JP4704721B2 - 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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本発明は、高温強靱性(耐熱性)や耐摩耗性とともに、更に、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 high-temperature toughness (heat resistance) and wear resistance, as well as excellent fatigue characteristics, such as engine parts (pistons, connecting rods) of automobiles and aircrafts. The present invention 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 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、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, with respect to the fatigue characteristics of Al-based alloys, it is known that the average grain size of Al crystal grains constituting the matrix is refined to improve the fatigue characteristics for engine parts such as automobiles and aircrafts described above. Yes. 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、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 to improve the 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を構成する金属間化合物の平均サイズが5μm以下であるとともに、視野内に存在する0.5μm以上の粒径を有する金属間化合物の内、金属間化合物面積Sと金属間化合物の周長Lとの関係L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物が40%以上存在することである。 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 intermetallic compound area S and the perimeter L of the intermetallic compound among the intermetallic compounds having a particle size of 0.5 μm or more present in the visual field No seki That is, 40% or more of an intermetallic compound having a surface irregularity shape with an engagement L 2 / S of 13 or more exists.

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、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 fatigue characteristics, selected from elements forming these intermetallic compound phases, in particular, by mass%, Cr: 5 to 30%, Fe: 1 to 20%, Ti : A composition containing 1 to 15% of each is preferable. In such a composition, the intermetallic compound phase with a volume fraction of 50 to 90% is composed of Al—Cr, Al—Fe, and Al—Ti binary intermetallic compounds, and high temperature fatigue This is preferable in that the characteristics can be further improved.

更に、高温疲労特性をより向上させるためには、前記Al基合金組織における、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が40μm以下であることが好ましい。   Furthermore, in order to further improve the high-temperature fatigue characteristics, it is preferable that the average of the maximum length of the pool of metal Al divided by the intermetallic compound phase in the Al-based alloy structure is 40 μm or less.

本発明の耐熱性Al基合金において、前記0.5μm以上の粒径を有する金属間化合物の内の50%以上を、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有するものとするためには、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体を、400〜550℃の温度範囲で、かつ、この温度範囲での保持時間を、加工前の加熱を含めて、30分〜3時間以内とした、HIP、鍛造、押出、圧延から選択される熱間加工を施されたものとすることが好ましい。 In the heat-resistant Al-based alloy of the present invention, 50% or more of the intermetallic compound having a particle size of 0.5 μm or more has a surface irregularity shape with L 2 / S of 13 or more. The preform of the Al-based alloy obtained by the spray forming method is within a temperature range of 400 to 550 ° C., and the holding time in this temperature range is within 30 minutes to 3 hours including heating before processing. It is preferable that a hot working selected from HIP, forging, extrusion, and rolling is performed.

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、400℃レベルのさらに高温での耐熱性を向上させるために、金属間化合物相の体積分率を50〜90%と大きくした上で、前記金属間化合物相を構成する金属間化合物の表面形状を、高温疲労特性向上効果を有する形状に制御する。   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. In contrast, the Al-based alloy according to the present invention increases the volume fraction of the intermetallic compound phase to 50 to 90% in order to improve the heat resistance at a higher temperature of 400 ° C. The surface shape of the intermetallic compound constituting the intermetallic compound phase is controlled to a shape having an effect of improving high temperature fatigue characteristics.

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く、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。このようなAl基合金組織に、耐熱機械部品としての使用中に、応力が負荷された場合に、Al基合金の変形によって、軟らかい金属Alマトリックスから硬い金属間化合物が剥離し、硬い金属間化合物が破壊の起点となりやすい。この傾向は、耐熱性向上のために、多量の金属間化合物相を有している場合には、特に顕著となる。このように、硬い金属間化合物が破壊の起点となりやすい場合、高温疲労特性は当然低下してしまう。   In an Al-based alloy composed of a metallic Al matrix and an intermetallic compound phase, the metallic Al matrix is soft, the intermetallic compound phase is hard, and a structure in which the hard intermetallic compound phase is dispersed in the soft metallic Al matrix. ing. When stress is applied to such an Al-based alloy structure during use as a heat-resistant machine component, the hard intermetallic compound peels off from the soft metal Al matrix due to deformation of the Al-based alloy, and the hard intermetallic compound Tends to be the starting point of destruction. This tendency is particularly remarkable when a large amount of intermetallic compound phase is included for improving heat resistance. Thus, when a hard intermetallic compound tends to be a starting point of destruction, the high temperature fatigue characteristics naturally deteriorate.

即ち、合金元素の添加量が多くなり、金属間化合物相が多くなると、Al基合金の高温疲労特性は、Alマトリックスと金属間化合物相の界面の強度が律速するようになる。そして、この界面強度が弱いと、弾性変形域で破断し、高温疲労特性が低下するという問題が新たに生じる。   That is, when the amount of alloy element added is increased and the intermetallic compound phase is increased, the high temperature fatigue characteristics of the Al-based alloy are controlled by the strength of the interface between the Al matrix and the intermetallic compound phase. And when this interface strength is weak, the problem that it fractures | ruptures in an elastic deformation area and a high temperature fatigue characteristic falls arises newly.

したがって、Al基合金において、高温疲労特性を高めるためには、硬い金属間化合物が、軟らかい金属Alマトリックスから剥離しにくい界面強度(金属間化合物の金属Alマトリックスとの界面強度)を有することが必要となる。   Therefore, in order to improve high temperature fatigue properties in Al-based alloys, it is necessary that the hard intermetallic compound has an interfacial strength that does not easily peel from the soft metallic Al matrix (interfacial strength of the intermetallic compound with the metallic Al matrix). It becomes.

このため、本発明では、Al基合金において、前記金属間化合物相を構成する金属間化合物の表面が凹凸形状を有するように制御する。この金属間化合物の界面強度は、後述する通り、金属間化合物の表面が凹凸形状を有する(金属間化合物の表面がデコボコ、あるいはギザギザである)ほど高くなり、金属間化合物の表面が平滑(金属間化合物の表面が平坦)であるほど低くなる。   For this reason, in the present invention, in the Al-based alloy, the surface of the intermetallic compound constituting the intermetallic compound phase is controlled to have an uneven shape. As described later, the interfacial strength of the intermetallic compound increases as the surface of the intermetallic compound has an uneven shape (the surface of the intermetallic compound is uneven or jagged), and the surface of the intermetallic compound becomes smoother (metal The lower the surface of the intermetallic compound, the lower the surface.

金属間化合物の表面が凹凸形状を有することによって、金属間化合物の金属Alマトリックスとの界面強度が高まり、高温で応力が負荷された場合でも、金属間化合物が金属Alマトリックスから剥離しにくく、破壊の起点となりにくくし、Al基合金の高温疲労特性を高めることができる。   The intermetallic compound surface has an irregular shape, which increases the interfacial strength of the intermetallic compound with the metallic Al matrix, and even when stress is applied at high temperatures, the intermetallic compound is difficult to peel off from the metallic Al matrix and breaks. The high temperature fatigue characteristics of the Al-based alloy can be improved.

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、金属間化合物の表面は平滑になりやすい。また、急冷凝固法により得られたままのAl基合金を、更にHIP(熱間静水圧プレス)で固化成型した場合も、金属間化合物の表面は平滑になりやすい。常法により、HIP処理した場合、後述する通り、加熱時間を含めた高温保持時間が長くなり、組織自体は緻密化されるものの、金属間化合物の表面が平滑になりやすいからである。また、HIP処理した場合、上記高温保持時間が長くなることで、金属間化合物のサイズが粗大化する可能性が高い問題もある。   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 spray forming, the surface of the intermetallic compound tends to be smooth. Also, when the Al-based alloy as obtained by the rapid solidification method is further solidified and molded by HIP (hot isostatic pressing), the surface of the intermetallic compound tends to be smooth. This is because, when the HIP treatment is performed by a conventional method, as described later, the high temperature holding time including the heating time becomes long and the structure itself is densified, but the surface of the intermetallic compound tends to be smooth. In addition, when the HIP treatment is performed, there is a problem that the size of the intermetallic compound is likely to become coarse due to the long high temperature holding time.

金属間化合物の表面が平滑な場合、合金元素の添加量が多くなり、金属間化合物相が多くなると、前記した、Alマトリックスと金属間化合物相との界面強度は弱くなる。このため、高温疲労特性が低下し、弾性変形域で破断してしまう可能性が高くなる。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、金属間化合物の表面が凹凸になるわけではなく、表面が平滑な状態はそのまま維持される。   When the surface of the intermetallic compound is smooth, the amount of the alloy element added increases, and the intermetallic compound phase increases, the above-described interface strength between the Al matrix and the intermetallic compound phase becomes weak. For this reason, a high temperature fatigue characteristic falls and possibility that it will fracture | rupture in an elastic deformation area becomes high. This is why the high temperature fatigue strength of Patent Document 5 is low. In addition, as with these conventional heat-resistant Al-based alloys, even if the average grain size of Al crystal grains constituting the matrix of the Al-based alloy is made fine, the surface of the intermetallic compound does not become uneven, and the surface is not The smooth state is maintained as it is.

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。但し、後述する通り、常法により、熱間押出加工した場合、加熱時間を含めた高温保持時間が長くなり、金属間化合物の表面が平滑になりやすい。また、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、金属間化合物によって仕切られる金属プールの大きさが必然的に大きくなる。金属間化合物相が少なく、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。   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. However, as will be described later, when hot extrusion is performed by a conventional method, the high temperature holding time including the heating time becomes long, and the surface of the intermetallic compound tends to be smooth. Moreover, 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 becomes large, and the size of the metal pool partitioned by the intermetallic compound inevitably increases. The less the intermetallic compound phase is and the larger the size of the metal Al pool is, the more stress is concentrated on the metal Al pool portion having a lower strength during the use of the Al-based alloy as the heat-resistant machine part. 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.

(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.

本発明では、400℃レベルのさらに高温での耐熱性を向上させるために、合金元素量を多く、金属間化合物量を体積分率で50〜90%と大きくした、分散粒子強化型とする必要がある。このような、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。 In the present invention, in order to improve the heat resistance at a higher temperature of 400 ° C., it is necessary to provide a dispersed particle reinforced type in which the amount of alloy elements is large and the amount of intermetallic compounds is increased to 50 to 90% in volume fraction. There is. Such as the assembled configuration of excellent heat resistance Al-based alloy to a high temperature fatigue characteristics, as the element which forms the intermetallic phase, Cr, Fe, Ti, Mn, V, an element selected from Si, It comprises 15 to 50 wt% in total of these elements, the balance ing of Al and unavoidable 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、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、このプリフォーム体組織の前記体積分率で50〜90%の金属間化合物相が、Al−Cr系、Al−Fe系、Al−Ti系の二元系を主相とする金属間化合物から構成され、高温疲労特性を一層向上できる。   And as a combination which selects from these elements which form an intermetallic compound phase and improves fatigue characteristics more, especially in mass%, Cr: 5-30%, Fe: 1-20%, Ti : A composition containing 1 to 15% of each is preferable. In such a composition, as will be described later, if a preform body is produced by a rapid solidification method using a spray forming method, an intermetallic compound phase of 50 to 90% in terms of the volume fraction of the preform body structure is Al. It is composed of an intermetallic compound whose main phase is a binary system of -Cr, Al-Fe, and Al-Ti, and can further improve high temperature fatigue characteristics.

また、これらCr、Fe、Tiは、スプレイフォーミング法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。   Further, these Cr, Fe, and Ti constitute the intermetallic compound in any of intermetallic compound phases such as Al-Cr, Al-Fe, and Al-Ti by a rapid solidification method using a spray forming method. Any element other than the element to be further dissolved can 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は、例えば、Al−Cr金属間化合物に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。   These intermetallic compounds in which any one of Cr, Fe, and Ti other than the elements constituting the intermetallic compound are in solid solution are, for example, compared to the case where Fe and Ti elements are not dissolved in the Al-Cr intermetallic compound. In addition, it has an excellent balance between heat resistance and wear resistance. 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. The intermetallic compound phase (volume fraction) and the respective intermetallic compounds are deficient in the solid solution amount of any element other than the elements constituting the intermetallic compound. 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 composing the intermetallic compound is obtained in each intermetallic compound is obtained, the toughness is lowered and the structure 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、このプリフォーム体組織の前記体積分率で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され、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 using a spray forming method, an intermetallic compound phase of 50 to 90% in terms of the volume fraction of the preform body structure is Al. It is composed of an intermetallic compound phase whose main phase is a quaternary system such as -Mn-Fe-Si system or Al-Fe-V-Si system, and can further improve high temperature fatigue characteristics.

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)
本発明Al基合金においても、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。本発明のように、金属間化合物の量を多くしたAl基合金では、金属間化合物量が少ないAl基合金に比して、高温強度や耐摩耗性は大きく向上するものの、金属間化合物の平均サイズの靱性への影響が大きくなる。この点、金属間化合物の平均サイズが5μmを超えて大きくなった場合には、Al基合金の靱性が大幅に低下する。したがって、本発明では、金属間化合物相を形成する金属間化合物(粒子)の平均サイズを5μm以下と規定する。本発明では、これら金属間化合物粒子の集合体乃至連続体を、金属間化合物相と総称し、これら金属間化合物粒子の平均サイズを上記のように規定する。金属間化合物の平均サイズの測定は、後述する通り、5000〜15000倍の透過型電子顕微鏡(TEM)にてAl基合金組織を観察して行なう。
(Average size of intermetallic compounds)
Also in the Al-based alloy of the present invention, the smaller the average size of the individual intermetallic compounds (intermetallic compound particles) forming the intermetallic compound phase is preferable. As in the present invention, an Al-based alloy with a large amount of intermetallic compound is greatly improved in high-temperature strength and wear resistance compared to an Al-based alloy with a small amount of intermetallic compound, but the average of intermetallic compounds The effect of size on toughness is increased. In this respect, when the average size of the intermetallic compound is larger than 5 μm, the toughness of the Al-based alloy is significantly lowered. Therefore, in the present invention, the average size of the intermetallic compound (particles) forming the intermetallic compound phase is defined as 5 μm or less. In the present invention, an aggregate or continuum of these intermetallic compound particles is collectively referred to as an intermetallic compound phase, and the average size of these intermetallic compound particles is defined as described above. The average size of the intermetallic compound is measured by observing the Al-based alloy structure with a transmission electron microscope (TEM) of 5000 to 15000 times as described later.

(金属間化合物の表面形状)
本発明では、高温疲労特性を向上させるために、金属間化合物相を構成する金属間化合物(粒子)の表面が凹凸形状を有するように制御する。具体的には、金属間化合物の大きさに応じて、5000〜15000倍の透過型電子顕微鏡(TEM)にてAl基合金組織を観察した際の、視野内に存在する0.5μm以上の粒径を有する各金属間化合物の内、金属間化合物面積Sと金属間化合物の周長Lとの関係L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物が40%以上存在するように制御する。
(Surface shape of intermetallic compound)
In the present invention, in order to improve the high temperature fatigue characteristics, the surface of the intermetallic compound (particles) constituting the intermetallic compound phase is controlled to have an uneven shape. Specifically, depending on the size of the intermetallic compound, grains of 0.5 μm or more existing in the visual field when the Al-based alloy structure is observed with a transmission electron microscope (TEM) of 5000 to 15000 times Among each intermetallic compound having a diameter, the relationship between the intermetallic compound area S and the peripheral length L of the intermetallic compound is such that there is 40% or more of the intermetallic compound having a surface irregularity shape with a L 2 / S of 13 or more. Control.

本発明Al基合金では、体積分率が50%以上の多量の金属間化合物を形成するために、Al中に多量の合金元素を添加している。このため、金属Alマトリックスに過飽和に固溶した合金元素は、金属間化合物を形成して(析出して)平衡状態になろうとする傾向が強い。一旦形成された金属間化合物と金属Alマトリックスとの界面でも、金属Alマトリックス中から合金元素が金属間化合物に析出(移行)して、平衡状態になろうとする傾向が強い。   In the Al-based alloy of the present invention, in order to form a large amount of intermetallic compound having a volume fraction of 50% or more, a large amount of alloying element is added to Al. For this reason, alloy elements that are supersaturated in the metal Al matrix have a strong tendency to form (deposit) intermetallic compounds to reach an equilibrium state. Even at the interface between the once formed intermetallic compound and the metallic Al matrix, the alloy element tends to precipitate (transfer) to the intermetallic compound from the metallic Al matrix and tends to be in an equilibrium state.

金属間化合物と金属Alマトリックスとの界面において、合金元素が金属Alマトリックス側から金属間化合物側に移行、析出して、平衡状態に達した場合、金属Alマトリックスとの界面である、金属間化合物の表面は平滑(平坦)となる。前記した通常のAl基合金の金属間化合物の表面が平滑であるのは、このためである。このように、前記界面が平衡状態になると、Alマトリックスと金属間化合物相との界面強度が弱くなり、弾性変形域で破断しやすくなり、高温疲労特性は低下する。   When the alloy element moves from the metal Al matrix side to the intermetallic compound side and precipitates at the interface between the intermetallic compound and the metal Al matrix and reaches an equilibrium state, the intermetallic compound is the interface with the metal Al matrix. The surface becomes smooth (flat). This is why the surface of the above-mentioned ordinary Al-based alloy intermetallic compound is smooth. As described above, when the interface is in an equilibrium state, the interface strength between the Al matrix and the intermetallic compound phase is weakened, and it is easy to break in the elastic deformation region, and the high temperature fatigue characteristics are deteriorated.

この表面が平滑な金属間化合物の、Al基合金組織を15000倍のTEMで観察した際の組織写真を図3に示す。図3において、点在する球状物が金属間化合物であり、例えば、図3の中央部にある黒い金属間化合物の表面は、凹凸があまり無い平滑であることが分かる。   FIG. 3 shows a structure photograph of the intermetallic compound having a smooth surface when the Al-based alloy structure is observed with a 15000-fold TEM. In FIG. 3, the scattered spherical objects are intermetallic compounds. For example, it can be seen that the surface of the black intermetallic compound at the center of FIG.

これに対して、本発明のような、金属間化合物の表面が凹凸形状を有する(金属間化合物の表面がデコボコ、あるいはギザギザである)場合は、金属間化合物と金属Alマトリックスとの界面において、前記平衡状態に達してはいない、界面拡散の過渡期で止まった状態となっている。即ち、この界面(金属間化合物の表面)では、金属Alマトリックスから金属間化合物にかけて、金属間化合物に移行(析出)しようとする合金元素の濃度が連続的に変化する、濃度勾配がついた非平衡状態になっているものと推考される。   On the other hand, when the surface of the intermetallic compound has an uneven shape as in the present invention (the surface of the intermetallic compound is uneven or jagged), at the interface between the intermetallic compound and the metal Al matrix, The equilibrium state has not been reached and has stopped in the transitional phase of interface diffusion. That is, at this interface (surface of the intermetallic compound), the concentration of the alloy element that is going to migrate (precipitate) to the intermetallic compound continuously changes from the metallic Al matrix to the intermetallic compound. It is assumed that it is in an equilibrium state.

したがって、金属間化合物の表面が凹凸形状を有するか否かは、単に物理的なアンカー効果などの凹凸形状効果ではなく、上記したような、冶金的な非平衡状態効果を示している。即ち、この非平衡状態における合金元素の濃度勾配によって、高温での変形によっても、硬い金属間化合物が、軟らかい金属Alマトリックスから剥離しにくい界面強度が保持されているものと推考される。したがって、金属間化合物の界面強度は、金属間化合物の表面が凹凸形状を有するほど、非平衡状態となって高くなる。一方、金属間化合物の界面強度は、金属間化合物の表面が平滑であるほど、平衡状態となって低くなる。   Therefore, whether or not the surface of the intermetallic compound has a concavo-convex shape indicates not a concavo-convex shape effect such as a physical anchor effect but a metallurgical non-equilibrium state effect as described above. That is, it is presumed that the interfacial strength at which the hard intermetallic compound is difficult to peel from the soft metal Al matrix is maintained even by deformation at a high temperature due to the concentration gradient of the alloy element in the non-equilibrium state. Therefore, the interfacial compound interface strength increases as the surface of the intermetallic compound has a concavo-convex shape, resulting in a non-equilibrium state. On the other hand, the interface strength of the intermetallic compound becomes lower in an equilibrium state as the surface of the intermetallic compound is smoother.

この表面が凹凸形状を有する金属間化合物の、Al基合金組織を15000倍のTEMで観察した際の組織写真を図1に示す。図1において、前記図3と同様に、図の中央にある大きな球状物が金属間化合物であるが、これらの金属間化合物の表面は、前記図3の金属間化合物表面のように平滑ではなく、表面が凹凸形状を有することが分かる。   FIG. 1 shows a structure photograph of an intermetallic compound having an uneven surface on the surface when an Al-based alloy structure is observed with a 15000-fold TEM. In FIG. 1, as in FIG. 3, the large sphere in the center of the figure is an intermetallic compound, but the surface of these intermetallic compounds is not as smooth as the surface of the intermetallic compound in FIG. It can be seen that the surface has an uneven shape.

但し、金属間化合物のサイズの大きさには種々有り、サブミクロン単位のサイズの極端に小さいものは表面の形状の判別が難しい。また、これらサイズの小さなものは、サイズの大きなものに比して、より剥離しにくく、破壊の起点になりにくい。更に、サイズの大きい金属間化合物表面が凹凸形状を有するように制御すれば、サイズの小さな金属間化合物表面も凹凸形状を有する方向にいき、高温疲労特性向上の方向に向かう。したがって、本発明では、より破壊の起点になりやすく、高温疲労特性により影響度が大きな、サイズの大きな金属間化合物表面が凹凸形状を有するように制御する。このため、本発明では、このサイズの比較的大きな金属間化合物として、0.5μm以上の粒径を有する金属間化合物を選択する。   However, there are various sizes of intermetallic compounds, and it is difficult to distinguish the shape of the surface if the size is extremely small in submicron units. In addition, these small ones are less likely to be peeled off and are less likely to be the starting point of destruction than large ones. Furthermore, if the surface of the intermetallic compound having a large size is controlled so as to have a concavo-convex shape, the surface of the intermetallic compound having a small size is also directed to have a concavo-convex shape, and is directed toward improving high temperature fatigue characteristics. Therefore, in the present invention, control is performed so that the surface of the intermetallic compound having a large size, which is likely to be a starting point of fracture and has a large influence due to high temperature fatigue characteristics, has a concavo-convex shape. For this reason, in this invention, the intermetallic compound which has a particle size of 0.5 micrometer or more is selected as a comparatively large intermetallic compound.

そして、これら0.5μm以上の比較的大きな粒径を有する金属間化合物の表面の凹凸形状を、金属間化合物面積Sと金属間化合物の周長Lとの関係L2 /Sが13以上の形状と規定する。 Then, the uneven shape on the surface of the intermetallic compound having a relatively large particle size of 0.5 μm or more is a shape in which the relationship L 2 / S between the intermetallic compound area S and the peripheral length L of the intermetallic compound is 13 or more. It prescribes.

前記図1の金属間化合物を模式化して示す図2において、個々の金属間化合物の周長Lが、金属間化合物表面の凹凸形状を形成している。したがって、金属間化合物の周長Lは、金属間化合物表面の凹凸長さを表す。これらの金属間化合物面積Sに対して、周長Lが長いほど、凹凸の長さが長く、金属間化合物表面の凹凸が大きいことを示している。金属間化合物の断面が真円の場合、(2πr)2 で表される金属間化合物の周長Lの2乗とπr2 で表される面積Sとの比L2 /Sは、(2πr)2 /πr2 =4π(約13)となる。したがって、金属間化合物面積Sに対して周長Lが長い、表面が凹凸の状態とは、L2 /Sが4π=約13以上のことを言う。この金属間化合物の表面の凹凸形状に関わるL2 /Sが13未満では、凹凸の長さが短くなって(凹凸が小さくなって)、金属間化合物の外周が円に近づき、従来の表面が平滑な金属間化合物と大差なくなる。このため、界面強度が低いなり、高温疲労特性を向上できない。 In FIG. 2, which schematically shows the intermetallic compound of FIG. 1, the perimeter L of each intermetallic compound forms an uneven shape on the surface of the intermetallic compound. Therefore, the perimeter L of the intermetallic compound represents the length of the unevenness on the surface of the intermetallic compound. For these intermetallic compound areas S, the longer the peripheral length L, the longer the unevenness and the larger the intermetallic compound surface unevenness. When the cross section of the intermetallic compound is a perfect circle, the ratio L 2 / S between the square of the circumference L of the intermetallic compound represented by (2πr) 2 and the area S represented by πr 2 is (2πr) 2 / πr 2 = 4π (about 13). Therefore, the condition that the peripheral length L is long with respect to the intermetallic compound area S and the surface is uneven means that L 2 / S is 4π = about 13 or more. When L 2 / S related to the surface roughness of this intermetallic compound is less than 13, the length of the roughness becomes shorter (the roughness becomes smaller), the outer periphery of the intermetallic compound approaches a circle, and the conventional surface becomes No significant difference from smooth intermetallic compounds. For this reason, interface strength becomes low and high temperature fatigue characteristics cannot be improved.

本発明では、更に、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物の数を保障して、高温疲労特性向上を保障するために、前記TEM視野内に存在する0.5μm以上の金属間化合物の内、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物が40%以上存在するように規定する。 In the present invention, in order to guarantee the number of intermetallic compounds having surface irregularities with L 2 / S of 13 or more and to ensure high temperature fatigue characteristics improvement, 0.5 μm or more existing in the TEM visual field is ensured. Among these intermetallic compounds, it is specified that 40% or more of the intermetallic compound having a surface irregularity shape with L 2 / S of 13 or more is present.

このL2 /Sが13以上である0.5μm以上の金属間化合物の数は多いほど好ましく、前記TEM視野内に存在する0.5μm以上の金属間化合物が全てL2 /Sが13以上であれば良い。但し、表面凹凸形状を有する金属間化合物を制御するための、製造の限界や製造コストの問題もあり、L2 /Sが13以上である0.5μm以上の金属間化合物の数は高温疲労特性を向上させるに足る量であれば良い。この点、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物の割合は、好ましくは45%以上、より好ましくは50%以上である。 The larger the number of intermetallic compounds of 0.5 μm or more in which L 2 / S is 13 or more, the more preferable, and all the intermetallic compounds of 0.5 μm or more present in the TEM visual field have L 2 / S of 13 or more. I need it. However, there is a problem of manufacturing limit and manufacturing cost for controlling the intermetallic compound having a surface irregular shape, and the number of intermetallic compounds of 0.5 μm or more having L 2 / S of 13 or more is high temperature fatigue property. It is sufficient if the amount is sufficient to improve the quality. In this respect, the ratio of the intermetallic compound having a surface irregularity shape with L 2 / S of 13 or more is preferably 45% or more, more preferably 50% or more.

例えば、前記図1において、TEM視野内に存在する0.5μm以上の金属間化合物が20個とすれば、このうちの好ましくは9個以上、より好ましくは10個以上のL2 /Sが13以上とする。一方、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物が40%未満では、界面強度が低い従来の表面が平滑な金属間化合物(破壊の起点となる金属間化合物)が多過ぎ、高温疲労特性向上を保障できない。 For example, in FIG. 1, if there are 20 intermetallic compounds of 0.5 μm or more present in the TEM field of view, preferably 9 or more, more preferably 10 or more of L 2 / S is 13 That's it. On the other hand, if the intermetallic compound having an uneven surface shape with L 2 / S of 13 or more is less than 40%, there are too many conventional intermetallic compounds having a low interfacial strength and a smooth surface (intermetallic compound serving as a starting point of fracture). , High temperature fatigue characteristics can not be guaranteed.

本発明では、このように、金属間化合物の表面凹凸形状の制御によって、金属間化合物の金属Alマトリックスとの界面強度を高めて、高温で応力が負荷された場合でも、金属間化合物が金属Alマトリックスから剥離しにくくし、金属間化合物を破壊の起点となりにくくしている。この結果、Al基合金の高温疲労特性を高めることができる。   In the present invention, by controlling the surface irregularity shape of the intermetallic compound in this way, the interfacial compound increases the interfacial strength of the intermetallic compound with the metallic Al matrix, and even when stress is applied at high temperatures, the intermetallic compound becomes metallic Al. It makes it difficult to peel off from the matrix, making it difficult for the intermetallic compound to become the starting point of destruction. As a result, the high temperature fatigue characteristics of the Al-based alloy can be enhanced.

このように、金属間化合物の表面凹凸形状を制御するためには、後述する通り、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体を、400〜550℃の温度範囲で、但し、加工前の加熱を含めた熱間加工における、その温度範囲での保持が30分〜3時間以内として、HIP、鍛造、押出、圧延から選択される熱間加工を行なう。   Thus, in order to control the surface irregularity shape of the intermetallic compound, as will be described later, an Al-based alloy preform obtained by the spray forming method is in a temperature range of 400 to 550 ° C., but before processing. In the hot working including heating, the holding in the temperature range is within 30 minutes to 3 hours, and hot working selected from HIP, forging, extrusion, and rolling is performed.

(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以下とすることが好ましい。
(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, it is preferable that the average of the maximum length of the metal Al pool partitioned by the intermetallic compound phase is 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、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. 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、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。このため、前記金属Alのプールの大きさが大きくなると、前記した金属間化合物の表面凹凸形状制御による高温疲労特性向上効果を減らす可能性がある。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以下とすることが好ましく、より好ましくは30μm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. For this reason, when the size of the metal Al pool is increased, there is a possibility that the effect of improving the high-temperature fatigue characteristics by controlling the surface unevenness of the intermetallic compound described above may be reduced. Therefore, in the present invention, the average of the maximum length of the pool of metal Al partitioned by the intermetallic compound phase is preferably 40 μm or less, more preferably 30 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、圧延から選択される熱間加工を行なうことが好ましい。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 It is preferable to perform hot working selected from forging, extrusion, and rolling on the Al-based alloy obtained by the above. 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4は、耐熱Al基合金の1000倍のSEMによる組織写真である。図4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1)である。   FIG. 4 is a structural photograph of the heat-resistant Al-based alloy with a 1000 times SEM. FIG. 4 shows the heat-resistant Al-based alloy of the present invention (Invention Example 1 in Example Table 3 to be described later) in which the average maximum length of the pool of metal Al is 40 μm or less.

図4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。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。   In FIG. 4, 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. 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4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、複数の金属間化合物が互いに隣接して集合体(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. 4, in the Al-based alloy of the present invention, the intermetallic compound phase has a volume fraction of 50% or more, so that a plurality of intermetallic compounds are adjacent to each other (aggregate (intermetallic compound phase)). Can be seen. 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. The present invention Al-based alloy, since many amount alloy elements, in order to more precipitating an intermetallic compound phase, instead of the usual melting and casting method, the rapid solidification method, you produce a preform body. 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、晶出核生成頻度が高く、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、個々の金属間化合物粒子の成長速度が相対的に小さいために、隣接粒と接触する頻度も小さくなり、金属間化合物相である金属間化合物の連続体の寸法も小さくなる。   The spray forming method has a much faster cooling and solidification rate than the usual melting and casting method (ingot making), so the crystallization nucleation frequency is high, each intermetallic compound phase is abundant and fine, It can be deposited in the structure. In addition, since the growth rate of each intermetallic compound particle is relatively small, the frequency of contact with adjacent grains is also reduced, and the size of the intermetallic compound continuum that is the intermetallic compound phase is also reduced.

この際、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。   At this time, in the composition containing Cr, Fe, and Ti, any of the intermetallic compound phases such as Al—Cr, Al—Fe, and Al—Ti, other than the elements that constitute the intermetallic compound. Such elements can be forcibly solid-solved to further 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、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 cooled, the spraying is started after the intermetallic compound is crystallized to some extent. This is because there is an effect of finely crystallizing other intermetallic compounds during spray forming using the intermetallic compounds as nuclei. 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.

このように、一旦溶湯を冷却する際に、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、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。   As described above, when the molten metal is once cooled, if the cooling rate to the spray start temperature of the melt is less than 100 ° C./h, the above-described intermetallic compound is crystallized to some extent before the spray is started and crystallized. There is a high possibility that other intermetallic compounds cannot be crystallized finely during spray forming using the intermetallic compound as a nucleus, and the intermetallic compound 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、スプレイフォーミング法により作製されたプリフォームの金属間化合物を微細化できない可能性が高い。   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, when the spray start temperature exceeds 1200 ° C., the cooling rate during the spraying process is slow, and there is a high possibility that the intermetallic compound of the preform produced by the spray forming method cannot be miniaturized.

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化されるために、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. In addition, since the intermetallic compound particles are miniaturized, the frequency of contact with adjacent grains is reduced, and the outer dimension of the intermetallic compound phase can be reduced.

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、本発明で規定するような微細な金属間化合物相が得られ、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を小さくできる。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 fine intermetallic compound phase as defined in the present invention can be obtained. The maximum length of the metal Al pool can be reduced. 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を小さく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 maximum length of the metal Al pool in the Al-based alloy structure is reduced by hot working described later. There is a high possibility of not being able to.

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CIPやHIP処理を行なうか、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、上記熱間加工することが好ましい。但し、HIP処理は、高温に3時間以上の長時間Al基合金(プリフォーム体)を曝すことになるので、金属間化合物が粗大化しやすく、平均サイズが5μmを超えやすくなる。このため、本発明では、HIP処理はしない方が好ましい。   The Al-based alloy obtained by such a spray forming method is either subjected to CIP or HIP treatment in a state where the Al-based alloy preform body is once sealed in a vacuum vessel, or in the state of the preform body as it is. Processed by hot forging, extrusion or rolling. Moreover, it is preferable that the powder obtained by the rapid powder metallurgy is also hot-worked with an Al-based alloy (preform body) once solidified and formed by CIP or HIP. However, the HIP treatment exposes the Al-based alloy (preform body) for a long time of 3 hours or more to a high temperature, so that the intermetallic compound is likely to be coarsened and the average size is likely to exceed 5 μm. For this reason, in the present invention, it is preferable not to perform HIP processing.

前記鍛造、押出、圧延のいずれかの熱間加工を行なう場合、前記した通り、金属間化合物の表面が凹凸形状を有するように制御するためには、熱間加工における、温度範囲と保持時間とを制御する必要がある。   When performing hot working of any one of the forging, extrusion, and rolling, as described above, in order to control the surface of the intermetallic compound to have an uneven shape, the temperature range and holding time in hot working Need to control.

即ち、金属間化合物の表面凹凸形状を本発明のように制御するためには、前記スプレイフォーミング法などにより得られたAl基合金のプリフォーム体を、400〜550℃の温度範囲で熱間加工する必要がある。但し、この際、加工前の加熱を含めた熱間加工における、その温度範囲での保持を30分〜3時間以内として、HIP、鍛造、押出、圧延などの熱間加工を行なう必要もある。これらの保持時間とは、厳密には、熱間加工前の加熱処理における加熱温度到達時から、熱間加工時間を含め、熱間加工後に400℃未満の温度まで冷却される合計時間である。   That is, in order to control the surface irregularity shape of the intermetallic compound as in the present invention, the Al-based alloy preform obtained by the spray forming method or the like is hot-worked in a temperature range of 400 to 550 ° C. There is a need to. However, at this time, it is also necessary to perform hot working such as HIP, forging, extrusion, rolling, etc., with the holding in the temperature range in the hot working including heating before working within 30 minutes to 3 hours. Strictly speaking, these holding times are the total time for cooling to a temperature of less than 400 ° C. after hot working, including the hot working time, from the time when the heating temperature is reached in the heat treatment before hot working.

これらの鍛造、押出、圧延の熱間加工温度が400℃未満では、熱間加工が困難となるとともに、熱間加工による、金属間化合物の表面凹凸形状制御効果が得られない。また、金属Alのプールの大きさの微細化効果や、金属Alのプールと金属間化合物相との微細均一分散効果も得られない。   If the hot working temperature of these forging, extrusion, and rolling is less than 400 ° C., hot working becomes difficult, and the effect of controlling the surface unevenness of the intermetallic compound by hot working cannot be obtained. Further, the effect of reducing the size of the metal Al pool and the effect of finely dispersing the metal Al pool and the intermetallic compound phase cannot be obtained.

一方、熱間加工温度が550℃を超えた場合も、熱間加工による、金属間化合物の表面凹凸形状制御効果が得られない。また、金属Alのプールの大きさが粗大化する。金属Alのプールの粗大化防止の観点からは、熱間加工温度が450℃以下であることが好ましい。   On the other hand, even when the hot working temperature exceeds 550 ° C., the effect of controlling the surface unevenness of the intermetallic compound by hot working cannot be obtained. In addition, the size of the metal Al pool becomes coarse. From the viewpoint of preventing the coarsening of the metal Al pool, the hot working temperature is preferably 450 ° C. or lower.

また、熱間加工に際しての、Al基合金のプリフォーム体の前記高温での保持時間は重要で、金属間化合物と金属Alマトリックスとの界面において、非平衡状態(界面拡散の過渡期)で止め、金属間化合物の表面を本発明のような凹凸形状とするためには、熱間加工前の加熱処理時間を含めて、前記した通り、400〜550℃の温度範囲での保持を30分〜3時間とする必要がある。このため、熱間加工前の加熱処理時間や熱間加工時間を短くするとともに、熱間加工後に急冷することが好ましい。   In addition, the holding time of the Al-based alloy preform at the above-mentioned high temperature during hot working is important, and is stopped in a non-equilibrium state (transitional phase of interfacial diffusion) at the interface between the intermetallic compound and the metal Al matrix. In order to make the surface of the intermetallic compound into a concavo-convex shape as in the present invention, including the heat treatment time before hot working, as described above, holding in the temperature range of 400 to 550 ° C. for 30 minutes to It needs to be 3 hours. For this reason, it is preferable to shorten the heat treatment time and hot working time before hot working, and to rapidly cool after hot working.

この高温での保持時間が、3時間を超えて保持した場合には、本発明のように、金属間化合物相の体積分率が多い場合(合金元素量が多い場合)、金属間化合物と金属Alマトリックスとの界面において、金属Alマトリックス中から金属間化合物への合金元素の析出が進み過ぎて、平衡状態に達してしまう。因みに、通常のHIP、鍛造、押出、圧延などの熱間加工では、高温での保持時間は、熱間加工前の加熱処理時間を含めると、3時間を超えることが普通である。このため、前記界面において、金属Alマトリックス中から金属間化合物への合金元素の析出が進み過ぎて、平衡状態に達してしまい、金属Alマトリックスとの界面である金属間化合物の表面は平滑(平坦)となってしまう。この結果、Alマトリックスと金属間化合物相との界面強度が弱くなり、律速し、弾性変形域で破断しやすくなる。   When the holding time at this high temperature exceeds 3 hours, as in the present invention, when the volume fraction of the intermetallic compound phase is large (when the amount of alloying elements is large), the intermetallic compound and the metal At the interface with the Al matrix, precipitation of the alloy element from the metal Al matrix to the intermetallic compound proceeds so much that the equilibrium state is reached. Incidentally, in hot processing such as normal HIP, forging, extrusion, and rolling, the holding time at a high temperature usually exceeds 3 hours including the heat treatment time before hot working. For this reason, precipitation of the alloy element from the metal Al matrix to the intermetallic compound proceeds excessively at the interface, reaching an equilibrium state, and the surface of the intermetallic compound that is the interface with the metal Al matrix is smooth (flat). ). As a result, the interfacial strength between the Al matrix and the intermetallic compound phase becomes weak, rate-limiting, and easily breaks in the elastic deformation region.

一方、その温度範囲での保持が30分未満では、その温度範囲への均一加熱や熱間加工自体が困難となる。この結果、実質的に、熱間加工による、金属間化合物の表面凹凸形状制御効果が得られなくなる。   On the other hand, if the holding in the temperature range is less than 30 minutes, uniform heating to the temperature range and hot working itself are difficult. As a result, the effect of controlling the surface unevenness of the intermetallic compound by hot working cannot be obtained substantially.

また、HIPを除く、これらの条件範囲の、鍛造、押出、圧延などの熱間加工によって、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。   In addition, by hot working such as forging, extrusion, rolling, etc. in these condition ranges excluding HIP, the size of the metal Al pool in the Al-based alloy structure is refined, and the metal Al pool and metal The intermetallic phase is finely and uniformly dispersed. 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〜J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およびI、JはCr−Fe−Ti系組成、FはMn−Fe−Si系組成、GはFe−V−Si系組成、HはCr−Fe−Ti−Mn−Si−V系組成である。
The molten alloys of Al alloys having the component compositions A to J shown in Table 1 below were melted at the melting temperatures shown in Table 2, and the molten metal was 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, I, and J are Cr—Fe—Ti based compositions, F is a Mn—Fe—Si based composition, G is a Fe—V—Si based composition, and H is a Cr—Fe—Ti—Mn— composition. Si-V composition.

得られた各プリフォーム(表2に示す発明例1〜9、比較例10〜16)を、表2に示す、加熱温度、保持時間(加熱+熱間加工)の条件で、発明例はそのまま熱間鍛造、比較例はHIPあるいは熱間鍛造加工した。なお、高温での保持時間は、熱間加工前の400℃以上の温度での加熱保持時間、熱間加工時間、熱間加工後に400℃未満の温度まで冷却される時間とし、この高温での保持時間を各々調節した。各例とも、熱間鍛造の歪み速度は10-4/s、圧下率80%と同じにした。 Each of the obtained preforms (Inventive Examples 1 to 9 and Comparative Examples 10 to 16 shown in Table 2) was subjected to the heating temperature and holding time (heating + hot working) conditions shown in Table 2, and the inventive examples were left as they were. Hot forging and the comparative example were HIP or hot forging. The holding time at a high temperature is a heating holding time at a temperature of 400 ° C. or higher before hot working, a hot working time, and a time for cooling to a temperature of less than 400 ° C. after hot working. Each retention time was adjusted. In each example, the strain rate of hot forging was the same as 10 −4 / s and the reduction rate was 80%.

表2に示すHIP処理は、各プリフォーム体をSUS製の缶に装填し、13kPa(100Torr)以下に減圧した状態で、575℃の加熱温度で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550℃に再加熱して、HIP処理[圧力:100MPa(1000気圧)、保持時間:2時間]して、Al基合金を得た。これら一連のHIP処理における400℃以上の温度での保持時間は約5時間である。   In the HIP treatment shown in Table 2, each preform body is loaded in a SUS can, and depressurized to 13 kPa (100 Torr) or less, kept at a heating temperature of 575 ° C. for 2 hours, and sealed. To form a capsule. The obtained capsule was reheated to 550 ° C. and subjected to HIP treatment [pressure: 100 MPa (1000 atm), holding time: 2 hours] to obtain an Al-based alloy. In these series of HIP processes, the holding time at a temperature of 400 ° C. or higher is about 5 hours.

これら熱間加工後の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 working and the test material after HIP treatment were evaluated as follows. These results are shown in Table 3, respectively.

(金属間化合物のL2 /Sの評価解析方法)
15000倍の組織のFE−TEM(日立製作所製、HF−2000電界放射型透過電子顕微鏡)の観察像より、画像解析のソフトウェアとして、MEDIACYBERNETICS社製Image−ProPlusを用い、金属間化合物の面積と周長を画像解析により求めた。即ち、視野内に存在する0.5μm以上の粒径を有する個々の金属間化合物粒子像の面積(S)とその周囲長(L)を画像解析し、金属間化合物相のL2 /Sを各々求めた。そして、視野内に存在する0.5μm以上の粒径を有する各金属間化合物 (個数) の内、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物の (個数) を求めて、割合(%)を求めた。なお、視野数は5として、この平均を求めた。
(L 2 / S evaluation analysis method of intermetallic compounds)
From the observation image of FE-TEM (manufactured by Hitachi, Ltd., HF-2000 Field Emission Transmission Electron Microscope) of 15000 times tissue, using Image-ProPlus made by MEDIACYBERNETICS as the image analysis software, the area and circumference of the intermetallic compound The length was determined by image analysis. That is, the area (S) and the perimeter (L) of each intermetallic compound particle image having a particle diameter of 0.5 μm or more existing in the visual field are image-analyzed, and L 2 / S of the intermetallic compound phase is calculated. I asked for each. Then, among the intermetallic compounds (number) having a particle diameter of 0.5 μm or more existing in the visual field, the (number) of intermetallic compounds having a surface irregularity shape with L 2 / S of 13 or more is obtained, The percentage (%) was determined. The average was obtained assuming that the number of fields of view was 5.

(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1〜6、比較例10〜12、15、16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 6 and Comparative Examples 10 to 12, 15, and 16 in Table 2, the intermetallic compound phase is Al—Cr based, Al— It was confirmed that it was composed of an intermetallic compound having a Fe-based and Al-Ti-based binary system as a main phase and a metal Al matrix.

また、表2の発明例7、比較例13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8、比較例14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。また、表2の発明例9のCr−Fe−Ti−Mn−Si−V系Al合金組成を用いた例では、金属間化合物相は、Al−Cr−Fe−Ti−Mn−Si−V系などの多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 Al alloy composition of Invention Example 7 and Comparative Example 13 in Table 2, the intermetallic compound phase is an Al-Mn-Fe-Si quaternary system as the main phase. It consisted of an intermetallic compound phase and a metal Al matrix. Further, in the example using the Fe—V—Si based Al alloy composition of Invention Example 8 and Comparative Example 14 in Table 2, the intermetallic compound phase is a quaternary system such as Al—Fe—V—Si based. And an intermetallic compound phase and a metal Al matrix. Moreover, in the example using the Cr-Fe-Ti-Mn-Si-V-based Al alloy composition of Invention Example 9 in Table 2, the intermetallic compound phase is Al-Cr-Fe-Ti-Mn-Si-V-based. It was composed of an intermetallic compound phase having a multi-component system as a main 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、上記Al合金組成に応じた各主相の体積分率の総和を表す。例えば、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、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、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。また、Cr−Fe−Ti−Mn−Si−V系Al合金組成を用いた例では、金属間化合物相は、Al−Cr−Fe−Ti−Mn−Si−V系などの多元系の金属間化合物相の体積分率を表す。   Therefore, the volume fractions of the intermetallic compound phases shown in Table 3 represent the sum of the volume fractions of the main phases according to the Al alloy composition. For example, in the example using the Cr—Fe—Ti Al alloy composition, the sum of the volume fractions of each of the Al—Cr, Al—Fe, and Al—Ti binary intermetallic compounds is expressed. In the example using the Mn-Fe-Si-based Al alloy composition, 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, the volume fraction of a quaternary intermetallic compound phase such as Al—Fe—V—Si is represented. In the example using the Cr-Fe-Ti-Mn-Si-V-based Al alloy composition, the intermetallic compound phase is an intermetallic compound such as Al-Cr-Fe-Ti-Mn-Si-V. It represents the volume fraction of the compound phase.

(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、500倍または1000倍のSEMにより、約500μm×約500μm程度の各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、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 approximately 500 μm × about 500 μm for each 10 fields by SEM of 500 times or 1000 times, similar to the method for measuring the maximum length of the metal Al pool. Of the structure of the Al-based alloy of the present invention and the distinction between the metallic Al phase and the intermetallic compound phase of the structure in the field of view subjected to the image processing were analyzed by EDX (Sigma energy dispersive X-ray detector: energy dispersive X-ray manufactured by Kevex). Then, the volume fraction of the intermetallic compound phase in the field of view 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4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 distinction between the metal Al phase and the intermetallic compound phase in the SEM photograph was performed by EDX. 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を併用して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 compound phase)
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, EDX is also used in combination to facilitate the distinction between the intermetallic compound phase and the metal Al phase.

(金属間化合物相への元素の固溶量)
因みに、表2の発明例1〜9、比較例10〜16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 example using the Cr—Fe—Ti Al alloy composition of Invention Examples 1 to 9 and Comparative Examples 10 to 16 in Table 2, elements such as Fe and Ti dissolved in the Al—Cr intermetallic compound phase. As a result of measuring the solid solution amount, about 5 to 10% of Fe and Ti out of the 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135MPa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. The high temperature fatigue strength of 135 MPa or more was evaluated as passing the high temperature fatigue characteristics.

表3から明らかなように、発明例1〜9は、各製造条件が前記した好ましい範囲内であり、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。また、これら金属間化合物相を構成する金属間化合物の平均サイズが5μm以下である。更に、表2から明らかなように、発明例1〜9は、熱間鍛造加工における高温での保持時間が3時間以内である。このため、表3に示すように、0.5μm以上の粒径を有する各金属間化合物の内、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物の割合が40%以上である。 As is apparent from Table 3, Invention Examples 1 to 9 are in the preferable ranges described above, and the Al-based alloy structure is 50% to 90% in volume fraction as defined in the present invention. The compound phase and the balance are composed of a metal Al matrix. Moreover, the average size of the intermetallic compound which comprises these intermetallic compound phases is 5 micrometers or less. Further, as apparent from Table 2, Invention Examples 1 to 9 have a holding time at a high temperature in hot forging within 3 hours. For this reason, as shown in Table 3, among the intermetallic compounds having a particle diameter of 0.5 μm or more, the ratio of the intermetallic compound having a surface irregularity shape with L 2 / S of 13 or more is 40% or more. .

この結果、発明例1〜9は、表3から明らかなように、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 9 are excellent in high temperature strength, wear resistance, and high temperature fatigue strength.

ただ、同じ合金Aを用いたもの同士である発明例1と2との比較において、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、発明例1は40μm以下であるのに対して、発明例2は40μmを超える。このため、金属Alのプールの最大長さの平均が小さい発明例1の方が高温疲労強度がより優れている。   However, in comparison between Invention Examples 1 and 2 using the same alloy A, the average of the maximum length of the pool of metal Al divided by the intermetallic compound phase is 40 μm or less in Invention Example 1. In contrast, Invention Example 2 exceeds 40 μm. For this reason, the high temperature fatigue strength is more excellent in Invention Example 1 in which the average of the maximum length of the pool of metal Al is smaller.

これに対して、比較例10、12〜15は、表2から明らかなように、熱間鍛造にせよ、HIPにせよ、高温での保持時間が3時間を超えて長過ぎる。このため、表3から明らかなように、0.5μm以上の粒径を有する各金属間化合物の内、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物の割合が40%未満である。この結果、高温強度や耐摩耗性、そして、特に高温疲労強度が発明例に比して、著しく劣っている。 On the other hand, as is apparent from Table 2, Comparative Examples 10 and 12 to 15 have a holding time at a high temperature exceeding 3 hours, whether it is hot forging or HIP. For this reason, as is clear from Table 3, the ratio of the intermetallic compound having an uneven surface shape with L 2 / S of 13 or more among the intermetallic compounds having a particle diameter of 0.5 μm or more is less than 40%. is there. As a result, the high-temperature strength, wear resistance, and particularly the high-temperature fatigue strength are significantly inferior to those of the inventive examples.

これら比較例の中でも、同じ合金例Aを用いた比較例10〜12は、Al基合金組織が、本発明で規定する体積分率で50〜90%の金属間化合物相を有するものの、0.5μm以上の粒径を有する各金属間化合物の内、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物の割合が40%未満である。この結果、高温強度や耐摩耗性、そして、特に高温疲労強度が発明例に比して、著しく劣っている。 Among these comparative examples, Comparative Examples 10 to 12 using the same alloy example A have an Al-based alloy structure having an intermetallic compound phase of 50 to 90% in the volume fraction specified in the present invention. Of the intermetallic compounds having a particle size of 5 μm or more, the proportion of intermetallic compounds having a surface irregularity shape with L 2 / S of 13 or more is less than 40%. As a result, the high-temperature strength, wear resistance, and particularly the high-temperature fatigue strength are significantly inferior to those of the inventive examples.

これら比較例10〜12の中でも、金属Alのプールの最大長さの平均が40μm以下である比較例11、12は、金属Alのプールの最大長さの平均が50μmを超える比較例10に比べれば、特に高温疲労強度の低下が比較的抑えられている。   Among these Comparative Examples 10 to 12, Comparative Examples 11 and 12 in which the average maximum length of the metal Al pool is 40 μm or less are compared with Comparative Example 10 in which the average maximum length of the metal Al pool exceeds 50 μm. In particular, the decrease in high temperature fatigue strength is relatively suppressed.

また、熱間鍛造せずにHIP処理のみを行なった比較例10、13、14は、高温での保持時間が長過ぎることもあり、熱間鍛造材のように、金属間化合物が表面凹凸形状を有さない。このため、他の比較例に比較しても、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物の割合が著しく少ない。 Further, Comparative Examples 10, 13, and 14 in which only the HIP treatment is performed without hot forging may cause the holding time at a high temperature to be too long, and the intermetallic compound has an uneven surface shape like a hot forged material. Does not have. Therefore, even when compared with other comparative examples, the ratio of L 2 / S intermetallic compound having 13 or more surface irregularities significantly less.

比較例15は、合金量が好ましい範囲を外れて少な過ぎる合金例Iを用いており、金属間化合物相の体積分率が50%未満と少な過ぎる。このため、高温強度や耐摩耗性、特に高温疲労強度が発明例に比して、著しく劣っている。   Comparative Example 15 uses Alloy Example I in which the alloy amount is too small outside the preferred range, and the volume fraction of the intermetallic compound phase is too small at less than 50%. For this reason, high-temperature strength and wear resistance, particularly high-temperature fatigue strength, are significantly inferior to those of the inventive examples.

比較例16は、合金量が好ましい範囲を外れて多過ぎる合金例Jを用いており、金属間化合物相の体積分率が90%を超えて高過ぎる。このため、熱間鍛造時に割れを生じており、高温強度や高温疲労強度が発明例に比して、著しく劣っている。   The comparative example 16 uses the alloy example J in which the alloy amount is out of the preferable range and is too much, and the volume fraction of the intermetallic compound phase is more than 90% and too high. For this reason, cracks are generated during hot forging, and the high temperature strength and high temperature fatigue strength are significantly inferior to those of the inventive examples.

以上の結果から、本発明の各要件、金属間化合物相の体積分率、金属間化合物の平均サイズ、L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物の割合、金属Alのプールの最大長さなどの、高温疲労強度を向上させるための臨界的な意義が分かる。
From the above results, each requirement of the present invention, the volume fraction of the intermetallic compound phase, the average size of the intermetallic compound, the ratio of the intermetallic compound having a surface irregularity shape with L 2 / S of 13 or more, the pool of metal Al The critical significance for improving the high-temperature fatigue strength, such as the maximum length of, is 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. 図1の金属間化合物を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the intermetallic compound of FIG. 比較例の耐熱性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 the heat resistant Al group alloy of a comparative example. 本発明の耐熱性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 the heat resistant Al group alloy of this invention.

Claims (3)

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を構成する金属間化合物の平均サイズが5μm以下であるとともに、視野内に存在する0.5μm以上の粒径を有する金属間化合物の内、金属間化合物面積Sと金属間化合物の周長Lとの関係L2 /Sが13以上の表面凹凸形状を有する金属間化合物が40%以上存在す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 size of the intermetallic compound constituting the intermetallic compound phase is 5 μm or less, and 0.5 μm or more present in the visual field Among the intermetallic compounds having a particle size, the relationship between the intermetallic compound area S and the peripheral length L of the intermetallic compound is such that there is 40% or more of the intermetallic compound having a surface irregularity shape with a L 2 / S of 13 or more. A heat-resistant Al-based alloy with excellent high-temperature fatigue characteristics. 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, The heat-resistant Al-based alloy having excellent high-temperature fatigue characteristics according to claim 1 , comprising an Al-Cr-based, Al-Fe-based, or Al-Ti-based intermetallic compound . 前記Al基合金組織が、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以下である請求項1または2に記載の高温疲労特性に優れた耐熱性Al基合金。 The heat-resistant Al with excellent high-temperature fatigue properties according to claim 1 or 2, wherein the Al-based alloy structure has an average maximum length of a pool of the metal Al divided by the intermetallic compound phase of 40 µm or less. Base alloy.
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