【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
（産業上の利用分野）
この発明は、常温のみならず高温においても高
強度を有し、例えばエンジン部品のように常温お
よび高温において高強度が要求される部品の素材
として利用することができる耐熱アルミニウム合
金に関するものである。
（従来技術）
近年、とくに自動車の燃料経済性向上が強く求
められるようになつてきており、このための一つ
の手段として、自動車の軽量化が進められてい
る。このような自動車部品の軽量化に伴つて、ア
ルミニウム合金の用途も拡大されてきているが、
例えばエンジン部品の中でもとくに常温のみなら
ず常温から250℃程度までの広い温度域で高強度
をもつことが要求されている部品については従来
のアルミニウム合金材を適用することは困難であ
つた。
すなわち、AA規格7075材のような高力アルミ
ニウム合金では、常温においては比較的良好な強
度特性を有しているが、常温から200℃に至るま
での間で強度が急激に低下するという欠点がある
ため、この点でエンジン部品の素材として不十分
であり、またAA規格2218材のような耐熱アルミ
ニウム合金では、高温強度は優れているものの常
温での強度が低いという欠点があるため、これも
またエンジン部品の素材としては不十分であつ
た。
そこで、本発明者らの一部は上記問題点に着目
し、先に、重量％で、Mn：６〜10％、Fe：0.5〜
４％、Zr：0.03〜0.5％、Cu：0.5〜２％、Mg：
0.5〜3.5％およびSi、Znの１種または２種：0.5〜
２％、残部Alおよび不純物よりなる耐熱アルミ
ニウム合金を発明した（特願昭57−80290号明細
書）。
ところで、上記発明による合金は、Al−Mn系
の強制固溶体あるいは微細な準安定相の熱に対す
る安定度が高いということから、共晶組成以上の
Mnを含むアルミニウム合金に着目して開発され
たものである。この場合、６〜10重量％のMnお
よび0.5〜４重量％のFeを偏析させることなくAl
に強制固溶あるいは金属間化合物の形で微細分散
させるに際しては、急冷法により製造した合金粉
末を用いることによつて容易に可能となる。そし
て、上記発明による合金は、常温においても一般
の高力アルミニウム合金に匹敵する強度を得るた
めに、Cu、MgおよびSi、Znを含有させることに
よつて、時効硬化性をもたせるようにしたことを
特徴とするものである。
このような特徴を有する上記発明合金は、従来
の耐熱合金と比較して特に高温における強度が優
れ、たとえばエンジン部品のように耐熱性だけで
なく常温においても高い強度が要求される部品に
適用することができる。
しかしながら、本発明者らはさらに実験研究を
積重ねたところ、上記発明合金には以下に示すよ
うな問題点が残つていることがわかつた。
すなわち、特に高強度を必要とする場合には、
Mn：６〜10％、Fe：0.5〜４％という範囲の中で
も例えばMn：８〜10％、Fe：２〜４％というよ
うに比較的多くのMn、Feを添加するが、その場
合、103〜104℃/secの冷却速度をもつアトマイズ
法によつて粉末化したときには晶出物が粗大化す
るため強度が低下してしまうこととなり、所望の
強度を得るためには105℃/sec以上のかなり大き
な冷却速度をもつ急冷凝固法を用いて粉末化する
必要があつた。そして、この場合、急冷凝固法を
用いることによつて以下に示すような問題が生じ
ていた。すなわち、105℃/sec以上の冷却速度
をもつ急冷凝固法は将来的には問題ないと思われ
るが、現時点では未だ量産技術が確立されていな
いこと、および粉末形状がアトマイズ粉末よりも
不規則であるため圧粉成形性が悪いことなど、製
造面での問題点が多いことである。したがつて、
特に大型形状の部品の生産については、成形性が
良好なことからアトマイズ粉末を用いることが好
ましいというのが現状であり、強度の低下は避け
られなかつた。また、急冷凝固法では冷却速度
が大きいので、晶出物の粗大化は抑制されるが、
そのために、その後の熱履歴による粗大化はかな
り低い温度で開始されることである。すなわち、
アトマイズ粉末に対して用いる350〜450℃の粉末
押出などの成形温度条件では、過飽和固溶体から
の析出およびすでに晶出している化合物の粗大化
が認められ、高温成形ができないことである。
（発明の目的）
この発明は、このような従来の問題点に着目し
てなされたもので、常温および高温において高強
度を有する耐熱アルミニウム合金を提供すること
を目的としており、とくにこのような耐熱合金を
アトマイズ法によつて製造された粉末粒子から形
成できるようにすることを目的としている。
（発明の構成）
この発明による耐熱アルミニウム合金は、重量
％で、Mn6〜８％、Fe：0.5〜２％、Zr：0.03〜
0.5％、Cu：２〜５％を含み、残部Alおよび不純
物よりなることを特徴としており、Mn、Feの添
加量の上限を下げることによつて、アトマイズ粉
末中のMn化合物の粗大相の晶出や偏析を抑制す
る一方、Mn化合物に何ら影響を与えることなく
常温から250℃程度までの広い温度域における強
度を補う添加元素であるCuの添加量を増大させ
ることによつて、後工程も煩雑となるスプラツト
クーリング法などの急冷凝固法を用いることな
く、常温および高温において高強度を有する耐熱
アルミニウム合金を製造することを可能にしたも
のである。
次に、この発明による耐熱アルミニウム合金を
構成する各合金元素およびそれらの含有量（重量
％）の限定理由について説明する。
Mn：６〜８％
Mnはアルミニウム合金の耐熱性および耐摩耗
性を向上させるのに有効な元素であるが、６％未
満の場合には十分満足しうる耐熱強度を得ること
ができず、８％を超えるとアトマイズ法で得られ
る冷却速度ではMn化合物の粗大相の晶出や偏析
を生ずるので６〜８％の範囲とした。
Fe：0.5〜２％
FeはAl−Mn合金の強制固溶体および微細なAl
−Mn系金属間化合物の高温安定性を向上させる
のに有効な元素であるが、0.5％より少ないとそ
のような効果を得ることができず、２％を超える
とアトマイズ法ではAl−Mn−Fe系あるいはAl−
Fe系の脆い相が晶出するので0.5〜２％の範囲と
した。
Zr：0.03〜0.5％
ZrはAl−Mn合金の強制固溶体および微細なAl
−Mn系金属間化合物の高温安定性を向上させる
と共に、結晶粒の微細化にも有効な元素である
が、0.03％より少ないとそのような効果を得るこ
とができず、0.5％を超えるとAl−Zr相の粗大化
が生ずるので0.03〜0.5％の範囲とした。
Cu：２〜５％
Cuはアルミニウム合金の常温強度を向上させ
るのに有効な元素であり、この発明においてはも
つとも特徴のある元素である。すなわち、この発
明では、アトマイズ法によつて製造した粉末中の
Mn化合物の粗大化や偏析を抑制するために、
Mn、Fe添加量を下げた分だけCuの添加量をふや
すことによつて、常温から250℃までの広い温度
域においてMn化合物に何ら影響を与えることな
く強度を上げようというものである。その際、２
％よりも少ないとこのような強度向上の効果が期
待できず、５％を超えるとアルミニウム合金の耐
食性を低下させると共に、Al−AM合金の強制固
溶体および微細なAl−Mn系金属間化合物の高温
安定性をも低下させるので２〜５％の範囲とし
た。
なお、Cuのほかに、Si、Mgの添加も考えられ
るが、Cu添加と同程度の強度上昇を狙つて相当
量のSiを添加した場合には、α−Al（Fe、Mn）
Si相の形でMn化合物中に含まれるため、固溶強
化および析出硬化による強度上昇はCuに比べて
少ない。
また、MgはSiと結合して時効硬化によつてア
ルミニウム合金の常温強度を向上させる元素であ
るが、上記したようにSiがα−Al（Fe、Mn）Si
相の形をとりやすいため、Mg2Si相の析出による
強度上昇はCuの添加に比べて少ない。
したがつて、Si、Mgの添加は可能ではある
が、この発明の主たる構成からは一応除外した。
（実施例）
以下、実施例について説明する。
この実施例では、第１表に示す化学成分のアル
ミニウム合金について実施した。
(Field of Industrial Application) This invention has high strength not only at room temperature but also at high temperatures, and can be used as a material for parts that require high strength at room temperature and high temperature, such as engine parts. It concerns aluminum alloys. (Prior Art) In recent years, there has been a strong demand for improving the fuel economy of automobiles, and one means to achieve this is to reduce the weight of automobiles. As automobile parts become lighter, the use of aluminum alloys is expanding.
For example, it has been difficult to apply conventional aluminum alloy materials to engine parts that are required to have high strength not only at room temperature but also over a wide temperature range from room temperature to around 250°C. In other words, high-strength aluminum alloys such as AA standard 7075 material have relatively good strength properties at room temperature, but the drawback is that their strength rapidly decreases from room temperature to 200℃. Therefore, in this respect, it is insufficient as a material for engine parts, and heat-resistant aluminum alloys such as AA standard 2218 material have excellent high-temperature strength but have low strength at room temperature. It was also insufficient as a material for engine parts. Therefore, some of the present inventors focused on the above-mentioned problems, and first, in terms of weight percent, Mn: 6 to 10%, Fe: 0.5 to
4%, Zr: 0.03-0.5%, Cu: 0.5-2%, Mg:
0.5-3.5% and one or two of Si and Zn: 0.5-3.5%
He invented a heat-resistant aluminum alloy consisting of 2% Al and the balance Al and impurities (Japanese Patent Application No. 80290/1982). By the way, the alloy according to the above invention has a higher thermal stability than the eutectic composition due to the high thermal stability of the Al-Mn system forced solid solution or fine metastable phase.
It was developed focusing on aluminum alloys containing Mn. In this case, 6-10% by weight of Mn and 0.5-4% by weight of Fe are added to Al without segregation.
Fine dispersion in the form of a forced solid solution or an intermetallic compound can be easily achieved by using alloy powder produced by a rapid cooling method. In addition, the alloy according to the above invention is made to have age hardenability by containing Cu, Mg, Si, and Zn in order to obtain strength comparable to general high-strength aluminum alloys even at room temperature. It is characterized by: The above-mentioned invention alloy having such characteristics has particularly excellent strength at high temperatures compared to conventional heat-resistant alloys, and can be applied to parts such as engine parts that require not only heat resistance but also high strength at room temperature. be able to. However, as a result of further experimental research, the present inventors found that the above-mentioned invention alloy still had the following problems. In other words, especially when high strength is required,
Within the range of Mn: 6 to 10% and Fe: 0.5 to 4%, relatively large amounts of Mn and Fe are added, for example, Mn: 8 to 10% and Fe: 2 to 4%. When powdered by an atomization method with a cooling rate of 3 to 10 4 °C/sec, the crystallized substances become coarse and the strength decreases, so in order to obtain the desired strength, it is necessary to It was necessary to powder it using a rapid solidification method with a considerably high cooling rate of sec or more. In this case, the following problems have arisen due to the use of the rapid solidification method. In other words, the rapid solidification method, which has a cooling rate of 10 5 °C/sec or more, will not pose any problems in the future, but mass production technology has not yet been established at present, and the powder shape is more irregular than that of atomized powder. Therefore, there are many problems in terms of manufacturing, such as poor compaction properties. Therefore,
Particularly in the production of large-sized parts, it is currently preferable to use atomized powder because of its good moldability, and a decrease in strength is unavoidable. In addition, since the cooling rate is high in the rapid solidification method, coarsening of the crystallized material is suppressed;
Therefore, coarsening due to subsequent thermal history begins at a considerably lower temperature. That is,
Under molding temperature conditions such as powder extrusion of 350 to 450°C used for atomized powder, precipitation from a supersaturated solid solution and coarsening of already crystallized compounds are observed, making high-temperature molding impossible. (Purpose of the Invention) The present invention was made by focusing on such conventional problems, and aims to provide a heat-resistant aluminum alloy having high strength at room temperature and high temperature. The aim is to enable alloys to be formed from powder particles produced by the atomization process. (Structure of the Invention) The heat-resistant aluminum alloy according to the present invention includes, in weight percent, Mn 6 to 8%, Fe: 0.5 to 2%, Zr: 0.03 to
0.5%, Cu: 2-5%, and the remainder consists of Al and impurities. By lowering the upper limit of the amount of Mn and Fe added, the coarse phase crystals of the Mn compound in the atomized powder can be reduced. By increasing the amount of Cu, which is an additive element that increases the strength in a wide temperature range from room temperature to about 250℃, without affecting the Mn compound in any way, the post-process is also suppressed. This makes it possible to produce a heat-resistant aluminum alloy that has high strength at room and high temperatures without using complicated rapid solidification methods such as sprat cooling. Next, the reasons for limiting the respective alloying elements constituting the heat-resistant aluminum alloy according to the present invention and their contents (wt%) will be explained. Mn: 6-8% Mn is an effective element for improving the heat resistance and wear resistance of aluminum alloys, but if it is less than 6%, sufficient heat resistance strength cannot be obtained, %, the cooling rate obtained by the atomization method causes crystallization and segregation of the coarse phase of the Mn compound, so it was set in the range of 6 to 8%. Fe: 0.5-2% Fe is a forced solid solution of Al-Mn alloy and fine Al
-It is an effective element for improving the high temperature stability of Mn-based intermetallic compounds, but if it is less than 0.5%, such an effect cannot be obtained, and if it exceeds 2%, Al-Mn- Fe-based or Al-
Since a Fe-based brittle phase crystallizes, the content was set in the range of 0.5 to 2%. Zr: 0.03~0.5% Zr is a forced solid solution of Al-Mn alloy and fine Al
-It is an element that improves the high-temperature stability of Mn-based intermetallic compounds and is effective in refining crystal grains, but if it is less than 0.03%, such an effect cannot be obtained, and if it exceeds 0.5%, Since coarsening of the Al-Zr phase occurs, the content was set in the range of 0.03 to 0.5%. Cu: 2 to 5% Cu is an effective element for improving the room-temperature strength of aluminum alloys, and is a characteristic element in this invention. That is, in this invention, in the powder produced by the atomization method,
In order to suppress coarsening and segregation of Mn compounds,
By increasing the amount of Cu added by the amount of Mn and Fe added, the strength can be increased without affecting the Mn compound in a wide temperature range from room temperature to 250°C. At that time, 2
If it is less than 5%, no such strength improvement effect can be expected, and if it exceeds 5%, it will reduce the corrosion resistance of the aluminum alloy, and will also cause the forced solid solution of the Al-AM alloy and the high temperature of fine Al-Mn intermetallic compounds. Since it also reduces stability, it is set in the range of 2 to 5%. In addition to Cu, it is also possible to add Si and Mg, but if a considerable amount of Si is added with the aim of increasing the strength to the same extent as adding Cu, α-Al (Fe, Mn)
Since it is included in the Mn compound in the form of a Si phase, the increase in strength due to solid solution strengthening and precipitation hardening is smaller than that of Cu. Additionally, Mg is an element that combines with Si to improve the room temperature strength of aluminum alloys through age hardening, but as mentioned above, Si
Since the phase shape is easily formed, the increase in strength due to the precipitation of the Mg 2 Si phase is smaller than that due to the addition of Cu. Therefore, although it is possible to add Si and Mg, they are excluded from the main structure of this invention. (Example) Examples will be described below. In this example, an aluminum alloy having the chemical composition shown in Table 1 was used.
【表】
第１表に示すNo.1〜５の本発明合金および
No.8〜12の比較合金を製造するに際しては、ま
ず、AlとAl以外の各成分との２元合金鋳塊およ
びAl鋳塊を秤量・溶解し、第１表に示す化学成
分の母合金を溶製した。次に、アトマイズ装置の
溶解炉にて前記母合金を溶解し、融点より150℃
過熱した状態で溶湯を噴射することによつてアト
マイズ粉を得た。なお、アトマイズ粉の粒径が
120メツシユ以下のものを使用した。続いて、前
記アトマイズ粉を3.5ton f/cm2で円筒形状に圧粉
成形し、この成形体を400℃以下の温度で12：１
の押出し比で押出加工した後、所定の試験片形状
に切り出した。
一方、比較合金No.6は、AA規格2218材、No.7
はAA規格7075材であるが、これらについては当
該成分の溶湯から圧延用鋳塊とした後熱間圧延
し、2218材については510℃において４時間の溶
体化処理および175℃で12時間の人工時効処理を
施し、また7075材については460℃において４時
間の溶体化処理および120℃で24時間の人工時効
処理を施し、その後前記と同一の試験片形状に切
り出した。
次に、上記各試験片に対し、常温および200℃
での引張試験を行つた。なお、この際の高温引張
試験では、各試験片を１時間加熱保持した後測定
した。その結果を第２表に示す。[Table] Invention alloys No. 1 to 5 shown in Table 1 and
When producing comparative alloys No. 8 to 12, first, a binary alloy ingot of Al and each component other than Al and an Al ingot were weighed and melted, and a master alloy with the chemical components shown in Table 1 was prepared. was melted. Next, the master alloy is melted in the melting furnace of the atomization device and heated to a temperature of 150°C above the melting point.
Atomized powder was obtained by injecting the molten metal in a superheated state. In addition, the particle size of the atomized powder is
I used less than 120 meters. Subsequently, the atomized powder was compacted into a cylindrical shape at 3.5 ton f/cm 2 , and the compact was compressed at a temperature of 400°C or less at a ratio of 12:1.
After extrusion processing was performed at an extrusion ratio of , the sample was cut into a predetermined shape. On the other hand, comparative alloy No. 6 is AA standard 2218 material, No. 7
is an AA standard 7075 material, which is hot rolled after being made into an ingot for rolling from the molten metal of the relevant component, and the 2218 material is subjected to solution treatment at 510℃ for 4 hours and artificial heating at 175℃ for 12 hours. The 7075 material was subjected to solution treatment at 460°C for 4 hours and artificial aging treatment at 120°C for 24 hours, and then cut into the same test piece shape as above. Next, test each test piece above at room temperature and 200°C.
A tensile test was conducted. In the high-temperature tensile test at this time, each test piece was heated and held for 1 hour and then measured. The results are shown in Table 2.
【表】
第２表に示すように、本発明合金No.1〜５は
いずれも常温および200℃において耐熱アルミニ
ウム合金であるAA規格2218材（比較合金No.6）
よりもかなり高い引張強度を示し、特に常温にお
ける強度は高力アルミニウム合金であるAA規格
7075材（比較合金No.7）と比較してもそん色な
いという非常に優れた結果が得られた。
また、Mn、Fe添加量が本発明合金の範囲より
も少ない比較合金No.8、９では200℃での強度が
やや低く、Mn、Fe添加量を本発明合金の範囲よ
りも多くした比較合金No.10、11、12はアトマイ
ズ法で得られる冷却速度ではMn化合物の粗大化
や偏析を生じてしまうため強度はかえつて低下し
ているという結果となり、共に本発明合金より劣
つていることが確認された。
（発明の効果）
以上説明してきたように、この発明による耐熱
アルミニウム合金は、重量％で、Mn：６〜８
％、Fe：0.5〜２％、Zr：0.03〜0.5％、Cu：２〜
５％を含み、残部実質的にAlよりなる組成を有
するものであるから、従来以上に常温および高温
において強度の優れた軽合金材料であり、例えば
エンジン部品のように耐熱性のみならず常温にお
いても高強度を要求される部品に対して広く適用
することができ、部品および製品の軽量化を促進
することができるという効果が得られ、しかも、
この発明による、耐熱アルミニウム合金は、アト
マイズ法によつて製造された粉末粒子から形成す
ることが可能であり、現時点では製造上の問題が
あると共に後工程も煩雑となるスプラツトクーリ
ング法などの急冷凝固法を必ずしも用いる必要が
ないという効果が得られる。[Table] As shown in Table 2, all of the invention alloys No. 1 to 5 are AA standard 2218 materials (comparative alloy No. 6) that are heat-resistant aluminum alloys at room temperature and 200°C.
AA standard, which is a high-strength aluminum alloy with significantly higher tensile strength, especially at room temperature.
Even when compared with 7075 material (comparative alloy No. 7), very excellent results were obtained that were comparable. In addition, comparative alloys No. 8 and 9, in which the amounts of Mn and Fe added are lower than the range of the invention alloy, have slightly lower strength at 200°C, and comparative alloys with the addition amount of Mn and Fe larger than the range of the invention alloy. In Nos. 10, 11, and 12, the cooling rate obtained by the atomization method causes coarsening and segregation of the Mn compound, resulting in a decrease in strength, and it can be said that all of them are inferior to the alloy of the present invention. confirmed. (Effects of the Invention) As explained above, the heat-resistant aluminum alloy according to the present invention has Mn of 6 to 8 in weight%.
%, Fe: 0.5~2%, Zr: 0.03~0.5%, Cu: 2~
5%, and the remainder is essentially Al, so it is a light alloy material with superior strength at room temperature and high temperature than before, and is useful not only for heat resistance but also at room temperature, such as in engine parts. It can be widely applied to parts that require high strength, and has the effect of promoting weight reduction of parts and products.
The heat-resistant aluminum alloy according to the present invention can be formed from powder particles produced by the atomization method, and at present, rapid cooling methods such as sprat cooling methods, which have production problems and are complicated in post-processing, are possible. An advantage is obtained that it is not necessary to use a coagulation method.