JPH0696722B2 - Al合金製構造用部材の製造方法 - Google Patents

Al合金製構造用部材の製造方法

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JPH0696722B2
JPH0696722B2 JP1191123A JP19112389A JPH0696722B2 JP H0696722 B2 JPH0696722 B2 JP H0696722B2 JP 1191123 A JP1191123 A JP 1191123A JP 19112389 A JP19112389 A JP 19112389A JP H0696722 B2 JPH0696722 B2 JP H0696722B2
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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、粉末冶金法を利用しこれに高密度エネルギー
源を照射することによってAl合金製構造用部材を製造す
る方法に関するものである。
従来技術 自動車用内燃機関では、車体の軽量化を計るためにアル
ミニウム合金材料が積極的に採用されており、特にコネ
クチングロッド,ピストン等の運動部品をアルミニウム
合金材料で形成することは、慣性力を軽減する意味でも
効果的である。斯かる運動部品は、高温下の苛酷な条件
で使用されるため、耐熱性と高強度が要求され、この要
求を満たすために、大きな自由度で合金元素を添加し得
る粉末冶金製品が採用される傾向にある。
本出願人は、先に高温強度,ヤング率,耐摩耗性,断熱
性の向上を狙い、Alに対して高率のSi,Fe,およびその他
の元素を添加した粉末冶金製品用Al合金を提案した(特
願昭59−166979号参照)。
解決しようとする課題 しかしながら、斯かる強力アルミニウム合金について種
々検討を加えた結果、クランク軸のごとき高疲労強度が
要求される構造用部材に適用するには、該アルミニウム
合金は、やや強度不足であることが判明した。
この強度不足を補うために、アルミニウム合金の表面強
化法として知られている硬質陽極酸化処理により、部材
表面に厚肉の皮膜を生成させることも考えられるが、こ
の処理は、耐摩耗性の向上に有効であるものの、部材強
度の改善に寄与しないこと、処理費用が高価であること
等の理由で採用し難い。
また前記表面強化法では、その表面に化学的な処理を施
すだけであるため、その表面層の粒子の粒径は変らず、
その表面層の強度等の特性を変化させることができなか
った。
課題を解決するための手段および作用効果 そこで、本発明者は、鉄系材料の表面強化法として効果
的な方法、すなわち高密度エネルギーを有するレーザビ
ーム,プラズマアーク,TIGアーク(inert−gas tungste
n−arc)などを用いて表面硬化を行ない、耐摩耗性の向
上、強度向上を計る方法を着眼した。
本発明は、多量の合金化元素を含有するAl合金を急冷凝
固させることにより、晶出または析出する粒子を粒径を
10μm以下に分散させたAl合金粉末を得る工程、前記Al
合金粉末を成形し、Al合金粉末成形体基体部を得る工
程、前記成形体基体部の表面に、高密度エネルギー源を
照射して溶融させた後、冷却固化し、該表面層中に分散
する前記粒子の粒径を1μm以下に微細化させる工程、
とからなることを特徴とするAl合金製構造用部材の製造
方法に係るものである。
本発明では、前記したようにAl合金を急冷凝固させるこ
とにより、晶出または析出する粒子を粒径10μm以下に
分散させたAl合金粉末を得る工程と、前記Al合金粉末を
成形し、Al合金粉末成形体基体部を得る工程でもって、
疲労強度が高くかつ成形性の優れたAl合金粉末成形体基
体部を得ることができる。
また本発明においては、前記した工程によって得られた
Al合金粉末成形体基体部の表面に、高密度エネルギー源
を照射して溶融させた後、冷却固化し、該表面層中に分
散する前記粒子の粒径を1μm以下に微細化させたた
め、急冷凝固粉を利用した成形体の基体部の特性を劣化
させずに、成形体の表面層におけるクラックが生じ難く
かつ十分な疲労強度の高いAl合金製構造用部材を得るこ
とができ、以上のように、基体部と表面層とが相俟っ
て、部材全体の疲労強度を向上させることができる。
実施例 以下本発明の一実施例について説明する。
本実施例では、10≦Si≦30重量%,4≦Fe≦33重量%のSi
およびFeを含有するAl合金を急冷凝固させてAl合金粉末
を形成することにより、Si結晶粒および析出する金属間
化合物の大きさを10μm以下になし、加えてAl合金粉末
成形体の表面層に高エネルギー源による再溶融凝固処理
を施して、前記各析出物を1μm以下の大きさで微細に
分散させ、もって疲労強度の大幅な増大を達成した。
また、粉末材として使用するaAl合金は、SiおよびFeを1
0≦Si≦30重量%,4≦Fe≦33重量%が含有することが望
ましく、以上の各元素の他に,Mn,Zn,Li,Coより成る群か
ら選ばれた少なくとも一種の元素に加えて、Cu,Mgを、
1.5≦Mn≦5.0重量%,0.5≦Zn≦10重量%,1.0≦Li≦5.0
重量%,0.5≦Co≦3.0重量%,0.8≦Cu≦7.5重量%,0.5≦
Mg≦3.5重量%なる範囲で添加すると更に効果的であ
る。これ等各元素の添加理由は下記の通りである。
(a)Siについて: Siは主として、熱膨張係数を下げること,耐摩耗性を改
善することを目的として添加され、添加量の増大に伴っ
てヤング率が向上する。
但し、10重量%未満では、硬化が十分でなく、30重量%
を越えると、押出し加工,熱間鍛造加工,機械加工等の
加工性が劣化し、工業的に利用することが困難となる。
(b)Feについて: Feは、母材の疲労強度,耐熱強度を改良し、また、レー
ザビーム等の高密度エネルギーによる焼成体表面の再溶
融部周辺に生じる熱影響部の回復,再結晶による強度低
下を補うために添加され、添加量の増加に伴ってヤング
率が向上する。
但し、4重量%未満では、低下硬化が十分でなく、33重
量%を越えると、密度が上昇し、軽量化硬化が失われ
る。
(c)Mnについて: アトマイズ粉末製造においては、アルミニウム合金粉末
の冷却速度が最も大きくなるように設定する必要がある
が、量産性を考慮した場合103〜105℃/secが限度であ
る。
この冷却速度の範囲において、Fe≦6重量%では、Al−
Fe−Si系金属間化合物が、熱間押出し加工工程で十分に
分断されるとともにその化合物の析出状態も塊状である
ことから、ある程度の高速熱間鍛造が可能である。
また、Fe>6重量%では、前記金属間化合物の析出状態
が針状となり、熱間変形抵抗が増大するため、高速熱間
鍛造が不可能となる。
Mnは、前記金属間化合物の析出状態をコントロールする
ために有効である。すなわち、Mnを前記特定量添加する
ことによって、針状のAl2Fe相およびβ−Al10FeSi相に
代えて、塊状のAl11(Fe,Mn)相およびα−Al24(Fe,Mn)
2Si相を優先的に析出させ、これにより高速熱間鍛造性
を良好にし、構造部材の強度を向上させることができ
る。
但し、1.5重量%未満では、、前記硬化が得られず、5.0
重量%を越えると、熱間変形抵抗が増大し、高速熱間鍛
造が困難となる。
(d)Znについて: 200℃以下の温度条件下で使用される部材の強度を向上
させるためには、その部材にT6(溶体化後時効)処理を
施して、Si,Cu,Mgの添加で生じる金属間化合物の析出に
よる硬化現象を利用することが有効であるが、Znは、そ
の時効析出を促進させる機能を有する。
但し、0.5重量%未満では、硬化が得られず、10重量%
を超えると、熱間変形抵抗が増大し、高速熱間鍛造が困
難となる。
従来、Znを有効元素として添加する場合は、アルミニウ
ム合金に含まれるSiは不純物として扱われるが、本実施
例合金においてはその製造に当たり粉末冶金法を適用す
ることによってZnとSiとを積極的に共存させ、初晶Siに
よる耐摩耗性の向上および熱膨張率の低下を計り、また
Zn化合物の析出による硬化現象を利用して材料強度を向
上させることが可能である。
このようにZnを添加することによって、T6処理後におけ
る構造部材の強度を向上させることができるので、Feの
添加量を少なくして合金、したがって構造部材の密度を
小さくし、また熱間鍛造性を良好にすることが可能とな
る。
(e)Liについて: Liは、Fe添加による合金の密度の上昇を抑えるために用
いられ、その抑制効果はLiの添加量の増加に応じて向上
する。また、Liはヤング率を向上させて高い剛性を付与
する機能をも有する。
但し、1.0重量%未満では、密度上昇抑制効果が少な
く、一方、5.0重量%を超えると、Liが活性であること
から、製造工程が複雑になるといった問題がある。
(f)Coについて: Coは、鍛造加工性を改善するために鉄含有量を減少させ
た場合の高温強度改善に有効であり、伸び特性を損する
ことなく、引張強さ、耐力、疲労強度を向上させること
ができ、耐応力腐蝕割れ特性と鍛造加工性を悪化させる
ことなく、高温強度を向上させることが可能である。
但し、0.5重量%未満では、効果が少なく、3.0重量%を
超えると、改善効果が添加量の増加ほどに顕著ではなく
なり、特にCoは高価であることから、3.0重量%以下に
制限される。
(g)Cuについて: Cuは、Fe,Si添加に伴う焼結性,成形性の悪化を補うた
めに添加される。
但し、0.8重量%未満では、焼結性の改善および熱処理
による強度改善の効果がなく、7.5重量%を超えると、
高温強度が阻害される。
(h)Mgについて: Mgは、Cuと同様の目的で添加される。
但し、0.5重量%未満では、焼結性の改善および熱処理
による強度改善の効果がなく、3.5重量%を超えると、
高温強度が阻害される。
なお、常時応力が作用するような構造用部材、例えば連
接棒にあっては、応力腐蝕割れ特性を改善し構造用部材
の耐久性を向上させるため、合金中のCu,Mgを不純物程
度におさえるので好適であり、Cuは0.8重量%未満、Mg
は0.5重量%未満、好ましくはCu,Mgともに0.1重量%未
満とする。
前記組成範囲の合金では、マトリックス中にSi結晶の
他,Al3Fe,Al12Fe3Si,Al9Fe2Si2等の金属間化合物が
析出する。それ等の大きさは、焼成体表面の再溶融凝固
処理層において1μm以下、該処理が施されていない基
体部において10μm以下でなければならない。その理由
は、表面層において、Si結晶粒および他の析出物の大き
さが1μmを超えると、切欠きに対する感受性が高くな
ってクラックが生じ易く、十分な疲労強度向上効果を期
し難いからであり、また、基体部においてそれ等の大き
さが10μmを超えると、部材の疲労強度向上を期し難
く、かつ成形性が悪化するからである。
試験例 (1)表1に示す組成(A,B,C,…S)のAl合金をアトマ
イジング(atomizing)法により粉末になし、各合金粉
末A,B,C,…Sを用いて、冷間静水圧プレス成形法により
直径225mm,長さ300mmの押出し加工用素材を成形する。
冷間静水圧プレス成形法においては、ゴム性チューブ内
に合金粉末を入れ、1.5〜3.0t/cm2程度の静水圧下で行
われる。型押しプレス法においては、金型中に合金粉末
を入れて常温大気中で、1.5〜3.0t/cm2程度の圧力下で
成形が行われる。
得られた押出し加工用素材を、炉内温度350℃の均熱炉
に設置して10時間保持し、次いで各押出し加工用素材に
熱間押出し加工を施して合金A,B,C,…Sよりなる直径70
mmの丸棒状鍛造用素材を製造する。
この場合の押出し方式は、直接押出し(前方押出し)ま
たは間接押出し(後方押出し)、何れでもよいが、押出
し比は5以上を必要とする。押出し比が5以下では、強
度のばらつきが大きくなるので好ましくない。押出し加
工用素材の温度は、通常330〜520℃に設定される。330
℃未満では、素材の変形抵抗が大きくなって押出し加工
性が悪化し、520℃を越えると、素材が局部的に溶融し
気泡を発生するおそれがある。押出し加工後において
は、鍛造用素材は空冷または水冷により所定の冷却速度
で冷却される その後、各丸棒状鍛造用素材を所定の寸法に切断して試
験片を得、各試験片を460〜470℃に加熱して、それに加
工速度75mm/sec(ジュラルミン鍛造とほぼ同一加工速
度)のクランクプレスを用い高速熱間鍛造加工を施し
た。
得られた鍛造成形品(焼成体)に、合金A,B,C,…Nにあ
っては、T6処理(495℃で4時間保持した後、水冷し、
次いで175℃に加熱して6時間保持する)を施し、合金
O,P…Sにあっては、鍛造温度から空冷した。
熱処理済の鍛造成形品から小野式回転曲げ疲労試験用試
験片を切り出し、炭酸ガス・レーザビームを試験片の平
行部に照射し、再溶融凝固による表面硬化処理を行った
後、平面を研磨し、室温にて回転曲げ疲労試験を実施し
た。試験片は、A,B,C,…Sの全てにつきそれぞれ八本ず
つ採取し、破断に至る繰り返し数Nが、N=107での疲
労強度(kg/mm2)を求め、その結果を表2に示し(第4
欄)、かつ表面硬化処理を施さなかった試験片について
も試験を実施し、その結果を表2に示した(第3欄)。
また、各試験片の表面硬化処理されない基体部における
Si結晶粒および析出した金属間化合物の大きさ(μ
m)、を第1欄に、硬化処理された表面層におけるSi結
晶粒および析出した金属間化合物の大きさを、第2欄に
示す。
(2)さらに、本実施例の硬化を確認するために、表1
に示す組成(a,b,c)のAl合金につき、金型鋳造法(A,
b)および鍛造加工(c)にて前記(1)における鍛造
成形品と同様な成形品を得、T6処理またはT4処理(500
℃で4時間保持した後、水冷し、常温で時効させる)を
施しそれ等から(1)と同様に試験片を切り出して試験
を行ない、その結果を表2(第1〜第4欄)に示した。
表2の結果から明らかな様に、本実施例(A,B,C,…S)
の試験片では、基体部,表面層いずれにおいても、Si結
晶粒および析出した金属間化合物の大きさが、比較例
(a,b,c)のそれに比して十分小さく、かつ本実施例の
疲労強度は、比較例に比して格段に大きい。
また、比較例では、再溶融凝固処理を施して表面層にお
けるSi結晶粒および析出した金属間化合物の微細化を行
なっても疲労強度がほとんど向上しないのに対し、本実
施例では、再溶融凝固処理により、疲労強度がかなり向
上することが判る。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多量の合金化元素を含有するAl合金を急冷
    凝固させることにより、晶出または析出する粒子を粒径
    10μm以下に分散させたAl合金粉末を得る工程、 前記Al合金粉末を成形し、Al合金粉末成形体基体部を得
    る工程、 前記成形体基体部の表面に、高密度エネルギー源を照射
    して溶融させた後、冷却固化し、該表面層中に分散する
    前記粒子の粒径を1μm以下に微細化する工程、とから
    なることを特徴とするAl合金製構造用部材の製造方法。
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JPS57198237A (en) * 1981-05-29 1982-12-04 Riken Corp Sliding member made of aluminum alloy and its manufacture
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