JP3026854B2 - 金属マトリックス複合材料の処理方法 - Google Patents

金属マトリックス複合材料の処理方法

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JP3026854B2 JP3134350A JP13435091A JP3026854B2 JP 3026854 B2 JP3026854 B2 JP 3026854B2 JP 3134350 A JP3134350 A JP 3134350A JP 13435091 A JP13435091 A JP 13435091A JP 3026854 B2 JP3026854 B2 JP 3026854B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、金属マトリックス複
合材料の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】析出硬化性高強度アルミニウム合金から
物品を製造する場合、最終的な熱的機械的処理には合金
の溶液処理が包含され、更に冷却が続き、その後自然ま
たは人工的なエージングを行う。この方法は結果的に合
金の硬化を与える。
【０００３】最終的な熱的機械的処理の前に、多数の異
なる方法により合金を熱間または冷間加工することがで
きる。例えば、圧延、押出または鍛造である。材料製造
のこの段階は、中間熱機械的処理と言われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】析出硬化性アルミニウ
ム合金からなるマトリックス中の粒子または短繊維セラ
ミック強化剤からなる複合材料を製造することは公知で
ある。この種の複合材料の従来の処理は、非強化合金と
同様の手順に従っていた。すなわち、材料を溶液処理し
た後これを人工的または自然エージングして強化相を析
出させるものである。この度、中間と最終熱機械的処理
との間に付加的な工程を導入すると、この種の複合材料
の性質の驚くべき改良がもたらされることを突き止め
た。
【０００５】
【課題を解決するための手段】よって、本発明によれ
ば、析出硬化性アルミニウム合金と粒子または短繊維セ
ラミック強化剤とのマトリックスからなる複合材料を処
理するに際し、熱間および／または冷間加工工程および
続く溶液処理工程からなり、熱間および／または冷間加
工工程の後であって溶液処理工程の前に制御加熱工程を
適用し、その際、複合材料を周囲温度から２５０〜４５
０℃の温度に上昇させ、温度上昇の速度を１時間に１０
００℃未満、好ましくは１時間に６００℃未満、典型的
には１時間に３〜１００℃とすることを特徴とする複合
材料の処理方法が提供される。例えば１時間に３〜１０
℃のような非常に遅い速度でも十分であるが、この場合
は時間がかかる。
【０００６】複合材料のマトリックスを形成するアルミ
ニウム合金は、析出硬化する合金であればいずれのもの
であってもよい。典型的な合金には、アルミニウム−銅
−マグネシウムおよびアルミニウム−リチウム−銅−マ
グネシウム合金ＩＡＤＳ２１２４および８０９０が包含
される。強化剤は粒子または短繊維セラミックのいずれ
であってもよいが、好ましくはシリコンカーバイド、特
に粒子状シリコンカーバイドとする。マトリックス合金
対セラミックの重量比は広範に変動し得るが、好ましく
は２：１〜９：１、特に３：１〜６：１とする。
【０００７】制御加熱工程においては、複合材料の温度
上昇速度は１時間に１０００℃未満、好ましくは１時間
に６００℃未満とする。従来の処理では、所望温度の熱
間熱処理炉中に複合材料を直接載置する。このような条
件下では、複合材料の加熱速度は非常に高く、典型的に
は毎分６００℃である。本発明の方法にあっては、好ま
しくは周囲温度（やや高いものとし得る）とする熱処理
炉中に複合材料を載置し、炉の温度を所望の速度で上昇
させる。このゆっくりとした加熱は本発明を成功させる
非常に重要な点である。複合材料が２５０〜４５０℃の
範囲の所望温度に一旦達したならば、これを所定時間そ
の温度に止めるが、これは必須ではない。その後温度を
溶液処理温度まで再び上昇させる。また、複合材料を冷
却し、その後周囲温度から始めて溶液処理温度まで加熱
することもできる。
【０００８】析出硬化工程は従来のものであり、複合材
料を溶液処理した後に人工的または天然エージングを行
うことを包含する。溶液処理は合金の迅速な加熱であ
り、合金マトリックスが固体溶液を形成する温度とし、
この時局所的な融解を避ける。少なくとも５００℃の温
度が一般に適切である。この加熱の後、複合材料を冷却
し、次にエージングし、析出およびその結果硬化が起こ
ることを可能とする。自然エージングには、複合材料を
長期間、好ましくは最低少なくとも７日間周囲温度に放
置することが包含される。人口エージングには、複合材
料を周囲温度以上、典型的には１００〜２００℃の温度
に比較的短い時間の間、典型的には１〜４８時間加熱し
た後空気冷却することが包含される。
【０００９】熱間および／または冷間加工工程も従来の
ものである。これは多数の異なる処理を包含し得、圧
延、押出または鍛造を包含し、中間焼鈍のある場合とな
い場合がある。本発明の特徴である制御加熱工程を施す
のはこの加工の完結した後である。本発明の効果は熱間
または冷間圧延の詳細に拘らず得られるが、加工工程を
圧延工程とした場合にこの効果は特に顕著となる。
【００１０】所望に応じて、本発明による方法を使用し
て調製した材料を超可塑性形成工程に供することができ
る。最も驚くべきことに、本発明による方法は複合材料
の超可塑性を改良することを突き止めた。
【００１１】
【発明の効果】本発明の方法は改良された性質の複合材
料を与える。幾つかのサンプルについて、複合材料の延
性は予想されたものより大きい。他のものについては強
度がより大きい。また、製造された複合材料は極めて一
貫した特性を有する。技術者および設計者により使用さ
れる材料の設計強度は、一般に材料の平均強度から標準
偏差を使用して計算される。例えば、ミリタリー・ハン
ドブックＶ、国防省編、ワシントンＤＣ、ナバル・パブ
リケーションズ・アンド・フォームズ・センター、フィ
ラデルフィア刊行を参照することができるが、これは、
標準偏差を使用してある材料について標準ＡおよびＢ値
を計算する詳細を与えるものである。本発明の方法によ
り作成した複合材料の強度の標準偏差は、従来の方法に
より作成した複合材料のものより低い。これは主要な利
点である。
【００１２】
【実施例】以下の例により本発明を説明する。
【００１３】実施例１ この実施例の出発材料は熱間等方プレスしたビレット
で、ＢＰから市販され、２１２４合金とシリコンカーバ
イドとの配合粉末から調製されたものである。２１２４
合金は一応次の組成（ｗｔ％）を有する：Ａｌ基材；
３．８／４．９Ｃｕ；１．２／１．８Ｍｇ；０．３／
０．９Ｍｎ；０．２マックスＳｉ；０．３マックスＦ
ｅ；０．２５マックスＺｎ；０．１マックスＣｒ；０．
１５マックスＴｉ；０．２マックスＺｒおよびＴｉ。シ
リコンカーバイド粒子は３ミクロンの平均直径を有して
いた。合金対シリコンカーバイドの重量比は８０：２０
であった。
【００１４】加工工程（１） プレスしたビレットを熱間鍛造して板形態とした後熱間
圧延して５ｍｍ厚とし、その際、それぞれの処理の前に
材料を４７５℃に加熱すると共にロールを約１００℃に
加熱して表面の冷却を防止した。この場合およびここに
記載する他のすべての圧延加工において、処理当り１０
％の厚さ低減を行った。
【００１５】この５ｍｍシートをその後更に次の３つの
異なる方法により加工した：経路ａ ３００℃で２４時間焼鈍し、冷間圧延して３．１ｍｍ厚
とし（クラッキングの発生を越える所定のレベル）、３
００℃で２４時間焼鈍し、冷間圧延して２ｍｍ厚とす
る。
【００１６】経路ｂ 冷えた炉中に載置し、温度を４９５℃に上昇させ、１／
２時間保持し、取り出して空気中で自然に冷却すること
による予備処理（高温焼鈍または溶液処理）を行い、冷
間圧延して３．６ｍｍとし、予備処理手法を繰り返し、
冷間圧延して２ｍｍとする。
【００１７】経路ｃ 熱間圧延して２ｍｍとし、この間材料を加熱して４７５
℃とすると共にロールを加熱して約１００℃とし、処理
の間に材料を中間再加熱する。
【００１８】制御加熱工程（２） ２ｍｍシートを１時間に６℃の速度で４００℃の温度に
加熱し、空気中で冷却して周囲温度とした。
【００１９】溶液処理および析出硬化工程（３） ２ｍｍシートを迅速に加熱して５０５℃の溶液処理温度
とし、この温度で１／２時間保持して熱平衡とした。こ
のシートをその後冷水中で冷却した。冷却した材料を周
囲温度で２３日間自然エージングした。
【００２０】前記工程（１）、（２）および（３）を行
うことにより本発明による方法を実施した。工程（１）
および（３）のみを行うことにより比較例とした。以下
の表１に結果を示す。全ての測定は従来の技術を使用し
て行ったものであり、数値は４つの測定の最低からとっ
た平均数値である。
【００２１】この結果は、制御加熱工程（２）の導入に
より、加工方法に拘らず、析出硬化後の材料の強度向上
が得られることを示す。最も驚くべきことに、材料の延
性も増加する。
【００２２】
【表１】
【００２３】実施例２ この実施例の出発材料は、マトリックス合金をアルミニ
ウム−リチウム合金８０９０とする以外は実施例１のも
のと類似するＳｉＣ強化金属マトリックス複合材料のビ
レットとした。この合金は次の組成（ｗｔ％）を有す
る：Ａｌ基材；２．４％Ｌｉ；１．３Ｃｕ；０．８Ｍ
ｇ；０．１２Ｚｒ；０．１マックスＦｅ；０．０５マッ
クスＳｉ。
【００２４】実施例１に記載した加工経路ｃを使用し、
加工工程（１）のようにして２ｍｍシートを調製した。
その後このシートを５分当り５℃の速度で５４０℃の温
度に加熱した後、冷水冷却を行った。
【００２５】超可塑性形成リグを使用し、ブリティッシ
ュ・アエロスペース・ミリタリー・エアクラフト・リミ
テッドにより、５×１０−４ｓｅｃ−１の引張速度で得
られたシートを変形して矩形箱体とした。８０９０合金
について確立された技術を使用した。開裂することなく
良好な箱形状が形成された。図１は箱体の長手断面を示
す。
【００２６】比較例では、５４０℃の溶液温度に達する
前の遅い加熱を従来の迅速な加熱に代える以外は同様に
して同一のシートを調製した。超可塑性形成リグを用い
るシートの箱体への形成の試みは、箱体が完全に形成さ
れる前にシートの空洞形成または開裂に終った。図２は
箱体の長手断面を示す。図１と図２とを比較すると、本
発明による効果が明らかに分る。
【００２７】実施例３ この実施例では、迅速な従来の処理と比較すると遅い加
熱上昇速度の効果を示す。使用した材料は、実施例１、
経路Ｃに記載した材料とした。
【００２８】２ｍｍシートを周囲温度で熱処理炉中に載
置し、所定の速度で温度を４００℃に上昇させた。その
後５０５℃に加熱し、冷水冷却し、７日間以上自然エー
ジングすることによりこのシートを溶液処理した。比較
実験では、２ｍｍシートを熱炉に５０５℃で直接載置し
た後、冷却およびエージングを行ったが、サンプルが毎
分約６００℃の速度で温度に達するような条件とした。
【００２９】表２に示す結果は、遅い加熱工程により、
従来の処理のものより顕著に大きいプルーフ強度を有す
る複合材料が製造されたことを示す。
【００３０】
【表２】
【００３１】実施例４ ６℃／時間の加熱速度を使用し、多数のサンプルを用い
て実施例３に記載した一般的手順を繰り返した。また、
多数のサンプルを用いて従来の処理を繰り返した。押出
温度を３００〜３７５℃の範囲とし、ビレットを３２ｍ
ｍ×７ｍｍの矩形体に押出すことによりサンプルを調製
した。結果の統計的解析により、本発明により調製した
２４のサンプルの延性は、従来技術により調製した１６
のサンプルより顕著に大きいことが示された。更に、本
発明によるサンプルについては、従来技術により調製し
たサンプルについてより、平均プルーフ強度の標準偏差
が極めて顕著に低かった。表３に示す結果は、それぞれ
の変数についての平均および標準偏差を示す。
【００３２】
【表３】
【００３３】実施例５ この実施例で使用した材料は実施例２に記載したもので
ある。
【００３４】２ｍｍシートを周囲温度で熱処理炉中に載
置し、毎分６℃の速度で温度を３５０℃に上昇させた。
その後５４０℃に加熱し、冷水冷却し、１５０℃に１時
間加熱することにより人工的エージングを行うことによ
りこのシートを溶液処理した。比較例では、２ｍｍシー
トを熱炉に５４０℃で直接載置した後、冷却および人口
的エージングを行った。
【００３５】結果を表４に示す。
【００３６】
【表４】
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２の箱体の長手断面。
【図２】比較例の箱体の長手断面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 サイモン ブライアン ドッド イギリス国、ティーダブリュー17 ０エ イワイ、シェパートン、アカシア アベ ニュー 50番 (72)発明者 スティーブン マーク フリットクロフ ト イギリス国、アールイー22 ４ティーデ ー、ハンプシャー、ベーシングストー ク、ハッチ ウォーレン、カリーバ ク ロース ５番 (72)発明者 ウィリアム シンクレア ミラー イギリス国、エムイー17 ４イージェ イ、ケント、メイドストーン、コックス ヒース、ヒース ロード、コートストー ンズ（番地なし) (72)発明者 ロジャー モートン イギリス国、ジーユー13 ０ジェイエ ス、ハンプシャー、フリート、チャーチ クロッカム、アトバーラ ロード、ト レセイズ（番地なし) (72)発明者 クリストファー ジョン ピール イギリス国、ジーユー13 ９エイチエ ヌ、ハンプシャー、フリート、オールト ン ロード 26番 (56)参考文献 特開 昭63−125645（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−37351（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−47840（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22F 1/04 - 1/057 C22C 21/00 - 21/12 C22C 32/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 析出硬化性アルミニウム合金と粒子また
    は短繊維セラミック強化剤とのマトリックスからなる複
    合材料を処理するに際し、熱間および／または冷間加工
    工程および続く溶液処理工程からなり、熱間および／ま
    たは冷間加工工程の後であって溶液処理工程の前に制御
    加熱工程を適用し、その際、複合材料を周囲温度から２
    ５０〜４５０℃の温度に上昇させ、温度上昇の速度を１
    時間に１０００℃未満とすることを特徴とする複合材料
    の処理方法。
  2. 【請求項２】 温度上昇の速度を１時間に６００℃未満
    とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 温度上昇の速度を１時間に３〜１００℃
    とする請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 複合材料のマトリックスを形成するアル
    ミニウム合金をＩＡＤＳ２１２４または８０９０とする
    請求項１乃至３いずれかに記載の方法。
  5. 【請求項５】 セラミック強化剤をシリコンカーバイド
    とする請求項１乃至４いずれかに記載の方法。
  6. 【請求項６】 マトリックス合金対セラミック強化剤の
    重量比を２：１〜９：１とする請求項１乃至５いずれか
    に記載の方法。
  7. 【請求項７】 溶液処理工程が、少なくとも５００℃の
    温度に加熱することからなる請求項１乃至６いずれかに
    記載の方法。
  8. 【請求項８】 熱間および／または冷間加工工程が熱圧
    延工程を含む請求項１乃至７いずれかに記載の方法。
  9. 【請求項９】 後続する超可塑性形成工程を更に含む請
    求項１乃至８いずれかに記載の方法。
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