JP2001192707A - 高強度アルミニウム合金粉末材料とアルミニウム合金溶製材鋳造品の複合成型法 - Google Patents

高強度アルミニウム合金粉末材料とアルミニウム合金溶製材鋳造品の複合成型法

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    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のアルミニウム合金動燃系部品は溶製材を
鋳造、又は鋳鉄を一部鋳包んで製造している為、鋳鉄鋳
包み品は重量が重く、母材との接合強度が弱い。 【解決手段】AC8A溶製材で鋳造した鋳造品を型にセ
ット後、必要な特性を備えた超微細結晶粒を持つ2種類
のアルミニウム合金粉末を内、外周に充填後、プラズマ
放電機により成形、同時に鋳造品との接合を行い、図6
のように一体成形する。図6の部品は上部内周は燃焼の
為、耐熱性、外周は摺動の為、耐摩性を必要とし、省エ
ネの為、軽量化が求められている。12は14より、耐
熱性にすぐれ、13は12に低フリクション材を混合し
た粉末材料で耐摩性に優れている。アルミニウム合金超
微細結晶粒な為、軽量で強度が高く、成形性、母材との
接合性に優れ、薄肉設計が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高強度アルミニウ
ム合金粉末材料とアルミニウム合金溶製材鋳造品の複合
成型法に関する。
【0002】
【従来の技術】(イ)燃焼温度が高く、温度が200〜40
0℃のあがる動燃部品構造体は燃焼部が近い上部はニレ
ジスト鋳鉄から成る耐熱性の補強部材を本体とは別体に
作製しておき、このような補強部材を摩擦圧接の方法に
よってアルミニウム合金から成る本体上部に結合固着す
る。このときに本体の上部に設けられている周溝を補強
部材によって閉塞することにより冷却用空洞を形成す
る。(例えば、特公平6−2613参照)
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の高温動燃部品構
造体は上部をニレジスト鋳鉄で構成している為、表1の
ように重量が重く、Fe,Ni系材料の為、トップリン
グ溝部の冷却効率も悪い。又接合部にFeが多く含んだ
脆い金属間化合物が生成され接合強度が弱い。又ニレジ
スト鋳鉄はアルミニウム合金に比べ切削性が悪い。
【表1】
【0004】
【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、(イ)高強度と高靱性を両立させるため、図8の
ように超急冷による組織の微細化と図9のように金属間
化合物の体積率制御によって強度・靱性を両立させる。
これにより薄肉軽量化が可能になる。構造体の外周を、
上記の粉末に低フリクション粉末を混合して一体成形す
ることにより、耐摩環、アルマイト処理がいらなくなり
コストが低減でき、リ−ドタイムも短縮できる。
【0005】
【発明実施の形態】本発明は構造体の一部にアルミウム
合金粉末材をもちい、用途におうじて、部位別に、粉末
の種類を変えアルミニウム合金溶製材鋳造品に充填、成
形したものである。
【0006】上記の高温動燃部品上部(燃焼部が近い)
の材料は、高温疲労強度が必要なため、金属間化合物は
15%以上40%以下が望ましい。40%以上になると
図9のように脆くなり、ワレが生ずる危険性が高い。
【0007】上記0006アルミニウム合金材の結晶粒
は、強度、成形性の面から粉末生成時に急冷して図8の
ように結晶粒を細かくしたほうが良い。具体的には超塑
性変形が可能な結晶粒1μ以下が望ましい。
【0008】上記0006〜0007の粉末材料成形
は、伸びがもっとも出る温度に維持して成形するのが望
ましい。
【0009】0006、0007の低フリクション材は
材料の強度低下、上下接合するものについては図10の
ように接合力の低下を招くので、重量比で30%以下が
望ましい。下部形状が弱く、変形不可なため加圧力が3
0kg/mm2以下で温度は、上下材料で融点の低い方
の再結晶温度(融点の0.7位)で熱間鍛造、拡散接合
又は図11のように放電プラズマ焼結、接合させる。熱
間鍛造、拡散接合よりプラズマ放電焼結、接合のほうが
接合界面間隙にプラズマが発生し、温度が界面に集中的
に上がるため、他の形状部を変形させることなく、低圧
力で成形、接合できるので望ましい。
【0010】上記接合材料は結晶粒が小さい程、又アル
ミの酸化皮膜を還元するMg含まれているのがよい。具
体的には結晶粒は超塑性変形が可能な1μ以下、Mgは
0.5〜4%が望ましい。
【0011】
【実施例】実施例について図面を参照して説明すると、
図12のcは直憤ディ−ゼルピストンの完成図で外径6
0mm、高さ60mm、重量250gである。ピストン
上部はアルミニウム合金粉末成形体でトップリング溝下
2mmから上側の形状を構成し、トップリング溝奥1m
mのところで内31、外34で、又接合面から上1mm
のところで材質を34にかえてある。内側31粉末材料
成分は、(1-1)Al(残)+Si(20%)+Fe(9
%)+Cu(3%)+Mg(1%)で、(1-2)外側34
は内側の粉末にFeMoSの粉末を重量比で30%混合
したもので、平均結晶粒は1μmである。上記材料を使
用した理由は、リップ部36は350℃前後での高温強
度が必要な為、図12のように、高温強度の高い(1-1)
の超微粒粉末をもちい、35のトップリング溝は300
℃前後での耐凝着性が必要なため、図14のように、F
eMoSの粉を添加した材料をもちいた。又、下面1m
mは外側34のFeMoSが下部鋳造品32と接合しに
くいので、FeMoSを含まない内31の材料で構成し
た。FeMoS比重が重いため、最小限必要な部分にと
どめた。32をAC8A溶製材にしたのは、この部分は
31、34に比べ温度、負荷共低いため、AC8A材で
強度が確保でき、又材料費も1/3以下な為、コストを
さげるため、粉末の使用は最小限にとどめた。図12の
(d)は工程図で型にAC8A鋳造品32をセットして
(1-1)の粉を1mm充填後、境界をもうけ、(1-2)、
(1-1)を外、内に充填して、境界をはずす。図11のプ
ラズマ放電焼結機に型をセットして470℃の温度で1
00MPaの圧力で上部粉末を成形すると同時に下部3
2と接合させる。
【0012】
【発明の効果】本発明は以上説明したような形態で実施
され、以下に記載されるような効果を奏する。
【0013】微細な結晶粒の粉末成形材の為、図13の
ように従来のAC8A溶製材より、材料、又温度によっ
て強度が2〜5倍高い為、薄肉設計が可能になり、30
〜60%軽量化(溶製材鋳造品上部比)ができる。
【0014】図12直憤ディ−ゼルピストンにおいて従
来は燃焼室リップ部36が結晶粒の大きいAC8A溶製
材でできているので、350℃前後の高温で高温疲労の
為、ヒビ割れが生じたが、図13のようにFe等の高温
成分を添加して、金属間化合物を30%程度生成した微
細な結晶粒粉末成形体なため、高温疲労強度が高く、ヒ
ビ割れない。
【0015】従来のディ−ゼルピストン冠面部はニレジ
スト鋳鉄耐摩環を摩擦圧接で母材と接合していたため、
接合部の金属間化合物が脆く、接合強度が弱い。本発明
品はアルミ合金同志の接合で固相接合(摩擦圧接除く)
なため、接合部に金属間化合物ができにくく、接合強度
が高い。その為、トップリングハイトの短縮が可能にな
る。(トップリングハイトの短縮は燃費向上に効果があ
る)
【0016】従来のガソリンピストンは用途により、ト
ップリング溝に加工完了後アルマイト処理をして焼き付
きを防止している。本発明は外側に低フリクションのF
eMoSを混合した粉で成形しているため、アルマイト
処理が不要である。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1の複合成型体を示す縦断面図である。
【図2】請求項1の複合成型体を示す縦断面図である。
【図3】請求項2、4の複合成型体を示す縦断面図であ
る。
【図4】請求項1、4の複合成型体を示す縦断面図であ
る。
【図5】請求項3、4の複合成型体を示す縦断面図であ
る。
【図6】請求項3、4の複合成型体を示す縦断面図であ
る。
【図7】請求項1〜6の成形法を示す縦断面図である。
【図8】アルミニウム合金結晶粒微細化による引張り強
度を表したグラフである
【図9】アルミニウム合金粉末中の金属間化合物の量と
鍛造成形体の靱性の関係グラフである。
【図10】アルミニウム合金粉末(Al−20Si−3
Cu−1Mg−9Fe)とFeMoS粉末の混合鍛造成
形体とAC8A材のプラズマ放電接合部のせん断応力の
関係グラフである。
【図11】プラズマ放電接合の概略図である
【図12】請求項6の内燃機関ピストン粗材成形工程を
示した図でaはAC8A鋳造品を型にセットして耐熱粉
末を充填、bは枠をつけて内、耐熱材、外、耐摩材を充
填後プラズマ放電により高速超塑性加工、cは加工後の
形状、dは工程図である。
【図13】AC8A溶製材、Al−20Si−3Cu−
1Mg−9Fe粉末合金成形体の高温引張り強度の関係
グラフである。
【図14】Al−20Si−3Cu−1Mg−9Fe合
金のFeMoS合金粉末を混合した)鍛造成形体の凝着
試験における、FeMoS量と凝着発生温度の関係グラ
フである。
【符号の説明】
1、3、9、12 耐熱アルミニウム合金粉末成形体 2、4、6、8、11、14 AC8A溶製材鋳造品 13 1、3、9、12に低フリクション材を混合した
耐摩性、耐凝着性にすぐれたアルミニウム合金粉末成形
体 15 耐熱アルミニウム合金粉末 16 アルミニウム合金溶製材鋳造品 17、18 熱伝導率が小さく、固有抵抗が大きい金型
材料 19、20 17、18より熱伝導率が大きく、児湯抵
抗が小さい金型材料 21 上部電極 22 上部パンチ 23 型 24 サンプル 25 下部パンチ 26 真空室 27 真空ポンプ 28 油圧ユニット 29 パルス電気エネルギ− 30 熱制御系 31 耐熱アルミニウム合金粉末成形体 32 AC8A溶製材ピストン下部鋳造成形体 33 金型 34 29材料にFeMoS粉末を30%添加混合した
粉末材料 35 直噴ディ−ゼルピストントップリング溝 36 直噴ディ−ゼルピストンリップ部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // C22C 21/00 C22C 21/00 Z

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】図1、2、4のように構造体全体が2種類
    のアルミニウム合金で構成され、上1、3、7は粉末成
    形品、下2、4、8は溶製材鋳造品で構成され、下2、
    4、8を鋳造で成形後、型にセットして粉末を充填して
    熱間鍛造(プラズマ放電焼結含む)で2層に一体成形し
    たことを特徴とした複合成形体。
  2. 【請求項2】図3のように構造体全体が2種類のアルミ
    ニウム合金で構成され、上部外5は粉末成形品構造体、
    上部内、下部6は溶製材鋳造品で構成され、6を鋳造で
    成形後、型にセットして粉末を外周に充填して熱間鍛造
    (プラズマ放電焼結含む)で2層に一体成形したことを
    特徴とした複合成形体。
  3. 【請求項3】図5、6のように構造体全体が3種類のア
    ルミニウム合金で構成され、外10、13、内、下9、
    12は粉末成形品構造体、下部11、14は溶製材鋳造
    品で構成され、下11、14を鋳造で成形後、型にセッ
    トして粉末を下11、14に1mm充填後境界の枠をと
    うして内、外2層にわけて充填して枠をはずした後、熱
    間鍛造(プラズマ放電焼結含む)で3層に一体成形した
    ことを特徴とした複合成形体。
  4. 【請求項4】図4の上部、図3、5、6外周の材料は、
    Mo,S,Cの少なくとも一つの成分が入った粉末を内
    周の材料(図3は5、6の内周材)に混合した材料であ
    ることを特徴とする、請求項1、2、3記載の複合成形
    体。
  5. 【請求項5】燃焼が生じ、高温高負荷がかかる上部のア
    ルミニウム合金粉末の成分として、Si、Fe、Ti、
    Cr、Ni、Co、Cu、Zrの少なくとも、1種以上
    から構成されており、用途によって金属間化合物が15
    %以上40%とする、請求項1、2、3記載のアルミニ
    ウム合金粉末材料。
  6. 【請求項6】下部の材料は、上部より負荷、温度共低い
    ので金属間化合物が20%以下で比重が請求項5より軽
    い材料であることを特徴とする、請求項1、2、3、4
    記載のアルミニウム合金溶製材料。
  7. 【請求項7】プラズマ放電焼結機で部品上部の焼結(図
    7の15)、下部部品(図7の16)との接合、又は鋳
    造、鍛造成形材同志の接合する場合において、材料の特
    性又は、部品の形状で、昇温、加圧時に変形が危惧され
    る場合は、焼結(図7の15)、接合部のみ必要な温度
    に効率良く昇温し、他の部分(図7の16)は変形しな
    いような温度に維持する為、(イ)焼結又は接合する近傍
    の金型(図7の17,18)には、熱伝導率が小さく、
    固有抵抗が大きい金型材料を、それ以外の金型(図7の
    19、20)は、熱伝導率が大きく、固有抵抗が小さい
    材料金型を使用する。 (ロ)同一材料、又は異種材料で昇温又は接合する近傍の
    金型は容積を小さくして、昇温しやすくし、他の部分は
    変形しないよう温度を下げる為、、金型容積を大きくす
    る。 (ハ)(イ)、(ロ)共、焼結又接合する近傍の金型には、ヒ−タ
    −などの加熱装置、それ以外の金型には、温度が上がら
    ないよう冷却装置を設け、温度調整する。
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