JPH09217138A

JPH09217138A - 耐摩耗性に優れた耐熱高靭性アルミニウム合金複合材

Info

Publication number: JPH09217138A
Application number: JP8048296A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Okubo; 喜正大久保; Kazuhisa Shibue; 和久渋江; Naoki Tokizane; 直樹時実
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 1997-08-19

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性、高温強度、靭性に優れ、エンジン
用ピストン、シリンダライナーなど高温で使用される摺
動部材として好適なアルミニウム合金複合材を提供す
る。【解決手段】Ｓｉ:15 〜25％、Ｆｅ:3.5〜6.5 ％、Ｃ
ｕ:0.4〜1.2 ％、Ｍｇ:0.2〜0.7 ％を含有し、さらにＺ
ｒ、Ｖ、Ｍｏのうちの１種または２種以上を合計量で0.
6 〜2.0 ％含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物より
なるアルミニウム合金から構成され、合金マトリックス
中に分散するＳｉ粒子の平均粒径が5 μm以下で、さら
にマトリックス中に500 以上のビッカース硬度をもつ平
均粒径2 μm 以上5 μm 未満の硬質粒子が0.3 〜5 ％分
散している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐磨耗性に優れた
耐熱高靭性アルミニウム合金複合材、とくに、ピスト
ン、シリンダライナーなど高温で使用されるする摺動部
材として好適に使用されるアルミニウム合金複合材に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ピストンやシリンダライナーのように高
温で使用される摺動部材として、従来、JIS AC9B、AC8A
などのＡｌ−Ｓｉ系鋳物合金が使用されてきたが、最近
におけるエンジンの高出力化、小型化、軽量化に伴って
部材にかかる負荷が高まったため、従来の鋳物合金では
高温強度が不十分となり、また従来の鋳物合金では、高
温強度の不足することに起因してエンジンの軽量化が抑
えられることから、さらに高温特性に優れた材料が要求
されるようになってきている。

【０００３】発明者の一人は、上記の要求に答えるため
に、Ｓｉ:15 〜25％、Ｆｅ:3.5〜6.5 ％、Ｃｕ:0.4〜1.
2 ％、Ｍｇ:0.2〜0.7 ％を含有し、さらにＺｒ、Ｖ、Ｍ
ｏのうちの１種以上を総量で0.6 〜2.0 ％含み、残部Ａ
ｌおよび不可避的不純物からなる合金組成を有し、合金
組織中のＳｉ粒子の平均粒子径が5 μm 以下、平均粒子
間隔が10μm 以下であり、好ましくは急冷凝固粉末合金
として供給され、とくにエンジンのコンロッド、コンプ
レッサのベーン材等として好適に使用される耐熱アルミ
ニウム合金を共同開発した。( 特開平6-41666 号公報)

【０００４】しかしながら、この合金材をピストンに適
用した場合には、負荷を高めた時、ピストンリング溝部
あるいはシリンダライナーと摩擦するスカート部に摩耗
が生じ易いため、高負荷をかけることができず、当該合
金が有する強度特性を十分に生かすことができなかっ
た。

【０００５】また、Ｓｉ:12.0 〜28.0％、Ｃｕ:0.8〜5.
0 ％、Ｍｇ:0.3〜3.5 ％、Ｆｅ:2.0〜10.0％、Ｍｎ::0.
5 〜2.9 ％および不可避的不純物を含むアルミニウム合
金のマトリックスに、Ａｌ₂Ｏ₃粒子、ＳｉＣ粒子、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄粒子およびＳｉ粒子から選択される少なくとも
１種の粒径が5 〜74μm の硬質粒子を1.5 〜15％分散さ
せ、コンロッドのキャップなどに適用される高強度アル
ミニウム合金も提案されている（特開昭63-42343号公
報) が、この合金材においても靭性が必ずしも十分では
なく、摺動部材として使用した場合、相手材に損傷を与
えることが少なくないという難点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐摩耗性、
靭性に優れ、高負荷に耐える強度特性をそなえ、ピスト
ン、シリンダライナーなど、摺動部材として好適なアル
ミニウム材料を開発するために、上記のＡｌ−Ｓｉ系合
金をベースとして、成分組成、マトリックス中に分散す
るＳｉのサイズ、硬質粒子の特性、サイズ、添加量の組
合わせと諸特性との関係について再検討した結果として
なされたものであり、その目的は、高度な耐摩耗性をそ
なえ、高温強度、靭性に優れ、とくにエンジン用ピスト
ン部材として適用した場合、ピストンリングやピストン
スカートとの摩擦に十分耐えることができるアルミニウ
ム合金複合材を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による耐摩耗性に優れた耐熱高靭性アルミニ
ウム合金複合材は、Ｓｉ:15 〜25％、Ｆｅ:3.5〜6.5
％、Ｃｕ:0.4〜1.2 ％、Ｍｇ:0.2〜0.7 ％を含有し、さ
らにＺｒ、Ｖ、Ｍｏのうちの１種または２種以上を合計
量で0.6 〜2.0 ％含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純
物よりなるアルミニウム合金から構成され、合金マトリ
ックス中に分散するＳｉ粒子の平均粒径が5 μm 以下で
あり、さらに合金マトリックス中に、平均粒径2 μm 以
上5 μm 未満で500 以上のビッカース硬さを有する硬質
粒子が0.3 〜5 ％分散していることを構成上の特徴とす
る。好ましい硬質粒子としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、
ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄のうちの１種または２種以上が使用
される。

【０００８】本発明において、Ｓｉは、合金の耐摩耗性
および弾性率を向上させ、線膨張係数を低下させるため
に機能する。好ましい含有量は、15〜25％の範囲であ
り、15％未満ではその効果が十分でなく、25％を越える
と、靭性が低下し、被削性、押出性、鍛造性の低下も生
じ易くなる。Ｆｅは、合金の耐熱性、高温強度および弾
性率を向上させ、線膨張係数を低下させる元素である。
好ましい含有量は、3.5〜6.5 ％の範囲であり、3.5 ％
未満ではその効果が小さく、とくに十分な高温強度を得
ることができず、6.5 ％を越えて含有すると、被削性、
押出性、鍛造性が低下し、高温強度も飽和する傾向にあ
る。

【０００９】Ｃｕは、合金マトリックス中に固溶し、あ
るいはＳ´相（Ａｌ₂ＣｕＭｇ中間相）を形成すること
によって、常温から高温までの疲労強度を高める機能を
有する。好ましい含有範囲は0.4 〜1.2 ％であり、0.4
％未満ではその効果が十分でなく、1.2 ％を越えると、
室温付近での靭性が低下し易くなる。Ｍｇは、合金マト
リックス中に固溶し、あるいはＣｕと同様、Ｓ´相を形
成することにより常温から高温までの疲労強度を高め
る。好ましい含有量は0.2 〜0.7 ％の範囲であり、0.2
％未満ではその効果が十分でなく、0.7 ％を越えると室
温付近における靭性が低下し易い。

【００１０】Ｚｒ、ＶおよびＭｏは、これらの１種また
は２種以上をＦｅを含む高Ｓｉアルミニウム合金に添加
した場合、靭性をほとんど損なうことなしに、高温強度
を向上させるよう作用する元素である。好ましい含有量
は、合計量で0.6 〜2 ％の範囲であり、合計含有量が0.
6 ％未満ではその効果が小さく、2 ％を越えて含有する
と、靭性の低下が生じ易くなる。なお、Ｍｎ、Ｃｒも合
金の高温強度を高めることができるので、それぞれ0.4
％以下の範囲で添加してもよい。

【００１１】合金マトリックス中に分散するＳｉは、平
均粒径5 μm 以下のサイズに制御することが必要であ
り、この範囲において十分な強度および靭性が得られ、
押出性、鍛造性、切削性の改善も得られる。また、本発
明においては、マトリックス中に、ビッカース硬度500
以上で、平均粒径2 μm 以上5 μm 未満の硬質粒子を、
0.3 〜5 ％の範囲で添加、分散させることにより、合金
の耐摩耗性を著しく改善することができる。硬質粒子と
しては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＡｌＮおよびＳｉ₄Ｎ₄
の１種または２種以上を使用するのが好ましい。

【００１２】硬質粒子の平均粒径は2 μm 未満では、粒
子が凝集し易くなり、マトリックス中に分散させ難くな
る。5 μm 以上のサイズになると、硬質粒子による分散
強化が生じ難くなるため強度向上が得られず、疲労亀裂
の起点となって疲労強度が低下し易くなる。また、切削
性が劣化し、摩擦する相手材に損傷を与えるようにな
る。硬質粒子の添加量は、0.3 ％未満ではその効果が不
十分であり、5 ％を越えると耐摩耗性向上の効果が飽和
し、靭性、切削性の低下も生じる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明によるアルミニウム合金複
合材の製造は、急冷凝固アルミニウム合金粉末の固化成
形するＰＭ法、または溶融アルミニウム合金を不活性ガ
スによりスプレーし、急冷凝固させながら堆積させるス
プレーフォーミング法（ＳＦ法）により行うのが好まし
い。ＰＭ法による場合には、前記の所定組成を有するア
ルミニウム合金溶湯を、ガスアトマイズ法などによって
急冷凝固し、急冷凝固粉末を作製する。アルミニウム合
金粉末は、高強度、高靭性の成形体を得るため、また硬
質粒子を均一に分散させるため、出来るだけ微細である
ことが望ましい。

【００１４】ついで、アルミニウム合金の急冷凝固粉末
と所定の硬質粒子を公知の撹拌式混合機、ボールミルな
どの粉砕機により混合し、アルミニウム合金粉末の表面
に付着している水分やガスを除去するために、混合粉末
をアルミニウム缶などの缶に充填し、400 〜500 ℃の温
度で真空引きする方法、あるいは混合粉末を冷間圧縮し
た予備成形体を、不活性雰囲気または真空中において40
0 〜500 ℃の温度に加熱する方法により脱ガス処理を行
う。脱ガス後、300 〜500 ℃の温度で熱間押出またはホ
ットプレスを行うことにより、混合粉末を100 ％緻密化
し、必要に応じて、さらに鍛造、切削などの加工を行い
製品とする。

【００１５】ＳＦ法による場合は、ガスアトマイズ法に
形成される溶融アルミニウム合金のスプレーとともに硬
質粒子を噴射させ、これらをコレクタ上に堆積させて急
冷凝固体を作製し、必要に応じて外面を切削したのち、
押出、鍛造などを行うことによって製品とする。本発明
においては、合金組成、合金マトリックス中に分散する
Ｓｉ粒子の平均粒径、特定された硬質粒子の平均サイ
ズ、分散量の組合わせにより、耐摩耗性、高温強度な
ど、とくに高温で使用される摺動部材として好適な材料
特性が得られる。

【００１６】以下、本発明の実施例を、比較例と対比し
て説明する。

【実施例】

実施例１アルミニウム合金溶湯を不活性ガスによりアトマイズ
し、表１に示す組成を有するアルミニウム合金粉末を作
製した。粉末を150 μm に分級したのち、アルミニウム
合金粉末に、表１に示す硬質粒子を、強制撹拌羽付きク
ロスロータリーミキサーにより15分間混合し、得られた
混合粉を、外径90mm、高さ200mm のアルミニウム製缶容
器に充填し、480 ℃の温度で1 時間脱ガス処理した。脱
ガス処理後、封缶し、これを押出用ビレットとして、40
0 ℃の温度で径20mmの丸棒に熱間押出成形した。なお、
アトマイズにおける冷却速度や押出条件を調整すること
により、合金マトリックス中に分散するＳｉの平均粒径
を5 μm 以下とした。

【００１７】得られた丸棒材について、常温および200
℃での引張試験を行って、引張強さ( σ_B) および伸び
( δ) を測定して強度特性を評価し、室温および200 ℃
での切欠き耐力比( 切欠き引張強さ／平滑試験での耐
力、切欠き形状はASTM E-602による) により靭性の評価
を行った。疲労強度は、150 ℃における回転曲げ疲労試
験の１０⁶サイクルまでの未破断強度により評価し、ピ
ン−ディスク式摩耗試験におけるピンの摩耗長さに基づ
いて耐摩耗性の評価を行った。なお、摩耗試験における
試験条件は、面圧:4.9MPa 、摩擦速度:0.5m/s 、潤滑:1
00℃のスピンドル油、相手材:FC20 、摩擦時間:60 分と
した。

【００１８】評価結果および試験材の平均Ｓｉ粒径を表
２に示す。表２に示すように、本発明に従う試験材はい
ずれも、200 ℃での引張試験において235 ＭPa以上の引
張強さ、200 ℃の温度において1.50以上の切欠き耐力
比、150 ℃において147MPa以上の疲労強度、ピン摩耗量
が0.05mm未満の耐摩耗性をそなえ、高温強度特性、耐摩
耗性について優れた性能を有している。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】比較例１実施例１と同様の方法で表３に示す組成を有するアルミ
ニウム合金粉末を作製し、実施例１と同一の工程により
丸棒材を製造し、実施例１と同じ評価試験を行った。丸
棒材における平均Ｓｉ粒径および評価結果を表４に示
す。なお、表１において、本発明の条件を外れたものに
は下線を付した。

【００２２】

【表３】

【００２３】

【表４】《表注》試験材No.9、No.13 は、摩耗試験における相手材の擦り傷が大。

【００２４】表４に示すように、試験材No.8はＳｉＣ粒
子が小さいため凝集を生じ、引張強さ、切欠き耐力比、
疲労強度、耐摩耗性ともに劣っている。試験材No.9はＳ
ｉＣ粒子が大き過ぎるため、疲労強度が劣り、相手材も
摩耗量が大きくなる。試験材No.10 は、ＳｉＣの含有量
が多いため、靭性が低下し、切欠き耐力比が劣ってい
る。試験材No.11 は硬質粒子が含有していないため、耐
摩耗性がわるい。試験材No.12 、No.14 は、Ｚｒ、Ｖ、
Ｍｏが添加されていないため、靭性が低い。試験材No.1
3 は、ＳｉＣ粒子のサイズが大きいため、相手材の摩耗
量が大きく、Ｍｎを含有するため靭性が低く、切欠き耐
力比が劣る。試験材No.15 はＦｅ量が少ないため、高温
強度が低く、疲労強度も小さい。試験材No.16 はＣｕお
よびＭｇの含有量が少ないため、疲労強度が低い。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、耐摩耗性、高温強度、
靭性に優れ、とくにエンジン用ピストン、シリンダライ
ナーなど高温で使用される摺動部材として好適なアルミ
ニウム合金複合材が提供される。当該複合材は、コンプ
レッサーベーン、コンプレッサーロータ、コンロッドな
どにも適用可能である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉ:15 〜25％（重量部％、以下同
じ）、Ｆｅ:3.5〜6.5 ％、Ｃｕ:0.4〜1.2 ％、Ｍｇ:0.2
〜0.7 ％を含有し、さらにＺｒ、Ｖ、Ｍｏのうちの１種
または２種以上を合計量で0.6 〜2.0 ％含有し、残部Ａ
ｌおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金から
構成され、合金マトリックス中に分散するＳｉ粒子の平
均粒径が5 μm 以下であり、さらに合金マトリックス中
に、平均粒径2 μm 以上5 μm 未満で500 以上のビッカ
ース硬さを有する硬質粒子が0.3 〜5 ％分散しているこ
とを特徴とする耐摩耗性に優れた耐熱高靭性アルミニウ
ム合金複合材。
【請求項２】硬質粒子が、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、Ａｌ
Ｎ、Ｓｉ₃Ｎ₄のうちの１種または２種以上であること
を特徴とする請求項１記載の耐摩耗性に優れた耐熱高靭
性アルミニウム合金複合材。