JPS63424A - アルミニウム合金製構造部材の製造方法および構造部材用アルミニウム合金粉末 - 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】 Ａ２発明の目的 （１）産業上の利用分野 本発明は、耐熱性に優れた高強度なアルミニウム合金製
構造部材の製造方法および構造部材用アルミニウム合金
粉末に関する。

（２）従来の技術 従来、前記構造部材の耐熱性、強度、耐応力腐食割れ性
等の諸性質を改善するために、アルミニウム合金の製造
に当り、添加元素の選択において大きな自由度を存する
粉末冶金法が採用されている。

本出願人は、先に粉末冶金法を適用したアルミニウム合
金粉末として、優れた高温強度、ヤング率、耐摩耗性、
断熱性を狙ってＡｌに特定量のＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇおよび
Ｆｅを添加したものを提案している（特願昭５８−２３
９４２９号参照）。

（３）発明が解決しようとする問題点 しかしながら前記合金粉末について種々検討を加えた結
果、Ｆｅ５６重量％の範囲における前記合金粉末より得
られる鍛造用素材の熱間鍛造性、構造部材の密度、構造
部材の１５０〜２００　’Ｃにおける強度等についてさ
らに改良を加える必要のあることが判明した。

即ち、前記鍛造用素材にはジュラルミン鍛造と同等の高
速熱間鍛造（加工速度７０ｍｌｌ１／ｓｅｃ以上）を施
すことが困難であるから、熱間鍛造性向上のために加工
速度の低速化、金型温度の高温化等の鍛造方案上の諸対
策を講しなければならない。

またＦｅ＜６重量％の範囲において、前記構造部材は３
００℃付近では公知合金（ＪＩＳ　　ＡＣ８Ａ、ＡＣ８
ＢＳＡＣ８Ｃ材）より得られたものに比べて大きな強度
を有するが、１５０〜２００℃の温度範囲ではより一層
の強度の向上が望まれている。

さらに前記合金の密度が公知合金に比べて大きいため、
構造部材の軽量化を図る上で障害となっている。

本発明は上記に鑑み、改善されたアルミニウム合金粉末
を用いて高速熱間鍛造を施し得る鍛造用素材を得、その
素材より１５０〜２００”Ｃの温度範囲においても優れ
た強度を発揮すると共に軽量な構造部材を得ることので
きる前記製造方法およびその方法に用いられるアルミニ
ウム合金粉末を提供することを目的とする。

Ｂ１発明の構成 （］）問題点を解決するだめの手段 本発明に係るアルミニウム合金製構造部材の製造方法は
、添加元素として、ＺｎおよびＬｉから選択される少な
くとも一種、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍ　ｇおよびＭ　ｎを
含有し、残部が不可避不純物を含むＡＩ！、よりなり、
各添加元素の含有量を０．５重量％≦Ｚｎ≦１０重量％
、１．０重量％≦Ｌｉ≦５゜０重量％、１０重量％≦Ｓ
ｉ≦３０重量％、４重量％≦Ｆｅ≦３３重量％、０．８
重量％≦Ｃｕ≦７゜５重量％、０．５重量％≦Ｍｇ≦３
．５重量％、１．５重量％＜　Ｍ　ｎ　＜　５．０重量
％に設定したアルミニウム粉末を用いて押出し加工用素
材を圧粉成形し、次いで前記押出し加工用素材に押出し
比５以上にて熱間押出し加工を施して鍛造用素材を成形
し、その後前記鍛造用素材に鍛造温度３００℃以上にて
高速熱間鍛造加工を施すことを特徴とする。

また本発明にかかる構造部材用アルミニウム合金粉末は
、添加元素として、ＺｎおよびＬｉから選択される少な
くとも一種、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ。

ＭｇおよびＭｎを含有し、残部が不可避不純物を含むＡ
ｌよりなり、各添加元素の含を量を０．５重量％≦Ｚｎ
≦１０重量％、１．０重量％≦Ｌｉ≦５゜０重量％、１
０重量％≦Ｓｉ≦３０重量％、４重量％≦Ｆｅ≦３３重
量％、０．８重量％≦Ｃｕ≦７゜５重量％、０．５重量
％≦〜１ｇ≦３．５重量％、１．５重量％＜　Ｍ　ｎ　
＜　５．０重量％に設定したことを特徴とする。

（２）作　用 前記アルミニウム合金粉末において、各添加元素の果た
す役割は以下の通りである。

（ａ）Ｆｅについて Ｆｅは高温強度、断熱性およびヤング率を向上させるた
めに必要である。ただし、４重量％を下回ると高温強度
は成程度確保できるものの断熱性において難点がある。

一方、３３重重量を上回ると密度が増して軽量化が川な
われ、その上熱間押出し加工、熱間鍛造等において成形
性が悪化する。

またヤング率はＦｅの添加量の増加に応じて向上するが
、前記密度を考慮してＦｅの添加量は前記上限値に制限
される。

（ｂ）Ｓｉについて ＳｉはＦｅ単独添加による耐摩耗性の不足を補い、また
ヤング率を向上させる上に有効である。

ただし１０重量％を下回ると耐摩耗性を改善することが
できない、一方、３０重量％を上回ると前記成形性が悪
化し構造部材にクラックが発生し易い。ヤング率は、Ｆ
ｅ同様Ｓｉの添加量の増加に応じて向上するが、成形性
を考慮して前記上限値に制限される。

（Ｃ）　Ｃｕについて ＣｕはＦｅ、Ｓｉ添加による焼結性および前記成形性の
悪化を補うために添加される。ただし、０．８重量％を
下回ると焼結性の改善および熱処理による強度改善の効
果がない。一方、７．５重量％を上回ると高温強度が阻
害される。

（ｄ）Ｍｇについて ＭｇはＣｕと同様の目的で添加されるもので、０．５重
量％を下回ると焼結性の改善および熱処理による強度改
善の効果がない。一方、３．５重量％を上回ると高温強
度が阻害される。

（ｅ）Ｍｎについて アトマイズ粉末製造においては、アルミニウム合金粉末
の冷却速度が最も大きくなるように設定する必要がある
が、量産性を考慮した場合１０３〜１０５℃／ｓｅｃが
限度である。

この冷却速度の範囲において、Ｆｅ≦６重景％重量Ａｌ
−Ｆｅ−３ｉ系金金属化合物が熱間押出し加工工程で充
分に分断されると共にその化合物の析出状態も塊状であ
ることから、成程度の高速熱間鍛造が可能である。

一方、Ｆｅ＞６重量％では前記金属間化合物の析出形態
が針状となり、熱間変形抵抗が増大するため高速熱間鍛
造が不可能となる。

Ｍｎは前記金属間化合物の析出形態をコントロールする
ために有効である。即ち、Ｍｎを前記特定量添加するこ
とによって、針状のＡｌ１．Ｆｅ相およびβ−Ａ／！５
ＦｅＳｉ相に変えて塊状のＡｆ、（Ｆｅ、Ｍｎ）相およ
びａ　　Ａ１＋ｚ　（Ｆ　ｅ、　Ｍｎ）、Ｓｉ相を優先
的に析出させ、これにより高速熱間鍛造性を良好にして
構造部材の強度を向上させることができる。

ただし、１．５重量％以下では前記効果が得られず、一
方、５．０重量％以上では熱間変形抵抗が増大し、高速
熱間鍛造が困難となる。

（ｆ）Ｚｎについて ２００　”Ｃ以下の温度条件下で使用される部材の強度
を向上させるためには、その部材にＴ６処理を施してＳ
ｉ、Ｃｕ、Ｍｇによる溶体化析出効果を利用することが
有効である。

Ｚｎは上記溶体化析出効果を向上させるために添加され
る。ただし、０．５重量％を下回ると前記効果が得られ
ず、一方、１０重量％を上回ると熱間変形抵抗が増大し
、高速熱間鍛造が困難となる。

従来、Ｚｎを有効元素として添加する場合、アルミニウ
ム合金に含まれるＳｉは不純物として扱われるが、前記
合金粉末においてはその製造に当たり粉末冶金法を適用
することによってＺｎとＳｉとを積極的に共存させ、初
晶Ｓｉによる耐摩耗性の向上および熱膨張率の低下を図
り、またＺｎのマトリックスへの析出強化を達成するも
のである。

このようにＺｎを添加することによって、Ｔ６処理後に
おいて構造部材の強度を向上させることができるので、
Ｆｅの添加量を少なくして構造部材の密度を小さくし、
また熱間鍛造性を良好にすることが可能となる。

（（イ）Ｌｉについて Ｌｉは、Ｆｅ添加による合金の密度の上昇を抑えるため
に用いられ、その抑制効果はＬｉの添加量の増加に応し
て向上する。またＬｉはヤング率を向上させて高い剛性
を付与する効果をも有する。

ただし、１，０重量％を下回ると、密度の上昇抑制効果
が少なく、一方、５．０重量％を上回ると、Ｌｉが活性
であることから製造工程が複雑となるといった問題があ
る。

以上各添加元素の役割およびその添加量を考慮して得ら
れる前記合金粉末の好ましい配合割合は、１５重量％≦
Ｓｉ≦１８重量％、４重量％≦Ｃｕ≦５重量％、１．５
重量％≦Ｍ　ｇ≦２．５重量％、１゜５重量％＜　Ｍ　
ｎ≦２．５重量％とじた場合、６重量％≦Ｆｅ≦８重量
％において、２．５重量％≦Ｚｎ≦４．５重量％、２重
量％≦Ｌｉ≦４重量％に設定すると、鍛造用素材の高速
熱間鍛造性を良好にし、また構造部材の１５０〜２００
℃における強度を向上させ、さらにその構造部材の密度
を減らして軽量化を達成することができる。

前記合金粉末を粉末冶金法により製造する場合、その粉
末の粒度分布は鍛造用素材の高速熱間鍛造性および構造
部材の強度に影響を与えるもので、種々検討を加えた結
果、粒度３２５メンシユ以下の微細粉末量が６５〜９５
重量％含有されていれば高温下における伸びおよび絞り
性が良好となり高速熱間鍛造が容易に行われ、高強度な
構造部ｔオが得られることが判明した。

粒度が３２５メツシュを上回る粗大合金粉末の場合はＡ
／！−Ｆｅ−３ｔ系金金属化合物が粗大化し易く、高速
熱間鍛造性の悪化および構造部材の強度低下を招来する
。

また粒度３２５メンシユ以下の合金粉末が６５重量％を
下回ると、高速熱間鍛造時において加工温度付近での伸
び値および絞り値が小さくなり加工性が悪く、また構造
部材にクランク等の欠陥が生じ易い。一方、前記粒度の
合金粉末が９５重量％を上回ると、合金粉末製造工程に
おける歩留りが極端に悪くなり、量産性に欠ける。

押出し加工用素材に対する熱間押出し加工において、そ
の押出し比を５以上に設定することによって鍛造用素材
の強度のばらつきを抑制することができる。

また、鍛造用素材に対する高速熱間鍛造加工において、
その鍛造温度を３００℃以上に設定することによって成
形性を良好にすることができる。

（３）実施例 〔実施例Ｉ〕 表■は、本発明に用いられるアルミニウム合金粉末Ｇ−
Ｊと比較例としてのアルミニウム合金粉末Ｗ−Ｙの組成
を比較したものである。

表　　　！ 表■の組成を有する各合金粉末Ｃ−Ｊ、Ｗ−Ｙは、合金
成分を含む溶湯をアトマイズ法により粉末化することに
よって製造される。

次いで、各合金粉末Ｇ−Ｊ、Ｗ−Ｙを用いて冷間静水圧
プレス成形法（Ｃ，１，Ｐ、法）または型押しプレス法
により直径２２５ｍｍ、長さ３００鵬の押出し加工用素
材を成形する。

冷間静水圧プレス成形法においては、ゴム性チューブ内
に合金粉末を入れ、１．５〜３．Ｏｔ／ｃ４程度の静水
圧下で成形が行われる。型押しプレス法においては、金
型中に合金粉末を入れて常温大気中で、１．５〜３．　
Ｏｔ　／ｃｎ！程度の圧力下で成形が行われる。

各押出し加工用素材を炉内温度３５０℃の均熱炉に設置
して１０時間保持し、次いで各押出し加工用素材に熱間
押出し加工を施して合金Ｇ−Ｊ、Ｗ−Ｙよりなる直径７
０閤の丸棒状鍛造用素材を製造する。

この場合の押出し方式は、直接押出しく前方押出し）ま
たは間接押出しく後方押出し）何れでもよいが、押出し
比は５以上を必要とする。押出し比が５以下では鍛造用
素材における強度のばらつきが大きくなるので好ましく
ない、押出し加工用素材の温度は通常３３０〜５２０℃
に設定される。

３３０℃を下回ると素材の変形抵抗が大きくなり押出し
加工性が悪化し、一方５２０″Ｃを上回ると素材が局部
的に溶解し気泡を発生するおそれがある。押出し加工後
においては、鍛造用素材は空冷または水冷により所定の
冷却速度で冷却される。

その後、各丸棒状鍛造用素材を所定の寸法に切断して試
験片を得、各試験片を４６０〜４７０℃に加熱してそれ
に加工速度７５　ｍｍ／ｓｅｃ　　（ジュラルミン鍛造
と略同−加工速度）のクランクプレスを用い高速熱間鍛
造を施した。

前記合金粉末Ｇ−Ｊよりなる試験片Ｔ、〜Ｔ、および比
較例合金粉末Ｗよりなる試験片Ｔ。

は高速熱間鍛造においてクラックを発生することがなく
、それら鍛造品にはＴ６処理（４９５℃にて４時間加熱
後水冷し、１７５℃にて８時間加熱して時効化）を施し
た。

比較例合金粉末Ｘ、Ｙよりなる試験片ＴＸ。

ＴＹは高速熱間鍛造においてクラックを発生し、満足す
べき鍛造品を得ることができない。

表■は、各試験片Ｔ　Ｇ　〜Ｔ　Ｊ　、　Ｔ　ｗ　〜Ｔ
　ｙの鍛造結果、鍛造前の硬度（ＨＲＢ）および鍛造後
Ｔ６処理を施した場合の硬度（Ｈ，Ｂ−Ｔ６）を示す。

表　　　■ 表■から明らかなように前記合金粉末Ｇ、　Ｈよりなる
試験片Ｔｃ　、ＴＨにおいては、ＭｎおよびＺ−ｎの添
加により高速熱間鍛造性が極めて良好となり、また優れ
た硬度、したがって強度を有する。

また前記合金粉末１．Ｊよりなる試験片Ｔ＋。

ＴＪは、Ｍｎ、ＺｎおよびＬｉの添加により前記試験片
Ｔ、、Ｔイと同様の効果に加えてＬｉにより密度の低減
が図られ、軽量化が達成される。

比較例合金粉末Ｗよりなる試験片Ｔｗは高速熱間鍛造が
可能であっても硬度の点でやや難点がある。

〔実施例■〕

前記実施例１で得られた前記合金粉末Ｇ、Ｉ。

ｊおよび比較例合金粉末Ｗ−Ｙよりなる丸棒状鍛造用素
材より試験片Ｔｃ　、Ｔ＋　、ＴＪおよびＴ８〜Ｔｖを
得、それら試験片Ｔａ　、Ｔ＋　、ＴＪおよびＴ。〜Ｔ
ヶについてヤング率と密度を室温にて測定した。

表■は各試験片Ｔ、、Ｔ、、ＴＪおよびＴｗ〜Ｔ７のヤ
ング率等の測定結果を示す。

表　　　■ 上記表■から明らかなように、前記試験片Ｔ１、Ｔ１に
おいてはＬｉを添加することにより鍛造用素材のヤング
率を向上させると共に密度を低域して軽量化を図ること
ができる。

前記試験片Ｔ、−Ｔ、の伸び値および絞り値は、前記合
金粉末における粒度３２５メツシュ以下の微細粉末量の
増加に応じて増加し、特に試験片Ｔ。〜ＴＪの最適な熱
間鍛造温度である４７０℃においては伸び値および絞り
値の増加が著しい。引張り試験における絞り値が略３６
％を超えると一般に鍛造が容易となることが確かめられ
ており、このような絞り値を得るためには、絞り値、３
２５メツシュ以下の合金粉末含有量および鍛造、１ｖ度
の関係から前記合金粉末には、粒度３２５メツシュ以下
の微細粉末が６５重器量以上含有され、また鍛造温度は
３００℃以上であることが必要である。ただし、前記微
細粉末量が９５重量％を上回ると、前述のように量産性
等が悪化するので好ましくない。

前記構造部材としては、使用温度が１５０〜２００℃で
ある内燃機関用コンロッドをあげることができる。

Ｃ０発明の効果 本発明によれば、特定量のＳｉ、Ｆｅ５Ｃｕ、Ｍｇおよ
びＭｎを含有するアルミニウム合金母材に、Ｚｎおよび
Ｌｉから選択される少なくとも一種を特定量添加したア
ルミニウム合金粉末を用いて、圧粉成形に次ぐ熱間押出
し加工により強度のばらつきを抑制され、且つ高速熱間
鍛造性の良好な鍛造用素材を得、その後鍛造用素材に特
定の鍛造温度にて高速熱間鍛造を施すので、１５０〜２
００℃の温度範囲にて優れた強度を発揮すると共に軽量
で、且つ前記Ｓｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭｇの添加に伴う
優れた高温強度、耐摩耗性、ヤング率および断熱性を兼
備した構造部材を得ることができる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）添加元素として、ＺｎおよびＬｉから選択される
   少なくとも一種、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、ＭｇおよびＭｎを
   含有し、残部が不可避不純物を含むＡｌよりなり、各添
   加元素の含有量を０．５重量％≦Ｚｎ≦１０重量％、１
   ．０重量％≦Ｌｉ≦５．０重量％、１０重量％≦Ｓｉ≦
   ３０重量％、４重量％≦Ｆｅ≦３３重量％、０．８重量
   ％≦Ｃｕ≦７．５重量％、０．５重量％≦Ｍｇ≦３．５
   重量％、１．５重量％＜Ｍｎ＜５．０重量％に設定した
   アルミニウム粉末を用いて押出し加工用素材を圧粉成形
   し、次いで前記押出し加工用素材に押出し比５以上にて
   熱間押出し加工を施して鍛造用素材を成形し、その後前
   記鍛造用素材に鍛造温度３００℃以上にて高速熱間鍛造
   加工を施すことを特徴とするアルミニウム合金製構造部
   材の製造方法。
2. （２）前記アルミニウム合金粉末における粒度３２５メ
   ッシュ以下の微細粉末量を６５〜９５重量％に設定した
   、特許請求の範囲第（１）項記載のアルミニウム合金製
   構造部材の製造方法。
3. （３）前記構造部材は内燃機関用コンロッドである、特
   許請求の範囲第（１）または第（２）項記載のアルミニ
   ウム合金製構造部材の製造方法。
4. （４）添加元素として、ＺｎおよびＬｉから選択される
   少なくとも一種、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、ＭｇおよびＭｎを
   含有し、残部が不可避不純物を含むＡｌよりなり、各添
   加元素の含有量を０．５重量％≦Ｚｎ≦１０重量％、１
   ．０重量％≦Ｌｉ≦５．０重量％、１０重量％≦５ｉ≦
   ３０重量％、４重量％≦Ｆｅ≦３３重量％、０．８重量
   ％≦Ｃｕ≦７．５重量％、０．５重量％≦Ｍｇ≦３．５
   重量％、１．５重量％＜Ｍｎ＜５．０重量％に設定した
   ことを特徴とする構造部材用アルミニウム合金粉末。