CN108699636A - 铝基合金 - Google Patents

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Abstract

提供一种不含有陶瓷等硬质粒子就能够达到高刚性，并且制造工序简单且机械加工容易的铝基合金。以铝为主要元素的铝基合金是下述通式(1)所示的铝基合金(其中，通式中的X和Y分别从Cu、Zn、Ag以及Li中选择，a和b是质量％，是利用固溶处理可固溶的范围)。Al‑aX‑bY(1)。

Description

铝基合金
技术领域
本发明涉及一种通过使特殊的添加元素固溶于铝母相而具有高杨氏模量的铝基合金。
背景技术
虽然伴随着车辆、航空器等的轻量化的需求增加，铝合金的应用变得广泛起来，但是存在从以往的铁系材料向铝材料的材料置换时，由杨氏模量的降低所造成的刚性降低变大的课题。为了应对这样的课题，以往利用铝和陶瓷的复合效果实现刚性提高(例如，专利文献1～4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4825776号
专利文献2：日本专利第4119357号
专利文献3：日本专利第4119348号
专利文献4：日本专利第3391636号
发明内容
然而，含有陶瓷这样的强化材料等的复合材料存在因为制造工序复杂而造成制造成本昂贵这样的课题。另外，存在因为含有硬质粒子而造成机械加工等困难这样的课题。因此，本发明的目的在于提供一种不含有陶瓷等硬质粒子就能够达到高刚性，并且制造工序简单且机械加工容易的铝基合金。
本发明的发明人们在提高铝基合金的杨氏模量的过程中，针对由固溶和时效带来的强化反复进行深入研究。结果(根据计算结果)发现：通过利用原子半径比Al的原子半径小的元素置换Al，可实现高刚性化。即、通过在利用添加元素提高电子密度的同时使原子间距离(晶格间距)接近，能够使结合能提高，实现高刚性化。本发明的发明人们研究从周期表的第一周期至第五周期的元素的原子半径的结果发现，Cu、Zn、Ag以及Li的原子半径分别是Al的原子半径的-10.5％、-6.99％、+1.05％以及+5.70％。
另外，本发明的发明人们针对从周期表的第一周期至第五周期的元素，计算出在Al中含有25at％的添加元素的情况下的铝基合金的杨氏模量。计算中所使用的理论公式就是下述算式1，公式中E是杨氏模量，r是晶格(面心立方晶格)中的原子间距离，A、n、m是依赖于元素的常数。然后，使用下述公式利用解析软件(CASTEP、超晶胞模拟(super cellmodel))计算出杨氏模量。此外，解析软件的设定与一般化密度梯度相似，截止能为350eV、K点网格设定为6×6×6。
[算式1]
将计算出的各铝基合金的杨氏模量和纯铝的杨氏模量相比较，将各铝基合金的添加元素的添加量换算为1wt％并求出杨氏模量的增加率，此时Cu、Zn、Ag以及Li的杨氏模量的增加率分别为0.65％、0.04％、0.24％以及0.95％。
进而，本发明的发明人们想到，如果能够使添加元素大量过饱和固溶在Al中，就能够利用与时效温度下的固溶极限的差值使中间层(Al和添加元素的金属间化合物、添加元素彼此的金属间化合物等)析出，进一步实现高刚性化，并且对从周期表的第一周期至第五周期的元素进行了研究。其结果发现：Cu、Zn、Ag以及Li的相对于Al的最大固溶量分别为2.48wt％、49.1wt％、23.9wt％以及13.9wt％。
对于铝基合金的高刚性化而言，能够认为是上述杨氏模量的增加率与最大固溶量的协同效应，计算两者的乘积得到Cu：1.612、Zn：1.964、Ag：5.736以及Li：13.205，其他的元素均不足1。
本发明基于以上的见解而做成，以铝为主要元素的铝基合金是以下述通式(1)所示的情况为特征的铝基合金(其中，通式中的X和Y分别从Cu、Zn、Ag以及Li中选择，a和b是质量％，是利用固溶处理可固溶的范围)。
Al-aX-bY(1)
另外，对于本发明而言，以铝为主要元素的铝基合金是以下述通式(2)所示的情况为特征的铝基合金(其中，通式中的X、Y、Z以及W分别从Cu、Zn、Ag以及Li中选择，a、b、c以及d是质量％，是利用固溶处理可固溶的范围)。
Al-aX-bY-cZ-dW(2)
此外，对于本发明的铝基合金而言，由于至少添加1种元素即可，因此a～d中的1至3个也可以是零。另外，固溶处理指的是通过热处理而使固相内的按照浓度梯度的第二相粒子等固溶的处理，通过在平衡相图上使温度上升达到单相区再进行快速冷却，从而使添加元素固溶。因此，“利用固溶处理可固溶的范围”指的是在平衡相图上存在单相的固相(α相)的范围，固相仅以二相(α相+β相)存在的添加元素的含量为上限。
在此，上述通式(1)、(2)的a、b、c以及d希望是满足14≤(a+b+c+d)≤30的关系的正数。
本发明的铝基合金的制造方法的特征在于：对上述的铝基合金实施了固溶热处理和淬火后，在90℃～170℃下实施120小时～240小时的时效处理。
发明效果
采用本发明，能够提供一种利用添加元素固溶于铝母相的固溶体和中间相的形成效果使得杨氏模量显著提高且刚性格外提高的铝基合金。因此，采用本发明，利用高刚性化，能够减小例如制动钳等那样以刚性为主的零件的厚度，以实现轻量化，另外，通过减小厚度，可实现紧凑的形状设计。
附图说明
图1是表示杨氏模量的测量装置的立体图。
图2是表示本发明的实施例的铝基合金的时效时间和杨氏模量的关系的图表。
具体实施方式
1.第1实施例
接下来，根据具体的实施例详细说明本发明。
从具有表1所示的成分的铝基合金制作出宽度10mm、长度60mm、厚度1.5mm的矩形状的试样，在进行了在520℃下保持4小时后投入水中的固溶处理之后，实施了在110℃下保持24小时的时效处理。接下来，多次测量试样的杨氏模量，将其最大值合并记录在表1中。
[表1]
图1表示杨氏模量的测量装置(日本Technoplas制JE-RT)。对于该测量装置而言，利用两根吊线1保持试样TP，通过利用驱动极2在与试样TP之间的空间构成电容器而产生固有频率，利用非接触的振动传感器3检测该固有频率而测量出杨氏模量。该测量方法以JISZ 2280为基准。
如表1所示，实施例1～5的杨氏模量比由纯铝构成的基准材料高。特别是，含有Cu、Zn、Ag、Li的实施例5能够获得非常高的杨氏模量。
2.第2实施例
除了实施了在90℃下保持10天的时效处理以外，利用与第1实施例相同的条件制作试样，并测量了杨氏模量。该结果表示在表2中。另外，将使用上述的算式1计算出的杨氏模量合并记录在表2中。
[表2]
如表2所示，使用算式1计算出的杨氏模量极其接近实测值，确认了选择Cu、Zn、Ag、Li的做法的正确性。
3.第3实施例
除了成分和时效处理条件是图2所示的情况以外，利用与第1实施例相同的条件制作了铝基合金的试样。根据图2可知，在时效温度为170℃的情况下，利用240小时的时效能够获得77GPa以上的杨氏模量。另外还确认了，在时效温度为110℃的情况下，利用1500小时的时效能够获得78GPa以上的杨氏模量。
工业实用性
本发明能够应用于利用高刚性化来追求刚性的汽车零件等。

Claims (4)

1.一种铝基合金，其特征在于，
以铝为主要元素的铝基合金如下述通式(1)所示，其中，通式中的X和Y分别从Cu、Zn、Ag以及Li中选择，a和b是质量％，是利用固溶热处理能够固溶的范围，
Al-aX-bY (1)。
2.一种铝基合金，其特征在于，
以铝为主要元素的铝基合金如下述通式(2)所示，其中，通式中的X、Y、Z以及W分别从Cu、Zn、Ag以及Li中选择，a、b、c以及d是质量％，是利用固溶热处理能够固溶的范围，
Al-aX-bY-cZ-dW (2)。
3.根据权利要求1或2所述的铝基合金，其特征在于，
所述通式(1)、(2)的a、b、c以及d是满足14≤(a+b+c+d)≤30的关系的正数。
4.一种铝基合金的制造方法，其特征在于，
对权利要求1～3中所述的铝基合金实施了固溶热处理和淬火后，在90℃～170℃下实施120小时～240小时的时效处理。
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