JP2646212B2

JP2646212B2 - 金属間化合物粒子分散強化型合金並びにその製造方法

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Publication number: JP2646212B2
Application number: JP62191411A
Authority: JP
Inventors: 博幸大村; 隆雄三好
Original assignee: RYOOBI KK
Current assignee: RYOOBI KK
Priority date: 1987-07-30
Filing date: 1987-07-30
Publication date: 1997-08-27
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: JPS6436742A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、金属間化合物粒子分散強化型合金並びにそ
の製造方法に関し、特に耐摩耗性に優れた、Al−Si−Cu
系合金をマトリツクスとする金属間化合物粒子分散強化
型合金並びにその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

アルミニウム合金は軽く、機械的性質に優れている
が、摩耗に弱いという欠点がある。その耐摩耗性を改善
する手段としてはその表面を加工するやり方と素材その
ものを改質するやり方がある。その素材そのものを改質
するやり方の一つとして従来から耐摩耗性に富む粒子を
アルミニウム合金中に分散させる方法が知られている。
耐摩耗性に富む粒子として使用しうるものとして、Si粉
末及びAlNi系金属間化合物粉末は耐酸化性で高硬度の粉
末であり、Al−Si−Cu系合金のマトリツクス材とは濡れ
性がよく、しかも安定性に優れている。

しかし、これらの金属間化合物などは、Al−Si−Cu系
合金等のアルミニウム合金の溶湯中に直接添加すると、
数分間の内に溶解してしまうために合金中に粒子状とし
て存在させることができないので、従来は金属間化合物
粒子分散強化型合金は焼結法によつて製造されていた。

従来の焼結法は、母相の微細金属粉末に金属間化合物
粉末を添加して機械的に撹拌混合を行い、これをプレス
成形し、加熱焼結して金属間化合物粒子分散強化型合金
を製造するもので、加熱焼結したものを押出後、圧延機
により目的とする製品を製造する方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の焼結法では、金属間化合物粉末
と母相の合金粉末とを機械的に撹拌混合するさいに、合
金粉末に金属間化合物粉末を均一に分散混合することは
粒子間の凝集、比重差等のために困難であつた。

また、プレス成形、加熱焼結にさいして酸化を伴なう
ために、加熱焼結する過程で酸化防止方法及び装置が必
要であり、それ故に経費の点でコストが高く、さらに加
熱焼結によるときには寸法精度の高い製品が得られず、
強度的にも制約がある。これらの理由で焼結法によると
きには粒子分散強化型合金を安価に大量生産することは
困難であつた。

このため、焼結法によらないでつくつた、粒子が均一
に分散した粒子分散強化型合金を得ること、及びその製
造方法を開発することが必要であつた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記問題点を解消しようとするものであつ
て、従来金属間化合物などをAl−Si−Cu系合金溶湯中に
添加すると溶解するために、直接前記合金溶湯中に添加
して分散させることは不可能とされていたものを、ダイ
カストマシンを使用することによつて、直接溶湯中に添
加できて短時間の機械的撹拌により、溶解せずに金属間
化合物などを均一にマトリツクスのAl−Si−Cu系合金に
分散させることができ、このことによつて、延性を減じ
ることなく、優れた機械的特性を有する金属間化合物等
粒子分散強化型合金とその製造方法を提供しようとする
ものである。

すなわち、本発明は、Al−８〜20wt％Si−２〜9wt％C
u合金をマトリックスとし、このマトリックスにAlNi、A
l₃Ni及びAlNi₃のうちから選ばれる１種類以上の金属間
化合物粉末が添加粉末として分散され、かつ前記添加粉
末の含有量が４〜50wt％の範囲であることを特徴とする
金属間化合物粒子分散強化型合金である。

また、本発明は、Al−８〜20wt％Si−２〜9wt％Cu合
金の溶湯中へAlNi、Al₃Ni及びAlNi₃のうちから選ばれる
１種類以上の金属間化合物粉末を４〜50wt％直接添加
し、撹拌混合した後、ダイカスト成形することにより上
記金属間化合物粉末を均一にマトリックスに分散させる
ことを特徴とする金属間化合物粒子分散強化型合金の製
造方法である。

〔発明の具体的構成〕

以下に、本発明を更に詳細に説明する。

本発明に用いられるAl−８〜20wt％Si−２〜9wt％Cu
合金はマトリックスとなるものであって、Siが８〜20wt
％、Cuが２〜9wt％含有され、残りは不可避的不純物とA
lからなるものである。

本発明でマトリツクスにAl−Si−Cu系合金を用いる理
由は、この合金が優れた鋳造性、機械的性質を持ち、か
つ価格的にも有利であるからである。

前記のAl−Si−Cu系合金において、Siの含有量が8wt
％未満では機械的性質があまり良くなく、20wt％超でも
機械的性質が低下する。

本発明において、前記マトリツクスに混入分散される
粒子（以下「分散粒子」という）は、AlNi,Al₃Ni及びAl
Ni₃のうちから選ばれる１種以上の金属間化合物粉末で
ある。

これらの粉末を使用する理由は、これらの粉末がマト
リツクスの合金に対して濡れ性がよく、しかも安定性に
優れているからである。さらに、第１表に示すように、
Al−Ni系金属間化合物粒子の硬度はいずれも400（Hv）
以上の硬度を有していて、これらの高硬度粒子を母合金
マトリツクスに添加することによつて、いずれの場合に
も優れた耐摩耗性を有する合金を得ることができる。

前記分散粒子の添加量は４〜50wt％（添加後の量を10
0wt％とする）であることが好ましく、より好ましくは
５〜20wt％である。前記添加量が4wt％未満では耐摩耗
性の向上効果がなく、50wt％超では撹拌段階で母合金が
急激に凝固するために、本発明の製造方法により製造す
ることが困難である。

また、分散粒子の粒子径は100μｍ以下が好ましく、
より好ましくは50μｍ以下である。前記粒子が100μｍ
超では合金の機械的性質を劣化させる。

前記マトリツクスへ前記分散粒子が均一に分散され
て、耐摩耗性及びその他の機械的性質に優れた金属粒子
及び金属間化合物粒子分散強化型合金が得られる。

本発明に係る金属粒子及び金属間化合物粒子分散強化
型合金は基本的には以上のように構成されるものであ
り、以下にその製造方法を添付図面を参照しつつ詳細に
説明する。

第１図は、本発明に係る金属粒子及び金属間化合物粒
子分散強化型合金の製造方法に用いられる撹拌混合装置
の一構成例の一部断面正面図である。

まず、マトリツクス材となるAl−Si−Cu系合金（母合
金）を溶湯を撹拌混合装置の撹拌混合槽２内に所定量注
湯した後、該溶湯に前記分散粒子を所定量投入添加し、
撹拌羽根３をモーター４で回転させ、短時間撹拌混合
し、分散粒子混合合金溶湯１を得ることができる。

Al−Si−Cu系合金溶湯の温度は690〜860℃が好まし
く、より好ましくは700〜830℃であり、特に730〜810℃
が好ましい。690℃未満では粒子添加の際に瞬時に溶湯
が凝固し、また860℃超では前記分散粒子の溶解が早す
ぎて適しない。

撹拌混合に要する時間は前記分散粒子の凝固が起ら
ず、かつ分散粒子が溶解せず、後述するダイカストマシ
ンによつて前記分散粒子が前記マトリツクスに均一に分
散させることができる程度に撹拌混合できる時間があれ
ばよく、５分以下が好ましい。より好ましくは５〜60秒
であり、特に好ましくは７〜20秒である。５分超では前
記分散粒子が溶解してしまい、前記母合金と一体となつ
てしまい、耐摩耗性の向上が見られない。

撹拌混合後、前記分散粒子混合溶湯１はダイカストマ
シンに給湯され、所望の形状に成形される。この時、こ
のダイカストマシン内においても射出時に溶湯が噴霧状
になり、前記分散粒子は前記マトリツクス内に分散し、
さらに均一化される。

このようにして、前記分散粒子が前記マトリツクスに
均一に分散した、耐摩耗性及び延性などの機械的性質に
優れた金属間化合物粒子分散強化型合金が製造される。

したがつて、本発明においては、従来の燃焼粉末冶金
法のようにコスト高な表面処理方法や酸化防止法および
装置を必要とせず、複雑な形状の製品を容易にかつ安価
に製造できる。

〔実施例〕

以下、実施例によつて本発明を具体的に説明する。た
だし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるもので
はない。

なお、以下の実施例においては、参考例としてSi粉末
を添加した場合も示している。

実施例１マトリツクスであるAl−Si−Cu溶湯中に粒子径が44μ
ｍの以下の、AlNi,Al₃Ni,AiNi₃金属間化合物粉末或いは
Si粉末を添加し、第１図に示す撹拌混合装置により撹拌
混合後、ダイカストマシンにより金型に注湯し、本発明
の金属間化合物粒子分散強化型合金の試験片を得た。

Al₃Ni,AlNi,AlNi₃粉末及びSi粉末を添加して得られた
試験片の拡大倍率50倍の顕微鏡写真を第２図a,b,c,d、
第３図a,b,c,dに示す。第２図a,b,c,d及び第３図a,b,c,
dから明らかなように、AlNi,Al₃Ni,AlNi₃金属間化合物
粒子が母合金に均一に分散していることがわかる。

AlNi,Al₃Ni,AlNi₃金属間化合物粒子はいずれも第１表
に示すように極めて高硬度であり、Al−Si−Cu合金マト
リツクスとの結合力、また濡れ性が非常に優れていて、
しかも安定性があるため混合が容易であり、また均一な
分散が可能であるため、前記粒子の母合金中への均一な
分散性は耐摩耗性に影響を与え、向上させることがわか
る。

この結果、母合金であるAl−Si−Cu合金の優れた機械
的性質を失うことなく、優れた耐摩耗性を得ることがで
きることがわかる。

実施例２実施例１で用いたSi粉末及び金属間化合物粉末を下記
の母合金の溶湯に投入添加して撹拌混合後、ダイカスト
マシンに給湯して、本発明の金属間化合物粒子分散強化
型合金製の引張試験用及び摩耗試験用試験片を鋳造し
た。

ここで、この実施例においては、母合金としてAl−8w
t％Si−3wt％、Al−15wt％Si−4wt％Cu及びAl−19wt％S
i−7wt％Cu合金を用いた。分散粒子としてはAl₃Ni,Al₃N
i,AlNi₃金属間化合物粉末及びSi粉末を用い、その添加
量は5,10,20,40wt％とした。

比較例としては、分散粒子を含有しない母合金のみの
Al−8wt％Si−3wt％Cu、Al−15wt％Si−4wt％Cu、Al−1
9wt％Si−7wt％Cu合金を用い、ダイカストマシンを使用
することにより引張用試験片及び摩耗試験片を鋳造し
た。

なお、上記本発明例及び比較例に用いられるAl−Si−
Cu系合金の化学成分を第２表に示す。

得られたこれらの試験片を以下に示すそれぞれの試験
を行つた。

なお、摩耗試験は、大越式摩耗試験装置により相手材
としてFC25の標準回転板材料を用いて、無潤滑条件下で
最終荷重2.1Kg、滑り距離100mを一定とし、滑り速度0.9
4、1.96、2.86、4.36m/sの４段階に変化させて行い、摩
耗痕幅より引摩耗量を測定した。

この試験結果を第４〜15図に示す。

第4,5及び６図は、比較例及び本発明例とも、マトリ
ツクスとしてAl−8wt％Si−3wt％Cu、Al−15wt％Si−4w
t％Cu、Al−19wt％Si−7wt％Cu合金を用い、本発明例で
はAl₃Ni金属間化合物粒子を分散粒子として分散し、そ
れぞれ分散粒子の添加量を5,10,20,40wt％としたものに
ついて、横軸を滑り速度、縦軸を比摩耗量として摩耗試
験結果をプロツトしたグラフである。なお、分散粒子の
添加量を4,50wt％としたものについても試験をしたが、
50wt％の場合は40wt％の場合と同じ比摩耗量となり、ま
た4wt％の場合は5wt％の場合と同じ比摩耗量となつたの
で図への記載は省略した。

第4,5及び６図により、5,10,20,40wt％−Al₃Ni金属間
化合物粒子分散強化型合金は比較例である母合金のみの
Al−8wt％Si−3wt％Cu、Al−15wt％Si−4wt％Cu、Al−1
9wt％Si−7wt％Cu合金よりも優れた耐摩耗性を示すこと
がわかる。

なお、Al₃Ni金属間化合物粒子を4wt％未満の3wt％含
有した場合は、その粒子分散強化型合金は母合金と同様
の比摩耗量を示し、Al₃Ni金属間化合物粒子を添加した
ことによる耐摩耗性への影響はない。

第7,8及び９図は、比較例及び本発明例とも、マトリ
ツクスとしてAl−8wt％Si−3wt％Cu、Al−15wt％Si−4w
t％Cu、Al−19wt％Si−7wt％Cu合金を用い、本発明例で
はAlNi金属間化合物粒子を分散粒子として分散し、それ
ぞれ分散粒子の添加量を5,10,20,40wt％としたものにつ
いて、横軸を滑り速度、縦軸を比摩耗量として摩耗試験
結果をプロツトしたグラフである。なお、分散粒子の添
加量を4,50wt％としたものについても試験をしたが、50
wt％の場合は40wt％の場合と同じ比摩耗量となり、また
4wt％の場合は5wt％の場合と同じ比摩耗量となつたので
図への記載は省略した。

第7,8及び９図により、5,10,20,40wt％AlNi金属間化
合物粒子分散強化型合金は比較例である母合金のみのAl
−8wt％Si−3wt％Cu、Al−15wt％Si−4wt％Cu、Al−19w
t％Si−7wt％Cu合金よりも優れた耐摩耗性を示すことが
わかる。

第10,11及び12図は、比較例及び本発明例ともマトリ
ツクスとしてAl−8wt％Si−3wt％Cu、Al−15wt％Si−4w
t％Cu、Al−19wt％Si−7wt％Cu合金を用い、本発明例で
はAlNi₃金属間化合物を分散粒子として分散し、それぞ
れ分散粒子の添加量を5,10,20,40wt％とした合金につい
て横軸を滑り速度、縦軸を比摩耗量として摩耗試験結果
をプロツトしたグラフである。なお、分散粒子の添加量
を4,50wt％としたものについても試験をしたが、50wt％
の場合は40wt％の場合と同じ比摩耗量となり、また4wt
％の場合は5wt％の場合と同じ比摩耗量となつたので図
への記載は省略した。

第10,11及び12図により5,10,20,40wt％AlNi₃金属間化
合物粒子分散強化型合金は比較例である母合金のみのAl
−8wt％Si−3wt％Cu、Al−15wt％Si−4wt％Cu及びAl−1
9wt％Si−7wt％Cu合金より優れた耐摩耗性を示すことが
わかる。

第13,14及び15図は、比較例及び参考例とも、マトリ
ツクスとしてAl−8wt％Si−3wt％Cu、Al−15wt％Si−4w
t％Cu、Al−19wt％Si−7wt％Cu合金を用い、参考例では
Si粉末を分散粒子として分散し、それぞれ分散粒子の添
加量を5,10,20,40wt％とした合金について横軸を滑り速
度、縦軸を比摩耗量として摩耗試験結果をプロツトした
グラフである。

第13,14及び15図により、5,10,20,40wt％Si金属粒子
分散強化型合金は、比較例である母合金のみのAl−8wt
％Si−3wt％Cu、Al−15wt％Si−4wt％Cu、Al−19wt％Si
−7wt％Cu合金より優れた耐摩耗性を示すことがわか
る。

さらに第３表にAlNi,Al₃Ni,AlNi₃金属間化合物及びSi
金属粒子分散強化型合金よりなる本発明例と参考例１種
比較例３種の機械的性質を示す。

また、Al−20wt％Si−9wt％Cu合金に同様にAlNi,Al₃N
i,AlNi₃粉末及びSi粉末を添加して得られた試験片につ
いて同様の試験をしたところ、Al−19wt％Si−7wt％Cu
合金に添加した場合と同様の結果が得られた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る金属粒子及び金属
間化合物粒子分散強化型合金においては、Si粉末又はア
ルミニウム−ニツケル系金属間化合物粉末が母合金のマ
トリツクスに均一に分散されていることにより、母合金
の機械的性質を維持しながら耐摩耗性を向上させること
ができる結果がある。

また、本発明の製造方法によれば、Si粉末又はアルミ
ニウム−ニツケル系金属間化合物粉末をAl−Si−Cu系合
金溶湯中に添加し、短時間の機械的撹拌混合後、直接ダ
イカストマシンによつて均一にマトリツクに分散させる
ようにしたから、凝集等の問題が起こることなく均一に
分散できて、優れた耐摩耗性の粒子分散強化型合金が得
られると共に、ダイカスト鋳造法を利用するので、従来
の焼結、粉末冶金法のようにコスト高な表面処理方法や
酸化防止方法及び装置を必要としないので、従来法と比
較して加工費を低減でき、また複雑な形状の製品を容易
に製造でき、多くの工程を省略化できるので、安価に粒
子分散強化合金を大量生産することができる。さらに、
母合金がAl−Si−Cu合金であるために鋳造性も良好であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る金属粒子及び金属間化合物粒子
分散強化型合金の製造方法に用いられる撹拌混合装置の
一構成例の一部断面の正面図、第２図a,b,c,d及び第３
図a,b,c,dは、各アルミニウム−ニツケル系金属間化合
物粉末及びSi粉末を各母合金溶湯中に添加、撹拌混合
後、ダイカストマシンで金型に注湯して得られた各試験
片の組識を示した写真、第4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,1
4,15図は、それぞれ前記各試験片の相手材に対する滑り
速度と比摩耗量との関係を示すグラフである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Al−８〜20wt％Si−２〜9wt％Cu合金をマ
トリックスとし、このマトリックスにAlNi、Al₃Ni及びA
lNi₃のうちから選ばれる１種類以上の金属間化合物粉末
が添加粉末として分散され、かつ前記添加粉末の含有量
が４〜50wt％の範囲であることを特徴とする金属間化合
物粒子分散強化型合金。
【請求項２】Al−８〜20wt％Si−２〜9wt％Cu合金の溶
湯中へAlNi、Al₃Ni及びAlNi₃のうちから選ばれる１種類
以上の金属間化合物粉末を４〜50wt％直接添加し、撹拌
混合した後、ダイカスト成形することにより上記金属間
化合物粉末を均一にマトリックスに分散させることを特
徴とする金属間化合物粒子分散強化型合金の製造方法。