JPH108161A

JPH108161A - Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材

Info

Publication number: JPH108161A
Application number: JP8161792A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yuri; 浩一由利; Masato Otsuki; 真人大槻; Toru Kono; 通河野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1998-01-13

Abstract

(57)【要約】【課題】Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材を提供す
る。【解決手段】Ｓｉ：８〜１６％、Ｆｅ：３〜１２％、
Ｎｉ：１〜２．９％、Ｃｒ：０．５〜３％を含有し、残
りがＡｌからなる組成並びに素地中にいずれも平均粒
径：０．０１〜１μｍの金属間化合物粒子およびＳｉ粒
子が分散した組織を有する平均粒径：１０〜４０μｍの
Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末（ａ粉末）と、Ｓｉ：２５〜４０
％、Ｆｅ：３〜８％、Ｎｉ：１〜６％、Ｃｒ：０．５〜
３％を含有し、残りがＡｌからなる組成並びに素地中に
平均粒径：０．０１〜１μｍの金属間化合物粒子および
平均粒径：５〜１０μｍのＳｉ粒子が分散した組織を有
する平均粒径：３０〜６０μｍのＡｌ−Ｓｉ系合金粉末
（ｂ粉末）との熱間鍛造部材であって、前記ｂ粉末の平
均粒径はａ粉末の平均粒径よりも大きく、かつｂ粉末は
Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材中に１０〜４０体積
％分散している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、機械装置の構造
部材、特にオイルポンプのギヤの部材として用いるのに
適したＡｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鋳造部材に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばオイルポンプや水力タービ
ンなどの流体機械の部品であるロータやインペラーなど
は、急冷凝固Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末を熱間鍛造すること
により製造された急冷凝固Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛
造部材が用いられており、上記Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末熱
間鍛造部材として、例えば特公平１−２０２１５号公報
や特開平４−３１４９８３号公報に記載されるものはじ
め、その他、重量％で、Ｓｉ：６〜２２％、Ｆｅ：３〜
１２％、Ｎｉ：１〜２．９％、Ｃｒ：０．５〜３％を含
有し、残りがＡｌと不可避不純物からなる組成、並びに
素地にいずれも平均粒径：１μｍ以下の金属間化合物と
共晶および／または析出Ｓｉが分散した組織を有する耐
キャビテーション損傷性にすぐれた急冷凝固Ａｌ−Ｓｉ
系合金粉末熱間鍛造部材なども提案されている（特開平
７−２９２４３１号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年の上記流体
機械の高出力化および小型化はめざましく、これに伴な
い、これら流体機械におけるロータやインペラーなどの
構造部材の回転運動も高速となり、これに比例して前記
構造部材の周辺部に発生するキャビテーション（気泡）
の破裂で起る衝撃波も強さを増す状況にあるが、上記の
従来のＡｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材においては、
いずれも素地中に初晶Ｓｉが分散した組織を有し、前記
素地が前記初晶Ｓｉに対して相対的に軟質であるため
に、前記部材表面の素地部分は前記衝撃波による損傷
（キャビテーション損傷）を受け易く、またアウターロ
ーターとインナーローターからなるオイルポンプロータ
ーのインナーローターに用いる場合など、ローターを駆
動させるシャフトが鉄系材料である場合、稼働時の温度
上昇によってローターとシャフトの熱膨張差によりクリ
アランスが大きくなり、ローターとシャフトとの間にお
ける摩耗を増大させ、さらにポンプ性能を低下させてし
まうという問題点を抱えていた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、耐キャビテーション損傷性およ
び耐摩耗性に優れ、また熱膨張係数が鉄系材料に近いＡ
ｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材を開発すべく研究を行
なった結果、Ｓｉ含有量および平均粒径の異なった２種
類の急冷凝固Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末を所定割合に混合し
熱間鍛造して得られたＡｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部
材は、従来のＡｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材よりも
耐キャビテーション損傷性および耐摩耗性に優れ、また
熱膨張係数が鉄系材料に近いという研究結果を得たので
ある。

【０００５】この発明は、上記の研究結果にもつづいて
なされたものであって、重量％で（以下、％は重量％を
示す）、Ｓｉ：８〜１６％、Ｆｅ：３〜１２％、Ｎｉ：
１〜２．９％、Ｃｒ：０．５〜３％を含有し、残りがＡ
ｌと不可避不純物からなる組成並びに素地中にいずれも
平均粒径：０．０１〜１μｍの金属間化合物粒子および
Ｓｉ粒子が分散した組織を有する平均粒径：１０〜４０
μｍのＡｌ−Ｓｉ系合金粉末（以下、ａ粉末と云う）
と、Ｓｉ：２５〜４０％、Ｆｅ：３〜８％、Ｎｉ：１〜
６％、Ｃｒ：０．５〜３％を含有し、残りがＡｌと不可
避不純物からなる組成並びに素地中に平均粒径：０．０
１〜１μｍの金属間化合物粒子および平均粒径：５〜１
０μｍのＳｉ粒子が分散した組織を有する平均粒径：３
０〜６０μｍのＡｌ−Ｓｉ系合金粉末（以下、ｂ粉末と
云う）との混合粉末を熱間鍛造して得られたＡｌ−Ｓｉ
系合金粉末熱間鍛造部材であって、前記ｂ粉末は平均粒
径がａ粉末よりも大きく、かつｂ粉末はＡｌ−Ｓｉ系合
金粉末熱間鍛造部材中に１０〜４０体積％分散している
Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材、に特徴を有するも
のである。

【０００６】つぎに、この発明のＡｌ−Ｓｉ系合金粉末
熱間鍛造部材において、成分組成を上記の通りに限定し
た理由を説明する。Ａ成分組成（ａ）ＳｉＳｉ成分には、素地中に微細に分散するＳｉ粒子を形成
すると共に、Ａｌ、Ｆｅ，Ｎｉ、およびＣｒと結合して
同じく素地中に微細に分散する金属間化合物粒子を形成
し、耐キャビテーション損傷性を向上させる作用があ
り、さらに粗大なＳｉ粒子は耐摩耗性を一層向上させ、
Ｓｉ成分の増加は熱膨脹係数を下げて鉄系材料の熱膨脹
係数に近づける作用があるが、ａ粉末におけるＳｉの含
有量が８％未満では耐キャビテーション損傷性を向上さ
せる作用に所望の効果が得られず、一方、その含有量が
１６％を越えても、更なる耐キャビテーション損傷性の
向上効果が期待できないことから、その含有量を８〜１
６％と定めた。なお、ａ粉末におけるＳｉの含有量の一
層望ましい範囲は、１０〜１４％である。さらに、ｂ粉
末におけるＳｉの含有量が２５％未満では耐摩耗性を向
上させる作用に所望の効果が得られず、一方、その含有
量が４０％を越えても、更なる耐摩耗性の向上効果が期
待できないことから、その含有量を２５〜４０％と定め
た。なお、ｂ粉末におけるＳｉの含有量の一層望ましい
範囲は、３０〜３５％である。

【０００７】（ｂ）ＦｅＦｅ成分には、上記の通りＡｌ、Ｓｉ、およびＣｒと金
属間化合物を形成して耐キャビテーション損傷性を向上
させる作用があるが、ａ粉末におけるＦｅの含有量が３
％未満では耐キャビテーション損傷性を向上させる作用
に所望の効果が得られず、一方、その含有量が１２％を
越えると金属間化合物粒子が粗大化するようになって耐
キャビテーション損傷性を向上させる効果が期待できな
いことから、その含有量を３〜１２％と定めた。なお、
ａ粉末におけるＦｅの含有量の一層望ましい範囲は、６
〜９％である。さらに、ｂ粉末におけるＦｅの含有量が
３％未満では耐キャビテーション損傷性を向上させる作
用に所望の効果が得られず、一方、その含有量が８％を
越えると、靭性が低下することから、その含有量を３〜
８％と定めた。なお、ｂ粉末におけるＦｅの含有量の一
層望ましい範囲は、３〜６％である。

【０００８】（ｃ）ＮｉＮｉ成分には、上記の通りＡｌ、Ｓｉ、およびＣｒと金
属間化合物を形成して耐キャビテーション損傷性を向上
させる作用があると共に、靭性を向上させる作用がある
が、ａ粉末におけるＮｉの含有量が１％未満では耐キャ
ビテーション損傷性および靭性を向上させる作用に所望
の効果が得られず、一方、その含有量が２．９％を越え
ると金属間化合物粒子が粗大化するようになって耐キャ
ビテーション損傷性を向上させる効果が期待できないこ
とから、その含有量を１〜２．９％と定めた。なお、ａ
粉末におけるＮｉの含有量の一層望ましい範囲は、１．
５〜２．５％である。さらに、ｂ粉末におけるＮｉの含
有量が１％未満では耐キャビテーション損傷性を向上さ
せる作用に所望の効果が得られず、一方、その含有量が
６％を越えると、さらなる靭性の向上が期待できないこ
とから、その含有量を１〜６％と定めた。なお、ｂ粉末
におけるＮｉの含有量の一層望ましい範囲は、３〜５％
である。

【０００９】（ｄ）ＣｒＣｒ成分には、素地に固溶してこれを強化するほか、上
記の通り金属間化合物を形成し、かつこれの球状化およ
び微細化に寄与して耐キャビテーション損傷性の向上を
促進する作用があるが、その含有量が０．５％未満で前
記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量が３％
を越えると、ＦｅおよびＮｉの場合と同様に金属間化合
物に粗大化傾向が現われるようになることから、ａ粉末
およびｂ粉末におけるＣｒの含有量を共に０．５〜３％
と定めた。なお、望ましくは１．５〜２．５％の含有が
よい。

【００１０】Ｂ粉末の組織および平均粒径（ｅ）ａ粉末の組織および平均粒径ａ粉末の平均粒径は１０〜４０μｍの範囲内にあること
が好ましく、２０〜３０μｍが一層好ましい。このａ粉
末の素地にはいずれも平均粒径：０．０１〜１μｍ（好
ましくは、０．１〜０．５μｍ）の微細な金属間化合物
粒子およびＳｉ粒子が形成されており、このａ粉末は、
上記組成のＡｌ合金溶湯をガスアトマイズなどの急冷凝
固を伴なう１０⁴℃／sec 以上の冷却速度で冷却する粉
末製造法によって粉末とした場合に形成されるものであ
って、前記の急冷凝固によらない粉末製造法の場合に
は、上記組成のＡｌ合金溶湯を用いても前記金属間化合
物粒子およびＳｉ粒子が１μｍを越えて粗大化してしま
い、所望のすぐれた耐キャビテーション損傷性、耐摩耗
性および低熱膨脹係数を兼ね備えた特性を確保すること
ができない。

【００１１】（ｆ）ｂ粉末の組織および平均粒径ｂ粉末の平均粒径は３０〜６０μｍの範囲内にあること
が好ましく、５０〜６０μｍが一層好ましい。このｂ粉
末の素地には平均粒径：０．０１〜１μｍ（好ましく
は、０．５〜０．８μｍ）の微細な金属間化合物粒子お
よび平均粒径：５〜１０μｍ（好ましくは、５〜７μ
ｍ）の粗大なＳｉ粒子が形成されており、このｂ粉末
は、上記組成のＡｌ合金溶湯をガスアトマイズなどの急
冷凝固を伴なう１０⁴℃／sec 以上の冷却速度で冷却す
る粉末製造法によって粉末とした場合に形成されるもの
であって、前記の急冷凝固によらない粉末製造法の場合
には、上記組成のＡｌ合金溶湯を用いても前記金属間化
合物粒子が１μｍを越えておよびＳｉ粒子が１０μｍを
越えて粗大化してしまい、所望のすぐれた耐キャビテー
ション損傷性、耐摩耗性および低熱膨脹係数を兼ね備え
た特性を確保することができない。

【００１２】（ｇ）ａ粉末とｂ粉末の関係前記ｂ粉末は平均粒径がａ粉末よりも大きいことが必要
であり、かつａ粉末にｂ粉末を１０〜４０体積％（好ま
しくは、２５〜３５体積％）分散した組織を有すること
が必要である。ｂ粉末の分散量が１０体積％未満では十
分な耐摩耗性が得られず、一方、ｂ粉末の分散量が４０
体積％を越えて分散しても耐摩耗性のさらなる向上が期
待できないばかりか、耐キャビテーション損傷性が低下
し、靭性も低下することから、ｂ粉末のａ粉末に対する
分散量は１０〜４０体積％（好ましくは、２５〜３５体
積％）に定めた。

【００１３】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明のＡｌ−Ｓｉ系
合金粉末熱間鍛造部材を実施例により具体的に説明す
る。まず、通常の溶解法にて表１に示される成分組成を
もったＡｌ合金溶湯を調製し、窒素ガスアトマイズ法に
より１０³〜１０⁵℃／sec の範囲内の所定の冷却速度
で急冷凝固してＡｌ合金粉末とし、篩分により粒度を調
製することにより表１に示される平均粒径を有するａ１
〜ａ７粉末を作製した。このａ１〜ａ７粉末の素地中に
分散する金属間化合物粒子およびＳｉ粒子の平均粒径を
金属組織写真により測定し、その結果も表１に示した。

【００１４】

【表１】

【００１５】さらに、通常の溶解法にて表２に示される
成分組成をもったＡｌ合金溶湯を調製し、窒素ガスアト
マイズ法により１０³〜１０⁵℃／sec の範囲内の所定
の冷却速度で急冷凝固してＡｌ合金粉末とし、篩分によ
り粒度を調製することにより表２に示される平均粒径を
有するｂ１〜ｂ７粉末を作製した。このｂ１〜ｂ７粉末
の素地中に分散する金属間化合物粒子およびＳｉ粒子の
平均粒径を金属組織写真により測定し、その結果も表２
に示した。

【００１６】

【表２】

【００１７】表１および表２に示されるａ１〜ａ７粉末
とｂ１〜ｂ７粉末を表３および４に示される割合に配合
し混合して６ton ／cm²の圧力で圧粉体にプレス形成
し、この圧粉体を、アルゴン雰囲気中、温度：４５０℃
に３０分間保持の条件で加熱した状態で、４５０℃に加
熱した金型を用い、８ton ／cm²の圧力で熱間鍛造を施
すことにより本発明Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材
（以下、本発明鍛造部材という）１〜１５および比較Ａ
ｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材（以下、比較鍛造部材
という）１〜８からなる縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍ、
長さ：４０ｍｍの寸法のブロックオンリング試験片を作
製した。これらブロックオンリング試験片の熱膨脹係数
を測定し、その結果を表３および４に示した。

【００１８】次に、前記ブロックオンリング試験片を回
転速度：５ｍ／ｓｅｃ．で回転するＳＣＭ４２０製リン
グに潤滑油を滴下しながら荷重：２０ｋｇｆで１５分間
押しつけ、ブロックオンリング試験片の摩耗量を測定
し、その結果を表３および４に示た。

【００１９】さらに、表１および表２に示されるａ１〜
ａ７粉末とｂ１〜ｂ７粉末を表３および４に示される割
合に配合し混合して６ton ／cm²の圧力で圧粉体にプレ
ス形成し、この圧粉体を、アルゴン雰囲気中、温度：４
５０℃に３０分間保持の条件で加熱した状態で、４５０
℃に加熱した金型を用い、８ton ／cm²の圧力で熱間鍛
造を施すことによりＡＳＴＭ規格Ｇ３２−８５に規定さ
れた振動式キャビテーション損傷試験法に則した形状、
すなわち直径：３mmφの中心部を有する外径：１２mm
φ×厚さ：３mmのリング状上部とこのリング状上部と
同心に一体に形成された長さ：７mmの円筒状下部からな
る形状の試験片に切削仕上げ、本発明鍛造部材１〜１５
および比較鍛造部材１〜８からなる振動式キャビテーシ
ョン損傷試験片をそれぞれ製造した。

【００２０】上記本発明鍛造部材１〜１５および比較鍛
造部材１〜８を５０℃の蒸留水を入れた水槽の底部中心
に固定し、これの直上に振動子を位置させ、振動数：２０ＫＨｚ、振動子振幅：３５μｍ、振動式キャビテーション損傷試験片−振動子間距離：
０．８mm、試験時間：１時間、の条件でキャビテーション損傷試験を行ない、試験後、
本発明鍛造部材１〜１５および比較鍛造部材１〜８から
なる振動式キャビテーション損傷試験片の体積減量を測
定し、これらの測定結果を表３および４に示した。

【００２１】なお、前記本発明鍛造部材１〜１５および
比較鍛造部材１〜８について、素地中に分散する粉末の
平均粒径、粉末内の金属間化合物粒子およびＳｉ粒子の
平均粒径を測定したところ、表１および表２に示される
ａ１〜ａ７粉末とｂ１〜ｂ７粉末の平均粒径、粉末内の
金属間化合物粒子およびＳｉ粒子の平均粒径とほぼ同じ
であった。

【００２２】

【表３】

【００２３】

【表４】

【００２４】

【発明の効果】表１〜４に示される結果から、本発明鍛
造部材１〜１５の熱膨脹係数は、鉄系材料の熱膨脹係数
（１０〜１３×１０^-6／℃）に近く、また耐摩耗性にも
優れ、さらにすぐれた耐キャビテーション損傷性を示す
のに対して、比較Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造１〜８
に見られるように、構成成分および配合割合のうちのい
ずれかでもこの発明の範囲から外れると耐キャビテーシ
ョン損傷性もしくは耐摩耗性が低下し、損耗進行が促進
されるようになることが明らかである。上述のように、
この発明のＡｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材は、熱膨
脹係数が鉄系材料の熱膨脹係数に近く、耐摩耗性に優
れ、耐キャビテーション損傷性が著しく向上したものに
なっていることから、各種流体機械の構造部材として用
いた場合にも長期に亘ってすぐれた耐久性を発揮し、使
用寿命の延命化を可能ならしめるものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｓｉ：８〜１６％、Ｆｅ：３〜１２％、Ｎｉ：１〜２．
９％、Ｃｒ：０．５〜３％を含有し、残りがＡｌと不可
避不純物からなる組成並びに素地中にいずれも平均粒
径：０．０１〜１μｍの金属間化合物粒子およびＳｉ粒
子が分散した組織を有する平均粒径：１０〜４０μｍの
Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末（以下、ａ粉末と云う）と、Ｓｉ：２５〜４０％、Ｆｅ：３〜８％、Ｎｉ：１〜６
％、Ｃｒ：０．５〜３％を含有し、残りがＡｌと不可避
不純物からなる組成並びに素地中に平均粒径：０．０１
〜１μｍの金属間化合物粒子および平均粒径：５〜１０
μｍのＳｉ粒子が分散した組織を有する平均粒径：３０
〜６０μｍのＡｌ−Ｓｉ系合金粉末（以下、ｂ粉末と云
う）との混合粉末を熱間鍛造して得られたＡｌ−Ｓｉ系
合金粉末熱間鍛造部材であって、前記ｂ粉末の平均粒径はａ粉末の平均粒径よりも大き
く、かつｂ粉末はＡｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材中
に１０〜４０体積％分散していることを特徴とするＡｌ
−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材。
【請求項２】前記ａ粉末およびｂ粉末は、いずれも急
冷凝固Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末であることを特徴とする請
求項１記載のＡｌ−Ｓｉ系合金粉末熱間鍛造部材。