その場合成法によるAl3Zr粒子分散Al複合材の摩擦摩耗特性

1

硬質粒子の分散による摩擦摩耗特性改善

研究背景・目的2

アルミニウム（Al）合金

軽量高比強度

低摩擦摩耗特性

Al 素地

相手材

硬質粒子

高硬度

冶金的強固な結合

その場合成法による金属間化合物Al3Zr粒子の分散

Al-Zr状態図Al-Si

Si 粒子脱落痕

アブレシブ摩耗が発生→摩耗量の増大

脱落した硬質粒子

硬質粒子と素地との強固な結合による硬質粒子の脱落防止

摩擦摩耗特性向上

その場合成法によるAl3Zrの生成 3

純Al粉末

10 μm

5 μm

ZrH2粒子

Zr content (wt.%)

Tem

pera

ture

/ ℃

Al 3Z

r

Al2Z

r

混合

ZrH2の分解反応およびAl3Zrの生成機構解明

加圧真空焼結

Al3Zr粒子ZrH2粒子

Al素地

H2

混合粉末 焼結材 Al-10 wt.%ZrH2

4ZrH2粒子の熱分解とAl3Zrの生成反応温度

Al-50 wt.%ZrH2

Al3Z

rTem

pera

ture

/ ℃

Zr content (wt.%)

Alの融解による吸熱反応

ZrH2の熱分解反応（ZrH2 → Zr + H2）

Pure AlZrH2Al-50 wt.%ZrH2

純Al粉末 + ZrH2粒子SPS

473 K Al-10 wt.%ZrH2焼結材

5

• 773 K付近でZrH2の熱分解反応が開始• 連続してAl3Zrの生成反応が進行

ZrH2粒子の熱分解とAl3Zrの生成反応挙動

473 K

573 K

673 K

773 K

873 K

308 K

回折ピークが減少

加熱

ZrH2

冷却

焼結時間によるAl3Zr生成反応の進行 6

t = 10.8 ks

50 μm

Al3Zr

純Al粉末 + ZrH2粒子SPS 893 K

t = 1.8 ks, 10.8 ks Al-10 wt.%ZrH2焼結材

1.8 ks

Al

Zr

Al

Zr

10.8 ks

Con

cent

ratio

n (a

t.%)

t = 1.8 ks

ZrH2

Al3Zr

50 μm

1.8 ks

・焼結時間の増大によりAl3Zrの生成反応が進行・その場合成法によりAl3Zr粒子分散Al基複合材を作製

10 μm 10 μm

Al : Zr = 3 : 1 (at.%)

ZrH2 Al3Zr

加熱前

加熱後

AlZrH2Al3Zr

ZrH2Al3Zr

SEM内高温観察によるAl3Zr生成機構の解明 7

Before

20 μm

ZrH2

Al

Al3Zr

Al823 K

ZrH2粒子

Al素地

冷却

加熱

同一視野観察

室温

室温

SEM

0 ks (823 K) 1.2 ks

2.4 ks 4.2 ks After

Before

加熱

冷却

(n = 2)

11000に減少

10-1

10-2

10-3

10

100

Al3Zr粒子分散Al基複合材の摩擦摩耗特性 8

μ0 = 0.518

μ0 = 0.156

Pure Al

Al-5 wt.%ZrH2

μ0 = 0.139Al-10 wt.%ZrH2

F = 4.9 N

1 mm 200 μm

Pure Al Al-10 wt.%ZrH2

ピン試験片の摩耗損傷評価

Al3Zr粒子分散Al基複合材の摩耗形態 9

200 µm

Al

SUS304 diskPin：Pure Al

Al

200 µm

SUS304 diskPin：Al-10 wt.%ZrH2

Slidingdirection

激しい凝着摩耗

SUS304 disk

Al-Al3Zr pin

軽微な凝着・アブレシブ摩耗

ピン試験片の摩耗面観察10

Al-5 wt.%ZrH2 pin

10 µm

Fe

Al

Zr

Al3Zr

Fe濃化域とZr濃化域が一致 Al3Zr粒子が突出して相手材と接触

Al素地 Al-Al3Zr pin

Al素地Al3Zr粒子

SUS304 disk

相手ディスク材に対する攻撃性11

Al-5 wt.%ZrH2Pure Al

Fe：10.58 wt.% Fe：0.71 wt.%

50 µm 50 µm

-10.0-5.00.05.0

10.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0Distance / mm

Al-5 wt.%ZrH2

Hei

ght /

µm

-10.0-5.00.05.0

10.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0Hei

ght /

µm

Al3Zr粒子分散による相手攻撃性の低減

摩耗粉の解析相手ディスク材の表面粗さ測定

Pure Al

摩擦摩耗機構の解析12

SUS304 disk291 Hv

Al-Al3Zr pin

Lubricantoil

Al3Zr粒子545 Hv

Al素地35 Hv

Al3Zr粒子同士の隙間に油膜圧力発生

Al3Zr粒子と相手材間に油膜形成

アブレシブ摩耗の抑制→相手攻撃性の低減

硬質Al3Zr粒子が突出

Al素地と相手材との直接接触を抑制

Al凝着摩耗の減少→摩擦係数の低位・安定化

総括13

その場合成法によるAl素地へのAl3Zr粒子の分散

硬質Al3Zr粒子により直接接触の抑制＋油膜形成→優れた摩擦摩耗特性

35 36 37 38 39 40

Inte

nsity

(a.u

.)

Diffraction angle, 2θ / deg. Pure Al Al-10%ZrH2

ZrH2

AlAl3Zr

焼結

Al : Zr= 3 : 1 (at.%)