(57)【要約】【課題】高温強度と高靭性の両方を備えた耐熱アルミニウム合金を提供する。【解決手段】Ｃｕ：５．０〜６．５質量％、Ｍｇ：０．０５〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１０〜０．３５質量％、Ａｇ：０．０５〜１．０質量％を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる靭性に優れた耐熱アルミニウム合金。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ：５．０〜６．５質量％、Ｍｇ：０．０５〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１０〜０．３５質量％、Ａｇ：０．０５〜１．０質量％を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする靭性に優れた耐熱アルミニウム合金。
【請求項２】
Ｃｕ：５．０〜６．５質量％、Ｍｇ：０．０５〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１０〜０．３５質量％、Ａｇ：０．０５〜１．０質量％を含有し、Ｍｎ：０．１０〜０．５質量％、Ｖ：０．０２〜０．１５質量％、Ｚｒ：０．０２〜０．２５質量％、Ｔｉ：０．０５質量％以下を１種または２種以上含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金であって、Ｓｉ：０．１５質量％以下、Ｆｅ：０．２０質量％以下にそれぞれ抑えたことを特徴とする靭性に優れた耐熱アルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１００℃を越える高温度域において高強度および高靭性を必要とする部材に用いられる耐熱アルミニウム合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金材料については、高強度を得るために時効硬化現象が広く利用されている。しかし、一般に、これら時効材では１００℃を越える高温域に長時間曝されると時効析出物の粗大化により、著しい軟化が生じる。これら軟化を各種元素の添加および組成の最適化を図ることにより抑えた、ＪＩＳ　Ａ２６１８合金あるいはＡ２２１９合金などが一般的な耐熱アルミニウム合金として知られている。
また、これらＡｌ−Ｃｕ系合金の高温での強度を向上させるためにＭｇとともにＡｇを添加する方法が試みられている（例えば、特許文献１又は２等参照。）。
【０００３】
しかし、従来技術では、一般に相反するとされる高温強度と靭性のいずれも改善できるアルミニウム合金組成を見い出すに至っていなかった。すなわち、高強度を得るために靭性値を犠牲にしてしまうため、特に破壊をともなう高応力が負荷される部材や構造物での信頼性低下を生じ、十分に性能を引き出すことができない状況にあった。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５１−３７０１８号公報（請求項（１）（第１頁左下欄）および第３頁右上欄１〜２行目）
【特許文献２】
特開昭６２−１１２７４８号公報（第１頁左下欄請求項１．）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高温強度と高靭性の両方を備えた耐熱アルミニウム合金を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記従来技術の問題点について鋭意検討した結果、Ｃｕ：５．０〜６．５質量％、Ｍｇ：０．０５〜１．０質量％、Ａｇ：０．０５〜１．０質量％を含有する耐熱アルミニウム合金に対してＺｎを０．１０〜０．３５質量％添加することにより靭性の改善が図れることを見出した。また、本発明者らは、Ｃｕ：５．０〜６．５質量％、Ｍｇ：０．０５〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１０〜０．３５質量％、Ａｇ：０．０５〜１．０質量％を含有する耐熱アルミニウム合金に対して、Ｍｎ：０．１０〜０．５質量％、Ｖ：０．０２〜０．１５質量％、Ｚｒ：０．０２〜０．２５質量％、Ｔｉ：０．０５質量％以下を１種または２種以上を添加し、かつＳｉおよびＦｅの含有量をそれぞれ０．１５および０．２０質量％以下に抑えることにより、上記合金の靭性を損なうことなく更なる耐熱性の向上が図れることをも見い出し、これらの知見に基づき本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち本発明は、
（１）Ｃｕ：５．０〜６．５質量％、Ｍｇ：０．０５〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１０〜０．３５質量％、Ａｇ：０．０５〜１．０質量％を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする靭性に優れた耐熱アルミニウム合金、および
（２）Ｃｕ：５．０〜６．５質量％、Ｍｇ：０．０５〜１．０質量％、Ｚｎ：０．１０〜０．３５質量％、Ａｇ：０．０５〜１．０質量％を含有し、Ｍｎ：０．１０〜０．５質量％、Ｖ：０．０２〜０．１５質量％、Ｚｒ：０．０２〜０．２５質量％、Ｔｉ：０．０５質量％以下を１種または２種以上含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金であって、Ｓｉ：０．１５質量％以下、Ｆｅ：０．２０質量％以下にそれぞれ抑えたことを特徴とする靭性に優れた耐熱アルミニウム合金
を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のアルミニウム合金における個々の添加元素の作用について説明する。
本発明のアルミニウム合金は、基本的に溶体化処理、焼き入れ処理後、必要に応じて加工を施し、通常１００〜２００℃程度の時効処理を１段あるいは数段行うことにより時効硬化させて材料の強化を図ることにより製造される。
この時効処理において、Ａｌ−Ｃｕ系のいわゆるθ’相あるいはＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｇ系のいわゆるΩ相が硬化に寄与しているものと考えられている。したがって、Ｃｕが５．０質量％未満、あるいはＭｇ、Ａｇが０．０５質量％未満の場合、従来合金程度の強度しか得られない。特に高強度を必要とする場合にはＣｕを６．０質量％以上、Ｍｇ及びＡｇを０．３質量％以上添加することが好ましい。一方、Ｃｕが６．５質量％を越えると、溶体化処理時においても溶け切れない安定相θが形成、残存し、靭性の低下をもたらすため好ましくない。また、Ｍｇは１．０質量％を越えた添加量においてもさらに高強度が得られるが、延性および靭性の低下が顕著となり、本目的に適合しない。また、Ａｇについては、１．０質量％を越えて添加を行ってもさらなる強度の向上が望めないことから、経済的観点からここを適正組成の限界とした。
【０００９】
上記合金に対してＺｎを添加することにより、析出物の構造に大きな構造上の変化は認められないが、延性の向上を図ることができる。Ｚｎが０．１０質量％未満では顕著な延性の向上は得られず、０．３５質量％を越えると耐食性の低下が認められるため好ましくない。ただし、ここでの耐食性の劣化は大きなものではなく、良好な使用環境では０．５質量％程度までは強度特性上問題がない。Ｚｎの含有量は０．１５〜０．３０質量％が好ましい。
【００１０】
上記合金組成のおいても目的を達するに十分な特性は得られるが、さらに下記元素の添加により、特性の向上を図ることができる。また、下記元素の添加は、材料の製造に当たって、その適正条件の範囲を拡大し、製造が容易になる効果を有するものである。
【００１１】
Ｍｎは、高温暴露時に生じる析出物の粗大化を抑止する効果が認められる。０．１０質量％未満では、この効果が不十分であり、０．５質量％を越えると粗大な晶出物を形成し、靭性低下の要因になるため好ましくない。Ｍｎの含有量は０．２０〜０．３５質量％がより好ましい。
【００１２】
また、Ｖ、Ｚｒは微細な析出物を形成することにより強度向上に寄与する。ここでの析出物は、使用温度域（１００〜２００℃）において上記Ｃｕ系化合物よりも安定なため、高強度が維持できることになる。いずれも０．０２質量％未満では、その効果が不十分であり、逆にＶで０．１５質量％、Ｚｒで０．２５質量％を越えると鋳造性の低下による割れ発生頻度が増すこととなるため好ましくない。Ｖの含有量は０．０５〜０．１５質量％が好ましく、Ｚｒの含有量は０．０５〜０．２０質量％がより好ましい。
【００１３】
Ｔｉは、鋳造時の結晶微細化が目的であり、結果的に加工ならびに溶質の濃度の均一化による性能の安定化をもたらす。Ｔｉの場合、凝固直前に溶湯に投入することにより、後からの分析において検出できない程度の極微量の添加においてもその効果が得られる。逆にＴｉが０．０５質量％を越えるとＭｎと同様に粗大晶出物が生じる可能性が高くなるため好ましくない。Ｔｉの含有量は０．０００５〜０．０３質量％がより好ましい。
【００１４】
アルミニウム地金に不可避的不純物として含まれるＳｉ、Ｆｅは、他の遷移金属等とともに晶出物を形成しやすく、材料の延性および靭性の低下をもたらすため、極力少ないことが好ましい。本元素の許容含有量は原料地金の価格にかかわる経済的観点と用途に適合した要求特性との兼ね合いにかかわる部分が大きいが、Ｓｉの含有量が０．１５質量％を越えた場合、またはＦｅの含有量が０．２０質量％を越えた場合には、明らかな靭性低下が生じるため好ましくない。Ｓｉの含有量は０．０５〜０．１２質量％がより好ましく、Ｆｅの含有量は０．１０〜０．１５質量％がより好ましい。
【００１５】
上記の合金組成とすることにより、一般に相反するとされる高温強度と靭性の両方を備えた高靭性耐熱アルミニウム合金を得ることができる。本発明のアルミニウム合金は、１００℃を越える高温度域において高強度および高靭性を必要とする部材に用いられる耐熱アルミニウム合金展伸材および鍛造材として使用することができ、具体的には、例えば、ロケットや航空機等の高速移動体の外面部、内燃機関および過給機用部材などに使用することができる。
【００１６】
【実施例】
以下に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
表１に示す組成の合金を厚み６０ｍｍ、幅１８０ｍｍ、高さ１８０ｍｍの金型にて鋳造した。この鋳塊の両面を片面５ｍｍづつ面削した後、４９５℃で１４時間の均質化処理、開始温度を４３０℃とした熱間圧延を板厚５ｍｍまで行い、その後冷間圧延にて板厚１ｍｍの圧延板とした。これら圧延板から圧延方向に対して直角方向を引張り方向となるＪＩＳ−５号引張試験片を採取した。５３０℃で３０分の溶体化処理、約９０℃の熱水焼き入れを施した試験片に時効処理および高温暴露処理を行った。時効処理は１９０℃で行い、ほぼピーク強度が得られる１０時間を標準処理時間とした。耐熱性を評価するため、１９０℃で１０００時間の高温暴露を行い室温にて引張強度を測定した。靭性は、引張試験により得られた破断伸びにて簡易的に評価した。現行の溶解鋳造法における高強度を有する耐熱アルミニウム合金、例えばＪＩＳ　Ａ２５１９合金等の性能を考慮して、時効状態で耐力４００Ｎ／ｍｍ２、引張強さ４５０Ｎ／ｍｍ２以上、また高温暴露後において耐力２７０Ｎ／ｍｍ２、引張強さ３８０Ｎ／ｍｍ２以上の場合を耐熱強度に優れると判断した。また、延性については、時効直後で７％以上、高温暴露後において９％以上の伸びの場合を靱性に優れると判断した。表２に時効処理後および高温暴露処理後（１９０℃で１０００時間保持後）の引張試験結果を示す。
【００１７】
【表１】
2004137558.tif 000002
【００１８】
【表２】
2004137558.tif 000003
【００１９】
合金Ｎｏ．Ａ及びＧは請求項１に係る発明の本発明例、合金Ｎｏ．Ｂ〜Ｆは請求項２に係る発明の本発明例、合金Ｎｏ．Ｈ〜Ｌは請求項１に係る発明の比較例、合金Ｎｏ．Ｍは請求項２に係る発明の比較例である。表２から明らかなように、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｚｎの合金組成が請求項１記載の範囲外である比較例の合金Ｎｏ．Ｈ〜Ｌでは、耐熱強度と靱性のいずれかは優れていても両特性を併せ持つものはなかった。また、合金組成がＭｎ、Ｓｉ、Ｆｅについて請求項２記載の範囲外である比較例の合金Ｎｏ．Ｍでは、靱性の低下が発生した。これに対して本発明例の合金Ｎｏ．Ａ〜Ｇは、時効処理後および高温暴露後いずれにおいても高い強度が得られ、かつ、靱性についても優れることが分かった。
【００２０】
さらに、請求項２に係る発明の本発明例である合金Ｎｏ．Ｂ〜Ｆでは、請求項１に係る発明の本発明例である合金Ｎｏ．Ａ及びＧに比べて特性が向上することが分かった。例えば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ、及びＺｎの添加量が近い組成の合金Ｎｏ．ＡとＮｏ．Ｂとを比較すると、Ｃｕ、Ｍｇ、及びＡｇの元素はいずれも強度に大きく影響する元素であるが、請求項２に記載した範囲で選択成分（Ｍｎ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ）を含有するＮｏ．Ｂの方が高温強度に優れることが分かった。また、合金Ｎｏ．ＣではＣｕの添加量が、合金Ｎｏ．ＥではＭｇの添加量が、合金Ｎｏ．ＦではＡｇの添加量が他の合金に比べて低めであるが、いずれもの合金も時効処理後および高温暴露後において高い強度が得られ、かつ、靱性についても優れることが分かった。これらは、選択成分として追加された元素（Ｍｎ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ）を請求項２に記載した範囲で添加したことにより他の合金とほぼ同等の高温強度を維持することができたことを示している。
一方、請求項１に係る発明の本発明例であって請求項２に係る発明の本発明例ではない合金Ｎｏ．Ｇは、Ｓｉ及びＦｅの添加量が請求項２に規定された範囲を超えるため、高温における延性について若干の低下が認められた。
【００２１】
【発明の効果】
本発明のアルミニウム合金は、一般に相反するとされる高温強度と靭性の両方を備え、より高温、高負荷環境下において好ましく使用することができる。すなわち、本発明のアルミニウム合金は、１００℃を越える高温度域において高強度および高靭性を必要とする部材に用いられる耐熱アルミニウム合金展伸材および鍛造材として使用することができ、具体的には、例えば、ロケットや航空機等の高速移動体の外面部、内燃機関および過給機用部材などに使用することができる。したがって、アルミニウム合金材料の長所を生かせる用途を大きく拡大できるという優れた効果を奏し、高い工業的価値を有する。