JP3744713B2

JP3744713B2 - 高強度アルミニウム合金固化材

Info

Publication number: JP3744713B2
Application number: JP06668499A
Authority: JP
Inventors: 和彦喜多; 浩之佐々木
Original assignee: YKK Corp
Current assignee: YKK Corp
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2019-03-12
Also published as: JP2000265251A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品等の構造材として用いる高強度アルミニウム合金固化材である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の急冷凝固させたアルミニウム合金の微細結晶組織は、急冷凝固法による組織の微細化により高強度化されている。さらに、微結晶組織ではなく、さらに特定組成において急冷してアモルファス相を得ることによりさらに高強度な材料が得られている。
【０００３】
しかしながら、急冷凝固法又はメカニカルアロイング法などの手法で得られた微細組織を有する合金は、通常薄帯又は粉末に形状が限定されていた。よって機械部品等の構造材として用いるためには、薄帯又は粉末等を集成固化させる必要があった。集成固化の方法としては、熱間押出法、鍛造法等が通常用いられているが、その時の熱履歴により、急冷により得られたアモルファスは加熱により結晶化し、微細結晶組織は加熱により粒成長するために、強度特性は熱間加工後に低下する問題点があった。
【０００４】
一方、金属間化合物等を第二相粒子として分散させる場合は、第二相粒子での応力集中によって、靭性の延性が低下するという問題がある。
又、原料としての薄帯又は粉末の表面の酸化は雰囲気の制御では限界があり、表面酸化物の残存による固化の不健全さやガス成分、特に吸着水、結晶水等に起因する水素脆性、粉末ハンドリング時のコンタミネーションの混入が成形後の製品特性に問題を生じさせる問題がある。
【０００５】
そこで、本出願人はさきに、一般式Ａｌ_balＭ_aＸ_b（ただし、ＭはＶ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の元素、ＸはＬｉ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｍ（ミッシュメタル）、希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、ａ，ｂは原子パーセントで、ａ＝０．５〜１０％，ｂ＝０．５〜１０％）さらには一般式Ａｌ_balＭ_aＸ_bＱ_c（Ｍ，Ｘ，ａ，ｂは前記と同じ、ＱはＢ，Ｃ，Ｎ，Ｏから選ばれる少なくとも１種の元素、Ｃは原子パーセントで５％以下）よりなる高強度アルミニウム合金固化材を開発した。（特開平８−２８３９２１号公報参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記先行技術をさらに発展させ、高硬度、高強度を有し、延性、靭性及び加工性に優れたアルミニウム合金固化材を提供することを目的とすると共に、そのような固化材を酸化、水素脆化、コンタミネーションの問題なく提供するものである。
【０００７】
【発明が解決するための手段】
本発明は、一般式：ＡｌbalＭa（ただし、ＭはＴｉまたはＦｅから選ばれる元素であり、ａは原子パーセントで０＜ａ≦２０）で示される組成からなり、実質的に組織が平均結晶粒径が１００ｎｍ〜１０μｍのα−Ａｌの過飽和固溶体単相からなることを特徴とする高強度アルミニウム合金固化材である。
【０００８】
本発明において、Ｍ元素は、Ａｌ中での拡散速度の遅い元素であり、これらの元素を０〜２０原子％（ただし、０は含まない）添加することにより、組織を非常に微細化させ、硬度等の機械的特性を向上させることができるとともに、超急冷効果により、添加元素を過飽和固溶させることができ、これにより第二相の形成がなく、延性、靭性が低下することなく、高強度化が行える。さらには電子ビーム蒸着法により急冷して母合金から直接板形状の厚さが３００μｍ以上、さらには厚さが１ｍｍ以上の固化材を作製できるとともに、熱処理により組織変化を起こさせ、特性を制御できるとともに超塑性加工等の加工が適用できる。
【０００９】
Ｔｉは４〜１５原子％、Ｆｅは０．５〜５原子％の範囲で添加することにより、硬度、強度は、この範囲を超えるものよりも小さいが、高強度、高硬度でより延性、靭性、加工性に優れた固化材を提供できる。
さらに、平均結晶粒径が１００ｎｍ〜１０μｍのα−Ａｌの過飽和固溶体単相とすることにより、通常のＡｌ結晶と同等の延性、加工性を備えたものとすることができる。
【００１０】
また、電子ビーム蒸着法により堆積したマクロ構造における粒子の大きさは平均粒子径で１〜１０μｍであるが、このような粒子径とすることにより、空隙が生じにくく、相対密度９５％以上の固化材とすることができる。
【００１１】
このようなアルミニウム合金固化材は、電子ビーム蒸着法により蒸着物堆積基板上に堆積することにより得ることができる。電子ビーム蒸着装置の具体例を模式的に示したのが図１である。真空装置内において蒸着源材料ロッド２，２をそれぞれ銅製のるつぼ１，１内に下方から上方に向って移動可能に配し、これらに電子銃３，３により電子ビーム４，４をそれぞれ照射し、蒸発源材料を加熱溶融させ、さらに蒸発させる。蒸発した粒子５はるつぼ１，１と対向して設けられた堆積基板６上に蒸着堆積し、堆積層７を形成する。なお、るつぼ１，１と堆積基板６との間にシャッタを設り、基板温度および蒸着粒子が適した条件となった場合に開くようにしてもよい。また、図内においては、電子銃３は１つだけ示してあるが、複数個設けることも可能である。
【００１２】
このような電子ビーム蒸着は高い冷却状態が得られるので、他の物理的蒸着技術に比して前記本発明の組織を得るのに適している。真空装置内の真空度は４×１０^-6〜３×１０^-5ｍｂａｒが適当である。又、前記組織を得るためには、蒸着物堆積基板温度を１５０〜３５０℃に制御することがよい。１５０℃より低温であると非平衡な状態が得られるが、緻密な材料が得られにくく、柱状になり易い問題がある。３５０℃より高温であると結晶粒径が大きくなり、強度特性が劣化するとともに、金属間化合物の析出、晶出現象が起こり、延性、靭性、加工性が低下してしまう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下実施例に基づき本発明を具体的に説明する。
図１に示す電子ビーム蒸着装置により、蒸発源材料としてＡｌロッドとＴｉまたはＦｅロッドとを用い、アルミニウム合金固化材を作製した。具体的な作製方法は直径３１ｍｍ，長さ２３５ｍｍのＡｌ母合金からなる蒸着源材料ロッド２を一方側のるつぼ１に配し、また直径３７ｍｍ、長さ２５０ｍｍのＴｉまたはＦｅ母合金からなる蒸着源材料ロッド２を他方側のるつぼ１に配し、真空装置内の真空度を４×１０^-6〜３×１０^-5ｍｂａｒとする。さらに、真空装置内に配される堆積基板６は基板回転速度を２０ｒｐｍとするとともに、堆積基板温度を２５０℃とする。なお、堆積基板６を回転することにより、蒸着による組成の不均一性を防ぐ。また、堆積基板６の温度は赤外線ランプおよび水冷により制御され、また適切な温度に保持される。
【００１４】
電子ビーム蒸着装置による蒸着条件は、Ａｌからなる蒸着源材料ロッドに対し、電子ビーム投入電力を７ｋＷとし、ＴｉまたはＦｅからなる蒸着源材料ロッドに対し、電子ビーム投入電力を０．５〜１．２ｋＷとする。また、これらの蒸着源材料ロッドの供給速度は０〜０．２２ｍｍ／ｍｉｎとする。添加されるＴｉまたはＦｅの添加量は、電子ビームの強さを変えることにより、蒸発する速度を制御し、変化させている。具体的にはＴｉは０．６〜１．２ｋＷ，Ｆｅは０．５〜１．０ｋＷと変化させて蒸着を行った。電子ビーム蒸着法では電子ビームが照射される蒸着源材料の部分が減少するが、蒸着源材料がるつぼの下方から上方に向って連続的に移動することにより、連続的な蒸着が行え、厚い堆積層を形成する。
【００１５】
上記のように作製したＡｌ₉₈Ｆｅ₂，Ａｌ₉₅Ｔｉ₅，Ａｌ₈₇Ｔｉ₁₃（ａｔ％）からなるアルミニウム合金固化材について、Ｘ線回折を行い、その組織構造を調べた。その結果を図２および図３に示す。図２および図３によれば、α−Ａｌの過飽和固溶体単相からなっていることがわかる。その他の本発明の合金組成についても同様の結果が得られた。また、上述の組成について、ＳＥＭ観察を行った結果、堆積した粒子の大きさは平均粒子径で１〜１０μｍで、空隙がなく緻密な構造となっているとともに、前記α−Ａｌの過飽和固溶体相の結晶粒径も２００ｎｍ〜１０μｍの範囲で存在し、平均的には粒子径とほぼ同等であった。
【００１６】
さらに上記のように作成したＡｌ_balＴｉ_a，Ａｌ_balＦｅ_a（ａｔ％）からなる各種アルミニウム合金固化材について、その硬度（Ｈｖ）を測定した。なお、硬度（Ｈｖ）は２５ｇ荷重の微小ビッカース硬度計による測定値（ＤＰＮ）で示す。この結果を図４および図５に示す。図４および図５によれば、本発明のアルミニウム合金化材においては５０〜６００と優れていることが分る。また、Ａｌ_balＴｉ_a固化材について、ａを４（ａｔ％）以上とすることにより、硬度を１００以上とすることができ、Ａｌ_balＦｅ_a固化材については、ａを０．５（ａｔ％）以上とすることにより、硬度を１００以上とすることができる。さらに得られた固化材について、延性および加工性を検討した結果、硬度が１００以上、３００以下で非常に優れた結果が得られた。この結果よりＡｌ_balＴｉ_aにおいてはａが４〜１５（ａｔ％）の範囲が、また、Ａｌ_balＦｅ_aにおいてはａが０．５〜５（ａｔ％）の範囲がもっとも好ましい範囲であることが分かった。なお、強度については硬度とほぼ同様の結果であった。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、新規な組織を有する高強度アルミニウム合金固化材が得られ、高強度、高硬度を有し、延性、靭性および加工性に優れた固化材を提供することができる。また、電子ビーム蒸着法を利用した場合、母合金から直接高密度な固化材を得ることができ、従来の熱間押出法等における熱履歴による影響を受けることなく、また、前述の製法上の問題を生じさせることなく、安定した製品を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に用いる電子ビーム蒸着装置の説明図である。
【図２】本発明の実施例合金Ａｌ₉₈Ｆｅ₂のＸ線回折図である。
【図３】本発明の実施例合金Ａｌ₉₅Ｔｉ₅およびＡｌ₈₇Ｔｉ₁₃のＸ線回折図である。
【図４】本発明の実施例合金Ａｌ_balＴｉ_aの硬度の測定値を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例合金Ａｌ_balＦｅ_aの硬度の測定結果を示すグラフである。

Claims

一般式：ＡｌbalＭa（ただし、ＭはＴｉまたはＦｅから選ばれる元素であり、ａは原子パーセントで０＜ａ≦２０）で示される組成からなり、実質的に組織が平均結晶粒径が１００ｎｍ〜１０μｍのα−Ａｌの過飽和固溶体単相からなることを特徴とする高強度アルミニウム合金固化材。
Ｍ元素がＴｉであり、ａが４≦ａ≦１５である請求項１記載の高強度アルミニウム合金固化材。
Ｍ元素がＦｅであり、ａが０．５≦ａ≦５である請求項１記載の高強度アルミニウム合金固化材。
厚さ３００μｍ以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載の高強度アルミニウム合金固化材。