JPS63206455A

JPS63206455A - 高強度、耐摩耗性Ａｌ合金粉末成形部材の熱処理方法

Info

Publication number: JPS63206455A
Application number: JP3727587A
Authority: JP
Inventors: Tadao Hirano; 忠男平野; Fumihiko Omi; 大見　文彦
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1987-02-20
Filing date: 1987-02-20
Publication date: 1988-08-25

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Ａｌ合金粉末の成形部材の製造に係り。より詳細には、Ａｌ合金粉末又はＡｌ合金粉末を主体と
する粉末の熱間押出し材の熱処理方法に関するものであ
る。（従来の技術及び解決しようとする問題点）Ａｌ−８Ｌ
系粉末合金は、Ａ２合金の軽量性を備えていると共に、
高強度、高剛性、高耐摩耗性などの優れた性能を備えて
いることがら、自動車、ロボット、航空機等々の広い分
野において、軽量且つ機械的性質に優れた材料を必要と
する部材に利用されている。これらの材料を部材として利用する場合、室温付近での
強度の向上を図る目的で、通常は、Ｃｕ、Ｍｇなどの時
効硬化元素を添加し、Ｔ６処理によって強度を向上させ
ている。しかし、このＴ６処理による強度の向上は、そ
の反面、延性を著しく低下させ、材料の靭性を低下させ
てしまうという欠点を有している。特に、Ａｌ−５ｉ系粉末合金については、耐熱性、耐摩
耗性、低熱膨張係数、高剛性などの性能を向上させるた
めに、Ｓｉ量を過共晶組成である１０〜３０％添加し、
必要に応じてＦｅ、　Ｍｎ。Ｎｉなどの遷移元素が添加されている。そして、このよ
うな組成のＡｌ２−Ｓｉ系合金の溶湯をアトマイズ法に
より急冷凝固粉末とし、それを熱間押出し等の熱間成形
法により成形することにより、Ｓｉ結晶や金属間化合物
相などの硬くて脆い結晶を微細分散させて性能を向上さ
せている。また。場合によっては、ＳｉＣやＳＬ、Ｎ、に代表されるセラ
ミックス粒子を分散させ、同様に性能の向上が図られて
いる。しかし、このように硬質相の微細分散による強化は、基
地の変形を拘束し、強度、特に高温強度の向上には有効
であるが、室温強度に対してはその効果は小さく、むし
ろ、硬質相の存在が応力集中を招く結果、伸び若しくは
延性を低下させる原因となっている。一方、上記Ａｌ粉末合金の部品への適用については、自
動車や航空機などの分野では軽量化部材として、使用温
度が室温から３００℃までの温度域においてＦｅ合金や
Ｔｉ合金の代替材として検討されている。その場合、かかる部材に要求される特性としては、高温
強度は当然のこととしても、エンジンを例に考えても自
明なとおり、部材の使用温度が室温から使用最高温度ま
での広範囲で運転のサイクルによって変化するため、十
分な室温強度も必要とされている。つまり、室温から使
用温度まで、絶対値として高いレベルの強度を有し、且
つ温度による強度低下が小さいことが必要となる。Ａｎ−８ｉ系粉末合金が以上の要件を満たすためには、
熱的に安定な析出相の微細分散が望ましい。しかし、Ａ
ｌ展伸材の例にあるように１時−効析出によって強化し
たものは、時効温度以上では析出相の粗大化によって強
度が著しく低下してしまうという問題がある。また、前
述の如く、高温強度の向上を目的としてＳｉ、金属間化
合物の分散強化を図ったものは、その微細分散に限界が
あるため、高温では有効な強化となっても１．室温付近
では強化への寄与が小さく、展伸材であるジュラルミン
と比べても、その強度レベルが低い。そこで、従来は、上記の２つの強化機構を組合わせるこ
とにより、室温から高温までの強度レベルの向上が図ら
れているのである。具体的には、Ａｎ−５ｉ系粉末合金
にＣｕ、Ｍｇなどの時効硬化元素を添加し、室温強度の
向上が図られている。しかし乍ら、一般に時効硬化の活用は伸びの低下を招き
、また、Ａｌ粉末合金の場合には、硬くて脆いＳｉ晶や
金属間化合物を含むため、組織の中に応力集中部分が存
在し、伸びを低下させる原因となっている。この応力集
中による延性の低下に関しては、Ａｆｉ基地を時効硬化
させると、その相乗効果によって伸び若しくは延性を一
層低下させる原因となっている。この延性の低下は、靭
性の低下を意味し、部材に使用する場合の安全性、信頼
性の面からみて、重要な問題となっている。本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになさ
れたものであって、Ａ塁粉末合金の熱間押出し材の強度
を向上させ、且つ延性を確保できる方法を提供すること
を目的とするものである。（問題点を解決する手段）上記目的を達成するため、本発明者らは、従来のへΩ−
８ｉ系粉末合金に種々の熱処理を施すことにより効果的
な方策を見い出すべく鋭意研究を重ねた結果、従来採用
されていたＴ６処理よりも、溶体化後水冷処理する熱処
理の方が、得られる強度、延性のバランスが優れている
ことが判明し、ここに本発明をなしたものである。すなわち、本発明は、Ｓｉを１０〜３０％含むＡｌ金合
金主体とする粉末につき、その熱間押出し材を４７０〜
５２０℃の温度範囲で１〜４時間加熱後、水冷すること
を特徴とする高強度、耐摩耗性ＡΩ合金粉末成形部材の
熱処理方法を要旨とするものである。以下に本発明の詳細な説明する。まず、本発明の熱処理による強化機構について説明する
。本発明は上記条件の溶体化後水冷により硬化処理するも
のであるが、この種の硬化処理は、Ａｌ展伸材のＴ４処
理として周知の事実ではあるものの、本発明者らの研究
によれば１本発明が対象とするＡｌ粉末合金への適用に
おいてその挙動が異なっていることが判明したものであ
る。すなわち、通常のＡｎ展伸材、例えば代表的な合金とし
ての２０１４合金にＴ４処理を施す場合は、Ｃｕ１Ｍｇ
、Ｓｉ、Ｚｎなどの時効硬化元素を単独又は複合で添加
し、それらを溶体化して過飽和固溶体となし、これを常
温で時効することにより、最高強度には達しないものの
、ある程度の強度向上と十分な延性を得ることを狙いと
している。一方、本発明が対象とするＡｌ粉末合金においては、そ
の強化機構は、Ｓｉ晶や金属間化合物の分散強化と上記
時効硬化による強化とが組み合わされた機構となってい
る。したがって、Ｔ６処理によってＡｌ基地を最高硬度
に高めなくとも、Ｔ４処処理炭の処理により、前記分散
強化機構との相乗効果が作用するので、延性を維持しつ
つ十分強度を向上させることが可能となる。更に、Ａｌ粉末合金は、その急冷凝固粉末を熱間押出し
により成形すると、従来のＡｌ合金とは異なる挙動を示
す。つまり、Ａｌ−３ｉ系合金は、Ｃｕ、Ｍｇなどの時
効硬化元素が含まなくとも、溶体化後の水冷によって強
度の向上が認められ、しかもＣｕ、Ｍｇを添加したとき
はその強度の上昇が著しくなる。そして、その後の室温
時効によっては強度の上昇がｔｆｉさいなど、Ａ（１−
５ｉ系粉末合金特有の熱処理挙動が現われる。これは、
溶体化時の加熱により急冷凝固組織が分解、相変化する
ことと密接に関係しており、具体的には、Ｓｉ結晶の粗
大化とそれに伴うマトリックス中のＳＬ濃度の変化や金
属間化合物の相変化など、複雑な現象のからみ合いの中
から、上述した熱処理挙動が現われるものと考えられる
。本発明は、以上の点を考慮に入れ、Ａｌ−８ｉ系粉末合
金につき、Ｓｉ、金属間化合物相の分散強化と、その強
度−延性バランスとを十分引き出し得る熱処理条件とし
て、前述の如く最適な条件を見い出したものである。具体的には、本発明における熱処理条件として、まず、
加熱温度を４７０〜５２０℃とするのは、十分な強度を
得るには４７０℃以上の加熱が必要であり、しかし５２
０℃を超えると材料中に含まれている水素ガスが原因で
ブリスターが発生したり、更に高温では一部液相が生成
し始めるからである。加熱時間を１〜４時間とするのは、１〜４時間で最高強
度に達するためである。それよりも短時間では強度が不
十分となり、長時間では組織の粗大化が進行し、強度が
低下してしまうので、上記加熱温度にて１〜４時間とす
る。上記加熱後は、水冷することが必須条件である。徐冷、空冷などのゆっくりとした冷却では、強度の向上
を期待できない。なお、本発明による上記熱処理は、Ａｌ粉末合金、すな
わち、Ａｌ−３ｉ系合金粉末、又はこれにＣｕ、Ｍｇ又
はＦａ、Ｍｎ、Ｎｉ或いはセラミックス粒子等々を適宜
添加してなる粉末につき、常法により、成形、熱間押出
を行った成形体に対して施すものである。その場合、成
形、熱間押出等の条件は特に制限されない。次に、上記熱処理を適用するＡｌ粉末合金の化学成分に
ついて説明する。本発明法を適用するＡ２粉末合金は、ＡΩ−８ｉ系粉末
合金で、少なくともＳｉ量が１０〜３０％含まれている
ものである必要があり、該合金をエアーアトマイズして
得られる粉末を熱間押出した成形体を上記熱処理の対象
とするものである。勿論、Ｓｉが上記範囲で含まれていればよいので、後述
の如く、他の添加元素や、場合によっては該合金粉末に
セラミックス粒子を添加、混合して得られる成形体も含
まれる。Ｓｉ量は耐摩耗性の向上のために１０％以上必要である
が、３０％を超えると現状の急冷技術では微細分散が難
しく、粗大な初晶Ｓｉ相の存在によって延性を十分得る
には至らないので、１０〜３０％の範囲とする。該Ａｌ−８ｉ系合金には、必要に応じて、時効硬化元素
であるＣｕ及びＭｇを添加することができ、その場合に
はＣｕ：０．５〜５．０％、　Ｍｇ：０．２〜３．０％
の範囲で添加する。添加量が下限未満では強度の向上が
不十分であり、添加量を増加させれば強度の向上は増す
が、上限を超えて添加し、でもそれ程強度の上昇が期待
できず、却って延性を低下させる結果となる。なお、Ａ
ｌ−８ｉ系粉末合金は急冷凝固粉であると前述の如く析
出挙動が異なるので、これらのＣｕ、Ｍｇを無添加にし
ても強度の上昇は認められるが、強度向上のためにはＣ
ｕ、Ｍｇを添加することが好ましいことであり、本発明
の強化効果を十分に引き出す役割をする重要な元素と云
える。また、必要に応じて、耐熱性の向上のためにＦｅ、Ｍｎ
及びＮｉのうちの１種又は２種以上を合計で１．０％以
上添加することができる。しかし、１０．０％を超える
と、Ｓｉと同様、粗大な晶出が起こり、本発明法の効果
が乏しくなるので、１０゜０％以下に制限される。また、セラミックス粒子は、剛性、耐摩耗性の向上のた
めに有効な成分であり、必要に応じて適量添加すること
ができる。添加する場合、現状技術での加工性、切削性
、経済性等を考慮し、添加量は０．５〜１０．０％とし
、粒径は十分な分散性を得るために分散可能な５〜５０
μｍの平均粒径のものとし、望ましくは、微細分散を考
慮して５〜３０μｍとする。なお、添加するセラミック
ス粒子としては、　Ｓ　ｉＣ−Ｓ　ｘｌ　Ｎ　４．　　
Ａｌ２０１．３Ａｎ、０３・２Ｓｉ○２（ムライト）な
どの硬質粒子を用いるのが好ましく、これにより耐熱性
、耐摩耗性、剛性を高めることができる。また、場合に
よっては、自己潤滑性を有するＢＮやグラファイトなど
を添加すると耐摩耗性を向上させることが可能である。次に本発明の実施例を示す。（実施例）第１表に示す組成の過共晶Ａｎ−Ｓｉ系粉末合金の溶湯
を各々エアーアトマイズし、−４８メツシユの粉末に分
級した。次いで、これらの粉末を２５０℃に加熱した後
、同温度に予熱した金型中に充填して圧縮成形し、直径
２００ｍｍ、長さ３００ｍｍのビレットを得た。引き続
いて、このビレットを４８０Ｘ２ｈｒ、Ａｒ雰囲気中で
脱ガスした後、４３０℃で押出した。なお、押出比は１
５であった。このようにして得られた押出材について、それぞれ第２
表に示す条件の熱処理を施し、特性の評価を行った。そ
の結果は第３表及び第４表に示すとおりである６なお、
特性評価は、ロックウェル硬度（ＨＲＢ）の測定と一部
につき引張試験（室温）の実施により行った。試験片は
８ｍｍφＸ５０ＧＬの寸法とした。

【以下余白】

第３表及び第４表より明らかなとおり、本発明例の熱処
理Ａを施したものは１強度は熱処理Ｃを施したＴ６処理
材には及ばないものの、押出まま材（熱処理Ｂ）に比べ
て十分向上しており、しかもＴ６処理材に比べて大きな
伸びの低下は起こしておらず、強度の向上への寄与が大
きいことが認められる。（発明の効果）以上詳述したように１本発明によれば、Ａｌ−８ｉ系粉
末合金の熱間押出し材を特定条件の溶体化機水冷処理を
施すので、十分な延性を維持しつつ、室温付近の強度を
向上させることが可能となり、高強度の要求される各種
部材に十分な安全性と信頼性を付与することができ、各
分野への一層の利用拡大を図ることが可能となる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で（以下、同じ）、Ｓｉを１０〜３０％含
むＡｌ合金を主体とする粉末につき、その熱間押出し材
を４７０〜５２０℃の温度範囲で１〜４時間加熱後、水
冷することを特徴とする高強度、耐摩耗性Ａｌ合金粉末
成形部材の熱処理方法。
（２）前記粉末は、Ｓｉ：１０〜３０％を含み、必要に
応じてＣｕ：０．５〜５．０％及びＭｇ：０．２〜３．
０％を含み、残部が実質的にＡｌからなるＡｌ合金をア
トマイズ法により製造した粉末である特許請求の範囲第
１項記載の方法。
（３）前記粉末は、遷移元素であるＦｅ、Ｍｎ及びＮｉ
のうちの１種又は２種以上を合計で１．０〜１０．０％
含有したＡｌ合金である特許請求の範囲第１項又は第２
項記載の方法。
（４）前記粉末は、Ａｌ合金にセラミックス粒子を０．
５〜１０．０％添加、混合したものである特許請求の範
囲第１項記載の方法。
（５）前記セラミックス粒子は、Ｓｉ＿３Ｎ＿４、Ｓｉ
Ｃ、Ａｌ＿２Ｏ＿３及び３Ａｌ＿２Ｏ＿３・２ＳｉＯ＿
２のうちの１種又は２種以上からなる硬質粒子であり、
かつ、その粒径が平均で５〜５０μｍである特許請求の
範囲第４項記載の方法。