JPH05179383A - 噴霧堆積法により製造された微細晶出粒子を有するアルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 噴霧堆積法により製造し、晶出粒子が微細化
しているために優れた機械的強度（特に高温における引
張強度及び靭性）を有するアルミニウム合金を提供す
る。 【構成】 噴霧堆積法により製造された微細晶出粒子を
有するアルミニウム合金であって、Ｓｉ：3 〜３５重量
％と、Ｃｕ：0.2 〜5 重量％と、Ｍｇ：０．２〜５重量
％と、Ｎａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｓｂ及びＰの少なくとも１
種：０．０００１〜２重量％と、残部実質的にＡｌ及び
不可避的不純物からなる組成を有する。さらにＺｒ、Ｆ
ｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｅ及び
Ｙの少なくとも１種、及び／又はＢ及びＴｉの少なくと
も１種を含有してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、噴霧堆積法により製造
された微細晶出粒子を有するアルミニウム合金に関し、
特に晶出粒子が微細化されているために高強度高靭性を
有するアルミニウム合金に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来か
ら、アルミニウム合金は鋳造法、鍛造法、粉末冶金法等
により製造されている。このうち、鋳造法は、所定の組
成に溶製されたアルミニウム合金の溶湯を所望の形状の
鋳型に注入することにより、アルミニウム合金部材を製
造する方法である。また鍛造法は、鋳造されたアルミニ
ウム合金を機械的に鍛練することによりアルミニウム合
金部材を製造するものである。これらの方法では、いず
れもアルミニウム合金の溶湯を鋳型内で凝固させるの
で、凝固速度が遅く、微細結晶組織を得ることができな
いという問題があり、その上合金成分の添加量のコント
ロールにより機械的強度を向上させるのが難しいという
問題もある。

【０００３】このような鋳造法（鍛造法）の問題点を解
決するものとして開発された粉末冶金法は、所定の組成
を有するアルミニウム合金の溶湯を不活性ガスとともに
ノズルからスプレーして、微細な粉末を形成し、その粉
末を所定の形状に熱間加工することによりアルミニウム
合金の成形品を得るものである。この粉末冶金法は、微
細結晶組織を有するアルミニウム合金を製造することが
できるので、鋳造法や鍛造法では製造できない種々の組
成のアルミニウム製品の製造に利用されている。

【０００４】しかしながら、粉末冶金法ではいったんア
ルミニウム合金の粉末を形成した後で、それを再加熱し
て熱間加工することによりアルミニウム合金部材に成形
しているので、製造コストが高いという問題がある。

【０００５】このような事情下で、いわゆる噴霧堆積法
によりアルミニウム合金を製造することが提案された。
この噴霧堆積法では、アトマイズされたアルミニウム合
金の溶湯は微粒子となって堆積し、得られた堆積体を熱
間加工することにより、アルミニウム合金製品を得てい
る。このような噴霧堆積法は、例えば特開昭60-36631
号、特開平2-258935号、特開平3-2345号等に記載されて
いる。

【０００６】噴霧堆積法では、形成されたアルミニウム
合金の微粒子は固化する前に堆積して一体的な堆積体と
なるので、製造コストが低減するという利点がある。し
かし、冷却速度が遅いので、晶出粒子が粗大化するとい
う問題がある。そのため、噴霧堆積法により微細晶出粒
子を有するアルミニウム合金を得るのは困難であるのが
実情である。

【０００７】したがって、本発明の目的は、噴霧堆積法
により製造し、晶出粒子が微細化しているために優れた
機械的強度（特に高温における引張強度及び靭性）を有
するアルミニウム合金を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、Ｓｉ、Ｃｕ及びＭｇを必須成分と
するアルミニウム合金に、晶出粒子の微細化作用を有す
る元素として、Ｎａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｓｂ及びＰの少なく
とも１種を添加することにより、組織内に晶出する共晶
Ｓｉ及び初晶Ｓｉを微細化させ、もって機械的強度（特
に引張強度及び靭性）を改善することができることを発
見し、またさらにＺｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｅ及びＹの少なくとも１種や、Ｂ
及びＴｉの少なくとも１種を、適宜組み合わせて添加す
ることにより、耐熱性の向上や結晶組織の一層の微細化
が得られ、その結果機械的強度の改善がさらに得られる
ことを発見し、本発明に想到した。

【０００９】すなわち、本発明の微細晶出粒子を有する
アルミニウム合金は、噴霧堆積法により製造されたもの
で、Ｓｉ：3 〜３５重量％と、Ｃｕ：0.2 〜5 重量％
と、Ｍｇ：０．２〜５重量％と、Ｎａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｓ
ｂ及びＰの少なくとも１種：０．０００１〜２重量％
と、残部実質的にＡｌ及び不可避的不純物からなる組成
を有することを特徴とする。

【００１０】本発明の微細晶出粒子を有するアルミニウ
ム合金は、さらにＺｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｅ及びＹの少なくとも１種：０．
５〜１３重量％、及び／又はＢ及びＴｉの少なくとも１
種：０．０５〜１重量％を含有してもよい。

【００１１】

【作用】以下本発明を詳細に説明する。 〔１〕アルミニウム合金の組成

【００１２】（ａ）Ｓｉ：３〜３５重量％ Ｓｉは熱膨張係数及び機械的強度の向上に有効な元素で
あるが、３重量％未満だとそれらの効果を十分に発揮す
ることができない。一方、Ｓｉの含有量が３５重量％を
超えると、伸びが低下する。好ましいＳｉの含有量は５
〜１２重量％である。

【００１３】（ｂ）Ｃｕ：０．２〜５重量％ Ｃｕは引張強度を向上する作用を有する元素であるが、
０．２重量％未満だとその効果を十分に発揮することが
できない。一方、Ｃｕの含有量が５重量％を超えると、
伸びやシャルピー衝撃強度が低下するようになる。好ま
しいＣｕの含有量は１〜３重量％である。

【００１４】（ｃ）Ｍｇ：０．２〜５重量％ Ｍｇは引張強度を向上する作用を有する元素であるが、
０．２重量％未満だとその効果を十分に発揮することが
できない。一方、Ｍｇの含有量が５重量％を超えると、
伸びやシャルピー衝撃強度が低下し、その結果破壊靭性
が低下する。好ましいＭｇの含有量は１．５〜３重量％
である。

【００１５】（ｄ）第一添加元素：０．０００１〜２重
量％ 第一添加元素は、Ｎａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｓｂ及びＰの少な
くとも１種である。これらの第一添加元素は晶出粒子を
微細化する作用を有するが、０．０００１重量％未満だ
とその効果が十分に得られない。一方、２重量％を超え
ると、伸びやシャルピー衝撃強度が低下し、その結果破
壊靭性が低下する。好ましい第一添加元素の含有量は
０．００１〜０．０５重量％である。

【００１６】（ｅ）耐熱性向上元素：０．５〜１３重量
％ 本発明のアルミニウム合金は、耐熱性向上元素として、
Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、
Ｃｅ及びＹの少なくとも１種を含有する。これらの元素
は高温下（約２００℃以上）での機械的強度を向上する
作用を有するが、０．５重量％未満だとその効果を十分
に発揮することができない。一方、１３重量％を超える
と、基材の延性の低下を招くこととなる。好ましい耐熱
性向上元素の含有量は３〜７重量％である。

【００１７】（ｆ）Ｂ及び／又はＴｉ：０．０５〜１重
量％ Ｂ及び／又はＴｉも結晶粒微細化元素としての作用を有
するが、０．０５重量％未満だとその効果を十分に発揮
することができず、シャルピー衝撃強度の向上が得られ
ない。一方、１重量％を超えると、アルミニウム合金は
脆化し、シャルピー衝撃強度も低下する。好ましいＢ及
び／又はＴｉの含有量は０．１〜０．４重量％である。

【００１８】（ｇ）Ａｌ及び不可避的不純物：残部 不可避的不純物としては、Ｓ、Ｃ、Ｐｂ、Ｂｅ等があ
る。これらの不可避的不純物の含有量は、アルミニウム
合金の機械的強度の低下を防止する目的で、合計で０．
０３重量％以下である必要がある。

【００１９】〔２〕噴霧堆積法 本発明の微細晶出粒子を有するアルミニウム合金を製造
する噴霧堆積法においては、アルミニウム合金を溶解す
るためのタンディシュと、タンディシュのノズルの直下
に設けられた不活性ガスの噴出用ノズルと、前記噴出用
ノズルの５〜３０ｃｍ程度下方に設けられたアルミニウ
ム合金微粒子の捕集堆積用手段とを有する装置を使用す
る。この装置内は不活性ガス雰囲気におき、アルミニウ
ム合金の酸化を防止する。

【００２０】このような装置により噴霧堆積法を実施す
るには、まずタンディシュ内で６００〜１０００℃で溶
解したアルミニウム合金をノズルから放出するととも
に、直下の噴出用ノズルから不活性ガスを高速で噴出す
る。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、ヘ
リウムガス等を使用する。この高速の不活性ガスにより
微細化された溶湯はアルミニウム合金微粒子となって、
５〜３０ｃｍ程度下方の捕集手段上に堆積する。得られ
るアルミニウム合金微粒子は通常約３μｍ以下の平均粒
径を有する。

【００２１】堆積したアルミニウム合金微粒子はまだ５
００〜７００℃程度の温度にあり、完全に固化していな
い。そのため、連続的に堆積するアルミニウム合金微粒
子は固着し、アルミニウム合金堆積体となる。この堆積
体内では、アルミニウム合金微粒子は通常１〜１０³ ℃
／秒の速度で冷却する。このように、噴霧堆積法では鋳
造法よりも冷却速度が大きいので、微細なＳｉの晶出粒
子、ならびに微細な結晶粒が得られる。一方、粉末冶金
法より冷却速度が遅くても、十分な機械的強度を有する
のみならず、Ｚｒや、Ｂ及び／又はＴｉ、さらに接種元
素を含有すれば、結晶粒の微細化を達成することができ
る。すなわち、針状Ｆｅ系析出物やＳｉの粗大粒子の形
成を防止することができる。このような微細結晶組織を
有する本発明のアルミニウム合金においては、３μｍを
超える粒径の析出物はほとんどない。

【００２２】このようにして得られたアルミニウム合金
堆積体は、必要に応じて外周加工をして、所定の形状の
プリフォームとする。次いで、このプリフォームに熱間
加工を施す。熱間加工としては、熱間押出、すえ込み加
工等がある。熱間押出の場合、所定の開口形状のダイを
有する押出機を用いて、アルミニウム合金堆積体を４０
０〜５００℃において、７〜２５の押出比（面積比によ
り表す）で押出すことにより行う。またすえ込み加工の
場合、ダイ中で４００〜５００℃において、５０〜８０
％のすえ込み比（高さ比により表す）で行う。

【００２３】熱間加工したアルミニウム合金には通常熱
処理を施す。熱処理としては、Ｔ６処理及びＴ７処理が
ある。Ｔ６処理は、アルミニウム合金を４３０〜５４０
℃で１〜５０時間溶体化処理し、次いで９０〜１７０℃
で２４時間以上時効処理を行うことからなる。また、Ｔ
７処理は、Ｔ６処理に１５０〜１９０℃での時効処理
（５〜２０時間）を追加したものである。

【００２４】本発明を以下の具体的実施例によりさらに
詳細に説明する。

【００２５】実施例１〜７、比較例１〜３ 表１に示す組成のアルミニウム合金の溶湯（各組成にお
ける液相線＋２００℃の温度）を、直径３．０ｍｍのノ
ズルから噴出する窒素ガス（ガス圧５ｋｇ／ｃｍ² ）に
より噴霧化し、平均粒径４０μｍのアルミニウム合金粉
末とし、１５０ｍｍのスプレー距離にある捕集手段上に
堆積させた。このようにして得られたアルミニウム合金
堆積体に外周加工を施して、直径８０ｍｍ、長さ７０ｍ
ｍのプリフォームを得た。

【００２６】このプリフォームを４５０℃に４０分間加
熱し、押出比２０で熱間押出を行った。次いで、Ｔ６処
理として、４７０℃で１．５時間の溶体化処理、水中投
与による焼入、及び１３０℃で２４時間の時効処理をし
た。熱処理した各アルミニウム合金について、耐摩耗試
験、熱膨張係数の測定、室温における引張試験及び衝撃
試験（シャルピー試験）、及び２００℃における引張試
験を行った。結果を表２に示す。また、実施例３及び比
較例２のアルミニウム合金の顕微鏡写真（１０００倍）
をそれぞれ図１及び２に示す。

【００２７】 表１ 化学成分（重量％） 例No. Si Cu Mg Sr Cr Fe Na 実施例 １ 7 3.0 1.5 0.016 − − − ２ 7 3.0 1.5 − − − 0.001 比較例 １ 7 3.0 1.5 − − − − ２ 17 3.0 1.5 − 2.0 2.0 − 実施例 ３ 17 3.0 1.5 − 2.0 2.0 − ４ 17 3.0 1.5 − 2.0 2.0 − ５ 25 3.0 1.5 − 2.0 − − ６ 25 3.0 1.5 − 2.0 − − ７ 25 3.0 1.5 − 2.0 − − 比較例 ３ 25 3.0 1.5 − 2.0 − −

【００２８】

【００２９】 表２ 室温における機械的強度 例No. σ_B ⁽¹⁾ σ_0.2 ⁽²⁾ 伸び⁽³⁾ シャルピー ⁽⁴⁾ 実施例 １ 32 29 8.0 2.0 ２ 32.5 29 8.5 2.5 比較例 １ 31 28 6.2 1.2 ２ 42 36 0.5 0.4 実施例 ３ 44 38 2.1 0.9 ４ 43 35 2.5 1.2 ５ 44 40 1.0 0.6 ６ 44 41 1.2 0.9 ７ 42 40 2.0 1.3 比較例 ３ 43 40 0.3 0.3

【００３０】（注）： (1) 引張強度（kgf/mm² ）。 (2) ０．２％耐力（kgf/mm² ）。 (3) 伸び（％）。 (4) シャルピー衝撃値（kgfm/cm ² ）。

【００３１】表２から明らかなように、本発明のアルミ
ニウム合金は引張強度、耐力、伸び及び衝撃強度のいず
れにおいても、比較例のアルミニウム合金より良好であ
ることがわかる。また本発明のアルミニウム合金におい
て、耐熱性向上元素及び接種元素が添加されるに従っ
て、機械的強度が向上していることがわかる。

【００３２】また、図１及び２の顕微鏡写真の観察か
ら、Ｐを含有する実施例３のアルミニウム合金は２．０
μｍの平均Ｓｉ粒径を有するのに対して、Ｐを含有しな
い比較例２のアルミニウム合金は３．４μｍの平均Ｓｉ
粒径を有することがわかる。このように、第一添加元素
（Ｎａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｓｂ及びＰの少なくとも１種）を
添加することにより、晶出粒子の微細化が得られる。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述した通り、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇを
必須成分とするアルミニウム合金に、Ｎａ、Ｓｒ、Ｃ
ａ、Ｓｂ及びＰの少なくとも１種を添加し、さらに必要
に応じて耐熱性向上元素（Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎ
ｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｅ及びＹの少なくとも１
種）、並びにＢ及び／又はＴｉを組み合わせて添加する
ことにより、晶出粒子が微細化し、その結果機械的強度
の向上が得られる。このような本発明のアルミニウム合
金は、軽量化と高い機械的強度が要求されるコンロッ
ド、バルブ等の自動車部品を始めとして、各種の機械部
品、建材、構造材等に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例３のアルミニウム合金の金属組織を表す
顕微鏡写真（１０００倍）である。

【図２】比較例２のアルミニウム合金の金属組織を表す
顕微鏡写真（１０００倍）である。

フロントページの続き (72)発明者 塩川 健一郎 埼玉県和光市中央一丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 噴霧堆積法により製造された微細晶出粒
   子を有するアルミニウム合金において、Ｓｉ：3 〜３５
   重量％と、Ｃｕ：0.2 〜5 重量％と、Ｍｇ：０．２〜５
   重量％と、Ｎａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｓｂ及びＰの少なくとも
   １種：０．０００１〜２重量％と、残部実質的にＡｌ及
   び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とす
   るアルミニウム合金。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の微細晶出粒子を有する
   アルミニウム合金において、さらにＺｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、
   Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｅ及びＹの少なく
   とも１種：０．５〜１３重量％を含有することを特徴と
   するアルミニウム合金。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の微細晶出粒子を
   有するアルミニウム合金において、さらにＢ及びＴｉの
   少なくとも１種：０．０５〜１重量％を含有することを
   特徴とするアルミニウム合金。