JPH01316434A - 耐熱性アルミニウム合金材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は耐熱性に優れるアルミニウム合金材及び粉末冶
金法によるその製造方法に関する。

（従来の技術） 自動車用エンジン部品、ガスタービンのインペラー、航
空機部材などの材料は１００〜４００℃での高温強度が
必要とされる。これらの材料をアルミニウム合金とすれ
ば、軽量化に伴う多くの利点が得られる。しかし、アル
ミニウム及びその合金は、一般に高温ての強度が低い０
例えば室温での強度に優れるアルミニウム合金（ＡＡ２
０１Ｂ、２２１８．４０３２など）においても２００℃
以上の温度では著しく強度が低下する。

これに対し、近年、アルミニウムに種々の遷移元素を多
量に添加し、溶湯な急冷凝固させて得られる粉末または
リボン状薄帯な高温圧縮加工して耐熱性アルミニウム合
金とするアルミニウム粉末冶金法が開発され、ＡＪＬ−
８Ｆｅ−４Ｃｅ、ＡｌＡｌ１−８Ｆｅ−２，Ａ文−８Ｆ
ｅ−２Ｇｏなどの合金が提供されている。

アルミニウム合金系の粉末冶金法による製造工程は急冷
凝固法としてアトマイズ法、ｙ、ロール法、又は噴霧ロ
ール法等により合金溶湯を急冷凝固して粉末状、リボン
状、又はフレーク状とし、これを冷間成形により密度比
（真密度に対する比率）７０％以上の圧粉体とし封缶後
、真空脱ガス処理を行った後熱間加工により密度比１０
０％のビレットを成形し、さらに粒子間の結合力を高め
るだめに押出し、鍛造等により成形する方法が一般的に
用いられている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら上記Ａ　Ｊｌ　−８Ｆ　ｅ　−４Ｃｅ　、
　Ａ　Ｊｌ−８Ｆｅ−２Ｍ０．Ａｌ１−８Ｆｅ−２Ｇｏ
などの合金は、溶湯を１０５°Ｃ／ｓｅｃ以上で超急冷
凝固させたものを圧縮成形加工することにより、はじめ
て優れた耐熱性を発揮する合金であり、製造が容易でか
つ安価なガスアトマイズ粉末（冷却速度１０２〜１０５
℃／　ｓ　ｅ　ｃ　）では、十分な強度および耐熱性が
得られないという問題があった。

一方、１０５°Ｃ／ｓｅａ以上の冷却速度が達成できる
超急冷凝固法には、急冷ロール法メルトスピニング法な
どがあるが、いずれも特殊な製造装置及び凝固技術を必
要とするため、コスト上昇な　　　゛もたらす、さらに
、急冷ロール法によって製造される超急冷凝固材は、リ
ボン状薄帯またはフレーク状であり、このままの形状で
は圧縮成形に不適であるため、これを細片化する必要も
生じ、そのためコスト高となるという問題があった。

従って本発明の目的は、製造が容易でかつ安価を、ガス
アトマイズ粉末を圧縮成形加工して得られる耐熱性アル
ミニウム合金及びその製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは上記課題を解決するため鋭意研究を行った
結果特定のアルミニウム合金組成の溶湯な用いてガスア
トマイズ粉末を形成することにより上記目的を達成しう
ろことを見出しこの知見に基づき本発明を完成するにい
たった。

すなわち１本発明は （１）　Ｆ　ｅ　５．０〜１５重量％（以下、単に％と
記す、　）　、　Ｚｎ　０．１〜５％を含み、かつ、Ｎ
ｉ０．５〜１５％、　Ｃｏ　０．５〜１５％、Ｃｒ０．
７Ｓ１５％、Ｚｒ０．３〜ＩＯＸ、　Ｖ　　０．３〜１
０％；、　　　Ｃｅ　　　０．５−１０％、　Ｗ０．２
〜８％、Ｔ　ｉ　０．５〜１０％；、Ｍ　ｏ　００２〜
１０％、Ｍｎ　０．５〜１５％及びＣｕ　０．２〜１０
％のうち１種又は２種以上を含み、添加元素の総量が２
５％以下であり残部Ａｌと不可避的不純物を有してなり
、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サイズが０．０７〜Ｉ
ｇｍであることを特徴とする耐熱性アルミニウム合金材
及び （２）　Ｆ　ｅ　５．０〜１５％、Ｚｎ０．１〜５％を
含み、かツ、　Ｎ　ｉ　　０．５〜１５％、　Ｃｏ　０
．５〜１５％、　Ｃｒ０．７〜１５Ｘ、　Ｚ　ｒ　　０
．：ｌ　〜１０％、Ｖ　０．３〜１０％、Ｃｅ　　０．
５〜１０％、Ｗ０．２〜８％、Ｔｉ０．５〜１０％、Ｍ
ｏ　　０．２〜１０％、　Ｍｎ　０．５〜１５％及びＣ
ｕＯ１２〜１０％のうち１種又は２種以上を含み、添加
元素の総量が２５％以下であり残部Ａｌと不可避的不純
物を有してなるＡＪＩ合金溶湯を、ガスアトマイズ法に
よって急冷凝固させて粉末を形成し。

これを熱間で圧縮成形加工することを特徴とする前記組
成を有し、かつ、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サイズ
が０．０７〜ＩＩＬｍである耐熱性アルミニウム合金材
の製造方法を提供するものである。

本発明によるアルミニウム合金材中の各成分の作用及び
その含有量を限定した理由は次の通りである。

Ｆｅ含有量は５．０〜１５％とする。Ｆｅはガスアトマ
イズ法による急冷凝固中にＦｅを含む金属間化合物とし
て微細に分散して高温強度を高める作用をする。この作
用はＦｅ含有量が５．０％より少ない場合は十分でなく
、Ｆｅ含有量が１５％を越えるとその作用の度合が飽和
するばかりではなく、金属間化合物が粗大となってしま
う。

Ｚｎ含有量は０．１〜５％とする。Ｚｎは。

Ａｌ中に固溶することによって、強度を向上させる作用
があり、また一部はＦｅを含まない金属間化合物として
微細に析出し常温強度を向上させる作用がある。これら
の作用はＺｎの含有量が０．１％より少ない場合は十分
ではなく、他方５％を越えるとその作用が飽和するだけ
でコストの上昇をまねく。

Ｎｉ、Ｃ０．Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｅ、Ｗ。

Ｔｉ、Ｍｏは、Ｆｅを含む金属間化合物を熱的に安定化
させる作用があり、その作用によって高温強度を高める
。Ｍｎ、Ｃｒは、Ｚｎと同様にＡ４に固溶することによ
って強度を向上させる作用とその一部か微細に析出する
ことによって強度を向上させる作用かある。Ｎｉ、Ｃ０
．Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｅ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍ０．Ｍｎ、Ｃｕ
はそれぞれ、Ｎｉ０．５〜１５％、Ｃｏ０．５〜１５％
、Ｃｒ０．７〜１５％、Ｚｒ　　０．３〜１０％、Ｖ　
０．３〜１０％、Ｃｅ０９５〜１０％、Ｗ　（１，２〜
８％、Ｔｉ０．５〜１０％、Ｍｏ　０．２〜１０％、Ｍ
ｎ　０．５〜１５％、Ｃｕ　０．２〜１０％の範囲で１
種又は２種以上複合添加する。添加量が下限よりも少な
いとその作用が十分ではなく、また上限を越えても作用
の度合が飽和するばかりではなく、コストの上昇をもた
らす。

また全添加元素の総量は２５％以下とする。この総量が
２５％を越えるとその作用は飽和するばかりではなく、
コストの上昇をもたらす。

またＡ２中にＢｅ、Ｂ、Ｎａ、Ｃａ等の不可避的不純物
か０，５〜５００ｐｐｍ含まれていても、その特性に何
ら影響を受けない。

次に、本発明において上記組成を有するアルミニウム合
金のＦｅを含む金属間化合物の平均サイズは０．０７〜
１μｍとする。

本発明のアルミニウム合金材の製造に当り、上記組成を
有するアルミニウム合金溶湯からガスアトマイズ法によ
って好ましくは１０〜１０５°Ｃ／　ｓ　ｅ　ｃの冷却
速度で急冷凝固させて粉末を形成し、これを熱間で圧縮
成形加工する。ガスアトマイズ法は、塗料用、ロケット
の固体燃料用の純Ａｉ粉末製造方法としてすでに広く用
いられている方法であり、その製造装置を利用すること
によって容易にかつ大量の合金粉末の製造が可能である
。したがって、製造技術が確立しており、大量生産プラ
ントがすでにあるガスアトマイズ法を利用することは、
コスト面で多大の利益を有する。また、ガスアトマイズ
法で製造される急冷凝固材は粒子状の粉末であるので、
急冷ロール法等によって製造されるリボン状薄帯、フレ
ークなどの形状に比べて、その取扱、圧縮成形が容易で
あるという利点があり、製造コスト上有利となる。

しかし、ガスアトマイズ法では、急冷凝固時に微細分散
するＦｅを含む金属間化合物のサイズを０．０７７ｚｍ
より小さくすることは現在のところ困難である。一般に
急冷凝固材中の化合物サイズは凝固速度か大きくなれ小
さくなる。例えば粒径が５４ｍ以下の粉末では、Ｆｅを
含む金属間化合物のサイズが０．０７ＪＬｍ以下となる
が、ガスアトマイズ法で製造した粉末における５Ｂｍ以
下の粉末の割合は約２〜３％と低く、それのみを分級し
て使用することは著しいコスト上昇をもたらす。よって
この場合Ｆｅを含む金属間化合物の大きさを０．０７ｇ
ｍより小さくすることは実質的にできない。しかし１通
常、ガスアトマイズ粉末を圧１ａ成形した成形材中のＦ
ｅを含む金属間化合物の平均サイズは０．０７〜１μｍ
である。Ｆｅを含む金属間化合物の大きさが０．０７〜
ＩＪＬｍの範囲であれば十分耐熱性を発揮する。

次に粉末の熱間圧縮成形加工自体は常法に従って行うこ
とかできるが温度は４００°Ｃ以下とするのが好ましい
。成形加工性の点からは加工温度は高いほど良い。しか
し、Ｎｉ、Ｃ０．Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｅ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍ
ｏの添加がＦｅを含む金属間化合物を熱的に安定させ粗
大化するのを防止するとはいえ、４００℃を越えた加工
温度では金属間化合物が粗大化し、強度及び耐熱性が低
下することがある。また高温加工した成形材は　−加工
後直ちに水焼入れ等により急冷するのが好ましい、これ
によりＺｎ、Ｍｎ、Ｃｕの固溶量が増加してよりいっそ
うの強度向上がはかれる。

（実施例） 次に本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明する。

実施例 第１表に示す組成を有するアルミニウム合金（Ｎ０．１
〜Ｎ０．２０）をそれぞれ常法により溶湯とし、この溶
湯からＡｒガスアトマイズ法によって平均粒径７０ＪＬ
ｍの粉末を製造した。このアトマイズにおける冷却速度
は１０〜１０４°Ｃ／ｓｅｃであった番 次いで得られた各合金粉末を用いてそれぞれ、冷間予備
成形（密度比８０％まで圧縮、直径１００ｍｍ、長さ１
２０ｍｍ）＋アルミニウム缶封入→高温真空脱ガス（３
００℃）→熱間プレス成形（真密度まで）→外削・脱臼
の工程により、直径８０　ｍ　ｍ　、長さ１５０ｍｍの
ビレットを作製し、これを３００℃において押出し、直
径３０ｍｍの押出棒とした。

以上のようにして得られた各合金押出材について、室温
および３００℃（保持時間１００ｈｒ）における引張試
験及びＦｅを含む金属間化合物の平均サイズの測定を行
った。その結果を第２表に示す。

なお、Ｆｅを含む金属間化合物の平均サイズは次のよう
にして求めた。すなわち、各押出材組織を透過型電子顕
微鏡を用いて観察し、その組織写真から化合物の大きさ
を画像解析を用いて測定する。多数（１０００個以上）
の化合物について測定を行い、その大きさを平均して化
合物の平均サイズとする。

第２表の結果から明らかなように、本発明方法によるア
ルミニウム合金（Ｎ０．１〜Ｎ０．１７）に！超急冷凝
固法において用いられていた枇較例（Ｎ０．１８〜Ｎ０
．２０）４ｍ比し、室温及び高温保持後の強度の双方に
おいて優れている。

（発明の効果） 本発明によれば、超急冷凝固法によらず、ガスアトマイ
ズ法により、耐熱強度（高温強度）を必要とするエンジ
ン部品、タービンインペラー、航空機部材などの材料に
好適な耐熱性アルミニウム合金を得ることができる。し
かも、本発明によるアルミニウム合金急冷凝固材は製造
が容易であるばかりでなく、アトマイズ粉末として得ら
れるのでそのまま圧縮成形に用いることができ上記材料
の量産及びコスト低下に顕著な優れた効果を奏する。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｆｅ５．０〜１５％、Ｚｎ０．１〜５％を含み、
   かつ、Ｎｉ０．５〜１５％、Ｃｏ０．５〜１５％、Ｃｒ
   ０．７〜１５％、Ｚｒ０．３〜１０％、Ｖ０．３〜１０
   ％、Ｃｅ０．５〜１０％、Ｗ０．２〜８％、Ｔｉ０．５
   〜１０％、Ｍｏ０．２〜１０％、Ｍｎ０．５〜１５％及
   びＣｕ０．２〜１０％のうち１種又は２種以上を含み、
   添加元素の総量が２５％以下（以上、％は重量％を示す
   。）であり残部Ａｌと不可避的不純物を有してなり、Ｆ
   ｅを含む金属間化合物の平均サイズが０．０７〜１μｍ
   であることを特徴とする耐熱性アルミニウム合金材。
2. （２）Ｆｅ５．０〜１５％、Ｚｎ０．１〜５％を含み、
   かつ、Ｎｉ０．５〜１５％、Ｃｏ０．５〜１５％、Ｃｒ
   ０．７〜１５％、Ｚｒ０．３〜１０％、Ｖ０．３〜１０
   ％、Ｃｅ０．５〜１０％、Ｗ０．２〜８％、Ｔｉ０．５
   〜１０％、Ｍｏ０．２〜１０％、Ｍｎ０．５〜１５％及
   びＣｕ０．２〜１０％のうち１種又は２種以上を含み、
   添加元素の総量が２５％以下（以上、％は重量％を示す
   。）であり残部Ａｌと不可避的不純物を有してなるＡｌ
   合金溶湯を、ガスアトマイズ法によって急冷凝固させて
   粉末を形成し、これを熱間で圧縮成形加工することを特
   徴とする前記組成を有し、かつ、Ｆｅを含む金属間化合
   物の平均サイズが０．０７〜１μｍである耐熱性アルミ
   ニウム合金材の製造方法。