全体を１００％としたときの
％量を示す。
【００２１】表１に示す組成のＡｌマトリックスの溶湯
をアトマイズ法により粉末化した後、１００メッシュの
篩により分級し、これに窒化物、硼化物の粒径１〜２０
μｍの微粉末を所定量上記のマトリクス粉末に混合して
混合粉末とした。比較例３、４では平均粒径２．６μｍ
のＳｉＣ粒子を混合している。なお、比較例３のマトリ
ックスは２０２４、比較例４のマトリックスは６０６１
に相当する成分である。
をアトマイズ法により粉末化した後、１００メッシュの
篩により分級し、これに窒化物、硼化物の粒径１〜２０
μｍの微粉末を所定量上記のマトリクス粉末に混合して
混合粉末とした。比較例３、４では平均粒径２．６μｍ
のＳｉＣ粒子を混合している。なお、比較例３のマトリ
ックスは２０２４、比較例４のマトリックスは６０６１
に相当する成分である。
【００２２】
【表２】 ＴＳ：引張強度（ＭＰａ）、ＹＰ：降伏強度（ＭＰ
ａ）、δ：伸び（％） 比摩耗量（ｍｍ3 ／ｋｇ・ｍｍ） これらの混合粉末を純Ａｌの底付きチューブに装填して
真空条件下、面圧３ｔｏｎ／ｃｍ2 で冷間予備成形し、
φ３０×Ｌ８０のプリフォーム体を製作した。これらプ
リフォーム体を４５０℃で３０分間加熱し、比較的大き
な押出比「１０」で熱間押出加工を行い、直径１０mmの
棒状のアルミニウム基複合材料を得た。この実施例の各
アルミニウム基複合材料には、窒化物、硼化物の粒子が
耐熱アルミニウム合金マトリックス中に分散している。 〔評価〕上記各アルミニウム基複合材料および耐熱アル
ミニウム合金の試料について、室温、１５０℃、３００
℃における強度特性の測定を行った。測定された引張強
度、降伏強度および伸びを表２に示す。
ａ）、δ：伸び（％） 比摩耗量（ｍｍ3 ／ｋｇ・ｍｍ） これらの混合粉末を純Ａｌの底付きチューブに装填して
真空条件下、面圧３ｔｏｎ／ｃｍ2 で冷間予備成形し、
φ３０×Ｌ８０のプリフォーム体を製作した。これらプ
リフォーム体を４５０℃で３０分間加熱し、比較的大き
な押出比「１０」で熱間押出加工を行い、直径１０mmの
棒状のアルミニウム基複合材料を得た。この実施例の各
アルミニウム基複合材料には、窒化物、硼化物の粒子が
耐熱アルミニウム合金マトリックス中に分散している。 〔評価〕上記各アルミニウム基複合材料および耐熱アル
ミニウム合金の試料について、室温、１５０℃、３００
℃における強度特性の測定を行った。測定された引張強
度、降伏強度および伸びを表２に示す。
【００２３】表２より、実施例１〜４のアルミニウム基
複合材および比較例１〜２アルミニウム合金は、いづれ
も常温（ＲＴ）における引張強度が５００ＭＰａを超
え、３００℃における引張強度が２００ＭＰａを超え、
優れていることがわかる。比較例１のアルミニウム合金
は、実施例１、３のマトリックスを形成しているアルミ
ニウム合金と同じ組成であり、比較例２のアルミニウム
合金は実施例２、４のマトリックスを形成しているアル
ミニウム合金と同じ組成である。したがって、強度的に
はマトリックスの耐熱アルミニウム合金とほぼおなじ
で、窒化物、硼化物を添加したことによる悪影響は認め
られない。
複合材および比較例１〜２アルミニウム合金は、いづれ
も常温（ＲＴ）における引張強度が５００ＭＰａを超
え、３００℃における引張強度が２００ＭＰａを超え、
優れていることがわかる。比較例１のアルミニウム合金
は、実施例１、３のマトリックスを形成しているアルミ
ニウム合金と同じ組成であり、比較例２のアルミニウム
合金は実施例２、４のマトリックスを形成しているアル
ミニウム合金と同じ組成である。したがって、強度的に
はマトリックスの耐熱アルミニウム合金とほぼおなじ
で、窒化物、硼化物を添加したことによる悪影響は認め
られない。
【００２４】比較例３〜４のアルミニウム基複合材は、
常温での引張強度は５００ＭＰａ前後の値であるが３０
０℃では引張強度が１００ＭＰａ前後に低下している。
これはアルミニウム合金のマトリックスがもともと高温
強度が低いためである。またＳｉＣがマトリックスに適
合せず粒子界面でクラックが発生、伝播し易いため、伸
びがほとんどなく、そのため降伏強度が測定できなかっ
た。
常温での引張強度は５００ＭＰａ前後の値であるが３０
０℃では引張強度が１００ＭＰａ前後に低下している。
これはアルミニウム合金のマトリックスがもともと高温
強度が低いためである。またＳｉＣがマトリックスに適
合せず粒子界面でクラックが発生、伝播し易いため、伸
びがほとんどなく、そのため降伏強度が測定できなかっ
た。
【００２５】次にこれら実施例１〜４のアルミニウム基
複合材料および比較例１〜４のアルミニウム合金につい
て摩耗試験を行なった。摩耗量はＬＦＷ試験機を使用し
て油中に浸漬したリング状相手材をＳＵＪ２とし、これ
に荷重１５０Ｎ、時間１５分、すべり速度１８ｍ／分で
試験片を押し付けた試験条件で測定した。表２より、実
施例１〜４のアルミニウム基複合材料は、比較例１〜２
のアルミニウム合金と比較して、いづれも比摩耗量が少
なく、耐摩耗性にも優れていることがわかる。比較例
３、４も耐摩耗性はかなり優れているが、これは３００
℃の引張強度（ＴＳ）が著しく低い。
複合材料および比較例１〜４のアルミニウム合金につい
て摩耗試験を行なった。摩耗量はＬＦＷ試験機を使用し
て油中に浸漬したリング状相手材をＳＵＪ２とし、これ
に荷重１５０Ｎ、時間１５分、すべり速度１８ｍ／分で
試験片を押し付けた試験条件で測定した。表２より、実
施例１〜４のアルミニウム基複合材料は、比較例１〜２
のアルミニウム合金と比較して、いづれも比摩耗量が少
なく、耐摩耗性にも優れていることがわかる。比較例
３、４も耐摩耗性はかなり優れているが、これは３００
℃の引張強度（ＴＳ）が著しく低い。
【００２６】また、ＬＦＷ試験で窒化物を添加したアル
ミニウム基複合材料は、アルミニウムが相手材への移着
は少なかった。さらに硼化物を添加したアルミニウム基
複合材料は、硼化物中のＢが１部Ｂ2 Ｏ3 となり、この
Ｂ2 Ｏ3 が摩擦中に液相（ｍｐ４５０℃）になり流体潤
滑剤となって摩耗性が向上していると推定される。図１
に示すように、実施例１の金属組織の拡大写真図であ
る。この図１に示すようにＡｌＮの添加物粒子がマトリ
ックスの界面で空孔などを形成せず緊密に接触して分散
している。図２は比較例１のアルミニウム合金の金属組
織であり均一である。
ミニウム基複合材料は、アルミニウムが相手材への移着
は少なかった。さらに硼化物を添加したアルミニウム基
複合材料は、硼化物中のＢが１部Ｂ2 Ｏ3 となり、この
Ｂ2 Ｏ3 が摩擦中に液相（ｍｐ４５０℃）になり流体潤
滑剤となって摩耗性が向上していると推定される。図１
に示すように、実施例１の金属組織の拡大写真図であ
る。この図１に示すようにＡｌＮの添加物粒子がマトリ
ックスの界面で空孔などを形成せず緊密に接触して分散
している。図２は比較例１のアルミニウム合金の金属組
織であり均一である。
【００２７】したがって、上記の評価により、実施例１
〜４のアルミニウム基複合材料の粉末を焼結法により製
造したアルミニウム基複合材料は、軽量であるととも
に、耐摩耗性、剛性、熱膨張特性及び常温での引張強度
に優れ、かつ３００℃の高温において、引張強さが２０
０ＭＰａ以上、降伏強度が１８０ＭＰａ以上であること
がわかる。
〜４のアルミニウム基複合材料の粉末を焼結法により製
造したアルミニウム基複合材料は、軽量であるととも
に、耐摩耗性、剛性、熱膨張特性及び常温での引張強度
に優れ、かつ３００℃の高温において、引張強さが２０
０ＭＰａ以上、降伏強度が１８０ＭＰａ以上であること
がわかる。
【００２８】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のアルミニ
ウム基複合材料は、所定量のＮｉ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕを
含有し、Ｍｇを含有してない耐熱アルミニウム合金をマ
トリックスとして使用しているため、軽量であるととも
に、窒化物、硼化物の粒子が分散しているので耐摩耗性
が優れ、かつ窒化物、硼化物の粒子が分散されていない
耐熱アルミニウム合金とほぼ類似した強度を有する。
ウム基複合材料は、所定量のＮｉ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕを
含有し、Ｍｇを含有してない耐熱アルミニウム合金をマ
トリックスとして使用しているため、軽量であるととも
に、窒化物、硼化物の粒子が分散しているので耐摩耗性
が優れ、かつ窒化物、硼化物の粒子が分散されていない
耐熱アルミニウム合金とほぼ類似した強度を有する。
【００２９】したがって、本発明の耐熱アルミニウム合
金で例えば自動車等のエンジン部品を製造しても、その
耐熱アルミニウム合金は、軽量であるとともに、安定し
た耐摩耗性、剛性、熱膨張特性、常温強度及び高温強度
を発揮することができるため、近年の高出力化の要請に
確実に答えることができるエンジン部品となる。
金で例えば自動車等のエンジン部品を製造しても、その
耐熱アルミニウム合金は、軽量であるとともに、安定し
た耐摩耗性、剛性、熱膨張特性、常温強度及び高温強度
を発揮することができるため、近年の高出力化の要請に
確実に答えることができるエンジン部品となる。
【図１】この図は実施例１の金属組織を示す８００倍の
拡大顕微鏡写真図である。
拡大顕微鏡写真図である。
【図２】この図は比較例１の金属組織を示す８００倍の
拡大顕微鏡写真図である。
拡大顕微鏡写真図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 宏久 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 山田 泰弘 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 道岡 博文 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 楠井 潤 大阪市中央区久太郎町三丁目６番８号 東 洋アルミニウム株式会社内 (72)発明者 田中 昭衛 大阪市中央区久太郎町三丁目６番８号 東 洋アルミニウム株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】 マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｓｉ：８〜２５％を含
有し、実質的にＭｇを含まず、さらに少なくともＦｅ：
０．６〜８．０％およびＣｕ：０．６〜５．０％の１種
を含み、該Ｆｅおよび該Ｃｕとの合計量が１０％以下で
あり、残部がＡｌからなる耐熱アルミニウム合金をマト
リックスとし、該マトリックスを含む複合材料全体を１
００重量％としたとき窒化物、硼化物の粒子の１種また
は２種以上が合計で０．５〜１０重量％該マトリックス
に分散し、粉末冶金法により製造されていることを特徴
とする高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料。 - 【請求項２】 マトリックスを１００重量％としたとき
該マトリックスは重量％で、さらにＺｒ：０．３〜２．
０％を含む請求項１記載の高耐熱・高耐摩耗性アルミニ
ウム基複合材料。 - 【請求項３】 マトリックスを１００重量％としたとき
該マトリックスは重量％で、さらにＴｉ：１．０〜４．
０％を含む請求項１記載の高耐熱・高耐摩耗性アルミニ
ウム基複合材料。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4358904A JPH06158207A (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料 |
| EP93103253A EP0561204B1 (en) | 1992-03-04 | 1993-03-01 | Heat-resistant aluminum alloy powder, heat-resistant aluminum alloy and heat- and wear-resistant aluminum alloy-based composite material |
| DE69311412T DE69311412T2 (de) | 1992-03-04 | 1993-03-01 | Hitzebeständiges Aluminiumlegierungspulver, hitzebeständige Aluminiumlegierung und hitzebeständiges und verschleissfestes Verbundmaterial auf Basis von Aluminiumlegierung |
| US08/026,150 US5374295A (en) | 1992-03-04 | 1993-03-03 | Heat resistant aluminum alloy powder, heat resistant aluminum alloy and heat and wear resistant aluminum alloy-based composite material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4358904A JPH06158207A (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06158207A true JPH06158207A (ja) | 1994-06-07 |
Family
ID=18461712
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4358904A Pending JPH06158207A (ja) | 1992-03-04 | 1992-11-19 | 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06158207A (ja) |
-
1992
- 1992-11-19 JP JP4358904A patent/JPH06158207A/ja active Pending
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