JP3329046B2 - 強度および耐摩耗性に優れた焼結アルミニウム合金 - Google Patents

強度および耐摩耗性に優れた焼結アルミニウム合金

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JP3329046B2 JP35441593A JP35441593A JP3329046B2 JP 3329046 B2 JP3329046 B2 JP 3329046B2 JP 35441593 A JP35441593 A JP 35441593A JP 35441593 A JP35441593 A JP 35441593A JP 3329046 B2 JP3329046 B2 JP 3329046B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば、乗用車用オ
イルポンプのギヤ、並びに乗用車エンジンのカムスプロ
ケットなど軽量で強度および耐摩耗性を必要とする各種
機械部品を製造するための焼結アルミニウム合金に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、軽量で、強度及び耐摩耗性が要
求される機械部品の製造には、特公平1−20215号
公報で示される様なSi:8〜30wt%含有のアルミニ
ウム合金が用いられている。しかしながらこの合金は、
公報に記載されている通り、通常の粉末冶金法では製造
が困難なため、300℃〜液相生成温度以下に加熱、も
しくは焼結した後、前記温度範囲で鍛造、あるいは押し
出しの強加工を施し、Siを粗大化させずに密度比95
%以上に緻密化することで目的とする合金を得ている
が、上記、熱間での鍛造あるいは押し出しなどの工程が
必要なため、コストが高くなる等の欠点があった。
【0003】そこで、焼結工程だけで強度の優れた焼結
アルミニウム合金を得る方法も提案されている(特開平
4−365832号公報参照)。
【0004】この方法により焼結アルミニウム合金を製
造するには、原料粉末として、Si:16〜30重量%
未満を含有し、残りが実質的にAlからなる初晶Si晶
出のAl−Si系合金粉末を用意し、さらに純Al粉
末、Cu粉末およびMg粉末を用意し、これら原料粉末
を添加混合し、得られた混合粉末を成形圧力:2.5to
n /cm2 以上にて圧粉体に成形し、この圧粉体を520
〜570℃にて焼結することにより得られる。
【0005】このようにして得られた焼結アルミニウム
合金は、Si:2〜16重量%、Cu:2.0〜4.5
重量%、Mg:0.2〜1.5重量%を含有し、残りが
実質的にAlからなる成分組成を有し、初晶Siが均一
分散している組織を有し、少ないSi含有量であっても
初晶Siの均一分散により耐摩耗性を良好に維持するこ
とができるものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、近年、回転駆
動装置の性能の向上に伴って、そこに使用される部品も
苛酷な条件下で使用されるようになり、かかる苛酷な条
件下での使用に耐え得ることが要求されているが、上記
従来の初晶Siが均一分散した組織を有する焼結アルミ
ニウム合金では十分に満足できる機械的特性(特に、強
度および耐摩耗性)を持った部品を製造することはでき
なかった。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
従来よりも一層強度および耐摩耗性に優れたSi含有焼
結アルミニウム合金を得るべく研究を行った結果、 (a) Si結晶粒の分布が焼結アルミニウム合金の強
度および耐摩耗性に大きく影響を及ぼし、Si結晶粒が
群島状に密に集合晶出してグループ硬質相を形成し、こ
のグループ硬質相が実質的にSiを含まないAl合金素
地中に分散した組織を有する焼結アルミニウム合金は、
従来のSi結晶粒が均一分散している組織を有する焼結
アルミニウム合金に比べて強度および耐摩耗性が向上す
る、 (b) 上記Si結晶粒が群島状に密に集合晶出してグ
ループ硬質相を形成し、このグループ硬質相が実質的に
Siを含まないAl合金素地中に分散している組織を有
し、強度および耐摩耗性に優れた合金を得るには、グル
ープ硬質相形成用の原料粉末としてSi:13〜60重
量%含有する、冷却速度:105 ℃/秒以上で製造され
たアモルファスAl合金粉末と、純Al粉末、Al−5
0重量%Zn粉末、Al−5重量%Mg粉末、Al−3
0重量%Cu粉末、Al−10重量%Fe粉末から選ば
れるSiを含まないアトマイズAl合金粉末との混合粉
末を焼結することにより得られる、などの研究結果を得
たのである。
【0008】この発明は、かかる研究結果に基づいてな
されたものであって、Si:13〜60重量%を含むア
モルファスAl合金粉末と、純Al粉末、Al−50重
量%Zn粉末、Al−5重量%Mg粉末、Al−30重
量%Cu粉末、Al−10重量%Fe粉末から選ばれる
Siを含まないアトマイズAl合金粉末との混合粉末を
焼結することにより得られた平均粒径:1.5〜15μ
mの範囲内の寸法を有するSi結晶粒が群島状に密に集
合晶出して平均寸法:21〜150μmを有するグルー
プ硬質相を形成し、このグループ硬質相が実質的にSi
を含まないAl合金素地中に3〜50面積%の割合で分
散している組織を有する強度および耐摩耗性に優れた焼
結アルミニウム合金、に特徴を有するものである。
【0009】この発明の強度および耐摩耗性に優れた焼
結アルミニウム合金の組織を図面に基づいて説明する。
【0010】図1は、この発明の焼結アルミニウム合金
の組織写真を模写した組織の説明図である。
【0011】図1において1は、Si結晶粒である。こ
のSi結晶粒1は、平均粒径が1.5μmより小さいと
耐摩耗性に寄与する効果が少なくなるので好ましくな
く、一方、15μmより大きいと材料の強度が低下し、
かつ切削性が低下するので好ましくない。したがって、
Si結晶粒の平均粒径:1.5〜15μmの範囲内に定
めた。
【0012】上記Si結晶粒1が群島状に密に集合晶出
して、図1に示されるようなグループ硬質相2が形成さ
れており、このグループ硬質相2は実質的にSiを含ま
ないAl合金素地3中に分散(好ましくは均一分散)し
ている。
【0013】上記グループ硬質相2は、Si結晶粒1が
10〜70面積%の割合で群島状に密に集合晶出して形
成されることが好ましく、その理由はSi結晶粒1が1
0面積%未満では耐摩耗性に及ぼす効果が十分に得られ
ず、一方、70面積%を越えて過密に集合せしめるとグ
ループ硬質相2が塊に近い密度となり、相手攻撃性が顕
著になり、強度および切削性も劣るので好ましくないこ
とによるものである。Si結晶粒1が40〜70面積%
の割合で群島状に密に集合晶出して形成されることが一
層好ましい。
【0014】上記Si結晶粒1が群島状に密に集合晶出
してなるグループ硬質相2は、平均寸法が21〜150
μmの範囲内にあることが好ましく、その理由は平均寸
法が21μm未満であると耐摩耗性に及ぼす効果が少な
くなり、一方、150μmを越えると材料の強度低下を
もたらすので好ましくないことによるものである。
【0015】上述のように、この発明の焼結アルミニウ
ム合金は、上記平均粒径:1.5〜15μmのSi結晶
粒1が群島状に密に集合晶出してグループ硬質相2を形
成しているが、このグループ硬質相2は素地3に3〜5
0面積%の割合で分散していることが好ましい。その理
由は、3面積%未満では耐摩耗性に及ぼす効果が少なく
なり、一方、50面積%を越えると材料の強度が格段に
低下するので好ましくないことによるものである。
【0016】上述のようなグループ硬質相が分散した組
織を有し、強度および耐摩耗性に優れた合金を得るに
は、グループ硬質相形成用の原料粉末としてSi:13
〜60重量%含有する冷却速度:105 ℃/秒以上で製
造されたアモルファスAl合金粉末を用いることにより
得ることができるが、それは以下の理由による。
【0017】アトマイズして得られたAl合金粉末中の
Si成分は、焼結時の加熱により硬質なSi結晶として
成長、粗大化するため15μm以下の粒径にコントロー
ルできず、且つ、1.5〜15μmのSi結晶が群島状
に密に集合晶出して成るグループ硬質相を形成せず粗大
なSi結晶として分散するようになり、材料の強度や切
削性を低下させる原因となることによる。しかし、アモ
ルファス粉末は焼結時に簡単にSi結晶が群島状に密に
集合晶出して晶出し、またSi結晶粒径をより制御しや
すいのである。
【0018】
【実施例】原料粉末として、いずれもアトマイズ法によ
り製造された粒度−100メッシュの純Al粉末、Al
−50重量%Zn粉末、Al−5重量%Mg粉末、Al
−30重量%Cu粉末、Al−10重量%Fe粉末、お
よびグループ硬質相形成用の表1に示される平均粒径と
組成を有する単ロール急冷凝固法により105 ℃/秒以
上の冷却速度で製造されたアモルファスリボンを粉砕し
て得たアモルファスAl−高Si系粉末を用意した。
【0019】これら原料粉末を表2に示される割合で配
合し混合したのち、加圧力:4ton/cm2 で成形体を作
製し、得られた成形体を表3の条件で焼結し、5.5to
n /cm2 の加圧力で矯正(再圧縮)を施し、溶体化処理
および時効処理することにより本発明焼結アルミニウム
合金(以下、本発明合金という)1〜7を作製した。
【0020】得られた本発明合金1〜7の組織を金属顕
微鏡で観察し、その組織のSi結晶粒の平均粒径、Si
結晶粒が群島状に密に集合晶出して出来たグループ硬質
相のSi結晶粒集合密度およびグループ硬質相の平均寸
法、並びにグループ硬質相の素地中の分散割合について
測定し、これらの測定値を表4に示した。
【0021】さらに比較のために、通常の初晶Siが析
出しているSi:20重量%を含有し、残りがAlおよ
び不可避不純物からなる粒度−100メッシュのアトマ
イズ粉末および、いずれも−100メッシュの粒度のC
u粉末、Mg粉末、純Al粉末を用意し、このアトマイ
ズ粉末を表2に示される割合で配合し、混合したのち加
圧力:4ton /cm2 で成形し、表3に示される条件で焼
結、溶体化処理および時効処理することにより従来焼結
アルミニウム合金(以下、従来合金という)を作製し
た。
【0022】得られた本発明合金1〜7および従来合金
を用い、たて:10mm、横:10mm、厚さ:40mmの寸
法を有するブロックを作製し、このブロックを回転する
鋳鉄(FC250)製の外径:40mm、内径:30mm、
幅:15mmの寸法を有するリングに一定荷重で押し付け
るブロックオンリング型の摩耗試験を行なった。
【0023】試験条件は下記の通りである。
【0024】荷重:30kgf 、 摺動速度:5m/秒、 摺動距離:1500m、 潤滑:エンジンオイル滴下(ガソリンエンジン用)、 かかる条件のブロックオンリング型摩耗試験を行ったの
ち、ブロックの体積摩耗量を測定し、その結果を表4に
示した。
【0025】さらに、本発明合金1〜7および従来合金
を用いてJIS規格JISZ2550に基づく引張り試
験片を作製し、この試験片を用いて引張り強さを測定
し、これらの測定値を表4に示した。
【0026】
【表1】
【0027】
【表2】
【0028】
【表3】
【0029】
【表4】
【0030】
【発明の効果】表1〜表4に示される結果から、平均粒
径:1.5〜15μmの範囲内の寸法を有するSi結晶
粒が群島状に密に集合晶出して形成されているグループ
硬質相の平均寸法が21〜150μmの範囲内にあり、
このグループ硬質相が実質的にSiを含まないAl合金
素地中に3〜50面積%の割合で分散している本発明合
金1〜7は、素地中にSi結晶粒が均一分散している従
来合金に比べて、引張強さに優れかつ摩耗量が少ないと
ころから耐摩耗性に優れていることがわかる。
【0031】上述のように、この発明の焼結アルミニウ
ム合金を用いて機械部品等を製造すると、従来よりも機
械的強度の優れた機械部品を製造することができ、苛酷
な使用に耐えることができるので、駆動装置等の性能向
上に大いに貢献しうるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の焼結アルミニウム合金の組織を説明
するための模写説明図である。
【符号の説明】
1 Si結晶粒 2 グループ硬質相 3 素地
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−197168(JP,A) 特開 平4−365832(JP,A) 特開 昭53−128512(JP,A) 特開 平5−156339(JP,A) 特開 昭61−238947(JP,A) 特開 平1−275732(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 21/00 - 21/18 C22C 1/04

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Si:13〜60重量%を含むアモルファ
    スAl合金粉末と純Al粉末、Al−50重量%Zn
    粉末、Al−5重量%Mg粉末、Al−30重量%Cu
    粉末、Al−10重量%Fe粉末から選ばれるSiを含
    まないアトマイズAl合金粉末との混合粉末を焼結する
    ことにより得られた平均粒径:1.5〜15μmの範囲
    内の寸法を有するSi結晶粒が群島状にに集合晶出し
    て平均寸法:21〜150μmを有するグループ硬質相
    を形成し、このグループ硬質相が実質的にSiを含まな
    いAl合金素地中に3〜50面積%の割合で分散してい
    る組織を有する強度および耐摩耗性に優れた焼結アルミ
    ニウム合金。
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