JPH06256878A

JPH06256878A - 高力耐熱性アルミニウム基合金

Info

Publication number: JPH06256878A
Application number: JP4153093A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Masumoto; 健増本; Akihisa Inoue; 明久井上; Yuuma Horio; 裕磨堀尾
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1993-03-02
Filing date: 1993-03-02
Publication date: 1994-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、高比強度かつ耐熱性に優れたアル
ミニウム基合金の提供を目的とする。【構成】本発明は、一般式ＡｌxＭyＮｄz（ただし
Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの中から選択される１種
もしくは２種以上の金属元素を示す。）で示される組成
を有し、組成比を示すx，y，zは、原子％でx＋y＋z＝１
００、５０≦x≦９５、０.５≦y≦３５、０.５≦z＜２
５なる関係を満足するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高比強度かつ耐熱性に優
れたアルミニウム基合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアルミニウム基合金には、Ａｌ-
Ｃu系、Ａｌ-Ｓi系、Ａｌ-Ｍg系、Ａｌ-Ｃu-Ｓi系、Ａ
ｌ-Ｃu-Ｍg系、Ａｌ-Ｚn-Ｍg系などの種々の成分系の合
金が知られており、いずれの系のものにおいても軽量で
耐食性に優れていることから、それらの個々の材料特性
に応じて、車両、船舶、航空機などの機械構造部材用と
して、または、建築用外装材、サッシ、屋根葺材、ＬＮ
Ｇタンク用構造材などとして広く使用されている。

【０００３】ところが、従来のアルミニウム基合金は、
Ｆe系の材料に比較して一般に硬度が低く、また耐熱性
も低い欠点がある。また、Ｃu、ＭgあるいはＺnなどの
元素を添加して強度を高めたもののなかには、耐食性に
欠点を有するものがある。

【０００４】一方、近来、アルミニウム基合金を溶湯状
態から急冷凝固させることにより組織の微細化を図り、
機械強度と耐食性の両面で優れさせた特性を発揮させる
試みもなされている。このような背景において、特開平
１ー２７５７３２号公報に開示されているように、特定
の組成比のＡｌＭＸ系（Ｍは、Ｖ、Ｃr、Ｍn、Ｆe、Ｃ
o、Ｎi、Ｃu、Ｚrなどの元素を示し、Ｘは、Ｌa、Ｃe、
Ｓm、Ｎdなどの希土類元素、Ｙ、Ｎb、Ｔa、Ｍm（ミッ
シュメタル）などを示す。）の組成であって、組織が非
晶質または非晶質と微細結晶質とからなるアルミニウム
基合金が特許出願されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記特許出願のアルミ
ニウム基合金は、高硬度材料、高強度材料、高電気抵抗
材料、耐摩耗材料、ろう付け材料などとして有用である
ものの、この合金は、高温強度、耐熱性の点では充分に
満足できる程ではなかった。

【０００６】本発明は前記事情に鑑みてなされたもので
あり、高強度で耐熱性に優れさせたアルミニウム基合金
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は前
記課題を解決するために、一般式ＡｌxＭyＮｄz（ただ
しＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの中から選択される１
種もしくは２種以上の金属元素を示す。）で示される組
成を有し、組成比を示すx，y，zは、原子％でx＋y＋z＝
１００、５０≦x≦９５、０.５≦y≦３５、０.５≦z＜
２５なる関係を満足してなるものである。

【０００８】

【作用】本発明に係るアルミニウム基合金は、ＡｌにＦ
ｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕを所定量添加することで、強度や
硬度が向上する。更に、Ｎｄを所定量添加することで、
急冷効果が向上し、非晶質相や微細な結晶相が得られる
と同時に、組織の熱的安定性が向上し、かつ、強度、硬
度および耐熱性が向上する。

【０００９】次に、本願発明合金の各成分の組成限定理
由について説明する。Ａｌ（アルミニウム）含有量は、
原子％で５０≦Ａｌ≦９５の範囲であるが、これが５０
原子％未満であると脆化するとともに、９５原子％を超
えると強度と硬度が低下する。Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバ
ルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）含有量は、０.
５％以上、３５原子％以下の範囲であるが、この含有量
が０.５原子％未満であると、強度や硬度が向上しない
とともに、３５原子％を超えると脆化し、靱性、剛性が
低下する。Ｎｄ（ネオジム）含有量は、原子％で０.５
≦Ｎｄ≦２５の範囲であるが、この含有量が０.５原子
％未満では、急冷効果が向上しないとともに、強度や硬
度が向上しない。また、２５原子％を超えると脆化し、
靱性が向上する。

【００１０】前記アルミニウム基合金は、前記組成の合
金溶湯を液体急冷法で急冷凝固させて製造することがで
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１０⁴〜１０⁶ K/sec程度の冷却速度が容易に得られ
る。この単ロール法、双ロール法などにより薄帯材料を
製造するには、溶湯を入れた石英管などの収納容器に形
成した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の銅あ
るいは銅製など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。

【００１１】一方、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で回転する中空ドラム内に遠心
力により保持された深さ約１〜１０cmの溶液冷媒層中に
溶湯を噴出して急冷することで細線材料を容易に得るこ
とができる。この際のノズル孔からの噴出溶湯と冷媒面
とのなす角度は、約６０〜９０度であることが好まし
く、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。また、前記の方法によら
ずに、スパッタリング法などの成膜法により前記組成の
アルミニウム基合金の薄膜を得ることができ、また高圧
ガス噴霧法などの各種アトマイズ法、スプレー法により
前記溶湯を急冷して前記組成のアルミニウム基合金粉末
を得ることができる。

【００１２】前記の方法により得られたアルミニウム基
合金の組織状態の例を以下に示す。（１）非晶質相。（２）非晶質相とＡｌの微細な結晶相の混相組織。（３）非晶質相中と安定または準安定な金属間化合物相
の混相組織。（４）Ａｌと、安定または準安定な金属間化合物相ある
いは非晶質相の混相組織。（５）Ａｌを母相とする固溶体。本願発明でいう微細結晶質相とは、結晶粒の最大径の平
均が１μｍ以下である結晶質相のことである。

【００１３】前記各組織状態の合金の特性（１）に示す組織状態（非晶質相）の合金は、高強度を
有し、良好な曲げ延性を有し、高靱性を有する。（２）
と（３）に示す組織状態（混相組織）の合金は、（１）
に示す組織状態（非晶質相）の合金よりも更に１.２〜
１.５倍程度高強度である。（４）と（５）に示す組織
状態（混相組織または固溶体）の合金は、（１）〜
（３）に示す組織状態の合金よりも高靱性を有し、か
つ、高強度である。

【００１４】前記の各組織状態は、通常のＸ線回折法や
透過電子顕微鏡観察によって容易に知ることができる。
非晶質相の場合は、非晶質相特有のハローパターンを示
し、非晶質相と微細な結晶相との混相組織の場合は、ハ
ローパターンと微細な結晶相に起因する回折ピークとが
合成された回折パターンを示し、非晶質相と金属間化合
物相との混相組織の場合は、ハローパターンと金属間化
合物相に起因する回折ピークとが合成されたパターンを
示す。前記（１）〜（３）に記載した組織状態は合金溶
湯の冷却速度を制御することで任意のものが得られる。
前記（４）〜（５）に記載した組織状態は、Ａｌリッチ
の組織（例えば、Ａｌ≧９２原子％）の合金溶湯を急冷
することで任意のものが得られる。

【００１５】次に、前記非晶質組織は、加熱すると特定
の温度以上で結晶に分解する（この温度を結晶化温度と
呼ぶ）。この非晶質相の加熱分解を利用することによっ
ても微細結晶質からなるアルミニウム固溶相および合金
組成によって異なる金属間化合物の複合体を得ることが
できる。

【００１６】本発明のアルミニウム基合金は、結晶化温
度近傍（結晶化温度±１００℃）または微細結晶相の安
定温度領域内の高温域において、超塑性現象を示すの
で、容易に押出加工やプレス加工、熱間鍛造等の加工を
行なうことができる。従って、薄帯、線、板状あるいは
粉末の形態で得られた前記組成のアルミニウム基合金を
前記温度で押出加工、プレス加工、熱間鍛造加工するこ
とで、容易にバルク材を得ることができる。更に前記組
成のアルミニウム基合金は、高度の粘さを有するので、
１８０度曲げ可能なものとなる。

【００１７】なお、前記アルミニウム基の非晶質相もし
くは非晶質相と微細結晶相の混相組織の合金には、結晶
質合金のような結晶粒界、偏析等の構造的不均一性や化
学的不均一性がなく、さらにアルミ酸化膜の形成によ
り、不動態化を起こすために高耐食性を示す。

【００１８】次に前記組成のアルミニウム基合金につい
て、バルク（塊）状の部材を製造する場合について説明
する。本発明に係るアルミニウム基合金は、加熱すると
微細結晶相を析出して結晶化するとともに、アルミニウ
ムマトリックス（α相）を析出し、それ以上の温度に加
熱すると金属間化合物も析出するので、これらの性質を
利用してバルク化を行なうことができる。具体的には、
急冷法により製造した薄帯合金をボールミルにて粉砕
し、真空ホットプレスにより真空下（例えば、１０^-3Ｔ
orr）、結晶化温度よりも多少低い温度で（例えば４７
０Ｋ程度で）圧粉することにより直径数十mm、長さ数十
mmの押出し用ビレットを作成する。このビレットを押出
機のコンテナ内にセットし、結晶化温度よりも若干高い
温度で数十分保持した後、押出加工を行なって丸棒など
の所望の形状の押出材を得ることができる。

【００１９】

【実施例】高周波溶解炉により所定の成分組成を有する
溶融合金を製造し、これを図１に示すような先端に小孔
５（孔径：０.２〜０.５mm）を有する石英管１に装入
し、加熱溶解した後、その石英管１を銅製のロール２の
直上に設置し、ロール２を回転数４０００rpmで高速回
転させ、石英管１にアルゴンガス圧（０.７kg／cm³）を
かけて石英管１の小孔５から溶湯をロール２の表面に噴
射することにより急冷凝固させて合金薄帯４を得た。前
記製造条件により表１と表２に示す組成（原子％）の多
数の合金薄帯試料（幅１mm、厚さ２０μｍ）を作成し、
それぞれの試料についてＸ線回折とＴＥＭ（透過型電子
顕微鏡）による観察に付した結果、表１と表２の組織状
態の欄に示すように非晶質（Amo）単相組織、または、
金属間化合物相もしくは固溶体からなる結晶組織（Co
m）、または、非晶質相とfcc構造のアルミニウムの微細
な結晶相との混相組織（fcc-Ａｌ＋Amo）が得られてい
ることが確認された。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】次に、各薄帯試料につき、硬度（Ｈｖ）と
引張破断強度（σ_f：ＭＰa）を測定し、表１と表２に示
す結果を得た。硬度は、微小ビッカース硬度計による測
定値（ＤＰＮ：Diamond Pyramid Number）である。更
に、各薄帯試料について、コ字状になるように１８０度
折り曲げて端部どうしを密着させる１８０度密着曲げ試
験を行なった結果、破断しない程度の延性を示すものを
表１と表２にDucで示し、破断したものをBriで示した。

【００２３】表１と表２に示す結果から、本発明で限定
した組成範囲を満足させることによって、耐力が高く、
硬度が高く、曲げにも強く加工が可能なアルミニウム基
合金を得ることができることが明らかになった。

【００２４】表１と表２に示す本発明に係る試料におい
ては、通常のアルミニウム基合金がＨv：５０〜１００
ＤＰＮ程度であるのに対して２４４〜３７２ＤＰＮと極
めて高い硬度を示している。次に、引張破断強度（σ
f）に関しては、通常の時効硬化型アルミニウム基合金
（Ａｌ-Ｓi-Ｆe系）の値が、２００〜６００ＭＰaであ
るのに対し、本発明試料のものは約８９３〜１２６０の
範囲になり、極めて優れていることが明らかになった。
なお、引張強さに関し、ＪＩＳ規定の６０００系あるい
は７０００系のアルミニウム基合金においては、２５０
〜３００ＭＰa程度であり、Ｆe系の構造用鋼板で４００
ＭＰa程度、Ｆe系の高張力鋼板で８００〜９８０ＭＰa
程度であることを考慮すると、本発明に係るアルミニウ
ム合金が極めて優れていることが明らかである。

【００２５】図２はＡｌ₉₀Ｎｉ₈Ｎｄ₂なる組成の合金試
料のＸ線回折図形を示すもので、この図では結晶ピーク
が見られないブロードなパターンとなっていて、合金試
料が非晶質単相構造になっていることを示している。図
３はＡｌ₉₂Ｎｉ₆Ｎｄ₂なる組成の合金試料のＸ線回折図
形を示すもので、この図では非晶質相中にナノスケール
のfcc構造の微細なＡｌ結晶相との混相組織になってい
ることを示している。図中において、（１１１）、（２
００）で示すものは、fcc構造のＡｌの結晶ピークであ
る。

【００２６】図４はＡｌ₈₈Ｎｉ₁₀Ｎｄ₂なる組成の合金
試料を０.６７k/sの昇温速度で加熱した場合のＤＳＣ
（示差走査熱量測定）曲線を示し、図５はＡｌ₈₈Ｎｉ₁₀
Ｃｅ_２なる組成の合金試料（比較例）を０．６７k/sの
昇温速度で加熱した場合のＤＳＣ曲線を示すものであ
る。図４と図５から明らかなように低温側のブロードな
ピークは、fcc構造のＡｌ粒子の結晶化ピークを示し、
高温側の鋭いピークは化合物の結晶化ピークを示してい
る。このような２つのピークを有することは、適切な温
度で焼き入れ等の熱処理を行なえば、非晶質母相中に分
散するＡｌ粒子の体積分率を制御することができるの
で、熱処理により機械的特性を向上させることができる
ことが明らかである。図４と図５に示す結果から明らか
なように、Ａｌ₈₈Ｎｉ₁₀Ｎｄ₂なる組成の試料のfcc-Al
の結晶化温度が１８６℃であるのに対し、Ａｌ₈₈Ｎｉ₁₀
Ｃｅ₂なる組成の試料のfcc-Alの結晶化温度が１５２℃
であるので、本願発明のものは比較例のものよりも３０
℃以上高くなっている。

【００２７】図６は図４と図５に示す試料の最高引張強
度と温度の関係を示すものである。図６に示す結果から
明らかなように、本願発明合金の引張強度は、４００Ｋ
以上の高温域において比較例の合金の値よりも高くなっ
ていることが明らかである。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るアルミ
ニウム基合金は、高硬度材料、高強度材料、耐熱性に富
む材料として有用である。更に、強化元素としてＦｅ、
Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕを有するアルミニウム基合金において
は、急冷能向上元素としてＮｄを用いると、Ｃｅ、Ｌ
ａ、Ｙ等の他のランタノイド系元素を用いるよりも、高
温強度、耐熱性を向上させることができる。また、アル
ミニウムリッチ域（例えば、Ａｌ≧９０原子％）でも高
強度、高靱性を有する非晶質単相合金を得ることができ
る。また更に、熱処理により機械特性を向上させること
が可能であり、曲げにも強いので機械加工もできるなど
の優れた特性を有する。以上のことから本発明に係るア
ルミニウム基合金は、航空機、車両、船舶などの構造用
部材、あるいはエンジン部分の構造用部材、または、建
築用外装材、サッシ、屋根材として、更には、海水機器
用部材、原子炉用部材などとして広く使用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明合金を急冷凝固して薄帯を製造す
る際に使用した単ロール装置の一例を示す構成図であ
る。

【図２】図２はＡｌ₉₀Ｎｉ₈Ｎｄ₂なる組成の合金のＸ線
回折分析結果を示す図である。

【図３】図３はＡｌ₉₂Ｎｉ₆Ｎｄ₂なる組成の合金のＸ線
回折分析結果を示す図である。

【図４】図４はＡｌ₈₈Ｎｉ₁₀Ｎｄ₂なる組成の合金の熱
的な特性を示す図である。

【図５】図５はＡｌ₈₈Ｎｉ₁₀Ｃｅ₂なる組成の比較例合
金の熱的特性を示す図である。

【図６】図６は図４と図５に示す組成の合金の最高引張
強度と温度の関係を示す図である。

【符号の説明】

１石英管、２ロール、３溶
湯、４薄帯、５ノズル孔、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上明久宮城県仙台市青葉区川内無番地川内住宅 11ー806 (72)発明者堀尾裕磨静岡県浜松市中沢町10番１号ヤマハ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一般式ＡｌxＭyＮｄz （ただしＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの中から選択さ
れる１種もしくは２種以上の金属元素を示す。）で示さ
れる組成を有し、組成比を示すx，y，zは、原子％でx＋y＋z＝１００、５
０≦x≦９５、０.５≦y≦３５、０.５≦z＜２５なる関
係を満足することを特徴とする高力耐熱性アルミニウム
基合金。