JPH06256875A

JPH06256875A - 高強度高剛性アルミニウム基合金

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Publication number: JPH06256875A
Application number: JP4152993A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Masumoto; 健増本; Akihisa Inoue; 明久井上; Yuuma Horio; 裕磨堀尾
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1993-03-02
Filing date: 1993-03-02
Publication date: 1994-09-13
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JP2703481B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、高比強度かつ剛性に優れたアルミ
ニウム基合金の提供を目的とする。【構成】本発明は、一般式ＡｌxＬyＭz（ただしＬ
は、Ｍｎ、Ｃｒの中から選択される１種の金属元素を示
し、Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの中から選択される１種も
しくは２種以上の金属元素を示す。）で示される組成を
有し、組成比を示すx，y，zは、原子％でx＋y＋z＝１０
０、７５≦x≦９５、２≦y≦１５、０.５≦z≦１０なる
関係を満足するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高比強度かつ高剛性を有
するアルミニウム基合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアルミニウム基合金には、Ａｌ-
Ｃｕ系、Ａｌ-Ｓｉ系、Ａｌ-Ｍｇ系、Ａｌ-Ｃｕ-Ｓｉ
系、Ａｌ-Ｃｕ-Ｍｇ系、Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ系などの種々の
成分系の合金が知られており、いずれの系のものにおい
ても軽量で耐食性に優れていることから、それらの個々
の材料特性に応じて、車両、船舶、航空機などの機械構
造部材用として、または、建築用外装材、サッシ、屋根
葺材、ＬＮＧタンク用構造材などとして広く使用されて
いる。

【０００３】ところが、従来のアルミニウム基合金は、
Ｆｅ系の材料に比較して一般に硬度が低く、また耐熱性
も低い欠点がある。また、Ｃｕ、ＭｇあるいはＺｎなど
の元素を添加して強度を高めたもののなかには、耐食性
に欠点を有するものがある。

【０００４】一方、近来、アルミニウム基合金を溶湯状
態から急冷凝固させることにより組織の微細化を図り、
機械強度と耐食性の両面で優れさせた特性を発揮させる
試みもなされている。このような背景において、特開平
１ー２７５７３２号公報に開示されているように、特定
の組成比のＡｌＭ₁Ｘ系（Ｍ₁は、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆ
ｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒなどの元素を示し、Ｘは、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｎｄなどの希土類元素、Ｙ、Ｎｂ、
Ｔａ、Ｍｍ（ミッシュメタル）などを示す。）の組成で
あって、組織が非晶質または非晶質と微細結晶質とから
なるアルミニウム基合金が特許出願されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記特許出願のアルミ
ニウム基合金は、高硬度材料、高強度材料、高電気抵抗
材料、耐摩耗材料、ろう付け材料などとして有用であ
り、結晶化温度近傍における超塑性現象を利用して押出
加工やプレス加工も可能であって、耐熱材料としても優
れているものである。ところが、前記のアルミニウム基
合金は、高価な希土類元素や高活性なＹなどの金属元素
を多く含有するために、コスト高になる欠点がある。即
ち、高価な原料を用いる必要があるとともに、高活性で
取り扱いの面で難点のある原料を用いる必要があるため
に、製造設備の規模が大きくなって費用が高くなり、人
件費もかかる問題がある。更に前記組成のアルミニウム
基合金は、耐酸化性、耐食性の面で不足を生じる傾向が
ある。

【０００６】本発明は前記事情に鑑みてなされたもので
あり、希土類元素やＹなど高活性元素を含まない組成と
し、低コスト化、低活性化を実現するとともに、高強
度、高剛性、かつ、耐食性に優れさせたアルミニウム基
合金を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は前
記課題を解決するために、一般式ＡｌxＬyＭz（ただ
しＬは、Ｍｎ、Ｃｒの中から選択される１種の金属元素
を示し、Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの中から選択される１
種もしくは２種以上の金属元素を示す。）で示される組
成を有し、組成比を示すx，y，zは、原子％でx＋y＋z＝
１００、７５≦x≦９５、２≦y≦１５、０.５≦z≦１０
なる関係を満足し、かつ、合金組織中に準結晶相を有し
てなるものである。

【０００８】請求項２記載の発明は前記の課題を解決す
るために、請求項１記載の元素Ｍの１／２以下をＴｉま
たはＺｒで置換してなるものである。

【０００９】

【作用】ＡｌにＭｎやＣｒを所定量添加することで、準
結晶相形成能が向上し、合金の強度、硬度、靱性が向上
する。更に、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕを所定量添加することで
急冷効果が向上し、組織の熱的安定性が向上し、かつ、
強度および硬度が向上する。また更に、ＴｉやＺｒを所
定量添加すると急冷効果が向上し、析出粒子の微細化に
より強度が向上する。

【００１０】次に、本願発明合金の各成分の組成限定理
由について説明する。Ａｌ（アルミニウム）含有量は、
原子％で７５≦Ａｌ≦９５の範囲であるが、これが７５
原子％未満であると脆化するとともに、９５原子％を超
えると強度と硬度が低下する。Ｃｒ（クロム）あるいは
Ｍｎ（マンガン）含有量は、２原子％以上で１５原子％
以下であるが、この含有量が２原子％未満であると準結
晶相が生成されず、強度や硬度が向上しないとともに、
１５原子％を超えると脆化し、靱性、剛性が低下する。

【００１１】Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）また
はＣｕ（銅）含有量は、０.５原子％以上、かつ、１０
原子％以下であるが、この含有量が０.５原子％未満で
あると強度や硬度が向上しないとともに、１０原子％を
超えるとＡｌ-Ｃｒ系、Ａｌ-Ｍｎ系の準結晶生成２元系
合金においては脆化し、靱性が低下する。

【００１２】Ｔｉ（チタン）またはＺｒ（ジルコニウ
ム）含有量は、元素Ｍの１／２以下の範囲であるが、こ
れが０.５原子％未満では急冷効果が向上しないととも
に、合金組織中に結晶質を含む場合の結晶粒が微細化し
ない。また、前記の含有量が５原子％を超えると強度、
硬度、靱性が低下する。

【００１３】前記アルミニウム基合金は、前記組成の合
金溶湯を液体急冷法で急冷凝固させて製造することがで
きる。この液体急冷法とは、溶融した合金を急速に冷却
させる方法をいい、例えば、単ロール法、双ロール法、
回転液中紡糸法などが特に有効であり、これらの方法で
は１０⁴〜１０⁶ K/sec程度の冷却速度が容易に得られ
る。この単ロール法、双ロール法などにより薄帯材料を
製造するには、溶湯を入れた石英管などの収納容器に、
石英管先端のノズル孔を通して約３００〜１００００rp
mの範囲の一定速度で回転している直径３０〜３００mm
の例えば銅あるいは銅製のロールに溶湯を噴出する。こ
れにより、幅が約１〜３００mmで厚さが約５〜５００μ
ｍの各種薄帯材料を容易に得ることができる。

【００１４】一方、回転液中紡糸法により、細線材料を
製造するには、ノズル孔を通じ、アルゴンガス背圧に
て、約５０〜５００rpmで回転する中空ドラム内に遠心
力により保持された深さ約１〜１０cmの溶液冷媒層中に
溶湯を噴出して細線材料を容易に得ることができる。こ
の際のノズルからの噴出溶湯と冷媒面とのなす角度は、
約６０〜９０度、噴出溶湯と溶液冷媒面の相対速度比
は、約０.７〜０.９であることが好ましい。また、前記
の方法によらずに、スパッタリング法などの成膜法によ
り前記組成のアルミニウム基合金の薄膜を得ることがで
き、また高圧ガス噴霧法などの各種アトマイズ法やスプ
レー法により溶湯を急冷して前記組成のアルミニウム基
合金粉末を得ることができる。

【００１５】前記の方法により得られたアルミニウム基
合金の組織状態の例を以下に示す。（１）準アルミニウム相と準結晶相の混相組織。（２）アルミニウムマトリックスからなる金属固溶体と
準結晶相の混相組織。（３）準結晶相と安定または準安定な金属間化合物相の
混相組織。（４）アルミニウムマトリックスからなる金属固溶体と
非晶質相と準結晶相の混相組織。本願発明でいう微細結晶質相とは、結晶粒の最大径の平
均が１μｍ以下である結晶質相のことである。前記
（１）〜（４）に記載の各組織は、合金溶湯の冷却速度
を制御することで任意のものが得られる。

【００１６】前記各組織状態の合金の特性（１）と（２）に示す混相組織状態の合金は、高強度を
有し、良好な曲げ延性を有する。（３）に示す混相組織
状態の合金は、（１）と（２）に示す混相組織状態の合
金よりも高強度であるが、延性は劣る。しかし、高強度
ではある。（４）に示す混相組織状態の合金は、高強
度、高靱性、高延性である。

【００１７】前記の各組織状態は、通常のＸ線回折法や
透過電子顕微鏡観察によって容易に知ることができる。
準結晶が存在する場合は、準結晶相特有のなだらかなピ
ークを示す。前記（１）〜（３）に記載した混相組織状
態は合金溶湯の冷却速度を制御することで任意のものが
得られる。前記（４）に記載した組織状態の合金は、Ａ
ｌリッチの組織（例えば、Ａｌ≧９２原子％）の合金溶
湯を急冷することで任意のものが得られる。

【００１８】本発明のアルミニウム合金は、結晶化温度
近傍（結晶化温度±１００℃）または微細結晶相の安定
温度領域内の高温域において、超塑性現象を示すので、
容易に押出加工やプレス加工、熱間鍛造等の加工を行な
うことができる。従って、薄帯、線、板状あるいは粉末
の形態で得られた前記組成のアルミニウム基合金を前記
温度で押出加工、プレス加工、熱間鍛造加工すること
で、容易にバルク材を得ることができる。更に前記組成
のアルミニウム基合金は、高度の粘さを有するので、１
８０度曲げ可能なものとなる。

【００１９】なお、前記準アルミニウム相、準結晶相、
金属固溶体、非晶質相などからなる混相組織の合金に
は、結晶質合金のような結晶粒界、偏析等の構造的不均
一性や化学的不均一性がなく、さらにアルミ酸化膜の形
成により、不動態化を起こすために高耐食性を示す。ま
た、希土類元素を含んでいると、その希土類元素の活性
のために合金表面の不動態膜に不均一性を生じやすく、
その部分から内部への腐蝕が進行する欠点があるが、前
記構造の合金にあっては希土類元素を含んでいないため
にその点の問題も解決されている。

【００２０】次に前記組成のアルミニウム基合金につい
て、バルク（塊）状の部材を製造する場合について説明
する。本発明に係るアルミニウム基合金は、加熱すると
微細結晶相を析出して結晶化するとともに、アルミニウ
ムマトリックス（α相）を析出し、それ以上の温度に加
熱すると金属間化合物も析出するので、これらの性質を
利用して高強度と延性を有するバルク化を行なうことが
できる。具体的には、急冷法により製造した薄帯合金を
ボールミルにて粉砕し、真空ホットプレスにより真空下
（例えば、１０^-3Ｔorr）、結晶化温度よりも多少低い
温度で（例えば４７０Ｋ程度で）圧粉することにより直
径数十mm、長さ数十mmの押出し用ビレットを作成する。
このビレットを押出機のコンテナ内にセットし、結晶化
温度よりも若干高い温度で数十分保持した後、押出加工
を行なって丸棒などの所望の形状の押出材を得ることが
できる。

【００２１】

【実施例】高周波溶解炉により所定の成分組成を有する
溶融合金を製造し、これを図１に示すような先端に小孔
５（孔径：０.２〜０.５mm）を有する石英管１に装入
し、加熱溶解した後、その石英管１を銅製のロール２の
直上に設置し、ロール２を回転数４０００rpmで高速回
転させ、石英管１にアルゴンガス圧（０.７kg／cm³）を
かけて石英管１の小孔５から溶湯をロール２の表面に噴
射して急冷することにより急冷凝固させて合金薄帯４を
得た。前記製造条件により、表１と表２に示す組成（原
子％）の多数の合金薄帯試料（幅１mm、厚さ２０μｍ）
を作成し、それぞれの試料についてＸ線回折とＴＥＭ
（透過型電子顕微鏡）による観察を行い、表１と表２に
示す結果を得た。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】以上の測定結果から、表１と表２の組織状
態の欄に示すように、fcc構造の微細なＡｌ結晶相と微
細な正２０面体準結晶との混相組織（fcc-Al+Q）、また
は、fcc構造の微細なＡｌ結晶相と微細な正２０面体準
結晶と非晶質相との混相組織（fcc-Al+Amo+Q）が得られ
ていることが確認された。

【００２５】次に、各薄帯試料につき、硬度（Ｈｖ）と
引張破断強度（σ_f：ＭＰa）を測定し、表１と表２に示
す結果を得た。硬度は、微小ビッカース硬度計による測
定値（ＤＰＮ：Diamond Pyramid Number）である。更
に、各薄帯試料について、コ字状になるように１８０度
折り曲げて端部どうしを密着させる１８０度密着曲げ試
験を行なった結果、破断しない程度の延性を示すものを
表１と表２にDucで示し、破断したものをBriで示した。

【００２６】表１と表２に示す結果から、Ａｌ-Ｍｎ２
元系あるいはＡｌ-Ｃｒ２元系合金に対し、元素Ｍとし
て、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの１種または２種以上を添加して
なる合金においては、原子％で７５≦Ａｌ≦９５、２≦
Ｃｏ≦１５、０.５≦Ｍ≦１０、または７５≦Ａｌ≦９
５、２≦Ｍｎ≦１５、０.５≦Ｍ≦１０なる関係を満足
させることによって、耐力が高く、硬度が高く、曲げに
も強く加工が可能なアルミニウム基合金を得ることがで
きることが明らかになった。

【００２７】表１と表２に示す本発明に係る試料におい
ては、通常のアルミニウム基合金がＨv：５０〜１００
ＤＰＮ程度であるのに対して２４０〜３８１ＤＰＮと極
めて高い硬度を示している。次に、引張破断強度（σ
f）に関しては、通常の時効硬化型アルミニウム基合金
（Ａｌ-Ｓｉ-Ｆｅ系）の値が、２００〜６００ＭＰaで
あるのに対し、本発明試料のものは９８０〜１３１０Ｍ
Ｐａの範囲になり、極めて優れていることが明らかにな
った。なお、引張強さに関し、ＪＩＳ規定の６０００系
あるいは７０００系のアルミニウム基合金においては、
２５０〜３００ＭＰa程度であり、Ｆｅ系の構造用鋼板
で４００ＭＰa程度、Ｆｅ系の高張力鋼板で８００〜９
８０ＭＰa程度であることを考慮すると、本発明に係る
アルミニウム合金が極めて優れていることが明らかであ
る。

【００２８】図２は、Ａｌ₉₂Ｃｏ₂Ｍｎ₆なる組成の合金
試料のＸ線回折図形を示し、図３はＡｌ₉₃Ｃｒ₅Ｃｏ₂な
る組成の合金試料のＸ線回折図形を示し、図４は、Ａｌ
₉₂Ｍｎ₆Ｃｕ₂なる組成の合金試料のＸ線回折図形を示す
もので、これらの図は、３つの合金試料がfcc構造の微
細なＡｌ結晶相と微細な正２０面体準結晶との混相組織
となっていることを示している。図中において、（１１
１）、（２００）、（２２０）、（３１１）で示すピー
クは、fcc構造のＡｌの結晶ピークであり、（２１１１
１１）、（２２１００１）で示すピークは、正２０面体
準結晶のなだらかなピークである。図５は、Ａｌ₉₂Ｎｉ
₂Ｍｎ₆なる組成の合金試料を０.６７ｋ／ｓの昇温速度
で加熱した場合のＤＳＣ（示差走査熱量測定）曲線を示
すものである。この図においては、高温側において、準
結晶相が安定な結晶相に変化するときのなだらかな発熱
ピークが現われている。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るアルミ
ニウム基合金は、高硬度材料、高強度材料、高剛性材料
として有用であるとともに、曲げにも強いので機械加工
もできるなどの優れた特性を有する。以上のことから本
発明に係るアルミニウム基合金は、航空機、車両、船舶
などの構造用部材、あるいはエンジン部分の構造用部
材、または、建築用外装材、サッシ、屋根材として、更
には、海水機器用部材、原子炉用部材などとして広く使
用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明合金を急冷凝固して薄帯を製造す
る際に使用した単ロール装置の一例を示す構成図であ
る。

【図２】図２はＡｌ₉₂Ｃｏ₂Ｍｎ₆なる組成の合金のＸ線
回折分析結果を示す図である。

【図３】図３はＡｌ₉₃Ｃｒ₅Ｃｏ₂なる組成の合金のＸ線
回折分析結果を示す図である。

【図４】図４はＡｌ₉₂Ｍｎ₆Ｃｕ₂なる組成の合金のＸ線
回折分析結果を示す図である。

【図５】図５はＡｌ₉₂Ｎｉ₂Ｍｎ₆なる組成の合金の熱的
特性を示す図である。

【符号の説明】

１石英管２ロール３溶湯４薄帯５ノズル孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上明久宮城県仙台市青葉区川内無番地川内住宅 11ー806 (72)発明者堀尾裕磨静岡県浜松市中沢町10番１号ヤマハ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一般式ＡｌxＬyＭz （ただしＬは、Ｍｎ、Ｃｒの中から選択される１種の金
属元素を示し、Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの中から選択さ
れる１種もしくは２種以上の金属元素を示す。）で示さ
れる組成を有し、組成比を示すx，y，zは、原子％でx＋y＋z＝１００、７
５≦x≦９５、２≦y≦１５、０.５≦z≦１０なる関係を
満足し、かつ合金組織中に準結晶相を有することを特徴
とする高強度高剛性アルミニウム基合金。
【請求項２】請求項１記載の元素Ｍの１／２以下をＴ
ｉまたはＺｒで置換してなることを特徴とする高強度高
剛性アルミニウム基合金。