JP4925028B2 - アルミニウム合金成形材 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金成形材及びその製造方法に関する。

航空機材料、自動車部品材料、精密機械部品材料、電子材料、バネ材料、ネジ材料等においては、軽量化の要求から高強度のアルミニウム合金成形材が広く用いられるようになっている。しかし、強度の点では鉄鋼材料と比較すると未だ十分でないことから、種々の高強度合金が検討されている。

特許文献１には、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｍｎ又はＦｅ等を含む、高力、耐熱性アルミニウム合金が開示されている。

特許文献２には、Ｚｎ５〜１１重量％、Ｍｇ２〜４．５重量％、Ｃｕ０．５〜２重量％及びＡｇ０．０１〜０．５重量％含むアルミニウム合金急冷凝固粉末、及び当該アルミニウム合金急冷凝固粉末を空気中、真空中又は不活性ガス雰囲気中で熱間固化成形した後、得られた成形体を時効処理して強度を高めることを特徴とするアルミニウム合金成形材の製造方法が開示されている。
特開平３−２５７１３３ 特開平７−３１６６０１

しかしながら、アルミニウムは延性の高い金属であるため、単に引張強度が高いだけでは高荷重負荷時に合金成形材が変形するおそれがある。

したがって、本発明は、高い引張強度及び高い耐力を兼ね備えたアルミニウム合金成形材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、従来技術の問題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定組成のアルミニウムを一定の条件下で製造することにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、下記のアルミニウム合金成形材に係る。
１． （１）Ｚｎ５〜１１重量％、Ｍｇ２〜４．５重量％、Ｃｕ０．５〜２重量％、Ｍｎ２〜６重量％及びＡｇ０．０１〜０．５重量％含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ合金急冷凝固粉末を予備成形する第１工程、
（２）残存水分が溶体化処理時に水素ガスとなり成型材中にボイドを形成しないように、前記予備成形体１００ｇに対する不活性ガス流量が１リットル／分〜１００リットル／分となるように、前記予備成形体に不活性ガスを１０分〜１０時間流しながら、前記予備成形体を温度４５０℃〜５５０℃にし、押し出し比３０〜６０の範囲で前記予備成形体を熱間固化成形する第２工程、及び
（３）前記成形体を時効処理する第３工程
を含むアルミニウム合金成形材の製造方法によって得られる、耐力８５ｋｇ／ｍｍ^２以上のアルミニウム合金成形材。
２． Ａｌ合金急冷凝固粉末がＺｒ０．０１〜２．０重量％をさらに含有する、前記項１に記載のアルミニウム合金成形材。
３． Ａｌ合金急冷凝固粉末がＦｅ０．０１〜０．２重量％及びＳｉ０．０１〜０．２重量％をさらに含有する、前記項１又は２に記載のアルミニウム合金成形材。
４． Ａｌ合金急冷凝固粉末の平均粒径が７５μｍ未満である、前記項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム合金成形材。

本発明の製造方法によれば、特定の雰囲気下でＡｌ合金急冷凝固粉末の圧粉体を熱処理することから、より高い引張強度及び耐力を有する材料を提供することができる。

本発明の製造方法により得られるアルミニウム合金成形材は、例えば航空機材料、自動車部品材料、精密機械部品材料、電子材料、バネ材料、ネジ材料等として好適に用いることができる。特に軽量化及び精密化の要請が高い自動車部品等の材料としても最適である。

本発明のアルミニウム合金成形材の製造方法は、アルミニウム合金成形材を製造する方法であって、
（１）Ｚｎ５〜１１重量％、Ｍｇ２〜４．５重量％、Ｃｕ０．５〜２重量％、Ｍｎ２〜６重量％及びＡｇ０．０１〜０．５重量％含み、残部が実質的にＡｌからなるＡｌ合金急冷凝固粉末を予備成形する第１工程、
（２）前記予備成形体１００ｇに対する不活性ガス流量が１リットル／分〜１００リットル／分である不活性ガス雰囲気中で温度４５０℃〜５５０℃及び押し出し比２０〜１００の範囲で前記予備成形体を熱間固化成形する第２工程、及び
（３）前記成形体を時効処理する第３工程
を含むことを特徴とする。
＜第１工程＞
第１工程では、Ｚｎ５〜１１重量％、Ｍｇ２〜４．５重量％、Ｃｕ０．５〜２重量％、Ｍｎ２〜６重量％及びＡｇ０．０１〜０．５重量％含み、残部が実質的にＡｌからなるＡｌ合金急冷凝固粉末を予備成形する。

Ａｌ合金急冷凝固粉末
本発明においては、出発原料としてＺｎ５〜１１重量％、Ｍｇ２〜４．５重量％、Ｃｕ０．５〜２重量％、Ｍｎ２〜６重量％及びＡｇ０．０１〜０．５重量％含み、残部が実質的にＡｌからなるＡｌ合金急冷凝固粉末を用いる。

このような粉末は、公知の製法により作製することができる。例えば、Ｚｎ５〜１１重量％、Ｍｇ２〜４．５重量％、Ｃｕ０．５〜２重量％、Ｍｎ２〜６重量％及びＡｇ０．０１〜０．５重量％を含み、残余が実質的にＡｌからなる組成のＡｌ基合金の溶湯をアトマイズすることにより得ることができる。このようなＡｌ基合金は、通常のＡｌ合金が含有する程度の量の不可避的不純物（Ｆｅ、Ｓｉ等）を含んでいても良い。

Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｕに関し、これらの添加元素量が多すぎる場合には、急冷凝固を経たとしても、これらの添加元素は、Ａｌ中に固溶できないため、粗大な晶出物を形成し、Ａｌ合金の引張強度低下の原因となるため好ましくない。一方、これら添加元素量が少なすぎる場合には、ＧＰゾーン等の微細析出相の体積分率が減少するため、分散析出によるＡｌ合金の引張強度改善への寄与が薄れる。従って、本発明においては、Ａｌ合金中の添加量をＺｎ５〜１１重量％、Ｍｇ２〜４．５重量％及びＣｕ０．５〜２重量％とする。

本発明においては、さらにＭｎ２〜６重量％（好ましくは３〜５重量％）を配合することを必須とする。このＭｇの配合により、結晶粒径の微細化、金属間化合物Ａｌ_６Ｍｎの形成に起因する転位密度の増大による加工硬化等の効果が達成され、成形材の引張強度が改善される。また、この金属間化合物は、押し出し方向に沿って、細長い板状に形成されていることが確認されており、これは繊維状の補強材的にも働いている。Ｍｎ含有量が２重量％未満である場合には、結晶粒微細化の効果が十分でなくなる。一方、Ｍｎ含有量が６重量％を上回る場合には、Ａｌ₆Ｍｎの粗大な析出物が形成されるため、好ましくない。

本発明においては、さらにＡｇ０．０１〜０．５重量％（好ましくは、０．０１〜０．１重量％）を配合することを必須とする。このＡｇの配合により、Ａｌ合金急冷凝固粉末を成形した材料の時効処理後の引張強度が著しく改善される。

本発明では、必要に応じてＺｒを０．０１〜２重量％の範囲で添加することにより、アルミニウム合金成形材の引張強度及び耐力をさらに向上させることができる。Ｚｒの添加量が、０．０１重量％未満の場合には、添加による効果の改善が十分でないのに対し、２重量％を上回る場合には、粗大析出物の形成により、むしろ引張強度低下の原因となることがある。

また、不可避的不純物であるＦｅ及びＳｉをそれぞれ０．２重量％以下とすることにより、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の粗大な晶出物の形成を抑制し、さらに引張強度を改善することができる。Ｆｅ及びＳｉ含有量の下限値は特に限定されないが、工業的にはそれぞれ０．０１重量％程度である。

アトマイズは、空気アトマイズ法、Ａｒ、Ｈｅ等を用いる不活性ガスアトマイズ法、Ｎ_２ガスアトマイズ法等の任意の方式を採用することができる。アトマイズに際しては、Ａｌ基合金溶湯を１０^２Ｋ／秒以上の冷却速度で凝固させる。

上記のＡｌ合金急冷凝固粉末の平均粒径は７５μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下である。平均粒径下限は製造可能であれば特に限定されないが、通常は１μｍ以上である。粉末粒径が７５μｍを超えると、比表面積が減少して、引張強度及び耐力の増大に寄与する表面酸化皮膜量が減少するおそれがある。

なお、本発明の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定法による値を示す。粉末形状も限定されず、例えば涙滴状、真球状、回転楕円体状、フレーク状、不定形状等いずれであっても良い。

予備成形
Ａｌ合金急冷凝固粉末の予備成形は、冷間静水圧あるいは一軸のプレス加工により冷間圧縮成形すれば良い。圧縮成形時の圧力は、得られた予備成形材が次工程まで工業的に取り扱える範囲とすれば良い。
＜第２工程＞
第２工程では、前記予備成形体１００ｇに対する不活性ガス流量が１リットル／分〜１００リットル／分である不活性ガス雰囲気中で温度４５０℃〜５５０℃及び押し出し比２０〜１００の範囲で前記予備成形体を熱間固化成形する。

Ａｌ合金急冷凝固粉末表面には、表面酸化皮膜とともに多くの水分が吸着している。特に、Ｚｎ及びＭｇを含む合金は水分を吸着しやすい。また、予備成形時には、これらの水分が除去される機会はない。水分が多く残存していると、容体化処理時に水素ガスとなり成型材中にボイドを形成し、引張強度及び耐力を低下させるおそれがある。

予備成形体１００ｇに対する不活性ガス流量が１リットル／分〜１００リットル／分とし、好ましくは５リットル／分〜６０リットル／分とする。前記不活性ガス流量が１リットル／分未満では、水分が十分除去されない。不活性ガス流量の上限値は特に限定されないが、１００リットル／分程度でその効果は飽和する。雰囲気の不活性ガスは特に限定されず、窒素、アルゴン等の露点の低いガスが好適に使用される。

不活性ガス流量時間は、予備成形体の大きさ等な応じて適宜設定することができるが、一般的には１０分〜１０時間程度とすることが好ましい。

固化成形温度は、４５０〜５５０℃、好ましくは４６０〜５２０℃である。固化成形温度が５５０℃を超えると粉末が溶融し始めるため好ましくない。また、４６０未満になると固化時に成型圧力が高くなるおそれがある。

押出比は、２０以上１００以下、好ましくは３０以上６０以下である。押出比が２０より小さいとＡｌ合金急冷凝固粉末の表面酸化皮膜が十分に破壊されず、Ａｌ合金急冷凝固粉末の新生面が不足して固化成形体内の結合力が低下して高い引張強度及び耐力が得られなくなるおそれがある。また、押出比が１００を超えると設備の負荷が増大するので好ましくない。
＜第３工程＞
第３工程では、前記成形体を時効処理する。時効処理に先立って溶体化処理することもできる。溶体化処理を行う場合、容体化処理温度は４５０℃〜５１０℃、容体化処理時間は１〜１０時間程度とすれば良い。また、時効処理温度及び時間は、縦軸に温度、横軸に時間をとったグラフにおいて、１００℃・４０時間、１００度・１００時間、１４０℃・１時間及び１４０℃・４時間の４点で囲まれる範囲内に設定することが好ましい。

以下に実施例及び比較例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明らかにする。ただし、本発明は、実施例に限定されない。

実施例１〜１５及び比較例１〜１４
表１に示す合金組成を有するＡｌ地金を調製し、アトマイズ機に付属する高周波熔解炉により融解し、空気アトマイズ法により急冷凝固粉末とした。得られたＡｌ合金急冷凝固粉末を１５０μｍ以下、７５μｍ以下又は４４μｍ以下に分級し、１．５ｔｏｎ／ｃｍ^２の冷間静水圧で直径３０ｍｍ、長さ７０ｍｍの丸棒型予備成型材を作製した。

得られた予備成型材を、表２に示す条件でアルゴンガス中にて熱間固化成形した。次いで、熱間固化成形から試験片を切り出し、４９０℃で溶体化処処理後焼き入れし、１２０℃２４時間の時効処理を行い、アルミニウム合金成形材を得た。

表３に各アルミニウム合金成形材の合金番号、製造工程、引張強度及び耐力を示す。また、表３には従来例として、市販の７０７５合金を調整し、同様に作製、評価した。

Claims (4)

1. （１）Ｚｎ５〜１１重量％、Ｍｇ２〜４．５重量％、Ｃｕ０．５〜２重量％、Ｍｎ２〜６重量％及びＡｇ０．０１〜０．５重量％含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ合金急冷凝固粉末を予備成形する第１工程、
   （２）残存水分が溶体化処理時に水素ガスとなり成型材中にボイドを形成しないように、前記予備成形体１００ｇに対する不活性ガス流量が１リットル／分〜１００リットル／分となるように、前記予備成形体に不活性ガスを１０分〜１０時間流しながら、前記予備成形体を温度４５０℃〜５５０℃にし、押し出し比３０〜６０の範囲で前記予備成形体を熱間固化成形する第２工程、及び
   （３）前記成形体を時効処理する第３工程
   を含むアルミニウム合金成形材の製造方法によって得られる、耐力８５ｋｇ／ｍｍ^２以上のアルミニウム合金成形材。
2. Ａｌ合金急冷凝固粉末がＺｒ０．０１〜２．０重量％をさらに含有する、請求項１に記載のアルミニウム合金成形材。
3. Ａｌ合金急冷凝固粉末がＦｅ０．０１〜０．２重量％及びＳｉ０．０１〜０．２重量％をさらに含有する、請求項１又は２に記載のアルミニウム合金成形材。
4. Ａｌ合金急冷凝固粉末の平均粒径が７５μｍ未満である、請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム合金成形材。