JPS62267442A - 耐熱、高強度アルミニウム合金部材 - 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〕 この発明は、機械的合金化法により調製された分散強化
型アルミニウム合金粉末を熱間成形することによって得
られる、耐熱、高強度アルミニウム合金部材に関するも
のである。

〔従来技術とその問題点〕

最近の、各方面における技術の急速な進歩１発展に伴な
って、より高機能を有する新しい材料の開発が強く要求
されている。従来、アルミニウム合金は、軽量でかつ高
強度を有していることから、各方面に広く使用されてい
る。しかしながら、アルミニウム合金の融点は、高いも
のでも６６０°Ｃ（絶対温度９３３℃）であるから、一
般に、その１／２　（１９３°Ｃ２絶対温度４６６°Ｃ
）以上の温度においては著しく軟化する。従って、アル
ミニウム合金は、高温下における強度部材としては使用
することができなかった。軽量であシかつ耐熱性を有す
る金属としては、チタンが良く知られている。しかしな
がら、チタンの比重は約４．５でアルミニウム合金に比
して５割以上太きい。従って、３５０℃程度の高温まで
使用可能な、耐熱性を有する高強度のアルミニウム合金
部材の開発が強く望まれている。

最近、このような要求に対処するための新しいアルミニ
ウム合金部材の製造方法として、次に述べるような粉末
冶金法が注目されている。

（１）急冷凝固アルミニウム合金粉末を使用した粉末冶
金法。

この方法は、従来の溶解鋳造法では良質の合金が製造で
きなかった、アルミニウムと遷移金属系元素との合金（
例えばＡＨ−Ｆｅ合金等）の急冷凝固粉末を、熱間成形
することによって、アルミニウム合金部材に成形する方
法である。この方法によれば、従来に比して著しく優れ
た耐熱性を有するアルミニウム合金部材を製造すること
ができる。

（２）機械的合金化粉末を使用した粉末冶金法。

この方法は、合金化しようとする数種の原料粉末に、高
エネルギーの攪拌ミルに投入して、混合。

粉砕および圧接を繰り返し行い、このようにして機械的
に合金化または複合化された粉末から、粉末冶金的手段
を用いて、アルミニウム合金部材に成形する方法である
。例えば、アルミニウム粉末と重量比的５ｗｔ０％のマ
グネシウム粉末とを、アトライター（高エネルギーボー
ルミル）によって機械的に合金化すると、マグネシウム
粉末はアルミニウム中に分散せずに、はぼ完全に固溶し
て単一の相を形成し、固溶体としての合金、即ち、真の
意味での合金化が達成される。

このようにして製造された機械的合金化／ｕ　−ＭＳ’
合金は、高い強度および優れた耐食性を有している。し
かしながら、機械的合金化の過程で若干量生成される酸
化物、および炭化物が分散されているほかは、基本的に
固溶強化型の合金であるため、耐熱性が低い。

上述のような問題を解決する、機械的合金化粉末を使用
した、耐熱アルミニウム合金の製造方法として、アルミ
ニウム粉末またはアルミニウム合金粉末に、酸化物、炭
化物、窒化物、硼化物等のいわゆるセラミックス粒子を
混合し、分散強化全図ることからなる方法が提案されて
いる。しかしながら、この方法は、熱間押出し、鍛造等
の熱間成形を行うと、成形部材に亀裂が生じ易く、シか
も、熱間成形後の部材に施す切削加工が困難でちる等、
実用上多くの問題ｔｉしている。

このような問題は、セラミックス粒子とアルミニウム中
）　ＩＪクスとの界面の強度が不充分で、粒子が剥離し
易いこと、および、セラミックス粒子の硬度が太き過ぎ
ること等の理由によって生ずるものと推定される。

このような問題を解決するために、分散粒子として、マ
トリクスと馴染み易い金属粒子を用いると、熱間成形性
や切削加工性は向上するが、一方、耐熱性が大幅に劣化
する結果、実用性が低下する問題が生ずる、 〔発明の目的〕 従ってこの発明の目的は、機械的合金化粉末を使用した
粉末冶金法により製造される、熱間成形加工性、切削加
工性等の実用性に優れ、且つ、十分な耐熱性を有する、
耐熱、高強度アルミニウム合金部材全提供することにあ
る。

本発明者等は、機械的合金化粉末を使用した粉末冶金法
により［造される、熱間加工性、切削加工性等の実用性
に優れ、且つ、十分な耐熱性ヲ肩する、耐熱、高強度ア
ルミニウム合金部材を開発すべく鋭意研究を重ねた。そ
の結果、金属粒子全機械的合金化によってアルミニウム
マトリクス中に微細に分散させ、このようにして金属粒
子が微細に分散された粉末を、熱間成形し、且つ、熱間
成形を含む、製造、加工履歴によっても、分散された金
属粒子がアルミニウムマトリクスと反応して金属間化合
物を形成しない場合には、耐熱性および実用性の両方が
共に優れたアルミニウム合金部材が得られることを知見
した。

〔発明の概要〕

この発明は上述の知見に基づいてなされたものであって
、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末と、前
記アルミニウム粉末および前記アルミニウム合金粉末以
外の金属粉末とを機械的に合金化し、このようにして機
械的に合金化された粉末を、そのまま、または予備成形
した上、少なくとも一度は、５００℃以下の温度で熱間
成形することにより得られるアルミニウム合金部材にお
いて、上述の条件下で前記金属粉末に、アルミニウムと
反応して金属間化合物を生成することがない金属粉末を
使用し、前記金属粉末がアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金からなるマトリクス中に、分散されていることに
特徴を肩するものである。

〔発明の構成〕

次にこの発明の詳細な説明する。

（１）分散粒子 この発明において、アルミニウムまたはアルミニウム合
金からなるマトリクス中に分散させる粒子には、アルミ
ニウムとの間に実質的に金属間化合物を形成することが
ない金属粉末を使用することが必要である。以下にこの
ような金属粉末全使用する理由について述べる、 機械的に合金化されたアルミニウムまたはアルミニウム
合金が優れた耐熱性を有する理由は、本発明者等の研究
によれば次の通りである。即ち、機械的合金化の過程で
金属粉末が操シ返し、粉砕。

圧接されることによって金属粉末内部が、機械的合金化
に特有の著しい、強加工組織となり、このような強加工
組織が、その後の熱間成形によっても大きく変化するこ
となく保たれるので、高温での強度が大きくなる。例え
ば、強化のための金属粉末を混合せず、アルミニウム粉
末のみｔ機械的合金化と同じように処理し、これを熱間
成形することによって得られたアルミニウム部材にも、
ある程度の高温強度が付与される。

分散粒子の働きは、機械的合金化の過程でこのような強
加工組織の生成を促進すること、および、熱間成形を含
む熱履歴による強加工組織の変化を抑制することにある
と考えられる。即ち、分散粒子自体は、セラミックス等
のように、耐熱性を有している必要は全くないのである
。

従って、この発明においては、熱間成形性および切削加
工性を良好にするための分散粒子として、金属粉末を使
用する。前記金属粉末は、例えばマグネンウム（Ｍ？）
や銅（Ｃｕ）のように、アルミニウムマトリクス中に固
溶され易いものは上述の働きをしないので不適当である
。この発明において最も重要なことは、熱間成形を含む
熱履歴によシ、アルミニウムと反応して金属間化合物全
生成することがない金属粉末を選択することであシ、且
つ、所定温度に制御された熱履歴を与えることである。

その理由は、金属間化合物が生成すると、機械的合金化
で得られた強加工組織が失なわれて、耐熱性が大幅に低
下するからである。

上述した金属粉末として、１０１１ｍ以下の粒径のモリ
ブデン粉末、またはタングステン粉末を使用すべきであ
る。以下にその理由について述べる。

モリブデン粉末 モリブデン粉末は、熱間成形が５００℃以下で行われる
場合に、アルミニウムマトリクスと反応しないので、金
属間化合物を生成することがない。

モリブデン粉末の粒径は、１０μｍ以下であることが必
要である。粒径全１０μ、ｎ以下とした理由は、１０μ
ｍｆ超えると合金部材の延性が低下し且つ切削加工・：
生も劣化するからである。モリブデン粉末の含有量は、
５〜１５　ｗｔ、％とすべきである。即ち、モリブデン
粉末の含有量が５ｗｔ、％未満では所望の耐熱性が得ら
れず、一方、１５ｗｔ、％を詔えると熱間成形性および
切削加工性が低下する問題が生ずる。

タングステン粉末 タングステン粉末は、熱間成形が５００°Ｃ貝下で行わ
れる場合に、アルミニウムマトリクスと反応しないので
、金属間化合物を生成することがない。タングステン粉
末の粒径は１０μｍ以下であることが必要でちる。粒径
を１０μｍ以下とした理由は、１０μｍを超えると合金
部材の延性が低下しかつ切削加工性も劣下するからであ
る。タングステン粉末の含有量は、５〜２０　ｗｔ、％
とすべきである。

タングステン粉末の含有量が５ｙｔ１％未満では所望の
耐熱性が得られず、一方、２０Ｗｔ、％を超えると熱間
成形性および切削加工性が低下する問題が生ずる。

なお、マトリクスとなるアルミニウム合金は。

マグネンウム（Ｍｌ）や銅（Ｃｕ）等のような固溶硬化
作用の大きい元素は含まないことが望ましい。その理由
は、固溶硬什と分散強化とはしばしば両立せず、機械的
合金化によシ強化された合金においても、固溶硬化元素
の存在は、むしろ高温強度を低下させるからである。

また、分散金属粒子と金属間化合物を生成し易い元素を
含むアルミニウム合金を用いることも、耐熱性の点から
避けるべきである。さらに、原料としてのアルミニウム
粉末またはアルミニウム合金粉末は、約ＩＩ以下の粒径
のものが好ましく、アトマイズ粉末等が適している。そ
の理由は、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉
末の粒径が１闇を超えると、アトライターでの混合、粉
砕および圧接が十分に行なわれにくいという問題が生ず
るからである。

なお、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末は
、必ずしも急冷凝固粉末である必要はない。

（２）熱間成形 アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末から、緻
密で良好な機械的性質を有する部材を得るためには、熱
間成形が不可欠である。アルミニウム粉末の表面は、酸
化皮膜によって覆われているため、十分な塑性変形を与
えてこの皮膜全破壊し、金属間の接合を達成する必要が
ある。塑性変形を冷間で与えるには過大な成形力を要す
るので、冷間での塑性変形は、実用的ではない。熱間成
形法としては、一般に押出しや鍛造等が適している。

ただし、これらの熱間成形温度が５００°Ｃを超えると
、機械的合金化で得られた強加工組織の回復が進み、さ
らに、分散金属粒子とアルミニウムマトリクスとの反応
が活発になり、金属間化合物が生成する。従って、熱間
成形温度は５００℃以下に限定すべきである。

〔発明の実施例〕

次にこの発明全、実施例により比較例と対比しながら説
明する。

第１表に示す本発明の実施例としての混合粉末Ｎ１１ｌ
、ｌ＠２および、比較ｆ！ＡＪとしての混合粉末−１゜
随２、および、純アルミニウム粉末Ｎα３を、それぞれ
アトライターに投入し、同じ条件で機械的合金化を行っ
た。なお、実施例Ｎａ　１はモリブデンとの混合粉末、
実施例随２はタングステンとの混合粉末、そして、比較
例Ｎα１はニッケルとの混合粉末、比較例Ｎα２はセラ
ミックスである炭化珪素との混合粉末である。このよう
にして得られた機械的合金化粉末を、それぞれ冷間で圧
粉して圧粉体？調製した。次いで前記圧粉体を、４００
℃の温度で熱間成形してビレットにし、得られたビレッ
トに対し、４５０’Ｃの温度で熱間押出しを施し、かく
して、丸棒の合金部材を製造した。熱間押出しの押出し
比は２０である。

このようにして製造された実施例ト１α１．Ｎα２およ
び比較例Ｎα１〜ＦＩＬ　３の合金部材の熱間加工性。

切削加工性および引張り強さを調べた。熱間加工性は、
熱間押出し材の表面性状を観察してこれを評価した。切
削加工性は、旋盤加工時における旋削面の観察およびバ
イトの摩耗状態よシ定性的に評価した。引張り強さは、
室温および３００℃での引張シ試験によシ、機械的性質
および耐熱性を評価した。これらの評価結果を第２表に
示す。

第２表から明らかなように、実施例１ａ　１および！＠
２は、熱間加工性において実用上支障のない程度の肌荒
れが生じたが、切削加工性は良好であシ、引張り強さは
、比較例Ｎα１〜ト１１３に比べて極めて優れていた。

熱間押出しされた各々の合金部材について、Ｘ線回折ス
ペクトルにより分散相の固定を行い、特に金属間化合物
の生成の有無を調査した。その結果、実施例ぬ１および
Ｎ（Ｌ　２は、アルミニウムのスペクトルのほかに、そ
れぞれＭｏまたばＷの金属のピークのみが認められ、金
属間化合物の生成は認められなかった。これに対して、
比較例Ｎ［Ｌ　１は、Ｎｉのピークは存在せずＮｉとＭ
の金属間化合物のピークのみが認められた。このように
、比較例Ｎ１１ｌは、アルミニウムと反応して金属間化
合物を生成していた。

第２表に示すように、実施例ト１α１．随２の合金部材
は、３００℃での引張り強さが２５に９ｆ／−以上であ
シ、優れた耐熱性を肩している。比較例ＮＩＬ　２０合
金部材も、引張シ強さは２５に９ｆ／−あるが、熱間押
出しが困難であシ、かつ、切削加工性も劣るので実用性
は大幅に限定される。比較例ＮＩＬ　１の合金部材は、
金属粒子を分散させたにもかかわらず熱間強度が十分で
なく、分散粒子を含まない比較例Ｎα３の合金部材よシ
もむしろ低下していることに注意すべきである。

次に各々の合金部材の組織を透過電子顕微鏡により観察
すると、いずれもアルミニウムマトリクスは１μｍ以下
の微細な亜結晶粒組織となっており、また、強加工組織
に特有の高い密度の格子転位が見られた。実施例Ｎα１
およびは２の金属分散粒子の周囲に生ずる強加工組織は
一層顕著であるのに対して、比較例Ｎｕ　１の金属間化
合物粒子の周囲には強加工組織がかなり回復しているこ
とがわかった。これは金属間化合物が生成する際には原
子拡散が活発に起こシ、そのために強加工組織の回復が
促進７される結果である。このように、機械的合金化に
よシ金属粒子を分散させても、熱履歴によシ最終の合金
部材で金属間化合物粒子が生じている場合には、所望の
耐熱性は得られないのである。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、この発明の合金部材は、従来の溶
解鋳造法による゛アルミニウム合金では到底得られない
耐熱性に！し、かつ、その合金部材を得るだめの熱間加
工工程においては良好なる加工性を肩し、さらに部品製
造などにしばしば用いられる切削加工に対しても良好な
切削性ｋｌｒするので、広範囲の応用が可能でちる等、
幾多の工業上の優れた効果がもたらされる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末と
   、前記アルミニウム粉末および前記アルミニウム合金粉
   末以外の金属粉末とを機械的に合金化し、このようにし
   て機械的に合金化された粉末を、そのまま、または予備
   成形した上、少なくとも一度は、５００℃以下の温度で
   熱間成形することにより得られるアルミニウム合金部材
   において、上述の条件下で前記金属粉末に、アルミニウ
   ムと反応して金属間化合物を生成することがない金属粉
   末を使用し、前記金属粉末が、アルミニウムまたはアル
   ミニウム合金からなるマトリクス中に、分散されている
   ことを特徴とする耐熱、高強度アルミニウム合金部材。
2. （２）前記金属粉末が粒径１０μｍ以下のモリブデン（
   Ｍｏ）であつて、合金部材中に、５〜１５ｗｔ．％の範
   囲内の重量比で含有されていることを特徴とする、特許
   請求の範囲第（１）項に記載の耐熱、高強度アルミニウ
   ム合金部材。
3. （３）前記金属粉末が粒径１０μｍ以下のタングステン
   （Ｗ）であつて、合金部材中に、５〜２０ｗｔ．％の範
   囲内の重量比で含有されていることを特徴とする、特許
   請求の範囲第（１）項に記載の耐熱、高強度アルミニウ
   ム合金部材。