軽 366 金 属(1987) 研究論文 ア ル ミニ ウ ムー遷 移 金 属 合 金 の 急 冷 凝 固 フ レ ー クの 製 造 と性 質 Production and properties 菅 又 信*・ 礒 村 金 子 純 一*・ 堀 内 of splat quenched of aluminum-transition metal 裕 臣** 良*** flakes alloys Makoto SUGAMATA*, Hiroomi ISOMURA** Junichi KANEKO* and Ryo HORIUCHI*** As the tinuous into flakes A the and decomposes tent the as 3 × 105°C/s rod of all or lamellar upon heating the at flakes. on The experimental apparatus, a rotating of Al-2•`18 mm in apparatus by which water-cooled wt%Fe, diameter, of eutectic the center. tested. eutectic, at above has aluminum copper Al-5•`11 The The 350°C. formation wt%Mn microstructure, thickness spacing of splat been alloy drum, and to made melt for con- is atomized is capable Al-8•`18 hardness, (Received in Al-Fe Al-Fe September of producing wt%Ni and at the alloy alloys center flakes, compounds flakes of Al-Fe solution quenched alloy, 16, 30 ƒÊm wt%Cu intermetallic solid of as splat 350°C is about of Al-33 quenched A supersatulated hardness up its of primary structures The stable and interlamellar respectively. is thermally solidification, alloy an were examined. 10 alloys materials, quenched flakes measurement elements, rapid splat were From aluminum aluminum quenched is approximately of alloying Keywords: Splat properties flakes and quenched flake edge. of P/M subsequently their estimated cellular production and of 5 g/s. typical quenched of of splat droplets at a rate produced was step production small near first and is formed flakes, which Al-Mn alloys. Al-Ni alloy, in increases cooling rate is suppressed in Al-Ni are alloys Al-Mn is higher Al-Mn and the alloys, for the splat fine which higher con- alloy 1986) 体 冷 却 で も,10 4℃/secレ ベ ル の 冷 却 速 度 が 限 界 と され 1.緒 最 近,急 言 て い る。 さ らに冷 却 速 度 を大 き くす るに は,冷 却 媒 体 の 冷凝 固法 に よ って 得 られ る粉 末 や フ レー ク等 の 素 材 を,粉 末 冶 金 的 方 法(P/M法)に よつ て 緻 密 化 上 で 凝 固 を 完 了 す るSplat quench法 Splat quench法 が あ る。 しか し, の 多 くは,少 量 の急 冷 凝 固 試 料 を 作 る 目 した アル ミニ ウム 合金 材 料 の優 れ た材 料 特 性 が 注 月 され 的 で 行 な わ れ て お り2)∼4),急冷 凝 固 素 材 を集 め てP/M て い る1)。 こ のP/M材 材 とす る た め に は,多 量 の急 冷 凝 固素 材 を 安 定 して製 造 の 高 強 度 化 や 耐 疲 労 強 度 の 向上 は,微 細 か つ均 一 な凝 固 組 織 に よる もの で あ り,凝 固 の 際 の 冷 却 速 度 が 大 きい 方 が 高 性 能 化 に対 して望 ま しい。 しな けれ ば な らな い。 本 研 究 で は,優 れ た 性 能 を示 す 急 冷 凝 固P/M材 る た め の 第 一 段 階 と して,Splat 模 で 達 成 され て い るが,冷 却 速 度 が 大 きい といわ れ る液 度 で大 量 の 急 冷 凝 固素 材 を製 造 す る こ とを 目的 と した も *日 本 大学 生 産 工 学 部(習 志 野 市) quench法 を得 噴 霧 法 に よるア ル ミニ ウ ム合 金 粉 末 の製 造 は,工 業 的 規 の急冷凝固速 。 College of lndustrial Technology, Nihon University (Narashino) Graduate University (Narashino), Presently at Alps Engineering Ltd. (Hamamatsu). ***宇 宙科 学 研 究 所(東 京 都) 。 The institute of Space and Astronautical Science (Tokyo). School, Nihon Vol. 37, No. 367 5 の で あ る 。 す な わ ち,噴 霧 法 と単 ロ ー ル 法 の 組 合 せ か ら な る 急 冷 凝 固 装 置 を 試 作 し て,ア 連 続 し てSplat quenchさ せ,フ ル ミニ ウ ム合 金 溶 湯 を レー ク状 の 急 冷 凝 固 素 材 を 製 造 す る 実 験 を 行 っ た 。 さ ら に,耐 熱 性 に優 れ た ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 と し て 注 目 さ れ て い る,Al-Fe合 Al-Mn,Al-Ni合 金や 金 な ど の ア ル ミ ニ ウ ム と遷 移 金 属 と の 2元 合 金 の 急 冷 凝 固 フ レ ー ク を 製 造 し て,そ の性質を し ら べ る こ と を 目的 と し た 。 2.実 験 方 法 2.1 急冷凝固装置 Fig.1は,独 自に 設 計試 作 した急 冷 凝 固装 置 の 主要 部 Fig, 2 Details graphite of a nozzle fixed at the bottom of the crucible. 分 の概 略 図 で あ り,図 中 の 尺 度 で 位置 関係 は表 され て い る。 原 理 的 に 同 じ よ うな急 冷 凝 固 装 置 がThursfieldら5) に よ っ て す で に 報 告 され て い る。 以 下 に実 験 手 順 を述 べ 放 出す るArガ る。 あ らか じめ 合 金 と した鋳 塊 を密 閉 され た 黒 鉛 るつ ぼ つ た 溶 湯 は 加 速 され,回 転 す る銅 製 の水 冷 ドラム上 へ た に,1チ た きつ け られ て 急 速 に凝 固 す る。 凝 固 した フ レー ク は, ャー ジ 当 た り約400g入 れ て高周波 加熱 に よっ て溶 解 す る。 る つ ぼ 上 部 に は るつ ぼ 内 を 加 圧 す るArガ ス に よ って 噴 霧 され る。 小 さ な液 滴 とな ドラ ム の下 方 に取 り付 け られ た ス ク レー パ ーに よっ て, ス の パ イ プ を 接 続 し,下 部 に は溶 湯 が 流 出 す る直 径0 .6 ドラ ム表 面 よ り取 り除 か れ る。 ア トマ イ ズ ガス用 ノ ズ ル mmの は直 径0.8mmで40個 ノズ ル を 設 け て あ る。 な お,ノ ズ ル は1回 使 用 す の 等 間 隔 の 穴 を,ジ ェ ッ ト先 端 角 る と,溶 湯 が 内部 に残 っ て再 使 用 が 不 可 能 と な るた め, が60度 の 向 きに 明 け た 。 水 冷 ドラ ム は 直径300mmで, Fig.2に 周 速 度 は装 置 の 最 大 速 度 で あ る3.9m/secの 示 す よ うに,テ ー パ で漏 れ を 防 ぐ黒 鉛 製 の ノ ズ ル の み 交 換 で き る よ う考 慮 した 。 溶 湯 は 合 金 組 成 に よ っ フ レー クの飛 散 防 止 の た め ,Fig.1の 一 定 と した。 部 分 は ア ク リル て 決 ま る液 相 線 温 度 よ り90℃ 高 い 温 度 に 保 持 し,る つ 製 の カバ ー で 覆 わ れ て お り,ア ぼ 内 圧 力 を 高 め る と,溶 湯 は ノ ズル よ り流 出 す る。 流 出 っ て加 圧 状 態 とな って い る。 こ の た め 内部 はArガ した 溶 湯 は,ノ 囲 気 で あ り,噴 霧 され た 溶 湯 の 酸 化 防 止 に 役 立 っ て い ズル 直 下 に 設 け た ア トマ イ ズ ノ ズル か ら トマ イ ズ用Arガ ス によ ス雰 る。 2.2 ア ル ミニ ウム-遷 移 金 属 合 金 の組 成 Table 1に 実 験 の対 象 と したAl一 遷 移 金 属2元 合 金 の 目標 組 成 と液 相 線 温 度 を 示 す 。 い ず れ の遷 移 金 属 と も, 共 晶組 成 よ りは るか に 添 加 量 の多 い範 囲 ま で選 ん だ 。 各 合金 とも添 加 量 の増 加 と共 に 液 相 線 温 度 は高 くな り,装 置 の 加 熱 の 恐 れ か ら液 相 線 温 度 が900℃ ま で を 目安 と し た。 た だ し,Al-Fe合 金 に つ い て は,Thursfieldら の研 究6)よ り添 加 量 の 多 い範 囲 ま で と した 。 な お,各 合 金 鋳 塊 は高 純 度 アル ミニ ウム(99.99%)ベ 2.3 ース で溶 製 した。 測 定 お よび 組 織 観 察 フ レークの硬 度はマ イ ク ロビ ッカ ース硬度 計(荷重:10g) で 自 由凝 固表 面 に て測 定 した 。 フ レー クの 加 熱 に よ る軟 化 を500℃ ま で の温 度 の 空 気 炉 で2時 間 加 熱 し,室 温 で の 硬 度測 定 で しらべ た 。 急 冷 凝 固 に よ って,添 加 元 素 が ア ル ミニ ウ ム中に 強 制 固溶 され る場 合 が 多 く報 告 され て い る の で,得 られ た フ レ ー ク中 の 合 金 元 素 の 固 溶 量 をCuKα 線 を 用 い たX線 デ ィ フ ラ ク トメ ー タに よ って,ア Fig. 1 Schematic quenching liquid drawing metals. of the apparatus for splat ル ミニ ウ ムの格 子 定数 を 測 定 して し らべ た 。 測 定 は フ レ ー ク を集 め て,直 径 22mm,厚 さ約5mmに 圧 縮 成 形 した 円 盤 の 試料 面 で行 368 Table (1987) 1 Nominal temperature composition and of aluminum-transition metal liquidus alloys Fig. った 。 3 flakes フ レー クの 組織 に つ い て は,光 学 顕微 鏡 お よび 透 過 型 crucible Variation of at center zone thickness with of splat atomizing quenched pressure and pressure. 電 子 顕 微鏡 に よ って,主 に 晶 出 物 の形 態 を観 察 した 。 3.実 3.1 験 結 果 お よび 考 察 急 冷凝 固 フ レー クの 製 造 条 件 冷 却 速 度 を 高 め る た め に は,フ レー クの厚 さ は 薄 い こ と が 望 ま し く,良 好 な フ レ ー クを 安 定 し て 製 造 す る 条 件 を 見 出 す た め,る つ ぼ 内 圧 力 と ア トマ イ ズ 圧 力 を 変 え る こ と に よ る,フ レー ク形 状 の変 化 を し らべ た。 る つ ぼ 内 圧 力 の み の 場 合 に は,長 用 のArガ い リ ボ ン 状 と な り,ア トマ イ ズ ス を 放 出 す る と フ レ ー ク 状 と な る が,い も 中 央 部 が 薄 く,周 ずれ 辺 部 の 縁 が 厚 い 形 状 と な る 。Fig.3 は 純 ア ル ミニ ウ ム か ら の フ レ ー ク に つ い て,製 造 件に よ る フ レ ー ク の 中 央 部 の 厚 さ を 示 し て い る 。 な お,圧 力 は い ず れ も ゲ ー ジ 圧 力 で 表 示 し て い る。 ア トマ イ ズ ガ ス の 圧 力 を 高 め る と フ レ ー ク は 薄 くな り,サ な っ た 。 る つ ぼ 内 圧 力 に よ る 影 響 は,圧 か ら1.3kgf/cm2へ な る た め,フ の 製 造 に は,る と高 め る と,流 Fig. 4 A typical example of appearance quenched flakes. (Al-6 o Fe alloy). イ ズ も小 さ く 力 を0.8kgf/cm2 出 す る溶 湯 の量 が 多 く レー クは 厚 くな る。 良 好 な形 状 の フ レー ク つ ぼ 内 の 加 圧 力 を 低 く し て,ア トマ イ ズ 用 の ガ ス 圧 力 を 高 め る こ と が 望 ま し い 。 しか し,る し上 げ るた め と,ア トマ イ ズ ノズ ル の 開 口部 穴 径 が 小 さ い た め と考 え て,種 々の 改 良 を試 み て 本 実 験 の ノ ズル と した 。 そ の 試 み に よ る影 響 を ま とめ て 次 に 述 べ る。 ① 上 と す る と,流 し た 溶 湯 が ジ ェ ッ ト先 端 角 の 内 側 の,ア レー クは 薄 くか つ 小 さ くな り,プ ロ ヅキ ン グ 現 象 は 発 生 しに く くな った 。 しか し,噴 霧 され た 液 出 滴 の ドラ ム面 へ の 衝 突 角 度,衝 突 前 の凝 固 に よ る制 トマ イ ズ ノ ズ ル の 開 口部 付 近 に た ま る ブ ロ ッキ ン グ 現 象 を 起 こ し,連 ア トマ ィ ズ ノ ズ ル と ドラ ム の 距 離 を 大 き くす る と,フ つぼ 内 圧 力 が 低 く な る と 溶 湯 の 流 出 は 安 定 し な い 。 ま た,ア トマ イ ズ 用 の ガ ス 圧 力 を5kgf/cm2以 of splat 続 限 が あ る。 ② ア トマ イ ズ ノ ズル の 開 口部 穴 径 を 大 き くす る と, して フ レー クを製 造 す る こ とは 不 可 能 で あ っ た。 この ブ ブ ロ ッキ ン グ現 象 は 発 生 しな い が,ア ロ ッ キ ン グ現 象 の 発 生 原 因 と し て は,ア Arガ ス の 集 中点 が ドラ ム に 近 くな るた め,厚 か ら 噴 出 し たArガ トマ イ ズ ノ ズ ル ス が ドラ ム表 面 で反 射 して 溶 湯 を 押 き な フ レー クとな った 。 トマ イ ズ用 の く大 Vol. 37, No. 369 5 Fig. 6 Lamellar Al-Cu eutectic にAl-Fe合 eutectic alloy structure in splat quenched flake. 金 に つ い て 示 す 。 横 軸 のFe量 ご とに そ れ ぞ れ10枚 の フ レー クに つ い て,周 辺 部 と中 央部 の厚 さの 測 定 値 を そ の ま ま プ ロ ッ トし て あ る。Fe含 有 量 の違 い に Fig. 5 and Thickness edge of Al-Fe alloy flakes at center よ る差 は ほ と ん ど認 め られ な い 。 中 央部 は20∼60μm程 zone 度 と試 片 間 の 厚 さの 差 は 比 較 的 少 ない が,周 辺 部 は厚 く zone. か つ 大 き な差 が認 め られ る。Splat quench法 却 速 度 は,フ ③Arガ ス の導 入 部 を 含 め て ア トマ イ ズ ノ ズ ル の 形 に おけ る冷 レー クあ るい は リボ ソの 厚 さに よっ てほ ぼ 決 ま る こ とが 示 され て い る7)。 した が って,本 装 置 で 急 状 を 小 さ くす る と,ド ラ ムの 表 面 で反 射 したArガ 冷 凝 固 フ レー クを 製 造 す る と,フ ス の 開 口部 へ の流 入 が少 な くな るた め,ブ ク 内に お い て も冷 却 速 度 に 差 の あ る フ レー クが混 在 して ロ ッキ ン グ現 象 は 発生 しに く くな った 。 以 上 の こ とか ら,よ ス圧 の 適 当 な条 件 と して,る つ ぼ 内 の 加 圧 力 を0.8kgf/cm2,ア の圧 力 を4kgf/cm2と した 。 な お,こ い る こ とが わ か った 。 り薄 く,小 さな フ レー クを 連 続 し て製 造 す る た め の,Arガ レー ク間 や 同一 フ レー トマ イ ズ用 のArガ ス 決 め て,各 合 金 の フ レ ー クを製 造 の 条 件 で の フ レー クの 製 造 能 力 は5g/ 3.2 凝 固 の 際 の 冷 却 速 度 の推 定 本 装 置 に よ って 製 造 され る急 冷 凝 固 フ レー クの冷 却 速 度 を 推 定 す る た め,Al-33%Cu共 晶合 金 の フ レ ー クに つ いて 透 過 電 顕 観 察 を 行 な っ た。Fig.6の うに,共 観 察 結果 の よ 晶 ラ メ ラ ーの 平 均 間 隔 は 約0.074,umで あるこ sec程 度 で あ った 。 良 好 な 形 状 の フ レー ク製 造 の難 易 を とが 測 定 され た 。 な お,組 織 観 察 は フ レー ク中央 部 の冷 合 金 間 で 比 較 す る と,Al-Fe系 却 速 度 の 大 き い部 分 で 行 った 。 冷 却速 度 は,Daviesら8) でFe10%以 上 の組成 の よ うに 固 液 共 存 の温 度 範 囲 の 広 い 合 金程 難 し く,製 造 条 に よ る次式 に よ って算 出 した 。 件 の わ ず か な変 化 に よつ て,厚 い フ レ ー ク とな った り, ブ ロ ッキ ン グ現 象 が 発 生 す る傾 向 が認 め られ た 。 Fig.4は 製 造 した フ レー ク外観 の走 査 電顕 観 察 の 一 例 で あ り,自 由凝 固 表 面 側 を 見 て い る。 衝 突 時 の条 件 に よ っ て,大 き さ,形 状 は 異 な って い る。 いず れ も ア トマイ ズ ガ ス に よ っ て飛 散 した 溶 湯 が 水冷 ドラム に た きつ け ら れ,外 側 に 向か って 広 が る間 に急 速 に冷 却 され るた め, 周 辺 部 が 中 央 部 に 比 べ て 厚 くな って い る。 純 ア ル ミニ ウ ム を 急 冷 凝 固 した フ レー クの 重 量 は,1.8mg程 度 であ り,噴 霧 され た 溶 湯 を 球 体 と仮 定す る と,そ の液 滴 の直 径 は 約1mmで あ る。 こ の よ うな フ レー ク の厚 さを 測 定 した結 果 を,Fig.5 こ こ でr:冷 Lf:潜 却 速 度(K/sec),R:成 熱(」/9),C:比 (μm)で 長 速 度(μm/sec), 熱(J/9・K),t:試 料 の厚 さ あ る。 Burdenら9)に よ っ て 求 め ら れ た,Al-Cu共 ラ メ ラ ー 間 隔(λ)と そ の 成 長 速 度(R)と 晶合金 の の関係 は次 式 で ƒÉ2R =108 ƒÊm3/sec (2) 表 さ れ て い る 。Al-33wt%Cu合 を0.72gJ/9・K,ま と し,フ 金 の20℃ で の 比 熱(0) た 同 合 金 の 潜 熱(Lf)を333.65J/9 レ ー ク の 平 均 の 厚 さ(t)を30μmと し て,(1) 370 軽 金 属(1987) と(2)式 に 代 入 す る と,冷 却 速 度(r)は,3,01×105℃/ secと 算 出 され る。 以 上 の計 算 結 果 よ り,本 実 験 装 置 に よ って 得 られ る急 冷 凝 固 フ レ ー クは,中 央 部 で は105℃/sec以 上 の 冷 却 速 度 で 凝 固 を完 了 した と判 断 され,こ の 冷却 速 度 は,他 の ア ル ミニ ウ ム合 金 に つ い て も特 に 変 化 は な い もの と推 測 され る。 フ レー ク周 辺 部 の厚 い部 分 の 電 顕 組 織 観 察 は 行 な っ て い な い が,こ の冷 却 機構 は 溶 湯 と ドラ ム との 界 面 で の ニ ュ ー トソ冷 却 に従 って お り7),界 面 で の熱 伝 達 係 数 が フ レー クの各 部 で変 わ ら ない とす る と,冷 却 速 度 は フ レー クの厚 さに よ って 決 定 され る。Fig.5で 周 辺 部 の 厚 い部 分 は 約180μmで い た 厚 さ(30μm)よ フ レー ク あ り,前 述 の 計 算 に 用 り6倍 厚 い。 す な わ ち,周 辺 部 で の 冷 却 速 度 は3.01×105℃/secの1/6の5×104℃/sec程 度 と求 め られ る。 実 際 に は 溶 湯 は 広 が りな が ら凝 固 す る こ とか ら,周 辺 部 ほ ど押 し付 け る力 は 小 さ く,熱 伝 達 係 数 が 低 くな る こ とか ら,冷 却 速 度 は さ らに 低 くな る こ と も 考 え られ る。 この よ うに,フ レー ク全 体 の平 均 冷 却 速 度 は 中 心 部 の 値 よ り小 さ くな る。 フ レー クが薄 くか つ 均 一 Fig. 8 alloy の厚 さで あ れ ば,急 冷 凝 固 の 効 果 の大 きい フ レー ク とな Variation flakes of with lattice annealing parameters of Al-Mn condition. る が,そ の た め に は 水 冷 ドラ ムの周 速 度 を速 く して,衝 突 した 溶 湯 を ひ きの ばす 作 用 を 高 め る こ とが一 つ の 方 法 は,Fe:0.052wt%,Mn:1.82wt%,Ni:0.05wt%とMn で あ ろ う。 を 除 い て 極 くわ ず か で あ る が,急 冷 凝 固 に よ ってFeや 3.3 急 冷 凝 固 フ レー ク の 強制 固 溶 Mnは 平 衡 状態 で の ア ル ミニ ウ ムに対 す る遷 移 金 属 の 固 溶 限 ア ル ミニ ウ ム中 へ 強 制 固 溶 す る こ とが知 られ て い る10),11)。 本 装 置 で 製 造 した フ レー クの 各 遷 移 金 属 の 強 制 固溶 状 態 を,マ トリ ッ クス の ア ル ミニ ウムの 格 子 定 数 測 定 に よ って し らべ た 。 急 冷 凝 固 した ま ま の フ レー クに つ い て,合 金 元 素 量 に よ る格 子 定数 の変 化 を,Fig.7に Al-Fe合 金,Al-Mn合 金,Al-Ni合 金 につ いて示す。 いず れ の 合 金 も合 金 元 素 が 固 溶 した 場 合 に は,格 子 定 数 は小 さ くな る。 急 冷 凝 固 に よ っ て合 金 元 素 量 の 増 加 と共 に格 子 定 数 が 減 少 す るの はAl-Mn合 の フ レ ー クでMnの 金 で あ り,大 部 分 強 制 固 溶 体 が 形 成 され て い る こ と を表 して い る。Fig.8にAl-Mn合 金 の 急 冷 凝 固 フ レー クの焼 鈍 に よる 格 子 定 数 の 変 化 を 示 す 。200℃ の 焼 鈍 で は 格 子定 数 は ほ とん ど急 冷 直 後 と変 わ らな い が,さ 焼 鈍 温 度 が 高 くな る と固 溶 して い たMnが らに 化合 物 とな って 析 出 す るた め,格 子 定 数 は よ り大 き くな り,500℃ で 加熱 す る といず れ の濃 度 に つ い て も純 ア ル ミニ ウム と 同 じ値 とな っ た。Fig.7でAl-Fe合 い て は,Al-Fe合 金,Al-Ni合 金 につ 金 の 高 濃 度 の場 合 に格 子 定 数 が や や 小 さ くな る傾 向が 見 られ る もの の,凝 固 直 後 で も格 子 定 数 は純 ア ル ミニ ウ ム の値 と比 較 して,大 きな差 は な い。 焼 鈍 した フ レー クに つ い て も格 子 定 数 を測 定 した が,凝 固 Fig. 7 Relation aluminum-transition tion tion. metal contents between metal under lattice alloy parameters flakes and as splat-quenched of transicondi- 直後 に比 べ て ほ とん ど変 化 は な か った 。 す なわ ち,AlFe合 金,Al-Ni合 金 の フ レ ー クの 大 部 分 で は,合 金元 素 はほ とん ど強 制 固 溶 状 態 で は な く,化 合 物 と して晶 出 Vol. 37, No. 371 5 困難 で あ った 。 フ レー クの 晶 出 組 織 の形 態 お よび 急 冷 凝 固 した 組 織 の 熱 的 安 定 性 を し ら べ る た め,各 各 温 度 で2時 合 金 の 凝 固 し た ま ま と, 間 加 熱 した焼 鈍 した フ レ ー クに つ い て 透 過 電 顕 観 察 を 行 っ た 。Fig.11はAl-8%Fe合 はAl-11%Mn合 金,Fig.12 金,Fig.13はAl-18%Ni合 金 につ い て の 観 察 結 果 で あ る 。 い ず れ の 合 金 と も(a)に 固 し た ま ま の 組 織 を 比 較 す る と,Al-Fe合 示 した 凝 金,Al-Mn 合 金 で は α相 の マ ト リ ッ クス に 化 合 物 が セ ル 状 に 分 布 す る 組 織 を 呈 し,Al-Ni合 Fig. 9 Transmission electron micrograph of Al-4% Fe alloy flake annealed at 350°C for 2 hours. 金 で はNiAl3化 合物 が ロ ッ ド 状 ま た は ラ メ ラ ー状 に 晶 出 した 共 晶 組 織 で あ る。 合 金 元 素 量 が 多 く な る と,い り,ま た,ラ ず れ の 合 金 と も セ ル 径 は 小 さ くな メ ラ ー 間 隔 が 狭 くな る 傾 向 で あ っ た 。 フ レ ー ク全 体 で考 え る と ,晶 出 し て い る化 合 物 の ほ と ん ど は 安 定 相 で あ ろ う が,Al-Fe合 金 で は,Fig.11(a)に れ る セ ル 境 界 の 晶 出 物 は 準 安 定 相 のFeAl6と 見 ら 思 わ れ る12),13)。 そ の セ ル 径 は0.3μm以 下 で あ り,セ ル 径 と凝 固 の 際 の 冷 却 速 度 の 関 係 か ら14),冷 却 速 度 は 約10 6℃/secと 推 定 され た 。 こ の冷 却 速 度 は,先 にAl-33%Cu共 晶合 金 の ラ メ ラ ー 間 隔 か ら求 め た 値 とほ ぼ 一 致 す る。 ま た, Al-8%Fe合 金 の フ レー ク周 辺 部 の光 顕 観 察 の結 果 か ら, セ ル 径 は 約2μmと 読 み と られ,フ レー クの 厚 い部 分 の 冷 却 速 度 は10 4℃/secの レベ ル で あ る こ とが わ か っ た 。 Fig. 10 Optical micrograph of splat-quenched flake at center zone (Al-2% Fe alloy). Fig.12(a)のAl-1%Mn合 の の,セ 金 では合金 元素 量が 多 い も ル 径 は 大 き くて,晶 出物(MnAl6)15)の 占め る 部 分 は わ ず か で あ って,格 子 定 数 の測 定 結果 か ら も明 ら して い る。 しか し,Al-Fe合 金 で,2∼4%と 添加量が か な よ うに,Mnは ほ とん ど強 制 固 溶 状 態 で あ る。 少 な い 合 金 では,セ ル 径 が 大 き く,セ ル 内 は強 制 固溶 体 各 合 金 の焼 鈍 に よる 組織 変 化 を 見 る と,い ず れ の合 金 の 領域 と思わ れ る部 分 も観 察 され た 。 な お,強 制 固溶 体 と も,焼 鈍 温 度 が 高 くな る に つ れ て,急 冷凝 固 に よ って 部 分 のin situ加 熱 の 観 察 結 果 で は な い が,焼 鈍 した フ 生 成 した微 細 な 晶 出物 は,球 状 化 しな が ら粗 大 化 す る。 レ ー クの 中 央 部 で はFig.9の Fig.13のAl-18%Ni合 め られ,フ よ うに 微 細 な 析 出物 が 認 レー ク の一 部 分 で はFeが 強 制 固溶 状 態 に あ っ た と推 定 され る。 3.4 の合 金 よ り低 い 焼 鈍 ッ ド状 の 急 冷 凝 固 組 織 の NiAl3化 合 物 は 完 全 に 球 状 化 し,さ ら に 高 温 の350℃ で 急 冷 凝 固 フ レー ク の組 織 は 粗 大 な 化 合 物 が 認 め られ る 。 他 の組 成 のAl-Ni合 急 冷 凝 固 フ レー クの光 学 顕 微鏡 に よ る組 織 観 察 の一 例 と し て,Fig.10にAl-2%Fe合 金 で は,他 温 度 で あ る200℃ で も,ロ 金 の凝 固 した ま ま の フ レー ク断 面 の 組織 を示 す。 写 真 で フ レー ク の右 側 が ドラ も同様 の変 化 を示 し,Al-Ni合 金 金 の急 冷 凝 固組 織 は,他 の合 金 に比 べ て熱 的 に不 安 定 で あ る とい え る。 Al-Fe,Al-Mn合 金 に つ い て は,350℃ と500℃ で 焼 鈍 ム に接 触 した 面 で あ り,ド ラム の 切 削 面 に 対 応 した 凹 凸 した 組 織 を示 して い るが,200℃ が 見 られ る。 全 面 に わ た り,α 相 とFe化 ま ま の組 織 に 比 べ て ほ とん ど変 化 が なか っ た。 両 合 金 と 合 物 か らな る で の 焼 鈍 で は 凝 固 した 微 細 なセ ル 状 の凝 固組 織 を形 成 して お り,冷 却 速 度 の 遅 も,500℃ い 通 常 の 溶 解鋳 造 に お い て 晶 出 す る,粗 大 な 初 晶 の 化 合 350℃ の 焼鈍 で は,晶 出物 は セ ル状 組織 を形 成 して い る。 物 は 観 察 され な か っ た。 他 の 合 金 に つ い て は,Al-Mn Fig.12(b)のAl-11%Mn合 合 金 でセ ル 状 組織 が わ ずか に認 め られ,Al-Ni合 は,晶 出 した化 合物 の成 長 の他 に,強 制 固溶 体 の分 解 に 金では で 焼 鈍 す る と 晶 出 物 が 球 状 化 す る もの の, 非 常 に 微 細 な共 晶状 組 織 を 呈 して い た 。 な お,合 金 元素 よ って 直 接 生 成 した,Mnの の 添 加 量 が 多 くな る と,Al-Fe合 に認 め られ る。 金 の セ ル状 組 織 は よ り 細 か くな り,光 学 顕 微 鏡 で 明瞭 な 写 真 を 撮 影 す る こ とは 3.5 金 の350℃ で焼 鈍 した 組 織 に 析 出物(G相)15)も 急 冷凝 固 フ レー ク の硬 度 明 らか 372 軽 金 属(1987) Fig. 11 Transmission electron micrographs of Al-8%Fe alloy flakes. (a) as splat-quenched, (b) 350°C X 2hr annealed, (c) 500°C X2hr annealed. Fig. 12 Transmission electron micrographs of Al-11%Mn alloy flakes. (a) as splat-quenched, (b) 350°C X 2hr annealed, (c) 500°C X2hr annealed. Fig. 13 Transmission electron micrographs of Al-18%Ni alloy flakes. (a) as splat-quenched, (b) 200°C X 2hr annealed, (c) 350°C X 2hr annealed. Vol. 37, No. 373 5 Fig. 14 Variation of hardness of Al-Fe alloy flakes with Fe content (a) and annealing temperature (b). Fig. 16 Variation of hardness of Al-Ni alloy flakes with Ni content (a) and annealing temperature (b). 示 した。 焼 鈍 に よる硬 度 値 の変 化 を 合 金 間 で 比 較 す る と,焼 鈍 温 度 が500℃ と高 い 場 合 に は,い ず れ の 合 金 で も急 冷 凝 固 組 織 が完 全 に粗 大 化す る ため 著 し く軟 化 す る が,低 い 焼 鈍 温 度 で は硬 度 変 化 に 相 違 が認 め られ る 。Fig.14(b) のAl-8%Fe合 金 は,350℃ で2時 間 加 熱 して も硬 度 の 低 下 が 少 な く,組 織 観 察 で示 した よ うに熱 的 に安 定 な 急 冷 凝 固 組 織 が,焼 鈍 に よる軟 化 を抑 え て い る。 Al-Ni合 金 で はFig.16(b)に 示 す よ うに,い ず れ の 合 金 組 成 に お い て も,焼 鈍温 度 が高 くな る とほ ぼ 直 線 的 に 軟 化 す る傾 向 が 認 め られ た 。Al-Ni合 金 で焼 鈍 は よ る軟 化 が 著 しい の は,急 冷 凝 固 に よっ て生 成 した共 晶化 合 物 1の 微 細 組 織 が ,比 較 的 低 い 焼 鈍温 度 で も粗 大 化 す る た め で あ る。 Fig. 15 Variation of hardness of Al-Mn alloy flakes with Mn content (a) and annealing temperature (b). Fig.15(b)のAl-11%Mn合 金 で は,200℃ も軟 化 が 認 め られ な い が,350℃ で焼 鈍 して に 至 る と急 激 に軟 化 す る 。200℃ で 軟 化 しな い の は,格 子 定 数 の 変 化 や組 織 観 察 か ら 明 らか な よ うに,加 熱 して も変 化 の 少 な い 急 冷 凝 各 合 金 の フ レー ク の 硬 度 測 定 の 結 果 をFig.14,Fig. 15,Fig.16に,そ れ ぞ れAl-Fe,Al-Mn,Al-Ni合 金に 固 に よ る固 溶 体 強 化 が 持 続 して 作 用 して い るた め と思 わ れ る。350℃ の 加 熱 に よ り,強 制 固 溶 したMnの 大部 分 つ い て示 す 。 い ず れ も同 一 条 件 で5枚 の フ レー クにつ い は 析 出す る が,フ 合物の て,1枚 析 出 に よる強 化 へ の寄 与 は ほ とん どな い と思 わ れ る。 当 た り3∼4点 の 測 定 値 を そ の まま プ ロ ッ トし レー クは軟 化 して お り,Mn化 て い る 。 各 合 金 と も(a)は 凝 固 した ま ま の フ レー クに つ い て,合 金 元 素 量 に よ る硬 さ の 変 化 で あ り,(b)は 一 つ の 組成 の合 金 に つ い て の 焼 鈍 に よる硬 度 変 化 を 示 してい 4.結 論 る。 同一 合 金 の フ レ ー ク内 に お い て も,硬 度 値 に は大 き ア ル ミニ ウ ム合 金 の急 冷 凝 固P/M材 を 作 るた め の 第 一 段 階 と して ,急 冷 凝 固 フ レー クを連 続 的 に 製 造 す る装 な差 が認 め られ,冷 却 速 度 の大 小 に よる急 冷 凝 固組 織 の 置 を 試 作 して,そ 相違 に よ る影響 が 現 れ て い る。 各 合 金 とも,急 冷 凝 固 し ア ル ミニ ウ ム-遷 移 金 属 合 金 の急 冷 凝 固 フ レー クの 性 質 た ま ま の フ レー クは,合 金 元 素 量 の増 加 に対 応 して硬 化 を し らべ て次 の結 論 を 得 た 。 す る。 共 晶 組 成 に 比 べ て 合 金 元 素 量 の 割 合 が 多 いAl18%Fe合 金 で は,600Hv以 上 の 高 い硬 度 を 示 す 場 合 も (1)独 の性 能 を 確 か め た。 さ らに,製 造 した 自 に設 計 試 作 した 噴霧 法 と単 ロ ール 法 の 組 合 せ か ら成 る急 冷 凝 固 装 置 に よ って,ア ル ミニ ウ ム合 金 の 急 あ り,非 常 に硬 い フ レー クが 得 られ た 。 合 金 元素 量 の多 冷 凝 固 フ レー クを 約5g/secの いAl-18%Niも る こ とが で きた。 急 冷 凝 固 状 態 で は比 較 的 高 い 硬 度 値 を 能 力 で,連 続 的 に製 造 す 軽 374 (2)急 冷 凝 固 フ レー クは 中 央 部 が 薄 く,周 辺 部 が 厚 い 形 状 で,中 央 部 に お け る 凝 固 時 の 冷 却 速 度 は10 5∼10 6 ℃/secの レベ ル に 達 した 。 フ レ ー ク全 体 を平 均 して 冷 却 速 度 を高 くす るに は,薄 く,で き るだ け均 一 な 厚 さの 2) 3) 4) フ レー クの製 造 が 望 まれ る。 (3)Feは18wt%,Mnは11wt%,Niは18wt%ま で添 5) 加 した,過 共 晶 組 成 の そ れ ぞ れ の ア ル ミニ ウ ム-遷 移 金 属2元 合 金 の 急 冷 凝 固 フ レー ク に は,粗 大 な初 晶 化 合物 6) の 晶 出 は抑 え られ た。 (4)Al-Fe,Al-Ni合 金 の急 冷 凝 固 フ レー クは,微 細 な 晶 出 組 織 を 呈 し,Al-Mn合 Mnの 金 につ い て は,添 7) 加 した 大部 分 は強 制 固 溶 した 。 (5)急 冷 凝 固 フ レー ク の 硬 度 は,い ず れ のAl-遷 移 金 属 合 金 と も合 金 元素 量 の増 加 に 対 応 して高 くな った。 急 冷 凝 固 組 織 の 焼 鈍 に よ る粗 大 化 に と も な って,フ クは軟 化 す るが,Al-Fe合 9) レー 金 の急冷凝固組織は加熱に よ る変 化 が 比 軟 的 少 な く,Al-Ni合 8) 金 でに 加 熱 に よ る影響 が 大 き く現 れ た 。 終 わ りに,卒 業 研究 生 と して 装 置 の試 作 お よび 実験 に 10) 11) 12) 協 力 され た,石 山 徹,斉 藤 達 也,三 村 司,山 田 秀 嗣,荻 原 馨,清 水 良 和 の 諸氏 に感 謝 い た します 。 13) 金 属(1987) P. Duwez and R. H. Willens: Trans. TMS-AIME., 227 (1963), 362. D. R. Harbur, J. W. Anderson and W. J. Maraman: Trans. TMS-AIME., 245 (1969), 1055. R. W. Cahn, K. D. Krishnanand, M. Laridjani, M. Greenhalz and R. Hill: Mater. Sci. Eng., 23 (1976), 83. G. Thursfield and H. Jones:J. Phys. E. Sci. Instrum., 4 (1971), 675. G. Thursfield and M. J. Stowell: J. Mater. Sci., 9 (1974), 1644. H. Jones: "Rapid Solidification Processing" Prc. Int. Conf. on Rapid Solidification Processing, ed. by R. Mehrabian, B. H. Kear and M. Cohen (1978), 28. H. A. Davies and J. B. Hull: J. Mater. Sci., 9 (1974), 707. M. H. Burden and H. Jones: J. Inst. Metals, 98 (1970), 249. A. Tonejc and A. Bonefacic: J. Appl. Phys., 40 (1969), 419. C. P. Hinesley and J. G. Morris: Met. Trans., 1 (1970), 1476. W. J. Boettinger, L. Bendersky and J. G. Early: Met. Trans., 17A (1986), 781. 神 尾,手 塚,里,T.T.Long,高 橋:軽 金 属,36 (1986),72. 参 1)た と え ば,K.K.Sankaran Sci.Eng.,44(1980),213. 考 文 14) 献 and H. Ahlborn and D. Merz: 671. N.J.Grant:Mater. 15)村 上,森:軽 金 属,18(1968),339. Aluminium, 47 (1971),
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