(57)【要約】【課題】アルミニウム合金の有する軽量性、耐食性、リサイクル性を生かしつつ、室温延性に優れかつ高温における強度にも優れる建築構造用アルミニウム合金およびその製造方法を提供する。【解決手段】鉄を５〜２０質量％含み、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム焼結合金であって、３００℃における耐力が２００ＭＰａ以上、室温における破断伸びが４．０％以上であり、アルミニウム母相中にＡｌ３Ｆｅが分散した組織を有し、任意の断面を電子顕微鏡により観察した組織において、前記Ａｌ３Ｆｅ相の占める面積率が３６％以上、焼結組織中のる空隙率が０．２２％以下であることを特徴とする建築構造用アルミニウム焼結合金であり、これを得るための製造方法において、メカニカルアロイング（ＭＡ）を１５時間超〜６０時間、前記放電焼結を２０〜５０分間行う。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄を５〜２０質量％含み、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム焼結合金であって、３００℃における耐力が２００ＭＰａ以上、室温における破断伸びが４．０％以上であり、アルミニウム母相中にＡｌ３Ｆｅが分散した組織を有し、任意の断面を電子顕微鏡により観察した組織において、前記Ａｌ３Ｆｅ相の占める面積率が３６％以上、焼結組織中のる空隙率が０．２２％以下であることを特徴とする建築構造用アルミニウム焼結合金。
【請求項２】
更に、シリコン、銅、マグネシウム、ニッケル、クロム、マンガン、チタンおよびボロンからなる群より選ばれる１種または２種以上を合計で０．５質量％以下含む請求項１に記載の建築構造用アルミニウム焼結合金。
【請求項３】
鉄の含有量が５〜１５質量％である、請求項１または２に記載の建築構造用アルミニウム焼結合金。
【請求項４】
鉄を５〜２０質量％含み、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなる建築構造用アルミニウム焼結合金の製造方法であって、
前記アルミニウム合金は、３００℃における耐力が２００ＭＰａ以上、室温における破断伸びが４．０％以上であり、アルミニウム母相中にＡｌ３Ｆｅが分散した組織を有し、
前記方法は、
振動型ボールミル装置に、アルミニウム粉末、鉄粉末、ボール及び潤滑剤を投入して、メカニカルアロイング（ＭＡ）を行うこと、
得られたアルミニウムと鉄の混合粉末を放電プラズマ焼結すること、
を含み、
前記メカニカルアロイング（ＭＡ）を１５時間超〜６０時間、前記放電プラズマ焼結を２０〜５０分間行うことを特徴とする建築構造用アルミニウム焼結合金の製造方法。
【請求項５】
前記潤滑材はステアリン酸であることを特徴とする請求項４に記載の建築構造用アルミニウム焼結合金の製造方法。
【請求項６】
更に、シリコン、銅、マグネシウム、ニッケル、クロム、マンガン、チタンおよびボロンからなる群より選ばれる１種または２種以上を合計で０．５質量％以下含む請求項４または５に記載の建築構造用アルミニウム焼結合金の製造方法。
【請求項７】
前記アルミニウム焼結合金の鉄の含有量が５〜１５質量％である、請求項４〜６のいずれか一項に記載の建築構造用アルミニウム焼結合金の製造方法。
【請求項８】
前記メカニカルアロイング（ＭＡ）を２０〜４０時間行うことを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の建築構造用アルミニウム焼結合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建築構造用アルミニウム合金及び製造方法に関する。より詳しくは、３００℃以上の高温における強度及び室温延性に優れる建築構造用アルミニウム焼結合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金は軽量で、耐食性に優れ、電気伝導性が高いため、各種の機能性材料として使用されている。構造用材料としては、屋根材や壁材として使用されるＡｌ−Ｍｎ系合金やＡｌ−Ｍｇ系合金が知られている。しかしながら、建築物の構造材料においては、火災時の加熱によっても変形、溶融、破壊しない性能が求められるため、これまでアルミニウム合金を建築構造用材料としては不十分な特性であった。
【０００３】
例えば、特許文献１では、高温強度に優れるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金のＣｕ添加量を限定し、熱間鍛造後の再結晶粒組織を改良することによって高強度を達成することが提案されているが、高温強度については不明である。一般に、アルミサッシ等の構造材料として使用されるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０６１系）合金であっても、３００℃における０．２％耐力は１５０ＭＰａ程度であり、２００ＭＰａを超えるものではない。
【０００４】
また、特許文献２では、メカニカルアロイング工程によりアルミニウム粉末、又はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金粉末の表面に被膜が形成された複合材を形成することにより、高温強度に優れたアルミニウム製建材を提供することが提案されている。しかしながら、高温強度と室温延性をバランスよく満足するには不十分であった。
以上のように、建築物の壁や柱等の構造用部材としては、室温における延性を有しつつ、火災時の火熱にさらされても部材の裏側に火炎が噴出することなく、裏側の温度が可燃物の燃焼温度以上に上昇しないなどの遮炎性及び遮熱性を有することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７４４１５号公報
【特許文献２】特開２０１７−１６０４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、アルミニウム合金の有する軽量性、耐食性、リサイクル性を生かしつつ、室温延性に優れかつ高温における強度にも優れる建築構造用アルミニウム焼結合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のアルミニウム焼結合金は、鉄を５〜２０質量％含み、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなり、アルミニウム母相中にＡｌ３Ｆｅが分散した組織を有しており、３００℃における耐力が２００ＭＰａ以上で、室温における破断伸びが４．０％以上の特性を有する。
【０００８】
また、上記のような特性を有するＡｌ−Ｆｅ合金は、振動型ボールミル装置を使用して、同装置にアルミニウム粉末、鉄粉末、ボール及び潤滑剤を投入して、メカニカルアロイング（ＭＡ）を行う工程と得られたアルミニウムと鉄の混合粉末を放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）する工程を有する方法において、メカニカルアロイング（ＭＡ）を１５時間超〜６０時間、放電プラズマ焼結を２０〜５０分間行うことによって得られる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、３００℃以上の高温における強度及び室温における伸びに優れたアルミニウム焼結合金が得られ、建築物の壁や柱等の構造用部材として使用した際に、３００℃以上の高温にさらされても変形や溶融することなく、また、火炎にさらされても部材の裏側に火炎が噴出することなく、裏側の温度が可燃物の燃焼温度以上に上昇しないなどの遮炎性及び遮熱性に優れたアルミニウム焼結合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】放電プラズマ焼結装置の断面図を模式的に示した図である。
【図２】放電プラズマ焼結法によるＡｌ−Ｆｅ粉末の組織の変化を模式的に示す図である。
【図３】Ａｌ−Ｆｅ５wt％、１５wt％、２０wt％合金において、ＭＡ時間を４ｈ、１２ｈ、３６ｈとした際のＳＥＭ反射電子像写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜建築構造用アルミニウム焼結合金＞
本発明のアルミニウム焼結合金の組成は、鉄を５〜２０質量％含み、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるものである。鉄の含有量が５％未満であると引張強度が低下し、２０質量％を超えると室温延性が低下する傾向にある。鉄の含有量は、引張強度および室温延性のバランスの観点から、５〜２０質量％であるが、好ましくは、５〜１５質量％、より好ましくは１０〜１８質量％であるとよい。
【００１２】
本発明のアルミニウム焼結合金の組成は、鉄以外に、任意添加元素として、シリコン、銅、マグネシウム、ニッケル、クロム、マンガン、チタンおよびボロンからなる群の１種又は２種以上を合計で０．５％以下の範囲で含有してもよい。これらの元素を単独あるいは適宜組み合わせて添加することにより、更に高温強度及び室温延性を向上させることができる。０．５質量％を超えて含有すると、室温延性向上の効果がなくコスト高のため好ましくない。
【００１３】
本発明のアルミニウム焼結合金は３００℃における耐力が２００ＭＰａ以上であるが、３００℃における耐力が２００ＭＰａ未満であると、建築物の構造材料として、火災時の加熱によって変形または破壊する可能性があり好ましくない。また、本発明のアルミニウム焼結合金は、室温における破断伸びが４．０％以上の特性を有するが、４．０％未満であると、建築物の構造材料として、衝撃耐性及び加工性に劣り好ましくない。
【００１４】
本発明のアルミニウム焼結合金はアルミニウム母相中にＡｌ３Ｆｅが分散した組織を有している。このような組織は、後述するように振動型ボールミル装置を使用して、同装置にアルミニウム粉末、鉄粉末、ボール及び潤滑剤を投入して、メカニカルアロイング（ＭＡ）を行う工程と得られたアルミニウムと鉄の混合粉末を放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）する工程を有する方法によって得られる。
【００１５】
本発明のアルミニウム焼結合金は建築構造用に使用されるものであるが、建築構造用とは、構造耐力上主要な部分、又は主要構造部の他、開口部などの準防火構造、防火構造、準耐火構造、耐火構造の建材を意味する。具体的には、基礎、基礎くい、壁、柱、小屋組、土台、斜材、筋かい、方づえ、火打材、床版、屋根版、横架材、はり、けた、壁、柱、床、はり、屋根、又は階段等に使用される建材を挙げることができるがこれらに限定されるものではない。
【００１６】
＜建築構造用アルミニウム焼結合金の製造方法＞
本実施形態の高温強度に優れたアルミニウム製建材の製造方法は、メカニカルアロイング工程と放電プラズマ焼結工程を含む。なお、これらの工程の他、本実施形態の効果を損なわない限りにおいて、他の工程を追加してもよい。
メカニカルアロイング工程の前に、準備段階として、純アルミニウム粉末、鉄粉末、その他添加金属がある場合はそれらの金属粉末を準備する。
【００１７】
＜メカニカルアロイング工程＞
メカニカルアロイング工程は、準備段階で準備した粉末を容器内で混合し、攪拌後、圧縮して、アルミニウムと鉄等の均一な混合粉末を作製する工程である。具体的には、均一な混合粉末の原材料として、Ａｌ粉及びＦｅ粉を使用する。そして、ＭＡ装置として振動型ボールミル装置を使用する。この振動型ボールミル装置に用いられる鉄鋼ボールとしては、例えば、直径が異なるものを使用してもよい。そして、アルゴン雰囲気中で、容器を所定の速度で振動させて、メカニカルアロイングを行い、粉末状の混合材料を得る。
【００１８】
図３は、Ｆｅを５質量％、１０質量％、２０質量％含み、残部アルミニウムからなる原料をメカニカルアロイング（ＭＡ）したときのＭＡ時間による組織の変化をＳＥＭ反射電子像により観察した結果を示すものである。アルミニウム母相中にＡｌ３Ｆｅが分散した組織において、ＭＡ時間の増加と共に、Ａｌ３Ｆｅ分散相（図の白い組織）が増加し、高温における耐力が増加する傾向にある。
本発明のアルミニウム焼結合金の製造方法において、メカニカルアロイング（ＭＡ）の時間は１５時間超〜６０時間であるとよい。１５時間以下であると高温における十分な耐力が得られず、６０時間を超えると室温における室温延性が低下し好ましくない。
【００１９】
＜放電プラズマ焼結工程＞
放電プラズマ焼結工程は、メカニカルアロイング工程によって得られた混合粉末を加圧しつつ、放電プラズマ焼結法にて焼結してアルミニウム製建材を製造する工程である。
放電プラズマ焼結工程は、図１に模式的に示される放電プラズマ焼結機１を使用して行う。放電プラズマ焼結機のダイ内に上記複合材を充填し、２つのＳＰＳ焼結パンチで加圧する。また、複合材をＳＰＳダイ内に装填する際には、混合物を焼結した後の焼結体と、ＳＰＳダイ及びＳＰＳ焼結パンチの離型性を良好に保つべく、両者間にカーボンペーパー（図示しない）を配置する。
【００２０】
次いで、上記放電プラズマ焼結機内を減圧した後、所定の速度で放電プラズマ焼結機内の温度を上昇させる。このとき、放電プラズマ焼結機内の温度が約５００〜６５０℃程度まで上昇させる。この後、上記混合粉末を所定の圧力で加圧しつつ、所定時間通電することにより焼結させてアルミニウム製建材を得ることができる。
【００２１】
図２には、放電プラズマ焼結の経過による組織の変化を模式的に示した。図２（ａ）に示されるように、加圧前の組織は原料粒子が密着せずに、粒子間に大きな隙間を有するが、加圧が開始され、放電プラズマ焼結が経過すると、図２（ｂ）に示されるように共に外部圧力と材料粒子の変形抵抗がつりあって変形が拘束される状態となり、最終的に図２（ｃ）に示されるようにＡｌが隙間を埋めるようにして空隙率が低下する。一般に、空隙率が低下すると室温延性が高くなる傾向にあり、空隙率が高すぎると室温延性が低下し、破断伸びが低くなる傾向にある。
【００２２】
ここで、放電プラズマ焼結は２０〜５０分間、好ましくは３０分間行うとよい。放電焼結時間が２０分未満であると、組織中の空隙率が高くなり高温における十分な耐力が得られず、５０分を超えると室温延性が低下し好ましくない。放電プラズマ焼結のその他の条件は特に限定されるものではないが、たとえば加圧力は１ＭＰａ〜１００ＭＰａの範囲、温度は５００℃〜６５０℃の範囲、で行えばよい。また、これらの条件を変化させることにより、熱膨張率、電気抵抗値、熱伝導率等の値をある程度所望の値に調整することも可能である。
【実施例】
【００２３】
（実施例１）
出発材粉末として、工業用純アルミニウム粉末９．５ｇとＦｅ粉末０．５ｇの合計１０ｇを秤量する。その後、出発材粉末１０ｇと、助剤としてのステアリン酸０．２５ｇとを、ＭＡ装置として振動型ボールミル装置を使用した（容器：ＳＫＤ１１、鉄鋼ボール：ＳＵＪ２）。鉄鋼ボールとしては、直径が１０ｍｍのものを７０ｇ使用した。そして、アルゴン雰囲気中で、容器を毎分２５０回転の速度で振動させて、メカニカルアロイングを３６時間行った。
次に、放電プラズマ焼結装置にて圧力４９ＭＰa、温度５００℃以上６００℃以下、昇温１℃／ｓ、焼結時間３０ｍｉｎで、粉末状の上記混合粉末を焼結して実施例１のアルミニウム焼結合金を得た。
【００２４】
（実施例２〜４及び比較例１〜９）
実施例１と同様に、ただし、それぞれ表１に示される鉄含有量、メカニカルアロイング（ＭＡ）時間、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）圧力および時間となるように条件を変えて、他の条件は変えずに、実施例２〜４及び比較例１〜９のアルミニウム焼結合金を得た。
【００２５】
【表１】
2020063489.tif 000002
【００２６】
＜評価＞
実施例１〜４及び比較例１〜９により得られたアルミニウム焼結合金の３００℃における耐力および室温破断伸びを測定したところ、表１に示される結果を得た。３００℃における耐力は、３００℃に保持された炉内において圧縮試験を行い、応力−歪曲線を測定し、０．２％耐力を測定した。また、室温破断伸びは、室温において引張試験を行い、試料が破断するまでの伸び（％）を測定した。
【００２７】
表１に示されるように鉄５〜１５％を含み、メカニカルアロイング（ＭＡ）を１５時間超〜６０時間の範囲内、プラズマ放電焼結を２０〜５０分の範囲内で行って製造した実施例１〜４の焼結アルミニウム合金は、３００℃における耐力が２００ＭＰａ以上であり、室温における伸びが４％以上有しているのに対し、鉄５〜２０％を含み、メカニカルアロイング（ＭＡ）及びプラズマ放電焼結を上記範囲外で行って製造した比較例１〜９の焼結アルミニウム合金は、３００℃における耐力が２００ＭＰａ未満であり、室温における伸びが４％未満しか有していないことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上のように、本発明によれば、住宅等の主要な建築構造用材料として高温強度および室温における延性を有するアルミニウム焼結合金およびその製造方法を提供することができ、産業上の利用可能性が高い。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されず、特許請求の範囲内において種々の変更、改良を行うことができる。
【図１】
2020063489.tif 000003
【図２】
2020063489.tif 000004
【図３】
2020063489.tif 000005