JPH10195567A

JPH10195567A - 自己潤滑性アルミニウム基複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10195567A
Application number: JP8356593A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Tate; 弘樹舘
Original assignee: YKK Corp
Current assignee: YKK Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1998-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度、耐摩耗性、自己潤滑性等の特性に優
れた自己潤滑性アルミニウム基複合材料及びその製造方
法を安価に提供する。【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金粉末
とホウ酸との混合粉を、炭素含有化合物の助剤の存在下
にメカニカルアロイング処理を施した後、加熱下加圧加
工する、例えば圧粉成形後、熱間押出、鍛造、圧延又は
連続摩擦圧接等の加工を行う。アルミニウム又はアルミ
ニウム合金粉末が、切削油が付着している５ｍｍ以下の
切削粉末の場合、他の助剤を添加することなくそのまま
メカニカルアロイング処理することができる。これによ
り、マトリックス中に、酸化アルミニウム粒子、炭化ア
ルミニウム粒子及びホウ化物粒子が分散してなり、マト
リックスの平均粒径が５μｍ以下、分散する酸化アルミ
ニウム粒子及び炭化アルミニウム粒子の平均粒径が共に
１００ｎｍ以下、ホウ化物粒子の平均粒径が１μｍ以下
の複合材料が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自己潤滑性アルミ
ニウム基複合材料、さらに詳しくは、車両用のエンジン
部品、ネジ、リベット類、その他機械部品等に好適に使
用される高強度、耐摩耗性、自己潤滑性等の特性に優れ
たアルミニウム基複合材料及びその製造方法に関する。
本発明はまた、メカニカルアロイング処理を利用するこ
とにより、その原材料として、構造材用複合材の原料と
して顧みられることのなかったホウ酸と、再溶解に不適
な細かいアルミニウム又はアルミニウム合金の切削粉末
を利用でき、良好なリサイクル材料として有用なアルミ
ニウム基複合材料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】粒子分散型の複合材料の特性を向上させ
るためには、もとより強化粒子がマトリックス中に均一
に分散していることが重要である。従来、粒子分散型複
合材料の製造においては、一般に鋳造法が用いられてい
るが、ホウ化物粒子とアルミニウム溶湯とは比重が大き
く異なるため、均一に分散させることが困難であるとい
う欠点があった。

【０００３】近年、メカニカルアロイングの技術を利用
して合金を製造する方法が検討されており、その一つと
して、予めメカニカルアロイングによりマトリックス粒
子と強化粒子との間に強い結合を生じさせた複合粉を作
製し、この複合粉を２次的材料として用いて通常の粉末
治金の技術に従って複合材料を製造することが検討され
ている（例えば、特開昭６０−１３１９４３号、特開昭
６０−９８３７号）。しかしながら、一般に耐摩耗性複
合材料を作製するために用いられるホウ化物は化学反応
性に乏しい窒化ホウ素（ＢＮ）であり、メカニカルアロ
イングの物理的な混合分散の機能のみを利用するもので
しかなく、化学的な固相反応の利用については無視され
てきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記のよう
な事情に鑑み、摩擦係数の低減と摩耗による材料自体の
減量を低減させるのみならず、自己潤滑性分散粒子の効
果により、非耐摩耗性材料である相手材の摩耗をも抑制
する高強度、耐摩耗性、自己潤滑性等の特性に優れた自
己潤滑性アルミニウム基複合材料及びその製造方法を提
供することを目的とするものである。さらに本発明の目
的は、メカニカルアロイング処理を利用して、アルミ建
材の製造工程で多量に発生するアルミニウム又はアルミ
ニウム合金の切削粉末をリサイクル使用でき、また構造
材用複合材料の原料として顧みられることのなかったホ
ウ酸を利用して、上記のような優れた特性を有するアル
ミニウム基複合材料を非常に安価に製造できる方法を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の一側面によれば、アルミニウム又はアルミ
ニウム合金マトリックス中に、酸化アルミニウム粒子、
炭化アルミニウム粒子及びホウ化物粒子が分散してな
り、マトリックスの平均粒径が５μｍ以下であり、分散
する酸化アルミニウム粒子及び炭化アルミニウム粒子の
平均粒径が共に１００ｎｍ以下であり、ホウ化物粒子の
平均粒径が１μｍ以下であることを特徴とする自己潤滑
性アルミニウム基複合材料が提供される。好適な態様に
おいては、分散する酸化アルミニウム粒子の体積率及び
炭化アルミニウム粒子の体積率が共に５％未満であり、
さらにホウ化物粒子の体積率が３０％未満であることが
望ましく、さらに、分散する酸化アルミニウム粒子の体
積率と炭化アルミニウム粒子の体積率の合計が０．５％
より大きく、８％未満であることが望ましい。

【０００６】さらに本発明によれば、前記のような自己
潤滑性アルミニウム基複合材料を製造する方法も提供さ
れ、その方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金粉
末とホウ酸との混合粉を、炭素含有化合物の助剤の存在
下にメカニカルアロイング処理を施した後、加熱下加圧
加工する、例えば圧粉成形後、熱間押出、鍛造、圧延又
は連続摩擦圧接等の加工を行うことを特徴とする。上記
炭素含有化合物の助剤としては、有機溶剤や切削油等を
用いることができる。特に、前記アルミニウム又はアル
ミニウム合金粉末が、切削油が付着している５ｍｍ以下
の切削粉末の場合、他の助剤を添加することなくそのま
まメカニカルアロイング処理することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明のアルミニウム基複合材料
の製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金粉末
とホウ酸との混合粉に、必要に応じて助剤を予備混合し
た後、該粉末を所定条件の下でメカニカルアロイング処
理し、複合粉末とする。次に、得られた複合粉末を、圧
粉容器に充填、脱ガス後、又はそのまま、従来公知の熱
間押出、鍛造、圧延等の加工を施して目的とするアルミ
ニウム基複合材料を製造するものである。すなわち、本
発明は、アルミニウム粉末合金の製造において、一般的
なホウ化物として利用される窒化ホウ素、炭化ホウ素、
酸化ホウ素、ホウ酸アルミニウムなどと異なり、ホウ酸
をマトリックス粉末と共にメカニカルアロイング処理を
行うことで、マトリックスとの間で化学変化が生じ、生
成するホウ化物粒子のより均一な分散とマトリックスに
対する強固な結合を得ることを特徴としている。

【０００８】上記のように、本発明の方法によれば、ア
ルミニウム又はアルミニウム合金のマトリックス粉末を
ホウ酸と共に炭素含有化合物の助剤の存在下にメカニカ
ルアロイング処理を施すものであるため、上記マトリッ
クス粉末が機械的に摩砕され、生成したより微細なアル
ミニウム粒子が大気中の酸素によって酸化されて酸化ア
ルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）粒子を生成すると共に、一部
は上記炭素含有化合物の炭素と化合して炭化アルミニウ
ム（Ａｌ₄ Ｃ₃ ）粒子を生成し、しかも、ホウ酸がマト
リックスとin-situ な化学反応（その場反応）を生じて
ホウ化物粒子（Ａｌ₈ Ｂ₂ Ｏ₁₅、Ｂ₂ Ｏ等のホウ素とア
ルミニウムの化合物、ホウ素と酸素の化合物、及びホウ
素とアルミニウムと酸素との化合物）を生成し、かつ、
他の生成粒子と共に、ホウ化物粒子が強固な結合力でマ
トリックス中に均一に分散する。

【０００９】従って、前記のような複合粉末を、例えば
圧粉成形後、熱間押出、鍛造、圧延、連続摩擦圧接（押
出）等の加工を行うことにより、高強度、耐摩耗性、自
己潤滑性等の特性に優れたアルミニウム基複合材料を得
ることができる。また、複合させたホウ化物粒子の潤滑
効果により、摩耗の際に複合材自身の摩耗のみならず、
相手材の摩耗をも抑える自己潤滑性耐摩耗性複合材料を
得ることができる。なお、炭素含有化合物の助剤は、前
記のように炭化アルミニウム粒子生成のための炭素源と
して供されるほか、焼付き防止剤として機能し、メカニ
カルアロイング処理において良好な機械的摩砕作用を確
保できる。

【００１０】前記したように、本発明に係る自己潤滑性
アルミニウム基複合材料は、アルミニウム又はアルミニ
ウム合金粒子から成るマトリックスと、メカニカルアロ
イング処理の際に生成した酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ
₃ ）粒子及び炭化アルミニウム（Ａｌ₄ Ｃ₃ ）粒子から
成る分散強化粒子に加えて、さらにメカニカルアロイン
グ処理に先立ってマトリックス粉末に混合されたホウ酸
から生成した前記のようなホウ化物粒子から成る分散強
化粒子で構成されている。複合材料中のマトリックス粒
子の平均粒径は５μｍ以下とする必要があり、より好ま
しくは１μｍ以下である。

【００１１】メカニカルアロイング工程で生成する酸化
アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）粒子及び炭化アルミニウム
（Ａｌ₄ Ｃ₃ ）粒子はマトリックス中に均一に分散し、
強化材の役目を果たす。これら生成する酸化アルミニウ
ム粒子の体積率（材料全体の体積に対する比率）及び炭
化アルミニウム粒子の体積率は共に５％未満であり、し
かもその平均粒径は１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎ
ｍ以下であることが望ましい。酸化アルミニウム粒子の
体積率と炭化アルミニウム粒子の体積率が５％以上にな
ると、過度の微細分散により、得られる複合材料の延性
が低下してしまい、所期の特性が達成でき難くなる。ま
た、それらの平均粒径は細かい方が望ましく、１００ｎ
ｍを超えると強度上昇に効果が無くなる。さらに、酸化
アルミニウム粒子の体積率と炭化アルミニウム粒子の体
積率の合計は０．５％より大きく、８％未満の範囲内に
あることが望ましい。０．５％以下では、得られる複合
材料の強度が不充分となり、逆に８％以上では延性が低
下する恐れがある。一方、複合材料中のホウ化物粒子の
体積率は３０％未満であることが望ましい。３０％以上
になると、複合材料の脆化を招き、所期の機械的強度と
弾性特性を得ることが困難となる。

【００１２】前述したように、粒子分散型複合材料にお
いては、マトリックス中に強化粒子が均一に分散してい
ることが強度上昇にとって重要となる。本発明に係るア
ルミニウム基複合材料においては、アルミニウム又はア
ルミニウム合金マトリックス粒子中に前記したような平
均粒径の酸化アルミニウム粒子、炭化アルミニウム粒子
及びホウ化物粒子が前記した体積率で均一に分散されて
いるが、これらの生成粒子の平均粒子間距離は０．０２
〜１．５μｍの範囲内にあることが望ましい。特に０．
０２〜０．２μｍの範囲が好ましい。この平均粒子間距
離が０．０２μｍ未満であると、得られる複合材料の延
性の低下、脆化を招き、一方、１．５μｍより大きくな
ると、逆に機械的強度の上昇が不充分となり、極端な場
合は靭性が著しく低下してしまう。

【００１３】前記したような複合材料中のマトリックス
粒子や強化粒子の平均粒径、強化粒子の体積率や平均粒
子間距離は、メカニカルアロイングの処理条件、特に処
理時間によって適宜制御できる。以下、本発明のアルミ
ニウム基複合材料の製造方法について説明すると、ま
ず、アルミニウム又はアルミニウム合金粉末とホウ酸の
混合粉末に、必要に応じて助剤を予備混合した後、該粉
末を所定条件の下でメカニカルアロイング処理し、複合
粉末とする。次に、得られた複合粉末を、圧粉容器に充
填、脱ガス後、又はそのまま、従来公知の熱間押出、鍛
造、圧延等の加工を施して目的とするアルミニウム基複
合材料を製造する。バッチ処理以外にも、連続摩擦圧接
（押出）法により連続的にも製造可能である。上記製造
工程において、脱ガスや圧粉工程等は大気中、真空中或
いは非酸化性雰囲気に制御されるが、メカニカルアロイ
ング処理においては雰囲気制御は必須では無く、処理時
間とアロイング条件を選択することにより、生成する酸
化アルミニウム粒子、炭化アルミニウム粒子及びホウ化
物粒子の粒径並びにそれらの体積率を制御することがで
きる。

【００１４】マトリックスの素材としては、アルミニウ
ム、アルミニウム合金または急冷凝固アルミニウム合金
或いはそれらの混合物等が用いられる。これらの素材は
予め各種アトマイズにより所望の粒径にされたアトマイ
ズ粉であってもよく、またアルミ建材の製造工程で多量
に発生する再溶解に不適な５ｍｍ以下のサイズの切削粉
末であってもよい。マトリックス粉末の出発状態におい
て、その平均粒径が過度に大きい場合、又は粒度分布が
均一でない場合には、ホウ化物の高い潤滑性によってメ
カニカルアロイング処理の進行が阻害されるために、マ
トリックス中へのホウ化物粒子の均一分散が達成され
ず、また、たとえ達成されたとしても、極めて長時間の
メカニカルアロイング処理時間を必要とする。そのた
め、マトリックスとするアルミニウム又はアルミニウム
合金粉末として、５ｍｍ以下の粉末を利用し、その粉末
を予め単体としてメカニカルミリング処理を施すなどし
て、平均粒径１ｍｍ以下の均一な粒度分布を持つアルミ
ニウム又はアルミニウム合金の粉末を用いることが必要
である。

【００１５】メカニカルアロイング処理の助剤として
は、エタノール、ヘプタン、その他の各種有機溶剤が使
用できる。特に本発明においては、水溶性の切削油が付
着した切削粉末を用いることができる。このような切削
粉末は、それに付着している切削油を助剤として活用で
き、メカニカルアロイング工程において適量の焼付き防
止剤として働くため、助剤の添加が不要であり、製造上
極めて有利であり、複合材料を安価に製造できる。ま
た、本発明の方法は、再溶解に不適な切削粉末を利用で
きるため、資源のリサイクル使用の観点からも有利であ
る。なお、処理する混合粉に助剤を添加する場合の使用
量は、メカニカルアロイング処理によって生成する炭化
アルミニウム粒子の複合材料中の所望の体積率に応じて
適宜設定することができる。所望の体積率に応じた助剤
の使用量は、助剤中の炭素量から計算によって概略値を
求めることもでき、また予め予備実験によって求めてお
くこともできる。

【００１６】

【実施例】以下、実施例を示して本発明について具体的
に説明するが、本発明が下記実施例に限定されるもので
ないことはもとよりである。

【００１７】実施例１〜３表１に示すアルミニウム切削チップとホウ酸をそれぞれ
全体重量で１ｋｇとなるよう秤量し、共にＳＵＳ３０４
製の鋼球とミル用ポットを用いて回転式ボールミルによ
って大気雰囲気中で９０ｒｐｍ×４８時間のメカニカル
アロイング処理を施し、複合粉末を製造した。次に、製
造された複合粉末を回収し、熱間押出機により５００℃
で圧粉成形を行い、続いて押出比１０：１、押出温度５
００℃で熱間押出を行い、各種の複合材料を得た。

【表１】

【００１８】比較例１及び２メカニカルアロイング処理は行わずに、市販のアルミ−
シリコン系の耐摩耗性粉末合金を熱間押出機により４０
０℃で圧粉成形を行い、続いて押出比１０：１、押出温
度４００℃で熱間押出を行い、比較試料を作製した。

【００１９】比較例３ホウ酸を添加しない以外は実施例１〜３と同様にして比
較試料を作製した。

【００２０】上記実施例１〜３及び比較例１〜３で作製
された各材料の室温におけるそれぞれの引張強度、ヤン
グ率、延び及び硬度の測定結果を表２に示す。

【表２】表２から明らかなように、本発明の方法によって製造さ
れたアルミニウム基複合材料は十分な機械的性質を示し
ている。

【００２１】また、上記実施例１〜３及び比較例１〜３
で作製された各材料に対して摩擦摩耗試験を行った。試
験は、各試験材料を直径７．９８ｍｍ、長さ２０ｍｍの
サイズの丸棒の形状に加工し、直径約５０ｍｍ、厚さ５
ｍｍの相手材ディスク（Ｓ４５Ｃ）と接触させ、荷重
３．０ｋｇｆ、速度１．２５ｍ／ｓｅｃの条件でピンオ
ンディスク方式で行った。図１に一般炭素鋼（Ｓ４５
Ｃ）に対する摩耗特性の値を示す。図１から明らかなよ
うに、本発明のアルミ６０６３合金／ホウ酸複合材料で
は特に相手材の摩耗が少なく、自己潤滑性の効果が現れ
ているが、ホウ酸を添加せずにメカニカルアロイング処
理を行った比較例３の材料では、自己潤滑性が殆どない
ため相手材の摩耗が著しく多かった。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明の方法によって得
られるアルミニウム基複合材料は、微細な酸化アルミニ
ウム粒子、炭化アルミニウム粒子、及び高い潤滑効果を
有するホウ化物粒子をアルミニウム又はアルミニウム合
金マトリックス中に強固な結合力で均一に分散させたも
のであり、高強度、耐摩耗性、自己潤滑性等の特性に優
れ、摩擦係数の低減と摩耗による材料自体の減量を低減
させるのみならず、自己潤滑性分散粒子の効果により、
非耐摩耗性材料である相手材の摩耗をも抑制するという
特有の効果を奏し、しかも安価に提供される。特に、ア
ルミニウム建材の製造において生じる切削粉末をマトリ
ックス材料として用いる場合、切削粉末に付着している
切削油が適量の焼付き防止剤として働くので、該切削粉
末をそのままメカニカルアロイング処理に用いることが
できる。その結果、アルミニウム基複合材料を低コスト
で製造できる。さらに、本発明による複合材料を、アル
ミニウム建材において現在使用されているアルミニウム
又はアルミニウム合金以外の部品、例えばアルミサッシ
におけるクレセント、ビス等のステンレス製部品の代替
に用い、このような建材を完全アルミ化することによ
り、不用となったアルミニウム建材を解体する際、部品
の取外しを行わずにそのまま再加工し、また発生する切
削粉末は再び本発明に係るアルミニウム合金マトリック
スとして再利用することもできる。従って、アルミニウ
ム建材を有効にリサイクル使用できるという利点を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】各実施例及び比較例で作製した材料を用いた摩
擦摩耗試験によるピン及びディスクの比摩耗量（荷重
３．０ｋｇ）を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム又はアルミニウム合金マト
リックス中に、酸化アルミニウム粒子、炭化アルミニウ
ム粒子及びホウ化物粒子が分散してなり、マトリックス
の平均粒径が５μｍ以下であり、分散する酸化アルミニ
ウム粒子及び炭化アルミニウム粒子の平均粒径が共に１
００ｎｍ以下であり、ホウ化物粒子の平均粒径が１μｍ
以下であることを特徴とする自己潤滑性アルミニウム基
複合材料。
【請求項２】分散する酸化アルミニウム粒子の体積率
及び炭化アルミニウム粒子の体積率が共に５％未満であ
り、さらにホウ化物粒子の体積率が３０％未満である請
求項１に記載の複合材料。
【請求項３】分散する酸化アルミニウム粒子、炭化ア
ルミニウム粒子及びホウ化物粒子の各々の平均粒子間距
離が０．０２〜１．５μｍである請求項１又は２に記載
の複合材料。
【請求項４】分散する酸化アルミニウム粒子の体積率
と炭化アルミニウム粒子の体積率の合計が０．５％より
大きく、８％未満である請求項１乃至３のいずれか一項
に記載の複合材料。
【請求項５】ホウ化物粒子がホウ素とアルミニウムの
化合物、ホウ素と酸素の化合物、及びホウ素とアルミニ
ウムと酸素との化合物の少なくとも１種である請求項１
乃至４のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項６】アルミニウム又はアルミニウム合金粉末
とホウ酸との混合粉を、炭素含有化合物の助剤の存在下
にメカニカルアロイング処理を施した後、加熱下加圧加
工することを特徴とするアルミニウム基複合材料の製造
方法。
【請求項７】前記助剤が有機溶剤又は切削油である請
求項６に記載の方法。
【請求項８】メカニカルアロイング処理によって得ら
れた複合粉末を、大気中、真空中あるいは非酸化性雰囲
気中で圧粉成形した後、熱間押出、鍛造、圧延又は連続
摩擦圧接等の加工を行う請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】前記アルミニウム又はアルミニウム合金
粉末が５ｍｍ以下のサイズの切削粉末であり、かつ、前
記助剤が該切削粉末に付着している切削油である請求項
６乃至８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】前記アルミニウム又はアルミニウム合
金材料として、平均粒径１ｍｍ以下の均一な粒度分布を
持つアルミニウム又はアルミニウム合金粉末を用いる請
求項６乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】前記アルミニウム又はアルミニウム合
金材料として、アルミニウム又はアルミニウム合金の５
ｍｍ以下の粉末に予めメカニカルミリング処理を施し、
適宜分級を行うことによって均一な粒度分布に調整した
ものを用いる請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の
方法。