JP7155456B2 - アルミニウム合金成形体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
積層造形法によって成形してなるアルミニウム合金積層成形体であり、
Alと共晶を形成する遷移金属元素を2~10質量%含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材を原料とし、
相対密度が98.5%以上であり、
金属組織は初晶α(Al)と、Alと前記遷移金属元素からなる化合物からなり、
メルトプールの境界部を除く領域の前記化合物の間隔が200nm以下であること、
を特徴とするアルミニウム合金成形体、を提供する。
Alと共晶を形成する遷移金属元素を2~10質量%含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材を積層造形法によって成形し、アルミニウム合金積層成形体を得る積層成形工程と、
前記アルミニウム合金積層成形体を200~400℃に保持し、Alと前記遷移金属元素からなる化合物を析出させると共に残留応力を低減する熱処理工程と、を有すること、
を特徴とするアルミニウム合金成形体の製造方法、も提供する。
本発明のアルミニウム合金成形体は、積層造形法によって成形してなるアルミニウム合金積層成形体であり、Alと共晶を形成する遷移金属元素を2~10質量%含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材を原料とし、メルトプールの境界部を除く領域のAlと前記遷移金属元素からなる化合物の間隔が200nm以下であること、を特徴としている。以下、アルミニウム合金成形体の組成、組織及び各種物性について詳細に説明する。
本発明のアルミニウム合金成形体は、Alと共晶を形成する遷移金属元素を2~10質量%含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材を原料としている。以下、成分元素について説明する。
Fe:2~10質量%
Feを2質量%以上含有することで、AlFe系化合物の形成によりアルミニウム合金成形体の強度及び硬度の増加、熱安定性の向上を図ることができる。また、Feの含有量を10質量%以下とすることで、AlFe系化合物の粗大化に起因するアルミニウム合金成形体の靭性及び延性及び熱伝導率の低下を抑制すると共に、AlFe系化合物の粗大化に起因する強度及び硬度の低下も抑制することができる。Feの含有量は3~9質量%とすることが好ましく、4~8質量%とすることがより好ましい。
図1に、本発明のアルミニウム合金成形体の断面マクロ組織を模式的に示す。以下、遷移金属元素がFeの場合について詳述する。本発明のアルミニウム合金成形体2は積層造形法によって成形されたものであり、複数のメルトプール4が接合されたマクロ組織を有している。
アルミニウム合金成形体2の熱伝導率は100W/mK以上であることが好ましい。本発明のアルミニウム合金成形体2においては、Feが微細なAlFe系化合物を形成することで、Feの固溶量が低下し、強度と熱伝導率が高められている。加えて、当該AlFe系化合物の形成過程においてアルミニウム母材のひずみが大幅に低減されており、これらの効果によって高い熱伝導率が実現されている。
本発明のアルミニウム合金成形体の製造方法は、Alと共晶を形成する遷移金属元素を2~10質量%含有するアルミニウム合金材を原料とし、積層造形法を用いてアルミニウム合金積層成形体を得る積層成形工程と、Alと前記遷移金属元素からなる化合物を析出させると共に残留応力を低減する熱処理工程と、を有している。以下、遷移金属元素がFeの場合を代表として、各工程について詳細に説明する。
積層成形工程は、2~10質量%のFeを含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材を原料とし、積層造形法を用いてアルミニウム合金積層成形体を得るための工程である。
熱処理工程は、積層造形法を用いて得られたアルミニウム合金積層成形体を適当な温度で熱処理し、AlFe系化合物を析出させると共に残留応力を低減するための工程である。
レーザを用いた粉末床溶融結合方式の積層造形法により、表1に示す組成(質量%)を有する50%粒子径が40~50μmのアルミニウム合金粉末を原料としてアルミニウム合金成形体を得た。積層造形に使用した造形機はYbファイバーレーザを備える3D Systems社製のProX320及び松浦機械製作所製のLUMEX Avance-25である。
(1)微細組織
得られたアルミニウム合金成形体から断面観察用試料を切り出し、鏡面研磨を施して組織観察用試料とした。観察には光学顕微鏡及び走査電子顕微鏡(Carl Zeiss製,ULTRA Plus型)を用い、断面のマクロ組織及びメルトプール内に分散しているAlFe系化合物を観察した。
(1)と同様にして断面試料を作製し、ビッカース硬度を測定した。測定荷重を5kgf、保持時間を15sとして測定を行った。加えて、200℃、250℃、300℃、350℃の各温度における高温ビッカース硬度も測定した。高温ビッカース硬さはインテスコ製のHTM-1200II型(圧子の材質:サファイヤ)を用いて測定し、測定荷重を1000~3000gf、保持時間を30秒とした。また、試料の昇温速度を10℃/分とし、温度到達後5分保持後に測定を開始した。
得られたアルミニウム合金成形体よりJIS-Z2241に定められる14A号試験片を採取し、室温にて引張試験を行った。引張試験時のクロスヘッドスピードは0.2%耐力までは0.1~0.5mm/分とし、0.2%耐力以後は5mm/分とした。加えて、200℃、250℃、300℃、350℃の各温度における引張特性も評価した。高温における引張試験においては、引張試験片を各測定温度において100時間保持した後、引張試験に供した。
熱伝導率測定装置(アルバック理工製,熱定数測定装置TC-9000型)を用い、レーザフラッシュ法により熱伝導率を測定した。熱伝導率測定用試験片はφ10mmとし、円板の両面が厚さ約2mmとなるように研磨した。
表1に比較例1及び比較例2として示す組成のアルミニウム合金粉末を原料としたこと以外は実施例と同様にして、アルミニウム合金成形体を得た。また、実施例と同様にして熱処理を行い、得られたアルミニウム合金成形体について実施例と同様の評価を行った。
4・・・メルトプール。
Claims (3)
- 積層造形法によって成形してなるアルミニウム合金積層成形体であり、
Alと共晶を形成する遷移金属元素を2~10質量%含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材を原料とし、
相対密度が98.5%以上であり、
金属組織は初晶α(Al)と、Alと前記遷移金属元素からなる化合物からなり、
メルトプールの境界部を除く領域の前記化合物の間隔が200nm以下であり、
前記遷移金属元素がFeであり、
前記化合物がAlFe系化合物であり、
前記境界部はメルトプールの境界からの距離が5μmまでの領域であり、
200℃におけるビッカース硬度が60HV以上であること、
を特徴とするアルミニウム合金成形体。 - 室温における引張強度が240MPa以上であること、
を特徴とする請求項1に記載のアルミニウム合金成形体。 - Alと共晶を形成する遷移金属元素を2~10質量%含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材を積層造形法によって成形し、アルミニウム合金積層成形体を得る積層成形工程と、
前記アルミニウム合金積層成形体を200~400℃に1~100時間保持し、Alと前記遷移金属元素からなる化合物を析出させると共に残留応力を低減する熱処理工程と、を有し、
前記遷移金属元素をFeとし、
前記化合物がAlFe系化合物であり、
前記アルミニウム合金積層成形体の200℃におけるビッカース硬度を60HV以上とすること、
を特徴とするアルミニウム合金成形体の製造方法。
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