JP4704720B2 - Heat-resistant Al-based alloy with excellent high-temperature fatigue properties - Google Patents

Heat-resistant Al-based alloy with excellent high-temperature fatigue properties Download PDF

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Description

本発明は、高温強靱性(耐熱性)や耐摩耗性とともに、更に、高温疲労特性にも優れた耐熱性Al基合金であって、自動車や航空機などのエンジン部品(ピストン、コンロッド)などのような、耐熱強度と軽量性を要求される機械部品に用いて好適なAl基合金に関するものである。   The present invention is a heat-resistant Al-based alloy having excellent high-temperature toughness (heat resistance) and wear resistance as well as excellent high-temperature fatigue characteristics, such as engine parts (pistons, connecting rods) of automobiles and aircrafts. The present invention also relates to an Al-based alloy suitable for use in machine parts that require heat resistance and light weight.

自動車や航空機などのエンジン部品では、300〜400℃程度までの高温強靱性(耐熱性)や耐摩耗性、更には、このような高温領域での疲労特性(高温疲労特性)も要求される。   Engine parts such as automobiles and aircraft are required to have high temperature toughness (heat resistance) and wear resistance up to about 300 to 400 ° C., and also fatigue characteristics (high temperature fatigue characteristics) in such a high temperature region.

先ず、耐熱性について、従来の溶解鋳造合金では、Al−Cu系合金(2618などの2000系Al合金)を始め、種々の耐熱合金が開発されているが、使用温度が150℃を超える高温下では、十分な高温強度を得ることができなかった。Al−Cu系合金では時効硬化による微細析出物で強度を確保しているため、使用温度が150℃を超えると、この析出物相が粗大化し、著しく強度が低下するからである。   First, regarding heat resistance, various conventional heat-cast alloys such as Al—Cu alloys (2000 series Al alloys such as 2618) have been developed, but the use temperature is higher than 150 ° C. Then, sufficient high-temperature strength could not be obtained. This is because Al—Cu-based alloys ensure strength with fine precipitates obtained by age hardening, and therefore, when the use temperature exceeds 150 ° C., the precipitate phase becomes coarse and the strength is significantly reduced.

そこで、従来から、急冷凝固法を適用したAl基合金が開発されてきた。急冷凝固法の一つである急冷粉末冶金法によれば、Fe、Cr、Mn、Ni、Ti、Zrなどの合金元素の添加量を、前記溶解鋳造Al合金よりも増すことができる。したがって、これら合金元素を多量に添加したAl合金を急冷凝固によって粉末化し、これを固化成型することで、使用温度が150℃を超える高温下でも、高温強度に優れたAl基合金を得ることができる(特許文献1、2参照)。これは、前記合金元素によって、高温でも安定なAlとの金属間化合物を組織中に分散させて、高温強度を高くしている。   Thus, conventionally, Al-based alloys to which the rapid solidification method is applied have been developed. According to the rapid powder metallurgy method, which is one of the rapid solidification methods, the amount of addition of alloy elements such as Fe, Cr, Mn, Ni, Ti, Zr, etc. can be increased as compared with the melt cast Al alloy. Therefore, an Al alloy containing a large amount of these alloying elements can be pulverized by rapid solidification and solidified to obtain an Al-based alloy having excellent high-temperature strength even at high temperatures exceeding 150 ° C. Yes (see Patent Documents 1 and 2). This is because the alloy element disperses an intermetallic compound with Al that is stable even at high temperatures in the structure, thereby increasing the high-temperature strength.

更に、前記金属間化合物の微細化により、金属間化合物の分率を増加させ、高強度化を図る技術も提案されている(特許文献3参照)。また、急冷凝固法の一つであるスプレイフォーミング法による、Fe、V、Mo、Zr、Tiなどの合金元素を添加し、これら合金元素とAlとの金属間化合物を微細化させた、軽量化耐熱Al基合金も開発されており、過剰のSiを添加し、初晶のSiを微細化させて、耐磨耗性を兼備させた高強度Al基合金も開発されている(特許文献4参照)。   Furthermore, a technique for increasing the strength by increasing the fraction of the intermetallic compound by miniaturizing the intermetallic compound has been proposed (see Patent Document 3). In addition, alloying elements such as Fe, V, Mo, Zr, and Ti are added by spray forming, which is one of the rapid solidification methods, and the intermetallic compound between these alloying elements and Al is refined to reduce weight. A heat-resistant Al-based alloy has also been developed, and a high-strength Al-based alloy that also has wear resistance has been developed by adding excess Si and refining primary crystal Si (see Patent Document 4). ).

次ぎに、Al基合金の高温疲労特性について、前記した自動車や航空機などのエンジン部品用に、マトリックスを構成するAl結晶粒の平均粒径を微細化させて、高温疲労特性を向上させることが知られている。例えば、Si;4〜12重量%、Cu;0〜7重量%、Mg;0〜0.5重量%、Ti;0.15〜0.5重量%、Fe;0〜0.7重量%、Mn;0〜0.7重量%、残部Al及び不純物からなり、基地相と該基地相より弾性率が高い晶出物または硬質粒子とからなる亜共晶組織を有する合金であって、上記合金の結晶粒度は、上記晶出物または硬質粒子によって取り囲まれた基地相の単位セルサイズの24倍以下であることを特徴とする耐疲労特性に優れたAl基合金が提案されている(特許文献5参照)。   Next, regarding the high temperature fatigue properties of Al-based alloys, it is known that the average grain size of Al crystal grains constituting the matrix is refined to improve the high temperature fatigue properties for engine parts such as automobiles and aircrafts described above. It has been. For example, Si; 4 to 12 wt%, Cu; 0 to 7 wt%, Mg; 0 to 0.5 wt%, Ti; 0.15 to 0.5 wt%, Fe; 0 to 0.7 wt%, Mn: 0 to 0.7% by weight, balance Al and impurities, and having a hypoeutectic structure composed of a matrix phase and a crystallized product or hard particles having a higher elastic modulus than the matrix phase, An Al-based alloy having excellent fatigue resistance, characterized in that the crystal grain size is 24 times or less the unit cell size of the matrix phase surrounded by the crystallized product or hard particles (Patent Document) 5).

また、合金元素としてFe、TiおよびSiを含有し、残部がAlよりなるAl合金であって、Fe、TiおよびSiの含有量がそれぞれ4原子%≦Fe≦6.8原子%、0.5原子%≦Ti≦1.2原子%、1.5原子%≦Si≦2.5原子%であり、マトリックスを構成するAl結晶粒(面心立方構造)の平均粒径D1 がD1 ≦1μmであり、さらに金属間化合物の平均粒径D2 がD2 ≦0.5μmであるAl基合金が提案されている(特許文献6参照)。
特許2911708号公報(特許請求の範囲) 特公平7−62189号公報(特許請求の範囲) 特開平5−195130号公報(特許請求の範囲) 特開平9−125180号公報(特許請求の範囲) 特開平11−199960号公報(特許請求の範囲、表4) 特許3151590号公報(特許請求の範囲、表4、7、9)
Further, it is an Al alloy containing Fe, Ti and Si as alloy elements and the balance being Al, and the contents of Fe, Ti and Si are 4 atomic% ≦ Fe ≦ 6.8 atomic%, 0.5%, respectively. Atomic% ≦ Ti ≦ 1.2 atomic%, 1.5 atomic% ≦ Si ≦ 2.5 atomic%, and the average grain size D1 of Al crystal grains (face-centered cubic structure) constituting the matrix is D1 ≦ 1 μm Furthermore, an Al-based alloy in which the average particle diameter D2 of the intermetallic compound is D2≤0.5 μm has been proposed (see Patent Document 6).
Japanese Patent No. 2911708 (Claims) Japanese Patent Publication No. 7-62189 (Claims) JP-A-5-195130 (Claims) JP-A-9-125180 (Claims) JP-A-11-199960 (Claims, Table 4) Japanese Patent No. 3151590 (Claims, Tables 4, 7, and 9)

前記特許文献1、2などの急冷粉末冶金法によれば、合金元素の添加量を増せば、Al基合金の高温強度を高くできる。しかし、合金元素の添加量を増加し過ぎると、金属間化合物の粗大化を招くため、300℃で300MPa程度の高温強度しか得られていない。これは、金属間化合物の微細化により、金属間化合物の分率を増加させた、前記特許文献3でも同様である。更に、前記特許文献4などのスプレイフォーミング法によるAl基合金でも、同様の高温強度しか得られていない。   According to the quenching powder metallurgy method such as Patent Documents 1 and 2, the high temperature strength of the Al-based alloy can be increased by increasing the addition amount of the alloy element. However, if the addition amount of the alloy element is excessively increased, the intermetallic compound is coarsened, so that only a high temperature strength of about 300 MPa at 300 ° C. is obtained. The same applies to Patent Document 3 in which the fraction of intermetallic compounds is increased by miniaturization of intermetallic compounds. Further, even in an Al-based alloy by the spray forming method such as Patent Document 4 described above, only a similar high temperature strength is obtained.

更に、前記した特許文献5、6の疲労特性は、300〜400℃程度での高温疲労特性は低くならざるを得ない。例えば、特許文献5における熱疲労試験は、40〜260℃程度の温度でしかなく、また、高サイクル疲労試験(試験片に一定の引張り−圧縮繰返し応力を付与)も室温における評価であり、しかも、応力繰返し数107 回の疲労強度は、80MPaレベル程度と低い。 Further, the fatigue characteristics of Patent Documents 5 and 6 described above must be low at high temperatures at about 300 to 400 ° C. For example, the thermal fatigue test in Patent Document 5 is only at a temperature of about 40 to 260 ° C., and the high cycle fatigue test (giving a constant tensile-compressive cyclic stress to the test piece) is also an evaluation at room temperature. The fatigue strength at a stress repetition rate of 10 7 times is as low as about 80 MPa level.

また、特許文献6でも、200℃程度の比較的低温における、高サイクル疲労試験での応力繰返し数107 回の疲労強度は、180MPaレベル程度と低い。したがって、Al基合金のマトリックスを構成するAl結晶粒の平均粒径を微細化させて、高温疲労特性を向上させることには限界がある。 Also in Patent Document 6, the fatigue strength at a stress cycle of 10 7 times in a high cycle fatigue test at a relatively low temperature of about 200 ° C. is as low as about 180 MPa. Therefore, there is a limit in improving the high temperature fatigue characteristics by reducing the average grain size of Al crystal grains constituting the matrix of the Al-based alloy.

本発明は、かかる問題に鑑みなされたもので、自動車や航空機などのエンジン部品の要求特性を満足する、高温強靱性や耐摩耗性とともに、更に、高温疲労特性にも優れた耐熱性Al基合金を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and satisfies the required characteristics of engine parts such as automobiles and airplanes, and also has a high temperature toughness and wear resistance, and also has a high temperature fatigue property excellent in high temperature fatigue characteristics. The purpose is to provide.

この目的を達成するために、本発明の高温疲労特性に優れた耐熱性Al基合金の要旨は、金属間化合物相を形成する元素として、Cr、Fe、Ti、Mn、V、Siから選択される元素を三種、これら三種の元素の総和で15〜50質量%含み、残部がAl及び不可避的不純物からなる組成を有し、スプレイフォーミング法による急冷凝固法により得られたプリフォーム体を熱間加工して得られたAl基合金であって、このAl基合金組織が、体積分率で50〜90%の金属間化合物相と、残部が金属Alマトリックスとで構成され、前記金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さの平均が40μm以下であることとする。 In order to achieve this object, the gist of the heat-resistant Al-based alloy having excellent high-temperature fatigue characteristics according to the present invention is selected from Cr, Fe, Ti, Mn, V, and Si as elements forming the intermetallic compound phase. A preform body obtained by a rapid solidification method using a spray forming method, the composition comprising 15 to 50% by mass of the total of these three elements, the balance being composed of Al and inevitable impurities. An Al-based alloy obtained by processing, wherein the Al-based alloy structure is composed of an intermetallic compound phase having a volume fraction of 50 to 90% and the balance being a metal Al matrix, and the intermetallic compound phase The average of the maximum length of the pool of metal Al divided by is assumed to be 40 μm or less.

また、これらの金属間化合物相を形成する元素の内から選択される、高温疲労特性をより向上させる組み合わせとしては、特に、質量%で、Cr:5〜30%、Fe:1〜20%、Ti:1〜15%、を各々含む組成が好ましい。このような組成では、前記体積分率で50〜90%の金属間化合物相が、Al−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系の二元系の金属間化合物相から構成され、高温疲労特性を一層向上できる点で好ましい。   In addition, as a combination for further improving the high temperature fatigue properties selected from elements forming these intermetallic compound phases, in particular, by mass%, Cr: 5-30%, Fe: 1-20%, A composition containing Ti: 1 to 15% is preferable. In such a composition, the intermetallic compound phase having a volume fraction of 50 to 90% is composed of a binary intermetallic compound phase of Al—Cr, Al—Fe, and Al—Ti, and has a high temperature. This is preferable in that the fatigue characteristics can be further improved.

本発明の高温疲労特性に優れた耐熱性Al基合金における、前記金属Alのプールの最大長さの平均を40μm以下とするためには、スプレイフォーミング法により得られるAl基合金のプリフォームを、熱間にて、鍛造、押出、圧延のいずれかで加工したものであることが好ましい。   In order to make the average of the maximum length of the pool of metal Al in the heat-resistant Al-based alloy excellent in high-temperature fatigue characteristics of the present invention to 40 μm or less, an Al-based alloy preform obtained by a spray forming method is used. It is preferably processed by any one of forging, extrusion and rolling while hot.

従来の耐熱Al基合金は、高温疲労特性を向上させるために、Al基合金のマトリックスを構成するAl結晶粒の平均粒径を微細化させている。これに対して、本発明に係るAl基合金は、金属間化合物相の体積分率を50〜90%と大きくした上で、言い換えると、前記金属Alの体積分率を小さくした上で、前記金属間化合物相にて区切られた(囲まれた)、前記金属Alのプール(Al基地相)を微細化させて、高温疲労特性を向上させる。   In the conventional heat-resistant Al-based alloy, the average grain size of Al crystal grains constituting the matrix of the Al-based alloy is refined in order to improve the high temperature fatigue characteristics. On the other hand, the Al-based alloy according to the present invention increases the volume fraction of the intermetallic compound phase from 50 to 90%, in other words, after reducing the volume fraction of the metal Al, The high temperature fatigue characteristics are improved by refining the pool of Al metal (Al base phase) partitioned (enclosed) by the intermetallic compound phase.

金属Alマトリックスと金属間化合物相とで構成されているAl基合金において、金属Alマトリックスは軟らかく、金属間化合物相は硬い。このような、軟らかい金属Alマトリックス中に、硬い金属間化合物相が分散した組織となっていると、前記金属Alのプールの大きさが大きくなるほど、耐熱機械部品としてのAl基合金使用中に、強度の低い金属Alのプール部分に応力が集中する。このように、強度の低い金属Alのプール部分に高温で応力が集中した場合、疲労特性は当然低下してしまう。   In an Al-based alloy composed of a metal Al matrix and an intermetallic compound phase, the metal Al matrix is soft and the intermetallic compound phase is hard. When such a soft metal Al matrix has a structure in which hard intermetallic compound phases are dispersed, the larger the size of the metal Al pool, the more the Al-based alloy is used as a heat-resistant machine component. Stress concentrates on the pool portion of the low-strength metal Al. As described above, when stress concentrates at a high temperature on a pooled portion of metal Al having low strength, the fatigue characteristics naturally deteriorate.

また、前記金属Alのプールの大きさが大きくなるほど、Al基合金組織における金属Alのプールと金属間化合物相の分散状態は、どうしても不均一とならざるを得ない。このように、硬い金属間化合物相と軟らかい金属Alのプールとが不均一に分散した場合、高サイクルの疲労など、製品Al基合金に、引張り−圧縮の繰返し応力が高温で付与された場合には、疲労強度は著しく低くならざるを得ない。   Further, as the size of the metal Al pool increases, the dispersion state of the metal Al pool and the intermetallic compound phase in the Al-based alloy structure inevitably becomes non-uniform. In this way, when the hard intermetallic compound phase and the soft metal Al pool are dispersed non-uniformly, when a repeated stress of tension-compression is applied to the product Al-based alloy, such as high cycle fatigue, at a high temperature. The fatigue strength must be extremely low.

特に、スプレイフォーミング法など急冷凝固法により得られたままのAl基合金組織における金属Alのプールと金属間化合物相の分散状態では、金属Alのプールの大きさが大きくなりやすい。これに対して、急冷凝固法により得られたままのAl基合金を、更にCIP(冷間静水圧プレス)やHIP(熱間静水圧プレス)で固化成型した場合は、組織自体は緻密化される。しかし、金属Alのプールの大きさが大きい組織状態は、そのまま維持される。前記した特許文献5の高温疲労強度が低いのはこのためである。また、これら従来の耐熱Al基合金のように、Al基合金のマトリックスを構成するAl結晶粒の平均粒径を微細化させても、金属Alのプール自体が微細化されるわけではない。   In particular, in a dispersed state of a metal Al pool and an intermetallic compound phase in an Al-based alloy structure as obtained by a rapid solidification method such as a spray forming method, the size of the metal Al pool tends to increase. On the other hand, when the Al-based alloy as obtained by the rapid solidification method is further solidified and molded by CIP (cold isostatic pressing) or HIP (hot isostatic pressing), the structure itself is densified. The However, the structure state in which the size of the metal Al pool is large is maintained as it is. This is why the high temperature fatigue strength of Patent Document 5 is low. Further, even if the average grain size of the Al crystal grains constituting the matrix of the Al-based alloy is miniaturized like these conventional heat-resistant Al-based alloys, the metal Al pool itself is not miniaturized.

これに対して、前記した特許文献6では、エアアトマイズした粉末をCIPにてビレットに成形して、このビレットを熱間押出加工している。したがって、特許文献5に比較すれば、金属Alのプールの大きさは微細化される方向に進み、疲労強度は高くなっている。しかし、特許文献6では、Fe、TiおよびSiの含有量が少なく、前記金属間化合物相が、体積分率で50%を超える大きな割合とはならない。このため、金属Alの体積分率が大きくなり、金属プールの大きさが必然的に大きくなる。この結果、前記金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さの平均も、必然的に40μmを超えて大きくなり、高温疲労強度が低くなる。特許文献6での熱間押出加工は、絶対的に大きな金属プールをこれとの比較で相対的に微細化しているのみである。また、このように、金属間化合物相の量が少ないときには、金属間化合物は個々に単独で存在しているものが多くなり、これも高温疲労強度が低くなる一因となる。   On the other hand, in patent document 6 mentioned above, the air atomized powder is shape | molded into billets by CIP, and this billet is hot-extruded. Therefore, compared with Patent Document 5, the size of the pool of metal Al advances in the direction of miniaturization, and the fatigue strength is high. However, in patent document 6, there is little content of Fe, Ti, and Si, and the said intermetallic compound phase does not become a big ratio exceeding 50% in a volume fraction. For this reason, the volume fraction of metal Al increases, and the size of the metal pool inevitably increases. As a result, the average of the maximum length of the metal Al pool partitioned by the intermetallic compound phase inevitably increases beyond 40 μm, and the high temperature fatigue strength decreases. The hot extrusion process in Patent Document 6 merely refines an absolutely large metal pool relatively by comparison with this. In addition, when the amount of the intermetallic compound phase is small as described above, the intermetallic compounds are often present individually, which also contributes to the low high temperature fatigue strength.

一方、本発明Al基合金のように、先ず、金属間化合物の量を多くすると、複数の金属間化合物が、金属Al(マトリックス)を介在することなく互いに隣接して集合体(連続体)を形成しやすくなる。この結果、前記金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さの平均を小さくできる。   On the other hand, as in the case of the Al-based alloy of the present invention, first, when the amount of intermetallic compound is increased, a plurality of intermetallic compounds are adjacent to each other without interposing metal Al (matrix). Easy to form. As a result, the average of the maximum length of the metal Al pool partitioned by the intermetallic compound phase can be reduced.

言い換えると、本発明における前記金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さの平均を40μm以下としようとすれば、前提として、Al基合金組織が、体積分率で50〜90%の金属間化合物相を有する必要がある。   In other words, if an average of the maximum length of the pool of metal Al divided by the intermetallic compound phase in the present invention is 40 μm or less, the premise is that the Al-based alloy structure has a volume fraction of 50. It should have ~ 90% intermetallic phase.

ただ、このように金属間化合物相を多くするだけでは、前提的な条件を確保するだけで、前記金属Alのプールの最大長さの平均が40μmを超える可能性もある。このため、本発明のように、前記金属Alのプールの最大長さの平均を40μm以下と確実にするためには、後述する通り、Al基合金を更に、熱間加工することが好ましい。   However, simply increasing the number of intermetallic compound phases in this way may ensure the average of the maximum length of the pool of metal Al exceeding 40 μm simply by ensuring the preconditions. Therefore, as in the present invention, in order to ensure that the average maximum length of the metal Al pool is 40 μm or less, it is preferable to further hot-work the Al-based alloy as will be described later.

(Al基合金組成)
先ず、本発明のAl基合金の好ましい化学成分組成(単位:質量%)について、各元素の限定理由を含めて、以下に説明する。
(Al-based alloy composition)
First, a preferable chemical component composition (unit: mass%) of the Al-based alloy of the present invention will be described below including reasons for limiting each element.

本発明の高温疲労特性に優れた耐熱性Al基合金の組成としては、前記金属間化合物相を形成する元素として、Cr、Fe、Ti、Mn、V、Siから選択される元素を、これら元素の総和で15〜50質量%含み、残部がAl及び不可避的不純物からなるものである。 The set formed of excellent heat resistance Al-based alloy to a high temperature fatigue characteristics of the present invention, as an element forming the intermetallic phase, Cr, Fe, Ti, Mn, V, an element selected from Si, these The total amount of elements is 15 to 50% by mass, and the balance is made of Al and inevitable impurities.

これら、Cr、Fe、Ti、Mn、V、Siから選択される元素が、これら元素の総和が15質量%の下限未満では、金属間化合物相(体積分率)が各々不足する。このため、Al基合金の耐熱性と耐磨耗性、また高温疲労強度を向上させることができない。一方、これら元素の総和が50質量%の上限を超えた場合、靱性が低下して脆くなり、耐熱機械部品に用いることができない。   When these elements selected from Cr, Fe, Ti, Mn, V, and Si are less than the lower limit of 15% by mass, the intermetallic compound phase (volume fraction) is insufficient. For this reason, the heat resistance and wear resistance of the Al-based alloy and the high temperature fatigue strength cannot be improved. On the other hand, when the sum of these elements exceeds the upper limit of 50% by mass, the toughness decreases and becomes brittle, and cannot be used for heat-resistant machine parts.

そして、これらの金属間化合物相を形成する元素の内から選択される、高温疲労特性をより向上させる組み合わせとしては、特に、質量%で、Cr:5〜30%、Fe:1〜20%、Ti:1〜15%、を各々含む組成が好ましい。このような組成において、後述する通り、スプレイフォーミング法などによる急冷凝固法によってプリフォーム体を制作すれば、最終的にAl基合金組織の、体積分率で50〜90%の金属間化合物相を、Al−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系の二元系を主相とする金属間化合物相から構成でき、高温疲労特性を一層向上できる。   And as a combination which improves the high temperature fatigue characteristics selected from the elements forming these intermetallic compound phases, in particular, by mass%, Cr: 5-30%, Fe: 1-20%, A composition containing Ti: 1 to 15% is preferable. In such a composition, as will be described later, if a preform body is produced by a rapid solidification method such as a spray forming method, an intermetallic compound phase of 50 to 90% in volume fraction of the Al-based alloy structure is finally obtained. , Al-Cr-based, Al-Fe-based, and Al-Ti-based binary intermetallic compound phases can be used, and high-temperature fatigue characteristics can be further improved.

また、これらCr、Fe、Tiは、スプレイフォーミング法などによる急冷凝固法によって、Al−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系などの金属間化合物相のいずれかに、当該金属間化合物を構成する元素以外のいずれかの元素が更に固溶して、Al基合金の耐熱性と耐磨耗性とを向上させることができる。   In addition, these Cr, Fe, and Ti may be added to any of the intermetallic compound phases such as Al—Cr, Al—Fe, and Al—Ti by a rapid solidification method such as a spray forming method. Any element other than the constituent elements can be further dissolved to improve the heat resistance and wear resistance of the Al-based alloy.

Al−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系などの二元系の金属間化合物相のいずれかに、当該金属間化合物を構成する元素以外のCr、Fe、Tiいずれかが固溶した場合、当該金属間化合物およびAl基合金の強度、靱性、硬さ(耐熱強度、耐磨耗性)を向上させることができる。より具体的な例としては、Al−Cr系金属間化合物相に、Fe、Tiのいずれか、また両方が固溶していることを言う。   Any of Cr, Fe, Ti other than the elements constituting the intermetallic compound is dissolved in any of the binary intermetallic compound phases such as Al—Cr, Al—Fe, and Al—Ti. In this case, the strength, toughness and hardness (heat resistance strength and wear resistance) of the intermetallic compound and the Al-based alloy can be improved. As a more specific example, it means that either Fe or Ti or both are in solid solution in the Al—Cr intermetallic compound phase.

これら当該金属間化合物を構成する元素以外のCr、Fe、Tiいずれかが固溶した金属間化合物相は、例えば、Al−Cr金属間化合物相にFe、Tiの元素が固溶されないような場合に比して、耐熱強度と耐磨耗性とのバランスに優れている。このため、Al基合金の強度、靱性、硬さを一層向上させることができる。   The intermetallic compound phase in which either Cr, Fe, or Ti other than the elements constituting the intermetallic compound is dissolved, for example, when the Fe and Ti elements are not dissolved in the Al-Cr intermetallic compound phase. Compared to, the balance between heat resistance and wear resistance is excellent. For this reason, the strength, toughness, and hardness of the Al-based alloy can be further improved.

Cr、Fe、Tiの上記各含有量の下限未満、およびCr、Fe、Tiの含有量総和が、上記15質量%の下限未満では、Al−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系などの金属間化合物相(体積分率)と、これら各金属間化合物相に、当該金属間化合物を構成する元素以外のいずれかの元素の固溶量が各々不足する。このため、Al基合金の耐熱性と耐磨耗性、また高温疲労強度を向上させることができない。   If the total content of Cr, Fe, Ti is less than the lower limit of the above, and the total content of Cr, Fe, Ti is less than the lower limit of 15% by mass, Al—Cr, Al—Fe, Al—Ti, etc. In the intermetallic compound phase (volume fraction) and each of these intermetallic compound phases, the solid solution amount of any element other than the elements constituting the intermetallic compound is insufficient. For this reason, the heat resistance and wear resistance of the Al-based alloy and the high temperature fatigue strength cannot be improved.

一方、Cr、Fe、Tiの上記各含有量の上限を超えた場合、およびCr、Fe、Tiの含有量総和が、上記50質量%の上限を超えた場合、上記金属間化合物相と、これら各金属間化合物相に、当該金属間化合物を構成する元素以外のいずれかの元素が固溶した組織が得られたとしても、靱性が低下して、脆くなる。このため、耐熱機械部品に用いることができない。   On the other hand, when the upper limit of each content of Cr, Fe, Ti is exceeded, and when the total content of Cr, Fe, Ti exceeds the upper limit of 50 mass%, the intermetallic compound phase and these Even if a structure in which any element other than the elements constituting the intermetallic compound is dissolved in each intermetallic compound phase is obtained, the toughness is lowered and becomes brittle. For this reason, it cannot be used for heat-resistant machine parts.

したがって、Cr、Fe、Tiを各々含む組成において、Crは5〜30%、Feは1〜20%、Tiは1〜15%の各含有量範囲とし、Cr、Fe、Tiの含有量の総和も15〜50%の範囲とする。   Therefore, in each of the compositions containing Cr, Fe, and Ti, the Cr content ranges from 5 to 30%, Fe from 1 to 20%, and Ti from 1 to 15%, and the total content of Cr, Fe, and Ti Is in the range of 15 to 50%.

この他、Mn:5〜30%、Fe:1〜20%、Si:1〜10%を各々含む組成か、Fe:1〜20%、V:0.5〜5%、Si:1〜10%を各々含む組成、とすることもできる。このような組成では、後述する通り、スプレイフォーミング法などによる急冷凝固法によって、プリフォーム体を制作すれば、最終的にAl基合金組織の体積分率で50〜90%の金属間化合物相が、Al−Mn−Fe−Si系、あるいはAl−Fe−V−Si系などの四元系を主相とする金属間化合物相から構成でき、高温疲労特性を一層向上できる。   In addition, a composition containing Mn: 5 to 30%, Fe: 1 to 20%, Si: 1 to 10%, Fe: 1 to 20%, V: 0.5 to 5%, Si: 1 to 10 % Of each composition. In such a composition, as will be described later, if a preform body is produced by a rapid solidification method such as a spray forming method, an intermetallic compound phase of 50 to 90% in the volume fraction of the Al-based alloy structure is finally obtained. , Al-Mn-Fe-Si system, or Al-Fe-V-Si system, etc. can be comprised from the intermetallic compound phase which makes a main phase a main phase, and a high temperature fatigue characteristic can be improved further.

これら、Mn、Fe、Si、Vの上記各含有量の下限未満、およびMn、Fe、Si、Vの含有量総和が、上記15質量%の下限未満では、四元系の金属間化合物相(体積分率)が各々不足する。このため、Al基合金の耐熱性と耐磨耗性、また高温疲労強度を向上させることができない。
一方、Mn、Fe、Si、Vの上記各含有量の上限を超えた場合、およびMn、Fe、Si、Vの含有量総和が、上記50質量%の上限を超えた場合、靱性が低下して、脆くなる。このため、耐熱機械部品に用いることができない。
When the total content of Mn, Fe, Si, and V is less than the lower limit and the total content of Mn, Fe, Si, and V is less than the lower limit of 15% by mass, a quaternary intermetallic compound phase ( Volume fraction) is insufficient. For this reason, the heat resistance and wear resistance of the Al-based alloy and the high temperature fatigue strength cannot be improved.
On the other hand, when the upper limit of each content of Mn, Fe, Si, V is exceeded, and when the total content of Mn, Fe, Si, V exceeds the upper limit of 50 mass%, the toughness decreases. And become brittle. For this reason, it cannot be used for heat-resistant machine parts.

(金属間化合物相)
本発明Al基合金組織は、体積分率で50〜90%の前記金属間化合物相と、残部が金属Alマトリックスとで構成される。Cr、Fe、Tiを各々を含む前記組成では、Al−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系の二元系を主相とする金属間化合物相が体積分率で50〜90%を占めるようにする。また、Mn、Fe、Siを各々含む前記組成では、Al−Mn−Fe−Si系の四元系を主相とする金属間化合物相が体積分率で50〜90%を占めるようにする。更に、Fe、V、Siを各々含む前記組成では、Al−Fe−V−Si系などの四元系を主相とする金属間化合物相が体積分率で50〜90%を占めるようにする。なお、本発明Al基合金組織において、これら主相に対して、これら主相以外の金属間化合物相を含むことも、Al基合金の特性を阻害しない範囲で許容する。
(Intermetallic compound phase)
The Al-based alloy structure of the present invention is composed of the intermetallic compound phase having a volume fraction of 50 to 90% and the balance being a metal Al matrix. In the composition containing each of Cr, Fe, and Ti, the intermetallic compound phase mainly composed of an Al—Cr, Al—Fe, or Al—Ti binary is 50 to 90% in volume fraction. To occupy. Moreover, in the said composition containing Mn, Fe, and Si, the intermetallic compound phase which makes an Al-Mn-Fe-Si type | system | group quaternary system a main phase occupies 50 to 90% by a volume fraction. Further, in the composition containing Fe, V, and Si, the intermetallic compound phase having a quaternary system such as an Al—Fe—V—Si system as a main phase accounts for 50 to 90% in volume fraction. . In the Al-based alloy structure of the present invention, these main phases are allowed to contain intermetallic compound phases other than these main phases as long as the properties of the Al-based alloy are not impaired.

金属Alマトリックスと金属間化合物相とで構成されているAl基合金において、金属Alマトリックスは軟らかく、金属間化合物相は硬い。Al基合金では、このような、軟らかい金属Alマトリックス中に、硬い金属間化合物相が分散した組織となっている。そして、この硬い金属間化合物相が、Al基合金に、耐熱性と耐磨耗性、また、高温疲労強度を持たせる主相となる。一方、軟らかい金属Alマトリックスは、これら硬い金属間化合物相のバインダー、あるいは、これら硬い金属間化合物相の土台となって、金属間化合物相の機能を発揮させる役割を担う。   In an Al-based alloy composed of a metal Al matrix and an intermetallic compound phase, the metal Al matrix is soft and the intermetallic compound phase is hard. The Al-based alloy has a structure in which hard intermetallic compound phases are dispersed in such a soft metal Al matrix. This hard intermetallic compound phase becomes the main phase that gives the Al-based alloy heat resistance, wear resistance, and high temperature fatigue strength. On the other hand, the soft metal Al matrix serves as a binder for these hard intermetallic compound phases, or serves as a foundation for these hard intermetallic compound phases and plays a role of exerting the functions of the intermetallic compound phases.

金属間化合物の量が少ないときには、金属間化合物は単独で存在しているものが多いが、本発明Al基合金のように、体積分率を50%以上と、金属間化合物の量を多くすると、複数の金属間化合物が互いに隣接して集合体(連続体:金属間化合物相)を形成しやすくなる。このため、Al基合金に、耐熱性と耐磨耗性、また、高温疲労強度を持たせる主相としての機能をより発揮しやすくなり、特に、高温疲労強度が向上する。   When the amount of intermetallic compound is small, many intermetallic compounds exist alone, but when the volume fraction is 50% or more and the amount of intermetallic compound is increased as in the Al-based alloy of the present invention. A plurality of intermetallic compounds are adjacent to each other to easily form an aggregate (continuous body: intermetallic compound phase). For this reason, it becomes easy to exhibit the function as a main phase which gives Al base alloy heat resistance and abrasion resistance, and high temperature fatigue strength, and especially high temperature fatigue strength improves.

また、体積分率を50%以上と金属間化合物の量を多くして、上記金属間化合物相を形成すると、これら金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さの平均を小さくできる。   Further, when the volume fraction is 50% or more and the amount of the intermetallic compound is increased to form the intermetallic compound phase, the average of the maximum length of the pool of the metal Al divided by the intermetallic compound phase Can be reduced.

前記金属間化合物相の体積分率が50%未満では、Al基合金に、耐熱性と耐磨耗性、また、高温疲労強度を持たせる主相となる金属間化合物相が不足し、これらの特性が低下する。また、金属間化合物相の量が少なくなる一方で、金属Alの体積分率が大きくなり、金属間化合物相にて区切られた金属プールの大きさが必然的に大きくなる。この結果、前記金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さの平均も、必然的に40μmを超えて大きくなる。このため、耐熱性と耐磨耗性、また、特に高温疲労強度が低くなる。   If the volume fraction of the intermetallic compound phase is less than 50%, the Al-based alloy lacks heat resistance and wear resistance, and the intermetallic compound phase that is the main phase for imparting high-temperature fatigue strength. Characteristics are degraded. Further, while the amount of the intermetallic compound phase is reduced, the volume fraction of the metal Al is increased, and the size of the metal pool divided by the intermetallic compound phase is necessarily increased. As a result, the average of the maximum length of the metal Al pool partitioned by the intermetallic compound phase inevitably increases beyond 40 μm. For this reason, heat resistance and wear resistance, and particularly high temperature fatigue strength are lowered.

一方、前記金属間化合物相の体積分率が90%を超えた場合、金属Alの量が少なくなりすぎ、Al基合金の靱性が低下して、脆くなる。このため、耐熱Al基合金として使用できなくなる。   On the other hand, when the volume fraction of the intermetallic compound phase exceeds 90%, the amount of metal Al becomes too small, and the toughness of the Al-based alloy is lowered and becomes brittle. For this reason, it cannot be used as a heat-resistant Al-based alloy.

(金属間化合物の平均サイズ)
なお、金属間化合物相を形成する個々の金属間化合物(金属間化合物粒子)の平均サイズは小さいほど好ましい。金属間化合物の平均サイズが大きくなった場合には、Al基合金の靱性が低下する。この目安として、前記金属間化合物の平均サイズは10μm以下であることが好ましい。
(Average size of intermetallic compounds)
In addition, it is so preferable that the average size of each intermetallic compound (intermetallic compound particle | grains) which forms an intermetallic compound phase is small. When the average size of the intermetallic compound increases, the toughness of the Al-based alloy decreases. As a guide, the average size of the intermetallic compound is preferably 10 μm or less.

(金属Alのプールの最大長さ)
本発明耐熱性Al基合金では、特に、高温疲労特性を向上させるために、前記金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さの平均を40μm以下とする。
(Maximum length of metal Al pool)
In the heat-resistant Al-based alloy of the present invention, in particular, in order to improve high-temperature fatigue characteristics, the average of the maximum length of the metal Al pool partitioned by the intermetallic compound phase is set to 40 μm or less.

金属Alマトリックス中に金属間化合物相が分散した組織となっているAl基合金の場合に、前記金属間化合物相にて区切られた金属Alのプールの大きさが大きくなるほど、前記した通り、耐熱機械部品としてのAl基合金使用中に、強度の低い金属Alのプール部分に応力が集中する。このように、強度の低い金属Alのプール部分に高温で応力が集中した場合、高温疲労特性は当然低下してしまう。   In the case of an Al-based alloy having a structure in which an intermetallic compound phase is dispersed in a metallic Al matrix, as the size of the pool of metallic Al separated by the intermetallic compound phase increases, as described above, During the use of an Al-based alloy as a machine part, stress concentrates on a pool portion of low-strength metal Al. Thus, when stress is concentrated at a high temperature in a pool portion of low-strength metal Al, the high-temperature fatigue characteristics naturally deteriorate.

また、前記金属Alのプールの大きさが大きくなるほど、前記した通り、Al基合金組織における金属Alのプールと金属間化合物相の分散状態も、どうしても不均一とならざるを得ない。このため、Al基合金組織において、金属間化合物相が集中する部分と、金属間化合物相が無い、あるいは疎となる部分とが多く生じる。このように、硬い金属間化合物相と軟らかい金属Alのプールとが不均一に分散する結果、高サイクルの疲労など、製品Al基合金に、引張り−圧縮の繰返し応力が高温で付与された場合には、疲労強度は著しく低くならざるを得ない。また、耐熱性や耐磨耗性も低くならざるを得ない。   As the size of the metal Al pool increases, the dispersion state of the metal Al pool and intermetallic compound phase in the Al-based alloy structure inevitably becomes nonuniform. For this reason, in the Al-based alloy structure, there are many portions where the intermetallic compound phase is concentrated and portions where the intermetallic compound phase is absent or sparse. As described above, when the hard intermetallic compound phase and the soft metal Al pool are dispersed non-uniformly, high-cycle fatigue, etc., when tensile-compressive cyclic stress is applied to the product Al-based alloy at a high temperature. The fatigue strength must be extremely low. In addition, heat resistance and wear resistance must be lowered.

この傾向は、前記金属Alのプールの大きさが大きくなって、この金属Alのプールの最大長さの平均が40μmを超えた場合に顕著となる。したがって、本発明では、前記金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さの平均を40μm以下とする。   This tendency becomes conspicuous when the size of the metal Al pool increases and the average maximum length of the metal Al pool exceeds 40 μm. Therefore, in the present invention, the average of the maximum length of the pool of metal Al divided by the intermetallic compound phase is set to 40 μm or less.

金属間化合物相の体積分率が少なすぎるか、金属Alの体積分率が大きくなりすぎる場合に、前記金属間化合物相にて区切られた軟らかい金属Alのプールの大きさは、最大長さの平均40μmを超えて大きくなりやすい。   When the volume fraction of the intermetallic compound phase is too small or the volume fraction of the metallic Al is too large, the size of the soft metal Al pool partitioned by the intermetallic compound phase is the maximum length. It tends to be larger than an average of 40 μm.

また、たとえ金属間化合物相の体積分率が多くても、スプレイフォーミング法など急冷凝固法により得られたままの、プリフォーム体などのAl基合金組織では、金属Alのプールの大きさが最大長さの平均40μmを超えて大きくなりやすい。これは、急冷凝固法により得られたプリフォーム体などのAl基合金を、更にCIPやHIPで固化成型した場合でも同様である。   Moreover, even if the volume fraction of the intermetallic compound phase is large, the Al-based alloy structure such as a preform body that has been obtained by a rapid solidification method such as a spray forming method has the largest metal Al pool size. It tends to be larger than the average length of 40 μm. This is the same even when an Al-based alloy such as a preform body obtained by the rapid solidification method is further solidified and molded by CIP or HIP.

このため、金属間化合物相の体積分率を多くした上で、前記金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さの平均を40μm以下とするためには、急冷凝固法により得られたAl基合金を、熱間にて、鍛造、押出、圧延のいずれかで加工するこれらの熱間加工(塑性加工)によって、Al基合金組織における、金属Alのプールの大きさが微細化されるとともに、金属Alのプールと金属間化合物相とが、微細均一に分散される。なお、前記HIPあるいはCIPでは、このような金属Alのプールの微細化効果は無い。 Therefore, in order to increase the volume fraction of the intermetallic compound phase and to make the average maximum length of the pool of metal Al partitioned by the intermetallic compound phase 40 μm or less, a rapid solidification method The Al-based alloy obtained by the above is processed by any one of forging, extrusion, and rolling while hot . By these hot working (plastic working), the size of the metal Al pool in the Al-based alloy structure is refined, and the metal Al pool and the intermetallic compound phase are finely and uniformly dispersed. In the HIP or CIP, there is no such effect of refining the metal Al pool.

(金属Alのプールの最大長さ測定)
本発明では、測定誤差を少なくして再現性あるものとするために、前記金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さを、目安として、最大長さが20μm以上のレベルにある場合には、500倍の走査型電子顕微鏡(SEM)にて、また、最大長さが20μm以下のレベルにある場合には、1000倍の走査型電子顕微鏡(SEM)にて、後述する実施例にて詳細を記載する通り、測定する。このSEMの倍率は、金属Alのプールの最大長さに応じて決めており、倍率が大き過ぎると、視野の大きさが前記金属Alのプールの最大長さよりも小さくなり、倍率が小さ過ぎると、金属Alのプール自体の識別が不明瞭となる。
(Maximum length measurement of metal Al pool)
In the present invention, in order to reduce the measurement error and be reproducible, the maximum length is 20 μm or more with the maximum length of the pool of the metal Al partitioned by the intermetallic compound phase as a guide. If it is at the level, it will be described later with a 500 × scanning electron microscope (SEM). If the maximum length is at a level of 20 μm or less, it will be described later with a 1000 × scanning electron microscope (SEM). Measure as described in detail in the examples. The magnification of this SEM is determined according to the maximum length of the metal Al pool. If the magnification is too large, the size of the field of view will be smaller than the maximum length of the metal Al pool, and if the magnification is too small. The identification of the metal Al pool itself becomes unclear.

図1、2は、各々耐熱Al基合金の500倍のSEMによる組織写真である。図1は、金属Alのプールの最大長さの平均が40μm以下である、本発明耐熱Al基合金(後述する実施例表3における発明例2)である。一方、図2は、金属Alのプールの最大長さの平均が40μmを超える比較例耐熱Al基合金(後述する実施例表3における比較例8)である。図1、2において、多数の白い点々が金属間化合物(粒子)であり、黒い筋状の模様が、金属Alのプール部分(Alマトリックッス部分)である。   FIGS. 1 and 2 are photographs of the structure of each heat-resistant Al-based alloy by 500 times SEM. FIG. 1 is a heat-resistant Al-based alloy of the present invention (Invention Example 2 in Example Table 3 to be described later) in which the average maximum length of the metal Al pool is 40 μm or less. On the other hand, FIG. 2 shows a comparative heat-resistant Al-based alloy (Comparative Example 8 in Example Table 3 described later) in which the average maximum length of the metal Al pool exceeds 40 μm. 1 and 2, a large number of white dots are intermetallic compounds (particles), and the black streak pattern is a pool portion (Al matrix portion) of metal Al.

図1、2において、多数の白い点々が金属間化合物(粒子)であり、黒い筋状の模様が、金属Alのプール部分(Alマトリックッス部分)である。図3の視野内にある黒い筋状の模様である金属Alのプール部分の最大長さは小さく、図4の視野内にある黒い筋状の模様である金属Alのプール部分の最大長さは大きいことが分かる。本発明耐熱Al基合金では、この視野内にある黒い筋状の模様である、個々の(各)金属Alのプール部分の最も長い部分を、後述する通り計測して平均化する。   1 and 2, a large number of white dots are intermetallic compounds (particles), and the black streak pattern is a pool portion (Al matrix portion) of metal Al. The maximum length of the metal Al pool portion that is a black streaky pattern in the visual field of FIG. 3 is small, and the maximum length of the metal Al pool portion that is a black streaky pattern in the visual field of FIG. You can see that it ’s big. In the heat-resistant Al-based alloy of the present invention, the longest portion of each (each) metal Al pool portion, which is a black streak pattern in this field of view, is measured and averaged as described later.

図1の通り、本発明Al基合金では、金属間化合物相を、体積分率を50%以上と多くしているので、複数の(個々の)金属間化合物(粒子)が互いに隣接して集合体(連続体)、即ち、金属間化合物相を形成しているのが分かる。言い換えると、金属Alのプール部分が、細かく、金属間化合物相によって区切られている(仕切られている)ことが分かる。そして、このような金属間化合物相が多く、金属Alのプール部分が細かい組織状態が、Al基合金の耐熱性と耐磨耗性、また、高温疲労強度を保障する。   As shown in FIG. 1, in the Al-based alloy of the present invention, the intermetallic compound phase has a volume fraction of 50% or more, so a plurality of (individual) intermetallic compounds (particles) are aggregated adjacent to each other. It can be seen that a body (continuous body), that is, an intermetallic compound phase is formed. In other words, it can be seen that the pool portion of the metal Al is finely divided (partitioned) by the intermetallic compound phase. And, such an intermetallic compound phase is abundant and the microstructure state of the metal Al pool portion ensures the heat resistance and wear resistance of the Al-based alloy and the high temperature fatigue strength.

(製造方法)
以下に、本発明Al基合金の製造方法を説明する。本発明Al基合金は、合金元素量が多いために、金属間化合物相を多く析出させるために、通常の溶解鋳造方法ではなく、急冷凝固法によって、プリフォーム体を制作するまた、急冷凝固法のうち、スプレイフォーミング法で製造される。
(Production method)
Below, the manufacturing method of this invention Al group alloy is demonstrated. Since the Al-based alloy of the present invention has a large amount of alloying elements, a preform body is produced by a rapid solidification method instead of a usual melt casting method in order to precipitate a large amount of intermetallic compound phases . Also, of the rapid solidification, it is produced by the scan play forming method.

スプレイフォーミング法は、通常の溶解鋳造法( インゴットメイキング) よりも、格段に速い冷却・凝固速度を有するために、各金属間化合物相を多量に、かつ微細に、組織中に析出させることができる。また、Cr、Fe、Tiを各々含む組成では、Al−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系などの金属間化合物相のいずれかに、当該金属間化合物を構成する元素以外のいずれかの元素を強制固溶させて、Al基合金の耐熱性と耐磨耗性とをより向上させることができる。   The spray forming method has a much faster cooling and solidification rate than the usual melting and casting method (ingot making), so that each intermetallic compound phase can be precipitated in the structure in a large amount and finely. . Moreover, in the composition containing Cr, Fe, and Ti, any one of elements other than the elements constituting the intermetallic compound may be present in any of the intermetallic compound phases such as Al—Cr, Al—Fe, and Al—Ti. These elements can be forcibly dissolved to improve the heat resistance and wear resistance of the Al-based alloy.

但し、スプレイフォーミング法でも、その冷却・凝固速度の最適化は必要である。スプレイフォーミング法による好ましい態様は、上記本発明成分組成のAl合金を、溶解温度1100〜1600℃で溶製した後、溶湯のスプレイを開始して、スプレイフォーミング法によりプリフォームを作製する。   However, it is necessary to optimize the cooling and solidification rate even in the spray forming method. In a preferred embodiment by the spray forming method, the Al alloy having the composition of the present invention is melted at a melting temperature of 1100 to 1600 ° C., then spraying of the molten metal is started, and a preform is produced by the spray forming method.

溶解温度を1100℃以上としたのは、上記本発明成分組成のAl合金において、各金属間化合物相を完全に溶解させるためである。また、各合金元素の含有量が多いほど、各金属間化合物相を完全に溶解させるためには、溶解温度を1100℃以上のより高い温度とすることが好ましいが、1600℃を超える温度とする必要は無い。   The reason why the melting temperature is set to 1100 ° C. or higher is to completely dissolve each intermetallic compound phase in the Al alloy having the composition of the present invention. Moreover, in order to dissolve each intermetallic compound phase completely as the content of each alloy element increases, the melting temperature is preferably higher than 1100 ° C., but the temperature exceeds 1600 ° C. There is no need.

溶湯のスプレイを開始する際、好ましくは、前記溶湯を、スプレイ開始温度まで100℃/h以上の冷却速度で冷却し、その後900〜1200℃で、この溶湯のスプレイを開始する。前記高温で溶解するのは、金属間化合物相を完全に溶解させるためであるが、ここで一旦溶湯を冷却してからスプレイを開始するのは、金属間化合物をある程度晶出させることや、晶出した金属間化合物を核として、スプレイフォーミング中に、他の金属間化合物を微細に晶出させる効果があるためである。また、低温からスプレイを開始すると、スプレイの冷却速度を上げ、晶出する金属間化合物が更に微細化される効果がある。   When the molten metal spray is started, the molten metal is preferably cooled to a spray start temperature at a cooling rate of 100 ° C./h or more, and then the molten metal spray is started at 900 to 1200 ° C. The reason for melting at the high temperature is to completely dissolve the intermetallic compound phase, but here, after the molten metal is once cooled, the spraying is started to crystallize the intermetallic compound to some extent, This is because there is an effect of finely crystallizing other intermetallic compounds during spray forming using the intermetallic compound as a nucleus. Moreover, when spraying is started from a low temperature, there is an effect that the spray cooling rate is increased and the intermetallic compound to be crystallized is further refined.

溶湯のスプレイ開始温度までの前記冷却速度が100℃/h未満では、上記した、スプレイ開始までに、金属間化合物をある程度晶出させることや、晶出した金属間化合物を核として、スプレイフォーミング中に、他の金属間化合物を微細に晶出させることができず、晶出する金属間化合物を微細化できない可能性が高い。   When the cooling rate to the spray start temperature of the molten metal is less than 100 ° C./h, during the spray forming, the intermetallic compound is crystallized to some extent before the spray starts, and the crystallized intermetallic compound is used as a nucleus. In addition, it is highly possible that other intermetallic compounds cannot be crystallized finely and the intermetallic compounds to be crystallized cannot be miniaturized.

溶湯のスプレイ開始温度は、スプレイ過程(スプレイフォーミング過程)における、冷却・晶出速度に影響する。即ち、溶湯のスプレイ開始温度は、低温の方が冷却速度を速くしやすい。しかし、スプレイ開始温度が900℃未満では、スプレイ過程前に、溶湯中に金属間化合物が晶出してしまい、ノズルが閉塞しやすくなる。一方、スプレイ開始温度が1200℃を超えると、スプレイ過程中での冷却速度が遅くなり、金属間化合物が粗大化しやすく、特に、後述する熱間加工によって、最終的なAl基合金組織における、金属Alのプールの最大長さが粗大化する可能性が高い。   The spray start temperature of the molten metal affects the cooling and crystallization speed in the spray process (spray forming process). That is, the lower the spray start temperature of the molten metal, the easier the cooling rate. However, if the spray start temperature is less than 900 ° C., the intermetallic compound is crystallized in the molten metal before the spray process, and the nozzle is likely to be blocked. On the other hand, if the spray start temperature exceeds 1200 ° C., the cooling rate during the spray process becomes slow, and the intermetallic compound tends to be coarsened. In particular, the metal in the final Al-based alloy structure by hot working described later. The maximum length of the Al pool is likely to be coarse.

スプレイ過程(スプレイフォーミング過程)では、冷却速度を十分に速くすることが重要となる。冷却速度を十分に速くすると、金属間化合物の晶出核生成頻度が多くなるために金属間化合物粒子の粗大化を防止でき、金属間化合物相を微細化できる。また、金属間化合物粒子が微細かされるために、隣接粒と接触する頻度も小さくなり、金属間化合物相の外郭寸法も小さくできる。   In the spray process (spray forming process), it is important to sufficiently increase the cooling rate. When the cooling rate is sufficiently high, the frequency of crystallization nucleation of the intermetallic compound increases, so that coarsening of the intermetallic compound particles can be prevented and the intermetallic compound phase can be refined. Further, since the intermetallic compound particles are made fine, the frequency of contact with adjacent grains is reduced, and the outer dimensions of the intermetallic compound phase can be reduced.

なお、一般のスプレイフォーミング法では、強度向上のためにプリフォームを緻密化する方向を重視している。このため、緻密なプリフォームを形成できる程度の緩い凝固状態を形成するために、冷却速度を遅くしている。この結果、一般のスプレイフォーミング法では、微細な金属間化合物相は形成され難い。例えば前記特許文献4のように、プリフォームの気孔率が1質量%以下となっているような場合には、明らかに、冷却速度が遅すぎ、必然的に本発明のような微細な金属間化合物相は得られず、金属間化合物相が粗大となっている。   In the general spray forming method, the direction of densifying the preform is emphasized in order to improve the strength. For this reason, in order to form a loose solidified state that can form a dense preform, the cooling rate is reduced. As a result, in a general spray forming method, a fine intermetallic compound phase is hardly formed. For example, in the case where the porosity of the preform is 1% by mass or less as in Patent Document 4, the cooling rate is obviously too slow and inevitably the fine metal interstices as in the present invention. The compound phase is not obtained, and the intermetallic compound phase is coarse.

スプレイフォーミングにおける(スプレイ過程中の)冷却速度は、例えば、ガス/メタル比(G/M比:単位質量あたりの溶湯に吹き付けるガスの量)によって制御できる。本発明では、G/M比が高いほど、冷却速度を速くでき、微細な金属間化合物が得られ、後述する熱間加工によって、最終的にAl基合金組織における、金属Alのプールの最大長さの平均を40μm以下とできる。また、金属間化合物相に、前記した金属間化合物を構成する以外の元素を強制固溶させられる。   The cooling rate in spray forming (during the spray process) can be controlled by, for example, the gas / metal ratio (G / M ratio: the amount of gas sprayed on the molten metal per unit mass). In the present invention, the higher the G / M ratio, the faster the cooling rate and the finer intermetallic compound can be obtained. The maximum length of the metal Al pool in the Al-based alloy structure is finally obtained by hot working described later. The average thickness can be 40 μm or less. In addition, elements other than those constituting the intermetallic compound can be forcibly dissolved in the intermetallic compound phase.

これらの条件を満足するG/M比の下限は、例えば、3Nm 3/kg以上、好ましくは5Nm 3/kg以上、さらに好ましくは6Nm3 /kg以上であり、G/M比の上限は、例えば、20Nm3 /kg以下、好ましくは15Nm3 /kg以下とすることが推奨される。これよりG/M比が小さい (冷却速度が遅い) と、金属間化合物が粗大化しやすく、また、後述する熱間加工によっても、Al基合金組織における、金属Alのプールの最大長さの平均を40μm以下とできない可能性が高い。 The lower limit of the G / M ratio that satisfies these conditions is, for example, 3 Nm 3 / kg or more, preferably 5 Nm 3 / kg or more, more preferably 6 Nm 3 / kg or more. The upper limit of the G / M ratio is, for example, 20 Nm 3 / kg or less, preferably 15 Nm 3 / kg or less is recommended. If the G / M ratio is smaller than this (the cooling rate is slow), the intermetallic compound tends to be coarsened, and the average of the maximum length of the metal Al pool in the Al-based alloy structure is also obtained by hot working described later Is not likely to be 40 μm or less.

このようなスプレイフォーミング法より得られたAl基合金は、このAl基合金プリフォーム体を一旦真空容器中に密封した状態でHIP処理を行なって緻密化するか、あるいは、そのままのプリフォーム体の状態で、熱間にて、鍛造、押出、圧延のいずれかで加工する。また、前記急冷粉末冶金法によって得られた粉末も、CIPやHIPで一旦固化成型したAl基合金(プリフォーム体)を、上記熱間加工する。   The Al-based alloy obtained by such a spray forming method is either densified by performing HIP treatment in a state where the Al-based alloy preform is once sealed in a vacuum vessel, or the preform of the preform as it is. In the state, it is hot and processed by forging, extrusion, or rolling. Further, the powder obtained by the rapid powder metallurgy is also hot-worked with an Al-based alloy (preform body) once solidified with CIP or HIP.

なお、上記熱間静水圧プレス処理(HIP処理;Hot Isostatic Pressing)における条件は、特に限定されないが、真空容器中にプリフォームを密封した状態で、例えば、温度450〜600℃、圧力80MPa(800気圧)以上、時間1〜10hrでの処理条件が推奨される。温度及び圧力が低すぎたり時間が短すぎると気孔が残留し易くなり、温度が高すぎたり時間が長すぎると、金属間化合物相が粗大化しやすくなるためである。好ましい温度範囲は、500〜600℃程度、特に550〜600℃程度である。好ましい圧力は、900MPa以上、特に1000MPa以上である。なお圧力の上限は特に限定されないが、圧力をかけすぎても効果が飽和するため、通常2000MPa以下とする。好ましい時間は、1〜5hr程度、特に1〜3hr程度である。   The conditions in the hot isostatic pressing (HIP treatment) are not particularly limited, but the preform is sealed in a vacuum vessel, for example, a temperature of 450 to 600 ° C., a pressure of 80 MPa (800 Atmospheric pressure) or more, treatment conditions for 1 to 10 hours are recommended. This is because pores tend to remain if the temperature and pressure are too low or the time is too short, and if the temperature is too high or the time is too long, the intermetallic compound phase tends to become coarse. A preferred temperature range is about 500 to 600 ° C, particularly about 550 to 600 ° C. A preferable pressure is 900 MPa or more, particularly 1000 MPa or more. The upper limit of the pressure is not particularly limited, but the effect is saturated even if the pressure is excessively applied, and is usually 2000 MPa or less. A preferable time is about 1 to 5 hr, particularly about 1 to 3 hr.

前記した、鍛造、押出、圧延のいずれかの熱間加工(塑性加工)によって、Al基合金組織における、金属Alのプールの大きさが微細化されるとともに、金属Alのプールと金属間化合物相とが、微細均一に分散される。また、Alマトリックス中に固溶する前記添加元素の固溶量が確保され、析出している金属間化合物粒子の粗大化を防止できる。   As described above, the hot working (plastic working) of any one of forging, extruding, and rolling reduces the size of the metal Al pool in the Al-based alloy structure, and the metal Al pool and intermetallic compound phase. Are dispersed finely and uniformly. Moreover, the solid solution amount of the additive element dissolved in the Al matrix is ensured, and the coarsening of the precipitated intermetallic compound particles can be prevented.

これらの熱間加工を行なわない、前記CIPやHIP処理ままでは、緻密化はされるものの、Al基合金組織における、金属Alのプールの最大長さが本発明規定のように微細化されない。   If the CIP or HIP treatment is not performed, the densification is performed, but the maximum length of the metal Al pool in the Al-based alloy structure is not refined as defined in the present invention.

ただ、鍛造、押出、圧延の熱間加工における加工温度は、420〜500℃の範囲と、本発明における好ましい合金系としては、比較的低くすることが好ましい。また、これら熱間加工における加工率は70%以上と比較的高く、歪み速度は10-4〜10-1 (1/s) の範囲とすることが好ましい。このような加工条件で熱間加工すると、上記した効果が再現性良く得られる。 However, the processing temperature in hot working such as forging, extrusion, and rolling is preferably in the range of 420 to 500 ° C. and a relatively low alloy system in the present invention. Further, the processing rate in these hot workings is relatively high as 70% or more, and the strain rate is preferably in the range of 10 −4 to 10 −1 (1 / s). When hot working is performed under such processing conditions, the above-described effects can be obtained with good reproducibility.

また、熱間加工に際して、上記した効果が再現性良く得るためには、Al基合金のプリフォーム体(CIPやHIP処理後)の前記高温での保持時間は、熱間加工に際しての加熱や均質化処理、熱間加工時間、熱間加工後の冷却時間を含めて、3時間以上とすることが好ましい。ただ、この高温での保持時間は、通常の熱間加工であれば、3時間以上となる。   In order to obtain the above-mentioned effects with good reproducibility during hot working, the holding time of the Al-based alloy preform (after CIP or HIP treatment) at the high temperature is the same as that during hot working. It is preferable to set it to 3 hours or more including the heat treatment time, hot working time, and cooling time after hot working. However, the holding time at this high temperature is 3 hours or more in the case of normal hot working.

一方、この加工条件から外れて、加工温度が低過ぎる、加工率や歪み速度が小さ過ぎる、前記高温での保持時間が短過ぎると、熱間加工による上記効果が達成できない可能性が高い。また、加工温度や歪み速度がこれより大き過ぎると、金属間化合物相が析出して、Alマトリックス中に固溶する前記添加元素の固溶量が確保できなくなるとともに、金属間化合物自体が粗大化する可能性が高い。   On the other hand, if the processing temperature is too low, the processing temperature is too low, the processing rate or the strain rate is too low, or the holding time at the high temperature is too short, the above-described effects due to hot processing are unlikely to be achieved. If the processing temperature and strain rate are too high, an intermetallic compound phase precipitates, making it impossible to secure the solid solution amount of the additive element that dissolves in the Al matrix, and the intermetallic compound itself becomes coarse. There is a high possibility of doing.

このように熱間加工されたAl基合金は、そのまま、あるいは、機械加工など適宜の処理が施されて、製品Al基合金とされる。   The Al-based alloy thus hot-worked is used as it is or after appropriate processing such as machining to obtain a product Al-based alloy.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. Of course, it is possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.

下記表1に示すA〜Gの成分組成のAl合金の溶湯を、表2に示す溶解温度で溶解し、この溶湯をスプレイ開始温度まで100℃/h以上の冷却速度で冷却し、その後表2に示す温度で溶湯のスプレイを開始して、表2に示すG/M比でスプレイフォーミング(使用ガス:N2 )し、種々のプリフォームを作製した。
表1において、A〜EはCr−Fe−Ti系組成、FはMn−Fe−Si系組成、GはFe−V−Si系組成である。
The molten alloys of the Al alloys having the component compositions A to G shown in Table 1 below are melted at the melting temperatures shown in Table 2, and the molten metal is cooled to the spray start temperature at a cooling rate of 100 ° C./h or more, and then Table 2 Spraying of the molten metal was started at the temperature shown in FIG. 2 and spray forming (gas used: N 2 ) at the G / M ratio shown in Table 2 to prepare various preforms.
In Table 1, A to E are Cr—Fe—Ti based compositions, F is a Mn—Fe—Si based composition, and G is a Fe—V—Si based composition.

得られた各プリフォーム(表2に示す例1〜7、例10〜15)を、HIP処理後に、表2に示す、加熱温度条件、歪み速度、加工率条件で、丸棒に熱間鍛造加工した。この際の、前記した高温保持時間は、加熱時間を含めて5時間以上であった。なお、表2に示す比較例8、9は、熱間鍛造加工せず、HIP処理ままとした。これら一連の熱間鍛造加工における400℃以上の温度での保持時間は約5時間である。   Each of the obtained preforms (Examples 1 to 7 and Examples 10 to 15 shown in Table 2) was hot-forged into a round bar under the heating temperature conditions, strain rate, and processing rate conditions shown in Table 2 after the HIP treatment. processed. In this case, the above-described high temperature holding time was 5 hours or more including the heating time. In Comparative Examples 8 and 9 shown in Table 2, the hot forging process was not performed and the HIP treatment was left as it was. In these series of hot forging processes, the holding time at a temperature of 400 ° C. or higher is about 5 hours.

HIP処理は、各プリフォームをSUS製の缶に装填し、13kPa(100Torr)以下に減圧した状態で、温度575℃で2時間保持して脱気し、缶を密封してカプセルを形成した。得られたカプセルをHIP処理[温度:550℃、圧力:100MPa(1000気圧)、保持時間:2時間]した。なお、これら一連のHIP処理における500℃以上の温度での保持時間は約5時間である。   In the HIP treatment, each preform was loaded into a SUS can, depressurized to 13 kPa (100 Torr) or less, held at a temperature of 575 ° C. for 2 hours, degassed, and the can was sealed to form a capsule. The obtained capsule was subjected to HIP treatment [temperature: 550 ° C., pressure: 100 MPa (1000 atm), holding time: 2 hours]. In this series of HIP processes, the holding time at a temperature of 500 ° C. or higher is about 5 hours.

これら熱間鍛造加工後のAl基合金およびHIP処理後の試験材の特性を以下のようにして評価した。これらの結果を各々表3に示す。   The characteristics of the Al-based alloy after hot forging and the test material after HIP treatment were evaluated as follows. These results are shown in Table 3, respectively.

(金属Alのプールの最大長さ)
金属Alのプールの最大長さ(μm)の測定は、試験材を鏡面研磨し、研磨面の組織を、前記した通り、最大長さレベルに応じて、500倍または1000倍のSEM(日立製作所製:S4500型電界放出型走査電子顕微鏡FE−SEM:Field Emissionn Scanninng Electron Microscoppy)により、約200μm×約150μm程度の大きさの各10視野のAl基合金の組織観察した。この反射電子像の観察により、金属Alプール(金属Al相)は、前記図1のように、黒い像として観察される。
(Maximum length of metal Al pool)
The maximum length (μm) of the metal Al pool is measured by mirror-polishing the test material, and the structure of the polished surface is 500 times or 1000 times SEM (Hitachi, Ltd.) depending on the maximum length level as described above. Manufactured by S4500 type field emission scanning electron microscope FE-SEM: The structure of the Al-based alloy with about 10 fields of about 200 μm × about 150 μm was observed. By observing the reflected electron image, the metal Al pool (metal Al phase) is observed as a black image as shown in FIG.

そして、視野内のこれら黒い像の領域をトレースし、画像解析のソフトウエアとして、MEDIACYBERNETICS社製のImage-ProPlus を用いて、各金属Alのプール(黒い像)の最大長さ(重心直径の最大値)を画像解析により求めた。測定対象とする、視野内の金属Alプールの最大長さは1μm以上とし、この1μm以上の全ての金属Alプールの最大長さを各々求めて、視野内の金属Alプールの最大長さとして平均化した。なお、金属Alプールの最大長さが1μm未満のものは測定が困難であり、却って誤差を生じるために、測定対象から外して足切りした。そして、この観察を10視野で行い、更に平均化した。なお、組織観察においては、SEM写真における金属Al相と金属間化合物相との区別をEDX(Kevex社製、Sigmaエネルギー分散型X線検出器:energy dispersive X- ray spectrometer)によって行った。また、金属間化合物相を明瞭に観察するため、上記反射電子により観察した。   Then, these black image areas in the field of view are traced, and the maximum length of each metal Al pool (black image) (maximum center-of-gravity diameter) using Image-ProPlus made by MEDIACYBERNETICS as image analysis software Value) was determined by image analysis. The maximum length of the metal Al pool in the field of view to be measured is 1 μm or more, and the maximum lengths of all the metal Al pools of 1 μm or more are obtained and averaged as the maximum length of the metal Al pool in the field of view. Turned into. In addition, when the maximum length of the metal Al pool was less than 1 μm, it was difficult to measure. On the other hand, an error was generated. And this observation was performed in 10 visual fields and further averaged. In the structure observation, the metal Al phase and the intermetallic compound phase in the SEM photograph were distinguished by EDX (manufactured by Kevex, Sigma energy dispersive X-ray detector). Moreover, in order to observe the intermetallic compound phase clearly, it observed with the said reflected electron.

(金属間化合物相の体積分率)
Al基合金組織の金属間化合物相の体積分率は、前記金属Alのプールの最大長さの測定方法と同様に、SEMにより各10視野のAl基合金の組織観察および画像処理した視野内の組織の、金属Al相と金属間化合物相との区別を、上記EDXによって行った上で、視野内の金属間化合物相の体積分率を測定した。また、金属Alプールの最大長さが1μm未満のものは測定対象から外して足切りした。
(Volume fraction of intermetallic compound phase)
The volume fraction of the intermetallic compound phase of the Al-based alloy structure is the same as the measurement method of the maximum length of the metal Al pool. After distinguishing between the metallic Al phase and the intermetallic compound phase by the EDX, the volume fraction of the intermetallic compound phase in the visual field was measured. Further, the metal Al pool having a maximum length of less than 1 μm was removed from the measurement target and cut off.

(金属間化合物の平均サイズ)
金属間化合物(金属間化合物粒子)の平均サイズの測定は、5000〜15000倍のTEM(透過型電子顕微鏡)により行なった。即ち、TEMの視野内の観察組織像から、金属間化合物をトレースし、画像解析のソフトウエアとして、MEDIACYBERNETICS社製のImage-ProPlus を用いて、各金属間化合物の重心直径を求め、平均化して求めた。測定対象視野数は10とし、各視野の平均サイズを更に平均化して、金属間化合物の平均サイズとした。ただ、あまり観察倍率が高倍率になり過ぎると、観察箇所による金属間化合物相の疎密の差が大きく、試料全体の状態を表さなくなる。一方、低倍率になり過ぎると、サブμmレベルの金属間化合物相の存在状態を検知できなくなる。このため、更に、EDXを併用することで、金属間化合物相と金属Al相との区別を容易とした。
(Average size of intermetallic compounds)
The average size of the intermetallic compound (intermetallic compound particles) was measured with a TEM (transmission electron microscope) of 5000 to 15000 times. That is, the intermetallic compound is traced from the observed tissue image in the TEM field of view, and the center-of-gravity diameter of each intermetallic compound is obtained and averaged using Image-ProPlus made by MEDIACYBERNETICS as image analysis software. Asked. The number of visual fields to be measured was 10, and the average size of each visual field was further averaged to obtain the average size of the intermetallic compound. However, if the observation magnification becomes too high, the difference in density of the intermetallic compound phase depending on the observation location is large, and the state of the entire sample is not represented. On the other hand, if the magnification is too low, the presence state of the intermetallic compound phase at the sub-μm level cannot be detected. For this reason, by further using EDX, the intermetallic compound phase and the metal Al phase can be easily distinguished.

(金属間化合物相の同定)
前記視野内の各金属間化合物相を、X線回折およびTEMの電子線回折パターンから、金属間化合物相の結晶構造を解析した。その結果、表2の発明例1〜5、比較例8〜12の、Cr−Fe−Ti系Al合金組成を用いた例では、金属間化合物相は、Al−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系の二元系を主相とする金属間化合物と金属Alマトリックスで構成されていることを確認した。
(Identification of intermetallic compound phase)
The crystal structure of each intermetallic compound phase in the field of view was analyzed from the X-ray diffraction and TEM electron diffraction patterns. As a result, in the examples using the Cr—Fe—Ti-based Al alloy compositions of Invention Examples 1 to 5 and Comparative Examples 8 to 12 in Table 2, the intermetallic compound phases are Al—Cr based, Al—Fe based, It was confirmed to be composed of an intermetallic compound having an Al—Ti binary system as a main phase and a metal Al matrix.

また、表2の発明例6のMn−Fe−Si系Al合金組成を用いた例では、金属間化合物相は、Al−Mn−Fe−Si系の四元系を主相とする金属間化合物相と金属Alマトリックスとで構成されていた。更に、表2の発明例7のFe−V−Si系Al合金組成を用いた例では、金属間化合物相は、Al−Fe−V−Si系などの四元系を主相とする金属間化合物相と金属Alマトリックスとで構成されていた。   Moreover, in the example using the Mn-Fe-Si-based Al alloy composition of Invention Example 6 in Table 2, the intermetallic compound phase is an intermetallic compound whose main phase is an Al-Mn-Fe-Si-based quaternary system. It consisted of a phase and a metallic Al matrix. Furthermore, in the example using the Fe—V—Si-based Al alloy composition of Invention Example 7 in Table 2, the intermetallic compound phase is an intermetallic compound whose main phase is a quaternary system such as an Al—Fe—V—Si system. It was composed of a compound phase and a metal Al matrix.

したがって、表3に示す金属間化合物相の体積分率は、Cr−Fe−Ti系Al合金組成を用いた例では、Al−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系の二元系の各金属間化合物の体積分率の総和を表す。また、表2の発明例6のMn−Fe−Si系Al合金組成を用いた例では、Al−Mn−Fe−Si系の四元系の金属間化合物相の体積分率を表す。更に、表2の発明例7のFe−V−Si系Al合金組成を用いた例では、Al−Fe−V−Si系などの四元系の金属間化合物相の体積分率を表す。   Therefore, the volume fraction of the intermetallic compound phase shown in Table 3 is the binary system of Al—Cr, Al—Fe, and Al—Ti in the example using the Cr—Fe—Ti Al alloy composition. Represents the total volume fraction of each intermetallic compound. In the example using the Mn—Fe—Si-based Al alloy composition of Invention Example 6 in Table 2, the volume fraction of the Al—Mn—Fe—Si-based quaternary intermetallic compound phase is represented. Furthermore, in the example using the Fe—V—Si based Al alloy composition of Invention Example 7 in Table 2, the volume fraction of a quaternary intermetallic compound phase such as Al—Fe—V—Si based is represented.

(金属間化合物相への元素の固溶量)
因みに、表2の発明例1〜5、比較例8〜12のCr−Fe−Ti系Al合金組成を用いた例において、Al−Cr系金属間化合物相に固溶したFe、Tiなどの元素の固溶量を測定したところ、程度差はあるが、Fe、Ti含有量の内の、5〜10%程度のFe、Tiが固溶していることを確認した。元素の固溶量測定は、上記TEMおよび、このTEMに付随の、45000倍のEDX(Kevex社製、Sigmaエネルギー分散型X線検出器:energy dispersive X- ray spectrometer)により、前記視野内のAl−Cr系金属間化合物相を各々10点測定し、平均化した。
(Amount of element dissolved in intermetallic compound phase)
Incidentally, in the examples using the Cr—Fe—Ti based Al alloy compositions of Invention Examples 1 to 5 and Comparative Examples 8 to 12 in Table 2, elements such as Fe and Ti dissolved in the Al—Cr based intermetallic phase. As a result of measuring the solid solution amount, it was confirmed that about 5 to 10% of Fe and Ti out of Fe and Ti contents were dissolved. The solid solution amount of the element was measured using the above-mentioned TEM and 45,000 times EDX (Kevex, Sigma energy dispersive X-ray spectrometer) attached to the TEM. -Cr-based intermetallic compound phases were measured at 10 points and averaged.

(高温強度)
これらAl基合金の高温強度を測定した。平行部Φ4×15mmLとした各Al基合金の試験片を400℃に加熱して15分この温度に保持後、試験片をこの温度で高温引張試験を行なった。引張速度は0.5mm/minとし、歪み速度5×10-4(1/s)とした。高温引張強度は250MPa以上のものを高温強度乃至耐熱性が合格として評価した。
(High temperature strength)
The high temperature strength of these Al-based alloys was measured. Each Al-based alloy test piece having a parallel part Φ4 × 15 mmL was heated to 400 ° C. and held at this temperature for 15 minutes, and then the test piece was subjected to a high-temperature tensile test at this temperature. The tensile speed was 0.5 mm / min, and the strain speed was 5 × 10 −4 (1 / s). The high temperature tensile strength or heat resistance of a material having a high temperature tensile strength of 250 MPa or more was evaluated as acceptable.

(耐磨耗性)
高温での耐磨耗性試験は、ピンオンディスク磨耗試験で行なった。ピン材(Φ7mm×15mm長さ、約1g)に各試験材をセットし、磨耗相手側である試験ディスク材はFC200(鋳鉄)とした。試験温度は400℃とし、荷重10kgf、ピンの回転半径0.02mで、回転する前記試験ディスク材に、試験材を、潤滑無しで10分間接触させた。この際の各試験材の摩耗による質量減少率、(試験前質量−試験後質量)/試験材の試験前質量で評価した。この質量の摩耗減少率が0.2g以下のものを高温での耐磨耗性が合格として評価した。
(Abrasion resistance)
The abrasion resistance test at high temperature was performed by a pin-on-disk abrasion test. Each test material was set on a pin material (Φ7 mm × 15 mm length, about 1 g), and the test disk material on the wear partner side was FC200 (cast iron). The test temperature was 400 ° C., the load was 10 kgf, the rotation radius of the pin was 0.02 m, and the test material was brought into contact with the rotating test disk material for 10 minutes without lubrication. The mass reduction rate due to wear of each test material at this time, (mass before test−mass after test) / mass before test of the test material was evaluated. A sample having a mass wear reduction rate of 0.2 g or less was evaluated as being acceptable for wear resistance at high temperatures.

(高温疲労強度)
高温疲労特性は、小野式回転曲げ疲労試験機を用い、平行部Φ8×30mmL、全長90mmLとした各Al基合金の試験片を400℃に加熱して15分この温度に保持後、高温試験片を回転数3000rpm、繰り返し数107 回で高温回転曲げ疲労試験を行ない、疲労強度を求めた。高温疲労強度は110MPa以上のものを高温疲労特性が合格として評価した。
(High temperature fatigue strength)
For high temperature fatigue characteristics, using an Ono-type rotary bending fatigue tester, test pieces of each Al-based alloy with a parallel part Φ8 × 30 mmL and a total length of 90 mmL were heated to 400 ° C. and held at this temperature for 15 minutes. Was subjected to a high-temperature rotational bending fatigue test at a rotational speed of 3000 rpm and a repetition rate of 10 7 times to determine the fatigue strength. A high temperature fatigue strength of 110 MPa or more was evaluated as a passing high temperature fatigue property.

表3から明らかなように、発明例1〜7は、Al基合金組織が、本発明で規定する、体積分率で50〜90%の金属間化合物相と、残部が金属Alマトリックスとで構成されている。そして、金属間化合物相を構成する金属間化合物(粒子)の平均サイズは10μm以下である。また、金属間化合物相にて区切られた金属Alのプールの最大長さの平均が40μm以下である。   As is apparent from Table 3, Invention Examples 1 to 7 are composed of an Al-based alloy structure defined by the present invention in an intermetallic compound phase with a volume fraction of 50 to 90%, and the balance being a metal Al matrix. Has been. And the average size of the intermetallic compound (particle | grains) which comprises an intermetallic compound phase is 10 micrometers or less. Moreover, the average of the maximum length of the pool of metal Al partitioned by the intermetallic compound phase is 40 μm or less.

この結果、発明例1〜7は、表3から明らかなように、400℃の高温での、高温強度、耐摩耗性、高温疲労強度に優れている。   As a result, as shown in Table 3, Invention Examples 1 to 7 are excellent in high temperature strength, wear resistance, and high temperature fatigue strength at a high temperature of 400 ° C.

これに対して、比較例8、9は、HIP処理によって緻密化はされているものの、熱間鍛造加工していない。このため、金属Alのプールの最大長さの平均が40μmを超えて粗大である。この結果、同じ合金を用いた発明例2、3と比較して、高温強度、耐摩耗性、高温疲労強度の内、特に、高温強度と高温疲労強度とが劣っている。   On the other hand, Comparative Examples 8 and 9 are densified by HIP treatment but not hot forged. For this reason, the average of the maximum length of the pool of metal Al exceeds 40 μm and is coarse. As a result, compared with Invention Examples 2 and 3 using the same alloy, high temperature strength and high temperature fatigue strength are particularly inferior among high temperature strength, wear resistance and high temperature fatigue strength.

比較例10は、熱間鍛造加工における加工温度が低過ぎ、加工率も低過ぎる。このため、金属間化合物相にて区切られた金属Alのプールの最大長さの平均が40μmを超えて粗大である。この結果、同じ合金を用いた発明例2と比較して、高温強度、耐摩耗性、高温疲労強度の内、特に、高温強度と高温疲労強度とが劣っている。   In Comparative Example 10, the processing temperature in the hot forging process is too low, and the processing rate is too low. For this reason, the average of the maximum length of the pool of metal Al delimited by the intermetallic compound phase exceeds 40 μm and is coarse. As a result, compared with Invention Example 2 using the same alloy, high temperature strength and high temperature fatigue strength are particularly inferior among high temperature strength, wear resistance, and high temperature fatigue strength.

比較例11は、熱間鍛造加工における加工温度が高過ぎる。このため、金属間化合物相にて区切られた金属Alのプールの最大長さの平均が40μmを超えて粗大である。この結果、同じ合金を用いた発明例2と比較して、高温強度、耐摩耗性、高温疲労強度の内、特に、高温強度と高温疲労強度とが劣っている。   In Comparative Example 11, the processing temperature in the hot forging process is too high. For this reason, the average of the maximum length of the pool of metal Al delimited by the intermetallic compound phase exceeds 40 μm and is coarse. As a result, compared with Invention Example 2 using the same alloy, high temperature strength and high temperature fatigue strength are particularly inferior among high temperature strength, wear resistance, and high temperature fatigue strength.

比較例12は、熱間鍛造加工における歪み速度が小さ過ぎる。このため、金属間化合物相にて区切られた金属Alのプールの最大長さの平均が40μmを超えて粗大である。この結果、同じ合金を用いた発明例2と比較して、高温強度、耐摩耗性、高温疲労強度の内、特に、高温強度と高温疲労強度とが劣っている。   In Comparative Example 12, the strain rate in the hot forging process is too small. For this reason, the average of the maximum length of the pool of metal Al delimited by the intermetallic compound phase exceeds 40 μm and is coarse. As a result, compared with Invention Example 2 using the same alloy, high temperature strength and high temperature fatigue strength are particularly inferior among high temperature strength, wear resistance, and high temperature fatigue strength.

比較例13は、スプレイフォーミングの際のスプレイ開始温度が低過ぎ、金属間化合物が比較的大きい。また、金属間化合物相にて区切られた金属Alのプールの最大長さの平均が40μmを超えている。この結果、同じ合金を用いた発明例2と比較して、高温強度、耐摩耗性、高温疲労強度の内、特に、高温強度と高温疲労強度とが劣っている。   In Comparative Example 13, the spray start temperature during spray forming is too low, and the intermetallic compound is relatively large. Moreover, the average of the maximum length of the pool of metal Al partitioned by the intermetallic compound phase exceeds 40 μm. As a result, compared with Invention Example 2 using the same alloy, high temperature strength and high temperature fatigue strength are particularly inferior among high temperature strength, wear resistance, and high temperature fatigue strength.

比較例14は、スプレイフォーミングの際のG/M比が低過ぎ、冷却速度が不足し、金属間化合物相が比較的大きい。また、金属間化合物相にて区切られた金属Alのプールの最大長さの平均が40μmを超えている。この結果、同じ合金を用いた発明例2と比較して、高温強度、耐摩耗性、高温疲労強度の内、特に、高温強度と高温疲労強度とが劣っている。   In Comparative Example 14, the G / M ratio during spray forming is too low, the cooling rate is insufficient, and the intermetallic compound phase is relatively large. Moreover, the average of the maximum length of the pool of metal Al partitioned by the intermetallic compound phase exceeds 40 μm. As a result, compared with Invention Example 2 using the same alloy, high temperature strength and high temperature fatigue strength are particularly inferior among high temperature strength, wear resistance, and high temperature fatigue strength.

比較例15は、熱間鍛造の際の加工率が低過ぎる。このため、金属間化合物相にて区切られた金属Alのプールの最大長さの平均が40μmを超えている。この結果、同じ合金を用いた発明例2と比較して、高温強度、耐摩耗性、高温疲労強度の内、特に、高温強度と高温疲労強度とが劣っている。   In Comparative Example 15, the processing rate during hot forging is too low. For this reason, the average of the maximum length of the pool of metal Al separated by the intermetallic compound phase exceeds 40 μm. As a result, compared with Invention Example 2 using the same alloy, high temperature strength and high temperature fatigue strength are particularly inferior among high temperature strength, wear resistance, and high temperature fatigue strength.

以上の結果から、本発明の各要件の臨界的な意義が分かる。   From the above results, the critical significance of each requirement of the present invention can be understood.

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以上説明したように、本発明は、軽量であり、高温強靱性や耐摩耗性とともに、更に、高温疲労特性にも優れた耐熱性Al基合金を提供できる。したがって、自動車や航空機などの、ピストン、コンロッドなどの耐熱特性が求められる種々の部品に適用することができる。   As described above, the present invention can provide a heat-resistant Al-based alloy that is lightweight and has excellent high-temperature fatigue properties as well as high-temperature toughness and wear resistance. Therefore, it can be applied to various parts such as pistons and connecting rods that require heat resistance such as automobiles and airplanes.

本発明耐熱性Al基合金の組織を示す、図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the structure | tissue of this invention heat resistant Al group alloy. 比較例耐熱性Al基合金の組織を示す、図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the structure | tissue of a comparative example heat resistant Al group alloy.

Claims (2)

金属間化合物相を形成する元素として、Cr、Fe、Ti、Mn、V、Siから選択される元素を三種、これら三種の元素の総和で15〜50質量%含み、残部がAl及び不可避的不純物からなる組成を有し、スプレイフォーミング法による急冷凝固法により得られたプリフォーム体を熱間加工して得られたAl基合金であって、このAl基合金組織が、体積分率で50〜90%の金属間化合物相と、残部が金属Alマトリックスとで構成され、前記金属間化合物相にて区切られた前記金属Alのプールの最大長さの平均が40μm以下であることを特徴とする高温疲労特性に優れた耐熱性Al基合金。 Three elements selected from Cr, Fe, Ti, Mn, V, and Si as elements forming the intermetallic compound phase, the total of these three elements being 15 to 50% by mass, the balance being Al and inevitable impurities An Al-based alloy obtained by hot working a preform body obtained by a rapid solidification method using a spray forming method, the Al-based alloy structure having a volume fraction of 50 to 90% of the intermetallic compound phase and the balance are composed of a metal Al matrix, and the average of the maximum length of the pool of metal Al divided by the intermetallic compound phase is 40 μm or less. A heat-resistant Al-based alloy with excellent high-temperature fatigue properties. 前記金属間化合物相を形成する元素として、質量%で、Cr:5〜30%、Fe:1〜20%、Ti:1〜15%、を各々含む組成を有し、前記金属間化合物相がAl−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系の金属間化合物相からなる請求項1に記載の高温疲労特性に優れた耐熱性Al基合金。 The element forming the intermetallic compound phase has a composition containing, by mass%, Cr: 5 to 30%, Fe: 1 to 20%, Ti: 1 to 15%, respectively, Al-Cr based, Al-Fe-based, Al-Ti-based high Yutaka疲 labor characteristics superior heat resistance Al-based alloy of claim 1 consisting of intermetallic phase.
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