JPS62250147A - 疲労強度の改善された耐熱性アルミニウム合金 - 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、急冷凝固法によって製造される耐熱性アルミ
ニウム合金の、殊に疲労強度を改善することに成功した
耐熱性アルミニウム合金に関するものである。

［従来の技術］ 自動車産業や航空機産業においては、軽量性に冨み且つ
高温条件下でも高強度（疲労強度）を発揮することので
きる耐熱性材料への要望が強い。

現在、この様な要望を満たすべく多くの研究が行なわれ
ているが、そうした研究材料の１つにアルミニウム合金
、殊に急冷凝固法を応用して製造されるアルミニウム合
金を挙げることができる。

該急冷凝固アルミニウム合金は、通常高溶質濃度の溶融
微粉化アルミニウム合金を例えば回転冷却ロール等に吹
き付け、即座に急冷凝固（１０３℃／秒以上の高速冷却
）することによって製造される。

この様にして得られた急冷凝固アルミニウム合金は、粉
末状、薄帯状或は薄片状等を呈しているが、これらは、
上記溶質元素を過飽和状態から急冷凝固させたものであ
る為固溶性が良好であり、一般に耐熱性１強度、耐摩耗
性等が優れている。

例えば上記溶質元素がＦｅであるＡ　ｌ−Ｆｅ系合金は
耐熱性に優れ（Ｕ　Ｓ　Ｐ４３７９１９−　Ａ、　　１
００〜３５０℃域での強度に優れている）、又溶質元素
がＳｉであるＡｌ−３ｉ系合金は耐摩耗性に優れている
（特開昭５９−１３０４０号公報）。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明者等は、かねてより上記急冷凝固アルミニウム合
金のうち特にＡ　ｌ−Ｆｅ系耐熱性合金に着目し該合金
の疲労強度を改善すべく検討を続けてきた。上記Ａｌ−
Ｆｅ系耐熱性合金は、耐熱性については要求レベルを路
溝たすが、疲労強度については必ずしも満足できるとは
言い難く、例えば繰り返し応力のかかるコンロッドの様
な部品等に使用することが困難であった。

従って疲労強度を改善することは、上記Ａｌ−Ｆｅ系耐
熱性合金の材料的信頼性を確保する上で極めて意義深い
ことであり、この点が今後の解決課題としてクローズア
ップされる。

本発明は、こうした事情を考慮してなされたものであっ
て、耐熱性を保証することは勿論のこと、疲労強度を優
れたものとすることのできる耐熱性アルミニウム合金を
提供しようとするものである。

［問題点を解決する為の手段］ 本発明に係る耐熱性アルミニウム合金とは、Ｆｅ：５〜
１５ｆｆＥｆｆｉ％（以下単に％という）及びＳｉ：１
０〜２０％を含み、且つ希土類金屑：１〜５％、ｃｒ：
ｔ〜ｓ％、　Ｍｏ　：０．１〜５％。

Ｚ　ｒ　：　０．１〜５％、Ｖ：Ｏ，１〜５％よりなる
群から選択される１種以上を総計で５％以下含み、残部
がＡＩ及び不可避不純物よりなるところにその要旨が存
在するものである。

［作用］ 本発明合金は、上述の説明から明らかな様に急＋ａ固法
の利用を骨子とするものであるが、これは急冷凝固法に
おける以下の様な利点を活用しようとしているからであ
る。

（＾）各合金元素の固溶限を拡大することができる。

（Ｉｔ）金属粒子や各種金属間化合物を微細に均一分散
することができる。

（Ｃ）上記償）及び（８）の結果として、強度、耐熱性
、熱間加工性、切削加工性等の諸特性を改善することが
できるとの期待がもてる。

ここに急冷凝固法の冷却速度とは、１０２℃／秒以上好
ましくは１０４℃／秒以上であり、また合金粉末として
はアトマイズ粉末に限らず急冷薄片や急冷薄帯を粉砕し
て得られるものも適用することができる。

本発明者等は、上記課題の解決手段を見出すに当たって
こうした急冷凝固法の利点に着目すると共に上記Ａ　ｌ
−Ｆｅ系耐熱性合金の疲労強度が低いことの原因を究明
することから研究を開始した。その結果本発明者等は、
（１）高速度で冷却したことによってＦｅ、Ｃｒ、Ｚｒ
、Ｖ、ＲＥＭ等の合金元素がＡＩ中に固溶状態で微細分
散するから、疲労亀裂の伝帳に対する妨禦物となる比較
的粗大な分散層が存在しなくなったこと、（２）急冷凝
固アルミニウム合金粉末の表面には一般に酸化物が形成
されているが、該酸化物付着アルミニウム合金粉末を粉
末冶金法によって固化した場合、旧粉末粒界（以下ＰＰ
Ｂという場合もある）に沿って上記酸化物が配列される
為、応力印加時に該酸化物を通して疲労亀裂が生じると
共に該亀裂の伝帳が起こり易いこと等が疲労強度低さの
原因であることを知った。

そこで本発明者等は、３４１番に上記（１）の知見に注
目し、この方向から上記課題を解決すべく種々検討した
。その結果疲労強度の向上を期待し得る基本的合金元素
としてＳｉを選定し、上記Ａｌ−Ｆｅ耐熱性合金にこれ
を配合すると共に、他の合金元素についても厳密に規定
して本発明を完成するに至った。

以下本発明における合金元素の種類及び配合量ニツイて
それらの規定理由を明らかにしつつ説明する。

■Ｆｅ：５〜１５％ Ｆｅは、ＡＩマトリックス及び他の合金元素と化合して
分散相又は固溶相を形成することによって耐熱性を向上
させる元素であるが、配合率が５％未満の場合は急冷凝
固による分散相の体積比が小すくなって所望の耐熱性を
得ることが困難となる。一方１５％を超える場合には、
冷却速度を如何に速くしても粗大化分散相が生じてしま
い、この為該分散相の体積比が極端に大きくなって靭性
低下や熱間加工性低下等材質上の問題を招く結果となる
。

■Ｓｉ：１０〜２０％ Ｓｉは、単体でＡＩマトリックス中に分散し疲労クラッ
ク伝帳を妨げる作用を有している為、疲労強度の向上に
効果がある。しかし１０％未満の配合率では、ＡＩマト
リックス中のＳｉ粒子が極端に微細化し所望の効果が得
られない。一方２０％を超えると、ＡＩマトリックス中
のＳｉ粒子が粗大化すると共に靭性が低下するといった
問題点が生じる。

■希土類元素（ＲＥＭ）＝１〜５％、Ｃｒ：１〜５％、
Ｍｏ二０．１〜５％、Ｚｒ：０．１〜５％、Ｖ：０．１
〜５％よりなる群から選択される１種以上を総計で５％
以下 これらの元素は、いずれもＦｅとの相互作用によってア
ルミニウム合金の耐熱性をより一層向上させるという効
果を有しているが、この様な効果を有効に発揮せしめる
には、例えはＲＥＭ単独の場合１％以上必要であった。

しかし５％を超えると、分散相の粗大化及び靭性の低下
を誘起する等、材質上の問題が生じる。こうした上限・
下限設定根拠はＲＥＶ以外の元素についても同様である
。

ところで上記元素の総計が５％を超えた場合には、上記
分散相粗大化等の弊害が生じた。

本発明は大略以上の様に構成されているが、本発明者等
は、前記（２）の知見、即ち固化後においては酸化物が
亀裂発生の原因になるという知見についても配慮しよう
と考え、上記酸化物を規制するという方向から検討を行
なった。その結果酸化物＝１％以下という結果を得るに
至ったが、以下この点について説明する。

■酸化物＝１．５％以下 Ａｌ合金溶湯を粉末状とする方法としては空気噴ｎ法が
一般的であるが、該方法を用いて製造されたＡｌ合金粉
末はその表面に１．５％以上もの酸化物（主としてＡｌ
２０３）が不可避的に含まれている。

従来よりこれらの酸化物は、粉末固化時にＡＩマトリッ
クス中に分散すると共にこれによって耐熱性を向上させ
ると考えられてきた。しかし本発明者等が詳細に研究し
たところによると、１．５％を超えた場合においては耐
熱性の向上効果は小さく、むしろ前記（２）で述べた如
く疲労強度を著しく低下させるという結果が得られた。

尚更に好ましくは１４０％以下に抑制することが推奨さ
れる。

従って本願発明者等はこの要件■を上記■〜■に加える
ことによって、より一層の疲労強度向上効果を発揮し得
ることを知った。尚こうしたアルミニウム合金を製造す
るに当たっては、噴霧の雰囲気ガスとして酸素濃度が１
０％以下のものを用いると良い。

［実施例］ 下記第１表より組成の各種Ａｌ合金溶湯を作製し、気体
噴霧法を用いて急冷凝固することにより合金粉末を得た
。

尚噴霜気体としては、試料Ｎｏ、　９及び１０について
は５％の酸素を混合した窒素を用い、また他の試料につ
いては空気を用いた。この様にして得られた粉末の冷却
速度は１０３℃／ｓｃｃ以上であった。

上記の粉末を冷間で予備成形後、缶中で脱気処理し４２
０℃で直接押出しを行なうことにより健全な固化材を得
た。

次に放射化分析法により各固化材の酸化物量を測定する
と共に酸化物量と各種材料特性との相関を調査しその結
果を第１表に併記した。

尚疲労強度試験や耐熱性試験については下記の通りであ
る。

疲労試験 平行部長さ１５ＩＩＩＩ１１、直径８ＩＩｌｆｆＩすの
試験片を用い、室温で小野式回乾曲げ疲労試験を実施し
、Ｓ−Ｎ［ｌｌＩ線を作成し、これにより１０７サイク
ルにおける疲労強度を求め、第１表に併記する結果を得
た。

室温および高温に　ける引張試験 平行部の径６ｍａ＋す、標点間距ｌ！１１３０ｍｍのテ
ストピースを用い、室温、１００℃、２００℃。

３００℃の各温度における引張試験を実施し第１表に併
記する結果を得た。また靭性値については室温における
切欠試験片の引張強度（ｃｊＮＴｓ）と０．２％耐力（
ａｏ、２）の比（ｏＮＴｓ　／ＱＱ、２　）から評価し
た。

Ｓｉの効果については、Ｎｏ、　　１．　２．３．４（
本発明材）とＮｏ、１２．１３，１４．１５　（比較材
）の結果から明らかである。即ちＳｉの添加によって顕
著な疲労強度の向上が認められる。またＮｏ、　５及び
６と、Ｎｏ、１６及び１７との比較からＳｉの添加が上
限値を越える場合には靭性値が極端に低下しまた下限値
に溝なない場合には疲労強度改善の効果が不十分となる
ことは明らかである。またＮ０１７及び８並びにＮｏ、
１８及び１９に示すようにＳｉｉが適正な場合であって
もＦｅの含有量が上限値を越える場合においては靭性値
が低下し、また下限値に満たない場合にあっては十分な
耐熱性を付与することができておらない。

ＲＥＭ　　（Ｃｅ、　　Ｌａ）、　　Ｍｏ、　　Ｃｒ、
　Ｚｒ、　　Ｖ添加の効果はＮｏ、２２とＮ００１〜４
の比較から明白であるが、上限値を越えたもの（比較材
１９．２０）ては靭性が極端に低下する。

［発明の効果］ 本発明は上述の様に構成されているので、耐熱性に優れ
しかも疲労強度の著しく改善されたアルミニウム合金を
提供することができた。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｆｅ：５〜１５重量％（以下単に％という）及びＳｉ：
   １０〜２０％を含み、且つ希土類金属：１〜５％、Ｃｒ
   ：１〜５％、Ｍｏ：０．１〜５％、Ｚｒ：０．１〜５％
   、Ｖ：０．１〜５％よりなる群から選択される１種以上
   を総計で５％以下含み、残部がＡｌ及び不可避不純物よ
   りなることを特徴とする疲労強度の改善された耐熱性ア
   ルミニウム合金。