JP2000192185A - アルミニウム合金焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高硬度、高ヤング率および高い曲げ強さを有
するアルミニウム合金焼結体とその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 アルミニウム合金焼結体は、素地となる
アルミニウム合金粒子と、そのアルミニウム合金粒子の
表面に形成されたＡｌＮ (窒化アルミニウム) 層と、素
地中に分散するＡｌＮ粒子とを備えている。ロックウェ
ルＡスケールによる硬度が５０ＨＲＡ以上８０ＨＲＡ以
下であり、ヤング率が１００ＧＰａ以上１３０ＧＰａ以
下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアルミニウム合金焼
結体およびその製造方法に関し、特に、高硬度、高ヤン
グ率および高い曲げ強さを有するアルミニウム合金焼結
体およびその製造方法に関するものである。本アルミニ
ウム合金焼結体では、高負荷が作用する部品に使用して
も変形および欠損などが生じることがなく、さらに軽量
であることにより、鉄系部品との代替が可能であり、た
とえば、内燃機関の動弁機構においてピストンとコンロ
ッドとを接続するために用いられるピストンピンなどへ
適用することが可能である。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジン用ピストンピンをはじめ
とする高負荷が作用する動弁系部品に対して、炭素鋼製
や合金製のものが主として用いられている。近年、ピス
トン周辺の慣性能力の向上、ひいてはエンジンの高出力
化、燃費改善および高回転領域における出力の消費とな
るフリクションロス低減等の実現のために、その動弁系
部品に対して軽量化のニーズが高まっている。

【０００３】そのようなニーズに対して、特殊用途とし
てチタン合金製のものも用いられてきたり、窒化珪素な
どのセラミックスを適用した「ピストンピン」（特開平
５−１４９４２９号公報）も提案され、一部で実用化が
進められている。

【０００４】しかしながら、チタン製やセラミックス製
では、従来使用されてきた鉄系部品に比べて高価であ
り、使用が限定されている。また、内燃機関から発生す
る出力をコンロッドを介してタイヤなどの伝達部に伝え
る際に、過大な負荷がピストンやピストンピンに加わる
ために、コンロッドとの連結部であるピストンピンには
破壊が起こりやすい。

【０００５】これらの問題を解消するために、安価であ
り、かつ高硬度、高ヤング率および高曲げ強さを有する
軽量材料として、アルミニウム合金にセラミックス粒子
を分散させた複合材料が有力な候補材として考えられて
いる。

【０００６】このような複合材料の製造方法の１つとし
て、たとえば、特開昭６０−５０１３８号公報には、粉
末冶金法を用いて、ＳｉＣやＡｌＮ、Ａｌ₂ Ｏ₃ などの
セラミックス粒子をアルミニウム合金粉末に配合した混
合粉末を焼結固化することにより、セラミックス粒子分
散型アルミニウム焼結合金を製造する方法が提案されて
いる。

【０００７】また、セラミックス粒子分散型アルミニウ
ム合金を得る他の方法として、特開平８−３６０１号公
報には、直接窒化反応法によりＡｌＮ（窒化アルミニウ
ム）を焼結体中に反応生成させる方法が提案されてい
る。この方法では、アルミニウム合金粉末を型押成形し
た圧粉成形体を窒素雰囲気中で加熱して、原料粉末中の
アルミニウム（Ａｌ）成分と雰囲気中の窒素（Ｎ）とを
反応させることにより、ＡｌＮが焼結体中に生成分散さ
れる。特にこの方法によれば、アルミニウム成分と窒素
とが反応することによってＡｌＮが生成されるため、生
成したＡｌＮとアルミニウム合金素地との界面には隙間
がない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
セラミックス粒子をアルミニウム合金粉末に配合する方
法では、十分な時間をかけて混合処理をしても、セラミ
ックス粒子が凝集偏析するために、得られた焼結材にお
いてセラミックス粒子の均一な分散が得られない。その
結果、製品の強度が部分的に不均一となるために実用的
ではなかった。また、添加したセラミックス粒子はアル
ミニウム合金素地と反応しないために、セラミックス粒
子とアルミニウム合金素地との界面には隙間が存在し
て、高負荷が作用した際に亀裂の発生および伝播を誘発
するために、使用中に欠損しやすく実用部品への応用は
困難であった。

【０００９】後者の直接窒化反応法による方法では、圧
粉成形体の表面から焼結が進行するために、焼結の進行
につれて圧粉成形体の表面の空孔が優先して減少あるい
は消滅しやすく、圧粉成形体の内部にまで窒素ガスが侵
入することができないことがあった。その結果、焼結体
の内部に多量のＡｌＮを均一に生成分散させることが困
難であった。

【００１０】さらに、後者の方法では、ＡｌＮが均一に
分散されたアルミニウム合金焼結体を製造するには、窒
素雰囲気中で長時間加熱保持することが必要となるため
に、非生産的であり実用的ではなかった。

【００１１】本発明の目的は、上述した従来の問題点に
鑑みてなされたものであり、予め原料粉末に混合添加し
たＡｌＮ粒子と、直接窒化反応法により生成するＡｌＮ
とを焼結合金内部において均一に分散させて、鉄系材料
並みの機械的特性（高い硬度、高いヤング率、高い曲げ
強さ）を有したアルミニウム合金焼結体と、その製造方
法とを提供することにある。特に、本発明は、ピストン
ピンなどの動弁系部品に適用することにより、エンジン
などの性能を一層向上させることができるアルミニウム
合金焼結体を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した目的は、以下の
発明によって達成される。

【００１３】本発明の１つの局面におけるアルミニウム
合金焼結体は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）粒子と、窒
化反応により生成したＡｌＮ層とを含有するアルミニウ
ム合金焼結体であって、ロックウェルＡスケールによる
硬度が５０ＨＲＡ以上８０ＨＲＡ以下であり、ヤング率
が１００ＧＰａ以上１３０ＧＰａ以下である。ＡｌＮ粒
子とＡｌＮ層とを合わせた全ＡｌＮの含有量が、焼結体
の全体に対して３０重量％以上７０重量％以下である。
ＡｌＮ粒子は平均粒径３μｍ以上２０μｍ以下である。
全ＡｌＮの含有量を１００とするとき、全ＡｌＮに対す
るＡｌＮ粒子の含有重量比率が２０以上８０以下であ
る。

【００１４】この焼結体は、Ｍｇ（マグネシウム）を
０．０５重量％以上含有することが好ましい。

【００１５】本発明の他の局面におけるアルミニウム合
金焼結体は、素地となるアルミニウム合金粒子と、その
アルミニウム合金粒子の表面に形成されたＡｌＮ（窒化
アルミニウム）層と、素地中に分散するＡｌＮ粒子とを
備え、ロックウェルＡスケールによる硬度が５０ＨＲＡ
以上８０ＨＲＡ以下であり、ヤング率が１００ＧＰａ以
上１３０ＧＰａ以下である。

【００１６】そして、ＡｌＮ層と前記ＡｌＮ粒子とを合
わせた全ＡｌＮの含有量が、焼結体の全体に対して３０
重量％以上７０重量％以下であることが好ましい。

【００１７】また、ＡｌＮ粒子の平均粒径は３μｍ以上
２０μｍ以下であることが好ましい。

【００１８】さらに、ＡｌＮ粒子とＡｌＮ層とを合わせ
た全ＡｌＮの含有量を１００とするとき、全ＡｌＮに対
するＡｌＮ粒子の含有重量比率が２０以上８０以下であ
ることが好ましい。

【００１９】本発明のさらに他の局面におけるアルミニ
ウム合金焼結体の製造方法は、混合工程と、成形工程
と、窒化工程とを備えている。混合工程では、アルミニ
ウム合金粉末と平均粒径３μｍ以上２０μｍ以下のＡｌ
Ｎ（窒化アルミニウム）粒子とを混合して混合粉末を形
成する。成形工程では、混合粉末を圧粉成形して圧粉成
形体を形成する。窒化工程では、圧粉成形体を窒素雰囲
気中で加熱保持することによって、アルミニウム合金粉
末の旧粉末粒界にＡｌＮを反応生成する。

【００２０】窒化工程は、アルミニウム合金粒子同士を
焼結させると同時に、ＡｌＮ粒子がアルミニウム合金粒
子同士の焼結を抑制することによって確保された圧粉成
形体中の空孔を窒素ガスの導入経路として、その導入経
路に窒素ガスを導くことにより、アルミニウム合金粉末
のアルミニウム成分と窒素ガスとを反応させてアルミニ
ウム合金粒子の表面にＡｌＮを生成する工程を含んでい
ることが好ましい。

【００２１】また、焼結工程における圧粉成形体を加熱
保持する温度は５００℃以上５８０℃以下であることが
好ましい。

【００２２】さらに、アルミニウム合金粉末はＭｇ（マ
グネシウム）を０．０５重量％以上含有していることが
好ましい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。まず、本発明に係るアルミニウム合金焼結
体の特徴について以下に詳細に説明する。

【００２４】ＡｌＮの種類について 本発明に係るアルミニウム合金焼結体中に分散するＡｌ
Ｎは２種類からなることを特徴とする。その１つは原料
粉末として添加したＡｌＮ粒子であり、他の１つは直接
窒化反応法により原料のアルミニウム合金粉末中のアル
ミニウム（Ａｌ）成分と焼結雰囲気中の窒素（Ｎ）成分
とを反応させて得られるＡｌＮ層である。本アルミニウ
ム合金焼結体では、このような２種類のＡｌＮが分散し
て存在している。

【００２５】硬度およびヤング率について 本発明に係るアルミニウム合金焼結体では、ロックウェ
ルＡスケールによる硬度が５０ＨＲＡ以上８０ＨＲＡ以
下であり、ヤング率は１００ＧＰａ以上１３０ＧＰａ以
下である。ピストンピンのような動弁系部品にアルミニ
ウム合金焼結体を適用すると、高負荷が部品に作用す
る。このとき、アルミニウム合金焼結体の硬度が５０Ｈ
ＲＡ未満またはヤング率が１００ＧＰａ未満であれば、
部品が撓んだりあるいは部品に欠損や摩耗損傷が生じ
る。

【００２６】一方、硬度が８０ＨＲＡ以上またはヤング
率が１３０ＧＰａ以上の場合では、部品には撓みや摩耗
損傷等の問題は発生しない。しかしながら、僅かな表面
傷に敏感になって、高負荷によって部品が欠損するとい
った靱性に欠ける問題が生じる。したがって、本発明に
係るアルミニウム合金焼結体では、硬度は５０ＨＲＡ以
上８０ＨＲＡ以下、ヤング率は１００ＧＰａ以上１３０
ＧＰａ以下であることが好ましい。

【００２７】ＡｌＮとその含有量について 上記の硬度およびヤング率を満足するために、焼結アル
ミニウム合金中にＡｌＮが分散される。このような目的
を達成するためには、ＡｌＮ以外にもＳｉＣ（シリコン
カーバイト）、Ｓｉ₃ Ｎ₄ （窒化珪素）、Ａｌ₂ Ｏ
₃ （アルミナ）などのセラミックスを適用することも有
効である。

【００２８】しかしながら、焼結アルミニウム合金の被
削性の観点からはＳｉＣでは硬すぎるために好ましくな
い。また、焼結アルミニウム合金の熱伝導性の観点から
は、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ では十分な効果を有さな
い。

【００２９】これに対して、ＡｌＮはＳｉ₃ Ｎ₄ 、Ａｌ
₂ Ｏ₃ に比べて高い熱伝導性を有し、かつ、アルミニウ
ム合金焼結体中に分散しても被削性を顕著に低減させる
ことはないので、分散セラミックス粒子として適切であ
る。

【００３０】さらに本発明では、圧粉成形体中に適正量
のＡｌＮ粒子を予め添加分散させることにより、このＡ
ｌＮ粒子が焼結時における圧粉成形体表面の空孔が減少
したりまたは消滅したりするのを抑制する効果があるこ
とを見出した。本発明者は、これを用いることによっ
て、アルミニウム合金焼結体の内部にまで均一に直接窒
化反応法によるＡｌＮ層を生成分散できることを明らか
にした。

【００３１】すなわち、適正な粒径のＡｌＮ粒子を事前
にアルミニウム合金粉末に適正量だけ添加混合した混合
粉末を固化して得られた圧粉成形体を焼結して焼結体を
形成する際に、旧粉末粒界に分散するＡｌＮ粒子により
顕著な焼結現象が抑制される。その結果、窒素ガスが侵
入できる連結空孔が確保されて、直接窒化反応が焼結体
の内部にまで進み、ＡｌＮ層を焼結体中に均一に生成分
散させることができる。

【００３２】次に、ＡｌＮの含有量について実験的に検
討したところ、アルミニウム合金焼結体中に含有するＡ
ｌＮ粒子と生成されたＡｌＮ層とを合わせた全ＡｌＮの
量は、焼結体の全体に対して３０重量％以上７０重量％
以下であり、残部がＡｌであることが望ましいことが判
明した。

【００３３】つまり、全ＡｌＮの量が３０重量％未満の
場合には、得られたアルミニウム合金焼結体の硬度また
はヤング率が上記の適正範囲の下限値を下回るために、
アルミニウム合金焼結体からなる部品が撓んだり、その
部品に欠損や摩耗損傷が生じる。

【００３４】一方、全ＡｌＮの量が７０重量％を超える
場合には、得られたアルミニウム合金焼結体の硬度また
はヤング率が上記の適正範囲の上限値を超えるために、
アルミニウム合金焼結体の靱性が低下する。したがっ
て、本発明に係るアルミニウム合金焼結体中の全ＡｌＮ
の量は３０重量％以上７０重量％以下であることが望ま
しい。

【００３５】以上のようにして、硬度、ヤング率および
曲げ強さなどの機械的特性の低下を招くことなく、本発
明が規定する３０重量％以上７０重量％以下のＡｌＮを
含有するアルミニウム合金焼結体が得られる。

【００３６】なお、上記の直接窒化反応法により生成し
たＡｌＮ層は、アルミニウムの旧粉末粒界から外方に向
かって一方向に成長した樹枝状または繊維状組織構造で
あることが特徴であり、原料粉末として予め添加した粒
状のＡｌＮ粒子と、生成したＡｌＮ層とは構造的に明確
に区別することができる。

【００３７】ＡｌＮ粒子の粒径および含有量について 本発明に係るアルミニウム合金焼結体では、原料のアル
ミニウム合金粉末とともに事前に添加混合されるＡｌＮ
粒子の平均粒径は、３μｍ以上２０μｍ以下であること
が好ましい。平均粒径が３μｍ未満であれば、ＡｌＮ粒
子同士が凝集および偏析するために、得られたアルミニ
ウム合金焼結体の靱性または曲げ強さが低下する。そし
て、これを解消するためには、長時間の混合攪拌処理が
必要となり生産上好ましくない。

【００３８】一方、平均粒径が２０μｍを超えると、高
負荷が作用した際に粗大なＡｌＮ粒子とアルミニウム合
金素地との界面において亀裂の発生および伝播を誘発
し、アルミニウム合金焼結体の靱性または曲げ強さなど
の機械的特性が低下する。したがって、本発明に係るア
ルミニウム合金焼結体に添加するＡｌＮ粒子の平均粒径
は３μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、機械的特性、均
一分散性および被削性の観点からは５μｍ以上１０μｍ
以下がより好ましい。

【００３９】また、アルミニウム合金焼結体に含まれる
全ＡｌＮの量、すなわち予め焼結前に添加するＡｌＮ粒
子と直接窒化反応法により生成するＡｌＮ層とを合わせ
た量を１００とするとき、全ＡｌＮの量に対するＡｌＮ
粒子の含有重量比率は、２０以上８０以下であることが
好ましい。つまり、ＡｌＮ層は全ＡｌＮに対して、２０
重量％以上８０重量％以下であることが好ましい。

【００４０】アルミニウム合金焼結体中の全ＡｌＮの量
に対して添加したＡｌＮ粒子の含有重量比率が２０未満
であれば、焼結の際に圧粉成形体表面の空孔が減少した
り消滅するのを、ＡｌＮ粒子が十分に抑制することがで
きない。そのため、焼結体の内部にまで均一に窒素ガス
が侵入することができなくなり、直接窒化反応が焼結体
の内部にまで進まず、ＡｌＮ層を内部に均一に生成分散
することができない。

【００４１】一方、全ＡｌＮに対して添加するＡｌＮ粒
子の含有重量比率が８０を超える場合には、ＡｌＮ粒子
とアルミニウム合金素地との界面が多くなるために亀裂
の発生および伝播を誘発する。そのため、アルミニウム
合金焼結体の靱性および曲げ強さが低下し、部品が欠損
しやすくなる。

【００４２】Ｍｇ（マグネシウム）の作用効果について 直接窒化反応法によりアルミニウム合金粉末中のアルミ
ニウム成分と焼結雰囲気中の窒素とを反応させて、アル
ミニウム合金焼結体中にＡｌＮ層を生成分散させるため
には、事前にアルミニウム合金粉末中にＭｇを０．０５
重量％以上含有させておく必要がある。Ｍｇは、窒素雰
囲気中でアルミニウム合金粉末成形体を加圧焼結する際
に、粉末表面を覆う酸化アルミニウム被膜を還元反応に
より分解して除去する効果を有するため、窒素ガスとア
ルミニウム成分とを容易に反応させてＡｌＮ層を生成さ
せやすくすることができる。

【００４３】したがって、本発明に係るアルミニウム合
金焼結体では、Ｍｇは必須元素であり、その含有量は
０．０５重量％以上である。Ｍｇの含有量が０．０５重
量％未満の場合では、Ｍｇによる還元反応が十分に生じ
ないために、ＡｌＮ層をアルミニウム合金焼結体中に均
一に生成することができない。

【００４４】たとえば、粉末（Ａｌ−１２重量％Ｓｉ−
０．０７重量％Ｍｇ）からなる圧粉成形体を窒素雰囲気
中、温度５３０℃で３時間加熱保持した場合には、アル
ミニウム合金焼結体中には２．２重量％のＡｌＮ層が生
成した。また、粉末（Ａｌ−１２重量％Ｓｉ−０．２重
量％Ｍｇ）からなる圧粉成形体を上記と同一の焼結条件
の下で加熱保持した場合には、アルミニウム合金焼結体
中には２．６重量％のＡｌＮ層が生成した。

【００４５】これに対して、粉末（Ａｌ−１２重量％Ｓ
ｉ−０．０２重量％Ｍｇ）からなる圧粉成形体を同一の
焼結条件の下で加熱保持したところ、得られたアルミニ
ウム合金焼結体中のＡｌＮ層の量は０．１重量％未満で
あった。この値は分析限界値以下であることから、アル
ミニウム合金焼結体中にはＡｌＮ層はほとんど生成して
いないと考えられる。

【００４６】したがって、直接窒化反応法を利用してＡ
ｌＮ層を内部に均一に生成分散したアルミニウム合金焼
結体を製造するためには、アルミニウム合金粉末中のＭ
ｇの含有量は０．０５重量％以上であることが好まし
い。

【００４７】次に、本発明に係るアルミニウム合金焼結
体の製造方法に関する具体的な製造条件について以下に
詳細に説明する。

【００４８】原料粉末の準備について アルミニウム合金粉末に平均粒径３μｍ以上２０μｍ以
下のＡｌＮ粒子を添加した混合粉末を原料粉末として用
いる。このとき、アルミニウム合金粉末は０．０５重量
％以上のＭｇを含有し、残部は実質的にＡｌである。Ｍ
ｇは上述したように、アルミニウム合金粉末表面の酸化
被膜を還元作用により分解する働きを有している。

【００４９】Ｍｇの他に、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚ
ｒなどの元素を予め原料粉末中に添加し合金化してもよ
い。これらの元素は、アルミニウム合金焼結体の靱性や
ヤング率などの特性を向上させる効果を有している。な
お、本発明に係るアルミニウム合金焼結体の製造方法で
は、特に上述した元素の添加量に関しては規定していな
いが、適宜添加してよいのは言うまでもない。

【００５０】上述した元素を含むアルミニウム合金粉末
は、アトマイズ法（噴霧法）により製造される。ただ
し、たとえば、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｕなどの焼結温度以下に
融点または液相線温度を有する元素の場合には焼結過程
において液相を生成するために、これらの元素を添加し
たアルミニウム合金焼結体では、過大な寸法収縮、反り
または変形などが生じやすい。そのため、本発明では高
寸法精度の確保の観点から、これらの元素は不純物程度
の含有量とし、可能な限り添加および含有を抑制するこ
とが好ましく、たとえばアルミニウム合金粉末において
は０．０５重量％以下に抑えることが好ましい。

【００５１】また、アルミニウム合金粉末とともに添加
混合するＡｌＮ粒子は、得られたアルミニウム合金焼結
体中に含まれる全ＡｌＮの量を１００とした場合に、そ
のＡｌＮ粒子の含有重量比率が８０以下２０以上であ
る。添加するＡｌＮ粒子の含有重量比率が２０未満であ
れば、ＡｌＮ粒子が焼結の際の圧粉成形体表面の空孔の
減少または消滅を十分に抑制できないために、内部にま
で均一に窒素ガスが侵入することができない。そのた
め、直接窒化反応が焼結体の内部にまで進まずＡｌＮ層
を均一に生成分散させることができない。

【００５２】一方、添加するＡｌＮ粒子の含有重量比率
が８０を超える場合には、添加したＡｌＮ粒子とアルミ
ニウム合金素地との界面が多くなるために、亀裂の発生
および伝播が誘発されて、アルミニウム合金焼結体の靱
性および曲げ強さが低下する。したがって、ＡｌＮ粒子
の含有重量比率は８０以下２０以上であることが好まし
い。

【００５３】圧粉成形・焼結工程について 上述した混合粉末を圧粉成形した後、得られた圧粉成形
体を窒素雰囲気中で焼結することにより、アルミニウム
合金粉末同士を焼結させて焼結体を作製すると同時に、
アルミニウム合金粉末中のＡｌ成分と窒素とを反応させ
てＡｌＮ層をアルミニウム合金粉末の旧粉末粒界に生成
分散させることにより、本発明に係るアルミニウム合金
焼結体を製造することができる。

【００５４】上述したように、圧粉成形体を焼結する際
には、事前に圧粉成形体にはＡｌＮ粒子が添加されてい
るため、アルミニウム合金粉末の旧粉末粒界に分散する
ＡｌＮ粒子により顕著な焼結現象が抑制される。その結
果、窒素ガスが侵入できる連結空孔が確保されて、直接
窒化反応が焼結体の内部にまで進み、ＡｌＮ層を焼結体
中に均一に生成分散させることができる。

【００５５】また、圧粉成形体中の空孔率は５体積％以
上２０体積％以下であることが好ましい。空孔率が５体
積％未満であれば、焼結雰囲気中の窒素ガスが圧粉成形
体の内部にまで侵入することができないか、または、侵
入するために長時間を要するために、直接窒化反応法に
よるＡｌＮ層の最適な生成量が得られない。また、焼結
に長時間を要するために生産性が悪化し、経済性の点で
問題が生じる。

【００５６】一方、空孔率が２０体積％を超えると圧粉
成形体の曲げ強さが低下するために、運搬や移動時に圧
粉成形体が欠損するといったハンドリング性の問題が生
じる。

【００５７】焼結温度は５００℃以上５８０℃以下であ
ることが好ましい。温度が５００℃未満であれば、直接
窒化反応が十分に進行しないためにＡｌＮ層を生成する
ことができない。また、直接窒化反応を進行させるため
に長時間の焼結が必要となる。一方、焼結温度が５８０
℃より高い場合には、得られるアルミニウム合金焼結体
に寸法収縮、反りまたは変形などが生じる。

【００５８】焼結後の加工工程について 得られたアルミニウム合金焼結体に対して、必要に応じ
て加圧圧縮または熱間押出または熱間鍛造等の塑性加工
を施すことにより、アルミニウム合金焼結体中の空孔を
閉鎖させて緻密化することができる。これにより、アル
ミニウム合金焼結体中の空孔率が３体積％未満となっ
て、アルミニウム合金焼結体の靱性および曲げ強さをさ
らに向上させることができる。

【００５９】加圧圧縮に関しては、得られたアルミニウ
ム合金焼結体を金型中に挿入した状態で常温または常温
以上で圧縮するサイジングまたはコイニング処理を適用
することができる。

【００６０】

【実施例】（実施例１）Ａｌ−１０重量％Ｓｉ−０．５
重量％Ｍｇの組成を有するアルミニウム合金粉末と、平
均粒径５μｍのＡｌＮ粒子を出発原料粉末として準備し
た。さらに、両粉末を表１に示す重量比率で混合した粉
末を相対密度で８０〜８５％になるように成形した。得
られた圧粉成形体を窒素雰囲気中、温度５４０℃の下で
加熱保持することにより、内部にＡｌＮ（層) が生成し
たアルミニウム合金焼結体からなる焼結体を作製した。
この焼結体を、常温で再圧縮することにより、焼結体中
の空孔率を５体積％以下になるように調整した。また、
生成させるＡｌＮの量は焼結時の加熱時間により制御し
た。

【００６１】得られた焼結体について、生成したＡｌＮ
とＡｌＮ粒子とを合わせた全ＡｌＮの量、焼結体の硬
度、ヤング率および曲げ強さを測定した結果を表１に示
す。

【００６２】なお、硬さはロックウェル硬度計（Ａスケ
ール）により測定した。ヤング率は日本工業規格（ＪＩ
Ｓ−Ｒ１６０２）による「ファインセラミックスの弾性
率試験方法」に基づく曲げ共振法により測定した。曲げ
強さは同規格（ＪＩＳ−Ｒ１６０１）による「ファイン
セラミックスの曲げ強さ試験方法」に準じた室温４点曲
げ試験により算出した。また、一つの測定を１５本の焼
結体についてそれぞれ行ない、得られた値の平均値を採
用した。

【００６３】生成したＡｌＮの量は、焼結前後における
重量増加率が反応過程で吸収した窒素量であることか
ら、窒素の重量増加率から算出した。

【００６４】表１に示されるように、本発明例１〜６の
アルミニウム合金焼結体からなる焼結体では、適正範囲
を満足する合金組成およびＡｌＮの量を有しており、さ
らに、所定の硬度およびヤング率を有している。

【００６５】また、これらのアルミニウム合金焼結体を
ピストン形状（直径１８ｍｍφ、内径５ｍｍφ、長さ５
５ｍｍ）に加工したものをピストンピンとして実エンジ
ンに適用して、潤滑油温度：１３５℃、冷却水温度：１
１０℃、回転数：６４００ｒｐｍ、エンジン出力：９３
〜９７ｋＷのもとで評価試験を１００時間行なった。こ
の試験の後、ピストンピンには欠損、摩耗および摺動傷
などの発生はなく、使用上の問題は発生しなかった。

【００６６】一方、他の試料（比較例７〜９）では以下
のような問題が発生した。比較例７では、アルミニウム
合金焼結体中の全ＡｌＮの量が２４重量％と少なく、十
分な硬度およびヤング率が得られなかった。比較例８で
は、アルミニウム合金焼結体中の全ＡｌＮの量に対し
て、事前に添加したＡｌＮ粒子の含有比率が８９と大き
く、生成するＡｌＮ層の量が少ないためにアルミニウム
合金焼結体の曲げ強さが低かった。比較例９では、アル
ミニウム合金焼結体中の全ＡｌＮの量が７２重量％と多
くなり過ぎたために、十分な曲げ強さが得られなかっ
た。

【００６７】上記の比較例７〜９のアルミニウム合金焼
結体を加工してピストンピンを作製して実エンジンに適
用し、上述した条件と同じ条件のもとでピストン評価を
行なったところ、それぞれの場合において欠損が発生
し、実用に耐えられないことが判明した。

【００６８】

【表１】

【００６９】（実施例２）Ａｌ−１２重量％Ｓｉ−３重
量％Ｆｅ−０．５重量％Ｍｇの組成を有するアルミニウ
ム合金粉末と、表２に示す平均粒径を有するＡｌＮ粒子
を出発原料粉末として準備した。次に、両粉末を８０：
２０の重量比率で混合した粉末を用いて、相対密度で８
３〜８７％になるように圧粉成形した。得られた圧粉成
形体を窒素雰囲気中、温度５５０℃の下で加熱保持し、
内部にＡｌＮ（層）が生成したアルミニウム合金焼結体
からなる焼結体を作製した。

【００７０】なお、直接窒化反応法によるＡｌＮの生成
量は焼結時の加熱時間により制御した。また、アルミニ
ウム合金粉末とＡｌＮ粒子を混合する際に、すべての場
合において所定の比率に配合した両粉末をＶ型ミキサー
に投入後、３０分間混合処理を施した。

【００７１】得られた焼結体に、さらに常温で再圧縮を
施すことにより、焼結体中の空孔率を５体積％以下にな
るように調整した。得られた焼結体について、生成した
ＡｌＮの量、全ＡｌＮの量、硬度、ヤング率および曲げ
強さを測定した結果を表２に示す。

【００７２】なお、直接窒化反応法により生成したＡｌ
Ｎの量は、実施例１の場合と同様に、焼結前後における
重量増加率から算出した。

【００７３】本発明例１０〜１３のアルミニウム合金焼
結体からなる焼結体では、適正範囲を満足する平均粒径
を有するＡｌＮ粒子を原料粉末に用いて、所定の適正な
ＡｌＮの量を有しており、さらに、良好な硬度、ヤング
率および曲げ強さを有している。また、被削性はＡｌＮ
粒子の粒径が５μｍ以上１０μｍ以下の場合に特に良好
であった。

【００７４】一方、比較例については以下の問題が発生
した。比較例１４では、ＡｌＮ粒子の平均粒径が０．５
μｍと小さく、アルミニウム合金焼結体中にＡｌＮ粒子
の凝集部が存在し、曲げ強さが低くなった。比較例１５
では、ＡｌＮ粒子の平均粒径が１μｍと小さく、アルミ
ニウム合金焼結体中にＡｌＮ粒子の凝集部が存在したた
めに、ＡｌＮ粒子が均一に分散せず曲げ強さが低くなっ
た。比較例１６では、ＡｌＮ粒子の平均粒径が２３μｍ
と大きく、ＡｌＮ粒子がアルミニウム合金焼結体中にお
いて亀裂の発生および伝播経路となっており、曲げ強さ
が低くなった。

【００７５】

【表２】

【００７６】（実施例３）Ａｌ−１７重量％Ｓｉ−２重
量％Ｎｉ−０．５重量％Ｍｇの組成を有するアルミニウ
ム合金粉末と、平均粒径８μｍのＡｌＮ粒子を出発原料
粉末として準備した。次に、両粉末を混合する際に、Ａ
ｌＮ粒子を、表３に示す含有比率となるように配合し、
各混合粉末を相対密度で８３〜８８％になるように圧粉
成形した。得られた圧粉成形体を窒素雰囲気中、温度５
５０℃の下で５時間加熱保持することにより、内部にＡ
ｌＮ (層) が生成したアルミニウム合金焼結体を作製し
た。

【００７７】得られたアルミニウム合金焼結体につい
て、直接窒化反応により生成したＡｌＮの量を測定した
結果を表３に示す。なお、この量は実施例１と同様に、
焼結前後における重量増加率から算出した。

【００７８】本発明例１７〜１９のアルミニウム合金焼
結体では、原料混合粉末において適正量のＡｌＮ粒子を
含有することにより、焼結体中に直接窒化反応法によっ
て所定の適正なＡｌＮの量を生成することができた。

【００７９】一方、比較例では次の問題が発生した。比
較例２０では、混合粉末中に事前に混合添加したＡｌＮ
粒子の量がアルミニウム合金焼結体全体に対して１０重
量％と少ないために、焼結過程において圧粉成形体表面
の空孔が減少して、直接窒化反応によるＡｌＮの生成量
が本発明例に比べて少なくなった。その結果、アルミニ
ウム合金焼結体中の全ＡｌＮの量が２１重量％であっ
た。

【００８０】比較例２１では、ＡｌＮ粒子の添加量がア
ルミニウム合金焼結体全体に対して４重量％と少ないた
めに、焼結過程において圧粉成形体表面の空孔が減少し
て、直接窒化反応によるＡｌＮの生成量が本発明例に比
べて少なくなった。その結果、アルミニウム合金焼結体
中の全ＡｌＮの含有量が１０重量％であった。

【００８１】

【表３】

【００８２】（実施例４）Ａｌ−１０重量％Ｓｉ−５重
量％Ｆｅ−０．５重量％Ｍｇの組成を有するアルミニウ
ム合金粉末と、平均粒径５μｍのＡｌＮ粒子を出発原料
粉末として準備した。次に、両粉末を８０：２０の重量
比率で混合した混合粉末を、相対密度が８２％になるよ
うに圧粉成形した。得られた圧粉成形体を窒素雰囲気中
で、表４に示す焼結条件の下で加熱保持することによ
り、内部にＡｌＮ (層) が生成したアルミニウム合金焼
結体を作製した。

【００８３】得られたアルミニウム合金焼結体につい
て、直接窒化反応により生成したＡｌＮの量と全ＡｌＮ
の量を測定した結果を表４に示す。なお、直接窒化反応
法により生成したＡｌＮの量は、実施例１の場合と同様
に、焼結前後における重量増加率から算出した。

【００８４】本発明例２２〜２５の製造方法では、所定
の適正な焼結条件を適用することにより、焼結体中に直
接窒化反応法により適正な量のＡｌＮを生成することが
できた。

【００８５】一方、比較例２６〜２９では以下の問題が
発生した。比較例２６では、焼結温度が４８５℃であ
り、４時間の加熱処理を施しても焼結体中に直接窒化反
応法によるＡｌＮが生成せず、所定のＡｌＮの量を含有
するアルミニウム合金焼結体を作製することができなか
った。比較例２７では、焼結温度が４８５℃であり、６
時間の加熱処理を施しても焼結体中に直接窒化反応法に
よるＡｌＮが生成せず、所定のＡｌＮの量を含有するア
ルミニウム合金焼結体を作製することができなかった。

【００８６】比較例２８では、焼結温度が５９０℃であ
り、このために焼結過程において圧粉成形体の表面の空
孔が減少または閉鎖して、直接窒化反応が焼結体の内部
にまで進行せずに、所定のＡｌＮの量を含有するアルミ
ニウム合金焼結体を作製することができなかった。ま
た、得られたアルミニウム合金焼結体において反りまた
は変形が発生した。

【００８７】比較例２９では、焼結温度が６００℃であ
り、このため焼結過程において圧粉成形体の表面の空孔
が減少または閉鎖して、直接窒化反応が焼結体の内部に
まで進行せずに、所定のＡｌＮの量を含有するアルミニ
ウム合金焼結体を作製することができなかった。また、
得られたアルミニウム合金焼結体において反りまたは変
形が発生した。

【００８８】

【表４】

【００８９】（実施例５）Ａｌ−８重量％Ｓｉ−４重量
％Ｆｅ−０．５重量％Ｍｇの組成を有するアルミニウム
合金粉末と、平均粒径６μｍのＡｌＮ粒子を出発原料粉
末として準備した。次に、両粉末を７０：３０の重量比
率で混合した混合粉末を、相対密度が８５％になるよう
に圧粉成形した。次に、得られた圧粉成形体を窒素雰囲
気中、温度５４０℃の下で２時間加熱保持することによ
り、内部にＡｌＮ (層) が生成したアルミニウム合金焼
結体を作製した。その後、そのアルミニウム合金焼結体
に対して表５に示す条件で塑性加工を施した。

【００９０】アルミニウム合金焼結体について、直接窒
化反応法により生成したＡｌＮの量とＡｌＮ粒子とを合
わせた全ＡｌＮの量、硬度、ヤング率および曲げ強さを
測定した結果を表５に示す。なお、直接窒化反応法によ
り生成したＡｌＮの量は、実施例１と同様に、焼結前後
における重量増加率から算出した。

【００９１】塑性加工を施した本発明例３１〜３３のア
ルミニウム合金焼結体の硬度などの機械的特性は、塑性
加工を施さない本発明例３０に比べて向上していること
がわかる。このことから、圧縮、熱間鍛造または熱間押
出などの塑性加工は、アルミニウム合金焼結体の機械的
特性をさらに向上させるために有効な手段であると言え
る。

【００９２】さらに、実施例１および実施例２と同様
に、得られたアルミニウム合金焼結体をピストンピン形
状に加工した後に、実エンジンに適用して評価実験を行
なった。その結果、本発明例３０〜３３ではいずれの場
合も部品に破損は生じず、実用に耐えることが判明し
た。

【００９３】

【表５】

【００９４】今回開示された実施の形態は全ての点で例
示であって、制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００９５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るアル
ミニウム合金焼結体では、高負荷が作用する部品に適用
しても変形、損傷または欠損等を生じることがなく、軽
量で、鉄系材料並みの機械的特性を有し、鉄系部品との
代替が可能になる。その結果、本アルミニウム合金焼結
体を、たとえば、エンジン用ピストンピンなどの動弁系
部品へ適用することが可能となる。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡｌＮ（窒化アルミニウム）粒子と、窒
   化反応により生成したＡｌＮ層とを含有するアルミニウ
   ム合金焼結体であって、 ロックウェルＡスケールによる硬度が５０ＨＲＡ以上８
   ０ＨＲＡ以下であり、 ヤング率が１００ＧＰａ以上１３０ＧＰａ以下であり、 前記ＡｌＮ粒子と前記ＡｌＮ層とを合わせた全ＡｌＮの
   含有量が、焼結体の全体に対して３０重量％以上７０重
   量％以下であり、 前記ＡｌＮ粒子は平均粒径３μｍ以上２０μｍ以下であ
   り、 前記全ＡｌＮの含有量を１００とするとき、前記全Ａｌ
   Ｎに対する前記ＡｌＮ粒子の含有重量比率が２０以上８
   ０以下である、アルミニウム合金焼結体。
2. 【請求項２】 前記焼結体は、Ｍｇ（マグネシウム）を
   ０．０５重量％以上含有する、請求項１記載のアルミニ
   ウム合金焼結体。
3. 【請求項３】 素地となるアルミニウム合金粒子と、 該アルミニウム合金粒子の表面に形成されたＡｌＮ（窒
   化アルミニウム）層と、 前記素地中に分散するＡｌＮ粒子とを備え、 ロックウェルＡスケールによる硬度が５０ＨＲＡ以上８
   ０ＨＲＡ以下であり、 ヤング率が１００ＧＰａ以上１３０ＧＰａ以下である、
   アルミニウム合金焼結体。
4. 【請求項４】 前記ＡｌＮ層と前記ＡｌＮ粒子とを合わ
   せた全ＡｌＮの含有量が、焼結体の全体に対して３０重
   量％以上７０重量％以下である、請求項３記載のアルミ
   ニウム合金焼結体。
5. 【請求項５】 前記ＡｌＮ粒子の平均粒径は３μｍ以上
   ２０μｍ以下である、請求項３または４に記載のアルミ
   ニウム合金焼結体。
6. 【請求項６】 前記ＡｌＮ粒子と前記ＡｌＮ層とを合わ
   せた全ＡｌＮの含有量を１００とするとき、前記全Ａｌ
   Ｎに対する前記ＡｌＮ粒子の含有重量比率が２０以上８
   ０以下である、請求項３〜５のいずれかに記載のアルミ
   ニウム合金焼結体。
7. 【請求項７】 アルミニウム合金粉末と平均粒径３μｍ
   以上２０μｍ以下のＡｌＮ（窒化アルミニウム）粒子と
   を混合して混合粉末を形成する混合工程と、 前記混合粉末を圧粉成形して圧粉成形体を形成する成形
   工程と、 前記圧粉成形体を窒素雰囲気中で加熱保持することによ
   って、前記アルミニウム合金粉末の旧粉末粒界にＡｌＮ
   を反応生成する窒化工程とを備えた、アルミニウム合金
   焼結体の製造方法。
8. 【請求項８】 前記窒化工程は、前記アルミニウム合金
   粒子同士を焼結させると同時に、前記ＡｌＮ粒子が前記
   アルミニウム合金粒子同士の焼結を抑制することによっ
   て確保された前記圧粉成形体中の空孔を窒素ガスの導入
   経路として、該導入経路に窒素ガスを導くことにより、
   前記アルミニウム合金粉末のアルミニウム成分と窒素ガ
   スとを反応させてアルミニウム合金粒子の表面に前記Ａ
   ｌＮを生成する工程を含む、請求項７記載のアルミニウ
   ム合金焼結体の製造方法。
9. 【請求項９】 前記焼結工程における前記圧粉成形体を
   加熱保持する温度は５００℃以上５８０℃以下である、
   請求項７または８に記載のアルミニウム合金焼結体の製
   造方法。
10. 【請求項１０】 前記アルミニウム合金粉末はＭｇ（マ
    グネシウム）を０．０５重量％以上含有する、請求項７
    〜９のいずれかに記載のアルミニウム合金焼結体の製造
    方法。