JPH0143012B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、分散強化アルミニウムに関し、更に
詳細には機械的に合金化されたアルミニウム−リ
チウム合金粉末およびそれから作られた圧粉
（consolidated）製品に関する。 発明の背景 航空機工業、自動車工業および電気工業におけ
る進歩したデザインの要求を満たす高力アルミニ
ウムを開発しようとするかなりの研究努力がなさ
れている。アルミニウムへのリチウムの添加が密
度および弾性率に関してアルミニウムの性質を改
良するという可能性のため、アルミニウム−リチ
ウム合金は考慮下にあるものである。しかし、１
つまたは２つの性質の改良は合金が或る種の進歩
した設計応用に有用であろうことを意味しない。
むしろ、有用である合金のためには、すべての最
小限の目標の性質要件を満たさなければならな
い。密度、強度、延性、靭性、疲労および耐食性
のような性質は考慮される性質である。 従来、インゴツト冶金技術によつて調製された
多くのアルミニウム−リチウム合金系は研究され
ている。また、機械的合金化技術によつて調製さ
れている各種のアルミニウム−リチウム系、アル
ミニウム−マグネシウム系およびアルミニウム−
銅−マグネシウム系も研究されている。しかし、
低密度、高強度、耐食性、および良好な延性を必
要とする或る種の応用の場合にはいずれも必ずし
も満足ではない。 機械的合金化技術は、例えば米国特許第
3591362号明細書、同第3740210号明細書および同
第3816080号明細書に開示されている。前記特許
に開示の機械的合金化は、制御された均一な微細
ミクロ組織を有するコンパウンド金属粉末の製造
法である。それは、粉末粒子の混合物を高エネル
ギー衝撃摩砕時に制御環境において、例えばアト
ライタ（attritor）粉砕ミルにおいてプロセス制
御剤の存在下に破断し、かつ再溶接することによ
つて生ずる。前記方法においてはデイスパーソイ
ド物質、例えば粉末粒子の表面上の天然産の酸化
物は複合粉末粒子の内部に混入し、そしてその中
に均一に分散される。同様に金属性合金成分も粉
末粒子内に微細に分布される。その後、機械的な
合金化によつて調製された粉末は、熱間圧粉のよ
うな各種の方法によつてバルク形態（bluk
forms）に圧粉され、その後押し出され、圧延さ
れるか鍛造される。 多くの通常のアルミニウム−リチウム合金、例
えば二成分系合金の場合の主要問題は、それらが
密度および強度の要件を満たす場合には有用であ
るほど十分には延性ではないことである。本発明
によれば、延性並びに低密度と高強度との組み合
わせを有する合金が提供される。 発明の具体的説明 本発明によれば、高強度、低密度、および良好
な延性によつて特徴づけられる分散強化し機械的
合金化したアルミニウムベース合金系が提供さ
れ、前記合金系は本質上重量でリチウム約0.5％
〜約４％、少量であるが強度の増大に有効な量か
ら約２％までの炭素、少量であるが強度の増大に
有効な量から約３％までの酸素、それぞれ約５％
までの量の元素マグネシウムおよび銅の少なくと
も１種（但し、マグネシウムと銅との合計量は約
８％を超えず、そしてリチウム含量が1.5％〜約
３％であり、かつ合金が銅を含まない場合にはマ
グネシウム量は１％よりも多い）、および残部本
質上アルミニウムからなり、前記合金はデイスパ
ーソイド約２〜約８容量％を含有する。この系の
機械的に合金化された粉末を約345MPa以上の室
温0.2％降伏強さと少なくとも３％の伸びとの組
み合わせを有する材料に圧粉（一体化）できる。
さらに本発明によれば、重量比で、リチウム２〜
2.5％、３％までの酸素、２％までの炭素、銅お
よびマグネシウムから選択される元素の少なくと
も１種（前期銅は２％までの量で存在し、そして
前期マグネシウムは2.5％までの量から選択され、
但し合金が銅を含まない場合にはマグネシウム含
有料は１％以上である）、および残部は実質的に
アルミニウムからなり、デイスパーソイド３〜７
％容量％を含有し、圧粉し、溶体化処理し、時効
硬化処理した状態において少なくとも345MPaの
室温0.2％降伏強さおよび少なくとも３％の伸び
によつて特徴づけられる分散強化し機械的に合金
化したアルミニウムベース合金が提供される。 本発明の分散強化アルミニウムベース合金の必
須成分は、アルミニウム、リチウム、炭素、酸
素、および元素マグネシウムおよび銅の少なくと
も１種である。他の元素は特定の最終用途用の合
金の所要の性質を阻害しない限り合金内に配合で
き、または合金を調製する際に不純物として含む
ことができる。同様に、追加の不溶性の安定なデ
イスパーソイド剤は、合金に悪影響を及ぼさない
限り、例えば高温における系の強化のために系内
に配合できる。 以下の説明において、ｗ／ｏは重量％を意味
し、そしてｖ／ｏは容量％を意味する。合金系に
おいて、成分量は相互依存している。 リチウムは約0.5〜約4w／ｏ、好都合には約１
〜約3w／ｏ、典型的には約１〜約2.5w／ｏの量
で存在する。一般に、銅量またはマグネシウム量
が約４％以上であるか銅とマグネシウムとの合計
量が５％以上である合金においては、リチウム量
は２％を超えない。 銅量およびマグネシウム量は、これらの元素の
一方が存在するならば０〜5w／ｏの範囲である
ことができる。銅の不存在下においては、合金は
典型的にはマグネシウム約1.5〜約4.5w／ｏを含
有し、そしてマグネシウムの不存在下においては
合金は典型的には銅約1.5〜約4.5w／ｏを含有す
る。銅およびマグネシウムの両方が存在する場合
には、銅とマグネシウムとの合計量が約8w／ｏ
を超えないならば銅量およびマグネシウム量はそ
れぞれ約１〜約4.5w／ｏであり、そして好まし
くは合計量は約5w／ｏを超えない。リチウム量
が約1.5w／ｏよりも多く約３％までであり、か
つ銅が存在しない場合には、合金は約1w／ｏ以
上のマグネシウムを含有する。例示の合金は、重
量でLi約1w／ｏ〜約3w／ｏ、約1w／ｏ〜約
4w／ｏの量の銅およびマグネシウムから選択さ
れる元素の少なくとも１種および残部本質上アル
ミニウムを含有できる。 酸素は、約3w／ｏまで、好ましくは約0.5〜約
1.25w／ｏで存在する。炭素は、少量であるが強
度のために有効な量、具体的には約2w／ｏまで
の量、例えば0.05から約2w／ｏまで、典型的に
は0.5〜1.5w／ｏ、好ましくは約0.7〜約1.3w／ｏ
で存在する。 酸素および炭素は、一般にデイスパーソイド系
の一部分として、例えば酸化物または炭化物とし
て合金内に存在する。一般に、合金系は均一に分
布された微粉砕デイスパーソイド物質約２〜約
8v／ｏ（容量）を包含する。デイスパーソイド量
は、好ましくは約３〜約7v／ｏ、更に好ましく
は約４〜約６または7v／ｏである。一般に、デ
イスパーソイド量は、圧粉製品を最後に使用する
であろう温度および所望強度に一致してできるだ
け少ない。上記の各成分は、高強度、低密度で耐
食性ならびに延性にすぐれたアルミニウム合金を
得るために必要なものであるが、以下、各成分の
量範囲限定理由について説明する。 まず、リチウムについては、0.5％未満の添加
量では上述したような密度低下に寄与し得ず、一
方、４％を超えて添加すると望ましくない金属間
化合物の生成量が増大延性を低下させるので好ま
しくない。 炭素については、２％を超えて多量に添加する
と、強度的には増大するが、逆に延性を阻害する
ので好ましくない。 酸素は、少量であるが強度の増大に有効な量か
ら３％まで添加されるが、３％を超えて多量に存
在すると、圧粉に先立つて粉末粒子表面の酸素量
が多くなり、これに起因して良好な圧粉が妨害さ
れ、結果的に延性を低下させることになる。この
ような酸素量の増大に伴う延性の低下現象は、焼
結工程を採用する場合にあつても同様に生じる。 銅は金属間化合物相を形成し強度に寄与する。
しかし、５％を超えて添加すると、逆に延性を低
下させ密度を増大させるので好ましくない。ま
た、銅の量の増大化は耐食性を低下させるので、
この点においても好ましくない。 マグネシウムは、まず固溶化成分であり、強度
の増大に寄与する。しかし、５％を超えて点かす
ると耐応力腐食性を低下させる傾向が生じる。 上述した銅およびマグネシウムは、いずれも強
度を付与するために有効な元素であり、少なくと
も１種を添加する。 さらに、デイスパーソイドの量については、２
容量％未満では目的とする強度は得られず、一
方、８容量％を超えてデイスパーソイドを添加す
ると、降伏強さは増大するが延性が不可避的に低
下するので好ましくない。 また、本発明において「デイスパーソイド」と
は、微細な粒子であつて合金マトリツクス中に均
一に分散されるものであり、合金に好ましい物性
を与え、特に強度の増大に寄与する物質をいう。 典型的には、デイスパーソイド物質は酸化物お
よび炭化物である。例えば、デイスパーソイド粒
子を機械的合金化プロセスおよび（または）後の
圧粉化および熱機械的加工工程において形成でき
る。機械的合金化プロセスにおいて使用されるプ
ロセス制御剤は、通常合金のデイスパーソイド含
量に寄与する。合金のアルミニウム成分およびリ
チウム成分から生成できるデイスパーソイドの例
は、Al₂O₃、AlOOH、Li₂O、Li₂AlO₄、LiAlO₂、
LiAl₅O₈、Li₅AlO₄、Li₂O₂およびAl₄C₃である。
系の成分、加工条件および特定のデイスパーソイ
ドを得るための特定の添加剤に応じて、デイスパ
ーソイド粒子組成は変化するであろう。例えば、
マグネシウムが合金内に存在する場合には、デイ
スパーソイド種はマグネシウム含有デイスパーソ
イド、例えばMgOを包含できる。金属間化合物
粒子も存在できる。 例示の組成範囲を以下の表に示す。炭素成分
および酸素成分は炭素約0.5〜1.5w／ｏおよび酸
素約0.5〜1.25w／ｏの範囲内であり、各合金内の
デイスパーソイド量は約４〜7v／ｏであり、そ
して各合金内の銅とマグネシウムとの合計量は
8w／ｏを超えない。

【表】

【表】 圧粉形態において約414MPa（60ksi）以上、更
に586MPa（85ksi）以上、例えば623MPa
（90.5ksi）以上の室温引張強さ（UTS）、少なく
とも345MPa（50ksi）、更に551MPa（80ksi）以
上、例えば575MPa（83.5ksi）の室温0.2％降伏強
さ（YS）、少なくとも116×10^-6インチ（約295×
10^-6cm）の比モジユラス〔例えば、123×10⁶イン
チ（約312×10^-6cm）〕、および少なくとも３％お
よびそれ以上、例えば６％または７％の伸びを有
する前記組成範囲内の合金を調製できる。 本発明の好ましい具体例においては、合金は１
に等しいかそれよりも大きい切欠き引張強さ／降
伏強さ比を有する。 機械的に合金化した分散強化アルミニウムベー
ス合金粉末の調製およびその圧粉は前記米国特許
第3740210号明細書および第3816000号明細書に詳
述されており、そして粉末を熱機械的に処理して
圧粉製品を調製する更に他の方法は米国特許第
4292079号明細書に記載されている。前記のよう
に、機械的に合金化した粉末は例えばボール対粉
末の重量比約15：１から60：１を使用するアトラ
イタ（attritor）中においてプロセス制御剤の存
在下で高エネルギー摩砕することによつて調製さ
れる。プロセス制御剤は溶接制御剤として役立つ
とともに炭素寄与剤および（または）酸素寄与剤
としても役立ち、そしてこの種の作用を満たす量
で使用される。好適なプロセス制御剤は、例えば
グラフアイトまたは揮発性酸素含有有機化合物、
例えば有機酸、アルコール、アルデヒド、エーテ
ルまたはアルカン、例えばヘプタンである。好ま
しいプロセス制御剤は、メタノール、ステアリン
酸およびグラフアイトである。合金の酸素含量お
よび（または）炭素含量の全部または一部分は加
工雰囲気からも由来できる。或いは、デイスパー
ソイド含量を例えば一部分前記のように添加剤と
して合金に配合できる。 圧粉前に、粉末を脱気する。次いで、粉末を熱
間圧粉して実質上密な圧粉体とし、そして高温、
例えば約370〜約455℃（700〜850〓）で加工す
る。典型的な圧粉技術においては、粉末をカンに
入れ、約510℃（950〓）において脱気し、熱間圧
粉し、次いで約472℃（800〓）において押し出
す。 圧粉製品は溶体化処理および（または）時効硬
化処理から利益を受ける。例えば、圧粉製品を例
えば約454〜566℃（850〜1050〓）の温度で溶体
化処理できる。室温に冷却後、約149〜232℃
（300〜450〓）の温度における約８〜24時間の時
効硬化処理を適用できる。本発明の好ましい具体
例においては、合金を486℃（925〓）で溶体化処
理し、室温に冷却し、そして室温で自然に時効さ
せる。 本発明の合金は、低密度および高弾性率に加え
て高強度を有する。好ましくは、延性は少なくと
も約３％である。 本発明を以下の例示の例によつて更に説明する
が、本発明は限定されない。 例 表に記載の組成の合金を与えるために元素状
またはススターアロイ状の粉末の混合物をアルゴ
ンのブランケツト下でステアリン酸の存在下にお
いて４ガロンのアトライタで約９時間高エネルギ
ー摩砕することによつて、リチウムおよび元素銅
およびマグネシウムの少なくとも１種を含有する
分散強化し機械的に合金化したアルミニウムの試
料を調製する。

【表】 例 表の組成の粉末をカンに入れ、約204〜510℃
（400〜950〓）で加熱脱気し、十分な密度に圧粉
し、そして比率約12／１から35／１および427℃
（800〓）の温度で押し出す。圧粉粉末の各種の試
料を溶体化処理し、そして時効する。処理条件を
表に示す。表の組成物の典型的性質を表に
示す。表中において、UTSは結局引張強さを
意味し、YSは降伏強さを意味し、El％は伸び％
を意味し、ρは密度を意味し、Ｅ／ρはモジユラ
ス／密度比を意味し、そしてNTS／YSは切欠き
引張強さ対降伏強さの比率を意味する。

【表】 本発明を好ましい具体例に関連して記載してい
るが、当業者が容易に理解するであろうとおりに
本発明の精神および範囲から逸脱しない限り修正
および変形を施すことができることを理解すべき
である。この種の修正および変形は本発明の範囲
内であると考えられる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比で、リチウム0.5〜４％、３％までの
   酸素、２％までの炭素、さらに５％までの量の銅
   およびマグネシウムの群から選択される少なくと
   も１種の元素（但し、銅およびマグネシウムが両
   方存在する場合には合計量は８％を超えず、そし
   てリチウム含量が1.5％〜３％でありかつ合金が
   銅を含まない場合にはマグネシウム量は１％より
   も多い）、および残部が実質的にアルミニウムか
   らなり、そして耐火デイスパーソイド２〜８容量
   ％を含有し、圧粉形態において345MPa以上の室
   温0.2％降伏強さと少なくとも３％の伸びとの組
   み合わせによつて特徴づけられる分散強化し機械
   的に合金化したアルミニウムベース合金。 ２ 合金が銅を含まず、そしてマグネシウム量が
   1.5〜4.5％である、特許請求の範囲第１項に記載
   の分散強化合金。 ３ 合金がマグネシウムを含まず、そして銅量が
   1.5〜4.5％である、特許請求の範囲第１項に記載
   の分散強化合金。 ４ 銅とマグネシウムとの合計量が５％を超えな
   い、特許請求の範囲第１項に記載の分散強化合
   金。 ５ リチウム含量が１〜３重量％である、特許請
   求の範囲第１項に記載の分散強化合金。 ６ 銅含量が1.5％までであり、そしてマグネシ
   ウム含量が４％までである、特許請求の範囲第５
   項に記載の分散強化合金。 ７ デイスパーソイド含量が少なくとも３容量％
   である、特許請求の範囲第１項に記載の分散強化
   合金。 ８ デイスパーソイド含量が４〜７容量％であ
   る、特許請求の範囲第１項に記載の分散強化合
   金。 ９ 銅およびマグネシウムの群から選択される合
   金成分の少なくとも１種が少なくとも４重量％で
   ある場合および銅とマグネシウムとの合計量が少
   なくとも５重量％である場合に、リチウム量が２
   重量％を超えない、特許請求の範囲第１項に記載
   の分散強化合金。 １０ 重量比で、リチウム２〜2.5％、３％まで
   の酸素、２％までの炭素、さらに銅およびマグネ
   シウムから選択される元素の少なくとも１種（前
   記銅は２％までの量で存在し、そして前記マグネ
   シウムは2.5％までの量から選択され、但し合金
   が銅を含まない場合にはマグネシウム含量は１％
   以上である）、および残部は実質的にアルミニウ
   ムからなり、デイスパーソイド３〜７容量％を含
   有し、圧粉し、溶体化処理し、時効硬化した状態
   において少なくとも345MPaの室温0.2％降伏強さ
   および少なくとも３％の伸びによつて特徴づけら
   れる分散強化し機械的に合金化したアルミニウム
   ベース合金。