(57)【要約】【課題】自動車用エンジンピストンなど、高負荷で使用される摺動部品向けの鍛造品として、耐摩耗性及び高温強度が優れたアルミニウム合金粉末鍛造品が得られるようなアルミニウム合金粉末、及びそのアルミニウム合金粉末を用いた、耐摩耗性及び高温強度が優れた摺動部品用アルミニウム合金鍛造品を提供する。【解決手段】Ｓｉ：１０．０〜１９．０％、Ｍｎ：３．０〜１０．０％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなり、Ｓｉ結晶粒の大きさが平均で１５μｍ以下である摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末。またＣｕ：０．５〜１０．０％およびＭｇ：０．２〜３．０％を含んでいてもよい。さらにその粉末の押出材を熱間鍛造してなる摺動部品用アルミニウム合金鍛造品。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｓｉ：１０．０〜１９．０％、
Ｍｎ：３．０〜１０．０％
を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなり、
かつＳｉ結晶粒の大きさが平均で１５μｍ以下であることを特徴とする摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末。
【請求項２】
さらに、質量％で、Ｃｕ：０．５〜１０．０％およびＭｇ：０．２〜３．０％を含むことを特徴とする請求項１に記載の摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末。
【請求項３】
さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂのうちの１種又は２種以上を、質量％で、それぞれ０．０１〜５．０％含むことを特徴とする請求項１、請求項２のいずれかの請求項に記載の摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかの請求項に記載の摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末を製造する方法であって、
請求項１〜請求項３のいずれかの請求項に記載された成分組成の合金の溶湯を溶製し、その溶湯をアトマイズ法によって急冷凝固させて粉末化することを特徴とする摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末の製造方法。
【請求項５】
アルミニウム合金粉末の押出材を熱間鍛造してなる摺動部品用アルミニウム合金鍛造品であって、
質量％で、
Ｓｉ：１０．０〜１９．０％、
Ｍｎ：３．０〜１０．０％
を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなり、
かつＳｉ結晶粒の大きさが平均で１５μｍ以下であることを特徴とする摺動部品用アルミニウム合金鍛造品。
【請求項６】
さらに、質量％で、Ｃｕ：０．５〜１０．０％およびＭｇ：０．２〜３．０％のうちの１種又は２種を含むことを特徴とする請求項５に記載の摺動部品用アルミニウム合金鍛造品。
【請求項７】
さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂのうちの１種又は２種以上を、質量％で、それぞれ０．０１〜５．０％含むことを特徴とする請求項５、請求項６のいずれかの請求項に記載の摺動部品用アルミニウム合金鍛造品。
【請求項８】
請求項１〜請求項３のいずれかの請求項に記載の摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧縮成形工程と、
得られた圧粉体を熱間押出しして、押出材を得る押出工程と、
前記押出材を熱間鍛造して、Ｓｉ結晶粒の大きさが平均で１５μｍ以下である鍛造品を得る鍛造工程と
を有することを特徴とする摺動部品用アルミニウム合金鍛造品の製造方法。
【請求項９】
前記アルミニウム合金粉末が、質量％で、Ｃｕ：０．５〜１０．０％およびＭｇ：０．２〜３．０％を含む場合に、
前記鍛造工程の後、さらに鍛造品に溶体化処理を施し、焼入れして時効処理を施すことを特徴とする請求項８に記載の摺動部品用アルミニウム合金鍛造品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車などの内燃機関に使用されるエンジンピストン等、高温下で高速で摺動する部品として使用されるアルミニウム合金鍛造品、とりわけ粉末の押出材を熱間鍛造して得られる鍛造品に適したアルミニウム合金粉末、及びそのアルミニウム合金粉末の製造方法、さらにそのアルミニウム合金粉末を用いた摺動部品用アルミニウム合金鍛造品、及びそのアルミニウム合金鍛造品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のエンジンピストンは、高温下でシリンダに対し高速で摺動する部材であり、そこで優れた耐摩耗性が要求されるとともに、強度、とりわけ高温強度に優れていることが求められ、また耐焼付性にも優れていることが必要である。
一方、自動車部品としては、近年の自動車業界における燃費向上の要請から、軽量化、高機能化の要求が高まってきている。そこで自動車用のエンジンピストンの材料としても、従来の一般的な鉄鋼材や鋳鉄材に代えて、軽量なアルミニウム合金を使用する傾向が強まっている。
【０００３】
各種アルミニウム合金のうちでも、Ｓｉを約１０質量％以上含有しているＡｌ−Ｓｉ系合金、すなわち共晶組成〜過共晶組成の高Ｓｉのアルミニウム合金は、熱膨張係数が小さく、優れた耐摩耗性を有していることから、自動車用エンジンの材料として従来から用いられている。
しかしながら、Ｓｉを多量に含むこの種のＡｌ-Ｓｉ系合金は、従来一般には溶解―鋳造法によって製造されているため、鋳造欠陥を完全に防止することは困難であり、また初晶Ｓｉが粗大に晶出したり、偏析することがあるため、強度および靱性の低下をもたらしており、そのため自動車用エンジンの材料として満足できるものではなかった。またこの種の高ＳｉのＡｌ−Ｓｉ系合金は、合金元素の種類や添加量に制限があるため、飛躍的に特性を向上させた合金の開発には限界があった。
【０００４】
そこで、アトマイズ法により得られた高ＳｉのＡｌ−Ｓｉ系合金粉末を用い、いわゆる粉末冶金法を適用して得られた材料を自動車用エンジンの材料として使用することが考えられている。アトマイズ法によれば、急冷凝固によって微細・均一な組織を有するアルミニウム合金粉末を得ることができ、なおかつ多量の合金元素の添加が可能である。すなわち、アトマイズ法では、アルミニウム合金溶湯を１０３〜１０５℃／秒程度の高い冷却速度で急冷凝固させることができ、そのため合金構成元素の凝固時の拡散を抑制して、結晶粒や析出物の粗大化を抑制することができ、さらに平衡相や準安定相の出現抑制により、合金元素の固溶量、とりわけＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎで代表される遷移元素の固溶量の拡大が可能となる。
【０００５】
従来から、高負荷のエンジンピストン等に要求される高温高強度を有する材料を得るための一つの手法として、共晶組成〜過共晶組成でかつ高融点金属であるＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の遷移元素を比較的多量に添加したＡｌ−Ｓｉ系の高Ｓｉアルミニウム合金の粉末を、アトマイズ法により製造し、そのアトマイズ法による急冷凝固粉末を、粉末冶金法により圧縮成形、押出、鍛造した鍛造品を自動車用エンジンなど高負荷での耐摩耗性材料として使用することが、例えば特許文献１等によって提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−２６６００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記の特許文献１の技術では、強度改善のための合金元素として、遷移元素であるＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎのいずれか１以上を添加することとしているが、本発明者等の実験・検討によれば、これらの遷移元素のうち、Ｆｅ又は／及びＮｉを用いた場合には、最終的な鍛造後の摺動部品として、必ずしも十分な耐摩耗性及び高温強度は得られないことが判明した。もちろん、Ｆｅ又は／及びＮｉの添加量を増加すれば耐摩耗性及び高温強度を高めることは可能であるが、その場合には材料が脆くなって、鍛造等において割れが発生する問題があり、したがって、むやみにＦｅ又は／及びＮｉの添加量を増加させることは避けなければならない。
【０００８】
なお、上記の特許文献１の場合、主として押出材での特性評価を行っており、押出後に鍛造を施した鍛造品の評価はほとんど行っていない。エンジンピストンを押出材から製造する場合、総削りを行う場合もあるが、メタルフローが製品形状に沿った流れを示す鍛造品の方が特性に優れ、なお且つコスト面でも有利なため、鍛造品の段階での評価が重要な要素となるが、上記のように特許文献１では鍛造品段階での評価はほとんど行っていないため、鍛造品としてエンジンピストンに最適であるか否かは不明である。
【０００９】
また、Ｆｅ又は／及びＮｉを多量に添加した場合には、次のような別の問題も発生することが確認されている。
【００１０】
すなわち、Ｎｉは高価な元素であるから、Ｎｉを添加した場合には材料コストの上昇を招き、一方Ｆｅは、アトマイズのための合金溶製時において鉄製治具などから溶湯中に混入することが多い元素であり、そのためＦｅを特性性改善のための合金添加元素として使用すれば、合金中のＦｅ量の厳密な制御が困難となるおそれがある。さらに、Ｆｅ、Ｎｉは高融点であるため、アトマイズのための合金溶湯の溶製温度を高くしなければならず、そのためコスト上昇や耐火物の問題が生じやすい。またＦｅ、Ｎｉは、ＡｌやＳｉと比較してその比重が大きく、そのためＦｅ、Ｎｉを多量に添加すれば、軽量性が要求される自動車用エンジンピストンの用途には不利となる。
【００１１】
本発明は、以上の事情を背景としてなされたもので、前述のような問題を招くことなく、自動車用エンジンピストンなど、高負荷で使用される摺動部品向けの鍛造品として、耐摩耗性及び高温強度が優れたアルミニウム合金粉末鍛造品が得られるようなアルミニウム合金粉末、及びそのアルミニウム合金粉末を用いた、耐摩耗性及び高温強度が優れた摺動部品用アルミニウム合金鍛造品を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述の課題を解決するべく、本発明者等が種々事件・検討を重ねたところ、アトマイズ法により得られたＡｌ−Ｓｉ系合金粉末を圧縮成形、押出、熱間鍛造して得られる鍛造品の特性としては、遷移元素であるＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎのうち、Ｍｎを添加した場合は、Ｆｅ、Ｎｉを添加した場合と比較して、同じ添加量でも、格段に優れた耐摩耗性及び高温強度が得られることを見い出した。すなわち、自動車用エンジンピストン等の高負荷で使用される摺動部品としては、遷移元素としてＭｎを添加した場合には、Ｆｅ、Ｎｉを添加した場合よりも格段に優位となることが知見された。
【００１３】
さらに、Ｍｎを使用すれば、Ｎｉを添加した場合の材料コストの上昇の問題を招くことが回避されるとともに、Ｆｅを添加した場合の鉄製治具などから溶湯中に混入するＦｅによる問題も招くことがないことを認識した。またＭｎは、Ｆｅ、Ｎｉと比較して低融点であるため、アトマイズのための合金溶湯の溶製温度を高くする必要もないこと、しかもＭｎは、Ｆｅ、Ｎｉと比較してその比重が小さく、そのため軽量性が要求される自動車用エンジンピストンの用途に有利となる。
このように、自動車用エンジンピストンなどの摺動部品向けの共晶組成〜過共晶組成の高ＳｉのＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金粉末としては、特性改善のための添加元素（遷移元素）として、Ｆｅ又は／及びＮｉではなく、もっぱらＭｎを使用することが有利であることを知見し、本発明をなすに至った。
【００１４】
したがって本発明の基本的な態様（第１の態様）による摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末は、
質量％で、
Ｓｉ：１０．０〜１９．０％、
Ｍｎ：３．０〜１０．０％
を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなり、
かつＳｉ結晶粒の大きさが平均で１５μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１５】
また本発明の第２の態様による摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末は、
第１の態様において、さらに、質量％で、Ｃｕ：０．５〜１０．０％およびＭｇ：０．２〜３．０％を含むことを特徴とする。
【００１６】
さらに本発明の第３の態様による摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末は、
第１もしくは第２の態様において、さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂのうちの１種又は２種以上を、質量％で、それぞれ０．０１〜５．０％含むことを特徴とする。
【００１７】
また本発明の第４の態様は、
第１〜第３のいずれかの態様の摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末を製造する方法であって、
第１〜第３のいずれかの態様に記載された成分組成の合金の溶湯を溶製し、その溶湯をアトマイズ法によって急冷凝固させて粉末化することを特徴とする。
【００１８】
さらに本発明の第５の態様は、
アルミニウム合金粉末の押出材を熱間鍛造してなる摺動部品用アルミニウム合金鍛造品であって、
質量％で、
Ｓｉ：１０．０〜１９．０％、
Ｍｎ：３．０〜１０．０％
を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなり、
かつＳｉ結晶粒の大きさが平均で１５μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１９】
さらに本発明の第６の態様の摺動部品用アルミニウム合金鍛造品は、
第５の態様において、
さらに、質量％で、Ｃｕ：０．５〜１０．０％およびＭｇ：０．２〜３．０％のうちの１種又は２種を含むことを特徴とする。
【００２０】
また本発明の第７の態様の摺動部品用アルミニウム合金鍛造品は、
第５、第６のいずれかの態様において、
さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂのうちの１種又は２種以上を、質量％で、それぞれ０．０１〜５．０％含むことを特徴とする。
【００２１】
また本発明の第８の態様の摺動部品用アルミニウム合金鍛造品の製造方法は、
第１〜第３のいずれかの態様の摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧縮成形工程と、
得られた圧粉体を熱間押出しして、押出材を得る押出工程と、
前記押出材を熱間鍛造して、Ｓｉ結晶粒の大きさが平均で１５μｍ以下である鍛造品を得る鍛造工程と
を有することを特徴とするものである。
【００２２】
さらに本発明の第９の態様の摺動部品用アルミニウム合金鍛造品の製造方法は、
前記アルミニウム合金粉末が、質量％で、Ｃｕ：０．５〜１０．０％およびＭｇ：０．２〜３．０％を含む場合に、
前記鍛造工程の後、さらに鍛造品に溶体化処理を施し、焼入れして時効処理を施すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、自動車用エンジンピストンの如く、高負荷で使用される摺動部品向けのアルミニウム合金粉末鍛造品として、耐摩耗性及び高温強度が優れたものを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の鍛造品の製造プロセスの一例の全体を概略的に示すフロー図である。
【図２】本発明の実施例における鍛造前後の状況を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末とその製造方法、及び摺動部品用アルミニウム合金鍛造品とその製造方法の実施形態について、詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は例示に過ぎず、本発明がこれらの実施形態に限定されないことはもちろんである。
【００２６】
先ずアルミニウム合金粉末の成分組成について説明する。
本発明の摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末は、基本的には、必須合金成分として、Ｓｉ：１０．０〜１９．０％と、Ｍｎ：３．０〜１０．０％とを含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなるものである。また必要に応じて、上記の必須成分のほか、さらにＣｕ：０．５〜１０．０％およびＭｇ：０．２〜３．０％を含んでいてもよい。さらに、必要に応じて、上記の必須成分のほか、もしくは上記の必須成分とＣｕ及びＭｎのほか、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂのうちの１種または２種以上が、それぞれ０．０１〜５．０％含有されていてもよい。そこで次にこれらの合金元素の限定理由を説明する。なおここで、各成分についての「％」は、全て質量％を意味する。
【００２７】
＜Ｓｉ：１０．０〜１９．０％＞
Ｓｉは、本発明のアルミニウム合金粉末で基本的に重要な元素であって、Ａｉ−Ｓｉ系の共晶〜過共晶域のＳｉを含有することによって、Ｓｉ晶出物（初晶Ｓｉ、共晶Ｓｉ）を多量に晶出させ、特に微細なＳｉ晶出物によって耐摩耗性向上に寄与し、また強度向上に寄与する。Ｓｉ量が１０％未満では、Ｓｉ晶出物の量が少なくなって耐摩耗性および強度の低下をもたらし、１９％を超えれば、粗大な初晶Ｓｉが晶出して強度の低下をもたらすとともに、材料の脆化をもたらして、鍛造性が低下する。そこで、高い耐摩耗性と強度、特に高温強度を得ると同時に、鍛造性を両立させるため、Ｓｉ量は１０．０〜１９．０％の範囲内とした。なおＳｉ量は、特に１２％〜１６％の範囲内が望ましい。
【００２８】
＜Ｍｎ：３．０〜１０．０％＞
Ｍｎは、遷移金属として金属間化合物を生成し、分散強化によって耐摩耗性、高温強度を向上させるために寄与する。既に述べたように、高ＳｉのＡｌ−Ｓｉ系合金の強度向上のために、ＦｅやＮｉを添加することがあるが、本発明者等の実験、検討によれば、Ｆｅ、Ｎｉを添加するよりも、Ｍｎを添加した場合の方が、耐摩耗性向上効果が格段に大きいことが判明している。またそればかりでなく、高温強度の向上効果も、Ｍｎを用いれば、Ｆｅ、Ｎｉの添加による向上効果よりも顕著となることが確認されている。さらに、Ｍｎは安価であることから、高価なＮｉを添加した場合のような材料コストの上昇を招くことはなく、またＭｎは、合金の溶製時などにおいて混入することが少なく、そのため合金のＭｎ量の厳密な制御が容易となる。またＭｎは、Ｆｅ、Ｎｉと比較して低融点であるため、アトマイズのための合金溶湯の溶製温度を高くする必要もない。さらにＭｎは、Ｆｅ、Ｎｉよりも低比重であるため、材料の軽量化のためには、Ｆｅ、ＮｉよりもＭｎを添加することが有利であり、特に軽量性が要求される自動車用エンジンピストンの用途には有利となる。これらの観点から、本発明においては、Ｆｅ、Ｎｉは積極的には添加せず、Ｍｎを添加することによって耐摩耗性、高温強度の向上を図ることとしている。
【００２９】
ここで、Ｍｎ量に関しては、３．０％を下回れば、金属間化合物による分散強化が十分に図れない。一方、Ｍｎ量が１０．０％を超えれば、硬さや耐摩耗性が却って低くなり、成形体において材質が脆くなる傾向がある。そこでＭｎ量は３．０〜１０．０％の範囲内とした。なおＭｎ量は、上記の範囲内でも、特に６．０〜８．０％の範囲内が好ましい。
【００３０】
＜Ｃｕ：０．５〜１０．０％＞
Ｃｕは、Ｍｇと共働して合金に時効硬化性を付与するに有効な元素である。したがってＭｇとともにＣｕを添加しておけば、熱処理型合金として、鍛造材に溶体化処理―焼入れ、時効硬化処理を施して、常温及び高温強度を向上させるために有効に機能する。
Ｃｕ量の含有量が０．５％未満では、充分な時効硬化性が得られず、そのため強度向上の効果が少ない。一方Ｃｕ量が１０％を越えれば、押出加工性が劣化する。したがってＣｕ含有量は０．５〜〜１０％の範囲内とした。なおＣｕ量は、上記の範囲内でも、特に２．０〜５．０％の範囲内が好ましい。
【００３１】
＜Ｍｇ：０．２〜３．０％＞
Ｍｇは、前述のようにＣｕと共働して合金に時効硬化性を付与するに有効な元素である。したがってＣｕとともにＭｇを添加しておけば、熱処理型合金として、鍛造材に溶体化処理―焼入れ、時効硬化処理を施して、常温及び高温強度を向上させるために有効に機能する。
Ｍｇ量の含有量が０．２％未満では、充分な時効硬化性が得られず、そのため強度向上の効果が少ない。一方Ｍｇ量が３．０％を越えれば、押出加工性が劣化する。したがってＣｕ含有量は０．２〜〜３．０％の範囲内とした。なおＭｇ量は、上記の範囲内でも、特に１．０〜２．０％の範囲内が好ましい。
【００３２】
＜Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂのうちの１種または２種以上：０．０１〜５．０％＞
これらの元素は、いずれもアルミニウム中での拡散速度が遅いため、合金の耐熱性を改善して高温強度を顕著に向上させる効果を示す。ここで、これらのいずれの元素も、その含有量が０．１未満では、上記の効果が充分に得られず、一方０．５％を超えれば、材質が脆くなる傾向を示す。なおこれらの元素の２種以上を含有させる場合の合計量は、８．０％以下とすることが好ましい。
【００３３】
なお、Ｃｕ及びＭｇと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂのうちの１種または２種以上とは、いずれか一方のみを含有させても、また両者を同時に含有させてもよい。
【００３４】
以上の各元素のほかは、基本的にはＡｌ及び不可避的不純物とすればよい。なお、本発明において、Ｆｅ、Ｎｉは、基本的には不純物扱いとしており、通常は、Ｆｅは１．０％以下、ＮＩは１．０％以下に規制することが好ましい。ただし、場合によっては、Ｆｅ３．０％未満、Ｎｉ２．０％未満の範囲内でＦｅ、Ｎｉのいずれか一方もしくは双方を含有することも許容される。
【００３５】
さらに本発明の摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末においては、粉末粒子中のＳｉ結晶粒が平均で１５μｍ以下であることが必要である。ここで、粉末粒子中のＳｉ結晶粒とは、Ｓｉ単体の結晶粒であって、初晶Ｓｉ、共晶Ｓｉの両者を含む。これらのＳｉ結晶粒のうち、初晶Ｓｉは、粗大なものとなりやすいが、平均で１５μｍ以下に規制することにより、後述するように圧縮成形、押出、熱間鍛造後の材料（鍛造品）としても、Ｓｉ結晶粒を平均で１５μｍ以下の微細なものに抑えることが容易となり、その結果、耐摩耗性の向上、強度、高温強度の向上を図ることが可能となる。粉末粒子中のＳｉ結晶粒が平均で１５μｍを超えれば、圧縮成形、押出、熱間鍛造後の鍛造品におけるＳｉ結晶粒が粗大となり、耐摩耗性、強度、高温強度を充分に向上させることが困難となる。
【００３６】
なおアルミニウム合金粉末粒子の粒径は特に限定しないが、通常は平均で３０〜７０μｍ程度が好ましい。平均粒径が３０μｍ未満では、歩留まりが著しく低下し、一方７０μｍを超えれば、粗大な酸化物および異物が混入するおそれがある。
【００３７】
ここで、上記のように高ＳｉのＡｌ−Ｓｉ系合金でかつ合金元素として比較的多量のＦｅを含有し、しかもＳｉ結晶粒が平均で１５μｍ以下と微細でかつ粉末粒子の平均粒径が３０〜７０μｍ程度の微細な合金粉末は、アトマイズ法によって確実に得ることができる。すなわちアトマイズ法は、アルミニウム合金溶湯をガスとともにノズルから噴霧し、微細な合金溶湯粒子を１０２〜１０５℃／秒程度の冷却速度で急冷して凝固粉末を得る方法であるが、このように、微細な合金溶湯粒子を急速冷却によりことにより、合金元素の凝固時の拡散を抑制して、結晶粒や析出物の粗大化を抑制し、さらに平衡相や準安定相の出現抑制により、遷移元素であるＭｎの固溶量の拡大が可能となる。
【００３８】
次に本発明の一態様として、摺動部品用アルミニウム合金鍛造品について説明する。
【００３９】
本発明の一態様の摺動部品用アルミニウム合金鍛造品は、前述のような摺動部品向け熱間鍛造用アルミニウム合金粉末を圧縮成形し、さらに押出した後、熱間鍛造することによって製造されることが望ましい。したがってこの鍛造品の成分組成は、前述の合金粉末と同様であればよい。すなわち、必須合金成分として、Ｓｉ：１０．０〜１９．０％と、Ｍｎ：３．０〜１０．０％とを含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなる。また必要に応じて、上記の必須成分のほか、さらにＣｕ：０．５〜１０．０％およびＭｇ：０．２〜３．０％を含んでいてもよい。さらに、必要に応じて、上記の必須成分のほか、もしくは上記の必須成分とＣｕ及びＭｇのほか、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂのうちの１種または２種以上が、それぞれ０．０１〜５．０％含有されていてもよい。これらの合金元素の限定理由は、既に述べたと同様である。
【００４０】
またこの摺動部品用アルミニウム合金鍛造品は、既に合金粉末について述べたと同様に、Ｓｉ結晶粒が平均で１５μｍ以下であることが必要である。ここで、Ｓｉ結晶粒とは、Ｓｉ単体の結晶粒であって、初晶Ｓｉ、共晶Ｓｉの両者を含む。これらのＳｉ結晶粒のうち、初晶Ｓｉは、粗大なものとなりやすいが、平均で１５μｍ以下に規制することにより、自動車用エンジンピストン等の摺動部品用材料として、耐摩耗性の向上、強度、高温強度の向上を図ることが可能となる。Ｓｉ結晶粒が平均で１５μｍを超える粗大なものとなれば、耐摩耗性、強度、高温強度を充分に向上させることが困難となる。
ここで、合金粉末を圧縮成形、押出、熱間鍛造する過程では、Ｓｉ結晶粒の平均的なサイズはほとんど変化しないから、前述のように合金粉末としてその粒子中のＳｉ結晶粒が平均で１５μｍ以下のものを用いればであれば、圧縮成形、押出、熱間鍛造後の鍛造品におけるＳｉ結晶粒も、平均で１５μｍ以下とすることが可能となる。
【００４１】
次に、本発明の一態様の摺動部品用アルミニウム合金鍛造品を製造するプロセスの一例について、図１を参照しながら説明する。
【００４２】
摺動部品用アルミニウム合金鍛造品を製造するプロセスの全体的な概念としては、図１に示しているように、アルミニウム合金を溶解してアトマイズ法により合金粉末を製造する粉末製造段階Ｐ１と、その粉末製造段階Ｐ１によって得られた合金粉末を用い、所定形状（例えば円柱状）に圧縮成形後、押出して熱間鍛造し、鍛造品を得る鍛造品製造段階Ｐ２と、Ｃｕ，Ｍｇを含有する熱処理型合金である場合に、鍛造上がり材を溶体化処理―焼入れし、時効処理（実際には好ましくは過時効安定化処理）を施す熱処理段階Ｐ３からなる。これらの各段階について、さらに詳細に説明する。
【００４３】
＜粉末製造段階Ｐ１＞
先ず前述のように成分調整されたアルミニウム合金溶湯を、通常の溶解法によって溶製する（Ｓ１１）。得られたアルミニウム合金溶湯をアトマイズ法によって粉末化する（Ｓ１２）。アトマイズ法は、噴霧ノズルから、窒素ガスなどのガス流により合金溶湯の微小液滴をミスト化して噴霧し、微小液滴を急冷凝固させ、微細な合金粉末を得る方法であり、種々の形式があるが、要は１０３〜１０５℃/秒程度の冷却速度が得られ、また平均で３０〜７０μｍ程度以下の微細な粒径の合金が得られる方法であれば、その形式は特に限定されない。アトマイズ法によって得られた合金粉末は、必要に応じて篩によって分級し（Ｓ１３）、例えば１５０μｍアンダーの合金粉末のみを次工程に送る。この段階で次工程に送られる合金粉末は、既に述べたような成分組成を有していて、かつ合金粉末粒子中のＳｉ結晶粒が平均で１５μｍ以下であることが必要である。
【００４４】
＜鍛造材製造段階Ｐ２＞
[圧縮成形]
前述のようにして得られた合金粉末は、例えば２５０〜３００℃程度に加熱（Ｓ２１）して、例えば２３０〜２７０℃程度に予熱された金型内に充填し、所定形状に圧縮成形して（Ｓ２２）、圧粉体とする。圧縮成形の圧力は特に限定されないが、通常は０．５〜３．０ｔｏｎ／ｃｍ２程度の圧力とし、相対密度が６０〜９０％程度の圧粉体とすることが好ましい。また圧粉体の形状は特に限定されないが、通常は押出工程を考慮して、円柱状あるいは円盤状とすることが好ましい。
【００４５】
[押出]
圧粉体には、必要に応じて面削等の機械加工を施してから、脱ガス処理（Ｓ２３）を施し、加熱（Ｓ２４）して押出工程（Ｓ２５）に付す。押出前の加熱温度（予熱温度）は、例えば３００〜４５０℃程度とすることが好ましい。押出に当たっては、圧粉体を押出コンテナ内に装入して、押出ラムにより加圧力を加え、押出ダイスから例えば丸棒状に押出すことになるが、押出コンテナも、予め３００〜４００℃程度に加熱しておくことが望ましい。このように熱間で押し出すことによって圧粉体の塑性変形が進行し、合金粉末粒子同士が結合して、一体化した押出体が得られる。
ここで、押出圧力は１０〜２５ＭＰａ程度、押出比（押出前後の外径比）は、５．０〜５０程度、押出体の密度は２．８０〜２．９０程度とすることが好ましい。
【００４６】
[熱間鍛造]
例えば丸棒状の押出体は、必要に応じて所定長さに切断（Ｓ２６）した後、熱間鍛造にに適した温度に加熱（Ｓ２７）して熱間鍛造する（Ｓ２８）。この熱間鍛造は、鍛造上がり材（鍛造品）が製品形状（例えばエンジンピストン形状）に近い形状となるように、密閉型鍛造もしくは半密閉型鍛造とすることが好ましいが、製品形状によっては自由鍛造でもよい。熱間鍛造の温度は、本発明で対象とする合金の場合、３００〜４５０℃程度とすることが好ましい。
なお、場合によっては熱間鍛造の後、さらに製品形状に近い形状に仕上るために冷間鍛造を施すこともある。
【００４７】
鍛造上がり材は、これに適宜切削加工や表面研磨等を施して、直ちに製品の摺動部品（例えばエンジンピストン）としてもよいが、アルミニウム合金が、時効硬化性を付与する合金元素であるＣｕ及びＭｇを含有する熱処理型合金の場合には、次の熱処理段階Ｐ３に付す。
【００４８】
＜熱処理段階Ｐ３＞
[溶体化処理（Ｓ３１）]
溶体化処理は、時効硬化に寄与するＣｕ、Ｍｇ等を過飽和に固溶させる処理であって、溶体化処理の加熱温度は４８０〜５００℃が好ましい。４８０℃を下回れば、過飽和固溶体が十分に得られず、時効硬化能が低下し、一方、５００℃を上回れば、結晶粒や共晶Ｓｉが粗大化して強度低下を招いたり、ポアの成長を促すといった問題が発生する。また溶体化処理の加熱時間は２ｈｒ〜４ｈｒが好ましい。２ｈｒを下回れば、過飽和固溶体が十分に得られず、４ｈｒを上回れば、結晶粒や共晶Ｓｉの粗大化が発生する。
【００４９】
[焼入れ（Ｓ３２）]
溶体化のための加熱後は、水焼入れなどによって急冷(焼入れ)して、常温での固溶限を超えてＣｕ、Ｍｇ等が過飽和に固溶された材料(過飽和固溶体)とする。焼入れ温度は０〜５０℃が好ましい。０℃を下回れば、急激な熱収縮により亀裂が発生して、割れに至るおそれがある。一方、５０℃を上回れば、十分な過飽和固溶体が得られず、十分な強度が得られなくなる。
【００５０】
[時効処理（Ｓ３３）]
溶体化処理―焼入れ後には、時効処理を施す。この時効処理により、Ｃｕ、Ｍｇ等を含む金属間化合物を微細に析出させて、強度、耐摩耗性を大幅に向上させることができる。但し、本発明の場合、エンジンピストンで代表される摺動部品の製造に適用され、このような摺動部品では、寸法安定性が良好であることが望まれる。例えばエンジンピストンでは、シリンダ内周面とのクリアランスを安定に維持することが望まれる。そこで、本発明の場合、時効処理は、一般的なＴ６処理における時効処理条件(最大強さを得るための時効処理条件)を超えて過時効とする、いわゆるＴ７処理における安定化処理まで進めることが望ましい。
【００５１】
上記の観点から、時効処理の条件は、１８０℃〜２８０℃の範囲内の温度で、１ｈｒ〜４ｈｒとすることが望ましい。時効処理温度が１８０℃を下回れば、長時間時効が必要となって生産効率が低下し、一方２８０℃を上回れば、短時間で結晶粒や共晶Ｓｉの粗大化が発生してしまい、強度が低下するおそれがある。また時効時間が１ｈｒ未満では、過時効にならず、安定化が不十分となって、十分な寸法安定性が得られず、一方４ｈｒを上回れば、過剰な過時効により結晶粒や共晶Ｓｉの粗大化が発生して強度低下を招くおそれがある。
【００５２】
上述のような時効処理後の鍛造品については、適宜切削加工などの機械加工や表面研磨処理などを施して、自動車用エンジンピストン等の摺動部品に仕上る。
【００５３】
以下に本発明の実施例を記す。なお以下の実施例は、本発明の作用、効果を明確化するためのものであって、実施例に記載された条件が本発明の技術的範囲を限定するものでないことはもちろんである。
【実施例】
【００５４】
〔実施例１〕
表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．１２に示す組成の高Ｓｉアルミニウム合金溶湯を、ガスにてアトマイズして粉末化し、篩により分級して−１００メッシュの粉末を得た。この粉末の粒子中のＳｉ結晶粒の大きさは、後述する供試材（鍛造品）についてのＳｉ結晶粒の大きさの測定結果から、１５μｍ以下であると推定される。
次いでその粉末を２８０℃の温度に予熱して、同じ温度に加熱保持した金型内に充填し、１．５ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で圧縮成形して、直径２１０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの円柱状の圧粉体を得た。次に圧粉体を直径２０３ｍｍまで旋盤にて面削し、圧粉体のビレットとした。次にその圧粉体ビレットを３５０℃に加熱し、３５０℃に加熱保持された内径２１０ｍｍの押出コンテナ中に挿入し、内径７５ｍｍのダイスで間接押出法により押出比７．８により押出した。得られた押出材を、長さ３０ｍｍに切断した後、４５０℃に加熱して熱間自由鍛造を施し、φ１０７．５×Ｌ１５ｍｍの供試材（鍛造品）を得た。なお実際の摺動部品の製造に当たっては、型鍛造を行うことが多いが、ここでは特性評価のみを目的としていることから、自由鍛造を適用した。図２に、鍛造前の押出材１０及び鍛造後の鍛造品２０を示す。
【００５５】
得られた供試材（鍛造品）から約１０ｍｍ×１０ｍｍのサンプルを切り出し、樹脂埋めしたのち、エメリー紙による粗研磨およびバフによる仕上げ研磨を行い、光学顕微鏡にて組織観察を行い、Ｓｉ結晶粒径の測定を行った結果、いずれの供試材もＳｉ結晶粒の大きさが１５μｍ以下であることが確認された。
【００５６】
得られた供試材を、溶体化処理として４９０℃に加熱して３ｈｒ保持した後、２０℃の水に焼き入れした。その後、時効処理（過時効安定化処理）として、２２０℃で１ｈｒ加熱して、Ｔ７処理品とした。得られたＴ７処理品を、標点間距離２５．４ｍｍ、平行部直径２．８５ｍｍの常温引張試験片および標点間距離２０ｍｍ、平行部直径４ｍｍのツバ付き高温引張試験片にそれぞれ加工して、常温、１５０、３００℃にて引張試験を行った。なお引張試験は、各試験温度で、１００ｈｒ保持後に行った。ここで、供試材Ｎｏ．１〜Ｎｏ５、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２、は比較例であり、Ｎｏ．６、Ｎｏ．７Ｎｏ．９、Ｎｏ．１０が本発明例である。これらの結果を表２に示す。
【００５７】
表２から明らかな通り比較例であるＮｏ．１〜４と比べて、本発明例のＮｏ．６およびＮｏ．７の鍛造品は、高温における引張強度および耐力が高い。
【００５８】
比較例であるＮｏ．５も、高温強度には優れるが、鍛造時に割れが発生し、割れなく鍛造できる割合が２０％と、鍛造性が極めて劣悪であることが確認された。
【００５９】
また比較例であるＮｏ．８は、おおかた割れなく鍛造することが出来たが、溶体化処理後の水焼き入れにより割れが発生した。この焼入れ割れを防止するために、６０℃の温水焼入れを試みたが、割れ発生率は著しく改善することはなく、なおかつ強度が低下する原因にもなり、高強度を得られない結果となった。
【００６０】
本発明例のＮｏ．７と、それに対してＳｉ量一定でＭｎ量を振り分けたＮｏ．９〜１２を比較すれば、本発明例のＮｏ．９、１０は十分な耐摩耗性および高温強度を有しているが、比較例のＮｏ．１１は、Ａｌ-Ｍｎ-Ｓｉ系金属間化合物の分散強化が十分に得られず高温強度に優れない。また比較例のＮｏ．１２は、過剰Ｍｎにより靱性が低下して鍛造性が低下し、溶体化処理後の焼入時に割れが発生した。
【００６１】
次に前述のように熱処理した後の鍛造品を切断し、５×２５×４０ｍｍの評価材（固定片）を得て大越式摩耗試験を行った。相手材（回転円板）にＳＳ４００を用いて固定片に回転円板を押し付けて摩擦し、固定片表面の摩耗痕から摩耗量および比摩耗量を算出した。比摩耗量の算出結果を表２に示す。回転円板の径および厚さと摩耗痕幅により近似式を用いて摩耗量を求め、求めた摩耗量と摩擦距離および最終荷重により比摩耗量を算出した。なお摩耗量とは評価材の摩耗した量であり、比摩耗量とは相手材のＳＳ４００の摩耗した量を表す値であり、比摩耗量が少ないほど耐摩耗性に優れる。
比摩耗量の換算式を以下に示す。
【００６２】
Ｗ＝Ｂ×ｂ３／１２×ｒ
Ｗｓ＝Ｂ×ｂ３／８×ｒ×Ｐ×Ｌ
＝３×Ｗ／２×Ｐ×Ｌ
ここで、
Ｗ：摩耗量（ｍｍ３）
Ｗｓ：比摩耗量（ｍｍ２／ｋｇｆ）
ｒ：回転円板半径（ｍｍ）
Ｂ：回転円板厚さ（ｍｍ）
ｂ：摩耗痕幅（ｍｍ）
Ｐ：最終荷重（ｋｇｆ）
Ｌ：摩擦距離（ｍｍ）
【００６３】
比較例であるＮｏ．１、２、５を比較すれば、Ｓｉ量が最大の２０％であるＮｏ．５が、比摩耗量が最も少なく、摩耗性が良好なのが分かる。そのＮｏ．５と本発明例のＮｏ．７を比較すれば、比摩耗量はほぼ同等であり、本発明材料が良好な摩耗性を有することが分かる。
【００６４】
また本発明例のＮｏ．９、１０も、比摩耗量はＮｏ．７とほぼ同等であり、したがって本発明材料は、いずれも優れた耐摩耗性を有することが分かる。
【００６５】
さらに、Ｓｉ量１２．０％で、７．０％のＦｅを含有する比較例のＮｏ．１、及びＳｉ量１２．０％で、７．０％のＮｉを含有する比較例のＮｏ．３と、Ｓｉ量１２．０％で、７．０％のＭｎを含有する本発明例のＮｏ．６とを比較すれば、Ｍｎ７．０％を含有する本発明例Ｎｏ．６の方が耐摩耗性が優れていることが分かる。また、Ｓｉ量１６．０％で、７．０％のＦｅを含有する比較例のＮｏ．２、及びＳｉ量１６．０％で、７．０％のＮｉを含有する比較例のＮｏ．４と、Ｓｉ量１６．０％で、７．０％のＭｎを含有する本発明例のＮｏ．７とを比較すれば、Ｍｎ７．０％を含有する本発明例Ｎｏ．７の方が耐摩耗性が優れていることが分かる。これらの結果から、Ｆｅ、Ｎｉに代えてＭｎを用いた場合の優位性が明らかである。
【００６６】
【表１】
2017078213.tif 000003
【００６７】
【表２】
2017078213.tif 000004
【００６８】
〔実施例２〕
表１のＮｏ．１３〜Ｎｏ．１７に示す組成、すなわち非熱処理型合金組成の高Ｓｉアルミニウム合金溶湯を、実施例１と同様にアトマイズ法により粉末とし、分級して−１００ｍｅｓｈの粉末を得た。この粉末も、粉末粒子中のＳｉ結晶粒が１５μｍ以下であると推定される。
次いで実施例１と同様に圧縮成形、面削し、得られた圧粉体ビレットを熱間押出し、得られた押出体を切断して、実施例１と同様に熱間で自由鍛造した。
得られた供試材（鍛造品）におけるＳｉ結晶粒の大きさを実施例１と同様に調べたところ、いずれも１５μｍ以下であることが確認された。
なおこの実施例２の場合は、供試材（鍛造品）に対して熱処理（溶体化処理、焼入れ、時効処理）は施さなかった。
【００６９】
また、得られた供試材（鍛造品）から、実施例１と同様な寸法、形状の常温引張試験片およびツバ付き高温引張試験片を切出し、常温、１５０、３００℃にて引張試験を行った。なお、引張試験は各試験温度で、１００ｈｒ保持後に行った。
さらに、実施例１と同様に、大越式摩耗試験を行った。
これらのＮｏ．１３〜Ｎｏ．１７についての試験結果を、表２中に示す。
【００７０】
本発明例のＮｏ．１３〜１５では、熱処理を施さずとも十分な耐摩耗性および高温強度が得られているが、比較例であるＮｏ．１６では、Ａｌ-Ｍｎ-Ｓｉ系金属間化合物の分散強化が不十分で、高い高温強度が得られず、また比較例であるＮｏ．１７では、過剰Ｍｎにより靱性が低下して鍛造性が低下し、溶体化処理後の焼入時に割れが発生した。
【００７１】
以上のような実施例から、本発明材料は、高温強度および耐摩耗性、鍛造性を兼ね備え、自動車用エンジンピストンなど、高負荷で使用される摺動部材に好適であることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００７２】
１０…押出材、  ２０…鍛造品。
【図１】
2017078213.tif 000005
【図２】
2017078213.tif 000006