(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器（２ａ）が所定の自転軸（３）周りに回転すると同時にその自転軸（３）と交差関係にある所定の公転軸（４）周りにも回転するように構成された自転公転型混合機（２）を用いて、前記容器（２ａ）内に入れた急冷凝固Ａｌ合金粉末と硬質粒子とよりなる原料粉末を調製する工程と、
前記原料粉末よりなるビレット（５）を用いて、多孔ダイス（９）による押出し加工を行う工程と、
押出し材（１３）より切出された素材（１４）および密閉金型を用いて温間鍛造を行う工程とを含むことを特徴とする、Ａｌ基複合部材の製造方法。
【請求項２】
前記急冷凝固Ａｌ合金粉末は４原子％≦ＴＭ≦７原子％、０．５原子％≦Ｘ≦３原子％、１原子％≦Ｓｉ≦３原子％および残部Ａｌよりなり、ＴＭはＦｅおよびＮｉから選択される少なくとも一種であり、またＸはＴｉ、Ｚｒ、Ｍｇおよび希土類元素から選択される少なくとも一種である、請求項１記載のＡｌ基複合部材の製造方法。
【請求項３】
前記硬質粒子はＡｌ2 Ｏ3 粒子であって、その平均粒径Ｄ3 は１．５μｍ≦Ｄ3 ≦１０μｍであり、またその体積分率Ｖｆは０．５％≦Ｖｆ≦２０％に設定される、請求項１または２記載のＡｌ基複合部材の製造方法。
【請求項４】
前記Ａｌ基複合部材は内燃機関用のバルブスプリングリテーナ（１）およびバルブリフタの少なくとも一方である、請求項１，２または３記載のＡｌ基複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＡｌ基複合部材の製造方法、特に、急冷凝固Ａｌ合金粉末と硬質粒子とよりなる原料粉末の調製、その原料粉末よりなるビレットを用いた押出し加工および押出し材より切出された素材を用いた鍛造加工を順次行ってＡｌ基複合部材を得る方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、前記原料粉末の調製に当っては、一般に高エネルギのブレード回転型混合機が用いられている。また押出し加工には、通常１個のダイス孔を有するダイスが用いられ、さらに鍛造加工は、通常熱間にて行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のブレード回転型混合機によると、その高エネルギに起因して、急冷凝固Ａｌ合金粉末と硬質粒子との均一な混合が生じる前に造粒現象が発生するため、混合粉末中には硬質粒子量の多い凝集体が存在する。この凝集体の直径が約２００μｍを超え、また混合粉末中における凝集体の量が混合粉末１kg当り６個を超えると、Ａｌ基複合部材の常温および高温疲労強度、靱性等に悪影響を与える、という問題があった。
【０００４】
また従来の押出し加工法によると、ビレットの直径に対して押出し材の断面寸法が極端に小さい場合、つまり押出し比が大きすぎる場合には、押出し面圧が限界に達し、また押出しがスムーズに行われないことからビレットの温度が低下し、これらに起因して押し詰まりが発生する、という問題があった。
【０００５】
さらに従来の熱間鍛造法によると、素材の加熱温度、つまり鍛造温度を４５０〜５５０℃といったように比較的高く設定しているので、Ａｌ合金マトリックスの材料特性の低下を招き易く、また金型の熱劣化によりその耐久性が損われる、という問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来法における原料粉末の調製、押出し加工および鍛造加工に関する各種問題点を解決することが可能な前記Ａｌ基複合部材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
前記目的を達成するため本発明によれば、容器が所定の自転軸周りに回転すると同時にその自転軸と交差関係にある所定の公転軸周りにも回転するように構成された自転公転型混合機を用いて、前記容器内に入れた急冷凝固Ａｌ合金粉末と硬質粒子とよりなる原料粉末を調製する工程と、前記原料粉末よりなるビレットを用いて、多孔ダイスによる押出し加工を行う工程と、押出し材より切出された素材および密閉金型を用いて温間鍛造を行う工程とを含むことを特徴とする、Ａｌ基複合部材の製造方法が提供される。
【０００８】
ブレード回転型混合機に比べて低エネルギの自転公転型混合機により原料粉末の調製を行うと、局部的なエネルギの集中による造粒現象の発生を回避し、また機内にデッドゾーンが無いこともあって、均一な混合が現出し、これにより硬質粒子を十分に分散させることが可能である。
【０００９】
また押出し加工において多孔ダイスを用いるので、押出し比が大きすぎる場合にも、押出し面圧を下げてスムーズな押出しを行い、これにより押し詰りの発生を回避することが可能である。
【００１０】
さらに鍛造加工においては温間鍛造法を採用するので、鍛造温度が比較的低く、これによりＡｌ合金マトリックスの材料特性の低下を回避すると共に密閉金型の延命を図ることが可能である。その上、密閉金型の使用により歩留りも良好である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、Ａｌ基複合部材としての内燃機関用バルブスプリングリテーナ１を示し、そのバルブスプリングリテーナ１はＡｌ合金マトリックスとそれに均一に分散する硬質粒子とよりなる。
【００１２】
バルブスプリングリテーナ１の製造に当っては、従来のブレード回転型混合機に比べて低エネルギの自転公転型混合機を用いて、急冷凝固Ａｌ合金粉末と硬質粒子とよりなる原料粉末を調製する工程と、原料粉末よりなるビレットを用いて、多孔ダイスによる押出し加工を行う工程と、押出し材より切出された素材および密閉金型を用いて温間鍛造を行う工程とが用いられる。
【００１３】
図２に示すように、低エネルギの自転公転型混合機２は、急冷凝固Ａｌ合金粉末と硬質粒子とを入れた容器２ａが自転軸３周りに回転すると同時にその自転軸３と交差関係にある公転軸４周りにも回転するように構成されたものである。このように、低エネルギの自転公転型混合機１により原料粉末の調製を行うと、局部的なエネルギの集中による造粒現象の発生を回避し、また機内にデッドゾーンが無いこともあって、均一な混合が現出し、これにより硬質粒子を十分に分散させることが可能である。
【００１４】
押出し加工においては次のような手段が採用される。（１）図３に示すように、原料粉末を用いてＣＩＰを行うことにより短円柱状ビレット５を製造する。（２）ビレット５を押出し温度に加熱する。（３）図４に示すように、ビレット５を、押出し機６の加熱されたコンテナ７に装入する。この場合、ダミーブロック８および多孔ダイス９はそれぞれ加熱され、一方、ラム１０およびダイステム１１は加熱されていない。図５に明示するように、多孔ダイス９は周方向に配列された６個のダイス孔１２を有する。（４）多孔ダイス９をダイステム１１により固定した状態において、ラム１０によりコンテナ７、ビレット５およびダミーブロック８を図４、矢印方向に移動させて、６本の押出し材１３を同時に得る。
【００１５】
このように押出し加工において多孔ダイス９を用いると、押出し比が大きすぎる場合にも、押出し面圧を下げてスムーズな押出しを行い、これにより押し詰りの発生を回避することが可能である。
【００１６】
この場合、初期押し詰りの発生を防止するために、多孔ダイス９の温度を比較的高く設定すると共にその温度低下を補正して、初期押出し荷重を低下させることは有効な手段である。また途中押し詰りの発生を防止するために、ダミーブロック８によりビレット５を保温することは有効な手段である。
【００１７】
温間鍛造加工においては、図６に示すように押出し材１３から素材１４を切出し、次いで素材１４に潤滑処理を施し、その後密閉金型を用い、鍛造温度２５０〜３００℃にて鍛造を行って、図７に示すバルブスプリングリテーナ１を得る。
【００１８】
このように温間鍛造法を採用すると、鍛造温度を比較的低く設定してＡｌ合金マトリックスの材料特性の低下を回避し、また密閉金型の延命を図ることが可能である。その上、密閉金型の使用により歩留りも良好である。
【００１９】
前記急冷凝固Ａｌ合金粉末、したがってＡｌ合金マトリックスは４原子％≦ＴＭ≦７原子％、０．５原子％≦Ｘ≦３原子％、１原子％≦Ｓｉ≦３原子％および残部Ａｌよりなり、ＴＭはＦｅおよびＮｉから選択される少なくとも一種であり、またＸはＴｉ、Ｚｒ、Ｍｇおよび希土類元素から選択される少なくとも一種である。
【００２０】
前記硬質粒子はＡｌ2 Ｏ3 粒子であって、その平均粒径Ｄ3 は１．５μｍ≦Ｄ3 ≦１０μｍであり、また                                                                その体積分率Ｖｆは０．５％≦Ｖｆ≦２０％に設定される。
【００２１】
各合金元素の含有量を前記のように特定すると、この組成が高い非晶質相形成能を持つことからＡｌ合金マトリックスの金属組織が均一で、且つ微細となり、これによりＡｌ合金マトリックスは優れた耐熱強度および靱延性を有すると共に高温下において高い疲労強度を有する。
【００２２】
合金元素において、Ｆｅ等のＴＭは耐熱強度向上に寄与する。ただし、ＴＭ含有量がＴＭ＜４原子％では耐熱強度が低くなり、一方、ＴＭ＞７原子％では靱延性が大幅に低下する。
【００２３】
Ｔｉ等のＸおよびＳｉは非晶質相形成能の向上に寄与する。ただし、Ｓｉ含有量がＳｉ＜１原子％であるか、Ｓｉ＞３原子％であると、非晶質相形成能が低下するため靱性および高温下における疲労強度が低下する。
【００２４】
ＴＭ含有量が４原子％≦ＴＭ≦７原子％で、且つＳｉ含有量が１原子％≦Ｓｉ≦３原子％であるとき、ＴＭ含有量とＸ含有量との間に２．３≦ＴＭ／Ｘ≦８の関係を成立させることによって、前記のように優れた特性を持つＡｌ合金マトリックスを構成することができ、このことからＸ含有量は０．５原子％≦Ｘ≦３原子％に設定される。
【００２５】
この場合、マトリックスを構成するＡｌ結晶の平均粒径Ｄ1 はＤ1 ≦１μｍであると共に金属間化合物の平均粒径Ｄ2 はＤ2 ≦０．５μｍである。ただし、Ａｌ結晶の平均粒径Ｄ1 がＤ1 ＞１μｍであるか、金属間化合物の平均粒径Ｄ2 がＤ2 ＞０．５μｍであると、耐熱強度、または耐熱強度および高温下における疲労強度が低下する。
【００２６】
Ａｌ2 Ｏ3 粒子の平均粒径Ｄ3 およびその体積分率Ｖｆを前記のように特定すると、Ａｌ2 Ｏ3 粒子の均一分散ということもあって、Ａｌ合金マトリックスの前記特性をさらに向上させると共に優れた耐摩耗性を有するバルブスプリングリテーナ１を得ることができる。ただし、Ａｌ2 Ｏ3 粒子の平均粒径Ｄ3 がＤ3 ＜１．５μｍでは前記効果が得られず、一方、Ｄ3 ＞１０μｍでは高温下における疲労強度が低下すると共に相手部材の摩耗量が増加する。またＡｌ2 Ｏ3 粒子の体積分率ＶｆがＶｆ＜０．５％では前記効果が得られず、一方、Ｖｆ＞２０％では高温下における疲労強度が低下すると共に相手部材の摩耗量が増加する。
【００２７】
通常、Ａｌ基複合部材におけるＡｌ2 Ｏ3 粒子等の硬質粒子の体積分率Ｖｆは、その分散性を配慮して、１０％程度が上限であるが、本発明においては、原料粉末調製時に硬質粒子の均一分散を達成し得ることから、その体積分率Ｖｆの上限を略２倍に高めることが可能である。
【００２８】
以下、バルブスプリングリテーナ１の製造について具体的に説明する。
【００２９】
Ｉ．原料粉末の調製（図２）
Ａｌ91Ｆｅ6 Ｔｉ1 Ｓｉ2 合金組成（数値の単位は原子％）の溶湯を調製し、次いでこの溶湯を用いたエアアトマイズ法の適用下で急冷凝固Ａｌ合金粉末を製造し、その後、粉末に分級処理を施して粒径７５μｍ以下の粉末を得た。
【００３０】
急冷凝固Ａｌ合金粉末（粒径７５μｍ以下）に、平均粒径Ｄ3 がＤ3 ＝３μｍであるＡｌ2 Ｏ3 粒子を、その体積分率Ｖｆが５％となるように添加し、次いでこれらを低エネルギの自転公転型混合機２内に投入して、次のような条件で原料粉末の調製を行った。即ち、回転数：自転３０rpm 、公転１５rpm ；容量：２０kg／バッチ；雰囲気：アルゴンガス；分散メディア：直径１０mmのアルミナボール（またはジルコニアボール）を５kg；混合時間：３時間．
II．押出し加工（図３〜５）
前記原料粉末を用い、圧力１８０ＭＰａの条件下でＣＩＰを行うことにより直径約１５０mm、長さ約３００mmのビレット５を製造した。
【００３１】
このビレット５を用い、押出し比１１、押出し温度４７５℃、コンテナ温度４５０℃、多孔ダイス温度５３０℃、ダミーブロック温度５３０℃の条件で押出し加工を行って、直径２３mmの６本の押出し材１３を得た。
【００３２】
III ．鍛造加工（図６，７）
押出し材１３から素材１４を切出し、次いで素材１４にＭｏＳ2 を用いた潤滑処理を施し、その後密閉金型を用い、鍛造温度２７０℃にて温間鍛造を行ってバルブスプリングリテーナ１を得た。
【００３３】
前記バルブスプリングリテーナ１に対応する試験片（実施例）と、前記急冷凝固Ａｌ合金粉末のみを用いて温間鍛造により得られたバルブスプリングリテーナに対応する試験片（比較例）について、２３℃（常温）から３００℃（高温）までの温度範囲で回転曲げ疲労試験を行ったところ、表１の結果を得た。
【００３４】
【表１】
0003871805.tif 000002
【００３５】
図１０は表１をグラフ化したものである。図１０から、実施例による試験片は比較例による試験片に比べて常温および高温における疲労強度が高く、バルブスプリングリテーナ１に要求される常温疲労強度２２０ＭＰａ以上および高温（２００℃）疲労強度１９０ＭＰａ以上の両要件をそれぞれ満足していることが明らかである。
【００３６】
通常、前記Ａｌ合金マトリックスにＡｌ2 Ｏ3 粒子を分散させると、その部材の疲労強度はＡｌ合金マトリックスのそれよりも低くなる傾向があるが、実施例による試験片においては、Ａｌ2 Ｏ3 粒子の均一分散による複合効果が発現しているので、前記のような好結果が得られるのである。
【００３７】
また原料粉末の調製に当り、従来のブレード回転型混合機を用いた、ということ以外は前記実施例と同様の方法を行って他の比較例による試験片を製造した。実施例による試験片および他の比較例による試験片について、引張強さ、耐力、シャルピー衝撃値および伸びについて測定を行ったところ、表２の結果を得た。
【００３８】
【表２】
0003871805.tif 000003
【００３９】
表２から明らかなように、実施例１による試験片は、他の比較例による試験片に比べて優れた強度および靱延性を有する。これは次のような理由による。即ち、実施例による試験片においてはＡｌ2 Ｏ3 粒子が均一に分散すると共にそのＡｌ2 Ｏ3 粒子とＡｌ合金マトリックスとが緊密に接触しているが、他の比較例による試験片においてはＡｌ2 Ｏ3 粒子の凝集体が存在して、その内部にＡｌ合金が未充填の微小空隙が発生し、これが欠陥として作用しているからである。
【００４０】
また両試験片について、次のような条件で摩耗試験を行った。試験条件は次の通りである。すべり速度：２ｍ／sec ；荷重：約４９Ｎ；潤滑剤：エンジンオイル；潤滑剤供給量：１０cc／min ；相手材：鋳鉄ディスク．
実施例による試験片の摩耗量は０．０１mm3 であったが、他の比較例による試験片の摩耗量は２．４mm3 であって、この値は前記Ａｌ合金マトリックスのみからなる試験片の摩耗量と略同じであった。このように摩耗量が多いのは、Ａｌ2 Ｏ3 粒子の不均一分散および前記凝集体の存在に起因する。
【００４１】
前記製造方法は内燃機関用バルブリフタ等の製造にも適用される。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のような手段を採用することによって、優れた機械的特性を有するＡｌ基複合部材を量産することが可能な製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  バルブスプリングリテーナの断面図である。
【図２】  自転公転型混合機の概略斜視図である。
【図３】  ビレットの斜視図である。
【図４】  押出し機の断面図である。
【図５】  多孔ダイスの正面図である。
【図６】  押出し材から素材を切出す状態を示す説明図である。
【図７】  バルブスプリングリテーナの斜視図である。
【図８】  試験温度と疲労強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１………バルブスプリングリテーナ（Ａｌ基複合部材）
２………自転公転型混合機
２ａ……容器
３………自転軸
４………公転軸
５………ビレット
９………多孔ダイス
１３……押出し材
１４……素材
【図１】
0003871805.tif 000004
【図２】
0003871805.tif 000005
【図３】
0003871805.tif 000006
【図４】
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【図５】
0003871805.tif 000008
【図６】
0003871805.tif 000009
【図７】
0003871805.tif 000010
【図８】
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