JPS62238344A - 機械的合金化 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、炭化アルミニウムよりも安定な炭化物を約４
８０℃までの温度で合金に配合しているおかげで約４８
０℃までの温度において有用な特性を有するアルミニウ
ム基合金の製造に関する。

従来技術および問題点 高強度アルミニウム基合金、即ち５０重量％よりも多い
アルミニウムを含有する合金は、機械的合金化技術によ
って製造されている。これらの合金は、室温において有
用な機械的特性を有する。

これらの合金は、強度については一部分、時効硬化され
かつ／または加工硬化された内部構造に依存し２．かつ
一部分、機械的合金化法で使用する炭素含有加工助剤（
例えば、ステアリン酸）の分解生成物とアルミニウムと
の反応によって炭化アルミニウム（Ａ−１４Ｃ３）と酸
化アルミニウムとの微細分散体（Ｎｎｅ　ｄｉｓｐｅｒ
ｓｉｏｎ）のその場調製に依存する。約１００℃よりも
高い温度への露出時に、時効硬化されかつ／または加工
硬化された構造物は、柔軟化する傾向があり、そしてよ
り高い温度においては、合金中のＡｌ４Ｃ３の分散体は
、粗大化する傾向があり、このように合金の強度への炭
化物の寄与を少なくする。従って、機械的合金化によっ
て製造されるような従来技術のアルミニウム基合金は、
一般に、１００℃〜４８０℃の温度範囲で使用するのに
好適ではない。本発明は、この温度範囲で使用するのに
好適な機械的合金化アルミニウム基合金の提供および製
造を目的とする。

発明の詳細な説明 広くは、本発明は、アルミニウム基合金用機械的合金化
袋入Ｈ料に、アルミニウムおよび他の合金元素と一緒に
チタン、ニオブ、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウ
ムおよびモリブデンの群からの炭化物生成元素を含むか
含有する極微分散体（ＩＩｌｉｅｒｏｒｉｒ＋ｏ　ｄｉ
ｓｐｅｒｓｉｏｎ）状または極微分散体に容易に変換で
きる材料を配合し、このような装入材料を炭素含有加工
助剤の存在下で機械的に合金化し、それによって装入材
料を機械的に合金化し、かつ前記群の金属を配合した炭
化物様（ｃａｒｂｉｄｉ−［’ｅｒｏｕｓ）物質の分散
体を合金化装人材料内でその場調製することを意図し、
前記炭化物様物質は主寸法が約５００Ａ未満の分散粒子
として存在し、かつ、前記分散体は２００°Ｃよりも高
い温度、約３７０℃よりも高い温度でさえ粗大化に抵抗
する。

また、本発明は、前記方法によって製造された合金を意
図する。有利には、炭化物生成元素は、合金に存在する
炭素と化合するのに最低必要な化学量論量に少なくとも
等しい量で、製造された合金に存在する。例えば、２種
の炭化物ＶＣ，Ｖ２Ｃか既知であるバナジウムの場合に
は、合金中のバナジウムの口は、有利には、少なくとも
式ＶＣから計算される瓜である。

本明細書の目的で、「機械的合金化」なる用語は、装入
材料が本質」−均一な粉末製品に転化されるまで、粉末
成分の装入材料を衝撃媒体による衝撃に付して多数の粒
子溶接および破壊を生じさせるプロセスを意味するのに
使用される。アトライタおよび水平ボールミルが、機械
的合金のために最もしばしば使用されるが、本発明の目
的では、使用する特定の装置は、重要ではない。その後
、機械的合金化の製品を後述のように圧縮し、焼結し、
加工する。

「炭化物様物質」なる用語は、単純な炭化物、例えばＴ
　ｈ　Ｃ１Ｖ　Ｃ−Ｖ　　Ｃ、、Ｎ　ｂ　Ｃ１Ｎ　ｂ　
２　Ｃを包含するのみではなく、化合物および混合物、
例えば炭窒化物（ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｃｓ）、遊離
炭素を含有する炭化物および安定な炭化物と本発明で意
図する合金の１以−にの成分との関連から生成される炭
化物種（ｃａｒｂｊｄｉｃ　５ｐｅｃｉＣｓ）を包含す
るように使用される。

再度、本明細書の目的で、「極微分散体」なる用語は、
平均粒径５マイクロメートル（μｍ）よりも著しく小さ
い粒径、より好ましくは約１μｍよりも小さい粒径を有
する分散体を意味する。機械的合金化公人材料への強炭
化物生成剤の添加は、このように元素または化合物また
は前記元素の合金のダストまたはヒユームサイズの粒子
の形であるか、機械的合金化法において機械的衝撃によ
って１μｍよりも小さい粒子、より好ましくは０．８μ
ｍ未満の平均寸法に容易に破壊されるより大きいサイズ
の脆性物質（例えば、金属間化合物）の形であることが
できる。

アルミニウム基合金の機械的合金化で有用な炭素含有加
工助剤としては、ステアリン酸、メタノール、黒鉛、シ
ュウ酸などが挙げられる。

機械的合金化公人材料において、炭化物生成元素を含有
する脆性金属間化合物の粉末を使用することが、何利で
ある。このような脆性金属間化合物の例は、■Ａ１３、
Ｔ　Ｌ　Ａ　ｌ　３、Ｚ　ｒ　Ａ　ｌ　３、ＮｂＡ１３
、ＦｅＴｉ。

Ｆｅ　　　　Ｍｎ　　　　Ｔｉ、Ｔｉ２Ｎｉ。

０．８５　　　　０．１５ Ｔ　１５Ｓ　ｌ　３、Ｚ　ｒ　２　Ｓ　ｔ　−Ｔ　ｔ　
Ｆ　ｅ　２である。

また、炭化物生成元素を炭化物生成元素と他の金属との
合金の迅速同化粒状物の形で使用することが、有利であ
る。このような粒状物は、非晶質「ガラス状」合金また
は過飽和固溶体合金の特性を有していてもよく、または
使用する特定の合金系の液相線またはその直下に通常存
在する固相（ＣＦ数または複数）のほとんど顕微鏡的に
区別できない微結晶を含有してもよい。

本発明に係る粉末装入材料をすべて機械的合金化によっ
て加工する。この技術は、米国特許第３．５９１，３６
２号明細書、 第３，７４０．２１０号明細書、 第３，８１６，０８０号明細書（とりわけ）に記載の高
エネルギー摩砕法であることができる。簡潔には、アル
ミニウム基合金は、粉末装入材料を装入＋」料の粉末粒
子を微粉砕するのに十分な条件下で、摩砕によって繰り
返（、て生ずる微粉砕と溶接作用との組み合わせを通し
て、粉砕媒体、例えばボールおよびプロセス制御剤の存
在下で乾式高エネルギー摩砕に付して、緊密に関連され
かつ均一に相互分散された初期粉末材料のフラグメント
を含有する新しい密な複合粒子を生ずることによって製
造される。摩砕を保護雰囲気、例えばアルゴンまたは窒
素ブランケット下で行ない、それによって酸素制御を容
易にする。その理由は、事実」ユ酸素源が出発粉末およ
びプロセス制御剤のみであるからである。プロセス制御
剤は、溶接制御量の炭素寄与剤である。分散強化機械的
合金化アルミニウムの製法は、前記米国特許 第３，７４０，２１０号明細書、 第３，８１６，０８０号明細書に詳細に与えられている
。好適には、ボール対粉末の重量化１５：］から６０；
１を使用して、粉末をアトライタ中で調製する。好まし
くは、プロセス制御剤は、メタノール、ステアリン酸ま
たは黒鉛である。これらの有機化合物および／または黒
鉛からの炭素は、粉末に配合され、かつディスパーツイ
ド含量に寄与する。炭化物生成元素は、少なくとも装入
材料に入る一炭素の大体半分に化学量論量に大体等価の
量から、装入材料に入る炭素の化学量論当量を超えて約
２００％まで、またはそれよりも多い量で装入祠料に存
在すべきである。一般に、すべての成分を加工助剤と一
緒にミルに装入し、機械的合金化を１回の連続操作で行
なうことが可能である。

時折り、装入材料の硬質成分をミルに導入する前に、ミ
ル装入材料のアルミニウムに富んだ両分を自゛意瓜の時
間機械的に合金化することが、有利である。

極端な商業上非現実的予防策が講じられなければ、本発
明の方法によって製造される本発明の合金は、酸素を安
全な金属酸化物、例えばＡ１２Ｄ３の形で含有する。こ
の酸素は、機械的合金化装置に導入される粉末粒子旧に
存在する酸化物と、機械的合金化時に装置に存在する雰
囲気と、通常使用する加工助剤とに由来する。理論上は
、金属、例えばアルミニウム、酸化膜を含まない粉末を
供給し、このような粉末を酸素を全く欠いた雰囲気、例
えば無酸素加工助剤、例えば純黒鉛またはアルカンを有
するアルゴンの雰囲気中で機械的に合金化することが、
口■能であることがあるが、最終消費者か低酸素合金に
法外な高価格を支払いたくないならば、このようなプロ
セスを工業規模で実施することは、実際的ではないであ
ろう。通常の場合には、比較的大きい規則的粒径の出発
アルミニウム粉末を利用し、ミル雰囲気を制御して酸素
よ５よび外部に由来する酸化炭素および水蒸気を大部分
排除することにより、そして少量の酸素を３何する加圧
助剤、例えばステアリン酸を使用することにより、本発
明の機械的合金化合金に入る酸素の口を最小限にするこ
とが、可能である。詳細には、ステアリン酸は、酸素約
１１重量％を含有する。従って、ステアリン酸約２重量
％（金属に対して）を加工助剤として使用することは、
酸素約０．２３％を機械的に合金化すべき金属に与える
であろう。本発明の合金においては、約１％まで、また
は一層多い量の酸素は、必ずしも扱くない。従って、高
い側の酸素含量を有することが望ましい時には、−水和
物として酸素約６４ｑ６をａ角′するンユウ酸などの加
工助剤を選ぶのが非常に良いことがある。本発明の合金
の炭素金工は、七として、または排他的に加圧助剤に由
来する。ステアリン酸２％を加圧助剤と１７で使用する
ことは、炭素約１．４％を機械的合金化装入物に５える
であろう。しかしながら、この炭素の一部分は、摩砕装
置から逃げることがある酸化炭素の生成のため、製品合
金に伝えないことがある。

機械的合金化が完了１７た後、分散強化機械的合金化製
品を圧密する（ｅｏｎｓｏｌ　Ｉｄａｔｅ）前に、脱ガ
スし、圧粉（ｃｏｍｐａｃｔ）　シなければならない。

脱ガスおよび圧粉を真空下で行ない、一般に約４８０℃
（８９５丁）から合金の初期液化直前までの範囲内の温
度で行なう。脱ガス温度は、合金によってその後に経験
されるべきいかなる温度よりも高くあるべきである。脱
ガスを好ましくは例えば約４８０℃（９００丁）から５
４５℃（１０１５１”）までの範囲内、より好ましくは
５００℃（９３０”Ｆ）よりも高い温度で行なう。プレ
スを約５４５’Ｃ（１０１５’Ｆ）から約４８０℃（８
９５丁）の範囲内の温度で行なう。

好ましい聾様においては、脱ガスおよ圧粉を真空熱圧（
ＶＨＰ）によって行なう。しかしながら、他の技術が、
使用されてもよい。例えば、脱ガス粉末を押出ブレス中
で真空下で据え込んでもよい。

粉末を実質」二完全な密度に押し出すのを可能にするた
めに、圧粉は、気孔が隔てられることによって押出潤滑
剤によるビ１ノットの内部汚染を回避するようなもので
あるべきである。このことは、圧粉を完全密度の少なく
とも約９５％に行なうことによって達成される。好まし
くは、粉末を完全密度の９９％以上、即ち実質上完全な
密度に圧粉する。

次いで、脱ガスおよび圧粉工程（単数または複数）で調
製された圧粉製品を圧密する。

圧密を押出によって行なう。材料の押出は、合金中の完
全密度を保証するのに必要であるだけではなく、粒子上
の表面酸化物を破壊するのにも必要である。押出温度は
、各合金について確立された狭い温度内での制御が機械
的特性を最適化できるので、重要性を有することかある
。また、潤滑法および押出用に使用する正確なダ、イ型
装置は、機械的特性に重要性を有することかある。熱間
圧粉および熱間圧密は、各々単独または加熱サイクルと
一緒に機械的合金化の製品を全く焼結結合するのに役立
ち、かつ実質上完全な密度のボディ（ｂｏｄｙ）を−緒
に与える。

押出後、ビレットは、鍛造できる。必要ならば、ビレッ
トは、表面欠陥を除去するために機械加工し、でもよい
。鍛造後、仕１−操作前または仕−１−操作後に、合金
は、時効硬化を受けやすいならば、時効硬化できる。当
業者は、炭化アルミニウムよりも熱的に安定な炭化物を
六角′する本発明の合金が押出状態並びに鍛造状態で使
用してもよいことを認識するであろう。このように、も
しあったら、熱処理を最後の適当な加工操作後に行なう
。

本発明を実施する際に、チタンを機械的合金化装入材料
に添加される炭化物生成成分と１、て使用することが、
有利である。チタンは、比較的低い密度を有しかつその
炭化物が高い負の生成熱をａするので、高度に有利であ
る。バナジウムは、主として密度に基づいて第二選択物
である。ステアリン酸なとの酸素含有プロセス制御剤を
機械的合金化操作で使用する時には、−酸化炭素、水蒸
気および二酸化炭素が、プロセス制御剤の分解生成物と
してミル雰囲気中に存在するであろうことが認識される
べきである。このような状況下では、チタンは、酸化物
生成剤としてアルミニウムと競争するであろうし、それ
故炭化物を生成するのに利用できるチタンの口は、黒鉛
または酸素に乏しい炭化水素をプロセス制御剤として使
用する場合よりも少ないであろう。

当業者に本発明の利点の更なる認識を与えるために、以
下の例を与える。

例 表１に記載のような機械的合金化によって調製すべき組
成物（重量％）。

１　　残部　　　−−− ２残部　　　−−− ３残部　　　−−− ４残部　　　−−− ５残部　　　−−− ６残部　　　　　　　２．６− ７　　残部　　　　　　　１．９− ８　　残部　　　４　　　−　　　　＝９　　残部　　
　４　　　１．５　　　−１０　　残部　　　４　　　
１．５　　　−１１　　残部　　　４　　　１．５　　
０．５１２　　残部　　　２　　２　　　　−１３　　
残部　　　２　　２　　　　−Ｔｉ　　　　　　　　１
．５　　　　　メタノールＶ　　　　　　　　　１．８
　　　　　　　”Ｎｂ　　　　　　　　３．０　　　　
　　　／／ｚｒ’）、４　　　　　　　ｔｔ Ｔｉ　　　　　　　　４．０　　　　　ステアリン酸Ｔ
ｉ　　　　　　　　２．５　　　　　　　”ＦｅＴｉ　
　　　　　５．５　　　　　　　／ｌＩ Ｉ Ｆｅ Ｉ Ｆｅ Ｔ　ｉｓ　Ｓ　ｉｓ３．４　　　　　ステアリン酸加工
助剤の量は、一般に１〜２重二％である。機械的合金化
後、前記表の装入材料を前記のように脱ガス１５、圧扮
し、押し出して、耐火酸化物を含存しかつ有意量の炭素
が１００℃〜約４８０℃の範囲内の温度において炭化ア
ルミニウムよりも熱的に安定な炭化物として存在する製
品を与える。

表１に記載のような加工助剤的１％〜２％を使用して機
械的合金化により調製すべき追加の組成物を、表■に示
す。

表　　■ 合金　Ｃｒ　　Ｍｎ　　Ｔｉ　　Ｆｅ　　Ｃｕ　　Ｎｉ
　　　Ｖ　　Ｓｉ　　Ａ１１４　　７　　−　　１．８
　　−　　−　　−　　−　　−　残部１５　　７　　
−　　−　　−　　−　　−　　２．５　　−　残部１
Ｇ　　　−５２，５−−−−−残部 １７　　−　　５　　２．０　　−　　−　　５　　−
　　−　残部１ｇ　　　−２，５１，６−６−０，１−
残部１９　　−　　−　　２．０７．５　　−　　−　
　−　　−　残部２０　　２．０　　−　　１［７，５
−−−−残部２１　　−　　５．０　３．８　　−　　
−　　−　　−　　−　残部２２　　−　　−　　　ｔ
、ｅ　　７．５　　−　　−　　−　　−　残部２３　
　−　　２　　２．５　　１　　−　　８　　−　　−
　残部表Ｈの組成物の前駆物質は、アルミニウムをクロ
ム、モリブデン、タングステン、マンガン、チタン、り
失、コバルト、ニッケルおよびバナジウムの１以上と一
緒に（即ち、約３００℃よりも高い温度において固体ア
ルミニウムへの低い拡散速度を有する元素）、もしあっ
たら銅およびケイ素と一緒に溶融して均一な溶融組成物
を調製し、溶融金属を噴霧して合金粉末を調製すること
によって製造する。この工程は、米国特許 第２．９６６．７３１号明細書、 第２，９６６．７３２号明細書、 第２．９６６．７３３号明細書、 第２，９６６．７３４号明！ｌｌ書、 第２，９６６．７３５号明細書、 第２，９６６．７３６号明細書、 第２，９６７．３５１号明細書の１以上に教示されてい
る。次いで、このようにして調製された噴霧化粉末を炭
素合釘加工助剤の存在下で機械的合金化に付して、その
中に炭化アルミニウムよりも安定な炭化物様物質の分散
体および通常アルミニウムを含有する耐火酸化物を配合
する。次いで、得られた機械的合金化粉末を前記のよう
に圧扮し、焼結し、所望の形状に加工する。機械的合金
化後、前記表の装入材料を前記のように脱ガスし、圧扮
し、押し出して、有意量の炭素が３７０°Ｃ〜約４８０
″Ｃの範囲内の温度において炭化アルミニウムよりも熱
的に安定な炭化物として存在する製品を与える。

炭化物の安定化のための補足または部分置換は、高温ア
ルミニウム基合金への希土類元素（単数または複数）の
添加である。このように、高温アルミニウム基合金用機
械的合金化装入材料に、希土類族の１以上の金属的０．
０１〜約０．２重量％を配合することは、本発明の意図
内である。金属は、有利にはイツトリウムまたはランタ
ンまたは希土類金属の市販の混合物、例えばミツシュメ
タル、無セリウムミツシュメタルまたは無ランタンミツ
シュメタルである。例示の組成物（重量％）を表■に記
載する。

表　　■ 合金Ａ（％）　　Ｂ（％）Ｃ（％）　　Ｄ（％）Ｍｇ４
　　　　　　４４　　　　　　２Ｌｉ　１．５　１．５
　１．７５　２ ＳｉＯ，５０，５−− 希」二類　０．１　　　　　０．１　　　０．１　　　
　０．１５ＡＩ　　Ｂａ１Ｅ’　　Ｂａ１Ｅ”　　Ｂａ
１Ｅ＊Ｂａ１Ｅ”本Ｂａ１Ｅは、機械的合金化アルミニ
ウム組成物に通常存在する息の炭素および酸素と一緒に
、合金の基本的新規の特性に影響を及ぼさない微量の他
の元素および成分を包含する本質」二残部を意味する。

法令の規定に従って、本発明の特定の態様がここに例示
されかつ説明されているが、当業者は、特許請求の範囲
によってカバーされる本発明の形で変更を施すことがで
きること、および、本発明の成る特徴が他の特徴の対応
の使用なしに時々有利に使用できることを理解するであ
ろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、約１００℃を超える温度で使用するのに適した焼結
   ／加工アルミニウム基合金であって、該合金の粉末前駆
   物質は炭素含有加工助剤の存在下で機械的合金化に付さ
   れており、かつ、前記合金はアルミニウムマトリックス
   中で１００℃よりも高い温度においてＡｌ＿４Ｃ＿３よ
   りも安定な炭化物様物質の主寸法が約５００Åよりも短
   い粒子のその場調製分散体を含有し、かつ、前記炭化物
   様物質はチタン、ニオブ、バナジウムおよびジルコニウ
   ムの群から選ばれる金属を含有することを特徴とする、
   焼結／加工アルミニウム基合金。 ２、前記炭化物様物質が、チタンを含有する、特許請求
   の範囲第１項記載のアルミニウム基合金。 ３、チタン、ニオブ、バナジウムおよびジルコニウムの
   群からの前記金属が、前記合金に存在する炭素と化合す
   るのに最低必要な化学量論量に少なくとも等しい量で存
   在する、特許請求の範囲第１項記載のアルミニウム基合
   金。 ４、約３００℃よりも高い温度で固体アルミニウム中へ
   の低拡散速度を有する少なくとも１種の元素を含有する
   、特許請求の範囲第１項記載のアルミニウム基合金。 ５、希土類約０．０１〜０．２重量％を含有する、特許
   請求の範囲第１項記載のアルミニウム基合金。 ６、アルミニウム基合金用機械的合金化装入材料に、チ
   タン、バナジウム、ニオブおよびジルコニウムの群から
   の炭化物生成元素を含有する極微分散体状または機械的
   合金化条件下で極微分散体に容易に転化できる形の材料
   を配合し、前記装入材料を炭素含有加工助剤の存在下で
   機械的に合金化し、その後このようにして調製された機
   械的合金化製品を実質上完全密度に圧縮し熱間加工する
   ことを特徴とする、約１００℃を超える温度で使用すべ
   き焼結／加工アルミニウム基合金の製法。 ７、前記炭化物生成元素が、チタンである、特許請求の
   範囲第６項記載の方法。 ８、前記機械的合金化装入材料が、希土類金属約０．０
   １％〜約０．２０％を含有する、特許請求の範囲第６項
   記載の方法。