JPH07305130A - 高強度耐摩耗性アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 Ｃｕ:3.5〜5.5 ％（質量％、以下同じ）、Ｍ
ｇ:0.5〜2.5 ％、Ｖ:0.02 〜0.5 ％で、条件式、10≦
（Ｃｕ％＋Ｍｇ％）／Ｖ≦230 を満足するＣｕ、Ｍｇお
よびＶと、Ｍｎ:0.3〜1.0 ％、Ｓｉ:0.5％以下を含有
し、必要に応じてＴｉ、Ｚｒを含有し、残部アルミニウ
ムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金のマ
トリックス中に、平均粒径1 〜8 μm 、Ｈ_V 硬度500 以
上の硬質粒子を体積率で0.5 〜5 ％分散させる。 【効果】 冷間鍛造性が良好で、強度、耐摩耗性に優れ
たアルミニウム合金が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、優れた耐熱性および耐
摩耗性を有するとともに冷間鍛造性をそなえ、エンジン
部品などの用途に好適に使用される高強度耐摩耗性アル
ミニウム合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジンの動弁機構において使用
されるバルブリフター、バルブスプリングリテーナーな
どのエンジン部品は、強度と耐摩耗性が必要であるた
め、一般に合金鋼が使用されているが、エンジンの効率
化、燃費向上の観点から部品の軽量化が要求されてお
り、この要求を満足させるためにエンジン部品用アルミ
ニウム合金材料が開発されている。

【０００３】例えば、アルミニウム合金製バルブリフタ
ーとして、Ｃｕ:3〜8 ％、Ｍｇ:0.5〜2.5 ％、Ｓｉ:0.2
〜1.5 ％を含み、さらにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ，Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉの１種または２種以上を合計量で3
〜10％含有し、残部が実質的にＡｌからなる合金の基地
中に炭化物、酸化物、窒化物などの硬質粉末を分散させ
てなる本体を有するものが開発されている。（特開平3-
149304号公報) このアルミニウム合金材料は常温強度、
高温強度および耐摩耗性に優れており、バルブリフター
などエンジン部品に適用するに十分な性能を有するが、
冷間加工性が必ずしも十分ではないという難点がある。
バルブリフターやバルブスプリングレテーナーなどのエ
ンジン部品は冷間鍛造により成形されるものであるか
ら、生産性を上げるために冷間加工性、特に冷間鍛造性
が優れていることが当該合金材料の重要な要件となる。

【０００４】発明者の１人は、先に、Ｃｕ:2.0〜6.0
％、Ｍｇ:0.3〜3.0 ％、Ｓｉ:0.2〜1.2 ％を必須成分と
して含み、選択成分としてＭｎ、Ｆｅ、Ｎｉの１種また
は２種以上を合計で0.02〜0.7 ％含有し、残部が不可避
的不純物を含むＡｌからなるアルミニウム合金マトリッ
クス中に、平均粒径が1 〜8 μm のＳｉＣ、Ａｌ₂ Ｏ₃
などの硬質粒子を0.5 〜8vol％分散させたアルミニウム
合金（特開平3-294446号公報) 、Ｃｕ:2.5〜5.5 ％、Ｍ
ｇ:0.3〜2.5 ％、Ｓｉ:0.1〜0.19％、さらに選択成分と
してＭｎとＣｒの１種または２種:0.3〜1.0 ％、Ｔｉと
Ｚｒの１種または２種:0.02 〜0.7 ％を含むアルミニウ
ム合金マトリックス中に硬質粒子を0.2 〜5vol％分散さ
せたアルミニウム合金材料（特開平4-341537号公報) を
提案したが、これらの材料はエンジン部品として適用し
た場合、強度特性において必ずしも十分とはいえない。

【０００５】Ｃｕ、ＭｇおよびＳｉを含むアルミニウム
合金に上記の硬質粒子を混合した材料、とくにこの材料
を急冷凝固アルミニウム合金粉末と硬質粒子とを混合
し、圧縮成形して製造した場合、優れた強度特性と耐摩
耗性をそなえたものとなる。発明者らは、強度、耐熱
性、耐摩耗性に優れ、且つ冷間鍛造性を低下させないア
ルミニウム合金材料を開発するために、先に開発された
上記のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金をベースとして、
合金成分の組合わせ、成分範囲を見直し、諸特性との関
係について多角的な検討を行った。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の検討
結果に基づいてなされたものであり、その目的は、常温
強度、高温強度、耐摩耗性に優れ、常温および高温での
延性が良好で十分な冷間鍛造性をそなえた高強度耐摩耗
性アルミニウム合金を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による高強度耐摩耗性アルミニウム合金は、
Ｃｕ:3.5〜5.5 ％（ｗｔ％）、Ｍｇ:0.5〜2.5 ％、Ｖ:
0.02 〜0.5 ％で、条件式、10≦（Ｃｕ％＋Ｍｇ％）／
Ｖ％≦230 を満足するＣｕ、ＭｇおよびＶと、Ｍｎ:0.3
〜1.0 ％、Ｓｉ:0.5％以下を含有し、残部Ａｌと不可避
的不純物からなるアルミニウム合金のマトリックス中
に、平均粒径1 〜8 μm でＨ_V 500 以上を有する硬質粒
子を体積率で0.5 〜5 ％分散させたことを構成上の特徴
とする。

【０００８】また、選択成分として、ＴｉおよびＺｒの
１種または２種を合計で0.02〜0.7％含有すること、お
よび硬質粒子がＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ、Ａｌ₂ ０₃ 、Ｚｒ₂
０₃、ＴｉＣ、ＴｉＮであることを構成上の第２、第３
の特徴とし、急冷凝固アルミニウム合金粉末と硬質粒子
とを混合し、圧縮成形してなることを構成上の第４の特
徴とする。

【０００９】本発明のアルミニウム合金の組成について
説明すると、ＣｕはＭｇと共存して合金を時効硬化さ
せ、常温および高温の強度を高める。含有量が3.5 ％未
満では効果が十分でなく、5.5 ％を越えて含有すると冷
間鍛造性が低下する。従って、好ましい含有範囲は3.5
〜5.5 ％、より好ましくは4 〜5 ％とする。ＭｇはＣｕ
と共存して合金を時効硬化させ、強度を向上させる。含
有量が0.5 ％未満では効果が十分でなく、2.5 ％を越え
ると冷間鍛造性を劣化させる。従って、好ましい含有範
囲は0.5 〜2.5 ％、より好ましくは1 〜2 ％とする。

【００１０】Ｖは、少量含有させることにより、マトリ
ックス中にＡｌ−Ｖ系化合物を生成、分散させ、常温お
よび高温の強度を高める。含有量が0.02％未満では効果
が十分でなく、0.5 ％を越えて含有すると前記化合物が
粗大に晶出し、冷間鍛造性を害する。またＶが多くなる
と合金の融点が高くなり工業的製造が困難となる。従っ
て、Ｖの好ましい含有範囲は0.02〜0.5 ％、より好まし
くは0.1 〜0.3 ％とする。

【００１１】本発明においては、Ｃｕ、ＭｇおよびＶの
関係を、条件式10≦（Ｃｕ％＋Ｍｇ％）／Ｖ％≦230 、
好ましくは12≦( Ｃｕ％＋Ｍｇ％）／Ｖ％≦100 の条件
式に従って限定することが重要であり、この条件式を満
足するＣｕ、ＭｇおよびＶを含有させることにより強度
および冷間鍛造性を兼備させることができる。条件式の
値が10未満では合金の冷間鍛造性が低くなる。条件式の
値が230 を越えて大きくなると強度が低下する傾向があ
る。

【００１２】Ｓｉは少量含有させることによって、微細
なＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系析出中間相を形成し、時効硬化量
を大きくする。さらにＭｎと共存してＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ
系析出相を生成し、この析出相が転位のピンニング効果
を高め、サブグレイン組織や微細な再結晶組織を形成
し、合金の強度、靭性を向上させる。Ｓｉの好ましい含
有量は0.5 ％以下であり、0.5 ％を越えると、Ｓｉが結
晶粒界に析出して冷間鍛造性を劣化させる。

【００１３】Ｍｎは前記のようにＳｉと共存して微細組
織を形成し、合金の強度、靭性を向上させる。0.3 ％未
満では効果が十分でなく、1.0 ％を越えて含有すると、
Ａｌ−Ｍｎ系化合物が粗大に分散して靭性を低下し、冷
間鍛造性がわるくなる。ＴｉおよびＺｒは、凝固時の結
晶粒を微細化するとともに、溶体化処理中に発生する再
結晶を抑制して強度を高める。好ましい添加量が合計量
で0.02〜0.7 ％の範囲であり、0.02％未満では効果が十
分でなく、0.7 ％を越えて添加しても効果は変わらな
い。

【００１４】硬質粒子の添加は合金の耐摩耗性を高め
る。好ましい硬質粒子は、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ａｌ₂
Ｏ₃ 、Ｚｒ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＣ、ＴｉＮであり、これらの硬
質粒子は平均粒径1 〜8 μm で、Ｈ_V 硬度500 以上を有
することが必要であり、これらの硬質粒子をアルミニウ
ム合金中に体積率で0.5 〜5 ％に範囲で分散させる。平
均粒径が1 μm 未満では分散が困難で凝集し易く、8 μ
m を越えて分散させると、合金材をエンジン部品などと
して使用中に当該部品と接触、摺動する部品材料を損傷
させ易い。分散量が体積率で0.5 ％未満では耐摩耗性の
向上効果が十分でなく、5 ％を越えると冷間鍛造性およ
び切削性が低下する。

【００１５】本発明のアルミニウム合金の好ましい製造
方法について説明すると、上記組成のアルミニウム合金
の溶湯を、ガスアトマイズ法、単ロール法などの急冷凝
固法により10³K/s以上の冷却速度で急冷凝固させ粉末と
する。この粉末と上記の硬質粒子を各種の撹拌式混合
機、あるいはボールミルなどの粉砕機により混合する。
アルミニウム合金粉末は硬質粒子を均一に混合分散させ
るために微細であることが望ましい。

【００１６】得られた混合粉末を冷間圧縮で予備成形し
た後、不活性雰囲気または真空中で400 〜500 ℃の温度
に加熱するか、あるいは直接アルミニウム缶に充填し、
400〜500 ℃の温度で真空引きすることにより脱ガス処
理を行い、アルミニウム合金粉末の表面に吸着している
水分やガスを除去する。ついで、300 〜500 ℃の温度で
熱間押出を行い、固化、成形し、100 ％に緻密化させ
る。粉末同志を強固に結合させるためには押出比4 以
上、望ましくは10以上の押出加工を行う。押出加工後、
Ｔ４あるいはＴ６処理を行い、時効硬化により強度を高
める。

【００１７】

【作用】本発明においては、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｖ、Ｍｎおよ
びＳｉを必須成分として含有させ、必要に応じてＴｉ、
Ｚｒを添加し、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｖ相互の含有範囲を所定の
関係式により限定してアルミニウム合金の組織性状、化
合物の分布状態を制御するとともにマトリックス中に硬
質粒子を分散させることにより、十分な冷間鍛造性を維
持したままで強度、耐摩耗性を向上させたアルミニウム
合金材料が得られる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。 実施例 エアアトマイズ法（冷却速度10³ 〜10⁴K/s) により表１
に示す組成のアルミニウム合金粉末を製造した。得られ
た粉末を149 μm 以下に分級し、これに所定の粒径およ
び量の硬質粒子を加えボールミルにより混合した。混合
粉末を外径2.5インチのアルミニウム缶に装入し、缶内
の空気および粉末表面に吸着している水分を除くために
480 ℃で1 時間の真空脱ガス処理を行って押出用ビレッ
トとし、400 ℃で直径18mmの棒材に押出加工（押出比1
5）を行った。分散させた硬質粒子の種類、平均粒径(
μm)、体積率(vol％）を表１に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】押出加工により得られた棒材について、冷
間鍛造性を評価するために、棒材を所定の長さに切断し
て長さ方向に圧縮する据込み試験を行い、割れが発生す
る限界据込み率を測定した。また、棒材にＴ６処理（49
5 ℃×1h保持−水焼入れ−185 ℃×6h保持) を施し、引
張試験およびピン・ディスク式摩耗試験を行った。ピン
・ディスク式摩耗試験は、120 ℃のマシン油中において
ピンを試験材、ディスクをFC20とし、50kgf/cm²(4.9MP
a) の面圧、速度0.5m/sで摩擦を1h行うことによりピン
の長さ減量を測定し、材料の耐摩耗性を評価するもので
ある。試験結果を表２に示す。表２にみられるように、
本発明に従うアルミニウム合金は、（Ｃｕ％＋Ｍｇ％）
／Ｖ％の値が12.2〜203 の範囲にあり、いずれも常温お
よび高温の引張強度、伸び率が良好で、55％以上の十分
な据込み率をそなえ、優れた耐摩耗性を示した。

【００２１】

【表２】

【００２２】比較例 実施例と同様のエアアトマイズ法により表３に示す組成
のアルミニウム合金粉末を製造し、実施例と同様、この
粉末に所定の硬質粒子を混合した後、実施例と同一の工
程で処理して、直径18mmの棒材を得た。分散させた硬質
粒子の種類、平均粒径( μm)、体積率(vol％）を表３に
示す。なお、表３において本発明の条件を外れるものに
は下線を付した。得られた棒材について、実施例と同様
にして限界据込み率を測定し、引張試験、ピン・ディス
ク摩耗試験を行った。結果を表４に示す。

【００２３】

【表３】 《表注》合金No.20 は(Cu ％＋Mg％）／V ％の値が8.4
のものである。

【００２４】

【表４】

【００２５】表４にみられるように、本発明の条件を外
れるものは強度、耐摩耗性、限界据込み率のいずれかが
劣っている。合金材No.12 、No.13 はＶを含有していな
いため強度が低い。合金材No.14 はＶの含有量が過剰
で、条件式、(Cu ％＋Mg％）/V％の値も8.7 と本発明の
下限値未満であるため伸び率が低く、限界据込み率が十
分でない。合金No.15 はＳｉが過剰であり、合金No.16
はＣｕが過剰に含まれるため、いずれも伸び率が低く、
十分な限界据込み率が得られない。合金No.17 はＭｇが
不足するため強度が劣っている。合金No.18 は硬質粒子
の分散がないため、耐摩耗性が劣る。合金No.19 はＶが
上限を越え、条件式の値が6.1 と本発明の範囲を外れる
ため限界据込み率が低く、十分な冷間鍛造性が得られな
い。合金No.20 は、各成分値は本発明の条件を満足する
が、条件式の値が8.4 で下限未満であるために、限界据
込み率が低く冷間鍛造性が十分でない。

【００２６】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、良好な
冷間鍛造性をそなえ、常温および高温での強度、耐摩耗
性に優れたアルミニウム合金が提供され、高性能エンジ
ン部品用材料として有用である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｕ:3.5〜5.5 ％（質量％、以下同
   じ）、Ｍｇ:0.5〜2.5 ％、Ｖ:0.02 〜0.5 ％で、条件
   式、10≦（Ｃｕ％＋Ｍｇ％）／Ｖ％≦230 を満足するＣ
   ｕ、ＭｇおよびＶと、Ｍｎ:0.3〜1.0 ％、Ｓｉ:0.5％以
   下を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるア
   ルミニウム合金のマトリックス中に、平均粒径1 〜8 μ
   m でＨ_V 500 以上の硬さを有する硬質粒子を体積率で0.
   5 〜5 ％分散させたことを特徴とする高強度耐摩耗性ア
   ルミニウム合金。
2. 【請求項２】 アルミニウム合金中にＴｉおよびＺｒの
   １種または２種を合計で0.02〜0.7 ％含有することを特
   徴とする請求項１記載の高強度耐摩耗性アルミニウム合
   金。
3. 【請求項３】 硬質粒子がＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ａｌ₂
   Ｏ₃ 、Ｚｒ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＣ、ＴｉＮであることを特徴と
   する請求項１〜２記載の高強度耐摩耗性アルミニウム合
   金。
4. 【請求項４】 急冷凝固アルミニウム合金粉末と硬質粒
   子とを混合し、圧縮成形してなることを特徴とする請求
   項１〜３記載の高強度耐摩耗性アルミニウム合金。