JPS6316459B2

JPS6316459B2 -

Info

Publication number: JPS6316459B2
Application number: JP6489984A
Authority: JP
Inventors: Susumu Inumaru; Shigenori Yamauchi; Kazuhisa Shibue; Hideo Sano
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1984-03-31
Publication date: 1988-04-08
Also published as: JPS60208443A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、アルミニウム合金材、特に耐摩耗
性、低熱膨張性、高温強度並びに耐熱性に優れた
アルミニウム合金材に関するものである。内燃機関のシリンダーブロツク、シリンダーラ
イナーやピストン、更にはコンプレツサのベーン
材等においては、耐摩耗性、低熱膨張特性、高温
強度或いは耐熱性に優れる等の特性が必要とされ
る。また、これらの材料をアルミニウム合金にて
製作するようにすれば、その軽量化や高速化等の
重要な利点が生ずる。しかしながら、上記のような要求特性を併わせ
持つアルミニウム合金として、未だ充分なものは
なく、従つて上記用途にアルミニウム合金材を使
用することができなかつたり、その使用条件に制
約が加わる等の問題を内在している。例えば、耐
摩耗性、低熱膨張性に優れた合金材料として、本
願出願人は、先に特願昭58−198338号として、Si
粒子が微細に分散したAl―14〜30％Si―0.5〜５
％Cu―0.3〜３％Mg合金を提唱したが、この合
金とても、その耐熱性、高温強度が充分でないの
である。また、耐摩耗性、低熱膨張性、高温強度に優れ
た合金として、展伸材ではA4032合金（Al―12％
Si―0.9％Cu―1.1％Mg―0.9％Ni）、鋳物材では
A390合金（Al―17％Si―4.5％Cu―0.6％Mg）が
知られているが、これらの合金であつても、200
℃を越える高温下での強度が充分でなく、その使
用に際しては、使用条件、例えば回転数等に大き
な制約を受けている。ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景に
して為されたものであつて、その目的とするとこ
ろは、優れた耐摩耗特性、低熱膨張特性、高温強
度特性及び耐熱特性を併わせ有するアルミニウム
合金材を提供することにある。そして、かくの如き目的を達成するために、本
発明にあつては、重量基準で、Si：15〜35％、
Cu：0.5〜10％、Mg：0.3〜６％およびMn：0.3
〜４％を含み、且つ残部がAlおよび不可避的不
純物からなる合金組成を有し、Si粒子の平均粒径
が5μm以下、平均粒子間距離が10μm以下である
ように、アルミニウム合金材を構成したのであ
る。また、本発明にあつては、重量基準で、Si：15
〜35％、Cu：0.5〜10％、Mg：0.3〜６％および
Mn：0.3〜４％を含み、更にFe：0.3〜９％およ
びNi：0.3〜９％の少なくとも何れか一方を（Fe
＋Ni）量が1.0〜10％となるように含み、且つ残
部がAlおよび不可避的不純物からなる合金組成
を有し、Si粒子の平均粒径が5μm以下、平均粒子
間距離が10μm以下であるように、アルミニウム
合金材を構成することをも、その要旨とするもの
である。このような本発明に従うアルミニウム合金材の
構成を採用することによつて、初めて、優れた耐
摩耗性、低熱膨張性、高温強度および耐熱性を併
わせ持つアルミニウム合金材が製造され得たので
あり、またそれは耐焼付性にも優れたものであつ
て、このために内燃機関のシリンダーブロツク、
シリンダーライナーやピストン、或いはコンプレ
ツサのベーン材等において、従来のアルミニウム
合金が使用できなかつた部位や使用条件に制約の
あつた部位に、本発明のアルミニウム合金材が好
適に使用され得、以てその軽量化や高速化に寄与
し、その技術的価値を高め、また大きな経済的効
果を奏し得るのである。ところで、かくの如き本発明におけるアルミニ
ウム合金材は合金成分において、Si（ケイ素）は、
その添加によつて、目的とする合金材の耐摩耗特
性、耐焼付特性を著しく向上させ、また熱膨張係
数を低下せしめる。このSiの添加効果を充分に奏
せしめるためには、その添加量が少なくとも15％
（重量基準、以下同じ）以上となるようにする必
要があるが、Siの余りにも多量の添加は、切削性
が低下し、切削バイトの寿命に悪影響をもたら
し、また被切削面の面粗度が粗くなる等の問題を
生ずるところから、その添加量の上限は35％であ
る。また、本発明に従うアルミニウム合金材におけ
るCu（銅）は、Mgと共存して、合金に時効硬化
性を付与し、常温強度、耐摩耗性を向上せしめ
る。また、固溶硬化により、高温強度を向上させ
る特徴を有する。なお、これらの効果は、Cuの
添加量が0.5％未満では充分でなく、またCuの添
加量が10％を越えるようになると、それらの効果
は飽和するようになり、また材料の耐食性が害さ
れる等の問題を発生する。さらに、本発明における主要な合金成分の一つ
たるMg（マグネシウム）は、Cuと共に、時効硬
化性を付与し、常温強度、耐摩耗性を向上させ、
また固溶硬化により材料の高温強度を向上せしめ
る。この効果は、0.3％未満のMgの添加量では充
分でなく、またその添加量が６％を越えるように
なると、その効果は飽和するようになり、また延
性が低下する等の問題を惹起する。更にまた、本発明における主要合金成分の他の
一つたるMn（マンガン）は材料の耐熱性を向上
させ、また高温強度を高めるものである。この添
加量が少ない場合には、効果が充分でなく、他方
それを多量に添加すれば、効果が飽和するばかり
でなく、延性が著しく低下する。これらの効果を
得るためのMnの添加量は0.3〜４％であり、好ま
しくは0.3〜３％である。そして、かかる主要四元素（Si，Cu，Mg，
Mn）からなる合金成分の他に、本発明にあつて
は、有利には、所定量のFe（鉄）、Ni（ニツケル）
が単独で若しくはそれらを組み合わせて添加せし
められることとなる。このFe、Niは、それぞれ
単独で又は協働して、材料の耐熱性を向上させ、
また高温強度を高める効果を奏するものである。
なお、これらの元素は、その添加量があまりにも
少ない場合には、その効果を充分に発揮すること
ができず、またそれを多量に添加しても効果が飽
和し、且つ延性の低下が著しくなるところから、
Feにあつては0.3〜９％、Niにあつては0.3〜９％
とする必要があり、更にこれらの元素は、その総
和（FeとNiの合計量）が1.0〜10％、好ましくは
2.0〜5.0とする必要がある。また、本発明にあつては、上述の合金成分の所
定量を含むアルミニウム合金材中に存在している
Si粒子に関して、その平均粒径を5μm以下、また
その平均粒子間距離を10μm以下とする必要があ
り、これによつて本発明の目的が良好に達成され
るのである。けだし、Si粒子の平均粒径が5μmを
越えたり、平均粒子間距離が10μmを越えたりす
ると、切削仕上がり面が不均一となり、面粗度が
粗くなるからであり、また平均粒径が5μmを越え
ると、切削時のバイト摩耗が大きくなる等の不都
合が生じるからである。また、かくの如き本発明に従うアルミニウム合
金材は、前述の如き合金組成において、上記規定
されたSi粒子サイズ及び粒子間距離を与えるよう
に、各種の製造手法に従つて製造することが可能
であるが、一般に以下のような方法で製造するこ
とが望ましい。すなわち、まず、前述の如き合金組成のアルミ
ニウム合金を溶製した後、得られた合金溶湯を急
冷凝固させる。この際の冷却速度は速いほど、高
性能の材料を得ることができるところから望まし
く、通常、100℃／秒以上の冷却速度で冷却する
条件が採用されることとなる。合金溶湯からの冷
却速度が速いぼど、最終製品のSi粒子のサイズが
微細となり、切削性や耐摩耗性が向上するのであ
る。なお、具体的には、アトマイズ法や急冷凝固
法（スプラツト・クーリング等）が適用され、特
に前者においては、合金溶湯のアトマイズ処理に
より、平均粒径が200μm以下のアルミニウム粉末
として取得されることとなる。そして、このようにして得られたアルミニウム
合金粉末又はフレークを、所定の形状に成形する
のである。具体的には、(a)予備圧縮―容器封入―
高温真空脱ガス―押出し、(b)予備圧縮―焼結、(c)
予備圧縮―容器封入―高温真空脱ガス―高温高圧
圧縮加工（HIP処理）等の工程により、成形が行
なわれることとなる。更に具体的には、前記(a)の
工程にあつては、アルミニウム粉末を真密度の70
〜80％程度まで予備圧縮成形した後に、所定の容
器に封入して、350〜500℃の高温に加熱し真空排
気を行ない、脱ガス処理を実施する。なお、この
脱ガス処理が不充分な場合には、最終製品に膨れ
が生じたり、ガスに起因する欠陥が残留し、問題
となる。次いで、この脱ガス処理が施されたアル
ミニウム粉末の予備圧縮成形品（ビレツト）を
350〜500℃の温度に加熱し、押出し比：４以上で
熱間押出しを行ない、目的とする形状のアルミニ
ウム合金材を得るのである。なお、この際、押出
し比が小さい場合には、圧着が不充分となり、押
出し材に欠陥が残留して、問題となる。また、前記手法(c)に従えば、上記のような押出
し工程に代わつて、前記急冷凝固して得られたア
ルミニウム粉末を、よく知られている高温高圧圧
縮加工（HIP処理）により成形して、目的とする
素材と為すのである。以下、本発明を更に具体的に明らかにするため
に、本発明の実施例を示すが、本発明が、かかる
実施例の記載によつて何等制限的に解釈されるも
のでないこと、言うまでもないところである。な
お、実施例中の合金成分の含有割合は、何れも重
量％にて示されている。実施例下記第１表に示されるNo.１〜14の各種の組成の
合金を溶製した後、アトマイズ法により、200
℃／秒以上の冷却速度にて、平均粒径が120μmの
アルミニウム合金粉体を製造した。この粉体を用
いて、これを予備圧縮により真密度の75％まで圧
縮成形した後、アルミニウム合金製の容器に封入
して450℃に加熱し、真空排気により脱ガス処理
を施した。こうして得られた直径が152mmの各種
のビレツトを450℃に加熱せしめた後、それぞれ
押出し成形せしめ、直径が40mmの棒を製作した。一方、第１表のNo.15〜17の合金組成のものにつ
いては、その溶製の後に、連続鋳造法により直径
152mmのインゴツトを作製し、その後、450℃にて
押出し成形して、直径が40mmの棒状体を製造し
た。そして、これら得られた各種の棒について、そ
れを500℃×１時間の条件下に溶体化処理した後、
水焼入れを行ない、更に175℃×８時間の時効処
理を施した。かくして得られた素材（棒）について、それぞ
れSi粒子径、粒子間距離の測定を行なうと共に、
摩耗試験、引張試験、ビツカース硬さ測定を行な
い、それぞれの性能評価を行なつた。その結果
を、下記第２表、第３表に示す。なお、かかる性能評価における摩耗試験は、大
越式摩耗試験（荷重：3.2Kg、走行速度：1m／
ｓ、走行距離：200m）により行ない、また引張
試験は、試験温度が室温、250℃、350℃の条件下
に、保持時間：100hrにて行ない、更にビツカー
ス硬さ測定は、そのまま（室温のまま）及び300
℃×100hr加熱後において行なわれた。

【表】

【表】第１表〜第３表の比較から自ずから明らかなよ
うに、本発明に従うアルミニウム合金材：No.１〜
10における比摩耗量は、比較合金：No.11〜14、No.
15（A4032）、No.16（A390）とほぼ同等であり、充
分に小さいものであると共に、高温引張強さ、
300℃加熱後の硬さは、比較合金に比べて大きく、
高温強度並びに耐熱性に優れていることが認めら
れる。

Claims

【特許請求の範囲】１重量基準で、Si：15〜35％、Cu：0.5〜10％、
Mg：0.3〜６％およびMn：0.3〜４％を含み、且
つ残部がAlおよび不可避的不純物からなる合金
組成を有し、Si粒子の平均粒径が5μm以下、平均
粒子間距離が10μm以下であることを特徴とする
耐摩耗性、低熱膨張性、高温強度並びに耐熱性に
優れたアルミニウム合金材。２重量基準で、Si：15〜35％、Cu：0.5〜10％、
Mg：0.3〜６％およびMn：0.3〜４％を含み、更
にFe：0.3〜９％およびNi：0.3〜９％の少なくと
も何れか一方を（Fe＋Ni）量が1.0〜10％となる
ように含み、且つ残部がAlおよび不可避的不純
物からなる合金組成を有し、Si粒子の平均粒径が
5μm以下、平均粒子間距離が10μm以下であるこ
とを特徴とする耐摩耗性、低熱膨張性、高温強度
並びに耐熱性に優れたアルミニウム合金材。