JPH07268401A

JPH07268401A - 高強度アルミニウム合金（粉末）とその製造方法

Info

Publication number: JPH07268401A
Application number: JP6084010A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Suzuki; 延明鈴木
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1995-10-17

Abstract

(57)【要約】【目的】出発原料の段階からサブミクロン以下の酸化
物粒子を用いることなく、補助強化粒子とともに製造の
過程で酸化物粒子を複合することとした高強度アルミニ
ウム合金（粉末）とその製造方法を提供する。【構成】純アルミニウム粉またはアルミニウム合金粉
に対し；またはこれと、セラミックス粉（酸化物を除
く）、金属間化合物粉および前駆複合体粉末とから成る
群から選ばれた少なくとも１種の補助強化粒子粉末とを
混合したものに対し、メカニカルアロイングを施し、上
記純アルミニウム粉またはアルミニウム合金粉中のアル
ミニウムを処理工程中において一部酸化させ、これによ
って生成するＡｌ₂Ｏ₃を強化粒子として分散させるこ
とを含む高強度アルミニウム合金（粉末）およびその製
造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】高強度アルミニウム合金（粉末）
とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明者は、金属間化合物分散強化アル
ミニウム合金（粉末）およびその製造方法について開発
研究を重ね、既に、その成果として特願平５−２２５３
１１号あるいは特願平５−２６５８５７号等に係る発明
を行った。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記先行する
発明においては、補助強化粒子が金属間化合物だけとな
っており、室温付近の強度について今一歩不足するもの
があった。ここで、酸化物粒子をメカニカルアロイング
（以下、ＭＡという）法によって複合化させることがで
きれば、係る強度について改善を図ることができると予
測される。しかるに、出発原料の段階からサブミクロン
以下の例えば酸化物を高体積率でＭＡ法により複合化さ
せると、当該酸化物粒の凝集が生じ易く、均一性も低下
しやすいという難点があり、かつ、このような酸化物の
微粉は、取扱い難く、コスト的にも無駄が多い。

【０００４】したがって、本発明の目的は、出発原料の
段階からサブミクロン以下の酸化物粒子を用いることな
く、補助強化粒子とともに製造工程中に生じた酸化物を
複合することとした高強度アルミニウム合金（粉末）と
その製造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の要旨は、純アルミニウム粉またはアルミニ
ウム合金粉に対し；またはこれと、セラミックス粉（酸
化物粉を除く）、金属間化合物粉および前駆複合体粉体
とから成る群から選ばれた少なくとも１種の補助強化粒
子粉末とを混合したものに対し、ＭＡを施し、ＭＡ粉中
の構成元素の１部をＭＡ処理工程中、又は処理後におい
て一部酸化させ、これによって生成する酸化物を強化粒
子として分散させることを含む高強度アルミニウム合金
粉末の製造方法、該方法によって得られる粉末および該
粉末を用いて製造される高強度アルミニウム合金にあ
る。

【０００６】すなわち、本発明によれば、不活性ガス雰
囲気中でＭＡした粉末を大気中に排出する工程を複数回
くり返すことで、主に排出時に粉末表面に形成された酸
化被膜を破砕し、同時にこれをアルミニウムマトリッ
クス中へ複合化することを特徴とするアルミニウム基酸
化物分散強化複合材料粉末の製造方法（以下方法Ａとい
う）および該方法（Ａ）により製造したアルミニウム基
酸化物分散強化複合材料粉末（高強度アルミニウム合金
粉末）が提供される。

【０００７】また、本発明は、この高強度アルミニウム
合金粉末から一連の製造工程により得られるアルミニウ
ム基酸化物分散強化複合材料素材（高強度アルミニウム
合金）をも提供するものである。

【０００８】この素材中に分散されるアルミニウム基酸
化物は、以下のような仕様を備えることとなる。酸化物：主にＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）サイズ：１μｍ以下含有量：トータルで１０ｗｔ％（重量％）以下ここで、酸化物はＡｌより還元性の強い（酸化し易い）
ＭｇやＣａ、又はほぼ同レベルのＺｒ等をＭＡ粉の構成
元素にもつ場合は、それぞれＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｒＯ₂
も主体となる。一応の目安としては５００℃に於ける酸
化物標準生成自由エネルギーが｜ΔＧ₀｜≧２２０，０
００Ｃａｌ／ｇ・ｍｏｌ・Ｏ₂：の酸化物である。

【０００９】本発明に係る方法Ａでは、強化粒子となる
酸化物をＭＡに供する出発原料に用いず、方法Ａの加工
工程で生成させマトリックス中へ微細、均一分散させ
る。

【００１０】本発明は、補助強化粒子粉末を併用する場
合も含む。ここで、補助強化粒子は、窒化物、ホウ化物
等のセラミックス粒子、又は金属間化合物粒子を含む。

【００１１】本発明は、さらに、方法Ａに加えて、空気
圧縮機、等から供給される空気又は、ボンベより空気と
不活性ガスの混合ガスをＭＡ容器中に注入しながらＭＡ
を行う方法（方法Ｂという）を提供するものである。

【００１２】本発明において、補助強化粒子を併用する
場合、その複合比は全体の４０ｗｔ％以下、そのサイズ
は１０μｍ以下とする。また本発明でＭＡ工程中にアル
コールを分散剤として用いる場合があるが、素材中の
（炭素）含有量が１ｗｔ％以下であることが必要であ
る。

【００１３】次に、本発明に係る高強度アルミニウム合
金（粉末）とその製造方法を図１に示すフローチャート
を参照しながら、さらに詳細に説明する。

【００１４】素材の秤量（および混合）（図中１０１）本発明では、高強度アルミニウム合金（粉末）を得るた
めの原料（出発原料）は、マトリックスとなる純Ａｌ粉
末、またはＡｌ合金粉末か、あるいは当該粉末と補助強
化粒子との併用とする。純Ａｌ粉末は純度９９．５％以
上、好ましくは９９．９％以上とする。Ａｌ合金粉末の
場合Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｔ
ｉ，Ｎｉ，Ｚｒのうち少なくとも１種類以上の元素を合
計で１０ｗｔ％以下含有し、残りはＡｌと不可避不純物
からなる合金組成のものとする。いずれも粒径は１５０
μｍ以下のものが好ましい。

【００１５】一方、補助強化粒子としては、セラミック
ス粉（粒子）の場合、窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，Ａ
ｌＮ等）、ホウ化物（ＴｉＢ₂，等）等を用いることが
できる。

【００１６】また、補助強化粒子として使用される金属
間化合物粒子としては、例えば、特願平５−２２５３１
１号、特願平５−２６５８５７号において開示された金
属間化合物又は前駆複合体粉が特に好適である。

【００１７】これらのうち、特願平５−２２５３１１号
のものは、Ａｌ粉末またはＡｌ合金粉末に金属間化合物
粉末を混合し、該混合粉末をＭＡ処理することを含む金
属間化合物分散強化アルミニウム合金粉末の製造方法に
よって得た粉末を処理して得た合金であるが、ここで用
いられた上記金属間化合物粉末を本発明でも用いること
ができる。金属間化合物としては、以下のものが列挙さ
れている。（１）軽量高強度化の追求が目的のとき（かっこ内は
比重）：Ｍｇ₂Ｓｉ（１．９６），Ａｌ₃Ｔｉ（３．３），Ｔｉ
Ａｌ（３．８）等（２）高温強度向上の追求が目的のとき：Ａｌ₃Ｖ，Ｎｉ₃Ａｌ，Ａｌ₃Ｎｉ，Ａｌ₃Ｆｅ，Ｆｅ
ＡｌＡｌ₃Ｚｒ，Ａｌ₃Ｍｎ，Ａｌ₃Ｔｉ等（３）高強度・低コストの追求が目的のとき：Ｍｇ₂Ｓｉ，ＣｕＡｌ₃ 特願平５−２６５８５７号のものは、強化粒子となる金
属間化合物の各構成元素（例えば上記（１）〜（３）の
化合物の構成元素）の粉末を化学量論組成に従って秤量
・混合し、混合した粉末をメカニカルアロイングし、こ
れによって得られる前駆複合体に純Ａｌ粉末またはＡｌ
合金粉末を加え、再度ＭＡを実施することにより成る前
駆複合体を複合化したアルミニウム合金粉末の製造方法
によって得た粉末を処理し得た合金であるが、ここで用
いられた上記前駆複合体を本発明でも用いることができ
る。

【００１８】前記セラミックス粉を使用する場合、その
サイズは、１μｍ以下のものが好ましい。金属間化合物
または前駆複合体の粉末の場合、１０６μｍ以下のサイ
ズが良い。ＭＡの進行により、経時的に破砕が生じて行
くためである。

【００１９】本工程（１０１）で、素材の秤量を行う
が、補助強化粒子を用いる場合、純Ａｌまたは純Ａｌ粉
に混ぜる場合、その比率は、全体の４０ｗｔ（重量）％
以下とする。４０ｗｔ％以上では、靱性が極端に低下す
るので、実用に耐えない。

【００２０】メカニカルアロイング（図中、１Ａ２，１
Ｂ２）方法Ａは、１０１の以後、図１中、１Ａ２，１Ａ３，１
Ａ４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９の順に
実施される。方法Ｂは、１０１の以後、図１中、１Ｂ
２，１Ｂ３，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９
の順に実施される。両方法の実質的相違は、メカニカル
アロイングを不活性ガス雰囲気下で行うか（１Ａ２）、
空気又は、空気と不活性ガスの混合ガスを注入しながら
酸化性の雰囲気で行うか（１Ｂ２）にある。

【００２１】本発明では、混合した粉末をボールミル処
理好ましくは高エネルギ型のアトライタを用いてＭＡを
行う（１Ａ２，１Ｂ２）。アトライタの一例を図２に示
す。図２のアトライタ１では、シャフト２の回転によっ
てアジテータ３を回転させ、これによってボール４を運
動させる。このボール４の運動によって原料をＭＡす
る。ＭＡ処理中、ガス流入口５からガスを流入させ、処
理容器内雰囲気を一定に保つ。また、水流入口６から冷
却水を流入させ温度を一定に保つ。なお、図２で７はガ
ス排出口、８は水排出口である。上記ボール４は最大１
インチ好ましくは３／８インチの鋼球であることが好ま
しい。ボールと投入粉末全重量の比率は、ボールの全重
量と粉末の全重量の比率が１５０：１ないし２０：１好
ましくは１４０：１ないし４０：１である。シャフト２
の回転数は好ましくは２５０ｒｐｍである。処理容器内
雰囲気としては方法Ａの場合、ＡｒあるいはＨｅ、Ｎ₂
等を使用した非酸化雰囲気で行う。方法Ｂの場合、空気
又は空気と不活性ガスの混合ガスを注入しながら酸化性
雰囲気で行う。アジテータ３の先端の周速度は、３．５
ｍ／秒以内とし、最大でも１インチのボールを使用して
２０時間以内の時間好適には１０〜１５時間で処理する
ことが必要である。２０時間以内ではコストが上昇し、
Ｆｅが混入して完成品の伸びを低下させてしまう。ボー
ル４は、鋼球以外にはＷＣ系の超硬球、ＺｒＯ₂系ある
いはＳｉＮ₄系等のセラミックス等各種のものを使用す
ることができる。なお、メカニカルアロイングの際は、
粉の分散性、または潤滑効果も考慮してメタノールまた
はエタノールを分散剤として適量添加して行う。添加量
は、〔分散剤量（ｍｌ）／粉末総重量（ｇ）〕×１００＝１
〜５とする。但し、メタノールの場合、１〜５、エタノール
の場合１〜３．５が好適である。分散剤の量が少ないと
純Ａｌがアトライタ内のボール表面に付着し、十分なメ
カニカルアロイングができない。逆に多すぎると処理粉
末が細かくなりすぎ排出後に急速に酸化して発火する。
不活性ガス雰囲気又は真空の粉末回収装置が必要となる
ばかりか、ブリケット成形まで非酸化性雰囲気中で行う
必要がありコスト高となる。また、粒子が細かくなると
表面積が大きくなるため酸化量も上昇するし、残渣とし
て残る炭素がＡｌと反応し、アルミニウム炭化物を形成
して素材を脆化させる。なお、アルコールの残渣から混
入する炭素量が１重量％以下であれば好適である。

【００２２】上記したように、方法Ａでは、ＭＡ中は処
理容器内をアルゴン等の不活性ガス雰囲気としＭＡ粉の
酸化を抑制しながら粉の破砕・分散・複合化を主体にＭ
Ａを行う。従って、方法Ａは純Ａｌ粉と補助強化粒子又
はＡｌ合金粉末と補助強化粒子を複合化する際のＭＡ時
に特に有効な手法となる。また、本法は補助強化粒子に
金属間化合物または、これの前駆複合体を用いる場合に
特に有効な手法となる。これは、出発原料に用いるこれ
らの補助強化粒子が一般に粗粒なケースが多く、これが
微細に破砕され、均一にアルミニウムマトリックス中へ
分散・複合化してゆくのに比較的長時間が費り、方法Ｂ
ではこの均一分散複合化が達成される前に酸化量のみが
異常にアップしてしまうこと、ＭＡの容器内では、図２
のＢで示したように容器底に凝着が起り易く１回のＭＡ
排出では均一なＭＡ粉が得られ難いことによる。特に、
未だ延性の残る前駆複合体を用いる際は、この凝集が起
り易く複数回ＭＡすることで凝集体が解消し、均一なＭ
Ａ粉が得られる。また、金属間化合物やその前駆複合体
の場合、活性が高く、酸化性雰囲気で微粉化してゆくと
燃焼してしまうため方法Ａが有利と言える。

【００２３】一方、ＭＡ処理容器内へ空気又は空気と不
活性ガスの混合ガスを強制的に注入しながらＭＡする
（方法Ｂ）のは、主に純Ａｌ粉またはＡｌ合金粉のみを
出発原料とする場合か、補助強化粒子を併用するにして
も安定な酸化物粒子を用いる場合が安全性も含めて有利
である。なお、ＭＡに際しては分散剤にアルコールを用
いるケースが多くこれが気化してＭＡ粉をシールドする
作用を示すため既述のガスは強制的に容器内へ送り込ま
れないとＭＡ粉の酸化の進行は遅れる。

【００２４】排出（１Ａ３，１Ｂ３）排出は、原則として大気中へ行うものとする。方法Ａの
場合、ＭＡ粉の微細化が著しく進行していると（平均粒
系１５μｍ以下）排出した瞬間発火するケースがあるた
め、ＭＡ粉及び容器内部が十分冷えてから行う。回収容
器も冷却機能付のものが好ましい。

【００２５】ＭＡ粉末の評価（１Ａ４、方法Ａのみ）方法Ａによって得られるＭＡ粉末は、図３、図４で示し
たような状態である。図３は、補助強化粒子を出発原料
に用い、排出回数が１回の場合について説明したもので
ある。この状態では、ＭＡ後排出時に大気との接触によ
って生じた酸化被膜が個々の粉末粒子の周囲に生じてお
り、ＭＡ中に若干混入した酸化物粒子は十分な量ではな
い。図４は、複数回ＭＡしたものである。酸化被膜の破
砕・分散による酸化物が十分な割合で分散している。な
お、方法Ｂで得られるＭＡ粉も方法Ａで複数回排出した
際のＭＡ粉性状に似る。ここで方法Ａ法のＭＡ粉の評価
（１Ａ４）に際し再度ＭＡに供するか、または後の熱間
加工工程等へ移すかの判断基準としては表１に示すとこ
ろによる。方法Ａでは、この基準を満足するまで、ＭＡ
をくり返して行う。

【００２６】

【表１】

【００２７】分級（１０５）排出が完了した粉末を分級し、３００μｍ以下好ましく
は１０６μｍ以下のＭＡ粉を以後用いる。

【００２８】ビレット成形（１０６）閉塞した金型内にメカニカルアロイング粉末を入れ、圧
縮してビレット成形してブロック体を得る。形状は、押
出に適した形状、例えば円柱状とする。

【００２９】キャンニング（１０７）ブロック体をアルミニウム缶へ封入し脱ガス（キャンニ
ング）する。これは必ずしも必要ではない。

【００３０】脱ガス（１０８）ビレットを真空熱処理炉で加熱し、脱ガスを行う。４０
０〜５００℃で３時間以上行う。

【００３１】熱間塑性加工（１０９）脱ガスの完了したビレットを熱間加工することにより素
材（合金の完成品）を作製する。代表的な方法として熱
間押出しがある。４００〜５５０℃、押出し比５以上好
ましくは１０以上で行う。他に熱間静水圧プレス（Ｈ
Ｉ）や粉末鍛造法等の方法がある。

【００３２】得られた素材を機械加工または熱間鍛造法
等により形状を付与し、製品とする。

【００３３】

【実施例】実施例１（方法Ａに関するもの）純度９９．９９％のＡｌ粉を用い、補助強化粒子として
Ａｌ₃Ｆｅ粉末を用い、図２のアトライタを用い、図１
のフローチャートにより、方法Ａを実施した。図２のア
トライタを用いたＭＡの条件としては、試料１について
は、アジテータ回転数を２５０ｒｐｍとし、４時間行
い、排出し再度２５０ｒｐｍで１時間行い排出した。試
料２については、２５０ｒｐｍで５時間行い、再度のＭ
Ａは行わなかった。このアルミニウム合金粉末の組成比
は、表２に示すとおりである。

【００３４】

【表２】

【００３５】以上のＭＡによって得られた合金粉末に、
図１の１０５〜１０９の工程を施し、アルミニウム合金
を得た。試料１によって得られた合金の比重は２．９
３、試料２によって得られた合金の比重は２．９０であ
った。

【００３６】試料１，２の引張強さ（ＭＰａ）、硬さは
表３、表４の通りであった。

【００３７】

【表３】

【００３８】

【表４】

【００３９】この表３により了解されるように、ＭＡ・
排出をくり返すことで、比重を大きくすることなく、大
幅に強度が上昇したことが認められる。

【００４０】図５，６に試料１，２の金属組織図を示
す。試料１の方が１μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃粒子が好適に
分散していることが了解される。図７は、図５を説明し
たものである。

【００４１】実施例２（方法Ａについて、前駆複合体を
用いた実施例）純度９９．９９％のＡｌ粉を用い、補助強化粒子とし
て、特願平５−２６５８５７号に記載される前駆複合体
を用いた。また、図２のアトライタを用いて、図１のフ
ローチャートに従って実施した。すなわち、強化粒子と
なる金属間化合物（Ｍｇ₂Ｓｉ）の構成元素の粉末（Ｍ
ｇおよびＳｉ）を化学量論的組成（モル比で２：１）に
従って秤量・混合し、混合した粉末をメカニカルアロイ
ングし、これによって前駆複合体粉末を得た。この粉末
は、ＭｇとＳｉが機械的に合金化しているものであり、
まだ金属間化合物にはなっていない。

【００４２】本実施例２の試料３〜５について、メカニ
カルアロイングの条件は、以下の表５の通りである。

【００４３】

【表５】

【００４４】純Ａｌ粉とＭｇ₂Ｓｉ（前駆複合体）の割
合は、Ａｌ−２０ｗｔ％（Ｍｇ₂Ｓｉ（合金全量に対し
２０ｗｔ％Ｍｇ₂Ｓｉ）となるようにした（ＭＡ後）。

【００４５】各試料について、ＭＡ完了後の粉末中のＣ
（炭素）およびＡｌ₂Ｏ₃の含有量は、以下の表６の通
りであった。

【００４６】

【表６】

【００４７】また、得られたＭＡ粉に図１の１０５〜１
０９の工程を施して得られた素材の強度、硬さは、表
７，表８に示す通りであった。

【００４８】本実施例２によれば、出発原料の補助強化
粒子に金属間化合物の前駆複合体粉を用いた場合でも本
案が示す手法を応用すると大幅な強度上昇が可能となる
ことが了解される。

【００４９】

【発明の効果】ＭＡした粉末を排出し、大気にさらして
表面を酸化させた後再度ＭＡする（方法Ａ）こと、また
は、酸化させながらＭＡする（方法Ｂ）という本発明の
効果として、次の内容が挙げられる。（１）強度が著しく上昇する、特に、室温付近の強度
上昇が著しい。（２）方法Ａでは、再度ＭＡすることで補助強化粒子
の凝集が解消し、均一なＭＡ粉が得られることで素材の
均一性がアップする。（３）粉末表面の酸化被膜の破砕物を強化粒子とする
ため極めて微細な粒子による分散強化が可能となる。よ
って、少ない複合比でも嵩が大きくなるため大きな強化
作用を示す割には素材重量はあまりアップしない。（４）このように、破砕された被膜（酸化被膜）のサ
イズが極めて小さく、大きな嵩で分散するため切削加工
の際に、これがハードスポットとして作用することがな
く一般に切削加工が容易な素材となる。工具も従来の工
具鋼程度で十分である。（５）出発原料にサブミクロンサイズの酸化物粉末を
高体積率で使用する必要がなく、かかる粉末の凝集体が
発生することを防止とすることができる。

【００５０】このように本発明によって得られる高強度
アルミニウム合金は、軽量・高強度で耐熱性にも優れる
ため、車両用エンジン部品やブレーキディスクロータ等
に応用することができる。また、耐摩耗性にも優れてお
り、コンプレッサーベーンへも適用することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による工程を説明するブロック図。

【図２】本発明の実施例で使用したアトライタを説明す
る概念図である。

【図３】方法Ａを実施し、１回のＭＡ後、排出される粒
子の構造を説明する概念図である。

【図４】方法Ａを実施し、複数回のＭＡ後、排出される
粒子の構造を説明する概念図である。

【図５】実施例１の試料１の粉末の構造を説明する６０
０倍の顕微鏡写真である。

【図６】実施例１の試料２の粉末の構造を説明する６０
０倍の顕微鏡写真である。

【図７】図５の粉末の構造を説明する組織概略図であ
る。

【符合の説明】

１アトライタ２シャフト３アジテータ４ボール５ガス流入口６水流位入口７ガス排出口８水排出口

【表７】

【表８】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】純アルミニウム粉またはアルミニウム合
金粉に対し；またはこれと、セラミックス粉（酸化物を
除く）、金属間化合物粉および前駆複合体粉体とから成
る群から選ばれた少なくとも１種の補助強化粒子粉末と
を混合したものに対し、メカニカルアロイングを施し、
上記メカニカルアロイング粉中の構成元素の１部を処理
工程中又は処理後において一部酸化させ、これによって
生成する酸化物を強化粒子として分散させることを含む
高強度アルミニウム合金粉末の製造方法。
【請求項２】請求項１の製造方法によって得られる高
強度アルミニウム合金粉末。
【請求項３】請求項１の製造方法によって得られる高
強度アルミニウム合金粉末を処理して得られる高強度ア
ルミニウム合金。