アルミニウム合金及びその製造方法
【課題】高強度と低いヤング率とを兼ね備えたアルミニウム合金を提供する。
【解決手段】少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含むアルミニウム合金であって、粒子径が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ｂ）に対する、粒子径が１０μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）の比（Ａ）／（Ｂ）が１以上である、アルミニウム合金。
【解決手段】少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含むアルミニウム合金であって、粒子径が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ｂ）に対する、粒子径が１０μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）の比（Ａ）／（Ｂ）が１以上である、アルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヤング率を低減した金属材料は、負荷応力に対して大きな弾性変位を得ることができ、そのしなやかな特性から、種々の用途に用いられている。例えば、バネ材料に用いた場合スプリングの巻き数を低減できるため、バネを小型化することができる。また、しなやかな特性からメガネに用いると使用感を高めることができる。さらにゴルフクラブに用いると飛距離を向上させることができ、その他ロボット、人工骨補助材などの製品に好適に使用することができる。
【０００３】
例えば、ロボットの手や指には鉄鋼等の金属が用いられている。しかし、ロボットが、ステンレス製の手で対象物を掴もうとすると、力の加減が難しく、対象物を破壊してしまい易いという問題がある。従って、低ヤング率の素材を用いてロボットの手や指を作製することが求められる。
【０００４】
また、低ヤング率の金属が線膨張係数も同時に低くできた場合、例えば半導体モジュールの配線等の構成部材として用いると、チップとの線膨張係数差により発生する熱歪みを効果的に吸収することが出来る。このように、低ヤング率を有する金属は種々の用途に広く用いることができる。上記を満たす低ヤング率を有する金属材料として、例えば、チタン系合金やＮｉ−Ｔｉ形状記憶合金が挙げられる。これらはいずれもチタンをベースとした金属であるため、高価であった。また、Ｍｇは純金属でヤング率が４０ＧＰａ台と低いが、用途によっては強度が低い、耐熱性、耐食性、耐久性等が低いなどの理由から使用範囲が限られていた。
【０００５】
そこで、金属の中では比較的低コストであるアルミニウムをベースとした低弾性合金が求められている。
【０００６】
一方、アルミニウムにＣａを含有した合金は、従来から知られている。例えば、特許文献１では、０．５〜１０重量％のＣａを含有するＡｌ−Ｃａ合金であって、断面積が７〜８０ｍｍ２のロッド状であることを特徴とする初晶Ｓｉ微細化助剤が提案されている。
【特許文献１】特開平６−１４５８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、例えば、特許文献１に記載のＡｌ−Ｃａ合金は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の微細化のための添加材としての利用を目的としており、合金の強度やヤング率に着目している技術ではない。そして、本発明者らが検討した結果、低ヤング率の合金を得ようとしてＣａ量を単純に増加させていくと、曲げ強度等の機械的特性が低下することが判明した。したがって、本発明の課題は、低ヤング率でありながら、機械的特性に優れたアルミニウム合金を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を行った結果、Ａｌ４Ｃａ相における粒子径が１０μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒の面積率が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒の面積率に対して１以上であるＡｌ合金が上記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成させた。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ヤング率が低いアルミニウム合金でありながら、機械的特性に優れた合金を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含むアルミニウム合金であって、粒子径が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ｂ）に対する、粒子径が１０μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）の比（Ａ）／（Ｂ）が１以上である、アルミニウム合金である。
【００１１】
図１にＡｌ−Ｃａ合金状態図を示した。図１は、Ｖ．Ｐ．Ｉｔｋｉｎ，Ｃ．Ｂ．Ａｌｃｏｃｋ，Ｐ．Ｊ． ｖａｎ Ｅｋｅｒｅｎ， ａｎｄ Ｈ．Ａ．Ｊ．Ｏｏｎｋ，Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｂｕｌｌ． Ａｌｌｏｙ Ｐｈａｓｅ Ｄｉａｇｒａｍｓ，９（６），Ｄｅｃ １９８８．からの引用である。図示したように、平衡状態ではＣａ量が７．７質量％以上で過共晶となり、初晶としてＡｌ４Ｃａが晶出する。ＡｌにＣａを添加すると、ヤング率が低下することは従来から知られていた（例えば、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＭＥＴＡＬＳ ，（１９５２−３），Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．１，ｐｐ４９−５５，Ｎ．Ｄｕｄｚｉｎｓｋｉ．参照）。しかしながら、ヤング率を低下すべく、過共晶側までＣａ量を増やすと、製造が困難になる上、強度や延性等の種々の機械的特性に悪影響を及ぼしていたため、Ｃａ量を増やすことは困難であった。特に、Ａｌ４Ｃａ相は脆いため、Ｃａ添加量を増やすと脆性的になり、低ヤング率の特性を生かせない欠点があった。この原因として、本発明者らは、従来の合金のＡｌ４Ｃａ相に存在する粗大なＡｌ４Ｃａ粒の存在が、合金強度の低下に影響を与えていることを見出した。そして、Ｃａ量を増大させた場合であっても、粗大な粒子径（具体的には１０μｍ以上）のＡｌ４Ｃａ粒の含有量を一定以下にコントロールすることによって、高強度と低ヤング率とを兼ね備えたアルミニウム合金が得られることを見出したものである。
【００１２】
具体的には、本発明の合金は、機械特性に悪影響を及ぼす１０μｍ以上で存在する粗大なＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ｂ）が、１０μｍ未満の微細なＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）と同じ、または１０μｍ未満の微細なＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）よりも小さい。このため、微細なＡｌ４Ｃａ粒の存在が強化機構として働く上、ヤング率も十分に低くすることができる。従って、高い強度と低いヤング率を兼ね備えたアルミニウム合金を得ることができる。
【００１３】
本発明では、Ａｌ４Ｃａ相を構成するＡｌ４Ｃａ粒において、粒子径が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ｂ）に対する、粒子径が１０μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）の比（Ａ）／（Ｂ）が１以上である。より好ましくは、１．５以上であり、さらに好ましくは１０以上である。（Ａ）／（Ｂ）がかような比であると、得られる合金の機械的特性が向上し、また低ヤング率の合金を得ることができる。なお、粒子径が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒は、その存在が少なければ少ないほど、本発明の効果が顕著に得られるため、（Ａ）／（Ｂ）値の上限は特に限定されるものではないが、通常は、１００以下程度となる。
【００１４】
なお、Ａｌ４Ｃａ粒の「粒子径」とは、Ａｌ４Ｃａ粒の最長径を意味するものとする。また、Ａｌ４Ｃａ粒の面積率、および以下に記載する個数は、次のように求める。実施例に記載のように、まず、アルミニウム合金の棒材の長手方向に対して垂直断面の光学顕微鏡による組織写真の観察結果を元に画像解析により２値化処理を行い、Ａｌ４Ｃａ粒の面積率および個数を求める。さらに、長手方向平行断面も光学顕微鏡写真より同様にＡｌ４Ｃａ粒の面積率および個数を求め、垂直断面との平均値を求めることにより、Ａｌ４Ｃａ粒の面積率、および個数とする。ここでは、棒材を例に記載したが、その他の場合であっても、垂直方向および平行方向の２方向の断面画像を解析し、各方向の数値を平均化したものを、Ａｌ４Ｃａ粒の面積率および個数とする。面積率は、Ａｌ合金を構成する全粒子が占める面積を１００％とした場合の、各粒子が占める面積比率を意味する。
【００１５】
Ａｌ４Ｃａ相の平均粒子径は、１．５μｍ以下であることが好ましく、０．２〜１．５μｍであることがより好ましい。また、１ｍｍ２あたりＡｌ４Ｃａ粒が１０万個以上存在することが好ましく、１０万〜１００万個存在することがより好ましい。平均粒子径が小さく、かつ面積あたりの粒子数が多いことで、微細な粒子が多数存在するため、高い強度と低いヤング率という本発明の効果をより発揮しやすい。Ａｌ４Ｃａ相の平均粒子径は、実施例と同様に、アルミニウム合金の棒材の長手方向に対して垂直断面の光学顕微鏡による組織写真の観察結果を元に画像解析により２値化処理を行い、Ａｌ４Ｃａ粒の平均面積を求める。さらに長手方向平行断面も光学顕微鏡写真より同様にＡｌ４Ｃａ粒の平均面積を求め、垂直断面との平均値を求める。続いてＡｌ４Ｃａ粒は球状であると仮定して球の直径を得られた平均面積から計算し、Ａｌ４Ｃａ相の平均粒子径とする。ここでは、棒材を例に記載したが、その他の場合であっても、垂直方向および平行方向の２方向の断面画像を解析し、各方向の数値を平均化したものを、Ａｌ４Ｃａ相の平均粒子径の面積率とする。
【００１６】
本発明のアルミニウム合金は、Ａｌを主成分としたＣａ含有アルミニウム合金からなるものであるが、Ａｌは残部であって、その含有が限定されるものではない。例えば、原子量比率で考えたときに、含有元素中でもっとも多い元素がＡｌであれば良い。特に、Ａｌ合金全体を１００質量％としたときに、Ａｌ含有量が７０質量％以上、好ましくは８０質量％以上のＡｌ基合金であると、低密度化、低弾性化を図る上で好ましい。また、当然に、不可避不純物は存在し得る。
【００１７】
Ｃａは、Ａｌ４Ｃａを第２相として分散させ、ヤング率を低下させる元素である。Ａｌ合金全体を１００質量％としたときに、Ｃａ量は、７．６質量％以上とすることが好ましく、１０質量％を超えることが好ましい。Ｃａ量をかような範囲とすることで、Ａｌ４Ｃａ相が適度に形成され、ヤング率を低減する効果が得られる。また、Ａｌ合金全体を１００質量％としたときに、Ｃａ量は、２０質量％以下とすることが好ましく、１５質量％以下とすることがより好ましい。Ｃａ量をかような範囲とすることで、Ａｌ４Ｃａ量が多くなりすぎず、素材が脆性的に成り難く、充分な強度が得られる。
【００１８】
Ａｌ４Ｃａ相の面積率は、２０〜８０％であることが好ましく、３０〜６０％であることが好ましい。Ａｌ４Ｃａ相の面積分率がかような範囲であれば、低ヤング率の合金を得ることができる。この際、Ａｌ４Ｃａ粒子径が１０μｍ以上であるＡｌ４Ｃａ相の面積分率は３０％以下であることが好ましく、２０％以下であることがより好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。また、Ａｌ４Ｃａ粒子径が１０μｍ未満であるＡｌ４Ｃａ相の面積分率が２０％以上であることが好ましく、２５％以上であることがより好ましく、３０％以上であることがさらに好ましい。Ａｌ４Ｃａ相の面積分率をかように制御することによって、低ヤング率で強度の高い合金を得ることができる。
【００１９】
また、本発明に係るアルミニウム合金においては、元素組成でＣａとＡｌと不可避不純物のみからなるものであってもよい。この場合には、本発明の作用効果を発現させる上で、Ｃａ、Ａｌ以外にＺｎ等の第３元素を含む場合に比して、Ｃａ含有量の範囲が上記に規定するように広く取れるため、Ｃａの配合量を厳密にコントロールしなくても調製できる範囲が広く取れる点で優れている。また、Ｃａ、Ａｌ以外にＺｎ、Ｚｒ、Ｔｉ等の第３元素を含む場合に比して、これらの第３元素を含まない合金の方が比較的安価に合金化（製品化）できるため、低コストの合金を提供できる点で優れている。
【００２０】
一方、本発明に係るアルミニウム合金においては、上記Ｃａ以外にも、以下のような元素（以下、第３元素ともいう）を含有していてもよい。例えば、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等の第２族元素；Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ等の第４〜１１族元素（遷移金属元素）；Ｚｎなどの１２族元素（亜鉛族元素）；Ｓｉ等の第１４族元素；Ｐ等の第１５族元素等の元素（第３元素）を含有していてもよい。これらの第３元素を含有する場合には、その含有量は、含まれる第３元素に応じて適宜設定されるが、通常、合金１００質量％に対して、０．０１〜１５質量％程度である。上記第３元素は、１種単独で用いられてもよく、また２種以上併用してもよい。
【００２１】
本発明に係るアルミニウム合金は、少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含み、より好ましくは、Ａｌ相とＡｌ４Ｃａ相とから構成される。Ａｌ４Ｃａ相は、Ａｌマトリックス中に分散していることが好ましい。より好ましくはＡｌマトリックス中に均一分散していることである。マトリックスが純Ａｌでネットワーク状につながっていると、十分な延性を確保することができる。また、高い熱伝導率、低電気抵抗特性をネットワーク状のＡｌが担うことができるため、アルミニウム合金の熱伝導率、電気抵抗への跳ね返りを抑制することが出来る。そのため、例えば半導体モジュールの配線等の構成部材や各種メタルシール等の応力緩衝材料として好適に利用可能である。Ａｌ４Ｃａ相の分散の様子は、組織観察により行うことができる。マトリックスが純Ａｌでネットワーク状につながっている状態であれば、Ａｌ４Ｃａ相がＡｌマトリックス中に均一分散しているものといえる。ここで、Ａｌマトリックス中に分散されてなるＡｌ４Ｃａ相の形状（ここでは、適当に切断した際の切断面における形状とする）は、特に限定されるものではない。
【００２２】
本発明に係るアルミニウム合金の静的ヤング率は、６０ＧＰａ以下であると好適であり、５０ＧＰａを下回るとさらに好ましく、特に３０〜５０ＧＰａの範囲である。同様に動的ヤング率は、５５ＧＰａ以下、好ましくは５０ＧＰａ以下であり、より好ましくは４５ＧＰａ以下であり、特に３０〜４５ＧＰａの範囲である。
【００２３】
本発明ではＣａの添加により、製造コストが高く高価で、製造工程が複雑で大量生産には不向きな炭素繊維強化Ａｌ複合材料を用いなくとも、低コストかつ大量生産に適した合金形態にてアルミニウム合金を得ることができる。そのため、該合金形態では、これを用いたロボットの手や指や人工骨補助材等への成形加工や２次加工（穴あけや切削加工や曲げ加工等）、更には半導体モジュールの配線やメタルシール等の微細加工が非常に容易に行える。そのため、Ｃａ含有アルミニウム合金から種々の形状・形態を有する応力緩衝材料を容易に製造することができることから、各種技術分野での利用拡大を一層図れる点で優れている。一方、Ｃａ含有アルミニウム合金の静的ヤング率が６０ＧＰａを上回る場合、従来レベルを超えた十分に低いヤング率とはいえず、所望の用途である応力緩衝材料への利用拡大を図るのが困難となる。ここで、静的ヤング率とは、ＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて測定したものである。また、動的ヤング率も、ＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて測定したものである。また、静的および動的ヤング率は一般に温度依存性があるが本発明でいう静的および動的ヤング率は室温（２０〜２５℃）で測定した値とする。
【００２４】
本発明に係るアルミニウム合金の製造方法は特に限定されるものではない。好適には、合金の溶湯を急冷凝固する工程を含む。ここでいう急冷凝固とは、高温度より急速に冷却する操作であり、特にその冷却速度を限定するものではないが、好ましくは凝固時に１０３Ｋ／ｓｅｃ以上、より好ましくは１０４Ｋ／ｓｅｃ以上の冷却速度で急冷する。鋳物では１０−３〜１０１Ｋ／ｓｅｃ、ＤＣ鋳造でも１０２Ｋ／ｓｅｃ以下である。また、急冷凝固は、好適には溶湯が６１０℃以下、より好ましくは４００℃以下になるまで行う。急冷凝固を行うことによって、例え初晶としてＡｌ４Ｃａが晶出する組成であっても、十分に早い冷却速度であるため微細かつ多量のＡｌ４Ｃａ粒で構成されるＡｌ４Ｃａ相をＡｌ中に分散させることができる。したがって、高強度と低ヤング率を兼ね備えたアルミニウム合金を提供することができる。特に、合金中のＣａ含有量が７．６質量％〜２０質量％の組成範囲では、溶解凝固の際に初晶としてＡｌ４ＣａやＡｌ２Ｃａが粗大に現れるため、微細に組織調整するのが困難であった。しかしながら、上記急冷凝固の工程を含む方法によれば微細なＡｌ４Ｃａ粒が分散された合金を容易に得ることができる。したがって、本発明の好適なアルミニウム合金の製造方法は、少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含む、Ｃａの含有量が７．６質量％〜２０質量％のアルミニウム合金の製造方法であって、溶湯を急冷凝固する工程を含む、アルミニウム合金の製造方法である。合金の溶湯は、通常公知の方法により調製することができる。
【００２５】
急冷凝固は、アトマイズ法、メルトスピニング法、回転電極法等を適用して溶湯を急冷して、合金粉末を得ることにより行うことができる。中でも、工業的生産に適し、また十分に早い冷却速度で製造でき、所望の組織が簡便に得られるため、アトマイズ法またはメルトスピニング法を用いることが好ましい。アトマイズ法としては、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法を用いることができる。ガスアトマイズ法は、溶湯をタンディッシュにより流出させると同時に、噴霧媒（空気または不活性ガス）のジェットを溶湯流に衝突させ、微細に飛散した溶湯（液滴）を凝固させるという手順によって粉末を形成する方法である。噴霧媒として用いられる不活性ガスとしては、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２、Ｈ２等が挙げられ、Ａｒ、Ｎ２であることが好ましい。また、水アトマイズ法は、アルミニウム溶湯をタンディッシュより流出させると同時に、水のジェット流を溶湯に衝突させ、急冷凝固させ、比較的非球形な粉末を形成する方法である。
【００２６】
また、急冷凝固は、単ロールまたは双ロール法を適用して溶湯を急冷し、薄板または線を形成させることにより行ってもよい。この方法によれば、溶湯から直接板状の素材を得ることが出来るため、薄板で使用する用途の製造方法として好適に用いることができる。単ロール法は、Ａｌ合金溶湯液滴を回転単ロール（銅製）に衝突させ、急冷凝固により薄板または線状の急冷凝固材を得る方法である。また、双ロール法は回転ロール（銅製）を対に配置し、両ロールのギャップを任意に調整することで冷却速度を制御することができ、単ロール法と同様に薄板または線状の急冷凝固材を得る方法である。中でも、冷却速度の制御が比較的容易な単ロール法を用いることが望ましい。なお、得られた急冷凝固材を粉砕してもよく、また粉砕、または回転ロールに衝突させる前に、噴霧媒（空気あるいは不活性ガス）のジェット流により断片化した薄片状急冷凝固材を得てもよい。
【００２７】
また、アトマイズ法、メルトスピニング法により得られた合金粉末は、焼結して所望の形状とすることができる。この際の焼結温度は特に限定されるものではないが、３００〜５００℃であることが好ましい。この方法を用いれば、目的の製品形状へニアネットシェイプにて製造することが可能である。なお、ここでいう焼結は、固体粉末の集合体を融点よりも低い温度で加熱すると固まって焼結体と呼ばれる緻密な物体になる現象なので、例えば下記に記載する成形加工工程における熱間押出、熱間圧延等で焼結が進むこともある。
【００２８】
上記合金粉末あるいは単ロールまたは双ロールによって得られた急冷凝固材は、必要により、圧縮成形工程、脱気工程、成形加工工程等を経ることができる。
【００２９】
圧縮成形の具体的方法としては、例えば、金型成形、冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）、熱間静水圧加圧成形（ＨＩＰ）等の方法がある。なお、単ロールまたは双ロールによって得られた急冷凝固材は、圧縮成形前に、急冷凝固材を細かく粉砕することが好ましい。
【００３０】
脱気工程では、真空中あるいは非酸化性雰囲気中で２００〜４００℃程度に加熱して表面に吸着している水分などを取り除くことが好ましい。これにより、ガス成分などが残存せず、過熱時に膨れを生じず、特性低下を招かないという効果が得られる。なお、脱気工程に要する時間は通常１０分〜５時間程度である。非酸化雰囲気を形成する不活性ガスとしては、例えば、Ａｒ、Ｈｅ等がある。
【００３１】
成形加工工程で行われる成形加工の方法としては、熱間押出、鍛造、熱間圧延、冷間圧延、引抜き等が挙げられる。好適には熱間押出で行う。熱間押出法によれば、安定的に低コストで低ヤング率、高強度のアルミニウム合金を得ることができる。また、合金粉末を熱間押出することにより、長手方向に同一の閉断面構造を有する部材を得ることができる。熱間押出法における加熱は、３００〜６００℃で行われることが好ましい。押出で成形する場合は、押出温度３００〜５００℃、とすることが好ましい。
【００３２】
本発明の合金は、上記に記載の方法以外で製造されてもよい。例えば、溶湯から急速冷却により合金鋳塊を製造して、必要に応じて熱処理、鋳造、均質化等の処理工程を行って製造してもよい。
【００３３】
本発明の合金は、低ヤング率で強度が高いため、応力緩衝材として種々の製品に好適に用いられる。例えば、自動車等に用いられるバネ；メガネフレーム；ゴルフクラブ；ロボット；メタルシール；半導体などが挙げられる。該合金を用いてなる応力緩衝材料の製造方法としては、例えば、熱間圧延、熱間鍛造、押出し、冷間圧延、引抜き、超塑性成形、焼結等の方法で成形加工された合金からなる線材、板材などをそのまま応力緩衝材料とすることもできる。また上記鋳塊や成形加工された合金を所望の形状の鋳型や金型などを用いて、ロボットの手や指や人工骨補助材等への成形加工や２次加工（穴あけや切削加工や曲げ加工等）や半導体モジュールの配線やメタルシール等の微細加工することにより得ることもできる。
【実施例】
【００３４】
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
【００３５】
（実施例１）
表１に示す組成のアルミニウム合金を以下のようにして作製した。
【００３６】
純度９９．９％以上のＡｌ、Ｃａの純金属を用い、Ａｒ雰囲気中でガスアトマイズ法によって、表１に示す組成の合金粉（平均粒子径：約５０μｍ）を作製した。このときの溶湯の冷却速度は１０４Ｋ／ｓｅｃ程度であった。この合金粉を容器（直径５０ｍｍ）に充填後、３００〜４００℃、１２０分で脱気処理を行い、４００℃で直径１０ｍｍの棒状に押出した。
【００３７】
（実施例２）
実施例１と同様にして製造して得られた合金を、４００℃で２時間の熱処理を行った後、水焼入れした。
【００３８】
（比較例１）
表１に示す組成のアルミニウム合金を以下のようにして作製した。
【００３９】
純度９９．９％以上のＡｌ、Ｃａの純金属を用い、高周波溶解によりＡｒ雰囲気中で溶解した後、鋳鉄製の鋳型（深さ：約２５ｍｍ、幅：約４０ｍｍ、長さ：約２２０ｍｍ）に鋳込んでインゴットを得た。溶湯の凝固速度は、１０−１〜１０１Ｋ／ｓｅｃ程度であった。得られたインゴットから、１５ｍｍ×１５ｍｍ×１００ｍｍに切り出し、５００℃で２４時間の均質化処理を行った。その後、５００℃で板厚２．５ｍｍまで熱間圧延を行い供試材とした。
【００４０】
＜評価方法＞
上記各例のアルミニウム合金について、以下の評価を行った。
【００４１】
１．ヤング率
実施例１〜３及び比較例１〜３の各例についてＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて、共振法により長手方向のヤング率を室温で測定した。この結果を表１に示す。
【００４２】
２．曲げ試験
実施例１〜３及び比較例１〜３の各例について静的３点曲げ試験を行い強度を測定した。試験片形状は、厚さ１ｍｍ、幅２ｍｍ、長さ１５ｍｍとし、スパン１０ｍｍ、試験速度０．１ｍｍ／分で試験を実施した。
【００４３】
３．組織観察
実施例１および２の各例について、棒材の長手方向に対して垂直断面の光学顕微鏡による組織写真を図２および３に示す。また、比較例１について、圧延方向に対して平行断面の光学顕微鏡による組織写真を図４および５に示す。図示したように得られたアルミニウム合金は２相組織であったが、ＥＰＭＡ分析により、図中の濃い部分がＡｌ４Ｃａからなる第２相で、薄い部分がＡｌであることを確認した。観察結果を元に画像解析により２値化処理を行い、Ａｌ４ＣａからなるＡｌ４Ｃａ相の面積分率、粒子径、個数を求めた。さらにＡｌ４Ｃａの粒子径が１０μｍを以上のものと１０μｍを下回るものとのそれぞれで面積分率を求めた。
【００４４】
また、棒材の長手方向平行断面、圧延方向垂直断面も光学顕微鏡写真より同様に画像解析を行い、各方向（平行、垂直）の断面を平均化して、表１に示す面積分率、平均粒子径、個数等を求めた。
【００４５】
【表１−１】
【００４６】
【表１−２】
【００４７】
＜評価結果＞
実施例１または２の合金は、急冷凝固する工程を経て製造されているため、均質かつ粗大粒が少なく、平均粒子径も１．５μｍ以下と非常に微細で個数も１ｍｍ２あたり１０万個以上存在しており、低ヤング率でありながら、曲げ強度が４００ＭＰａを超える高強度であった。一方、比較例１は、粗大な初晶Ａｌ４Ｃａが存在しており、曲げ強度が実施例と比較して低い数値であった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】Ａｌ−Ｃａの２元系平衡状態図を引用したものである。
【図２】実施例１のアルミニウム合金の断面光学顕微鏡写真である。
【図３】実施例２のアルミニウム合金の断面光学顕微鏡写真である。
【図４】比較例１のアルミニウム合金の断面光学顕微鏡写真である。
【図５】比較例１のアルミニウム合金の断面光学顕微鏡写真である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヤング率を低減した金属材料は、負荷応力に対して大きな弾性変位を得ることができ、そのしなやかな特性から、種々の用途に用いられている。例えば、バネ材料に用いた場合スプリングの巻き数を低減できるため、バネを小型化することができる。また、しなやかな特性からメガネに用いると使用感を高めることができる。さらにゴルフクラブに用いると飛距離を向上させることができ、その他ロボット、人工骨補助材などの製品に好適に使用することができる。
【０００３】
例えば、ロボットの手や指には鉄鋼等の金属が用いられている。しかし、ロボットが、ステンレス製の手で対象物を掴もうとすると、力の加減が難しく、対象物を破壊してしまい易いという問題がある。従って、低ヤング率の素材を用いてロボットの手や指を作製することが求められる。
【０００４】
また、低ヤング率の金属が線膨張係数も同時に低くできた場合、例えば半導体モジュールの配線等の構成部材として用いると、チップとの線膨張係数差により発生する熱歪みを効果的に吸収することが出来る。このように、低ヤング率を有する金属は種々の用途に広く用いることができる。上記を満たす低ヤング率を有する金属材料として、例えば、チタン系合金やＮｉ−Ｔｉ形状記憶合金が挙げられる。これらはいずれもチタンをベースとした金属であるため、高価であった。また、Ｍｇは純金属でヤング率が４０ＧＰａ台と低いが、用途によっては強度が低い、耐熱性、耐食性、耐久性等が低いなどの理由から使用範囲が限られていた。
【０００５】
そこで、金属の中では比較的低コストであるアルミニウムをベースとした低弾性合金が求められている。
【０００６】
一方、アルミニウムにＣａを含有した合金は、従来から知られている。例えば、特許文献１では、０．５〜１０重量％のＣａを含有するＡｌ−Ｃａ合金であって、断面積が７〜８０ｍｍ２のロッド状であることを特徴とする初晶Ｓｉ微細化助剤が提案されている。
【特許文献１】特開平６−１４５８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、例えば、特許文献１に記載のＡｌ−Ｃａ合金は、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金の微細化のための添加材としての利用を目的としており、合金の強度やヤング率に着目している技術ではない。そして、本発明者らが検討した結果、低ヤング率の合金を得ようとしてＣａ量を単純に増加させていくと、曲げ強度等の機械的特性が低下することが判明した。したがって、本発明の課題は、低ヤング率でありながら、機械的特性に優れたアルミニウム合金を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を行った結果、Ａｌ４Ｃａ相における粒子径が１０μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒の面積率が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒の面積率に対して１以上であるＡｌ合金が上記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成させた。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ヤング率が低いアルミニウム合金でありながら、機械的特性に優れた合金を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含むアルミニウム合金であって、粒子径が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ｂ）に対する、粒子径が１０μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）の比（Ａ）／（Ｂ）が１以上である、アルミニウム合金である。
【００１１】
図１にＡｌ−Ｃａ合金状態図を示した。図１は、Ｖ．Ｐ．Ｉｔｋｉｎ，Ｃ．Ｂ．Ａｌｃｏｃｋ，Ｐ．Ｊ． ｖａｎ Ｅｋｅｒｅｎ， ａｎｄ Ｈ．Ａ．Ｊ．Ｏｏｎｋ，Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｂｕｌｌ． Ａｌｌｏｙ Ｐｈａｓｅ Ｄｉａｇｒａｍｓ，９（６），Ｄｅｃ １９８８．からの引用である。図示したように、平衡状態ではＣａ量が７．７質量％以上で過共晶となり、初晶としてＡｌ４Ｃａが晶出する。ＡｌにＣａを添加すると、ヤング率が低下することは従来から知られていた（例えば、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＭＥＴＡＬＳ ，（１９５２−３），Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．１，ｐｐ４９−５５，Ｎ．Ｄｕｄｚｉｎｓｋｉ．参照）。しかしながら、ヤング率を低下すべく、過共晶側までＣａ量を増やすと、製造が困難になる上、強度や延性等の種々の機械的特性に悪影響を及ぼしていたため、Ｃａ量を増やすことは困難であった。特に、Ａｌ４Ｃａ相は脆いため、Ｃａ添加量を増やすと脆性的になり、低ヤング率の特性を生かせない欠点があった。この原因として、本発明者らは、従来の合金のＡｌ４Ｃａ相に存在する粗大なＡｌ４Ｃａ粒の存在が、合金強度の低下に影響を与えていることを見出した。そして、Ｃａ量を増大させた場合であっても、粗大な粒子径（具体的には１０μｍ以上）のＡｌ４Ｃａ粒の含有量を一定以下にコントロールすることによって、高強度と低ヤング率とを兼ね備えたアルミニウム合金が得られることを見出したものである。
【００１２】
具体的には、本発明の合金は、機械特性に悪影響を及ぼす１０μｍ以上で存在する粗大なＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ｂ）が、１０μｍ未満の微細なＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）と同じ、または１０μｍ未満の微細なＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）よりも小さい。このため、微細なＡｌ４Ｃａ粒の存在が強化機構として働く上、ヤング率も十分に低くすることができる。従って、高い強度と低いヤング率を兼ね備えたアルミニウム合金を得ることができる。
【００１３】
本発明では、Ａｌ４Ｃａ相を構成するＡｌ４Ｃａ粒において、粒子径が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ｂ）に対する、粒子径が１０μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）の比（Ａ）／（Ｂ）が１以上である。より好ましくは、１．５以上であり、さらに好ましくは１０以上である。（Ａ）／（Ｂ）がかような比であると、得られる合金の機械的特性が向上し、また低ヤング率の合金を得ることができる。なお、粒子径が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒は、その存在が少なければ少ないほど、本発明の効果が顕著に得られるため、（Ａ）／（Ｂ）値の上限は特に限定されるものではないが、通常は、１００以下程度となる。
【００１４】
なお、Ａｌ４Ｃａ粒の「粒子径」とは、Ａｌ４Ｃａ粒の最長径を意味するものとする。また、Ａｌ４Ｃａ粒の面積率、および以下に記載する個数は、次のように求める。実施例に記載のように、まず、アルミニウム合金の棒材の長手方向に対して垂直断面の光学顕微鏡による組織写真の観察結果を元に画像解析により２値化処理を行い、Ａｌ４Ｃａ粒の面積率および個数を求める。さらに、長手方向平行断面も光学顕微鏡写真より同様にＡｌ４Ｃａ粒の面積率および個数を求め、垂直断面との平均値を求めることにより、Ａｌ４Ｃａ粒の面積率、および個数とする。ここでは、棒材を例に記載したが、その他の場合であっても、垂直方向および平行方向の２方向の断面画像を解析し、各方向の数値を平均化したものを、Ａｌ４Ｃａ粒の面積率および個数とする。面積率は、Ａｌ合金を構成する全粒子が占める面積を１００％とした場合の、各粒子が占める面積比率を意味する。
【００１５】
Ａｌ４Ｃａ相の平均粒子径は、１．５μｍ以下であることが好ましく、０．２〜１．５μｍであることがより好ましい。また、１ｍｍ２あたりＡｌ４Ｃａ粒が１０万個以上存在することが好ましく、１０万〜１００万個存在することがより好ましい。平均粒子径が小さく、かつ面積あたりの粒子数が多いことで、微細な粒子が多数存在するため、高い強度と低いヤング率という本発明の効果をより発揮しやすい。Ａｌ４Ｃａ相の平均粒子径は、実施例と同様に、アルミニウム合金の棒材の長手方向に対して垂直断面の光学顕微鏡による組織写真の観察結果を元に画像解析により２値化処理を行い、Ａｌ４Ｃａ粒の平均面積を求める。さらに長手方向平行断面も光学顕微鏡写真より同様にＡｌ４Ｃａ粒の平均面積を求め、垂直断面との平均値を求める。続いてＡｌ４Ｃａ粒は球状であると仮定して球の直径を得られた平均面積から計算し、Ａｌ４Ｃａ相の平均粒子径とする。ここでは、棒材を例に記載したが、その他の場合であっても、垂直方向および平行方向の２方向の断面画像を解析し、各方向の数値を平均化したものを、Ａｌ４Ｃａ相の平均粒子径の面積率とする。
【００１６】
本発明のアルミニウム合金は、Ａｌを主成分としたＣａ含有アルミニウム合金からなるものであるが、Ａｌは残部であって、その含有が限定されるものではない。例えば、原子量比率で考えたときに、含有元素中でもっとも多い元素がＡｌであれば良い。特に、Ａｌ合金全体を１００質量％としたときに、Ａｌ含有量が７０質量％以上、好ましくは８０質量％以上のＡｌ基合金であると、低密度化、低弾性化を図る上で好ましい。また、当然に、不可避不純物は存在し得る。
【００１７】
Ｃａは、Ａｌ４Ｃａを第２相として分散させ、ヤング率を低下させる元素である。Ａｌ合金全体を１００質量％としたときに、Ｃａ量は、７．６質量％以上とすることが好ましく、１０質量％を超えることが好ましい。Ｃａ量をかような範囲とすることで、Ａｌ４Ｃａ相が適度に形成され、ヤング率を低減する効果が得られる。また、Ａｌ合金全体を１００質量％としたときに、Ｃａ量は、２０質量％以下とすることが好ましく、１５質量％以下とすることがより好ましい。Ｃａ量をかような範囲とすることで、Ａｌ４Ｃａ量が多くなりすぎず、素材が脆性的に成り難く、充分な強度が得られる。
【００１８】
Ａｌ４Ｃａ相の面積率は、２０〜８０％であることが好ましく、３０〜６０％であることが好ましい。Ａｌ４Ｃａ相の面積分率がかような範囲であれば、低ヤング率の合金を得ることができる。この際、Ａｌ４Ｃａ粒子径が１０μｍ以上であるＡｌ４Ｃａ相の面積分率は３０％以下であることが好ましく、２０％以下であることがより好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。また、Ａｌ４Ｃａ粒子径が１０μｍ未満であるＡｌ４Ｃａ相の面積分率が２０％以上であることが好ましく、２５％以上であることがより好ましく、３０％以上であることがさらに好ましい。Ａｌ４Ｃａ相の面積分率をかように制御することによって、低ヤング率で強度の高い合金を得ることができる。
【００１９】
また、本発明に係るアルミニウム合金においては、元素組成でＣａとＡｌと不可避不純物のみからなるものであってもよい。この場合には、本発明の作用効果を発現させる上で、Ｃａ、Ａｌ以外にＺｎ等の第３元素を含む場合に比して、Ｃａ含有量の範囲が上記に規定するように広く取れるため、Ｃａの配合量を厳密にコントロールしなくても調製できる範囲が広く取れる点で優れている。また、Ｃａ、Ａｌ以外にＺｎ、Ｚｒ、Ｔｉ等の第３元素を含む場合に比して、これらの第３元素を含まない合金の方が比較的安価に合金化（製品化）できるため、低コストの合金を提供できる点で優れている。
【００２０】
一方、本発明に係るアルミニウム合金においては、上記Ｃａ以外にも、以下のような元素（以下、第３元素ともいう）を含有していてもよい。例えば、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等の第２族元素；Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ等の第４〜１１族元素（遷移金属元素）；Ｚｎなどの１２族元素（亜鉛族元素）；Ｓｉ等の第１４族元素；Ｐ等の第１５族元素等の元素（第３元素）を含有していてもよい。これらの第３元素を含有する場合には、その含有量は、含まれる第３元素に応じて適宜設定されるが、通常、合金１００質量％に対して、０．０１〜１５質量％程度である。上記第３元素は、１種単独で用いられてもよく、また２種以上併用してもよい。
【００２１】
本発明に係るアルミニウム合金は、少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含み、より好ましくは、Ａｌ相とＡｌ４Ｃａ相とから構成される。Ａｌ４Ｃａ相は、Ａｌマトリックス中に分散していることが好ましい。より好ましくはＡｌマトリックス中に均一分散していることである。マトリックスが純Ａｌでネットワーク状につながっていると、十分な延性を確保することができる。また、高い熱伝導率、低電気抵抗特性をネットワーク状のＡｌが担うことができるため、アルミニウム合金の熱伝導率、電気抵抗への跳ね返りを抑制することが出来る。そのため、例えば半導体モジュールの配線等の構成部材や各種メタルシール等の応力緩衝材料として好適に利用可能である。Ａｌ４Ｃａ相の分散の様子は、組織観察により行うことができる。マトリックスが純Ａｌでネットワーク状につながっている状態であれば、Ａｌ４Ｃａ相がＡｌマトリックス中に均一分散しているものといえる。ここで、Ａｌマトリックス中に分散されてなるＡｌ４Ｃａ相の形状（ここでは、適当に切断した際の切断面における形状とする）は、特に限定されるものではない。
【００２２】
本発明に係るアルミニウム合金の静的ヤング率は、６０ＧＰａ以下であると好適であり、５０ＧＰａを下回るとさらに好ましく、特に３０〜５０ＧＰａの範囲である。同様に動的ヤング率は、５５ＧＰａ以下、好ましくは５０ＧＰａ以下であり、より好ましくは４５ＧＰａ以下であり、特に３０〜４５ＧＰａの範囲である。
【００２３】
本発明ではＣａの添加により、製造コストが高く高価で、製造工程が複雑で大量生産には不向きな炭素繊維強化Ａｌ複合材料を用いなくとも、低コストかつ大量生産に適した合金形態にてアルミニウム合金を得ることができる。そのため、該合金形態では、これを用いたロボットの手や指や人工骨補助材等への成形加工や２次加工（穴あけや切削加工や曲げ加工等）、更には半導体モジュールの配線やメタルシール等の微細加工が非常に容易に行える。そのため、Ｃａ含有アルミニウム合金から種々の形状・形態を有する応力緩衝材料を容易に製造することができることから、各種技術分野での利用拡大を一層図れる点で優れている。一方、Ｃａ含有アルミニウム合金の静的ヤング率が６０ＧＰａを上回る場合、従来レベルを超えた十分に低いヤング率とはいえず、所望の用途である応力緩衝材料への利用拡大を図るのが困難となる。ここで、静的ヤング率とは、ＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて測定したものである。また、動的ヤング率も、ＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて測定したものである。また、静的および動的ヤング率は一般に温度依存性があるが本発明でいう静的および動的ヤング率は室温（２０〜２５℃）で測定した値とする。
【００２４】
本発明に係るアルミニウム合金の製造方法は特に限定されるものではない。好適には、合金の溶湯を急冷凝固する工程を含む。ここでいう急冷凝固とは、高温度より急速に冷却する操作であり、特にその冷却速度を限定するものではないが、好ましくは凝固時に１０３Ｋ／ｓｅｃ以上、より好ましくは１０４Ｋ／ｓｅｃ以上の冷却速度で急冷する。鋳物では１０−３〜１０１Ｋ／ｓｅｃ、ＤＣ鋳造でも１０２Ｋ／ｓｅｃ以下である。また、急冷凝固は、好適には溶湯が６１０℃以下、より好ましくは４００℃以下になるまで行う。急冷凝固を行うことによって、例え初晶としてＡｌ４Ｃａが晶出する組成であっても、十分に早い冷却速度であるため微細かつ多量のＡｌ４Ｃａ粒で構成されるＡｌ４Ｃａ相をＡｌ中に分散させることができる。したがって、高強度と低ヤング率を兼ね備えたアルミニウム合金を提供することができる。特に、合金中のＣａ含有量が７．６質量％〜２０質量％の組成範囲では、溶解凝固の際に初晶としてＡｌ４ＣａやＡｌ２Ｃａが粗大に現れるため、微細に組織調整するのが困難であった。しかしながら、上記急冷凝固の工程を含む方法によれば微細なＡｌ４Ｃａ粒が分散された合金を容易に得ることができる。したがって、本発明の好適なアルミニウム合金の製造方法は、少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含む、Ｃａの含有量が７．６質量％〜２０質量％のアルミニウム合金の製造方法であって、溶湯を急冷凝固する工程を含む、アルミニウム合金の製造方法である。合金の溶湯は、通常公知の方法により調製することができる。
【００２５】
急冷凝固は、アトマイズ法、メルトスピニング法、回転電極法等を適用して溶湯を急冷して、合金粉末を得ることにより行うことができる。中でも、工業的生産に適し、また十分に早い冷却速度で製造でき、所望の組織が簡便に得られるため、アトマイズ法またはメルトスピニング法を用いることが好ましい。アトマイズ法としては、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法を用いることができる。ガスアトマイズ法は、溶湯をタンディッシュにより流出させると同時に、噴霧媒（空気または不活性ガス）のジェットを溶湯流に衝突させ、微細に飛散した溶湯（液滴）を凝固させるという手順によって粉末を形成する方法である。噴霧媒として用いられる不活性ガスとしては、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２、Ｈ２等が挙げられ、Ａｒ、Ｎ２であることが好ましい。また、水アトマイズ法は、アルミニウム溶湯をタンディッシュより流出させると同時に、水のジェット流を溶湯に衝突させ、急冷凝固させ、比較的非球形な粉末を形成する方法である。
【００２６】
また、急冷凝固は、単ロールまたは双ロール法を適用して溶湯を急冷し、薄板または線を形成させることにより行ってもよい。この方法によれば、溶湯から直接板状の素材を得ることが出来るため、薄板で使用する用途の製造方法として好適に用いることができる。単ロール法は、Ａｌ合金溶湯液滴を回転単ロール（銅製）に衝突させ、急冷凝固により薄板または線状の急冷凝固材を得る方法である。また、双ロール法は回転ロール（銅製）を対に配置し、両ロールのギャップを任意に調整することで冷却速度を制御することができ、単ロール法と同様に薄板または線状の急冷凝固材を得る方法である。中でも、冷却速度の制御が比較的容易な単ロール法を用いることが望ましい。なお、得られた急冷凝固材を粉砕してもよく、また粉砕、または回転ロールに衝突させる前に、噴霧媒（空気あるいは不活性ガス）のジェット流により断片化した薄片状急冷凝固材を得てもよい。
【００２７】
また、アトマイズ法、メルトスピニング法により得られた合金粉末は、焼結して所望の形状とすることができる。この際の焼結温度は特に限定されるものではないが、３００〜５００℃であることが好ましい。この方法を用いれば、目的の製品形状へニアネットシェイプにて製造することが可能である。なお、ここでいう焼結は、固体粉末の集合体を融点よりも低い温度で加熱すると固まって焼結体と呼ばれる緻密な物体になる現象なので、例えば下記に記載する成形加工工程における熱間押出、熱間圧延等で焼結が進むこともある。
【００２８】
上記合金粉末あるいは単ロールまたは双ロールによって得られた急冷凝固材は、必要により、圧縮成形工程、脱気工程、成形加工工程等を経ることができる。
【００２９】
圧縮成形の具体的方法としては、例えば、金型成形、冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）、熱間静水圧加圧成形（ＨＩＰ）等の方法がある。なお、単ロールまたは双ロールによって得られた急冷凝固材は、圧縮成形前に、急冷凝固材を細かく粉砕することが好ましい。
【００３０】
脱気工程では、真空中あるいは非酸化性雰囲気中で２００〜４００℃程度に加熱して表面に吸着している水分などを取り除くことが好ましい。これにより、ガス成分などが残存せず、過熱時に膨れを生じず、特性低下を招かないという効果が得られる。なお、脱気工程に要する時間は通常１０分〜５時間程度である。非酸化雰囲気を形成する不活性ガスとしては、例えば、Ａｒ、Ｈｅ等がある。
【００３１】
成形加工工程で行われる成形加工の方法としては、熱間押出、鍛造、熱間圧延、冷間圧延、引抜き等が挙げられる。好適には熱間押出で行う。熱間押出法によれば、安定的に低コストで低ヤング率、高強度のアルミニウム合金を得ることができる。また、合金粉末を熱間押出することにより、長手方向に同一の閉断面構造を有する部材を得ることができる。熱間押出法における加熱は、３００〜６００℃で行われることが好ましい。押出で成形する場合は、押出温度３００〜５００℃、とすることが好ましい。
【００３２】
本発明の合金は、上記に記載の方法以外で製造されてもよい。例えば、溶湯から急速冷却により合金鋳塊を製造して、必要に応じて熱処理、鋳造、均質化等の処理工程を行って製造してもよい。
【００３３】
本発明の合金は、低ヤング率で強度が高いため、応力緩衝材として種々の製品に好適に用いられる。例えば、自動車等に用いられるバネ；メガネフレーム；ゴルフクラブ；ロボット；メタルシール；半導体などが挙げられる。該合金を用いてなる応力緩衝材料の製造方法としては、例えば、熱間圧延、熱間鍛造、押出し、冷間圧延、引抜き、超塑性成形、焼結等の方法で成形加工された合金からなる線材、板材などをそのまま応力緩衝材料とすることもできる。また上記鋳塊や成形加工された合金を所望の形状の鋳型や金型などを用いて、ロボットの手や指や人工骨補助材等への成形加工や２次加工（穴あけや切削加工や曲げ加工等）や半導体モジュールの配線やメタルシール等の微細加工することにより得ることもできる。
【実施例】
【００３４】
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
【００３５】
（実施例１）
表１に示す組成のアルミニウム合金を以下のようにして作製した。
【００３６】
純度９９．９％以上のＡｌ、Ｃａの純金属を用い、Ａｒ雰囲気中でガスアトマイズ法によって、表１に示す組成の合金粉（平均粒子径：約５０μｍ）を作製した。このときの溶湯の冷却速度は１０４Ｋ／ｓｅｃ程度であった。この合金粉を容器（直径５０ｍｍ）に充填後、３００〜４００℃、１２０分で脱気処理を行い、４００℃で直径１０ｍｍの棒状に押出した。
【００３７】
（実施例２）
実施例１と同様にして製造して得られた合金を、４００℃で２時間の熱処理を行った後、水焼入れした。
【００３８】
（比較例１）
表１に示す組成のアルミニウム合金を以下のようにして作製した。
【００３９】
純度９９．９％以上のＡｌ、Ｃａの純金属を用い、高周波溶解によりＡｒ雰囲気中で溶解した後、鋳鉄製の鋳型（深さ：約２５ｍｍ、幅：約４０ｍｍ、長さ：約２２０ｍｍ）に鋳込んでインゴットを得た。溶湯の凝固速度は、１０−１〜１０１Ｋ／ｓｅｃ程度であった。得られたインゴットから、１５ｍｍ×１５ｍｍ×１００ｍｍに切り出し、５００℃で２４時間の均質化処理を行った。その後、５００℃で板厚２．５ｍｍまで熱間圧延を行い供試材とした。
【００４０】
＜評価方法＞
上記各例のアルミニウム合金について、以下の評価を行った。
【００４１】
１．ヤング率
実施例１〜３及び比較例１〜３の各例についてＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じて、共振法により長手方向のヤング率を室温で測定した。この結果を表１に示す。
【００４２】
２．曲げ試験
実施例１〜３及び比較例１〜３の各例について静的３点曲げ試験を行い強度を測定した。試験片形状は、厚さ１ｍｍ、幅２ｍｍ、長さ１５ｍｍとし、スパン１０ｍｍ、試験速度０．１ｍｍ／分で試験を実施した。
【００４３】
３．組織観察
実施例１および２の各例について、棒材の長手方向に対して垂直断面の光学顕微鏡による組織写真を図２および３に示す。また、比較例１について、圧延方向に対して平行断面の光学顕微鏡による組織写真を図４および５に示す。図示したように得られたアルミニウム合金は２相組織であったが、ＥＰＭＡ分析により、図中の濃い部分がＡｌ４Ｃａからなる第２相で、薄い部分がＡｌであることを確認した。観察結果を元に画像解析により２値化処理を行い、Ａｌ４ＣａからなるＡｌ４Ｃａ相の面積分率、粒子径、個数を求めた。さらにＡｌ４Ｃａの粒子径が１０μｍを以上のものと１０μｍを下回るものとのそれぞれで面積分率を求めた。
【００４４】
また、棒材の長手方向平行断面、圧延方向垂直断面も光学顕微鏡写真より同様に画像解析を行い、各方向（平行、垂直）の断面を平均化して、表１に示す面積分率、平均粒子径、個数等を求めた。
【００４５】
【表１−１】
【００４６】
【表１−２】
【００４７】
＜評価結果＞
実施例１または２の合金は、急冷凝固する工程を経て製造されているため、均質かつ粗大粒が少なく、平均粒子径も１．５μｍ以下と非常に微細で個数も１ｍｍ２あたり１０万個以上存在しており、低ヤング率でありながら、曲げ強度が４００ＭＰａを超える高強度であった。一方、比較例１は、粗大な初晶Ａｌ４Ｃａが存在しており、曲げ強度が実施例と比較して低い数値であった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】Ａｌ−Ｃａの２元系平衡状態図を引用したものである。
【図２】実施例１のアルミニウム合金の断面光学顕微鏡写真である。
【図３】実施例２のアルミニウム合金の断面光学顕微鏡写真である。
【図４】比較例１のアルミニウム合金の断面光学顕微鏡写真である。
【図５】比較例１のアルミニウム合金の断面光学顕微鏡写真である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含むアルミニウム合金であって、粒子径が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ｂ）に対する、粒子径が１０μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）の比（Ａ）／（Ｂ）が１以上である、アルミニウム合金。
【請求項２】
Ａｌ４Ｃａ粒の平均粒子径が１．５μｍ以下であり、かつ１ｍｍ２あたりＡｌ４Ｃａ粒が１０万個以上存在する、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項３】
Ｃａの含有量が７．６質量％〜２０質量％である、請求項１または２に記載のアルミニウム合金。
【請求項４】
少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含む、Ｃａの含有量が７．６質量％〜２０質量％のアルミニウム合金の製造方法であって、溶湯を急冷凝固する工程を含む、アルミニウム合金の製造方法。
【請求項５】
前記急冷凝固は、アトマイズ法またはメルトスピニング法により合金粉末を得ることにより行われる、請求項４に記載のアルミニウム合金の製造方法。
【請求項６】
さらに、前記合金粉末を焼結する工程を含む、請求項５に記載のアルミニウム合金の製造方法。
【請求項７】
さらに、前記合金粉末を圧縮成形した後、３００〜６００℃の温度で熱間押出を行う工程を含む、請求項５に記載のアルミニウム合金の製造方法。
【請求項８】
前記急冷凝固は、双ロール法または単ロール法により、溶湯を急冷することにより行われる、請求項４に記載のアルミニウム合金の製造方法。
【請求項１】
少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含むアルミニウム合金であって、粒子径が１０μｍ以上のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ｂ）に対する、粒子径が１０μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒の面積率（Ａ）の比（Ａ）／（Ｂ）が１以上である、アルミニウム合金。
【請求項２】
Ａｌ４Ｃａ粒の平均粒子径が１．５μｍ以下であり、かつ１ｍｍ２あたりＡｌ４Ｃａ粒が１０万個以上存在する、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項３】
Ｃａの含有量が７．６質量％〜２０質量％である、請求項１または２に記載のアルミニウム合金。
【請求項４】
少なくともＡｌ相とＡｌ４Ｃａ相とを含む、Ｃａの含有量が７．６質量％〜２０質量％のアルミニウム合金の製造方法であって、溶湯を急冷凝固する工程を含む、アルミニウム合金の製造方法。
【請求項５】
前記急冷凝固は、アトマイズ法またはメルトスピニング法により合金粉末を得ることにより行われる、請求項４に記載のアルミニウム合金の製造方法。
【請求項６】
さらに、前記合金粉末を焼結する工程を含む、請求項５に記載のアルミニウム合金の製造方法。
【請求項７】
さらに、前記合金粉末を圧縮成形した後、３００〜６００℃の温度で熱間押出を行う工程を含む、請求項５に記載のアルミニウム合金の製造方法。
【請求項８】
前記急冷凝固は、双ロール法または単ロール法により、溶湯を急冷することにより行われる、請求項４に記載のアルミニウム合金の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１２６７４０（Ｐ２０１０−１２６７４０Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９９８８３（Ｐ２００８−２９９８８３）
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５０４２３８８０６）国立大学法人北見工業大学 (80)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５０４２３８８０６）国立大学法人北見工業大学 (80)
【Ｆターム（参考）】
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