JPH11269592A - 焼入れ感受性の低いＡｌ−過共晶Ｓｉ合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ａｌ−過共晶Ｓｉ−（Ｃｕ，Ｍｇ）系合金に
内在する高い焼入れ感受性を改良し、焼入れ感受性を低
下して焼入れ速度を遅くしても高い強度が得られる合金
材およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 Ａｌ−Ｓｉ（１２〜４５Wt％）をベース
とする合金のＳｉ粒子の平均粒径、内部に存在する水素
量および酸化物量を規制することによって前述の課題を
解決しうることを確認し、さらにかかる組成、組織の合
金の製造方法として特定のガスアトマイジングおよびス
プレーフォーミングを含む急冷凝固微粒子からの造塊法
が適当であり、これによって構造用、精密機械部品用
等、耐摩耗性と強度を要する用途に適当な合金材が得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ａｌ−過共晶Ｓｉ
系合金に係り、特に焼き入れ感受性の低いこの系のアル
ミニウム合金およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ａｌ−過共晶Ｓｉ合金、またはこれにＣ
ｕ、Ｍｇ、あるいはさらにＦｅ、Ｍｎ、Ｎｉ等を添加し
た合金においては、Ｓｉ含有量の増加に伴って耐摩耗
性、ヤング率が高まり、線膨張係数の低下が大きい等の
性質を具備するため、代表的な耐摩耗性部材として汎用
されている。Ｓｉ量が共晶濃度を超えると、一般の溶解
鋳造法では、初晶Ｓｉ粒子が粗大に晶出するため押出
性、鍛造性、切削性等に劣り、実用性に欠ける。

【０００３】この系の合金溶湯を急冷凝固すれば初晶Ｓ
ｉの粒径を１０μｍ未満にできる。このための急冷凝固
方法としては、ガス噴霧法（ガスアトマイズ法）、遠心
噴霧法、ロール法、噴霧ロール法、ピストン・アンビル
法等があるが、いずれも粉末あるいは箔片状でしか得ら
れないため、粉末冶金法により固化しなければならな
い。しかも一般の粉末冶金法によって固化した成形体に
は組織中に粉末の粒界が残り、粒界内には粉末の表面に
内在した酸化物、吸着していた水分、空気、その他の汚
染物質の残留が避けられない。

【０００４】この系の合金を構造体として利用する場
合、一般に強度を高めるため多くの場合Ｃｕ、Ｍｇある
いはさらにＦｅ、Ｍｎ、Ｎｉ等が添加含有され、Ｔ６
（溶体化処理後人工時効処理）のような熱処理が施され
る。しかしこの系の合金は焼入れ感受性が高く、温水焼
入れや、強制空冷のような遅い焼入れを行った場合に
は、高い強度が得られない欠点があった。

【０００５】かかる欠点は、押し出しながら焼入れを行
うプレス焼入れを実施したい場合、あるいは水焼入れに
よる残留応力を避けるため焼入れ速度を遅くしたい場
合、さらには製品が大型で必然的に焼入れ時に急冷され
ないような場合には不利であった。このように、Ａｌ−
過共晶Ｓｉ系粉末合金の優れた特性にも拘わらず、焼入
れ感受性が高いため十分な強度が得られず、用途の拡大
が阻害されているのが実状である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は以上の事情
を背景としてなされたもので、その目的は、従来の鋳造
法や粉末冶金法で得られるこの系の合金材に内在する押
出性、切削性の悪さや高い焼入れ感受性を改良し、焼入
れ速度を遅くしても高い強度が得られる合金材およびそ
の製造方法を開発することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記の課
題を解決するに際し、６０００系粉末合金の場合、焼入
れ感受性が粉末粒界上への優先的な析出物の不均一析出
と関係があることが知られている（住友軽金属技報第37
巻、第1,2 号(1996)31-36 頁）ことに着目し、かかる知
見に課題解決の糸口を見出し、この考え方でＡｌ−過共
晶Ｓｉ合金粉末における焼入れ感受性について鋭意実
験、検討を重ねた結果、本発明に到達するに至ったもの
である。すなわち、本発明は、特定組成のＡｌ−過共晶
Ｓｉ系合金のＳｉ粒子の平均粒径、内部に存在する水素
量および酸化物量を調整することによって前述の課題を
解決しうることを確認し、さらにかかる組成、組織の合
金の製造方法として特定のスプレーフォーミングを含む
工程が適切であることを見出した結果としてなされたも
のである。

【０００８】具体的には、請求項１に記載の発明の焼き
入れ感受性の低いＡｌ−過共晶Ｓｉ合金は、Ｓｉ：１２
〜４５Wt％と、Ｃｕ：０．２〜５Wt％およびＭｇ：０．
２〜５Wt％を含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物か
らなる合金組成を有し、かつＳｉ粒子の平均粒径が１０
μｍ未満であり、内部に存在する水素量が０．７ｃｍ³
／１００ｇＡｌ未満、酸化物量が０．２Wt％未満である
ことを特徴とするものである。

【０００９】また、請求項１に記載の焼き入れ感受性の
低いＡｌ−過共晶Ｓｉ合金の製造方法は、合金溶湯を溶
製する段階、該溶湯を不活性ガスアトマイズ法により液
滴化させる段階、該液滴を急冷させながら半凝固状態で
相互にコレクタ上に付着堆積させてプリフォームを得る
段階、該プリフォームに熱間塑性加工を施す段階を順次
経ることにより、相対密度９９．５％以上の合金塊を得
ることを特徴とするものである。

【００１０】この発明の焼入れ感受性の低いＡｌ−過共
晶Ｓｉ系合金は、Ｓｉ粒子が微細に分散し、水素量、酸
化物量が微少であるため、粉末冶金法による合金材のよ
うな粉末粒界の酸化膜や水素等汚染物上に析出物が優先
的に不均一に析出し易いことがなく、このため時効処理
における硬化が不十分となる現象が起こり難い。すなわ
ち焼入れ感受性が低く、時効処理において十分硬化す
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明の焼入れ感受性の低いＡ
ｌ−過共晶Ｓｉ合金における成分組成および組織の限定
理由について述べると、Ｓｉは、この系の合金の骨格成
分であり、合金の基本的特性である、耐摩耗性、低熱膨
張性、高温強度あるいはヤング率を高め、耐熱性さらに
は耐焼付特性等を賦与する元素である。Ｓｉの添加効果
を十分に奏功させるためには、過共晶領域であることが
必要であり、その下限は１２Wt％、またその上限は４５
Wt％とする。この上限を超えるＳｉ量では、初晶の過剰
な存在により切削性が低下し、切削工具の寿命を短縮す
るのみでなく、切削面の面粗度が粗くなる等の問題を生
ずる。また材質が脆弱化して塑性加工を施す際割れを生
じ易くなる。よってＳｉ含有量は１２〜４５Wt％とす
る。

【００１２】また、本発明に係る合金は、実用上十分な
機械的強度を具備させるためＣｕ、Ｍｇの１種以上を添
加含有させる。Ｃｕは、時効硬化により常温強度および
耐摩耗性を高める。０．２Wt％未満ではこの効果が不十
分であり、また５Wt％を超える量になるとそれらの効果
は飽和し、また塑性加工性、耐食性を損なう等の問題を
生ずる。

【００１３】Ｍｇも、本来は塑性加工後の熱処理（Ｔ６
等）により強度を向上するために添加される元素である
が、Ｃｕと同様に０．２Wt％未満では効果が十分でな
く、５Wt％を超える量になるとそれらの効果は飽和し、
塑性加工性が低下する。ＣｕまたはＭｇの一方が添加さ
れても相応の効果があるが、両元素が共存すれば合金に
時効硬化性を賦与し、常温強度、耐摩耗性を一層向上さ
せる。また固溶硬化による高温強度を向上させる効果が
ある。さらに、本発明においては、１Wt％以下のＭｎ、
５Wt％以下のＦｅ、Ｎｉ、０．５Wt％以下のＴｉ、Ｚｒ
を添加することにより、合金の強度、耐摩耗性、ヤング
率、線膨張係数等の特性を改善することができる。

【００１４】本発明においては、合金組織中のＳｉ粒子
の平均粒径、水素および酸化物の含有量をつぎのように
規制する。Ｓｉ粒子の平均粒径は、画像処理法により測
定される値である。すなわち合金の任意組織断面の２０
０μｍ×２００μｍの領域のミクロ組織を画像処理装置
で処理して、存在するすべてのＳｉ粒子の個別の面積を
測定し、その円相当径の平均値を表示した。すなわちそ
れぞれの同一面積を有する円の直径に換算し、すべての
Ｓｉ粒子についての直径の平均値（μｍ）である。本発
明においてＳｉ粒子の平均粒径が１０μｍ未満であれ
ば、合金の強度、塑性加工性、切削性が良好であり、こ
の上限を超えると、これらの特性は顕著に低下する。

【００１５】水素含有量は、真空溶融抽出法（ＬＩＳ−
Ａ０６−１に準拠）により、合金試片を真空中で溶解
し、放出される水素量をマス分析した値である。本発明
の合金においては、この値が０．７ｃｍ³ ／１００ｇｒ
Ａｌ未満とすることを要件としており、これを超える含
有量では析出による時効硬化能を低下させ、溶体化処理
加熱時に気泡が発生するようになるので好ましくない。

【００１６】酸化物含有量はブロム・メタノール法（Ｌ
ＩＳ−Ａ０９に準拠）により、合金試片をブロム・メタ
ノール溶液に溶解させて沈殿物中の酸不溶性Ａｌ酸化物
を定量した値である。この発明の合金において、酸化物
は一般の粉末冶金法による合金材のごとく粉末粒界には
存在せず、かかる酸化物が含有されるとしても合金中全
体に分散して含有されており、かつその全量が０．２Wt
％未満であれば、焼入れ感受性を高める現象が起こりに
くい。

【００１７】次に、請求項２に記載される焼き入れ感受
性の低いＡｌ−過共晶Ｓｉ合金の製造方法の発明につい
て説明する。その製造工程は、（１）合金溶湯を溶製す
る段階、（２）該溶湯を不活性ガスアトマイズ法により
液滴化させる段階、（３）該液滴を急冷させながら半凝
固状態で相互にコレクタ上に付着堆積させてプリフォー
ムを得る段階、（４）該プリフォームに熱間塑性加工を
施す段階を順次経ることにより、（５）相対密度９９．
５％以上の合金塊を得ることを特徴とするものである。

【００１８】上記（１）、（２）の工程は、通例の不活
性ガスアトマイズ法による合金粉末の製造工程に含まれ
るが、（３）、（４）によってこの製造工程が特徴付け
られる。すなわち液滴を急冷凝固させて粉末化するので
なく、液滴を急冷させながら半凝固状態で相互に付着さ
せてプリフォームを得る段階、ついで該プリフォームに
熱間塑性加工を施す段階を順次経る点に存する。ここ
で、プリフォームは、特定の形状に限定されず、形状不
特定の合金塊であってもよい。

【００１９】ガスアトマイズ法において、合金溶湯は液
相線温度の＋５０〜＋１５０℃間に保持し、溶湯の酸化
を防止するために窒素あるいはアルゴン等のアルミニウ
ム合金に不活性なガスが使用される。ガス量を多くする
ほど液滴は冷却速度は増大し、Ｓｉ粒子を小さくするこ
とができるが、一方では堆積歩留まりの低下およびガス
コストが嵩むためガス量は溶湯１Kg当たり２〜８Ｎｍ³
の範囲で操業される。堆積されるコレクタは、堆積層を
均一にするため毎秒２〜５回転させながら堆積した分だ
け位置を低下させ、かくして円柱状プリフォームが製出
される。

【００２０】上記の熱間塑性加工は、３００〜５００℃
においてホットプレス、圧延、鍛造、押出し等による塑
性流動、塑性変形等を与える一連の加工を指す。プリフ
ォームでは堆積層間の強度が小さく、内部に１〜５体積
％のポアを含んでいるが、かかる塑性加工により合金塊
内部のポアを解消し、上記の熱間塑性加工を施すことに
よって体積層間の強固な結合と、ポアの消滅が起こり相
対密度９９．５％以上の強度の高い密実な合金塊を形成
する。

【００２１】このような急冷凝固によりＳｉの平均粒径
を前記したように微細化しうるのである。また溶湯液滴
が半凝固状態で相互に付着されてプリフォームを形成す
るため、酸化物が粉末粒界に集中して存在するような組
織とはならない。

【００２２】

【実施例】本発明の合金４種および本発明の範囲を外れ
た比較合金３種を使用し、各合金種について実施例（ス
プレーフォーミング法）、比較例Ａ（従来の粉末冶金
法）、比較例Ｂ（従来の金型鋳造法）による供試片を作
製し、Ｓｉ粒子平均粒径、水素量、酸化物量を検査、分
析し、かつ供試片の熱処理後の硬さを測定して比較し
た。得られた結果は、表１に示すとおりである。

【００２３】供試した本発明の合金種は、表１のＮｏ．
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、および３，４，５に示すＡｌ−２０
Wt％Ｓｉ−（Ｃｕ、Ｍｇ）の組成を有する第１合金、Ｎ
ｏ．Ａ２に示すＡｌ−２５Wt％Ｓｉ−（Ｃｕ、Ｍｇ）−
（Ｆｅ、Ｍｎ）の組成を有する第２合金であり、さらに
表１のＮｏ．Ａ３に示すＡｌ−３０Wt％Ｓｉ−２Wt％Ｃ
ｕ−１Wt％Ｍｇの組成を有する第３合金である。また表
１のＮｏ．１に示すＡｌ−４０Wt％Ｓｉ−２Wt％Ｃｕ−
１Wt％Ｍｇの組成を有する第４合金である。

【００２４】供試した比較合金種は、表１のＮｏ．Ｂ
２、Ｃ２に示すＡｌ−２５Wt％Ｓｉ−１Wt％Ｃｕ−２Wt
％Ｍｇ−２Wt％Ｆｅ−０．６Wt％Ｍｎの組成を有する第
５合金であり、さらに表１のＮｏ．２に示すＡｌ−５０
Wt％Ｓｉ−２Wt％Ｃｕ−１Wt％Ｍｇの組成を有する第６
合金であり、その他表１のＮｏ．６、７は、Ｃｕ、Ｍｇ
が本発明合金の上限を超える第７合金である。

【００２５】

【表１】

【００２６】実施例１ スプレイフォーミング法による実施例について説明す
る。合金の溶湯液滴を急冷凝固し、半凝固状態で相互に
付着されてプリフォームを形成する要件を満たすことが
重要で、実用上は、いわゆるスプレイフォーミング法が
これに当たる。供試アルミニウム合金を溶解し、８２０
℃に保持した合金溶湯を、窒素ガスを用いたガスアトマ
イズ法（Ｇ／Ｍ比３．５）により液滴を回転コレクタ上
に堆積させ、直径１６０ｍｍ、高さ５００ｍｍの円柱状
プリフォームを製出した。このプリフォームの上下の非
定常堆積部を切除し、長さ４００ｍｍのビレットとして
４００℃において直径３０ｍｍに熱間押出し加工した。

【００２７】比較例１ 従来の粉末冶金法による比較例を示す。合金溶湯を８２
０℃に保持し、これを窒素ガスによりアトマイズして得
られた粉末を３００μｍ以下に分級し、直径１６０ｍ
ｍ、長さ４５０ｍｍのアルミニウム合金（６０６３）製
容器に充填した。次いで４９０℃において容器内を真空
に１時間保持して脱ガス処理した後、粉末を容器内に密
封した。これを実施例１と同様にビレットとして４００
℃において直径３０ｍｍに熱間押出加工した。

【００２８】比較例２ 従来の金型鋳造法による比較例を示す。合金溶湯を金型
鋳造により直径３５ｍｍ、長さ５０ｍｍの小円柱体試片
に鋳造した。

【００２９】実施例および比較例において焼入れは、２
方式によって行った。表１の硬さ欄の水冷焼入れ（WQ)
条件は、５００℃、１時間加熱後、２０℃の水冷焼入
れ、次いで１７５℃、６時間加熱の時効処理を施した。
また強制空冷焼入れ(FAQ) も焼入れ前後の加熱条件は同
一である。

【００３０】表１の結果を評価すると、組成が本発明の
範囲を外れたＮｏ．２、６、７は、いずれもプリフォー
ムの熱間押出加工において割れを生じており不良であ
る。合金Ｎｏ．Ｂ１、Ｃ１、Ｂ２、Ｃ２は、いずれも硬
さが低い値を示しているが、これらはＳｉ粒子平均径の
粗大、水素量、酸化物量の過多に帰因される。

【００３１】また表１の合金Ｎｏ．３は、Ｃｕ、Ｍｇ含
有量が少ない本発明合金で、硬さがやや低くなってい
る。上記以外の本発明の要件を満たす合金は、いずれも
焼入れ感受性が低く、良好な硬さを示していることが認
められる。

【００３２】次ぎにプリフォームの熱間塑性加工の効果
を評価した実施例について説明する。表１のＮｏ．Ａ３
本発明合金について、上記実施例のスプレ−フォーミン
グ法によって直径２５０ｍｍ、長さ７００ｍｍの円柱プ
リフォームを製造した。このプリフォームより２００ｍ
ｍ厚の供試片３個を切り出して試験した。

【００３３】供試片ａには塑性加工を行わず、供試片ｂ
には４３０℃に加熱した金型内でホットプレス（荷重１
０００ton で３０秒間）、供試片ｃには４３０℃におい
て高さが１／２になるまで油圧プレスで自由鍛造した。
次いで各供試片ａ、ｂ、ｃから試験片を切り出して熱処
理（５００℃・１時間→水焼入れ（２０℃）→１７５℃
・６時間→ＡＣ）を施し、ロックウェル硬さ（Ｂスケー
ル）および引張試験を行った。その結果は、表２に示す
ようにプリフォームに熱間塑性加工を施した試片ｂ，ｃ
は良好な機械的性質を具備しているが、この加工を行っ
ていない試片ａは、伸びが無く機械的強度が低い。

【００３４】

【表２】

【００３５】

【発明の効果】以上のとおり、この発明によれば、Ｓｉ
粒子が微細に分散し、水素量、酸化物量が微小であるた
め、粉末冶金法による合金材のような粉末粒界の酸化膜
や水素等汚染物上に析出物が優先的に不均一に析出し易
いことがなく、このため時効処理における硬化が不十分
となる現象が起こり難く、時効処理において十分硬化す
る焼入れ感受性の低いＡｌ−過共晶Ｓｉ系合金が提供さ
れる。

【００３６】従って押し出しながら焼入れを行うプレス
焼入れの実施、あるいは水焼入れによる残留応力を避け
るため焼入れ速度を遅くしたい場合、さらには製品が大
型で必然的に焼入れ時に急冷されないような場合にも、
時効処理による硬化が十分得られ、Ａｌ−過共晶Ｓｉ系
合金の耐摩耗性、低熱膨張性等特徴的性質を遺憾なく発
揮する構造材或いは精密機械部品等に用途の拡大が可能
となる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｉ：１２〜４５Wt％と、Ｃｕ：０．２
   〜５Wt％およびＭｇ：０．２〜５Wt％とを含み、残部が
   Ａｌおよび不可避的不純物からなる合金組成を有し、か
   つ任意組織断面のＳｉ粒子の平均粒径が１０μｍ未満、
   水素含有量が０．７ｃｍ³ ／１００ｇＡｌ未満、酸化物
   含有量が０．２Wt％未満であることを特徴とする焼き入
   れ感受性の低いＡｌ−過共晶Ｓｉ合金。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の焼き入れ感受性の低い
   Ａｌ−過共晶Ｓｉ合金の製造方法であって、合金溶湯を
   溶製する段階、該溶湯を不活性ガスアトマイズ法により
   液滴化させる段階、該液滴を急冷させながら半凝固状態
   で相互に付着堆積させてプリフォームを得る段階、該プ
   リフォームに熱間塑性加工を施す段階を順次経ることに
   より、相対密度９９．５％以上の合金塊を得ることを特
   徴とする焼き入れ感受性の低いＡｌ−過共晶Ｓｉ合金の
   製造方法。