JPH0153342B2 - - Google Patents
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- JPH0153342B2 JPH0153342B2 JP58160565A JP16056583A JPH0153342B2 JP H0153342 B2 JPH0153342 B2 JP H0153342B2 JP 58160565 A JP58160565 A JP 58160565A JP 16056583 A JP16056583 A JP 16056583A JP H0153342 B2 JPH0153342 B2 JP H0153342B2
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
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- B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
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- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
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- Laminated Bodies (AREA)
Description
〔技術分野〕
本発明は高温での構造用に適当なアルミニウム
基合金材料に関する。 〔従来技術〕 周知のアルミニウム合金は、100℃ないし150℃
より高い温度における構造用、例えば航空宇宙産
業での構造用としては満足されていない。一般的
には高温での用途には非常に高価なチタン合金が
使用されている。三元的又は四元的添加がなされ
たAl−8%Fe合金に関してかなりの研究が行わ
れた。上記の合金は、粉末(又は急速に凝固した
粒子状出発材料)から作らねばならず、且つそれ
らの圧縮は450℃−500℃のオーダの温度において
充分に達成されているだけである。しかしながら
約300℃より高い温度において、前記合金は急激
な特性悪化をきたし、実用性が低下する。 クロムとジルコニウムの両者が4重量%以下の
量で含まれるAl/Cr/Zr三元合金について種々
の提案がなされている。 〔発明の目的〕 良好な強度および温度特性を有し、粉末成形に
よつて容易に製造され、且つ通常の製造技術を用
いてこれまで可能であつた以上に容易に圧縮強化
される改良された構造用高強度熱的安定(耐熱
性)アルミニウム基本合金材料を提供することが
本発明の目的である。 〔発明の構成〕 本発明において下記組成(イ): (イ) Cr1.5ないし7.0重量% Zr0.5ないし2.5重量% Mn0.25ないし2.0重量% 残部Al〔但し不可避的不純物を含有する〕 を含有してなる合金の急冷凝固粉末の成形材であ
る構造用高強度熱的安定(耐熱性)アルミニウム
基本合金が提供される。 前記合金組成(イ)の範囲内で、 Cr3.0ないし5.5重量% Zr1.0ないし2.0重量% Mn0.8ないし2.0重量% の組成を有するものがより好ましい。 本発明の合金材料は押出し加工により“Z”断
面形状ストリンガー材、リベツトワイヤ、航空機
構造部材、自動車エンジンピストン等に利用され
る。 本発明の合金材料に含まれるクロム成分は固溶
硬化の効果を有する。鋳造アルミニウム合金を冷
却する通常の方法では固溶体中に0.3%程度保持
される。本発明に係る急速凝固ではCrが7重量
%程度容易に固溶されるが、それよりも多くなる
と固溶困難度が増大する。 本発明の合金でCr量の下限を1.5重量%とした
理由は一定強度レベルを得るためであり、Cr量
の上限を7.0重量%とした理由は上記の如く7.0重
量%以下で固溶が容易になされるからである。 またZrは本発明合金の強度を増大する高温、
例えば約350℃で時効硬化を示す。この時効硬化
による強化は、長時間曝露の場合は約300℃以下
の処理温度に保持することにより行われ、あるい
は、短時間曝露の場合は、それ以上の温度に保持
しても行われる。 本発明に係る合金においてZr量の下限を0.5重
量%とした理由は、0.5重量%以上で析出強化効
果が発現し、しかも所定の強度レベルを得ること
ができるからであり、その上限を2.5重量%とし
た理由は2.5重量%以下においてAl中にZrを完全
に溶解することが容易になるからである。 Mnは本発明合金の高温強度と熱的安定性を増
大する。本発明に係る合金においてMn量の下限
を0.25重量%とした理由は、0.25%未満では上記
効果が有効でなく、その上限を2.0重量%とした
理由は、この上限値以下において機械的特性のバ
ランスと所定のミクロ組織を容易に得ることがで
きるからである。 第2表および添付図面において、本発明の合金
(A)および(B)と従来のAl/8重量%Fe合金とにつ
いて、高温保持時間の対数と強度保持率(PST)
との関係を比較し、本発明の合金材料の特徴を例
証する。 従来のインゴツト冶金法による高強度で熱的に
安定な(耐熱性)析出硬化アルミニウム合金の発
展は、150℃以上の温度において時効析出物の粗
大化により急激な強度劣化を生ずることによつて
厳しく制約されている。例えばスプラツト
(Splat)急冷、微細粉末噴霧化スプレー成形及び
蒸着の急速凝固技術を用いながら高強度と熱的安
定性を有するアルミニウム合金を製造するために
種々の試験が行われてきた。これらの合金は一般
的に8−10重量%の遷移元素(例えばFe、Mn、
Ni、Mo)を含有するもので該遷移元素は溶湯中
で可溶性であり、固体中ではかなり不溶性であ
る。急速な凝固に伴う高冷却速度によつて固溶体
中にこれら元素を保持することを可能にし、それ
によつて圧縮生成物に対して高強度と熱的安定性
を与える。このようなアプローチにおいて実際上
の基本的な困難さは、高い特性レベルを得るのに
要する高凝固速度(>105℃/秒)及び低圧縮温
度(典型的に<300℃)にある。 高いレベルのクロム(7重量%以下)が固溶体
中で保持され、圧縮物に熱的安定性を与えること
がわかつた。更に、高いレベルのクロムを含む合
金は、Al8重量%Feを基本とする“従来の”急速
な凝固合金よりも、シートへの圧縮及び押出し圧
縮がかなり容易であつた。しかしながら、十分な
強度を得るためには例えば鉄のような第2の遷移
元素に、比較的高いレベルが要求された。急速凝
固アルミニウムへのジルコニウムの添加が、該材
料に時効硬化反応を与えることも知られていた。 種々の組成の合金がスプラツト急速技術(冷却
速度103−108℃/秒)によつて急冷凝固せしめら
れ、その硬さは、300℃−500℃の範囲の温度を使
用する100時間以下の時効時間により定まるもの
であつた。 0.25−2.0重量%Mnの添加が上記三元合金の熱
的安定時間を伸ばすという効果を有していること
が見出された。上記選択された合金の典型的な時
効硬化作用を、Al8重量%Feを基本とする熱的に
安定な非時効硬化急速凝固合金についての公開さ
れたデータと比較して第1表に示す。第1表の内
容でゾーンαは全ての溶質添加物が固溶体(冷却
速度〜106℃/秒)で保持される材料として規定
され、ゾーンβは微細分散物の析出相(冷却速度
〜103℃/秒)を含む材料として規定されている。
該合金系が顕著な時効硬化作用を有することは第
1表から明白である。加えて、よりゆるやかに凝
固された微細粒(ゾーンβ)は、より急速に凝固
された材料(ゾーンα)に比較してわずかに劣る
特性を示すだけであり、この特性はMn含有四元
合金に特に明白である。Al8重量%Fe基合金系と
比較することによつて、本発明の合金系の熱的安
定性が増大していることが見出され、ゾーンβ特
性での著しい改良が明らかであり、103℃/秒の
低い冷却速度が、急速に凝固した微細粒の製造
に、用いることを可能にした。 上記の研究成果は2つの合金成分の定義を可能
にした。 合金A 高強度熱的安定合金 Cr 5.25 Zr 1.75 Mn 1.75 合金B 中間強度熱的安定合金 Cr 3.7 Zr 1.2 Mn 1.0 バルクの合金を2つの異なつた技術を使用して
作つた。 (イ) スプラツト急冷。この場合、所定の組成の溶
融合金の薄い流れが微細な小滴にアルゴン噴霧
される。これらの小滴は回転する冷却基板に当
り材料薄片を作る。微細粒の冷却速度は103
℃/秒と108℃/秒との間に変動することが出
来るが、一般的に104℃/秒ないし106℃/秒で
ある。個々の薄片(フレーク)はゾーンαとゾ
ーンβとを溶質含有量%に依存してそれぞれ50
−70%、30−50%の割合で含む。 (ロ) 従来の粉末噴霧。この場合、所定組成の溶融
金属流が微細粒子にエア噴霧化される。例えば
通常の冷却速度2×104℃/秒で75μm以下の粒
子を含有している分級物(主にゾーンα)と、
通常の冷却速度103℃/秒で125〜420μmの寸法
範囲の粒子を含有している分級物(主にゾーン
β)とに級できる一定の範囲の粉末寸法が得ら
れる。この材料は何ら改造もしない標準的な粉
末製造設備によつて作られた。 2つの合金のバルク材料を、従来の技術と350
℃の加工温度を用いてシートに圧縮し押出した。
第2表はピーク硬化条件での材料の引張り特性を
詳細に示し且つ添付図面は高温に曝露した後の引
張強度の保持率を示す。図示された結果はすべて
組成、冷却速度及び製造ルートに無関係である。 引張り特性データは期待された高い引張り強度
は高いパーセントのゾーンαを含む材料から得ら
れることを示す。これは2×104℃/秒以上に対
応するものであつて、この冷却速度はAl8%Fe合
金の強度と同じ強度を作るのに必要な冷却速度よ
り小さなオーダーである。しかしながら、この結
果は、主にゾーンβを含有する材料が注目すべき
引張り特性(遷移元素の多量添加を含む他の合金
系には見られない特徴)を有することを示す。合
金Aの引張り特性は、<300℃の温度での製造を要
する他の合金(例えばAl8重量%Fe)で得られる
特性に比べて優るとも劣らない。添付図面は(冷
却速度と無関係な)圧縮された粒子の熱的安定性
が、Al8%Fe基本合金ではかなり改良されている
ことを示す。Al−Cr−Zr−Mn系におけるその他
の特徴は、製造条件の注意深い制御によつて、該
材料を時効硬化することが可能であり、後続熱処
理の必要性を回避し得ることにある。 従つて本発明は、圧縮が容易であり、高温
(300〜500℃)での時効硬化によつて高強度と熱
的安定性をもたらす比較的軟かい粒子を製造する
ために急速凝固技術を使用し得る合金材料を提供
するものである。更にゆつくりした凝固速度
(103℃/秒位)を、適切な予備圧縮粒子の製造に
使用できる。 前記合金粒子をローリングミルに直接かけるこ
とによつて圧縮し、連続工程でシートを製造し得
ることが理解されよう。合金粒子は、圧縮の後、
押出しされる。圧延又は押出し工程の製品は、
T6テンパー処理を受けた時すぐれた室温強度を
有する。例えば上記のAl/Zr/Cu/Mn合金は
350℃までの温度で使用可能である。
基合金材料に関する。 〔従来技術〕 周知のアルミニウム合金は、100℃ないし150℃
より高い温度における構造用、例えば航空宇宙産
業での構造用としては満足されていない。一般的
には高温での用途には非常に高価なチタン合金が
使用されている。三元的又は四元的添加がなされ
たAl−8%Fe合金に関してかなりの研究が行わ
れた。上記の合金は、粉末(又は急速に凝固した
粒子状出発材料)から作らねばならず、且つそれ
らの圧縮は450℃−500℃のオーダの温度において
充分に達成されているだけである。しかしながら
約300℃より高い温度において、前記合金は急激
な特性悪化をきたし、実用性が低下する。 クロムとジルコニウムの両者が4重量%以下の
量で含まれるAl/Cr/Zr三元合金について種々
の提案がなされている。 〔発明の目的〕 良好な強度および温度特性を有し、粉末成形に
よつて容易に製造され、且つ通常の製造技術を用
いてこれまで可能であつた以上に容易に圧縮強化
される改良された構造用高強度熱的安定(耐熱
性)アルミニウム基本合金材料を提供することが
本発明の目的である。 〔発明の構成〕 本発明において下記組成(イ): (イ) Cr1.5ないし7.0重量% Zr0.5ないし2.5重量% Mn0.25ないし2.0重量% 残部Al〔但し不可避的不純物を含有する〕 を含有してなる合金の急冷凝固粉末の成形材であ
る構造用高強度熱的安定(耐熱性)アルミニウム
基本合金が提供される。 前記合金組成(イ)の範囲内で、 Cr3.0ないし5.5重量% Zr1.0ないし2.0重量% Mn0.8ないし2.0重量% の組成を有するものがより好ましい。 本発明の合金材料は押出し加工により“Z”断
面形状ストリンガー材、リベツトワイヤ、航空機
構造部材、自動車エンジンピストン等に利用され
る。 本発明の合金材料に含まれるクロム成分は固溶
硬化の効果を有する。鋳造アルミニウム合金を冷
却する通常の方法では固溶体中に0.3%程度保持
される。本発明に係る急速凝固ではCrが7重量
%程度容易に固溶されるが、それよりも多くなる
と固溶困難度が増大する。 本発明の合金でCr量の下限を1.5重量%とした
理由は一定強度レベルを得るためであり、Cr量
の上限を7.0重量%とした理由は上記の如く7.0重
量%以下で固溶が容易になされるからである。 またZrは本発明合金の強度を増大する高温、
例えば約350℃で時効硬化を示す。この時効硬化
による強化は、長時間曝露の場合は約300℃以下
の処理温度に保持することにより行われ、あるい
は、短時間曝露の場合は、それ以上の温度に保持
しても行われる。 本発明に係る合金においてZr量の下限を0.5重
量%とした理由は、0.5重量%以上で析出強化効
果が発現し、しかも所定の強度レベルを得ること
ができるからであり、その上限を2.5重量%とし
た理由は2.5重量%以下においてAl中にZrを完全
に溶解することが容易になるからである。 Mnは本発明合金の高温強度と熱的安定性を増
大する。本発明に係る合金においてMn量の下限
を0.25重量%とした理由は、0.25%未満では上記
効果が有効でなく、その上限を2.0重量%とした
理由は、この上限値以下において機械的特性のバ
ランスと所定のミクロ組織を容易に得ることがで
きるからである。 第2表および添付図面において、本発明の合金
(A)および(B)と従来のAl/8重量%Fe合金とにつ
いて、高温保持時間の対数と強度保持率(PST)
との関係を比較し、本発明の合金材料の特徴を例
証する。 従来のインゴツト冶金法による高強度で熱的に
安定な(耐熱性)析出硬化アルミニウム合金の発
展は、150℃以上の温度において時効析出物の粗
大化により急激な強度劣化を生ずることによつて
厳しく制約されている。例えばスプラツト
(Splat)急冷、微細粉末噴霧化スプレー成形及び
蒸着の急速凝固技術を用いながら高強度と熱的安
定性を有するアルミニウム合金を製造するために
種々の試験が行われてきた。これらの合金は一般
的に8−10重量%の遷移元素(例えばFe、Mn、
Ni、Mo)を含有するもので該遷移元素は溶湯中
で可溶性であり、固体中ではかなり不溶性であ
る。急速な凝固に伴う高冷却速度によつて固溶体
中にこれら元素を保持することを可能にし、それ
によつて圧縮生成物に対して高強度と熱的安定性
を与える。このようなアプローチにおいて実際上
の基本的な困難さは、高い特性レベルを得るのに
要する高凝固速度(>105℃/秒)及び低圧縮温
度(典型的に<300℃)にある。 高いレベルのクロム(7重量%以下)が固溶体
中で保持され、圧縮物に熱的安定性を与えること
がわかつた。更に、高いレベルのクロムを含む合
金は、Al8重量%Feを基本とする“従来の”急速
な凝固合金よりも、シートへの圧縮及び押出し圧
縮がかなり容易であつた。しかしながら、十分な
強度を得るためには例えば鉄のような第2の遷移
元素に、比較的高いレベルが要求された。急速凝
固アルミニウムへのジルコニウムの添加が、該材
料に時効硬化反応を与えることも知られていた。 種々の組成の合金がスプラツト急速技術(冷却
速度103−108℃/秒)によつて急冷凝固せしめら
れ、その硬さは、300℃−500℃の範囲の温度を使
用する100時間以下の時効時間により定まるもの
であつた。 0.25−2.0重量%Mnの添加が上記三元合金の熱
的安定時間を伸ばすという効果を有していること
が見出された。上記選択された合金の典型的な時
効硬化作用を、Al8重量%Feを基本とする熱的に
安定な非時効硬化急速凝固合金についての公開さ
れたデータと比較して第1表に示す。第1表の内
容でゾーンαは全ての溶質添加物が固溶体(冷却
速度〜106℃/秒)で保持される材料として規定
され、ゾーンβは微細分散物の析出相(冷却速度
〜103℃/秒)を含む材料として規定されている。
該合金系が顕著な時効硬化作用を有することは第
1表から明白である。加えて、よりゆるやかに凝
固された微細粒(ゾーンβ)は、より急速に凝固
された材料(ゾーンα)に比較してわずかに劣る
特性を示すだけであり、この特性はMn含有四元
合金に特に明白である。Al8重量%Fe基合金系と
比較することによつて、本発明の合金系の熱的安
定性が増大していることが見出され、ゾーンβ特
性での著しい改良が明らかであり、103℃/秒の
低い冷却速度が、急速に凝固した微細粒の製造
に、用いることを可能にした。 上記の研究成果は2つの合金成分の定義を可能
にした。 合金A 高強度熱的安定合金 Cr 5.25 Zr 1.75 Mn 1.75 合金B 中間強度熱的安定合金 Cr 3.7 Zr 1.2 Mn 1.0 バルクの合金を2つの異なつた技術を使用して
作つた。 (イ) スプラツト急冷。この場合、所定の組成の溶
融合金の薄い流れが微細な小滴にアルゴン噴霧
される。これらの小滴は回転する冷却基板に当
り材料薄片を作る。微細粒の冷却速度は103
℃/秒と108℃/秒との間に変動することが出
来るが、一般的に104℃/秒ないし106℃/秒で
ある。個々の薄片(フレーク)はゾーンαとゾ
ーンβとを溶質含有量%に依存してそれぞれ50
−70%、30−50%の割合で含む。 (ロ) 従来の粉末噴霧。この場合、所定組成の溶融
金属流が微細粒子にエア噴霧化される。例えば
通常の冷却速度2×104℃/秒で75μm以下の粒
子を含有している分級物(主にゾーンα)と、
通常の冷却速度103℃/秒で125〜420μmの寸法
範囲の粒子を含有している分級物(主にゾーン
β)とに級できる一定の範囲の粉末寸法が得ら
れる。この材料は何ら改造もしない標準的な粉
末製造設備によつて作られた。 2つの合金のバルク材料を、従来の技術と350
℃の加工温度を用いてシートに圧縮し押出した。
第2表はピーク硬化条件での材料の引張り特性を
詳細に示し且つ添付図面は高温に曝露した後の引
張強度の保持率を示す。図示された結果はすべて
組成、冷却速度及び製造ルートに無関係である。 引張り特性データは期待された高い引張り強度
は高いパーセントのゾーンαを含む材料から得ら
れることを示す。これは2×104℃/秒以上に対
応するものであつて、この冷却速度はAl8%Fe合
金の強度と同じ強度を作るのに必要な冷却速度よ
り小さなオーダーである。しかしながら、この結
果は、主にゾーンβを含有する材料が注目すべき
引張り特性(遷移元素の多量添加を含む他の合金
系には見られない特徴)を有することを示す。合
金Aの引張り特性は、<300℃の温度での製造を要
する他の合金(例えばAl8重量%Fe)で得られる
特性に比べて優るとも劣らない。添付図面は(冷
却速度と無関係な)圧縮された粒子の熱的安定性
が、Al8%Fe基本合金ではかなり改良されている
ことを示す。Al−Cr−Zr−Mn系におけるその他
の特徴は、製造条件の注意深い制御によつて、該
材料を時効硬化することが可能であり、後続熱処
理の必要性を回避し得ることにある。 従つて本発明は、圧縮が容易であり、高温
(300〜500℃)での時効硬化によつて高強度と熱
的安定性をもたらす比較的軟かい粒子を製造する
ために急速凝固技術を使用し得る合金材料を提供
するものである。更にゆつくりした凝固速度
(103℃/秒位)を、適切な予備圧縮粒子の製造に
使用できる。 前記合金粒子をローリングミルに直接かけるこ
とによつて圧縮し、連続工程でシートを製造し得
ることが理解されよう。合金粒子は、圧縮の後、
押出しされる。圧延又は押出し工程の製品は、
T6テンパー処理を受けた時すぐれた室温強度を
有する。例えば上記のAl/Zr/Cu/Mn合金は
350℃までの温度で使用可能である。
【表】
硬さは標準工程でのヴイツカースダイアモンドによつ
て決められた。
て決められた。
【表】
添付図面は本発明に係る合金の高強度熱的安定
性を説明するためのグラフである。
性を説明するためのグラフである。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 下記成分 Cr1.5ないし7.0重量% Zr0.5ないし2.5重量% Mn0.25ないし2.0重量% Al残部〔但し不可避的不純物を含有する〕 を含有してなる合金の急冷凝固粉末を成形してな
る構造用高強度熱的安定アルミニウム基合金材
料。 2 前記合金が下記成分 Cr3.0ないし5.5重量% Zr1.0ないし2.0重量% Mn0.8ないし2.0重量% を含有することを特徴とする特許請求の範囲第1
項記載の合金材料。
Applications Claiming Priority (2)
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GB8225207 | 1982-09-03 |
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