CN109477169A - 铝合金塑性加工材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低杨氏模量且屈服强度也优异的铝合金塑性加工材料及其有效的制造方法。本发明所涉及的铝合金塑性加工材料含有5.0～10.0wt％的Ca，剩余部分由铝和不可避免的杂质构成，具有以体积率计为25％以上的作为分散相的Al₄Ca相。另外，Al₄Ca相由四方晶的Al₄Ca相和单斜晶的Al₄Ca相构成，利用X射线衍射测定得到的四方晶所产生的最大衍射峰(I₁)与单斜晶所产生的最大衍射峰(I₂)的强度比(I₁/I₂)为1以下。

Description

铝合金塑性加工材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种低杨氏模量且具有优异的屈服强度的铝合金塑性加工材料及其制造方法。

背景技术

铝具有耐腐蚀性、导电性、导热性、轻质性、光亮性、切削性等多种优异的特性，因此，被应用于各种各样的用途。另外，由于塑性变形抗力小，因此能够赋予各种形状，大多数也被用于实施弯曲加工等塑性加工的部件。

在此，在铝合金的刚度高的情况下，进行弯曲加工等塑性加工时，存在回弹量变大，从而难以获得尺寸精度这样的问题。在这样的状况下，迫切期望低杨氏模量的铝合金材料，并且进行了降低铝合金材料的杨氏模量的方法的研究。

例如，在专利文献1(日本特开2011-105982号公报)中提出了一种包含Al相和Al₄Ca相的铝合金，其特征在于，该Al₄Ca相含有Al₄Ca结晶物，该Al₄Ca结晶物的长边的平均值为50μm以下。

在上述专利文献1所公开的铝合金中，随着基质中的Al₄Ca结晶物的重排，移动变得容易，因此，能够显著地提高铝合金的轧制加工性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-105982号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，例如电气设备的端子等所代表的那样，对使用了铝合金的制品的尺寸精度的要求越来越严格，要求维持屈服强度(proof stress)并且刚度更低的铝合金。在这样的背景下，现状是利用上述专利文献1的铝合金无法充分满足该要求。

鉴于以上的现有技术的问题点，本发明的目的在于提供一种更低的杨氏模量且屈服强度也优异的铝合金塑性加工材料及其有效的制造方法。

用于解决课题的技术方案

本发明人们为了达成上述目的，对铝合金塑性加工材料及其制造方法反复进行专门研究，其结果发现：使用Al₄Ca相作为分散相并适当控制该Al₄Ca相的晶体结构等是极其有效的，从而完成本发明。

即，本发明提供一种铝合金塑性加工材料，其特征在于：

含有5.0～10.0wt％的Ca，

剩余部分由铝和不可避免的杂质构成，

作为分散相的Al₄Ca相的体积率为25％以上，

上述Al₄Ca相由四方晶的Al₄Ca相和单斜晶的Al₄Ca相构成，

利用X射线衍射测定得到的上述四方晶所产生的最大衍射峰(I₁)与上述单斜晶所产生的最大衍射峰(I₂)的强度比(I₁/I₂)为1以下。

通过添加Ca而形成Al₄Ca的化合物，具有降低铝合金的杨氏模量的作用。该效果在Ca的含量为5.0％以上时变得显著，相反地超过10.0％添加时，铸造性下降，特别是利用DC铸造等连续铸造的铸造变得困难，因此，产生利用粉末冶金法等制造成本高的方法进行制造的必要性。利用粉末冶金方法进行制造时，形成于合金粉末表面的氧化物混入制品中，可能会降低屈服强度。

在本发明的铝合金塑性加工物中，用作分散相的Al₄Ca相的晶体结构基本上为四方晶，但本申请发明人进行了专门研究，结果明确了，在Al₄Ca相中存在晶体结构为单斜晶的相时，屈服强度下降不大，另一方面，杨氏模量大大降低。在此，在使Al₄Ca相的体积率为25％以上，且利用X射线衍射测定得到的上述四方晶所产生的最大衍射峰(I₁)与上述单斜晶所产生的最大衍射峰(I₂)的强度比(I₁/I₂)为1以下时，能够维持屈服强度，并大大降低杨氏模量。

另外，在本发明的铝合金塑性加工材料中，优选还含有Fe：0.05～1.0wt％、Ti：0.005～0.05wt％中的任意1种以上。

通过使铝合金含有Fe，凝固温度范围(固液共存区域)变大，由此铸造性提高，铸锭的铸件表面被改善。另外，还具有通过Fe的分散结晶物使共晶组织均匀的作用。该效果在Fe的含量为0.05wt％以上时变得显著，相反地含量超过1.0wt％时，共晶组织变粗，可能会降低屈服强度。

Ti作为铸造组织的微细化材料发挥作用，呈现提高铸造性、挤出性、轧制性的作用。该效果在Ti的含量为0.005wt％以上时变得显著，相反地即使超过0.05wt％添加，也无法期待增加铸造组织的微细化的效果，相反地可能生成作为破坏的起点的粗大的金属间化合物。铸造时，优选使用硬化合金棒(rod hardner)(Al-Ti-B合金)来添加Ti。另外，此时容许作为硬化合金棒而与Ti一起被添加的B。

另外，在本发明的铝合金塑性加工物中，优选上述Al₄Ca相的平均结晶粒径为1.5μm以下。Al₄Ca相的平均粒径过大时，铝合金的屈服强度下降，但通过使平均粒径成为1.5μm以下，能够抑制该屈服强度的下降。

另外，本发明还提供一种铝合金塑性加工材料的制造方法，其特征在于，具有：

对铝合金铸锭实施塑性加工的第一工序，其中，所述铝合金铸锭含有5.0～10.0wt％的Ca，剩余部分由铝和不可避免的杂质构成，作为分散相的Al₄Ca相的体积率为25％以上；和

以100～300℃的温度范围实施热处理的第二工序。

通过在对含有5.0～10.0wt％的Ca，剩余部分由铝和不可避免的杂质构成，并且作为分散相的Al₄Ca相的体积率为25％以上的铝合金铸锭实施塑性加工的第一工序之后，以100～300℃的温度范围实施热处理(第二工序)，能够使晶体结构为四方晶的Al₄Ca相的一部分转变成单斜晶。

使第二工序的保持温度小于100℃时，难以发生从四方晶向单斜晶的转变；使保持温度成为300℃以上时，发生铝母材的再结晶，屈服强度可能会下降。另外，热处理的更优选的温度范围为160～240℃。另外，合适的热处理时间因铝合金材料的大小和形状等而不同，优选至少将铝合金材料自身的温度保持在保持温度1小时以上。

另外，在本发明的铝合金塑性加工材料的制造方法中，优选上述铝合金铸锭含有Fe：0.05～1.0wt％、Ti：0.005～0.05wt％中的任意1种以上。

通过使铝合金含有Fe，凝固温度范围(固液共存区域)变大，由此铸造性提高，铸锭的铸件表面被改善。另外，还具有通过Fe的分散结晶物使共晶组织均匀的作用。该效果在Fe的含量为0.05wt％以上时变得显著，相反地含量超过1.0wt％时，共晶组织变粗，可能会使屈服强度降低。

Ti作为铸造组织的微细化材料发挥作用，呈现提高铸造性、挤出性、轧制性的作用。该效果在Ti的含量为0.005wt％以上时变得显著，相反地即使超过0.05wt％添加，也无法期待增加铸造组织的微细化的效果，相反地可能生成作为破坏的起点的粗大的金属间化合物。铸造时，优选使用硬化合金棒(Al-Ti-B合金)来添加Ti。另外，此时容许作为硬化合金棒而与Ti一起被添加的B。

另外，在本发明的铝合金塑性加工材料的制造方法中，优选在上述第一工序之前，不进行保持在400℃以上的温度的热处理。

一般而言，制造铝合金时，在对铸锭进行塑性加工前，进行保持在400～600℃之间的均质化处理，但进行该均质化处理时，铝合金所含的Al₄Ca相容易变大，平均粒径会大于1.5μm。由于该平均粒径增大而造成屈服强度下降，因此，优选不进行保持温度为400℃以上的均质化处理。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种兼具优异的屈服强度和低的杨氏模量的铝合金塑性加工材料及其有效的制造方法。

附图说明

图1是关于本发明的铝合金塑性加工材料的制造方法的工序图。

图2是铝合金塑性加工材料的X射线衍射图。

图3是实施铝合金塑性加工材料3的组织照片。

图4是比较铝合金塑性加工材料8的组织照片。

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边对本发明的铝合金塑性加工材料及其制造方法进行详细地说明，但本发明并不限定于此。

1.铝合金塑性加工材料

(1)组成

本发明的铝合金塑性加工材料含有5.0～10.0wt％的Ca，剩余部分由铝和不可避免的杂质构成。另外，优选还含有Fe：0.05～1.0wt％、Ti：0.005～0.05wt％中的任意1种以上。

以下，对各成分元素分别进行说明。

Ca：5.0～10.0wt％(优选6.0～8.0wt％)

Ca形成Al₄Ca的化合物，具有降低铝合金的杨氏模量的作用。该效果在5.0％以上时变得显著，相反地超过10.0％添加时，铸造性会下降，特别是利用DC铸造等连续铸造的铸造变得困难，因此，产生使用粉末冶金法等制造成本高的方法的必要性。利用粉末冶金方法进行制造时，形成于合金粉末表面的氧化物混入制品中，可能会使屈服强度降低。

Fe：0.05～1.0wt％

通过含有Fe，凝固温度范围(固液共存区域)变大，铸造性提高，铸锭的铸件表面被改善。另外，还具有通过Fe的分散结晶物使共晶组织均匀的作用。该效果在0.05wt％以上时变得显著，相反地含量超过1.0wt％时，共晶组织变粗，可能会使屈服强度降低。

Ti：0.005～0.05wt％

Ti作为铸造组织的微细化材料发挥作用，呈现提高铸造性、挤出性、轧制性的作用。该效果在0.005wt％以上时变得显著，相反地即使超过0.05wt％添加，也无法期待增加铸造组织的微细化的效果，相反地可能生成作为破坏的起点的粗大的金属间化合物。铸造时，优选使用硬化合金棒(Al-Ti-B合金)来添加Ti。另外，此时容许作为硬化合金棒而与Ti一起被添加的B。

其他的成分元素

只要不损害本发明的效果，就容许含有其他的元素。

(2)组织

关于本发明的铝合金塑性加工材料，作为分散相的Al₄Ca相的体积率为25％以上，Al₄Ca相由四方晶的Al₄Ca相和单斜晶的Al₄Ca相构成，利用X射线衍射测定得到的四方晶所产生的最大衍射峰(I₁)与单斜晶所产生的最大衍射峰(I₂)的强度比(I₁/I₂)为1以下。

在作为分散相的Al₄Ca相中存在四方晶的Al₄Ca相和单斜晶的Al₄Ca相，将它们合计的Al₄Ca相的体积率为25％以上。通过使Al₄Ca相的体积率为25％以上，能够赋予铝合金塑性加工材料优异的屈服强度。

另外，无论哪种晶体结构，Al₄Ca相的平均结晶粒径都优选为1.5μm以下。该平均粒径超过1.5μm时，铝合金塑性加工材料的屈服强度可能会下降。

Al₄Ca相的晶体结构通常为四方晶，但本申请发明人进行了专门研究，结果发现：在Al₄Ca相中存在晶体结构为单斜晶的相时，屈服强度几乎不下降，但杨氏模量大大降低。另外，不需要Al₄Ca相的晶体结构全部为单斜晶，可以是与四方晶混合的状态。晶体结构为单斜晶的Al₄Ca相的存在例如可以通过利用X射线衍射法测定衍射峰而进行特定。

关于Al₄Ca相，四方晶所产生的最大衍射峰(I₁)与单斜晶所产生的最大衍射峰(I₂)的强度比(I₁/I₂)可以通过使用了Cu-Kα射线源的通常的X射线衍射测定而得到。另外，四方晶Al₄Ca的晶格常数为a＝0.4354、c＝1.118，正交晶Al₄Ca的晶格常数为a＝0.6158、b＝0.6175、c＝1.118、β＝88.9°。

2.铝合金塑性加工材料的制造方法

将本发明的铝合金塑性加工材料的工序图示于图1。本发明的铝合金塑性加工材料的制造方法具有对铝合金铸锭实施塑性加工的第一工序(S01)和实施热处理的第二工序(S02)。以下，对各工序等进行说明。

(1)铸造

通过对具有上述的本发明的铝合金塑性加工材料的组成的铝合金熔液实施目前公知的除渣处理、除气处理、过滤处理等熔液净化处理后，铸成规定的形状，由此能够得到铸锭。

对铸造方法没有特别限定，可以使用目前公知的各种铸造方法，例如优选使用DC铸造等连续铸造法，铸造成容易进行第一工序(S01)的塑性加工(挤出、轧制、锻造等)的形状。另外，铸造时，也可以添加硬化合金棒(Al-Ti-B)来提高铸造性。

一般而言，制造铝合金时，在对铸锭进行塑性加工前，进行保持在400～600℃的均质化处理，但进行均质化处理时，Al₄Ca相容易变大(平均粒径大于1.5μm)，铝合金的屈服强度下降，因此，在本发明的铝合金塑性加工材料的制造方法中，优选不进行该均质化处理。

(2)第一工序(S01)

第一工序(S01)是对(1)中得到的铝合金铸锭实施塑性加工而形成目标形状的工序。

挤出、轧制、锻造等塑性加工也可以使用热加工和冷加工中的任一种，另外，还可以将它们多个组合。通过进行该塑性加工，铝合金形成加工组织，屈服强度提高。另外，在进行塑性加工的阶段，铝合金所含的大部分Al₄Ca相的晶体结构为四方晶。

(3)第二工序(S02)

第二工序(S02)是对第一工序(S01)中得到的铝合金塑性加工材料实施热处理的工序。

通过对第一工序(S01)中实施塑性加工后的铝合金塑性加工材料进行保持在100～300℃的热处理，能够使晶体结构为四方晶的Al₄Ca相的一部分成为单斜晶。保持温度小于100℃时，难以发生从该四方晶向单斜晶的转变。另一方面，保持温度为300℃以上时，发生铝母材的再结晶，屈服强度可能会下降，因此，热处理的保持温度优选为100～300℃，更优选为160～240℃。

另外，最佳的热处理时间因作为处理对象的铝合金塑性加工材料的大小、形状等而不同，优选至少将铝合金塑性加工材料的温度保持在上述保持温度下1小时以上。

以上，对本发明的代表性的实施方式进行了说明，但本发明不只限定于此，能够进行各种设计变更，这些设计变更全部包含在本发明的技术范围内。

实施例

《实施例》

利用DC铸造法，将具有表1所示的组成的铝合金铸造成英寸的铸锭(坯)后，不进行均质化处理，以挤出温度500℃塑性加工成宽度180mm×厚度8mm的平板状。之后，冷轧至厚度5mm后，进行在200℃下保持4hr的热处理，得到实施铝合金塑性加工材料。

[表1]

(单位：wt％)

对所得到的实施铝合金塑性加工材料3实施X射线衍射，测定Al₄Ca相的峰位置。另外，关于X射线衍射法，从板状的铝合金塑性加工材料切出20mm×20mm的试样，削去表层部约500μm后，利用Cu-Kα射线源进行θ-2θ的测定。将所得到的结果示于图2。另外，求出四方晶所产生的最大衍射峰(I₁)与单斜晶所产生的最大衍射峰(I₂)的强度比(I₁/I₂)，结果为0.956。

另外，从实施铝合金塑性加工材料1～5切出JIS-14B号试验片，利用拉伸试验测定杨氏模量和屈服强度。将所得到的结果示于表2。此外，将由利用光学显微镜得到的组织观察结果算出的分散相(Al₄Ca相)的体积率也示于表2。

除了使热处理的温度为100℃、160℃、240℃和300℃中的任一个以外，与实施铝合金塑性加工材料3的情形同样地操作，得到实施铝合金塑性加工材料6～9。另外，与实施铝合金塑性加工材料1～5的情形同样地，利用拉伸试验测定杨氏模量和屈服强度。将所得到的结果示于表3。

《比较例》

利用DC铸造法，将具有表1所示的组成的铝合金铸造成英寸的铸锭(坯)后，不进行均质化处理，以挤出温度500℃塑性加工成宽度180mm×厚度8mm的平板状。之后，冷轧至厚度5mm，得到比较铝合金塑性加工材料1～5(没有热处理)。

对所得到的比较铝合金塑性加工材料3实施X射线衍射，测定Al₄Ca相的峰位置。另外，关于X射线衍射法，从板状的铝合金塑性加工材料切出20mm×20mm的试样，削去表层部约500μm后，利用Cu-Kα射线源进行θ-2θ的测定。将所得到的结果示于图2。另外，求出四方晶所产生的最大衍射峰(I₁)与单斜晶所产生的最大衍射峰(I₂)的强度比(I₁/I₂)，结果为1.375。

另外，从比较铝合金塑性加工材料1～5切出JIS-14B号试验片，利用拉伸试验测定杨氏模量和屈服强度。将所得到的结果示于表2。

除了使热处理的温度成为90℃或310℃中的任一个以外，与实施铝合金塑性加工材料3的情形同样地操作，得到比较铝合金塑性加工材料6和7。另外，与比较铝合金塑性加工材料1～5的情形同样地，利用拉伸试验测定杨氏模量和屈服强度。将所得到的结果示于表3。

铸造成铸锭(坯)后，进行保持在550℃的均质化处理，除此以外，与实施铝合金塑性加工材料3同样地操作，得到比较铝合金塑性加工材料8。另外，从比较铝合金塑性加工材料8切出JIS-14B号试验片，利用拉伸试验测定杨氏模量和屈服强度。将所得到的结果示于表4。另外，作为比较数据，将只是均质化处理的有无不同的实施铝合金塑性加工材料3的杨氏模量和屈服强度也示于表4。

[表2]

根据表2的结果，将具有相同的组成的实施铝合金塑性加工材料和比较铝合金塑性加工材料进行比较时，本发明的铝合金塑性加工材料(实施铝合金塑性加工材料1～5)的杨氏模量与不实施热处理的比较铝合金塑性加工材料1～5的杨氏模量相比，大幅降低。另一方面，实施铝合金塑性加工材料1～5的屈服强度和拉伸强度与比较铝合金塑性加工材料1～5相比，下降不大。还可知，本发明的铝合金塑性加工材料中的分散相(Al₄Ca相)的体积率为25％以上。

[表3]

根据表3的结果，热处理的保持温度为90℃时(比较铝合金塑性加工材料6)，杨氏模量显示高的值(几乎不下降)。另外，热处理的保持温度为310℃时(比较铝合金塑性加工材料7)，发现杨氏模量下降，同时屈服强度和拉伸强度也下降。由该结果可以想到，热处理的保持温度为310℃时，进行了塑性加工组织的再结晶。

将实施铝合金塑性加工材料3和比较铝合金塑性加工材料8的利用光学显微镜得到的组织照片分别示于图3和图4。在该组织照片中，黑色区域为Al₄Ca相，利用图像分析测定Al₄Ca相的平均结晶粒径。将所得到的结果示于表4。

[表4]

根据表4的结果，实施保持在550℃的均质化处理时(比较铝合金塑性加工材料8)，发现屈服强度和拉伸强度下降。其中，由于均质化处理，Al₄Ca相的平均结晶粒径增大，成为1.56μm。可以认为，由于该平均结晶粒径的增大，屈服强度和拉伸强度下降。

Claims (6)

1.一种铝合金塑性加工材料，其特征在于：

含有5.0～10.0wt％的Ca，

剩余部分由铝和不可避免的杂质构成，

作为分散相的Al₄Ca相的体积率为25％以上，

所述Al₄Ca相由四方晶的Al₄Ca相和单斜晶的Al₄Ca相构成，

利用X射线衍射测定得到的所述四方晶所产生的最大衍射峰I₁与所述单斜晶所产生的最大衍射峰I₂的强度比I₁/I₂为1以下。

2.如权利要求1所述的铝合金塑性加工材料，其特征在于：

还含有Fe：0.05～1.0wt％、Ti：0.005～0.05wt％中的任意1种以上。

3.如权利要求1或2所述的铝合金塑性加工材料，其特征在于：

所述Al₄Ca相的平均结晶粒径为1.5μm以下。

4.一种铝合金塑性加工材料的制造方法，其特征在于，

具有：

对铝合金铸锭实施塑性加工的第一工序，其中，所述铝合金铸锭含有5.0～10.0wt％的Ca，剩余部分由铝和不可避免的杂质构成，作为分散相的Al₄Ca相的体积率为25％以上；和

以100～300℃的温度范围实施热处理的第二工序。

5.如权利要求4所述的铝合金塑性加工材料的制造方法，其特征在于：

所述铝合金铸锭含有Fe：0.05～1.0wt％、Ti：0.005～0.05wt％中的任意1种以上。

6.如权利要求4或5所述的铝合金塑性加工材料的制造方法，其特征在于：

在所述第一工序之前，不进行保持在400℃以上的温度的热处理。