JP2951262B2

JP2951262B2 - 高温強度に優れたアルミニウム合金

Info

Publication number: JP2951262B2
Application number: JP8084835A
Authority: JP
Inventors: 川節　　望; 正朝篠原; 正幸早川; 喜正大久保; 和久渋江; 直樹時実
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-03-13
Filing date: 1996-03-13
Publication date: 1999-09-20
Anticipated expiration: 2016-03-13
Also published as: JPH09249930A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温強度に優れた
アルミニウム合金、とくに、吸気バルブ、コンロッド、
過給機ローターなどのエンジン部品、圧縮機の羽根車、
あるいは航空機など超高速飛翔体の外板材、その他、例
えば180 〜350 ℃の熱負荷のかかる構造体として好適な
高温強度に優れたアルミニウム合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、吸気バルブ、コンロッドなど、熱
負荷のかかる自動車のエンジン部品には鋼材が使用さ
れ、航空機など高速飛翔体の部材のうち、外板のように
空気との摩擦により高温となる部分には鋼材やＴｉ合金
材が適用されているが、近年における高性能化、燃費低
減、低コスト化などの理由から軽量化が求められるよう
になっており、アルミニウム合金材料の実用化研究が進
められている。

【０００３】しかしながら、従来のように、溶解鋳造−
鍛練加工（ＩＭ法）により製造されるアルミニウム合金
では、一般に高温強度が十分でなく、高温環境で且つ応
力が負荷される条件下で構造材として使用される例はほ
とんどなく、アルミニウム合金のなかで比較的高温に耐
える2024合金、2618合金など2000系アルミニウム合金で
も、180 ℃以上の高温下では強度的に不十分であり、そ
れらの使用個所は狭く限定されている。

【０００４】大型ディーゼルエンジン用の圧縮機など、
空気を吸い込む大型の遠心圧縮機の羽根車の材料におい
ても、耐熱強度が要求されるため、通常、アルミニウム
合金のうち最も耐熱性のあるＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系のJIS
A2618 合金が使用されているが、大型ディーゼルエンジ
ン用の大型遠心圧縮機においては、エンジン側の高性能
化に対応して高圧縮比が要求されるようになってきてお
り、この場合、羽根車の出口における温度は200 ℃以上
に達するため、上記従来の合金では対応が難しくなって
きている。

【０００５】一方、アルミニウム合金を溶融状態から急
冷凝固させ、成形固化することにより微細で均一な組織
を得て、アルミニウム合金の特性を向上させる急冷凝固
技術（ＰＭ法）が開発され、数多くの急冷凝固アルミニ
ウム合金が提案されている。急冷凝固法によれば、合金
成分の均一固溶、過飽和固溶が可能となり、金属間化合
物が微細分散し、極微細結晶組織や非晶質組織が得られ
る場合もあるから、従来のＩＭ法により製造されたアル
ミニウム合金に比べて耐熱性や耐摩耗性の優れたアルミ
ニウム合金材が得られる。

【０００６】従来提案されている急冷凝固アルミニウム
合金として、例えば、Ｆｅ:4〜15％、Ｍｏ:0.5〜8 ％、
Ｚｒ:0.3〜8 ％を含有し、残部が実質的にＡｌからなる
合金（特公昭63-9576 号公報) 、Ｆｅ:4〜15％、Ｖ:0.5
〜8 ％、Ｍｏ:0.5〜8 ％およびＴｉ:0.5〜8 ％を含有
し、必要に応じてＺｒ:0.3〜8 ％を含み、残部が実質的
にＡｌからなる合金（特公昭63-10221号公報) 、Ｆｅ:4
〜15％、Ｍｎ:0.5〜8 ％、Ｍｏ:0.5〜8 ％、Ｔｉ:0.5〜
8 ％およびＺｒ:0.3〜8 ％を含有し、残部が実質的にＡ
ｌからなる合金（特公昭63-10222号公報) があるが、例
えば180 ℃以上の温度環境で応力の負荷される構造材と
して実用化するためには、なお十分な強度特性をそなえ
ているとはいえない。

【０００７】また、Ｍｎ:8〜14％、Ｆｅ:0.1〜4.0 ％、
Ｖ:0.4〜4.0 ％、Ｔｉ:0.1〜4.0 ％、必要に応じてＺ
ｒ:0.1〜4.0 ％を含有し、Ｍｎ＋Ｆｅ＋Ｖ＋Ｔｉ:11 〜
15％とし、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなる成分
組成を有し、急冷凝固して粉末状または薄片状の凝固体
とし、熱間成形したアルミニウム合金部材も提案されて
おり（特開昭62-124242 号公報) 、かなり改善された高
温強度を有するが、常温および高温における伸びが不十
分で靭性に欠け、180 ℃以上の高温状態の下で構造材と
して長期間安定して使用するには問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高温状態に
おいて安定して使用可能な高温強度特性をそなえたアル
ミニウム合金を開発するために、良好な高温強度を有す
る上記のＭｎ、Ｆｅ、Ｖを含有する急冷凝固アルミニウ
ム合金について着目し、合金組成の組合わせ、金属間化
合物のサイズと常温および高温における諸特性との関係
について多角的に再検討を行った結果としてなされたも
のであり、その目的は、例えば180 ℃以上の温度環境に
おいて応力のかかる構造材としても長期間十分安定して
使用できる高温強度特性に優れたアルミニウム合金を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による高温強度に優れたアルミニウム合金
は、Ｆｅ＋Ｍｎ:5〜13％、Ｖ:0.2〜4 ％を含有し、Ｔｉ
およびＭｏのうちの１種または２種を合計量で0.2 〜4
％含み、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなり、Ｍｎ
とＦｅの含有量の比、Ｍｎ／Ｆｅを0.2 〜4 、Ｍｎの含
有量を8 ％未満に規制したことを構成上の第１の特徴と
する。

【００１０】また、本発明のアルミニウム合金は、Ｆｅ
＋Ｍｎ：５〜１３％、Ｖ：０．２〜４％、Ｚｒ：０．２
〜２％を含有し、ＴｉおよびＭｏのうちの１種または２
種を合計量で０．２〜４％含み、残部Ａｌおよび不可避
的不純物からなり、ＭｎとＦｅの含有量の比、Ｍｎ／Ｆ
ｅを０．２〜４、Ｍｎの含有量を８％未満に規制したこ
とを第２の特徴とし、合金マトリックス中に分散する金
属間化合物の平均粒径が５μｍ以下であることを第３の
特徴とする。

【００１１】本発明において、ＦｅおよびＭｎは、共存
して、熱的に安定な金属間化合物を形成し、合金マトリ
ックス中に微細に分散して、合金の常温および高温の強
度を高め、弾性率を向上させ、線膨張係数を低下させる
ために機能する。好ましい含有量は、合計量で5 〜13％
の範囲であり、5 ％未満では分散粒子の体積率が小さい
ため強度向上の効果が十分でなく、13％を越えると、延
性、靭性が低下し、強度向上の効果も飽和する。また塑
性加工性も低下するため、製品形状への成形加工が困難
となる。さらに好ましいＦｅ＋Ｍｎの含有範囲は6 〜10
％である。

【００１２】このうち、Ｍｎは、マトリックス中に固溶
してマトリックスを安定化させ、加工組織の回復や再結
晶を生じ難くし、合金のクリープ強度、疲労強度を高め
るためにも寄与し、Ｆｅは高温強度を向上させる作用を
するが、ＭｎおよびＦｅ量の増加は延性を低下させ、と
くにＭｎは延性、靭性の劣化を促進するから、好ましく
はＭｎ:8％未満に規制することが必要である。Ｆｅにつ
いても10％未満の含有に制限するのが好ましい。

【００１３】Ｍｎ含有量とＦｅ含有量の比、Ｍｎ／Ｆｅ
が大きくなると、高温強度は向上するが、延性、靭性が
低下する傾向がある。このことを考慮して、Ｍｎ／Ｆｅ
の比を0.2 〜4 の範囲に規制するのが好ましい。Ｍｎ／
Ｆｅが0.2 未満では強度向上の効果が小さく、Ｍｎ／Ｆ
ｅが4 を越えると、合金の延性、靭性が低下する。

【００１４】Ｖは、とくに合金の高温強度を高めるため
に大きく機能する元素である。Ｖのうちの一部は、Ａｌ
−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物のＦｅあるいはＭｎの一部
と置換して、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物の熱的安
定性を高め、また一部はＡｌ−Ｖ系金属間化合物として
分散し、常温および高温の強度を向上させる。好ましい
含有範囲は0.2 〜4 ％であり、0.2 ％未満ではその効果
が十分でなく、4 ％を越えて含有すると、延性、靭性を
低下させる。

【００１５】Ｚｒは強度向上に機能する。Ｚｒの一部
は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物中のＦｅあるいは
Ｍｎと置換して、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系化合物の体積率を
高め、合金の常温強度および高温強度を向上させる。ま
た一部はＡｌ−Ｖ系金属間化合物としてマトリックス中
に分散して、安定した微細結晶粒組織を形成する。好ま
しい含有量は0.2 〜2 ％の範囲であり、0.2 ％未満では
その効果が小さく、2 ％を越えると延性、靭性が低下
し、強度向上効果も飽和する。

【００１６】ＴｉおよびＭｏは強度向上に機能する元素
である。ＴｉおよびＭｏの一部は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系
金属間化合物中のＦｅあるいはＭｎと置換して、Ａｌ−
Ｆｅ−Ｍｎ系化合物の体積率を高め、合金の常温および
高温の強度を向上させる。また一部はＡｌ−Ｔｉ系の金
属間化合物などを形成、分散し、微細結晶粒組織を安定
化する。Ｔｉ、Ｍｏは、これらのうちの１種または２種
を、合計量で、好ましくは0.2 〜4 ％の範囲で含有させ
る。0.2 ％未満ではその効果が十分でなく、4％を越え
て含有すると、微細な金属間化合物の形成が困難となっ
て、靭性の低下が生じ易くなり、強度向上の効果も飽和
する傾向にある。

【００１７】高温強度を高めるために、合金マトリック
ス中に分散する前記金属間化合物は小さいほうが望まし
く、本発明において、所望の強度特性を得るためには、
金属間化合物の平均粒径を好ましくは5 μm 以下、さら
に好ましくは3 μm 以下に制御することが必要であり、
この範囲の金属間化合物を微細に分散させることにより
常温および高温の強度が効果的に向上する。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明によるアルミニウム合金材
の製造は、溶湯を10²℃/s以上の冷却速度で急冷凝固す
る急冷凝固技術を利用し、急冷凝固アルミニウム合金粉
末を固化成形するＰＭ法、または溶融アルミニウム合金
を不活性ガスによりスプレーし、急冷凝固させながら堆
積させるスプレーフォーミング法（ＳＦ法）により行う
のが好ましい。ＰＭ法による場合には、前記の所定組成
を有するアルミニウム合金溶湯を、ガスアトマイズ法な
どによって急冷凝固し、急冷凝固粉末を作製する。アル
ミニウム合金粉末は、高強度、高靭性の成形体を得るた
め、出来るだけ微細であることが望ましい。

【００１９】ついで、アルミニウム合金の急冷凝固粉末
の表面に付着している水分やガスを除去するために、粉
末をアルミニウム缶などの缶に充填し、350 〜500 ℃の
温度で真空引きする方法、あるいは粉末を冷間圧縮した
予備成形体を、不活性雰囲気または真空中において350
〜500 ℃の温度に加熱する方法により脱ガス処理を行
う。脱ガス後、300 〜500 ℃の温度で熱間押出、または
ホットレスおよび熱間押出などを行うことにより、混合
粉末を100 ％緻密化し、必要に応じて、さらに鍛造、切
削などの加工を行い製品とする。

【００２０】ＳＦ法による場合は、アトマイズされたア
ルミニウム合金の溶湯を、半凝固の状態でコレクタ上に
連続的に堆積させて急冷凝固体を作製し、必要に応じて
外面を切削したのち、急冷凝固体に存在する数％のポロ
シティを潰すためと、堆積した液滴同志の結合を強固に
するために、製品の形状付与を兼ねた塑性加工を行い製
品とする。塑性加工としては、熱間押出、ホットプレ
ス、圧延、鍛造あるいはそれらの組合わせが適用され
る。本発明においては、必須合金成分としてのＦｅ、Ｍ
ｎ、Ｖ、Ｔｉおよび／またはＭｏの成分範囲の組合わ
せ、またはこれらの成分とＺｒとの組合わせ、Ｍｎ／Ｆ
ｅの比およびＭｎ量の規制、さらには金属間化合物サイ
ズの限定により、とくに高温強度特性に優れ、エンジン
部品、航空機の外板などとして好適な材料特性をそなえ
たアルミニウム合金が得られる。

【実施例】

【００２１】以下、本発明の実施例を、比較例と対比し
て説明する。実施例１アルミニウム合金溶湯を窒素ガスによりアトマイズし、
表１に示す組成を有するアルミニウム合金粉末を作製し
た。粉末を300 μm 以下に篩で分級し、平均粒径約100
μm のアルミニウム合金粉末を得た。ついで、粉末を、
外径90mm、高さ200mm のアルミニウム製缶容器に充填
し、480 ℃の温度で1 時間真空脱ガス処理した。脱ガス
処理後、封缶し、これを押出用ビレットとして、430 ℃
の温度で径30mmの丸棒に熱間押出成形した。なお、アト
マイズにおける冷却速度や押出条件を調整することによ
り、合金マトリックス中に分散する金属間化合物の平均
粒径を1.8 〜2 μm とした。

【００２２】得られた丸棒材について、常温および250
℃の温度で引張試験を行って、引張強さ( σ_B) 、耐力
( σ_0. ₂)および伸び( δ) を測定して強度特性を評価し
た。結果を表２に示す。表２に示すように、本発明に従
う試験材はいずれも、常温耐力360MPa以上、250 ℃での
高温耐力230MPa以上の優れた強度をそなえている。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】比較例１実施例１と同様の方法で表３に示す組成を有するアルミ
ニウム合金粉末を作製し、実施例１と同一の工程により
丸棒材を製造し、実施例１と同じ評価試験を行った。丸
棒材における金属間化合物の平均粒径は1.8 〜2 μm に
調整した。評価結果を表４に示す。なお、表１におい
て、本発明の条件を外れたものには下線を付した。

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】表４に示すように、試験材No.14 はＭｎを
含まないため、強度とくに耐力が低く、試験材No.15
は、Ｆｅを含有せずＭｎ／Ｆｅの比が大きいため延性が
劣る。試験材No.16 はＶを含有していないため、常温お
よび高温の強度が低い。とくに高温強度が劣っている。
試験材No.17 はＶの含有量が多過ぎるため、また試験材
No.18 はＴｉ＋Ｍｏの含有量が多過ぎるため伸びが低
く、延性、靭性が劣る。試験材No.19 はＦｅ＋Ｍｎの量
が少ないため強度が低く、試験材No.20 はＦｅ＋Ｍｎの
量が過剰であるため延性が劣る。試験材No.21 、試験材
No.22 はＭｎの含有量が多いため、延性、靭性に欠け
る。

【００２９】実施例２実施例１の試験材No.2のアルミニウム合金粉末( Ａｌ−
4 ％Ｆｅ−4 ％Ｍｎ−2 ％Ｖ−1 ％Ｍｏ−1 ％Ｚｒ）を
選定し、この粉末を、ホットプレスによって、直径300m
m 、長さ200mm の円筒形状に焼結成形し、機械加工によ
り直径を280mmとして、圧縮機用羽根車に成形した。得
られた羽根車を、台上の回転試験機に取付け、高温状態
で所定の運転回転数まで回転させ、振動などの異常がな
いことを確認した。また、従来のＩＭ法により製造した
JIS A2618 合金から同形状の羽根車を成形して同一の試
験を行った結果、本発明の合金材は、従来の合金材に比
較して、同じ回転数で30〜50℃の使用温度の向上が得ら
れることが確認された。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、高温強度特性に優れ、
とくに、吸気バルブ、コンロッド、過給機ロータなどの
エンジン部品、圧縮機の羽根車、航空機などの飛翔体の
外板など、高温環境下で且つ負荷のかかる状態で使用さ
れる構造材として好適なアルミニウム合金が提供され
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者早川正幸名古屋市中村区岩塚町字高道１番地三菱重工業株式会社名古屋研究所内 (72)発明者大久保喜正東京都港区新橋５丁目11番３号住友軽金属工業株式会社内 (72)発明者渋江和久東京都港区新橋５丁目11番３号住友軽金属工業株式会社内 (72)発明者時実直樹東京都港区新橋５丁目11番３号住友軽金属工業株式会社内 (56)参考文献特開昭62−124242（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−11935（ＪＰ，Ａ) 特公昭63−10221（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭63−10222（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 21/00 - 21/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｆｅ＋Ｍｎ:5〜13％（重量％、以下同
じ）、Ｖ:0.2〜4 ％を含有し、ＴｉおよびＭｏのうちの
１種または２種を合計量で0.2 〜4 ％含み、残部Ａｌお
よび不可避的不純物からなり、ＭｎとＦｅの含有量の
比、Ｍｎ／Ｆｅを0.2 〜4 、Ｍｎの含有量を8 ％未満に
規制したことを特徴とする高温強度に優れたアルミニウ
ム合金。
【請求項２】Ｆｅ＋Ｍｎ:5〜13％、Ｖ:0.2〜4 ％、Ｚ
ｒ:0.2〜2 ％を含有し、ＴｉおよびＭｏのうちの１種ま
たは２種を合計量で0.2 〜4 ％含み、残部Ａｌおよび不
可避的不純物からなり、ＭｎとＦｅの含有量の比、Ｍｎ
／Ｆｅを0.2〜4 、Ｍｎの含有量を8 ％未満に規制した
ことを特徴とする高温強度に優れたアルミニウム合金。
【請求項３】合金マトリックス中に分散する金属間化
合物の平均粒径が5μm 以下であることを特徴とする請
求項１または２記載の高温強度に優れたアルミニウム合
金。