JPH05179387A - 噴霧堆積法により製造された高強度高靭性アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 噴霧堆積法により製造したアルミニウム合金
であって、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
ものを提供する。 【構成】 噴霧堆積法により製造された高強度高靭性ア
ルミニウム合金であって、Ｓｉ：０．２〜３５重量％
と、Ｃｕ：0.2 〜5 重量％と、Ｍｇ：０．２〜５重量％
と、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌａ、及びＹの少なくとも１種：０．
５〜５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Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｗ、Ｍｏ、及びＶの少なくとも１種：０．５〜１０
重量％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
された高強度高靭性アルミニウム合金に関し、特にエン
ジン部品等軽量かつ高強度高靭性を必要とする部品に適
する高強度高靭性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。そ
の上、微粒子の表面に酸化皮膜が形成され、結合力が弱
いという問題もある。

【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、製造コストが低減し、かつ微粒子の結合力が
強いという利点がある。しかし、冷却速度が遅いので、
結晶粒及び晶出粒子が粗大化するという問題がある。一
般に結晶粒及び晶出粒子を微細化するには、冷却速度を
速くするか、添加元素により凝固を遅らせるかのいずれ
かの手段が考えられる。冷却速度を速くする場合、アト
マイズに高圧ガスを使用したり、ノズル径を小さくした
りする必要があり、製造コストの増大を招くという問題
がある。そのため、凝固開始が遅れるような組成を有
し、かつ結晶粒及び晶出粒子の微細化のために高強度高
靭性を有するアルミニウム合金が望まれている。

【０００７】したがって、本発明の目的は、噴霧堆積法
により製造したアルミニウム合金であって、結晶粒及び
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）を有するものを提供
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、結晶粒及び晶出粒子の微細化
作用を有する元素として、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌａ及びＹの少
なくとも１種を添加することにより、凝固点を降下させ
て過冷度を大きくし、その結果結晶核の生成を促進し、
結晶粒及び晶出粒子を微細にすることができることを発
見し、またさらにＭｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ及
びＶの少なくとも１種を添加することにより、耐熱性も
兼備した合金にすることができることを発見し、本発明
に想到した。

【０００９】すなわち、本発明の高強度高靭性アルミニ
ウム合金は、噴霧堆積法により製造されたもので、Ｓ
ｉ：０．２〜３５重量％と、Ｃｕ：0.2 〜5 重量％と、
Ｍｇ：０．２〜５重量％と、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌａ及びＹの
少なくとも１種：０．５〜５重量％と、残部実質的にＡ
ｌ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】本発明の高強度高靭性アルミニウム合金
は、さらにＭｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ及びＶの
少なくとも１種：０．５〜１０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：０．２〜３５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、０．２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０．２重
量％を超えると、伸びが低下する。好ましいＳｉの含有
量は０．５〜１２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０．２〜３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１〜４重量％であ
る。

【００１５】（ｄ）凝固点降下元素：０．５〜５重量％ 凝固点降下元素は、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌａ及びＹの少なくと
も１種であり、これらの元素は過冷度（過冷却の度合
い）を大きくし、結晶核の生成点を増大する作用を有す
る。このため、生成する結晶粒は微細化され、高強度高
靭性を有するアルミニウム合金が得られるようになる。
これらの凝固点降下元素は、単独又は２種以上複合して
添加する事ができるが、複合添加の場合、合計量が０．
５〜５重量％の範囲に入っていなければならない。凝固
点降下元素の添加量が０．５重量％未満だとその効果が
十分に得られない。一方、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。好ましい凝固点降下元
素の含有量は０．５〜３重量％である。

【００１６】（ｅ）耐熱性元素：０．５〜１０重量％ 本発明のアルミニウム合金は、さらに耐熱性を持たせる
ために、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ及びＶの少
なくとも１種を含有してもよい。耐熱性元素の含有量が
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、１０重量％を超えると、偏析を生ずる
こととなる。好ましい耐熱性元素の含有量は０．５〜７
重量％である。

【００１７】（ｆ）Ａｌ及び不可避的不純物：残部 不可避的不純物としては、Fe、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０．
０３重量％以下である必要がある。

【００１８】〔２〕噴霧堆積法 本発明の高強度高靭性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。

【００１９】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。

【００２０】堆積したアルミニウム合金微粒子はまだ４
５０〜７００℃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、微細な晶出粒子、な
らびに微細な結晶粒が得られる。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、３μ
ｍを超える粒径の析出物はほとんどない。

【００２１】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３５０〜５００℃において、５０〜８０
％のすえ込み比（高さ比により表す）で行う。

【００２２】熱間加工したアルミニウム合金には熱処理
は施しても施さなくてもよいが、もし熱処理するなら
ば、Ｔ６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
１７０〜２２０℃で１０〜２０時間時効処理を行うこと
からなる。

【００２３】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。

【００２４】実施例１〜７、比較例１〜２ 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。

【００２５】このプリフォームを４２０℃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１８０℃で１６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、凝固開始
温度の測定、及び室温における引張試験及び衝撃試験
（シャルピー試験）を行った。結果を表２に示す。

【００２６】 表１ 化学成分（重量％） 例No. Si Cu Mg その他 実施例 １ 10.5 0.3 1.0 Ce 0.5 ２ 10.0 0.3 1.0 Zr 1 ３ 10.0 0.3 1.0 La 0.5,Y 0.4 ４ 7.0 3.0 2.0 Zr 0.5,Mn 0.6 ５ 7.0 3.0 2.0 Ce 0.6,Cr 0.5 ６ 7.0 3.0 2.0 La 0.5,Y 0.3,Mo 0.6 ７ 7.0 3.0 2.0 Ce 0.6,W 0.2,V 0.3 比較例 １ 11.0 0.3 1.0 − ２ 7.0 3.0 2.0 −

【００２７】 表２ 室温における機械的強度例No. σ_B ⁽¹⁾ σ_0.2 ⁽²⁾ シャルピー ⁽³⁾ 凝固開始温度⁽⁴⁾ 実施例 １ 38 31 4.1 618 ２ 40 34 4.5 620 ３ 37 29 4.8 616 ４ 39 30 4.2 622 ５ 43 35 5.0 616 ６ 40 35 5.2 615 ７ 45 38 4.8 612 比較例 １ 34 28 2.8 633 ２ 35 28 3.1 637

【００２８】（注）： (1) 引張強度（kgf/mm² ）。 (2) ０．２％耐力（kgf/mm² ）。 (3) シャルピー衝撃値（kgfm/cm ² ）。 (4) 凝固開始温度（℃）。

【００２９】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は、比較例の
アルミニウム合金と比較して低い凝固開始温度を有する
ことがわかる。

【００３０】

【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、凝固点降下元素
（Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌａ及びＹの少なくとも１種）を添加
し、さらに必要に応じてＭｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、
Ｍｏ及びＶの少なくとも１種を添加することにより、結
晶粒及び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。

フロントページの続き (72)発明者 小池 精一 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 (2)

【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高強度高靭
   性アルミニウム合金において、Ｓｉ：０．２〜３５重量
   ％と、Ｃｕ：0.2 〜5 重量％と、Ｍｇ：０．２〜５重量
   ％と、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌａ及びＹの少なくとも１種：０．
   ５〜５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に記載の高強度高靭性アルミニ
   ウム合金において、さらにＭｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、
   Ｗ、Ｍｏ及びＶの少なくとも１種：０．５〜１０重量％
   を含有することを特徴とするアルミニウム合金。