JP3391636B2 - 高耐摩耗性アルミニウム基複合合金 - Google Patents

高耐摩耗性アルミニウム基複合合金

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性に優れた
アルミニウム基合金に関するものであり、より詳しく述
べるならば強度及び硬度が高いことを特徴とする準結晶
アルミニウム基合金を耐摩耗性が要求される用途に適用
可能にした高耐摩耗性アルミニウム基複合合金に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、高強度を有するアルミニウム
基合金が液体急冷法等の急冷凝固手段によって製造され
ている。特に特開平1−275732号公報に開示され
ている急冷凝固手段によって得られるアルミニウム基合
金は非晶質または微結晶質であり、特に開示されている
微結晶質は、アルミニウムマトリックスからなる金属固
溶体、微結晶質のアルミニウムマトリックス相および安
定または準安定な金属間化合物相で構成された複合体か
らなるものである。前記特開平1−275732号公報
に開示されているアルミニウム基合金は、Hv約200
〜1000の高い硬度と、87〜103kg/mm2
引張り強度を有する高強度合金であり、また結晶化温度
は400K以上と高いために耐熱性も優れている。さら
に、この合金は、微細結晶相が安定な高温において超塑
性が現れるので、高強度材料の割りには加工性にも優れ
ている。
【0003】しかしながら上記のアルミニウム基合金
は、300℃以上の高温度領域では、急冷凝固材として
の優れた特性が低下し、耐熱性の点、特に耐熱強度の点
で改善の余地を残している。また、上記公報の合金はF
e,Ni,ミッシュメタルなどの比較的比重が高い元素
を総量で10原子%以上添加するため、比強度が比較的
大きくならず、また金属間化合物の体積率が高いため延
性が乏しく、特に伸びの点にも改善の余地を残してい
る。
【0004】単ロール急冷法により得られるAl−Mn
−Ce系アルミニウム基合金において、溶質元素量があ
る程度多くなるとfcc−Al固溶体+正20面体準結
晶が生成され、引張り強度は535〜1200MPaと
極めて高くなる(1993年金属学会セミナー「ナノス
ケール組織制御材料」平成5年1月25日発行第63
頁)。
【0005】ところで、従来から知られている耐摩耗性
アルミニウム基合金である共晶または過共晶Al−Si
合金は、Alマトリックス中に初晶及び共晶のSiを分
散した組織を有することから優れた耐摩耗性を示す。し
かしながら、鋳造法で作製したものは初晶Siの大きさ
が数十μm以上と粗大であるため加工性が困難でありま
た鋳造性も悪いという製造上の問題の他に、粗大な初晶
Siが相手材の表面を過度に粗くするという摺動特性上
の問題も指摘されていた。
【0006】さらに、アトマイズ法により冷却速度を高
め初晶Siを微細に分散したAl−35%Si合金を粉
末冶金法により加工することも知られているが、この方
法で得られた粉末合金は自身の耐摩耗性は優れているが
相手材の摩耗量が多く,この点の他に強度が低く脆いた
めに高荷重を受ける耐摩耗性部品としては使用し難いと
いう問題があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明
は、従来の共晶もしくは過共晶Al−Si系合金より耐
摩耗性がすぐれたアルミニウム基合金を提供することを
目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、約1nm以下の短範囲領域では無秩序な原子配列
を有し、約2nm以上の長範囲領域では正20面体構造
を有する準結晶を含むアルミニウム合金をマトリックス
とし、そこに平均粒径が10μm以下の硬質微粒子及び
/または固体潤滑剤微粒子を分散したアルミニウム基複
合合金を提供するものである。ここでマトリックスを構
成する、約1nm以下の短範囲領域では無秩序な原子配
列を有し、約2nm以上の長範囲領域では正20面体構
造を有する準結晶は一種のAl−richな過飽和準周
期構造相である。この準結晶は、耐熱性に優れ、室温に
おける強度および高温における強度に優れ、比強度が高
く延性があるために構造材料として優れた特性をもって
いる。
【0009】この性質に加えて準結晶は硬度が鉄鋼材料
に匹敵するほど高いために、Al系材料とFe系材料を
摺動する場合は硬度差はほとんどなくなり、硬度差に起
因する摩耗を起こり難くする可能性がある。もちろん、
Al系材料とFe系材料とは異種材料の摺動となるから
焼付は本来起こり難いと言う摺動特性の面でもこのAl
準結晶は優れている。
【0010】準結晶は上述のように優れた性質をもって
いるが、これを単独で相手材、通常Fe系材料と摺動す
る摺動材料とした場合は、優れた特性を十分に発揮する
ことはできない。この理由は、過飽和準周期構造をもつ
準結晶は適量な潤滑油が相手材との間に存在しても、高
温にさらされて組織の変化を起こし易いためであると考
えられる。本発明者らはさらに検討を進めた結果、硬質
微粒子と準結晶とを分散させることによりアルミニウム
基合金の摩耗を抑え、固体潤滑剤微粒子と準結晶とを分
散させることにより摩擦力を低くし発熱を抑え、あるい
はこれらの両方を行うことにより、上記の組織変化を妨
げることが必要であることが分かった。これらの微粒子
の大きさは平均で10μm以下であることが必要であ
り、これより粗粒の硬質物などはアルミニウム基合金の
強度及び被削性を低下させるとともに、相手材の摩耗を
多くする。硬質粒子は本発明に係るアルミニウム基複合
合金の摺動相手材より硬度が本質的に高い粒子である。
かかる相手材は通常Fe系材料であり、その硬度はHv
200〜450程度であるので、これより硬度が高い物
質の粒子が硬質粒子として使用される。硬質粒子は金属
Si,酸化物、炭化物,窒化物,硼化物等より選択され
。酸化物としてはAl2O3,SiO2,TiO2など、炭化物はW
C,SiC,TiCなど、窒化物はTiN,Si3N4,AlNなど、硼化
物はTiB2などから好ましく選択される。固体潤滑剤は黒
鉛,BN,MoS2,WS2,ポリテトラフルオロエチレンなど
から好ましく選択される。次に、これらの微粒子の分散
量を5〜30wt%に限定した理由は5wt%以下では
耐摩耗性が不足し、30wt%以上では複合合金の強度
及び靱性が低下し、微粒子が摺動中に脱落して自身及び
相手材の摩耗を多くするからである。
【0011】上記準結晶は約1nm以下の短範囲領域で
は無秩序な原子配列を有し、約2nm以上の長範囲領域
では正20面体構造を有するものである。
【0012】本発明のアルミニウム基合金は一般式:Al
balQaMbXc(但し、Q:Cr,Mn,V,Mo,Wから選ばれる一
種もしくは二種以上の元素、M:Co,Ni,Feから選ばれ
る一種もしくは二種以上の元素、X:Ti,Zr,Hf,Nb,Y
(イットリウム)を含む希土類元素もしくはミッシュメ
タル(Mm)から選ばれる一種または二種以上の元素であ
り、a,b,cは原子%で1≦a≦7,0.5≦b≦5,0
<c≦5)で示される組成である。
【0013】前記一般式Albalabc におい
て、Q元素はCr,Mn,V,Mo,Wから選ばれる一
種もしくは二種以上の元素であり、これらの元素は準結
晶の生成に不可欠な元素であり、さらに後述するM元素
と組み合わせることにより、準結晶の生成が容易になる
とともに、合金組織の熱的安定性が向上する効果があ
る。
【0014】M元素はCo,Ni,Feから選ばれる一
種もしくは二種以上の元素であり、これらの元素は上述
のQ元素と組み合わせることにより、準結晶の生成が容
易になるとともにQ元素と同様に熱的安定性が向上す
る。また、M元素は主元素であるAlに対して拡散能が
小さい元素であり、Alマトリックスにおいてはマトリ
ックスを強化する効果があるとともに、主元素のAlま
たはその他の元素と種々の金属間化合物を形成し、合金
の強度の向上及び耐熱性に貢献する。
【0015】また、X元素はTi,Zr,Hf,Nb,
Y(イットリウム)を含む希土類元素またはミッシュメ
タル(Mm)から選ばれる一種もしくは二種以上の元素
であり、これらの元素は準結晶の生成域を添加遷移金属
の低溶質濃度への拡大に有効であるとともに、合金の冷
却による微細化効果を向上させる効果がある。よって、
微細化効果により機械的特性及び比強度を向上させると
ともに、合金の延性を向上させる効果がある。希土類元
素としてはLa及び/またはCeが好ましく、ミッシュ
メタルとしてはLa,Ce,Nd,Sm等の希土類の1
種または2種以上の混合物にAl,Ca,C,Si,F
eの1種または2種以上が合計で0.1〜10wt%が
入ったものが好ましい。
【0016】上記したQ元素の含有量(a,原子%)を
1〜7at%、M元素の含有量(b,原子%)を0.5
〜5at%、X元素の含有量(c,原子%)を0を超え
5at%以下の範囲内であると従来(市販)の高強度ア
ルミニウム合金より室温および300℃以上の高温下に
おいても強度及び硬度が高くなるために、良好な耐摩耗
性を発揮することができる。またこれらの範囲である
と、延性が実用の加工に耐えうる程度となるので、本合
金を鋳造によらずに各種部品形状に加工することができ
るようになる。さらに硬質微粒子及び/または固体潤滑
剤微粒子が分散した本合金粉末に圧縮、押出などの加工
を加えることにより合金粉末を塑性変形させ微粒子とマ
トリックスの接合強度を高めるためには、上記した延性
が高く粉末が変形し易いことが必要である。また、接合
後にマトリックスが準結晶組織を保っているためには耐
熱性がすぐれていることも必要である。
【0017】また前記一般式Albalab (すなわ
ち、c=としてXを除いた組成系)において原子%でa
を1〜7at%,bを0.5〜5at%の範囲内におい
てもAlbalabc の高強度アルミニウム合金と
同様の性質が得られる。特に好ましいのは3≦(a+
b)≦12の範囲である。
【0018】さらにそのマトリックスの組織は(イ)準
結晶、(ロ)アルミニウム結晶,アルミニウムの過飽和
固溶体のいずれかの相とからなる複合組織でもよい。ま
た、後者(ロ)はこれらの複合体(混相)であってもよ
い。さらに場合によっては(ロ)の個々の組織(相)中
にアルミニウムとその他の元素とが生成する種々の金属
間化合物及び/またはその他の元素同士が生成する金属
間化合物が含まれていてもよい。特に金属間化合物が存
在することにより、マトリックスの強化及び結晶粒の制
御をするのに有効である。
【0019】本発明において合金のマトリックス組織
は、アルミニウム結晶相、アルミニウムの過飽和固溶体
相に微細な準結晶粒子が均一に分散しているものであ
る。準結晶及び場合により存在する種々の金属間化合物
の平均粒子の大きさは10〜1000nmであることが好まし
い。平均粒子の大きさが10nm未満の場合、合金の強度に
寄与しにくく、必要以上に組織中に存在させると、合金
の脆化を招く危険が生じるためであり、1000nmを超えた
場合、粒子が大きくなりすぎて、強度の維持ができなく
なるとともに強化要素として働きがなくなる可能性が大
きくなるためである。また、準結晶及び金属間化合物の
平均粒子間距離は10〜500nmであることが好ましい。平
均粒子間距離が10nm未満の場合、得られた合金は強度、
硬度は高いか延性の点で不十分となり、500nmを越える
場合、強度が急激に低下し、高強度の合金が得られなく
なる可能性が生じるためである。また、準結晶相が1nm
以下の短範囲で無秩序な原子配列になっていること及び
Al−rich相であることから良好な粘さを有することがで
きる。
【0020】従って、マトリックスを上記一般式に示さ
れる組成とすることにより、ヤング率、高温、室温強
度、延性、疲労強度などをより向上させることができ
る。
【0021】準結晶組織を有し、あるいは準結晶と非晶
質などの複合組織を有するアルミニウム基合金を得る方
法自体は前掲「ナノスケール組織制御材料」及びこの引
用文献にて公知であり、また上記組成を有する合金の溶
湯を単ロール法、双ロール法、各種アトマイズ法、スプ
レー法などの液体急冷法により凝固させさせることによ
っても得ることができる。これらの方法の場合、合金組
成によって多少異なるが、102 〜10 4K/sec程
度の範囲内で冷却速度で急冷を行う。また、急冷により
過飽和Al固溶体を得これを加熱することにより準結晶
を析出させることもできる。
【0022】上記においてマトリックス組織中に含まれ
る準結晶は体積率で15%以上であることが好ましい。
15%未満である場合耐摩耗性が十分でないからであ
る。一方、準結晶は純Alよりも加工性が劣るために、
準結晶が80%を超えると加工条件が過酷になり加工が
十分に行えなくなる可能性が生じる。さらに合金組織中
に含まれる準結晶は体積率で50〜80%であることが
より好ましい。
【0023】本発明のアルミニウム基合金及び複合合金
は、それぞれ液体急冷法及び粉末冶金法における製造条
件を適当に選ぶことにより、合金組織、準結晶、各相の
粒径、分散状態などを制御でき、この制御により強度、
硬度、延性、耐熱性を調節することができる。また前記
のようにマトリックスの準結晶または種々の金属間化合
物の平均粒子の大きさを10〜1000nmの範囲に制
御し、平均粒子間距離を10〜500nmの範囲に制御
することにより、すぐれた超塑性加工材としての性質も
付与できる。
【0024】上記方法で作製した急冷凝固材を平均粒径
が10〜100μmに粉砕したものあるいは急冷凝固粉
末と、Si、酸化物、炭化物、窒化物、硼化物等の硬質
粒子及び/または黒鉛、BN、MoS2、WS2、ポリテ
トラフルオロエチレン等の固体潤滑剤粒子をボールミル
などにより、合金化あるいは非晶質化が起きない条件で
混合し微粒子を均一分散させる。これらの方法により得
られた混合材を圧粉、押出しなどの熱加工する。この際
の温度は300〜600℃が好ましいが、ポリテトラフ
ルオロエチレンを使用する場合は400℃以下の温度が
好ましい。
【0025】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明
する。 実施例1 Al94Cr2.5 Co1.5 Ce1 Zr1 で示される組成
(原子比)の母合金を高周波溶解炉で溶製し、高圧ガス
噴霧法(Arガス)により平均粒径が30μmの粉末を
製造した。その際のガス圧は40kg/cm2 であっ
た。製造した粉末をTEM観察及び電子線回折を行った
結果、準結晶相とアルミニウム相とからなる混相合金で
あった。この結果を図1に示す。図1から準結晶相の直
径は約30nmで、アルミニウム相(組織白色部)中に
均一に分散した組織を示している。準結晶相は体積率で
68%であり、合金組織中主相であることがわかった。
この粉末に平均粒径3μmのSiC粉末を10wt%添
加しボールミルで3h混合した。
【0026】上記方法で作製した粉末を、銅製カプセル
に詰め360℃で真空脱気(1×10-6torr)後、
360℃で温間押出しにより、押出し比10の丸棒を得
た。この押出棒は準結晶を分散したマトリックスに、均
一微細にSiC粒子が分散した組織を有していた。
【0027】同様に本発明の合金を実施例2と同様の方
法により押出成形し、得られたバルク材の硬度、引張強
度、伸びを調べた結果を図3(表1)及び図4(表2)
に示す。なお、表中のマトリックス合金組成は下記のと
おりである。 本発明例1 Al94Cr2.5Co1.5Ce1Zr1 本発明例2 Al94Cr2.5Co1.5Ce1Zr1 本発明例3 Al94Cr2.5Co1.5Ce1Zr1 本発明例4 Al94Cr2.5Co1.5Ce1Zr1 比較例1 Al94Cr2.5Co1.5Ce1Zr1 比較例2 Al94Cr3.5Co1.5Ce1Zr1 比較例3 Al94Cr2.5Co1.5Ce1Zr1 比較例4 Al94Cr2.5Co1.5Ce1Zr1 本発明例5 Al93.5Mn3Ni1.5La1Hf1 本発明例6 Al93Mn1.5Co2.5Ce2Ti1 本発明例7 Al933Co2Ce1Zr1 本発明例8 Al94Mn1.5Co2.5Ce1Ti1 本発明例9 Al94Mn2.5Co1.5Mm1Zr1 本発明例10 Al94Mn2.5Co1.5Mm1Zr1 本発明例11 Al95Mo2Co1.5Ce0.5Zr1 本発明例12 Al95Cr2.5Fe1Mm1Zr0.5 本発明例13 Al93.5Mn3Cu1.52 本発明例14 Al94.53Fe1.5Mm1 本発明例15 Al94Cr3Co2Ce1 参考例1 Al93Mn5Fe2 参考例2 Al92Cr6Co2 本発明例16 Al94Cr2.5Co1.5Ce1Zr1 本発明例17 Al94Cr2Ni2Mm1Nb1 本発明例18 Al94.5Mo3Co1.5Ce1 本発明例19 Al94Mo4Ni11 本発明例20 Al93.5Mn2.5Fe1Mm1Ti2 本発明例21 Al94Mn3Ni1Mm1Zr1 本発明例22 Al93.5Cr1Co2Mm2.5Hf1 比較例5 1/M A390 T6
【0028】実施例3 実施例2に示した押出し材を図2の様に加工して図5に
示す様に相手材(共晶鋳鉄、硬度Hv=520)と接触
させ荷重10kgf/mm、速度1m/s,潤滑油=冷
凍機用潤滑油、例えば本テストでは日石レフオイル(N
S−4GS)、テスト時間20分の条件で摩耗試験をし
た。その結果を図6に示す。なお、摩耗量の評価は供試
材は摩耗痕幅を、相手材は摩耗テスト前に摺動面にビッ
カースの圧痕(荷重:1kg)をつけ圧痕径を計り、テ
スト後再び圧痕径を計りその差を摩耗量とした。
【0029】耐摩耗性合金として知られているA390
合金(比較例5)及び比較例1、2の場合は相手材をま
た比較例3、4の場合は供試材自身が多く摩耗するが、
本発明例の場合は自身と相手材双方の摩耗量が少なく、
本発明材は相手材と相性が良いことが分かる。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、準結晶を含むアル
ミニウム基合金は、室温における硬度、強度、伸び及び
耐熱性を良好にすることができ、かつ希土類元素の添加
量を少なくして高強度で比重が小さいことにより高比強
度材料とすることができるが、それ自体では耐摩耗性は
従来のAl−Si系耐摩耗性合金より劣っている。この
準結晶を有するアルミニウム基合金をマトリックスと
し、ここに微細な硬質粒子及び/または潤滑粒子を特定
量分散することにより優れた耐摩耗性を達成することが
できる。これら微粒子を分散させる際の加工による熱的
影響を受けても準結晶の優れた特性を維持することがで
きる。
【0031】本発明に係るアルミニウム基複合合金は,
従来のAl−Si合金と比較して自身の摩耗及び相手材
の摩耗が少ないために部品の信頼性を向上しあるいは過
酷の摺動条件で使用可能である;通常のAl合金より強
度が高いために部品を小型化することができあるいはよ
り高い荷重で使用できる;従来のAl−Si合金と比較
して伸びが高いために耐疲労性が優れているなど摺動部
品として特筆すべき性能をもった従来には見られない材
料である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1におけるTEM観察及び電子線回折結
果により金属組織を示す写真である。
【図2】摩耗試験片の図である。
【図3】実施例及び比較例のアルミニウム基複合材料の
組成及び特性を示す図表(表1)である。
【図4】実施例及び比較例のアルミニウム基複合材料の
組成及び特性を示す図表(表2)である。
【図5】摩耗試験方法を説明する図である。
【図6】実施例3における摩耗試験結果を示すグラフで
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 000000011 アイシン精機株式会社 愛知県刈谷市朝日町2丁目1番地 (73)特許権者 000004075 ヤマハ株式会社 静岡県浜松市中沢町10番1号 (72)発明者 井上 明久 宮城県仙台市青葉区片平2丁目1番1号 東北大学金属材料研究所内 (72)発明者 小口 昌弘 東京都中央区八重洲1丁目9番9号 帝 国ピストンリング株式会社内 (72)発明者 永洞 純一 富山県黒部市吉田200番地 YKK株式 会社内 (72)発明者 大槻 真人 埼玉県大宮市北袋町1丁目297番地 三 菱マテリアル株式会社総合研究所内 (72)発明者 河野 通 埼玉県大宮市北袋町1丁目297番地 三 菱マテリアル株式会社総合研究所内 (72)発明者 武田 伸 愛知県刈谷市朝日町2丁目1番地 アイ シン精機株式会社内 (72)発明者 堀尾 裕磨 静岡県磐田郡豊岡村松の木島203番地 ヤマハ株式会社材料研究所内 (56)参考文献 特開 平3−267355(JP,A) 特開 平6−330214(JP,A) 特開 平7−268528(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 1/04 C22C 21/00 - 21/18 C22C 45/08

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 約1nm以下の短範囲領域では無秩序な
    原子配列を有し、約2nm以上の長範囲領域では正20
    面体構造を有する準結晶と、アルミニウム結晶もしくは
    アルミニウムの過飽和固溶体のいずれかの相とからなる
    とともに、組成が一般式AlbalQaMbXc(但し、Q:Cr,M
    n,V,Mo,Wから選ばれる一種もしくは二種以上の元
    素、M:Co,Ni,Feから選ばれる一種もしくは二種以上
    の元素、X:Ti,Zr,Hf,Nb,Y(イットリウム)を含む
    希土類元素もしくはミッシュメタル(Mm)から選ばれ
    る一種もしくは二種以上の元素であり、a,b,cは原子
    %で1≦a≦7,0.5≦b≦5,0<c≦5)で示され
    るアルミニウム基合金のマトリックスに、平均粒径が1
    0μm以下の硬質微粒子及び/または固体潤滑剤微粒子
    の1種または2種を5〜30wt%分散したことを特徴
    とする高耐摩耗性アルミニウム基複合合金。
  2. 【請求項2】 前記硬質微粒子がSi,炭化物,窒化
    物,酸化物,硼化物から選択される1種または2種以上
    であり、また前記固体潤滑剤微粒子が黒鉛,BN,MoS2
    WS2,ポリテトラフルオロエチレンから選択される1種
    または2種以上である請求項1記載の高耐摩耗性アルミ
    ニウム基複合合金。
  3. 【請求項3】 3≦(a+b+c)≦8である請求項1記載
    の高耐摩耗性アルミニウム基複合合金。
  4. 【請求項4】 3≦(a+b)≦12である請求項1記載の
    高耐摩耗性アルミニウム基複合合金。
  5. 【請求項5】 前記マトリックスに含まれる準結晶が体
    積率で15〜80%である請求項1から4まで何れか1
    項記載の高耐摩耗性アルミニウム基複合合金。
  6. 【請求項6】 前記マトリックス組織内に、更にアルミ
    ニウムとその他の元素が生成する1種または2種以上の
    金属間化合物及び/またはその他の元素同士が生成する
    1種または2種の金属間化合物の1種または2種以上が
    含まれてなる請求項1から5までの何れか1項記載の高
    耐摩耗性アルミニウム基複合合金。
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