JP3236384B2

JP3236384B2 - 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料

Info

Publication number: JP3236384B2
Application number: JP35890592A
Authority: JP
Inventors: ▲邦▼彦今橋; 宏久三浦; 泰弘山田; 博文道岡; 潤楠井; 昭衛田中
Original assignee: TOYO ALMINIUM KABUSHIKI KAISHA; Toyota Motor Corp
Current assignee: TOYO ALMINIUM KABUSHIKI KAISHA; Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-11-19
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 2001-12-10
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JPH06158199A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、航空機等のエ
ンジン部品等の回転部材に適用して有用な、耐摩耗性と
ともに高温強度に優れるアルミニウム基複合材料に関す
る。

【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。

【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。

【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。

【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、このためエンジン・バルブリフタ
−、シリンダーライナー、バルブスプリングリテイナー
等のエンジン部品用の材料は、１５０℃で引張強度が４
５０ＭＰａ以上必要とされる。かかる観点からは、上記
ＪＩＳ２０２４、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、１５０℃の高温
では引張強度が高々３５０ＭＰａ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、上記提案又は公報記載の
Ａｌ−Ｎｉ系合金及びＡｌ−Ｎｉ−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３８０ＭＰａ、１５０℃の高温で
は引張強度が２５０ＭＰａに低下することが明らかとな
った。また、バルブリフター、バルブスプリングリテー
ナ、シリンダーライナーなどのように摺動特性が要求さ
れる部品においては、上記のアルミニウム合金では耐摩
耗性が不十分である。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。

【０００６】一方、上記公報記載の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−Ｎｉ−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、２００℃で３７９ＭＰａが得られる。しか
し、この材料では、強度が不足し、かつＳｉ量が多いた
め加工性に難点がある。

【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、高温強度と安定した耐摩耗性及び加工
性とに優れる製品を製造できる高耐熱・高耐摩耗性アル
ミニウム基複合材料を提供することを目的とする。

【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の少なく
とも１種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ＦｅおよびＣｕの少なくとも１種を含む
高Ｎｉおよび高Ｓｉのアルミニウム合金において常に配
合されているＭｇが常温強度および高温強度に好ましく
ない影響を与えていることを発見、確認し、耐熱アルミ
ニウム合金粉末および耐熱アルミニウム合金として先に
出願した。本願発明は上記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
た金属基複合材料が、高温度での強度および伸度が優
れ、鍛造性、耐摩耗性が向上することを発見・確認した
ものである。

【０００９】本発明の高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム
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：５．７〜２０％、Ｓｉ：０．２〜１５
％と、さらに少なくともＦｅ：０．６〜８．０％および
Ｃｕ：０．６〜５．０％の１種を含み、該Ｆｅおよび該
Ｃｕの合計量が２〜１０％であり、残部がＡｌからなる
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種以上の合計が０．５〜１
０％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。

【００１０】また、本発明の高耐熱・高耐摩耗性アルミ
ニウム基複合材料を構成するマトリックスは、マトリッ
クスを１００重量％としたとき重量％で、Ｎｉ：５．７
〜２０％、Ｓｉ：０．２〜８％と、、さらに少なくとも
Ｆｅ：０．６〜８．０％およびＣｕ：０．６〜５．０％
の１種を含み、該Ｆｅおよび該Ｃｕの合計量が２〜１０
％であり、残部がＡｌからなるアルミニウム合金とする
ことができる。

【００１１】また、このアルミニウム基複合材料を構成
するマトリックスには重量％で、さらに少なくともＺ
ｒ：０．３〜３．０％及びＴｉ：１．０〜３．０％の１
種を含むことができる。さらに、このマトリックスに含
まれるＮｉ、Ｚｒ及びＴｉは、合計量を８〜１８％とす
ることができる。本発明のマトリックスは、特定量のＮ
ｉ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕを含む耐熱アルミニウム合金で形
成されている。

【００１２】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。通常この加圧成形は混合粉末をケースに入れ、この
状態で冷間予備成形（ＣＩＰ）、熱間押出鍛造すること
でなされる。

【００１３】本発明の耐熱アルミニウム基複合材料を構
成する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１００％としたものである。〔Ｎｉ：５．７〜２０％〕Ｎｉは、Ａｌとともに、Ｎｉ
Ａｌ₃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とに
寄与する。特にＮｉＡｌ₃金属間化合物は、他の金属間
化合物等と比較して、硬さもより低く、靱性により富
む。

【００１４】Ｎｉを５．７％以上添加することにより、
得られるマトリックス中にＮｉＡｌ₃金属間化合物の析
出が見られる。逆に、Ｎｉが４０％以下の添加であれ
ば、得られるマトリックスはＮｉＡｌ₃金属間化合物を
作るが、Ｎｉを２０％を超えて添加すると、マトリック
スが脆くなり、常温での伸び値が極めて小さくなる。こ
のため、Ｎｉを２０％を超えて添加すると、製品の高温
強度及び耐摩耗性は優れるものの、切削性などが著しく
劣り、実用上の利用が困難となる。〔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。

【００１５】鋳造法によりアルミニウム基複合材料の製
品を製造した場合には、Ｓｉを１１．３％以上含むアル
ミニウム合金には粗大Ｓｉ初晶が晶出し、かかるマトリ
ックスは摺動部の相手材を攻撃したり、また被削性が著
しく悪くなるとともに、マトリックス自体の伸びが著し
く低下し、生産技術面（例えば、部品加工時のクラック
等）で実用的でなく、また部品として使用時に割れが生
じたりして好ましくない。Ｓｉ：０．２〜８％であるこ
とがより好ましい。〔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
ましいとされるが、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℃まで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。但
し、Ｆｅと後述するＣｕとは、少なくとも１種が含有さ
れ、Ｆｅ及びＣｕの合計量が２％以上、１０％以下であ
れば、マトリックスの常温強度が効果的に向上する。〔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。Ｃ
ｕが０．６％以上の配合でマトリックスの常温強度向上
の効果があり、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３００℃での高温強度
を低下させる。但し、Ｃｕと上述のＦｅとは、少なくと
も１種が含有され、Ｆｅ及びＣｕの合計量が２％以上、
１０％以下であれば、マトリックスの常温強度が効果的
に向上する。〔Ｚｒ：０．３〜３．０％〕Ｚｒは、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、むしろアルミニウム合金の常温及び３００℃での
伸び値を向上すること、及び高温に長時間放置した場合
の強度低下が少ないことが判明した。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（ＺｒＡ
ｌ₃）を晶出し、望ましくない。〔Ｔｉ：１．０〜３．０％〕Ｔｉは、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、得られるマトリックスの３００℃での降伏強度を
向上させること、及び高温に長時間放置した場合の強度
低下が少ないことが判明した。Ｔｉの配合割合は１．０
〜３．０％である。Ｔｉの配合が１．０％未満では高温
における強度の向上の効果が少なく、Ｔｉの配合が３．
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。

【００１６】Ｎｉ、Ｚｒ及びＴｉの合計量が８〜１８％
であれば、複合材料の特性にバラツキが少なくなる。〔窒化物、硼化物：合計量で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
クスに分散させることにより、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
添加量が０．５％未満の場合は、添加効果が認められな
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。

【００１７】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、ＴｉＢ₂、ＮｉＢ、ＭｇＢ₂などが挙げられ
る。窒化物、硼化物は、微粉末で平均粒径が０．２〜２
０μｍであることが好ましい。０．２μｍより小さい
と、粉末同士が凝集し、機械的特性が劣化する。２０μ
ｍより大きいと摺動時に粒子が割れたり脱落したりし
て、耐摩耗性の効果が少なくなるからである。

【００１８】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
される。

【００１９】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を比較例と
ともに表１〜２を参照しつつ本発明をさらに詳細に説明
する。

【００２０】

【表１】表中のマトリックス組成は、全体を１００重量％とした
ときの各元素の重量％を元素の前の数字で示した。添加
する窒化物、硼化物の量はマトリックスと添加物との総
量を１００重量％としたときの重量％を同様に数字で示
した。

【００２１】表１に示すマトリックス組成の溶湯をアト
マイズ法により粉末化した後、１００メッシュの篩いに
より分級し、これに平均粒径１〜２０μｍの窒化物、硼
化物微粉末を混合して実施例１〜３及び窒化物、硼化物
微粉末を混合しない比較例１〜４の混合粉末を得た。比
較例３、４はＳｉＣの微粉末（平均粒径２．６μｍ）を
混合した。なお、比較例３のマトリックスは２０２４、
比較例４のマトリックスは６０６１に相当する合金組成
である。

【００２２】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、φ３０×Ｌ８０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の棒状のアルミニウム合金を得た。〔評価〕上記各アルミニウム合金について、強度特性の
測定を行った。測定された引張強度及び降伏強度も合わ
せて表２に示す。

【００２３】実施例１〜３のアルミニウム基複合材料
は、表２に示すように窒化物、硼化物を含まないマトリ
ックスの比較例１〜２と同様にいづれも常温（ＲＴ）で
の引張強度が６００ＭＰａをほぼ超え、かつ１５０℃に
おける引張強度が４５０ＭＰａを超え、優れていること
がわかる。したがって、強度的にはマトリックスの耐熱
アルミニウムとほぼ同じで、窒化物、硼化物を添加した
ことによる悪影響は認められない。一方、Ｎｉ、Ｆｅな
どを含まない比較例３、４は１５０℃の引張強度が３０
０ＭＰａ前後と低い。

【００２４】次に実施例１〜３のアルミニウム基複合材
料および比較例１〜４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
に浸漬したリング状の相手材４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。結果を表２に示
す。耐摩耗性を比摩耗量で比較すると、実施例１〜３は
窒化物、硼化物を含まないマトリックスの比較例１〜２
に比べて１桁少なくなっている。これは、マトリックス
中の窒化物、硼化物の粒子が存在が摩耗量を低減してい
る。これは窒化物が添加されたアルミニウム基複合材料
では、アルミニウムが相手材（ＳＵＪ２）に移着せず、
摩擦係数が低く、良好な摺動特性を示する。通常Ａｌと
Ｆｅとの摩擦では、ＡｌがＦｅに移着しやすく耐摩耗性
が低くなる。

【００２５】また、硼化物を添加したアルミニウム基複
合材料では、硼化物中のＢが１部摩擦中に酸化して、Ｂ
₂Ｏ₃となり、このＢ₂Ｏ₃が液相（ｍｐ４５０℃）に
なり流体潤滑となり耐摩耗性が向上したものと思われ
る。比較例３〜４は、Ｎｉ、Ｆｅなどを含まないので強
度が低くさらに、マトリックスに添加した珪素系粒子が
添加されているが、これは耐摩耗性は寄与していない。

【００２６】

【表２】ＴＳ：引張強度（ＭＰａ）、ＹＰ：降伏強度（ＭＰ
ａ）、δ：伸び（％）比摩耗量（ｍｍ³／ｋｇ・ｍｍ）図１に実施例１のアルミニウム基複合材料の金属組織の
１００倍に拡大した顕微鏡写真図を示す。図１よりＡｌ
Ｎの添加物が微細にマトリックス中に分散している。図
２は図１をさらに４００倍に拡大したもので添加物の界
面がマトリックスと良く固着し、界面に空孔などがない
ことを示している。

【００２７】したがって、上記の評価により、実施例１
〜３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、剛性、常温出の強度に優れている。

【００２８】

【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を
含有しているため、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耐熱アルミニウム
合金とほぼ類似した強度を有する。

【００２９】また、本発明のマトリックスに所定量のＺ
ｒ、Ｔｉの添加元素を配合すれば、靱性、降伏強度が向
上し、高温に長時間放置した場合の強度低下を低くする
ことができる。また、Ｎｉ、Ｚｒ及びＴｉの合計量が８
〜１８％であれば、特性のバラツキを少なくすることが
できる。

【００３０】さらに、使用するマトリックスは、高温強
度、伸びがよいため、ＭＭＣとしての特性の鍛造性、耐
摩耗性も向上する。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を製造して
も、そのアルミニウム基複合材料は、軽量であるととも
に、安定した耐摩耗性、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ることができるエンジン部品とな
る。

【００３１】加えて、本発明の耐熱アルミニウム合金で
は、Ｆｅを比較的多量に含有しても、優れた耐摩耗性、
剛性、熱膨張特性、常温強度及び高温強度を安定して発
揮することができるため、アルミニウム系部材と鉄系部
材とが混合されて廃棄後に回収された場合でも、容易に
本発明のアルミニウム合金を製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この図は実施例１の金属組織の１００倍に拡大
した写真図である。

【図２】この図は図１を４００倍に拡大した写真図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田泰弘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)参考文献特公平５−81654（ＪＰ，Ｂ２) 特許2646212（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 1/05 C22C 1/10 C22C 21/00 C22C 32/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、Ｎｉ：５．７〜２０％、Ｓｉ：０．２〜１５
％と、さらに少なくともＦｅ：０．６〜８．０％および
Ｃｕ：０．６〜５．０％の１種を含み、該Ｆｅおよび該
Ｃｕの合計量が２〜１０％であり、残部がＡｌからなる
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種以上の合計が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高耐熱・高耐摩耗性アル
ミニウム基複合材料。
【請求項２】マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、Ｎｉ：５．７〜２０％、Ｓｉ：０．２〜８％
と、さらに少なくともＦｅ：０．６〜８．０％及びＣ
ｕ：０．６〜５．０％の１種を含み、該Ｆｅ及び該Ｃｕ
の合計量が２〜１０％であり残部がＡｌからなるアルミ
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種以上の合計が０．５〜１０％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。
【請求項３】マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、さらに少なくともＺｒ：０．３〜３．０％及
びＴｉ：１．０〜３．０％の１種を含む請求項１又は２
記載の高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料。
【請求項４】マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、Ｎｉ、Ｚｒ及びＴｉの合計量が８〜１８％で
ある請求項１、２または３記載の高耐熱・高耐摩耗性ア
ルミニウム基複合材料。