(57)【要約】【課題】セラミックスなどの硬質粒子を含まずに高剛性とすることができ、製造工程が簡単で機械加工が容易なアルミニウム基合金を提供する。【解決手段】アルミニウムを主たる元素とし、下記一般式（１）で示されるアルミニウム基合金である（ただし、該一般式中のＸはＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＮｉおよびＭｏから１つ以上選択され、ＹはＺｒ、Ｙから１つ以上選択される。また、ａおよびｂは質量％である）。    Ａｌ−ａＸ−ｂＺ  （１）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムを主たる元素とするアルミニウム基合金において、下記一般式（１）で示されることを特徴とするアルミニウム基合金（ただし、該一般式中のＸはＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＮｉおよびＭｏから１つ以上選択され、ＹはＺｒ、Ｙから１つ以上選択される。また、ａおよびｂは質量％である）。
Ａｌ−ａＸ−ｂＺ  （１）
【請求項２】
前記一般式のａおよびｂは、３．０≦（ａ＋ｂ）≦１１．５の関係を満足する正数であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム基合金。
【請求項３】
前記一般式のｂは、０．５≦ｂ≦３の関係を満足する正数であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム基合金。
【請求項４】
前記一般式のａは、１．５≦ａ≦８．５の関係を満足する正数であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム基合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特別な添加元素をアルミニウム母相に固溶させることによって高いヤング率を有するアルミニウム基合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両や航空機などの軽量化の要請が強まるに伴い、アルミニウム合金の適用が広がってきたが、従来の鉄系材料からアルミニウム材へ材料を置換するに際しては、ヤング率の低下による剛性低下が大きな課題となっている。このような課題に対処するために、従来、アルミニウムとセラミックスとの複合効果による剛性向上が図られてきた（例えば、特許文献１〜４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４８２５７７６号
【特許文献２】特許第４１１９３５７号
【特許文献３】特許第４１１９３４８号
【特許文献４】特許第３３９１６３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、セラミックスの強化材などを含んだ複合材は、製造工程が複雑なため製造コストが割高になるという課題がある。また、硬質粒子を含むため、機械加工などが困難になるという課題がある。したがって、本発明は、セラミックスなどの硬質粒子を含まずに高剛性とすることができ、製造工程が簡単で機械加工が容易なアルミニウム基合金を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者等は、アルミニウム基合金のヤング率を高めるにあたり鋭意研究を重ねたところ、Ａｌよりも原子半径が小さい元素の添加および微細な晶出相の形成を可能とする元素の添加により、高剛性化が可能であることを見出した。すなわち、Ａｌよりも原子半径が小さい元素の添加により電子密度が向上し、また、微細な結晶の晶出と相まって原子間距離（格子間距離）が近接化することで結合エネルギーを上昇させることができ、高剛性化が可能となる。
【０００６】
ここで、本発明者等は、周期律表の第一周期から第五周期までの元素の原子半径を調査した。また、以下のようにしてそれら元素によるヤング率の増加率を求めた。
【０００７】
まず、Ａｌに２５ａｔ％の添加元素を含有させた場合のアルミニウム基合金のヤング率を、周期律表の第一周期から第五周期までの元素について計算した。計算に用いた理論式は下記［数１］の式であり、式中Ｅはヤング率、ｒは結晶格子（面心立方格子）における原子間距離、Ａ、ｎ、ｍは元素に依存する定数である。そして、下記数式を用いて解析ソフト（ＣＡＳＴＥＰ、スーパーセルモデル）によりヤング率を計算した。なお、解析ソフトの設定は、一般化密度勾配近似、エナジーカットオフを３５０ｅＶ、Ｋポイントセットを６×６×６とした。
【０００８】
【数１】
2018131646.tif 000002
【０００９】
次に、算出した各アルミニウム基合金のヤング率と純アルミニウムのヤング率とを比較し、各アルミニウム基合金の添加元素の添加量を１ｗｔ％に換算して、各元素によるヤング率の増加率すなわち剛性向上効果（％）を求めた。
【００１０】
このようにしてヤング率の増加率を求めた各元素の中から、高コスト化や溶融困難が懸念される元素を除いて、添加によるヤング率すなわち剛性の向上効果が期待でき、かつ、原子半径がＡｌよりも小さいか、もしくは近い元素として、表１に挙げる６種の元素「Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ」を選定した。表１での「原子半径比率」は、Ａｌの原子半径に対する当該元素の原子半径の比率である）。
【００１１】
【表１】
2018131646.tif 000003
【００１２】
一方、アルミニウム基合金に添加することで微細な晶出相の形成を可能とする元素としては、図１に示すように、ＴＴＴ（Time-Temperature-Transformation）線図において、晶出相が描くＣ状のＴＴＴ線が冷却速度線よりも右側に位置するものが、結晶の微細組織化が可能である点から好適である。なお、この場合のＴＴＴ線は、下記［数２］の式で求められるものである。
【００１３】
【数２】
2018131646.tif 000004
【００１４】
そのように晶出相が冷却速度線よりも右側に位置する元素としては、過冷却液体域安定化元素が好適であり、本発明ではＺｒとＹの２種を選定した。なお、これらＺｒとＹの剛性向上効果（％）と原子半径比率を、表１に併記する。
【００１５】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、アルミニウムを主たる元素とするアルミニウム基合金において、下記一般式（１）で示されることを特徴とする（ただし、該一般式中のＸはＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＮｉおよびＭｏから１つ以上選択され、ＹはＺｒ、Ｙから１つ以上選択される。また、ａおよびｂは質量％である）。
Ａｌ−ａＸ−ｂＺ  （１）
【００１６】
上記式（１）においてＸは遷移金属群であり、Ｚは微細化元素群である。本発明のアルミニウム基合金は、添加が必須とされる元素はなく、かつ、ＸおよびＺの元素として上記元素からそれぞれ１種以上含まれていればよい。
【００１７】
本発明は、量産鋳造の冷却速度を考慮すると、前記一般式のａおよびｂが以下の関係であることを望ましいものとする。
・（ａ＋ｂ）が、３．０≦（ａ＋ｂ）≦１１．５の関係を満足する正数。
・ｂが、０．５≦ｂ≦３の関係を満足する正数。
・ａが、１．５≦ａ≦８．５の関係を満足する正数。
【００１８】
個々の添加元素の最大添加量については量産鋳造の冷却速度の観点からそれぞれ適量があり、本発明者等によるシミュレーションによれば、以下の表２に示す量が有効な最大添加量とされ、これらの添加量を超えて添加すると、機械特性が著しく低下することがある。
【００１９】
【表２】
2018131646.tif 000005
【００２０】
本発明は上記条件をもとに、６種の遷移金属群Ｘ（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ）から選択した少なくとも１種の元素と、２種の微細化元素群Ｚ（Ｚｒ、Ｙ）から選択した少なくとも１種の元素をペアとし、必要な剛性がクリアされるように添加元素を組み合わせて材料設計がなされる。
【００２１】
なお、本発明では、鋳造性を確保する上でＳｉを添加することが好ましい。また、強度確保のために、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ等を適宜添加することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、添加元素の固溶および微細晶出相の形成効果によってヤング率が向上し、高剛性のアルミニウム基合金を提供することができる。したがって本発明によれば、高剛性化により、例えば、ブレーキキャリパ等のように剛性が支配する部品の肉厚低減に伴う軽量化が可能であり、また、肉厚低減により、コンパクトな形状設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】微小組織が晶出する領域を示す晶出相のＴＴＴ線図である。
【図２】実施例で用いたヤング率の測定装置を示す斜視図である。
【実施例】
【００２４】
以下、具体的な実施例により本発明を詳細に説明する。
表３の実施例１〜７に示す組成を有するアルミニウム基合金を鋳造して放冷、凝固させ、幅１０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの矩形状の試料を、展伸材と鋳造材に分けて作製した。実施例１〜４が展伸材、実施例５〜７が鋳造材である。そしてそれら試料につき、共振法によりヤング率を複数回測定した。
【００２５】
【表３】
2018131646.tif 000006
【００２６】
図２は、実施例で用いたヤング率の測定装置（日本テクノプラス製ＪＥ−ＲＴ）を示している。この測定装置では、試料ＴＰを２本の吊り線１で保持し、駆動極２で試料ＴＰとの間の空間にコンデンサを構成することで固有振動を発生させ、それを非接触の振動センサ３で検出してヤング率を測定する。この測定方法はＪＩＳ  Ｚ  ２２８０に準拠するものである。
【００２７】
図２に示した測定装置による各実施例での最大測定値を、測定ヤング率として表３に併記する。また、表３には、計算ヤング率も併記した。展伸材と鋳造材の計算ヤング率は、下記式で求められる。
計算ヤング率Σ(展伸材)＝{Al以外の添加元素量(wt％)×剛性向上効果(％)＋68.8(展伸材Alのヤング率)}
計算ヤング率Σ(鋳造材)＝{Al以外の添加元素量(wt％)×剛性向上効果(％)＋72.9(鋳造材Alのヤング率)}
【００２８】
実施例１〜４は展伸材の計算ヤング率、実施例５〜７は鋳造材の計算ヤング率をそれぞれ計算している。鋳造材は鋳造性を改善するためにＳｉを添加しており、ＳｉやＭｇが存在するため、展伸材よりもヤング率はやや高い傾向にある。
【００２９】
例えば、実施例２のアルミニウム基合金の計算ヤング率は、
{1(Fe:添加wt％)×2.058(Fe:剛性向上効果％)＋1(Co:添加wt％)×1.927(Co:剛性向上効果％)＋2.4(Ni:添加wt％)×1.372(Ni:剛性向上効果％)＋1.6(Mo:添加wt％)×2.202(Mo:剛性向上効果％)＋1.5(Zr:添加wt％)×0.989(Zr:剛性向上効果％)＋68.8(Alの測定ヤング率)}＝81.0845 (GPa)と計算される。
【００３０】
表３に示すように、実施例１〜７では、純アルミニウムからなる基準材よりもヤング率が高く、剛性向上効果に寄与する元素の添加量が多いとヤング率もそれにしたがって高くなる傾向があり、剛性の向上効果が認められた。また、計算ヤング率は実測値と概ね近似しており（Ｒ２＝０．９９）、本発明の添加元素を選定したことの正当性が確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、高剛性化により、剛性が求められる自動車部品などに利用可能である。
【図１】
2018131646.tif 000007
【図２】
2018131646.tif 000008