JPS63143233A - 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】 （技術分野） 本発明は、耐熱耐摩耗性アルミニウム合金材に係り、特
にセラミック粒子を均一に分散させることによって、耐
熱耐摩耗性アルミニウム粉末合金の耐摩耗性を効果的に
向上させてなる材料に関するものである。

（従来技術とその問題点） 粉末冶金を利用したＡ１−高Ｓｉ合金は、耐摩耗性に優
れているところから、摺動部材や摩擦部材等に利用され
ることが多い。そして、この合金系に更にＭ　ｎ　％　
Ｆ　ｅ　、Ｎ　ｔ　％　Ｚ　ｒ等を加えると、その高温
強度、耐熱性が向上することが明らかにされている。本
発明者らも、そのような合金系について、特開昭６０−
２０８４４３や特願昭６０−１１５７９０等において種
々提案しているところである。しかしながら、Ｍｎ、Ｆ
ｅの添加は、それから得られる材料の耐摩耗性を阻害し
、またＮｉ、Ｚｒを添加した合金系も、過酷な条件下で
は耐摩耗性が不足することが認められ、そしてそれらの
理由から、そのような材料からなる部材を用いた機械の
運転条件が制約されたり、摺動部材にアルミニウム合金
が使用出来なかったりする問題が、依然として内在して
いるのである。

ところで、これらアルミニウム合金の耐摩耗性をより一
層向上せしめようとする場合において、その一つとして
、添加元素によって合金組成を変える方法が考えられる
が、この方法では、合金の溶解温度を高めたり、従来か
らの添加元素との間で、複雑な金属間化合物を形成して
、組織が変化したりして、合金設計に難点が伴う問題が
ある。

また、他の一つの方法は、特開昭５９−１６２２４２号
公報や特開昭６０−５０１３７号公報等に明らかにされ
ているように、従来のアルミニウム合金粉末にセラミッ
ク粉末を混合して成形することにより、それら粉末が一
体となった材料を得る方法である。この方法によれば、
セラミックはアルミニウム合金と容易に反応しないため
に、マトリックス組織は変化せず、またセラミックの添
加量、粒径を目的に合わせて自由に調節し得るところか
ら、その合金設計が容易であるという利点を備えている
。しかしながら、このような方法によって得られたアル
ミニウム材料にあっても、実用材料としては、未だ充分
なものではなかったのである。

（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、その要旨とするところは、重量基準
で、Ｓｉ：１５〜４０％とＭｎ：０．１〜４％を含み、
且つ必要に応じてＦｅ：０．１〜９％、Ｎｉ：０．１〜
４％、Ｚ　ｒ　：　０．１〜６％の１種若しくは２種以
上を含み、更に必要に応じてＣｕ：０．５〜１０％及び
／又はＭ　ｇ　：　０．３〜６％を含む、残部がＡｌか
らなるアルミニウム合金粉末を基地として、これに、平
均粒径が２〜２０μｍのセラミック粒子を、下式： ％式％ ［但し、χはセラミック粒子の配合量（重量％）であり
、ｙ及び２は、それぞれアルミニウム合金中のＦｅ及び
Ｍｎの含有量（重量％）である］を満足する条件下にお
いて、均一に混合分散せしめて、一体的な構造としたこ
とを特徴とする耐熱耐摩耗性アルミニウム合金材にある
。

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
よって過共晶Ａｊｌ！−３ｉ合金を実現し、それによっ
て目的とする成形材料に耐摩耗性を付与するものである
。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％、以下同
じ）以上となる必要があるのであって、それより少ない
Ｓｔ添加量では、初晶Ｓｉ量が少なく、効果が充分でな
いのである。一方、４０％を越えるようになると、押出
し、鍛造等の加工性が悪くなり、また延性も悪くなると
ころから、その添加量の上限は４０％と限定されるので
ある。

また、本発明に従うアルミニウム合金材におけるＭｎ（
マンガン）は、合金の耐熱性を向上させるものであるが
、その添加量が０．１％未満では、その効果が不充分で
、また４％を越えるようになると、熱間加工性や延性が
低下するようになる。

なお、かかるＭｎの添加は、耐熱性の向上に寄与するも
のの、過酷な条件下における合金の耐摩耗性を低下させ
るものであるところから、本発明にあっては、かかる合
金中に所定粒径のセラミック粒子の所定量を分散せしめ
て、その耐摩耗性の向上を図っているのである。

さらに、本発明に用いられる合金系にあっては、必要に
応じて、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉにソケル）、Ｚｒ（ジルコニ
ウム）の１種若しくは２種以上が合金成分として更に含
有せしめられることとなる。

このＦｅの添加により、合金の耐熱性が向上させられ得
るが、その添加量が０．１％未満では、その効果は不充
分であり、また９％を越えるようになると、熱間加工性
や延性が低下するようになる。

なお、かかるＦｅの添加も耐摩耗性を低下させるもので
あるところから、セラミック粒子の使用を必要とするの
である。また、ＮｉやＺｒは、それぞれ、合金の耐摩耗
性を劣化させることなく、その耐熱性を向上させる作用
を為すものであり、それぞれの添加量が０．１％未満で
は、その効果が充分でなく、またその添加量が多くなり
過ぎると、熱間加工性や延性が低下するようになるとこ
ろから、Ｎｉの上限は４％、Ｚｒの上限は６％とする必
要がある。

更にまた、本発明にあっては、必要に応じて、Ｃｕ（銅
）及び／又はＭｇ　（マグネシウム）が合金成分として
添加せしめられるが、それらＣｕ及びＭｇは、それらの
共存下において、合金に時効硬化性を付与し、常温強度
、耐摩耗性を向上せしめる作用を為すものである。なお
、０．５％未満のＣｕや０．３％未満のＭｇでは、その
効果が充分でなく、またＣｕが１０％を越えたり、Ｍｇ
が６％を越えるようになると、それらの効果は飽和する
ようになり、加えてＣｕは材料の耐食性や熱間加工性を
害するようになるところから、Ｃｕ：０．５〜１０％、
Ｍｇ：０．３〜６％の範囲において添加せしめる必要が
ある。

そして、本発明は、上記の如き合金組成において、所定
のアルミニウム合金を溶製した後、得られた合金溶湯を
常法に従って急冷凝固せしめ、次いでこの得られた急冷
凝固材乃至はその粉末を用いて、それに、本発明に従う
所定のセラミック粒子を均一混合せしめ、その混合物を
所望の形状に成形して、目的とするアルミニウム合金材
とするのである。

具体的には、上記の合金溶湯が、アトマイズ法、スプラ
ット・クーリング法、ロール法等の公知の急冷凝固手法
によって、粉末状、フレーク状、リボン状等の急冷凝固
材とされ、そしてその得られた急冷凝固材乃至は粉末に
対して、平均粒径が２〜２０μｍのセラミック粒子を０
．５〜１５％の割合において、均一に混合分散せしめる
のである。

そして、このようなセラミック粒子の添加により、アル
ミニウム合金中に存在するＭ　ｎ　、更にはＦｅに基づ
くところの耐摩耗性の低下が効果的に補償されることと
なる。なお、かかるセラミック粒子の添加量が、０．５
％未満では、その効果が充分でなく、また１５％を越え
るようになると、加工性、切削性が極めて悪くなるとこ
ろから、その配合量（χ）は、０．５〜１５％の範囲内
に止める必要がある。

また、アルミニウム合金中のＭｎやＦｅの含有量が多く
なればなる程、セラミック粒子を多く配合することが必
要となり、その必要量は、下式に従って、それを満足す
るように定められなければならない。

χ≧ｙ／４＋ｚ／２ ０．５≦χ≦１５ 但し、かかる式におけるχは、セラミック粒子の配合量
（％）であり、ｙ及び２は、それぞれアルミニウム合金
中のＦｅ及びＭｎの含有量（％）である。なお、かかる
式の係数は、実験において決定されたものである。

さらに、上記のように、所定のアルミニウム合金粉末に
対して配合せしめられるセラミック粒子の平均粒径が２
μｍ未満の時は、アルミニウム合金粉末の粒径との差が
大きいため、その均一分散が難しく、更に摩擦中に脱落
し易く、耐摩耗性が却って劣るようになるのであり、ま
た２０μｍを越えるようになると、加工性や切削性が極
めて悪くなるところから、本発明にあっては、２〜２０
μｍの平均粒径を有するセラミック粒子が用いられるこ
ととなる。

なお、このアルミニウム合金に配合せしめられるセラミ
ック粒子としては、ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＷＣ等の炭化物ｉ
　Ｓ　１３　Ｎ　４　、Ｔ　ｔ　Ｎ　ＳＺ　ｒ　Ｎ　％
　ＢＮ等の窒化物；　Ａ　ｌ　２０３　、Ｚ　ｒ　ＯＨ
等の酸化物を例示することが出来る。

そして、かくの如く、アルミニウム合金粉末にセラミッ
ク粒子を均一に混合分散せしめて得られた混合物は、公
知の成形手法に従って、所定の形状に成形されることと
なるが、その成形に際しては、（ａ）予備圧縮−容器封
入−高温真空脱ガスー押出し、（ｂ）予備圧縮−焼結、
（ｃ）予備圧縮−容器封入−高温真空脱ガスー高温高圧
圧縮加工（ＨＩ　Ｐ処理）等の工程に従って行なわれる
こととなる。

更に具体的には、前記の（ａ）の工程にあっては、所定
の粉末状、フレーク状等の急冷凝固材料とセラミック粒
子との混合物を真密度の７０〜８０％程度まで予備圧縮
成形した後に、所定の容器に封入して、３５０〜５００
℃程度の高温に加熱し、真空排気を行ない、脱ガス処理
を実施した後、この脱ガス処理が施された予備圧縮成形
品（ビレット）を３５０〜５００℃程度の温度に加熱し
て、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。

また、上記手法（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るアルミニウム合
金とセラミック粒子との混合粉末を、よく知られている
高温高圧圧縮加工（ＨＩ　Ｐ処理）により成形して、目
的とする素材と為すのである。

（実施例） 以下に、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は、
言うまでもないところである。なお、実施例中の合金成
分の含存割合並びにセラミック粒子の添加量は、何れも
重量％にて示されている。

先ず、下記第１表に示されるＡ−Ｌの各種の組成の合金
を溶製した後、公知のアトマイズ法により、２００℃／
秒以上の冷却速度にて、第１表に示されている如き平均
粒径のアルミニウム合金粉末（急冷凝固材）を製造した
。なお、記号：Ｌの合金組成の溶湯からは、通常のモー
ルド法に従って、後述の押出成形用ビレットを鋳造した
。

次いで、かかる合金粉末を用い、それぞれに、第１表に
示される如き平均粒径の各種のセラミック粒子の所定量
を、クロスロール式混合機により配合して、均一な混合
物と為した後、それを予備圧縮により、真密度の７０〜
８０％まで圧縮成形せしめ、更にその後アルミニウム容
器に封入して、４００℃に加熱せしめ、真空排気（１０
−”　ｔｏｒｒ以下）することにより、高温脱気処理を
施して、略６８ｎ＋φの各種のビレットを製造した。

その後、かくして得られた各種のビレットを用いて（記
号：Ｌのビレットをも含む）、それぞれのビレットを４
００℃に加熱した後、押出比：１５の条件下に間接押出
成形せしめ、目的とする直径の丸棒をそれぞれ製造した
。

このようにして得られた各種の素材（丸棒）について、
ピン−ディスク式摩擦摩耗試験を行ない、その得られた
結果を下記第２表に示した。なお、この摩擦摩耗試験の
試験条件は、以下の通りである。

相手材：　Ｆｅ２０ 摩擦速度＝５００寵／ｓｅｃ 摩擦圧カニ　５０　ｋｇｆ／ｃｍ” 摩擦距離：３６００ｍ 潤滑：５０℃、スピンドル油 第　　　１　　　表 第　　　２　　　表 かかる第１表及び第２表の結果の比較検討から自ずから
明らかなように、本発明に従うアルミニウム合金：Ａ−
Ｇは、何れも摩耗量が極めて少なく、従って耐摩耗性に
優れた材料であることが認められるのに対して、比較合
金材：Ｈ−Ｌでは、その耐摩耗性に劣ることが認められ
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
ウム合金材は、耐摩耗性に優れたものであって、特に過
共晶Ａｌ−３ｉ合金の従来がらの用途である摩擦部材や
摺動部材等として、有利に用いられ得るものである。

また、本発明に従うアルミニウム合金材は、セラミック
粒子が均一に分散せしめられて一体的な構造とされ、そ
してそのようなセラミック粒子の添加によって、材料の
線膨張係数も効果的に低下せしめられていることも、本
発明に従うアルミニウム合金材の大きな特徴である。

昭和６２年１月１２日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量基準で、Ｓｉ：１５〜４０％並びにＭｎ：０．１〜
   ４％を含み、且つ必要に応じてＦｅ：０．１〜９％、Ｎ
   ｉ：０．１〜４％、Ｚｒ：０．１〜６％の１種若しくは
   ２種以上を含み、更に必要に応じてＣｕ：０．５〜１０
   ％及び／又はＭｇ：０．３〜６％を含む、残部がＡｌか
   らなるアルミニウム合金粉末を基地として、これに、平
   均粒径が２〜２０μｍのセラミック粒子を、下式： χ≧ｙ／４＋ｚ／２ ０．５≦χ≦１５ ［但し、χはセラミック粒子の配合量（重量％）であり
   、ｙ及びｚは、それぞれアルミニウム合金中のＦｅ及び
   Ｍｎの含有量（重量％）である］を満足する条件下にお
   いて、均一に混合分散せしめて、一体的な構造としたこ
   とを特徴とする耐熱耐摩耗性アルミニウム合金材。