(57)【要約】【課題】従来の積層成形体よりも高強度のアルミニウム合金積層成形体及びその製造方法を提供すること。【解決手段】不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、総重量が０．３〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体及びその製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、総重量が０．３〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、
Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体。
【請求項２】
前記アルミニウム合金が、１〜２０重量％のＳｉ、０．２〜７．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含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積層成形体。
【請求項３】
前記アルミニウム合金が、４〜１５重量％のＳｉ、０．２〜１．０重量％のＭｇを含有し、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．３〜２．５重量％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項４】
前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉを含有し、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．５〜５．０重量％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項５】
前記アルミニウム合金が、１〜３重量％のＳｉ、４．０〜６．０重量％のＭｇを含有し、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．５〜２．５重量％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項６】
前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶのいずれか１種以上の元素を更に含有すること特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項７】
室温での引張強さが３２０ＭＰａを超えることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項８】
０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、総重量が１．５重量％を超え、１０重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、
Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体。
【請求項９】
１重量％を超え、１０重量％以下となるＦｅと、総重量が１．５重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、
Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１０】
前記アルミニウム合金が、４〜３０重量％のＳｉ、０．５〜５．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項８又は９に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１１】
前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇを含有し、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．８〜５．０重量％であることを特徴とする請求項８に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１２】
前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇを含有し、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．０〜５．０重量％であ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積層成形体。
【請求項１３】
前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶのいずれか１種以上の元素を更に含有すること特徴とする請求項８乃至１２いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１４】
３００℃での引張強さが１００ＭＰａを超えることを特徴とする請求項８乃至１３いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１５】
不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、総重量が０．３〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項１６】
前記原料金属の積層は、前記原料金属が載置される下部プレートの計測温度を１５０〜２５０℃に管理して行われ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積層成形体の製造方法。
【請求項１７】
前記アルミニウム合金が、１〜２０重量％のＳｉ、０．２〜７．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項１５又は１６に記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項１８】
前記Ｓｉが４〜１５重量％、前記Ｍｇが０．２〜１．０重量％であり、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．３〜２．５重量％であることを特徴とする請求項１７記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項１９】
前記Ｓｉが８〜２０重量％、前記Ｍｇが０．５〜２．０重量％、前記Ｃｕが０．５〜５重量％、前記Ｎｉが０．５〜３重量％であり、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．５〜５．０重量％であることを特徴とする請求項１７記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２０】
前記Ｓｉが１〜３重量％、前記Ｍｇが４．０〜６．０重量％であり、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．５〜２．５重量％であることを特徴とする請求項１７記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２１】
０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、総重量が１．５重量％を超え、１０重量％以下となるＭｎ及びＣｒのいずれか１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２２】
１重量％を超え、１０重量％以下となるＦｅと、総重量が１．５重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２３】
前記原料金属の積層は、前記原料金属が載置される下部プレートの計測温度を１５０〜３００℃に管理して行われることを特徴とする請求項２１又は２２に記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２４】
総重量が２〜１０重量％であるＦｅ、Ｍｎ、及びＣｒを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備し、前記積層時の下部プレートの計測温度が２５０℃を超え、４５０℃以下に管理されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２５】
前記アルミニウム合金が、４〜３０重量％のＳｉ、０．５〜５．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項２１乃至２４いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２６】
前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶのいずれか１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項１５乃至２５いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度アルミニウム合金積層成形体及びその製造方法に関するものである。また、本発明は、複雑な成形体の積層時において、積層成形体の内部及び外部に発生する歪み、割れを抑制した高強度アルミニウム合金積層成形体及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、室温高強度合金、高温高強度合金、高延性合金などについて、様々な研究が種々行われてきている。これらの合金から高品質の金属製品を製造する方法として、一般に、押出し、鍛造という加工法が知られている。これらの加工法は、一旦鋳造された素材を加工するものであり、このため、最終製品の内部に欠陥がほとんどなく、品質の高い強度を有する金属製品を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、アトマイズ法により急冷凝固させて形成した金属粉末を、封管・脱気処理し、押出しなどにより成型する方法が知られている。この方法によると、従来の鋳造では製造できなかった組成の合金を用いることができるので、高強度の製品を製造することが可能である。この方法は、特にアルミニウム合金においては多く検討されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、金属粉末を準備し、その後焼結して最終製品形状に近いものを作る粉末冶金法が知られている。この方法は、従来、鋳造法では製造できなかった組成の合金を使用できるので、高機能、高強度の素材を得ることが期待できる（例えば、特許文献３参照）。
更に、異なる金属粉末を準備し、メカニカルアロイ法により回転させて新規合金の素材を作る粉末冶金法が知られている。同法は、従来、鋳造法では使用できなかった組成の合金を使用することができるので、高機能、高強度の製品を製造することが期待できる（例えば、特許文献４参照）。
【０００５】
また、アルミ溶湯を鋳造する方法として、空気巻き込みのない真空ダイカスト法が知られている。真空に維持された型内に１０ｍ／ｓを超える速度で溶湯を注ぎこむため、凝固区間速度は１００ｍ／ｓと速く、微細な組織、金属間化合物を有し、欠陥の殆ど無い製品を得ることが出来る（例えば、特許文献５参照）。
更にまた、アルミ溶湯を鋳造する方法として、空気巻き込みのないように低速で型内溶湯を充填するスクイズ鋳造法が知られている。この方法によると、ゲート速度が０．５ｍ／ｓ以下の低速充填のため空気巻き込みはなく、しかも１００ＭＰａという高圧で加圧するため、微細な組織で、欠陥の殆ど無い金属製品を得ることが出来る（例えば、特許文献６参照）。
【０００６】
また、金属粉末を一層ずつ敷き詰め、これにレーザーあるいは電子ビームなどを照射して、特定の部位のみを溶解・固化して積層し、最終製品を型なしで成形する金属積層工法が知られており、この工法を用いて成形されたアルミニウム成形体は、従来工法で得た成形体よりも高強度を示すことで知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２３２０５３公報
【特許文献２】特開平５−２５５０２公報
【特許文献３】特開１０−３１７００８公報
【特許文献４】特開平５−９６４１公報
【特許文献５】特開２００２−２０６１３３公報
【特許文献６】特開平５−１７１３２７公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】安達ほか：軽金属，６６（２０１６），３６０−３６７
【非特許文献２】草場ほか：日本金属学会秋期大会（２０１６），３６３
【非特許文献３】渋江：軽金属，３９（１９８９），８５０−８６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した特許文献に開示された従来の金属成形体の製造法によれば、最終製品を得る上で幾つかの問題がある。
特許文献１に開示された金属成形体の製造法によると、立体的に複雑で微細な最終製品を製作することは困難であるため、対象製品の形状は、平滑な製品に限定されるという問題がある。
【００１０】
特許文献２に開示された金属成形体の製造法によると、出発原料に急冷凝固粉末を使用しているため、従来鋳造法とは全く異なる合金組成の製品の製造が可能である。しかし、押出し成形前に粉末表面の水分及び結晶水の除去を行う必要があるので、２００℃以上で脱気したり、押し出し時に４００℃以上に保持しなければならず、元の金属粉末の特性を失うことになり、粉末の特性を必ずしも維持できないという問題がある。また、押出し方向とそれと垂直の方向とでは機械特性が異なるという問題もある。
【００１１】
特許文献３に開示された金属成形体の製造法によると、焼結により新たな特性の成形体を得ることができるが、急速凝固組織ではなく、また最終製品を作るために多くの工程を要するという問題がある。
特許文献４に開示された従来製造法によると、異なる金属粉末から新たな新合金の製造も可能であるが、そのためのメカニカルアロイによる方法では、新規な合金創生のためには時間がかかり、煩雑であるという問題がある。
【００１２】
特許文献５に開示された金属成形体の製造法によれば、真空中で成形し、１００ＭＰａ程度の圧力で加圧するため、大型かつ高品質の薄物鋳物ができる。しかし、高速で射出するので、鉄分の多量添加の代わりに金型とアルミ溶湯との焼き付き防止のために遷移金属としてＭｎを添加しなければならないという制約があり、また、鋳造製品であるために合金組成によっては鋳造割れを引き起こすこともあり、合金組成が制約されるという問題がある。
【００１３】
特許文献６に開示された金属成形体の製造法は、アルミホイールなどの重要保安部品の成形に使用されている鋳物製造方法であるが、高圧鋳造であることから、成分偏析を生じ易く、これに対する対策が必要となる。
非特許文献１に開示されたアルミニウム合金の積層成形体は、鋳造欠陥が少なく、急冷凝固組織を有するために、高強度を得る方法ではあるが、積層時の成形条件は明確にされておらず、また、更に高強度を得る対策が求められている。
【００１４】
非特許文献２には、積層工法で作成された成形体は歪みが発生するため、通常、積層基盤を２００℃近くに予熱することが通常であることが、Ａｌ−１０％Ｓｉ−Ｍｇ系合金に関して報告されている。また、予熱温度を上げることで、硬さが低下すること、とりわけ積層時間が長い基盤近くが熱影響を受けて軟化しやすいことが報告されている。そのために、歪みを抑えつつ、硬さを低下することのないようにするためには、積層時の成形温度を素材が軟化する過時効直前の温度までなるべく上げることが有効であると考えられる。ただし、硬さや引張強さを低下させることなく歪みを抑えるのは製品形状によっては難しい場合がある。
【００１５】
また、現在まで特許文献、非特許文献による報告はないが、本発明者らは、各種アルミニウム合金の積層成形の結果によって、各種の変形や割れが発生することを見出した。
すなわち、積層時の歪みにより、（１）積層材の変形、（２）積層材の粒界割れ、（３）基盤と積層材の間のサポートの割れ、（４）積層材各所（積層方向、積層直角方向）の割れ、の発生である。
【００１６】
（１）の変形は、上記のＡｌ−１０％Ｓｉ−Ｍｇ系合金において発生しやすい。積層温度が例えば１００℃以下と低いと、積層する製品形状によっては変形しやすくなり、製品にならないことがある。積層温度が２００℃付近と高いと、製品形状の変形は小さいが、過時効により軟化して、また、基盤に近い長時間熱影響を受けるところにおいては、高い引張強さを得ることが難しい。
図１は、従来の積層成形体の変形を示す写真図である。
【００１７】
（２）の粒界割れは、従来の鋳造法でも割れやすい合金、たとえば６０６１のような低Ｓｉ合金や７０７５のような凝固温度範囲が広い合金において発生する。この種の合金は、連続鋳造法により得られたビレットを押出し又は圧延して高い強度が得られる合金である。前者は約２７５ＭＰａという高い耐力を有し、また、後者は約４００ＭＰａの耐力と５００ＭＰａの引張強さを示す。
これらの合金は、積層温度を２００℃近くにすることで積層製品の歪みを抑制できるが、積層材内部には粒界割れが依然発生し、製品にならない。このため、本来得られる強度が得られない。
また、主要添加元素としてＭｇを含む合金、例えばＡｌ−５％Ｍｇ系の合金のＡＣ７Ａや前述の７０７５では、積層製品の形状によっては、製品の角部に鋳造割れを引き起こす場合もある。
【００１８】
また、積層時の温度を２５０℃以上にすることで、割れの低減につながるが、すでに合金中に含まれる析出硬化に寄与する析出物、たとえば、Ｍｇ、Ｓｉの化合物や、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ａｌの２つ以上の元素の化合物は積層終了時において粗大化しており、析出硬化に寄与するものではない。このため、強度を得ようとすれば、溶体化処理、焼き入れ、焼き戻し処理が必要となり、これらの処理をすると複雑な製品の場合には製品の変形につながりかねない。このため、積層したままの状態で高強度が得られ、しかも割れがないものが求められる。
図２は、従来の積層成形体の粒界割れを示す写真図である。
【００１９】
（３）及び（４）の割れは、耐熱合金の場合に発生しやすい。耐熱強度を上げるために、遷移金属を多量に添加することは知られている（非特許文献３参照）。しかし、同文献に記載されている粉末を固化成形する方法と異なり、金属積層法は粉末を完全溶融する方法であり、積層成形中は急速溶解と急速凝固を繰り返すものであるため、２００℃以下の温度において、例えば、アルミニウムにＦｅを７％以上添加するか、又はアルミニウムにＭｎを２％、Ｆｅを３％添加することで、積層成形品の表面、内部に大きな割れが発生しやすい。このため、引張試験片を採取することができず、強度評価をすることが出来ない。
図３は、従来の積層成形体の割れを示す写真図である。
【００２０】
本発明は、以上のような事情の下になされ、従来の積層成形体よりも高強度のアルミニウム合金積層成形体を提供することを目的とする。
また、本発明は、従来の積層成形体よりも高強度のアルミニウム合金積層成形体を製造する方法を提供することを目的とする。
更に、本発明は、積層時において、積層成形体の内部、外部に割れが発生することなく、変形も小さい、従来の積層成形体よりも高強度のアルミニウム合金積層成形体を製造する方法を提供することを目的とする。
【００２１】
具体的には、鋳造時の凝固特性の制約が小さく、また急冷凝固組織であるために、従来考えられない合金成分まで適用の範囲が広がったアルミニウム合金積層成形体の特性を最大限に生かし、以下のことを目的とする。
（１）過時効になりにくい積層時の温度が高くない状態で成形できるとしても、積層時間が長く熱影響を受けやすくなる場合、あるいは、変形を極端に抑えてなお高い寸法精度が要求され高温積層が必要となった場合、過時効になり軟化しやすい。
そのような状態であったとしても、積層成形体が軟化しない合金成分、あるいは、微細な多数の金属間化合物によりアルミマトリックスを硬化する合金組成とし、これにより、積層成形体の使用目的に応じて、室温や高温においても高い硬さ、引張強さを有する金属積層成形体を製造する方法を提供すること。
【００２２】
（２）積層材の割れや変形を抑制するために、積層成形体の使用目的に応じて、合金組成を限定し、積層時の成形温度を所定の温度範囲に限定する金属積層成形体を製造する方法を提供すること。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
以上の課題を解決するため、本発明の第１の態様は、不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、総重量が０．３〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体を提供する。
【００２４】
あるいは、本発明の第１の態様は、不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、０．３〜１０重量％のＭｎを含有するアルミニウム合金からなる原料金属粉末を積層工法により成形してなり、Ａｌ、Ｍｎ及びＦｅの２種以上を含む金属間化合物が形成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体を提供する。
【００２５】
本発明の第１の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、１〜２０重量％のＳｉ、０．２〜７．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含有することができる。
【００２６】
また、本発明の第１の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、４〜１５重量％のＳｉ、０．２〜１．０重量％のＭｇを含有し、Ｍｎ及びＣｒの総重量を０．３〜２．５重量％とすることができる。
【００２７】
また、本発明の第１の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉを含有し、Ｍｎ及びＣｒの総重量を１．５〜５．０重量％とすることができる。
【００２８】
また、本発明の第１の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、１〜３重量％のＳｉ、４．０〜６．０重量％のＭｇを含有し、Ｍｎ及びＣｒの総重量を０．５〜２．５重量％とすることができる。
【００２９】
本発明の第２の態様は、０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、総重量が１．５重量％を超え、１０重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体を提供する。
【００３０】
あるいは、本発明の第２の態様は、０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、１．５重量％を超え、１０重量％以下のＭｎを含有するアルミニウム合金からなる原料金属粉末を積層工法により成形してなり、Ａｌ、Ｍｎ及びＦｅの２種以上を含む金属間化合物が形成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体を提供する。
【００３１】
また、本発明の第３の態様は、１重量％を超え、１０重量％以下となるＦｅと、総重量が１．５重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体を提供する。
【００３２】
あるいは、本発明の第３の態様は、１重量％を超え、１０重量％以下のＦｅと、１．５重量％以下のＭｎを含有するアルミニウム合金からなる原料金属粉末を積層工法により成形してなり、Ａｌ、Ｍｎ及びＦｅの２種以上を含む金属間化合物が形成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体を提供する。
【００３３】
これら本発明の第２及び第３の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、４〜３０重量％のＳｉ、０．５〜５．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含有することができる。
【００３４】
本発明の第２の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇを含有し、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの総重量を１．８〜５．０重量％とすることができる。
【００３５】
本発明の第３の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇを含有し、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの総重量を１．０〜５．０重量％とすることができる。
【００３６】
また、これら発明の第１、第２及び第３の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶのいずれか１種以上の元素を更に含有することができる。
【００３７】
本発明の第４の態様は、不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、総重量が０．３〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法を提供する。
【００３８】
あるいは、本発明の第４の態様は、不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、０．３〜１０重量％のＭｎを含有するアルミニウム合金からなる原料金属粉末を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法を提供する。
【００３９】
本発明の第４の態様に係るアルミニウム合金積層成形体の製造方法において、
前記原料金属の積層を、前記原料金属が載置される下部プレートの計測温度を１５０〜２５０℃に管理して行うことができる。
【００４０】
また、前記アルミニウム合金は、１〜２０重量％のＳｉ、０．２〜７．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含有することができる。
【００４１】
また、本発明の第４の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、４〜１５重量％のＳｉ、０．２〜１．０重量％のＭｇを含有し、Ｍｎ及びＣｒの総重量を０．３〜２．５重量％とすることができる。
【００４２】
また、本発明の第４の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉを含有し、Ｍｎ及びＣｒの総重量を１．５〜５．０重量％とすることができる。
【００４３】
また、本発明の第４の態様に係るアルミニウム合金積層成形体において、前記アルミニウム合金が、１〜３重量％のＳｉ、４．０〜６．０重量％のＭｇを含有し、Ｍｎ及びＣｒの総重量を０．５〜２．５重量％とすることができる。
【００４４】
本発明の第５の態様は、０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、総重量が１．５〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法を提供する。
【００４５】
あるいは、本発明の第５の態様は、０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、１．５重量％を超え、１０重量％以下のＭｎを含有するアルミニウム合金からなる原料金属粉末を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法を提供する。
【００４６】
また、本発明の第６の態様は、１重量％を超え、１０重量％以下となるＦｅと、総重量が１．５重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法を提供する。
【００４７】
あるいは、本発明の第６の態様は、１重量％を超え、１０重量％以下のＦｅと、１．５重量％以下のＭｎを含有するアルミニウム合金からなる原料金属粉末を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法を提供する。
【００４８】
これらの本発明の第５及び第６の態様に係るアルミニウム合金積層成形体の製造方法において、前記原料金属の積層を、前記原料金属が載置される下部プレートの計測温度を１５０〜３００℃に管理して行うことができる。
【００４９】
本発明の第７の態様は、総重量が２〜１０重量％であるＦｅ、Ｍｎ及びＣｒを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備し、前記積層時の下部プレートの計測温度が２５０℃を超え、４５０℃以下に管理されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法を提供する。
【００５０】
あるいは、本発明の第７の態様は、合計含有量が２〜１０重量％であるＦｅ及びＭｎを含有するアルミニウム合金からなる原料金属粉末を積層工法により成形する工程を具備し、前記積層時の下部プレートの計測温度が２５０℃を超え、４５０℃以下に管理されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法を提供する。
【００５１】
以上の本発明の第５〜第７の態様に係るアルミニウム合金積層成形体の製造方法において、前記アルミニウム合金が、４〜３０重量％のＳｉ、０．５〜５．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含有することができる。
【００５２】
また、以上の発明の第４〜第７の態様に係るアルミニウム合金積層成形体の製造方法において、前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶのいずれか１種以上の元素を更に含有することができる。
【００５３】
本発明の第８の態様は、本発明の第１の態様に係る積層成形体であって、室温での引張強さが３２０ＭＰａを超えることを特徴とする記載のアルミニウム合金積層成形体を提供する。
【００５４】
本発明の第９の態様は、本発明の第２、第３の態様に係る積層成形体であって、３００℃での引張強さが１００ＭＰａを超えることを特徴とする記載のアルミニウム合金積層成形体を提供する。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、積層成形体の内部、外部に割れが発生することなく、あわせて変形も小さい高強度のアルミニウム合金積層成形品及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】従来の積層成形体の変形を示す写真図である。
【図２】従来の積層成形体の粒界割れを示す写真図である。
【図３】従来の積層成形体の割れを示す写真図である。
【図４】実施例４９及び３３に係る積層成形体の組織を示す写真図である。
【図５】実施例２５及び１８に係る積層成形体の組織を示す写真図である。
【図６】実施例２６及び２３に係る積層成形体の組織を示す写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
以下、本発明の種々の実施形態について、詳細に説明する。本発明のアルミニウム合金積層成形体は、合金材料を積層する積層工法により成形してなる成形体である。積層工法は、原料金属を堆積することで最終製品を型なしで成形する方法であり、例えば、粉末床溶融結合（ｐｏｗｄｅｒ  ｂｅｔ  ｆｕｓｉｏｎ）方式や、デポジット方式（指向性エネルギー堆積法：ｄｉｒｅｃｔ  ｅｎｅｒｇｙ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などが挙げられる。本発明のアルミニウム合金積層成形体は、粉末床溶融結合方式による積層成形体、及びデポジット方式による積層成形体のいずれも含まれる。
【００５８】
粉末床溶融結合式は、原料金属粉末を一層ずつ敷き詰め、これにレーザーや電子ビームなどを照射して、特定の部位のみを溶解・固化して積層する方法である。
【００５９】
デポジット方式は、積層したい所望の箇所に原料金属粉末を直接噴射して、該金属粉末を溶融しながら積層する方法である。また、デポジット方式としては、粉末の代わりに原料金属からなる合金ワイヤーを用いて、該合金ワイヤーにレーザーや電子ビームなどを照射して溶融させながら堆積する方式（ワイヤー繰り出し式）も含まれる。
【００６０】
本発明の第１の実施形態に係るアルミニウム合金積層成形体は、不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、総重量が０．３〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されている。
【００６１】
Ｍｎ及びＣｒは、低温雰囲気での引張強さ（常温強度）及び高温雰囲気での引張強さ（高温強度）の向上のために有効な元素である。Ｍｎ及びＣｒの総含有量が１０重量％を超えると、延性の低下が大きくなるため、１０重量％以下とする。ただし、延性を特に高くする場合には、好ましくはＭｎ及びＣｒの総含有量を５重量％以下、より好ましくは２．５重量％以下とする。
【００６２】
Ｆｅ含有量が０．３重量％以下と低いので、総重量が０．３〜１０重量％のＭｎ及びＣｒは、積層工程中において高含有量のＦｅとの金属間化合物を生成する量が抑制され、Ｍｎ及びＣｒの一部は、金属積層時に一旦過飽和に固溶した後、積層時の熱によりその多くはアルミニウムと化合物を形成して、析出硬化に寄与し、また、Ｍｎ及びＣｒの他の一部は、積層時の瞬間的な溶解・凝固によりたとえばアルミニウムとの微細晶出物を形成して分散強化に寄与する。
【００６３】
Ｍｎ及びＣｒの１種以上とＡｌの化合物からなる析出物による効果は、Ｍｎ含有量が０．３〜１．５重量％の場合には、積層中の下部プレートの計測温度（以下、積層時成形温度と記す）が１５０℃〜２５０℃の範囲であれば、積層成形による歪みを抑えつつ、高い常温強度を示す。歪みをさらに抑えつつ、高い常温強度を示すためには、１８０℃〜２５０℃がさらに好ましい。
具体的には、第１の実施形態において、積層時成形温度を１５０〜２５０℃として積層された積層成形体は、積層工程後に熱処理（Ｔ６処理）なしで評価した室温での引張強さが３２０ＭＰａを超えることが好ましく、３３０ＭＰａを超えることがより好ましく、３５０ＭＰａを超えることがさらに好ましい。
【００６４】
一方、Ｍｎ、Ｃｒの総含有量が１．５重量％を超える場合、特に３重量％を超える場合には、積層時成形温度が１５０℃〜４００℃の範囲であっても、積層直後の素材は過時効により大きく軟化しないため、高い硬さを示す。即ち、常温強度はもちろん、３００℃の高温強度においても、Ｍｎ、Ｃｒによる効果は維持される。このことは、Ｍｎ、Ｃｒによる析出硬化が４００℃まで維持されることにより説明することができる。なお、歪みや、割れを抑制するためには、積層時成形温度が１８０℃〜４００℃であることがより好ましく、２００℃〜４００℃であることがさらに好ましい。
【００６５】
以上の実施形態において、前記アルミニウム合金が、１〜２０重量％のＳｉ、０．２〜７．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含有することができる。
【００６６】
また、第１の実施形態において、前記アルミニウム合金が、４〜１５重量％のＳｉ、０．２〜１．０重量％のＭｇを含有し、Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．３〜２．５％に限定して含有することができる。
【００６７】
また、第１の実施形態において、前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉを含有し、Ｍｎ及びＣｒの総重量を１．５〜５．０重量％とすることができる。
【００６８】
また、第１の実施形態において、前記アルミニウム合金が、１〜３重量％のＳｉ、４．０〜６．０重量％のＭｇを含有し、Ｍｎ及びＣｒの総重量を０．５〜２．５重量％とすることができる。
【００６９】
本発明の第２の実施形態に係るアルミニウム合金積層成形体は、０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、総重量が１．５〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されている。
【００７０】
本発明の第３の実施形態に係るアルミニウム合金積層成形体は、１重量％を超え、１０重量％以下となるＦｅと、総重量が１．５重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されている。
【００７１】
これらの実施形態においては、Ｆｅ含有量が０．３重量％を超えており、所定のＦｅ含有量、Ｍｎ含有量及びＣｒ含有量の組み合わせのアルミニウム合金からなる原料金属を積層成形することで、ＦｅとＡｌの化合物、ＣｒとＡｌの化合物や、ＦｅとＭｎの化合物、ＦｅとＣｒの化合物などが多く形成されるため、３００℃付近の高温において、高い高温強度が得られる。
具体的には、第２及び第３の実施形態において、積層時成形温度を１５０〜３００℃として積層された積層成形体は、積層工程後に熱処理（Ｔ６処理）なしで評価した高温（３００℃）での引張強さが１００ＭＰａを超えることが好ましく、１２０ＭＰａを超えることがより好ましく、１４０ＭＰａを超えることがさらに好ましい。
また、第２及び第３の実施形態において、積層時成形温度を１５０〜３００℃として積層された積層成形体は、熱処理（Ｔ６処理）を行った後に評価した高温（３００℃）での引張強さが８０ＭＰａを超えることが好ましく、８５ＭＰａを超えることがより好ましく、９０ＭＰａを超えることがさらに好ましい。
【００７２】
しかし、Ｆｅ、Ｃｒ及びＭｎの含有量が多すぎると、積層成形体が割れやすくなる。また、化合物が粗大になる。そのため、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの含有量を上述のように限定するとともに、以下に説明するように、歪みや割れを低減するために、常温高強度積層成形体を得る場合、高温高強度積層成形体を得る場合のいずれにおいても、積層時成形温度を選択することが好ましい。
【００７３】
なお、本発明の第２及び第３の実施形態において、前記アルミニウム合金が、４〜３０重量％のＳｉ、０．５〜５．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含有することができる。
【００７４】
また、本発明の第２の実施形態において、前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇを含有し、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの総重量を１．８〜５．０重量％とすることができる。
【００７５】
また、本発明の第３の実施形態において、前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇを含有し、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの総重量を１．０〜５．０重量％とすることができる。
【００７６】
また、本発明の第１、第２及び第３の実施形態において、前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶのいずれか１種以上の元素を更に含有することができる。
チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スカンジウム（Ｓｃ）、リチウム（Ｌｉ）は、Ｌ１２規則構造を有するアルミニウムとの非平衡の微細組織を形成する特徴がある。これらの元素を添加することで、無添加の場合と比較して、常温引張強さ、高温引張強さを増加させることができる。なお、これらの元素の添加量を上記の範囲を超える値とすることは、製造上難しいのと併せて、延性を低下させることになるため、好ましくない。
【００７７】
以下、積層時成形温度の選択と積層成形体の製造方法の種々の実施形態について説明する。
［常温高強度積層成形体を得る場合］
例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金は、複雑な形状の積層成形体においては、積層時成形温度が１５０℃未満であれば、熱影響を受ける時間が長くても軟化しにくく、積層後、熱処理（Ｔ６処理）を行う前の状態で（ａｓ  ｂｕｉｌｔ）高い引張強さを示すが、積層成形体は歪みやすい。
【００７８】
一方、積層時成形温度が１５０℃を超えると、特に１８０℃超えると、積層成形体の歪みは小さいが過時効になるため軟化しやすい。更に、積層時成形温度が２００℃を超えると、Ａｌ中に過飽和に固溶していると考えられるＳｉの量の減少と、また、Ｍｇ−Ｓｉ析出物の粗大化によりさらに軟化する。そのため、１８０℃を超える高温の積層時成形温度においても軟化しない常温高強度積層成形体を得るための製造方法が求められる。もちろん、積層成形体のままで高強度を示すわけだから、５００℃以上の溶体化処理、その後の焼き入れ・焼き戻しという熱処理をする必要はない。熱処理を行った積層成形体は、熱処理（Ｔ６処理）を行う前（ａｓ  ｂｕｉｌｔ）の積層成形体と比較しても、引張強さは低い。
【００７９】
＜Ｆｅが０．３重量％以下、Ｍｎ及びＣｒの総含有量が０．３〜１０重量％であって、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上を形成する場合＞
アルミニウム合金がＭｎ及びＣｒのいずれか１種以上を含有する場合、１８０℃を超える積層時成形温度においても、高い引張強さを示す。これは、積層時に一旦溶融凝固した積層成形体は、積層時の成形温度によってＭｎやＣｒとＡｌの化合物が析出し、１８０〜２５０℃の積層時成形温度でも過時効になりにくいため、軟化しないのである。
従って、上述したように、積層時成形温度が１５０〜２５０℃であれば、積層成形体は、歪みが小さくなるとともに、高い常温強度が示される。
【００８０】
［高温高強度積層成形体を得る場合］
Ｆｅ、Ｃｒ及びＭｎは、ともに２００℃を超える高温での引張強さの向上に寄与するものである。Ｆｅ、Ｃｒ及びＭｎの含有量に応じて、以下の積層時成形温度が採用される。また、積層成形体に対して、５００℃以上の溶体化処理後焼き入れ・焼き戻しという熱処理をすることもできるが、常温高強度積層成形体の場合と同様、極めて良好な引張特性が得られるという観点から、熱処理をせずに使用することが好ましい。
（１）積層成形体の歪み、割れ対策として、１５０〜２５０℃の積層時成形温度が選択される
＜１重量％を超え、１０重量％以下となるＦｅと、総重量が１．５重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有し、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上を形成する場合＞
【００８１】
Ｆｅの含有量を増加させることで、高温強度を上げることができる。しかし、Ｆｅの含有量が１０重量％を超える場合、積層成形体の内部に大きな熱応力が発生し、積層成形体（サポート含む）が割れやすい。また、Ｆｅの含有量が１０重量％を超える場合には、Ａｌとの化合物は粗大化し、とりわけＡｌとＦｅの化合物は粗大針状になり、延性の低下をもたらす。一方、Ｆｅの含有量が１重量％未満の場合には、高温強度の改善が小さい。このため、Ｆｅ含有量は１重量％を超え、１０重量％以下とする。ただし、高温強度をさらに上げるために、好ましくは２重量％以上がよい。また、高温強度を有し、しかも延性を特に高くする場合には、好ましくは２〜７重量％、より好ましくは２〜５重量％がよい。２〜５重量％であることで、積層成形体の割れを抑えるのに好適である。
【００８２】
なお、高温強度を保ちつつ延性を上げるために、Ｆｅ含有量を１〜７重量％の範囲に限定し、Ｍｎ含有量を０．１重量％以上とすることは、Ｆｅの化合物の形態を針状から塊状にすることができるので、有効である。しかし、Ｍｎ含有量が１．５重量％を超えると、Ｆｅのみを含有させるよりもかえって、割れの発生を助長する傾向がある。このため、Ｍｎの含有量は、０．１〜１．５重量％が好ましく、より好ましくは０．１〜０．５重量％の範囲とする。
【００８３】
＜０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、総重量が１．５〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有し、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上を形成する場合＞
Ｆｅを添加することで、ＭｎとＦｅの化合物が形成され、積層成形体の高温強度を上げることができる。しかし、Ｆｅの含有量が０．３重量％以下の場合、ＦｅとＭｎの金属間化合物の生成が少なく、高温強度が十分得られない。一方、Ｆｅの含有量が２重量％を超えると、高温強度は上がるものの、割れが発生しやすい。このため、Ｆｅ含有量を、０．３重量％を超え、２重量％以下とする。
【００８４】
一方、Ｍｎ、Ｃｒの総含有量は、積層成形体の高温強度を上げるために１．５重量％以上とする。しかし、１０重量％を超えると延性が低下するので、１．５〜１０重量％とする。また、高温強度を有するとともに、しかも特に高い延性の積層成形体を得るためには、Ｍｎ、Ｃｒの総含有量は、好ましくは１．５〜５重量％とする。
【００８５】
＜Ｆｅが０．３重量％以下、Ｍｎ及びＣｒの総含有量が０．３〜１０重量％であって、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上を形成する場合＞
Ｆｅの含有量を０．３重量％以下にすることで、ＭｎとＡｌの化合物やＣｒとＡｌの化合物を形成して、積層成形体の高温強度を上げることができる。これは、ＭｎとＡｌの析出物、ＣｒとＡｌの析出物が４００℃まで形態変化しないことによるものと考えられる。
ただし、Ｍｎ、Ｃｒの総含有量が１．５重量％未満の場合には、十分な高温強度が得られない。一方、Ｍｎ、Ｃｒの総含有量が１０重量％を超えると延性が低下するので、１．５〜１０重量％とするのが好ましい。高温強度を有するとともに、しかも特に高い延性の積層成形体を得るためには、Ｍｎ、Ｃｒの総含有量は、より好ましくは１．５〜５重量％とする。
【００８６】
（２）積層成形体の歪み、割れ対策として、２５０℃を超え４５０℃以下の積層時成形温度が選択される
２５０℃を超え４５０℃以下の積層時成形温度を選択することは、高い延性と割れの抑制を達成しつつ良好な引張強さを達成するためのもう一つの手段である。このような製法としては、電子ビーム積層法がこの条件を満足する。
積層時成形温度を、２５０℃を超え４５０℃以下の範囲にすることにより、積層時成形温度が１５０〜２５０℃において発生していた積層成形時の割れが抑制される。これは、溶解直後の温度と溶解前温度との差が小さくなることで、熱応力が小さくなるためと考えられる。しかし、積層時成形温度の範囲の上限である４５０℃を超えることは、共晶のＳｉや金属間化合物のサイズが大きくなりすぎて、引張強さの低下をもたらしてしまう。また、積層時成形温度を２５０℃以下にする場合、積層時の蓄熱を抑制するために、成形時の積層時間を長くする必要があり、製造上の効率という面では適当ではない。
【００８７】
しかし、Ｍｎ単独含有、Ｆｅ単独含有、Ｍｎ又はＣｒとＦｅの複合含有のいずれかにより引張強さは向上するものの、付加される熱量が大きいために、金属間化合物のサイズが大きくなる。金属間化合物の形態は、たとえば、Ｆｅ単独含有においては１００μｍを超えるサイズの粗大針状、粗大棒状、Ｆｅ、Ｍｎ複合添加においては粗大なまこ状であるため、Ｆｅ、ＣｒとＭｎの合計含有量を２〜１０重量％とする必要がある。
なお、本発明においては、金属間化合物のサイズは、観察面の最長径で２００μｍ未満であるのが好ましい。
【００８８】
ただし、延性を特に高くする場合には、Ｆｅ、ＣｒとＭｎの総重量を、好ましくは２〜７重量％、より好ましくは２〜５重量％とするのがよい。なお、積層成形体の高強度を保ちつつ延性を上げるために、Ｆｅ含有量が２〜５重量％の範囲においては、Ｍｎ含有量を０．１〜１．０重量％の範囲、より好ましくは０．１〜０．５重量％に限定するのがよい。このようにＭｎの含有量を少量とすることは、発生する鉄化合物の形態を針状から微細塊状にするのに有効である。
【００８９】
以上説明した、所定の積層時成形温度が採用された実施形態において、用いるアルミニウム合金には、４〜３０重量％のＳｉ、０．５〜５．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉのいずれか１種以上の元素を更に含有することができる。
これらの元素のうち、Ｓｉは積層成形体の引張強さの向上に寄与する。また、Ｓｉは、共晶Ｓｉよる分散硬化と、アルミニウムマトリックス中にＳｉが固溶した結果もたらされる固溶硬化の２種類の効果を示す。
【００９０】
Ｓｉはこのような効果のために添加されるが、積層時成形温度が２５０℃以下の場合においては、２０重量％を超えると延性の低下が大きくなるため、室温強度を高くするためには上限は２０重量％であるのが好ましい。また、４重量％未満では粒界割れをおこしやすいため、下限は４重量％であるのが好ましい。従って、室温強度を高くするためには、Ｓｉの含有量は４〜２０重量％であるのが好ましい。
【００９１】
一方、高温強度を高くするためにもＳｉを添加することは有効である。Ｓｉは耐摩耗性を改善する効果も併せ有する。しかし、含有量が多すぎると積層成形体が脆くなるため、４〜３０重量％であるのが好ましい。
高温高強度積層成形体を得る場合、積層時成形温度が１５０〜２５０℃、２５０℃を超え４５０℃以下のいずれであろうと、Ｓｉの含有量の範囲は同じである。
【００９２】
Ｃｕは、常温引張特性、切削特性、高温引張特性の向上のために必要に応じて添加される。従来の鋳造用合金においては、共晶部にθ相（Ｃｕ−Ａｌ）やＱ化合物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ）と推定される化合物が形成される。しかし、金属積層工法では、Ｃｕは１０３℃／ｓ程度の凝固速度を有するために、ほとんどのＣｕがアルミニウムマトリックスに固溶する。このため、固溶強化として働く以外に、積層の際の熱により、所定の割合のＣｕは析出物として常温強度に寄与する。
【００９３】
また、高温強度を必要とする場合には、Ｔ６処理（溶体化処理、水焼き入れ、焼き戻し）を行い、また３００℃相当の温度でたとえば、寸法安定化処理を行うこともできる。これにより、積層直後の積層成形体よりも軟化することになるが、それでも高温強度向上の効果を発揮する。そのため、Ｃｕを添加する量は、その効果を発現させるために０．５重量％以上とし、その上限は延性と耐食性を確保するために、５重量％以下とするのが好ましい。
【００９４】
Ｍｇは、従来の鋳造用合金においては、約０．５重量％未満のＭｇとＳｉがＭｇ−Ｓｉ化合物を形成し、それによって析出硬化して常温強度の向上に寄与する。また、１〜５重量％のＭｇは、３００℃における高温強度を向上させることが知られている。
【００９５】
しかし、金属積層工法では１０３℃／ｓ程度の凝固速度を有するために、多くのＭｇがアルミニウムマトリックスに固溶し、積層時の温度によりその一部は析出する。Ｔ６処理（溶体化処理、水焼き入れ、焼き戻し）を行い、また、３００℃程度の温度により、軟化してしまうが、それでも高温強度向上の効果を有する。そのため、Ｍｇを添加する量は、その効果を発現させるためには０．５重量％以上が好ましく、延性を確保するために、５重量％以下が好ましい。
【００９６】
Ｎｉは、従来の鋳造用合金においては、高温強度を上げるために添加される。これに対し、金属積層工法では、１０３℃／ｓ程度の凝固速度を有するために、Ａｌとの間で形成されるＮｉ−Ａｌ化合物は極めて微細となる。このためには、Ｎｉを添加する量は、０．３〜３重量％であるのが好ましい。
【００９７】
以上、本実施形態に係る積層成形体の原料アルミニウム合金の組成について説明したが、このような原料アルミニウム合金の粉末を金属積層工法により成形することにより、積層成形体を得ることが出来る。以下、本発明に使用可能な積層工法について説明する。
【００９８】
一般に、金属積層工法は、以下の工程により行われる。
（１）一定厚みの金属粉末層を一層敷きつめる。
（２）固化したいところに対して局部的に電子ビームあるいはレーザーにより粉末層を加熱し、粉末を瞬間溶融するとともに瞬間固化する。この場合、電子ビームあるいはレーザーは、３Ｄデータ・スライスデータに基づき走査される。
（３）製造テーブルを降下させ、更に１層の金属粉末層を敷きつめる。
（４）以上の工程を繰返し、金属粉末を積層して、最終形状の積層成形体を得る。その後、未固化の粉末を取り除いて、積層成形体を取り出す。
【００９９】
本実施形態に係る積層成形体の製造に使用可能な金属積層工法としては、電子ビーム積層装置を用いて行われる電子ビーム積層工法と、レーザー積層装置を用いて行われるレーザー積層工法とがある。
【０１００】
また、本実施形態に係る積層工法として、デポジット方式を採用することもできる。デポジット方式としては、所望の箇所に金属粉末を噴射して、該箇所を溶融させながら堆積する方法や、合金ワイヤーを溶融させながら堆積する方法が挙げられる。
【０１０１】
以上のように、積層工法を用いて設計された積層成形体は、成形後そのまま最終製品として使用する以外に、以下の処理、加工を施すことも可能である。
（１）積層後、時効処理を行う。時効処理を行うと、急速凝固により固溶している元素を化合物として析出させて強化することができ、積層成形体の強度改善を図ることができる。また、その場合、合金の種類の複合添加により、例えば、析出物の均一分散を促進することも可能である。Ｚｒ、Ｃｒの複合添加はその一例である。
（２）積層後、加工を行う。加工を行うことは結晶の微細化につながり、積層成形体の強度改善を図ることができる。
（３）積層後、時効処理、加工を行う。あるいは、積層後、加工、時効処理を行う。これらのいずれかの処理により、結晶粒の微細化と微細析出物の形成による相乗効果を生み出すことも可能である。
【実施例】
【０１０２】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。
実施例１〜１７、比較例１〜５
下記表１に示す組成のＡｌ合金粉末（平均粒径：３５μｍ）を用い、レーザー積層法により、２０ｍｍ×３０ｍｍで、高さ５０ｍｍの２１種の積層成形体（実施例１〜１７、比較例１〜４）を作成し、標点間距離が５ｍｍ、平行部幅が２ｍｍ、全長２０ｍｍの試験片を積層成形体の高さ方向から切り出した。また、比較例５においては、高圧鋳造法により成形体を作成した。比較例５の高圧鋳造法による素材は、直径１０ｍｍ×長さ１００ｍｍの鋳造材から切り出された平行部直径６．３ｍｍ、標点間距離が３０ｍｍの試験片で評価した。比較例８、実施例１３、１４のＡＣ８Ａ相当の合金は、Ｔ６処理を行っていない積層成形体（ａｓ  ｂｕｉｌｔ材）であり、標点間距離が１２ｍｍ、平行部幅が４ｍｍ、全長４０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの試験片で評価した。
なお、積層中に加熱なしの場合の積層時成形温度は７０℃とし、積層中に予熱した場合の積層時成形温度は２００℃（実施例１、２、４〜９及び１２〜１７、比較例１〜４）、２５０℃（実施例３）、１６０℃（実施例１０）又は１８０℃（実施例１１）とした。
【０１０３】
これらの成形体について、常温引張強さ（ＭＰａ）、伸び（％）を測定し、及び成形体の歪みを観察した。それらの結果を下記表１に示す。
下記表１から、Ｓｉ量が３重量％と少ない比較例１は、積層成形体の表面には問題はないが、積層成形体の内部の金属組織中には多くの粒界割れが認められ、引張強さは１５０ＭＰａと低いことがわかる。比較例２であるＭｎを含有しないＡｌ−１０％Ｓｉ−０．３７％Ｍｇ合金においては、積層時成形温度が７０℃の場合、引張強さは４００ＭＰａを超える値を示すが、２００℃では２９０ＭＰａと低い値を示した。
【０１０４】
比較例３は、Ｓｉ量が２５重量％と多い場合であり、積層成形体の表面には問題はないが、引張強さは３２０ＭＰａと高いものの、伸びは２％及び３％と低い値を示した。なお、積層温度が７０℃ではわずかではあるが歪みを発生したのに対して、積層時成形温度が２００℃では歪も割れも確認されなかった。
比較例４は、ＭｎとＣｒの総重量が１０重量％を超えるため、高い引張強さを示すものの、伸びが低い。
比較例５は、Ａｌ−Ｍｇ系合金の引張強さの向上、鋳造割れ防止のためにＳｉが添加されている。また、引張強さ向上のためにＭｎが添加されている。しかし、引張強さは３００ＭＰａ以下である。
【０１０５】
一方、実施例１〜１７のいずれにおいても、積層時成形温度が２００℃、１６０℃、１８０℃、又は２５０℃と異なるが、また、合金成分により異なるが、引張強さは３３０ＭＰａから４８０ＭＰａの高い値を示した。特に、１．５重量％以上のＭｎを含有する場合（実施例４、５、６）には、４５０ＭＰａ以上の引張強さの値を示した。また、実施例２に比較して、実施例１７は、Ｓｉの含有量が少ないが、実施例２よりも高い引張強さと高い伸びを示した。実施例１７の引張強さは実施例４以上であり、伸びは実施例２より２％高い値を示した。表１には記載していないが、実施例１７は、３１０ＭＰａと高い耐力を示し、この値は実施例２よりも９０ＭＰａ高い値であった。このような現象は、（１）Ｓｉの含有量を低下させることで網目状の共晶Ｓｉの量が減少し、亀裂の起点と進展が抑制されること、及び（２）Ｍｎ添加による微細金属間化合物（晶出物、析出物）とＭｎが溶け込む固溶体が形成されることが相俟って、引張強さと伸びが改善したものと考えられる。
Ｍｎ及びＣｒの１種以上を含有する積層成形体においてこのような効果が発現するためのＳｉ量としては、４〜８重量％が好ましい。Ｓｉ量が４重量％未満となると、積層体中に割れが発生しやすくなる。Ｓｉ量が８重量％を超えると、それ以下のＳｉ量よりも引張強さ、伸びを共に高くすることが難しくなる。
また、実施例１０〜１３のＣｒ含有合金のいずれにおいても、Ｍｎ単独含有の場合と同様、４００ＭＰａ以上の高い値を示した。実施例１４は実施例１３に対してＺｒが、実施例１５は実施例２に対してＴｉが添加されている。これにより、伸びを低下させることなく、引張強さを改善している。
【０１０６】
実施例１６は、比較例５と異なり高い引張強さ、伸びを示した。これは、共晶Ｍｇ２Ｓｉ相が急速凝固により微細であること以外に、高圧鋳造材ではＡｌ−Ｍｎ化合物を形成しているＭｎがアルミニウムに多量に固溶し、析出強化することと、アルミニウムと微細晶出物を形成していることによると考えられる。
【０１０７】
また、Ｓｉ，Ｍｇなどの硬化元素を含まなくても、アルミニウムにＭｎを含有するだけで（実施例９）、３３０ＭＰａの高い引張強さを示し、表中には記載していないが、マイクロビッカース硬さは９０を示した。この値は、積層成形体を４００℃まで加熱しても変化しない。これらの現象は、Ｍｎが積層中にアルミニウムに多量に固溶して、積層中の熱により微細な析出物が生成され、Ｍｇ−Ａｌ析出物が過時効により軟化する２００℃以上の高温域においてもＭｎ−Ａｌ化合物は形態変化しないことにより、高い引張強さ、硬さが得られるものと考えられる。また、微細な晶出物も関係していると考えられる。
【０１０８】
【表１】
2018184659.tif 000002
【０１０９】
上記表１において、
歪みの表示・・・◎：歪みなし、割れなし、○：歪み小、割れなし、△：粒界割れ（外面割れなし）、×：成形体表面に割れ
なお、含有元素Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＮｉの数値は、すべて重量％である。なお、以下の表２〜４においても同様である。
【０１１０】
実施例１８〜２８、比較例６〜８
下記表２に示す組成のＡｌ合金粉末（平均粒径：３５μｍ）を用い、レーザー積層法により、１０ｍｍ×１０ｍｍで、長さ８０ｍｍの１４種の積層成形体（実施例１８〜２８、比較例７〜８）を作成し、標点間距離が１２ｍｍ、平行部幅が４ｍｍ、全長４０ｍｍの試験片を積層成形体から切り出した。
なお、積層中に加熱なしの場合の積層時成形温度は７０℃（実施例１８〜２０、比較例７）とし、積層中に予熱した場合の積層時成形温度は２００℃（実施例１８〜２１、２３〜２８、比較例７〜８）又は２５０℃（実施例２２）とした。
比較例６においては、従来製造法である金型鋳造法により、ピストン合金の代表であるＪＩＳＡＣ８Ａ合金の成形体を作成した。
【０１１１】
これらの成形体について、高温引張強さ（ＭＰａ）、伸び（％）を測定し、及び成形体の歪みを観察した。なお、高温引張強さは、３００℃での引張強さ（ＭＰａ）である。
下記表２に示すように、金型鋳造法により作成された比較例６の成形体は、８０ＭＰａの引張強さ、２５％の伸び％を示した。ＡＣ８Ａ合金をレーザー積層法で成形した比較例７の積層成形体は、ＡＣ８Ａ合金が有する高い伸び値を示すものの、引張強さが６５ＭＰａとやや低い。
Ｔ６処理をしていない比較例８の積層成形体は、Ｔ６処理をした比較例７に比較して高温引張強さが高いが、比較例６の金型鋳造材に比較して低い。
【０１１２】
一方、ＡＣ８Ａ合金にＭｎが添加された実施例１８〜２０では、積層時成形温度が７０℃、２００℃のいずれの場合においても、引張強さは８５〜１２０ＭＰａの高い値を示した。また、実施例２１及び２２では、積層温度が２５０℃（実施例２２）であっても、Ｎｉ、Ｃｕなどの耐熱特性向上に係る元素を含まなくても（実施例２１、２２）、Ｓｉ、Ｍｇ及びＭｎを含有することにより、８０ＭＰａという高い引張強さを示している。これらの現象は、上記表１に示す結果において説明したように、積層中に過飽和にアルミニウムに多量に固溶したＭｎから積層中に発生した微細な析出物と微細な晶出物によるものと考えられる。
【０１１３】
実施例２３ではＣｒが、実施例２４では、ＣｒとＭｎが含まれている。Ｍｎのみが含まれていた実施例１８〜２２と同様、８５ＭＰａ以上の高い高温引張強さを示す。実施例１８〜２４の積層成形体においては、Ｔ６処理後、３００℃で１０時間保持された後、３００℃にて高温引張試験を実施しているが、実施例２５〜２８の積層成形体においては、Ｔ６処理を行うことなく、３００℃にて高温引張試験を実施した。積層時に多量に固溶したＭｎ、Ｃｒが３００℃においても依然安定に固溶していることと微細な晶出物によるものと考えられる。
実施例２７、２８においてはそれぞれＴｉ、Ｚｒが含まれており、これら元素の固溶強化、析出強化あるいは結晶微細化の効果のためか、引張強さが高くなっている。
【０１１４】
【表２】
2018184659.tif 000003
【０１１５】
上記表２において、
歪みの表示・・・◎：歪みなし、割れなし、○：歪み小、割れなし、△：粒界割れ（外面割れなし）、×：成形体表面に割れ
高温引張試験の前の加熱処理・・・１）成形体をＴ６処理（５１０℃×２時間⇒水焼き入れ⇒１７０℃×４時間）後、３００℃×１０時間
２）Ｔ６処理なしの積層成形体を３００℃×１０時間
高温引張試験の条件・・・３００℃×１０分保持後、変位速度５ｍｍ／ｍｉｎにて試験
【０１１６】
実施例２９〜５１、比較例９〜１４
下記表３に示す組成のＡｌ合金粉末（平均粒径：３５μｍ）を用い、レーザー積層法により、１０ｍｍ×１０ｍｍで、長さ８０ｍｍの２５種の積層成形体（実施例２９〜５１、比較例１０〜１４）を作成し、標点間距離が１２ｍｍ、平行部幅が４ｍｍ、全長４０ｍｍの試験片を積層成形体から切り出した。なお、積層中に加熱なしの場合の積層時成形温度は７０℃とし、積層中に予熱した場合の積層時成形温度は２００℃とした。
比較例９においては、従来製造法である金型鋳造法により、ピストン合金の代表であるＪＩＳＡＣ８Ａ合金の成形体を作成した。
【０１１７】
これらの成形体について、高温引張強さ（ＭＰａ）、伸び（％）を測定し、及び成形体の歪みを観察した。なお、高温引張強さは、３００℃での引張強さ（ＭＰａ）である。
下記表３に示すように、金型鋳造法により作成された比較例９の成形体は、８０ＭＰａの引張強さ、２５％の伸びを示した。ＡＣ８Ａ合金をレーザー積層法で成形した比較例１０の積層成形体は、ＡＣ８Ａ合金が有する高い伸び値を示すものの、引張強さが６５ＭＰａとやや低い。比較例１１〜１４においては、Ｍｎを２重量％以上含み、Ｆｅ及びＭｎを共に多く含む場合、積層成形体の表面、内部に大割れを発生し、積層成形品を得ることができない。比較例１４は、割れは生じないが、Ｆｅの単独添加であり、伸びが低い。
【０１１８】
一方、実施例２９〜５１で用いた合金は、Ｆｅを３〜９重量％、Ｍｎを１．５重量％以下含んだＡＣ８Ａ合金、又はＦｅを０．３〜２重量％、Ｍｎ若しくはＣｒを１．５〜１０重量％含んだＡＣ８Ａ合金である。下記表３に示すように、実施例２９〜５１のいずれにおいても、また、積層時成形温度が７０℃、２００℃のいずれの場合においても、割れが積層成形体に発生することはなかった。
【０１１９】
アルミニウム合金が、総重量で１．５重量％を超え、１０％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上を含む場合には、Ｆｅ量を０．３重量％を超え２重量％以下に抑え、１重量％を超え、１０重量％以下のＦｅを含む場合には、Ｍｎ及びＣｒの総重量を１．５重量％以下に抑えることで、積層成形体が割れにくくなる。また、Ｆｅ単独添加あるいはＦｅ、Ｃｒ及びＭｎの１種以上複合添加のいずれにおいても、実施例２９〜５１に係る積層成形体は、比較例９の成形体が示す高温引張強さ８０ＭＰａよりも高い高温引張強さを示す。
【０１２０】
特に、表２でも示したように、Ｆｅの単独含有の場合はもちろん、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎの１種以上含有の場合においても、熱処理（Ｔ６処理）を行っていない積層成形体を（ａｓ  ｂｕｉｌｔ）評価した３００℃の高温引張強さは、積層成形体をＴ６処理したときの高温引張強さと比較して約１．５倍以上の値を示す。これは、Ｔ６処理において５００℃以上に保持することにより、（１）積層時にアルミニウムのマトリックスに過飽和に固溶していたＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒの元素が昇温時に粗大に析出してしまい、その後の焼き入れによって積層成形体（ａｓ  ｂｕｉｌｔ）以上にそれら元素が再固溶しないこと、（２）積層成形体（ａｓ  ｂｕｉｌｔ）に形成されていた微細晶出物（共晶ＳｉやＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒなどの金属を含む化合物）の形態が変化し、粗大化することによると考えられる。
【０１２１】
積層成形体のＴ６処理前後の金属組織を図４〜図６に示す。図４は、実施例４９及び３３に係る積層成形体（ＡＣ８Ａ＋３％Ｆｅ）の組織を示す写真図である。図５は、実施例２５及び１８に係る積層成形体（ＡＣ８Ａ＋３％Ｍｎ）の組織を示す写真図である。図６は、実施例２６及び２３に係る積層成形体（ＡＣ８Ａ＋３％Ｃｒ）の組織を示す写真図である。実施例４９、２５及び２６は、積層後、熱処理（Ｔ６処理）を行う前の積層成形体であり、実施例３３、１８及び２３は、積層後、熱処理（Ｔ６処理）を行った後の積層成形体である。図４〜６に示すように、Ｔ６処理により、網目状の共晶Ｓｉは２〜３μｍに粗大化し、網目状の遷移金属の化合物も１μｍ以上に粒状粗大化しているのが判る。
【０１２２】
実施例４３〜４７は、Ｌ１２規則構造を有するアルミニウムとの非平衡の微細組織を形成する特徴があるチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、スカンジウム（Ｓｃ）、リチウム（Ｌｉ）をそれぞれ添加した場合の積層成形体である。表３に示すように、これらの元素を添加することで、無添加の場合と比較して、高温引張強さが４〜１０ＭＰａ程度増加することがわかる。なお、これらの元素の添加量を上記の範囲を超える値とすることは、製造上難しいのと併せて、延性を低下させることになる。また、積層成形体を５００℃以上に熱処理しない場合に、その析出硬化はより発現する。
なお、実施例３８はＳｉ量を多く含むアルミニウム合金を用いた場合であり、ＡＣ８Ａ合金を用いた場合よりも高い値を示している。
【０１２３】
【表３】
2018184659.tif 000004
【０１２４】
上記表３において、
歪みの表示・・・◎：歪みなし、割れなし、○：歪み小、割れなし、△：粒界割れ（外面割れなし）、×：成形体表面に割れ
高温引張試験の前の加熱処理・・・１）成形体をＴ６処理（５１０℃×２時間⇒水焼き入れ⇒１７０℃×４時間）後、３００℃×１０時間
２）Ｔ６処理なしの積層成形体を３００℃×１０時間
高温引張試験の条件・・・３００℃×１０分保持後、変位速度５ｍｍ／ｍｉｎにて試験
【０１２５】
実施例５２〜７１、比較例１５〜２０
下記表４に示す組成のＡｌ合金粉末（平均粒径：３５μｍ）を用い、電子ビーム積層法により、１０ｍｍ×１０ｍｍで、長さ８０ｍｍの２４種の積層成形体（実施例５２〜７１、比較例１７〜２０）を作成し、標点間距離が１２ｍｍ、平行部幅が４ｍｍ、全長４０ｍｍの試験片を積層成形体から切り出した。なお、積層時成形温度は４５０℃とした。また、実施例６９〜７１の積層時成形温度は、それぞれ３５０℃、３００℃、２６０℃とした。比較例２０の積層時成形温度は、４８０℃とした。
比較例１５においては、従来製造法である金型鋳造法により、ピストン合金の代表であるＪＩＳＡＣ８Ａ合金の成形体を作成した。
比較例１６においては、レーザー積層法により、同様の積層成形体を作成した。
【０１２６】
これらの成形体について、高温引張強さ（ＭＰａ）、伸び（％）を測定し、成形体の歪みを観察し、及び化合物のサイズを測定した。なお、高温引張強さは、３００℃での引張強さ（ＭＰａ）である。
下記表４に示すように、金型鋳造法により作成された比較例１５の成形体は、８０ＭＰａの引張強さ、２５％の伸びを示した。ＡＣ８Ａ合金をレーザー積層法で成形した比較例１６の積層成形体は、ＡＣ８Ａ合金が有する高い伸び値を示すものの、高温引張強さが６２ＭＰａと低い。
【０１２７】
電子ビーム積層法で成形した比較例１７〜１９の積層成形体は、ＦｅとＭｎの合計量が１０重量％を超えており、積層時に形成されたＡｌとＦｅの化合物やＦｅとＭｎの化合物に付加された熱量がレーザー積層法よりも大きいために、化合物のサイズが２００μｍを超える粗大なものとなり、高温引張試験における伸びが低い。ただし、積層時成形温度が４５０℃と高いために、割れが積層成形体に発生することはない。これは、溶解直後の温度と溶解前温度との差が小さくなることで、熱応力が小さくなるためと考えられる。また、比較例２０においては、積層時成形温度が積層する合金の融点近傍（４８０℃）と高いことから、４５０℃の場合よりも金属間化合物のサイズが粗大化し、実施例５６と比較して引張強さ、伸びが低い。
【０１２８】
一方、実施例５２〜６６で用いた合金は、Ｆｅ、Ｃｒ及びＭｎの合計量が１．０〜１０重量％であるＡＣ８Ａ合金である。下記表４に示したように、実施例５２〜６８のいずれの積層成形体においても、電子ビーム積層法による積層時成形温度が４５０℃と高いために、割れが積層成形体に発生することはない。また、高温引張強さは、ＡＣ８Ａ合金（比較例１５、１６）以上である。
ただし、電子ビーム積層法による積層成形体は、積層時に熱影響を大きく受けているために、化合物は粗大化し、またアルミニウム中にＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎなどの元素は過飽和に溶け込むことができないために、表２及び表３に示したように、熱処理なしの積層成形体の引張強さが、Ｔ６処理した積層成形体よりも高い強度が示すことはなかった。
表４に示す実施例５５での引張強さ、伸びに比較して、実施例６７に示す熱処理をしない積層成形体はやや低い値を示した。
また、実施例６８〜７０で用いた合金は、Ｆｅ、Ｃｒ及びＭｎの合計量が１．０〜１０重量％の範囲にある。実施例６８では、Ｃｒ量が３．１重量％のＡＣ８Ａ合金であり、Ｍｎ添加の実施例５５の成形体と同様な引張強さ、伸びを示した。実施例６９〜７１の積層時成形温度はそれぞれ３５０℃、３００℃、２６０℃である。積層成形温度を３５０℃にすることで、積層のまま（熱処理なし）であっても、実施例５２（積層成形温度４５０℃、熱処理あり）よりも高い引張強さ、伸びを示した。これは、積層成形中にＦｅ、Ｍｎを含む金属間化合物の粗大化が小さくなったことによる。さらに積層時成形温度が３００℃、２６０℃と低下することで、さらにそのサイズは小さくなり、より高い引張強さを示す。
【０１２９】
【表４】
2018184659.tif 000005
【０１３０】
上記表４において、
歪みの表示・・・◎：歪みなし、割れなし、○：歪み小、割れなし、△：粒界割れ（外面割れなし）、×：成形体表面に割れ
化合物の最長径サイズ・・・○：２００μｍ未満、×：２００μｍ以上
高温引張試験の前の加熱処理・・・１）成形体をＴ６処理（５１０℃×２時間⇒水焼き入れ⇒１７０℃×４時間）後、３００℃×１０時間
２）Ｔ６処理なしの積層成形体を３００℃×１０時間
高温引張試験の条件・・・３００℃×１０分保持後、変位速度５ｍｍ／ｍｉｎにて試験
【図１】
2018184659.tif 000006
【図２】
2018184659.tif 000007
【図３】
2018184659.tif 000008
【図４】
2018184659.tif 000009
【図５】
2018184659.tif 000010
【図６】
2018184659.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月11日(2018.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、総重量が０．３〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上と、１〜２０重量％のＳｉとを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、
Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体。
【請求項２】
前記アルミニウム合金が、０．２〜７．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含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積層成形体。
【請求項３】
前記アルミニウム合金が、４〜１５重量％のＳｉ、０．２〜１．０重量％のＭｇを含有し、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．３〜２．５重量％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項４】
前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉを含有し、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．５〜５．０重量％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項５】
前記アルミニウム合金が、１〜３重量％のＳｉ、４．０〜６．０重量％のＭｇを含有し、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．５〜２．５重量％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項６】
前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有すること特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項７】
室温での引張強さが３２０ＭＰａを超えることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項８】
０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、総重量が１．５重量％を超え、１０重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、
Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体。
【請求項９】
１重量％を超え、１０重量％以下となるＦｅと、総重量が１．５重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、
Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１０】
前記アルミニウム合金が、４〜３０重量％のＳｉ、０．５〜５．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項８又は９に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１１】
前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇを含有し、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．８〜５．０重量％であることを特徴とする請求項８に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１２】
前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇを含有し、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．０〜５．０重量％であ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積層成形体。
【請求項１３】
前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有すること特徴とする請求項８乃至１２いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１４】
３００℃での引張強さが１００ＭＰａを超えることを特徴とする請求項８乃至１３いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１５】
不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、総重量が０．３〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上と、１〜２０重量％のＳｉとを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項１６】
前記原料金属の積層は、前記原料金属が載置される下部プレートの計測温度を１５０〜２５０℃に管理して行われ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積層成形体の製造方法。
【請求項１７】
前記アルミニウム合金が、０．２〜７．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項１５又は１６に記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項１８】
前記Ｓｉが４〜１５重量％、前記Ｍｇが０．２〜１．０重量％であり、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．３〜２．５重量％であることを特徴とする請求項１７記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項１９】
前記Ｓｉが８〜２０重量％、前記Ｍｇが０．５〜２．０重量％、前記Ｃｕが０．５〜５重量％、前記Ｎｉが０．５〜３重量％であり、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．５〜５．０重量％であることを特徴とする請求項１７記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２０】
前記Ｓｉが１〜３重量％、前記Ｍｇが４．０〜６．０重量％であり、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．５〜２．５重量％であることを特徴とする請求項１７記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２１】
０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、総重量が１．５重量％を超え、１０重量％以下となるＭｎ及びＣｒのいずれか１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２２】
１重量％を超え、１０重量％以下となるＦｅと、総重量が１．５重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２３】
前記原料金属の積層は、前記原料金属が載置される下部プレートの計測温度を１５０〜３００℃に管理して行われることを特徴とする請求項２１又は２２に記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２４】
総重量が２〜１０重量％であるＦｅ、Ｍｎ、及びＣｒを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備し、前記積層時の下部プレートの計測温度が２５０℃を超え、４５０℃以下に管理されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２５】
前記アルミニウム合金が、４〜３０重量％のＳｉ、０．５〜５．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項２１乃至２４いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２６】
前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項１５乃至２５いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０２】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。
実施例１〜１７、比較例１〜５
下記表１に示す組成のＡｌ合金粉末（平均粒径：３５μｍ）を用い、レーザー積層法により、２０ｍｍ×３０ｍｍで、高さ５０ｍｍの２１種の積層成形体（実施例１〜１７、比較例１〜４）を作成し、標点間距離が５ｍｍ、平行部幅が２ｍｍ、全長２０ｍｍの試験片を積層成形体の高さ方向から切り出した。また、比較例５においては、高圧鋳造法により成形体を作成した。比較例５の高圧鋳造法による素材は、直径１０ｍｍ×長さ１００ｍｍの鋳造材から切り出された平行部直径６．３ｍｍ、標点間距離が３０ｍｍの試験片で評価した。実施例８、実施例１３、１４のＡＣ８Ａ相当の合金は、Ｔ６処理を行っていない積層成形体（ａｓ  ｂｕｉｌｔ材）であり、標点間距離が１２ｍｍ、平行部幅が４ｍｍ、全長４０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの試験片で評価した。
なお、積層中に加熱なしの場合の積層時成形温度は７０℃とし、積層中に予熱した場合の積層時成形温度は２００℃（実施例１、２、４〜９及び１２〜１７、比較例１〜４）、２５０℃（実施例３）、１６０℃（実施例１０）又は１８０℃（実施例１１）とした。
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月19日(2018.7.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、総重量が０．３〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上と、１〜２０重量％のＳｉとを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、
Ｓｉを除く金属は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上として存在し、Ｓｉは、アルミニウムマトリクス中に溶け込むアルミニウム合金固溶体、並びに、共晶Ｓｉのいずれか１以上として存在することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体。
【請求項２】
前記アルミニウム合金が、０．２〜７．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含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積層成形体。
【請求項３】
前記アルミニウム合金が、４〜１５重量％のＳｉ、０．２〜１．０重量％のＭｇを含有し、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．３〜２．５重量％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項４】
前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉを含有し、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．５〜５．０重量％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項５】
前記アルミニウム合金が、１〜３重量％のＳｉ、４．０〜６．０重量％のＭｇを含有し、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．５〜２．５重量％であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項６】
前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有すること特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項７】
室温での引張強さが３２０ＭＰａを超えることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項８】
０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、総重量が１．５重量％を超え、１０重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、
Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体。
【請求項９】
１重量％を超え、１０重量％以下となるＦｅと、総重量が１．５重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形してなり、
Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの２種以上を含む金属間化合物、並びに、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの１種以上の元素が溶け込むアルミニウム合金固溶体のいずれか１以上で構成されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１０】
前記アルミニウム合金が、４〜３０重量％のＳｉ、０．５〜５．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有し、Ｓｉが含まれる場合は、Ｓｉは、アルミニウムマトリクス中に溶け込むアルミニウム合金固溶体、並びに、共晶Ｓｉのいずれか１以上として存在することを特徴とする請求項８又は９に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１１】
前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇを含有し、Ｓｉは、アルミニウムマトリクス中に溶け込むアルミニウム合金固溶体、並びに、共晶Ｓｉのいずれか１以上として存在し、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．８〜５．０重量％であることを特徴とする請求項８に記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１２】
前記アルミニウム合金が、８〜２０重量％のＳｉ、０．５〜２．０重量％のＭｇを含有し、Ｓｉは、アルミニウムマトリクス中に溶け込むアルミニウム合金固溶体、並びに、共晶Ｓｉのいずれか１以上として存在し、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．０〜５．０重量％であ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積層成形体。
【請求項１３】
前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有すること特徴とする請求項８乃至１２いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１４】
３００℃での引張強さが１００ＭＰａを超えることを特徴とする請求項８乃至１３いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体。
【請求項１５】
不可避不純物である０．３重量％以下のＦｅと、総重量が０．３〜１０重量％となるＭｎ及びＣｒの１種以上と、１〜２０重量％のＳｉとを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項１６】
前記原料金属の積層は、前記原料金属が載置される下部プレートの計測温度を１５０〜２５０℃に管理して行われ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積層成形体の製造方法。
【請求項１７】
前記アルミニウム合金が、０．２〜７．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項１５又は１６に記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項１８】
前記Ｓｉが４〜１５重量％、前記Ｍｇが０．２〜１．０重量％であり、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．３〜２．５重量％であることを特徴とする請求項１７記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項１９】
前記Ｓｉが８〜２０重量％、前記Ｍｇが０．５〜２．０重量％、前記Ｃｕが０．５〜５重量％、前記Ｎｉが０．５〜３重量％であり、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が１．５〜５．０重量％であることを特徴とする請求項１７記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２０】
前記Ｓｉが１〜３重量％、前記Ｍｇが４．０〜６．０重量％であり、前記Ｍｎ及びＣｒの総重量が０．５〜２．５重量％であることを特徴とする請求項１７記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２１】
０．３重量％を超え、２重量％以下のＦｅと、総重量が１．５重量％を超え、１０重量％以下となるＭｎ及びＣｒのいずれか１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２２】
１重量％を超え、１０重量％以下となるＦｅと、総重量が１．５重量％以下となるＭｎ及びＣｒの１種以上とを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備することを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２３】
前記原料金属の積層は、前記原料金属が載置される下部プレートの計測温度を１５０〜３００℃に管理して行われることを特徴とする請求項２１又は２２に記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２４】
総重量が２〜１０重量％であるＦｅ、Ｍｎ、及びＣｒを含有するアルミニウム合金からなる原料金属を積層工法により成形する工程を具備し、前記積層時の下部プレートの計測温度が２５０℃を超え、４５０℃以下に管理されていることを特徴とするアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２５】
前記アルミニウム合金が、４〜３０重量％のＳｉ、０．５〜５．０重量％のＭｇ、０．５〜５重量％のＣｕ及び０．５〜３重量％のＮｉからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項２１乃至２４いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。
【請求項２６】
前記アルミニウム合金が、０．２〜３重量％のＴｉ、０．２〜５重量％のＺｒ、０．２〜５重量％のＳｃ、０．２〜１０重量％のＬｉ及び０．２〜５重量％のＶからなる群から選ばれた１種以上の元素を更に含有することを特徴とする請求項１５乃至２５いずれか１項記載のアルミニウム合金積層成形体の製造方法。