JPH0261021A - 耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材及びその製造方法 - 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） 本発明は耐熱性と耐摩耗性に優れるアルミニウム合金材
およびその製造方法に関するものである。

（従来の技術） 内燃機関のシリンダーブロック、シリンダーライナー、
ピストン、ロッカーアームおよびコンプレッサーのベー
ン、ＶＴＲ用シリンダー等では摺動部において耐摩耗性
、耐熱性、低熱膨張率などの特性が特に必要とされてい
る。

一方、これらの部材の材料をアルミニウム合金とできれ
ば、軽量化に伴なう多くの利点が得られることは明白で
ある。耐摩耗性の良好なアルミニウム合金としては、Ａ
ｎ−Ｓｉ系合金のＡＣ３Ａ、ＡＣ４Ａ、ＡＣ８Ａ等の鋳
物用合金や、ＡＤＣｌ、ＡＤＣ３，ＡＤＣＩ０．ＡＤＣ
ｌ２等のダイカスト合金（以上、合金記号はＪＩＳ規格
による。）がある、またＳｉ以外の第三元素（例えばＣ
ｕ、Ｍｇ等）を添加したＡ３９０　（ＡｆＬｃｏａ規格
）等の合金が知られている。

（発明が解決しようとする課８） しかしながら、これらの従来のアルミニウム合金材は、
上記の内燃機関におけるシリンダーブロック、シリンダ
ーライナーなどの部材とするにはまた満足できるもので
はなかった。

すなわち、前記従来のアルミニウム合金は鋳造用合金で
あって、耐摩耗性についてはある程度満足したものが得
られているが、耐熱性、加工性の良好なものは得られて
いない、そこで特に重要とされる耐熱性および耐摩耗性
をともに改善するために、多量のＳｉやＦｅ、Ｎｉ等を
添加することが試みられたが、鋳造時に添加元素の偏析
や初晶の粗大化等が発生してしまい、本来の強度、伸び
靭性等の特性をかえって著しく低下させる結果となって
しまった。

したがって、本発明は強度、伸びおよび靭性等を改善し
た耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材を提供することを
目的とする。

また本発明は、強度、伸びおよび靭性等を改善した耐熱
、耐摩耗性アルミニウム合金材の製造方法を提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは上記課題を解決するため鋭意研究を行った
結果、特定の高ケイ素アルミニウム合金組成の溶湯な急
冷凝固させたものを圧縮成形加工することにより上記目
的を達成しつることを見出しこの知見に基づき本発明を
完成するにいたった。

すなわち本発明は、　（１）Ｓｉ５〜３５重量％（以下
中に％と記す）、Ｆｅ１〜１５％、Ｃｕ０．５〜８％、
ＭｇＯ０２〜５％を含み、かつＺｒ０．２〜３％、Ｖ０
．１〜５　％、Ｃｅ０．１〜５　％、ＷＯ０１〜５％、
Ｔｉ０．１〜５％、Ｍｏ０．１〜５％のうち１種または
２種以上を含み、Ｓｉを除いた添加元素の総量が２５％
を越えない量であり残部がＡｎと不可避的不純物を有し
てなり、初晶Ｓｉ粒子の平均粒径が２０μｍ以下であり
、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サイズが２ＪＬｍ以下
であることを特徴とする耐熱、耐摩耗性アルミニウム合
金材及び（２）Ｓｉ５〜３５重量％、Ｆｅ１〜１５％、
Ｃｕ０．５〜８％、Ｍｇ０．２〜５％を含み、かつＺｒ
０．２〜３％、Ｖ０．１〜５％、Ｃｅ０．１〜５％、Ｗ
　０．１〜５％、Ｔｉ　０．１〜５％、ＭＯ０．１〜５
％のうち１種または２種以上を含み、Ｓｉを除いた添加
元素の総量が２５％を越えない量であり残部がＡＩＬと
不可避的不純物からなるＡｌ合金溶湯な急冷凝固法によ
り凝固させて粉末状、リボン状薄帯、フレーク状または
線状物を形成し、これを圧縮成形加工することを特徴と
する耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材の製造方法を提
供するものである。

本発明のアルミニウム合金材において各成分範囲を限定
した理由は以下の通りである。

Ｓｉ含有量は、５〜３５％とする。すなわち。

Ｓｉは急冷凝固中に初晶または共晶Ｓｉ粒子として微細
に分散し、耐摩耗性を向上させる作用があり、初晶Ｓｉ
粒子の大きさ及び量は、合金の凝固速度、Ｓｉ含有量に
依存し、凝固速度が大きいほど初晶Ｓｉ粒子は小さくな
るが、Ｓｉ含有量が多くなるにつれて粗大となる。した
がってＳｉの含有量は３５％を限界とする。Ｓｉ含有量
が３５％を越えると初晶Ｓｉが粗大となり、強度、靭性
、機械加工性が劣化する。また５％未満では、耐摩耗性
め改善効果が小さすぎて、耐摩耗性材料として利用でき
ない。

Ｆｅ含有量は、１〜１５％とする。すなわちＦｅは急冷
凝固中に金属間化合物として微細に分散して高温強度を
高める作用をするが、Ｆｅ含有量が１％よりも少ない場
合は十分でなく、他方１５％を越えて含有されてもその
作用の向上がないばかりでなく、金属間化合物が粗大と
なって高温強度が低下する。

Ｃｕ含有量を０．５〜８％およびＭｇ含有量を０．２〜
５％とする。すなわち、ＣｕおよびＭｇは微細な析出物
を形成し室温強度を高める作用をするか、Ｃｕ含有量が
０．５％、Ｍｇ含有量が０．２％よりも少ない場合は上
記作用は十分ではなく、他方Ｃｕ含有量が８％、Ｍｇ含
有量が５％を越えても上記作用が向上しないばかりか靭
性が低下する。

Ｚｒ０．２〜３％、Ｖ０．１〜５％、Ｃｅ００１〜５％
、ＷＯ１１〜５％、Ｔｉ０．１〜５％、Ｍｏ０．１〜５
％のうち１種または２種以上を含むものとする。すなわ
ちこれら各元素のうち１種または２種以上含むことによ
り、Ｆｅを含む金属間化合物の熱的安定性を高める作用
と、その化合物を微細化する作用がある。これらの作用
によって高温強度を高めることができる。この作用は上
記各元素の含有量が下限よりも少ないとその作用・が十
分でなく、他方上限を越えて含有されてもその作用の向
上がないばかりかコストの上昇をもたらす。

またＳｉを除いた含有元素の総量は２５％を越えない量
とする。すなわちＳｉを除いた含有元素の総量が２５％
を越えてもその作用の向上がないばかりか、コストの上
昇をもたらす。

以上の各元素の残部はＡｆＬと不可避的不純物とからな
り、その不可避的不純物としてＢｅ、Ｂ、Ｎａ、Ｃａ等
が０．５〜５００ｐｐｍの範囲であれば、本発明の合金
材特性に影響をあたえるものではない。

さらに本発明においては、初晶Ｓｉ粒子の平均粒径を２
０７１ｍ以下としており、これは、初晶Ｓｉ粒子の平均
粒径が２０ｇｍより大きくなると強度、靭性、機械加工
性が劣化するからである。

また本発明では、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サイズ
を２ＪＬｍ以下としている。これは金属間化合物の平均
サイズが２ＪＬｒｎより大きくなると、高温強度すなわ
ち耐熱性が劣化するからである。

次に本発明のＡｌ合金材は、前記組成のＡｌ合金溶湯な
急冷凝固法により凝固させて粉末状、リボン状薄帯、フ
レーク状または細線状物を形成したものを圧縮成形加工
して製造したものである。

Ａｌ合金溶湯の冷却速度は、大きいほど初晶Ｓｉおよび
Ｆｅを含む金属間化合物は微細となり、通常１０２°Ｃ
／ｓｅｃ以上の冷却速度であれば初晶Ｓｉ粒子の平均粒
径が２０ｇｍ以下で、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サ
イズを２ＪＬｍ以下とすることができる。ｌＯ２°（／
ｓｅｃ以上の冷却速度が得られる急冷凝固法には例えば
アトマイズ法、回転円板法、ドラムスプラット法、急冷
ロール法等があり本発明ではいずれの方法を用いてもよ
い。

急冷凝固して得られた粉末状、リボン状薄帯、フレーク
状または細線状物をこのまま、または必要に応じて細片
化し、冷間予備成形→アルミニウム缶封入→加熱真空脱
ガス→熱間プレス成形→外削、脱臼→押出の工程で圧縮
成形加工する。この際、脱ガスの良好さ、加工性の良さ
から見ると加熱真空脱ガス、熱間プレスおよび押出１時
の温度は高いほど良いか、高温すぎるとＦｅを含む金属
間化合物が粗大化し、耐熱性が低下するので４００℃以
下とするのが望ましい。

なお１本発明においては上記製造工程によらなくても一
般のアルミニウム粉末冶金法ならいずれの方法を用いて
もよい。

（実施例） 次に本発明を実施例に基づきさらに詳６細に説明する。

第１表に掲げるＮ０．１〜Ｎ０．１７の合金溶湯から、
Ａｒガスアトマイズ法によって平均粒径７０ｐｍの粉末
を製造した。アトマイズにおける冷却速度はｌＯ〜ｌＯ
４°Ｃ／ｓｅｃであった。

次いて得られた各合金粉末を用いてそれぞれ冷間予備成
形（真密度の８０％まで圧縮、直径１００ｍｍ、長さ２
００ｍｍ）−＋アルミニウム缶封入→高温真空脱ガス（
３００℃にて）→熱間ブレス成形（真密度まで）→外削
・脱臼の工程により、直径８０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの
ビレットを作製し、これを３５０°Ｃにて押出し、直径
３０ｍｍの押出棒とした。また第１表のＮ０．１８〜Ｎ
０．２０の合金については冷却速度２０℃／ｓｅｃの金
型鋳造を行い切削加工して直径８０ｍｍ、長さ１５０ｍ
ｍの押出ビレットを作製し。

これを３５０℃で押出し、直径３０ｍｍの押出棒とした
。これら押出材の組織観察、室温および２５０℃（保持
時間１００ｈｒ）ての引張試験、大越式摩耗試験機によ
る摩耗試験（乾式、摩耗速度２．９１ｍ／ｓｅｃ、摩耗
距離２００　ｍ　）を行って、初晶Ｓｉ粒子の平均粒径
、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サイズ、室温および高
温強度°、比摩耗量を測定した。その結果を第２表に示
す。

なお、初晶Ｓｉ粒子の平均粒径は次のようにして求めた
。すなわち、各押出組織を光学顕微鏡を用いて観察し、
その組織写真から初晶Ｓｉの大きさを画像解析装置を用
いて測定する。多数（１０００個以上）の初晶について
測定を行い。

その大きさを平均して初晶Ｓｉの平均サイズとする。

また、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サイズは次のよう
にして求めた。すなわち、各押出材組織を透過型電子顕
微鏡を用いて観察し、その組織写真から化合物の大きさ
を画像解析を用いて測定する。多数（１０００個以上）
の化合物について測定を行い、その大きさを平均して化
合物の平均サイズとする。

第２表の結果が示すように１本発明合金材は比摩耗量か
小さく、室温および高温て高い強度を示しており耐摩耗
性、＃熱性に優れている。

すなわち、第２表の結果を具体的に説明すると、Ｎ０．
１〜Ｎ０．１５の実施例は、室温および２５０°Ｃでの
引張強さがそれぞれ良好な値を示しておりまた比摩耗量
も小さい。

他方、Ｎ０．　１６〜Ｎ０．２０の比較例において、Ｎ
０．１６は室温および２５０℃での引張強さが実施例に
比較して極端に低く、また比摩耗量もかなり大きくなっ
ている。Ｎ０．１７は室温での引張強さは良好であるが
、２５０℃での引張強さが極端に低下しており、比摩耗
量もかなり大きくなっている。またＮ０．ｌ　８．　Ｎ
０．１９は、室温および２５０℃での引張強さが実施例
に比較して極端に低く、また比摩耗量も極端に大きくな
っている。

さらにＮ０．２０においては２５０°Ｃでの引張強さが
極端に低下しており、比摩耗量もかなり大きくなってい
る。

（発明の効果） 本発明のアルミニウム合金材は、内燃機関のシリンダー
ブロック、シリンダーライナー、ピストン、ロッカーア
ーム、およびコンプレッサーのベーン、ＶＴＲ用シリン
ダー等に好適な、改善された強度、伸び、靭性等を有し
優れた耐熱、耐摩耗性を有する。またこのアルミニウム
合金材はアルミニウム合金溶湯な急冷凝固法により凝固
させたのち、これを圧縮成形加工して製造されるから、
元素の偏析や初晶の粗大化が抑制され強度、伸び、靭性
等の特性の低下がない。また本発明の製造方法はアルミ
ニウム合金溶湯な急冷凝固させたものを圧縮成形するだ
けであるから、量産及びコスト低下に優れた効果を奏す
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　Ｓｉ５〜３５重量％、Ｆｅ１〜１５％、Ｃｕ０
   ．５〜８％、Ｍｇ０．２〜５％を含み、かつＺｒ０．２
   〜３％、Ｖ０．１〜５％、Ｃｅ０．１〜５％、Ｗ０．１
   〜５％、Ｔｉ０．１〜５％、Ｍｏ０．１〜５％のうち１
   種または２種以上を含み、Ｓｉを除いた添加元素の総量
   が２５％を越えない量（以上、％は重量％を示す。）で
   あり残部がＡｌと不可避的不純物を有してなり、初晶Ｓ
   ｉ粒子の平均粒径が２０μｍ以下であり、Ｆｅを含む金
   属間化合物の平均サイズが２μｍ以下であることを特徴
   とする耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材。
2. （２）　Ｓｉ５〜３５重量％、Ｆｅ１〜１５％、Ｃｕ０
   ．５〜８％、Ｍｇ０．２〜５％を含み、かつＺｒ０．２
   〜３％、Ｖ０．１〜５％、Ｃｅ０．１〜５％、Ｗ０．１
   〜５％、Ｔｉ０．１〜５％、Ｍｏ０．１〜５％のうち１
   種または２種以上を含み、Ｓｉを除いた添加元素の総量
   が２５％を越えない量（以上、％は重量％を示す。）で
   あり残部がＡｌと不可避的不純物からなるＡｌ合金溶湯
   を急冷凝固法により凝固させて粉末状、リボン状薄帯、
   フレーク状または線状物を形成し、これを圧縮成形加工
   することを特徴とする耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金
   材の製造方法。