(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金とＡｌ2Ｏ3粒子との複合材料であるアルミニウム基複合材料であって、
前記アルミニウム合金は合金元素としてＦｅ、ＴｉおよびＳｉを含有し残部がＡｌよりなっており、かつＦｅ、ＴｉおよびＳｉの含有量がそれぞれ
４原子％≦Ｆｅ≦６．８原子％
０．５原子％≦Ｔｉ≦１．２原子％
１．５原子％≦Ｓｉ≦２．５原子％であり、Ｆｅ含有量とＴｉ含有量との間に５．６≦Ｆｅ／Ｔｉ≦８の関係が成立し、
前記アルミニウム基複合材料中の前記Ａｌ2Ｏ3粒子の体積分率Ｖｆが０．５％≦Ｖｆ≦１０％であり、かつ水素含有量が１０ｐｐｍ以下であり、硬度がＨＲＢ８４以上であることを特徴とする、アルミニウム基複合材料。
【請求項２】
含有される前記Ａｌ2Ｏ3粒子の平均粒径Ｄ１が１．５μｍ≦Ｄ１≦１０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム基複合材料。
【請求項３】
アルミニウム合金とＡｌ2Ｏ3粒子との複合材料であるアルミニウム基複合材料の製造方法であって、
合金元素としてＦｅ、ＴｉおよびＳｉを含有し残部がＡｌよりなり、Ｆｅ、ＴｉおよびＳｉの含有量がそれぞれ
４原子％≦Ｆｅ≦６．８原子％
０．５原子％≦Ｔｉ≦１．２原子％
１．５原子％≦Ｓｉ≦２．５原子％であり、Ｆｅ含有量とＴｉ含有量との間に５．６≦Ｆｅ／Ｔｉ≦８の関係が成立するアルミニウム合金の粉末をアトマイズ法によって作製する工程と、
前記アルミニウム合金粉末と前記Ａｌ2Ｏ3粒子とを、前記Ａｌ2Ｏ3粒子の体積分率Ｖｆが０．５％≦Ｖｆ≦１０％となるように秤量し混合する工程と、
前記混合粉末を予備成形することにより予備成形体を得る工程と、
前記予備成形体を直接誘導加熱することにより、前記予備成形体の内部温度最低値を２０分以内で３５０℃以上に加熱する工程と、
加熱された前記予備成形体を粉末押出しして複合粉末固化体を作る工程とを備えた、アルミニウム基複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記予備成形体を直接誘導加熱により加熱する工程は、前記予備成形体の加熱速度を１回以上変えることを特徴とする、請求項３に記載のアルミニウム基複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記混合粉末は１５０ＭＰａ以上の加圧力で予備成形される、請求項３に記載のアルミニウム基複合材料の製造方法。
【請求項６】
加熱された前記予備成形体は、７以上の押出し比で粉末押出しされて相対密度９９％以上の前記複合粉末固化体とされる、請求項３に記載のアルミニウム基複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム基複合材料およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バルブスプリングリテーナのような自動車用軽量エンジン部品の構成材料に要求される最重要要件は、その構成材料がエンジン運転中の高温下において優れた疲労強度を有することである。
【０００３】
アルミニウム（Ａｌ）合金からなるエンジン部品について疲労強度を高める技術は、たとえば特開平８−１３４５７５号公報に開示されている。この公報には、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）を所定量含むＡｌ合金において１８０ＭＰａ程度の疲労強度の得られることが記載されている。また、そのＡｌ合金の製造方法として、粉末を冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）により短柱状ビレットとした後、そのビレットを５００℃で３０分間マッフル炉内で保持して脱ガス処理を行なうとともに、５００℃で直接押出し加工を施す方法が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報の材料および方法で得られるＡｌ合金の疲労強度は１８０ＭＰａ程度であり、まだ改善の余地があった。
【０００５】
それゆえ本発明の目的は、高温下において格段に優れた疲労強度を発揮できるアルミニウム基複合材料およびその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは鋭意検討した結果、所定の組成のアルミニウム合金とセラミック粒子との複合材料において、水素含有量、硬度およびセラミック粒子の体積分率を所定範囲とすることにより、高温下において格段に優れた疲労強度の得られることを見出した。
【０００７】
それゆえ、本発明のアルミニウム基複合材料は、アルミニウム合金とセラミック粒子との複合材料であるアルミニウム基複合材料であって、アルミニウム合金は合金元素としてＦｅ、ＴｉおよびＳｉを含有し残部がＡｌよりなっており、かつＦｅ、ＴｉおよびＳｉの含有量がそれぞれ４原子％≦Ｆｅ≦６．８原子％、０．５原子％≦Ｔｉ≦１．２原子％、１．５原子％≦Ｓｉ≦２．５原子％であり、Ｆｅ含有量とＴｉ含有量との間に５．６≦Ｆｅ／Ｔｉ≦８の関係が成立し、アルミニウム基複合材料中のセラミック粒子の体積分率Ｖｆが０．５％≦Ｖｆ≦１０％であり、かつ水素含有量が１０ｐｐｍ以下であり、硬度がＨＲＢ８４以上であることを特徴とする。
【０００８】
これにより、２００℃という高温下においても１９０ＭＰａ以上と格段に優れた疲労強度を実現することが可能となる。
【０００９】
上記のアルミニウム基複合材料において好ましくは、含有されるセラミック粒子の平均粒径Ｄ１が１．５μｍ≦Ｄ１≦１０μｍである。
【００１０】
平均粒径Ｄ１が１．５μｍより小さいと耐摩耗性が劣化し、平均粒径Ｄ１が１０μｍを超えると相手材の摩耗量が大きくなってしまう。
【００１３】
本願発明者らは鋭意検討した結果、上記の疲労強度（１９０ＭＰａ以上）を満たすアルミニウム基複合材料は、セラミック粒子の体積分率を所定値に調整するとともに、押出し温度まで直接誘導加熱で小さい熱履歴となるように加熱することにより得られることを見出した。
【００１４】
それゆえ、本発明のアルミニウム基複合材料の製造方法は、アルミニウム合金とセラミック粒子との複合材料であるアルミニウム基複合材料の製造方法であって、以下の工程を備えている。
【００１５】
まず合金元素としてＦｅ、ＴｉおよびＳｉを含有し残部がＡｌよりなり、Ｆｅ、ＴｉおよびＳｉの含有量がそれぞれ４原子％≦Ｆｅ≦６．８原子％、０．５原子％≦Ｔｉ≦１．２原子％、１．５原子％≦Ｓｉ≦２．５原子％であり、Ｆｅ含有量とＴｉ含有量との間に５．６≦Ｆｅ／Ｔｉ≦８の関係が成立するアルミニウム合金の粉末がアトマイズ法によって作製される。そしてアルミニウム合金粉末とセラミック粒子とが、セラミック粒子の体積分率Ｖｆが０．５％≦Ｖｆ≦１０％となるように秤量し混合される。そして混合粉末が予備成形されることにより予備成形体が得られる。そして予備成形体を直接誘導加熱することにより、予備成形体の内部温度最低値が２０分以内で３５０℃以上に加熱される。そして加熱された予備成形体が粉末押出しされて複合粉末固化体が作られる。
【００１６】
本発明では直接誘導加熱が用いられている。この直接誘導加熱では、誘導電流が流れる経路中では粉末同士の接合面の電気抵抗が高いため、粉末表面が優先的に加熱される。一方、従来技術のＡｒ（アルゴン）雰囲気中での加熱ではそのようなことがない。よって、直接誘導加熱の方が水分の蒸発が起きやすいため水素量を少なくすることができ、ゆえに１０ｐｐｍ以下の水素含有量を実現することができる。
【００１７】
なお、アルミニウム基複合材料内の水素の由来は、粉末表面に存在する結晶水と吸着水が加熱によって完全には蒸発しきらずにプリフォーム中に残って分解したものである。
【００１８】
本発明では、押出し温度（３５０℃以上）に加熱するのを２０分以内で行なっており、その熱履歴は従来例のものに比べて小さい。このため、この加熱の際に組織が粗大化せずに小さいため、硬度をＨＲＢ８４以上と高くすることができる。
【００１９】
特にプリフォームサイズの小さい場合には本願の加熱方法と従来の加熱方法との間にあまり大きな差はないが、プリフォームサイズが大きい場合には熱履歴の差が大きくなり熱履歴の小さい本願の方が硬くなる。
【００２０】
疲労強度は、繰返し応力負荷によりミクロな亀裂が口をあけたり閉じたりしながら進展する速さで決まる。材料中の水素は亀裂の閉口を阻害するので、水素量が多いと疲労強度は低くなってしまう。また、一般的に硬さが大きい程、疲労強度は高くなる。
【００２１】
セラミック粒子は言ってみればアルミニウム合金中の異物のようなものなので体積分率が大きくなり過ぎると疲労亀裂が進展しやすくなり、疲労強度が低下する。一方、セラミック粒子の体積分率が低くなりすぎると、耐摩耗性が劣化してしまう。このため本発明では、セラミック粒子の体積分率Ｖｆは０．５％≦Ｖｆ≦１０％に調整されている。
【００２２】
このように直接誘導加熱を用いるとともに熱履歴を小さくし、かつセラミック粒子の体積分率を所定範囲に調整しているため、所定の水素量と硬度とを実現することができ、ゆえに高温下においても１９０ＭＰａ以上と格段に優れた疲労強度を得ることが可能となる。
【００２３】
上記のアルミニウム基複合材料の製造方法において好ましくは、予備成形体を直接誘導加熱により加熱する工程は、予備成形体の加熱速度を１回以上変えることを特徴とする。
【００２４】
このように加熱速度をたとえば前半では速くし、後半では遅くした場合、前半では加熱速度が速いため加熱時間を短縮することができ、後半では加熱速度が遅いため成形体の温度分布（温度むら）を小さくすることができる。このため、大型の被加熱物を均熱性が高く、かつ短時間で加熱することが可能となる。
【００２５】
上記のアルミニウム基複合材料の製造方法において好ましくは、混合粉末は１５０ＭＰａ以上の加圧力で予備成形される。１５０ＭＰａ未満の加圧力では、予備成形体の電気抵抗が大きくなりすぎて、適切な加熱速度を得るのが難しい。
【００２６】
上記のアルミニウム基複合材料の製造方法において好ましくは、加熱された予備成形体は、７以上の押出し比で粉末押出しして相対密度９９％以上の複合粉末固化体とされる。７未満の押出し比または相対密度９９％未満では高疲労強度を得るのが難しい。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。
【００２８】
実施例１
（本発明例１〜６の作製方法および評価方法）
図１と図２とは、本発明例１〜３と４〜６との製造方法を示す図である。
【００２９】
図１を参照して、表１の１〜３の各種組成の溶湯を調製し、次いで各溶湯を用い、エアアトマイズ法を使って各種粉末を製造し、その後各粉末に分級処理を施して粒径が９０μｍ以下のアルミニウム合金粉末を得た（ステップＳ１）。次に各アルミニウム合金粉末とＡｌ2 Ｏ3 粒子とをＶ型ブレンダを用いて十分に混合した（ステップＳ２）。Ａｌ2 Ｏ3 粒子は平均粒径２．６μｍで混合比率が５体積％となるように秤量調整した。
【００３０】
各混合粉末を用い、圧力１８００ｋｇｆ／ｃｍ2 の条件で冷間静水圧プレスを行ない直径７８ｍｍ、長さ８０ｍｍの短柱状ビレット（本発明例１〜３）と直径１８０ｍｍ、長さ２７０ｍｍの円柱状ビレット（本発明例４〜６）とを成形した（ステップＳ３）。本発明例１〜３および本発明例４〜６の各々の違いは合金組成が１〜３と異なることである。
【００３１】
各ビレットを大気中に置かれた高周波コイル中に設置し、周波数３ｋＨｚで直接誘導加熱してビレット表面温度が２０℃から５００℃に４分間（本発明例１〜３）でほぼ一定の昇温速度で加熱し脱ガスし（ステップＳ４）、直ちに間接押出し加工を施して押出し材であるアルミニウム基複合材料を得た（ステップＳ５）。
【００３２】
また図２を参照して、本発明例４〜６では同じ加熱装置で、ビレット表面温度が２０℃から４６０℃まで１２分間で昇温し（ステップＳ４１）、引き続き４６０℃から５００℃に３分間で昇温して加熱脱ガスし（ステップＳ４２）、直ちに間接押出し加工を施して押出し材であるアルミニウム基複合材料を得た。
【００３３】
加工条件は本発明例１〜３ではコンテナ温度４００℃、ダイス温度４５０℃、コンテナ内径８０ｍｍ、ダイスはダイス孔が直径２３ｍｍのものを用い、押出し比１２．１に設定した。本発明例４〜６ではコンテナ温度４００℃、ダイス温度４５０℃、コンテナ内径１９０ｍｍ、ダイスはダイス孔が直径２３ｍｍのものを同一円周上に６０度おきに６ケ設置したものを用い、押出し比１１．３に設定した。
【００３４】
各種アルミニウム基複合材料より各種試験片を作製し、それら試験片を用いて、室温における引張り試験、シャルピー衝撃試験、硬度試験（ロックウェルＢスケール）、２００℃における引張り試験および２００℃における疲労試験を行なった。ただしシャルピー衝撃試験用の試験片は、ノッチなしの平滑なものであり、また疲労試験は試験片に一定の引張り−圧縮繰返し応力を付与し、応力繰返し数１０7 回で破断したときの引張り−圧縮繰返し応力を疲労耐久強度とした。
【００３５】
またアルミニウム基複合材料中の水素量を化学分析により定量した。
（比較例７〜１５の作製方法および評価方法）
本発明例１〜６と同様の手順で複数の円柱状ビレットを成形した。比較例７〜９では直径７８ｍｍ、長さ８０ｍｍの短柱状ビレットを、比較例１０〜１５では直径１８０ｍｍ、長さ２７０ｍｍの円柱状ビレットを作製し、以下の工程に用いた。
【００３６】
比較例７〜１２のビレットを５００℃のオーブン炉中に投入し昇温した。そして、５００℃到達後、これらのビレットをＡｒフロー雰囲気中に３０分間加熱保持して脱ガス処理した後に押出しを行なった。比較例１３〜１５のビレットは内径１８２ｍｍ、高さ２７５ｍｍの純アルミニウム製の缶に入れ、ロータリポンプによる缶内の真空引きを行ないながら５００℃のオーブン炉に入れて昇温し、５００℃到達後に３０分間の脱ガス処理を行なった後、排気用のパイプを塞いで後の押出しに用いた。
【００３７】
２０℃から５００℃までの昇温には、比較例７〜９で４０分、比較例１０〜１２で１２０分、比較例１３〜１５で１３０分かかった。加熱保持終了後、直ちに間接押出し加工を施して押出し材であるアルミニウム基複合材料を得た。
【００３８】
加工条件はビレット形状に従って、直径７８ｍｍ、長さ８０ｍｍの短柱状ビレットを使った比較例７〜９では本発明例１〜３と同様とし、直径１８０ｍｍ、長さ２７０ｍｍの円柱状ビレットを使った比較例１０〜１５では本発明例４〜６と同様とした。
【００３９】
アルミニウム基複合材料の機械的特性、複合材料中の水素量評価は本発明例１〜６と同様に行なった。
【００４０】
本発明例１〜６および比較例７〜１５の評価の結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
0003967826.tif 000002
【００４２】
表１の結果より、室温での硬さがＨＲＢ８４以上かつ含有水素量が１０ｐｐｍ以下を満足するアルミニウム基複合材料では、２００℃での疲労耐久強度が１９０ＭＰａ以上と格段に高いことがわかる。
【００４３】
一方、ＨＲＢ８４以上または含有水素量が１０ｐｐｍ以下のいずれか一方を満足しない比較例７〜１５では、疲労耐久強度が１８０ＭＰａ未満であり、本発明例に比べ疲労強度が低いことがわかる。
【００４４】
（比較例１６〜２７の作製方法および評価方法）
次に、上記の本発明例のうち本発明例１と同様の手順で複数の円柱状ビレット（直径７８ｍｍ、長さ８０ｍｍ）を成形し以下の工程に用いた。本発明例１との違いはアルミニウム合金組成を以下の表２に示すように本願発明の範囲外の合金組成４〜９としたことである。
【００４５】
比較例１６〜２１では各ビレットを５００℃のオーブン炉中に投入し昇温した。２０℃から５００℃までの昇温には４０分かかった。そして、これらビレットをＡｒフロー雰囲気中に３０分間加熱保持して脱ガス処理した。
【００４６】
一方、比較例２２〜２７では各ビレットを大気中に置かれた高周波コイル中に設置し、周波数３ｋＨｚで直接誘導加熱してビレット表面温度が２０℃から５００℃に４分間で昇温して加熱脱ガスした。加熱保持終了後、直ちに間接押出し加工を施して押出し材であるアルミニウム基複合材料を得た。
【００４７】
加工条件は比較例１６〜２１では比較例７〜９と同様であり、比較例２２〜２７では本発明例１〜３と同様とした。
【００４８】
アルミニウム基複合材料の機械的特性、合金中の水素量評価は上述と同様の手順で行なった。
【００４９】
この評価の結果を表２に示す。
【００５０】
【表２】
0003967826.tif 000003
【００５１】
表２の結果によれば、本願発明の範囲外の合金組成では本願発明に比べ、耐熱疲労強度が低いことがわかる。
【００５２】
実施例２
本発明例１〜３と同様にしてアルミニウム基複合材料を作製した。ただしアルミニウム合金の組成はＡｌ91Ｆｅ6 Ｔｉ1 Ｓｉ2 とし、添加・混合するＡｌ2 Ｏ3 粒子の体積分率および、平均粒径を変化させた材料を種々準備した。本発明例１〜３での評価に加え、チップオンディスク摩耗試験も併せて行なった。摩耗試験条件は次のとおりである。試験片寸法は縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ５ｍｍ、ディスク材質はシリコンクロム鋼（ＪＩＳ  ＳＷＯＳＣ、浸炭材）、ディスク直径１３５ｍｍ、ディスク回転速度２５ｍ／ｓｅｃ、試験片の押圧力２００ｋｇｆ、潤滑油供給量５ｃｃ／ｍｉｎ、摺動距離１８ｋｍとした。摩耗量として試験片の厚さ減少量を測定した。その結果を表３に示す。
【００５３】
【表３】
0003967826.tif 000004
【００５４】
表３の結果から、本願範囲内のＡｌ2Ｏ3粒子の粒径および体積分率である本発明例２９〜３１および本発明例３４〜３６では靱性、耐熱疲労強度、耐摩耗性および相手攻撃性のすべての特性で良好であり、要求を満足することがわかる。それに対して、体積分率が１０％よりも高い比例例３２では耐熱疲労強度が低く、平均粒径が１．５μｍよりも小さい本発明例３３では耐摩耗性が低く、平均粒径が１０μｍよりも大きい本発明例３７では相手攻撃性が高くなることがわかる。
【００５５】
以上から、混合するセラミック粒子（Ａｌ2 Ｏ3 粒子）の体積分率Ｖｆを０．５％≦Ｖｆ≦１０％とすることにより、耐熱疲労強度に優れ、かつ耐摩耗性の高いアルミニウム基複合材料が得られることがわかる。またセラミック粒子の平均粒径Ｄ１が１．５μｍ≦Ｄ１≦１０μｍであれば、耐摩耗性が高く、かつ相手攻撃性が低いアルミニウム基複合材料が得られることがわかる。
【００６６】
今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアルミニウム基複合材料では、セラミック粒子の体積分率、水素含有量および硬度が所定値を満たすため、１９０ＭＰａ以上と格段に高い耐熱疲労強度を実現することができる。このため、高温下で運転するエンジンに用いられる構成部材などに、この材料を広く用いることができる。
【００６８】
また本発明のアルミニウム基複合材料の製造方法では、セラミック粒子の体積分率、直接誘導加熱および熱処理温度・時間を規定したことにより、上記のアルミニウム基複合材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアルミニウム基複合材料の製造方法を示す図である。
【図２】本発明のアルミニウム基複合材料の製造方法の一部を示す図である。
【図１】
0003967826.tif 000005
【図２】
0003967826.tif 000006