JPS6057497B2 - 耐熱性高力アルミニウム合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は鋳造性が良好で強靭性に富み、且つ耐熱性の
優れた熱処理型の高力アルミニウム合金に関するもので
ある。

近年、車輌工業や機械工業などへの巾広いアルミニウ
ム材料の進出に伴ない強靭で且つ耐熱性のすぐれたアル
ミニウム合金の開発が強く求められている。

従来高力アルミニウム合金は鋳造材としてはＡｌ−Ｃ
ｕ−Ｍｇ系を基本組成とした合金、例えば米国における
Ｘ１４給金、ＫＯ−１合金などが開発されている。

この種の合金はＴ６処理によつて４０に９１ｄ以上の引
張り強さと５乃至１０％程度の伸びを示す極めて強靭な
合金材料てあるが、鋳造に際し熱間割れが生じ易く、湯
流れ性も十分でなくまた耐熱性も低いため合金使用上著
しい制限がある。また比較的強度が高く、耐熱性をも有
する合金としてはＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金もある
が、この系の合金における強度増加要素てある銅を３％
以上、・合金中に含有させると急激に材料の靭性が低下
するので銅の含有量に制限があり、従来実用化されてい
るこの系の合金強度はＴ６処理後でたかだか３５に９１
ｃｒｉ近辺であつて高力合金とはいえない。 発明者ら
は鋳造性が優れ、しかも強靭性、耐熱門性を兼ね具えた
高力アルミニウム合金を開発すべく研究を行なつた結果
、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金において銅が３
％を超えて含まれる場合に合金中にアンチモンを添加す
ると時効処理に際して合金の時効硬化性が促進され靭性
をそれほど低下することなしに合金強度が著しく向上す
ると共に合金の耐熱衝撃性が著しく改善されることを見
出した。すなわち、本発明は６％を超え１３％までの璋
素、３％を超え５．５％までの銅、１％を超え４％まで
の亜鉛、０．２％を超え１％までのマグネシウムおよび
０．０３％を超え１％までのアンチモンを含み、残部ア
ルミニウムおよび不純物からなる耐熱性高力アルミニウ
ム合金である。

本発明の合金は鋳造性がすぐれているから各種鋳造法に
よつて鋳物材とし、使用に供することができるほか、加
工性も良好なので鋳造体を適当な加工法によつて塑性加
工を施して用いることもできるので大量生産材としての
用途も期待できる。

また本発明の合金は従来のこの種の合金に較べ析出処理
に要する時間を大巾に短縮できるのて経済的効果も高い
。本発明合金における各成分組成の限定理由について述
べる。

珪素は合金を強化すると共に鋳造性を改善するために必
須な元素である。

６％以下では鋳造性改善効果が十分でなく、また１３％
を超えるど靭性や耐熱衝撃性を著しく低下させるので好
ましくない。

銅は人工時効処理を施こすことによつて合金に強度を付
与するものであるが、３％以下では後述するアンチモン
の添加による時効性促進の効果が得られず、５．５％を
超えると未固溶のに−Ｃｕ系金属間化合物の母相中にお
ける残存量が多くなり強靭性や耐疲労性を低下させ、ま
た鋳造割れ惑受性．が高まるので実用上好ましくない。

亜鉛は鋳造性の改善および熱処理によるＺｎ一Ｍｇ系金
属間化合物の析出による機械的強度の増加に寄与するが
、１％以下ではその効果少なく、４％以上では応力腐食
割れを生じ易くなるので好．ましくない。マグネシウム
は人工時効処理時にＭｇ２Ｓｉなどの析出物を形成する
ことにより合金の強化をするが０．２％以下では析出物
の形成量が十分でなく、一方１％を超えると伸び、耐衝
撃性を著しく損な−う。

アンチモンは合金中の銅含有量が３％を超えるとき時効
処理に際して銅による合金の時効硬化性を促進し、合金
強度の向上にすぐれた効果を発揮する（実施例１第１図
および実施例２第２図参照）ほか、合金の耐熱衝撃性を
改善する効果をも併せ有する。

アンチモン０．０３％以下ではこれらの効果が十分でな
く、また１％を超えて添加してもその効果に著しい変化
はみられない。本発明の合金に前述の元素のほかに従来
この種の合金の高温における強度を高めるために配合さ
れる１．５％までのＭｎ，ｌ．Ｏ％までのＣｒおよび２
．５％までのＮｉなどを添加することは耐熱性向上の見
ｌ地から有効である。

また、本発明合金の鋳造に際して、従来行なわれている
ように合金の結晶粒微細化を目的として０．３％までの
チタン、０．０５％までの硼素などの微細化用元素を添
加する操作を加えることも何等差、支えない。

殊にＴｉの添加はこの合金を鋳造材として用いる場合に
引け性の改善を行なう効果もある。しかし乍ら、この合
金を鍛造材等の塑性加工材に用いる場合、つまり特に引
け性の改善を必要としない場合にはＴｉの添加を省略す
ることがで゛きる。又本発明によるものは０．０５％以
下のベリリウム（Ｂｅ）添加によるＭ？加時の酸化防止
を適宜に図つてよい。以下に本発明による合金の優れた
諸特性について各別に明かにした実施例を示す。

即ちこれらの実施例においては本発明によるものの諸特
性を各個に示したものであるが、本発明による合金はこ
れらの実施例で示された各特性を夫々同等に共に具備す
るものであることは勿論である。実施例１ 第１図は珪素７．５％、亜鉛３．５％、マグネシウム０
．４５％を含むに−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金にお
いてアンチモンを添加（４）．１５％）した場合と無添
加の場合とについて合金中の銅含有量を種々に変化させ
アンチモンの添加が時効処理後の合金の機械的性質にお
よぼす影響について試験した結果を示すものてある。

図中縦軸は引張り強さと伸びを、横軸は銅含有量を示す
。なお、試験はＦ材について実施した。熱処理は試料を
４８０℃×．４ｈｒの高温加熱をした後、引続き５１０
′Ｃ×７ｈｒの加熱、即ち２段溶体化処理を行つた後水
中焼入れし、１６０℃×２４ｈｒの人工時効処理を施し
た。第１図よりアンチモン無添加の合金においては合金
の引張り強さは銅量の増加に従つて上昇するが、伸びは
銅量が３％を超えると急激に低下すること、合金中にア
ンチモンを添加するときは、銅量が低い場合は無添加の
場合に較べ伸びは著しく改善されるが、強度はむしろ低
下すること、しかし銅量が３％を超えた場合には伸び、
強度とも無添加のものに較べて改善され、特に強度にお
いて引続き向上が得られていることが判る。

即ち、この試験の結果よりアンチモンは合金中の銅含有
量が３％を超えて存在するとき合金の時効硬化性を促進
し強度、伸び共に改善する作用を有することが明らかで
ある。

実施例２ 第２図は本発明合金におけるアンチモン添加の時効硬化
性促進におよぼす影響を確認するために行つた試験結果
を示すものである。

試験に際しては珪素７．５％、銅４．０％、亜鉛３．０
％、マグネシウム０．４％を含むに−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ
一Ｍｇ系合金にアンチモン０．１５％を添加した合金お
よびアンチモン無添加の合金（各Ｆ材）について各合金
を４８０℃Ｘ４ｈｒ加熱後、引続き５１０℃×７ｈｒ加
熱する２段溶体化処理を行つた後水中焼入れし、１８０
℃の温度で人工時効処理した場合の時間経過毎の各合金
試料の硬度を測定した。

図中縦軸はプリネル硬度ＨＢｌ横軸は経過時間を示す。
第２図の結果より明らかなように銅含有量３％を超える
合金においてアンチモンを添加したものは無添加のもの
より著しく合金の時効硬化性が促進されること、即ちア
ンチモンの添加は合金強度の向上に寄与するだけでなく
、高い強度の合金が極めて短時間の熱処理で求められる
ことが判る。

例えば比較材たるＳｂＳ添加のものが１０〜１７！ｇ！
ｆ間で得られる合金強度が本発明のものでは１時間程度
で得られ、熱エネルギー的に頗る有利である。実施例３
次に本発明合金と従来のＡＩ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇ
系実用合金の機械的性質について比較した結果を示す。

即ち第１表は本発明の実施例に供した合金の化学組成、
第２卑はその測定結果である。表中試料ＮＤ．（１）乃
至慟．［相］は本発明合金であつて、又それらのうち試
料ＮＯ（７）乃至［相］については鍛造材について試験
を行つた結果を示す。

試料ＮＯ．（１１）およびＱ２）は従来実用化されてい
る鍛造用高力合金についての代表例である。なお試料Ｎ
Ｏ．（７）乃至ＡＩの鍛造材は１００Ｗｒ！！Ｌφ×３
００ｍ”の円柱状鋳塊を４８０℃×２Ｆ１ｒのソーキン
グした後４２０〜４５０Ｃの温度で鍛造比１：９のすえ
込み鍛造を行つた。

合金の変形抵抗は２０００系合金とほＳ゛同等であり、
また鍛造によつて割れを生ずることなく良好な製品が得
られている。第２表から明らかなように本発明合金試料
ＮＯ．（１）乃至（１１は引張り強さ４５〜５０ｋｇＩ
ｃ７１１附近の値を示しまた伸びも２％以上であるのに
対し従来の公知合金においては引張り強さは３５ｋ９１
ｃｆｉ附近、また伸びは１％以下であり、本発明の合金
は極めて強靭性に富むものであり、殊に試料ＮＯ．（３
）乃至（５）にあつては２００℃、１時間と極く短時間
の時効処理にも拘らず、相当の強度を示すことが判る。

実施例４ 第３図は本発明合金の有するすぐれた耐熱衝撃性を示す
試験結果を示したものである。

試験は本発明合金（ＳＩ９．５％，ＣＵ３．５％，Ｚｎ
２．５％，ＭｇＯ．５％，ＳｂＯ．ｌ５％）と比較のた
め上記組成中アンチモンを欠いた合金の各Ｆ材を４８０
℃×３Ｆ１ｒ後、５００℃×１０１１ｒの溶体化処理後
、水中焼入れし、これを１７０℃×１０１１ｒＷ！ｆ効
処理したものについて行なつた。

試験は中心部に５Ｔ！０！ｔφの孔を有する１００ｍφ
、厚み３ｍの円盤状試験片を該試験片中心部をガスバー
ナーで急熱し、試験片全体の温度が３５０℃に達した後
直ちに水中（約２０℃）に急冷する。

この急熱急冷をーサイクルとして繰返する試験片内に内
部拘束による熱応力が発生し、加熱中心部の孔より亀裂
が発生するが、この亀裂が発生する迄のサイクル数およ
び亀裂の伝播速度を測定することによつて各合金の耐熱
衝撃性を比較した。第３図より明らかなように本発明合
金はアンチモンの入らない比較合金、に較べ亀裂発生の
時期が相当に高サイクル側に存在し、且つ亀裂伝播速度
も頗るゆるやかであつて著しく耐熱衝撃性にすぐれてい
ることが判る。

以上述べたように本発明合金は強靭で且つ耐熱性にすぐ
れたアルミニウム合金材を提供し得るので輸送機械部材
、特にピストン、プーリ一、軸受）材料などの使用に好
適であるし、また時効処理時間の大巾な短縮が可能であ
るので熱エネルギー的及び製造作業上の何れからしても
有利に製造することができる等の作用効果を有しており
、工業的にその効果の大きい発明である。

・図面の簡単な説明 図面は本発明の技術的内容を示すものであつて、第１図
は本発明による合金と比較材についてＣｕ量との関係で
の機械的性質の変化を示した図表、第２図はその人工時
効時間による硬度変化を比較して示した図表、第３図は
その耐熱衝撃性を比較して示した図表である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量で６％を超え１３％までの珪素、３％を超え５
   ．５％までの銅、１％を超え４％までの亜鉛、０．２％
   を超え１％までのマグネシウムおよび０．０３％を超え
   １％までのアンチモンを含み、残部アルミニウムおよび
   不純物よりなる耐熱性高力アルミニウム合金。 ２ 重量で６％を超え１３％までの珪素、３％を超え５
   ．５％までの銅、１％を超え４％までの亜鉛、０．２％
   を超え１％までのマグネシウム、０．０３％を超え１％
   までのアンチモンおよび０．３％までのチタンを含み、
   残部アルミニウムおよび不純物よりなる耐熱性高力アル
   ミニウム合金。 ３ 重量で６％を超え１３％までの珪素、３％を超え５
   ．５％までの銅、１％を超え４％までの亜鉛、０．２％
   を超え１％までのマグネシウムおよび０．０３％を超え
   １％までのアンチモンを含み、さらに１．５％までのマ
   ンガン、１０％までのクロムおよび２．５％までのニッ
   ケルの１種または２種以上を含み、残部アルミニウムお
   よび不純物よりなる耐熱性高力アルミニウム合金。 ４ 重量で６％を超え１３％までの珪素、３％を超え５
   ．５％までの銅、１％を超え４％までの亜鉛、０．２％
   を超え１％までのマグネシウム、０．０３％を超え１％
   までのアンチモンおよび０．３％までのチタンを含み、
   さらに１．５％までのマンガン、１．０％までのクロム
   および２．５％までのニッケルの１種または２種以上を
   含み、残部アルミニウムおよび不純物よりなる耐熱性高
   力アルミニウム合金。