JPH10265918A - アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】成形性・加工性に優れ、かつ、工業的規模での
生産に適したアルミニウム合金を提供することを主な目
的とする。 【解決手段】アルミニウムをベースとする合金であっ
て、（１）Ｆｅ：２〜７重量％、Ｃｒ：２〜１２重量％
及びＮｉ：１〜１０重量％（但し、７重量％≦Ｆｅ＋Ｃ
ｒ＋Ｎｉ≦１５重量％）を含有し、（２）合金組織の少
なくとも一部が準結晶であり、（３）シャルピー衝撃値
が２Ｊ／ｃｍ²以上であることを特徴とするアルミニウ
ム合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
に関する。

【０００２】

【従来技術】アルミニウム合金は、軽量性、熱伝導性、
比強度等において優れた特性を有し、航空機、自動車、
オートバイその他機械部品に幅広く用いられている。特
に、近年では、高強度で耐熱性に優れたアルミニウム合
金又はその複合材料が数多く開発されている。

【０００３】しかし、これらの材料は、冷間加工性のみ
ならず熱間加工性も非常に悪く、既存の押出機、鍛造機
等で成形できないことが多い。また、たとえ成形できた
としてもクラック、ビビリ等の欠陥を避けることは困難
である。たとえ健全に成形され、これらの欠陥がなかっ
たとしても、成形品の室温における靱性自体が不十分で
ある。このため、得られた成形品にさらに冷間加工を加
えることはきわめて困難である。

【０００４】これに関し、高強度・耐熱性アルミニウム
合金として、アルミニウム粉末にウィスカー、セラミッ
クス粒子等を分散させた複合材、メカニカルアロイング
法、超急冷法等によるアモルファス（非晶質）合金、ア
ルミニウム基金属間化合物等も開発されているが、これ
ら技術による合金も上記に示す問題点のほか、製造工程
の複雑さ、製造コストの高さ等から工業的規模での生産
に適しているとは言い難い。

【０００５】具体的には、上記のウィスカー等を分散強
化材とする複合材では、その分散材となるウィスカー等
が高価であり、また分散させる工程にも手間を要し、し
かもその評価も容易でない。さらに、強化すればするほ
ど靱延性に乏しくなり、成形性も低下してしまう。

【０００６】メカニカルアロイング法においては、少量
の粉末をボールミル内で長時間処理しなければならない
ので著しく生産性が低く、また処理中において酸素等が
ピックアップされる結果、次第に靱延性が低下してい
く。しかも、得られる粉末には、転位が多数存在して加
工硬化しており、これが成形性を妨げる原因となる。

【０００７】超急冷法によるアモルファス合金粉末で
は、急冷するための装置及びそれに用いる高圧ガスが高
価である。また、アモルファス形成元素として高価なイ
ットリウム、セリウム等のレアメタルも必要である。さ
らに、得られる合金粉末は、結晶化温度以下では変形し
にくいため、容易に成形することができない。

【０００８】他方、アモルファスを利用する技術として
特開平３−２６７３５５号公報に開示された方法もある
が、Ｃｒ：１７．６重量％以上の含有量を必要とするた
め、延性の低下が避けられない。また、Ｃｒによる重量
増加、アモルファス化等の煩雑な処理、結晶化温度以下
での成形性の問題等なお改善すべき点が多い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、特
に、成形性・加工性に優れ、かつ、工業的規模での生産
に適したアルミニウム合金を提供することを主な目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、これら従来
技術の問題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定組成及
び構造を有するアルミニウム合金が上記目的を達成でき
ることを見出し、本発明を完成するに至った。

【００１１】すなわち、本発明は、アルミニウムをベー
スとする合金であって、（１）Ｆｅ：２〜７重量％、Ｃ
ｒ：２〜１２重量％及びＮｉ：１〜１０重量％（但し、
７重量％≦Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≦１５重量％）を含有し、
（２）合金組織の少なくとも一部が準結晶であり、
（３）シャルピー衝撃値が２Ｊ／ｃｍ²以上であること
を特徴とするアルミニウム合金に係るものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態と
ともに説明する。

【００１３】まず、本発明アルミニウム合金における各
成分について説明する。但し、本発明アルミニウム合金
の各成分は互いに作用し合うものであるため、各成分の
限定理由を個別に論ずるのは必ずしも適当でなく、一般
的な理由として説明する。

【００１４】Ｆｅは、主として本発明アルミニウム合金
中で形成される準結晶（Ａｌ−Ｃｒ−Ｆｅ（例えばＡｌ
₈₀Ｃｒ_13.5Ｆｅ_6.5）系の準結晶等）を構成するために
必須の成分であり、通常は２〜７重量％程度、好ましく
は２．５〜５重量％とする。準結晶を構成しないＦｅ原
子は、Ａｌ₃Ｆｅ、Ａｌ₉ＦｅＮｉ等を形成し、これらは
耐熱性等の向上に寄与する。しかし、上記含有量が７重
量％を超えるとＡｌ₃Ｆｅ、Ａｌ₉ＦｅＮｉ等が粗大化し
やすく、靱延性の低下を招くおそれがある。

【００１５】Ｃｒは、主としてＦｅと同様に本発明アル
ミニウム合金中における準結晶相を構成するために必要
な成分であり、通常２〜１２重量％程度、好ましくは３
〜６重量％とすれば良い。上記含有量が１２重量％を超
えると延性が低下し、破断伸びがほとんどなくなるおそ
れがある。準結晶を構成しないＣｒ原子は、Ａｌ₁₃Ｃｒ
₂等を形成する結果、耐熱性等の向上に寄与する。

【００１６】Ｎｉは、主として上記Ａｌ₈₀Ｃｒ_13.5Ｆｅ
_6.5系の準結晶等に置換型固溶しており、準結晶の強
化、安定性等の向上に寄与する。含有量は、通常１〜１
０重量％程度、好ましくは２〜６重量％とすれば良い。
準結晶を構成しないＮｉ原子は、例えばＡｌ₃Ｎｉ、Ａ
ｌ₉ＦｅＮｉ等の化合物、あるいはＡｌとの共晶組織等
を形成する。Ｎｉ含有量が１０重量％を超えると、上記
化合物等が粗大化しやすくなり、靱延性が低下するおそ
れがある。

【００１７】また、本発明アルミニウム合金では、Ｚｒ
をさらに含有する態様も包含する。Ｚｒは、一定量の範
囲内ではＡｌマトリックス内に固溶し、固溶強化に寄与
することができる。また、Ａｌ中のＺｒは拡散係数が低
いので、高温でも固溶状態は比較的安定である。かかる
見地から、Ｚｒ含有量は通常０．０１〜２．５重量％程
度、好ましくは０．１〜１重量％とすれば良い。また、
このように他の成分に比べて少量であってもＺｒは組織
の微細化にも有効である。Ｚｒ含有量が２．５重量％を
超えると、Ａｌ₃Ｚｒ等の化合物が晶出し、靱延性が低
下するおそれがある。しかも、この場合には合金の融点
が高くなり、且つ、溶湯の粘度が高くなるおそれがあ
る。

【００１８】さらに、本発明アルミニウム合金では、上
記元素以外にも、室温強度、高温強度等を向上させる目
的で必要に応じてＭｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、
Ｍｏ等の少なくとも１種をそれぞれ０．０１〜３重量％
の範囲内で添加することもできる。

【００１９】これらの添加量が３重量％を超えると、次
のように各元素によって異なる問題が生じるおそれがあ
る。Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ及びＭｎの場合では粗大な化合物を
生じ、著しく延性が低下するおそれがある。また、特に
Ｓｉの場合では、単独で晶出或いは析出し、破壊靱性が
低下するおそれがある。さらに、Ｍｇ及びＣｕの場合で
は、室温から２００℃付近までの強度に寄与する元素で
あって熱間加工性を改善する働きがある一方で、Ｃｕは
Ｆｅ、Ａｌ等と化合物を生じやすく、またＭｇは酸化物
を形成する確率が高くなる。これらＭｇ等の元素の合計
添加量は、成形性及び靱性の観点から５重量％以下、特
に０．０１〜３重量％とすることが好ましい。

【００２０】なお、本発明では、上記成分以外の他の成
分であっても、本発明の効果を損なわない範囲内で含ま
れていても差し支えない。

【００２１】本発明アルミニウム合金では、その組織の
少なくとも一部が準結晶により構成されている。準結晶
とは、アモルファス（非晶質）と通常の結晶との中間的
な構造を有し、例えばＡｌ−Ｃｒ合金、Ａｌ−Ｍｎ合
金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｘ（ＸはＦｅ、Ｍｎ、Ｌｉ等）合金等
においても確認されている。その結晶構造の特徴として
は、２０面体のような５回軸をもつ原子配列からなり、
電子線回折では５回或いは１０回対称の回折像を示す。
また、Ｘ線回折においては、特有のピークを呈する。本
発明アルミニウム合金では、Ａｌ−Ｃｒ−Ｆｅ系の準結
晶と同一又は類似の準結晶を含む。そして、この準結晶
が、特に、靱延性の大幅な低下を伴わずに高温強度等の
向上に寄与する。

【００２２】本発明アルミニウム合金中における準結晶
サイズは通常０．２μｍ以下であり、より好ましくは
０．０５〜０．１μｍである。準結晶サイズが０．２μ
ｍを上回る場合には所望の特性（加工性、成形性等）が
得られなくなる。

【００２３】また、その体積分率は通常０．１〜２０体
積％程度、好ましくは１〜１０体積％である。体積分率
が０．１体積％未満の場合は、所望の強度、耐熱性等を
得ることができない。２０体積％を超える場合には、相
対的にマトリックスのすべり面が少なくなり、加工性、
成形性等が低下する。なお、体積分率は、例えば顕微鏡
写真より求めることができる。

【００２４】本発明アルミニウム合金は、そのシャルピ
ー衝撃値が２Ｊ／ｃｍ²以上、好ましくは２．３Ｊ／ｃ
ｍ²以上である。シャルピー衝撃値が高いほど靱延性、
成形性等に優れていると言える。本発明におけるシャル
ピー衝撃値の測定方法は、後記の実施例に示す。

【００２５】本発明アルミニウム合金の製造方法は、例
えば所望量の準結晶を形成させるという観点から、急冷
凝固法が適しており、例えばアトマイズ法、急冷ロール
法、回転円盤法、噴霧ドラム法等が挙げられ、特にアト
マイズ法が好ましい。

【００２６】冷却速度は、通常１０²〜１０⁶℃／ｓｅｃ
程度、好ましくは１０³〜１０⁵℃／ｓｅｃとすれば良
い。冷却速度が１０²℃／ｓｅｃ未満の場合は、所望の
準結晶が得られないばかりでなく、粗大な金属間化合物
が晶出し、靱延性・成形性が著しく低下するおそれがあ
る。また、１０⁶℃／ｓｅｃを超える場合は、準結晶の
存在比が多くなりすぎ、マトリックス内の転位の運動が
妨げられ、やはり靱延性・成形性が低下するおそれがあ
る。

【００２７】粉末の粒度分布は、通常５〜４５μｍ程度
のものが粉末全体の８０重量％以上に調整することが望
ましい。４５μｍを超える粉末が多くなりすぎると所望
の冷却速度が得にくくなる。また、５μｍ未満の粉末が
多すぎると酸化物（酸素量）が多くなり、靱延性の低
下、成形不良等を招く。

【００２８】噴霧媒及び噴霧雰囲気は、最終製品の用途
等に応じて適宜決定すれば良く、例えば大気、不活性ガ
ス、或いはこれらの混合ガス等のいずれであっても良
い。例えば、酸素量を制限する場合は、必要に応じて不
活性ガスを導入すれば良い。

【００２９】得られた粉末は、必要に応じて分級を行
う。分級方法は、フルイ等による公知の粉末の分級方法
に従えば良い。粗大な粉末粒子は、例えば準結晶が形成
されていないもの、粗大な晶出物を生成しているもの等
が含まれる可能性が高く、分級によってこれらの粉末粒
子を予め取り除くことが好ましい。粉末の粒度は、通常
１５０μｍ以下、好ましくは４５μｍ以下のものを本発
明アルミニウム合金として採用すれば良い。粉末の形状
は、特に制限されず、例えば真球状、回転楕円体状、不
定形状、涙滴状、扁平状等のいずれの形状であっても良
い。

【００３０】本発明アルミニウム合金の粉末をさらに固
化成形する場合は、工業的に実施されている公知の成形
方法をいずれも採用できる。例えば、必要に応じてＣＩ
Ｐ又は冷間プレスで予備成形を行い、その後に熱間押し
出し、熱間粉末鍛造、ホットプレス、ＨＩＰ等で成形・
焼結すれば良い。これらの中でも、熱間粉末鍛造による
方法が工業生産上好ましい。

【００３１】通常、熱間押し出し等により得られた押し
出し材は、押し出し方向とそれに垂直な方向との異方性
が生じやすく、強度・靱延性等において両者の間で１０
〜２０％程度の差が生じることがある。これに対し、熱
間粉末鍛造の場合は、かかる異方性があったとしても上
記差は通常５％以下である。また、歩留まりについて
も、押し出し材は通常７０％前後であるのに対し、熱間
粉末鍛造の場合はニアネットシェイプであるため通常９
８％以上である。また、押し出し用のビレットは大型の
ものが多く、その加熱に長時間を要することが多い。そ
の点、熱間粉末鍛造の場合は、ニアネットシェイプであ
るため必要最小限の大きさで良く、加熱に要する時間も
少なくて済む。

【００３２】本発明アルミニウム合金は、広い温度範囲
にわたって良好な延性を有するため、複雑な形状の部品
であっても熱間粉末鍛造によって製造可能であり、また
準結晶から粗大な化合物の生成を防止するという意味で
も加熱時間の短い熱間粉末鍛造法が好ましい。一方、単
純な形状の製品（例えば、棒状、パイプ状等）の場合
は、装置、金型等の設備面で押し出しの方が有利な場合
もある。従って、本発明アルミニウム合金においては、
最終製品の形状等に応じて適宜成形方法を選択すれば良
い。

【００３３】本発明アルミニウム合金は、大気中での熱
間成形が可能であるが、用途等により酸素量が問題であ
れば、必要に応じて脱ガス工程、不活性ガス中での処理
等を行っても良い。また、本発明アルミニウム合金は、
室温での変形能も有するので、冷間鍛造、プレス等によ
り歪み等の矯正やかしめ、機械加工等の複雑加工も容易
に実施できる。

【００３４】

【発明の効果】本発明アルミニウム合金は、その合金組
織内の準結晶相及び結晶質金属間化合物が主として耐熱
性の向上に寄与する。特に、準結晶相は、組織内に微細
かつ均一に分散しており、加工又は成形温度でも安定し
ているので、粗大化又は相変態による特性の劣化を生じ
ない。また、マトリックス中に変形抵抗となるものが比
較的少なく、熱間成形性に優れ、その後の冷間加工性も
良好である。さらに、室温での靱性に優れる。

【００３５】より具体的には、本発明アルミニウム合金
は、常温から約３００℃の高温に至る広い温度範囲内で
優れた強度と延性を併せもつ。また、成形性にも優れ、
合金内に生じた準結晶相も安定であるので、その諸特性
を維持したまま加工・熱処理できるという利点を有す
る。また、室温での靱性にも優れることから、種々の加
工が可能であり、各種用途における材料としての信頼性
が高い。

【００３６】このような特長をもつ本発明アルミニウム
合金は、構造用材料、機械材料、輸送機械部材等に幅広
く利用することができる。

【００３７】

【実施例】以下、実施例及び比較例を示し、本発明の特
徴とするところをより一層明確にする。

【００３８】実施例１ 表１に示す組成の合金溶湯を調製し、アトマイズ法によ
り粉化した。得られた粉末を−４５μｍに分級し、直径
３０ｍｍ×高さ約８０ｍｍのビレットに冷間予備成形し
た。その後、３５０℃で３０分加熱し、同温度で押出比
１０で押し出した。

【００３９】得られた押し出し棒から引張試験片を作製
し、室温、２００℃及び３００℃の各温度で１００時間
保持した後、同温度で引張試験を行った。それらの結果
を表１〜３に示す。また、室温におけるシャルピー試験
を行った。シャルピー試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４２に準
拠して行った。なお、シャルピー試験片には断面が約７
ｍｍ×１１ｍｍである長方形の押し出し材からＪＩＳ３
号試験片の１／２幅サイズでＵノッチ付きのものを切り
出して用いた。その結果を表１に示す。

【００４０】また、熱間成形／加工性の指標として、限
界据込率を測定した。一般に、この値が大きいほど変形
能に優れる。その結果も表１に示す。なお、限界据込率
の測定方法は、まず上記押し出し棒からφ１０×１５ｍ
ｍのテストピースを切り出し、各１０個用意し、各テス
トピースを円柱状の金型間に狭持し、４５０℃で鍛造速
度７０ｍｍ／秒により据込率を変えて限界据込率ＥｈＣ
（％）を下記式に従って求めた。

【００４１】ＥｈＣ＝（ｈ０−ｈｃ）×１００／ｈ０ （但し、ｈ０：変形前の試料の高さ（１５ｍｍ）、ｈ
ｃ：変形後の試料の高さ）

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】実施例２ 実施例１で得られた原料粉末を用い、冷間プレスでφ５
９×５０ｍｍ（Ｈ）に予備成形したものをφ６１の金型
内で熱間鍛造（鍛造温度：３５０℃、保持時間：１５
分）を行った。得られた鍛造体から各試験片を作製し、
実施例１と同様の試験を行った。それらの結果を表４〜
６に示す。

【００４６】

【表４】

【００４７】

【表５】

【００４８】

【表６】

【００４９】以上の結果より、本発明アルミニウム合金
は、成形性が良好であり、室温から３００℃の温度範囲
において優れた強度、延性等を示し、室温での耐衝撃性
にも優れることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の焼結体におけるＸ線回折分析の結果
を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 楠井 潤 大阪府大阪市中央区久太郎町三丁目６番８ 号 東洋アルミニウム株式会社内 (72)発明者 久保 幸平 大阪府大阪市中央区久太郎町三丁目６番８ 号 東洋アルミニウム株式会社内 (72)発明者 松木 賢司 富山県富山市五福3190

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルミニウムをベースとする合金であっ
   て、（１）Ｆｅ：２〜７重量％、Ｃｒ：２〜１２重量％
   及びＮｉ：１〜１０重量％（但し、７重量％≦Ｆｅ＋Ｃ
   ｒ＋Ｎｉ≦１５重量％）を含有し、（２）合金組織の少
   なくとも一部が準結晶であり、（３）シャルピー衝撃値
   が２Ｊ／ｃｍ²以上であることを特徴とするアルミニウ
   ム合金。
2. 【請求項２】アルミニウムをベースとする合金であっ
   て、（１）Ｆｅ：２〜７重量％、Ｃｒ：２〜１２重量
   ％、Ｎｉ：１〜１０重量％及びＺｒ：０．０１〜２．５
   重量％（但し、７重量％≦Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｚｒ≦１
   ５重量％）を含有し、（２）合金組織の少なくとも一部
   が準結晶であり、（３）シャルピー衝撃値が２Ｊ／ｃｍ
   ²以上であることを特徴とするアルミニウム合金。
3. 【請求項３】準結晶のサイズが０．２μｍ以下である請
   求項１又は２に記載のアルミニウム合金。
4. 【請求項４】準結晶の体積分率が０．１〜２０体積％で
   ある請求項１又は２に記載のアルミニウム合金。