JPH02194135A - 高温摩耗特性に優れたアルミニウム複合材料 - Google Patents

高温摩耗特性に優れたアルミニウム複合材料

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JPH02194135A
JPH02194135A JP1189689A JP1189689A JPH02194135A JP H02194135 A JPH02194135 A JP H02194135A JP 1189689 A JP1189689 A JP 1189689A JP 1189689 A JP1189689 A JP 1189689A JP H02194135 A JPH02194135 A JP H02194135A
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Toron Ron Tan
トロン ロン タン
Takanobu Nishimura
隆宣 西村
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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】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は87M摩耗特性に優れたアルミニウム複合材料
に係り、特に遷移金属元素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、繊維、ウィスカ粒子等の
強化材を均一に分散せしめた高温摩耗特性に優れたアル
ミニウム複合材料に関する。
(従来の技術) 近年、炭化ケイ素、アルミナ等のセラミックス、ウィス
カー、lINまたは粒子で強化された金属基複合材料が
新素材の1つとして注目されている。その中でも8温強
度に優れ、硬いセラミックスIJANを、マトリックス
金属としてのアルミニウム合金中に分散させたアルミニ
ウム複合材料が、宇宙機器、ロボッ]〜部品、自動中、
航空機部品等の幅広い産業分野で普及している。
上記セラミックスウィスカーmN、または粒子強化アル
ミニウム複合材料の製造方法としては、粉末冶金法や溶
湯含浸加圧り進法(以下「溶浸法」という。)が一般に
採用されている。
粉末冶金法は7トリツクスとなる原料金属粉末とセラミ
ックス製強化材とを充分に混合した後に、得られた混合
体を加圧成形し、真空または不活性ガス雰囲気において
高温度に加熱したり、ホットプレスによって成形接合化
する方法である。
またm浸法は、まずセラミックス繊維で所定形状および
繊維休積率(V、)を有するセラミックス繊維の予備成
形体を形成し、この予備成形体を金型内に配置して30
0〜700℃に加熱する。
その後、溶融アルミニウム合金を金型内に注渇し、この
溶融アルミニウム合金をビスI・ンで直接加圧すること
により予備成形体内空間に溶湯を含浸させ、アルミニウ
ム合金をマトリックスとする複合体を得る。
そして複合体の凝固後、金型から取り出し、時効硬化処
理によって所定の硬度を確保することによりセラミック
スmHの保持強度を高め、高強度のアルミニウム複合材
料としている。
このようにセラミックスウィスカー、[1または粒子で
強化した従来の時効熱処理型のアルミニウム複合材料に
は高強度で硬度の^いセラミックス1aMが分散されて
いるため、常温付近における摩耗特性および強度を、ア
ルミニウム単体の場合と較べて大幅に向上させることが
できる。
(発明が解決しようとする課題) このように従来の時効熱処理型のアルミニウム複合材料
は、時効熱処理温度未満の使用ffi境においては、優
れた摩耗特性および強度を発揮する。
しかしながら時効熱処理湯度を越える高温度環境で使用
された場合には摩耗特性が低下する問題点がある。 す
なわち、負荷荷重が高い部位、高速摺動部、またはS潤
滑で使用される部位など苛酷な環境において、材料の摺
動面に摩擦熱による温度上昇が発生した場合、また材料
自体が高温環境において摺動材として使用された場合に
、アルミニウム複合材料の温度が時効熱処理温度以上に
上昇すると、マトリックスを構成するアルミニウム合金
が軟化し、強化材を保持する力が喪失される。
そのためセラミックスウィスカー、lIMまたは粒子の
すべりや脱落が発生し易く、摩耗特性が急激に低下する
問題点があった。
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、摺動面における41宣上昇が発生した場合または
高温度の環境において使用された場合においても、マト
リックスを構成するアルミニウム合金の軟化による強化
材のすべりや脱落が少なく、優れた耐摩耗特性を発揮し
得る、アルミニウム複合材料を提供することを目的とす
る。
°〔発明の構成〕 (課題を解決するための手段) 本発明は、以上の観点からマトリックスとな3アルミニ
ウム合金の組成と、Lラミックス!!紐などの補強材の
添加mを変えて種々の実験を行った結果、l”e、Mn
、Go、N t、Mo、w、Tiから選択された少くと
も1種の遷移金属元素を重量パーセントで0.5%以上
30%以下含有し、Zr、Or、Vから選択された少く
とも1種の遷移金属元素を0.1%以上15%以下含有
し、残部がアルミニウムおよび不可避的不純物からなる
マトリックスとしてのアルミニウム合金と、上記アルミ
ニウム合金に対して休積率5%以上40%以下の割合で
添加され均一に分散されたヒラミックスIIIおよびセ
ラミックス粒子の少くとも一方から成る強化材とから構
成したときに、従来に比べて、高温時におけるマトリッ
クの軟化が少なく、耐摩耗性が優れたアルミニウム複合
材料が得られた発見に基づくものである。
またアルミニウム合金にfiffiバー廿ントでSlを
0.5%以上30%以下、CLJを0.5%以上15%
以下、Mgを0.5%以上15%以下含有させたときに
、耐摩耗特性がより高湯側においても発揮されるという
知見も得られた。
さらにアルミニウム合金中の遷移金属元素とアルミニウ
ムとの金属間化合物の粒子径を50μ風以下にvA’l
lシたときに高強度のアルミニウム複合材料が得られた
以下本発明の限定理由を述べる。
本発明の対象となるアルミニウム複合材料は構成金属元
素としてFe、Mn、Go、N i、Mo。
W、Tiから選択された少くとも1種の遷移金属元素を
重量%で0.5%以上30%以下含有する。
上記遷移金属元素は材料の強度、特に高温強度、および
耐熱性を高める作用を有する元素である。
ただしその含有量が0.5%未満ではその効果を充分に
発揮することができず、一方30%を超えると効果が飽
和することに加えて、熱間加工性や延性が低下し、さら
に、MOやWなどの高融点金属の比率が高くなると、ア
トマイズ法によりA1合金粉末を調製する場合の?8m
温度が上昇し、粉末製造上の技術的困難性が増大してし
まう。従って上記遷移金属元素の含有量は0.5%以上
30%以下に設定される。
また7r、 Cr、vはマトリックスの高温強度をより
高めるために、重量%で0.1%以上15%以下添加さ
れる。上記Zr、Cr、Vは特にAj中における拡散速
度が遅い遷移金属元素であり、急冷凝固法によりA1合
金をW4賀する場合にAj中に強i+11固溶される他
に非常に微細な金属間化合物をマトリックス中に均一に
分散して形成する。
そのためAj金合金400℃程度の高温状態に加熱され
た場合においてもほとんど強度が低下せず熱的安定性の
高いマトリックスとなる。
上記zr、cr、vは、そ(7)l加mが0.1%未満
においては添加効果が少なくなる一方、添加量が15%
を越える場合には、やはりPl!lr〜加工性が低下し
てしまう。
またセラミックスIIIおよびセラミックス粒子の少く
とも一方から成る強化材としては例えばSiC、アルミ
ナ等が使用される。これらの強化材はいずれも硬く、強
度および耐熱性が優れているため、材料の耐摩耗性およ
び高温強度を高めるために添加される。その添加量はア
ルミニウム合金に対して休積率で5%以上40%以下の
割合で添加される。添加量が5%未満ではその効果が少
なく、一方40%を越える場合には、強化材とマトリッ
クスとの結合強度が逆に低下するため、5%以上40%
以下の範囲に設定されるが、材料の最高強度を保証する
ためには、20〜30%の範囲に設定することが望まし
い。
なお、強化材としてのセラミックスの形状は、繊維状お
よび粒子状の一方または両方を適宜混合して使用するこ
とができるが、特にilN状のものと比較して安価な粒
子状のセラミックスを使用することにより、材料の製造
コストを、より低減することが可能となる。
またマトリックスを形成するアルミニウム合金中に、重
量%でSiを0.5%以上30%以下、Cuを0.5%
以上15%以下、Mgを0.5%以上15%以下含有さ
せると、材料が耐摩耗特性を発揮する温度範囲がより′
R場側において拡大される。
ここで81は材料の耐摩耗特性、耐焼付特性および強度
特性値を向上せしめる元素であり、その効果を充分に発
揮させるためには、添加量は少なくとも0.5%以上と
することが必要であるが、30%を越える場合は、熱間
加工性が低下するため、その添加量の上限は30%が望
ましい。
またCuは、材料の熱処理によるアルミニウム合金マト
リックスの強化に有効な元素であり、その含有量が0.
5%未満では効果が少なく、一方15%を越えると熱間
加工性が低下するとともに耐応力腐食割れ特性も低下す
る。
さらにMgはCuと同様に熱処理によるマトリックスの
強化に有効であり、含有量が0.5%未満では効果が少
ない一方、15%を越えると、耐応力腐食割れ特性およ
び熱間加工性が共に低下する。
一方アルミニウム合金中の遷移金属元素とアルミニラム
との金属間化合物の粒子径を50μm以下に調整すると
高温強度に優れたマトリックスを形成することができる
。金属間化合物の粒子径が50μmを超えるような粗大
な結晶組織を有する場合は強度の低下が著しく、目的と
する高温強度が得られない。
この粒子径の調整は、例えば溶湯噴霧法(アトマイズ法
)を利用してA1合金粉末を調製する際に行われる。こ
の溶湯噴霧法は所定組成を有する金属の溶湯を、例えば
アルミナ類の噴射ノズルから2〜10気圧の圧縮空気、
不活性ガス等の粉化用気体を吹き込んで粉化し、ノズル
下部に配設した水槽中に集積させる方法であり、ノズル
の間口吊、溶湯のt1人速度、粉化用気体の圧力および
温度などを調節することによって、粉末の粒径・粒径分
布および冷却速度を変えることが可能であり、所望の粒
度、結晶組織を有する原料粉末を得る方法である。
そして本発明に係る高温摩耗特性に優れたアルミニウム
複合材料は、所定の割合で遷移金属元素を含んだAj金
合金アトマイズ法などの忠速凝固法により粉末状に調製
し、得られたアルミニウム合金粉末に対して所定の休積
率でセラミック製の強化材を添加して均一な混合体を形
成し、得られた混合体を通常の粉末冶金法に従って、熱
間成形加工することによって製造される。
このように本発明に係るアルミニウム複合材料によれば
、早い冷却速度で凝固したAIと遷移元素合金の過飽和
強制固溶体の相分解速度が遅く、微細に分散したAオと
遷移元素との金属間化合物の熱的安定性が高いため、4
00℃程度の高温下においてもほとんど強度が低下せず
、熱的安定性が高いアルミニウム合金製マトリックスが
形成され、さらにそのマトリックスを耐摩耗性および耐
熱性に優れたセラミツゲス製の強化材で強化しているた
め、高温度における耐摩耗特性に優れたアルミニウム複
合材料を提供することができる。
(実施例) 次に本発明を以下の実施例によって説明する。
施例1〜4、 較例1〜3 第1表に示す組成を有する実施例1〜4の各アルミニウ
ム合金粉末(平均粒径44μm)を毎秒100℃の冷却
速度にて7トマイズ法により製造し、上記各アルミニウ
ム合金粉末に対して強化材としてSiC粒子およびSi
Cウィスカーを第1表に示す休積率の割合で添加し均一
に混合して混合体をw4製した。
次に得られた混合体を直径100sllの型に充填し、
冷間圧縮成形した後圧力容器に挿入し、真空脱ガスした
後キャンニングした。次に、温度400℃に加熱した状
態で100(lf/dの加圧力を作用させて熱間静水圧
プレス成形法(HIP)により成形加工を行い、高さ1
00JIIのアルミニウム複合材料を製造した。
一方比較例1〜3として、従来一般に使用されている時
効熱処理型の高力耐食アルミニウム合金である6061
アルミニウム合金、7075アルミニウム合金、202
4アルミニウム合金(合金記号はアメリカアルミニウム
協会標準記号で示している。)の粉末に強化材としてS
iC粒子およびSiCウィスカーを休積率でそれぞれ5
%、15%を添加して、実施例1〜4と同様な条件で熱
間成形加工を行い、アルミニウム複合材料を製造した。
〔以下余白〕
次に得られた各アルミニウム複合材料を、それぞれ室温
、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃
および350℃の各試験温度で100峙間加熱した後に
、その試験温度において引張試験を行い、引張強ざの変
化量を測定し、第1図に示す結果を得た。
第1図より明らかなように、本実施例1〜4に係るアル
ミニウム複合材料の室温における引張強さは55〜60
 Kg f /−であり、温度350℃においてら40
 Kg f /−以上の値を有し、高温強度が極めて優
れていることが実証された。
一方、従来材である6061合金、7075合金および
2024合金をマトリックスとした比較例1〜3に示す
時効熱処理型のアルミニウム複合材料では、室温におけ
る引張強さはそれぞれ52Kyf/d、58にgf/−
および56 Ky f /−であり、実施例1〜4と同
等もしくは若干低い値を呈しているが、時効処理4度を
超える200℃以上の温度領域において急激に低下する
傾向があり、300℃を超えると引張強さは20 Kg
 f /−以下まで低下してしまう。
次に本発明に係るアルミニウム複合材料の耐摩耗特性に
ついて説明する。
実施例1〜4および比較例1〜3で得られた各アルミニ
ウム混合材料から、第5図および第6図に示す形状およ
び寸法を有する試料1を切出した。
次に各試料1を第7図に示すように機械4R造用鋼(S
KI−1−51)で調製した相手材2に5 Kyの荷重
を作用させた状態で摺接させる。そして試験調度を室温
から100℃、150℃、200℃、250℃および3
00℃に設定し、相手材2を矢印方向に往復移動させて
試料の比摩耗量を測定した。
なお試料の摩耗域mは摩耗試験前後における試料のff
1ffi差を測定しn出した。
上記摩耗試験結果を第2図に示す。
第2図の結果から明らかなように実施例1〜4に係る試
料は、試験温度が室温から300℃まで変化した場合に
おいても、比摩耗量は2×10  −/に9・mから1
 X 10−9m1/ Kg・mへとrli慢な増加率
で変化しており、高温時においても耐摩耗特性が八く保
持されることが実証された。
一方、比較例1〜3に示すように時効熱処理型の606
1合金、2024合金および7075合金をマトリック
スとしたアルミニウム複合材料では1、試験温度が室温
から300℃まで変′化するに伴って、比摩耗量がそれ
ぞれ8 X 10 ’−/Ks・鱈から6X10 −/
に9・tm、5 x 10−9td/Ky・履から6 
x 10−8td/Ky・履および6X10−9−/ 
Kg・馴から5 X 10−8d/4y・Mへと急激に
増加し、高温領域における耐摩耗特性が急激に低下4゛
ることが判明した。
また各試験温度で摩耗試験を実施した各試料の摺#面を
走査型電子W1微鏡を用いて観察した結果、比較例1〜
3の試料では、試験温度の上昇に比例してマトリックス
合金の軟化が観察され、マトリックス中に分散されてい
た強化材のIIIまたは粒子のすべりおよび脱落が多数
観察された。
一方実施例1〜4の各試料については、試験温度範囲全
域にわたって、強化材のすべりまたは脱落は少なく優れ
た耐摩耗特性が得られていることが確認された。
例5〜8゛4〜6 また第2表に示す組成を有する実施例5〜8の各アルミ
ニウム合金粉末(平均粒径44μm)を毎秒110℃の
冷却速度にてアトマイズ法により製造し、上記各アルミ
ニウム合金粉末に対して強化材としてSiC粒子および
SiCウィスカーを第2表に示す休積率の割合で添加し
均一に混合して混合体をW4製した。
次に得られた混合体を実施例1〜4と同様に成形加工を
行ない、アルミニウム複合材料を製造した。
一方比較例4〜6として、従来一般に使用されている時
効熱処理型の高力耐食アルミニウム合金である6061
アルミニウム合金、7075アルミニウム合金、202
4アルミニウム合金(合金記号はアメリカアルミニウム
協会標準記号で示している。)の粉末に強化材としてS
iC粒子およびSICウィスカーを休積率でそれぞれ1
5%。
5%を添加して、実施例5〜8と同様な条件で熱間成形
加工を行い、アルミニウム複合材料を製造した。
〔以下余白〕
次に得られたアルミニウム複合材料をそれぞれ室温から
400℃の温度範囲において加熱し、各試験温度で10
0#l2i1加熱した後に実施例1〜4と同様に引張試
験を行ない、第3図に示す結果を得た。
第3図より明らかなように本実施例5〜8に係るアルミ
ニウム複合材料の室温における引張強さは46〜53 
Ky f /−であり、温度350℃においても28 
Ky f /−以上の値を有し、高温強度が極めて優れ
ていることが実証された。
一方、従来材である6061合金、7075合金および
2024合金をマトリックスとした比較例4〜6に示す
時効熱処理型のアルミニウム複合材料では、室温におけ
る引張強さはそれぞれ40K11′/xi、47KIf
/−および45 Ky f /−であり、実施例5〜8
より若干低い値を呈しているが、時効処理温度を超える
200℃以上の温度領域において急激に低下する傾向が
あり、300℃を超えると引張強さは10Ksf/−程
度まで低下してしまう。
また実施例5〜8、比較例4〜6に係るアルミニウム複
合材料について実施例1〜4、比較例1〜3と同様な摩
耗試験を実施し、第4図に示す結果を得た。
第4図の結果から明らかなように実施例5〜8に係る試
料は、試験!!度が室温から300℃まで変化した場合
においても、比摩耗量は8 X 1G”ml / K9
・履から6 X 10−9d/Kg・層へと緩慢な増加
率で変化しており、高温時においても耐摩耗特性が高く
保持されることが実証された。
一方比較例4〜6で示すように時効熱処理型のアルミ合
金を7トリツクスとしたアルミニウム複合材料では、室
温から300℃の高温度領域に至る全温度範囲において
比摩耗量が実施例5〜8より10倍以上大きく、耐摩耗
特性が低いことがわかる。
〔発明の効果〕
以上説明の通り本発明に係るアルミニウム複合材料によ
れば、耐熱性および高温強度に優れた遷移金属元素をマ
トリックスであるアルミニウム中に添加しているため、
高温下においてもほとんど強度が低下せず、熱的安定性
が高いアルミニウム合金製マトリックスが形成され、さ
らにそのマトリックスを耐摩耗性および耐熱性に優れた
セラミックス製の強化材で強化しているため、高温度に
おける耐摩耗特性に優れたアルミニウム複合材料を提供
することができる。
験要領を示す正面図である。
1・・・試料、2・・・相手材。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.Fe,Mn,Co,Ni,Mo,W,Tiから選択
    された少くとも1種の遷移金属元素を重量パーセントで
    0.5%以上30%以下含有し、Zr,Cr,Vから選
    択された少くとも1種の遷移金属元素を0.1%以上1
    5%以下含有し、残部がアルミニウムおよび不可避的不
    純物からなるマトリックスとしてのアルミニウム合金と
    、上記アルミニウム合金に対して休積率5%以上40%
    以下の割合で添加され均一に分散されたセラミックス繊
    維およびセラミツクス粒子の少くとも一方から成る強化
    材とから成ることを特徴とする高温摩耗特性に優れたア
    ルミニウム複合材料。
  2. 2.アルミニウム合金は重量パーセントでSiを0.5
    %以上30%以下、Cuを0.5%以上15%以下、M
    gを0.5%以上15%以下含有することを特徴とする
    請求項1記載の高温摩耗特性に優れたアルミニウム複合
    材料。
  3. 3.アルミニウム合金中の遷移金属元素とアルミニウム
    との金属間化合物の粒子径が50μm以下であることを
    特徴とする請求項2または請求項3記載の高温摩耗特性
    に優れたアルミニウム複合材料。
JP1189689A 1989-01-23 1989-01-23 高温摩耗特性に優れたアルミニウム複合材料 Pending JPH02194135A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1050883C (zh) * 1994-09-30 2000-03-29 中国航空工业总公司第六二一研究所 铁基金属陶瓷摩擦副材料及其制备方法
DE102018222435A1 (de) * 2018-12-20 2020-06-25 Volkswagen Aktiengesellschaft Legierung und Bauteil mit einer hohen spezifischen Steifigkeit

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