JP2011526967A - 高強度鋳造用アルミニウム合金 - Google Patents
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Abstract
本発明は、高強度の鋳造用アルミニウム合金を提供する。該鋳造用アルミニウム合金は、Cu:2.0〜6.0重量%、Mn:0.05〜1.0重量%、Ti:0.01〜0.5重量%、Cr:0.01〜0.2重量%、Cd:0.01〜0.4重量%、Zr:0.01〜0.25重量%、B:0.005〜0.04重量%、希土類元素:0.05〜0.3重量%、並びに残部:アルミニウムおよび微量不純物からなる成分組成を有する。該アルミニウム合金によりコスト低減が実現される。
Description
本発明はアルミニウム合金に関し、特に高強度鋳造用アルミニウム合金に関する。
アルミニウム合金は、20世紀の初頭に工業的に実用化された比較的歴史が浅い金属素材である。第二次世界大戦時には、アルミニウム素材は軍用飛行機の製造に主に使用された。終戦後、軍事産業に対するアルミニウム素材の需要は激減し、アルミニウム産業界は民生用アルミニウム合金の開発に着手し、その製品は航空産業から建築業、容器包装産業、交通運送産業、電力および電子工業、機械製造業、石油化学産業などの種々の産業にまで利用され、人々の日常生活に及ぶ。現在、アルミニウム素材は、使用量が多くかつ利用範囲が広く、鉄鋼に次いで第2位の金属素材である。アルミニウム合金の歴史は、1906年にまで遡り、アルフレッド=ウィルム(Alfred Wilm) によってベルリンで時効硬化現象が偶然に発見され、発明されたジュラルミン(Duralumin)は航空機の構造部品に使用された。その後、ジュラルミンをベースにして、様々なAl−Cu合金が開発された。フランスが20世紀の初頭にアルミニウム合金A−U5GT(SAE J 452−1989によれば、(W)Si≦0.05%、(W)Fe≦0.10%、引張強度(T4における):≧275MPa)の研究開発に成功して実用化し、これはフランス国家規格と宇宙航空規格に制定されている。米国アルミニウム協会の呼称番号201.0合金(1968年)と206.0合金(1967年)はいずれもA−U5GTをベースにして改良されたものであり、204.0合金(1974年)はA−U5GT合金と相当する。201.0合金(AlCu4AgMgMn、ASTM B26/B26(M)−1990規格によれば、調質T7において、引張強度:415MPa、破断伸び率:3%)は、KO−1という商品名として販売され、米国特許を取得した。但し、組成中に銀(Ag)が含有され(0.4〜1.0%)、コストが高い。ロシアのВАЛ10(VAL10)合金の主な元素成分は中国のZL204と近いが、その他の添加した微量元素が秘密であり、軍事産業などの特殊な分野の利用に限られている。
中国において、ZL204A、ZL205Aなど数種類の鋳造用アルミニウム合金が研究開発された。調質T5における合金ZL204A(δ5>4%)の引張強度は440MPaで破断伸び率は4%以上である。但し、このアルミニウム合金はAl−Cu系鋳造合金の中でも流動性及び耐高温割れ性(hot-cracking resistance)が最も悪い。GB1173−1986技術規格に準じて行った引張強度試験では、合金ZL205Aの引張強度は、調質T5において435MPa、調質T6において465MPaである。またGB1173−1995技術規格に準じて行った引張強度試験では、合金ZL205A(T6における)の引張強度は470MPaである。したがって合金ZL205Aは、現在世界的にも強度が最も高い鋳造用アルミニウム合金の一つであり、該合金ZL205A(T5における)は、可塑性に優れ、破断伸び率が7%にもなり、わが国の航空、宇宙産業に広く使用されている。但し、この合金ZL205Aは、貴金属成分Vを含有しておりコストが非常に高く、さらに、主要成分金属が製錬アルミニウムもしくは高純度のアルミニウムであるのでコスト増加につながるとともに原料供給も制限される。また、合金ZL205Aに混合希土類元素RE(RE:Rare−earth element)を添加した合金ZL209においては、高価なV元素の添加によるコスト制約の問題を依然有している。また、北京航空材料研究院の呂傑らが公開した論文によると、主成分が合金ZL205Aに近く、微量元素の中に0.1〜0.25%のVが含有され、引張強度が385〜405MPaの範囲で、破断伸び率が19〜23%であるアルミニウム合金が試作された。しかしながら、このアルミニウム合金は、引張強度がやや低く、原材料に高価なV元素を含有するという問題点を有している。
以上の記述より明らかなように、高強度鋳造用アルミニウム合金の分野における問題点は次の通りである。強度が十分に高くなく、引張強度450MPa以上の鋳造用アルミニウム合金は極めて少ない。成分組成に0.1%以上の貴金属と希少金属(銀、バナジウムおよびベリリウムなど)を配合するのが一般的であり、かつ主要成分金属は高純度のアルミニウムを多く採用するため、コストが高く、原料供給が制限されて、民生用分野への普及が難しい。強度と可塑性とのバランスを解決できず、合金の強度と鋳造性との不両立が顕著である。また、疲労寿命が短く、耐応力腐食性が劣る。
本発明者らは、従来の高強度鋳造用アルミニウム合金における成分配合コストが高く、強度が弱く、鋳造性が低く、疲労寿命が短く、耐応力腐食性が劣るなどの従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究し、通常元素の成分組成、鋳造、精製などの工程を最適化し、各種の系統的実験を重ねた結果、本発明を成すに至ったものである。本発明は、強度特性、靭性と耐応力腐食性とがともに充分に優れる、軍事、民生両用の鋳造用アルミニウム合金を提供することを目的とするものである。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次の通りである。
本発明は、高強度鋳造用アルミニウム合金であって、Cuが2.0〜6.0重量%、Mnが0.05〜1.0重量%、Tiが0.01〜0.5重量%、Crが0.01〜0.2重量%、Cdが0.01〜0.4重量%、Zrが0.01〜0.25重量%、Bが0.005〜0.04重量%、希土類元素が0.05〜0.3重量%、並びに残部がアルミニウム及び微量不純物である成分組成を有することを特徴とする高強度鋳造用アルミニウム合金である。
また、本発明では、前記希土類元素が、Pr、Ce、Laまたは混合希土類元素REであってもよい。
また、本発明では、前記混合希土類元素REに含まれている各希土類元素の総量が、(混合希土類元素REの総重量に対して)98重量%以上であってもよい。
また、本発明では、前記混合希土類元素REにおけるCe(セリウム)元素の含有量が、(混合希土類元素REの総重量に対して)40〜50重量%であってもよい。
次に、本発明に係る高強度鋳造用アルミニウム合金の製造方法について説明する。本発明の高強度鋳造用アルミニウム合金の製造工程は次に示す通りである。
(a)溶解炉にアルミニウムインゴット(ingots)またはアルミニウム溶湯を入れ、前記アルミニウムインゴットまたはアルミニウム溶湯が完全に溶けるまで加熱し、660〜850℃を維持する;
(b)所定の成分組成となるように、まずCu、Mnの合金元素を添加して均一に攪拌してから、Ti、Cr、Cd、Zr、Bおよび希土類元素Pr、Ce、Laまたは微量の混合希土類RE元素を添加して均一に攪拌する;
(c)上記工程で得た合金溶湯を溶解炉で製錬する。合金溶湯に製錬剤(フラックス)を加えて、均一に攪拌する。製錬剤としては、種々の工程に応じて、塩素ガス、ヘキサクロロエタン、塩化マンガンなどを適宜選択できる。合金溶湯の水分の吸収や焼き損失を防止するために前記合金溶湯の製錬はできる限り閉じた環境で行うことが好ましい;
(d)前記溶解炉を傾転して合金液を取り出し、オンライン処理で、ろ過処理、脱ガス処理、脱滓処理(deslagging)を行う;
(e)金型で鋳造する;
(f)最後に、620℃以下、72時間未満の熱処理(固溶、析出、硬化)工程を行う。
(a)溶解炉にアルミニウムインゴット(ingots)またはアルミニウム溶湯を入れ、前記アルミニウムインゴットまたはアルミニウム溶湯が完全に溶けるまで加熱し、660〜850℃を維持する;
(b)所定の成分組成となるように、まずCu、Mnの合金元素を添加して均一に攪拌してから、Ti、Cr、Cd、Zr、Bおよび希土類元素Pr、Ce、Laまたは微量の混合希土類RE元素を添加して均一に攪拌する;
(c)上記工程で得た合金溶湯を溶解炉で製錬する。合金溶湯に製錬剤(フラックス)を加えて、均一に攪拌する。製錬剤としては、種々の工程に応じて、塩素ガス、ヘキサクロロエタン、塩化マンガンなどを適宜選択できる。合金溶湯の水分の吸収や焼き損失を防止するために前記合金溶湯の製錬はできる限り閉じた環境で行うことが好ましい;
(d)前記溶解炉を傾転して合金液を取り出し、オンライン処理で、ろ過処理、脱ガス処理、脱滓処理(deslagging)を行う;
(e)金型で鋳造する;
(f)最後に、620℃以下、72時間未満の熱処理(固溶、析出、硬化)工程を行う。
本発明の高強度鋳造用アルミニウム合金1に対して、科学技術省西南情報センターは先行技術を検索・調査し、「記載の元素成分による記載の性能を満たす“新規高強度鋳造用アルミニウム合金の研究開発および産業化”は、国内外で開示されていない。」という結論に至った。本発明の知的財産権と研究成果については紛争および衝突は発生しないであろう。
新しいアルミニウム合金の組成と特性の同定:従来のAl−Cu系合金(中国国家規格:GB/T1173−1995)の力学的特性と本発明の高強度鋳造用アルミニウム合金1の比較を表1に示す。
従来のアルミニウム鋳造合金に比べ、本発明のアルミニウム鋳造合金は、以下の利点を有する。
(1)高度な合金の成分組成設計および微量元素添加(マイクロアロイング)設計を有する。Al−Cu―Mn主成分をベースにし、合理的な微量合金元素(Ti、Cr、B、Zr、希土類元素Pr、Ce、Laおよび混合希土類元素など)を見出し、その成分含量範囲を確定することにより、Ag、Vなどの希少金属の作用を代替できるとともに成分組成のコストを5〜10%低減することが期待できる。
(2)先進的な溶融精錬の不純物除去技術を採用し、不純物除去の技術的難点を有効に克服し、得られる合金の引張強度が450MPa以上であると同時に、破断伸び率が5%以上である。
(3)本発明は、高強度を維持できると同時に、合金の可塑性を明確に向上できる。
(1)高度な合金の成分組成設計および微量元素添加(マイクロアロイング)設計を有する。Al−Cu―Mn主成分をベースにし、合理的な微量合金元素(Ti、Cr、B、Zr、希土類元素Pr、Ce、Laおよび混合希土類元素など)を見出し、その成分含量範囲を確定することにより、Ag、Vなどの希少金属の作用を代替できるとともに成分組成のコストを5〜10%低減することが期待できる。
(2)先進的な溶融精錬の不純物除去技術を採用し、不純物除去の技術的難点を有効に克服し、得られる合金の引張強度が450MPa以上であると同時に、破断伸び率が5%以上である。
(3)本発明は、高強度を維持できると同時に、合金の可塑性を明確に向上できる。
以下に、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
実施例:アルミニウム合金の成分組成は、重量%で、Cu:2.0〜6.0%、Mn:0.05〜1.0%、Ti:0.01〜0.5%、Cr:0.01〜0.2%、Cd:0.01〜0.4%、Zr:0.01〜0.25%、B:0.005〜0.04%、希土類元素Pr、Ce、Laまたは混合希土類元素RE:0.05〜0.3%、および残部:Alおよび微量の不純物元素である。
前記混合希土類元素REに含まれている各希土類元素の総量が重量%で98%以上であった。前記混合希土類元素REにおけるCe(セリウム)元素の含有量が、重量%で45%であった。(希土類元素のイオン半径、酸化数が他の元素に近似するため、鉱物においてこれらの元素が共存する。)
以下に示される工程でアルミニウム合金を製造した。
(a)溶解炉にアルミニウムインゴットまたはアルミニウム溶湯を入れ、加熱して完全に溶融させ、660〜850℃を維持した;
(b)所定の成分組成となるように、まずCu、Mn合金元素を添加して均一に攪拌してから、Ti、Cr、Cd、Zr、Bおよび希土類元素Pr、Ce、Laまたは微量の混合希土類RE元素を添加して、均一に攪拌した;
(c)上記工程で得た合金溶湯を溶解炉で精錬した。合金溶湯に製錬剤(製錬剤として、種々の工程に応じて、塩素ガス、ヘキサクロロエタン、塩化マンガンなどを適宜選択できる)を加えて、均一に攪拌した。合金溶湯の水分の吸収や焼き損失を防止するため、合金溶湯の精錬はできる限り閉じた環境で行うことが好ましい;
(d)前記溶解炉を傾転して合金液を取り出し、オンライン処理で、ろ過、脱ガス、脱滓の処理をおこなった;
(e)金型で鋳造した;
(f)最後に620℃以下、72時間未満の熱処理(固溶、析出、硬化)工程を行った。
(a)溶解炉にアルミニウムインゴットまたはアルミニウム溶湯を入れ、加熱して完全に溶融させ、660〜850℃を維持した;
(b)所定の成分組成となるように、まずCu、Mn合金元素を添加して均一に攪拌してから、Ti、Cr、Cd、Zr、Bおよび希土類元素Pr、Ce、Laまたは微量の混合希土類RE元素を添加して、均一に攪拌した;
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(d)前記溶解炉を傾転して合金液を取り出し、オンライン処理で、ろ過、脱ガス、脱滓の処理をおこなった;
(e)金型で鋳造した;
(f)最後に620℃以下、72時間未満の熱処理(固溶、析出、硬化)工程を行った。
Claims (4)
- 高強度鋳造用アルミニウム合金であって、
Cuが2.0〜6.0重量%、Mnが0.05〜1.0重量%、Tiが0.01〜0.5重量%、Crが0.01〜0.2重量%、Cdが0.01〜0.4重量%、Zrが0.01〜0.25重量%、Bが0.005〜0.04重量%、希土類元素が0.05〜0.3重量%、並びに残部がアルミニウム及び微量不純物である成分組成を有する
ことを特徴とする高強度鋳造用アルミニウム合金。 - 前記希土類元素が、Pr、Ce、La、または混合希土類元素REであることを特徴とする請求項1記載の高強度鋳造用アルミニウム合金。
- 前記混合希土類元素REに含まれている各希土類元素の総量が、前記混合希土類元素REの98重量%以上であることを特徴とする請求項1記載の高強度鋳造用アルミニウム合金。
- 前記混合希土類元素REにおけるCe元素の含有量が、前記混合希土類元素REの40〜50重量%であることを特徴とする請求項2または3記載の高強度鋳造用アルミニウム合金。
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