JPS63192838A - 耐クリ−プ特性に優れたアルミニウム合金粉末成形体 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、高温強度を有し、耐クリープ特性に優れたＡ
ｌ合金粉末成形体に関する。

（従来の技術） ＡＩ−Ｓｉ基合金粉末成形体は、高強度、高剛性且つ耐
摩耗性に優れており、ＡＩの軽量性を活かし、自動車、
航空機、ロボットなど、軽量かつ機械的性質の優れた部
材を必要とする用途に利用されている。

Ａｌ−Ｓｉ基合金粉末成形体の中でも、Ｆｅ、　Ｍｎ、
旧などの遷移金属を含む合金は、特に高温強度に優れて
おり、従来の鋳造Ａｌ合金では不可能であった。高負荷
の部材（例えば、エンジン部品であるコンロッド、ピス
トンなどの部材）への適用が可能であり、鉄合金及び鋳
鉄を代替し、軽量化により性能を高めることができる。

しかし、この軽量化を活した、高温高負荷の部材への適
用も、その材料特性より、限界があるとされている。

その理由として、　Ｆｅ、　Ｍｎ、旧などの遷移元素の
添加による強度向上には、限界があるためである。

Ｆｅ、　Ｍｎ、　Ｎｉなとの遷移元素の添加量を増加さ
せれば、高温強度に有効な金属間化合物相の増加により
、高温強度は向上するが、その向上とは逆に合金の靭性
の低下や、加工性の低下を招き、部品として、熱間鍛造
が不可能になったり、使用される部品の安全性を保障す
ることができなくなることがある。

従って、Ｆｅ、　Ｎｉ、　Ｍｎなどの添加量は、１０ｗ
ｔ％以下に抑えなければならず、望ましくは、６〜７％
程度が良いとされている。

また、これらの部材へ要求される特性には、静的強度の
他に、クリープ特性などの動的な強度も問題となる。特
に設計上問題となるのは、動力を伝達する部分をジヨイ
ントするボルトの締付は部分や、その他集中応力が負荷
される部分が、長時間の使用で、クリープ変形し、ボル
トの締付は軸力の低下や、その他心力集中部の局所的変
形により、部品としての、長時間の機能が保障されない
ことである。このクリープ変形は、部品によっては０．
１％／１０００ｈｒ以下に抑えなければならない場合も
ある。

従って、静的強度とともに、クリープ特性も満足しなけ
ればならない、このクリープ特性を向上させるためには
、高温強度の向上を図ることが有効である。しかし、上
述したように、Ｆｅ、　Ｍｎ、旧の添加量の増加では、
加工性と靭性の低下を生じ部材として適用することが難
しくなる。

また、近年注目され、研究開発が活発に行なわれている
超急冷技術（冷却速度１０５〜１０６　Ｋ／Ｓ）を用い
れば、粗大に析出する金属間化合物の析出を抑え、高い
添加量においても、部材の加工性と靭性を維持すること
を可能にする。

しかし、研究されている技術は、まだ実験室レベルであ
り、工業的に安価に大量に生産する技術は確立していな
い、それに加え、この超急冷凝固技術が完成しても、熱
間加工時に組織の粗大化が起こるため、急冷凝固組織を
維持することが難しいとされている。この超急冷組織を
維持し、かつ成形する技術は、現在まだ工業的規模での
完成を見ていないのが実状である。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、現行のアトマイズ−熱間成形プロセスを用い
て、大量に安価に製造できる、高温強度を有し、耐クリ
ープ特性に優れたＡｌ合金粉末成形体を、加工性並びに
靭性を低下させずに、さらに特性の向上を図った成形体
を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために１本発明者らは、Ａｌ−５ｉ
基合金粉末に、種々の合金添加を検討した結果、Ｍｏ、
　Ｃｒ、　Ｚｒの添加が有効であることを見い出した。

つまり、Ｆｅ、　Ｍｎ、　Ｎｉなどの元素の、１種及び
２種の添加に加えて、Ｎｏ、　Ｏｒ、　Ｚｒを単独もし
くは組合せによって、０．１〜２．０％添加することで
。

靭性・加工性、高温強度を維持しつつ、耐クリープ特性
の向上を図るものである。

前述の如く、従来のＡｌ−５ｉ基合金粉末においては、
Ｆｅ、　Ｍｎ、　Ｎｉなどの元素を添加し、その高温強
度の向上を図っていた。高温での強度は、添加量ととも
に直線的に上昇し、これは、Ｆｅ、　Ｍｎ、旧の添加に
よって、高温で安定である金属間化合物、つまり、　Ａ
ｌ−８ｉ−Ｆｅ、　ＡＩＡｌ−５ｉ−、Ａｌ−Ｎｉ化合
物などが形成され、添加量の増加とともに、この金属間
化合物相の体積分率が増加することによる。

しかし、従来技術では、その添加量にも限界があるとさ
れている。というのは、Ｆｅ、、Ｍｎ、　Ｎｉの添加量
の増加は、晶出する金属間化合物相の粗大化を招き、靭
性や加工性を低下させるためである。

これらの金属間化合物を、微細に分散させるためには、
粉末製造時の冷却速度をもっと高くしなければならない
、現在のアトマイズ法での冷却速度が１０３〜１０’　
　Ｋ／Ｓであるため、少なくとも１つ　〜１０６　Ｋ／
Ｓの冷却速度は必要となる。このような冷却速度を得る
技術としては、スプラット・クエンチ法、双ロール法等
のＲ３Ｐ法が考案されているが、いずれも研究室レベル
で、工業的に安価に大量に製造する技術として確立して
いない。

以上のような技術的制約上、部品として適切な添加量は
、　Ｆｅ、　Ｘｉ、　Ｍｎ全量で６〜７％に制限されて
いた。

また、部品として設計する場合、長時間の使用では、ク
リープ変形が問題となる。特に、部材のピン穴やポルト
締付部分は、集中荷重によりわずかにクリープ変形を起
こしても、部品としての機能を損う懸念があり、極力ク
リープ変形を抑制する必要があるとされている。

このクリープ変形を抑制するためにも、上述の金属間化
合物の分散強化が有効であるとされているが、添加によ
る改善には制限がある。

これに対し、本発明法では、Ｆｅ、　Ｍｎ、旧の添加と
ともに、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｚｒを少くとも１種添加すること
で、特に高温強度を維持しつつ耐クリープ特性の向上を
図っている。

上記の改良効果を得る添加量としては、単独もしくは組
合せで０．１〜２．０％が望ましい、０．５％以下であ
れば、改良効果は得られず、２％以上になると、微細化
にもかかわらず、Ｎｏ、　Ｃｒ、　Ｚｒ自身の強化への
寄与と反対に、延性を低下させ、十分な靭性・加工性を
得ることが難しくなるからである。

添加するためのベース組成としては、Ａｌｌｌｌ金合金
て優れた特性の得られる過共晶Ｓｉ組成にＦｅ、　Ｍｌ
ｌ、旧など遷移元素を添加した組成であり、Ｓｉ添加量
として、１０〜３０重量％、Ｆｅ、　Ｎｉ、　Ｍｎ添加
量として、１種及び２種以上の組合せの全添加量が、　
４〜８重量％となる。かかるＳｉ量の規定は、分散強化
に必要な最低量として１０％以上で、かつ現状の７トマ
イズ法で微細分散可能な３０％以下と限定される。Ｆｅ
、　Ｍｕ、　Ｎｉなどの添加は、高温強度を向上させる
ためには不可欠であり、特に、鉄合金などを代替するた
めには、４％以上が必要である。

そして、添加量を増加させれば、高温強度は向上するが
、加工性−靭性が低下するｍ　Ｎｏ、　Ｏｒ、　Ｚｒの
添加により改善を図ることが可能な範囲として、　８％
以下が望ましく、添加量として４〜８％に制限される。

また、必要に応じて室温強度の向上を目的に、Ｃｕ、　
Ｍｇを添加してもよい、その添加量は、時効硬化の得ら
れるＣｕ：　　０．５〜５％、Ｍｇ：０．２〜３％に限
定される。

（作用） 本発明おけるＭｏ、　Ｃｒ、　Ｚｒの添加は、これらの
金属間化合物の粗大化を起さず、むしろ微細晶出を可能
ならしめる効果を有する。さらに、Ｍｏ、Ｏｒ、Ｚｒの
添加自体に、高温強度を高め、ＡＩ基地の自己拡散を抑
制することによって、クリープ特性を改善する効果もあ
ると推定される。

このように、　Ｎｏ、Ｏｒ、　Ｚｒの添加は、金属間化
合物の微細分散によって、加工性・靭性を損うことなく
強度の維持を図り、さらに、金属間化合物の分散強度の
みでは不十分であったクリープ特性の改善も可能になる
。

（実施例） 次に、本発明の実施例をあげて説明する。

表１に示す組成のＡｌ合金の溶湯を、エアーアトマイズ
して、−１００メツシユの粉末に分級した。

次に、これらの合金粉末を２５０℃に加熱して、同温度
に予熱した金型により、直径２００ｍｍ、高さ３００■
のビレットに成形した。

井し）で　、−ｎビし、、トル　　４３０℃でＡｒ雪閤
償出で脱ガス処理し、４３０℃にて押出比１５で押出成
形した。

これらの条件で製造した押出材について、引張試験とク
リープ試験を実施し、特性を評価した。

なお、引張試験は、室温と　１８０℃で行ない、その時
の試験片は８■φＸ５０ｍｍＭの平行部を有し。

ひずみ速度は、１．８８Ｘ　１０−４１／Ｓであった。

クリープ試験は、部品の゛適用を考えて、簡便且つ実用
的方法を考案し、評価を行なった。その方法は、２２Ｘ
　２２ｍｍ角で高さ２５膳腸ブロックの中心に８．３ｓ
ｍφの穴をあけ、それをボルトで締付け、加熱前後のボ
ルト長の変化で、試験片のクリープ変形を評価するもの
である。試験条件は、２０００Ｋｇｆの締付荷重を負荷
し、　１８０℃で１００ｈｒ加熱とした。

ボルト軸長の変化は１／１０００精度のマイクロメータ
で測定した。

表２に引張試験とクリープ試験の結果を示した。なお比
較のために、他の合金粉末を使用して同一条件で成形し
同一の試験をしたときのデータの結果を示す。

第２表より明らかなように、Ｎｏ、　Ｃｒ、　Ｚｒを添
加した合金は、　１８０℃の引張強さもある程度高く維
持しており、伸びを損うことはない＊　Ｆｅ、　Ｋｎの
全添加量で８％のものと同程度の強度を示し、伸びの低
下が少ない。

さらに、クリープ試験の結果から、クリープ変形を、Ｚ
ｒ、　Ｃｒ、　Ｍｏ添加によって１オーダ低下させるこ
とができる。これは単にＦｅ、　Ｍｕの増量によっては
得られないものである。

以上の結果から、ＭＯ１Ｚｒ添加は、延性を低下させる
ことなく、高温強度を維持ないし向上させ、クリープ特
性も改善できることが明らかである。

（以下余白） （発明の効果） 本発明によれば、高温φ高負荷の摺動部材への適用にお
いて、従来のＡｌ合金粉末成形体の強度を維持し、クリ
ープ特性を向上させることで、その設計応力を高く取る
ことが可能になり、一層の軽量化と、それに伴う性能ア
ップを図ることができる部材を提供でき、各分野への利
用拡大を図ることができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 組成が、重量割合でＳｉ：１０〜３０％、Ｆｅ、Ｍｎお
   よびＮｉのうちの１種又は２種以上を合計で４〜８％、
   さらに、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｚｒのうち１種又は２種以上を合
   計で０．１〜２．０％含有し、さらに必要に応じてＣｕ
   ：０．５〜５％、Ｍｇ：０．２〜３％のうち１種又は２
   種を含み、残部がＡｌからなるアルミニウム合金の急冷
   凝固粉末の成形体から成ることを特徴とする耐クリープ
   特性に優れたアルミニウム合金粉末成形体。