JP2005082855A - Al合金材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 高温強靱性に優れたAl合金材料は、金属Alマトリックスと金属間化合物相3とで構成されており、前記金属間化合物相3としては、金属Alを介在することなく隣接する複数の金属間化合物粒子1,2で形成されているものが含まれ、該金属間化合物相3の平均寸法が5μm以下であり、かつ金属間化合物の体積分率が50〜90%である。
【選択図】 図1(b)
Description
X=5.11×[Cr]+3.33×[Fe]+3.24×[Ti]−10
[式中、[Cr]はCrの含有量(質量%)を、[Fe]はFeの含有量(質量%)を、[Ti]はTiの含有量(質量%)を示す]
残部はAl及び不可避的不純物であってもよい。
(式中、σBはAl合金材料の破断強度を示し、KICは破壊靭性値を示し、aは欠陥寸法を示し、cは正の定数を示す)
上記式(1)から判るように、破壊靭性値KICの低下や欠陥寸法aの増大は、いずれも破断強度σBの低下に結びつき、特に欠陥寸法aの増大は破断強度σBの低下に劇的な影響を与えるのである。金属間化合物はマトリックス(金属Al)よりも高強度であるため、金属間化合物を増大させることによって材料強度は高まるが、金属間化合物が多くなってくると塑性変形能の高いマトリックス部分が少なくなってKICが低下し、また金属間化合物も粗大化し易くなって欠陥寸法aが増大するため、総合的には破断強度σBは低下し始めるため、破断強度を十分に高めるのが困難だったのである。例えば特許文献1〜3に記載されているような一般の粉末冶金法では、金属間化合物を増大した場合には欠陥寸法aの増大が極めて顕著となるため、高温強靱性を十分に高めるのが困難であった。また特許文献4のスプレイフォーミング法を採用した場合でも条件が不適切であったために、欠陥寸法aの増大が著しく、高温強靭性が不十分となっていた。
Crは非常に低密度(例えば、3.0g/cm3程度)の金属間化合物を形成し、軽量化及び強化に寄与する点で有用である。しかしCrが少なすぎる場合、金属間化合物の量を確保して強靱性を十分に高めるために残りのFe及びTiを大量に添加しようとすると、Fe及びTiの過剰添加に起因する上述の問題が発生しやくなる。これらの観点からはCr量は、例えば5質量%以上、好ましくは7質量%以上とすることが推奨される。一方、Crが過剰になると金属間化合物が所定量以上になりやすい。従ってCr量は、例えば20質量%以下、好ましくは19質量%以下とすることが推奨される。
FeもCrと同様に金属間化合物を形成して材料の強化に寄与するが、上述したようにCrと異なり、金属間化合物相を粗大化させやすく、多量の添加は強靱性の低下を招く。また密度が高く(約3.8g/cm3程度)、Al合金材料の軽量性を阻害する。従ってFeは、例えば12質量%以下、好ましくは11質量%以下とすることが推奨される。
Tiは微細な金属間化合物を形成して材料の強化に寄与し、かかる観点からはCrよりも望ましいが、スプレイフォーミングする場合にはノズル閉塞の原因となり、製品の安定製造が難しくなる。従ってTiは、例えば12質量%以下、好ましくは11質量%以下とする。
X=5.11×[Cr]+3.33×[Fe]+3.24×[Ti]−10 …(2)
[式中、[Cr]はCrの添加量(質量%)を、[Fe]はFeの添加量(質量%)を、[Ti]はTiの添加量(質量%)を示す]
本発明のAl合金材料は、例えば、以下のようにすれば製造できる。すなわち所定成分のAl合金(例えば、Cr並びに必要によりFe及びTiを含有するAl合金。好ましくは残部は実質的にAlであって、前記Cr、Fe及びTiが上述した範囲に制御されており、成分的に金属間化合物の量が確実に所定範囲となるように制御されているAl合金)の溶湯を、スプレイフォーミングしてプリフォームを作成した後、このプリフォームの空孔(気孔)を圧潰することによって製造できる。スプレイフォーミング法によれば、粉末冶金法にくらべて組織(金属間化合物相)を微細化できる。
下記表1に示す成分組成のAl合金の溶湯(溶解温度:1100〜1200℃)をスプレイフォーミング(使用ガス:N2)し、基板上にAl合金プリフォームを形成した。得られたプリフォームをSUS製の缶に装填し、13kPa(100Torr)以下に減圧した状態で温度550℃で2時間保持して脱気し、缶を密封してカプセルを形成した。得られたカプセルをHIP処理[温度:550℃、圧力:100MPa(1000気圧)、時間:2hr]して、緻密なAl合金材料(試験材)を得た。
試験材を鏡面研磨し、研磨面の組織を走査型電子顕微鏡(SEM)とエネルギー分散型X線検出器(EDX;energy dispersive X−ray spectrometer)を併用して調べた。すなわちSEM写真における金属Al相と金属間化合物相との区別を、EDXによって行った。次いでSEM写真(倍率:500倍)に基づいて、金属間化合物の面積率を測定し、この面積率を体積率とした。またSEM写真(倍率:2000倍)に無作為に長さ50μmの直線を5本引き、この直線上にある金属間化合物の長さ(金属間化合物集合体については、集合体の長さ)を測定し、その平均値を金属間化合物相の平均寸法とした。
材料の強靱性は、一般にビッカース硬さ及び靭性と相関があるため、該ビッカース硬さ及び靭性によって材料強度を評価した。すなわち室温又は温度400℃におけるビッカース硬さを、荷重5kgf(室温の場合)又は荷重1kgf(400℃の場合)の条件で測定した。
靭性良(○) :割れ発生なし
靭性不良(×):割れ発生あり
実験例6〜15
下記表2に示す成分組成の溶湯を、ガス/メタル比:8〜12Nm3/kgの条件でスプレイフォーミングする以外は、上記実験例1〜5と同様にした。
3…金属間化合物相
4…直線
Claims (4)
- 金属Alマトリックスと金属間化合物相とで構成されており、前記金属間化合物相としては、金属Alを介在することなく隣接する複数の金属間化合物粒子で形成されているものが含まれ、該金属間化合物相の平均寸法が5μm以下であり、かつ金属間化合物の体積分率が50〜90%であることを特徴とするAl合金材料。
- 前記Al合金材料は、Cr:5〜20質量%、Fe:0〜12質量%、及びTi:0〜12質量%を、下記式で算出される値Xが50〜90となる範囲で含有するものである請求項1に記載のAl合金材料。
X=5.11×[Cr]+3.33×[Fe]+3.24×[Ti]−10
[式中、[Cr]はCrの含有量(質量%)を、[Fe]はFeの含有量(質量%)を、[Ti]はTiの含有量(質量%)を示す] - 残部はAl及び不可避的不純物である請求項2に記載のAl合金材料。
- Al合金の溶湯を、ガス/メタル比が5Nm3/kg以上の条件でスプレイフォーミングしてプリフォームを作成した後、このプリフォームの空孔を圧潰することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のAl合金材料の製造方法。
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