JP4996854B2 - 高温高速成形用アルミニウム合金材及びその製造方法、並びにアルミニウム合金成形品の製造方法 - Google Patents
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最近では、高温成形時のひずみ速度を従来よりも一桁以上大きくして、例えば10-2〜1/sのひずみ速度として、生産性を大幅に高める高温高速成形に関する技術が例えば次の特許文献2〜7に開示されている。
(1)Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる高温高速成形用アルミニウム合金材であって、
Mn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子が300,000個/mm 2 以上の分布密度で存在していることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材、
(2)Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%を含有し、さらに、Cr:0.05〜0.5mass%、V:0.01〜0.1mass%、Sc:0.01〜0.4mass%、Ti:0.001〜0.1mass%、B:0.0001〜0.05mass%、Be:0.0001〜0.01mass%のうち1種又は2種以上を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる高温高速成形用アルミニウム合金材であって、
Mn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子が300,000個/mm 2 以上の分布密度で存在していることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材、
(3)Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%、Cu:0.05〜1.0mass%を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる高温高速成形用アルミニウム合金材であって、
Mn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子が300,000個/mm 2 以上の分布密度で存在していることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材、
(4)Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%、Cu:0.05〜1.0mass%を含有し、さらに、Cr:0.05〜0.5mass%、V:0.01〜0.1mass%、Sc:0.01〜0.4mass%、Ti:0.001〜0.1mass%、B:0.0001〜0.05mass%、Be:0.0001〜0.01mass%のうち1種又は2種以上を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる高温高速成形用アルミニウム合金材であって、
Mn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子が300,000個/mm 2 以上の分布密度で存在していることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材、
(5)200〜550℃の温度、10-2〜10/secの歪速度における成形後に直ちに20℃/分以上の冷却速度で室温まで冷却を行う高温高速成形に用いられることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載の高温高速成形用アルミニウム合金材、
(6)Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金鋳塊に、350〜550℃、1〜48時間で均質化処理を行う工程と、前記均質化処理を経た合金鋳塊に熱間加工・冷間加工の両方又はいずれかを行う工程とを少なくとも含む工程によって、前記アルミニウム合金材中にMn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子を300,000個/mm2以上の分布密度で存在させることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材の製造方法、
(7)Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%を含有し、さらに、Cr:0.05〜0.5mass%、V:0.01〜0.1mass%、Sc:0.01〜0.4mass%、Ti:0.001〜0.1mass%、B:0.0001〜0.05mass%、Be:0.0001〜0.01mass%のうち1種又は2種以上を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金鋳塊に、350〜550℃、1〜48時間で均質化処理を行う工程と、前記均質化処理を経た合金鋳塊に熱間加工・冷間加工の両方又はいずれかを行う工程とを少なくとも含む工程によって、前記アルミニウム合金材中にMn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子を300,000個/mm2以上の分布密度で存在させることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材の製造方法、
(8)Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%、Cu:0.05〜1.0mass%を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金鋳塊に、350〜550℃、1〜48時間で均質化処理を行う工程と、前記均質化処理を経た合金鋳塊に熱間加工・冷間加工の両方又はいずれかを行う工程とを少なくとも含む工程によって、前記アルミニウム合金材中にMn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子を300,000個/mm2以上の分布密度で存在させることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材の製造方法、
(9)Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%、Cu:0.05〜1.0mass%を含有し、さらに、Cr:0.05〜0.5mass%、V:0.01〜0.1mass%、Sc:0.01〜0.4mass%、Ti:0.001〜0.1mass%、B:0.0001〜0.05mass%、Be:0.0001〜0.01mass%のうち1種又は2種以上を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金鋳塊に、350〜550℃、1〜48時間で均質化処理を行う工程と、前記均質化処理を経た合金鋳塊に熱間加工・冷間加工の両方又はいずれかを行う工程とを少なくとも含む工程によって、前記アルミニウム合金材中にMn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子を300,000個/mm2以上の分布密度で存在させることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材の製造方法、
(10)前記高温高速成形用アルミニウム合金材は、200〜550℃の温度、10-2〜10/secの歪速度における成形後に直ちに20℃/分以上の冷却速度で室温まで冷却を行う高温高速成形に用いられることを特徴とする(6)〜(9)のいずれか1項に記載の高温高速成形用アルミニウム合金材の製造方法、
(11)(1)〜(5)のいずれか1項に記載の高温高速成形用アルミニウム合金材を、200〜550℃の温度、10-2〜10/secの歪速度で高温高速成形し、直ちに20℃/分以上の冷却速度で室温まで冷却することにより、金属組織を亜結晶粒組織とすることを特徴とするアルミニウム合金成形品の製造方法
を提供するものである。
また、本発明でいう亜結晶粒組織とは、粒界角が15度以上の粒界を通常の結晶粒界、角度差が15度未満の粒界を亜結晶粒界として分類し、通常の結晶粒界と亜結晶粒界を合わせたすべての粒界に占める亜結晶粒界の割合の平均値が5%以上である組織をいう。
先ず、合金成分の限定理由を以下に示す。
本発明において、マグネシウム(Mg)の含有量は2.0〜8.0mass%である。Mgはアルミニウム(Al)に高温高速成形性を付与する必須元素であると同時に、固溶硬化により成形品の強度向上に寄与する。Mg量が2.0mass%より少ないと十分な高温高速成形伸びが得られないと同時に、成形品の強度が大きく低下する。またMg量が8.0mass%より多いと熱間圧延性が大幅に低下して、圧延により高温高速成形用の素材を製造することが困難となる。Mgの含有量は2.4〜7.6mass%が好ましい。
本発明において、MnおよびZrは必須元素である。これらは鋳造に引き続いて通常行われる均質化処理によってマトリクス中に均一且つ密に分散粒子として析出して、高温高速成形時に結晶粒内に形成される亜結晶粒組織を安定化させ、成形中および成形終了後の再結晶により亜結晶組織が消滅することを防止する。これにより、高温高速成形伸びを増大させると同時に、成形品の強度向上に寄与する。
Fe・Siは高温高速成形用アルミニウム合金材の結晶粒を微細化することにより、高温高速成形性を高める効果を有する。具体的には、高温高速成形用アルミニウム合金材の製造工程である冷間加工後の焼鈍時に、Fe・Siを主成分とする1〜5μm程度の大きさの晶出物が核となって再結晶が生じることによって、高温高速成形用のアルミニウム合金材の結晶粒径が微細化し、その後の高温高速成形性が向上する。Fe・Si量が0.06mass%より少ないと上述の効果に乏しく、Fe・Si量が0.4mass%よりも多いと鋳造時に巨大な金属間化合物が発生して、高温高速成形時に破壊の起点となることによって、高温高速成形性が大幅に低下する。Siの含有量は0.10〜0.35mass%が好ましく、Feの含有量は0.10〜0.35mass%が好ましい。
Cr・V・ScはいずれもMn・Zrと同様に均質化処理によってマトリックス中に分散粒子として析出し、高温高速成形時に形成される亜結晶粒組織の安定化に寄与することによって、高温高速成形性を向上させると同時に、成形品の強度を向上させる効果がある。Cr量が0.05mass%以下、V量が0.01mass%以下、Sc量が0.01mass%以下では、これらの効果に乏しい。一方、Cr量が0.5mass%以上、V量が0.1mass%以上、Sc量が0.4mass%以上では、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成して、高温高速成形性が大幅に低下してしまう。それぞれ含有させる場合には、Crの含有量は0.05〜0.35mass%が好ましく、Vの含有量は0.02〜0.08mass%が好ましく、Scの含有量は0.05〜0.25mass%が好ましい。
さらに高温高速成形後の室温までの冷却速度を20℃/min以上とすることが好ましい。冷却速度が20℃/min以下の場合には、冷却過程で再結晶が生じることにより亜結晶粒が消滅して、成形品の強度が大幅に低下してしまう。高温高速成形後の室温までの冷却速度は、40℃/min以上がさらに好ましい。
表1に示す化学成分を有するアルミニウム合金を700℃で溶解し、DC鋳造法により鋳造した。得られた鋳塊を面削後、510℃×8時間の均質化処理してから、490℃で熱間圧延を開始し280℃で板厚を5mmとして熱間圧延を終了した。その後、400℃×3時間の中間焼鈍を行ってから、板厚1mmまで冷間圧延を行った。最後にこの冷間圧延板を520℃×20秒焼鈍して再結晶組織とした後に、以下の試験に供した。
次いで、これらの冷間圧延板より300mm角のサンプルを切り出し、不活性ガスの圧力を利用して成形を行う小型のブロー成形機を用いて高温高速ブロー成形を行った。金型には一辺250mmで高さ60mmの角筒金型を使用し、サンプルを成形機にセット後に加熱して500℃の成形温度に達した後、平均の歪み速度が約10-1/sとなるように不活性ガスの昇圧速度を制御して、高さ60mmの高温高速成形を行った。成形完了後直ちにサンプルを成形機より取り外し、40℃/min以上の冷却速度で室温まで冷却後した。角筒成形品の上面中央部より圧延方向にJIS5号引張試験片を採取して引張試験を行った。その結果得られた0.2%耐力値を表3に示した。
また比較例である合金材10はMg量が本発明の規定範囲以上であり、熱間圧延性が極めて悪く、圧延時に割れが発生したため、板厚1mmの供試材を作製するに至らなかった。
また比較例の合金材11および合金材12はそれぞれ規定量共添加されるべきMn・Zrの一方の量が本発明の範囲より少ないため、Mn・Zr系の分散粒子の分布密度が30,000個/mm2未満であり、なおかつ分布が不均一であったため、分布密度が低い領域で再結晶が生じることにより亜結晶粒組織が消滅した結果、十分な高温高速伸びが得られなかった。本結果はMnとZrを共添加することの有効性を裏付けている。また高温高速ブロー成形後の結晶組織では亜結晶粒組織が全面で消失していた。この場合の0.2%耐力は、Mg量がほぼ同等でかつ成形品が亜結晶組織により成っていた本発明例合金材1の0.2%耐力に比較して15MPa程度低い。これは本発明合金材が成形後も亜結晶粒組織を維持することにより強度の向上を図っていることを裏付けている。
比較例の合金材16はFe・Si量が本発明の範囲よりも少ないために高温高速成形伸びが不十分であった。
実施例1で作製した表1に示す本発明例合金材1の板厚1mmの供試材より引張試験片(圧延引張幅4mm、平行部長さ15mm)を作製し、表4に示す温度・ひずみ速度条件で150%の高温高速変形を与えた。その後直ちに表4に示す冷却速度で室温まで冷却した。この高温高速変形後の引張試験片の平行部中心領域より、結晶粒界解析用のサンプル(10mm×4mm)を採取して、実施例1で説明した方法により板厚方向中心面における結晶粒界解析を行ない、全結晶粒界に占める亜結晶粒界の割合を算出して、結果を表4にまとめた。実施例1の場合と同様に亜結晶粒界の割合が5%以上の場合を、組織が亜結晶粒より構成されていると判断した。なお、高温高速変形時に伸びが150%未満で破断した場合には、直ちに試験を中断して、サンプルを取り外して表4記載の冷却速度で室温まで冷却し、破断部近傍から結晶粒界解析用のサンプルを採取して、同様の方法で結晶粒界解析を実施した。
2 上面中心部
3 上面コーナー部
4 立ち上がり部
Claims (11)
- Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる高温高速成形用アルミニウム合金材であって、
Mn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子が300,000個/mm 2 以上の分布密度で存在していることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材。 - Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%を含有し、さらに、Cr:0.05〜0.5mass%、V:0.01〜0.1mass%、Sc:0.01〜0.4mass%、Ti:0.001〜0.1mass%、B:0.0001〜0.05mass%、Be:0.0001〜0.01mass%のうち1種又は2種以上を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる高温高速成形用アルミニウム合金材であって、
Mn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子が300,000個/mm 2 以上の分布密度で存在していることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材。 - Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%、Cu:0.05〜1.0mass%を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる高温高速成形用アルミニウム合金材であって、
Mn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子が300,000個/mm 2 以上の分布密度で存在していることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材。 - Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%、Cu:0.05〜1.0mass%を含有し、さらに、Cr:0.05〜0.5mass%、V:0.01〜0.1mass%、Sc:0.01〜0.4mass%、Ti:0.001〜0.1mass%、B:0.0001〜0.05mass%、Be:0.0001〜0.01mass%のうち1種又は2種以上を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる高温高速成形用アルミニウム合金材であって、
Mn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子が300,000個/mm 2 以上の分布密度で存在していることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材。 - 200〜550℃の温度、10-2〜10/secの歪速度における成形後に直ちに20℃/分以上の冷却速度で室温まで冷却を行う高温高速成形に用いられることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の高温高速成形用アルミニウム合金材。
- Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金鋳塊に、350〜550℃、1〜48時間で均質化処理を行う工程と、前記均質化処理を経た合金鋳塊に熱間加工・冷間加工の両方又はいずれかを行う工程とを少なくとも含む工程によって、前記アルミニウム合金材中にMn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子を300,000個/mm2以上の分布密度で存在させることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材の製造方法。
- Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%を含有し、さらに、Cr:0.05〜0.5mass%、V:0.01〜0.1mass%、Sc:0.01〜0.4mass%、Ti:0.001〜0.1mass%、B:0.0001〜0.05mass%、Be:0.0001〜0.01mass%のうち1種又は2種以上を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金鋳塊に、350〜550℃、1〜48時間で均質化処理を行う工程と、前記均質化処理を経た合金鋳塊に熱間加工・冷間加工の両方又はいずれかを行う工程とを少なくとも含む工程によって、前記アルミニウム合金材中にMn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子を300,000個/mm2以上の分布密度で存在させることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材の製造方法。
- Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%、Cu:0.05〜1.0mass%を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金鋳塊に、350〜550℃、1〜48時間で均質化処理を行う工程と、前記均質化処理を経た合金鋳塊に熱間加工・冷間加工の両方又はいずれかを行う工程とを少なくとも含む工程によって、前記アルミニウム合金材中にMn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子を300,000個/mm2以上の分布密度で存在させることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材の製造方法。
- Mg:2.0〜8.0mass%、Mn:0.05〜1.0mass%、Zr:0.01〜0.3mass%、Si:0.06〜0.4mass%、Fe:0.06〜0.4mass%、Cu:0.05〜1.0mass%を含有し、さらに、Cr:0.05〜0.5mass%、V:0.01〜0.1mass%、Sc:0.01〜0.4mass%、Ti:0.001〜0.1mass%、B:0.0001〜0.05mass%、Be:0.0001〜0.01mass%のうち1種又は2種以上を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金鋳塊に、350〜550℃、1〜48時間で均質化処理を行う工程と、前記均質化処理を経た合金鋳塊に熱間加工・冷間加工の両方又はいずれかを行う工程とを少なくとも含む工程によって、前記アルミニウム合金材中にMn及びZr系の析出物として直径10〜1000nmの金属間化合物粒子を300,000個/mm2以上の分布密度で存在させることを特徴とする高温高速成形用アルミニウム合金材の製造方法。
- 前記高温高速成形用アルミニウム合金材は、200〜550℃の温度、10-2〜10/secの歪速度における成形後に直ちに20℃/分以上の冷却速度で室温まで冷却を行う高温高速成形に用いられることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載の高温高速成形用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項に記載の高温高速成形用アルミニウム合金材を、200〜550℃の温度、10-2〜10/secの歪速度で高温高速成形し、直ちに20℃/分以上の冷却速度で室温まで冷却することにより、金属組織を亜結晶粒組織とすることを特徴とするアルミニウム合金成形品の製造方法。
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