JPH01230738A - アルミニウム合金系複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、複合材料に係り、更に詳細にはアルミニウム
合金をマトリックスとし短繊維、ウィスカ若しくは粒子
を強化材とするアルミニウム合金系複合材料に係る。

従来の技術 アルミニウム合金の軽量であることのメリットを活かし
つつその耐摩耗性を向上させる目的で、アルミニウム合
金を各種の繊維や粒子の如き強化材にて複合強化するこ
とが従来より鋭意研究されている。例えば特開昭５８−
９３８６号、同５７−７０７３４号、同５９−２１８３
４１号、同６１−１３２２６０号の各公報には、（１）
セラミック繊維にて複合強化されたアルミニウム合金、
（２）セラミックウィスカにて複合強化されたアルミニ
ウム合金、（３）三次元網状構造のニッケルにて複合強
化されたアルミニウム合金、（４）鋳鉄繊維にて複合強
化されたアルミニウム合金が記載されている。

発明が解決しようとする課題 かかる複合材料はアルミニウム合金単独の場合よりも耐
摩耗性に優れているが、特に上述の（１）及び（２）の
複合材料に於ては、複合材料自体の耐摩耗性は極めて優
れているが、強化材が硬質のセラミックよりなる強化材
であるため、複合材料と摩擦摺動する相手材の摩耗量が
増大するという問題があり、（３）及び（４）の複合材
料に於ては、強化材の硬さが低いため相手材に対する攻
撃性は低いが、複合材料自体の耐摩耗性が十分ではない
という問題がある。従ってこれら従来のアルミニウム合
金系複合材料によっては、複合材料自身の耐摩耗性を向
上させることと相手材の摩耗量を低減することとを両立
させることが困難である。

また上述の如き従来のアルミニウム合金系複合材料の適
用について種々の実験的研究を行ったところ、例えば内
燃機関のピストンの如く、かかる複合材料がアルミニウ
ム合金としては極めて高温の２００℃以上の環境に於て
使用される摺動部材に適用されると、マトリックスのア
ルミニウム合金が摺動相手材に移着することに起因する
急激な摩耗、即ち凝着摩耗が生じ易いことが解った。ま
たこの凝着摩耗は通常の状態に於ては強化材によりマト
リックスが摺動相手材に直接接触することが回避される
のに対し、アルミニウム合金が高温に加熱されると軟化
し、これにより複合材料の表面の強化材がマトリックス
によって適正に保持されなくなり、軟化したアルミニウ
ム合金が直接摺動相手材と接触することにより生ずるも
のであることが解った。

かかる凝着摩耗の発生を回避するための手段として、複
合材料の耐熱性を向上させることが考えられ、複合材料
の耐熱性を向上させる手段として、繊維や粒子等の強化
材の量を増大させることが従来より一般に行われている
。しかしこの点についても種々の実験的研究を行った結
果、強化材の量を増大させると相手材の摩耗量が増大し
易く、また強化材の量を増大させても複合材料の表面に
マトリックスのみの部分が残存するため、凝着摩耗の発
生を完全に回避することはできないことが解った。

本願発明者等は、従来のアルミニウム合金系複合材料に
於ける上述の如き問題に鑑み、種々の実験的研究を行っ
た結果、マトリックスとしてのアルミニウム合金中にＡ
Ｉと特定の金属元素との金属間化合物が微細に分散され
、該金属間化合物の体積率が所定の値に設定されたアル
ミニウム合金系複合材料によれば、相手材の摩耗量を増
大させることなく複合材料の耐凝着性を大幅に改善し得
ることを見出した。

即ち従来のアルミニウム合金系複合材料の研究開発に於
ては、マトリックスは強化材間の応力伝達を担う担体と
いう考え方が支配的であり、マトリックスは比較的高い
靭性を有していなければならないものと考えられてきた
。従ってマトリックスを脆化させる原因となる金属間化
合物の析出を極力抑制する努力が払われてきた。しかし
種々の実験的研究の結果、２００℃以上の高温に於ける
アルミニウム合金系複合材料の耐凝着性を向上させるた
めには、従来より脆化の原因と考えられていた金属間化
合物をマトリックス中に析出させることが極で有効であ
り、金属間化合物の種類、量、形成形態等を適宜に設定
することにより、耐摩耗性及び高温度に於ける耐凝着性
に優れ、しかも相手材の摩耗量を増大させることのない
複合材料が得られることが解った。

尚前述の特開昭５９−２１８３４１号公報や特開昭６１
−１３２２６０号公報に記載されている如く、アルミニ
ウム合金のマトリックス中に金属間化合物が形成された
複合材料は既に知られている。しかしこれらの複合材料
に於ては、金属間化合物が形成された部位は網状構造体
の周囲の部分及び鋳鉄繊維の周囲の部分であり、網状構
造体のセル部（網状構造体の空隙部）や鋳鉄繊維の間の
マトリックスの部分ではないため、網状構造体のセル部
や鋳鉄繊維の間のマトリックスに耐熱性の低いアルミニ
ウム合金のみの部分が存在し、従って金属間化合物が形
成されない複合材料に比して耐摩耗性を向上させること
はできても２００℃以上の高温度に於ける凝着の発生を
回避することはできない。

本発明は、本願発明者等が行った実験的研究の結果得ら
れた知見に基き、耐摩耗性及び高温度に於ける耐凝着性
に優れ、相手材の摩耗量を増大させることがなく、しか
も従来の複合材料と同等又はそれ以上の強度を有するア
ルミニウム合金系複合材料を提供することを目的として
いる。

課題を解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、アルミニウム合金
をマトリックスとし短繊維、ウィスカ若しくは粒子を強
化材とするアルミニウム合金系複合材料にして、前記マ
トリックス中にＡＩとＦｅ、Ｎｊ　ｓ　Ｃｏｓ　Ｃｒ、
Ｃｕ％Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ。

Ｔａ５Ｎｂ、ＴＩ　ＳＺｒよりなる群より選択された少
なくとも一種の金属元素との金属間化合物が微細に分散
されており、前記マトリックス中の前記金属間化合物の
体積率は５〜７０−％であるアルミニウム合金系複合材
料によって達成される。

発明の作用及び効果 本発明によれば、マトリックスとしてのアルミニウム合
金中にＡＩと他の所定の金属元素との金属間化合物が微
細に分散されており、金属間化合物によって強化材の間
のマトリックスが強化、即ち地固めされ、これにより高
温度に於ても強化材が所定の状態に保持され、マトリッ
クスが相手材に直接接触することが回避されるので、従
来の複合材料に比して耐摩耗性及び高温度に於ける耐凝
着性を向上させることができ、また強化材の体積率が増
大されるわけではないので、相手材の摩耗量の増大を回
避することができる。また金属間化合物自身は硬くて脆
い物質であるが、マトリックス中の金属間化合物の体積
率が５〜７０％に設定され、また金属間化合物はマトリ
ックス中に微細に分散されているので、金属間化合物を
含まない従来の複合材料と同等又はそれ以上の強度を確
保することができる。

本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、強化
材の体積率が低過ぎる場合には複合材料の耐摩耗性や耐
凝着性を十分に向上させることができず、逆に強化材の
体積率が高過ぎる場合には相手材の摩耗量が増大する。

従って本発明の一つの詳細な特徴によれば、強化材の体
積率は３〜３０％に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
マトリックス中の金属間化合物の体積率は５〜７０％で
あってよいが、高温度に於ける耐凝着性を更に一層向上
させるためにはマトリックス中の金属間化合物の体積率
は１０〜４０％程度であることが好ましい。従って本発
明の他の一つの詳細な特徴によれば、マトリックス中の
金属間化合物の体積率は１０〜４０％に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
金属間化合物はできるだけ均一に分散されていることが
好ましく、金属間化合物間の最短距離の平均値は１００
μｍ以下、特に５０μｍ以下であることが好ましく、ま
たマトリックスの脆化を回避するためには金属間化合物
間の最短距離の平均値は３μｍ以上、特に５μｍ以上で
あることが好ましい。従って本発明の更に他の一つの詳
細な特徴によれば、金属間化合物間の最短距離の平均値
は３〜１００μｍ１特に５〜５０μｍに設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
金属間化合物はＡｌと上述の金属元素の何れかとの金属
間化合物であればよいが、特に金属間化合物のビッカー
ス硬さが３００以上であることが好ましく、また強化材
の硬さよりも低いことが好ましい。従って本発明の更に
池の一つの詳細な特徴によれば、金属間化合物のビッカ
ース硬さは３００以上であり、強化材の硬さよりも低い
値に設定される。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
特に金属間化合物が短繊維またはウィスカである場合に
於て複合材料の耐摩耗性を更に一層向上させるためには
、複合材料中の金属間化合物の体積率は３〜８０％であ
ることが好ましい。

従って本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、複
合材料中の金属間化合物の体積率は３〜８０％に設定さ
れる。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
金属間化合物が粒状である場合にはその最大粒径が５０
μｍ以下、特に３０μｍ以下であることが好ましく、金
属間化合物が針状である場合にはその最大長さが１００
μｍ以下、特に５０μｍ以下であることが好ましい。

更に、本発明の複合材料に於ける強化材は従来より複合
材料の製造に使用されている任意の材質のものであって
よいが、耐摩耗性向上効果や高温安定性等に優れている
点からセラミックよりなっていることが好ましい。

尚、本明細書に於て、「マトリックス中の金属間化合物
の体積率」とは複合材料のうち強化材以外の部分を１０
０とみた場合の金属間化合物の体積百分率を意味し、「
複合材料中の金属間化合物の体積率」とは複合材料全体
を１００とみた場合の金属間化合物の体積百分率を意味
する。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例１ 下記の表１に示されている如く、平均繊維長３ｍｍ、平
均繊維径２ｍｍのアルミナ短繊維（９５％Ａｌ２Ｏ３，
５％５ｉ０２、ＩＣ１社製「サフィル」）を体積率で１
０％含み、平均粒径５μのＮｌ粉末（純度９９％）を体
積率でそれぞれ０％、１％、２％、５９６．７％、１０
％、１５％、１８％含む８種類の多孔質の成形体を吸引
成形法により形成した。この場合各成形体は直径１００
ｍｍ、高さ２０ＩＩｌｌｕの円柱状をなし、繊維及び粉
末は実質的に互いに均一に混合された状態にあった。

次いで各成形体を窒素ガス中にて５００℃に予熱し、し
かる後第１図に示されている如く、各成形体１０を高圧
鋳造装置１２の鋳型１４のモールドキャビティ１６の底
部に圧入により固定し、モールドキャビティ内に８００
℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣＩＡ、４．５％
Ｃｕ、１９’６Ｓ１１残部実質的にＡＩ）の溶湯１８を
注湯し、該溶湯をプランジャ２０により１０００ｋｇ／
ｃ−の圧力に加圧し、その加圧状態を溶湯が完全に凝固
するまで保持した。

次いでかくして形成された鋳物より元の成形体に対応す
る部分に形成された複合材料Ｎｏ、１〜８を切出し、各
複合材料の断面の組織を顕微鏡にて観察したところ、Ｎ
１粉末を含む成形体を用いて形成された複合材料Ｎｏ、
２〜８に於てはそのマトリックス中にＡｌ−Ｎ１金属間
化合物が微細に分散されていることが認められた。この
金属間化合物はＸ線回折試験によればＮＩ　Ａｌ　３又
はＮｉＡｌ３及びＮ１２　ＡＩ　３であり、画像解析に
よれば金属間化合物の量は元の成形体中に含まれるＮｉ
粉末の量が増大するに連れて増大していることが認めら
れた。下記の表１は複合材料Ｎｏ、１〜８に於て形成さ
れた金属間化合物の種類及びその体積率を示している。

また第２図及び第３図はそれぞれ複合材料Ｎｏ、４の断
面の金属組織を１００倍及び４００倍にて示す顕微鏡写
真であり、第２図及び第３図に於てそれぞれ白色の部分
及び灰色の部分がＮＩ　Ａｌ　３の部分であり、黒色の
部分がアルミナ短繊維の部分である。

また各複合材料に対し熱処理ＴＩを施し、各複合材料よ
り直径９０＋ｎｍ、厚さ１０ｍｍの円板形の凝着試験片
、平行部の長さ及び直径がそれぞれ１４ｍｍである引張
り試験片、１６Ｘ６Ｘ１０ｍｍ寸法を有する摩耗試験片
を形成した。次いでこれらの試験片について２５０℃に
て凝着試験及び引張り試験を行い、また常温にて摩耗試
験を行った。

尚凝着試験はステンレス鋼（ＪＩＳ規格５ＵＳ４４０Ａ
　（１８％Ｃｒ、０．５％Ｍ　ｏ　ｓ　Ｏ、７％Ｃ１残
部Ｆｅ）よりなる外径８２ｍｍ、内径７６＋ｎｉ、高さ
２ＩのＣ形の相手材を各凝着試験片に対し２５０℃に於
て１０Ｈｚ、５＋ｎｍのストロークにて３０分間１０　
ｋｇｆ’　／　ｃｍ２の圧力にて繰返し押圧し、試験終
了後に各試験片に発生した凝着部の面積を画像解析によ
り測定し、試験片と相手材との接触頭載に生じた凝着発
生部の面積（ｍｍ２）を求めることにより行われた。

また引張り試験は２５０℃にて通常の引張り試験を行い
、試験片が耐えた最大荷重、即ち引張り荷重を平行部の
元の断面積にて除算して引張り強さを求めることにより
行われた。

更に摩耗試験は相手材である外径３５ｆｆｌｆｆｉ、内
径３０１ｍｍ、幅１０ＩＩｆｆｉの浸炭焼入れされた軸
受鋼（表面硬さＨｖ７２０）製の円筒試験片の外周面に
各摩耗試験片を接触させ、それらの試験片の接触部に常
温（２０℃）の潤滑面（ＳＡＥ　　ｌ０Ｗ−３０）を供
給しつつ、接触面圧６０　ｋｇ／　ｎｎ＋２、滑り速度
０．　３ｍ　／ｓｅｅにて円筒試験片を１時間回転させ
ることにより行われた。

これらの試験の結果をそれぞれ第４図乃至第６図に示す
。尚第６図に於て、上半分は摩耗試験片の摩耗量（摩耗
痕深さμｍ）を表わしており、下半分は相手材である円
筒試験片の摩耗】（摩耗量ｆｆｉ　ｍｇ）を表わしてい
る（後述の第１３図、第２１図〜第２３図、第２５図に
於ても同じ）。

第４図より、マトリックス中の金属間化合物の体積率が
５％以上、特に１０％以上の場合に凝性発生面積が著し
く減少することが解る。また第５図より、マトリックス
中の金属間化合物の体積率が５〜７０％の場合に、特に
１０〜４０％程度の場合に複合材料の引張り強さが比較
的高い値になることが解る。更に第６図より、マトリッ
クス中の金属間化合物の体積率が５〜７０％、特に１０
〜５５％程度の場合に複合材料及び相手材の摩耗量が小
さい値になることが解る。従ってこれらの試験の結果よ
り、耐凝着性、強度、耐摩耗性に優れた複合材料を得る
ためにはマトリックス中の金属間化合物の体積率は５〜
７０％、特に１０〜４０％であることが好ましいことが
解る。

実施例２ 下記の表２に示されている如く、成形体中に含まれるＮ
１粉末の体積率を０％及び３％に設定し、成形体中に充
填される合金として展伸用アルミニウム合金（ＪＩＳ規
格７０７５．５．５％Ｚｎ。

２．５％Ｍｇ、１．５％Ｃｕ、残部Ａｌ）、鋳物用アル
ミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ８，１２２６Ｓ１．１％
Ｃｕ、１％Ｍｇ、１％Ｎｉ　）　、ダイカスト用アルミ
ニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＤＣＩＯ１８％Ｓ１，３％Ｃ
ｕ、残部ＡＩ）を使用し、これらの合金の溶湯の温度を
それぞれ８００°Ｃ１７４０℃、７２０℃に設定した点
を除き実施例１の場合と同一の要領及び条件にて複合材
料Ｎｏ、９〜１４を製造した。尚複合材料Ｎｏ、９につ
いては熱処理Ｔ７ではなく、熱処理Ｔ６が施された。

次いでかくして製造された各複合材料について実施例１
の場合と同一の要領にてマトリックス中に含まれる金属
間化合物の種類及びその量を７Ｉｌ！Ｊ定した。その結
果表２に示されている如く、Ｎｊ粉末が使用されずに製
造された複合材料Ｎｏ、９〜１１のマトリックス中には
金属間化合物は存在しておらず、Ｎ１粉末を３％使用し
て製造された複合材料Ｎｏ、１２〜１４のマトリックス
中にはＮｌＡｌ３が体積率で約１８％微細に分散された
状態にて存在していた。

また上述の如く製造された各複合材料について、実施例
１の場合と同一の要領及び条件にて２５０℃に於ける凝
着試験及び引張り試験を行った。これらの試験の結果を
それぞれ第７図及び第８図に示す。

第７図より、マトリックス金属がＪＩＳ規格ＡＣＩＡ以
外のアルミニウム合金である場合にも、マトリックス中
に金属間化合物が微細に分散された複合材料の耐凝着性
は、マトリックス中に金属間化合物を含まない従来の複
合材料よりも遥かに優れていることが解る。また第８図
より、マトリックス中に金属間化合物が微細に分散され
た複合材料の引張り強さは、マトリックス中に金属間化
合物を含まない従来の複合材料と同等又はそれ以上の強
度を有することが解る。

またこれらの試験の結果より、マトリックスはＡｌを主
成分とする合金であればよく、例えばＪＩｓ規格２０１
５．３００３．４０４３．５０５２等の展伸用アルミニ
ウム合金、ＪＩＳ規格ＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ｃ，ＡＣ７Ａ等
の鋳物用アルミニウム合金合金、ＪＩＳ規格ＡＤＣＩ、
ＡＤＣ３、ＡＤＣ７等のダイカスト用アルミニウム合金
である場合にも同様の結果が得られるものと推４１１ｊ
される。

実施例３ 下記の表３に示されている如く、アルミナ短繊維の代わ
りに平均繊維長３＋ｖｍ、平均繊維径３μｍのアルミナ
−シリカ短繊維（５５％ＡＩ　２０３．４５％５ｉＯ２
）、繊維長１０〜２００μａ＋、繊維径０．０５〜１μ
ｌの炭化ケイ素ウィスカ（９８％β−８ｉＣ）、平均粒
径１μｌの窒化ケイ素粒子（９９％α−Ｓ１３　Ｎ４　
）をそれぞれ体積率で１０％、１５％、３０％含み、Ｎ
１粉末を０％、５％含む６種類の成形体を形成し、マト
リックスの合金としてアルミニウム合金（ＪＩＳ規格５
０５６．５％Ｍｇ、０．４％Ｆｅ、０．３％ＳＬ。

０　、　１９ｏ　Ｃｕ　ｓ残部Ａ゛（）を使用し、溶湯
の温度を８００℃に設定した点を除き、実施例１の場合
と同一の要領及び条件にて複合材料Ｎｏ、１５〜２０を
製造した。尚各複合材料に施された熱処理は熱処理Ｔ７
ではなく、各複合材料を４００℃に３時間加熱した後炉
冷する熱処理であった。

次いでかくして製造された各複合材料について実施例１
の場合と同一の要領にてマトリックス中に含まれる金属
間化合物の種類及びその量を測定した。その結果表３に
示されている如く、Ｎ１粉末が使用されずに製造された
複合材料Ｎｏ、１５〜１７のマトリックス中には金属間
化合物は存在しておらず、Ｎｉ粉末を５％使用して製造
された複合材料Ｎｏ、１８〜２０のマトリックス中には
ＮｉＡｌ３が体積率で約３０％微細に分散された状態に
て存在していた。

また上述の如く製造された各複合材料について、実施例
１の場合と同一の要領及び条件にて２５０°Ｃに於ける
凝着試験及び引張り試験を行った。これらの試験の結果
をそれぞれ第９図及び第１０図に示す。

第９図より、強化材がアルミナ短繊維以外の場合にも、
マトリックス中に金属間化合物が微細に分散された複合
材料の耐凝着性は、マトリックス中に金属間化合物を含
まない従来の複合材料よりも遥かに優れていることが解
る。また第１０図より、マトリックス中に金属間化合物
が微細に分散された複合材料の引張り強さは、マトリッ
クス中に金属間化合物を含まない従来の複合材料と同等
又はそれ以上の強度を有することが解る。

またこれらの試験の結果より、強化材は繊維及び粒子の
何れであってもよいことが解る。またこれらの試験の結
果より、強化材は高温度に於ても安定で耐摩耗性に優れ
ている限り任意の繊維、ウィスカ、粒子であってよく、
例えばガラス繊維、アルミナ長繊維、炭化ケイ素長繊維
、Ｓｌ　−Ｔｉ−Ｃ長繊維等を短繊維に切断した所謂チ
ョツプド繊維や、窒化ケイ素ウィスカ、アルミナウィス
カ、チタン酸カリウムウィスカの如きウィスカやアルミ
ナ粒子、ジルコニア粒子、炭化ケイ素粒子、炭化タング
ステン粒子、窒化ボロン粒子の如き粒子であってもよい
ものと推ｎ１される。

実施例４ 下記の表４に示されている如く、アルミナ短繊維の代わ
りに繊維長５０〜３００μｍ１繊維径０゜１〜０．５μ
ｍの窒化ケイ素ウィスカ（９７％α−３ｊ３Ｎ４）を体
積率で１０％含み、またＮ１粉末の代わりに平均粒径５
μｌのＦｅ粉末（純度９９％）、平均粒径５μｌのＣｏ
粉末（純度９９％）、平均粒径１０μｍのＭｎ粉末（純
度９８％）、平均粒径８μｌのＴＩ粉末（純度９９％）
をそれぞれ体積率で５％、３％、３％、７％含む４種類
の成形体を形成し、また体積率１０％の窒化ケイ素ウィ
スカのみよりなる成形体を形成し、合金の溶湯として湯
温７６０℃のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ５Ａ、
４％Ｃｕ、１．５％Ｍｇ、２％Ｎ１、残部ＡＩ）を使用
した点を除き、実施例１の場合と同一の要領及び条件に
てマトリックス中に微細に分散された金属間化合物を含
む複合材料Ｎｏ、２２〜２５及び金属化合物を含まない
複合材料Ｎｏ、２１を製造した。

次いでかくして製造された各複合材料について実施例１
の場合と同一の要領にてマトリックス中に含まれる金属
間化合物の種類及びその量を測定した。その結果表４に
示されている如く、複合材料Ｎｏ、２１のマトリックス
中には金属間化合物は存在しておらず、複合材料Ｎｏ、
２２〜２５のマトリックス中にはそれぞれＦｅ　Ａｌ　
３　、、ＣＯ２Ａｌ９、ＭｎＡＩａ、ＴｌＡｌ３がそれ
ぞれ約３０％微細に分散された状態にて存在していた。

また上述の如く製造された各複合材料について、実施例
１の場合と同一の要領及び条件にて２５０℃に於ける凝
着試験及び引張り試験を行い、また常温に於ける摩耗試
験を行った。これらの試験の結果をそれぞれ第１１図乃
至第１３図に示す。

第１１図及び第１３図より、金属間化合物がＦｅＡｌ３
等である場合にも、マトリックス中に金属間化合物が微
細に分散された複合材料の耐凝着性及び摩擦摩耗特性は
、マトリックス中に金属間化合物を含まない従来の複合
材料よりも遥かに優れていることが解る。また第１２図
より、マトリックス中に金属間化合物が微細に分散され
た調合材料の引張り強さは、マトリックス中に金属間化
合物を含まない従来の複合材料と同等又はそれ以上の強
度を有することが解る。

また下記の表８に示されている如く、金属間化合物を形
成するための材料としてＣｒ粉末、Ｍ。

粉末、■粉末、Ｗ粉末、Ｔａ粉末、Ｎｂ粉末、Ｚ「粉末
、Ｃｕ粉末を使用し、これによりマトリックス中に体積
率約３０％の金属間化合物が微細に分散された調合材料
を製造し、それらの複合飼料について実施例１の場合と
同一の要領及び条件にて２５０℃に於ける凝着試験を行
ったところ、表８に示されている如く、金属間化合物が
Ｃｒ　ＡｔＩ等である場合にも従来の調合材料に比して
優れた耐凝着性か得られることが認められた。

これらの試験の結果より、マトリックス中に形成される
べき金属間化合物は、上述の如き高融点金属元素とＡｌ
との金属間化合物又はそれらの組合せであればよいこと
が解る。これらの金属開化合物は何れも２５０℃に於け
るビッカース硬さが２００を越えており、非請に耐熱性
に優れたものである。

実施例５ 下記の表５に示されている如く、アルミナ短繊維の代わ
りに体積率３０％のＡＩ　２０３粒子（９９％α−ＡＩ
　２０３　、平均粒径１μｍ）を含み、Ｎｉ粉末の代わ
りにそれぞれ体積率３％のＦｅ　−Ｍｎ合金粉末（５０
％Ｆｅ、５０％Ｍｎ、平均粒径１０μｆｆ１）、体積率
１．６％のＮｊ−Ｆｅ合金粉末（５０％Ｎｌ、５０％Ｆ
ｅ、平均粒径１０μ＋１）、体積率７．８％のＮ１−Ｃ
ｕ合金粉末（５０％Ｎｌ、５０％Ｃｕ、平均粒径１０．
ｃｚｍ）、体積率９．３％のＣｕ−Ｚｎ粉末（７０％Ｃ
ｕ、３０％Ｚｎ、平均粒径１０μ１１）を含む成形体を
形成し、また体積率３０％Ａｌ２Ｏ３粒子のみよりなる
成形体を形成し、合金の溶湯として湯温７２０℃のアル
ミニウム合金（ＪＩＳ規ｒ６ＡＤＣ７，５％Ｓｌ、残部
実質的にＡＩ）を使用した点を除き、実施例１の場合と
同一の要領及び条件にてマトリックス中に微細に分散さ
れた金属間化合物を含む複合材料Ｎｏ、２７〜３０及び
金属間化合物を含まない複合材料Ｎｏ、２６を製造した
。

次いでかくして製造された各複合材料について実施例１
の場合と同一の要領にてマトリックス中に含まれる金属
間化合物の種類及びその量を測定した。その結果表５に
示されている如く、合金粉末が使用されずに製造された
複合材料Ｎｏ、２６のマトリックス中には金属間化合物
は存在しておらず、合金粉末を３％使用して製造された
複合材料Ｎｏ、２７〜３０のマトリックス中にはそれぞ
れ対応する金属間化合物が体積率で約３０％前後微細に
分散された状態にて存在していた。

また上述の如く製造された各複合材料について、実施例
１の場合と同一の要領及び条件にて２５０℃に於ける凝
着試験及び引張り試験を行った。これらの試験の結果を
それぞれ第１４図及び第１５図に示す。

第１４図より、金属間化合物を形成させるための金属が
合金であり、従って金属間化合物が複合的な金属間化合
物である場合にも、マトリックス中に金属間化合物が微
細に分散された複合材料の耐凝着性は、マトリックス中
に金属間化合物を含まない従来の複合材料よりも遥かに
優れていることが解る。また第１５図より、マトリック
ス中に複合的な金属間化合物が微細に分散された複合材
料の引張り強さも、マトリックス中に金属間化合物を含
まない従来の複合材料と同等又はそれ以上の強度を有す
ることが解る。

またこれらの試験の結果より、複合材料のマトリックス
中に分散される金属間化合物は、Ｎ１、Ｆ　ｅ　ＳＣｏ
　−、Ｍ　ｎ　ＳＴ　ｌ　−、Ｃｒ　、Ｍ　ｏ　、Ｖ　
、　Ｗ　。

Ｔａ　ＳＮ　ｂ　ｓ　Ｔ　ｉ　％　Ｚ　ｒ　、Ｂ　ｅ　
ＳＣｕの如き高融点金属の２種類の元素とＡｌとの複合
的な金属間化合物であってもよいことが解る。

実施例６ 下記の表６に示されている如く、アルミナ短繊維の代り
に体積率５％のガラス繊維（２５％Ａｌ２Ｏ３，１０％
Ｍｇ　Ｏ，残部実質的に５ｉ０２、平均繊維径１０μｍ
、平均繊維長５　ｍｍ）を含み、Ｎｉ粉末の代りにそれ
ぞれ平均粒径が２００μｍ、１５０μｍ　、１００μｍ
　、９０μｍ　、６０μｍ　。

３０μｍｓ　５μｌの体積率５％のＦｅ粉末（純度９９
％）を含む成形体及び体積率５％のガラス繊維のみより
なる成形体を形成し、合金の溶出として湯温７４０°Ｃ
のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｃ，７％Ｓｔ、
０．３％Ｍｇ、残部実質的にＡＩ）の溶湯を使用した点
を除き、実施例１の場合と同一の要領及び条件にてマト
リックス中に微細に分散された金属間化合物を含む複合
材料ＮＯ６３２〜３８及び金属間化合物を含まない複合
材料Ｎｏ、３１を製造した。

次いでかくして製造された各複合材料について実施例１
の場合と同一の要領にてマトリックス中に含まれる金属
間化合物の種類、その量、及び大きさを測定した。その
結果表６に示されている如く、Ｆｅ粉末が使用されずに
製造された複合材料Ｎｏ、３１のマトリックス中には金
属間化合物は存在しておらず、平均粒径３０μｍ以下の
Ｆｅ粉末を使用して製造された複合材料Ｎｏ、３７及び
３８のマトリックス中にはＦｅ　Ａｌ　３が微細に分散
された状態にて存在しており、平均粒径６０μｍ以上の
Ｆｅ粉末を使用して製造された複合材料Ｎｏ。

３２〜３６のマトリックス中にはＦｅ　Ａｌ　３が微細
に分散されていたが、その中心部には純Ｆｅが残存して
いることが認められた。そこてかかる純Ｆｅが残存する
複合材料については、それらを５００℃に５０時間保持
する熱処理を施し、これ−により残存するＦＢを完全に
ＦｅＡｌ３に変換させた。尚複合材料Ｎｏ、３２〜３８
のマトリックス中に存在するＦｅＡｌ３体積率は約２８
２６であり、それぞれの平均直径は２５０μｍ、２００
μｍ１１３０μｍ　、１２０μｍ　、８０μｍ　、４０
ｕｍ　。

７μｍであった。

また上述の如く製造された各複合材料にχ＝ｔ　Ｌ、熱
処理Ｔ７を施し、実施例１の場合と同一の要領及び条件
にて２５０℃に於ける凝着試験を行った。

これらの凝着試験の結果を第１６図に示す。

第１６図より、金属間化合物間の最短距離の平均値が小
さいほど複合材料の耐凝着性が向上し、特に金属間化合
物間の最短距離の平均値が１００μｍ以下の場合に、特
に８０μｍ以下の場合に、更には５０μｍ以下の場合に
凝着発生面損が大幅に低減されることが解る。

また凝着試験後に各試験片の凝着状況を詳細に調査した
ところ、凝着は金属間化合物周辺のＡｌ部分に於て発生
し、これが試験片の当り面全面に拡がっていくことが認
められた。また形成された金属間化合物の体積率が同一
であっても、その分散状態にむらがある程凝着が発生し
易いことが認められた。

第１７図及び第１８図はそれぞれ金属間化合物Ｆｅ　Ａ
ｔ　３の平均直径が２５０　μｍ　、　４０　ｕｔａで
あり金属間化合物間の最短距離の平均値がそれぞれ１５
０μｍ、２５μｍである複合材料Ｎｏ、３２及びＮｏ、
３６の断面の組織を示す模式図である。

尚これらの図に於て、２２は金属間化合物ＦｅＡｌ３を
示しており、２４はガラス繊維を示しており、２６はマ
トリックスを示している。これらの図の比較より解る如
く、金属間化合物間の最短距離は金属間化合物の直径が
小さい程小さく、また金属間化合物の直径が小さい程組
織が均一になることが解る。　尚この実施例に於ては、
金属間化合物の体積率を一定にし、またその大きさ（即
ち金属間化合物間の距離）を一定とするために、Ｆｅ粉
末の平均粒径が比較的大きい場合については５００℃に
５０時間保持する熱処理を施すこことにより、純Ｆｅを
Ｆｅ　Ａｌ　３に変換させたが、金属間化合物自身は一
種類である必要はない。例えば最外層の金属間化合物が
マトリックスよりも耐熱性の高い金属間化合物である限
り、マトリックス中に分散される金属間化合物は例えば
第１９図に示されている如く何種類かの金属間化合物よ
りなる多層構造のものであってもよく、また第２０図に
示されている如く、何種類かの金属化合物の層及び中心
の純金属よりなる多層構造のものであってもよい。実施
例７ 繊維長１０〜２００μｍＳ繊維径０．０５〜１μｍ１硬
さＨＶ３３００の炭化ケイ素ウィスカ（９８％β−３Ｉ
Ｃ）と平均粒径３μｍのＮ１粉末（純度９９％）とを体
積率で２：１の割合にて混合し、圧縮成形を行うことに
より、直径１００ｍｌ１１１高さ２０ｍｍの円柱状をな
し、ホイスカ及びＮｌ粉末の体積率がそれぞれ１０％及
び５％であり、これらが実質的に均一に混合された成形
体を形成した。

次いでこの成形体を窒素ガス中にて３００°Ｃに予熱し
、合金の溶湯として湯温７６０℃のアルミニウム合金（
ＪＩＳ規格ＡＣ８Ａ）の溶湯を使用した点を除き、実施
例１の場合と同一の要領及び条件にて複合材料Ｎｏ、４
０を製造し、またＮ１粉末が含まれていない成形体を使
用して同様に複合飼料Ｎｏ、３９を製造した。

また表７に示されている如く、Ｎｉ粉末の代りに平均粒
径２０μｍのＭ　ｇ粉末、平均粒径１０μｍのＣｕ粉末
、平均粒径５μｍＣｒ粉末、平均粒径３μｍＦｅ粉末、
平均粒径１０μｍＴｌ粉末を使用することにより、同様
の要領及び条件にて複合材料Ｎｏ、４１〜４５を製造し
た。

次いでかくして製造された各複合材料について実施例１
の場合と同一の要領にてマトリックス中に含まれる金属
間化合物の種類、その量及び硬さをａＰＩ定した。その
結果表７に示されている如く、複合材料Ｎｏ、３９のマ
トリックス中には金属間化合物は存在しておらず、複合
材料Ｎｏ、４０〜４５のマトリックス中にはそれぞれＡ
ｌ３Ｎ１（及び極く少量のＡｌ３Ｎｊ２、ＡＩ　Ｎ１）
、Ｍｇ２Ａｌ３　、Ｃｕ　Ａｌ　２　、Ｃｒ　Ａｌ　７
　、Ｆｅ　Ａｌ　３　、ＴｉＡｌ３（それぞれの硬さＨ
ｖ９５０．１９０．３３０．３７０．５５０．７４０）
がそれぞれ約３０％（複合材料中の金属間化合物の体積
率）存在していた。

また上述の如く製造された各複合材料について実施例１
の場合と同一の要領及び条件にて常温に於ける摩耗試験
を行った。これらの摩耗試験の結果を第２１図に示す。

尚第２１図に於て、横軸は金属間化合物の硬さ（ビッカ
ース硬さ）を表わしている。

第２１図より、金属間化合物の硬さが３００以上の場合
に担手材の摩耗量が大幅に減少し、また複合材料自体の
耐摩耗性も金属間化合物の硬さが３００未満の場合より
も向上することが解る。

またこの試験の結果より、マトリックス中に分散される
金属間化合物は複合材料の耐摩耗性及び相手材に対する
摩擦摩耗特性を向上させるためには、硬さＨｖが３００
以上の金属間化合物、例えばＮ１２Ａｌ３、ＦｅＡｌ６
、ＭｎＡｌ６、ＺｒＡｌ　３　、Ｃｏ　２　Ａｌ　ｓ　
、Ｍｏ　Ａｔ　３、（Ｃｕ　Ｎｌ　）２Ａｌ３、（Ｆｅ
　Ｓｌ　）Ａｌ　ｓ、（Ｃｕ　Ｆｅ　Ｍｎ　）ＡＩＢ等
であることが好ましいものと考えられる。

実施例８ 実施例７の複合材料４０に於て、成形体中に含まれる繊
維として炭化ケイ素ウィスカの代りに表１０に示されて
いる如き種々の繊維を使用した点を除き、複合材料４０
の場合と同一の要領及び条件にて複合材料Ｎｏ、４６〜
５４を製造した。

また比較の目的で、Ｎ１粉末を含まない成形体が使用さ
れた点を除き複合材料Ｎｏ、４６〜５４と同一の要領及
び条件にて複合材料Ｎｏ、４６’　〜５４′を製造した
。

次いでこれらの複合材料について実施例１の場合と同一
の要領及び条件にて常温に於ける摩耗試験を行った。こ
れらの摩耗試験の結果を第２２図に示す。尚第２２図に
於て、横軸は強化繊維のビッカース硬さＨｖを示してい
る。

第２２図より、強化繊維の硬さに拘らず、複合材料自身
の摩耗量はマトリックス中に金属間化合物が微細に分散
されている場合の方が少ないことが解る。また強化繊維
が硬さＨｖ５００以上の如〈従来より金属材料の耐摩耗
性を向上させるために使用されているセラミック繊維で
ある場合には、マトリックス中に金属間化合物が微細に
分散された複合材料はマトリックス中に金属間化合物が
分散されていない複合材料に比して相手材に対する攻撃
性が大幅に小さく、強化繊維の硬さに拘らず相手材に対
する摩擦摩耗特性に優れていることが解る。

実施例９ 成形体中に含まれるＮ１粉末の量を種々の値に設定して
１０種類の成形体を形成し、それらの成形体を用いた点
を除き、実施例７の場合と同一の要領及び条件にて複合
材料Ｎｏ、５５〜６４を製造し、各複合材料について実
施例１の場合と同一の要領及び条件にて常温に於ける摩
耗試験を行った。

尚複合材料Ｎｏ、５５〜６４中の金属間化合物の体積率
はそれぞれ３％、５％、１０％、２０９６．３０％、４
０％、５０％、６０％、７０％、８０％であった。これ
らの摩耗試験の結果を複合材料Ｎｏ、３９の摩耗試験の
結果と共に第２３図に示す。

尚第２３図に於て、横軸は複合材料中のＡＩ　−Ｎ１金
属間化合物の体積率を示している。

第２３図より、複合材料中の金属間化合物の体積率が３
〜８０％である場合には従来の複合材料（Ｎｏ、３９）
よりも摩擦摩耗特性が向上し、特に複合材料中の金属間
化合物の体積率は１０〜６０％程度であることが好まし
いことが解る。

尚金属間化合物が実施例７に示されたビッカース硬さＨ
ｖ３００以上の種々の化合物である場合にも、第２３図
に示された結果と同様の傾向を示す結果が得られた。

比較例 実施例１に於て使用されたアルミナ短繊維と同一のアル
ミナ短繊維を体積率で３０％含みＮ１粉末を含まない成
形体、Ｎ１よりなる三次元網状構造体（空隙率９０％、
セルサイズ０．３ｍ＋ｎ）、実施例１に於て使用された
アルミナ短繊維と同一のアルミナ短繊維を体積率で１０
％含み、Ｎｌ粉末の代りにＮｉＯ粉末（平均粒径２μｍ
、純度９９％）を体積率で８％含む成形体を使用した点
を除き、実施例１の場合と同一の要領及び条件にてそれ
ぞれ複合材料Ａ、Ｂ、Ｃを製造した。次いでかくして製
造された各複合材料について実施例１の場合と同一の要
領にてマトリックス中に含まれる金属間化合物の種類等
を判定した。その結果複合材料Ａのマトリックス中には
金属間化合物は存在しておらず、複合材料Ｂに於ては網
状構造体の周囲の部分にのみＡｌ５Ｎｉ（及び極く少量
のＡＩ３　Ｎｌ　２　、ＡＩ　Ｎｌ　）が存在しており
、複合材料Ｃのマトリックス中にはＡｌ３ＮＮ及びＡＩ
　２０３が微細に分散された状態にて存在していた。こ
の場合複合材料Ｃの製造過程に於ては、ＮＩ　Ｏがマト
リックス中のＡｌによって還元されることにより金属間
化合物ＡＩ　３　Ｎｉ及びＡｌ２　ｏ、を生成したもの
と推測される。複合材料Ｃのマトリックス中に含まれる
Ａｌ　３　Ｎｌ及びＡＩ　２０３の体積率はマトリック
スに対し３０％、７．４％であった。　また上述の如く
製造された各複合材料について実施例１の場合と同一の
要領及び条件にて２５０℃に於ける凝着試験及び常温に
於ける摩耗試験を行った。これらの試験の結果を複合材
料Ｎｏ、４の結果と共にそれぞれ第２４図及び第２５図
に示す。　第２４図より本発明の複合材料Ｎｏ、４は複
合材料Ａ及びＢよりも遥かに耐凝着性に優れており、複
合材料Ｃと同等の耐凝着性を有していることが解る。ま
た第２５図より、本発明の複合材料Ｎｏ、４は複合材料
Ｃよりも遥かに摩擦摩耗特性に優れており、また複合材
料Ａ及びＢよりも摩擦摩耗特性に優れていることが解る
。

以上に於ては本発明を種々の実施例について詳細に説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であ
ることは当業者にとって明らかであろう。

； 、川　＋　ｒ＋　＋　ｒ＋　＋＋ ＝ イロ　　　　　　　Ｃハ　　０　　−　　Ｃ１α）　　
寸； す七（’Ｊ　（Ｙ’ｌ　、い。、ヵ くａ ■１　　　　　　　　　　ｍｔｖｔｒｎｒｎｍ　　　箇
　　ω表　　８ 金属間化合物　凝着発生 粉末　金属間化合物　　体積率（％）　　面積（％）Ｃ
ｒ　　ＣｒＡｌ７３０　　　　　２２Ｍｏ　　ＭｏＡｌ
３Ｂ　ＭｏＡｌ３Ｂ　０　　、　　　２３Ｖ　　　ＶＡ
Ｉ　、１＋Ｖ＾Ｉ　６　　　３０　　　　　２３Ｗ　　
　ＷＡＩ　、２＋ＷＡＩ　５３０　　　　　２５Ｔａ　
　ＴａＡｌ３３０　　　　　２２Ｎｂ　　　ＮｂＡｌ３
３０　　　　　２０Ｚ　ｎ　　ＺｒＡｌ５　　　　　　
　　　、３０　　　　　２０Ｃｕ　　ＣｕＡｌ２３０　
　　　　２４表　　９ 金属間化合物　凝着発生 金属間化合物　　　面積率（％〉　　面積（％）ＮＩＡ
Ｉ　　＋ＴｉＡｌ３３０　　　　　１９ＰｅＡｌ３＋Ｎ
ｌＡｌ３３０　　　　１８ＣｒＡｌ７＋Ｃｏ２Ａｔ９３
０　　　　　２　ＯＮｉ八ｌへＰｃ八１へ　＋ＴｌＡｌ
３　　　　３　０　　　　　　　　１８ＦｅＡ　ｌ　３
＋Ｖ＾＋１１３０　　　　　２２ＴｉＡ　Ｉ　ｓ　十Ｔ
ａＡ　Ｉ　３３０　　　　　２０ＣｒＡＩ７＋ＮｂＡｌ
３３０　　　　２１ＴａＡＩ３＋ＮｂＡｌ３３０　　　
　　１９ＴａＡ　Ｉ　　＋　ＺｒＡ　ｌ　３３０　　　
　２０ＰｅＡｌ　　＋　ＴｌＡｌ５　＋　ＺｒＡｌ３３
０　　　　　２１Ｃｏ２Ａｔ９＋ＣｕＡｌ２３０　　　
　２４

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による複合材料を製造するための高圧鋳
造工程を示す断面図、第２図及び第３図は金属間化合物
Ｎｉ　Ａｌ　３が微細に分散された本発明の複合材料の
一つの具体例の断面の金属組織をそれぞれ１００倍及び
４００倍にて示す顕微鏡真、第４図乃至第６図はそれぞ
れ実施例１の各複合材料について行われた２５０℃に於
ける凝着試験、２５０℃に於ける引張り試験、常温に於
ける摩耗試験の結果を示すグラフ、第７図及び第８図は
それぞれ実施例２の複合材料について行われた２５０℃
に於ける凝着試験及び引張り試験の結果を示すグラフ、
第９図及び第１０図はそれぞれ実施例３の複合材料につ
いて行われた２５０℃に於ける凝着試験及び引張り試験
の結果を示すグラフ、第１１図乃至第１３図はそれぞれ
実施例４の複合材料について行われた２５０℃に於ける
凝着試験、２５０℃に於ける引張り試験、常温に於ける
摩耗試験の結果を示すグラフ、第１４図及び第１５図は
実施例５の複合材料について行われた２５０℃に於ける
凝着試験及び引張り試験の結果を示すグラフ、第１６図
は実施例６の複合材料について行われた２５０℃に於け
る凝着試験の結果を金属間化合物間の最短距離の平均値
を横軸にとって示すグラフ、第１７図及び第１８図はそ
れぞれ金属間化合物ＦｅＡｌ３の平均粒径が２５０μ、
４０μであり、金属間化合物間の最短距離の平均値がそ
れぞれ１５０μｍ、２５μｍである複合材料の断面の組
織を示す模式図、第１９図及び第２０図はそれぞれ多層
構造の金属間化合物を示す射口、第２１図は実施例７の
複合材料について行われた摩耗試験の結果を金属間化合
物の硬さを横軸にとって示すグラフ、第２２図は実施例
８の複合材料について行われた摩耗試験の結果を強化繊
維の硬さを横軸にとって示すグラフ、第２３図は実施例
９の複合材料について行われた摩耗試験の結果を複合材
料中のＡｌ−Ｎ１金属間化合物の体積率を横軸にとって
示すグラフ、第２４図及び第２５図はそれぞれ比較例の
複合材料について行われた２５０℃に於ける凝着試験及
び常温に於ける摩耗試験の結果を本発明の複合材料の一
つの実施例の結果と共に示すグラフである。　１０・・
・成形体、１２・・・鋳造装置、１４・・・鋳型、１６
・・・モールドキャビティ、１８・・・マトリックスの
溶湯、２０・・・プランジャ、２２・・・金属間化合物
ＦｅＡｌ３，２４・・・ガラス繊維、２６・・・マトリ
ックス 特　許　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社代　　　
　　理　　　　　人　　　弁理士　　明　　石　　昌　
　毅第１図 １０・・成形体 １２・・高圧鋳造装置 １８・・アルミニウム合金の、容湯 第　２　区 第３図 （ｘ４００） 第６図 容 マトリックス中のＮｉ−Ａｌ４１＝属間化合物の体積率
（％）複合材料Ｎｏ。 複合材料Ｎｏ。 複合材料Ｎｏ。 複合材料Ｎｏ。 複合材料Ｎｏ。 第１３図 吟 複合材料Ｎｏ。 第１７図 ９を 第旧図 第１９図 第２０図 第２１図 Ｉ穿 金属間化合物の硬さ（Ｈｒ） 第２２図 繊維硬さ（Ｈｖ） 第２３図 ｆ穿

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　アルミニウム合金をマトリックスとし短繊維、ウイス
   カ若しくは粒子を強化材とするアルミニウム合金系複合
   材料にして、前記マトリックス中にＡｌとＦｅ、Ｎｉ、
   Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、
   Ｔｉ、Ｚｒよりなる群より選択された少なくとも一種の
   金属元素との金属間化合物が微細に分散されており、前
   記マトリックス中の前記金属間化合物の体積率は５〜７
   ０％であるアルミニウム合金系複合材料。