JPS6230839A - 熱間加工に適した耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材 - 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】 （発明の分野）　　。

本発明は、アルミニウム合金材、特に熱間加工に適した
、耐熱、耐摩耗性アルミニウム合金材に関するものであ
る。

（従来技術とその問題点） 内燃機関のシリンダーブロック、シリンダーライチやピ
ストン、またパルプリフター、バルブスプリングリテー
ナ、バルブシートリング、ロッカーアーム等の動弁部品
、更には自動車のシンクロナイザ−リング、コンプレッ
サーのベーン、ＶＴＲシリンダ等においては、摺動（摺
接）部における耐摩耗性、低熱膨張性、耐熱性等の特性
が必要とされている。また、これらの材料をアルミニウ
ム合金にて製作するようにすれば、その軽量化や高速化
等の重要な利点が生ずる。

ところで、これらの要求特性を満たし得るアルミニウム
合金とし７ては、従来、過共晶ｋｌ−３ｉ系合金が考え
られているが、この合金の場合において、Ｓｉ添加量が
増加するにつれて、その耐摩耗性、低熱膨張性等の性能
の向上を期待することはできるものの、逆に、初晶Ｓｉ
の粒子径が大きくなるために、押出、圧延、鍛造等の加
工性、被切削性、被研削性等が劣るようになり、そのＳ
ｉ添加量に自ずから制約があった。尤も、このような問
題の解消を図るべく、合金中にＰを添加し、Ｓｉ粒子を
小さくする方法が考えられるが、この対策とても、初晶
Ｓｉ粒子の大きさを３０〜４０μｍ以下にすることが極
めて難しく、上記の欠点を解決するには至っていないの
が現状である。

一方、特開昭５９−１３０４０号公報や特開昭５９−１
３０４１号公報等には、耐熱、耐摩耗性の高力アルミニ
ウム合金として、上記の如き過共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金の
範晴に属するＡｌ−１０〜３０％５ｔ−５〜１５％Ｎｉ
系合金やＡｌ−１０〜３０％５ｉ−３〜１５％Ｆｅ７５
〜１５％Ｍｎ系合金が明らかにされているが、このよう
な合金系にあっては、その押出や鍛造等の熱間加工性に
劣り、目的とする製品への成形作業が難しく、そのため
に用途上の制約を受けたり、製造コストを高騰せしめた
り、更には複雑な形状ないしは構造の製品が得られない
等といった問題を内在している。

（解決手段） ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、その目的とするところは、優れた耐
摩耗特性や高温強度特性、更には耐熱特性等を備えると
ともに、熱間押出性や熱間鍛造性等の熱間加工特性に優
れたアルミニウム合金材を提供することにあり、そして
そのために、本発明にあっては、重量基準で、Ｓｉ：１
５〜３５％とＭｎ：０．３〜４％を含むとともに、必要
に応じてＦｅ：０．３〜６％、Ｎｉ：０．３〜６％およ
びＺｒ：０．３〜６％を、単独で又は組み合わせて、（
Ｆ　ｅ　４−Ｎ　ｉ　＋Ｚ　ｒ）量が６％以下となるよ
うに含み、且つ残部がＡｉ！と不可避的不純物から成る
合金組成を有し、更にＳｉ粒子の平均粒子径が１５μｍ
以下であり、またその最大粒子径が３０μｍ以下である
ように、アルミニウム合金材を構成したのである。

ところで、かくの如き本発明におけるアルミニウム合金
材の合金成分において、Ｓｉ（ケイ素）は、その添加に
よって目的とする合金材の耐摩耗特性、耐焼付特性、強
度特性を向上せしめ、またその熱膨張係数を低下せしめ
る元素である。そして、このＳｉの添加効果を充分に奏
せしめるためには、その添加量が少なくとも１５％（重
量基準、以下同じ）以上となるようにする必要があるが
、このＳｌの余りにも多量の添加は、押出や鍛造等の熱
間加工性に悪影響をもたらし、また切削性を低下せしめ
、切削バイトの寿命を低下させ、更には被切削面の面粗
度が粗くなる等の問題を生ずるところから、その添加量
の上限は３５％とする必要がある。

また、本発明に従うアルミニウム合金材における主要合
金成分たるＭｎ　（マンガン）は、強度、特に高温強度
、耐熱性を高めるものである。この添加量が少ない場合
には効果が充分でなく、他方それを多量に添加すれば、
それらの効果が飽和するばかりでなく、熱間加工性が劣
るようになり、また延性も著しく低下する。これらの効
果を得るだめのＭｎの添加量は０．３〜４％であり、好
ましくは０．３〜３％である。

さらに、かかる主要２元素（Ｓｉ、Ｍｎ）から成る合金
成分の他に、本発明にあっては、必要に応じて所定量の
Ｆｅ（鉄）、Ｎｉにノケル）、Ｚｒ（ジルコニウム）が
、単独で若しくはそれらを組み合わせて、添加せしめら
れることとなる。

このＦｅ、Ｎｉ、Ｚｒは、それぞれ単独で又は協働して
、材料の強度、特に高温強度、耐熱性を高める作用を為
す元素である。なお、これらの元素は、その添加量が余
りにも少ない場合には、その効果を充分に発揮すること
が出来ず、またそれを多量に添加すると、効果が飽和す
ることに加えて、熱間加工性や延性が低下するようにな
るところから、Ｆｅにあっては０．３〜６％、Ｎｉにあ
っては０．３〜６％、Ｚｒにあっては０．３−６％とす
る必要があり、更にこれらの元素は、その総和（Ｆｅと
ＮｉとＺｒの合計量）が６％を越えないようにする必要
がある。

そして、本発明に従うアルミニウム合金材にあっては、
上記の如きＳ　ｉ　、Ｍ　ｎ　、Ｆ　ｅ　−、Ｎ　ｉ　
％及びＺｒの所定量の他は、Ａ／（アルミニウム）と不
可避的不純物から構成されるものである。特に、このよ
うな合金系に導入されやずいＣｕ（銅）、Ｍｇ（マグネ
シウム）、Ｚｎ（亜鉛）は何れも材料の熱間加工性を害
するところから、Ｃｕは０．５％以下、Ｍｇは０．３％
以下、Ｚｎは０．５％以下とすると共に、ＣｕとＭｇと
Ｚｎの合計量が１％以下となるように調整されなければ
ならない。

また、本発明にあっては、上述の合金成分の所定量を含
むアルミニウム合金材中に存在しているＳｉ粒子に関し
て、その平均粒子径を１５μｍ以下、且つその最大粒子
径を３０μｍ以下とする必要があり、これによって本発
明の目的が良好に達成されるのである。けだし、Ｓｉ粒
子の平均粒子径が１５μｍを越えたり、最大粒子径が３
０μｍを超えたりすると、熱間加工性が悪化し、また被
切削性も劣るようになるからである。

そして、かくの如き本発明に従うアルミニウム合金材は
、前述の如き合金組成において、上記規定されたＳｉ粒
子サイズを与えるように、各種の製造手法に従って製造
することが可能であるが、一般に、以下のような方法で
製造することが望ましい。

すなわち、先ず、前述の如き合金組成のアルミニウムを
溶製した後、得られた合金溶湯を急冷凝固させる。この
際の冷却速度は速いほど、高性能の材料を得ることがで
きるところから望ましく、通常、１００°Ｃ／秒以上の
冷却速度で冷却する条件が採用されることとなる。合金
溶湯からの冷却速度が速いほど、Ｓｉ粒子のサイズが微
細となり、熱間加工性、更には切削性や耐摩耗性が向上
するのである。なお、具体的には、アトマイズ法やロー
ル法（シングルロール法、ツインロール法）などの急冷
凝固法が適用され、特に前者においては、合金溶湯のア
トマイズ処理により、平均粒径が２００μｍ以下のアル
ミニウム粉末として取得されることとなる。

そして、このようにして得られたアルミニウム合金粉末
、フレークまたはリボンを、所定の形状に成形するので
ある。具体的には、（ａ）予備圧縮−容器内封入−高温
真空脱ガスー押出、（ｂ）予備圧縮−焼結、（ｃ）予備
圧縮−ホットプレス、（ｄ）予備圧縮−容器内封入一高
温真空脱ガス−高温静水圧圧縮加工（Ｈｒ　Ｐ処理）な
どの工程によって、成形が行なわれることとなる。更に
具体的には、前記（ａ）の工程にあっては、アルミニウ
ム粉末を真密度の７０〜８０％まで予備圧縮成形した後
に、所定の容器に封入して、３５０〜５５０゛Ｃの高温
に加熱して真空排気を行ない、脱ガス処理を実施する。

なお、この脱ガス処理が不充分な場合には、最終製品に
膨れが生じたり、ガスに起因する欠陥が残留し、問題と
なる。次いで、この脱ガス処理が施されたアルミニウム
粉末の予備圧縮成形品（ビレット）を３５０℃〜５５０
℃に加熱し、押出比：４以上で熱間押出を行ない、目的
とする形状のアルミニウム合金材を得るのである。なお
、この際、押出比が小さい場合には、圧着が不充分とな
り、押出材に欠陥が残留して、問題となる。

また、前記手法（ｃ）に従えば、上記のような押出工程
に代わって、前記急冷凝固して得られたアルミニウム粉
末を、よく知られている高温静水圧圧縮加工（ＨＩ　Ｐ
処理）により成形して、目的表する素材と為すのである
。

また、このようにして得られたアルミニウム成形品には
、目的とする製品を得るために、更に必要に応じて、鍛
造や圧延などの加工が施されることとなるのである。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明に従うアルミニ
ウム合金材の構成を採用することによって初めて、優れ
た耐摩耗性、高温強度、耐熱性を有すると共に、熱間押
出性や熱間鍛造性などの熱間加工性に優れたアルミニラ
合金材が提供され得たのであり、そしてそれによって、
目的とする製品を得るための熱間加工が、有利に適用さ
れ得ることとなったのである。その結果、高温で使用さ
れる部品、例えば内燃機関のピストンや、バルブリフタ
ー、バルブスプリングリテーナ、シンクロナイザリング
、更にはコンプレッサーのベーン材等に対して、耐）デ
耗性アルミニウム合金が有利に適用され得、以てその軽
量化や高速化に寄与し、その技術的価値を高め、また大
きな経済的効果を奏し得たのである。

（実施例） 以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の実施例を示すが、本発明がかかる実施例の記載によ
って同等制限的に解釈されるものでないこと言うまでも
ないところである。そして、本発明は、以下の実施例の
他にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業
者の知識に基づいて種々なる形態において実施され得る
ものであることが理解されるべきである。

先ず、下記第１表に示される患１〜１８の各種の組成の
合金を溶製した後、ガスアトマイズ法によって、２００
℃／秒以上の冷却速度にて、平均粒径が８０μｍのアル
ミニウム合金粉体を製造した。この粉体を用いて、これ
を予備圧縮により真密度の７５％まで圧縮成形した後、
アルミニウム合金製の容器に封入して４５０℃に加熱し
、真空排気により、脱ガス処理を施した。こうして得ら
れた直径が６８鶴の各種のビレットを４５０℃に加熱せ
しめた後、間接押出手法によって、それぞれ押出成形せ
しめ、直径が１３ｍ５の棒を製作した。

このときの押出材の割れ発生状況を調べ、その熱間押出
性を判定した。

次いで、これら得られた各種の押出棒から、直径１４龍
、長さ１５龍の試料をそれぞれ採取し、それを４５０°
Ｃに加熱して、据込み率（高さ残少率）７０％の鍛造を
行ない、試料における割れ発生状況から、各試料の熱間
鍛造性を評価した。

また、それぞれの合金系から得られた押出棒のＳｉ粒子
径、常温および２５０°Ｃにおける強度、常温における
伸びをそれぞれ調べた。

以上の評価によって得られた各合金系に対応する押出棒
についての評価結果を、下記第２表に示した。

第１表並びに第２表の比較から自から明らかなように、
本発明に従うアルミニウム合金材：陽１〜８は、高温強
度に優れ、熱間押出性や熱間鍛造性にもイ表れているこ
とが認められる。一方、比較合金：ＮＱ９．１０は、Ｓ
ｉまたはＭｎが不足するため、高温強度に劣る問題があ
り、また＆１１乃至１８の合金材は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅ
、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｎの何れかが過剰に含ま
れているため、熱間押出性並びに熱間鍛造性（熱間加工
性）に劣っているのである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 重量基準で、Ｓｉ：１５〜３５％とＭｎ：０．３〜４％
   を含むと共に、必要に応じてＦｅ：０．３〜６％、Ｎｉ
   ：０．３〜６％及びＺｒ：０．３〜６％を、単独で又は
   組み合わせて、（Ｆｅ＋Ｎｉ＋Ｚｒ）量が６％以下とな
   るように含み、且つ残部がＡｌと不可避的不純物からな
   る合金組成を有し、更にＳｉ粒子の平均粒子径が１５μ
   ｍ以下であり、またその最大粒子径が３０μｍ以下であ
   ることを特徴とする熱間加工に適した耐熱、耐摩耗性ア
   ルミニウム合金材