JP2911673B2

JP2911673B2 - 高強度アルミニウム合金

Info

Publication number: JP2911673B2
Application number: JP4062566A
Authority: JP
Inventors: 健増本; 明久井上; 充渡辺; 純一永洞; 利介柴田
Original assignee: WAI KEI KEI KK
Current assignee: WAI KEI KEI KK
Priority date: 1992-03-18
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1999-06-23
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: EP0561375A3; DE69304231T2; EP0561375A2; JPH0641702A; US5458700A; DE69304231D1; EP0561375B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は均一微細な結晶質相を非
晶質相が網目状に取り囲むことにより、強度を向上させ
た高強度アルミニウム合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非晶質相と結晶質相が共存する高
強度アルミニウム合金として、特開平３−２６００３７
号、同４−４１６５４号がある。これらの合金は非晶質
マトリックス中に微細結晶質粒子を分散させた高強度合
金である。しかしながら、これらの合金は結晶質相が体
積率で４０％未満であり、マトリックスを形成する非晶
質相の不安定性、非晶質相特有が示す脆性に改善の余地
を残している。また、非晶質相を主体にした構造を持つ
ため、還移金属及び希土類元素からなる添加元素を多量
に含むことが避けられず、密度が増大する傾向を持って
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の非晶質相に結晶
質粒子の分散による高強度合金は結晶質相の全体積が体
積率で４０％までであり、残りの大部分は非晶質相から
構成されている。これらの合金で結晶質相の体積を４０
％までに限定される理由は、４０％を超えると有害な金
属間化合物を形成するためである。本発明は金属間化合
物の一種である準結晶を非晶質相に微細に分散させ、結
晶相中に他の有害な金属間化合物の発生をおさえ、靭性
および強度にすぐれた材料を製造しようとするものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、アルミニウム
を主元素とし、希土類元素からなる第一添加元素と、ア
ルミニウム並びに希土類元素以外の元素からなる第二添
加元素とから構成される準結晶を含む非晶質相と、前記
主元素、第一添加元素および第二添加元素を含み、これ
らの元素を過飽和に固溶した結晶質相とからなり、準結
晶を含む非晶質相が体積率で６０〜９０％である高強度
アルミニウム合金である。結晶質相に対して準結晶を含
む非晶質相が均一に分散されており、準結晶を含む非晶
質相を実質的に結晶質相が取囲むようにして網目状に存
在するものであるとよい。

【０００５】アルミニウムを主元素とする多くの安定な
非晶質合金が既に報告されている。これらの合金は加熱
するとその合金に特有の結晶化温度（Ｔｘ）で結晶化す
ることが知られている。しかしながら、この結晶化に際
してアルミニウムマトリックスの析出と同時に有害な金
属間化合物が発生し、合金の脆化が生じる。本発明は、
主元素及び添加元素からなる種々の金属間化合物の発生
を準結晶として非晶質相内へ微細に分散させるにとど
め、主元素の結晶に合金添加元素を過飽和に固溶した結
晶質相中に準結晶を含む非晶質相からなる粒子を多量に
析出、分散させることにある。適当な組成の主元素と添
加元素からなる均一に溶融混合された溶湯を急冷によっ
て凝固させると、添加元素を過飽和に固溶した主元素か
らなる網状の結晶質相と準結晶を含む微細な非晶質相の
混合相が得られる。急冷によれば結晶質相に於いても結
晶粒の微細化及び添加元素のマトリックス中への過飽和
な固溶が可能であるが、本発明の合金は体積率で６０〜
９０％の準結晶を含む非晶質相を含み結晶質と非晶質の
混合相から構成されている。しかも準結晶は数ｎｍ以下
の粒径であり、非晶質粒子中に均一に分散されている。
この複合効果が本発明の合金が高強度を示す要因であ
る。

【０００６】本発明における第一添加元素はイットリウ
ムを含む一種又は二種以上の希土類元素又はＭｍであ
り、第二添加元素はＦｅ、Ｍｎ、ＣｒおよびＶから選ば
れる一種又は二種以上の元素である。

【０００７】適当な組成とは、Ａｌを主元素とし、第一
添加元素の含有量ｙａｔ％と第二添加元素の含有量ｘａ
ｔ％の関係を示す図１において、ｘ＝０．５〜８、ｙ＝
０．５〜６の範囲で、かつ、点（ｘ＝０、ｙ＝６．５）
と点（ｘ＝１０、ｙ＝０）とを結ぶ線、並びに点（ｘ＝
０、ｙ＝４）と点（ｘ＝７、ｙ＝０）とを結ぶ線で仕切
られた、図１の斜線で囲む範囲内の添加割合の添加元素
を含むものである。添加元素のさらに好適な割合は、図
１において、ｘ＝３〜７の範囲で、かつ、点（ｘ＝０、
ｙ＝５．５）と点（ｘ＝１０、ｙ＝０）とを結ぶ線並び
に点（ｘ＝０、ｙ＝４．５）と点（ｘ＝８．５、ｙ＝
０）とを結ぶ線で仕切られた１点鎖線範囲内の添加割合
を有するものである。

【０００８】本発明の第一添加元素と第二添加元素との
範囲は、０．５≦ｘ≦８、０．５≦ｙ≦６、ｙ≦−（１
３／２０）ｘ＋６．５、ｙ≧−（４／７）ｘ＋４の範囲
にある。ｙ＞６、ｘ＞８、ｙ＞−（１３／２０）ｘ＋
６．５の範囲領域では非晶質または非晶質と結晶質の混
合相になるが脆化するとともに、合金の比重が増加し本
発明の目的に沿わない。また、ｙ＜０．５、ｘ＜０．
５、ｙ＜−（４／７）ｘ＋４の範囲領域では非晶質を含
むことが出来ず強度が低下するからである。第一添加元
素のＹを含む希土類元素及びＭｍは非晶質相形成能を高
め、非晶質相を高温まで安定に保つ働きをする。第二添
加元素であるＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＶは第一添加元素と
共存して非晶質形成能を高める働きをすると同時に結晶
質相に過飽和に固溶してマトリックスの強度を高め、さ
らにアルミと結合して準結晶を形成する。更により好ま
しくは、図１に示す一点鎖線で示す領域（３≦ｘ≦７、
ｙ≦−（１１／２０）ｘ＋５．５、ｙ≧−（９／１７）
ｘ＋４．５）である。この範囲は主元素及び添加元素の
相互作用から得られる合金の強度が９５０ＭＰａ以上を
示す領域である。本発明の合金の結晶質中に均一に分散
する準結晶を含む非晶質相の平均粒径は１０〜５００ｎ
ｍである。請求項に示す様に本発明合金は従来のＡｌ系
非晶質合金に比較して溶質濃度が低く抑えられている。
より安定な非晶質相を作製しようとすると本発明合金の
溶質濃度より高い方が有利であるが、その場合は主元素
と添加元素または添加元素同士で形成する有害な金属間
化合物が析出し易く、材料の脆化を招く原因になる。本
発明合金は合金作製時の急冷凝固またはその後の熱履歴
による非晶質相の分解によって準結晶を含む非晶質相が
形成され、その周囲を囲むようにして網状のＡｌ結晶相
（ＦＣＣ相）を析出するが、準結晶は主に主元素である
アルミと第二添加元素、非晶質相はアルミと第一添加元
素、第二添加元素の共存がその形成要因となっている。
合金によって異なるが準結晶を含む非晶質相の平均粒径
が５００ｎｍ以下程度に調整されているのが本合金の特
徴である。準結晶はその特性からほとんど変形しない粒
子で金属間化合物の一種であるが、非晶質相に均一微細
に分散していることから脆性を示さないものと考えられ
る。

【０００９】また、準結晶を含む非晶質相の体積率を６
０〜９０％としたのは本発明の組成範囲では９０％超え
ると非晶質相の溶質濃度が金属間化合物の晶出または析
出しない範囲を超える為であり、６０％未満になる微細
結晶粒の分散強化の効果が薄れるためである。

【００１０】本発明の合金は液体急冷装置例えばメルト
スピニング装置、高圧ガスアトマイザー、その他の一般
的にしられた非晶質合金製造方法または急冷方法で製造
できる。また、液体急冷装置で製造された本発明の非晶
質合金をその後のバルク化または成形などの目的で加工
する場合の加熱処理によっても製造可能である。

【００１１】

【実施例】以下、実施例によって本発明を説明する。

【００１２】実施例１表１で示される組成（原子比）の母合金をアーク溶解炉
で溶製し、一般的に用いられる単ロール式液体急冷装置
（メルトスピニング装置）によって薄帯（厚さ：２０μ
ｍ、幅：１．５ｍｍ）を製造した。その際のロールは直
径２００ｍｍの銅製、回転数は４０００ｒｐｍ、雰囲気
は１０^-3ｔｏｒｒ以下のＡｒである。

【００１３】

【表１】

【００１４】製造したそれぞれの薄帯を通常のＸ線回析
法（ディフラクトメーター）によって構造分析を、透過
型電子顕微鏡によって結晶相の体積率を、ビッカース微
小硬度計（荷重２０ｇ）によって硬度を、インストロン
型引張試験機によって強度を、示差走査熱分析装置によ
って急冷相の分解温度を測定した結果を同様に表１に示
す。Ｘ線回折の結果何れの薄帯も晶出相はＡｌ相（ＦＣ
Ｃ相）のみであった。透過型電子顕微鏡による観察では
準結晶を含む非晶質相の平均粒径は何れも１００ｎｍ以
下であり、個々の結晶粒は幅数ｎｍの結晶質相（ＦＣＣ
−Ａｌ相）に囲まれた独立した準結晶を含む非晶質相で
あり、準結晶を含む非晶質相の体積率はほぼ８０％前後
であった。電子線回析によれば非晶質粒子には、Ａｌ−
Ｍｎ系の準結晶が含まれていることが確認された。硬度
は何れも３５０（ＤＰＮ）以上と高硬度である。引張強
度は何れも７８０ＭＰａ以上と高強度を示すが特にＡｌ
₉₂Ｃｅ₂Ｍｎ₆は１３６０ＭＰａと高強度を示す。また、
これらの薄帯の急冷相の分解温度を示差走査熱分解装置
で調べた結果を表１に示す。分解温度は毎分４０Ｋで昇
温したときの最初のピークの立ち上がり温度であるが、
何れも５００Ｋ以上であり高温まで安定であることが分
かる。

【００１５】以上に示すように、本発明の材料は１００
ｎｍ以下の微細準結晶を含む非晶質粒が結晶質相に囲ま
れた形をとり、硬度、強度、熱安定性に優れた材料であ
ることが分かる。

【００１６】実施例２Ａｌ₉₃Ｃｅ₃Ｍｎ₄、Ａｌ₉₂Ｍｍ₂Ｆｅ₆の合金を実施例１
と同様の手法で薄帯を製造し、機械的に粉砕して１０μ
ｍ以下の粉末にした。この粉末を外径２５ｍｍ、長さ４
０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム缶に充填し、ホット
プレスで５２３Ｋの温度下１０^-2ｔｏｒｒで一時間脱気
した後、面圧４０ｋｇｆ／ｍｍ²でプレスし、押出用ビ
レットとした。このビレットを加熱炉に於いて６０３Ｋ
に加熱し同じ温度で毎分２０ｍｍの速度（押出材の速
度）で押出し、直径１０ｍｍの押出棒にした。この押出
材を旋盤により測定部直径６ｍｍ、平行部２５ｍｍの引
張試験片に加工した。この試験片を室温に於いて強度を
測定した。

【００１７】その結果、Ａｌ₉₃Ｃｅ₃Ｍｎ₄の押出材は引
張強度９３５ＭＰａ、Ａｌ₉₂Ｍｍ₂Ｆｅ₆のそれは９６０
ＭＰａであった。押出材の透過型電子顕微鏡による観察
の結果、ミクロ組織は薄帯と有意差は見られなかった。

【００１８】

【発明の効果】本発明によって、高強度のアルミニウム
合金が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における添加元素の好ましい組成範囲を
示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上明久宮城県仙台市青葉区川内無番地川内住宅 11−806 (72)発明者渡辺充秋田県秋田市茨島６丁目５番９号 (72)発明者永洞純一神奈川県横浜市緑区すみよし台14−６ (72)発明者柴田利介宮城県仙台市青葉区米ケ袋１丁目５番12 号 (56)参考文献特開平４−41654（ＪＰ，Ａ) 特開平１−275732（ＪＰ，Ａ) 増本ら、”Ａｌ−Ｃｕ−ＶおよびＡｌ −Ｍｎ−Ｓｉ系アモルファス合金の準結晶への相変態”日本金属学会シンポジウム講演予稿、一般講演概要、Ｖｏｌ101 ｓｔ，Ｐ．194 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 45/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムを主元素とし、希土類元素
からなる第一添加元素と、アルミニウム並びに希土類元
素以外の元素からなる第二添加元素とから構成される準
結晶を含む非晶質相と、前記主元素、第一添加元素およ
び第二添加元素を含み、これらの元素を過飽和に固溶し
た結晶質相とからなり、準結晶を含む非晶質相が粒径が
１０〜５００ｎｍ、体積率で６０〜９０％で、結晶質相
に対して均一に分散されており、第一添加元素の含有量
ｙａｔ％と第二添加元素の含有量ｘａｔ％の関係を示す
図１において、ｘ＝０．５〜８、ｙ＝０．５〜６の範囲
でかつ点（ｘ＝０、ｙ＝６．５）と点（ｘ＝１０、ｙ＝
０）とを結ぶ線、並びに点（ｘ＝０、ｙ＝４）と点（ｘ
＝７、ｙ＝０）とを結ぶ線で仕切られた、図１の斜線で
囲む範囲内の添加割合を有することを特徴とする高強度
アルミニウム合金。
【請求項２】結晶質相が実質的に準結晶を含む非晶質
を取囲むようにして網目状に存在する請求項１記載の高
強度アルミニウム合金。
【請求項３】第一添加元素がイットリウムを含む一種
又は二種以上の希土類元素又はミッシュメタル（Ｍｍ）
であり、第二添加元素がＦｅ、Ｍｎ、ＣｒおよびＶから
選ばれる一種又は二種以上の元素である請求項１記載の
高強度アルミニウム合金。
【請求項４】図１において、ｘ＝３〜７の範囲で、か
つ、点（ｘ＝０、ｙ＝５．５）と点（ｘ＝１０、ｙ＝
０）とを結ぶ線並びに点（ｘ＝０、ｙ＝４．５）と点
（ｘ＝８．５、ｙ＝０）とを結ぶ線で仕切られた１点鎖
線範囲内の添加割合を有する請求項１記載の高強度アル
ミニウム合金。