JPH06271967A - 高温高強度複合アルミニウム合金材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた高温強度を有し、しかも加工性の良好
な高温高強度アルミニウム合金材を提供する。 【構成】 本発明のＡｌ合金材は、高温強度に優れた
Ａｌ合金粉末とＳｉ−Ａｌ合金粉末との混合粉末の熱間
加圧成形材である。前記Ｓｉ−Ａｌ合金は重量％で、Ｓ
ｉ：３０〜５０％、及びＮｉ：５〜２０％、Ｃｕ：３〜
１５％、Ｆｅ：１〜１０％の範囲内でＮｉ、Ｃｕ、Ｆｅ
の総計：２０〜３５％を本質的に含有し、残部が実質的
にＡｌからなるものである。この際、高温強度に優れた
Ａｌ合金粉末とＳｉ−Ａｌ合金粉末との混合粉末におけ
るＳｉ−Ａｌ合金粉末の配合量は２０〜５０ｗｔ％にす
るのがよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温強度に優れたアル
ミニウム合金材に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車や自動二輪車等の内燃機関に使用
される部品、例えばピストンや連節棒あるいはブレーキ
ロータ等は、高温下での激しい運動に耐える強度を有す
るものでなければならない。一方、近年、自動車等の軽
量化や省エネルギーの見地から部品の軽量化が望まれて
いる。このため、前記高温強度が要求される部品につい
てもアルミニウム合金が使用されるようになってきてい
る。

【０００３】かかる高温強度に優れるアルミニウム合金
材として、Ｆｅを過飽和に含有したＦｅ−Ａｌ合金急冷
凝固粉末の熱間加工材が研究開発されつつある。例え
ば、特開昭６２−４７４４８号公報には、Ｆｅを１０ｗ
ｔ％以上過飽和に含有した耐熱アルミニウム合金粉末の
熱間押出成形材が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
Ｆｅ−Ａｌ合金粉末を用いた場合、粉末の表面には酸化
膜が形成されているため、かかる粉末を一体化するには
粉末表面の酸化皮膜を分断、破砕して基地同士を一体化
する必要がある。このため、高出力の熱間押出機が必要
となり、また熱間鍛造（熱間一軸圧縮）による場合は加
工比を大きくとる必要がある。また、熱間鍛造や熱間等
方圧加圧等により、加工比が小さい状態で熱間加圧成形
する場合、粉末同士を強固に接合一体化するために、加
熱温度を融点近傍に設定近する必要があるが、そうする
と急冷凝固粉末が本来持っていた特性が損なわれ、材質
がが劣化する。

【０００５】本発明はかかる問題に鑑みなされたもの
で、優れた高温強度を有し、しかも加工性の良好な高温
高強度アルミニウム合金材を提供すること目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のＡｌ合金材は、
高温強度に優れたＡｌ合金粉末とＳｉ−Ａｌ合金粉末と
の混合粉末の熱間加圧成形材であって、前記Ｓｉ−Ａｌ
合金は重量％で、Ｓｉ：３０〜５０％、及びＮｉ：５〜
２０％、Ｃｕ：３〜１５％、Ｆｅ：１〜１０％の範囲内
でＮｉ、Ｃｕ、Ｆｅの総計：２０〜３５％を本質的に含
有し、残部が実質的にＡｌからなるものである。この
際、高温強度に優れたＡｌ合金粉末とＳｉ−Ａｌ合金粉
末との混合粉末におけるＳｉ−Ａｌ合金粉末の配合量は
２０〜５０ｗｔ％にするのがよい。

【０００７】

【作用】本発明にかかるＳｉーＡｌ合金は、Ｓｉ、Ａｌ
をベースとしているため、軽量であり、耐熱耐摩耗性も
良好であり、またＮｉ−Ａｌ系の耐熱アルミナイドの生
成により、高温での強度が保持される。更に、Ｃｕ−Ａ
ｌ系の硬質化合物が耐摩耗性を向上させると共に、５３
０〜７５０℃程度の広範囲にわたり、小量の液相を段階
的に溶出する。

【０００８】このため、高温強度の良好なＡｌ合金粉末
と該Ｓｉ−Ａｌ合金粉末とを混合し、熱間加工すると、
加熱温度が６００℃以下の比較的低温でも、Ｓｉ−Ａｌ
合金粉末から溶出したＣｕ−Ａｌ液相が該Ｓｉ−Ａｌ合
金粉末に隣接したＡｌ合金粉末粒子の表面に形成された
酸化膜を浸透して基地に到達し、ＣｕＡｌ₂ −Ａｌの共
晶液相が生じて、粉末同士を強固に接合することができ
る。従って、粉末表面に形成された酸化皮膜を分断、破
砕するような強度の加工は不要であり、比較的低温度の
軽度の熱間加工により、粉末同士を容易に接合一体化す
ることができる。また、Ｓｉ−Ａｌ合金粉末は、高温強
度、高温硬度に優れるため、複合化したＡｌ合金部の変
形を阻止し、高温強度をより向上させる。

【０００９】前記高温強度に優れたＡｌ合金粉末とＳｉ
−Ａｌ合金粉末との混合粉末におけるＳｉ−Ａｌ合金粉
末の配合量は２０〜５０ｗｔ％にするのがよい。２０％
未満では、高温特性の向上効果およびバインダーとして
の作用が不足し、一方５０％を越えると材質が脆くなる
からである。本発明にかかるＳｉ−Ａｌ合金の成分限定
理由を下記に示す。単位は重量％である。

【００１０】Ｓｉ：３０〜５０％ Ｓｉは主として耐摩耗性確保および軽量化のために添加
される。３０％未満ではこれらの作用、特に耐摩耗性が
不足し、一方５０％を越えると材質が脆くなる。 Ｎｉ：５〜２０％ ＮｉはＮｉＡｌ、Ｎｉ₂ Ａｌ₃ 、ＮｉＡｌ₃ 等のＮｉ−
Ａｌ系の耐熱アルミナイドを生成させるために含有され
る。また、耐食性向上に寄与する。５％未満では耐熱ア
ルミナイド量が不足し、一方２０％を越えるとコスト高
の要因になると共に合金の融点が高くなり、溶解が困難
になる。

【００１１】Ｃｕ：３〜１５％ Ｃｕは耐食性向上に寄与するほか、Ｃｕ₃ Ａｌ、ＣｕＡ
ｌ₂ 等の固体潤滑作用を有する硬質アルミナイドを生成
させるために含有される。３％未満ではアルミナイド量
が不足し、一方、１５％を越えるとアルミナイド量が過
多となり、材質が脆化する。

【００１２】Ｆｅ：１〜１０％ ＦｅはＮｉと同様、耐熱性および熱間強度を向上させる
作用を有する。１％未満ではかかる作用が不足し、一方
１０％を越えると脆いＦｅ−Ａｌ金属間化合物が多量に
生成し、材質が脆化する。 上記Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ成分は総量で２０〜３５％とされ
る。２０％未満ではＮｉ−Ａｌ系及びＣｕ−Ａｌ系の耐
熱アルミナイド量が総量として不足するため、優れた高
温強度、潤滑作用が期待できなくなる。一方、３５％を
越えると比重が大きくなり、軽量化が害されると共に、
溶解が困難になる。

【００１３】上記本質的合金成分のほか、合金成分とし
てＺｒ, Ｖ, Ｔｉ, Ｃｅ，Ｎｂ，Ｂ，Ｃｏの１種以上を
総計で１〜５％含有させることができる。これらの成分
は、耐熱性の向上に寄与する。１％未満ではその作用が
ほとんどなく、一方５％を越えると融点が高くなり過ぎ
て、溶解が困難となる。以上の合金成分のほか、残部は
不可避的に混入した不純物とＡｌ、すなわち実質的にＡ
ｌである。

【００１４】上記合金の急冷凝固粉末は、合金元素を過
飽和に固溶しており、高含有量のＳｉはその大部分が
０．５〜３μｍ程度の微細粒子として晶出し、そのＳｉ
粒子の周りにネットワーク状にＡｌ−Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅ
の複合金属間化合物が生成した組織となり基地の強化が
図られている。

【００１５】

【実施例】本発明の複合材の原料となる高温強度に優れ
たＡｌ合金粉末、Ｓｉ−Ａｌ合金粉末は、原料合金をそ
の融点より５０〜２００℃程度高温に溶解し、水あるい
はガスアトマイズ法や回転水流法等の適宜の粉末製造手
段によって、１０³ 〜１０ ⁶ ℃／sec 程度の冷却速度で
急冷することによって得られる。回転水流法とは、特開
平４−１７６０５号公報に開示されているように、冷却
用筒体の内周面に旋回しながら流下する冷却水層を形成
し、該冷却水層に溶融金属流の噴流を供給し、これを旋
回する冷却液層によって分断し、急冷凝固させて金属粉
末を得る方法である。該製造法によると、平均粒径が20
0 μm というような比較的大きな粒子でも、10⁵ ℃／se
c 以上の冷却速度が容易に得られる。

【００１６】前記高温強度に優れたＡｌ合金粉末として
は、既述の特開昭６２−４７４４８号公報に開示された
ものなど、適宜の耐熱Ａｌ合金を使用することができ
る。好ましくは、熱間塑性加工により一体化した後の引
張強さが、３００℃において２０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の
ものがよい。このようなＡｌ合金として、前記公報に開
示されたものの他、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒからなる遷
移金属の一種又は二種以上を総計で15〜25wt％本質的に
含有し、必要により前記本質的合金成分に加えてＭｏ，
Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃｏの一種又は二種以上を総計で 3wt
％以下含有し、残部が実質的にＡｌからなるものを例示
することができる。

【００１７】高温強度に優れたＡｌ合金粉末とＳｉ−Ａ
ｌ合金粉末との配合量は、既述の通り、後者の粉末が混
合粉末に対して、２０〜５０ｗｔ％になるようにするの
がよい。粉末の粒度は特に規定されないが、通常、４５
メッシュ以下のものが使用される。尚、耐摩耗性向上の
ため、ＳｉＣ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の硬質セラミック粉末を前
記混合粉末に適宜添加してもよい。

【００１８】混合粉末の接合一体化、成形方法として
は、熱間押出、熱間鍛造、熱間静水圧加圧等の適宜の熱
間加圧手段を適用することができる。本発明では、５７
０℃以下の比較的低い温度で、Ｓｉ−Ａｌ合金からＣｕ
−Ａｌ液相が溶出し、これが潤滑剤、バインダーとして
作用するため、強力な加工条件が不要であり、押出機で
は高出力のものは必要がなく、熱間加圧の場合でも低温
度、低加工度で加工することができる。尚、熱間加工に
供するに際し、原料粉末の取扱性を考慮して、予め冷間
圧縮により、予備成形しておいてもよい。

【００１９】次に、具体的実施例を掲げる。 (1) 回転水流法により、下記組成（単位ｗｔ％）の合
金粉末Ａ、Ｂを製造した。粉末の平均粒径２００μｍで
ある。 Ａ粉末…Ｆｅ：１５％、残部Ａｌ Ｂ粉末…Ｓｉ：４５％、Ｎｉ：１５％、Ｃｕ：７％、Ｆ
ｅ：３％、残部Ａｌ (2) Ａ粉末、Ｂ粉末を表１に示す割合で配合し、予備
成形として常温で相対密度が５０〜７０％となるように
圧粉成形した。得られた圧粉成形体（仮成形体）を５４
０℃に加熱し、同温度に保持して均熱化した後、同温度
に加熱した金型内に入れて、３００ＭＰａで加圧し、外
径φ６０ｍｍの成形体を得た。この成形体の相対密度は
９９．８％であった。尚、試料No. １及び２は実施例、
No.３は従来例である。 (3) この成形体を用いて、３００℃、４００℃、５０
０℃における高温圧縮強度（降伏点）を測定した。ま
た、No. ２と３との試料を用いて、摩耗試験を行った。
摩耗試験の要領は、固定した試料の上面に８ｍｍ角のピ
ン（材質：市販ディスクブレーキ用パッド材料）の先端
を押し付けながら回転させ、摩耗深さを測定した。ピン
の接触部における周速を７ｍ／ｓｅｃとし、加圧力を２
ＭＰａとし、試験時間は５５分と測定した。この際、摩
擦面から２ｍｍ直下の試料温度も測定した。これらの結
果を表１に併せて示す。 (4) 表１より、実施例は従来例に対して、高温強度に
優れていることが分かる。特に、４００℃以上では１．
６〜１．７倍以上に増大している。また、耐摩耗性につ
いても、実施例は従来例の３．５倍以上あり、極めて良
好な結果が得られた。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のアルミニウ
ム合金材は、高温強度に優れたＡｌ合金粉末とＮｉ、Ｃ
ｕ、Ｆｅを特定量含有したＳｉ−Ａｌ合金粉末との混合
粉末の熱間加工材であるので、前記Ｓｉ−Ａｌ合金粉末
による高温変形阻止作用および同粉末から比較的低温で
溶出するＣｕ−Ａｌ液相による潤滑・バインダー作用に
より、優れた高温強度を具備したものとなり、また成形
性も極めて良好である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温強度に優れたＡｌ合金粉末とＳｉ−
   Ａｌ合金粉末との混合粉末の熱間加工材であって、前記
   Ｓｉ−Ａｌ合金は重量％で、 Ｓｉ：３０〜５０％、 及びＮｉ：５〜２０％、 Ｃｕ：３〜１５％、Ｆｅ：
   １〜１０％の範囲内でＮｉ、Ｃｕ、Ｆｅの総計：２０〜
   ３５％を本質的に含有し、 残部が実質的にＡｌからなることを特徴とする高温高強
   度複合アルミニウム合金材。
2. 【請求項２】 高温強度に優れたＡｌ合金粉末とＳｉ−
   Ａｌ合金粉末との混合粉末におけるＳｉ−Ａｌ合金粉末
   の配合量が２０〜５０ｗｔ％である請求項１に記載した
   高温高強度複合アルミニウム合金材。