JPH0841571A

JPH0841571A - アルミニウム合金およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0841571A
Application number: JP7102948A
Authority: JP
Inventors: Hironori Fujita; 浩紀藤田; Fumio Nonoyama; 史男野々山; Atsushi Danno; 敦団野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1994-05-24
Filing date: 1995-04-03
Publication date: 1996-02-13
Anticipated expiration: 2018-01-14
Also published as: JP3367269B2; US5632827A

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、自動車、電気機器、その他の産業
に利用できる高強度、高弾性率、高硬度や高耐熱性等の
特性を有するバルク状のアルミニウム合金およびその製
造方法を提供する。【構成】アルミニウムと１〜４０ａｔ％の炭素とを有
する合金であって、このアルミニウム合金のマトリック
ス中に微細に分散した平均径が１００ナノメータ以下の
炭素を有するバルク状のアルミニウム合金およびアルミ
ニウムと炭素とを原料として被加工材を作製する被加工
材形成工程と、該被加工材を加工用型中に挿入し、１０
０〜４００℃に保持しながら、前記被加工材中の炭素を
微細に分散させるような塑性変形を被加工材に繰返し与
え、アルミニウムのマトリックス中に平均径が１００ナ
ノメータ以下の炭素を分散した組織を形成する組織形成
工程と、からなるバルク状のアルミニウム合金の製造方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、航空機、電気
機器、その他の産業に利用できる高強度、高硬度、高弾
性率、低熱膨張係数、高耐熱性、高耐摩耗性等の優れた
特性を有するバルク状のアルミニウム合金およびその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】比強度が大きく高強度、高硬度、高弾性
率、高耐熱性、高耐摩耗性等の優れた特性を有するアル
ミニウム合金は、自動車、航空機、事務機器等、特に高
速運動部品等では高性能化の達成が期待されるため、急
冷法やメカニカルアロイング法等により研究が盛んに行
なわれている。

【０００３】しかし、急冷法やメカニカルアロイング法
で得られるものの形状は、通常数ミクロン（μｍ）〜数
１０μｍの粉末状か、または２０μｍ程度の厚さのリボ
ン状であり、これらの形状では、適用が限定される。部
品として実用する場合には、粉末を固化させる必要があ
り、一般的には、非酸化性雰囲気中、４００〜５５０℃
でキャンニング押出しをしたり、ＨＩＰ等によって固化
させている。これらの方法では非晶質または非平衡相の
加熱による結晶化、平衡相化が生じ、得られた合金は通
常結晶質となる。また、加熱により析出した分散粒子は
凝集して粗大粒となり、強度が低下する。また、前記キ
ャンニング押出しにおいて、押出温度を下げると粉末間
の結合が充分でなく強度が劣るという欠点があった。

【０００４】一方、前記アルミニウム合金を製造する方
法としては、アルミニウム溶湯中に黒鉛粉末を攪拌しな
がら添加後鋳造する方法がある。この方法では、黒鉛の
均一分散が難しく、黒鉛粒子が１〜３０μｍと大きく、
かつ黒鉛とアルミニウム界面の結合がないため黒鉛が剥
離し易い欠点があった。また、メカニカルアロイング法
によりアルミニウム粉末と黒鉛粉末を強制攪拌混合する
場合には、黒鉛の大部分はアルミニウムと反応し、アル
ミニウムカーバイドを形成し、低摩擦材として有効な黒
鉛が少なくなる欠点があった。さらに、これらの混合粉
末を固化する場合には４００〜５５０℃の温度範囲にお
いてキャンニング押出し等をする必要があり、この工程
中で残りの黒鉛はアルミニウムカーバイドに変化し、こ
れらのアルミニウムカーバイドは比較的大きいため、強
度が低いという問題があった。また、アルミニウムカー
バイドの析出による時効硬化特性が起こらない等の欠点
があった。

【０００５】このように、従来の急冷法やメカニカルア
ロイング法等によって得られる非平衡相等を有する材料
は粉末あるいはリボン状であって、これをさらにキャン
ニング押出等により製品形状に加工しなければならない
という厄介な問題があり、高強度、高硬度、高弾性率、
低熱膨張係数、高耐熱性、高耐摩耗性、低摩擦性等の特
性に優れた非平衡相等を有するバルク状の材料を低コス
トで容易に得ることができるアルミニウム合金の製造方
法の開発が強く望まれていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、前記問
題点を詳細に検討し、以下の点に着眼した。すなわち、
純アルミニウム粉末に炭素粉末とチタンの粉末を混合
し、この混合粉末を圧粉成形した圧粉体を、図１に示す
ような加工方向を変えられる加工手段を用い繰返し強加
工を行い、被加工材に従来の塑性加工以上の歪みを与え
たところ、過飽和固溶体相等の非平衡相中にナノメータ
（ｎｍ）オーダーの炭素が微細分散した組織からなり、
かつこの加工工程だけで被加工材全体をバルク状にでき
ることを見出した。さらにこの材料を３００〜６００℃
に加熱したところ金属間化合物を主体とする非平衡相が
微細に析出した引張強度が７００ＭＰａ以上、弾性率が
１３０ＧＰａ以上、熱膨張係数が１５×１０^-6／Ｋ以下
の材料を得ることができることを見出した。

【０００７】本発明は、自動車、航空機、電気機器、そ
の他の産業に利用できる高強度、高硬度、高弾性率、低
熱膨張係数、高耐熱性、高耐摩耗性等の優れた特性を有
するバルク状のアルミニウム合金およびその製造方法の
提供を目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

（第１発明の構成）本第１発明（請求項１に記載の発
明）のバルク状のアルミニウム合金は、アルミニウムと
１〜４０ａｔ％の炭素とを有する合金であって、このア
ルミニウム合金のマトリックス中に微細に分散した平均
径が１００ｎｍ以下の炭素を有することを特徴とする。

【０００９】（第２発明の構成）本第２発明（請求項２
に記載の発明）のバルク状のアルミニウム合金は、アル
ミニウムと１〜４０ａｔ％の炭素と０．５〜２０ａｔ％
の周期律表の第４ａ属、第５ａ属、第６ａ属、第７ａ
属、第８ａ属、シリコンおよび硼素から選ばれた少なく
とも１種以上の金属および／または非金属とを主体とす
る組成のアルミニウム合金であって、このアルミニウム
合金のマトリックス中に微細に分散した平均径が１００
ｎｍ以下の炭素ならびに平均径が１００ｎｍ以下のアル
ミニウムと前記金属および非金属が反応して生成した過
飽和固溶体相および／または化合物等を主体とする非平
衡相とを有することを特徴とする。

【００１０】（第３発明の構成）本第３発明（請求項３
に記載の発明）のバルク状のアルミニウム合金は、アル
ミニウムと１〜４０ａｔ％の炭素とを有する合金であっ
て、このアルミニウム合金のマトリックス中に微細に分
散した平均径が１００ｎｍ以下のアルミニウムの炭化物
を主体とする非平衡相および／または平衡相を有するこ
とを特徴とする。

【００１１】（第４発明の構成）本第４発明（請求項４
に記載の発明）のバルク状のアルミニウム合金は、アル
ミニウムと１〜４０ａｔ％の炭素と０．５〜２０ａｔ％
の周期律表の第４ａ属、第５ａ属、第６ａ属、第７ａ
属、第８ａ属、シリコンおよび硼素から選ばれた少なく
とも１種以上の金属および／または非金属とを有するア
ルミニウム合金であって、このアルミニウムのマトリッ
クス中に微細に分散した平均径が１００ｎｍ以下のアル
ミニウムと炭素との化合物ならびに平均径が１００ｎｍ
以下のアルミニウムと周期律表の第４ａ属、第５ａ属、
第６ａ属、第７ａ属、第８ａ属、シリコンおよび硼素か
ら選ばれた少なくとも１種以上の金属および／または非
金属との化合物を主体とする非平衡相および／または平
衡相とを有することを特徴とする。

【００１２】（第５発明の構成）本第５発明（請求項５
に記載の発明）のバルク状のアルミニウム合金の製造方
法は、アルミニウムと炭素を主体とする被加工材を作製
する被加工材形成工程と、該被加工材を加工用型中に挿
入し、１００〜４００℃に保持しながら、前記被加工材
を構成する炭素を微細に分散させるような塑性変形を被
加工材に繰返し与え、アルミニウムのマトリックス中に
平均径が１００ｎｍ以下の炭素を分散した組織を形成す
る組織形成工程と、からなることを特徴とする。

【００１３】（第６発明の構成）本第６発明（請求項６
に記載の発明）のバルク状の高強度アルミニウム合金の
製造方法は、アルミニウムと炭素と周期律表の第４ａ
属、第５ａ属、第６ａ属、第７ａ属、第８ａ属、シリコ
ンおよび硼素から選ばれた少なくとも１種以上の金属お
よび／または非金属とを主体とする被加工材を作製する
被加工材形成工程と、該被加工材を加工用型中に挿入
し、１００〜４００℃に保持しながら、前記被加工材を
構成する炭素を微細に分散させ、被加工材を構成する各
元素間の拡散反応が生ずるような塑性変形を被加工材に
繰返し与え、アルミニウム合金のマトリックス中に平均
径が１００ｎｍ以下の炭素と平均径が１００ｎｍ以下の
過飽和固溶体相および／または化合物等を主体とする非
平衡相とを分散した組織を形成する組織形成工程と、か
らなることを特徴とする。

【００１４】（第７発明の構成）本第７発明（請求項９
に記載の発明）のバルク状の高強度アルミニウム合金の
製造方法は、第１発明および第２発明のバルク状の高強
度アルミニウム合金の製造方法によって製造したアルミ
ニウム合金を３００〜６５０℃の温度で加熱処理し金属
間化合物を主体とする非平衡相および／または平衡相を
分散した組織を形成する変性工程と、からなることを特
徴とする。

【００１５】

【作用・効果】

（第１発明の作用・効果）本第１発明のバルク状のアル
ミニウム合金は、アルミニウムに炭素を１〜４０ａｔ％
添加するのが望ましく、１ａｔ％以下では耐摩耗、高強
度材としての効果が小さく、４０ａｔ％以上では脆くな
るため好ましくない。アルミニウムのマトリックス中に
分散して存在する炭素の大きさは平均径が１００ｎｍ以
下が望ましく１００ｎｍより大きくなると強度および耐
熱性が低下するため好ましくない。特に数ｎｍから数１
０ｎｍの範囲が高強度、高硬度、高弾性率、低熱膨張係
数、高耐熱性、高耐摩耗性の点から望ましい。本第１発
明のバルク状のアルミニウム合金は、そのマトリックス
中に平均径が１００ｎｍ以下の炭素が微細に分散してい
るため高強度、高硬度、高弾性率、低熱膨張係数、高耐
熱性、高耐摩耗性等の優れた特性を有し、特に、炭素と
して黒鉛を用いた場合にはその潤滑作用により摩擦係数
を小さくすることができる。

【００１６】（第２発明の作用・効果）本第２発明のバ
ルク状のアルミニウム合金は、アルミニウムに炭素が１
〜４０ａｔ％、周期律表の第４ａ属、第５ａ属、第６ａ
属、第７ａ属、第８ａ属、シリコンおよび硼素から選ば
れた少なくとも１種以上の金属および／または非金属が
０．５〜２０ａｔ％有していることが望ましい。炭素量
の限定理由は第１発明のアルミニウム合金の場合と同様
である。また、前記炭素以外の金属および／または非金
属の量は、０．５ａｔ％以下では強化に効果はなく、２
０ａｔ％以上では靭性が失われるため好ましくない。

【００１７】また、前記アルミニウム合金のマトリック
ス中に微細に分散した炭素の平均径の限定理由は第１発
明のアルミニウム合金の場合と同様である。また、アル
ミニウムと前記金属および／または非金属が反応して生
成した過飽和固溶体相および／または化合物等を主体と
する非平衡相の平均径を１００ｎｍ以下にする理由は１
００ｎｍより大きくなると分散粒子としての効果が減少
するためである。特に数ｎｍから数１０ｎｍの範囲がア
ルミニウムのマトリックス中における転位の辷りを抑制
する効果が大きくなり、高強度化の点から望ましい。ま
た、アルミニウムと前記金属および／または非金属が反
応して生成した過飽和固溶体相および／または化合物等
の非平衡相の中に炭素が固溶していてもよい。このよう
に該非平衡相の中に炭素が固溶すると強度等の特性をさ
らに向上させることができる。

【００１８】本第２発明のバルク状のアルミニウム合金
は、そのマトリックス中に平均径が１００ｎｍ以下の炭
素およびアルミニウムと前記合金元素が反応して生成し
た過飽和固溶体相等の非平衡相が微細に分散しているた
め高強度、高硬度、高弾性率、低熱膨張係数、高耐熱
性、高耐摩耗性等の優れた特性を有し、特に、炭素とし
て黒鉛を用いた場合にはその潤滑作用により摩擦係数を
小さくすることができる。

【００１９】（第３発明の作用・効果）本第３発明のバ
ルク状のアルミニウム合金は、そのマトリックス中に転
位の辷り抑制効果を有するアルミニウムの炭化物が微細
に分散しており、平均径が１００ｎｍ以下のアルミニウ
ムの炭化物を主体とする非平衡相および／または平衡相
が微細に分散しているため高強度、高硬度、高弾性率、
低熱膨張係数、高耐熱性や高耐摩耗性等の優れた特性を
有する。

【００２０】（第４発明の作用・効果）本第４発明のバ
ルク状のアルミニウム合金は、そのマトリックス中に平
均径が１００ｎｍ以下の金属間化合物を主体とする非平
衡相および／または平衡相が微細に分散しているため高
強度、高硬度、高弾性率、低熱膨張係数、高耐熱性を有
する。

【００２１】（第５発明の作用・効果）本第５発明のア
ルミニウム合金の製造方法は、繰返し塑性変形を行って
炭素の微細分散を得て、繰返し塑性変形だけで製品形状
に近いバルク状の材料を得ることができる点に特徴を有
する。本発明において炭素の微細分散を形成し得る理由
は以下のようであると推定される。

【００２２】被加工材が、例えば、アルミニウム粉末に
炭素粉末を圧粉した成形体の場合は、繰返しにより被加
工材の構成元素であるアルミニウム粉末間では拡散によ
り結合するがアルミニウム粉末と炭素粉末間では結合せ
ず、炭素粉末はアルミニウムのマトリックス中に閉じ込
められる。このように閉じ込められた状態での塑性変形
により炭素は破砕を繰り返されて通常では得られない平
均径が１００ｎｍ以下のサイズにまで微細化される。前
記加工の繰返しは、加工毎に加工方向を変えで行うと各
粉末同士の擦合と破砕が容易に起こる。なお、同一方向
の加工を繰り返し行っても良い。

【００２３】また、本第５発明では、１００〜４００℃
といった温度で、前記バルク状とするものである。本工
程は、高エネルギーによって、金属粉末間の擦合と破砕
により炭素を微細化し、高圧力と活性表面効果により各
金属粉末同士を強固に結合させバルク状とするものであ
る。この粉末間同士の結合は粉末間のアルミニウムの拡
散によって生じると考えられる。拡散速度を大きくする
には、加工温度を上昇させるのが最も有利であり、材料
の変形抵抗を小さくする上でも、温度上昇は望ましい。
しかし、温度が高すぎる場合には、粉末間等の拡散反応
によって、アルミニウムカーバイド等の平衡相が生じ易
くなる。そこで、加工温度を１００〜４００℃とするも
のである。

【００２４】本第５発明のアルミニウム合金の製造方法
によれば、繰返し塑性変形を行うといった比較的簡易な
組織形成工程によりアルミニウムのマトリックス中に平
均径が１００ｎｍ以下の炭素を微細に分散した組織を得
ることができるので高強度、高硬度、高弾性率、高耐熱
性、低熱膨張係数、高耐摩耗性、低摩擦係数を有する材
料を得ることができる。また、このアルミニウム合金
は、粉末やリボン状ではなく製品形状に近いバルク状で
得られるため、粉末の場合の危険性や固化工程が不要に
なる利点を有する。

【００２５】さらに、炭素として黒鉛を用いた場合に
は、鍛造型へのアルミニウムの焼付が著しく減少するた
め、加工荷重を小さくでき、また被加工材の取出し等が
容易となる長所を有する。

【００２６】（第６発明の作用・効果）本第６発明のア
ルミニウム合金の製造方法は、繰返し塑性変形を行う組
織形成工程によって微細に分散した炭素ならびに非平衡
相である過飽和固溶体相や化合物等を形成することが可
能である点およびこの繰返し塑性変形だけで製品形状に
近いバルク状の材料を得ることができる点に特徴を有す
る。

【００２７】炭素の微細分散および非平衡相の形成は、
前記構成で述べたように、アルミニウムと炭素と第４ａ
属、第５ａ属、第６ａ属、第７ａ属、第８ａ属、シリコ
ンおよび硼素から選ばれた１種以上の金属および／また
は非金属からなる被加工材を加工用型中に挿入し、不活
性雰囲気中で１００〜４００℃に保持しながら、前記被
加工材に塑性変形を繰返えし加えることによって行な
う。炭素の微細分散は前記第１発明と同様の作用により
形成される。非平衡相を形成し得る理由は以下のようで
あると推定される。

【００２８】本第６発明のアルミニウム合金の製造方法
は、従来のメカニカルアロイング法と同様の固相反応現
象で平均径が数１０ｎｍ以下の超微細炭素、非平衡相を
形成するものであるが、以下の点で異なる。メカニカル
アロイング法は、ボールミルを用い室温付近で１０〜１
０００時間のミリングを行ない粉末間の擦合と破砕と凝
集を繰返し行ない、粒間での拡散により非平衡相が形成
されるが、得られる材料の状態は常に粉末状である。こ
れらの粉末は活性であるが、表面は僅かではあるが、雰
囲気ガスによる吸着または化合物形成があることや活性
表面が形成されてからの時間の経過のために、表面活性
は低下している。そのため、この粉末状試料を固化する
場合には、粉末をボールミルから取出し、さらに容器に
入れ４５０〜６００℃といった高温でキャンニング押出
またはＨＩＰ処理をする必要がある。

【００２９】これに対し、本第６発明では、１００〜４
００℃といった温度で、前記バルク状とする工程は、高
エネルギーの繰返し塑性変形によって、金属粉末間の擦
合と破砕により炭素を微細化し、粉末間の拡散反応を起
こさせて非平衡相を形成させると同時に、高圧力と活性
表面効果により各金属粉末同士を強固に結合させバルク
状とするものである。前記加工の繰返しは、加工毎に加
工方向を変えで行うと各粉末同士の擦合と破砕が容易に
起こる。なお、同一方向の加工を繰り返し行っても良
い。非平衡相の形成は、例えばアルミニウム粉末と炭素
粉末とチタンの粉末を用いた場合には、炭素の作用は前
記アルミニウム粉末に炭素粉末を用いた場合と同様であ
るがアルミニウムとチタン間では強加工により各粉末が
互いに擦合と破砕により、界面が活性化され、拡散が生
じ易くなる。次の加工では、各粉末間の新たな擦合、破
砕が生じ活性面の形成が進行する。このような加工の繰
返しにより被加工材中のアルミニウムとチタンが拡散に
より結合し、非平衡相の状態となるとともに、チタンの
量が多い場合には、このマトリックスである非平衡相中
に炭素が微細に分散する。すなわち、非平衡相中にｎｍ
オーダーの炭素が分散した組織が得られる。また、チタ
ンの量が少ない場合にはアルミニウムのマトリックス中
に炭素がｎｍオーダーで分散した組織が得られる。

【００３０】超微細分散、非平衡相の形成は前記したよ
うに高エネルギー付与下での粉末間等の拡散によって生
じると考えられる。拡散速度を大きくし、材料の変形抵
抗を小さくする上でも、加工温度を上昇させるのが望ま
しい。しかし、温度が高すぎる場合には、粉末間等の拡
散反応によって、アルミニウムカーバイド等の平衡相が
生じやすく、また、一度非平衡相が形成されても高温に
保持することにより、相変化して平衡相になる。そこ
で、加工温度を１００〜４００℃とするものである。

【００３１】また、被加工材が鋳造材の場合は、このア
ルミニウム合金鋳造材中に分散した例えば、比較的大き
な炭素または金属間化合物を主体とする安定相に繰り返
し強加工が施され、炭素は粉砕され微細化されるととも
に各安定相は互いに擦合と破砕が繰返し施され過飽和固
溶体相や化合物等の非平衡相が微細に分散した組織とな
る。

【００３２】本第６発明のアルミニウム合金の製造方法
によれば、繰返し塑性変形を行うといった比較的簡易な
方法によりアルミニウムのマトリックス中に平均径が１
００ｎｍ以下の炭素と過飽和固溶体相や化合物等の非平
衡相を微細に分散した組織を得ることができるので高強
度、高硬度、高耐熱性、低熱膨張係数、高耐熱性、高耐
摩耗性や低摩擦係数等の特性を有する材料を得ることが
できる。また、このアルミニウム合金は、粉末やリボン
状ではなく製品形状に近いバルク状で得られるため、粉
末の場合の危険性や固化工程が不要になる利点を有す
る。

【００３３】さらに、炭素として黒鉛を用いた場合に
は、鍛造型へのアルミニウムの焼付が著しく減少するた
め、加工荷重を小さくでき、また、被加工材の取出し等
が容易となる長所を有する。

【００３４】（第７発明の作用・効果）本第７発明のア
ルミニウム合金の製造方法は、繰返し強加工を行って超
微細分散した炭素および非平衡相が形成された材料を得
て、この材料に加熱処理を行う変性工程によって金属間
化合物を主体とする非平衡相および／または平衡相を微
細に分散させた点に特徴があり、これらの処理により高
強度等の特性を得るのである。

【００３５】前記加熱処理を行うことにより高強度等の
特性を有するアルミニウム合金を製造できる理由は以下
のようであると推定される。前記非平衡相が形成された
アルミニウム合金を３００〜６５０℃で加熱処理すると
アルミニウム合金母材中の過飽和固溶体相等からの合金
元素またはｎｍオーダーに微細化された活性な元素がア
ルミニウムと反応し、金属間化合物を主体とする非平衡
相や平衡相が微細に分散した組織とすることができて強
度が向上する。しかも３００〜６５０℃といった比較的
高温でもこの強度の低下がない。

【００３６】本第７発明のアルミニウム合金の製造方法
によれば、加熱処理前の比較的軟らかな状態で製品形状
に成形後、これを加熱処理することにより比較的簡易に
高強度の金属間化合物を主体とする非平衡相および／ま
たは平衡相が微細に分散した高強度のバルク状のアルミ
ニウム合金材料を製造できる。

【００３７】

【実施例】

（具体化した発明）以下、前記第１発明ないし第７発明
のアルミニウム合金およびその製造方法をさらに具体的
にした具体化した発明について説明する。

【００３８】本具体化した発明で被加工材を構成する原
料としては、まず、超微細粒子として炭素が必須であ
る。炭素の種類には特に限定はなく、通常用いられる黒
鉛や無定形炭素であればよい。さらにこの系に過飽和固
溶体相や金属間化合物といった非平衡相を形成しやすい
元素を添加する必要がある。さらに最終工程の加熱処理
により、アルミニウム合金母材中に微細な金属間化合物
を主体とする非平衡相や安定相を分散析出させることが
でき、できるだけ高温において、凝集することなく、微
細に存在し得る析出粒子を形成可能な元素であることが
望ましい。このような元素として周期律表の第４ａ属、
第５ａ属、第６ａ属、第７ａ属、第８ａ属、シリコンお
よび硼素から選ばれた１種以上を用いれば良い。

【００３９】炭素の添加量としては、１〜４０ａｔ％が
望ましく、１ａｔ％以下では耐摩耗性、強度等の特性を
向上させる効果は少なく、４０ａｔ％以上では固化が不
十分となり脆くなるため好ましくない。炭素以外の元素
の添加量は、０．５〜２０ａｔ％が望ましい。０．５ａ
ｔ％以下では耐摩耗性、強度や耐熱性等の特性を向上さ
せる効果は少なく、２０ａｔ％以上では靭性が失われる
ため好ましくない。

【００４０】また、被加工材の形態は特に限定はない
が、アルミニウムと炭素またはアルミニウムと炭素と周
期律表の第４ａ属、第５ａ属、第６ａ属、第７ａ属、第
８ａ属、シリコンおよび硼素から選ばれた少なくとも１
種以上の金属および／または非金属を主体とする混合粉
末または該混合粉末を圧粉した成形体または鋳造材であ
れば問題はない。

【００４１】次に、本具体化した発明において、アルミ
ニウム等のマトリックス中に分散して存在する炭素およ
び非平衡相等の大きさは平均径が１００ｎｍ以下、特に
数ｎｍから数１０ｎｍの範囲が高強度化等の点から望ま
しい。微細に分散した炭素および非平衡相を形成する方
法は、（Ａ）アルミニウム粉末と添加元素粉末あるいは
アルミニウム合金中の各種相の破砕、新生面の形成、粉
末間での元素の拡散を可能とするような塑性変形を繰返
す方法を用い、（Ｂ）塑性変形および拡散を容易にさせ
るため、１００℃以上で、かつ平衡相形成温度である４
００℃以下で行うのが望ましい。これらの温度範囲外で
も可能であるが拡散速度が遅くなる等の問題が生じる。

【００４２】（Ａ）に関しては、元素粉末を混合した混
合粉末体、これを圧粉成形した成形体または溶解法等に
より安定相を分散したアルミニウム合金鋳造材のいずれ
を被加工材に使用する場合にも、塑性変形により各々の
相が互いに擦合と破砕を繰返、界面を活性とし、拡散に
より結合させるに充分な加工率と荷重が必要である。こ
のような強加工により接触した表面の一部で拡散して、
固化し、炭素等を閉じ込める。次の加工では、また閉じ
込められた炭素等の新たな破砕と活性面を形成されるよ
うにするためには、数１０回以上の繰返加工が必要であ
る。また、加工応力はアルミニウム合金の降伏強度以
上、少なくとも２００ＭＰａ以上が必要である。望まし
くは、型の摺動面での摩擦力や金型の破損を考慮して６
００〜２０００ＭＰａで加工を行うとよい。

【００４３】繰返加工法は例えば以下の方法によって行
う。十字型圧縮法：図１に示すような上下、左右に可動パ
ンチを配設した金型を用い、該金型を通常プレス加工等
で用いられている加工機械に取付けて加工を行う。すな
わち、金型の中央部に被加工材を入れ、まず、パンチ１
にＡ方向から荷重をかけ圧縮する。被加工材は圧縮され
るが、パンチ２が可動なので被加工材の一部は荷重付与
方向と直角の方向に押出される。次に、パンチ２により
被加工材にＢ方向から荷重を加え圧縮する。この操作を
繰返して加工を行う。この加工方法によれば、一方のパ
ンチが他方のパンチを直接可動させるため、試料の変形
量を大きくすることができる。この加工方法は金型内の
キャビティの体積が変化するため被加工材にクラックが
生じることがあるが、クラックの発生を防止するために
は、図２に示すような体積がほとんど変化しない密閉式
とした十字型圧縮法がある。この方法では、キャビティ
の体積が変化しないように、荷重を与えるパンチと連動
して他方のパンチを後退させる機構をつけることが望ま
しい。

【００４４】押出法：図３に示す金型で行なう方法で
あり、被加工材をパンチ間に入れ、交互に押出しを行な
い、断面積の小さいオリフィス部３１を通過させて加工
を行うものである。上部パンチ１によって荷重を加える
場合は、他方のパンチ１１はキャビティの体積を一定に
保ちながら下降する。したがって、被加工材は押出され
た後に断面積がパンチの径まで拡大される。本方法は加
工率を大きくでき、体積がほとんど変化しない密閉押出
しをすることによりクラックの生じない材料を得ること
ができる。

【００４５】揺動鍛造法：固定された下部金型中央部
に設置した被加工材を上部のパンチを回転揺動させて被
加工材を局部的に流動加圧し、塑性変形させながら全体
を加圧する方法である。本方法では、１回の加工率は比
較的小さいが、繰返回数を増加することが容易であり、
かつ加工荷重が小さくできるため大きな形状の材料が得
られる。

【００４６】また、被加工材が粉末の場合には前記
（Ａ）、（Ｂ）に加えアルミニウムと各種相表面間で拡
散を生じさせるために、アルミニウム等の表面を清浄に
保つ不活性雰囲気とするのが望ましい。塑性変形によっ
て各粉末が破砕され、活性な新生面が形成されても、雰
囲気中のガスによる酸化や窒化がおこれば、表面活性が
失われ金属間の拡散は生じにくくなる。そこで、形成さ
れた新生面の活性を維持するため、高真空またはＡｒ等
の不活性雰囲気中で行なう。

【００４７】（実施例１）−３５０メッシュの純アルミ
ニウムの粉末と平均粒径が約１μｍの純黒鉛の粉末を原
子比で８０：２０になるように配合し、充分に混合して
から、油圧プレスを用いて、約１００ＭＰａの圧力で
縦、横、高さがそれぞれ２０、１０、８．５ミリメータ
（ｍｍ）に圧粉成形した。成形体の重量は３．７ｇであ
った。この試料を図１−（ａ）に示す上下、左右に可動
パンチ１、２が配設された金型の中央部に入れて組付
け、酸化を防ぐため、１〜３ｌ／分の流量でＡｒガスを
流しながら、電気炉に入れ３００℃に加熱した。その
後、炉より取出し、該金型を、上下から加圧する機構を
有するプレス成形機に組付け、図１−（ｂ）に示すよう
にＡ方向より試料厚さが２ｍｍになるまで圧縮した。試
料の一部はこの圧縮によってＡ方向と直角の方向に押し
出された。次に、金型を９０°回転させてから図１−
（ｃ）に示すようにＢ方向からパンチ２によって加圧
し、同様に試料を２ｍｍ厚さに圧縮した。この操作を１
２０回繰り返した。初期の圧縮荷重のピーク値は約１５
０ｋＮであったが、繰返し回数の増加につれて徐々に上
昇し、１２０回後では２００ｋＮであった。

【００４８】金型を分解して取出した試料には表面の一
部に若干のクラックが存在するが、各粉末は充分に結合
し、全体がバルク状であり、断面の顕微鏡観察からも内
部にはクラックや介在物等は存在していなかった。

【００４９】この試料をＸ線回折した結果、図４−
（ｂ）のようなパターンが得られ、図４−（ａ）に示し
たパターンのように出発原料中の黒鉛が確認できない。
一方、透過電子顕微鏡で観察した結果、平均径５〜１０
ｎｍの黒鉛がアルミニウム中に分散していた。この結果
を解析した結果、この試料は黒鉛がＸ線回折で確認でき
ない程度に微細粒子になっていることが明らかとなっ
た。従来の鋳造法ではアルミニウム中の黒鉛の径は１〜
２０μｍであるのに対して、本実施例の黒鉛の平均径は
５〜１０ｎｍであり著しく小さくすることができる。

【００５０】また、図５は黒鉛の径に対する繰返加工回
数の影響について示したものである。図５−（ａ）の出
発原料は黒鉛の径が約１μｍであるが、図５−（ｂ）の
繰返加工回数が４０回では黒鉛の回折線の変化が少なく
回折線の広がりより求めた黒鉛の結晶粒子の平均径は数
１０ｎｍになった。８０回（図５−（ｃ））になると１
２ｎｍ、１２０回（図５−（ｄ））になると数ｎｍと微
細化効果が著しく向上した。さらに、前記圧縮を施した
試料の一部をＡｒ気流中で３００、４００、５００およ
び６００℃に各１時間加熱（時効処理）後のＸ線回折パ
ターンを図４−（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に、ま
た室温でのビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定した結果を図
６に示した。

【００５１】繰返加工後の試料である図４−（ｂ）では
黒鉛の超微細分散組織であり、その硬さはＨｖ１００で
あるが、これを時効処理することにより、約５００℃で
アルミニウムのカーバイト（Ａｌ₄Ｃ₃）に比較的類似
の相が形成され、さらに高温の６００℃近辺で平衡相Ａ
ｌ₄Ｃ₃に変化する。同時に硬さも最高でＨｖ２２０を
示した。なお、このような加熱による時効硬化特性は黒
鉛に限らず、無定形炭素を用いた場合も同様であった。

【００５２】このように本実施例のアルミニウム合金の
製造方法によれば、繰返加工により、従来技術では不可
能であった、黒鉛の超微細組織を得ることができ、さら
に時効処理により硬さが著しく向上したバルク材料を製
造することができる。

【００５３】（実施例２）−３５０メッシュの純アルミ
ニウムの粉末と、約１μｍの黒鉛粉末を原子比で９５：
５になるように配合し、充分に混合した。この試料を実
施例１と同様、３００℃に保持した金型中で２ｍｍ厚さ
に圧縮加工する操作を１２０回繰り返した。金型を分解
して取出した試料には若干のクラックが存在するが、粉
末が充分結合し全体がバルク状であった。

【００５４】この試料をＸ線回折した結果、図４−
（ｂ）と同様、黒鉛が確認できないパターンが得られ、
この試料のアルミニウム合金は、アルミニウム中に平均
径１０ｎｍ以下の超微細な黒鉛が存在する合金から構成
されることが明らかとなった。

【００５５】（実施例３）−３５０メッシュの純アルミ
ニウム粉末と約１μｍの黒鉛粉末を原子比で６０：４０
になるように配合した試料を実施例１と同様に３００℃
に保持し、金型中で２ｍｍ厚さに圧縮する操作を１２０
回繰り返した。

【００５６】得られた試料について、Ｘ線回折した結
果、アルミニウムの回折線と若干ブロードな黒鉛を示す
パターンが見られ、Ｘ線回折線の広がりより求めた結晶
粒子は約１５ｎｍの径であった。なお、この試料でも６
００℃に加熱することによりＡｌ₄Ｃ₃が析出した。

【００５７】（実施例４）アルミニウムに対して原子比
で黒鉛が１０％、さらにチタン１０％になるように配合
し、圧縮加工した。アルミニウムと黒鉛粉末は実施例１
と同様のものを使用した。また、チタンは−３５０メッ
シュの粉末を用いた。この試料を図２に示した完全密閉
式の金型中に入れ、実施例１と同様に３００℃に保持
し、圧縮変形させる操作を３００回繰り返した。金型を
分解して取出した試料にはクラックは存在せず、粉末が
充分に結合し、全体がバルク状であった。

【００５８】この試料について、Ａｒ気流中で３００、
４００、５００および６００℃の各温度に１時間加熱後
のＸ線回折結果を図７に、また室温での硬さを測定した
結果を図６に示した。繰返加工後の試料は、図７−
（ｂ）のように純アルミニウムの相とチタンとアルミニ
ウムよりなる非平衡相およびこれらの相中に超微細黒鉛
が分散した組織からなり、その硬さはＨｖ１２２であっ
た。この試料を５００℃に加熱し時効処理を施すことに
より、室温での平衡状態図に記載されていない非平衡相
が形成されると同時に、硬さがＨｖ２１０になった。ま
た、繰返加工後の室温引張強度は３００ＭＰａであった
が、これを５００℃で時効処理することにより８５０Ｍ
Ｐａと著しく向上させることができた。

【００５９】次に、実施例１と同様にしてアルミニウム
に対して原子比で黒鉛を１０％添加したバルク材（Ａｌ
−１０ａｔ％Ｃ）を作製した。このバルク材と実施例４
で作製したアルミニウムに対して原子比で黒鉛およびチ
タンを１０％添加したバルク材（Ａｌ−１０ａｔ％Ｃ−
１０ａｔ％Ｔｉ）、および比較材として市販の純アルミ
ニウム、ジュラルミン（Ａ２０２４）を用いて弾性率お
よび熱膨張係数を求めた。弾性率および熱膨張係数は以
下の方法により求めた。弾性率は、１×２×１１ｍｍの
寸法に加工した試料を使用し、複合振動子法により測定
した。また、熱膨張係数は、弾性率と同一の試料を使用
し、５℃／ｍｉｎの加熱速度で測定し、５０〜２００℃
までの平均熱膨張係数を測定した。

【００６０】その結果を図８に示した。図８は前記各種
アルミニウム材料の弾性率と熱膨張係数を比較したもの
である。純アルミニウムおよび高強度アルミニウム合金
として知られているジュラルミン（Ａ２０２４）の弾性
率はそれぞれ７０と７４ＧＰａ、熱膨張係数は２４．４
×１０^-6／Ｋ、２３．５×１０^-6／Ｋとほぼ同等である
のに対し、Ａｌ−１０ａｔ％Ｃ−１０ａｔ％Ｔｉでは、
純アルミニウムに比べ弾性率が１３８ＧＰａと約２倍と
高い値を示し、熱膨張係数は逆に１４．７×１０^-6／Ｋ
と約６０％に小さくなり、Ａｌ−１０ａｔ％Ｃでは、弾
性率が約１０％増大し、熱膨張係数は約１７％に小さく
なった。したがって、本実施例に係るバルク材はチタニ
ウムと同等の弾性率と鉄鋼と同等の熱膨張係数であり、
従来のアルミニウム合金を著しく凌駕している。このた
め、燃料噴射用ノズルのニードルバルブ等のような精密
機器、電気部品等のような部材に使用することができ
る。

【００６１】他の実施例に係るバルク材についても弾性
率および熱膨張係数を調べたが同様に優れた特性を示し
た。

【００６２】（実施例５）実施例１と同様の組成の粉末
を用い、直径１５ｍｍ，高さ２５ｍｍの成形体を作製し
た。次に、図３に示した押出型を用意した。この型の前
記成形体と接触する部分および圧入時の摺動面部分に黒
鉛を塗布後、前記成形体をこの押出型に入れた。その後
この型を３００℃に保持した。所定温度に達した後、油
圧プレスにより、まず一方のパンチから荷重をかけ、そ
の後金型を上下に反転し、もう一方のパンチから荷重を
かける方法で６０回繰返圧縮加工を繰り返した。加工荷
重は最大１８０ｋＮであった。

【００６３】押出後のアルミニウム合金は固化してお
り、クラックのないバルク状であった。Ｘ線回折の結
果、純アルミニウムのみが同定され、黒鉛は確認されな
かったため実施例１と同様に平均径５〜１０ｎｍの黒鉛
が超微細に分散していると考えられる。

【００６４】（実施例６）−３５０メッシュの純アルミ
ニウムの粉末と、約１μｍ径の純黒鉛の粉末および−３
５０メッシュの純鉄粉末を原子比で８０：１０：１０に
なるように配合し、充分に混合した。この試料を実施例
１と同様、３００℃に保持した金型中で２ｍｍ厚さに圧
縮加工する操作を１２０回繰り返した。金型を分解して
取出した試料には若干のクラックが存在するが、粉末が
充分結合し全体がバルク状であった。

【００６５】この試料をＸ線回折した結果、出発原料の
黒鉛は確認されず、磁気分析では純鉄の存在量は少な
く、この試料のアルミニウム合金は、黒鉛の超微細分散
と鉄を固溶した合金を主体とした組織より構成されるこ
とが明らかとなった。なお、この合金を３００、４０
０、５００および６００℃の各温度で１時間加熱する
と、非平衡相であるアルミニウムの化合物（Ａｌ₆Ｆ
ｅ）と平衡相のＡｌ₃Ｆｅが微細に析出し、図６に示す
ように硬さが加熱前のＨｖ１７０よりＨｖ３８５に上昇
した。また、純鉄の代わりにシリコンを使用した場合も
図６に示すように同様の効果があった。

【図面の簡単な説明】

【図１】繰返加工法（十字型圧縮法）の加工工程を示す
図である。

【図２】繰返加工法（密閉式十字型圧縮法）の加工工程
を示す図である。

【図３】繰返加工法（押出法）の加工工程を示す図であ
る。

【図４】実施例１において繰返加工（十字型圧縮法）し
た試料および３００、４００、５００、６００℃でそれ
ぞれ保持した試料をＸ線回折した結果を示す図である。

【図５】実施例１において繰返加工数を変化させて繰返
加工（十字型圧縮法）する前と後における試料をＸ線回
折した結果を示す図である。

【図６】実施例１、４、６等において繰返加工（十字型
圧縮法）した試料の保持処理温度と硬さ（Ｈｖ）との関
係を示す図である。

【図７】実施例４において繰返加工（十字型圧縮法）す
る前と後における試料および３００、４００、５００、
６００℃でそれぞれ保持した試料をＸ線回折した結果を
示す図である。

【図８】各種アルミニウム材料の弾性率と熱膨張係数を
比較した結果を示す図である。

【符号の説明】

１．２．可動パンチ３．コンテナ３１．オリフィス４．被加工材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムと１〜４０ａｔ％の炭素と
を有する合金であって、このアルミニウム合金のマトリ
ックス中に微細に分散した平均径が１００ナノメータ以
下の炭素を有することを特徴とするバルク状のアルミニ
ウム合金。
【請求項２】アルミニウムと１〜４０ａｔ％の炭素と
０．５〜２０ａｔ％の周期律表の第４ａ属、第５ａ属、
第６ａ属、第７ａ属、第８ａ属、シリコンおよび硼素か
ら選ばれた少なくとも１種以上の金属および／または非
金属とを有するアルミニウム合金であって、このアルミ
ニウム合金のマトリックス中に微細に分散した平均径が
１００ナノメータ以下の炭素ならびに平均径が１００ナ
ノメータ以下のアルミニウムと前記金属および非金属が
反応して生成した過飽和固溶体相および／または化合物
等を主体とする非平衡相とを有することを特徴とするバ
ルク状のアルミニウム合金。
【請求項３】アルミニウムと１〜４０ａｔ％の炭素と
を有する合金であって、このアルミニウム合金のマトリ
ックス中に微細に分散した平均径が１００ナノメータ以
下のアルミニウムの炭化物を主体とする非平衡相および
／または平衡相を有することを特徴とするバルク状のア
ルミニウム合金。
【請求項４】アルミニウムと１〜４０ａｔ％の炭素と
０．５〜２０ａｔ％の周期律表の第４ａ属、第５ａ属、
第６ａ属、第７ａ属、第８ａ属、シリコンおよび硼素か
ら選ばれた少なくとも１種以上の金属および／または非
金属とを有するアルミニウム合金であって、このアルミ
ニウムのマトリックス中に微細に分散した平均径が１０
０ナノメータ以下のアルミニウムと炭素との化合物なら
びに平均径が１００ナノメータ以下のアルミニウムと周
期律表の第４ａ属、第５ａ属、第６ａ属、第７ａ属、第
８ａ属、シリコンおよび硼素から選ばれた少なくとも１
種以上の金属および／または非金属との化合物を主体と
する非平衡相および／または平衡相を有することを特徴
とするバルク状のアルミニウム合金。
【請求項５】アルミニウムと炭素とを原料として被加
工材を作製する被加工材形成工程と、該被加工材を加工用型中に挿入し、１００〜４００℃に
保持しながら、前記被加工材を構成する炭素を微細に分
散させるような塑性変形を被加工材に繰返し与え、アル
ミニウムのマトリックス中に平均径が１００ナノメータ
以下の炭素を分散した組織を形成する組織形成工程と、
からなることを特徴とするバルク状のアルミニウム合金
の製造方法。
【請求項６】アルミニウムと炭素と周期律表の第４ａ
属、第５ａ属、第６ａ属、第７ａ属、第８ａ属、シリコ
ンおよび硼素から選ばれた少なくとも１種以上の金属お
よび／または非金属とを原料として被加工材を作製する
被加工材形成工程と、該被加工材を加工用型中に挿入し、１００〜４００℃に
保持しながら、前記被加工材を構成する炭素を微細に分
散させ、前記被加工材を構成する各元素間の拡散反応が
生ずるような塑性変形を被加工材に繰返し与え、アルミ
ニウム合金のマトリックス中に平均径が１００ナノメー
タ以下の炭素ならびに平均径が１００ナノメータ以下の
過飽和固溶体相および／または化合物等を主体とする非
平衡相とを分散した組織を形成する組織形成工程と、か
らなることを特徴とするバルク状のアルミニウム合金の
製造方法。
【請求項７】請求項５および請求項６における被加工
材形成工程は、粉末の原料を混合した混合粉末体を形成
する粉末混合工程、粉末の原料を圧粉して成形体を形成
する圧粉工程または前記原料を溶融後鋳造して形成する
鋳造工程であることを特徴とするバルク状のアルミニウ
ム合金の製造方法。
【請求項８】請求項５および請求項６における組織形
成工程は、加工応力が少なくとも２００ＭＰａ以上であ
ることを特徴とするバルク状のアルミニウム合金の製造
方法。
【請求項９】請求項５および請求項６において製造し
たアルミニウム合金を３００〜６５０℃の温度で加熱処
理し金属間化合物を主体とする非平衡相および／または
平衡相を微細に分散した組織を形成する変性工程と、か
らなることを特徴とするバルク状のアルミニウム合金の
製造方法。