JP5834610B2 - Method for producing ceramic particle reinforced aluminum-silicon alloy composite material - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material.
自動車エンジン用ピストンにおいては、従来技術ではＪＩＳ規格のＡＣ８Ａのようなアルミニウム（Ａ１）−ケイ素（Ｓｉ）系合金が使われてきた。このＡＣ８Ａ合金の組成は、ＪＩＳ規格では、ケイ素（Ｓｉ）は１１〜１３ｍａｓｓ（質量）％、マグネシウム（Ｍｇ）は０．７〜１．３ｍａｓｓ％、ニッケル（Ｎｉ）は０．８〜１．５ｍａｓｓ％、銅（Ｃｕ）は０．８〜１．３ｍａｓｓ％と定められている。 Conventionally, aluminum (A1) -silicon (Si) based alloys such as JIS standard AC8A have been used for automobile engine pistons. The composition of this AC8A alloy is 11-13 mass (mass)% for silicon (Si), 0.7-1.3 mass% for magnesium (Mg), and 0.8-1.5 mass for nickel (Ni) according to JIS standards. %, Copper (Cu) is defined as 0.8 to 1.3 mass%.
そして、内燃機関の燃焼室の温度の上昇に従い、ピストン材料の強度と耐熱性の向上が求められた結果、このＡＣ８Ａ合金の組成を基に、銅とニッケルを多めに添加して、銅の添加量を３〜５ｍａｓｓ％に、ニッケルの添加量を１〜３ｍａｓｓ％にした材料（便宜上、ここではＡＣ８Ａ系合金と呼ぶ）が広く使われるようになってきている。 And as the temperature of the combustion chamber of the internal combustion engine increases, the improvement in the strength and heat resistance of the piston material is required. As a result, a large amount of copper and nickel are added based on the composition of this AC8A alloy. A material having an amount of 3 to 5 mass% and a nickel addition amount of 1 to 3 mass% (referred to herein as an AC8A alloy for convenience) has been widely used.
しかしながら、最近の燃費改善の要求や排ガスの規制により、エンジンの最大圧力Ｐｍａｘが増大するのに従い、更に高強度の性質を持つアルミニウム合金が求められてきている。しかしながら、アルミニウム合金の耐熱性と強度はその限界に達している。 However, as the maximum pressure Pmax of the engine increases due to recent demands for improving fuel consumption and exhaust gas regulations, aluminum alloys having higher strength properties have been demanded. However, the heat resistance and strength of aluminum alloys have reached their limits.
その一方で、セラミックス粒子強化アルミニウム合金複合材料は、耐熱性、耐摩耗性に優れているため、その製造方法とその応用が広く検討されている。このセラミックス粒子強化アルミニウム合金複合材料の製造方法としては、溶湯アルミニウム合金を攪拌しながら、セラミックス粒子を添加する方法があり、この方法が幾つかの製造方法の中で最も安価で、工業的生産に向いている。 On the other hand, since the ceramic particle reinforced aluminum alloy composite material is excellent in heat resistance and wear resistance, its production method and its application are widely studied. As a manufacturing method of this ceramic particle reinforced aluminum alloy composite material, there is a method of adding ceramic particles while stirring a molten aluminum alloy. This method is the cheapest among several manufacturing methods, and is suitable for industrial production. It is suitable.
しかしながら、溶湯アルミニウム合金とセラミックス粒子の濡れ性が良くないため、攪拌混合法で溶湯アルミニウム合金にセラミックス粒子を直接混ぜると、セラミックス粒子の凝集が生じ、セラミックス粒子が均等に分散しないため、作製された複合材料の機械的特性が劣化してしまうという問題がある。 However, since the wettability between the molten aluminum alloy and the ceramic particles is not good, the ceramic particles are agglomerated when the ceramic particles are directly mixed into the molten aluminum alloy by the stirring and mixing method, and the ceramic particles are not evenly dispersed. There is a problem that the mechanical properties of the composite material deteriorate.
この対策として、セラミックス粒子とアルミニウム合金との間の濡れ性を改善させるため、セラミックス粒子の表面に銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）をコーティングする方法があるが、セラミックス粒子表面へのコーティングは容易ではないため、コスト的に非常に高くなるという問題がある。また、アルミニウム合金にマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）を添加する方法がある。この方法の場合には、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）の添加量がアルミニウム合金の組成の範囲であれば、問題がないが、添加量が合金の組成以上になると、アルミニウム合金の靭性が悪くなる可能性があるという問題がある。 As a countermeasure, there is a method of coating the surface of the ceramic particles with copper (Cu) or nickel (Ni) in order to improve the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy. However, there is a problem that the cost becomes very high. There is also a method of adding magnesium (Mg) and calcium (Ca) to an aluminum alloy. In this method, there is no problem if the addition amount of magnesium (Mg) and calcium (Ca) is within the range of the composition of the aluminum alloy. There is a problem that it can get worse.
このように、アルミニウム合金の強度と耐熱性を向上させるためには、セラミックス粒子複合は一つの有効な手段であるので、特に、ナノオーダーからサブミクロンのセラミックス粒子のアルミニウム合金への複合技術の開発が望まれている。しかし、従来の製造方法では、粒径ミクロンオーダーやナノオーダーの粒子のアルミニウム合金への複合化は非常に困難であるため、新たな粒子分散法の開発が望まれている。 Thus, in order to improve the strength and heat resistance of an aluminum alloy, ceramic particle composite is one effective means, so in particular, development of composite technology for nano-order to sub-micron ceramic particles to aluminum alloy Is desired. However, in the conventional manufacturing method, since it is very difficult to combine particles having a particle size of micron order or nano order with an aluminum alloy, development of a new particle dispersion method is desired.
なお、この混合法に関連して、本発明者は、金属溶融中にセラミックス粒子を添加して混合する際に、ホモジナイザーを用いてセラミックス粒子を溶湯中に分散させることで、セラミックス粒子を均一に分散できる粒子強化金属複合材料の製造方法を提案している（例えば、特許文献１参照。）。 In connection with this mixing method, when adding and mixing ceramic particles during metal melting, the present inventors uniformly disperse the ceramic particles in the molten metal using a homogenizer. The manufacturing method of the particle reinforcement metal composite material which can be disperse | distributed is proposed (for example, refer patent document 1).
また、セラミックス粒子と、金属粒子とを予混合して混合粒子を作製した後、撹拌法でその混合粒子を溶湯アルミニウムまたは溶湯アルミニウム合金に分散させるセラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法も提案している（例えば、特許文献２参照。）。 Also proposed is a method for producing a ceramic particle reinforced aluminum composite material in which ceramic particles and metal particles are premixed to produce mixed particles, and then the mixed particles are dispersed in molten aluminum or molten aluminum alloy by a stirring method. (For example, refer to Patent Document 2).
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、セラミックス粒子とアルミニウム合金との間の濡れ性を改善できて、セラミックス粒子の分散性を向上させることができるセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above situation, and its purpose is to enhance the ceramic particles that can improve the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy and improve the dispersibility of the ceramic particles. The object is to provide a method for producing an aluminum-silicon alloy composite material.
上記の目的を達成するためのセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法は、ケイ素を含まない亜共晶アルミニウム合金の溶湯にセラミックス粒子を添加し、該セラミックス粒子を溶湯中に均一に分散させた後、ケイ素を添加することによりセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料を製造する方法である。 In order to achieve the above object, a method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material comprises adding ceramic particles to a melt of a hypoeutectic aluminum alloy not containing silicon, and uniformly dispersing the ceramic particles in the melt. This is a method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material by adding silicon after dispersion.
この製造方法によれば、セラミックス粒子とアルミニウム合金との濡れ性を改善させるため、まず、ケイ素（Ｓｉ）を含まない亜共晶のアルミニウム合金にセラミックス粒子を添加し、その後、ケイ素を添加して、アルミニウム合金の組成をアルミニウム−ケイ素系合金にする。 According to this manufacturing method, in order to improve the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy, first, the ceramic particles are added to the hypoeutectic aluminum alloy not containing silicon (Si), and then silicon is added. The composition of the aluminum alloy is an aluminum-silicon alloy.
この方法によれば、ケイ素を含まない亜共晶アルミニウム合金とセラミックス粒子との濡れ性が良いので、セラミックス粒子を均一に分散できる。また、ケイ素の添加量を調節することにより、アルミニウム−ケイ素系合金を亜共晶、共晶、または過共晶にすることができる。なお、このケイ素を含まない亜共晶アルミニウム合金とは、完全にケイ素が無い状態だけでなく、コンタミネーション程度の不純物としてのケイ素が含まれている合金であってもよい。また、この「亜共晶」は、冷却の過程で一つの融液から二つ以上の固相が密に混合した組織への変化の反応で生じた「共晶」よりも合金元素濃度が少ない場合を言い、「過共晶」は「共晶」よりも合金元素濃度が多い場合を言う。 According to this method, since the wettability between the hypoeutectic aluminum alloy not containing silicon and the ceramic particles is good, the ceramic particles can be uniformly dispersed. Further, the aluminum-silicon alloy can be made into a hypoeutectic, eutectic, or hypereutectic by adjusting the amount of silicon added. The hypoeutectic aluminum alloy containing no silicon may be an alloy containing silicon as an impurity having a degree of contamination as well as a state containing no silicon. In addition, this “hyeutectic” has a lower alloy element concentration than the “eutectic” produced by the reaction of a change from a melt to a structure in which two or more solid phases are intimately mixed during the cooling process. “Hypereutectic” refers to the case where the alloy element concentration is higher than “eutectic”.
また、上記のセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法において、前記亜共晶アルミニウム合金は、アルミニウム−ニッケル、アルミニウム−銅、アルミニウム−マグネシウムのいずれかの二元亜共晶アルミニウム合金、又は、ニッケル、マグネシウム、銅のいずれかを含む三元以上の亜共晶アルミニウム合金である。 In the above method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material, the hypoeutectic aluminum alloy is a binary hypoeutectic aluminum alloy of any one of aluminum-nickel, aluminum-copper, and aluminum-magnesium, Alternatively, it is a ternary or higher hypoeutectic aluminum alloy containing any of nickel, magnesium, and copper.
また、上記のセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法において、前記亜共晶アルミニウム合金に、ニッケル、マグネシウム、カルシウムと銅の少なくとも一つの元素を添加し、前記亜共晶アルミニウム合金中のニッケル、マグネシウム、カルシウム又は銅の濃度を高めて、前記セラミックス粒子と前記亜共晶アルミニウム合金の濡れ性を改善する。 In the method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material, at least one element of nickel, magnesium, calcium and copper is added to the hypoeutectic aluminum alloy, The concentration of nickel, magnesium, calcium or copper is increased to improve the wettability of the ceramic particles and the hypoeutectic aluminum alloy.
つまり、アルミニウム（Ａｌ）−ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）−銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）−マグネシウム（Ｍｇ）などの亜共晶アルミニウム合金に、更に、銅、ニッケル、マグネシウムなどの金属を添加し、亜共晶アルミニウム合金中の銅、ニッケル、マグネシウムの濃度を高めることにより、セラミックス粒子とアルミニウム合金間の濡れ性を改善し、セラミックス粒子の分散性を向上させる。 That is, hypoeutectic aluminum alloys such as aluminum (Al) -nickel (Ni), aluminum (Al) -copper (Cu), aluminum (Al) -magnesium (Mg), and metals such as copper, nickel, and magnesium. Is added to increase the concentration of copper, nickel and magnesium in the hypoeutectic aluminum alloy, thereby improving the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy and improving the dispersibility of the ceramic particles.
更に、上記のセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法において、前記セラミックス粒子を、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａ１2Ｏ3）、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）のいずれかの粒子とする。 Further, in the above method for producing a ceramic particle reinforced aluminum-silicon alloy composite material, the ceramic particles may be made of aluminum oxide (alumina: A1 2 O 3 ), spinel (MgA1 2 O 4 ), silicon carbide (SiC), carbonized. Any particle of boron (B 4 C) is used.
また、上記のセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法において、前記セラミックス粒子を分散させたアルミニウム−ケイ素系アルミニウム合金の溶湯に、更に、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、リン（Ｐ）、又は、これらの成分を有するアルミニウム合金を添加して、アルミニウム−ケイ素系合金の組成を調整する。 In the above method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material, nickel (Ni), magnesium (Mg), copper (in addition to the molten aluminum-silicon aluminum alloy in which the ceramic particles are dispersed) Cu), zinc (Zn), manganese (Mn), iron (Fe), titanium (Ti), vanadium (V), zirconium (Zr), antimony (Sb), strontium (Sr), phosphorus (P), or An aluminum alloy having these components is added to adjust the composition of the aluminum-silicon alloy.
また、上記のセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法において、前記アルミニウム−ケイ素系合金は、ニッケル、マグネシウム、銅、亜鉛、マンガン、鉄、チタン、バナジウム、ジルコニウム、アンチモン、ストロンチウム、リンのいずれかの元素を含むアルミニウム−ケイ素系合金であり、ケイ素の添加量を調節することにより、アルミニウム−ケイ素系合金を亜共晶、共晶、または過共晶にする。 In the method for producing a ceramic particle reinforced aluminum-silicon alloy composite material, the aluminum-silicon alloy may be nickel, magnesium, copper, zinc, manganese, iron, titanium, vanadium, zirconium, antimony, strontium, phosphorus. An aluminum-silicon alloy containing any one of the above elements, and by adjusting the amount of silicon added, the aluminum-silicon alloy becomes hypoeutectic, eutectic, or hypereutectic.
本発明のセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法によれば、セラミックス粒子とアルミニウム合金との間の濡れ性を改善できて、セラミックス粒子の分散性を向上させることができる。 According to the method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material of the present invention, the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy can be improved, and the dispersibility of the ceramic particles can be improved.
また、ケイ素を含まないアルミニウム亜共晶合金に、銅、マグネシウム、ニッケル、カルシウムのいずれかを添加し、セラミックス粒子とアルミニウム合金との間の濡れ性を改善することにより、容易にセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系アルミニウム合金複合材料を作製することができる。 Also, by adding any of copper, magnesium, nickel, and calcium to an aluminum hypoeutectic alloy that does not contain silicon, and improving the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy, the ceramic particle reinforced aluminum can be easily -A silicon-based aluminum alloy composite material can be produced.
また、この製造方法により作製されたセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系アルミニウム合金複合材料は、微細なセラミックス粒子により強化されているため、強度、耐摩耗性、高温特性が改善されており、高強度軽量化部材として自動車産業等で使用できる。 In addition, the ceramic particle reinforced aluminum-silicon-based aluminum alloy composite material produced by this manufacturing method is reinforced with fine ceramic particles, so it has improved strength, wear resistance, and high-temperature characteristics, and has high strength and light weight. It can be used in the automobile industry etc. as a chemical component.
以下、本発明に係る実施の形態のセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法について説明する。 Hereinafter, a method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material according to an embodiment of the present invention will be described.
本発明に係る実施の形態のセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法は、セラミックス粒子とアルミニウム合金間の濡れ性を改善させるため、まず、ケイ素（Ｓｉ）を含まない亜共晶のアルミニウム合金（Ａ１合金）にセラミックス粒子を添加し、その後、ケイ素を添加して、アルミニウム合金の組成をアルミニウム−ケイ素系合金（Ａ１−Ｓｉ系合金）にする製造方法である。 In order to improve the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy, the manufacturing method of the ceramic particle reinforced aluminum-silicon alloy composite material according to the embodiment of the present invention first includes a hypoeutectic that does not contain silicon (Si). In this manufacturing method, ceramic particles are added to an aluminum alloy (A1 alloy), and then silicon is added to make the composition of the aluminum alloy an aluminum-silicon alloy (A1-Si alloy).
ケイ素を含まない亜共晶アルミニウム合金は、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、リン（Ｐ）などの元素を含む合金である。なお、このケイ素を含まない亜共晶アルミニウム合金とは、完全にケイ素が無い状態だけでなく、コンタミネーション程度の不純物としてのケイ素が含まれている合金であってもよい。 Hypoeutectic aluminum alloys not containing silicon are nickel (Ni), magnesium (Mg), copper (Cu), zinc (Zn), manganese (Mn), iron (Fe), titanium (Ti), vanadium (V). , Zirconium (Zr), antimony (Sb), strontium (Sr), and phosphorus (P). The hypoeutectic aluminum alloy containing no silicon may be an alloy containing silicon as an impurity having a degree of contamination as well as a state containing no silicon.
このケイ素を含まない亜共晶アルミニウム合金においては、液相線と固相線の間に液相と固相が共存する領域があり、溶解したアルミニウム合金をその温度範囲に冷却すると、まず、初晶としてα−アルミニウム（α−Ａｌ）が析出する。そして、溶湯アルミニウムの温度が低くなるにつれ、初晶α−アルミニウムが増え、液相の量が減る。半凝固の温度範囲では、液相の成分は共晶で、初晶α−アルミニウムの析出につれ、共晶液中の合成成分の濃度が相対的に高くなる。 In this hypoeutectic aluminum alloy containing no silicon, there is a region where the liquid phase and the solid phase coexist between the liquidus line and the solidus line. When the molten aluminum alloy is cooled to that temperature range, Α-aluminum (α-Al) is precipitated as crystals. And, as the temperature of the molten aluminum decreases, the primary crystal α-aluminum increases and the amount of liquid phase decreases. In the semi-solidified temperature range, the liquid phase component is eutectic, and as the primary α-aluminum precipitates, the concentration of the synthetic component in the eutectic liquid becomes relatively high.
また、ケイ素を含まない、アルミニウム−銅（Ａ１−Ｃｕ）、アルミニウム−ニッケル（Ａ１−Ｎｉ）、アルミニウム−マグネシウム（Ａ１−Ｍｇ）などの亜共晶アルミニウム合金、または、ニッケル、マグネシウム、銅を含む三元以上の亜共晶アルミニウム合金に、銅、ニッケル、マグネシウム、カルシウム（Ｃａ）などを添加することで、亜共晶アルミニウム合金中の銅、ニッケル、マグネシウム、カルシウムなどの濃度を高めることにより、セラミックス粒子とアルミニウム合金間の濡れ性を改善できるので、セラミックス粒子の分散性が向上する。 In addition, silicon-free hypoeutectic aluminum alloys such as aluminum-copper (A1-Cu), aluminum-nickel (A1-Ni), aluminum-magnesium (A1-Mg), or nickel, magnesium, copper are included. By increasing the concentration of copper, nickel, magnesium, calcium, etc. in the hypoeutectic aluminum alloy by adding copper, nickel, magnesium, calcium (Ca), etc. to the ternary or higher hypoeutectic aluminum alloy, Since the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy can be improved, the dispersibility of the ceramic particles is improved.
また、セラミックス粒子を分散させた亜共晶アルミニウム合金に更にケイ素を添加すると、アルミニウム合金は、アルミニウム−ケイ素系合金（Ａ１−Ｓｉ系合金）になる。更に、ケイ素の添加量を調節することにより、亜共晶、共晶、過共晶アルミニウム−ケイ素系合金（Ａ１−Ｓｉ系合金）複合材料が得られる。 Further, when silicon is further added to the hypoeutectic aluminum alloy in which the ceramic particles are dispersed, the aluminum alloy becomes an aluminum-silicon alloy (A1-Si alloy). Furthermore, a hypoeutectic, eutectic, and hypereutectic aluminum-silicon alloy (A1-Si alloy) composite material can be obtained by adjusting the amount of silicon added.
一方、アルミニウム−銅、アルミニウム−ニッケル、アルミニウム−マグネシウムなどの亜共晶アルミニウム合金、または、ニッケル、マグネシウム、銅を含む三元以上の亜共晶アルミニウム合金に、銅、ニッケル、マグネシウム、カルシウムなどを添加し、亜共晶アルミニウム合金中の銅、ニッケル、マグネシウム、カルシウムなどの濃度を高めて粒子の分散性を改善させた後、ケイ素を添加するとともに、アルミニウムを添加すると、銅、ニッケル、マグネシウム、カルシウムなどの濃度を希釈して、所定の濃度にすることができる。 On the other hand, hypoeutectic aluminum alloys such as aluminum-copper, aluminum-nickel, aluminum-magnesium, or ternary or more hypoeutectic aluminum alloys containing nickel, magnesium, copper, copper, nickel, magnesium, calcium, etc. After adding and improving the dispersibility of the particles by increasing the concentration of copper, nickel, magnesium, calcium, etc. in the hypoeutectic aluminum alloy, silicon is added and when aluminum is added, copper, nickel, magnesium, The concentration of calcium or the like can be diluted to a predetermined concentration.
本発明で作製されるアルミニウム−ケイ素系合金の主要な成分は、アルミニウム−ケイ素であるが、必要に応じて、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、ボロン（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、リン（Ｐ）などの合金元素を添加してもよい。これらの元素またはアルミニウムとの合金を溶湯アルミニウム合金に添加するタイミングは、セラミックス粒子を添加する前でもよいが、セラミックス粒子を添加した後でもよい。また、ケイ素を添加すると同時に添加してもよい。 The main component of the aluminum-silicon alloy produced in the present invention is aluminum-silicon, but as necessary, iron (Fe), zinc (Zn), titanium (Ti), boron (B), vanadium. Alloy elements such as (V), manganese (Mn), strontium (Sr), antimony (Sb), zirconium (Zr), and phosphorus (P) may be added. The timing of adding these elements or an alloy with aluminum to the molten aluminum alloy may be before the ceramic particles are added or after the ceramic particles are added. Moreover, you may add simultaneously with adding silicon.
セラミックス粒子の濡れ性を改善するためは、ニッケル、マグネシウム、銅、カルシウムの添加量が多ければ多いほどよいが、添加量が多すぎると、合金の融点が下がるため、耐熱性に対して悪い影響が生じる。また、カルシウム、マグネシウムの量が多すぎると、合金が脆くなる傾向があるので、適切な量にすることが必要となる。 In order to improve the wettability of ceramic particles, the higher the amount of nickel, magnesium, copper and calcium, the better. However, if the amount added is too high, the melting point of the alloy will be lowered, which will adversely affect the heat resistance. Occurs. Moreover, since there exists a tendency for an alloy to become weak when there is too much quantity of calcium and magnesium, it is necessary to make it into an appropriate quantity.
自動車エンジン用ピストンにおいては、従来はＪＩＳ規格のＡＣ８Ａのようなアルミニウム−ケイ素系合金が使われている。このＡＣ８Ａ合金の組成は、ＪＩＳ規格では、ケイ素が１１〜１３ｍａｓｓ（質量）％、マグネシウムが０．７〜１．３ｍａｓｓ％、ニッケルが０．８〜１．５ｍａｓｓ％、銅が０．８〜１．３ｍａｓｓ％と定めている。 Conventionally, aluminum-silicon alloys such as JIS standard AC8A have been used in pistons for automobile engines. The composition of this AC8A alloy is 11-13 mass (mass)% for silicon, 0.7-1.3 mass% for magnesium, 0.8-1.5 mass% for nickel, and 0.8-1 for copper according to JIS standards. .3 mass%.
燃焼室の温度の向上に従い、ピストン材料の強度と耐熱性が求められており、銅とニッケルを多めに添加して改良したＡＣ８Ａ系合金（Ｃｕの添加量は３−５ｍａｓｓ％、Ｎｉの添加量は１−３ｍａｓｓ％になり、便宜上、ここではＡＣ８Ａ系合金と呼ぶ）が広く使われている。本発明では、粒子の濡れ性を改善させるために、ニッケル、銅を用いるので、改良されたＡＣ８Ａ系合金を容易に得ることができる。 As the temperature of the combustion chamber increases, the strength and heat resistance of the piston material are required. The AC8A alloy is improved by adding more copper and nickel (addition amount of Cu is 3-5 mass%, addition amount of Ni) Is 1-3 mass%, and for convenience, it is referred to as an AC8A-based alloy here). In the present invention, since nickel and copper are used to improve the wettability of the particles, an improved AC8A alloy can be easily obtained.
また、使用するセラミックス粒子としては、酸化アルミニウム( アルミナ：Ａ１2Ｏ3）粒子、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）粒子、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子、炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）粒子などのセラミックス粒子を用いるが、他のセラミックス粒子を使用することもできる。 The ceramic particles used include ceramic particles such as aluminum oxide (alumina: A1 2 O 3 ) particles, spinel (MgA1 2 O 4 ) particles, silicon carbide (SiC) particles, and boron carbide (B 4 C) particles. Although used, other ceramic particles can also be used.
上記のセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法によれば、セラミックス粒子とアルミニウム合金との間の濡れ性を改善できて、セラミックス粒子の分散性を向上させることができる。 According to the above method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material, the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy can be improved, and the dispersibility of the ceramic particles can be improved.
また、ケイ素を含まないアルミニウム亜共晶合金に、銅、マグネシウム、ニッケル、カルシウムのいずれかを添加し、セラミックス粒子とアルミニウム合金との間の濡れ性を改善することにより、サブミクロンオーダーのセラミックス粒子でも容易にアルミニウム−ケイ素系合金に分散させることができ、優れた性能を持つセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系アルミニウム合金複合材料を容易に作製することができる。 In addition, by adding any of copper, magnesium, nickel, and calcium to an aluminum hypoeutectic alloy that does not contain silicon, and improving the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy, ceramic particles of submicron order However, it can be easily dispersed in an aluminum-silicon-based alloy, and a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon-based aluminum alloy composite material having excellent performance can be easily produced.
また、この製造方法により作製されたセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系アルミニウム合金複合材料は、微細なセラミックス粒子により強化されているため、強度、耐摩耗性、高温特性が改善されており、高強度軽量化部材として自動車産業等で使用できる。 In addition, the ceramic particle reinforced aluminum-silicon-based aluminum alloy composite material produced by this manufacturing method is reinforced with fine ceramic particles, so it has improved strength, wear resistance, and high-temperature characteristics, and has high strength and light weight. It can be used in the automobile industry etc. as a chemical component.
次に、上記の製造方法を用いた実施例１，２について説明する。実施例１では、７５０℃でアルミニウム−銅（４ｍａｓｓ（質量）％）合金を溶かし、最終的にアルミニウム−ケイ素系合金の成分が、アルミニウム−銅（４ｍａｓｓ％）−ニッケル（２ｍａｓｓ％）−ケイ素（１１ｍａｓｓ％）−マグネシウム（０．８ｍａｓｓ％）になるようニッケル、マグネシウムと銅を添加した後、溶湯亜共晶アルミニウム合金を、液相と固相が共存できる半凝固の温度範囲に冷却し、攪拌しながら、粒径１０μｍの炭化ケイ素粒子を８ｍａｓｓ％になるように添加した。 Next, Examples 1 and 2 using the above manufacturing method will be described. In Example 1, an aluminum-copper (4 mass (mass)) alloy was melted at 750 ° C., and finally the components of the aluminum-silicon alloy were aluminum-copper (4 mass%)-nickel (2 mass%)-silicon ( After adding nickel, magnesium and copper to 11 mass%)-magnesium (0.8 mass%), the molten hypoeutectic aluminum alloy is cooled to a semi-solidified temperature range in which a liquid phase and a solid phase can coexist and stirred. However, silicon carbide particles having a particle size of 10 μm were added so as to be 8 mass%.
粒子を均一に分散させた後、溶湯アルミニウム合金を再び７５０℃に加熱し、アルミニウム−ケイ素系合金の成分をアルミニウム−銅（４ｍａｓｓ％）−ニッケル（２ｍａｓｓ％）−ケイ素（１１ｍａｓｓ％）−マグネシウム（０．８ｍａｓｓ％）になるようにケイ素を添加した。その後、炭化ケイ素粒子を含んだ溶湯アルミニウム−ケイ素系合金を鋳込み、ＪＩＳ規格のＴ６で熱処理した後、その組織を観察し、また、その引張強度を測定した。 After the particles are uniformly dispersed, the molten aluminum alloy is heated again to 750 ° C., and the components of the aluminum-silicon alloy are aluminum-copper (4 mass%)-nickel (2 mass%)-silicon (11 mass%)-magnesium ( Silicon was added so that it might become 0.8 mass%. Thereafter, a molten aluminum-silicon alloy containing silicon carbide particles was cast and heat-treated at JIS standard T6, the structure was observed, and the tensile strength was measured.
光学顕微鏡で観察した結果、炭化ケイ素粒子がアルミニウム合金に均一に分布していることが確認された。炭化ケイ素粒子強化アルミニウム−銅（４ｍａｓｓ％）−ニッケル（２ｍａｓｓ％）−ケイ素（１１ｍａｓｓ％）−マグネシウム（０．８ｍａｓｓ％）アルミニウム複合材料の引張強度は、４２５ＭＰａで、アルミニウム−銅（４ｍａｓｓ％）−ニッケル（２ｍａｓｓ％）−ケイ素（１１ｍａｓｓ％）−マグネシウム（０．８ｍａｓｓ％）合金そのものより約７％高くなった。 As a result of observation with an optical microscope, it was confirmed that the silicon carbide particles were uniformly distributed in the aluminum alloy. Silicon carbide particle reinforced aluminum-copper (4 mass%)-nickel (2 mass%)-silicon (11 mass%)-magnesium (0.8 mass%) The aluminum composite material has a tensile strength of 425 MPa, and aluminum-copper (4 mass%)- It was about 7% higher than the nickel (2 mass%)-silicon (11 mass%)-magnesium (0.8 mass%) alloy itself.
次に、実施例２について説明する。この実施例２では、７５０℃でアルミニウム−銅（４ｍａｓｓ％）合金を溶かし、最終的にアルミニウム−ケイ素系合金の成分がアルミニウム−銅（４ｍａｓｓ％）−ニッケル（２ｍａｓｓ％）−ケイ素（１１ｍａｓｓ％）−マグネシウム（０．８ｍａｓｓ％）になるようニッケル、マグネシウムと銅を添加した後、溶湯亜共晶アルミニウム合金を液相と固相が共存できる半凝固の温度範囲に冷却し、攪拌しながら、粒径２μｍのスピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）粒子を４ｍａｓｓ％になるように添加した。 Next, Example 2 will be described. In Example 2, an aluminum-copper (4 mass%) alloy was melted at 750 ° C., and finally the components of the aluminum-silicon alloy were aluminum-copper (4 mass%)-nickel (2 mass%)-silicon (11 mass%). -After adding nickel, magnesium and copper to magnesium (0.8 mass%), the molten hypoeutectic aluminum alloy is cooled to a semi-solidified temperature range where the liquid phase and solid phase can coexist, Spinel (MgA1 2 O 4 ) particles having a diameter of 2 μm were added so as to be 4 mass%.
スピネル粒子を均一に分散させた後、溶湯アルミニウム合金を再び７５０℃に加熱し、アルミニウム−ケイ素系合金の成分がアルミニウム−銅（４ｍａｓｓ％）−ニッケル（２ｍａｓｓ％）−ケイ素（１１ｍａｓｓ％）−マグネシウム（０．８ｍａｓｓ％）になるようにケイ素を添加した。その後、炭化ケイ素粒子を含んだ溶湯アルミニウム−ケイ素系合金を鋳込み、ＪＩＳ規格のＴ６で熱処理した後、その組織を観察し、また、その引張強度を測定した。 After the spinel particles are uniformly dispersed, the molten aluminum alloy is heated again to 750 ° C., and the components of the aluminum-silicon alloy are aluminum-copper (4 mass%)-nickel (2 mass%)-silicon (11 mass%)-magnesium. Silicon was added so that it might become (0.8 mass%). Thereafter, a molten aluminum-silicon alloy containing silicon carbide particles was cast and heat-treated at JIS standard T6, the structure was observed, and the tensile strength was measured.
光学顕微鏡で観察した結果、スピネル粒子がアルミニウム合金に均一に分布していることが確認された。スピネル粒子強化アルミニウム−銅（４ｍａｓｓ％）−ニッケル（２ｍａｓｓ％）−ケイ素（１１ｍａｓｓ％）−マグネシウム（０．８ｍａｓｓ％）アルミニウム複合材料の引張強度は４２８ＭＰａで、アルミニウム−銅（４ｍａｓｓ％）−ニッケル（２ｍａｓｓ％）−ケイ素（１１ｍａｓｓ％）−マグネシウム（０．８ｍａｓｓ％）合金そのものより約７％高くなった。 As a result of observation with an optical microscope, it was confirmed that the spinel particles were uniformly distributed in the aluminum alloy. Spinel particle reinforced aluminum-copper (4 mass%)-nickel (2 mass%)-silicon (11 mass%)-magnesium (0.8 mass%) The aluminum composite material has a tensile strength of 428 MPa, aluminum-copper (4 mass%)-nickel ( 2 mass%)-silicon (11 mass%)-magnesium (0.8 mass%) alloy was about 7% higher than the alloy itself.
本発明のセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法によれば、セラミックス粒子とアルミニウム合金との間の濡れ性を改善できて、セラミックス粒子の分散性を向上させることができるので、自動車等の内燃機関における高強度軽量化部材として使用できるセラミックス粒子強化アルミニウム−ケイ素系合金複合材料の製造方法として利用できる。 According to the method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material of the present invention, the wettability between the ceramic particles and the aluminum alloy can be improved and the dispersibility of the ceramic particles can be improved. It can be used as a method for producing a ceramic particle-reinforced aluminum-silicon alloy composite material that can be used as a high-strength and light-weight member in an internal combustion engine.
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