JPS61295301A - 耐熱性高カアルミニウム合金粉末およびその成形体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｌ１上立■皿±１ 本発明は、高温強度が優れ、耐摩耗性を有する高力アル
ミニウム合金用のアルミニウム合金粉末および成形体に
関するものである。

ｉ米且且 耐摩耗性の良好なアルミニウム（Ａｌ）合金としては、
ＪＩＳ　ＡＣ３Ａ、　ＡＣ４Ａ、　ＡＣ８Ａ等の鋳物用
Ａｌ合金や、ＪＩＳ　ＡＤＣｌ、　ＡＤＣ３，ＡＤＣｌ
ｏ　、　ＡＤＣｌ２等のダイカスト用Ａｌ合金が知られ
ている。しかしながら、これらの高珪素Ａｌ合金は、通
常の方法で鋳塊にした場合には、組織が粗大で内部欠陥
が多く、また内部欠陥のために割れが発生し易く、強度
、加工性に難点があった。

また、耐摩耗性を有するへ１合金として珪素（Ｓｌ）以
外の第三元素（例えば、Ｃｕ、　Ｈｇ等）を添加したＡ
３９０合金等が知られているが、これらは鋳造用合金で
あって、耐摩耗性については、ある程度満足し得るもの
の、耐熱性、加工性の良好なものは得られていない。

斯かる鋳造用Ａｌ合金の欠点を克服すべく、Ａｌ合金粉
末の押出し成形法によってＡｌ合金粉末成形体を得る方
法が提案されている（例えば、特開昭５２−１０９４１
５公報参照）。この方法によれば、耐摩耗性、潤滑性に
優れ、さらに高温強度にも優れた材料が得られることか
ら、内燃機関のシリンダー・ライナー、あるいは各種コ
ンプレッサーの翼体を該方法で成形し、機関の寿命や効
率を著しく高め、軽量化を計ることができ、該方法は、
近時、注目を集めている。これらの過共晶Ａｌ−Ｓｉ合
金−１７７９５３号公報、特開昭５９−１１０７０２号
公報等がある。

゛し　−と しかしながら、従来公知のＡｌ合金粉末成形体では耐応
力腐食割れ性が十分でない。すなわち、大気中には、微
量ながら塩分が含まれており、高温にさらされる機関部
品として、ＡＩ合金粉末成形体を使用していると亀裂が
発生し、長期間の使用に耐え得ないものとなる不具合が
生じる。例えば、海岸地帯を走行する自動車の部品、あ
るいは臨海地帯で使用する空調用コンプレッサ一部品と
して該Ａｌ合金粉末成形体を使用した場合には、応力腐
食割れによる製品寿命の短縮という新たな問題が発生す
ることが判明した。

゛　　　　た　　の　　　　　よ 本発明の目的は、耐応力腐食割れ性、耐摩耗性、潤滑性
が良好で、高温強度に優れ、かつ軽聞なるＡｌ合金部材
を提供する点にある。

本発明者等は、上記問題を解決するために、Ａｌ合金中
への添加元素の影響を検討した結果、Ｓｉを１０〜３０
重量％添加した過共晶Ａｌ合金を分散急冷凝固させて初
晶Ｓｉを微細化すれば著しく耐摩耗性を具備し得ること
、ざらにＦｅ０．５〜７重量％およびｒｎｏ、ｓ　〜４
１１ｍ％（ただし、１≦Ｆｅ＋　Ｈｎ≦１１重量％）を
同時添加してＦｅ−Ｈｎ−Ａｌの金属間化合物を形成さ
せて応力腐食割れの発生を抑制し、しかも高温強度を著
しく改善できることを見出し、本発明に至ったものであ
る。

本出願の第一の発明は、Ｓｉ　：　１Ｇ〜３０重量％、
Ｆｅ：０．５〜７重量％、Ｈｎ：０．５〜４重量％（た
だし、１≦Ｆｅ＋ｂ じてＣｕ：　　０．５〜５重量％、ＨＱ：０．２〜３重
凶％を含み、残部が不可避的不純物を含むＡｌより成り
、Ｓｉ結晶粒の大きさが１５μｍ以下であるＡｌ合金粉
末であり、第二の発明は、Ｓｉ　：　１０〜３０重徴％
、Ｆｅ：０．５〜７重量％、Ｈｎ：０．５〜４重量％（
ただし、１≦Ｆｅ＋ｂ じてＣｕ：　　０．５〜５重量％、Ｈａ：０．２〜３重
量％を含み、残部が不可避的不純物を含むＡＩより成り
、Ｓｉ結晶粒の大きさが１５μｍ以下であり、かつ金属
間化合物の大きさが２０ａｍ以下で微細化分散している
ＡＩ合金粉末成形体を要旨とするものである。

一般に、過共晶＾１−８ｉ合金は、Ａｌよりも小さな熱
膨張係数を有し、耐熱性、耐摩耗性に優れていることは
良く知られている。過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金鋳造材では、
Ｓｉが初晶あるいは共晶としてマトリックス中に分散す
ることにより、高温強度、耐摩耗性、耐焼付性に優れた
効果を発揮する。しかし、初晶Ｓｉは、往々にして粗大
結晶として析出するため、延性、衝撃値を低下させ、機
械加工性を悪化させる。また、粗大Ｓｉ晶が析出した過
共晶Ａｌ−Ｓｉ合金鋳造材を摺動部材などに使用する場
合には、相手材を摩耗せしめるため、Ｓｉ晶の粗大化を
避けなけれはならない。

粗大Ｓｉ晶の生成を防ぐ手段として、過共晶Ａｌ−Ｓｉ
合金を急冷凝固させて初晶Ｓｉをａｍ化分散させた金属
粉末を形成し、これを押出成形して機械部品を得る技術
が知られている。しかしながら、公知の過共晶Ａｌ−Ｓ
ｉ合金粉末を使用したのでは、耐熱性、耐摩耗性、耐応
力腐食割れ性において優れた特性を兼ね備えたものは得
られていない。

本発明の過共晶Ａｔ−Ｓｉ合金粉末は、ＦｅおよびＨｎ
を同時に添加したものを急冷凝固させることによリ、初
晶Ｓｉの粗大品出を抑制すると共に高温強度と耐応力腐
食割れ性を備えたものである。

本発明における成分限定理由は、下記の通りである。

Ｓｉは、１０重重量以下では分散量が少なく、耐熱性や
耐摩耗性に及ぼす効果が不十分である。Ｓｉｌ。

重量％程度の亜共晶領域では、初晶Ｓｉは晶出せず、微
細な共晶組織を呈するものとなる。Ｓｉｌが増すにした
がってＳｉ初晶が晶出するようになり、耐熱性、耐摩耗
性が向上する。しかしながら、Ｓｉが３０重量％を越え
るといかなる急冷凝固法を採用して粉末化しても、粗大
なＳｉ初晶が消失しなくなる。

急冷速度が１０３℃／秒程度でも、初晶Ｓｉを微細化さ
せるには、Ｓｉｌを２５重量％以下にする必要がある。

粗大なＳｉ初晶組織を有するＡｌ合金粉末の押出成形加
工を行うに当っては、粉体の圧縮性が著しく悪いため、
圧粉体の成形が困難であり、熱間押出加工においても変
形抵抗が大きく、大きな押出−カを必要とするほか、押
出ダイスの寿命を著しく短縮する結果をもたらす。

従って：Ｓｉ含有量線１０．０〜３０重回％、好ましく
は５ｉ１５．０〜２５重量％とするのが良い。

ＦｅおよびＨｎは、本発明においては重要な成分である
。ＦｅおよびＨｎは、ＡＩ中への溶解度が低く、かつ拡
散速度が遅いため、微細な金属間化合物として分散品出
し、材料の高温強度を向上せしめる。

さらに、ＦｅおよびＨｎの重要な役割は、耐応力腐食割
れ性を向上させる点にある。本発明者らが、耐応力腐食
割れ性について詳細に検討した結果、公知のＡｌ合金に
おけるが如く、ＦｅまたはＨｎを単独に添加したのでは
、耐応力腐食割れ性に対しては効果が無く、Ｆｅおよび
Ｈｎを一定範囲で共存させると著しい効果があることを
見出し、本発明に至ったものである。

通常、Ａｌ地金中に存在するＦｅおよびＨｎは、それぞ
れ、せいぜい０．８重量％、　　０．０３重量％程度で
あり、この程度では、高温強度、耐応力腐食割れ性に対
して不十分である。また、添加量が多過ぎると熱間加工
性および靭性が低下するので好ましくない。

ＦｅおよびＨｎを固溶限界を越えて添加すると、Ａｌ−
Ｆｅ−Ｈｎ−８ｉ系の金属間化合物として析出し、その
形状は、添加量が多いほど、また冷却速度が遅いほど、
粗大化する。この金属間化合物は、分散急冷凝固法によ
る合金粉末においては、棒状組織として存在し、後続の
熱間押出工程において分断され、マトリックス中に微細
に分散する。この化合物は、高温においても安定で、粗
大化成長することもなく、長時間高温保持しても強度の
低下は生じない。

また、この金属間化合物は、Ａｌ−Ｆｅ系、あるいはＡ
Ｉ−Ｈｎ系金属間化合物に比して耐応力腐食割れ性に対
して著しい効果を有するものである。

従って、シリンダー・ライナー、ピストン、コンロッド
、ロッカー・アーム、コンプレッサー用黄体等、高温に
さらされ、しかも強度を要求される機械部品用材料とし
て好適なものとなる。特に、応力腐食が問題とされるよ
うな長寿命、高信頼性を要求される機械部品に最適な材
料となり得る。

ＦｅおよびＨｎの添加量は、Ｆｅ：　　０．５〜７重量
％、Ｈｎ：　　０．５〜４重量％で、かつＦｅとＨｎの
合計量が１重量％ないし１１重量％（１重量％および１
１重量％を含む）の範囲、好ましくはＦｅとＨｎの合計
量が３重量％ないし８重量％が適当である。Ｆｅが７重
量％を越え、または）Ｉｎが４重量％を越えた場合には
、硬さ、耐摩耗性が、かえって低くなり、成形体を作っ
た場合には、材質が脆くなる傾向がある。

Ｆｅに比較してＨｎ含有量を少なくする理由は、熱間加
工性の改善、押出歩留りの向上、応力腐食割の改善、靭
性の改善を計るためである。

また、ＦｅとＨｎは、単独添加では耐応力腐蝕割れ性が
認められず、両者を同時添加する必要がある。

その場合、添加量は、両者合計で１重量％ないし１１重
量％（１重量％および１１重重量を含む）、好ましくは
８重量％以下が適当である。

本発明におけるＡｌ合金粉末では、必要に応じてＣｕ、
あるいはＨＱを添加しても良い。Ｃｕ、　Ｈｇは、Ａｌ
合金において、時効硬化性を付与して材質を強化する成
分として、広く使用されており、好適な添加盟は、Ｃｕ
は０．５〜２ｆｆｘｍ％、ＨＬＪは０．２〜３重量％の
範囲である。本発明においても、溶体化処理温度での固
溶限度内の範囲で、Ｃｕ、　Ｈｇを添加することは、材
質を強化するために有効である。本発明の合金粉末にお
いては、高温強度を改善する目的で、ざらにＴｉ、　Ｚ
ｒ、　Ｎｏ、　Ｖ、　Ｃｏ、　Ｚｎ、　Ｌｉ等を少量添
加することは何ら支障はない。しかし、添加層が多過ぎ
ると、成分管理、溶解温度の上昇等、製造上の問題が生
じてくる。

Ａｌ合金粉末中のＳｔ結晶粒の大きざを１５μｍ以下と
したのは、主として、初晶Ｓｉの大きさが１５μｍ以上
になると後続の合金粉末の成形加工性が悪くなり、材料
特性が悪化するからである。

本発明のＡｌ合金粉末は、前記目標組成を有する合金溶
湯をアトマイズ法、遠心力による微粉末製造法をもって
、０．５ｍ以下の粒子サイズに急速分散凝固させること
により得られるものである。粉末化の際における冷却速
度は、１０３℃／秒程度以上であれば十分であり、合金
成分量が多くなるほど冷却速度を早くしないと、微細組
織は得られない。斯くして得られたＡｌ合金粉末は、大
きさが１５μｍ以下のＳ（結晶と、成長を抑制された金
属間化合物品を有しており、このような組織の合金を鋳
造法で得ることは困難である。

次に、本発明のへ１合金粉末成形体について説明する。

本発明によるＡｌ合金粉末成形体・の組成範囲限定理由
は、Ａｌ合金粉末に関して前述した通りである。

本発明のＡｌ合金粉末成形体は、前記Ａｌ合金粉末を成
形加工したものである。成形加工に際して高温強度、耐
摩耗性、耐焼付性を良くするためには、初晶Ｓｉの大き
さと金属間化合物の大ぎさが重要な因子であり、この両
者をできる限り微細にする必要がある。耐応力耐食割れ
性は、主として合金の化学組成によって決まるが、可及
的に緻密な組織の方が好ましいのはいうまでもない。こ
のような観点から、Ｓｉ結晶の大きさを、１５μｍ以下
に、金属間化合物の大きさを、２０μｍ以下に、それぞ
れ限定した。

Ｓｉ結晶粒の大きさを１５μｍ以下とすることにより、
耐摩耗性に優れ、摩擦係数が低下するので摺動部材に適
した材質となる。また、延性が良くなり、加工中のどビ
レやムシレの発生が少くなり精度が向上する効果をもた
らす。

Ａｌ−Ｆｅ−Ｈｎ−Ｓｉ系合金間化合物の大きさは、実
質的に５μｍ以下、最大でも２０μｍ以下に微細かつ均
一に分散させることにより、高温強度と耐摩耗性が著し
く改善されたものとなる。さらに、この金属間化合物と
Ｓｉの微細結晶とが混ざり在って均一分布すると、高温
強度と耐摩耗性において一層優れた効果を発揮する。

このような組織を有するＡｌ合金粉末成形体は、前記発
明によるＡｌ合金粉末を予め圧粉成形した後、熱間押出
することにより得られる。

圧粉成形は、熱間押出の為の準備作業として、これを行
うものであり、通常の方法で何ら支障はない。−例を示
せば、合金粉末を２００〜３００℃程度に加熱して行う
のが好ましい。３００℃を越えると、酸化が著しくなる
ので、ｆ’ｈ、Ａｒ等の雰囲気中で加工する必要が生じ
るが、低温では、大気中で加工可能である。圧粉成形に
先立ち、粉末を真空処理して付着水分を除去しておくこ
とは、バースチング（加熱により水分が気化して材料を
破壊させて大気中に逃げる現象）発生防止に有効である
。

成形圧力は、０．５〜３　ｔｏｎ　／　ｃｄ程度が適当
であって、圧粉体密度が真密度の７０％以上となるよう
にする。

熱間押出は、合金粉末中に晶出している初晶Ｓ１相、共
晶相、金属間化合物相の結晶相を微細化し、材料として
の機械的特性を改善すると同時に、強固な成形体に加工
するための工程である。

また、熱間押出は、３５０℃以上の温度領域、好ましく
は４００〜４７０℃でこれを行なう。その理由は、圧粉
体の加工が容易な範囲で粒子間結合を促進させて強固な
成形体になし、かつ過飽和国溶分の元素を微細析出させ
るとともに、初晶Ｓｉや金属間化合物の棒状組織を分断
して微細化し、成形体の強度と耐摩耗性を改善するため
である。

さらにまた、熱間押出は、圧粉体を大気中または非酸化
性雰囲気中で余熱し、はぼ同温度のコンテナー中に挿入
してこれを行う。押出比は、１０以上が好ましい。押出
比が１０未満であると、押出材中に空隙が残存したり、
粉末粒子相互間の拡散接合や金属間化合物の分断効果が
不十分となって、強度の高い成形体が得られない。

本発明により得られた合金粉末成形体に各種の熱処理を
施し、材料特性をさらに改善することは、何ら支障はな
い。また、本発明により得られた成形体は、シリンダー
ライナーやスリーブの如き部材として、そのまま使用し
ても良いし、この成形体を素材として、更に機械加工や
熱間鍛造あるいは冷開鍛造を施して機械部品としても良
い。

本発明によるＡｌ合金粉末成形体は、従来品に比較して
高温強度が著しく改善されており、耐摩耗性、耐焼付性
、耐応力腐食割れ性にも優れたものである。さらに、摩
擦係数が小さいため、高温で使用され、耐摩耗性、耐応
力腐食割れ性が要求される摺動部材として最適なもので
ある。用途としては、シリンダー・ライナー、ピストン
、コンロッド、ロッカー・アーム等の自動型部品、コン
プレッサー用翼体、ライナー、バルブ・プレート等の油
・空圧機器部品、ＶＴＲ用ドラム、軸受等の家電用部品
、事務機器用の歯車、スイッチ、カム、クラッチ・ハブ
などの精密部品等のほか、航空機や宇宙産業用の広徒囲
の用途が期待される。

アトマイズ法により、４８メツシユ（ｍｅｓｈ）の粉末
を得た。

次に、これらのＡｌ合金粉末を２５０℃に加熱して、同
温度に余熱した金型中に充填し、１．５ｔｏｎ　／ｃｄ
の圧力で圧縮成形して、直径ｉｏｏ、、長す２ｏｏ＃Ｉ
Ｉのビレットを得た。

次に、これ等のビレットを４５０℃に加熱し、同温度に
余熱保持された内径１０４．のコンテナー中に挿入し、
直径３０．のダイスを用いて、間接押出法により押出（
押出比＝１２）Ｌ、て成形体を得た。

これらの成形体をＴ６処理、あるいは３００’Ｃｘ１０
０時間の熱処理（０）を施した後、標点間距離５゜順、
平行部直径６ｍの引張試験片に加工して室温・　　から
２５０℃までの温度で引張試験を実施した。引張試験は
、各試験温度で、試料を１００時間保持した後に実施し
た。さらに、各温度での引張試験終表−１ ７後の試験片のチャック部の端部を使用して、硬さ測定
を行った。また、室温試験の試片を切断し、顕微鏡組織
観察を行って結晶組織の大きさを測定した。これらの結
果を表１にまとめて示す。

次に、前記熱間押出成形体を切断し、熱間鍛造により直
径７０＃ｌＩＩ＋、長さ１０ｍの素材を形成して、機械
加工により各種試験片になし、耐摩耗性試験、耐焼付性
試験、摩擦係数測定、耐応力１１ｇ食割れ試験を実施し
た。

耐摩耗性試験は、直径７０ｔｔｍの円板状試片に、Ｃｒ
メッキを施こした５ｘ５ｘ１ｏ、Ｈの球状黒鉛鋳鉄を相
手材として使用し、速度５ＴｒＬ／秒、押圧力１００Ｋ
ｇ／　ｃ＃ｉ、摺動距離５００触として摩耗量を測定し
た。

なお、潤滑油として摺動面に、５ＡＥ２０エンジンオイ
ル（温度９０℃）を５００ｍ／分滴下した。

耐焼付性試験は、前記耐摩耗性試験と同様にして、押圧
力を１００Ｋｇ／ｃｌＩｉから５Ｋｇ／ｃｄ・分の割合
で増加さゼ、焼付が発生する時の面圧力を測定した。

摩擦係数は、耐摩耗性試験において、２０〇−走行時点
でのトルクを測定し算出した。

耐応力腐食割性については、ＪＩＳ　Ｈ８７１１ｒアル
ミニウム合金材料の応力腐食割れ試験方法」に準じて行
った。試験片は、１号試験片とし、連続浸漬法を採用し
た。

これらの結果を表−２に示す。

また、比較のため、Ａｌ−３ｉ−Ｃｕ−Ｈ１系鋳造材料
についても同様の特性測定を試みたが、焼付が生じ満足
な結果は得られなかった。

表−１１表−２の結果から本発明のＡｌ合金粉末成形体
は、高温強度、耐摩耗性、耐焼付性に優れ、しかも耐応
力腐食割性も兼ね備えた材料であることが明らかである
。

（以下余白） 表−２ ＊片状黒鉛鋳鉄の摩耗量を１としたときの相対比 表−２のつづき タト２ノ６

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ：１０〜３０重量％、Ｆｅ：０．５〜７重量
   ％、Ｈｎ：０．５〜４重量％、残部：不可避的不純物を
   含むＡｌより成り、１≦Ｆｅ＋Ｍｎ≦１１重量％なる条
   件を満たすとともに、Ｓｉ結晶粒の大きさが１５μｍ以
   下であることを特徴する耐熱性高力アルミニウム合金粉
   末。
2. （２）Ｃｕ：０．５〜５重量％、Ｍｇ：０．２〜３重量
   ％を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   された耐熱性高力アルミニウム合金粉末。
3. （３）Ｓｉ：１０〜３０重量％、Ｆｅ：０．５〜７重量
   ％、Ｍｎ：０．５〜４重量％、残部：不可避的不純物を
   含むＡｌより成り、１≦Ｆｅ＋Ｍｎ≦１１重量％なる条
   件を満たすとともに、Ｓｉ結晶粒の大きさが１５μｍ以
   下の粉末で形成され、金属間化合物の大きさが２０μｍ
   以下に微細化分散していることを特徴とする耐熱性高力
   アルミニウム合金粉末成形体。
4. （４）前記粉末が、Ｃｕ：０．５〜５重量％、Ｍｇ：０
   ．２〜３重量％を含むことを特徴とする特許請求の範囲
   第３項に記載された耐熱性高力アルミニウム合金粉末成
   形体。