JPH07224304A - ホウ素含有アルミニウム合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】優れた摺動特性を有するアルミニウム合金を製
造することを主な目的とする。 【構成】アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯中に
ＮｉＢ、Ｆｅ_２Ｂ、ＦｅＢ、ＣｒＢ、Ｎｉ_４Ｂ_３、Ｎｉ
_２Ｂ及びＮｉ_３Ｂの少なくとも１種のホウ化物をホウ素
換算で０．０５〜５重量％添加し、次いで急冷凝固する
ことを特徴とするホウ素含有アルミニウム合金の製造方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ホウ素含有アルミニウ
ム合金の製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術とその課題】アルミニウム及びアルミニウム
合金は、優れた軽量性・耐食性、高熱伝導性等を有する
ことから、航空機、自動車その他機械部品に広く応用さ
れている。

【０００３】ところで、航空機用エンジン、自動車用エ
ンジン等においては高出力化と軽量化が要求されてお
り、この要求に応えるためには耐摩耗性、耐焼き付き
性、耐フレッチング疲労性等の摺動特性に優れたエンジ
ン部品、軸受け材料等を用いる必要がある。ちなみに、
焼き付き（現象）とは、機械摺動部材の摺動特性を示す
ものであり、高荷重下で摺動を繰り返した場合、相手部
品に一部が凝着し、相互の摩擦係数が急激に上昇し、固
着する現象をいう。フレッチング疲労とは、やはり機械
摺動部材の摺動特性を示すものであり、油潤滑下であっ
ても高荷重下で摺動を繰り返した場合、相手部品に一部
が凝着し、この部位を起点として疲労破壊する現象をい
う。

【０００４】これに対し、一般にアルミニウム合金は、
摺動特性に劣り、例えば鋼と摺動した場合、焼付きが容
易におこる。従って、従来のアルミニウム合金では上記
要求に十分応えることができない。

【０００５】このため、摺動特性を改善することを目的
として、アルミニウム合金にホウ素を添加する技術が種
々採用されている。一般的には、アルミニウム合金にＡ
ｌ−Ｂ母合金を添加する方法、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ母合金を
添加する方法等が知られている。また、ホウ素を０．４
〜５．５％含有させた鋳造アルミニウム合金（特開昭５
４−８８８１９号公報）、アルミニウム合金中にホウ素
を０．５〜１０％含有させた鋳造アルミニウム（特開昭
６３−２４７３３４号公報）等も開示されている。さら
に、粉末のアルミニウムに対してホウ素又はその化合物
を混合する方法もある。

【０００６】しかしながら、上記のようなホウ素添加Ａ
ｌ合金では、それぞれ以下のような問題がある。Ａｌ−
Ｂ母合金を添加する方法では、摺動特性を改善し得る程
度の多量添加を行うと、Ａｌ−Ｂが十分に溶解しないば
かりでなく、粗大なホウ素化合物が生成し易くなり、摺
動特性を却って低下させる。Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ母合金を添
加する方法では、多量添加すると溶湯中にＴｉＢ_２が沈
降してしまい、均一に分散させることができない。

【０００７】また、ホウ素を含有した鋳造アルミニウム
合金又は鋳造アルミニウムは、マトリックス中における
ホウ素の分散性が非常に悪く、しかもホウ素は常温でア
ルミニウム中にほとんど固溶しないので、鋳造時の冷却
速度が遅くなればなるほど粗大なホウ素化合物を生成
し、十分な摺動特性を付与することができない。

【０００８】さらに、アルミニウム粉末とホウ素等を混
合する方法では、工業的規模での均一な混合が困難であ
り、また添加するホウ素の粒径によってはバルク成形体
の靱性、延性等が悪くなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、優
れた摺動特性を有するアルミニウム合金を製造すること
を主な目的とする。

【００１０】本発明者は、従来技術の欠点に鑑み、多量
のホウ素をアルミニウム又はその合金に確実かつ均一に
添加する方法につき検討した。本発明者は、急冷凝固法
（アトマイズ法など）により、溶解温度を高めに設定し
て多量のホウ素を溶解させた後急速冷却すれば、溶解限
度以上のホウ素を固溶させることができ、また仮に固溶
させることができなくても微細な化合物を形成させれば
所望の摺動特性を達成し得るとの予想に基いて研究を重
ねた。

【００１１】しかし、Ａｌ−Ｂ母合金の使用量には限度
があり、例えばＡｌ−１５％Ｂの融点は約１５００℃に
達し、通常のアルミニウムの溶解炉では溶解させること
が困難となる。また、上記合金は、９２０℃以上でＡｌ
Ｂ_１２が生成しはじめ、これはマトリックス中に偏析
（凝集）し、材料の機械的性質を低下させるだけでな
く、溶湯の流動性の低下、溶け残りを招く。しかも、い
ったん生成したＡｌＢ_１２は溶湯温度を上げても容易に
再溶解しない。

【００１２】また、単体ホウ素を溶湯中に添加する方法
も試みたが、単体ホウ素の融点は２０９０℃と極めて高
く、溶解させることがが困難な上、大気中では酸化の問
題もあり、収率が良くない。しかも、単体ホウ素は高価
であり、工業的生産には適していない。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上のように、研究・検
討を重ねた結果、Ａｌ系母合金以外の一定のホウ化物を
アルミニウム又はその合金の溶湯に特定量添加し、これ
を急冷凝固させる場合には、ホウ素をアルミニウム又は
その合金中に確実にかつ均一に溶解できることを見出
し、その結果得られたアルミニウム合金が優れた摺動特
性を発揮し得ることを見出し、ついに本発明を完成する
に至った。

【００１４】すなわち、本発明は、アルミニウム又はア
ルミニウム合金の溶湯中にＮｉＢ、Ｆｅ_２Ｂ、ＦｅＢ、
ＣｒＢ、Ｎｉ_４Ｂ_３、Ｎｉ_２Ｂ及びＮｉ_３Ｂの少なくと
も１種のホウ化物をホウ素換算で０．０５〜１５重量％
添加し、次いで急冷凝固することを特徴とするホウ素含
有アルミニウム合金の製造方法に係るものである。

【００１５】以下、本発明につき詳細に説明する。

【００１６】本発明で適用されるアルミニウム又はアル
ミニウム合金は実質的にあらゆるものを適用できる。上
記アルミニウム合金としては、例えばＡｌ−Ｃｒ系、Ａ
ｌ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｎｉ系、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｃｕ
系などが使用でき、その種類は特に限定されない。

【００１７】次に、上記アルミニウム又はアルミニウム
合金の溶湯にホウ化物を添加する。ホウ化物としては、
ＮｉＢ、Ｆｅ_２Ｂ、ＦｅＢ、ＣｒＢ、Ｎｉ_４Ｂ_３、Ｎｉ
_２Ｂ及びＮｉ_３Ｂの少なくとも１種のホウ化物を用い
る。この中でも、ＮｉＢを用いることが好ましい。

【００１８】ホウ化物の添加量は、ホウ素換算で通常
０．０５〜５重量％程度、好ましくは０．５〜５重量％
とする。上記添加量が０．０５重量％未満の場合には摺
動特性の改善が不十分となり、５重量％を超える場合に
は系全体の融点が高くなり、かつ靱性・延性が低下す
る。また、特に高い摺動特性が要求される部材に用いる
合金を製造する場合は、上記添加量を２〜５重量％と大
量に添加することが望ましい。

【００１９】次いで、ホウ化物を添加した上記溶湯を冷
却する。冷却方法は、生成する化合物を微細にし、合金
の機械的特性を向上できるという点から、急冷凝固法に
よるのが好ましい。急冷凝固法における冷却速度は、通
常１０^２℃／秒以上、特に１０^３℃／秒以上であること
が望ましい。冷却速度が１０^２℃／秒未満の場合には、
粗大なホウ素化合物を生成し、十分な摺動特性を付与で
きなくおそれがある。なお、冷却速度の上限は、アルミ
ニウム合金の組成、添加するホウ化物の種類、所望の特
性等に応じて適宜定めれば良い。

【００２０】本発明では、特に、急冷凝固法の中でもア
トマイズ法によって行う場合には、合金を粉末として得
ることができるので、他の金属元素も多量に添加でき、
しかもＰ／Ｍ法（粉末冶金法）によって成形体を作製す
ることができる。また、本発明におけるアトマイズ法と
しては、例えばエアーアトマイズ法、溶湯の噴霧媒とし
てアルゴン、窒素等を用いる不活性ガスアトマイズ法等
によって行うのが好ましい。

【００２１】

【発明の効果】本発明の製造方法によれば、アルミニウ
ム又はアルミニウム合金の溶湯にホウ素を一定のホウ化
物として添加し、これを急冷凝固させるので、合金中に
ホウ素を確実かつ均一に含有させることができ、その結
果優れた摺動特性を有するホウ素含有アルミニウム合金
を得ることができる。

【００２２】また、急冷凝固をアトマイズ法で行うと上
記合金を粉末として得ることができるので、所望の成形
体にすることができ、例えばニア・ネット・シェイプ成
形することも可能である。しかも、他の金属元素、セラ
ミックス粉末を容易に配合することができ、さまざまな
用途に適した材料を提供することもできる。

【００２３】このように、本発明の製造方法により得ら
れた合金は、特に耐焼き付き性、耐摩耗性、耐フレッチ
ング疲労性等の摺動特性に優れているため、航空機、自
動車等のエンジン部品、軸受けメタル等の摺動部材とし
て有用である。

【００２４】

【実施例】以下に実施例および比較例を示し、本発明の
特徴とするところをより一層明確にする。

【００２５】実施例１ 表１に示すホウ化物をアルミニウム又はアルミニウム合
金の溶湯に添加して、表１の左欄に示す目標組成のアル
ミニウム合金の溶湯を得、これを、噴霧媒として窒素を
用いたガスアトマイズ法により冷却速度１０^３℃／秒で
急冷凝固して粉末化した。さらに、この粉末を−１５０
μｍに篩分級した。得られた合金粉末について、ＩＣＰ
発光分光分析法によりホウ素の定量を行なった。その結
果を表１に示す。また、試料Ｎｏ５の合金粉末の顕微鏡
写真を図１に示す。

【００２６】比較例１ ホウ化物の代わりに、表１に示すＡｌ−４％Ｂ又はＡｌ
−５％Ｔｉ−１％ＢのＡｌ母合金を添加した以外は、実
施例１と同様にして合金粉末を製造し、実施例１と同様
にしてホウ素の定量を行った。その結果を表１に示す
（試料Ｎｏ．９〜１２）。また、試料Ｎｏ．１０の合金
粉末の顕微鏡写真を図２に示す。

【００２７】

【表１】 表１より、比較例１では、Ａｌ母合金を使用しているの
で、その歩留りは２８〜３８％と低く、ホウ素を十分含
有できていないことがわかる。これに対し、実施例１で
は、ＮｉＢを添加した場合のホウ素の歩留りは８３〜９
６％と高く、ＮｉＢ以外のホウ化物でも７３〜８８％と
高い数値を示すことがわかる。

【００２８】また、図２より、比較例のものは、５０μ
ｍ以上の粗大なホウ素化合物（ＥＰＭＡにより検出）が
確認された。これに対し、図１では、粗大な化合物の存
在は認められず、マトリックスにほぼ均一に分散してい
ることがわかる。

【００２９】実施例２ 実施例１の試料Ｎｏ．２と比較例１の試料Ｎｏ．１０の
２種類の合金粉末をそれぞれ金型内に充填し、４５０℃
で面圧３ｔｏｎ／ｃｍ^２で真空ホットプレス処理した。
得られた成形体から各試験片を切断加工し、フレッチン
グ試験及びＬＦＷ摩耗試験を行った。その結果を表２に
示す。また、比較のため、Ａｌ−６％Ｎｉ合金と単体ホ
ウ素粉末（高純度化学研究所 製）を用いて試料Ｎｏ．
２又は試料Ｎｏ．１０と同一組成となるように乾式混合
した材料（試料Ｎｏ．１３）のデータも表２に併記す
る。

【００３０】なお、フレッチング試験は、摺動試験用試
験片（サイズ １０ｍｍ×１０ｍｍ）を鋼（窒化処理し
たＪＩＳ ４３０ステンレス）製の平板により、１００
℃で面圧１．２ＭＰａの荷重、５Ｈｚの速さで１０分間
繰り返し叩き、試験片上の凝着発生面積率（％）を測定
することにより行った。

【００３１】また、ＬＦＷ摩耗試験は、平板状の試験片
（サイズ １０ｍｍ×１５．７ｍｍ）を用い、油潤滑下
で行った。相手材としてＳＵＪ２製のリングを使用し、
荷重１５ｋｇｆ、回転数１６０ｒｐｍで１５分間の摩耗
試験をＬＦＷ摩耗試験機により実施し、そのときの摩耗
量（ｍｍ^３／ｋｇ・ｍｍ）を測定した。

【００３２】

【表２】 表２の結果より、試料Ｎｏ．１０及び１３は、凝着発生
面積率が約２０％にも達し、また比摩耗量も１０
^−７．５〜１０^−７ｍｍ^３／ｋｇ・ｍｍ程度と多いこと
がわかる。これに対し、本発明に係る試料Ｎｏ．２は、
凝着発生がなく、また比摩耗量も約１０^−８ｍｍ^３／ｋ
ｇ・ｍｍに近く、試料Ｎｏ．１０及び１３に比して摺動
特性が著しく改善されていることがわかる。

【００３３】以上の結果より、本発明の製造方法が、ア
ルミニウム合金の摺動特性の改善、合金設計等の点にお
いて優れた効果を発揮することがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の試料Ｎｏ．５における合金粉末の粒
子構造を示す顕微鏡写真（４００倍）である。

【図２】比較例１の試料Ｎｏ．１０における合金粉末の
粒子構造を示す顕微鏡写真（４００倍）である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保 幸平 大阪府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 大阪府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 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 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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯
   中にＮｉＢ、Ｆｅ_２Ｂ、ＦｅＢ、ＣｒＢ、Ｎｉ_４Ｂ_３、
   Ｎｉ_２Ｂ及びＮｉ_３Ｂの少なくとも１種のホウ化物をホ
   ウ素換算で０．０５〜５重量％添加し、次いで急冷凝固
   することを特徴とするホウ素含有アルミニウム合金の製
   造方法。
2. 【請求項２】急冷凝固がアトマイズ法である請求項１記
   載の製造方法。
3. 【請求項３】急冷凝固における冷却速度が１０^２℃／秒
   以上である請求項１又は２に記載の製造方法。