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高強度を有する急速凝固P/Mアルミニウム合金の耐摩耗性

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愛総研・研究報告 創 刊 号 平 成11年

高強度を有する急速凝固

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アルミニウム合金の耐摩耗性

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高 木 誠 へ 太 田

英伸付,岩田博之士官へ井村徹枇士,河村能人士官官士

Makoto Takagi

Hidenobu Ohta

Hiroyuki

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Toru Imura

Yoshihito Kawamura

Abstract

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1 はじめに 一方,非品質合金の摩耗特性は,構造材料として, 摺動部品等に応用する場合に特に重要でありそれに 関する基礎的研究がこれまで主に鉄系合金にて行わ れてきている7) 近年,

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系合金などの軽合金材料において,組 織を非晶質化したり微結晶化することにより,従来 にない高Lい,)強度を持つた新しい材料が見い出され, 活発に研究が進められている).必久6 構造材料などへの幅広い応用が期待されているが, その作製には急速凝固法が用いられているため粉末 か薄帯しか得られない.そこで,応用に必要な任意 形状のバルク材を得るには粉末冶金(P瓜11)法等を用 いて成形する必要がある.

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愛 知 工 業 大 学 機 械 工 学 科 (豊田市) 帥 愛 知 工 業 大 学 大 学 院 院 生 (豊田市) 帥大愛知工業大学総合技術研究所(豊田市) 付 帥 東 北 大 学 金 属 材 料 研 究 所 (仙台市) 本研究では,高圧 Heガスアトマイズ法により作 製された急速凝固粉末の押出し成形材の摩耗特性を 系統的に研究した.その際,研究対象とした合金系 は

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ぶfアルミニウム合金は摺動材料として期待 されており,本研究ではそれらを応用する上で必要 な基礎的知見を得ることを目的とした.

(2)

高強度を有する急速凝固P/Mアルミニウム合金の耐摩耗性・創刊号ー平成11年 試料及び実験方法

9

2

2 学顕微鏡で,組織を TEMで観察し,組成は EDS で調べた. Sliding Disk Specimen 本研究に用いた試料は,高圧 Heガスアトマイズ 法で作製した急速凝間粉末の押出し成形材で,成分 比及び押出し温度を変えた 5種類の Al・Ni-Y-Co系 合金,成分比を変えた2種類のAl-Si-Ni-Ce系合金, 及び添加した遷移金属元素(TM)を変えた希土類を 含まない4種類の Al-Ti-Fe-TM系合金(TM:Cr, Mo, V, Zr)である(表 1). 本研究に用いた急速凝固

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アルミニウム 合金 Specimen N o. Composition AI-Ni-Y-Co alloys A185(Ni 0.33 Yι54COO.

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AI9Z1i3.sF巴3.sZn Sawin式摩耗試験の概略国 図1 表 1に示した 5種類の Al-Ni-Y-Co系合金(試料 No.l~5) について摩耗試験を行い,摩耗量の荷重 依存性,摩擦速度依存性,摩擦距離依存性を調べた 結果,摩耗量の荷重依存性と速度依存性については, 各試料問に大きな差は見られなかった. しかし,図 2 に示すように,摩耗量の摩擦距離 依存性の実験結果には,試料間に顕著な差が現れた. 全ての試料は摩擦距離の増大に伴い摩耗量は増加し たが,摩擦距離 200m以上における摩耗量の増加 の割合には,試料問に大きな差が生じた.その中で, A189(Nio.33YO.54COO.13)11合金(試料 No.5)は耐摩耗 性が最も高く,摩擦距離 500mと lOOOmでは摩耗 量がほとんど変化しなかった. 実験結果及び考察 3 Extrusion Temperature Te 773K 673K 723K 773K 773K 表 1 喝 ! ? ﹄ 司 d A ﹃ E F b 673K 723K 673K 723K 673K 723K 6 7

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5,. 摩耗試験は,自作の Sawin式摩耗試験機にて乾 式で行い,相手材とし,硬度 900Hvの高炭素クロ ム軸受け鋼 (SUJ2)製の摩擦ディスクを用いた(図 1). 本実験では摩耗量の荷重,摩擦距離,摩擦速度の依 存性を調べた.それらの実験条件は,摩耗量の荷重 -100 600 800 Sliding Distance (m) AI-Ni-Y-Co系合金の摩耗量の摩擦距離依存 性 120C 1000 200 0 0 図 2 一般に,材料の耐摩耗性は硬度と相関があると言 われているため3 上記 5種類のAl-Ni-Y司Co系合金 について摩耗試験前の硬度を測定し,摩擦距離25m と 1000mにおける摩耗量との関係を示したものが 図 3である 摩擦距離 25mでは硬度の高い試料の 方が摩耗量が少なく,耐摩耗性が良くなっているが, lOOOmになると,その関係はくずれている.この 依存性では摩擦速度 O.5m/s,摩擦距離 50mと一定 にして,荷重をl.O~4.0kg の範囲で変化させて行 い,距離依存性は,摩擦速度 O.5mJs,荷重 2.0kg にて摩擦距離を 25~1000m の範囲で変化させて行 った.また,速度依存性については,荷重 2.0kg, 摩擦距離 50m にて,摩擦速度を O.08~ 1. 50m/s に 変化させて行った. さらに3 既存の高強度アルミニウム合金について も同様な実験を行い,上記実験で得られた摩耗特性 の結果と比較した. 摩耗の機構を調べる目的で,摩耗試験により生じ た摩耗痕について,摩擦距離増大に伴う表箇形状及 び組成の変化をそれぞ し

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の硬度を超微小硬度 言計十で浪視測JI定した. また, 摩耗粉については, 形状を光

(3)

高強度を有する急速凝固P/Mアルミニウム合金の耐摩耗性

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ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 の 中 で も , AI-NiY-Co系 の A189(Nio.33 YO.54COO.13) 11合金(試料 No.5)が 最 も 優 れた耐摩耗性を示した. 図2,図4,図 5及び図6等の実験結果から,本 研究の急速凝固 PIMアルミニウム合金の中でも耐 摩耗性の最も良かったAI-Ni-Y-Co系合金のように, 摩 擦 距 離 200m以上で摩耗量の増加が抑えられる タイプと, Al-Si-Ni-Ce系合金のように摩擦距離の 増大に伴い摩耗量が単調に増加するタイプとがある こ と が 分 か る . そ こ で , 前 者 と し て A189 (Nio.33 YO.54COO.13) 11合金(試料 No.5),後者として A178.5Si19Ni2CeO.5合金(試料 No.7)を選び,摩耗に 伴う組織変化の相違を調べることにより,それぞれ の摩耗機構を推測することを試みた. 図 7(a)及 び ( b ) は , そ れ ぞ れ A189 (Nio.33YO.54COO.13)11 合 金 ( 試 料 No.5)及 び 1000 400 600 800 Sliding Distance (m) 200 10 0 図 5 AI-Ni-Y-Co系合金の摩耗量と硬度の関係 結果から,これらの合金の耐摩耗性には,硬度以外 の要因が関与していることが考えられる. 表 lに示した 2種類のAl-Si-Ni-Ce系合金(試料 No.6及 びNo.7)と,4種類のAl-Ti-Fe-TM系合金(試 料 No.8~ 1l)について,摩耗量の摩擦距離依存性を 調べた実験結果がそれぞれ図 4及び図 5である.2 種類のAl-Si-Ni-Ce系合金では, A178.5Si19Ni2CeO.5 組成(試料No.7)の方が耐摩耗性が若干良かったが, ともに摩擦距離の増大に伴い摩耗量が単調に増加し た(図 4).Al-Ti-Fe尽M 系合金では,添加元素(TM) が Moや Zrの場合は,摩擦距離の増大に伴い摩耗 量が単調に増大した.それに対して, TMが Vや Crの場合には, Al-Ni-Y-Co系合金と同様,摩擦距 離が増大すると摩耗量の増加の割合が小さくなる傾 向がみられた.特に, Al92Ti3.5Fe3.sCrl合金(試料 No.8)は本研究の AI-Ti-Fe-TM系合金の中では最も 高い耐摩耗性を示した. 図6は, これまでに述べた AI-Ni-Y-Co系, Al -Si-Ni-Ce系, Al・h・Fe-TM系 の そ れ ぞ れ の 合 金 の 中 で 耐 摩 耗 性 の 最 も 優 れ て い た 合 金 ( 試 料 No.5, No.7及 び No.8)と,同様の方法で測定した既存の 代 表 的 な 高 強 度 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金(A4032,PA420 及 び A7075)の耐摩耗性(摩耗量の摩擦距離依存性) 図3

(4)

高強度を有する急速凝固P/Mアルミニウム合金の耐摩耗性・創刊号・平成11年 1200 急速凝固 P/Mアルミニウム合金(No.5,No.7, No.8)と 既 存 の ア ル ミ ニ ウ ム 合 金(A4032, PA420, A7075)の摩耗量の摩擦距離依存性の 比較 1000 / や J

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図6 ハ ν n u n u n U 4 3 2 1 0 F X ) ω E コ ち ﹀ ﹂ 開 山 玄 図7 摩耗痕のSEM観察結果 (a) AI89(NiO.33YO.54COO.13)11合金(試料No.5) (b) AI78.5Si19Ni2CeO.5合金(試料No.7) Sliding Distance 5 0 0 m

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種々の摩擦距離で形成された摩耗痕表面の EPMA分析結果 (a) AI89(Nio.33YO.54COO.13)11合金(試料No.5) (b)AI78.5Si19Ni2CeO.5合金(試料No.7) 及び(b)に示す.試料 No.5(図9(a))には, Al20Sと 思われる高硬度な表面層が形成されているのに対し て,試料 No.7(図9(b))では,摩耗粉が表面に混入 しているのが観察され,アブレシブ摩耗が進行中で あることが分かる. 図 8 A178.5Si19Ni2CeO.5合金(試料 No.7)の 摩 擦 距 離 100mで生じた摩耗痕の SEM写真であり,図 8(a) 及び(b)はこれら2つの合金の 100m及び 500mの 摩擦距離で生じた摩耗痕の組成変化を EPMAで分 析した結果である.図 7(a)及び(b)のどちらの摩耗 痕にも,摩擦方向に平行な多数の直線状の摩耗傷が 観察されることから,ここでは,摩擦により発生し た摩耗粉が原因で生じるアブレシブ摩耗が起こって いるものと恩われる.図8のEPMAによる分析結 果では,耐摩耗性の良かった試料 No.5は摩擦距離 100mでAl量が減少して O 量及びFe量が増加し た後, 500阻まで大きな変化がないことから,摩耗 の初期段階で表面に強固な酸化被膜が形成されたも のと考えられる.尚,ここで検出された Feは摩耗 試験時の相手材である SUJ2(高炭素 Cr軸受け鋼) 製のディスクが摩耗して混入したものである.それ に対して,試料No.7は摩擦距離 100mまでは O量 及び Fe量は少し増加するものの,Al量及びSi量 はほとんど変化せず,摩擦距離 500mになってAl 量及び Si量が減少し, 0量の著しい増加が見られ ることから,試料 No.5に比べて酸化被膜の形成が 遅いものと思われる.そして,形成される酸化被膜 は,主にアルミナ(Al20S)から成ると考えられる. 摩耗痕表面の酸化被膜の形成について調査するた めに, Al89(Nio.ssYO.54COO.lS)U合金(試料No.5)及 びAl78.5Si19Ni2CeO.5合金(試料 No.7)の摩擦距離 500mにおける摩耗痕断面を SEMで観察し,ピッ カース硬度を測定した結果を,それぞれ図 9(a)

(5)

高強度を有する急速凝固Pルfアルミニウム合金の耐摩耗性 95 国9 摩耗痕断面の SEM像及び硬度 (a) AI89(NiO.33YO.54COO.13)1 1合金(試料No.5) (b) AI78.5Si19Ni2CeO.5合金(試料No.7) 以上のことから耐摩耗性の良いAl.Ni.Y.Co系合 金は摩耗の初期段階にAl203と恩われる強固な酸 化被膜が形成されるため,図 2のように,摩耗量 の増加が抑えられるものと考えられる.それに対し て,Al・Si.Ni・Ce系合金は,酸化被膜の形成がAl・ Ni.Y.Co系合金ほど進行しないために,内部に摩耗 粉が侵入してアブレシブ摩耗が進み,摩耗量がほぼ 単調に増加するものと考えられる. 次に,アブレシブ摩耗を引き起こす摩耗粉につい て調べた.図10はAls9(Nio.33YO.54COO.13)11合金(試 料No.5)とAl78.5Si19Ni2CeO.5合金(試料 No.7)の摩 擦距離 100m及び 500mで生じた摩耗粉の光学顕微 鏡写真である.摩擦距離 100mで生じた摩耗粉には 両者に大きな差は認められないが,摩擦距離 500m になると試料 No.5の摩耗粉は褐色に変化し,微粒 化した.微粒化した原因は,摩擦により強固な酸化 被膜が形成された試料表面と摩擦ディスクの間で摩 耗粉が粉砕されたためと考えられる.褐色に変色し た原因は,摩擦ディスクが摩耗し,その主成分であ るFeが摩耗粉に混入して酸化したためであると考 えられる. (a) I (b) A189(Ni O.33Y O.54CO 0.13)11

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AI78.SSiI9Ni2CeO.5 Sliding Distance 100m Sliding Distance 500m Sliding Distance 500m 図10 摩耗粉の光学顕微鏡写真 (a) (a) AI89(NiO.33YO.54COO. 13)11合金(試料No.5) (b) AI78.5Si19Ni2CeO.5合金(試料NO.7) 図11 摩耗粉の TEM写真 (a) AI89(Nio.33YO.54COO.13)1 1合金(試料No.5) (b)AI78.SSi19Ni2CeO.S合金(試料NO.7) 図 11及び図 12は,摩擦距離 500mで生じた試 料No.5とNO.7の摩耗粉について,それぞれTEM 観察及びEDS分析を行った結果である.図11(a),(b) より,摩耗粉は共に微結晶状態であることが分かる. 図 12のEDSによる分析結果から,耐摩耗性の良 い試料 NO.5の摩耗粉から, Fe量が多く検出され た.これは,摩擦により試料表面に強固な酸化被膜 が形成されたために,摩擦ディスクの方が摩耗して いることを意味している.尚,図 12で検出されて いる Cuは,分析の際に使用したホルダーの成分で ある. 以上の結果から,今回の実験で耐摩耗性の最も良 かったAls9(Nio.33YO.54COO.13)11合金は,アブレシ

(6)

96 高強度を有する急速凝固P/Mアルミニウム合金の耐摩耗性・創刊号・平成11年 (a) 川 出 O 民 U 印

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I ( J ~ S 6 n IJ Ener忠r(keV) 図12 摩耗粉の EDS分析結果 (a) AI89(Nio.33YO.54COO.13)11合金(試料 No.5) (b) AI78.5Si19Ni2CeO.5合金(試料 No.7) ブ摩耗の初期段階に摩耗面に強国な酸化被膜が形成 3) 本研究の急速凝固 P瓜4アルミニウム合金の耐 されるために,摩耗の進行が抑えられ,耐摩耗性が 摩耗性は,摩擦に伴い形成される表面酸化被膜 良好になるものと考えられる.その際,摩耗面と摩 擦ディスクの間で摩耗粉は細かく粉砕されて微粒化 するとともに,相手材の摩擦ディスクも摩耗するも のと考えられる.それに対して, Al78:5Sil9Ni2CeO.5 合金は,摩耗面に酸化被膜が形成される時期が遅く, 文 献 酸化被膜も強固ではないために摩擦距離の増大とと もにアブレシブ摩耗が進行するものと考えられる. 以上をまとめると,本研究の急速凝固

PIM

アル ミニウム合金は,既存の高強度アルミニウム合金に 比べて耐摩耗性が優れていた.また,本研究の急速 凝固

PIM

アルミニウム合金の耐摩耗性は,摩擦に より形成される酸化被膜の形成時期とその安定性に 大きく左右されるものと考えられる. 4 結 宅冨5・ 酉 高圧 Heガスアトマイズ法により作製した急速凝 固粉末の押出し成形材である種々の

PIM

アルミニ ウム合金について摩耗特性を研究した.得られた結 果は以下の通りである. 1) 本研究に用いた高強度を有する急速凝固

PIM

アルミニウム合金は,既存のアルミニウム合 金と比較して良好な耐摩耗性を示した. 2) Al-Ni

.

:

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-Co系合金が特に高い耐摩耗性を有し, 中でもAl89(Nio.33YO.54COO.13)11の組成の合金 が最も耐摩耗性に優れていた. の形成時期とその安定性によって大きく左右さ れることが分かつた.

1) A

.

I

r工noue,広K.Ohteぽra,AP;_ぐrsaむiand T

Jpn. J. Appl.Phys., 27(1988) L479・L482.

2) Y.

Ka

wamura

A

.

I

noue and T.Masumoto Scripta Metall. Mater.

29 (1993)25・30.

3) Y.Kawamura, A

.

I

noue, K.Sasamori, A.Katoh and T.Masumoto : Mater. Trans., JIM, 34 (1993) 969幽975.

4) 河村能人,井上明久,増本 健:粉体および粉 末冶金, 41(1994)851・856.

5) Y.Kawamura, A

.

I

noue, K.Sasamori and T.Masumoto : Scripta Metall. Mater.

29 (1993)275・280.

6) Y.

Ka

wamura

H.B.Liu

A

.

I

noue 叩 d

T.Masumoto : Scripta Metall. Mater., 37 (1997)205・210.

7) T

.

I

mura, K.Hasegawa,M.Moori, T.Nishiwaki, M.Takagi and Y.Kawamura : Materials Science and Engineering

A133(1991)332・336.

参照

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