JPH06158200A - 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料 - Google Patents
高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料Info
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- JPH06158200A JPH06158200A JP4358906A JP35890692A JPH06158200A JP H06158200 A JPH06158200 A JP H06158200A JP 4358906 A JP4358906 A JP 4358906A JP 35890692 A JP35890692 A JP 35890692A JP H06158200 A JPH06158200 A JP H06158200A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】耐摩耗性、常温強度、剛性及びクリープ特性に
優れる製品を製造する。 【構成・作用】マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｓｉ：８〜２５％を含
有し、さらに少なくともＭｏ：１．０〜３．０％を含
み、残部がＡｌからなるアルミニウム合金をマトリック
スとし、該マトリックスを含む複合材料全体を１００重
量％としたとき窒化物、硼化物の粒子の１種または２種
以上が合計で０．５〜１０％量該マトリックス中に分散
し、粉末冶金法により製造され耐摩耗性、剛性及びクリ
ープ特性に優れた複合材料となる。
優れる製品を製造する。 【構成・作用】マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｓｉ：８〜２５％を含
有し、さらに少なくともＭｏ：１．０〜３．０％を含
み、残部がＡｌからなるアルミニウム合金をマトリック
スとし、該マトリックスを含む複合材料全体を１００重
量％としたとき窒化物、硼化物の粒子の１種または２種
以上が合計で０．５〜１０％量該マトリックス中に分散
し、粉末冶金法により製造され耐摩耗性、剛性及びクリ
ープ特性に優れた複合材料となる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ピストン、バルブリフ
ター、インテークバルブ等の自動車、航空機等のエンジ
ン部品に適用して有用な、鍛造性、耐摩耗性とともに高
温強度に優れる高剛性のアルミニウム基複合材料に関す
る。
ター、インテークバルブ等の自動車、航空機等のエンジ
ン部品に適用して有用な、鍛造性、耐摩耗性とともに高
温強度に優れる高剛性のアルミニウム基複合材料に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】アルミニウム合金は、軽量で加工性に優
れているので、古くから航空機あるいは自動車の構造用
材料として用いられている。従来のアルミニウム合金の
うち、耐熱性に優れるものとしては、ＪＩＳ２０２４、
２０１８等のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金が知られている。
れているので、古くから航空機あるいは自動車の構造用
材料として用いられている。従来のアルミニウム合金の
うち、耐熱性に優れるものとしては、ＪＩＳ２０２４、
２０１８等のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金が知られている。
【０００３】また、Ｎｉを５重量％（以下、単に％とい
う。）以上含むＡｌ−Ｎｉ系合金（軽金属学会主催、Ａ
ｌ合金の粉末冶金技術シンポジウム（昭和６２年３月９
日開催）予稿集第５８頁、第７０頁）が提案されてい
る。同様に、特開平２−１４９６２９、特開平２−１４
９６３１、特開平２−１４９６３２、特開平２−１４９
６３３号公報には、Ｎｉを８％以上含み、鋳造法で製造
したＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金からなる「耐
摩耗性及び熱伝導性に優れた低熱膨張アルミニウム合
金」が開示されている。
う。）以上含むＡｌ−Ｎｉ系合金（軽金属学会主催、Ａ
ｌ合金の粉末冶金技術シンポジウム（昭和６２年３月９
日開催）予稿集第５８頁、第７０頁）が提案されてい
る。同様に、特開平２−１４９６２９、特開平２−１４
９６３１、特開平２−１４９６３２、特開平２−１４９
６３３号公報には、Ｎｉを８％以上含み、鋳造法で製造
したＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金からなる「耐
摩耗性及び熱伝導性に優れた低熱膨張アルミニウム合
金」が開示されている。
【０００４】さらに、特公平２−５６４０１号公報に
は、７．７〜１５％のＮｉと、１５〜２５％のＳｉとを
含み、Ｓｉ結晶粒の大きさを１５μｍ以下としたＡｌ−
Ｎｉ−Ｓｉ系合金粉末からなる「耐熱耐摩耗性高力アル
ミニウム合金粉末」が開示されている。
は、７．７〜１５％のＮｉと、１５〜２５％のＳｉとを
含み、Ｓｉ結晶粒の大きさを１５μｍ以下としたＡｌ−
Ｎｉ−Ｓｉ系合金粉末からなる「耐熱耐摩耗性高力アル
ミニウム合金粉末」が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】自動車用エンジンには
高出力化が要求され、このためピストン、バルブリフタ
ー、インテークバルブ等のエンジン部品用の材料は、３
００℃で引張強度が２００ＭＰａ以上で、かつ高剛性で
あることが必要とされる。かかる観点からは、上記ＪＩ
Ｓ２０２４、２０１８等のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金は、
常温での引張強度は優れるものの、２００℃の高温では
引張強度が高々３００ＭＰａ、３００℃の高温では引張
強度が１５０ＭＰａであり、近年の自動車等のエンジン
部品にこれらＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を適用することは
できない。また、上記提案又は公報記載のＡｌ−Ｎｉ系
合金及びＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金では、組
織中に生成されたＮｉＡｌ3 金属間化合物により、耐熱
性及び耐摩耗性が改善されているものの、鋳造法により
製品を製造することとなるため、製品におけるＮｉＡｌ
3 金属間化合物の粒径が１０μｍ程度と大きくなり、常
温で高々３８０ＭＰａ、３００℃の高温では引張強度が
１６０ＭＰａに低下することが明らかとなった。このた
め、かかるアルミニウム合金でも、近年の自動車等のエ
ンジン部品として適用することが困難である。
高出力化が要求され、このためピストン、バルブリフタ
ー、インテークバルブ等のエンジン部品用の材料は、３
００℃で引張強度が２００ＭＰａ以上で、かつ高剛性で
あることが必要とされる。かかる観点からは、上記ＪＩ
Ｓ２０２４、２０１８等のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金は、
常温での引張強度は優れるものの、２００℃の高温では
引張強度が高々３００ＭＰａ、３００℃の高温では引張
強度が１５０ＭＰａであり、近年の自動車等のエンジン
部品にこれらＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を適用することは
できない。また、上記提案又は公報記載のＡｌ−Ｎｉ系
合金及びＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金では、組
織中に生成されたＮｉＡｌ3 金属間化合物により、耐熱
性及び耐摩耗性が改善されているものの、鋳造法により
製品を製造することとなるため、製品におけるＮｉＡｌ
3 金属間化合物の粒径が１０μｍ程度と大きくなり、常
温で高々３８０ＭＰａ、３００℃の高温では引張強度が
１６０ＭＰａに低下することが明らかとなった。このた
め、かかるアルミニウム合金でも、近年の自動車等のエ
ンジン部品として適用することが困難である。
【０００６】一方、上記公報記載のＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ系
合金粉末では、焼結法により製品を製造することとな
る。すなわち、一定組成の合金原料を溶解、噴霧して上
記Ａｌ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金粉末とし、このＡｌ−Ｎｉ−
Ｓｉ系合金粉末を冷間予備成形、押出、鍛造することに
より製品が得られる。このため、このＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ
系合金粉末では、ＮｉＡｌ3 金属間化合物の粒は微細で
あり、耐摩耗性に優れるとともに、引張強度も常温で５
１０ＭＰａ、２５０℃で３４５ＭＰａが得られる。しか
し、一般に自動車等のエンジン部品では充分な押出比
（押出前後の断面積比）を取れない場合もある。
合金粉末では、焼結法により製品を製造することとな
る。すなわち、一定組成の合金原料を溶解、噴霧して上
記Ａｌ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金粉末とし、このＡｌ−Ｎｉ−
Ｓｉ系合金粉末を冷間予備成形、押出、鍛造することに
より製品が得られる。このため、このＡｌ−Ｎｉ−Ｓｉ
系合金粉末では、ＮｉＡｌ3 金属間化合物の粒は微細で
あり、耐摩耗性に優れるとともに、引張強度も常温で５
１０ＭＰａ、２５０℃で３４５ＭＰａが得られる。しか
し、一般に自動車等のエンジン部品では充分な押出比
（押出前後の断面積比）を取れない場合もある。
【０００７】セラミックス粒子や繊維を分散させたＭＭ
Ｃ（金属基複合材料）は、一般に高温強度が高いが、鍛
造性、伸びが低い。また鍛造性を良くしようとすると、
逆に高温強度が低下する。そこで高温強度と鍛造性を両
立させるには、適切なマトリックスを選定することが必
要である。本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされた
ものであって、剛性及びクリープ特性に優れる製品を製
造できるアルミニウム基複合材料を提供することを目的
とする。
Ｃ（金属基複合材料）は、一般に高温強度が高いが、鍛
造性、伸びが低い。また鍛造性を良くしようとすると、
逆に高温強度が低下する。そこで高温強度と鍛造性を両
立させるには、適切なマトリックスを選定することが必
要である。本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされた
ものであって、剛性及びクリープ特性に優れる製品を製
造できるアルミニウム基複合材料を提供することを目的
とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は、高Ｎｉおよ
び高Ｓｉのアルミニウム合金にＭｏを配合することによ
り優れた耐熱アルミニウム合金が得られることを知り、
かかる合金について研究を進めて、先に耐熱アルミニウ
ム合金粉末および耐熱アルミニウム合金として出願し
た。本願発明は上記のアルミニウム合金をマトリックス
として、これに窒化物、硼化物の粒子を分散させた金属
基複合材料が高温度での強度および伸度が優れ、鍛造
性、耐摩耗性が向上することを発見・確認したものであ
る。
び高Ｓｉのアルミニウム合金にＭｏを配合することによ
り優れた耐熱アルミニウム合金が得られることを知り、
かかる合金について研究を進めて、先に耐熱アルミニウ
ム合金粉末および耐熱アルミニウム合金として出願し
た。本願発明は上記のアルミニウム合金をマトリックス
として、これに窒化物、硼化物の粒子を分散させた金属
基複合材料が高温度での強度および伸度が優れ、鍛造
性、耐摩耗性が向上することを発見・確認したものであ
る。
【０００９】本発明のアルミニウム基複合材料は、マト
リックスを１００重量％としたとき重量％で、Ｎｉ：１
０〜２０％、Ｓｉ：８〜２５％と、さらに少なくともＭ
ｏ：１．０〜３．０％を含み、残部がＡｌからなるアル
ミニウム合金をマトリックスとし、該マトリックスを含
む複合材料全体を１００重量％としたとき窒化物、硼化
物の粒子の１種または２種以上が合計で０．５〜１０重
量％該マトリックス中に分散し、粉末冶金法により製造
されていることを特徴とする。
リックスを１００重量％としたとき重量％で、Ｎｉ：１
０〜２０％、Ｓｉ：８〜２５％と、さらに少なくともＭ
ｏ：１．０〜３．０％を含み、残部がＡｌからなるアル
ミニウム合金をマトリックスとし、該マトリックスを含
む複合材料全体を１００重量％としたとき窒化物、硼化
物の粒子の１種または２種以上が合計で０．５〜１０重
量％該マトリックス中に分散し、粉末冶金法により製造
されていることを特徴とする。
【００１０】本発明のアルミニウム基複合材料を構成す
るマトリックスは、重量％（以下、特にことわらないか
ぎり％は重量％を意味する）で、少なくともＦｅ：０．
６〜８．０％及びＣｕ：０．６〜５．０％の１種を含
み、Ｆｅ及びＣｕの合計量が８．０％以下とすることが
できる。さらに上記のマトリックスには、少なくともＺ
ｒ：０．３〜３．０％及びＴｉ：１．０〜４．０％の１
種を含むことができる。
るマトリックスは、重量％（以下、特にことわらないか
ぎり％は重量％を意味する）で、少なくともＦｅ：０．
６〜８．０％及びＣｕ：０．６〜５．０％の１種を含
み、Ｆｅ及びＣｕの合計量が８．０％以下とすることが
できる。さらに上記のマトリックスには、少なくともＺ
ｒ：０．３〜３．０％及びＴｉ：１．０〜４．０％の１
種を含むことができる。
【００１１】このアルミニウム基複合材料は、上記の組
成のマトリックスを構成する耐熱アルミニウム合金を溶
解、噴霧して製造した微粉末に、窒化物、硼化物の微粉
末を均一に混合して混合粉末とし、この混合粉末を加圧
成形した後、焼結するという粉末冶金法により製造する
ことができる。また、混合粉末をケースに入れ、この状
態で冷間予備成形（ＣＩＰなど）後、熱間押出しする方
法もある。
成のマトリックスを構成する耐熱アルミニウム合金を溶
解、噴霧して製造した微粉末に、窒化物、硼化物の微粉
末を均一に混合して混合粉末とし、この混合粉末を加圧
成形した後、焼結するという粉末冶金法により製造する
ことができる。また、混合粉末をケースに入れ、この状
態で冷間予備成形（ＣＩＰなど）後、熱間押出しする方
法もある。
【００１２】本発明の耐熱アルミニウム合金のマトリッ
クスを構成するアルミニウム以外の元素の配合割合およ
び作用を以下に説明する。なお、％はマトリックスを１
００％としたものである。 〔Ｎｉ：１０〜２０％〕Ｎｉは、Ａｌとともに、ＮｉＡ
ｌ3 等の金属間化合物をつくる。これら金属間化合物は
高温でも安定であり、合金の耐摩耗性と高温強度とに寄
与する。特にＮｉＡｌ3 金属間化合物は、硬さもより低
く、靱性により富む。 Ｎｉを５．７％以上添加するこ
とにより、得られる合金中にＮｉＡｌ3 金属間化合物の
析出が見られるが、Ｎｉが１０％未満の添加では、得ら
れるマトリックスの３００℃での引張強度が２００ＭＰ
ａ以上にならず、高温強度が効果的に向上しない。
クスを構成するアルミニウム以外の元素の配合割合およ
び作用を以下に説明する。なお、％はマトリックスを１
００％としたものである。 〔Ｎｉ：１０〜２０％〕Ｎｉは、Ａｌとともに、ＮｉＡ
ｌ3 等の金属間化合物をつくる。これら金属間化合物は
高温でも安定であり、合金の耐摩耗性と高温強度とに寄
与する。特にＮｉＡｌ3 金属間化合物は、硬さもより低
く、靱性により富む。 Ｎｉを５．７％以上添加するこ
とにより、得られる合金中にＮｉＡｌ3 金属間化合物の
析出が見られるが、Ｎｉが１０％未満の添加では、得ら
れるマトリックスの３００℃での引張強度が２００ＭＰ
ａ以上にならず、高温強度が効果的に向上しない。
【００１３】逆に、Ｎｉが４０％以下の添加であれば、
得られるマトリックスはＮｉＡｌ3金属間化合物を作る
が、Ｎｉを２０％を超えて添加すると、マトリックスが
脆くなり、常温での伸び値が極めて小さくなる。このた
め、Ｎｉを２０％を超えて添加すると、製品の高温強度
及び耐摩耗性は優れるものの、切削性などが著しく劣
り、実用上の利用が困難となる。 〔Ｓｉ：８〜２５％〕Ａｌ中に微細なＳｉを分散させた
合金は、高温強度、耐摩耗性に優れることは、Ａ３９０
合金等で知られている。
得られるマトリックスはＮｉＡｌ3金属間化合物を作る
が、Ｎｉを２０％を超えて添加すると、マトリックスが
脆くなり、常温での伸び値が極めて小さくなる。このた
め、Ｎｉを２０％を超えて添加すると、製品の高温強度
及び耐摩耗性は優れるものの、切削性などが著しく劣
り、実用上の利用が困難となる。 〔Ｓｉ：８〜２５％〕Ａｌ中に微細なＳｉを分散させた
合金は、高温強度、耐摩耗性に優れることは、Ａ３９０
合金等で知られている。
【００１４】鋳造法により製品を製造した場合には、Ｓ
ｉを１１．３％以上含むアルミニウム合金には粗大Ｓｉ
初晶が晶出し、かかる合金は摺動部の相手材を攻撃した
り、また被削性が著しく悪くなるとともに、合金自体の
伸びが著しく低下し、生産技術面（例えば、部品加工時
のクラック等）で実用的でなく、また部品として使用時
に割れが生じたりして好ましくない。しかし、急冷凝固
粉末冶金法によりアルミニウム合金をマトリックスとす
る複合材料を製造する場合には、Ｓｉを２５％まで配合
しても微細Ｓｉの晶出したマトリックスが得られる。Ｓ
ｉを２５％を超えて配合すると、急冷凝固法で合金粉末
を製造した場合でも、製品に粗大Ｓｉが晶出して好まし
くない。
ｉを１１．３％以上含むアルミニウム合金には粗大Ｓｉ
初晶が晶出し、かかる合金は摺動部の相手材を攻撃した
り、また被削性が著しく悪くなるとともに、合金自体の
伸びが著しく低下し、生産技術面（例えば、部品加工時
のクラック等）で実用的でなく、また部品として使用時
に割れが生じたりして好ましくない。しかし、急冷凝固
粉末冶金法によりアルミニウム合金をマトリックスとす
る複合材料を製造する場合には、Ｓｉを２５％まで配合
しても微細Ｓｉの晶出したマトリックスが得られる。Ｓ
ｉを２５％を超えて配合すると、急冷凝固法で合金粉末
を製造した場合でも、製品に粗大Ｓｉが晶出して好まし
くない。
【００１５】逆に、Ｓｉが８％未満の配合では、得られ
るマトリックスの高温強度及び耐摩耗性が不十分であ
る。 〔Ｍｏ：１．０〜３．０％〕Ｍｏは、耐熱性を改善する
元素として知られているが、発明者らの実験結果では、
アルミニウム合金の剛性の向上とクリープ強度の向上と
に著しく寄与することが判明した。即ち、本マトリック
スにＭｏ：１．０〜３．０％を配合すると、マトリック
スの剛性が効果的に向上する。Ｍｏが１．０％未満の添
加では剛性向上の効果が少なく、Ｍｏを３．０％を超え
て添加すると高温強度が低下する。 〔Ｆｅ：０．６〜８．０％〕一般にはＦｅの添加は好ま
しくなく、含まれていても０．５％以下であることが望
ましいとされるが、発明者らの実験結果では、Ｆｅを配
合することにより、得られるマトリックスの常温強度及
び３００℃の高温強度が向上することが判明した。Ｆｅ
が０．６％未満の配合では、マトリックスの常温強度及
び３００℃の高温強度向上の効果が少なく、Ｆｅを８％
を超えて配合すると、マトリックスが脆くなる。但し、
Ｆｅと後述するＣｕとは、少なくとも１種が含有され、
Ｆｅ及びＣｕの合計量が８％以下であれば、マトリック
スの常温強度が効果的に向上する。 〔Ｃｕ：０．６〜５．０％〕Ｃｕは、耐熱アルミニウム
合金に時効硬化を付与し、マトリックスを強化する。Ｃ
ｕが０．６％以上の配合でマトリックスの常温強度向上
の効果があり、Ｃｕを５％を超えて配合すると、粗大な
晶出物が生成し、アルミニウム合金の３００℃での高温
強度を低下させる。但し、Ｃｕと上述のＦｅとは、少な
くとも１種が含有され、Ｆｅ及びＣｕの合計量が８％以
下であれば、マトリックスの常温強度が効果的に向上す
る。 〔Ｚｒ：０．３〜３．０％〕Ｚｒは、高温強度を改善す
る添加元素として知られているが、発明者らの実験結果
では、むしろマトリックスの常温及び３００℃での伸び
値を向上することが判明した。即ち、本マトリックスに
Ｚｒ：０．３〜３．０％を配合すると、マトリックスの
靱性が効果的に向上する。Ｚｒが０．３％未満の添加で
は靱性向上の効果が少なく、Ｚｒを３．０％を超えて添
加すると粗大な金属間化合物（ＺｒＡｌ3 ）を晶出し、
望ましくない。 〔Ｔｉ：１．０〜４．０％〕Ｔｉは、Ｚｒ同様、高温強
度を改善する添加元素として知られているが、発明者ら
の実験結果では、マトリックスの３００℃での降伏強度
を向上させることが判明した。Ｔｉの配合割合は１．０
〜４．０％である。Ｔｉの配合が１．０％未満では高温
における降伏強度の向上効果が少なく、Ｔｉの配合が
４．０％を超えて添加すると複合材料の靱性を低下させ
るので、望ましくない。 〔窒化物、硼化物：合計で０．５〜１０％〕窒化物、硼
化物の粒子を耐熱アルミニウム合金からなるマトリック
スに分散させることにより、得られるアルミニウム基複
合材料の耐摩耗性が向上する。この窒化物、硼化物の量
が０．５％未満の場合は、添加効果が認められない。ま
た添加量が１０％を超えると、アルミニウム基複合材料
の引張強度、伸び、機械加工性が著しく低下するので好
ましくない。
るマトリックスの高温強度及び耐摩耗性が不十分であ
る。 〔Ｍｏ：１．０〜３．０％〕Ｍｏは、耐熱性を改善する
元素として知られているが、発明者らの実験結果では、
アルミニウム合金の剛性の向上とクリープ強度の向上と
に著しく寄与することが判明した。即ち、本マトリック
スにＭｏ：１．０〜３．０％を配合すると、マトリック
スの剛性が効果的に向上する。Ｍｏが１．０％未満の添
加では剛性向上の効果が少なく、Ｍｏを３．０％を超え
て添加すると高温強度が低下する。 〔Ｆｅ：０．６〜８．０％〕一般にはＦｅの添加は好ま
しくなく、含まれていても０．５％以下であることが望
ましいとされるが、発明者らの実験結果では、Ｆｅを配
合することにより、得られるマトリックスの常温強度及
び３００℃の高温強度が向上することが判明した。Ｆｅ
が０．６％未満の配合では、マトリックスの常温強度及
び３００℃の高温強度向上の効果が少なく、Ｆｅを８％
を超えて配合すると、マトリックスが脆くなる。但し、
Ｆｅと後述するＣｕとは、少なくとも１種が含有され、
Ｆｅ及びＣｕの合計量が８％以下であれば、マトリック
スの常温強度が効果的に向上する。 〔Ｃｕ：０．６〜５．０％〕Ｃｕは、耐熱アルミニウム
合金に時効硬化を付与し、マトリックスを強化する。Ｃ
ｕが０．６％以上の配合でマトリックスの常温強度向上
の効果があり、Ｃｕを５％を超えて配合すると、粗大な
晶出物が生成し、アルミニウム合金の３００℃での高温
強度を低下させる。但し、Ｃｕと上述のＦｅとは、少な
くとも１種が含有され、Ｆｅ及びＣｕの合計量が８％以
下であれば、マトリックスの常温強度が効果的に向上す
る。 〔Ｚｒ：０．３〜３．０％〕Ｚｒは、高温強度を改善す
る添加元素として知られているが、発明者らの実験結果
では、むしろマトリックスの常温及び３００℃での伸び
値を向上することが判明した。即ち、本マトリックスに
Ｚｒ：０．３〜３．０％を配合すると、マトリックスの
靱性が効果的に向上する。Ｚｒが０．３％未満の添加で
は靱性向上の効果が少なく、Ｚｒを３．０％を超えて添
加すると粗大な金属間化合物（ＺｒＡｌ3 ）を晶出し、
望ましくない。 〔Ｔｉ：１．０〜４．０％〕Ｔｉは、Ｚｒ同様、高温強
度を改善する添加元素として知られているが、発明者ら
の実験結果では、マトリックスの３００℃での降伏強度
を向上させることが判明した。Ｔｉの配合割合は１．０
〜４．０％である。Ｔｉの配合が１．０％未満では高温
における降伏強度の向上効果が少なく、Ｔｉの配合が
４．０％を超えて添加すると複合材料の靱性を低下させ
るので、望ましくない。 〔窒化物、硼化物：合計で０．５〜１０％〕窒化物、硼
化物の粒子を耐熱アルミニウム合金からなるマトリック
スに分散させることにより、得られるアルミニウム基複
合材料の耐摩耗性が向上する。この窒化物、硼化物の量
が０．５％未満の場合は、添加効果が認められない。ま
た添加量が１０％を超えると、アルミニウム基複合材料
の引張強度、伸び、機械加工性が著しく低下するので好
ましくない。
【００１６】窒化物としては、たとえば、ＡｌＮ、Ｔｉ
Ｎ、ＺｒＮ、ＢＮなどが挙げられる。硼化物としては、
たとえば、ＴｉＢ2 、ＮｉＢ、ＭｇＢ2 などがあげられ
る。この窒化物、硼化物は、１種または２種以上が上記
の組成の耐熱アルミニウム合金からなるマトリックスに
混合され粉末冶金法で処理されることで、アルミニウム
基複合材料が製造される。窒化物、硼化物は微粉末で平
均粒径が、０．５〜２０μｍであることが好ましい。
０．５μｍより小さいと粉末同志が凝集し機械的特性が
劣化する。２０μｍより大きいと、摺動時に粒子が割れ
たり、脱落したりして耐摩耗性の効果が少なくなるから
である。
Ｎ、ＺｒＮ、ＢＮなどが挙げられる。硼化物としては、
たとえば、ＴｉＢ2 、ＮｉＢ、ＭｇＢ2 などがあげられ
る。この窒化物、硼化物は、１種または２種以上が上記
の組成の耐熱アルミニウム合金からなるマトリックスに
混合され粉末冶金法で処理されることで、アルミニウム
基複合材料が製造される。窒化物、硼化物は微粉末で平
均粒径が、０．５〜２０μｍであることが好ましい。
０．５μｍより小さいと粉末同志が凝集し機械的特性が
劣化する。２０μｍより大きいと、摺動時に粒子が割れ
たり、脱落したりして耐摩耗性の効果が少なくなるから
である。
【００１７】
【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を比較例と
ともに表１〜３を参照しつつ本発明をさらに詳細に説明
する。
ともに表１〜３を参照しつつ本発明をさらに詳細に説明
する。
【００１８】
【表１】 表１に示す組成のマトリックス溶湯をアトマイズ法によ
り粉末化した後、１００メッシュの篩いにより分級し、
これに平均粒径が１〜２０μｍの窒化物、硼化物および
ＳｉＣの微粉末を所定量混合して混合粉末とした。な
お、表の組成は、マトリックスの全体を１００％とした
ときの各成分の重量％が元素記号の前の数値である。添
加粒子の量は、複合材料全体を１００％としたときの重
量％を元素記号の前に記載した。
り粉末化した後、１００メッシュの篩いにより分級し、
これに平均粒径が１〜２０μｍの窒化物、硼化物および
ＳｉＣの微粉末を所定量混合して混合粉末とした。な
お、表の組成は、マトリックスの全体を１００％とした
ときの各成分の重量％が元素記号の前の数値である。添
加粒子の量は、複合材料全体を１００％としたときの重
量％を元素記号の前に記載した。
【００１９】これらマトリックス粉末と窒化物、硼化物
粒子を混合したの混合粉末を純Ａｌの底付きチューブに
装填して真空条件下、面圧３ｔｏｎ／ｃｍ2 で冷間予備
成形し、φ３０×Ｌ８０のプリフォーム体を製作した。
これらプリフォーム体を４５０℃で３０分間加熱し、比
較的大きな押出比「１０」で熱間押出加工を行い、直径
１０mmの棒状のアルミニウム合金を得た。
粒子を混合したの混合粉末を純Ａｌの底付きチューブに
装填して真空条件下、面圧３ｔｏｎ／ｃｍ2 で冷間予備
成形し、φ３０×Ｌ８０のプリフォーム体を製作した。
これらプリフォーム体を４５０℃で３０分間加熱し、比
較的大きな押出比「１０」で熱間押出加工を行い、直径
１０mmの棒状のアルミニウム合金を得た。
【００２０】窒化物、硼化物は写真図１および図２の金
属組織の拡大図に示すようマトリックス中に分散して存
在している。図３は比較例１の窒化物、硼化物などを含
まない金属組織の拡大図であり、マトリックスが均一に
なっている。 〔評価〕上記各アルミニウム基複合材料および耐熱アル
ミニウム合金について、室温、１５０℃、３００℃での
強度特性の測定を行った。測定された引張強度、降伏強
度および伸びも合わせて表２に示す。
属組織の拡大図に示すようマトリックス中に分散して存
在している。図３は比較例１の窒化物、硼化物などを含
まない金属組織の拡大図であり、マトリックスが均一に
なっている。 〔評価〕上記各アルミニウム基複合材料および耐熱アル
ミニウム合金について、室温、１５０℃、３００℃での
強度特性の測定を行った。測定された引張強度、降伏強
度および伸びも合わせて表２に示す。
【００２１】表２より、実施例１〜４のアルミニウム基
複合材料の引張強度は、３００℃で２００ＭＰａ以上で
あり窒化物、硼化物を含まない実施例と同じマトリック
スの比較例１〜２とほぼ同程度の強度を示している。し
かし、マトリックスが本発明の組成と異なりＮｉなど含
まない場合は、３００℃での引張強度が１００ＭＰａと
低い。したがって、引張強度を高めるためにはマトリッ
クス組成の選定が重要である。
複合材料の引張強度は、３００℃で２００ＭＰａ以上で
あり窒化物、硼化物を含まない実施例と同じマトリック
スの比較例１〜２とほぼ同程度の強度を示している。し
かし、マトリックスが本発明の組成と異なりＮｉなど含
まない場合は、３００℃での引張強度が１００ＭＰａと
低い。したがって、引張強度を高めるためにはマトリッ
クス組成の選定が重要である。
【００２２】次にこれらの実施例１〜４と比較例１〜４
の試料についてＬＦＷによる摩耗試験を行なった。摩耗
量はＬＷＦ試験機を使用して油中に浸漬したリング状相
手材をＳＵＪ２とし、これに荷重１５０Ｎ、時間１５
分、すべり速度１８ｍ／分で試験片を押し付けた試験条
件で測定した。表２により、実施例１〜４の複合材料
は、窒化物および硼化物が含まれているので比摩耗量が
比較例よりも少なく、耐摩耗性に優れていることがわか
る。
の試料についてＬＦＷによる摩耗試験を行なった。摩耗
量はＬＷＦ試験機を使用して油中に浸漬したリング状相
手材をＳＵＪ２とし、これに荷重１５０Ｎ、時間１５
分、すべり速度１８ｍ／分で試験片を押し付けた試験条
件で測定した。表２により、実施例１〜４の複合材料
は、窒化物および硼化物が含まれているので比摩耗量が
比較例よりも少なく、耐摩耗性に優れていることがわか
る。
【００２３】また、摩耗試験で窒化物を添加したアルミ
ニウム基複合材料は、アルミニウムの相手材への移着は
ほとんど認められなかった。さらに硼化物を添加したア
ルミニウム基複合材料は、硼化物中のＢが１部Ｂ2 Ｏ3
となり、このＢ2 Ｏ3 が摩擦中に液相（ｍｐ４５０℃）
になり流体潤滑剤となって耐摩耗性が向上していると推
定される。
ニウム基複合材料は、アルミニウムの相手材への移着は
ほとんど認められなかった。さらに硼化物を添加したア
ルミニウム基複合材料は、硼化物中のＢが１部Ｂ2 Ｏ3
となり、このＢ2 Ｏ3 が摩擦中に液相（ｍｐ４５０℃）
になり流体潤滑剤となって耐摩耗性が向上していると推
定される。
【００２４】
【表２】 ＴＳ：引張強度（ＭＰａ）、ＹＰ：降伏強度（ＭＰ
ａ）、δ：伸び（％） 上記実施例１、２の３試料のアルミニウム基複合材料
と、比較例２、５の２試料のアルミニウム合金とについ
て、クリープ試験を行った。試験は、３００℃で９７Ｍ
Ｐａの荷重を負荷した時に破断までの時間を測定するこ
とにより行った。その測定結果を表３に示す。表３に示
すように、比較例５のモリブデンを含まないアルミニウ
ム基複合材料は平均の破断迄の時間が７．０時間と短い
が、他の試料は使用に耐える高温での破断強度を有す
る。特に比較例１は平均の破断迄の時間が１０１．８時
間と優れている。これはこの組成のマトリックスが強度
的に優れており、窒化物を添加した実施例１が３８．８
時間、硼化物を添加した実施例２が８４．９と破断まで
の時間が長く、窒化物、硼化物を添加しても著しい低下
がないことを示している。
ａ）、δ：伸び（％） 上記実施例１、２の３試料のアルミニウム基複合材料
と、比較例２、５の２試料のアルミニウム合金とについ
て、クリープ試験を行った。試験は、３００℃で９７Ｍ
Ｐａの荷重を負荷した時に破断までの時間を測定するこ
とにより行った。その測定結果を表３に示す。表３に示
すように、比較例５のモリブデンを含まないアルミニウ
ム基複合材料は平均の破断迄の時間が７．０時間と短い
が、他の試料は使用に耐える高温での破断強度を有す
る。特に比較例１は平均の破断迄の時間が１０１．８時
間と優れている。これはこの組成のマトリックスが強度
的に優れており、窒化物を添加した実施例１が３８．８
時間、硼化物を添加した実施例２が８４．９と破断まで
の時間が長く、窒化物、硼化物を添加しても著しい低下
がないことを示している。
【００２５】
【表３】 したがって、本実施例のアルミニウム基複合材料は優れ
たクリープ特性を発揮できることがわかる。
たクリープ特性を発揮できることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の耐熱アル
ミニウム基複合材料は、所定量のＮｉ、Ｓｉ、Ｍｏを含
有しているため、常温での引張強度及び高温での引張強
度に優れるとともに、剛性及びクリープ特性に優れてい
る。一方、本発明の耐熱アルミニウム合金を構成するマ
トリックスに、所定量のＦｅ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｔｉの添加
元素を配合すれば、上記特性をより向上させることがで
きる。
ミニウム基複合材料は、所定量のＮｉ、Ｓｉ、Ｍｏを含
有しているため、常温での引張強度及び高温での引張強
度に優れるとともに、剛性及びクリープ特性に優れてい
る。一方、本発明の耐熱アルミニウム合金を構成するマ
トリックスに、所定量のＦｅ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｔｉの添加
元素を配合すれば、上記特性をより向上させることがで
きる。
【００２７】したがって、本発明の耐熱アルミニウム合
金で例えば自動車等のエンジン部品を製造しても、その
アルミニウム合金は、軽量であるとともに、剛性、熱膨
張特性、常温強度及び高温強度を発揮することができる
ため、近年の高出力化の要請に確実に答えることができ
るエンジン部品となる。加えて、本発明の耐熱アルミニ
ウム合金では、Ｆｅを比較的多量に含有しても、優れた
耐摩耗性、剛性、熱膨張特性、常温強度及び高温強度を
安定して発揮することができるため、アルミニウム系部
材と鉄系部材とが混合されて廃棄後に回収された場合で
も、容易に本発明の耐熱アルミニウム合金を製造でき
る。
金で例えば自動車等のエンジン部品を製造しても、その
アルミニウム合金は、軽量であるとともに、剛性、熱膨
張特性、常温強度及び高温強度を発揮することができる
ため、近年の高出力化の要請に確実に答えることができ
るエンジン部品となる。加えて、本発明の耐熱アルミニ
ウム合金では、Ｆｅを比較的多量に含有しても、優れた
耐摩耗性、剛性、熱膨張特性、常温強度及び高温強度を
安定して発揮することができるため、アルミニウム系部
材と鉄系部材とが混合されて廃棄後に回収された場合で
も、容易に本発明の耐熱アルミニウム合金を製造でき
る。
【図１】これは実施例１のアルミニウム基複合材料の金
属組織の８００倍の拡大写真図である。
属組織の８００倍の拡大写真図である。
【図２】これは実施例２のアルミニウム基複合材料の金
属組織の８００倍の拡大写真図である。
属組織の８００倍の拡大写真図である。
【図３】これは比較例１のアルミニウム合金の金属組織
の８００倍の拡大写真図である。
の８００倍の拡大写真図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２２Ｃ 32/00 (72)発明者 三浦 宏久 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 山田 泰弘 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 道岡 博文 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 楠井 潤 大阪市中央区久太郎町三丁目６番８号 東 洋アルミニウム株式会社内 (72)発明者 田中 昭衛 大阪市中央区久太郎町三丁目６番８号 東 洋アルミニウム株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】 マトリックスを１００重量％としたとき
重量％で、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｓｉ：８〜２５％と、
さらに少なくともＭｏ：１．０〜３．０％を含み、残部
がＡｌからなるアルミニウム合金をマトリックスとし、
該マトリックスを含む複合材料全体を１００重量％とし
たとき窒化物、硼化物の粒子の１種または２種以上が合
計で０．５〜１０重量％該マトリックス中に分散し、粉
末冶金法により製造されていることを特徴とする高耐熱
・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料。 - 【請求項２】マトリックスを１００重量％としたとき該
マトリックスは重量％で、さらに少なくともＦｅ：０．
６〜８．０％及びＣｕ：０．６〜５．０％の１種を含
み、Ｆｅ及びＣｕの合計量が８．０％以下である請求項
１記載の高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料。 - 【請求項３】マトリックスを１００重量％としたとき該
マトリックスは重量％で、さらに少なくともＺｒ：０．
３〜３．０％及びＴｉ：１．０〜４．０％の１種を含む
請求項１又は２記載の高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム
基複合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4358906A JPH06158200A (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4358906A JPH06158200A (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06158200A true JPH06158200A (ja) | 1994-06-07 |
Family
ID=18461724
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4358906A Pending JPH06158200A (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06158200A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103203446A (zh) * | 2013-03-23 | 2013-07-17 | 广州有色金属研究院 | 一种局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法 |
-
1992
- 1992-11-19 JP JP4358906A patent/JPH06158200A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103203446A (zh) * | 2013-03-23 | 2013-07-17 | 广州有色金属研究院 | 一种局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法 |
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