JPH02194130A - 耐熱性ａ１基合金粉末焼結体の製造方法 - 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、自動車、前空機、鉄道車輌、船舶等の各種産
業機械分野で広く使用されているＡｔ基合金粉末焼結体
の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 近年、ＡＩ粉末冶金の新しい方向として、急冷凝固法を
応用して各種の遷移元素を含有させたＡｌ基合金粉末を
得、該Ａｌ基合金粉末を用いて焼結体を成形することに
より熱間強度の高い焼結体を製造する技術が数多く開発
されている。

上記技術によると、通常ならば平衡状態のものとしては
得られない組成のＡｌ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｃｒ、Ａｌ−Ｚｒ
、Ａｌ−３Ｌ等の合金を急冷凝固粉末を用いることによ
って製造可能となるものであり、結晶粒の大きさや微細
混合物を調節することによって、耐熱性、耐摩耗性及び
疲れ強さの優れた新素材を得ることができる。

例えば特開昭５９−４３８０２号公報、同［ｉｏ−２３
４９３６号公報、同６０−２４８１１８０号公報、同６
１−４９５５１号公報、同６１−９６０５１号公報、同
５１−１３０４５１号公報等に数多くの技術が開示され
ており、更には米国特許第４，４６４，１９９号にも同
様の技術が開示されている。

上記文献に見られる技術はいずれも概ね８〜１２％のＦ
ｅを含む他、Ｃｅ等の希土類元素若しくはＶ、Ｚｒ、Ｍ
ｏ等の遷移金属元素をＡｌ中に含有させたＡｌ−Ｆｅ系
合金粉末を急冷凝固法によって得るものであり、また該
粉末を焼結してＡＩマトリックス中にＡｌ−Ｆｅ−Ｘ化
合物（Ｘは前記Ｃｅ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ等）を分散させる
ことによって熱間強度と耐熱性の高いＡｔ基合金粉末焼
結体が得られた旨述べられている。

上に見られるＡｌ−Ｆｅ系合金粉末以外のＡｌ基合金粉
末についても多くの研究開発が行なわれており、例えば
特開昭５９−１１６３５２号公報にはＡｌ中にＣｒやＺ
ｒ等を含有させて耐熱性を向上させたＡｌ−Ｃｒ−Ｚｒ
系合金粉末焼結体について開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ 前記Ａ　ｌ−Ｆｅ系合金粉末から得られる焼結体では、
いずれも常温から３００℃程度までの温度範囲では高い
引張強度を有している。

しかしながら本発明者らがＡｌ−Ｆｅ系合金粉末焼結体
について各種の検討を行なったところ、当該焼結体は靭
性が低いことが判明した。これはＡｌ−Ｆｅ系合金粉末
焼結体では、強度向上の目的で多量のＦｅや他の元素を
添加して分散相の体積率を高めているのであるが、この
分散相は脆性を有し且つ亀裂伝播サイトとなって亀裂の
進展を助長する傾向があり、これらによって該焼結体の
靭性が低くなるものと考えられる。

又分散相の体積率を下げ“〔靭性を改善しようとしても
、逆に引張強度の低下を招くという問題があった。従っ
てＡ　ｌ−Ｆｅ系合金粉末焼結体においては、引張強度
及び靭性のいずれをも同時に満足させることは極めて困
難である。こうした問題点は、靭性を必要とする各種部
品に該焼結体を適用する場合特に大きな障害となってい
る。

一方前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金粉末焼結体は、急冷凝
固法で粉末を製造する際にＣｒ及びＺｒがＡｌ中に強制
的に固溶したものであることが知られている。ＣｒやＺ
ｒが強制固溶された急冷凝固粉末を３００〜４５０℃の
温度で加熱すると、ＡＩマトリックス中からＣｕＡｌ゜
ＺｒＡｌ．等の金属間化合物が微細に析出し、析出強化
が期待できる。しかも上記析出化合物は熱処理温度（３
００〜４５０℃程度）以下の温度域ではほとんど粗大化
しないので、３００℃以下の温度域では高強度を発現し
得るものとして期待される。

しかしながらＡｌ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金粉末焼結体につい
てのこれまでの研究は、そのほとんどがＡｌ−Ｃｒ−Ｚ
ｒ３元合金素材自体に関するものであり、又急冷後の固
化成形に伴なう熱履歴を考慮していない為に押出棒や鍛
造材としては実用上十分な強度レベルを発現するに至っ
ていないのが現状である。即ちＡｌ基合金粉末焼結体は
前述した趣旨のもとで開発されたものであり、焼結・熱
間成形後において普通の鍛塊と同様に熱間での鍛造、圧
延及び押出しなどの加工が行なわれるのが一般的であり
、これらの加工後においても実用上十分な強度レベルを
発現させる必要がある。

尚上記趣旨から明らかであるが、本発明における「焼結
体」とは、製品に加工する前の成形材（これを単にＡｌ
基合金と呼ぶのが一般的である）をも含む意味である。

前記特開昭５９−１１６３５２号公報に開示された技術
は、Ａｌ−Ｃｒ−Ｚｒの３元合金に更にＭｎを添加し、
得られる焼結体の強度を高めたものであるが、この焼結
体には次に示す様な問題点があった。

例えば１９８６年４月に発行されたＭａｔｅｒｉａｌｓ
Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏ
ｌ、２の第３９４〜３９９頁にはＡｌ−Ｃｒ−Ｚｒ−Ｍ
ｎ合金粉末に関する研究が発表されており、それによる
とこの合金粉末から得られる焼結体は熱間押出等におけ
る加熱条件の影響を受は易いことが開示されている。従
ってこのＡｌ基合金粉末から得られる焼結体に十分な強
度を発現させるには、急冷凝固粉末を常温で押出す等の
方策が必要であり、静水圧押出や力量の極めて大きな特
殊なプレス装置を必要とするので実用化が困難であった
。

本発明はこうした技術的課題を解決する為になされたも
のであって、その目的とするところは、耐熱性（高温強
度）及び靭性のいずれにも優れた焼結体を得る為の方法
を提供する点にある。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明方法とは必須成分としてＣ
ｒ及びＺｒを固溶するＡｌ基合金粉末を、再結晶温度以
下の温度範囲で塑性変形してマトリックス中に転位を導
入した後、該粉末を２００〜４５０℃の温度で加熱・保
持して粒界析出物を安定化させ、更に５００℃以下の温
度で熱間圧縮成形する点に要旨を有するものである。

又上記Ａｌ基合金粉末として、Ｃｒ及びＺｒに加えＦｅ
及びＭｎから選択されるＩＭｉ又は２種を固溶したもの
を用いれば、更に効果的である。

［作用］ 本発明者らは、前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金粉末焼結体
では比較的少量の元素を添加するだけで特性の向上が図
れることに着目し、Ａｌ−Ｆｅ系のものと比べて高い靭
性な有する焼結体を開発し得る可能性を秘めているので
はないかとの着想のもとで、かねてから鋭意研究を重ね
てきた。その結果、Ａｌ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金粉末焼結体
の特性は、合金粉末中の転位組織と析出物の相互作用に
大きく依存していることが判明し、この両者を巧みに制
御すれば強度及び靭性のいずれも優れたＡｌ基合金粉末
焼結体が実現できることを見出し、本発明を完成した。

以下本発明方法の工程に沿って本発明の詳細な説明する
。

く粉末製造〉 本発明で用いるＡｌ基合金粉末は、平衡状態では固溶限
の小さな元素（ＣｒやＺｒ等）を過飽和状態に強制固溶
させる目的で、溶解合金を急冷凝固法によって微細な粉
末にしたものである。この粉末製造の具体的手段につい
ては各種アトマイズ法が例示で台何ら限定するものでは
ないが、希望する微細粉末を得るには急冷速度を１００
０℃／　ｓｅｃ以上とするのが好ましい。尚本発明にお
ける「粉末」とはその形状が球状のものに限られず、箔
状２片状、不定形状等の各種の形状のものを含む意味で
ある。

本発明で用いるＡｌ基合金粉末は、Ｃｒ及びＺｒを必須
成分として含むものであるが、その目的を達成させる為
には含有量はＣｒ：２〜５％、Ｚ　ｒ　：　０．５〜２
％であることが望ましい。更に、より高強度を実現する
為に、ＦｅやＭｎをＦｅ：０．５〜３％、Ｍ　ｎ　：　
０．５〜３％（但し合計で０．５〜３％）程度含有させ
ることが推奨される。但しこれらの添加元素（Ｃｒ、Ｚ
ｒ、Ｆｅ、Ｍｎ）を上記範囲を超えて添加すると、最終
製品において疲労特性や靭性の低下を招くので好ましく
ない。

く塑性加工〉 この工程は合金粉末を塑性変形させて粉末内部に転位を
導入することを目的とするもので、その具体的な手段に
ついて何ら限定されないが、例えば最も一般的な方法と
しては、ボールミルや高速ボールミル（アトラフター）
による方法等を挙げることがで酋る。要するに、前工程
で製造された粉末を偏平状、不規則形状等の様々な形状
に塑性変形し、転位を導入して加工硬化させればよい。

但し、加工硬化の度合及び加工条件については各合金成
分の配合割合や加工方法によって異なり、何ら限定する
ものではない。又ここでの塑性加工とは再結晶が生じな
い温度範囲で行なうことを意味し、冷間加工は勿論のこ
と所謂温間加工をも含む趣旨である。

く加熱・保持〉 この工程は、前工程で粉末内部に導入された転位上に主
としてＣｒ、Ｚｒ″ｌｒ含む金属化合物を粒界析出させ
、該析出物のビン止め効果によって転位を固着・安定化
させるものである。尚この加熱工程は、後述する緻密化
の為の熱間加工用加熱を兼ねることもできる。

加熱方法については前工程を経た粉末を粉末状態又はｃ
ｔｐ成形等によって予備的に固化した状態で、大気又は
雰囲気中で加熱すれば良いが、特に酸化防止の観点から
すれば不活性ガス等の非酸化性雰囲気中で加熱するのが
好ましい。

加熱温度については、低いほど転位上における析出物の
微細化が図れるので好ましいが、処理時間をも考慮すれ
ば２００℃以上であるのがよく、従って本発明では２０
０℃以上とした。また４５０℃を超える温度で加熱する
と析出物が粗大化し、強度向上効果が期待できなくなる
ので、加熱温度の上限は４５０℃と定めた。

一方析出物の分布は、熱処理初期の核生成によってほぼ
決定されるので、熱処理の初期に２００〜３５０℃の温
度範囲で加熱後、更に後工程の熱間成形時に３５０〜４
５０℃で０．５乃至数時間の加熱を行なうのが効果的で
ある。又加熱時間は温度との関係で定められ、低温であ
るほど長時間を要するが、３００℃の温度では概ね６〜
２４時間の保持時間がよい。

く熱間圧縮成形〉 上記各工程を完了した粉末を、熱間圧縮成形して緻密化
し、Ａｌ基合金粉末焼結体を得るものである。

このときの加工手段については、何ら限定するものでは
ないが、ホットプレス、押出し、ＨＩＰ処理等が例示で
きる。加工温度については、ホットプレスやＨＩＰ処理
の様に加工発熱が小さい場合には、５００℃以下であり
、押出し等の様に加工発熱が大きい場合には、５００℃
から加工発熱による温度上昇分を差引いた温度で加熱す
ればよい、又加工温度の下限については加工方法やプレ
ス力量等によって異なり、何ら限定するものではないが
、緻密な状態を得るという観点からすれば、３５０℃以
上が好ましい。

尚本発明における「緻密化」とは、従来の展伸材並みの
緻密状態の意味であり、換言すれば鋳物等に見られるブ
ローホールやシュリンケージ等の粗大欠陥を含まない状
態を意味し、完全無欠陥を意味するものではない、又圧
縮成形の雰囲気は真空が好ましく、従って真空下でホッ
トプレスする方法が一層効果的であり、この様な方法と
しては例えば真空ホットプレス装置を用いる方法や、粉
末を予めカプセル内に充填した後脱気・密封して圧縮成
形する方法等が挙げられる。

以下本発明方法を実施例によって更に詳細に説明するが
、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、
前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本
発明の技術的範囲に含まれる。

［実施例］ 支度■± Ａｌ−３，５％Ｃｒ−１，５％ｚｒの組成の合金を溶製
し、Ｎ２ガスアトマイズ法によって急冷凝固して粒径７
４μＩ以下の粉末を得た。ジルコニアボールを装填した
乾式高速ボールミル内に前記粉末を没入し、各種時間処
理した後回収した。このとき該粉末は、ボールミル内で
塑性変形しながら凝集及び粉砕を繰り返し、不規則な形
状で回収された。回収された粉末から比較的粗大な凝集
部分を採取し、その断面においてビッカース硬度を測定
して加工硬化の程度を測定したところ、第１図に示す結
果が得られた。第１図に示した結果から、冷間加工に伴
なって粉末が加工硬化していることが確認された。

次にボールミルによって７時間冷間加工した粉末を回収
し、Ａｌ合金製カプセル（ＡＡ規格５０５２）に充填し
た後、３５０℃×２時間の加熱を行なうと共にカプセル
内を真空脱気し、更に３５０℃で熱間押出しして１５ｍ
ｍφの丸棒を得た。

一方比較例として、冷間加工を施していない同一合金粉
末を用い、３５０℃×２時間の脱ガス処理後押出しを行
なって丸棒を得た。

これら両者の丸棒を用いて常温及び高温（２５０℃）で
の引張試験を行なったところ、下記第１表に示す結果が
得られた。尚第１表中σ。２は０．２％耐力、σＢは引
張強さ、δは破断伸びを夫々示す。

第１表の結果から明らかであるが、合金粉末を冷間加工
することによって、焼結体の強度を向上させることがで
きる。

ゑｍス 徐開加工後の加熱条件の影響を調査する為、次の様な実
験を行なった。即ち前記実施例１と同様の方法でボール
ミル処理（７時間）を行なったＡＩ　−３，５Ｃｒ　−
１，５２ｒ合金粉末を、ＣＩＰ成形した後下記第２表に
示す各条件で加熱し、ＣＥＰ状態のまま（４００℃）で
１５ｍｍ＋φの丸棒に押出加工した。得られた丸棒につ
いて、実施例１と同様の引張試験を行なった。その結果
を第２表に併記する。

上記第２表の結果から明らかであるが、冷間加工した粉
末を適正な温度範囲で加熱・保持することによって、最
適な強度が得られる。特にＮｏ。

２．３で示す様に、予め低温度で熱処理した後に比較的
高温で押出す様な熱処理を行なうことは、強度向上に更
に効果的である。

夫五里１ 下記第３表に示した各種組成の合金を溶製し、Ｎ、ガス
アトマイズ法によって急冷凝固し粒径７４μｍ以下の粉
末を得、該粉末を実施例１と同様に乾式ボールミル処理
（７時間）を行なった後回収して、該粉末をＣＩＰ成形
してビレットとした。このビレットを３００℃で５時間
加熱後、更に４００℃で１時間加熱して熱間押出加工し
て１５ｍｍφの丸棒とした。

得られた各試料について、Ａ　Ｓ　Ｔ　Ｍ　　Ｂ　５５
７Ｍ、Ａ３７Ｍ６０２及びＡＳＴＭ　　Ｅ２１に準拠し
て引張試験を行ない、常温における平滑試験片の０．２
％耐力（σ。２）と強度（σＢ）、切欠試験片の強度（
σＮＴＳ　）及び２５０℃における高温強度（σ、）を
測定した。さらに得られた結果から切欠引張強さ／耐力
比（ＯＮｒｓ／／　００．２　）を計算し、これを靭性
評価のパラメータとした。

一方従来例として、Ａ　Ｉ−８，５％Ｆｅ−７％Ｃｅ合
金粉末から押出棒を作成し、この押出棒についても上記
引張試験を行なった。尚この従来材は上記組成の粉末（
粒径７４μｍ以下）を冷間加工を施さずにＣＩＰ成形し
、このビレットを４００℃で押出加工して丸棒としたも
のである。

これらの結果を下記第３表に併記する。

第３表に示したＮｏ、６．１１と前記第２表のＮｏ、２
の特性を比較すれば明らかであるが、常温及び高温にお
ける引張強度の向上が認められ、ＦｅやＭｎの添加効果
が確認される。又Ｎｏ、１３に示した従来例とＮｏ、６
〜１２に示した実施例を比較すれば明らかであるが、本
発明方法によって得られたＡｌ基合金粉末焼結体は、強
度及び靭性のいずれにおいても高い値を示しているのが
理解される。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明方法に従えば、常温及び高温にお
ける強度が高く且つ靭性にも優れたＡｌ基合金粉末焼結
体を得ることができる。そして当該方法によれば、常温
押出などの大きな力量による加工を行なわなくとも良い
ので、各種形状の製品を容易に加工することができる。

更に本発明方法によって得られた焼結体は耐熱性は勿論
のこと靭性にも優れたものであるので、各種エンジン部
品や航空機及び各梯飛翔体の外装材、その他高温環境下
で使用される各種部品の素材として最適であり、これら
の軽量化及び機能向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＡ　Ｉ　−３，５Ｃｒ−１，５２ｒ合金粉末に
おけるボールミル処理時間が加工硬化に与える影響を示
すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）必須成分としてＣｒ及びＺｒを固溶するＡｌ基合
   金粉末を、再結晶温度以下の温度範囲で塑性変形してマ
   トリックス中に転移を導入した後、該粉末を２００〜４
   ５０℃の温度で加熱・保持して粒界析出物を安定化させ
   、更に５００℃以下の温度で熱間圧縮成形することを特
   徴とする耐熱性Ａｌ基合金粉末焼結体の製造方法。
2. （２）必須成分としてＣｒ及びＺｒを固溶する他、Ｆｅ
   及びＭｎから選択される１種又は２種を固溶するＡｌ基
   合金粉末を、再結晶温度以下の温度範囲で塑性変形して
   マトリックス中に転移を導入した後、該粉末を２００〜
   ４５０℃の温度で加熱・保持して粒界析出物を安定化さ
   せ、更に５００℃以下の温度で熱間圧縮成形することを
   特徴とする耐熱性Ａｌ基合金粉末焼結体の製造方法。