JPH051346A

JPH051346A - 高強度アルミニウム基合金

Info

Publication number: JPH051346A
Application number: JP19661491A
Authority: JP
Inventors: Jiyunichi Nagahora; 純一永洞; Takeshi Terabayashi; 武司寺林; Masato Kawanishi; 真人川西; Katsuyuki Takeya; 桂之竹谷
Original assignee: YKK Corp; Yoshida Kogyo KK
Current assignee: YKK Corp
Priority date: 1990-08-14
Filing date: 1991-08-06
Publication date: 1993-01-08

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、硬度および強度が高く、高耐摩耗
性、高耐熱性を有し、かつ、靭性に優れた高強度アルミ
ニウム基合金を提供するものである。【構成】一般式：ＡｌａＭｂＬｎｃ又はＡｌａＭｂＸ
ｄＬｎｃ（ただし、Ｍ：Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの１種又は２
種以上の元素、Ｌｎ：Ｙ、希土類元素、Ｍｍから選ばれ
る１種又は２種以上の元素、７５≦ａ≦９７、０．５≦
ｂ≦１５、０．５≦ｃ≦１０、０．５≦ｄ≦３．５）で
示される組成を有し、平均結晶粒径が０．１〜８０μｍ
のＡｌ又はＡｌの過飽和固溶体のマトリックスであり、
金属間化合物の安定相又は準安定相からなる粒子がマト
リックス中に均一に分布し、その金属間化合物の平均粒
子の大きさが１０〜５００ｎｍである高強度アルミニウ
ム基合金である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、硬度および強度が高
く、高耐摩耗性、高耐熱性を有し、かつ、靭性に優れた
高強度アルミニウム基合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、高強度、高耐熱性を有するアルミ
ニウム基合金が液体急冷法等によって製造されている。
特に、特開平１−２７５７３２号公報に開示されてい
る、液体急冷法によって得られるアルミニウム基合金は
非晶質又は微細結晶質であり、高強度、高耐熱性、高耐
食性を特徴とする優れた合金である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開平１−２７５７３２号公報に開示されているアルミニ
ウム基合金は、高強度、高耐熱性、高耐食性を示す優れ
た合金であり、高強度材料としては加工性にも優れてい
るが、高い靭性が要求される材料としては、靭性に改良
の余地を残している。

【０００４】そこで本発明は高い信頼性の要求される構
造部材に通用できるよう必要強度を維持しつつ、靭性に
優れた材料を得ることを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

本発明は一般式：Ａｌ_aＭ_bＬｎ_c、又はＡｌ_aＭ_bＸ_dＬｎ
_c ｛ただし、Ｍ：Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、から選ばれる一種も
しくは二種以上の金属元素、Ｘ：Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒから選ばれる一
種もしくは二種以上の金属元素、Ｌｎ：Ｙ、希土類元素、希土類元素の複合体からなるＭ
ｍ＜ミッシュメタル＞から選ばれる一種もしくは二種以
上の元素、ａ、ｂ、ｃ、ｄは原子パーセントで７５≦ａ≦９７０．５≦ｂ≦１５０．５≦ｃ≦１００．５≦ｄ≦３．５｝で示される組成を有し、平均結晶粒径が０．１〜８０μ
ｍのアルミニウムまたはアルミニウムの過飽和固溶体の
マトリックスであり、かつ、主元素（マトリックス元
素）と上記合金元素とが生成する種々の金属間化合物お
よび／または上記合金元素同士が生成する種々の金属間
化合物の安定相または準安定相からなる粒子が前記マト
リックス中に均一に分布し、その金属間化合物の平均粒
子の大きさが１０〜５００ｎｍであることを特徴とする
高強度アルミニウム基合金である。

【０００６】本発明のアルミニウム基合金は、上記組成
を有する合金の溶湯を液体急冷法で急冷凝固することに
より得ることができる。この液体急冷法とは、溶融した
合金を急速に冷却させる方法をいい、例えば単ロール
法、双ロール法、回転液中紡糸法などが特に有効であ
り、これらの方法では１０⁴〜１０⁶ｋ／ｓｅｃ程度の冷
却速度が得られる。この単ロール法、双ロール法等によ
り薄帯材料を製造するには、ノズル孔を通して約３００
〜１００００ｒｐｍの範囲の一定速度で回転している直
径３０〜３００ｍｍの例えば銅あるいは鋼製のロールに
溶湯を噴出する。これにより幅が約１〜３００ｍｍで厚
さが約５〜５００μｍの各種薄帯材料を容易に得ること
ができる。また、回転液中紡糸法により細線材料を製造
するには、ノズル孔を通じ、アルゴンガス背圧にて、約
５０〜５００ｒｐｍで回転するドラム内に遠心力により
保持された深さ約１〜１０ｃｍの溶液冷媒層中に溶湯を
噴出して、細線材料を容易に得ることができる。この際
のノズルからの噴出溶湯と冷媒面とのなす角度は、約６
０〜９０度、噴出溶湯と溶液冷媒面の相対速度比は約
０．７〜０．９であることが好ましい。

【０００７】なお、上記方法によらずスパッタリング法
によって薄膜を、また高圧ガス噴霧法などの各種アトマ
イズ法やスプレー法により急冷粉末を得ることができ
る。

【０００８】得られた急冷アルミニウム基合金が０．１
〜８０μｍの平均結晶粒径をもつかどうかは通常の透過
型電子顕微鏡によって知ることができる。すなわち、１
０００倍から１０万倍程度の明視野観察によって、個々
の結晶粒子の結晶方位の違いによって生じるコントラス
トから、一つ一つの結晶粒子に大きさを測定できるし、
明視野によって、一つ一つの結晶粒子が不明瞭な場合
は、特定の電子回折スポットを選択した暗視野観察によ
って測定が可能である。また、金属間化合物の平均粒子
の大きさの測定も同様にして行われる。金属間化合物で
あるかどうかの判定は、通常の電子線回折によって行う
ことができ、電子線回折像によって容易にＡｌマトリッ
クスと区別できる。

【０００９】本発明の合金は前述の単ロール法、双ロー
ル法、回転液中紡糸法、スパッタリング、各種アトマイ
ズ法、スプレー法、メカニカルアロイング法、メカニカ
ルグライディング法等により得ることができる。又、必
要に応じて適当な製造条件を選ぶことにより平均結晶粒
径および金属間化合物の平均粒子の大きさを制御でき
る。

【００１０】さらに、組成によっては非晶質組織を得る
ことができるが、この非晶質組織は加熱すると特定の温
度以上で結晶質に分解する。この非晶質組織の加熱分解
によっても本発明合金を得ることができ、その際、加熱
条件を適当に選ぶことによって、本発明の平均結晶粒径
の範囲内に制御できる。

【００１１】上記一般式で示される本第１及び第２発明
のアルミニウム基合金において、原子％でａを７５〜９
７％の範囲に、また、ｂを０．５〜１５％、ｃを０．５
〜１０％、ｄを０．５〜３．５％の範囲にそれぞれ限定
したのは、その範囲から外れると脆くなって靭性が得ら
れなかったり、高強度が得られなかったりするために、
前記液体急冷等を利用した工業的な急冷手段では、本発
明の目的の特性をもった合金を得ることができなくなる
からである。

【００１２】Ｍ元素はＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕより選ばれる１
種または２種以上の金属元素であり、これらの元素はＡ
ｌマトリックス中の拡散能が比較的小さい元素であり、
Ｌｎ元素と共存して、種々の安定又は準安定な微細な金
属間化合物を形成し、Ａｌマトリックス中に微細に分散
することにより、マトリックスを強化するとともに、結
晶粒の異常な粗大化を抑制する効果を併せ持つ。すなわ
ち合金の硬度と強度を著しく向上させ、常温はもとより
高温における微細結晶質相を安定化させ、耐熱性を付与
する。

【００１３】Ｘ元素はＶ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｍ
ｏ、より選ばれる一種または二種以上の金属元素であ
り、これらの元素はＡｌマトリックス中の拡散能が比較
的小さな元素であり、上記Ｍ元素と共存して、常温にお
ける硬度、強度を高温において維持する効果を持つとと
もに、上記合金中に０．５〜３．５ａｔ％添加すること
により延性を付与することができるので、熱間塑性加工
により加工材を得る場合、特に有用である。

【００１４】Ｌｎ元素はＹ、希土類元素、Ｍｍ（ミッシ
ュメタル）より選ばれる一種または二種以上の元素であ
り、やはりＡｌマトリックス中の拡散能が小さい元素で
あり、Ｍ元素と共存して、安定な金属間化合物を形成
し、微細結晶質の安定化に貢献する。

【００１５】本発明の合金組成範囲においては、非晶質
相又は０．１μｍ未満の平均結晶粒径を得ることもでき
るが、この場合、強度は強いが、本発明の目的には延性
（すなわち靭性）の点で不十分であり、所望の延性（引
張試験時の伸び０．５％）を得る為には平均結晶粒径
０．１μｍ以上が必要である。

【００１６】また、過度に冷却速度を減じたり、加熱分
解処理温度を上げることにより、平均結晶粒径８０μｍ
を越えることもできるが、この場合、強度が急激に低下
し、本合金の目的が達せられない。

【００１７】その際、加熱条件を適当に選ぶことによっ
て、本発明の平均結晶粒径の範囲内に制御できる。

【００１８】さらに、本発明において金属間化合物の平
均粒子径を１０〜５００ｎｍの範囲に限定したのは、こ
の範囲をはずれると、Ａｌマトリックスの強化要素とし
て働かないためである。すなわち、過度に冷却速度を大
きくしたり、加熱分解処理温度を低くすると、金属間化
合物の粒子は１０ｎｍ未満となり、Ａｌマトリックスの
強化に寄与せず、必要以上にマトリックス中に固溶させ
ると脆化の危険を生じる。また、過度に冷却速度を減じ
たり、加熱分解処理温度を高くすると、金属間化合物の
平均粒子径は５００ｎｍを超えてしまい、合金の強化要
素として働かなくなる。すなわち、分散粒子が大きくな
りすぎて、強度の維持ができなくなる。したがって、上
記範囲にすることにより、ヤング率、高温強度、疲労強
度を向上することができるためである。

【００１９】本発明の合金は、適当な製造条件を選ぶこ
とにより、平均結晶粒径及び金属間化合物の平均粒子径
を制御できるが、強度を重視する場合、平均結晶粒径お
よび金属間化合物の平均粒子径を小さく制御し、延性を
重視する場合、平均結晶粒子径及び金属間化合物の平均
粒子径を大きくすることによって、種々の目的に合った
特徴を制御できる。

【００２０】また、平均結晶粒径を０．１〜１０μｍの
範囲に制御することにより、優れた超塑性加工材料とし
ての性質も付与できる。

【００２１】本発明の合金は、リボン、薄体、粉末とし
て得ることができるが、融点の１／５〜１／２の温度領
域で、押出加工、プレス加工、鍛造などの熱間塑性加工
をすることによって、容易にバルク材を得ることができ
る。また、非晶質又は過飽和固溶体の組織を持った合金
から、粉末成形固化条件を選ぶことにより、容易に得る
ことができる。これらの合金は、高い靭性を持った高力
合金としての優れた特性を示し、特に高信頼性の構造部
材に有用である。

【００２２】

【実施例】以下本発明を実施例に基づいて具体的に説明
する。

【００２３】高周波溶解炉により所定の成分組成を有す
る溶融合金３をつくり、これを第１図に示す先端に小孔
５（孔径：０．５ｍｍ)を有する石英管１に装入し、加
熱溶融した後、その石英管１を銅製ロール２の直上に設
置し、回転数１０００ｒｐｍの高速回転下、石英管１内
の溶融合金３をアルゴンガスの加圧下（０．７ｋｇ／ｃ
ｍ²）により石英管１の小孔５から噴射し、ロール２の
表面と接触させることにより急冷凝固させて合金薄帯４
を得る。

【００２４】上記製造条件により、表１に示す組成（原
子％）を有する１４種の合金薄帯（幅１ｍｍ、厚さ２０
μｍ）を得て供試体とした。ＴＥＭ観察によって平均結
晶粒径を測定した結果、すべて０．１〜６０μｍの結晶
質のマトリックス中に１０〜５０ｎｍの平均粒子径から
なる金属間化合物よりなり、非晶質相は含まないことが
分った。

【００２５】これらの常温引張試験による機械的性質と
マイクロビッカース硬さ（荷重50g)の値を表１に付記し
た。

【００２６】

【表１】

【００２７】いずれのサンプルも８７５ＭＰａ以上の強
度を示すと同時に伸びが１．６％以上を示し、優れた合
金であることが分る。

【００２８】次に高圧ガス（Ａｒ）アトマイズ法によっ
て得られた、非晶質相からなる合金粉末（平均粒径４５
μｍ以下）を、粉末押出法によってバルク材を作成し
た。

【００２９】押出条件は２３０℃、真空中で圧粉し、φ
２４×３０リットルの圧粉体（相対密度７５〜８５％）
を得て、これを押出用ビレットとした。このビレットを
４５０℃で押出し、径約φ６、押出比１５の押出棒を作
成し、機械加工によって、測定部φ３、平行部１５ｍｍ
の引張試験片とした。その試験結果を表２に示す。

【００３０】一方では押出棒よりＴＥＭ観察用試験片を
切り出し結晶粒度測定を行った。これらの平均結晶粒度
は、いずれも５〜６０μｍの範囲であり、結晶マトリッ
クス中に２０〜５０ｎｍの金属間化合物が均一に分散し
た組織を持っていることが分った。

【００３１】

【表２】

【００３２】いずれのサンプルも強度、延性に優れ、構
造材としてすぐれた材料であることが分る。

【００３３】又、上記と同様にしてＡｌ₈₇Ｎｉ₆Ｍｎ₇か
らなる押出用ビレットを作成し、これを各種温度にて押
出、押出棒を作成し、平均結晶粒径の変化に対する引張
強度、硬度及び引張試験時の伸びの変化を調べた。その
結果を第２図に示す。

【００３４】第２図に示すように平均結晶粒径０．１μ
ｍ以上で引張試験時の伸びが０．５％以上となり、又、
平均結晶粒径８０μｍ以下で市販のアルミニウム基合金
の硬度（Ｈv ：５０〜１００ＤＰＮ）の２倍以上の２０
０（ＤＰＮ）以上の硬度を示すとともに引張強度も６５
０（ＭＰａ）以上となる。更に強度、硬度及び延性にも
っとも優れた条件として、強度が８００（ＭＰａ）以
上、硬度が２３０（ＤＰＮ）以上、伸びが１．２（％）
以上が構造材として最も適しており、上記条件は平均結
晶粒径２２〜６０（μｍ）において得られるということ
が分る。

【００３５】

【発明の効果】本発明のアルミニウム基合金は、硬度及
び強度が高く、高耐摩耗性、高耐熱性を有し、かつ靭性
の優れたものであり、高信頼性の構造部材等に適した材
料である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明合金を急冷凝固した薄帯を作る時に使用
する単ロール装置の説明図

【図２】本発明合金の試験結果を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一般式：Ａｌ_aＭ_bＬｎ_c ｛ただし、Ｍ：Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、から選ばれる一種も
しくは二種以上の金属元素、Ｌｎ：Ｙ、希土類元素、希土類元素の複合体からなるＭ
ｍ＜ミッシュメタル＞から選ばれる一種もしくは二種以
上の元素、ａ、ｂ、ｃは原子パーセントで７５≦ａ≦９７０．５≦ｂ≦１５０．５≦ｃ≦１０｝で示される組成を有し、平均結晶粒径が０．１〜８０μ
ｍのアルミニウムまたはアルミニウムの過飽和固溶体の
マトリックスであり、主元素（マトリックス元素）と上
記合金元素とが生成する種々の金属間化合物および／ま
たは上記合金元素同士が生成する種々の金属間化合物の
安定相または準安定相からなる粒子が前記マトリックス
中に均一に分布し、その金属間化合物の平均粒子の大き
さが１０〜５００ｎｍであることを特徴とする高強度ア
ルミニウム基合金。
【請求項２】一般式：Ａｌ_aＭ_bＸ_dＬｎ_c ｛ただし、Ｍ：Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、から選ばれる一種も
しくは二種以上の金属元素、Ｘ：Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒから選ばれる一
種もしくは二種以上の金属元素、Ｌｎ：Ｙ、希土類元素、希土類元素の複合体からなるＭ
ｍ＜ミッシュメタル＞から選ばれる一種もしくは二種以
上の元素、ａ、ｂ、ｃ、ｄは原子パーセントで７５≦ａ≦９７０．５≦ｂ≦１５０．５≦ｃ≦１００．５≦ｄ≦３．５｝で示される組成を有し、平均結晶粒径が０．１〜８０μ
ｍのアルミニウムまたはアルミニウムの過飽和固溶体の
マトリックスであり、かつ主元素（マトリックス元素）
と上記合金元素とが生成する種々の金属間化合物および
／または上記合金元素同士が生成する種々の金属間化合
物の安定相または準安定相からなる粒子が前記マトリッ
クス中に均一に分布し、その金属間化合物の平均粒子の
大きさが１０〜５００ｎｍであることを特徴とする高強
度アルミニウム基合金。