JPH08134561A - 耐熱アルミニウム粉末合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 粉末同士が容易に接合一体化され、４００℃
以上の高温においても高強度を保持する耐熱アルミニウ
ム粉末合金を提供する。 【構成】 耐熱Ａｌ合金粉末とＮｉ粉末とＣｕ粉末との
混合粉末が、熱間加工により接合一体化されてなる耐熱
アルミニウム粉末合金である。混合粉末中には分散強化
用粉末が混合されてもよい。分散強化用粉末として、化
学組成が重量％で、Ｓｉ：３０〜５０％、Ｎｉ，Ｃｕ，
ＦｅがＮｉ：５〜２０％、Ｃｕ：２〜２５％、Ｆｅ：１
〜１０％の範囲内で総計：２０〜３５％を本質的に含有
し、残部が実質的にＡｌからなるＳｉ−Ａｌ合金粉末が
好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐熱アルミニウム（Ａ
ｌ）合金粉末を接合一体化した粉末合金に関する。

【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
ても耐熱Ａｌ粉末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耐熱アルミニウム
合金として、Ｓｉを１３wt％程度以上含有したＡｌ−Ｓ
ｉ粉末合金がある。該粉末合金は微細な初晶Ｓｉが基地
中に分散しており、耐熱性等の高温特性に優れる。前記
Ａｌ−Ｓｉ粉末合金は、その急冷凝固粉末を単独で、あ
るいはＳｉＣ粉末等の分散強化材と共に熱間塑性加工さ
れて、粉末同士が接合一体化されて製造される。

【０００４】また、他の耐熱アルミニウム合金として、
Ｆｅを過飽和に含有したＡｌ−Ｆｅ合金の急冷凝固粉末
を熱間塑性加工により粉末同士を接合一体化した粉末合
金がある。例えば、特開昭６２−４７４４８号公報に
は、Ｆｅを１０ｗｔ％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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ａｌ合
金粉末の表面には酸化膜が形成されているため、かかる
耐熱Ａｌ合金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、従来、高価な高出力の熱間押出機や熱間鍛造機
が必要とされていた。一方、熱間加圧成形による場合、
比較的簡単な装置で実施できるが、粉末表面の酸化膜の
ため、粉末同士の接合強度引いては粉末合金の強度が不
足するという問題がある。

【０００６】そこで、出願人は、高温強度に優れた耐熱
Ａｌ粉末合金として、耐熱Ａｌ合金の急冷凝固粉末にＮ
ｉ粉末を添加した混合粉末を熱間塑性加工により粉末同
士を接合一体化した粉末合金の製造方法を提案した（特
願平５─１５５５５５）。しかし、前記耐熱アルミニウ
ム粉末合金は、４００℃以上になると高温強度が低下
し、高温耐摩耗摺動材として利用するには不十分な面が
あった。

【０００７】本発明はかかる問題に鑑みなされたもの
で、粉末同士が容易に接合一体化され、４００℃以上の
高温においても高強度を保持する耐熱アルミニウム粉末
合金を提供すること目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の耐熱アルミニウ
ム粉末合金は、耐熱Ａｌ合金粉末とＮｉ粉末とＣｕ粉末
との混合粉末が、前記耐熱Ａｌ合金の固相温度域で熱間
加工により接合一体化されてなるもので、分散強化用粉
末が混合されてもよい。分散強化用粉末として、化学組
成が重量％で、Ｓｉ：３０〜５０％、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅ
がＮｉ：５〜２０％、Ｃｕ：２〜２５％、Ｆｅ：１〜１
０％の範囲内で総計：２０〜３５％を本質的に含有し、
残部が実質的にＡｌからなるＳｉ−Ａｌ合金粉末をが好
適である。

【０００９】

【作用】耐熱Ａｌ合金粉末（Ａｌ−Ｆｅ）とＮｉ粉末と
Ｃｕ粉末の混合粉末を耐熱Ａｌ合金粉末の固相温度域で
熱間加工すると、ＡｌがＮｉ粉末中に拡散し、耐熱Ａｌ
合金粉末とＮｉ粉末の界面に数μｍ以下のＡｌ−Ｎｉ相
（ＮｉＡｌ₃ 、Ｎｉ₂ Ａｌ₃ 、ＮｉＡｌ、Ｎｉ₃ Ａｌ
等）が形成される。このＡｌ−Ｎｉ相を介して粉末同士
が接合されるため、接合性が良好になり、粉末合金の強
度も向上する。また、前記混合粉末にはＣｕ粉末が添加
されているので、耐熱Ａｌ合金粉末とＮｉとＣｕとが反
応し、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間化合物が耐熱Ａｌ合金粉
末粒子の周囲に分散して形成される。Ｎｉ粉末と耐熱Ａ
ｌ合金粉末との界面結合は減少するため、接合性がやや
悪くなるものの、ＮｉとＣｕ部の大部分がＡｌ−Ｎｉ−
Ｃｕ金属間化合物に変化し、耐熱アルミニウム粉末合金
の高温強度は一層向上する。

【００１０】分散強化用粉末として、ＳｉＣやＡｌ₂ Ｏ
₃ 粉末等の比較的比重の軽い硬質セラミック粉末を使用
することができるが、特に前記特定組成のＳｉ−Ａｌ合
金粉末が好適である。このＳｉ─Ａｌ合金は、Ｓｉ、Ａ
ｌをベースとしているため、軽量であり、高硬度（Hv７
００〜１０００）で耐熱耐摩耗性も良好であり、またＮ
ｉ−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−Ａｌ系の硬質化合物が
耐摩耗性を向上させると共に、５３０〜７５０℃程度の
広範囲にわたり、極少量の液相を段階的に溶出する。こ
のため、耐熱Ａｌ合金との接合性も良好であり、高温で
の潤滑性を発揮する。該Ｓｉ−Ａｌ合金粉末を使用する
場合は、熱間加工温度は好ましくは６５０℃以下とする
のがよい。６５０℃以下では急冷凝固組織が維持される
が、６５０℃を越えると組織が変化するようになるから
である。

【００１１】以下、前記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。 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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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−Ａ
ｌ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。

【００１５】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。該Ｓｉ−Ａｌ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。

【００１６】

【実施例】本発明の原料となる耐熱Ａｌ合金粉末やＳｉ
−Ａｌ合金粉末は、原料合金をその融点より５０〜２０
０℃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 〜
１０⁶ ℃／sec 程度の冷却速度で急冷することによって
得られる。かかる急冷により、例えばＡｌ−Ｆｅ合金の
場合、θ−ＦｅＡｌ₃ が微細に分散したＡｌ合金粉末が
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
金属流あるいは該金属流を不活性ガスで噴霧した溶滴を
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２００μm というような比較的大きな粒
子でも、１０⁵ ℃／sec 以上の冷却速度が容易に得られ
る。

【００１７】耐熱Ａｌ合金粉末としては、Ｓｉ含有量が
１３〜３０wt％程度のＡｌ−Ｓｉ合金粉末や既述の特開
昭６２−４７４４８号公報に開示されたＡｌ−Ｆｅ合金
粉末など、適宜の高温高強度Ａｌ合金粉末を使用するこ
とができる。好ましくは、熱間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。このような耐熱Ａｌ合金として、前記
合金の他、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。尚、Ｆｅを含有するＡｌ合金粉末では、
熱間加工後、液相が生成しない温度域（例えば、Ｆｅを
３８wt％以下含有したＡｌ−Ｆｅ合金粉末の場合、５０
０〜６３０℃）で適宜の熱処理を施すことにより、Ａｌ
−Ｎｉ−Ｆｅ金属間化合物を生成させることができ、耐
熱耐摩耗アルミニウム粉末合金が得られる。

【００１８】耐熱Ａｌ合金粉末とＮｉ粉末とＣｕ粉末か
らなる混合粉末中のＮｉ粉末の配合量としては、５〜２
０ｗｔ％になるように配合するのが良い。５％未満で
は、Ａｌ−Ｎｉ相の量が不足するため、接合性が低下す
る。一方３０％を越えるとコスト高の要因になると共に
軽量化が損なわれるようになる。又、混合粉末に対して
Ｃｕ粉末の配合量は、５〜２０ｗｔ％になるように配合
するのが良い。５％未満では、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間
化合物の量が不足するため、高温強度に対する効果が低
下する。一方３０％を越えるとＡｌ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間
化合物の生成が過多となり、脆くなる。粉末の粒度は特
に規定されないが、通常、Ａｌ合金粉末は５９０μｍ以
下、Ｎｉ粉末は１０μｍ以下、Ｃｕ粉末は５０μｍ以下
が使用される。

【００１９】分散強化用粉末としては、ＳｉＣ、Ａｌ₂
Ｏ₃ 等の軽量硬質セラミック粉末や前記Ｓｉ−Ａｌ合金
粉末を前記混合粉末に適宜添加してもよい。これらの粉
末の粒度は材料の均一性を確保するため１０μm 以下が
良い。また分散強化用粉末の配合量は、添加後の混合粉
末に対して５〜３０ｗｔ％がよい。５％未満では強化作
用が少なく、一方３０％を越えると材質が脆くなる。

【００２０】混合粉末の接合一体化手段としては、熱間
押出、熱間鍛造、熱間等方圧加圧、熱間一軸圧縮等の適
宜の熱間加工手段を適用することができる。本発明で
は、ＡｌがＮｉ粉末に拡散することによりＡｌ−Ｎｉ相
が生成し、この相を介して粉末同士が接合するため、一
軸圧縮成形加工でも容易に成形することができる。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。
次に、具体的実施例を掲げる。 (1) 平均粒径２００μｍのＡｌ−Ｆｅ合金（１５％Ｆ
ｅ、残部Ａｌ）粉末、平均粒径５μｍのＮｉ粉末、平均
粒径３０μｍのＣｕ粉末を準備し、下記の配合により均
一に混合して、混合粉末を調製した。 実施例１ Ｎｉ粉末：１５％、Ｃｕ粉末：１０％、残部：耐熱Ａｌ合金粉末 実施例２ Ｎｉ粉末：１０％、Ｃｕ粉末：１５％、残部：耐熱Ａｌ合金粉末 従来例 Ｎｉ粉末：２５％、 残部：耐熱Ａｌ合金粉末 (2) 混合粉末を、均一に混合し冷間成形した後、成形
温度５７０℃、成形圧力１５０ＭＰａで熱間一軸圧縮
（ホットプレス）し、外径φ６４mmの成形体を得た。こ
の成形体の相対密度は９９．９％であった。 (3) これらの成形体からφ５mm×１０mm高さの円柱状
試験片を採取し、室温から４５０℃における曲げ応力を
求めた。測定結果を図１に示す。 (4) 図１より、従来例の粉末合金は１００℃まで高強
度を保持しているが、１００℃以上から高温強度は低下
し、４５０℃では室温の強度の１／１０程度にまで低下
している。一方、実施例の粉末合金は、温度が上昇して
も従来例の粉末合金に比べ高温強度が低下していない。
むしろ、温度上昇に対し安定した高温強度を保持してい
ることが分かる。 (5) 前記成形体より試料を採取し、ＳＥＭにより金属
組織を観察した結果を図２に示す。図より多量の針状化
合物が耐熱Ａｌ合金粉末粒子の周りに分散形成されてい
る。更に、針状化合物をＸ線回折により分析した結果、
Ａｌ₇ （Ｃｕ_, Ｎｉ）₂ Ｆｅと同定された。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の耐熱アルミ
ニウム粉末合金は、耐熱Ａｌ合金粉末とＮｉ粉末とＣｕ
粉末の混合粉末を前記耐熱Ａｌ合金粉末の固相温度域で
熱間加工により接合一体化したものであるので、Ａｌの
拡散で生成したＡｌ−Ｎｉ相を介して粉末同士が接合さ
れるため、接合性が良好になり、Ｃｕの添加により生成
されたＡｌ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間化合物が転位運動を阻止
するため、高温強度に優れた組織が得られる。また、混
合粉末に分散強化用粉末として特定組織のＡｌ−Ｓｉ合
金粉末を混合することにより、極少量の液相が段階的に
溶出し、耐熱Ａｌ合金との接合性がさらに良好になり、
高温における耐摩耗性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例及び従来例の温度に対する曲げ
応力を示す図である。

【図２】実施例１のＳＥＭによる図面代用の金属組織写
真である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐熱Ａｌ合金粉末とＮｉ粉末とＣｕ粉末
   との混合粉末が、前記耐熱Ａｌ合金の固相温度域で熱間
   加工により接合一体化されてなる耐熱アルミニウム粉末
   合金。
2. 【請求項２】 耐熱Ａｌ合金粉末とＮｉ粉末とＣｕ粉末
   と分散強化用粉末との混合粉末が、前記耐熱Ａｌ合金の
   固相温度域で熱間加工により接合一体化されてなる耐熱
   アルミニウム粉末合金。
3. 【請求項３】 分散強化用粉末として、化学組成が重量
   ％で、Ｓｉ：３０〜５０％、Ｎｉ，Ｃｕ，ＦｅがＮｉ：
   ５〜２０％、Ｃｕ：２〜２５％、Ｆｅ：１〜１０％の範
   囲内で総計：２０〜３５％を本質的に含有し、残部が実
   質的にＡｌからなるＳｉ−Ａｌ合金粉末を使用する請求
   項２に記載した耐熱アルミニウム粉末合金。