JP2000265251A - 高強度アルミニウム合金固化材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高硬度、高強度を有し、延性、靭性および加
工性に優れた新規なアルミニウム合金固化材を酸化、水
素脆化、コンタミネーションの問題なく提供する。 【解決手段】 一般式：Ａｌ_balＭ_a（ただし、ＭはＴｉ
またはＦｅから選ばれる元素であり、ａは原子パーセン
トで０＜ａ≦２０）で示される組成からなり、実質的に
組織が過飽和固溶体相からなることを特徴とする高強度
アルミニウム合金固化材である。ＭがＴｉの場合は４≦
ａ≦１５，Ｆｅの場合は０．５≦ａ≦５が好ましい。ま
た、実質的に平均結晶粒径が１００ｎｍ〜１０μｍのα
−Ａｌの過飽和固溶体単相からなることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械部品等の構造
材として用いる高強度アルミニウム合金固化材である。

【０００２】

【従来の技術】従来の急冷凝固させたアルミニウム合金
の微細結晶組織は、急冷凝固法による組織の微細化によ
り高強度化されている。さらに、微結晶組織ではなく、
さらに特定組成において急冷してアモルファス相を得る
ことによりさらに高強度な材料が得られている。

【０００３】しかしながら、急冷凝固法又はメカニカル
アロイング法などの手法で得られた微細組織を有する合
金は、通常薄帯又は粉末に形状が限定されていた。よっ
て機械部品等の構造材として用いるためには、薄帯又は
粉末等を集成固化させる必要があった。集成固化の方法
としては、熱間押出法、鍛造法等が通常用いられている
が、その時の熱履歴により、急冷により得られたアモル
ファスは加熱により結晶化し、微細結晶組織は加熱によ
り粒成長するために、強度特性は熱間加工後に低下する
問題点があった。

【０００４】一方、金属間化合物等を第二相粒子として
分散させる場合は、第二相粒子での応力集中によって、
靭性の延性が低下するという問題がある。又、原料とし
ての薄帯又は粉末の表面の酸化は雰囲気の制御では限界
があり、表面酸化物の残存による固化の不健全さやガス
成分、特に吸着水、結晶水等に起因する水素脆性、粉末
ハンドリング時のコンタミネーションの混入が成形後の
製品特性に問題を生じさせる問題がある。

【０００５】そこで、本出願人はさきに、一般式Ａｌ
_balＭ_aＸ_b（ただし、ＭはＶ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の元素、ＸはＬ
ｉ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，
Ｍｏ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｍ（ミッシュメタ
ル）、希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素ま
であり、ａ，ｂは原子パーセントで、ａ＝０．５〜１０
％，ｂ＝０．５〜１０％）さらには一般式Ａｌ_balＭ_aＸ
_bＱ_c（Ｍ，Ｘ，ａ，ｂは前記と同じ、ＱはＢ，Ｃ，Ｎ，
Ｏから選ばれる少なくとも１種の元素、Ｃは原子パーセ
ントで５％以下）よりなる高強度アルミニウム合金固化
材を開発した。（特開平８−２８３９２１号公報参照）

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記先行技
術をさらに発展させ、高硬度、高強度を有し、延性、靭
性及び加工性に優れたアルミニウム合金固化材を提供す
ることを目的とすると共に、そのような固化材を酸化、
水素脆化、コンタミネーションの問題なく提供するもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、一般式：Ａｌ
_balＭ_a（ただし、ＭはＴｉまたはＦｅから選ばれる元素
であり、ａは原子パーセントで０＜ａ≦２０）で示され
る組成からなり、実質的に組織が過飽和固溶体相からな
ることを特徴とする高強度アルミニウム合金固化材であ
る。

【０００８】本発明において、Ｍ元素は、Ａｌ中での拡
散速度の遅い元素であり、これらの元素を０〜２０原子
％（ただし、０は含まない）添加することにより、組織
を非常に微細化させ、硬度等の機械的特性を向上させる
ことができるとともに、超急冷効果により、添加元素を
過飽和固溶させることができ、これにより第二相の形成
がなく、延性、靭性が低下することなく、高強度化が行
える。さらには電子ビーム蒸着法により急冷して母合金
から直接板形状の厚さが３００μｍ以上、さらには厚さ
が１ｍｍ以上の固化材を作製できるとともに、熱処理に
より組織変化を起こさせ、特性を制御できるとともに超
塑性加工等の加工が適用できる。

【０００９】Ｔｉは４〜１５原子％、Ｆｅは０．５〜５
原子％の範囲で添加することにより、硬度、強度は、こ
の範囲を超えるものよりも小さいが、高強度、高硬度で
より延性、靭性、加工性に優れた固化材を提供できる。
さらに、平均結晶粒径が１００ｎｍ〜１０μｍのα−Ａ
ｌの過飽和固溶体単相とすることにより、通常のＡｌ結
晶と同等の延性、加工性を備えたものとすることができ
る。

【００１０】また、電子ビーム蒸着法により堆積したマ
クロ構造における粒子の大きさは平均粒子径で１〜１０
μｍであるが、このような粒子径とすることにより、空
隙が生じにくく、相対密度９５％以上の固化材とするこ
とができる。

【００１１】このようなアルミニウム合金固化材は、電
子ビーム蒸着法により蒸着物堆積基板上に堆積すること
により得ることができる。電子ビーム蒸着装置の具体例
を模式的に示したのが図１である。真空装置内において
蒸着源材料ロッド２，２をそれぞれ銅製のるつぼ１，１
内に下方から上方に向って移動可能に配し、これらに電
子銃３，３により電子ビーム４，４をそれぞれ照射し、
蒸発源材料を加熱溶融させ、さらに蒸発させる。蒸発し
た粒子５はるつぼ１，１と対向して設けられた堆積基板
６上に蒸着堆積し、堆積層７を形成する。なお、るつぼ
１，１と堆積基板６との間にシャッタを設り、基板温度
および蒸着粒子が適した条件となった場合に開くように
してもよい。また、図内においては、電子銃３は１つだ
け示してあるが、複数個設けることも可能である。

【００１２】このような電子ビーム蒸着は高い冷却状態
が得られるので、他の物理的蒸着技術に比して前記本発
明の組織を得るのに適している。真空装置内の真空度は
４×１０^-6〜３×１０^-5ｍｂａｒが適当である。又、前
記組織を得るためには、蒸着物堆積基板温度を１５０〜
３５０℃に制御することがよい。１５０℃より低温であ
ると非平衡な状態が得られるが、緻密な材料が得られに
くく、柱状になり易い問題がある。３５０℃より高温で
あると結晶粒径が大きくなり、強度特性が劣化するとと
もに、金属間化合物の析出、晶出現象が起こり、延性、
靭性、加工性が低下してしまう。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下実施例に基づき本発明を具体
的に説明する。図１に示す電子ビーム蒸着装置により、
蒸発源材料としてＡｌロッドとＴｉまたはＦｅロッドと
を用い、アルミニウム合金固化材を作製した。具体的な
作製方法は直径３１ｍｍ，長さ２３５ｍｍのＡｌ母合金
からなる蒸着源材料ロッド２を一方側のるつぼ１に配
し、また直径３７ｍｍ、長さ２５０ｍｍのＴｉまたはＦ
ｅ母合金からなる蒸着源材料ロッド２を他方側のるつぼ
１に配し、真空装置内の真空度を４×１０^-6〜３×１０
^-5ｍｂａｒとする。さらに、真空装置内に配される堆積
基板６は基板回転速度を２０ｒｐｍとするとともに、堆
積基板温度を２５０℃とする。なお、堆積基板６を回転
することにより、蒸着による組成の不均一性を防ぐ。ま
た、堆積基板６の温度は赤外線ランプおよび水冷により
制御され、また適切な温度に保持される。

【００１４】電子ビーム蒸着装置による蒸着条件は、Ａ
ｌからなる蒸着源材料ロッドに対し、電子ビーム投入電
力を７ｋＷとし、ＴｉまたはＦｅからなる蒸着源材料ロ
ッドに対し、電子ビーム投入電力を０．５〜１．２ｋＷ
とする。また、これらの蒸着源材料ロッドの供給速度は
０〜０．２２ｍｍ／ｍｉｎとする。添加されるＴｉまた
はＦｅの添加量は、電子ビームの強さを変えることによ
り、蒸発する速度を制御し、変化させている。具体的に
はＴｉは０．６〜１．２ｋＷ，Ｆｅは０．５〜１．０ｋ
Ｗと変化させて蒸着を行った。電子ビーム蒸着法では電
子ビームが照射される蒸着源材料の部分が減少するが、
蒸着源材料がるつぼの下方から上方に向って連続的に移
動することにより、連続的な蒸着が行え、厚い堆積層を
形成する。

【００１５】上記のように作製したＡｌ₉₈Ｆｅ₂，Ａｌ
₉₅Ｔｉ₅，Ａｌ₈₇Ｔｉ₁₃（ａｔ％）からなるアルミニウ
ム合金固化材について、Ｘ線回析を行い、その組織構造
を調べた。その結果を図２および図３に示す。図２およ
び図３によれば、α−Ａｌの過飽和固溶体単相からなっ
ていることがわかる。その他の本発明の合金組成につい
ても同様の結果が得られた。また、上述の組成につい
て、ＳＥＭ観察を行った結果、堆積した粒子の大きさは
平均粒子径で１〜１０μｍで、空隙がなく緻密な構造と
なっているとともに、前記α−Ａｌの過飽和固溶体相の
結晶粒径も２００ｎｍ〜１０μｍの範囲で存在し、平均
的には粒子径とほぼ同等であった。

【００１６】さらに上記のように作成したＡｌ_balＴ
ｉ_a，Ａｌ_balＦｅ_a（ａｔ％）からなる各種アルミニウ
ム合金固化材について、その硬度（Ｈｖ）を測定した。
なお、硬度（Ｈｖ）は２５ｇ荷重の微小ビッカース硬度
計による測定値（ＤＰＮ）で示す。この結果を図４およ
び図５に示す。図４および図５によれば、本発明のアル
ミニウム合金化材においては５０〜６００と優れている
ことが分る。また、Ａｌ_balＴｉ_a固化材について、ａを
４（ａｔ％）以上とすることにより、硬度を１００以上
とすることができ、Ａｌ_balＦｅ_a固化材については、ａ
を０．５（ａｔ％）以上とすることにより、硬度を１０
０以上とすることができる。さらに得られた固化材につ
いて、延性および加工性を検討した結果、硬度が１００
以上、３００以下で非常に優れた結果が得られた。この
結果よりＡｌ_balＴｉ_aにおいてはａが４〜１５（ａｔ
％）の範囲が、また、Ａｌ_balＦｅ_aにおいてはａが０．
５〜５（ａｔ％）の範囲がもっとも好ましい範囲である
ことが分かった。なお、強度については硬度とほぼ同様
の結果であった。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、新規な組織を有する高
強度アルミニウム合金固化材が得られ、高強度、高硬度
を有し、延性、靭性および加工性に優れた固化材を提供
することができる。また、電子ビーム蒸着法を利用した
場合、母合金から直接高密度な固化材を得ることがで
き、従来の熱間押出法等における熱履歴による影響を受
けることなく、また、前述の製法上の問題を生じさせる
ことなく、安定した製品を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に用いる電子ビーム蒸着装置の説
明図である。

【図２】本発明の実施例合金Ａｌ₉₈Ｆｅ₂のＸ線回析図
である。

【図３】本発明の実施例合金Ａｌ₉₅Ｔｉ₅およびＡｌ₈₇
Ｔｉ₁₃のＸ線回析図である。

【図４】本発明の実施例合金Ａｌ_balＴｉ_aの硬度の測定
値を示すグラフである。

【図５】本発明の実施例合金Ａｌ_balＦｅ_aの硬度の測定
結果を示すグラフである。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K017 AA04 BA01 BB06 BB09 DA05 EG01 4K018 AA15 GA01 KA62 4K029 BA23 BB07 BD03 CA01 DB03 DB08 DB14 DB21 JA02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一般式：Ａｌ_balＭ_a（ただし、ＭはＴｉ
   またはＦｅから選ばれる元素であり、ａは原子パーセン
   トで０＜ａ≦２０）で示される組成からなり、実質的に
   組織が過飽和固溶体相からなることを特徴とする高強度
   アルミニウム合金固化材。
2. 【請求項２】 Ｍ元素がＴｉであり、ａが４≦ａ≦１５
   である請求項１記載の高強度アルミニウム合金固化材。
3. 【請求項３】 Ｍ元素がＦｅであり、ａが０．５≦ａ≦
   ５である請求項１記載の高強度アルミニウム合金固化
   材。
4. 【請求項４】 実質的に平均結晶粒径が１００ｎｍ〜１
   ０μｍのα−Ａｌの過飽和固溶体単相からなる請求項１
   記載の高強度アルミニウム合金固化材。