JPH03249145A - Ｔｉ―Ａｌ系合金を用いた材料の製造方法と製品 - 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】 ａ、　産業上の利用分野 本発明はＴｉ−Ａ　ｌ系の合金、即ち金属間化合物を処
理することによって、利用範囲を拡大した材料の製造方
法と、その材料を利用した製品（特にピストン）に関す
る。

ｂ、　従来の技術 チタン（Ｔｉ）は稠密六方格子（ｈｃｐ）の結晶構造か
らなり、これに面心立方格子（ｆｃｃ）の結晶構造から
なるアルミニウム（Ａ　ｊ！　）が固溶してゆくと、Ｔ
ｉの結晶構造にへ！原子が置換される形で合金化が進行
する。しかし加える八ｌの量がある組成域以上になると
、Ｌｌｏ型と呼ばれる結晶構造を有する金属間化合物即
ちＴｉＡ　ｊ！が生成する。

一般にこの金属間化合物は構成元素と異なる結晶構造を
有し、共有結合化合物、イオン結合化合物、電子化合物
といった様々な原子結合様式を有するのが特徴である。

従って、共有結合性の強い化合物はセラミックスに似た
物性を有し、電子結合性の強い化合物は金属に似た物性
を有する。いわば金属とセラミックスの中間の材料群に
位置するのが金属間化合物である。

Ｔｉ−＾ｌ系にはＴｉ３＾ｊ！　、ＴｉＡ　ｊ！　、Ａ
　ｊ！　３Ｔｉの３種の金属間化合物が存在し、特にＴ
ｉＡ　ｌはＴｉと＾ｌとを原子比率で１：１の割合で固
溶させた場合に形成される。これは高温になるにつれて
強度が増すという“強度の逆温度依存性”を有し、室温
付近では殆ど延びを示さない、しかし８００〜９００℃
付近から急に延びを示す脆性−延性遷移温度を有してい
る。従ってＴｉＡ　ｊ！は比重３．７　と軽いことから
Ｎｉ基超超耐熱合金代替しうる材料として注目を集める
ようになった。

一方、ピストン頭部を強化し、耐熱性を向上させるため
ＳｉＣなどのウィスカーによってプリフォームを作成し
、これを型にセットして八１合金の溶湯を注いでピスト
ンを加圧鋳造する方法（ＦＲＭ化）がおこなわれている
、またＡ　ｆ！　ｔａｘセラミックス等の小片を鋳ぐる
むことによりピストン頭部を強化する方法がおこなわれ
ている。さらにセラミックス粉末を溶射する方法なども
知られている。

Ｃ１発明が解決しようとする課題 前記τｉＡｌは耐酸化性に優れ、前記のように温度の上
昇と共に強度も上昇する強度の逆温度依存性を有してい
るが、従来の耐熱合金に比較すると著しく脆く、前記Ｎ
ｉ基超超耐熱合金代替材料としては不適当である。

一方、前記ＦＲＭ化ピ大ピストンプリフォームによる複
合化部と母材との境界部分に熱膨張や凝固収縮率の違い
により割れや鋳巣が発生し易く、その複合化部は熱伝導
率が悪くピストンの蓄熱を招き、またプリフォームのコ
ストが高いという問題点がある。さらにウィスカーとＡ
ｌ溶湯の１ぬれ性”に問題がある。

またセラミックスを鋳ぐるんだものでは、母材との界面
での接合力に問題があり、特に急加熱。

急冷などの熱衝撃に弱く信転性に欠けるという欠点があ
る。

さらに溶射被膜も密着強度に一様性がなく、表層剥離が
熱衝撃存在下で発生し易い。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記問題点
を解消すべく、前記従来の複合強化材料に匹敵またはそ
れ以上の軽量耐熱性を備えたＴｉ−Ａ　ｊ！系合金材料
の製造方法と、それを用いたピストン及びその製造方法
を提供することを目的とする。

ｄ、　課題を解決するための手段 前記目的に添い、本発明は、 ＴｉＡ　ｆｆｉと純Ａｌの各粉末をＴｉＡ　ｉｔ　−（
３０〜７０）御ｔ％＾ｌの割合で混合したあと、少なく
とも４″／ｄ以上の圧力で成形し、これを５００〜５５
０℃の温度で予備焼結したあと、この予備焼結体に対し
、真空又は不活性ガス雰囲気中において溶浸温度７５０
〜８５０℃、溶浸重量比１０〜３０％となるように耐熱
性のアルミニウム合金を溶浸させたＴｉ−Ａｊｊ系合金
材料の製造方法と、この材料を用いたピストンと、その
製造方法を提供することによって前記課題を解消した。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳
細に説明する。

第１図に示す要領で、まず、ボールミル等を用いてＴｉ
Ａｌ粉末と純＾ｌ粉末とを、第１表に示す条件に従って
秤量し、充分に混合する。

第１表 なお、前記条件において、純Ａｌが７０ｗｔ％以上にな
るとαＡｆｆｉの晶出面積率が大きくなり、強度。

耐熱性が共に期待できない、また純Ａｌが３０ｗｔ％以
下ではＴｉＡ　ｌとＡｉｔのぬれ性が悪いため、後述の
溶浸処理ができない。

次にバンチ１とダイス２によって、第２表に示す加圧成
形条件によって加圧し成形体３を得る。

第２表 なお、前記加圧成形条件において、ＴｉＡ　ｊ！粉末は
塑性変形能が小さいため、純Ａｌ粉末が少ない時は大き
な成形圧力が必要である。また純＾ｌが多い場合（５０
ｗｔ％Ａｌ以上）でも、加圧力が４　’／ｃｊ以下にな
ると成形体が弱く、予備焼結の場合でもＡｌの蒸発が多
くなり、内部の空隙が大きくなり過ぎるので好ましくな
い。

次にこの成形体３に対し予備焼結を焼結炉４において第
３表に示す条件でおこない、成形体の強度を増加する。

第３表 なお、この予備焼結は５００℃以下では成形体の強度は
向上せず、一方焼結に３時間以上かかるとＡｌが蒸発し
てしまう。

次に、この予備焼結を施した焼結体５に対し、高Ｓｉを
含有する熱処理性耐熱アルミニウム合金を浸透させる。

たとえばＡＣＢＡ　、ＡＣ８Ｂ、　ＡＣ９Ａ、　ＡＣ９
Ｂ。

＾３９０等の合金を、溶浸材料６とし用い、これを前記
焼結体５上に載置し、第４表に示す条件で炉７内で溶浸
処理を施す、なお、溶浸とは、強固な多孔質体（焼結体
など）に対し、これよりも低融点の金属または合金の溶
湯を浸入させて緻密な焼結体とする処理方法である。

第４表 表における溶浸の雰囲気は真空、アルゴン、水素の雰囲
気がよい。

次に強度を更に増加するため、Ｔ６処理（溶体化処理後
、人口時効硬化させる処理をいう、ＪＩｓに規定）を施
す。

前記処理により得られた材料について圧縮強さ・硬さと
Ａ１組成比及び温度との関係を第２図及び第３図に示す
、なお、第２図は溶浸材は八Ｃ９Ｂ、その溶浸重量比は
３０％としたもの、第３図はＴｉＡ　１４０ｕｔ％＾ｌ
に対し、同条件で処理したものである０図中でＴｂは丁
、処理を施したもの、ＡＳはＴ、処理を省いた場合を示
す。

第２図によれば、ＴｉＡ　ｊ！に対するＡｌのｗｔ％が
増加するにつれてＡＳ材＋　Ｔｂ材とも順調に圧縮強さ
。

硬さが増加し、６０ｗｔ％Ａｎ付近から、溶浸した材料
のＡＣ９Ｂの値に近くなる。

ＴｉＡｌ！、−４０ｗｔ％Ａｌの焼結体に３０ｗｔ％の
ＡＣ９Ｂを溶浸したものでは、第３図に示すように、Ａ
Ｓ材。

Ｔｈ材とも高温における硬さの低下は少なく　、３００
℃以上では母材のＡＣ９Ｂより硬（なることが判る。

また、金属組成をみたところ、耐熱性があるが脆いＴｉ
−Ａ　ｌ系金属間化合物（Ａ　ｌ　ｉＴｉ、　ＴｉＡ　
ｌ　）の粒子に対し、延性に優れたＡｉ合金が、これを
覆っており、全体的に双方の欠点を補いあった材料とな
っていた。

以上の結果から、本発明の方法により処理したものは、
従来の耐熱アルミ合金に比較して、特に３００℃以上で
優れた性能をもつことが判る。

次に本発明に係る方法で処理した材料を製品、たとえば
ピストンに応用した実施例について説明する。

第１図に示すように、まず、ＴｉＡ　ｌ粉末と純ＡＪ！
粉末とをＴｉＡｌ−５０ｗｔ％Ａｌの比率で秤量し、充
分混合する。

次にこの混合粉末を前記第２表に示す条件で、成形圧力
８　’／ｃｊ以上で加圧し、ピストン頭部に対応する大
きさの成形体３を得る。これを焼結炉４に収容し、約５
５０°Ｃで２時間に亘って予備焼結を施す。

次にこの予備焼結体５を、第１図に分岐して示すように
金型１０内であって、ピストン頭部に相当する位置にセ
ットする。この場合、この予備焼結体５は約４００℃に
予め予熱しておく。

次に溶融した約７５０℃のアルミ合金ＡＣ８Ａの溶湯１
１をこの金型１０に注ぎ、パンチによって加圧鋳造（溶
浸処理に相当）を施す、この結果、鋳ぐるまれた予備焼
結体５にアルミ合金が浸透してゆき、その部分ではＡ　
ｊ！　ｚＴｉが基合金となったものかえられる。

次に、このピストンに対し、熱処理（Ｔ＆処理）を施し
て完成する。

このようにして鋳込まれた部分は約３００℃以上でＡＣ
８＾そのものより高温強度が高く、また熱伝導率、熱膨
張率もほぼ同様であり、鋳ぐるみに適している。

なお、前記処理においては加圧鋳造に代って重力鋳造に
よってもよい。

この実施例の方法によれば、耐熱性に優れているが成形
性が悪く、脆く、かつ難焼結性であるＡ　ｌ　ｓＴｉを
最初から使用せず、ＴｉＡｌと純Ａｌの成形焼結体によ
って所定形状（即ちピストン頭部に収まる形状）とし、
これにアルミ合金の溶湯を注いで、反応させて、Ａｌｚ
Ｔｉ合金に変化させて、ピストン頭部の耐熱性を向上さ
せている。勿論、このＡ　ｊｌ！３Ｔｉ　は延性のある
Ａｌによって覆われているため脆い性質が改善されてい
る。

ｅ、　発明の効果 本発明の方法によれば、次のような効果が得られる。

■　ピストンの強化に、ＦＲＭや溶射方法が用いられて
いたが、これらの方法はコストが高いという難点があっ
た。これに対し本発明の方法によればコスト的にも安く
処理することかできる。

■　ピストン用として用いられる材料（例えばＡＣ８Ａ
）　より、約３００℃以上の温度で高い強度のものが得
られる。

■　切削性を害する粗大化した初晶シリコンが、本発明
の方法によって消失するため、切削性が向上する。

■　成形後に、Ａｌ□Ｔｉを基合金とする組成となるた
め、熱膨張率が小さく、ＳｉＣ等のセラミックスより熱
伝導率が大きいＡｊｌ！ｚＴｉの特性が利用でき、エン
ジン部品として有効な材料となる。

■　Ａ　ｊ！　ｓＴｉを基合金としてＡｌも存在するた
め、これをアルミ合金（へＣ８＾等）に鋳ぐるんでもそ
の境界部の接合性が良好であり、従来のような割れなど
が発生するおそれはない。

■　強化部は熱膨張率、熱伝導率ともへＣ８Ａ等に近い
ため、熱衝撃に強く耐久性に優れた製品かえられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る方法の実施要領を説明する図、第
２図は本発明の方法で処理した材料のへ１組成比と硬さ
及び圧縮強さとの関係を示す図、第３図は同じく温度と
硬さとの関係を示す図である。 ３・・・成形体、　　　　５・・・予備焼結体。 特 許 出 顧 人 鈴木自動車工業株式会社 （ほか２名） 硬さ／Ｈｖ 硬さ／ＨＲＦ 手 続 （甫 正 書 （自発） 平成 事件の表示 平成２年特許願第４８４０１、 発明の名称 Ｔｉ−Ａ　ｊ！系合金を用いた材料の製造方法と製品補
正をする者 事件との関係 名称　　（２０８）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ＴｉＡｌと純Ａｌの各粉末をＴｉＡｌ−（３０〜７
   ０）ｔ％Ａｌの割合で混合したあと、少なくとも４＾ｔ
   ／ｃｍ＾２以上の圧力で成形し、これを５００〜５５０
   ℃の温度で予備焼結したあと、この予備焼結体に対し、
   真空又は不活性ガス雰囲気中において溶浸温度７５０〜
   ８５０℃、溶浸重量比１０〜３０％となるように耐熱性
   のアルミニウム合金を溶浸させることを特徴とするＴｉ
   −Ａｌ系合金材料の製造方法。 ２）前記耐熱性のアルミニウム合金がＪＩＳＡＣ８Ａ、
   ＡＣ８Ｂ、ＡＣ９Ａ、ＡＣ９Ｂ、Ａ３９０及びこれに類
   する合金であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載のＴｉ−Ａｌ系合金材料の製造方法。 ３）ＴｉＡｌと純Ａｌの各粉末をＴｉＡｌ−（３０〜７
   ０）ｗｔ％Ａｌの割合で混合して加圧成形後、５００〜
   ５５０℃の温度で予備焼結してプリフォームを製作し、
   これを鋳造用型にセットしたあと、ピストン用アルミ合
   金の溶湯を注いで該溶湯を焼結体内に浸透させ、ピスト
   ン頭部のプリフォームの部分にＡｌ＿３Ｔｉを基合金と
   する強化部を形成したことを特徴とするピストンの製造
   方法。 ４）アルミ合金製ピストン頭部の特定区域にＡｌ＿３Ｔ
   ｉを基合金とする強化部を有するピストン。