JP7184257B2

JP7184257B2 - アルミニウム合金材、その製造方法及びインペラ

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Publication number: JP7184257B2
Application number: JP2019053268A
Authority: JP
Inventors: 雅晶近藤; 知平杉山; 洋明佐藤; 恭平安藤; 尚記 ▲高▼田
Original assignee: Toyota Industries Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Toyota Industries Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: JP2020152965A

Description

特許法第３０条第２項適用第１３４回春季大会講演概要、発行者一般社団法人軽金属学会、発行日平成３０年４月２６日〔刊行物等〕一般社団法人軽金属学会第１３４回春季大会、発表日平成３０年５月２６日

本発明は、アルミニウム合金材、その製造方法及びインペラに関する。

アルミニウム合金は、比強度が高いという特性を活かし、機械部品などの素材として使用されている。機械部品の中でも、例えば、ターボチャージャに組み込まれるインペラなどの輸送機用圧縮機部品には、高温下での機械的特性に優れていることが求められる。従来、この種の機械部品は、アルミニウム合金の中でも高温における強度及び剛性に優れたＡ２６１８合金が多用されている（例えば、特許文献１）。

近年、自動車等の輸送機の分野において、ターボチャージャの回転数を更に高速にすることが求められている。かかる状況に対応するため、ターボチャージャ用インペラに、高温における強度がより高いアルミニウム合金材を使用することが望まれている。しかし、Ａ２６１８合金は、１５０℃以上の温度まで加熱すると強度や剛性が急激に低下するという特性を有している。

そこで、高温における強度に優れたアルミニウム合金として、例えば特許文献２には、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％、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）と不可避不純物および／または改質元素となる合金組成を有する耐熱高強度アルミニウム合金が記載されている。このアルミニウム合金は、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た製造方法により製造することができる。

特開２０１８－１２７７０６号公報特開２０１２－２０７２８３号公報

しかし、特許文献２の耐熱高強度アルミニウム合金は、製造過程において溶湯を急冷凝固するという特殊な工程を行う必要があるため、一般的な製造方法により製造されるアルミニウム合金に比べて製造コストが高い。それ故、高温における強度の高いアルミニウム合金材としては、Ａ２６１８合金が多用されているのが実情である。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、製造コストの増大を抑制することができ、高温における強度に優れたアルミニウム合金材及びその製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、Ｍｇ（マグネシウム）：５．５～１０原子％、Ｚｎ（亜鉛）：１．０～４．０原子％を含有し、残部がＡｌ（アルミニウム）及び不可避的不純物からなる化学成分と、
Ａｌマトリクス中に、Ｔ相析出物を含む第二相粒子が分散した金属組織と、を有し、
任意の断面における前記Ｔ相析出物の面積率が９％以上である、アルミニウム合金材にある。

本発明のさらに他の態様は、前記の態様のアルミニウム合金材の製造方法であって、
前記化学成分を有する鋳塊を作製し、
前記鋳塊を４２０～５００℃の温度で２４～４８時間加熱して溶体化処理を行い、
次いで、前記鋳塊を焼入れし、
その後、前記鋳塊を２００～２５０℃の温度で１～１００時間加熱して時効処理を行う、アルミニウム合金材の製造方法にある。

前記アルミニウム合金材は、前記特定の範囲の化学成分を有している。これにより、Ｔ相析出物を含む第二相粒子がＡｌマトリクス中に分散した金属組織を形成することができる。また、前記アルミニウム合金材における、第二相粒子の面積率は前記特定の範囲内にある。Ｔ相は熱力学的に安定な平衡相であるため、高温環境下においてもアルミニウム合金材を強化することができる。それ故、Ｔ相析出物を含む第二相粒子の面積率を前記特定の範囲内とすることにより、アルミニウム合金材を強化するとともに、高温における強度の低下をより抑制することができる。

また、前記アルミニウム合金材を作製するにあたっては、前記の態様の製造方法、つまり、溶製法によって作製された鋳塊に、溶体化処理、焼入れ及び時効処理を順次行う方法を採用することができる。前記の態様の製造方法は、急冷凝固などの特殊な工程を含まないため、製造コストの増大を抑制することが容易である。そのため、前記の態様の製造方法によれば、前記アルミニウム合金材を安価に作製することができる。

以上のように、前記アルミニウム合金材は、製造コストの増大を抑制することができ、高温における強度に優れている。また、前記アルミニウム合金材の製造方法によれば、前記アルミニウム合金材を安価に作製することができる。

図１は、実施例における、試験材１の電子顕微鏡像である。図２は、実施例における、試験材９の電子顕微鏡像である。

前記アルミニウム合金材の化学成分及び金属組織について説明する。

・化学成分
前記アルミニウム合金材は、Ｍｇ（マグネシウム）：５．５～１０原子％、Ｚｎ（亜鉛）：１．０～４．０原子％を含むＡｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金である。前記アルミニウム合金材中のＭｇ量及びＺｎ量を前記特定の範囲とすることにより、Ａｌマトリクス中にＴ相析出物、つまり、Ａｌ₆Ｍｇ₁₁Ｚｎ₁₁の組成を有する金属間化合物を析出させることができる。その結果、高温における前記アルミニウム合金材の強度の低下を抑制し、高温における強度に優れたアルミニウム合金材を得ることができる。

Ｍｇの含有量は７．０原子％以上であることが好ましく、９．０原子％以上であることがより好ましい。この場合には、Ｔ相析出物の量をより多くし、高温におけるアルミニウム合金材の強度の低下をより効果的に抑制することができる。

Ｍｇ量が少なすぎる場合及び多すぎる場合には、Ａｌマトリクス中にＴ相析出物が析出しにくくなる。その結果、高温環境下において第二相粒子による強化の効果が低下しやすくなり、高温におけるアルミニウム合金材の強度の低下を招くおそれがある。

また、Ｚｎの含有量は１．５原子％以上であることが好ましい。この場合には、Ｔ相析出物の量をより多くし、高温におけるアルミニウム合金材の強度の低下をより効果的に抑制することができる。

Ｚｎ量が少なすぎる場合及び多すぎる場合には、Ａｌマトリクス中にＴ相析出物が析出しにくくなる。その結果、高温環境下において第二相粒子による強化の効果が低下しやすくなり、高温におけるアルミニウム合金材の強度の低下を招くおそれがある。

・金属組織
前記アルミニウム合金材は、Ａｌマトリクス中に、Ｔ相析出物を含む第二相粒子が分散した金属組織を有している。前記第二相粒子には、Ｔ相析出物の他に、例えば、β相析出物、つまり、（Ａｌ，Ｚｎ）₃Ｍｇ₂の組成式で表され、Ｚｎ濃度が３質量％以下である金属間化合物等の、他の相の析出物が含まれていてもよい。前述したように、Ｔ相析出物は平衡相であるため、高温環境下においても前記アルミニウム合金材を強化することができる。それ故、前記アルミニウム合金材は、Ａｌマトリクス中に第二相粒子としてのＴ相析出物が含まれていれば、高温における強度の低下を抑制することができる。

前記アルミニウム合金材の任意の断面における前記第二相粒子の面積率は９％以上である。第二相粒子の面積率を前記特定の範囲とすることにより、第二相粒子によって前記アルミニウム合金材を十分に強化し、前記アルミニウム合金材の室温における強度及び前記アルミニウム合金材の高温における強度を向上させることができる。

第二相粒子の面積率が少なすぎる場合には、第二相粒子による強化が不十分となり、前記アルミニウム合金材の室温における強度及び前記アルミニウム合金材の高温における強度の低下を招くおそれがある。

前記アルミニウム合金材の高温における強度をより向上させる観点から、任意の断面におけるＴ相析出物の面積率は９％以上である。

・機械的特性
前記アルミニウム合金材は、前記特定の化学成分及び金属組織を有することにより、室温における強度を高めるとともに、高温における強度の低下を抑制することができる。

前記アルミニウム合金材の２５０℃における引張強さは１４０ＭＰａ以上であることが好ましい。かかる特性を有するアルミニウム合金材は、例えばターボチャージャ用インペラなどの、高温環境下で使用される機械部品に好適である。

また、高温環境下で使用されるアルミニウム合金材は、単に高温での強度が高いだけではなく、高温環境下において、室温での強度からの強度の低下量が小さいことが好ましい。かかる観点からは、２５℃における引張強さＴＳ（２５）［ＭＰａ］に対する２５０℃における引張強さＴＳ（２５０）［ＭＰａ］の比ＴＳ（２５０）／ＴＳ（２５）の値が０．３５以上であることが好ましく、０．４０以上であることがより好ましい。

前記アルミニウム合金材は、前述した通り、Ｔ相析出物によって高温環境下における強度の低下を抑制することができる。それ故、前記アルミニウム合金材は、高温環境下において高い強度を有している。かかる特性を有する前記アルミニウム合金材は、例えば、輸送機用圧縮機部品、特に、ターボチャージャ用インペラとして好適である。また、前記アルミニウム合金材は、輸送機用圧縮機部品以外にも、高温環境下において使用される機械部品に好適に使用することができる。

・製造方法
前記アルミニウム合金材は、例えば、鋳造、溶体化処理、焼入れ及び時効処理を順次実施することにより作製される。また、前記の態様の製造方法においては、必要に応じて、鋳造後の鋳塊に、均質化処理及び展伸加工を行ってもよい。

鋳造においては、例えば、連続鋳造や半連続鋳造等の方法により、前記特定の化学成分を有する鋳塊を作製すればよい。

鋳造後の鋳塊を加熱して均質化処理を行う場合、加熱温度は、例えば、４２０～５００℃の範囲から適宜設定することができる。また、均質化処理における保持時間は、例えば、１０～４８時間の範囲から適宜設定することができる。均質化処理における加熱温度が低すぎる場合または保持時間が短すぎる場合には、鋳塊の均質化が不十分となり、偏析等の問題が生じるおそれがある。また、この場合には、後に塑性加工を行う際に、変形抵抗の増大を招くおそれもある。

均質化処理における加熱温度が高すぎる場合または保持時間が長すぎる場合には、鋳塊の加熱に要するエネルギーが増大し、製造コストの増大を招くおそれがある。また、この場合には、後に塑性加工を行う際に、割れが生じやすくなるおそれもある。これらの問題をより確実に回避する観点からは、均質化処理における加熱温度を４４０～４８０℃の範囲内とすることが好ましい。同様の観点から、均質化処理における保持時間を２４～３０時間の範囲内とすることが好ましい。

鋳塊に展伸加工を施す場合、展伸加工としては、熱間圧延、冷間圧延、熱間押出、冷間押出、熱間鍛造及び冷間鍛造から選択される１種の加工を実施してもよいし、これらのうち２種以上の加工を組み合わせて実施してもよい。また、展伸加工の途中において、焼鈍等の熱処理を必要に応じて行うこともできる。

溶体化処理においては、鋳塊又は展伸材を加熱してＭｇ及びＺｎをＡｌマトリクス中に固溶させる。そして、溶体化処理が完了した直後に焼入れを行うことにより、鋳塊を過飽和固溶体とすることができる。

溶体化処理における加熱温度は、例えば、４２０～５００℃の範囲から適宜設定することができる。また、溶体化処理における保持時間は、２４～４８時間の範囲から適宜設定することができる。溶体化処理における加熱温度及び保持時間を前記特定の範囲とすることにより、Ｍｇ及びＺｎを鋳塊中に十分に固溶させ、後に行う時効処理によってＴ相析出物を含む第二相粒子を微細に析出させることができる。

溶体化処理における加熱温度が低すぎる場合または保持時間が短すぎる場合には、Ｍｇ及びＺｎが十分に固溶せず、時効処理後の第二相粒子の量が少なくなるおそれがある。その結果、前記アルミニウム合金材の高温における強度の低下を招くおそれがある。溶体化処理における加熱温度が高すぎる場合または保持時間が長すぎる場合には、展伸材の加熱に要するエネルギーが増大し、製造コストの増大を招くおそれがある。

鋳塊の焼入れ方法は特に限定されることはなく、例えば、水焼入れなどの方法を採用することができる。

その後、溶体化処理及び焼入れによって過飽和固溶体となった鋳塊を加熱して時効処理を行う。時効処理における加熱温度は、例えば、２００～３００℃の範囲から適宜設定することができる。また、時効処理における保持時間は、１～１００時間の範囲から適宜設定することができる。時効処理における加熱温度及び保持時間を前記特定の範囲とすることにより、Ａｌマトリクス中にＴ相析出物を含む第二相粒子を微細に析出させることができる。

時効処理における加熱温度が低すぎる場合または保持時間が短すぎる場合には、第二相粒子の量が少なくなるおそれがある。その結果、前記アルミニウム合金材の高温における強度の低下を招くおそれがある。時効処理における加熱温度が高すぎる場合または保持時間が長すぎる場合には、過時効となり、前記アルミニウム合金材の強度の低下を招くおそれがある。これらの問題をより確実に回避する観点から、時効処理における加熱温度を２００～２５０℃の範囲内とする。同様の観点から、時効処理における保持時間を１～１０時間の範囲内とすることが好ましい。

前記アルミニウム合金材及びその製造方法の実施例を以下に説明する。本例では、連続鋳造法により表１に示す化学成分を有する鋳塊を作製した。得られた鋳塊を４８０℃の温度に２４時間保持して溶体化処理を行い、次いで水焼入れを行った。そして、水焼入れ後の鋳塊を表１に示す加熱温度に１０時間保持して時効処理を行った。以上により、表１に示すアルミニウム合金材（試験材１～１０）を得た。また、本例では、試験材１～１０との比較のため、Ａ２６１８合金からなる試験材Ｒを作製した。

得られた試験材のうち、２００℃で時効処理を行った試験材１～９について、鋳塊の中央部を走査型電子顕微鏡で観察し、倍率５００００倍の電子顕微鏡像を取得した。図１及び図２に、それぞれ、試験材１及び試験材９の電子顕微鏡像を示す。図１に示すように、試験材１は、ＡｌマトリクスＭ中に微細な粒状の第二相粒子Ｐ１が分散した金属組織を有していた。試験材１の第二相粒子Ｐ１の相を同定するため、更にＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光）分析及びＸＲＤ（Ｘ線回折）分析を行ったところ、試験材１の第二相粒子Ｐ１はＴ相析出物であった。

一方、図２に示すように、試験材９は、ＡｌマトリクスＭ中に針状の第二相粒子Ｐ２が分散した金属組織を有していた。試験材９の第二相粒子Ｐ２の相を同定するため、更にＥＤＳ分析及びＸＲＤ分析を行ったところ、試験材９の第二相粒子Ｐ２はβ相析出物と推定された。

図には示さないが、試験材２～７の第二相粒子は、試験材１と同様にＴ相析出物であった。また、試験材８の第二相粒子は、Ｔ相析出物及びβ相析出物であった。各試験材における析出物の面積率を表１に示す。なお、析出物の面積率は、以下の方法により算出した。まず、前述した倍率５００００倍の電子顕微鏡に、第二相粒子の輪郭を損なわないようにして二値化処理を施し、二値化像を作成した。この二値化像の総面積に対する第二相粒子の占有面積の比率を析出物の面積率とした。

ＪＩＳＺ２２４１：２０１１の規定に準じた方法により、各試験材の２５℃、１５０℃及び２５０℃における引張強さを測定した。各試験材の２５℃、１５０℃及び２５０℃における引張強さは表１に示した通りであった。

表１に示したように、試験材１～５は、前記特定の範囲の化学成分を有するとともに、Ａｌマトリクス中に第二相粒子としてのＴ相析出物が分散した金属組織を有していた。また、これらの試験材におけるＴ相析出物の面積率は前記特定の範囲内であった。そのため、試験材１～５の２５０℃における引張強さは１４０ＭＰａ以上となった。

試験材６及び試験材７は、Ｍｇの含有量またはＺｎの含有量が前記特定の範囲よりも少ないため、Ａｌマトリクス中に形成された第二相粒子の量が不足した。その結果、これらの試験材の高温における強度は、試験材１～５に比べて低くなった。

試験材８及び試験材９は、Ｍｇの含有量が前記特定の範囲よりも多いため、第二相粒子としてのＴ相析出物の量が不足した。その結果、これらの試験材の高温における強度は、試験材１～５に比べて低くなった。

試験材１０は、時効処理における加熱温度が高すぎたため過時効となった。その結果、試験材１０の高温における強度は、試験材１～５に比べて低くなった。

なお、本発明に係るアルミニウム合金材及びその製造方法の具体的な態様は、実施例に記載した態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更することができる。

ＭＡｌマトリクス
Ｐ１、Ｐ２第二相粒子

Claims

Ｍｇ：５．５～１０原子％、Ｚｎ：１．０～４．０原子％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分と、
Ａｌマトリクス中に、Ｔ相析出物を含む第二相粒子が分散した金属組織と、を有し、
任意の断面における前記Ｔ相析出物の面積率が９％以上である、アルミニウム合金材。
２５０℃における引張強さが１４０ＭＰａ以上である、請求項１に記載のアルミニウム合金材。
請求項１または２に記載のアルミニウム合金材からなるインペラ。
請求項１または２に記載のアルミニウム合金材の製造方法であって、
前記化学成分を有する鋳塊を作製し、
前記鋳塊を４２０～５００℃の温度で２４～４８時間加熱して溶体化処理を行い、
次いで、前記鋳塊を焼入れし、
その後、前記鋳塊を２００～２５０℃の温度で１～１００時間加熱して時効処理を行う、アルミニウム合金材の製造方法。