JP2531773B2 - 耐熱性ａ１基合金粉末焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、自動車，航空機，鉄道車輛，船舶等の各種
産業機械分野で広く使用されているAl基合金粉末焼結体
の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 近年、Al粉末冶金の新しい方向として、急冷凝固法を
応用して各種の遷移元素を含有させたAl基合金粉末を
得、該Al基合金粉末を用いて焼結体を成形することによ
り熱間強度の高い焼結体を製造する技術が数多く開発さ
れている。

上記技術によると、通常ならば平衡状態のものとして
は得られない組成のAl−Fe,Al−Cr,Al−Zr,Al−Si等の
合金を急冷凝固粉末を用いることによって製造可能とな
るものであり、結晶粒の大きさや微細混合物を調節する
ことによって、耐熱性，耐摩耗性及び疲れ強さの優れた
新素材を得ることができる。

例えば特開昭59−43802号公報，同60−234936号公
報，同60−248860号公報，同61−49551号公報，同61−9
6051号公報，同51−130451号公報等に数多くの技術が開
示されており、更には米国特許第4,464,199号にも同様
の技術が開示されている。

上記文献に見られる技術はいずれも概ね８〜12％のFe
を含む他、Ce等の希土類元素若しくはV,Zr,Mo等の遷移
金属元素をAl中に含有させたAl−Fe系合金粉末を急冷凝
固法によって得るものであり、また該粉末を焼結してAl
マトリックス中にAl−Fe−Ｘ化合物（Ｘは前記Ce,V,Zr,
Mo等）を分散させることによって熱間強度と耐熱性の高
いAl基合金粉末焼結体が得られた旨述べられている。

上に見られるAl−Fe系合金粉末以外のAl基合金粉末に
ついても多くの研究開発が行なわれており、例えば特開
昭59−116352号公報にはAl中にCrやZr等を含有させて耐
熱性を向上させたAl−Cr−Zr系合金粉末焼結体について
開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ 前記Al−Fe系合金粉末から得られる焼結体では、いず
れも常温から300℃程度までの温度範囲では高い引張強
度を有している。

しかしながら本発明者らがAl−Fe系合金粉末焼結体に
ついて各種の検討を行なったところ、当該焼結体は靭性
が低いことが判明した。これはAl−Fe系合金粉末焼結体
では、強度向上の目的で多量のFeや他の元素を添加して
分散相の体積率を高めているのであるが、この分散相は
脆性を有し且つ亀裂伝播サイトとなって亀裂の進展を助
長する傾向があり、これらによって該焼結体の靭性が低
くなるものと考えられる。

又分散相の体積率を下げて靭性を改善しようとして
も、逆に引張強度の低下を招くという問題があった。従
ってAl−Fe系合金粉末焼結体においては、引張強度及び
靭性のいずれをも同時に満足させることは極めて困難で
ある。こうした問題点は、靭性を必要とする各種部品に
該焼結体を適用する場合特に大きな障害となっている。

一方前記Al−Cr−Zr系合金粉末焼結体は、急冷凝固法
で粉末を製造する際にCr及びZrがAl中に強制的に固溶し
たものであることが知られている。CrやZrが強制固溶さ
れた急冷凝固粉末を300〜450℃の温度で加熱すると、Al
マトリックス中からCuAl₇,ZrAl₃等の金属間化合物が微
細に析出し、析出強化が期待できる。しかも上記析出化
合物は熱処理温度（300〜450℃程度）以下の温度域では
ほとんど粗大化しないので、300℃以下の温度域では高
強度を発現し得るものとして期待される。

しかしながらAl−Cr−Zr系合金粉末焼結体についての
これまでの研究は、そのほとんどがAl−Cr−Zr3元合金
素材自体に関するものであり、又急冷後の固化成形に伴
なう熱覆歴を考慮していない為に押出棒や鍛造材として
は実用上十分な強度レベルを発現するに至っていないの
が現状である。即ちAl基合金粉末焼結体は前述した趣旨
のもとで開発されたものであり、焼結・熱間成形後にお
いて普通の鍛塊と同様に熱間での鍛造，圧延及び押出し
などの加工が行なわれるのが一般的であり、これらの加
工後においても実用上十分な強度レベルを発現させる必
要がある。

尚上記趣旨から明らかであるが、本発明における「焼
結体」とは、製品に加工する前の成形材（これを単にAl
基合金と呼ぶのが一般的である）をも含む意味である。

前記特開昭59−116352号公報に開示された技術は、Al
−Cr−Zrの３元合金に更にMnを添加し、得られる焼結体
の強度を高めたものであるが、この焼結体には次に示す
様な問題点があった。

例えば1986年４月に発行されたMaterials Science
and Technology,Vol,2の第394〜399頁にはAl−Cr−Zr
−Mn合金粉末に関する研究が発表されており、それによ
るとこの合金粉末から得られる焼結体は熱間押出等にお
ける加熱条件の影響を受け易いことが開示されている。
従ってこのAl基合金粉末から得られる焼結体に十分な強
度を発現させるには、急冷凝固粉末を常温で押出す等の
方策が必要であり、静水圧押出や力量の極めて大きな特
殊なプレス装置を必要とするので実用化が困難であっ
た。

本発明はこうした技術的課題を解決する為になされた
ものであって、その目的とするところは、耐熱性（高温
強度）及び靭性のいずれにも優れた焼結体を得る為の方
法を提供する点にある。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明方法とは必須成分として
Cr及びZrを固溶するAl基合金粉末を、再結晶温度以下の
温度範囲で塑性変形してマトリックス中に転位を導入し
た後、該粉末を200〜450℃の温度で加熱・保持して粒界
析出物を安定化させ、更に500℃以下の温度で熱間圧縮
成形する点に要旨を有するものである。

又上記Al基合金粉末として、Cr及びZrに加えFe及びMn
から選択される１種又は２種を固溶したものを用いれ
ば、更に効果的である。

［作用］ 本発明者らは、前記Al−Cr−Zr系合金粉末焼結体では
比較的少量の元素を添加するだけで特性の向上が図れる
ことに着目し、Al−Fe系のものと比べて高い靭性を有す
る焼結体を開発し得る可能性を秘めているのではないか
との着想のもとで、かねてから鋭意研究を重ねてきた。
その結果、Al−Cr−Zr系合金粉末焼結体の特性は、合金
粉末中の転位組織と析出物の相互作用に大きく依存して
いることが判明し、この両者を巧みに制御すれば強度及
び靭性のいずれも優れたAl基合金粉末焼結体が実現でき
ることを見出し、本発明を完成した。

以下本発明方法の工程に沿って本発明の作用を説明す
る。

〈粉末製造〉 本発明で用いるAl基合金粉末は、平衡状態では固溶限
の小さな元素（CrやZr等）を過飽和状態に強制固溶させ
る目的で、溶解合金を急冷凝固法によって微細な粉末に
したものである。この粉末製造の具体的手段については
各種アトマイズ法が例示でき何ら限定するものではない
が、希望する微細粉末を得るには急冷速度を1000℃/sec
以上とするのが好ましい。尚本発明における「粉末」と
はその形状が球状のものに限られず、箔状，片状，不定
形状等の各種の形状のものを含む意味である。

本発明で用いるAl基合金粉末は、Cr及びZrを必須成分
として含むものであるが、その目的を達成させる為には
含有量はCr:2〜５％、Zr:0.5〜２％であることが望まし
い。更に、より高強度を実現する為に、FeやMnをFe:0.5
〜３％、Mn:0.5〜３％（但し合計で0.5〜３％）程度含
有させることが推奨される。但しこれらの添加元素（C
r,Zr,Fe,Mn）を上記範囲を超えて添加すると、最終製品
において疲労特性や靭性の低下を招くので好ましくな
い。

〈塑性加工〉 この工程は合金粉末を塑性変形させて粉末内部に転位
を導入することを目的とするもので、その具体的な手段
について何ら限定されないが、例えば最も一般的な方法
としては、ボールミルや高速ボールミル（アトラクタ
ー）による方法等を挙げることができる。要するに、前
工程で製造された粉末を偏平状，不規則形状等の様々な
形状に塑性変形し、転位を導入して加工硬化させればよ
い。但し、加工硬化の度合及び加工条件については各合
金成分の配合割合や加工方法によって異なり、何ら限定
するものではない。又ここでの塑性加工とは再結晶が生
じない温度範囲で行なうことを意味し、冷間加工は勿論
のこと所謂温間加工をも含む趣旨である。

〈加熱・保持〉 この工程は、前工程で粉末内部に導入された転位上に
主としてCr,Zrを含む金属化合物を粒界析出させ、該析
出物のピン止め効果によって転位を固着・安定化させる
ものである。尚この加熱工程は、後述する緻密化の為の
熱間加工用加熱を兼ねることもできる。

加熱方法については前工程を経た粉末を粉末状態又は
CIP成形等によって予備的に固化した状態で、大気又は
雰囲気中で加熱すれば良いが、特に酸化防止の観点から
すれば不活性ガス等の非酸化性雰囲気中で加熱するのが
好ましい。

加熱温度については、低いほど転位上における析出物
の微細化が図れるので好ましいが、処理時間をも考慮す
れば200℃以上であるのがよく、従って本発明では200℃
以上とした。また450℃を超える温度で加熱すると析出
物か粗大化し、強度向上効果が期待できなくなるので、
加熱温度の上限は450℃と定めた。

一方析出物の分布は、熱処理初期の核生成によってほ
ぼ決定されるので、熱処理の初期に200〜350℃の温度範
囲で加熱後、更に後工程の熱間成形時に350〜450℃で0.
5乃至数時間の加熱を行なうのが効果的である。又加熱
時間は温度との関係で定められ、低温であるほど長時間
を要するが、300℃の温度では概ね６〜24時間の保持時
間がよい。

〈熱間圧縮成形〉 上記各工程を完了した粉末を、熱間圧縮成形して緻密
化し、Al基合金粉末焼結体を得るものである。

このときの加工手段については、何ら限定するもので
はないが、ホットプレス，押出し,HIP処理等が例示でき
る。加工温度については、ホットプレスやHIP処理の様
に加工発熱が小さい場合には、500℃以下であり、押出
し等の様に加工発熱が大きい場合には、500℃から加工
発熱による温度上昇分を差引いた温度で加熱すればよ
い。又加工温度の下限については加工方法やプレス力量
等によって異なり、何ら限定するものではないが、緻密
な状態を得るという観点からすれば、350℃以上が好ま
しい。

尚本発明における「緻密化」とは、従来の展伸材並み
の緻密状態の意味であり、換言すれば鋳物等に見られる
ブローホールやシュリンケージ等の粗大欠陥を含まない
状態を意味し、完全無欠陥を意味するものではない。又
圧縮成形の雰囲気は真空が好ましく、従って真空下でホ
ットプレスする方法が一層効果的であり、この様な方法
としては例えば真空ホットプレス装置を用いる方法や、
粉末を予めカプセル内に充填した後脱気・密封して圧縮
成形する方法等が挙げられる。

以下本発明方法を実施例によって更に詳細に説明する
が、下記実施例は本発明を限定する性質のものではな
く、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれ
も本発明の技術的範囲に含まれる。

［実施例］ 実施例１ Al−3.5％Cr−1.5％Zrの組成の合金を溶製し、N₂ガスア
トマイズ法によって急冷凝固して粒径74μｍ以下の粉末
を得た。ジルコニアボールを装填した乾式高速ボールミ
ル内に前記粉末を投入し、各種時間処理した後回収し
た。このとき該粉末は、ボールミル内で塑性変形しなが
ら凝集及び粉砕を繰り返し、不規則な形状で回収され
た。回収された粉末から比較的粗大な凝集部分を採取
し、その断面においてビッカース硬度を測定して加工硬
化の程度を測定したところ、第１図に示す結果が得られ
た。第１図に示した結果から、冷間加工に伴なって粉末
が加工硬化していることが確認された。

次にボールミルによって７時間冷間加工した粉末を回
収し、Al合金製カプセル（AA規格5052）に充填した後、
350℃×２時間の加熱を行なうと共にカプセル内を真空
脱気し、更に350℃で熱間押出しして15mmφの丸棒を得
た。

一方比較例として、冷間加工を施していない同一合金
粉末を用い、350℃×２時間の脱ガス処理後押出しを行
なって丸棒を得た。

これら両者の丸棒を用いて常温及び高温（250℃）で
の引張試験を行なったところ、下記第１表に示す結果が
得られた。尚第１表中σ_0.2は0.2％耐力、σ_Ｂは引張強
さ、δは破断伸びを夫々示す。

第１表の結果から明らかであるが、合金粉末を冷間加
工することによって、焼結体の強度を向上させることが
できる。

実施例２ 冷間加工後の加熱条件の影響を調査する為、次の様な
実験を行なった。即ち前記実施例１と同様の方法でボー
ルミル処理（７時間）を行なったAl−3.5Cr−1.5Zr合金
粉末を、CIP成形した後下記第２表に示す各条件で加熱
し、CIP状態のまま（400℃）で15mmφの丸棒に押出加工
した。得られた丸棒について、実施例１と同様の引張試
験を行なった。その結果を第２表に併記する。

上記第２表の結果から明らかであるが、冷間加工した
粉末を適正な温度範囲で加熱・保持することによって、
最適な強度が得られる。特にNo.2,3で示す様に、予め低
温度で熱処理した後に比較的高温で押出す様な熱処理を
行なうことは、強度向上に更に効果的である。

実施例３ 下記第３表に示した各種組成の合金を溶製し、N₂ガス
アトマイズ法によって急冷凝固し粒径74μｍ以下の粉末
を得、該粉末を実施例１と同様に乾式ボールミル処理
（７時間）を行なった後回収して、該粉末をCIP成形し
てビレットとした。このビレットを300℃で５時間加熱
後、更に400℃で１時間加熱して熱間押出加工して15mm
φの丸棒とした。

得られた各試料について、ASTM B557M,ASTM602及びA
STM E21に準拠して引張試験を行ない、常温における平
滑試験片の0.2％耐力（σ_0.2）と強度（σ_Ｂ）、切欠試
験片の強度（σ_NTS）及び250℃における高温強度
（σ_Ｂ）を測定した。さらに得られた結果から切欠引張
強さ／耐力比（σ_NTS/／σ_0.2）を計算し、これを靭性
評価のパラメータとした。

一方従来例として、Al−8.5％Fe−７％Ce合金粉末か
ら押出棒を作成し、この押出棒についても上記引張試験
を行なった。尚この従来材は上記組成の粉末（粒計74μ
ｍ以下）を冷間加工を施さずにCIP成形し、このビレッ
トを400℃で押出加工して丸棒としたものである。

これらの結果を下記第３表に併記する。

第３表に示したNo.6,11と前記第２表のNo.2の特性を
比較すれば明らかであるが、常温及び高温における引張
強度の向上が認められ、FeやMnの添加効果が確認され
る。又No.13に示した従来例とNo.6〜12に示した実施例
を比較すれば明らかであるが、本発明方法によって得ら
れたAl基合金粉末焼結体は、強度及び靭性のいずれにお
いても高い値を示しているのが理解される。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明方法に従えば、常温及び高温に
おける強度が高く且つ靭性にも優れたAl基合金粉末焼結
体を得ることができる。そして当該方法によれば、常温
押出などの大きな力量による加工を行なわなくとも良い
ので、各種形状の製品を容易に加工することができる。
更に本発明方法によって得られた焼結体は耐熱性は勿論
のこと靭性にも優れたものであるので、各種エンジン部
品や航空機及び各種飛翔体の外装材、その他高温環境下
で使用される各種部品の素材として最適であり、これら
の軽量化及び機能向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はAl−3.5Cr−1.5Zr合金粉末におけるボールミル
処理時間が加工硬化に与える影響を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉川 克之 兵庫県神戸市灘区篠原伯母野山町１―１ ―２―417

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】必須成分としてCr及びZrを固溶するAl基合
   金粉末を、再結晶温度以下の温度範囲で塑性変形してマ
   トリックス中に転移を導入した後、該粉末を200〜450℃
   の温度で加熱・保持して粒界析出物を安定化させ、更に
   500℃以下の温度で熱間圧縮成形することを特徴とする
   耐熱性Al基合金粉末焼結体の製造方法。
2. 【請求項２】必須成分としてCr及びZrを固溶する他、Fe
   及びMnから選択される１種又は２種を固溶するAl基合金
   粉末を、再結晶温度以下の温度範囲で塑性変形してマト
   リックス中に転移を導入した後、該粉末を200〜450℃の
   温度で加熱・保持して粒界析出物を安定化させ、更に50
   0℃以下の温度で熱間圧縮成形することを特徴とする耐
   熱性Al基合金粉末焼結体の製造方法。