JP2554066B2

JP2554066B2 - 金属間化合物粒子分散強化型ダイカスト複合材及びその製造方法

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Publication number: JP2554066B2
Application number: JP61313715A
Authority: JP
Inventors: 博幸大村
Original assignee: Ryobi Ltd
Current assignee: Ryobi Ltd
Priority date: 1986-10-01
Filing date: 1986-12-26
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JPS63227736A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は金属間化合物粒子分散強化型ダイカスト複合
材及びその製造方法に関する。

［従来の技術］ AlNi系金属間化合物粉末は耐酸化性で高硬度の粉末で
あり、同系のAl−Ni系マトリックス材とは濡れ性がよ
く、しかも安定性に優れている。しかし、該金属間化合
物粉末は、Al−Si系合金等の従来のアルミ合金溶湯中へ
直接添加すると短時間に溶解してしまうため、金属間化
合物粒子分散強化型の金属複合材は焼結法によって製造
している。

従来の焼結法は、母相の微細金属粉末に金属間化合物
粉末を添加して機械的に攪拌混合を行い、これをプレス
成形し、加熱焼結して金属間化合物粒子分散強化型の複
合材を製造するもので、加熱焼結したものを押出機、圧
延機により目的とする製品を製造している。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、従来の焼結法では、金属間化合物粉末
と母合金粉末を機械的に攪拌混合するのであるが、マト
リックスである母合金粉末に金属間化合物粉末を均一に
分散混合することは、粒子間の凝集、比重差等の為に困
難であった。

又、プレス成形、加熱焼結に際して酸化を伴なう為
に、加熱焼結する過程で酸化防止手段及び装置が必要で
あり、それ故に、寸法精度の点でも、強度の点でも制約
があり、経費の点でもかなりの問題を有している為、粒
子分散型合金を安価に大量生産することは困難であるな
どの問題点がある。

このため、簡便な方法によって得ることができ、母合
金中に金属間化合物粒子が十分に均一分散していて機械
的特性に優れている金属間化合物粒子分散強化型の金属
複合材が望まれていた。

本発明の目的は上記問題点を解消しようとするもので
あり、従来においては金属間化合物粉末を母合金溶湯中
に添加すると溶解してしまう為に直接溶湯中に添加する
ことは不可能とされていたものを、ダイカストマシンを
使用して鋳造する手段を用いることにより、AlNi、Al₃N
i、Al₃Ni₂及びAlNi₃のうちより選ばれた１種以上の金属
間化合物粉末を直接Al−3.5〜8.0wt％Ni−3.0〜8.0wt％
Mg合金溶湯中に添加できて短時間の機械的攪拌により溶
解させずに、金属間化合物粒子を均一にマトリックスに
分散させることができ、このことによって、延性を減じ
ることなく、優れた機械的特性を有する金属間化合物粒
子分散強化型ダイカスト複合材が実現できることを見い
だし、本発明を完成した。

［問題点を解決する為の手段］即ち、本発明の金属間化合物粒子分散強化型ダイカス
ト複合材は、Al−3.5〜8.0wt％Ni−3.0〜8.0wt％Mg合金
をマトリックスとし、AlNi、Al₃Ni、Al₃Ni₂及びAlNi₃の
うちより選ばれた１種以上の金属間化合物粉末が添加粉
末として分散され、かつ、前記添加粉末の含有量が３〜
50wt％の範囲であることを特徴とする。

又、本発明の金属間化合物粒子分散強化型ダイカスト
複合材の製造方法は、Al−3.5〜8.0wt％Ni−3.0〜8.0wt
％Mg合金の溶湯中へAlNi、Al₃Ni、Al₃Ni₂及びAlNi₃のう
ちより選ばれた１種以上の金属間化合物粉末を３〜50wt
％直接添加し、攪拌混合した後、ダイカスト成形するこ
とにより前記金属間化合物粉末を均一にマトリックスに
分散させることを特徴とする。

以下に、本発明を更に詳細に説明する。

本発明の金属間化合物粒子分散強化型ダイカスト複合
材（以下、ダイカスト複合材とする）におけるマトリッ
クスはAl−3.5〜8.0wt％Ni−3.0〜8.0wt％Mg合金であ
る。

この理由は、低NiのAl−Ni−Mg合金が優れた機械的性
質を持ち、かつ価格的にもマトリックス材として好適で
あるが、Niの含有率が3.5wt％未満では機械的性質が不
十分であり、8.0wt％超では靱性が低下するからであ
る。また、Mgの含有率が3.0wt％未満では強度が落ち、
8.0wt％超では伸びが急激に低下するからである。

本発明において、前記マトリックスに混入分散させる
添加粉末（以下、分散粒子という）は、AlNi、Al₃Ni、A
l₃Ni₂及びAlNi₃のうちより選ばれた１種以上の金属間化
合物粉末である。

この理由は、前記Al−Ni系のマトリックス材とは同系
であるため、第２図のAl−Ni組織状態図に示すように、
濡れ性がよく、しかも安定性に優れているからである。
さらに、下記表１にAl−Ni系金属間化合物の表面硬度
（ビッカース硬さ:Hv）を示すが、いずれも400（Hv）以
上の硬さがあるので、これらの高硬度粒子を母合金マト
リックスに添加することによって、いずれも優れた耐摩
耗性を有する合金を得ることができる。

このような分散粒子の添加量は３〜50wt％であり、好
ましくは５〜20wt％であり、より好ましくは10〜20wt％
である。その理由は、前記添加量が3wt％未満では耐摩
耗性の向上効果が不十分であり、50wt％超では攪拌段階
で母合金が急激に凝固するために本発明の製造方法によ
り製造することは困難であるからである。

また、分散粒子の粒子径は100μｍ以下が好ましく、
より好ましくは50μｍ以下がよい。この理由は、分散粒
子の粒子径が100μｍ超では前記マトリックスへの分散
性が悪く、機械的特性を劣化させるからである。

本発明においては、前記マトリックスへの前記分散粒
子の分散が均一であることにより、延性を失わずに、耐
摩耗性を始めとする機械的特性に優れたダイカスト複合
材となる。

本発明に係るダイカスト複合材は、基本的には以上の
ように構成されるものであり、以下に、その製造方法を
添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

第１図は本発明に係るダイカスト複合材の製造方法に
用いられる攪拌混合装置の一構成例の一部断面図であ
る。

まず、マトリックス材となるAl−Ni−Mg系合金（母合
金）溶湯を攪拌混合装置の攪拌混合槽２内に所定量注湯
した後、この溶湯に前記分散粒子を所定量投入添加し、
攪拌羽根３をモーター４で回転させ、短時間攪拌混合
し、分散粒子混合合金溶湯１を得ることができる。

Al−Ni系合金溶湯の温度は第２図に示すように、640
〜800℃が好ましく、より好ましくは660〜780℃がよ
く、特に670〜730℃が好ましい。この理由は、640℃未
満では前記Al−Ni合金が溶融融解せず、800℃超では前
記分散粒子の溶解が早すぎるためである。

攪拌混合に要する時間は前記分散粒子の凝集が起こら
ず、かつ、前記分散粒子が溶解せず、後述するダイカス
トマシンによって前記分散粒子が前記マトリックスに均
一に分散させることができる程度に攪拌混合できる時間
であればよく、５分以下が好ましい。より好ましくは５
〜60秒がよく、特に好ましくは８〜15秒である。この理
由は、５分超では前記分散粒子が溶解してしまい、マト
リックスの母合金と一体となってしまい、耐摩耗性の向
上が見られないからである。

攪拌混合後、前記分散粒子混合溶湯１はダイカストマ
シンに給湯され、所望の形状に形成される。この時、該
ダイカストマシン内においても前記分散粒子は前記マト
リックス内に分散し、さらに均一化される。

このようにして、前記分散粒子が均一に前記マトリッ
クスに分散した耐摩耗性及び延性などの機械的特性に優
れた本発明の金属化合物粒子分散強化型ダイカスト複合
材が製造される。従って、従来の焼結粉末冶金法のよう
にコスト高な表面処理や酸化防止手段及び装置を必要と
せず、複雑な形状の製品も容易にかつ安価に製造でき
る。

［実施例］以下に、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。

実施例１マトリックス（母合金）であるAl−6wt％Ni−5wt％Mg
溶湯中に平均粒子径が44μｍのAlNi、Al₃Ni₂、Al₃Ni、A
lNi₃の各金属間化合物粉末を10wt％添加し、第１図に示
す攪拌混合装置により添加攪拌混合後、金型にダイカス
トマシンで注湯し、本発明の金属間化合物粒子分散強化
型ダイカスト複合材の試験片を得た。また、Ni粉末を10
wt％添加して、同様の試験片を得た。

添加前のAlNi金属間化合物粉末の顕微鏡写真を第3a図
に示す。また、この第3a図に示すAlNi金属間化合物を添
加した時の金型の先端部及び湯口部で得られた試験片の
拡大倍率50倍の顕微鏡写真をそれぞれ第3b図及び第3c図
に示す。さらに、分散粒子としてNi粉末、Al₃Ni₂、Al₃N
i及びAlNi₃金属間化合物粉末を用いた場合の試験片の拡
大倍率50倍の顕微鏡写真をそれぞれ第3d図、第3e図、第
3f図及び第3g図に示す。

第3b図、第3c図、第3e図、第3f図及び第3g図から明ら
かなように、AlNi、Al₃Ni₂、Al₃Ni、AlNi₃の金属間化合
物粒子が母合金に均一に分散していることがわかる。ま
た、第3d図に示されるように、Ni粒子も同様に母合金に
分散している。

さらに、第3a図と第3b図及び第3c図を比較して、AlNi
金属間化合物は母合金中で少し溶解するけれども、均一
に完全に分散したまま残存していることがわかる。

すなわち、Al−Ni、Al₃Ni₂、Al₃Ni、AlNi₃金属間化合
物粒子は、いずれも前記表１に示すように極めて高硬度
であり、Al−Ni合金マトリックスとの結合力、又濡れ生
が非常に優れていてしかも安定性があるため混合が容易
であり、また、均一な分散が可能であることがわかる。

この結果、本発明によれば、母合金であるAl−Ni−Mg
合金の優れた機械的性質を失うことなく、優れた耐摩耗
性を有する金属間化合物粒子分散強化型ダイカスト複合
材を得ることができることがわかる。

実施例２前述の金属間化合物粉末を母合金溶湯中に投入添加し
て攪拌混合後、ダイカストマシンに給湯して、各種の金
属複合材の引張試験用試験片及び摩耗試験片を鋳造し
た。

ここで、本発明としては、母合金としてAl−6wt％Ni
−5wt％Mg合金を用い、分散粒子としてAlNi金属間化合
物粉末を用いた。また、分散粒子の含有量は、それぞれ
３、５、７、10、20、30、40、50wt％とした。

比較例としては、分散粒子を含有しない母合金のみの
Al−6wt％Ni−5wt％Mg合金、この母合金に分散粒子とし
てNi粉末を投入添加（含有量３、５、７、10、20、30、
40wt％）した複合材、この母合金に分散粒子としてAlNi
金属間化合物粉末を2wt％含有した複合材、390、5wt％S
i₃N₄/ADC10複合材を用いた。

なお、本発明及び比較例に用いられているAl系母合金
の化学成分を下記表２に示す。

得られたこれらの試験片について以下に示すそれぞれ
の試験を行った。

尚、摩耗試験は大越式摩耗試験装置により相手材とし
てFC25の標準回転円板材料を用いて、無潤滑条件下で最
終荷重2.1kg、滑り距離100mを一定とし、滑り速度を0.9
4、1.96、2.86、4.36m/sの４段に変化させて行い、摩耗
痕幅より比摩耗量を測定した。

この試験結果を下記表３及び表４、ならびに第４図、
第５図、第６図、第７図に示す。

表３には、マトリックスとしてAl−6wt％Ni−5wt％Mg
合金を用いた本発明例及び比較例の結果を示す。さら
に、第４図は、表３に示される結果のうち、比較例と本
発明例による金属複合材のうち分散粒子の含有率が３、
５、７、10wt％の場合とについて、横軸を滑り速度、縦
軸を比摩耗量としてプロットしたグラフであ、また、第
５図は、表３に示される結果のうち、比較例と本発明例
による金属複合材のうち分散粒子の含有率が15、20、3
0、40wt％の場合との同様のグラフである。さらに、第
６図及び第７図は、分散粒子としてNi粉末を用いた比較
例についての同様のグラフである。

なお、50wt％の場合は40wt％の場合と同じ比摩耗量と
なったので、第５図及び表３への記載は省略した。

第３及び第４図より、５、７、10wt％のAlNi金属間化
合物を分散粒子とする本発明の金属間化合物粒子分散強
化型ダイカスト複合材は、ほぼ同じ耐摩耗性を有し、比
較例である母合金のみのAl−6wt％Ni−5wt％Mg合金より
優れた耐摩耗性を示すことがわかる。又、3wt％のAlNi
金属間化合物粒子分散強化型ダイカスト複合材も比較例
である前記Al−6wt％Ni−5wt％Mg合金より高い耐摩耗性
を有し、滑り速度2.86m/s、4.36m/sにおいては、ほぼ他
の5wt％以上の金属複合材と同様の比摩耗量を示すこと
がわかる。

なお、分散粒子の量が3wt％未満の2wt％AlNi/Al−6wt
％Ni−5wt％Mgほぼ母合金と同様の比摩耗量を示し、、A
lNi粒子を添加したことによる、耐摩耗性の向上効果は
ない。

また、表３及び第５図より、15、20、30、40、50wt％
のAlNi金属間化合物を分散粒子とする本発明の金属間化
合物粒子分散強化型ダイカスト複合材はほぼ同じ比摩耗
量を示し、いずれも母合金のみのAl−6wt％Ni−5wt％Mg
合金より、耐摩耗性に優れていることがわかる。50wt％
のAlNi金属間化合物を含有する金属間化合物粒子分散強
化型ダイカスト複合材は40wt％のAlNi金属間化合物を含
有する金属間化合物粒子分散強化型ダイカスト複合材と
同じ耐摩耗性を有するが、50wt％超の分散粒子を添加す
ると、攪拌段階で母合金が急激に凝固するために本発明
の製造方法で製造することは困難である。

さらに、前述のように、分散粒子としてNi粉末を用い
た場合にも、マトリックス中にNi粒子が溶解せずに分散
している複合材を得ることはできるが、表３、第６図及
び第７図に示される結果より明らかなように、同量のAl
Ni金属間化合物を含有する本発明の複合材に比して、そ
の耐摩耗性は低い。

更に、表４に前記実施例における本発明の金属間化合
物粒子分散強化型ダイカスト複合材、及び同様に作製し
た従来の複合材３種の機械的性質を示す。

本発明の延性は、同種のSi₃N₄あるいはSiC粒子分散強
化型合金の伸びがわずか0.7％であるに対して、3.6〜５
％と極めて優れていることがわかる。

［発明の効果］以上に説明したように、本発明の金属間化合物粒子分
散強化型ダイカスト複合材においては、Al−Ni系金属間
化合物粉末が母合金マトリックス中に均一に分散してい
ることによって耐摩耗性及び延性が向上しており、優れ
た機械的特性を発現できる金属間化合物粒子分散強化型
ダイカスト複合材を実現できる。

又、本発明の製造方法によれば、Al−Ni系金属間化合
物を上記母合金溶湯中に添加し、短時間の機械的攪拌混
合後、直接ダイカストマシンによって均一にマトリック
スに分散させるように構成したので、凝集等の問題が起
こることなく均一に分散できて、優れた耐摩耗性及び延
性を有する粒子分散強化型複合材が得られる。

さらに、本発明の製造方法によれば、ダイカスト鋳造
法を利用するので、従来の焼結、粉末冶金法のように、
コスト高な表面処理方や酸化防止手段及び装置を必要と
しないので、従来法と比較して加工費を低減でき、又複
雑な形状の製品を容易に製造でき、多くの工程を省略化
できるので安価に金属間化合物粒子分散強化型ダイカス
ト複合材を大量生産することができる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る金属間化合物粒子分散強化型ダ
イカスト複合材の製造に用いられる攪拌混合装置の一構
成例の一部断面図である。第２図はAl−Ni平衡状態図である。第3a図は「粒子構造」を、第3b図、第3c図、第3d図、第
3e図、第3f図及び第3g図はいずれも「金属組織」を示す
図面代用写真であり、第3a図はAl−Ni金属間化合物粉末
の顕微鏡写真（50倍）、第3b図及び第3c図はそれぞれ金
型先端部及び湯口部において得られた本発明に係るAl−
Ni金属間化合物粒子分散強化型ダイカスト複合材の顕微
鏡写真（50倍）、第3d図はNi粒子分散強化型合金の顕微
鏡写真（50倍）、第3e図、第3f図及び第3g図は、それぞ
れ本発明に係るAl₃Ni₂、Al₃Ni及びAlNi₃金属間化合物粒
子分散強化型金属複合材の顕微鏡写真（50倍）である。第４図、第５図、第６図及び第７図は、それぞれ各種の
試験片のFC25相手材に対する滑り速度と比摩耗量との関
係を示した各グラフである。符号の説明１……分散粒子混合合金溶湯（ダイカスト複合材）、２
……攪拌混合槽、３……攪拌羽根、４……モータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Al−3.5〜8.0wt％Ni−3.0〜8.0wt％Mg合金
をマトリックスとし、AlNi、Al₃Ni、Al₃Ni₂及びAlNi₃の
うちより選ばれた１種以上の金属間化合物粉末が添加粉
末として分散され、かつ、前記添加粉末の含有量が３〜
50wt％の範囲であることを特徴とする金属間化合物粒子
分散強化型ダイカスト複合材。
【請求項２】Al−3.5〜8.0wt％Ni−3.0〜8.0wt％Mg合金
の溶湯中へAlNi、Al₃Ni、Al₃Ni₂及びAlNi₃のうちより選
ばれた１種以上の金属間化合物粉末を３〜50wt％直接添
加し、攪拌混合した後、ダイカスト成形することにより
前記金属間化合物粉末を均一にマトリックスに分散させ
ることを特徴とする金属間化合物粒子分散強化型ダイカ
スト複合材の製造方法。