JP7321457B2

JP7321457B2 - アルミニウム合金材、その製造方法及びインペラ

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Publication number: JP7321457B2
Application number: JP2020033896A
Authority: JP
Inventors: 雅晶近藤; 知平杉山; 尚記 ▲高▼田
Original assignee: Toyota Industries Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Toyota Industries Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2023-08-07
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: JP2021134413A

Description

本発明は、アルミニウム合金材、その製造方法及びこのアルミニウム合金材からなるインペラに関する。

アルミニウム合金は、比強度が高いという特性を活かし、機械部品などの素材として使用されている。機械部品の中でも、例えば、ターボチャージャに組み込まれるインペラなどの輸送機用圧縮機部品には、高温下での機械的特性に優れていることが求められる。

例えば非特許文献１には、Ａｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金が高温における強度に優れていることが記載されている（非特許文献１）。

「第１３４回春季大会講演概要」、一般社団法人軽金属学会発行、平成３０年４月２６日、第３１７－３１８ページ

しかし、非特許文献１のＡｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金は、クリープ特性に未だ改善の余地がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、クリープ特性に優れたアルミニウム合金材、その製造方法及びインペラを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、Ｍｇ（マグネシウム）：１．０原子％以上１０．０原子％以下、Ｚｎ（亜鉛）：２．０原子％以上９．０原子％以下、Ｎｉ（ニッケル）：０．２５原子％以上３．０原子％以下及びＣｕ（銅）：０．２５原子％以上３．０原子％以下を含有し、残部がＡｌ（アルミニウム）及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、
Ａｌマトリクス中に第二相粒子が析出した金属組織を有する、アルミニウム合金材にある。

前記アルミニウム合金材は、前記の通り、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｎｉ及びＣｕを前記特定の範囲の含有量で含有する五元系合金である。前記アルミニウム合金材の化学成分を前記特定の範囲とすることにより、クリープ特性を改善することができる。

以上のように、前記アルミニウム合金材は、優れたクリープ特性を有している。

図１は、試験材Ｅ１～Ｅ１１及び試験材Ｃ１～Ｃ９のクリープ破断時間を示すグラフである。図２は、試験材Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７、Ｅ９及びＥ１１のひずみ速度－時間曲線である。図３は、試験材Ｅ１、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５及びＥ７の低ひずみ領域におけるクリープ曲線である。図４は、試験材Ｒ１～Ｒ１２のひずみ速度－時間曲線である。

前記アルミニウム合金材は、Ｍｇ：１．０原子％以上１０．０原子％以下、Ｚｎ：２．０原子％以上９．０原子％以下、Ｎｉ：０．２５原子％以上３．０原子％以下及びＣｕ：０．２５原子％以上３．０原子％以下を含有する五元系合金である。前記アルミニウム合金材の化学成分及びその限定理由について説明する。

・Ｍｇ：１．０原子％以上１０．０原子％以下
Ｍｇは、Ｚｎと共存することによりＡｌマトリクス中に第二相粒子を形成し、前記アルミニウム合金材の強度を向上させる作用を有している。前記アルミニウム合金材中のＭｇの含有量は、１．０原子％以上１０．０原子％以下である。Ｍｇの含有量を前記特定の範囲とすることにより、高温における前記アルミニウム合金材の強度の低下を抑制するとともに、クリープ特性を改善しやすくすることができる。

Ｍｇの含有量は、１．５原子％以上９．５原子％以下であることが好ましく、２．０原子％以上９．０原子％以下であることがより好ましく、３．３原子％以上８．５原子％以下であることがさらに好ましい。この場合には、前記アルミニウム合金材のクリープ特性をより改善しやすくすることができる。

また、Ｍｇの含有量を、好ましくは３．０原子％以上４．５原子％以下、より好ましくは３．３原子％以上４．０原子％以下とすることにより、永久ひずみが０％以上０．１％以下の低ひずみ領域におけるクリープ特性をより改善し、永久ひずみが０．１％に到達するまでに要する時間をより長くすることができる。

Ｚｎの含有量に対するＭｇの含有量の比Ｍｇ／Ｚｎの値は、０．８以上２．０以下であることが好ましく、１．０以上１．５以下であることがより好ましい。この場合には、ひずみ速度－時間曲線における二次クリープ領域のひずみ速度をより小さくし、二次クリープ特性をより改善させる効果が期待できる。

・Ｚｎ：２．０原子％以上９．０原子％以下
Ｚｎは、Ｚｎと共存することによりＡｌマトリクス中に第二相粒子を形成し、前記アルミニウム合金材の強度を向上させる作用を有している。前記アルミニウム合金材中のＺｎの含有量は、２．０原子％以上９．０原子％以下である。Ｚｎの含有量を前記特定の範囲とすることにより、高温における前記アルミニウム合金材の強度の低下を抑制するとともに、クリープ特性を改善しやすくすることができる。

Ｚｎの含有量は、２．０原子％以上８．５原子％以下であることが好ましく、２．０原子％以上８．０原子％以下であることがより好ましい。この場合には、クリープ特性をより改善しやすくすることができる。

・Ｎｉ：０．２５原子％以上３．０原子％以下、Ｃｕ：０．２５原子％以上３．０原子％以下
前記アルミニウム合金材中のＮｉの含有量及びＣｕの含有量は、それぞれ前記特定の範囲内である。前記アルミニウム合金材は、ＮｉとＣｕとの両方が添加されていることにより、これらの元素のいずれか一方または両方が添加されていない場合に比べてクリープ特性を格段に向上させることができる。

前記アルミニウム合金材中のＣｕの含有量は、Ｎｉの含有量よりも多いことが好ましい。この場合には、クリープ特性をより向上させることができる。

同様の観点から、前記アルミニウム合金材中のＣｕの含有量は、０．５原子％以上２．５原子％以下であることが好ましい。また、前記アルミニウム合金材中のＮｉの含有量は、０．５原子％以上２．５原子％以下であることが好ましい。

前記アルミニウム合金材は、例えば、輸送機用圧縮機部品、特に、ターボチャージャ用インペラとして好適である。また、前記アルミニウム合金材は、輸送機用圧縮機部品以外にも、高温環境下において使用される機械部品に好適に使用することができる。

・製造方法
前記アルミニウム合金材は、例えば、鋳造、溶体化処理、焼入れ及び時効処理を順次実施することにより作製される。また、前記の態様の製造方法においては、必要に応じて、鋳造後の鋳塊に、均質化処理及び展伸加工を行ってもよい。

鋳造においては、例えば、連続鋳造や半連続鋳造等の方法により、前記特定の化学成分を有する鋳塊を作製すればよい。

鋳造後の鋳塊を加熱して均質化処理を行う場合、加熱温度は、例えば、４２０℃以上５００℃以下の範囲から適宜設定することができる。また、均質化処理における保持時間は、例えば、１０時間以上４８時間以下の範囲から適宜設定することができる。均質化処理における加熱温度が低すぎる場合または保持時間が短すぎる場合には、鋳塊の均質化が不十分となり、偏析等の問題が生じるおそれがある。また、この場合には、後に塑性加工を行う際に、変形抵抗の増大を招くおそれもある。

均質化処理における加熱温度が高すぎる場合または保持時間が長すぎる場合には、鋳塊の加熱に要するエネルギーが増大し、製造コストの増大を招くおそれがある。また、この場合には、後に塑性加工を行う際に、割れが生じやすくなるおそれもある。これらの問題をより確実に回避する観点からは、均質化処理における加熱温度を４４０℃以上４８０℃以下の範囲内とすることが好ましい。同様の観点から、均質化処理における保持時間を２４時間以上３０時間以下の範囲内とすることが好ましい。

鋳塊に展伸加工を施す場合、展伸加工としては、熱間圧延、冷間圧延、熱間押出、冷間押出、熱間鍛造及び冷間鍛造から選択される１種の加工を実施してもよいし、これらのうち２種以上の加工を組み合わせて実施してもよい。また、展伸加工の途中において、焼鈍等の熱処理を必要に応じて行うこともできる。

溶体化処理においては、鋳塊又は展伸材を加熱してＭｇ等の溶質元素をＡｌマトリクス中に固溶させる。そして、溶体化処理が完了した直後に焼入れを行うことにより、鋳塊を過飽和固溶体とすることができる。

溶体化処理における加熱温度は、例えば、４２０℃以上５００℃以下の範囲から適宜設定することができる。また、溶体化処理における保持時間は、２４時間以上４８時間以下の範囲から適宜設定することができる。溶体化処理における加熱温度及び保持時間を前記特定の範囲とすることにより、溶質元素を鋳塊中に十分に固溶させ、後に行う時効処理によって第二相粒子を微細に析出させることができる。

溶体化処理における加熱温度が低すぎる場合または保持時間が短すぎる場合には、溶質元素が十分に固溶せず、時効処理後の第二相粒子の量が少なくなるおそれがある。その結果、前記アルミニウム合金材のクリープ特性の悪化を招くおそれがある。溶体化処理における加熱温度が高すぎる場合または保持時間が長すぎる場合には、展伸材の加熱に要するエネルギーが増大し、製造コストの増大を招くおそれがある。

鋳塊の焼入れ方法は特に限定されることはなく、例えば、水焼入れなどの方法を採用することができる。

その後、溶体化処理及び焼入れによって過飽和固溶体となった鋳塊を加熱して時効処理を行う。時効処理における加熱温度は、例えば、２００℃以上３００℃以下の範囲から適宜設定することができる。また、時効処理における保持時間は、１時間以上１００時間以下の範囲から適宜設定することができる。時効処理における加熱温度及び保持時間を前記特定の範囲とすることにより、Ａｌマトリクス中に第二相粒子を微細に析出させることができる。

時効処理における加熱温度が低すぎる場合または保持時間が短すぎる場合には、第二相粒子の量が少なくなるおそれがある。その結果、前記アルミニウム合金材のクリープ特性の悪化を招くおそれがある。時効処理における加熱温度が高すぎる場合または保持時間が長すぎる場合には、過時効となり、前記アルミニウム合金材のクリープ特性の悪化を招くおそれがある。これらの問題をより確実に回避する観点からは、時効処理における加熱温度を２００℃以上２５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。同様の観点から、時効処理における保持時間を１時間以上１０時間以下の範囲内とすることが好ましい。

前記アルミニウム合金材及びその製造方法の実施例を以下に説明する。本例では、連続鋳造法により表１に示す化学成分を有する鋳塊を作製した。なお、表１における記号「Ｂａｌ．」は、残部を示す記号である。

得られた鋳塊を表１に示す処理温度に２４時間保持して溶体化処理を行い、次いで水焼入れを行った。そして、水焼入れ後の鋳塊を２００℃の温度に１０時間保持して時効処理を行った。以上により、表１に示すアルミニウム合金材（試験材Ｅ１～Ｅ１１、Ｃ１～Ｃ９）を得た。

得られた試験材から、ダンベル形状の試験片を採取した。この試験片を用い、ＪＩＳＺ２２７１：２０１０に準じた方法によりクリープ試験を行った。クリープ試験にはシングルクリープ試験機を使用し、試験温度は２００℃、試験応力は１０５ＭＰａとした。また、試験片の長さは掴み部を含めて５７ｍｍとし、平行部の直径はφ４ｍｍ、掴み部の直径はφ８ｍｍとした。

各試験材の破断時間は、図１及び表１に示す通りであった。なお、図１の縦軸は試験材のクリープ破断時間であり、横軸はＭｇの含有量（原子％）である。

表１及び図１において、Ｍｇの含有量が５．０原子％である試験材Ｅ１～Ｅ４と試験材Ｃ１～Ｃ６とを比較すると、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｎｉ及びＣｕを含む五元系合金からなる試験材Ｅ１～Ｅ４は、Ｚｎ、Ｎｉ及びＣｕのうち１種または２種以上が含まれていない試験材Ｃ１～Ｃ６に比べてクリープ破断時間が長くなっていることが理解できる。

Ｍｇの含有量が２．５原子％である試験材Ｅ５と試験材Ｃ７との比較、Ｍｇの含有量が７．０原子％である試験材Ｅ８～Ｅ９と試験材Ｃ８との比較、Ｍｇの含有量が８．０原子％である試験材Ｅ１０と試験材Ｃ９との比較からも、上記と同様に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｎｉ及びＣｕを含む五元系合金からなる試験材Ｅ５～Ｅ１０が、Ｚｎ、Ｎｉ及びＣｕのうち１種または２種以上が含まれていない試験材Ｃ７～Ｃ９に比べてクリープ破断時間が長くなっていることが理解できる。

従って、これらの結果によれば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｎｉ及びＣｕを前記特定の範囲の含有量で含有するアルミニウム合金材は、優れたクリープ特性を有していることが理解できる。

前述した試験材Ｅ１～Ｅ１１の中でも、Ｍｇの含有量が５．０原子％であり、Ｚｎの含有量が３．５原子％である試験材Ｅ１～Ｅ４は、他の試験材Ｅ５～Ｅ１１よりもさらに優れたクリープ特性を有している。これらの結果によれば、Ｍｇの含有量を４．０原子％以上６．５原子％以下とし、かつ、Ｚｎの含有量を３．０原子％以上５．５原子％以下とすることにより、クリープ特性をさらに改善できることが理解できる。

また、図２に、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７、Ｅ９及びＥ１１のひずみ速度－時間曲線を示す。図２の縦軸は対数スケールで表したひずみ速度（１／ｓ）であり、横軸は試験時間（時間）である。

図２に示したように、Ｚｎの含有量に対するＭｇの含有量の比Ｍｇ／Ｚｎの値が０．８以上２．０以下の範囲内である試験材Ｅ３、Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１１は、Ｍｇ／Ｚｎの値が０．８未満である試験材Ｅ５に比べて二次クリープ特性または三次クリープ特性の少なくとも一方を改善することができた。

また、図３に、試験材Ｅ１、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ７の低ひずみ領域におけるクリープ曲線を示す。図３の縦軸は永久ひずみ到達時間（時間）であり、横軸は永久ひずみ（％）である。

図３に示したように、Ｍｇの含有量が３．８原子％である試験材Ｅ７は、Ｍｇの含有量が５．０原子％である試験材Ｅ１、Ｅ３、Ｅ４やＭｇの含有量が２．５原子％である試験材Ｅ５に比べて、０．１％の永久ひずみに到達するまでの時間を長くすることができた。これらの結果から、Ｍｇの含有量を３．０原子％以上４．５原子％以下とすることにより、低ひずみ領域におけるクリープ特性をより改善できることが理解できる。

（参考例）
本例は、Ｍｇの含有量に対するＺｎの含有量の比率を種々の値に変更した例である。本例では、まず、溶体化処理における処理温度を４２０℃以上５００℃以下とした以外は、前述した試験材Ｅ１等と同様の方法により、表２に示す組成を有するＡｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金（試験材Ｒ１～Ｒ１５）を作製した。

これらのＡｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金を用い、試験材Ｅ１等と同様の方法によりクリープ試験を行った。図４に、参考例のＡｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金におけるクリープ曲線を示す。図４の縦軸は対数スケールで表したひずみ速度（１／ｓ）であり、横軸は試験時間（時間）である。

表２及び図４に示したように、Ａｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金においても、前述した実施例と同様に、Ｚｎの含有量に対するＭｇの含有量の比Ｍｇ／Ｚｎの値が０．８以上２．０以下の範囲内である試験材Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５～Ｒ７、Ｒ９、Ｒ１１、Ｒ１４は、これら以外の試験材に比べて二次クリープ特性および三次クリープ特性の少なくとも一方を改善することができた。

また、試験材Ｒ９及び試験材Ｒ１２は、前述した試験材の中でも特にクリープ特性に優れており、破断までの時間をより長くすることができた。これらの試験材においてクリープ特性が改善された理由としては、以下のような理由が考えられる。すなわち、Ａｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金においては、Ｚｎの含有量に対するＭｇの含有量の比Ｍｇ／Ｚｎの値を前記特定の範囲とすることにより、結晶粒内に微細な析出物を形成することができる。

一方、これらの析出物の総量は、Ｍｇ及びＺｎの含有量が多くなるほど増大する。それ故、Ｚｎの含有量に対するＭｇの含有量の比Ｍｇ／Ｚｎの値を前記特定の範囲とした上で、更にＭｇ及びＺｎの含有量を多くすることにより、結晶粒内に加え、結晶粒界にも微細な析出物を形成することができると推測される。そして、結晶粒界に析出物が形成されることにより、結晶粒界の滑りを抑制し、ひいてはクリープ特性を改善することができると考えられる。

前述した参考例は、別の観点から見れば、以下のようなＡｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金材に関する発明として把握することができる。すなわち、Ａｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金材は、
Ｍｇ：１．０原子％以上１０．０原子％以下、Ｚｎ：１．０原子％以上９．０原子％以下を含有し、Ｍｇ／Ｚｎの値が０．８以上２．０以下であり、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有している。

前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金材におけるＭｇの含有量は、３．３原子％以上であることが好ましく、４．０原子％以上であることがより好ましく、５．０原子％以上であることがさらに好ましく、６．０原子％以上であることが特に好ましい。この場合には、析出物の量をより多くし、クリープ特性の更なる向上を期待することができる。

また、前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金材におけるＭｇの含有量は、９．５原子％以下であることが好ましい。この場合には、クリープ特性の更なる向上を期待することができる。

前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金材におけるＺｎの含有量は、２．０原子％以上であることが好ましく、３．５原子％以上であることがより好ましく、５．０原子％以上であることがさらに好ましく、５．５原子％以上であることが特に好ましい。この場合には、析出物の量をより多くし、クリープ特性の更なる向上を期待することができる。

また、前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｚｎ三元系合金材におけるＺｎの含有量に対するＭｇの含有量の比Ｍｇ／Ｚｎの値は、１．０以上１．５以下であることがより好ましい。この場合には、結晶粒内の析出物をより微細化し、二次クリープ特性をより向上させる効果が期待できる。

本発明に係るアルミニウム合金材の具体的な態様は、実施例に記載された態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。

Claims

Ｍｇ：１．０原子％以上１０．０原子％以下、Ｚｎ：２．０原子％以上９．０原子％以下、Ｎｉ：０．２５原子％以上３．０原子％以下及びＣｕ：０．２５原子％以上３．０原子％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、
Ａｌマトリクス中に第二相粒子が析出した金属組織を有する、アルミニウム合金材。
Ｍｇの含有量が３．５原子％以上９．０原子％以下である、請求項１に記載のアルミニウム合金材。
Ｚｎの含有量が３．０原子％以上８．０原子％以下である、請求項１または２に記載のアルミニウム合金材。
Ｃｕの含有量がＮｉの含有量よりも多い、請求項１～３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金材。
Ｚｎの含有量に対するＭｇの含有量の比Ｍｇ／Ｚｎの値が０．８以上２．０以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金材。
請求項１～５のいずれか１項に記載のアルミニウム合金材からなるインペラ。
請求項１～５のいずれか１項に記載のアルミニウム合金材の製造方法であって、
前記化学成分を有する鋳塊を作製し、
前記鋳塊を４２０～５００℃の温度で２４～４８時間加熱して溶体化処理を行い、
次いで、前記鋳塊を焼入れし、
その後、前記鋳塊を２００～３００℃の温度で１～１００時間加熱して時効処理を行う、アルミニウム合金材の製造方法。
請求項１～５のいずれか１項に記載のアルミニウム合金材の製造方法であって、
前記化学成分を有する鋳塊を作製し、
前記鋳塊に展伸加工を施して展伸材を作製し、
前記展伸材を４２０～５００℃の温度で２４～４８時間加熱して溶体化処理を行い、
次いで、前記展伸材を焼入れし、
その後、前記展伸材を２００～３００℃の温度で１～１００時間加熱して時効処理を行う、アルミニウム合金材の製造方法。