JPH0261023A - 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か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
ｌ−３ｉ系合金のＡＣ３ＡＡＣ４Ａ、ＡＣ８Ａ等の鋳物
用合金や、ＡＤＣＩＡＤＣ３、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１２
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Ｃｕ、
Ｍｇ等）を添加したＡ３９０　（ＡＪＬｃｏａ規格）等
の合金が知られている。

（発明か解決しようとする課題） 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だ満足できるもので
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
添加することか試みられたか、鋳造時に添加元素の偏析
や初品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１本発明は強度、伸び、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、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
的を達成しう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）Ｓｉ　　５〜３５重量％
（以下単に％と記す）、Ｆｅ１〜１５％、Ｍｎ　０．３
〜１０％を含み、かつＣｅ００１〜５％、Ｗ０．１へ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２
５％を越えない量であり残部がＡ２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２０ｐｍ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）Ｓ　ｉ　　５〜３５重量％、Ｆｅ１
〜１５％、Ｍｎ０．３〜１０％を含み、かっ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％を越えない量であり残部がＡ
ｌと不可避的不純物を有してなるＡｌ合金溶湯な急冷慶
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
きさおよび量は、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、耐摩耗性の改善
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。

Ｍｎ含有量は、０．３〜１０％とする。すなわちＭｎは
、微細な析出物を形成し、またその一部がＡｌ中に固溶
することによって強度を高める作用をする。この作用は
Ｍｎ含有量が０．３％よりも少ない場合は十分ではなく
、他方Ｍｎ含有量が１０％越えてもその作用が向上しな
いばかりか靭性が低下する。

Ｃｅ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏは１種または２種以上含有するも
のとする。すなわち、これらの元素は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。これら作用によって高温強度を高め
る。Ｃｅ、Ｗ、Ｔｉ、ＭｏはそれぞれＣｅ０９１〜５％
、ＷＯ０１〜５％、Ｔｉ　　０．１〜５％、Ｍｏ０．１
〜５％の範囲で含有され、含有量が下限よりも少ないと
その作用か十分でなく、他方上限を越えてもその作用は
向上し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か２５％
を越えてもその作用の向上がないばかりでなく、コスト
の上昇をもたらす。

以上の各元素の残部はＡｌ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粒子の平均粒径な２
０ｐｍ以下としており、これは、初晶Ｓｉ粒子の平均粒
径が２０μｍより大きくなると強度、靭性１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２ｇｍ以下としている。これは金属間化合物の平均サ
イズか２ｐｍ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／１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。

Ａ９．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２ｐｍ以下とすることかできる。１０２°Ｃ
／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
冷眞−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時の
温度は高いほど良いが、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細に説明する。

第１表に掲げるＮ０．　１−Ｎ０．　１２の合金溶湯か
ら、Ａｒガスアトマイズ法によって平均粒径７０ＪＬｍ
の粉末を製造した。アトマイズにおける冷却速度は１０
３〜１０４°Ｃ／ＳｅＣであった。

次いで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（３
００’Ｃにて）→熱間プレス成形（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℃にて押出し、直径３
０ｍｍの押出棒とした。また第１表のＮ０．１３〜Ｎ０
．１５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１５０ｍｍ
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°Ｃ（保持時間１００ｈｒ）での引張
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、摩耗圧ｌｌＩ１２００ｍ）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）の初品について
測定を行い、その大きさを平均して初晶Ｓ１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債以上）
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、本発明合金材は比摩耗量が
小さく、室温および高温で高い強度を示しており耐摩耗
性、耐熱性に優れている。

すなわち、第２表の結果を具体的に説明すると、Ｎ０．
１〜Ｎ０．１０の実施例は、室温、２５０°Ｃにおける
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、Ｎ０．１１〜Ｎ０．１５の比較例においてＮ０．
１１は室温、２５０″Ｃ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
。Ｎ０．１２は室温における引張強さは良好であるが、
２５０℃における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、Ｎ０．１３、Ｎ
０．１４は、室温。

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い。さらにＮｏ。

１５においては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。

（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
させてこれを圧縮成形加工製造されるから、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％、Ｍｎ０
   ．３〜１０％を含み、かつ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％、Ｍｎ０
   ．３〜１０％を含み、かつ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。