JPS63312901A - 耐熱性高力ａ１合金粉末及びそれを用いたセラミック強化型耐熱ａ１合金複合材料 - 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、例えばエンジン部品（ピストン、コンロッド
等）の様に常温及び高温における高強度が要求される部
品の素材として利用できるセラミック強化型耐熱Ａｌ合
金複合材料、及びこの様な複合材料を粉末冶金法によっ
て製造する際に有効な原料となる耐熱性高力Ａｌ合金粉
末に関するものである。

［従来の技術］ Ａｌ合金は軽量で加工性が良好である等の優れた特徴を
有している為、自動車産業や航空機産業等の様に軽量化
の要求が厳しい各種産業分野において、鉄に代わり得る
新しい材料として用途の拡大が期待されている。しかし
ながら、ピストンやコンロッド等の各種エンジン部品の
様に、常温及び高温のいずれにおいても高強度が要求さ
れる部品には、従来の溶解鋳造Ａｌ合金（Ｉ／Ｍ合金：
ｉｎｇｏｔ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）ではその要求を満
足させることはできなかった。

また例えば自動車産業においては、特に上記コンロッド
の様に高温雰囲気下で可動する部品を軽量化し、エンジ
ンの一層の高性能化を図ろうとする傾向があり、従来用
いられてきた鉄に代わり得る軽量・高強度の新しい材料
の実現が望まれる様になってきているのも事実である。

この様な情況のもとでは新しい研究指向も必要とされ、
状態図に制約されない合金設計が可能な急冷Ａｌ合金粉
末を熱間加工し、均一な微細析出粒・結晶粒からなる組
織を有する耐熱Ａｌ合金の開発が進められている。即ち
Ａｌ中にＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ或はＺｒ
等の遷移金属を多量に含有させると共にこれらを急冷す
ることにより、熱的に安定な金属間化合物をマトリック
ス中に均一に微細化分散させると、従来の１７Ｍ合金で
は得られなかった組成のＡｌ合金（例えばＦｅ、Ｃｒ、
Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ等の遷移金属を１種又は２種以
上で多量に含んだ合金、以下便宜上急冷Ａｌ合金と呼ぶ
）の製造が可能となり、このことによってＡｌ合金の高
温強度を改善してきた。このような急冷Ａｌ合金として
は、これまで主としてＡｌ−Ｆｅ系をベースとしたもの
が盛んに研究されており、Ａｌ−Ｆｅ−Ｃｅ合金など優
れた耐熱強度を有する合金が開発されている。また近年
Ａｌ−Ｍｎ系をベースとした急冷Ａｌ合金の開発も行な
われている（例えば特開昭６１−２５０１４０）。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら現在開発されている各種の急冷Ａｌ合金は
、複合材料のマトリックスとして用いることを想定して
おらず、一般的にＦｅ、Ｃｒ。

Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ又はＺｒ等の遷移金属の添加総
量が８％以上と高い為、これらのＡｌ合金粉末を用いて
粉末冶金法によりセラミック強化型耐熱Ａｌ合金複合材
料を製造するとき、及び得られた複合材料を熱間加工が
可能になるような温度で所定の時間加熱するときに、せ
っかくの急冷凝固によって微細に分散していた結晶粒お
よび金属間化合物が粗大化し、急冷Ａｌ合金粉末の組織
的特長が著しく失われ、得られた複合材料の常温および
高温強度が低下してしまうほか、靭性の低い非常に脆い
材料となってしまうという問題点があった。特に、複合
材料を製造するときに上記の問題点が顕著に生じやすい
こともわかった。即ち強化用セラミックとＡｌ合金間に
十分な強度の伝達がなされるような条件で急冷Ａｌ合金
粉末と強化用セラミックの混合粉末の固化成形を行うと
、固化成形時に高温で長時間保有する必要があるため上
記の問題点が生じ、得られた複合材料は極めて脆い性質
を有するとともに、加工性の悪い材料となってしまうの
である。そうかといって急冷Ａｌ合金の組織的特長が失
われないような条件で混合粉末の固化成形を行なうと、
固化成形温度が低く且つ固化成形時間が短いため、強化
用セラミックとＡｌ合金の界面で反応が進みにくくなり
、両者間に十分な強度の伝達がなされず、セラミック強
化型耐熱Ａｌ合金複合材料の特長が失われ、常温および
高温強度が低下してしまう。

本発明は、こうした点に着目してなされたものであり、
その第１の目的は、急冷Ａｌ合金の本来の特長であるＡ
ｌと遷移金属の微細な金属化合物による常温および高温
強度の改善効果と、セラミック粒子、セラミック繊維、
セラミックウィスカ等との複合化による常温及び高温強
度の改善効果を同時に発揮させることのできる耐熱性高
力Ａｌ合金粉末を提供することである。又本発明の他の
目的は、その様なＡｌ合金粉末を用いて粉末冶金法によ
って製造され、常温及び高温強度が改善されたセラミッ
ク強化型耐熱Ａｌ合金複合材料を提供することにある。

［問題点を解決する為の手段］ 本発明は、下記の２つの発明を含む。

第１の発明は、Ｃｕ：２〜７％、Ｍｇ：０．５〜３％、
Ｃｒ　：　０．５〜５％、Ｆ　ｅ　：　０．５〜５％を
含み、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、１≦Ｃｒ
＋Ｆｅ≦６％なる条件を満たすとともに、粒径３μｍ以
下のＡ　Ｉ　−ＣｒＪ−１Ａｌ−Ｆｅ系又はＡｌ−Ｃｕ
−（Ｃｒ、Ｆｅ）系の金属間化合物が分散している点に
要旨を有する耐熱性高力Ａｌ合金粉末である。

第２の発明は、上記耐熱性高力Ａｌ合金中にセラミック
粒子、セラミック繊維、セラミックウィスカのいずれか
ｔｆ！以上を体積含有率で５〜４０％となる様に分散さ
せた点に要旨を有するセラミック強化型耐熱Ａｌ合金複
合材料である。

［作用］ 本発明者らが、上記問題点について種々検討を重ねたと
ころによると、セラミック強化型耐熱Ａｌ合金複合材料
の特長を失わないようなＡｔ合金は、生成される金属間
化合物の安定性が大きく影響していることがわかった。

そこでＡｌ合金マトリックス中の拡散速度が小さい遷穆
元素の添加が有効であり、かつその添加量を少なくする
ことが有効であると考え、こうした観点から更に鋭意研
究した結果、該複合材料の常温および高温強度の改善を
達成し、本発明を完成した。

以下、本発明における合金元素の種類並びに配合量を選
定した理由を述べることによって本発明の作用効果を説
明する。尚本発明のＡｌ合金粉末は粒径３μｍ以下のＡ
ｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｆｅ系あるいはＡｌ−Ｃｕ−（Ｃｒ
、Ｆｅ）系の金属間化合物を分散せしめるため、上記組
成のＡｌ合金溶湯の冷却速度は１０２℃／ｓｅｅ以上、
好ましくは１０３℃／ｓｅｃ以上にとることが望まれる
。

Ｃｕ：２〜７％ Ｃｕは固溶硬化あるいは時効硬化によってＡｌ合金の常
温強度を向上させるのに有効な元素であるが、２％より
少ないとこのような強度の向上効果を期待することがで
きず、７％を超えるとＡｌ合金の靭性および耐食性が低
下するので、２〜７％の範囲とする。

Ｍｇ：０．５〜３％ Ｍｇは固溶硬化によってＡｌ合金の常温強度を向上させ
るとともに強化用セラミックとの濡れ性を改善するのに
有効な元素であるが、０．５％より′　　少ないとこの
ような強度の向上効果およびセラミックとの濡れ性の改
善効果が少なく、３％を超えるとＡｌ合金を脆化させる
と同時に加工性を劣化させるので、０．５〜３％の範囲
とする。

Ｃｒ　：　０．５〜５％ ＣｒはＡｌ中での拡散速度が小さく、Ａｌとのあいだに
生成するＡｌ−Ｃｒ系の金属間化合物（例えばＣｒＡｌ
））は高温でも比較的安定であり、従って複合材料の製
造時にこれらの金属間化合物は粗大化しにくい。またこ
れらの金属間化合物は高融点であるため耐熱性を高める
作用を果たし、同時に高硬度であるため耐摩耗性を向上
させる作用も果たす。しかし、非常に脆い性質を有して
いるので、耐熱性および耐摩耗性を高めるためには、生
成される金属間化合物がＡｌ合金中に微細に分散してい
なければならない、そして０．５％より少ないとこの耐
熱性を高める改善効果が少なく、５％を超えると製造工
程中でこの金属間化合物が粗大化してしまい、耐熱性が
低下すると共に非常に脆い材料となってしまう。

Ｆ　ｅ　：　０．５〜５％ ＦｅはＣｒと同様にＡｌ中での拡散速度が小さく、また
Ａｌとの間に生成するＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物（例
えばＦｅＡｌ５　）は高温でも比較的安定であり、従っ
て複合材料の製造時にこれらの金属間化合物は粗大化し
にくい、また、これらの金属間化合物は高融点であるた
め耐熱性を高める作用を果たし、同時に高硬度であるた
め耐摩耗性を向上させる作用も果たす、しかし、非常に
脆い性質を有しているので、耐熱性および耐摩耗性を高
めるには、生成される金属間化合物がＡｌ合金中に微細
に分散していなければならない、０．５％より少ないと
この耐熱性を高める改善効果が少なく、５％を超えると
製造工程中でこの金属間化合物が粗大化してしまい、耐
熱性が低下すると共に靭性の低い非常に脆い材料となっ
てしまう。

ｌ　≦Ｃｒ＋Ｆｅ≦６％ 遷移元素であるＣｒとＦｅの添加量の総量が６％を超え
ると、複合材料の製造時にＡｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｆｅ系
およびＡｌ−Ｃｕ−（Ｃｒ。

Ｆｅ）系の金属間化合物が粗大化してしまい、本発明合
金の特長が著しく失われてしまう。

次に、上記組成のＡｌ合金中に分散させる強化用セラミ
ックの数値限定理由について説明する。

Ａｌ合金中にセラミック粒子等を分散させ複合化すると
、その体積率の増加に伴い強度、耐力、弾性率は向上す
るが、延性が低下し切削加工および塑性加工の困難な高
硬度の脆い材料となる。セラミック粒子等の体積率が５
％より少ないと複合化の顕著な効果（強度および弾性率
の向上）が得られず、４０％を超えると強度、耐力の増
加割合が落ち、また非常に脆い材料となるため加工が困
難となる。従ってセラミック粒子等の添加量は体積率で
５〜４０％の範囲、好ましくは１０〜３０％の範囲で複
合化するのが適切である。

［実施例］ 以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明する。

実施例１ 第１表に示す各組成のＡｌ合金をアトマイズ装置の溶解
炉で溶解し、融点より１５０’ｅ過熱した状態で溶湯を
噴射することによって各ｆ！ＩＡｌ合金粉末を得、これ
らを分級し、１００メツシユ以下のＡｌ合金粉末を得た
。

次に、各Ａｌ合金粉末と粒径１０μｍ以下のＳｉＣ粒子
を均一混合し、ＳｉＣ粒子体積率２０％の混合粉末を作
製した。この混合粉末を内寸が直径９５　ａｍ、長さ１
６０ｍｍの軟鋼製カプセルに充填し、４００℃に加熱し
て脱気後密封した。このカプセルを４５０℃ｘ　ｓ　Ｏ
ＯＯｋｇｆ／ｃｍ”の条件で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ
）Ｌ、各種複合材料を得た。得られた複合材料をＴ６処
理した後、室温及び高温（２００℃）での引張試験を行
なフた。尚高温引張試験では、各試験片を１時間加熱保
持した後測定した。その結果を第２表に示す。

第１表 木　不可避不純物も含む。

第　　２　　表 第２表に示したように、本発明に係る複合材料（実施例
）は常温及び２００℃において高強度を有していること
がわかる。またＣｕ％Ｍｇの添加量を本発明で規定する
範囲より多くしたＮ００７は、高温では高強度を有する
ものの耐力を測定できない非常に脆い材料となってしま
う、また、Ｍｇ量の少ないＮ０１８およびＭｇの添加さ
れていないＮＯ，１１，１４は、ＳｉＣ粒子の分散によ
る複合強化の効果がほとんど得られておらず、本発明の
耐熱性高力Ａｌ合金粉末においてＭｇの添加の重要性が
よくわかる。またＣｒ％Ｆｅの添加量を本発明で規定す
る範囲より少なくしたＮＯ１９は、常温および２００℃
において比較的高強度を有するものの、実施例はど特性
の向上は認められない。更にＣｒ、Ｆｅの添加量を本発
明で規定する範囲より多くしたＮｏ、１０は、混合粉末
を高温で固化成形する段階でＡｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｆｅ
系、Ａｌ−Ｃｕ−（Ｃｒ％Ｆｅ）系の晶出物が粗大化し
これらが脆い相となってしまうため、常温および２００
℃において本発明合金より強度が低下する。

尚Ｎｏ、１１はＡｌ−８Ｆｅ急冷合金、Ｎｏ。

１２．１３．１４ｉｔ夫＃ＡＡａ格２０２４合金、２２
１８合金、２２１９合金である。

第１図に本発明に係る複合材料（Ｎｏ、１）の断面ミク
ロ組織（光学顕微鏡組織）を、第２図に本発明に係る複
合材料（Ｎｏ、１）の断面ミクロ組織（ＳＥＭ組織）を
夫々示す、第１図において、白色の部分はＡｌ、黒色で
分散している粒子はＳｉＣ粒子である。又第２図におい
て黒色の部分はＡｌ、白色で粒径３μｍ程度で分散して
いる粒子はＳｉＣ粒子、白色で粒径０．５μｍ程度で分
散している粒子はＡｌ−Ｃｒ系、Ａ　ｌ−Ｆｅ系Ａｔ−
Ｃｕ−（Ｃｒ、Ｆｅ）系の金属間化合物である。第１図
及び第２図からも明らかであるが、ＳｉＣ粒子および金
属間化合物が　均一にＡｌマトリックス中に分散してい
ることが良く分かる。

実施例２ この実施例では、マトリックスとなるＡｌ合金を一定と
しく＾１−３．５Ｃｕ−１．５１ｇ−１，０Ｃｒ−１，
０Ｆｅ）　、強化用セラミックの品種、形状および体積
率を変えた複合材料の特性を調べた。

実施した複合材料の強化用セラミックの種類を第３表に
示す、第３表に示すＮｏ、１、Ｎｏ、１５〜２２は本発
明合金、Ｎｏ、２３．２４は比較合金である。複合材料
の作製方法は実施例１と同様の方法である。まず１００
メツシユ以下の耐熱性高力Ａｌ合金粉末と粒径１０μｍ
以下のｓｉｃ粒子。

Ａｌ２Ｏ３粒子、ＺｒＯ２粒子、Ｓｉ３Ｎ４粒子、７４
８粒子或はＳｉＣウィスカを均一混合し、Ａｌ粉末と各
種セラミックとの混合粉末を作製した。得られた混合粉
末を内寸が直径９５−ｍ、長さ１６０ｍｍの軟鋼製のカ
プセルに充填し、４００℃に加熱して脱気後密封した。

このカプセルを４５０℃ｘ　１０００　ｋｇｆ／ｃｍ２
の条件で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）し各種複合材料を
得た。これらの複合材料をＴ６処理した後、室温及び高
温（２００℃）での引張試験を行なった。尚高温引張試
験では、各試験片を１時間加熱保持した後測定した。そ
の結果を第４表に示す。

第４表に示すように本発明に係る複合材料は、強化セラ
ミック粒子としてＡｌ２Ｏ５粒子。

Ｚｒｏｚ粒子、５ｉｓＮ４粒子、ＴｉＮ粒子を用いた場
合（Ｎｏ、１５〜１８）でもＳｉＣ粒子を用いた時（Ｎ
ｏ、１）とほとんど変わらない特性を有していることが
わかる。

一方、強化材としてＳｌＣウィスカを用いた場合（Ｎｏ
、２２）には、粒子と比べて少ない添加量で高強度の複
合材料が得られる。

又ＳｉＣ粒子体積率の変化による特性（ＮＯｌｌ、Ｎｏ
、１９〜２１、Ｎｏ、２３．２４）はＳｉＣ粒子体積率
が増すに従って引張強度、０．２％耐力及び弾性率が増
すことがわかる。しかしながら、ＳｉＣ粒子体積率が３
０％を超えると、引張強度、０．２％耐力の増加割合が
落ち、ＳｉＣ粒子体積率が４０％になると耐力のとれな
い非常に脆い材料となる。又ＳｉＣ粒子体積率が２％の
場合、複合化の効果がほとんど得られていないことが分
かる。このことから、添加粒子の割合は体積率で５〜４
０％の範囲にとるのが適切であることが分かる。

第３表 （注）　マトリックスＡｌの合金成分は、＾１−３．５
Ｃｕ−１．５Ｍｇ−１，０Ｃｒ−１，ＯＦｅである。

第　　４１Ｒ ［発明の効果］ 本発明の耐熱性高力Ａｌ合金粉末は上記の様に構成され
ているから、セラミック粒子等と複合化することにより
、常温及び高温において従来以上に強度の優れたセラミ
ック強化型Ａｌ合金複合材料が作製可能であり、該複合
材料は例えばエンジン部品のように耐熱性のみならず常
温においても高強度を要求される部品に広く適用するこ
とができ、部品および製品の軽量化を促進することがで
きる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃｕ：２〜７％（重量％の意味、以下同じ）、Ｍ
   ｇ：０．５〜３％、Ｃｒ：０．５〜５％、Ｆｅ：０．５
   〜５％を含み、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、
   １≦Ｃｒ＋Ｆｅ≦６％なる条件を満たすとともに、粒径
   ３μｍ以下のＡｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｆｅ系又はＡｌ−Ｃ
   ｕ−（Ｃｒ、Ｆｅ）系の金属間化合物が分散しているこ
   とを特徴とする耐熱性高力Ａｌ合金粉末。
2. （２）Ｃｕ：２〜７％、Ｍｇ：０．５〜３％、Ｃｒ：０
   ．５〜５％、Ｆｅ：０．５〜５％を含み、残部がＡｌ及
   び不可避不純物からなり、１≦Ｃｒ＋Ｆｅ≦６％なる条
   件を満たすとともに、粒径３μｍ以下のＡｌ−Ｃｒ系、
   Ａｌ−Ｆｅ系又はＡｌ−Ｃｕ−（Ｃｒ、Ｆｅ）系の金属
   間化合物が分散している耐熱性高力Ａｌ合金をマトリッ
   クスとし、セラミック粒子、セラミックス繊維及びセラ
   ミックウィスカよりなる群から選択される１種又は２種
   以上が体積含有率で５〜４０％となる様に該マトリック
   ス中に分散されたものであることを特徴とするセラミッ
   ク強化型耐熱Ａｌ合金複合材料。
3. （３）特許請求の範囲第２項において、セラミックが、
   ＳｉＣ、Ｓｉ＿３Ｎ＿４、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＺｒＯ＿２
   、ＴｉＮのうち１種又は２種以上であるセラミック強化
   型耐熱Ａｌ合金複合材料。