JPS63266004A - 耐熱耐摩耗性高力アルミニウム合金粉末 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高温で使用する部材に利用するのに適した高
Ｓｉアルミニュム合金粉末に関するものである。

［従来の技術］ 最近、自動車の軽量化やフロントエンジン・フロント１
〜ライブ（ＦＦ）方式のため、エンジンの軽量化か必要
となっており、そのためシリンダーブロックは鋳鉄から
層合金か使用されるように変わってきている。

その場合、鋳鉄性シリンダーライナーか鋳ぐるまれて使
用されている。このシリンダーライナーなＡ１合金にす
ると軽量化のほかに熱伝導率かｎ鉄よりもはるかに良い
ことと、鋳鉄よりも熱膨張係数か大きく、シリンダーブ
ロックのＡ１合金に近いので、昇温時てもライナーとブ
ロックの密着性か良いことから、放熱性の良いエンジン
となり、ライナーの内壁温度か低く出来ることから、潤
滑油の寿命を長く出来たり、低粘度の潤滑油の使用かｉ
り能となり、燃費の向上も期待できる。

又、高ＳｉのＡ１合金は摩擦係数か低いため、シリンタ
ーライナーとして使用すれば、ピストンリンクとの間の
フリクションロスか低減することから燃費の向上か期待
される。

このようにシリンダーライナーにＡ１合金を使用するこ
とによる効果は多いか、従来の公知のＡ１合金では、鋳
ぐるみ用シリンダーライナー材としては？ＸａＩ特性か
不十分である。

例えば、ＡＡ規格のＡ３９０．０（Ｓｉ−１６Ｎ１８％
、Ｃｕ！１４〜５％、Ｍｇ−０，５０〜０．５５％、　
Ｆｅ−０，５％、　Ｔｉ−０，２％。

ＺｎＪ、１％、残Ａｌ）のような鋳造材は固液共存域か
ひろいため、健全な鋳物を得るためには、大きな押湯を
必要とするため歩留まりか悪くコストの高い物となり、
Ｗｔ細化処理や金型ＰＪ造法によっても初晶Ｓｉはなお
粗大であるために被削性か悪い。

更に致命的欠点は、シリンダーブロックに鋳ぐるむ時に
熱によって材料が軟化する為に、対摩耗性が著しく低下
したり、被削面にビビリやムシレか生じやすく、またホ
ーニング加工を困難にしている。また近年、粉末冶金法
により、−Ａ３！１０．０に近い組成の合金を粉末にし
て、これを熱間押出しして、中空体とする技術が提案さ
れている（特開昭５２−１０９４１５）。これは高Ｓｉ
のアルミニュウム合金溶湯な、アトマイズ法または遠心
鋳造法による微細化法より急冷された微粒または粉末と
し、これを熱間押出しすることにより中空体を１１）る
方υ＝てあり、ＰＩ造？Ｊ：に依り得られる中空体より
もはるかに歩留まりの優れた方法である。

また、この方法によると初晶Ｓｉか２０ｐｍ以下の大き
さとなるために延性や機械加工性に優れ、更には高８１
アルミニュウム合金特有の低庁擦係数の性質をも備えて
いる。

また、コノ製造法によりＩｓ〜２０＄Ｓｉ、　１〜５Ｘ
Ｃｕ。

０．５〜１．！４Ｍｇ、０．５〜］、５＄Ｎｉ、残部Ａ
１ノ合金残部Ａ１−合金ＳｉＣ，Ｓｎ、黒鉛を混合して
押出した中空体が提案されている（特開昭５２−１０９
４１５参照）。

本発明者らはこれらのトレース実験をした結果２０．０
３ｉ−４，０Ｃｕ−０，８Ｍｇ−０，５８ｉ−Ａｌ残の
組成とした粉末押出し材をシリンダーライナー（外径７
３■、内径６５１１１ｍ、高さ１（１５ｓ＋ｓ）として
使用し、Ａ［）Ｃ−１２合金のシリンダーブロック（重
量３．４ｋｇ）に溶湯温度６７５°Ｃでダイキャスト法
て鋳ぐるむテス１〜をおこなった結果、鋳ぐみ前にＴ６
処理により硬さかＨＲＢ＝　８０であったものか、鋳ぐ
るみ後は硬さかＨＲＢ＝　４０程度に軟化してしまうこ
°とか判明した。

従ってこの中空体もアルミニュウム合金製シリンターブ
ロックに鋳ぐるむ時には軟化してしまい、鋳ぐるみ用シ
リンダーライナーとしては使用不可能であることか判明
した。

また、鋳ぐるみはタイキャスト法や低圧鋳造法によるか
、ライナーはコスト面からもできるたけ薄肉とすること
か望ましく、薄肉化していくと鋳ぐるみ時のライナー搬
送工程や位置決め時に加わる機械的応力により変形しや
すくなるために、高剛性（高硬度）であることか必要で
ある。

本発明はこれら欠点を全て解消し、鋳ぐるみ時の熱負荷
に対しても軟化することかなく、更に使用時に付加され
る温度域においても軟化せず、耐摩耗性、耐焼付き性に
優れたアルミニュウム合金材料を経済的にも安価に提供
することを目的とする。

本発明の第１のアルミニュウム合金粉末は、重量比テｓ
ｉ　１５．０〜２５．０％、Ｎｉ　７．７〜ｌＳ、Ｏ＄
　ヲ含み、残部かアルミニュウムからなり、Ｓｉ結晶粒
の太きさか１５μｍ以下に微細化したことを要旨とし、
Ｎｉを７．７〜１５％含むことにより、高温強度改Ｈに
有効なＮｉをふくむ金属間化合物が析出していることを
特徴としている。

また第２の発明は、を量比てＳｉ　１５．０〜２５．０
％と、Ｎｉ　７．７〜１５．０％と、　Ｃｕ　１１．５
〜５．０％およびＭｇＯ１２〜３．０％を含み、残部が
不可避的不純物を含むＡｌからなり、Ｓｉ結晶粒の大き
さが１５μｍ以下であることを要旨とする耐熱耐摩耗性
高力アルミニュウム合金粉末であって、時効効果により
第１の発明に比べて強度か優れている。

以下にこの発明を更に詳細に説明する。

まず、本発明の合金粉末は重量比でＳｉ　１５．０〜２
５．０％と、Ｎｉ　７．７〜１５．ＯＬさらに必要ニ応
じＴＣｕｏ、ｓ　〜５．０　％およびＭｇ０．２１〜３
．０％とを含み、残部か不可否的不純物を含むＡｌから
なり、Ｓｉ結晶粒の大きさが１５μｍ以下である耐熱耐
摩耗性高力アルミニュウム合金粉末である。

一般に過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金は八ｌよりも小さな熱膨張
係数をイＩし、耐熱性耐摩耗性に優れていることは広く
知られている。過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金鋳造材ではＳｉか
初晶或は共晶としてマトリックス中に分散することによ
り、高温強度や耐摩耗性、耐焼付性に優れた効果を発揮
する。しかしながら初晶Ｓｉはしばしば粗大結晶として
晶出するため、延性や衝撃値を低下させ、被削性を悪く
する。また、シリンダーライナー材などに使用する場合
に相手材を傷付けるので適当てはない。

これらの問題点を解決するため、過共晶Ａｌ−３ｉ合金
を急冷凝固させて初晶Ｓｉを微細化した合金粉末を作り
、押出し成形により部材に加工して耐熱性、耐摩耗性に
優れた材料を得ることが提案されている（特開昭５２−
１０９４１５）、　Ｌ、かじながら耐熱性、特に高温強
度に関してはなお不十分である。

本発明は＾１−３ｉ合金に７．７〜１５．０％のＮｉを
添加することにより、高温における強度と耐摩耗性を著
しく改善せんとするものである。

次に本発明による合金粉末中の各成分の限定理由を説明
する。

Ｓｉは１５％以下ては分散量か少なく、耐熱性耐摩耗性
に及ぼす効果かネト分である。５ｉｌＯ％近傍の亜共晶
域ては初晶Ｓｉは晶出せず、微細な共晶組織を有するも
のとなる。Ｓｉの添加量か増すとともにＳｉ初品か晶出
するようになり、耐熱性耐摩耗性も向上してくる。

しかしながらＳｉか２５％を越えると分散急冷凝固法に
よって粉末としても粗大なＳｉ初品が消失しなくなる。

粗大なＳｉ初晶組織を有するアルミニュウム合金粉末は
押出成形加工して使用する際に粉体の圧縮性を著しく悪
化させ、圧粉体をつくりにくくするほか、熱間押出にお
いても変形抵抗が大きくなり大きな押出力を必要とし、
押出タイスを摩耗させて寿命を著しく短縮させる等の難
点かある。このような製造上の問題の他に、材質特性に
おいても鋳造材の場合と同様な難点かあり、シリンダー
ライナー材としては不適当なものとなるので、粗大な初
晶Ｓｉは避けなければならない。またアルミニュウム合
金製シリンダーブロック材に鋳ぐるまれてシリンダーラ
イナーとして使用する場合、　Ｓｉの添加量とともに熱
膨張係数は小さくなり　Ｓｉか２５％を越えるとシリン
ダーブロック材との密着状況か悪くなり、ピストンとの
クリアランスを大きくする必要性か生してくる。

したかってＳｉの添加量は１５．０〜２５．０％とする
のか良い。

Ｎｉは本発明においては重要な成分である。Ｎｉ添加の
効果は高温強度と耐摩耗性の改善にある。過共品合全中
にＮｉを添加するとＮｉ−Ａｌ系金属間化合物が析出し
、本発明の骨子である分散急冷凝固法による合金粉末に
おいては、棹状の組織として存在して、後の熱間押出し
工程によって分断され微細にマトリックス中に分散する
。この化合物は高温においても安定でかつ成長し難く、
長時間高温に保持しても強度の低下は起こらない。従っ
て鋳ぐるみ用シリンダーライナーのように高温にさらさ
れたあとも硬度の低下はなく、耐摩耗性を保持すること
か可能となる。

Ｎｉ添加量は７．７を以下ではｌ＃ｌｉ７：な効果が認
められず、１５％以上になるとマトリックス中のＳｉか
初品となって多量に晶出する。また、合金の溶解温度か
高くなり溶湯酸化か進むので特別の酸化防止策を必要と
し経済的てない。また、析出する金属間化合物か粗大と
なり、後の熱間押出し加工によっても分断されにくくな
るばかりでなく、押出性をも阻害する結果となる。Ｎｉ
添加量は７．７駕〜ｌｓ、０％の範囲において従来にな
い顕著な効果を発揮することが認められた。このように
Ｎｉを多量に添加して析出するＮｉを含む金属間化合物
を利用して合金の強度、とくに高温における強度を改善
し、この金属間化合物を分ＦＩｒ微細化して耐摩耗性を
向丘させるという新規な効果をもたらすものである。

本発明による合金粉末は必要に応して０．５〜５−０１
（１）Ｃｕまたは０．２〜３．Ｈ（７）Ｍｇを添加すル
コトカてきる。虐１やＭｇはアルミニュウム合金に時効
効果を付与して材質を強化する成分として知られている
。本発明においても溶体化処理温度ての固溶限度以下の
前記範囲内てＣｕまたはＭｇを添加することは材質強化
にも有効である。

本発明の合金粉末においては、さらに必要に応してさら
にＦｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、ｆｌ：ｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｇｏ
等を添加して高温強度を改善することも可能である。

Ｓｉ結晶粒の大きさをｌ５μｍ以下としたのは、主とし
て初晶Ｓｉの大きさが１５ｐｍ以とになると、後続の合
金粉末の成形加工性か悪くなり、また、材料特性として
も悪化するからである。もちろんＳｉか共晶として晶出
する場合は微細結晶となるのて問題は起こらない。

本発明の合金粉末は上記合金組成を有する溶湯なアトマ
イズ法、遠心力による微細化法等の通常用いられている
金属溶湯からの微粉末製造手段を使用して急冷分散凝固
させることによって得ることかてきる。このようにして
得られた合金粉末は大きさがＩ！Ｂｔｍ以下の結晶粒と
成長を抑えられた、Ｎｉをふくむ金属間化合物の棒状晶
を有し、従来の高Ｓｉ系Ａ１合金粉末には見られなかっ
た新規な合金粉末である。参考までニ２２．８ＸＳｉ−
：１．Ｉ＄ｃｕ−１，３Ｍｇ−８，０＄Ｎｉ−０，５＄
Ｆｅ−残Ａｌノ組成を有する本発明ニヨるＡ１合金粉末
の顕微鏡組織写真を第３図に示す。

第３図において塊状を呈しているのかＡｌ−Ｎｉ系金属
間化合物である。また、比較のため同一組成の鋳造材の
金属組織写真を第４１Ｕに示す。さらに’Ｉｉを含まな
イ２１．１ｓｉ−３，１ｃｕ−１，０Ｍｇ−残Ａｌ（１
）組成を有するＡ１合金粉末の組織写真を第５図に示す
。第４図ては粗大な多角形をした初晶Ｓｉか見られ、第
５図ては粒状のＳｉ初品と共晶組織を呈している。

第６図に本発明による成形体の押出方向にｆ行な断面の
顕微鏡組織写真を示す。第６　＋３ては色の濃い部分か
Ｓｉ９色の薄い部分力＜ＡＬ−Ｎｉ系金属間化合物と共
晶である。図に見られるごとく、本発明による合金成形
体ては初晶、共晶、金属間化合物和か微細に入りくんて
均一に分布しているのかわかる。参考まてに第５図と回
し組成を有する高Ｓｉアルミニュウム合金成形体の断面
の組織写真を第７図に示す。

本発明の合金粉末は熱間押出し加■に適したものであり
、特に耐熱耐摩耗性を有する高力Ａ１合金成形体用とし
て適したものである。

次に実施例をあげて本発明を説明する。

実施例 表−１に示す組成の高Ｓｉアルミニュウム合金前をガス
てアトマイズし、　−４８ｍｅｓｈの粉末を得た。

次いで２５０℃の温度に予熱したこれらの粉末を、同し
温度に加熱保持した金型中に充填し、！、５ｔｏｎ、／
ｃｍ”の圧力で圧縮成形して直径１００■■、長さ２０
０■の圧粉体を得た。次に圧粉体を４５０°Ｃに加熱し
、回し温度に加熱保持された内径＋０４■ｌのコンテナ
ー中に挿入し、直径３０ｖ＋＋のタイスで間接押出法に
より押出比１２により押出して、供試材Ｎｏ、１〜Ｎｏ
、９の成形体を得た。

（以下余白） 次いて、Ｎｏ、８以外は４８０℃Ｘ２ｈｒ保持後水冷し
＋７５°（：ｘｌＯｈｒの時効処理を行ない、標点間距
離５［１１ｍ、　ｆ打部直径６ｍｍの引張試験片に加工
して、常温から２５０°Ｃまての間て引張試験を行なっ
た。

尚、引張試験は各試験温度で　＋００ｈｒ保持後に行な
った。また硬さを各試験温度ての引っ張試験後の試験片
のチャック部分の端部について測定した。なお、供試材
Ｎｏ、　Ｉ〜Ｎｏ、　６は比較例てあり、Ｎｏ、７、Ｎ
Ｏ１９は本発明例である。さらに鋳造材と比較するため
＾３９０．０合金の金型鋳造材を比較材として５００℃
Ｘｌ０ｈｒ保持後水冷し１７５℃Ｘｌ０ｈｒの時効処理
を行なった後同様の形状に加工して、同し引張試験を行
なった。これらの結果を表−１に併せて示す。

表−１から明らかなとおり比較材のＡ：１９０．０合金
やＮｏ、１〜６まてのものと比べて、本発明によるＮｏ
、７〜９の成形体は、高温強度および高温に保持後の硬
度か高い。

次に１ｎｎ熟熱押出成形体を切断し、熱間鍛造により直
径７０■、厚さｌｈｍの素材を作り、機械加工により試
験片とした後、対焼付性試験、対摩耗性試験、摩擦係数
の測定を行なった。

○対焼付性試験 試験装置は第１図及び第２図に概要を図解的に示すもの
であって、ステータ（１）に取外し可能に取付けられた
直径７０１１の円板（２）の中央には、裏側から中油孔
（３）を通して潤滑油か注油される。ステータ（１）に
は油圧装置（図示せず）によって右方に向けて所定圧力
Ｐか作用するようにしである。円板（２）に相対してロ
ータ（４）かあり、駆動装置（図示せず）によって所定
速度て回転するようにしである。ロータ（４）の円板（
２）に対する単面に取付けられた試料支持具（４ａ）に
は、　５Ｉｌ■×　５１■×１０１−の角柱状試験片（
相手材）（５）か同心円状に等間隔に３個取外し可能に
かつ正方形端面が円板（２）に対して摺動自在に取付け
である。このような装置においてステータ（１）に所定
の圧力Ｐをかけ所定の面圧で円板（２）と試験片（相手
材）（５）とが接触するようにしておいて、注油孔（３
）から摺動面に所定給油速度て給油しなからロータ（４
）を回転させる。

一定時間ごとにステータ（１）に作用する圧力を段階的
に増加してゆき、ロータ（４）の回転によって相手の試
験片（５）と円板Ｂ（２）との摩擦によって、ステータ
（１）に生ずるトルク（摩擦力によって生ずるトルク）
■をスピンドル（６）を介してロードセル（７）に作用
せしめ、その変化を動歪計（８）で読み、記録計（９）
に記録させる。トルクＴか思慮に上昇するときに焼付か
生じたものとして、その時の接触面圧をもって焼付面圧
としこの大小をもって対焼付性の良否を判断する。

試験に供した円板状試験片（２）は、　３００°Ｃ×１
０ｈｒの熱処理後研磨仕上げをしたものを使用し、相手
の試験片（５）は球状黒鉛鋳鉄で摺動面に硬質クロムメ
ッキを施したものと、平均粒径０．８終ｍのＳｉＣを面
Ｊ！１率で１５〜２０％基地中に分散させた鉄メッキの
２種類を使用し、研磨仕上げを行なった。　試験条件は
、速度８■／ｓｅｅ、潤滑油はエンジンオイル（ＳＡＥ
　２０．ベースオイル）て温度９０’Ｃ１油！１１：ｌ
ＯＯｍｌ／ｗｉｎ　　とし、接触圧力は２０　ｋｇ／ｃ
ｌ”て３分間、その後３分間経過毎に１０　ｋｇ／ｃｒ
ｓ２　ずつ上昇させていく。結果を表−２に示す。

表−２ 結果から明らかなように、現在多くのガソリンエンジン
での組合わせに見られる片状黒鉛鋳鉄（シリンダーライ
ナー材）とＣｒメッキ（ピストンリング表面）の組合わ
せよりも、本発明によるＮｏ、７〜Ｎｏ、　９　　のも
のは優れた対焼付性を示している。また、比較材（鋳造
材料）や、Ｎｏ、Ｉ、Ｎｏ、２に見られるようにＳｉＣ
分散鉄メッキに比べ、硬質クロムメッキとの組合わせの
場合は、焼付き発生面圧か大幅に低くなっているか、本
発明によるＮ０１７〜Ｎｏ、　Ｉｎについては、相手表
面処理の違いによる差が小さくなる結果となっている点
が注目される。

さらに比較材（鋳造材）やＮｏ、１．Ｎｏ、２に比べＮ
ｏ、７〜Ｎｏ、９　　の成形体の焼付き発生面圧か高い
が、これはＡ１基地中に分散する硬質相の量か多く微小
な凹凸となって油膜の保持作用として働くほかに、基地
か分散強化されているので摩擦表面か塑性流動によって
相手材に凝着しようとするのを防ぐためと考えられる。

◎摩耗試験及び摩擦係数の測定 耐焼付き試験に使用したのと回し試験機により研磨仕上
げを行なった円板状の試験片（２）に、球状黒鉛鋳鉄の
摺動面に硬質Ｃｒメッキを施したものと、平均粒径０．
８　ｕＬｍのＳｉＣを面積率て１５〜２０％施したもの
を、各々研磨仕上げして相手材試験片（５）として、次
の条件てテストした。

（条　　　件） 速度は　３　ｍ１ｓｅｃ　、　５　ｓ／ｓｅｅ　、　８
１１／！＋ｅｃの３水準とし、潤滑油としてエンジンオ
イル（ＳＡＥ　２０．ペースオイル）を使用し、油温９
０°Ｃ１油１５００＋ｓｌ／ｌ１ｉｎ。

面圧１００ｋｇ／ｃｍ２て、摺動距離は５００ｋｌとし
た。

（摩耗量の測定） 円板状の試験片の摩耗量は表面粗さ計にて９０゜ずつず
れた位置て４カ所摺動方向と直角となるように指針を走
らせ、摩耗痕の状況をチャート状に記録する。然る後、
摩耗痕の四部の面積を求め。

材料間の相対比較を行なう。摩耗量は片状黒鉛鋳鉄の円
板の速度５ＩＩ／ＳｅＣ時の摩耗痕の断面積を１とした
ときの相対比て表わした。

相手材試験片の摩耗覗は試料保持具（４ａ）に取付けら
れた４木の角状試験片（５）の高さ寸法をテスト前後に
マイクロメーターで測定し、その平均の差を求める方法
によった。

結果を表−３に示すか片状黒鉛鋳鉄（シリンダーライナ
ー材）と、Ｃｒメッキの組合わせの場合よりも、著しく
摩擦係数か低いことか明らかである。

（以下余白） さらに供試材Ｎｏ、ｌのように鋳ぐるみ時の熱負荷に相
当する　３００℃ｘ　　Ｉ　［１０ｈ　ｒの熱処理を行
なったものは円板の摩耗か著しくし多いか、本発明によ
るＮｏ、７〜Ｎｏ、ＩＯにおいては摩耗値は、片状黒鉛
鋳鉄と比較しても同等以下である。

また、相手の表面処理か硬質ＣｒメッキてあってもＳｉ
Ｃ分散鉄メッキであってもその差はない。

以上のように本発明合金粉末は、アルミニウム合金製シ
リンダーブロックに鋳ぐるまれて、かつ使用時に比較的
高い温度域て使用されろシリンダーライナーのような用
途に適するものである。

なお、本発明合金粉末はＦｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、
Ｍｏ、Ｚｒ、Ｇ。

等を含んても急冷凝固による粉末とすれば、耐熱性に′
Ｓ与するものと考えられる。

また、ＺｒをＣｕ、Ｍｇ、の代わりに用いて　時効硬化
性の向上を計ることも可能である

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は対焼付性試験装置の概要を示す１４て
、第２図は第１図のｒＶ−■矢視側面図である。 第３図は本発明になるＡｌ−２２，８Ｓｉ−：１．Ｉｃ
ｕ−１，：１Ｍｇ−８，０Ｎｉ−０，５Ｆｅの組成を有
するＡ１合金粉末の金属組織写真（倍率７４０倍）であ
る。 第４図は第３図と同一組成の鋳造材料の金属組織写真で
ある（倍率９７倍） 第５図はＡｌ−２１，ｌ５ｉ−３，ｌＣｕ−１，０Ｍｇ
の組成を有する公知の合金粉末の金属組織写真（倍率７
４０倍）である。 第６図は本発明になる第３図と同一のＭｌ成を有するア
ルミニュウム合金粉末を使用した成形体の°断面の顕微
鏡組織写真（押出方向に平行な断面。 倍−ｖ７４０倍）、第７図は第５図と同一組成の公知の
合金粉末を使用した成形体の断面の組織写真（押出方向
に平行な断面、倍率７４０倍）である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比でＳｉ１５．０〜２５．０％と、Ｎｉ７．
   ７〜１５．０％を含み、残部が不可避的不純物を含むＡ
   ｌからなり、Ｓｉ結晶粒の大きさが１５μｍ以下である
   ことを特徴とする耐熱耐摩耗性高力アルミニュウム合金
   粉末。
2. （２）重量比でＳｉ１５．０〜２５．０％と、Ｎｉ７．
   ７〜１５．０％と、Ｃｕ０．５〜５．０％およびＭｇ０
   ．２〜３．０％を含み、残部が不可避的不純物を含むＡ
   ｌからなり、Ｓｉ結晶粒の大きさが１５μｍ以下である
   ことを特徴とする耐熱耐摩耗性高力アルミニュウム合金
   粉末。