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