JP3139649B2 - 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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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、バルブスプリングリテ
ナー、インテークバルブ、ピストン等の自動車、航空機
等のエンジン部品に適用して有用な、靱性、耐摩耗性と
ともに高温強度、耐クリープ特性に優れる高耐熱・高耐
摩耗性アルミニウム基複合材料に関する。
ナー、インテークバルブ、ピストン等の自動車、航空機
等のエンジン部品に適用して有用な、靱性、耐摩耗性と
ともに高温強度、耐クリープ特性に優れる高耐熱・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、このためインテークバルブなどの
エンジン部品用の材料は、３００℃で引張強度が２００
ＭＰａ以上必要とされる。かかる観点からは、上記ＪＩ
Ｓ２０２４、２０１８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３００ＭＰａ、３００℃の高温では引張
強度が１５０ＭＰａ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、このためインテークバルブなどの
エンジン部品用の材料は、３００℃で引張強度が２００
ＭＰａ以上必要とされる。かかる観点からは、上記ＪＩ
Ｓ２０２４、２０１８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３００ＭＰａ、３００℃の高温では引張
強度が１５０ＭＰａ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−Ｎ
ｉ−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４μｍ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５１
０ＭＰａ、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。
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−Ｎ
ｉ−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４μｍ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５１
０ＭＰａ、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、鍛造性、安定した耐摩耗性および特に高
温での引張強度、降伏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、鍛造性、安定した耐摩耗性および特に高
温での引張強度、降伏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。そして特
定の組成割合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
合材料は、高温での引張強度および伸度に優れ、鍛造
性、耐摩耗性が高いことを発見・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。そして特
定の組成割合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
合材料は、高温での引張強度および伸度に優れ、鍛造
性、耐摩耗性が高いことを発見・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：２
〜１５％、Ｓｉ：０．２〜１５％、Ｆｅ：０．６〜８．
０％と、Ｃｕ：０．６〜５．０％およびＭｇ：０．５〜
３％（ただしＣｕ＋Ｍｇ≦６％）と、Ｚｒ：０．３〜３
％およびＭｏ：０．３〜３％（ただしＺｒ＋Ｍｏ≦４
％）とを含み、残部が不可避不純物と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０．５〜１
０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：２
〜１５％、Ｓｉ：０．２〜１５％、Ｆｅ：０．６〜８．
０％と、Ｃｕ：０．６〜５．０％およびＭｇ：０．５〜
３％（ただしＣｕ＋Ｍｇ≦６％）と、Ｚｒ：０．３〜３
％およびＭｏ：０．３〜３％（ただしＺｒ＋Ｍｏ≦４
％）とを含み、残部が不可避不純物と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０．５〜１
０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Ｔｉ：０．５〜４．０
％を含むことができる。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。通常この混合粉末をケースに入れ、こ
の状態で冷間予備成形（ＣＩＰ等）、熱間押出すること
でなされる。
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Ｔｉ：０．５〜４．０
％を含むことができる。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。通常この混合粉末をケースに入れ、こ
の状態で冷間予備成形（ＣＩＰ等）、熱間押出すること
でなされる。
【００１１】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：２〜１５％〕Ｎｉは、Ａｌとともに、ＮｉＡｌ
3 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、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：２〜１５％〕Ｎｉは、Ａｌとともに、ＮｉＡｌ
3 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、硬さもより低く、
靱性により富む。
【００１２】このため、Ｎｉは高温強度を確保するマト
リックス硬化剤として２％以上添加することが必要であ
る。またＮｉが１５％を超えるとマトリックスの高温強
度は確保できるが粗大結晶の析出により加工性、伸びが
低下し鍛造性が低下するので好ましくない。 〔Ｓｉ：０．２〜１５％〕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、Ａ３
９０合金等で知られている。
リックス硬化剤として２％以上添加することが必要であ
る。またＮｉが１５％を超えるとマトリックスの高温強
度は確保できるが粗大結晶の析出により加工性、伸びが
低下し鍛造性が低下するので好ましくない。 〔Ｓｉ：０．２〜１５％〕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、Ａ３
９０合金等で知られている。
【００１３】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１５％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、製品に粗大な初晶Ｓｉが晶出し
て好ましくない。Ｓｉの量が０．２％未満では添加効果
が認められないので好ましくない。 〔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
ましいとされている。しかし、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。
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１５％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、製品に粗大な初晶Ｓｉが晶出し
て好ましくない。Ｓｉの量が０．２％未満では添加効果
が認められないので好ましくない。 〔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
ましいとされている。しかし、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。
【００１４】〔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。Ｃｕが０．６％以上の配合でマ
トリックスの常温強度向上の硬化があり、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
スの高温強度を低下させる。なお、Ｃｕおよび下述のＭ
ｇの合計量が６％以下であれば、マトリックスの鍛造性
が保持できる。
トリックスを強化する。Ｃｕが０．６％以上の配合でマ
トリックスの常温強度向上の硬化があり、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
スの高温強度を低下させる。なお、Ｃｕおよび下述のＭ
ｇの合計量が６％以下であれば、マトリックスの鍛造性
が保持できる。
【００１５】〔Ｍｇ：０．５〜３．０％〕 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。Ｍｇの量が３％を超えると、粗大化合
物が析出して鍛造性が低下するので好ましくない。但
し、上述の通り、ＣｕおよびＭｇの合計量が６％以下で
あれば、添加効果を保持することができる。
て知られている。Ｍｇの量が３％を超えると、粗大化合
物が析出して鍛造性が低下するので好ましくない。但
し、上述の通り、ＣｕおよびＭｇの合計量が６％以下で
あれば、添加効果を保持することができる。
【００１６】〔Ｚｒ：０．３〜３．０％〕Ｚｒは、高温
強度および耐クリープ性を改善する添加元素として知ら
れている。即ち、本発明のマトリックスにＺｒ：０．３
〜３．０％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３．０％を超えて添加すると粗大
な金属間化合物（ＺｒＡｌ 3 ）を晶出し、望ましくな
い。
強度および耐クリープ性を改善する添加元素として知ら
れている。即ち、本発明のマトリックスにＺｒ：０．３
〜３．０％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３．０％を超えて添加すると粗大
な金属間化合物（ＺｒＡｌ 3 ）を晶出し、望ましくな
い。
【００１７】〔Ｍｏ：０．３〜３．０％〕 ＭｏもまたＺｒと同様に、同じ添加量で耐熱性を改善で
きる元素であるが、本発明では、ＺｒおよびＭｏをそれ
らの合計量が４％以下となるように添加することで、上
記鍛造性、耐クリープ性を確保することができる。合計
量が４％を超えるとかえって鍛造性が低下するので好ま
しくない。
きる元素であるが、本発明では、ＺｒおよびＭｏをそれ
らの合計量が４％以下となるように添加することで、上
記鍛造性、耐クリープ性を確保することができる。合計
量が４％を超えるとかえって鍛造性が低下するので好ま
しくない。
【００１８】〔Ｔｉ：０．５〜４．０％〕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０．５〜４．０％である。Ｔｉの配合が０．５％
未満では高温における降伏強度の向上効果が少なく、Ｔ
ｉ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。
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０．５〜４．０％である。Ｔｉの配合が０．５％
未満では高温における降伏強度の向上効果が少なく、Ｔ
ｉ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。
【００１９】〔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、添加による耐摩耗
性の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。
％〕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、添加による耐摩耗
性の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。
【００２０】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、ＴｉＢ、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、ＴｉＢ、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。
【００２１】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
製造できる。
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
製造できる。
【００２２】
【実施例】以下、本発明を具体化した実施例および比較
例を示すとともに本発明をさらに詳細に説明する。な
お、実施例および比較例の組成を表１、表２に特性値を
表３、表４に示す。表１、表２のマトリックス組成の列
に示す組成の元素の前の数字は、マトリックス１００％
中に占めるその元素の％量である。窒化物および硼化物
の列のそれぞれの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％としたときの窒化物お
よび硼化物の％量を示す。
例を示すとともに本発明をさらに詳細に説明する。な
お、実施例および比較例の組成を表１、表２に特性値を
表３、表４に示す。表１、表２のマトリックス組成の列
に示す組成の元素の前の数字は、マトリックス１００％
中に占めるその元素の％量である。窒化物および硼化物
の列のそれぞれの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％としたときの窒化物お
よび硼化物の％量を示す。
【００２３】表１に示す組成のＡｌマトリクスの溶湯を
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、これに粒径１〜２０μｍの窒化物、硼化
物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。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、φ３０ｍｍ×Ｌ８０ｍｍ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の棒状の表１に示すＮｏ１〜９の
９種類のアルミニウム基複合材料を得た。これらの実施
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。
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、これに粒径１〜２０μｍの窒化物、硼化
物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。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、φ３０ｍｍ×Ｌ８０ｍｍ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の棒状の表１に示すＮｏ１〜９の
９種類のアルミニウム基複合材料を得た。これらの実施
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。
【００２４】
【表１】 表２に示すＮｏ５１、Ｎｏ５２、Ｎｏ５７、Ｎｏ５８の
組成のアルミニウム合金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
をアルミニウム合金粉末とした。Ｎｏ５３、Ｎｏ５４、
Ｎｏ５５は表２に示す組成のＡｌマトリクスの溶湯をア
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、これに粒径１〜２０μｍの窒化物、硼化物
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。Ｎｏ５６は表２に示す組成のＡｌマトリク
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、これに粒径２．６μｍの炭化
珪素の微粉末を１５％混合して混合粉末とした。
組成のアルミニウム合金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
をアルミニウム合金粉末とした。Ｎｏ５３、Ｎｏ５４、
Ｎｏ５５は表２に示す組成のＡｌマトリクスの溶湯をア
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、これに粒径１〜２０μｍの窒化物、硼化物
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。Ｎｏ５６は表２に示す組成のＡｌマトリク
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、これに粒径２．６μｍの炭化
珪素の微粉末を１５％混合して混合粉末とした。
【００２５】これらの各混合粉末を純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、φ３０ｍｍ×Ｌ８０ｍｍ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の棒状の表１に示すＮｏ５１〜５
８の８種類のアルミニウム基複合材料およびアルミニウ
ム合金を得た。
ーブに装填して真空条件下、面圧３ｔｏｎ／ｃｍ2 で冷
間予備成形し、φ３０ｍｍ×Ｌ８０ｍｍ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の棒状の表１に示すＮｏ５１〜５
８の８種類のアルミニウム基複合材料およびアルミニウ
ム合金を得た。
【００２６】
【表２】
【００２７】
【表３】 σ：引張強度（ＭＰａ）、ＹＰ：降伏強度（ＭＰａ）、
δ：伸び（％） 比摩耗量（ｍｍ3 ／ｋｇ・ｍｍ）、限界据込率（％） 「−」は、ほぼ０で測定不可、空欄は未測定
δ：伸び（％） 比摩耗量（ｍｍ3 ／ｋｇ・ｍｍ）、限界据込率（％） 「−」は、ほぼ０で測定不可、空欄は未測定
【００２８】
【表4 】 σ：引張強度（ＭＰａ）、ＹＰ：降伏強度（ＭＰａ）、
δ：伸び（％） 比摩耗量（ｍｍ3 ／ｋｇ・ｍｍ）、限界据込率（％） 「−」は、ほぼ０で測定不可、空欄は未測定を表す 〔評価１〕表３には実施例のＮｏ１〜Ｎｏ９のアルミニ
ウム基複合材料の試料について、室温での引張強度と伸
びを、１５０℃での引張強度と伸びを、Ｎｏ８およびＮ
ｏ９については３００℃における引張強度と降伏強度お
よび伸びの測定を行った。結果を表３に示す。
δ：伸び（％） 比摩耗量（ｍｍ3 ／ｋｇ・ｍｍ）、限界据込率（％） 「−」は、ほぼ０で測定不可、空欄は未測定を表す 〔評価１〕表３には実施例のＮｏ１〜Ｎｏ９のアルミニ
ウム基複合材料の試料について、室温での引張強度と伸
びを、１５０℃での引張強度と伸びを、Ｎｏ８およびＮ
ｏ９については３００℃における引張強度と降伏強度お
よび伸びの測定を行った。結果を表３に示す。
【００２９】表３より、実施例のＮｏ１〜９のアルミニ
ウム基複合材は、いづれも常温（ＲＴ）における引張強
度（σ）が５００ＭＰａを超え、１５０℃においても４
５０ＭＰａを超えている。したがって、本実施例の各試
料は耐熱強度が向上していることを示している。比較例
も、表４に示すようにＮｏ５１〜５８の各試料について
室温での引張強度と伸びを、１５０℃での引張強度と伸
びを、Ｎｏ５３〜５８については３００℃における引張
強度と降伏強度および伸びの測定を行った。
ウム基複合材は、いづれも常温（ＲＴ）における引張強
度（σ）が５００ＭＰａを超え、１５０℃においても４
５０ＭＰａを超えている。したがって、本実施例の各試
料は耐熱強度が向上していることを示している。比較例
も、表４に示すようにＮｏ５１〜５８の各試料について
室温での引張強度と伸びを、１５０℃での引張強度と伸
びを、Ｎｏ５３〜５８については３００℃における引張
強度と降伏強度および伸びの測定を行った。
【００３０】比較例Ｎｏ５１、Ｎｏ５２、Ｎｏ５７、Ｎ
ｏ５８は本発明のマトリックス組成と同じであり常温の
引張強度（σ）は５００Ｍｐａを超え、１５０℃におい
ても４５０ＭＰａを超えている。比較例Ｎｏ５１のアル
ミニウム合金は、実施例Ｎｏ１のマトリクス組成と同じ
であり、同様にＮｏ５２はＮｏ２とＮｏ５７はＮｏ８と
Ｎｏ５８はＮｏ９のマトリクス組成と同じであり、強度
的にはほぼ同じレベルであり窒化物、硼化物を添加した
ことによる強度への著しい悪影響は認められない。
ｏ５８は本発明のマトリックス組成と同じであり常温の
引張強度（σ）は５００Ｍｐａを超え、１５０℃におい
ても４５０ＭＰａを超えている。比較例Ｎｏ５１のアル
ミニウム合金は、実施例Ｎｏ１のマトリクス組成と同じ
であり、同様にＮｏ５２はＮｏ２とＮｏ５７はＮｏ８と
Ｎｏ５８はＮｏ９のマトリクス組成と同じであり、強度
的にはほぼ同じレベルであり窒化物、硼化物を添加した
ことによる強度への著しい悪影響は認められない。
【００３１】比較例Ｎｏ５３、Ｎｏ５４はＡｌ，Ｎｉお
よびＳｉのみからなるマトリックスに窒化物、硼化物を
配合した場合で、常温での引張強度（σ）が５００ＰＭ
ａ以下で１５０℃も４５０ＰＭａ以下である。また、比
較例のＮｏ５５のＺｒおよびＭｏを含まないマトリック
スに窒化物を添加した場合も常温での引張強度（σ）が
５００ＰＭａ以下で１５０℃も４５０ＰＭａ以下で、引
張強度（σ）が不充分である。比較例のＮｏ５６は、マ
トリックス中にＮｉ、Ｆｅ、Ｓｉ（わずか０．６％）、
ＺｒおよびＭｏを含まないため常温および１５０℃の引
張強度（σ）が４００ＰＭａ以下と低い。
よびＳｉのみからなるマトリックスに窒化物、硼化物を
配合した場合で、常温での引張強度（σ）が５００ＰＭ
ａ以下で１５０℃も４５０ＰＭａ以下である。また、比
較例のＮｏ５５のＺｒおよびＭｏを含まないマトリック
スに窒化物を添加した場合も常温での引張強度（σ）が
５００ＰＭａ以下で１５０℃も４５０ＰＭａ以下で、引
張強度（σ）が不充分である。比較例のＮｏ５６は、マ
トリックス中にＮｉ、Ｆｅ、Ｓｉ（わずか０．６％）、
ＺｒおよびＭｏを含まないため常温および１５０℃の引
張強度（σ）が４００ＰＭａ以下と低い。
【００３２】さらに実施例Ｎｏ８は、Ｔｉを１％添加し
たため、３００℃の降伏点がＴｉを含まない実施例Ｎｏ
９に比べて向上している。したがって、本発明のＡｌマ
トリックス組成とすることで所期の強度を得ることがで
きる。 〔評価２〕表１、表２に示す組成であって、評価１と同
様にして得た各焼結体からなるアルミニウム基複合材料
およびアルミニウム合金から、φ１０ｍｍ×１５ｍｍの
テストピースＴ／Ｐを切削して各５〜８本準備した。そ
して、図１に示すように、各テストピースＴ／Ｐを金型
間に挟持し、４５０℃で、鍛造速度；７０ｍｍ／秒によ
り据込率を変え、限界据込率（％）を求める鍛造試験を
おこなった。結果を表３、表４に示す。
たため、３００℃の降伏点がＴｉを含まない実施例Ｎｏ
９に比べて向上している。したがって、本発明のＡｌマ
トリックス組成とすることで所期の強度を得ることがで
きる。 〔評価２〕表１、表２に示す組成であって、評価１と同
様にして得た各焼結体からなるアルミニウム基複合材料
およびアルミニウム合金から、φ１０ｍｍ×１５ｍｍの
テストピースＴ／Ｐを切削して各５〜８本準備した。そ
して、図１に示すように、各テストピースＴ／Ｐを金型
間に挟持し、４５０℃で、鍛造速度；７０ｍｍ／秒によ
り据込率を変え、限界据込率（％）を求める鍛造試験を
おこなった。結果を表３、表４に示す。
【００３３】なお、限界据込率（％）は、εhc＝（ｈ0
−ｈc ）×１００／ｈ0 により求めた。実施例Ｎｏ１〜
９はいずれも鍛造性を示す限界据込率（４５０℃）が６
０％以上あり鍛造性に優れている。一方比較例ではＮｏ
５１、Ｎｏ５２およびＮｏ５６が限界据込率（４５０
℃）が６０％以上あり鍛造性に優れている。しかし、窒
化物、硼化物を含むＮｏ５３、Ｎｏ５４はマトリックス
のＮｉが１５％、Ｓｉが２０％のため限界据込率が５０
％以下であり、他は測定できなかった。また比較例Ｎｏ
５５は、マトリックスのＮｉが１０％、Ｓｉが２５％で
あり、３００℃の伸びが０．２％であり、限界据込率が
かなり低くなることは容易に類推される。したがって、
Ａｌマトリックスに窒化物、硼化物を配合するのみでは
鍛造性は向上しない。マトリックス組成の設定が必要で
有ることを示している。
−ｈc ）×１００／ｈ0 により求めた。実施例Ｎｏ１〜
９はいずれも鍛造性を示す限界据込率（４５０℃）が６
０％以上あり鍛造性に優れている。一方比較例ではＮｏ
５１、Ｎｏ５２およびＮｏ５６が限界据込率（４５０
℃）が６０％以上あり鍛造性に優れている。しかし、窒
化物、硼化物を含むＮｏ５３、Ｎｏ５４はマトリックス
のＮｉが１５％、Ｓｉが２０％のため限界据込率が５０
％以下であり、他は測定できなかった。また比較例Ｎｏ
５５は、マトリックスのＮｉが１０％、Ｓｉが２５％で
あり、３００℃の伸びが０．２％であり、限界据込率が
かなり低くなることは容易に類推される。したがって、
Ａｌマトリックスに窒化物、硼化物を配合するのみでは
鍛造性は向上しない。マトリックス組成の設定が必要で
有ることを示している。
【００３４】本発明の複合材料の鍛造性が優れているの
は、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｆｅ（特にＳｉ）の添加量をそれぞれ
１５％、１５％、８％以下としたことによる。 〔評価３〕次にこれら実施例１〜９のアルミニウム基複
合材料および比較例５１〜５８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
して油中に没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。
は、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｆｅ（特にＳｉ）の添加量をそれぞれ
１５％、１５％、８％以下としたことによる。 〔評価３〕次にこれら実施例１〜９のアルミニウム基複
合材料および比較例５１〜５８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
して油中に没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。
【００３５】結果を、表３および表４に示す。表３より
実施例Ｎｏ１〜９の試料の比摩耗量（ＬＦＷ試験）は
１．３×１０-7ｍｍ3 ／ｋｇ・ｍｍ以下であり、高温強
度、鍛造性、耐摩耗性とバランスのとれたアルミニウム
基複合材料である。窒化物、硼化物を含まない比較例Ｎ
ｏ５１、Ｎｏ５２およびＮｏ５６は、表４より鍛造性を
示す限界据込率（４５０℃）は７５％以上あり良いが、
比摩耗量が４．０×１０-7と大きく耐摩耗性が低い。比
較例Ｎｏ５３、Ｎｏ５４は窒化物、硼化物を含むので比
摩耗量が２×１０-9、３×１０-9と耐摩耗性は良いが鍛
造性の良否を示す限界据込率が４０．５％，４５．０％
と低くい。
実施例Ｎｏ１〜９の試料の比摩耗量（ＬＦＷ試験）は
１．３×１０-7ｍｍ3 ／ｋｇ・ｍｍ以下であり、高温強
度、鍛造性、耐摩耗性とバランスのとれたアルミニウム
基複合材料である。窒化物、硼化物を含まない比較例Ｎ
ｏ５１、Ｎｏ５２およびＮｏ５６は、表４より鍛造性を
示す限界据込率（４５０℃）は７５％以上あり良いが、
比摩耗量が４．０×１０-7と大きく耐摩耗性が低い。比
較例Ｎｏ５３、Ｎｏ５４は窒化物、硼化物を含むので比
摩耗量が２×１０-9、３×１０-9と耐摩耗性は良いが鍛
造性の良否を示す限界据込率が４０．５％，４５．０％
と低くい。
【００３６】したがって、強度、耐熱性、鍛造性、耐摩
耗性のバランスのとれたアルミニウム基複合材料とする
には、マトリックス組成の選定と窒化物、硼化物の配合
量を特定することが必要である。したがって、上記の評
価により、実施例Ｎｏ１〜９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、鍛造性、常温およ
び高温での引張強度に優れている。
耗性のバランスのとれたアルミニウム基複合材料とする
には、マトリックス組成の選定と窒化物、硼化物の配合
量を特定することが必要である。したがって、上記の評
価により、実施例Ｎｏ１〜９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、鍛造性、常温およ
び高温での引張強度に優れている。
【００３７】
【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お
よびＭｇ、ＺｒおよびＭｏを含有したアルミニウム合金
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、硼化物の粒子がマトリックス中に分散
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マトリックスからなるアルミニウ
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お
よびＭｇ、ＺｒおよびＭｏを含有したアルミニウム合金
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、硼化物の粒子がマトリックス中に分散
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マトリックスからなるアルミニウ
ム合金とほぼ類似した強度を有する。
【００３８】したがって、本発明のアルミニウム基複合
材料で例えば自動車等のエンジン部品であるバルブスプ
リングリテナー、インテークバルブ、ピストンなどの軽
量化に寄与できる。さらにこのアルミニウム基複合材料
は、安定した耐摩耗性、靱性、鍛造性を剛性、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、かつ軽量化が
図れるので低燃費化したエンジン部品とすることができ
る。
材料で例えば自動車等のエンジン部品であるバルブスプ
リングリテナー、インテークバルブ、ピストンなどの軽
量化に寄与できる。さらにこのアルミニウム基複合材料
は、安定した耐摩耗性、靱性、鍛造性を剛性、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、かつ軽量化が
図れるので低燃費化したエンジン部品とすることができ
る。
【図１】 評価２において限界据込率の測定方法を示す
断面模式図である。
断面模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 1/10 Ｃ２２Ｃ 1/10 Ｊ (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 (56)参考文献 特開 平６−158200（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−294446（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−204857（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−116851（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 21/00 - 21/18 C22C 32/00 B22F 1/00 C22C 1/04 - 1/10
Claims (2)
- 【請求項１】 マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、Ｎｉ：２〜１５％、Ｓｉ：０．２〜１５％、
Ｆｅ：０．６〜８．０％と、Ｃｕ：０．６〜５．０％お
よびＭｇ：０．５〜３％（ただしＣｕ＋Ｍｇ≦６％）
と、Ｚｒ：０．３〜３％およびＭｏ：０．３〜３％（た
だしＺｒ＋Ｍｏ≦４％）とを含み、残部が不可避不純物
と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、Ｔｉ：０．５〜４．０％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 |
|---|---|---|---|
| JP04324030A JP3139649B2 (ja) | 1992-12-03 | 1992-12-03 | 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料 |
| DE69307848T DE69307848T2 (de) | 1992-12-03 | 1993-12-01 | Hoch warmfeste und verschleissfeste Aluminiumlegierung |
| EP93119376A EP0600474B1 (en) | 1992-12-03 | 1993-12-01 | High heat resisting and high abrasion resisting aluminum alloy |
| US08/594,331 US5614036A (en) | 1992-12-03 | 1996-01-30 | High heat resisting and high abrasion resisting aluminum alloy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04324030A JP3139649B2 (ja) | 1992-12-03 | 1992-12-03 | 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06172903A JPH06172903A (ja) | 1994-06-21 |
| JP3139649B2 true JP3139649B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=18161372
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04324030A Expired - Fee Related JP3139649B2 (ja) | 1992-12-03 | 1992-12-03 | 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) | JP3139649B2 (ja) |
Cited By (1)
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