JP3139649B2 - High heat and wear resistant aluminum-based composite material - Google Patents
High heat and wear resistant aluminum-based composite materialInfo
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Description
【0001】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a valve spring having excellent toughness, abrasion resistance, high temperature strength and creep resistance, which is useful when applied to engine parts for automobiles, aircraft, etc., such as valve spring retainers, intake valves, and pistons. The present invention relates to a heat-resistant and highly wear-resistant aluminum-based composite material.
【0002】[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。2. Description of the Related Art Aluminum alloys have been used as structural materials for aircraft or automobiles for a long time because of their light weight and excellent workability. Among conventional aluminum alloys, those having excellent heat resistance include JIS2024,
Al-Cu-Mg alloys such as 2018 are known.
【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。An Al—Ni alloy containing 5% by weight or more (hereinafter simply referred to as “%”) of Ni (sponsored by the Japan Institute of Light Metals, A
Symposium on Powder Metallurgy for Alloy 1 (March 9, 1987)
Proceedings, p. 58, p. 70) have been proposed. Similarly, JP-A-2-149629 and JP-A-2-14
9631, JP-A-2-149632, JP-A-2-149
No. 633 discloses a "low thermal expansion aluminum alloy having excellent wear resistance and thermal conductivity" comprising an Al-Ni-Si-Cu-Mg based alloy containing 8% or more of Ni and manufactured by a casting method. ing.
【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。Further, Japanese Patent Publication No. 2-56401 discloses an Al-containing alloy containing 7.7 to 15% of Ni and 15 to 25% of Si and having a Si crystal grain size of 15 μm or less.
A "heat- and wear-resistant high-strength aluminum alloy powder" comprising a Ni-Si-based alloy powder is disclosed.
【0005】[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。A high output is required for an automobile engine. For this reason, a material for an engine part such as an intake valve has a tensile strength of 200 ° C. at 300 ° C.
Mpa or more is required. From this viewpoint, the above JI
Al-Cu-Mg based alloys such as S2024 and 2018
Although the tensile strength at room temperature is excellent, the tensile strength at a high temperature of 200 ° C is at most 300 MPa, and the tensile strength at a high temperature of 300 ° C is 150 MPa, and these Al-Cu-Mg alloys are applied to engine parts such as automobiles in recent years. I can't. In addition, the above Al-Ni alloy and Al-N
In the i-Si-Cu-Mg-based alloy, although the heat resistance and wear resistance are improved by the NiAl 3 intermetallic compound generated in the structure, the product is manufactured by a casting method. The particle size of the NiAl 3 intermetallic compound in Example 1 was as large as about 10 μm, and was at most 380 M at room temperature.
At a high temperature of Pa and 300 ° C., it was found that the tensile strength decreased to 160 MPa. For this reason, it is difficult to apply even such an aluminum alloy as an engine part of a recent automobile or the like.
【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。On the other hand, with the above Al-Ni-Si alloy powder, a product is manufactured by a sintering method. That is, an alloy material having a constant composition is melted and sprayed to form the Al-N
An i-Si alloy powder is obtained, and a product is obtained by cold preforming, extruding, and forging the Al-Ni-Si alloy powder. For this reason, in this Al-Ni-Si alloy powder, the particle size of the NiAl 3 intermetallic compound is 4 μm or less, which is excellent in abrasion resistance and has a tensile strength of 51 μm at room temperature.
345 MPa is obtained at 0 MPa and 250 ° C. However, in general, there are cases where a sufficient extrusion ratio (cross-sectional area ratio before and after extrusion) cannot be obtained with engine parts such as automobiles.
【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。MM in which ceramic particles and fibers are dispersed
C (metal-based composite material) generally has high high-temperature strength, but low forgeability and elongation. Also, when trying to improve forgeability,
Conversely, the high temperature strength decreases. In order to achieve both high-temperature strength and forgeability, it is necessary to select an appropriate matrix. The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and provides an aluminum-based composite material capable of producing a product excellent in forgeability, stable wear resistance, and particularly, tensile strength at high temperatures and yield strength. With the goal.
【0008】[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。Means for Solving the Problems The present inventor has found that an excellent heat-resistant aluminum alloy can be obtained by blending Fe and Cu with an aluminum alloy of high Ni and high Si, and has conducted research on such alloys. . A metal matrix composite material in which an aluminum alloy having a specific composition ratio is used as a matrix and nitride and boride particles are dispersed therein has excellent tensile strength and elongation at high temperatures, high forgeability and high wear resistance. It was discovered and confirmed.
【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。The aluminum-based composite material of the present invention has a Ni: 2 ratio by weight of 100% by weight of the matrix.
-15%, Si: 0.2-15%, Fe: 0.6-8.
0%, Cu: 0.6 to 5.0%, and Mg: 0.5 to
3% (however, Cu + Mg ≦ 6%) and Zr: 0.3 to 3
% And Mo: 0.3 to 3% (however, Zr + Mo ≦ 4
%), And the remainder is made of a heat-resistant aluminum alloy composed of unavoidable impurities and Al as a matrix, and a nitride when the entire composite material containing the matrix is 100% by weight;
One or more of the boride particles is 0.5 to 1 in total.
0% by weight is dispersed in the matrix, and is manufactured by a powder metallurgy method.
【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。In the matrix constituting the aluminum-based composite material of the present invention, Ti: 0.5 to 4.0 by weight% (hereinafter, unless otherwise specified,% means weight%).
%. This aluminum-based composite material is prepared by melting and spraying a heat-resistant aluminum alloy constituting a matrix having the above composition, into fine powder, nitride,
It can be manufactured by a powder metallurgy method in which a boride fine powder is uniformly mixed to form a mixed powder, and the mixed powder is subjected to pressure molding and then sintered. Usually, this mixed powder is put in a case, and in this state, cold preforming (CIP or the like) and hot extrusion are performed.
【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。The mixing ratio and action of elements other than aluminum constituting the matrix of the heat-resistant aluminum alloy of the present invention will be described below. In addition,% is 1 for the matrix.
00%. [Ni: 2 to 15%] Ni is, together with Al, NiAl
Create an intermetallic compound such as 3 . These intermetallic compounds are stable even at high temperatures and contribute to the wear resistance and high temperature strength of the alloy. In particular, NiAl 3 intermetallic compounds have lower hardness,
Richer in toughness.
【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。For this reason, it is necessary to add 2% or more of Ni as a matrix hardening agent for ensuring high-temperature strength. If the Ni content exceeds 15%, the high-temperature strength of the matrix can be ensured, but the precipitation of coarse crystals deteriorates the workability and elongation, which deteriorates the forgeability. [Si: 0.2 to 15%] An alloy in which fine Si is dispersed in Al has excellent high-temperature strength and wear resistance.
90 alloy and the like.
【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。When producing a composite material using an aluminum alloy as a matrix by a rapid solidification powder metallurgy method,
If Si is added in excess of 15%, coarse primary crystal Si crystallizes out of the product even when an alloy powder is produced by the rapid solidification method, which is not preferable. If the amount of Si is less than 0.2%, the effect of addition is not recognized, which is not preferable. [Fe: 0.6 to 8.0%] In general, it is considered that the addition of Fe is not preferable, and even if it is contained, it is desirably 0.5% or less. However, the experimental results of the inventors have revealed that the room temperature strength and the high temperature strength at 300 ° C. of the obtained matrix are improved by adding Fe. When Fe is less than 0.6%, the effect of improving the ordinary temperature strength of the matrix and the high temperature strength at 300 ° C. is small, and when Fe is more than 8%, the matrix becomes brittle.
【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。[Cu: 0.6-5.0%] Cu imparts age hardening to the heat-resistant aluminum alloy and strengthens the matrix. When the content of Cu is 0.6% or more, there is hardening for improving the room-temperature strength of the matrix. When the content of Cu exceeds 5%, coarse crystals are formed and the high-temperature strength of the matrix is reduced. Note that Cu and M
If the total amount of g is 6% or less, the forgeability of the matrix can be maintained.
【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。[Mg: 0.5 to 3.0%] Generally, Mg is known as a component for strengthening an Al alloy like Cu. If the amount of Mg exceeds 3%, a coarse compound is precipitated and forgeability is deteriorated, which is not preferable. However, as described above, when the total amount of Cu and Mg is 6% or less,
If so, the effect of addition can be maintained.
【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。[Zr: 0.3-3.0%] Zr is a high temperature
Known as an additive to improve strength and creep resistance
Have been. That is, Zr: 0.3 was added to the matrix of the present invention.
-3.0% is effective for matrix toughness
To improve. Addition of less than 0.3% of Zr improves toughness.
Less effect, coarser if Zr exceeds 3.0%
Intermetallic compounds (ZrAl Three) Crystallize and
No.
【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。 [Mo: 0.3 to 3.0%] Like Mo, Mo is also an element which can improve heat resistance with the same amount of addition, but in the present invention, Mo is replaced by Zr and Mo.
The forging property and the creep resistance can be secured by adding such that the total amount thereof is 4% or less . total
If the amount exceeds 4%, the forgeability is rather reduced, so it is preferable.
Not good.
【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。[Ti: 0.5-4.0%] Ti is Zr
Similarly, it is known as an additive element for improving the high-temperature strength, but according to the experimental results of the present inventors, the matrix at 300 ° C.
It has been found that the yield strength in steel is improved. The compounding ratio of Ti is 0.5 to 4.0%. 0.5% Ti
If it is less than 10%, the effect of improving the yield strength at high temperatures is small, and T
Addition of more than 4.0% i is undesirable because it reduces the toughness of the matrix.
【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。[Nitride, boride: 0.5 to 10 in total
%] The wear resistance of an aluminum-based composite material obtained by dispersing nitride and boride particles in a matrix made of a heat-resistant aluminum alloy is improved. This nitride,
If the amount of boride is less than 0.5%, the effect of wear resistance due to the addition is not recognized. If the amount exceeds 10%, the tensile strength, elongation, and machinability of the aluminum-based composite material are unpreferably reduced.
【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。As the nitride, for example, AlN, Ti
N, ZrN, BN and the like. As boride,
For example, TiB, NiB, MgB 2 and the like can be mentioned. It is desirable that the nitride and the boride have a fine powder of 0.5 to 20 μm. If it is smaller than 0.5 μm, the powders agglomerate and the mechanical properties deteriorate. If it is larger than 20 μm, the particles will be broken or fall off during sliding, and the effect of improving the wear resistance will be reduced.
【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。One or more of these nitrides and borides are mixed with a heat-resistant aluminum alloy having the above composition and processed by powder metallurgy to produce an aluminum-based composite material.
【0022】[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。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples which embody the present invention. Tables 1 and 2 show the compositions of Examples and Comparative Examples, and Tables 3 and 4 show the characteristic values. The numbers in front of the elements having the compositions shown in the matrix composition columns in Tables 1 and 2 are 100% matrix.
It is the percentage of the element in it. The numbers preceding the respective nitrides and borides in the nitride and boride column indicate the percentage of nitrides and borides based on 100% of the total composite.
【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。A powder of a molten Al matrix having a composition shown in Table 1 was powderized by an atomizing method, classified by a 100-mesh sieve, and a predetermined amount of a fine powder of nitride or boride having a particle size of 1 to 20 μm was added thereto. To obtain a mixed powder. These mixed powders were loaded into a tube with pure Al bottom and cold preformed under a vacuum condition at a surface pressure of 3 ton / cm 2 to produce a preform of φ30 mm × L80 mm. These preforms were placed at 450 ° C for 30
After heating for 1 minute, hot extrusion was performed at a relatively large extrusion ratio "10" to obtain 9 kinds of aluminum-based composite materials No. 1 to 9 shown in Table 1 having a diameter of 10 mm. In each of the aluminum-based composite materials of these examples, nitride and boride particles are dispersed in a heat-resistant aluminum alloy matrix.
【0024】[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。[Table 1] After pulverizing a melt of an aluminum alloy having a composition of No. 51, No. 52, No. 57 and No. 58 shown in Table 2 by an atomizing method, it was classified by a 100-mesh sieve to obtain an aluminum alloy powder. No53, No54,
No. 55 was prepared by pulverizing a molten Al matrix having a composition shown in Table 2 by an atomizing method, and then classifying the powder with a 100-mesh sieve. A fine powder of a nitride or boride having a particle size of 1 to 20 μm was added in a predetermined amount. The mixture was mixed with the matrix powder to obtain a mixed powder. No. 56 was prepared by pulverizing a molten Al matrix having the composition shown in Table 2 by an atomizing method, and then classifying the powder using a 100-mesh sieve. Then, 15% of a fine powder of silicon carbide having a particle size of 2.6 μm was mixed with the mixed powder by 15%. And
【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。Each of these mixed powders was loaded into a tube with pure Al bottom and cold preformed under a vacuum condition at a surface pressure of 3 ton / cm 2 to produce a preform of φ30 mm × L80 mm. These preforms were placed at 450 ° C for 30
For 5 minutes and hot extrusion was performed at a relatively large extrusion ratio of “10”.
Thus, eight types of aluminum-based composite materials and aluminum alloys were obtained.
【0026】[0026]
【表2】 [Table 2]
【0027】[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[Table 3] σ: tensile strength (MPa), YP: yield strength (MPa),
δ: Elongation (%) Specific wear (mm 3 / kg · mm), Critical upsetting rate (%) “-” is almost 0 and cannot be measured, blank is not measured
【0028】[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。[Table 4] σ: tensile strength (MPa), YP: yield strength (MPa),
δ: Elongation (%) Specific wear amount (mm 3 / kg · mm), Critical upsetting rate (%) “-” is almost 0 and cannot be measured, and blank column indicates unmeasured. For the samples of the aluminum-based composite materials No. 1 to No. 9 of the examples, the tensile strength and elongation at room temperature, the tensile strength and elongation at 150 ° C.
For o9, the tensile strength, yield strength and elongation at 300 ° C. were measured. Table 3 shows the results.
【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。From Table 3, it can be seen that the aluminum-based composite materials of Examples Nos. 1 to 9 all have a tensile strength (σ) at room temperature (RT) exceeding 500 MPa, and even at 150 ° C.
It exceeds 50MPa. Therefore, each sample of this example indicates that the heat resistance is improved. As shown in Table 4, the comparative examples also show tensile strength and elongation at room temperature, tensile strength and elongation at 150 ° C, and tensile strength and yield strength at 300 ° C for Nos. The elongation was measured.
【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。Comparative Examples No51, No52, No57, N
o58 is the same as the matrix composition of the present invention, and the tensile strength (σ) at room temperature exceeds 500 MPa, and even at 150 ° C. exceeds 450 MPa. The aluminum alloy of Comparative Example No. 51 has the same matrix composition as that of Example No. 1. Similarly, No. 52 has the same matrix composition as No. 2 and No. 57, and No. 8 and No. 58 has the same matrix composition. No remarkable adverse effect on the strength due to the addition of a material or boride is observed.
【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。Comparative Examples No. 53 and No. 54 are those in which nitrides and borides are blended in a matrix consisting only of Al, Ni and Si, and have a tensile strength (σ) at room temperature of 500 PM.
at 150 ° C. below 450 a. In addition, when the nitride was added to the matrix containing no Zr and Mo of No. 55 of Comparative Example, the tensile strength (σ) at room temperature was 500 PMa or less, and the tensile strength (σ) at 150 ° C. was 450 PMa or less. is there. No. 56 of the comparative example has Ni, Fe, Si (only 0.6% ) in the matrix ,
Since it does not contain Zr and Mo , the tensile strength (σ) at ordinary temperature and 150 ° C. is as low as 400 PMa or less.
【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。Further, in Example No. 8, since 1% of Ti was added, the yield point at 300 ° C. did not include Ti.
9 has been improved. Therefore, the intended strength can be obtained by using the Al matrix composition of the present invention. [Evaluation 2] A test piece T / P of φ10 mm × 15 mm was cut from an aluminum-based composite material and an aluminum alloy having the compositions shown in Tables 1 and 2 and each sintered body obtained in the same manner as in Evaluation 1. Then, 5 to 8 tubes were prepared. Then, as shown in FIG. 1, each test piece T / P was sandwiched between the dies, and at 450 ° C., the forging speed was changed at a forging speed of 70 mm / sec, and the forging to obtain the limit upsetting ratio (%) was performed. The test was performed. The results are shown in Tables 3 and 4.
【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。The limit upsetting rate (%) is ε hc = (h 0
−h c ) × 100 / h 0 . Example No1 ~
No. 9 has a critical upsetting ratio (450 ° C.) of 6 which indicates forgeability.
0% or more and excellent forgeability. On the other hand, in the comparative example,
51, No. 52 and No. 56 are marginal upsetting rates (450
° C) is 60% or more and has excellent forgeability. However, No. 53 and No. 54 containing nitride and boride have a critical upsetting ratio of 50% because the matrix Ni is 15% and the Si is 20%.
% Or less, and the others could not be measured. Comparative Example No.
In the case of No. 55, Ni of the matrix is 10%, Si is 25%, and the elongation at 300 ° C. is 0.2%. Therefore,
The forgeability is not improved only by blending nitride and boride into the Al matrix. This indicates that the setting of the matrix composition is necessary.
【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。The excellent forgeability of the composite material of the present invention is due to the addition amounts of Ni, Si, and Fe (particularly, Si) of 15%, 15%, and 8% or less, respectively. [Evaluation 3] Next, wear tests were performed on the aluminum-based composite materials of Examples 1 to 9 and the aluminum alloys of Comparative Examples 51 to 58. The amount of abrasion was measured using a LFW tester under the test conditions in which a ring-shaped mating member immersed in oil was used as SUJ2, and a test piece was pressed against the SUJ2 under a load of 150 N, a time of 15 minutes and a sliding speed of 18 m / min.
【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。The results are shown in Tables 3 and 4. From Table 3, the specific wear (LFW test) of the samples of Examples Nos. 1 to 9 was 1.3 × 10 −7 mm 3 / kg · mm or less, and was balanced with high-temperature strength, forgeability, and wear resistance. It is an aluminum-based composite material. Comparative Example N containing no nitride or boride
o51, No52 and No56 show that the critical upsetting ratio (450 ° C.) indicating forgeability from Table 4 may be 75% or more,
The specific wear amount is as large as 4.0 × 10 −7 and the wear resistance is low. Comparative Examples No. 53 and No. 54 contain nitrides and borides, and thus have a specific wear amount of 2 × 10 −9 and 3 × 10 −9 , but a good wear resistance, but a critical upsetting ratio indicating good or poor forging property of 40.5. %, 45.0%
And low.
【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。Therefore, in order to obtain an aluminum-based composite material having a good balance of strength, heat resistance, forgeability and abrasion resistance, it is necessary to select a matrix composition and specify the amounts of nitrides and borides. is there. Therefore, according to the above evaluation, the aluminum-based composite material produced by sintering the powders of the aluminum-based composite materials of Examples Nos. 1 to 9 was lightweight, and exhibited wear resistance, forgeability, tensile strength at room temperature and high temperature. Excellent strength.
【0037】[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。As described in detail above, the aluminum-based composite material of the present invention uses an aluminum alloy containing predetermined amounts of Ni, Si, Fe, Cu and Mg, Zr and Mo as a matrix. It is lightweight, has excellent wear resistance because nitride and boride particles are dispersed in the matrix, and is almost similar to an aluminum alloy composed of a matrix in which nitride and boride particles are not dispersed. Has strength.
【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。Therefore, the aluminum-based composite material of the present invention can contribute to weight reduction of valve spring retainers, intake valves, pistons and the like, which are engine parts of automobiles and the like. Furthermore, since this aluminum-based composite material can exhibit stable wear resistance, toughness, forgeability, rigidity, thermal expansion characteristics, room temperature strength and high temperature strength, it surely responds to the demand for high output in recent years, In addition, since the weight can be reduced, it is possible to provide an engine part with low fuel consumption.
【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。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a method for measuring a critical upsetting ratio in Evaluation 2.
───────────────────────────────────────────────────── 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 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI C22C 1/10 C22C 1/10 J (72) Inventor Hirofumi Michioka 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Inside Toyota Motor Corporation ( 72) Inventor Jun Kusui 3-6-8 Kutaro-cho, Chuo-ku, Osaka-shi Toyo Aluminum Co., Ltd. (72) Inventor Shoei Tanaka 3-6-8 Kutaro-cho, Chuo-ku, Osaka-shi Toyo Aluminum Co., Ltd. (56 References JP-A-6-158200 (JP, A) JP-A-3-294446 (JP, A) JP-A-60-204857 (JP, A) JP-A-56-116851 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C22C 21/00-21/18 C22C 32/00 B22F 1/00 C22C 1/04-1/10
Claims (2)
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。1. When the matrix is 100% by weight
By weight%, Ni: 2 to 15%, Si: 0.2 to 15%,
Fe: 0.6-8.0% and Cu: 0.6-5.0%
And Mg: 0.5-3%(However, Cu + Mg ≦ 6%)
And Zr: 0.3-3% and Mo: 0.3-3%(T
(Zr + Mo ≦ 4%)And the rest are unavoidable impurities
A heat-resistant aluminum alloy consisting of
100% by weight of the entire composite material containing the matrix
One or more of nitride and boride particles
Are dispersed in the matrix in a total amount of 0.5 to 10% by weight,
High durability, characterized by being manufactured by powder metallurgy
Heat and wear resistant aluminum matrix composite material.
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。2. The high heat and wear resistant aluminum-based composite material according to claim 1, wherein the matrix contains 100% by weight of Ti and 0.5 to 4.0% by weight of Ti.
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- 1992-12-03 JP JP04324030A patent/JP3139649B2/en not_active Expired - Fee Related
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