JPH0558049B2

JPH0558049B2 -

Info

Publication number: JPH0558049B2
Application number: JP61184761A
Authority: JP
Inventors: Haruo Shiina; Ryoichi Murakashi; Masami Hoshi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1986-08-06
Filing date: 1986-08-06
Publication date: 1993-08-25
Also published as: JPS6342343A

Description

【発明の詳細な説明】

Ａ発明の目的 (1) 産業上の利用分野本発明は、優秀なクリープ特性を有する機械構
造部材用高強度アルミニウム合金、特に、急冷凝
固アルミニウム合金粉末と硬質粒子とよりなる混
合粉末を用いて熱間塑性加工により製造された高
強度アルミニウム合金に関する。 (2) 従来の技術従来、粉末冶金法の適用により大量のSi、Fe、
Mn等を添加した高強度アルミニウム合金が提案
されている。 (3) 発明が解決しようとする問題点しかしながら、従来の高強度アルミニウム合金
（以下、従来合金と称す）には次に述べるような
諸問題点がある。 (a) 従来合金は微細金属組織を有するので、強度
的には優れているが、クリープ特性が劣るた
め、例えば、高温下で常時圧縮応力を受ける、
内燃機関用コンロツドのキヤツプにおけるボル
ト締結部では長時間の使用に伴いクリープ縮み
が増加し、その結果、ボルト締結力が減少した
り、極端な場合にはボルト締結部の破壊に至る
おそれがある。 (b) 従来合金は大量のSi、Fe、Mn等の添加によ
り熱膨脹係数の低下およびヤング率の向上を狙
つているが、工業材料としての生産性および靭
性を考慮すると、熱膨脹係数は約18×10^-6／
℃、ヤング率は約10000Kg／mm²が限界である。アルミニウム合金より機械構造部材を構成
し、それを高温下で使用する場合には、鋼製機
械構造部材との組合せ使用は避けられず、した
がつてクリアランス、圧入代等を決定するに当
り、アルミニウム合金の熱膨脹係数が鋼のそれ
に接近していれば設計上の自由度が増すことに
なるが、従来合金ではこのような要求を満たす
ことができない。例えば、コンロツドを従来合
金より構成し、またクランクシヤフトを鋼より
構成した場合、コンロツドのクランクピン孔と
クランクシヤフトのクランクピンとの間のクリ
アランスは温度の上昇に伴い大幅に増大する。またヤング率は、荷重を受けた時の部材の弾
性域における変位、歪を左右する重要なフアク
タであり、部材の小型化を図るためにはヤング
率を十分に大きくする必要があるが、従来合金
ではこのような要求を満たすことができない。 (c) 従来合金は、それに析出する初晶Si、共晶
Si、金属間化合物等が非常に微細であるため、
摺動摩耗量が比較的多く、その結果高面圧、高
速摺動下では耐久性に乏しいといつた問題があ
り、使用分野が狭い範囲に限定される。本発明は前記諸問題を解決し得る前記高強度ア
ルミニウム合金を提供することを目的とする。Ｂ発明の構成 (1) 問題点を解決するための手段本発明は、急冷凝固アルミニウム合金粉末と硬
質粒子とよりなる混合粉末を用いて熱間塑性加工
により製造された、優秀なクリープ特性を有する
機械構造部材用高強度アルミニウム合金であつ
て、前記急冷凝固アルミニウム合金粉末は、 12.0重量％≦Si≦28.0重量％、 0.8重量％≦Cu≦5.0重量％、 0.3重量％≦Mg≦3.5重量％、 2.0重量％≦Fe≦10.0重量％、 0.5重量％≦Mn≦2.9重量％および不可避不純物を含む残部AlよりなるAl
合金粒子の集合体であり、且つ粒度325メツシユ
以下の前記Al合金粒子を45重量％以上、70重量
％以下含有し、前記硬質粒子は、Al₂O₃粒子、
SiC粒子、Si₃N₄粒子および金属Si粒子から選択
される少なくとも一種であり、その硬質粒子の含
有量は前記急冷凝固アルミニウム合金粉末に対し
て1.5重量％以上、15.0重量％以下に設定されて
いることを特徴とする。 (2) 作用 Al合金粒子、したがつて急冷凝固アルミニウ
ム合金粉末の組成および硬質粒子の含有量を前記
のように特定すると、優れた高温強度、耐摩耗性
およびヤング率を有し、また熱膨脹係数の低下を
図ると共に高温下におけるクリープ特性および耐
応力腐食割れ特性を改善された高強度アルミニウ
ム合金を提供することができる。また急冷凝固アルミニウム合金は、一般に難加
工性であるが、前記のように各化学成分の含有量
を特性することによつて、熱間押出し加工性、熱
間鍛造加工性等の熱間塑性加工性を向上させてア
ルミニウム合金の生産性を良好にすることができ
る。各化学成分および硬質粒子の添加理由、含有量
の限定理由等は以下の通りである。 (a) Siについて Siは、急冷凝固アルミニウム合金粉末より形
成されるマトリツクス（以下、単にマトリツク
スと称す）の耐摩耗性、ヤング率および熱伝導
率を向上し、また熱膨脹係数を低下する効果を
有する。ただし、12.0重量％を下回ると前記効
果を得ることがきず、一方、28.0重量％を上回
ると、熱間押出し加工および熱間鍛造加工にお
いて成形性が悪化し、アルミニウム合金に割れ
を生じ易くなる。 (b) Cuについて Cuは、熱処理においてマトリツクスを強化
する効果を有する。ただし、0.8重量％を下回
ると前記効果を得ることができず、一方、5.0
重量％を上回ると、熱間鍛造加工性が低下し、
またマトリツクスの耐応力腐食割れ特性が悪化
する。 (c) Mgについて Mgは、Cuと同様に熱処理においてマトリツ
クスを強化する効果を有する。ただし、0.3重
量％を下回ると前記効果を得ることができず、
一方、3.5重量％を上回ると、熱間鍛造加工性
が低下し、またマトリツクスの耐応力腐食割り
特性が悪化する。 (d) Feについて Feは、マトリツクスの高温強度およびヤン
グ率を向上させる効果を有する。ただし、2.0
重量％を下回ると、マトリツクスの高温強度の
向上を期待することができず、一方、10.0重量
％を上回ると高速熱間鍛造加工が事実上不可能
となる。 (e) Mnについて Mnは、特にFe≧４重量％の範囲において、
熱間鍛造加工性を向上させ、またマトリツクス
の高温強度および耐応力腐食割れ特性を改善す
る効果を有する。ただし、0.5重量％を下回る
と、前記効果を得ることができず、一方、2.9
重量％を上回ると、却つて熱間鍛造加工性が悪
化する等、悪影響が現れる。 (f) 急冷凝固アルミニウム合金粉末を構成する
Al合金粒子の粒度およびその含有量を前記の
ように限定する利用は、マトリツクスの疲労強
度およびクリープ特性を改善することにある。
この場合、粒度325メツシユ以下のAl合金粒子
の含有量が45重量％を下回るとマトリツクス疲
労強度が低下し、一方、70重量％を上回るとマ
トリツクスのクリープ特性が悪化する。 (g) 硬質粒子について前記のように特性された４種の硬質粒子は、
マトリツクスに分散することによりその結晶の
転位を固着して高温下におけるアルミニウム合
金のクリープ特性を改善し、また熱膨脹係数を
低下し、さらにヤング率および耐摩耗性を向上
する効果を有する。ただし、急冷凝固アルミニ
ウム合金粉末に対する硬質粒子の含有量が1.5
重量％を下回ると、アルミニウム合金の耐摩耗
性が改善されず、またヤング率の向上および熱
膨脹係数の減少の程度も低くなり、一方、15.0
重量％を上回ると、熱間鍛造加工性が低下し、
またアルミニウム合金の疲労強度および機械加
工性がそれぞれ著しく低下し、工業材料として
の適用性に欠ける。 (3) 実施例急冷凝固アルミニウム合金粉末における各化学
成分の含有量は、特に耐応力腐食割れ特性および
熱間鍛造加工性を良好にするためには下記に限定
される。 14.0重量％≦Si≦18.0重量％ 2.0重量％≦Cu≦5.0重量％ 0.3重量％≦Mg≦1.5重量％ 3.0重量％≦Fe≦6.0重量％ 0.5重量％≦Mn≦2.5重量％本発明に係る高強度アルミニウム合金より、熱
的影響を受ける内燃機関用機械構造部材を構成す
る場合は、これら部材についてはヤング率、熱膨
脹係数、クリープ特性および機械加工性が問題と
なるので、前記硬質粒子の含有量は9.0重量％以
上、13.0重量％以下に限定される。このように含
有量を限定する理由は、9.0重量％を下回ると、
クリープ特性改善効果が少なく、一方、13.0重量
％を上回ると機械加工性が低下する傾向にあるか
らである。また本発明に係る高強度アルミニウム合金よ
り、鋼との摺動摩耗が問題となる機械構造部材を
構成する場合には、前記硬質粒子の含有量は2.0
重量％以上、4.0重量％以下に限定される。この
ように含有量を限定する理由は、2.0重量％を下
回ると部材の摩耗量が増加して実用性が低下し、
一方、4.0重量％を上回ると鋼製相手材が摩耗し
て同様に実用性が低下するからである。さらに硬質粒子の粒径は、疲労強度を損なわず
に耐摩耗性を向上し、またクリープ特性を改善す
るためには、5μｍ以上、74μｍ以下に限定する。
このように限定する理由は5μｍを下回ると、取
扱いが困難となり、一方、74μｍを上回ると、疲
労強度が著しく低下するからである。本発明に係る高強度アルミニウム合金はスタツ
ドタイプのコンロツドにおいて、そのキヤツプに
適用され、この場合、桿部側は硬質粒子を含まな
い前記アルミニウム合金、即ち12.0重量％≦Si≦
28.0、0.8重量％≦Cu≦5.0重量％、0.3重量％≦
Mg≦3.5重量％、2.0重量％≦Fe≦10.0重量％、
0.5重量％≦Mn≦2.9重量％および不可避不純物
を含む残部AlよりなるAl合金粒子の集合体であ
る急冷凝固アルミニウム合金粉末を用いて形成さ
れる。その理由は、桿部側は疲労強度が優先して要求
されるため硬質粒子を含まない方が有利であり、
一方、キヤツプは桿部側に比べて疲労強度の要求
が少ないが、ボルト締結部の面圧が高く、クリー
プ縮みを減少させる必要があるので硬質粒子を含
む方が有利であるからである。本発明に係る高強度アルミニウム合金は前記コ
ンロツドのキヤツプ以外の軸部部材、例えばクラ
ンクジヤーナルの軸受キヤツプにも適用される。本発明に係る高強度アルミニウム合金を製造す
る場合には、急冷凝固アルミニウム合金粉末と硬
質粒子とを混合して混合粉末を得、次いでその混
合粉末に冷間静水圧プレス成形法（CIP法）等を
適用して圧粉体を得、その後圧粉体に熱間押出し
加工を施すものである。次に、本発明に係る高強度アルミニウム合金
（以下、本発明合金と称す）の製造方法およびそ
の合金についての各種試験結果について説明す
る。急冷凝固アルミニウム合金粉末として、Si
17.2重量％、Cu 2.5重量％、Mg 0.6重量％、Fe
4.3重量％、Mn 1.8重量％および不可避不純物を
含む残部AlよりなるAl合金粒子の集合体をアト
マイズ法を適用して、冷却速度10³〜10⁴℃／sec
の条件の下に製造する。粒度325メツシユ以下のAl合金粒子を50重量％
含有する急冷凝固アルミニウム合金粉末に、表
に示す含有量にて各種硬質粒子を配合し、以下に
述べる各工程を経て本発明合金〜XIIを製造す
る。即ち、急冷凝固アルミニウム合金粉末と各硬質
粒子とを型ブレンダにて混合した後、各混合粉
末に冷間静水圧プレス成形法（CIP法）、または
金型圧縮成形法を適用して密度比75％の圧粉体を
得る。冷間静水圧プレス成形法においては、ゴム製チ
ユーブ内に混合粉末入れ、1.5〜3.0ton／cm²程度
の静水圧下で成形を行い、金型圧縮成形法におい
ては、金型内に混合粉末を入れて、常温大気中で
1.5〜3.0ton／cm²程度の圧力下で成形を行う。各圧粉体を、炉内温度400℃の均熱炉内に設置
して４時間保持し、次いで各圧粉体に熱間押出し
加工を施して直径18mm、長さ450mmの丸棒状に成
形された本発明合金〜XIIを得る。この場合の押出し方法は、直接押出し（前方押
出し）、間接押出し（後方押出し）のいずれでも
よいが、落出し比は５以上を必要とする。押出し
比が５以下では、強度のばらつきが大きくなるの
で好ましくない。

【表】比較のため、前記と同様の手法により表に示
す比較例合金〜を製造する。

【表】なお、比較例合金は、本発明合金〜XIIにお
けるマトリツクスと同一組成であり、また比較例
合金は鋳造材であるJIS AC8Cに相当する。表は本発明合金〜XIIおよび比較例合金、
の熱膨脹係数（×10^-6、20〜200℃）およびヤ
ング率（200℃、Kg／mm²）を示す。

【表】表から明らかなように、本発明合金〜XIIは
比較例合金、に比べて、熱膨脹係数が低下
し、またヤング率が向上しており、これはマトリ
ツクスにAl₂O₃等の硬質粒子が分散していること
に起因する。表は、本発明合金〜XIIおよび比較例合金
に対して応力腐食割れ試験（JIS H8711）を行つ
た場合の結果を示す。応力腐食割れ試験は、縦80mm、横10mm、厚さ２
mmのテストピースを、それに対する負荷応力を
σ_0.2×0.9（ただし、σ_0.2は、各合金の0.2％耐力）
として、液温30℃、濃度3.5％のNaCl水溶液に28
日間浸漬することにより行われ、耐応力腐食割れ
特性の優劣はテストピースにおけるクラツクの発
生の有無により判断する。

【表】表から明らかなように、本発明合金〜XIIは
比較例合金に比べて耐応力腐食割れ特性が優れ
ており、これは主としてMnの含有に起因する。表は、本発明合金、、および比較例合
金に対して摺動摩耗試験を行つた場合の結果を
示す。摺動摩耗試験は、縦10mm、横10mm、厚さ５mmの
テストピースを、速度2.5ｍ／secで回転する直径
135mmのJIS S50C製円盤に圧力200Kg／cm²を以て
押圧し、また潤滑油を５c.c.／minの条件で滴下
し、摺動距離18Kmに亘つて行われたもので、摩耗
量はテストピースにおける試験前後の重量差
（ｇ）を求めることにより測定される。

【表】表から明らかなように、本発明合金、、
は比較例合金に比べて、優れた耐摩耗性を有
しており、これはマトリツクスにAl₂O₃、SiC、
Si₃N₄といつた硬質粒子が分散していることに起
因する。表は、本発明合金、、および比較例合
金に対してクリープ試験を行つた場合の結果を
示す。クリープ試験は、直径10mm、平行部の長さ40mm
のテストピースに、170℃にて12Kg／mm²の圧縮力
を100時間に亘つて付与することにより行われ、
クリープ縮み量はテストピースの試験前後の長さ
の比（％）を求めることによつて測定される。

【表】表から明らかなように、本発明合金、、
は、比較例合金１に比べクリープ縮み量が減少
している。これは、Al合金粒子の粒度およびそ
の含有量を前記のように特性したことによりマト
リツクスのクリープ特性が改善されたこと、およ
びマトリツクスにAl₂O₃、SiC、Si₃N₄といつた硬
質粒子が分散していることによりマトリツクスの
結晶の転位が固着されることに起因する。なお、鋳造材である比較例合金のクリープ縮
み量は0.04％であり、本発明合金、、のそ
れは鋳造材に略匹敵する。表は、コンロツドにおけるクランクンピン孔
（直径45mm）の寸法変化と温度との関係を示す。
コンロツドＡは、その桿部側を比較例混合より
構成され、またキヤツプを本発明合金より構成
されている。コンロツドＢは、その桿部側および
キヤツプを比較例合金より構成されている。両
コンロツドＡ、Ｂにおいて、キヤツプは桿部側に
ボルトにより締結される。

【表】表から明らかなように、本発明合金より構
成されたキヤツプを備えたコンロツドＡは、比較
例合金より構成されたコンロツドＢに比べて温
度上昇に伴うクランクピン孔の直径変化量が少な
く、これにより機関運転時におけるクランクピン
とクランクピン孔間のクリアランス変化を抑制す
ることができる。これはマトリツクスに10重量％
のAl₂O₃粒子を分散させたことによりキヤツプの
熱膨張脹数の低下が図られていることに起因す
る。Ｃ発明の効果本発明によれば、前記のように特性された急冷
凝固アルミニウム合金粉末および硬質粒子を用
い、また熱間塑性加工の適用を必須要件として、
高温下における優秀なクリープ特性を有すること
は勿論のこととして、優れた高温強度、耐摩耗性
およびヤング率を有し、また熱膨脹係数の低下を
図ると共に耐応力腐食割れ特性を改善された生産
性の良い高強度アルミニウム合金を提供すること
ができる。

Claims

【特許請求の範囲】１急冷凝固アルミニウム合金粉末と硬質粒子と
よりなる混合粉末を用いて熱間塑性加工により製
造された、優秀なクリープ特性を有する機械構造
部材用高強度アルミニウム合金であつて、前記急
冷凝固アルミニウム合金粉末は、 12.0重量％≦Si≦28.0重量％、 0.8重量％≦Cu≦5.0重量％、 0.3重量％≦Mg≦3.5重量％、 2.0重量％≦Fe≦10.0重量％、 0.5重量％≦Mn≦2.9重量％および不可避不純物を含む残部AlよりなるAl
合金粒子の集合体であり、且つ粒度325メツシユ
以下の前記Al合金粒子を45重量％以上、70重量
％以下含有し、前記硬質粒子は、Al₂O₃粒子、
SiC粒子、Si₃N₄粒子および金属Si粒子から選択
される少なくとも一種であり、その硬質粒子の含
有量は前記急冷凝固アルミニウム合金粉末に対し
て1.5重量％以上、15.0重量％以下に設定されて
いることを特徴とする、優秀なクリープ特性を有
する機械構造部材用高強度アルミニウム合金。２前記機械構造部材は軸受部材である、特許請
求の範囲第１項記載の優秀なクリープ特性を有す
る機械構造部材用高強度アルミニウム合金。