(57)【要約】【課題】投射材と基材のナノ複合組織に由来する均一な金属間化合物層を表面に備え、強度、耐摩耗性及び耐熱性に優れるアルミニウム合金製部材及びその製造方法を提供すること。【解決手段】アルミニウム合金製部材は、銅を含有するアルミニウム合金基材の表面に、鉄と結晶粒径１００ｎｍ以下のアルミニウムを含むナノ複合組織に由来する緻密な金属間化合物層を備えたアルミニウム合金製部材である。金属間化合物層が、粒径１００μｍ以下の鉄含有微粒子を上記アルミニウム合金基材に投射して形成したナノ複合組織を、アルミニウム合金基材の固相線以下の温度で熱処理して形成されたものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を含有するアルミニウム合金基材の表面に、鉄と結晶粒径１００ｎｍ以下のアルミニウムを含むナノ複合組織に由来する緻密な金属間化合物層を備えたアルミニウム合金製部材であって、
上記金属間化合物層が、粒径１００μｍ以下の鉄含有微粒子を上記アルミニウム合金基材に投射して形成した上記ナノ複合組織を、上記アルミニウム合金基材の固相線以下の温度で熱処理して形成されたものである、ことを特徴とするアルミニウム合金製部材。
【請求項２】
上記アルミニウム合金基材が、０．５ｍａｓｓ％以上の銅を含有することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製部材。
【請求項３】
上記固相線以下の温度が５５０℃以下で４００℃未満の温度であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム合金製部材。
【請求項４】
銅を含有するアルミニウム合金基材の表面に、鉄とアルミニウムを含むナノ複合組織に由来する緻密な金属間化合物層を備えたアルミニウム合金製部材を製造するに当たり、
粒径１００μｍ以下の鉄含有微粒子を上記アルミニウム合金基材に投射し、投射された鉄含有微粒子よりも微細な鉄と結晶粒径１００ｎｍ以下のアルミニウムを含む上記ナノ複合組織を形成し、
次いで、上記アルミニウム合金基材の固相線以下の温度で熱処理し、上記ナノ複合組織に由来する上記金属間化合物層を形成する、ことを特徴とするアルミニウム合金製部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金基材の表面に緻密な金属間化合物層を備えるアルミニウム合金製部材に係り、更に詳細には、上記金属間化合物層が所定のアルミニウム合金基材を微粒子ピーニングで処理した後に熱処理して形成され、耐摩耗性に優れるアルミニウム合金製部材、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金は軽量で比強度が高いため、自動車をはじめとする輸送機関の軽量化のために多用されているが、アルミニウム合金は硬さ、強度及び耐摩耗性が低く、適用できる部材に制約があった。
【０００３】
これに対し、従来は異種金属接合や鋳造時に鋳包むといった手法が採られてきたが、これらの手法には、設備の高コスト化やリサイクル性の低下等の経済性の問題、また異種金属界面の脆弱性や適用可能な形状の制約等の問題があった。
【０００４】
よって、安価で所望形状の必要部位に強度や耐摩耗性を向上させるべく、アルミニウム合金表面に化学的に安定で高硬度な層を形成させることが検討されており、アルミニウム合金鋳物の表面に、微粒子を混合した状態の投射材を用いてショットピーニングをすることで微粒子を埋め込ませ、熱処理を施す表面処理方法が提案されている（特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−８６４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、通常のショットピーニングを行っても却って表面性状を悪化させ、さらに高強度なナノ複合組織の形成が困難になるという問題があった。
また、特許文献１に記載の方法では、様々な粒径をある一定の混合比でショット材を調製するため管理維持が非常に困難である。
さらに、特許文献１の方法は、熱処理により耐摩耗性及び耐食性の向上を狙った表面処理を行うが、均一な金属間化合物層を形成させ、耐熱性の向上も狙える表面処理方法としては未だ不十分であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、投射材と基材のナノ複合組織に由来する均一な金属間化合物層を表面に備え、強度及び耐摩耗性に優れるアルミニウム合金製部材及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の金属微粒子を特定のアルミニウム合金に投射し適切に熱処理を行うことにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明のアルミニウム合金製部材は、銅を含有するアルミニウム合金基材の表面に、鉄と結晶粒径１００ｎｍ以下のアルミニウムを含むナノ複合組織に由来する緻密な金属間化合物層を備えたアルミニウム合金製部材であって、
上記金属間化合物層が、粒径１００μｍ以下の鉄含有微粒子を上記アルミニウム合金基材に投射して形成した上記ナノ複合組織を、上記アルミニウム合金基材の固相線以下の温度で熱処理して形成されたものである、ことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のアルミニウム合金製部材の好適形態は、上記アルミニウム合金基材が、０．５ｍａｓｓ％以上の銅を含有することを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明のアルミニウム合金製部材の他の好適形態は、上記固相線以下の温度が５５０℃以下で４００℃未満の温度であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のアルミニウム合金製部材の製造方法は、銅を含有するアルミニウム合金基材の表面に、鉄とアルミニウムを含むナノ複合組織に由来する緻密な金属間化合物層を備えたアルミニウム合金製部材を製造するに当たり、
粒径１００μｍ以下の鉄含有微粒子を上記アルミニウム合金基材に投射し、投射された鉄含有微粒子よりも微細な鉄と結晶粒径１００ｎｍ以下のアルミニウムを含む上記ナノ複合組織を形成し、
次いで、上記アルミニウム合金基材の固相線以下の温度で熱処理し、上記ナノ複合組織に由来する上記金属間化合物層を形成する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、所定の金属微粒子を特定のアルミニウム合金に投射し適切に熱処理を行うこととしたため、投射材と基材のナノ複合組織に由来する均一な金属間化合物層を表面に備え、強度及び耐摩耗性に優れるアルミニウム合金製部材及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】炭素鋼微粒子ピーニングを施したアルミニウム試験片の電子線マイクロアナライザー分析（ＥＰＭＡ）による解析写真である。
【図２】図１に示した複合組織の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真であり、（ａ）は明視野像、（ｂ）は暗視野像、（ｃ）は制限視野回折パターンを示す。
【図３】微粒子ピーニング処理及び熱処理で形成されたアルミニウム合金製部材の表面のＥＰＭＡ解析写真である。
【図４】微粒子ピーニング処理及び熱処理で形成されたアルミニウム合金製部材（Ｃｕ０％）の表面のＳＥＭ写真（反射電子像）である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明のアルミニウム合金製部材について説明する。
（１）上述のように、本発明のアルミニウム合金製部材は、銅を含有するアルミニウム合金基材の表面に、鉄と結晶粒径１００ｎｍ以下のアルミニウムを含むナノ複合組織に由来する緻密な金属間化合物層を備えたアルミニウム合金製部材である。
【００１６】
ここで、銅を含有するアルミニウム合金基材としては、特に限定されるものではないが、０．５ｍａｓｓ％以上の銅を含有するものが好ましい。
銅の含有量が０．５ｍａｓｓ％未満では、アルミニウム合金の溶体化時効処理による強度向上にあまり寄与しないことがある。
【００１７】
このようなアルミニウム合金基材として、具体的には、Ａ２０１７、Ａ２０２４、Ａ７０５０、Ａ７０７５、ＡＣ２Ａ、ＡＣ４Ａ及びＡＣ８Ａなどを挙げることができる。
【００１８】
上記のナノ複合組織は鉄（Ｆｅ粒子）と結晶粒径１００ｎｍ以下のアルミニウム（Ａｌ粒子）が複合化して形成されている。
Ｆｅ粒子は後述する投射材に由来するもので、投射材の粒径より小さいが、その粒度分布はＡｌ粒子の粒度分布より広く、Ａｌ粒子の大きさより小さいものから大きいものまで存在する。
Ａｌ粒子の結晶粒径が１００ｎｍを超えると、転位密度が小さくなりその後の熱処理により均一な層を形成することが困難になってしまう。
このナノ複合組織は、後述する熱処理によって均一で緻密な金属間化合物層に変態する。
【００１９】
（２）また、本発明のアルミニウム合金製部材においては、上記金属間化合物層が、粒径１００μｍ以下の鉄含有微粒子を上記アルミニウム合金基材に投射して形成した上記ナノ複合組織を、上記アルミニウム合金基材の固相線以下の温度で熱処理して形成されたものである。
【００２０】
このように、上記ナノ複合組織は微粒子ピーニングによって形成されるものである。
鉄含有微粒子の投射により、投射された微粒子がアルミニウム基材表面に凝着して内部に分散するとともに、アルミニウム合金基材が強加工を施されることになり、これらの複合効果により形成されるナノ複合組織は、高い強度及び優れた耐摩耗性を実現する下地となる。
【００２１】
なお、投射材として用いる鉄含有粒子としては、Ｆｅを含有していれば特に限定されるものではなく、各種鋼材、例えば炭素鋼やステンレス製の微粒子を例示することができる。
この鉄含有粒子は、その粒径が１００μｍ以下であることを要するが、粒径が５３μｍ未満が好ましく、５〜７５μｍが更に好ましい。
【００２２】
また、上記ナノ複合組織は、熱処理を施されることにより均一で緻密な金属間化合物層に変態し、この金属間化合物層は、得られるアルミニウム合金製部材の強度及び耐摩耗性の向上を担う。
【００２３】
上記の熱処理はアルミニウム合金基材の固相線以下の温度で行う必要がある。
また、溶融が始まる固相線直下の温度とすることで、熱エネルギーの効率的な伝達及び拡散時間の短縮が図れ、工業的に有利な処理となる。
固相線を超える温度で熱処理すると、ナノ複合組織は溶解しないが、基材の溶解が発生し、構造の保持が困難になってしまう。
熱処理の温度は、使用するアルミニウム合金基材の種類などに応じて適宜変更することができるが、典型的には、５５０℃以下で４００℃未満の温度で行うことが好ましい。
【００２４】
次に、本発明のアルミニウム合金製部材の製造方法について説明する。
本発明のアルミニウム合金製部材の製造方法は、上述のようなアルミニウム合金製部材を得る方法である。
本方法では、粒径１００μｍ以下の鉄含有微粒子をアルミニウム合金基材に投射し、投射された鉄含有微粒子よりも微細な鉄と結晶粒径１００ｎｍ以下のアルミニウムを含むナノ複合組織を形成し、その後、アルミニウム合金基材の固相線以下の温度で熱処理し、ナノ複合組織に由来する金属間化合物層を形成する。
ナノ複合組織、鉄含有粒子の投射、金属間化合物層などについては、上述のとおりであり、説明を省略する。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２６】
（ナノ複合組織の形成）
本発明者らは、種々のアルミニウム合金に様々な金属投射材を用いて微粒子ピーニング処理をした結果、表面に複合組織が形成されることを確認している。
まず、アルミニウム合金Ａ２０１７製の試験片（φ２５ｍｍ×５ｍｍ）に、粒径５３μｍ以下の炭素鋼から成る投射材粒子（微粒子）を投射圧０．８ＭＰａで３０秒間投射し、試験片表面に複合組織を形成した。
【００２７】
図１は、上記の炭素鋼微粒子ピーニングを施したアルミニウム試験片の電子線マイクロアナライザー分析（ＥＰＭＡ）による解析写真である。図１（ａ）は反射電子像であり、（ｂ）はアルミニウムの分布、（ｃ）は鉄の分布、（ｄ）は酸素の分布を示している。
図１に示すように、鉄とアルミニウムを含む複合組織が形成されており、投射材粒子（炭素鋼微粒子）に由来する成分の粒子が投射材粒子より微細に分散していることが分かる。
【００２８】
図２は、図１に示した複合組織の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真であり、（ａ）は明視野像、（ｂ）は暗視野像、（ｃ）は制限視野回折パターンを示す。
図２より、通常は５０μｍ程度のアルミニウムの結晶粒が１００ｎｍ以下に微細化していることが分かる。
【００２９】
以上のように、上記炭素鋼粒子による微粒子ピーニングにより形成された複合組織においては、アルミニウム結晶粒径が１００ｎｍ以下であり、鉄等の分散粒子についてはナノメートルサイズの粒子が存在する。よって、本発明では、この複合組織をナノ複合組織と称することにした。
【００３０】
（金属間化合物層を有するアルミニウム合金製部材）
銅を含む展伸用アルミニウム合金Ａ２０１７製の試験片（φ２５ｍｍ×５ｍｍ）に、粒径５３μｍ以下の炭素鋼微粒子による微粒子ピーニング処理を施し、その後、基材であるアルミニウム合金Ａ２０１７の固相線直下の５００℃で熱処理を２４時間行い、本発明の金属間化合物層を有するアルミニウム合金製部材の一実施例（実施例１）を製造した。
【００３１】
図３は、上記の微粒子ピーニング処理及び熱処理で形成されたアルミニウム合金製部材の表面のＥＰＭＡ解析写真である。図３（ａ）反射電子像であり、（ｂ）はアルミニウムの分布、（ｃ）は銅の分布、（ｄ）は鉄の分布、（ｅ）は酸素の分布を示している。
図３から、このアルミニウム合金製部材では、緻密な金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層がＡｌ、Ｃｕ、Ｆｅを主体とする元素から構成されていることが明らかである。
【００３２】
＜性能評価＞
【００３３】
［強度］
ビッカース硬度を測定した。上記の（ナノ複合組織を有するアルミニウム合金製部材）と（金属間化合物層を有するアルミニウム合金部材）とを対比して、表１に示す。
【００３４】
［耐摩耗性］
アルミナ製ボールを用い、荷重を５ｋｇまで徐々に加圧しながらアルミナ製ボールを、上記それぞれのアルミニウム合金製部材製のディスクに押し付けたまま回転させ、ディスク表面を摩耗させるボールオンディスク試験を行った。
得られた結果を、上記の（ナノ複合組織を有するアルミニウム合金製部材）と（金属間化合物層を有するアルミニウム合金部材）とを対比して、表２に示す。
【００３５】
【表１】
2015183214.tif 000002
【００３６】
【表２】
2015183214.tif 000003
【００３７】
表１より、金属間化合物層を有するアルミニウム合金製部材は、ビッカース硬度がナノ複合組織を有するアルミニウム合金製部材より著しく向上していることが分かる。
また、表２から、金属間化合物層を有するアルミニウム合金製部材は、耐摩耗性がナノ複合組織を有するアルミニウム合金製部材より著しく向上していることが分かる。
【００３８】
（金属間化合物層を有するアルミニウム合金製部材（銅０％））
銅元素を含まない工業用純アルミニウム合金に、上記同様の炭素鋼を用いた微粒子ピーニング処理を行った後、５００℃で２４時間熱処理し、金属間化合物層を有するアルミニウム合金製部材を製造した（比較例７）。
【００３９】
図４は、得られたアルミニウム合金製部材（Ｃｕ０％）の表面のＳＥＭ写真（反射電子像）である。
図４から、塊状の金属間化合物が形成されているが空隙が発生しており、強度や耐摩耗性の向上には不十分であることが分かる。これにより、緻密な金属間化合物層を形成させるためには銅元素を含む必要があることが分かる。
【００４０】
（実施例１〜４、比較例１〜７）
各種のアルミニウム合金基材に各種投射材を用いた微粒子ピーニングを施し、場合よって熱処理を施し、各例のアルミニウム合金製部材を得た。
表３に基材種や投射材種などを示す。また、上記同様にビッカース硬度、ボールオンディスク試験及び耐熱性試験を行い、得られた結果を表３に併記した。
【００４１】
【表３】
2015183214.tif 000004
【００４２】
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、Ａ２０１７のようなジュラルミンでは強度が不足する場合には、銅を含む合金で最大高度を示すＡ７０７５においても同様の金属間化合物を形成させることが可能であり、形成されるナノ複合組織及び金属間化合物はＡ２０１７のそれと比べ高強度になると予想される。そのため、基材及び投射材の組み合わせにより、実施例で示したよりも強度及び耐摩耗性の向上が期待される。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明のアルミニウム合金製部材は、強度、耐摩耗性及び耐熱性に優れるので、アルミニウム合金製のケースなどの傷付き防止や、アルミサッシレールの摩耗の抑制など様々な分野に応用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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