JP2669525B2 - 迅速凝固経路により製造されるクロム含有アルミニウム合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は迅速凝固速度（RSR）経路により製造され
る、アルミニウムを主成分とし、クロムを含有する合金
に係る。 従来の高力加工インゴットアルミニウム合金は、該合
金の高い強度が依存する沈澱の粗粒化により、約150℃
以上の温度の熱安定性に制限があった。この沈澱の粗粒
化は、通常使用されている合金元素（例えば亜鉛、銅、
マグネシウム、ケイ素及び最近ではリチウム）のアルミ
ニウム中における拡散率が高く且つ平衡固溶解度が相当
の程度であることと、これらの比較的高い温度では沈澱
／マトリックス界面の界面エネルギーが顕著であること
が相俟って生じるものである。 高力加工インゴットアルミニウム合金の高温安定性を
改良するために他の合金元素を採用することが望ましい
が、上記以外の元素は最大平衡固溶解度が制限されるの
で、このような案は実現されていない。このような固溶
解度の制限の結果として、従来のインゴット経路では凝
固後に粗粒状の脆性の金属間化合物が形成される。 既知のインゴット経路の材料よりも良好な高温安定性
を有する高力アルミニウム合金が得られるならば望まし
いことである。RSR経路は平衡固溶解度の制限をなくす
ので、合金元素の枠を拡大する一方策となり、体積分率
が高く且つ適当な元素又は金属間化合物がより良好に分
散されたアルミニウムを主成分とする合金を製造するこ
とができる。このような金属間化合物の微細な分散系が
同様に均一に分布されるので、インゴット経路で材料を
製造する場合はこれらの合金元素が偏析する際に望まし
くない脆化を伴うが、このような事態を避けることがで
きる。更に、適当な元素により形成される金属間化合物
は融点が高く、これは該当温度での固体アルミニウム中
の低拡散性及び固溶解度に結び付けられるので、粗粒化
に対して高い耐性を備え得る（熱安定性が増加する）。 種々のRSR経路が確立されている。RSR経路の共通点
は、液相又は気相、通常は液相から合金を高い冷却速度
で冷却することである。H Jones著Rapid Solidificatio
n of Metals and Alloys（The Institution of Metallu
rgists刊論文集第８号）及び他の多くの文献には、溶
射、チル法及び溶接法のようなRSR法がある程度詳しく
記載されている。種々のRSR経路は冷却速度の調節に関
する能力が相互に異なる。分散の微細度及び固溶解度の
拡大は溶融物からの冷却速度に依存する。 従来の研究者は、熱安定性の改良に結び付けられる良
好な強度を有するアルミニウム合金を製造するためにRS
R法を使用しようと試みた。従来研究されている２元合
金としては、アルミニウム−鉄、アルミニウム−クロ
ム、アルミニウム−マンガン及びアルミニウム−ジルコ
ニウムがある。米国特許第4347076号は、鉄、クロム、
ニッケル、コバルト、マンガン、バナジウム、チタン、
ジルコニウム、モリブデン、タングステン及びホウ素の
１種以上を5/16重量％配合したアルミニウムの範囲内で
広い範囲の組成を開示しているが、これらの組み合わせ
のうちでアルミニウム−鉄をベースとする組成以外のも
のはほとんどない。 広く研究されているアルミニウム−鉄の系に基づく開
発の２つの欠点は、偏析がなく及び／又は固溶範囲の広
い固溶体を生成するために必要な迅速凝固条件が標準迅
速凝固処理の限界に近付くこと、及びこれらの固溶体内
の微細規模の分解は固溶体を最も固い条件にし、団結
（consolidation）が非常に困難になることである。 これらの制限の両方を軽減することにより加工性を助
長する必要性から、合金開発の別のベースとしてアルミ
ニウム−ジルコニウム、アルミニウム−クロム及びアル
ミニウム−マンガン系及びそれらの組み合わせの可能性
が検討されるようになった。これらの系はいずれも迅速
凝固のチル−キャスティング条件下でも固溶開度の拡大
を示し始め、固溶範囲の拡大した固溶体は固体状態での
分解に対して著しく耐性である。こうして迅速凝固条件
下で固溶範囲の広い固溶体を生成することができ、より
低い圧力で十分な団結が得られる。この後、従来の加工
合金と同様に適当な熱又は熱機械的処理により、材料の
強度を十分に引き出すことができる。クロム及びジルコ
ニウムのような添加物はアルミニウム格子中の拡散率が
著しく低いので、必要な時効温度は、ジルコニウム、ク
ロム及びマンガンに結び付けられるケイ素の添加に基づ
く従来の時効硬化合金の温度（例えば160℃）よりも著
しく高い（例えば400℃）。この研究の結果、英国特許
第2146352号のアルミニウム−クロム−ジルコニウム−
マンガン合金が開発されるに至った。 近年、Ｘにジルコニウム以外の元素を使用するアルミ
ニウム−クロム−Ｘ系を検討するべく種々の試みが試さ
れている。記録されている組成には、アルミニウム−５
重量％クロム−１重量％Ｘ（Ｘはケイ素、マンガン、
鉄、コバルト、ニッケル、銅及びジルコニウムであ
る）、並びにアルミニウム−3.5重量％クロム−１重量
％Ｘ（Ｘはケイ素、チタン、バナジウム、マンガン、ニ
ッケル及びジルコニウムである）がある。これらの実験
は市販できるような合金を開発するには至っていない。 本発明の目的は、商業上主要な対象であった従来技術
のRSRアルミニウム合金に関連して（150〜200℃の温度
範囲で）強度及び構造安定性の改良された組み合わせを
有する、RSR経路により製造されるアルミニウムを主成
分とする合金を考案することである。本発明の利点は、
Al−1.5Cr−5Zr−1.4Mn、Al−8Fe−4Ce、及びAl−8Fe−
2Mo（全割合は重量％である）の参考従来技術合金に比
較して判断される。これらの合金の一般的な特性は従来
技術の文献に報告されているので、本明細書中には言及
しない。本発明の第２の目的は、現在のエンジンで使用
されているチタンをベースとする材料に代わり、ガスタ
ービンエンジン用の圧縮機羽根材料として使用するのに
適当な特性の組み合わせを有するようなアルミニウムを
ベースとするRSR合金を製造することである。 本発明は迅速凝固法により形成されるアルミニウム合
金に係り、該合金は主に、クロム１〜７重量％、X6重量
％まで、ジルコニウム０〜４重量％、アルミニウム残部
（場合によっては不可避不純物も含有する）から構成さ
れ、ここでＸはニオブ、モリブデン、ハフニウム、タン
タル、及びタングステンから成る耐熱金属元素の群から
選択される元素の１種以上であり、 a.Xは１重量％以上の量を配合されるか、又は b.Xは１重量％よりやや少量を配合されるが、その場
合、クロム、Ｘ及びジルコニウム（配合される場合）の
合計量は５重量％以上とする。 以下の文中で示す全組成は重量％で表した割合ある。
本発明の合金は上記参考組成物と同等の室温引張強さを
有するのみならず、長時間高温に露呈後（スプラットレ
ベルの）微小硬度の測定により、熱安定性の改良を示
す。 好ましくは合金は少なくとも４％のクロムを含有す
る。合金中にジルコニウムが存在する場合、その含有量
は好ましくは0.5〜3.5％の範囲である。 上限で合金成分を有する組成（過飽和度の高い合金）
として本発明の合金を製造するためには、十分高い冷却
速度に達する十分なRSR法を使用する必要がある。実験
室の標本にはスプラットクエンチングを使用したが、工
業規模の作業にはガス噴霧又はプレーナフローキャステ
ィング（planar flow casting）のような方法が好適で
ある。 本発明の好適な亜種を以下に挙げる。 （ａ）アルミニウム−1/7クロム−ハフニウム６まで （ｂ）アルミニウム−4/5クロム−2/5ハフニウム （ｃ）アルミニウム−1/7クロム−1/6ニオブ、モリブデ
ン又はタングステン−0.5/3.5ジルコニウム。 本発明の合金の例を以下の第１〜３表に挙げる。これ
らの表は、本発明の合金を前出の従来技術の参考組成と
して製造した材料に比較するものである。第１表及び第
２表に示す材料は、H Jonesの上記文献の11及び12頁に
記載されている２本ピストン法によりアルゴン雰囲気中
で製造されたRSRスプラット形の材料である。この方法
によると、標本を浮遊させ、誘導加熱し、重力下で液体
を落下させ、２本の衝撃ピストンの間でチル冷却する。
スプラットは典型的には厚さ50mmである。 第１表は、１種の耐熱金属を含有し且つジルコニウム
を含有しない合金の微小硬度の維持を示す。既知の組成
と比較した。 全例の微小硬度は基本的なAl−5Cr系よりも向上して
いる。微小硬度のピーク値は、この最大値を生じるよう
に熱処理を選択するので、最も重要である。 組成Al−5Cr−5.3Hfは161±9kgmm^-2で最良のピーク値
を示す。これは、Al−Fe＋Mo又はCe以外の基本的３元組
成を有する全比較組成合金よりも優れている。もっと
も、Al−Fe合金はスプラット形成時の状態でピーク値を
示し、微小硬度はそれ以後低下し、あらゆる加工は冷温
で行わなければならないことを考慮すると、機械加工等
は困難になる。 第２表は、ジルコニウム及びクロムの添加に基づく本
発明の４元合金を、Al−4.6Cr−1.7Zr−1.2Mn（重量
％）の組成を有する従来技術の合金に比較したものであ
る。ニオブ又はタングステンを有する合金は最良のピー
ク値を有しており、タングテン合金は特に比較データに
対する実質的な改良を示す。 第３表に示した材料は、高圧アルゴン噴霧により20μ
ｍの平均粒子寸法に作成したRSR粉末から製造した。粉
末を円筒に入れ、押出成形温度（300℃）で４時間真空
室で脱ガスした。次に円筒を密閉し、16.1の縮小比で材
料を円形の棒状に押出成形した。 第３表は、高い微小硬度ピーク値を有する合金例の引
張特性を示す。これらの合金は従来技術の参考組成であ
るAl−5Cr−1.5Zrに比較すると非常に有利であることが
認められる。 Ｘ＝Taの合金については表中に明記しなかったが、同
等に改良された結果が得られるものと予想される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 プラツト，チヤールズ・ロバート イギリス国、ウエールズ、ウエスト・グ ラモーガン、ニース、ブリノツチ、イラ イアース・ドライブ・４ (72)発明者 ガーデイナー，ロバート・ウイリアム イギリス国、サリー、パーンハム、ヒー ス・エンド、ザ・クレツセント・32 (72)発明者 レストール，ジエームス・エドワード イギリス国、サリー・ジー・ユー・15・ １・デイー・エヌ、キヤンベリー、カル バン・クローズ・24 (56)参考文献 特開 昭59−116352（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−116741（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−250146（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．迅速凝固により形成され、改良された高温安定性を
   有する高強度アルミニウム合金であって、クロム１〜７
   重量％、X6重量％まで、及びアルミニウム残部から構成
   され、ここでＸはニオブ、モリブデン、ハフニウム、タ
   ンタル、及びタングステンから成る耐熱金属元素の群か
   ら選択される元素の１種以上であることを特徴とする前
   記合金。 ２．Ｘが１重量％以上である請求項１に記載のアルミニ
   ウム合金。 ３．クロムとＸの合計量が５重量％以上である請求項１
   又は２に記載のアルミニウム合金。 ４．少なくとも４重量％のクロムを含有していることを
   特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアルミニ
   ウム合金。 ５．Ｘが前記耐熱金属元素群から選択された１種の元素
   であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記
   載のアルミニウム合金。 ６．クロム１〜７重量％、ハフニウム６重量％まで、ア
   ルミニウム残部の組成から構成されることを特徴とする
   請求項１乃至５のいずれかに記載のアルミニウム合金。 ７．クロム４〜５重量％、ハフニウム２〜５重量％、残
   部アルミニウムの組成から構成されることを特徴とする
   請求項６に記載のアルミニウム合金。 ８．クロム５重量％、ハフニウム５重量％、残部アルミ
   ニウムの公称組成を有することを特徴とする請求項１に
   記載のアルミニウム合金。 ９．迅速凝固により形成され、改良された高温安定性を
   有する高強度アルミニウム合金であって、クロム１〜７
   重量％、X6重量％まで、ジルコニウム４重量％まで、及
   びアルミニウム残部から構成され、ここでＸはニオブ、
   モリブデン、ハフニウム、タンタル、及びタングステン
   から成る耐熱金属元素の群から選択される元素の１種以
   上であることを特徴とする前記合金。 １０．Ｘが１重量％以上である請求項９に記載のアルミ
   ニウム合金。 １１．クロム、Ｘ及びジルコニウムの合計量が５重量％
   以上であることを特徴とする請求項９又は10に記載のア
   ルミニウム合金。 １２．少なくとも４重量％のクロムを含有していること
   を特徴とする請求項９乃至11のいずれかに記載のアルミ
   ニウム合金。 １３．Ｘが前記耐熱金属元素群から選択された１種の元
   素であることを特徴とする請求項９乃至12のいずれかに
   記載のアルミニウム合金。 １４．0.5〜3.5重量％のジルコニウムを含有しているこ
   とを特徴とする請求項９乃至13のいずれかに記載のアル
   ミニウム合金。 １５．クロム１〜７重量％、ハフニウム６重量％まで、
   の組成を有することを特徴とする請求項９乃至14のいず
   れかに記載のアルミニウム合金。 １６．クロム４〜５重量％、ハフニウム２〜５重量％の
   組成を有することを特徴とする請求項15に記載のアルミ
   ニウム合金。 １７．クロム１〜７重量％、X1〜６重量％（Ｘはニオブ
   又はモリブデン又はタングステンである）、ジルコニウ
   ム0.5〜3.5重量％、残部アルミニウムの組成から構成さ
   れることを特徴とする請求項９に記載のアルミニウム合
   金。 １８．クロム４〜７重量％、X1〜２重量％、ジルコニウ
   ム１〜３重量％、残部アルミニウムの組成から構成され
   ることを特徴とする請求項17に記載のアルミニウム合
   金。 １９．クロム５重量％、ハフニウム５重量％の公称組成
   を有することを特徴とする請求項９に記載のアルミニウ
   ム合金。 ２０．クロム５重量％、ジルコニウム1.5〜２重量％、X
   1〜1.5重量％（Ｘはニオブ又はタングステンである）、
   残部アルミニウムの公称組成を有することを特徴とする
   請求項９に記載のアルミニウム合金。