(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）で示されるアルミニウム基合金（ただし、一般式中のＸおよびＹは、Ｃｕ、Ｚｎ、ＡｇおよびＬｉからそれぞれ選択され、ａおよびｂは質量％であって、溶体化熱処理により固溶が可能となる範囲である）。    Ａｌ−ａＸ−ｂＹ  （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）で示されるアルミニウム基合金（ただし、一般式中のＸおよびＹは、Ｃｕ、Ｚｎ、ＡｇおよびＬｉからそれぞれ選択され、ａおよびｂは質量％であって、溶体化熱処理により固溶が可能となる範囲である）。
Ａｌ−ａＸ−ｂＹ  （１）
【請求項２】
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（２）で示されるアルミニウム基合金（ただし、一般式中のＸ、Ｙ、ＺおよびＷは、Ｃｕ、Ｚｎ、ＡｇおよびＬｉからそれぞれ選択され、ａ、ｂ、ｃおよびｄは質量％であって、溶体化熱処理により固溶が可能となる範囲である）。
Ａｌ−ａＸ−ｂＹ−ｃＺ−ｄＷ  （２）
【請求項３】
前記一般式（１）、（２）のａ、b、c、およびｄは、１４≦（a＋b＋c＋d）≦３０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】
請求項１〜３に記載のアルミニウム基合金を、溶体化熱処理及び焼入れした後、時効処理を９０〜１７０℃で１２０〜２４０時間行なうことを特徴とするアルミニウム基合金の製造方法。
【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（たとえば、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、固溶および時効による強化について鋭意研究を重ねた。その結果、Ａｌよりも原子半径が小さい元素によってＡｌが置換されることで、高剛性化が可能であることを見出した（計算結果による）。すなわち、添加元素により電子密度が向上するとともに原子間距離（格子間距離）が近接化することにより、結合エネルギを上昇させることができ、高剛性化が可能となる。本発明者等が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結果、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、およびＬｉの原子半径は、Ａｌの原子半径のそれぞれ−１０．５％、−６．９９％、＋１．０５％、および＋５．７０％であった。
【０００６】
また、本発明者等は、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。
【０００７】
【数１】
2017128780.tif 000002
【０００８】
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％に換算してヤング率の増加率を求めたところ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、およびＬｉのヤング率の増加率は、それぞれ０．６５％、０．０４％、０．２４％、および０．９５％であった。
【０００９】
さらに、本発明者等は、添加元素がＡｌ中に多く過飽和固溶できれば、時効温度における固溶限との差により中間層（Ａｌと添加元素の金属間化合物、添加元素どうしの金属間化合物など）を析出させることで、さらなる高剛性化を発現できることに思い至り、周期律表の第一周期から第五周期までの元素について調査した。その結果、Ｃｕ、Ｚｎ、ＡｇおよびＬｉのＡｌに対する最大固溶量は、それぞれ２．４８ｗｔ％、４９．１ｗｔ％、２３．９ｗｔ％、および１３．９ｗｔ％であった。
【００１０】
アルミニウム基合金の高剛性化は、前述のヤング率の増加率と最大固溶量との相乗効果と考えられるから、両者の積を計算すると、Ｃｕ：１．６１２、Ｚｎ：１．９６４、Ａｇ：５．７３６、およびＬｉ：１３．２０５となり、他の元素は全て１未満となった。
【００１１】
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アルミニウム基合金である（ただし、一般式中のＸおよびＹは、Ｃｕ、Ｚｎ、ＡｇおよびＬｉからそれぞれ選択され、ａおよびｂは質量％であって、溶体化処理により固溶が可能となる範囲である）。
Ａｌ−ａＸ−ｂＹ  （１）
【００１２】
また、本発明は、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（２）で示されることを特徴とするアルミニウム基合金である（ただし、一般式中のＸ、Ｙ、ＺおよびＷは、Ｃｕ、Ｚｎ、ＡｇおよびＬｉからそれぞれ選択され、ａ、ｂ、ｃおよびｄは質量％であって、溶体化処理により固溶が可能となる範囲である）。
Ａｌ−ａＸ−ｂＹ−ｃＺ−ｄＷ  （２）
【００１３】
なお、本発明のアルミニウム基合金は、少なくとも１の元素が添加されていればよいから、ａ〜ｄの１つないし３つはゼロであってもよい。また、溶体化処理とは、熱処理により 固相内の濃度勾配からできる第二相粒子などを固溶させる処理のことであり、平衡状態図上で単相領域まで温度を上昇させて急冷することで添加元素を固溶させる。したがって、「溶体化処理により固溶が可能となる範囲」とは、平衡状態図上で単相の固相（α相）が存在する範囲を言い、固相が二相（α相＋β相）でのみ存在する添加元素の含有量が上限となる。  
【００１４】
ここで、前記一般式（１）、（２）のａ、b、c、およびｄは、１４≦（a＋b＋c＋d）≦３０の関係を満足する正数であることが望ましい。 
【００１５】
本発明のアルミニウム基合金の製造方法は、上記のアルミニウム基合金を、溶体化熱処理及び焼入れした後、時効処理を９０〜１７０℃で１２０〜２４０時間行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、アルミニウム母相に対する添加元素の固溶体および中間相の形成効果によって、ヤング率が飛躍的に向上し剛性を格段に高めた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より、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】
【００１７】
【図１】ヤング率の測定装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例におけるアルミニウム基合金の時効時間とヤング率との関係を示すグラフである。
【実施例】
【００１８】
１．第１実施例
次に、具体的な実施例により本発明を詳細に説明する。
表１に示す組成を有するアルミニウム基合金から幅１０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの矩形状の試料を作製し、５２０℃で４時間保持して水中に投入する溶体化処理を行った後、１１０℃で２４時間保持する時効処理を行った。次いで、試料のヤング率を複数回測定し、その最大値を表１に併記する。
【００１９】
【表１】
2017128780.tif 000003
【００２０】
図１はヤング率の測定装置（日本テクノプラス製ＪＥ−ＲＴ）を示すものである。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。
【００２１】
表１に示すように、実施例１〜５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い。特に、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｌｉを含有する実施例５では、極めて高いヤング率を得ることができた。
【００２２】
２．第２実施例
９０℃で１０日間保持する時効処理を行った以外は第１実施例と同じ条件で試料を作製し、ヤング率を測定した。その結果を表２に示す。また、前述の数１を用いて算出したヤング率を表２に併記する。
【００２３】
【表２】
2017128780.tif 000004
【００２４】
表２に示すように、数１を用いて計算したヤング率は実測値に極めて近似しており、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｌｉを選定したことの正当性が確認された。
【００２５】
３．第３実施例
成分と時効処理条件を図２に示すものとした以外は第１実施例と同じ条件でアルミニウム基合金の試料を作製した。図２に示すとおり、時効温度が１７０℃の場合には、２４０時間の時効で７７ＧＰａ以上のヤング率を得ることが確認された。また、時効温度が１１０℃の場合には、１５００時間の時効で７８ＧＰａ以上のヤング率を得ることも確認された。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
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】
2017128780.tif 000005
【図２】
2017128780.tif 000006