JPS63317653A - アルミニウム合金複合材 - 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】 本発明は、高い強さ及び剛さと共に可成シ大きな延性を
合せ示すアルミニウム合金材料に関する。

この材料は、補強材を含むアルミニウム・リチウム合金
に基くものであり、噴霧析出法によって製造される。

宇宙空間用途を主に目的とした高い剛さをもつアルミニ
ウム基合金の開発に著しい努力が払われてきている。そ
のような合金への一開発経路は、３重量％までのリチウ
ムを含むアルミニウム合金を作るための慣用インゴット
鋳造技術の開発に集中してきた。このような合金は、約
１ｏチのモジラスの改善（約８０　ＧＰａとなる）を達
成し、これには約１０チの密度の低減（約２．５４　Ｍ
ｇ／ｒｒｌ）が伴なう。Ａｌ−Ｌｉ合金が、劣った延性
の欠点を有することは周知である。実際、脆性の問題に
よって、インゴット冶金法によって作られるＡ１合金中
に配合されうるリチウムの量は約３俤にまで極限されて
しまう。別の製造方法（例えば粉末冶金法）は、余分な
コストが掛ることにより、どちらかといえばほとんど注
目されていない。

改善された強さ７重量比及び剛さ７重量比をもつ材料を
開発するための第２の経路は、金属地複合材の開発であ
った。この群の材料は、Ａｌ−Ｌｉ合金類と比較して、
はるかに大きなモジュラスの増加（１５０ＧＰａ以上の
モジュラス）の潜在能力を示す。これらの材料の開発は
、ウィスカーまたは繊維を含む補強合金の製造に主とし
て集中してきている。これらは複雑な処理加工方法を必
要とし、このことは、高価な出発原料と相伴なって、（
モジラスの著しい改善があるとはいえども）大きなコス
ト上の問題をもたらしている。大きなアスペクト（縦横
）比をもつ補強材の使用は、可成りの異方性をも、もた
らす。極ぐ最近の注目は、粒子補強金属地複合材に集め
られており、このような材料は、モジラスの中程度の改
善をもたらすものの、等方性である−０このタイプの金
属地複合材は、多様な方法で作られてきているが、最も
広く報告されている方法は、粉末混合法である。

Ａ１合金中への補強材の配合が、モジュラスを増加させ
るだけではなく、延性を低減させることは、周知である
。１０容量チの粒状補強材を配合すると、典型的には、
その配合前のＡ１合金の延性値のほぼ２５チ程度にまで
延性が低下すると予期されうる０従って、金属地複合材
は、一般に低い延性を示し、そのため延性が重要視され
る用途において使用されない。

例えば、Ｌウェブスター（Ｗｅｂｓｔｅｒ　）は、文献
（Ｍｅｔ、　Ｔｒａｎｓ、、　１３Ａ、　ｐ、　１５１
１．１９８２）において、粉末冶金法によってＳｉＣウ
ィスカーで補強したＡｌ−Ｌｉ合金に基く金属地複合材
の製造を報告している。しかしながら一つの複合材を除
き、すべてのものが脆くまた引張り０．２％耐力に達す
る前に破損したと報告している。その一つの例外の複合
材は（その延性は示されていない）、低強度二元Ａｌ−
Ｌｉ合金に基くものであった。

欧州特許第４５６２２号の発明は、分散強化型の機械的
合金化アルミニウム・リチウム合金に関する。その分散
剤はサブミクロン（ミクロン以下）の寸法を有するもの
であり、その製造のときに形成されるものである。

７オンープラドスキイ（Ｖｏｎ　Ｂｒａｄｓｋｙ　）等
は、文献「ジャーナル・オブ・マテリアルス・サイエン
ス（Ｊ、ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　５ｃｉｅｎｃｅ　
）　Ｊ　２２＋（１９８７）、１４６９−１４７６にお
いて、ガス噴霧法によるＡｌ−Ｌｉ合金の迅速固化粉末
（寸法１０ミクロン以下）の製造について記載している
。

噴霧鋳造法による金属（例えばアルミニウム）析出物の
製法は、英国特許第１，３７９，２６１号及び同第１，
４７２，９３９号等によって代表される一連の特許文献
に記載開示されている。この方法は、溶融Ａｌ−Ｌｉ合
金の流れをそれに向けられた高速の相対的に低温のガス
に付すことにょシその合金の流れを微細化（噴霧化）し
て高温金属粒子の噴霧（スプレー）を形成し、その合金
の噴ｉ″ｆ！：成形具に当ててその成形真上に所望の析
出物を成形する各工程からなり、その際のガスの温度及
び流　量は微細化金属粒子から（飛行中及び析出してい
るときに）臨界的かつ制御された量の熱を取シ去って析
出物の固化（凝固）が成形具の温度及び／または熱的性
質に左右されないようにするように決定される。溶融金
属小滴は、１０ミクロンを超える平均直径、典型的には
５０〜２００ミクロンの平均直径を有する。かかる手段
によって、実質的に非粒子性であり、偏析を含まず、９
５％以上の充満度２有し、また実質的に均一に分布した
密な内部細孔組織を有する析出物が得られる。

金属層複合材を作るために噴霧鋳造法を用いることは、
英国特許第２，１７２，８２５号及び同第２．１７２，
８２７号明細書に記載されている。

本発明は下記の如きいくつかの予想外の発見事項に基い
ている。

第１に、公知噴霧鋳造法ｆｔＡｌ−Ｌｉ合金について使
用することができる。複合物品の製造が予想外に容易で
あることが判り、その合金は、予期されるような噴霧ノ
ズルの目詰りをもたらさない。

第２に、噴霧鋳造原料に補強材を配合すると、剛さが増
加するだけでなく、可成りの予想外の延性を有するよう
に機械的に加工及び処理しうる析出物を得ることができ
る。（典型的には、１０容量チの粒状補強材を配合する
と、補強材を配合しない合金の延性値の少なくとも半分
の大きさの延性値を有する製品ができる）。

第３に、噴霧鋳造によって作られるインゴットが残留応
力によって引き起こされる亀裂を呈さないことは予想外
である。なんとなれば、そのような亀裂は慣用法で鋳造
されたＡｌ−Ｌｉ合金における主要な難点であるからで
あるＣ　Ｐ、　Ｅ、プレツツ（Ｂｒｅｔｚ　）による文
献［Ｊｏｕｒｎａｌ　ｄｅ　Ｐｈｙｓ−ｉｑｕｅ　Ｊ　
Ｃｏ１１ｏｑ、　Ｃ３サプレメント屋９、Ｔ　ｏｍｅ４
８（１９８７年９月）第２６頁参照。また慣用噴霧鋳造
方法では、最後の方で析出される金属層内に残留引張り
応力が生じ、これが析出物の亀裂または基体の変形を生
じさせる傾向があることを記載している英国特許第１，
６０５，０３５号明細書参照〕。

本発明は、Ａｌ−Ｌｉ合金地と補強材とからなり、そし
て押出加工及び時効硬化した状態で下記の性質を有する
、噴霧鋳造によって作られた金属層（金属マ）　ＩＪラ
ックス複合材を提供する：０．２％耐力　　　　：少な
くとも４００ＭＰａ引張強さ　　　　　：少なくとも４
４０ＭＰａ伸び率　　　　　　：少なくとも　２．０％
弾性率（弾性モジュラス）：少なくとも８５ＧＰａ密　
度　　　　　　：最高　２．７５ＭＦ／ｙｎＦ。

本発明は、鋳放し状態の複合材（このものはある程度多
孔質であることがある）、ならびにそれから作られたす
べての製品成形物、例えば鍛造物、押出物、鋳造物圧延
製品（シート及びプレート）及び管体、をもその範囲内
に包含するものである。

上記の性質は、押出加工し時効硬化させた材料に適用さ
れる。上記の諸性質を必ずしも有しないが、それらの性
質が押出及び時効硬化すれば発現されうるような製品を
も本発明が包含することは、了解されよう。

本金属地複合材は、１〜５０容量チ、典型的には５〜３
０容量チ、そして好ましくは１０〜１５容量チのセラミ
ック系補強材を含みうる。補強材の含量が余りにも低い
と、複合材は所要の弾性率を有しなくなることがある。

また補強材含量が高すぎると、複合材が所要の延性を有
しなくなることがある。

補強材は好ましくは粒状であり、５：１よりも小さいア
スペクト比を有するのが好ましい。平均粒子直径は１〜
１００ミクロンであってよく、典型的には５〜４０ミク
ロン、好ましくは５〜１５ミクロンである。あるいは、
補強材は連続または不連続の繊維、あるいはウィスカー
もしくはステープル（平均繊維直径、好ましくは０．１
〜５００ミクロン、普通１〜５０ミクロン）の形であっ
てもよい。しかし粒状補強材が好ましい。なんとなれば
、粒子はその他の形状のものよりもはるかに安価であり
、またすぐれた性質をもつ等方性複合材を与えるからで
ある。

補強材は、それを配合べき合金のモジュラスよりも高い
モジュラスを有するように選択される。

それは、典型的には、高モジュラスの炭化物、酸化物、
ほう化物または窒化物（例えば炭化けい素、アルミナま
たは炭化ほう素）でありうる。金属層複合材のためのそ
のようなセラミック系補強材は周知である。

金属地は、１００重量％で、典型的には１．０〜３．０
重量％の濃度でＬｉを含む。Ｌｉは合金の強さを向上さ
せるけれども、その主要機能は密度を低減させることに
ある。（完全に圧縮された状態の）複合材の密度を２．
７５Ｍり７ｍ３以下に保つために、他の合金化成分及び
セラミック系補強剤を考慮して、充分なＬｉを存在させ
る必要があるＯ高いＬｉ濃度を採用する場合には、所望
の延性を得られるように複合材の組成を調合するに際し
て注意を払う必要がある。

金属地は、Ａｌ−Ｌｉ合金において普通に見られるよう
なその他の成分を下記のように（重量％）含んでよい。

銅：５．０％以下、好ましくは１．０〜２．２チマグネ
シウム：１０．０％以下、好ましくは０．５〜１．３％ ジルコニウム：０．２０％以下、好ましくは０．０４〜
０．１６％ 鉄　：０．５％以下 けい素　二０．５係以下 亜　鉛　＝５．０チ以下 チタン　：０．５％以下 マンガン　＝０．５係以下 クロム　−０，５％以下 その他のもの：各々０．５％以下、合計１．０係以下 ＣｕＳＭｇ及びＺｒのうちの少なくとも１種、好ましく
はこれら３種すべてを配合することは、所望の強度特性
を達成するのに必要であるようである。

本発明の金属地複合材は、英国特許第２，１７２，８２
５号及び同第２，１７２，８２７号明細書に記載される
技法を用いて噴霧鋳造により製造することができる。こ
の技法の概要は、溶融Ａｌ−Ｌｉ合金の流れをそれに向
けられた相対的に低温のガスに付すことによりその合金
の流れを噴霧化（微細化）して高温金属粒子の噴霧を形
成し；その合金の流れまたは噴霧に補強材の微細固体粒
子を適用し；そしてその微細粒子を配合された金属を析
出させる；各工程からなる。実施に際して、補強材は、
室温で、あるいは噴霧されている金属の熱に達しない温
度で射出することができ、多くの領域（位置）で溶融金
属中へ供給することができる。しかしながら、溶融金属
が分裂して噴霧状となシ始める前または直後のいわゆる
「アトマイジングゾーン〔微細化帯域）」中へ補強材を
供給するのが好ましい。噴霧用ガスは、アルゴンまたは
窒素で、通常は常温で使用されるが、しかし高温の場合
には、噴霧されるＡｌ−Ｌｉ合金の融点よりも低い温度
である。所望ならば、補強材は、噴霧用ガスと一緒にそ
のガスに運ばれて射出されるか、別異のガス流によって
運ばれるか、あるいは重力によってまたは振動によって
「アトマイジングゾーン」へ供給される。

得られる析出金属地複合材は、機械加工、鍛造、押出、
圧延及び鋳造のような一般的金属成形法に付すことがで
き、また所望の性質を発現するために必要により加熱及
び加工されうる。

押出及び時効硬化された状態になった場合に、本発明複
合材は下記の性質を有することにより特徴付けられる： （ａ）　　少なくとも４００　ＭＰａ、好ましくは少な
くとも４４０ＭＰａの０．２％耐力、及び少なくとも４
４０ＭＰａ、好ましくは少なくとも４８０ＭＰａの引張
り極限強さ。これらの性質は、金属地中のＬｉ及びその
他の合金化成分の濃度を周知の方式で制御することによ
り主に達成される。

（ｂ）　　少なくとも８５ＧＰａ、好ましくは少なくと
も９３ＧＰａの弾性率。この性質は、補強材の種類、形
及び濃度を周知の方式で選定することにより主に達成さ
れる。

（ｃ）　　２．７５　Ｍ’／／ｌｒｉ’以下、好ましく
は２．７０Ｍ　ｇ／ｒｒｌ以下の密度。この性質は合金
中のＬｉ濃度を制御することにより達成される。

（ｄ）　　少なくとも２．０チ、好ましくは少なくとも
２．３％の破断伸び率。この性質は、予想外にも、複合
材を形成するのに使用される噴霧鋳造技術の結果として
生じる。

実施例１ 噴霧鋳造装置は、オスプレイ（０ｓｐｒｅｙ　）メタル
ス社（Ｎｅａｔｈ　）から購入し、アルキャン・インタ
ーナショナル社のバンバリイ・ラボラドリースで改装し
た。この装置は、溶融金属流を重力で通すだめの内径４
．５闘の耐火性酸化物ノズルを備えている。このノズル
の周囲には、金属流に平行でその金属流を取巻いている
、第１担体ガス流を導くための孔を有する第１ガスノズ
ルが設けられている０この第１ガスノズルの周囲には、
溶融金属流に向けて第２の噴霧用ガス流を導くジェット
付き第２ガスノズルが設けられている。第２ガス流はノ
ズルの下方距離りのところで溶融金属流と接触し、それ
を微細化して金属粒子の噴霧とする。

第２噴霧用ガス流は、高さｈ及び金属流からのジェット
の距離に等しい半径の円錐形を描くｏ担体（キャリヤー
）ガス中に同伴された補強材は、パイプによってこの円
錐形中へ導入される。

噴霧された溶融金属は下記の組成（重量％）を有した。

Ｌｉ　　　　　　２．３ Ｃｕ　　　　　　　　１．０８ Ｍｇ　　　　　　　０．５０ Ｚｒ　　　　　　　　Ｏ，１２ Ｆｅ　　　　　　　　Ｏ，０８ Ｓｔ　　　　　　　　Ｏ，０４ ＡＩ　　　残部 この組成はアルミニウム協会（ＡｌｕｍｉｎｉｕｍＡｓ
ｓｏｃｉａｔｉｏｎ　Ｉｎｃ、　）登録の合金８０９０
の規格組成範囲の下限のものである。使用セラミック系
補強材は、平均直径１３ミクロンの炭化けい系グリッド
（シカ印のｒＦ６００Ｊ：商標グレード３）であった。

金属噴霧温度は７００〜７０５°Ｃであった。使用噴霧
用ガスは窒素であり、第１ガス圧０．３ＭＰａ、第２ガ
ス圧０．６ＭＰａであった。

約８０秒間継続した噴霧析出試験により、重さ８、３　
Ｋｇの析出物が得られた。

この析出物を機械加工して、直径８０朋、長さ２２８龍
の押出ビレットとした。このビレットを５４０’Ｃ４で
ゆっくり加熱し、この温度に２４時間維持することによ
シ均質化を行なった０押出は約２０：１の押出比で実施
して直径１８闘の丸棒を得た。この押出棒を空気炉中で
５３５°Ｃで１５分間溶体化熱処理し、そして冷水で急
冷した。この棒材を２％伸張しから時効処理した。時効
化は１５０℃で４０時間実施した（これはほぼピークの
性質を与えた処理であった）。

噴霧析出ままの状態の析出物において、炭化けい素は均
一に分布していた。製造された′ｉまの状態の諸相は金
属地全体にわたって均等に分布しており、地と炭化けい
素との間の界面と著しくは会合していなかった。その相
分布は、慣用法で鋳造された８０９０合金と比較して著
しく整粒されていた。約５０ミクロンの結晶粒度（製造
されたままの状態での）においてミクロ組織の整粒も認
められた。

均質化処理は成功し、鉄含有金属間化合物を除き、実質
上すべての相（製造されたままの状態での）の溶解がな
された。炭化けい素の全容量は複合体の１１．８％であ
った。

押出棒において炭化けい素は均一に分布していた。しか
し押出操作によって、押出方向への粒子の整列がもたら
された。初期インゴット中に見られた気孔性は押出中に
密になった。押出中に生じた追加析出（晶出）は溶体化
熱処理のときに容易に溶解した。

押出棒は、溶体化熱処理し、冷水で急冷し、伸張し、そ
して１５０℃で４０時間時効化した後に、４０龍のゲー
ジ長の試験片で試験したところ下記の機械的性質を示し
た。

０．２％耐力　：　　４８６ＭＰａ 引張強さ　　：　　５２９ＭＰａ 伸び率　　　°２．６％ 弾性率　　　：　　１００．１ＧＰａ 密度　：　２．６２１ｖＨ’／ｙｎ’ この試験の原料の初期の性質にも拘らず、複合材の一般
的性質は、慣用法で鋳造及び押出された８０９０合金（
補強剤を含まず）の性質に比較して良好である。主たる
差異は弾性率の顕著な向上である。すなわち、これは慣
用アルミニウム合金よりも弾性率が３０％大きく、そし
て剛さ：密度比が約５０％向上したことに相当するもの
である。

そしてかかる成果は延性の過度の損失を伴なうことなく
達成された。炭化けい素ウィスカー及びアルミナを用い
てのＡｌ−Ｌｉ合金の補強は、高い弾性率を有するもの
の、非常に劣った延性及び破面靭性を有する製品を生じ
させてきた。

上記のＡｌ−Ｌｉ合金に対する炭化けい素（またはその
他の補強材）のさらに高割合の添加は、延性の若干の低
減の犠牲があるとはいえ弾性率がさらに改善されること
になることは了解されよう。

実施例２ 実施例１と同様な操作で作った押出物でさらに別の機械
的性質が得られた。これらは時効処理前の伸長の増加に
関連し、また機械的性質に対するその影響効果に関連す
る。

伸長の度合　０．２％Ｐ、Ｓ、　　　Ｔ、Ｓ、　　　Ｅ
ｆ　　　　Ｅ（％）　　　（ＭＰａ）　　　（ＭＰａ）
　　（％）　　（ＧＰａ）０　　　４５１．２　　５０
８．４　　２．７　　９４．４２　　　４９９．４　　
５３９．８　　３．１　　９５．２５　　　５１８．８
　　５５５．９　　３．４　　９５．にれらの性質は、
初期データよりもすぐれた強さの向上、ならびにより高
い延性を示すものである０ 合金の組成は、下記の通りであった（重量％）ＯＬｉ　
　　　　　２．４３ Ｃｕ　　　　　　１．１２ Ｍｇ　　　　　Ｏ，６１ Ｚｒ　　　　　Ｏ，１５ Ｔｉ　　　　　　Ｏ，０３６ Ｆｅ　　　　　Ｏ，０６ Ｓｉ　　　　　　０．０６ ＡＩ　　　残部 実施例３ 炭化ほう素Ｂ４Ｃは、ＳｉＣと比較して、Ａｌ−Ｌｉ合
金のための補強材として一層良好であると見込まれる（
、Ａｌ−Ｌｉ合金中へＳｉＣではなくＢ４Ｃを配合する
ことにより、同様な弾性率及び機械的性質がもたらされ
るが、その補強材の低い密度（Ｓ　ｉ　Ｃの密度は３．
２ｇ／ｃｃ　　であるのに対しＢ４Ｃのそれは２．５ｇ
／ｃｃ　　である）の結果として得られる仕上がり複合
材の密度が約２．５２９７ｃｃに低減することになろう
。

Ｂ４Ｃ１８０９０規格の範囲内の組成をもつＡｌ−Ｌｉ
合金中へ配合した。補強材は西ドイツのＥＳＫ社から購
入したものであり、Ｆ６００グレードの粒子であシ、前
の各実施例で用いたＳｉＣと比較してよシ一層等軸の組
織を示した。

このＢ４Ｃは配合前に１９０℃で２４時間乾燥させた。

溶融合金噴霧温度は７４８℃であった。

噴霧ガスはＮ２であシ第１ガス圧は０．１７ＭＰａ、第
２ガス圧は６．０９ＭＰａであった０噴霧析出を約１１
５秒続け、重さ７．８　Ｋｇの析出物を得た。析出物の
概略の寸法は直径１４（１１１、長さ２００朋であった
。Ｂ４Ｃの含量は６．７容量チであった。

（外４名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）Ａｌ−Ｌｉ合金地と補強材とからなり、そして押
   出加工及び時効硬化した状態で下記の性質を有する、噴
   霧析出によって作られた金属地複合材： ０．２％耐力：少なくとも４００ＭＰａ 引張強さ：少なくとも４４０ＭＰａ 伸び率：少なくとも２．０％ 弾性率：少なくとも８５ＧＰａ 密度：最高２．７５Ｍｇ／ｍ＾３。 （２）５〜３０容量％の補強材を含む特許請求の範囲第
   １項に記載の複合材。 （３）補強材は５〜４０ミクロンの範囲内の平均直径を
   有する粒子の形である特許請求の範囲第１または２項に
   記載の方法。 （４）補強材は炭化けい素である特許請求の範囲第１〜
   ３項のいずれかに記載の複合材。 （５）補強材は炭化ほう素である特許請求の範囲第１〜
   ３項のいずれかに記載の複合材。 （６）金属地のリチウム含量は１〜３重量％である特許
   請求の範囲第１〜５項のいずれかに記載の複合材。 （７）合金地は、 １．０〜２．２％の銅、 ０．５〜１．３％のマグネシウム、及び ０．０４〜０．１６％のジルコニウム のうちの１つまたはそれ以上を含む特許請求の範囲第１
   〜６項のいずれかに記載の複合材。 （８）溶融Ａｌ−Ｌｉ合金の流れをそれに向けられた相
   対的に低温のガスに付すことによりその合金の流れを噴
   霧化して高温金属粒子の噴霧を形成し、その合金の流れ
   、または噴霧に補強材の微細固体粒子を適用し、その微
   細粒子を配合された金属を析出させること、からなる方
   法で作られた特許請求の範囲第１〜７項のいずれかに記
   載の複合材。