JPH06172903A - 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

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JPH06172903A
JPH06172903A JP4324030A JP32403092A JPH06172903A JP H06172903 A JPH06172903 A JP H06172903A JP 4324030 A JP4324030 A JP 4324030A JP 32403092 A JP32403092 A JP 32403092A JP H06172903 A JPH06172903 A JP H06172903A
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宏久 三浦
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泰弘 山田
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博文 道岡
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Abstract

(57)【要約】 【目的】製品材料として耐熱性、耐摩耗性を有し鍛造性
を改善する。 【構成・作用】マトリックスを100重量%としたとき
重量%で、Ni:2〜15%、Si:0.2〜15%、
Fe:0.6〜8.0%と、Cu:0.6〜5.0%お
よびMg:0.5〜3%の1種または2種ただしCu+
Mg≦6%と、Zr:0.3〜3%およびMo:0.3
〜3%の1種または2種ただしZr+Mo≦4%とを含
み、残部が不可避不純物とAlからなる耐熱アルミニウ
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
マトリックスに分散し、粉末冶金法により製造されてい
る高耐熱、耐摩耗性アルミニウム基複合材料。この複合
材料を使用し、焼結法で合金とすれば、常温での強度が
500MPa以上、150℃で450MPa以上あり、
限界据込率も60%以上で、比摩耗量が1.2×10-7
以下のアルミニウム基複合材料が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、バルブスプリングリテ
ナー、インテークバルブ、ピストン等の自動車、航空機
等のエンジン部品に適用して有用な、靱性、耐摩耗性と
ともに高温強度、耐クリープ特性に優れる高耐熱・高耐
摩耗性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。
【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。
【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。
【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、このためインテークバルブなどの
エンジン部品用の材料は、300℃で引張強度が200
MPa以上必要とされる。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、上記のAl−Ni系合金及びAl−N
i−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NiAl3 金属間化合物の
粒径が10μm程度と大きくなり、常温で高々380M
Pa、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−N
i−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 金属間化合物の粒径が4μm以下であ
り、耐摩耗性に優れるとともに、引張強度も常温で51
0MPa、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、鍛造性、安定した耐摩耗性および特に高
温での引張強度、降伏強度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FeおよびCuの少なく
とも1種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
進めた。そして特定の組成割合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は、高温度での引張強度および伸
度に優れ、鍛造性、耐摩耗性が高いことを発見・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:2
〜15%、Si:0.2〜15%、Fe:0.6〜8.
0%と、Cu:0.6〜5.0%およびMg:0.5〜
3%の1種または2種ただしCu+Mg≦6%と、Z
r:0.3〜3%およびMo:0.3〜3%の1種また
は2種ただしMo+Zr≦4%とを含み、残部が不可避
不純物とAlからなる耐熱アルミニウム合金をマトリッ
クとし、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
るマトリックスに重量%(以下、特にことわりのないか
ぎり%は重量%を意味する。)でTi:0.5〜4.0
%を含むことができる。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
より製造できる。通常この混合粉末をケースに入れ、こ
の状態で冷間予備成形(CIP等)、熱間押出すること
でなされる。
【0011】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:2〜15%〕Niは、Alとともに、NiAl
3 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。
【0012】このため、Niは高温強度を確保するマト
リックス硬化剤として2%以上添加することが必要であ
る。またNiが15%を超えるとマトリックスの高温強
度は確保できるが粗大結晶の析出により加工性、伸びが
低下し鍛造性が低下するので好ましくない。 〔Si:0.2〜15%〕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、A3
90合金等で知られている。
【0013】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15%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、製品に粗大な初晶Siが晶出し
て好ましくない。Siの量が0.2%未満では添加効果
が認められないので好ましくない。 〔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
ましいとされている。しかし、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。
【0014】〔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。Cu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、マトリックスの高温強度
を低下させる。但し、Cuと下述のMgとは、少なくと
も1種が含有され、Mg及びCuの合計量が6%以下で
あれば、マトリックスの鍛造性が保持できる。
【0015】〔Mg:0.5〜3.0%〕一般にMg
は、Cu同様、Al合金を強化する成分として知られて
いる。Mgの量が3%を超えると粗大化合物が析出して
鍛造性が低下するので好ましくない。但し、上述のCu
とMgとは少なくとも1種が配合され、その合計量が6
%以下であれば添加効果を保持することができる。
【0016】〔Zr:0.3〜3.0%〕Zrは、高温
強度および耐クリープ性を改善する添加元素として知ら
れている。即ち、本発明のマトリックスに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(ZrAl 3 )を晶出し、望ましくな
い。
【0017】〔Mo:0.3〜3.0%〕MoもまたZ
rと同様に、同じ添加量で耐熱性を改善できる元素であ
るが、本発明では、Zr,Moのうちの少なくとも1種
を4%以下添加することで上記鍛造性、耐クリープ特性
を確保することができる。そして、ZrとMoは少なく
とも1種以上添加されれば良く、MoとZrの合計量が
4%以下とする必要があるる。4%を超えるとかえって
鍛造性が低下するので好ましくない。
【0018】〔Ti:0.5〜4.0%〕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0.5〜4.0%である。Tiの配合が0.5%
未満では高温における降伏強度の向上効果が少なく、T
iの配合が4.0%を超えて添加するとマトリックスの
靱性を低下させるので、望ましくない。
【0019】〔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、添加による耐摩耗
性の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。
【0020】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、TiB、NiB、MgB2 などが挙げられ
る。窒化物、硼化物は、微粉末で0.5〜20μmであ
ることが望ましい。0.5μmより小さいと粉末同士が
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向上の効
果が少なくなるからである。
【0021】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
製造できる。
【0022】
【実施例】以下、本発明を具体化した実施例および比較
例を示すとともに本発明をさらに詳細に説明する。な
お、実施例および比較例の組成を表1、表2に特性値を
表3、表4に示す。表1、表2のマトリックス組成の列
に示す組成の元素の前の数字は、マトリックス100%
中に占めるその元素の%量である。窒化物および硼化物
の列のそれぞれの窒化物および硼化物の前に記載された
数字は、複合材料全体を100%としたときの窒化物お
よび硼化物の%量を示す。
【0023】表1に示す組成のAlマトリクスの溶湯を
アトマイズ法により粉末化した後、100メッシュの篩
により分級し、これに粒径1〜20μmの窒化物、硼化
物の微粉末を所定量上記のマトリクス粉末に混合して混
合粉末とした。これらの混合粉末を純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、φ30mm×L80mm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の棒状の表1に示すNo1〜9の
9種類のアルミニウム基複合材料を得た。これらの実施
例の各アルミニウム基複合材料には、窒化物、硼化物の
粒子が耐熱アルミニウム合金マトリックス中に分散して
いる。
【0024】
【表1】 表2に示すNo51、No52、No57、No58の
組成のアルミニウム合金の溶湯をアトマイズ法により粉
末化した後、100メッシュの篩により分級し、これに
をアルミニウム合金粉末とした。No53、No54、
No55は表2に示す組成のAlマトリクスの溶湯をア
トマイズ法により粉末化した後、100メッシュの篩に
より分級し、これに粒径1〜20μmの窒化物、硼化物
の微粉末を所定量上記のマトリクス粉末に混合して混合
粉末とした。No56は表2に示す組成のAlマトリク
スの溶湯をアトマイズ法により粉末化した後、100メ
ッシュの篩により分級し、これに粒径2.6μmの炭化
珪素の微粉末を15%混合して混合粉末とした。
【0025】これらの各混合粉末を純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、φ30mm×L80mm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の棒状の表1に示すNo51〜5
8の8種類のアルミニウム基複合材料およびアルミニウ
ム合金を得た。
【0026】
【表2】
【0027】
【表3】 σ:引張強度(MPa)、YP:降伏強度(MPa)、
δ:伸び(%) 比摩耗量(mm3 /kg・mm)、限界据込率(%) 「−」は、ほぼ0で測定不可、空欄は未測定
【0028】
【表4 】 σ:引張強度(MPa)、YP:降伏強度(MPa)、
δ:伸び(%) 比摩耗量(mm3 /kg・mm)、限界据込率(%) 「−」は、ほぼ0で測定不可、空欄は未測定を表す 〔評価1〕表3には実施例のNo1〜No9のアルミニ
ウム基複合材料の試料について、室温での引張強度と伸
びを、150℃での引張強度と伸びを、No8およびN
o9については300℃における引張強度と降伏強度お
よび伸びの測定を行った。結果を表3に示す。
【0029】表3より、実施例のNo1〜9のアルミニ
ウム基複合材は、いづれも常温(RT)における引張強
度(σ)が500MPaを超え、150℃においても4
50MPaを超えている。したがって、本実施例の各試
料は耐熱強度が向上していることを示している。比較例
も、表4に示すようにNo51〜58の各試料について
室温での引張強度と伸びを、150℃での引張強度と伸
びを、No53〜58については300℃における引張
強度と降伏強度および伸びの測定を行った。
【0030】比較例No51、No52、No57、N
o58は本発明のマトリックス組成と同じであり常温の
引張強度(σ)は500Mpaを超え、150℃におい
ても450MPaを超えている。比較例No51のアル
ミニウム合金は、実施例No1のマトリクス組成と同じ
であり、同様にNo52はNo2とNo57はNo8と
No58はNo9のマトリクス組成と同じであり、強度
的にはほぼ同じレベルであり窒化物、硼化物を添加した
ことによる強度への著しい悪影響は認められない。
【0031】比較例No53、No54はAl,Niお
よびSiのみからなるマトリックスに窒化物、硼化物を
配合した場合で、常温での引張強度(σ)が500PM
a以下で150℃も450PMa以下である。また、比
較例のNo55のZrまたはMoを含まないマトリック
スに窒化物を添加した場合も常温での引張強度(σ)が
500PMa以下で150℃も450PMa以下で、引
張強度(σ)が不充分である。比較例のNo56は、マ
トリックス中にNi、Fe、Si(わずか0.6%)お
よびZrまたはMoを含まないため常温および150℃
の引張強度(σ)が400MPa以下と低い。
【0032】さらに実施例No8は、Tiを1%添加し
たため、300℃の降伏点がTiを含まない実施例No
9に比べて向上している。したがって、本発明のAlマ
トリックス組成とすることで所期の強度を得ることがで
きる。 〔評価2〕表1、表2に示す組成であって、評価1と同
様にして得た各焼結体からなるアルミニウム基複合材料
およびアルミニウム合金から、φ10mm×15mmの
テストピースT/Pを切削して各5〜8本準備した。そ
して、図1に示すように、各テストピースT/Pを金型
間に挟持し、450℃で、鍛造速度;70mm/秒によ
り据込率を変え、限界据込率(%)を求める鍛造試験を
おこなった。結果を表3、表4に示す。
【0033】なお、限界据込率(%)は、εhc=(h0
−hc )×100/h0 により求めた。実施例No1〜
9はいずれも鍛造性を示す限界据込率(450℃)が6
0%以上あり鍛造性に優れている。一方比較例ではNo
51、No52およびNo56が限界据込率(450
℃)が60%以上あり鍛造性に優れている。しかし、窒
化物、硼化物を含むNo53、No54はマトリックス
のNiが15%、Siが20%のため限界据込率が50
%以下であり、他は測定できなかった。また比較例No
55は、マトリックスのNiが10%、Siが25%で
あり、300℃の伸びが0.2%であり、限界据込率が
かなり低くなることは容易に類推される。したがって、
Alマトリックスに窒化物、硼化物を配合するのみでは
鍛造性は向上しない。マトリックス組成の設定が必要で
有ることを示している。
【0034】本発明の複合材料の鍛造性が優れているの
は、Ni、Si、Fe(特にSi)の添加量をそれぞれ
15%、15%、8%以下としたことによる。 〔評価3〕次にこれら実施例1〜9のアルミニウム基複
合材料および比較例51〜58のアルミニウム合金につ
いて摩耗試験を行なった。摩耗量はLFW試験機を使用
して油中に没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。
【0035】結果を、表3および表4に示す。表3より
実施例No1〜9の試料の比摩耗量(LFW試験)は
1.3×10-7mm3 /kg・mm以下であり、高温強
度、鍛造性、耐摩耗性とバランスのとれたアルミニウム
基複合材料である。窒化物、硼化物を含まない比較例N
o51、No52およびNo56は、表4より鍛造性を
示す限界据込率(450℃)は75%以上あり良いが、
比摩耗量が4.0×10-7と大きく耐摩耗性が低い。比
較例No53、No54は窒化物、硼化物を含むので比
摩耗量が2×10-9、3×10-9と耐摩耗性は良いが鍛
造性の良否を示す限界据込率が40.5%,45.0%
と低くい。
【0036】したがって、強度、耐熱性、鍛造性、耐摩
耗性のバランスのとれたアルミニウム基複合材料とする
には、マトリックス組成の選定と窒化物、硼化物の配合
量を特定することが必要である。したがって、上記の評
価により、実施例No1〜9のアルミニウム基複合材料
の粉末を焼結法により製造したアルミニウム基複合材料
は、軽量であるとともに、耐摩耗性、鍛造性、常温およ
び高温での引張強度に優れている。
【0037】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のアルミニ
ウム基複合材料は、所定量のNi、Si、Fe、Cuお
よびMg、ZrおよびMoを含有したアルミニウム合金
をマトリックスとして使用しているため、軽量であると
ともに、窒化物、硼化物の粒子がマトリックス中に分散
しているので耐摩耗性が優れ、かつ窒化物、硼化物の粒
子が分散されていないマトリックスからなるアルミニウ
ム合金とほぼ類似した強度を有する。
【0038】したがって、本発明のアルミニウム基複合
材料で例えば自動車等のエンジン部品であるバルブスプ
リングリテナー、インテークバルブ、ピストンなどの軽
量化に寄与できる。さらにこのアルミニウム基複合材料
は、安定した耐摩耗性、靱性、鍛造性を剛性、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、かつ軽量化が
図れるので低燃費化したエンジン部品とすることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 評価2において限界据込率の測定方法を示す
断面模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 1/10 J 21/02 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 (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マトリックスを100重量%としたとき
    重量%で、Ni:2〜15%、Si:0.2〜15%、
    Fe:0.6〜8.0%と、Cu:0.6〜5.0%お
    よびMg:0.5〜3%の1種または2種ただしCu+
    Mg≦6%と、Zr:0.3〜3%およびMo:0.3
    〜3%の1種または2種ただしMo+Zr≦4%とを含
    み、残部が不可避不純物とAlからなる耐熱アルミニウ
    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。
  2. 【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、Ti:0.5〜4.0%を
    含む請求項1記載の高耐熱・高耐摩耗性アルミニウム基
    複合材料。
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