JPH0966390A

JPH0966390A - Ａｌ基合金および肉盛り強化用溶加材

Info

Publication number: JPH0966390A
Application number: JP22365895A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Hara; 裕一郎原; Mitsuhiko Itaya; 光彦板屋; Asao Koike; 朝夫小池; Akira Tsujimura; 明辻村; Masato Motoyoshi; 正人元吉; Eiji Shiotani; 英爾塩谷
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 1997-03-11

Abstract

(57)【要約】【課題】高温耐摩耗性に優れたＡｌ基合金を得る。【解決手段】高温強度強化用物質を含有するＡｌ基合
金であって、その組成が、Ｓｉ：１５〜２０（ｗｔ
％），Ｃｕ：２０〜３０（ｗｔ％），Ｃｏ：９〜１４
（ｗｔ％），残部がＡｌおよび不可避不純物からなるも
のである。このＡｌ基合金を得るため、Ａｌ母材の表面
に肉盛り溶接を行うべく溶加材３の組成を、Ｓｉ：３０
（ｗｔ％），Ｃｕ：５０（ｗｔ％），Ｃｏ：２０（ｗｔ
％）とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温耐摩耗性に優
れたＡｌ基合金および肉盛り強化用溶加材に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】Ａｌ合金は軽量であるという利点から各
方面の機械摺動部品に適用されており、例えば、自動車
用エンジンのピストンなどに用いられている。しかし、
Ａｌ合金で作製された各種の機械摺動部品は、特に耐摩
耗性という点で鋳鉄材（ニレジスト等）に比べて劣って
いるため、摺動部品へ応用するには摺動部を強化して用
いられている。その摺動部強化の方法としては、（１）
合金強化、（２）異種金属接合、（３）ＦＲＭ化または
ＭＭＣ化などの方法が知られている。

【０００３】特に、（１）の合金強化においては、従来
より耐摩耗性Ａｌ合金材の開発・研究が進められてお
り、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金（特開平１−１１３１９９
号公報）およびＡｌ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金（特開平
２−１６９１８２号公報）などが開発されている。

【０００４】また、例えばＡｌ合金で作製された自動車
用エンジンのピストンリング溝の耐摩耗性を向上させる
ために、電子ビームやレーザビームなどのエネルギビー
ムによって、ピストンリング溝の表面にＮｉ或いはＦｅ
などの金属を溶かし込んで合金層を形成し、耐摩耗性が
要求されるピストンリング溝の耐摩耗性を向上する肉盛
り溶接合金強化が知られている（特開昭５５−２７５８
７号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
（１）の合金強化では、合金成分の添加量に制約がある
ため高合金化できない。（２）の異種金属接合では、材
料設計の点では自由であるが、一度の処理にかかるコス
トが高い。（３）のＦＲＭ化またはＭＭＣ化もコストが
高くつくなどといった問題があった。

【０００６】特に、前記溶接合金強化を行うには、合金
強化のための溶加材の作製が必須であるが、添加元素に
は固溶限というものがあるため、溶加材が作製できない
ものがあった。すなわち、溶接時の合金成分の希釈を考
慮に入れて溶加材を作製すると、添加元素の含有量が固
溶限を超えてしまうために溶製できなかったり、また
は、各種元素の添加によって溶加材の融点が高くなるた
めに肉盛り溶接時にＡｌ母材が溶融してしまったり、或
いは、各種元素の添加によって溶加材が硬く脆くなるた
めに棒状に成形できないという問題があった。また、Ａ
ｌは高合金化すると割れが生じてしまうため、異種金属
を肉盛りすることは非常に困難であった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく本
発明は、高温強度強化用物質を含有するＡｌ基合金であ
って、その組成が、Ｓｉ：１５〜２０（ｗｔ％），Ｃ
ｕ：２０〜３０（ｗｔ％），Ｃｏ：９〜１４（ｗｔ
％），残部がＡｌおよび不可避不純物であるものであ
る。また本発明は、Ａｌ母材の表面に肉盛り溶接を行っ
て強化するための溶加材であって、その組成が、Ｓｉ：
３０（ｗｔ％），Ｃｕ：５０（ｗｔ％），Ｃｏ：２０
（ｗｔ％）であるものである。

【０００８】上記Ａｌ基合金のＳｉの組成範囲を１５〜
２０ｗｔ％としたのは、１５ｗｔ％より少ないとＡｌ基
合金の耐摩耗性の向上に効果がなく、２０ｗｔ％よりも
多いとＡｌ基合金の加工性を悪化させ、かつ、Ａｌ基合
金の強度を低下させるからである。また、Ｃｕの組成範
囲を２０〜３０ｗｔ％としたのは、２０ｗｔ％より少な
いとＡｌ基合金の耐摩耗性の向上に効果がなく、３０ｗ
ｔ％よりも多いと他の添加元素との総和が６０ｗｔ％を
超えるからである。さらに、Ｃｏの組成範囲を９〜１４
ｗｔ％としたのは、９ｗｔ％より少ないとＡｌ基合金の
高温硬度上昇に効果がなく、１４ｗｔ％よりも多いと逆
に硬くなりすぎるため、Ａｌ基合金の加工が困難になる
からである。

【０００９】次に、上記肉盛り強化用溶加材の組成範囲
を限定したのは、肉盛り溶接時における溶加材中の添加
元素の希釈率が４０〜６０％であることから、前記Ａｌ
基合金の組成が得られるようにしたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。

【００１１】先ず、Ａｌ基合金について説明する。

【００１２】高温強度を強化する物質の特性として、Ａ
ｌ母材に対するＳｉの添加量（ｗｔ％）と比摩耗量（ｍ
ｍ³／Ｎ・ｍ）との関係を図２に示す。また、Ａｌ−２
０Ｓｉ合金に対するＣｕの添加量（ｗｔ％）と比摩耗量
（ｍｍ³／Ｎ・ｍ）との関係を図３に示す。図２および
図３はそれぞれのＳｉ，Ｃｕの添加量に対する往復動式
摩耗試験（荷重を２０ｋｇｆ，温度を１５０℃，潤滑を
ＣＤ級，相手材を硬質Ｃｒメッキ）の結果を示してい
る。

【００１３】Ｓｉは、Ａｌとの共晶組成（１２．６ｗｔ
％）以上で初晶Ｓｉを晶出し、Ａｌ基合金の耐摩耗性を
向上させることが知られている。図２から明らかなよう
に、Ｓｉの添加量の増加と共に比摩耗量は減少してい
る。しかし、過共晶組成のＡｌ基合金は耐摩耗性は優れ
ているものの、Ｓｉ添加量の増加と共にＡｌ基合金の加
工性は悪化する。また、Ｓｉ添加量の増加と共にＡｌ基
合金の高温強度も低下する。このため、特に好ましくは
Ｓｉの添加量を１５〜２０ｗｔ％とすることがよい。

【００１４】Ｃｕは優れた摺動材であり、Ａｌと合金化
することでＣｕがマトリックス中に固溶する固溶硬化な
らびにＧ．Ｐ．ゾーンおよびθ′相の析出硬化により強
さと硬さが向上することが知られている。図３から明ら
かなように、Ｃｕの添加量の増加と共に比摩耗量は減少
している。図中の破線は、耐摩耗性鋳鉄として知られる
ニレジストの特性値を示したものである。本発明のＡｌ
基合金は、ニレジストに代わるピストン用合金であり、
このニレジストの特性値を目標としたものである。この
ため、十分な耐摩耗性を持たせるためには、２０ｗｔ％
以上のＣｕの添加が特に好ましいことが同図から伺え
る。また、Ｃｕの添加量の上限は、他の添加元素（Ｓ
ｉ，Ｃｏ）との総和が６０ｗｔ％を超えない範囲を考慮
に入れて、３０ｗｔ％とすることが特に好ましい。

【００１５】耐摩耗性を向上させる目的として、材料の
硬度を上昇させる方法がある。これは、特にアブレシブ
摩耗には有効な手段であることが知られている。Ａｌ合
金の難点である高温（３００℃）強度の向上のために
は、熱的負荷のかかる部材（例えば、ピストンリングの
溝部）の硬度を上昇させることが有効である。

【００１６】Ａｌ−２０Ｓｉ合金に各種元素を添加した
時における硬度（Ｈｖ）と温度（℃）との関係を図４に
示す。図４は、Ａｌ−２０Ｓｉ−２０Ｃｕ合金（図中は
○印で示す），Ａｌ−２０Ｓｉ−１０Ｃｕ−１０Ｃｏ合
金（図中は■で示す），Ａｌ−２０Ｓｉ−１５Ｃｕ−５
Ｃｏ合金（図中は◇で示す），Ａｌ−２０Ｓｉ−１０Ｃ
ｕ−１０Ｆｅ合金（図中は▽で示す），Ａｌ−２０Ｓｉ
−１０Ｃｕ−１０Ｎｉ合金（図中は△で示す）に対する
高温硬度試験の結果を示している。尚、硬度試験はビッ
カース硬度試験機を用いて行った。

【００１７】室温においては、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅを添加
した合金のいずれもが、５〜１０ｗｔ％の添加量でＡｌ
−２０Ｓｉ−２０Ｃｕ合金が示す硬度を上回っている。
しかし、温度が３００℃において、１２０Ｈｖ以上の硬
度を示しているのは、Ａｌ−２０Ｓｉ−１０Ｃｕ−１０
Ｃｏ合金のみである。Ａｌ−２０Ｓｉ−１０Ｃｕ−１０
Ｆｅ合金が温度３００℃において約８０Ｈｖを示してい
るが、室温での硬度が約３７０Ｈｖを示している。室温
で３００Ｈｖを超えると加工性が悪くなると共にＦｅの
添加によってＡｌの軽量性という利点を損ねてしまうた
め、Ａｌ−２０Ｓｉ−１０Ｃｕ−１０Ｆｅ合金は、本発
明のＡｌ基合金としては好ましくない。また、Ｃｏを添
加した合金においても、Ａｌ−２０Ｓｉ−１５Ｃｕ−５
Ｃｏ合金の場合、温度３００℃における硬度は約７５Ｈ
ｖと低く、高温耐摩耗性において劣っているため、この
合金も本発明のＡｌ基合金としては好ましくない。同図
から、温度が３００℃において１２０Ｈｖ以上の硬度を
示し、かつ、室温において３００Ｈｖ以下の硬度を示す
最適範囲のＣｏの添加量を９〜１４ｗｔ％と設定した。

【００１８】以上の結果から勘案して、高温度（３００
℃）まで優れた高温耐摩耗性を維持できるＡｌ基合金の
組成としては、Ｓｉ：１５〜２０（ｗｔ％），Ｃｕ：２
０〜３０（ｗｔ％），Ｃｏ：９〜１４（ｗｔ％），残部
がＡｌおよび不可避不純物からなるものとした。このＡ
ｌ基合金を内燃機関のピストンなどに用いることで、従
来のニレジスト鋳鉄に比べて生産コストを低減すること
ができ、かつ、重量の軽減ができると共に燃費の向上が
達成される。

【００１９】次に本発明の他の実施の形態として、上記
のような組成を有するＡｌ基合金を製造するために用い
る溶加材を説明する。

【００２０】この溶加材は、例えばＡｌ合金製ピストン
において、高温耐摩耗性が要求されるピストンリング溝
などを部分的に強化するための肉盛り溶接に用いられる
ものであり、肉盛り溶接時における溶加材中の添加元素
の希釈率を４０〜６０％と考えて、その組成は、Ｓｉ：
３０（ｗｔ％），Ｃｕ：５０（ｗｔ％），Ｃｏ：２０
（ｗｔ％）からなるものが特に好ましい。

【００２１】しかし、３０ｗｔ％のＳｉを添加したＣｕ
合金は、硬度が高くなる反面、逆に脆くなるため、一般
の溶加材形状（棒状またはワイヤ状）に成形することは
不可能である。すなわち、上記の組成を有する溶加材
は、溶製によっては得ることができない。このため、上
記組成を有する溶加材は、粉末冶金的手法を用いて作製
される。

【００２２】粉末冶金的手法を用いて製造された溶加材
である溶接ワイヤの一例を図１に示す。

【００２３】同図に示すように、溶接ワイヤ３は、主に
ＣｏＳｉ₂の合金粉末からなる粉体２をＣｕ外皮材１内
に充填させたワイヤ形状のものである。例えば、溶接ワ
イヤ３の直径を１．７ｍｍ、Ｃｕ外皮材１の厚さを０．
１ｍｍ、Ｃｕ外皮材１内における複合粉体の充填率を９
０％とする。この溶接ワイヤ３を用いて、図示しないＡ
ｌ母材に肉盛り溶接すれば、希釈率４０〜６０％の範囲
で希釈が起こったとしても、肉盛り溶接部はＳｉ：１５
〜２０（ｗｔ％），Ｃｕ：２０〜３０（ｗｔ％），Ｃ
ｏ：９〜１４（ｗｔ％），残部がＡｌおよび不可避不純
物からなるＡｌ基合金を得ることができる。

【００２４】本発明の肉盛り強化用溶加材は、溶製では
得ることができない固溶限を超えた組成を有しているた
め、粉末冶金的手法を用いることによってのみ作製する
ことができる。すなわち、本発明の肉盛り強化用溶加材
を用いることで、高温耐摩耗性に優れたＡｌ基合金を確
実に得ることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、Ａｌ基合
金における高温耐摩耗性を向上させることができる。ま
た、優れた高温耐摩耗性を有するＡｌ基合金を肉盛り溶
接によって確実に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の肉盛り強化用溶加材を示す斜視図であ
る。

【図２】Ａｌ母材に対するＳｉの添加量と比摩耗量との
関係を示す図である。

【図３】Ａｌ−２０Ｓｉ合金におけるＣｕの添加量と比
摩耗量との関係を示す図である。

【図４】Ａｌ−２０Ｓｉ合金に各種元素を添加した時に
おける硬度と温度との関係を示す図である。

【符号の説明】

１Ｃｕ外皮材２粉体（ＣｏＳｉ₂の合金粉末）３溶接ワイヤ（溶加材）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者辻村明神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞ中央研究所内 (72)発明者元吉正人神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞ中央研究所内 (72)発明者塩谷英爾神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞ中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温強度強化用物質を含有するＡｌ基合
金であって、その組成が、Ｓｉ：１５〜２０（ｗｔ
％），Ｃｕ：２０〜３０（ｗｔ％），Ｃｏ：９〜１４
（ｗｔ％），残部がＡｌおよび不可避不純物であること
を特徴とするＡｌ基合金。
【請求項２】Ａｌ母材の表面に肉盛り溶接を行って強
化するための溶加材であって、その組成が、Ｓｉ：３０
（ｗｔ％），Ｃｕ：５０（ｗｔ％），Ｃｏ：２０（ｗｔ
％）であることを特徴とするＡｌ母材用肉盛り強化用溶
加材。