JPH05195130A - 微細晶出物を有するアルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウム合金粉末の粒径分布をコントロ
ールすることにより、微細な晶出物を均一に含有するア
ルミニウム合金を提供する。 【構成】 Ｃｒ：５〜１２重量％と、Ｆｅ：１〜５重量
％と、Ｚｒ：０．５〜３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し、最大粒径が２μ
ｍ以下で平均粒径が１μｍ以下の晶出物が３５〜６０％
の体積含有率で均一に分布しているアルミニウム合金の
急冷粉末を作製し、２５μｍ以下の粒径のものが１０％
以上、２５μｍ超で以上５３μｍ以下の粒径のものが９
０％以下、及び５３μｍ超で１５０μｍ以下のものが６
０％以下である粒径分布を有するように調整し、前記粉
末の成形体を熱間加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉末冶金法により製造
されたアルミニウム合金及びその製造方法に関し、特に
粉末の粒径分布を調整することにより微細な晶出物が均
一に分散するアルミニウム合金及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】アルミ
ニウム合金は、鉄に代わる軽量な部品材料として益々広
く使用されるようになってきた。こるようなアルミニウ
ム合金は、従来から鋳造法、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、ア
ルミニウム合金の組成の調整に限度がある。従って、得
られるアルミニウム合金の鋳造品又は鍛造品は必ずしも
十分な硬度を有していないという問題がある。

【０００３】このような鋳造法（鍛造法）の問題点を解
決するものとして粉末冶金法が開発された。粉末冶金方
法は、所定の組成を有するアルミニウム合金の溶湯を非
酸化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成形した後で熱間
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、溶解方法では不可能な
組成のアルミニウム合金や、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という利点を有す
る。

【０００４】粉末冶金法において、耐熱高強度を有する
アルミニウム合金部品を得るには、アトマイズ法等の超
急冷法が有用であり、広く研究開発が行われている。特
にエンジン部品等高温条件下で使用される部品に使用す
るアルミニウム合金としては、耐熱性に優れていること
が必要である。このような耐熱性アルミニウム粉末冶金
合金として、例えば特開昭６２─２５０１４６号には、
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｒ等を多量に含んだアルミニウム
粉末冶金合金が開示されている。また、特開平１─１４
７０３７号には、５〜１２重量％のＣｒ、１〜５重量％
のＦｅ、３重量％以下のＺｒ及び残部実質的にアルミニ
ウム及び不可避的不純物からなる粉末冶金用耐熱アルミ
ニウム合金が開示されている。

【０００５】ところが、このような組成のアルミニウム
合金粉末は、従来の粉末冶金法では、針状又は塊状の晶
出物を有し、それから得られるアルミニウム合金の機械
的強度が劣るという問題がある。この晶出物の形状のコ
ントロールは熱エネルギーや加工エネルギーの付与だけ
では困難である。

【０００６】したがって、本発明の目的は、アルミニウ
ム合金粉末の粒径分布をコントロールすることにより、
微細な晶出物を均一に含有するアルミニウム合金を提供
することである。

【０００７】本発明のもう１つの目的は、このようなア
ルミニウム合金の製造方法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、アルミニウム合金の急冷粉末の強
化機構は粒子分散強化と微細粒子の析出強化の相互作用
によるとの知見に基づいて、超急冷法により形成したア
ルミニウム合金粉末の粒径分布を調整することにより、
得られるアルミニウム合金は良好な機械的強度を発揮す
ることを発見し、本発明に想到した。

【０００９】すなわち、本発明のアルミニウム合金は、
Ｃｒ：５〜１２重量％と、Ｆｅ：１〜５重量％と、Ｚ
ｒ：０．５〜４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し、最大粒径が２μｍ以下で
平均粒径が１μｍ以下の晶出物が３５〜６０％の体積含
有率で均一に分布しているアルミニウム合金の急冷粉末
を熱間加工してなることを特徴とする。

【００１０】本発明のアルミニウム合金の製造方法は、
Ｃｒ：５〜１２重量％と、Ｆｅ：１〜５重量％と、Ｚ
ｒ：０．５〜３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し、最大粒径が２μｍ以下で
平均粒径が１μｍ以下の晶出物が３５〜６０％の体積含
有率で均一に分布しているアルミニウム合金の急冷粉末
を作製し、２５μｍ以下の粒径のものが１０％以上、２
５μｍ超で以上５３μｍ以下の粒径のものが９０％以
下、及び５３μｍ超で１５０μｍ以下のものが６０％以
下である粒径分布を有するように調整し、前記粉末の成
形体を熱間加工することを特徴とする。

【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）Ｃｒ：５〜１２重量％ Ｃｒは常温強度及び高温強度の向上、及びクリープ特性
の改善を図るために添加する元素であるが、添加量が５
重量％未満だとその効果が十分に得られない。一方、１
２重量％を超えると、熱間加工性が低下するとともに、
伸び率が低下する。好ましいＣｒの含有量は５〜７重量
％である。

【００１３】（ａ）Ｆｅ：１〜５重量％ Ｆｅは常温強度、高温強度及びヤング率の向上に寄与す
る元素であるが、添加量が１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、延性が
低下する。好ましいＦｅの含有量は２〜４重量％であ
る。

【００１４】（ｅ）Ｚｒ：０．５〜４重量％ Ｚｒは延性及びクリープ特性を改善する作用を有すると
ともに、耐熱性を向上する元素であるが、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、
４重量％を超えると、延性が低下する。好ましいＺｒの
含有量は１〜３重量％である。

【００１５】（ｆ）その他の添加元素：４重量％以下 その他の添加元素はＭｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖの少なくとも
１種であり、結晶粒を微細にするために、単独で又は複
合して添加することができる。複合添加の場合、合計量
が０〜４重量％の範囲内に入っていなければならない。
これらの添加元素の量が４重量％を超えると、伸びやシ
ャルピー衝撃強度が低下する。好ましい耐熱性元素の含
有量は０．１〜２重量％である。

【００１６】（ｆ）Ａｌ及び不可避的不純物：残部 不可避的不純物としては、Ｐ、Ｓ、Ｃ、Ｐｂ、Ｂｅ、Ｓ
ｉ、Ｍｇ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。

【００１７】〔２〕粉末冶金法 本発明の非熱処理型アルミニウム合金製部品を製造する
粉末冶金法は、アルミニウム合金の粉末を形成する工程
と、アルミニウム合金粉末を成形する圧粉工程と、圧粉
成形体の熱間加工工程とからなる。

【００１８】（１）粉末化工程 Ｃｒ：５〜１２重量％と、Ｆｅ：１〜５重量％と、Ｚ
ｒ：０．５〜４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アルミニウム合金の溶湯
から、アトマイズ法等の超急冷法によりアルミニウム合
金粉末を形成する。アトマイズ法では、ヘリウム、アル
ゴン又は窒素ガス等の非酸化性ガスとともに溶湯を噴出
し、微細な粉末を形成する。溶湯の冷却速度は１０°Ｃ
／秒以上であり、特に１０² 〜１０⁵ °Ｃ／秒であるの
が好ましい。冷却速度は使用するガスによっても異な
り、アルゴン、窒素ガス、ヘリウムの順に大きくなる。
このようにして得られるアルミニウム合金粉末は、１５
〜４０μｍの平均粒径を有する。

【００１９】本発明においては、アルミニウム合金粉末
の粒径分布をコントロールすることにより、粉末中の晶
出物の粒径分布を所望の範囲にすることができる。具体
的には、粉末の冷却速度を１０〜１０⁶ °Ｃ／秒、特に
１０² 〜１０⁵ °Ｃ／秒の範囲内でコントロールする必
要がある。これによって、以下の粒径分布を得る。

【００２０】以上の条件を満たす粒径分布のアルミニウ
ム合金粉末を使用しないと、得られるアルミニウム合金
は、その中に分布する晶出物の最大粒径（２μｍ以下）
及び平均粒径（１μｍ以下）の条件を満たさず、機械的
強度に劣るものとなる。

【００２１】好ましいアルミニウム合金粉末の粒径分布
は以下の通りである。

【００２２】アルミニウム合金粉末は、粒径分布の他に
晶出物の体積含有率（顕微鏡写真における晶出物の面積
から求める）が３５〜６０％であることが必要である。
晶出物の体積含有率が３５％未満であると、晶出物の平
均粒径が１μｍを超えるようになる。また、晶出物の体
積含有率が６０％を超えると、得られるアルミニウム合
金の機械的強度が低下する。

【００２３】（２）圧粉工程 上記アルミニウム合金粉末を、冷間静水圧プレス法（Ｃ
ＩＰ法）、金型プレス法等により所定の形状の圧粉体
（例えば、直径５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの押し出し
材）に成形する。この時の成形条件としては公知のもの
で良い。

【００２４】（３）この圧粉体に熱間加工を施す。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、圧粉体を３８０〜４５０℃において、７〜６４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３８０〜４５０℃に
おいて、５０〜８０％のすえ込み比（高さ比により表
す）で行う。なお、アルミニウム合金の脱ガスを行なう
目的で、アルゴンガス、窒素ガス等の非酸化性ガスの雰
囲気中で予熱を行うのが好ましい。熱間加工温度は３８
０〜４５０°Ｃであるのが好ましい。

【００２５】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。

【００２６】実施例１、２、比較例１ Ｃｒ：６重量％と、Ｆｅ：３重量％と、Ｚｒ：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
のアルミニウム合金の溶湯（１１００℃）を、窒素ガス
又はヘリウムガスにより噴霧化し、表１に示す冷却速度
で表２に示す粒径分布のアトマイズ粉末を得た。

【００２７】 表１ 実施例１ 実施例２ 比較例１ 冷却速度（°Ｃ／秒）⁽¹⁾ ２×１０² １０³ ６×１０ アトマイズガス Ｎ₂ Ｈｅ Ｎ₂ 注: (1) １０５μｍの粉末で算定

【００２８】 表２ アルミニウム合金 の粒径分布 実施例１ 実施例２ 比較例１ 晶出物の体積含有率 ４０％ ６０％ ４０％ 粒径（累積重量％） ５μｍ − １１ − ８μｍ ４ １８ − １０μｍ ７ ３０ １ １５μｍ １４ ４４ ３ ２０μｍ ２８ ５８ ５ ２５μｍ ４５ ６３ ６ ５３μｍ ８４ ８６ ３１ １０５μｍ ９４ １００ ７７ １５０μｍ １００ − １００ 平均粒径 ３５μｍ １８μｍ ７４μｍ

【００２９】各例のアルミニウム合金粉末の各粒径範囲
における晶出物の平均粒径を表３に示す。

【００３０】 表３ 晶出物の平均粒径 実施例１ 実施例２ 比較例１ 晶出物の体積含有率 ４０％ ６０％ ４０％ 粒径範囲 Ｘ（Ｄ≦25μｍ） 0.8μｍ 0.4μｍ 0.8μｍ Ｙ（25μｍ＜Ｄ≦53μｍ） 1.2μｍ 0.9μｍ 1.2μｍ Ｚ（53μｍ＜Ｄ≦150 μｍ） 2.0μｍ 1.4μｍ 2.0μｍ 平均粒径⁽¹⁾ 1.00μｍ 0.91μｍ 1.73μｍ 注：（１）アルミニウム合金粉末全体中の晶出物の平均粒径

【００３１】各アルミニウム合金粉末から、冷間静水圧
プレス法により、直径８０ｍｍ、長さ６０ｍｍの成形体
を得た。この成形体を４２０°Ｃで熱間押出（押出比１
３）を行ない、試験片を作製した。各試験片について、
室温における機械的特性を測定した。結果を表４に示
す。

【００３２】 表４ 室温における機械的強度 Ｎｏ． σ_B ⁽¹ ) σ_0.2 ⁽²⁾ 伸び⁽³⁾ ヤング率 シャルピー ⁽⁴⁾ 実施例１ 52 45 7 8700 0.95 実施例２ 60 55 5 9095 0.85 比較例１ 45 39 9 8200 0.94 （注）： (1) 引張強度（kgf/mm² ）。 (2) ０．２％耐力（kgf/mm² ）。 (3) 伸び（％）。 (4) ヤング率（kgf/mm ²）。 (5) シャルピー衝撃値（kgfm/cm ² ）。

【００３３】以上の結果から明らかなように、実施例１
及び実施例２のアルミニウム合金は本発明の粒径分布の
要件を満たしているので、それから得られるアルミニウ
ム合金は優れた機械的強度を示す。特に比較的荒い粒子
を含有することにより、アルミニウム合金の延び及び靱
性が向上している。これに対して、比較例１のアルミニ
ウム合金粉末は本発明の粒径分布の要件を満たしていな
いので、それから得られるアルミニウム合金の機械的強
度は劣っている。

【００３４】実施例３ 種々の晶出物の平均粒径を得るために冷却速度を変えた
以外、実施例１と同じ条件で製造したアルミニウム合金
について、晶出物の平均粒径と０．２％耐力との関係を
調べた。結果を図１に示す。図１から、晶出物の平均粒
径が小さくなるに従って、０．２％耐力が増大すること
がわかる。

【００３５】また晶出物の体積含有率と０．２％耐力及
び延びとの関係も調べた。結果を図２及び３にそれぞれ
示す。図２から、晶出物の体積含有率が３５％未満であ
ると０．２％耐力が不十分であることがわかる。また図
３から、晶出物の体積含有率が６０％を超えると延びが
不十分になることがわかる。従って、晶出物の体積含有
率は３５〜６０％の範囲であることが必要である。

【００３６】実施例４ 窒素ガスを使用した以外実施例１と同じ条件でアルミニ
ウム合金粉末を製造した。その晶出物の粒径分布を表５
に示す。

【００３７】

【００３８】上記アルミニウム合金粉末の各粒径分布範
囲（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、例えば、表６に示すような種々の
割合で配合することにより、平均粒径が１μｍ以下とな
るアルミニウム合金粉末とすることができた。

【００３９】 表６ 粒径範囲 晶出物の Ｘ（μｍ） Ｙ（μｍ） Ｚ（μｍ） 平均粒径 （Ｄ≦25）（25＜Ｄ≦53) （53＜Ｄ≦150 ）（μｍ） 晶出物の平均粒径 0.8μｍ 1.2μｍ 2.0μｍ 割合（重量％） ６０ ４０ ０ ０．９６ ６０ ３０ １０ １．０４ ６０ ２０ ２０ １．１２ ５０ ５０ ０ １．０ ７０ ３０ ０ ０．９２ ７０ ２０ １０ １．０ ８０ ２０ ０ ０．８８ ８０ １０ １０ ０．９６ ８０ ０ ２０ １．０４

【００４０】

【発明の効果】以上詳述した通り、晶出物の平均粒径及
び最大粒径が所定の範囲内に入るように、アルミニウム
合金粉末の粒径分布をコントロールすることにより、良
好な機械的強度を有するアルミニウム合金を得ることが
できる。このような本発明のアルミニウム合金の部品
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に適する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例３のアルミニウム合金について、晶出物
の平均粒径と０．２％耐力との関係を表すグラフであ
る。

【図２】実施例３のアルミニウム合金について、晶出物
の体積含有率と０．２％耐力との関係を表すグラフであ
る。

【図３】実施例３のアルミニウム合金について、晶出物
の体積含有率と延びとの関係を表すグラフである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｒ：５〜１２重量％と、Ｆｅ：１〜５
   重量％と、Ｚｒ：０．５〜４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し、最大粒径が
   ２μｍ以下で平均粒径が１μｍ以下の晶出物が３５〜６
   ０％の体積含有率で均一に分布しているアルミニウム合
   金の急冷粉末を熱間加工してなるアルミニウム合金。
2. 【請求項２】 Ｃｒ：５〜１２重量％と、Ｆｅ：１〜５
   重量％と、Ｚｒ：０．５〜３重量％と、残部実質的にＡ
   ｌ及び不可避的不純物からなり、２５μｍ以下の粉末粒
   径のものが１０％以上、２５μｍ超で５３μｍ以下の粉
   末粒径のものが９０％以下、及び５３μｍ超で１５０μ
   ｍ以下の粉末粒径ものが６０％以下である粉末を用いた
   ことを特徴とするアルミニウム合金。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の粉末を熱間加工し、最
   大粒径が２μｍ以下で平均粒径が１μｍ以下の晶出物が
   ３５〜６０％の体積分率で均一に分散していることを特
   徴とするアルミニウム合金。