JP5556723B2 - 耐熱高強度アルミニウム合金およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)本発明の耐熱高強度アルミニウム合金(以下、適宜「アルミニウム合金」という。)は、全体を100%としたときに、鉄(Fe):3〜6%、ジルコニウム(Zr):0.66〜1.5%、チタン(Ti):0.6〜1%、マグネシウム(Mg):0.6〜2.2%、Tiに対するZrの質量比(Zr/Ti):1.1〜1.5、残部:アルミニウム(Al)と不可避不純物、となる合金組成を有するアトマイズ粒子または薄片を圧縮成形したビレットをさらに熱間で押出成形した押出材からなることを特徴とする。また本発明の耐熱高強度アルミニウム合金は、全体を100%としたときに、Fe:4.5〜6%、Zr:0.66〜1.5%、Ti:0.6〜1%、Tiに対するZrの質量比(Zr/Ti):1.1〜1.5、残部:Alと不可避不純物、となる合金組成を有するアトマイズ粒子または薄片を圧縮成形したビレットをさらに熱間で押出成形した押出材からなる
ことを特徴とする。
(1)本発明はアルミニウム合金としてのみならず、その製造方法としても把握できる。上述した事情を考慮して、この製造方法は、例えば、上述した合金組成からなる合金溶湯を300℃/秒以上の冷却速度で急冷凝固させた凝固体からなる原素材に、熱間塑性加工を施して加工材を得る加工工程を備えることを特徴とすると好適である。
(1)本明細書でいう「アルミニウム合金」は、上記した組成を有すれば足り、その形態、金属組織、加工段階などは問わない。例えば、急冷凝固させた粉末、薄帯やその破砕粉、成形体やビレット、さらには焼結材や展伸材(押出材等)なども本発明のアルミニウム合金に含まれる。また本発明のアルミニウム合金は、素材であっても、中間製品であっても、最終製品であってもよい。
(1)Fe
Feは、アルミニウム合金の強度や硬さなどを高める元素である。アルミニウム合金全体を100質量%としたときに(以下ではこの記載を省略する。)、Feは3〜6%、4〜6%さらには4.5〜5.5%であると好ましい。Feが過少では十分な強度や硬さが得られず、Feが過多では延性が低下し、また高強度過ぎて成形性や加工性などが困難となる。
ZrおよびTiは、Alと協調して、アルミニウム合金の耐熱性を高める第二化合物相を形成する重要な元素である。Zrは0.66〜1.5%、0.7〜1.3%さらには0.8〜1.2%であると好ましい。またTiは0.6〜1%さらには0.7〜0.9%であると好ましい。この際、両者の質量比(Zr/Ti)が1.1〜1.5さらには1.15〜1.4であると、高温域まで安定な第二化合物相が形成されて好ましい。ちなみに、この質量比をTi(原子%)に対するZr(原子%)の原子比(Zr/Ti)aに換算すると、0.57〜0.79さらには0.6〜0.7であると好ましい。
Mgは、アルミニウム合金の強度(特に室温強度)の向上に有効な元素である。Mgは0.6〜2.2%、1〜2%さらには1.2〜1.8%であると好ましい。Mgが過少ではその効果がなく、過多ではアルミニウム合金材の加工性や成形性の低下を招く。
(1)本発明のアルミニウム合金は、Alの母相(α相)と、Al−Fe系金属間化合物相(第一化合物相)と、Al−(Zr、Ti)系金属間化合物(第二化合物相)を少なくとも有する複合組織からなる。このような金属組織により、本発明のアルミニウム合金は優れた耐熱性を発揮する。
本発明のアルミニウム合金の製造方法は、種々考えられる。もっとも、第二化合物相が基地中に超微細に均一的に分散した金属組織を得るには、前述したように、急冷凝固させた凝固体からなる原素材に熱間塑性加工を施す製造方法が好適である。
本発明のアルミニウム合金は、その用途や使用環境を問わないが、優れた耐熱性を有するため、内燃機関のピストン、吸気バルブ、コンロッド、過給機ロータ、圧縮機の羽根車など、高温環境下で使用される高強度部材などに好適である。なお、アルミニウム合金に加えられる熱処理や加工などの条件は、製品の要求仕様に応じて適宜調整されればよい。ちなみに、本発明のアルミニウム合金は、高温域のみならず室温域においても高い強度特性を発現する。このため、高温域で使用される部材に限らず、軽量化が要求される高強度部材に広く本発明のアルミニウム合金は利用され得る。
《試料の製造》
表1に示す組成のアルミニウム合金の溶湯を調製した(溶湯調製工程)。この合金溶湯を真空雰囲気中に噴霧してエアアトマイズ粉末(凝固体)を得た(凝固工程)。得られたエアアトマイズ粉末の粒子(アトマイズ粒子)を分級して粒径:150μm以下のアトマイズ粉末を用意した。ちなみに、エアアトマイズにより得られる粉末粒子のサイズと冷却速度の関係は公知である。これにより、上記アトマイズ粉末は104℃/秒以上の冷却速度で急冷凝固した粒子からなるといえる。
(1)強度および延性
各試料からから切り出した試験片を用いて引張試験を行い、室温における強度および延性と、300℃(予熱なし)における強度を測定した。その結果を表1に併せて示した。なお、引張試験はJIS Z2241に沿って行い、表1に示した強度は破断強さであり、延性は試験開始から破断時までにおける標点間距離の延び率である。
各試料の残留硬さ(各試料を高温加熱した後の室温硬さ)も測定した。具体的には、400℃の大気雰囲気中に10時間保持した後、室温状態に戻した各試料のビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さの測定は、ビッカース試験機を用いて、荷重0.49N、保持時間15sとして室温環境下で行った。
表1に示した試料No.11の金属組織を観察した写真を図2A〜図2Cおよび図3Aに示した。図2Bは図2A中の母相と第一化合物相の界面近傍を、図2Cは母相内の第二化合物相(析出相、整合相)を、図3Aはその第二化合物相をさらに拡大したものを、それぞれ観察した写真である。なお、図2Aは走査型電子顕微鏡(SEM)を、図2B〜図3Aは透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてそれぞれ観察した。
(1)初期特性
表1から明らかなように、本発明の組成範囲内にある試料はいずれも、室温状態における初期特性に優れる。これは一般的な耐熱アルミニウム合金である試料No.C1(A2618のT6処理材/JIS)や試料No.C2(AC8A/JIS)と比較すると明らかである。特に本発明に係る試料は、Fe量およびMg量が増加するほど強度が高くなっている。逆にいうと、Fe量が過少では室温域ですら強度が不十分となる。一方、Fe量が過多になると、押出加工時に高い加工力が必要となるだけでなく延性も低下している。
表1から明らかなように、本発明の組成範囲内にある試料はいずれも、高温特性にも優れている。この点も、試料No.C1や試料No.C2と比較すれば明らかである。また本発明に係る試料は、Fe量が増加するほど高温強度も増加する傾向があるが、Zr量またはTi量が適量でないと、十分な高温強度が得られていない。
先ず、図2Aから、本発明に係るアルミニウム合金は、母相(灰色に写っている部分)とAl−Fe系金属間化合物相からなる第一化合物相(白く写っている部分)とから主に構成されていることがわかる。
Claims (6)
- 全体を100質量%(以下単に「%」という)としたときに、
鉄(Fe):3〜6%、
ジルコニウム(Zr):0.66〜1.5%、
チタン(Ti):0.6〜1%、
マグネシウム(Mg):0.6〜2.2%、
Tiに対するZrの質量比(Zr/Ti):1.1〜1.5、
残部:アルミニウム(Al)と不可避不純物、
となる合金組成を有するアトマイズ粒子を圧縮成形したビレットをさらに熱間で押出比を5〜30として押出成形した押出材からなることを特徴とする耐熱高強度アルミニウム合金。 - 全体を100%としたときに、
Fe:4.5〜6%、
Zr:0.66〜1.5%、
Ti:0.6〜1%、
Tiに対するZrの質量比(Zr/Ti):1.1〜1.5、
残部:Alと不可避不純物、
となる合金組成を有するアトマイズ粒子を圧縮成形したビレットをさらに熱間で押出比を5〜30として押出成形した押出材からなることを特徴とする耐熱高強度アルミニウム合金。 - 全体を100%としたときに、
Fe:3〜6%、
Zr:0.66〜1.5%、
Ti:0.6〜1%、
Mg:0.6〜2.2%、
Tiに対するZrの質量比(Zr/Ti):1.1〜1.5、
残部:Alと不可避不純物、
となる合金組成を有する合金溶湯を10000℃/秒以上の冷却速度で急冷凝固させた薄片を圧縮成形したビレットをさらに熱間で押出比を5〜30として押出成形した押出材からなることを特徴とする耐熱高強度アルミニウム合金。 - 全体を100%としたときに、
Fe:4.5〜6%、
Zr:0.66〜1.5%、
Ti:0.6〜1%、
Tiに対するZrの質量比(Zr/Ti):1.1〜1.5、
残部:Alと不可避不純物、
となる合金組成を有する合金溶湯を10000℃/秒以上の冷却速度で急冷凝固させた薄片を圧縮成形したビレットをさらに熱間で押出比を5〜30として押出成形した押出材からなることを特徴とする耐熱高強度アルミニウム合金。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の合金組成からなる合金溶湯を10000℃/秒以上の冷却速度で急冷凝固させたアトマイズ粒子または薄片を圧縮成形したビレットをさらに熱間で押出比を5〜30として押出成形した押出材を得る加工工程を備えることを特徴とする耐熱高強度アルミニウム合金の製造方法。
- 前記加工工程は、前記ビレットを350〜500℃に加熱して押出成形する押出工程である請求項5に記載の耐熱高強度アルミニウム合金の製造方法。
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