JPH06212328A - 高耐熱・高剛性・低熱膨張アルミニウム基複合材料 - Google Patents
高耐熱・高剛性・低熱膨張アルミニウム基複合材料Info
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- JPH06212328A JPH06212328A JP2201293A JP2201293A JPH06212328A JP H06212328 A JPH06212328 A JP H06212328A JP 2201293 A JP2201293 A JP 2201293A JP 2201293 A JP2201293 A JP 2201293A JP H06212328 A JPH06212328 A JP H06212328A
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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、
低熱膨張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、炭化物、酸化物の粒子
の１種または２種以上が合計で１０％超えて３０％量以
下の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。
低熱膨張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、炭化物、酸化物の粒子
の１種または２種以上が合計で１０％超えて３０％量以
下の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、高剛性、低熱膨張とともに高
温強度に優れる耐摩耗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、高剛性、低熱膨張とともに高
温強度に優れる耐摩耗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 金属間化合物の粒径が４μ
ｍ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５１０ＭＰａ、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 金属間化合物の粒径が４μ
ｍ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５１０ＭＰａ、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、高温強度と剛性及びクリープ特性に優れ
低熱膨張であ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、高温強度と剛性及びクリープ特性に優れ
低熱膨張であ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、炭化物、酸化物の粒子
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、高剛性、低膨張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、炭化物、酸化物の粒子
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、高剛性、低膨張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、炭化物、酸化物の粒子の１種または２種以上が合計
で１０重量％を越え３０重量％以下の量該マトリックス
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。 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。
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、炭化物、酸化物の粒子の１種または２種以上が合計
で１０重量％を越え３０重量％以下の量該マトリックス
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。 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。
【００１０】さらに上記のマトリックスには、少なくと
もＺｒ：０．３〜３．０％及びＴｉ：１．０〜４．０％
の１種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、炭化物、酸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）、熱間押出する方法もある。
もＺｒ：０．３〜３．０％及びＴｉ：１．０〜４．０％
の１種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、炭化物、酸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）、熱間押出する方法もある。
【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：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。
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。
【００１２】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２００ＭＰａ以上にな
らず、高温強度が効果的に向上しない。逆に、Ｎｉが４
０％以下の添加であれば、得られるマトリックスはＮｉ
Ａｌ3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２００ＭＰａ以上にな
らず、高温強度が効果的に向上しない。逆に、Ｎｉが４
０％以下の添加であれば、得られるマトリックスはＮｉ
Ａｌ3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。
【００１３】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。
【００１４】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、炭化物、酸化物：合計で１０％を超
え３０％〕窒化物、硼化物、炭化物、酸化物の粒子を耐
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、炭化物、酸化物の
量が１０％以下の場合は、高剛性化、低熱膨張化の効果
が少ない。また添加量が３０％を超えると、アルミニウ
ム基複合材料の伸び、鍛造性、機械加工性がが著しく低
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、炭化物、酸化物：合計で１０％を超
え３０％〕窒化物、硼化物、炭化物、酸化物の粒子を耐
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、炭化物、酸化物の
量が１０％以下の場合は、高剛性化、低熱膨張化の効果
が少ない。また添加量が３０％を超えると、アルミニウ
ム基複合材料の伸び、鍛造性、機械加工性がが著しく低
下するので好ましくない。
【００１５】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 などが挙げられ
る。さらに、硬質セラミック粒子として炭化物（Ｔｉ
Ｃ、ＳｉＣ）、酸化物（Ａｌ2Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ）、複合
化合物（ＦｅＣｒＣ、ＦｅＣｒＢ）などの微粒子を混合
配合してもよい。
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 などが挙げられ
る。さらに、硬質セラミック粒子として炭化物（Ｔｉ
Ｃ、ＳｉＣ）、酸化物（Ａｌ2Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ）、複合
化合物（ＦｅＣｒＣ、ＦｅＣｒＢ）などの微粒子を混合
配合してもよい。
【００１６】この窒化物、硼化物は、炭化物、酸化物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、炭化物、酸化物は、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ので
好ましくない。また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。
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、炭化物、酸化物は、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ので
好ましくない。また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を参照しつつ本発明をさらに詳細に説明す
る。
【００１８】
【表１】
【００１９】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。
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。
【００２０】これらマトリックス粉末と窒化物、硼化
物、炭化物、酸化物粒子を混合した混合粉末を純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３
０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。得られたアルミニウム合金金属組織の拡大写真図を
図１、図２に示す。
物、炭化物、酸化物粒子を混合した混合粉末を純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３
０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。得られたアルミニウム合金金属組織の拡大写真図を
図１、図２に示す。
【００２１】窒化物、硼化物は写真図１に実施例１、写
真図２に実施例２の金属組織の拡大図に示すように、ア
ルミニウム合金マトリクスに密着して分散している。図
５に実施例１のアルミニウム基複合材料のＸ線回折チャ
ートを、図６に実施例２のアルミニウム基複合材料のＸ
線回折チャートを示す。図５の実施例１のＸ線回折チャ
ートにはＡｌ、Ｓｉ、Ａｌ23ＣｕＦｅ4 およびＡｌ4 Ｃ
ｕ9 の金属間化合物、ＴｉＢ2 セラミックスが含まれ
る。
真図２に実施例２の金属組織の拡大図に示すように、ア
ルミニウム合金マトリクスに密着して分散している。図
５に実施例１のアルミニウム基複合材料のＸ線回折チャ
ートを、図６に実施例２のアルミニウム基複合材料のＸ
線回折チャートを示す。図５の実施例１のＸ線回折チャ
ートにはＡｌ、Ｓｉ、Ａｌ23ＣｕＦｅ4 およびＡｌ4 Ｃ
ｕ9 の金属間化合物、ＴｉＢ2 セラミックスが含まれ
る。
【００２２】図６の実施例２のＸ線回折チャートにはＡ
ｌ、Ｓｉ、Ａｌ23ＣｕＦｅ4 およびＡｌ4 Ｃｕ9 の金属
間化合物、ＡｌＮセラミックスが含まれている。金属間
化合物の存在は、主としてマトリックスの特性（耐熱
性）を向上させ、その結果複合材料の特性を向上させ
る。 〔評価〕上記実施例Ｎｏ１〜８の各アルミニウム基複合
材料および比較例Ｎｏ１1 、１2 の窒化物、硼化物を含
まない耐熱アルミニウム合金について、常法によりヤン
グ率と熱膨張率を測定した。結果を表１に示す。
ｌ、Ｓｉ、Ａｌ23ＣｕＦｅ4 およびＡｌ4 Ｃｕ9 の金属
間化合物、ＡｌＮセラミックスが含まれている。金属間
化合物の存在は、主としてマトリックスの特性（耐熱
性）を向上させ、その結果複合材料の特性を向上させ
る。 〔評価〕上記実施例Ｎｏ１〜８の各アルミニウム基複合
材料および比較例Ｎｏ１1 、１2 の窒化物、硼化物を含
まない耐熱アルミニウム合金について、常法によりヤン
グ率と熱膨張率を測定した。結果を表１に示す。
【００２３】表１より、実施例１〜８のアルミニウム基
複合材料のヤング率は、ＡｌＮ粒子を配合したＮｏ２、
６では１４３（ＧＰａ）以上でありＴｉＢ2 粒子を配合
したＮｏ１、５は１５０（ＧＰａ）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１１、１２が１２２（ＧＰａ）程度であるのと比較し
て一段と向上している。さらに、熱膨張率は、比較例１
１が１５．９×１０-6／Ｋであるのに対して、同じアル
ミニウム合金マトリックスにＴｉＢ2 粒子を配合したＮ
ｏ１は、１５．５×１０-6／Ｋ、ＡｌＮ粒子を配合した
Ｎｏ２は、１５．１×１０-6／Ｋである。比較例１２の
熱膨張率が１３．０×１０-6／Ｋであるのに対してＴｉ
Ｂ2 粒子を配合したＮｏ５は、１２．７×１０-6／Ｋ、
ＡｌＮ粒子を配合したＮｏ６は、１２．２×１０-6／Ｋ
であり、熱膨張率が小さくなっている。
複合材料のヤング率は、ＡｌＮ粒子を配合したＮｏ２、
６では１４３（ＧＰａ）以上でありＴｉＢ2 粒子を配合
したＮｏ１、５は１５０（ＧＰａ）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１１、１２が１２２（ＧＰａ）程度であるのと比較し
て一段と向上している。さらに、熱膨張率は、比較例１
１が１５．９×１０-6／Ｋであるのに対して、同じアル
ミニウム合金マトリックスにＴｉＢ2 粒子を配合したＮ
ｏ１は、１５．５×１０-6／Ｋ、ＡｌＮ粒子を配合した
Ｎｏ２は、１５．１×１０-6／Ｋである。比較例１２の
熱膨張率が１３．０×１０-6／Ｋであるのに対してＴｉ
Ｂ2 粒子を配合したＮｏ５は、１２．７×１０-6／Ｋ、
ＡｌＮ粒子を配合したＮｏ６は、１２．２×１０-6／Ｋ
であり、熱膨張率が小さくなっている。
【００２４】図３は、アルミニウム基複合材料中の窒化
物、硼化物、炭化物、酸化物などにのセラミックスの重
量％を横軸に熱膨張率データを縦軸とした硼化物、窒化
物、炭化物、酸化物の量と熱膨張率との関係を推測する
グラフで、セラミックスの重量％が０％はＡｌマトリッ
クス（比較例Ｎｏ１１）の１５．９×１０-6／Ｋを、セ
ラミックスの１００重量％はＡｌＮの熱膨張率６．０８
×１０-6／Ｋ、ＴｉＢ2 の熱膨張率８×１０-6／Ｋ、Ａ
ｌ2 Ｏ3 の熱膨張率８．６×１０-6／Ｋ、ＳｉＣの熱膨
張率４．５×１０-6／Ｋとし両者を結んだものである。
ピストンピンに使用される鋼（ＳＣｒ１５）の熱膨張率
は１２．２×１０-6／Ｋであり、本発明の硼化物、窒化
物、炭化物、酸化物の添加量範囲の１０％を超え３０％
の範囲は実施例Ｎｏ１、Ｎｏ２の値からして鋼の熱膨張
率に近似したものであることが推測される。
物、硼化物、炭化物、酸化物などにのセラミックスの重
量％を横軸に熱膨張率データを縦軸とした硼化物、窒化
物、炭化物、酸化物の量と熱膨張率との関係を推測する
グラフで、セラミックスの重量％が０％はＡｌマトリッ
クス（比較例Ｎｏ１１）の１５．９×１０-6／Ｋを、セ
ラミックスの１００重量％はＡｌＮの熱膨張率６．０８
×１０-6／Ｋ、ＴｉＢ2 の熱膨張率８×１０-6／Ｋ、Ａ
ｌ2 Ｏ3 の熱膨張率８．６×１０-6／Ｋ、ＳｉＣの熱膨
張率４．５×１０-6／Ｋとし両者を結んだものである。
ピストンピンに使用される鋼（ＳＣｒ１５）の熱膨張率
は１２．２×１０-6／Ｋであり、本発明の硼化物、窒化
物、炭化物、酸化物の添加量範囲の１０％を超え３０％
の範囲は実施例Ｎｏ１、Ｎｏ２の値からして鋼の熱膨張
率に近似したものであることが推測される。
【００２５】図４はヤング率について図３と同様にセラ
ミックスの重量％との関係を考察したものである。セラ
ミックスの重量％が０％はＡｌマトリックス（比較例Ｎ
ｏ１１）の１２２．９（ＧＰａ）を、セラミックス１０
０重量％はＡｌＮのヤング率３１０（ＧＰａ）、ＴｉＢ
2 のヤング率４２５〜５００（ＧＰａ）、ＡｌＯ3 のヤ
ング率３７０（ＧＰａ）、ＳｉＣのヤング率５００（Ｇ
Ｐａ）とし両者を結んだものである。本発明の硼化物、
窒化物、炭化物、酸化物の添加量範囲の１０％を超え３
０％の範囲は実施例Ｎｏ１、Ｎｏ２の値からして鋼（キ
ャリパーＦＣＤ４５）のヤング率１７０（ＧＰｎ）に近
似したものであることが推測される。したがって、本発
明は、耐熱アルミニウム合金マトリックスに硼化物、窒
化物、炭化物、酸化物を特定の量範囲で添加すること
で、エンジン部品に使用される鋼のそれと近いヤング
率、熱膨張率となり、併用ないしは代替部品として鋼の
代わりに使用することが可能となる。
ミックスの重量％との関係を考察したものである。セラ
ミックスの重量％が０％はＡｌマトリックス（比較例Ｎ
ｏ１１）の１２２．９（ＧＰａ）を、セラミックス１０
０重量％はＡｌＮのヤング率３１０（ＧＰａ）、ＴｉＢ
2 のヤング率４２５〜５００（ＧＰａ）、ＡｌＯ3 のヤ
ング率３７０（ＧＰａ）、ＳｉＣのヤング率５００（Ｇ
Ｐａ）とし両者を結んだものである。本発明の硼化物、
窒化物、炭化物、酸化物の添加量範囲の１０％を超え３
０％の範囲は実施例Ｎｏ１、Ｎｏ２の値からして鋼（キ
ャリパーＦＣＤ４５）のヤング率１７０（ＧＰｎ）に近
似したものであることが推測される。したがって、本発
明は、耐熱アルミニウム合金マトリックスに硼化物、窒
化物、炭化物、酸化物を特定の量範囲で添加すること
で、エンジン部品に使用される鋼のそれと近いヤング
率、熱膨張率となり、併用ないしは代替部品として鋼の
代わりに使用することが可能となる。
【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、耐熱アルミニウム合金マトリッ
クスに硼化物、窒化物、炭化物、酸化物を特定の量範囲
で添加することで、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、ヤング率、熱膨張率の低下を図
ることができる。
ミニウム基複合材料は、耐熱アルミニウム合金マトリッ
クスに硼化物、窒化物、炭化物、酸化物を特定の量範囲
で添加することで、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、ヤング率、熱膨張率の低下を図
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。本発明のアルミニウム基複合材
料は、高剛性、低熱膨張性であり、従来鋳鉄などの鉄系
材料が使用されていた部位に軽量材として、代替あるい
は従来材と組み合わせてハイブリド化をおこなうことが
できる。したがって、応用分野が広くなり自動車、航空
機などの運動部位への適用できる。
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。本発明のアルミニウム基複合材
料は、高剛性、低熱膨張性であり、従来鋳鉄などの鉄系
材料が使用されていた部位に軽量材として、代替あるい
は従来材と組み合わせてハイブリド化をおこなうことが
できる。したがって、応用分野が広くなり自動車、航空
機などの運動部位への適用できる。
【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４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】これは実施例１、２のアルミニウム基複合材料
の熱膨張率を示すグラフである。
の熱膨張率を示すグラフである。
【図４】これは実施例１、２のアルミニウム基複合材料
のヤング率を示すグラフである。
のヤング率を示すグラフである。
【図５】これは実施例１のアルミニウム基複合材料のＸ
線回折チャートである。
線回折チャートである。
【図６】これは実施例２のアルミニウム基複合材料のＸ
線回折チャートである。
線回折チャートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 今橋 ▲邦▼彦 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、炭化物、酸化物の粒子の１種ま
たは２種以上が合計で１０重量％を超え３０重量％以下
の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・高剛性・低熱膨張
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・高剛性・低熱膨張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・高剛性・低熱膨張アルミ
ニウム基複合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2201293A JPH06212328A (ja) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | 高耐熱・高剛性・低熱膨張アルミニウム基複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2201293A JPH06212328A (ja) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | 高耐熱・高剛性・低熱膨張アルミニウム基複合材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06212328A true JPH06212328A (ja) | 1994-08-02 |
Family
ID=12071093
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2201293A Pending JPH06212328A (ja) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | 高耐熱・高剛性・低熱膨張アルミニウム基複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06212328A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104073691A (zh) * | 2014-06-30 | 2014-10-01 | 安徽相邦复合材料有限公司 | 原位混杂TiC、AlN颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
| JP2015098871A (ja) * | 2013-11-19 | 2015-05-28 | マーレ インターナショナル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテルハフツングＭＡＨＬＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧｍｂＨ | 弁装置用の弁、その製造方法、及びそれを備えた内燃機関 |
| CN107723496A (zh) * | 2017-08-28 | 2018-02-23 | 中国兵器科学研究院宁波分院 | 铝硅基复合材料的制备方法 |
| CN108754242A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-11-06 | 淮阴工学院 | 一种原位内生微/纳跨尺度陶瓷相协同增强铝基复合材料及其成形方法 |
| CN109609800A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-12 | 广西柳州银海铝业股份有限公司 | 内生双相5052铝合金扁锭的生产方法 |
| CN115044806A (zh) * | 2022-06-17 | 2022-09-13 | 大连科天新材料有限公司 | 一种铝合金添加剂及其制备方法和应用 |
-
1993
- 1993-01-14 JP JP2201293A patent/JPH06212328A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015098871A (ja) * | 2013-11-19 | 2015-05-28 | マーレ インターナショナル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテルハフツングＭＡＨＬＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧｍｂＨ | 弁装置用の弁、その製造方法、及びそれを備えた内燃機関 |
| CN104073691A (zh) * | 2014-06-30 | 2014-10-01 | 安徽相邦复合材料有限公司 | 原位混杂TiC、AlN颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN104073691B (zh) * | 2014-06-30 | 2016-06-08 | 安徽相邦复合材料有限公司 | 原位混杂TiC、AlN颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN107723496A (zh) * | 2017-08-28 | 2018-02-23 | 中国兵器科学研究院宁波分院 | 铝硅基复合材料的制备方法 |
| CN107723496B (zh) * | 2017-08-28 | 2019-11-01 | 中国兵器科学研究院宁波分院 | 铝硅基复合材料的制备方法 |
| CN108754242A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-11-06 | 淮阴工学院 | 一种原位内生微/纳跨尺度陶瓷相协同增强铝基复合材料及其成形方法 |
| CN109609800A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-12 | 广西柳州银海铝业股份有限公司 | 内生双相5052铝合金扁锭的生产方法 |
| CN115044806A (zh) * | 2022-06-17 | 2022-09-13 | 大连科天新材料有限公司 | 一种铝合金添加剂及其制备方法和应用 |
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