JPH09503027A - ベリリウム含有アルミニウム合金とその種の合金のインベストメント鋳造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 １重量パーセントから９９重量パーセントのベリリウムを含有する実用的なアルミニウムベース合金と、正味形状アルミニウム−ベリリウム合金部品をインベストメント鋳造する改良された方法とが開示されている。図は現在のアルミニウム−ベリリウム相図を表す。

Description

【発明の詳細な説明】 ベリリウム含有アルミニウム合金とその種の合金のインベストメント鋳造法技術分野 本発明は、ベリリウムとアルミニウムとの合金に関する。特に、本発明は、ベ リリウム含有アルミニウム合金の製造方法およびインベストメント鋳造技術によ って該合金から有用な構造品を形成する方法について述べる。従来の技術 アルミニウムとベリリウムの合金は従来技術において公知である。例えば、ク ーパー（Ｃｏｏｐｅｒ）米国特許第１，２５４，９８７号は、切削性を向上させ るためにベリリウムにアルミニウムを添加することを述べている。フェン（Ｆｅ ｎｎ）米国特許第３，３３７，３３４号は、アルミニウムベース金属と６２重量 パーセントのベリリウムを含有する商品ロックアロイ（ロックヒード（Ｌｏｃｋ ｈｅｅｄ）とベリルコ（Ｂｅｒｙｌｃｏ）によって１９６０年代に開発された） について開示および請求している。 ロックアロイは、薄板形状に製造され、実験機ＹＦ１２の腹びれに用いられて いる（デューバ、ワイエフ１２ロックアロイベントラルフィンプログラム、最終 報告、米国航空宇宙局ＣＲ−１４４９７１、１９７６年（Ｄｕｂａ, ＹＦ−１ ２ Ｌｏｃｋａｌｌｏｙ Ｖｅｎｔｒａｌ Ｆｉｎ Ｐｒｏｇｒａｍ, Ｆｉｎ ａｌ Ｒｅｐｏｒｔ, ＮＡＳＡ ＣＲ−１４４９７１, １９７６）。ロックア ロイの導入に続いて、６２重量パーセントのベリリウムを含むプレアロイアルミ ニウムから作製された圧延合金に関する広範なデータが入手された。例えば、ロ ンドン、「合金と合成物」、ベリリウムサイエンスとテクノロジー、第２巻、プ リナムプレス、ニューヨーク（１９７９年）（Ｌｏｎｄｏｎ, Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅs, Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を参照されたい。 アルミニウム−ベリリウム合金への２次および３次添加元素は文献に報告され ている。それらは、マッカーシー（ＭｃＣａｒｔｈｙ）米国特許第３，６６４, ８８９号に記載されているように、アルミニウムとベリリウム３元および４元合 金を製造するためのマグネシウム、シリコン、ニッケル、あるいは銀の添加物を 含む。これらの合金は、急速に凝固された合金粉末から、従来の手段により固め かつ加工して作られる。３次およびそれ以上の高次のアルミニウム−ベリリウム 合金に関するロシアの業績は、モルカノバの「６００℃下でのＡｌ−Ｂｅ−Ｎｉ 系におけるフェイズ・エクイリブリア」、ベスト・モスクワ大学・キム、第２７ （３）巻、第２６６〜２７１頁（１９８６年）（Ｍｏｌｃｈａｎｏｖａ Ｐｈａ ｓｅ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉａ ｉｎ ｔｈｅ Ａｌ−Ｂｅ−Ｎｉ Ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ６００ Ｄｅｇ．Ｃ 、Ｖｅｓｔ．Ｍoｓｋ．Ｕｎｉｖ．Ｋｈｉｍ．）、コ マロブの「熱処理によるＡｌ−Ｂｅ−Ｍｇ合金の溶接ジョイントの強度向上」、 ウェルドプロド、第２６（１）巻、第３２〜３３頁（１９７９年）（Ｋｏｍａｒ ｏｖ Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｗｅｌｄｅｄ Ｊｏｉｎｔｓ ｉｎ ａｎ Ａｌ−Ｂｅ−Ｍｇ Ａｌｌｏｙ ｂｙ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ 、 Ｗｅｌｄ．Ｐｒｏｄ．）、コラシェブの「アルミニウ ム、ベリリウムおよびマグネシウム構造合金」、メタロブド・ターム・オブラブ 金属、第１３巻、第１９６〜２４９頁（１９８０年）（Ｋｏｌａｃｈｅｖ Ｃｏ ｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ Ａｌｌｏｙｓ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｂｅｒｙ ｌｌｉｕｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ 、 Ｍｅｔａｌｌｏｖｅｄ．Ｔｅｒｍ ．Ｏｂｒａｂ．Ｍｅｔａｌ．）、ナゴルスカヤの「ＡＩ−Ｂｅ−Ｍｇ−Ｚｎ４元 合金における結晶化」、メタロブド・ターム・オブラブ金属、第９巻、第７２〜 ７ ４頁（１９７３年）（Ｎａｇｏｒｓｋａｙａ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ａｌ−Ｂｅ−Ｍｇ−Ｚｎ Ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ ＳｙＳｔｅｍＡｌｌ ｏｙｓ 、 Ｍｅｔａｌｌｏｖｅｄ．Ｔｅｒｍ．Ｏｂｒａｂ．Ｍｅｔａｌ．）に様 々に記載されている。 典型的には、少量のベリリウムがアルミニウムを豊富に含む合金に加えられ、 アルミニウムや他の合金成分が溶解や注入等の処理段階で酸化することを防いで いる。主要な例として、オハイオ州エルモアのブラッシュ・ウェルマン社（Ｂｒ ｕｓｈ Ｗｅｌｌｍａｎ Ｉｎｃ．）は、１０パーセント、あるいはそれ以下の ベリリウムを含有するアルミニウムに富んだ母合金を製造及び配布しており、こ れは商品製造業者による後処理に付される。後処理されたアルミニウム製品にお けるベリリウム残留レベルは、０．０１パーセント未満であることが好ましい。 最近のアルミニウム−ベリリウム相図は、両端に本質的に端部固溶解性（ｔｅ rｍｉｎａｌ ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ）を有しない単純な共晶を示 している。このＡｌ−Ｂｅ相図は、ムレイの「アルミニウム−ベリリウム系、２ 元ベリリウム合金相図」、エーエスエム・インターナショナル・モノグラフ合金 相図、第９頁（１９８７年） （Ｍｕｒｒａｙ，Ｔｈｅ Ａｌｕｍｉｎｕｍ−Ｂ ｅｒｙｌｌｉｕｍ Ｓｙｓｔｅｍ 、 Ｐｈａｓｅ Ｄｉａｇｒａｍｓ ｏｆ Ｂ ｉｎａｒｙ Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ Ａｌｌｏｙｓ, ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａ ｔｉｏｎａｌ Ｍｏｎｏｇｒａｐｈｓ ｏｎ Ａｌｌｏｙ Ｐｈａｓｅ Ｄｉａ ｇｒａｍｓ）から採用されたものであり、本明細書の図１に再掲されている。 ブラッシュ・ウェルマン社は、約１０重量パーセントから約７５重量パーセン トのベリリウムを含有するアルミニウム合金について広範な研究を行った。ハシ グチによる「航空宇宙空間応用のためのアルミニウム・ベリリウム合金」、ヨー ロッパ空間作用構造会議、アムステルダム、（１９９２年３月）（Ｈａｓｈｉｇ ｕｃｈｉ，Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ Ａｌｌｏｙｓ ｆｏｒ Ａ ｅｒｏ−ｓｐａｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 、 Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｓｐａｃ ｅ Ａｇｅｎｃｙ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏｎｆｅｒ ｅｎｃｅ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ）を参照されたい。この研究によると、約６２重 量パーセントのベリリウムを含有するアルミニウム合金は約７０体積パーセン トのベリリウムを有し、５０重量パーセントのベリリウムを含有する合金は約５ ９体積パーセントのベリリウムを有することがわかった。また、このシステムに おける合金組成物の密度および弾性率は混合の法則に従い、すなわち、合金特性 は、通常、純粋なベリリウムと純粋なアルミニウムのそれぞれの特性の間で補間 可能であることが確認された。 更に、ブラッシュ・ウェルマン社のエルモア施設における研究結果によれば、 大型の鋳造インゴットおよび細かな霧化されたプレアロイ粉末粒子は、アルミニ ウムマトリックス中にベリリウムを含有する金属複合体を示す微細構造を持って 製造され得ることが判明している。現在では、ブラッシュ・ウェルマン社はこれ らの合金を、登録商標ＡｌＢｅＭｅｔの下で押出し品や圧断薄板製品として販売 している。 ブラッシュ・ウェルマン社は、二つの選択的な方法によって、ＡｌＢｅＭｅｔ を有用な構成部品に加工した。どちらの方法においても、アルミニウムとベリリ ウムの出発原料を通常約１３５０℃から約１４５０℃の温度範囲で、セラミック 内張りの耐火性るつぼ内において真空溶解する必要がある。第１の方法として、 液状アルミニウム−ベリリウム溶解金属を耐火性のノズルを通して流出させ、そ の流れを不活性ガスの高速噴射によって遮る。このガス噴射は液体の流れを微細 な粒子に分散し、その粒子が凝固してプレアロイ粉末となる。粉末プレアロイを 構成する個々の粒子は、アルミニウム合金マトリックス内のベリリウム相から成 る非常に細かい樹枝状微細構造を有する。次に、プレアロイ粉末はコールド静水 圧プレス、ホット静水圧プレス、あるいは押し出し成型によって固められ、有用 な製品へ機械加工される前の粗型が製造される。 ＡｌＢｅＭｅｔを構成部品に加工するための第２の方法は、従来のインゴット 鋳造法であり、溶解したアルミニウム−ベリリウムは黒鉛製の鋳型キャビティに 注入されて冷やされ直径６インチまでの固形インゴットになる。この鋳造品の微 細構造は比較的粗く、アルミニウム合金マトリックス内の樹枝状ベリリウム相で ある。鋳造品の表面と押湯部は除去および廃棄され、インゴットは更に圧延や押 し出し加工あるいは機械加工によって最終的な製品の形状に加工される。上記の 方法は比較的高価であり、より安価な正味形状（ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）加工が好 ましい。 インベストメント鋳造法は一連の精密金属処理技術で正味形状部品を作製して 、その後の機械加工のロスを減少する。意図した構造を型どった使い捨てセラミ ックシェルが、金属合金製品を鋳造するための鋳型として用いられる。ホルトン による「インベストメント鋳造」、金属便覧、第９版、第１５巻、第２５３〜２ ８７頁（１９８４年）（Ｈｏｒｔｏｎ、Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ Ｃａｓｔｉｎｇ 、 Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）を参照されたい。溶解した合金は鋳型に 注入され、製品が作製され、セラミックシェルは冷却された金属合金部品から分 離される時に破壊される。 従来の認識からすると、アルミニウム−ベリウム合金システムで認められたよ うに（図１参照）、液相線温度と固相線温度との差が大きいいかなる合金のイン ベストメント鋳造も非常に困難であると予測されるので、本発明の開示前には、 アルミニウム−ベリリウム合金のインベストメント鋳造に関する報告は一切なか った。最も有用なベリリウム量を含有するアルミニウム合金の液相線および固相 線温度間の大きな差は、理論上、これらの合金の鋳造を非常に困難、あるいはほ とんど不可能にしている。例えば、“ホットティアリング（熱間割れ）”として 知られる鋳造の持つ周知の欠点は、鋳造合金の液相線及び固相線の温度差ととも に増大する。デイビスの「収縮割れ、凝固と鋳造」、第１７４〜１７６頁、アプ ライドサイエンス出版、エセックス、イングランド（１９７３年）（Ｄａｖｉｅ ｓ、Ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ Ｃｒａｃｋｓ、Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｓｔｉｎｇ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅ ｒｓ）を参照されたい。 本明細書は上記のベリリウム含有アルミニウム合金製造上の問題点の解決法を 述べ、更に金属合金のインベストメント鋳造法の改良を開示する。発明の目的 本発明の目的は、修正インベストメント鋳造工程により、１重量パーセントか ら９９重量パーセントの範囲内でベリリウムを添加したアルミニウムベース合金 の実用的な正味形状部品を提供することにある。 本発明の他の目的は、好ましくは５重量パーセントから８０重量パーセントの 範囲内でベリリウムを添加したアルミニウムベース合金の実用的な正味形状部品 を提供することにある。 本発明の更に他の目的は、製造される正味形状部品の可鋳性および特性を向上 させるための合金成分を選択的に使用するインベストメント鋳造法を提供するこ とにある。 本発明の他の目的は、好ましくは５重量パーセントから８０重量パーセントの 範囲内でベリリウムを添加したアルミニウムベース合金からなる複雑な形状物を 製造するための改良された、費用効果の良いインベストメント鋳造法を提供する ことにある。 本発明の別の目的は、ほぼ正味形状のダイスを用いて、機械加工コストを下げ る製造法を提供することにある。 本発明の更に他の目的は、精密な正味形状アルミニウム部品が、かなりの量の ベリリウムを含んで形成され得る方法を提供することにある。 本発明の他の目的は、以下の開示を熟読することにより、当業者らに明らかに なるであろう。発明の開示 アルミニウム−ベリリウムベースの合金から構造物を作製する技術の現状は、 粉末冶金術を指向している。プレアロイ粉末は、霧化され、固められて、標準金 属加工を施され、機械加工により最終部品になるためのブランクが得られる。 本開示では、出発原料から直接実用的正味形状アルミニウム−ベリリウム構造 部品を製造するための、相当量のベリリウムを含有するアルミニウムベース合金 の精密なインベストメント鋳造法を述べる。本明細書で用いられる“正味形状” という用語は、その最終形状に極めて近似した構造部品、つまり、更なる機械加 工をほとんど必要とせずに最終用途に用いられる精密な鋳造物を表している。 本発明は、ベリリウム含有アルミニウム合金を製造するためにインベストメン ト鋳造法を用いることに成功している。本発明の特許請求の範囲に記載された合 金（および相当する部品）は、他の公知のアルミニウム合金よりも密度が低く、 ベリリウムの弾性率に近い弾性率を有する。この弾性率はベリリウム含有量が増 えるにつれて高くなり、１０００万ｐｓｉのアルミニウムの弾性率と４４００万 ｐｓｉのベリリウム弾性率とを線形的に組み合わせた場合の弾性率に近似する。 以下の表は、本発明によって製造された種々のベリリウム含有アルミニウム合 金の特性についてまとめたものである。 市場では、高弾性率と低密度のアルミニウムベース合金を求めている。表Iに 示すように、一方のアルミニウム合金の特性から他方のベリリウムの特性の間で 連続的な特性の変化が達成された。例えば、ベリリウムを５％増加すると、アル ミニウムベース合金と比較して、同密度において、弾性率は２５％高くなる。 アルミニウムとベリリウムのインベストメント鋳造は、構成部品のサイズや形 状を選択するための、以前には知られていない許容範囲を提供する。本発明によ れば、高多孔性の正味形状部品は、最終製品になるまで、ほんのわずかな機械加 工を必要とするだけである。結果として、仕事量や材料コストは、大型形状から “切り出された（ｈｏｇｇｅｄ ｏｕｔ）”製品と比較すると、劇的に減少する 。 本発明は、航空宇宙機の胴体、非常扉の掛け金、操縦コラム、エンジンパイロ ン、支持構造物、翼安定装置、回転翼揺動板、航空機用電子機器筐体、タービン エンジン、多岐管、ギアボックス、拡散器、粒子隔離板、オイルタンク、固定子 、コンプレッサ、ポンプ、水力装置、電子部品パッケージ、電子光学構成部品、 コンピューターやディスクドライブのハードウェア、スポーツ装具等を含む広範 な部品への普遍的応用を有するが、それらに制限されることはない。 本発明を、以下の図および例を参考にして充分に説明する。図面の簡単な説明 図１は現在のアルミニウム−ベリリウム相図である。 図２は本発明に基づいて作成されたインベストメント鋳造アルミニウム−ベリ リウムディスクドライブアームのエックス線写真である。 図３は本発明に基づいて作成されたアルミニウム−ベリリウム合金からインベ ストメント鋳造された航空機用電子機器筐体である。 図４はここで開示されたアルミニウム−ベリリウム合金からなる読み出し/書 き込みヘッドの組み立て体を示す。 図５は図４の組み立て体の単一の正味形状アクチュエータアームを示す。アー ムに加わる力はベクトルで表される。発明の詳細な説明 以下の実施例に示される通り、ベリリウムを含有するアルミニウム合金の正味 形状が作製された。このようなアルミニウム−ベリリウム合金は、選択されたパ ラメータに従ってインベストメント鋳造を通して正味形状に製造された。これら の実施例は、かなりの量のベリリウムを含有するアルミニウム合金のインベスト メント鋳造は、本方法に基づいて成功することを明かに示している。 試験開始前に、補助ＨＥＰＡＶＡＣ換気を含むあらゆる環境健康安全装置を設 置する。試験中および最終クリーンアップ作業時に定期的にエアカウントを取る 。試験時、参加者はいずれも適当なエアフィルタマスクおよび衣服を着用する。 安全基準の詳細については、オハイオ州クリーブランドのブラッシュ・ウェルマ ン社から入手可能である。実施例１ アルミニウム−ベリリウム合金部品のインベストメント鋳造 ３８重量パーセントの純アルミニウムロッドと６２重量パーセントの純ベリリ ウム塊からなる重量８ポンドの装入合金は、誘導加熱されたアルミナ−マグネシ ア製るつぼ内に置かれた。純度９９＋パーセントのアルミニウムロッドはマサチ ューセッツ州、ウォードヒルのアルファ・ジョンソン・マセイ社（Ａｌｆａ Ｊ ｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｈｅｙ）から入手され、Ｂ−２６−Ｄ種ベリリウムはブラ ッシュ・ウェルマン社より供給された。るつぼは、１×１０^ー4torrの真空にされ 得る水冷式スチールチャンバ内に据え付けられた。スチールチャンバ内には、ま た、セラミック製シェル鋳型を含む抵抗加熱された予備加熱炉が置かれた。鋳型 は、湯口によって互いに連結した三個のロッドからなるろう型をベリリア（Ｂｅ Ｏ）スラリーに浸せきして製造された。市販部品は関係する形状に整合したろう 型と置換することにより製造される。 真空炉には、溶解金属の温度を計測する光学高温計とセラミック製鋳型の温度 を計測する熱電池が備えられた。予備加熱炉への電力供給は６００℃で開始した 。鋳型の温度が６００℃に到達すると（総時間は約１６時間）、誘導磁界は励磁 され、装入アルミニウムは約０．１torrの真空下で溶解した。電力供給開始から 溶 解までの総時間は２時間であった。一度溶解すると、液状金属の温度は１３７５ ℃まで上昇し、溶解金属は過熱状態になった。この間、真空は溶解金属からのガ ス放出によって０．８torrまで上昇した。溶解金属は５分間１３７５℃に保持さ れ、均一の加熱と攪拌を与えられた。停止後、溶解金属はセラミック製鋳型に注 入され、そこで凝固した。 鋳造後、るつぼと鋳型予備加熱炉への全電力は停止され、鋳型は、夜通し、常 温まで冷却された。一旦冷却されると、セラミックは凝固されたアルミニウム− ベリリウム合金からハンマーサンドブラスト機を用いて分離された。湯口から棒 が切断されて、サンプルが準備され、金属組織学および機械学の特性分析に供さ れた。鋳造合金の微細構造はアルミニウムマトリックスに包囲されたベリリウム 樹枝状結晶からできていた。その微細構造には、また、いくつかの多孔性小領域 も確認された。他の棒から機械加工された引張りサンプルについては、微細構造 の多孔性の故にテストは行われなかった。実施例２ アルミニウム−ベリリウム製ディスクドライブアームのインベストメント鋳造 本発明の原理を説明するために、正味形状ディスクドライブアームがアルミニ ウムとベリリウムからインベストメント鋳造された。製造されたドライブアーム は図２のエックス線写真に示されている。 ろう型は、ブラッシュ・ウェルマン社により特定され、オハイオ州ミネルバの プレシジョン・キャストパート社（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｃａｓｔｐａｒｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）により設計され、４本指のドライブアームを模擬した 。この４本指の形状は、本発明の融通性を論証するために選択されたものである 。２個のろう型は、２つの部品が１回の注入から再生することができるように連 結された。このろうは、セラミック製鋳型を作製するために被覆され、周知の“ ロスト−ワックス技術”を利用して除去された。 鋳型は真空鋳造炉内に置かれ電気的に予め加熱された。６２重量パーセントの ベリリウムを含有するアルミニウム合金が真空炉内で溶解され、実施例１で説明 されたように鋳型に注入された。冷却後、セラミック製鋳型は鋳造物から削り取 られ、２個の良好に形成されたドライブアームとそれに結合した堰が残った。鋳 造部分は、エックス線写真を撮られ、よりすぐれた完全性が図２のレントゲン写 真によって確認された。実施例３ 部品のインベストメント鋳造 実施例１および実施例２に述べられた処理に従って、図３に示す航空機用電子 機器筐体が作成された。この筐体は、高剛性、良好な機械的サポート、軽量性お よび優れた熱放散特性と、温度サイクル中安定性を確実にするに十分な低熱膨張 率を含む、最新の航空機に適したあらゆる特徴を有する。 実施例１および実施例２の方法に従って、さらに、図４および図５に示された 構造体が作成された。これらの図は、孔部を有するアクチュエータの回転可能な アームセットを示し、このアクチュエータはディスクを放射状に横切ってヘッド を位置付けるために、ディスクドライブの軸の周りに回転する。ここで、このア ームセットは、インベストメント鋳造法により生成された基本的に約１重量パー セントから約９９重量パーセントのベリリウムを含有するアルミニウム合金から 成る１体ユニットである。 特に、図４は、複数のアクチュエータアーム１４に取り付けられた多数のヘッ ド１２を有するハードディスクドライブ１０の読み出し／書き込み組み立て部品 を示す。ヘッド１２とアクチュエータアーム１４は共に、ワイヤコイル１８と磁 石収容部２２内に配置された磁石２０との相互作用によって回転されるアクチュ エータシャフト１６上に組み立てられている。アクチュエータアーム１４は、そ の静止状態において、ディスク上に乗るようにばね付勢されている。ディスクが 回転しているとき、ヘッド１２の下に気圧が発生し、ヘッドはディスクのわずか 上方へ持ち上げられる。 アクチュエータアーム１４は、図５に示すように、垂直方向の力２４と角度成 形方向の力２６を受ける。アクチュエータアーム１４は十分に堅固であるべきで 、これによって、垂直方向の振動の振幅を最小限度にくいとめ、アクチュエータ アーム１４の上下のディスクの損傷を防ぐことができる。同様に、アクチュエー タ アーム１４は十分に堅固であるべきで、それによって、横方向の振動の振幅を最 小限度にくいとめ、ディスク上の適当なアドレスに読み出しおよび書き込みをす るための応答時間をさらに短くすることができる。積層構造からなる材料は、主 に垂直方向の偏向を最小限度にするために有効である。本発明によって作製され たアルミニウム−ベリリウム合金は、垂直方向および横方向のどちらの偏向も最 小限に押さえることに有効である。実施例４ Ａｌ−Ｂｅ−Ｎｉの３成分合金のインベストメント鋳造 重量１０ポンドの装入合金は、３５重量パーセントの純アルミニウムロッドと ６２重量パーセントの純ベリリウム塊および３重量パーセントのニッケルペレッ ト（純度９９．７パーセント、アルファ・ジョンソン・マセイ社から入手された ）からなる合成物から製造された。その装入物は、実施例２で説明された真空炉 内に配置され誘導加熱されたアルミナ−マグネシア製るつぼ内に置かれた。抵抗 加熱された予備加熱炉に置かれたシェル鋳型は、１６本の引張りテスト用棒に型 どって作製された。市販用には、テスト用棒か上記の航空機用電子機器筐体のよ うな最終用途の形状に置き換えられる。 抵抗加熱された予備加熱炉を用いて、鋳型の温度は約１６時間を経て７００℃ まで上昇した。誘導磁界が励磁され、装入アルミニウム、ベリリウムおよびニッ ケルは約０．１torrの真空下で溶解された。電力供給開始から溶解までの総時間 は２時間であった。一旦溶解すると、液状金属の温度は１３７５℃まで上昇し、 溶解金属は過熱状態になった。溶解金属は５分間１３７５℃で保持され、溶解金 属の均一の加熱と攪拌が行われた。この間、１気圧に到達するまでアルゴンガス を炉チャンバ内に導入した。溶解した合金は次にセラミック製鋳型に注入された 。 注入後、るつぼと予備加熱炉への電力供給は停止され、金属で充満したセラミ ック製鋳型は夜通し冷却された。一度冷却されると、セラミックはアルミニウム −ベリリウム−ニッケル合金鋳造物からハンマーサンドブラスト機を用いて分離 された。引張りテスト用棒が帯鋸を用いて切断され、金属組織学分析用サンプル が堰から切断された。 鋳造合金の微細構造は、アルミニウムマトリックスによって包囲されたベリリ ウム樹枝状結晶からなっていた。エネルギー分散性エックス線能力を装備した精 査電子顕微鏡による検査によって、ニッケル合金の添加物がベリリウム相に移動 していることがわかった。微細構造にはまた多孔が確認されたが、孔部の容積比 は減少した。引張り特性が数本のテスト棒について測定された。０．２パーセン トの降伏応力は２２，０００psiであることが確認され、最終引張り強度は２５ ，０００psiであり、伸びは２．１パーセントであった。 この実施例において製造された鋳造部品は、ホット静水圧プレス（ＨＩＰ）内 に置かれ、２時間で４５０℃まで加熱され、一方、１５，０００psiの圧力が加 えられた。この処理後の部品の金属組織分析から、温度、時間および圧力の組合 わせによって、表面に接続していない孔部の多くが取り除かれたことが明らかに なった。実施例５ 高次アルミニウム−ベリリウム合金のインベストメント鋳造 他の成分を含有するアルミニウムとベリリウムの合金は実施例３に記載の工程 を用いて製造することができる。合金組成は、以下の式で表されるであろう。 （３０〜７５％ Ｂｅ） ＋ （２５〜７０％ Ａｌ） ＋ （０．２５〜５％ Ｘ） ＋ （０〜５％ Ｙ） ＋ （０〜０．５％ Ｚ） この式において、Ｘ、ＹおよびＺの文字は以下の表IIに記載された成分を示し、 合金合成分の総重量は１００パーセントに等しくなければならない。 例えば、３０重量パーセントのアルミニウムロッド、６４重量パーセントのベ リリウム塊、３重量パーセントのニッケル、１．５重量パーセントの銀および１ ．４重量パーセントのシリコンからなる合成物の１０ポンド装入合金の成分は、 実施例２に記載の真空炉に配置された誘導加熱されたアルミナ−マグネシア製る つぼ内に置かれた。０．１重量パーセントのチタン添加物が、鋳造直前に溶解金 属に添加されるためホッパー内に置かれる。溶解合金を受けるシェル鋳型は抵抗 加熱された予備加熱炉内に配置される。鋳型は引張りテスト用棒、工作形状、運 動装具等の用途の形状に整合する物であればよい。 予備加熱炉を用いて、鋳型の温度は３５０℃から１２７５℃の範囲内で上昇す る。正確な温度は鋳型の形状や鋳造された合金によって左右される。もし鋳型予 備加熱ユニットが利用できれば、鋳型は炉の外部で加熱され、注入直前に鋳造チ ャンバ内に配置されればよい。この鋳造チャンバは高真空バルブによって溶解チ ャンバから分離されるべきである。バルブ自体が熱源を有するかどうかは問題で はない。 鋳型が選択された予備加熱温度に到達すると、誘導磁界は励磁され、アルミニ ウム−ベリリウム合金の成分はともに溶解される。溶解中の真空は０．０００１ torr以上でなければならない。さもなければ、合金成分の過度の気化が起こるで あろう。一度溶解すると、液状金属の温度は１５００℃まで上昇し、溶解金属に 過熱状態を与える。注入の１分前にチタンが溶解金属に添加され、微細粒子の生 成を促進し、最終生成物中に微細かつ硬質の金属間化合物粒子の分散が行われる 。チタン添加の１分後、溶解金属はセラミック製シェル鋳型に注入される。 注入後、るつぼと予備加熱炉への電力供給は停止され、金属で充満したセラミ ック製鋳型は常温に冷却された。あるいは、加熱された鋳型は冷却のために炉か ら取り出すことができる。一度冷却されると、セラミックは機械的あるいは化学 的方法、あるいはそれらの組合わせによってアルミニウム−ベリリウム合金鋳造 物から除去された。有用な部分は更なる加工のために鋳造物から取り外される。 この実施例で説明されたような高次の合金は、アルミニウム合金技術で周知の 単一あるいは複数の熱処理工程によってその強度と延性を改良され得るものであ る。ホット静水圧プレス（ＨＩＰ）法は、実施例３で説明されたように、熱処理 の前後どちらでも使用することができる。 本発明に対する様々な修正および変更は本開示を概観することによって理解さ れるであろう。それらの変更と付加は、以下の請求項で定義される本発明の範囲 と精神の中でなされるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーダー，ジェームズ エム. アメリカ合衆国，オハイオ 44120，シェ ーカー ハイツ，ウォーリントン ロード 2888 (72)発明者 ブロフィ，ジェレ エイチ. アメリカ合衆国，オハイオ 44022，シャ グリン フォールズ，ジャクソン ロード 31905

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ベリリウム含有アルミニウム合金を製造するための方法において、 （ａ） 固形アルミニウム成分と固形ベリリウム成分とから装入合金を形成す るステップと、 （ｂ） 真空溶解炉内の耐火材内張り炉ポット中においてステップ（ａ）の装 入合金を溶解するステップと、 （ｃ） ステップ（ｂ）からの液状溶解金属を使い捨てシェル鋳型に注入する ステップと、 （ｄ） 前記使い捨てシェル鋳型内の前記溶解金属を凝固させるステップと、 （ｅ） 前記使い捨てシェル鋳型を取り除くステップと、 を含むことを特徴とするベリリウム含有アルミニウム合金を製造するための方法 。 ２． 得られたベリリウム含有アルミニウム合金は、約５重量パーセントから約 ８０重量パーセントのベリリウムを含有することを特徴とする請求項１に記載の 方法。 ３． 前記得られたベリリウム含有アルミニウム合金は、高純度アルミニウム中 に分散された約５重量パーセントから約８０重量パーセントのベリリウムを含有 することを特徴とする請求項２に記載の方法。 ４． ステップ（ａ）の前記固形アルミニウム成分はアルミニウムに富んだ組成 物であり、前記得られたベリリウム含有アルミニウム合金は、前記アルミニウム に富んだ組成物中に分散された約５重量パーセントから約８０重量パーセントの ベリリウムを含有することを特徴とする請求項２に記載の方法。 ５． 前記アルミニウムに富んだ組成物は、マグネシウム、ニッケル、シリコン 、銀、およびリチウムからなるグループから選択された成分を含有することを特 徴とする請求項４に記載の方法。 ６． 前記得られたベリリウム含有アルミニウム合金は、アルミニウムの弾性率 より少なくとも２５パーセント高い弾性率を有することを特徴とする請求項１に 記載の方法。 ７． ベリリウム含有アルミニウム合金の正味形状製品を製造する方法において 、 （ａ） 固形アルミニウム成分と固形ベリリウム成分とから装入合金を形成す るステップと、 （ｂ） 真空溶解炉内の耐火材内張り炉ポット中においてステップ（ａ）の装 入合金を溶解するステップと、 （ｃ） ステップ（ｂ）からの液状溶解金属を使い捨てシェル鋳型に注入する ステップと、 （ｄ） 前記使い捨てシェル鋳型内の前記溶解金属を凝固させるステップと、 （ｅ） 前記使い捨てシェル鋳型を取り外して正味形状鋳造物を生産するステ ップと、 （ｆ） 堰、湯口、および余分な合金構成物質を除去し、正味形状製品を得る ステップと、 を含むことを特徴とするベリリウム含有アルミニウム合金の正味形状製品を作成 する方法。 ８． 得られたベリリウム含有アルミニウム合金は、約５重量パーセントから約 ８０重量パーセントのベリリウムを含有することを特徴とする請求項７に記載の 方法。 ９． 前記製品は、高純度アルミニウム中に分散した約５重量パーセントから約 ８０重量パーセントのベリリウムを含有することを特徴とする請求項８に記載の 方法。 １０． ステップ（ａ）の前記固形アルミニウム成分はアルミニウムに富んだ組 成物であり、前記正味形状製品は、前記アルミニウムに富んだ組成物中に分散し た約５重量パーセントから約８０重量パーセントのベリリウムを含有することを 特徴とする請求項８に記載の方法。 １１． 前記アルミニウムに富んだ組成物は、マグネシウム、ニッケル、シリコ ン、銀、およびリチウムからなるグループから選択された成分を含有することを 特徴とする請求項１０に記載の方法。 １２． 得られた製品は、アルミニウムの弾性率より少なくとも２５パーセント 高い弾性率を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。 １３． 約１重量パーセントから約９９重量パーセントのベリリウムを含有する アルミニウム合金からなることを特徴とするインベストメント鋳造正味形状製品 。 １４． 約５重量パーセントから約８０重量パーセントのベリリウムを含有する ことを特徴とする請求項１３に記載の正味形状製品。 １５． 高純度アルミニウムに分散された約５重量パーセントから約８０重量パ ーセントのベリリウムを含有することを特徴とする請求項１４に記載の正味形状 製品。 １６． アルミニウムに富んだ組成物中に分散された約５重量パーセントから約 ８０重量パーセントのベリリウムを含有することを特徴とする請求項１４に記載 の正味形状製品。 １７． 前記アルミニウムに富んだ組成物は、マグネシウム、ニッケル、シリコ ン、銀、およびリチウムからなるグループから選択された成分を含有することを 特徴とする請求項１６に記載の正味形状製品。 １８． アルミニウムの弾性率より少なくとも２５パーセント高い弾性率を有す る請求項１３に記載の正味形状製品。 １９． 請求項７に記載の方法から作製されたアクチュエータの回転可能なアー ムセットにおいて、前記アームセットはディスクドライブのディスクを放射状に 横切るヘッドを位置付けるための前記ディスクドライブの軸の周りに回転する孔 部を有し、前記アームセットは、約５重量パーセントから約８０重量パーセント のベリリウムと残部アルミニウム成分を含有するベリリウム含有アルミニウム合 金から主になる１体のユニットであることを特徴とするアクチュエータの回転可 能なアームセット。 ２０． ベリリウム含有アルミニウム合金を含むインベストメント鋳造正味形状 製品において、前記製品はアクチュエータのための回転可能なアームセットであ り、前記アームセットはディスクドライブのディスクを放射状に横切るヘッドを 位置付けるための前記ディスクドライブの軸の周りに回転する孔部を有し、前記 アームセットは、約５重量パーセントから約８０重量パーセントのベリリウムと 残部アルミニウム成分とを含有するベリリウム含有アルミニウム合金から主にな る１体のユニットであることを特徴とするベリリウム含有アルミニウム合金を含 むインベストメント鋳造正味形状製品。 ２１． 筐体は、約５重量パーセントから約８０重量パーセントのベリリウムと 残部アルミニウム成分とを含有するベリリウム含有アルミニウム合金から主にな ることを特徴とする請求項７に記載の方法で製造された航空機用電子機器筐体。 ２２． ベリリウム含有アルミニウム合金を含むインベストメント鋳造正味形状 製品において、前記製品は、約５重量パーセントから約８０重量パーセントのベ リリウムと残部アルミニウム成分とを含有するベリリウム含有アルミニウム合金 から主になる航空機用電子機器筐体であることを特徴とするインベストメント鋳 造正味形状製品。 ２３． 式（３０〜７５％Ｂｅ） ＋ （２５〜７０％Ａｌ） ＋ （０．２５ 〜５％ Ｘ） ＋ （０〜５％ Ｙ） ＋ （０−０．５％ Ｚ）によって表さ れるベリリウム含有高次アルミニウム合金において、 Ｘはニッケル、コバルト、および銅からなるグループから選択された成分であ り、 Ｙは銀、シリコン、および鉄からなるグループから選択された成分であり、 Ｚはチタン、ジルコニウム、硼素、スカンジウム、イットリウム、および希土 類元素からなるグループから選択された成分である、 ことを特徴とするベリリウム含有高次アルミニウム合金。 ２４． 請求項２３に記載の高次アルミニウム合金において、 （ａ） 約６．４から約１３．０ｉｎ／ｉｎ／^oＦ × １０^-6の範囲内の熱膨 張率と、 （ｂ） 約４４．０から約１０．０ＭＳＩの範囲内の弾性率と、 （ｃ） 約０．０６７から約０．０６３１ｂｓ／ｉｎ³の範囲内の密度、 の特性を有することを特徴とする高次アルミニウム合金。 ２５． 式（３０〜７５％Ｂｅ） ＋ （２５〜７０％Ａｌ） ＋ （０．２５ 〜５％ Ｘ） ＋ （０〜５％ Ｙ） ＋ （０〜０．５％ Ｚ）によって表さ れるベリリウム含有高次合金からなる正味形状製品において、 Ｘはニッケル、コバルト、および銅からなるグループから選択された成分であ り、 Ｙは銀、シリコン、および鉄からなるグループから選択された成分であり、 Ｚはチタン、ジルコニウム、硼素、スカンジウム、イットリウム、および希土 類元素からなるグループから選択された成分である、 ことを特徴とするベリリウム含有高次合金からなる正味形状製品。 ２６． 請求項２５記載の正味形状製品において、 （ａ） 約６．４から約１３．０ ｉｎ／ｉｎ／^oＦ × １０^-6の範囲内の熱 膨張率と、 （ｂ） 約４４．０から約１０．０ＭＳＩの範囲内の弾性率と、 （ｃ） 約０．０６７から約０．０６３１ｂｓ／ｉｎ³の範囲内の密度、 の特性を有することを特徴とする正味形状製品。