JPH06158195A

JPH06158195A - 高強度アルミニウム合金の製造方法および高強度アルミニウム合金

Info

Publication number: JPH06158195A
Application number: JP34148892A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Suzuki; 延明鈴木
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性，低膨張性および高強度を備えた高
強度アルミニウム合金の製造方法，高強度アルミニウム
合金および高強度アルミニウム合金用均一複合粉を提供
する。【構成】純Ａｌ粉にＳｉ、場合によって他にＦｅ，Ｍ
ｎ，Ｍｇ，Ｃｕ若しくはＺｎのうちの少なくとも一の原
料粉を混合し、得られる混合粉に場合によってさらにセ
ラミックス微粉を加えた後、これらを混練し、混合粉を
ボールを用いた混合機で短時間で均一複合粉とし、該均
一複合粉を固化成形することとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高強度アルミニウム合
金の製造方法，高強度アルミニウムおよび高強度アルミ
ニウム合金用均一複合粉に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＳｉをＡｌに多量に含有させる方
法としては、急冷凝固粉末をまず作製した後、固化成形
して素材を得る方法（急冷凝固法）、溶解・鋳造法、粘
鋳法（溶湯撹拌鋳造）あるいは混合粉若しくは複合粉を
作製した後固化成形する方法等が行われている。また、
高Ｓｉ含有粉とセラミックス粒子との複合化の方法とし
ては、上記粘鋳法あるいは混合粉若しくは複合粉を作製
した後固化成形する方法のみが行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、急冷凝固法で
は、設備コストが高く、また、比較的比重の小さなセラ
ミック粒子は溶湯表面に浮遊するため粉中に均一にセラ
ミックス粒子を取り込むことができない。溶解・鋳造法
では、図７に示すように耐熱性，耐摩耗性，低膨張性や
高強度をねらうためにＳｉを多量に含有させる（例えば
２５重量％）と、初晶Ｓｉが粗大化して晶出してしまう
ため、機械的性質が向上しないばかりか鋳造欠陥が出易
くなって鋳造歩留まりが大きく低下してしまう。粘鋳法
もこれと同様の欠点を呈する。混合粉若しくは複合粉を
作製した後固化成形する方法では、固化成形体の組織が
不均一である。高Ｓｉ含有粉とセラミックス粒子との複
合化においては、セラミックス粒子の凝集の問題が解決
されていない。

【０００４】したがって、本発明の目的は、上記欠点を
解消し、耐摩耗性，低膨張性および高強度を備えた高強
度アルミニウム合金の製造方法，高強度アルミニウム合
金および高強度アルミニウム合金用均一複合粉を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、請
求項１の高強度アルミニウム合金の製造方法は、純Ａｌ
粉にＳｉ、場合によって他にＦｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ若
しくはＺｎのうちの少なくとも一の原料粉を混合し、こ
れらを混練し、混合粉をボールを用いた混合機で短時間
で均一複合粉とし、該均一複合粉を固化成形することよ
り成ることを特徴とする。

【０００６】上記目的達成のため、請求項２の本発明
は、純Ａｌ粉にＳｉ、場合によって他にＦｅ，Ｍｎ，Ｍ
ｇ，Ｃｕ若しくはＺｎのうちの少なくとも一の原料粉を
混合し、得られる混合粉にセラミックス微粉を加えた
後、これらを混練し、混合粉をボールを用いた混合機で
短時間で均一複合粉とし、該均一複合粉を固化成形する
ことより成ることを特徴とする。

【０００７】上記目的達成のため、請求項３の発明の要
旨は、請求項１または請求項２の製造方法によって製造
された高強度アルミニウム合金にある。

【０００８】上記目的達成のため、請求項４の高強度ア
ルミニウム合金用均一複合粉は、純Ａｌ粉にＳｉ、場合
によって他にＦｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ若しくはＺｎのう
ちの少なくとも一の原料粉を混合し、これらを混練し、
混合粉をボールを用いた混合機で短時間で均一に混合し
て製造されることを特徴とする。

【０００９】上記目的達成のため、請求項５の高強度ア
ルミニウム合金用均一複合粉は、純Ａｌ粉にＳｉ、場合
によって他にＦｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ若しくはＺｎのう
ちの少なくとも一の原料粉を混合し、得られる混合粉に
セラミックス微粉を加えた後、これらを混練し、混合粉
をボールを用いた混合機で短時間で均一に混合して製造
されることを特徴とする。

【００１０】本発明で用いる原料純Ａｌ粉の粒径は、平
均３００μｍ以下であることが好ましい。これは、Ａｌ
の塑性変形抵抗が小さいことを利用して他元素の粒末を
容易にマトリックス内に取り込めるようにするためであ
る。また、純Ａｌ粉の酸素含有量は、０．１重量％以下
のものを用いることが必要である。

【００１１】本発明では原料純Ａｌ粉にＳｉ、場合によ
って他にＦｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ若しくはＺｎのうちの
少なくとも一の原料粉を混合する。純Ａｌ粉以外の元素
の全重量は、４０重量％以下とすることが好ましい。た
だし、低熱膨張率および高耐摩耗性を重視する場合に
は、Ｓｉは２０重量％以上であることが好ましい。

【００１２】なお、均一なメカニカル・アロイ粉を得る
ために、Ａｌ以外の粉末粒径は、１００μｍ以下のもの
を用いることが必要である。

【００１３】本発明では、耐摩耗性や粒子分散強化を応
用した高強化をねらうためのセラミックス粒子を添加す
ることができる。このようなセラミックス粒子として
は、ＳｉＣ，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＺｒＯ₂，Ｔｉ
Ｂ₂またはＴｉＣ等を添加することができる。耐摩耗性
を重視する場合には、ｈ―ＢＮ（六方晶型窒化ホウ素）
を用いることができる。その他、セラミックス粒子以外
にも、金属間化合物粒子を添加することも有効である。
例えば、Ｎｉ₃Ａｌ，ＴｉＡｌ，Ｍｇ₂Ｓｉ，ＣｕＡｌ
₃あるいは（Ａｌ，Ｃｒ）₃Ｔｉ，（Ａｌ，Ｍｎ）₃Ｔ
ｉを加えることが有効である。これらの粒子は、粒径が
１０μｍ以下とすることが好ましく、また、添加量は全
体の２０重量％以下であることが好ましい。

【００１４】本発明では、上記原料からメカニカル・ア
ロイ粉を得る。メカニカル・アロイ粉とは、一般的に
は、高エネルギーボールミル等による機械的撹拌によっ
て得られ、別の材料の粒子を結合または包含している粉
末のことである。

【００１５】メカニカル・アロイを行うための混合機
（装置）としては、高エネルギーボールミル（例えば、
アトライタあるいは遊星ボールミル等）を使用する。ア
トライタの一例を図１に示す。

【００１６】図１のアトライタ１では、シャフト２の回
転によってアジテータ３を回転させ、これによってボー
ル４を運動させる。このボール４の運動によって原料を
混合する。混合操作中、ガス流入口５からガスを流入さ
せ、混合雰囲気を一定に保つ。また、水流入口６から冷
却水を流入させ温度を一定に保つ。なお、図１で７はガ
ス排出口、８は水排出口である。

【００１７】上記ボール４は最大１インチ好ましくは３
／８インチの鋼球であることが好ましい。ボールと投入
粉末全重量の比率は、ボールの全重量と粉末の全重量の
比率が＝１５０：１ないし２０：１好ましくは１４０：
１である。また、潤滑剤を加えることができる。シャフ
ト２の回転数は１５０ｒｐｍ以上３５０ｒｐｍ以下であ
る（回転数は低くする）。アジテータ３の先端の周速度
は、３．５ｍ／秒以内とすることが必要である。なお、
排出時の回転数は１５０ｒｐｍ以下である。混合雰囲気
としてはＡｒあるいはＨｅ等を使用することができる。

【００１８】処理時間は短時間とし、１ないし２０時間
である。このように短時間とするのは、生産性を向上さ
せ、ボールの摩耗から来るコンタミネーションを防止す
るためである。すなわち、メカニカル・アロイ粉の断面
組織が図２のようになる程度で処理を終了する。この図
２の状態では、Ａｌのマトリックス中に合金化元素が取
り込まれていることが認められる（図は一粒の粒子を拡
大している）。なお、断面組織でコントラストが認めら
れなくなるまで微細化する必要はない。

【００１９】ボール４は、鋼球を使用することができ
る。セラミックス粒子を加える場合には、ＷＣ系の超硬
球、ＺｒＯ₂系あるいはＳｉＮ₄系等のセラミックスを
使用する。

【００２０】本発明では、上記メカニカル・アロイ粉を
固化成形することによってアルミニウム合金とする。

【００２１】固化成形の方法としてＨＩＰ（熱間静水圧
プレス）がある。この方法では、メカニカル・アロイ粉
を融点１，４００℃以上のアルミニウム合金製等の金属
製のカプセルに詰め、４００℃以下で真空引きしながら
封入する。このようにして得られたカプセルを熱間静水
圧プレスにより、液相線以下の温度で、５時間以内の時
間、加圧力５００ｋｇｆ／ｃｍ²以上で焼結する。その
後ビレット処理（使用したカプセルにより形成されるス
キン層を旋盤等によって切削除去するための処理）し、
必要により熱処理をした後、機械加工を行う。

【００２２】また、他の固化成形の方法として粉末鍛造
がある。この場合も、ビレット処理し、必要により熱処
理をした後、機械加工を行う。

【００２３】また、さらに他の固化成形の方法として熱
間押出しがある。この場合、ＣＩＰでメカニカル・アロ
イ粉を固化させるか、熱間静水圧プレスを行う場合と同
様にアルミニウム合金製等の金属製のカプセルに詰め
る。その後に、押出し比５以上、温度５５０℃以下で押
し出すことによって合金素材を得ることができる。

【００２４】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。

【００２５】実施例１（メカニカル・アロイ粉の製造）主にピストン用材料として優れているメカニカル・アロ
イ粉を製造した。成分組成としては、基材として純アル
ミニウム粉を用い、Ｓｉが２５重量％含まれるようにし
た。使用粉末としては、以下のものを用いた。純Ａｌ粉末：平均粒径１５０μｍ，純度９９．８％純Ｓｉ粉末：平均粒径７０μｍ，純度９９．８％メカニカル・アロイ粉の作製条件３／８インチの鋼球１４Ｋｇの入ったアトライター中に
上記のＡｌとＳｉの複合粉１００ｇを装入した。アルゴ
ン雰囲気とし、アジテータ回転数２５ｒｐｍ、ミリング
時間は２時間に設定した。粉の流動を良くするため、メ
カニカル・アロイングに先立って潤滑剤を０．５ｇ装入
しておいた。こうして得られた粉は、図３に示すよう
に、Ａｌマトリックス中（白地）にＳｉ（灰色）が微細
に取り込まれたものとなった。このメカニカル・アロイ
粉自体は、まだＡｌ単体の塑性変形のしやすさを保持し
ており、押出し加工でさらにＳｉが微細化される可能性
を有している。

【００２６】実施例２（メカニカル・アロイ粉の製造）主に、コンプレッサー・ベーン，ロッカーアーム，バル
ブリテーナ及びシリンダー・スリーブ等に適用すること
のできる耐摩耗性アルミニウム合金粉を製造した。粒子
強化のために、セラミックス粒子を添加した。成分組成
としては、基材として純アルミニウム粉を用い、Ｓｉが
２５重量％，ＳｉＣが５重量％含まれるようにした。使
用粉末としては、以下のものを用いた。純Ａｌ粉末：平均粒径１５０μｍ，純度９９．８％純Ｓｉ粉末：平均粒径７０μｍ，純度９９．８％ＳｉＣ粉末：平均粒度１μｍメカニカル・アロイ粉の作製条件３／８インチのＺｒＯ₂製ボール１０Ｋｇの入ったアト
ライター中に上記のＡｌとＳｉとＳｉＣの複合粉１００
ｇを装入した。アルゴン雰囲気とし、アジテータ回転数
２５０ｒｐｍ、ミリング時間は１時間に設定した。粉の
流動性を良くするため、メカニカル・アロイングに先立
って潤滑剤を０．５ｇ装入しておいた。こうして得られ
た粉は、断面が図４に示すように、Ａｌマトリックス中
（白地）にＳｉとＳｉＣが微細に取り込まれたものとな
った。このメカニカル・アロイ粉自体は、セラミックス
を包含しているが、まだ、Ａｌ単体の塑性変形のしやす
さを保持しており、後工程でも固化成形しやすかった。

【００２７】実施例３（固化成形の実施例）実施例１，２で得られたメカニカル・アロイ粉を熱間静
圧プレスによって焼結した。焼結温度は、５５０℃，時
間は約１時間，加圧力は１，０００ｋｇｆ／ｃｍ²であ
った。固化成形後の組織は、図５（実施例１），図６
（実施例２）に示す通りであった。図５では、Ａｌマト
リックス中（白地）にＳｉ（灰色）が微細に取り込まれ
ている。図６では、Ａｌマトリックス中（白地）にＳｉ
とＳｉＣが微細に分散し、かつ、黒色のＳｉＣ微粒子が
均一に分散している。

【００２８】固化成形後の合金の物性を表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】注１）Ａｌ−Ｓｉ系のために、これらの実
施例による合金は、熱処理性がないが、これらにさらに
ＭｇあるいはＣｕを微量（１重量％以下）添加すれば、
熱処理性が付与されるために、さらに強度と硬さが向上
する。

【００３１】注２）ＡＣ９Ａ（高Ｓｉを含むローエック
ス系材料）と比較してみた場合の利点１）強度が６５〜８５％向上した。２）組織中に初晶Ｓｉのような粗大粒子が存在せず、全
体的にＳｉが微細なため、素材の均一性および信頼性が
向上した。３）ＡＣ９Ａのように粗大な初晶Ｓｉがないために、系
材各部の硬さにバラツキが少なく、切削加工の際の刃物
寿命が向上した。４）ＡｌとＳｉの原子レベルでの拡散が既にメカニカル
・アロイ粉中で生じているため、また、Ｓｉをさらに増
やすことができるため、熱膨張率は、ＡＣ９Ａよりさら
に小さくなる。５）硬さが高く、耐摩耗性に富んでいる。６）高Ｓｉなのでさらに比重が小さくなる。７）製造法で見ると、ＡＣ９Ａレベルのものは、鋳造に
て形を得ることはできるが、鋳造の場合でも、Ｐ化合物
による溶湯処理の必要性や、鋳造温度が高い（８００
℃）ため、溶解温度や冷却速度の管理が難しく、かなり
の経験を必要とする。しかし、本発明のメカニカル・ア
ロイ粉を用いる方法では、経験的な要素は必要なく、簡
易に信頼性の高い素材を得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】上記したところから明らかなように、本
発明によれば、強度、素材の均一性、信頼性が高く、熱
膨張率が小さく、また、硬さが高く、耐摩耗性に富み、
比重が小さく、かつ経験的な要素を排除して、簡易に信
頼性の高い素材（メカニカル・アロイ粉，アルミニウム
合金）を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で使用するアトライタを説明す
る概念図である。

【図２】本発明によるメカニカル・アロイ粉の粒子の模
式図である。

【図３】本発明の実施例１で得られたメカニカル・アロ
イ粉の粒子構造を説明する４００倍の顕微鏡図である。

【図４】本発明の実施例２で得られたメカニカル・アロ
イ粉の粒子構造を説明する４００倍の顕微鏡図である。

【図５】本発明の実施例１で得られたメカニカル・アロ
イ粉を固化成形して得られる合金の金属組織を説明する
４００倍の顕微鏡図である。

【図６】本発明の実施例２で得られたメカニカル・アロ
イ粉を固化成形して得られる合金の金属組織を説明する
４００倍の顕微鏡図である。

【図７】従来のアルミニウム合金の金属組織を説明する
５０倍の顕微鏡図である。

【符号の説明】

１アトライタ２シャフト３アジテータ４ボール５ガス流入口６水流入口７ガス排出口８水排出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】純Ａｌ粉にＳｉ、場合によって他にＦ
ｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ若しくはＺｎのうちの少なくとも
一の原料粉を混合し、これらを混練し、混合粉をボール
を用いた混合機で短時間で均一複合粉とし、該均一複合
粉を固化成形することより成ることを特徴とする高強度
アルミニウム合金の製造方法。
【請求項２】純Ａｌ粉にＳｉ、場合によって他にＦ
ｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ若しくはＺｎのうちの少なくとも
一の原料粉を混合し、得られる混合粉にセラミックス微
粉を加えた後、これらを混練し、混合粉をボールを用い
た混合機で短時間で均一複合粉とし、該均一複合粉を固
化成形することより成ることを特徴とする高強度アルミ
ニウム合金の製造方法。
【請求項３】請求項１または請求項２の製造方法によ
って製造された高強度アルミニウム合金。
【請求項４】純Ａｌ粉にＳｉ、場合によって他にＦｅ，
Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ若しくはＺｎのうちの少なくとも一の
原料粉を混合し、これらを混練し、混合粉をボールを用
いた混合機で短時間で均一に混合して製造されることを
特徴とする高強度アルミニウム合金用均一複合粉。
【請求項５】純Ａｌ粉にＳｉ、場合によって他にＦ
ｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ若しくはＺｎのうちの少なくとも
一の原料粉を混合し、得られる混合粉にセラミックス微
粉を加えた後、これらを混練し、混合粉をボールを用い
た混合機で短時間で均一に混合して製造されることを特
徴とする高強度アルミニウム合金用均一複合粉。